JP6694924B2 - Head-up display device and information display method - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、自動車などのフロントガラス等に映像等の情報を投射して、当該フロントガラスを介した人間の視野に、直接、当該情報を映し出すヘッドアップディスプレイ装置に関する。   The present invention relates to, for example, a head-up display device that projects information such as an image on a windshield of an automobile or the like and directly projects the information on a human visual field through the windshield.

自動車等の車両に搭載可能で、映像を内側表面に金属薄膜や誘電体多層膜等を形成したフロントガラス(部分反射手段)に投射し、当該フロントガラスを介した視野に、当該映像を虚像として表示するヘッドアップディスプレイ装置は、既に、以下の特許文献1にも知られている。   It can be mounted on a vehicle such as an automobile, and the image is projected on a windshield (partial reflection means) with a metal thin film or a dielectric multilayer film formed on the inner surface, and the image is displayed as a virtual image in the view through the windshield. A head-up display device for displaying is already known from Patent Document 1 below.

また、以下の特許文献2には、運転者がフロントガラスを通して直接目視できない車輪を、疑似的に、運転者に知らせるための車両用表示装置として、ダッシュボード内に取り付けられた、例えば、液晶表示装置からなる表示体から投射される映像(立体的なタイヤの映像)を、上記フロントガラスの一部(下辺部)に取り付けられたホログラフィックコンバイナに投射するものが開示されている。   Further, in Patent Document 2 below, for example, a liquid crystal display mounted in a dashboard as a vehicular display device for pseudo-notifying the driver of wheels that the driver cannot directly see through the windshield It is disclosed that an image (image of a three-dimensional tire) projected from a display formed of a device is projected on a holographic combiner attached to a part (lower side) of the windshield.

更には、進路を案内するナビゲーション装置として、必要な案内情報(例えば、矢印など)を自動車のフロントガラスに投射することにより、詳細な地図データなどを必要とせず、簡単でかつ的確に、案内情報を運転者に表示するものも、以下の特許文献3により、既に知られている。   Furthermore, as a navigation device that guides the route, by projecting necessary guide information (for example, an arrow) on the windshield of an automobile, detailed map data etc. are not required, and the guide information can be easily and accurately provided. The one that displays to the driver is already known from Patent Document 3 below.

特開2006−258884号公報JP, 2006-258884, A 特開平5−58196号公報JP-A-5-58196 特開2006−258884号公報JP, 2006-258884, A

しかしならが、上述した従来技術では、狭小なダッシュボード内に取り付けが可能で、かつ、特に、車載されるヘッドアップディスプレイ装置で問題となる、フロントガラスを介した見える実像の明るさ(外光)と、投射手段により表示される情報の明るさとの比率が十分に確保することが出来る(コントラストの高い)、視認性に優れたヘッドアップディスプレイ装置を実現することは難しかった。   However, in the above-described conventional technology, it is possible to mount it in a narrow dashboard, and in particular, the brightness of the visible real image through the windshield (external light ) And the brightness of the information displayed by the projection means can be sufficiently secured (high contrast), and it is difficult to realize a head-up display device having excellent visibility.

また、一般的に、白色ランプを光源とする投射装置を適用する場合、上述した明るさと比率を十分に確保するためには、当該光源が大型のものとなってしまい、狭小なダッシュボード内に取り付けることは不可能となってしまう。   In addition, in general, when a projection device using a white lamp as a light source is applied, the light source becomes large in order to sufficiently secure the above-mentioned brightness and ratio, and thus it is necessary to install it in a narrow dashboard. It becomes impossible to install.

そこで、本発明は、上述した従来技術における問題点に鑑みて達成されたものであり、特に、狭小なダッシュボード内に取り付けが可能で、かつ、上述した明るさやその比率(コントラスト)を十分に確保することが可能であり、外光の存在下でも視認性に優れたヘッドアップディスプレイ装置を提供することをその目的とする。   Therefore, the present invention has been achieved in view of the problems in the above-described conventional technology, and in particular, it can be mounted in a narrow dashboard, and the brightness and its ratio (contrast) described above are sufficiently satisfied. It is an object of the present invention to provide a head-up display device that can be secured and has excellent visibility even in the presence of external light.

上記の目的を達成するために、本発明によれば、操縦者の視界の一部に映像を含む情報を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、前記操縦者の視界を外れた位置に配置され、前記情報を投影するための映像光を発生して投写する映像表示装置と、前記操縦者の視界の一部に配置され、視界からの光を透過すると共に、前記映像表示装置からの投写光を前記操縦者の方向に反射する透明スクリーンとを備えたものであって、前記映像表示装置を構成する光源として、複数の光源セルからの発光を反射及び混合して所定の方向に出射する固体光源装置を使用するヘッドアップディスプレイ装置が提供される。   In order to achieve the above-mentioned object, according to the present invention, a head-up display device for displaying information including an image in a part of the field of view of a pilot, the head-up display device being arranged at a position out of the field of view of the pilot. An image display device for generating and projecting image light for projecting the information; and a projection light from the image display device, which is arranged in a part of the visual field of the operator, transmits the light from the visual field, A solid screen that reflects and mixes light emitted from a plurality of light source cells as a light source constituting the image display device, and emits the light in a predetermined direction. A head-up display device using a light source device is provided.

上述した本発明によれば、狭小なダッシュボード内にも取り付けが可能で、かつ、上述した明るさやその比率(コントラスト)を十分に確保することが可能であり、外光の存在下でも視認性に優れたヘッドアップディスプレイ装置を提供することを可能とするという優れた効果を発揮する。   According to the present invention described above, it is possible to mount it in a narrow dashboard, and it is possible to sufficiently secure the above-mentioned brightness and its ratio (contrast), and the visibility is high even in the presence of external light. The excellent effect of enabling to provide a superior head-up display device.

本発明の一実施の形態になるヘッドアップディスプレイ装置の全体構成を示す側面図である。It is a side view which shows the whole structure of the head-up display apparatus which becomes one embodiment of this invention. 上記ヘッドアップディスプレイ装置を構成する映像表示装置の内部構成を示す側面図である。It is a side view which shows the internal structure of the image display apparatus which comprises the said head-up display apparatus. 上記ヘッドアップディスプレイ装置を構成する映像表示装置の内部構成を示す上面図である。It is a top view which shows the internal structure of the image display apparatus which comprises the said head-up display apparatus. 上記映像表示装置を構成する光方向変換部の具体的な構造を示す拡大斜視図とその断面図である。FIG. 3 is an enlarged perspective view and a cross-sectional view showing a specific structure of a light redirecting unit that constitutes the image display device. 上記映像表示装置を構成する固体光源装置の具体的な構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the concrete structure of the solid-state light source device which comprises the said video display apparatus. 上記固体光源装置の光反射合成部の構造を示す拡大斜視図である。It is an expansion perspective view which shows the structure of the light reflection combining part of the said solid state light source device. 上記固体光源装置の光合成部の各部と全体を示す拡大斜視図である。It is an expansion perspective view which shows each part and the whole of the photosynthesis part of the said solid state light source device. 上記光合成部と光源セルの関係を示す一部拡大断面図である。It is a partially expanded sectional view which shows the relationship between the said photosynthesis part and a light source cell. 上記光合成部波長選択性の光学面(膜)の反射特性の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the reflection characteristic of the said optical-synthesis part wavelength-selective optical surface (film | membrane). 上記光反射合成部と光合成部の全体の内部における光の合成について説明する図である。It is a figure explaining composition of light in the inside of the above-mentioned light reflex composition part and an optical composition part. 上記映像表示装置の他の実施例(実施例2)について説明する側面図である。It is a side view explaining other Examples (Example 2) of the above-mentioned image display device. 上記他の実施例(実施例2)における立体的(3次元)表示について説明する図である。It is a figure explaining the three-dimensional (three-dimensional) display in the said other Example (Example 2). 上記映像表示装置の更に他の実施例(実施例3)について説明する側面図である。It is a side view explaining another example (Example 3) of the above-mentioned image display device. 上記映像表示装置の更に他の実施例(実施例4)について説明する側面図である。It is a side view explaining other Example (Example 4) of the above-mentioned image display device. 光色循環式の変調方式になる上記映像表示装置の構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of a structure of the said video display apparatus used as a light color circulation type modulation system. 上記光色循環式の変調方式になる映像表示装置の動作の一例を示す信号波形図である。It is a signal waveform diagram which shows an example of operation | movement of the video display apparatus which becomes the said modulation system of a light color circulation type. 上記光色循環式の変調方式になる映像表示装置による効果を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the effect by the image display apparatus used as the said light color circulation type modulation system. 上記映像表示装置のプロジェクションレンズの具体的な構成を示すレンズ構成図である。It is a lens block diagram which shows the concrete structure of the projection lens of the said image display apparatus. 上記プロジェクションレンズの特性を説明する光線図である。It is a ray figure explaining the characteristic of the said projection lens. 上記ヘッドアップディスプレイ装置を構成する透明スクリーンの他の例について説明する一部拡大斜視図及び断面図である。It is a partially expanded perspective view and sectional drawing explaining other examples of the transparent screen which comprises the said head-up display apparatus. 上記透明スクリーンの構成を説明するための上面図である。It is a top view for demonstrating the structure of the said transparent screen. 上記透明スクリーンの特性を示す光線図である。It is a ray diagram which shows the characteristic of the said transparent screen. 本発明の他の実施の形態になるヘッドアップディスプレイ装置の全体構成を示す側面図である。It is a side view which shows the whole structure of the head-up display apparatus which becomes other embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら、詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

まず、添付の図1には、本発明の一実施の形態になるヘッドアップディスプレイ装置であり、特に、自動車に搭載されてそのフロントガラスに映像等の情報を投射して人間の視野に、直接、当該情報を映し出す車両用のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成が示されている。図において、ヘッドアップディスプレイ装置を構成する、例えば、反射防止膜からなる透明スクリーン410が、参照符号400で示されたフロントガラスの下辺部においてその内側表面に沿って取り付けられており、他方、ヘッドアップディスプレイ装置を構成する映像表示装置420は、当該フロントガラス400の下辺部においてステアリング404に隣接する位置に配置されたダッシュボード403の内部に取り付けられている。   First, FIG. 1 attached herewith shows a head-up display device according to an embodiment of the present invention. , A schematic configuration of a vehicle head-up display device for displaying the information is shown. In the figure, a transparent screen 410, which is, for example, an antireflection film and constitutes a head-up display device, is attached along the inner surface of the lower side of the windshield indicated by reference numeral 400, while the head is The image display device 420 that constitutes the up-display device is mounted inside the dashboard 403 that is arranged at a position adjacent to the steering 404 on the lower side of the windshield 400.

かかる構成になるヘッドアップディスプレイ装置では、映像表示装置420からの映像(情報)が指向性反射手段を施した透明スクリーン410上に投射して反射され、運転者用シート406及びヘッドレスト405上により支持された運転者(操縦者)407の目409に投影される。これにより、運転者407は、フロントガラス400介して目409に入る外部の視野と共に、その一部に同時に重畳されて表示さる運転に必要な各種の情報等を認識することができ、常に、外部の状況を判断しながらステアリング404を操作することができ、より安全な運転操作が可能となる。   In the head-up display device having such a configuration, the image (information) from the image display device 420 is projected and reflected on the transparent screen 410 provided with the directional reflection means, and is supported by the driver seat 406 and the headrest 405. The image is projected on the eyes 409 of the driver (pilot) 407 who has been driven. As a result, the driver 407 can recognize various information necessary for driving that is simultaneously superimposed and displayed on a part of the external visual field that enters the eye 409 through the windshield 400, and is always external. It is possible to operate the steering 404 while determining the situation, and a safer driving operation becomes possible.

続いて、図2及び3には、上記透明スクリーン410を含んだ映像表示装置420のより詳細な構成の一例を示す図であり、図2はその側面図であり、図3は上面図である。   Next, FIGS. 2 and 3 are diagrams showing an example of a more detailed configuration of the image display device 420 including the transparent screen 410, FIG. 2 is a side view thereof, and FIG. 3 is a top view. ..

これらの図にも示すように、映像表示装置420は、以下にその詳細を説明するが、光の利用効率が高く、白色光を照射す、又は、所望の色(例えば、R(赤)、G(緑)、B(青))の光を選択的に照射することができる、例えば、LED光源やレーザ光源を利用した光源部421と、当該光源部421からの光を、外部からの映像信号に基づいて所望の映像光に変換する素子である、例えば、TFT型液晶パネルからなる光変調部(液晶パネル)422と、そして、当該光変調部422からの映像光を拡大して投写する、所謂、プロジェクションレンズ423と、そして、当該プロジェクションレンズ423からの光を、フロントガラス400の内面下方に取り付けられた透明スクリーン410に向けて照射(投写)する、例えば、フレネルレンズシートからなる光方向変換部424などにより構成されている。また、図の参照番号430は、外部からの映像信号に基づいて光変調部422(例えば、液晶パネル、反射型液晶パネル、DLP素子)を駆動する駆動回路を示している。なお、上記の図2においては、広角の投射光のうち、上記透明スクリーン410の上端部に投射される光を上限光、そして、スクリーン410の下端部に投射される光を下限光として、それぞれ、参照番号412、413で示す。   As shown in these figures, the image display device 420, whose details will be described below, has high light utilization efficiency, emits white light, or emits a desired color (for example, R (red), G (green) and B (blue) light can be selectively emitted, for example, a light source unit 421 using an LED light source or a laser light source, and light from the light source unit 421 from an external image. A light modulation unit (liquid crystal panel) 422, which is a device that converts a desired image light based on a signal, for example, a TFT liquid crystal panel, and the image light from the light modulation unit 422 is enlarged and projected. The so-called projection lens 423 and the light from the projection lens 423 is irradiated (projected) toward the transparent screen 410 mounted below the inner surface of the windshield 400, for example, a light direction made of a Fresnel lens sheet. The conversion unit 424 and the like are included. Further, reference numeral 430 in the drawing indicates a drive circuit for driving the light modulator 422 (for example, a liquid crystal panel, a reflective liquid crystal panel, a DLP element) based on an external video signal. In FIG. 2, among the wide-angle projection lights, the light projected on the upper end of the transparent screen 410 is the upper limit light, and the light projected on the lower end of the screen 410 is the lower limit light, respectively. , Reference numerals 412, 413.

なお、添付の図4(A)及び(B)には、上記光方向変換部424の具体的な構成が示されており、図4(A)はフレネルレンズシートを光変調部(液晶パネル)422側から見た斜視図を、図4(B)はG−G線に沿った断面図である。これらの図からも明らかなように、光方向変換部424には、複数の屈折型フレネルレンズ425が同心円状に形成されており、上記光変調部(液晶パネル)422から傾斜して投写された光は、これらのフレネルレンズ425の働きにより、ほぼ垂直方向に出射される(図の矢印を参照)。   Incidentally, FIGS. 4 (A) and 4 (B) attached herewith show a specific configuration of the light direction conversion section 424. FIG. 4 (A) shows a Fresnel lens sheet as a light modulation section (liquid crystal panel). FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line GG, showing a perspective view seen from the 422 side. As is clear from these figures, a plurality of refraction-type Fresnel lenses 425 are concentrically formed in the light direction conversion section 424, and the light is converted and projected from the light modulation section (liquid crystal panel) 422. Light is emitted in a substantially vertical direction by the action of these Fresnel lenses 425 (see the arrow in the figure).

<<高効率固体光源装置>>
次に、上述した光の利用効率が高く、白色を含め、所望の色の光を選択的に照射することができる光源部421の詳細な構成について、添付の図5〜9を参照しながら、以下に説明する。
<< High-efficiency solid-state light source device >>
Next, with respect to the detailed configuration of the light source unit 421, which has high light utilization efficiency described above and can selectively emit light of a desired color including white, referring to FIGS. This will be described below.

まず、図5には、当該光源部421の全体構成が示されており、図からも明らかなように、光反射合成部20と、光合成部30と、そして、複数(本例では、例えば、4枚)の光源セル40とから構成されている。なお、この図では、その視点を理由として、2枚の光源セル40だけが示されている。なお、図の参照番号35は、光合成部30の光の出射面を示している。   First, FIG. 5 shows the entire configuration of the light source unit 421, and as is clear from the figure, a light reflection combining unit 20, a light combining unit 30, and a plurality (in this example, for example, (4 sheets) of light source cells 40. In this figure, only two light source cells 40 are shown because of that viewpoint. Note that reference numeral 35 in the drawing indicates a light emitting surface of the light combining unit 30.

光反射合成部20は、図6にも示すように、例えば、金属(アルミニウム等)製で熱伝導率が高く光に反射率を高めるために内面を研磨面とし、増反射コートした部材からなり、断面が四角形で、その先端部分を放物面状に形成した、その外形が略角錐形状の部材からなり、その底面部を除いた全表面に、例えば、AリットルやAリットルの表面に金属多層膜の増反射膜を成膜した反射面を形成したものである。   As shown in FIG. 6, the light reflection synthesizing unit 20 is made of, for example, a member made of metal (aluminum or the like), having a high thermal conductivity and an inner surface having a polished surface for increasing the reflectance of light, and having a reflection-increasing coating. , A quadrangular cross-section, the tip portion of which is formed into a parabolic shape, the outer shape of which is a substantially pyramidal member, and the entire surface excluding the bottom portion, for example, A liters or A liters of metal. A reflective surface is formed by forming a multilayer reflection enhancing film.

光合成部30は、図7(A)にも示すように、例えば、断面が三角形で、その底面が上面よりも大きな三角柱状の外形を有するダイクロイックプリズム31を4個、組み立て、もって、図7(B)にも示すように、断面が四角形の角柱としたものである。なお、上記ダイクロイックプリズム31の各々は、組み立てた状態で外周面となる面32には反射面が、その他の二つの面33、34には、例えば、金属多層膜からなるダイクロイック特性を示す波長選択性の光学面(膜)が形成されている。   As shown in FIG. 7 (A), the light combining unit 30 assembles, for example, four dichroic prisms 31 each having a triangular cross section and a triangular columnar outer shape whose bottom surface is larger than the top surface. As shown in B), the cross section is a square prism. Each of the dichroic prisms 31 has a reflective surface on the surface 32 which is an outer peripheral surface in the assembled state, and the other two surfaces 33 and 34 are, for example, wavelength selection plates showing a dichroic characteristic composed of a metal multilayer film. A transparent optical surface (film) is formed.

ここで、再び図5に戻り、上記光合成部30(又は、光反射合成部20でもよい)の各外周面には、それぞれ、光源セル40が取り付けられている。当該光合成部30の、光源セル40が取り付けられている部分の断面が、図8に示されている。なお、本例では、図8にも明らかなように、4個の光源セル40が取り付けられており、そして、それぞれの光源セル40は、光の3原色であるR(赤)光を発光する光源セル40R、G(緑)光を発光する光源セル40G、そして、B(青)光を発光する光源セル40Bとなっており、特に、G光を発光する光源セル40Gは、一般的に、R(赤)光を発光する光源セル40RやB(青)光を発光する光源セル40Bに比較して、大きな出力光が得難いことから、光合成部30の隣接する2つの外周面に取り付けられている。なお、光源セル40が取り付けられる部分は、表面に形成された反射面が取り除かれている。   Here, returning to FIG. 5 again, the light source cells 40 are attached to the respective outer peripheral surfaces of the light combining section 30 (or the light reflection combining section 20). FIG. 8 shows a cross section of a portion of the light combining section 30 to which the light source cell 40 is attached. In this example, as is apparent from FIG. 8, four light source cells 40 are attached, and each light source cell 40 emits R (red) light which is the three primary colors of light. The light source cell 40R is a light source cell 40G that emits G (green) light, and the light source cell 40B that emits B (blue) light. In particular, the light source cell 40G that emits G light is Compared to the light source cell 40R that emits R (red) light and the light source cell 40B that emits B (blue) light, it is difficult to obtain a large output light, so that it is attached to two adjacent outer peripheral surfaces of the light combining unit 30. There is. In addition, the reflection surface formed on the surface of the portion to which the light source cell 40 is attached is removed.

続いて、図8には、4個のダイクロイックプリズム31a〜31dを組み立てて形成された光合成部30と、その外周面に取り付けられた光源セル40a〜40dが、断面により示されている(但し、各光源セル40が取り付けられる部分は、表面に形成された反射面が取り除かれている。)そして、各光合成部30の境界面には、上述したダイクロイック特性を示す波長選択性の光学面(膜)33a〜33dが配置されており、これにより、光源セル40a〜40dから出射した光は、当該波長選択性の光学面(膜)33a〜33dで反射又は通過し、更には、混色し、このことにより、白色を含む所望の色の光を取り出すことが可能となる。   Next, in FIG. 8, the light combining section 30 formed by assembling the four dichroic prisms 31a to 31d and the light source cells 40a to 40d attached to the outer peripheral surface thereof are shown in cross section (however, The reflection surface formed on the surface is removed from the portion to which each light source cell 40 is attached.) Then, on the boundary surface of each photosynthetic portion 30, a wavelength-selective optical surface (film that exhibits the dichroic characteristics described above) is formed. ) 33a to 33d are arranged, whereby the light emitted from the light source cells 40a to 40d is reflected or passed by the wavelength-selective optical surfaces (films) 33a to 33d, and further mixed. This makes it possible to extract light of a desired color including white.

次に、図9(A)〜(C)には、上述した波長選択性の光学面(膜)33a〜33dの反射特性の一例を示す。即ち、これらの図にも示すように、G光反射面は、G領域の波長の光を反射し、他の波長領域の光を透過する。同様に、B光反射面は、B領域の波長の光を反射し、R光反射面は、R領域の波長の光を反射する。   Next, FIGS. 9A to 9C show an example of the reflection characteristics of the above-described wavelength-selective optical surfaces (films) 33a to 33d. That is, as also shown in these figures, the G light reflecting surface reflects light of wavelengths in the G region and transmits light of other wavelength regions. Similarly, the B-light reflecting surface reflects light having a wavelength in the B region, and the R-light reflecting surface reflects light having a wavelength in the R region.

ここで、図8の光合成部30を一例として説明する。まず、光源セル40aと40bをG(緑)色光を発光する光源セル、光源セル40cをB(青)色光を発光する光源セル、そして、光源セル40dをR(赤)色光を発光する光源セルとし、また、波長選択性光学面(膜)33aをG光反射/R光透過性とし、波長選択性光学面(膜)33bをR光、B光反射/G光透過性とし、波長選択性光学面(膜)33cをG光反射/B光透過性とし、そして、波長選択性光学面(膜)33dをB光、R光反射/G光透過性とする。これにより、R光、G光、B光を分離して、出射面35(図5を参照)から取り出すことが出来る。   Here, the photosynthesis unit 30 of FIG. 8 will be described as an example. First, the light source cells 40a and 40b emit light of G (green) color, the light source cell 40c emits light of B (blue), and the light source cell 40d emits light of R (red). In addition, the wavelength-selective optical surface (film) 33a is G light reflective / R light transmissive, and the wavelength selective optical surface (film) 33b is R light, B light reflective / G light transmissive, and wavelength selective. The optical surface (film) 33c is G light reflective / B light transmissive, and the wavelength-selective optical surface (film) 33d is B light and R light reflective / G light transmissive. As a result, the R light, the G light, and the B light can be separated and extracted from the emission surface 35 (see FIG. 5).

あるいは、上記した波長選択性光学面(膜)の反射/透過特性を適宜選択することで、R光、G光、B光が混合された白色光を出射面35(図5を参照)から取り出すことも出来る。   Alternatively, by appropriately selecting the reflection / transmission characteristics of the wavelength selective optical surface (film) described above, white light in which R light, G light, and B light are mixed is extracted from the emission surface 35 (see FIG. 5). You can also do it.

次に、上記光反射合成部20の内部、及び、光反射合成部20と光合成部30の全体の内部における光の合成について、添付の図10(A)及び(B)により説明する。なお、これらの図は、光反射合成部20、及び、光反射合成部20と光合成部30の全体を、その光軸方向(図5の一点鎖線を参照)に沿って切断した切断面である。なお、ここでは、光源セル40を光反射合成部20の上面に取り付けた場合について述べる。   Next, the combination of light inside the light reflection combining unit 20 and inside the entire light reflection combining unit 20 and the light combining unit 30 will be described with reference to FIGS. 10 (A) and 10 (B). It should be noted that these figures are cut surfaces obtained by cutting the light reflection combining unit 20 and the entire light reflection combining unit 20 and the light combining unit 30 along the optical axis direction (see the alternate long and short dash line in FIG. 5). .. The case where the light source cell 40 is attached to the upper surface of the light reflection / synthesis unit 20 will be described here.

光反射合成部20は、光源セルの放熱性を考慮すると熱伝導率が高く光の反射特性に優れたAリットル等の金属が良く、その内面は例えば楕円、放物面、球面などとして光源セル40a〜40dからの放射光束を効率よく光合成部30に導く。図10(A)に本願発明の実施例としての光反射合成部20を示すが、全体として略放物面状の外形を有しており、その光の出射方向である光軸方向(図5の一点鎖線を参照)に沿った断面は、略放物線状となっている。また、この光軸方向に垂直断面は、その中央部より先端の部分では略楕円形状に、当該中央部から光合成部30との接合部にかけては正方形又は長方形状となっており、これら光反射合成部20と光合成部30とは、互いに連続的につながる形状となっている。また、既に述べたが、光反射合成部20の外周表面には反射面が形成されており、光源セル40から出射した光を光合成部30に反射する形状となっている。   Considering the heat dissipation of the light source cell, the light reflection / synthesis unit 20 is preferably made of a metal such as A liter having a high thermal conductivity and an excellent light reflection characteristic, and the inner surface thereof is, for example, an ellipse, a paraboloid, or a spherical surface. The light fluxes emitted from 40a to 40d are efficiently guided to the photosynthesis unit 30. FIG. 10A shows a light reflection combining section 20 as an embodiment of the present invention, which has a substantially parabolic outer shape as a whole, and is an optical axis direction (FIG. The cross section along the alternate long and short dash line) is substantially parabolic. Further, the cross section perpendicular to the optical axis direction has a substantially elliptical shape from the central portion to the tip portion, and has a square or rectangular shape from the central portion to the joint portion with the light synthesizing unit 30. The section 20 and the photosynthesis section 30 have a shape in which they are continuously connected to each other. Further, as described above, a reflection surface is formed on the outer peripheral surface of the light reflection synthesizing unit 20, and the light emitted from the light source cell 40 is reflected by the light synthesizing unit 30.

即ち、図10(A)には、光源セル40の各発光点401〜405から出射した光の光反射合成部20内での伝播方向を矢印で示している。光反射合成部20の先端部を略放物面状とすることにより、各発光点401〜405から光は、当該光反射合成部20の内部で反射を繰り返すことで混合され、その結果、光合成部30には略均一化されて光束が出射される。   That is, in FIG. 10A, arrows indicate the propagation directions of the light emitted from the light emitting points 401 to 405 of the light source cell 40 in the light reflection combining unit 20. By making the tip end portion of the light reflection / synthesis unit 20 substantially parabolic, the light from each of the light emitting points 401 to 405 is mixed by repeating reflection inside the light reflection / synthesis unit 20, and as a result, the light synthesis is performed. The part 30 emits a light beam which is substantially uniformized.

図10(B)は、光反射合成部20と光合成部30の全体における光線の伝播を示した図であり、上記光反射合成部20から光合成部30へ入射した光束は、光合成部30の外周面で反射しながら出射面へ向かい光束の光密度が均一化され外部へ出射する。その際、光合成部30を構成するダイクロイックプリズム31a〜31dを通過することにより、特定の波長の光は上記波長選択性の光学面(膜)33a〜33dで反射される。即ち、波長選択性光学面(膜)33a〜33dを設けることによれば、当該光合成部30の外周面に形成した反射面でのみ反射させる場合に比較し、光合成部の内部での反射の回数が増大し、光の利用効率が向上する。一例として、光合成部30の外周面にアルミニウムの反射膜を形成し、当該反射膜でのみ内部の光を反射させた場合には、その反射ロスとして、約5%/反射1回)が発生するが、これに対し、波長選択性光学面(膜)33a〜33dを設けることによれば、反射せずに透過する光についても、その後、出射光束として利用できることから、全体としての光利用効率の低下は少ない。   FIG. 10B is a diagram showing the propagation of light rays in the entire light reflection synthesizing unit 20 and the light synthesizing unit 30, and the light flux incident on the light synthesizing unit 30 from the light reflection synthesizing unit 20 is the outer periphery of the light synthesizing unit 30. While being reflected by the surface, the light density of the light flux is made uniform toward the emission surface and emitted to the outside. At this time, the light having a specific wavelength is reflected by the wavelength-selective optical surfaces (films) 33a to 33d by passing through the dichroic prisms 31a to 31d forming the light combining unit 30. That is, by providing the wavelength-selective optical surfaces (films) 33a to 33d, the number of reflections inside the light combining unit is greater than that in the case where the light is reflected only by the reflecting surface formed on the outer peripheral surface of the light combining unit 30. Is increased, and the light utilization efficiency is improved. As an example, when an aluminum reflection film is formed on the outer peripheral surface of the light combining unit 30 and internal light is reflected only by the reflection film, the reflection loss is about 5% / one reflection). However, by providing the wavelength-selective optical surfaces (films) 33a to 33d, on the other hand, the light that is transmitted without being reflected can also be used as the outgoing light flux after that. There is little decline.

また、波長選択性光学面(膜)33a〜33dを設けることによれば、光の光反射合成部20の内部での反射回数が増加し、反射光束の強度分布をより均一にすることが出来る。換言すれば、出力光束の均一度を一定とした場合には、外周面での反射だけに比較し、当該光反射合成部20の光軸方向の長さをより短縮することが出来る。更に、光合成部30の入射面(光反射合成部20の出射面)の面積を、その出射面35の面積よりも大きくしていることから、出射光線の角度が光軸の方向に近づき、指向特性を狭域に絞ることができる。   Further, by providing the wavelength selective optical surfaces (films) 33a to 33d, the number of reflections of light inside the light reflection / synthesis unit 20 increases, and the intensity distribution of the reflected light flux can be made more uniform. .. In other words, when the uniformity of the output light flux is constant, the length in the optical axis direction of the light reflection / synthesis unit 20 can be further shortened as compared with the reflection only on the outer peripheral surface. Furthermore, since the area of the entrance surface of the light combining section 30 (the exit surface of the light reflection combining section 20) is made larger than the area of the exit surface 35, the angle of the outgoing light beam approaches the direction of the optical axis, and The characteristics can be narrowed down.

即ち、上述した高効率固体光源装置によれば、光の利用効率が高く、光束の拡散角度を狭めた所望の色の光を選択的に取り出すことも可能な光源装置を実現することが出来る。   That is, according to the high-efficiency solid-state light source device described above, it is possible to realize a light source device that has high light utilization efficiency and can selectively extract light of a desired color with a narrowed diffusion angle of the light flux.

<<光変調部(液晶パネル)>>
続いて、上述した高効率固体光源装置を利用した場合の光変調部(液晶パネル)の詳細な構造について、以下に複数の実施例について説明する。
<< Light modulator (liquid crystal panel) >>
Next, the detailed structure of the light modulator (liquid crystal panel) when the above-described high-efficiency solid-state light source device is used will be described below with reference to a plurality of examples.

<実施例1>
上記の図2や図3にも示したように、上述した高効率固体光源装置を光源部421として利用し、当該光源からの白色光を、例えば、TFT型液晶パネルからなる透過型の光変調部(液晶パネル)422に入射し、外部からの映像信号に基づいて所望の映像光に変換し、当該変換した映像光をプロジェクションレンズ423を介してフレネルレンズ425上に投写する。
<Example 1>
As shown in FIG. 2 and FIG. 3 described above, the high-efficiency solid-state light source device described above is used as the light source unit 421, and white light from the light source is transmitted, for example, by a transmissive optical modulation including a TFT liquid crystal panel. The light enters the unit (liquid crystal panel) 422 and is converted into desired image light based on an image signal from the outside, and the converted image light is projected onto the Fresnel lens 425 via the projection lens 423.

かかる構成によれば、比較的簡単な構成により、フロントガラス400の下辺部において所望の情報を映し出すヘッドアップディスプレイ装置を実現することが出来る。   With such a configuration, it is possible to realize a head-up display device that displays desired information on the lower side of the windshield 400 with a relatively simple configuration.

<実施例2>
次に、光変調部(液晶パネル)の他の実施例(実施例2)について、図11を参照しながら説明する。この図11にも示すように、この実施例2では、上記実施例1に示した構成に加え、フレネルレンズ425の出射面側のほぼ全領域を覆うように、更に、第2の画像表示用液晶パネル440を取り付け、そして、当該第2の画像表示用液晶パネル440を駆動するための第2の液晶パネル駆動回路431を設けたものである。
<Example 2>
Next, another embodiment (Embodiment 2) of the light modulator (liquid crystal panel) will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 11, in the second embodiment, in addition to the configuration shown in the first embodiment, the second image display is further performed so as to cover almost the entire area of the Fresnel lens 425 on the exit surface side. A liquid crystal panel 440 is attached and a second liquid crystal panel drive circuit 431 for driving the second image display liquid crystal panel 440 is provided.

なお、上記第2の画像表示用液晶パネル440は、第2の液晶パネル駆動回路431を介して外部からの映像信号(共通)に基づいて光変調を行う。かかる構成によれば、得られるコントラストは、第2の画像表示用液晶パネル440のコントラスト比と、上記第1の画像表示用液晶パネル422のコントラスト比との積となるため、特に、外光による視野に投写映像を表示するヘッドアップディスプレイ装置にとって非常に重要な、表示画像のコントラスト比を格段に向上することが可能になる。換言すれば、上記第1の画像表示用液晶パネル422や第2の画像表示用液晶パネル440として、比較的安価なパネルを採用しながらも、十分なコントラスト比を得ることが可能になる。   The second image display liquid crystal panel 440 performs optical modulation based on a video signal (common) from the outside via the second liquid crystal panel drive circuit 431. According to this configuration, the obtained contrast is the product of the contrast ratio of the second image display liquid crystal panel 440 and the contrast ratio of the first image display liquid crystal panel 422, and thus, in particular, due to external light. It is possible to significantly improve the contrast ratio of a display image, which is very important for a head-up display device that displays a projected image in the visual field. In other words, it is possible to obtain a sufficient contrast ratio while using relatively inexpensive panels as the first image display liquid crystal panel 422 and the second image display liquid crystal panel 440.

また、かかる構成において、上記第1の画像表示用液晶パネル422や第2の画像表示用液晶パネル440を、図に実線で示すように外部からの映像信号(共通)に基づいて光変調を行うのではなく、破線の矢印で示すように、ここでは図示しない3次元表示装置からの互いに異なる映像信号に基づいて光変調を行うことによれば、添付の図12(A)及び(B)に示すように、第1の画像表示用液晶パネル422による第1の画像155と第2の画像表示用液晶パネル440の第2の画像175により、情報を立体的(3次元表示)に映し出すことの可能なヘッドアップディスプレイ装置を実現することが出来る。   Further, in such a configuration, the first image display liquid crystal panel 422 and the second image display liquid crystal panel 440 are optically modulated based on an external video signal (common) as shown by a solid line in the figure. However, as shown by a dashed arrow, by performing optical modulation based on mutually different video signals from a three-dimensional display device not shown here, it is possible to obtain the results shown in FIGS. As shown, the first image 155 displayed by the first image display liquid crystal panel 422 and the second image 175 displayed by the second image display liquid crystal panel 440 allow information to be displayed three-dimensionally (three-dimensionally). It is possible to realize a possible head-up display device.

<実施例3及び実施例4>
図13に示すように、上述した光反射合成部20、光合成部30、そして、光源セル40とからなる固体光源部421の出射面側に、例えば、位相板などからなる位相差発生部51と、フィールドレンズ52を設け、当該固体光源部421からの出射光を、偏光プリズム等の偏光分離素子53により第1の反射型の光変調部(例えば液晶パネル、反射型液晶パネル、DLP等)422’上に導いた後、当該光変調部で変調された反射光を投写レンズ423によりフレネルレンズ425上に投写する。なお、この例では、フレネルレンズ425の光の出射側には、やはり、上記の第2の光変調部440が設けられている。
<Example 3 and Example 4>
As shown in FIG. 13, on the emission surface side of the solid-state light source unit 421 including the above-described light reflection combining unit 20, light combining unit 30, and light source cell 40, for example, a phase difference generating unit 51 including a phase plate and the like are provided. A field lens 52 is provided, and light emitted from the solid-state light source unit 421 is converted into a first reflection type light modulation unit (for example, liquid crystal panel, reflection type liquid crystal panel, DLP) 422 by a polarization separation element 53 such as a polarization prism. After being guided upward, the reflected light modulated by the light modulator is projected by the projection lens 423 onto the Fresnel lens 425. In this example, the second light modulator 440 is also provided on the light emission side of the Fresnel lens 425.

あるいは、図14に示すように、上記固体光源部421から出射して位相差発生部51とフィールドレンズ52を透過した光を、例えば、アクリルやポリスチレン、ポリカーカーボネイト、PET等の樹脂からなり、その表面上に鋸歯状の突起部を多数形成してなる導光体55により透過型の光変調部(液晶パネル)422上に導く構成とすることも可能である。   Alternatively, as shown in FIG. 14, the light emitted from the solid-state light source unit 421 and transmitted through the phase difference generating unit 51 and the field lens 52 is made of, for example, a resin such as acrylic, polystyrene, polycarbonate, or PET. It is also possible to employ a configuration in which a light guide 55 formed by forming a large number of sawtooth-shaped projections on the surface guides it onto a transmissive light modulator (liquid crystal panel) 422.

なお、以上に述べた実施例1〜4では、上記固体光源部421の光の出射面35(図5を参照)からは、R光、G光、B光が混合された白色光が取り出されることとなり、そのため、当該光源部を構成する光源セル40a〜40dは、図示しない電源回路により、常時、駆動されることとなる。   In the first to fourth embodiments described above, white light in which R light, G light, and B light are mixed is extracted from the light emitting surface 35 (see FIG. 5) of the solid-state light source unit 421. Therefore, the light source cells 40a to 40d forming the light source unit are always driven by the power supply circuit (not shown).

上述した本願発明の高効率固体光源装置によれば、白色光のほかに、R(赤)光、G(緑)光、B(青)光を時間分割して、選択的に取り出すことが出来ることから、以下に詳細に述べる変調方式、即ち、光色循環式の変調方式を採用することも出来る。   According to the high efficiency solid state light source device of the present invention described above, in addition to white light, R (red) light, G (green) light, and B (blue) light can be time-divided and selectively extracted. Therefore, it is also possible to employ the modulation method described in detail below, that is, the light color cyclic modulation method.

<<光色循環式の変調方式>>
なお、この光色循環式の変調方式は、上記図2及び3に示した構成により実現することが可能であるが、但し、図15にも示すように、外部からの映像信号に基づいて、上記固体光源部421からの光を、R光、G光、B光に、順次、選択的に切り替えると共に、光変調部422への映像信号を、R光用映像信号、G光用映像信号、B光用映像信号に、順次、切り替える。
<< Light Color Circulation Modulation Method >>
It should be noted that this light color cyclic modulation method can be realized by the configuration shown in FIGS. 2 and 3, but, as shown in FIG. 15, based on an external video signal, The light from the solid-state light source unit 421 is sequentially and selectively switched to R light, G light, and B light, and the video signal to the light modulation unit 422 is changed to an R light video signal, a G light video signal, The video signal for B light is sequentially switched.

例えば、図15にも示すように、液晶パネル駆動回路430は、入力する映像信号からR光用映像信号、G光用映像信号、B光用映像信号を生成する変換回路431、432、433と、光源セル40を駆動するための光源セル駆動電源回路434を備えている。   For example, as shown in FIG. 15, the liquid crystal panel drive circuit 430 includes conversion circuits 431, 432, 433 that generate an R light video signal, a G light video signal, and a B light video signal from an input video signal. A light source cell driving power supply circuit 434 for driving the light source cell 40 is provided.

そして、上述した光変調部駆動回路430の構成によれば、図16(A)〜(D)にも示すように、互いに同期して働くスイッチ回路435、436を介して、以下のように動作する。即ち、スイッチ回路436を介して、R光の光源である光源セル40Rに対して、光源セル駆動電源回路434からの駆動電流が供給される(図16(A)参照)時には、R光用映像信号が、スイッチ回路435を介して、光変調部422へ出力される(図16(D)参照)。同様に、G光の光源である光源セル40Gに対して、光源セル駆動電源回路434からの駆動電流が供給される(図16(B)参照)時には、G光用映像信号が、スイッチ回路435を介して、光変調部422へ出力される(図16(D)参照)。そして、B光の光源である光源セル40Bに対して、光源セル駆動電源回路434からの駆動電流が供給される(図16(C)参照)時には、B光用映像信号が、スイッチ回路435を介して、光変調部422へ出力される(図16(D)参照)。なお、上述した光源セルの発光色と各色用の映像信号の切り替えは、例えば、120〜480Hzの周期で行う。このことによれば、液晶パネルの各ピクセルからの光は、人間の目にとって、各色光が混色して得られる自然な色として認識されることとなる。   Then, according to the configuration of the light modulator drive circuit 430 described above, as shown in FIGS. 16A to 16D, the switch circuits 435 and 436 working in synchronization with each other operate as follows. To do. That is, when the drive current from the light source cell drive power supply circuit 434 is supplied to the light source cell 40R, which is the light source of R light, through the switch circuit 436 (see FIG. 16A), the image for R light is used. The signal is output to the light modulator 422 through the switch circuit 435 (see FIG. 16D). Similarly, when the drive current from the light source cell drive power supply circuit 434 is supplied to the light source cell 40G which is the light source of G light (see FIG. 16B), the video signal for G light is switched to the switch circuit 435. It is output to the optical modulator 422 via (see FIG. 16D). Then, when the drive current from the light source cell drive power supply circuit 434 is supplied to the light source cell 40B which is the light source of B light (see FIG. 16C), the B light image signal is transmitted through the switch circuit 435. It is output to the optical modulator 422 via the light source (see FIG. 16D). The switching of the light emission color of the light source cell and the video signal for each color is performed, for example, at a cycle of 120 to 480 Hz. According to this, the light from each pixel of the liquid crystal panel is perceived by the human eye as a natural color obtained by mixing the color lights.

なお、上述した構成によれば、従来の白色光を変調する変調方式に比較して、以下の様な効果が得られる。即ち、図17(A)にも示すように、従来の白色光を変調する変調方式では、光源からの白色光を、例えば、色フィルターFを通して、R光、G光、B光に分離・変換した後、その各々を、R光用映像信号、G光用映像信号、B光用映像信号により駆動される液晶パネルの対応する各液晶セルC、C、Cに入射して変調を行い、その結果、変調したR光、G光、B光により、所望のカラー映像を投写している。 According to the configuration described above, the following effects can be obtained as compared with the conventional modulation method for modulating white light. That is, as shown in FIG. 17A, in the conventional modulation method for modulating white light, white light from a light source is separated and converted into R light, G light, and B light through a color filter F, for example. After that, each of them is incident on each of the corresponding liquid crystal cells C R , C G , and C B of the liquid crystal panel driven by the R light image signal, the G light image signal, and the B light image signal for modulation. As a result, a desired color image is projected by the modulated R light, G light, and B light.

これに対し、上述した本発明になる光色循環式の変調方式によれば、図17(B)に示すように、光源である固体光源部421からの光は、R光、G光、B光と、順次、選択的に切り替えることが可能であることから、これらの色光を液晶パネルを構成する各液晶セルCに、順次、入射して変調を行えばよく、その結果、順次得られたR光用映像光、G光用映像光、B光用映像光を投写するにより、所望のカラー映像が得られることとなる。   On the other hand, according to the above-described light color cyclic modulation method according to the present invention, as shown in FIG. 17B, the light from the solid-state light source unit 421, which is a light source, is R light, G light, B light. Since light and light can be sequentially and selectively switched, these color lights may be sequentially incident on the liquid crystal cells C constituting the liquid crystal panel to perform modulation, and as a result, they are sequentially obtained. By projecting the image light for R light, the image light for G light, and the image light for B light, a desired color image can be obtained.

このように、本発明になる光色循環式の変調方式によれば、従来の白色光を変調する変調方式に比較し、まず、白色光をR光、G光、B光に分離・変換するための色フィルターFが不要となり、当該色フィルターFによる光の吸収を回避することが出来る。その結果、光源からの光の利用効率を大幅に向上することが可能となる。   As described above, according to the light color cyclic modulation method according to the present invention, first, white light is separated and converted into R light, G light, and B light as compared with the conventional modulation method for modulating white light. The color filter F for this purpose is unnecessary, and the absorption of light by the color filter F can be avoided. As a result, it is possible to significantly improve the utilization efficiency of the light from the light source.

加えて、従来の白色光を変調する変調方式では、液晶パネルの水平方向に隣接する3個の液晶セルC、C、Cを1の画像単位として取り扱うこととなるが、本発明になる光色循環式の変調方式では、ただ一つの液晶セルCを1の画像単位として取り扱うことを可能とすることから、得られる画像の、特に、水平方向における解像度を3倍に向上することが可能となる。 In addition, in the conventional modulation method for modulating white light, three liquid crystal cells C R , C G , and C B adjacent to each other in the horizontal direction of the liquid crystal panel are handled as one image unit. In the light color circulation modulation method, it is possible to handle only one liquid crystal cell C as one image unit, and therefore, it is possible to triple the resolution of the obtained image, particularly in the horizontal direction. It will be possible.

即ち、上述した本発明になる光色循環式の変調方式を採用することによれば、光の利用効率が高く、かつ、解像度の高い投写画像が得られることから、特に、外光による視野に投写映像を表示するヘッドアップディスプレイ装置にとって非常に有利である。更には、例えば、上述した実施例2のように、第2の画像表示用液晶パネルを取り付け、もって、表示画像のコントラスト比を向上することや、立体(3次元)映像を表示することも可能である。   That is, by adopting the above-described light color circulation type modulation method according to the present invention, it is possible to obtain a projected image with high light utilization efficiency and high resolution. This is very advantageous for a head-up display device that displays a projected image. Furthermore, for example, as in the second embodiment described above, a second image display liquid crystal panel may be attached to improve the contrast ratio of a display image and display a stereoscopic (three-dimensional) image. Is.

<<投写レンズの具体的な構成>>
続いて、光変調部からの映像光を、傾斜した方向に、台形歪を軽減して拡大して投写する、所謂、プロジェクションレンズ423の具体的な構成について、以下に詳細に説明する。
<< Specific configuration of projection lens >>
Next, a specific configuration of the so-called projection lens 423, which projects the image light from the light modulator in a tilted direction while reducing the trapezoidal distortion and enlarging it, will be described in detail below.

図18(A)及び(B)は、上記プロジェクションレンズ423である投写光学系1の構成図であり、図19は、その光線図である。映像表示素子である液晶パネル422等から出射した映像光は、必要に応じてフィルター類を通過し、同軸レンズ系2と自由曲面レンズ系3で、屈折作用を自由曲面ミラー4で反射作用を受けた後に、フレネルレンズシートからなる光方向変換部424に投写される。   18A and 18B are configuration diagrams of the projection optical system 1 that is the projection lens 423, and FIG. 19 is a ray diagram thereof. Image light emitted from the liquid crystal panel 422, which is an image display element, passes through filters as necessary, and is subjected to refraction by the coaxial lens system 2 and the free-form surface lens system 3 and reflected by the free-form surface mirror 4. After that, it is projected on the light redirecting section 424 made of a Fresnel lens sheet.

同軸レンズ系2は、正の屈折力を持つ第1レンズ群Gと、負の屈折力を持つ第2レンズ群Gとからなるレトロフォーカスタイプである。 The coaxial lens system 2 is a retrofocus type including a first lens group G 1 having a positive refractive power and a second lens group G 2 having a negative refractive power.

第1レンズ群Gは、ガラス製で正の屈折力を有し縮小側に小さい曲率半径を向けたレンズLと、プラスチック製の非球面レンズLと、ガラス製で正の屈折力を有し両凸形状のレンズLと、ガラス製で負の屈折力を有し両凹形状のレンズLと、ガラス製で正の屈折力を有し両凸形状のレンズLと、ガラス製で正の屈折力を有し拡大側に小さい曲率半径を向けた両凸形状のレンズLで構成され、レンズLからレンズLは貼合せのトリプレットレンズを構成している。 The first lens group G 1 is made of glass and has a positive refractive power, and has a lens L 1 having a small radius of curvature toward the reduction side, a plastic aspherical lens L 2, and a glass having a positive refractive power. A biconvex lens L 3 , a biconcave lens L 4 made of glass and having a negative refracting power, a biconvex lens L 5 made of glass, having a positive refracting power, and a glass The lens L 6 is made of a biconvex lens having a positive refracting power and a small radius of curvature toward the magnifying side, and the lenses L 3 to L 5 form a triplet lens that is laminated.

また、レンズLの屈折率は1.8より大きくし、レンズLとレンズLにはアッベ数が70より大きい硝材を適用し、レンズLにはアッベ数が25より小さい硝材を適用し、レンズLにはアッベ数が35より小さい硝材を適用している。 Further, the refractive index of the lens L 1 is larger than 1.8, a glass material having an Abbe number larger than 70 is applied to the lenses L 3 and L 5 , and a glass material having an Abbe number smaller than 25 is applied to the lens L 4. However, a glass material having an Abbe number smaller than 35 is applied to the lens L 6 .

第2レンズ群Gは、プラスチック製で負の屈折力を有し縮小側に凸面を向けたメニスカス形状の非球面レンズLと、ガラス製で負の屈折力を持つ両凹形状のレンズLと、ガラス製で正の屈折力を有し拡大側に小さな曲率半径を向けた両凸形状のレンズLと、プラスチック製で負の屈折力を有し拡大側に凸面を向けたメニスカス形状の非球面レンズL10で構成している。 The second lens group G 2 is made of plastic and has a negative refractive power and a meniscus-shaped aspherical lens L 7 having a convex surface facing the reduction side, and a glass-made biconcave lens L 7 having a negative refractive power. 8, a lens L 9 biconvex shape with its small radius of curvature the magnification side has a positive refractive power made of glass, meniscus shape with a convex surface on the enlargement side has a negative refractive power in a plastic It is composed of the aspherical lens L 10 .

また、レンズLにはアッベ数が70より大きい硝材を適用し、レンズLにはアッベ数が35より小さい硝材を適用している。 Further, a glass material having an Abbe number larger than 70 is applied to the lens L 8, and a glass material having an Abbe number smaller than 35 is applied to the lens L 9 .

自由曲面レンズ系3は、プラスチック製で拡大側に凸面を向けたメニスカスレンズ形状の自由曲面レンズL11と、プラスチック製で拡大側に凸面を向けたメニスカスレンズ形状の自由曲面レンズL12とで構成している。 The free-form surface lens system 3 is composed of a plastic meniscus lens-shaped free-form surface lens L 11 having a convex surface facing the magnifying side and a plastic-made meniscus lens-shaped free-form surface lens L 12 having a convex surface facing the magnifying side. is doing.

以下の表1にレンズデータを示すが、曲率半径は曲率半径の中心位置が進行方向にある場合を正の符号で表わしている。面関距離は、各面の頂点位置から次の面の頂点位置までの光軸上の距離を表わしている。   The lens data is shown in Table 1 below, and the radius of curvature is represented by a positive sign when the center position of the radius of curvature is in the traveling direction. The surface relation distance represents the distance on the optical axis from the vertex position of each surface to the vertex position of the next surface.

Figure 0006694924
Figure 0006694924

偏心はY軸方向の値であり、倒れはYZ平面内でX軸回りの回転であり、偏心・倒れは、該当の面で偏心と倒れの順に作用し、「普通偏心」では、偏心・倒れが作用した新しい座標系上での面関距離の位置に次の面が配置される。一方、「DAR」は、デセンタ・アンド・リターンの意味で、偏心と倒れはその面でのみ作用し、次に面に影響しない。   Eccentricity is the value in the Y-axis direction, tilting is rotation around the X-axis in the YZ plane, and eccentricity / tilt acts in the order of eccentricity and tilting on the relevant surface. With "normal eccentricity", eccentricity / tilt The next surface is placed at the position of the surface distance on the new coordinate system that was operated by. On the other hand, "DAR" means decenter and return, and the eccentricity and the tilt act only on that surface and do not affect the surface next.

硝材名のPMMAは、プラスチックのアクリルである。   The glass material name PMMA is plastic acrylic.

以下の表2には、以下の数1で定義した自由曲面係数を示す。   Table 2 below shows the free-form surface coefficients defined by Equation 1 below.

Figure 0006694924
Figure 0006694924

Figure 0006694924
Figure 0006694924

自由曲面係数は、それぞれの光軸9(Z軸)に対して回転非対称な形状であり、円錐項の成分とXYの多項式の項の成分で定義される形状である。例えば、Xが2次(m=2)でYが3次(n=3)の場合は、j={(2+3)+2+3×3}/2+1=19であるC19の係数が対応する。また、自由曲面のそれぞれの光軸の位置は、上記表1のレンズデータでの偏心・倒れの量によって定まる。 The free-form surface coefficient has a shape that is rotationally asymmetric with respect to each optical axis 9 (Z axis), and has a shape defined by a conical term component and an XY polynomial term component. For example, when X is quadratic (m = 2) and Y is cubic (n = 3), the coefficient of C 19 corresponding to j = {(2 + 3) 2 + 2 + 3 × 3} / 2 + 1 = 19 corresponds. The position of each optical axis of the free-form surface is determined by the amount of eccentricity / tilt in the lens data in Table 1 above.

以下の表3に、以下の数2で定義した非球面係数を示す。   Table 3 below shows the aspherical surface coefficients defined by the following Expression 2.

Figure 0006694924
Figure 0006694924

Figure 0006694924
Figure 0006694924

非球面係数は、それぞれの光軸(Z軸)に対して回転対称な形状であり、円錐項の成分と光軸からの高さhの4次から20次の偶数次の成分を使用している。   The aspherical coefficient has a shape that is rotationally symmetric with respect to each optical axis (Z axis), and uses the components of the conical term and the components of the 4th to 20th even degrees of the height h from the optical axis. There is.

以下の表4に示した奇数次多項式非球面係数は、上記表3の非球面に奇数次の成分を加えた形状である。なお、高さhは正の値なので、回転対称な形状である。   The odd-order polynomial aspherical coefficients shown in Table 4 below have a shape obtained by adding an odd-order component to the aspherical surface in Table 3 above. Since the height h is a positive value, it has a rotationally symmetrical shape.

Figure 0006694924
Figure 0006694924

上述した投写光学系では、合焦レンズである自由曲面レンズ3を動かすことでも、フランジバック調整ができるが、(1)本来の合焦レンズの移動範囲(調整範囲)にズレが生じてしまう。また、(2)同軸レンズ系2の部品エラーは同じ同軸レンズ系2で補正することが光学性能にとって望ましい。これらの理由により、同軸レンズ系2の正の屈折力の第1レンズ群Gを2つの屈折力の成分に分離する。具体的には、上記図18(A)及び(B)において、レンズLからレンズLと、レンズLとで分離し、レンズLからレンズLを光軸上で移動させることで、フランジバック調整を行った。 In the projection optical system described above, the flange back adjustment can be performed by moving the free-form surface lens 3 which is the focusing lens, but (1) the original range of movement (adjustment range) of the focusing lens is deviated. Further, (2) it is desirable for optical performance to correct the component error of the coaxial lens system 2 with the same coaxial lens system 2. For these reasons, the first lens unit G 1 having a positive refractive power of the coaxial lens system 2 is separated into two refractive power components. Specifically, in FIGS. 18A and 18B, by separating the lens L 1 to the lens L 5 and the lens L 6, and moving the lenses L 1 to L 5 on the optical axis. The flange back adjustment was performed.

ここで、レンズLとレンズLの間に、開口絞り7を配置しているので、レンズLとレンズLでは、主光線の光線高さの符号が正負逆となる。 Here, between the lens L 5 and the lens L 6, since the arranged aperture stop 7, the lens L 5 and the lens L 6, the sign of the ray height of the principal ray is positive and negative reversed.

従って、倍率色収差に関しては、レンズLとレンズLで作用が異なるので、レンズLではアッベ数を70以上としたが、レンズLでは逆にアッベ数を35以下とした。 Therefore, regarding the chromatic aberration of magnification, since the lens L 5 and the lens L 6 have different actions, the lens L 5 has an Abbe number of 70 or more, but the lens L 6 has an Abbe number of 35 or less.

次に、レンズLからレンズL10のレンズ構成について説明する。 Next, the lens configuration of the lenses L 7 to L 10 will be described.

レンズLからレンズL10は、同軸レンズ系2の中の負の屈折力のレンズ群であり、第2レンズ群Gを構成している。従って、基本は凹レンズと凸レンズの構成である。 The lenses L 7 to L 10 are lens groups having a negative refractive power in the coaxial lens system 2 and constitute a second lens group G 2 . Therefore, the basic structure is a concave lens and a convex lens.

レンズLをプラスチック製で負の屈折力を有し縮小側に凸面を向けた非球面レンズとし、レンズLを負の屈折力を有し縮小側に凹面を向けた両凹形状のガラスレンズとし、レンズLを正の屈折力で拡大側の曲率半径が小さい両凸形状のガラスレンズ、レンズL10をプラスチック製で負の屈折力を有し拡大側に凸面を向けたメニスカス形状の非球面レンズとした。 The lens L 7 is made of plastic and is an aspherical lens having a negative refracting power and a convex surface facing the reduction side, and the lens L 8 is a biconcave glass lens having a negative refracting power and a concave surface facing the reduction side. The lens L 9 is a biconvex glass lens having a positive refracting power and a small radius of curvature on the magnification side, and the lens L 10 is a plastic lens having a negative refracting power and having a meniscus shape with a convex surface facing the magnification side. It was a spherical lens.

即ち、以上に詳述した投写光学系を上記のプロジェクションレンズ423に適用することによれば、光変調部からの映像光を、傾斜した方向に投写しても、台形歪を軽減しながら拡大して投写することが可能となる。   That is, by applying the projection optical system described in detail above to the projection lens 423, even if the image light from the light modulator is projected in the inclined direction, the trapezoidal distortion is reduced and enlarged. Can be projected.

<<透明スクリーン>>
次に、フロントガラス400の下辺部において、その内側表面に沿って取り付けられ、上記の映像表示装置420から投写される光により情報を映し出すための手段である透明スクリーン410について、以下に説明する。
<< transparent screen >>
Next, the transparent screen 410, which is attached to the lower side of the windshield 400 along the inner surface thereof and is a means for displaying information by the light projected from the image display device 420, will be described below.

なお、上記では、反射防止膜からなる透明スクリーン410について既に説明したが、以下には、その他の透明スクリーン410’について述べる。   Although the transparent screen 410 made of the antireflection film has been described above, other transparent screens 410 'will be described below.

図20(A)は、透明スクリーン410’の一部を取り出して拡大して示した斜視図であり、この図からも明らかなように、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)のフィルムからなる基板シート500の表面に、断面が三角形状で全体が矩形状の微細な突起部510を、多数、形成したものである。なお、これら突起部510は、各々、図20(B)の拡大断面で示すように、例えば、以下のような寸法に設定される。
縦(L)=5〜10μm: 横(W)=2〜4μm
FIG. 20A is a perspective view in which a part of the transparent screen 410 ′ is taken out and enlarged, and as is apparent from this figure, for example, a substrate sheet 500 made of a polyethylene terephthalate (PET) film. A large number of fine protrusions 510 each having a triangular cross section and a rectangular overall shape are formed on the surface of. Each of these protrusions 510 is set to have the following dimensions, for example, as shown in the enlarged cross section of FIG.
Length (L) = 5 to 10 μm: Horizontal (W) = 2 to 4 μm

また、各突起部510の断面形状(角度)としては、その反射光を導く方向によっても異なるが、例えば、本例では、以下のように設定されている。
角度(θA)=25〜65度: 角度(θB)=65〜25度
Further, the cross-sectional shape (angle) of each protrusion 510 differs depending on the direction in which the reflected light is guided, but for example, in this example, it is set as follows.
Angle (θ A ) = 25 to 65 degrees: Angle (θ B ) = 65 to 25 degrees

更に、上述した突起部510は、PETフィルムからなる基板シート500の表面上に、スクリーンの正面図である図21(A)又は(B)に示すように配置されて形成される。例えば、図21(A)には、突起部510が、水平方向及び垂直方向に、一列に所定に間隔で隔離されて並べられた例が示されている。たま、図21(B)には、上記図21(A)とは異なり、突起部510が、その水平方向において上下に移動しながら所定に間隔で隔離されて並べられた例が示されている。   Furthermore, the above-mentioned protrusions 510 are formed on the surface of the substrate sheet 500 made of PET film by being arranged as shown in FIG. 21 (A) or (B) which is a front view of the screen. For example, FIG. 21A shows an example in which the protrusions 510 are arranged in a row in the horizontal direction and in the vertical direction at predetermined intervals. In some cases, unlike FIG. 21 (A), FIG. 21 (B) shows an example in which the protrusions 510 are vertically separated in a horizontal direction while being separated from each other by a predetermined distance. ..

このように、基板シート500の表面上に多数の突起部510を分散して配置する構成とすることによれば、所定の角度から入射する映像光を、選択的に、所望の方向に反射すると共に、かかる構成においてしばしば問題となる、所謂、モアレ縞の発生を回避することが可能となる。   As described above, according to the configuration in which a large number of protrusions 510 are dispersedly arranged on the surface of the substrate sheet 500, image light incident from a predetermined angle is selectively reflected in a desired direction. At the same time, it is possible to avoid the occurrence of so-called moire fringes, which is often a problem in such a configuration.

このように、上述した構成になる透明スクリーン410’によれば、図22にも示すように、外部からの光を透過すると共に、下方から入射する光(図2を参照)を所望の角度に反射し、もって、フロントガラス400介して入る外部の視野と共に、その下部に取り付けられた透明スクリーン410’上に、運転に必要な各種の情報等を、運転者407の目409にとっても認識し易い状態で、同時に重畳して表示することが可能になる。   As described above, according to the transparent screen 410 ′ having the above-described configuration, as shown in FIG. 22, the light from the outside is transmitted and the light incident from below (see FIG. 2) is reflected at a desired angle. It is easy for the eyes 409 of the driver 407 to recognize various information necessary for driving as well as the external visual field entering through the windshield 400 and the transparent screen 410 ′ attached to the lower part thereof. In this state, it is possible to simultaneously display the images.

最後に、図23に、本発明の他の実施の形態になるヘッドアップディスプレイ装置を示す。即ち、上記図1では、フロントガラスには、予め、透明スクリーン410が取り付けられ、映像表示装置420がダッシュボード403の内部に搭載されたヘッドアップディスプレイ装置について説明したが、ここでは、それに換え、例えば、電車の操縦室や訓練室などにおいて、机や台の上に設置して利用することが可能なヘッドアップディスプレイ装置を示す。即ち、図からも明らかなように、表示部である透明スクリーン410は、例えば、その左右の両端部において、略「L」字状に形成された一対のスタンド411により、所定の角度で傾斜して保持されており、当該透明スクリーン410の下方には、光源部を内蔵して上方に向かって映像光を広角で投射する映像表示装置420が配置されており、これらの映像光は、透明スクリーン410により、その位置(高さ)により、それぞれ、所定の方向に(図1を参照。即ち、運転者407の目409に投射される方向に)、反射される。   Finally, FIG. 23 shows a head-up display device according to another embodiment of the present invention. That is, in FIG. 1 described above, the head-up display device in which the transparent screen 410 is attached to the windshield in advance and the image display device 420 is mounted inside the dashboard 403 has been described. For example, a head-up display device that can be installed and used on a desk or a table in a train cockpit or a training room is shown. That is, as is apparent from the drawing, the transparent screen 410, which is the display unit, is tilted at a predetermined angle by, for example, a pair of stands 411 formed in a substantially “L” shape at both left and right ends thereof. Below the transparent screen 410, an image display device 420 that includes a light source unit and projects the image light upward at a wide angle is arranged below the transparent screen 410. By 410, the light is reflected in a predetermined direction (see FIG. 1, that is, in the direction projected on the eyes 409 of the driver 407) depending on its position (height).

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するためにシステム全体を説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes various modifications. For example, the above-described embodiments describe the entire system in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, a part of the configuration of a certain embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of a certain embodiment. Further, with respect to a part of the configuration of each embodiment, other configurations can be added / deleted / replaced.

また、上記の各構成等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよく、又は、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。   Further, each of the above-mentioned configurations and the like may be realized by hardware by designing a part or all of them with, for example, an integrated circuit, or each of the above-mentioned configurations, functions, etc. It may be realized by software by interpreting and executing a program that realizes. Information such as a program, a table, and a file that realizes each function can be placed in a memory, a hard disk, a recording device such as an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card, an SD card, and a DVD.

400…フロントガラス、410…透明スクリーン、420…映像表示装置、407…運転者(操縦者)、409…目、421…光源部、422…光変調部(液晶パネル、反射型液晶パネル、DLP等)、423…投写レンズ、424…光方向変換部、430…光変調部駆動回路、20…光反射合成部、30…光合成部、40…光源セル、31…ダイクロイックプリズム、33…波長選択性光学面(膜)、35…出射面。   400 ... Windshield, 410 ... Transparent screen, 420 ... Image display device, 407 ... Driver (driver), 409 ... Eyes, 421 ... Light source part, 422 ... Light modulation part (liquid crystal panel, reflective liquid crystal panel, DLP, etc.) ) 423 ... Projection lens, 424 ... Light direction conversion unit, 430 ... Light modulation unit drive circuit, 20 ... Light reflection synthesis unit, 30 ... Light synthesis unit, 40 ... Light source cell, 31 ... Dichroic prism, 33 ... Wavelength selective optics Surface (film), 35 ... Emitting surface.

Claims (4)

操縦者の視界の一部に映像を含む情報を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記操縦者の視界を外れた位置に配置され、前記情報を投影するための映像光を発生して投写する映像表示装置を備え、
前記映像表示装置を構成する光源として、複数の光源セルからの発光を反射及び混合して所定の方向に出射する固体光源装置を使用し、
前記固体光源装置は、その外周面を反射膜で覆い、先端部に放物面を形成すると共に外形略四角錐形状の導光体からなり、その外周面に、前記複数の光源セルを搭載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。
A head-up display device for displaying information including an image in a part of a driver's field of view,
The image display device is disposed at a position out of the sight of the operator and generates and projects image light for projecting the information,
As a light source forming the image display device, a solid-state light source device that reflects and mixes light emitted from a plurality of light source cells and emits in a predetermined direction is used.
The solid-state light source device is formed of a light guide body whose outer peripheral surface is covered with a reflective film and which has a parabolic surface at its tip and which has a substantially quadrangular pyramid shape, and the outer peripheral surface of which is provided with the plurality of light source cells. A head-up display device characterized in that
請求項1に記載したヘッドアップディスプレイ装置において、
前記映像表示装置の前記固体光源装置は、白色光を出射し、
前記映像表示装置は、更に、前記固体光源装置からの白色光を、R光、G光、B光に分離して映像光を生成する光変調部と、当該光変調部からの映像光を拡大投写する投写光学系を備え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 head-up display device according to claim 1,
The solid-state light source device of the image display device emits white light,
The image display device further magnifies the image light from the light modulator that separates the white light from the solid-state light source device into R light, G light, and B light to generate image light. A head-up display device comprising a projection optical system for projecting.
映像表示装置を用いて操縦者の視界の一部に映像を含む情報を表示するヘッドアップディスプレイ装置における情報表示方法であって、
前記映像表示装置を構成する光源は、
先端部に放物面を形成すると共に外形略四角錐形状の導光体の外周面を反射膜で覆い、
前記導光体の外周面に複数の光源セルを搭載し、
該複数の光源セルからの発光を反射及び混合して所定の方向に出射させるものであって、
前記映像表示装置により、前記操縦者の視界を外れた位置から、前記情報を投影するための映像光を発生して投写することを特徴とする情報表示方法。
An information display method in a head-up display device for displaying information including an image in a part of a driver's field of view using the image display device,
The light source constituting the image display device,
A parabolic surface is formed at the tip and the outer peripheral surface of the light guide body having a substantially quadrangular pyramid shape is covered with a reflective film,
A plurality of light source cells are mounted on the outer peripheral surface of the light guide,
Which reflects and mixes the light emitted from the plurality of light source cells to emit the light in a predetermined direction,
An information display method characterized in that the image display device generates and projects image light for projecting the information from a position outside the field of view of the operator.
請求項3に記載した情報表示方法において、
前記映像表示装置は、前記光源により白色光を出射させ、該白色光を、R光、G光、B光に分離して映像光を生成し、該映像光を拡大投写することを特徴とする情報表示方法。
In the information display method described in claim 3,
The image display device emits white light from the light source, separates the white light into R light, G light, and B light to generate image light, and magnifies and projects the image light. Information display method.
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