JP2008268883A - Head-up display apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a head-up display (HUD) apparatus for projecting a display image excellent in visibility without being affected by outside light. <P>SOLUTION: The HUD apparatus allows an occupant of a vehicle to visually perceive a virtual image of an image light 81 reflected by a windshield 9 after passing through a cylindrical lens 7, wherein the cylindrical lens 7 is inclined against the image light 81 to thereby reflect outside light reflected on the cylindrical lens 7 not to reach an eye range 3 of the occupant of the vehicle. The cylindrical lens is placed such that an action axis direction for an optical action and a horizontal direction (X direction) in a display image agree with each other. Of the cylindrical lens 7, an inclination angle θx and installation depth d are so set to satisfy that the outside light incident at an angle equal to or greater than an interception upper-limit incident angle θu and reflected by a pass-through side does not arrive at the eye range 3, and the outside light incident at an angle equal to or smaller than the interception upper-limit incident angle θu is intercepted by an instrument panel 2 and can not arrive at the cylindrical lens 7. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、車両等の移動体に備えられるヘッドアップディスプレイ装置に関する。   The present invention relates to a head-up display device provided in a moving body such as a vehicle.

従来、自動車等の移動体(以下、車両という)に備えられ、その車両のインストルメントパネル(以下、インパネという)内側に配置された映像投射器(液晶ディスプレイ等)より各種情報を映像光として照射し、フロントウインドシールドの内面に反射させ、各種情報を虚像(以下、表示像という)として運転者に視認させるヘッドアップディスプレイ装置(以下、HUD装置という)が知られている。   Conventionally, various types of information are emitted as image light from a video projector (liquid crystal display, etc.) that is provided in a moving body (hereinafter referred to as a vehicle) such as an automobile and is arranged inside an instrument panel (hereinafter referred to as an instrument panel) of the vehicle. In addition, a head-up display device (hereinafter referred to as a HUD device) is known in which a driver visually recognizes various information as a virtual image (hereinafter referred to as a display image) by being reflected on the inner surface of the front windshield.

この種のHUD装置では、表示像を車両の前景に重畳させて表示するものが一般的であり、運転者が表示像を視認する際、目の焦点を簡単に合わせることができるように、できるだけ前景に近い位置(運転者の目の位置から離れた位置)に表示像を投影することが重要である。   In this type of HUD device, it is common to display a display image superimposed on the foreground of the vehicle. When the driver visually recognizes the display image, the eyes can be easily focused as much as possible. It is important to project the display image at a position close to the foreground (a position away from the driver's eyes).

そのためには、表示像を視認させる運転者と映像投射器との間の距離を長くする必要がある。しかし、表示像を視認させる運転者と映像投射器との間の距離を単純に長くすると、HUD装置自体が大型化してしまうという問題がある。   For this purpose, it is necessary to increase the distance between the driver who visually recognizes the display image and the video projector. However, if the distance between the driver who visually recognizes the display image and the video projector is simply increased, there is a problem that the HUD device itself is increased in size.

これに対して、映像投射器とフロントウインドシールドとの間の光路上に複数の反射ミラーを設置して光路を屈曲させたり、映像投射器とフロントウインドシールドとの間に拡大用のレンズを配置して光路を等価的に長くしたりすることで、HUD装置の全長を短く抑え、HUD装置を小型化することが行われている(例えば、特許文献1参照)。   In contrast, multiple reflecting mirrors are installed on the optical path between the video projector and the front windshield to bend the optical path, or an enlargement lens is placed between the video projector and the front windshield. Thus, by making the optical path equivalently long, the entire length of the HUD device is suppressed to be small, and the HUD device is downsized (for example, see Patent Document 1).

ここで、図21は、拡大用のレンズとして一般的な凸レンズによって光路を等価的に長くすることができる原理を示す説明図である。
図21に示すように、映像光100を表示する映像投射器を凸レンズCの焦点Fよりも凸レンズCに近い位置に配置した場合に、表示像101は虚像となり、凸レンズCから見て映像投射器の配置された方向と同じ方向に表示される(即ち、像が作られる)。
Here, FIG. 21 is an explanatory diagram showing the principle that the optical path can be equivalently lengthened by a general convex lens as a magnifying lens.
As shown in FIG. 21, when the video projector that displays the video light 100 is arranged at a position closer to the convex lens C than the focal point F of the convex lens C, the display image 101 becomes a virtual image, and the video projector is viewed from the convex lens C. Are displayed in the same direction as that in which they are arranged (ie, an image is created).

そして、凸レンズCの中心と運転者に視認される表示像101との距離をb、凸レンズCの中心と映像投射器の映像光100を表示する部位との距離をa、凸レンズCの焦点距離をfとして、距離a、距離b、焦点距離fは(1)式に示す関係を有する。   The distance between the center of the convex lens C and the display image 101 visually recognized by the driver is b, the distance between the center of the convex lens C and the portion displaying the image light 100 of the video projector is a, and the focal length of the convex lens C is As f, the distance a, the distance b, and the focal length f have the relationship shown in the equation (1).

つまり、(1)式から明らかなように、凸レンズCから焦点Fまでの範囲内で、映像光100を表示する映像投射器と凸レンズCとの距離aを長くすることにより、表示像の投影位置までの距離bを長くすること、即ち、映像投射器から虚像を視認する運転者までの光路を等価的に長くすることができるのである。 That is, as is clear from the equation (1), the projection position of the display image is increased by increasing the distance a between the image projector that displays the image light 100 and the convex lens C within the range from the convex lens C to the focal point F. In other words, the optical path from the video projector to the driver who visually recognizes the virtual image can be equivalently increased.

但し、HUD装置では、図22に示すように、レンズ202(凸レンズC)と運転者との間にフロントウインドシールド203が存在し、フロントウインドシールド203には、その下方から映像光が照射されるような配置を有している。つまり、運転者には、フロントウインドシールド203に反射することで進行方向が変化した映像光100が視認され、その結果、虚像は、映像投射器と同じフロントウインドシールド203の下方ではなく、フロントウインドシールド203を透過した位置に現れることになる。
特開2002−202475号公報
However, in the HUD device, as shown in FIG. 22, a front windshield 203 exists between the lens 202 (convex lens C) and the driver, and image light is irradiated to the front windshield 203 from below. It has such an arrangement. That is, the driver can visually recognize the image light 100 whose traveling direction has been changed by being reflected by the front windshield 203, and as a result, the virtual image is not under the front windshield 203, which is the same as the image projector, but in the front window. It will appear at a position that has passed through the shield 203.
JP 2002-202475 A

しかし、特許文献1に記載のHUD装置では、図23に示すように、太陽光200等の外光が入射する角度によっては、フロントウインドシールド203を透過してレンズ202に反射し、運転者のアイレンジ204に反射光201が入り込むことがある。   However, in the HUD device described in Patent Document 1, as shown in FIG. 23, depending on the angle at which external light such as sunlight 200 is incident, the light is transmitted through the front windshield 203 and reflected to the lens 202, and the driver's The reflected light 201 may enter the eye range 204.

この結果、図24に示すように、反射光201が表示像の光に比べて強いため、運転者に許容されない強いノイズとなり、表示像の視認性に影響を及ぼすという問題があった。
本発明は、上記問題点を解決して、外光の影響を受けることなく、視認性のよい表示像を投影することが可能であり、さらには装置の小型化が可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。
As a result, as shown in FIG. 24, since the reflected light 201 is stronger than the light of the display image, there is a problem that the noise becomes unacceptable to the driver and affects the visibility of the display image.
The present invention solves the above-described problems, and can provide a head-up display device that can project a display image with high visibility without being affected by external light, and can further reduce the size of the device. The purpose is to provide.

上記の目的を達成するためになされた発明である請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ装置は、移動体に搭載される装置であって、光を透過かつ反射する反射手段によって映像光を反射させて、その反射した映像光からなる映像を移動体の乗員に虚像として視認させるように、予め設定された特定方向に対して光に光学的作用を与えると共にその光を透過させる光学手段を備えている。   The head-up display device according to claim 1, which is an invention made to achieve the above object, is a device mounted on a moving body, and reflects image light by reflecting means that transmits and reflects light. And optical means for optically acting on the light in a predetermined direction and transmitting the light so that the occupant of the moving body can visually recognize the image formed of the reflected image light as a virtual image. Yes.

なお、光学手段において、以下では、映像光の入射側の面を入射側端面、映像光の出射側の面を出射側端面、さらに、特定方向に直交する断面のうち、入射側端面との交線を入射側交線、出射側端面との交線を出射側交線とする。   In the optical means, hereinafter, the image light incident side surface is defined as the incident side end surface, the image light output side surface is defined as the exit side end surface, and the cross section perpendicular to the specific direction intersects with the incident side end surface. The line is the incident side intersection line, and the intersection line with the emission side end face is the emission side intersection line.

また、当該ヘッドアップディスプレイ装置では、映像投射手段が、光学手段を介して反射手段に映像光を投射し、遮光手段が、反射手段における映像光の非投射面側から光学手段に向けて入射する外光の一部を遮る。   In the head-up display device, the image projection unit projects image light onto the reflection unit via the optical unit, and the light shielding unit enters the image unit from the non-projection surface side of the image light toward the optical unit. Block some of the outside light.

ここで、光学手段は、遮光手段にて遮られることなく自身(光学手段)に到達して反射した外光が視認領域(移動体の乗員に視認させる領域,所謂アイレンジ)の領域外を指向するように、入射側交線における法線と、出射側交線における法線とが共に、入射側端面に入射する映像の主光軸に対して傾斜するように配置されている。なお、映像の主光軸とは、映像投射手段によって投射される映像の中心を通る光線軸のことを指す。   Here, the optical means directs the outside light that has reached and reflected itself (the optical means) without being blocked by the light shielding means, outside the visual recognition area (the area that the occupant of the moving body visually recognizes, the so-called eye range). Thus, both the normal line at the incident side intersection line and the normal line at the emission side intersection line are arranged so as to be inclined with respect to the main optical axis of the image incident on the incident side end face. Note that the main optical axis of an image refers to a light axis passing through the center of the image projected by the image projection means.

したがって、本発明のヘッドアップディスプレイ装置によれば、反射手段における映像の非投射面側から光学手段に向けて入射する外光のうち、光学手段で反射してアイレンジに入り込む方向に入射する外光を、遮光手段が必ず遮ることになる。その結果、当該ヘッドアップディスプレイ装置は、外光の影響を受けることなく、視認性のよい表示像を投影することができる。   Therefore, according to the head-up display device of the present invention, out of the external light incident on the optical means from the non-projection surface side of the image in the reflective means, the external light that is reflected by the optical means and enters the eye range. The light blocking means must block the light. As a result, the head-up display device can project a display image with good visibility without being affected by external light.

ところで、光学手段は、請求項2に記載のように、入射側交線と出射側交線とが非平行となる形状であることが望ましい。
このように構成されたヘッドアップディスプレイ装置によれば、出射側端面から出射される映像光の出射角を比較すると、出射側端面および入射側端面での反射(多重反射)を経た後に出射する映像光と、この多重反射を経ることなく出射する映像光とで異なるため、前者の映像光(多重反射後の出射光)がさらに反射手段で反射された映像光を視認領域外に指向することができる。つまり、多重反射を経た映像光からなるゴースト像を、移動体の乗員に虚像として視認させることを防止し、視認性のさらによい表示像を投影することができる。
By the way, as described in claim 2, the optical means preferably has a shape in which the incident-side intersection line and the emission-side intersection line are not parallel.
According to the head-up display device configured as described above, when the emission angles of the image light emitted from the emission side end surface are compared, the image emitted after undergoing reflection (multiple reflection) at the emission side end surface and the incident side end surface Since the light and the image light emitted without undergoing the multiple reflection are different, the former image light (the emitted light after the multiple reflection) may further direct the image light reflected by the reflecting means outside the viewing area. it can. That is, it is possible to prevent a ghost image made of image light that has undergone multiple reflections from being visually recognized by a vehicle occupant as a virtual image, and to project a display image with better visibility.

また、このように構成されたヘッドアップディスプレイ装置では、光学手段に入射する映像の主光軸の法線に対して傾斜する角度を傾斜角度とすると、入射側端面の傾斜角度に対して出射側端面の傾斜角度を大きくとれるため、光学手段にて反射した外光が、より多く遮光手段で遮られることとなる。このため、外光がアイレンジに入り込むことをより容易に防止すると共に、レンズの設置深さを比較的浅く設定することができ、ひいては、装置の搭載性をさらに向上させることができる。   Further, in the head-up display device configured as described above, assuming that the angle inclined with respect to the normal line of the main optical axis of the image incident on the optical means is the inclination angle, the emission side with respect to the inclination angle of the incident side end face Since the inclination angle of the end face can be made large, more external light reflected by the optical means is blocked by the light shielding means. For this reason, it is possible to more easily prevent external light from entering the eye range, and it is possible to set the lens installation depth to be relatively shallow, thereby further improving the mountability of the apparatus.

また、光学手段は、請求項3に記載のように、特定方向に沿った傾斜軸(第1の傾斜軸)を軸にして傾斜して配置されていることが望ましい。
具体的に言うと、光学手段は、映像が水平方向のみに光学的作用の影響を受けるように、特定方向が水平方向に合わせた向きに設定されていることが望ましい。なお、「合わせた向き」とは、特定方向と水平方向とを一致させることを表すが、必ずしも厳密に一致させることは要求しない。例えば、特定方向と水平方向とのなす角度が±20°程度の範囲内にあればよいものとする。
Further, as described in claim 3, the optical means is preferably arranged to be inclined with respect to an inclination axis (first inclination axis) along a specific direction.
Specifically, it is desirable that the optical means is set so that the specific direction is in the horizontal direction so that the image is affected by the optical action only in the horizontal direction. Note that “the combined direction” represents that the specific direction matches the horizontal direction, but does not necessarily require exact matching. For example, the angle between the specific direction and the horizontal direction may be within a range of about ± 20 °.

或いは、請求項4に記載のように、光学手段は、特定方向が映像の水平方向と一致するように配置されてもよい。
このように光学手段を配置した場合、水平方向に直交する面内では、光学手段による光学的作用の影響を受けないため、光学手段にて反射した外光が視認領域外を指向するような光学手段の傾斜角度を確実に求めることができる。
Alternatively, as described in claim 4, the optical means may be arranged such that the specific direction coincides with the horizontal direction of the video.
In the case where the optical means is arranged in this way, in the plane orthogonal to the horizontal direction, it is not affected by the optical action by the optical means, so that the external light reflected by the optical means is directed outside the viewing area. The inclination angle of the means can be obtained reliably.

なお、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、光学手段は、例えば、請求項5に記載のように、シリンドリカルレンズにより構成されていてもよいし、請求項6に記載のように、フレネルレンズにより構成されていてもよい。   In the head-up display device of the present invention, the optical means may be constituted by, for example, a cylindrical lens as described in claim 5 or by a Fresnel lens as described in claim 6. May be.

特に、後者の場合、レンズを薄型化することができるため、より一層装置の小型化に寄与することができる。
また、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、光学手段は、請求項7に記載のように、屈折率及び色分散が異なる材料からなる複数のレンズからなり、これらの複数のレンズは、色収差が補正されるように組み合わされている構成であってもよく、この場合、光学手段の有する光学的作用によって生じる色収差を補正することができるため、視認性のよい虚像が得られる。
In particular, in the latter case, the lens can be thinned, which can contribute to further downsizing of the apparatus.
Further, in the head-up display device of the present invention, the optical means is composed of a plurality of lenses made of materials having different refractive indexes and chromatic dispersions as described in claim 7, and the chromatic aberration is corrected in these lenses. In this case, the chromatic aberration caused by the optical action of the optical means can be corrected, so that a virtual image with good visibility can be obtained.

なお、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、光学手段は、請求項8に記載のように、映像を拡大させる光学的作用を有することが望ましい。
このような光学手段を配置すると、映像の光路を等価的に長くすることができるため、装置の小型化に寄与することができる。
In the head-up display device of the present invention, it is desirable that the optical means has an optical action of enlarging the image as described in claim 8.
By disposing such optical means, the optical path of the image can be equivalently lengthened, which can contribute to downsizing of the apparatus.

ところで、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、請求項9に記載のように、光を偏向させる一つないし複数の偏向手段が、映像投射手段から光学手段に至る映像光の経路上に配置されていることが望ましい。   By the way, in the head-up display device of the present invention, as described in claim 9, one or a plurality of deflecting means for deflecting light are arranged on the path of the image light from the image projecting means to the optical means. It is desirable.

この場合、映像投射手段からの照射方向を光学手段の光軸方向と一致させる必要がなくなるため、映像投射手段のレイアウトの自由度が増す。さらに、複数の偏向手段を配置した場合には、映像の光路を複数屈曲させることにより、限られた空間内を有効利用して映像の光路を長くすることができるため、より一層装置の小型化に寄与することができる。   In this case, since it is not necessary to make the irradiation direction from the image projection unit coincide with the optical axis direction of the optical unit, the degree of freedom of layout of the image projection unit is increased. Furthermore, when a plurality of deflecting means are arranged, the optical path of the image can be lengthened by effectively utilizing the limited space by bending a plurality of optical paths of the image, thereby further downsizing the apparatus. Can contribute.

そして、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、偏向手段の少なくとも一つは、請求項10に記載のように、光に光学的作用を与えることが望ましい。以下では、このように光に光学的作用を与える偏向手段を特に機能付偏向手段と呼ぶ。   In the head-up display device of the present invention, it is desirable that at least one of the deflecting units gives an optical action to the light as described in claim 10. In the following, the deflection means that gives an optical action to light in this way is particularly called a deflection means with function.

このような機能付偏向手段を配置すると、光学手段によって映像に与える光学的作用を補完するため、視認状態の良好な虚像が得られる。
さらに、請求項11に記載のように、機能付偏向手段の少なくとも一つが与える光学的作用は、映像の拡大であることが望ましい。
When such a deflecting unit with a function is arranged, the optical action applied to the image by the optical unit is complemented, so that a virtual image with a good viewing state can be obtained.
Further, as described in claim 11, it is desirable that the optical action provided by at least one of the deflecting means with function is enlargement of an image.

この場合、光学手段によって映像に与える拡大作用を補完するため、視認状態のより良い虚像が得られる。
また、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、光学的作用を有する機能付偏向手段の少なくとも一つは、請求項12に記載のように、偏向手段の入射側端面(反射面)における映像の主光軸上の法線がこの機能付偏向手段に入射する映像の主光軸に対して傾斜するように配置されており、その傾斜角度は、光学手段が傾斜して配置されていることで生じる虚像の歪みを相殺するような角度であることが望ましい。
In this case, a virtual image with a better viewing state can be obtained in order to complement the enlargement effect given to the image by the optical means.
Further, in the head-up display device of the present invention, at least one of the deflecting means with a function having an optical action is the main light of the image on the incident side end face (reflective surface) of the deflecting means as described in claim 12. It is arranged so that the normal line on the axis is inclined with respect to the main optical axis of the image incident on the deflecting means with function, and the inclination angle is a virtual image generated by the optical means being inclined. It is desirable that the angle is such as to cancel out the distortion.

この場合、光学的作用を有する光学手段が傾斜して配置されていることによって生じる虚像の歪みを、光学的作用を有する機能付偏向手段が傾斜して配置されていることによって生じる歪みにより相殺することで、歪みの少ない視認状態の良好な虚像が得られる。   In this case, the distortion of the virtual image caused by the optical means having the optical action being inclined is offset by the distortion caused by the inclination of the functional deflecting means having the optical action being arranged. As a result, a good virtual image in a visible state with little distortion can be obtained.

そして、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、請求項13に記載のように、機能付偏向手段の一つは、光学手段の前段に配置され、且つ、第1の傾斜軸と同一平面内に位置する第2の傾斜軸を軸にして傾斜していることが望ましい。なお、光学手段の前段に配置されている状態とは、機能付偏向手段からの出射光が光学手段の入射光となるように配置されている状態を意味する。   In the head-up display device of the present invention, as described in claim 13, one of the functional deflecting means is disposed in front of the optical means and is located in the same plane as the first tilt axis. It is desirable to incline around the second inclination axis. In addition, the state arrange | positioned in the front | former stage of an optical means means the state arrange | positioned so that the emitted light from a deflection means with a function may turn into the incident light of an optical means.

また、機能付偏向手段は、同一平面内での第1の傾斜軸と第2の傾斜軸とのなす角度が±20°程度の範囲内にあるように配置されていることが望ましいが、特に、請求項14に記載のように、第1の傾斜軸と第2の傾斜軸とが平行となるように配置されていると更によい。   In addition, it is desirable that the function-equipped deflecting unit is disposed so that an angle formed between the first tilt axis and the second tilt axis in the same plane is within a range of about ± 20 °. Further, as described in claim 14, it is further preferable that the first tilt axis and the second tilt axis are arranged in parallel.

この場合、光学手段が傾斜して配置されていることで生じる虚像の歪みを相殺するような傾斜角度が設定されやすくなり、機能付偏向手段の配置が容易になる。さらに、装置構成の設置スペースに無駄がなくなり、ひいては装置を小型化することができる。   In this case, it is easy to set an inclination angle that cancels the distortion of the virtual image caused by the optical means being inclined, and the arrangement of the functional deflection means is facilitated. Furthermore, the installation space for the apparatus configuration is not wasted, and the apparatus can be downsized.

さらに、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、光学的作用を有する偏向手段の少なくとも一つは、請求項15に記載のように、光学手段または反射手段の少なくともいずれか一方の形状によって生じる虚像の歪みを相殺する光学的作用を与える形状を有していてもよい。   Furthermore, in the head-up display device of the present invention, at least one of the deflecting means having an optical action is a distortion of a virtual image caused by the shape of at least one of the optical means and the reflecting means. It may have a shape that gives an optical action that cancels out.

この場合、光学手段または反射手段が有する光学的作用に合わせて偏向手段を設計すればよく、より歪みの少ない、視認状態の良好な虚像が得られる。
ところで、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、請求項16に記載のように、映像投射手段を内装する筐体を備え、遮光手段がこの筐体の開口部を形成する内壁を兼用し、この遮光手段によって外光の一部が到達しないように光学手段が配置されてもよい。
In this case, it is only necessary to design the deflecting means in accordance with the optical action of the optical means or the reflecting means, and a virtual image with a better viewing state with less distortion can be obtained.
By the way, the head-up display device according to the present invention includes a housing that houses the image projection means, and the light shielding means also serves as an inner wall that forms an opening of the housing. The optical means may be arranged so that a part of the external light does not reach by the means.

この場合、遮光手段が、映像投射手段を内装する筐体の一部を兼用するため、部品点数を削減することができる。その結果、装置の製造コストを削減することができる。
なお、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、光学手段は、請求項17に記載のように、筐体の内部を防塵するカバーを兼用するとしてもよい。
In this case, since the light shielding means also serves as a part of the housing that houses the video projection means, the number of parts can be reduced. As a result, the manufacturing cost of the device can be reduced.
In the head-up display device of the present invention, as described in claim 17, the optical means may also serve as a cover that protects the inside of the housing.

この場合、光学手段が筐体の内部を防塵するカバーを兼用するため、部品点数をさらに削減することができる。その結果、装置の製造コストをさらに削減することができる。   In this case, since the optical means also serves as a cover that protects the inside of the housing, the number of parts can be further reduced. As a result, the manufacturing cost of the device can be further reduced.

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
[第1実施例]
<全体構成>
図1は、本発明が適用された第1実施例のヘッドアップディスプレイ装置(以下、HUD装置という)が車両に適用された状態を示す概略構成図、図2はその主要部の拡大図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First embodiment]
<Overall configuration>
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a state in which a head-up display device (hereinafter referred to as a HUD device) of a first embodiment to which the present invention is applied is applied to a vehicle, and FIG. 2 is an enlarged view of a main part thereof. .

図1に示すように、HUD装置1は、フロントウインドシールド9の下縁から車室内側へ延出するインストルメントパネル(以下、インパネという)2の内側に配置され、各種情報を映像光80として投射する表示デバイス5と、表示デバイス5から投射された映像光80を拡大かつ反射する自由曲面鏡6と、自由曲面鏡6で反射された映像光81を拡大かつ透過するシリンドリカルレンズ7とを備えている。   As shown in FIG. 1, the HUD device 1 is disposed inside an instrument panel (hereinafter referred to as an instrument panel) 2 that extends from the lower edge of the front windshield 9 toward the vehicle interior side, and uses various information as video light 80. A display device 5 for projecting, a free-form curved mirror 6 for enlarging and reflecting the image light 80 projected from the display device 5, and a cylindrical lens 7 for enlarging and transmitting the image light 81 reflected by the free-form curved mirror 6. ing.

なお、シリンドリカルレンズ7を透過した映像光82は、フロントウインドシールド9にて反射して、車両の乗員のアイレンジ3に到達する。これにより、乗員には、映像光83の虚像が、車両の前景(フロントウインドシールド9を挟んで乗員とは反対側)の表示像4の位置に存在するように視認される。   The image light 82 that has passed through the cylindrical lens 7 is reflected by the front windshield 9 and reaches the eye range 3 of the vehicle occupant. As a result, the occupant visually recognizes that the virtual image of the image light 83 exists at the position of the display image 4 on the foreground of the vehicle (on the opposite side of the occupant across the front windshield 9).

また、インパネ2には、当該インパネ2の上面部に開口を有し、自由曲面鏡6で反射された映像光81をフロントウインドシールド9に導くための筒状の導光部2aが形成されており、シリンドリカルレンズ7は、この導光部2aを隙間なく塞ぐように配置されている。つまり、シリンドリカルレンズ7は、導光部2aの開口を塞ぐことで、インパネ2内部を防塵するカバーを兼ねている。   The instrument panel 2 has a cylindrical light guide 2 a that has an opening in the upper surface of the instrument panel 2 and guides the image light 81 reflected by the free-form curved mirror 6 to the front windshield 9. The cylindrical lens 7 is disposed so as to block the light guide portion 2a without a gap. That is, the cylindrical lens 7 also serves as a cover for dust-proofing the inside of the instrument panel 2 by closing the opening of the light guide portion 2a.

但し、インパネ2(導光部2aを形成する内壁を含む)は、遮光性の樹脂により形成されている。つまり、インパネ2の上面部や導光部2aを形成する内壁への入射光は、反射せず吸収されるように構成されている。   However, the instrument panel 2 (including the inner wall that forms the light guide portion 2a) is formed of a light shielding resin. That is, the light incident on the upper surface of the instrument panel 2 and the inner wall forming the light guide 2a is configured to be absorbed without being reflected.

以下では、導光部2aを通過(シリンドリカルレンズ7を透過)する映像の主光軸8の進行方向をZ方向、車両の車幅方向(表示像4の水平方向)をX方向、X方向及びZ方向のいずれとも直交する方向をY方向と称する。   In the following, the traveling direction of the main optical axis 8 of the image passing through the light guide portion 2a (transmitting through the cylindrical lens 7) is the Z direction, the vehicle width direction of the vehicle (the horizontal direction of the display image 4) is the X direction, the X direction, and A direction orthogonal to any of the Z directions is referred to as a Y direction.

また、図2に示すように、自由曲面鏡6のうち、表示デバイス5から投射された映像光80を反射する面を反射面6aと称し、シリンドリカルレンズ7のうち、反射面6aで反射された映像光81が入射する面を入射側端面7a、透過した映像光82が出射する面を透過面7bと称する。   In addition, as shown in FIG. 2, a surface of the free-form surface mirror 6 that reflects the image light 80 projected from the display device 5 is referred to as a reflective surface 6 a, and is reflected by the reflective surface 6 a of the cylindrical lens 7. The surface on which the image light 81 is incident is referred to as the incident-side end surface 7a, and the surface from which the transmitted image light 82 is emitted is referred to as the transmission surface 7b.

<シリンドリカルレンズの構成,作用>
シリンドリカルレンズ7は、レンズの厚さ方向(光を透過させる方向)と直交する二方向のうち、一方向のみがレンズとして作用(予め定められた度合いで集束または発散)する周知のものである。
<Configuration and action of cylindrical lens>
The cylindrical lens 7 is a well-known lens in which only one of the two directions orthogonal to the lens thickness direction (light transmitting direction) acts as a lens (focusing or diverging at a predetermined degree).

なお、図3は、シリンドリカルレンズ7単体の斜視図であり、図示されているように、以下では、レンズの厚さ方向をγ方向、レンズとして作用する方向(作用軸方向)をα方向、レンズとして作用しない方向(非作用軸方向)をβ方向と称する。   3 is a perspective view of the cylindrical lens 7 as a single unit. As shown in the figure, in the following, the thickness direction of the lens is the γ direction, the direction acting as a lens (action axis direction) is the α direction, and the lens The direction that does not act as (the non-action axis direction) is referred to as the β direction.

図3に示すように、シリンドリカルレンズ7は、γ方向の両端に位置する2つの面のうち、一方の面が長方形の平坦面70となっており、他方の面が円柱の一部の曲面を形成したレンズ形成面71となっている。また、シリンドリカルレンズ7は、α方向に直交する断面のうち、平坦面70との交線と、レンズ形成面71との交線とが平行となる形状(即ち、断面が長方形となる形状)を有している。   As shown in FIG. 3, the cylindrical lens 7 has a rectangular flat surface 70, one of the two surfaces located at both ends in the γ direction, and the other surface having a curved surface of a part of a cylinder. The formed lens forming surface 71 is formed. In addition, the cylindrical lens 7 has a shape in which a cross line with the flat surface 70 and a cross line with the lens forming surface 71 are parallel to each other in a cross section orthogonal to the α direction (that is, a cross section having a rectangular shape). Have.

また、図4(a)は、シリンドリカルレンズ7のα−γ平面での断面形状、及びγ方向に沿ってレンズ形成面71から入射する光の進行方向を示す説明図、図4(b)は、β−γ平面での断面形状、及びγ方向に沿ってレンズ形成面71から入射する光の進行方向、及び、その透過光の進行方向を示す説明図である。   4A is an explanatory diagram showing the cross-sectional shape of the cylindrical lens 7 on the α-γ plane, and the traveling direction of light incident from the lens forming surface 71 along the γ direction, and FIG. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a cross-sectional shape on the β-γ plane, a traveling direction of light incident from the lens forming surface 71 along the γ direction, and a traveling direction of the transmitted light.

但し、レンズ形成面71上におけるα方向の中心位置での入射光の進行方向を表すベクトルを入射ベクトルLc、その入射光に基づく透過光の進行方向を表すベクトルを透過ベクトルTcと称し、また、レンズ形成面71上におけるα方向の中心位置から、α−β平面内でα方向のみに離れた位置での入射光の進行方向を表すベクトルを入射ベクトルLe、その入射光に基づく透過光の進行方向を表すベクトルを透過ベクトルTeと称する。   However, a vector representing the traveling direction of incident light at the central position in the α direction on the lens forming surface 71 is referred to as an incident vector Lc, and a vector representing the traveling direction of transmitted light based on the incident light is referred to as a transmission vector Tc. A vector representing the traveling direction of incident light at a position separated only in the α direction in the α-β plane from the center position in the α direction on the lens forming surface 71 is an incident vector Le, and the transmitted light travels based on the incident light. A vector representing the direction is referred to as a transmission vector Te.

図示されているように、シリンドリカルレンズ7は、γ方向に沿った入射光に対して、α方向には光学的作用を及ぼす(α−γ平面内において透過ベクトルTc,Teの向きが異なる)が、β方向には光学的作用を及ぼすことがない(β−γ平面内において透過ベクトルTc,Teの向きが同じとなる)。   As shown in the figure, the cylindrical lens 7 has an optical action in the α direction with respect to incident light along the γ direction (directions of the transmission vectors Tc and Te are different in the α-γ plane). , Β has no optical effect (the directions of the transmission vectors Tc and Te are the same in the β-γ plane).

<シリンドリカルレンズの配置>
このように形成されたシリンドリカルレンズ7は、図5及び図6に示すように、レンズ形成面71が入射側端面7a、平坦面70が透過面7bとなり、且つ、シリンドリカルレンズ7の作用軸方向(α方向)が表示像4の水平方向(X方向)と一致し、シリンドリカルレンズ7の厚さ方向(γ方向)に対する映像光81の主光軸の進行方向(Z方向)およびβ方向に対するY方向が傾斜角度θxだけ傾斜した、いわゆる軸外しの状態で、導光部2aの開口から設置深さdの位置に取り付けられる。
<Cylindrical lens arrangement>
As shown in FIGS. 5 and 6, the cylindrical lens 7 formed in this way has a lens forming surface 71 serving as an incident side end surface 7 a, a flat surface 70 serving as a transmitting surface 7 b, and an operation axis direction of the cylindrical lens 7 ( (α direction) coincides with the horizontal direction (X direction) of the display image 4, and the traveling direction (Z direction) of the main optical axis of the image light 81 with respect to the thickness direction (γ direction) of the cylindrical lens 7 and the Y direction with respect to the β direction. Is attached at a position of installation depth d from the opening of the light guide portion 2a in a so-called off-axis state inclined by an inclination angle θx.

但し、図6に示すように、傾斜角度θxおよび設置深さdは、シリンドリカルレンズ7の透過面7bに入射する光の入射角度(水平面に対する角度)が、遮蔽上限入射角度θu以上である場合に、シリンドリカルレンズ7の透過面7bで反射した光がアイレンジ3に到達しないように設定され(図6(b)参照)、また、遮蔽上限入射角度θu以下の入射角度で入射する外光が、インパネ2に遮られてシリンドリカルレンズ7に到達不能となるように設定されている(図6(a)参照)。   However, as shown in FIG. 6, the inclination angle θx and the installation depth d are determined when the incident angle of light incident on the transmission surface 7b of the cylindrical lens 7 (the angle with respect to the horizontal plane) is equal to or greater than the shielding upper limit incident angle θu. The light reflected by the transmission surface 7b of the cylindrical lens 7 is set so as not to reach the eye range 3 (see FIG. 6B), and external light incident at an incident angle equal to or smaller than the shielding upper limit incident angle θu is It is set so that it is blocked by the instrument panel 2 and cannot reach the cylindrical lens 7 (see FIG. 6A).

なお、シリンドリカルレンズ7は、X方向にのみ光学的作用を有するように、X方向に作用軸方向(α方向)を一致させて配置されているため、Y−Z平面内では、シリンドリカルレンズ7の透過面7bに入射する外光の反射方向を一意に特定することができる。   Since the cylindrical lens 7 is arranged with the action axis direction (α direction) coincided with the X direction so as to have an optical action only in the X direction, the cylindrical lens 7 of the cylindrical lens 7 is arranged in the YZ plane. The reflection direction of the external light incident on the transmission surface 7b can be uniquely specified.

また、遮蔽上限入射角度θu、ひいては設置深さdや傾斜角度θxは、フロントウインドシールド9の形状や導光部2aの形成位置や向き等に基づいて、車種毎に適宜設定される。   Further, the shielding upper limit incident angle θu, and hence the installation depth d and the inclination angle θx are appropriately set for each vehicle type based on the shape of the front windshield 9 and the formation position and orientation of the light guide portion 2a.

<軸外しの影響>
ここで、図7は、シリンドリカルレンズ7が、軸外しの状態で取り付けられていることによる影響を示す説明図である。
<Influence of off-axis>
Here, FIG. 7 is an explanatory diagram showing the influence of the cylindrical lens 7 being attached off-axis.

但し、図7(a)は、導光部2aに取り付けられた状態のシリンドリカルレンズ7をY方向から眺めた斜視図、図7(b)は、同じくシリンドリカルレンズ7をX方向から眺めた側面図である。   7A is a perspective view of the cylindrical lens 7 attached to the light guide 2a as viewed from the Y direction, and FIG. 7B is a side view of the cylindrical lens 7 as viewed from the X direction. It is.

前述のようにZ方向(主光軸8の進行方向)に対してγ方向(シリンドリカルレンズ7の厚さ方向)が傾斜するように配置されたシリンドリカルレンズ7では、図7(a)に示すように、X−Z平面で見た場合、Z方向に沿って入射する映像光81のうち、X方向(=α方向)の中心位置に入射する映像光81cの入射ベクトルLcに対して、その映像光81cの透過ベクトルTcは同じ向きを有し、その中心位置からX方向に距離Xeだけ離れた位置に入射する映像光81eの入射ベクトルLeに対して、その映像光81eの透過ベクトルTeは角度を有したものとなる。つまり、シリンドリカルレンズ7は、入射位置がX方向に異なる入射光に対して光学的作用(本実施形態では拡大)を及ぼす。   As described above, in the cylindrical lens 7 arranged so that the γ direction (thickness direction of the cylindrical lens 7) is inclined with respect to the Z direction (traveling direction of the main optical axis 8), as shown in FIG. In addition, when viewed in the XZ plane, of the image light 81 incident along the Z direction, the image with respect to the incident vector Lc of the image light 81c incident at the center position in the X direction (= α direction). The transmission vector Tc of the light 81c has the same direction, and the transmission vector Te of the image light 81e is at an angle with respect to the incident vector Le of the image light 81e incident at a distance Xe from the center position in the X direction. It will have. That is, the cylindrical lens 7 exerts an optical action (enlargement in the present embodiment) on incident light whose incident position is different in the X direction.

また、このシリンドリカルレンズ7は、図7(b)に示すように、Y−Z平面で見た場合、Z方向に沿って入射する映像光81のうち、同一X−Y平面内でY方向にのみ離れた位置に入射する映像光81c,81dの透過ベクトルTc,Tdは、同一方向を向く。つまり、シリンドリカルレンズ7は、入射位置がY方向に異なる入射光に対して光学的作用を及ぼすことがない。   In addition, as shown in FIG. 7B, this cylindrical lens 7 is viewed in the YZ plane, and among the video light 81 incident along the Z direction, the cylindrical lens 7 extends in the Y direction within the same XY plane. The transmission vectors Tc and Td of the image lights 81c and 81d that are incident only at positions separated from each other are directed in the same direction. That is, the cylindrical lens 7 does not exert an optical action on incident light whose incident position is different in the Y direction.

但し、Y−Z平面内でY方向の入射位置が同じであっても、X方向の入射位置が異なる映像光81c,81eの透過ベクトルTc,Teは、互いに異なった方向を向く。しかも、その方向のずれは、X方向の中心位置に入射する映像光81c,81dの透過ベクトルTc,Tdの向き(即ちZ方向)を基準として、X方向の中心位置からずれるほど大きくなる。   However, even if the incident positions in the Y direction are the same in the YZ plane, the transmission vectors Tc and Te of the image lights 81c and 81e having different incident positions in the X direction are directed in different directions. In addition, the deviation in the direction becomes larger as the position deviates from the center position in the X direction with reference to the directions of the transmission vectors Tc and Td of the image light 81c and 81d incident on the center position in the X direction (that is, the Z direction).

これは、入射位置がX方向に異なると、その入射位置での法線ベクトルの三次元的な向きが異なったものとなり、その影響が透過ベクトルのY−Z平面内での向きに現れるためである。   This is because if the incident position is different in the X direction, the three-dimensional direction of the normal vector at the incident position is different, and the influence appears in the direction of the transmission vector in the YZ plane. is there.

具体的には、シリンドリカルレンズ7の入射側端面71における映像光81cの入射位置での法線ベクトルをNc、映像光81eの入射位置での法線ベクトルをNeとして、これらの法線ベクトルNc,NeがX−Z平面上でなす角を角度φxとすると、法線ベクトルNc,Neのベクトル成分はそれぞれ(2)のように表すことができる。但し、入射ベクトルLcと入射ベクトルLeは共に等しいため、ここでは、入射ベクトルLc,Leを同一の単位ベクトルで表している。   Specifically, assuming that the normal vector at the incident position of the image light 81c on the incident side end surface 71 of the cylindrical lens 7 is Nc, and the normal vector at the incident position of the image light 81e is Ne, these normal vectors Nc, When an angle formed by Ne on the XZ plane is an angle φx, the vector components of the normal vectors Nc and Ne can be expressed as shown in (2), respectively. However, since the incident vector Lc and the incident vector Le are both equal, the incident vectors Lc and Le are represented by the same unit vector here.

また、シリンドリカルレンズ7を透過した映像光82の透過ベクトルTは、シリンドリカルレンズ7に入射する映像光81の入射ベクトルをL、入射側端面71における映像光81の入射位置での法線ベクトルをN、シリンドリカルレンズ7の屈折率をηとすると、(3)式に示す関係を有する。 The transmission vector T of the image light 82 that has passed through the cylindrical lens 7 is represented by L as the incident vector of the image light 81 incident on the cylindrical lens 7 and N as the normal vector at the incident position of the image light 81 on the incident side end face 71. When the refractive index of the cylindrical lens 7 is η, the relationship shown in the equation (3) is established.

したがって、透過ベクトルTc,Teは、(2)の入射ベクトルLc,Le、および法線ベクトルNc,Neのベクトル成分を(3)式に代入することによりそれぞれ求めることができる。 Therefore, the transmission vectors Tc and Te can be obtained by substituting the vector components of the incident vectors Lc and Le in (2) and the normal vectors Nc and Ne into the equation (3), respectively.

つまり、(2)および(3)式から明らかなように、X方向の中心位置からX方向に離れた位置に入射する映像光81eがレンズを透過した映像光82eの方向を示す透過ベクトルTeは、そのY方向およびZ方向のベクトル成分において角度φxの影響を受ける。このため、X方向(=α方向)の中心位置に入射する映像光81cがレンズを透過した映像光82cの進行方向を示す透過ベクトルTcと、この透過ベクトルTeとの間には、Y−Z平面上でのずれ(即ち、出射角度のずれ)が生じるわけである。   That is, as is clear from the equations (2) and (3), the transmission vector Te indicating the direction of the image light 82e through which the image light 81e incident on the position away from the center position in the X direction passes through the lens is The vector components in the Y and Z directions are affected by the angle φx. For this reason, between the transmission vector Tc indicating the traveling direction of the image light 82c through which the image light 81c incident on the center position in the X direction (= α direction) passes through the lens, and the transmission vector Te, YZ A deviation on the plane (that is, a deviation of the emission angle) occurs.

このずれにより、図8(a)に示すように、映像光82cがフロントウインドシールド9で反射した映像光83cに基づく表示像4cと、映像光82eがフロントウインドシールド9で反射した映像光83eに基づく表示像4eの位置も、鉛直方向(図では下方)にずれたものとなり、そのずれは、水平方向の両端(X方向の中心位置から離れる)ほど大きくなる。   Due to this shift, as shown in FIG. 8A, the display light 4 c based on the video light 83 c reflected by the front windshield 9 and the video light 83 e reflected by the front windshield 9 are reflected on the display image 4 c. The position of the displayed display image 4e is also shifted in the vertical direction (downward in the figure), and the shift becomes larger as the both ends in the horizontal direction (away from the center position in the X direction).

したがって、軸外しの状態で配置されたシリンドリカルレンズ7は、車両の乗員に視認される表示像4に、図8(b)に示すような、扇形形状の歪みを生じさせることになる。
なお、図8は、HUD装置1で実際に得られる作用を示すものではなく、表示デバイス5から、自由曲面鏡6を介することなく、シリンドリカルレンズ7に映像光を直接投射した場合の作用を示す説明図である。
Therefore, the cylindrical lens 7 arranged in an off-axis state causes a fan-shaped distortion as shown in FIG. 8B in the display image 4 visually recognized by the vehicle occupant.
FIG. 8 does not show the action actually obtained by the HUD device 1 but shows the action when the image light is directly projected from the display device 5 to the cylindrical lens 7 without passing through the free-form surface mirror 6. It is explanatory drawing.

<自由曲面鏡の構成、作用>
次に、自由曲面鏡6は、図9(a)に示すように、光を反射する反射面6aを有し、当該自由曲面鏡6の光軸方向をγ方向、これと直交する二つの方向をα方向及びβ方向、γ方向の座標をγ、α−β平面内の座標を(α,β)として、その反射面6aの形状が、多項式γ=f(α,β)で表現される曲面からなる周知のものである(図11参照)。
<Configuration and operation of free-form surface mirror>
Next, as shown in FIG. 9A, the free-form surface mirror 6 has a reflection surface 6a that reflects light, and the optical axis direction of the free-form surface mirror 6 is the γ direction, and two directions orthogonal to the γ direction. Is the α direction and β direction, the coordinate in the γ direction is γ, the coordinate in the α-β plane is (α, β), and the shape of the reflection surface 6a is expressed by the polynomial γ = f (α, β). It is a well-known one consisting of a curved surface (see FIG. 11).

なお、反射面6aの曲面は、入射光をα方向及びβ方向に拡大すると共に、フロントウインドシールド9の形状に基づいて生じる表示像4の歪みを補正する光学的作用が得られるような曲率に設定されている。   The curved surface of the reflecting surface 6a has such a curvature that the incident light is expanded in the α direction and the β direction, and an optical action for correcting the distortion of the display image 4 generated based on the shape of the front windshield 9 is obtained. Is set.

ここで、図10(a)は、α−γ平面での自由曲面鏡6の断面形状、及びβ方向から見た反射面6aで反射した光の進行方向を示す説明図、図10(b)は、β−γ平面での自由曲面鏡6の断面形状、及びα方向から見た反射面6aで反射した光の進行方向を示す説明図である。   Here, FIG. 10A is an explanatory diagram showing the cross-sectional shape of the free-form surface mirror 6 in the α-γ plane and the traveling direction of the light reflected by the reflecting surface 6a viewed from the β direction, FIG. 10B. These are explanatory drawings showing the cross-sectional shape of the free-form surface mirror 6 on the β-γ plane and the traveling direction of the light reflected by the reflecting surface 6a viewed from the α direction.

なお、以下では、自由曲面鏡の反射面6a上におけるα方向およびβ方向の中心位置での入射光の進行方向を表すベクトルを入射ベクトルLc、その入射光に基づく反射光の進行方向を表すベクトルを反射ベクトルRcと称し、また、このα方向およびβ方向の中心位置からα−β平面内でα方向に離れた位置での入射光の進行方向を表すベクトルを入射ベクトルLe、その入射光に基づく反射光の進行方向を表すベクトルを反射ベクトルReと称する。   In the following, a vector representing the traveling direction of incident light at the center position in the α direction and β direction on the reflecting surface 6a of the free-form curved mirror is an incident vector Lc, and a vector representing the traveling direction of the reflected light based on the incident light. Is referred to as a reflection vector Rc, and a vector representing the traveling direction of the incident light at a position away from the center position in the α-direction and β-direction in the α-direction in the α-β plane is defined as the incident vector Le. A vector representing the traveling direction of the reflected light based on this is called a reflection vector Re.

つまり、自由曲面鏡6は、γ方向に沿った入射光に対して、α方向及びβ方向のいずれにも光学的作用を及ぼす(α−γ平面内およびβ−γ平面内のいずれにおいて反射ベクトルRc,Reの向きが異なる)が、図示されているように、α−β平面内におけるβ方向の中心位置での入射光が反射面6aで反射した反射光(反射ベクトルRc,Re)は、β−γ平面で見た場合、同一方向を向くこととなる。   That is, the free-form surface mirror 6 exerts an optical action on the incident light along the γ direction in both the α direction and the β direction (in both the α-γ plane and the β-γ plane, the reflection vector). As shown in the figure, the reflected light (reflected vectors Rc, Re) of the incident light at the center position in the β direction in the α-β plane reflected by the reflecting surface 6a is When viewed in the β-γ plane, they face in the same direction.

<自由曲面鏡の配置>
このように形成された自由曲面鏡6は、図12に示すように、α方向がX方向(表示像4の水平方向)と一致し、且つ、γ方向に対するZ方向(β方向に対するY方向も同様)が傾斜角度θmだけ傾斜した、いわゆる軸外しの状態で、しかも、自由曲面鏡6の中心で反射した光が、シリンドリカルレンズ7の中心を透過するような位置に配置される。
<Arrangement of free-form curved mirror>
In the free-form surface mirror 6 formed in this way, as shown in FIG. 12, the α direction coincides with the X direction (the horizontal direction of the display image 4), and the Z direction with respect to the γ direction (the Y direction with respect to the β direction is also (Same) is tilted by the tilt angle θm, so-called off-axis, and the light reflected at the center of the free-form surface mirror 6 is disposed at a position where it passes through the center of the cylindrical lens 7.

<軸外しの影響>
ここで、図13は、自由曲面鏡6が、軸外しの状態で取り付けられていることによる影響を示す説明図である。但し、図示されているように、以下では、表示デバイス5から投射された映像の主光軸8の進行方向をz方向、この映像の水平方向をx方向、z方向及びx方向のいずれとも直交する方向をy方向と称する。
<Influence of off-axis>
Here, FIG. 13 is explanatory drawing which shows the influence by the free-form surface mirror 6 being attached in the state off-axis. However, as illustrated, in the following, the traveling direction of the main optical axis 8 of the image projected from the display device 5 is the z direction, and the horizontal direction of the image is orthogonal to the x direction, the z direction, and the x direction. The direction to do is called the y direction.

図13(a)は、HUD装置1に取り付けられた状態の自由曲面鏡6をy軸方向から眺めた斜視図であり、図13(b)は、同じく自由曲面鏡6をx軸方向(=X軸方向)から眺めた側面図である。   13A is a perspective view of the free-form surface mirror 6 attached to the HUD device 1 as viewed from the y-axis direction, and FIG. 13B is the same view of the free-form surface mirror 6 in the x-axis direction (= It is the side view seen from (X-axis direction).

前述のようにZ方向に対してγ方向が傾斜する(z方向に対してもγ方向が傾斜する)ように配置された自由曲面鏡6では、図13(a)に示すように、x−z平面で見た場合、z方向に沿って入射する映像光80のうち、同一x−y平面内においてx方向にのみ離れた位置に入射する映像光80c,80eは、その入射位置での法線ベクトルNc,Neが互いに異なったものとなる。   As described above, in the free-form curved mirror 6 arranged so that the γ direction is inclined with respect to the Z direction (the γ direction is also inclined with respect to the z direction), as shown in FIG. When viewed in the z plane, out of the image light 80 incident along the z direction, the image light 80c and 80e incident at positions separated only in the x direction within the same xy plane are the methods at the incident position. The line vectors Nc and Ne are different from each other.

このため、図13(b)に示すように、y−z平面で見た場合、映像光80c,80eの反射ベクトルRe,Rcは、法線ベクトルNc,Neが異なることの影響を受けて、互いに異なった方向を向くことになる。   For this reason, as shown in FIG. 13B, when viewed in the yz plane, the reflection vectors Re and Rc of the image lights 80c and 80e are affected by the different normal vectors Nc and Ne, They will face in different directions.

具体的には、法線ベクトルNc,Neがx−z平面内でなす角を角度φmとすると、法線ベクトルNc,Neのベクトル成分は(4)のように表すことができる。但し、入射ベクトルLcと入射ベクトルLeは共に等しいため、ここでは、入射ベクトルLc,Leを同一の単位ベクトルで表している。   Specifically, when the angle formed by the normal vectors Nc and Ne in the xz plane is an angle φm, the vector components of the normal vectors Nc and Ne can be expressed as shown in (4). However, since the incident vector Lc and the incident vector Le are both equal, the incident vectors Lc and Le are represented by the same unit vector here.

また、自由曲面鏡6で反射した映像光81の進行方向を示す反射ベクトルRは、自由曲面鏡6に入射する映像光80の進行方向を表す入射ベクトルをL、反射面6aにおける映像光80の入射位置での法線方向を表す法線ベクトルをNとすると、(5)式に示す関係を有する。 The reflection vector R indicating the traveling direction of the image light 81 reflected by the free-form curved mirror 6 is L, which is an incident vector indicating the traveling direction of the image light 80 incident on the free-form curved mirror 6, and the image light 80 on the reflecting surface 6a. When the normal vector representing the normal direction at the incident position is N, the relationship shown in the equation (5) is established.

したがって、反射ベクトルRc,Reは、(4)の入射ベクトルLc,Le、および法線ベクトルNc,Neのベクトル成分を(5)式に代入することによりそれぞれ求めることができる。 Therefore, the reflection vectors Rc and Re can be obtained by substituting the vector components of the incident vectors Lc and Le in (4) and the normal vectors Nc and Ne into the equation (5), respectively.

つまり、(5)式から明らかなように、x方向の中心位置からずれた位置に入射する映像光80eが反射した映像光81eの進行方向を示す反射ベクトルReは、そのy方向およびz方向のベクトル成分において角度φmの影響を受ける。このため、x方向の中心位置に入射する映像光80cが反射した映像光81cの進行方向を示す反射ベクトルRcと、この反射方向ベクトルReとの間には、y−z平面上でのずれ(即ち、反射角度のずれ)が生じる。   That is, as apparent from the equation (5), the reflection vector Re indicating the traveling direction of the image light 81e reflected by the image light 80e incident on the position deviated from the center position in the x direction is expressed in the y direction and the z direction. The vector component is affected by the angle φm. For this reason, there is a deviation on the yz plane between the reflection vector Rc indicating the traveling direction of the image light 81c reflected by the image light 80c incident on the center position in the x direction and the reflection direction vector Re ( That is, a reflection angle shift) occurs.

このずれにより、図14(a)に示すように、映像光81cがフロントウインドシールド9で反射した映像光83cに基づく表示像4cと、映像光81eがフロントウインドシールド9で反射した映像光83eに基づく表示像4eの位置も、鉛直方向(図では上方)にずれたものとなり、そのずれは、水平方向の両端(x方向の中心位置から離れる)ほど大きくなる。   Due to this shift, as shown in FIG. 14A, the display light 4c based on the video light 83c reflected by the front windshield 9 and the video light 83e reflected by the front windshield 9 are reflected in the display image 4c. The position of the displayed display image 4e is also shifted in the vertical direction (upward in the figure), and the shift becomes larger as the both ends in the horizontal direction (away from the center position in the x direction).

したがって、軸外しの状態で配置された自由曲面鏡6は、車両の乗員に視認される表示像4に、図14(b)に示すような、逆扇形形状の歪みを生じさせることになる。
なお、図14は、HUD装置1で実際に得られる作用を示すものではなく、表示デバイス5から投射された映像光を自由曲面鏡6にて反射させて、シリンドリカルレンズ7を介することなく、フロントウインドシールド9に映像光を直接投射した場合の作用を示す説明図である。
Therefore, the free-form surface mirror 6 arranged in an off-axis state causes a reverse fan-shaped distortion as shown in FIG. 14B in the display image 4 visually recognized by a vehicle occupant.
Note that FIG. 14 does not show the action actually obtained by the HUD device 1, and the image light projected from the display device 5 is reflected by the free-form surface mirror 6, and does not pass through the cylindrical lens 7. It is explanatory drawing which shows an effect | action at the time of projecting image light directly on the windshield 9. FIG.

つまり、X方向の入射位置が互いに異なる映像光が、自由曲面鏡6で反射することによってY−Z面内で生じるY方向への位置ずれをΔM、シリンドリカルレンズ7を透過することによってY−Z面内で生じるY方向への位置ずれをΔLとして、自由曲面鏡6の傾斜角度θmは、自由曲面鏡6によって生じる表示像4の歪みと、シリンドリカルレンズ7によって生じる表示像4の歪みとが相殺されるように、ΔMがΔLと同じ大きさとなり、且つ、Y方向内でのずれの方向が反対となるように設定されている。   In other words, image lights having different incident positions in the X direction are reflected by the free-form surface mirror 6 to cause a positional shift in the Y direction in the YZ plane by ΔM, and transmitted through the cylindrical lens 7 as YZ. The inclination angle θm of the free-form curved mirror 6 cancels out the distortion of the display image 4 caused by the free-form curved mirror 6 and the distortion of the display image 4 caused by the cylindrical lens 7 with the positional deviation in the Y direction occurring in the plane being ΔL. As described above, ΔM is set to have the same size as ΔL, and the direction of deviation in the Y direction is set to be opposite.

なお、上記実施例において、フロントウインドシールド9が反射手段、シリンドリカルレンズ7が光学手段、表示デバイス5が映像投射手段、インパネ2が遮蔽手段、自由曲面鏡6が偏向手段に相当する。   In the above embodiment, the front windshield 9 corresponds to reflecting means, the cylindrical lens 7 corresponds to optical means, the display device 5 corresponds to video projection means, the instrument panel 2 corresponds to shielding means, and the free-form surface mirror 6 corresponds to deflection means.

<第1実施例の効果>
以上説明したように、本実施例のHUD装置1では、シリンドリカルレンズ7の傾斜角度θxおよび設置深さdが、その透過面7bに入射する光の入射角度が遮蔽上限入射角度θu以上である場合に、透過面7bで反射した光がアイレンジ3に到達しないように設定され、且つ、遮蔽上限入射角度θu以下の入射角度で入射する外光が、インパネ2に遮られてシリンドリカルレンズ7に到達不能となるように、シリンドリカルレンズ7が導光部2a内に取り付けられている。
<Effect of the first embodiment>
As described above, in the HUD device 1 of the present embodiment, when the inclination angle θx and the installation depth d of the cylindrical lens 7 are equal to or greater than the shielding upper limit incident angle θu, the incident angle of light incident on the transmission surface 7b In addition, the light reflected by the transmission surface 7 b is set so as not to reach the eye range 3, and outside light incident at an incident angle equal to or smaller than the shielding upper limit incident angle θu is blocked by the instrument panel 2 and reaches the cylindrical lens 7. The cylindrical lens 7 is attached in the light guide part 2a so that it becomes impossible.

したがって、HUD装置1によれば、シリンドリカルレンズ7で反射した外光が、乗員のアイレンジ3に入り込むことがないため、視認性のよい表示像4を得ることができる。
また、HUD装置1では、シリンドリカルレンズ7が傾斜して配置されていることによる表示像4の歪み(扇形形状の歪み)と、自由曲面鏡6が傾斜して配置されていることによる表示像4の歪み(逆扇形形状の歪み)が相殺するように配置されている。すなわち、シリンドリカルレンズ7の倍率と傾斜角度、自由曲面鏡6の倍率と傾斜角度のバランスをとることで、歪みを相殺することができ、簡易な構成にて、歪みのない表示像4を乗員に視認させることができる。
Therefore, according to the HUD device 1, since the external light reflected by the cylindrical lens 7 does not enter the occupant's eye range 3, a display image 4 with high visibility can be obtained.
Further, in the HUD device 1, distortion of the display image 4 (fan-shaped distortion) due to the cylindrical lens 7 being arranged at an inclination and display image 4 due to the arrangement of the free-form curved mirror 6 at an inclination. Are arranged so as to cancel out the distortion (reverse fan-shaped distortion). In other words, the balance between the magnification and the tilt angle of the cylindrical lens 7 and the magnification and the tilt angle of the free-form surface mirror 6 can cancel the distortion, and the display image 4 without distortion can be occupant with a simple configuration. It can be visually recognized.

<第1実施例の変形例>
なお、上記実施例では、光学手段としてシリンドリカルレンズ7を用いているが、このシリンドリカルレンズ7の代わりに、図15に示すような、一方向にのみ光学的作用を有するリニアフレネルレンズ700を用いてもよい。
<Modification of the first embodiment>
In the above embodiment, the cylindrical lens 7 is used as the optical means. Instead of the cylindrical lens 7, a linear Fresnel lens 700 having an optical action only in one direction as shown in FIG. 15 is used. Also good.

この場合、図からも明らかなように、リニアフレネルレンズ700は、シリンドリカルレンズ7と比較して厚みが少ないため、HUD装置1の小型化に寄与することができる。
また、シリンドリカルレンズ7の代わりに、図16に示すように、入射光を拡大するための曲率をα方向に有したうえで、基板そのものが円筒の内面の形状をした凹面711であり、もう一方の面が凹面711に沿った凸面712である曲面基板状シリンドリカルレンズ710を用いてもよい。また、図17に示すような曲面基板状リニアフレネルレンズを用いてもよい。
In this case, as is apparent from the drawing, the linear Fresnel lens 700 has a smaller thickness than the cylindrical lens 7, and thus can contribute to downsizing of the HUD device 1.
Further, instead of the cylindrical lens 7, as shown in FIG. 16, the substrate itself is a concave surface 711 having the shape of the inner surface of the cylinder after having a curvature for enlarging the incident light in the α direction. A curved substrate-like cylindrical lens 710 whose surface is a convex surface 712 along the concave surface 711 may be used. Further, a curved substrate-like linear Fresnel lens as shown in FIG. 17 may be used.

このように、レンズ基板を円筒面状の曲面基板とすることで、図18(a)に示すように、遮光上限角度θuが小さくなり、また、図18(b)に示すように、遮光上限角度θu以上の角度で入射する外光をアイレンジ外へ偏向することが容易となり、ひいては、インパネ2の遮光部を低くすることができる。即ち、搭載位置(即ち、設置深さd)を浅くすることができるため、インパネ内での搭載性を向上させることができる。   In this way, by making the lens substrate a cylindrical curved substrate, the light shielding upper limit angle θu becomes small as shown in FIG. 18A, and the light shielding upper limit as shown in FIG. 18B. It becomes easy to deflect outside light incident at an angle θu or more to the outside of the eye range, and as a result, the light shielding portion of the instrument panel 2 can be lowered. That is, since the mounting position (that is, the installation depth d) can be reduced, the mounting property in the instrument panel can be improved.

また、屈折率及び色分散が異なる材料からなる複数のレンズを、色収差が補正されるように組み合わせることで構成された色消しレンズ、アクロマートレンズ、アポクロマートレンズ等を用いても良い。   In addition, an achromatic lens, an achromatic lens, an apochromatic lens, or the like configured by combining a plurality of lenses made of materials having different refractive indexes and chromatic dispersions so as to correct chromatic aberration may be used.

この場合、色収差が非常に小さい表示像4を得ることができ、表示像4の視認性を更に向上させることができる。
また、シンドリカルレンズ7の代わりに、α方向だけでなくβ方向にも光学的作用を有する自由曲面レンズを用いてもよい。但し、β方向の光学的作用は、傾斜角度θxと設置深さdを適宜設定することで、透過面7bで反射した外光がアイレンジ3に入り込まないように制御できる程度の微少なものである必要がある。
In this case, the display image 4 with very small chromatic aberration can be obtained, and the visibility of the display image 4 can be further improved.
Instead of the cylindrical lens 7, a free-form surface lens having an optical action not only in the α direction but also in the β direction may be used. However, the optical action in the β direction is so small that the external light reflected by the transmission surface 7b can be controlled not to enter the eye range 3 by appropriately setting the inclination angle θx and the installation depth d. There must be.

この場合、例えば、フロントウインドシールド9の形状に基づく歪みを、自由曲面鏡6ではなく、この自由曲面レンズに補正させるように構成してもよい。
また、上記実施例では、α方向をX方向に一致させてシリンドリカルレンズ7を配置したが、図19に示すように、α方向をX方向に対して傾斜角度θyだけ傾斜させて配置してもよい。但し、この傾斜により、α方向の光学的作用の影響がY−Z平面内にも現れることになるため、傾斜角度θyは、その光学的作用の影響を受けても、透過面7bで反射した外光がアイレンジ3に入り込まない範囲内で設定する必要がある。
In this case, for example, a distortion based on the shape of the front windshield 9 may be corrected not by the free-form surface mirror 6 but by this free-form surface lens.
In the above embodiment, the cylindrical lens 7 is arranged with the α direction coincident with the X direction. However, as shown in FIG. 19, the α direction may be arranged with an inclination angle θy inclined with respect to the X direction. Good. However, since the influence of the optical action in the α direction also appears in the YZ plane due to this inclination, the inclination angle θy is reflected by the transmission surface 7b even if it is affected by the optical action. It is necessary to set within a range where outside light does not enter the eye range 3.

この場合、表示像4の水平方向に対する歪みの補正を微調整することができ、表示像4の視認性を向上させることができる。
また、上記実施例では、偏向手段として、自由曲面鏡6を一つだけ用いているが、図20に示すように、自由曲面鏡6が反射した映像光8bを、更に反射させてシリンドリカルレンズ7に導く反射鏡66を追加してもよい。
In this case, the correction of the distortion of the display image 4 in the horizontal direction can be finely adjusted, and the visibility of the display image 4 can be improved.
In the above embodiment, only one free-form surface mirror 6 is used as the deflecting means. However, as shown in FIG. 20, the image light 8b reflected by the free-form surface mirror 6 is further reflected to form a cylindrical lens 7. You may add the reflecting mirror 66 which guides to.

この場合、同じ空間を映像光の経路として重複して使用することになるため、限られたインパネ2内部の空間内であっても、映像光の経路を長くすることができ、より一層HUD装置1の小型化に寄与することができる。   In this case, since the same space is used redundantly as the path of the image light, the path of the image light can be lengthened even in the limited space inside the instrument panel 2, and the HUD device can be further increased. 1 can be reduced in size.

なお、反射鏡66は、一つに限らず二つ以上設けても良い。また、反射鏡66は、拡大などの光学的作用を有していてもよい。
また、上記実施例では、シリンドリカルレンズ7と表示デバイス5とが同じY−Z平面上(X方向の位置が同じ)に配置されるような向きに、自由曲面鏡6を設置しているが、インパネ2内の空間形状に応じて、これらが異なるY−Z平面上(即ち、X方向の位置が異なる)に配置されるような向きに、自由曲面鏡6を設置してもよい。
The number of reflecting mirrors 66 is not limited to one, and two or more reflecting mirrors 66 may be provided. The reflecting mirror 66 may have an optical action such as enlargement.
Moreover, in the said Example, although the free-form surface mirror 6 is installed in the direction where the cylindrical lens 7 and the display device 5 are arrange | positioned on the same YZ plane (position of the X direction is the same), The free-form surface mirror 6 may be installed in such an orientation that they are arranged on different YZ planes (that is, positions in the X direction are different) according to the space shape in the instrument panel 2.

つまり、自由曲面鏡6の向きを適宜設定することにより、当該装置構成の配置の自由度を向上させることができる。
さらに、上記実施例では、シリンドリカルレンズ7を軸外しの状態で配置したことによる歪みを、その歪みを相殺する歪みが生じるように自由曲面鏡6を傾斜させることで補正しているが、自由曲面鏡6やシリンドリカルレンズ7の代わりに配置される自由曲面レンズの曲面形状によって、補正するように構成してもよい。
That is, the degree of freedom of arrangement of the device configuration can be improved by appropriately setting the direction of the free-form curved mirror 6.
Further, in the above-described embodiment, the distortion caused by the cylindrical lens 7 being arranged off-axis is corrected by inclining the free-form surface mirror 6 so as to produce a distortion that cancels out the distortion. You may comprise so that it may correct | amend by the curved surface shape of the free-form surface lens arrange | positioned instead of the mirror 6 or the cylindrical lens 7. FIG.

[第2実施例]
次に第2実施例について説明する。
図25は、楔形シリンドリカルレンズ730の形状を示す斜視図および断面図である。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described.
FIG. 25 is a perspective view and a cross-sectional view showing the shape of the wedge-shaped cylindrical lens 730.

なお、本実施例のヘッドアップディスプレイ装置(HUD装置)1は、第1実施例の装置におけるシリンドリカルレンズ7を楔形シリンドリカルレンズ730に代える点が異なるだけであるため、この相違する部分を中心に説明する。   The head-up display device (HUD device) 1 of this embodiment is different from the device of the first embodiment only in that the cylindrical lens 7 is replaced with a wedge-shaped cylindrical lens 730. Therefore, this difference is mainly described. To do.

<楔形シリンドリカルレンズの構成,作用>
図25に示すように、楔形シリンドリカルレンズ730は、作用軸方向(α方向)に直交する面(断面)のうち、透過面7b(731)との交線(以下、出射側交線という)が入射側端面7a(732)との交線(以下、入射側交線という)と非平行となる形状、即ち、断面が楔形を有する形状のレンズである。
<Configuration and operation of wedge-shaped cylindrical lens>
As shown in FIG. 25, the wedge-shaped cylindrical lens 730 has an intersecting line (hereinafter referred to as an exit-side intersecting line) with the transmitting surface 7b (731) among the surfaces (cross section) orthogonal to the action axis direction (α direction). The lens has a shape that is non-parallel to an intersection line (hereinafter referred to as an incident-side intersection line) with the incident-side end surface 7a (732), that is, a shape having a wedge-shaped cross section.

なお、図25(a)は、楔形シリンドリカルレンズ730単体の斜視図であり、図示されているように、以下では、第1実施例のシリンドリカルレンズ7(図3参照)に対応させて、作用軸方向をα方向、非作用軸方向をβ方向、厚さ方向をγ方向と称する。つまり、楔形シリンドリカルレンズ730は、γ方向の両端に位置する2つの面のうち、一方の面が長方形の平坦面731となっており、他方の面が円柱の一部の曲面に近似する形状をしたレンズ形成面732となっている。   FIG. 25 (a) is a perspective view of the wedge-shaped cylindrical lens 730 alone. As shown in the drawing, in the following description, the operating axis corresponds to the cylindrical lens 7 (see FIG. 3) of the first embodiment. The direction is referred to as the α direction, the non-action axis direction as the β direction, and the thickness direction as the γ direction. In other words, the wedge-shaped cylindrical lens 730 has a shape in which one of the two surfaces located at both ends in the γ direction is a rectangular flat surface 731 and the other surface approximates a curved surface of a part of a cylinder. The lens forming surface 732 is formed.

また、図25(b)は、楔形シリンドリカルレンズ730のβ−γ平面での断面形状を示す説明図であり、図示されているように、楔形シリンドリカルレンズ730は、出射側交線が入射側交線に対して予め規定された楔角度θw(例えば、θw=2°)だけ傾きを有するように形成されている。但し、楔角度θwは、楔形シリンドリカルレンズ730をHUD装置1に組み込んだ際に、プリズム効果による色収差の影響が表示像4に現れない範囲で設定される。   FIG. 25B is an explanatory diagram showing a cross-sectional shape of the wedge-shaped cylindrical lens 730 in the β-γ plane. As shown in the figure, the wedge-shaped cylindrical lens 730 has an exit-side intersection line on the incident-side intersection. It is formed so as to be inclined by a wedge angle θw (for example, θw = 2 °) defined in advance with respect to the line. However, the wedge angle θw is set in such a range that the influence of the chromatic aberration due to the prism effect does not appear in the display image 4 when the wedge-shaped cylindrical lens 730 is incorporated in the HUD device 1.

次に、図26は、楔形シリンドリカルレンズ730が、第1実施例のシリンドリカルレンズ7の代わりに、導光部2a内に取り付けられた状態を示す概略図である。
図26に示すように、楔形シリンドリカルレンズ730は、透過面731が車両の前方側を向き、且つ、レンズの厚さが車両の後方側に向かって大きくなる向きに配置される。
Next, FIG. 26 is a schematic view showing a state in which a wedge-shaped cylindrical lens 730 is attached in the light guide portion 2a instead of the cylindrical lens 7 of the first embodiment.
As shown in FIG. 26, the wedge-shaped cylindrical lens 730 is arranged in such a direction that the transmission surface 731 faces the front side of the vehicle and the thickness of the lens increases toward the rear side of the vehicle.

このように楔形シリンドリカルレンズ730が配置されたHUD装置1では、入射側端面732に入射する映像光81のうち、レンズ内部で反射されることなく透過面731を出射する光82が、フロントウインドシールド9に反射されてアイレンジ3に到達する。一方、透過面731及び入射側端面732での反射(即ち、レンズ内部での多重反射)を経た後に透過面731を出射する光(ゴースト光)802は、レンズ内部で反射されることなく透過面731を出射する光82に比べて車両のより後方側を指向するため、フロントウインドシールド9に反射されるとアイレンジ3の外側上方を指向することになる。   In the HUD device 1 in which the wedge-shaped cylindrical lens 730 is arranged in this manner, among the image light 81 incident on the incident-side end surface 732, the light 82 that is emitted from the transmission surface 731 without being reflected inside the lens is front windshield. 9 is reflected to reach the eye range 3. On the other hand, the light (ghost light) 802 emitted from the transmission surface 731 after being reflected by the transmission surface 731 and the incident-side end surface 732 (that is, multiple reflection inside the lens) is not reflected inside the lens and is transmitted through the transmission surface. Since the light is directed toward the rear side of the vehicle as compared with the light 82 that is emitted from 731, the light is directed toward the upper outside of the eye range 3 when reflected by the front windshield 9.

<第2実施例の効果>
したがって、本実施例のHUD装置1によれば、ゴースト光からなるゴースト像が、虚像として乗員によって視認されてしまうことを防止し、ひいては、視認性のよい表示像4を確実に投射させることができる。
<Effect of the second embodiment>
Therefore, according to the HUD device 1 of the present embodiment, it is possible to prevent the ghost image made of ghost light from being visually recognized by the occupant as a virtual image, and to reliably project the display image 4 with high visibility. it can.

さらに言うと、導光部2a内に取り付けられた楔形シリンドリカルレンズ730では、透過面731の傾斜角度が入射側端面732の傾斜角度に比べて大きいため、楔形シリンドリカルレンズ730で反射した外光が、より多くインパネ2(車両前方側)に遮られることとなる。   Furthermore, in the wedge-shaped cylindrical lens 730 attached in the light guide portion 2a, since the tilt angle of the transmission surface 731 is larger than the tilt angle of the incident-side end surface 732, the external light reflected by the wedge-shaped cylindrical lens 730 is It will be blocked by the instrument panel 2 (vehicle front side) more.

したがって、本実施例のHUD装置1によれば、外光がアイレンジ3に入り込むことをより容易に防止すると共に、楔形シリンドリカルレンズ730の設置深さdを比較的浅く設定することができ、ひいては、装置の搭載性をさらに向上させることができる。   Therefore, according to the HUD device 1 of the present embodiment, it is possible to more easily prevent external light from entering the eye range 3 and to set the installation depth d of the wedge-shaped cylindrical lens 730 to be relatively shallow. Further, the mountability of the apparatus can be further improved.

<第2実施例の変形例>
なお、上記実施例では、楔形シリンドリカルレンズ730をシリンドリカルレンズ7の代わりに用いているが、これに限るものではなく、断面が楔形を有する形状の他のレンズであってもよい。例えば、図27に示すように、非作用軸方向(β方向)に直交する面(断面)のうち、出射側交線が入射側交線と非平行となるようにとなる形状であって、楔形シリンドリカルレンズ730と同等の機能を実現することができる楔形フレネルレンズ740を、シリンドリカルレンズ7の代わりに用いてもよい。
<Modification of Second Embodiment>
In the above embodiment, the wedge-shaped cylindrical lens 730 is used instead of the cylindrical lens 7, but the present invention is not limited to this, and another lens having a wedge-shaped cross section may be used. For example, as shown in FIG. 27, of the surface (cross section) orthogonal to the non-operation axis direction (β direction), the exit side intersection line is non-parallel to the incident side intersection line, A wedge-shaped Fresnel lens 740 that can realize a function equivalent to the wedge-shaped cylindrical lens 730 may be used instead of the cylindrical lens 7.

また、上記実施例の楔形シリンドリカルレンズ730は、透過面731が車両の前方側を向き、且つ、レンズの厚さが車両の後方側に向かって大きくなる向きに配置されるが、これに限らず、図28に示すように、透過面731が車両の後方側を向き、且つ、レンズの厚さが車両の前方側に向かって大きくなる向きに配置されてもよい。この場合、レンズ内部での多重反射を経た後に透過面731を出射するゴースト光802は、レンズ内部で反射されることなく透過面731を出射する光82に比べて車両のより前方側を指向するため、フロントウインドシールド9に反射されてアイレンジ3の外側下方を指向することになる。   Further, the wedge-shaped cylindrical lens 730 of the above-described embodiment is disposed such that the transmission surface 731 faces the front side of the vehicle and the thickness of the lens increases toward the rear side of the vehicle. As shown in FIG. 28, the transmission surface 731 may face the rear side of the vehicle, and the lens thickness may increase in the direction toward the front side of the vehicle. In this case, the ghost light 802 that is emitted from the transmission surface 731 after being subjected to multiple reflections inside the lens is directed more toward the front side of the vehicle than the light 82 that is emitted from the transmission surface 731 without being reflected inside the lens. Therefore, the light is reflected by the front windshield 9 and is directed to the lower outside of the eye range 3.

本発明(第1実施例)のヘッドアップディスプレイ装置が車両に適用された状態を示す概略構成図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The schematic block diagram which shows the state by which the head-up display apparatus of this invention (1st Example) was applied to the vehicle. 本発明(第1実施例)のヘッドアップディスプレイ装置が車両に適用された状態を示す概略構成の主要部を示す拡大図。The enlarged view which shows the principal part of schematic structure which shows the state by which the head-up display apparatus of this invention (1st Example) was applied to the vehicle. シリンドリカルレンズの斜視図。The perspective view of a cylindrical lens. シリンドリカルレンズの断面形状、及び当該シリンドリカルレンズに入射する光の進行を示す説明図。Explanatory drawing which shows the progress of the light which injects into the cross-sectional shape of a cylindrical lens, and the said cylindrical lens. シリンドリカルレンズの傾斜状態を示す第1の説明図。FIG. 3 is a first explanatory view showing a tilted state of a cylindrical lens. シリンドリカルレンズの配置状態を示す説明図。Explanatory drawing which shows the arrangement | positioning state of a cylindrical lens. シリンドリカルレンズが軸外しの状態で取り付けられていることによる影響を示す第1の説明図。The 1st explanatory view which shows the influence by having attached the cylindrical lens in the state of off-axis. シリンドリカルレンズが軸外しの状態で取り付けられていることによる影響を示す第2の説明図。The 2nd explanatory view which shows the influence by having attached the cylindrical lens in the state of off-axis. 自由曲面鏡の斜視図。The perspective view of a free-form surface mirror. 自由曲面鏡の断面形状、及び当該自由曲面鏡に入射する光の進行を示す説明図。Explanatory drawing which shows the progress of the light which injects into the cross-sectional shape of a free-form surface mirror, and the said free-form surface mirror. 自由曲面鏡の反射面を表現する説明図。Explanatory drawing expressing the reflective surface of a free-form surface mirror. 自由曲面鏡の傾斜状態および配置状態を示す説明図。Explanatory drawing which shows the inclination state and arrangement | positioning state of a free-form surface mirror. 自由曲面鏡が軸外しの状態で取り付けられていることによる影響を示す第1の説明図。1st explanatory drawing which shows the influence by having attached a free-form surface mirror in the state off-axis. 自由曲面鏡が軸外しの状態で取り付けられていることによる影響を示す第2の説明図。The 2nd explanatory view which shows the influence by having attached the free-form surface mirror in the state of off-axis. リニアフレネルレンズの斜視図。The perspective view of a linear Fresnel lens. 曲面基板状シリンドリカルレンズの斜視図。The perspective view of a curved substrate-like cylindrical lens. 曲面基板状リニアフレネルレンズの斜視図。The perspective view of a curved substrate-like linear Fresnel lens. 曲面基板状シリンドリカルレンズ(又は曲面基板状リニアフレネルレンズ)の配置状態を示す説明図。Explanatory drawing which shows the arrangement | positioning state of a curved substrate-like cylindrical lens (or curved substrate-like linear Fresnel lens). シリンドリカルレンズの傾斜状態を示す第2の説明図。The 2nd explanatory view showing the state of inclination of a cylindrical lens. 複数の自由曲面鏡の配置状態を示す説明図。Explanatory drawing which shows the arrangement | positioning state of a some free-form surface mirror. 拡大用のレンズとして一般的な凸レンズによって光路を等価的に長くすることができる原理を示す説明図。Explanatory drawing which shows the principle which can lengthen an optical path equivalently with a general convex lens as an expansion lens. 虚像がフロントウインドシールドを透過した位置に現れることを示す説明図。Explanatory drawing which shows that a virtual image appears in the position which permeate | transmitted the front windshield. レンズに反射した太陽光が乗員のアイレンジに入り込む様子を示す説明図。Explanatory drawing which shows a mode that the sunlight reflected on the lens enters into a passenger | crew's eye range. 表示像に現れる太陽光によるノイズを示す写真。A photograph showing noise caused by sunlight appearing in the display image. 楔形シリンドリカルレンズの斜視図および断面図。The perspective view and sectional drawing of a wedge-shaped cylindrical lens. 楔形シリンドリカルレンズの配置状態を示す第1の説明図。The 1st explanatory view showing the arrangement state of a wedge-shaped cylindrical lens. 楔形フレネルレンズの斜視図および断面図。The perspective view and sectional drawing of a wedge-shaped Fresnel lens. 楔形シリンドリカルレンズの配置状態を示す第2の説明図。The 2nd explanatory view showing the arrangement state of a wedge-shaped cylindrical lens.

符号の説明Explanation of symbols

1…HUD装置、2…インパネ、3…アイレンジ、4…表示像、5…表示デバイス、6…自由曲面鏡、7…シリンドリカルレンズ、8…主光軸、9…フロントウインドシールド。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... HUD apparatus, 2 ... Instrument panel, 3 ... Eye range, 4 ... Display image, 5 ... Display device, 6 ... Free-form mirror, 7 ... Cylindrical lens, 8 ... Main optical axis, 9 ... Front windshield.

Claims (17)

光を透過かつ反射する反射手段を備えた移動体に搭載され、前記反射手段が反射した映像光からなる映像を、前記移動体の乗員に虚像として視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
予め設定された特定方向に対して光に光学的作用を与え、且つ該光を透過させる光学手段と、
前記光学手段を介して前記反射手段に映像光を投射する映像投射手段と、
前記反射手段における前記映像光の非投射面側から前記光学手段に向けて入射する外光の一部を遮る遮光手段と、
を備え、
前記光学手段において、前記映像光の入射側および出射側の面を入射側端面および出射側端面、前記特定方向に直交する断面のうち、前記入射側端面との交線を入射側交線、及び、前記出射側端面との交線を出射側交線として、
前記遮光手段にて遮られることなく前記光学手段に到達し該光学手段にて反射した外光が、前記映像を前記移動体の乗員に視認させる領域である視認領域の領域外を指向するように、前記光学手段は、前記入射側交線における法線と、前記出射側交線における法線とが共に、前記入射側端面に入射する前記映像の主光軸に対して傾斜するように配置されていることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
A head-up display device that is mounted on a moving body provided with a reflecting means that transmits and reflects light, and that causes an image of the image light reflected by the reflecting means to be visually recognized by a passenger of the moving body as a virtual image,
An optical means for giving an optical action to light in a specific direction set in advance and transmitting the light;
Image projection means for projecting image light to the reflection means via the optical means;
A light shielding means for blocking a part of the external light incident toward the optical means from the non-projection surface side of the image light in the reflecting means;
With
In the optical means, the incident-side and emission-side surfaces of the video light are defined as an incident-side end surface and an emission-side end surface, and a crossing line with the incident-side end surface of the cross section orthogonal to the specific direction is defined as an incident-side intersection line; The intersection line with the emission side end face is defined as the emission side intersection line.
The outside light that reaches the optical means without being shielded by the light shielding means and is reflected by the optical means is directed outside the visual recognition area, which is an area in which the occupant of the moving body visually recognizes the video. The optical means is arranged such that a normal line at the incident side intersection line and a normal line at the emission side intersection line are both inclined with respect to the main optical axis of the image incident on the incident side end face. A head-up display device.
前記光学手段は、前記入射側交線と前記出射側交線とが非平行となる形状であることを特徴とする請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   2. The head-up display device according to claim 1, wherein the optical unit has a shape in which the incident-side intersection line and the emission-side intersection line are not parallel to each other. 前記光学手段は、前記特定方向に沿った第1の傾斜軸を軸にして傾斜して配置されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   3. The head-up display device according to claim 1, wherein the optical unit is arranged to be inclined with respect to a first inclination axis along the specific direction. 前記特定方向は、前記映像の水平方向であることを特徴とする請求項3に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   The head-up display device according to claim 3, wherein the specific direction is a horizontal direction of the video. 前記光学手段は、シリンドリカルレンズからなることを特徴とする請求項3または請求項4に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   The head-up display device according to claim 3, wherein the optical unit includes a cylindrical lens. 前記光学手段は、フレネルレンズからなることを特徴とする請求項2ないし請求項5のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。   The head-up display device according to claim 2, wherein the optical unit includes a Fresnel lens. 前記光学手段は、屈折率及び色分散が異なる材料からなる複数のレンズからなり、該複数のレンズは、色収差が補正されるように組み合わされていることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。   7. The optical means comprises a plurality of lenses made of materials having different refractive indexes and chromatic dispersions, and the plurality of lenses are combined so that chromatic aberration is corrected. A head-up display device according to any one of the above. 前記光学手段が与える光学的作用は、映像の拡大であることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。   8. The head-up display device according to claim 1, wherein the optical action provided by the optical means is enlargement of an image. 光を偏向させる一つないし複数の偏向手段を備え、
前記偏向手段は、前記映像投射手段から前記光学手段に至る前記映像光の経路上に配置されていることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
Comprising one or more deflecting means for deflecting light;
9. The head-up display device according to claim 1, wherein the deflecting unit is disposed on a path of the image light from the image projecting unit to the optical unit.
前記偏向手段の少なくとも一つは、光に光学的作用を与える機能付偏向手段からなることを特徴とする請求項9に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   The head-up display device according to claim 9, wherein at least one of the deflecting units includes a deflecting unit with a function for applying an optical action to light. 前記機能付偏向手段が与える光学的作用は、映像の拡大であることを特徴とする請求項10に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   11. The head-up display device according to claim 10, wherein the optical action provided by the functional deflection unit is an enlargement of an image. 前記機能付偏向手段の少なくとも一つは、該機能付偏向手段の入射側端面における前記映像の主光軸上の法線が該機能付偏向手段に入射する前記映像の主光軸に対して傾斜するように配置されており、その傾斜角度は、前記光学手段が傾斜して配置されていることで生じる前記虚像の歪みを相殺するような角度であることを特徴とする請求項10または請求項11に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   At least one of the functional deflecting means is configured such that a normal line on the main optical axis of the image on the incident side end face of the functional deflecting means is inclined with respect to the main optical axis of the video incident on the functional deflecting means. The tilt angle is an angle that cancels out the distortion of the virtual image caused by the tilting of the optical means. 11. The head-up display device according to 11. 前記機能付偏向手段の一つは、前記光学手段の前段に配置され、且つ、前記特定方向に沿った第1の傾斜軸と同一平面内に位置する第2の傾斜軸を軸にして傾斜していることを特徴とする請求項12に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   One of the function-deflecting means is arranged in front of the optical means and is inclined with respect to a second inclination axis located in the same plane as the first inclination axis along the specific direction. The head-up display device according to claim 12, wherein 前記光学手段及び前記機能付偏向手段は、前記第1の傾斜軸と前記第2の傾斜軸とが平行となるように配置されていることを特徴とする請求項13に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   14. The head-up display device according to claim 13, wherein the optical unit and the deflecting unit with a function are arranged so that the first tilt axis and the second tilt axis are parallel to each other. . 前記偏向手段の少なくとも一つは、前記光学手段または前記反射手段の少なくともいずれか一方の形状によって生じる前記虚像の歪みを相殺する光学的作用を与える形状を有することを特徴とする請求項9ないし請求項14のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。   10. At least one of the deflecting means has a shape that provides an optical action that cancels out distortion of the virtual image caused by the shape of at least one of the optical means and the reflecting means. Item 15. The head-up display device according to any one of Items 14. 前記映像投射手段を内装して開口部を有する筐体を備え、
前記光学手段は、前記筐体の開口部を形成する内壁を兼用する遮光手段によって外光の一部が到達しないように配置されていることを特徴とする請求項1ないし請求項15のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
Provided with a housing having an opening with the video projection means inside,
16. The optical device according to any one of claims 1 to 15, wherein the optical means is arranged so that a part of outside light does not reach by a light shielding means that also serves as an inner wall forming an opening of the casing. The head-up display device described in 1.
前記光学手段は、前記筐体の内部を防塵するカバーを兼用することを特徴とする請求項16に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   The head-up display device according to claim 16, wherein the optical unit also serves as a cover for dust-proofing the inside of the housing.
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