(57)【要約】駆動対象であるレンズを含めた系でのアクチュエーターの負荷低減を可能にする光学素子駆動方法を提供する。光学素子駆動方法は、投影光学系１３等を構成する少なくとも１つの可動光学素子を光軸ＡＸ方向に沿って移動させるものであって、アクチュエーター７４に付随して、少なくとも可動光学素子の移動方向に平行な方向に関して可動光学素子に作用するばね７５を設け、ばね７５の作用を用いながらアクチュエーター７４を動作させる。ここで、可動光学素子は、例えば可動レンズ部５１を意味する。
2018092873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系を構成する少なくとも１つの可動光学素子を光軸方向に沿って移動させる光学素子駆動方法であって、
前記アクチュエーターに付随して、少なくとも前記可動光学素子の移動方向に平行な方向に関して前記可動光学素子に作用するばねを設け、
前記ばねの作用を用いながらアクチュエーターを動作させる光学素子駆動方法。
【請求項２】
前記アクチュエーターによって前記可動光学素子を往復運動させる駆動周波数と、前記ばねの共振周波数とを略一致させる、請求項１に記載の光学素子駆動方法。
【請求項３】
前記可動光学素子が移動する際に当該可動光学素子の姿勢を保持するガイド部材を備えている、請求項１及び２のいずれか一項に記載の光学素子駆動方法。
【請求項４】
前記ばねは、前記ガイド部材に取り付けられている、請求項３に記載の光学素子駆動方法。
【請求項５】
前記ばねは、軸状の前記ガイド部材の軸の周りに巻き付けられたコイルばねである、請求項４に記載の光学素子駆動方法。
【請求項６】
前記可動光学素子は、３枚以下のレンズからなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学素子駆動方法。
【請求項７】
前記アクチュエーターに付随して、前記ばねが１つ以上設けられている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学素子駆動方法。
【請求項８】
前記可動光学素子の位置情報を取得する位置情報取得部からの情報を用いて前記アクチュエーターの駆動制御を行う、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学素子駆動方法。
【請求項９】
投影像を形成する光学系と、
前記光学系を構成する少なくとも１つの可動光学素子を光軸方向に沿って移動させるアクチュエーターと、
少なくとも前記可動光学素子の駆動方向に平行な方向に関して前記可動光学素子に作用するばねと、
前記ばねの作用を用いながら前記アクチュエーターを動作させる駆動制御部と
を備える光学装置。
【請求項１０】
前記可動光学素子の位置情報を取得する位置情報取得部をさらに備え、
前記駆動制御部は、前記位置情報取得部からの前記位置情報を用いて前記アクチュエーターの駆動制御を行う、請求項９に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系の可動光学素子を光軸方向に沿って移動させる光学素子駆動方法及び光学装置に関し、特に可動光学素子を高速で移動させる光学素子駆動方法及び光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学素子駆動方法として、電圧印加で伸張する電気機械変換素子を用いて弾性体を振動させる振動アクチュエーターによってレンズを駆動する方法が公知となっている（特許文献１）。特許文献１には、電気機械変換素子に印加する駆動電圧の周波数を弾性体の固有振動数に応じた共振周波数とすれば、効率よく振動を生じさせてそれを継続できる、という記述がある。しかしながら、特許文献１に開示されたような弾性体を振動させる構造では振幅を大きく取ることができない。また、駆動対象であるレンズを含めた系でのアクチュエーターの負荷低減については考慮がなされていない。【０００３】
また、別の光学素子駆動方法として、カメラの手ブレ補正駆動に超音波アクチュエーターを用いる方法が公知となっている（特許文献２）。特許文献２には、超音波アクチュエーターについて所定の共振状態で駆動するので効率よく振動する、という記述がある。しかしながら、特許文献２においても、駆動対象であるレンズを含めた系でのアクチュエーターの負荷低減については考慮されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１２４７９３号公報
【特許文献２】特開２００４−５６８７８号公報
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、駆動対象であるレンズを含めた系でのアクチュエーターの負荷低減を可能にする光学素子駆動方法及び光学装置を提供することを目的とする。
【０００６】
上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した光学素子駆動方法は、光学系を構成する少なくとも１つの可動光学素子を光軸方向に沿って移動させる光学素子駆動方法であって、アクチュエーターに付随して、少なくとも可動光学素子の移動方向に平行な方向に関して可動光学素子に作用するばねを設け、ばねの作用を用いながらアクチュエーターを動作させる。ここで、可動光学素子は、例えば可動レンズを意味する。
【０００７】
上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した光学装置は、投影像を形成する光学系と、光学系を構成する少なくとも１つの可動光学素子を光軸方向に沿って移動させるアクチュエーターと、少なくとも可動光学素子の駆動方向に平行な方向に関して可動光学素子に作用するばねと、ばねの作用を用いながらアクチュエーターを動作させる駆動制御部とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１Ａは、第１実施形態の光学装置である画像表示装置を車体に搭載した状態を示す側方断面図であり、図１Ｂは、画像表示装置の外観を説明する車内側からの正面図である。
【図２】図１Ａの画像表示装置の構造を説明する拡大側方断面図である。
【図３】図１Ａの画像表示装置の投影光学系の構成を説明する概念図である。
【図４】図４Ａは、画像表示装置による結像を説明する断面図であり、図４Ｂは、虚像を観察可能なアイボックスを説明する図である。
【図５】図５Ａは、投影光学系に含まれる可動光学素子とその駆動装置とを説明する平面図であり、図５Ｂは、可動レンズ等の正面図である。
【図６】図６Ａ及び６Ｂは、駆動装置による可動レンズの動作を説明する平面図である。
【図７】図１Ａの画像表示装置の制御系を説明するブロック図である。
【図８】可動レンズの運動及び駆動方法を説明する図である。
【図９】第２実施形態の画像表示装置に組み込まれる可動レンズとその駆動装置とを説明する平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
〔第１実施形態〕
以下、本発明に係る第１実施形態の光学素子駆動方法及び当該方法を利用する光学装置について説明する。
【００１０】
図１Ａ及び１Ｂは、実施形態の光学素子駆動方法を実行する画像表示装置１００を説明する概念的な側方断面図及び正面図である。この画像表示装置１００は、例えばヘッドアップディスプレイ装置として車体２内に搭載される光学装置であり、描画ユニット１０と表示スクリーン２０とを備える。画像表示装置（光学装置）１００は、描画ユニット１０中の後述する表示素子１１に表示されている画像情報を、表示スクリーン２０を介してドライバーＵＮ向けに虚像表示するものである。
【００１１】
画像表示装置１００のうち描画ユニット１０は、車体２のダッシュボード４内に埋め込むように設置されており、運転関連情報を含む画像に対応する表示光ＨＫを表示スクリーン２０に向けて射出する。表示スクリーン２０は、半透過性を有する凹面鏡であり、コンバイナーとも呼ばれる。表示スクリーン２０は、下端の支持によってダッシュボード４上に立設され、描画ユニット１０からの表示光ＨＫを車体２の後方に向けて反射する。この場合、表示スクリーン２０は、フロントウィンドウ８とは別体で設置される独立型のものとなっている。表示スクリーン（コンバイナー）２０で反射された表示光ＨＫは、運転席６に座ったドライバーＵＮの瞳ＨＴ及びその周辺位置に対応するアイボックスＳＹ（図４Ｂ参照）に導かれる。ドライバーＵＮは、表示スクリーン２０で反射された表示光ＨＫ、つまり車体２の前方にある虚像としての表示像ＩＭを観察することができる。一方、ドライバーＵＮは、表示スクリーン２０を透過した外界光、つまり前方景色等の実物又は実像を観察することができる。結果的に、ドライバーＵＮは、表示スクリーン２０の背後の外界像に重ねて、表示スクリーン２０での表示光ＨＫの反射によって形成される運転関連情報等を含む表示像（虚像）ＩＭを観察することができる。
【００１２】
図２及び図３に示すように、描画ユニット１０は、表示素子１１を備えた描画デバイス１２と、投影光学系１３と、レンズ駆動系７０と、回路部分１９と、ハウジング１４とを備える。描画ユニット１０によってドライバーＵＮに提示される運転関連情報は、速度のような車体２の動作状態に関する情報に限らず、車体２の前方に存在する車両、歩行者といったドライバーＵＮを補助する運転環境に関する情報を含む。
【００１３】
描画デバイス１２は、詳細な説明を省略するが、表示素子１１のほかに、表示素子１１を照明するための光を射出するＬＥＤ（light emitting diode）、レーザーその他の光源、かかる光源からの光を均一化等する照明光学系等を備える。表示素子１１は、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）やＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）等の反射型の素子でも、液晶等の透過型の素子でもよい。特に、表示素子１１にＤＭＤを用いると、明るさを維持しつつ画像を高速で切り替えることができ、表示に有利である。
【００１４】
投影光学系１３は、投影距離や投影変倍を変化させる可変型の光学系であり、表示素子１１に形成された画像に対応する第１中間像を形成する第１投影光学部３０と、第１中間像ＴＩ１に対応する像光を表示スクリーン２０に入射させることによって虚像を表示する第２投影光学部４０とを備える。投影光学系１３は、光学系の光学性能を確保しつつ小型化を図る観点で、非球面を少なくとも１面以上有することが望ましい。
【００１５】
投影光学系１３において、第１投影光学部３０と第２投影光学部４０との間で、第１中間像ＴＩ１を形成する位置には、中間スクリーンｍＳＣが配置されている。第１中間像ＴＩ１は光軸ＡＸ方向等に移動しないため、中間スクリーンｍＳＣを移動させる必要がなく、後述する可動光学素子としての可動レンズ部５１の作用のみで表示像（虚像）ＩＭの奥行位置を変化させ、かつ視野角とアイボックスとの両方を大きくすることができる。中間スクリーンｍＳＣは、配光角を所望の角度に制御した拡散板である。拡散板には、例えば摺りガラス、レンズ拡散板、マイクロレンズアレイ等が用いられる。中間スクリーンｍＳＣとして拡散板を設けることにより、視野角とアイボックスサイズとを簡易に確保しつつ、光学系の光利用効率を比較的高くすることができる。
【００１６】
図３に例示するように、第１投影光学部３０は、表示素子１１の画像を投影させる複数のレンズ又はレンズ群を有している。図示の例では、第１投影光学部３０は、４枚のレンズで構成されている。
【００１７】
第２投影光学部４０は、第１中間像ＴＩ１をリレーするリレー光学部５０と、リレー光学部５０に対して表示スクリーン２０側に配置される第３投影光学部６０とを有している。第２投影光学部４０は、リレー光学部５０と第３投影光学部６０との間で第２中間像ＴＩ２を形成する。第２投影光学部４０を、リレー光学部５０及び第３投影光学部６０の２つの光学系で構成することで、全体の拡大倍率をリレー光学部５０と第３投影光学部６０とに振り分けることができる。これにより、リレー光学部５０のＦ値を大きくしながら全系としての視野角及びアイボックスサイズを大きくでき、使いやすい仕様でありながらリレー光学部５０の大型化を防ぎ、虚像表示時の像面性や非点隔差等の光学性能を確保することができる。
【００１８】
リレー光学部５０は、拡大投影系であり、複数のレンズ又はレンズ群を有する。図３に示す例では、リレー光学部５０は、７枚のレンズで構成されている。リレー光学部５０は、複数のレンズ又はレンズ群のうち表示スクリーン２０側に可動光学素子として可動レンズ部５１を有している。可動レンズ部（可動光学素子）５１を後に詳述するレンズ駆動系７０を利用して光軸ＡＸ方向に移動させることで、投影光学系１３の焦点距離の変更又は変倍を行うことができる。可動レンズ部５１は、３枚以下のレンズからなる。これにより、可動レンズ部５１を構成するレンズ枚数を少なくできるので、可動レンズ部５１の重量の低減によりアクチュエーター７４の負荷がより軽減される。なお、可動レンズ部５１は、望ましくは１枚または２枚のレンズ等で構成される。図示の例では、可動レンズ部５１は２枚の可動レンズを有し、これら２枚の可動レンズを一体的に光軸ＡＸ方向に移動させることで、表示像ＩＭの奥行方向の表示位置を変化させることができる。焦点距離変更又は変倍のための可動レンズ部５１をリレー光学部５０内に配置することにより、可動レンズ部５１を小型にすることができ、可動機構等を簡素化することができる。また、可動レンズ部５１を構成する可動レンズの枚数を少なくすることで、可動レンズ部５１のレンズ重量を軽くすることができる。これにより、可動レンズ部５１を駆動させるための機構を含むレンズ駆動系７０を大掛かりなものにする必要がなくなり、装置の大型化や複雑化を防ぐことができる。また、可動レンズ部５１をプラスチックレンズで構成すれば、さらなる軽量化を図ることができる。
【００１９】
投影光学系１３は、可動レンズ部５１による焦点距離の変更に伴い、表示像ＩＭの奥行方向の表示位置又は表示距離を変化させている。既に説明したように、投影光学系１３は、リレー光学部５０と第３投影光学部６０との間に第２中間像ＴＩ２を形成する構成となっており、可動レンズ部５１で焦点距離変更又は変倍を行った際に、第２中間像ＴＩ２の位置が光軸ＡＸに沿って移動する。これにより、表示像ＩＭは、焦点距離変更又は変倍の度合に応じて、表示スクリーン２０に近い位置（表示像ＩＭ１の位置）から中間の位置（表示像ＩＭ２の位置）を経て遠い位置（表示像ＩＭ３の位置）まで位置が変化して連続的又は断続的に表示される。例えば、最も遠い位置から最も近い位置までの表示距離を高速（例えば、１／３０秒以内）に変動させて表示像ＩＭを連続的に表示させれば、擬似的な３Ｄ虚像表示を行うことができる。
【００２０】
第３投影光学部６０は、複数のミラーを有している。図示の例では、第３投影光学部６０は、２枚のミラーＭＲ１，ＭＲ２で構成されている。第３投影光学部６０を構成するミラーは、凸面、凹面、又は平面とでき、曲面の場合、球面に限らず、非球面、自由曲面等とすることができる。第３投影光学部６０は、後述する表示スクリーン２０と共働して、虚像の拡大投影系を構成する。
【００２１】
図２に示すように、ハウジング１４は、表示光ＨＫを通過させる開口１４ａを有し、この開口１４ａには、フィルム状又は薄板状の光透過部材１５を配置することができる。
【００２２】
表示スクリーン２０は、板状の部材であり、観察者であるドライバーＵＮのいる観察側又は運転席６（図１Ａ参照）側に設けた第１光学面２１と、反観察側又はフロントウィンドウ８側に設けた第２光学面２２とを有する。第１光学面２１は、凹の曲面であり、非球面又は自由曲面となっている。第２光学面２２は、凸の曲面（観察者側から見た場合には凹の曲面）であり、非球面又は自由曲面となっている。第１光学面２１は、基材である本体層２０ａ上に例えば５〜３０％の反射率を有するハーフミラーコート２０ｂを形成することによって得たものであり、表示光ＨＫを適度に反射しつつ外界光ＧＫを所望の程度に透過させることができる。第２光学面２２には、反射防止膜や保護コートが形成されている。
【００２３】
図４Ａに示すように、表示スクリーン２０の第１光学面２１で反射された表示光ＨＫは、ドライバーＵＮの瞳ＨＴに導かれる。ここで、表示光ＨＫを表示スクリーン２０の背後に延長した虚像光線ＫＫは、ドライバーの瞳ＨＴに対して前方の所定位置に表示像（虚像）ＩＭを形成する。なお、瞳ＨＴから表示スクリーン２０までの距離ｄ１は、車体２の仕様によるが例えば０．５〜１ｍ程度としてあり、表示スクリーン２０から表示像ＩＭまでの距離ｄ２は、可変であるが、例えば１ｍ程度以上としている。また、視野角は、５〜１５度程度としている。また、図４Ｂに示すアイボックスＳＹは、標準的なドライバーＵＮの瞳ＨＴの位置をカバーするように設定され、例えば横１０〜１５ｃｍ、縦５〜８ｃｍと言ったサイズに設定される。
【００２４】
〔実施例〕
以下、本発明の投影光学系１３の実施例を示す。
【００２５】
実施例１の投影光学系１３のデータを以下の表１に示す。なお、以下の表１において、投影光学系１３を構成するレンズ群の番号を「m」で表し、各レンズ群の焦点距離を「fm」で表し、表示位置を遠距離とした場合における各レンズ群間の間隔を「dm(LR)」で表し、表示位置を近距離とした場合における各レンズ群間の間隔を「dm(SR)」で表している。また、表示素子を「DD」で表し、中間スクリーンを「mSC」で表している。また、「M」の欄における各レンズ群の間隔「dm」は、最終光学系（つまり、第３投影光学部６０）から瞳ＨＴ（つまり、ドライバーの目の位置）までの距離であり、「N」の欄における間隔「dm」は、瞳ＨＴから虚像の表示位置までの距離である。なお、間隔「dm」については、虚像表示が遠距離のときと近距離のときで、第３及び第４レンズ群間の間隔、並びに第４及び第５レンズ群間の間隔をそれぞれ変えている。本実施例では、遠距離を約５０ｍとし、近距離を約３ｍとしているが、後述する第３及び第４レンズ群間の間隔、並びに第４及び第５レンズ群間の間隔の変動幅（つまり、第４レンズ群の移動量）を変えると、これらの距離範囲をもっと広くしたり狭くしたりすることができる。また、表には示されていないが、実際の使用時には、虚像を表示するための表示スクリーン２０は、第６レンズ群とドライバーの目（つまり、瞳ＨＴ）との間に配置される。なお、符号「←」は、左側の数値と同じであることを示す。
〔表１〕
m    fm          dm(LR)    dm(SR)
DD
52.50     ←
1    45.000
315.00     ←
mSC
120.00     ←
2   120.000
173.33     ←
3   -74.270
16.00      6.00
4    63.903
488.78    498.78
5  -500.000
94.63     ←
6   271.462
M              1499.43     ←
N            -50132.33  -2999.58
【００２６】
実施例１の表示素子１１のサイズ及び視野角を以下に示す。
表示素子水平方向サイズ（単位：ｍｍ）：9.86
水平方向視野角（単位：度）：-12.2
【００２７】
本実施例において、虚像の表示位置が最も遠いときのリレー光学部５０の倍率β２Ｌは１．５倍であり、３群射出後の遠距離投影時におけるＦ値は約３．４２である。その際のアイボックスサイズは画面横方向で約１２７〜１１６ｍｍ確保される。
【００２８】
実施例１の投影光学系１３は、図３を参照して表示素子１１側から順に、第１投影光学部３０と、中間スクリーンｍＳＣと、第２投影光学部４０とからなる。第１投影光学部３０は、第１レンズ群で構成される。第２投影光学部４０は、第２〜第６レンズ群で構成される。ここで、第２投影光学部４０は、第２〜第４レンズ群で構成されるリレー光学部５０と、第５及び第６レンズ群（具体的には、ミラーＭＲ１，ＭＲ２）で構成される第３投影光学部６０とからなる。このうちリレー光学部５０の第４レンズ群が可動レンズ部５１となっている。可動レンズ部５１である第４レンズ群は、光軸ＡＸ方向に移動することで焦点調整又は変倍を行っている。
【００２９】
本実施例では、各レンズ群の焦点距離と各レンズ群間の間隔とを示したが、各レンズ群は、１枚のレンズ又は１枚のミラーで構成してもよいし、複数枚のレンズ又は複数枚のミラーで構成してもよい。さらに、実施例に示していないが、光学系の光路中に光路を折り曲げるミラーを配置することで、光学系全体のサイズを小さくすることもできる。第３投影光学部６０は、少なくとも１枚のミラーで構成するとよい。第３投影光学部６０については、表示スクリーン２０までの光路の取り回し自由度が出るとともに、色収差の発生もないことから、ミラー、特に自由曲面のミラーの構成が望ましい。
【００３０】
また、本実施例では、第２レンズ群を出射する光束がアフォーカルになっているが、特にアフォーカルとする必要はなく、光学系のサイズや各レンズ群の焦点距離、Ｆ値、倍率等の仕様に合わせて望ましい構成に変更可能である。さらに、本実施例では、リレー光学部５０内で焦点距離を変えるために移動させる第４レンズ群について、レンズを移動させる機構への負担を小さくするために、その位置を、リレー光学部５０の瞳位置とほぼ同じになるように設定しているが、設計に際して仕様その他の要素も配慮して異なる位置に設定してもよい。
【００３１】
図５Ａ及び５Ｂを参照して、可動レンズ部５１を光軸ＡＸ方向に移動させるためのレンズ駆動系７０について説明する。
【００３２】
レンズ駆動系７０は、可動レンズ部５１を支持するレンズホルダー７２と、レンズホルダー７２を介して可動レンズ部５１の移動を案内するガイド部材７３と、レンズホルダー７２を介して可動レンズ部５１を駆動して移動させるアクチュエーター７４と、可動レンズ部５１の移動方向に平行な方向に関して可動レンズ部５１に作用するばね７５と、可動レンズ部５１の位置情報を取得する位置情報取得部７８とを備える。
【００３３】
レンズホルダー７２は、可動レンズ部５１として２つの可動レンズ５１ａ，５１ｂを保持している。レンズホルダー７２は、ガイド部材７３を構成する２つのガイド軸７３ａを通す２つの軸受部７２ａを有している。軸受部７２ａは、ガイド軸７３ａに沿ったレンズホルダー７２の滑らかでガタツキのない移動を可能にする。なお、可動レンズ部５１を構成する可動レンズ５１ａ，５１ｂをプラスチックレンズとすると、可動レンズ部５１の重量を軽減することができ、後述するアクチュエーター７４への負荷が減る。さらには、これらの可動レンズ５１ａ，５１ｂを非球面レンズとすれば、可動レンズ部５１を少ない枚数で構成しても、可動レンズ部５１を移動させた際の収差変動を小さく抑えた設計が可能となり望ましい。
【００３４】
ガイド部材７３は、２つのガイド軸７３ａを有し、これらのガイド軸７３ａは、支持体７３ｄ，７３ｅに支持されて不図示の基板上に固定されている。ガイド軸７３ａは、レンズホルダー７２の軸受部７２ａに挿通されて光軸ＡＸ方向に摺動する。ガイド部材７３は、可動レンズ部５１が移動する際に当該可動レンズ部５１の姿勢を保持する役割を有する。つまり、ガイド部材７３は、可動レンズ部５１の光軸ＡＸ方向の高速移動を可能にするだけでなく、可動レンズ部５１の姿勢を安定させて、可動レンズ部５１に傾き等の姿勢の変化が生じないようにしている。
【００３５】
アクチュエーター７４は、モーターその他の動力源からなる本体７４ａと、本体７４ａからの駆動力をレンズホルダー７２に伝達する動力伝達部７４ｂとを有する。動力伝達部７４ｂは、本体７４ａからの回転動作を光軸ＡＸに沿った往復動作に変換してレンズホルダー７２に伝達する。つまり、アクチュエーター７４は、レンズホルダー７２又は可動レンズ部５１を光軸ＡＸに沿って高速で往復運動させる。ここで、動力伝達部７４ｂは、本体７４ａからの動力をレンズホルダー７２に伝えるがレンズホルダー７２のブレーキにならないような動力の伝達に方向性を有するものであることが望ましいが、これに限るものではない。例えば、本体７４ａの移動量を所定の関数で伝達するものあってもよい。アクチュエーター７４は、リニアモーターのようにレンズホルダー７２を光軸ＡＸ方向に直接進退させるものであってもよく、サーボモーター、ステッピングモーター等を用いた別の駆動機構とすることもできる。
【００３６】
ばね７５は、コイルばね又はつるまきばねである。ばね７５は、一端がガイド部材７３の支持体７３ｄに固定されており、他端がレンズホルダー７２に固定されている。ばね７５は、レンズホルダー７２側が可動端となっており、レンズホルダー７２の光軸ＡＸ方向に関する振動を許容する。ここで、可動レンズ部５１及びレンズホルダー７２の質量とばね７５のばね定数とが定まれば、レンズホルダー７２に固有の振動数である共振周波数が与えられる。よって、レンズホルダー７２に初動の振幅を与えれば、レンズホルダー７２は、サイン波で表される共振周波数の振動を繰り返す。レンズホルダー７２の振動は、摩擦抵抗等で徐々に減衰するので、アクチュエーター７４でレンズホルダー７２の運動を加速してレンズホルダー７２の振幅を確保する必要がある。この際、アクチュエーター７４によってレンズホルダー７２又は可動レンズ部５１を往復運動させる駆動周波数は、ばね７５の共振周波数と略一致させる。これにより、ばね７５の共振を利用することで、アクチュエーター７４を動作させる際の負荷を効率的に低減することができる。ここでの「略一致」は、両周波数が一致する場合のほか、アクチュエーター７４の駆動周波数とばね７５の共振周波数とが実質的に等しい状態を含み、例えば駆動周波数が共振周波数±１０％程度以下の範囲の差であれば、略一致と考えてよい。アクチュエーター７４によってレンズホルダー７２を往復運動させる駆動周波数と、ばね７５の共振周波数とが精密に一致しなくても、両周波数が近ければ、アクチュエーター７４を動作させる際の負荷を低減することができる。以上では、ばね７５によるレンズホルダー７２の振動をアクチュエーター７４で減衰しないようにするとしたが、ばね７５によるレンズホルダー７２の振動が減衰しやすい場合、アクチュエーター７４によるレンズホルダー７２又は可動レンズ部５１の駆動が主となる。この場合も、駆動周波数と共振周波数とが近ければ、アクチュエーター７４を動作させる際の負荷を低減することができる。
【００３７】
位置情報取得部７８は、レンズホルダー７２の光軸ＡＸ方向に関する位置を検出するセンサー等を備えている。位置情報取得部７８としては、リニアエンコーダーを用いることができる。位置情報取得部７８としては、リニアエンコーダーの他に、磁界の強さで抵抗が変化するリニアータイプのＭＲＥ（Magneto Resistive Element）、ＰＳＤ(Position Sensitive Device)等を用いることができる。ＭＲＥを用いる場合、例えば移動するレンズホルダー７２側に磁性体を取り付け、固定側に光軸ＡＸに沿って延びるセンサーを設置する。ＰＳＤを用いる場合、例えば移動するレンズホルダー７２側に点滅する光源を取り付け、固定側に光軸ＡＸに沿って延びるセンサーを設置する。また、例えばサーボモーターを用いる場合等では、モーターの軸に直結されたロータリーエンコーダーの値を読み取って位置を特定することも可能である。
【００３８】
位置情報取得部７８によって、レンズホルダー７２又は可動レンズ部５１の位置を逐次検出する構成は必須のものではなく、位置情報取得部７８として、レンズホルダー７２又は可動レンズ部５１の移動範囲の両端又は最大振幅の位置の手前に通過センサー１７８を設けることもできる。通過センサー１７８としては、例えばフォトインターラプターやホール素子を用いることができる。通過センサー１７８によって、レンズホルダー７２又は可動レンズ部５１の移動の振幅が減少し加速が必要な状態であることを検知することができる。或いは、通過センサー１７８によって、レンズホルダー７２等の振動周期との関係でアクチュエーター７４を動作させるタイミングを調整することができる。
【００３９】
図６Ａは、ばね７５が最も伸びた振幅端での可動レンズ部５１又はレンズホルダー７２の位置を示し、図６Ｂは、ばね７５が最も縮んだ振幅端での可動レンズ部５１又はレンズホルダー７２の位置を示す。図６Ａに示すようにばね７５が最も延びた場合、可動レンズ部５１等は、光軸ＡＸ方向において最も＋Ｙ側に位置し、ばね７５は、可動レンズ部５１等に対して縮む方向である−Ｙ方向に作用する。図６Ｂに示すようにばね７５が最も縮んだ場合、可動レンズ部５１等は、光軸ＡＸ方向において最も−Ｙ側に位置し、ばね７５は、可動レンズ部５１等に対して伸びる方向である＋Ｙ方向に作用する。アクチュエーター７４によって可動レンズ部５１等を駆動する場合、ばね７５が中立又はニュートラルの状態から図６Ａの状態に向けて伸びるときには、可動レンズ部５１等の慣性を利用してばね７５の力に抗して可動レンズ部５１等を効率的に移動させることができる。ばね７５が図６Ａの状態に達すると、ばね７５が最も長くなって可動レンズ部５１等の移動が停止し可動レンズ部５１等の移動方向が逆転する。よって、アクチュエーター７４によって可動レンズ部５１等の駆動を逆転させる際のアクチュエーター７４の負荷が軽減され、アクチュエーター７４の逆転駆動にかかる電力を減らす効果がある。以上は、ばね７５が中立の状態から図６Ａの状態に向けて伸びるときであったが、ばね７５が中立の状態から図６Ｂの状態に向けて縮むときも同様であり、可動レンズ部５１等の慣性を利用してばね７５の力に抗して可動レンズ部５１等を効率的に移動させることができる。ばね７５が図６Ｂの状態に達すると、ばね７５が最も縮まって可動レンズ部５１等の移動が停止し可動レンズ部５１等の移動方向が逆転する。この場合も、アクチュエーター７４によって可動レンズ部５１等の駆動を逆転させる際のアクチュエーター７４の負荷が軽減され、電力を減らす効果がある。
【００４０】
図７は、図１Ａ等に示す画像表示装置（光学装置）１００の制御系を説明するブロック図である。画像表示装置１００は、既に説明した描画ユニット１０等のほかに、主制御部９０を備える。
【００４１】
描画ユニット１０は、回路部分１９として、表示素子１１等を備える描画デバイス１２を動作させる表示制御部１８と、可動レンズ部５１用のアクチュエーター７４を動作させるアクチュエーター駆動制御部８１とを備える。なお、虚像表示光学系１１３は、投影光学系１３と描画デバイス１２とを組み合わせたものである。
【００４２】
表示制御部１８は、主制御部９０の制御下で描画デバイス１２を動作させて、表示スクリーン２０の背後に虚像距離又は投影距離が変化する３次元的な表示像ＩＭを表示させる。表示制御部１８は、主制御部９０を介して受信した表示情報から、投影光学系１３によって表示させる表示像ＩＭを生成する。表示像ＩＭは、例えば表示スクリーン２０の背後に存在する自動車、自転車、歩行者その他の対象物に対してその奥行き位置方向を含めた周辺に位置する表示枠のような標識とすることができる。
【００４３】
アクチュエーター駆動制御部８１は、主制御部９０の制御下で位置情報取得部７８の位置検出結果に基づいてアクチュエーター７４を動作させて、投影光学系１３によって表示させる表示像ＩＭの位置を調整する。可動レンズ部５１の位置情報を取得する位置情報取得部７８からの情報を用いてアクチュエーター７４の駆動制御を行うことにより、可動レンズ部５１の動作が所期の状態となっているかをモニターできる。そのため、例えばフィードバック制御を行うことで、可動レンズ部５１の動作の信頼性を向上させることができる。また、可動レンズ部５１の位置情報を得ることで、光学系の状態に応じた正確で適切な光学的動作が可能になる。例えば光学系が投影光学系１３である場合、可動レンズ部５１によって投影距離が可変となるが、可動レンズ部５１の位置をモニターすることで、投影距離に応じた所望の表示を行うことができる。具体的には、アクチュエーター駆動制御部８１は、アクチュエーター７４を適宜動作させて可動レンズ部５１を光軸ＡＸに沿って変位させることで、表示像ＩＭの表示位置を遠距離、中間、近距離等に周期的に変化させる。この際、表示制御部１８によって、表示像ＩＭの表示位置又は表示距離に対応して描画デバイス１２の表示素子１１に表示させる内容が変化し、表示像ＩＭを所望の奥行方向の表示位置に表示させることができる。つまり、運転関連情報を３次元的に表示することができる。
【００４４】
主制御部９０は、車体２に設けたカメラ、各種センサー等からの情報を収集しており、描画ユニット１０の動作を車体２の動作と調和したものにしている。
【００４５】
図８は、図５Ａ等に示すレンズ駆動系７０の動作例を説明する図であり、レンズホルダー７２の光軸ＡＸ方向に関する位置の経時的な変化の一例を示している。この場合、レンズホルダー７２は、サイン波で表される共振周波数で振動している。ここで、レンズホルダー７２の振動の周波数や周期は、可動レンズ部５１及びレンズホルダー７２の質量とばね７５のばね定数とによって定まる。よって、可動レンズ部５１等を軽くし、ばね７５のばね定数を大きくすれば、周波数が大きくなり周期が短くなる。具体的には、可動レンズ部５１及びレンズホルダー７２の質量をＭ（ｋｇ）とし、ばね７５のばね定数をｋ（ｋｇ／ｓｅｃ２）とすると、レンズホルダー７２等の共振周波数Ｆ（１／ｓｅｃ）又は周期Ｔ（ｓｅｃ）は、
Ｆ＝１／Ｔ＝２π√（ｋ／Ｍ）
で与えられる。つまり、可動レンズ部５１及びレンズホルダー７２の質量や共振周波数Ｆが決まっている場合、ばね７５のばね定数ｋは、
ｋ＝４π・Ｍ・Ｆ２
で与えられる。なお、図５Ａに示すように、２つの同一のばね７５を並列に用いる場合、１本のばね７２のばね定数ｋ０は、ｋ０＝ｋ／２となって
ｋ０＝２π・Ｍ・Ｆ２
で与えられる。具体的な例で説明すると、一対のばね７５の合成のばね定数ｋ≒１．４２×１０３（ｋｇ／ｓｅｃ２)として可動レンズ部５１及びレンズホルダー７２の質量Ｍが０．１ｋｇの場合、共振周波数Ｆは約６０Ｈｚとなり、その際の振動周期は１／６０秒となる。
【００４６】
図８に示す例において、例えば可動レンズ部５１を等間隔に設定された３つの位置Ａ１〜Ａ３に移動させたい場合、時刻Ｂ１〜Ｂ３において目的の位置に存在することが分かる。描画デバイス１２は、位置情報取得部７８の検出出力等に基づいて調整される時刻Ｂ１〜Ｂ３及びその近傍のタイミングで表示素子１１に表示を行わせる。これにより、段階的に設定された複数箇所に可動レンズ部５１を移動させつつ可動レンズ部５１の位置に応じた前方位置に表示像（虚像）ＩＭを形成することができる（図３参照）。
【００４７】
アクチュエーター７４によってレンズホルダー７２に駆動力を与える際に、ばね７５の振動開始後から継続するものである必要はなく、位置情報取得部７８の検出出力を利用して、アクチュエーター７４からの駆動力付与のタイミング制御を行うことができる。例えば、位置情報取得部７８の検出出力に基づいて可動レンズ部５１の移動速度を監視し、ばね７５が中立又はニュートラルとなる位置における可動レンズ部５１の移動速度ｖの絶対値（速さの最大値）が、共振周波数に対応する既定の値Ａ（ｍ／ｓ）以下、すなわち｜ｖ｜≦Ａとなった際にアクチュエーター７４の駆動力をＯＮし、可動レンズ部５１の移動速度ｖが規定の値Ａを超えたタイミングでアクチュエーター７４の駆動力をＯＦＦとすることで、可動レンズ部５１の往復運動の減衰を防ぎ、所望の速度での可動レンズ部５１の移動を継続することが可能となる。
【００４８】
レンズホルダー７２又は可動レンズ部５１の動作状態の監視については、レンズホルダー７２又は可動レンズ部５１の移動速度の下限だけでなく上限を設定してもよく、例えば目標速度の±１％以内または±２％以内で設定するなど、予め許容範囲を決めて制御を行えばよい。なお、アクチュエーター７４のタイミング制御については、レンズホルダー７２又は可動レンズ部５１の速さを監視するものに限らず、レンズホルダー７２又は可動レンズ部５１の振幅等の様々な動作状態を監視してアクチュエーター７４の動作のタイミング制御を行うことができる。例えば、レンズホルダー７２又は可動レンズ部５１の共振周波数について許容範囲を設定することもできる。つまり、アクチュエーター７４の駆動周波数をばね７５の共振周波数よりも大きくしてある場合、アクチュエーター７４の動作がＯＦＦとなると、ばね７５の振動周期が徐々に低下するので、これに基づいてアクチュエーター７４の動作の要否を判断することができる。この方法では、例えば６０Ｈｚでレンズホルダー７２等を駆動する場合を考えると、伸縮両端又は振幅両端の間の時間が、例えば８．３ｍｓｅｃより長い時間、または８．３ｍｓｅｃより長い時間で設定したある一定時間より長い時間、となればアクチュエーター７４の動作をＯＮして振幅や移動速度を維持するといった方法も考えられる。
【００４９】
アクチュエーター７４の駆動力のＯＮ及びＯＦＦのタイミングについては、レンズホルダー７２又は可動レンズ部５１の動作状態を監視するものに限らず、アクチュエーター７４の移動量、速度等の動作状態又は動作項目について予め許容範囲を定め、アクチュエーター７４の動作状態が上記許容範囲内にあるときは、アクチュエーター７４の駆動力をＯＦＦとし、レンズホルダー７２等の動作状態が上記許容範囲を超えた場合に、上記許容範囲内となるまでアクチュエーター７４の駆動力をＯＮさせる方法も考えられる。ここでの許容範囲判断は、アクチュエーター７４の駆動速度で行ってもよいし、駆動速度以外に振幅などの条件を加えてもよい。このような駆動方法を用いる場合、アクチュエーター７４の動作を監視する必要があるが、位置情報取得部７８は必須のものではなくなる。
【００５０】
レンズホルダー７２又は可動レンズ部５１の動作状態、或いはアクチュエーター７４の動作状態を監視してアクチュエーター７４の駆動力のＯＮ及びＯＦＦ制御を行う場合、動作状態又は動作項目が許容範囲に入った場合でも、許容範囲となって予め設定した所定時間に亘って許容範囲内に維持されている場合に限ってアクチュエーター７４の駆動力をＯＦＦさせるといった制御を行うことができる。このような制御とすることで、アクチュエーター７４の駆動力のＯＦＦ後に許容範囲外となるまでの時間を長く保てるといった効果が期待できる。このようにして、アクチュエーター７４の駆動力をＯＦＦとする時間をできるだけ長くすることで、アクチュエーター７４の駆動のための電力消費を抑えることができ望ましい。
【００５１】
アクチュエーター７４の駆動力のレンズホルダー７２への伝達は、レンズホルダー７２の振動が弱まった場合に限らず、レンズホルダー７２の１つの振動中の特定のタイミングや位相で行うことができる。例えばばね７５が伸びた状態から縮む方向にレンズホルダー７２が移動している際には、ばね７５が最も伸びた位置からばね７５が中立又はニュートラル位置となるまでの期間（図８の区間ＴＡ１参照）は、アクチュエーター７４の駆動力をＯＦＦとし、ばね７５が中立位置よりも更に縮んで最も縮んだ状態となるまでの期間（図８の区間ＴＡ２参照）は、ばね７５が逆の作用をするので、振動が減衰しないようアクチュエーター７４の駆動力をＯＮとする。また、逆の動きの際には、ばね７５が最も縮んだ位置からばね７５が中立位置となるまでの期間（図８の区間ＴＡ３参照）は、アクチュエーター７４の駆動力をＯＦＦとし、ばね７５が中立位置よりも更に伸びて最も伸びた状態となるまでの期間（図８の区間ＴＡ４参照）は、ばね７５が逆の作用をするので、振動が減衰しないようアクチュエーター７４の駆動力をＯＮとする。なお、以上は例示であり、区間ＴＡ２，ＴＡ４のうち一方のみでアクチュエーター７４の駆動力をＯＮとするといった制御も可能である。さらに、レンズホルダー７２の移動速度が最大になったタイミングでアクチュエーター７４によってレンズホルダー７２を加速すること、或いはレンズホルダー７２の振幅端付近でレンズホルダー７２の移動速度が遅くなったタイミングでアクチュエーター７４によってレンズホルダー７２を加速することもできる。
【００５２】
レンズホルダー７２又は可動レンズ部５１の移動を開始する際の制御については、例えばアクチュエーター７４に徐々に負荷をかけていき、最初はレンズホルダー７２等の変位を小さくし小さい振幅で振動動作をスタートさせ、その後徐々に振幅を増やしつつ速度を増して、所望の振幅となった時点で共振周波数にて駆動している状態とする方法が考えられる。この際アクチュエーター７４への負荷は比較的小さい状態で制御することが可能であるが、一方で、可動レンズ部５１の移動が定常状態になるまでの立ち上がり時間が長くなるという問題も発生する。したがって、可動レンズ部５１の移動に関して立ち上がり時間を速くする必要があるような場合又は用途においては、例えばアクチュエーター７４による駆動速度を一気に高めて可動レンズ部５１等を所望の振幅で共振させる制御とすれば、スタート時のアクチュエーター７４に負荷がかかるものの、定常状態となるまでの立ち上がり時間が短くできる利点がある。また、アクチュエーター７４の負荷と可動レンズ部５１等の振幅とをうまくバランスさせて、立ち上がり時の振幅及び周波数の制御を行うことで、所望の時間内で可動レンズ部５１の移動を定常状態としつつアクチュエーター７４の負荷が軽減されたスムーズな立ち上がり制御を行うこともできる。
【００５３】
以上説明した光学素子駆動方法では、ばね７５の作用を用いながらアクチュエーター７４を動作させるので、可動レンズ部５１を駆動するためのアクチュエーター７４の負荷を軽減でき、低消費電力化や高耐久化が可能であるとともに、可動レンズ部５１を高速で駆動することができる。
【００５４】
〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る光学素子駆動方法及びこれを利用する光学装置について説明する。なお、第２実施形態の光学素子駆動方法等は第１実施形態の光学素子駆動方法等を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。
【００５５】
図９に示すように、第２実施形態に係る光学素子駆動方法に用いるレンズ駆動系７０において、ばね７５，１７５は、ガイド部材７３に取り付けられている。より具体的には、ばね７５，１７５は、ガイド部材７３の２つのガイド軸７３ａの周りに被せるように巻き付けられている。この場合、ばね７５，１７５の伸縮方向をガイド部材７３の延びる方向と一致させやすくなり、ばね７５，１７５からの動力をレンズホルダー７２又は可動レンズ部５１に効率的に伝えることができる。また、ばね７５，１７５がガイド部材７３のガイド軸７３ａの周りに巻き付けられたコイルばねであることにより、ばね７５，１７５がガイド部材７３に確実に保持されるので、ばね７５，１７５やレンズホルダー７２の挙動が安定して望ましい。
【００５６】
図示の例では、各ガイド軸７３ａに対してレンズホルダー７２等を挟んでそれぞれ２本のばね７５及びばね１７５が取り付けられている。全体では、計４本のばね７５，１７５が取り付けられている。ガイド軸７３ａはレンズ移動方向と平行となるように延びており、レンズホルダー７２等が移動した際には、４本のばね７５，１７５がレンズ移動方向と平行な±Ｙに伸び縮みして作用する。ここで、同じガイド軸７３ａに取り付けられた２本のばね７５，１７５の片方のばね７５が伸びると他方のばね１７５が縮む構造となっている。両ばね７５，１７５の伸び縮みがガイド軸７３ａに沿って行われるので、両ばね７５，１７５の力の作用がレンズ移動方向と同じとなり、レンズホルダー７２を移動させる際の歪みやたわみといった誤差が発生しにくくなっている。
【００５７】
以上で説明した実施形態では、レンズ駆動系７０によってレンズホルダー７２を光軸ＡＸ方向に移動させているが、レンズ駆動系７０によって可動レンズ部５１を直接光軸ＡＸ方向に移動させることもできる。
【００５８】
レンズ駆動系７０によって可動レンズ部５１を移動させるかわりに、フィルター、拡散板等の光学素子を移動させることもできる。特に、図３に示す可動レンズ部５１を固定し、第２中間像ＴＩ２の位置に拡散板を配置し、レンズ駆動系７０と同様の機構によって拡散板を光軸ＡＸに沿って変位させることで、拡散板上に第２中間像ＴＩ２が強制的に形成され移動するので、拡散板の移動に応じて表示像（虚像）ＩＭの表示位置を高速で変化させることができる。
【００５９】
ばね７５については、コイルばねに限らず、レンズ等の変位量を大きくできるものであればよく、板ばねその他の各種ばねを用いることができる。なお、ばね７５は、２本以上に限らず、１本で用いることができる。さらに、ばね７５は、光軸ＡＸに対して平行とせず傾けて配置することもできる。
【００６０】
表示像（虚像）ＩＭの表示位置は、上記実施形態で例示した３か所に限らず、４か所以上の適当数に設定することができる。また、表示像ＩＭの表示は、位置を変化させて連続的又は断続的に行うことができる。
【００６１】
レンズ駆動系７０のガイド部材７３としては、軸状のものを用いる必要はなく、レンズホルダー７２等の移動を滑らかに案内する様々な手法を用いることができる。ガイド軸７３ａを用いる場合にも、２本のガイド軸７３ａを用いる必要はなく、可動レンズ部５１を変位させる際の挙動が安定するなら、ガイド軸を省略し、或いは１本のガイド軸を用いるだけでも構わないし、逆に安定が容易でない場合、３本以上のガイド軸を用いることもできる。通常は、２本以上のガイド軸を用いてそれらの配置をバランスさせることで、駆動時の可動レンズ部５１の傾き、振動等を低減することができる。
【００６２】
図３等に示す投影光学系１３は、単なる例示であり、これら投影光学系１３の光学的構成については適宜変更することができる。例えば、第１中間像ＴＩ１を形成しない光学系とでき、さらに第１及び第２中間像ＴＩ１，ＴＩ２を形成しない光学系とすることもできる。
【００６３】
投影光学系１３は、虚像を投影するものに限らず、実像である拡大像や縮小像を結像するものであってもよい。可動レンズ部５１を移動又は変位させる目的も、投影位置や投影サイズを変化させるものに限らず、結像に際してのフォーカシング位置や投影サイズを単独で変化させるものとできる。
【００６４】
コンバイナーとしての表示スクリーン２０は、フロントウィンドウ８とは別体で設置されるものに限らず、フロントウィンドウ８の内面を利用したり、フロントウィンドウ８中に埋め込まれたりするものとできる。
【００６５】
上記実施形態において、アクチュエーター７４に付随して、ばね７５が１つ以上設けられている。例えばばね７５が１つであれば、構成が簡素化されてコストを抑えることが可能となる。また、ばね７５，１７５が２つ以上であれば、力の作用をバランスさせることが容易となるので、例えば可動レンズ部５１の姿勢や動作を安定化させることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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