(57)【要約】【課題】  指標を光軸に対して該光軸の垂直面から４５°以上傾いた投影面あるいは走行面にほとんどぼけを生じることなく投影することのできる指標投影光学装置及び自動車用指標投影光学装置を得る。【解決手段】  光源１１と、該光源１１から出射された光を光学長を連続的に変化させて略直線状の投影指標に整形するプリズム１２と、該プリズム１２にて整形された投影指標を投影面１５に投影するための投影光学系１３とを備えた指標投影光学装置。前記投影光学系１３の光軸１４は該光軸１４に対する垂直面１６が指標を投影される投影面１５に対して４５°以上傾いている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源から出射された光を光学長を連続的に変化させて略直線状の投影指標に整形する光学部材と、前記光学部材にて整形された投影指標を投影面に投影するための投影光学系とを備え、
前記投影光学系の光軸は該光軸に対して垂直な面と前記投影指標を投影される投影面となす角度が４５°以上とされていること、
を特徴とする指標投影光学装置。
【請求項２】
前記光学部材は三角柱形状プリズムであることを特徴とする請求項１に記載の指標投影光学装置。
【請求項３】
前記三角柱形状プリズムの入射面及び出射面は前記投影指標の直線方向に沿った断面において平行であることを特徴とする請求項２に記載の指標投影光学装置。
【請求項４】
前記三角柱形状プリズムは前記投影指標の直線方向に垂直な断面において三角形状であることを特徴とする請求項２に記載の指標投影光学装置。
【請求項５】
前記投影光学系は前記投影指標の直線方向に垂直な断面内にのみ屈折力を持ち、投影指標の直線方向には屈折力を持たない光学素子を含むことを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の指標投影光学装置。
【請求項６】
前記投影光学系は回転対称形であることを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の指標投影光学装置。
【請求項７】
前記三角柱形状プリズムを光源から投影面に向かう光路に対して略垂直方向に移動させる移動手段を備えたことを特徴とする請求項４に記載の指標投影光学装置。
【請求項８】
前記三角柱形状プリズムはプリズム斜面のうち少なくとも一つの面が光軸対称ではない自由曲面であることを特徴とする請求項２ないし請求項７のいずれかに記載の指標投影光学装置。
【請求項９】
光源と、前記光源から出射された光を光学長を連続的に変化させて略直線状の投影指標に整形する光学部材と、前記光学部材にて整形された投影指標を走行面に投影するための投影光学系とを備え、
前記投影光学系の光軸は該光軸に対して垂直な面と前記投影指標を投影される走行面となす角度が４５°以上とされていること、
を特徴とする自動車用指標投影光学装置。
【請求項１０】
さらに、前記投影指標の投影角度を自動車の速度又は進行方向に応じて変化させる制御部を備えたことを特徴とする請求項９に記載の自動車用指標投影光学装置。
【請求項１１】
さらに、前記投影指標の投影光強度を調整する制御部を備えたことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の自動車用指標投影光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、進行方向などの様々な指標を物体面あるいは走行面に投影するための指標投影光学装置及び自動車用指標投影光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、建物内では行き先案内灯や緊急避難路案内灯が設けられており、これらは壁などに設置されるものである。一方、本発明者らは、この種の指標を観察者の視線を遮らないように床面に投影することを検討した。
【０００３】
従来、投影光の光軸を物体面に対して傾斜させて投影する光学系としてプロジェクタ用光学系やリアプロジェクションテレビ用の光学系が知られている。これらは、傾いた物体面にピントを合わせるために種々の工夫がされている。
【０００４】
例えば、特許文献１に記載のプロジェクタ装置の投写レンズシフト機構では、表示中心に対して光軸を平行方向にずらせることにより、傾いた物体面の全面にピントを合わせている。また、特許文献２に記載の画像投影装置では軸非対称のミラーを用い、特許文献３に記載の投影光学系ではレンズの一部を光軸に対して傾けることによって、それぞれ傾いた物体面の全面にピントを合わせることを可能としている。
【０００５】
しかしながら、これらの光学系では光軸に対する垂直面からの傾きが２０°〜４０°付近に限定される。それ以上の角度に傾いた物体面への投影は適切に全面にピントを合わせることが極めて困難である。
【０００６】
行き先案内灯では人の通行などの妨げにならない表示を行うために、かなり傾いた位置から指標を投影することが必要となる。また、自動車の進行方向標識などの用途でもかなり低い位置（かなり傾いた位置）から指標を投影することが必要となる。
【特許文献１】特開２００２−３６５７２５号公報
【特許文献２】特開２００２−３４１４５２号公報
【特許文献３】特開２０００−１６２５４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明の目的は、指標を光軸に対して該光軸の垂直面から４５°以上傾いた投影面にほとんどぼけを生じることなく投影することができる指標投影光学装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、指標を光軸に対して該光軸の垂直面から４５°以上傾いた走行面にほとんどぼけを生じることなく投影することのできる自動車用指標投影光学装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以上の目的を達成するため、第１の発明に係る指標投影光学装置は、光源と、前記光源から出射された光を光学長を連続的に変化させて略直線状の投影指標に整形する光学部材と、前記光学部材にて整形された投影指標を投影面に投影するための投影光学系とを備え、前記投影光学系の光軸は該光軸に対して垂直な面と前記投影指標を投影される投影面となす角度が４５°以上とされていることを特徴とする。
【００１０】
第１の発明に係る指標投影光学装置によれば、光源から出射された光を略直線状の投影指標に整形する光学部材を備え、該光学部材にて整形された投影指標を投影面に投影するための投影光学系の光軸は、該光軸の垂直面が投影面に対して４５°以上傾いているため、低い投影角度で指標を物体面に略全面に焦点を結んだ状態で投影することができ、建物内での行き先案内表示として通行人の妨げとならないように床面などに投影することに有効利用できる。
【００１１】
第１の発明に係る指標投影光学装置において、光学部材は三角柱形状プリズムを使用することにより、簡単な構成で光学長を連続的に変化させて光を略直線状の投影指標に整形することができる。即ち、三角柱形状のプリズムは三角形の断面となる方向に光束を収束させることが可能であり、三角形断面方向又はこれと垂直な断面方向のみ光束が集光しているポイントを形成することが可能になり、集光方向には十分に細い直線形状に投影することが可能になる。行き先案内表示などの目的に対しては、詳細な画像を投影する必要はなく、むしろ廊下などに行き先の方向が一目で分かるシンプルな指標であることが望ましく、三角柱形状プリズムはこのような用途に最適である。
【００１２】
また、前記三角柱形状プリズムはその入射面及び出射面が投影指標の直線方向に沿った断面において平行であってもよく、あるいは、投影指標の直線方向に垂直な断面において三角形状であってもよい。この場合、投影光学系は投影指標の直線方向に垂直な断面内にのみ屈折力を持ち、投影指標の直線方向には屈折力を持たない光学素子を含んでいてもよい。そして、投影光学系は回転対称形であることが好ましい。
【００１３】
また、前記三角柱形状プリズムを光源から投影面に向かう光路に対して略垂直方向に移動させる移動手段を備えれば、投影位置、投影長さを調整することができる。
【００１４】
また、三角柱形状プリズムはプリズム斜面のうち少なくとも一つの面が光軸対称ではない自由曲面であることが好ましい。光軸対称ではない自由曲面（非球面形状）にすることにより、投影方向に沿って近い部分から遠い部分にまでピントが合うようになる。
【００１５】
第２の発明に係る自動車用指標投影光学装置は、光源と、前記光源から出射された光を光学長を連続的に変化させて略直線状の投影指標に整形する光学部材と、前記光学部材にて整形された投影指標を走行面に投影するための投影光学系とを備え、前記投影光学系の光軸は該光軸に対して垂直な面と前記投影指標を投影される走行面となす角度が４５°以上とされていることを特徴とする。
【００１６】
第２の発明に係る自動車用指標投影光学装置によれば、光源から出射される光を略直線状の投影指標に整形する光学部材を備え、該光学部材にて整形された投影指標を走行面に投影するための投影光学系の光軸は、該光軸の垂直面が走行面に対して４５°以上傾いているため、低い投影角度で指標を走行面に略全面に焦点を結んだ状態で投影することができ、自動車に進行方向表示として搭載するのに好適である。
【００１７】
第２の発明に係る自動車用指標投影光学装置にあっては、さらに、投影指標の投影角度を自動車の速度又は進行方向に応じて変化させる制御部を備えていることが好ましい。例えば、自動車の速度に応じて投影距離を変えたり、所定速度（例えば、２０ｋｍ／ｈ）を超えた場合に投影を開始させてもよい。また、自動車の操舵角に応じて投影方向を変化させたり、投影像の向きを変えれば、進行方向をより明確に表示できる。
【００１８】
さらに、指標の投影光強度を調整する制御部を備えてもよい。周囲の明るさや投影距離に応じて投影光の強度を手動であるいは自動的に調整可能とすれば、例えば、昼間走行時には夜間走行時よりも光強度を大きくしたり、遠方に投影するときには光強度を大きくすれば、視認性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る指標投影光学装置及び自動車用指標投影光学装置の実施例について、添付図面を参照して説明する。
【００２０】
（指標投影光学装置、図１〜図８参照）
まず、第１実施例である指標投影光学装置について説明する。この指標投影光学装置１０は、図１に示すように、光源１１，１１と、該光源１１，１１から出射された光を投影指標に整形する光学部材である三角柱形状プリズム１２と、該プリズム１２にて整形された投影指標を投影面１５に投影するための投影光学系１３とを備えている。そして、投影光学系１３の光軸１４は、それに垂直な面１６と指標を投影される投影面１５となす角度θが４５°以上（具体的には８０°）とされている。
【００２１】
前記プリズム１２及び投影光学系１３で形成される光路の平面を図２（Ａ）に、垂直面を図２（Ｂ）に示す。光源１１，１１から出射された光束は、プリズム１２にて投影面１５の延在方向（矢印Ａ方向）に直線状に集光された指標１７（図３参照）に整形され、さらに、投影光学系１３にて投影面１５上にほとんどぼけることなく直線状に投影される。即ち、従来の光学系で傾いた面に投影すると、幅一体の長方形が異なる幅をもって投影されるが、本発明の光学系では、略同一の幅をもつ長方形として投影することができる。
【００２２】
図３（Ａ）に示す指標１７の投影状態は、プリズム１２の光源１１に対する角度θ１が３７．５°、二つの光源１１，１１の角度θ２が１０°の場合である。図３（Ｂ）に示す指標１７の投影状態は、前記角度θ１が３７．５°、前記角度θ２が０°の場合である。即ち、二つの光源１１，１１の角度θ２を変化させることで指標１７の投影角度を変化させることができる。
【００２３】
整形用の光学部材として本第１実施例では三角柱形状プリズム１２が使用されている。１枚のレンズと想定した場合、レンズのコバ付近の十分に小さい範囲では、三角形の断面形状をしている。このことから明らかなように、結像性能を考慮しなければ、三角柱形状プリズム１２は三角形の断面となる方向に光束を集束させることが可能である。なお、連続的に屈折率が変化する光学部材を用いれば、必ずしも三角柱形状である必要はない。
【００２４】
即ち、図２（Ｂ）に示すように、プリズム１２の三角形断面を透過する光は、三角形の底辺部分から頂点部分に至って光学長が連続的に短くなり、これにて光源１１，１１から出射された光が直線状の投影指標１７に整形される。ここで、光学長とは、「透過距離×屈折率」である。
【００２５】
本第１実施例では、光源１１，１１から出射された光束を三角柱形状プリズム１２を透過させることで、ある断面方向でのみ整形する。これにて、三角形断面方向又はこれと垂直な断面方向のみ光束が集光しているポイントを形成することが可能になる。
【００２６】
このような集光ポイントに指標投影面を位置させると、集光方向（矢印Ａ方向）に十分に長い直線が投影される。行き先案内表示などの目的に対しては詳細な画像を投影する必要はなく、廊下などに行き先の方向が分かる程度のシンプルな指標であれば十分である。
【００２７】
投影面１５の傾き方向（矢印Ａ方向）に垂直な直線形状指標１７は、光学系１３に対してある特定の距離にピントが合う光学部材を用意し、指標１７の直線方向に光束を整形することで簡単な構成で指標を投影することが可能である。投影面１５の傾き方向（矢印Ａ方向）に沿った直線状指標を投影するには、投影方向に沿って近い部分から遠い部分までピントが合うようにしなければならないのである。
【００２８】
次に、集光ポイントが光軸１４に対して垂直面１６から４５°以上傾いた投影面１５上に位置するように光学部材を調整する必要がある。即ち、前記三角柱形状プリズム１２の平面での断面（図２（Ａ）参照）は、長方形、正方形又は台形であることが必要となる。即ち、図２（Ａ）に示すように、プリズム１２の入射面及び出射面は指標１７の直線方向に沿った断面において平行である。一方、プリズム１２は投影指標１７の直線方向に沿った断面形状は三角形である。
【００２９】
光源１１，１１の直後に三角柱形状プリズム１２を設置すると、前述の如く、プリズム１２の三角形状断面の方向に光束が収束され、同時に光束全体が曲げられる。この現象を利用すると、光学系１３の中心から外れた位置にプリズム１２の断面が三角形となる方向の直線状の光束が形成される。
【００３０】
三角柱形状プリズム１２を、一つの光源１１の直後に２個向かい合わせて設置すれば、光学系１３の中心から外れた位置に２本の直線形状の光束を形成することができる。このような構成を第２実施例である指標投影光学装置２０として図４〜図６に示す。なお、第１実施例と同じ部材は同じ符号を付し、重複した説明は省略する。
【００３１】
なお、この第２実施例において、三角柱形状プリズム１２の平面での断面（図５（Ａ）参照）は三角形であり、指標１７の直線方向に沿った断面（図５（Ｂ）参照）は長方形、正方形又は台形である。即ち、図５（Ｂ）に示すように、プリズム１２の入射面及び出射面は垂直断面において平行である。従って、プリズム１２の三角形断面と垂直方向には光束は整形されない。
【００３２】
図６に示す指標１７の投影状態は、プリズム１２を光源１１に対する角度θ３が３３°、光源１１は一つであるので角度θ２は０°の場合である。
【００３３】
また、第２実施例において、図５（Ｂ）に示すように、プリズム１２の入射面及び出射面に垂直な軸１２ａを支点としてプリズム１２を回転させると、指標１７の投影角度が変化する。
【００３４】
さらに、第１及び第２実施例において、投影光学系１３は指標１７の直線方向に垂直な断面方向にのみ屈折力を持ち、指標１７の直線方向には屈折力を持たない。前述の如く、ある断面方向に直線形状の光束を形成しておき、線幅方向にのみ屈折力を持つ略シリンダ面を含む光学素子を用いて集光させれば、簡単な構造で直線形状の指標１７を投影することが可能である。
【００３５】
但し、投影方向に向かって近い部分から遠い部分までピントが合うようにするため、直線に沿った方向に屈折力が変化している非球面形状にする必要がある。行き先案内表示などでは焦点位置を光学系１３から数ｍ程度に設定すればよいので、光学系１３の焦点距離は有効径に対して充分に長くできる。また、直線方向に屈折力を変化させる量は、焦点位置が十分に遠いために少しでよく、このような光学系１３の構成素子は無理なく実現可能な形状となる。
【００３６】
さらに、前記投影光学系１３は回転対称形とされている。回転対称な光学系１３を使用して、指標を投影すべき距離に光源１１の像を形成しておき、光源１１と回転対称形の光学系１３との間に三角柱形状プリズム１２を設置する。プリズム１２の三角形状断面において光束は、投影面１５よりも手前側に結像し、投影面１５上では直線形状の光束となる。さらに、三角形状断面と垂直方向に光束全体が曲げられるため、最も細い線状の光束を形成するポイントは光軸１４の垂直面に対して傾いた状態となり、プリズム１２の断面形状を適切に設定すれば、傾いた投影面１５に対して全面にピントの合った直線状の指標１７を投影することが可能である。
【００３７】
あるいは、三角柱形状プリズム１２を光源１１から投影面１５に向かう光路に対して垂直方向（図７（Ａ），（Ｂ）の矢印Ｂ，Ｂ’方向）に移動させることにより、焦点距離を変えて指標１７の投影距離及び投影長さを変更することが可能である。これによって、１台の装置で数種類の指標１７を投影することが可能である。
【００３８】
また、三角柱形状プリズム１２は三角形状である断面の斜面に相当する少なくとも一つの面が光軸対称ではない自由曲面であることが望ましい。投影面１５の全面に対してシャープな指標を正確に投影するには、望ましくは三角柱形状プリズム１２の光束透過面が平面でないほうがよい。平面の場合には指標の２箇所で少しぼける部分が生じ、指標の大きさや太さによっては目立ってしまう場合がある。さらに、透過面の両面が光軸対称ではない自由曲面であるほうがよりシャープな指標を投影することができる。
【００３９】
図８に前記指標投影光学装置１０，２０を用いて床面３５上に指標１７ａ，１７ｂを行き先案内表示として投影した状態を示す。
【００４０】
ここで、図１〜図３に示した第１実施例の具体的なコンストラクションについて以下の表１〜５に示す。
【００４１】
【表１】
2006053276.tif 000003
【００４２】
【表２】
2006053276.tif 000004
【００４３】
【表３】
2006053276.tif 000005
【００４４】
【表４】
2006053276.tif 000006
【００４５】
【表５】
2006053276.tif 000007
【００４６】
なお、本第１実施例では複数の光源１１，１１を用いているが、回折光学素子、プリズム、レンズ又はミラーなどの光学素子を用いて複数の光源像を形成することも可能である。
【００４７】
次に、図４〜図６に示した第２実施例の具体的なコンストラクションについて以下の表６〜表１３に示す。投影光学系１３はコリメータレンズ３１とシリンダ非球面集光レンズ３２から構成されている。本第２実施例において、第１面と第２面、第３面と第４面はそれぞれ同一面であるが、偏芯面の設定のためにコンストラクションでは二つの面として表わしている。なお、レンズ３１，３２は一つの光学素子で構成してもよい。
【００４８】
【表６】
2006053276.tif 000008
【００４９】
【表７】
2006053276.tif 000009
【００５０】
【表８】
2006053276.tif 000010
【００５１】
【表９】
2006053276.tif 000011
【００５２】
【表１０】
2006053276.tif 000012
【００５３】
【表１１】
2006053276.tif 000013
【００５４】
【表１２】
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【００５５】
【表１３】
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【００５６】
第２実施例において、第７面はシリンダ非球面である。Ｙ軸方向には屈折力を持たず、Ｘ軸方向にのみＹ軸方向の高さに応じて変化する屈折率を持つ。トーリック面などの一般的な式で表現できないためにＸＹ多項式を使って表現している。面の式は、
Ｚ＝Ａ1Ｘ＋Ａ2Ｙ＋Ａ3Ｘ2＋Ａ4ＸＹ＋Ａ5Ｙ2＋…
で表される。但し、Ａｎは係数である。物体面は光源となっている。
【００５７】
なお、本第２実施例では投影光学系１３にはレンズを用いているが、回折光学素子やホログラム素子など他の光学素子を用いることも可能である。また、指標１７の投影される距離によっては単一の光学素子を用いることも可能である。
【００５８】
また、投影面の傾き方向に垂直な直線状の指標を投影するには、例えば、前記第１実施例の如く、投影光学系１３の焦点距離を長くして投影面上でＹ軸方向の光束が十分に細くなるようにしてもよい。または、二つのプリズム１２，１２をＸ軸方向とＹ方向とを入れ換えても簡単に実現することができる。
【００５９】
（自動車用指標投影光学装置、図９及び図１０参照）
次に、前記指標投影光学装置を自動車に搭載した実施例について説明する。図９は自動車に搭載して走行面１５’上に指標を投影している状態を示している。ここで搭載されているのは、図１０に示すように第２実施例である指標投影光学装置２０であり、二つの指標１７，１７が走行面１５’上に投影されることになる。
【００６０】
投影光学装置２０は自動車の運転手が必要に応じて作動スイッチを投入して投影を開始させてもよいが、速度が２０ｋｍ／ｈを超過した場合に自動的に投影を開始するようにしてもよい。低速域では進行方向を投影する必要性はあまりないと考えられる。駐車場内には歩行者がいたり、反射物があったりするので、低速域での指標の投影は車内外の人にとってむしろ邪魔になるとも考えられる。
【００６１】
投影位置は、例えば、速度が４０ｋｍ／ｈのときは２０ｍ先、速度が６０ｋｍ／ｈのときは３０ｍ先というように速度が速くなるに応じて遠方に投影すること（仰角の調整）が好ましい。仰角の調整は通常のモータとあおり機構を組み合わせることで実現できる。
【００６２】
操舵角に応じて指標１７の投影方向を変化させたり、指標１７の傾きを変えてもよい。操舵角が左右５°以内であれば、車体の中心軸方向に投影するが、操舵角が５°を超えると、図５（Ｂ）に示したように、プリズム１２を光軸１２ａを支点として回転させ（図１０の矢印Ｃ参照）、操舵角に応じた車の進行方向（車体の向きを基準にすると斜め前方）に投影させる。例えば、操舵角１０°で車体の中心軸から１５°傾いた方向に投影する。投影方向の変更は、通常のモータと首振り機構を組み合わせることで実現できる。勿論、このような投影方向の制御と投影位置の制御を組み合わせてもよい。
【００６３】
また、指標１７の投影光強度を周囲の明るさや投影距離に応じて調整するように制御してもよい。光源１１の電圧又は電流の制御回路を付加することで容易に対応でき、手動のみならず自動的に調整可能に制御してもよい。
【００６４】
（他の実施例）
なお、本発明に係る指標投影光学装置及び自動車用指標投影光学装置は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る指標投影光学装置の第１実施例を示す概略構成図である。
【図２】前記第１実施例における光路の要部を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は垂直面図である。
【図３】前記第１実施例での指標の投影状態を示す平面図である。
【図４】本発明に係る指標投影光学装置の第２実施例を示す概略構成図である。
【図５】前記第２実施例における光路の要部を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は垂直面図である。
【図６】前記第２実施例での指標の投影状態を示す平面図である。
【図７】前記第１実施例において投影距離を変化させることの説明図である。
【図８】本発明に係る指標投影光学装置での指標投影状態を示す説明図である。
【図９】前記第２実施例を搭載した自動車による指標投影状態を示す説明図である。
【図１０】自動車に搭載された前記第２実施例による投影角度の制御を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０，２０…指標投影光学装置
１１…光源
１２…三角柱形状プリズム
１３…投影光学系
１４…光軸
１５…投影面
１５’…走行面
１６…垂直面
１７…投影指標
【図１】
2006053276.tif 000016
【図２】
2006053276.tif 000017
【図３】
2006053276.tif 000018
【図４】
2006053276.tif 000019
【図５】
2006053276.tif 000020
【図６】
2006053276.tif 000021
【図７】
2006053276.tif 000022
【図８】
2006053276.tif 000023
【図９】
2006053276.tif 000024
【図１０】
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