JP2020042154A - Head-up display device - Google Patents

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JP2020042154A JP2018169224A JP2018169224A JP2020042154A JP 2020042154 A JP2020042154 A JP 2020042154A JP 2018169224 A JP2018169224 A JP 2018169224A JP 2018169224 A JP2018169224 A JP 2018169224A JP 2020042154 A JP2020042154 A JP 2020042154A
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一能 野口
Kazuyoshi Noguchi
一能 野口
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Abstract

To provide a head-up display device that is compact and can project a virtual image at a plurality of distances.SOLUTION: A head-up display device 100 comprises: a display element 11; a projection optical system 15 that enlarges an image formed on the display element 11; an intermediate screen 16m that has a diffusion function and is arranged on a light-emission side of the projection optical system 15; and an enlargement projection optical system 17 that enlarges and projects an intermediate image TI formed on the intermediate screen 16m. The enlargement projection optical system 17 has a first mirror 17a and a second mirror 17b in order from the intermediate screen 16m, and the intermediate screen 16m is arranged substantially parallel to light close to the intermediate screen 16m and on the outermost side of a light beam between the first mirror 17a and second mirror 17b.SELECTED DRAWING: Figure 2

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.

特開2009−150947号公報JP 2009-150947 A

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.

(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. ヘッドアップディスプレイ装置における中間スクリーンの配置を説明する断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an arrangement of an intermediate screen in the head-up display device. (A)及び(B)は、ヘッドアップディスプレイ装置の具体的な光学系を説明する側方斜視図及び背面側斜視図である。(A) and (B) are a side perspective view and a back side perspective view for explaining a specific optical system of the head-up display device. 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の具体的な構成例を説明する拡大側方断面図である。It is an expanded side sectional view explaining the example of a specific structure of the head-up display device of a 2nd embodiment. (A)及び(B)は、図7のヘッドアップディスプレイ装置のうち中間スクリーンを説明する一部破断平面図及び一部破断断面図であり、(C)は、中間スクリーンの回転に伴う機能領域の移動を説明する図である。(A) and (B) are a partially cutaway plan view and a partially cutaway cross-sectional view illustrating an intermediate screen of the head-up display device of FIG. 7, and (C) is a functional area associated with rotation of the intermediate screen. It is a figure explaining movement of.

〔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。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. 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。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. 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 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 diffusion member 16 disposed downstream of the optical path, and an enlarged projection optical system 17 that converts the intermediate image TI into a virtual image. Although details will be described later, the virtual image projection distance of the display image IM is variable by the main body optical system 13. The projection optical system 15, the diffusion member 16, and the enlarged projection optical system 17 of the main optical system 13 constitute an imaging optical system 30a. In addition, a combination of the enlarged projection optical system 17 and the display screen 20 disposed above the main body optical system 13 in the main body optical system 13 constitutes an emission-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 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, forms an intermediate image TI on the diffusion member 16, and is guided to the enlarged projection optical system 17 and the like. 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 optical system 15 has a main body lens 15a. The main body lens 15a is a fixed-focus lens system, and has a plurality of lens elements (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 at an appropriate magnification, and places the intermediate image TI (or the intermediate screen TI) at a position close to the intermediate screen 16m provided on the surface of the diffusion member 16. A forced intermediate image TI ′) is formed at a position of 16 m. 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.

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 diffusion member 16 is a flat transmission type diffusion member having an intermediate screen 16m provided on the surface. The intermediate screen 16m has a diffusion property. 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 diffusion angle to a desired angle. By moving the diffusing member 16 or the intermediate screen 16m in the optical axis AX direction as described later, 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 serves as a new secondary light source and diffuses light. Therefore, it is necessary to secure a wide eye box EB even if the enlarged projection optical system 17 performs enlarged projection. Can be. As the 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.

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 member 16 is driven along the optical axis AX by a driving device 62 for changing the arrangement, for example, at a constant speed or a periodic motion. 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). By moving the 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 magnifying projection optical system 17 and the viewer Can be made longer or shorter with the driver UN. 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.

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 intermediate screen 16m is provided on the flat diffusion member 16, and the intermediate screen 16m is moved along the optical axis AX to move the intermediate screen 16m to the first mirror 17a of the later-described enlarged projection optical system 17 (that is, the intermediate mirror 16a). The mirror can be closer to the screen 16m), and the virtual image distance can be changed while the apparatus is downsized.

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 diffusion member 16 or the intermediate screen 16m along the optical axis AX is equivalent to or near the planned imaging position of the intermediate image TI, but the depth of focus of the projection optical system 15 on the diffusion member 16 side is reduced. It is desirable to be within the range. 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 moving amount of the diffusion member 16 in the optical axis AX direction is, for example, 20 mm or less. Thereby, the movement of the diffusion member 16 can be performed efficiently, and the responsiveness of the diffusion member 16 can be improved. The moving speed of the diffusion member 16 is desirably a speed that allows the display image IM as a virtual image to appear as if displayed simultaneously at a plurality of locations or a plurality of virtual image distances. The driving device 62 moves the 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.

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 diffusion member 16 is movably attached to the driving device 62 within a predetermined range along the optical axis AX direction. At the timing when the diffusion member 16 or the intermediate screen 16m is disposed on the most upstream side of the moving range (that is, on the upper side closest to the magnifying projection optical system 17), the image displayed on the intermediate screen 16m at this time is a half mirror. Is displayed as a virtual image closest to the back of the display screen (combiner) 20. In addition, at the timing when the diffusion member 16 or the intermediate screen 16m is disposed on the most downstream side of the moving range (that is, on the lowermost side farthest from the enlarged projection optical system 17), 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.

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 optical system 17 is an enlargement optical system that enlarges the forced intermediate image TI ′ formed on the intermediate screen 16m of the diffusion member 16 in cooperation with the display screen 20, and displays a virtual image in front of the driver UN. An image IM is formed. The enlarged projection optical system 17 includes a first mirror 17a and a second mirror 17b. The first and second mirrors 17a and 17b are free-form mirrors having a concave shape as a whole, and have optical power. Here, the free-form surface shape includes an aspheric surface.

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 intermediate screen 16m extends in a plane, and between the first mirror 17a and the second mirror 17b, the outermost light beam L1 on the intermediate screen 16m side. They are arranged substantially in parallel. Since the outermost light beam L1 of the light beam and the intermediate screen 16m are arranged substantially in parallel, even if the intermediate screen 16m is brought closer to the magnifying projection optical system 17, it does not interfere with the outermost light beam L1 of the light beam. In addition, since the intermediate screen 16m can be arranged closer to the enlarged projection optical system 17, the magnification of the enlarged projection optical system 17 can be increased, and the amount of movement of the intermediate screen 16m can be reduced.

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 intermediate screen 16m satisfy the following conditional expression.
−30 <θ <30 (1)
Here, θ is an angle (unit: °) between the outermost light ray L1 of the light beam and the intermediate screen 16m. By setting the value θ within the range of the conditional expression (1), the intermediate screen 16m needs to be separated as a whole as compared with the case where the outermost ray L1 of the light beam is completely parallel to the intermediate screen 16m. The distance between 16 m and the outermost light beam L1 of the light beam can be made half or less of the intermediate screen size. 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.

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 intermediate screen 16m to the exit-side combined optical system 30b. FIG. 4B is a front view illustrating an optical system according to a specific embodiment, showing optical surfaces and light rays from the intermediate screen 16m to the exit-side combining optical system 30b.

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 optical system 30b, the intermediate screen 16m of the diffusion member 16 has a rectangular contour corresponding to the angle of view. The short side direction and the long side direction of the intermediate screen 16m 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. Direction (Y direction), and the long side direction corresponds to the horizontal direction (X direction) of the virtual image.

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 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. 5 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 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 determining 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 a target object such as a car, a bicycle, and a pedestrian (for example, see the object OB shown in FIG. 6). 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 object in the image.

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-eye cameras 71a and 72a as described above, a combination of a two-dimensional camera and an infrared distance sensor may be used. 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, 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、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 display device 100 described above, the intermediate screen 16m is substantially parallel to the outermost light ray L1 of the light beam on the intermediate screen 16m side between the first mirror 17a and the second mirror 17b. , The intermediate screen 16m can be arranged close to the optical path of the next stage in a space-saving manner, and the apparatus can be downsized. Further, when the intermediate screen 16m and the outermost light beam L1 of the light beam are arranged substantially in parallel, the interval at which the intermediate image TI can be moved can be increased in order to change the virtual image projection distance. That is, the distance over which the display image (virtual image) IM can be superimposed increases. When the intermediate screen 16m and the outermost light beam L1 of the light beam are not substantially parallel, when the intermediate screen 16m is moved in a direction approaching the light beam, the intermediate screen 16m blocks a part of the light beam, and the virtual image is projected. The distance change range becomes narrow.

〔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 intermediate screen 16m or the like shown in FIG.

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 diffusion member 16 has a spiral rotating body (rotating disk) 16a having an overall shape close to a disk. The diffusing member 16 is disposed at a projection position or an image forming position by the projection optical system 15 shown in FIG. It rotates around a rotation axis SX parallel to AX. 8A to 8C, for convenience of explanation, the diffusing member 16 is shown based on local xyz rectangular coordinates, and the diffusing member 16 has an enlarged projection optical system as described later. 17 is disposed between the first mirror 17a and the second mirror 17b on the intermediate screen 16m side so as to be substantially parallel to the outermost light ray L1 of the light beam.

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 rotating body 16a has a central portion 16c and an outer peripheral optical portion 16p. One surface 16f formed on the outer peripheral optical portion 16p of the rotating body 16a is formed as a smooth surface or an optical surface, and on the surface 16f, an intermediate screen 16m serving as a diffusion surface is provided over the entire area. I have. The intermediate screen 16m is a part that controls the light distribution angle to a desired angle. The intermediate screen 16m can be a sheet to be attached to the rotating body 16a, but may be a fine uneven pattern formed on the surface of the rotating body 16a. Further, the intermediate screen 16m may be formed so as to be embedded inside the rotating body 16a. In the diffusion member 16, a cover may be provided around the rotating body 16a.

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 intermediate screen 16m forms an intermediate image TI or a forced intermediate image TI 'by diffusing the incident display light HK. The other surface 16s formed on the outer peripheral optical portion 16p of the rotating body 16a is formed as a smooth surface or an optical surface. The rotating body 16a is a spiral member having optical transparency, and the pair of surfaces 16f and 16s are spiral surfaces having the rotating axis SX as a spiral axis. As a result, the intermediate screen 16m formed on one surface 16f is also formed along the spiral surface. The rotating body 16a has substantially the same thickness t in the direction of the rotation axis SX or the optical axis AX. The intermediate screen 16m is formed in a range corresponding to one cycle of the spiral. That is, the intermediate screen 16m is formed in a range of one spiral pitch. As a result, a step 16j is formed at one location along the circumference of the diffusion member 16. By setting the rotating body 16a in such a shape, the position of the intermediate screen 16m provided on the rotating body 16a in the optical axis AX direction can be continuously changed, and the projection that changes the virtual image projection distance can be performed. Become.

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 rotating body 16a along the circumferential direction is a functional area FA through which the optical axis AX of the main body optical system 13 passes, and an intermediate image TI (more precisely, a part of the intermediate screen 16m in the functional area FA). A forced intermediate image TI ′) is formed. The functional area FA moves at a constant speed on the rotating body 16a as the rotating body 16a rotates. That is, by rotating the rotating body 16a and causing the display light (video light) HK to enter the function area FA which is a part thereof, the position of the function area FA or the intermediate image TI reciprocates along the optical axis AX. (If the display of the display element 11 is not operating, an intermediate image as a display is not necessarily formed, but a position where an intermediate image will be formed is also called an intermediate image position). In the illustrated example, since the intermediate screen 16m is formed in a range corresponding to one cycle of the spiral, the function area FA or the intermediate image TI of the intermediate screen 16m is shifted in the optical axis AX direction by one rotation of the rotating body 16a. Makes one reciprocation by the distance corresponding to.

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 optical system 15 has a predetermined depth of focus equal to or larger than the movement range of the functional area FA so that the focus is not caused by the position of the rotating body 16a of the diffusing member 16 or the position of the intermediate screen 16m.

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 diffusion member 16 around the rotation axis SX at a constant speed by the driving device 162, the position where the intermediate screen 16m of the rotating body 16a intersects the optical axis AX (that is, the functional area FA) also moves in the optical axis AX direction. I do. In other words, as shown in FIG. 8C, for example, with the rotation of the rotating body 16a, the functional area FA on the intermediate screen 16m is, for example, adjacent to the functional area FA ′ set at a position shifted at an equal angle. The light sequentially shifts and moves in the direction of the optical axis AX. By moving the functional area FA in the direction of the optical axis AX, the position of the intermediate image TI can also be moved in the direction of the optical axis AX. The diffusion member 16 rotates around the rotation axis SX, and the position of the intermediate image TI corresponding to the functional area FA repeatedly and periodically moves in the optical axis AX direction, and is formed behind the display screen 20 by the enlarged projection optical system 17. It is possible to increase or decrease the distance between the displayed image IM as the virtual image and the driver UN who is the observer.

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 intermediate screen 16m is disposed between the first mirror 17a and the second mirror 17b on the intermediate screen 16m side and substantially parallel to the outermost light ray L1 of the light beam (see FIG. 3). As shown in FIG. 7, the rotation axis SX of the rotating body 16a or the intermediate screen 16m is disposed between the first mirror 17a and the second mirror 17b of the magnifying projection optical system 17, and the reflection of the first mirror 17a is performed. It extends substantially parallel to a plane including the front and rear optical axes AX. Since the rotation axis SX of the intermediate screen 16m is arranged between the two mirrors 17a and 17b of the enlarged projection optical system 17, the outer end of the intermediate screen 16m can be arranged below the first mirror 17a. It is possible to change the distance while reducing the size of the device.

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 optical system 15 shown in FIG. 7 passes through the intermediate screen 16m of the rotating body 16a shown in FIG. Is reflected.

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、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 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 enlarged projection 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 optical system 15 is a fixed focus optical system, but may be a variable focus optical system.

また、上記実施形態において、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 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 or a diffusion characteristic in a short side direction or a long side direction.

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 an automobile 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…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 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 diffusion member, 16 m denotes an intermediate screen, and 17 denotes an enlarged projection optical system. 17b: mirror, 18: display control unit, 20: display screen, 30: virtual image display optical system, 62: drive unit, 71: driver detection unit, 72: environment monitoring unit, 90: main control unit, 100: head up Display device, 162: Drive device, 200: Display system for moving body, AX: Optical axis, EB: Eye box, HK: Display light, HW1, HW2, HW3: Display frame, IM, IM1, IM2, IM3: Display image , OB, OB1, OB2, OB3 ... object, SX ... rotation axis, TI ... intermediate image, UN ... driver

Claims (5)

表示素子と、前記表示素子に形成された像を拡大する投影光学系と、拡散機能を有し前記投影光学系の光射出側に配置される中間スクリーンと、前記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、
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.
以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
−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
前記中間スクリーンは移動する平板状の部材に設けられることを特徴とする請求項1及び2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。   3. The head-up display device according to claim 1, wherein the intermediate screen is provided on a moving flat member. 4. 前記中間スクリーンはディスクに設けられており、前記中間スクリーンの回転軸は前記第1ミラーと前記第2ミラーとの間に配置されて前記第1ミラーの反射前後の光軸を含む面に略平行に延びることを特徴とする請求項1及び2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。   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 is substantially parallel to a plane including an optical axis before and after reflection of the first mirror. The head-up display device according to claim 1, wherein the head-up display device extends. 前記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、
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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