JP2020112758A - 投射装置および移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】筐体の形状を変更した場合でも、画像形成部と結像光学系の位置関係を共通化できる投射装置および移動体を提供する。【解決手段】光源から照射される照射光を入射して、画像を形成し、画像光を出射する画像形成部と、前記画像光を反射して像を結像させる結像光学系３０と、前記画像形成部および前記結像光学系３０を収納するとともに、前記結像光学系３０により反射された前記画像光を透過させる筐体１０２と、を備えた投射装置であって、前記画像形成部および前記結像光学系３０をそれぞれ位置決めして保持して、前記筐体に対して取り付けられる位置決め部材１０３０を備える。【選択図】図１８

Description

本発明は、投射装置および移動体に関する。

特許文献１では、中間画像表示体と投影光学系との間の所定位置に配置され、中間画像表示体からの出射光を補正する補正光学系とを備え、表示領域に投影された画像に基づいて対象者が視認可能な虚像が形成され、補正光学系は、表示領域に関する条件に応じて選択される画像表示装置を開示している。

本発明は、筐体の形状を変更した場合でも、画像形成部と結像光学系の位置関係を共通化できる投射装置および移動体を提供することを目的とする。

本発明に係る投射装置は、光源から照射される照射光を入射して、画像を形成し、画像光を出射する画像形成部と、前記画像光を反射して像を結像させる結像光学系と、前記画像形成部および前記結像光学系を収納するとともに、前記結像光学系により反射された前記画像光を透過させる筐体と、を備えた投射装置であって、前記画像形成部および前記結像光学系をそれぞれ位置決めして保持して、前記筐体に対して取り付けられる位置決め部材を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、筐体の形状を変更した場合でも、画像形成部と結像光学系の位置関係を共通化できる投射装置および移動体を提供することができる。

実施形態に係る表示システムのシステム構成の一例を示す図である。 実施形態に係る搭載装置の構成の一例を示す図である。 実施形態に係る搭載装置の上面図である。 実施形態に係る搭載装置の側面図である。 実施形態に係る搭載装置の側断面図である。 実施形態に係る搭載装置の上断面図である。 実施形態に係る表示装置の構成の一例を示す図である。 実施形態に係る表示装置に対するスクリーンユニットの着脱を示す図である。 実施形態に係る表示装置のハードウエア構成の一例を示す図である。 実施形態に係る表示装置の機能構成の一例を示す図である。 実施形態に係る光源装置の具体的構成の一例を示す図である。 実施形態に係る光偏向装置の具体的構成の一例を示す図である。 実施形態に係るスクリーンの具体的構成の一例を示す図である。 マイクロレンズアレイにおいて、入射光束径とレンズ径の大小関係の違いによる作用の違いについて説明するための図である。 光偏向装置のミラーと走査範囲の対応関係について説明するための図である。 二次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。 比較例に係る搭載装置の説明図である。 実施形態に係る搭載装置の説明図である。 実施形態に係る搭載装置の変形例の説明図である。 実施形態に係る搭載装置の他の変形例の説明図である。 比較例に係る搭載装置により結像する虚像の説明図である。 図２０に示した他の変形例に係る搭載装置により結像する虚像の説明図である。

以下、図面を参照しながら、発明を実施するための形態を説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

●実施形態●
●システム構成
図１は、実施形態に係る表示システムのシステム構成の一例を示す図である。

表示システム１は、投射装置の一例としての搭載装置１００から投射される投射光を、透過反射部材に投射させることによって観察者３に表示画像を視認させる。表示画像は、観察者３の視界に虚像４５として重畳して表示する画像である。表示システム１は、例えば、車両、航空機もしくは船舶等の移動体、または操縦シミュレーションシステムもしくはホームシアターシステム等の非移動体に備えられる。本実施形態は、表示システム１が、移動体１Ａの一例である自動車に備えられた場合について説明する。なお、表示システム１の使用形態は、これに限られるものではない。以降、移動体１Ａの進行方向をＸ、左右方向をＹ、上下方向をＺとして座標軸を定める。

表示システム１は、例えば、フロントガラス５０を介して車両の操縦に必要なナビゲーション情報（例えば車両の速度、進路情報、目的地までの距離、現在地名称、車両前方における物体（対象物）の有無や位置、制限速度等の標識、渋滞情報等の情報等）を、観察者３（運転者）に視認させる。この場合、フロントガラス５０は、入射された光の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる透過反射部材として機能する。観察者３の視点位置からフロントガラス５０までの距離は、数十ｃｍ〜１ｍ程度である。なお、小型で透明なプラスチックディスク等で形成されたコンバイナを、フロントガラス５０の代わりに、透過反射部材として使用してもよい。

搭載装置１００は、例えば、ヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ装置）である。搭載装置１００は、自動車のインテリアデザインに準拠して任意の位置に配置され、例えば、自動車のダッシュボードの下方に配置されてもよく、ダッシュボード２内に埋め込まれていてもよい。本実施形態は、搭載装置１００が、ダッシュボード２内に搭載された場合について説明する。

図２は、実施形態に係る搭載装置１００の構成の一例を示す図である。搭載装置１００は、表示装置１０、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０を備える。

表示装置１０は、光源装置１１、光偏向装置１３、スクリーン１５を備える。光源装置１１は、光源から射出されたレーザ光を、装置外部へ照射するデバイスである。光源装置１１は、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色のレーザ光を合成したレーザ光を照射してもよい。光源装置１１から射出されたレーザ光は、光偏向装置１３の反射面に導かれる。光源装置１１は、光源として、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子を有する。なお、光源は、これに限られず、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子を有してもよい。

光偏向装置１３は、光源装置１１から照射される照射光を入射して、画像を形成する画像光を出射する画像形成部の一例であり、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）等を利用してレーザ光の進行方向を変化させるデバイスである。光偏向装置１３は、例えば、直交する２軸に対して揺動する単一の微小なＭＥＭＳミラー、または１軸に対して揺動もしくは回転する２つのＭＥＭＳミラーからなるミラー系等の走査手段を利用して構成される。光偏向装置１３から射出されたレーザ光は、スクリーン１５に走査される。なお、光偏向装置１３は、ＭＥＭＳミラーに限られず、ポリゴンミラー等を用いて構成されてもよい。

スクリーン１５は、光偏向装置１３から出射される画像光を結像して画像が形成されるスクリーンの一例であり、レーザ光を所定の発散角で発散させる機能を有する発散部材である。スクリーン１５は、例えば、ＥＰＥ（Ｅｘｉｔ Ｐｕｐｉｌ Ｅｘｐａｎｄｅｒ）の形態として、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）または拡散板等の光拡散効果を持つ透過型の光学素子によって構成される。なお、スクリーン１５は、マイクロミラーアレイ等の光拡散効果を持つ反射型の光学素子によって構成されてもよい。スクリーン１５は、光偏向装置１３から射出されたレーザ光がスクリーン１５上に走査されることによって、スクリーン１５上に二次元像である中間像４０を形成する。

ここで、表示装置１０の投射方式は、液晶パネル、ＤＭＤパネル（デジタルミラーデバイスパネル）または蛍光表示管（ＶＦＤ）等イメージングデバイスで中間像４０を形成する「パネル方式」と、光源装置１１から射出されたレーザ光を走査手段で走査して中間像４０を形成する「レーザ走査方式」がある。

本実施形態に係る表示装置１０は、後者の「レーザ走査方式」を採用する。「レーザ走査方式」は、各画素に対して発光または非発光を割り当てることができるため、一般に高コントラストの画像を形成することができる。なお、表示装置１０は、投射方式として「パネル方式」を用いてもよい。

スクリーン１５から射出されたレーザ光（光束）によって、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０に投射された虚像４５は、中間像４０から拡大されて表示される。自由曲面ミラー３０は、フロントガラス５０の湾曲形状による画像の傾き、歪、位置ずれ等を相殺するように設計および配置されている。自由曲面ミラー３０は、所定の回転軸を中心として回転可能に設置されてもよい。これにより、自由曲面ミラー３０は、スクリーン１５から射出されたレーザ光（光束）の反射方向を調整し、虚像４５の表示位置を変化させることができる。

ここでは、自由曲面ミラー３０は、虚像４５の結像位置が所望の位置になるように、一定の集光パワーを有するように既存の光学設計シミュレーションソフトを用いて設計されている。表示装置１０は、虚像４５が観察者３の視点位置から例えば１ｍ以上かつ３０ｍ以下（好ましくは１０ｍ以下）の位置（奥行位置）に表示されるように、自由曲面ミラー３０の集光パワーを設定する。なお、自由曲面ミラー３０は、凹面ミラーやその他集光パワーを有する素子であってもよい。自由曲面ミラー３０は、結像光学系の一例である。

フロントガラス５０は、レーザ光（光束）の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる機能（部分反射機能）を有する透過反射部材である。フロントガラス５０は、観察者３に前方の景色および虚像４５を視認させる半透過鏡として機能する。虚像４５は、例えば、車両情報（速度、走行距離等）、ナビゲーション情報（経路案内、交通情報等）、警告情報（衝突警報等）等を観察者３に視認させるための画像情報である。なお、透過反射部材は、フロントガラス５０とは別途設けられたフロントウインドシールド等であってもよい。フロントガラス５０は、反射部材の一例である。

虚像４５は、フロントガラス５０の前方の景色と重畳するように表示されてもよい。また、フロントガラス５０は、平面でなく、湾曲している。そのため、虚像４５の結像位置は、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の曲面によって決定される。なお、フロントガラス５０は、部分反射機能を有する個別の透過反射部材としての半透過鏡（コンバイナ）を利用してもよい。

このような構成により、スクリーン１５から射出されたレーザ光（光束）は、自由曲面ミラー３０に向けて投射され、フロントガラス５０によって反射される。観察者３は、フロントガラス５０で反射された光によって、スクリーン１５に形成された中間像４０が拡大された虚像４５を視認することができるようになる。

（取り付け部の構成）
図３は、搭載装置１００の上面図である。この図３に示すように、搭載装置１００は、右側面部及び左側面部に、それぞれ２つずつ、搭載装置１００を移動体１Ａに取り付けるための取り付け部４１ａ〜４１ｄが設けられている。各取り付け部４１ａ〜４１ｄには、それぞれネジ孔が設けられており、このネジ孔を介して、搭載装置１００が移動体１Ａに取り付けられるようになっている。

図４は、移動体１Ａに取り付けられた搭載装置１００を右側から見た側面図である。移動体１Ａは、インストルメントパネル２に溶着又は締結された取り付けブラケット４２と、クロスカービーム４３に溶着又は締結された取り付けブラケット４４を有している。取り付けブラケット４２及び取り付けブラケット４４は、設置部の一例である。搭載装置１００は、取り付け部４１ａ、４１ｃを取り付けブラケット４２にネジ等で締結すると共に、取り付け部４１ｂ、４１ｄを取り付けブラケット４４にネジ等で締結することで、移動体１Ａに取り付けられている。

図５は、搭載装置１００を右方向（Ｙ方向右側）から見た側断面図である。図６は、搭載装置１００の上方向（Ｚ方向）から見た上断面図である。図５、図６は、搭載装置１００内部の具体的な配置を示す。

搭載装置１００は、図２で説明した表示装置１０、自由曲面ミラー３０以外に、表示装置１０から投射されるレーザ光を自由曲面ミラー３０に向けて反射する折り返しミラー２５を筐体１０２内に収納する。筐体１０２は、自由曲面ミラー３０で反射された反射光を透過させてフロントガラス５０に投射する透過部材の一例としての出射窓１０４を備える。表示装置１０およびスクリーン１５は、右方向（Ｙ方向右側）にレーザ光が投射されるように配置されている。

図７は、表示装置１０の構成の一例を示す図である。表示装置１０は、図２で説明した光源装置１１、光偏向装置１３、スクリーン１５以外に、光源装置１１から出射されるレーザ光を光変調するフィルタ３０７と、フィルタ３０７で光変調された変調光を光偏向装置１３に向けて集光する集光レンズ４１０と、光偏向装置１３で偏向された偏向光を反射するミラー４０１と、ミラー４０１で反射された反射光をスクリーン１５に向けて反射する第２ミラー４０２をさらに備える。

光源装置１１は、光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂ（以下、区別する必要のないときは、光源素子１１１とする。）、カップリング（コリメート）レンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂ、アパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂ、合成素子１１４，１１５，１１６、およびレンズ１１７を含む。

３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂは、例えば、それぞれ単数または複数の発光点を有するＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）である。光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂは、互いに異なる波長λＲ，λＧ，λＢ（例えばλＲ＝６４０ｎｍ，λＧ＝５３０ｎｍ，λＢ＝４４５ｎｍ）のレーザ光（光束）を放射する。

放射された各レーザ光（光束）は、それぞれカップリングレンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂによりカップリングされ、略平行光束とされる。カップリングされた各レーザ（光束）は、３つの合成素子１１４，１１５，１１６により合成される。合成素子１１４，１１５，１１６は、プレート状またはプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じてレーザ光（光束）を反射または透過し、１つの光束に合成する。合成された光束は、フィルタ３０７および集光レンズ４１０を通り、光偏向装置１３に導かれる。

表示装置１０は、ハウジング１０Ａと、ミラーユニット（ミラー保持部材）３０５と、スクリーンユニット３００と、を組み立てることにより構成される。ハウジング１０Ａは、光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，および１１１Ｂ、カップリングレンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂ、合成素子１１４，１１５，１１６、フィルタ３０７、集光レンズ４１０、および光偏向装置１３を保持し、収納する。ミラーユニット３０５は、ミラー４０１および第２ミラー４０２を保持する。スクリーンユニット３００は、スクリーン１５を保持する保持部材の一例である。

光源ユニット１１０は、ハウジング１０Ａから着脱可能であり、光源素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，および１１１Ｂを保持する。

図８は、表示装置１０に対するスクリーンユニット３００の着脱を示す図である。スクリーンユニット３００は、光源ユニット１１０およびミラーユニット３０５をハウジング１０Ａから取り外すことなく、ハウジング１０Ａに着脱自在で取り付けられる。また、スクリーンユニット３００は、光源装置１１、フィルタ３０７、集光レンズ４１０および光偏向装置１３をハウジング１０Ａから取り外すことなく、ハウジング１０Ａに着脱自在で取り付けられる。

そして、ハウジング１０Ａはアルミダイカストにより成形され、ミラーユニット３０５は樹脂により成形されており、ハウジング１０Ａはミラーユニット３０５よりも熱伝導率が高い。

スクリーン１５により発散された画像光は、図１、２に示した光路によりフロントガラス５０に到達するが、実使用時には、フロントガラス５０に照射される太陽光が、光路を逆流してスクリーン１５やスクリーンユニット３００に到達することがある。この場合、太陽光の熱により、スクリーン１５が変形、変色して画像品質が低下するおそれがある。

そこで、本実施形態では、スクリーンユニット３００をハウジング１０Ａに取り付けることにより、光路の上流側に位置するミラーユニット３０５に取り付ける場合に比べて、スクリーン１５やスクリーンユニット３００の熱を逃がしやすくなり、画像品質の低下を抑制することができる。

また、スクリーンユニット３００は、ミラーユニット３０５が保持するミラー４０１、第２ミラー４０２や、光偏向装置１３等をハウジング１０Ａから取り外すことなく、ハウジング１０Ａに着脱自在で取り付けられるので、スクリーンユニット３００のみを交換、メンテすることが容易になる。これにより、スクリーン１５が変形、変色した場合でも、スクリーン１５を交換、メンテして画像品質の低下を抑制することができる。

さらには、移動体１Ａの種類（車種）によってフロントガラス５０の曲率が異なることに対応して、結像光学系（自由曲面ミラー３０）に合わせてスクリーン１５のサイズや位置、角度を微調整する必要があるが、スクリーンユニット３００をハウジング１０Ａ等に対して着脱自在とすることで、ハウジング１０Ａ等を共通化することが可能となり、生産性を向上することできる。

●ハードウエア構成
図９は、実施形態に係る表示装置のハードウエア構成の一例を示す図である。なお、図２に示すハードウエア構成は、必要に応じて構成要素が追加または削除されてもよい。

表示装置１０は、表示装置１０の動作を制御するための制御装置１７を有する。制御装置１７は、表示装置１０の内部に実装された基板またＩＣチップ等のコントローラである。制御装置１７は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）１００１、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１００２、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１００３、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１００４、Ｉ／Ｆ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１００５、バスライン１００６、ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳコントローラ１０１０およびモータドライバ１０１２を含む。

ＦＰＧＡ１００１は、表示装置１０の設計者による設定変更が可能な集積回路である。ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳコントローラ１０１０、およびモータドライバ１０１２は、ＦＰＧＡ１００１からの制御信号に応じて駆動信号を生成する。ＣＰＵ１００２は、表示装置１０全体を制御するための処理を行う集積回路である。ＲＯＭ１００３は、ＣＰＵ１００２を制御するプログラムを記憶する記憶装置である。ＲＡＭ１００４は、ＣＰＵ１００２のワークエリアとして機能する記憶装置である。Ｉ／Ｆ１００５は、外部装置と通信するためのインターフェースである。Ｉ／Ｆ１００５は、例えば自動車のＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等に接続される。

ＬＤ１００７は、例えば、光源装置１１の一部を構成する半導体発光素子である。ＬＤドライバ１００８は、ＬＤ１００７を駆動する駆動信号を生成する回路である。ＭＥＭＳ１００９は、光偏向装置１３の一部を構成し、走査ミラーを変位させるデバイスである。ＭＥＭＳコントローラ１０１０は、ＭＥＭＳ１００９を駆動する駆動信号を生成する回路である。モータ１０１１は、自由曲面ミラー３０の回転軸を回転させる電動機である。モータドライバ１０１２は、モータ１０１１を駆動する駆動信号を生成する回路である。

●機能構成
図１０は、実施形態に係る表示装置の機能構成の一例を示す図である。表示装置１０により実現される機能は、車両情報受信部１７１、外部情報受信部１７２、画像生成部１７３および画像表示部１７４を含む。

車両情報受信部１７１は、ＣＡＮ等から自動車の情報（速度、走行距離等の情報）を受信する機能である。車両情報受信部１７１は、図２に示したＩ／Ｆ１００５およびＣＰＵ１００２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

外部情報受信部１７２は、外部ネットワークから自動車外部の情報（ＧＰＳからの位置情報、ナビゲーションシステムからの経路情報または交通情報等）を受信する機能である。外部情報受信部１７２は、図２に示したＩ／Ｆ１００５およびＣＰＵ１００２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像生成部１７３は、車両情報受信部１７１および外部情報受信部１７２により入力された情報に基づいて、中間像４０および虚像４５を表示させるための画像情報を生成する機能である。画像生成部１７３は、図２に示したＣＰＵ１００２の処理、およびＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像表示部１７４は、画像生成部１７３により生成された画像情報に基づいて、スクリーン１５に中間像４０を形成し、中間像４０を構成したレーザ光（光束）をフロントガラス５０に向けて投射して虚像４５を表示させる機能である。画像表示部１７４は、図２に示したＣＰＵ１００２、ＦＰＧＡ１００１、ＬＤドライバ１００８、ＭＥＭＳコントローラ１０１０およびモータドライバ１０１２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像表示部１７４は、制御部１７５、中間像形成部１７６および投影部１７７を含む。制御部１７５は、中間像４０を形成するために、光源装置１１および光偏向装置１３の動作を制御する制御信号を生成する。また、制御部１７５は、虚像４５を所定の位置に表示させるために、自由曲面ミラー３０の動作を制御する制御信号を生成する。

中間像形成部１７６は、制御部１７５によって生成された制御信号に基づいて、スクリーン１５に中間像４０を形成する。投影部１７７は、観察者３に視認させる虚像４５を形成するために、中間像４０を構成したレーザ光を、透過反射部材（フロントガラス５０等）に投射させる。

●光源装置
図１１は、実施形態に係る光源装置１１の具体的構成に一例を示す図である。光源装置１１は、図７で説明した構成以外に、カップリングレンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂと合成素子１１４，１１５，１１６の間に、カップリングレンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂによりカップリングされた各レーザ（光束）をそれぞれ整形するアパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂを備える。アパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂは、レーザ光（光束）の発散角等の所定の条件に応じた形状（例えば円形、楕円形、長方形、正方形等）を有する。

●光偏向装置
図１２は、実施形態に係る光偏向装置の具体的構成の一例を示す図である。光偏向装置１３は、半導体プロセスにより製造されるＭＥＭＳミラーであり、ミラー１３０、蛇行状梁部１３２、枠部材１３４、および圧電部材１３６を含む。光偏向装置１３は、走査部の一例である。

ミラー１３０は、光源装置１１から射出されたレーザ光をスクリーン１５側に反射する反射面を有する。光偏向装置１３は、ミラー１３０を挟んで一対の蛇行状梁部１３２を形成する。蛇行状梁部１３２は、複数の折り返し部を有する。折り返し部は、交互に配置される第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとから構成されている。蛇行状梁部１３２は、枠部材１３４に支持されている。圧電部材１３６は、隣接する第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとを接続するように配置されている。圧電部材１３６は、第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとに異なる電圧を印加し、梁部１３２ａ，１３２ｂのそれぞれに反りを発生させる。

これにより、隣接する梁部１３２ａ，１３２ｂは、異なる方向に撓む。ミラー１３０は、撓みが累積されることによって、左右方向の軸を中心として垂直方向に回転する。このような構成により、光偏向装置１３は、垂直方向への光走査が低電圧で可能となる。上下方向の軸を中心とした水平方向の光走査は、ミラー１３０に接続されたトーションバー等を利用した共振により行われる。

●スクリーン
図１３は、実施形態に係るスクリーンの具体的構成の一例を示す図である。スクリーン１５は、光源装置１１の一部を構成するＬＤ１００７から射出されたレーザ光を結像させる。また、スクリーン１５は、所定の発散角で発散させる発散部材である。図１３に示すスクリーン１５は、光を発散させるように湾曲する湾曲部が複数備えられる一例として六角形形状を有する複数のマイクロレンズ１５０（湾曲部の一形態としての凸形状部）が隙間なく配列されたマイクロレンズアレイ構造を有している。マイクロレンズ１５０のレンズ径（対向する２辺間の距離）は、２００μｍ程度である。スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０の形状を六角形とすることにより、複数のマイクロレンズ１５０を高密度で配列することができる。なお、本実施形態に係るマイクロレンズアレイ２００およびマイクロレンズ１５０の詳細は、後述する。

図１４は、マイクロレンズアレイにおいて、入射光束径とレンズ径の大小関係の違いによる作用の違いについて説明するための図である。図１４（ａ）において、スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０が整列して配置された光学板１５１によって構成される。光学板１５１上に入射光１５２が走査される場合、入射光１５２は、マイクロレンズ１５０により発散され、発散光１５３となる。スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０の構造により、入射光１５２を所望の発散角１５４で発散させることができる。マイクロレンズ１５０のレンズ径１５５は、入射光１５２の径１５６ａよりも大きくなるように設計される。これにより、スクリーン１５は、レンズ間での干渉を起こさずに、干渉ノイズの発生を抑制する。

図１４（ｂ）は、入射光１５２の径１５６ｂが、マイクロレンズ１５０のレンズ径１５５の２倍大きい場合の発散光の光路を示す。入射光１５２は、二つのマイクロレンズ１５０ａ、１５０ｂに入射し、それぞれ発散光１５７，１５８を生じさせる。このとき、領域１５９において、二つの発散光が存在するため、光の干渉を生じうる。この干渉光が観察者の目に入った場合、干渉ノイズとして視認される。

以上を考慮して、干渉ノイズを低減するため、マイクロレンズ１５０のレンズ径１５５は、入射光の径１５６よりも大きく設計される。なお、図１４は、凸面レンズの形態で説明したが、凹面レンズの形態においても同様の効果があるものとする。

●光偏向装置による光走査
図１５は、光偏向装置のミラーと走査範囲の対応関係について説明するための図である。光源装置１１の各光源素子は、ＦＰＧＡ１００１によって発光強度や点灯タイミング、光波形が制御される。光源装置１１の各光源素子は、ＬＤドライバ１００８によって駆動され、レーザ光を射出する。各光源素子から射出され光路合成されたレーザ光は、図１５に示すように、光偏向装置１３のミラー１３０によってα軸周り、β軸周りに二次元的に偏向され、ミラー１３０を介して走査光としてスクリーン１５に照射される。すなわち、スクリーン１５は、光偏向装置１３による主走査および副走査によって二次元走査される。

走査範囲は、光偏向装置１３によって走査しうる全範囲である。走査光は、スクリーン１５の走査範囲を、２〜４万Ｈｚ程度の速い周波数で主走査方向に振動走査（往復走査）しつつ、数十Ｈｚ程度の遅い周波数で副走査方向に片道走査する。すなわち、光偏向装置１３は、スクリーン１５に対してラスタースキャンを行う。この場合、表示装置１０は、走査位置（走査光の位置）に応じて各光源素子の発光制御を行うことで、画素ごとの描画または虚像の表示を行うことができる。

一画面を描画する時間、すなわち１フレーム分の走査時間（二次元走査の１周期）は、上記のように副走査周期が数十Ｈｚであることから、数十ｍｓｅｃとなる。例えば、主走査周期を２００００Ｈｚ、副走査周期を５０Ｈｚとした場合、１フレーム分の走査時間は、２０ｍｓｅｃとなる。

図１６は、二次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。スクリーン１５は、図１６に示すように、中間像４０が描画される（画像データに応じて変調された光が照射される）画像領域６１（有効走査領域）と、画像領域６１を取り囲むフレーム領域６２を含む。

走査範囲は、スクリーン１５における画像領域６１とフレーム領域６２の一部（画像領域６１の外縁近傍の部分）を併せた範囲とする。図１６において、走査範囲における走査線の軌跡は、ジグザグ線によって示される。図１６において、走査線の本数は、便宜上、実際よりも少なくしている。

スクリーン１５は、上述のように、マイクロレンズアレイ２００等の光拡散効果を持つ透過型の光学素子で構成されている。画像領域６１は、矩形または平面である必要はなく、多角形または曲面であってもよい。また、スクリーン１５は、装置レイアウトに応じて、例えば、マイクロミラーアレイ等の光拡散効果を持つ反射型の光学素子とすることもできる。以下の説明において、本実施形態は、スクリーン１５がマイクロレンズアレイ２００によって構成されるものとして説明する。

スクリーン１５は、走査範囲における画像領域６１の周辺領域（フレーム領域６２の一部）に、受光素子を含む同期検知系６０を備える。図１６において、同期検知系６０は、画像領域６１の−Ｘ側かつ＋Ｙ側の隅部に配置される。同期検知系６０は、光偏向装置１３の動作を検出して、走査開始タイミングや走査終了タイミングを決定するための同期信号をＦＰＧＡ１００１に出力する。

図１７は、比較例に係る搭載装置１００の説明図である。

搭載装置１００は、図５と同様に、筐体１０２内に、スクリーン１５を備えた表示装置１０、自由曲面ミラー３０を収納し、出射窓１０４を備える。筐体１０２には、自由曲面ミラー３０で反射された反射光を透過させる開口１０２Ａが形成され、出射窓１０４は、樹脂材料によって形成され開口１０２Ａを覆うように筐体１０２に取り付けられている。

図１７（Ａ）は、搭載装置１００が移動体１Ａの車種Ａに搭載された状態であり、２Ａは、ダッシュボード、２内部に配置される壁面、車両部品等の内部構造体を示す。この場合、筐体１０２は、内部構造体２Ａと干渉することなく配置される。

一方、図１７（Ｂ）は、搭載装置１００が移動体１Ａの車種Ｂに搭載された状態を示す。内部構造体２Ａの形状は、図１７（Ａ）に示す内部構造体２Ａの形状とは異なっており、図１７（Ａ）と同形状の搭載装置１００を配置しようとすると、図示したように、筐体１０２が内部構造体２Ａと干渉してしまう。すなわち、図１７（Ａ）と同形状の筐体１０２は、車種Ｂには配置できない。

そこで、車種Ｂに搭載される筐体１０２の形状は、図１７（Ａ）に示す筐体１０２とは異なる形状に設計されるが、その場合、筐体１０２の形状に応じて、表示装置１０および自由曲面ミラー３０が再配置されることになり、光学設計を一からやり直す必要がある。

以上のように、比較例に係る搭載装置１００の場合は、筐体１０２の形状変更に応じて光学設計していたので、車種の数に応じて光学設計の工数が増大していた。

そこで本実施形態では、車種に応じて筐体の形状を変更した場合でも、表示装置１０および自由曲面ミラー３０の位置関係を共通化することにより、車種の数に応じて光学設計の工数が増大するのを抑止することを目的とする。

図１８は、実施形態に係る搭載装置１００の説明図である。

搭載装置１００は、図１７に示した構成に加えて、表示装置１０および自由曲面ミラー３０をそれぞれ位置決めして保持する位置決め部材１０３０を備える。

表示装置１０は、図７に示したように、スクリーン１５、光偏向装置１３および光源装置１１を備えるので、位置決め部材１０３０は、スクリーン１５、光偏向装置１３および光源装置１１も位置決めして保持している。

位置決め部材１０３０は、筐体１２０に対して取り付けられる取付部１０３１と、表示装置１０を位置決めして保持する表示装置取付部２１と、自由曲面ミラー３０を位置決めして保持するミラー取付部３１と、を備える。

これにより、自由曲面ミラー３０は、表示装置１０が備えるスクリーン１５、光偏向装置１３および光源装置１１のそれぞれの位置関係を変えること無く、位置決め部材１０３０から取り外し可能である。

出射窓１０４は、樹脂材料によって形成されており、開口１０２Ａを覆うように筐体１０２に取り付けられているが、開口１０２Ａを覆うようにダッシュボード２に形成された開口に取り付けられていてもよい。

以上の構成により、車種に応じて筐体１０２の形状を変更した場合でも、位置決め部材１０３０により、自由曲面ミラー３０、スクリーン１５、光偏向装置１３および光源装置１１の位置関係を共通化できるので、車種の数に応じて光学設計の工数が増大するのを抑止できる。

位置決め部材１０３０に対する、自由曲面ミラー３０、スクリーン１５、光偏向装置１３および光源装置１１の位置関係については、搭載装置１００が搭載される予定の複数の車種の複数種類の筐体１０２形状のいずれにも収納可能なように、予め設計される。

ここで、すべての車種に対して、自由曲面ミラー３０、スクリーン１５、光偏向装置１３および光源装置１１の位置関係を変えないことが理想であるが、現実には、一部の車種では位置関係を変えざるを得ない場合がある。

そのような場合でも、本実施形態では、自由曲面ミラー３０は、表示装置１０が備えるスクリーン１５、光偏向装置１３および光源装置１１のそれぞれの位置関係を変えること無く、位置決め部材１０３０から取り外し可能であるので、スクリーン１５、光偏向装置１３および光源装置１１の光学設計を変えること無く、自由曲面ミラー３０のみを交換することができる。これにより、車種の数に応じて光学設計の工数が増大するのを抑止できる。

図１９は、図１８に示した搭載装置１００の変形例の説明図である。

車種に応じて筐体１０２の形状を変更した場合、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の位置関係が変化することがある。

そこで本変形例では、出射窓１０４は、図１８に示した構成とは異なり、自由曲面ミラー３０が反射する画像光が透過する領域において、外側の面と内側の面の距離が異なる部分を有している。外側の面と内側の面の距離とは、いわゆる厚みであって、外側の面から、外側の面の法線方向に伸びた線の内側の面までの長さを指す。

これにより、車種に応じて自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の位置関係が変化した場合でも、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の位置関係の変化を補正するように、出射窓１０４を透過する画像光の光路を変化させることができる。これにより、出射窓１０４の形状を変更するだけで、フロントガラス５０の適切な位置に画像光を投射することができ、車種の数に応じて光学設計の工数が増大するのを抑止できる。

図２０は、図１８に示した搭載装置１００の他の変形例の説明図である。

本変形例では、出射窓１０４は、図１９に示した構成と同様に、自由曲面ミラー３０が反射する画像光が透過する領域において、外側の面と内側の面の距離が異なる部分を有しているとともに、内側（図中下側）の面において下に凸形状部分を有する。

これにより、フロントガラス５０を透過して移動体１Ａ内に侵入し、出射窓１０４へ入射した太陽光を、再びフロントガラス５０の方向へ反射することを避けることが可能となり、太陽光による観察者３の虚像４５の視認性低下が抑止される。

すなわち、太陽光は、移動体１Ａ内へフロントガラス５０を透過して侵入し、出射窓１０４へ入射する。出射窓１０４へ入射した太陽光は一部が反射することとなり再びフロントガラス５０へ向かう。フロントガラス５０へ再び入射した太陽光は一部が反射されて観察者３へ向かう。観察者３が視認する太陽光は虚像４５付近に存在することとなり、観察者３は虚像４５を視認しにくくなるが、本変形例ではこのような問題が低減される。

本変形例では、さらに、出射窓１０４は、内側（図中下側）の面において自由曲面形状部分を有する。これにより、観察者３が視認する虚像４５の収差を効率的に補正することが可能となる。

すなわち、観察者３の視点が存在する領域における各視点へ到達する画像光を形成する光線が、出射窓１０４上で画像光の光軸と垂直な方向にばらつきを有する場合、出射窓１０４の厚みで各光線の収差を補正することができる。

出射窓１０４は樹脂により成形されるため、他の方式と比較して高精度、低コストに収差を補正することができる。

図２１は、比較例に係る搭載装置１００により結像する虚像４５の説明図である。具体的には、出射窓１０４の内側の面において自由曲面形状を採用しない場合における、観察者３が視認する虚像４５の歪形状を示す。

九つの格子形状は、それぞれ観察者３の視点が存在する領域に含まれる。左上の格子が観察者３の視点が左上にあるときに視認される虚像４５の歪形状、中上の格子が観察者３の視点が中上にあるときに視認される虚像４５の歪形状、右上の格子が観察者３の視点が右上にあるときに視認される虚像４５の歪形状、左中の格子が観察者３の視点が左中にあるときに視認される虚像４５の歪形状、中央の格子が観察者３の視点が中央にあるときに視認される虚像４５の歪形状、右中の格子が観察者３の視点が右中にあるときに視認される虚像４５の歪形状、左下の格子が観察者３の視点が左下にあるときに視認される虚像４５の歪形状、中下の格子が観察者３の視点が中下にあるときに視認される虚像４５の歪形状、右下の格子が観察者３の視点が右下にあるときに視認される虚像４５の歪形状を示す。

本比較例では、観察者３の視点が存在する領域の視点間において、歪収差を補正することができずに、大きく歪んだ形状の虚像４５が表示される。

図２２は、図２０に示した他の変形例に係る搭載装置１００により結像する虚像４５の説明図である。具体的には、出射窓１０４の内側の面において自由曲面形状を採用した場合における、観察者３が視認する虚像４５の歪形状を示す。

九つの格子形状は、それぞれ観察者３の視点が存在する領域に含まれる。左上の格子が観察者３の視点が左上にあるときに視認される虚像４５の歪形状、中上の格子が観察者３の視点が中上にあるときに視認される虚像４５の歪形状、右上の格子が観察者３の視点が右上にあるときに視認される虚像４５の歪形状、左中の格子が観察者３の視点が左中にあるときに視認される虚像４５の歪形状、中央の格子が観察者３の視点が中央にあるときに視認される虚像４５の歪形状、右中の格子が観察者３の視点が右中にあるときに視認される虚像４５の歪形状、左下の格子が観察者３の視点が左下にあるときに視認される虚像４５の歪形状、中下の格子が観察者３の視点が中下にあるときに視認される虚像４５の歪形状、右下の格子が観察者３の視点が右下にあるときに視認される虚像４５の歪形状を示す。

本変形例では、観察者３の視点が存在する領域の視点間において、図２１に示した比較例と比較して歪収差を補正することができており、虚像４５の表示品質が向上する。

●補足●
なお、本発明の一実施形態に係る表示装置、表示システムおよび移動体について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到することができる範囲内で変更することができる。

また、本発明の一実施形態に係る表示装置は、ＨＵＤ装置に限られず、例えば、ヘッドマウントディスプレイ装置、プロンプタ装置、プロジェクタ装置であってもよい。例えば、本発明の一実施形態に係る表示装置をプロジェクタ装置に適用する場合、プロジェクタ装置を表示装置１０と同様に構成することができる。すなわち、表示装置１０は、自由曲面ミラー３０を介した画像光を映写幕や壁面等に投影すればよい。なお、表示装置１０は、自由曲面ミラー３０を介さずに、スクリーン１５を介した画像光を映写幕や壁面等に投影してもよい。

１ 表示システム
１０ 表示装置
１０Ａ ハウジング
１１ 光源装置（光源の一例）
１３ 光偏向装置（走査部、画像形成部の一例）
１５ スクリーン（光学素子の一例）
３０ 自由曲面ミラー（結像光学系の一例）
４５ 虚像
５０ フロントガラス（反射部材の一例）
１００ 投射装置
１０２ 筐体
１０２Ａ 開口
１０４ 透過部材
１０３０ 位置決め部材

特開２０１８−０８７９００号公報

Claims (12)

1. 光源から照射される照射光を入射して、画像を形成し、画像光を出射する画像形成部と、
   前記画像光を反射して像を結像させる結像光学系と、
   前記画像形成部および前記結像光学系を収納するとともに、前記結像光学系により反射された前記画像光を透過させる筐体と、を備えた投射装置であって、
   前記画像形成部および前記結像光学系をそれぞれ位置決めして保持して、前記筐体に対して取り付けられる位置決め部材を備えたことを特徴とする投射装置。
2. 前記位置決め部材は、さらに前記光源を位置決めして保持することを特徴とする請求項１記載の投射装置。
3. 前記画像形成部から出射された前記画像光を発散させて、前記結像光学系に対して投射する光学素子を備え、
   前記位置決め部材は、前記光学素子を位置決めして保持することを特徴とする請求項１または２記載の投射装置。
4. 前記結像光学系は、前記画像形成部および前記光源の位置関係を変えることなく、前記位置決め部材から取り外し可能であることを特徴とする請求項２記載の投射装置。
5. 前記結像光学系は、前記画像形成部および前記光学素子の位置関係を変えることなく、前記位置決め部材から取り外し可能であることを特徴とする請求項３記載の投射装置。
6. 前記筐体には、前記結像光学系により反射された前記画像光を透過させる開口が形成され、
   前記開口を覆って配置され、前記結像光学系により反射された前記画像光を透過させる透過部材を備えたことを特徴とする請求項１〜５の何れか記載の投射装置。
7. 前記透過部材は、前記画像光が透過する領域において、外側の面と内側の面の距離が異なる部分を有することを特徴とする請求項６載の投射装置。
8. 前記透過部材は、内側の面において下に凸形状部分を有することを特徴とする請求項６または７記載の投射装置。
9. 前記透過部材は、内側の面において自由曲面形状部分を有することを特徴とする請求項７または８記載の投射装置。
10. 前記透過部材は、樹脂材料によって形成されることを特徴とする請求項６〜９の何れか記載の投射装置。
11. 請求項１〜１０の何れか記載の投射装置と、
    前記結像光学系により反射された前記画像光を反射する反射部材と、を備え、
    前記結像光学系は、前記画像光を反射部材に向けて投射して虚像を結像させる表示システム。
12. 請求項１１記載の表示システムを備え、
    前記反射部材は、前記画像光を反射するフロントガラスである移動体。