JP2014153450A - 画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】組み立て作業による検出誤差を抑制して、画像投影位置を精度よく検出することができる画像投影装置を提供する。
【解決手段】表示器は、照明装置からの光を空間光変調することで画像をスクリーン５０上に生成し、スクリーン５０の特定領域に照射される光の光強度を検出する位置に光強度検出部を配設し、リレー光学系は、スクリーン５０の特定領域と所定の位置関係にある表示有効領域５０ａにて結像された画像を投影対象へ導き、制御部は、光強度検出部の検出データから表示器が照射する光とスクリーン５０との位置関係を特定し、画像が表示有効領域５０ａ内になるように表示器を調整し、スクリーン５０は、特定領域をこの特定領域の周辺より光強度検出部に向かう光の伝搬量を多くする光伝搬量調整手段５１を設ける。
【選択図】図５

Description

本発明は、所定箇所に画像を投影することで、画像を表示する画像投影装置に関するものである。

従来の画像投影装置は、車両のウインドシールド或いはコンバイナと称される半透過板に表示像を投影し、虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置が種々提案されており、例えば特許文献１に開示されている。このような画像投影装置は、光源から射出された光をＤＭＤ（ＤＭＤ；Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）などの空間光変調素子（表示器）により空間光変調させることで、所定の位置に画像を結像し、その結像した画像を上記のウインドシールドやコンバイナ等に投影することで、車両運転者は虚像を風景と重畳させて視認させるものである。

このような画像投影装置において、表示器により光変調された光は表示画像として結像部材（透過型スクリーン）で結像され、結像部材上の所定箇所（表示有効領域）に結像される画像のみが画像投影装置の外部に投影されて車両運転者に視認されるものである。この場合、表示器のうち結像部材の表示有効領域に光を投影する領域は、車両運転者に視認させる表示画像を生成し、表示器のうち結像部材の表示有効領域外に光を投影する領域は、光源からの光を結像部材に投影しない（暗表示とする）。

しかしながら、表示器と結像部材との位置関係が、振動や構成する部材の経時的形状変化などによりずれてしまい、延いては表示器が表示する表示画像の位置が結像部材の表示有効領域から外れてしまい、画像投影装置の外部に所望の表示画像を投影することができないという問題があった。

このような問題を解決するため、特許文献２には、結像部材に、表示器からの光を検出する光強度検出部を配設し、この光強度検出部が、表示器が照射する光の光強度を検出することで、表示器により生成される表示画像と結像部材との位置を対応づけ、表示器により生成される表示画像が所定の位置に表示されるように補正するものが開示されている。

特開２０１２−００３０９２号公報 特開２００８−１３４３７０号公報

しかしながら、結像部材上に光強度検出部を配設する際、光強度検出部を結像部材に接着する方法等が考えられるが、このように接着する場合、配線を有する電子部品である光強度検出部を正確な位置に接着するのは作業上困難であり、接着する位置がずれてしまい、結果として光強度検出部による表示画像の検出位置に誤差が生じてしまい、結像部材の正確な位置に表示画像を表示できない虞があった。

そこで、本発明は、前述の課題を鑑みて、組み立て作業による検出誤差を抑制して、画像投影位置を精度よく検出することができる画像投影装置を提供するものである。

本発明は、前述した課題を解決するため、第１の発明では、光源と、前記光源からの光を空間光変調することで画像を生成する空間光変調素子と、前記空間光変調素子から照射された前記画像を結像する結像部材と、前記結像部材の特定領域に照射される光の光強度を検出する光強度検出部と、前記特定領域と所定の位置関係にある表示有効領域にて結像された前記画像の結像光を投影対象へ導くリレー光学系と、前記光強度検出部の検出データから前記空間光変調素子が照射する光と前記結像部材との位置関係を特定し、前記画像が前記表示有効領域内になるように調整する制御部と、を備え、前記結像部材は、前記特定領域を前記特定領域の周辺より前記光強度検出部に向かう光の伝搬量を多くする光伝搬量調整手段を設けたものであり、斯かる構成により、配線を有する電子部品である光強度検出部の組み付け時に位置誤差が生じた場合でも精度よく結像部材上の画像投影位置を検出、調整することができる。

また、第２の発明では、前記光伝搬量調整手段は、前記特定領域に設けられた貫通穴または凹部からなるものである。

また、第３の発明では、前記光伝搬量調整手段は、前記特定領域に設けられた反射部材からなり、前記光強度検出部は、前記反射部材の反射光を検出できる位置に配設されたものである。

また、第４の発明では、前記光伝搬量調整手段は、前記特定領域の周辺に設けられ、前記光強度検出部に向かう光の伝搬量を少なくする不透過層からなるものである。

また、第５の発明では、前記特定領域は、前記光強度検出部の検出範囲よりも小さいものである。

本発明は、組み立て作業による検出誤差を抑制して、画像投影位置を精度よく検出することができる画像投影装置を提供するものである。

本発明の実施形態における概観図である。 上記実施形態における画像投影装置の概略断面図である。 上記実施形態における照明装置の概略断面図である。 上記実施形態におけるスクリーンの正面図である。 上記実施形態におけるスクリーンの断面図であり、図４におけるＡ−Ａ断面図である。 上記実施形態におけるスクリーンと表示器との位置ずれを補正する動作を説明する図であり、スクリーンの正面図である。 上記実施形態における位置検出処理を説明する図であり、スクリーンの正面図である。 上記実施形態における位置検出処理を説明する図であり、光強度データを図示したものである。 本発明の変形例を説明する図であり、スクリーンの断面図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の画像投影装置を車両用のヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ装置）に適用した一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるＨＵＤ装置１を車両に搭載した際の概観を示した図である。ＨＵＤ装置１は、車両のダッシュボード内に設けられ、生成した表示画像Ｍを表す表示光（結像光）Ｌをウインドシールド２で反射させることにより、車両運転者３に車両情報を表す表示画像Ｍの虚像Ｖを視認させるものである。車両運転者３は、前方から視線を逸らさずに虚像Ｖを視認できる。

図２は、ＨＵＤ装置１の構成を説明する図である。ＨＵＤ装置１は、照明装置１０と、照明光学系２０と、表示器３０と、投写光学系４０と、スクリーン（結像部材）５０と、光強度検出部６０と、リレー光学系７０と、結像光Ｌが外部へ射出する窓部８１を有するハウジング８０と、制御部９０と、を備える。

照明装置１０は、図３に示すように、光源１１と、アルミ基板からなり前記光源１１を実装する回路基板１２と、反射透過光学手段１３と、輝度ムラ低減光学手段１４と、を備える。

光源１１は、赤色照明光Ｒを発する赤色ＬＥＤ１１ｒと、緑色照明光Ｇを発する緑色ＬＥＤ１１ｇと、青色照明光Ｂを発する青色ＬＥＤ１１ｂと、から構成される。

反射透過光学手段１３は、光を反射する反射ミラー１３ａと、誘電体の多層膜等の薄膜が鏡面に形成された鏡で構成され、光の透過と反射を行うダイクロイックミラー１３ｂ、１３ｃと、からなるものである。

反射ミラー１３ａは、赤色ＬＥＤ１１ｒから発する光の進行方向側に所定の角度をもって配設され、赤色ＬＥＤ１１ｒからの赤色照明光Ｒを反射する。
ダイクロイックミラー１３ｂは、緑色ＬＥＤ１１ｇからの緑色照明光Ｇの進行方向側に所定の角度をもって配設され、反射ミラー１３ａに反射された光Ｒを透過し、緑色照明光Ｇを反射する。
ダイクロイックミラー１３ｃは、青色ＬＥＤ１１ｂからの青色照明光Ｂの進行方向側に所定の角度をもって配設され、ダイクロイックミラー１３ｂにより透過、反射された赤色照明光Ｒと緑色照明光Ｇとを透過し、青色照明光Ｂを反射する。

輝度ムラ低減光学手段１４は、ミラーボックスやアレイレンズなどからなるもので、上述の照明光Ｃを乱反射、散乱、屈折させることで光のムラを低減する。このように照明装置１０は、後述する照明光学系２０の方向へ照明光Ｃを出射する。

照明光学系２０は、例えば凹状のレンズ等で構成され、照明装置１０から出射された照明光Ｃを後述する表示器３０の大きさに調整する。

表示器（空間光変調素子）３０は、可動式のミラー（画素Ｅ）をマトリクス状に複数備えたＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）からなり、表示画像Ｍを表す表示画像データに基づき各ミラーＥを個別に駆動することにより、表示画像Ｍを投写光学系４０方向に投射する。また、表示器３０は、ＤＭＤ素子ではなく、反射型及び透過型の液晶素子等で構成されてもよい。以下に、図４を用いて表示器３０の表示領域３０ａ及び非表示領域３０ｂとスクリーン５０との関係を説明する。図４は、スクリーン５０の正面図であり、スクリーン５０に関係する箇所は実線で、表示器３０に関係する箇所は点線で記載してある。

また、表示器３０は、照明光学系２０からの光を空間光変調して所望の表示画像Ｍを生成する表示領域３０ａ（図４の表示有効領域５０ａの内側の点線で描かれた矩形に囲まれた領域）と、この表示領域３０ａ以外の非表示領域３０ｂ（図４の表示有効領域５０ａの外側の点線で描かれた矩形に囲まれた領域の表示領域３０ａ以外の領域）と、を有する。表示器３０の表示領域３０ａは、図４に示すように、後述するスクリーン５０のうちＨＵＤ装置１の外部に投影される領域である有効表示領域５０ａ内に表示画像Ｍが表示されるように調整される。表示器３０の表示領域３０ａに生成される表示画像Ｍは、スクリーン５０の表示有効領域５０ａ内で結像され、リレー光学系７０によって、ＨＵＤ装置１の外部に投影される。また、表示器３０の非表示領域３０ｂに生成される画像は、スクリーン５０の表示有効領域５０ａ外に投影されるため、リレー光学系７０によって、ＨＵＤ装置１の外部に投影されない。

また、表示器３０は、ＨＵＤ装置１の外部に投影する表示画像Ｍの他に、位置検出用画像Ｎを生成可能であり、この位置検出用画像Ｎをスクリーン５０の非有効表示領域５０ｂ内で走査し、後述する光強度検出部６０にて位置検出用画像Ｎの光強度を検出することで表示器３０とスクリーン５０との位置関係を対応づけ、表示器３０の表示画像Ｍとスクリーン５０とが特定の位置関係になるように調整する。また、表示画像Ｍの表示位置調整方法については、後述する。

投写光学系４０は、例えば凹レンズもしくは凸レンズ等で構成され、表示器３０から投影された画像（表示画像Ｍ及び位置検出用画像Ｎ）の光を後述するスクリーン５０に効率よく照射するための光学系である。

スクリーン（結像部材）５０は、拡散板，ホログラフィックディフューザ，マイクロレンズアレイ等から構成され、投写光学系４０（表示器３０）からの光を下面（図２における下側）で受光して上面（図２における上側）に表示画像Ｍを表示する。スクリーン５０は、後述するリレー光学系７０によりＨＵＤ装置１の外部に投影される領域である表示有効領域５０ａと、表示有効領域５０ａ以外の表示無効領域５０ｂと、を有する。

表示有効領域５０ａは、図４に示すように、スクリーン５０の略中央の太線で描かれた矩形に囲まれた領域であり、この領域は、後述するリレー光学系７０によって、ＨＵＤ装置１の外部に投影される領域であり、投写光学系４０を介した表示器３０からの表示画像Ｍが結像される領域である。

表示無効領域５０ｂは、図５に示すように、表示有効領域５０ａ以外の中空矩形の領域であり、この領域は、後述するリレー光学系７０によって、ＨＵＤ装置１の外部に投影されない領域であり、後述する投写光学系４０を介した表示器３０からの位置検出用光Ｎが照射される領域である。また、表示無効領域５０ｂのうち表示有効領域５０ａから離れた特定の位置（特定領域）に正四角形の貫通穴からなる検出用孔５１を有し、この検出用孔５１は、レーザー加工やプレス加工または射出成形などにより形成される。以下に光強度検出部６０を、図４，５を用いて説明する。図５は、図４のＡ−Ａ断面図である。

光強度検出部６０は、フォトダイオードやカラーセンサなどで構成される光強度検出センサであり、スクリーン５０を挟んだ表示器３０と反対側のハウジング８０の所定箇所に位置決め固定され、図５に示すように、表示器３０からスクリーン５０に照射される光のうち特定領域に設けられる検出用孔５１を通過する光の光強度を検出可能に配設され、検出データを後述する制御部９０に信号出力するものである。制御部９０は、光強度検出部６０の検出データに基づき、表示器３０が照射する光とスクリーン５０との位置関係を特定することができる。また、光強度検出部６０の光強度検出可能範囲は、検出用孔５１（特定領域）の範囲より狭くなるように設定され、斯かる構成により、光強度検出部６０の組み立て時の位置誤差に影響されにくく、精度よく位置決めされた検出用孔５１（特定領域）に基づいて、表示器３０が照射する光とスクリーン５０との位置関係を精度よく特定することが可能となる。

リレー光学系７０は、平面ミラー７１と凹面ミラー７２とにより構成され、スクリーン５０の表示有効領域５０ａに結像される表示画像Ｍの表示光（結像光）Ｌを反射することでウインドシールド２に表示画像Ｍを投影するものである。

平面ミラー７１は、スクリーン５０の表示有効領域５０ａを後述する凹面ミラー７２に向かって反射させる。すなわち、平面ミラー７１は、スクリーン５０の表示有効領域５０ａに投影された表示画像Ｍの結像光Ｌを、後述する凹面ミラー７２に向かって反射する。

凹面ミラー７２は、凹面鏡（拡大鏡）等であり、平面ミラー７１で反射された結像光Ｌを凹面で反射させることで、結像光Ｌを後述の窓部８１からＨＵＤ装置１の外部へ射出する。これにより、虚像Ｖは、スクリーン５０に表示された表示画像Ｍが拡大された大きさになる。

ハウジング８０は、硬質樹脂等から形成され、上方に所定の大きさの窓部８１を備えた箱状に形成される。ハウジング８０は、照明装置１０と、照明光学系２０と、表示器３０と、投写光学系４０と、スクリーン５０と、光強度検出部６０と、リレー光学系７０等を所定の位置に収納する。後述する制御部９０は、ハウジング８０の中に収納されてもよく、ハウジング８０の外部に配設され、配線などによりハウジング８０内部の構成部品と電気的な接続を行ってもよい。

窓部８１は、アクリル等の透光性樹脂から湾曲形状に形成されており、ハウジング８０の開口部に溶着等により取り付けられる。窓部８１は、凹面ミラー７２で反射された光を透過させる。

制御部９０は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やマイコン、ＡＳＩＣなどのＣＰＵと、ＣＰＵを駆動させるプログラムやデータを記憶するメモリ、表示器３０を駆動する表示器駆動部、光源１１を駆動する光源駆動部などにより構成され、ＬＶＤＳ（Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｉｇｎａｌ）通信等によって表示画像Ｍを表示するための画像信号や輝度信号が車両ＥＣＵ４から入力され、この画像信号や輝度信号に基づき、所望の表示画像を所望の輝度で表示させるものである。

また、制御部９０は、図６（ａ）に示すように、スクリーン５０に対して表示器３０（表示領域３０ａ、非表示領域３０ｂ）がずれた場合、検出用孔５１の位置を検出し、この検出用孔５１の位置に基づき、表示領域３０ａの位置を補正して、図６（ｂ）に示すように、表示器３０の表示領域３０ａをスクリーン５０の表示有効領域５０ａの位置に調整する。以下に、この表示位置調整方法を、図４，６，７，８を用いて説明する。図７は検査用画像Ｎの走査の様子を示した図であり、図８は、光強度検出部６０の検出データを図示したものである。

制御部９０は、照明装置１０及び表示器３０を駆動することにより、所定の検査用画像Ｎ（検査用光）をスクリーン５０に投写し、図７に示すように検査用画像Ｎを、スクリーン５０上で走査する。この際、スクリーン５０の検査用孔５１（特定領域）を臨む位置に配設される光強度検出部６０により、光強度を検出する。これにより、制御部９０は、図８に示すような光強度の検出データを取得し、この検出データより検査用孔５１の位置を特定する（例えば、図８の場合、検出用孔５１の位置はＸｃ，Ｙｃに特定する）。制御部９０は、メモリに予め表示器３０の表示領域３０ａの位置と、スクリーン５０の検査用孔５１の位置との相対的な位置関係を記憶しておき、前記光強度データから特定した検査用孔５１の位置から表示有効領域５０ａの位置を特定し、その特定した表示有効領域５０ａに表示画像Ｍを表示させるように、表示器３０内の表示領域３０ａを調整する。

具体的に、例えば、制御部９０は、メモリに予め表示器３０の表示領域３０ａの左上端の位置と、スクリーン５０の検出用孔５１の位置との相対的な位置関係を示す特定データ（ｘ）を記憶しておき、図４に示すように、検出用孔５１の位置がＥｋである場合、表示領域３０ａ（の左上端）をＥｋ＋ｘと推定する。図６（ａ）のように、表示器３０とスクリーン５０との位置関係がずれてしまった場合、制御部９０は、図７に示すように検査用画像Ｎをスクリーン５０上で走査することにより、検査用孔５１の位置（Ｅｓ）を特定し、この検査用孔５１の位置（Ｅｓ）とメモリの特定データ（ｘ）とにより、表示領域３０ａ（の左上端）をＥｓ＋ｘと特定し、制御部９０は、図６（ｂ）に示すように、表示器３０の表示領域３０ａを、スクリーン５０の表示有効領域５０ａに合わせるように調整する。

以上の構成により、本実施形態におけるＨＵＤ装置１は、表示画像Ｍを結像するスクリーン（結像部材）５０の表示無効領域５０ｂの特定領域に貫通穴である検査用孔５１を設け、表示器３０から照射される光が検査用孔５１を通過する位置に光強度検出部６０を設けることにより、スクリーン５０内の検査用孔５１の位置を精度よく生成しておけば、検査用孔５１を臨む光強度検出部６０により、位置精度のよい光強度検出を行うことができ、光強度検出部６０の組み付け時の光強度検出部６０の位置の誤差による影響を低減することができる。また、特定領域を貫通穴とすることで、特定領域を、特定領域の周辺より光強度検出部６０に向かう光の伝搬量を多くすることができ、検査用孔５１を通過する光のみを強く検出することができるので、スクリーン（結像部材）５０上で精度のよい画像の位置検出・位置調整が可能となる。

また、検査用光Ｎを走査して、各走査位置における光強度検出部６０の光強度データから総合的に検査用孔５１の位置を推定するので、光強度検出部６０の固体誤差や組み付けによる位置誤差などにより、光強度が一定の値でなくても検査用孔５１の位置を精度よく特定することができる。

なお、本発明は上記の実施形態、下記の変形例、及び図面によって限定されるものではない。適宜変更（構成要素の削除も含む）を加えることができるのはもちろんである。

上記実施形態において表示器３０は、ドットマトリクス状に画素を配列したパネルであったが、表示器３０は、レーザー光源からのレーザー光を２次元走査するＭＥＭＳミラーなどであってもよい。上記実施形態では検査用光（検査用画像）Ｎを走査したが、表示器３０がＭＥＭＳミラーなどの２次元走査型である場合、レーザー光を走査することによって、検査用孔５１の位置を特定してもよい。

また、上記実施形態においては、検査用孔５１を貫通穴としたが、これに限らず、図９（ａ）に示すように、スクリーン５０を光強度検出部６０に向けて凹状の検出用凹部５１ａとしてもよい。このような構成によっても上記実施形態と同様の効果が得られる。
また、図９（ｂ）に示すように、検出用凹部５１ａの周辺に不透過の塗料からなる不透過層（光量調整層）５２を印刷形成してもよく、図９（ｃ）に示すように、検査用孔５１や検出用凹部５１ａを設けるのではなく、不透過層５２により縁取ることで光強度検出部６０に光が照射される検出用領域５１ｂを模ってもよい。斯かる構成により、電子部品である光強度検出部６０をスクリーン５０上に配設するのに比べ、位置精度よく不透過層５２を印刷形成できるため、スクリーン５０上の検出用領域５１ｂ（検出用孔５１または検出用凹部５１ａ）と表示有効領域５０ａとの位置関係を精度よく一定に保つことができ、延いては表示器３０の表示領域３０ａを精度よくスクリーン５０の表示有効領域５０ａに合わせることができる。

また、図９（ｄ）に示すように、スクリーン５０上に反射部材５１ｃを配設し、その反射光の光強度を検出することで、特定位置に配設される反射部材５１ｃの位置を検出し、この反射部材５１ｃの位置に基づき、表示有効領域５０ａの位置を推測し、表示器３０の表示領域３０ａを調節するようにしてもよい。斯かる構成により、電子部品である光強度検出部６０をスクリーン５０上に配設するのに比べ、位置精度よく反射部材５１ｃ特定位置に配設することができるため、スクリーン５０上の反射部材５１ｃと表示有効領域５０ａとの位置関係を精度よく一定に保つことができ、延いては表示器３０の表示領域３０ａを精度よくスクリーン５０の表示有効領域５０ａに合わせることができる。なお、特許請求の範囲に記載した、スクリーン５０の特定領域を特定領域の周辺より光強度検出部６０に向かう光の伝搬量を多くする光伝搬量調整手段は、上記のスクリーン（結像部材）５０に配設される検査用孔５１、検査用凹部５１ａ、反射部材５１ｃ、不透過層５２などで構成される。

１ ＨＵＤ装置（画像投影装置）
１０ 照明装置（光源）
２０ 照明光学系
３０ 表示器（空間光変調素子）
３０ａ 表示領域
３０ｂ 非表示領域
４０ 投写光学系
５０ スクリーン（結像部材）
５０ａ 表示有効領域
５０ｂ 表示無効領域
５１ 検査用孔
５１ａ 検査用凹部
５１ｂ 検査用領域
５１ｃ 反射部材
５２ 不透過層
６０ 光強度検出部
７０ リレー光学系
８０ ハウジング

Claims (5)

1. 光源と、
   前記光源からの光を空間光変調することで画像を生成する空間光変調素子と、
   前記空間光変調素子から照射された前記画像を結像する結像部材と、
   前記結像部材の特定領域に照射される光の光強度を検出する光強度検出部と、
   前記特定領域と所定の位置関係にある表示有効領域にて結像された前記画像の結像光を投影対象へ導くリレー光学系と、
   前記光強度検出部の検出データから前記空間光変調素子が照射する光と前記結像部材との位置関係を特定し、前記画像が前記表示有効領域内になるように調整する制御部と、を備え、
   前記結像部材は、前記特定領域を前記特定領域の周辺より前記光強度検出部に向かう光の伝搬量を多くする光伝搬量調整手段を設けたことを特徴とする画像投影装置。
2. 前記光伝搬量調整手段は、前記特定領域に設けられた貫通穴または凹部からなることを特徴とする請求項１に記載の画像投影装置。
3. 前記光伝搬量調整手段は、前記特定領域に設けられた反射部材からなり、前記光強度検出部は、前記反射部材の反射光を検出できる位置に配設されたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の画像投影装置。
4. 前記光伝搬量調整手段は、前記特定領域の周辺に設けられ、前記光強度検出部に向かう光の伝搬量を少なくする不透過層からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の画像投影装置。
5. 前記特定領域は、前記光強度検出部の検出範囲よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の画像投影装置。
   
   
   

Images