JP2012163613A - Virtual image display device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a virtual image display device which can specify a position of eye with high accuracy.SOLUTION: Display light output from a projection optical system 11 is image-formed at a diffusion region 13a of a screen 13, and is reflected and magnified by a concave mirror 15 to be projected onto a windshield 21. With the windshield 21 used as a combiner, the display light arrives at an eye point 25 of a driver located at an eye-box 23. Further, the projection optical system 11 projects an infrared light onto the same optical path as an optical path (optical axis 31) of the light that arrives at the eye point 25. The projected infrared light is reflected by the eye of the driver that exists at the eye point 25 of the driver, and arrives at the screen 13 through the windshield 21 and the concave mirror 15. The light that arrives at the screen 13 is reflected to a photo-receiver 17 in a reflection region 13b that is provided at a place other than the diffusion region 13a, and is image-formed at the photo-receiver 17. The controller 19 specifies a position of eye from an imaging position of the reflected light received by the photo-receiver 17.

Description

本発明は、画像を移動体に設けられたコンバイナの前方に虚像表示する虚像表示装置に関する。   The present invention relates to a virtual image display device that displays a virtual image in front of a combiner provided on a moving body.

従来、車両に搭載されたコンバイナまたはウインドシールドの前方に様々な情報を虚像表示させる虚像表示装置(ヘッドアップディスプレイ)が提案されている。この虚像表示装置では、運転者が視認している車両の前景に虚像が表示されるため、運転者がダッシュボードに組みつけられたインストルメントパネルなどを視認する場合と比較して視線移動や焦点調節の負荷を低減することができる。   Conventionally, a virtual image display device (head-up display) that displays various information in a virtual image in front of a combiner or windshield mounted on a vehicle has been proposed. In this virtual image display device, since a virtual image is displayed in the foreground of the vehicle that the driver is viewing, the line of sight movement and focus are compared with the case where the driver visually recognizes an instrument panel mounted on the dashboard. The load of adjustment can be reduced.

また、虚像を前景の何らかの対象物(車や交差点、歩行者など)に重ねたり、その近傍に表示させたりして、運転者に分かりやすい情報提供をさせる重畳ディスプレイとして利用することが可能である。   In addition, the virtual image can be used as a superimposed display that provides information that is easy to understand for the driver by superimposing it on some foreground object (car, intersection, pedestrian, etc.) or displaying it in the vicinity thereof. .

このような虚像表示装置として、図8に示すような構成の虚像表示装置101がある。投射光学系103から投影された画像は、一旦スクリーン105(光線を拡散させるマイクロミラーアレイもしくはホログラフィックディフューザなどが形成されている)に結像する。   As such a virtual image display device, there is a virtual image display device 101 configured as shown in FIG. The image projected from the projection optical system 103 once forms an image on the screen 105 (a micromirror array or a holographic diffuser that diffuses light rays is formed).

さらにこの画像は凹面鏡107で反射拡大され、図示しない装置の開口カバーを透過してコンバイナ109で反射されてアイボックス(視域)111内にある運転者の眼113に到達し、運転者から虚像115として視認される。このとき、投射光学系103の表示素子とスクリーン105上の投影画像と虚像115とが共役関係にある。類似の構成を有する光学系の例として、特許文献1に記載の光学系がある。   Further, this image is reflected and magnified by the concave mirror 107, passes through an opening cover of a device (not shown), is reflected by the combiner 109, reaches the driver's eye 113 in the eye box (viewing zone) 111, and receives a virtual image from the driver. It is visually recognized as 115. At this time, the display element of the projection optical system 103, the projected image on the screen 105, and the virtual image 115 are in a conjugate relationship. As an example of an optical system having a similar configuration, there is an optical system described in Patent Document 1.

なお、上記虚像表示装置101では、2段階に分けて画像を拡大するため、収差を抑制でき鮮明な虚像を形成できるメリットがある。さらに、投射光学系103の射出瞳(スクリーン側から見た絞りの像)とアイボックス111とが共役関係にある。また、スクリーン105を、射出瞳から出た光線がアイボックス111全体に集光する(照らされる)ように構成すると、明るい画像が効率よく得られる。   Note that the virtual image display device 101 has an advantage that an image can be enlarged in two stages, so that aberration can be suppressed and a clear virtual image can be formed. Furthermore, the exit pupil of the projection optical system 103 (a diaphragm image viewed from the screen side) and the eye box 111 are in a conjugate relationship. Further, when the screen 105 is configured so that the light rays emitted from the exit pupil are condensed (illuminated) over the entire eye box 111, a bright image can be efficiently obtained.

虚像表示装置において、アイボックスの位置が広くなるように、即ち広い範囲から虚像を視認できるように構成すると、虚像に歪みが現れたり、虚像が暗くなったりしてしまう。そこで、アイボックスは運転者の眼の位置に合せ、限定された範囲とすることが好ましい。従来、運転者の背の高さに応じてアイボックスの位置を調整できるように凹面鏡を回転させる機構を組み込んであるものがある(例えば、特許文献2参照)。   If the virtual image display device is configured such that the position of the eye box is wide, that is, the virtual image can be viewed from a wide range, the virtual image is distorted or the virtual image becomes dark. Therefore, it is preferable that the eye box has a limited range in accordance with the position of the driver's eyes. Conventionally, there is a mechanism that incorporates a mechanism for rotating a concave mirror so that the position of the eye box can be adjusted according to the height of the driver's back (see, for example, Patent Document 2).

上記特許文献2に記載の装置は、運転者が自ら操作ボタンを押すなどして調整する必要があり操作の手間が必要なうえ、運転者の姿勢が変わり眼の位置が変化すると虚像の表示される位置がずれたり見えなくなる場合もある。凹面鏡を自動で適切な回転角度に設定するためには、運転者の眼の位置を正確に特定する必要がある。   The device described in the above-mentioned Patent Document 2 requires a driver to adjust the device by pressing the operation button himself, which requires troublesome operation, and displays a virtual image when the driver's posture changes and the eye position changes. In some cases, the position of the image may be shifted or invisible. In order to automatically set the concave mirror to an appropriate rotation angle, it is necessary to accurately specify the position of the driver's eyes.

また、虚像表示装置を上述した重畳ディスプレイとして利用するためには、前景の対象物をカメラやレーダーなどで検出するだけでなく、運転者の眼の位置を特定して、前景の対象物と運転者の眼を結んだ直線上(またはその近傍)に虚像を表示させる必要がある。これらの機能を実現するには、運転者の眼の位置を正確に特定する必要がある。   Further, in order to use the virtual image display device as the above-described superimposed display, not only the foreground object is detected by a camera or a radar, but also the position of the driver's eyes is specified, and the foreground object and the driving are identified. It is necessary to display a virtual image on (or in the vicinity of) a straight line connecting a person's eyes. In order to realize these functions, it is necessary to accurately specify the position of the driver's eyes.

これに対し、赤外線カメラや赤外線照明ランプをインパネ外部に配置し、眼球を撮影して視線方向を検出する車両用障害物検出装置がある(特許文献3参照)。
しかし上記特許文献3に記載の装置では、赤外線カメラや赤外線照明ランプがインパネ外部に設置されており、意匠上制約が大きい。また、赤外線カメラや赤外線照明ランプが運転者に対して正面に無いため、それらと運転者の眼の間が顔の他の部分やハンドルなどの車の部品に遮られ、位置検出の精度が悪くなることがある。
On the other hand, there is an obstacle detection device for a vehicle in which an infrared camera or an infrared illumination lamp is arranged outside the instrument panel, and an eyeball is photographed to detect a line-of-sight direction (see Patent Document 3).
However, in the apparatus described in Patent Document 3, an infrared camera and an infrared illumination lamp are installed outside the instrument panel, and the design is very limited. Also, since there is no infrared camera or infrared illumination lamp in front of the driver, the driver's eyes are blocked by other parts of the face and parts of the car such as the steering wheel, resulting in poor position detection accuracy. May be.

一方、虚像を表示する表示装置であって、運転者の眼を撮影する受光手段(撮影装置)を虚像表示の光学系の光軸上に配置し、眼の位置ずれを検出する表示装置が提案されている(特許文献4参照)。   On the other hand, a display device for displaying a virtual image, in which a light receiving means (photographing device) for photographing a driver's eyes is arranged on the optical axis of an optical system for displaying a virtual image, and a display device for detecting a positional deviation of the eye is proposed. (See Patent Document 4).

この表示装置では、受光手段で撮影する映像は運転者の正面から撮影できるため、カメラや照明が顔の他の部分やハンドルなどによって遮蔽されることの影響を低減できる。   In this display device, since the image captured by the light receiving means can be captured from the front of the driver, it is possible to reduce the influence of the camera and illumination being shielded by other parts of the face, the handle, and the like.

特開2003−207743号公報JP 2003-207743 A 特開2004−347633号公報JP 2004-347633 A 特開平6−230132号公報JP-A-6-230132 特許3727078号公報Japanese Patent No. 3727078

眼の位置を良好に把握するためには、赤外光が眼で反射した反射光が充分な強度で受光手段に到達することが好ましい。
しかしながら上記特許文献4の表示装置は、運転者の顔を照らす赤外光照明が車両室内または光学ユニット内部の具体的に限定されない位置に配置されているため、赤外光が横方向や斜め方向からアイボックス近傍に照射されたり、ハンドルや運転者の体などで赤外光が遮られたりする結果、反射した赤外光が充分な強度で受光手段に到達しない場合がある。また赤外光照明から照射される光を強くすると、赤外光のような非可視光であっても眼にダメージを与えてしまう可能性がある。
In order to satisfactorily grasp the position of the eye, it is preferable that the reflected light of the infrared light reflected by the eye reaches the light receiving means with sufficient intensity.
However, in the display device disclosed in Patent Document 4, infrared light that illuminates the driver's face is arranged in a position not specifically limited in the vehicle interior or inside the optical unit. As a result, the reflected infrared light may not reach the light receiving means with sufficient intensity as a result of being irradiated near the eye box or being blocked by the handle or the driver's body. Moreover, when the light irradiated from infrared light illumination is strengthened, there is a possibility of damaging the eyes even with non-visible light such as infrared light.

このように、特許文献4の表示装置では、受光手段により赤外光の反射光を充分な強度で得られないことにより、眼の位置を高い精度で特定できない場合があった。
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い精度で眼の位置を特定することができる虚像表示装置を提供することである。
As described above, in the display device disclosed in Patent Document 4, the reflected light of the infrared light cannot be obtained with sufficient intensity by the light receiving means, and thus the eye position may not be specified with high accuracy.
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a virtual image display device capable of specifying the position of the eye with high accuracy.

上述した問題を解決するためになされた請求項1に記載の発明は、画像を表示する表示光を投射し、その投射された光を移動体に設けられたコンバイナに到達させ、その表示光をコンバイナで反射させて移動体の搭乗者の眼に到達させることで画像をコンバイナ前方に虚像表示する虚像表示装置に関するものであり、以下のような特徴を有する。   The invention according to claim 1, which has been made to solve the above-described problem, projects display light for displaying an image, causes the projected light to reach a combiner provided in the moving body, and transmits the display light to the combiner. The present invention relates to a virtual image display device that displays an image in front of the combiner by reflecting the light with a combiner and reaching the eyes of a moving passenger, and has the following characteristics.

この虚像表示装置は、上記表示光の光路と重なる光路で非可視光を搭乗者に向けて投射する。そして投射された非可視光が搭乗者の眼にて反射した反射光を受光する受光手段を有しており、その受光手段が反射光を受光した位置に基づいて、搭乗者の眼の位置を特定する。   This virtual image display device projects invisible light toward the passenger in an optical path that overlaps the optical path of the display light. The projected non-visible light has a light receiving means for receiving reflected light reflected by the passenger's eyes, and the position of the passenger's eyes is determined based on the position where the light receiving means has received the reflected light. Identify.

また、表示光をコンバイナに到達させるために、表示光を出力する手段とコンバイナの間に様々な光学系を配置することができるが、この虚像表示装置においては、表示光を投射する手段により投射された表示光の結像位置にスクリーンを配設している。そしてそのスクリーンが、表示光を拡散する拡散領域と、非可視光が搭乗者の眼にて反射した反射光を受光手段に向けて反射する反射領域と、を備えている。   Various optical systems can be arranged between the means for outputting the display light and the combiner to cause the display light to reach the combiner. In this virtual image display device, the display light is projected by the means for projecting the display light. A screen is disposed at the imaging position of the displayed light. The screen includes a diffusion region for diffusing the display light and a reflection region for reflecting the reflected light reflected by the passenger's eyes toward the light receiving means.

このように構成された虚像表示装置では、受光手段が反射光を受光した位置に基づいて搭乗者の眼の位置を特定することができる。受光手段としては例えば非可視光に感度を有するCCDやCMOSなどのマトリクス状センサを採用することができる。その場合、反射光を受光した位置とは、受光手段であるマトリクス状センサが検出した反射光の位置である。   In the virtual image display device configured as described above, the position of the occupant's eyes can be specified based on the position where the light receiving means receives the reflected light. As the light receiving means, for example, a matrix sensor such as a CCD or CMOS having sensitivity to invisible light can be employed. In this case, the position where the reflected light is received is the position of the reflected light detected by the matrix sensor as the light receiving means.

そして上記虚像表示装置では、搭乗者の眼に向けて非可視光を投射しているため、受光手段は非可視光の反射光を良好に取得することができる。そして、その非可視光は表示光の光路と重なる光路で搭乗者に向けて投射されているため、搭乗者の正面から、ハンドルや搭乗者の体などに遮られることなく搭乗者に向けて投射されることとなる。従って、非可視光の強度を強くすることなく搭乗者の眼を充分に明るく照らすことができるため、反射光が受光手段に充分な強度で到達することとなり、高い精度で眼の位置を特定することができる。また眼に与えるダメージを低減することができる。   In the virtual image display device, since the invisible light is projected toward the passenger's eyes, the light receiving means can obtain the reflected light of the invisible light satisfactorily. And since the invisible light is projected toward the occupant through an optical path that overlaps the optical path of the display light, it is projected toward the occupant from the front of the occupant without being blocked by the handle or the occupant's body. Will be. Accordingly, since the passenger's eyes can be illuminated sufficiently brightly without increasing the intensity of invisible light, the reflected light reaches the light receiving means with sufficient intensity, and the position of the eyes is specified with high accuracy. be able to. In addition, damage to the eyes can be reduced.

また本発明の虚像表示装置は、眼の位置を特定するための非可視光の光源が装置内部に設置されているため、移動体の室内に配置する必要がなく、意匠上の制約が少ない。また、非可視光の投射に表示光を投射する光学系を利用できるため、非可視光の投射に関してのみ利用する反射板などの光学部材の数を低減でき、装置の小型化が可能となる。   In addition, the virtual image display device of the present invention is provided with a non-visible light source for specifying the position of the eye, so that it does not need to be placed in the room of the moving body, and there are few design restrictions. In addition, since an optical system for projecting display light to invisible light projection can be used, the number of optical members such as reflectors used only for invisible light projection can be reduced, and the apparatus can be miniaturized.

また、眼からの反射光を検出して眼の位置を特定するものであるため、顔全体の画像から眼を特定するような複雑なプロセスが必要なくなる。
なお、非可視光の一例としては赤外光が挙げられる。
Moreover, since the reflected light from the eye is detected and the position of the eye is specified, a complicated process for specifying the eye from the entire face image is not necessary.
An example of invisible light is infrared light.

また、上記虚像表示装置では、虚像を表示するために用いるスクリーンを、反射光を受光するための構成として利用ことができ、虚像表示装置の小型化を図ることができる。また、受光手段には反射領域で反射した光が主に到達し、スクリーンで(拡散領域で)拡散してぼやけてしまった反射光は到達しにくいので、精度良く眼の位置を特定することができる。   Further, in the virtual image display device, a screen used for displaying a virtual image can be used as a configuration for receiving reflected light, and the virtual image display device can be reduced in size. In addition, the light reflected by the reflection area mainly reaches the light receiving means, and the reflected light that is diffused and blurred by the screen (in the diffusion area) is difficult to reach. it can.

受光手段は、少なくとも投射される(眼にて反射される)非可視光に感度を持った撮影装置(画像センサ)を用いればよい。また受光手段の配置される位置は特に限定されないが、搭乗者の正面から撮影することが好ましい。しかしながら受光手段を搭乗者の正面に配置すると視界を遮ることになるため、表示光や非可視光の光路に沿って反対向きに進む反射光が撮影できるように虚像表示装置の内部に配置するとよい。   As the light receiving means, an imaging device (image sensor) having sensitivity to at least projected (reflected by the eye) invisible light may be used. The position where the light receiving means is arranged is not particularly limited, but it is preferable to take a picture from the front of the passenger. However, if the light receiving means is arranged in front of the occupant, the field of view is obstructed. Therefore, the light receiving means may be arranged inside the virtual image display device so that reflected light traveling in the opposite direction along the optical path of display light or invisible light can be photographed. .

上記虚像表示装置は、以下に示すような共役関係を有する構成とすることができる。それは、表示光を出力する表示面と、スクリーンの拡散領域と、虚像と、が共役関係であり、表示光を出力する手段の射出瞳と、搭乗者が画像を視認可能な領域であるアイボックスと、が共役関係であり、上記アイボックスと受光手段とが共役関係である構成である。   The virtual image display device may have a conjugate relationship as shown below. That is, a display surface that outputs display light, a screen diffusion region, and a virtual image have a conjugate relationship, an exit pupil of a means that outputs display light, and an eye box that is an area where a passenger can visually recognize an image. Are in a conjugate relationship, and the eye box and the light receiving means are in a conjugate relationship.

このような共役関係を有するように各部品を配置することで、搭乗者に虚像を良好に視認させることができ、また、受光手段による反射光の受光位置の検出精度を高めることができる。   By arranging the components so as to have such a conjugate relationship, it is possible to make the passenger see the virtual image well, and to improve the detection accuracy of the light receiving position of the reflected light by the light receiving means.

眼の位置を特定した際に、その眼の位置にアイボックスが移動するように表示光および非可視光の光路を調整する手段を設けてもよい。例えば、請求項3に記載の虚像表示装置のように、表示光および非可視光を反射する反射板を設けて、その反射板の角度を眼の位置に応じて調整する手段を設けることや、請求項4に記載の虚像表示装置のように、表示光が示す画像の形状を調整する手段を設けることが考えられる。   A means for adjusting the optical paths of the display light and the invisible light may be provided so that when the eye position is specified, the eye box moves to the eye position. For example, as in the virtual image display device according to claim 3, a reflection plate that reflects display light and invisible light is provided, and a means for adjusting the angle of the reflection plate according to the position of the eye is provided. It is conceivable to provide means for adjusting the shape of the image indicated by the display light as in the virtual image display device according to claim 4.

このように構成された虚像表示装置では、虚像を視認できるアイボックスの位置を、眼の位置に応じて自動的に修正したり、画像の歪みを低減したりすることができる。
上述した画像の形状を調整する手段とは、例えば、表示光を出力する表示画面の中で、実際に表示光を出力する位置を変更する手段とすることが考えられる。また、それ以外にも、画像を予め歪ませて、搭乗者が虚像を視認するときに生じる歪み(特に、眼の位置が変化することで生じる歪み)を相殺する手段とすることが考えられる。
In the virtual image display device configured as described above, the position of the eye box where the virtual image can be visually recognized can be automatically corrected or the distortion of the image can be reduced.
The means for adjusting the shape of the image described above may be, for example, a means for changing the position where the display light is actually output in the display screen that outputs the display light. In addition, it is conceivable that the image is distorted in advance so as to cancel out distortion (particularly distortion generated by changing the eye position) that occurs when the passenger visually recognizes the virtual image.

なお、上述した反射板は平面状の鏡などを用いてもよいし、凹面鏡や凸面鏡であってもよい。
なお、拡散領域と反射領域とは、請求項5に記載のように、互いに異なる曲率を有していても良いし、請求項6に記載のように、互いに異なる方向に光軸を有していてもよい。
In addition, a planar mirror etc. may be used for the reflecting plate mentioned above, and a concave mirror and a convex mirror may be sufficient as it.
The diffusion region and the reflection region may have different curvatures as described in claim 5, or have optical axes in different directions as described in claim 6. May be.

拡散領域と反射領域との曲率が異なれば、反射領域で反射した反射光の結像距離を、表示光を投射する手段から拡散領域までの結像距離と異ならせることができる。また、拡散領域と反射領域との光軸が異なれば、反射光を表示光の光路からずらして反射させることができる。   If the curvatures of the diffusion region and the reflection region are different, the imaging distance of the reflected light reflected by the reflection region can be made different from the imaging distance from the means for projecting the display light to the diffusion region. Further, if the optical axes of the diffusion region and the reflection region are different, the reflected light can be reflected while being shifted from the optical path of the display light.

つまり、スクリーンを上述したように構成することで、受光手段の配置の自由度を増すことができる。また、上述したように光軸を異ならせることにより、拡散領域で反射した反射光が受光手段に到達し難くなるため、その反射光がノイズとなることを防止できる。   That is, by configuring the screen as described above, the degree of freedom of arrangement of the light receiving means can be increased. Also, by making the optical axes different as described above, it becomes difficult for the reflected light reflected by the diffusion region to reach the light receiving means, so that the reflected light can be prevented from becoming noise.

ところで、表示光を投射する手段としては、画像を形成する公知の様々な構成を採用することができる。
また、請求項7のように、表示光を投射する手段と、非可視光を投射する手段と、が1つの画像表示器によってなるものであって、表示光と、非可視光と、を所定の周期で切り替えて投射するものであってもよい。
By the way, as a means for projecting display light, various known configurations for forming an image can be employed.
Further, as in claim 7, the means for projecting the display light and the means for projecting the invisible light are formed by one image display, and the display light and the invisible light are predetermined. It may be switched and projected at a period of

このように構成された虚像表示装置であれば、表示光を投射する手段と、非可視光を投射する手段と、を別体に設ける必要がなく、虚像表示装置の小型化を図ることができる。また、表示光と非可視光とが同一の表示器から出力されるため、それらの光路を容易に重ねることができる。   With the virtual image display device configured as described above, it is not necessary to separately provide means for projecting display light and means for projecting invisible light, and the virtual image display device can be reduced in size. . Further, since the display light and the invisible light are output from the same display device, their optical paths can be easily overlapped.

なお上記画像表示器は、非可視光を投射する際には、請求項8に記載のように、画像表示器の実質的に全表示面から非可視光を投射するように構成してもよい。非可視光は搭乗者の眼の位置を特定するために投射するものであるため、広い範囲に投射することで広い範囲から眼の反射光を検出することができ都合がよい。   In addition, when projecting invisible light, the image display device may be configured to project invisible light from substantially the entire display surface of the image display device as described in claim 8. . Since the non-visible light is projected to specify the position of the occupant's eyes, the reflected light of the eyes can be detected from a wide range by projecting to the wide range, which is convenient.

また、表示光を投射する手段と、非可視光を投射する手段と、は別々に配置してもよい。その場合、請求項9に記載のように構成してもよい。請求項9に記載の虚像表示装置は、表示光を透過させると共に非可視光を反射し、表示光の光路上に配設されるフィルタを有しており、非可視光を当該フィルタに反射させることで、表示光の光路に重なるように非可視光を投射する。   Further, the means for projecting display light and the means for projecting invisible light may be arranged separately. In that case, you may comprise as described in Claim 9. The virtual image display device according to claim 9 includes a filter that transmits display light and reflects invisible light, and is disposed on an optical path of the display light, and reflects the invisible light to the filter. Thus, the invisible light is projected so as to overlap the optical path of the display light.

また、本発明の虚像表示装置は、請求項10に記載のように、コンバイナ表面に配置され、表示光および非可視光のうち少なくとも一方の波長の光を反射させる波長選択膜を有するように構成してもよい。   Moreover, the virtual image display device of the present invention is configured to have a wavelength selection film that is disposed on the surface of the combiner and reflects light of at least one of display light and invisible light as described in claim 10. May be.

このように構成された虚像表示装置であれば、表示光または非可視光を搭乗者に効率よく反射させることができる。それにより、表示光の輝度を高めたり、同じ輝度の虚像を視認させるための消費電力を低減させることができる。また、同じ強さの非可視光の反射光を受光手段が受光するために必要な非可視光投射の消費電力を低減させることができる。   With the virtual image display device configured as described above, display light or non-visible light can be efficiently reflected to the passenger. Thereby, the brightness | luminance of display light can be raised or the power consumption for making a virtual image of the same brightness | luminance visually recognized can be reduced. Further, it is possible to reduce the power consumption of the invisible light projection necessary for the light receiving means to receive the reflected light of the invisible light having the same intensity.

なお、本発明の虚像表示装置はコンバイナに表示光および非可視光を投射するものであるが、請求項11に記載のように、コンバイナとして用いられる移動体のウインドシールドに、表示光および非可視光を投射すれば、別途コンバイナを設ける必要がなく都合がよい。   The virtual image display device of the present invention projects display light and invisible light onto a combiner. However, as described in claim 11, display light and invisible are displayed on a windshield of a moving body used as a combiner. If light is projected, there is no need to provide a separate combiner, which is convenient.

実施例の虚像表示装置の概略構成を示す側面図The side view which shows schematic structure of the virtual image display apparatus of an Example. 投射光学系の内部構成を表す模式図Schematic diagram showing the internal configuration of the projection optical system スクリーンを示す側面図Side view showing the screen マイクロミラーアレイを示す拡大斜視図Enlarged perspective view showing a micromirror array 制御装置の構成を示すブロック図Block diagram showing the configuration of the control device ウインドシールドに波長選択膜を設けた状態を示す側面図Side view showing a state where a wavelength selective film is provided on the windshield 変形例の投射光学系の内部構成を表す模式図Schematic diagram showing the internal configuration of a modified projection optical system 従来の虚像表示装置を示す側面図Side view showing a conventional virtual image display device

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
[実施例]
(1)構成
本実施例の虚像表示装置1は、車両(移動体)に搭載されて用いられるものであって、図1に示すように、投射光学系11,スクリーン13,凹面鏡15,受光装置17,および制御装置19を備えている。なお、投射光学系11が本発明の表示光投射手段,非可視光投射手段,および画像表示器に相当し、凹面鏡15が本発明の反射板に相当し、受光装置17が本発明の受光手段に相当する。また、スクリーン13および凹面鏡15が本発明の光学系に相当する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Example]
(1) Configuration A virtual image display device 1 according to the present embodiment is used by being mounted on a vehicle (moving body). As shown in FIG. 1, a projection optical system 11, a screen 13, a concave mirror 15, and a light receiving device. 17 and a control device 19. The projection optical system 11 corresponds to the display light projection means, the invisible light projection means, and the image display of the present invention, the concave mirror 15 corresponds to the reflector of the present invention, and the light receiving device 17 corresponds to the light reception means of the present invention. It corresponds to. The screen 13 and the concave mirror 15 correspond to the optical system of the present invention.

虚像表示装置1の各構成要素の概略機能を説明する。なお、図1における光軸31は、投射光学系11から投射された光の光路の中心を示す模式的なものである。
投射光学系11から出力された画像(表示光)は、スクリーン13における所定の拡散領域13aにて結像する。この画像は凹面鏡15で反射拡大され、車両に備えられたウインドシールド21に投射される。そして、このウインドシールド21をコンバイナとして、アイボックス23に位置する運転者(搭乗者)の視点25に到達する。運転者は、ウインドシールド21の前方の地点において、投射光学系11から出力された画像を拡大された虚像(虚像表示像)27として視認することができる。
The general function of each component of the virtual image display device 1 will be described. An optical axis 31 in FIG. 1 is a schematic diagram showing the center of the optical path of the light projected from the projection optical system 11.
An image (display light) output from the projection optical system 11 forms an image in a predetermined diffusion region 13 a on the screen 13. This image is reflected and magnified by the concave mirror 15 and projected onto the windshield 21 provided in the vehicle. The windshield 21 is used as a combiner to reach the viewpoint 25 of the driver (passenger) located in the eye box 23. The driver can view the image output from the projection optical system 11 as an enlarged virtual image (virtual image display image) 27 at a point in front of the windshield 21.

なおアイボックス23とは、運転者が画像を視認可能な領域であり、投射光学系11が投射する画像(画像の表示画面における表示領域)や、凹面鏡15の角度によってその位置が調整されるものである。ここで、投射光学系11の表示素子(LCOS49)の表示面と、スクリーン13の拡散領域13a上に形成される画像と、虚像27とが共役関係にある。さらに、画像を投影する投射光学系11の射出瞳とアイボックス23とが、拡散領域13aを介して共役関係にある。   The eye box 23 is an area where the driver can visually recognize the image, and the position of the eye box 23 is adjusted by the image projected by the projection optical system 11 (display area on the image display screen) and the angle of the concave mirror 15. It is. Here, the display surface of the display element (LCOS 49) of the projection optical system 11, the image formed on the diffusion region 13a of the screen 13, and the virtual image 27 are in a conjugate relationship. Furthermore, the exit pupil of the projection optical system 11 that projects an image and the eye box 23 are in a conjugate relationship via the diffusion region 13a.

また、投射光学系11は視点25に到達する表示光の光路と同じ光路上に赤外光(本発明における非可視光に相当)を投射する。この赤外光も表示光と同様にスクリーン13の拡散領域13a,凹面鏡15を経由してウインドシールド21に投射され、ウインドシールド21にて反射し、アイボックス23を含む広い範囲に到達する。つまり、赤外光を投射する投射光学系11の射出瞳とアイボックス23とが拡散領域13aを介して共役関係にある。   Further, the projection optical system 11 projects infrared light (corresponding to invisible light in the present invention) on the same optical path as the display light reaching the viewpoint 25. Similarly to the display light, the infrared light is projected onto the windshield 21 via the diffusion region 13a of the screen 13 and the concave mirror 15, reflected by the windshield 21, and reaches a wide range including the eye box 23. That is, the exit pupil of the projection optical system 11 that projects infrared light and the eye box 23 are in a conjugate relationship via the diffusion region 13a.

投射された赤外光は、運転者の視点25に存在する運転者の眼(網膜や角膜など眼の位置を確定できる部分)で反射され、ウインドシールド21,凹面鏡15を経由してスクリーン13に到達する。スクリーン13に到達した光は、拡散領域13aとは異なる位置に設けられた反射領域13bにて受光装置17に向けて反射され、受光装置17にて結像する。つまり、アイボックス23と受光装置17とが反射領域13bを介して共役関係にある。なお、以降、単に反射光と記載するときには、運転者の眼にて反射された赤外光のことを指す。   The projected infrared light is reflected by the driver's eyes (portions where the position of the eyes such as the retina and cornea can be determined) existing at the driver's viewpoint 25, and passes through the windshield 21 and the concave mirror 15 to the screen 13. To reach. The light that reaches the screen 13 is reflected toward the light receiving device 17 by the reflection region 13b provided at a position different from the diffusion region 13a, and forms an image on the light receiving device 17. That is, the eye box 23 and the light receiving device 17 are in a conjugate relationship via the reflection region 13b. Hereinafter, when simply referred to as reflected light, it refers to infrared light reflected by the driver's eyes.

制御装置19は、受光装置17にて受光した反射光の結像位置から眼の位置を特定する。そして、凹面鏡15に設けられた駆動装置33を動作させて凹面鏡15からウインドシールド21に投射される光の方向を変えたり、投射光学系11にて出力する画像の位置(画像の表示画面における表示領域)を調整することにより、アイボックス23の位置を調整し、運転者の視点25に合せた位置に光を投射する。なお制御装置19が、本発明における位置特定手段に相当する。   The control device 19 identifies the position of the eye from the imaging position of the reflected light received by the light receiving device 17. Then, the driving device 33 provided on the concave mirror 15 is operated to change the direction of light projected from the concave mirror 15 onto the windshield 21, or the position of the image output by the projection optical system 11 (display on the display screen of the image). By adjusting the area, the position of the eye box 23 is adjusted, and light is projected to a position that matches the viewpoint 25 of the driver. The control device 19 corresponds to the position specifying means in the present invention.

次に、虚像表示装置1の各構成要素を詳細に説明する。
投射光学系11は、画像を形成する表示光を出力するものである。図2に投射光学系11の内部構成を表す模式図を示す。
Next, each component of the virtual image display device 1 will be described in detail.
The projection optical system 11 outputs display light for forming an image. FIG. 2 is a schematic diagram showing the internal configuration of the projection optical system 11.

投射光学系11は、4つのLED素子41a〜41dを備えている。LED素子41aは赤外光を照射するLED(IR−LED)である。また、LED素子41b〜41dは、虚像表示のためのR(赤),G(緑),B(青)の3色の光(可視光)をそれぞれ照射する。これらLED素子41b〜41dが表示光を形成するための光源である。   The projection optical system 11 includes four LED elements 41a to 41d. The LED element 41a is an LED (IR-LED) that emits infrared light. Further, the LED elements 41b to 41d respectively emit light of three colors (visible light) of R (red), G (green), and B (blue) for displaying a virtual image. These LED elements 41b to 41d are light sources for forming display light.

LED素子41a〜41dから射出された光は、LED素子ごとに配置された集光レンズ43にてコリメートされ、ダイクロイックミラー45で結合されて偏光ビームスプリッター(PBS)47を介してLCOS(Liquid Crystal on Silicon)49に導かれる。   Light emitted from the LED elements 41 a to 41 d is collimated by a condensing lens 43 arranged for each LED element, coupled by a dichroic mirror 45, and passed through a polarization beam splitter (PBS) 47 to be LCOS (Liquid Crystal on). (Silicon) 49.

LCOS49は偏光方向を変化させることができ、PBS47は偏光方向に応じて透過または反射されるため、LCOS49上の画素をON/OFFさせることで画像を生成できる。即ち、LCOS49が、画像の表示画面となる。LCOS49で反射された光線はPBS47を透過し、複数のレンズ51aおよび絞り51bからなる投射レンズ部51を介して外部に投射され、LCOS49上の画像がスクリーン13に投影される。   Since the LCOS 49 can change the polarization direction and the PBS 47 is transmitted or reflected according to the polarization direction, an image can be generated by turning on / off the pixels on the LCOS 49. That is, the LCOS 49 becomes an image display screen. The light beam reflected by the LCOS 49 passes through the PBS 47 and is projected to the outside through the projection lens unit 51 including a plurality of lenses 51 a and a diaphragm 51 b, and an image on the LCOS 49 is projected on the screen 13.

なお、光源として、LED素子に変えてレーザを用いてもよい。レーザを光源とする場合には、スキャナやボリゴンミラーを用いてレーザを走査し、スクリーン13に画像を投影してもよい。また、表示素子として、LCOS49に変えて透過型LCDやDMD(Digital Micromirror device)を用いてもよい。   As the light source, a laser may be used instead of the LED element. When the laser is used as the light source, the image may be projected onto the screen 13 by scanning the laser using a scanner or a Bolgon mirror. Further, a transmissive LCD or DMD (Digital Micromirror Device) may be used as the display element instead of the LCOS 49.

可視光(LED素子41b〜41d)と赤外光(LED素子41a)とは、別々のタイミングで照射しても良いし、同時に照射してもよい。もちろん、それらが混在していてもよい。   Visible light (LED elements 41b to 41d) and infrared light (LED element 41a) may be irradiated at different timings or simultaneously. Of course, they may be mixed.

別々のタイミングで照射する場合、例えば、1周期をR→G→B→IR(赤外光)とする時分割駆動とし、この周期を繰り返していくことが考えられる。R,G,Bを照射するタイミングでは表示したい虚像(画像)のデザインや色に合わせてLCOS49上の画素をON/OFFする。IRを照射するタイミングではLCOS49上の全画素(全画面)または実質的な全画面をONとしてもよいし、一部の領域のみONとしてもよい。   When irradiating at different timings, for example, it is conceivable that one cycle is R-> G-> B-> IR (infrared light) and time-division driving is performed, and this cycle is repeated. At the timing of irradiating R, G, and B, the pixels on the LCOS 49 are turned ON / OFF according to the design and color of the virtual image (image) to be displayed. At the timing of IR irradiation, all pixels (full screen) or substantially full screen on the LCOS 49 may be turned on, or only a part of the regions may be turned on.

別の例としては、R→G→Bの周期を複数回繰り返した後、IRを1回または複数回照射し、再びR→G→Bの周期に戻るという方法もある。
上述したように可視光と赤外光とを別々のタイミングで照射するメリットは、常時表示する虚像表示がない場合や虚像表示のデザインが小さい場合でも、赤外光を独立して照射できるため、安定した眼の位置検出が可能となることである。
As another example, there is a method in which the cycle of R → G → B is repeated a plurality of times, IR is irradiated once or a plurality of times, and the cycle returns to the cycle of R → G → B again.
As described above, the advantage of irradiating visible light and infrared light at different timings is that infrared light can be irradiated independently even when there is no virtual image display that is always displayed or when the design of the virtual image display is small, It is possible to detect a stable eye position.

また、可視光と赤外光を同時に照射する場合、R,G,Bのいずれかが照射するタイミングに同期してIRを照射する。R,G,Bのすべてに同期してIRを照射してもよい。これら同時に照射するメリットは、回路構成が簡略化されることが挙げられる。   In the case of simultaneously irradiating visible light and infrared light, IR is irradiated in synchronism with the timing when any of R, G, and B is irradiated. IR may be irradiated in synchronization with all of R, G, and B. An advantage of these simultaneous irradiations is that the circuit configuration is simplified.

いずれの方法を採用する場合も、これらLED素子41a〜41dのON/OFFは制御装置19によって制御される。
なお、LCOS49の表示画像(表示面)、スクリーン13上の投影画像と、虚像27と、は共役関係にある。
Whichever method is employed, ON / OFF of the LED elements 41 a to 41 d is controlled by the control device 19.
Note that the display image (display surface) of the LCOS 49, the projection image on the screen 13, and the virtual image 27 are in a conjugate relationship.

スクリーン13は、上述したように拡散領域13aと、反射領域13bと、を有している。本実施例のスクリーン13の側面図を図3に示す。本実施例では、拡散領域13aと反射領域13bはいずれも凸形状を有している。   As described above, the screen 13 includes the diffusion region 13a and the reflection region 13b. A side view of the screen 13 of this embodiment is shown in FIG. In this embodiment, both the diffusion region 13a and the reflection region 13b have a convex shape.

拡散領域13aは、投射光学系11からの光線を拡散し、運転者のアイボックス23に均一に光線を投射する役割を果たす。この拡散領域13aとして、マイクロミラーアレイを用いることができる。   The diffusion region 13a serves to diffuse light rays from the projection optical system 11 and to uniformly project light rays onto the driver's eye box 23. A micromirror array can be used as the diffusion region 13a.

マイクロミラーアレイを図4に示す。平面または曲面上に多数のマイクロミラーがアレイ状に形成されている。マイクロアレイのピッチの例としては、10μmから200μmである。マイクロミラーの曲率と例としては100μmから1000μmである。縦方向と横方向のピッチないしは曲率を変えても良い。凹形状と凸形状のいずれか、または交互に配置しても良い。配置のパターンは格子状でも六方稠密構造でもよい。これらのパラメータは運転者のアイボックス23の大きさに依存して調節する。   A micromirror array is shown in FIG. A large number of micromirrors are formed in an array on a flat or curved surface. An example of the pitch of the microarray is 10 μm to 200 μm. The curvature of the micromirror, for example, is 100 μm to 1000 μm. The pitch or curvature in the vertical and horizontal directions may be changed. Either a concave shape or a convex shape, or may be alternately arranged. The arrangement pattern may be a lattice or a hexagonal close-packed structure. These parameters are adjusted depending on the size of the driver's eye box 23.

なお、拡散領域13aの他の例としては、ホログラフィックディフューザや摺りガラスにアルミなどの反射物を塗布した拡散体などがあるが、アイボックス23への光線照射の効率を低下させないためには、マイクロミラーアレイやホログラフィックディフューザなどの指向性を制御できる拡散体が望ましい。   Other examples of the diffusion region 13a include a holographic diffuser and a diffuser in which a reflective material such as aluminum is applied to ground glass, but in order not to reduce the efficiency of light irradiation to the eye box 23, A diffuser capable of controlling directivity such as a micromirror array or a holographic diffuser is desirable.

説明を図3に戻る。反射領域13bは、拡散領域13aと比較して曲率が小さい、即ち曲率半径が大きい緩やかな曲面として形成されている。したがって、運転者の眼にて反射され戻ってきた赤外光が結像する点(受光装置17上の点)は、拡散領域13aを通る光線より短い距離で結像する。さらに、反射領域13bの光軸13dは、拡散領域13aの光軸13cに対して傾いているため、反射光の方向は拡散領域13aと異なった方向に向かう。このような作用を利用することにより、受光装置17は投射光学系11とは異なった場所に設置することができる。   Returning to FIG. The reflection region 13b is formed as a gently curved surface having a smaller curvature than the diffusion region 13a, that is, a larger curvature radius. Therefore, the point at which the infrared light reflected and returned by the driver's eyes forms an image (a point on the light receiving device 17) is imaged at a shorter distance than the light beam passing through the diffusion region 13a. Further, since the optical axis 13d of the reflection region 13b is inclined with respect to the optical axis 13c of the diffusion region 13a, the direction of the reflected light is directed in a direction different from that of the diffusion region 13a. By utilizing such an action, the light receiving device 17 can be installed at a location different from the projection optical system 11.

凹面鏡15は、湾曲した曲面の内側を鏡面とし、入射された画像を拡大した像とする鏡であって、公知の構成である。本実施例においては凹面鏡15は駆動装置33を備えており、光軸を移動して、拡散領域13aからの光の反射方向を調整できるようになっている。   The concave mirror 15 is a mirror having a curved inner surface as a mirror surface and an enlarged image of an incident image, and has a known configuration. In this embodiment, the concave mirror 15 is provided with a driving device 33 so that the reflection direction of light from the diffusion region 13a can be adjusted by moving the optical axis.

受光装置17は、赤外光に感度を有するCCDやCMOSなどのマトリクス状センサであって、運転者の眼にて反射した赤外光を受光しその結像位置を検出する。検出された位置情報は制御装置19に送信される。この受光装置17は、表示光および赤外光が投射される光路に沿った光路を反対向きに通った反射光を検出するものである。   The light receiving device 17 is a matrix sensor such as a CCD or CMOS having sensitivity to infrared light, and receives the infrared light reflected by the driver's eyes and detects its imaging position. The detected position information is transmitted to the control device 19. The light receiving device 17 detects reflected light that has passed through an optical path along an optical path on which display light and infrared light are projected in the opposite direction.

制御装置19は、虚像表示装置1全体の動作を制御するものであって、車両に搭載された図示しない各種ECUやセンサと接続しており、それらからの出力信号に基づいて様々な情報を投射光学系11に出力させる。制御装置19の構成を示すブロック図を図5に示す。制御装置19は、受光処理部53,投射処理部55,光線偏向処理部57などを有する。   The control device 19 controls the overall operation of the virtual image display device 1 and is connected to various ECUs and sensors (not shown) mounted on the vehicle and projects various information based on output signals from them. The optical system 11 is made to output. A block diagram showing the configuration of the control device 19 is shown in FIG. The control device 19 includes a light reception processing unit 53, a projection processing unit 55, a light beam deflection processing unit 57, and the like.

受光処理部53は、眼で反射した赤外光が受光装置17上に結像した位置情報から、運転者の眼の位置を特定できる。これは、アイボックス23と受光装置17とが共役関係にあるため、赤外光に照らされた運転者の両眼が2つの擬似的な点光源となり、これら2つの点光源が受光装置17上に2つの点として結像するためである。つまり、眼の位置が移動すれば、それにしたがって受光装置17上での結像点が移動するため、眼の位置の抽出は容易に実現できることになる。このため、顔画像全体をカメラ等で撮影し、パターンマッチングのような手法で眼の位置を抽出する方法に対して、メモリ容量やシステム処理スピードが小さくて済むメリットがある。   The light reception processing unit 53 can identify the position of the driver's eyes from the position information in which the infrared light reflected by the eyes forms an image on the light receiving device 17. This is because the eye box 23 and the light receiving device 17 are in a conjugate relationship, so that both eyes of the driver illuminated by infrared light become two pseudo point light sources, and these two point light sources are on the light receiving device 17. This is because an image is formed as two points. That is, if the eye position is moved, the image point on the light receiving device 17 is moved accordingly, and thus the eye position can be easily extracted. For this reason, there is an advantage that the memory capacity and the system processing speed can be reduced as compared with the method in which the entire face image is taken with a camera or the like and the eye position is extracted by a technique such as pattern matching.

投射処理部55は、表示素子処理部55aと、光源処理部55bと、からなる。表示素子処理部55aは、LCOS49の各画素のON/OFFを制御して、表示すべき画像を形成する。光源処理部55bは、LED素子41a〜41dのON/OFFを制御する。LED素子41a〜41dはLCOS49と同期して動作している。   The projection processing unit 55 includes a display element processing unit 55a and a light source processing unit 55b. The display element processing unit 55a controls ON / OFF of each pixel of the LCOS 49 to form an image to be displayed. The light source processing unit 55b controls ON / OFF of the LED elements 41a to 41d. The LED elements 41a to 41d operate in synchronization with the LCOS 49.

また表示素子処理部55aは受光処理部53によって特定された眼の位置に基づいて、LCOS49の表示画面における画像を表示する位置を調整する。具体的には、特定された眼の位置にて画像(虚像)が適切に視認できるように画像を表示する画面上の位置を調整すると共に、その位置において発生する虚像の歪みを相殺するように、予め歪みを持った画像を表示する。当該動作を行う表示素子処理部55aが本発明における画像調整手段に相当する。   Further, the display element processing unit 55 a adjusts the position for displaying the image on the display screen of the LCOS 49 based on the eye position specified by the light receiving processing unit 53. Specifically, the position on the screen for displaying the image is adjusted so that the image (virtual image) can be appropriately visually recognized at the specified eye position, and the distortion of the virtual image generated at the position is offset. , An image with distortion in advance is displayed. The display element processing unit 55a that performs the operation corresponds to the image adjustment unit in the present invention.

光線偏向処理部57は、受光処理部53によって特定された眼の位置に基づいて、凹面鏡15の適切な位置を設定し、その位置に凹面鏡15が移動(回転)するように駆動装置33を動作させる。具体的には、特定された眼の位置にて虚像が適切に視認できるように角度を調整する。駆動装置33が本発明における角度調整手段に相当する。   The beam deflection processing unit 57 sets an appropriate position of the concave mirror 15 based on the eye position specified by the light receiving processing unit 53, and operates the driving device 33 so that the concave mirror 15 moves (rotates) to that position. Let Specifically, the angle is adjusted so that the virtual image can be appropriately visually recognized at the specified eye position. The driving device 33 corresponds to the angle adjusting means in the present invention.

(2)発明の作用・効果
本実施例の虚像表示装置1では、受光装置17が反射光を受光した位置(結像点の位置)に基づいて運転者の眼(視点25)の位置を特定することができるが、赤外光を表示光の光路と重ね合せて運転者の正面から投射しているため、ハンドルや運転者の体などに遮られることなく運転者に向けて投射することができる。従って、赤外光の強度を強くすることなく、常に運転者の眼を充分に明るく照らすことができ、眼の位置を良好に把握することができる。
(2) Action and Effect of Invention In the virtual image display device 1 of the present embodiment, the position of the driver's eye (viewpoint 25) is specified based on the position where the light receiving device 17 receives the reflected light (the position of the imaging point). However, since the infrared light is projected from the front of the driver so as to overlap the optical path of the display light, it can be projected toward the driver without being blocked by the steering wheel or the driver's body. it can. Accordingly, the driver's eyes can always be sufficiently brightly illuminated without increasing the intensity of infrared light, and the position of the eyes can be grasped well.

そして、上記虚像表示装置1では、虚像27を視認できるアイボックス23の位置を、眼の位置に応じて自動的に修正し、また画像の歪みを低減したりすることができる。
また、上記虚像表示装置1では、虚像27を表示するために用いるスクリーン13を、反射光を受光するための構成として利用ことができ、虚像表示装置1の小型化を図ることができる。
In the virtual image display device 1, the position of the eye box 23 where the virtual image 27 can be visually recognized is automatically corrected according to the position of the eye, and image distortion can be reduced.
Further, in the virtual image display device 1, the screen 13 used for displaying the virtual image 27 can be used as a configuration for receiving reflected light, and the virtual image display device 1 can be downsized.

また、反射光はスクリーン13上の反射領域13bにて反射され、受光装置17に到達する。仮にスクリーン13全面が拡散領域として構成されていれば、受光装置17に到達する光はぼやけたものとなってしまうが、本実施例の虚像表示装置1では反射領域13bで反射した光が受光装置17に到達するためぼやけた光とならず、眼の位置を精度良く検出できる。   The reflected light is reflected by the reflection region 13 b on the screen 13 and reaches the light receiving device 17. If the entire surface of the screen 13 is configured as a diffusion region, the light reaching the light receiving device 17 becomes blurred. However, in the virtual image display device 1 of the present embodiment, the light reflected by the reflection region 13b is received by the light receiving device. Since it reaches 17, the light is not blurred and the position of the eye can be detected with high accuracy.

また、スクリーン13における拡散領域13aと反射領域13bとは曲率、光軸ともに異なるため、上述したように、受光装置17を投射光学系11とは異なる位置に配置することができ、受光装置17の配置の自由度を増すことができる。また、拡散領域13aで反射した反射光が受光装置17に到達し難くなるため、その反射光がノイズとなり眼の位置特定の精度が低くなることを防止できる。   In addition, since the diffusion region 13a and the reflection region 13b in the screen 13 are different in both curvature and optical axis, the light receiving device 17 can be arranged at a position different from the projection optical system 11 as described above. The degree of freedom of arrangement can be increased. In addition, since the reflected light reflected by the diffusion region 13a is difficult to reach the light receiving device 17, it is possible to prevent the reflected light from becoming noise and lowering the accuracy of eye position specification.

また本実施例の虚像表示装置1では、表示光と赤外光とを1つの投射光学系11から投射しており、虚像表示装置1の小型化を実現している。また、表示光と赤外光とが同じ光学系を経由して運転者に投射されるため、別々の光学系を設ける必要がなくなり、装置の小型化が可能となる。   Further, in the virtual image display device 1 of the present embodiment, display light and infrared light are projected from one projection optical system 11, and the virtual image display device 1 is reduced in size. Further, since the display light and the infrared light are projected to the driver via the same optical system, it is not necessary to provide separate optical systems, and the apparatus can be miniaturized.

また本実施例の虚像表示装置1では、赤外光の光源や受光装置17がインパネ周辺などに配置されていないため、車両室内の意匠上の制約が少ない。
また本実施例の虚像表示装置1は、眼からの反射光を検出して眼の位置を特定するものであるため、顔全体の画像から眼を特定するような複雑なプロセスが必要なくなる。
Further, in the virtual image display device 1 of the present embodiment, since the infrared light source and the light receiving device 17 are not arranged around the instrument panel or the like, there are few design restrictions in the vehicle compartment.
Further, since the virtual image display device 1 according to the present embodiment detects the reflected light from the eye and specifies the position of the eye, a complicated process for specifying the eye from the image of the entire face is not necessary.

[変形例]
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上記実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
[Modification]
As mentioned above, although the Example of this invention was described, it cannot be overemphasized that this invention can take a various form, as long as it belongs to the technical scope of this invention, without being limited to the said Example at all.

例えば、上記実施例においては、スクリーン13に反射領域13bが設けられる構成を例示したが、スクリーン13とは別に反射板を設け、その反射板を反射領域13bに替えて用いてもよい。   For example, in the above-described embodiment, the configuration in which the reflection region 13b is provided on the screen 13 is illustrated, but a reflection plate may be provided separately from the screen 13, and the reflection plate may be used in place of the reflection region 13b.

また、上記実施例においては、赤外光を投射するときはLCOS49の全表示面から投射する構成を例示したが、表示面の一部のみから赤外光を投射する構成であってもよい。
また、ウインドシールド21に、表示光の波長の光を反射させる波長選択膜を設けてもよい。ウインドシールド21に波長選択膜61を設けた状態を図6に示す。波長選択膜61として、ルゲートフィルタを用いている。ルゲートフィルタは誘電体多層膜の一種で、特定の波長帯域のみ高反射率にさせる性質を持っている。
Moreover, in the said Example, although the structure which projects from all the display surfaces of LCOS49 was illustrated when projecting infrared light, the structure which projects infrared light from only a part of display surface may be sufficient.
In addition, a wavelength selection film that reflects light having the wavelength of display light may be provided on the windshield 21. A state in which the wavelength selection film 61 is provided on the windshield 21 is shown in FIG. A rugate filter is used as the wavelength selection film 61. The rugate filter is a kind of dielectric multilayer film and has the property of increasing the reflectance only in a specific wavelength band.

自動車のウインドシールドは、前景の透過率を70%以上確保する必要がある。そのため、ウインドシールド21に波長選択膜61を設けない場合、ウインドシールド21に投射された表示光の反射率は30%以下となり光利用効率が下がるため、視認される虚像の輝度が低下したり消費電力が上昇したりする。   The windshield of an automobile needs to secure a foreground transmittance of 70% or more. Therefore, when the wavelength selection film 61 is not provided on the windshield 21, the reflectance of the display light projected on the windshield 21 is 30% or less, and the light use efficiency is lowered, so that the brightness of the visible virtual image is reduced or consumed. Electric power will rise.

上述したように、ルゲートフィルタは特定の波長帯域のみ高反射率にさせる性質を持っている。この波長帯域を投射光学系11の光源であるLED素子41a〜41dの波長帯域に等しくさせ、図6に示すように配置すれば、虚像に用いる表示光の反射率が高くなるため、虚像の輝度が上がり必要な消費電力を低減できる。赤外光についても同様にそのパワーを低下させられるため消費電力を低減できる。さらには、太陽光などに含まれる赤外光の波長が、眼の位置特定に用いる赤外線波長に等しいと、太陽光が外乱ノイズとなり位置特定の精度を低下させる恐れがあるが、このルゲートフィルタを用いて外乱ノイズをカットすれば、検出の精度が高まることが期待できる。なお、波長選択膜はルゲートフィルタに限定せず、ホログラムでもよい。   As described above, the rugate filter has the property of increasing the reflectance only in a specific wavelength band. If this wavelength band is made equal to the wavelength band of the LED elements 41a to 41d, which are the light sources of the projection optical system 11, and arranged as shown in FIG. 6, the reflectance of the display light used for the virtual image increases, so the brightness of the virtual image The required power consumption can be reduced. Similarly, the power of infrared light can be reduced, so that power consumption can be reduced. Furthermore, if the wavelength of infrared light contained in sunlight or the like is equal to the infrared wavelength used to identify the position of the eye, sunlight may become disturbance noise, which may reduce the accuracy of position identification. If the disturbance noise is cut using, it can be expected that the detection accuracy increases. The wavelength selection film is not limited to the rugate filter, and may be a hologram.

また、上記実施例においては、投射光学系11表示光と赤外光とがいずれも投射光学系11から投射される構成を例示したが、それらは異なる位置から投射されるものであってもよい。   Moreover, in the said Example, although the structure which both the projection optical system 11 display light and infrared light project from the projection optical system 11 was illustrated, they may be projected from a different position. .

例えば、図7に示すように、LED素子41aは、集光レンズ63,65および絞り67を通って投射され、フィルタ69にて反射される構成とすることが考えられる。このフィルタ69は、表示光を透過させると共に赤外光を反射するものであって、表示光の光路上に配設される。このように構成することで、表示光の光路に重なるように赤外光を投射することができる。   For example, as shown in FIG. 7, the LED element 41 a can be projected through the condenser lenses 63 and 65 and the diaphragm 67 and reflected by the filter 69. The filter 69 transmits display light and reflects infrared light, and is disposed on the optical path of the display light. By comprising in this way, infrared light can be projected so that it may overlap with the optical path of display light.

このとき、虚像表示の投射レンズ部51の射出瞳(スクリーン13側から見た絞り51bの像)とLED素子41aの集光レンズの射出瞳(絞り67の像)はスクリーン13から等しい光路長の位置に設置されている。従って、2つの射出瞳はアイボックス23と共役関係にある。   At this time, the exit pupil of the projection lens unit 51 for virtual image display (image of the diaphragm 51b viewed from the screen 13 side) and the exit pupil of the condenser lens of the LED element 41a (image of the diaphragm 67) have the same optical path length from the screen 13. In place. Therefore, the two exit pupils are in a conjugate relationship with the eye box 23.

なお、上記構成では、可視光と赤外光を投射する投射光学系は別々になっているため、LED素子41aによる赤外光の投射は、LED素子41b〜41dの時分割駆動に連動させる必要はない。   In the above configuration, since the projection optical system for projecting visible light and infrared light is separate, the projection of the infrared light by the LED element 41a needs to be interlocked with the time-division driving of the LED elements 41b to 41d. There is no.

1…虚像表示装置、11…投射光学系、13…スクリーン、13a…拡散領域、13b…反射領域、15…凹面鏡、17…受光装置、19…制御装置、21…ウインドシールド、23…アイボックス、25…視点、27…虚像、31…光軸、33…駆動装置、41…LED素子、43…集光レンズ、45…ダイクロイックミラー、47…PBS、49…LCOS、51…投射レンズ部、51a…レンズ、51b…絞り、53…受光処理部、55…投射処理部、55a…表示素子処理部、55b…光源処理部、57…光線偏向処理部、61…波長選択膜、63,65…集光レンズ、67…絞り、69…フィルタ、101…虚像表示装置、103…投射光学系、105…スクリーン、107…凹面鏡、109…コンバイナ、111…アイボックス、113…眼、115…虚像 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Virtual image display apparatus, 11 ... Projection optical system, 13 ... Screen, 13a ... Diffusion area | region, 13b ... Reflection area | region, 15 ... Concave mirror, 17 ... Light-receiving device, 19 ... Control apparatus, 21 ... Wind shield, 23 ... Eye box, 25 ... viewpoint, 27 ... virtual image, 31 ... optical axis, 33 ... drive device, 41 ... LED element, 43 ... condensing lens, 45 ... dichroic mirror, 47 ... PBS, 49 ... LCOS, 51 ... projection lens unit, 51a ... Lens, 51b ... Aperture, 53 ... Light reception processing unit, 55 ... Projection processing unit, 55a ... Display element processing unit, 55b ... Light source processing unit, 57 ... Light deflection processing unit, 61 ... Wavelength selection film, 63,65 ... Condensing light Lens: 67 ... Aperture, 69 ... Filter, 101 ... Virtual image display device, 103 ... Projection optical system, 105 ... Screen, 107 ... Concave mirror, 109 ... Combiner, 111 ... Eye box 113 ... eye, 115 ... virtual image

Claims (11)

画像を表示する表示光を投射する表示光投射手段と、前記表示光投射手段により投射された光を移動体に設けられたコンバイナに到達させる光学系と、を備え、前記表示光を前記コンバイナで反射させて前記移動体の搭乗者の眼に到達させることで前記画像を前記コンバイナ前方に虚像表示する虚像表示装置において、
前記表示光投射手段から投射された表示光の光路と重なる光路で非可視光を前記搭乗者に向けて投射する非可視光投射手段と、
前記非可視光投射手段から投射された非可視光が前記搭乗者の眼にて反射した反射光を受光する受光手段と、
前記受光手段が前記反射光を受光した位置に基づいて、前記搭乗者の眼の位置を特定する位置特定手段と、を備え、
前記光学系は、前記表示光投射手段が投射した表示光の結像位置に配設されたスクリーンを備え、
前記スクリーンは、前記表示光投射手段が投射する表示光を拡散する拡散領域と、前記非可視光投射手段から投射された非可視光が前記搭乗者の眼にて反射した反射光を前記受光手段に向けて反射する反射領域と、を備える
ことを特徴とする虚像表示装置。
Display light projecting means for projecting display light for displaying an image, and an optical system for causing the light projected by the display light projecting means to reach a combiner provided on a moving body, and the display light by the combiner In a virtual image display device that displays a virtual image in front of the combiner by reflecting and reaching the eyes of a passenger of the moving body,
Non-visible light projection means for projecting invisible light toward the passenger in an optical path overlapping with the optical path of the display light projected from the display light projection means,
A light receiving means for receiving the reflected light reflected by the occupant's eyes, the invisible light projected from the invisible light projecting means;
Position specifying means for specifying the position of the eyes of the occupant based on the position where the light receiving means receives the reflected light, and
The optical system includes a screen disposed at an imaging position of display light projected by the display light projection unit,
The screen includes a diffusion region for diffusing display light projected by the display light projection unit, and reflected light obtained by reflecting the invisible light projected from the non-visible light projection unit with the eyes of the occupant. A virtual image display device comprising: a reflective region that reflects toward the screen.
前記表示光投射手段における前記表示光を出力する表示面と、前記スクリーンの前記拡散領域と、前記虚像と、が共役関係であり、
前記表示光投射手段の射出瞳と、前記搭乗者が画像を視認可能な領域であるアイボックスと、が共役関係であり、
前記アイボックスと、前記受光手段と、が共役関係である
ことを特徴とする請求項1に記載の虚像表示装置。
The display surface that outputs the display light in the display light projection means, the diffusion region of the screen, and the virtual image are in a conjugate relationship,
The exit pupil of the display light projection means and the eye box that is an area where the passenger can visually recognize the image are in a conjugate relationship,
The virtual image display device according to claim 1, wherein the eye box and the light receiving unit are in a conjugate relationship.
前記光学系は、前記表示光投射手段および前記非可視光投射手段により投射された光を反射する反射板を有しており、
前記位置特定手段により特定された前記眼の位置に応じて、前記反射板の角度を調整する角度調整手段を備える
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の虚像表示装置。
The optical system has a reflecting plate that reflects the light projected by the display light projection unit and the invisible light projection unit,
The virtual image display device according to claim 1, further comprising an angle adjusting unit that adjusts an angle of the reflecting plate in accordance with the position of the eye specified by the position specifying unit.
前記位置特定手段により特定された前記眼の位置に応じて、前記表示光投射手段により投射される画像の形状を調整する画像調整手段を備える
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の虚像表示装置。
4. The image processing apparatus according to claim 1, further comprising an image adjusting unit that adjusts a shape of an image projected by the display light projecting unit according to the position of the eye specified by the position specifying unit. The virtual image display device according to claim 1.
前記拡散領域と前記反射領域は、異なる曲率を有している
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の虚像表示装置。
The virtual image display device according to any one of claims 1 to 4, wherein the diffusion region and the reflection region have different curvatures.
前記拡散領域と前記反射領域は、互いの光軸が異なる方向を向くように構成されている
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の虚像表示装置。
The virtual image display device according to any one of claims 1 to 5, wherein the diffusion region and the reflection region are configured such that their optical axes are directed in different directions.
前記表示光投射手段および前記非可視光投射手段は、前記表示光と前記非可視光とを出力可能な1つの画像表示器であって、
前記画像表示器は、前記表示光と、前記非可視光と、を所定の周期で切り替えて投射するものである
ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の虚像表示装置。
The display light projection means and the invisible light projection means are one image display capable of outputting the display light and the invisible light,
The virtual image according to any one of claims 1 to 6, wherein the image display unit projects the display light and the invisible light by switching at a predetermined cycle. Display device.
前記画像表示器は、当該画像表示器の実質的に全表示面から非可視光を投射する
ことを特徴とする請求項7に記載の虚像表示装置。
The virtual image display device according to claim 7, wherein the image display device projects invisible light from substantially the entire display surface of the image display device.
前記非可視光投射手段は、前記表示光を透過させると共に前記非可視光を反射し、前記表示光の光路上に配設されるフィルタを有しており、前記非可視光を当該フィルタに反射させることで、前記表示光の光路に重なるように前記非可視光を投射する
ことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の虚像表示装置。
The invisible light projection means includes a filter that transmits the display light and reflects the invisible light, and is disposed on an optical path of the display light, and reflects the invisible light to the filter. The virtual image display device according to any one of claims 1 to 8, wherein the non-visible light is projected so as to overlap an optical path of the display light.
前記コンバイナ表面に配置され、前記表示光と前記非可視光の少なくとも一方の波長の光を反射させる波長選択膜を有する
ことを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の虚像表示装置。
The wavelength selection film that is disposed on the surface of the combiner and reflects light of at least one wavelength of the display light and the invisible light. 10. Virtual image display device.
前記表示光投射手段および前記非可視光投射手段は、前記コンバイナとして用いられる前記移動体のウインドシールドに、前記表示光および前記非可視光を投射する
ことを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の虚像表示装置。
The said display light projection means and the said invisible light projection means project the said display light and the said invisible light on the windshield of the said mobile body used as the said combiner. The virtual image display device according to any one of the above.
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