JP2017083610A - 投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】調整工程及び部品点数を削減し、環境変動による投射光の偏光方位角の精度低下を抑制することもできる投射装置を提供する。【解決手段】入射される光を反射する走査ミラー部と、前記走査ミラー部上に配置されて、所定の方位角の偏光を抽出する偏光層と、を含む光走査デバイスを備える投射装置としている。【選択図】図５

Description

本発明は、投射装置に関する。

従来から様々な投射装置が開発されており、その中にはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーを備えた投射装置も開発されている（例えば特許文献１）。

更にこのような投射装置には、車両に備え付けられる車載用のものも昨今、登場している。従来の車載用投射装置の光学系構成の一例を図１２に示す。

図１２に示すように、従来例に係る車載用の投射装置１１０は、ＲＧＢ（赤色、緑色、青色）の各色が一つの光軸に合成された合成ビームを生成して出力する合成ビーム生成部１０１と、合成ビームを集光させる集光レンズ１０２と、1/4波長板１０３と、偏光子１０４と、偏向ミラー１０５と、水平走査ミラー１０６と、垂直走査ミラー１０７とから構成されている。

合成ビーム生成部１０１から出射された合成ビームは、集光レンズ１０２により集光され、1/4波長板１０３及び偏光子１０４を透過し、偏向ミラー１０５、水平走査ミラー１０６、及び垂直走査ミラーによって順次反射されることで、投射光として外部に出射される。投射装置１１０から出射された投射光は、車両のフロントガラス等に設けられたコンバイナ１１５に投射される。コンバイナ１１５に投射された画像は、車両の運転者などのユーザにとっては虚像として認識される。

車両の運転者などのユーザは、まぶしさを軽減させるために偏光メガネを着用することも多い。偏光メガネは、入射される光から所定の方位角の偏光を抽出するフィルタとしての機能を有する。そこで、偏光メガネの上記方位角が例えば４５度の場合は、従来の投射装置１１０では、1/4波長板１０３によって円偏光を１３５度付近の直線偏光に変換し、偏光子１０４によって１３５度の直線偏光を抽出することで、４５度の直線偏光としての投射光を出射させるようにして、偏光メガネを着用したユーザにも投射画像を認識させるようにしている。即ち、偏光メガネの抽出する偏光の方位角に投射光の偏光を限定させるためにフィルタとしての偏光子１０４を設けていた。

特開２００６−１８９５７３号公報

ここで、従来の投射装置１１０では、コンバイナ１１５に対して適正な投射範囲となるように水平走査ミラー１０６及び垂直走査ミラー１０７の各駆動軸を回転調整していた。また、このような回転調整とは別に、偏光子１０４の回転調整による偏光方位角の調整も行っていた。

しかしながら、上記のように走査ミラーと偏光子１０４を別々に回転調整すると、調整工程が増え、偏光方位角の調整精度にバラツキが生じるという問題があった。また、環境変動によって走査ミラーの駆動軸がずれ、投射範囲が調整されたものからずれてしまった場合に、投射装置１１０自体の車両への取付を調整することで投射範囲を適正なものとすることができたが、このとき偏光方位角を良好に調整するよう回転調整された偏光子１０４の配置がずれてしまうので、結局、投射光の偏光方位角の精度が低下するという問題もあった。更に、走査ミラーと偏光子１０４が別々の部品であったので、部品点数の増加の問題もあった。

上記状況に鑑み、本発明は、調整工程及び部品点数を削減し、環境変動による投射光の偏光方位角の精度低下を抑制することもできる投射装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る投射装置は、入射される光を反射する走査ミラー部と、前記走査ミラー部上に配置されて、所定の方位角の偏光を抽出する偏光層と、を含む光走査デバイスを備える構成としている（第１の構成）。

このような構成によれば、走査ミラー部と偏光層を光走査デバイスという一部品に含めて一体化させているので、部品点数の削減となる。また、光走査デバイスを用いた投射装置が投射する投射範囲を適正にすべく光走査デバイスを回転調整した場合に、偏光層は光走査デバイスと一体に回転されるので、偏光層の調整は不要となり、調整工程が削減されて投射光の偏光方位角の精度を向上させることができる。また、環境の変動により光走査デバイスにおける走査ミラー部の駆動軸がずれた場合でも偏光層も一体にずれるので、投射範囲を適正になるよう矯正すべく投射装置自体の取付を調整すれば、投射光の偏光方位角を精度良く調整できる。

また、上記第１の構成において、前記走査ミラー部に入射する光及び反射された光は、前記偏光層に入射されることとしてもよい（第２の構成）。このような構成によれば、偏光層に光は２回入射されることとなり、出射光の偏光方位角を限定する効果を向上することができる。

また、上記第１又は第２の構成において、前記偏光層と前記走査ミラー部との間に透光層を備えることとしてもよい（第４の構成）。このような構成によれば、透光層によって偏光層と走査ミラー部とが離間されるので、偏光層における偏光抽出をより確実なものとできる。

また、上記第１〜第３のいずれかの構成において、前記偏光層の厚みは、入射される複数の波長の光のうち所定波長以上としていることとしてもよい（第４の構成）。

このような構成によれば、入射される光が複数の波長（例えばＲＧＢの３色）を有している場合でも、偏光層の厚みを所定波長以上としているので、上記厚みを残りの波長よりも長くすることができ、ほとんどの波長の光の偏光抽出効果を高めることができる。

また、上記第１〜第４のいずれかの構成において、前記偏光層が表面に配置されたこととしてもよい（第５の構成）。このような構成によれば、光走査デバイス表面において反射迷光成分が生じることを抑制できる。

また、上記第１〜第５のいずれかの構成において、水平走査ミラーと、垂直走査ミラーと、を備え、前記光走査デバイスは、前記水平走査ミラーと前記垂直走査ミラーのうち光路の後段側に配されるものを前記走査ミラー部として含むよう構成されることとしてもよい（第６の構成）。

このような構成によれば、投射光の偏光方位角の精度をより高めることが可能となる。

また、上記構成の投射装置を車載用とすれば、まぶしさの軽減のために車両の運転手等が偏光メガネを着用することが多いため、より効果的となる。

本発明の投射装置によると、調整工程及び部品点数を削減し、環境変動による投射光の偏光方位角の精度低下を抑制することもできる。

本発明の一実施形態に係る車載用のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るプロジェクタのブロック構成図である。 本発明の一実施形態に係るプロジェクタに設けられる光学系の概略斜視図である。 本発明の一実施形態に係る光走査デバイスの光入出射側から視た概略の平面図である。 図４のＡ−Ａ断面の概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る光走査デバイスにおける光の入出射を示す概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る光走査デバイスの回転調整を示す概略平面図である。 投射範囲が適正な場合の走査範囲の一例を示す図である。 光走査デバイスの回転による走査範囲の変化の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るプロジェクタにおける生産工程での調整及びユーザによる調整を示す図である。 本発明の変形実施例に係る光走査デバイスの概略断面を示す図である。 従来例に係る車載用の投射装置に設けられる光学系を示す図である。 従来例に係る車載用の投射装置における生産工程での調整及びユーザによる調整を示す図である。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。以下、車載用のヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置）による実施形態を一例として挙げて説明する。

本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置の概略構成を図１に示す。本実施形態のＨＵＤ装置５０は、車両８に搭載されている。なお、ＨＵＤ装置５０は、車両に限らず、他の輸送機器（例えば船舶や航空機等）に搭載されてもよい。ＨＵＤ装置５０は、プロジェクタ（投射装置）１から走査レーザ光７（投射光）を車両８のフロントガラス８１に向けて投射し、投射像をユーザＰの視野内に重ねて表示する表示装置である。なお、図１において、一点鎖線の矢印６は車両８の運転席に座っているユーザの視線を示している。

図１に示すように、フロントガラス８１の内面にはコンバイナ８２が貼り付けられている。このコンバイナ８２は、プロジェクタ１の投射像をユーザの視野内に表示するための投射部材であり、たとえばハーフミラーなどの半透過性の反射材料を用いて形成されている。コンバイナ８２にプロジェクタ１から走査レーザ光７が投射されることによって、コンバイナ８２の所定領域に虚像が形成される。このために、車両８の前方（すなわち視線６の方向）を見ているユーザは、車両８の前方の外界像と、プロジェクタ１から投射される投射像とを同時に視認することができる。なお、走査レーザ光７を直接的にフロントガラス８１に投射させてもよい。

プロジェクタ（投射装置）１のブロック構成を図２に示す。図２に示すようにプロジェクタ１は、光学系として、ＲＧＢ（赤色、緑色、青色）の各色のレーザ光をそれぞれ発光するレーザ光源１１Ａ〜１１Ｃと、各レーザ光源１１Ａ〜１１Ｃに対応して配されたコリメータレンズ１２Ａ〜１２Ｃと、合成プリズム１３Ａと、整形プリズム１３Ｂと、集光レンズ１４と、1/4波長板１５と、偏向ミラー１６と、水平走査ミラー１７と、光走査デバイス１８を備えている。

プロジェクタ１は、図２に示すように他にも表示制御部３０と、メイン制御部３１と、操作部３２も備えている。表示制御部３０は、映像処理部２１、光源制御部２２、ＬＤドライバ２３、ミラー制御部２４、及びミラードライバ２５を有している。

映像処理部２１は、外部から入力される映像信号に基づいて、画像投射を制御するように構成されている。具体的には、映像処理部２１は、外部から入力される映像信号に基づいて、ミラー制御部２４を介して、水平走査ミラー１７及び光走査デバイス１８の駆動を制御するとともに、光源制御部２２を介して、レーザ光源１１Ａ〜１１Ｃによるレーザ光の発光を制御するように構成されている。

光源制御部２２は、映像処理部２１による制御に基づいて、ＬＤドライバ２３を制御して、レーザ光源１１Ａ〜１１Ｃによるレーザ光の発光を制御するように構成されている。具体的には、光源制御部２２は、水平走査ミラー１７及び光走査デバイス１８が走査するタイミングに合せて画像の各画素に対応する色のレーザ光をレーザ光源１１Ａ〜１１Ｃから発光させる制御を行うように構成されている。

ミラー制御部２４は、映像処理部２１による制御に基づいて、ミラードライバ２５を制御して、水平走査ミラー１７及び光走査デバイス１８の駆動を制御するように構成されている。

メイン制御部３１は、プロジェクタ１の各部を制御するように構成されている。操作部３２は、プロジェクタ１の電源を入れる操作、画像の解像度を変更する操作などを受け付けるために設けられている。

ここで、プロジェクタ１における上記光学系のより具体的な構成を示す斜視図を図３に示す。図３に示すように、各レーザ光源１１Ａ〜１１Ｃから出射されて各コリメータレンズ１２Ａ〜１２Ｃによって平行光にされたＲＧＢ各色のレーザ光は、合成プリズム１３Ａによって一つの光軸の光ビームに合成される。合成プリズム１３Ａを出射したレーザ光（上記合成後の光ビーム）は、整形プリズム１３Ｂを透過することで、より真円の円偏光に変換される。

整形プリズム１３Ｂから出射されたレーザ光は、集光レンズ１４によって集光され、1/4波長板１５を透過することで円偏光から直線偏光に変換される。直線偏光に変換後のレーザ光は、偏向ミラー１６によって反射され、水平走査ミラー１７に入射される。

水平走査ミラー１７は、ＭＥＭＳミラーによって構成され、入射されたレーザ光の反射光を水平方向に走査する。水平走査ミラー１７によって反射されたレーザ光は、光走査デバイス１８に入射される。光走査デバイス１８は、後述するように入射される光の反射光を垂直方向に走査する垂直走査ミラー部を備えており、垂直走査ミラー部によって反射された光は投射光として投射装置１の外部へ出射される。出射された投射光は、コンバイナ８２に投射される。

ここで、光走査デバイス１８について説明する。光走査デバイス１８の光入出射側から視た概略の平面図を図４に示し、図４におけるＡ−Ａ断面の概略断面図を図５に示す。

図５に示すように、光走査デバイスは、レーザ光の入射側から順に、樹脂などによるコート層１８１、偏光層１８２、樹脂などによる透光層１８３、及び垂直走査ミラー部１８４を積層されて有している。

垂直走査ミラー部１８４は、ＭＥＭＳミラーによって構成され、図４に示すように、基台部１８４Ａと、トーションバー（接続部）１８４Ｂ及び１８４Ｃと、その両端がトーションバー１８４Ｂとトーションバー１８４Ｃを介して基台部１８４Ａに支持されるミラー１８４Ｄを有している。垂直走査ミラー部１８４は、静電型又は圧電型等のミラーデバイスであり、例えば静電型の場合は、基台部１８４Ａとトーションバー１８４Ｂの各々に設けられる櫛歯部（不図示）が互いに対応する位置に配され、基台部１８４Ａとトーションバー１８４Ｃについても同様の櫛歯部が設けられる。そして、ステータとしての基台部１８４Ａと、トーションバー１８４Ｂ、１８４Ｃ及びミラー１８４Ｄからなるロータの間に駆動電圧が印加されることにより、櫛歯部での静電作用によりミラー１８４Ｄが回動しながら振動するよう駆動される。

そして、ミラー１８４Ｄの入射側を覆うように偏光層１８２が配される。偏光層１８２は、入射されるレーザ光から所定の方位角の偏光を抽出するフィルタとしての機能を有する。

ここで、例えば1/4波長板１５は、入射される円偏光のレーザ光を１３５度付近の直線偏光の合成波に変換する。そして、偏向ミラー１６及び水平走査ミラー１７を介して図６のように光走査デバイス１８に入射される１３５度付近の直線偏光の合成波であるレーザ光Ｌは、コート層１８１を透過した後、偏光層１８２に入射されて１３５度の直線偏光が抽出される。そして、抽出されたレーザ光は、垂直走査ミラー部１８４におけるミラー１８４Ｄによって反射された後、偏光層１８２に再度入射されて４５度の直線偏光が抽出される。そして、抽出されたレーザ光は、コート層１８１を透過して投射光として出射される。１回目に偏光層１８２を通過してミラー１８４Ｄによって反射されたレーザ光には、４５度以外の不要な直線偏光も含まれるが、レーザ光を更に２回目に偏光層１８２を通過させることで上記不要な偏光を除去することができる。従って、偏光層１８２を１回だけ通過させる構成に比して、出力される光の偏光方位角を高精度に揃えることが可能となる。

これにより、まぶしさの軽減のためユーザＰが偏光メガネＧを着用している場合でも（図１）、偏光メガネＧの抽出する偏光の方位角が４５度であれば、投射光の偏光方位角は４５度であるので、ユーザは投射画像を認識することが可能となる。

なお、透光層１８３を仮に設けないで垂直走査ミラー部１８４上に直接的に偏光層１８２を設ける構成の場合、偏光抽出と反射とが同時に行われるため、偏光抽出が確実に行われないことが予想される。そこで、本実施形態では、透光層１８３を設けて垂直走査ミラー部１８４と偏光層１８２とを離間させることで、偏光抽出をより確実に行わせることとしている。

ここで、光走査デバイス１８は、図７に示すように、光の入出射面の面内における回転調整が可能となっており、垂直走査ミラー部１８４の回転調整により、図９に示すように投射面における走査範囲Ｒ１が回転する。そして、光走査デバイス１８の回転調整によって、図８に示すような走査範囲Ｒ１に含まれる適切な投射範囲Ｒ２に投射範囲を調整できる。なお、投射範囲が実際にレーザ光が出射される領域となる。

光走査デバイス１８を回転調整すると垂直走査ミラー部１８４と一体で偏光層１８２も回転調整される。図８のように適切な投射範囲に調整されたときに偏光層１８２が１３５度（及び４５度）の方位角の偏光を抽出するように偏光層１８２の偏光軸Ｓ（図４）は設定される。

これにより、投射範囲を適正に調整すべく光走査デバイス１８を回転調整すれば、別途の調整なしで偏光メガネＧの抽出する偏光方位角に対応した投射光を得ることができる。即ち、従来よりも調整工程を削減し、投射光の偏光方位角の調整精度を向上させることができる。また、垂直走査ミラー部１８４と偏光層１８２を共通の部品に含めることができるので、部品点数の削減効果も奏される。

ここで、本実施形態の特に大きな効果である環境変化への対応について、図１０及び図１３を用いて説明する。図１３は、先述した図１２に示した従来の投射装置１１０における光学系での調整を本実施形態との比較例として示したものである。図１３の最上段に示すように、生産工程においては、水平走査ミラー１０６と垂直走査ミラー１０７をそれぞれ回転調整してコンバイナ１１５における投射範囲が図８の投射範囲Ｒ２のように適切（出力画角が水平及び垂直）となるように調整される（図１３の矢印Ｓ１及びＳ２）。そしてこの状態で、投射光の偏光方位角が偏光メガネの抽出する偏光方位角（例えば４５度）となるように、偏光子１０４が回転調整される（図１３の矢印Ｓ３）。

しかしながら、その後、図１３の中段に示すように、温度変化等の環境変化により、例えば垂直走査ミラー１０７の部品取付け姿勢が変化する場合がある（図１３の矢印Ｓ４）。この場合、投射画像の出力画角が水平から傾き、垂直走査ミラー１０７と偏光子１０４との相対姿勢もずれる。すると、ユーザは出力画角を水平に矯正しようとして、図１３の下段に示すように投射装置１１０の光学系全体の取付け姿勢を調整する（図１３の矢印Ｓ５）。これにより、出力画角は水平に矯正されるが、垂直走査ミラー１０７と偏光子１０４との相対姿勢がずれたままであるので、投射光の偏光方位角が偏光メガネに設定されているものからずれてしまうという問題があった。

例えば車両の運転者は、運転席に座って、バックミラーなどを自分の視線に合わせて調整するのと同様に、ＨＵＤ装置による表示画像が認識し易いよう投射装置１１０全体を傾けて調整を行う。これは、運転者が装着している偏光メガネの偏光方位角と投射装置１１０による投射光の偏光方位角が一致するように調整するのである。こうして運転者の視点で偏光メガネの偏光方位角に合わせて表示位置が固定される。しかしながら、１時間、２時間などと運転を継続すると、車内の温度が上昇し、更に投射装置１１０自体の温度も上昇すると、例えば垂直走査ミラー１０７の取付け姿勢が変化する場合がある。その結果、出力画角がずれる。そこで画角を元に戻そうと投射装置１１０の姿勢を調整すると、投射光の偏光方位角が変化するので、結果的に偏光メガネの偏光方位角と一致しなくなり、運転者は首をかしげないと画像が見えにくいという状況が生まれる。

これに対して本実施形態では、図１０の最上段に示すように、生産工程においては、水平走査ミラー１７と光走査デバイス１８が回転調整されることにより、投射画像の出力画角が適切に調整されると共に、投射光の偏光方位角が偏光メガネＧの抽出する偏光方位角に一致される（図１０の矢印Ｓ１１及びＳ１２）。その後、温度変化等の環境変化により光走査デバイス１８の部品取付け姿勢が変化した場合（図１０の矢印Ｓ１３）、出力画角が水平からずれると共に、投射光の偏光方位角もずれる。

そこで、ユーザが出力画角を水平に矯正すべく、図１０の下段に示すようにプロジェクタ１の光学系全体の取付け姿勢を調整する（図１０の矢印Ｓ１４）。上記温度変化等により光走査デバイス１８の取付け姿勢がずれた際には偏光層１８２と垂直走査ミラー部１８４とは一体としてずれるので、上記のように光学系全体を調整した場合、投射光の偏光方位角は偏光メガネＧに設定されたものに戻る。このように本実施形態によれば、温度変化等の環境変化への対応が可能となる。

＜その他の変形実施例＞
上述した実施形態では、光走査デバイスを垂直走査側に配しているが、逆に水平走査ミラー部を備えた光走査デバイスとして、垂直走査については通常のＭＥＭＳミラーとしてもよい。しかしながら、水平走査より垂直走査のほうが投射面側に近い構成としているので、先述したように垂直走査側を偏光層を含んだ光走査デバイスとしたほうが、投射光の偏光方位角の精度を高めることができる。

また、光走査デバイス１８において透光層１８３を設けずに、偏光層１８２を直接的に垂直走査ミラー部１８４上に配置するようにすることも本発明の範囲内である。

なお、ＲＧＢの各色のレーザ光について共通の偏光層１８２を使用するので、偏光層１８２の厚みとしては、ＲＧＢのレーザ光のうち最も波長の長い赤色（Ｒ）のレーザ光における所定波長以上とすることがフィルタの機能として望ましい。例えば赤色レーザ光が波長６５０ｎｍ〜６６０ｎｍの範囲で分布し、強度がピークとなる波長が６５５ｎｍであった場合、偏光層１８２の厚みは、強度がピーク値の数％となる所定波長（最長波長の６６０ｎｍに近い波長）以上とすればよい。但し、あまり厚みを厚くすると輝度が低下してしまうので、そのようなトレードオフを考慮するとなおよい。

また、上記実施形態では、水平走査と垂直走査について別個のデバイスを用いる構成としたが、水平走査と垂直走査を２軸駆動される一つのミラーによって行うＭＥＭＳミラーにより構成された走査ミラー部を偏光層と一体化させて光走査デバイスを構成してもよい。これにより、より部品点数を削減することができる。

また、偏光層を走査ミラー部上の一部を覆うように形成し、走査ミラー部により反射された光が偏光層は透過せずに光走査デバイスから外部へ出射されるよう構成してもよい。

また、図１１の上段に示すように、上記光走査デバイス１８は表面にコート層１８１を設けているので、コート層１８１にて反射迷光成分Ｌｓが生じるが、図１１の下段に示すようにコート層１８１を設けずに光走査デバイス１８’の表面を偏光層１８２とする構成にすれば、上記のような反射迷光成分の発生を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々の変形が可能である。

１ プロジェクタ
１１Ａ〜１１Ｃ レーザ光源
１２Ａ〜１２Ｃ コリメータレンズ
１３Ａ 合成プリズム
１３Ｂ 整形プリズム
１４ 集光レンズ
１５ 1/4波長板
１６ 偏向ミラー
１７ 水平走査ミラー
１８ 光走査デバイス
１８１ コート層
１８２ 偏光層
１８３ 透光層
１８４ 垂直走査ミラー部
２１ 映像処理部
２２ 光源制御部
２３ ＬＤドライバ
２４ ミラー制御部
２５ ミラードライバ
３０ 表示制御部
３１ メイン制御部
３２ 操作部
５０ ＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）装置
８１ フロントガラス
８２ コンバイナ
Ｇ 偏光メガネ

Claims (7)

1. 入射される光を反射する走査ミラー部と、前記走査ミラー部上に配置されて、所定の方位角の偏光を抽出する偏光層と、を含む光走査デバイスを備える投射装置。
2. 前記走査ミラー部に入射する光及び反射された光は、前記偏光層に入射されることを特徴とする請求項１に記載の投射装置。
3. 前記偏光層と前記走査ミラー部との間に透光層を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の投射装置。
4. 前記偏光層の厚みは、入射される複数の波長の光のうち所定波長以上としていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の投射装置。
5. 前記偏光層が表面に配置されたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の投射装置。
6. 水平走査ミラーと、垂直走査ミラーと、を備え、
   前記光走査デバイスは、前記水平走査ミラーと前記垂直走査ミラーのうち光路の後段側に配されるものを前記走査ミラー部として含むよう構成されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の投射装置。
7. 車載用であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の投射装置。

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