JP2020016799A

JP2020016799A - Head-up display device

Info

Publication number: JP2020016799A
Application number: JP2018140777A
Authority: JP
Inventors: 中村　健太郎; Kentaro Nakamura; 中村　　健太郎
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2020-01-30
Anticipated expiration: 2038-07-26
Also published as: JP7049583B2

Abstract

To provide a head-up display device which is simply configured and compact and yet offers good optical performance.SOLUTION: A head-up display device 100 provided herein is configured to have a projection optical system 15 project an image generated by a display element 11 to form an intermediate image TI on an intermediate screen 16m, and have a virtual image forming optical system 17 display a virtual image of the intermediate image TI. The virtual image forming optical system 17 has a single free-form surface mirror 17a, and the intermediate screen 16m is a reflective surface with a diffusive property. An optical axis of the virtual image forming optical system 17 and an optical axis of the projection optical system 15 are in a non-specular relationship with each other on the intermediate screen 16m.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、投影光学系によって形成した中間像を虚像生成光学系によって虚像表示させるタイプのヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。 The present invention relates to a head-up display device of a type in which an intermediate image formed by a projection optical system is displayed as a virtual image by a virtual image generation optical system.

従来のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置は、例えば自動車に搭載され、かかるＨＵＤ装置では、虚像を運転者からある一定の距離離れた位置に生成するのが一般的である。そもそもＨＵＤを自動車に搭載する目的は、運転者の視線やピント移動を最小限に抑えることで、より安全な運転を支援するものであるが、車速の低速時及び高速時でドライバーの眼のピント位置が異なるため、虚像の距離が固定されたままであると、ピント合わせの時間が必要となり、わずかな時間ではあるが前方に注意が向かない時間が生じる。高速走行時にはわずかな時間でも移動距離としては大きいため危険な状況に陥りかねない。また、従来はスピードメーター、ナビ等の簡素な表示に限られていたＨＵＤであるが、昨今は拡張現実（ＡＲ）を利用したＡＲＨＵＤが注目を集めつつある。これは例えばスピードメーターやナビに加え、前方の対向車、歩行者等の危険因子に対して虚像のマーキングを表示し、ドライバーに事前に危険を察知させるようなシステムが実現されつつある。ＡＲＨＵＤは、その用途を鑑みるに、広い視野を必要とされるのが一般的と言えるが、広い視野角と大きいアイボックスとを両立しようとすると、原理的に光学ミラーが大きくなるため、車のダッシュボード下の限りあるスペースに光学系が収まらないといった不具合を生じやすい。 2. Description of the Related Art A conventional head-up display (HUD) device is mounted on, for example, an automobile. In such a HUD device, a virtual image is generally generated at a position at a certain distance from a driver. In the first place, the purpose of mounting the HUD on a car is to support safer driving by minimizing the driver's line of sight and focus movement, but the driver's eye focuses at low and high vehicle speeds. Since the positions are different, if the distance of the virtual image is kept fixed, a time for focusing is required, and a short time is generated in which attention is not directed to the front. At high speeds, even a short period of time can be dangerous because the distance traveled is large. Conventionally, HUDs have been limited to simple displays such as a speedometer and a navigation system. However, recently, AR HUDs using augmented reality (AR) are attracting attention. For example, in addition to a speedometer and a navigation system, a virtual image marking is displayed for a risk factor such as an oncoming vehicle or a pedestrian in front of the vehicle, so that a driver can be informed of the danger in advance. AR HUDs generally require a wide field of view in view of their applications. However, in order to achieve both a wide viewing angle and a large eye box, the size of the optical mirror becomes large in principle. The problem is that the optical system does not fit in the limited space below the dashboard.

特許文献１には、広い視野角を実現したＡＲＨＵＤに好適な光学系が開示されている。しかしながら、自由曲面ミラーを２枚使用しているため、装置としては大きくなりがちであると考えられる。 Patent Literature 1 discloses an optical system suitable for an AR HUD that achieves a wide viewing angle. However, since two free-form surface mirrors are used, it is considered that the device tends to be large.

特許文献２には、ＭＥＭＳを組み込んだ走査光学系と、中間像を形成するマイクロレンズアレイと、１枚の自由曲面ミラーとを備えるヘッドアップディプレイが開示されているが、この光学系はマイクロレンズアレイが透過性を有する光学素子であるため、車の進行方向に大型化するものとなっている。 Patent Document 2 discloses a head-up display including a scanning optical system incorporating MEMS, a microlens array for forming an intermediate image, and one free-form surface mirror. Since the lens array is a transmissive optical element, the size increases in the traveling direction of the vehicle.

国際公開第２０１５／０９８０７５号International Publication No. 2015/099805 特開２０１７−９７２９６号公報JP 2017-97296 A

本発明は、簡素な構成かつ小型でありながら良好な光学性能を有するヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a head-up display device having a good optical performance while having a simple configuration and a small size.

上記目的を達成するため、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、表示素子によって形成された画像を投影光学系によって投影して中間スクリーン上に中間像を形成し、中間像を虚像生成光学系によって虚像表示させるヘッドアップディスプレイ装置であって、虚像生成光学系は、単一の自由曲面ミラーを有し、中間スクリーンは、拡散特性を有する反射面であり、虚像生成光学系の光軸と投影光学系の光軸は、中間スクリーンにおいて非正反射の関係にある。 In order to achieve the above object, a head-up display device according to the present invention forms an intermediate image on an intermediate screen by projecting an image formed by a display element by a projection optical system, and converts the intermediate image by a virtual image generation optical system. A head-up display device for displaying a virtual image, wherein the virtual image generation optical system has a single free-form surface mirror, the intermediate screen is a reflection surface having a diffusion characteristic, and the optical axis of the virtual image generation optical system and the projection optical system. The optical axis of the system is non-specularly reflected at the intermediate screen.

上記ヘッドアップディスプレイ装置によれば、虚像生成光学系を単一の自由曲面ミラーを有するものとすることで、虚像生成光学系を簡単な構成として小型化することができる。また、中間スクリーンを反射面とすることで、虚像生成光学系の自由曲面ミラーと中間スクリーンとを結ぶ方向に対応する前後方向に関する光学系サイズの増加を抑えることができる。結果的に、投影光学系の配置の自由度が増え、所定のパッケージ形状に収めることが容易になる。なお、中間スクリーンの拡散度については、本来必要な拡散度に加え、中間スクリーン前後の光学系における光軸角度ズレを見込んで広げておけばよい。 According to the head-up display device, the virtual image generation optical system has a single free-form surface mirror, so that the virtual image generation optical system can have a simple configuration and can be downsized. Further, by using the intermediate screen as a reflecting surface, it is possible to suppress an increase in the size of the optical system in the front-rear direction corresponding to the direction connecting the free-form surface mirror of the virtual image generation optical system and the intermediate screen. As a result, the degree of freedom in the arrangement of the projection optical system is increased, and it is easy to accommodate the projection optical system in a predetermined package shape. The degree of diffusion of the intermediate screen may be widened in consideration of the optical axis angle shift in the optical system before and after the intermediate screen in addition to the originally required degree of diffusion.

本発明の具体的な１つの側面では、上記ヘッドアップディスプレイ装置において、本発明のさらに別の側面では、中間スクリーンは、自由曲面形状を有する。この場合、虚像生成光学系が単一の自由曲面ミラーを有するものであっても、中間スクリーンでの収差補正によって光学性能を確保したまま小型化を達成することが容易になる。 In one specific aspect of the present invention, in the above head-up display device, in still another aspect of the present invention, the intermediate screen has a free-form surface shape. In this case, even if the virtual image generation optical system has a single free-form surface mirror, it is easy to achieve downsizing while securing optical performance by aberration correction on the intermediate screen.

本発明の別の側面では、中間スクリーンは、シリンドリカル形状を有する。この場合、中間スクリーンは、作製が容易で安価なものとなる。 In another aspect of the invention, the intermediate screen has a cylindrical shape. In this case, the intermediate screen is easy to manufacture and inexpensive.

本発明のさらに別の側面では、中間スクリーンは、球面形状を有する。この場合、中間スクリーンは、作製が容易で安価なものとなる。 In still another aspect of the present invention, the intermediate screen has a spherical shape. In this case, the intermediate screen is easy to manufacture and inexpensive.

本発明のさらに別の側面では、中間スクリーンの位置を変える駆動装置を備える。この場合、虚像投影距離を変えることができ、ドライバーのピント移動の負担を減らすことができる。 According to yet another aspect of the invention, there is provided a drive for changing the position of the intermediate screen. In this case, the virtual image projection distance can be changed, and the burden on the driver for moving the focus can be reduced.

本発明のさらに別の側面では、駆動装置は、中間スクリーンを投影光学系の中間像形成位置の近傍における焦点深度内で移動させる。この場合、投影光学系を簡素な構成とできるため、光学系の駆動機構をシステムとしての複雑化を回避して装置のコストを下げることができる。 In still another aspect of the present invention, the driving device moves the intermediate screen within a depth of focus near the intermediate image forming position of the projection optical system. In this case, since the projection optical system can have a simple configuration, the driving mechanism of the optical system can be prevented from becoming complicated as a system, and the cost of the apparatus can be reduced.

本発明のさらに別の側面では、投影光学系は、変倍光学系であり、中間スクリーンの移動と同期して、投影光学系のピント位置を中間スクリーン位置に追従させる。この場合、投影光学系のＦナンバーを小さくできるので輝度の高い虚像を投影することができる。 In still another aspect of the present invention, the projection optical system is a variable power optical system, and causes the focus position of the projection optical system to follow the intermediate screen position in synchronization with the movement of the intermediate screen. In this case, since the F-number of the projection optical system can be reduced, a virtual image with high luminance can be projected.

本発明のさらに別の側面では、投影光学系において、光射出側に光学的なパワーを有さないミラーが配置されている。この場合、投影光学系の配置の自由度が増えるため、所定のパッケージ形状に収めることが容易となる。 According to still another aspect of the present invention, in the projection optical system, a mirror having no optical power is arranged on the light exit side. In this case, the degree of freedom in the arrangement of the projection optical system is increased, so that the projection optical system can be easily housed in a predetermined package shape.

本発明のさらに別の側面では、光学的なパワーを有さないミラーは、中間スクリーンの移動と同期して動く。この場合、投影光学系の配置の自由度が増えるのみならず、投影光学系を変倍光学系としなくてもピント位置を中間スクリーンに追従させられるため、簡素な構成とでき装置のコストを下げることができる。 In yet another aspect of the invention, the mirror without optical power moves synchronously with the movement of the intermediate screen. In this case, not only the degree of freedom of the arrangement of the projection optical system is increased, but also the focus position can be made to follow the intermediate screen without using the variable magnification optical system as the projection optical system. be able to.

（Ａ）は、第１実施形態のヘッドアップディスプレイ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、ヘッドアップディスプレイ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 head-up display device of the first embodiment is mounted on a vehicle body, and (B) is a front view from the inside of the vehicle for explaining the head-up display device. ヘッドアップディスプレイ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. 3 is an enlarged side sectional view illustrating a specific configuration example of a head-up display device. （Ａ）及び（Ｂ）は、中間スクリーンに入射する光線と中間スクリーンから射出される光線との具体例を説明する図である。(A) And (B) is a figure explaining the specific example of the light beam which injects into an intermediate screen, and the light beam emitted from an intermediate screen. 中間スクリーンの湾曲量に関する条件式中のパラメーターを説明する概念的断面図である。It is a conceptual sectional view explaining the parameter in the conditional expression regarding the amount of curvature of an intermediate screen. （Ａ）及び（Ｂ）は、具体的実施例の光学系を説明する側断面図である。(A) and (B) are side sectional views explaining an optical system of a specific example. （Ａ）及び（Ｂ）は、具体的実施例の光学系を説明する平面図である。(A) and (B) are the top views explaining the optical system of a specific example. 図２に示すヘッドアップディスプレイ装置を含む移動体用表示システムを説明する概念的なブロック図である。FIG. 3 is a conceptual block diagram illustrating a mobile display system including the head-up display device shown in FIG. 2. 移動体用表示システムによる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 specific display state by the display system for mobile bodies. 第２実施形態のヘッドアップディスプレイ装置を説明する図である。It is a figure explaining a head up display device of a 2nd embodiment. 第３実施形態のヘッドアップディスプレイ装置を説明する図である。It is a figure explaining a head up display device of a 3rd embodiment.

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置の第１実施形態について説明する。 [First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of a head-up display device according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図１（Ａ）及び１（Ｂ）を参照して、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１００は、車体２内に搭載される表示装置であり、描画ユニット１０と表示スクリーン２０とを備える。ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）装置１００は、描画ユニット１０中の後述する表示素子１１（図２参照）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。 Referring to FIGS. 1A and 1B, a head-up display device 100 of the present embodiment is a display device mounted in a vehicle body 2, and includes a drawing unit 10 and a display screen 20. A head-up display (HUD) device 100 transmits image information displayed on a display element 11 (see FIG. 2) described later in the drawing unit 10 via a display screen 20 to a driver (observer). ) A virtual image is displayed for UN.

ＨＵＤ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に向けて出射する。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が、表示スクリーン２０はウインドシールドそのものであってもよい。 The drawing unit 10 of the HUD 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. I do. The display screen 20 is a half mirror, also called a combiner, and is a semi-transparent concave mirror or a plane mirror. The display screen 20 is erected on the dashboard 4 by supporting the lower end, 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 a stand-alone type that is installed separately from the windshield (windshield) 8, but the display screen 20 may be the windshield itself.

図１（Ａ）及び図２に示すように、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ＥＢに導かれる。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。 As shown in FIGS. 1A and 2, the display light HK reflected on the display screen 20 which is a half mirror is an eye box corresponding to the pupil HT of the driver UN sitting on the driver's seat 6 and its peripheral position. Guided to EB. The driver UN can observe the display light HK reflected on 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 which is a half mirror, that is, the front view, the real image of the automobile, and the like. As a result, the driver UN superimposes 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 over the external image behind 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とを組み合わせたものは、虚像表示光学系３０を構成する。虚像表示光学系３０は、横方向の視野角が７°以上となっている。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ＥＢ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. Of these, a combination of the main body optical system 13 and the display screen (combiner) 20 constitutes a virtual image display optical system 30. The virtual image display optical system 30 has a horizontal viewing angle of 7 ° or more. In FIG. 2 and the like, the origin of the coordinate axis XYZ is the center of the eye box EB corresponding to the position between the pupils HT of the general driver UN, but the origin is shifted for convenience.

本体光学系１３は、表示素子（表示デバイス）１１と、表示素子１１に形成された画像を拡大した中間像ＴＩを形成可能な投影光学系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反射型拡散部材１６と、中間像ＴＩを虚像に変換する虚像生成光学系１７とを備える。詳細は後述するが、本体光学系１３によって、虚像投影距離が可変となっている。本体光学系１３のうち虚像生成光学系１７と、本体光学系１３の上方に配置された表示スクリーン２０とを組み合わせたものは、射出側合成光学系３０ｂを構成する。 The main body optical system 13 includes a display element (display device) 11, a projection optical system 15 capable of forming an intermediate image TI obtained by enlarging an image formed on the display element 11, and an imaging position of the intermediate image TI. The image forming apparatus includes a reflective diffusion member 16 disposed at a stage subsequent to the optical path, and a virtual image generation optical system 17 that converts the intermediate image TI into a virtual image. Although details will be described later, the virtual image projection distance is variable by the main body optical system 13. The combination of the virtual image generation optical system 17 and the display screen 20 disposed above the main body optical system 13 in the main body optical system 13 constitutes the exit-side combined optical system 30b.

本体光学系１３において、表示素子１１は、２次元的な表示面１１ａを有する描画デバイス（表示部）である。表示素子１１の表示面１１ａに形成された像は、本体光学系１３のうち投影光学系１５で拡大されて中間像ＴＩを反射型拡散部材１６上に形成し、虚像生成光学系１７等へ導かれる。この際、２次元表示が可能な表示素子１１を用いることで、中間像ＴＩ又は表示像（虚像）ＩＭの切換えを比較的高速とできる。表示素子１１には、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Mirror Device）や反射型液晶デバイス（ＬＣＯＳ：Liquid crystal on silicon）を用いることができる。表示素子１１としてＤＭＤやＬＣＯＳ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（高速の間欠表示を含む）が容易になり、虚像距離又は投影距離を変化させる表示に有利である。応用例として、表示素子１１は、虚像を複数距離に同時投影する場合には虚像１距離あたり例えば３０ｆｐｓ以上、好ましくは６０ｆｐｓ以上のフレームレートで表示させる。これにより、異なる投影距離に複数の表示像（虚像）ＩＭを運転者ＵＮに対して同時に表示されているように見せる際に虚像のちらつきを改善できる。 In the main optical system 13, the display element 11 is a drawing device (display unit) having a two-dimensional display surface 11a. The image formed on the display surface 11a of the display element 11 is enlarged by the projection optical system 15 of the main optical system 13 to form an intermediate image TI on the reflective diffusion member 16 and guided to the virtual image generation optical system 17 and the like. I will At this time, by using the display element 11 capable of two-dimensional display, switching between the intermediate image TI and the display image (virtual image) IM can be made relatively fast. As the display element 11, a digital mirror device (DMD: Digital Mirror Device) or a reflection type liquid crystal device (LCOS: Liquid crystal on silicon) can be used. When DMD or LCOS is used as the display element 11, it is easy to switch images at high speed (including high-speed intermittent display) while maintaining brightness, which is advantageous for display in which a virtual image distance or a projection distance is changed. As an application example, when simultaneously projecting a virtual image at a plurality of distances, the display element 11 displays at a frame rate of, for example, 30 fps or more, preferably 60 fps or more per virtual image distance. Thereby, when a plurality of display images (virtual images) IM are displayed at different projection distances as if they are simultaneously displayed to the driver UN, the flicker of the virtual images can be improved.

投影光学系１５は、本体レンズ１５ａと、折曲げミラー１５ｂとを有する。本体レンズ１５ａ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。投影光学系１５のＦ値は、１．８以上となっている。投影光学系１５は、表示素子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、反射型拡散部材１６の表面に設けた中間スクリーン１６ｍに近接した位置に中間像ＴＩ（又は中間スクリーン１６ｍの位置に強制中間像ＴＩ’）を形成する。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み、広義に中間像ＴＩと呼ぶこともある。なお、折曲げミラー１５ｂは、平面ミラーであり、光学的パワーを有しない。 The projection optical system 15 has a main lens 15a and a bending mirror 15b. The main body lens 15a is a fixed-focus lens system, and has a plurality of lenses (not shown). The F value of the projection optical system 15 is 1.8 or more. The projection optical system 15 enlarges and projects an image formed on the display surface 11a of the display element 11 to an appropriate magnification, and places the intermediate image TI (or) at a position close to an intermediate screen 16m provided on the surface of the reflective diffusion member 16. A forced intermediate image TI ') is formed at the position of the intermediate screen 16m. The forced intermediate image TI ′ includes an intermediate image TI itself and an image that is slightly out of focus due to a positional shift from the intermediate image TI, and is sometimes referred to in a broad sense as the intermediate image TI. Note that the bending mirror 15b is a plane mirror and has no optical power.

反射型拡散部材１６は、表面に中間スクリーン１６ｍを設けた反射型の拡散部材である。中間スクリーン１６ｍは、拡散特性を有する反射面である。中間スクリーン１６ｍは、全体に亘って反射率９０％以上を確保することが望ましい。中間スクリーン１６ｍは、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。中間スクリーン１６ｍは、反射拡散角を所望の角度に制御することができる。後述するように反射型拡散部材１６又は中間スクリーン１６ｍ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１６ｍに強制中間像ＴＩ’が形成されるため、ここが新たな２次光源となって光が拡散するので、虚像生成光学系１７で拡大投影してもアイボックスＥＢを広く確保することができる。反射型拡散部材１６又は中間スクリーン１６ｍとしては、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。 The reflection type diffusion member 16 is a reflection type diffusion member provided with an intermediate screen 16m on the surface. The intermediate screen 16m is a reflection surface having a diffusion characteristic. It is desirable that the intermediate screen 16m secures a reflectance of 90% or more over the entire screen. The intermediate screen 16m forms a forced intermediate image TI 'at an image forming position (i.e., at or near the planned image forming position of the intermediate image TI). The intermediate screen 16m can control the reflection diffusion angle to a desired angle. As described later, by moving the reflective diffusion member 16 or the intermediate screen 16m in the optical axis AX direction, the position of the forced intermediate image TI 'can also be moved in the optical axis AX direction. Since the forced intermediate image TI 'is formed on the intermediate screen 16m, this becomes a new secondary light source and the light is diffused. Therefore, even if the virtual image generating optical system 17 performs enlarged projection, it is necessary to secure a wide eye box EB. Can be. As the reflection type diffusion member 16 or the intermediate screen 16m, for example, a diffusion plate, a diffusion screen, a microlens array, or the like can be used.

反射型拡散部材１６は、配置変更用の駆動装置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。本例の場合、光軸ＡＸとは、表示デバイス（描画デバイス）である表示素子１１の中心と、アイボックスＥＢの中心と、ＨＵＤ装置１００によって作られる表示素子１１の中心に対応する像点（虚像）とを通るものである。ただし、反射型拡散部材１６又は中間スクリーン１６ｍの移動は、アイボックスＥＢの確保等を考慮して、中間スクリーン１６ｍの光入射側ではなく光射出側において光軸ＡＸに沿ったものとする。駆動装置６２によって反射型拡散部材１６又は中間スクリーン１６ｍを光軸ＡＸに沿って移動させることで、虚像生成光学系１７によって表示スクリーン（コンバイナー）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、駆動装置６２は、本体光学系１３の構成配置を変化させて投影距離を変化させる。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までの虚像距離又は投影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。反射型拡散部材１６又は中間スクリーン１６ｍ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、投影光学系１５の反射型拡散部材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、いずれもほぼピントが合った良好な状態とすることができる。反射型拡散部材１６の光軸ＡＸ方向の移動量は、例えば２０ｍｍ以下となっている。これにより、反射型拡散部材１６の移動を効率良く行うことができ、反射型拡散部材１６の応答性を向上させることができる。反射型拡散部材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虚像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。駆動装置６２は、例えば１５Ｈｚ以上の速度で反射型拡散部材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、観察者は投影距離の異なる虚像をほぼ同時に認識することができる。 The reflection type diffusion member 16 is driven by the drive device 62 for changing the arrangement, and moves along the optical axis AX at a constant speed or a periodic motion, for example. In the case of this example, the optical axis AX is an image point corresponding to the center of the display element 11 that is a display device (drawing device), the center of the eye box EB, and the center of the display element 11 created by the HUD device 100 ( Virtual image). However, the reflection type diffusion member 16 or the intermediate screen 16m is moved along the optical axis AX not on the light incident side but on the light exit side of the intermediate screen 16m in consideration of securing the eye box EB. By moving the reflective diffusion member 16 or the intermediate screen 16m along the optical axis AX by the driving device 62, the display image IM as a virtual image formed behind the display screen (combiner) 20 by the virtual image generation optical system 17 is provided. The distance to the driver UN who is the observer can be lengthened or shortened. That is, the driving device 62 changes the configuration and arrangement of the main body optical system 13 to change the projection distance. In this way, by changing the position of the projected display image IM back and forth, and by making the display content correspond to the position, the display image IM can be changed while changing the virtual image distance or the projection distance to the display image IM. Is changed, and the display image IM as a series of projection images can be made three-dimensional. The moving range of the reflection type diffusion member 16 or the intermediate screen 16m along the optical axis AX corresponds to the position where the intermediate image TI is to be formed or the vicinity thereof. It is desirable to be within the range of the focal depth. Thereby, both the state of the forced intermediate image TI 'and the image forming state of the display image IM as a virtual image can be set to a good state in which both are almost in focus. The amount of movement of the reflective diffusion member 16 in the optical axis AX direction is, for example, 20 mm or less. Thereby, the movement of the reflection-type diffusion member 16 can be performed efficiently, and the responsiveness of the reflection-type diffusion member 16 can be improved. It is desirable that the moving speed of the reflection-type diffusion member 16 be a speed at which the display image IM as a virtual image can be seen as if displayed simultaneously at a plurality of locations or a plurality of virtual image distances. The driving device 62 moves the reflective diffusion member 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 having different projection distances almost simultaneously.

反射型拡散部材１６は、支持部材６２ａに支持されている。支持部材６２ａは、駆動装置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。反射型拡散部材１６又は中間スクリーン１６ｍが移動範囲の最も上流側（つまり、自由曲面ミラー１７ａに最も近い左下側）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１６ｍ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（コンバイナー）２０の背後の最も近くに虚像として表示される。また、反射型拡散部材１６又は中間スクリーン１６ｍが移動範囲の最も下流側（つまり、自由曲面ミラー１７ａから最も遠い右上側）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１６ｍ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（コンバイナー）２０の背後の最も遠くに虚像として表示される。 The reflection type diffusion member 16 is supported by the support member 62a. The support member 62a is movably attached to a pedestal 62b of the drive device 62 within a predetermined range along the optical axis AX direction. At the timing when the reflection type diffusion member 16 or the intermediate screen 16m is arranged on the most upstream side of the moving range (that is, the lower left side closest to the free-form surface mirror 17a), the image displayed on the intermediate screen 16m at this time is It is displayed as a virtual image closest to the back of a display screen (combiner) 20 which is a half mirror. Also, at the timing when the reflection type diffusion member 16 or the intermediate screen 16m is disposed on the most downstream side of the moving range (that is, on the upper right side farthest from the free-form surface mirror 17a), the image displayed on the intermediate screen 16m at this point in time. Is displayed as a virtual image farthest behind the display screen (combiner) 20 which is a half mirror.

虚像生成光学系１７は、反射型拡散部材１６の中間スクリーン１６ｍに形成された強制中間像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。虚像生成光学系１７は、単一の自由曲面ミラー１７ａのみで構成される。ここで、自由曲面ミラー１７ａは、全体として凹形状を有し、光学的なパワーを有している。自由曲面ミラー１７ａは、アイボックスＥＢの縦方向に関して、射出方向を入射方向に対して傾けた偏芯タイプ又は非正面反射型の光学素子となっている。 The virtual image generation optical system 17 is a magnifying optical system that expands the forced intermediate image TI ′ formed on the intermediate screen 16m of the reflective diffusion member 16 in cooperation with the display screen 20, and as a virtual image in front of the driver UN. Is formed. The virtual image generation optical system 17 includes only a single free-form surface mirror 17a. Here, the free-form surface mirror 17a has a concave shape as a whole and has optical power. The free-form surface mirror 17a is an eccentric or non-front-reflective optical element in which the emission direction is inclined with respect to the incident direction with respect to the longitudinal direction of the eye box EB.

射出側合成光学系３０ｂにおいて、反射型拡散部材１６の中間スクリーン１６ｍは、画角に対応して矩形の輪郭を有する。中間スクリーン１６ｍは、例えば自由曲面形状又はシリンドリカル形状を有し、短辺方向及び長辺方向で湾曲形状が異なるものとなっている。これにより、短辺方向及び長辺方向で光学倍率が異なる構成である場合に光学性能を効率良く改善することができる。ここで、自由曲面形状は、非球面も含むものである。また、短辺方向及び長辺方向は、中間スクリーン１６ｍ上の中間像ＴＩの形から定義され、例えば横長の虚像を表示させるケースを考えると、短辺方向は、虚像の垂直方向（Ｙ方向）に対応し、長辺方向は、虚像の水平方向（Ｘ方向）に対応する。中間スクリーン１６ｍをシリンドリカル形状とする場合、中間像ＴＩの長辺方向におおよそ沿った凸形状を有する。 In the exit-side combining optical system 30b, the intermediate screen 16m of the reflection-type diffusion member 16 has a rectangular contour corresponding to the angle of view. The intermediate screen 16m has, for example, a free-form surface shape or a cylindrical shape, and has different curved shapes in the short side direction and the long side direction. This makes it possible to efficiently improve the optical performance when the optical magnification is different in the short side direction and the long side direction. Here, the free-form surface shape includes an aspheric surface. In addition, the short side direction and the long side direction are defined from the shape of the intermediate image TI on the intermediate screen 16m. For example, considering a case where a horizontally long virtual image is displayed, the short side direction is the vertical direction (Y direction) of the virtual image. , And the long side direction corresponds to the horizontal direction (X direction) of the virtual image. When the intermediate screen 16m has a cylindrical shape, the intermediate screen TI has a convex shape substantially along the long side direction.

広い視野角を有するＨＵＤ装置１００を小型化するためには、虚像生成光学系１７を構成する自由曲面ミラー１７ａは、１枚であることが好ましく、また高い光学倍率を有することが望ましいが、倍率が高くなればなるほど、像面湾曲が大きくなり、原理的に１枚の自由曲面ミラー１７ａでは補正が困難になくなる。そのため中間スクリーン１６ｍを湾曲させることで小型かつ良好に収差の補正された虚像表示光学系３０を実現できる。一方、中間スクリーン１６ｍの最適な湾曲量は、虚像生成光学系１７の光学倍率により決定されるが、光学系全体を所定のパッケージ形状に収める都合上、投影光学系１５の焦点距離には設計の自由度がほとんど無いと言ってよい状態であるため、虚像生成光学系１７と投影光学系１５の光線角度がマッチングできず、特に長辺方向に大きな輝度分布が生じる可能性がある。このため、中間スクリーン１６ｍの長辺方向の湾曲量は、表示像（虚像）ＩＭの像品質と輝度分布の両性能を鑑みたうえで設定することが望ましい。 In order to reduce the size of the HUD device 100 having a wide viewing angle, the number of the free-form surface mirrors 17a constituting the virtual image generation optical system 17 is preferably one, and it is desirable to have a high optical magnification. Is higher, the field curvature becomes larger, and in principle, it becomes difficult to perform correction with one free-form surface mirror 17a. Therefore, by bending the intermediate screen 16m, it is possible to realize a virtual image display optical system 30 that is small and favorably corrected for aberration. On the other hand, the optimal amount of curvature of the intermediate screen 16m is determined by the optical magnification of the virtual image generation optical system 17, but the design of the focal length of the projection optical system 15 is limited in order to fit the entire optical system into a predetermined package shape. Since it can be said that there is almost no degree of freedom, the ray angles of the virtual image generation optical system 17 and the projection optical system 15 cannot be matched, and a large luminance distribution may occur particularly in the long side direction. Therefore, it is desirable to set the amount of curvature of the intermediate screen 16m in the long side direction in consideration of both the image quality and the luminance distribution of the display image (virtual image) IM.

なお、以上の説明では、中間スクリーン１６ｍが短辺方向に平坦性を有する拡散性の反射面である場合を基本として説明したが、中間スクリーン１６ｍは、短辺方向にも凸形状に湾曲した拡散性の反射面とすることができる。一般的に、横方向（長辺方向に対応）の視野角に対して縦方向（短辺方向に対応）の視野角は半分近く小さく設定されるため、中間スクリーン１６ｍの短辺方向の像面湾曲量はそれほど目立つものではないが、中間スクリーン１６ｍにおいて短辺方向にも曲率を持たせることで光学性能を向上させることができる。さらに、中間スクリーン１６ｍの湾曲率又は湾曲形状を長辺方向と短辺方向とで異なるものにすることで、虚像生成光学系１７の光学倍率が横方向と縦方向とで異なる場合に光学性能を全体で向上させることができる。 In the above description, the case where the intermediate screen 16m is a diffusive reflective surface having flatness in the short side direction has been basically described. However, the intermediate screen 16m has a diffusion shape curved in a convex shape also in the short side direction. Reflective surface. Generally, the viewing angle in the vertical direction (corresponding to the short side direction) is set to be nearly half smaller than the viewing angle in the horizontal direction (corresponding to the long side direction). Although the amount of bending is not so noticeable, the optical performance can be improved by providing the intermediate screen 16m with a curvature in the short side direction as well. Further, by making the curvature or the curved shape of the intermediate screen 16m different between the long side direction and the short side direction, the optical performance is improved when the optical magnification of the virtual image generation optical system 17 is different between the horizontal direction and the vertical direction. Can be improved overall.

中間スクリーン１６ｍの湾曲量は下記条件式を満たす。
0.5＊h/sin[|θH-θP|/2]＜R＜1.5＊h/sin[|θH-θP|/2] … （１）
R：中間スクリーン１６ｍの湾曲半径
h：中間スクリーン１６ｍ上の中間像ＴＩの長辺方向長さの半値
θH：虚像生成光学系１７の中間像ＴＩの横端における光線角度
θP：投影光学系１５の中間像ＴＩの横端における光線角度 The amount of curvature of the intermediate screen 16m satisfies the following conditional expression.
0.5 * h / sin [| θH-θP | / 2] <R <1.5 * h / sin [| θH-θP | / 2] (1)
R: radius of curvature of the intermediate screen 16m
h: half value of the length of the intermediate image TI on the intermediate screen 16m in the long side direction θH: ray angle at the lateral end of the intermediate image TI of the virtual image generating optical system 17 θ: ray at the lateral end of the intermediate image TI of the projection optical system 15 angle

条件式（１）の範囲を満たすことにより、光学性能を担保しつつ、虚像の輝度分布を小さくすることができる。条件式（１）の値Ｒが上限値を下回ることで、中間スクリーン１６ｍの湾曲量が適切なものとなり虚像に生じうる像面湾曲を低減することができる。一方、条件式（１）の値Ｒが下限値を上回ることで、長辺方向の輝度分布が適切なものとなる。 By satisfying the range of the conditional expression (1), the luminance distribution of the virtual image can be reduced while securing the optical performance. When the value R of the conditional expression (1) is below the upper limit, the amount of curvature of the intermediate screen 16m becomes appropriate, and the field curvature that can occur in a virtual image can be reduced. On the other hand, when the value R of the conditional expression (1) exceeds the lower limit, the luminance distribution in the long side direction becomes appropriate.

図４は、光線角度θＨ，θＰを説明する図である。光線角度θＰは、投影光学系１５から中間スクリーン１６ｍに入射する表示光ＨＫの正面方向又はＺ方向を基準とする光線角度であり、光線角度θＨは、中間スクリーン１６ｍから虚像生成光学系１７へ射出される表示光ＨＫの正面方向又はＺ方向を基準とする光線角度である。なお、正反射の場合、虚像生成光学系１７側の光線角度θＨと投影光学系１５側の光線角度θＰとの間には、以下の関係
θＰ＝θ１
θＨ＝θ１＋２θ０
が成り立つので、
Ｒ＝ｈ／ｓｉｎ［｜θＨ−θＰ｜／２］
となる。 FIG. 4 is a diagram illustrating the ray angles θH and θP. The ray angle θP is a ray angle based on the front direction or the Z direction of the display light HK entering the intermediate screen 16m from the projection optical system 15, and the ray angle θH is emitted from the intermediate screen 16m to the virtual image generation optical system 17. Is the ray angle with respect to the front direction or the Z direction of the displayed display light HK. In the case of specular reflection, the following relationship θP = θ1 exists between the ray angle θH on the virtual image generation optical system 17 side and the ray angle θP on the projection optical system 15 side.
θH = θ1 + 2θ0
Holds, so
R = h / sin [| θH−θP | / 2]
Becomes

なお、中間スクリーン１６ｍの左右両端で光線角度θＨ，θＰが異なる場合、中間スクリーン１６ｍの左右両端で条件式（１）が満たされることが望ましい。 When the ray angles θH and θP are different at the left and right ends of the intermediate screen 16m, it is desirable that the conditional expression (1) be satisfied at the left and right ends of the intermediate screen 16m.

中間スクリーン１６ｍは、短辺方向に対応する縦方向と長辺方向に対応する横方向とで拡散特性が異なるものとなっている。ここでも、短辺方向及び長辺方向は、中間スクリーン１６ｍ上の中間像ＴＩの形から定義され、例えば横長の虚像を表示させるケースを考えると、短辺方向は、虚像の垂直方向又は縦方向に対応し、長辺方向は、虚像の水平方向又は横方向に対応する。中間スクリーン１６ｍは、アイボックスＥＢの横方向又はＸ方向に対応し中間スクリーン１６ｍ上での第１方向である長辺方向と、それに直交するアイボックスＥＢの縦方向又はＹ方向に対応し中間スクリーン１６ｍ上での第２方向である短辺方向とで、拡散度が異なるものとなっている。また、中間スクリーン１６ｍは、非正反射型の拡散特性を有する。この結果、虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ２と投影光学系１５の光軸ＡＸ１とは、中間スクリーン１６ｍとの交差点において正反射の関係を満たさない非正反射の関係にあり、入射した表示光ＨＫを正反射の方向に対してずれた方向に拡散しつつ反射する偏向特性を有する。中間スクリーン１６ｍは、短辺方向に対応する縦方向だけでなく長辺方向に対応する横方向にも偏向特性を有していてもよい。これにより、投影光学系１５の配置自由度をより増やすことができる。また、表示像（虚像）ＩＭの輝度分布を改善することができる。中間スクリーン１６ｍの拡散度については、虚像生成光学系１７の入射ＮＡに対する投影光学系１５の射出ＮＡの相対差又は不足を補う観点で基本的拡散度を設定する。しかしながら、本実施形態の光学系のように、虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ２と投影光学系１５の光軸ＡＸ１とが中間スクリーン１６ｍにおいて非正反射の関係にある場合、光量ロスを低減して光利用効率を高める観点で、中間スクリーン１６ｍは、拡散度を単純に大きくするのではなく、拡散度に偏向特性を持たせたものとなっている。中間スクリーン１６ｍが反射や拡散に関して偏向特性を有する場合、基本的拡散度に対して光軸ＡＸ１，ＡＸ２の対称性のずれに相当する偏角又は角度ズレを加味して方向性を持たせた拡散度を設定する。 The diffusion characteristics of the intermediate screen 16m are different between the vertical direction corresponding to the short side direction and the horizontal direction corresponding to the long side direction. Also in this case, the short side direction and the long side direction are defined from the shape of the intermediate image TI on the intermediate screen 16m. For example, considering a case where a horizontally long virtual image is displayed, the short side direction is the vertical direction or the vertical direction of the virtual image. , And the long side direction corresponds to the horizontal or horizontal direction of the virtual image. The intermediate screen 16m corresponds to the long side direction which is the first direction on the intermediate screen 16m corresponding to the horizontal direction or the X direction of the eye box EB, and the vertical direction or the Y direction of the eye box EB orthogonal to the first screen. The diffusivity differs between the short side direction which is the second direction on 16 m. The intermediate screen 16m has a non-specular reflection type diffusion characteristic. As a result, the optical axis AX2 of the virtual image generation optical system 17 and the optical axis AX1 of the projection optical system 15 have a non-regular reflection relationship that does not satisfy the specular reflection relationship at the intersection with the intermediate screen 16m, and the incident display light It has a deflection characteristic of reflecting HK while diffusing HK in a direction shifted from the direction of regular reflection. The intermediate screen 16m may have a deflection characteristic not only in the vertical direction corresponding to the short side direction but also in the horizontal direction corresponding to the long side direction. Thereby, the degree of freedom of arrangement of the projection optical system 15 can be further increased. Further, the luminance distribution of the display image (virtual image) IM can be improved. As for the degree of diffusion of the intermediate screen 16m, a basic degree of diffusion is set from the viewpoint of compensating for the relative difference or lack of the exit NA of the projection optical system 15 with respect to the entrance NA of the virtual image generation optical system 17. However, when the optical axis AX2 of the virtual image generation optical system 17 and the optical axis AX1 of the projection optical system 15 are in a non-specular reflection relationship on the intermediate screen 16m as in the optical system of the present embodiment, the light amount loss is reduced. From the viewpoint of increasing the light use efficiency, the intermediate screen 16m does not simply increase the diffusivity, but has a deflection characteristic for the diffusivity. When the intermediate screen 16m has a deflection characteristic with respect to reflection and diffusion, the diffusion is made to have a directionality by taking into account the declination or angle shift corresponding to the deviation of the symmetry of the optical axes AX1 and AX2 from the basic diffusion degree. Set the degree.

なお、中間スクリーン１６ｍの拡散度については、本来必要な拡散度に加え、中間スクリーン１６ｍ前後の光学系における光軸角度ズレを見込んで広げてもよい。 The diffusion degree of the intermediate screen 16m may be expanded in consideration of the optical axis angle shift in the optical system before and after the intermediate screen 16m in addition to the diffusion degree originally required.

図３（Ａ）は、中間スクリーン１６ｍの縦断面に関する拡散特性を説明する図である。この場合、光軸ＡＸ１上の表示光ＨＫの中間スクリーン１６ｍへの入射角はα１０であり、表示光ＨＫの中間スクリーン１６ｍからの光軸ＡＸ２に沿った射出角はα２０であり、α１０≠α２０となっている。また、光軸ＡＸ１外の表示光ＨＫの中間スクリーン１６ｍへの入射角はα１１，α１２であり、表示光ＨＫの中間スクリーン１６ｍからの光軸ＡＸ２に沿った射出角はα２１，α２２であり、α１１≠α２１、かつ、α１２≠α２２となっている。このように、中間スクリーン１６ｍは、位置に応じて偏向特性が異なっている。これにより、表示像（虚像）ＩＭの輝度分布を最適化することができる。つまり、中間スクリーン１６ｍは、短辺方向に対応する縦断面において偏向特性を有するだけでなく、中間スクリーン１６ｍ上の各点で偏向特性が異なっており、短辺方向に偏向特性の線形又は非線形的な分布を有する。具体的実施例に則して説明すると、入射角α１０，α１１，α１２は、例えば１８°、２１°、及び１５°に設定される。この場合、射出角α２０，α２１，α２２は、光線の結合効率を確保する観点で、例えば−６°、−１３°、及び０°に設定される。つまり、偏角は、＋１２°、＋８°、及び＋１５°となっており、全体として正の値であるが光軸ＡＸ２から外れるほど大きくなっている。 FIG. 3A is a diagram for explaining the diffusion characteristics of the longitudinal section of the intermediate screen 16m. In this case, the incident angle of the display light HK on the optical axis AX1 to the intermediate screen 16m is α10, the exit angle of the display light HK from the intermediate screen 16m along the optical axis AX2 is α20, and α10 ≠ α20. Has become. The incident angles of the display light HK outside the optical axis AX1 to the intermediate screen 16m are α11 and α12, and the exit angles of the display light HK from the intermediate screen 16m along the optical axis AX2 are α21 and α22. ≠ α21 and α12 ≠ α22. Thus, the intermediate screen 16m has different deflection characteristics depending on the position. Thereby, the luminance distribution of the display image (virtual image) IM can be optimized. That is, the intermediate screen 16m not only has a deflection characteristic in a vertical section corresponding to the short side direction, but also has a different deflection characteristic at each point on the intermediate screen 16m, and the linear or nonlinear of the deflection characteristic in the short side direction. Distribution. Explaining according to a specific embodiment, the incident angles α10, α11, α12 are set to, for example, 18 °, 21 °, and 15 °. In this case, the emission angles α20, α21, α22 are set to, for example, −6 °, −13 °, and 0 ° from the viewpoint of securing the coupling efficiency of light rays. That is, the declination is + 12 °, + 8 °, and + 15 °, and is a positive value as a whole, but becomes larger as it deviates from the optical axis AX2.

図３（Ｂ）は、中間スクリーン１６ｍの横断面に関する拡散特性を説明する図である。この場合、光軸ＡＸ１上の表示光ＨＫの中間スクリーン１６ｍへの入射角はβ１０であり、表示光ＨＫの中間スクリーン１６ｍからの光軸ＡＸ２に沿った射出角はβ２０であり、β１０＝β２０となっている。また、光軸ＡＸ１外の表示光ＨＫの中間スクリーン１６ｍへの入射角はβ１１，β１２であり、表示光ＨＫの中間スクリーン１６ｍからの光軸ＡＸ２に沿った射出角はβ２１，β２２であり、β１１≠β２１、かつ、β１２≠β２２となっている。このように、中間スクリーン１６ｍは、位置に応じて偏向特性が異なっている。つまり、中間スクリーン１６ｍは、長辺方向に対応する横断面において偏向特性を有するだけでなく、中間スクリーン１６ｍ上の各点で偏向特性が異なっており、長辺方向に偏向特性の線形又は非線形的な分布を有する。具体的実施例に則して説明すると、入射角β１０，β１１，β１２は、例えば６°、１１．５°、及び０．５°に設定される。この場合、射出角β２０，β２１，β２２は、光線の結合効率を確保する観点で、例えば−６°、２３°、及び１１°に設定される。 FIG. 3B is a diagram for explaining the diffusion characteristics related to the cross section of the intermediate screen 16m. In this case, the incident angle of the display light HK on the optical axis AX1 to the intermediate screen 16m is β10, the exit angle of the display light HK from the intermediate screen 16m along the optical axis AX2 is β20, and β10 = β20. Has become. The incident angles of the display light HK outside the optical axis AX1 to the intermediate screen 16m are β11 and β12, and the exit angles of the display light HK from the intermediate screen 16m along the optical axis AX2 are β21 and β22. ≠ β21 and β12 ≠ β22. Thus, the intermediate screen 16m has different deflection characteristics depending on the position. That is, the intermediate screen 16m not only has a deflection characteristic in a cross section corresponding to the long side direction, but also has a different deflection characteristic at each point on the intermediate screen 16m, and has a linear or non-linear deflection characteristic in the long side direction. Distribution. Explaining according to a specific embodiment, the incident angles β10, β11, β12 are set to, for example, 6 °, 11.5 °, and 0.5 °. In this case, the emission angles β20, β21, and β22 are set to, for example, −6 °, 23 °, and 11 ° from the viewpoint of securing the light coupling efficiency.

反射型拡散部材１６の拡散特性は、公知の手法で調整することができる。基板の表面に偏向特性に合わせて傾斜した微小な斜面を設けるとともに、この斜面上に使用波長以下のサイズを有する微少凹凸を形成したり、使用波長以下の幅を有するライン状の凹凸を形成したりすることにより、反射型拡散部材１６の拡散特性に所望の方向性を持たせるよう調整することができる。 The diffusion characteristics of the reflective diffusion member 16 can be adjusted by a known method. On the surface of the substrate, a minute slope inclined in accordance with the deflection characteristics is provided, and minute unevenness having a size equal to or less than the used wavelength is formed on this slope, or line-shaped unevenness having a width equal to or less than the used wavelength is formed. By doing so, it is possible to adjust the diffusion characteristics of the reflection type diffusion member 16 so as to have a desired direction.

以上のように、中間スクリーン１６ｍは、短辺方向に対応する縦方向と長辺方向に対応する横方向とで拡散特性が異なるものとなっており、短辺方向の位置と長辺方向の位置とに応じて偏向特性が変化するといった偏向特性の分布を有するものとなっている。この結果、縦横の拡散度を光学仕様に合わせて最適化することができ、光量ロスを減らすことができるため、さらなる光利用効率の向上が可能となっている。 As described above, the intermediate screen 16m has different diffusion characteristics between the vertical direction corresponding to the short side direction and the horizontal direction corresponding to the long side direction, and the position in the short side direction and the position in the long side direction are different. And the distribution of the deflection characteristic changes such that the deflection characteristic changes in response to the above. As a result, the vertical and horizontal diffusivities can be optimized according to the optical specifications, and the light amount loss can be reduced, so that the light use efficiency can be further improved.

また、太陽光ゴーストの発生回避という観点から、投影光学系１５の光軸ＡＸ１と虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ２との中間スクリーン１６ｍにおけるズレを敢えて大きく設定することで、正規光と同じルート（表示光ＨＫが通るルート）でウインドシールドを通過してＨＵＤ内部に入ってきた太陽光のうち中間スクリーン１６ｍで反射・拡散した光が、アイボックスＥＢに到達するのを防止することができる。好ましくは中間スクリーン１６ｍにおける短辺方向の偏光角を短辺方向の拡散度よりも大きく設定することが望ましい。 In addition, from the viewpoint of avoiding the occurrence of sunlight ghost, the deviation of the optical axis AX1 of the projection optical system 15 and the optical axis AX2 of the virtual image generating optical system 17 on the intermediate screen 16m is intentionally set to be large, so that the same route as the normal light is used. It is possible to prevent the sunlight reflected and diffused by the intermediate screen 16m from reaching the eye box EB among the sunlight that has passed through the windshield and entered the HUD through (the route through which the display light HK passes). Preferably, the polarization angle in the short side direction of the intermediate screen 16m is set to be larger than the diffusion degree in the short side direction.

以上の説明では、中間スクリーン１６ｍ上の各点で、最大拡散度の方向（例えば射出角α２０，α２１，α２２の方向）に関して表示光ＨＫの反射率が同じであることを前提として説明を行ったが、反射率に分布を持たせることもできる。つまり、中間スクリーン１６ｍは、位置に応じて反射率の分布が異なる。これにより、虚像生成光学系１７等に起因する表示像ＩＭの輝度分布の偏りを低減することができ、輝度分布を改善することができる。 In the above description, the description has been made on the assumption that the reflectance of the display light HK is the same in the direction of the maximum diffusion degree (for example, the direction of the emission angles α20, α21, α22) at each point on the intermediate screen 16m. However, the reflectance can have a distribution. That is, the distribution of the reflectance of the intermediate screen 16m differs depending on the position. Accordingly, it is possible to reduce the deviation of the luminance distribution of the display image IM due to the virtual image generation optical system 17 and the like, and to improve the luminance distribution.

図５（Ａ）は、具体的実施例の光学系を説明する側断面図であり、中間スクリーン１６ｍから射出側合成光学系３０ｂにかけての光学面及び光線を示している。図５（Ｂ）は、具体的実施例の光学系を説明する拡大側断面であり、表示素子１１から虚像生成光学系１７にかけての光学面及び光線を示している。 FIG. 5A is a side sectional view for explaining an optical system of a specific embodiment, and shows optical surfaces and light rays from the intermediate screen 16m to the exit-side composite optical system 30b. FIG. 5B is an enlarged side cross section for explaining the optical system of the specific example, and shows an optical surface and light rays from the display element 11 to the virtual image generating optical system 17.

図６（Ａ）は、具体的実施例の光学系を説明する平面図であって、図５（Ａ）に対応し、中間スクリーン１６ｍから射出側合成光学系３０ｂにかけての光学面及び光線を示している。図６（Ｂ）は、具体的実施例の光学系を説明する拡大平面図であって、図５（Ｂ）に対応し、表示素子１１から虚像生成光学系１７にかけての光学面及び光線を示している。 FIG. 6A is a plan view illustrating an optical system of a specific embodiment, and corresponds to FIG. 5A and shows an optical surface and light rays from the intermediate screen 16m to the exit-side combined optical system 30b. ing. FIG. 6B is an enlarged plan view illustrating an optical system according to a specific example, and corresponds to FIG. 5B and illustrates an optical surface and light rays from the display element 11 to the virtual image generation optical system 17. ing.

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 14a for passing the display light HK, and a film or thin plate-shaped light transmitting member 14b can be disposed in the opening 14a.

図７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、その一部としてヘッドアップディスプレイ装置１００を含む。このヘッドアップディスプレイ装置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７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. 7 is a block diagram illustrating the display system 200 for a mobile object. The display system 200 for a mobile object includes the head-up display device 100 as a part thereof. The head-up display device 100 has the structure shown in FIG. 2, and the description is omitted here. The moving object display system 200 shown in FIG. 7 is incorporated in a moving object such as an automobile.

移動体用表示システム２００は、ヘッドアップディスプレイ装置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。 The mobile display system 200 includes a driver detection unit 71, an environment monitoring unit 72, and a main control device 90, in addition to the head-up display device 100.

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 unit that detects the presence or the viewpoint position of the driver UN, 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. 1B), and captures images of the head of the driver UN and its surroundings. The driver's seat image processing unit 71b performs various image processing such as brightness correction on an image captured by the driver's seat camera 71a, and facilitates the processing by the driver's seat image determination unit 71c. The driver's seat image determination unit 71c detects the head and eyes of the driver UN by extracting or cutting out objects from the driver's seat image that has passed through the driver's seat image processing unit 71b, and also detects the depth accompanying the driver's seat image. From the information, the spatial position of the eyes of the driver UN (and consequently the direction of the line of sight) is calculated together with the presence or absence of the head of the driver UN in the vehicle body 2.

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８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 unit that identifies an automobile, a bicycle, a pedestrian, and the like approaching forward, 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 an appropriate position inside or outside the vehicle body 2, and captures an external image of the driver UN or the front or side of the windshield 8 or the like. The external image processing unit 72b performs various types of image processing such as brightness correction on an image captured by the external camera 72a to facilitate the 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 to determine whether or not there is an object such as a car, a bicycle, and a pedestrian (for example, see the object OB shown in FIG. 8). At the same time, the spatial position of the target object in front of the vehicle body 2 is calculated from the depth information attached to the external image.

なお、運転席用カメラ７１ａや外部用カメラ７２ａ、特に外部用カメラ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, particularly the external camera 72a, are not shown, but are, for example, compound eye three-dimensional cameras. That is, each of the cameras 71a and 72a is configured by arranging, in a matrix, camera elements each having a pair of an imaging lens and a CMOS or other imaging element, and has a driving circuit for the imaging element. The plurality of camera elements constituting each of the cameras 71a and 72a are adapted to focus on, for example, different positions in the depth direction, or to detect relative parallax, and are obtained from each camera element. By analyzing the state of the image (the focus state, the position of the object, and the like), it is possible to determine the distance to each area or the object in the image.

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。 It should be noted that, 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, each part (region or object) in the captured screen is viewed in the depth direction. Distance information can be obtained. Also, instead of the compound-eye cameras 71a and 72a, a stereo camera in which two two-dimensional cameras are separately arranged can obtain distance information in the depth direction with respect to each part (region or object) in the captured screen. In addition, 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 a high speed with a single two-dimensional camera.

表示制御部１８は、主制御装置９０の制御下で虚像表示光学系３０を動作させて、表示スクリーン２０の背後に虚像距離又は投影距離が変化する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、虚像表示光学系３０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のような標識とすることができる。 The display control unit 18 operates the virtual image display optical system 30 under the control of the main controller 90 to display a three-dimensional display image IM in which the virtual image distance or the projection distance changes behind the display screen 20. The display control unit 18 generates a display image IM to be displayed on the virtual image display optical system 30 from the display information including the display shape and the display distance received from the environment monitoring unit 72 via the main control device 90. The display image IM may be, for example, a sign such as a display frame positioned around the vehicle, bicycle, pedestrian, or other object behind the display screen 20 in the depth direction.

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、虚像表示光学系３０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 regarding the presence of the driver UN and the position of the eyes from the driver detection unit 71 via the main control device 90. Thereby, it becomes possible to automatically start and stop the projection of the display image IM by the virtual image display optical system 30. Further, the display image IM can be projected only in the direction of the line of sight of the driver UN. Further, it is also possible to perform projection in which only the display image IM in the direction of the line of sight of the driver UN is brightened or blinked.

主制御装置９０は、ヘッドアップディスプレイ装置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、虚像表示光学系３０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 head-up display device 100, the environment monitoring unit 72, and the like, and virtual image display optics so as to correspond to the spatial position of the object detected by the environment monitoring unit 72. The spatial arrangement of the display frame projected by the system 30 is adjusted.

図８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、ヘッドアップディスプレイ装置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ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３までの投影距離は、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の投影距離は、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の投影距離と、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との配置関係をほぼ維持することができる。 FIG. 8 is a perspective view illustrating a specific display state. The front of the driver UN, which is the observer, is a detection area VF corresponding to the observation visual field. It is assumed that an object OB1 of a person such as a pedestrian or an object OB2 of a moving object such as a car exists in the detection area VF, that is, on the road and its periphery. In this case, main controller 90 causes head-up display device 100 to project a three-dimensional display image (virtual image) IM, and displays display frames HW1, HW2 as related information images for objects OB1, OB2, and OB3. HW3 is added. At this time, since the distance from the driver UN to each object OB1, OB2, OB3 is different, the projection distance from the driver UN to each of the objects IM1, IM2, IM3 for displaying the display frames HW1, HW2, HW3 is different from that of the driver UN. It is equivalent to the distance to OB1, OB2, and OB3. Note that the projection distances of the display images IM1, IM2, and IM3 are discrete, and cannot exactly match the actual distances to the objects OB1, OB2, and OB3. However, if the difference between the projection distance of the display images IM1, IM2, and IM3 and the actual distance to the objects OB1, OB2, and OB3 is not large, parallax is unlikely to occur even if the viewpoint of the driver UN moves. The arrangement relationship between OB2, OB3 and display frames HW1, HW2, HW3 can be substantially maintained.

以上で説明したヘッドアップディスプレイ装置１００によれば、虚像生成光学系１７を単一の自由曲面ミラー１７ａを有するものとすることで、虚像生成光学系１７を簡単な構成として小型化することができる。また、中間スクリーン１６ｍを反射面とすることで、虚像生成光学系１７の自由曲面ミラー１７ａと中間スクリーン１６ｍとを結ぶ方向に対応する前後方向又はＺ方向に関する光学系サイズの増加を抑えることができる。結果的に、投影光学系１５の配置の自由度が増え、所定のパッケージ形状に収めることが容易になる。なお、中間スクリーン１６ｍを反射面とした場合、投影光学系１５が虚像生成光学系１７の光路に干渉しないように配置する必要があるため、投影光学系１５の光軸ＡＸ１と虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ２とが中間スクリーン１６ｍにおいて正反射の関係になるとは限らない。そのため、通常の拡散板では正反射方向が最も強度が強くなるため、虚像の短辺方向に輝度分布の偏りが生じるおそれがある。しかしながら、少なくとも短辺方向に偏向特性を有する中間スクリーン１６ｍを用いることで、投影光学系１５の光軸ＡＸ１と虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ２とが中間スクリーン１６ｍにおいて正反射の関係でない場合でも、短辺方向の輝度分布の偏りを抑えることができる。また、中間スクリーン１６ｍの拡散度については、中間スクリーン１６ｍ前後の光学系における光軸角度ズレを見込んで広げる必要がなく最適な拡散度に設定できるため、光量のロスが少なく光利用効率の良い装置を実現することができる。 According to the head-up display device 100 described above, since the virtual image generation optical system 17 has a single free-form surface mirror 17a, the virtual image generation optical system 17 can be downsized with a simple configuration. . Further, by using the intermediate screen 16m as a reflecting surface, an increase in the size of the optical system in the front-rear direction or the Z direction corresponding to the direction connecting the free-form surface mirror 17a of the virtual image generation optical system 17 and the intermediate screen 16m can be suppressed. . As a result, the degree of freedom in the arrangement of the projection optical system 15 increases, and it is easy to fit the projection optical system 15 in a predetermined package shape. When the intermediate screen 16m is a reflection surface, it is necessary to arrange the projection optical system 15 so as not to interfere with the optical path of the virtual image generation optical system 17, so that the optical axis AX1 of the projection optical system 15 and the virtual image generation optical system 17 Does not always have a regular reflection relationship with the optical axis AX2 of the intermediate screen 16m. For this reason, the normal diffuser plate has the highest intensity in the regular reflection direction, and there is a possibility that the luminance distribution may be biased in the short side direction of the virtual image. However, by using the intermediate screen 16m having a deflection characteristic at least in the short side direction, even when the optical axis AX1 of the projection optical system 15 and the optical axis AX2 of the virtual image generation optical system 17 do not have a regular reflection relationship with the intermediate screen 16m. In addition, it is possible to suppress the unevenness of the luminance distribution in the short side direction. In addition, the diffusion degree of the intermediate screen 16m can be set to an optimum diffusion degree without having to widen in consideration of the optical axis angle shift in the optical system before and after the intermediate screen 16m. Can be realized.

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置について説明する。なお、第２実施形態のヘッドアップディスプレイ装置は第１実施形態のヘッドアップディスプレイ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]
Hereinafter, a head-up display device according to the second embodiment will be described. Note that the head-up display device of the second embodiment is a modification of the head-up display device of the first embodiment, and items that are not particularly described are the same as those of the first embodiment.

図９に示すように、投影光学系１５の本体レンズ１５ａを構成する一部の光学素子１５ｄを本体レンズ１５ａ内で変位させることにより、投影光学系１５の結像状態を結像駆動部６５によって調整することができる。これにより、中間スクリーン１６ｍの移動に同期させて本体レンズ１５ａ又は投影光学系１５のフォーカス状態を調整でき、投影光学系１５の焦点深度を狭くしながら中間像ＴＩの結像状態を良好に保つことができる。 As shown in FIG. 9, by displacing a part of the optical elements 15 d constituting the main lens 15 a of the projection optical system 15 in the main lens 15 a, the imaging state of the projection optical system 15 is changed by the imaging driving unit 65. Can be adjusted. Thereby, the focus state of the main lens 15a or the projection optical system 15 can be adjusted in synchronization with the movement of the intermediate screen 16m, and the imaging state of the intermediate image TI can be kept good while the depth of focus of the projection optical system 15 is reduced. Can be.

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置について説明する。なお、第３実施形態のヘッドアップディスプレイ装置は第１実施形態のヘッドアップディスプレイ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]
Hereinafter, the head-up display device according to the third embodiment will be described. Note that the head-up display device of the third embodiment is a modification of the head-up display device of the first embodiment, and items that are not particularly described are the same as those of the first embodiment.

図１０に示すように、結像駆動部１６５によって投影光学系１５の折曲げミラー（平面ミラー）１５ｂを光軸ＡＸに沿って変位させることにより、投影光学系１５の結像状態を調整することができる。これにより、中間スクリーン１６ｍの移動に同期させて本体レンズ１５ａ又は投影光学系１５のフォーカス状態を調整でき、投影光学系１５の焦点深度を狭くしながら中間像ＴＩの結像状態を良好に保つことができる。 As shown in FIG. 10, the image forming state of the projection optical system 15 is adjusted by displacing the bending mirror (planar mirror) 15b of the projection optical system 15 along the optical axis AX by the image formation drive unit 165. Can be. Thereby, the focus state of the main lens 15a or the projection optical system 15 can be adjusted in synchronization with the movement of the intermediate screen 16m, and the imaging state of the intermediate image TI can be kept good while the depth of focus of the projection optical system 15 is reduced. Can be.

以上では、具体的な実施形態としてのヘッドアップディスプレイ装置について説明したが、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、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、ヘッドアップディスプレイ装置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。上記実施形態では表示スクリーン２０を平面又は凹面としたが、対称性をもたない自由曲面であってもよい。 In the above, the head-up display device as a specific embodiment has been described, but the head-up display device according to the present invention is not limited to the above. For example, in the above-described embodiment, the arrangement of the head-up display device 100 may be inverted upside down, and the display screen 20 may be arranged above the windshield 8 or at the position of the sun visor. In this case, the display screen 20 is disposed obliquely downward and forward of the drawing unit 10. In the above embodiment, the display screen 20 is a flat surface or a concave surface, but may be a free-form surface having no symmetry.

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。 In the above-described embodiment, the outline of the display screen 20 is not limited to a rectangle, but may be various shapes.

図２等に示す本体光学系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、虚像生成光学系１７又は投影光学系１５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。 The main body optical system 13 shown in FIG. 2 and the like is merely an example, and the optical configuration of the main body optical system 13 can be appropriately changed. For example, one or more mirrors having no optical power may be arranged in the optical path of the virtual image generation optical system 17 or the projection optical system 15.

また、上記実施形態において、描画デバイスである表示素子１１として、ＤＭＤやＬＣＯＳ等を用いたが、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：liquid crystal display）や、他の種類の表示デバイス、例えば有機ＥＬを用いてもよい。また、表示素子１１は、反射型の素子の代わりに、ＭＥＭＳを利用した走査型の映像デバイスを用いてもよい。 Further, in the above embodiment, DMD, LCOS, or the like is used as the display element 11 which is a drawing device. However, a liquid crystal display (LCD: liquid crystal display) or another type of display device, for example, an organic EL may be used. Good. Further, as the display element 11, a scanning type video device using MEMS may be used instead of the reflection type element.

また、上記実施形態において、表示スクリーン２０としてコンバイナーを設けずに、図１（Ａ）に示すフロントガラス（ウインドシールド）８に設けてもよい（図２参照）。具体的には、例えばフロントウインドウを形成するフロントガラス（ウインドシールド）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。 In the above embodiment, the display screen 20 may be provided on the windshield (windshield) 8 shown in FIG. 1A without providing a combiner (see FIG. 2). Specifically, for example, the display screen 20 may be attached to the inside of a rectangular reflection area provided in front of the driver's seat of a windshield (windshield) 8 forming a front window. Note that the display screen 20 can be embedded in the windshield 8.

また、上記実施形態では、反射型拡散部材１６を光軸ＡＸに沿って移動させる構成としたが、反射型拡散部材１６を光軸ＡＸ方向に移動させないで固定することもできる。 In the above embodiment, the reflection-type diffusion member 16 is moved along the optical axis AX. However, the reflection-type diffusion member 16 can be fixed without moving in the optical axis AX direction.

また、上記実施形態において、中間スクリーン１６ｍの構成は、ＨＵＤ装置１００の仕様に応じて適宜変更することができる。例えば、中間スクリーン１６ｍは、縦方向又は短辺方向のみ偏向特性を有する構成としてもよい。また、中間スクリーン１６ｍは、横方向又は長辺方向に凸形状に湾曲していなくてもよい。また、中間スクリーン１６ｍの位置に応じて反射率の分布や偏向特性が異なっていなくてもよい。 Further, in the above embodiment, the configuration of the intermediate screen 16m can be appropriately changed according to the specifications of the HUD device 100. For example, the intermediate screen 16m may be configured to have a deflection characteristic only in the vertical direction or the short side direction. The intermediate screen 16m may not be curved in a convex shape in the horizontal direction or the long side direction. Further, the distribution of the reflectance and the deflection characteristics do not have to be different depending on the position of the intermediate screen 16m.

また、上記実施形態において、中間スクリーン１６ｍは、短辺において長辺と異なる凸の湾曲形状を有してもよい、つまり、縦方向において横方向と異なる凸の湾曲形状を有してもよいとしたが、例えば球面のように縦方向に横方向と同じ凸の湾曲形状を有してもよい。中間スクリーン１６ｍは、球面形状を有していても、近似的に目標とする結像を実現でき、このような中間スクリーン１６ｍは、作製が容易で安価なものとなる。 Further, in the above embodiment, the intermediate screen 16m may have a convex curved shape different from the long side on the short side, that is, may have a convex curved shape different from the horizontal direction in the vertical direction. However, it may have the same convex curved shape as the horizontal direction in the vertical direction, such as a spherical surface. Even if the intermediate screen 16m has a spherical shape, a target image can be approximately achieved, and such an intermediate screen 16m is easy to manufacture and inexpensive.

以上で説明したヘッドアップディスプレイ装置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、例えば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 head-up display device 100 described above is not limited to a projection device mounted on a car or other moving object, but can be incorporated in, for example, digital signage, but can be applied to other uses.

２…車体、８…フロントガラス、１０…描画ユニット、１１…表示素子、１３…本体光学系、１５…投影光学系、１６…反射型拡散部材、１６ｍ…中間スクリーン、１７…虚像生成光学系、１７ａ…自由曲面ミラー、１８…表示制御部、２０…表示スクリーン、３０…虚像表示光学系、３０ｂ…射出側合成光学系、６２…駆動装置、７１…運転者検出部、７２…環境監視部、９０…主制御装置、１００…ヘッドアップディスプレイ装置、２００…移動体用表示システム、ＡＸ，ＡＸ１，ＡＸ２…光軸、ＥＢ…アイボックス、ＨＫ…表示光、ＨＴ…瞳、ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３…表示枠、ＩＭ…表示像、ＴＩ…中間像、ＵＮ…運転者 Reference numeral 2 denotes a vehicle body, 8 denotes a windshield, 10 denotes a drawing unit, 11 denotes a display element, 13 denotes a main body optical system, 15 denotes a projection optical system, 16 denotes a reflection type diffusing member, 16 m denotes an intermediate screen, and 17 denotes a virtual image generation optical system. 17a: free-form surface mirror, 18: display control unit, 20: display screen, 30: virtual image display optical system, 30b: emission side composite optical system, 62: drive unit, 71: driver detection unit, 72: environment monitoring unit 90: Main control device, 100: Head-up display device, 200: Display system for mobile object, AX, AX1, AX2: Optical axis, EB: Eye box, HK: Display light, HT: Pupil, HW1, HW2, HW3 ... Display frame, IM: Display image, TI: Intermediate image, UN: Driver

Claims

A head-up display device that forms an intermediate image on an intermediate screen by projecting an image formed by a display element by a projection optical system and displays the intermediate image as a virtual image by a virtual image generation optical system,
The virtual image generation optical system has a single free-form mirror,
The intermediate screen is a reflective surface having a diffusion characteristic,
A head-up display device, wherein an optical axis of the virtual image generation optical system and an optical axis of the projection optical system are in a non-specular reflection relationship on the intermediate screen.

The head-up display device according to claim 1, wherein the intermediate screen has a free-form surface shape.

The head-up display device according to claim 1, wherein the intermediate screen has a cylindrical shape.

The head-up display device according to claim 1, wherein the intermediate screen has a spherical shape.

The head-up display device according to claim 1, further comprising a driving device that changes a position of the intermediate screen.

The head-up display device according to claim 5, wherein the driving device moves the intermediate screen within a depth of focus near an intermediate image forming position of the projection optical system.

7. The projection optical system according to claim 5, wherein the projection optical system is a variable power optical system, and causes a focus position of the projection optical system to follow the intermediate screen position in synchronization with movement of the intermediate screen. The head-up display device according to claim 1.

8. The head-up display device according to claim 1, wherein a mirror having no optical power is disposed on a light exit side in the projection optical system. 9.

9. The head-up display device according to claim 8, wherein the mirror having no optical power moves in synchronization with the movement of the intermediate screen.