JP6410094B2 - Head-up display - Google Patents
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Description
本発明は、虚像を観察者に視認させるヘッドアップディスプレイに関する。 The present invention relates to a head-up display that allows a viewer to visually recognize a virtual image.
従来のヘッドアップディスプレイは、照明光学系として、例えば、特許文献1に開示されているように、光源から光線を出射し、コンデンサレンズが光源からの光線を集光して略平行光とし、コンデンサレンズからの光をレンズアレイが受光し、光源の中間像を複数生成し、フィールドレンズにより、中間像からの光を所定の角度で表示部材に照射することで、表示部材から出射される表示画像を示す画像光をアイボックス全体に均一に配光するものである。 A conventional head-up display, as an illumination optical system, for example, as disclosed in Patent Document 1, emits a light beam from a light source, and a condenser lens collects the light beam from the light source into a substantially parallel light. The lens array receives light from the lens, generates a plurality of intermediate images of the light source, and irradiates the display member with light from the intermediate image at a predetermined angle by the field lens, thereby displaying the display image emitted from the display member Is uniformly distributed over the entire eye box.
しかしながら、このようなヘッドアップディスプレイに用いる表示部材の照明光学系は、光源から出射される光線の光軸に沿ってレンズ等の複数の光学部材を配置するため、光軸に沿ってサイズが大きくなってしまうおそれがあった。 However, the illumination optical system of the display member used in such a head-up display has a large size along the optical axis because a plurality of optical members such as lenses are arranged along the optical axis of the light beam emitted from the light source. There was a risk of becoming.
また、反射部を追加して光線を折り曲げることで、光軸方向のサイズ増大を抑制することができるが、反射部を追加することでコストが増え、さらに全体的な容積が大きくなってしまうという問題がある。 In addition, by adding a reflection part and bending the light beam, the size increase in the optical axis direction can be suppressed, but adding the reflection part increases the cost and further increases the overall volume. There's a problem.
本発明は上記問題を鑑みてなされたものであり、サイズを小さく抑えつつ、アイボックスに均一配光することができるヘッドアップディスプレイを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a head-up display that can uniformly distribute light to an eyebox while keeping the size small.
上記目的を達成するため、本発明の第一の発明におけるヘッドアップディスプレイは、照明光学系10と表示素子20とを備える表示器から発せられる表示光200を、投射部材(凹面鏡40,ウインドシールド2(透過反射面))を介して、アイボックス3に導いて虚像Wを視認させるヘッドアップディスプレイであって、照明光学系10は、表示素子20を照明する照明光100を出射する光源11と、光源11から出射される光を分割して光源11の像を複数生成するレンズアレイ13と、光源11の像から出射される照明光100を表示素子20の表示領域に対応するように集光する集光手段(曲面反射部14及びフィールドレンズ15)と、を備え、前記集光手段は、曲面反射部14と、フィールドレンズ15と、を含み、曲面反射部14は、レンズアレイ13からの照明光100の入射光軸A1と、フィールドレンズ15への照明光100の出射光軸A2とからなる平面で対称となる自由曲面形状を有するものである。
In order to achieve the above object, the head-up display according to the first aspect of the present invention emits
また、第二の発明におけるヘッドアップディスプレイは、曲面反射部14の頂点は、レンズアレイ13側に寄った位置、かつフィールドレンズ15側から離れた位置に偏心して配置されるものである。
In the head-up display according to the second aspect of the invention, the apex of the curved reflecting
また、第三の発明におけるヘッドアップディスプレイは、レンズアレイ13を保持し、レンズアレイ13からの入射光軸A1上に開口部181を有する第二のケース体18をさらに備え、曲面反射部14は、開口部181を塞ぐように第二のケース体18に係合するものである。
The head-up display according to the third aspect of the invention further includes a
第一の発明によれば、レンズアレイ13からの照明光100を曲面反射部14により、表示素子20の面で集光するように反射し、フィールドレンズ15により表示素子20への照明光100の入射角度を調整することができるので、表示素子20に集光させるフィールドレンズを削減することができ、かつ照明光学系10の光源11の光軸方向におけるサイズを小さくすることができる。さらに、曲面反射部14は、入射光軸A1と出射光軸A2とに垂直な方向において、対称となる自由曲面形状を有しているため、表示素子20をムラなく均一に照明することができる。
According to the first invention, the
また、第二の発明によれば、曲面反射部14の頂点を、レンズアレイ13側に寄った位置、かつフィールドレンズ15側から離れた位置に偏心させているため、さらに表示素子20をムラなく均一に照明することができる。
In addition, according to the second invention, the apex of the curved reflecting
また、第三の発明によれば、曲面反射部14をケース体に収納する構成ではなく、第二のケース体18の開口部181を塞ぐように曲面反射部14を係合させているため、通常、照明光100の光路を塞ぐために必要とされる第二のケース体の壁の役割を曲面反射部14に担わせることができ、第二のケース体18のサイズを小さく抑えることができる。
In addition, according to the third invention, the
本発明のヘッドアップディスプレイ(以下、HUD)の一実施形態を、図面を参照して説明する。 An embodiment of a head-up display (hereinafter, HUD) of the present invention will be described with reference to the drawings.
本実施形態におけるHUD1は、照明光学系10と、表示素子20と、投射光学系である平面鏡30,凹面鏡40と、筐体50と、から構成される。照明光学系10から出射された照明光100は、表示素子20により表示画像(図示しない)を示す表示光200に空間光変調される。表示光200は、投射光学系である平面鏡30,凹面鏡40により、HUD1の外部にあるウインドシールド2(反射透過面)に向けられる。ウインドシールド2で反射した表示光200は、アイボックス3に配光される。観察者の視点がアイボックス3内にあれば、表示素子20が生成する前記表示画像の虚像を、観察者に所望の輝度で視認させることが可能である。アイボックス3は、具体的に例えば、観察者から見て水平方向が120mm、垂直方向が60mmの矩形状の領域である。HUD1は、このアイボックス3内であれば、観察者に概ね一定の輝度の虚像Wを視認させることができるように表示光200の配光を調整する。
The HUD 1 in this embodiment includes an illumination
表示素子20は、液晶ディスプレイ(LCD)などの透過型の空間光変調素子であり、照明光学系10からの照明光100を背面で受光し、外部から入力した画像信号に基づいて照明光100を空間光変調することで、表示画像(図示しない)を示す表示光200を表面側から出射する。表示素子20の表示領域は、横方向が縦方向より長い横長のアスペクト比を有し、表示素子20から出射される表示光200も横長のアイボックス3に配光される。なお、表示素子20の背面から入射する照明光100の入射角度は、表示素子20の領域毎に異なり、このため、表示素子20の表面側から出射される表示光200の出射角度(配向方向)も表示素子20の領域毎に異なる。このようにすることで、表示光200が曲面を有する投射光学系(凹面鏡40やウインドシールド2)を通過した後に、表示素子20の各領域から出射される表示光200がそれぞれアイボックス3全体に略均一に配光されるように調整することができる。
本実施形態における照明光学系10は、表示素子20に入射する照明光100の角度を調整することで、表示素子20から出射される表示光200の出射角度(配向角度)を調整し、表示素子20の各領域から出射される表示光200が、投射光学系である平面鏡30,凹面鏡40そしてウインドシールド2を介した後、アイボックス3全体に略均等に配光されるように調整している。照明光学系10については、後に詳述する。
The
The illumination
次に、投射光学系である平面鏡30及び凹面鏡40を説明する。
平面鏡30は、平面状の反射部材であり、表示素子20から入射した表示光200を凹面鏡40に向けて反射する。
凹面鏡40は、反射面が凹状の自由曲面を有する反射部材であり、平面鏡30から入射した表示光200をHUD1の外側のウインドシールド2(反射透過面)に向けて出射する。凹面鏡40は、表示素子20が生成する前記表示画像を拡大させ、さらに、観察者に虚像Wとして視認される際の虚像Wの歪みを抑制するように、表示光200を補正してウインドシールド2に向ける。
Next, the plane mirror 30 and the
The plane mirror 30 is a planar reflecting member and reflects the
The
筐体50は、例えば黒色の遮光性合成樹脂から形成され、内側に表示素子20,平面鏡30,凹面鏡40などを収納するケースであり、外側に照明光学系10が取り付けられる。筐体50は、照明光学系10からの照明光100を内部に取り入れるための照明光用開口51と、表示光200を外側に出射するための表示光用開口52と、を有する。
The
以上が、本実施形態におけるHUD1の構成であり、これより、本実施形態における照明光学系10について、図2,3を用いて説明する。図2は、照明光学系10の概略的な断面図を示した図であり、図3は、曲面反射部14の頂点の位置Pを説明するための図である。なお、図面において、光源11から出射される照明光100の光軸をA1軸(入射光軸)とし、照明光学系10から表示素子20に向けて出射される照明光100の光軸をA2軸(出射光軸)とし、入射光軸A1と入射光軸A2とからなる平面の法線方向をA3軸として定義して図示してある。
The above is the configuration of the HUD 1 in the present embodiment, and the illumination
照明光学系10は、いわゆるケーラー照明光学系であり、図2に示すように、光源11と、コンデンサレンズ12と、レンズアレイ13と、曲面反射部14と、フィールドレンズ15と、光源11が発生する熱を外部へ放熱する放熱部材16と、光源11及び、コンデンサレンズ12を保持する第一のケース体17と、レンズアレイ13,曲面反射部14,フィールドレンズ15を保持する第二のケース体18と、で構成される。照明光学系10は、光源11から発せられる照明光100を表示素子20の表示領域を均等に照射しつつ、投射光学系(平面鏡30,凹面鏡40,ウインドシールド2)を介して、アイボックス3内で概ね均等に表示光200が配光されるように表示光200の配向角度を調整する。
The illumination
光源11は、回路基板11aに実装されるLEDなどの発光素子からなり、照明光100を発する。光源11が実装される回路基板11aは、後述する放熱部材16に熱交換しやすいように接続され、光源11が発生した熱を、放熱部材16を介して外部へ放出する。
The
コンデンサレンズ12は、光学樹脂により作製される凸レンズからなり、光源11から射出される照明光100を集光し、光源11から後述する曲面反射部14までの照明光100の入射光軸A1に対して平行化する機能を有する。
コンデンサレンズ12の変形例を以下に示す。コンデンサレンズ12は、1個の光源11に対して1つのレンズが対応しており、光源11が複数使用される場合は、凸レンズ部が複数配置された集合レンズの形態を取る。また、コンデンサレンズ12は、照明光100を平行化するコリメートレンズなどで代替してもよい。また、照明光100の光路上に複数のレンズを配置した構成としてもよい。また、図面において、コンデンサレンズ12を入射側と出射側とをともに曲面と図示してあるが、入射側または出射側が平面であってもよい。また、曲面形状は、球面や非球面であってもよく、対称レンズまたは非対称レンズなどで構成されてもよい。また、コンデンサレンズ12は、光源11からの熱による変質を抑制するため、耐熱性の光学ガラスで作製されてもよい。
The
A modification of the
レンズアレイ13は、光学樹脂により作製される矩形状の微小の凸レンズが入射光軸A1に対して垂直な両面(入射側及び出射側)に規則的に複数配置されてなる光学部材であり、コンデンサレンズ12によって平行化された照明光100をアレイ数に応じて分割して、表示素子20の受光面付近に中間像を結ぶ役割を有する。この中間像は、コンデンサレンズ12によって生成される光源11の拡大像を、アレイ数で分割した像である。レンズアレイ13は、各微小レンズの縦方向の曲率と横方向の曲率とをそれぞれ異ならせて調整することにより、中間像面から射出される照明光100の開口数(Numerical Aperture)を、縦方向と横方向とでそれぞれ異ならせて最適化することができる。各微小レンズの縦横幅の比(縦幅:横幅)は、表示素子20のアスペクト比(表示領域の縦横サイズ比)に略等しくなるように設定される。これにより、レンズアレイ13で生成される中間像の形状が表示素子20の表示領域の形状と相似となり、表示素子20入射時の照明効率を向上させることができる。また、レンズアレイ13の厚さ、すなわち入射側の微小レンズの曲面頂点と出射側の微小レンズの曲面頂点との距離は、微小レンズの入射側の曲面を基準として、レンズアレイ13に入射した照明光100の近軸光線が屈折して集光する位置(設計上、この位置が前記中間像面と等しい)を出射側曲面とするように規定される。なお、レンズアレイ13の入射側の曲面と出射側の曲面とは、互いに向きが逆の同じ曲率半径を有する。
レンズアレイ13の変形例を以下に示す。本実施形態のレンズアレイ13において、各微小レンズの曲面形状は、縦方向の曲率と横方向の曲率とを異ならせたトロイダル面とするが、球面(球面の一部を矩形で切り取った曲面)としてもよい。また、微小レンズの形状を六角形状などの多角形状として、ハニカム配置させてもよい。また、本実施形態のレンズアレイ13を、レンチキュラーレンズアレイ等で代替してもよい。
The lens array 13 is an optical member formed by regularly arranging a plurality of rectangular minute convex lenses made of an optical resin on both surfaces (incident side and outgoing side) perpendicular to the incident optical axis A1. The
A modification of the lens array 13 is shown below. In the lens array 13 of the present embodiment, the curved surface shape of each micro lens is a toroidal surface in which the curvature in the vertical direction and the curvature in the horizontal direction are different from each other. It is good. Alternatively, the microlenses may be arranged in a honeycomb shape such as a hexagonal shape. Further, the lens array 13 of the present embodiment may be replaced with a lenticular lens array or the like.
曲面反射部14は、自由曲面の反射面141を有し、レンズアレイ13から入射した照明光100をフィールドレンズ15に向けて集光して反射する。反射面141の曲面形状は、レンズアレイ13から入射する照明光100の入射光軸A1と、フィールドレンズ15へ出射する照明光100の出射光軸A2と、からなる平面を対称面とした対称曲面を有する自由曲面である。曲面反射部14の配置は、照明光100の入射光軸A1が曲面反射部14の頂点Pとずれた位置に入射する軸外しの配置となっている。具体的には、自由曲面である曲面反射部14の基準球面の頂点P(曲面反射部14の反射面141上の光軸Zが通る位置)は、図3に示すように、入射光軸A1と出射光軸A2とからなる平面上に位置するが、入射光軸A1が通る反射面141の位置Qよりもレンズアレイ13側に寄った位置かつフィールドレンズ15側から離れた位置にずれて配置される。
また、曲面反射部14は、後述するレンズアレイ13などが保持される第二のケース体18に係合するための曲面反射部14の反射面141の周囲に一体的に成形された取付部142を有する。
The curved reflecting
Further, the curved reflecting
曲面反射部14の曲面形状は、曲面反射部14の基準球面の頂点Pにおける反射面141の法線方向をZ軸とし、入射光軸A1と出射光軸A2とのなす平面と直交する方向をX軸、このX軸とZ軸とに直交する方向をY軸として定義したときに、次式(1)を満たすようなXY多項式に基づいた自由曲面で形成される。Zは、曲面反射部14の基準球面の頂点P(x=0,y=0)においてz=0としたときのZ軸方向の変位量(サグ量)を示し、cは、頂点Pでの曲率(c=1/R,R=曲率半径)を示し、kは、円錐係数であるコーニック係数を示し、r2は、x2+y2を示し、さらに、Cjは、非球面係数を示す。なお、Cjは、以下の表1のように定義される。
The curved surface shape of the curved reflecting
以上に示すように、本実施形態において、xの奇数次項の非球面係数Cjを0としているため、曲面反射部14は、X軸方向に対称な曲面形状を有する。また、本実施形態における曲面反射部14は、基準球面の頂点Pを、入射光軸A1が通る反射面141の位置Qよりもレンズアレイ13側に寄った位置かつフィールドレンズ15側から離れた位置にずれるように軸外しをすることで、フィールドレンズ15と協働して、表示素子20の表示領域全体を略均一に照明することができ、さらに表示素子20から出射される表示光200の配光角度を適切に調整することができる。
As described above, in the present embodiment, since the aspheric coefficient C j of the odd-order term of x is 0, the curved reflecting
フィールドレンズ15は、光学樹脂により作製される球面形状の凸レンズからなる。フィールドレンズ15は、曲面反射部14と協働して、表示素子20の背面に照射する照明光100の配光角度を調整する。これにより、表示素子20から出射される表示光200の配光角度を調整し、アイボックス3全体に表示光200を概ね均一に配光することができる。
The
放熱部材16は、例えばアルミニウムからなり、放射率の向上を図るためその表面にはアルマイト処理が施されたヒートシンクなどで構成される。放熱部材16は、第一のケース体17の第一の係合部171と係合する図示しない係合部と、第二のケース体18の第三の係合部182と係合する図示しない係合部と、を有し、放熱部材16のそれぞれの係合部に第一のケース体17と第二のケース体18とが係合されることで、光源11,コンデンサレンズ12,レンズアレイ13,曲面反射部14,フィールドレンズ15を間接的に位置決めして保持する。また、放熱部材16は、筐体50の外側と係合する。
The
第一のケース体17は、例えば黒色の遮光性合成樹脂から形成され、光源11が実装される11a及びコンデンサレンズ12を保持し、第一の係合部171を放熱部材16に係合することで、放熱部材16に対し、光源11及びコンデンサレンズ12を位置決め及び固定する。
The first case body 17 is made of, for example, black light-shielding synthetic resin, holds the
第二のケース体18は、例えば黒色の遮光性合成樹脂から形成され、レンズアレイ13,曲面反射部14,フィールドレンズ15を保持する。第二のケース体18は、レンズアレイ13からの照明光100の進行方向(入射光軸A1に沿う方向)に開口部181を有し、この開口部181の周辺に設けられた第二の係合部182に、曲面反射部14の取付部142を取付部材142aで係合することで、曲面反射部14を保持する。なお、本実施形態では、ビスなどの取付部材142aにより、曲面反射部14を、開口部181に押し当てるように係合させていたが、開口部181に概ね沿う方向からビスなどの取付部材142aにより第二のケース体18に係合させてもよい。また、第二のケース体18は、第三の係合部183を有し、この第三の係合部183を放熱部材16に係合することで、放熱部材16に対し、レンズアレイ13,曲面反射部14及びフィールドレンズ15を位置決め及び固定する。
The
すなわち、本実施形態における照明光学系10は、レンズアレイ13によってコンデンサレンズ12からの平行化された照明光100を分割して各中間像を生成し、生成される各中間像から発せられる照明光100それぞれを、曲面反射部14とフィールドレンズ15とによって拡大して、表示素子20面(液晶層の厚さ方向の中心線を通る平面)全体に照射されるようにするものである。また、照明光学系10は、曲面反射部14とフィールドレンズ15とによって、表示素子20に入射する照明光100の配光角度を調整するものである。これにより、表示素子20の各領域から出射される表示光200それぞれがアイボックス3全体に概ね均一に配光されるため、アイボックス3内の視点移動に伴う虚像Wの均斉度を低く抑えることができる。表示素子20面における配光角度は、アイボックス3と予め位置が定められる虚像Wを結ぶ光線群を、HUD1の投射光学系(本実施形態ではフロントガラス2及び凹面鏡40で構成される)を介して逆光線追跡することにより求められるものである。
That is, the illumination
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。 In addition, this invention is not limited to said embodiment, A various deformation | transformation is possible.
上記実施形態では、表示素子20を透過型の空間光変調素子としたが、DMD(Disital Mirror Device)やLCoS(登録商標:Liquid Crystal on Silicon)などの反射型の空間光変調素子であってもよい。
In the above-described embodiment, the
また、上記実施形態では、回路基板11a,コンデンサレンズ12,レンズアレイ13,曲面反射部14,フィールドレンズ15を別々の第一のケース体17,第二のケース体18にそれぞれ取り付けてから、放熱部材16に係合させていたが、1つまたは3つ以上のケース体を用いてもよい。また、一部を直接放熱部材16に係合させてもよい。
In the above-described embodiment, the
また、上記実施形態では、表示光200をアイボックス3に向ける透過反射部の一例としてウインドシールド2を挙げたが、これに限定されない。HUD1は、専用のコンバイナを備え、そのコンバイナで表示光200を反射させることで、観察者に虚像Wを視認させてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the
1 HUD(ヘッドアップディスプレイ)
2 ウインドシールド(反射透過部)
3 アイボックス
10 照明光学系
11 光源
11a 回路基板
12 コンデンサレンズ
13 レンズアレイ
14 曲面反射部
15 フィールドレンズ
16 放熱部材
17 第一のケース体
18 第二のケース体
20 表示素子
30 平面鏡(投射光学系)
40 凹面鏡(投射光学系)
50 筐体
100 照明光
141 反射面
142 取付部
171 第一の係合部
181 開口部
182 第二の係合部
183 第三の係合部
200 表示光
A1 入射光軸
A2 出射光軸
A3 軸
P 頂点
W 虚像
1 HUD (head-up display)
2 Windshield (reflection / transmission part)
DESCRIPTION OF
40 Concave mirror (projection optical system)
50
A1 incident optical axis A2 outgoing optical axis A3 axis P vertex W virtual image
Claims (3)
視点領域に導いて虚像を視認させるヘッドアップディスプレイであって、
前記照明光学系は、
前記表示素子を照明する光を出射する光源と、
前記光源から出射される光を分割して前記光源の像を複数生成するレンズアレイと、
前記光源の像から出射される光を前記表示素子の表示領域に対応するように集光する集光手段と、を備え、
前記集光手段は、曲面反射部と、フィールドレンズと、を含み、
前記曲面反射部は、前記レンズアレイからの光の入射光軸と、前記フィールドレンズへの光の出射光軸とからなる平面で対称となる自由曲面形状を有する、ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ。 Display light emitted from a display device including an illumination optical system and a display element, through a projection member,
A head-up display that leads to a viewpoint area and visually recognizes a virtual image,
The illumination optical system includes:
A light source that emits light for illuminating the display element;
A lens array that divides light emitted from the light source to generate a plurality of images of the light source;
Condensing means for condensing the light emitted from the image of the light source so as to correspond to the display area of the display element,
The condensing means includes a curved surface reflection part and a field lens,
The head-up display, wherein the curved reflecting portion has a free curved surface shape that is symmetrical with respect to a plane composed of an incident optical axis of light from the lens array and an optical axis of light emitted to the field lens. .
前記曲面反射部は、前記開口部を塞ぐように前記ケース体に係合する、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のヘッドアップディスプレイ。 It said lens array holds, further comprising a case body having an opening on the incident light axis from the lens array,
The head-up display according to claim 1, wherein the curved reflecting portion is engaged with the case body so as to close the opening.
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JP2014231904A JP6410094B2 (en) | 2014-11-14 | 2014-11-14 | Head-up display |
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