WO2025254044A1 - 画像投影装置 - Google Patents

画像投影装置

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WO2025254044A1
WO2025254044A1 PCT/JP2025/019797 JP2025019797W WO2025254044A1 WO 2025254044 A1 WO2025254044 A1 WO 2025254044A1 JP 2025019797 W JP2025019797 W JP 2025019797W WO 2025254044 A1 WO2025254044 A1 WO 2025254044A1
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WO
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image
light
unit
display unit
projection device
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PCT/JP2025/019797
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English (en)
French (fr)
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龍人 加藤
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Koito Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Koito Manufacturing Co Ltd
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K35/00—Instruments specially adapted for vehicles; Arrangement of instruments in or on vehicles
    • B60K35/20—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor
    • B60K35/21—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor using visual output, e.g. blinking lights or matrix displays
    • B60K35/23—Head-up displays [HUD]
    • B60K35/233—Head-up displays [HUD] controlling the size or position in display areas of virtual images depending on the condition of the vehicle or the driver
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/1336—Illuminating devices
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/346—Image reproducers using prisms or semi-transparent mirrors
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/363—Image reproducers using image projection screens
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/64—Constructional details of receivers, e.g. cabinets or dust covers

Definitions

  • the present invention relates to an image projection device.
  • dashboards that illuminate icons have been used to display various types of information inside vehicles. Furthermore, as the amount of information to be displayed increases, it has been proposed to embed image display devices in dashboards or to configure the entire dashboard from image display devices.
  • HUDs head-up displays
  • an image projection unit emits light containing an image, which is then reflected by a free-form mirror or the like, and reaches the occupant's viewpoint so that the image is formed in space via a display unit such as a windshield. This allows the occupant to perceive the image as being displayed at the imaging position in the depth direction due to the light incident on the viewpoint. It has also been proposed to emit multiple beams of image light to form multiple virtual images at different distances from the windshield.
  • the present invention was developed in consideration of the above-mentioned conventional problems, and aims to provide an image projection device that can project multiple images onto different positions on the display unit while still being compact.
  • the image projection device of the present invention is an image projection device that projects a projection image onto a display unit for displaying a virtual image, and is equipped with an image irradiation unit that irradiates first image light and second image light, and a projection optical unit that forms an image of the first image light at a first distance from a viewpoint position via the display unit, and is characterized in that the image irradiation unit alternates between a first period in which the first image light is irradiated in a first direction and a second period in which the second image light is irradiated in a second direction.
  • the image irradiation unit alternates between a first period in which it emits first image light in a first direction and a second period in which it emits second image light in a second direction, making it possible to project multiple images onto different positions on the display unit while still achieving compactness.
  • the projection optical unit is provided in the first direction, and a black reflective area formed below the display unit is provided in the extension of the second direction.
  • the image irradiation unit includes an image display unit that displays a first image during the first period and a second image during the second period, a first light source unit that irradiates the image display unit with first irradiation light during the first period, and a second light source unit that irradiates the image display unit with second irradiation light during the second period.
  • the image display unit is a transmissive liquid crystal display device, which is arranged along a direction in which the light distribution of the first irradiation light and the second irradiation light is greatest, and which includes a first transmissive-reflector that reflects the first irradiation light toward a first surface of the transmissive liquid crystal display device, and a second transmissive-reflector that reflects the second irradiation light toward a second surface of the transmissive liquid crystal display device.
  • the first transmissive-reflective section transmits the second image light irradiated from the first surface
  • the second transmissive-reflective section transmits the first image light irradiated from the second surface
  • the image display unit is a transmissive liquid crystal display device
  • the first light source unit has a first light-emitting unit that emits the first irradiation light and a first light-guiding reflection unit that reflects the first irradiation light toward a first surface of the transmissive liquid crystal display device
  • the second light source unit has a second light-emitting unit that emits the second irradiation light and a second light-guiding reflection unit that reflects the second irradiation light toward the first surface of the transmissive liquid crystal display device.
  • the first light-guiding reflector reflects the first irradiation light in the first direction
  • the second light-guiding reflector reflects the second irradiation light in the second direction
  • the first image light is S-polarized light relative to the display unit
  • the second image light is P-polarized light relative to the display unit
  • the present invention provides an image projection device that can project multiple images onto different positions on the display while still being compact.
  • FIG. 3 is a schematic side cross-sectional view illustrating the projection of virtual images P1 and P2 using the image projection device 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 2A and 2B are schematic diagrams illustrating an example of the configuration of the image projection unit 10 according to the first embodiment and switching between the first image light and the second image light, in which Fig. 2A illustrates a case where the first irradiation light is emitted from the light-emitting element 11a during a first period, and Fig. 2B illustrates a case where the second irradiation light is emitted from the light-emitting element 11b during a second period.
  • 3A and 3B are schematic diagrams illustrating the incidence and transmission of image light in the image irradiation unit 10. Fig.
  • FIG. 3A shows a case where a first irradiation light is irradiated from the light-emitting element 11a in a first period
  • Fig. 3B shows a case where a second irradiation light is irradiated from the light-emitting element 11b in a second period
  • 10 is a graph showing the angle of incidence of image light on the transmissive-reflective portions 14a and 14b and the range of reflection.
  • 5A and 5B are schematic diagrams illustrating an example of the configuration of the image irradiation unit 10 according to the second embodiment and switching between the first image light and the second image light, in which Fig.
  • FIG. 5A shows a case where the first irradiation light is emitted from the light-emitting element 11a during a first period
  • Fig. 5B shows a case where the second irradiation light is emitted from the light-emitting element 11b during a second period.
  • FIG. 1 is a schematic side cross-sectional view illustrating the projection of virtual images P1 and P2 using the image projection device 100 according to this embodiment.
  • the image projection device 100 includes an image irradiation unit 10, a first mirror 20, and a second mirror 30.
  • the image projection device 100 is housed in the vehicle's dashboard DB and projects first and second image light onto the windshield WS and the lower windshield WSB located below it.
  • the first and second image light reflected by the windshield WS and the lower windshield WSB reach the driver's viewpoint E.
  • the driver sees virtual images P1 and P2 on an extension of the direction from which the first and second image light are incident.
  • FIG. 1 shows an example in which the second image light is reflected by the lower windshield WSB, a combiner or the like may be provided separately from the windshield WS to reflect the second image light.
  • the windshield WS, the lower windshield WSB, and the combiner correspond to the display unit in this invention.
  • each part is controlled using a control unit (not shown) that is connected to each part so that information can be communicated with them.
  • the configuration of the control unit is not limited, but one example is one that includes a CPU (Central Processing Unit) for information processing, a memory device, a recording medium, an information communication device, etc.
  • the control unit controls the operation of each part in accordance with a predetermined program, and sends information including an image (image information) to the image projection unit 10.
  • the image projection unit 10 is a part that, based on image information from the control unit, projects second image light (light containing an image) toward the lower windshield WSB (second direction), and projects first image light toward the first mirror 20 (first direction). Specific configuration examples of the image projection unit 10 will be described in detail below.
  • the polarization direction of the first image light is not limited, but it is preferable to use S-polarized light, which has a high reflectivity on the windshield WS.
  • the polarization direction of the second image light is not limited, but if the content of the second image includes information such as a speedometer, it is preferable to use P-polarized light, which ensures visibility even when the driver is wearing polarized sunglasses.
  • the image projection unit 10 alternately displays a far image and a near image within a single display area during a first period and a second period.
  • the far image displayed by the image projection unit 10 during the first period is reflected by the first mirror 20, the second mirror 30, and the windshield WS as far image light (first image light) and reaches the driver's viewpoint E, as shown by the solid line in FIG. 1.
  • the near image displayed by the image projection unit 10 during the second period is reflected by the lower windshield WSB as near image light (second image light) and reaches the driver's viewpoint E, as shown by the dashed-dotted line in FIG. 1.
  • Examples of far images include auxiliary information related to driving, such as cautionary images and emergency information.
  • Examples of near images include a speedometer, volume indicator, and driving direction guide.
  • the first mirror 20 is an optical element that receives the first image light emitted from the image projection unit 10 and reflects the first image light toward the second mirror 30. While FIG. 1 illustrates a flat mirror as the first mirror 20, a free-form mirror or the like may also be used.
  • the second mirror 30 is an optical element that receives the first image light reflected by the first mirror 20 and reflects the first image light toward the windshield WS. FIG. 1 illustrates a concave free-form mirror as the second mirror 30.
  • the first mirror 20 and the second mirror 30 are optically designed so that the first image light can be focused as a virtual image P1 via the windshield WS at a first distance from the viewpoint E.
  • the second mirror 30 may also be configured to have an adjustable tilt angle relative to the horizontal direction, allowing the projection direction of the image light to be changed and the projection position of the virtual image P1 to be moved vertically.
  • the reflective surfaces of the first mirror 20 and the second mirror 30 are designed to expand the light diameter in the driver's line of sight in order to project the first image light as a virtual image P1 through the windshield WS.
  • expanding the light diameter in the line of sight includes not only the case where the light diameter expands consistently after reflection, but also the case where the light diameter shrinks and expands after forming an image at an intermediate point.
  • the combination of the first mirror 20 and the second mirror 30 has the function of projecting image light through the windshield WS, and corresponds to the projection optical unit in this invention.
  • Figure 1 shows an example in which the projection optical unit is made up of two mirrors, the first mirror 20 and the second mirror 30, a larger number of mirrors may also be used.
  • the windshield WS is a part of the vehicle that is located in front of the driver's seat and transmits visible light.
  • the windshield WS reflects the first image light incident from the image projection device 100 toward the viewpoint, and transmits light from outside the vehicle toward the viewpoint.
  • a combiner may be provided separately from the windshield WS to reflect light from the image projection device 100 toward the viewpoint.
  • the windshield WS is not limited to being located at the front of the vehicle, and may be located to the side or rear as long as it projects an image toward the passenger's viewpoint.
  • the lower windshield WSB is a portion of the windshield WS near the boundary with the dashboard DB.
  • the lower windshield WSB reflects the second image light incident from the image projection device 100 in the direction of the viewpoint. Because the lower windshield WSB is an area that overlaps with the vehicle hood, etc. from the driver's viewpoint position E, it may be colored a dark color such as black.
  • the dark-colored lower windshield WSB corresponds to the black reflective area in this invention.
  • Virtual image P1 is an image that appears to be formed in space on an extension of the path of the first image light reflected by the windshield WS when it reaches the occupant's viewpoint (eyebox).
  • the position at which virtual image P1 is formed is determined by the composite focal length of the first mirror 20, second mirror 30, and windshield WS included in image projection device 100.
  • Virtual image P2 is an image that appears to be formed in space a second distance from viewpoint position E on an extension of the path of the second image light reflected by the lower windshield WSB when it reaches the occupant's viewpoint.
  • the position at which virtual image P2 is formed is determined by the optical distance between image projection unit 10 and lower windshield WSB.
  • the optical paths of the first image light and the second image light are depicted as a single straight line.
  • the actual image light is displayed in a predetermined area in the image projection unit 10, and has a predetermined area in a direction perpendicular to the direction of travel.
  • the first image light is reflected by the first mirror 20, reducing its light diameter as it travels, and may be intermediately imaged at an intermediate image position F (not shown) between the first mirror 20 and the second mirror 30.
  • the irradiation of the first image light and the second image light from the image irradiation unit 10 is alternately repeated in a first period and a second period, respectively.
  • the driver can simultaneously view virtual images P1 and P2 due to the afterimage effect.
  • the specific lengths of the first and second periods are not limited, it is preferable to switch between the first image light and the second image light at 100 Hz or more (0.01 seconds or less).
  • the first and second periods may be the same length, or the first period may be longer than the second period to increase the brightness of virtual image P1. While the first and second periods are alternately repeated, this is not limited to a 1:1 ratio, and the first and second periods may be repeated at an n:m ratio within a predetermined period.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an example configuration of the image projection unit 10 according to this embodiment and switching between the first image light and the second image light.
  • the image projection unit 10 includes light-emitting elements 11a and 11b, lenses 12a and 12b, an image display unit 13, transmissive/reflective units 14a and 14b, and a heat sink 15.
  • FIG. 2(a) shows the case where the first irradiation light is emitted from the light-emitting element 11a during the first period
  • FIG. 2(b) shows the case where the second irradiation light is emitted from the light-emitting element 11b during the second period.
  • Light-emitting elements 11a and 11b are components that emit light onto the image display unit 13. In the example shown in Figure 2, the emitted light travels in the in-plane direction of the transmissive image display unit 13. Light-emitting elements 11a and 11b are located on the first and second surfaces of the image display unit 13, respectively, with the light emitted from light-emitting element 11a (first emitted light) irradiating the first surface of the image display unit 13 and the light emitted from light-emitting element 11b (second emitted light) irradiating the second surface of the image display unit 13.
  • the specific configuration of light-emitting elements 11a and 11b is not limited, and light-emitting diodes (LEDs: Light Emitting Diodes) or laser light sources can be used.
  • Lenses 12a and 12b are optical components arranged on the light-emitting surface side of light-emitting elements 11a and 11b, respectively, and refract the light emitted from light-emitting elements 11a and 11b to adjust the light distribution.
  • the specific configuration of lenses 12a and 12b is not limited, but the light distribution from light-emitting elements 11a and 11b is maximized in the direction along the display surface of image display unit 13.
  • One example is a collimator lens that converts the light emitted through lenses 12a and 12b into parallel light that is parallel to the direction along the display surface of image display unit 13.
  • the combination of light-emitting elements 11a and 11b and lenses 12a and 12b corresponds to the first light source and second light source in this invention.
  • the image display unit 13 is a part that displays a projected image based on image information from the control unit.
  • a transmissive liquid crystal display device is used as the image display unit 13.
  • the image display unit 13 is arranged so that its display surface is parallel to the direction of travel of the light emitted from the light-emitting elements 11a and 11b.
  • the side of the image display unit 13 on which the light-emitting element 11a is provided is the first surface, and the side on which the light-emitting element 11b is provided is the second surface. Because a transmissive liquid crystal display device is used as the image display unit 13, light incident from the first surface side is transmitted to the second surface side, and light incident from the second surface side is transmitted to the first surface side.
  • the image display unit 13 displays a first image during the first period, and a second image during the second period. Therefore, as shown in FIG. 2(a), the first irradiation light that passes through the image display unit 13 from the first surface side to the second surface side during the first period becomes first image light that includes the first image. Furthermore, as shown in FIG. 2(b), the second irradiation light that passes through the image display unit 13 from the second surface side to the first surface side during the second period becomes second image light that includes the second image.
  • the transmission-reflection unit 14a is an optical element that reflects the first irradiation light from the light-emitting element 11a toward the first surface of the image display unit 13 and transmits the second image light irradiated from the first surface.
  • the transmission-reflection unit 14b is an optical element that reflects the second irradiation light from the light-emitting element 11b toward the second surface of the image display unit 13 and transmits the first image light irradiated from the second surface.
  • the transmission-reflection units 14a and 14b are plate-shaped elements made of a light-transmitting material and have a refractive index n. As shown in FIG.
  • the transmission-reflection units 14a and 14b are arranged at a predetermined angle with respect to the traveling direction of the first irradiation light and the second irradiation light (the direction in which the light distribution is greatest) and the display surface of the image display unit 13.
  • the angle of inclination of the transmission-reflection units 14a and 14b will be described in detail below.
  • the first irradiation light incident on the transmission-reflection section 14a is totally reflected due to the tilt angle and refractive index difference and reaches the first surface side of the image display section 13.
  • the first irradiation light incident on the first surface of the image display section 13 passes through the image display section 13 and is emitted from the second surface as first image light containing the first image displayed on the image display section 13.
  • the first image light emitted from the second surface of the image display section 13 passes through the transmission-reflection section 14b and is extracted in the first direction.
  • the second irradiation light incident on the transmission-reflection section 14b is totally reflected due to the tilt angle and refractive index difference and reaches the second surface side of the image display section 13.
  • the second irradiation light incident on the second surface of the image display section 13 passes through the image display section 13 and is emitted from the first surface as second image light containing the second image displayed on the image display section 13.
  • the second image light emitted from the first surface of the image display section 13 passes through the transmission-reflection section 14a and is extracted in the second direction.
  • the image display unit 13 is a TN liquid crystal, and the polarization direction of the polarizer (not shown) arranged on the first surface side is P-polarized light relative to the windshield WS, and the polarization direction of the polarizer (not shown) arranged on the second surface side is S-polarized light relative to the windshield WS.
  • the unpolarized first irradiation light emitted from the light-emitting element 11a only P-polarized light passes through the polarizer on the first surface side, and the polarization direction is rotated by the TN liquid crystal so that it passes through the polarizer on the second surface side as S-polarized light.
  • the unpolarized second irradiation light emitted from the light-emitting element 11b only S-polarized light passes through the polarizer on the second surface side, and the polarization direction is rotated by the TN liquid crystal so that it passes through the polarizer on the first surface side as P-polarized light. Therefore, the first image light emitted in the first direction from the transmission-reflection unit 14b is S-polarized light, and the second image light emitted in the second direction from the transmission-reflection unit 14a is P-polarized light.
  • the heat sink 15 is a part that mounts the light-emitting elements 11a, 11b, a circuit board (not shown), a drive circuit (not shown), etc., and dissipates heat generated by irradiation with the first image light and the second image light.
  • the material and shape of the heat sink 15 are not limited, and various heat sinks that have been proposed in the past can be used.
  • the heat sink 15 may also be provided with multiple heat dissipation fins.
  • FIGS. 3A and 3B are schematic diagrams illustrating the incidence and transmission of image light in the image irradiation unit 10.
  • FIG. 3A shows a case where first irradiation light is emitted from the light-emitting element 11a during a first period
  • FIG. 3B shows a case where second irradiation light is emitted from the light-emitting element 11b during a second period.
  • the inclination angles of the transmission-reflection units 14a and 14b with respect to the display surface of the image display unit 13 are defined as ⁇ 1 and ⁇ 2 , respectively.
  • the angles of incidence of the first irradiation light and the second irradiation light on the transmission-reflection units 14a and 14b are defined as ⁇ S1 and ⁇ P1 , respectively.
  • the angles of incidence of the second image light and the first image light on the transmission-reflection units 14a and 14b are defined as ⁇ S2 and ⁇ P2 , respectively.
  • the angles of incidence ⁇ S1 , ⁇ P1 , ⁇ S2 , and ⁇ P2 are angles formed between the normal direction of the transmission-reflection portions 14a and 14b and the traveling direction of light, respectively.
  • the angles of incidence ⁇ S1 and ⁇ P1 are equal to or greater than the critical angle, satisfying the total reflection condition. Furthermore, since the first image light and the second image light are reflected by the transmission-reflection units 14b and 14a, respectively, the angles of incidence ⁇ S2 and ⁇ P2 are less than the critical angle.
  • Fig. 4 is a graph showing the angle of incidence of image light on the transmission-reflection units 14a, 14b and the range of reflection.
  • the horizontal axis in the graph represents ⁇ 1
  • the vertical axis represents ⁇ 2.
  • the image projection unit 10 emits S-polarized first image light from the transmission-reflection unit 14b in a first direction during a first period, and P-polarized second image light from the transmission-reflection unit 14a in a second direction during a second period.
  • This allows the driver to view virtual image P1 ahead from viewpoint position E through the windshield WS and virtual image P2 through the lower windshield WSB.
  • virtual image P1 is projected with S-polarized light
  • the reflectivity on the windshield WS can be increased, improving visibility.
  • virtual image P2 is projected with P-polarized light, virtual image P2 can be clearly seen even when the driver is wearing polarized sunglasses.
  • the image projection unit 10 alternates between a first period in which it emits first image light in a first direction and a second period in which it emits second image light in a second direction, thereby projecting virtual images P1 and P2 at different positions on the windshield WS and the lower windshield WSB while still achieving compactness.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an example configuration of an image projection unit 10 according to this embodiment and switching between the first image light and the second image light.
  • the image projection unit 10 includes light-emitting elements 11a and 11b, light-guiding reflection units 16a and 16b, an image display unit 13, a reflecting mirror 17, and a quarter-wave plate 18.
  • FIG. 5( a) shows a case where the first irradiation light is emitted from the light-emitting element 11a during a first period
  • FIG. 5( b) shows a case where the second irradiation light is emitted from the light-emitting element 11b during a second period.
  • the light-guiding reflectors 16a and 16b are generally plate-shaped members made of a light-transmitting material. They are optical components that guide light incident from one end in an in-plane direction by reflecting it on the front and back surfaces, and also reflect a portion of the light using an uneven reflector on the back surface to extract it from the front surface.
  • the light-guiding reflectors 16a and 16b extract light in different directions, but both are designed to transmit through the image display unit 13.
  • the specific configuration of the light-guiding reflectors 16a and 16b is not limited, and conventional backlight-type light guide plates known in the art can be used. While Figures 5(a) and (b) show an example in which the light-guiding reflector 16b is positioned closer to the image display unit 13, the positions of the light-guiding reflectors 16a and 16b may be interchanged.
  • Reflector 17 is a generally plate-shaped member with a reflective surface that reflects incident light while maintaining its polarization direction. Reflector 17 is disposed on the optical path of the first image light emitted from image display unit 13, and reflects the first image light in a first direction. In addition, a quarter-wave plate 18 is disposed on top of the reflective surface of reflector 17.
  • the quarter-wave plate 18 is an optical element that is placed on top of the reflecting surface of the reflecting mirror 17 and is made of a birefringent material with different refractive indices in the slow axis and fast axis.
  • the thickness of the quarter-wave plate 18 is designed so that a phase difference of one-quarter of the wavelength of light occurs between the slow axis and fast axis by the time light incident on one surface reaches the opposing surface.
  • the slow axis and fast axis of the quarter-wave plate 18 are oriented at 45 degrees different directions from the polarization direction of the first image light.
  • the first irradiation light emitted from the light-emitting element 11a during the first period is guided and reflected within the light-guiding reflector 16a, passes through the light-guiding reflector 16b, and is incident on the rear surface of the image display unit 13.
  • the first irradiation light incident on the image display unit 13 passes through the image display unit 13 and is irradiated in the direction of the reflector 17 and the quarter-wave plate 18.
  • the first irradiation light that passes through the image display unit 13 during the first period passes through the image display unit 13 and is emitted as first image light that includes the first image displayed on the image display unit 13.
  • the first image light irradiated from the image display unit 13 passes through the quarter-wave plate 18 and is reflected by the reflector 17, passes through the quarter-wave plate 18 again, and is extracted in the first direction.
  • the second irradiation light emitted from the light-emitting element 11b during the second period is guided and reflected within the light-guiding reflection section 16b, and is incident on the rear surface of the image display section 13.
  • the second irradiation light incident on the image display section 13 passes through the image display section 13 and is emitted in the second direction.
  • the second irradiation light that passes through the image display section 13 during the second period passes through the image display section 13 and is emitted as second image light that includes the second image displayed on the image display section 13.
  • the image display unit 13 is a TN liquid crystal display, and the polarization direction of the polarizer (not shown) arranged on the back surface (first surface) side is S-polarized relative to the windshield WS, while the polarization direction of the polarizer (not shown) arranged on the front surface (second surface) side is P-polarized relative to the windshield WS.
  • the first image light that passes through the image display unit 13 during the first period is also P-polarized light, but when the first image light is reflected by the reflecting mirror 17 and extracted in the first direction, it passes through the quarter-wave plate 18 twice.
  • the slow axis and fast axis of the quarter-wave plate 18 are oriented at 45 degrees different from the polarization direction of the first image light, so the polarization direction of the first image light is rotated by 90 degrees after passing through twice, becoming S-polarized light. Therefore, as shown in Figure 5(a), the first image light extracted in the first direction from the image display unit 13 during the first period is S-polarized light.
  • the image projection unit 10 projects S-polarized first image light in a first direction during a first period, and P-polarized second image light in a second direction during a second period.
  • This allows the driver to view virtual image P1 ahead from viewpoint position E through the windshield WS, and virtual image P2 through the lower windshield WSB.
  • virtual image P1 is projected with S-polarized light
  • the reflectivity on the windshield WS can be increased, improving visibility.
  • virtual image P2 is projected with P-polarized light, virtual image P2 can be clearly viewed even when the driver is wearing polarized sunglasses.
  • FIGs 5(a) and 5(b) an example is shown in which the reflecting mirror 17 and the quarter-wave plate 18 are included in the image projection unit 10, but the reflecting mirror 17 and the quarter-wave plate 18 may also be provided outside the image projection unit 10. Also, the reflecting mirror 17 may be omitted, and the quarter-wave plate 18 may be placed on top of the reflective surface of the first mirror 20. Also, while an example is shown in which the first image light passes through the quarter-wave plate 18 twice before and after reflection by the reflecting mirror 17, a half-wave plate may be used to convert P-polarized light to S-polarized light by having the first image light pass through the half-wave plate once after reflection by the reflecting mirror 17.
  • the image projection device 100 of this embodiment by alternately repeating a first period in which the image projection unit 10 emits first image light in a first direction and a second period in which it emits second image light in a second direction, it is possible to project virtual images P1 and P2 at different positions on the windshield WS and lower windshield WSB while still achieving compactness.
  • image projection device 10 ... image irradiation section 20... first mirror 30... second mirror 11a, 11b... light emitting elements 12a, 12b... lens 13... image display sections 14a, 14b... transmission reflection section 15... heat sink 16a, 16b... light guiding reflection section 17... reflection mirror 18... quarter-wave plate

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Abstract

表示部の異なる位置に複数の画像を投影しつつ、小型化を図ることが可能な画像投影装置を提供する。虚像（Ｐ１，Ｐ２）を表示するための表示部（ＷＳ）に対して投影画像を投影する画像投影装置（１００）であって、第１画像光および第２画像光を照射する画像照射部（１０）と、表示部（ＷＳ）を介して第１画像光を視点位置Ｅから第１距離に結像させる投影光学部（２０，３０）を備え、画像照射部（１０）は、第１画像光を第１方向に照射する第１期間と、第２画像光を第２方向に照射する第２期間を交互に繰り返す画像投影装置（１００）。

Description

画像投影装置
　本発明は、画像投影装置に関する。
　従来から、車両内に各種情報を表示する装置として、アイコンを点灯表示する計器盤が用いられている。また、表示する情報量の増加とともに、計器盤に画像表示装置を埋め込むことや、計器盤全体を画像表示装置で構成することも提案されている。
　しかし、計器盤は車両のフロントガラス（ウィンドシールド）より下方に位置しているため、計器盤に表示された情報を運転者等の搭乗者が視認するには、運転中に視線を下方に移動させる必要があり好ましくない。そこで、フロントガラスに画像を投影して、搭乗者が車両の前方を視認したときに情報を読み取れるようにするヘッドアップディスプレイ（以下ＨＵＤ：Ｈｅａｄ　Ｕｐ　Ｄｉｓｐｌａｙ）のような画像投影装置が提案されている（例えば、特許文献１，２を参照）。
　特許文献１，２の画像投影装置は、画像照射部が画像を含んだ照射光を照射し、自由曲面ミラー等で照射光を反射させて、ウィンドシールド等の表示部を介して空間中に画像が結像するように搭乗者の視点の位置に到達させる。これにより、搭乗者は視点に入射した照射光によって、奥行き方向における結像位置に画像が表示されているように認識することができる。また、画像光を複数照射して、ウィンドシールドから異なる距離に複数の虚像を結像させることも提案されている。
特開２０１９－１１９２４８号公報 特開２０１９－１１９２６２号公報
　しかし、複数の画像光をウィンドシールドの異なる位置に投影するためには、結像する画像数に応じた表示面積を有する画像表示装置を用いる必要があり、小型化が困難であるという問題があった。また、複数の画像を視点からの距離が異なる位置に結像するためには、それぞれの画像光を投影するための光学系を備える必要があり、装置構成が複雑化するとともに小型化が困難であるという問題があった。
　そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、表示部の異なる位置に複数の画像を投影しつつ、小型化を図ることが可能な画像投影装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明の画像投影装置は、虚像を表示するための表示部に対して投影画像を投影する画像投影装置であって、第１画像光および第２画像光を照射する画像照射部と、前記表示部を介して前記第１画像光を視点位置から第１距離に結像させる投影光学部を備え、前記画像照射部は、前記第１画像光を第１方向に照射する第１期間と、前記第２画像光を第２方向に照射する第２期間を交互に繰り返すことを特徴とする。
　このような本発明の画像投影装置では、画像照射部が第１画像光を第１方向に照射する第１期間と、第２画像光を第２方向に照射する第２期間を交互に繰り返すことで、表示部の異なる位置に複数の画像を投影しつつ、小型化を図ることが可能となる。
　また、本発明の一態様では、前記第１方向には前記投影光学部が設けられ、前記第２方向の延長には、前記表示部の下部に形成された黒反射領域が設けられている。
　また、本発明の一態様では、前記画像照射部は、前記第１期間に第１画像を表示し、前記第２期間に第２画像を表示する画像表示部と、前記第１期間に前記画像表示部に対して第１照射光を照射する第１光源部と、前記第２期間に前記画像表示部に対して第２照射光を照射する第２光源部を備える。
　また、本発明の一態様では、前記画像表示部は透過型液晶表示装置であり、前記透過型液晶表示装置は、前記第１照射光および前記第２照射光の光分布が最大の方向に沿って配置されており、前記第１照射光を前記透過型液晶表示装置の第１面に対して反射する第１透過反射部と、前記第２照射光を前記透過型液晶表示装置の第２面に対して反射する第２透過反射部とを備える。
　また、本発明の一態様では、前記第１透過反射部は、前記第１面から照射された前記第２画像光を透過し、前記第２透過反射部は、前記第２面から照射された前記第１画像光を透過する。
　また、本発明の一態様では、前記画像表示部は透過型液晶表示装置であり、前記第１光源部は、前記第１照射光を発光する第１発光部と、前記第１照射光を前記透過型液晶表示装置の第１面に対して反射する第１導光反射部を有し、前記第２光源部は、前記第２照射光を発光する第２発光部と、前記第２照射光を前記透過型液晶表示装置の第１面に対して反射する第２導光反射部を有する。
　また、本発明の一態様では、前記第１導光反射部は、前記第１方向に前記第１照射光を反射し、前記第２導光反射部は、前記第２方向に前記第２照射光を反射する。
　また、本発明の一態様では、前記第１画像光は前記表示部に対するＳ偏光であり、前記第２画像光は前記表示部に対するＰ偏光である。
　本発明では、表示部の異なる位置に複数の画像を投影しつつ、小型化を図ることが可能な画像投影装置を提供することができる。
第１実施形態に係る画像投影装置１００を用いた虚像Ｐ１，Ｐ２の投影を説明する側方模式断面図である。 第１実施形態に係る画像照射部１０の構成例と第１画像光および第２画像光の切り替えを示す模式図である。図２（ａ）は第１期間に発光素子１１ａから第１照射光が照射された場合を示し、図２（ｂ）は第２期間に発光素子１１ｂから第２照射光が照射された場合を示している。 画像照射部１０での画像光の入射と透過について説明する模式図である。図３（ａ）は第１期間に発光素子１１ａから第１照射光が照射された場合を示し、図３（ｂ）は第２期間に発光素子１１ｂから第２照射光が照射された場合を示している。 透過反射部１４ａ，１４ｂへの画像光の入射角度と反射の範囲を示すグラフである。 第２実施形態に係る画像照射部１０の構成例と第１画像光および第２画像光の切り替えを示す模式図である。図５（ａ）は第１期間に発光素子１１ａから第１照射光が照射された場合を示し、図５（ｂ）は第２期間に発光素子１１ｂから第２照射光が照射された場合を示している。
　（第１実施形態）
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。以下の説明では、本発明に係る画像投影装置１００を、車両等に搭載されるＨＵＤに適用した形態を例示して説明する。図１は、本実施形態に係る画像投影装置１００を用いた虚像Ｐ１，Ｐ２の投影を説明する側方模式断面図である。
　図１に示すように画像投影装置１００は、画像照射部１０と、第１ミラー２０と、第２ミラー３０を備えている。また画像投影装置１００は車両のダッシュボードＤＢに収容されて、第１画像光および第２画像光をウィンドシールドＷＳとその下部に位置する下部ウィンドシールドＷＳＢに投影する。ウィンドシールドＷＳと下部ウィンドシールドＷＳＢで反射された第１画像光および第２画像光は、運転者の視点位置Ｅに到達する。運転者は、第１画像光と第２画像光が入射してきた方向の延長上に、虚像Ｐ１，Ｐ２を視認する。図１では、第２画像光を下部ウィンドシールドＷＳＢで反射する例を示しているが、ウィンドシールドＷＳとは別にコンバイナー等を設けて第２画像光を反射するとしてもよい。ここで、ウィンドシールドＷＳと下部ウィンドシールドＷＳＢ、コンバイナーは、本発明における表示部に相当している。
　画像投影装置１００では、各部と情報通信可能に接続された制御部（図示省略）を用いて各部を制御している。制御部の構成は限定されないが、一例として情報処理を行うためのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）や、メモリ装置、記録媒体、情報通信装置等を備えるものが挙げられる。制御部は、予め定められたプログラムに従って各部の動作を制御し、画像を含んだ情報（画像情報）を画像照射部１０に送出する。
　画像照射部１０は、制御部からの画像情報に基づいて、第２画像光を下部ウィンドシールドＷＳＢに向けて（第２方向）画像を含んだ光を照射し、第１画像光を第１ミラー２０に向けて（第１方向）照射する部分である。画像照射部１０の具体的な構成例については、詳細を後述する。第１画像光の偏光方向は限定されないが、ウィンドシールドＷＳでの反射率が高いＳ偏光を用いることが好ましい。また、第２画像光の偏光方向は限定されないが、第２画像の内容として速度メータ等の情報を含める場合には、運転手が偏光サングラスを装着している場合でも視認性を確保できるＰ偏光を用いることが好ましい。
　画像照射部１０は、一つの表示領域内で遠方画像と近方画像をそれぞれ第１期間と第２期間で交互に切り替えて表示する。画像照射部１０において第１期間に表示された遠方画像は、遠方用画像光（第１画像光）として図１中に実線で示したように、第１ミラー２０、第２ミラー３０およびウィンドシールドＷＳで反射されて運転者の視点位置Ｅに到達する。画像照射部１０において第２期間に表示された近方画像は、近方用画像光（第２画像光）として図１中に一点鎖線で示したように、下部ウィンドシールドＷＳＢで反射されて運転者の視点位置Ｅに到達する。遠方画像としては、注意喚起の画像や緊急情報等の運転に関する補助的な情報が挙げられる。また、近方画像としては、速度メータや音量インジケータ、進行方向ガイド等が挙げられる。
　第１ミラー２０は、画像照射部１０から出射された第１画像光が入射し、第１画像光を第２ミラー３０方向に反射する光学部材である。図１では、第１ミラー２０として平板状のミラーを例示しているが、自由曲面ミラー等を用いるとしてもよい。第２ミラー３０は、第１ミラー２０で反射された第１画像光が入射し、第１画像光をウィンドシールドＷＳ方向に反射する光学部材である。図１では、第２ミラー３０として凹面形状の自由曲面ミラーを示している。第１ミラー２０および第２ミラー３０は、ウィンドシールドＷＳを介して第１画像光を虚像Ｐ１として視点位置Ｅから第１距離に結像できるように光学的に設計されている。また、第２ミラー３０は水平方向に対する傾斜角度を変更可能とされて、画像光の投影方向を変更して虚像Ｐ１の投影位置を上下方向に移動可能とされてもよい。
　第１ミラー２０および第２ミラー３０の反射面は、ウィンドシールドＷＳを介して第１画像光を虚像Ｐ１として投影するために、運転者の視点方向に光径が拡大するように設計されている。ここで、視点方向に光径が拡大するとは、反射後に光径が一貫して拡大する場合だけでなく、光径が縮小して中間地点において結像した後に拡大する場合も含む。第１ミラー２０および第２ミラー３０の組み合わせは、ウィンドシールドＷＳを介して画像光を投影する機能を有しており、本発明における投影光学部に相当している。また、図１では第１ミラー２０および第２ミラー３０の２枚で投影光学部を構成した例を示したが、さらに多数のミラーを用いるとしてもよい。
　ウィンドシールドＷＳは、車両の運転席前方に設けられて可視光を透過する部分である。ウィンドシールドＷＳは、車両の内側面では画像投影装置１００から入射した第１画像光を視点方向に対して反射し、車両の外部からの光を視点方向に対して透過する。ここではウィンドシールドＷＳを用いた例を示したが、ウィンドシールドＷＳとは別にコンバイナーを用意し、画像投影装置１００からの光を視点方向に反射するとしてもよい。また、車両の前方に位置するものに限定されず、搭乗者の視点に対して画像を投影するものであれば側方や後方に配置するとしてもよい。
　下部ウィンドシールドＷＳＢは、ウィンドシールドＷＳのうちダッシュボードＤＢとの境界近傍の一部領域である。下部ウィンドシールドＷＳＢは、車両の内側面では画像投影装置１００から入射した第２画像光を視点方向に対して反射する。下部ウィンドシールドＷＳＢは、運転者の視点位置Ｅからは車両のボンネット等と重なる領域であるため、黒色等の暗色で着色されているとしてもよい。暗色で着色された下部ウィンドシールドＷＳＢは、本発明における黒反射領域に相当している。
　虚像Ｐ１は、ウィンドシールドＷＳで反射された第１画像光が搭乗者の視点（アイボックス）に到達した際に、第１画像光の経路の延長上において、空間中に結像されたように表示される画像である。虚像Ｐ１が結像される位置は、画像投影装置１００に含まれる第１ミラー２０、第２ミラー３０とウィンドシールドＷＳの合成焦点距離によって決まる。虚像Ｐ２は、下部ウィンドシールドＷＳＢで反射された第２画像光が搭乗者の視点に到達した際に、第２画像光の経路の延長上において、視点位置Ｅから第２距離の空間中に結像されたように表示される画像である。虚像Ｐ２が結像される位置は、画像照射部１０と下部ウィンドシールドＷＳＢの光学的距離によって決まる。
　図１では、第１画像光および第２画像光の光路を一本の直線として描いている。しかし、実際の画像光は、画像照射部１０において所定の面積で表示されたものであり、進行方向に垂直な方向に所定の面積をもっている。また第１画像光は、第１ミラー２０で反射されて光径が縮小されながら進行し、第１ミラー２０と第２ミラー３０の間の中間結像位置Ｆ（図示省略）において中間結像されるとしてもよい。
　画像照射部１０からの第１画像光の照射と第２画像光の照射は、それぞれ第１期間と第２期間で交互に繰り返される。ここで、第１期間および第２期間の長さを十分に短くすることで、運転者は残像効果によって虚像Ｐ１，Ｐ２を同時に視認することができる。第１期間と第２期間の具体的な長さは限定されないが、１００Ｈｚ以上（０．０１秒以下）で第１画像光と第２画像光を切り替えることが好ましい。また、第１期間と第２期間は同じ長さであってもよく、第１期間を第２期間よりも長くして虚像Ｐ１の輝度を高めるとしてもよい。また、第１期間と第２期間を交互に繰り返すとしたが、１対１の比率での繰り返しに限定されず、所定期間中に第１期間と第２期間がｎ：ｍの比率で繰り返されるとしてもよい。
　図２は、本実施形態に係る画像照射部１０の構成例と第１画像光および第２画像光の切り替えを示す模式図である。図２に示した例では、画像照射部１０は、発光素子１１ａ，１１ｂと、レンズ１２ａ，１２ｂと、画像表示部１３と、透過反射部１４ａ，１４ｂと、ヒートシンク１５を備えている。図２（ａ）は第１期間に発光素子１１ａから第１照射光が照射された場合を示し、図２（ｂ）は第２期間に発光素子１１ｂから第２照射光が照射された場合を示している。
　発光素子１１ａ，１１ｂは、画像表示部１３に対して照射光を照射する部分である。図２に示した例では、透過型の画像表示部１３の面内方向に対して照射光が進行する。また、発光素子１１ａ，１１ｂは、それぞれ画像表示部１３の第１面側および第２面側に位置しており、発光素子１１ａからの照射光（第１照射光）が画像表示部１３の第１面側に照射され、発光素子１１ｂからの照射光（第２照射光）が画像表示部１３の第２面側に照射される。発光素子１１ａ，１１ｂの具体的な構成は限定されず、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）や、レーザ光源を用いることができる。
　レンズ１２ａ，１２ｂは、それぞれ発光素子１１ａ，１１ｂの光出射面側に配置されて、発光素子１１ａ，１１ｂからの照射光を屈折して配光を調整する光学部材である。レンズ１２ａ，１２ｂの具体的な構成は限定されないが、画像表示部１３の表示面に沿った方向が、発光素子１１ａ，１１ｂからの配光分布の最大となっている。一例としては、レンズ１２ａ，１２ｂを透過した照射光が、それぞれ画像表示部１３の表示面に沿った方向に平行な平行光となるようなコリメートレンズが挙げられる。ここで、発光素子１１ａ，１１ｂとレンズ１２ａ，１２ｂの組み合わせは、本発明における第１光源部および第２光源部に相当している。
　画像表示部１３は、制御部からの画像情報に基づいて、投影画像を表示する部分である。図２に示した例では、画像表示部１３として透過型液晶表示装置を用いたものを示している。図２に示したように、画像表示部１３は表示面が発光素子１１ａ，１１ｂからの照射光の進行方向に平行となるように配置されている。また、画像表示部１３は、発光素子１１ａが設けられた側が第１面であり、発光素子１１ｂが設けられた側が第２面である。画像表示部１３として透過型液晶表示装置を用いているため、第１面側から入射した光は第２面側に透過し、第２面側から入射した光は第１面側に透過する。
　上述したように、画像表示部１３では第１期間に第１画像が表示され、第２期間に第２画像が表示されている。したがって、図２（ａ）に示したように、第１期間に画像表示部１３を第１面側から第２面側に透過した第１照射光は、第１画像を含んだ第１画像光となる。また、図２（ｂ）に示したように、第２期間に画像表示部１３を第２面側から第１面側に透過した第２照射光は、第２画像を含んだ第２画像光となる。
　透過反射部１４ａは、発光素子１１ａからの第１照射光を画像表示部１３の第１面に対して反射し、第１面から照射された第２画像光を透過する光学部材である。透過反射部１４ｂは、発光素子１１ｂからの第２照射光を画像表示部１３の第２面に対して反射し、第２面から照射された第１画像光を透過する光学部材である。透過反射部１４ａ，１４ｂは、光を透過する材料で構成された板状の部材であり、屈折率ｎを有している。また、図２に示すように透過反射部１４ａ，１４ｂは、第１照射光および第２照射光の進行方向（光分布が最大な方向）と、画像表示部１３の表示面に対して所定角度だけ傾斜して配置されている。透過反射部１４ａ，１４ｂの傾斜角度については詳細を後述する。
　透過反射部１４ａに入射した第１照射光は、傾斜角度と屈折率差によって全反射されて画像表示部１３の第１面側に到達する。画像表示部１３の第１面に入射した第１照射光は、画像表示部１３を透過することで、画像表示部１３に表示されている第１画像を含んだ第１画像光として第２面から出射される。画像表示部１３の第２面から出射した第１画像光は、透過反射部１４ｂを透過して第１方向に取り出される。
　透過反射部１４ｂに入射した第２照射光は、傾斜角度と屈折率差によって全反射されて画像表示部１３の第２面側に到達する。画像表示部１３の第２面に入射した第２照射光は、画像表示部１３を透過することで、画像表示部１３に表示されている第２画像を含んだ第２画像光として第１面から出射される。画像表示部１３の第１面から出射した第２画像光は、透過反射部１４ａを透過して第２方向に取り出される。
　ここで、画像表示部１３としてＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ　Ｎｅｍａｔｉｃ）型液晶表示装置を用いた場合の第１画像光と第２画像光の偏光方向について説明する。画像表示部１３がＴＮ液晶であり、第１面側に配置した偏光板（図示省略）の偏光方向をウィンドシールドＷＳに対するＰ偏光とし、第２面側に配置した偏光板（図示省略）の偏光方向をウィンドシールドＷＳに対するＳ偏光とする。この場合には、発光素子１１ａから照射された無偏光の第１照射光は、第１面側の偏光板をＰ偏光だけが透過し、ＴＮ液晶で偏光方向が回転されて第２面側の偏光板をＳ偏光として透過する。また、発光素子１１ｂから照射された無偏光の第２照射光は、第２面側の偏光板をＳ偏光だけが透過し、ＴＮ液晶で偏光方向が回転されて第１面側の偏光板をＰ偏光として透過する。よって、透過反射部１４ｂから第１方向に照射される第１画像光はＳ偏光となり、透過反射部１４ａから第２方向に照射される第２画像光はＰ偏光となる。
　ヒートシンク１５は、発光素子１１ａ，１１ｂや回路基板（図示省略）、駆動回路（図示省略）等を搭載して、第１画像光および第２画像光の照射によって生じた熱を放熱する部分である。ヒートシンク１５の材料や形状は限定されず、従来から提案されている各種ヒートシンクを用いることができる。また、ヒートシンク１５には複数の放熱フィンが設けられるとしてもよい。
　図３は、画像照射部１０での画像光の入射と透過について説明する模式図である。図３（ａ）は第１期間に発光素子１１ａから第１照射光が照射された場合を示し、図３（ｂ）は第２期間に発光素子１１ｂから第２照射光が照射された場合を示している。図３（ａ）（ｂ）に示すように、画像表示部１３の表示面に対する透過反射部１４ａ，１４ｂの傾斜角度をそれぞれθ１，θ２とする。また、透過反射部１４ａ，１４ｂに対する第１照射光および第２照射光の入射角度をそれぞれθＳ１，θＰ１とする。また、透過反射部１４ａ，１４ｂに対する第２画像光および第１画像光の入射角度をそれぞれθＳ２，θＰ２とする。図中に破線で示しているように、入射角度θＳ１，θＰ１, θＳ２，θＰ２は、それぞれ透過反射部１４ａ，１４ｂの法線方向と光の進行方向の成す角度である。
　ここで、第１照射光および第２照射光は、透過反射部１４ａ，１４ｂでそれぞれ反射されるため、入射角度θＳ１，θＰ１が臨界角度以上であり全反射条件を満たしている。また、第１画像光および第２画像光は、透過反射部１４ｂ，１４ａでそれぞれ反射されるため、入射角度θＳ２，θＰ２が臨界角度未満である。透過反射部１４ａ，１４ｂの屈折率がｎであり、臨界角度がθ０であると、以下の条件を満たす必要がある。
（式１）θＳ１＝π／２－θ１＞θ０
（式２）θＰ１＝π／２－θ２＞θ０
（式３）｜θＳ２｜＝｜２θ１＋θ２－π／２｜＜θ０
（式４）｜θＰ２｜＝｜２θ２＋θ１－π／２｜＜θ０
　図４は、透過反射部１４ａ，１４ｂへの画像光の入射角度と反射の範囲を示すグラフである。図４に示した例では、透過反射部１４ａ，１４ｂとして屈折率ｎ＝１．５のアクリル板を用い、臨界角θ０＝４２°とした場合を示している。グラフ中の横軸はθ１を示し、縦軸はθ２を示している。また、上記（式１）～（式４）に臨界角θ０＝４２°を代入して、
（式１’、式２’）θ１，θ２＜４８°
（式３’）－２θ１＋４８°＜θ２＜－２θ１＋１３２°
（式４’）－２θ２＋４８°＜θ１＜－２θ２＋１３２°
の不等式を全て満たす領域にハッチングを施している。
　図４にハッチングで示した領域の範囲となるように、透過反射部１４ａ，１４ｂの傾斜角度を設定することで、画像照射部１０からは、第１期間にＳ偏光の第１画像光が透過反射部１４ｂから第１方向に照射され、第２期間にＰ偏光の第２画像光が透過反射部１４ａから第２方向に照射される。これにより、運転者は視点位置ＥからウィンドシールドＷＳを介して前方に虚像Ｐ１を視認し、下部ウィンドシールドＷＳＢを介して虚像Ｐ２を視認することができる。また、虚像Ｐ１はＳ偏光で投影されるため、ウィンドシールドＷＳでの反射率を高くして視認性を向上させることができる。また、虚像Ｐ２はＰ偏光で投影されるため、運転者が偏光サングラスを装着している状態でも、良好に虚像Ｐ２を視認することができる。
　上述したように、本実施形態の画像投影装置１００では、画像照射部１０が第１画像光を第１方向に照射する第１期間と、第２画像光を第２方向に照射する第２期間を交互に繰り返すことでウィンドシールドＷＳと下部ウィンドシールドＷＳＢの異なる位置に虚像Ｐ１，Ｐ２を投影しつつ、小型化を図ることが可能となる。
　（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態について図５を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図５は、本実施形態に係る画像照射部１０の構成例と第１画像光および第２画像光の切り替えを示す模式図である。図５に示した例では、画像照射部１０は、発光素子１１ａ，１１ｂと、導光反射部１６ａ，１６ｂと、画像表示部１３と、反射鏡１７と、四分の一波長板１８を備えている。図５（ａ）は第１期間に発光素子１１ａから第１照射光が照射された場合を示し、図５（ｂ）は第２期間に発光素子１１ｂから第２照射光が照射された場合を示している。
　導光反射部１６ａ，１６ｂは、光を透過する材料で構成された略板状の部材であり、一端から入射した光を表面と裏面で反射させて面内方向に導光するとともに、裏面側に設けられた凹凸形状の反射部で光の一部を反射して表面から取り出す光学部材である。導光反射部１６ａ，１６ｂは、光の取り出し方向がそれぞれ異なるが、共に画像表示部１３を透過するように設定されている。導光反射部１６ａ，１６ｂの具体的な構成は限定されず、従来公知のバックライト型の導光板を用いることができる。図５（ａ）（ｂ）では、画像表示部１３に近い側に導光反射部１６ｂを配置した例を示しているが、導光反射部１６ａ，１６ｂの位置を入れ替えるとしてもよい。
　反射鏡１７は入射した光の偏光方向を維持して反射する反射面を有する略板状の部材である。反射鏡１７は、画像表示部１３から照射された第１画像光の光路上に配置され、第１画像光を第１方向に反射する。また、反射鏡１７の反射面には、四分の一波長板１８が重ねて配置されている。
　四分の一波長板１８は、反射鏡１７の反射面に重ねて配置され、スロー軸とファスト軸における屈折率が異なる複屈折材料で構成された光学部材である。また、四分の一波長板１８の厚さは、一方の面に入射した光が対向する面に到達するまでに光の波長の四分の一だけスロー軸とファスト軸で位相差が生じるように設計されている。また、四分の一波長板１８のスロー軸とファスト軸は、第１画像光の偏光方向に対して４５度異なる向きに配置されている。
　図５（ａ）に示したように、第１期間に発光素子１１ａから照射された第１照射光は、導光反射部１６ａ内で導波されて反射され、導光反射部１６ｂを透過して画像表示部１３の裏面に入射する。画像表示部１３に入射した第１照射光は、画像表示部１３を透過して反射鏡１７および四分の一波長板１８方向に照射される。ここで、画像表示部１３を第１期間に透過する第１照射光は、画像表示部１３を透過することで、画像表示部１３に表示されている第１画像を含んだ第１画像光として出射される。画像表示部１３から照射された第１画像光は、四分の一波長板１８を透過して反射鏡１７で反射され、再び四分の一波長板１８を透過して第１方向に取り出される。
　図５（ｂ）に示したように、第２期間に発光素子１１ｂから照射された第２照射光は、導光反射部１６ｂ内で導波されて反射され、画像表示部１３の裏面に入射する。画像表示部１３に入射した第２照射光は、画像表示部１３を透過して第２方向に照射される。ここで、画像表示部１３を第２期間に透過する第２照射光は、画像表示部１３を透過することで、画像表示部１３に表示されている第２画像を含んだ第２画像光として出射される。
　ここで、画像表示部１３を透過した光がＳ偏光となるように設定されている場合の第１画像光と第２画像光の偏光方向について説明する。画像表示部１３がＴＮ液晶であり、裏面（第１面）側に配置した偏光板（図示省略）の偏光方向をウィンドシールドＷＳに対するＳ偏光とし、表面（第２面）側に配置した偏光板（図示省略）の偏光方向をウィンドシールドＷＳに対するＰ偏光とする。この場合には、発光素子１１ａ，１１ｂから照射された無偏光の第１照射光および第２照射光は、第１面側の偏光板をＳ偏光だけが透過し、ＴＮ液晶で偏光方向が回転されて第２面側の偏光板をＰ偏光として透過する。よって、図５（ｂ）に示すように、第２期間に画像表示部１３から第２方向に取り出される第２画像光はＰ偏光となる。
　一方、第１期間に画像表示部１３を透過した第１画像光もＰ偏光であるが、第１画像光は反射鏡１７で反射されて第１方向に取り出される際に、四分の一波長板１８を２回透過する。上述したように、四分の一波長板１８のスロー軸とファスト軸は、第１画像光の偏光方向に対して４５度異なる向きに配置されているため、第１画像光は２回の透過によって偏光方向が９０度回転されてＳ偏光となっている。よって、図５（ａ）に示すように、第１期間に画像表示部１３から第１方向に取り出される第１画像光はＳ偏光となる。
　したがって、画像照射部１０からは、第１期間にＳ偏光の第１画像光が第１方向に照射され、第２期間にＰ偏光の第２画像光が第２方向に照射される。これにより、運転者は視点位置ＥからウィンドシールドＷＳを介して前方に虚像Ｐ１を視認し、下部ウィンドシールドＷＳＢを介して虚像Ｐ２を視認することができる。また、虚像Ｐ１はＳ偏光で投影されるため、ウィンドシールドＷＳでの反射率を高くして視認性を向上させることができる。また、虚像Ｐ２はＰ偏光で投影されるため、運転者が偏光サングラスを装着している状態でも、良好に虚像Ｐ２を視認することができる。
　図５（ａ）（ｂ）では、反射鏡１７および四分の一波長板１８を画像照射部１０に含めた例を示しているが、反射鏡１７および四分の一波長板１８を画像照射部１０の外部に設けるとしてもよい。また、反射鏡１７を省略して第１ミラー２０の反射面に四分の一波長板１８を重ねて配置するとしてもよい。また、反射鏡１７での第１画像光の反射前後に、四分の一波長板１８を第１画像光が２回透過する例を示したが、二分の一波長板を用いて反射鏡１７での第１画像光の反射後に、二分の一波長板を第１画像光が１回透過することでＰ偏光をＳ偏光に変換するとしてもよい。
　本実施形態の画像投影装置１００でも、画像照射部１０が第１画像光を第１方向に照射する第１期間と、第２画像光を第２方向に照射する第２期間を交互に繰り返すことでウィンドシールドＷＳと下部ウィンドシールドＷＳＢの異なる位置に虚像Ｐ１，Ｐ２を投影しつつ、小型化を図ることが可能となる。
　本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
　本国際出願は、２０２４年６月７日に出願された日本国特許出願である特願２０２４－０９３０４４号に基づく優先権を主張するものであり、当該日本国特許出願である特願２０２４－０９３０４４号の全内容は、本国際出願に援用される。
　本発明の特定の実施の形態についての上記説明は、例示を目的として提示したものである。それらは、網羅的であったり、記載した形態そのままに本発明を制限したりすることを意図したものではない。数多くの変形や変更が、上記の記載内容に照らして可能であることは当業者に自明である。
１００…画像投影装置
１０…画像照射部
２０…第１ミラー
３０…第２ミラー
１１ａ，１１ｂ…発光素子
１２ａ，１２ｂ…レンズ
１３…画像表示部
１４ａ，１４ｂ…透過反射部
１５…ヒートシンク
１６ａ，１６ｂ…導光反射部
１７…反射鏡
１８…四分の一波長板 

Claims (8)

  1. 　虚像を表示するための表示部に対して投影画像を投影する画像投影装置であって、
    　第１画像光および第２画像光を照射する画像照射部と、
    　前記表示部を介して前記第１画像光を視点位置から第１距離に結像させる投影光学部を備え、
    　前記画像照射部は、前記第１画像光を第１方向に照射する第１期間と、前記第２画像光を第２方向に照射する第２期間を交互に繰り返すことを特徴とする画像投影装置。
  2. 　請求項１に記載の画像投影装置であって、
    　前記第１方向には前記投影光学部が設けられ、
    　前記第２方向の延長には、前記表示部の下部に形成された黒反射領域が設けられていることを特徴とする画像投影装置。
  3. 　請求項１に記載の画像投影装置であって、
    　前記画像照射部は、
    　前記第１期間に第１画像を表示し、前記第２期間に第２画像を表示する画像表示部と、
    　前記第１期間に前記画像表示部に対して第１照射光を照射する第１光源部と、
    　前記第２期間に前記画像表示部に対して第２照射光を照射する第２光源部を備えることを特徴とする画像投影装置。
  4. 　請求項３に記載の画像投影装置であって、
    　前記画像表示部は透過型液晶表示装置であり、
    　前記透過型液晶表示装置は、前記第１照射光および前記第２照射光の光分布が最大の方向に沿って配置されており、
    　前記第１照射光を前記透過型液晶表示装置の第１面に対して反射する第１透過反射部と、
    　前記第２照射光を前記透過型液晶表示装置の第２面に対して反射する第２透過反射部とを備えることを特徴とする画像投影装置。
  5. 　請求項４に記載の画像投影装置であって、
    　前記第１透過反射部は、前記第１面から照射された前記第２画像光を透過し、
    　前記第２透過反射部は、前記第２面から照射された前記第１画像光を透過することを特徴とする画像投影装置。
  6. 　請求項３に記載の画像投影装置であって、
    　前記画像表示部は透過型液晶表示装置であり、
    　前記第１光源部は、前記第１照射光を発光する第１発光部と、前記第１照射光を前記透過型液晶表示装置の第１面に対して反射する第１導光反射部を有し、
    　前記第２光源部は、前記第２照射光を発光する第２発光部と、前記第２照射光を前記透過型液晶表示装置の第１面に対して反射する第２導光反射部を有することを特徴とする画像投影装置。
  7. 　請求項６に記載の画像投影装置であって、
    　前記第１導光反射部は、前記第１方向に前記第１照射光を反射し、
    　前記第２導光反射部は、前記第２方向に前記第２照射光を反射することを特徴とする画像投影装置。
  8. 　請求項１から７の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
    　前記第１画像光は前記表示部に対するＳ偏光であり、前記第２画像光は前記表示部に対するＰ偏光であることを特徴とする画像投影装置。
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