JP2020042154A - Head-up display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、視線の先に虚像を表示し、かつ虚像の投影位置を可変とした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 that displays a virtual image ahead of a line of sight and that changes the projection position of the virtual image.
従来のヘッドアップディスプレイ(HUD:Head-Up Display)装置は、虚像を運転者からある一定の距離だけ離れた位置に生成することが一般的であり、運転者から虚像までの距離が一定だと、目の位置がずれた場合に実物(対象物)の位置と危険信号(虚像)の位置とがずれて運転者が危険信号を誤認したり、実物の位置と危険信号の位置とにずれがあると焦点位置の違いにより違和感が生じたりする問題が生じる。このような問題を解決するため、実物に対して虚像を奥行方向も含めて重畳させることが望ましい。 Conventional head-up display (HUD) devices generally generate a virtual image at a position separated by a certain distance from the driver, and when the distance from the driver to the virtual image is constant. If the position of the eyes is displaced, the position of the real object (object) and the position of the danger signal (virtual image) are displaced, and the driver may mistakenly recognize the danger signal, or the deviation between the position of the real object and the position of the danger signal If there is, there arises a problem that a sense of incongruity occurs due to a difference in the focal position. In order to solve such a problem, it is desirable to superimpose a virtual image on a real object including the depth direction.
虚像の位置を変更するHUD装置として、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーのような走査型の像形成手段と、スクリーンと、投影手段と、スクリーンの位置を変える可動手段とにより虚像の位置を変化させるものが開示されている(例えば特許文献1参照)。しかしながら、特許文献1の主たる目的は、車の速度に合わせて虚像位置を近づけたり、遠ざけたりして運転者の視線移動を少なくすることであり、危険信号と対象物とを重畳させて表示することを意図したものではない。また、特許文献1の装置では、光学系の配置に制限があり装置が大型化するおそれがある。 As a HUD device for changing the position of the virtual image, the position of the virtual image is changed by a scanning type image forming means such as a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror, a screen, a projection means, and a movable means for changing the position of the screen. A method for causing the above to occur is disclosed (for example, see Patent Document 1). However, the main purpose of Patent Literature 1 is to reduce the driver's line of sight by moving the virtual image position closer or farther in accordance with the speed of the vehicle, and display the danger signal and the target object in a superimposed manner. It is not intended. Further, in the device of Patent Document 1, the arrangement of the optical system is limited, and the device may be enlarged.
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、小型であり、複数の距離に虚像を投影可能であ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。 The present invention has been made in view of the above background art, and has as its object to provide a head-up display device which is small and can project virtual images at a plurality of distances.
上記課題を解決するため、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、表示素子と、表示素子に形成された像を拡大する投影光学系と、拡散機能を有し投影光学系の光射出側に配置される中間スクリーンと、中間スクリーンに形成された中間像を拡大投影する拡大投射光学系とを備え、拡大投射光学系は、中間スクリーン側から順に第1ミラーと第2ミラーとを有し、中間スクリーンは、第1ミラーと第2ミラーとの間において中間スクリーン側にあって光束の最も外側の光線に対して略平行に配置される。ここで、光束とは中間スクリーンから出てアイボックス内に到達する光線の束を意味し、中間スクリーンが移動する場合は全ての中間スクリーン位置からアイボックス内に到達する光線の束を意味する。 In order to solve the above problems, a head-up display device according to the present invention includes a display element, a projection optical system for enlarging an image formed on the display element, and a diffusion function, which is disposed on a light emission side of the projection optical system. And an enlarged projection optical system for enlarging and projecting an intermediate image formed on the intermediate screen. The enlarged projection optical system has a first mirror and a second mirror in order from the intermediate screen side. The screen is disposed between the first mirror and the second mirror on the intermediate screen side and substantially parallel to the outermost light beam of the light beam. Here, the luminous flux means a bundle of light rays that come out of the intermediate screen and reach the eye box, and when the intermediate screen moves, a light flux that reaches the eye box from all intermediate screen positions.
上記ヘッドアップディスプレイ装置によれば、中間スクリーンが、第1ミラーと第2ミラーとの間において中間スクリーン側にあって光束の最も外側の光線に対して略平行に配置されることにより、中間スクリーンを次段の光路に近づけて省スペースで配置することができ、装置を小型化することができる。また、中間スクリーンと光束の最も外側の光線とを略平行に配置すると、虚像投影距離を変化させるために中間像を移動できる間隔が大きくとれる。すなわち虚像を重畳できる距離が大きくなる。中間スクリーンと光束の最も外側の光線とが略平行でない場合には、中間スクリーンを光束に近づける方向に移動させたときに、中間スクリーンが光束の一部を遮ってしまい、虚像投影距離変化範囲が狭くなってしまう。 According to the above head-up display device, the intermediate screen is disposed between the first mirror and the second mirror on the intermediate screen side and substantially parallel to the outermost light beam of the light beam, so that the intermediate screen is provided. Can be arranged close to the optical path of the next stage in a space-saving manner, and the device can be downsized. Further, when the intermediate screen and the outermost light beam of the light beam are arranged substantially in parallel, the interval at which the intermediate image can be moved can be increased in order to change the virtual image projection distance. That is, the distance over which the virtual image can be superimposed increases. If the intermediate screen and the outermost light beam of the light beam are not substantially parallel, when the intermediate screen is moved in a direction approaching the light beam, the intermediate screen blocks a part of the light beam, and the virtual image projection distance change range becomes smaller. It becomes narrow.
本発明の具体的な側面では、上記ヘッドアップディスプレイ装置は、以下の条件式を満たす。
−30<θ<+30 … (1)
ここで、θは光束の最も外側の光線と中間スクリーンとのなす角である。値θを条件式(1)の範囲内とすることで、光束の最も外側の光線が中間スクリーンと完全平行な場合に比べて、中間スクリーンを全体として離す必要があるが、中間スクリーンと光束の最も外側の光線との間隔を中間スクリーンサイズの半分以下にすることができる。これにより、装置を小型化することができ、かつ虚像の位置を変更できる範囲を広くとることができる。
In a specific aspect of the present invention, the head-up display device satisfies the following conditional expression.
−30 <θ <+30 (1)
Here, θ is the angle between the outermost ray of the light beam and the intermediate screen. By setting the value θ within the range of the conditional expression (1), it is necessary to separate the intermediate screen as a whole as compared with the case where the outermost ray of the light beam is completely parallel to the intermediate screen. The distance from the outermost rays can be less than half the size of the intermediate screen. This makes it possible to reduce the size of the device and to increase the range in which the position of the virtual image can be changed.
本発明のさらに別の側面では、中間スクリーンは移動する平板状の部材に設けられる。上述の構成とすることで中間スクリーンを第1ミラーにより近付けることができ、装置を小型化しつつ、虚像距離変化が可能となる。 In still another aspect of the present invention, the intermediate screen is provided on a moving flat member. With the above configuration, the intermediate screen can be brought closer to the first mirror, and the virtual image distance can be changed while reducing the size of the apparatus.
本発明のさらに別の側面では、中間スクリーンはディスクに設けられており、中間スクリーンの回転軸は第1ミラーと第2ミラーとの間に配置されて第1ミラーの反射前後の光軸を含む面に略平行に延びる。上述の構成とすることで中間スクリーンの外側端部を第1ミラーの内側下方に配置することができ、装置を小型化しつつ、虚像距離変化が可能となる。 In still another aspect of the present invention, the intermediate screen is provided on a disk, and a rotation axis of the intermediate screen is disposed between the first mirror and the second mirror and includes an optical axis before and after reflection of the first mirror. It extends substantially parallel to the plane. With the above-described configuration, the outer end of the intermediate screen can be disposed below the inside of the first mirror, and the virtual image distance can be changed while reducing the size of the apparatus.
本発明のさらに別の側面では、拡大投射光学系によって形成される虚像を投影する表示スクリーンを備え、表示スクリーンは、コンバイナーである。 According to yet another aspect of the present invention, a display screen for projecting a virtual image formed by the magnifying projection optical system is provided, and the display screen is a combiner.
〔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
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。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
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
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。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
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拡散部材16と、中間像TIを虚像に変換する拡大投射光学系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の虚像投影距離が可変となっている。本体光学系13のうち投影光学系15と、拡散部材16と、拡大投射光学系17とは、結像光学系30aを構成する。また、本体光学系13のうち拡大投射光学系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
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を拡散部材16上に形成し、拡大投射光学系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
投影光学系15は、本体レンズ15a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、複数のレンズ要素を有する。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、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。
The projection
拡散部材16は、表面に中間スクリーン16mを設けた平板状の透過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。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、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、拡大投射光学系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。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
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。駆動装置62によって拡散部材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、拡大投射光学系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。
The diffusing
中間スクリーン16mを平板状の拡散部材16に設ける構成とし、拡散部材16を光軸AXに沿って移動させることで、中間スクリーン16mを後述する拡大投射光学系17の第1ミラー17a(つまり、中間スクリーン16mに最も近いミラー)により近付けることができ、装置を小型化しつつ、虚像距離変化が可能となる。
The
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。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、拡散部材16の移動を効率良く行うことができ、拡散部材16の応答性を向上させることができる。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 moving range of the
拡散部材16は、駆動装置62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。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、拡大投射光学系17に最も近い上側)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の背後の最も近くに虚像として表示される。また、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、拡大投射光学系17から最も遠い下側)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の背後の最も遠くに虚像として表示される。
The
拡大投射光学系17は、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。拡大投射光学系17は、第1ミラー17aと第2ミラー17bとで構成される。第1及び第2ミラー17a,17bは、全体として凹形状を有する自由曲面ミラーであり、光学的なパワーを有している。ここで、自由曲面形状は、非球面も含むものである。
The enlargement projection
ここで、図3に拡大して示すように、中間スクリーン16mは平面状に延び、第1ミラー17aと第2ミラー17bとの間において中間スクリーン16m側にあって最も外側の光束L1に対して略平行に配置されている。光束の最も外側の光線L1と中間スクリーン16mとが略平行に配置されているため、中間スクリーン16mを拡大投射光学系17に近づけても光束の最も外側の光線L1と干渉しない。また、中間スクリーン16mを拡大投射光学系17側に近づけて配置できるため、拡大投射光学系17の倍率を高めることができ、中間スクリーン16mの移動量を小さくすることができる。
Here, as shown in FIG. 3 in an enlarged manner, the
最も外側の光束L1と中間スクリーン16mとは、以下の条件式を満たす。
−30<θ<30 … (1)
ここで、θは光束の最も外側の光線L1と中間スクリーン16mとのなす角(単位:°)である。値θを条件式(1)の範囲内とすることで、光束の最も外側の光線L1が中間スクリーン16mと完全平行な場合に比べて、中間スクリーン16mを全体として離す必要があるが、中間スクリーン16mと光束の最も外側の光線L1との間隔を中間スクリーンサイズの半分以下にすることができる。これにより、装置を小型化することができ、かつ虚像の位置を変更できる範囲を広くとることができる。
The outermost light beam L1 and the
−30 <θ <30 (1)
Here, θ is an angle (unit: °) between the outermost light ray L1 of the light beam and the
図4(A)は、具体的実施例の光学系を説明する側方斜視図であり、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4(B)は、具体的実施例の光学系を説明する正面図であり、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。
FIG. 4A is a side perspective view for explaining the optical system of the specific embodiment, and shows optical surfaces and light rays from the
射出側合成光学系30bにおいて、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の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、虚像の鉛直方向又は垂直方向(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。
In the exit-side combining
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
図5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5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. 5 is a block diagram illustrating the
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
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
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6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
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
また、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。
Also, instead of using the compound-
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
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
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
図6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,OB3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. 6 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 there are objects OB1 and OB3 of a person such as a pedestrian and an object OB2 of a moving object such as a car in the detection area VF, that is, on the road and its periphery. In this case,
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、中間スクリーン16mが、第1ミラー17aと第2ミラー17bとの間において中間スクリーン16m側にあって光束の最も外側の光線L1に対して略平行に配置されることにより、中間スクリーン16mを次段の光路に近づけて省スペースで配置することができ、装置を小型化することができる。また、中間スクリーン16mと光束の最も外側の光線L1とを略平行に配置すると、虚像投影距離を変化させるために中間像TIを移動できる間隔が大きくとれる。すなわち表示像(虚像)IMを重畳できる距離が大きくなる。中間スクリーン16mと光束の最も外側の光線L1とが略平行でない場合には、中間スクリーン16mを光束に近づける方向に移動させたときに、中間スクリーン16mが光束の一部を遮ってしまい、虚像投影距離変化範囲が狭くなってしまう。
According to the head-up
〔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。本実施形態の場合、図1に示す往復型の中間スクリーン16m等に代えて回転型の中間スクリーンを含む拡散部を配置する。
[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. In the case of the present embodiment, a diffusing section including a rotary intermediate screen is arranged instead of the reciprocating
図7、図8(A)及び8(B)に示すように、拡散部材16は、全体として円板に近い輪郭を有する螺旋状の回転体(回転するディスク)16aを有する。拡散部材16は、図1に示す投影光学系15による投影位置又は結像位置(つまり中間像の結像予定位置又はその近傍)に配置され、駆動装置162に駆動されて例えば一定速度で光軸AXに平行な回転軸SXの周りに回転する。なお、図8(A)〜8(C)において、説明の都合上、拡散部材16は局所的なxyz直交座標を基準に示しており、拡散部材16は、後述するように、拡大投射光学系17の第1ミラー17aと第2ミラー17bとの間において中間スクリーン16m側にあって光束の最も外側の光線L1に対して略平行になるように配置される。
As shown in FIGS. 7, 8A and 8B, the
回転体16aは、中央部16cと外周光学部16pとを有する。回転体16aの外周光学部16pに形成された一方の表面16fは、平滑面又は光学面に形成されており、表面16f上には、全域に亘って拡散面となる中間スクリーン16mが設けられている。中間スクリーン16mは、配光角を所望の角度に制御する部分である。中間スクリーン16mは、回転体16aに貼り付けられるシートとできるが、回転体16aの表面に形成された微細な凹凸パターンであってもよい。また、中間スクリーン16mは、回転体16aの内部に埋め込むように形成されたものであってもよい。なお、拡散部材16において、回転体16aの周囲にカバーを設けてもよい。
The
中間スクリーン16mは、入射した表示光HKを拡散させることによって中間像TI又は強制中間像TI’を形成する。回転体16aの外周光学部16pに形成された他方の表面16sは、平滑面又は光学面に形成されている。回転体16aは、光透過性を有する螺旋状の部材であり、一対の表面16f,16sは、回転軸SXを螺旋軸とする螺旋面となっている。結果的に、一方の表面16f上に形成された中間スクリーン16mも螺旋面に沿って形成されたものとなっている。回転体16aは、回転軸SX又は光軸AX方向に関してほぼ等しい厚みtを有する。中間スクリーン16mは、螺旋の一周期に対応する範囲に形成されている。つまり、中間スクリーン16mは、螺旋の1ピッチ分の範囲に形成されている。この結果、拡散部材16の周に沿った一箇所に段差部16jが形成されている。回転体16aをこのような形状とすることで、回転体16aに設けた中間スクリーン16mの光軸AX方向の位置を連続的に変化させることが可能となり、虚像投影距離を変化させる投影が可能となる。
The
回転体16aにおいて、周方向に沿った一箇所は、本体光学系13の光軸AXが通る機能領域FAとなっており、機能領域FAにおける中間スクリーン16mの部分によって中間像TI(より正確には強制中間像TI’)が形成される。この機能領域FAは、回転体16aの回転に伴って回転体16a上において一定速度で移動する。つまり、回転体16aを回転させつつその一部である機能領域FAに表示光(映像光)HKを入射させることで、機能領域FA又は中間像TIの位置が光軸AXに沿って往復移動する(表示素子11の表示が動作していなければ、必ずしも表示としての中間像は形成されないが、中間像が形成されるであろう位置も中間像の位置と呼ぶ)。図示の例では、中間スクリーン16mが螺旋の一周期に対応する範囲に形成されているので、回転体16aの1回転で中間スクリーン16mの機能領域FA又は中間像TIは、光軸AX方向に段差に相当する距離だけ1往復することになる。
One portion of the
なお、投影光学系15は、拡散部材16の回転体16a又は中間スクリーン16mの位置によってピントぼけが生じないように、機能領域FAの移動範囲以上の所定の焦点深度を有する。
Note that the projection
駆動装置162によって拡散部材16を一定速度で回転軸SXの周りに回転させることで、回転体16aの中間スクリーン16mが光軸AXと交差する位置(つまり機能領域FA)も光軸AX方向に移動する。つまり、例えば図8(C)に示すように、回転体16aの回転に伴って、中間スクリーン16m上の機能領域FAは、例えば等角度でずれた位置に設定された隣接する機能領域FA’に順次シフトし、光軸AX方向に移動する。このような機能領域FAの光軸AX方向への移動により、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。拡散部材16が回転軸SXの周りに回転して機能領域FAに対応する中間像TIの位置が光軸AX方向に繰り返し周期的に移動し、拡大投射光学系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、又は短くすることができる。
By rotating the
中間スクリーン16mは、第1ミラー17aと第2ミラー17bとの間において中間スクリーン16m側にあって光束の最も外側の光線L1に対して略平行に配置されている(図3参照)。また、図7に示すように、回転体16a又は中間スクリーン16mの回転軸SXは、拡大投射光学系17の第1ミラー17aと第2ミラー17bとの間に配置されて第1ミラー17aの反射前後の光軸AXを含む面に略平行に延びている。中間スクリーン16mの回転軸SXを拡大投射光学系17の2つのミラー17a,17b間に配置する構成とすることで、中間スクリーン16mの外側端部を第1ミラー17aの内側下方に配置することができ、装置を小型化しつつ、距離変化が可能となる。
The
図7に示す投影光学系15からの表示光HKは、図8(A)に示す回転体16aの中間スクリーン16mを通過して拡散度が調整され、拡大投射光学系17を経て表示スクリーン20で反射される。
The display light HK from the projection
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
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
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、拡大投射光学系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
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
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
また、上記実施形態において、投影光学系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 projection
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、短辺方向や長辺方向に偏向特性や拡散特性を有する構成としてもよい。
Further, in the above embodiment, the configuration of the
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
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…拡散部材、 16m…中間スクリーン、 17…拡大投射光学系、 17a,17b…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、 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、 162…駆動装置、 200…移動体用表示システム、 AX…光軸、 EB…アイボックス、 HK…表示光、 HW1,HW2,HW3…表示枠、 IM,IM1,IM2,IM3…表示像、 OB,OB1,OB2,OB3…オブジェクト、 SX…回転軸、 TI…中間像、 UN…運転者
Claims (5)
前記拡大投射光学系は、前記中間スクリーン側から順に第1ミラーと第2ミラーとを有し、
前記中間スクリーンは、前記第1ミラーと前記第2ミラーとの間において前記中間スクリーン側にあって光束の最も外側の光線に対して略平行に配置されることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。 A display element, a projection optical system for enlarging an image formed on the display element, an intermediate screen having a diffusion function and arranged on the light exit side of the projection optical system, and an intermediate image formed on the intermediate screen And an expansion projection optical system for enlarging and projecting
The enlarged projection optical system has a first mirror and a second mirror in order from the intermediate screen side,
The head-up display device, wherein the intermediate screen is disposed between the first mirror and the second mirror on the intermediate screen side and substantially parallel to an outermost light beam of a light beam.
−30<θ<+30 … (1)
ここで、
θ:前記光束の最も外側の光線と前記中間スクリーンとのなす角 The head-up display device according to claim 1, wherein the following conditional expression is satisfied.
−30 <θ <+30 (1)
here,
θ: the angle between the outermost ray of the light beam and the intermediate screen
前記表示スクリーンは、コンバイナーであることを特徴とする請求項1から4までのいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。 A display screen that projects a virtual image formed by the enlarged projection optical system,
The head-up display device according to any one of claims 1 to 4, wherein the display screen is a combiner.
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