WO2025013669A1

WO2025013669A1 - 画像投影装置

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Publication number: WO2025013669A1
Application number: PCT/JP2024/023715
Authority: WO
Inventors: 匡紘堀
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2023-07-08
Filing date: 2024-07-01
Publication date: 2025-01-16
Anticipated expiration: 2026-01-08
Also published as: JP2025010456A

Abstract

表示部による非点収差を軽減しつつ、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（Ｐ）を形成するための画像を画像表示光として照射する画像照射部（１０）と、画像表示光を表示部（ＷＳ）に対して投影する投影光学部とを備え、投影光学部は、画像照射部から照射された画像表示光を反射する第１凹面鏡（２０）と、第１凹面鏡（２０）で反射された画像表示光を反射する第２凹面鏡（３０）とを備え、第１凹面鏡（２０）の所定方向の曲率は、第２凹面鏡（３０）の所定方向の曲率よりも大きく、画像表示光は第１凹面鏡（２０）と第２凹面鏡（３０）の間において所定方向の成分が中間像を結像し、画像表示光の中央位置における、画像照射部（１０）から第２凹面鏡（３０）までの光路長が、１ｍｍより大きく１３０ｍｍより小さい画像投影装置（１００）。

Description

画像投影装置

　本発明は、画像投影装置に関し、特に虚像を表示するための表示部に対して投影画像を照射する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るため好ましくない。そこで、フロントガラスに画像を投影して、運転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）も提案されている（例えば、特許文献１，２を参照）。

　このような従来の画像投影装置では、車両のウィンドシールド（表示部）に対して画像照射部から画像表示光を照射し、運転者はウィンドシールドで反射された画像表示光と車両前方の背景を重ね合わせて視認することができる。

特開２０１９－１１９２４８号公報特開２０１９－１１９２６２号公報

　このような画像投影装置では、ウィンドシールドを介して投影した画像の視認性を向上させるために、凹面鏡やレンズ等の投影光学系を用いて画像表示光を所望の光学倍率で拡大して投影している。また、ウィンドシールドも曲率を持った光学部材として機能することになる。よって、画像照射部からウィンドシールドまでの光路長を適切なものとするためには、投影光学系に複数のミラーを用いる必要が生じ、小型化が困難になるという問題があった。また、ウィンドシールド（表示部）は縦方向と横方向の曲率が異なっていることが一般的であり、非点収差が発生してしまうという問題もあった。

　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、表示部による非点収差を軽減しつつ、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、表示部を介して虚像を投影する画像投影装置であって、前記虚像を形成するための画像を画像表示光として照射する画像照射部と、前記画像表示光を前記表示部に対して投影する投影光学部とを備え、前記投影光学部は、前記画像照射部から照射された前記画像表示光を反射する第１凹面鏡と、前記第１凹面鏡で反射された前記画像表示光を反射する第２凹面鏡とを備え、前記第１凹面鏡の所定方向の曲率は、前記第２凹面鏡の前記所定方向の曲率よりも大きく、前記画像表示光は前記第１凹面鏡と前記第２凹面鏡の間において前記所定方向の成分が中間像を結像し、前記画像表示光の中央位置における、前記画像照射部から前記第２凹面鏡までの光路長が、１ｍｍより大きく１３０ｍｍより小さいことを特徴とする画像投影装置。

　このような本発明の画像投影装置では、第１凹面鏡の所定方向の曲率を第２凹面鏡よりも大きくし中間像を結像させ、画像照射部から第２凹面鏡までの光路長が、１ｍｍより大きく１３０ｍｍより小さいことにより、表示部による非点収差を軽減しつつ、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、前記所定方向は、前記虚像の高さ方向または横方向である。

　また、本発明の一態様では、前記表示部上での前記画像表示光が照射される領域において、前記所定方向に直交する方向での曲率は、前記所定方向での曲率よりも大きい。

　また、本発明の一態様では、前記画像表示光は前記第１凹面鏡と前記第２凹面鏡の間において前記所定方向と直交する方向の成分が中間像を結像しない。

　また、本発明の一態様では、前記所定方向において、前記虚像の結像位置における前記画像表示光の幅をＹ_０とし、前記画像照射部における前記画像表示光の幅をＹ_１とし、前記表示部から前記虚像の結像位置までの光路長をＬ_０とし、前記第２凹面鏡から前記表示部までの光路長をＬ_３とし、前記表示部の焦点距離をｆとしたとき、ｆＹ_０＜（ｆＬ_３－Ｌ_０Ｌ_３－ｆＬ_０）Ｙ_１＜１３０ｆＹ_０の関係を満たす。

　本発明では、表示部による非点収差を軽減しつつ、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Ｐの投影を説明する模式図である。画像投影装置１００での画像表示光の中間結像について説明する模式図である。画像投影装置１００での光路長と光学倍率について説明する模式図である。第２実施形態に係る画像投影装置２００を用いた虚像Ｐの投影を説明する模式図である。画像投影装置２００での画像表示光の中間結像について説明する模式図である。画像投影装置２００での光路長と光学倍率について説明する模式図である。

　（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。図１は、本実施形態に係る画像投影装置１００を用いた虚像Ｐの投影を説明する模式図である。図１に示すように、画像投影装置１００から投影された画像表示光は、ウィンドシールド（表示部）ＷＳで反射されて運転者の視点位置に照射される。運転者は、画像表示光が入射してきた光路の延長上（破線方向）に結像された虚像Ｐを視認する。本実施形態では画像投影装置１００が画像表示光を投影して一つの虚像Ｐが結像される例を示しているが、虚像Ｐの数は限定されない。

　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凹面鏡２０と、第２凹面鏡３０を備えている。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。

　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から入射した画像表示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ため、本発明における表示部に相当している。ここでは表示部としてウィンドシールドＷＳを用いた例を示したが、ウィンドシールドＷＳとは別に表示部として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ＥＰ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。

　ウィンドシールドＷＳの曲率は、虚像Ｐにおける所定方向のほうが所定方向に直交する方向よりも小さく、所定方向の光学的パワーが大きくなっている。例えば、車両の高さ方向でのウィンドシールドＷＳの曲率Ｒｖが、横方向での曲率Ｒｈよりも小さい場合には、所定方向は高さ方向であり、所定方向に直交する方向は横方向である。また、車両の高さ方向でのウィンドシールドＷＳの曲率Ｒｖが、幅方向での曲率Ｒｈよりも大きい場合には、所定方向は横方向であり、所定方向に直交する方向は高さ方向である。

　画像照射部１０は、制御部からの画像情報に基づいて、画像を含んだ光を画像表示光として第１凹面鏡２０に対して照射する部分である。画像照射部１０の詳細については後述する。画像照射部１０の具体的構成は限定されず、例えば液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置、レーザ光源と光変調素子の組み合わせ等の従来公知のものを用いることができる。図１に示した例では、液晶表示装置の背面側から発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）により光を照射するものを用いている。

　第１凹面鏡２０は、画像照射部１０から到達した画像表示光を第２凹面鏡３０方向に反射する光学部材である。図１に示した例では、第１凹面鏡２０として画像表示光を虚像Ｐとして投影するために必要な光学設計された凹面形状の自由曲面ミラーを示している。

　第２凹面鏡３０は、第１凹面鏡２０から到達した画像表示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に示した例では、第２凹面鏡３０として画像表示光を虚像Ｐとして投影するために必要な光学設計された凹面形状の自由曲面ミラーを示している。

　第１凹面鏡２０と第２凹面鏡３０の曲率は、所定方向のほうが所定方向と直交する方向よりも小さく、所定方向の光学的パワーが大きくなっている。ここで、第１凹面鏡２０と第２凹面鏡３０における所定方向は、上述したウィンドシールドＷＳにおける所定方向に対応している。また、第１凹面鏡２０の所定方向における曲率は、第２凹面鏡３０の所定方向における曲率よりも大きく設定されている。

　第１凹面鏡２０および第２凹面鏡３０の反射面は、ウィンドシールドＷＳを介して画像表示光を虚像Ｐ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凹面鏡２０および第２凹面鏡３０の組み合わせは、ウィンドシールドＷＳを介して画像表示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。

　虚像Ｐは、ウィンドシールドＷＳで反射された画像表示光が搭乗者の視点ＥＰ（アイボックス）に到達した際に、空間中に結像されたように表示される画像である。虚像Ｐが結像される位置は、画像投影装置１００に含まれる投影光学部とウィンドシールドＷＳの合成焦点距離によって決まる。

　図２は、画像投影装置１００での画像表示光の中間結像について説明する模式図である。図１では、画像表示光の光路を一本の直線矢印として描いた。しかし実際の画像表示光は、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（幅）をもっている。

　図２に示したように、画像照射部１０から照射された画像光は、第１凹面鏡２０に到達する。また画像表示光は第１凹面鏡２０で反射され、所定方向の成分は光径が縮小されながら進行し、第１凹面鏡２０と第２凹面鏡３０の間の中間結像位置Ｆにおいて中間像が結像される（中間結像）。画像表示光は、中間結像位置Ｆで所定方向の成分が結像された後に、光径が拡大しながら進行して第２凹面鏡３０に到達する。第２凹面鏡３０で反射された画像表示光は、ウィンドシールドＷＳで反射されて運転者の視点位置に到達する。

　画像投影装置１００では、中間結像位置Ｆにおいて画像表示光の所定方向の成分を中間結像させているため、所定方向での光学的な自由度が向上し、ウィンドシールドＷＳにおける高さ方向と幅方向での曲率差によって生じる非点収差を軽減することができる。また、中間結像位置Ｆの近傍において所定方向の成分の光径が小さくなるため、空いたスペースに画像照射部１０を近づけて配置することができ、空間の有効活用と小型化を図ることができる。

　図３は、画像投影装置１００での光路長と光学倍率について説明する模式図である。図中の横軸は画像表示光の光路長を示しており、縦軸は横方向の幅を示している。ここで、画像表示光の光路長とは、画像表示光が虚像Ｐとして投影された際の高さ方向および幅方向の中央位置における光の経路の長さをいう。換言すると、画像照射部１０における画像表示光の中心位置から照射された光が、第１凹面鏡２０、第２凹面鏡３０およびウィンドシールドＷＳで反射されて、運転者の視点位置まで到達する光路の長さである。図３では、上述した所定方向が高さ方向である場合を示して説明するが、所定方向が横方向の場合には、高さ方向と横方向（幅方向）の関係を入れ替えて考えることができる。

　図３では、ウィンドシールドＷＳから視点ＥＰまでの光路長をＬ_１としている。また、ウィンドシールドＷＳから虚像Ｐの結像位置までの距離をＬ_０としている。また、画像照射部１０から第１凹面鏡２０で反射されて第２凹面鏡３０まで到達する光路長をＬ_２としている。また、第２凹面鏡３０で反射されてウィンドシールドＷＳまで到達する光路長をＬ_３としている。また、虚像Ｐの結像位置における画像照射光の幅をＹ_０としている。また、画像照射部１０から照射された直後の画像照射光の幅をＹ_１としている。また、第２凹面鏡３０で反射された画像照射光が、ウィンドシールドＷＳに入射せず結像した場合を想定し、仮想の結像位置までの距離をＬとし、仮想の結像位置での画像照射光の幅をＹ_０’としている。

　本実施形態の画像投影装置１００では、第１凹面鏡２０の所定方向の曲率は第２凹面鏡３０の曲率よりも大きく、中間像を結像している。このような投影光学系を有する場合には、画像照射部１０から第２凹面鏡３０までの光路長Ｌ_２を１ｍｍより大きく１３０ｍｍより小さい範囲とすることで、ウィンドシールドＷＳによる非点収差を軽減しつつ、小型化を図ることが可能となる。

　また、ウィンドシールドＷＳの焦点距離をｆとし、横倍率をｍとすると、
（式１）　ｍ＝Ｙ_０／Ｙ_０’
である。式１を変形すると、
（式２）　Ｙ_０’＝Ｙ_０／ｍ＝ｆＹ_０／（Ｌ_０－ｆ）
となる。また、第２凹面鏡３０の横倍率をｍ’とすると、
（式３）　ｍ’＝Ｙ_０’／Ｙ_１＝Ｌ／Ｌ_２
である。式３を変形すると、
（式４）　Ｌ＝Ｌ_２Ｙ_０’／Ｙ_１
となる。ウィンドシールドＷＳについてのレンズの公式は、
（式５）　１／Ｌ_０＋１／（Ｌ＋Ｌ_３）＝１／ｆ
であるから、式４を変形すると、
（式６）　Ｌ＝｛ｆ（Ｌ_３－Ｌ_０）－Ｌ_０Ｌ_３｝／（ｆ－Ｌ_０）＝Ｌ_３－ｆＬ_０／（ｆ－Ｌ_０）
となる。さらに、式２と式４から
（式７）　Ｌ＝Ｌ_２ｆＹ_０／Ｙ_１（Ｌ_０－ｆ）＝Ｌ_３－ｆＬ_０／（ｆ－Ｌ_０）
となる。さらに式７を変形すると、
（式８）　Ｌ_２＝（ｆＬ_３－Ｌ_０Ｌ_３－ｆＬ_０）Ｙ_１／ｆＹ_０
の関係を満たす。

　したがって所定方向において、画像照射部１０、第１凹面鏡２０、第２凹面鏡３０、ウィンドシールドＷＳと虚像Ｐの結像位置での光路長は、
（式９）　ｆＹ_０＜（ｆＬ_３－Ｌ_０Ｌ_３－ｆＬ_０）Ｙ_１＜１３０ｆＹ_０
を満たすことが好ましい。この関係を満たすことで、第１凹面鏡２０の所定方向の曲率が第２凹面鏡３０の曲率よりも大きく、中間像を結像する投影光学系において、表示部による非点収差を軽減しつつ、小型化を図ることが可能となる。

　上述したように本実施形態の画像投影装置１００では、第１凹面鏡２０の所定方向の曲率を第２凹面鏡３０よりも大きくし中間像を結像させ、画像照射部１０から第２凹面鏡３０までの光路長Ｌ_２が１ｍｍより大きく１３０ｍｍより小さいことにより、ウィンドシールドＷＳによる非点収差を軽減しつつ、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４から図６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４は、本実施形態に係る画像投影装置２００を用いた虚像Ｐの投影を説明する模式図である。図４に示すように画像投影装置２００は、画像照射部１０と、レンズ４０と、第２凹面鏡３０を備えている。

　レンズ４０は、画像照射部１０から照射された画像表示光を透過し、所定の光学的パワーによって屈折させる光学部材である。レンズ４０を透過した画像表示光は第２凹面鏡３０に到達する。レンズ４０の具体的な構成は限定されないが、正の光学的パワーを有して画像照射光を集光する凸レンズを用いることができる。レンズ４０および第２凹面鏡３０の組み合わせは、ウィンドシールドＷＳを介して画像表示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。

　図５は、画像投影装置２００での画像表示光の中間結像について説明する模式図である。図５に示したように、画像照射部１０から照射された画像光は、レンズ４０に到達する。また画像表示光はレンズ４０を透過し、所定方向の成分は光径が縮小されながら進行し、レンズ４０と第２凹面鏡３０の間の中間結像位置Ｆにおいて中間像が結像される（中間結像）。画像表示光は、中間結像位置Ｆで所定方向の成分が結像された後に、光径が拡大しながら進行して第２凹面鏡３０に到達する。第２凹面鏡３０で反射された画像表示光は、ウィンドシールドＷＳで反射されて運転者の視点位置に到達する。

　図６は、画像投影装置２００での光路長と光学倍率について説明する模式図である。図６では、ウィンドシールドＷＳから視点ＥＰまでの光路長をＬ_１としている。また、ウィンドシールドＷＳから虚像Ｐの結像位置までの距離をＬ_０としている。また、画像照射部１０からレンズ４０で屈折されて第２凹面鏡３０まで到達する光路長をＬ_２としている。また、第２凹面鏡３０で反射されてウィンドシールドＷＳまで到達する光路長をＬ_３としている。また、虚像Ｐの結像位置における画像照射光の幅をＹ_０としている。また、画像照射部１０から照射された直後の画像照射光の幅をＹ_１としている。また、第２凹面鏡３０で反射された画像照射光が、ウィンドシールドＷＳに入射せず結像した場合を想定し、仮想の結像位置までの距離をＬとし、仮想の結像位置での画像照射光の幅をＹ_０’としている。ここではレンズ４０と第２凹面鏡３０の組み合わせを用いた例を示したが、第２凹面鏡３０を凸レンズに置き換えて、レンズ４０と凸レンズの組み合わせでウィンドシールドＷＳに画像照射光を照射するとしてもよい。

　本実施形態の画像投影装置２００でも、レンズ４０で画像表示光を屈折して中間像を結像している。このような投影光学系を有する場合には、画像照射部１０から第２凹面鏡３０までの光路長Ｌ_２を１ｍｍより大きく１３０ｍｍより小さい範囲とすることで、ウィンドシールドＷＳによる非点収差を軽減しつつ、小型化を図ることが可能となる。

　また、本実施形態の画像投影装置２００でも、式９の関係を満たすことで、第１凹面鏡２０の所定方向の曲率が第２凹面鏡３０の曲率よりも大きく、中間像を結像する投影光学系において、表示部による非点収差を軽減しつつ、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、２０２３年７月８日に出願された日本国特許出願である特願２０２３－１１２６７５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２０２３－１１２６７５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。

１００，２００…画像投影装置
１０…画像照射部
２０…第１凹面鏡
３０…第２凹面鏡
４０…レンズ
ＷＳ…ウィンドシールド
Ｐ…虚像

Claims

　表示部を介して虚像を投影する画像投影装置であって、
　前記虚像を形成するための画像を画像表示光として照射する画像照射部と、
　前記画像表示光を前記表示部に対して投影する投影光学部とを備え、
　前記投影光学部は、
　前記画像照射部から照射された前記画像表示光を反射する第１凹面鏡と、
　前記第１凹面鏡で反射された前記画像表示光を反射する第２凹面鏡とを備え、
　前記第１凹面鏡の所定方向の曲率は、前記第２凹面鏡の前記所定方向の曲率よりも大きく、
　前記画像表示光は前記第１凹面鏡と前記第２凹面鏡の間において前記所定方向の成分が中間像を結像し、
　前記画像表示光の中央位置における、前記画像照射部から前記第２凹面鏡までの光路長が、１ｍｍより大きく１３０ｍｍより小さいことを特徴とする画像投影装置。
　請求項１に記載の画像投影装置であって、
　前記所定方向は、前記虚像の高さ方向または横方向であることを特徴とする画像投影装置。
　請求項１に記載の画像投影装置であって、
　前記表示部上での前記画像表示光が照射される領域において、
　前記所定方向に直交する方向での曲率は、前記所定方向での曲率よりも大きいことを特徴とする画像投影装置。
　請求項１に記載の画像投影装置であって、
　前記画像表示光は前記第１凹面鏡と前記第２凹面鏡の間において前記所定方向と直交する方向の成分が中間像を結像しないことを特徴とする画像投影装置。
　請求項１に記載の画像投影装置であって、
　前記所定方向において、
　前記虚像の結像位置における前記画像表示光の幅をＹ_０とし、
　前記画像照射部における前記画像表示光の幅をＹ_１とし、
　前記表示部から前記虚像の結像位置までの光路長をＬ_０とし、
　前記第２凹面鏡から前記表示部までの光路長をＬ_３とし、
　前記表示部の焦点距離をｆとしたとき、
　ｆＹ_０＜（ｆＬ_３－Ｌ_０Ｌ_３－ｆＬ_０）Ｙ_１＜１３０ｆＹ_０
　　の関係を満たすことを特徴とする画像投影装置。