JP2022035397A - Head-up display device - Google Patents

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一能 野口
Kazuyoshi Noguchi
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Konica Minolta Inc
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Konica Minolta Inc
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Abstract

To provide a head-up display device that can display virtual images with different virtual image distances, which are inclined at a desired and constant angle.SOLUTION: A middle screen 5 is arranged on a surface perpendicular to an optical path A0 to a foot Q1 of the perpendicular from eyes O of an observer in a display surface P1 of a virtual image Iv1. The middle screen 5 is moved parallel so that a virtual image Iv2 is displayed, which has the same inclination angle θ as that of the virtual image Iv1 and has a different virtual image distance from that of the virtual image Iv1.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。 The present invention relates to a head-up display device.

画像を、ハーフミラーからなるスクリーン(コンバイナ)の後面に投射してスクリーンの前方の所定距離に虚像として表示するヘッドアップディスプレイ(HUD:Head Up Display)装置が知られている。自動車に搭載されたヘッドアップディスプレイ装置は、従来はインストルメントパネル(インパネ)に表示していた速度や走行距離等の情報を、フロントウインドウ(フロントガラス)の前方にも表示し、さらに近年は、フロントウインドウをスクリーンとして広範囲に虚像を表示する。このようなヘッドアップディスプレイ装置は、運転者の視線移動を減らしてより安全な運転を支援する。例えば、カーナビゲーションシステムと連携して、進路を示す矢印等を道路上に表示したり目的地までの距離を表示したりする拡張現実(AR:Augmented Reality)ヘッドアップディスプレイ装置が開発されている。 A head-up display (HUD) device is known that projects an image onto the rear surface of a screen (combiner) made of a half mirror and displays it as a virtual image at a predetermined distance in front of the screen. Head-up display devices installed in automobiles display information such as speed and mileage, which was previously displayed on the instrument panel (instrument panel), also in front of the front window (windshield), and in recent years, A virtual image is displayed over a wide area using the windshield as a screen. Such a head-up display device reduces the movement of the driver's line of sight and supports safer driving. For example, an augmented reality (AR) head-up display device has been developed that displays an arrow indicating a course on a road or a distance to a destination in cooperation with a car navigation system.

一般に、ヘッドアップディスプレイ装置は、LED(Light Emitting Diode)やLD(Laser Diode)等の光源を備える画像投射機から反射鏡やレンズ等の光学素子を経由して、画像をスクリーンに所定の寸法および入射角で投射する。例えば図8に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置100は、LED光源およびDMD(Digital Micromirror Device)を備えた画像表示装置102により、拡散スクリーン(中間スクリーン)105上に画像を結像させて中間像とし、拡大光学系である拡大反射鏡108を経由してフロントウインドウ(スクリーン)Sに中間像を投射して、虚像Iv1が表示される。一般的に、虚像Iv1の中心点M1への光路C0,C0´,C1を光軸とする。また、中間スクリーン105から拡大反射鏡108とスクリーンSとで構成される光学系の主点までの光路長および焦点距離によって、虚像の奥行方向における位置、すなわち観察者(運転者)の目(アイポイントO)からの距離(虚像距離:VID)が決定される。そこで、中間スクリーン105や中間スクリーン105とスクリーンSとの間に配置した反射鏡等を移動させることにより虚像距離を変化させることができるヘッドアップディスプレイ装置が開発されている(例えば、特許文献1)。 In general, a head-up display device displays an image on a screen from an image projector equipped with a light source such as an LED (Light Emitting Diode) or LD (Laser Diode) via an optical element such as a reflector or a lens. Project at the angle of incidence. For example, as shown in FIG. 8, the head-up display device 100 forms an image on a diffuse screen (intermediate screen) 105 by an image display device 102 equipped with an LED light source and a DMD (Digital Micromirror Device) to form an intermediate image. Then, an intermediate image is projected onto the front window (screen) S via the magnifying reflector 108, which is a magnifying optical system, and the virtual image Iv1 is displayed. Generally, the optical paths C 0 , C 0 ′, and C 1 to the center point M 1 of the virtual image Iv 1 are set as the optical axis. Further, depending on the optical path length and focal length from the intermediate screen 105 to the principal point of the optical system composed of the magnifying reflector 108 and the screen S, the position in the depth direction of the virtual image, that is, the eye (eye) of the observer (driver). The distance from the point O) (virtual image distance: VID) is determined. Therefore, a head-up display device capable of changing the virtual image distance by moving an intermediate screen 105 or a reflecting mirror or the like arranged between the intermediate screen 105 and the screen S has been developed (for example, Patent Document 1). ..

また、自動車用のARヘッドアップディスプレイ装置においては、前記したような進路を示す矢印は、運転者の視線上にある実景の路面等に合わせて長い虚像距離で表示されることが好ましく、一方、速度等は、見かけ上でフロントウインドウSに表示されるように、手前すなわち短い虚像距離で表示されることが好ましい。そこで、光路方向に沿った軸で高速回転するディスク上に中間スクリーンを設けて、中間スクリーンの回転の軸方向における位置が周上で変化するように、ディスクの径に沿った段差を挟んだ高低(軸方向における位置)差のある複数の面やディスクの周に沿って傾斜した螺旋面に、中間スクリーンを形成された装置が開示されている(特許文献2)。中間スクリーンにおける、中間像の1フレーム(1コマ)が投影される領域の高さが所定範囲内で繰り返し高速で変化することにより、見かけ上、虚像距離の異なる複数の虚像を同時に表示することができる。 Further, in the AR head-up display device for automobiles, it is preferable that the arrow indicating the course as described above is displayed with a long virtual image distance according to the road surface of the actual scene in the driver's line of sight. It is preferable that the speed and the like are displayed in the foreground, that is, at a short virtual image distance, so that they are apparently displayed in the front window S. Therefore, an intermediate screen is provided on a disk that rotates at high speed along the axis along the optical path direction, and the height of the intermediate screen is set across a step along the diameter of the disk so that the position of the intermediate screen in the axial direction changes on the circumference. A device in which an intermediate screen is formed on a plurality of surfaces having a difference (position in the axial direction) or a spiral surface inclined along the circumference of a disk is disclosed (Patent Document 2). By repeatedly changing the height of the area where one frame (one frame) of the intermediate image is projected on the intermediate screen at high speed within a predetermined range, it is possible to simultaneously display multiple virtual images with different virtual image distances. can.

さらに、例えば道路上に表示する矢印等の虚像を、虚像表示領域における上側が前方(遠方)に表示されるように鉛直面(地面に垂直な面、Y軸を含む平面)に対して前傾して表示することが要求される場合がある。この場合、運転者の座高等による見下ろし角(俯角)φにもよるが、図8に示すように、虚像Iv1が表示される面(虚像表示面)P1は、アイポイントOと虚像Iv1(中心点M1)を結ぶ視線(光軸)C1の垂直面に対して、角度θ1(0°<θ1<90°)傾斜している。このような虚像Iv1は、中間スクリーン105を、当該中間スクリーン105における光軸C0の垂直面に対して傾斜して配置することにより、表示することができる(例えば、特許文献3)。 Further, for example, a virtual image such as an arrow displayed on a road is tilted forward with respect to a vertical surface (a plane perpendicular to the ground, a plane including the Y axis) so that the upper side in the virtual image display area is displayed forward (far). May be required to display. In this case, as shown in FIG. 8, the surface (virtual image display surface) P1 on which the virtual image Iv1 is displayed is the eye point O and the virtual image Iv1 (center), although it depends on the viewing angle (depression angle) φ due to the sitting height of the driver. The angle θ 1 (0 ° <θ 1 <90 °) is tilted with respect to the vertical plane of the line of sight (optical axis) C 1 connecting the points M 1 ). Such a virtual image Iv1 can be displayed by arranging the intermediate screen 105 at an angle with respect to the vertical plane of the optical axis C0 in the intermediate screen 105 (for example, Patent Document 3).

特許第6252883号公報Japanese Patent No. 6252883 国際公開第2019/070080号International Publication No. 2019/070080 特開2020-64235号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2020-64235

虚像Iv1を傾斜させて表示するために、図8に示すように中間スクリーン105を光軸C0の垂直面に対して傾斜して配置する場合、この中間スクリーン105の傾斜角度θ0は、虚像Iv1の虚像表示面P1の傾斜角度θ1と必ずしも一致しない。そして、虚像距離の異なる虚像Iv2を表示するために、中間スクリーン105を光軸C0方向に平行移動させると、虚像Iv2が、虚像表示面P1とは異なる角度θ2(≠θ1)に傾斜した虚像表示面P2に表示される場合がある。さらに、虚像Iv1,Iv2が上下で異なる倍率に拡大されて形状が歪むことがある。虚像距離の異なる虚像Iv1,Iv2のそれぞれの虚像表示面が地面に対して一定のかつ所望の傾斜角度となるように、中間スクリーン105をそれぞれ角度を変えて配置し、または移動させるのは困難であり、構造が複雑化する。さらに、虚像Iv1,Iv2の形状が歪みなく表示されるように、虚像距離に応じて中間像を描画するのは、困難である。 When the intermediate screen 105 is tilted with respect to the vertical plane of the optical axis C 0 as shown in FIG. 8 in order to display the virtual image Iv1 in an inclined manner, the inclination angle θ 0 of the intermediate screen 105 is a virtual image. It does not always match the inclination angle θ 1 of the virtual image display surface P1 of Iv1. Then, when the intermediate screen 105 is translated in the optical axis C 0 direction in order to display the virtual images Iv2 having different virtual image distances, the virtual image Iv2 is tilted at an angle θ 2 (≠ θ 1 ) different from the virtual image display surface P1. It may be displayed on the virtual image display surface P2. Further, the virtual images Iv1 and Iv2 may be magnified at different magnifications in the vertical direction and the shape may be distorted. It is difficult to arrange or move the intermediate screen 105 at different angles so that the virtual image display surfaces of the virtual images Iv1 and Iv2 having different virtual image distances have a constant and desired tilt angle with respect to the ground. Yes, the structure becomes complicated. Further, it is difficult to draw an intermediate image according to the virtual image distance so that the shapes of the virtual images Iv1 and Iv2 are displayed without distortion.

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、所望の角度で傾斜し、かつ形状の歪みのない虚像を表示し、さらに、傾斜角度を一定として異なる虚像距離で表示可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and is a head-up that can display a virtual image that is tilted at a desired angle and has no shape distortion, and can be displayed at different virtual image distances with a constant tilt angle. An object is to provide a display device.

本発明の上記課題は、下記の構成により解決される。 The above problem of the present invention is solved by the following configuration.

(1)中間スクリーンを含む1以上の光学素子で構成された光学系と、前記中間スクリーンに中間像を結像するための光を投影する画像投影手段と、を備えて、前記光学系が前記中間像をスクリーンの一面に投射して前記スクリーンの他面側に虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記中間スクリーンまたは前記中間スクリーンを含む面から垂直に出射して前記スクリーンの前記一面で反射した光線であって観察者の目に入射する光線が、前記観察者の目から虚像の表示面に下した垂線上にあり、
地面に垂直な面に対して前記虚像の表示面が傾斜していることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
(1) The optical system includes an optical system composed of one or more optical elements including an intermediate screen, and an image projection means for projecting light for forming an intermediate image on the intermediate screen. A head-up display device that projects an intermediate image onto one surface of a screen and displays a virtual image on the other surface of the screen.
Light rays that are vertically emitted from the intermediate screen or a surface including the intermediate screen and reflected on the one surface of the screen and are incident on the observer's eyes are lowered from the observer's eyes to the display surface of the virtual image. It is on the vertical line
A head-up display device characterized in that the display surface of the virtual image is inclined with respect to a surface perpendicular to the ground.

(2)中間スクリーンを含む1以上の光学素子で構成された光学系と、前記中間スクリーンに中間像を結像するための光を投影する画像投影手段と、を備えて、前記光学系が前記中間像をスクリーンの一面に投射して前記スクリーンの他面側に虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記光学素子の少なくとも1つが平行移動することにより虚像の虚像距離が変化すると共に、前記中間スクリーンまたは前記中間スクリーンを含む面から垂直に出射して前記スクリーンで反射した光線であって観察者の目に入射する光線が、前記観察者の目から前記虚像の表示面に下した垂線上に常にあり、
異なる虚像距離の虚像を、地面に垂直な面に対して同一角度で傾斜した面に表示することを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
(2) The optical system includes an optical system composed of one or more optical elements including an intermediate screen, and an image projection means for projecting light for forming an intermediate image on the intermediate screen. A head-up display device that projects an intermediate image onto one surface of a screen and displays a virtual image on the other surface of the screen.
The virtual image distance of the virtual image changes due to the parallel movement of at least one of the optical elements, and the light beam emitted vertically from the intermediate screen or the surface including the intermediate screen and reflected by the screen is the eyes of the observer. The light rays incident on the image are always on the vertical line drawn from the observer's eyes to the display surface of the virtual image.
A head-up display device characterized by displaying virtual images of different virtual image distances on a surface inclined at the same angle with respect to a surface perpendicular to the ground.

(3)任意の虚像距離に虚像を表示するときの中間像から出射し前記スクリーンの前記一面で反射して前記観察者の目に入射する光線または前記光線の延長線の、前記虚像距離と異なる虚像距離に虚像を表示するときの前記中間スクリーン上の交点の少なくとも一部が、前記中間スクリーンに結像する中間像に含まれることを特徴とする(2)に記載のヘッドアップディスプレイ装置。 (3) A ray emitted from an intermediate image when displaying a virtual image at an arbitrary virtual image distance, reflected on the one side of the screen and incident on the observer's eyes, or an extension of the ray, is different from the virtual image distance. The head-up display device according to (2), wherein at least a part of the intersections on the intermediate screen when displaying a virtual image at a virtual image distance is included in the intermediate image formed on the intermediate screen.

本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置によれば、所望の角度で傾斜し、かつ形状の歪みのない虚像を表示し、さらに、傾斜角度を一定として異なる虚像距離で表示することができる。 According to the head-up display device according to the present invention, a virtual image that is tilted at a desired angle and has no shape distortion can be displayed, and further, the tilt angle can be kept constant and displayed at different virtual image distances.

本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置およびこれにより表示される虚像の位置を説明する概略構成図である。It is a schematic block diagram explaining the position of the head-up display device which concerns on this invention, and the virtual image displayed by this. 光軸に対して傾斜した物体の結像光学系による倒立実像の模式図である。It is a schematic diagram of an inverted real image by an imaging optical system of an object inclined with respect to an optical axis. 本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置の概念を説明するための、結像光学系による倒立実像の模式図である。It is a schematic diagram of the inverted real image by the imaging optical system for demonstrating the concept of the head-up display apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置の概念を説明するための、結像光学系による倒立実像の模式図である。It is a schematic diagram of the inverted real image by the imaging optical system for demonstrating the concept of the head-up display apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置の概念を説明するための虚像光学系の模式図である。It is a schematic diagram of the virtual image optical system for demonstrating the concept of the head-up display apparatus which concerns on this invention. 本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the structure of the head-up display device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態の変形例に係るヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the head-up display apparatus which concerns on the modification of embodiment of this invention. 本発明の別の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the head-up display apparatus which concerns on another embodiment of this invention. 従来のヘッドアップディスプレイ装置およびこれにより表示される虚像の位置を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the position of the conventional head-up display device and the virtual image displayed by this.

以下に、本発明を実施するための形態(実施形態)におけるヘッドアップディスプレイ装置を、図面を参照して説明する。なお、図面に示す部材は、説明を明確にするために、大きさや位置関係等を誇張していることがあり、また、形状や構造を単純化していることがある。また、以下の説明において、同一のまたは同質の部材については、同一の符号を付し、説明を適宜省略する。 Hereinafter, the head-up display device according to the embodiment (embodiment) for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. The members shown in the drawings may be exaggerated in size, positional relationship, etc., and may have a simplified shape or structure in order to clarify the explanation. Further, in the following description, the same or the same quality members are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate.

〔ヘッドアップディスプレイ装置〕
図1は、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置の概略図であり、自動車に搭載された状態の側方から見た構成図である。本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置10は、自動車のフロントウインドウをスクリーンSとする自動車用ARヘッドアップディスプレイ装置であり、運転者(観察者。図中、目のみを示す)に対してフロントウインドウSの前方に虚像Iv1,Iv2を表示する。そのために、ヘッドアップディスプレイ装置10は、自動車のインストルメントパネルに収納され、インストルメントパネルの天板Tに形成された窓からフロントウインドウSの車内側の面に画像を投射する。フロントウインドウSは、光を透過しかつ反射するハーフミラーとして機能し、一般に、反射面(車内側の面)が凹面である。
[Head-up display device]
FIG. 1 is a schematic view of a head-up display device according to the present invention, and is a configuration diagram seen from the side of a state mounted on an automobile. The head-up display device 10 according to the embodiment of the present invention is an AR head-up display device for automobiles having a front window of the automobile as a screen S, and is for a driver (observer; only eyes are shown in the figure). The virtual images Iv1 and Iv2 are displayed in front of the front window S. Therefore, the head-up display device 10 is housed in the instrument panel of the automobile, and projects an image from the window formed on the top plate T of the instrument panel onto the inner surface of the front window S. The front window S functions as a half mirror that transmits and reflects light, and the reflecting surface (the surface inside the vehicle) is generally concave.

ヘッドアップディスプレイ装置10は、投影光学系3、中間スクリーン5、および拡大反射鏡8からなる光学系、ならびに画像表示装置(画像投影手段)2を備え、さらに、画像表示装置2が表示する画像を外部信号に基づいて形成する画像形成モジュール1、そしてこれらを収容して一体のユニットとするケーシング(図示省略)を備える。画像表示装置2から投影された光は、投影光学系3を経由して中間スクリーン5で中間像を結像し、拡大反射鏡8で反射してフロントウインドウSの車内側の面に投射される。以下、ヘッドアップディスプレイ装置10の各要素について、詳細に説明する。 The head-up display device 10 includes an optical system including a projection optical system 3, an intermediate screen 5, and a magnifying reflector 8, and an image display device (image projection means) 2, and further displays an image displayed by the image display device 2. It includes an image forming module 1 formed based on an external signal, and a casing (not shown) that accommodates and forms an integrated unit. The light projected from the image display device 2 forms an intermediate image on the intermediate screen 5 via the projection optical system 3, is reflected by the magnifying reflector 8, and is projected onto the inner surface of the vehicle of the front window S. .. Hereinafter, each element of the head-up display device 10 will be described in detail.

(画像形成モジュール)
画像形成モジュール1は、プリント基板およびその上に搭載された集積回路(IC:Integrated Circuit)等を備え、外部から入力された信号に基づき、画像データを生成して画像表示装置2に出力する。画像形成モジュール1は、画像表示装置2と一体に設けられていてもよいし、フレキシブルフラットケーブル(FFC)等で画像表示装置2と接続していてもよい。
(Image formation module)
The image forming module 1 includes a printed circuit board and an integrated circuit (IC) mounted on the printed circuit board, and generates image data based on a signal input from the outside and outputs the image data to the image display device 2. The image forming module 1 may be provided integrally with the image display device 2, or may be connected to the image display device 2 by a flexible flat cable (FFC) or the like.

(画像表示装置)
画像表示装置2は、光源および空間光変調器等で構成され、中間スクリーン5に二次元の中間像を結像するための光を投影する。画像表示装置2は、DLP(登録商標)方式が好適であり、LED光源またはレーザー光源、およびMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)で駆動する微小ミラーを二次元配列したDMD(Digital Micromirror Device)で構成される。また、画像表示装置2は、レーザー走査方式を適用することもでき、レーザー光源およびMEMS駆動のミラーで構成される。あるいは、画像表示装置2は、LCOS(Liquid Crystal On Silicon)による反射型液晶パネルを適用することもでき、LED光源、R,G,B各色の画像パターンを表示する計3枚の液晶パネル、およびダイクロイックプリズム等の色合成光学系で構成される。
(Image display device)
The image display device 2 is composed of a light source, a spatial light modulator, and the like, and projects light for forming a two-dimensional intermediate image on the intermediate screen 5. The image display device 2 is preferably a DLP (registered trademark) method, and is composed of an LED light source or a laser light source, and a DMD (Digital Micromirror Device) in which micromirrors driven by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) are two-dimensionally arranged. To. Further, the image display device 2 can also apply a laser scanning method, and is composed of a laser light source and a MEMS-driven mirror. Alternatively, the image display device 2 can be applied with a reflective liquid crystal panel by LCOS (Liquid Crystal On Silicon), and has an LED light source, a total of three liquid crystal panels displaying image patterns of R, G, and B colors, and a total of three liquid crystal panels. It is composed of a color synthesis optical system such as a dichroic prism.

(中間スクリーン)
中間スクリーン5は、画像表示装置2から照射されて投影光学系3を経由した光が中間像として結像されるための光学素子であり、さらに中間スクリーン5は、この中間像を拡散する。そのために、ヘッドアップディスプレイ装置10において、中間スクリーン5は、投影光学系3の焦点深度内に配置されることが好ましい。本実施形態においては、中間スクリーン5は、透過型の拡散板、例えばマイクロレンズアレイであり、一面側から入射した光を所望の配向角に拡散させて他面側へ出射する。このような中間スクリーン5は、ガラスや樹脂等の透明な材料で形成される。また、後記するように、ヘッドアップディスプレイ装置10において、中間スクリーン5は仮想光軸A0に垂直な面に配置される。
(Intermediate screen)
The intermediate screen 5 is an optical element for forming an image of light emitted from the image display device 2 and passing through the projection optical system 3 as an intermediate image, and the intermediate screen 5 further diffuses the intermediate image. Therefore, in the head-up display device 10, the intermediate screen 5 is preferably arranged within the depth of focus of the projection optical system 3. In the present embodiment, the intermediate screen 5 is a transmissive diffuser plate, for example, a microlens array, and diffuses light incident from one surface side to a desired orientation angle and emits light to the other surface side. Such an intermediate screen 5 is made of a transparent material such as glass or resin. Further, as will be described later, in the head-up display device 10, the intermediate screen 5 is arranged on a plane perpendicular to the virtual optical axis A 0 .

(投影光学系)
投影光学系3は、画像表示装置2が出射した光が中間スクリーン5に中間像を結像するように好適に投影されるために、必要に応じて設けられる光学素子であり、例えば、中間スクリーン5の投影領域(中間像の結像可能領域)への入射光の光束径や光強度、拡がり等を調整するレンズである。投影光学系3は、図1では1枚の凸レンズで表されるが、2枚以上のレンズで構成されたり、画像表示装置2と中間スクリーン5の配置に応じて反射鏡(平面鏡、曲面鏡)をさらに備えたりしてもよい(後記変形例参照)。投影光学系3はさらに、焦点可変光学系やテレセントリック光学系を有していてもよい。
(Projection optical system)
The projection optical system 3 is an optical element provided as necessary so that the light emitted by the image display device 2 is suitably projected onto the intermediate screen 5 so as to form an intermediate image. For example, the intermediate screen. It is a lens that adjusts the luminous flux diameter, light intensity, spread, and the like of the incident light to the projection region (the region where the image can be formed of the intermediate image) of 5. Although the projection optical system 3 is represented by one convex lens in FIG. 1, it may be composed of two or more lenses, or a reflecting mirror (plane mirror, curved mirror) depending on the arrangement of the image display device 2 and the intermediate screen 5. (See the modified example below). The projection optical system 3 may further include a variable focus optical system or a telecentric optical system.

(拡大反射鏡)
拡大反射鏡8は、中間スクリーン5から拡散された光(中間像)を、フロントウインドウSの車内側の面に所定の入射角で投射する。拡大反射鏡8は、虚像Iv1,Iv2が運転者の視野に、かつそれぞれの所定の虚像距離に表示可能となるように、フロントウインドウSの入射面(一般的には車内側の面)形状に基づいた面形状(例えば、凹面型の自由曲面)に形成され、さらに向きおよび配置を設定される。ヘッドアップディスプレイ装置10は、さらに必要に応じて、中間スクリーン5と拡大反射鏡8との間に、反射鏡やレンズ等の光学素子を備えていてもよい。
(Magnifying reflector)
The magnifying reflector 8 projects the light (intermediate image) diffused from the intermediate screen 5 onto the inner surface of the vehicle of the front window S at a predetermined angle of incidence. The magnifying reflector 8 has the shape of the incident surface (generally the inner surface of the vehicle) of the front window S so that the virtual images Iv1 and Iv2 can be displayed in the driver's field of view and at their respective predetermined virtual image distances. It is formed into a surface shape based on it (for example, a concave free curved surface), and its orientation and arrangement are further set. If necessary, the head-up display device 10 may further include an optical element such as a reflector or a lens between the intermediate screen 5 and the magnifying reflector 8.

〔ヘッドアップディスプレイ装置の動作〕
本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置の概念を説明する。
図1に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置10は、虚像Iv1を虚像表示面P1に、虚像Iv2を虚像表示面P2に、それぞれ表示する。ここで、虚像表示面P1,P2は、ヘッドアップディスプレイ装置10による虚像の表示可能領域を表し、虚像表示面P1,P2における中心を中点M1,M2と称する。また、中間スクリーン5において中点M1,M2に表示される点を投影する点(図5の点m1,m2)からアイポイントOへの光路を中心線C(C0,C0´,C1)と称し、一点鎖線で表す。詳しくは、中間スクリーン5から出射して直進する光においては中心線C0とし、拡大反射鏡8で反射してスクリーンSに投射される光においては中心線C0´とする。そして、スクリーンSで反射してアイポイントOに入射する光においては、中心線C1とする。中心線C1は、アイポイントOから中点M1,M2への視線でもある。
[Operation of head-up display device]
The concept of the head-up display device according to the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, the head-up display device 10 displays the virtual image Iv1 on the virtual image display surface P1 and the virtual image Iv2 on the virtual image display surface P2. Here, the virtual image display surfaces P1 and P2 represent a displayable area of a virtual image by the head-up display device 10 , and the centers of the virtual image display surfaces P1 and P2 are referred to as midpoints M1 and M2 . Further, the center line C (C 0 , C 0 ) is the optical path from the point (points m 1 , m 2 in FIG. 5) at which the points displayed at the midpoints M 1 and M 2 are projected on the intermediate screen 5 to the eye point O. It is called ´, C 1 ) and is represented by a one-dot chain line. Specifically, the center line C 0 is used for the light emitted from the intermediate screen 5 and traveling straight, and the center line C 0 ′ is used for the light reflected by the magnifying reflector 8 and projected onto the screen S. Then, in the light reflected by the screen S and incident on the eye point O, the center line C 1 is set. The center line C 1 is also the line of sight from the eye point O to the midpoints M 1 and M 2 .

図8に示すように、従来のヘッドアップディスプレイ装置100は、中心線Cを光軸として、虚像Iv1,Iv2を表示するように構成されている。そのために、画像表示装置102は、中心線C0を光軸とした光を中間スクリーン105に投影し、投影光学系103は、主軸を中心線C0に合わせて配置される。また、虚像Iv1を、アイポイントOから虚像Iv1への中心線C1に垂直な面に対して傾斜した虚像表示面P1に表示するためには、中間スクリーン105を、当該中間スクリーン105に入射する光の光軸(中心線)C0に垂直な面に対して傾斜させる。虚像表示面P1を傾斜角θ1とするために、中間スクリーン105は傾斜角θ0とする。また、虚像Iv1よりも長い虚像距離で虚像Iv2を表示するためには、中間スクリーン105を、両矢印で示すように光軸(中心線C0)方向に平行移動させて、拡大反射鏡108とスクリーンSで構成される光学系の主点までの光路長を長くする。 As shown in FIG. 8, the conventional head-up display device 100 is configured to display virtual images Iv1 and Iv2 with the center line C as the optical axis. Therefore, the image display device 102 projects light with the center line C 0 as the optical axis onto the intermediate screen 105, and the projection optical system 103 is arranged with the main axis aligned with the center line C 0 . Further, in order to display the virtual image Iv1 on the virtual image display surface P1 inclined with respect to the plane perpendicular to the center line C1 from the eye point O to the virtual image Iv1 , the intermediate screen 105 is incident on the intermediate screen 105. It is tilted with respect to the plane perpendicular to the optical axis (center line) C 0 of light. Since the virtual image display surface P1 has an inclination angle θ 1 , the intermediate screen 105 has an inclination angle θ 0 . Further, in order to display the virtual image Iv2 at a virtual image distance longer than that of the virtual image Iv1, the intermediate screen 105 is moved in parallel in the optical axis (center line C 0 ) direction as shown by the double arrow, and the magnifying reflector 108 is used. The optical path length to the principal point of the optical system composed of the screen S is lengthened.

ここで、物体と虚像の位置および傾斜角について簡潔に説明するために、虚像に代えて、1枚の凸レンズD1からなる一般的な結像光学系による倒立実像の結像を例にして説明する。図2、ならびに後記の図3Aおよび図3Bにおいては、実像を、表示領域中心から下方に向かう矢印で表す。 Here, in order to briefly explain the positions and tilt angles of the object and the virtual image, instead of the virtual image, an image of an inverted real image by a general imaging optical system composed of one convex lens D1 will be described as an example. .. In FIG. 2 and FIGS. 3A and 3B described later, the real image is represented by an arrow pointing downward from the center of the display area.

図2に示すように、光軸A(レンズD1の主軸)に垂直な面に対して角度θ1傾斜した実像Ir1を結像させるために、物体OBJは角度θ0傾斜させる(θ0≠θ1)。この物体OBJをレンズD1に近付けるように光軸A方向に移動させると、実像Ir1よりも結像距離が長く、かつ拡大された実像Ir2が結像する。この実像Ir2は、虚像Iv1と異なる角度θ2で傾斜する。また、実像Ir1,Ir2は、光軸A上の中心部分に対して下側(物体OBJにおける上側)が遠方に表示されるので、物体OBJの上側の倍率が高く、下側の倍率が低く表示されて像が歪む。 As shown in FIG. 2, the object OBJ is tilted by an angle θ 00 ≠ θ) in order to form a real image Ir1 tilted by an angle θ 1 with respect to a plane perpendicular to the optical axis A (the main axis of the lens D1). 1 ). When this object OBJ is moved in the optical axis A direction so as to be closer to the lens D1, an enlarged real image Ir2 having a longer image formation distance than the real image Ir1 is formed. This real image Ir2 is tilted at an angle θ 2 different from that of the virtual image Iv1. Further, since the lower side (upper side in the object OBJ) of the real images Ir1 and Ir2 is displayed far from the central portion on the optical axis A, the upper side magnification of the object OBJ is high and the lower side magnification is low. The image is distorted.

そこで、図3Aに示すように、それぞれ光軸Aに垂直な物体OBJおよび実像Ir1を、その中心(図中、矢印の根元)同士を結んだ直線CがレンズD1の中心(主点)oを通り、かつ光軸Aに角度θ傾斜するように配置する。このような配置において、物体OBJをレンズD1に近付けるように線Cに沿って移動させると、実像Ir1よりも結像距離が長くかつ拡大され、一方で実像Ir1と同じく光軸Aに垂直な実像Ir2が、中心を線C上にして結像する。実像Ir1,Ir2は、光軸Aに垂直であるので、それぞれの像内において一定の、結像距離に応じた倍率を有し、像が歪まない。このように配置された物体OBJおよびレンズD1を、角度θ回転させて、図3Bに示すように線(中心線)Cを水平にすると、物体OBJと同じ角度θで傾斜し、結像距離の異なる実像Ir1,Ir2が、表示領域中心を一直線上にして得られる。 Therefore, as shown in FIG. 3A, the straight line C connecting the centers (the roots of the arrows in the figure) of the object OBJ and the real image Ir1 perpendicular to the optical axis A is the center (main point) o of the lens D1. It is arranged so as to pass through and be inclined by an angle θ with respect to the optical axis A. In such an arrangement, when the object OBJ is moved along the line C so as to be closer to the lens D1, the imaging distance is longer and larger than that of the real image Ir1, while the real image is perpendicular to the optical axis A like the real image Ir1. Ir2 forms an image with the center on the line C. Since the real images Ir1 and Ir2 are perpendicular to the optical axis A, they have a constant magnification in each image according to the imaging distance, and the image is not distorted. When the object OBJ and the lens D1 arranged in this way are rotated by an angle θ and the line (center line) C is made horizontal as shown in FIG. 3B, the object OBJ and the lens D1 are tilted at the same angle θ as the object OBJ, and the imaging distance is increased. Different real images Ir1 and Ir2 are obtained with the center of the display area aligned.

虚像光学系においても同様に、所望の角度に傾斜し、かつ表示領域内で均等な倍率の虚像を結像することができ、さらにこのような虚像を、一定の傾斜角度を保って虚像距離を変化させることができる。図4に、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置の光学モデルとして、凹面鏡からなる結像光学系を示す。図4に示すように、凹面鏡D2の光軸Aに垂直な物体OBJは、凹面鏡D2の焦点Fよりも内側に、かつ、当該物体OBJの中心(図中、矢印の根元)と凹面鏡D2の球心Oとを結んだ直線Cが光軸Aに角度θ傾斜するように配置される。すると、凹面鏡D2の向こう側に、光軸Aに垂直な虚像Iv1が、中心を線Cの延長上として結像する。物体OBJを凹面鏡D2の焦点Fに近付けるように凹面鏡D2から遠ざかる方向に線Cに沿って移動させると、虚像Iv1よりも虚像距離が長くかつ拡大され、一方で虚像Iv1と同じく光軸Aに垂直で中心が線C上の虚像Iv2が結像する。したがって、虚像Iv1の表示領域の中心と結像光学系の中心すなわち観察者の目とを結ぶ直線Cに対して所望の角度θ傾斜した線を結像光学系の光軸Aとし、物体OBJを光軸Aに垂直な面に配置することにより、線Cに対して同じ角度θで傾斜し、領域全体で均等に拡大した虚像Iv1が結像する。また、物体OBJを結像光学系(凹面鏡D2)からの距離が変化するように平行移動させることにより、虚像距離および拡大倍率が変化し、かつ虚像Iv1と同様に領域全体で均等に拡大し角度θで傾斜した虚像Iv2が結像する。さらに、このとき、物体OBJを線C方向に移動させることにより、虚像Iv2の表示領域中心が線C上からずれずに表示される。 Similarly, in the virtual image optical system, it is possible to form a virtual image that is tilted to a desired angle and has a uniform magnification within the display area, and further, such a virtual image can be tilted at a constant tilt angle to obtain a virtual image distance. Can be changed. FIG. 4 shows an imaging optical system composed of a concave mirror as an optical model of the head-up display device according to the present invention. As shown in FIG. 4, the object OBJ perpendicular to the optical axis A of the concave mirror D2 is inside the focal point F of the concave mirror D2, and is the center of the object OBJ (the base of the arrow in the figure) and the sphere of the concave mirror D2. The straight line C connecting the center O is arranged so as to be inclined by an angle θ with respect to the optical axis A. Then, on the other side of the concave mirror D2, a virtual image Iv1 perpendicular to the optical axis A is formed with the center as an extension of the line C. When the object OBJ is moved along the line C in the direction away from the concave mirror D2 so as to be closer to the focal point F of the concave mirror D2, the virtual image distance is longer and larger than the virtual image Iv1, while it is perpendicular to the optical axis A like the virtual image Iv1. A virtual image Iv2 whose center is on the line C is formed. Therefore, the line inclined by a desired angle θ with respect to the straight line C connecting the center of the display region of the virtual image Iv1 and the center of the imaging optical system, that is, the observer's eyes is defined as the optical axis A of the imaging optical system, and the object OBJ is defined as the object OBJ. By arranging it on a plane perpendicular to the optical axis A, a virtual image Iv1 that is inclined at the same angle θ with respect to the line C and is uniformly enlarged over the entire region is formed. Further, by moving the object OBJ in parallel so that the distance from the imaging optical system (concave mirror D2) changes, the virtual image distance and the magnifying power are changed, and the virtual image is uniformly magnified over the entire region and the angle is the same as that of the virtual image Iv1. A virtual image Iv2 tilted at θ is formed. Further, at this time, by moving the object OBJ in the line C direction, the center of the display area of the virtual image Iv2 is displayed without shifting from the line C.

そこで、本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置は、図1および図5を参照して以下に説明するように構成される。図5は、本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の模式図であり、図1の部分拡大図に相当する。また、図5、ならびに後記の図6および図7において、インストルメントパネルの天板Tは省略する。 Therefore, the head-up display device according to the embodiment of the present invention is configured as described below with reference to FIGS. 1 and 5. FIG. 5 is a schematic view of the head-up display device according to the embodiment of the present invention, and corresponds to a partially enlarged view of FIG. Further, in FIG. 5 and FIGS. 6 and 7 described later, the top plate T of the instrument panel is omitted.

ヘッドアップディスプレイ装置10は、虚像Iv1の虚像表示面P1への垂直な光路を仮想的な光軸(仮想光軸)とし、図4の物体OBJに代えて中間スクリーン5を仮想光軸に垂直な面に配置する。なお、一般的に、ARヘッドアップディスプレイ装置は、視野角(FOV)が縦方向(V方向)では4°程度以上が好ましい。傾斜角度θが視野角の1/2を超えると、アイポイントOから虚像表示面P1への垂線が虚像表示面P1(虚像表示領域)内を通らないが、この場合には、図1に示すように、虚像表示面P1の延長上の交点(垂線の足)Q1を通る光路(仮想光軸)A1に基づいて設計される。そして、拡大反射鏡8やスクリーンSを経由して点Q1に到達する、画像表示装置2からの仮想光軸A0に垂直な面に中間スクリーン5を配置する。さらに、画像表示装置2は、仮想光軸A0に平行な光軸a1の光を中間スクリーン5に投影する。このような構成により、ヘッドアップディスプレイ装置10は、中間スクリーン5に結像した中間像を表示領域全体で均一な倍率で拡大した虚像Iv1を、アイポイントOからの視線である中心線C1の垂直面に対して傾斜して表示する。なお、インストルメントパネルの天板Tの窓、および拡大反射鏡8や中間スクリーン5は、実際の光束の光路に配置されていればよく、仮想光軸A(A0,A0´,A1)に配置されていなくてよい。 In the head-up display device 10, the optical path perpendicular to the virtual image display surface P1 of the virtual image Iv1 is set as a virtual optical axis (virtual optical axis), and the intermediate screen 5 is perpendicular to the virtual optical axis instead of the object OBJ in FIG. Place on the surface. In general, the AR head-up display device preferably has a viewing angle (FOV) of about 4 ° or more in the vertical direction (V direction). When the tilt angle θ exceeds 1/2 of the viewing angle, the perpendicular line from the eye point O to the virtual image display surface P1 does not pass through the virtual image display surface P1 (virtual image display area). In this case, it is shown in FIG. As described above, the design is based on the optical path (virtual optical axis) A 1 passing through the intersection (perpendicular foot) Q 1 on the extension of the virtual image display surface P1. Then, the intermediate screen 5 is arranged on a plane perpendicular to the virtual optical axis A 0 from the image display device 2 that reaches the point Q 1 via the magnifying reflector 8 and the screen S. Further, the image display device 2 projects the light of the optical axis a1 parallel to the virtual optical axis A0 onto the intermediate screen 5 . With such a configuration, the head-up display device 10 magnifies the virtual image Iv1 of the intermediate image formed on the intermediate screen 5 at a uniform magnification over the entire display area, and displays the virtual image Iv1 of the center line C1 which is the line of sight from the eye point O. Display at an angle with respect to a vertical surface. The window of the top plate T of the instrument panel, the magnifying reflector 8 and the intermediate screen 5 may be arranged in the optical path of the actual luminous flux, and the virtual optical axis A (A 0 , A 0 ', A 1 ). ) Does not have to be placed.

また、中間スクリーン5を、拡大反射鏡8とスクリーンSで構成される光学系の主点までの光路長が変化するように平行移動させることにより、虚像距離を変化させることができる。具体的には、中間スクリーン5が入射側(画像表示装置2側)に移動すると、虚像距離が長くなる。中間スクリーン5は、仮想光軸A0方向における位置が変化すればよく、当該中間スクリーン5の面内方向以外であれば移動方向は限定されない。ただし、中間スクリーン5は、画像表示装置2からの投影領域(光束)を内包している必要があるので、仮想光軸A0方向またはそれに近い方向に移動させることが好ましい。図1および図5においては、中間スクリーン5は、中心線C0方向に移動するように構成される。中間スクリーン5のこのような移動は、例えば自動車の走行速度に対応させることができる。 Further, the virtual image distance can be changed by moving the intermediate screen 5 in parallel so that the optical path length to the main point of the optical system composed of the magnifying reflector 8 and the screen S changes. Specifically, when the intermediate screen 5 moves to the incident side (image display device 2 side), the virtual image distance becomes longer. The position of the intermediate screen 5 may change in the direction of the virtual optical axis A 0 , and the moving direction is not limited as long as it is in the in-plane direction of the intermediate screen 5. However, since the intermediate screen 5 needs to include a projection region (luminous flux) from the image display device 2, it is preferable to move the intermediate screen 5 in the virtual optical axis A 0 direction or a direction close thereto. In FIGS. 1 and 5, the intermediate screen 5 is configured to move in the center line C 0 direction. Such movement of the intermediate screen 5 can correspond to, for example, the traveling speed of the automobile.

中間スクリーン5を平行移動させるためには、ヘッドアップディスプレイ装置10がラック・アンド・ピニオン等の直動機構(図示省略)を備えて、これに中間スクリーン5が取り付けられている。あるいは、拡大反射鏡8や、中間スクリーン5と拡大反射鏡8との間に光学素子を備える場合にはこれを移動させてもよい。また、中間スクリーン5に結像する中間像の中心位置(点m1,m2)を中心線C0上からずらさないためには、中間スクリーン5の平行移動に連動して、画像表示装置2および投影光学系3を移動させることが好ましい。例えば、図5に示すように、画像表示装置2および投影光学系3を、中間スクリーン5と同じ中心線C0方向かつ同じ距離に移動させることにより、仮想光軸A0に平行な光軸a2としつつ、この光軸a2を中間スクリーン5において中心線C0上の点m2に到達させることができる。このような構成においては、ヘッドアップディスプレイ装置10は、中間スクリーン5、画像表示装置2、および投影光学系3を一体のユニットに構成して直動機構に取り付けることができる。 In order to translate the intermediate screen 5, the head-up display device 10 is provided with a linear motion mechanism (not shown) such as a rack and pinion, to which the intermediate screen 5 is attached. Alternatively, the magnifying reflector 8 or, if an optical element is provided between the intermediate screen 5 and the magnifying reflector 8, may be moved. Further, in order not to shift the center position (points m 1 , m 2 ) of the intermediate image formed on the intermediate screen 5 from the center line C 0 , the image display device 2 is linked to the translation of the intermediate screen 5. And it is preferable to move the projection optical system 3. For example, as shown in FIG. 5, by moving the image display device 2 and the projection optical system 3 in the same center line C 0 direction and the same distance as the intermediate screen 5 , the optical axis a2 parallel to the virtual optical axis A0 However, the optical axis a2 can reach the point m 2 on the center line C 0 on the intermediate screen 5. In such a configuration, the head-up display device 10 can configure the intermediate screen 5, the image display device 2, and the projection optical system 3 in an integrated unit and attach them to the linear motion mechanism.

あるいは、画像表示装置2および投影光学系3を、中心線C0方向以外、例えば光軸と垂直方向に移動させてもよい。このように中間スクリーン5が移動して投影光学系3との距離が変化する場合には、投影光学系3は、焦点深度が中間スクリーン5の移動範囲以上となるように構成される。または、投影光学系3の一部または全部が移動して、中間スクリーン5の移動に連動して中間像の焦点深度を変化させるように構成されてもよい。このような構成により、ヘッドアップディスプレイ装置10は、虚像Iv1と異なる虚像距離で、虚像Iv1と同様に、中間像を表示領域全体で均一な倍率で拡大した虚像Iv2を、中心線C1の垂直面に対して傾斜して表示する。また、虚像Iv1の虚像表示面P1と虚像Iv2の虚像表示面P2とは、鉛直面に対する角度(φ+θ)が同一、言い換えるとヘッドアップディスプレイ装置10に対する角度が同一であり、すなわち、虚像表示面が平行移動して虚像距離が変化する。 Alternatively, the image display device 2 and the projection optical system 3 may be moved in a direction other than the center line C 0 direction, for example, in a direction perpendicular to the optical axis. When the intermediate screen 5 moves and the distance from the projection optical system 3 changes in this way, the projection optical system 3 is configured so that the depth of focus is equal to or greater than the moving range of the intermediate screen 5. Alternatively, a part or all of the projection optical system 3 may be moved to change the depth of focus of the intermediate image in conjunction with the movement of the intermediate screen 5. With such a configuration, the head-up display device 10 displays the virtual image Iv2 in which the intermediate image is magnified at a uniform magnification over the entire display area at a virtual image distance different from that of the virtual image Iv1 and is perpendicular to the center line C1. Display at an angle with respect to the surface. Further, the virtual image display surface P1 of the virtual image Iv1 and the virtual image display surface P2 of the virtual image Iv2 have the same angle (φ + θ) with respect to the vertical plane, in other words, the same angle with respect to the head-up display device 10, that is, the virtual image display surface has the same angle. It moves in parallel and the virtual image distance changes.

〔ヘッドアップディスプレイ装置の変形例〕
図6に示すように、本発明の実施形態の変形例に係るヘッドアップディスプレイ装置10Aは、投影光学系3と中間スクリーン5との間に反射鏡4をさらに備えて、画像表示装置2および投影光学系3を固定し、反射鏡4を中間スクリーン5に連動して平行移動させてもよい。図6においては、画像表示装置2の光軸a0を中心線C0と平行とし、反射鏡4を中間スクリーン5と共に中心線C0方向に移動させる。反射鏡4は、2以上設けられていてもよく、平行移動させるのはその一部または全部とする。本変形例によれば、移動させる部品が小さくて済む。なお、反射鏡4が画像表示装置2と投影光学系3との間に配置されていてもよく、この場合には反射鏡4と共に投影光学系3を移動させる。また、画像表示装置2のうち、光源は固定し、DMD等の画像表示パネルを反射鏡4のように平行移動させる構成とすることもできる。
[Modification example of head-up display device]
As shown in FIG. 6, the head-up display device 10A according to a modification of the embodiment of the present invention further includes a reflector 4 between the projection optical system 3 and the intermediate screen 5, and is provided with an image display device 2 and projection. The optical system 3 may be fixed, and the reflecting mirror 4 may be moved in parallel with the intermediate screen 5. In FIG. 6, the optical axis a0 of the image display device 2 is parallel to the center line C 0 , and the reflector 4 is moved in the direction of the center line C 0 together with the intermediate screen 5. Two or more reflectors 4 may be provided, and only a part or all of them are translated. According to this modification, the parts to be moved can be small. The reflector 4 may be arranged between the image display device 2 and the projection optical system 3. In this case, the projection optical system 3 is moved together with the reflector 4. Further, in the image display device 2, the light source may be fixed, and the image display panel such as a DMD may be configured to be translated like a reflector 4.

中間スクリーン5のみを平行移動させ、その移動に対応して、画像表示装置2が投影する領域をシフトさせるように構成されてもよい。すなわち、画像表示装置2は、投影する光の光束を光軸垂直方向に移動させる。そのために、画像表示装置2は表示領域をシフト分広くするように画素を多く配列される。そして、画像形成モジュール1が、中間スクリーン5の位置に対応して画像表示装置2の表示する領域を制御する。 Only the intermediate screen 5 may be translated, and the area projected by the image display device 2 may be shifted in response to the translation. That is, the image display device 2 moves the luminous flux of the projected light in the direction perpendicular to the optical axis. Therefore, in the image display device 2, many pixels are arranged so as to widen the display area by a shift. Then, the image forming module 1 controls the area displayed by the image display device 2 corresponding to the position of the intermediate screen 5.

また、中間スクリーン5における中間像の結像位置を、虚像距離に応じてシフトさせてもよい。例えば、中間スクリーン5のみを入射側へ移動させることにより、中間スクリーン5に結像する中間像は、仮想光軸A0に平行に移動し、中心位置(点m2)が中心線C0よりも下にシフトする。その結果、虚像Iv2が虚像表示面P2において上にシフトする。言い換えると、虚像表示面P2の中点M2が中心線C1から上側に外れ、見下ろし角φ(図1参照)が小さくなる。また、中心線C0と仮想光軸A0(光軸a1)がなす角度に応じて、画像表示装置2および投影光学系3、または反射鏡4を平行移動させて、中間スクリーン5における中間像の結像位置をシフトさせることもできる。なお、本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置10,10Aにおいては、前記したように虚像表示面が平行移動するので、見下ろし角φにかかわらず、虚像Iv1,Iv2の鉛直面に対する角度(φ+θ)は一定である。遠方を見るときには運転者の視線が斜め下よりも水平(Z軸)に近付いて見下ろし角φが小さくなる傾向があるので、このように虚像距離の長い虚像ほど上寄りに表示される方が好適な場合がある。反対に、虚像の表示領域を下にシフトさせることもでき、中心位置が仮想光軸A1上にまでシフトした場合、中心線C(C0,C0´,C1)が仮想光軸A(A0,A0´,A1)に一致し、θ=0°となる。 Further, the image formation position of the intermediate image on the intermediate screen 5 may be shifted according to the virtual image distance. For example, by moving only the intermediate screen 5 to the incident side, the intermediate image formed on the intermediate screen 5 moves parallel to the virtual optical axis A 0 , and the center position (point m 2 ) is from the center line C 0 . Also shifts down. As a result, the virtual image Iv2 shifts upward on the virtual image display surface P2. In other words, the midpoint M 2 of the virtual image display surface P2 deviates upward from the center line C 1 , and the viewing angle φ (see FIG. 1) becomes smaller. Further, the image display device 2, the projection optical system 3, or the reflector 4 is translated in parallel according to the angle formed by the center line C 0 and the virtual optical axis A 0 (optical axis a1), and the intermediate image on the intermediate screen 5 is moved. It is also possible to shift the image formation position of. In the head-up display devices 10 and 10A according to the embodiment of the present invention, since the virtual image display surface moves in parallel as described above, the angles (φ + θ) of the virtual images Iv1 and Iv2 with respect to the vertical plane regardless of the viewing angle φ. ) Is constant. When looking at a distance, the driver's line of sight tends to be closer to the horizontal (Z-axis) than diagonally below, and the viewing angle φ tends to be smaller. There are cases. On the contrary, the display area of the virtual image can be shifted downward, and when the center position is shifted to the top of the virtual optical axis A 1 , the center line C (C 0 , C 0 ', C 1 ) is the virtual optical axis A. It corresponds to (A 0 , A 0 ', A 1 ), and θ = 0 °.

このように、虚像距離と共に虚像の上下方向の位置(見下ろし角φ)を変化させる場合であっても、変化の前後で視野角内にオーバーラップ領域がある、すなわち任意の虚像距離の虚像の表示可能領域と、虚像距離の変化後の虚像の表示可能領域とが、少なくとも一部で重複する範囲で、虚像をシフトさせることが好ましい。そのために、ある任意の虚像距離から異なる虚像距離に虚像を表示するために移動した中間スクリーン5において、結像する中間像(投影領域)が、移動前の中間スクリーン5の投影領域からスクリーンSに反射してアイポイントOに入射する光線またはその延長線の交点の少なくとも一部を含むようにする。このような構成とすることで、虚像距離が変化すると共に虚像が縦(V方向)に移動しても、運転者から見て虚像の表示領域がオーバーラップする部分があるので、このような移動範囲内では不自然な変化とならず、特にARヘッドアップディスプレイ装置として好適である。オーバーラップする部分が広いほどより自然な変化となり、虚像距離の長い方の虚像の表示可能領域(例えば虚像表示面P2)が、短い方の虚像の表示可能領域(例えば虚像表示面P1)の全体を含むことがさらに好ましい。図4に示すように、虚像は、虚像距離が長くなるにしたがい、視野角が広がるように倍率が増大して表示される。したがって、中間像が光路長方向に移動すると共にその結像面(中間スクリーン5)内方向に移動することにより、虚像の表示領域が表示面内方向にシフトしても、ある程度の移動範囲内であれば、表示領域は、より虚像距離の長いときの表示領域に内包される。 In this way, even when the vertical position of the virtual image (viewing angle φ) is changed along with the virtual image distance, there is an overlap region within the viewing angle before and after the change, that is, the display of the virtual image at an arbitrary virtual image distance. It is preferable to shift the virtual image to the extent that the possible region and the displayable region of the virtual image after the change of the virtual image distance overlap at least partially. Therefore, in the intermediate screen 5 moved to display a virtual image from a certain arbitrary virtual image distance to a different virtual image distance, the intermediate image (projected area) to be imaged is transferred from the projected area of the intermediate screen 5 before the movement to the screen S. It should include at least a part of the intersection of the light beam reflected and incident on the eye point O or its extension line. With such a configuration, even if the virtual image moves vertically (in the V direction) as the virtual image distance changes, there is a part where the display areas of the virtual image overlap from the driver's point of view. It does not cause an unnatural change within the range, and is particularly suitable as an AR head-up display device. The wider the overlapping portion, the more natural the change, and the displayable area of the virtual image with the longer virtual image distance (for example, the virtual image display surface P2) is the entire displayable area of the shorter virtual image (for example, the virtual image display surface P1). It is more preferable to include. As shown in FIG. 4, the virtual image is displayed at an increased magnification so that the viewing angle increases as the virtual image distance increases. Therefore, even if the display area of the virtual image is shifted inward in the display plane by moving the intermediate image in the optical path length direction and inward in the image plane (intermediate screen 5), the movement range is within a certain range. If so, the display area is included in the display area when the virtual image distance is longer.

本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、一様な角度で傾斜し虚像距離が異なる2以上の虚像を、同時に表示することもできる。図7に示すように、本発明の別の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置10Bは、モータ6で高速回転する透明なディスク50上に中間スクリーンが形成された構成であり(特許文献2参照)、ディスク50は回転軸を仮想光軸A0に平行に配置される。ディスク50は、中間スクリーンが形成された円または円環形状の面が周方向に2以上に区画され、回転軸方向における位置が互いに異なるように、径に沿った段差を挟んだ高低(回転軸方向における位置)差のある複数の面や周に沿って傾斜した螺旋面を有する。そして、ディスク50の区画された領域毎に、虚像距離の異なる虚像を形成する中間像が交替で画像表示装置2から投影される。このような構成により、ディスク50の中間像が投影されている領域は、光軸A0に垂直な面となり、また、ディスク50の回転に伴い光軸A0方向に移動する。なお、虚像距離別の虚像を形成する各中間像の中心がディスク50において中心線C0上に投影されるように、例えば画像形成モジュール1によって画像表示装置2が虚像距離毎に対応した領域に像を投影するように構成することが好ましい。また、ディスク50全体を、前記実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置10,10Aの中間スクリーン5のように、平行移動させる構成とすることもできる。 The head-up display device according to the present invention can also simultaneously display two or more virtual images that are tilted at a uniform angle and have different virtual image distances. As shown in FIG. 7, the head-up display device 10B according to another embodiment of the present invention has a configuration in which an intermediate screen is formed on a transparent disk 50 rotated at high speed by a motor 6 (see Patent Document 2). , The disk 50 has its axis of rotation arranged parallel to the virtual optical axis A 0 . The disk 50 has a height (rotational axis) having a step along the diameter so that the circular or annular surface on which the intermediate screen is formed is divided into two or more in the circumferential direction and the positions in the rotation axis direction are different from each other. (Position in direction) It has a plurality of different surfaces and spiral surfaces inclined along the circumference. Then, intermediate images forming virtual images having different virtual image distances are alternately projected from the image display device 2 for each partitioned area of the disk 50. With such a configuration, the region on which the intermediate image of the disk 50 is projected becomes a plane perpendicular to the optical axis A 0 , and moves in the direction of the optical axis A 0 as the disk 50 rotates. It should be noted that, for example, the image forming module 1 causes the image display device 2 to correspond to each virtual image distance so that the center of each intermediate image forming the virtual image according to the virtual image distance is projected on the center line C 0 on the disk 50. It is preferably configured to project an image. Further, the entire disk 50 may be configured to be translated like the intermediate screen 5 of the head-up display devices 10 and 10A according to the embodiment.

本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、運転者の座高等によるアイポイントOの高さの変化にも容易に対応することができる。また、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、前傾した虚像に限られず、中間スクリーンの向きによって、例えば、見下ろし角φにかかわらず鉛直面に虚像を表示したり、車幅方向(X方向)に傾斜した虚像を表示したりすることもできる。 The head-up display device according to the present invention can easily cope with a change in the height of the eye point O due to the sitting height of the driver or the like. Further, the head-up display device according to the present invention is not limited to a forward-tilted virtual image, and may display a virtual image on a vertical surface regardless of the viewing angle φ, depending on the orientation of the intermediate screen, or in the vehicle width direction (X direction). It is also possible to display a virtual image tilted to.

本発明は、上記実施形態に限定されることなく、例えば、船舶や航空機、または医療機器等に適用することができ、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更実施が可能である。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be applied to, for example, a ship, an aircraft, a medical device, or the like, and can be modified without departing from the spirit of the present invention.

10,10A,10B ヘッドアップディスプレイ装置
1 画像形成モジュール
2 画像表示装置(画像投影手段)
3 投影光学系
4 反射鏡
50 ディスク
5 中間スクリーン
8 拡大反射鏡
S フロントウインドウ(スクリーン)
Iv1,Iv2 虚像
10,10A, 10B Head-up display device 1 Image formation module 2 Image display device (image projection means)
3 Projection optics 4 Reflector 50 Disc 5 Intermediate screen 8 Magnifying reflector S Front window (screen)
Iv1, Iv2 Virtual image

Claims (3)

中間スクリーンを含む1以上の光学素子で構成された光学系と、前記中間スクリーンに中間像を結像するための光を投影する画像投影手段と、を備えて、前記光学系が前記中間像をスクリーンの一面に投射して前記スクリーンの他面側に虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記中間スクリーンまたは前記中間スクリーンを含む面から垂直に出射して前記スクリーンの前記一面で反射した光線であって観察者の目に入射する光線が、前記観察者の目から虚像の表示面に下した垂線上にあり、
地面に垂直な面に対して前記虚像の表示面が傾斜していることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
The optical system comprises an optical system composed of one or more optical elements including an intermediate screen, and an image projection means for projecting light for forming an intermediate image on the intermediate screen, and the optical system displays the intermediate image. A head-up display device that projects on one side of a screen and displays a virtual image on the other side of the screen.
Light rays that are vertically emitted from the intermediate screen or a surface including the intermediate screen and reflected on the one surface of the screen and are incident on the observer's eyes are lowered from the observer's eyes to the display surface of the virtual image. It is on the vertical line
A head-up display device characterized in that the display surface of the virtual image is inclined with respect to a surface perpendicular to the ground.
中間スクリーンを含む1以上の光学素子で構成された光学系と、前記中間スクリーンに中間像を結像するための光を投影する画像投影手段と、を備えて、前記光学系が前記中間像をスクリーンの一面に投射して前記スクリーンの他面側に虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記光学素子の少なくとも1つが平行移動することにより虚像の虚像距離が変化すると共に、前記中間スクリーンまたは前記中間スクリーンを含む面から垂直に出射して前記スクリーンで反射した光線であって観察者の目に入射する光線が、前記観察者の目から前記虚像の表示面に下した垂線上に常にあり、
異なる虚像距離の虚像を、地面に垂直な面に対して同一角度で傾斜した面に表示することを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
The optical system comprises an optical system composed of one or more optical elements including an intermediate screen, and an image projection means for projecting light for forming an intermediate image on the intermediate screen, and the optical system displays the intermediate image. A head-up display device that projects on one side of a screen and displays a virtual image on the other side of the screen.
The virtual image distance of the virtual image changes due to the parallel movement of at least one of the optical elements, and the light beam emitted vertically from the intermediate screen or the surface including the intermediate screen and reflected by the screen is the eyes of the observer. The light rays incident on the image are always on the vertical line drawn from the observer's eyes to the display surface of the virtual image.
A head-up display device characterized by displaying virtual images of different virtual image distances on a surface inclined at the same angle with respect to a surface perpendicular to the ground.
任意の虚像距離に虚像を表示するときの中間像から出射し前記スクリーンの前記一面で反射して前記観察者の目に入射する光線または前記光線の延長線の、前記虚像距離と異なる虚像距離に虚像を表示するときの前記中間スクリーン上の交点の少なくとも一部が、前記中間スクリーンに結像する中間像に含まれることを特徴とする請求項2に記載のヘッドアップディスプレイ装置。 A virtual image distance different from the virtual image distance of a light ray emitted from an intermediate image when displaying a virtual image at an arbitrary virtual image distance, reflected on the one side of the screen and incident on the observer's eyes, or an extension of the light beam. The head-up display device according to claim 2, wherein at least a part of the intersections on the intermediate screen when displaying a virtual image is included in the intermediate image formed on the intermediate screen.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023243538A1 (en) * 2022-06-17 2023-12-21 日亜化学工業株式会社 Light source unit and video display device

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