JP6675059B2 - Head-up display and moving object equipped with head-up display - Google Patents
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Images
Description
本開示は、観察者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイと、このヘッドアップディスプレイを搭載した移動体に関する。 The present disclosure relates to a head-up display that allows an observer to visually recognize a virtual image, and a moving object equipped with the head-up display.
特許文献1は、立体表示を可能とする表示装置を開示する。この表示装置は、像を形成する像形成部である表示パネルと、像形成部により形成された像を結像させる結像光学系と、結像光学系の入射側に設けられ、結像光学系により結像させた像の位置を変化させる結像位置可変部と、を備える。結像位置可変部は、像形成部及び結像光学系の間に中間像を形成するリレー光学系を備え、リレー光学系により中間像の位置を変化させることで、像形成部によって順次切り替えられる複数の像の位置をそれぞれ変化させる。
本開示は、小型でありながら、大画面の虚像を提示することができるヘッドアップディスプレイと、このヘッドアップディスプレイを搭載した移動体とを提供する。 The present disclosure provides a small-sized head-up display capable of presenting a virtual image on a large screen, and a moving object equipped with the head-up display.
本開示のヘッドアップディスプレイは、観察者の視点領域において、観察者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイである。ヘッドアップディスプレイは、表示デバイスと、第1の光学系とを備える。表示デバイスは、表示面を有し、表示面に画像を表示させる。第1の光学系は、凹面鏡と、凹面鏡と表示面との間に配置された集光作用を有するレンズとを有する。第1の光学系は、表示面から出射した光線を、レンズと凹面鏡とを介して結像させて、画像を拡大した中間像を形成する。 The head-up display of the present disclosure is a head-up display that allows a viewer to visually recognize a virtual image in a viewer's viewpoint area. The head-up display includes a display device and a first optical system. The display device has a display surface, and displays an image on the display surface. The first optical system has a concave mirror, and a lens having a light condensing function disposed between the concave mirror and the display surface. The first optical system forms an intermediate image by enlarging an image of the light beam emitted from the display surface via the lens and the concave mirror.
本開示の移動体は、上記ヘッドアップディスプレイと、ウィンドシールドと、を備える。 A moving object according to an embodiment of the present disclosure includes the above-described head-up display and a windshield.
本開示におけるヘッドアップディスプレイは、小型でありながら、大画面の虚像を提示することができる。 The head-up display according to the present disclosure can present a large-screen virtual image while being small.
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. However, an unnecessary detailed description may be omitted. For example, a detailed description of a well-known item or a redundant description of substantially the same configuration may be omitted. This is to prevent the following description from being unnecessarily redundant and to facilitate understanding by those skilled in the art.
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。 The accompanying drawings and the following description are provided to enable those skilled in the art to fully understand the present disclosure, and are not intended to limit the claimed subject matter.
(実施の形態1)
以下、図1〜図5を用いて、実施の形態1を説明する。
(Embodiment 1)
The first embodiment will be described below with reference to FIGS.
[1−1.構成]
[1−1−1.ヘッドアップディスプレイおよび移動体の全体構成]
図1は、本開示のヘッドアップディスプレイ100を搭載した移動体としての車両200の断面を示す模式図である。車両200は、ダッシュボード210と、ウィンドシールド220とを備えている。ダッシュボード210は、ウィンドシールド220の下部に配置されている。車両200には、観察者Dが乗っている。
[1-1. Constitution]
[1-1-1. Overall configuration of head-up display and moving object]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a cross section of a
図1に示すように、ヘッドアップディスプレイ100は、ダッシュボード210の内部に配置される。ヘッドアップディスプレイ100は、表示デバイス(図2の110)が表示する画像からの光線を、ウィンドシールド220を介して反射させ、観察者Dの視点領域300に導いて虚像Iを提示するものである。つまり観察者Dは、ヘッドアップディスプレイ100がウィンドシールド220に投射する画像を、虚像Iとして視認する。なお、視点領域300とは、アイボックスと称される場合もある。視点領域300は、観察者Dが虚像Iを欠けることなく視認できる、観察者Dの視点の位置する領域である。本開示においては、特に断りがない限り、観察者Dの視点は、視点領域300の中心に位置する。
As shown in FIG. 1, the head-up
[1−1−2.ヘッドアップディスプレイの構成]
図2は、実施の形態1におけるヘッドアップディスプレイ100の構成を示す光学断面図である。図2に示すように、ヘッドアップディスプレイ100は、表示デバイス110と、第1の光学系120と、第2の光学系130とを備える。
[1-1-2. Configuration of head-up display]
FIG. 2 is an optical cross-sectional view illustrating a configuration of the head-up
表示デバイス110は、スクリーン111と、駆動部112と、走査型レーザ113と、制御部と、を備える。
The
スクリーン111は表示面111aを有する。表示面111aには、種々の表示画像情報が表示される。表示画像情報としては、道路進行案内表示や、前方車両までの距離、車のバッテリー残量、現在の車速などが挙げられる。表示面の材料は、拡散特性を有する光学材料である。
The
走査型レーザ113は、表示デバイス110の光源である。走査型レーザ113は、スクリーン111の後方に配置される。走査型レーザ113は、スクリーン111の表示面111aを走査することで、表示面111a上に表示画像を形成する。表示デバイス110の光源として、走査型レーザ113以外にも、スクリーン111に画像を投影するプロジェクタを用いてもよい。
The
駆動部112は、スクリーン111を駆動させる。ここで、スクリーン111から出射する光線の内、視点領域300の中心に到達する光線を主光線Lとする。またスクリーン111から出射する光線の内、虚像Iの中心部を通り、視点領域300の中心に到達する光線を基準主光線Lcとする。駆動部112は、基準主光線Lcに沿ってスクリーン111を移動させる。スクリーン111を基準主光線Lcに沿って移動させることで、観察者Dから虚像Iまでの距離を調整することができる。例えば、スクリーン111を第1の光学系120に対して遠ざける方向に移動させることで、虚像Iを観察者Dに対して遠ざけて提示することができる。
The
また、駆動部112は、走査型レーザ113の走査位置に応じてスクリーン111を移動させる。これにより、スクリーン111の基準主光線Lcの出射角によらず虚像Iを任意の平面上に描くことができる。例えば、走査型レーザ113の描写周期と、スクリーン111の揺動周期を同期させることで、虚像Iを観察者Dに対して傾いた平面上に描写することができる。これにより、いわゆるAugmented Reality:ARとよばれる技術を実現できる。すなわち、例えば実際の風景に、風景に合った遠近感のある虚像Iを重畳させて描写できる。また、スクリーン111を数十Hzで基準主光線Lcの方向に前後に移動させることにより、虚像Iを立体表示させることもできる。
Further, the
なお、駆動部112はスクリーン111を光軸方向に移動させるだけでなく、スクリーン111を回転させたり傾けたりできる構成としても良い。
The driving
第1の光学系120は、スクリーン111の画像から出射した光線を結像させて、画像を拡大した中間像Mを形成する。第1の光学系120は、レンズ123と、第1ミラー121と、第2ミラー122と、を備える。スクリーン111から中間像Mまでの光路上に、レンズ123、第1ミラー121、第2ミラー122、の順に配置されている。
The first
レンズ123は、例えば、両凸レンズや平凸レンズである。その他、レンズ123は、正のパワーを有するメニスカス形状を有するレンズであってもよい。レンズ123は集光作用を有する形状であればよい。これにより、スクリーン111の画像を中間結像させるための集光作用を担うことができるとともに、第1ミラー121を小型にすることができる。また、レンズ123の形状を、集光作用を有する形状とすることで、第1ミラー121のパワーを緩めることができ、モノづくりにおける取付け誤差に対する感度を低減することができる。レンズ123は、図3に示すように、スクリーン111からの光線が入射する入射面123aと、光線が出射する出射面123bとを有する。
The
第1ミラー121は凹面鏡である。第1ミラー121の反射面の形状は、凹面形状である。第1ミラー121の形状を凹面形状とすることで、スクリーン111の画像を中間結像させるように集光できる。第1ミラー121のパワーは、レンズ123のパワーよりも大きい。これにより、レンズ123のパワーを抑え、レンズ123で発生する色収差を抑制することができる。
The
また、第2ミラー122は凸面鏡である。第2ミラー122の反射面の形状は、凸面形状である。第2ミラー122の反射面の形状を凸面形状とすることで、第1ミラー121で発生する非対称な偏心歪曲を良好に補正することができる。
The
中間像Mは、スクリーン111上に表示される画像よりも拡大して形成される。これにより、スクリーン111のサイズを小型にしつつ、後述する第2の光学系130の第4ミラー132の正のパワーを弱くすることができる。その結果、ウィンドシールド220に投射される虚像Iの歪みを抑制できる。具体的には、以下の条件(1)を満たすように、第1の光学系120のパワーを設定することが望ましい。
The intermediate image M is formed to be larger than the image displayed on the
1.4 < β < 4.0 ・・・(1)
ここで、
β:第1の光学系120の横倍率
である。
1.4 <β <4.0 (1)
here,
β: lateral magnification of the first
中間像Mは、中間像Mが形成される位置に良好な点として結像される必要はなく、球面収差、コマ収差、像面湾曲、非点収差を有していてもよい。 The intermediate image M does not need to be formed as a good point at the position where the intermediate image M is formed, and may have spherical aberration, coma aberration, field curvature, and astigmatism.
また、第1の光学系120の構成要素としては、第1ミラー121、第2ミラー122、レンズ123の3つの素子に限定されることはなく、第1ミラー121とレンズ123の2つの素子だけで構成されても良いし、4つ以上の素子で構成されても良い。
Further, the components of the first
第2の光学系130は、中間像Mをウィンドシールド220に投射する。第2の光学系130は、第3ミラー131と、第4ミラー132とを備える。第3ミラー131は、凸面鏡である。第3ミラー131の反射面の形状は、凸面形状である。また、第4ミラー132は、凹面鏡である。第4ミラー132の反射面の形状は、凹面形状である。第3ミラー131の形状を凸面の形状とすることで、第4ミラー132で発生する非対称な偏心歪曲を良好に補正することができる。また、第4ミラー132の形状を凹面形状とすることで、中間像Mよりも拡大された虚像Iを観察者Dに視認させることができる。
The second
本実施の形態において、第1ミラー121、第2ミラー122、レンズ123、第3ミラー131、第4ミラー132の形状は、いずれも自由曲面形状である。これは反射で生じる虚像のひずみを、視点領域300の全域で良好な虚像Iが見えるように補正するためである。しかし、たとえば第1ミラー121または第2ミラー122のどちらか一方が自由曲面ミラーであってもよく、他方が平面ミラーであってもよい。この場合は、集光作用のある自由曲面ミラーを凹面鏡として用いる。また同様に、第3ミラー131または第4ミラー132のどちらか一方が自由曲面ミラーであってもよく、他方が平面ミラーであってもよい。
In the present embodiment, the shapes of the
[1−1−3.光路]
スクリーン111から出射し、観察者Dの視点領域300へ到達する光線の光路について、以下に説明する。
[1-1-3. Light path]
The optical path of the light beam emitted from the
スクリーン111に表示された画像から出射した光線は、レンズ123を介して第1ミラー121に入射し、第1ミラー121で反射されて、次に第2ミラー122で反射されて、中間像Mを形成する。中間像Mは、空中に形成される。第1の光学系120によって形成された中間像Mは、第3ミラー131で反射されて、次に第4ミラー132で反射されて、ウィンドシールド220に投射される。ウィンドシールド220に投射された中間像Mは、観察者Dの視点領域300に届き、観察者Dに、虚像Iとして視認される。
Light rays emitted from the image displayed on the
ここで、基準主光線Lcは、スクリーン111に描画される画像の中心から出射し、レンズ123を介して第1ミラー121に入射する。そして基準主光線Lcは、第1ミラー121で反射され、第2ミラーを介して中間像Mの中心に到達する。さらに基準主光線Lcは、第3ミラー131で反射され、第4ミラー132に入射する。そして基準主光線Lcは、第4ミラー132で反射され、ウィンドシールド220に投射される。そして基準主光線Lcは、ウィンドシールド220に投射された虚像Iの中心を通り、観察者Dの視点領域300の中心に到達する。
Here, the reference principal ray Lc exits from the center of the image drawn on the
また主光線Lは、スクリーン111に描画される画像の任意の点から出射し、レンズ123を介して第1ミラー121に入射する。そして主光線Lは、第1ミラー121で反射され、第2ミラーを介して中間像Mのスクリーン111に描画された画像に対応する点に到達する。さらに主光線Lは、第3ミラー131で反射され、第4ミラー132に入射する。そして主光線Lは、第4ミラーで反射され、ウィンドシールド220に投射される。そして主光線Lは、ウィンドシールド220に投射された虚像Iの任意の中心を通り、観察者Dの視点領域300の中心に到達する。
The principal ray L exits from an arbitrary point of the image drawn on the
[1−1−4.配置構成]
以下、表示デバイス110と、第1の光学系120と、第2の光学系130の主な構成要素の配置構成について説明する。なお、この配置構成を説明する際に、図1〜図3に示すZ軸の正の方向(矢印方向)を上方向、負の方向を下方向とし、X軸の正の方向(矢印方向)を左方向、負の方向を右方向として説明する。
[1-1-4. Arrangement configuration]
Hereinafter, the arrangement of the main components of the
(全体の配置構成)
図2に示すように、実施の形態1に係るヘッドアップディスプレイ100では、表示デバイス110の位置を第1の光学系120と第2の光学系130よりも下方に配置している。
(Overall configuration)
As shown in FIG. 2, in head-up
第1ミラー121から第2ミラー122までの基準主光線Lcの光路長(間隔)は、第3ミラー131から第4ミラー132までの基準主光線Lcの光路長(間隔)よりも短い。こうすることで、ヘッドアップディスプレイ100のサイズを小さくすることができる。
The optical path length (interval) of the reference principal ray Lc from the
また、スクリーン111から第1ミラー121までの基準主光線Lcの光路長(間隔)は、第1ミラー121から中間像Mまでの基準主光線Lcの光路長(間隔)よりも短い。こうすることで、第1ミラー121の小型化を図ることができ、ヘッドアップディスプレイ100のサイズも小さくすることができる。
The optical path length (interval) of the reference principal ray Lc from the
また、第1ミラー121の反射面の上端は、第4ミラー132の反射面の下端よりも上に位置する。図2の点線Hは、第1ミラー121の上端の位置を示す。点線Hは、第4ミラー132の下端よりも上方に位置する。このように第1ミラー121と第4ミラー132とを配置することで、ヘッドアップディスプレイ100のサイズの小型化が図れる。
In addition, the upper end of the reflection surface of the
また本実施の形態では、レンズ123のパワーを調整し、第1の光学系120の射出瞳位置、すなわち第1ミラー121の中心部分を、できるだけスクリーン111から遠ざけている。これにより、スクリーン111の表示画像領域の中心部から周辺部に亘って、スクリーン111から出射した直後の主光線Lと基準主光線Lcとの出射角の差を小さくできる。すなわちスクリーン111出射直後の主光線Lと基準主光線Lcとを実質的に平行にできる。この効果については、後述の条件(3)と合わせて説明する。
Further, in the present embodiment, the power of the
(スクリーンの配置構成)
図3に示すように、実施の形態1では、表示デバイス110のスクリーン111の表示面111aをレンズ123の方向に向けている。このとき、スクリーン111から出射する基準主光線Lcは、スクリーン111の表示面111aに対して傾いていることが望ましい。これにより、筐体内に進入した外光がスクリーン111に反射した場合に、その反射光が、スクリーン111で表示された画像の光線に混入して迷光となるのを抑制できる。
(Screen layout)
As shown in FIG. 3, in the first embodiment, the
(レンズの配置構成)
レンズ123は、表示デバイス110よりも第1ミラー121側に配置される。表示デバイス110のスクリーン111から出射した光は、レンズ123の入射面123aに入射し、レンズ123の出射面123bから第1ミラー121に向けて出射する。
(Lens arrangement)
The
レンズ123は、基準主光線Lcに対して傾いていることが望ましい。具体的には、図3に示すように、出射面123bにおいて基準主光線Lcが通過する点での仮想の接平面を接平面(仮想接平面)VPとする場合に、接平面VPが基準主光線Lcに対して直交しないで交差するように、レンズ123が傾いている事が好ましい。さらに具体的には、接平面VPは、基準主光線Lcよりも下方を向くように傾いていることが望ましい。これにより、外光が筺体内に進入して、レンズ123の入射面123a、または出射面123bに反射した場合であっても、その反射光が第1ミラー121に入射するのを抑制できる。すなわち、外光が、スクリーン111から出射して中間像Mを形成する光線に混入し、迷光となるのを抑制できる。また、接平面VPが第1ミラー121の下方に傾くようにレンズ123を配置することで、外光がレンズ123に入射した場合であっても、第1ミラー以外の反射ミラー、すなわち第2ミラー122、第3ミラー131、第4ミラー132にも入射しにくくなる。したがって、迷光を低減できる。また、レンズ123の入射面123aおよび出射面123bの少なくとも一方の形状は、自由曲面形状である。これにより、スクリーン111から出射直後の主光線Lと基準主光線Lcとを平行とすることが容易となる。
It is desirable that the
(第1ミラーの配置構成)
第1ミラー121は、表示デバイス110よりも上方、且つ観察者D側に配置されている。すなわち、図2の図面における上下左右方向を用いて説明すれば、第1ミラー121は、表示デバイス110の斜め右上に配置される。第1ミラー121は、表示デバイス110で表示される画像がレンズ123を介して入射し、かつその画像が第1ミラー121を反射して第2ミラー122に映るように、その反射面を偏心させて配置されている。
(Arrangement configuration of first mirror)
The
(第2ミラーの配置構成)
第2ミラー122は、第1ミラー121よりも下方、且つ虚像I側に配置されている。すなわち図2の上下左右方向を用いて説明すれば、第2ミラー122は、第1ミラー121の斜め左下に配置される。第2ミラー122は、第1ミラー121で反射された光線を入射し、かつその光線を反射して第3ミラー131に映すように、その反射面を偏心させて配置されている。
(Arrangement configuration of second mirror)
The
ここで、第1の光学系120では、以下の条件(2)を満たすよう、スクリーン111と第1ミラー121とレンズ123を配置することが望ましい。
Here, in the first
2 < A / B < 200 ・・・(2)
ここで、
A:出射面123bから第1ミラー121までの基準主光線Lcの光路長
B:表示面111aからレンズ123の入射面123aまでの基準主光線Lcの光路長
である。
2 <A / B <200 (2)
here,
A: the optical path length of the reference principal ray Lc from the
条件(2)はスクリーン111と第1ミラー121とレンズ123の位置を規定する条件である。この条件を満足することで、第1の光学系120を小型化することが可能となる。条件(2)の上限を上回ると、第1ミラー121がスクリーン111から離れすぎて第1ミラー121が大型化してしまい、小型なヘッドアップディスプレイ100を提供することが困難となる。また、条件(2)の下限を下回ると、レンズ123がスクリーン111から離れすぎてレンズ123が大型化してしまい、小型なヘッドアップディスプレイ100を提供することが困難となる。
Condition (2) is a condition for defining the positions of the
また、条件(2−1)を満足することで、上記の効果をさらに奏功させることができる。 In addition, when the condition (2-1) is satisfied, the above effects can be further achieved.
4 < A / B < 75 ・・・(2−1)
また、さらに条件(2−2)を満足することで、上記の効果をさらに奏功させることができる。
4 <A / B <75 (2-1)
Further, when the condition (2-2) is further satisfied, the above effect can be further achieved.
5 < A / B < 50 ・・・(2−2)
また、スクリーン111の表示面111aからレンズ123の入射面123aに到達するまでの光路上において、主光線Lと基準主光線Lcとが成す角度は、以下の条件(3)を満足することが望ましい。
5 <A / B <50 (2-2)
Further, on the optical path from the
θmax < 5 ・・・(3)
ここで、
θmax:スクリーン111の表示面111aから入射面123aに到達するまでの光路上において、主光線Lと基準主光線Lcとが成す角度[deg]の最大値
である。
θmax <5 (3)
here,
θmax: the maximum value of the angle [deg] formed by the principal ray L and the reference principal ray Lc on the optical path from the
条件(3)は、観察者Dが視点領域300の中心から虚像Iを観察する場合のスクリーン111から出射される光線を規定する条件である。条件(3)は、主光線Lと基準主光線Lcとが、スクリーン111の表示面111aから出射した直後に、実質的に平行であることを示す。主光線Lと基準主光線Lcとがこの条件(3)を満足することで、スクリーン111を基準主光線Lcに沿って移動しても、観察者Dが虚像Iを視認する視野角は一定となる。したがって、観察者Dは形状変動が少ない、良好な虚像Iを視認することができる。また、たとえば実際の風景に合わせた遠近感のある虚像Iを提示できる。
The condition (3) is a condition for defining a light beam emitted from the
また、条件(3−1)を満足することで、上記の効果をさらに奏功させることができる。 In addition, when the condition (3-1) is satisfied, the above effects can be further achieved.
θmax < 2 ・・・(3−1)
また、さらに、条件(3−2)を満足することで、上記の効果をさらに奏功させることができる。
θmax <2 (3-1)
Further, when the condition (3-2) is satisfied, the above effect can be further achieved.
θmax < 1 ・・・(3−2)
図4および図5は、スクリーン111の表示面111aから出射する光線の出射角度と虚像Iの関係を示す図である。図4は、主光線Lと、基準主光線Lcとの成す角度の最大値が条件(3)を満たし、主光線Lが、基準主光線Lcとほぼ平行となるように、レンズ123を構成したときの、スクリーン111の位置と虚像Iの関係を示す図である。
θmax <1 (3-2)
FIGS. 4 and 5 are diagrams showing the relationship between the emission angle of the light beam emitted from the
図4に示すように、スクリーン111から出射した直後の主光線Lを基準主光線Lcと平行にすることで、駆動部112でスクリーン111の位置を基準主光線Lcに平行に移動させたとき、観察者Dが虚像Iを視認する視野角は一定である。したがって、観察者Dが視認する虚像Iの形状変動を抑制できる。また、たとえば実際の風景に合わせた遠近感のある虚像Iを提示できる。
As shown in FIG. 4, by making the principal ray L immediately after exiting from the
他方、図5は、条件(3)を満たさず、主光線Lが基準主光線Lcに対して平行でない場合を示す。駆動部112でスクリーン111の位置を基準主光線Lcに沿って移動したとき、観察者Dが虚像Iを視認する時の視野角が変化する。したがって、観察者Dで視認される虚像Iの形状が変動してしまう。その結果、良好な虚像Iを視認することが困難となる。また、実際の風景に合わせた遠近感のある虚像Iを提示することは困難である。
On the other hand, FIG. 5 shows a case where the condition (3) is not satisfied and the principal ray L is not parallel to the reference principal ray Lc. When the
以上のように、視点領域300の中心に到達する光線のうち、スクリーン111から出射される主光線Lは、基準主光線Lcに対して平行であることが望ましい。
As described above, among the light rays that reach the center of the
(第3ミラーの構成)
第3ミラー131は、第1ミラー121よりも上方に配置されている。第3ミラー131は、第2ミラー122で反射された光線を第4ミラー132に映すように、その反射面を偏心させて配置されている。
(Configuration of Third Mirror)
The
(第4ミラーの配置構成)
第4ミラー132は、第3ミラー131よりも虚像I側に配置されている。すなわち図2の上下左右方向では、第4ミラー132は、第3ミラーの斜め左上に配置されている。第4ミラー132は、第3ミラー131からの反射光をウィンドシールド220に映すように、その反射面を偏心させて配置されている。
(Arrangement configuration of fourth mirror)
The
[1−2.効果等]
以上のように、本実施の形態において、ヘッドアップディスプレイ100は、表示デバイス110と、第1の光学系120と、第2の光学系130と、を備える。第1の光学系120によって結像する中間像Mは、表示デバイス110がスクリーン111上で表示する表示画像よりも大きい。これにより、第1の光学系120および第2の光学系130を小型化でき、表示デバイス110全体の小型化を実現することができる。また、第1の光学系120は、レンズ123と第1ミラー121と第2ミラー122とを有するため、画面歪みを良好に補正しながら、スクリーン111を小型化できる。また、第1の光学系120は、レンズ123を有するため、第1ミラー121を小型化できる。そして第1の光学系120を備えることで、第2の光学系130の正のパワーを抑えることができる。
[1-2. Effects]
As described above, in the present embodiment, the head-up
また、スクリーン111を虚像Iに対して小型にできるため、虚像Iと観察者Dの距離を調整するにあたって、スクリーン111の移動量を減らすことができ、駆動部112を小型に構成できる。
In addition, since the
なお、本実施の形態では、スクリーン111の移動量に対して、中間像Mの移動量の方が大きい。これは、第1の光学系120の横倍率βが1よりも大きいからである。このとき、スクリーン111の移動量に対して、中間像Mの移動量は、β2倍となる。実施の形態1では、中間像Mではなく、スクリーン111を移動させるため、移動量を少なくでき、駆動部112を小型化できる。
In the present embodiment, the moving amount of the intermediate image M is larger than the moving amount of the
さらに本実施の形態では、表示面111aから出射した直後の主光線Lと基準主光線Lcとを平行にできるように、レンズ123のパワーを設計している。これにより表示面111aを基準主光線Lcに沿って移動させたとき、虚像Iを視認する観察者Dの視野角を一定にできる。したがって、形状変動の少ない虚像Iを提示できる。また実際の風景と合わせた遠近感のある虚像Iを提できる。
Further, in the present embodiment, the power of the
(実施の形態2)
以下、図6を用いて、実施の形態2を説明する。なお、本実施の形態においては、第1の光学系120の配置位置が実施の形態1と異なり、その他の構成は実施の形態1と同様である。そのため、以下、異なる点を中心に説明をし、同様の構成については説明を省略する。
(Embodiment 2)
Hereinafter,
実施の形態2におけるヘッドアップディスプレイ100の第1ミラー121は、実施の形態1と異なる場所に配置されている。実施の形態2の第1ミラー121は、表示デバイス110よりも図6の鉛直方向において上方(Z軸の正の方向)、かつ、虚像I側(X軸の正の方向)に配置されている。
The
実施の形態2に係るヘッドアップディスプレイ100において、スクリーン111の表示面111aは車両の進行方向を向いている。こうすることで、走査型レーザ113を観察者D側に配置することができ、車両前方の構造物との干渉を避けることができる。
In head-up
(数値実施例)
以下、図7から図17を用いて、実施の形態1および実施の形態2に対応する数値実施例を示す。
(Numerical example)
Hereinafter, numerical examples corresponding to the first and second embodiments will be described with reference to FIGS. 7 to 17.
以下、本技術による表示デバイスについて、具体的な実施例を説明する。なお、以下で説明する実施例において、表中の長さの単位は(mm)であり、角度の単位は(度)である。また、自由曲面は、次の数式1で定義されるものである。 Hereinafter, specific examples of the display device according to the present technology will be described. In the examples described below, the unit of length in the table is (mm), and the unit of angle is (degree). The free-form surface is defined by the following equation (1).
ここで、zは面を定義する軸から(x,y)の位置におけるサグ量、rは面を定義する軸の原点における曲率半径、cは面を定義する軸の原点における曲率、kはコーニック定数、Cjは単項式xmynの係数である。 Here, z is the sag amount at the position (x, y) from the axis defining the surface, r is the radius of curvature at the origin of the axis defining the surface, c is the curvature at the origin of the axis defining the surface, and k is conic. constant, Cj is the coefficient of the monomial x m y n.
また、各実施例において、基準となる座標原点は、表示デバイス110に表示された画像(表示面111a)の中心であり、図7、図12の表中では、表示面111aの横方向をX軸、縦方向をY軸、表示面111aに対して垂直方向をZ軸として示している。
In each embodiment, the reference coordinate origin is the center of the image (
また、トロイダル面は、以下の数式2で定義されるxz平面での輪郭を、原点から曲率半径ry分だけ離れた位置までx軸に平行移動した軸で回転させたときの軌跡で形成される。
Further, the toroidal surface is formed by a trajectory obtained by rotating a contour on the xz plane defined by the
また、偏心データにおいて、ADEとは、ミラーもしくはレンズをX軸を中心にZ軸方向からY軸方向に回転した量、BDEとはY軸を中心にX軸方向からZ軸方向に回転した量、CDEとはZ軸を中心にX軸方向からY軸方向に回転した量を意味する。 In the eccentricity data, ADE is the amount of rotation of the mirror or lens from the Z axis to the Y axis around the X axis, and BDE is the amount of rotation of the mirror or lens from the X axis to the Z axis around the Y axis. , CDE means the amount of rotation about the Z axis from the X axis direction to the Y axis direction.
[実施例1]
図7〜図11は、実施例1(実施の形態1)のヘッドアップディスプレイ100の光学系のデータである。実施例1は、実施の形態1の構成を採る場合の例である。具体的な光学系のデータを図7〜図11に示す。図7は、ヘッドアップディスプレイ100の各光学要素における各面の偏心データを示す。面番号1は、スクリーン111の表示面の番号である。面番号2は、レンズ123の入射面123aの番号であり、面番号3は、レンズ123の出射面123bの番号である。面番号4は、第1ミラー121の反射面の番号である。面番号5は、第2ミラー122の反射面の番号である。面番号6は、第3ミラー131の反射面の番号である。面番号7は、第4ミラー132の反射面の番号である。面番号8は、ウィンドシールド220の投射面の番号である。面番号9は、観察者Dの視点領域300の中心の番号である。図8は、各面の曲率半径を示す。図9〜図11は、各面の自由曲面の形状を表す多項式係数である。
[Example 1]
7 to 11 show data of the optical system of the head-up
[実施例2]
図12〜図16は、実施例2(実施の形態2)のヘッドアップディスプレイ100の光学系のデータである。数値実施例2は、実施の形態2の構成を採る場合の例である。具体的な光学系のデータを図12〜図16に示す。図12は、ヘッドアップディスプレイ100の各光学要素における各面の偏心データを示す。各面番号の付け方は、数値実施例1と同様である。図13は、各面の曲率半径を示す。図14〜16は、各面の自由曲面の形状を表す多項式係数である。
[Example 2]
12 to 16 show data of the optical system of the head-up
図17は、実施例1および実施例2の虚像Iの大きさと、観察者Dから虚像Iまでの距離を示すデータである。図17に示すXおよびYは、ウィンドシールド220の面を規定する方向である。X方向を横(水平)方向とし、Y方向を縦方向とする。
FIG. 17 is data showing the size of the virtual image I of Example 1 and Example 2 and the distance from the observer D to the virtual image I. X and Y shown in FIG. 17 are directions that define the surface of the
以下の表1に、実施の形態1から実施の形態2までの条件式(1)〜(3)の対応値を示す。 Table 1 below shows corresponding values of the conditional expressions (1) to (3) from the first embodiment to the second embodiment.
(他の実施の形態)
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態1〜2を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態1〜2で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
(Other embodiments)
As described above,
実施の形態1および実施の形態2において、表示デバイス110には、スクリーン111に画像を投影するプロジェクタや走査型レーザを用いて説明した。しかしながら、プロジェクタや走査型レーザを用いず、スクリーン111として、液晶表示装置(Liquid Crystal Display)や有機発光ダイオード(エレクトロルミネッセンス)、プラズマディスプレイなどを用いることも可能である。
In the first and second embodiments, the
実施の形態1および実施の形態2において、第2の光学系130は第3ミラー131、第4ミラー132のミラー2枚で構成される他に、同様の作用を持ったレンズ素子などの屈折光学素子で構成されても良いし、第4ミラー132だけで構成されても良い。
In the first and second embodiments, the second
実施の形態1および実施の形態2において、第3ミラー131として、回転非対称な形状を有するミラーを用いたが、X方向とY方向とで曲率の符号が異なる、いわゆる鞍型の面形状を有するミラーを用いても良い。
In
実施の形態1および実施の形態2において、第2ミラー122として、回転非対称な形状を有するミラーを用いたが、X方向とY方向とで曲率の符号が異なる、いわゆる鞍型の面形状を有するnミラーを用いても良い。
In
実施の形態1および実施の形態2において、レンズ123として回転非対称な自由曲面形状を有するレンズを用いたが、これに限定されるものではなく、球面形状、非球面形状、シリンドリカル形状、トロイダル面形状、アナモルフィック面形状、フレネル形状を有するレンズを用いても良い。要は、スクリーン111出射直後の主光線Lと基準主光線Lcとを平行にできるようなレンズ123であればよい。
In the first and second embodiments, a lens having a rotationally asymmetric free-form surface is used as the
実施の形態1および実施の形態2において、レンズ123は屈折作用を用いて説明したが、回折作用を用いても良い。
In
実施の形態1および実施の形態2において、レンズ123は集光作用を有する形状を用いて説明したが、レンズ面全体において集光作用を有する必要はなく、一部分において発散作用を有する面形状でも良い。
In
実施の形態1および実施の形態2において、スクリーン111を基準主光線Lcの方向に前後に移動させて説明したが、必ずしも基準主光線Lcの方向と一致させる必要はなく、基準主光線Lcの方向ベクトルを含めば良い。
In the first and second embodiments, the
なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。 It should be noted that the above-described embodiments are intended to exemplify the technology according to the present disclosure, and thus various changes, substitutions, additions, omissions, and the like can be made within the scope of the claims or the equivalents thereof.
本開示は、反射型透過部材に投映するヘッドアップディスプレイに適用可能である。具体的には、ウィンドシールドを有する移動体に搭載されるヘッドアップディスプレイなどに、本開示は適用可能である。 The present disclosure is applicable to a head-up display that projects on a reflective transmission member. Specifically, the present disclosure is applicable to a head-up display mounted on a moving object having a windshield.
100 ヘッドアップディスプレイ
110 表示デバイス
111 スクリーン
111a 表示面
112 駆動部
113 走査型レーザ
120 第1の光学系
121 第1ミラー
122 第2ミラー
123 レンズ
123a 入射面
123b 出射面
130 第2の光学系
131 第3ミラー
132 第4ミラー
200 車両
210 ダッシュボード
220 ウィンドシールド
300 視点領域
D 観察者
L 主光線
Lc 基準主光線
M 中間像
VP 接平面
REFERENCE SIGNS
Claims (11)
表示面を有し、前記表示面に画像を表示させる表示デバイスと、
凹面鏡と、前記凹面鏡と前記表示面との間に配置された集光作用を有するレンズと、を有し、前記表示面から出射した光線を、前記レンズおよび前記凹面鏡を介して前記画像を拡大した中間像として結像させる第1の光学系と、
を備えたヘッドアップディスプレイ。 In a viewer's viewpoint area, a head-up display that allows the viewer to visually recognize a virtual image,
A display device having a display surface and displaying an image on the display surface,
A concave mirror, and a lens having a light condensing function disposed between the concave mirror and the display surface, and a light beam emitted from the display surface is enlarged through the lens and the concave mirror to enlarge the image. A first optical system that forms an image as an intermediate image;
Head-up display with.
前記レンズと前記凹面鏡とは、前記光線の光路上で隣接し、前記表示面から前記入射面までの距離は、前記出射面から前記凹面鏡までの距離よりも小さい、
請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ。 The lens has an entrance surface on which the light beam enters, and an exit surface on which the light beam exits,
The lens and the concave mirror are adjacent on the optical path of the light beam, and the distance from the display surface to the incident surface is smaller than the distance from the output surface to the concave mirror.
The head-up display according to claim 1.
前記レンズと前記凹面鏡とは、前記光線の光路上で隣接し、
前記光線の内、前記虚像の中心を通り、前記視点領域の中心に到達する光線を基準主光線とする場合に、
以下の条件(2)を満足する請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ:
2 < A/B < 200 ・・・(2)
ここで、
A:前記出射面から前記凹面鏡までの前記基準主光線の光路長
B:前記表示面から前記入射面までの前記基準主光線の光路長
である。 The lens has an entrance surface on which the light beam enters, and an exit surface on which the light beam exits,
The lens and the concave mirror are adjacent on the optical path of the light beam,
Of the light rays, when a light ray that passes through the center of the virtual image and reaches the center of the viewpoint area is used as a reference principal ray,
The head-up display according to claim 1, wherein the following condition (2) is satisfied:
2 <A / B <200 (2)
here,
A: the optical path length of the reference chief ray from the emission surface to the concave mirror B: the optical path length of the reference chief ray from the display surface to the incidence surface.
請求項1から3のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。 The optical power of the concave mirror is stronger than the optical power of the lens,
The head-up display according to claim 1.
前記光線の内、前記虚像の中心を通り、前記視点領域の中心に到達する光線を基準主光線とし、
前記出射面における前記基準主光線が通過する点で、前記出射面に接する仮想の面を仮想接平面とする場合に、
前記仮想接平面は、前記基準主光線に対して傾いている、
請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ。 The lens has an exit surface from which the light beam exits,
Of the light rays, a light ray that passes through the center of the virtual image and reaches the center of the viewpoint area is used as a reference principal ray,
At the point where the reference principal ray on the emission surface passes, when a virtual surface that is in contact with the emission surface is a virtual tangent plane,
The virtual tangent plane is inclined with respect to the reference chief ray.
The head-up display according to claim 1.
前記光線の内、前記視点領域の中心に到達する光線を主光線とし、
前記主光線の内、前記虚像の中心を通り、前記視点領域の中心に到達する光線を基準主光線とする場合に、
以下の条件(3)を満足する請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ:
θmax < 5 ・・・(3)
ここで、
θmax:前記表示面から出射直後の、前記主光線と前記基準光線とが成す角度[deg]の最大値
である。 The lens has an incident surface on which the light beam enters,
Of the light rays, a light ray that reaches the center of the viewpoint area is a principal ray,
Of the chief rays, when a ray that passes through the center of the virtual image and reaches the center of the viewpoint area is a reference chief ray,
The head-up display according to claim 1, wherein the following condition (3) is satisfied:
θmax <5 (3)
here,
θmax: the maximum value of the angle [deg] formed by the principal ray and the reference ray immediately after emission from the display surface.
前記光線の内、前記視点領域の中心に到達する光線を主光線とし、
前記主光線の内、前記虚像の中心を通り、前記視点領域の中心に到達する光線を基準主光線とする場合に、
前記表示面から前記入射面に到達するまでの光路上において、前記主光線と前記基準主光線とが平行となるように、前記レンズは構成される、
請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ。 The lens has an incident surface on which the light beam enters,
Of the light rays, a light ray that reaches the center of the viewpoint area is a principal ray,
Of the chief rays, when a ray that passes through the center of the virtual image and reaches the center of the viewpoint area is a reference chief ray,
On an optical path from the display surface to the incident surface, the lens is configured such that the principal ray and the reference principal ray are parallel to each other.
The head-up display according to claim 1.
前記第2の光学系に投射された画像は、前記視点領域において、前記観察者に前記虚像として視認される、
請求項1から8のいずれか1項に記載のヘッドアップディスプレイ。 A second optical system that is arranged on an optical path of the light beam from the intermediate image to the viewpoint area and projects the intermediate image;
The image projected on the second optical system is visually recognized by the observer as the virtual image in the viewpoint area.
Head-up display as claimed in any one of claims 1 to 8.
Moving body comprising a head-up display as claimed, a windshield to any one of claims 1 10.
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