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CN106415122B - 前灯装置以及使用该前灯装置的车辆装置 - Google Patents

前灯装置以及使用该前灯装置的车辆装置 Download PDF

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CN106415122B CN201480079493.0A CN201480079493A CN106415122B CN 106415122 B CN106415122 B CN 106415122B CN 201480079493 A CN201480079493 A CN 201480079493A CN 106415122 B CN106415122 B CN 106415122B
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Abstract

具有投影功能的前灯装置(1)具备光源装置(2)、照明光学系统(3)、影像显示元件(4)、影像信号控制部(6)以及投影光学系统(5)。投影光学系统(5)构成为从影像显示元件(4)侧起具备具有折射作用的同轴透镜系统(11)、自由曲面透镜(12)以及自由曲面反射镜(13)。由此，能够将容易由驾驶员或者行人视觉辨认的影像投射到道路上。

Description

前灯装置以及使用该前灯装置的车辆装置
技术领域
本发明涉及具有影像投影功能的前灯装置以及使用该前灯装置的车辆装置。
背景技术
在现有技术中，已知将前灯用作光源的车辆用的投影装置。例如，专利文献1记载的投射装置具有前灯、投影器以及光提取口，在投影器功能时，投影器配置于从前灯至光提取口的光路中，将所形成的光学像投射到外部。另外，在前灯功能时，投影器构成为配置于不遮挡从前灯至光提取口的光路的位置，对路上的预定的范围进行照明。进而，在专利文献1中，公开了作为投影器功能而在道路上显示图像的例子。
专利文献1：日本特开2004－136838号公报
发明内容
在具有投影功能的前灯装置中，当在道路面上显示投影像的情况下，存在以下的课题。
在一般的投影装置中，投影像在前面形成，所以在车辆停驻的过程中观赏投射到壁面等的影像，这没有问题，但当在道路面上显示投影像的情况下，道路上的影像看起来被缩小，所以在该状态下，驾驶员或者行人难以视觉辨认。在专利文献1中，公开了在道路上显示影像的例子，但未考虑显示容易由驾驶员等观察的影像。
另外，在搭载有具有投影功能的前灯装置的车辆中，根据行驶状态，驾驶员或者行人的视觉辨认性发生变化，所以需要进行与此相应的影像的显示。在现有技术中未考虑到这一点。
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，提供一种将容易由驾驶员或者行人视觉辨认的影像投射到道路上的前灯装置以及使用该前灯装置的车辆装置。
本发明提供一种前灯装置，将影像投射到道路面，所述前灯装置的特征在于，具备：光源装置；照明光学系统，使从光源装置射出了的光会聚；影像显示元件，入射通过照明光学系统会聚了的光来形成光学像；影像信号控制部，对影像显示元件供给用于形成光学像的影像信号；以及投影光学系统，对通过影像显示元件形成的光学像进行放大而投射到道路面，投影光学系统构成为从影像显示元件侧起具备具有折射作用的同轴透镜系统、自由曲面透镜以及自由曲面反射镜。
根据本发明，能够将容易由驾驶员或者行人视觉辨认的影像投射到道路上，具有有助于防止交通事故的效果。
附图说明
图1是示出前灯装置的整体结构的框图(实施例1)。
图2是示出前灯装置和像面(道路面)的位置关系的图。
图3是示出投影光学系统的结构和光线方向的图。
图4是示出投影光学系统的透镜数据的一个例子的图。
图5是示出自由曲面透镜L8和自由曲面反射镜M9的曲面形状数据的图。
图6是示出非球面透镜L2和非球面透镜L7的曲面形状数据的图。
图7是示出投影像的歪曲像差的图。
图8是示出投影像的光量分布的图。
图9是示出投影像的光斑尺寸的图。
图10是示出搭载有前灯装置的车辆装置的图(实施例2)。
图11是说明影像信号控制部的动作的图。
(符号说明)
1：前灯装置；2：光源装置；3：照明光学系统；4：影像显示元件；5：投影光学系统；6：影像信号控制部；8：像面；9：道路；10：车辆装置；11：同轴透镜系统；12：自由曲面透镜；13：自由曲面反射镜；61：影像信号生成部；62：显示纵横比变更部；81、82：投影影像。
具体实施方式
以下，使用附图，说明本发明的实施例。
实施例1
在实施例1中，说明具有投影功能的前灯装置。
图1是示出前灯装置的整体结构的框图。前灯装置1构成为具有光源装置2、照明光学系统3、影像显示元件4、投影光学系统5以及影像信号控制部6。
光源装置2由放电灯、LED灯以及反射器构成。或者，也可以利用激光光源。照明光学系统3通过透镜使从光源装置2射出的光会聚而均匀化，并入射到影像显示元件4。影像显示元件4是例如液晶面板，通过影像信号对入射光进行调制，形成所投射的光学像。投影光学系统5将光学像放大而投射到像面8。在本实施例中，以像面8是道路面的情况为对象。影像信号控制部6对影像显示元件4供给用于形成光学像的影像信号。
在作为投影像而投射彩色影像的情况下，在照明光学系统3中设置R、G、B的颜色分离光学系统，作为影像显示元件4，由R、G、B的液晶面板构成，在投影光学系统5中设置颜色合成光学系统即可。
图2是示出前灯装置1和像面8(道路面)的位置关系的图。从前灯装置1的投影光学系统5射出的影像光被投射到作为道路面的像面8。以下，将像面8(道路面)设为XY面，将道路的宽度方向设为X轴，将行驶方向设为Y轴，将与其垂直的方向设为Z轴。
在本实施例中实现的投影像的位置和尺寸例如如下所述。从前灯装置1的射出位置(后述的投影光学系统5内的自由曲面反射镜4的光轴中心)划向像面8(道路面)的垂线的长度(Z轴方向)、即投影距离Z0为例如700mm。这是根据前灯装置1的从道路面起的高度来决定的值。另外，投影像的长边方向(Y轴方向)的尺寸Y0设为例如9519mm(＝10061－542)这样的大画面尺寸。其目的在于，使驾驶员、行人容易视觉辨认投射到道路的影像。其结果，根据投影距离与投影像的尺寸之比而定义的投影比为700/9519＝0.07这样的极小的值，为了实现这样的小的投影比，在投影光学系统5中，做成用于广角化的结构(特别是自由曲面透镜和自由曲面反射镜的组合)。由此，达到以往难以实现的投影比<0.1。
图3是示出图1的投影光学系统5的结构和光线方向的图。
在影像显示元件4射出的影像光通过由罩玻璃14和全反射棱镜(TIR)15构成的滤色片，在同轴透镜系统11和自由曲面透镜12处受到折射作用，在自由曲面反射镜13处受到反射作用，之后，投射到作为像面8的道路。
同轴透镜系统11是由具有正的光焦度的透镜群(透镜L1～透镜L3)和具有负的光焦度的透镜群(透镜L4～透镜L7)构成的反焦距类型。此外，各透镜L1～L7具有公共的光轴16。
关于各透镜的形状，从影像显示元件4的一侧起，做成玻璃制且具有正的光焦度并且使小的曲率半径朝向影像显示元件4的一侧(以下称为入射侧)的透镜L1、塑料制且使凸面朝向入射侧的弯月形状的非球面透镜L2、玻璃制且具有正的光焦度的双凸形状的透镜L3。进而，包括玻璃制且具有正的光焦度并且使凹面朝向入射侧的弯月形状的透镜L4、玻璃制且具有负的光焦度的双凹形状的透镜L5、玻璃制且具有正的光焦度并且使凹面朝向入射侧的弯月形状的透镜L6以及塑料制的奇数次非球面透镜且使凹面朝向入射侧的弯月形状的透镜L7。
自由曲面透镜12由塑料制且使凹面朝向入射侧的弯月透镜形状的自由曲面透镜L8构成。
自由曲面反射镜13由做成反射镜的上侧13a为凹面状、下侧13b成为凸面状的自由曲面形状的自由曲面反射镜M9构成。此外，关于反射镜M9’，为了容易理解地显示反射镜M9的曲面形状的特征，将自由曲面系数扩大5倍而示出。从反射镜的上侧13a射出的光形成图2的像面8的远的位置(Y＝10061mm侧)的投影像，另外，从反射镜的下侧13b射出的光形成像面8的近的位置(Y＝542mm侧)的投影像。
图4是示出投影光学系统的透镜数据的一个例子的图。示出从罩玻璃至自由曲面反射镜M9的数据。关于曲率半径，用正的符号表示曲率半径的中心位置处于行进方向的情况。面间距离表示从各面的顶点位置至接下来的面的顶点位置的光轴上的距离。
偏心是Y轴方向的值，歪斜是在YZ平面内绕X轴的旋转。关于偏心/歪斜，在相应的面上按照偏心和歪斜的顺序发挥作用，在“普通偏心”中，在偏心/歪斜发挥作用的新的坐标系上的面间距离的位置处，配置接下来的面。另一方面，在“离心&返回(DAR)”中，偏心和歪斜仅在该面上发挥作用，不影响到接下来的面。玻璃材料名中的PMMA是塑料的丙烯酸。
图5是示出自由曲面透镜L8和自由曲面反射镜M9的曲面形状数据的图。自由曲面形状Z通过作为XY的多项式的公式1来定义，将图5的数值用于多项式的各系数C。
[式1]
在此，透镜L8和反射镜M9的形状是关于各自的光轴(Z轴)而旋转非对称的自由曲面形状，根据圆锥项的分量和XY的多项式的项的分量来定义。例如，在X是2次(m＝2)且Y是3次(n＝3)的情况下，j＝{(2+3)2+2+3×3}/2+1＝19，C19的系数相对应。另外，自由曲面各自的光轴的位置根据图4的透镜数据中的偏心/歪斜的量来决定。
图6是示出非球面透镜L2和非球面透镜L7的曲面形状数据的图，(a)是透镜L2、(b)是透镜L7的数据。非球面形状Z根据从光轴起的高度h的多项式即公式2来定义，将图6的数值用于多项式的各系数。
[式2]
在此，透镜L2和L7的形状是关于各自的光轴(Z轴)而旋转对称的非球面形状，使用(a)所示的圆锥项的分量和从光轴起的高度h的4次至20次的偶数次的分量来定义。
进而，非球面透镜L7用奇数次多项式表示，是对(a)的非球面形状加上(b)的奇数次的分量而得到的形状。在该情况下，高度h也是正的值，所以为旋转对称的形状。
以下，作为本实施例的投影像的光学性能，说明歪曲性能、光量分布以及光斑尺寸。
图7是示出投影像的歪曲像差的图。关于从前灯装置看到的投影像，X轴方向为横向、Y轴方向为纵向。用虚线表示影像显示元件4的影像显示范围，用实线表示像面8中的影像显示范围。另外，为了表示影像的偏斜，针对影像显示元件4的影像显示范围，在横向(X轴)上进行9分割，在纵向(Y轴)上进行16分割，显示从分割线的各交点射出的光线被投射到像面的位置。在此，关于从影像显示元件4的影像显示范围的中心位置射出的光线被投射到像面8的位置，显示为是相同的位置(○标记)。
如果作为标准的影像显示元件4，设想影像显示范围的X尺寸是6.1mm、Y尺寸是9.8mm的长方形的情况，则纵横比是1.6。
针对它的投影像为在纵深方向上扩宽的梯形形状。接近前灯装置的一侧(附图的底边)的X尺寸是1502mm，远离前灯装置的一侧(附图的上边)的X尺寸是5317mm，存在5317/1502＝3.5倍的差异。另外，如图2所示，纵深方向的Y尺寸(Y0)是9519mm。关于此时的纵横比，如果根据X尺寸的平均值(X0)即3410mm来求，则为Y0/X0＝9519/3410＝2.8。
接下来，以按从驾驶员的眼睛起的距离计算出的视场角来说明这样的投影像的形状。如果对图2所示的从前灯装置至投影像的Y轴方向的距离542～10061mm加上假设为2m的从驾驶员的眼睛至前灯装置的距离，则从驾驶员的眼睛至投影像的距离为2542～12061mm。因此，从驾驶员的眼睛的位置看到的视场角在投影像的底边处为tan－1(1502/2542)＝31度，在投影像的上边处为tan－1(5317/12061)＝24度。即，投影像的X尺寸在底边和上边存在3.5倍的差异，但在从驾驶员的眼睛起的视场角下，缩小为31/24＝1.3倍的差异，可以说是影像的偏斜少且容易观察的影像。
另外，关于纵横比，如果用十字形影像图案(○标记位置是中心)的纵横比来表现，则作为X尺寸而使用通过○标记位置的X0’＝2557mm，Y0/X0’＝9519/2557＝3.7，纵向大幅地长。由此，能够使用纵横比1.6的影像显示元件4，投射使纵横比大幅放大成3.7的影像。通过这样使纵横比放大来投射，能够显示容易由驾驶员视觉辨认的影像。
图8是示出投影像的光量分布的图。关于光量分布，接近前灯装置的一侧(底边)处的光量变大，远离前灯装置的一侧(上边)处的光量变小。这对应于在图7中叙述的投影像的梯形化(X尺寸的变化)。关于这一点，如果进行如在图7中说明的那样的驾驶员的视场角的校正，则光量之差也缩小。
图9是示出投影像的光斑尺寸的图。在影像显示元件4的右侧半面配置25个的物点，表示与其对应的像面上的光斑尺寸。此外，该光学系统是左右对称(相对于Y轴对称)，所以相当于在影像显示元件4整体中配置了45个的物点。关于物点的坐标，按最大值±1对影像显示元件4的影像显示范围的尺寸进行标准化。像面上的光斑尺寸在各位置处都为30mm以下，将它与投影像整体的尺寸进行比较。如果按图7所示的梯形区域的Y方向的尺寸Y0＝9519mm和X方向的平均尺寸X0＝3410mm来定义投影像尺寸，则相当于398英寸尺寸。光斑尺寸为30mm以下相当于相对于398英寸尺寸的0.3％以下，所以可知是良好的光斑尺寸。
这样，在实施例1的前灯装置的投影性能中，相对于投影距离(Z轴方向)700mm，投影像的尺寸(Y轴方向的长度)为9519mm，能够实现投影比是0.07这样的以往没有的大幅的广角化。另外，能够投射使从驾驶员看到的影像的纵横比也大幅放大到3.7的影像，能够显示对于驾驶员而言容易观察的影像。
实施例2
在实施例2中，说明搭载有在实施例1中叙述的前灯装置的车辆装置。此时，进行切换投影像的纵横比的动作，但在将投影像显示于道路的情况下，根据谁从哪个方向观察，投影像的纵横比变化。因此，在实施例2中，将[从驾驶员看到的纵横比]定义为[从驾驶员看到的投影像的纵向尺寸]/[从驾驶员看到的投影像的横向尺寸]。
图10是示出实施例2的车辆装置的图。在车辆装置(车辆)10中搭载前灯装置1，将道路9作为像面8来投影影像。在车辆10中，具有未图示的行驶速度检测部，前灯装置1的影像信号控制部6根据车辆的行驶速度，控制所投射的影像。以下，说明具体的影像控制的例子。
在驾驶员进行例如右拐指示的操作时，从前灯装置1显示表示在道路9右拐的右转弯的箭头的影像81。为了让驾驶员容易看到，该显示影像81设为在行驶方向(Y轴方向)上长的纵向长的纵横比的箭头(例如纵横比>2)。这是由于与将作为在道路上描绘有的速度限制的例如“60”的显示设为纵向长的情形同样的理由。
在该状态下，当车辆10接近右拐的路口等时，驾驶员降低车辆的速度。影像信号控制部6与车辆的速度的变化对应地，如显示影像82那样，切换为纵横比小的箭头(例如纵横比＝1)。其理由在于，当在路口右拐的情况下，使处于其右拐目的地的对方的车辆、过人行横道的行人容易视觉辨认显示影像。其结果，通过向周围通知右拐车的存在，具有防止交通事故的效果。
在此，叙述了车辆右拐的情况，但在左拐的情况下当然也有效。另外，与显示影像的纵横比的变更同时地，将显示影像的颜色变更为红色那样的识别性高的颜色、使显示影像闪烁，这也是有效的。
图11是说明前灯装置1的影像信号控制部6的动作的图。影像信号控制部6具有影像信号生成部61和显示纵横比变更部62。影像信号生成部61接受驾驶员的操作信息，生成预定的影像信号并供给到影像显示元件4。例如，当接受进行右拐的驾驶操作信息时，将作为右转弯的箭头的影像信号供给到影像显示元件4，从投影光学系统5在道路上显示右转弯的箭头的影像81。
另一方面，显示纵横比变更部62从车辆装置10的行驶速度检测部取得行驶速度的信息。显示纵横比变更部62将当前行驶速度与预先确定的阈值进行比较，根据是否大于阈值来决定进行显示的纵横比，切换对影像显示元件4供给的信号。为了切换影像的纵横比，有进行使影像图案的纵向尺寸放大/缩小的影像处理的方法、准备影像图案的纵横比不同的图案并选择图案的方法等。或者，根据影像的种类，也可以是使影像图案原样地不变化而将显示范围(照射范围)设为仅一部分(使例如上端部和下端部变暗)的方法，都能够变更外观上的显示影像的纵横比。
这样在本实施例中，能够根据车辆的行驶状态，切换道路上的影像的显示范围，具有有助于防止交通事故的效果。

Claims (6)

1.一种前灯装置，将影像投射到道路面，所述前灯装置的特征在于，具备：
光源装置；
照明光学系统，使从所述光源装置射出的光会聚；
影像显示元件，入射通过所述照明光学系统会聚了的光来形成光学像；
影像信号控制部，对所述影像显示元件供给用于形成所述光学像的影像信号；以及
投影光学系统，对通过所述影像显示元件形成的光学像进行放大而投射到道路面，
所述投影光学系统构成为从所述影像显示元件侧起具备具有折射作用的同轴透镜系统、自由曲面透镜以及自由曲面反射镜，
从所述前灯装置看到的道路面上的投射影像的纵横比大于所述影像显示元件的纵横比。
2.根据权利要求1所述的前灯装置，其特征在于，
在将从所述投影光学系统的射出位置划至投影影像的道路面的垂线的长度设为投影距离Z0、并将道路面上的投影影像的长边的长度设为Y0时，
满足投影比＝Z0/Y0＜0.1。
3.根据权利要求1所述的前灯装置，其特征在于，
在将从该前灯装置看到的道路面上的投影影像的纵向尺寸设为Y0、并将横向尺寸设为X0时，
满足纵横比＝Y0/X0＞2。
4.一种车辆装置，搭载有权利要求1至3中的任意一项所述的前灯装置，所述车辆装置的特征在于，
所述影像信号控制部具备：
影像信号生成部，根据驾驶员的操作信息，生成预定的影像信号，并供给到所述影像显示元件；以及
显示纵横比变更部，根据该车辆装置的行驶速度信息，决定投影影像的纵横比，切换供给到所述影像显示元件的影像信号。
5.根据权利要求4所述的车辆装置，其特征在于，
在将从驾驶员看到的投影影像的纵横比设为[从驾驶员看到的投影影像的纵向尺寸]/[从驾驶员看到的投影影像的横向尺寸]时，
所述显示纵横比变更部在该车辆装置的行驶速度比预定的速度慢的情况下，将从驾驶员看到的投影影像的纵横比切换得较小。
6.根据权利要求5所述的车辆装置，其特征在于，
通过所述显示纵横比变更部将从驾驶员看到的投影影像的纵横比切换得较小是指如下情况：作为投影影像，通过所述影像信号生成部生成表示右拐显示或者左拐显示的影像信号。
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