特開 2022-60792 画像投影装置および車両用情報表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022060792

(43)【公開日】2022-04-15

(54)【発明の名称】画像投影装置および車両用情報表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/01 20060101AFI20220408BHJP

【ＦＩ】

G02B27/01

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020168476

(22)【出願日】2020-10-05

(71)【出願人】

【識別番号】000001133

【氏名又は名称】株式会社小糸製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001667

【氏名又は名称】特許業務法人プロウィン特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 崇

【テーマコード（参考）】

2H199

【Ｆターム（参考）】

2H199DA03

2H199DA12

2H199DA13

2H199DA15

2H199DA17

2H199DA26

2H199DA29

2H199DA32

(57)【要約】

【課題】外界からの光による画像表示部の劣化を抑制することが可能な画像投影装置および車両用情報表示装置を提供する。
【解決手段】焦点位置（Ｆ）からの光を投影する投影光学部（２０）と、投影光学部（２０）に対して画像情報を含んだ光を照射する画像表示部（１０）を備え、画像表示部（１０）は、焦点位置（Ｆ）よりも投影光学部（２０）から遠くに配置されており、焦点位置（Ｆ）と投影光学部（２０）の間の結像位置に、画像情報を空中立体像（ＴＩ）として結像する画像投影装置（１００）。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

焦点位置からの光を投影する投影光学部と、
前記投影光学部に対して画像情報を含んだ光を照射する画像表示部を備え、
前記画像表示部は、前記焦点位置よりも前記投影光学部から遠くに配置されており、前記焦点位置と前記投影光学部の間の結像位置に、前記画像情報を空中立体像として結像することを特徴とする画像投影装置。

【請求項2】

請求項１に記載の画像投影装置であって、
前記結像位置と前記焦点位置との距離を変更する結像位置変更部を備えることを特徴とする画像投影装置。

【請求項3】

請求項２に記載の画像投影装置であって、
前記結像位置変更部は、前記画像表示部を光軸方向に移動させる駆動部を備えることを特徴とする画像投影装置。

【請求項4】

請求項２または３に記載の画像投影装置であって、
前記結像位置変更部は、前記画像表示部から前記結像位置までの距離を変更する光学変更部を備えることを特徴とする画像投影装置。

【請求項5】

請求項４に記載の画像投影装置であって、
前記光学変更部は、電圧の印加により屈折率を変化させる液晶レンズを備えることを特徴とする画像投影装置。

【請求項6】

請求項４に記載の画像投影装置であって、
前記光学変更部は、デジタルミラーデバイスを用いたホログラム投影部を備えることを特徴とする画像投影装置。

【請求項7】

請求項１から６の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
前記投影光学部は、透過型レンズで構成されていることを特徴とする画像投影装置。

【請求項8】

請求項１から７の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
前記投影光学部は、凹面反射鏡で構成されていることを特徴とする画像投影装置。

【請求項9】

請求項１から８の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
前記画像表示部と前記焦点位置の間に、光を遮る遮光部が設けられていることを特徴とする画像投影装置。

【請求項10】

請求項９に記載の画像投影装置であって、
前記画像表示部は、前記遮光部を避けて前記結像位置に前記空中立体像を結像することを特徴とする画像投影装置。

【請求項11】

請求項１から１０の何れか一つに記載の画像投影装置を備えることを特徴とする車両用情報表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、画像投影装置に関し、特に車両内の運転者等に対して画像を表示する画像投影装置および車両用情報表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、車両の操舵や加減速などの運転操作の一部または全部をコンピュータが担う運転支援技術や自動運転技術の開発が進んでいる。また、車両の運転操作を人間が行う手動運転においても、車両に各種センサや通信装置を複数搭載して車両の状態や周辺状況の情報を入手して、走行時の安全性や快適性を高める走行支援技術も開発されている。

【0003】

このような運転支援技術、自動運転技術または走行支援技術においては、車両の状態や周辺状況、コンピュータの運転操作状況など、得られた各種情報を搭乗者に画像等を用いて提示している。従来から、各種情報を提示するためには車両内に画像表示装置を搭載して、画像表示装置上に文字や画像を表示することが一般的であった。

【0004】

しかし、車両に備えられた画像表示装置で情報を提示すると、搭乗者や運転者が視線を走行方向前方から逸して画像表示装置を見る必要があるため好ましくない。そこで、車両の前方からの視線移動を小さくしながらも画像情報を提示するために、車両のウインドシールドに画像を投影して、反射した光を視認させるＨＵＤ（Ｈｅａｄ Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）装置が提案されている（例えば特許文献１を参照）。

【0005】

図７は従来のＨＵＤ装置において表示される虚像の結像位置を模式的に示した図である。図７では、ＨＵＤ装置の構成を簡略して示しており、車両のウインドシールドや平板状ミラー等の部材は省略している。図に示したように従来のＨＵＤ装置では、画像表示部１で画像を表示して投影光学部２に対して画像情報を含んだ光を照射し、投影光学部２を経た光が所定位置に虚像ＩＭを結像する。画像表示部１は、液晶表示装置や有機ＥＬ素子等の公知の装置を用いている。投影光学部２は、焦点距離Ｄ_Ｆに焦点Ｆが設定された凹面鏡を用いている。ここでは投影光学部２として光を反射する反射光学系を示しているが、光学レンズ等の透過光学系を用いる場合も同様である。

【0006】

図７（ａ）に示したようにＨＵＤ装置では、画像表示部１から投影光学部２までの距離Ｄ_Ｄを焦点距離Ｄ_Ｆよりも小さくして、焦点Ｆと投影光学部２の間に画像表示部１を配置すると、投影光学部２から投影距離Ｄ_ＩＭの位置に虚像ＩＭが結像される。投影光学部２は、焦点Ｆ位置からの光を平行光として照射するので、焦点Ｆの位置に画像表示部１を配置した場合には虚像ＩＭの結像位置は無限遠となる。したがって、図７（ｂ）に示したように、画像表示部１を焦点Ｆに近づけるほど、投影光学部２からの投影距離Ｄ_ＩＭを大きくして、遠方に虚像ＩＭを結像することができる。

【0007】

ＨＵＤ装置では、ウインドシールド等の透明な部材を介して投影された虚像ＩＭを視認する際に、実空間の背景と虚像ＩＭが重ね合わされる。このとき、背景と虚像ＩＭの奥行き位置が近いほうが、視線の移動や目の焦点距離変更を少なくできるため、重ね合わされる背景と同じ奥行き位置に虚像ＩＭの結像位置を変更することが好ましい。特に、車両に搭載されるＨＵＤ装置においては、走行速度によって好ましい結像位置が変化し、時速１８ｋｍでは５ｍ程度の結像位置が好ましく、時速１４４ｋｍでは８０ｍ程度の結像位置が好ましいとされている。また、車両の走行状況によって、先行車両や道路上の物体に虚像ＩＭを重ね合わせる場合もあり、虚像ＩＭの結像位置を広い範囲で可変とすることが求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１９－１１９２６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

図７（ａ）（ｂ）に示したように、ＨＵＤ装置において虚像ＩＭの結像位置を可変とするためには、画像表示部１と投影光学部２との距離を可変とする駆動部を設けることが有効であるが、以下に述べるような問題が生じる。

【0010】

投影光学部２は、焦点Ｆからの光を平行光として照射するように光学的な設計がされているが、逆に外界から照射された遠方からの光は焦点Ｆに集光されてしまう。具体的には、太陽光は無限遠から照射される平行光とみなせるため、太陽光が投影光学部２に照射されるような環境では、焦点Ｆに非常に強い光が照射されることになる。特に、車両に搭載されるＨＵＤ装置では、ウインドシールドで投影光を反射させて搭乗者に虚像ＩＭを視認させるため、太陽光が投影光学部２に直接入射する可能性が高い。

【0011】

このように太陽光が投影光学部２に直接入射した際に、虚像ＩＭを遠方に結像させるために画像表示部１を焦点Ｆに近づけると、集光された太陽光が画像表示部１の表示面に入射して温度上昇を招き、画像表示部１の劣化や表示される画像の劣化を引き起こしてしまう。

【0012】

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、外界からの光による画像表示部の劣化を抑制することが可能な画像投影装置および車両用情報表示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】

【0013】

上記課題を解決するために、本発明の画像投影装置は、焦点位置からの光を投影する投影光学部と、前記投影光学部に対して画像情報を含んだ光を照射する画像表示部を備え、前記画像表示部は、前記焦点位置よりも前記投影光学部から遠くに配置されており、前記焦点位置と前記投影光学部の間の結像位置に、前記画像情報を空中立体像として結像することを特徴とする。

【0014】

このような本発明の画像投影装置では、投影光学部の焦点位置よりも遠くに画像表示部が配置されており、画像表示部が焦点位置と投影光学部の間に空中立体像を結像させるため、外界からの光が画像表示部の近傍に集光されることを防止し、外界からの光による画像表示部の劣化を抑制することが可能となる。

【0015】

また本発明の一態様では、前記結像位置と前記焦点位置との距離を変更する結像位置変更部を備える。

【0016】

また本発明の一態様では、前記結像位置変更部は、前記画像表示部を光軸方向に移動させる駆動部を備える。

【0017】

また本発明の一態様では、前記結像位置変更部は、前記画像表示部から前記結像位置までの距離を変更する光学変更部を備える。

【0018】

また本発明の一態様では、前記光学変更部は、電圧の印加により屈折率を変化させる液晶レンズを備える。

【0019】

また本発明の一態様では、前記光学変更部は、デジタルミラーデバイスを用いたホログラム投影部を備える。

【0020】

また本発明の一態様では、前記投影光学部は、透過型レンズで構成されている。

【0021】

また本発明の一態様では、前記投影光学部は、凹面反射鏡で構成されている。

【0022】

また本発明の一態様では、前記画像表示部と前記焦点位置の間に、光を遮る遮光部が設けられている。

【0023】

また本発明の一態様では、前記画像表示部は、前記遮光部を避けて前記結像位置に前記空中立体像を結像する。

【0024】

また、上記課題を解決するために、本発明の車両用情報表示装置は、上記の何れか一つに記載の画像投影装置を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0025】

本発明では、外界からの光による画像表示部の劣化を抑制することが可能な画像投影装置および車両用情報表示装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】第１実施形態に係る画像投影装置１００の構成を示す模式図である。

【図2】結像位置変更部として、画像表示部１０を機械的に移動させる駆動部を用いて、空中立体像ＴＩの結像位置を変更する例を示す模式図である。

【図3】第２実施形態に係る画像投影装置１００において、透過型液晶レンズと光学変更部を用いて、空中立体像ＴＩの結像位置を変更する例を示す模式図である。

【図4】第２実施形態の変形例に係る画像投影装置１００において、液晶マイクロレンズアレイと光学変更部を用いて、空中立体像ＴＩの結像位置を変更する例を示す模式図である。

【図5】第３実施形態に係る画像投影装置１００において、デジタルミラーデバイスを用いたホログラム投影部により、空中立体像ＴＩの結像位置を変更する例を示す模式図である。

【図6】デジタルミラーデバイス１８での反射光ＬＲと透過光ＬＴの反射を示す模式図である。

【図7】従来のＨＵＤ装置において表示される虚像の結像位置を模式的に示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、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の構成を示す模式図である。図１に示すように画像投影装置１００は、画像表示部１０と、投影光学部２０と、透過スクリーン部３０と、遮光部４０とを備えている。

【0028】

画像表示部１０は、外部から電力と信号が供給されることで画像情報を含んだ光を照射して、所定位置に空中立体像ＴＩを結像する装置である。画像表示部１０から照射された光は、空中立体像ＴＩを結像した後に投影光学部２０に入射する。画像表示部１０としては、液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置、マイクロＬＥＤ表示装置、レーザ光源を用いたプロジェクター装置等と光学部材の組み合わせが挙げられる。

【0029】

投影光学部２０は、所定の焦点距離Ｄ_Ｆだけ離れた位置に焦点Ｆを有する光学部材である。画像表示部１０から照射された光は、投影光学部２０を経て透過スクリーン部３０に到達する。図１では、投影光学部２０として凹面ミラーを用い、画像表示部１０からの光を透過スクリーン部３０に反射する例を示しているが、投影光学部２０として透過型レンズを用いるとしてもよい。また図１では、画像表示部１０から照射された光が投影光学部２０に直接到達する例を示しているが、平面反射鏡等を用いた反射光を投影光学部２０に到達させるとしてもよい。

【0030】

透過スクリーン部３０は、外部からの光を透過するとともに、視聴者Ｅの方向に投影光学部２０から到達した光を反射する部材である。画像投影装置１００を車両用情報表示装置に用いる場合には、車両のウインドシールドを透過スクリーン部３０として用いることができる。ウインドシールドとは別にコンバイナーを用意して、コンバイナーを透過スクリーン部３０として用いてもよい。また、ヘルメットのシールドや、ゴーグルや眼鏡を透過スクリーン部３０として用いてもよい。

【0031】

遮光部４０は、投影光学部２０と画像表示部１０の間に配置された、光を遮る材料で構成された部材である。遮光部４０は、外部からの光が投影光学部２０に入射して反射され、画像表示部１０にまで到達することを防止するために設けられており、外光の少なくとも一部を遮る位置に配置されている。図１に示した例では、遮光部４０は焦点Ｆよりもわずかに画像表示部１０に寄った位置に配置されており、焦点Ｆに集光された後に画像表示部１０方向に拡大して進行する外光を遮るように、画像表示部１０から焦点Ｆを隠蔽するように配置されている。遮光部４０を構成する材料は限定されず、金属や樹脂、セラミック等の公知の材料を用いることができる。図１では、遮光部４０として平板形状を示しているが、光を遮ることができれば曲面形状や凹凸形状であってもよい。

【0032】

図１に示したように、画像投影装置１００では、画像表示部１０が遮光部４０を避けて投影光学部２０に向けて画像情報を含んだ光を照射する。画像表示部１０から出射した光は、空中立体像ＴＩを結像した後に投影光学部２０および透過スクリーン部３０で反射され、視聴者Ｅの目に入射する。このとき、立体空中像ＴＩの結像位置は、焦点Ｆよりも投影光学部２０に近い位置であり、焦点Ｆからの距離に応じて視聴者Ｅは透過スクリーン部３０越しに虚像ＩＭを視認する。また、画像表示部１０を制御して立体空中像ＴＩ’の結像位置を変化させ、焦点Ｆからの距離を大きくすると、虚像ＩＭ’の結像位置は視聴者Ｅに近づくように変化する。

【0033】

このとき、外界から太陽光などの強い光が投影光学部２０に入射すると、図１中に破線で示したように投影光学部２０から焦点Ｆに向かって外光が集光される。しかし、投影光学部２０と焦点Ｆの間には画像表示部１０が配置されておらず、画像表示部１０は焦点Ｆよりも投影光学部２０から遠くに配置されている。これにより、画像表示部１０を焦点Ｆから離れた位置に配置することができ、外光の集光による温度上昇と劣化を防止することができる。

【0034】

本実施形態の画像投影装置１００では、空中立体像ＴＩの結像位置と焦点Ｆの距離によって、視聴者Ｅが視認する虚像ＩＭの結像位置を変更できるため、空中立体像ＴＩを焦点Ｆに近づけるだけで、虚像ＩＭを遠方に結像させて背景との重ね合わせを良好に視認可能となる。このとき、焦点Ｆに外光が集光されていても空中立体像ＴＩは熱の影響を受けないため、強い太陽光が投影光学部２０に到達するような環境においても、虚像ＩＭを遠方に結像して視認性を高めることができる。

【0035】

また、画像表示部１０と焦点Ｆの間に、光を遮る遮光部４０が設けられていることで、外光が投影光学部２０に入射して焦点Ｆに集光されたとしても、焦点Ｆから画像表示部１０の方向に拡がって進行する外光を効果的に遮り、画像表示部１０に外光が到達して温度が上昇することを抑制できる。遮光部４０を焦点Ｆよりもわずかに画像表示部１０側に寄せて配置し、焦点Ｆを画像表示部１０側から隠蔽すると、焦点Ｆに集光された光の大部分を遮光部４０で遮ることができるため好ましい。

【0036】

しかし、焦点Ｆに集光された外光の全部を遮光部４０で遮ることができず、一部が画像表示部１０方向に進行したとしても、画像表示部１０に到達する光のエネルギーを少なくとも一部は減少させることができるため、画像表示部１０の温度上昇は抑制できる。また画像表示部１０は、焦点Ｆよりも投影光学部２０から遠い位置に配置されているため、焦点Ｆに集光された光は光径が拡大されて画像表示部１０に到達する。したがって、画像表示部１０の一部に強い外光が到達しても、局所的に温度が上昇することを抑制できる。

【0037】

図１で示したように、本実施形態の画像投影装置１００および車両用情報表示装置では、空中立体像ＴＩの結像位置を変更することで、虚像ＩＭの結像位置を変化させることができる。そこで画像投影装置１００は、画像表示部１０による空中立体像ＴＩの結像位置と焦点Ｆとの距離を変更する結像位置変更部を備え、空中立体像ＴＩおよび虚像ＩＭの結像位置を可変とする。

【0038】

図２は、結像位置変更部として、画像表示部１０を機械的に移動させる駆動部を用いて、空中立体像ＴＩの結像位置を変更する例を示す模式図である。

【0039】

画像表示部１０は、表示面１１と、立体像投影部１２を備えており、駆動部１３によって光軸方向に移動可能とされている。駆動部１３は、空中立体像ＴＩの結像位置と焦点Ｆとの距離を機械的に変更する装置であり、本発明における結像位置変更部に相当している。ここで、画像表示部１０の光軸方向とは、画像表示部１０から照射された光が空中立体像ＴＩを結像して、投影光学部２０に進行している方向である。一例として、画像表示部１０の光軸方向は、図１において画像表示部１０から投影光学部２０に向けて描かれた矢印に沿った方向であり、図２において立体像投影部１２から空中立体像ＴＩまで描かれた両矢印の方向である。

【0040】

表示面１１は、外部から供給された画像情報に基づいて画像を表示するとともに光を照射する部分であり、例えば公知の液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置、マイクロＬＥＤ表示装置等を用いることができる。立体像投影部１２は、表示面１１から照射された画像情報を含んだ光を所定距離の位置に空中立体像ＴＩとして結像するための光学部材であり、マイクロレンズアレイ等を用いることができる。

【0041】

図２に示したように、表示面１１で表示された画像は、立体像投影部１２を介して結像距離Ｚの位置に空中立体像ＴＩを結像する。図１と同様に空中立体像ＴＩは、投影光学部２０と焦点Ｆの間に位置しており、空中立体像ＴＩの結像位置と焦点Ｆの位置は、距離ΔＤだけ離れている。また、焦点Ｆと立体像投影部１２の間には、遮光部４０が配置されており、焦点Ｆに集光された外光の表示面１１方向への進行を遮っている。

【0042】

駆動部１３が表示面１１および立体像投影部１２を一括して光軸方向にΔＺ移動させると、表示面１１と立体像投影部１２の距離および結像距離Ｚは一定であり、空中立体像ＴＩの結像位置も光軸方向にΔＺ変化する。したがって、空中立体像ＴＩと焦点Ｆの距離ΔＤもΔＺ変化し、虚像ＩＭの結像位置も変化する。

【0043】

駆動部１３が表示面１１または立体像投影部１２のどちらか一方を光軸方向にΔＺ移動させると、表示面１１と立体像投影部１２の距離が変化するため、結像距離Ｚも変化して空中立体像ＴＩの結像位置も光軸方向にΔＺ’変化する。したがって、空中立体像ＴＩと焦点Ｆの距離ΔＤもΔＺ’変化し、虚像ＩＭの結像位置も変化する。

【0044】

上述したように本実施形態では、投影光学部２０の焦点Ｆよりも遠くに画像表示部１０が配置されており、画像表示部１０が焦点Ｆと投影光学部２０の間に空中立体像ＴＩを結像させるため、外界からの光が画像表示部１０の近傍に集光されることを防止し、外界からの光による画像表示部１０の劣化を抑制することが可能となる。

【0045】

また、結像位置変更部として、画像表示部１０を機械的に移動させる駆動部１３を用いることで、簡便な構成により虚像ＩＭの結像位置を変化させることができる。また、画像表示部１０を焦点Ｆの近傍に配置する必要がないため、空中立体像ＴＩと焦点Ｆの距離ΔＤを小さくして虚像ＩＭを遠方に結像させた場合にも、外光の集光による画像表示部１０の温度上昇を抑制することができる。

【0046】

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３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３は、本実施形態に係る画像投影装置１００において、透過型液晶レンズと光学変更部を用いて、空中立体像ＴＩの結像位置を変更する例を示す模式図である。図３に示すように本実施形態の画像投影装置１００では、画像表示部１０は表示面１１と、液晶レンズ１４を備えており、光学変更部１５によって液晶レンズ１４の屈折率が変更可能とされている。

【0047】

液晶レンズ１４は、内部に液晶分子が充填されたレンズ形状の光学部材であり、液晶分子の屈折率が異方性を有しているため、電圧を印加することで液晶分子の配列が変更され、透過する光に対する屈折率が変化するという特性を有している。したがって、液晶レンズ１４は、電圧の印加によって焦点距離が変化する。

【0048】

光学変更部１５は、液晶レンズ１４に印加する電圧を制御して、液晶レンズ１４の屈折率を変更する部材である。したがって、光学変更部１５は、液晶レンズ１４の光学特性を制御し、空中立体像ＴＩの結像位置と焦点Ｆとの距離を制御する装置であり、本発明における結像位置変更部に相当している。

【0049】

図３に示したように、表示面１１で表示された画像は、液晶レンズ１４を介して結像距離Ｚの位置に空中立体像ＴＩを結像する。図１と同様に空中立体像ＴＩは、投影光学部２０と焦点Ｆの間に位置しており、空中立体像ＴＩの結像位置と焦点Ｆの位置は、距離ΔＤだけ離れている。また、焦点Ｆと立体像投影部１２の間には、遮光部４０が配置されており、焦点Ｆに集光された外光の表示面１１方向への進行を遮っている。

【0050】

光学変更部１５が液晶レンズ１４に印加する電圧を制御して、結像距離Ｚを変化させると、空中立体像ＴＩと焦点Ｆの距離ΔＤも変化し、虚像ＩＭの結像位置も変化する。

【0051】

本実施形態でも、投影光学部２０の焦点Ｆよりも遠くに画像表示部１０が配置されており、画像表示部１０が焦点Ｆと投影光学部２０の間に空中立体像ＴＩを結像させるため、外界からの光が画像表示部１０の近傍に集光されることを防止し、外界からの光による画像表示部１０の劣化を抑制することが可能となる。

【0052】

また、結像位置変更部として光学変更部１５と液晶レンズ１４を用いることで、画像表示部１０を機械的に移動させずに空中立体像ＴＩの結像位置と焦点Ｆの距離ΔＤを変化させ、虚像ＩＭの結像位置を変化させることができ、部品点数の削減と省スペース化を図ることができる。また、光学変更部１５が液晶レンズ１４に印加する電圧を制御するだけで、液晶レンズ１４の光学特性を変更して、虚像ＩＭの結像位置を変化させることができるため、省電力化と高速動作を実現することができる。

【0053】

（第２実施形態の変形例）
次に、本発明の第２実施形態の変形例について図４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、本変形例に係る画像投影装置１００において、液晶マイクロレンズアレイと光学変更部を用いて、空中立体像ＴＩの結像位置を変更する例を示す模式図である。図４に示すように本実施形態の画像投影装置１００では、画像表示部１０は表示面１１と、液晶マイクロレンズアレイ１６を備えており、光学変更部１５によって液晶マイクロレンズアレイ１６の屈折率が変更可能とされている。

【0054】

液晶マイクロレンズアレイ１６は、内部に液晶分子が充填された微小なレンズ形状がアレイ上に配列された光学部材であり、液晶分子の屈折率が異方性を有しているため、電圧を印加することで液晶分子の配列が変更され、透過する光に対する屈折率が変化するという特性を有している。したがって、液晶マイクロレンズアレイ１６は、電圧の印加によって焦点距離が変化する光学部材であり、本発明における液晶レンズに相当している。光学変更部１５は、液晶マイクロレンズアレイ１６に印加する電圧を制御して、液晶マイクロレンズアレイ１６の屈折率を変更する。

【0055】

図４に示したように、表示面１１で表示された画像は、液晶マイクロレンズアレイ１６を介して結像距離Ｚの位置に空中立体像ＴＩを結像する。図１と同様に空中立体像ＴＩは、投影光学部２０と焦点Ｆの間に位置しており、空中立体像ＴＩの結像位置と焦点Ｆの位置は、距離ΔＤだけ離れている。また、焦点Ｆと立体像投影部１２の間には、遮光部４０が配置されており、焦点Ｆに集光された外光の表示面１１方向への進行を遮っている。

【0056】

光学変更部１５が液晶マイクロレンズアレイ１６に印加する電圧を制御して、結像距離Ｚを変化させると、空中立体像ＴＩと焦点Ｆの距離ΔＤも変化し、虚像ＩＭの結像位置も変化する。

【0057】

本変形例でも、投影光学部２０の焦点Ｆよりも遠くに画像表示部１０が配置されており、画像表示部１０が焦点Ｆと投影光学部２０の間に空中立体像ＴＩを結像させるため、外界からの光が画像表示部１０の近傍に集光されることを防止し、外界からの光による画像表示部１０の劣化を抑制することが可能となる。

【0058】

また、結像位置変更部として光学変更部１５と液晶マイクロレンズアレイ１６を用いることで、画像表示部１０を機械的に移動させずに空中立体像ＴＩの結像位置と焦点Ｆの距離ΔＤを変化させ、虚像ＩＭの結像位置を変化させることができ、部品点数の削減と省スペース化を図ることができる。また、光学変更部１５が液晶マイクロレンズアレイ１６に印加する電圧を制御するだけで、液晶マイクロレンズアレイ１６の光学特性を変更して、虚像ＩＭの結像位置を変化させることができるため、省電力化と高速動作を実現することができる。

【0059】

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図５および図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５は、本実施形態に係る画像投影装置１００において、デジタルミラーデバイスを用いたホログラム投影部により、空中立体像ＴＩの結像位置を変更する例を示す模式図である。図５に示すように本実施形態の画像投影装置１００では、画像表示部１０はレーザ光源１７と、デジタルミラーデバイス１８（ＤＭＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）と、ミラーＭ１～Ｍ４と、ビームスプリッタＢＳを備えてホログラム投影部を構成している。

【0060】

レーザ光源１７は、所定波長のコヒーレント光を照射する光源である。レーザ光源１７の波長や構成は限定されないが、例えばＨｅ－Ｎｅレーザや、半導体レーザ等を用いることができる。またレーザ光源１７は、レーザ光を平行光に変換するコリメートレンズや、レーザ光の光径を限定するアパチャ等の光学部材を備えているとしてもよい。

【0061】

デジタルミラーデバイス１８は、微小なミラーがマトリクス状に配置されて、オン状態とオフ状態とで傾斜角度を変更可能な電子部品である。本実施形態では、デジタルミラーデバイス１８はホログラム投影部の空間光変調器（ＳＬＭ：Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）として機能し、ホログラム投影のための干渉縞をミラーのオンオフ制御で再現する。また、デジタルミラーデバイス１８は図示しないＤＭＤ制御部によって駆動されており、ＤＭＤ制御部ではＧＳ（Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎ）アルゴリズム等の計算処理によって計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）で干渉縞を計算して表示する。図５に示した例では、ホログラム投影部の空間光変調器としてデジタルミラーデバイス１８を用いた例を示したが、液晶表示装置等の公知の構成を用いるとしてもよい。

【0062】

ミラーＭ１～Ｍ４は、レーザ光源１７から照射されたレーザ光を反射する部材である。ビームスプリッタＢＳは、レーザ光の５０％を透過して５０％を反射する光学部材であり、入射したレーザ光を２つに分岐する。

【0063】

図５に示したように、レーザ光源１７から照射されたレーザ光は、ミラーＭ１、Ｍ２で反射されてビームスプリッタＢＳに入射し、反射光ＬＲはミラーＭ３に入射し透過光ＬＴはミラーＭ４に入射する。ミラーＭ３，Ｍ４に入射した光は、ミラーＭ３，Ｍ４で反射されて、それぞれ異なる角度でデジタルミラーデバイス１８に入射する。デジタルミラーデバイス１８に入射した光は、計算機合成ホログラムによってデジタルミラーデバイス１８上に表示された干渉縞によって反射され、結像距離Ｚの位置に空中立体像ＴＩを再生して結像する。したがってミラーＭ３，Ｍ４で反射されてデジタルミラーデバイス１８に入射した光は、ホログラムにおける再生光の照射となっている。

【0064】

ここで、計算機合成ホログラムでは、空中立体像ＴＩの位置を含めてホログラムを計算して再生することができるため、デジタルミラーデバイス１８の微小ミラーについてオンオフを制御するだけで、空中立体像ＴＩの形状と結像距離Ｚを変更することができる。これにより、空中立体像ＴＩと焦点Ｆの距離ΔＤも変化し、虚像ＩＭの結像位置も変化する。したがって、デジタルミラーデバイス１８を用いたホログラム投影部は、本発明における光学変更部に相当している。また、ホログラム投影部による再生像である空中立体像ＴＩを結像すると、デジタルミラーデバイス１８の後方に共役像が結像されるが、焦点Ｆからの距離が大きいため視聴者Ｅの視認に影響は少ない。

【0065】

図６は、デジタルミラーデバイス１８での反射光ＬＲと透過光ＬＴの反射を示す模式図である。デジタルミラーデバイス１８に含まれる微小なミラーのうち、隣接する一組のミラーにおいて、一方がオン状態とし他方がオフ状態とする。このとき、オン状態の微小ミラーに入射した反射光ＬＲと、オフ状態の微小ミラーに入射した透過光ＬＴが、同じ方向に反射されるように設定しておく。透過光ＬＴと反射光ＬＲとは、位相が反転しているため、０次回折光を相殺するとともに再生像である空中立体像ＴＩの光強度を２倍にすることができる。

【0066】

本実施形態においても、投影光学部２０の焦点Ｆよりも遠くに画像表示部１０が配置されており、画像表示部１０が焦点Ｆと投影光学部２０の間に空中立体像ＴＩを結像させるため、外界からの光が画像表示部１０の近傍に集光されることを防止し、外界からの光による画像表示部１０の劣化を抑制することが可能となる。

【0067】

また、デジタルミラーデバイス１８を用いたホログラム投影部で、空中立体像ＴＩの結像位置を変化させているため、画像表示部１０を機械的に移動させずに空中立体像ＴＩの結像位置と焦点Ｆの距離ΔＤを変化させ、虚像ＩＭの結像位置を変化させることができ、部品点数の削減と省スペース化を図ることができる。

【0068】

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。第１実施形態から第３実施形態に示した図１から図６では、投影光学部２０に入射した外光が一箇所の焦点Ｆに集光された例を示している。しかし、焦点Ｆの位置は外光の入射角度によって変わるため、外光が集光され得る焦点位置は図１中に破線で示したように面状に分布することとなる。

【0069】

したがって遮光部４０としては、可能な限り大きな領域において外光を遮り、画像表示部１０が空中立体像ＴＩを結像して投影光学部２０に対して照射する光を遮らない構造とすることが好ましい。具体的には、画像表示部１０と投影光学部２０の間に平板状の遮光部４０を大面積で配置し、画像表示部１０から光が照射される領域にのみ開口部を形成したもの等が挙げられる。

【0070】

また、画像表示部１０に悪影響を与える外光としては、高度が高い日中の太陽光であり、水平方向から入射する光は影響が比較的小さい。つまり、遮光部４０が外光を遮るべき領域は、高度の高い角度から入射する光の焦点Ｆ近傍であり、水平方向もしくは水平よりも下方から入射する光は遮る必要性が小さい。したがって、図１に示したように遮光部４０を高高度からの外光が集光される領域にのみ設けることが好ましい。また、虚像ＩＭを表示する方向は、視聴者Ｅから水平方向もしくは水平よりも下方の路面近傍であり、高高度からの外光を遮る遮光部４０を避けて画像表示部１０が光を照射することで、良好に水平方向に虚像ＩＭを結像することができる。

【0071】

また図１から図６では、遮光部４０を焦点Ｆと画像表示部１０の間に配置した例を示しているが、外光を遮ることができれば焦点Ｆと空中立体像ＴＩの間であってもよく、焦点Ｆと投影光学部２０の間であってもよい。

【0072】

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。

【符号の説明】

【0073】

１００…画像投影装置
１０…画像表示部
２０…投影光学部
３０…透過スクリーン部
４０…遮光部
１１…表示面
１２…立体像投影部
１３…駆動部
１４…液晶レンズ
１５…光学変更部
１６…液晶マイクロレンズアレイ
１７…レーザ光源
１８…デジタルミラーデバイス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】