JP2021152558A - Virtual image display device - Google Patents

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成晃 伊藤
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Abstract

To improve the visibility of a virtual image to be presented.SOLUTION: A virtual image display device 10 presents a virtual image to a user via a virtual image presentation plate 22. The virtual image display device comprises: a display part 12 which generates image display light; and a projection optical system 14 including a projection mirror 16 for projecting the image display light to the virtual image presentation plate 22. The projection optical system 14 is configured such that a focal point 26m in a meridional surface and a focal point 26s in a sagittal surface of a synthesis optical system 20 constituted by the virtual image presentation plate 22 and the projection optical system 14 are different from each other. The virtual image display device 10 is configured such that a difference in inverse numbers of a first distance D1 and a second distance D2 is equal to or less than 0.25 [m-1] when the first distance to a sagittal image surface position 50s of a virtual image viewed from a user is D1 and a second distance to a meridional image surface position 50m of the virtual image is D2.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本発明は、虚像表示装置に関する。 The present invention relates to a virtual image display device.

近年、車両用表示装置としてヘッドアップディスプレイが用いられることがある。ヘッドアップディスプレイは、画像表示光を車両のウインドシールドなどに投射し、画像表示光に基づく虚像を車外の風景に重畳して表示する。ウインドシールドには車内側と車外側の二つの界面があるため、それぞれの界面にて反射して視認される画像表示光がずれて重畳され、二重像に見えてしまうことがある。このような二重像の発生を抑制するため、二重像のずれ量が人間の目の分解能以内となるように視距離を設定し、その視距離を実現する光学配置を得るための数式が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, a head-up display may be used as a vehicle display device. The head-up display projects the image display light onto the windshield of the vehicle or the like, and superimposes and displays a virtual image based on the image display light on the scenery outside the vehicle. Since the windshield has two interfaces, the inside of the vehicle and the outside of the vehicle, the image display light reflected and visually recognized at each interface may be shifted and superimposed, resulting in a double image. In order to suppress the occurrence of such a double image, a mathematical formula for setting the viewing distance so that the amount of deviation of the double image is within the resolution of the human eye and obtaining an optical arrangement that realizes the viewing distance is used. It has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特開昭62−225429号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 62-225429

上述の技術では、二重像を低減するためにユーザの前方に見える虚像の提示位置までの視距離を20m程度にすることが前提とされる。より近い位置に見えるように虚像を提示する場合であっても二重像の発生を好適に低減できることが好ましい。また、ユーザの視点の高さが変化する場合であっても、自然な見え方で虚像を提示できることが好ましい。 In the above technique, it is premised that the viewing distance to the presentation position of the virtual image seen in front of the user is about 20 m in order to reduce the double image. It is preferable that the generation of double images can be suitably reduced even when the virtual image is presented so that it can be seen at a closer position. Further, it is preferable that the virtual image can be presented in a natural way even when the height of the user's viewpoint changes.

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、提示する虚像の視認性を向上させる技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a technique for improving the visibility of a virtual image to be presented.

本発明のある態様は、虚像提示板を介してユーザに虚像を提示するための虚像表示装置である。虚像表示装置は、画像表示光を生成する表示部と、画像表示光を虚像提示板に向けて投射する投射鏡を含む投射光学系と、を備える。投射光学系は、虚像提示板および投射光学系により構成される合成光学系のメリディオナル面内焦点とサジタル面内焦点が異なるよう構成され、合成光学系のメリディオナル面内焦点は、虚像提示板のメリディオナル面に沿ってユーザから虚像提示板に向けて平行光束を入射させたときの当該平行光束の集光位置であり、合成光学系のサジタル面内焦点は、虚像提示板のサジタル面に沿ってユーザから虚像提示板に向けて平行光束を入射させたときの当該平行光束の集光位置である。虚像表示装置は、ユーザから見た虚像のサジタル像面位置までの第1距離をD1とし、虚像のメリディオナル像面位置までの第2距離をD2としたとき、第1距離D1および第2距離D2のそれぞれの逆数の差が0.25[m−1]以下となるように構成される。 One aspect of the present invention is a virtual image display device for presenting a virtual image to a user via a virtual image presentation board. The virtual image display device includes a display unit that generates image display light, and a projection optical system that includes a projection mirror that projects the image display light toward the virtual image presentation plate. The projection optical system is configured so that the meridional in-plane focus and the sagittal in-plane focus of the synthetic optical system composed of the virtual image presentation plate and the projection optical system are different, and the meridional in-plane focus of the synthetic optical system is the meridional of the virtual image presentation plate. It is the focusing position of the parallel light beam when the parallel light beam is incident from the user toward the virtual image presentation plate along the surface, and the in-plane focus of the sagittal plane of the synthetic optical system is along the sagittal surface of the virtual image presentation plate. This is the focusing position of the parallel light beam when the parallel light beam is incident on the virtual image presentation plate. The virtual image display device has a first distance D1 and a second distance D2 when the first distance to the sagittal image plane position of the virtual image as seen by the user is D1 and the second distance to the meridional image plane position of the virtual image is D2. The difference between the reciprocals of is 0.25 [m -1 ] or less.

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above components or components and expressions of the present invention that are mutually replaced between methods, devices, systems, and the like are also effective as aspects of the present invention.

本発明によれば、二重像の発生を低減して虚像の視認性を向上させることができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the occurrence of double images and improve the visibility of virtual images.

実施の形態に係る虚像表示装置の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the virtual image display device which concerns on embodiment. 虚像提示板に起因する二重像の発生を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the generation of the double image caused by the virtual image presentation board. 楔ガラスによる二重像の抑制を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the suppression of a double image by a wedge glass. 比較例に係る虚像表示装置の光学配置を示す図である。It is a figure which shows the optical arrangement of the virtual image display device which concerns on a comparative example. 比較例において目の高さ位置が変化したときの虚像の見え方の変化を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the change of the appearance of a virtual image when the height position of an eye changes in a comparative example. 実施の形態に係る虚像表示装置の光学配置を詳細に示す図である。It is a figure which shows the optical arrangement of the virtual image display device which concerns on embodiment in detail. 図7(a),(b)は、凹曲面の一部領域に入射する平行光束の非点収差を模式的に示す図である。7 (a) and 7 (b) are diagrams schematically showing astigmatism of a parallel light flux incident on a part of a concave curved surface. 実施の形態において目の高さ位置が変化したときの虚像の見え方の変化を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the change of the appearance of a virtual image when the height position of an eye changes in an embodiment.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。かかる実施の形態に示す具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The specific numerical values and the like shown in such embodiments are merely examples for facilitating the understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are designated by the same reference numerals to omit duplicate description, and elements not directly related to the present invention are not shown. do.

図1は、実施の形態に係る虚像表示装置10の構成を模式的に示す図である。本実施の形態では、移動体の一例である車両60のダッシュボード内に虚像表示装置10が設置される。虚像表示装置10は、いわゆるヘッドアップディスプレイ装置である。虚像表示装置10は、虚像提示板であるウインドシールド62に画像表示光を投射し、車両60の進行方向(図1の右方向)の前方に虚像50を提示する。運転者などのユーザEは、ウインドシールド62を介して現実の風景に重畳される虚像50を視認できる。そのため、ユーザEは、車両の走行中に視線をほとんど動かすことなく虚像50に示される情報を得ることができる。図1において、車両60の進行方向(前後方向)をz方向、車両60の天地方向(上下方向)をy方向、車両60の左右方向をx方向としている。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a virtual image display device 10 according to an embodiment. In the present embodiment, the virtual image display device 10 is installed in the dashboard of the vehicle 60, which is an example of a moving body. The virtual image display device 10 is a so-called head-up display device. The virtual image display device 10 projects image display light onto the windshield 62, which is a virtual image presentation plate, and presents the virtual image 50 in front of the vehicle 60 in the traveling direction (right direction in FIG. 1). A user E such as a driver can visually recognize the virtual image 50 superimposed on the actual landscape through the windshield 62. Therefore, the user E can obtain the information shown in the virtual image 50 with almost no movement of the line of sight while the vehicle is traveling. In FIG. 1, the traveling direction (front-rear direction) of the vehicle 60 is the z direction, the top-bottom direction (vertical direction) of the vehicle 60 is the y direction, and the left-right direction of the vehicle 60 is the x direction.

虚像表示装置10は、照明部11と、表示部12と、投射光学系14と、制御部40とを備える。照明部11は、表示光を生成するための光源であり、表示部12を照明するための照明光を生成する。照明部11は、LED(Light Emitting Diode)やLD(Laser Diode)などの発光素子と、発光素子からの出力光の強度分布や角度分布を調整するための光学素子とを有する。照明部11は、ほぼ一様な明るさの白色光を表示部12に提供する。照明部11の構成は特に限られないが、発光素子からの出力光を整えるために、例えば、ライトトンネル、フレネルレンズ、光拡散板などの光学素子を用いることができる。 The virtual image display device 10 includes an illumination unit 11, a display unit 12, a projection optical system 14, and a control unit 40. The illumination unit 11 is a light source for generating display light, and generates illumination light for illuminating the display unit 12. The illumination unit 11 includes a light emitting element such as an LED (Light Emitting Diode) or an LD (Laser Diode), and an optical element for adjusting the intensity distribution and the angle distribution of the output light from the light emitting element. The illumination unit 11 provides the display unit 12 with white light having substantially uniform brightness. The configuration of the illumination unit 11 is not particularly limited, but an optical element such as a light tunnel, a Fresnel lens, or a light diffusing plate can be used in order to adjust the output light from the light emitting element.

表示部12は、照明部11からの照明光を変調して表示光を生成し、虚像50の表示内容に対応する中間像(実像)を形成する。表示部12は、表示光を生成するための透過型の画像表示素子を含み、透過型の液晶パネルといった表示デバイスを含む。画像表示素子は、制御部40から送信される画像信号を受け、画像信号に対応する表示内容の画像表示光を生成する。表示部12は、画像表示光の向きや配光角を整えるための光学素子をさらに含んでもよい。また、表示部12は、例えば、透過型液晶パネル以外のDMD(Digital Mirror Device)やLCOS(Liquid Crystal on Silicon)、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)方式等のLSM(Laser Scanning Module)といったプロジェクションユニットと、マイクロレンズアレイシートや光拡散シートといった透過型スクリーンとを組み合わせた構成としてもよい。 The display unit 12 modulates the illumination light from the illumination unit 11 to generate display light, and forms an intermediate image (real image) corresponding to the display content of the virtual image 50. The display unit 12 includes a transmissive image display element for generating display light, and includes a display device such as a transmissive liquid crystal panel. The image display element receives an image signal transmitted from the control unit 40 and generates an image display light having display contents corresponding to the image signal. The display unit 12 may further include an optical element for adjusting the direction and light distribution angle of the image display light. Further, the display unit 12 includes a projection unit such as a DMD (Digital Mirror Device) other than a transmissive liquid crystal panel, an LCOS (Liquid Crystal on Silicon), or an LSM (Laser Scanning Module) such as a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) system. , A transmissive screen such as a microlens array sheet or a light diffusing sheet may be combined.

投射光学系14は、表示部12が生成する画像表示光をウインドシールド62に向けて投射する。投射光学系14は、凸レンズなどの透過型光学素子や凹面鏡などの反射型光学素子を含む。投射光学系14の具体的構成は、別途後述する。 The projection optical system 14 projects the image display light generated by the display unit 12 toward the windshield 62. The projection optical system 14 includes a transmissive optical element such as a convex lens and a reflective optical element such as a concave mirror. The specific configuration of the projection optical system 14 will be described later.

制御部40は、表示用画像を生成し、表示用画像に対応する虚像50が提示されるように照明部11および表示部12を動作させる。制御部40は、外部装置64と接続されており、外部装置64からの情報に基づいて表示用画像を生成する。 The control unit 40 generates a display image, and operates the illumination unit 11 and the display unit 12 so that the virtual image 50 corresponding to the display image is presented. The control unit 40 is connected to the external device 64 and generates a display image based on the information from the external device 64.

外部装置64は、虚像50として表示される画像の元データを生成する装置である。外部装置64は、例えば、車両60の電子制御ユニット(ECU;Electronic Control Unit)や、ナビゲーション装置、携帯電話やスマートフォン、タブレットといったモバイル装置などである。外部装置64は、虚像50の表示に必要な画像データ、画像データの内容や種別を示す情報、車両60の速度や現在位置といった車両60に関する情報を制御部40に送信する。 The external device 64 is a device that generates original data of an image displayed as a virtual image 50. The external device 64 is, for example, an electronic control unit (ECU) of the vehicle 60, a navigation device, a mobile device such as a mobile phone, a smartphone, or a tablet. The external device 64 transmits to the control unit 40 image data necessary for displaying the virtual image 50, information indicating the content and type of the image data, and information about the vehicle 60 such as the speed and the current position of the vehicle 60.

以下、実施の形態に係る光学配置を詳述する前に、比較例を参照しながら二重像の発生について説明する。虚像50が二重像として見えてしまう要因として、ウインドシールド62の車内側と車外側の二つの界面で反射して視認される画像表示光がずれて提示されることが挙げられる。 Hereinafter, the generation of the double image will be described with reference to a comparative example before the optical arrangement according to the embodiment is described in detail. One of the factors that cause the virtual image 50 to appear as a double image is that the image display light reflected and visually recognized at the two interfaces of the inside and outside of the windshield 62 is presented in a shifted manner.

図2は、虚像提示板22に起因する二重像の発生を模式的に示す図である。図2では、説明の簡略化のため、虚像提示板22と表示部92の間に配置される凹面鏡などの光学素子を省略している。虚像提示板22は、所定の厚みtを有し、第1面23と、第2面24とを有する。第1面23は、ウインドシールド62の車内側の界面に対応し、第2面24は、ウインドシールド62の車外側の界面に対応する。 FIG. 2 is a diagram schematically showing the generation of a double image caused by the virtual image presentation plate 22. In FIG. 2, for simplification of the description, an optical element such as a concave mirror arranged between the virtual image presentation plate 22 and the display unit 92 is omitted. The virtual image presentation plate 22 has a predetermined thickness t, and has a first surface 23 and a second surface 24. The first surface 23 corresponds to the interface inside the vehicle of the windshield 62, and the second surface 24 corresponds to the interface outside the vehicle of the windshield 62.

表示部92の任意の一点からユーザEに達する画像表示光Lは、主に二つの光路L1,L2を通る。第1光路L1は、第1面23で反射されてユーザEに向かう光路であり、第2光路L2は、第1面23で屈折し、第2面24で反射された後、第1面23で再度屈折してユーザEに向かう光路である。このとき、ユーザEに向かう第1光路L1と第2光路L2の間に角度差Δθが存在すると、その角度差Δθに応じて二つの光路L1,L2のそれぞれを通る画像表示光がずれて視認され、虚像51に二重像が生じる。なお、第1面23と第2面24の間を多重反射してユーザEに向かう光路も想定しうるが、多重反射してユーザEに向かう画像表示光の成分は小さく、通常の使用態様において無視できる。 The image display light L reaching the user E from any one point of the display unit 92 mainly passes through the two optical paths L1 and L2. The first optical path L1 is an optical path that is reflected by the first surface 23 and heads toward the user E, and the second optical path L2 is refracted by the first surface 23 and reflected by the second surface 24, and then the first surface 23. It is an optical path that is refracted again and heads for user E. At this time, if an angle difference Δθ exists between the first optical path L1 and the second optical path L2 toward the user E, the image display light passing through each of the two optical paths L1 and L2 is shifted and visually recognized according to the angle difference Δθ. Then, a double image is generated in the virtual image 51. It should be noted that an optical path that is multiple-reflected between the first surface 23 and the second surface 24 and directed toward the user E can be assumed, but the component of the image display light that is multiple-reflected and directed toward the user E is small, and in a normal usage mode. It can be ignored.

図3は、楔ガラスによる二重像の抑制を模式的に示す図である。図3の虚像提示板82は、いわゆる「楔ガラス」と言われるものであり、虚像提示板82の厚みが場所に応じて変化するよう構成されている。その結果、虚像提示板82の第1面83と第2面84は、ユーザEの視線方向に対して互いに異なる傾斜角を有し、角度差δが設けられる。二つの面83,84の間に角度差δが設けられた楔ガラスを用いることにより、図2に示すような第1光路L1と第2光路L2の角度差Δθが補正され、二重像を抑制させた虚像52を提示できる。 FIG. 3 is a diagram schematically showing the suppression of the double image by the wedge glass. The virtual image presentation plate 82 of FIG. 3 is a so-called “wedge glass”, and the thickness of the virtual image presentation plate 82 is configured to change depending on the location. As a result, the first surface 83 and the second surface 84 of the virtual image presentation plate 82 have different inclination angles with respect to the line-of-sight direction of the user E, and an angle difference δ is provided. By using a wedge glass having an angle difference δ between the two surfaces 83 and 84, the angle difference Δθ between the first optical path L1 and the second optical path L2 as shown in FIG. 2 is corrected, and a double image is obtained. The suppressed virtual image 52 can be presented.

しかしながら、このような「楔ガラス」は角度差δを精密に制御して形成する必要があるため、厚さtが均一な通常のガラスと比べて高価である。また、車両60のウインドシールド62を楔ガラスにする場合には、車両60の形状に応じた専用の楔ガラスが必要となるだけでなく、ウインドシールド62の全体を交換しなければならないため、非常にコストがかかる。したがって、このような特殊な楔ガラスを用いずに二重像の発生を低減できることが好ましい。 However, since such "wedge glass" needs to be formed by precisely controlling the angle difference δ, it is more expensive than ordinary glass having a uniform thickness t. Further, when the windshield 62 of the vehicle 60 is made of wedge glass, not only a special wedge glass corresponding to the shape of the vehicle 60 is required, but also the entire windshield 62 must be replaced, which is extremely difficult. It costs money. Therefore, it is preferable that the generation of double images can be reduced without using such a special wedge glass.

図4は、比較例に係る虚像表示装置90の光学配置を詳細に示す図である。比較例は、虚像提示板22と表示部92の間に凸レンズ94が設けられる点で図4の構成と異なる。本比較例では、凸レンズ94を設けることにより、表示部92の任意の一点から出発してから虚像提示板22の第1面23で反射される第1光路L1と、虚像提示板22の第2面24で反射される第2光路L2との間の角度差を低減できる。特に、虚像提示板22と凸レンズ94により構成される合成光学系の焦点に表示部92を配置することで、第1光路L1と第2光路L2の角度差をなくして二重像を解消することができる。なお、図4の比較例では、表示部92が合成光学系の焦点に配置されるため、ユーザEから見たときの虚像53の提示位置は無限遠または無限遠の近傍となる。 FIG. 4 is a diagram showing in detail the optical arrangement of the virtual image display device 90 according to the comparative example. The comparative example differs from the configuration of FIG. 4 in that a convex lens 94 is provided between the virtual image presentation plate 22 and the display unit 92. In this comparative example, by providing the convex lens 94, the first optical path L1 that starts from an arbitrary point of the display unit 92 and is reflected by the first surface 23 of the virtual image presentation plate 22 and the second optical path L1 of the virtual image presentation plate 22. The angle difference with the second optical path L2 reflected by the surface 24 can be reduced. In particular, by arranging the display unit 92 at the focal point of the composite optical system composed of the virtual image presentation plate 22 and the convex lens 94, the double image can be eliminated by eliminating the angle difference between the first optical path L1 and the second optical path L2. Can be done. In the comparative example of FIG. 4, since the display unit 92 is arranged at the focal point of the composite optical system, the presentation position of the virtual image 53 when viewed from the user E is at infinity or near infinity.

図5は、比較例において目の高さ位置が変化したときの虚像53の見え方の変化を模式的に示す図である。比較例では、虚像53の提示位置が無限遠となるため、符号E,E,Eで示すようにユーザの目の高さ位置(アイポイントといもいう)が上下に変化したとしても、虚像53が見える方向(画像表示光L,L,Lの延びる方向)は変わらない。その結果、ユーザE〜Eのアイポイントが上下に移動すると、虚像53も同様に上下に平行移動したように見える。つまり、ユーザE〜Eのアイポイントの上下方向の移動量Δhと、対応する虚像53の提示位置での上下方向の移動量Δkとがほぼ同等になる。このような見え方は、数メートル先といった有限の距離にある物体を見るときとは異なるため、ユーザに違和感を与えることがある。特に、頭部を傾げるなどして左右の目の高さが異なった状態では、左右のそれぞれの目で視認される虚像53の提示位置が左右の目の高さの差分だけずれるため、ユーザに与える違和感が大きくなるおそれがある。 FIG. 5 is a diagram schematically showing a change in the appearance of the virtual image 53 when the height position of the eyes changes in the comparative example. In the comparative example, since the presentation position of the virtual image 53 is infinity, code E A, E B, also the height position of the user's eye as shown in E C (eyepoint trough also referred) is changed in the vertical , the direction in which the virtual image 53 is visible (the image display light L A, L B, the extending direction of the L C) does not change. As a result, when the eye points of the users E A to E C move up and down, the virtual image 53 also appears to move up and down in parallel. That is, the vertical movement amount Δh of the eye points of the users E A to E C and the vertical movement amount Δk at the presentation position of the corresponding virtual image 53 are substantially the same. Such an appearance is different from when looking at an object at a finite distance such as several meters away, which may give the user a sense of discomfort. In particular, when the heights of the left and right eyes are different due to tilting the head, the presentation position of the virtual image 53 visually recognized by the left and right eyes shifts by the difference in the heights of the left and right eyes. There is a risk that the discomfort given will increase.

そこで、本実施の形態では、目の高さ位置の変化によって生じうる虚像の見え方の違和感を低減するため、虚像がユーザから見て有限の距離に提示されるようにする。つまり、図4の比較例において、表示部92を合成光学系の焦点からずらした位置に配置する。このとき、表示部92と合成光学系の焦点の距離を大きくするほど、虚像の提示位置をユーザから見てより手前側に配置することができ、目の高さ位置の変化による虚像の見え方の違和感を低減できる。その一方で、表示部92と合成光学系の焦点の距離を大きくするほど、虚像提示板22に起因する二重像が知覚されやすくなるというトレードオフが生じる。そこで、本発明者らは、合成光学系の非点収差に着目し、虚像のメリディオナル像面位置とサジタル像面位置を適切に設定することで、目の高さ位置の変化による虚像の見え方の違和感を低減しつつ、二重像の発生を緩和する方法を考えた。非点収差の詳細については別途後述する。 Therefore, in the present embodiment, in order to reduce the discomfort of the appearance of the virtual image that may occur due to the change in the height position of the eyes, the virtual image is presented at a finite distance when viewed from the user. That is, in the comparative example of FIG. 4, the display unit 92 is arranged at a position deviated from the focal point of the composite optical system. At this time, as the distance between the display unit 92 and the focal point of the composite optical system is increased, the presentation position of the virtual image can be arranged closer to the front side when viewed from the user, and the appearance of the virtual image due to the change in the height position of the eyes. The feeling of strangeness can be reduced. On the other hand, there is a trade-off that the larger the distance between the display unit 92 and the focal point of the composite optical system, the easier it is to perceive the double image caused by the virtual image presentation plate 22. Therefore, the present inventors pay attention to the astigmatism of the synthetic optical system, and by appropriately setting the meridional image plane position and the sagittal image plane position of the virtual image, the appearance of the virtual image due to the change in the height position of the eyes. We considered a method to alleviate the occurrence of double images while reducing the discomfort of. Details of astigmatism will be described later.

図6は、実施の形態に係る虚像表示装置10の光学配置を詳細に示す図であり、上述の図1の構成に対応する。虚像表示装置10の投射光学系14は、凹面鏡16および凸レンズ18を含む。凹面鏡16は、表示部12が生成する画像表示光Lを虚像提示板22に向けて投射する。凸レンズ18は、表示部12と凹面鏡16の間に配置される。凸レンズ18は、虚像提示板22と投射光学系14にて構成される合成光学系20の非点収差量や焦点距離等を調整する。なお、投射光学系14に凸レンズ18が含まれなくてもよいし、図示する光学素子に加えてレンズや折り返しミラーといったさらに別の光学素子が追加されてもよい。 FIG. 6 is a diagram showing in detail the optical arrangement of the virtual image display device 10 according to the embodiment, and corresponds to the configuration of FIG. 1 described above. The projection optical system 14 of the virtual image display device 10 includes a concave mirror 16 and a convex lens 18. The concave mirror 16 projects the image display light L generated by the display unit 12 toward the virtual image presentation plate 22. The convex lens 18 is arranged between the display unit 12 and the concave mirror 16. The convex lens 18 adjusts the amount of astigmatism, the focal length, and the like of the synthetic optical system 20 composed of the virtual image presentation plate 22 and the projection optical system 14. The projection optical system 14 may not include the convex lens 18, and in addition to the illustrated optical element, another optical element such as a lens or a folded mirror may be added.

合成光学系20では、画像表示光Lが凹面鏡16に角度θで斜入射するため、非点収差(非点較差)Asが生じる。その結果、合成光学系20のメリディオナル面内焦点26mとサジタル(sagittal)面内焦点26sとの間にずれが生じる。具体的には、メリディオナル面内焦点距離よりもサジタル面内焦点距離が長くなるため、メリディオナル面内焦点26mよりもサジタル面内焦点26sが凹面鏡16の遠くに位置する。ここで、「メリディオナル面」とは合成光学系20の光軸と画像表示光Lの主光線を含む平面のことをいい、図6のyz平面がメリディオナル面に相当する。一方、「サジタル面」とは、合成光学系20の光軸を含む平面であってメリディオナル面に直交する平面であり、図6のxz平面がサジタル面に相当する。 In the synthetic optical system 20, since the image display light L is obliquely incident on the concave mirror 16 at an angle θ, astigmatism (astigmatism) As occurs. As a result, a gap occurs between the meridional in-plane focal point 26 m of the composite optical system 20 and the sagittal in-plane focal point 26s. Specifically, since the sagittal in-plane focal length is longer than the meridional in-plane focal length, the sagittal in-plane focal length 26s is located farther from the concave mirror 16 than the meridional in-plane focal length 26m. Here, the “meridional plane” refers to a plane including the optical axis of the synthetic optical system 20 and the main ray of the image display light L, and the yz plane of FIG. 6 corresponds to the meridional plane. On the other hand, the "sagittal plane" is a plane including the optical axis of the composite optical system 20 and orthogonal to the meridional plane, and the xz plane of FIG. 6 corresponds to the sagittal plane.

図7(a),(b)は、凹曲面96の一部領域98に入射する平行光束の非点収差を模式的に示す図であり、それぞれ異なる視点から見た図である。図7(a)は、凹曲面96のメリディオナル面(yz平面)内での光束を示し、図7(b)は、凹曲面96のサジタル面(xz平面)内での光束を示す。図示されるように、メリディオナル面とサジタル面では平行光束の収束位置Fm,Fsが異なり、メリディオナル面内焦点Fmよりもサジタル面内焦点Fsの方が凹曲面96から遠くに位置する。これは、凹面鏡に平行光束を斜入射させると、その入射角に応じて光の収束位置までの距離(つまり、焦点距離)が変化するためである。凹面鏡の焦点距離をf、凹面鏡に入射する光の入射角をφとすると、斜入射する光の焦点距離はf・cosφと表され、入反射角φが大きいほど焦点距離f・cosφは小さくなる。つまり、光束が斜めに入射するメリディオナル面内での焦点距離がf・cosφに短くなる。一方、サジタル面内での焦点距離はf/cosφに長くなる。 7 (a) and 7 (b) are diagrams schematically showing the astigmatism of the parallel luminous flux incident on the partial region 98 of the concave curved surface 96, and are views from different viewpoints. FIG. 7 (a) shows the luminous flux in the meridional plane (yz plane) of the concave curved surface 96, and FIG. 7 (b) shows the luminous flux in the sagittal plane (xz plane) of the concave curved surface 96. As shown in the figure, the convergence positions Fm and Fs of the parallel luminous flux are different between the meridional plane and the sagittal plane, and the sagittal in-plane focus Fs is located farther from the concave curved surface 96 than the meridional in-plane focus Fm. This is because when a parallel light beam is obliquely incident on a concave mirror, the distance to the light convergence position (that is, the focal length) changes according to the incident angle. Assuming that the focal length of the concave mirror is f and the incident angle of the light incident on the concave mirror is φ, the focal length of the obliquely incident light is expressed as f · cosφ. .. That is, the focal length in the meridional plane in which the luminous flux is obliquely incident is shortened to f · cosφ. On the other hand, the focal length in the sagittal plane becomes long to f / cosφ.

図6の合成光学系20の焦点は、合成光学系20を構成する凹面鏡16、凸レンズ18および虚像提示板22の特性および配置により決定される。具体的には、凹面鏡16の焦点距離、凸レンズ18の焦点距離、虚像提示板22の焦点距離、凹面鏡16、凸レンズ18および虚像提示板22の相対距離や向きにより決まる。例えば、虚像提示板22が所定の曲率を有し、第1面23が凹面、第2面24が凸面となる形状を有する場合、虚像提示板22にて画像表示光Lが斜めに入反射することによる非点収差が生じうる。なお、虚像提示板22は、第1面23および第2面24が平面となる形状を有してもよい。また、図6に示される合成光学系20の焦点26m,26sの位置は模式的に示すものであり、合成光学系20の光学配置に基づく正確な焦点位置を示すものではない。 The focal point of the synthetic optical system 20 of FIG. 6 is determined by the characteristics and arrangement of the concave mirror 16, the convex lens 18, and the virtual image presentation plate 22 constituting the synthetic optical system 20. Specifically, it is determined by the focal length of the concave mirror 16, the focal length of the convex lens 18, the focal length of the virtual image presentation plate 22, and the relative distance and orientation of the concave mirror 16, the convex lens 18 and the virtual image presentation plate 22. For example, when the virtual image presentation plate 22 has a predetermined curvature, the first surface 23 has a concave surface, and the second surface 24 has a convex surface, the image display light L is obliquely input and reflected by the virtual image presentation plate 22. Astigmatism can occur due to this. The virtual image presentation plate 22 may have a shape in which the first surface 23 and the second surface 24 are flat. Further, the positions of the focal points 26m and 26s of the composite optical system 20 shown in FIG. 6 are schematically shown, and do not indicate an accurate focal position based on the optical arrangement of the composite optical system 20.

本実施の形態では、合成光学系20の焦点26m,26sより手前側(凸レンズ18側)に離れて表示部12が配置され、メリディオナル面内焦点26mから距離dだけ手前側に表示部12が配置される。そのため、ユーザEからは有限の視距離に虚像50が提示されるように見える。また、非点較差Asがあるため、横方向(サジタル面内)のピントが合うように見える虚像50のサジタル像面50sと、縦方向(メリディオナル面内)のピントが合うように見える虚像50のメリディオナル像面50mとがユーザEから見て奥行き方向に異なる距離に提示される。具体的には、ユーザEから見たサジタル像面50sまでの第1距離D1がメリディオナル像面50mまでの第2距離D2よりも短くなるように虚像50が提示される。このとき、ユーザEは、手前側に見えるサジタル像面50sの位置に形成される虚像を主として視認することになる。 In the present embodiment, the display unit 12 is arranged on the front side (convex lens 18 side) of the composite optical system 20 from the focal points 26m and 26s, and the display unit 12 is arranged on the front side by a distance d from the meridional in-plane focal point 26m. Will be done. Therefore, it seems that the virtual image 50 is presented to the user E at a finite viewing distance. Further, since there is an astigmatism difference As, the sagittal image plane 50s of the virtual image 50 which seems to be in focus in the horizontal direction (inside the sagittal plane) and the virtual image 50 which seems to be in focus in the vertical direction (inside the meridional plane) The meridional image plane 50 m is presented at different distances in the depth direction when viewed from the user E. Specifically, the virtual image 50 is presented so that the first distance D1 to the sagittal image plane 50s as seen from the user E is shorter than the second distance D2 to the meridional image plane 50 m. At this time, the user E mainly visually recognizes the virtual image formed at the position of the sagittal image plane 50s that can be seen on the front side.

図8は、実施の形態において目の高さ位置が変化したときの虚像50の見え方の変化を模式的に示す図である。実施の形態では、虚像50の提示位置が有限の距離となり、ユーザE〜Eのアイポイントが上下に移動してもメリディオナル像面50mが見える位置は変わらない。つまり、実施の形態では、虚像50が見える方向または角度(画像表示光L,L,Lの延びる方向または角度)がアイポイントの位置に応じて変化する。このとき、ユーザE〜Eが主として視認する手前側のサジタル像面50sが見える位置は、画像表示光L〜Lの延びる方向に応じて上下方向に変化しうる。しかしながら、サジタル像面50sの上下方向の変化量Δkは、アイポイントの上下方向の変化量Δhよりも小さい。具体的には、上述の第1距離D1および第2距離D2を用いると、Δk=Δh・D1/D2となる。したがって、本実施の形態によれば、上述の比較例に比べて、アイポイントの上下方向の変化に起因する虚像50の上下方向の移動量を低減でき、見え方の違和感を緩和させることができる。 FIG. 8 is a diagram schematically showing a change in the appearance of the virtual image 50 when the height position of the eyes changes in the embodiment. In the embodiment, the presentation position of the virtual image 50 is a finite distance, and the position where the meridional image plane 50 m can be seen does not change even if the eye points of the users E A to E C move up and down. That is, in the embodiment, the direction or angle of the virtual image 50 appear (image display light L A, L B, direction or angle extension of L C) varies depending on the position of the eye point. At this time, the position where the sagittal image plane 50s on the front side, which is mainly visually recognized by the users E A to E C, can be seen can change in the vertical direction according to the extending direction of the image display lights L A to L C. However, the amount of change Δk in the vertical direction of the sagittal image plane 50s is smaller than the amount of change Δh in the vertical direction of the eye point. Specifically, when the above-mentioned first distance D1 and second distance D2 are used, Δk = Δh · D1 / D2. Therefore, according to the present embodiment, the amount of movement of the virtual image 50 in the vertical direction due to the change in the vertical direction of the eye point can be reduced, and the discomfort in the appearance can be alleviated, as compared with the above-mentioned comparative example. ..

なお、二重像の発生とアイポイントの変化による見え方の違和感の緩和とを両立させるためには、第1距離D1および第2距離D2のそれぞれの逆数の差が0.25[m−1]以下となる(つまり、(1/D1)−(1/D2)≦0.25[m−1])ように設定することが望ましい。この関係式を満たすようにすることで、メリディオナル像面50mとサジタル像面50sの双方にユーザEの目のピントを合わせることができ、めまいが生じるといった違和感の発生を防ぐことができる。 In order to achieve both the generation of the double image and the alleviation of the discomfort of the appearance due to the change of the eye point, the difference between the reciprocals of the first distance D1 and the second distance D2 is 0.25 [m -1. ] Or less (that is, (1 / D1)-(1 / D2) ≤ 0.25 [m -1 ]). By satisfying this relational expression, the eyes of the user E can be focused on both the meridional image plane 50 m and the sagittal image plane 50s, and it is possible to prevent the occurrence of discomfort such as dizziness.

具体例を挙げると、第1距離D1が2mであれば、第2距離D2は2m〜4mの範囲内に設定することが好ましい。第1距離D1が3mであれば、第2距離D2は3m〜12mの範囲内に設定することが好ましく、第1距離D1が4mであれば、第2距離D2は4m〜20m程度の有限の距離とすることが好ましい。 To give a specific example, if the first distance D1 is 2 m, it is preferable to set the second distance D2 within the range of 2 m to 4 m. If the first distance D1 is 3 m, the second distance D2 is preferably set within the range of 3 m to 12 m, and if the first distance D1 is 4 m, the second distance D2 is a finite distance of about 4 m to 20 m. The distance is preferable.

また、アイポイントの上下方向の変化に起因する虚像50の上下方向の移動量を低減させるためには、第1距離D1と第2距離D2の差は小さい方が好ましい。例えば、第2距離D2を第1距離D1の2倍以下とすることで、そうではない場合と比較して虚像50の上下方向の移動をより目立たなくできる。 Further, in order to reduce the amount of movement of the virtual image 50 in the vertical direction due to the change in the vertical direction of the eye point, it is preferable that the difference between the first distance D1 and the second distance D2 is small. For example, by setting the second distance D2 to be twice or less the first distance D1, the vertical movement of the virtual image 50 can be made less noticeable as compared with the case where the second distance D2 is not set.

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、各表示例に示す構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。 Although the present invention has been described above with reference to the above-described embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the configurations shown in each display example are appropriately combined or replaced. Is also included in the present invention.

10…虚像表示装置、12…表示部、14…投射光学系、16…凹面鏡、18…凸レンズ、20…合成光学系、22…虚像提示板、26m…メリディオナル面内焦点、26s…サジタル面内焦点、50…虚像、50m…メリディオナル像面、50s…サジタル像面。 10 ... Virtual image display device, 12 ... Display unit, 14 ... Projection optical system, 16 ... Concave mirror, 18 ... Convex lens, 20 ... Synthetic optical system, 22 ... Virtual image presentation plate, 26m ... Meridional in-plane focus, 26s ... Sagittal in-plane focus , 50 ... virtual image, 50m ... meridional image plane, 50s ... sagittal image plane.

Claims (2)

虚像提示板を介してユーザに虚像を提示するための虚像表示装置であって、
画像表示光を生成する表示部と、
前記画像表示光を前記虚像提示板に向けて投射する投射鏡を含む投射光学系と、を備え、
前記投射光学系は、前記虚像提示板および前記投射光学系により構成される合成光学系のメリディオナル面内焦点とサジタル面内焦点が異なるよう構成され、
前記合成光学系のメリディオナル面内焦点は、前記虚像提示板のメリディオナル面に沿って前記ユーザから前記虚像提示板に向けて平行光束を入射させたときの当該平行光束の集光位置であり、
前記合成光学系のサジタル面内焦点は、前記虚像提示板のサジタル面に沿って前記ユーザから前記虚像提示板に向けて平行光束を入射させたときの当該平行光束の集光位置であり、
前記ユーザから見た前記虚像のサジタル像面位置までの第1距離をD1とし、前記虚像のメリディオナル像面位置までの第2距離をD2としたとき、前記第1距離D1および前記第2距離D2のそれぞれの逆数の差が0.25[m−1]以下となるように構成されることを特徴とする虚像表示装置。
A virtual image display device for presenting a virtual image to a user via a virtual image presentation board.
A display unit that generates image display light and
A projection optical system including a projection mirror that projects the image display light toward the virtual image presentation plate is provided.
The projection optical system is configured such that the meridional in-plane focus and the sagittal in-plane focus of the synthetic optical system composed of the virtual image presentation plate and the projection optical system are different.
The meridional in-plane focal point of the synthetic optical system is a condensing position of the parallel light flux when a parallel light flux is incident from the user toward the virtual image presentation plate along the meridional surface of the virtual image presentation plate.
The sagittal in-plane focus of the synthetic optical system is a condensing position of the parallel light flux when a parallel light flux is incident from the user toward the virtual image presentation plate along the sagittal surface of the virtual image presentation plate.
When the first distance to the sagittal image plane position of the virtual image as seen from the user is D1 and the second distance to the meridional image plane position of the virtual image is D2, the first distance D1 and the second distance D2 A virtual image display device characterized in that the difference between the reciprocals of the above is 0.25 [m -1] or less.
前記虚像提示板は、車両に設けられる厚さが均一なウインドシールドであることを特徴とする請求項1に記載の虚像表示装置。 The virtual image display device according to claim 1, wherein the virtual image presentation plate is a windshield having a uniform thickness provided in a vehicle.
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