JP2020148950A - Head-up display device - Google Patents

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JP2020148950A JP2019047326A JP2019047326A JP2020148950A JP 2020148950 A JP2020148950 A JP 2020148950A JP 2019047326 A JP2019047326 A JP 2019047326A JP 2019047326 A JP2019047326 A JP 2019047326A JP 2020148950 A JP2020148950 A JP 2020148950A
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Mitsutaka Saito
允孝 齋藤
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Abstract

To provide a head-up display device that is small in size and can project a virtual image at a plurality of distances.SOLUTION: A head-up display device 100 includes a drawing device 11 for displaying an image to be projected, an intermediate screen 16m having a diffusive function and disposed on a light emission side of the drawing device 11, and an enlarging optical system 17 for enlarging and projecting an intermediate image TI formed on the intermediate screen 16m, and further includes a turn-back mirror 112 between the drawing device 11 and the intermediate screen 16m, for reflecting the light projected from the drawing device 11 to direct to the intermediate screen 16m. The intermediate screen 16m has such deflection characteristics that an incident angle of the light projected from the drawing device 11 to the intermediate screen 16m is different from an emission angle of light outgoing from the intermediate screen 16m.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、視線の先に虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。 The present invention relates to a head-up display device that displays a virtual image ahead of the line of sight.

車等に搭載されるヘッドアップディスプレイ(HUD:Head-Up Display)装置において、設置場所に制限があるため、装置を小型化することが求められている。ヘッドアップディスプレイ装置の例として、虚像の視認性を高めるために、中間像形成部として拡散スクリーンと凹レンズとを組み合わせることにより、中間像形成部を透過した画像表示光の主光線の向きと配光角とを制御したものがある(特許文献1参照)。特許文献1のヘッドアップディスプレイ装置では、中間形成部に設けた凹レンズによって中間形成部を透過する主光線の方向を制御することにより、中間形成部と投射鏡との間の距離を短くしても大きな虚像を視認可能にしている。しかしながら、特許文献1の装置では、ユーザーの視点位置の移動を考慮する程度の角度制御を目的としているため、光学系の配置に制限があり装置の小型化が不十分となっている。 Since there are restrictions on the installation location of a head-up display (HUD) device mounted on a vehicle or the like, it is required to reduce the size of the device. As an example of a head-up display device, in order to improve the visibility of a virtual image, by combining a diffusion screen and a concave lens as an intermediate image forming portion, the direction and light distribution of the main ray of the image display light transmitted through the intermediate image forming portion. Some have controlled angles (see Patent Document 1). In the head-up display device of Patent Document 1, even if the distance between the intermediate forming portion and the projection mirror is shortened by controlling the direction of the main light ray passing through the intermediate forming portion by a concave lens provided in the intermediate forming portion. A large virtual image is visible. However, since the device of Patent Document 1 is intended for angle control to the extent that the movement of the viewpoint position of the user is taken into consideration, the arrangement of the optical system is limited and the device is insufficiently miniaturized.

特開2015−59969号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-59969

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、小型であり、複数の距離に虚像を投影可能であるヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above background technology, and an object of the present invention is to provide a head-up display device which is small in size and capable of projecting a virtual image at a plurality of distances.

上記課題を解決するため、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、投影する像を表示する描画デバイスと、拡散機能を有し描画デバイスの光射出側に配置される中間スクリーンと、中間スクリーンに形成された中間像を拡大投影する拡大光学系とを備え、描画デバイスと中間スクリーンとの間に描画デバイスから投射された光を中間スクリーンに向けて反射させる折り返しミラーを有し、中間スクリーンは、描画デバイスから投射された光の中間スクリーンへの入射角と、中間スクリーンから出射する光の出射角とが異なる偏向特性を有する。 In order to solve the above problems, the head-up display device according to the present invention is formed on an intermediate screen, a drawing device for displaying a projected image, an intermediate screen having a diffusion function and arranged on the light emitting side of the drawing device. It is equipped with a magnifying optical system that magnifies and projects the intermediate image, and has a folding mirror between the drawing device and the intermediate screen that reflects the light projected from the drawing device toward the intermediate screen, and the intermediate screen draws. The angle of incidence of the light projected from the device on the intermediate screen and the angle of emission of the light emitted from the intermediate screen have different deflection characteristics.

上記ヘッドアップディスプレイ装置によれば、中間スクリーンにおいて、描画デバイスから投射された光の入射角と出射角とが異なる構成とすることで、意図的に中間スクリーンの折り返しミラー側(又は中間スクリーンの反拡大光学系側)、具体的には下方に空間を作ることができる。つまり、中間スクリーンが偏向特性を有することにより、折り返しミラー及び描画デバイス等の位置を運転者側(又はアイボックス側)に飛び出さないようにし、装置を小型化することができる。 According to the above-mentioned head-up display device, in the intermediate screen, the incident angle and the exit angle of the light projected from the drawing device are different, so that the folded mirror side of the intermediate screen (or the anti-intermediate screen) is intentionally used. (Magnifying optical system side), specifically, a space can be created below. That is, since the intermediate screen has a deflection characteristic, the positions of the folding mirror, the drawing device, and the like can be prevented from protruding toward the driver side (or the eye box side), and the device can be miniaturized.

本発明の具体的な側面では、上記ヘッドアップディスプレイ装置は、中間スクリーンにおいて、光が偏向される角度は、0°以上30°以下である。ここで、光が偏向される角度とは、描画デバイスから投射された光の主光線に関して、中間スクリーンへの入射角と、中間スクリーンから出射する光の出射角との差を意味する。偏向角度を上記範囲とすることにより、折り返しミラーが他の部材と干渉することを防ぐことができる。 In a specific aspect of the present invention, in the head-up display device, the angle at which light is deflected on the intermediate screen is 0 ° or more and 30 ° or less. Here, the angle at which the light is deflected means the difference between the angle of incidence on the intermediate screen and the angle of emission of the light emitted from the intermediate screen with respect to the main ray of light projected from the drawing device. By setting the deflection angle within the above range, it is possible to prevent the folded mirror from interfering with other members.

本発明の別の側面では、中間スクリーンにおいて、中間スクリーンから出射する光は、描画デバイスから投射された光に対して描画デバイス側(又はアイボックスから離れる側)に傾斜する。この場合、中間スクリーンの下方に直接的に空間を作ることができる。 In another aspect of the present invention, in the intermediate screen, the light emitted from the intermediate screen is inclined toward the drawing device side (or the side away from the eyebox) with respect to the light projected from the drawing device. In this case, a space can be created directly below the intermediate screen.

本発明のさらに別の側面では、中間スクリーンにおいて、中間スクリーンから出射する光は、描画デバイスから投射された光に対して描画デバイスとは反対側(又はアイボックス側)に傾斜する。この場合、描画デバイスと他の部材との干渉をより低減しつつ中間スクリーンの折り返しミラー側(又は中間スクリーンの反拡大光学系側)、具体的には下方に空間を作ることができる。また、中間スクリーンを描画デバイス側によりシフトさせることができる。 In yet another aspect of the present invention, in the intermediate screen, the light emitted from the intermediate screen is inclined to the opposite side (or eyebox side) of the drawing device with respect to the light projected from the drawing device. In this case, a space can be created on the folded mirror side of the intermediate screen (or the anti-magnifying optical system side of the intermediate screen), specifically below, while further reducing the interference between the drawing device and other members. Further, the intermediate screen can be shifted by the drawing device side.

本発明のさらに別の側面では、描画デバイスは、デジタルミラーデバイスを有する。この場合、明るさを維持しつつ画像を高速で切替えることが容易になる。 In yet another aspect of the invention, the drawing device comprises a digital mirror device. In this case, it becomes easy to switch images at high speed while maintaining brightness.

本発明のさらに別の側面では中間スクリーンは、回転軸を中心に回転するディスク上に設けられている。この場合、中間スクリーンの光軸方向の移動を安定化させることができる。 In yet another aspect of the invention, the intermediate screen is provided on a disk that rotates about a rotation axis. In this case, the movement of the intermediate screen in the optical axis direction can be stabilized.

本発明のさらに別の側面では、拡大光学系は、第1ミラーと第2ミラーとを有する。 In yet another aspect of the invention, the magnifying optics comprises a first mirror and a second mirror.

(A)は、第1実施形態のヘッドアップディスプレイ装置を車体に搭載した状態を示す側方断面図であり、(B)は、ヘッドアップディスプレイ装置を説明する車内側からの正面図である。(A) is a side sectional view showing a state in which the head-up display device of the first embodiment is mounted on a vehicle body, and (B) is a front view from the inside of a vehicle for explaining the head-up display device. ヘッドアップディスプレイ装置の具体的な構成例を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the specific configuration example of a head-up display device. 描画デバイス等の構造を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the structure of a drawing device and the like. (A)及び(B)は、ヘッドアップディスプレイ装置のうち中間スクリーンを説明する平面図及び側面図であり、(C)は、中間スクリーンの回転に伴う機能領域の移動を説明する概念図である。(A) and (B) are a plan view and a side view explaining an intermediate screen among head-up display devices, and (C) is a conceptual diagram explaining the movement of a functional area with rotation of an intermediate screen. .. ヘッドアップディスプレイ装置における光線の具体例を説明する図である。It is a figure explaining a specific example of a light ray in a head-up display device. (A)は、第1実施形態のヘッドアップディスプレイ装置のうち虚像表示光学系等を説明する図であり、(B)は、比較例の虚像表示光学系等を説明する図である。(A) is a diagram for explaining a virtual image display optical system or the like in the head-up display device of the first embodiment, and (B) is a diagram for explaining a virtual image display optical system or the like of a comparative example. 図2に示すヘッドアップディスプレイ装置を含む移動体用表示システムを説明する概念的なブロック図である。It is a conceptual block diagram explaining the display system for a mobile body including the head-up display device shown in FIG. 移動体用表示システムによる具体的な表示状態を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the specific display state by the display system for a moving body. 第2実施形態のヘッドアップディスプレイ装置における光線の具体例を説明する図である。It is a figure explaining the specific example of the light ray in the head-up display device of 2nd Embodiment. 図9のヘッドアップディスプレイ装置のうち虚像表示光学系等を説明する図である。It is a figure explaining the virtual image display optical system and the like among the head-up display apparatus of FIG.

〔第1実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置の第1実施形態について説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, the first embodiment of the head-up display device according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図1(A)及び1(B)を参照して、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置100は、車体2内に搭載される表示装置であり、描画ユニット10と表示スクリーン20とを備える。ヘッドアップディスプレイ(HUD:Head-Up Display)装置100は、描画ユニット10中の後述する描画デバイス11(図3参照)に表示されている画像情報を、表示スクリーン20を介して運転者(観察者)UNに向けて虚像表示するものである。 With reference to FIGS. 1A and 1B, the head-up display device 100 of the present embodiment is a display device mounted in the vehicle body 2, and includes a drawing unit 10 and a display screen 20. The head-up display (HUD) device 100 displays the image information displayed on the drawing device 11 (see FIG. 3) described later in the drawing unit 10 through the display screen 20 by the driver (observer). ) A virtual image is displayed toward the UN.

ヘッドアップディスプレイ装置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、運転関連情報や危険信号等を含む画像に対応する表示光HKを表示スクリーン20に向けて出射する。表示スクリーン20は、コンバイナーとも呼ばれるハーフミラーであり、半透過性を有する凹面鏡又は平面鏡である。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させる。図示の場合、表示スクリーン20は、フロントガラス(ウインドシールド)8とは別体で設置される独立型のものとなっているが、表示スクリーン20はウインドシールドそのものであってもよい。 The drawing unit 10 of the head-up display device 100 is installed so as to be embedded in the dashboard 4 of the vehicle body 2, and directs the display light HK corresponding to the image including driving-related information and danger signals toward the display screen 20. And emit. The display screen 20 is a half mirror, also called a combiner, and is a semitransparent concave mirror or a plane mirror. The display screen 20 is erected on the dashboard 4 by the support of the lower end, and reflects the display light HK from the drawing unit 10 toward the rear of the vehicle body 2. In the case of the illustration, the display screen 20 is a stand-alone type installed separately from the windshield (windshield) 8, but the display screen 20 may be the windshield itself.

図1(A)及び図2に示すように、ハーフミラーである表示スクリーン20で反射された表示光HKは、運転席6に座った運転者UNの瞳HT及びその周辺位置に対応するアイボックスEBに導かれる。運転者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、運転者UNは、ハーフミラーである表示スクリーン20を透過した外界光、つまり前方景色、自動車等の実像を観察することができる。結果的に、運転者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や危険信号等を含む表示像(虚像)IMを観察することができる。 As shown in FIGS. 1A and 2, the display light HK reflected by the display screen 20 which is a half mirror is an eyebox corresponding to the pupil HT of the driver UN sitting in the driver's seat 6 and its peripheral position. Guided by EB. The driver UN can observe the display light HK reflected by the display screen 20, that is, the display image IM as a virtual image in front of the vehicle body 2. On the other hand, the driver UN can observe the outside light transmitted through the display screen 20 which is a half mirror, that is, the front view, the real image of the automobile and the like. As a result, the driver UN superimposes the external world image behind the display screen 20 and displays the display image (virtual image) IM including the driving-related information and the danger signal formed by the reflection of the display light HK on the display screen 20. Can be observed.

図2に示すように、描画ユニット10は、本体光学系13と、本体光学系13を動作させる表示制御部18と、本体光学系13等を収納するハウジング14とを備える。これらのうち本体光学系13と表示スクリーン(コンバイナー)20とを組み合わせたものは、虚像表示光学系30を構成する。なお、図2等において座標軸XYZは、一般的な運転者UNの瞳HT間の位置に対応するアイボックスEBの中心を原点とするが、便宜上原点をシフトさせた状態で表示されている。 As shown in FIG. 2, the drawing unit 10 includes a main body optical system 13, a display control unit 18 for operating the main body optical system 13, and a housing 14 for accommodating the main body optical system 13 and the like. Of these, the combination of the main body optical system 13 and the display screen (combiner) 20 constitutes the virtual image display optical system 30. In FIG. 2 and the like, the coordinate axis XYZ has the origin at the center of the eyebox EB corresponding to the position between the pupil HTs of a general driver UN, but is displayed in a state where the origin is shifted for convenience.

本体光学系13は、中間像TIを形成する中間像形成部12と、折り返しミラー112と、中間像TIの結像位置に近接して光路後段に配置される拡散部16と、拡散部16上に形成された中間像TIからの表示光HKが入射する拡大光学系17とを備える。詳細は後述するが、本体光学系13によって、表示像IMの虚像投影距離が可変となっている。本体光学系13のうち拡大光学系17と、本体光学系13の上方に配置された表示スクリーン20とを組み合わせたものは、拡散部16上の中間像TIを虚像に変換する射出側合成光学系30bを構成する。 The main body optical system 13 includes an intermediate image forming unit 12 that forms an intermediate image TI, a folded mirror 112, a diffusion unit 16 that is arranged in the latter stage of the optical path close to the imaging position of the intermediate image TI, and a diffusion unit 16. It is provided with a magnifying optical system 17 on which the display light HK from the intermediate image TI formed in is incident. Although the details will be described later, the virtual image projection distance of the display image IM is variable depending on the main body optical system 13. Of the main body optical systems 13, the combination of the magnifying optical system 17 and the display screen 20 arranged above the main body optical system 13 is an injection-side synthetic optical system that converts the intermediate image TI on the diffuser 16 into a virtual image. It constitutes 30b.

図3に示すように、中間像形成部12は、例えば、描画デバイス11と、描画デバイス11に形成された画像を拡大した中間像TIとして形成する投影光学系15とを備えるプロジェクターユニットである。描画デバイス11は、2次元的な表示面11aを有する表示部である。描画デバイス11の表示面11aに形成された像は、中間像形成部12のうち投影光学系15で拡大されて中間像TIとして拡散部16上に形成され、拡大光学系17等へ導かれる。この際、2次元表示が可能な描画デバイス11を用いることで、中間像TI又は表示像(虚像)IMの切替えを比較的高速とできる。詳細は後述するが、描画デバイス11には、例えばデジタルミラーデバイス(DMD:Digital Mirror Device)を用いることができ、この場合、中間像形成部12は、DLP(Digital Light Processing)(登録商標)となる。描画デバイス11としてDMDを用いると、明るさを維持しつつ画像を高速で切替えること(高速の間欠表示を含む)が容易になり、虚像距離又は投影距離を変化させる表示に有利である。応用例として、描画デバイス11は、虚像を複数距離に同時投影する場合には虚像1距離あたり例えば30fps以上、好ましくは60fps以上のフレームレートで表示させる。これにより、異なる投影距離に複数の表示像(虚像)IMを運転者UNに対して同時に表示されているように見せる際に虚像のちらつきを改善できる。 As shown in FIG. 3, the intermediate image forming unit 12 is, for example, a projector unit including a drawing device 11 and a projection optical system 15 that forms an image formed on the drawing device 11 as an enlarged intermediate image TI. The drawing device 11 is a display unit having a two-dimensional display surface 11a. The image formed on the display surface 11a of the drawing device 11 is magnified by the projection optical system 15 of the intermediate image forming unit 12 and formed on the diffusing unit 16 as an intermediate image TI, and is guided to the magnifying optical system 17 and the like. At this time, by using the drawing device 11 capable of two-dimensional display, switching between the intermediate image TI or the display image (virtual image) IM can be performed at a relatively high speed. Although details will be described later, for example, a digital mirror device (DMD) can be used as the drawing device 11, and in this case, the intermediate image forming unit 12 is referred to as DLP (Digital Light Processing) (registered trademark). Become. When the DMD is used as the drawing device 11, it becomes easy to switch images at high speed (including high-speed intermittent display) while maintaining brightness, which is advantageous for a display in which the virtual image distance or the projection distance is changed. As an application example, when the virtual image is simultaneously projected over a plurality of distances, the drawing device 11 displays the virtual image at a frame rate of, for example, 30 fps or more, preferably 60 fps or more per distance of the virtual image. Thereby, the flicker of the virtual image can be improved when a plurality of display image (virtual image) IMs are displayed to the driver UN at the same time at different projection distances.

図3は、描画デバイス11の具体的な構成を説明する図である。本実施形態では、描画デバイス11として、デジタルミラーデバイス(DMD)を有するものを例示している。描画デバイス11は、照明光を射出する照明光学系5と、照明光の2次元的な空間変調によって画像を生成する表示デバイス7とを備える。照明光学系5は、照明光を射出する3つの光源4a,4b,4cと、第1ダイクロイックミラー5aと、第2ダイクロイックミラー5bと、コリメーター5d,5e,5fと、リレーレンズ5hと、フライアイ光学系5jと、コンデンサーレンズ5m,5nと、折曲げミラー5pと、TIRプリズム5qと、平板5rとを備える。3つの光源4a,4b,4cは、LED(light emitting diode)その他の発光素子であり、R、G、及びBの3色の照明光La,Lb,Lcをそれぞれ射出する。光源4aは、R光源であり、光源4bは、G光源であり、光源4cは、B光源である。第1ダイクロイックミラー5aは、第2の光源(G光源)4bからのGの照明光Lbと、第3の光源(B光源)4cからのBの照明光Lcとを合成し、第2ダイクロイックミラー5bは、第1の光源(R光源)4aからのRの照明光Laと、第1ダイクロイックミラー5aで合成されたG及びBの照明光Lb,Lcとを合成する。各コリメーター5d,5e,5fは、各光源4a,4b,4cからの照明光La,Lb,Lcを平行光束に近い状態にする。リレーレンズ5hは、照明光Lb,Lc側の光路差を補償する役割を有する。フライアイ光学系5jは、オプティカルインテグレーターとも呼ばれ、各光源4a,4b,4cからの照明光La,Lb,Lcを均一化する。コンデンサーレンズ5m,5nは、フライアイ光学系5jを経た照明光La,Lb,Lcを適度の入射角範囲で表示デバイス7に入射させる。TIRプリズム5qは、全反射の有無を利用して照明光La,Lb,Lcの光路と表示光HKの光路とを分離する。具体的には、TIRプリズム5qを構成する一方のプリズムの斜面5wで照明光を全反射して投影光学系15の光軸AXに対して傾いた方向から照明光を表示デバイス7に導くことができ、表示デバイス7からの光を投影光学系15の光軸AXに沿った正面方向へは透過させて、表示光HKとして投影光学系15に入射させることができる。平板5rは、表示デバイス7のカバーガラスであるが、フィルター機能を持たせることもできる。 FIG. 3 is a diagram illustrating a specific configuration of the drawing device 11. In this embodiment, as the drawing device 11, a device having a digital mirror device (DMD) is illustrated. The drawing device 11 includes an illumination optical system 5 that emits illumination light, and a display device 7 that generates an image by two-dimensional spatial modulation of the illumination light. The illumination optical system 5 includes three light sources 4a, 4b, 4c that emit illumination light, a first dichroic mirror 5a, a second dichroic mirror 5b, collimators 5d, 5e, 5f, a relay lens 5h, and a fly. It includes an eye optical system 5j, condenser lenses 5m and 5n, a bending mirror 5p, a TIR prism 5q, and a flat plate 5r. The three light sources 4a, 4b, and 4c are LEDs (light emitting diodes) and other light emitting elements, and emit three colors of illumination lights La, Lb, and Lc of R, G, and B, respectively. The light source 4a is an R light source, the light source 4b is a G light source, and the light source 4c is a B light source. The first dichroic mirror 5a synthesizes the illumination light Lb of G from the second light source (G light source) 4b and the illumination light Lc of B from the third light source (B light source) 4c, and the second dichroic mirror 5b synthesizes the illumination light La of R from the first light source (R light source) 4a and the illumination lights Lb and Lc of G and B synthesized by the first dichroic mirror 5a. The collimators 5d, 5e, and 5f bring the illumination lights La, Lb, and Lc from the light sources 4a, 4b, and 4c into a state close to a parallel luminous flux. The relay lens 5h has a role of compensating for the optical path difference on the illumination light Lb and Lc sides. The fly-eye optical system 5j is also called an optical integrator and homogenizes the illumination lights La, Lb, and Lc from the light sources 4a, 4b, and 4c. The condenser lenses 5m and 5n make the illumination lights La, Lb, and Lc passing through the fly-eye optical system 5j incident on the display device 7 in an appropriate angle of incidence range. The TIR prism 5q separates the optical path of the illumination light La, Lb, Lc from the optical path of the display light HK by utilizing the presence or absence of total reflection. Specifically, it is possible to totally reflect the illumination light on the slope 5w of one of the prisms constituting the TIR prism 5q and guide the illumination light to the display device 7 from a direction inclined with respect to the optical axis AX of the projection optical system 15. The light from the display device 7 can be transmitted in the front direction along the optical axis AX of the projection optical system 15 and incident on the projection optical system 15 as the display light HK. The flat plate 5r is a cover glass of the display device 7, but can also have a filter function.

表示デバイス7は、デジタルミラーデバイス(DMD)であり、TIRプリズム5qから入射した照明光をTIRプリズム5q越しに投影光学系15に向けたり投影光学系15から逸らしたりするオン・オフ動作が可能である。表示デバイス7の動作は、順次発光する光源4a,4b,4cと同期しており、R、G、及びBの3色の表示光HKを順次又は同時に形成する。 The display device 7 is a digital mirror device (DMD), and can perform on / off operation such that the illumination light incident from the TIR prism 5q is directed to the projection optical system 15 or deflected from the projection optical system 15 through the TIR prism 5q. is there. The operation of the display device 7 is synchronized with the light sources 4a, 4b, and 4c that emit light sequentially, and forms the display light HK of three colors R, G, and B sequentially or simultaneously.

投影光学系15は、固定焦点のレンズ系であり、複数のレンズ要素を有する。投影光学系15は、描画デバイス11の表示面11aに形成された画像を中間像TI又は強制中間像TI’として拡散部16上(具体的には、拡散部16の表面に設けた中間スクリーン16mに近接した位置)に適当な倍率で拡大投影する。強制中間像TI’は、中間像TIそのものの他、中間像TIから位置ずれして僅かにピントがぼけたものも含み、広義に中間像TIと呼ぶこともある。 The projection optical system 15 is a fixed focus lens system and has a plurality of lens elements. The projection optical system 15 uses an image formed on the display surface 11a of the drawing device 11 as an intermediate image TI or a forced intermediate image TI'on the diffuser 16 (specifically, an intermediate screen 16 m provided on the surface of the diffuser 16). Enlarge and project at an appropriate magnification (at a position close to). The forced intermediate image TI'includes not only the intermediate image TI itself but also an image that is slightly out of focus due to a displacement from the intermediate image TI, and is sometimes referred to as an intermediate image TI in a broad sense.

図2等に示すように、折り返しミラー112は、平面ミラーであり、光学的パワーを有しない。折り返しミラー112は、中間像形成部12と拡散部16との間に設けられており、中間像形成部12から射出した光を拡散部16に向けて反射させる。具体的には、折り返しミラー112は、例えば、車体2前方からの光を上方に反射する。折り返しミラー112を設けることにより、装置の小型化を図ることができる。ただし、折り返しミラー112を単純に設けるだけでは装置の小型化は不十分であり、後述するように拡散部16の中間スクリーン16mに偏向特性を持たせることにより、折り返しミラー112を運転者UN(又はアイボックスEB側)とは反対側の車体2の前方側に配置させることができる。また、本実施形態において、中間像形成部12は、DLPであり、省スペース化の観点で折り返しミラー112は必須となっている。 As shown in FIG. 2 and the like, the folded mirror 112 is a planar mirror and has no optical power. The folded mirror 112 is provided between the intermediate image forming portion 12 and the diffusing portion 16, and reflects the light emitted from the intermediate image forming portion 12 toward the diffusing portion 16. Specifically, the folded mirror 112 reflects light from the front of the vehicle body 2 upward, for example. By providing the folded mirror 112, the size of the device can be reduced. However, the miniaturization of the device is not sufficient simply by providing the folding mirror 112, and as will be described later, the intermediate screen 16m of the diffuser 16 is provided with a deflection characteristic so that the folding mirror 112 can be mounted on the driver UN (or It can be arranged on the front side of the vehicle body 2 on the side opposite to the eye box EB side). Further, in the present embodiment, the intermediate image forming portion 12 is a DLP, and the folded mirror 112 is indispensable from the viewpoint of space saving.

拡散部16は、表面に中間スクリーン16mを設けた透過型の拡散部材である。中間スクリーン16mは、拡散特性を有する。中間スクリーン16mは、入射した表示光HKを拡散させることによって結像位置(つまり中間像TIの結像予定位置又はその近傍)において中間像TI又は強制中間像TI’を形成する。中間スクリーン16mは、拡散角を所望の角度に制御することができる。後述するように拡散部16又は中間スクリーン16mを光軸AX方向に移動させることにより、強制中間像TI’の位置も光軸AX方向に移動させることができる。光軸AXとは、描画デバイス11の中心と、アイボックスEBの中心と、ヘッドアップディスプレイ装置100によって作られる描画デバイス11の中心に対応する像点(虚像)とを通るものである。中間スクリーン16mに強制中間像TI’が形成されるため、ここが新たな2次光源となって光が拡散するので、拡大光学系17で拡大投影してもアイボックスEBを広く確保することができる。中間スクリーン16mは、回転体16aに貼り付けられるシートとできるが、回転体16aの表面に形成された微細な凹凸パターンであってもよい。拡散部16又は中間スクリーン16mとしては、例えば拡散板、拡散スクリーン、マイクロレンズアレイ等を用いることができる。また、中間スクリーン16mは、回転体16aの内部に埋め込むように形成されたものであってもよい。なお、拡散部16において、回転体16aの周囲にカバーを設けてもよい。 The diffusion unit 16 is a transmission type diffusion member provided with an intermediate screen 16m on the surface. The intermediate screen 16m has a diffusion property. The intermediate screen 16m forms an intermediate image TI or a forced intermediate image TI'at the imaging position (that is, the planned imaging position of the intermediate image TI or its vicinity) by diffusing the incident display light HK. The intermediate screen 16m can control the diffusion angle to a desired angle. By moving the diffusion unit 16 or the intermediate screen 16m in the optical axis AX direction as described later, the position of the forced intermediate image TI'can also be moved in the optical axis AX direction. The optical axis AX passes through the center of the drawing device 11, the center of the eyebox EB, and the image point (virtual image) corresponding to the center of the drawing device 11 created by the head-up display device 100. Since the forced intermediate image TI'is formed on the intermediate screen 16 m, this becomes a new secondary light source and the light is diffused, so that the eyebox EB can be widely secured even if the magnified optical system 17 magnifies and projects the light. it can. The intermediate screen 16m can be a sheet attached to the rotating body 16a, but may be a fine uneven pattern formed on the surface of the rotating body 16a. As the diffuser 16 or the intermediate screen 16 m, for example, a diffuser, a diffuser, a microlens array, or the like can be used. Further, the intermediate screen 16m may be formed so as to be embedded inside the rotating body 16a. In the diffusion unit 16, a cover may be provided around the rotating body 16a.

拡散部16は、全体として円板に近い輪郭を有する螺旋状の回転体(回転するディスク)16aを有する。拡散部16は、図1に示す中間像形成部12による投影位置又は結像位置(つまり中間像TIの結像予定位置又はその近傍)に配置され、駆動装置162に駆動されて例えば一定速度で光軸AXに平行な回転軸SXの周りに回転する。 The diffusion unit 16 has a spiral rotating body (rotating disk) 16a having a contour similar to that of a disk as a whole. The diffusion unit 16 is arranged at the projection position or the imaging position (that is, the planned imaging position of the intermediate image TI or its vicinity) by the intermediate image forming unit 12 shown in FIG. 1, and is driven by the driving device 162, for example, at a constant speed. It rotates around the rotation axis SX parallel to the optical axis AX.

図4(A)及び図4(B)に示すように、回転体16aは、中央部16cと外周光学部16pとを有する。なお、図4(A)〜4(C)において、説明の都合上、拡散部16は局所的なxyz直交座標を基準に示している。回転体16aの外周光学部16pに形成された一方の表面16fは、平滑面又は光学面に形成されており、表面16f上には、全域に亘って拡散面となる中間スクリーン16mが設けられている。回転体16aの外周光学部16pに形成された他方の表面16sは、平滑面又は光学面に形成されている。回転体16aは、光透過性を有する螺旋状の部材であり、一対の表面16f,16sは、回転軸SXを螺旋軸とする螺旋面となっている。結果的に、一方の表面16f上に形成された中間スクリーン16mも螺旋面に沿って形成されたものとなっている。回転体16aは、回転軸SX又は光軸AX方向に関してほぼ等しい厚みtを有する。中間スクリーン16mは、螺旋の一周期に対応する範囲に形成されている。つまり、中間スクリーン16mは、螺旋の1ピッチ分の範囲に形成されている。この結果、拡散部16の周に沿った一箇所に段差部16jが形成されている。回転体16aをこのような形状とすることで、回転体16aに設けた中間スクリーン16mの光軸AX方向の位置を連続的に変化させることが可能となり、虚像投影距離を変化させる投影が可能となる。 As shown in FIGS. 4A and 4B, the rotating body 16a has a central portion 16c and an outer peripheral optical portion 16p. In FIGS. 4 (A) to 4 (C), for convenience of explanation, the diffusion unit 16 is shown with reference to local xyz Cartesian coordinates. One surface 16f formed on the outer peripheral optical portion 16p of the rotating body 16a is formed on a smooth surface or an optical surface, and an intermediate screen 16m serving as a diffusion surface is provided on the surface 16f over the entire area. There is. The other surface 16s formed on the outer peripheral optical portion 16p of the rotating body 16a is formed on a smooth surface or an optical surface. The rotating body 16a is a spiral member having light transmission, and the pair of surfaces 16f and 16s are spiral surfaces having the rotating axis SX as the spiral axis. As a result, the intermediate screen 16m formed on one surface 16f is also formed along the spiral surface. The rotating body 16a has substantially the same thickness t with respect to the rotation axis SX or the optical axis AX direction. The intermediate screen 16 m is formed in a range corresponding to one cycle of the spiral. That is, the intermediate screen 16m is formed in the range of one pitch of the spiral. As a result, a step portion 16j is formed at one location along the circumference of the diffusion portion 16. By forming the rotating body 16a in such a shape, it is possible to continuously change the position of the intermediate screen 16m provided on the rotating body 16a in the optical axis AX direction, and it is possible to perform projection that changes the virtual image projection distance. Become.

回転体16aにおいて、周方向に沿った一箇所は、本体光学系13の光軸AXが通る機能領域FAとなっており、機能領域FAにおける中間スクリーン16mの部分によって中間像TI(より正確には強制中間像TI’)が形成される。この機能領域FAは、回転体16aの回転に伴って回転体16a上において一定速度で移動する。つまり、回転体16aを回転させつつその一部である機能領域FAに表示光(映像光)HKを入射させることで、機能領域FA又は中間像TIの位置が光軸AXに沿って往復移動する(描画デバイス11の表示が動作していなければ、必ずしも表示としての中間像は形成されないが、中間像が形成されるであろう位置も中間像の位置と呼ぶ)。図示の例では、中間スクリーン16mが螺旋の一周期に対応する範囲に形成されているので、回転体16aの1回転で中間スクリーン16mの機能領域FA又は中間像TIは、光軸AX方向に段差に相当する距離だけ1往復することになる。 In the rotating body 16a, one location along the circumferential direction is a functional region FA through which the optical axis AX of the main body optical system 13 passes, and an intermediate image TI (more accurately) is formed by a portion of the intermediate screen 16 m in the functional region FA. A forced intermediate image TI') is formed. This functional area FA moves at a constant speed on the rotating body 16a as the rotating body 16a rotates. That is, by rotating the rotating body 16a and incident the display light (image light) HK on the functional region FA which is a part of the rotating body 16a, the position of the functional region FA or the intermediate image TI reciprocates along the optical axis AX. (If the display of the drawing device 11 is not operating, an intermediate image as a display is not necessarily formed, but the position where the intermediate image is likely to be formed is also called the position of the intermediate image). In the illustrated example, since the intermediate screen 16m is formed in a range corresponding to one cycle of the spiral, the functional region FA or the intermediate image TI of the intermediate screen 16m is stepped in the optical axis AX direction in one rotation of the rotating body 16a. It will make one round trip only for the distance corresponding to.

なお、投影光学系15は、拡散部16の回転体16a又は中間スクリーン16mの位置によってピントぼけが生じないように、機能領域FAの移動範囲以上の所定の焦点深度を有する。 The projection optical system 15 has a predetermined depth of focus equal to or larger than the moving range of the functional region FA so that the focus does not occur depending on the position of the rotating body 16a of the diffuser 16 or the intermediate screen 16m.

駆動装置162によって拡散部16を一定速度で回転軸SXの周りに回転させることで、既述のように、回転体16aの中間スクリーン16mが光軸AXと交差する位置(つまり機能領域FA)も光軸AX方向に移動する。つまり、例えば図4(C)に示すように、回転体16aの回転に伴って、中間スクリーン16m上の機能領域FAは、例えば等角度でずれた位置に設定された隣接する機能領域FA’に順次シフトし、光軸AX方向に移動する。このような機能領域FAの光軸AX方向への移動により、中間像TIの位置も光軸AX方向に移動させることができる。拡散部16が回転軸SXの周りに回転して機能領域FAに対応する中間像TIの位置が光軸AX方向に繰り返し周期的に移動し、拡大光学系17によって表示スクリーン20の背後に形成される虚像としての表示像IMと観察者である運転者UNとの距離を長く、又は短くすることができる。このように、投影される表示像IMの位置を前後に変化させるとともに、表示内容をその位置に応じたものとすることで、表示像IMまでの虚像距離又は投影距離を変化させつつ表示像IMを変化させることになり、一連の投影像としての表示像IMを3次元的なものとすることができる。 By rotating the diffuser 16 around the rotation axis SX at a constant speed by the drive device 162, as described above, the position where the intermediate screen 16m of the rotating body 16a intersects the optical axis AX (that is, the functional area FA) is also obtained. It moves in the direction of the optical axis AX. That is, for example, as shown in FIG. 4C, as the rotating body 16a rotates, the functional area FA on the intermediate screen 16m becomes, for example, an adjacent functional area FA'set at a position deviated at an equal angle. It shifts sequentially and moves in the optical axis AX direction. By moving the functional area FA in the optical axis AX direction, the position of the intermediate image TI can also be moved in the optical axis AX direction. The diffuser 16 rotates around the rotation axis SX, and the position of the intermediate image TI corresponding to the functional region FA repeatedly and periodically moves in the optical axis AX direction, and is formed behind the display screen 20 by the magnifying optical system 17. The distance between the display image IM as a virtual image and the driver UN who is the observer can be lengthened or shortened. In this way, by changing the position of the projected display image IM back and forth and making the display content according to the position, the display image IM is changed while changing the virtual image distance or the projection distance to the display image IM. Is changed, and the display image IM as a series of projected images can be made three-dimensional.

図5及び図6(A)に示すように、中間スクリーン16mは、描画デバイス11から投射された光の中間スクリーン16mへの入射角と、中間スクリーン16mから出射する光の出射角とが異なる偏向特性を有している。具体的には、中間スクリーン16m又は機能領域FAの短辺方向又は横方向に関して、中間像形成部12の光軸AX上の光に対応する光線ILの中間スクリーン16mへの入射角θ1が、拡大光学系17の光軸AX上の光に対応する光線OLの中間スクリーン16mからの出射角θ2と異なっている。なお、図5において、符号HK1は表示像(虚像)IMの下端に対応する表示光を示し、符号HK2は表示像(虚像)IMの中心に対応する表示光を示し、符号HK3は表示像(虚像)IMの上端に対応する表示光を示す。また、中間スクリーン16mにおいて、光が偏向される角度は、0°以上30°以下となっている。ここで、光が偏向される角度とは、描画デバイス11から投射された光の主光線に関して、中間スクリーン16mへの入射角と、中間スクリーン16mから出射する光の出射角との差を意味する。偏向角度を上記範囲とすることにより、折り返しミラー112が他の部材と干渉することを防ぐことができる。 As shown in FIGS. 5 and 6 (A), in the intermediate screen 16m, the angle of incidence of the light projected from the drawing device 11 on the intermediate screen 16m and the angle of emission of the light emitted from the intermediate screen 16m are different. It has characteristics. Specifically, the incident angle θ1 of the light ray IL corresponding to the light on the optical axis AX of the intermediate image forming unit 12 on the intermediate screen 16 m is enlarged with respect to the short side direction or the lateral direction of the intermediate screen 16 m or the functional region FA. It is different from the emission angle θ2 from the intermediate screen 16m of the light ray OL corresponding to the light on the optical axis AX of the optical system 17. In FIG. 5, reference numeral HK1 indicates a display light corresponding to the lower end of the display image (virtual image) IM, reference numeral HK2 indicates a display light corresponding to the center of the display image (virtual image) IM, and reference numeral HK3 indicates a display light (reference numeral HK3). Virtual image) Indicates the display light corresponding to the upper end of the IM. Further, in the intermediate screen 16 m, the angle at which light is deflected is 0 ° or more and 30 ° or less. Here, the angle at which the light is deflected means the difference between the angle of incidence on the intermediate screen 16m and the emission angle of the light emitted from the intermediate screen 16m with respect to the main ray of light projected from the drawing device 11. .. By setting the deflection angle within the above range, it is possible to prevent the folded mirror 112 from interfering with other members.

本実施形態において、中間スクリーン16mから出射する光は、描画デバイス11から投射された光に対して描画デバイス11側(又はアイボックスEBから離れる側)に傾斜している。これにより、中間スクリーン16mの折り返しミラー112側(又は中間スクリーン16mの反拡大光学系17側)、具体的には下方に直接的に空間SPを作ることができる。 In the present embodiment, the light emitted from the intermediate screen 16m is inclined toward the drawing device 11 side (or the side away from the eyebox EB) with respect to the light projected from the drawing device 11. As a result, the space SP can be directly formed on the folded mirror 112 side of the intermediate screen 16 m (or the anti-magnifying optical system 17 side of the intermediate screen 16 m), specifically, downward.

一方、図6(B)に比較例として示すように、中間スクリーン16mが偏向特性を有さない場合、折り返しミラー112は、運転者UN側(又はアイボックスEB側)により近い方に配置され、装置の小型化が不十分となる。 On the other hand, as shown in FIG. 6B as a comparative example, when the intermediate screen 16m does not have a deflection characteristic, the folding mirror 112 is arranged closer to the driver UN side (or the eyebox EB side). Insufficient miniaturization of the device.

図2等に示すように、拡大光学系17は、拡散部16の中間スクリーン16mに形成された強制中間像TI’を表示スクリーン20と協働して拡大する拡大光学系であり、運転者UNの前方に虚像としての表示像IMを形成する。拡大光学系17は、第1ミラー17aと第2ミラー17bとで構成される。第1及び第2ミラー17a,17bは、全体として凹形状を有する自由曲面ミラーであり、光学的なパワーを有している。ここで、自由曲面形状は、非球面も含むものである。 As shown in FIG. 2 and the like, the magnifying optical system 17 is a magnifying optical system that magnifies the forced intermediate image TI'formed on the intermediate screen 16 m of the diffuser 16 in cooperation with the display screen 20, and is a driver UN. A display image IM as a virtual image is formed in front of the screen. The magnifying optical system 17 is composed of a first mirror 17a and a second mirror 17b. The first and second mirrors 17a and 17b are free-curved mirrors having a concave shape as a whole and have optical power. Here, the free-form surface shape also includes an aspherical surface.

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、フィルム又は薄板状の光透過部材14bを配置することができる。 The housing 14 has an opening 14a through which the display light HK is passed, and a film or a thin plate-shaped light transmitting member 14b can be arranged in the opening 14a.

図7は、移動体用表示システム200を説明するブロック図であり、移動体用表示システム200は、その一部としてヘッドアップディスプレイ装置100を含む。このヘッドアップディスプレイ装置100は、図2に示す構造を有するものであり、ここでは説明を省略する。図7に示す移動体用表示システム200は、移動体である自動車等に組み込まれるものである。 FIG. 7 is a block diagram illustrating a mobile display system 200, and the mobile display system 200 includes a head-up display device 100 as a part thereof. The head-up display device 100 has the structure shown in FIG. 2, and description thereof will be omitted here. The moving body display system 200 shown in FIG. 7 is incorporated in a moving body such as an automobile.

移動体用表示システム200は、ヘッドアップディスプレイ装置100のほかに、環境監視部72と、主制御装置90とを備える。 The mobile display system 200 includes an environment monitoring unit 72 and a main control device 90 in addition to the head-up display device 100.

環境監視部72は、前方に近接する自動車、自転車、歩行者等を識別する部分であり、外部用カメラ72aと、外部用画像処理部72bと、外部画像判断部72cとを備える。外部用カメラ72aは、車体2内外の適所に設置されており、運転者UN又はフロントガラス8の前方、側方等の外部画像を撮影する。外部用画像処理部72bは、外部用カメラ72aで撮影した画像に対して明るさ補正等の各種画像処理を行って外部画像判断部72cでの処理を容易にする。外部画像判断部72cは、外部用画像処理部72bを経た外部画像からオブジェクトの抽出又は切り出しを行うことによって自動車、自転車、歩行者等の対象物(例えば図8に示すオブジェクトOB参照)の存否を検出するとともに、外部画像に付随する奥行情報から車体2前方における対象物の空間的な位置を算出する。 The environment monitoring unit 72 is a part that identifies an automobile, a bicycle, a pedestrian, etc. that are close to the front, and includes an external camera 72a, an external image processing unit 72b, and an external image determination unit 72c. The external camera 72a is installed at an appropriate position inside and outside the vehicle body 2 and captures external images of the driver UN or the windshield 8 in front of and to the side. The external image processing unit 72b performs various image processing such as brightness correction on the image captured by the external camera 72a to facilitate the processing by the external image determination unit 72c. The external image determination unit 72c determines the existence or nonexistence of an object such as an automobile, a bicycle, or a pedestrian (see, for example, the object OB shown in FIG. 8) by extracting or cutting out an object from an external image that has passed through the external image processing unit 72b. At the same time as detecting, the spatial position of the object in front of the vehicle body 2 is calculated from the depth information attached to the external image.

なお、外部用カメラ72aは、図示を省略しているが、例えば複眼型の3次元カメラである。つまり、外部用カメラ72aは、結像用のレンズと、CMOSその他の撮像素子とを一組とするカメラ素子をマトリックス状に配列したものであり、撮像素子用の駆動回路をそれぞれ有する。外部用カメラ72aを構成する複数のカメラ素子は、例えば奥行方向の異なる位置にピントを合わせるようになっており、或いは相対的な視差を検出できるようになっており、各カメラ素子から得た画像の状態(フォーカス状態、オブジェクトの位置等)を解析することで、画像内の各領域又はオブジェクトまでの距離を判定できる。 Although not shown, the external camera 72a is, for example, a compound eye type three-dimensional camera. That is, the external camera 72a is a matrix of camera elements in which a lens for imaging and a CMOS or other imaging element are arranged in a matrix, and each has a drive circuit for the imaging element. The plurality of camera elements constituting the external camera 72a are designed to focus on different positions in the depth direction, for example, or can detect relative parallax, and images obtained from each camera element. By analyzing the state of (focus state, object position, etc.), the distance to each area or object in the image can be determined.

また、上記のような複眼型の外部用カメラ72aに代えて、2次元カメラと赤外距離センサーとを組み合わせたものを用いても、撮影した画面内の各部(領域又はオブジェクト)に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。また、複眼型の外部用カメラ72aに代えて、2つの2次元カメラを分離配置したステレオカメラによって、撮影した画面内の各部(領域又はオブジェクト)に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。その他、単一の2次元カメラにおいて、焦点距離を高速で変化させながら撮像を行うことによっても、撮影した画面内の各部(領域又はオブジェクト)に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。 Further, even if a combination of a two-dimensional camera and an infrared distance sensor is used instead of the compound-eye type external camera 72a as described above, each part (area or object) in the captured screen is in the depth direction. Distance information can be obtained. Further, instead of the compound-eye type external camera 72a, a stereo camera in which two two-dimensional cameras are separately arranged can obtain distance information in the depth direction with respect to each part (area or object) in the captured screen. In addition, with a single two-dimensional camera, distance information in the depth direction can be obtained for each part (area or object) in the captured screen by performing imaging while changing the focal length at high speed.

表示制御部18は、主制御装置90の制御下で虚像表示光学系30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、主制御装置90を介して環境監視部72から受信した表示形状や表示距離を含む表示情報から、虚像表示光学系30に表示させる表示像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に関して周辺に位置する表示枠(例えば図8に示表示枠HW参照)のような標識とすることができる。 The display control unit 18 operates the virtual image display optical system 30 under the control of the main control device 90 to display a three-dimensional display image IM in which the virtual image distance or the projection distance changes behind the display screen 20. The display control unit 18 generates a display image IM to be displayed on the virtual image display optical system 30 from the display information including the display shape and the display distance received from the environment monitoring unit 72 via the main control device 90. The display image IM is, for example, a display frame (for example, see the display frame HW shown in FIG. 8) located in the vicinity of an automobile, a bicycle, a pedestrian, or another object existing behind the display screen 20 in the depth position direction thereof. It can be a sign like this.

主制御装置90は、ヘッドアップディスプレイ装置100、環境監視部72等の動作を調和させる役割を有し、環境監視部72によって検出した対象物の空間的な位置に対応するように、虚像表示光学系30によって投影される表示枠の空間的な配置を調整する。 The main control device 90 has a role of harmonizing the operations of the head-up display device 100, the environment monitoring unit 72, and the like, and virtual image display optics so as to correspond to the spatial position of the object detected by the environment monitoring unit 72. The spatial arrangement of the display frame projected by the system 30 is adjusted.

図8は、具体的な表示状態を説明する斜視図である。観察者である運転者UNの前方は観察視野に相当する検出領域VFとなっている。検出領域VF内、つまり道路及びその周辺に、歩行者等である人のオブジェクトOB1,OB3や、自動車等である移動体のオブジェクトOB2が存在すると考える。この場合、主制御装置90は、ヘッドアップディスプレイ装置100によって3次元的な表示像(虚像)IMを投影させ、各オブジェクトOB1,OB2,OB3に対して関連情報像としての表示枠HW1,HW2,HW3を付加する。この際、運転者UNから各オブジェクトOB1,OB2,OB3までの距離が異なるので、表示枠HW1,HW2,HW3を表示させる表示像IM1,IM2,IM3までの投影距離は、運転者UNから各オブジェクトOB1,OB2,OB3までの距離に相当するものとなっている。なお、表示像IM1,IM2,IM3の投影距離は、離散的であり、オブジェクトOB1,OB2,OB3までの現実の距離に対して正確に一致させることはできない。ただし、表示像IM1,IM2,IM3の投影距離と、オブジェクトOB1,OB2,OB3までの現実の距離との差が大きくなければ、運転者UNの視点が動いても視差が生じにくく、オブジェクトOB1,OB2,OB3と表示枠HW1,HW2,HW3との配置関係をほぼ維持することができる。 FIG. 8 is a perspective view illustrating a specific display state. The front of the driver UN, which is the observer, is a detection area VF corresponding to the observation field of view. It is considered that the objects OB1 and OB3 of a person such as a pedestrian and the object OB2 of a moving object such as an automobile exist in the detection area VF, that is, in the road and its surroundings. In this case, the main control device 90 projects a three-dimensional display image (virtual image) IM by the head-up display device 100, and displays frames HW1, HW2 as related information images for each object OB1, OB2, OB3. HW3 is added. At this time, since the distances from the driver UN to each object OB1, OB2, OB3 are different, the projected distance from the driver UN to each object is the projected distance to the display images IM1, IM2, IM3 for displaying the display frames HW1, HW2, HW3. It corresponds to the distance to OB1, OB2, and OB3. The projected distances of the displayed images IM1, IM2, and IM3 are discrete and cannot be accurately matched with the actual distances to the objects OB1, OB2, and OB3. However, if the difference between the projected distance of the displayed images IM1, IM2, IM3 and the actual distance to the objects OB1, OB2, OB3 is not large, parallax is unlikely to occur even if the viewpoint of the driver UN moves, and the object OB1, The arrangement relationship between the OB2 and OB3 and the display frames HW1, HW2 and HW3 can be substantially maintained.

以上で説明したヘッドアップディスプレイ装置100によれば、中間スクリーン16mにおいて、描画デバイス11から投射された光の入射角と出射角とが異なる構成とすることで、意図的に中間スクリーン16mの折り返しミラー112側(又は中間スクリーン16mの反拡大光学系17側)、具体的には下方に空間を作ることができる。つまり、中間スクリーン16mが偏向特性を有することにより、折り返しミラー112及び描画デバイス11等の位置を運転者UN側(又はアイボックスEB側)に飛び出さないようにし、装置を小型化することができる。 According to the head-up display device 100 described above, in the intermediate screen 16m, the incident angle and the exit angle of the light projected from the drawing device 11 are different from each other, so that the folded mirror of the intermediate screen 16m is intentionally folded. A space can be created on the 112 side (or the anti-magnifying optical system 17 side of the intermediate screen 16 m), specifically below. That is, since the intermediate screen 16m has a deflection characteristic, the positions of the folding mirror 112, the drawing device 11, etc. can be prevented from protruding to the driver UN side (or the eyebox EB side), and the device can be miniaturized. ..

〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置について説明する。なお、第2実施形態のヘッドアップディスプレイ装置は第1実施形態のヘッドアップディスプレイ装置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。
[Second Embodiment]
Hereinafter, the head-up display device according to the second embodiment will be described. The head-up display device of the second embodiment is a modification of the head-up display device of the first embodiment, and items not particularly described are the same as those of the first embodiment.

図9及び図10に示すように、中間スクリーン16mは、中間スクリーン16mから出射する光が、描画デバイス11から投射された光に対して描画デバイス11とは反対側(又はアイボックスEB側)に傾斜する偏向特性を有している。これにより、描画デバイス11と他の部材(具体的には、中間スクリーン16mに付帯する装置等)との干渉をより低減しつつ中間スクリーン16mの折り返しミラー112側(又は中間スクリーン16mの反拡大光学系17側)、具体的には下方に空間SPを作ることができる。また、中間スクリーン16mを描画デバイス11側によりシフトさせることができる。 As shown in FIGS. 9 and 10, in the intermediate screen 16m, the light emitted from the intermediate screen 16m is on the opposite side (or eyebox EB side) of the drawing device 11 with respect to the light projected from the drawing device 11. It has a tilting characteristic. As a result, the interference between the drawing device 11 and other members (specifically, the device attached to the intermediate screen 16m) is further reduced, and the folding mirror 112 side of the intermediate screen 16m (or the anti-magnifying optics of the intermediate screen 16m). System 17 side), specifically, a space SP can be created below. Further, the intermediate screen 16m can be shifted by the drawing device 11 side.

以上では、具体的な実施形態としてのヘッドアップディスプレイ装置について説明したが、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、上記のものには限られない。例えば、上記実施形態において、ヘッドアップディスプレイ装置100の配置を上下反転させて、フロントガラス8の上部又はサンバイザー位置に表示スクリーン20を配置することもできる。この場合、描画ユニット10の斜め下方前方に表示スクリーン20が配置される。また、上記ヘッドアップディスプレイ装置100において、運転者UNの頭部前方の空間を広く確保できる。上記実施形態では表示スクリーン20を平面又は凹面としたが、対称性をもたない自由曲面であってもよい。 Although the head-up display device as a specific embodiment has been described above, the head-up display device according to the present invention is not limited to the above. For example, in the above embodiment, the arrangement of the head-up display device 100 can be inverted so that the display screen 20 can be arranged on the upper part of the windshield 8 or at the sun visor position. In this case, the display screen 20 is arranged diagonally downward and forward of the drawing unit 10. Further, in the head-up display device 100, a wide space in front of the head of the driver UN can be secured. In the above embodiment, the display screen 20 is a flat surface or a concave surface, but it may be a free curved surface having no symmetry.

また、上記実施形態において、表示スクリーン20の輪郭は、矩形に限らず、様々な形状とすることができる。 Further, in the above embodiment, the outline of the display screen 20 is not limited to a rectangle, and may have various shapes.

また、上記実施形態において、図2等に示す本体光学系13は、単なる例示であり、これら本体光学系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、拡大光学系17又は投影光学系15の光路中において、光学的なパワーを持たない1つ以上のミラーを配置してもよい。 Further, in the above embodiment, the main body optical system 13 shown in FIG. 2 and the like is merely an example, and the optical configuration of these main body optical systems 13 can be appropriately changed. For example, one or more mirrors having no optical power may be arranged in the optical path of the magnifying optical system 17 or the projection optical system 15.

また、上記実施形態において、拡大光学系17には、2枚のミラーを設けたが、1枚又は3枚以上のミラーを設けてもよい。また、ミラーを省略してもよい。また、ミラーの光学面は対称性がある自由曲面としているが、これに限るものではなく、対称性を持たない自由曲面でもよい。また、ミラーは、凸面又は平面とすることもでき、曲面の場合、球面、非球面等とすることができる。 Further, in the above embodiment, the magnifying optical system 17 is provided with two mirrors, but one or three or more mirrors may be provided. Further, the mirror may be omitted. Further, the optical surface of the mirror is a free curved surface having symmetry, but the present invention is not limited to this, and a free curved surface having no symmetry may be used. Further, the mirror may be a convex surface or a flat surface, and in the case of a curved surface, it may be a spherical surface, an aspherical surface, or the like.

また、上記実施形態において、描画デバイス11として、DMDを用いたが、反射型液晶デバイス(LCOS:Liquid crystal on silicon)、液晶ディスプレイ(LCD:liquid crystal display)、他の種類の表示デバイス、例えば有機ELを用いてもよい。また、描画デバイス11は、反射型の素子の代わりに、MEMSを利用した走査型の映像デバイスを用いてもよい。 Further, in the above embodiment, the DMD is used as the drawing device 11, but a reflective liquid crystal device (LCOS: Liquid crystal on silicon), a liquid crystal display (LCD: liquid crystal display), and other types of display devices such as organic EL may be used. Further, the drawing device 11 may use a scanning type video device using MEMS instead of the reflective element.

また、上記実施形態において、表示スクリーン20としてコンバイナーを設けずに、図1(A)に示すフロントガラス(ウインドシールド)8に設けてもよい(図2参照)。具体的には、例えばフロントウインドウを形成するフロントガラス(ウインドシールド)8の運転席正面に設けた矩形の反射領域の内側に表示スクリーン20を貼り付けてもよい。なお、表示スクリーン20は、フロントガラス8内に埋め込むこともできる。 Further, in the above embodiment, the display screen 20 may be provided on the windshield (windshield) 8 shown in FIG. 1 (A) without providing the combiner (see FIG. 2). Specifically, for example, the display screen 20 may be attached to the inside of a rectangular reflection region provided in front of the driver's seat of the windshield (windshield) 8 forming the front window. The display screen 20 can also be embedded in the windshield 8.

また、上記実施形態において、投影光学系15は、固定焦点光学系としたが、焦点可変光学系であってもよい。 Further, in the above embodiment, the projection optical system 15 is a fixed focus optical system, but it may be a focus variable optical system.

また、上記実施形態において、中間スクリーン16mの構成は、ヘッドアップディスプレイ装置100の仕様に応じて適宜変更することができる。例えば、中間スクリーン16mの長辺方向にも偏向特性を有する構成としてもよい。また、中間スクリーン16mは、短辺方向や長辺方向に拡散特性を有する構成としてもよい。 Further, in the above embodiment, the configuration of the intermediate screen 16m can be appropriately changed according to the specifications of the head-up display device 100. For example, the intermediate screen 16 m may have a deflection characteristic in the long side direction as well. Further, the intermediate screen 16m may have a structure having diffusion characteristics in the short side direction and the long side direction.

また、上記実施形態では、回転体16aを用いて中間スクリーン16mを光軸AXに沿って移動させる構成としたが、中間スクリーン16mを光軸方向の位置が異なる複数部材で構成し、これら複数部材を回転機構その他の機構によって順次入れ替えることで中間スクリーン16mの配置を変化させることもできる。 Further, in the above embodiment, the intermediate screen 16m is moved along the optical axis AX by using the rotating body 16a, but the intermediate screen 16m is composed of a plurality of members having different positions in the optical axis direction, and these plurality of members. The arrangement of the intermediate screen 16m can be changed by sequentially replacing the screens with a rotating mechanism or other mechanism.

以上で説明したヘッドアップディスプレイ装置100は、自動車やその他移動体に搭載される投影装置に限らず、例えばデジタルサイネージ等に組み込むことができるが、これら以外の用途に適用することもできる。 The head-up display device 100 described above is not limited to a projection device mounted on an automobile or other moving body, and can be incorporated into, for example, digital signage, but can also be applied to applications other than these.

2…車体、 7…表示デバイス、 8…フロントガラス、 10…描画ユニット、 11…描画デバイス、 12…中間像形成部、 13…本体光学系、 15…投影光学系、 16…拡散部、 16a…回転体、 16m 中間スクリーン、 17…拡大光学系、 17a…第1ミラー、 17b…第2ミラー、 18…表示制御部、 20…表示スクリーン、 30…虚像表示光学系、 72…環境監視部、 90…主制御装置、 100…ヘッドアップディスプレイ装置、 112…折り返しミラー、 162…駆動装置、 200…移動体用表示システム、 AX…光軸、 EB…アイボックス、 FA…機能領域、 HK,HK1,HK2,HK3…表示光、 HT…瞳、 IMI,M1,IM2,IM3…表示像、 SX…回転軸、 TI…中間像、 UN…運転者 2 ... Body, 7 ... Display device, 8 ... Front glass, 10 ... Drawing unit, 11 ... Drawing device, 12 ... Intermediate image forming part, 13 ... Main body optical system, 15 ... Projection optical system, 16 ... Diffusing part, 16a ... Rotating body, 16m intermediate screen, 17 ... magnifying optical system, 17a ... first mirror, 17b ... second mirror, 18 ... display control unit, 20 ... display screen, 30 ... virtual image display optical system, 72 ... environmental monitoring unit, 90 … Main control device, 100… Head-up display device, 112… Folded mirror, 162… Drive device, 200… Display system for moving objects, AX… Optical axis, EB… Eyebox, FA… Functional area, HK, HK1, HK2 , HK3 ... Display light, HT ... Eye, IMI, M1, IM2, IM3 ... Display image, SX ... Rotation axis, TI ... Intermediate image, UN ... Driver

Claims (7)

投影する像を表示する描画デバイスと、拡散機能を有し前記描画デバイスの光射出側に配置される中間スクリーンと、前記中間スクリーンに形成された中間像を拡大投影する拡大光学系とを備え、
前記描画デバイスと前記中間スクリーンとの間に前記描画デバイスから投射された光を前記中間スクリーンに向けて反射させる折り返しミラーを有し、
前記中間スクリーンは、前記描画デバイスから投射された光の前記中間スクリーンへの入射角と、前記中間スクリーンから出射する光の出射角とが異なる偏向特性を有することを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
A drawing device for displaying an image to be projected, an intermediate screen having a diffusion function and arranged on the light emitting side of the drawing device, and a magnifying optical system for magnifying and projecting an intermediate image formed on the intermediate screen are provided.
A folded mirror is provided between the drawing device and the intermediate screen to reflect the light projected from the drawing device toward the intermediate screen.
The intermediate screen is a head-up display device characterized in that the angle of incidence of light projected from the drawing device on the intermediate screen and the angle of emission of light emitted from the intermediate screen have different deflection characteristics.
前記中間スクリーンにおいて、光が偏向される角度は、0°以上30°以下であることを特徴とする請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ装置。 The head-up display device according to claim 1, wherein the angle at which the light is deflected in the intermediate screen is 0 ° or more and 30 ° or less. 前記中間スクリーンにおいて、前記中間スクリーンから出射する光は、前記描画デバイスから投射された光に対して前記描画デバイス側に傾斜することを特徴とする請求項1及び2のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。 The method according to any one of claims 1 and 2, wherein in the intermediate screen, the light emitted from the intermediate screen is inclined toward the drawing device with respect to the light projected from the drawing device. Head-up display device. 前記中間スクリーンにおいて、前記中間スクリーンから出射する光は、前記描画デバイスから投射された光に対して前記描画デバイスとは反対側に傾斜することを特徴とする請求項1及び2のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。 One of claims 1 and 2, wherein in the intermediate screen, the light emitted from the intermediate screen is inclined to the side opposite to the drawing device with respect to the light projected from the drawing device. The head-up display device described in. 前記描画デバイスは、デジタルミラーデバイスを有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。 The head-up display device according to any one of claims 1 to 4, wherein the drawing device includes a digital mirror device. 前記中間スクリーンは、回転軸を中心に回転するディスク上に設けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。 The head-up display device according to any one of claims 1 to 5, wherein the intermediate screen is provided on a disk that rotates about a rotation axis. 前記拡大光学系は、第1ミラーと第2ミラーとを有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。 The head-up display device according to any one of claims 1 to 6, wherein the magnifying optical system includes a first mirror and a second mirror.
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