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1. (WO2017098913) OPTICAL SCANNING DEVICE, IMAGE DISPLAY APPARATUS, AND VEHICLE
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明 細 書

発明の名称 光走査装置、画像表示装置、および車両

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004   0005   0006  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0007  

課題を解決するための手段

0008  

発明の効果

0009  

図面の簡単な説明

0010  

発明を実施するための形態

0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100   0101   0102   0103   0104   0105   0106   0107   0108   0109  

符号の説明

0110  

先行技術文献

特許文献

0111  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7  

補正された請求の範囲(条約第19条)

1  *   2  *   3  *   4  *   5  *   6  *   7  

条約第19条(1)に基づく説明書

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15  

明 細 書

発明の名称 : 光走査装置、画像表示装置、および車両

技術分野

[0001]
 本発明は、光走査装置、画像表示装置、および車両に関するものである。

背景技術

[0002]
 車両、航空機、船舶などの移動体に搭載される装置であって、操縦者(運転者)が当該移動体を操縦する際に有用な情報を少ない視線移動で視認できるようにする画像表示装置が知られている。このような画像表示装置は、一般的に、ヘッドアップディスプレイ(以下「HUD」という)と呼ばれている。
[0003]
 HUDは、移動体に関する情報に基づいて中間像を形成し、この中間像を運転者の視界に虚像として表示する。HUDにおける中間像の形成式は、いくつかの種類が知られている。例えば、液晶等のイメージングデバイスを用いるパネル方式や、レーザーダイオード(以下、LDとする)から出射されたレーザービームを二次元走査するレーザー走査方式、などである。パネル方式は、全画面発光を部分的に遮光して中間像を形成する。レーザー走査方式は、各画素に対して「発光」と「非発光」を割り当てることで中間像を形成する(例えば、特許文献1を参照)。
[0004]
 レーザー走査方式は、パネル方式に比べて高いコントラストの中間像を形成できる。中間像のコントラストを高くして虚像の視認性を高めるには、中間像を形成するレーザービーム以外の不要な光(以下「不要光」とする)が、中間像を形成する部分に到達しないことが望ましい。
[0005]
 また、レーザー走査方式において所望の位置に中間像を形成するには、LDの発光タイミングを制御する必要がある。そのためにLDからのレーザービームで構成される走査光を検知する受光素子を用いる。受光素子に上記のような不要光が入射すると中間像の形成位置が乱れてしまい、中間像の画質を低下させる原因になる。
[0006]
 また、HUDにおいて表示される虚像は、背景の明るさによって視認性が低下することもある。そこで、虚像の背景の明るさとの関係で中間像の輝度を調整できると望ましい。

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0007]
 本発明は、不要光が侵入しても高コントラストの中間像を形成することができ、画像品質の良い虚像を安定して表示できる光走査装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0008]
 本発明に係る光走査装置は、光ビームを出射する光源部と、前記光ビームを主走査方向と該主走査方向と直交する副走査方向とに二次元に偏向する光偏向部と、前記光偏向部による前記光ビームの二次元走査により画像を形成する画像形成部と、を有し、前記光偏向部と前記画像形成部の間における前記光ビームの光路中に、前記光偏向部への入射光、および、前記光偏向部からの偏向反射光を透過する平板が配置されていて、前記平板は前記副走査方向の断面内において前記画像形成部に対して傾斜している。

発明の効果

[0009]
 本発明によれば、不要光が侵入しても高コントラストの中間像を形成することができ、画像品質の良い虚像を安定して表示できる。

図面の簡単な説明

[0010]
[図1] 図1は、本発明に係る画像表示装置の実施形態の例を示す構成図である。
[図2] 図2は、上記画像表示装置に係る光源部の例を示す構成図である。
[図3] 図3は、上記画像表示装置に係る走査光学系の例を示す構成図である。
[図4] 図4は、上記画像表示装置に係る光走査手段の例を示す平面図である。
[図5] 図5は、上記画像表示装置に係る中間像形成部の例を示す斜視図である。
[図6] 図6は、上記画像表示装置のハードウェア構成の例を示すブロック図である。
[図7] 図7は、上記画像表示装置の機能構成の例を示す機能ブロック図である。
[図8] 図8は、本発明に係る光走査装置の実施形態における主走査方向断面の光学配置図である。
[図9] 図9は、本発明に係る光走査装置の実施形態における副走査方向断面の光学配置図である。
[図10] 図10は、本発明に係る光走査装置の実施形態を説明する図である。
[図11] 図11は、本発明に係る光走査装置の実施形態の効果を説明する図である。
[図12] 図12は、本発明に係る光走査装置の別の実施形態における副走査方向断面の光学配置図である。
[図13] 図13は、本発明に係る光走査装置の別の実施形態の効果を説明する図である。
[図14] 図14は、本発明に係る光走査装置のさらに別の実施形態における副走査方向断面の光学配置図である。
[図15] 図15は、本発明に係る不要光を説明する図である。

発明を実施するための形態

[0011]
 以下、本発明に係る光走査装置、画像表示装置および車両の実施形態について、図面を参照しながら説明する。まず、光走査装置を備える画像表示装置の実施形態について説明する。
[0012]
(実施形態)
[画像表示装置の概要]
 図1に示すように、本発明に係る画像表示装置の実施形態であるHUD1は車両に搭載して用いる装置である。HUD1は、車両の運転者3の視界内に対して、運転者3にとって有用な情報を虚像2として表示する。ここで、「運転者3にとって有用な情報」とは、運転者3の視界に存在する物体等に関連する情報や、車両の動作に関連する情報等を含む情報である。また、車両の動作の異常を報知する警報等に関連する情報も含むものとする。以下、本明細書の記載において、上記の「運転者3にとって有用な情報」を「情報」と表記することもある。
[0013]
 図1に示すHUD1の形態は、車両のフロントウインドシールドであるフロントガラス50を光コンバイナ32として用いる形態である。光コンバイナ32は、後述する中間像231が投写されて、これを運転者3に向けて反射し、かつ、運転者3の視界に存在する環境や物体からの光(外部光)を透過する透過反射部材である。なお、光コンバイナ32として、フロントガラス50とは別体の透過反射型光学素子を用いてもよい。
[0014]
 HUD1は、光源部10と、走査光学系20と、観察光学系30と、を備えている。光源部10と走査光学系20により、本発明に係る光走査装置である光走査部100が構成される。
[0015]
 光走査部100において中間像231が形成される。この中間像231は、光走査部100において、観察光学系30の一部を構成する凹面ミラー31側に現れる。この中間像231を凹面ミラー31が反射して光コンバイナ32に投写する。光コンバイナ32は、中間像231を運転者3が虚像2を視認可能に表示する。
[0016]
[光源部10の概要]
 光源部10は、中間像231を形成するための光束を出射する。虚像2をカラー画像にするのであれば、光源部10からはカラー画像に必要な光の三原色に相当する光束が出射される。
[0017]
[走査光学系20の概要]
 走査光学系20は、光源部10から出射された光束に基づいて、中間像231を形成する。走査光学系20は、形成した中間像231を観察光学系30に向けて出射する。なお、一般的な中間像231の外形は、長方形などである。
[0018]
[観察光学系30の概要]
 観察光学系30は、反射型光学素子である凹面ミラー31と、光コンバイナ32と、を有してなる。走査光学系20において形成された中間像231は、凹面ミラー31において拡大されて、光コンバイナ32に投写される。拡大投写された中間像231は、光コンバイナ32において運転者3に向けて反射される。
[0019]
 光コンバイナ32で反射された中間像231は、運転者3の視覚において、光コンバイナ32の物理的な位置とは異なる位置(運転者3から離れる方向の位置)に虚像2として視認される。すでに説明したとおり、虚像2が表示する情報は、車両前方の情報、車両の動作に関連する情報、および、車両の速度や走行距離、行き先表示等のナビゲーション情報等である。
[0020]
 なお、運転者3の視点は、単に基準となる視点位置(基準アイポイント)を示している。運転者3の視点範囲は、車両の運転者アイレンジ(JIS D0021)と同等かそれ以下である。
[0021]
 ここで、本実施形態の説明に係る「方向」について定義する。中間像231は、走査光学系20において実行される二次元走査により生成される画像である。ここで、二次元走査とは、主走査方向と副走査方向の2つの方向の走査を合わせた走査である。また、主走査方向と副走査方向とは、中間像231の左右方向と上下方向に対応する。
[0022]
 中間像231の左右方向は、運転者3が虚像2を視認するときの左右方向として見える方向と同じ方向に相当する。同様に、中間像231の上下方向は、運転者3が虚像2を視認するときの上下方向として見える方向と同じ方向に相当する。中間像231の左右方向が主走査方向であって、上下方向が副走査方向である。
[0023]
 以下の説明において、中間像231を生成する際の主走査方向を「X方向」とし、副走査方向を「Y方向」とする。虚像2における横方向を説明するときは、物理的な方向が相違しても、中間像231における主走査方向に対応するものとして「X方向」と表記する。また、虚像2におけるY方向を説明するときも、物理的な方向が相違しても、中間像231における副走査方向に対応するものとして「Y方向」と表記する。
[0024]
 また、図1に示すように、HUD1を車両に搭載した場合、車両の進行方向を「Z´方向」、車両の左右方向を「X´方向」、車両の上下方向を「Y´方向」とする。この場合、虚像2から運転者3へ向かう方向(車両の後退方向)を+Z´方向とし、運転者3の視線方向(車両の前進方向)を-Z´方向とする。また、運転者3の右方向(紙面奥方向)を+X´方向とし、運転者3の左方向を-X´方向(紙面手前方向)とする。また、運転者3の上方向を+Y´方向とし、運転者3の下方向を-Y´方向とする。
[0025]
 図1において、虚像2のX方向と車両のX´方向(左右方向)は一致している。また、虚像2のY方向と車両のY´方向(上下方向)は一致している。一方、走査光学系20において生成される中間像231のX方向(主走査方向)とX´方向(左右方向)は一致しない場合もある。同様に、中間像231のY方向(副走査方向)とY´方向(上下方向)も一致しない場合がある。これは、走査光学系20における光学素子の配置や向き、走査光学系20と観察光学系30との光学的な配置によって中間像231の主走査方向と副走査方向の物理的な向きがX’軸、Y’軸、Z’軸と必ずしも直交するとは限らないからである。
[0026]
 図1に示すように、凹面ミラー31から光コンバイナ32へ投写される画像光の入射領域の中心を入射領域中心303とする。図1に示すように入射領域中心303における接平面は、X´軸方向から見ると運転者3の視点と虚像2の中心(虚像中心305)とを結ぶ第1仮想軸304に対して傾斜している。なお、第1仮想軸304は、入射領域中心303を通過する軸である。走査光学系20において形成される中間像231の中心と反射面中心307とを結ぶ第2仮想軸306を想定すると、図1に示すように、第2仮想軸306は、X´軸方向から見て、第1仮想軸304に対して傾斜している。また、第2仮想軸306をY´軸方向から見ると第1仮想軸304に対して傾斜している。
[0027]
[光源部10の構成]
 次に、光源部10の詳細な構成について図2を用いて説明する。光源部10は、虚像2をカラー画像にするために光の三原色に対応する光ビームを1本に合成して出射する。以下の説明では、光源部10から出射されて、後述する光走査手段に向かう光ビームを第1光ビーム101とする。
[0028]
 光源部10は、例えば半導体レーザー素子を3つ備えている。半導体レーザー素子は、各々が光の三原色の各色に対応する光源素子である。第1レーザー素子110は、赤色(R)のレーザー光を出射するレーザー素子である。第2レーザー素子120は、緑色(G)のレーザー光を出射するレーザー素子である。第3レーザー素子130は、青色(B)のレーザー光を出射するレーザー素子である。
[0029]
 なお、各レーザー素子に端面発光レーザーと呼ばれるレーザーダイオード(LD)や面発光レーザー(VCSEL)を用いることもできる。また、半導体レーザー素子に代えてLED素子を用いることもできる。
[0030]
 光源部10は、各レーザー素子の他に、各レーザー素子から出射されたレーザー光の発散性を抑止するカップリングレンズを備えている。また、各カップリングレンズからの各レーザー光の光束径を規制して整形するアパーチャを備えている。また、光源部10は、各アパーチャで整形された各色のレーザー光束を合成して出射するビーム合成プリズム140と、レンズ150と、を備えている。
[0031]
 各色のレーザー素子に対応するカップリングレンズを、第1カップリングレンズ111、第2カップリングレンズ121、第3カップリングレンズ131、とする。
[0032]
 各レーザー素子に対応するアパーチャを、第1アパーチュア112、第2アパーチュア122、第3アパーチュア132、とする。
[0033]
 ビーム合成プリズム140は、赤色のレーザー光を透過させて緑色のレーザー光を反射する第1ダイクロイック膜141と、赤色と緑色のレーザー光を透過させて青色のレーザー光を反射する第2ダイクロイック膜142と、を有する。
[0034]
 レンズ150は、ビーム合成プリズム140が出射した光ビームを「所望の集光状態のビーム」に変換する。
[0035]
 第1レーザー素子110から出射される光束(レーザー光)の波長λRは、例えば640nmである。第2レーザー素子120から出射される光束(レーザー光)の波長λGは、例えば530nmである。第3レーザー素子130から出射される光束(レーザー光)の波長λBは、例えば445nmである。
[0036]
 第1レーザー素子110から出射された赤色レーザー光は、第1カップリングレンズ111と第1アパーチュア112を介してビーム合成プリズム140に入射する。ビーム合成プリズム140に入射した赤色レーザー光は、第1ダイクロイック膜141を通過して直進する。
[0037]
 第2レーザー素子120から出射された緑色レーザー光は、第2カップリングレンズ121と第2アパーチュア122を介してビーム合成プリズム140に入射する。ビーム合成プリズム140に入射した緑色レーザー光は、第1ダイクロイック膜141で反射して、赤色レーザー光と同方向(第2ダイクロイック膜142の方向)へ向かう。
[0038]
 第3レーザー素子130から出射された青色レーザー光は、第3カップリングレンズ131と第3アパーチュア132を介してビーム合成プリズム140に入射する。ビーム合成プリズム140に入射した青色レーザー光は、第2ダイクロイック膜142で反射して、赤色レーザー光及び緑色レーザー光と同方向へ向かう。
[0039]
 以上のようにして、ビーム合成プリズム140から赤色レーザー光と緑色レーザー光と青色レーザー光が合成された光ビームが出射される。
[0040]
 ビーム合成プリズム140から出射された光ビームは、レンズ150によって「所望の集光状態のビーム」である第1光ビーム101に変換される。第1光ビーム101は、赤色レーザー光と緑色レーザー光と青色レーザー光が1本のレーザー光束として合成されたものである。
[0041]
 第1光ビーム101に含まれるR(赤)、G(緑)、B(青)の各色レーザー光束は、表示対象である「二次元のカラー画像」に係る画像信号に応じて強度変調される。または、表示対象である「二次元のカラー画像」に係る当該画像情報を示す画像データに応じて強度変調される。このレーザー光束の強度変調は、各色の半導体レーザーを直接変調する方式(直接変調方式)でも良いし、各色の半導体レーザーから出射されたレーザー光束を変調する方式(外部変調方式)でも良い。
[0042]
 なお、各アパーチュアには、光束の発散角等に応じて、円形、楕円形、長方形、正方形等の様々な形状のものを用いればよい。また、レンズ150は、後述するMEMSミラー21に向かって凹面をなすメニスカスレンズである。
[0043]
[走査光学系20の構成]
 図3に示すように、走査光学系20は、第1光ビーム101を偏向するMEMSミラー21と、透明平板22と、中間像形成部であるマイクロレンズアレイ23と、を有してなる。
[0044]
 走査光学系20は、光源部10から出射された第1光ビーム101をMEMSミラー21によって偏向する光学系である。走査光学系20において偏向された光ビームは、第2光ビーム102としてマイクロレンズアレイ23に入射する。
[0045]
 図3に示すように、光源部10からの第1光ビーム101がMEMSミラー21に入射する途中において、透明平板22を通過する。また、MEMSミラー21で偏向された第2光ビーム102がマイクロレンズアレイ23に入射する途中においても透明平板22を通過する。すなわち、MEMSミラー21に入射する光ビームもMEMSミラー21から出射される光ビームも透明平板22を通過する。
[0046]
 具体的には、MEMSミラー21は密閉された領域に配置されていて、その領域へのレーザー光の入射と、その領域からのレーザー光の出射は、透明平板22を介して行われる。なお、透明平板22やMEMSミラー21などは、一体的なモジュールとして構成されている。
[0047]
 マイクロレンズアレイ23は、MEMSミラー21において偏向された第2光ビーム102により、主走査方向と副走査方向からなる二次元で走査される。マイクロレンズアレイ23に対する二次元走査によって中間像231が生成される。生成された中間像231に係る画像光103は、マイクロレンズアレイ23の出射面から出射されて観察光学系30に向かう。
[0048]
[MEMSミラー21の説明]
 ここで、MEMSミラー21について図4を用いて詳細に説明する。MEMSミラー21は、半導体プロセス等で微小揺動ミラー素子として製造されたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)であって、中央部分に微小ミラー210を備えている。この微小ミラー210が、光源部10から出射された第1光ビーム101を偏向して、マイクロレンズアレイ23上を二次元走査する光偏向部である。
[0049]
 微小ミラー210は、第1光ビーム101を反射する反射面2101を備えている。この反射面2101は、2つの軸を中心として回動するように構成されている。反射面2101をY方向の軸周りで回動させると、第2光ビーム102の進行方向はX方向に対して変化する。したがって、反射面2101をY方向の軸周りで回動させると中間像231を生成するための主走査を実行できる。また、反射面2101をX方向の軸周りで回動させると、第2光ビーム102の進行方向はY方向に対して変化する。したがって、反射面2101をX方向の軸周りで回動させると中間像231を生成するための副走査を実行できる。すなわち、図4におけるX方向が主走査方向に対応し、Y方向が副走査方向に対応する。
[0050]
 微小ミラー210のX方向の両側には、複数の折り返し部により蛇行して形成された一対の蛇行状梁部152が配置されている。蛇行状梁部152は、折り返されて隣接する梁のそれぞれを第1梁部152aと第2梁部152bとして分割していて、それぞれに圧電部材156を備える。ここで用いられる圧電部材156は、例えばPZTである。
[0051]
 第1梁部152aと第2梁部152bに印加される電圧は、互いに隣接するものに対して独立して印加される。これら独立して印加される電圧は、互いに異なる電圧値である。互いに異なる電圧が印加された第1梁部152aと第2梁部152bには、それぞれ異なる反りが生ずる。反りの方向は印加電圧によって決まる。すなわち、隣接する第1梁部152aと第2梁部152b同士は互いに異なる方向に撓む。なお、蛇行状梁部152は、枠部材154に支持されている。
[0052]
 上記の撓みが蓄積されることで微小ミラー210は、X方向の軸周りで反射面2101の向きをX方向に対して変化させるように回動する。第1光ビーム101が反射面2101のX方向の軸周りの回動によって反射されて第2光ビーム102としてマイクロレンズアレイ23をY方向に走査する。
[0053]
 MEMSミラー21は、主走査方向に関しては正弦波振動を、副走査方向に関しては鋸波振動をすることで、第1光ビーム101を二次元的に偏向して第2光ビームにし、マイクロレンズアレイ23を二次元的に走査する。
[0054]
 以上の構成を備えるMEMSミラー21を用いることで、HUD1は、X方向の軸を回転中心とする垂直方向(Y方向)への光走査を低い電圧で行うことができる。一方、Y方向の軸を回転中心とする水平方向(X方向)への光走査は、微小ミラー210に接続されたトーションバーなどを利用した共振により行う。
[0055]
[マイクロレンズアレイ23の説明]
 次に、マイクロレンズアレイ23について詳細に説明する。マイクロレンズアレイ23は、微細な凸レンズが二次元的に配列されているレンズ面が入射面であり、レンズ面とは反対側の平面が出射面になる。なお、マイクロレンズアレイ23として用いる光学素子は、上記の例に限ることはなく、拡散板、透過スクリーン、反射スクリーンなどを採用してもよい。
[0056]
 レンズ面に入射した第2光ビーム102は、出射面から拡散して出射される。MEMSミラー21による走査は、例えば、主走査方向が高速で走査されて、副走査方向が低速で走査されるラスタースキャンである。
[0057]
 すでに説明したように、HUD1が備える光源部10から出射される第1光ビーム101はカラー対応のものである。したがって、マイクロレンズアレイ23において形成される中間像231はカラー画像である。なお、マイクロレンズアレイ23においてモノクロの中間像231を形成してもよい。
[0058]
 図5は、マイクロレンズアレイ23を第2光ビーム102の入射方向から見た斜視図である。図5において点線で表した矩形は、中間像231の仮想的な輪郭を示している。MEMSミラー21によって二次元的に偏向された第1光ビーム101が第2光ビーム102として、図5に示すL1からL2に向かって主走査方向に走査する。次に、L1から副走査方向に一つ下がって主走査方向に走査する。最終的にはL3からL4に向かって主走査をして1フレームの中間像231が形成される。以上のように中間像231の横方向が主走査方向であって、これに直交する縦方向が副走査方向である。中間像231は、主走査方向と副走査方向を所定の時間(走査時間)において1フレームごとに形成される。1フレーム分の走査が終了すると、次のフレームの中間像231を走査時間内で形成するためにL1から主走査を開始する。
[0059]
 マイクロレンズアレイ23において各瞬間(フレームレートごと)に形成される中間像231は、「第2光ビーム102が、その瞬間に照射している画素のみ」で形成される。したがって、「カラーの二次元画像である中間像231」は、第2光ビーム102によって二次元的に走査される各瞬間に表示される画素の集合である。
[0060]
 中間像231は、マイクロレンズアレイ23によって発散して出射されるので、運転者3の姿勢などによって運転者3の目の位置が変化しても、中間像231を虚像2として視認することができる。
[0061]
[光走査部100の制御系]
 ここで、HUD1が備える光走査部100の動作を制御する制御系の構成について説明する。図6に示すようにHUD1は、FPGA600と、CPU602と、ROM604と、RAM606と、I/F608と、バスライン610と、LDドライバ6111と、MEMSコントローラー615と、を有してなる。
[0062]
 FPGA600は、LDドライバ6111やMEMSコントローラー615により、光源部10とMEMSミラー21を動作させる。CPU602は、HUD1が備える上記の各ハードウェアの動作を制御するプロセッサである。ROM604は、CPU602がHUD1の各機能を制御するために実行する画像処理用プログラムを記憶する半導体メモリである。RAM606は、CPU602が各ハードウェアの制御処理を実行する際にワークエリアとして使用する半導体メモリである。
[0063]
 I/F608は、HUD1を外部コントローラー等と接続する接点である。I/F608を介して、例えば、HUD1をCAN(Controller Area Network)等に接続させる。これによって、HUD1は、CANを介して接続される他の外部コントローラー等と通信をしながら動作することができる。
[0064]
[光走査部100の機能構成]
 次に、HUD1が備える光走査部100の機能構成について説明する。図7に示すように光走査部100は、車両情報入力部800と外部情報入力部802と、画像情報生成部804と、表示画像形成部806と、を有してなる。
[0065]
 車両情報入力部800は、I/F608を介して接続されている他の外部コントローラー等からの情報(例えば、当該車両の走行速度や走行距離など)を取得する。
[0066]
 外部情報入力部802は、I/F608を介して接続されている他の外部コントローラー等からの情報(例えば、GPSによる位置情報、ナビゲーション装置からの交通情報など)を取得する。
[0067]
 画像情報生成部804は、車両情報入力部800と外部情報入力部802から入力される情報に基づいて虚像2(図1参照)の元になる中間像231を形成するための情報を生成する処理を実行する。
[0068]
 表示画像形成部806は、制御部8060を備えている。制御部8060は、画像情報生成部804が生成した情報に基づいて、光源部10や走査光学系20の動作を制御する。この制御機能によって、フロントガラス50に投写される中間像231が生成される。以上の機能ブロックの動作によって、運転者3の視点において虚像2が視認される状態を作り出すことができる。
[0069]
 図1に戻る。HUD1は光走査部100が備える中間像形成部(マイクロレンズアレイ23)を境界として、これよりも外側は、車両内の空間に繋がる構成になっている。虚像2の表示に影響を与える太陽光などの不要光5は、車両の外部から内部へ入射することがある。不要光5は、図1に例示したような太陽光のように車両上方から到達するものには限られず、様々な角度から到達する。
[0070]
 また、不要光5が観察光学系30を通過してマイクロレンズアレイ23に入射すると、マイクロレンズアレイ23からMEMSミラー21に対して不要光5が出射されるような状態になる。この場合、中間像231を形成する第2光ビーム102とは異なる光が中間像231に影響を与える状況になる。以上のように、不要光5は、中間像231のコントラストを低下させる原因になり、中間像231の画像品質を低下させる原因にもなる。
[0071]
 また、同様に、不要光5がマイクロレンズアレイ23において中間像231を形成する位置を制御するための第2光ビーム102の検出をする同期信号センサに入射する場合も考えられる。この場合、同期信号センサにおいて検知される光量が不安定になり、検出すべきタイミングと異なるタイミングで同期信号を検知することになり、中間像231の画像品質を著しく低下させる原因になる。
[0072]
[光走査部100の第1実施形態]
 次に、光走査部100の実施形態について、より詳細に説明する。本実施形態に係る光走査部100は、不要光5の影響による中間像231のコントラスト低下を防止するものである。また、本実施形態に係る光走査部100は、中間像231を形成するための同期信号センサの誤動作を防止し、画像品質の良い中間像231を形成するものである。
[0073]
 図15は、不要光5の影響を説明するための模式図であって、光走査部100の副走査方向断面の例である。図15に示すように、透明平板22をマイクロレンズアレイ23に対して平行に配置した場合を仮定する。図15のような配置関係では、不要光5がマイクロレンズアレイ23に再入射しやすい。ここで再入射とは、不要光5がマイクロレンズアレイ23を通過して光走査部100の内部に侵入した後に、散乱光となってマイクロレンズアレイ23の入射面に対して入射することをいう。
[0074]
 マイクロレンズアレイ23と透明平板22が平行の場合、マイクロレンズアレイ23により不要光5が散乱すると、その散乱光が透明平板22やMEMSミラー21で反射してマイクロレンズアレイ23に再入射しやすくなる。すなわち、マイクロレンズアレイ23と透明平板22が平行の場合、中間像231の形成に悪影響を与える可能性が高くなる。
[0075]
 本実施形態に係る光走査部100は、図8および図9に示すように、副走査断面内において透明平板22をマイクロレンズアレイ23に対して傾斜させることで、上記のような悪影響を防ぐ効果を有する。
[0076]
 図8は、主走査断面内における光走査部100の光学的配置の例を示している。図9は、副走査断面内における光走査部100の光学的配置の例を示している。図8に示すように、主走査断面内において、マイクロレンズアレイ23と透明平板22は平行している。MEMSミラー21が主走査方向において第2光ビーム102を偏向する広がり角度は、例えば52degである。この場合、マイクロレンズアレイ23の主走査方向の端部に第2光ビーム102を検知する同期信号センサを配置し、同期信号センサが第2光ビーム102を検知することで中間像231の位置を整えて、画像品質を向上させる。
[0077]
 図9に示すように、本実施形態に係る光走査部100は、副走査断面内において、透明平板22がマイクロレンズアレイ23に対し角度αを形成するように傾斜して配置される。これによって、マイクロレンズアレイ23から入射した不要光5があっても、それが透明平板22で反射してマイクロレンズアレイ23へ再入射することは、生じにくくなる。
[0078]
 本実施形態に係る光走査部100における透明平板22の傾斜方向は、透明平板22の端部とマイクロレンズアレイ23の端部を対角で結ぶ仮想の2本の線に基づいて規定される。上記の2本の仮想線のうち、一方の線は他方の線よりも透明平板22の垂線と形成する角度が小さい。この一方の線と透明平板22の垂線が形成する角度が大きくなるような方向に透明平板22を傾斜させる。
[0079]
 本実施形態に係るマイクロレンズアレイ23に対する透明平板22の傾斜について、より詳細に説明する。図10に示すように、副走査断面内におけるマイクロレンズアレイ23の端部の一方を「端部A」として、他方の端部を「端部B」とする。また、副走査断面内において、端部Aと対角にある透明平板22の端部を結ぶ仮想線を「第1仮想線251」とし、端部Bと対角にある透明平板22の端部を結ぶ仮想線を「第2仮想線252」とする。
[0080]
 副走査断面内において、透明平板22の両端部に仮想的な垂線221を設定した場合、第1仮想線251が垂線221と形成する角度は、第2仮想線252が垂線221と形成する角度よりも小さい。すなわち、光走査部100は、第1仮想線251と垂線221が形成する角度が大きくなる方向Cに透明平板22を傾斜させてある。言い換えると、光走査部100は、透明平板22をマイクロレンズアレイ23との平行状態から離れる方向に傾斜させてある。
[0081]
 上記のように透明平板22を傾斜させた場合の効果について図11を用いて説明する。図11に示すように不要光5の光路を仮定すると、マイクロレンズアレイ23の端部Aからの不要光5は、透明平板22の端部で反射した場合、符号A1または符号A2に示す方向に向かうようになる。同様に、マイクロレンズアレイ23の端部Bからの不要光5は、透明平板22の端部で反射した場合、符号B1または符号B2に示す方向に向かうようになる。
[0082]
 図10に示したように透明平板22をマイクロレンズアレイ23に対して傾斜させて配置すると、マイクロレンズアレイ23から散乱した不要光5は透明平板22で反射してもマイクロレンズアレイ23には再入射しない状態になる。
[0083]
 透明平板22をC方向(図10参照)に傾斜させると、マイクロレンズアレイ23の端部Aから散乱した不要光5が透明平板22の副走査断面における一方の端部で反射されたときの角度は、他方の端部で反射されたときの角度よりも大きい。これは、マイクロレンズアレイ23の端部Bから散乱した不要光5においても同様である。散乱した不要光5が透明平板22において反射された場合、副走査断面内において最もマイクロレンズアレイ23の近くに至る光路は、符号A1に相当する光路である。言い換えると、符号A1よりもマイクロレンズアレイ23の近くに反射する不要光5はなく、他の不要光5はマイクロレンズアレイ23から離れる方向に反射する。
[0084]
 仮に、図10に示した方向Cとは逆の方向に、透明平板22を傾斜させた場合、透明平板22で反射される不要光5の一部はマイクロレンズアレイ23に戻るものも出てくる。不要光5がマイクロレンズアレイ23に戻ると、その瞬間(そのフレーム)において中間像231の形成には寄与していないマイクロレンズアレイ23の部分が明るくなる。このような状態が生ずると、本来は暗い部分が明るくなってしまい、中間像231のコントラストが低下する。
[0085]
 以上説明した第1実施形態に係る光走査部100は、マイクロレンズアレイ23の全領域からの散乱光が透明平板22で反射されても、マイクロレンズアレイ23に再入射せず、不要光5が中間像231に悪影響を与えることを防ぐことができる。これによって、高いコントラストを有する中間像231を形成することができる。
[0086]
[光走査部100の第2実施形態]
 次に、本発明に係る光走査装置の別の実施形態について、図12および図13を用いて説明する。すでに説明をした実施形態と同様に、副走査断面内におけるマイクロレンズアレイ23の端部の一方を「端部A」とし、他方の端部を「端部B」とする。副走査断面内において、端部Aと対角にある透明平板22の端部を結ぶ仮想の線を「第1仮想線251」とし、端部Bと対角にある透明平板22の端部を結ぶ仮想の線を、「第2仮想線252」とする。
[0087]
 本実施形態に係る光走査部100は、副走査断面内における透明平板22の傾斜方向が、すでに説明した実施形態とは異なる。すなわち、第2仮想線252が透明平板22の垂線221と形成する角度が、第1仮想線251が透明平板22の垂線221と形成する角度よりも小さくなるように、透明平板22をマイクロレンズアレイ23に対して傾斜させている。言い換えると、第2実施形態に係る光走査部100では、透明平板22の傾斜方向が、第2仮想線252と垂線221が形成する角度が大きくなる方向であって、透明平板22をマイクロレンズアレイ23との平行状態から離れる方向に設定されている。
[0088]
 上記のように透明平板22を傾斜させると、第2仮想線252は、MEMSミラー21に入射する第1光ビーム101から遠い側の透明平板22の端部、すなわち、マイクロレンズアレイ23の端部Bと対角の位置にある端部を含む線になる。このように透明平板22の傾斜方向を設定すると、透明平板22を透過する光線(第1光ビーム101、第2光ビーム102)の透明平板22への入射角を小さくすることができる。これによって、透明平板22を小型にすることができ、また、透明平板22の透過率を向上させることができる。
[0089]
 上記のように透明平板22を傾斜させる効果について図13を用いて説明する。図13に示すように不要光5の光路を仮定すると、マイクロレンズアレイ23の端部Bからの不要光5のうち、透明平板22の一方の端部で反射したものがマイクロレンズアレイ23に最も近づく光路をとるが、反射した不要光5がマイクロレンズアレイ23に入射することはない。図12及び図13に示したように透明平板22をマイクロレンズアレイ23に対して傾斜させると、マイクロレンズアレイ23から散乱した不要光5が透明平板22で反射しても、マイクロレンズアレイ23には再入射しにくくなる。
[0090]
 以上説明のとおり、本実施形態に係る光走査部100は、マイクロレンズアレイ23の全領域からの散乱光は、透明平板22で反射したとしてもマイクロレンズアレイ23に再入射することはなく、光源部10が消灯しているときや、マイクロレンズアレイ23上において中間像231が形成されていない部分への不要光5の入射を防ぐことができる。これによって、高コントラストの中間像231を形成することができる。
[0091]
 また、上記のように透明平板22を透過する光ビーム(第1光ビーム101,第2光ビーム102)の透明平板22に対する入射角を小さくすることにより、透明平板22を小型にし、透過率を向上できる理由について、図14を用いて説明する。
[0092]
 図14に示すように、副走査断面内において、光源部10からMEMSミラー21へ入射する第1光ビーム101の入射角を13degとし、MEMSミラー21の副走査断面内における振幅(MEMS振幅)が±5degとする。この場合、MEMSミラー21における副走査振幅中心に対して入射側は13degになり、出射側は23degになる(13deg+10deg)。
[0093]
 マイクロレンズアレイ23の中心がMEMSミラー21の振幅の中心(MEMS振幅中心)のレーザー光到達位置と一致し、副走査方向に対称形状であれば、透明平板22を上記のように傾けた傾け量は、ほぼ同一である。したがって、入射光側に透明平板22を傾けたほうが透過する光線の入射角を小さく設定することができる。
[0094]
 つまり二次元走査するMEMSミラー21においては、MEMSミラー21への入射光側に透明平板22を傾ける方が、透明平板22の小型化と透過率の向上という観点からより望ましい。
[0095]
 また、透明平板22の傾きを低減することでMEMSミラー21と透明平板22との距離を縮めることができる。これによって、第1光ビーム101が透過する領域を小さくできる。すなわち、光走査部100を小型して、製造コストを下げることもできる。
[0096]
 さらに、HUD1は、虚像2の背景の明るさにより、中間像231をより明るくする必要がある。すなわち、虚像2の背景により、多くの光量を必要とするので、透明平板22における光の透過率を下げることは望ましくない。しかし、本実施形態によれば、透過する光線(第1光ビーム101及び第2光ビーム102)の透明平板22への入射角が低減され、透過率向上につながる。また、中間像231が形成されるマイクロレンズアレイ23における第2光ビーム102の入射領域(中間像領域内)における輝度の偏差も小さくすることができ、虚像2の表示性能を向上させることができる。
[0097]
 以上説明をした第1実施形態または第2実施形態のそれぞれに係る光走査部100は、レーザー走査方式であるから、中間像231の形成位置を制御するために、光源部10の発光タイミングを制御するための信号を取得する必要がある。この制御信号の取得は、同期信号センサである受光素子25による。受光素子は、図10及び図12に示すように副走査断面内に配置される。
[0098]
 受光素子25は、副走査断面内で、マイクロレンズアレイ23の中心に対して、透明平板22の垂線とのなす角が小さい側の線が含むマイクロレンズアレイ23の端部とは逆側の端部に配置されることが望ましい。
[0099]
 例えば、図10に示す配置であれば、マイクロレンズアレイ23の端部B側に受光素子25を配置する。図12に示す配置であれば、マイクロレンズアレイ23の端部A側に受光素子25を配置する。これによって、マイクロレンズアレイ23から散乱した不要光5が透明平板22で反射した場合においても、受光素子25に入射することを防ぐことができる。受光素子25がマイクロレンズアレイ23の外側、特に前記不要光5を逃がしている側に配置される場合は、透明平板22の垂線を透明平板22とマイクロレンズアレイ23とのなす角が大きくなる方向に傾ける量をより大きく設定する必要が無い。
[0100]
 以上のように上記のいずれの実施形態に係る光走査部100であっても、不要光5が受光素子25への入射することを防止し、画像品質の低下を防ぐことができる。また、透明平板22を無駄に大きく傾けることなく、透明平板22を透過する光線の入射角を小さく設定することができる。これによって、透明平板22を小型にし、透過率を向上させることができる。
[0101]
 また、上記のいずれの実施形態に係る光走査装置は、MEMSミラー21への入射光(第1光ビーム101)の透明平板22に対する入射が垂直にならないように、透明平板22には副走査方向において角度を持たせて配置する。仮に、透明平板22における第1光ビーム101の入射が垂直になると、光源部10に第1光ビーム101の反射光が戻る可能性がある。
[0102]
 光源部10が第1光ビーム101の光量をモニタリングしていると、第1光ビーム101の光量が変動することで、光量制御が不安定になる。仮に、光量をモニタリングしていない光源部10であっても、MEMSミラー21への入射光を分離して光量をモニタする光学系などを有する場合もある。いずれにおいても、透明平板22によって第1光ビーム101が光源部10側に戻ることは望ましくない。
[0103]
 そこで、上記のいずれの実施形態に係る光走査部100のように、透明平板22がMEMSミラー21への入射光に対して副走査方向に角度を持つように配置すれば、光量を制御するセンサ等へ反射光を防ぐことができ、第1光ビーム101の光量を精度よく制御することができる。
[0104]
 以上のように、HUD1は、虚像2の表示において、カラー表示の色の再現や背景の明るさに対する適正な輝度の設定を精度よく行うことができる。
[0105]
[発明の効果]
 以上説明したHUD1によれば、光源部10からの第1光ビーム101を単一の反射面2101を持つMEMSミラー21により二次元走査し、被走査面であるマイクロレンズアレイ23において結像させて中間像231を形成する。この中間像231を形成するための光走査部100において、MEMSミラー21の動作精度の向上や、画像品質向上を目的として配置される透明平板22を、副走査断面内に所定の条件を満たすように配置する。ここで、所定の条件とは、透明平板22の端部とマイクロレンズアレイ23の端部を対角で結ぶ2本の線のうち、透明平板22の垂線とのなす角が小さい側の線に対する透明平板22の傾斜方向をいう。この傾斜方向とは、透明平板22の垂線が透明平板22とマイクロレンズアレイ23とのなす角度が大きくなる方向である。
[0106]
 これによって、外部からマイクロレンズアレイ23に至った不要光5がマイクロレンズアレイ23によって発散したとしても、発散光が中間像231の形成時にマイクロレンズアレイ23に再入射することを防ぐことができる。したがって、HUD1は、高コントラストの中間像231を形成し、高コントラストの虚像2を表示することができる。また、中間像231の形成位置を制御するための同期信号が常に安定して取得でき、中間像231の画像品質を向上させることができる。
[0107]
 また、透明平板22の垂線とのなす角が小さい側の線は、MEMSミラー21に入射する光ビーム(第1光ビーム101)から遠い側の透明平板22端部を含む線とする。これによって、透明平板22の小型化や透過率の確保が可能になる。
[0108]
 また、走査タイミングを決定する信号を得るための少なくとも1つの受光素子25を、副走査断面内でマイクロレンズアレイ23の中心に対し透明平板22の垂線とのなす角が小さい側の線が含むマイクロレンズアレイ23の端部と逆側に配置させる。これによって、不要光5の影響を受けずに安定的な画像形成が実現可能な光走査部100を得ることができる。
[0109]
 また、上記のような光走査部100を備えることで、高画質で小型のHUD1を得ることができる。

符号の説明

[0110]
 1   HUD
 10  光源部
 20  走査光学系
 21  MEMSミラー
 23  マイクロレンズアレイ
 100 光走査部
 101 第1光ビーム
 102 第2光ビーム
 103 画像光
 210 微小ミラー
 231 中間像

先行技術文献

特許文献

[0111]
特許文献1 : 特許第5050862号公報

請求の範囲

[請求項1]
 光ビームを出射する光源部と、
 前記光ビームを主走査方向と該主走査方向と直交する副走査方向とに二次元に偏向する光偏向部と、
 前記光偏向部による前記光ビームの二次元走査により画像を形成する画像形成部と、を有し、
 前記光偏向部と前記画像形成部の間における前記光ビームの光路中に、前記光偏向部への入射光、および、前記光偏向部からの偏向反射光を透過する平板が配置されていて、
 前記平板は前記副走査方向の断面内において前記画像形成部に対して傾斜している、
ことを特徴とする光走査装置。
[請求項2]
 前記副走査方向の前記断面内において、
 前記平板の端部と前記画像形成部の端部を対角に結ぶ2本の仮想線のうち、
 前記平板の垂線と形成する角度が小さい方の仮想線に対して、
 前記平板の垂線が、前記平板と前記画像形成部と形成する角が大きくなる方向に前記平板は傾いている
請求項1記載の光走査装置。
[請求項3]
 前記仮想線は、前記光偏向部に入射する前記光ビームから遠い方にある前記平板の端部を含む線である、
請求項2記載の光走査装置。
[請求項4]
 前記画像形成部における前記二次元走査のタイミングを制御すための信号を取得する受光素子を備え、
 前記受光素子は、前記副走査方向の断面内において前記画像形成部の中心に対し前記仮想線を含む前記画像形成部の端部とは逆側に配置される、
請求項2または3に記載の光走査装置。
[請求項5]
 前記平板は、前記光偏向部への前記入射光に対し前記副走査方向に角度を有する、
請求項1乃至4のいずれか一つに記載の光走査装置。
[請求項6]
 請求項1乃至5のいずれか一つに記載の光走査装置を備え、
 前記画像形成部において生成される中間像を虚像として表示する、
画像表示装置。
[請求項7]
 請求項6記載の画像表示装置を備え、
 前記中間像を運転者に虚像として示す、
ことを特徴とする車両。

補正された請求の範囲(条約第19条)
[ 2017年3月24日 ( 24.03.2017 )  国際事務局受理 ]

[1]
[補正後] 光ビームを出射する光源部と、
 前記光ビームを主走査方向と該主走査方向と直交する副走査方向とに二次元に偏向する光偏向部と、
 前記光偏向部による前記光ビームの二次元走査により画像を形成する画像形成部と、を有し、
 前記光偏向部と前記画像形成部の間における前記光ビームの光路中に、前記光偏向部への入射光、および、前記光偏向部からの偏向反射光を透過する平板が配置されていて、
 前記平板は、
 前記副走査方向の断面内において、
 前記平板の端部と前記画像形成部の端部を対角に結ぶ2本の仮想線のうち、
 前記平板の垂線と形成する角度が小さい方の仮想線と、前記平板の垂線が形成する角度が大きくなる方向に傾いている
ことを特徴とする光走査装置。
[2]
[削除]
[3]
[補正後] 前記仮想線は、前記光偏向部に入射する前記光ビームから遠い方にある前記平板の端部を含む線である、
請求項1記載の光走査装置。
[4]
[補正後] 前記画像形成部における前記二次元走査のタイミングを制御すための信号を取得する受光素子を備え、
 前記受光素子は、前記副走査方向の断面内において前記画像形成部の中心に対し前記仮想線を含む前記画像形成部の端部とは逆側に配置される、
請求項1または3に記載の光走査装置。
[5]
[補正後] 前記平板は、前記光偏向部への前記入射光に対し前記副走査方向に角度を有する、
請求項1、3または4に記載の光走査装置。
[6]
[補正後] 請求項1、3乃至5のいずれか一つに記載の光走査装置を備え、
 前記画像形成部において生成される中間像を虚像として表示する、
画像表示装置。
[7]
 請求項6記載の画像表示装置を備え、
 前記中間像を運転者に虚像として示す、
ことを特徴とする車両。

条約第19条(1)に基づく説明書
 請求項1は、出願当初の請求項1及び2、段落0078の記載をもとにまとめたもので、平板は、副走査方向の断面内において、平板の端部と画像形成部の端部を対角に結ぶ2本の仮想線のうち、平板の垂線と形成する角度が小さい方の仮想線と、平板の垂線が形成する角度が大きくなる方向に傾いている光走査装置である。しかし、引用例には、このような構成を有する記載がありません。
 
 請求項3は、請求項1に従属するように補正しました。

 請求項4は、請求項1、3に従属するように補正しました。

 請求項5は、請求項1、3、4に従属するように補正しました。

 請求項6は、請求項1、3乃至5の何れか一つに記載の光走査装置を備えるように補正しました。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]

[ 図 13]

[ 図 14]

[ 図 15]