JP2021002050A - Head-up display - Google Patents

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柳澤 琢麿
Takamaro Yanagisawa
琢麿 柳澤
今井 哲也
Tetsuya Imai
哲也 今井
育也 菊池
Ikuya Kikuchi
育也 菊池
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Abstract

To provide a head-up display with an optical element having a Fresnel structure, capable of forming an eye box appropriately without making a viewer feel oppressed or uncomfortable.SOLUTION: A head-up display includes: a light source unit for emitting light constituting a display image; and an optical element on which the light emitted from the light source unit is made incident from above and which is disposed in a direction the same as a tilt direction of a windshield of a moving body. By reflecting the light constituting the display image on the optical element, the display image is visually recognized as a virtual image. The optical element has a half-mirror having a Fresnel structure formed in one flat plate to reflect the light from the light source unit by the half-mirror. To the half-mirror, such the Fresnel structure that a center of a free-form surface constituting a base of the Fresnel structure is not located at a center of the half-mirror, is applied. In the head-up display, a relative position between the light source unit and the optical element is set so that the light reflected by the half-mirror is not totally reflected and is emitted to the outside of the optical element.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本発明は、虚像として画像を視認させる技術分野に関する。 The present invention relates to a technical field in which an image is visually recognized as a virtual image.

従来から、虚像として画像を視認させるヘッドアップディスプレイなどの表示装置が知られている。一般的に、ヘッドアップディスプレイでは、小型液晶ディスプレイなどの小さな画面(実像)を、拡大された虚像として運転者に視認させるために、コンバイナ(合成器)と呼ばれるハーフミラーを用いている。例えば、特許文献1及び2には、フレネル構造を利用したコンバイナが提案されている。 Conventionally, display devices such as head-up displays that allow images to be visually recognized as virtual images have been known. Generally, in a head-up display, a half mirror called a combiner is used in order to make a driver visually recognize a small screen (real image) such as a small liquid crystal display as a magnified virtual image. For example, Patent Documents 1 and 2 propose a combiner using a Fresnel structure.

特許第4776669号公報Japanese Patent No. 4776669 特開2011−191715号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-191715

ところで、一般的な凹面ハーフミラーをコンバイナとして用いた場合には、実像の位置が固定されると、コンバイナによって形成される虚像観察可能領域(以下では「アイボックス」と呼ぶ。)を運転者の頭部付近に形成するのに必要なコンバイナの設置角度が自動的に決まってしまう。例えば、運転者の正面に設置されたコンバイナに対して実像を構成する光を上方から入射させる場合、コンバイナの設置角度はフロントガラスの傾斜とは逆方向に傾くことになる。この場合、アイボックスは適切な位置(運転者の頭部付近)に形成されるが、コンバイナの存在感が大きく、運転者に圧迫感や違和感を与えてしまう場合がある。そこで、コンバイナをフロントガラスと同じ方向に傾斜させると、コンバイナに対する圧迫感や違和感はかなり軽減されるが、アイボックスが適切な位置に形成されなくなり(例えば運転者の腹部にアイボックスが形成される)、運転者は虚像を視認することができなくなってしまう。 By the way, when a general concave half mirror is used as a combiner, when the position of the real image is fixed, the virtual image observable area (hereinafter referred to as "eye box") formed by the combiner is defined as the driver's eye box. The installation angle of the combiner required to form near the head is automatically determined. For example, when the light constituting the real image is incident on the combiner installed in front of the driver from above, the installation angle of the combiner is inclined in the direction opposite to the inclination of the windshield. In this case, the eyebox is formed at an appropriate position (near the driver's head), but the presence of the combiner is large, which may give the driver a feeling of oppression or discomfort. Therefore, if the combiner is tilted in the same direction as the windshield, the feeling of pressure and discomfort on the combiner is considerably reduced, but the eyebox is not formed in an appropriate position (for example, an eyebox is formed on the driver's abdomen). ), The driver will not be able to see the virtual image.

ここで、上記した特許文献2に記載されたような、コンバイナの中心とは異なる位置にフレネルパターンの中心が配置されたコンバイナを用いた場合、入射光と反射光との成す角度を一定に保ったまま、コンバイナとの相対角度を変えることができると考えられる。したがって、そのようなコンバイナを用いることで、コンバイナをフロントガラスと同じ方向に傾斜させてもアイボックスを運転者の頭部付近に適切に形成できると考えられる。しかしながら、フレネル構造を適用したコンバイナは、その反射面が表面ではなく基板内に存在するため、コンバイナにおける基板内部の反射面で反射した光が全反射することでコンバイナの外部に出射されない場合がある。特許文献1及び2には、そのような不具合については考慮されていない。 Here, when a combiner in which the center of the Fresnel pattern is arranged at a position different from the center of the combiner as described in Patent Document 2 described above is used, the angle formed by the incident light and the reflected light is kept constant. It is thought that the relative angle with the combiner can be changed as it is. Therefore, by using such a combiner, it is considered that the eye box can be appropriately formed near the driver's head even if the combiner is tilted in the same direction as the windshield. However, since the reflecting surface of the combiner to which the Fresnel structure is applied exists inside the substrate instead of the surface, the light reflected by the reflecting surface inside the substrate in the combiner may not be emitted to the outside of the combiner due to total internal reflection. .. Patent Documents 1 and 2 do not consider such a defect.

本発明が解決しようとする課題は上記のようなものが例として挙げられる。本発明は、フレネル構造の光学素子を有するヘッドアップディスプレイにおいて、観察者に圧迫感や違和感を与えることなく、アイボックスを適切に形成することを課題とする。 Examples of the problems to be solved by the present invention are as described above. An object of the present invention is to appropriately form an eye box in a head-up display having an optical element having a Fresnel structure without giving an observer a feeling of oppression or discomfort.

請求項1に記載の発明は、表示装置であって、表示像を構成する光を出射する光源部と、前記光源部が出射した光の一部を反射することで前記表示像を虚像として認識させるフレネル構造を有するミラーと、前記ミラーに対する前記光の入射面側に、前記ミラーと対面させて設けられた基板と、前記ミラーで反射した前記光源部からの光を、前記基板で全反射されることなく前記基板の外部へ導出させる、前記光源部、前記ミラー、前記基板を含む光学系と、を有することを特徴とする。 The invention according to claim 1 is a display device, which recognizes the display image as a virtual image by reflecting a light source unit that emits light constituting the display image and a part of the light emitted by the light source unit. The light from the mirror having the Frenel structure, the substrate provided facing the mirror on the incident surface side of the light with respect to the mirror, and the light source portion reflected by the mirror is totally reflected by the substrate. It is characterized by having the light source unit, the mirror, and an optical system including the substrate, which can be led out to the outside of the substrate without any trouble.

一般的なヘッドアップディスプレイを概略的に示した図である。It is a figure which showed schematic | general head-up display. コンバイナの設置角度とアイボックスの位置との関係を説明するための図を示す。The figure for demonstrating the relationship between the installation angle of a combiner and the position of an eye box is shown. 本実施例の基本概念を説明するための図を示す。The figure for demonstrating the basic concept of this Example is shown. オフセットされたフレネル構造が適用されたコンバイナを用いることで不具合が解決できることを説明するための図を示す。The figure for demonstrating that a defect can be solved by using a combiner to which an offset Fresnel structure is applied is shown. 課題1を具体的に説明するための図を示す。A diagram for specifically explaining Problem 1 is shown. 課題2を具体的に説明するための図を示す。A diagram for specifically explaining Problem 2 is shown. 射出角を全反射角未満にするための入射角の条件を説明するための図を示す。The figure for demonstrating the condition of the incident angle for making the injection angle less than the total reflection angle is shown. 第1実施例に係るコンバイナの最適な配置例を説明するための図を示す。The figure for demonstrating the optimum arrangement example of the combiner which concerns on 1st Example is shown. 第2実施例に係るコンバイナの最適な配置例を説明するための図を示す。The figure for demonstrating the optimum arrangement example of the combiner which concerns on 2nd Example is shown.

本発明の1つの観点では、表示像を構成する光を出射する光源部と、前記光源部からの光が上方から入射され、移動体のフロントガラスの傾斜方向と同じ方向にて配置された光学素子とを備え、前記表示像を構成する光を前記光学素子で反射することで当該表示像を虚像として視認させるヘッドアップディスプレイであって、前記光学素子は、一の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが形成され、当該ハーフミラーによって前記光源部からの光を反射し、前記ハーフミラーは、前記フレネル構造の元になる自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心に位置しないフレネル構造が適用されており、前記ハーフミラーで反射した光が全反射することなく前記光学素子の外部へ出射されるように、前記光源部と前記光学素子との相対位置が設定されている。 From one aspect of the present invention, the light source unit that emits the light constituting the display image and the optics that the light from the light source unit is incident from above and arranged in the same direction as the tilt direction of the front glass of the moving body. A head-up display including an element and reflecting the light constituting the display image by the optical element so that the display image can be visually recognized as a virtual image. The optical element has a Frenel structure in one flat plate. A half mirror is formed, and the light from the light source unit is reflected by the half mirror, and the half mirror has a Frenel structure in which the center of the free curved surface which is the basis of the Frenel structure is not located at the center of the half mirror. The relative position between the light source unit and the optical element is set so that the light reflected by the half mirror is emitted to the outside of the optical element without being completely reflected.

上記のヘッドアップディスプレイは、移動体に設置され、光源部から出射された表示像を構成する光を光学素子(例えばコンバイナ)で反射することで、当該表示像を虚像として視認させるために利用される。光学素子は、光源部からの光が上方から入射され、移動体のフロントガラスの傾斜方向と同じ方向にて配置される。また、光学素子は、一の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが形成され、当該ハーフミラーによって光源部からの光を反射する。ハーフミラーは、フレネル構造の元になる自由曲面の中心(例えば頂点)が、当該ハーフミラーの中心に位置しないフレネル構造が適用されている。ヘッドアップディスプレイでは、ハーフミラーで反射した光が、光学素子内部で全反射することなく光学素子の外部へ出射されるように、光源部と光学素子との相対位置が設定されている。言い換えると、ハーフミラーで反射した光が全反射することなく外部へ出射されるような入射角で、光源部からの光が光学素子に入射される。 The above-mentioned head-up display is installed on a moving body and is used to visually recognize the display image as a virtual image by reflecting the light constituting the display image emitted from the light source unit by an optical element (for example, a combiner). To. The optical element receives light from the light source unit from above and is arranged in the same direction as the inclination direction of the windshield of the moving body. Further, in the optical element, a Fresnel-structured half mirror is formed in one flat plate, and the light from the light source portion is reflected by the half mirror. A Fresnel structure is applied to the half mirror in which the center (for example, apex) of the free-form surface that is the basis of the Fresnel structure is not located at the center of the half mirror. In the head-up display, the relative position between the light source unit and the optical element is set so that the light reflected by the half mirror is emitted to the outside of the optical element without being totally reflected inside the optical element. In other words, the light from the light source unit is incident on the optical element at an incident angle such that the light reflected by the half mirror is emitted to the outside without being totally reflected.

上記のヘッドアップディスプレイによれば、ハーフミラーの中心に自由曲面の中心が位置しないフレネル構造が適用された光学素子を用いることで、光源部からの光が上方から入射される光学素子をフロントガラスと同じ方向に傾斜させても、観察者の頭部付近にアイボックスを適切に形成することができる。よって、観察者に圧迫感や違和感を与えることなく、アイボックスを適切な位置に形成することができる。また、上記のヘッドアップディスプレイによれば、ハーフミラーで反射した光が全反射することなく外部へ出射されるように光源部と光学素子との相対位置が設定されるため、ハーフミラーで反射した光を適切に出射させることができ、虚像の一部分が視認できないといった不具合を適切に回避することが可能となる。よって、光学素子の全面を有効に利用することが可能となる。 According to the above head-up display, by using an optical element to which a Fresnel structure in which the center of the free-form surface is not located at the center of the half mirror is applied, the optical element in which the light from the light source portion is incident from above is windshielded. Even if it is tilted in the same direction as the above, the eye box can be appropriately formed near the observer's head. Therefore, the eye box can be formed at an appropriate position without giving the observer a feeling of oppression or discomfort. Further, according to the above-mentioned head-up display, since the relative position between the light source unit and the optical element is set so that the light reflected by the half mirror is emitted to the outside without being totally reflected, the light is reflected by the half mirror. It is possible to appropriately emit light and appropriately avoid problems such as the inability to see a part of the virtual image. Therefore, the entire surface of the optical element can be effectively used.

上記のヘッドアップディスプレイの一態様では、前記光源部からの光が前記光学素子に入射する入射角を「θin」とし、前記光学素子において前記ハーフミラーの外側に設けられた基板の屈折率を「n」とし、前記自由曲面の焦点距離を「f」とし、前記光源部からの光が前記ハーフミラーに入射する位置と前記自由曲面の中心との距離を「OFS」とすると、前記入射角θinが下式の条件を満たすように、前記光源部と前記光学素子との相対位置が設定されている。 In one aspect of the head-up display, the incident angle at which the light from the light source unit is incident on the optical element is set to "θ in ", and the refractive index of the substrate provided on the outside of the half mirror in the optical element is defined. When "n" is set, the focal length of the free curved surface is "f", and the distance between the position where the light from the light source unit is incident on the half mirror and the center of the free curved surface is "OFS", the incident angle is The relative position between the light source unit and the optical element is set so that θ in satisfies the condition of the following equation.

θin>sin−1[n・sin{2tan−1(OFS/2f)−sin−1(1/n)}]
上記のヘッドアップディスプレイの他の一態様では、前記ハーフミラーの外側に設けられた基板の透過率の変化量が所定値以下となるような、前記光源部からの光が前記光学素子に入射する入射角の範囲が用いられるように、前記光源部と前記光学素子との相対位置が設定されている。
θ in > sin -1 [n · sin {2tan -1 (OFS / 2f) -sin -1 (1 / n)}]
In another aspect of the head-up display described above, light from the light source unit is incident on the optical element so that the amount of change in the transmittance of the substrate provided outside the half mirror is equal to or less than a predetermined value. The relative position between the light source unit and the optical element is set so that the range of the incident angle is used.

この態様では、基板の透過率の入射角依存性が少ない領域が用いられるように、光源部と光学素子との相対位置が設定されている。これにより、光学素子の面内での輝度変化(輝度むら)の発生を適切に抑制することができる。 In this embodiment, the relative positions of the light source unit and the optical element are set so that a region in which the transmittance of the substrate is less dependent on the incident angle is used. As a result, it is possible to appropriately suppress the occurrence of luminance change (luminance unevenness) in the plane of the optical element.

上記のヘッドアップディスプレイの他の一態様では、前記光源部は、P偏光を出射する。これにより、S偏光を用いる場合と比較して、基板の透過率(界面反射率)の入射角依存性を小さくすることができる。 In another aspect of the head-up display described above, the light source unit emits P-polarized light. As a result, the incident angle dependence of the transmittance (interfacial reflectance) of the substrate can be reduced as compared with the case of using S-polarized light.

上記のヘッドアップディスプレイの他の一態様では、前記光源部は、光源から照射された光の射出瞳を拡大する射出瞳拡大素子を有し、当該射出瞳拡大素子からの光を前記光学素子に向けて出射する。LCDやCRTを用いた場合には光が大きな角度で拡散するが、プロジェクタなどからの光を射出瞳拡大素子で広げる構成では、拡散角度を狭くコントロールすることを容易に実現することができる。 In another aspect of the head-up display, the light source unit has an exit pupil enlargement element that enlarges the exit pupil of the light emitted from the light source, and the light from the exit pupil enlargement element is sent to the optical element. It emits toward. When an LCD or CRT is used, the light is diffused at a large angle, but in a configuration in which the light from a projector or the like is spread by an exit pupil enlargement element, it is possible to easily control the diffusion angle to be narrow.

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。
<基本概念>
まず、本実施例の内容を説明する前に、本実施例の基本概念について説明する。
図1は、一般的なヘッドアップディスプレイを概略的に示した図である。ヘッドアップディスプレイでは、表示すべき画面(実像RI)を形成し、実像RIを構成する光をコンバイナ10で反射させることで、実像RIに対応する虚像VIを運転者に視認させる。例えば、実像RIは、小型液晶ディスプレイによって表示される画面や、プロジェクタによってスクリーンに形成される像(1つの例では射出瞳拡大素子(EPE: Exit-Pupil Expander)によって形成される像)に相当する。なお、小型液晶ディスプレイや、プロジェクタ及びスクリーンは、本発明における「光源部」の一例に相当する。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<Basic concept>
First, before explaining the contents of this embodiment, the basic concept of this embodiment will be described.
FIG. 1 is a diagram schematically showing a general head-up display. In the head-up display, a screen to be displayed (real image RI) is formed, and the light constituting the real image RI is reflected by the combiner 10, so that the driver can visually recognize the virtual image VI corresponding to the real image RI. For example, the real image RI corresponds to a screen displayed by a small liquid crystal display or an image formed on the screen by a projector (in one example, an image formed by an exit-pupil expander (EPE)). .. The small liquid crystal display, the projector, and the screen correspond to an example of the "light source unit" in the present invention.

昼間でも虚像VIを明るく視認させるためには、実像RIの発光輝度を上げれば良いが、消費電力やデバイス価格が増大するため、通常は光の利用効率を上げる手法が用いられている。光の利用効率を上げるために、一般的なヘッドアップディスプレイでは、実像RIの発光角度を制限するとともに、コンバイナ10で反射された光が観察者の頭部に集まるように、コンバイナ10として凹面ハーフミラーを用い、凹面ハーフミラーの焦点距離を適切な値に設定している。図1において符号EBで示す領域は、観察者の頭部付近に形成される虚像観察可能領域(アイボックス)である。 In order to make the virtual image VI bright and visible even in the daytime, it is sufficient to increase the emission brightness of the real image RI, but since the power consumption and the device price increase, a method of increasing the light utilization efficiency is usually used. In order to improve the efficiency of light utilization, in a general head-up display, the emission angle of the real image RI is limited, and the concave half is used as the combiner 10 so that the light reflected by the combiner 10 is collected on the observer's head. A mirror is used and the focal length of the concave half mirror is set to an appropriate value. The region represented by the reference numeral EB in FIG. 1 is a virtual image observable region (eye box) formed near the observer's head.

図2は、コンバイナ10の設置角度と、コンバイナ10によって形成されるアイボックスEBの位置との関係を説明するための図を示す。図1に示したような(凹面)ハーフミラーをコンバイナ10として用いた場合には、実像RIの位置が固定されると、アイボックスEBを運転者の頭部付近に形成するのに必要なコンバイナ10の設置角度が自動的に決まってしまう。例えば、図2(a)のように、運転者の正面に設置されたコンバイナ10に対して実像RIを構成する光を上方から入射させる場合、コンバイナ10の設置角度はフロントガラスの傾斜とは逆方向に傾くことになる。この場合、アイボックスEB1は適切な位置(運転者の頭部付近)に形成されるが、コンバイナ10の存在感が大きく、運転者に圧迫感や違和感を与えてしまう場合がある。そこで、図2(b)のように、コンバイナ10をフロントガラスと同じ方向に傾斜させると、コンバイナ10に対する圧迫感や違和感はかなり軽減されるが、運転者の腹部にアイボックスEB2が形成されるため、運転者は虚像VIを視認することができなくなってしまう。 FIG. 2 shows a diagram for explaining the relationship between the installation angle of the combiner 10 and the position of the eyebox EB formed by the combiner 10. When the (concave) half mirror as shown in FIG. 1 is used as the combiner 10, when the position of the real image RI is fixed, the combiner required to form the eyebox EB near the driver's head. The installation angle of 10 is automatically determined. For example, as shown in FIG. 2A, when the light constituting the real image RI is incident on the combiner 10 installed in front of the driver from above, the installation angle of the combiner 10 is opposite to the inclination of the windshield. It will tilt in the direction. In this case, the eyebox EB1 is formed at an appropriate position (near the driver's head), but the combiner 10 has a large presence and may give the driver a feeling of oppression or discomfort. Therefore, when the combiner 10 is tilted in the same direction as the windshield as shown in FIG. 2B, the feeling of pressure and discomfort on the combiner 10 is considerably reduced, but the eyebox EB2 is formed on the driver's abdomen. Therefore, the driver cannot visually recognize the virtual image VI.

本実施例では、上記したような不具合を解決するべく、図1に示したような一般的なコンバイナ10の替わりに、フレネル構造のハーフミラーを平板の内部に形成したコンバイナを利用する。ここで、フレネル構造を利用したコンバイナについては、例えば前述した特許文献1及び2に提案されている。特に特許文献2には、第1フレネルレンズが設けられた第1主面における当該第1フレネルレンズの光軸を、第1主面の外形の中心とは異なる位置に配置することで、第1主面の表面で反射された光と第2主面の表面で反射された光(表面反射光)との角度を変えることで、2重像(第1主面の表面で反射された光と第2主面の表面で反射された光とが重なることで生じる現象)の発生を抑制することが提案されている。 In this embodiment, in order to solve the above-mentioned problems, a combiner in which a Fresnel-structured half mirror is formed inside a flat plate is used instead of the general combiner 10 as shown in FIG. Here, a combiner using a Fresnel structure is proposed, for example, in Patent Documents 1 and 2 described above. In particular, in Patent Document 2, the optical axis of the first Fresnel lens on the first main surface provided with the first Fresnel lens is arranged at a position different from the center of the outer shape of the first main surface. By changing the angle between the light reflected on the surface of the main surface and the light reflected on the surface of the second main surface (surface reflected light), the double image (light reflected on the surface of the first main surface) and It has been proposed to suppress the occurrence of (a phenomenon caused by overlapping with the light reflected on the surface of the second main surface).

図3は、本実施例の基本概念を説明するための図を示している。図3は、3枚のコンバイナ10x1、10x2、10x3(以下では、これらを区別しない場合には単に「コンバイナ10x」と呼ぶ。)の例を示しており、コンバイナ10x1、10x2、10x3のそれぞれについて正面図及び断面図(側面図)を示している。なお、正面図及び断面図は、概略的に示したイメージ図を示している。コンバイナ10xは、図1に示したコンバイナ10の代わりにヘッドアップディスプレイに対して適用される(後述するコンバイナ10a、10bについても同様とする)。 FIG. 3 shows a diagram for explaining the basic concept of this embodiment. FIG. 3 shows an example of three combiners 10x1, 10x2, and 10x3 (hereinafter, they are simply referred to as "combiner 10x" when they are not distinguished), and the front of each of the combiners 10x1, 10x2, and 10x3 is shown. The figure and the cross-sectional view (side view) are shown. The front view and the cross-sectional view are schematic image views. The combiner 10x is applied to the head-up display instead of the combiner 10 shown in FIG. 1 (the same applies to the combiners 10a and 10b described later).

コンバイナ10xは、内部にフレネル構造のハーフミラーが形成されている。具体的には、コンバイナ10xは、フレネル構造(フレネルパターン)の元になる仮想放物面S1の湾曲に応じた微小な反射面(ミラー面)S2が内部に複数形成されることで、ハーフミラーとして機能する。複数の反射面は、例えば仮想放物面S1を有するレンズを図3における垂直方向に等間隔で分割して配列したような形状を有する。例えば、コンバイナ10xは、仮想放物面S1の湾曲に応じた凹凸が形成された、同じ屈折率を有する2つの部材(以下では適宜「基板」と呼ぶ。基板は言い換えるとカバー層である。)の間に、ある程度の透過性を有する反射薄膜を挟み込むことで作成される。コンバイナ10x1、10x2、10x3に対して光が垂直に入射した場合、コンバイナ10x1、10x2、10x3のそれぞれに入射した光は、全て、内部に形成された反射面S2によって仮想放物面S1の焦点P1の方向に反射される(矢印Ar11、Ar12、Ar13参照)。 The combiner 10x has a Fresnel-structured half mirror formed inside. Specifically, the combiner 10x is a half mirror by forming a plurality of minute reflective surfaces (mirror surfaces) S2 corresponding to the curvature of the virtual paraboloid S1 which is the basis of the Fresnel structure (Fresnel pattern). Functions as. The plurality of reflecting surfaces have a shape such that, for example, a lens having a virtual paraboloid S1 is vertically divided and arranged at equal intervals in FIG. For example, the combiner 10x is two members having the same refractive index, in which irregularities corresponding to the curvature of the virtual paraboloid S1 are formed (hereinafter, appropriately referred to as a “substrate”. In other words, the substrate is a cover layer). It is created by sandwiching a reflective thin film having a certain degree of transparency between the two. When light is vertically incident on the combiners 10x1, 10x2, and 10x3, all the light incident on each of the combiners 10x1, 10x2, and 10x3 is the focal point P1 of the virtual paraboloid S1 due to the reflecting surface S2 formed inside. Is reflected in the direction of (see arrows Ar11, Ar12, Ar13).

なお、本明細書では、「フレネル構造」とは、公知のフレネルレンズの面形状に類似する形状が適用された構造を意味するものとする。つまり、「フレネル構造のハーフミラー」とは、公知のフレネルレンズの面形状に類似する形状が適用されたハーフミラーを意味するものとする。 In the present specification, the "Fresnel structure" means a structure to which a shape similar to the surface shape of a known Fresnel lens is applied. That is, the "half mirror having a Fresnel structure" means a half mirror to which a shape similar to the surface shape of a known Fresnel lens is applied.

ここで、コンバイナ10x1は、その中心(外形中心)に、仮想放物面S1の頂点P2(言い換えると仮想放物面S1の中心であり、以下同様とする。)が位置している。つまり、コンバイナ10x1は、ハーフミラーの面上における中心点P3x1に頂点P2が位置する仮想放物面S1を元にしたフレネル構造が適用されている。そのため、コンバイナ10x1では、内部に形成された反射面S2の傾きが小さい。他方で、コンバイナ10x2、10x3は、その中心(外形中心)に、仮想放物面S1の頂点P2が位置していない。つまり、コンバイナ10x2、10x3は、ハーフミラーの面上における中心点P3x2、P3x3から外れた場所に頂点P2が位置する仮想放物面S1を元にしたフレネル構造が適用されている。言い換えると、コンバイナ10x2、10x3は、フレネルパターンの中心から外れた領域が適用されている。そのため、コンバイナ10x2、10x3では、内部に形成された反射面S2の傾きが大きい(つまり反射面S2が立っている)。 Here, the apex P2 of the virtual paraboloid S1 (in other words, the center of the virtual paraboloid S1 and the same applies hereinafter) is located at the center (outer shape center) of the combiner 10x1. That is, the combiner 10x1 has a Fresnel structure based on the virtual paraboloid S1 in which the apex P2 is located at the center point P3x1 on the surface of the half mirror. Therefore, in the combiner 10x1, the inclination of the reflecting surface S2 formed inside is small. On the other hand, in the combiners 10x2 and 10x3, the apex P2 of the virtual paraboloid S1 is not located at the center (outer shape center). That is, the combiners 10x2 and 10x3 have a Fresnel structure based on the virtual paraboloid S1 in which the apex P2 is located at a position deviated from the center points P3x2 and P3x3 on the surface of the half mirror. In other words, the combiners 10x2 and 10x3 are applied with regions off the center of the Fresnel pattern. Therefore, in the combiners 10x2 and 10x3, the inclination of the reflecting surface S2 formed inside is large (that is, the reflecting surface S2 stands).

以下では、コンバイナ10x2、10x3のように、ハーフミラーの中心点P3x2、P3x3から外れた場所に頂点P2が位置する仮想放物面S1をフレネル構造に適用することを、適宜「オフセット」と呼ぶ。また、仮想放物面S1の頂点P2からのオフセットの量を「オフセット量」と呼ぶ。1つの例では、「オフセット量」は、仮想放物面S1の頂点P2がハーフミラーの中心点P3x2、P3x3からずらされている量(言い換えると頂点P2と中心点P3x2、P3x3との距離)で表される。図3に示す例では、コンバイナ10x2は、ハーフミラーの中心点P3x2からオフセット量OFSx2だけ頂点P2がずらされた仮想放物面S1を元にしたフレネル構造が適用されており、コンバイナ10x3は、ハーフミラーの中心点P3x3からオフセット量OFSx3だけ頂点P2がずらされた仮想放物面S1を元にしたフレネル構造が適用されている。 In the following, applying the virtual paraboloid S1 in which the apex P2 is located outside the center points P3x2 and P3x3 of the half mirror, such as the combiners 10x2 and 10x3, to the Fresnel structure is appropriately referred to as "offset". Further, the amount of offset from the apex P2 of the virtual paraboloid S1 is called an "offset amount". In one example, the "offset amount" is the amount by which the apex P2 of the virtual paraboloid S1 is deviated from the center points P3x2 and P3x3 of the half mirror (in other words, the distance between the apex P2 and the center points P3x2 and P3x3). expressed. In the example shown in FIG. 3, the combiner 10x2 has a Fresnel structure based on the virtual paraboloid S1 in which the apex P2 is shifted by the offset amount OFSx2 from the center point P3x2 of the half mirror, and the combiner 10x3 is half. A Fresnel structure based on a virtual paraboloid S1 in which the apex P2 is shifted by an offset amount OFSx3 from the center point P3x3 of the mirror is applied.

このようにオフセットが適用されたコンバイナ10x2、10x3を用いることで、図3中の矢印Ar12、Ar13に示すように、コンバイナ10x2、10x3のハーフミラーにおける入射光と反射光との成す角度を変えることができる。一方で、コンバイナ10x2、10x3における表面反射光(基板の表面で反射した光)の角度は変わらないため、上記したような2重像を回避することができるのである。また、図3中の矢印Ar21、Ar22、Ar23に示すように、コンバイナ10x1、10x2、10x3のハーフミラーにおける入射光と反射光との成す角度を一定に保ったまま、コンバイナ10x1、10x2、10x3との相対角度を変えることが可能となる。 By using the combiners 10x2 and 10x3 to which the offset is applied in this way, as shown by the arrows Ar12 and Ar13 in FIG. 3, the angle formed by the incident light and the reflected light in the half mirror of the combiner 10x2 and 10x3 can be changed. Can be done. On the other hand, since the angle of the surface reflected light (light reflected on the surface of the substrate) in the combiners 10x2 and 10x3 does not change, the double image as described above can be avoided. Further, as shown by arrows Ar21, Ar22, and Ar23 in FIG. 3, the combiners 10x1, 10x2, and 10x3 are combined with the combiners 10x1, 10x2, and 10x3 while keeping the angle formed by the incident light and the reflected light in the half mirrors of the combiners 10x1, 10x2, and 10x3 constant. It is possible to change the relative angle of.

なお、フレネル構造の元になる面として放物面を用いることに限定はされない。作り易さの観点から球面形状を用いても良いし、収差を補正するために非球面形状を用いても良い。つまり、種々の自由曲面(例えば焦点が規定されるような曲面)をフレネル構造の元になる面として適用することができる。好適な1つの例では、反射面を覆う基板(カバー層)を加味したハーフミラーの特性が放物面に従ったものであるように(つまり、コンバイナに垂直に光を入射させた場合に、反射面で反射して基板を透過して出射された光が放物面の焦点に向かうように)、フレネル構造の元になる面として非放物面を適用することができる。 The surface used as the base surface of the Fresnel structure is not limited to the paraboloid. A spherical shape may be used from the viewpoint of ease of production, or an aspherical shape may be used to correct aberrations. That is, various free-form surfaces (for example, curved surfaces whose focal points are defined) can be applied as the surface on which the Fresnel structure is based. In one preferred example, the characteristics of the half mirror with the substrate (cover layer) covering the reflective surface follow the paraboloid (ie, when light is incident perpendicularly to the combiner). A non-paraboloid can be applied as the underlying surface of the Fresnel structure (so that the light reflected by the reflecting surface and transmitted through the substrate and emitted towards the focal point of the paraboloid).

図4は、上記したようなオフセットされたフレネル構造が適用されたコンバイナを用いることで、フロントガラスと同じ方向にコンバイナを傾斜させてもアイボックスEBを運転者の頭部付近に適切に形成できることについて説明する。図4は、図3に示したコンバイナ10x1、10x2、10x3を時計回りに90°させた後に、反射光の角度が水平になるように回転させた状態で車両内に設置した状態を示している。図4より、例えばコンバイナ10x3(オフセット量が比較的大きなフレネル構造を適用したもの)を用いた場合、コンバイナ10x3をフロントガラスと概ね同じ方向に傾斜させても、アイボックスEBを運転者の頭部付近に適切に形成できることがわかる。つまり、図2(b)に示したような不具合(フロントガラスと同じ方向に傾斜させたコンバイナ10では天井付近に設置した実像RIのアイボックスEB2が腹部に形成されてしまうといった不具合)を解決することができると言える。 In FIG. 4, by using a combiner to which the offset Fresnel structure as described above is applied, the eyebox EB can be appropriately formed near the driver's head even if the combiner is tilted in the same direction as the windshield. Will be described. FIG. 4 shows a state in which the combiners 10x1, 10x2, and 10x3 shown in FIG. 3 are rotated 90 ° clockwise and then rotated so that the angle of the reflected light becomes horizontal and installed in the vehicle. .. From FIG. 4, for example, when a combiner 10x3 (a Fresnel structure having a relatively large offset amount is applied) is used, even if the combiner 10x3 is tilted in substantially the same direction as the windshield, the eyebox EB is placed on the driver's head. It can be seen that it can be formed appropriately in the vicinity. That is, the problem as shown in FIG. 2B (the problem that the eyebox EB2 of the real image RI installed near the ceiling is formed in the abdomen in the combiner 10 inclined in the same direction as the windshield) is solved. It can be said that it can be done.

ここで、上記したようなフレネル構造を適用したコンバイナ10xは、図1に示したような一般的なコンバイナ10と異なり、その反射面S2が表面ではなく基板内に存在するため、いくつかの課題(課題1及び2)が発生し得る。課題1は、コンバイナ10xにおける基板内部の反射面S2で反射した光が全反射することで基板(カバー層)から出射されない場合がある、といった課題である。課題2は、コンバイナ10xの上部と下部とで観察者に到達する光量が変わってしまう、といった課題である。このような課題1及び2について、図5及び図6を参照して具体的に説明する。 Here, unlike the general combiner 10 as shown in FIG. 1, the combiner 10x to which the Fresnel structure as described above is applied has some problems because its reflecting surface S2 exists in the substrate instead of the surface. (Problems 1 and 2) can occur. The first problem is that the light reflected by the reflecting surface S2 inside the substrate in the combiner 10x may not be emitted from the substrate (cover layer) due to total internal reflection. The second problem is that the amount of light reaching the observer changes between the upper part and the lower part of the combiner 10x. Such problems 1 and 2 will be specifically described with reference to FIGS. 5 and 6.

図5は、課題1を具体的に説明するための図を示す。図5(a)及び(b)は、コンバイナ10xにおける基板内部の反射面S2で反射した光について例示している(図示のように、反射面S2で反射した光は、基板へ入射するときの角度と異なるものとなる)。図5(a)は、オフセット量が比較的小さいフレネル構造を適用した場合について示している。この場合には、基板内部の反射面S2で反射した光は、基板内部から外部へと出射される。他方で、図5(b)は、オフセット量が比較的大きいフレネル構造を適用した場合について示している。この場合には、基板内部の反射面S2で反射した光は、基板表面における内側の面で全反射することで、基板内部から外部へと出射されない(基板内部を導波する)。図5(a)及び(b)より、オフセット量が比較的大きいフレネル構造を適用した場合に、課題1が生じ易いと言える。 FIG. 5 shows a diagram for specifically explaining the problem 1. 5 (a) and 5 (b) exemplify the light reflected by the reflecting surface S2 inside the substrate in the combiner 10x (as shown in the figure, the light reflected by the reflecting surface S2 is incident on the substrate). It will be different from the angle). FIG. 5A shows a case where a Fresnel structure having a relatively small offset amount is applied. In this case, the light reflected by the reflecting surface S2 inside the substrate is emitted from the inside of the substrate to the outside. On the other hand, FIG. 5B shows a case where a Fresnel structure having a relatively large offset amount is applied. In this case, the light reflected by the reflecting surface S2 inside the substrate is totally reflected by the inner surface on the surface of the substrate and is not emitted from the inside of the substrate to the outside (guided inside the substrate). From FIGS. 5A and 5B, it can be said that the problem 1 is likely to occur when the Fresnel structure having a relatively large offset amount is applied.

図6は、課題2を具体的に説明するための図を示す。図6(a)は、コンバイナ10xをフロントガラスと同じ方向に傾斜させた状態で、実像RIをその上部に設置した場合について示している。この場合、実像RIからの光はコンバイナ10xに対して深い角度で入射する。また、コンバイナ10xの下部に光が入射する入射角θは、コンバイナ10xの上部に光が入射する入射角θよりも大きくなる(θ>θ)。 FIG. 6 shows a diagram for specifically explaining the problem 2. FIG. 6A shows a case where the real image RI is installed on the combiner 10x in a state of being tilted in the same direction as the windshield. In this case, the light from the real image RI is incident on the combiner 10x at a deep angle. Further, the incident angle θ 1 where the light is incident on the lower part of the combiner 10x is larger than the incident angle θ 2 where the light is incident on the upper part of the combiner 10x (θ 1 > θ 2 ).

図6(b)は、入射角[°]と、コンバイナ10における「入射時透過率×出射時透過率」[%]との関係を示している。「入射時透過率×出射時透過率」は、コンバイナ10xから出射された光の光量(つまり観察者に到達する光量)に相当する。図6(b)において、符号GRpはP偏光を用いた場合のグラフを示し、符号GRsはS偏光を用いた場合のグラフを示している。このようなグラフGRp、GRsは、基板(カバー層)の屈折率nが1.59であり、仮想放物面S1の焦点距離fが300[mm]であるコンバイナ10xを用い、オフセット量が250[mm]である位置に光を入射させた場合に得られた結果である(反射面S2の反射率を100%と仮定している)。 FIG. 6B shows the relationship between the incident angle [°] and the “transmittance at incident × transmittance at exit” [%] in the combiner 10. The “transmittance at the time of incidence × transmittance at the time of emission” corresponds to the amount of light emitted from the combiner 10x (that is, the amount of light reaching the observer). In FIG. 6B, the reference numeral GRp shows a graph when P-polarized light is used, and the reference numeral GRs shows a graph when S-polarized light is used. Such graphs GRp and GRs use a combiner 10x in which the refractive index n of the substrate (cover layer) is 1.59 and the focal length f of the virtual paraboloid S1 is 300 [mm], and the offset amount is 250. This is the result obtained when light is incident on the position of [mm] (the reflectance of the reflecting surface S2 is assumed to be 100%).

図6(b)より、コンバイナ10xへの入射角に応じて、「入射時透過率×出射時透過率」の値が変化していることがわかる。具体的には、入射角が大きい領域では、「入射時透過率×出射時透過率」の値が大きく低下していることがわかる。また、S偏光では、P偏光よりも、「入射時透過率×出射時透過率」の値の大きさが全体的に小さく、「入射時透過率×出射時透過率」の値が低下し始める入射角が小さいことがわかる。なお、入射角が概ね10[°]以下の領域で「入射時透過率×出射時透過率」の値が0[%]となっているのは、全反射が生じたためである。 From FIG. 6B, it can be seen that the value of “transmittance at the time of incidence × transmittance at the time of emission” changes according to the angle of incidence on the combiner 10x. Specifically, it can be seen that the value of "transmittance at the time of incidence x transmittance at the time of emission" is significantly reduced in the region where the incident angle is large. Further, in S-polarized light, the magnitude of the value of "transmittance at incident x transmittance at exit" is smaller overall than that of P-polarized light, and the value of "transmittance at incident x transmittance at exit" begins to decrease. It can be seen that the incident angle is small. The value of "transmittance at incident x transmittance at exit" is 0 [%] in a region where the incident angle is approximately 10 [°] or less because total reflection has occurred.

図6(a)及び(b)より、コンバイナ10xをフロントガラスと同じ方向に傾斜させると共に実像RIをコンバイナ10xの上部に設置した場合には、入射角θ及びθが比較的大きくなると共に、入射角θと入射角θとの差も大きくなるため、コンバイナ10xの上部と下部とで「入射時透過率×出射時透過率」の値に差が生じる傾向にあると言える。つまり、コンバイナ10xの上部と下部とで観察者に到達する光量が変わる傾向にあると言える。即ち、課題2が生じ易いと言える。 From FIGS. 6A and 6B, when the combiner 10x is tilted in the same direction as the windshield and the real image RI is installed above the combiner 10x, the incident angles θ 1 and θ 2 become relatively large. Since the difference between the incident angle θ 1 and the incident angle θ 2 is also large, it can be said that there is a tendency for a difference in the value of “incident transmittance × emission transmittance” between the upper part and the lower part of the combiner 10x. That is, it can be said that the amount of light reaching the observer tends to change between the upper part and the lower part of the combiner 10x. That is, it can be said that the problem 2 is likely to occur.

以下では、課題1、2を解決可能な具体的な実施例(第1及び第2実施例)について説明する。第1実施例は、課題1の解決を主目的としたものであり、第2実施例は、課題2の解決を主目的としたものである。 Hereinafter, specific examples (first and second embodiments) that can solve the problems 1 and 2 will be described. The first embodiment has the main purpose of solving the problem 1, and the second embodiment has the main purpose of solving the problem 2.

<第1実施例>
第1実施例では、フレネル構造を適用したコンバイナ内の反射面で反射した光が、全反射することなくコンバイナの外部へと適切に出射されるように、コンバイナと実像RI(実質的には光源部である。以下同様とする。)との相対位置を設定する。つまり、第1実施例では、コンバイナにおける基板内部の反射面で反射した光が基板表面の内側の面に入射する角度(以下では適宜「射出角」と呼ぶ。)が全反射角未満となるように、コンバイナと実像RIとの相対位置を設定する。
<First Example>
In the first embodiment, the combiner and the real image RI (substantially a light source) so that the light reflected by the reflecting surface in the combiner to which the Fresnel structure is applied is appropriately emitted to the outside of the combiner without total internal reflection. It is a part. The same shall apply hereinafter.) Set the relative position. That is, in the first embodiment, the angle at which the light reflected by the reflection surface inside the substrate in the combiner is incident on the inner surface of the substrate surface (hereinafter, appropriately referred to as “injection angle”) is less than the total reflection angle. The relative position between the combiner and the real image RI is set in.

図7を参照して、射出角を全反射角未満にするための入射角の条件について説明する。図7は、第1実施例に係るコンバイナ10aの断面イメージ図を示している。図7に示すように、入射光は、入射角θinでコンバイナ10aに入射し、屈折率nの基板で屈折して角度θin’となる。この場合、スネルの法則より、「sinθin=n・sinθin’」といった式が成り立つ。そして、この入射光は、コンバイナ10a内部のフレネル構造の反射面S2上の点P10に入射する。点P10は、仮想放物面S1の頂点P2からx方向において「OFS」だけ離れた場所に位置する(「OFS」はオフセット量に相当する)。仮想放物面S1は、焦点距離fを用いると「y=x/4f」と表される。 With reference to FIG. 7, the conditions of the incident angle for making the injection angle less than the total reflection angle will be described. FIG. 7 shows a cross-sectional image of the combiner 10a according to the first embodiment. As shown in FIG. 7, the incident light is incident on the combiner 10a at an incident angle θ in , and is refracted by a substrate having a refractive index n to obtain an angle θ in '. In this case, according to Snell's law, an equation such as "sinθ in = n · sineθ in '" holds. Then, this incident light is incident on the point P10 on the reflecting surface S2 of the Fresnel structure inside the combiner 10a. The point P10 is located at a position separated by "OFS" in the x direction from the apex P2 of the virtual paraboloid S1 ("OFS" corresponds to an offset amount). The virtual paraboloid S1 is expressed as "y = x 2 / 4f" when the focal length f is used.

ここで、点P10を通る、x軸に平行な直線と、点P10での仮想放物面S1の接線とが成す角度φは、「φ=tan−1(OFS/2f)」となる。このような角度φを用いると、角度θin’の入射光が反射面S2に入射する角度βは、「β=φ−θin’」となる。そして、反射面S2上の点P10で反射した光は、基板表面の内側の面S3に対して角度「θin’+2β」で入射する。この角度「θin’+2β」は、上記した射出角に相当する。射出角を全反射角「sin−1(1/n)」未満とするための条件は、以下の式(1)で表される。 Here, the angle φ formed by the straight line passing through the point P10 and parallel to the x-axis and the tangent line of the virtual paraboloid S1 at the point P10 is “φ = tan -1 (OFS / 2f)”. When such an angle φ is used, the angle β at which the incident light at the angle θ in'is incident on the reflection surface S2 is “β = φ−θ in '”. Then, the light reflected at the point P10 on the reflecting surface S2 is incident on the inner surface S3 of the substrate surface at an angle “θ in ′ + 2β”. This angle "θ in '+ 2β" corresponds to the above-mentioned injection angle. The condition for setting the injection angle to be less than the total reflection angle "sin -1 (1 / n)" is expressed by the following equation (1).

θin’+2β<sin−1(1/n) 式(1)
また、射出角は、以下の式(2)のように書き換えられる。
θ in '+ 2β <sin -1 (1 / n) Equation (1)
Further, the injection angle is rewritten as in the following equation (2).

θin’+2β=2φ−θin
=2tan−1(OFS/2f)−sin−1(sinθin/n) 式(2)
このような式(2)を式(1)に代入することで、射出角を全反射角未満とするために入射角θinが満たすべき条件が得られる。その条件は、以下の式(3)で表される。
θ in '+ 2β = 2φ-θ in '
= 2 tan -1 (OFS / 2f) -sin -1 (sin θ in / n) Equation (2)
By substituting such an equation (2) into the equation (1), a condition that the incident angle θ in must be satisfied in order to make the injection angle less than the total reflection angle can be obtained. The condition is expressed by the following equation (3).

θin>sin−1[n・sin{2tan−1(OFS/2f)−sin−1(1/n)}] 式(3)
式(3)に示すように、入射角θinが満たすべき条件は、屈折率nと、オフセット量OFSと、焦点距離fとで表される。
θ in > sin -1 [n · sin {2tan -1 (OFS / 2f) -sin -1 (1 / n)}] Equation (3)
As shown in the equation (3), the conditions to be satisfied by the incident angle θ in are expressed by the refractive index n, the offset amount OFS, and the focal length f.

第1実施例では、式(3)の条件を満たす入射角θinが実現されるように、コンバイナ10aと実像RIとの相対位置を設定する。つまり、実像RIを構成する光が、式(3)の条件を満たす入射角θinにてコンバイナ10aに入射するように、コンバイナ10aと実像RIとの相対位置を設定する。これにより、基板内部の反射面S2で反射した光を適切に外部に出射させることができ、虚像の一部分が視認できないといった不具合を適切に回避することが可能となる。よって、コンバイナ10aの全面を有効に利用することが可能となる。 In the first embodiment, the relative positions of the combiner 10a and the real image RI are set so that the incident angle θ in satisfying the condition of the equation (3) is realized. That is, the relative position between the combiner 10a and the real image RI is set so that the light constituting the real image RI is incident on the combiner 10a at an incident angle θ in satisfying the condition of the equation (3). As a result, the light reflected by the reflecting surface S2 inside the substrate can be appropriately emitted to the outside, and it is possible to appropriately avoid the problem that a part of the virtual image cannot be visually recognized. Therefore, the entire surface of the combiner 10a can be effectively used.

図8は、第1実施例に係るコンバイナ10aの最適な配置例を説明するための図を示す。図8(a)は、第1実施例に係るコンバイナ10aの正面イメージ図を示している。なお、第1実施例に係るコンバイナ10aは、前述したコンバイナ10x2、10x3と基本的な構成は同じである。つまり、第1実施例に係るコンバイナ10aは、オフセットされたフレネル構造が適用されたハーフミラーが内部に形成されている。 FIG. 8 shows a diagram for explaining an optimum arrangement example of the combiner 10a according to the first embodiment. FIG. 8A shows a front image view of the combiner 10a according to the first embodiment. The combiner 10a according to the first embodiment has the same basic configuration as the combiners 10x2 and 10x3 described above. That is, in the combiner 10a according to the first embodiment, a half mirror to which an offset Fresnel structure is applied is formed inside.

ここでは、基板(カバー層)の屈折率nが1.59であり(基板としてポリカーボネートを用いている)、フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点距離fが300[mm]であり、縦方向のサイズが150[mm]であるコンバイナ10aを用いた場合を例に挙げる。このコンバイナ10aでは、上端部ではオフセット量(フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点とコンバイナ10aの上端部との距離)が200[mm]であり、下端部ではオフセット量(フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点とコンバイナ10aの下端部との距離)が350[mm]であるものとする。また、実像RI(表示画面)の縦方向のサイズが50[mm]であり、実像RIとコンバイナ10aとの距離が180[mm]であり、コンバイナ10aを20°の傾斜角度でフロントガラス側に設置した場合を例に挙げる。 Here, the refractive index n of the substrate (cover layer) is 1.59 (polycarbonate is used as the substrate), and the focal length f of the virtual paraboloid that is the basis of the Fresnel structure is 300 [mm]. An example is given when a combiner 10a having a vertical size of 150 [mm] is used. In this combiner 10a, the offset amount (distance between the focal point of the virtual paraboloid that is the basis of the Fresnel structure and the upper end portion of the combiner 10a) is 200 [mm] at the upper end portion, and the offset amount (the Fresnel structure) at the lower end portion. The distance between the focal point of the original virtual paraboloid and the lower end of the combiner 10a) is 350 [mm]. Further, the size of the real image RI (display screen) in the vertical direction is 50 [mm], the distance between the real image RI and the combiner 10a is 180 [mm], and the combiner 10a is placed on the windshield side at an inclination angle of 20 °. Take the case of installation as an example.

図8(b)は、コンバイナ10aの第1配置例を示しており、図8(c)は、コンバイナ10aの第2配置例を示している。図8(b)及び(c)は、コンバイナ10a及び実像RIの側面イメージ図を示している。第1配置例では、コンバイナ10aの上端部に光が入射する入射角は−3.3[°]であり、コンバイナ10aの下端部に光が入射する入射角は+26[°]である。第2配置例では、コンバイナ10aの上端部に光が入射する入射角は+6[°]であり、コンバイナ10aの下端部に光が入射する入射角は+34.2[°]である。 FIG. 8B shows a first arrangement example of the combiner 10a, and FIG. 8C shows a second arrangement example of the combiner 10a. 8 (b) and 8 (c) show side image views of the combiner 10a and the real image RI. In the first arrangement example, the incident angle at which light is incident on the upper end of the combiner 10a is -3.3 [°], and the incident angle at which light is incident on the lower end of the combiner 10a is +26 [°]. In the second arrangement example, the incident angle at which light is incident on the upper end portion of the combiner 10a is +6 [°], and the incident angle at which light is incident on the lower end portion of the combiner 10a is +34.2 [°].

図8(d)は、横軸にオフセット量[mm]を示し、縦軸に入射角[°]を示し、上記した式(3)の条件を満たす領域を塗りつぶして表している。式(3)には、図8(a)の説明で述べたパラメータ(n、f)を代入したものとする。図8(d)によれば、式(3)の条件を満たすためには、コンバイナ10aの上端部(オフセット量=200[mm])では入射角が−3.3[°]以上である必要があり、コンバイナ10aの下端部(オフセット量=350[mm])では入射角が+34.2[°]以上である必要があることがわかる。 In FIG. 8D, the offset amount [mm] is shown on the horizontal axis, the incident angle [°] is shown on the vertical axis, and the region satisfying the above-mentioned equation (3) is filled in. It is assumed that the parameters (n, f) described in the description of FIG. 8 (a) are substituted into the equation (3). According to FIG. 8 (d), in order to satisfy the condition of the equation (3), the incident angle must be -3.3 [°] or more at the upper end portion (offset amount = 200 [mm]) of the combiner 10a. It can be seen that the incident angle must be +34.2 [°] or more at the lower end of the combiner 10a (offset amount = 350 [mm]).

第1配置例を適用した場合には、コンバイナ10aの上端部では入射角が−3.3[°]であるため、基板内部の反射面S2で反射した光はぎりぎり外部に出射されるが、コンバイナ10aの下端部では入射角が+26[°]であるため(つまり+34.2[°]未満であるため)、基板内部の反射面S2で反射した光は全反射することで外部へ出射されない。他方で、第2配置例を適用した場合には、コンバイナ10aの上端部では入射角が+6[°]であるため(つまり−3.3[°]以上であるため)、基板内部の反射面S2で反射した光は外部に出射され、コンバイナ10aの下端部では入射角が+34.2[°]であるため、基板内部の反射面S2で反射した光はぎりぎり外部に出射される。したがって、コンバイナ10aの位置に対する実像RIの位置を第2配置例よりも上方にすると、式(3)の条件が適切に満たされるため、基板内部の反射面S2で反射した光が適切に出射されることとなる。したがって、コンバイナ10aの全面を有効に利用することが可能となる。 When the first arrangement example is applied, since the incident angle is -3.3 [°] at the upper end of the combiner 10a, the light reflected by the reflection surface S2 inside the substrate is emitted to the outside as much as possible. Since the incident angle is +26 [°] at the lower end of the combiner 10a (that is, less than +34.2 [°]), the light reflected by the reflecting surface S2 inside the substrate is totally reflected and is not emitted to the outside. .. On the other hand, when the second arrangement example is applied, since the incident angle is +6 [°] at the upper end of the combiner 10a (that is, because it is -3.3 [°] or more), the reflective surface inside the substrate. The light reflected by S2 is emitted to the outside, and since the incident angle is +34.2 [°] at the lower end of the combiner 10a, the light reflected by the reflecting surface S2 inside the substrate is emitted to the outside. Therefore, when the position of the real image RI with respect to the position of the combiner 10a is set higher than that of the second arrangement example, the condition of the equation (3) is appropriately satisfied, and the light reflected by the reflecting surface S2 inside the substrate is appropriately emitted. The Rukoto. Therefore, the entire surface of the combiner 10a can be effectively used.

<第2実施例>
次に、第2実施例について説明する。第2実施例は、課題2の解決を主目的としたものである。具体的には、第2実施例では、コンバイナ内の基板の透過率の変化量が所定値(適合などにより予め定められる値)以下となるような入射角の範囲が用いられるように、コンバイナと実像RIとの相対位置を設定する。つまり、第2実施例では、基板の透過率の入射角依存性が少ない領域が用いられるように、コンバイナと実像RIとの相対位置を設定する。このような第2実施例によれば、コンバイナの面内での輝度変化(輝度むら)の発生を適切に抑制することが可能となる。
<Second Example>
Next, the second embodiment will be described. The second embodiment has the main purpose of solving the problem 2. Specifically, in the second embodiment, the combiner is used so that the range of the incident angle is used so that the amount of change in the transmittance of the substrate in the combiner is equal to or less than a predetermined value (a value predetermined by conformity or the like). Set the relative position with the real image RI. That is, in the second embodiment, the relative position between the combiner and the real image RI is set so that the region where the transmittance of the substrate is less dependent on the incident angle is used. According to such a second embodiment, it is possible to appropriately suppress the occurrence of luminance change (luminance unevenness) in the plane of the combiner.

図9は、第2実施例に係るコンバイナ10bの最適な配置例を説明するための図を示す。図9(a)は、第2実施例に係るコンバイナ10bの正面イメージ図を示している。なお、第2実施例に係るコンバイナ10bも、前述したコンバイナ10x2、10x3と基本的な構成は同じである。つまり、第2実施例に係るコンバイナ10bは、オフセットされたフレネル構造が適用されたハーフミラーが内部に形成されている。 FIG. 9 shows a diagram for explaining an optimum arrangement example of the combiner 10b according to the second embodiment. FIG. 9A shows a front image of the combiner 10b according to the second embodiment. The combiner 10b according to the second embodiment has the same basic configuration as the combiners 10x2 and 10x3 described above. That is, in the combiner 10b according to the second embodiment, a half mirror to which an offset Fresnel structure is applied is formed inside.

ここでは、基板(カバー層)の屈折率nが1.59であり(基板としてポリカーボネートを用いている)、フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点距離fが300[mm]であり、縦方向のサイズが100[mm]であるコンバイナ10bを用いた場合を例に挙げる。このコンバイナ10bでは、上端に位置する点Aではオフセット量(フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点と点Aとの距離)が150[mm]であり、中央に位置する点Bではオフセット量(フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点と点Bとの距離)が200[mm]であり、下端に位置する点Cではオフセット量(フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点と点Cとの距離)が250[mm]であるものとする。また、実像RI(表示画面)の縦方向のサイズが36[mm]であり、実像RIとコンバイナ10bとの距離が180[mm]である場合を例に挙げる。 Here, the refractive index n of the substrate (cover layer) is 1.59 (polycarbonate is used as the substrate), and the focal length f of the virtual paraboloid that is the basis of the Fresnel structure is 300 [mm]. An example is given when a combiner 10b having a vertical size of 100 [mm] is used. In this combiner 10b, the offset amount (distance between the focal point of the virtual parabolic surface that is the basis of the Fresnel structure and the point A) is 150 [mm] at the point A located at the upper end, and the offset at the point B located at the center. The amount (distance between the focal point of the virtual parabolic surface that is the source of the Fresnel structure and the point B) is 200 [mm], and at the point C located at the lower end, the offset amount (the distance of the virtual parabolic surface that is the source of the Fresnel structure) It is assumed that the distance between the focal point and the point C) is 250 [mm]. Further, a case where the size of the real image RI (display screen) in the vertical direction is 36 [mm] and the distance between the real image RI and the combiner 10b is 180 [mm] will be taken as an example.

図9(b)は、コンバイナ10bの第1配置例を示しており、図9(c)は、コンバイナ10bの第2配置例を示しており、図9(d)は、コンバイナ10bの第3配置例を示している。図9(b)〜(d)は、コンバイナ10b及び実像RIの側面イメージ図を示している。第1配置例では、コンバイナ10bの点Aでの入射角は−10[°]であり、コンバイナ10bの点Bでの入射角は0[°]であり、コンバイナ10bの点Cでの入射角は+10[°]である。第2配置例では、コンバイナ10bの点Aでの入射角は+19[°]であり、コンバイナ10bの点Bでの入射角は+30[°]であり、コンバイナ10bの点Cでの入射角は+37[°]である。第3配置例では、コンバイナ10bの点Aでの入射角は+52[°]であり、コンバイナ10bの点Bでの入射角は+60[°]であり、コンバイナ10bの点Cでの入射角は+64[°]である。 9 (b) shows a first arrangement example of the combiner 10b, FIG. 9 (c) shows a second arrangement example of the combiner 10b, and FIG. 9 (d) shows a third arrangement example of the combiner 10b. An arrangement example is shown. 9 (b) to 9 (d) show side image views of the combiner 10b and the real image RI. In the first arrangement example, the incident angle of the combiner 10b at the point A is -10 [°], the incident angle of the combiner 10b at the point B is 0 [°], and the incident angle of the combiner 10b at the point C. Is +10 [°]. In the second arrangement example, the incident angle of the combiner 10b at the point A is +19 [°], the incident angle of the combiner 10b at the point B is +30 [°], and the incident angle of the combiner 10b at the point C is. It is +37 [°]. In the third arrangement example, the incident angle of the combiner 10b at the point A is +52 [°], the incident angle of the combiner 10b at the point B is +60 [°], and the incident angle of the combiner 10b at the point C is. It is +64 [°].

図9(e)は、基板への入射角[°]と基板の透過率(基板内を往復する光についての透過率を意味するものとする。)との関係を示した図である。図9(e)において、グラフGR1はコンバイナ10bの点Aに入射する光についての基板の透過率を示しており、グラフGR2はコンバイナ10bの点Bに入射する光についての基板の透過率を示しており、グラフGR3はコンバイナ10bの点Cに入射する光についての基板の透過率を示している。グラフGR1〜GR3は、既知の界面反射率(フレネル反射率)の計算式に基づいて求められる。また、グラフGR1〜GR3は、コンバイナ10bにS偏光を入射させた場合を仮定している。 FIG. 9E is a diagram showing the relationship between the angle of incidence [°] on the substrate and the transmittance of the substrate (which means the transmittance of light reciprocating in the substrate). In FIG. 9E, graph GR1 shows the transmittance of the substrate with respect to the light incident on the point A of the combiner 10b, and graph GR2 shows the transmittance of the substrate with respect to the light incident on the point B of the combiner 10b. Graph GR3 shows the transmittance of the substrate with respect to the light incident on the point C of the combiner 10b. Graphs GR1 to GR3 are obtained based on a known formula for calculating interfacial reflectance (Fresnel reflectance). Further, the graphs GR1 to GR3 assume a case where S-polarized light is incident on the combiner 10b.

第1配置例を適用した場合には、コンバイナ10bの点A、B、Cでの入射角をグラフGR1、GR2、GR3上にそれぞれプロットすると点A1、B1、C1が得られ、これらの点A1、B1、C1をつなげると破線D1が得られる。破線D1より、第1配置例を適用した場合には、入射角に対する透過率の変化量が大きいことがわかる。したがって、第1配置例を適用した場合には、コンバイナ10bの面内での輝度変化(輝度むら)が大きくなると言える。そのため、第2実施例では、このような第1配置例を採用しない。 When the first arrangement example is applied, the incident angles at points A, B, and C of the combiner 10b are plotted on the graphs GR1, GR2, and GR3, respectively, to obtain points A1, B1, and C1, and these points A1. , B1 and C1 are connected to obtain a broken line D1. From the broken line D1, it can be seen that the amount of change in the transmittance with respect to the incident angle is large when the first arrangement example is applied. Therefore, when the first arrangement example is applied, it can be said that the change in brightness (luminance unevenness) in the plane of the combiner 10b becomes large. Therefore, in the second embodiment, such a first arrangement example is not adopted.

第2配置例を適用した場合には、コンバイナ10bの点A、B、Cでの入射角をグラフGR1、GR2、GR3上にそれぞれプロットすると点A2、B2、C2が得られ、これらの点A2、B2、C2をつなげると破線D2が得られる。破線D2より、第2配置例を適用した場合には、入射角に対する透過率の変化量が小さいことがわかる。したがって、第2配置例を適用した場合には、コンバイナ10bの面内での輝度変化(輝度むら)がほとんど生じないと言える。そのため、第2実施例では、このような第2配置例を採用することとする。 When the second arrangement example is applied, the incident angles at points A, B, and C of the combiner 10b are plotted on the graphs GR1, GR2, and GR3, respectively, to obtain points A2, B2, and C2, and these points A2. , B2, and C2 are connected to obtain a broken line D2. From the broken line D2, it can be seen that the amount of change in the transmittance with respect to the incident angle is small when the second arrangement example is applied. Therefore, when the second arrangement example is applied, it can be said that the in-plane luminance change (luminance unevenness) of the combiner 10b hardly occurs. Therefore, in the second embodiment, such a second arrangement example will be adopted.

第3配置例を適用した場合には、コンバイナ10bの点A、B、Cでの入射角をグラフGR1、GR2、GR3上にそれぞれプロットすると点A3、B3、C3が得られ、これらの点A3、B2、C3をつなげると破線D3が得られる。破線D3より、第3配置例を適用した場合には、第1配置例を適用した場合よりも透過率の変化量が小さいが、第2配置例を適用した場合よりも透過率の変化量が大きいことがわかる。また、破線D3の右側の領域では、透過率の変化量が大きくなることがわかる。したがって、第3配置例を適用した場合には、第3配置例における設置角度からコンバイナ10bを少し傾けるだけで急激な明るさの変化が生じてしまうと言える。そのため、第2実施例では、このような第3配置例を採用しない。 When the third arrangement example is applied, the incident angles at points A, B, and C of the combiner 10b are plotted on the graphs GR1, GR2, and GR3, respectively, to obtain points A3, B3, and C3, and these points A3. , B2, and C3 are connected to obtain a broken line D3. From the broken line D3, when the third arrangement example is applied, the amount of change in transmittance is smaller than when the first arrangement example is applied, but the amount of change in transmittance is smaller than when the second arrangement example is applied. You can see that it is big. Further, it can be seen that the amount of change in the transmittance becomes large in the region on the right side of the broken line D3. Therefore, when the third arrangement example is applied, it can be said that a sudden change in brightness occurs even if the combiner 10b is slightly tilted from the installation angle in the third arrangement example. Therefore, in the second embodiment, such a third arrangement example is not adopted.

なお、図9では、コンバイナ10bに入射させる光としてS偏光を用いる場合を例示したが、S偏光の代わりにP偏光を用いても良い。図6(b)に示したように、P偏光はS偏光よりも界面反射率(透過率)の入射角依存性が小さいため、S偏光よりもP偏光を用いることが好ましいと言える。 Although S-polarized light is used as the light incident on the combiner 10b in FIG. 9, P-polarized light may be used instead of S-polarized light. As shown in FIG. 6B, since P-polarized light has a smaller incident angle dependence of interfacial reflectance (transmittance) than S-polarized light, it can be said that it is preferable to use P-polarized light rather than S-polarized light.

なお、上記では、第2実施例は課題2の解決を主目的としたものであると述べたが、第2実施例によれば課題1も解決される。課題2が解決されれば、必然的に課題1も解決されるからである。 In the above, it was stated that the second embodiment was mainly intended to solve the problem 2, but the problem 1 is also solved according to the second embodiment. This is because if the problem 2 is solved, the problem 1 is inevitably solved.

10、10a、10b、10x コンバイナ
P1 焦点
P2 頂点
S1 仮想放物面
S2 反射面
RI 実像
VI 虚像
10, 10a, 10b, 10x Combiner P1 Focus P2 Vertex S1 Virtual paraboloid S2 Reflective surface RI Real image VI Virtual image

Claims (1)

表示像を構成する光を出射する光源部と、
前記光源部が出射した光の一部を反射することで前記表示像を虚像として認識させるフレネル構造を有するミラーと、
前記ミラーに対する前記光の入射面側に、前記ミラーと対面させて設けられた基板と、
前記ミラーで反射した前記光源部からの光を、前記基板で全反射されることなく前記基板の外部へ導出させる、前記光源部、前記ミラー、前記基板を含む光学系と、
を有することを特徴とする表示装置。
A light source unit that emits light that constitutes the display image,
A mirror having a Fresnel structure that recognizes the displayed image as a virtual image by reflecting a part of the light emitted by the light source unit.
A substrate provided on the incident surface side of the light with respect to the mirror so as to face the mirror.
An optical system including the light source unit, the mirror, and the substrate that guides the light reflected by the mirror to the outside of the substrate without being totally reflected by the substrate.
A display device characterized by having.
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