JP6410094B2 - Head-up display - Google Patents

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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.

特開2012−203176号公報JP 2012-203176 A

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 display light 200 emitted from a display device including the illumination optical system 10 and the display element 20 to a projection member (concave mirror 40, windshield 2). (Transmission reflection surface)) is a head-up display that guides to the eye box 3 to visually recognize the virtual image W, and the illumination optical system 10 includes a light source 11 that emits illumination light 100 that illuminates the display element 20, and The lens array 13 that divides the light emitted from the light source 11 to generate a plurality of images of the light source 11 and the illumination light 100 emitted from the image of the light source 11 are condensed so as to correspond to the display area of the display element 20. Condensing means (curved surface reflecting portion 14 and field lens 15), and the condensing means includes curved surface reflecting portion 14 and field lens 15, Part 14 is one having an incident optical axis A1 of the illumination light 100 from the lens array 13, a plane consisting of the emission light axis A2 Metropolitan of the illumination light 100 to the field lens 15 a free-form surface shape which is symmetric.

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 portion 14 is eccentrically arranged at a position close to the lens array 13 side and a position away from the field lens 15 side.

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 second case body 18 that holds the lens array 13 and has an opening 181 on the incident optical axis A1 from the lens array 13. The second case body 18 is engaged so as to close the opening 181.

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 illumination light 100 from the lens array 13 is reflected by the curved reflecting portion 14 so as to be condensed on the surface of the display element 20, and the illumination light 100 to the display element 20 is reflected by the field lens 15. Since the incident angle can be adjusted, it is possible to reduce the field lens condensed on the display element 20, and to reduce the size of the light source 11 of the illumination optical system 10 in the optical axis direction. Further, since the curved reflecting portion 14 has a free curved surface shape that is symmetric in the direction perpendicular to the incident optical axis A1 and the outgoing optical axis A2, the display element 20 can be illuminated uniformly without unevenness. .

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 portion 14 is decentered to a position close to the lens array 13 side and a position away from the field lens 15 side, so that the display element 20 can be made uniform. Uniform illumination is possible.

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 curved reflection portion 14 is not configured to be housed in the case body, but the curved reflection portion 14 is engaged so as to close the opening 181 of the second case body 18, Usually, the curved reflecting portion 14 can play the role of the wall of the second case body that is required to block the optical path of the illumination light 100, and the size of the second case body 18 can be kept small.

本発明の実施形態におけるHUDの構成を説明する概略断面図である。It is a schematic sectional drawing explaining the structure of HUD in embodiment of this invention. 上記実施形態における照明光学系の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the illumination optical system in the said embodiment. 上記実施形態における曲面反射部の頂点の位置を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the position of the vertex of the curved-surface reflection part in the said embodiment.

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 optical system 10, a display element 20, a plane mirror 30 that is a projection optical system, a concave mirror 40, and a housing 50. Illumination light 100 emitted from the illumination optical system 10 is spatially light modulated by the display element 20 into display light 200 indicating a display image (not shown). The display light 200 is directed to the windshield 2 (reflection / transmission surface) outside the HUD 1 by the plane mirror 30 and the concave mirror 40 which are projection optical systems. The display light 200 reflected by the windshield 2 is distributed to the eye box 3. If the observer's viewpoint is in the eye box 3, it is possible to make the observer visually recognize the virtual image of the display image generated by the display element 20 with a desired luminance. Specifically, the eye box 3 is, for example, a rectangular region having a horizontal direction of 120 mm and a vertical direction of 60 mm as viewed from the observer. If it is in this eye box 3, HUD1 adjusts the light distribution of the display light 200 so that the observer can visually recognize the virtual image W of substantially constant luminance.

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 display element 20 is a transmissive spatial light modulation element such as a liquid crystal display (LCD). The display element 20 receives illumination light 100 from the illumination optical system 10 on the back surface, and receives the illumination light 100 based on an image signal input from the outside. By performing spatial light modulation, display light 200 indicating a display image (not shown) is emitted from the surface side. The display area of the display element 20 has a horizontally long aspect ratio that is longer in the horizontal direction than the vertical direction, and the display light 200 emitted from the display element 20 is also distributed to the horizontally long eyebox 3. In addition, the incident angle of the illumination light 100 incident from the back surface of the display element 20 is different for each region of the display element 20, and therefore, the emission angle (orientation direction) of the display light 200 emitted from the surface side of the display element 20. This also differs for each region of the display element 20. In this way, the display light 200 emitted from each region of the display element 20 after the display light 200 has passed through the projection optical system (concave mirror 40 and the windshield 2) having a curved surface is spread over the entire eye box 3. It can be adjusted so that the light distribution is substantially uniform.
The illumination optical system 10 according to the present embodiment adjusts the emission angle (orientation angle) of the display light 200 emitted from the display element 20 by adjusting the angle of the illumination light 100 incident on the display element 20. The display light 200 emitted from each of the 20 regions is adjusted so as to be distributed substantially evenly over the entire eye box 3 after passing through the plane mirror 30, the concave mirror 40 and the windshield 2 which are projection optical systems. . The illumination optical system 10 will be described in detail later.

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 concave mirror 40 which are projection optical systems will be described.
The plane mirror 30 is a planar reflecting member and reflects the display light 200 incident from the display element 20 toward the concave mirror 40.
The concave mirror 40 is a reflecting member having a free curved surface with a concave reflecting surface, and emits the display light 200 incident from the plane mirror 30 toward the windshield 2 (reflection / transmission surface) outside the HUD 1. The concave mirror 40 enlarges the display image generated by the display element 20 and further corrects the display light 200 so as to suppress distortion of the virtual image W when viewed as a virtual image W by an observer, thereby correcting the windshield 2. Turn to.

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 housing 50 is formed of, for example, black light-blocking synthetic resin, and is a case that houses the display element 20, the plane mirror 30, the concave mirror 40, and the like on the inside, and the illumination optical system 10 is attached on the outside. The housing 50 includes an illumination light opening 51 for taking in the illumination light 100 from the illumination optical system 10 and a display light opening 52 for emitting the display light 200 to the outside.

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 optical system 10 in the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram showing a schematic cross-sectional view of the illumination optical system 10, and FIG. 3 is a diagram for explaining the position P of the apex of the curved reflecting portion 14. In the drawing, the optical axis of the illumination light 100 emitted from the light source 11 is the A1 axis (incident optical axis), and the optical axis of the illumination light 100 emitted from the illumination optical system 10 toward the display element 20 is the A2 axis. (Emitted optical axis), and the normal direction of the plane composed of the incident optical axis A1 and the incident optical axis A2 is defined as the A3 axis.

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 optical system 10 is a so-called Koehler illumination optical system. As shown in FIG. 2, the light source 11, the condenser lens 12, the lens array 13, the curved reflector 14, the field lens 15, and the light source 11 are generated. A heat radiating member 16 that radiates heat to the outside, a first case body 17 that holds the light source 11 and the condenser lens 12, a second case body that holds the lens array 13, the curved reflection portion 14, and the field lens 15. 18. The illumination optical system 10 irradiates the display area of the display element 20 with illumination light 100 emitted from the light source 11 uniformly, and passes through the projection optical system (plane mirror 30, concave mirror 40, windshield 2) in the eye box 3. The orientation angle of the display light 200 is adjusted so that the display light 200 is distributed substantially evenly.

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 light source 11 includes a light emitting element such as an LED mounted on the circuit board 11a, and emits illumination light 100. The circuit board 11a on which the light source 11 is mounted is connected to a heat radiating member 16 to be described later so that heat can be easily exchanged, and the heat generated by the light source 11 is released to the outside through the heat radiating member 16.

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 condenser lens 12 is a convex lens made of an optical resin, collects the illumination light 100 emitted from the light source 11, and is incident on the incident optical axis A <b> 1 of the illumination light 100 from the light source 11 to the curved reflection portion 14 described later. Have the function of parallelizing.
A modification of the condenser lens 12 is shown below. The condenser lens 12 corresponds to one light source 11, and when a plurality of light sources 11 are used, the condenser lens 12 takes the form of a collective lens in which a plurality of convex lens portions are arranged. The condenser lens 12 may be replaced with a collimating lens that collimates the illumination light 100. Further, a configuration in which a plurality of lenses are arranged on the optical path of the illumination light 100 may be adopted. Further, in the drawing, the condenser lens 12 is illustrated with curved surfaces on both the incident side and the outgoing side, but the incident side or the outgoing side may be a flat surface. The curved surface shape may be a spherical surface or an aspherical surface, and may be composed of a symmetric lens or an asymmetric lens. The condenser lens 12 may be made of heat-resistant optical glass in order to suppress deterioration due to heat from the light source 11.

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 illumination light 100 collimated by the lens 12 is divided according to the number of arrays and has a role of connecting an intermediate image near the light receiving surface of the display element 20. This intermediate image is an image obtained by dividing the enlarged image of the light source 11 generated by the condenser lens 12 by the number of arrays. The lens array 13 adjusts the numerical aperture (Numerical Aperture) of the illumination light 100 emitted from the intermediate image plane by adjusting the vertical curvature and the horizontal curvature of each microlens differently. And the horizontal direction can be optimized differently. The ratio of the vertical and horizontal widths of each microlens (vertical width: horizontal width) is set to be substantially equal to the aspect ratio of the display element 20 (vertical and horizontal size ratio of the display area). Thereby, the shape of the intermediate image generated by the lens array 13 is similar to the shape of the display area of the display element 20, and the illumination efficiency when the display element 20 is incident can be improved. Further, the thickness of the lens array 13, that is, the distance between the curved surface vertex of the incident side microlens and the curved surface vertex of the exit side microlens is the illumination incident on the lens array 13 with reference to the incident side curved surface of the microlens. The position where the paraxial ray of the light 100 is refracted and condensed (by design, this position is equal to the intermediate image plane) is defined as the exit-side curved surface. Note that the curved surface on the incident side and the curved surface on the output side of the lens array 13 have the same radius of curvature with opposite directions.
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 portion 14 has a free-form reflecting surface 141 and collects and reflects the illumination light 100 incident from the lens array 13 toward the field lens 15. The curved surface shape of the reflecting surface 141 is a symmetric curved surface having a plane formed by the incident optical axis A1 of the illumination light 100 incident from the lens array 13 and the output optical axis A2 of the illumination light 100 emitted to the field lens 15 as a symmetric surface. Is a free-form surface. The curved reflection portion 14 is arranged off-axis so that the incident optical axis A1 of the illumination light 100 is incident on a position shifted from the apex P of the curved reflection portion 14. Specifically, the apex P of the reference spherical surface of the curved reflecting surface 14 that is a free curved surface (the position through which the optical axis Z on the reflecting surface 141 of the curved reflecting surface 14 passes) is the incident optical axis A1 as shown in FIG. Is located on the plane composed of the output optical axis A2 but shifted from the position Q of the reflecting surface 141 through which the incident optical axis A1 passes to a position closer to the lens array 13 side and away from the field lens 15 side. Is done.
Further, the curved reflecting portion 14 is integrally formed around the reflecting surface 141 of the curved reflecting portion 14 for engaging with a second case body 18 that holds a lens array 13 and the like to be described later. Have

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、rは、x+yを示し、さらに、Cは、非球面係数を示す。なお、Cは、以下の表1のように定義される。 The curved surface shape of the curved reflecting portion 14 is a direction perpendicular to the plane formed by the incident optical axis A1 and the outgoing optical axis A2 with the normal direction of the reflecting surface 141 at the apex P of the reference spherical surface of the curved reflecting portion 14 being the Z axis. When the X axis and the direction perpendicular to the X axis and the Z axis are defined as the Y axis, the free surface is formed based on an XY polynomial that satisfies the following expression (1). Z indicates the displacement amount (sag amount) in the Z-axis direction when z = 0 at the apex P (x = 0, y = 0) of the reference spherical surface of the curved reflecting portion 14, and c indicates the amount at the apex P. Indicates a curvature (c = 1 / R, R = radius of curvature), k indicates a conic coefficient which is a conical coefficient, r 2 indicates x 2 + y 2 , and C j indicates an aspheric coefficient . C j is defined as shown in Table 1 below.

Figure 0006410094
Figure 0006410094

Figure 0006410094
Figure 0006410094

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C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 portion 14 has a curved shape that is symmetric in the X-axis direction. Further, the curved surface reflecting portion 14 in the present embodiment has a position where the apex P of the reference spherical surface is closer to the lens array 13 side than the position Q of the reflecting surface 141 through which the incident optical axis A1 passes and away from the field lens 15 side. By off-axis so as to deviate from each other, the entire display area of the display element 20 can be illuminated substantially uniformly in cooperation with the field lens 15, and the display light 200 emitted from the display element 20 can be arranged. The light angle can be adjusted appropriately.

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 field lens 15 is a spherical convex lens made of an optical resin. The field lens 15 adjusts the light distribution angle of the illumination light 100 that irradiates the back surface of the display element 20 in cooperation with the curved reflector 14. Thereby, the light distribution angle of the display light 200 emitted from the display element 20 can be adjusted, and the display light 200 can be distributed substantially uniformly over the entire eye box 3.

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 heat radiating member 16 is made of, for example, aluminum, and is configured by a heat sink or the like whose surface is anodized in order to improve the emissivity. The heat dissipating member 16 engages with a first engagement portion 171 of the first case body 17 (not shown) and engages with a third engagement portion 182 of the second case body 18 (not shown). And the first case body 17 and the second case body 18 are engaged with the respective engagement portions of the heat radiating member 16, so that the light source 11, the condenser lens 12, and the lens array are engaged. 13, the curved reflecting portion 14 and the field lens 15 are indirectly positioned and held. Further, the heat dissipation member 16 is engaged with the outside of the housing 50.

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 light source 11 mounted 11 a and the condenser lens 12, and engages the first engagement portion 171 with the heat dissipation member 16. Thus, the light source 11 and the condenser lens 12 are positioned and fixed with respect to the heat radiating member 16.

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 second case body 18 is formed of, for example, a black light-shielding synthetic resin, and holds the lens array 13, the curved reflection portion 14, and the field lens 15. The second case body 18 has an opening 181 in the traveling direction of the illumination light 100 from the lens array 13 (the direction along the incident optical axis A1), and a second engagement provided around the opening 181. The curved reflecting portion 14 is held by engaging the fitting portion 182 with the mounting portion 142 of the curved reflecting portion 14 by the mounting member 142a. In the present embodiment, the curved reflection portion 14 is engaged with the opening 181 by the mounting member 142a such as a screw. However, the mounting member 142a such as a screw from the direction substantially along the opening 181. Thus, the second case body 18 may be engaged. Further, the second case body 18 has a third engaging portion 183, and the third engaging portion 183 is engaged with the heat radiating member 16, whereby the lens array 13, The curved reflector 14 and the field lens 15 are positioned and fixed.

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 optical system 10 in the present embodiment divides the collimated illumination light 100 from the condenser lens 12 by the lens array 13 to generate each intermediate image, and illumination light emitted from each generated intermediate image. Each of 100 is enlarged by the curved reflecting portion 14 and the field lens 15 so that the entire surface of the display element 20 (a plane passing through the center line in the thickness direction of the liquid crystal layer) is irradiated. In addition, the illumination optical system 10 adjusts the light distribution angle of the illumination light 100 incident on the display element 20 by the curved reflecting portion 14 and the field lens 15. Thereby, since each display light 200 emitted from each region of the display element 20 is distributed almost uniformly over the entire eye box 3, the uniformity of the virtual image W accompanying the movement of the viewpoint in the eye box 3 is kept low. Can do. The light distribution angle on the surface of the display element 20 is obtained by connecting a ray group connecting the eye box 3 and the virtual image W whose position is determined in advance via the projection optical system of the HUD 1 (in the present embodiment, the windshield 2 and the concave mirror 40). Therefore, it is obtained by tracing back rays.

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 display element 20 is a transmissive spatial light modulator, but a reflective spatial light modulator such as DMD (Digital Mirror Device) or LCoS (registered trademark: Liquid Crystal on Silicon) may be used. Good.

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 circuit board 11a, the condenser lens 12, the lens array 13, the curved reflection portion 14, and the field lens 15 are attached to the separate first case body 17 and second case body 18, respectively, and then radiated heat. Although engaged with the member 16, one or three or more case bodies may be used. Moreover, you may engage a part with the heat radiating member 16 directly.

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 windshield 2 was mentioned as an example of the permeation | transmission reflection part which directs the display light 200 to the eye box 3, it is not limited to this. The HUD 1 may be provided with a dedicated combiner, and the observer may visually recognize the virtual image W by reflecting the display light 200 with the combiner.

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 SYMBOLS 3 Eye box 10 Illumination optical system 11 Light source 11a Circuit board 12 Condenser lens 13 Lens array 14 Curved surface reflection part 15 Field lens 16 Heat radiating member 17 First case body 18 Second case body 20 Display element 30 Plane mirror (projection optical system)
40 Concave mirror (projection optical system)
50 Housing 100 Illuminating light 141 Reflecting surface 142 Mounting portion 171 First engaging portion 181 Opening portion 182 Second engaging portion 183 Third engaging portion 200 Display light

A1 incident optical axis A2 outgoing optical axis A3 axis P vertex W virtual image

Claims (3)

照明光学系と表示素子とを備える表示器から発せられる表示光を、投射部材を介して、
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. .
前記曲面反射部の頂点は、前記レンズアレイ側に寄った位置、かつ前記フィールドレンズ側から離れた位置に偏心して配置される、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。   2. The head-up display according to claim 1, wherein the apex of the curved reflecting portion is eccentrically arranged at a position close to the lens array side and a position away from the field lens side. 前記レンズアレイを保持し、前記レンズアレイからの前記入射光軸上に開口を有するケース体をさらに備え、
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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