JP2019138985A

JP2019138985A - Display unit

Info

Publication number: JP2019138985A
Application number: JP2018020565A
Authority: JP
Inventors: 小嶋　俊之; Toshiyuki Kojima; 俊之小嶋
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2018-02-07
Filing date: 2018-02-07
Publication date: 2019-08-22

Abstract

To provide a display unit that is compact, eliminates interference between members in an optical system, and can project a virtual image.SOLUTION: A display unit 100 comprises: an image forming device 11 that is a display device displaying an image; an aerial image forming unit 30 that forms an aerial image AI corresponding to the image displayed on the image forming device 11; and an enlargement and projection optical system 17 that enlarges and projects the aerial image AI as a virtual image.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、虚像を投影する表示装置に関するものである。 The present invention relates to a display device that projects a virtual image.

近年、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）のような虚像を表示する表示装置は、虚像のＦＯＶ（視野角、すなわち虚像の大きさ）を広くすることが要求されている（例えば、特許文献１参照）。アイボックスサイズを維持しながら虚像のＦＯＶを広くすると光学部材が大きくなってしまい、その結果、ＨＵＤ装置も大きくなるおそれがある。ＨＵＤ装置を収納する空間も限られているため、これらの事項は大きな課題となっている。 In recent years, display devices that display a virtual image such as a head-up display (HUD) have been required to widen the FOV (viewing angle, that is, the size of the virtual image) of the virtual image (for example, patents). Reference 1). If the FOV of the virtual image is widened while maintaining the eye box size, the optical member becomes large, and as a result, the HUD device may become large. Since the space for storing the HUD device is also limited, these matters are significant issues.

ＨＵＤ装置において、装置内の光学系の倍率を上げると全体の光学系を小さくすることができる。アイボックスを拡大するために、中間スクリーンを組み込む場合、倍率を上げることで中間スクリーンを含む光学系を小さくすることができる。しかしながら、光学系を小さくすると、光学系内のミラー等の設計が難しくなる。また、中間スクリーンを設ける場合、中間スクリーンがミラーの位置に近づき、中間スクリーンとミラーとが干渉するおそれがある。 In the HUD device, when the magnification of the optical system in the device is increased, the entire optical system can be reduced. When an intermediate screen is incorporated to enlarge the eye box, the optical system including the intermediate screen can be reduced by increasing the magnification. However, if the optical system is made smaller, it becomes difficult to design a mirror or the like in the optical system. Further, when an intermediate screen is provided, the intermediate screen may approach the position of the mirror, and the intermediate screen and the mirror may interfere with each other.

特開２００８−１８０７５９号公報JP 2008-180759 A

本発明は、小型で光学系内の部材の干渉がなく、虚像を投影することができる表示装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a display device that can project a virtual image in a small size without interference of members in an optical system.

上記課題を解決するため、本発明にかかる表示装置は、画像を表示する表示素子と、表示素子に表示された画像に対応する空中像を形成する空中像形成装置と、空中像を虚像として拡大投影する拡大投影光学系と、を備える。 In order to solve the above problems, a display device according to the present invention includes a display element that displays an image, an aerial image forming apparatus that forms an aerial image corresponding to the image displayed on the display element, and the aerial image is enlarged as a virtual image. An enlarged projection optical system for projecting.

上記表示装置によれば、表示素子に表示された画像に対応する空中像を形成することで、当該空中像が拡大投影光学系内で干渉することなく当該空中像を拡大投影することができる。これにより、アイボックスサイズを維持しつつ、虚像の視野角を広くすることができる。また、空中像は拡大投影光学系内で他の部材と干渉せず、空中像の形成配置にほとんど制限がないため、装置自体を小型化することができる。また、拡大投影光学系の拡大倍率を上げる場合、空中像が拡大投影光学系側に入り込む設計となるが、当該空中像は、拡大投影光学系に干渉しない。 According to the display device described above, by forming an aerial image corresponding to the image displayed on the display element, the aerial image can be enlarged and projected without interfering with the enlarged projection optical system. As a result, the viewing angle of the virtual image can be widened while maintaining the eyebox size. In addition, since the aerial image does not interfere with other members in the magnifying projection optical system, and there is almost no restriction on the formation and arrangement of the aerial image, the apparatus itself can be miniaturized. Further, when the magnification magnification of the magnification projection optical system is increased, the aerial image is designed to enter the magnification projection optical system side, but the aerial image does not interfere with the magnification projection optical system.

本発明の具体的な１つの側面では、上記表示装置において、表示素子は、複数の表示距離に応じた画像を表示し、表示距離の切り替えに同期して空中像の形成位置を変化させるように表示距離切替部を駆動する配置変更装置をさらに備える。この場合、虚像を３次元的に投影することができる。また、空中像は、表示距離を変化させても拡大投影光学系内で他の部材と干渉しない。 In a specific aspect of the present invention, in the display device, the display element displays an image corresponding to a plurality of display distances, and changes the formation position of the aerial image in synchronization with the switching of the display distance. It further includes an arrangement changing device that drives the display distance switching unit. In this case, the virtual image can be projected three-dimensionally. Further, the aerial image does not interfere with other members in the enlargement projection optical system even when the display distance is changed.

本発明の別の側面では、空中像形成装置は、平面視で互いに直交する複数の反射面を有する光学プレートを有し、表示素子に表示された画像を複数の反射面で反射させて、光学プレートに対して光の入射側とは反対側の空中に導き、画像に対応する空中像を空中に結像させる。この場合、光学プレートの下側にある表示素子に表示された画像を光学プレートの上側に等倍の実像である空中像として投影することができる。 In another aspect of the present invention, the aerial image forming apparatus includes an optical plate having a plurality of reflecting surfaces that are orthogonal to each other in plan view, and reflects an image displayed on the display element by the plurality of reflecting surfaces. The light is guided to the air opposite to the light incident side with respect to the plate, and an aerial image corresponding to the image is formed in the air. In this case, the image displayed on the display element on the lower side of the optical plate can be projected on the upper side of the optical plate as an aerial image that is a real image of the same magnification.

本発明のさらに別の側面では、表示素子に表示された画像を空中像形成装置に投影する画像投影光学系をさらに備える。この場合、表示素子に表示される画像をより拡大することができる。 According to still another aspect of the present invention, an image projection optical system that projects an image displayed on the display element onto the aerial image forming apparatus is further provided. In this case, the image displayed on the display element can be further enlarged.

本発明のさらに別の側面では、画像投影光学系は、表示素子に表示された画像を中間像として結像させる結像光学系と、中間像の形成位置の近傍に配置される中間スクリーンとを有する。この場合、中間像によって空中像のサイズを調整できるとともに、空中像形成装置に取り込める光の角度範囲を広くすることができ、アイボックスサイズを拡大することが容易になる。 In still another aspect of the present invention, the image projection optical system includes: an imaging optical system that forms an image displayed on the display element as an intermediate image; and an intermediate screen disposed in the vicinity of the formation position of the intermediate image. Have. In this case, the size of the aerial image can be adjusted by the intermediate image, and the angle range of the light that can be taken into the aerial image forming apparatus can be widened, so that the eyebox size can be easily enlarged.

本発明のさらに別の側面では、配置変更装置は、表示距離切替部として表示素子を移動させて空中像の形成位置を変化させる。この場合、空中像の形成位置を直接的に制御することができる。 In still another aspect of the present invention, the arrangement changing device changes the formation position of the aerial image by moving the display element as the display distance switching unit. In this case, the formation position of the aerial image can be directly controlled.

本発明のさらに別の側面では、配置変更装置は、表示距離切替部として中間スクリーンを移動させて空中像の形成位置を変化させる。拡大投影光学系の倍率を上げれば、中間スクリーンの移動量を少なくすることができる。 In still another aspect of the present invention, the arrangement changing device moves the intermediate screen as the display distance switching unit to change the formation position of the aerial image. If the magnification of the magnifying projection optical system is increased, the amount of movement of the intermediate screen can be reduced.

本発明のさらに別の側面では、表示素子は、デジタルミラーデバイスである。この場合、明るさを維持しつつ画像を高速で切り替えることが容易になり、表示距離を変化させる表示に有利である。 In still another aspect of the present invention, the display element is a digital mirror device. In this case, it is easy to switch images at high speed while maintaining brightness, which is advantageous for display in which the display distance is changed.

本発明のさらに別の側面では、表示距離における１回の画像の表示時間は、１／６０秒以下である。この場合、異なる表示距離に複数の虚像が同時に表示されているように見せることが容易になる。 In still another aspect of the present invention, the display time of one image at the display distance is 1/60 second or less. In this case, it becomes easy to make it appear as if a plurality of virtual images are simultaneously displayed at different display distances.

本発明のさらに別の側面では、拡大投影光学系は、ミラーを含む。この場合、光路を折り曲げることで装置を小型化することができる。 In still another aspect of the present invention, the magnification projection optical system includes a mirror. In this case, the apparatus can be miniaturized by bending the optical path.

本発明のさらに別の側面では、拡大投影光学系は、レンズのみで構成される。ここで、レンズのみとは、レンズ以外のパワーを有する光学部材を有さないことを意味する。つまり、当該拡大投影光学系は、パワーを有さない折り曲げミラーを設けて光路を折り曲げる構成としてもよい。 In still another aspect of the present invention, the magnifying projection optical system includes only a lens. Here, the term “lens only” means that there is no optical member having power other than the lens. That is, the magnification projection optical system may be configured to bend the optical path by providing a bending mirror having no power.

（Ａ）は、第１実施形態の表示装置を車体に搭載した状態を示す側方断面図であり、（Ｂ）は、表示装置を説明する車内側からの正面図である。(A) is a side sectional view showing a state in which the display device of the first embodiment is mounted on a vehicle body, and (B) is a front view from the vehicle inner side explaining the display device. 表示装置の具体的な構成例を説明する拡大側方断面図である。FIG. 11 is an enlarged side cross-sectional view illustrating a specific configuration example of a display device. 光学プレートを説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining an optical plate. 表示装置を含む移動体用表示システムを説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the display system for moving bodies containing a display apparatus. 具体的な表示状態を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the concrete display state. 第２実施形態の表示装置の具体的な構成例を説明する拡大側方断面図である。It is an expanded side sectional view explaining the specific structural example of the display apparatus of 2nd Embodiment. 第３実施形態の表示装置の具体的な構成例を説明する拡大側方断面図である。It is an expansion side sectional view explaining the concrete example of composition of the display of a 3rd embodiment.

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第１実施形態にかかる表示装置について説明する。 [First Embodiment]
Hereinafter, a display device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１（Ａ）及び１（Ｂ）は、本実施形態の表示装置１００及びその使用状態を説明する概念的な側方断面図及び正面図である。この表示装置（画像表示装置）１００は、例えばヘッドアップディスプレイ装置として車体２内に搭載されるものであり、描画ユニット１０と表示スクリーン２０とを備える。表示装置１００は、描画ユニット１０中の後述する像形成素子１１に表示されている画像情報を、表示スクリーン２０を介して運転者（観察者）ＵＮ向けに虚像表示するものである。 1A and 1B are a conceptual side cross-sectional view and a front view illustrating a display device 100 according to this embodiment and a usage state thereof. The display device (image display device) 100 is mounted in the vehicle body 2 as a head-up display device, for example, and includes a drawing unit 10 and a display screen 20. The display device 100 displays a virtual image of image information displayed on an image forming element 11 (described later) in the drawing unit 10 via a display screen 20 for a driver (observer) UN.

表示装置１００のうち描画ユニット１０は、車体２のダッシュボード４内に埋め込むように設置されており、運転関連情報や危険信号等を含む画像に対応する表示光ＨＫを表示スクリーン２０に向けて射出する。表示スクリーン２０は、コンバイナーとも呼ばれるハーフミラーであり、半透過性を有する凹面鏡又は平面鏡である。表示スクリーン２０は、下端の支持によってダッシュボード４上に立設され、描画ユニット１０からの表示光ＨＫを車体２の後方に向けて反射する。つまり、図示の場合、表示スクリーン２０は、フロントガラス（ウインドシールド）８とは別体で設置される独立型のものとなっている。ハーフミラーである表示スクリーン２０で反射された表示光ＨＫは、運転席６に座った運転者ＵＮの瞳ＨＴ及びその周辺位置に対応するアイボックス（不図示）に導かれる。図１（Ａ）及び図２に示すように、運転者ＵＮは、表示スクリーン２０で反射された表示光ＨＫ、つまり車体２の前方にある虚像としての表示像ＩＭを観察することができる。一方、運転者ＵＮは、ハーフミラーである表示スクリーン２０を透過した外界光、つまり前方景色、自動車等の実像を観察することができる。結果的に、運転者ＵＮは、表示スクリーン２０の背後の外界像に重ねて、表示スクリーン２０での表示光ＨＫの反射によって形成される運転関連情報や危険信号等を含む表示像（虚像）ＩＭを観察することができる。 The drawing unit 10 of the display device 100 is installed so as to be embedded in the dashboard 4 of the vehicle body 2 and emits display light HK corresponding to an image including driving-related information and a danger signal toward the display screen 20. To do. The display screen 20 is a half mirror also called a combiner, and is a concave mirror or a plane mirror having a semi-transmission property. The display screen 20 is erected on the dashboard 4 with the lower end supported, and reflects the display light HK from the drawing unit 10 toward the rear of the vehicle body 2. That is, in the illustrated case, the display screen 20 is an independent type that is installed separately from the windshield (windshield) 8. The display light HK reflected by the display screen 20 which is a half mirror is guided to an eye box (not shown) corresponding to the pupil HT of the driver UN sitting in the driver's seat 6 and its peripheral position. As shown in FIGS. 1A and 2, the driver UN can observe the display light HK reflected by the display screen 20, that is, the display image IM as a virtual image in front of the vehicle body 2. On the other hand, the driver UN can observe the external light transmitted through the display screen 20 that is a half mirror, that is, a real image of a front view, a car, and the like. As a result, the driver UN overlaps the external image behind the display screen 20 and displays a display image (virtual image) IM including driving-related information, a danger signal, and the like formed by reflection of the display light HK on the display screen 20. Can be observed.

図２に示すように、描画ユニット１０は、本体光学系１３と、本体光学系１３を動作させる表示制御部１８と、本体光学系１３等を収納するハウジング１４とを備える。これらのうち本体光学系１３と表示スクリーン（コンバイナー）２０と組み合わせたものは、虚像投影光学系（又は虚像表示光学系）４０を構成する。なお、図２等において座標軸ＸＹＺは、一般的な運転者ＵＮの瞳ＨＴ間の位置に対応するアイボックスの中心を原点とするが、便宜上原点をシフトさせた状態で表示されている。 As shown in FIG. 2, the drawing unit 10 includes a main body optical system 13, a display control unit 18 that operates the main body optical system 13, and a housing 14 that houses the main body optical system 13 and the like. Among these, the combination of the main body optical system 13 and the display screen (combiner) 20 constitutes a virtual image projection optical system (or virtual image display optical system) 40. In FIG. 2 and the like, the coordinate axes XYZ have the origin at the center of the eye box corresponding to the position between the pupils HT of a general driver UN, but are displayed with the origin shifted for convenience.

本体光学系１３は、像形成素子（表示素子、表示デバイス、又は描画デバイス）１１と、像形成素子１１の配置を移動させる配置変更装置１２と、像形成素子１１に表示された画像に対応する空中像ＡＩを空中に結像させる空中像形成装置３０と、空中像ＡＩを虚像に変換する拡大投影光学系１７とを備える。詳細は後述するが、配置変更装置１２を用いて像形成素子１１を光軸ＡＸ方向に移動させることにより、表示像ＩＭの表示距離（虚像距離又は投影距離）が可変となっている。 The main optical system 13 corresponds to an image forming element (display element, display device, or drawing device) 11, an arrangement changing device 12 that moves the arrangement of the image forming element 11, and an image displayed on the image forming element 11. An aerial image forming apparatus 30 that forms an aerial image AI in the air and an enlargement projection optical system 17 that converts the aerial image AI into a virtual image are provided. Although details will be described later, the display distance (virtual image distance or projection distance) of the display image IM is variable by moving the image forming element 11 in the direction of the optical axis AX using the arrangement changing device 12.

像形成素子１１は、２次元的な表示面１１ａを有する表示部である。像形成素子１１は、複数の表示距離に応じた画像を表示することができる。像形成素子１１は、後述する空中像形成装置３０の光学プレート３３に対して傾斜した状態で配置変更装置１２に固定されている。具体的には、像形成素子１１の表示面１１ａが光学プレート３３の入射面３０ａに対して所定角度傾斜している。像形成素子１１の表示面１１ａに形成された像は、光学プレート３３内で反射されて空中像ＡＩを形成し、拡大投影光学系１７等へ導かれる。この際、２次元表示が可能な像形成素子１１を用いることで、空中像ＡＩ又は表示像（虚像）ＩＭの切り替えを比較的高速とできる。図示を省略するが、像形成素子１１に付随して、像形成素子１１を照明するための光を射出するＬＥＤ（light emitting diode）、レーザーその他の光源、かかる光源からの光を均一化等する照明光学系等が設けられている。像形成素子１１は、液晶等の透過型の素子であっても、有機ＥＬ等の自発光型の素子であってもよい。なお、像形成素子１１は、３０ｆｐｓ以上、好ましくは６０ｆｐｓ以上のフレームレートで動作する。つまり、表示距離における１回の画像の表示時間は、１／３０秒以下、好ましくは１／６０秒以下となっている。これにより、異なる表示距離に複数の表示像ＩＭが同時に表示されているように見せることが容易になる。 The image forming element 11 is a display unit having a two-dimensional display surface 11a. The image forming element 11 can display images corresponding to a plurality of display distances. The image forming element 11 is fixed to the arrangement changing device 12 in an inclined state with respect to an optical plate 33 of an aerial image forming device 30 described later. Specifically, the display surface 11 a of the image forming element 11 is inclined by a predetermined angle with respect to the incident surface 30 a of the optical plate 33. The image formed on the display surface 11a of the image forming element 11 is reflected in the optical plate 33 to form an aerial image AI, and is guided to the enlarged projection optical system 17 and the like. At this time, by using the image forming element 11 capable of two-dimensional display, the aerial image AI or the display image (virtual image) IM can be switched at a relatively high speed. Although not shown, accompanying the image forming element 11 is an LED (light emitting diode) that emits light for illuminating the image forming element 11, a laser or other light source, and the light from the light source is made uniform. An illumination optical system or the like is provided. The image forming element 11 may be a transmissive element such as a liquid crystal or a self-luminous element such as an organic EL. The image forming element 11 operates at a frame rate of 30 fps or more, preferably 60 fps or more. That is, the display time of one image at the display distance is 1/30 seconds or less, preferably 1/60 seconds or less. This makes it easy to make it appear as if a plurality of display images IM are simultaneously displayed at different display distances.

像形成素子１１は、配置変更装置１２に駆動されて例えば一定速度又は周期的な運動で光軸ＡＸに沿って移動する。つまり、像形成素子１１の位置は可変となっている。本例の場合、光軸ＡＸとは、表示素子である像形成素子１１の中心と、アイボックスの中心と、表示装置１００によって作られる像形成素子１１の中心に対応する像点（虚像）とを通るものである。特に、光軸ＡＸは、像形成素子１１の表示面１１ａに垂直な面を通るものである。 The image forming element 11 is driven by the arrangement changing device 12 and moves along the optical axis AX, for example, at a constant speed or a periodic movement. That is, the position of the image forming element 11 is variable. In the case of this example, the optical axis AX is the center of the image forming element 11 that is a display element, the center of the eye box, and the image point (virtual image) corresponding to the center of the image forming element 11 created by the display device 100. Through. In particular, the optical axis AX passes through a surface perpendicular to the display surface 11 a of the image forming element 11.

配置変更装置１２は、表示距離の切り替えに同期して空中像ＡＩの形成位置を変化させるように表示距離切替部である像形成素子１１を駆動する。具体的には、配置変更装置１２によって像形成素子１１を光軸ＡＸに沿って移動させることで、空中像ＡＩが光軸ＡＸ方向に移動し、拡大投影光学系１７によって表示スクリーン２０の背後に形成される虚像としての表示像ＩＭと観察者である運転者ＵＮとの距離を長く、または短くすることができる。つまり、配置変更装置１２は、本体光学系１３の構成配置を変化させて表示距離を変化させる。このように、投影される表示像ＩＭの位置を前後に変化させるとともに、表示内容をその位置に応じたものとすることで、表示像ＩＭまでの表示距離を変化させつつ表示像ＩＭを変化させることになり、一連の投影像としての表示像ＩＭを３次元的なものとすることができる。像形成素子１１の移動量は、表示距離範囲の仕様と拡大投影光学系１７の倍率とにより設定され、表示距離切替部を大型化させないためには、例えば３０ｍｍ以下となっている。 The arrangement changing device 12 drives the image forming element 11 serving as a display distance switching unit so as to change the formation position of the aerial image AI in synchronization with the switching of the display distance. Specifically, the aerial image AI moves in the direction of the optical axis AX by moving the image forming element 11 along the optical axis AX by the arrangement changing device 12, and is moved behind the display screen 20 by the enlarged projection optical system 17. The distance between the formed display image IM as a virtual image and the driver UN as an observer can be increased or decreased. That is, the arrangement changing device 12 changes the display arrangement by changing the arrangement of the main body optical system 13. Thus, the display image IM is changed while changing the display distance to the display image IM by changing the position of the projected display image IM back and forth and changing the display contents according to the position. As a result, the display image IM as a series of projection images can be made three-dimensional. The amount of movement of the image forming element 11 is set by the specification of the display distance range and the magnification of the magnification projection optical system 17, and is, for example, 30 mm or less so as not to increase the size of the display distance switching unit.

像形成素子１１は、配置変更装置１２に支持されている。配置変更装置１２は、像形成素子１１を光軸ＡＸ方向に沿った所定の範囲内で移動可能となっている。配置変更装置１２は、例えばピエゾ素子を用いたアクチュエーターである。配置変更装置１２は、ピエゾ素子に付随する回路の他に像形成素子１１の光軸ＡＸ方向の移動を案内するガイドを有する。像形成素子１１が移動範囲の最も上流側（つまり、光学プレート３３から最も遠い側）に配置されたタイミングでは、この時点で像形成素子１１に表示されている画像が、ハーフミラーである表示スクリーン２０の背後の最も遠くに虚像として表示される。また、像形成素子１１が移動範囲の最も下流側（つまり、光学プレート３３に最も近い側）に配置されたタイミングでは、この時点で像形成素子１１に表示されている画像が、ハーフミラーである表示スクリーン２０の背後の最も近くに虚像として表示される。 The image forming element 11 is supported by the arrangement changing device 12. The arrangement changing device 12 can move the image forming element 11 within a predetermined range along the optical axis AX direction. The arrangement changing device 12 is an actuator using, for example, a piezo element. The arrangement changing device 12 has a guide for guiding the movement of the image forming element 11 in the optical axis AX direction in addition to a circuit associated with the piezoelectric element. At the timing when the image forming element 11 is arranged on the most upstream side of the movement range (that is, the side farthest from the optical plate 33), the image displayed on the image forming element 11 at this time is a display screen that is a half mirror. It is displayed as a virtual image farthest behind 20. At the timing when the image forming element 11 is arranged on the most downstream side of the moving range (that is, the side closest to the optical plate 33), the image displayed on the image forming element 11 at this time is a half mirror. It is displayed as a virtual image closest to the back of the display screen 20.

図３は、空中像形成装置３０の具体的構造を説明する拡大図である。空中像形成装置３０は、平面視で互いに直交する複数の反射面を有する光学プレート３３を有している。光学プレート３３は、矩形状の部材であり、αβ平面に平行な基準面に沿って延びている。光学プレート３３は、例えば国際公開第２０１７／０１４２２１号明細書に記載の空中映像表示デバイスを利用したものである。光学プレート３３は、２枚の平板状の光学パネル３１，３２を貼り合わせて構成されている。一方（具体的には下側で入射側）の光学パネル３１は、両光学パネル３１，３２の積層方向（図示の例ではγ方向）に垂直な面（図示の例ではαβ平面）内で互いに垂直な２方向のうちの一方向（例えばα方向）に、複数のミラー素子３１ａを並べて接着剤で接着することによって形成されている。他方（具体的には上側で射出側）の光学パネル３２は、上記２方向のうちの他の方向（例えばβ方向）に、複数のミラー素子３２ａを並べて接着剤で接着することによって形成されている。 FIG. 3 is an enlarged view for explaining a specific structure of the aerial image forming apparatus 30. The aerial image forming apparatus 30 includes an optical plate 33 having a plurality of reflecting surfaces that are orthogonal to each other in plan view. The optical plate 33 is a rectangular member and extends along a reference plane parallel to the αβ plane. The optical plate 33 uses an aerial image display device described in, for example, International Publication No. 2017/014221. The optical plate 33 is configured by bonding two flat optical panels 31 and 32 together. The optical panels 31 on one side (specifically, the lower side and the incident side) are mutually in a plane (αβ plane in the illustrated example) perpendicular to the stacking direction (γ direction in the illustrated example) of the optical panels 31 and 32. It is formed by arranging a plurality of mirror elements 31a in one of two perpendicular directions (for example, α direction) and bonding them with an adhesive. The optical panel 32 on the other side (specifically, on the upper side and on the emission side) is formed by arranging a plurality of mirror elements 32a in the other direction (for example, the β direction) of the two directions and bonding them with an adhesive. Yes.

一方の光学パネル３１のミラー素子３１ａは、直方体状の透明基板８１ａを有している。透明基板８１ａは、β方向に延びており、対向する２面（例えばβγ面に沿った２面）のうちの一方の面又は双方の面に、反射膜８１ｂが蒸着等によって形成されている。他方の光学パネル３２のミラー素子３２ａは、直方体状の透明基板８２ａを有している。透明基板８２ａは、α方向に延びており、対向する２面（例えばαγ面に沿った２面）のうちの一方の面又は双方の面に、反射膜８２ｂが蒸着等によって形成されている。 The mirror element 31a of one optical panel 31 has a rectangular parallelepiped transparent substrate 81a. The transparent substrate 81a extends in the β direction, and a reflective film 81b is formed by vapor deposition or the like on one or both of two opposing surfaces (for example, two surfaces along the βγ surface). The mirror element 32a of the other optical panel 32 has a rectangular parallelepiped transparent substrate 82a. The transparent substrate 82a extends in the α direction, and a reflective film 82b is formed by vapor deposition or the like on one or both of two opposing surfaces (for example, two surfaces along the αγ surface).

β方向に延びる複数のミラー素子３１ａをα方向に隣接して並べることにより、複数の反射膜８１ｂが、ミラー素子３１ａのα方向の幅に応じた間隔でα方向に並んで位置する。同様に、α方向に延びる複数のミラー素子３２ａをβ方向に隣接して並べることにより、複数の反射膜８２ｂが、ミラー素子３２ａのβ方向の幅に応じた間隔でβ方向に並んで位置する。このような複数のミラー素子３１ａ，３２ａの配置により、各ミラー素子３１ａの反射膜（反射面）８１ｂと、各ミラー素子３２ａの反射膜（反射面）８２ｂとは、平面視で（γ軸方向から見て）互いに直交する位置関係となるが、ねじれの関係のようにγ軸方向にずれて配置された状態となっている。 By arranging a plurality of mirror elements 31a extending in the β direction adjacent to each other in the α direction, the plurality of reflective films 81b are arranged side by side in the α direction at intervals corresponding to the width of the mirror element 31a in the α direction. Similarly, by arranging a plurality of mirror elements 32a extending in the α direction so as to be adjacent to each other in the β direction, a plurality of reflection films 82b are arranged in the β direction at intervals corresponding to the width of the mirror element 32a in the β direction. . With the arrangement of the plurality of mirror elements 31a and 32a, the reflective film (reflective surface) 81b of each mirror element 31a and the reflective film (reflective surface) 82b of each mirror element 32a are viewed in plan view (in the γ-axis direction). The positions are orthogonal to each other, but are arranged in a shifted state in the γ-axis direction as in a torsional relationship.

図３に示す光学プレート３３により、光学プレート３３の下側にある被対象物ＯＭである像形成素子１１に表示される画像を光学プレート３３の上側に等倍の実像である空中像ＡＩとして投影することができる。つまり、光学プレート３３は、被対象物ＯＭからの光を複数のミラー素子３１ａ，３２ａの反射膜（反射面）８１ｂ，８２ｂで反射させて、光学プレート３３に対して光の入射側とは反対側の空中に導き、像形成素子１１に表示された画像に対応する被対象物ＯＭの空中像ＡＩを空中に結像させる。具体的には、被対象物ＯＭ上の点光源Ｐから発せられた複数の光線ＬＢは、γ軸に平行な反射面（反射膜８１ｂ，８２ｂ）でそれぞれ反射され、α軸に対して点光源Ｐとは反対側の位置Ｐ’（点光源Ｐとα軸に対して対称な位置）に集光する。この際、周期的に並ぶ複数の反射膜８１ｂ，８２ｂが交差する格子点状の複数箇所で同様の反射が生じ、位置Ｐ’に点光源Ｐの実像が結像される。ここで、点光源Ｐを含む被対象物ＯＭは、本実施形態の場合、像形成素子１１の表示面１１ａに表示される画像である。つまり、光学プレート３３は、像形成素子１１の表示面１１ａに表示される画像を光学プレート３３上方に傾斜した空中像ＡＩとして表示することができる。 An image displayed on the image forming element 11 that is the object OM below the optical plate 33 is projected on the upper side of the optical plate 33 as an aerial image AI that is a real image of the same size by the optical plate 33 shown in FIG. can do. That is, the optical plate 33 reflects the light from the object OM by the reflective films (reflective surfaces) 81b and 82b of the plurality of mirror elements 31a and 32a, and is opposite to the light incident side with respect to the optical plate 33. An aerial image AI of the object OM corresponding to the image displayed on the image forming element 11 is formed in the air. Specifically, the plurality of light beams LB emitted from the point light source P on the object OM are respectively reflected by reflection surfaces (reflection films 81b and 82b) parallel to the γ axis, and are point light sources with respect to the α axis. The light is condensed at a position P ′ opposite to P (a position symmetrical with respect to the point light source P and the α axis). At this time, similar reflection occurs at a plurality of lattice point-like locations where the plurality of reflection films 81b and 82b arranged periodically intersect, and a real image of the point light source P is formed at the position P ′. Here, the object OM including the point light source P is an image displayed on the display surface 11a of the image forming element 11 in the present embodiment. In other words, the optical plate 33 can display an image displayed on the display surface 11 a of the image forming element 11 as an aerial image AI inclined above the optical plate 33.

ここで、図２に示すように、空中像ＡＩは、光学プレート３３を挟んで像形成素子１１の反対側に鏡像対称に形成される。つまり、空中像ＡＩは、光学プレート３３に沿って延びるαβ面に平行な対称面に関して像形成素子１１を反転させた対称な関係で配置されている。 Here, as shown in FIG. 2, the aerial image AI is formed in a mirror image symmetry on the opposite side of the image forming element 11 with the optical plate 33 interposed therebetween. That is, the aerial image AI is arranged in a symmetrical relationship in which the image forming element 11 is inverted with respect to a symmetry plane parallel to the αβ plane extending along the optical plate 33.

拡大投影光学系１７は、光学プレート３３によって形成された空中像ＡＩを表示スクリーン２０と協働して拡大する拡大光学系であり、運転者ＵＮの前方に虚像としての表示像ＩＭを形成する。拡大投影光学系１７は、反射光学系を有し、少なくとも１枚のミラーで構成されるが、図示の例では３枚の第１、第２、及び第３ミラー１７ａ，１７ｂ，１７ｃを含む。ここで、第１ミラー１７ａは、第１の反射体であって、光路前段にある像形成素子１１側に配置されており、光学的なパワーを有しており、光学プレート３３からの光路を光路後段にある表示スクリーン２０側に折り曲げる役割を有する。また、第２ミラー１７ｂは、第１ミラー１７ａの光路後段、かつ表示スクリーン２０側及び後述する第３ミラー１７ｃの光路前段に配置されており、光学的なパワーを有する。また、第３ミラー１７ｃは、最も表示スクリーン２０側に配置されており、光学的なパワーを有する。第１〜第３ミラー１７ａ〜１７ｃは、凸面、凹面、又は平面とでき、曲面の場合、球面に限らず、非球面、自由曲面等とすることができる。 The enlargement projection optical system 17 is an enlargement optical system that enlarges the aerial image AI formed by the optical plate 33 in cooperation with the display screen 20, and forms a display image IM as a virtual image in front of the driver UN. The magnifying projection optical system 17 has a reflection optical system and is composed of at least one mirror, but in the illustrated example, includes three first, second, and third mirrors 17a, 17b, and 17c. Here, the first mirror 17 a is a first reflector and is disposed on the image forming element 11 side in the preceding stage of the optical path, has optical power, and guides the optical path from the optical plate 33. It has a role of bending toward the display screen 20 side in the latter stage of the optical path. The second mirror 17b is disposed downstream of the optical path of the first mirror 17a and upstream of the display screen 20 and the optical path of a third mirror 17c described later, and has optical power. The third mirror 17c is disposed closest to the display screen 20 and has optical power. The first to third mirrors 17a to 17c can be convex surfaces, concave surfaces, or flat surfaces. In the case of curved surfaces, the first to third mirrors 17a to 17c are not limited to spherical surfaces, and can be aspherical surfaces, free curved surfaces, or the like.

図２に戻って、ハウジング１４は、表示光ＨＫを通過させる開口１４ａを有し、この開口１４ａには、フィルム又は薄板状の光透過部材１４ｂを配置することができる。 Returning to FIG. 2, the housing 14 has an opening 14 a through which the display light HK passes, and a film or a thin plate-like light transmission member 14 b can be disposed in the opening 14 a.

図４は、移動体用表示システム２００を説明するブロック図であり、移動体用表示システム２００は、その一部として表示装置１００を含む。この表示装置１００は、図２に示す構造を有するものであり、ここでは説明を省略する。図４に示す移動体用表示システム２００は、移動体である自動車等に組み込まれるものである。 FIG. 4 is a block diagram illustrating the moving body display system 200, and the moving body display system 200 includes the display device 100 as a part thereof. The display device 100 has the structure shown in FIG. 2, and a description thereof is omitted here. A mobile object display system 200 shown in FIG. 4 is incorporated in an automobile or the like that is a mobile object.

移動体用表示システム２００は、表示装置１００のほかに、運転者検出部７１と、環境監視部７２と、主制御装置９０とを備える。 In addition to the display device 100, the moving body display system 200 includes a driver detection unit 71, an environment monitoring unit 72, and a main control device 90.

運転者検出部７１は、運転者ＵＮの存在や視点位置を検出する部分であり、運転席用カメラ７１ａと、運転席用画像処理部７１ｂと、運転席画像判断部７１ｃとを備える。運転席用カメラ７１ａは、車体２内のダッシュボード４の運転席正面に設置されており（図１（Ｂ）参照）、運転者ＵＮの頭部及びその周辺の画像を撮影する。運転席用画像処理部７１ｂは、運転席用カメラ７１ａで撮影した画像に対して明るさ補正等の各種画像処理を行って運転席画像判断部７１ｃでの処理を容易にする。運転席画像判断部７１ｃは、運転席用画像処理部７１ｂを経た運転席画像からオブジェクトの抽出又は切り出しを行うことによって運転者ＵＮの頭部や目を検出するとともに、運転席画像に付随する奥行情報から車体２内における運転者ＵＮの頭部の存否とともに運転者ＵＮの目の空間的な位置（結果的に視線の方向）を算出する。 The driver detection unit 71 is a part that detects the presence of the driver UN and the viewpoint position, and includes a driver seat camera 71a, a driver seat image processing unit 71b, and a driver seat image determination unit 71c. The driver's seat camera 71a is installed in front of the driver's seat of the dashboard 4 in the vehicle body 2 (see FIG. 1 (B)), and takes images of the driver UN's head and its surroundings. The driver seat image processing unit 71b performs various types of image processing such as brightness correction on the image captured by the driver seat camera 71a to facilitate processing in the driver seat image determination unit 71c. The driver seat image determination unit 71c detects the head and eyes of the driver UN by extracting or cutting out an object from the driver seat image that has passed through the driver seat image processing unit 71b, and the depth associated with the driver seat image. The spatial position of the driver UN's eyes (and consequently the direction of the line of sight) is calculated along with the presence / absence of the driver's UN head in the vehicle body 2 from the information.

環境監視部７２は、前方に近接する自動車、自転車、歩行者等を識別する部分であり、外部用カメラ７２ａと、外部用画像処理部７２ｂと、外部画像判断部７２ｃとを備える。外部用カメラ７２ａは、車体２内外の適所に設置されており、運転者ＵＮ又はフロントガラス８の前方、側方等の外部画像を撮影する。外部用画像処理部７２ｂは、外部用カメラ７２ａで撮影した画像に対して明るさ補正等の各種画像処理を行って外部画像判断部７２ｃでの処理を容易にする。外部画像判断部７２ｃは、外部用画像処理部７２ｂを経た外部画像からオブジェクトの抽出又は切り出しを行うことによって自動車、自転車、歩行者等の対象物（例えば図５に示すオブジェクトＯＢ参照）の存否を検出するとともに、外部画像に付随する奥行情報から車体２前方における対象物の空間的な位置を算出する。 The environment monitoring unit 72 is a part that identifies an automobile, a bicycle, a pedestrian, and the like that are close to the front, and includes an external camera 72a, an external image processing unit 72b, and an external image determination unit 72c. The external camera 72a is installed at appropriate positions inside and outside the vehicle body 2, and captures external images of the driver UN or the front windshield 8, such as the front and sides. The external image processing unit 72b performs various types of image processing such as brightness correction on the image captured by the external camera 72a to facilitate processing by the external image determination unit 72c. The external image determination unit 72c extracts or cuts out an object from the external image that has passed through the external image processing unit 72b, thereby determining whether a target such as an automobile, a bicycle, or a pedestrian (for example, see the object OB shown in FIG. 5) exists. While detecting, the spatial position of the target object in front of the vehicle body 2 is calculated from the depth information accompanying the external image.

なお、運転席用カメラ７１ａや外部用カメラ７２ａは、図示を省略しているが、例えば複眼型の３次元カメラである。つまり、両カメラ７１ａ，７２ａは、結像用のレンズと、ＣＭＯＳその他の撮像素子とを一組とするカメラ素子をマトリックス状に配列したものであり、撮像素子用の駆動回路をそれぞれ有する。各カメラ７１ａ，７２ａを構成する複数のカメラ素子は、例えば奥行方向の異なる位置にピントを合わせるようになっており、或いは相対的な視差を検出できるようになっており、各カメラ素子から得た画像の状態（フォーカス状態、オブジェクトの位置等）を解析することで、画像内の各領域又はオブジェクトまでの距離を判定できる。 The driver's seat camera 71a and the external camera 72a are not shown, but are, for example, compound eye type three-dimensional cameras. That is, both cameras 71a and 72a are obtained by arranging camera elements, each of which includes an imaging lens and a CMOS or other image sensor, in a matrix, and each has a drive circuit for the image sensor. The plurality of camera elements constituting each of the cameras 71a and 72a are adapted to focus at different positions in the depth direction, for example, or to detect relative parallax, and are obtained from each camera element. By analyzing the state of the image (focus state, object position, etc.), the distance to each region or object in the image can be determined.

なお、上記のような複眼型のカメラ７１ａ，７２ａに代えて、２次元カメラと赤外距離センサーとを組み合わせたものを用いても、撮影した画面内の各部（領域又はオブジェクト）に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。また、複眼型のカメラ７１ａ，７２ａに代えて、２つの２次元カメラを分離配置したステレオカメラによって、撮影した画面内の各部（領域又はオブジェクト）に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。その他、単一の２次元カメラにおいて、焦点距離を高速で変化させながら撮像を行うことによっても、撮影した画面内の各部に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。 Even if a combination of a two-dimensional camera and an infrared distance sensor is used instead of the compound-eye cameras 71a and 72a as described above, the depth direction of each part (area or object) in the captured screen is used. Distance information can be obtained. In addition, distance information in the depth direction can be obtained for each part (region or object) in the captured screen by using a stereo camera in which two two-dimensional cameras are separately arranged in place of the compound-eye cameras 71a and 72a. In addition, in a single two-dimensional camera, distance information in the depth direction can be obtained for each part in the captured screen by performing imaging while changing the focal length at high speed.

表示制御部１８は、主制御装置９０の制御下で虚像投影光学系４０を動作させて、表示スクリーン２０の背後に表示距離が変化する３次元的な表示像ＩＭを表示させる。表示制御部１８は、主制御装置９０を介して環境監視部７２から受信した表示形状や表示距離を含む表示情報から、虚像投影光学系４０に表示させる表示像ＩＭを生成する。表示像ＩＭは、例えば表示スクリーン２０の背後に存在する自動車、自転車、歩行者その他の対象物に対してその奥行き位置方向に関して周辺に位置する表示枠（図５に示す表示枠ＨＷ参照）のような標識とすることができる。 The display control unit 18 operates the virtual image projection optical system 40 under the control of the main controller 90 to display a three-dimensional display image IM whose display distance changes behind the display screen 20. The display control unit 18 generates a display image IM to be displayed on the virtual image projection optical system 40 from display information including the display shape and display distance received from the environment monitoring unit 72 via the main control device 90. The display image IM is, for example, a display frame (see display frame HW shown in FIG. 5) positioned in the periphery with respect to the direction of the depth position with respect to an automobile, bicycle, pedestrian, or other object existing behind the display screen 20. Can be a good sign.

表示制御部１８は、主制御装置９０を介して運転者検出部７１から運転者ＵＮの存在や目の位置に関する検出出力を受け取る。これにより、虚像投影光学系４０による表示像ＩＭの投影の自動的な開始や停止が可能になる。また、運転者ＵＮの視線の方向のみに表示像ＩＭの投影を行うこともできる。さらに、運転者ＵＮの視線の方向の表示像ＩＭのみを明るくする、点滅する等の強調を行った投影を行うこともできる。 The display control unit 18 receives a detection output related to the presence of the driver UN and the eye position from the driver detection unit 71 via the main control device 90. Thereby, the projection of the display image IM by the virtual image projection optical system 40 can be automatically started and stopped. Further, the display image IM can be projected only in the direction of the line of sight of the driver UN. Further, it is possible to perform projection with emphasis such as brightening or blinking only the display image IM in the direction of the line of sight of the driver UN.

主制御装置９０は、表示装置１００、環境監視部７２等の動作を調和させる役割を有し、環境監視部７２によって検出した対象物の空間的な位置に対応するように、虚像投影光学系４０によって投影される表示枠の空間的な配置を調整する。 The main controller 90 has a role of coordinating the operations of the display device 100, the environment monitoring unit 72, and the like, and corresponds to the spatial position of the object detected by the environment monitoring unit 72 so as to correspond to the virtual image projection optical system 40. Adjust the spatial arrangement of the display frame projected by.

図５は、具体的な表示状態を説明する斜視図である。観察者である運転者ＵＮの前方は観察視野に相当する検出領域ＶＦとなっている。検出領域ＶＦ内、つまり道路及びその周辺に、歩行者等である人のオブジェクトＯＢ１や、自動車等である移動体のオブジェクトＯＢ２が存在すると考える。この場合、主制御装置９０は、表示装置１００によって３次元的な表示像（虚像）ＩＭを投影させ、各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３に対して関連情報像としての表示枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を付加する。この際、運転者ＵＮから各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの距離が異なるので、表示枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を表示させる表示像（投影像）ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３までの表示距離は、運転者ＵＮから各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの距離に相当するものとなっている。なお、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の表示距離は、離散的であり、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの現実の距離に対して正確に一致させることはできない。ただし、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の表示距離と、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの現実の距離との差が大きくなければ、運転者ＵＮの視点が動いても視差が生じにくく、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３と表示枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３との配置関係を略維持することができる。 FIG. 5 is a perspective view for explaining a specific display state. A detection area VF corresponding to the observation field is provided in front of the driver UN as an observer. It is assumed that there is an object OB1 of a person who is a pedestrian or the like, and a moving object OB2 which is a car or the like in the detection region VF, that is, in and around the road. In this case, the main controller 90 projects a three-dimensional display image (virtual image) IM by the display device 100, and displays display frames HW1, HW2, and HW3 as related information images for the objects OB1, OB2, and OB3. Append. At this time, since the distance from the driver UN to each object OB1, OB2, OB3 is different, the display distance to the display images (projected images) IM1, IM2, IM3 for displaying the display frames HW1, HW2, HW3 is the driver This corresponds to the distance from the UN to each object OB1, OB2, OB3. Note that the display distances of the display images IM1, IM2, and IM3 are discrete, and cannot be accurately matched to the actual distances to the objects OB1, OB2, and OB3. However, if the difference between the display distance of the display images IM1, IM2, and IM3 and the actual distance to the objects OB1, OB2, and OB3 is not large, parallax hardly occurs even if the viewpoint of the driver UN moves, and the objects OB1, The positional relationship between OB2 and OB3 and the display frames HW1, HW2, and HW3 can be substantially maintained.

以上で説明した表示装置では、表示素子である像形成素子１１に表示された画像に対応する空中像ＡＩを形成することで、当該空中像ＡＩが拡大投影光学系１７内で干渉することなく当該空中像ＡＩを拡大投影することができる。これにより、アイボックスサイズを維持しつつ、虚像の視野角を広くすることができる。また、空中像ＡＩは拡大投影光学系１７内で他の部材と干渉せず、空中像ＡＩの形成配置にほとんど制限がないため、表示装置１００自体を小型化することができる。また、拡大投影光学系１７の拡大倍率を上げる場合、空中像ＡＩが拡大投影光学系１７側に入り込む設計となるが、当該空中像ＡＩは、拡大投影光学系１７に干渉しない。 In the display device described above, by forming the aerial image AI corresponding to the image displayed on the image forming element 11 that is a display element, the aerial image AI does not interfere with the enlarged projection optical system 17. The aerial image AI can be enlarged and projected. As a result, the viewing angle of the virtual image can be widened while maintaining the eyebox size. In addition, the aerial image AI does not interfere with other members in the magnifying projection optical system 17 and the formation and arrangement of the aerial image AI is hardly limited, so that the display device 100 itself can be reduced in size. Further, when the magnification ratio of the magnification projection optical system 17 is increased, the aerial image AI is designed to enter the magnification projection optical system 17 side, but the aerial image AI does not interfere with the magnification projection optical system 17.

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第２実施形態の表示装置は第１実施形態の表示装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。 [Second Embodiment]
The display device according to the second embodiment will be described below. Note that the display device of the second embodiment is a modification of the display device of the first embodiment, and items that are not particularly described are the same as those of the first embodiment.

図６に示すように、本実施形態において、本体光学系１３は、像形成素子１１と、像形成素子１１に形成された画像を拡大した中間像ＴＩを形成可能な結像光学系１５と、中間像ＴＩの結像位置に近接して光路後段に配置される中間スクリーン１６と、中間スクリーン１６の配置を移動させる配置変更装置６２と、像形成素子１１に表示された画像に対応する空中像ＡＩを空中に結像させる空中像形成装置３０と、空中像ＡＩを虚像に変換する拡大投影光学系１７とを備える。詳細は後述するが、本体光学系１３によって、表示像ＩＭの表示距離が可変となっている。結像光学系１５及び中間スクリーン１６は、像形成素子１１に表示された画像を空中像形成装置３０に投影する画像投影光学系となっている。 As shown in FIG. 6, in the present embodiment, the main body optical system 13 includes an image forming element 11, an imaging optical system 15 capable of forming an intermediate image TI obtained by enlarging an image formed on the image forming element 11, The intermediate screen 16 arranged in the latter stage of the optical path in the vicinity of the image formation position of the intermediate image TI, the arrangement changing device 62 for moving the arrangement of the intermediate screen 16, and the aerial image corresponding to the image displayed on the image forming element 11 An aerial image forming apparatus 30 that forms an image of AI in the air and an enlarged projection optical system 17 that converts the aerial image AI into a virtual image are provided. Although the details will be described later, the display distance of the display image IM is variable by the main body optical system 13. The imaging optical system 15 and the intermediate screen 16 are an image projection optical system that projects an image displayed on the image forming element 11 onto the aerial image forming apparatus 30.

像形成素子１１の表示面１１ａに形成された像は、本体光学系１３のうち結像光学系１５で拡大されて中間像ＴＩを形成し、中間スクリーン１６を通過し、拡大投影光学系１７等へ導かれる。本実施形態において、像形成素子１１は、既に説明した液晶等の透過型の素子等の他に、ＤＭＤやＬＣＯＳ等の反射型の素子を用いることができる。特に、像形成素子１１としてＤＭＤを用いると、明るさを維持しつつ画像を高速で切り替えることが容易になり、表示距離を変化させる表示に有利である。ＤＭＤを用いた場合、かつ、カラー画像とする場合には、カラーを合成する複数の単色レーザーやＬＥＤ等の光源を用いる。これらの光源の数だけ複数枚のＤＭＤを用いてもよいし、表示タイミング毎に各色の画像を表示してもよい。 The image formed on the display surface 11a of the image forming element 11 is magnified by the imaging optical system 15 in the main body optical system 13 to form an intermediate image TI, passes through the intermediate screen 16, and the enlarged projection optical system 17 or the like. Led to. In the present embodiment, the image forming element 11 may be a reflective element such as DMD or LCOS in addition to the transmission element such as liquid crystal already described. In particular, when a DMD is used as the image forming element 11, it is easy to switch images at high speed while maintaining brightness, which is advantageous for display in which the display distance is changed. When a DMD is used and a color image is used, a plurality of light sources such as a single color laser and LEDs for synthesizing colors are used. A plurality of DMDs as many as the number of these light sources may be used, and an image of each color may be displayed at each display timing.

結像光学系１５は、固定焦点のレンズ系であり、図示を省略するが、複数のレンズを有する。結像光学系１５は、中間スクリーン１６より像形成素子１１側に配置される。結像光学系１５のＦ値は、２．０以上となっている。結像光学系１５は、像形成素子１１の表示面１１ａに形成された画像を適当な倍率に拡大投影し、中間スクリーン１６の入射面１９ｍに近接した位置に中間像ＴＩ（又は入射面１９ｍの位置に強制中間像ＴＩ’）を形成する。ここで、強制中間像ＴＩ’は、中間像ＴＩそのものの他、中間像ＴＩから位置ずれして僅かにピントがボケたものも含む。なお、図示を省略するが、結像光学系１５は、この結像光学系１５の最も中間スクリーン１６側に配置された絞りを有する。このように、絞りを配置することで、結像光学系１５の中間スクリーン１６側のＦ値の設定や調整が比較的容易になる。なお、結像光学系１５の絞りはレンズ系のどこに配置されていてもよい。 The imaging optical system 15 is a fixed-focus lens system, and has a plurality of lenses (not shown). The imaging optical system 15 is disposed closer to the image forming element 11 than the intermediate screen 16. The F value of the imaging optical system 15 is 2.0 or more. The imaging optical system 15 enlarges and projects an image formed on the display surface 11a of the image forming element 11 to an appropriate magnification, and the intermediate image TI (or the incident surface 19m) is projected at a position close to the incident surface 19m of the intermediate screen 16. A forced intermediate image TI ′) is formed at the position. Here, the forced intermediate image TI ′ includes not only the intermediate image TI itself but also an image that is slightly out of focus by being displaced from the intermediate image TI. Although illustration is omitted, the imaging optical system 15 has a stop arranged closest to the intermediate screen 16 of the imaging optical system 15. In this way, by arranging the stop, it is relatively easy to set and adjust the F value on the intermediate screen 16 side of the imaging optical system 15. Note that the diaphragm of the imaging optical system 15 may be disposed anywhere in the lens system.

中間スクリーン１６は、拡散角を所望の角度に制御した部材であり、結像位置（つまり中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍）において強制中間像ＴＩ’を形成する。この結果、後述するように中間スクリーン１６を光軸ＡＸ方向に移動させることにより、強制中間像ＴＩ’の位置も光軸ＡＸ方向に移動させることができる。中間スクリーン１６には、例えば拡散板、拡散スクリーン、マイクロレンズアレイ等を用いることができる。中間スクリーン１６を設けることにより、中間像ＴＩによって空中像ＡＩのサイズを調整できるとともに、空中像形成装置３０に取り込める光の角度範囲を広くすることができ、アイボックスサイズを拡大することが容易になる。中間像ＴＩは、中間スクリーン１６から光路前段にかけての表示領域に結像される。中間スクリーン１６の入射面１９ｍは、拡散機能を有している。入射面１９ｍに強制中間像ＴＩ’が形成され、ここから光が拡散するので、アイボックスを広く確保することができる。中間スクリーン１６は、結像光学系１５の焦点深度内で移動する。 The intermediate screen 16 is a member whose diffusion angle is controlled to a desired angle, and forms a forced intermediate image TI ′ at an image formation position (that is, an image formation planned position of the intermediate image TI or its vicinity). As a result, by moving the intermediate screen 16 in the optical axis AX direction as will be described later, the position of the forced intermediate image TI ′ can also be moved in the optical axis AX direction. For the intermediate screen 16, for example, a diffusion plate, a diffusion screen, a microlens array, or the like can be used. By providing the intermediate screen 16, the size of the aerial image AI can be adjusted by the intermediate image TI, the angle range of light that can be captured by the aerial image forming apparatus 30 can be widened, and the eyebox size can be easily increased. Become. The intermediate image TI is formed in a display area from the intermediate screen 16 to the front stage of the optical path. The incident surface 19m of the intermediate screen 16 has a diffusion function. A forced intermediate image TI 'is formed on the incident surface 19m, and light diffuses therefrom, so that a wide eye box can be secured. The intermediate screen 16 moves within the focal depth of the imaging optical system 15.

中間スクリーン１６は、配置変更装置６２に駆動されて例えば一定速度又は周期的な運動で光軸ＡＸに沿って移動する。つまり、中間スクリーン１６の位置は可変となっている。配置変更装置６２によって中間スクリーン１６を光軸ＡＸに沿って移動させることで、空中像ＡＩが光軸ＡＸ方向に移動し、拡大投影光学系１７によって表示スクリーン２０の背後に形成される虚像としての表示像ＩＭと観察者である運転者ＵＮとの距離を長く、または短くすることができる。つまり、配置変更装置６２は、本体光学系１３の構成配置を変化させて表示距離を変化させる。中間スクリーン１６の光軸ＡＸに沿った移動範囲は、中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍に相当するものであるが、結像光学系１５の中間スクリーン１６側の焦点深度の範囲内とすることが望ましい。これにより、強制中間像ＴＩ’の状態と虚像としての表示像ＩＭの結像状態とを、いずれも略ピントが合った良好な状態とすることができる。中間スクリーン１６の光軸ＡＸ方向の移動量は、例えば３０ｍｍ以下となっている。これにより、中間スクリーン１６の移動を効率良く行うことができ、中間スクリーン１６の応答性を向上させることができる。中間スクリーン１６の移動速度は、虚像としての表示像ＩＭが複数個所又は複数の表示距離に同時に表示されているかのように見せることができる速度であることが望ましい。配置変更装置６２は、例えば１５Ｈｚ以上の速度で中間スクリーン１６を移動させる。この場合、観察者（運転者ＵＮ）の知覚を超える速さのため、観察者は表示距離の異なる虚像を略同時に認識することができる。 The intermediate screen 16 is driven by the arrangement changing device 62 and moves along the optical axis AX, for example, at a constant speed or periodic movement. That is, the position of the intermediate screen 16 is variable. By moving the intermediate screen 16 along the optical axis AX by the arrangement changing device 62, the aerial image AI moves in the optical axis AX direction, and a virtual image formed behind the display screen 20 by the enlarged projection optical system 17. The distance between the display image IM and the driver UN as an observer can be increased or decreased. That is, the arrangement changing device 62 changes the display arrangement by changing the arrangement of the main body optical system 13. The range of movement of the intermediate screen 16 along the optical axis AX corresponds to the image formation planned position of the intermediate image TI or the vicinity thereof, but is within the range of the depth of focus on the intermediate screen 16 side of the imaging optical system 15. It is desirable to do. As a result, the forced intermediate image TI ′ and the imaging state of the display image IM as a virtual image can both be brought into a good state that is substantially in focus. The amount of movement of the intermediate screen 16 in the direction of the optical axis AX is, for example, 30 mm or less. Thereby, the movement of the intermediate screen 16 can be performed efficiently, and the responsiveness of the intermediate screen 16 can be improved. The moving speed of the intermediate screen 16 is preferably a speed at which the display image IM as a virtual image can be displayed as if it is displayed at a plurality of locations or a plurality of display distances simultaneously. The arrangement changing device 62 moves the intermediate screen 16 at a speed of, for example, 15 Hz or more. In this case, since the speed exceeds the perception of the observer (driver UN), the observer can recognize virtual images with different display distances almost simultaneously.

中間スクリーン１６は、支持部材６２ａに支持されている。支持部材６２ａは、配置変更装置６２の台座６２ｂに光軸ＡＸ方向に沿った所定の範囲内で移動可能に取り付けられている。中間スクリーン１６が移動範囲の最も上流側（つまり、結像光学系１５に最も近い側）に配置されたタイミングでは、この時点で中間スクリーン１６に表示されている画像が、ハーフミラーである表示スクリーン２０の背後の最も遠くに虚像として表示される。また、中間スクリーン１６が移動範囲の最も下流側（つまり、結像光学系１５から最も遠い側）に配置されたタイミングでは、この時点で中間スクリーン１６に表示されている画像が、ハーフミラーである表示スクリーン２０の背後の最も近くに虚像として表示される。 The intermediate screen 16 is supported by the support member 62a. The support member 62a is attached to the base 62b of the arrangement changing device 62 so as to be movable within a predetermined range along the optical axis AX direction. At the timing when the intermediate screen 16 is arranged on the most upstream side of the movement range (that is, the side closest to the imaging optical system 15), the image displayed on the intermediate screen 16 at this time is a display screen that is a half mirror. It is displayed as a virtual image farthest behind 20. At the timing when the intermediate screen 16 is arranged on the most downstream side of the movement range (that is, the side farthest from the imaging optical system 15), the image displayed on the intermediate screen 16 at this time is a half mirror. It is displayed as a virtual image closest to the back of the display screen 20.

空中像形成装置３０は、中間スクリーン１６の光路後段に配置されている。空中像形成装置３０は、光学プレート３３の下側にある中間像ＴＩを光学プレート３３の上側に等倍の実像である空中像ＡＩとして投影する。空中像ＡＩは、光学プレート３３を挟んで中間像ＴＩの反対側に鏡像対称に形成される。中間像ＴＩが光軸ＡＸ方向に移動すると、空中像ＡＩも光軸ＡＸ方向に等距離移動する。 The aerial image forming apparatus 30 is disposed in the rear stage of the optical path of the intermediate screen 16. The aerial image forming apparatus 30 projects the intermediate image TI on the lower side of the optical plate 33 on the upper side of the optical plate 33 as an aerial image AI that is a real image of the same magnification. The aerial image AI is formed mirror-symmetrically on the opposite side of the intermediate image TI across the optical plate 33. When the intermediate image TI moves in the direction of the optical axis AX, the aerial image AI also moves by an equal distance in the direction of the optical axis AX.

拡大投影光学系１７は、中間スクリーン１６付近に形成された中間像ＴＩを表示スクリーン２０と協働して拡大する拡大光学系であり、運転者ＵＮの前方に虚像としての表示像ＩＭを形成する。拡大投影光学系１７は、第１〜第３ミラー１７ａ〜１７ｃを有する。拡大投影光学系１７は、中間スクリーン１６より虚像側に配置される。 The enlargement projection optical system 17 is an enlargement optical system that enlarges the intermediate image TI formed in the vicinity of the intermediate screen 16 in cooperation with the display screen 20, and forms a display image IM as a virtual image in front of the driver UN. . The enlargement projection optical system 17 includes first to third mirrors 17a to 17c. The enlarged projection optical system 17 is disposed on the virtual image side with respect to the intermediate screen 16.

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第３実施形態の表示装置は第１実施形態の表示装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。 [Third Embodiment]
The display device according to the third embodiment will be described below. Note that the display device of the third embodiment is a modification of the display device of the first embodiment, and items not specifically described are the same as those of the first embodiment.

図７に示すように、本実施形態において、拡大投影光学系１７は、レンズ２１３を有する。つまり、本実施形態の拡大投影光学系１７は、レンズ２１３のみで構成されており、ミラーを有していない。なお、拡大投影光学系１７において、光路の折り曲げのために、パワーを有さない折り曲げミラーを設けてもよい。 As shown in FIG. 7, in the present embodiment, the magnification projection optical system 17 has a lens 213. That is, the magnifying projection optical system 17 of the present embodiment is composed only of the lens 213 and does not have a mirror. In the magnifying projection optical system 17, a bending mirror having no power may be provided for bending the optical path.

以上では、具体的な実施形態としての表示装置について説明したが、本発明に係る表示装置は、上記のものには限られない。例えば、上記実施形態において、表示装置１００の配置を上下反転させて、フロントガラス８の上部又はサンバイザー位置に表示スクリーン２０を配置することもできる。この場合、描画ユニット１０の斜め下方前方に表示スクリーン２０が配置される。また、表示スクリーン２０は、車でいうとウインドシールドの運転者ＵＮ側の光学面に相当する。上記実施形態では表示スクリーン２０を平面としたが、曲面でも、曲面をさらに傾けたものでも、対称性をもたない自由曲面であってもよい。 Although the display device as a specific embodiment has been described above, the display device according to the present invention is not limited to the above. For example, in the above-described embodiment, the display screen 100 can also be arranged on the top of the windshield 8 or the sun visor position by inverting the display device 100 upside down. In this case, the display screen 20 is disposed obliquely downward and forward of the drawing unit 10. The display screen 20 corresponds to an optical surface on the driver UN side of the windshield in a car. In the above embodiment, the display screen 20 is a flat surface, but it may be a curved surface, a curved surface further inclined, or a free curved surface having no symmetry.

また、上記実施形態において、表示スクリーン２０の輪郭は、矩形に限らず、様々な形状とすることができる。 Moreover, in the said embodiment, the outline of the display screen 20 can be made not only a rectangle but various shapes.

また、上記実施形態において、表示距離の切り替えの際に像形成素子１１又は中間スクリーン１６を移動させる構成としたが、像形成素子１１及び中間スクリーン１６をともに移動させてもよい。また、表示距離の切り替えの際に結像光学系１５を構成するレンズを移動させてもよい。 In the above embodiment, the image forming element 11 or the intermediate screen 16 is moved when the display distance is switched. However, the image forming element 11 and the intermediate screen 16 may be moved together. Further, the lens constituting the imaging optical system 15 may be moved when the display distance is switched.

また、上記実施形態において、図２等では空中像ＡＩは、拡大投影光学系１７と干渉していないが、干渉してもよい。 In the above embodiment, the aerial image AI does not interfere with the enlarged projection optical system 17 in FIG.

図２及び図６に示す本体光学系１３は、単なる例示であり、これら本体光学系１３の光学的構成については適宜変更することができる。例えば、結像光学系１５中に中間像ＴＩの前段としての中間像を追加で形成することができる。拡大投影光学系１７の光路中において、光学的なパワーを持たない１つ以上のミラーを配置してもよい。この場合、折り返しによる描画ユニット１０等の小型化に有利になる場合もある。 The main optical system 13 shown in FIGS. 2 and 6 is merely an example, and the optical configuration of the main optical system 13 can be changed as appropriate. For example, an intermediate image as a preceding stage of the intermediate image TI can be additionally formed in the imaging optical system 15. One or more mirrors having no optical power may be arranged in the optical path of the magnifying projection optical system 17. In this case, it may be advantageous for downsizing the drawing unit 10 and the like by folding.

また、上記実施形態において、表示像（虚像）ＩＭの表示位置は、例示した３か所に限らず、適当数に設定することができる。また、表示像ＩＭの表示は、位置を変化させて連続的又は断続的に設定することもできる。また、例えば配置変更装置１２，６２を設けない構成とし、表示像ＩＭの表示位置を固定させることもできる。 In the above embodiment, the display position of the display image (virtual image) IM is not limited to the three illustrated positions, and can be set to an appropriate number. The display of the display image IM can be set continuously or intermittently by changing the position. Further, for example, the arrangement changing devices 12 and 62 are not provided, and the display position of the display image IM can be fixed.

また、上記実施形態において、拡大投影光学系１７には、３枚のミラーを設けたが、１枚又は２枚のミラーや、４枚以上のミラーを設けてもよい。また、ミラーの光学面は対称性がある自由曲面としているが、これに限るものではなく、対称性を持たない自由曲面でもよい。 In the above-described embodiment, the magnifying projection optical system 17 is provided with three mirrors. However, one or two mirrors or four or more mirrors may be provided. Further, although the optical surface of the mirror is a free-form surface having symmetry, it is not limited to this and may be a free-form surface having no symmetry.

また、上記実施形態において、拡大投影光学系１７において、ミラーを設けずに、レンズによって空中像ＡＩを拡大投影してもよい。この場合、虚像投影光学系４０は、レンズのみで構成される。 In the above-described embodiment, the aerial image AI may be enlarged and projected by a lens without providing a mirror in the magnifying projection optical system 17. In this case, the virtual image projection optical system 40 is composed of only a lens.

また、上記実施形態において、像形成素子１１や中間スクリーン１６等の表示距離切替部の移動速度は、例示した６０ｆｐｓ程度の高速でなくてもよい。 In the above-described embodiment, the moving speed of the display distance switching unit such as the image forming element 11 or the intermediate screen 16 may not be as high as about 60 fps exemplified.

また、上記実施形態において、コンバイナーを設けずに、フロントウインドウを形成するフロントガラス８の運転席正面に設けた矩形の反射領域の内側に表示スクリーン２０を貼り付けてもよい。なお、表示スクリーン２０は、フロントガラス８内に埋め込むこともできる。 Moreover, in the said embodiment, you may affix the display screen 20 inside the rectangular reflective area | region provided in the front of the driver's seat of the windshield 8 which forms a front window, without providing a combiner. The display screen 20 can also be embedded in the windshield 8.

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

また、上記実施形態では、中間スクリーン１６を光軸ＡＸに沿って移動させることで投影される表示像ＩＭの位置を変化させたが、中間スクリーンを基準軸まわりに回転させたり、複数の厚みが異なる階段状の部分領域を有する中間スクリーンをスライドさせたりする等、他の手法を用いて表示像ＩＭの位置を変化させてもよい。 In the above embodiment, the position of the projected display image IM is changed by moving the intermediate screen 16 along the optical axis AX. However, the intermediate screen is rotated around the reference axis, and a plurality of thicknesses are provided. The position of the display image IM may be changed using other methods such as sliding an intermediate screen having different step-like partial areas.

以上で説明した表示装置１００は、自動車やその他移動体に搭載される投影装置に限らず、デジタルサイネージ等に組み込むことができるが、これら以外の用途に適用することもできる。 The display device 100 described above is not limited to a projection device mounted on an automobile or other moving body, but can be incorporated in a digital signage or the like, but can also be applied to other uses.

ＡＩ…空中像、ＡＸ…光軸、ＨＫ…表示光、ＨＴ…瞳、ＨＷ…表示枠、ＴＩ…中間像、ＵＮ…運転者、２…車体、１０…描画ユニット、１１…像形成素子、１２，６２…配置変更装置、１３…本体光学系、１５…結像光学系、１６…中間スクリーン、１７…拡大投影光学系、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ…ミラー、１８…表示制御部、２０…表示スクリーン、３０…空中像形成装置、３１，３２…光学パネル、３１ａ，３２ａ…ミラー素子、３３…光学プレート、４０…虚像投影光学系、７１…運転者検出部、７２…環境監視部、９０…主制御装置、１００…表示装置、２００…移動体用表示システム、２１３…レンズ AI ... Aerial image, AX ... Optical axis, HK ... Display light, HT ... Pupil, HW ... Display frame, TI ... Intermediate image, UN ... Driver, 2 ... Car body, 10 ... Drawing unit, 11 ... Image forming element, 12 62 ... Arrangement changing device, 13 ... Main body optical system, 15 ... Imaging optical system, 16 ... Intermediate screen, 17 ... Enlarged projection optical system, 17a, 17b, 17c ... Mirror, 18 ... Display control unit, 20 ... Display screen 30 ... Aerial image forming device 31, 32 ... Optical panel, 31a, 32a ... Mirror element, 33 ... Optical plate, 40 ... Virtual image projection optical system, 71 ... Driver detection unit, 72 ... Environment monitoring unit, 90 ... Main Control device 100 ... Display device 200 ... Display system for moving body 213 ... Lens

Claims

A display element for displaying an image;
An aerial image forming apparatus for forming an aerial image corresponding to the image displayed on the display element;
An enlarged projection optical system for enlarging and projecting the aerial image as a virtual image;
A display device comprising:

The display element displays an image corresponding to a plurality of display distances,
The display device according to claim 1, further comprising an arrangement changing device that drives a display distance switching unit so as to change a formation position of the aerial image in synchronization with the switching of the display distance.

The aerial image forming apparatus includes an optical plate having a plurality of reflecting surfaces orthogonal to each other in a plan view, and reflects the image displayed on the display element by the plurality of reflecting surfaces to the optical plate. 3. The display device according to claim 1, wherein the display device is guided to the air opposite to the light incident side and forms the aerial image corresponding to the image in the air.

The display device according to claim 1, further comprising an image projection optical system that projects the image displayed on the display element onto the aerial image forming device.

The image projection optical system includes: an imaging optical system that forms the image displayed on the display element as an intermediate image; and an intermediate screen disposed in the vicinity of the formation position of the intermediate image. The display device according to claim 4.

The display device according to any one of claims 2 to 5, wherein the arrangement changing device changes the formation position of the aerial image by moving the display element as the display distance switching unit.

The display device according to claim 5, wherein the arrangement changing device moves the intermediate screen as the display distance switching unit to change the formation position of the aerial image.

The display device according to claim 5, wherein the display element is a digital mirror device.

The display device according to any one of claims 1 to 8, wherein a display time of the image at one time at the display distance is 1/60 second or less.

The display device according to claim 1, wherein the enlarged projection optical system includes a mirror.

The display device according to claim 1, wherein the enlargement projection optical system includes only a lens.