JP6908898B2

JP6908898B2 - Image display device

Info

Publication number: JP6908898B2
Application number: JP2019133054A
Authority: JP
Inventors: 中村　直樹; 直樹中村; 宮武　直樹; 直樹宮武; 辰野　響; 響辰野; 大輔市井; 大野　武英; 武英大野
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2019-07-18
Publication date: 2021-07-28
Anticipated expiration: 2034-11-12
Also published as: JP2019211780A; JP6710017B2; JP2016075881A

Description

本発明は、画像表示装置に関するものである。 The present invention relates to an image display device.

自動車や航空機、船舶などの移動体に装備され、当該移動体の動作に関する情報を利用者が視認しやすいように表示するヘッドアップディスプレイと呼ばれる画像表示装置が知られている。ヘッドアップディスプレイは、コンバイナと呼ばれる光学素子に情報を表示するための画像光を投射して、この画像光を利用者の網膜に結像させて、虚像として視認できるようにするものである。コンバイナは、自動車のフロントウインドシールドを併用してもよいし、別体の透過反射部材を用いるようにしてもよい。 An image display device called a head-up display, which is installed in a moving body such as an automobile, an aircraft, or a ship and displays information on the operation of the moving body so that the user can easily see it, is known. The head-up display projects image light for displaying information on an optical element called a combiner, and images the image light on the user's retina so that it can be visually recognized as a virtual image. The combiner may be used in combination with the front windshield of the automobile, or may use a separate transmission / reflection member.

ヘッドアップディスプレイは、移動体の利用者（操縦者）の前方に配置されることが多い。例えば、移動体が自動車であれば、ヘッドアップディスプレイはダッシュボードに収納される。したがって、ヘッドアップディスプレイは、小型である方が望ましい。一方、情報の視認性を高める観点からは、虚像が大きくなる構造が望ましい。 The head-up display is often placed in front of the user (operator) of the moving body. For example, if the moving object is a car, the heads-up display is housed in the dashboard. Therefore, it is desirable that the head-up display is small. On the other hand, from the viewpoint of improving the visibility of information, a structure in which the virtual image becomes large is desirable.

ヘッドアップディスプレイにおいて虚像を大きくするには、虚像をコンバイナに投射する光学素子を大きくすればよい。しかし、光学部材を大きくすることはヘッドアップディスプレイの小型化には向かない。このように、ヘッドアップディスプレイの小型化を図ることと、ヘッドアップディスプレイによる虚像を拡大することには、相反する課題が存在する。 In order to enlarge the virtual image in the head-up display, the optical element that projects the virtual image onto the combiner may be enlarged. However, enlarging the optical member is not suitable for downsizing the head-up display. As described above, there are conflicting problems in reducing the size of the head-up display and enlarging the virtual image by the head-up display.

そこで、ヘッドアップディスプレイの小型化を図るために、一部の光学素子を小型にして、かつ、虚像の視認性も向上させることを目的とするヘッドアップディスプレイが知られている（例えば、特許文献１を参照）。 Therefore, in order to reduce the size of the head-up display, a head-up display is known for the purpose of reducing the size of some optical elements and improving the visibility of a virtual image (for example, patent documents). See 1).

特許文献１のヘッドアップディスプレイは、凹面鏡の部分的な形状を変更することで小型化を図りつつ、虚像の歪みを補正できるようにしている。凹面鏡の形状は虚像の歪み補正に大きく影響する。したがって、部分的であっても凹面鏡の形状を変更することは、虚像の歪み補正の観点から望ましくない。ヘッドアップディスプレイの小型化を図るために凹面鏡を小型にしたり、形状の一部を変更したりすると虚像の歪み補正を十分に図れなくなる可能性がある。 The head-up display of Patent Document 1 is capable of correcting the distortion of a virtual image while reducing the size by partially changing the shape of the concave mirror. The shape of the concave mirror greatly affects the distortion correction of the virtual image. Therefore, changing the shape of the concave mirror even partially is not desirable from the viewpoint of correcting the distortion of the virtual image. If the concave mirror is made smaller or a part of the shape is changed in order to make the head-up display smaller, it may not be possible to sufficiently correct the distortion of the virtual image.

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであって、虚像の歪みの補正も十分に図りつつ、小型化も図ることができる画像表示装置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 an image display device capable of reducing the size while sufficiently correcting the distortion of a virtual image.

本発明は、中間画像を形成する画像形成素子と、前記中間画像に基づく虚像を形成する虚像光学系と、を有し、前記虚像を移動体のフロントウインドシールドに投射することで利用者に視認させる画像表示装置であって、
前記虚像光学系は、前記中間画像を前記フロントウインドシールドに向けて拡大投射する拡大凹面鏡を有し、前記利用者の視野の左右方向をＸ軸方向、前記利用者の視野の上下方向をＹ軸方向、前記Ｘ軸方向と前記Ｙ軸方向の両方に直交する方向をＺ軸方向と定義すると、ＸＺ平面において、前記拡大凹面鏡の端部と前記画像形成素子の端部とは互いに対向しており、前記拡大凹面鏡は、前記ＸＺ平面において、前記拡大凹面鏡のX軸方向における一方の端部と前記画像形成素子のＸ軸方向における一方の端部との間の長さが、前記拡大凹面鏡のX軸方向における他方の端部と前記画像形成素子のX軸方向における他方の端部との間の長さよりも長くなるように、前記Ｘ軸に対して傾斜して配置され、前記フロントウインドシールドは前記ＸＺ平面において湾曲しており、前記ＸＺ平面における前記拡大凹面鏡の傾斜方向は、前記フロントウインドシールドの傾斜方向と同じ側であって、前記拡大凹面鏡は、前記拡大凹面鏡が配置されている部分に対応する前記フロントウインドシールドの曲面に沿うように配置されていることを最も主な特徴とする。
The present invention has an image forming element for forming an intermediate image and a virtual image optical system for forming a virtual image based on the intermediate image, and the virtual image is projected onto a front windshield of a moving body to be visually recognized by a user. It is an image display device to be made to
The virtual image optical system has a magnifying concave mirror that magnifies and projects the intermediate image toward the front windshield, the left-right direction of the user's field of view is the X-axis direction, and the vertical direction of the user's field of view is the Y-axis. When the direction, the direction orthogonal to both the X-axis direction and the Y-axis direction, is defined as the Z-axis direction, the end portion of the magnifying concave mirror and the end portion of the image forming element face each other in the XZ plane. In the XZ plane, the length between one end of the magnifying concave mirror in the X-axis direction and one end of the image forming element in the X-axis direction is the X of the magnifying concave mirror. The front windshield is arranged at an angle with respect to the X axis so as to be longer than the length between the other end in the axial direction and the other end in the X axis direction of the image forming element. It is curved in the XZ plane, the tilting direction of the magnifying concave mirror in the XZ plane is the same side as the tilting direction of the front windshield, and the magnifying concave mirror is located in a portion where the magnifying concave mirror is arranged. The most main feature is that they are arranged along the curved surface of the corresponding front windshield.

本発明によれば、虚像の歪みの補正も十分に図りつつ、小型化も図ることができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the size of the virtual image while sufficiently correcting the distortion of the virtual image.

本発明に係る画像表示装置の実施形態であるヘッドアップディスプレイの例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the example of the head-up display which is the embodiment of the image display device which concerns on this invention. 上記ヘッドアップディスプレイが備える光源部の例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the example of the light source part which the head-up display includes. 上記ヘッドアップディスプレイが備える走査光学系の例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the example of the scanning optical system included in the head-up display. 上記ヘッドアップディスプレイが備える虚像光学系の一部の配置例を示す図であって、（ａ）従来の配置例、（ｂ）本発明の配置例、である。It is a figure which shows the arrangement example of a part of the virtual image optical system provided in the head-up display, and is (a) the conventional arrangement example, (b) the arrangement example of this invention. 上記ヘッドアップディスプレイの光学性能のシミュレーション結果を示すグラフであって、（ａ）従来の配置例による歪曲性能図、（ｂ）本発明の配置例による歪曲性能図、である。It is a graph which shows the simulation result of the optical performance of the head-up display, (a) the distortion performance diagram by the conventional arrangement example, (b) the distortion performance diagram by the arrangement example of this invention. 上記ヘッドアップディスプレイの別の光学性能のシミュレーション結果を示すグラフであって、（ａ）従来の配置例によるＭＴＦ性能図、（ｂ）本発明の配置例によるＭＴＦ性能図、である。It is a graph which shows the simulation result of another optical performance of the said head-up display, and is (a) MTF performance diagram by the conventional arrangement example, (b) MTF performance diagram by the arrangement example of this invention. 上記ヘッドアップディスプレイを−Ｙ方向から見た一部拡大平面図である。It is a partially enlarged plan view of the head-up display seen from the −Y direction.

●ヘッドアップディスプレイ●
以下、本発明に係る画像表示装置の実施形態であるヘッドアップディスプレイ（以下「ＨＵＤ」とする。）について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、ＨＵＤ１０００は、光源部１００と、走査光学系２００と、虚像光学系３００と、を有してなる。 ● Head-up display ●
Hereinafter, a head-up display (hereinafter referred to as “HUD”), which is an embodiment of the image display device according to the present invention, will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the HUD 1000 includes a light source unit 100, a scanning optical system 200, and a virtual image optical system 300.

ＨＵＤ１０００は、物体である自動車や航空機、船舶等の移動体に装備され、これらの動作に関する情報を利用者１１にとって視認しやすいように虚像を表示するものである。本実施形態では、ＨＵＤ１０００を自動車に装備した場合を例に用いて説明する。ＨＵＤ１０００の基本的な動作は以下の通りである。まず、光源部１００から出射された光によって、走査光学系２００において自動車の動作に関連する情報を表示するための画像光が形成される。この画像光が虚像光学系３００において拡大投射されて、拡大虚像１２として利用者１１が視認できるようになる。 The HUD 1000 is mounted on a moving body such as an automobile, an aircraft, or a ship, which is an object, and displays a virtual image so that the user 11 can easily see information on these movements. In this embodiment, a case where the HUD1000 is mounted on an automobile will be described as an example. The basic operation of the HUD1000 is as follows. First, the light emitted from the light source unit 100 forms an image light for displaying information related to the operation of the automobile in the scanning optical system 200. This image light is magnified and projected by the virtual image optical system 300 so that the user 11 can visually recognize it as the magnified virtual image 12.

本実施形態に係る虚像光学系３００は、移動体（自動車）のフロントウインドシールド１０（いわゆるフロントガラス）をコンバイナ３０２として用いている。なお、フロントウインドシールド１０の代わりに、別体の透過反射部材をコンバイナ３０２として用いてもよい。以下の説明において、虚像光学系３００が画像光を投射する対象を表記するときには、「コンバイナ３０２」または「フロントウインドシールド１０」のいずれかを用いることとする。 The virtual image optical system 300 according to the present embodiment uses the front windshield 10 (so-called windshield) of the moving body (automobile) as the combiner 302. Instead of the front windshield 10, a separate transmission / reflection member may be used as the combiner 302. In the following description, when the object to which the virtual image optical system 300 projects the image light is described, either the "combiner 302" or the "front windshield 10" is used.

移動体が自動車である場合、フロントウインドシールド１０は、利用者１１の視野の上下方向において傾斜した状態になっており、上辺側が利用者１１側に近く、下辺側が利用者１１から遠い。また、フロントウインドシールド１０は、利用者１１の視野の左右方向において湾曲している。自動車が右ハンドル仕様の場合、フロントウインドシールド１０の左右方向の湾曲は、左側から右側に向かうにつれて利用者１１側に近くなるような湾曲である。 When the moving body is an automobile, the front windshield 10 is in an inclined state in the vertical direction of the field of view of the user 11, the upper side is closer to the user 11, and the lower side is far from the user 11. Further, the front windshield 10 is curved in the left-right direction of the field of view of the user 11. When the automobile has a right-hand steering wheel specification, the curvature of the front windshield 10 in the left-right direction is such that it becomes closer to the user 11 side from the left side to the right side.

コンバイナ３０２に画像光が投射されると、当該自動車の利用者１１には、コンバイナ３０２の物理的な位置よりも離れた位置（利用者１１から離れる側）に、虚像が見えるようになる。この虚像として表示される自動車の動作に関連する情報には、自動車の速度や走行距離、行き先表示等のナビゲーション情報等が含まれる。 When the image light is projected onto the combiner 302, the user 11 of the automobile can see the virtual image at a position farther from the physical position of the combiner 302 (the side away from the user 11). The information related to the operation of the automobile displayed as this virtual image includes navigation information such as the speed and mileage of the automobile and the destination display.

画像光を投射するコンバイナ３０２としてフロントウインドシールド１０を利用するタイプをフロントガラス投射型という。一方、フロントウインドシールド１０とは別体の透過反射部材を配置するタイプをコンバイナ投射型という。ＨＵＤ１０００を自動車に装備する場合、車内インテリアのデザイン性や、フロントウインドシールド１０とは別部材であるコンバイナ３０２が視界に入ることによる煩わしさ等の観点から、フロントガラス投射型の方がより好適である。 A type that uses the front windshield 10 as a combiner 302 that projects image light is called a windshield projection type. On the other hand, a type in which a transmission / reflection member separate from the front windshield 10 is arranged is called a combiner projection type. When equipping a car with the HUD1000, the windshield projection type is more preferable from the viewpoint of the design of the interior of the car and the troublesomeness of the combiner 302, which is a separate member from the front windshield 10, coming into view. be.

フロントガラス投射型の場合、一般に、自動車のダッシュボード内に中間画像（画像光）を生成する光学系が埋め込まれている。なお、利用者１１の視点は、単に基準となる視点位置（基準アイポイント）を示している。利用者１１の視点範囲は、自動車の運転者アイレンジ（ＪＩＳＤ００２１）と同等かそれ以下である。 In the case of the windshield projection type, an optical system that generates an intermediate image (image light) is generally embedded in the dashboard of an automobile. The viewpoint of the user 11 simply indicates a reference viewpoint position (reference eye point). The viewpoint range of the user 11 is equal to or less than the driver's eye range (JIS D0021) of the automobile.

ここで、本実施形態の説明に用いる３次元直交座標系について図１を用いて説明する。図１に示すように、利用者１１の視野の左右方向をＸ軸方向とする。この場合、利用者１１の右方向（紙面奥方向）が＋Ｘ方向であり、利用者１１の左方向が−Ｘ方向（紙面手前方向）である。また利用者１１の視野の上下方向をＹ軸方向とする。利用者１１の上方向が＋Ｙ方向であり、利用者１１の下方向が−Ｙ方向である。また利用者１１の視野の奥行き方向、すなわち、自動車の進行方向をＺ軸方向とする。前方向が−Ｚ方向であり、後ろ方向が＋Ｚ方向である。以上をまとめて言い換えると、自動車の幅方向がＸ軸方向、自動車の高さ方向がＹ軸方向、自動車の長さ方向がＺ軸方向である。 Here, the three-dimensional Cartesian coordinate system used in the description of the present embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the left-right direction of the field of view of the user 11 is the X-axis direction. In this case, the right direction of the user 11 (backward direction of the paper surface) is the + X direction, and the left direction of the user 11 is the −X direction (front direction of the paper surface). Further, the vertical direction of the field of view of the user 11 is defined as the Y-axis direction. The upward direction of the user 11 is the + Y direction, and the downward direction of the user 11 is the −Y direction. Further, the depth direction of the field of view of the user 11, that is, the traveling direction of the automobile is set to the Z-axis direction. The front direction is the −Z direction, and the rear direction is the + Z direction. In other words, the width direction of the automobile is the X-axis direction, the height direction of the automobile is the Y-axis direction, and the length direction of the automobile is the Z-axis direction.

ＨＵＤ１０００の全体構成について説明する。図１に示すように、虚像光学系３００を構成する拡大凹面鏡３０１からコンバイナ３０２へ入射される画像光における入射領域の中心を、入射領域中心３０３とする。図１に示すように入射領域中心３０３における接平面は、Ｘ軸方向から見て、利用者１１の視点と拡大虚像１２の中心（虚像中心３０５）とを結ぶ第１仮想軸３０４に対して傾斜している。また当該接平面をＹ軸方向から見ると第１仮想軸３０４に対して傾斜している。なお、第１仮想軸３０４は、入射領域中心３０３を通過する軸である。 The overall configuration of the HUD1000 will be described. As shown in FIG. 1, the center of the incident region in the image light incident on the combiner 302 from the magnifying concave mirror 301 constituting the virtual image optical system 300 is defined as the incident region center 303. As shown in FIG. 1, the tangent plane at the center of the incident region 303 is inclined with respect to the first virtual axis 304 connecting the viewpoint of the user 11 and the center of the magnified virtual image 12 (virtual image center 305) when viewed from the X-axis direction. is doing. Further, when the tangent plane is viewed from the Y-axis direction, it is inclined with respect to the first virtual axis 304. The first virtual axis 304 is an axis that passes through the center of the incident region 303.

また、拡大凹面鏡３０１の反射面の中心を、反射面中心３０７とする。反射面中心３０７は、拡大凹面鏡３０１の有効反射領域の中心であり、走査光学系２００から虚像光学系３００へ入射される光束の中心である。 Further, the center of the reflecting surface of the magnifying concave mirror 301 is defined as the center of the reflecting surface 307. The reflection surface center 307 is the center of the effective reflection region of the magnifying concave mirror 301, and is the center of the light flux incident on the virtual image optical system 300 from the scanning optical system 200.

走査光学系２００において形成される中間画像の中心（後述する被走査面の中心）と反射面中心３０７とを結ぶ第２仮想軸３０６を想定すると、図１に示すように、第２仮想軸３０６は、Ｘ軸方向から見て、第１仮想軸３０４に対して傾斜している。また、第２仮想軸３０６をＹ軸方向から見ると第１仮想軸３０４に対して傾斜している。なお、「被走査面の中心」とは、後述する被走査面素子２０３の有効走査領域の中心を意味する。 Assuming a second virtual axis 306 connecting the center of the intermediate image (center of the surface to be scanned) formed in the scanning optical system 200 and the center of the reflecting surface 307, as shown in FIG. 1, the second virtual axis 306 Is tilted with respect to the first virtual axis 304 when viewed from the X-axis direction. Further, when the second virtual axis 306 is viewed from the Y-axis direction, it is inclined with respect to the first virtual axis 304. The “center of the surface to be scanned” means the center of the effective scanning region of the surface element 203 to be scanned, which will be described later.

自動車の高さ方向（Ｙ軸方向）に関して、中間画像の中心（被走査面素子２０３の中心）は、反射面中心３０７よりも上方に位置し、かつ入射領域中心３０３よりも下方に位置している。また、自動車の長さ方向（Ｚ軸方向）に関して、反射面中心３０７は、入射領域中心３０３よりも前方に位置している。 With respect to the height direction (Y-axis direction) of the automobile, the center of the intermediate image (the center of the surface element 203 to be scanned) is located above the center of the reflecting surface 307 and below the center of the incident region 303. There is. Further, with respect to the length direction (Z-axis direction) of the automobile, the reflection surface center 307 is located ahead of the incident region center 303.

●光源部
次にＨＵＤ１０００の各構成について説明する。光源部１００は、光源装置であって、カラー画像である拡大虚像１２を形成するために用いられる画像表示用ビーム１０１を出射する。画像表示用ビーム１０１は、赤（以下「Ｒ」と表示する。）、緑（以下「Ｇ」と表示する。）、青（以下「Ｂ」と表示する。）の３色のビームを１本に合成した光ビームである。 ● Light source unit Next, each configuration of the HUD1000 will be described. The light source unit 100 is a light source device and emits an image display beam 101 used for forming a magnified virtual image 12 which is a color image. The image display beam 101 includes one beam of three colors of red (hereinafter referred to as "R"), green (hereinafter referred to as "G"), and blue (hereinafter referred to as "B"). It is a light beam synthesized in.

光源部１００は、各色のレーザー光を出射する半導体レーザー素子である、第１レーザー素子１１０と、第２レーザー素子１２０と、第３レーザー素子１３０と、を有する。また、光源部１００は、各レーザー素子から出射されたレーザー光の発散性を抑止する第１カップリングレンズ１１１と、第２カップリングレンズ１２１と、第３カップリングレンズ１３１と、を有する。また、光源部１００は、各カップリングレンズからの各レーザー光の光束径を規制して整形する第１アパーチュア１１２と、第２アパーチュア１２２と、第３アパーチュア１３２と、を有する。また、光源部１００は、整形された各色のレーザー光束を合成して画像表示用ビーム１０１を出射するビーム合成プリズム１４０と、レンズ１５０と、を有する。 The light source unit 100 includes a first laser element 110, a second laser element 120, and a third laser element 130, which are semiconductor laser elements that emit laser light of each color. Further, the light source unit 100 includes a first coupling lens 111, a second coupling lens 121, and a third coupling lens 131 that suppress the divergence of the laser light emitted from each laser element. Further, the light source unit 100 has a first aperture 112, a second aperture 122, and a third aperture 132 that regulate and shape the luminous flux diameter of each laser beam from each coupling lens. Further, the light source unit 100 includes a beam synthesis prism 140 that synthesizes the shaped laser luminous fluxes of each color and emits an image display beam 101, and a lens 150.

第１レーザー素子１１０は、赤色の画像を形成するレーザー光を出射するレーザー素子である。第２レーザー素子１２０は、緑色の画像を形成するレーザー光を出射するレーザー素子である。第３レーザー素子１３０は、青色の画像を形成するレーザー光を出射するレーザー素子である。各レーザー素子には、端面発光レーザーと呼ばれるレーザーダイオード（ＬＤ）を用いることができる。また、端面発光レーザーに代えて、面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を用いることもできる。 The first laser element 110 is a laser element that emits a laser beam that forms a red image. The second laser element 120 is a laser element that emits a laser beam that forms a green image. The third laser element 130 is a laser element that emits a laser beam that forms a blue image. A laser diode (LD) called an end face emitting laser can be used for each laser element. Further, a surface emitting laser (VCSEL) can be used instead of the end surface emitting laser.

ビーム合成プリズム１４０は、赤色のレーザー光を透過させて緑色のレーザー光を反射する第１ダイクロイック膜１４１と、赤色と緑色のレーザー光を透過させて青色のレーザー光を反射する第２ダイクロイック膜１４２と、を有する。 The beam synthesis prism 140 has a first dichroic film 141 that transmits red laser light and reflects green laser light, and a second dichroic film 142 that transmits red and green laser light and reflects blue laser light. And have.

第１レーザー素子１１０から出射された赤色レーザー光は、第１カップリングレンズ１１１と第１アパーチュア１１２を介してビーム合成プリズム１４０に入射する。ビーム合成プリズム１４０に入射した赤色レーザー光は、第１ダイクロイック膜１４１を通過して直進する。 The red laser light emitted from the first laser element 110 enters the beam synthesis prism 140 via the first coupling lens 111 and the first aperture 112. The red laser light incident on the beam synthesis prism 140 passes through the first dichroic film 141 and travels straight.

第２レーザー素子１２０から出射された緑色レーザー光は、第２カップリングレンズ１２１と第２アパーチュア１２２を介してビーム合成プリズム１４０に入射する。ビーム合成プリズム１４０に入射した緑色レーザー光は、第１ダイクロイック膜１４１で反射されて赤色レーザー光と同方向（第２ダイクロイック膜１４２の方向）へ導光される。 The green laser light emitted from the second laser element 120 is incident on the beam synthesis prism 140 via the second coupling lens 121 and the second aperture 122. The green laser light incident on the beam synthesis prism 140 is reflected by the first dichroic film 141 and guided in the same direction as the red laser light (direction of the second dichroic film 142).

第３レーザー素子１３０から出射された青色レーザー光は、第３カップリングレンズ１３１と第３アパーチュア１３２を介してビーム合成プリズム１４０に入射する。ビーム合成プリズム１４０に入射した青色レーザー光は、第２ダイクロイック膜１４２において赤色レーザー光及び緑色レーザー光と同方向に反射される。 The blue laser light emitted from the third laser element 130 enters the beam synthesis prism 140 via the third coupling lens 131 and the third aperture 132. The blue laser light incident on the beam synthesis prism 140 is reflected by the second dichroic film 142 in the same direction as the red laser light and the green laser light.

以上のように、第２ダイクロイック膜１４２を通過した赤色レーザー光及び緑色レーザー光と、第２ダイクロイック膜１４２で反射された青色レーザー光がビーム合成プリズム１４０から出射される。したがって、ビーム合成プリズム１４０から出射されるレーザー光は、赤色レーザー光と緑色レーザー光と青色レーザー光が１本のレーザー光束として合成されたものである。この合成されたレーザー光は、レンズ１５０によって所定の光束径の「平行ビーム」に変換される。この「平行ビーム」が、画像表示用ビーム１０１である。 As described above, the red laser light and the green laser light that have passed through the second dichroic film 142 and the blue laser light that has been reflected by the second dichroic film 142 are emitted from the beam synthesis prism 140. Therefore, the laser light emitted from the beam synthesis prism 140 is a combination of the red laser light, the green laser light, and the blue laser light as one laser light beam. The combined laser light is converted into a "parallel beam" having a predetermined luminous flux diameter by the lens 150. This "parallel beam" is the image display beam 101.

画像表示用ビーム１０１を構成するＲ、Ｇ、Ｂの各色レーザー光束は、表示対象である「２次元のカラー画像」に係る画像信号に応じて、または、当該画像情報を示す画像データに応じて強度変調されている。このレーザー光束の強度変調は、各色の半導体レーザーを直接変調する方式（直接変調方式）でも良いし、各色の半導体レーザーから出射されたレーザー光束を変調する方式（外部変調方式）でも良い。 The R, G, and B color laser luminous fluxes constituting the image display beam 101 correspond to the image signal related to the "two-dimensional color image" to be displayed, or according to the image data indicating the image information. It is intensity modulated. The intensity modulation of the laser light beam may be a method of directly modulating the semiconductor laser of each color (direct modulation method) or a method of modulating the laser light beam emitted from the semiconductor laser of each color (external modulation method).

すなわち、各半導体レーザー素子は、それぞれを駆動する駆動手段によって、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分の画像信号により発光強度を変調された各色のレーザー光を出射する。 That is, each semiconductor laser element emits laser light of each color whose emission intensity is modulated by the image signals of the R, G, and B color components by the driving means for driving the respective semiconductor laser elements.

なお、光源として、上記のような半導体レーザー素子に代えてＬＥＤ素子を用いてもよい。 As the light source, an LED element may be used instead of the semiconductor laser element as described above.

●走査光学系
次に、走査光学系２００について詳細に説明する。図３に示すように、走査光学系２００は、２次元偏向素子２０１と、ミラー２０２と、被走査面素子２０３と、を有してなる。２次元偏向素子２０１は、光源部１００から出射された画像表示用ビーム１０１を２次元的に偏向する画像形成素子である。２次元偏向素子２０１は、互いに直交する２軸を用いて揺動するように構成された微小なミラーの集合体であって、半導体プロセス等で微小揺動ミラー素子として作製されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）である。なお、２次元偏向素子２０１は、上記の例に限られるものではなく、１軸に２個の微小ミラーを配置して、この１軸の周りに２個の微小ミラーが互いに直交する方向に揺動するように構成したものなどでもよい。 ● Scanning optical system Next, the scanning optical system 200 will be described in detail. As shown in FIG. 3, the scanning optical system 200 includes a two-dimensional deflection element 201, a mirror 202, and a surface element 203 to be scanned. The two-dimensional deflection element 201 is an image forming element that two-dimensionally deflects the image display beam 101 emitted from the light source unit 100. The two-dimensional deflection element 201 is an assembly of minute mirrors configured to swing using two axes orthogonal to each other, and is a MEMS (Micro Electro) manufactured as a micro swing mirror element by a semiconductor process or the like. Mechanical Systems). The two-dimensional deflection element 201 is not limited to the above example, and two micromirrors are arranged on one axis, and the two micromirrors swing in a direction orthogonal to each other around the one axis. It may be configured to move.

なお、２次元偏向素子２０１は、後述する「中間画像」を形成することができるものであれば微小揺動ミラー素子（ＤＭＤ：ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ，ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社））に限るものではない。例えば、２次元偏向素子２０１として、透過型液晶パネルを含む透過液晶型素子や、反射型液晶パネルを含む液晶デバイスである反射液晶型素子などを用いてもよい。 The two-dimensional deflection element 201 is not limited to a micro swing mirror element (DMD: Digital Micromirror Device, Texas Instruments) as long as it can form an “intermediate image” described later. For example, as the two-dimensional deflection element 201, a transmissive liquid crystal element including a transmissive liquid crystal panel, a reflective liquid crystal element which is a liquid crystal device including a reflective liquid crystal panel, or the like may be used.

画像表示用ビーム１０１は、２次元偏向素子２０１において２次元的に偏向されてミラー２０２に入射する。ミラー２０２は、凹面鏡である。画像表示用ビーム１０１は、ミラー２０２において被走査面素子２０３に向けて反射される。ミラー２０２は、被走査面素子２０３上で発生する走査線（走査軌跡）の曲がりを補正するように設計されている。ミラー２０２により反射された画像表示用ビーム１０１は、２次元偏向素子２０１による偏向に伴い平行移動しつつ被走査面素子２０３に入射する。この画像表示用ビーム１０１によって、被走査面素子２０３が２次元的に走査される。 The image display beam 101 is two-dimensionally deflected by the two-dimensional deflection element 201 and incident on the mirror 202. The mirror 202 is a concave mirror. The image display beam 101 is reflected by the mirror 202 toward the surface element 203 to be scanned. The mirror 202 is designed to correct the bending of the scanning line (scanning locus) generated on the surface element 203 to be scanned. The image display beam 101 reflected by the mirror 202 is incident on the surface element 203 to be scanned while moving in parallel with the deflection by the two-dimensional deflection element 201. The image display beam 101 two-dimensionally scans the surface element 203 to be scanned.

なお、２次元偏向素子２０１に透過液晶型素子の光学素子を用いるときは、ミラー２０２を経由することなく、透過液晶型において２次元的に偏向された画像表示用ビーム１０１は被走査面素子２０３に入射される。 When the optical element of the transmissive liquid crystal type element is used for the two-dimensional deflection element 201, the image display beam 101 two-dimensionally deflected in the transmissive liquid crystal type does not pass through the mirror 202, but the scanned surface element 203. Is incident on.

被走査面素子２０３は、画像表示用ビーム１０１によって主走査方向と副走査方向の２次元的に走査される。より具体的には、例えば、主走査方向は高速で走査され、かつ副走査方向は低速で走査されるラスタースキャンが行われる。この２次元走査によって、被走査面素子２０３において、中間画像が形成される。ここで形成される中間画像は、「カラーの２次元画像」である。本実施形態では、カラー画像を前提として説明しているが、被走査面素子２０３においてモノクロ画像を形成してもよい。 The surface element 203 to be scanned is two-dimensionally scanned by the image display beam 101 in the main scanning direction and the sub-scanning direction. More specifically, for example, a raster scan is performed in which the main scanning direction is scanned at a high speed and the sub scanning direction is scanned at a low speed. By this two-dimensional scanning, an intermediate image is formed in the surface element 203 to be scanned. The intermediate image formed here is a "color two-dimensional image". Although the description is based on the premise of a color image in the present embodiment, a monochrome image may be formed by the surface element 203 to be scanned.

なお、被走査面素子２０３において各瞬間に表示されるのは「画像表示用ビーム１０１が、その瞬間に照射している画素のみ」である。したがって、上記の「カラーの２次元画像」は、画像表示用ビーム１０１による２次元的な走査による「各瞬間に表示される画素の集合」として形成される。 It should be noted that what is displayed at each moment on the surface element 203 to be scanned is "only the pixels irradiated by the image display beam 101 at that moment". Therefore, the above-mentioned "color two-dimensional image" is formed as "a set of pixels displayed at each moment" by two-dimensional scanning by the image display beam 101.

被走査面素子２０３は、微細な凸レンズを用いて構成されている。この「微細凸レンズ構造」によって、被走査面素子２０３に入射した画像表示用ビーム１０１は拡散し、虚像光学系３００に向けて出射される。被走査面素子２０３において拡散された画像光は、コンバイナ３０２によって利用者１１の目の近傍の広い領域を照射する。これによって、利用者１１が頭を少々動かしても（視点を動かしても）、拡大虚像１２を確実に視認できようになる。 The surface element 203 to be scanned is configured by using a fine convex lens. Due to this "fine convex lens structure", the image display beam 101 incident on the surface element 203 to be scanned is diffused and emitted toward the virtual image optical system 300. The image light diffused by the surface element 203 to be scanned illuminates a wide area near the eyes of the user 11 by the combiner 302. As a result, even if the user 11 moves his / her head slightly (even if he / she moves the viewpoint), the magnified virtual image 12 can be reliably visually recognized.

なお、被走査面素子２０３は、微細凸レンズ構造（マイクロレンズアレイ）に限ることはなく、拡散板、透過スクリーン、反射スクリーンなどを用いても良い。本実施形態では、マイクロレンズアレイである被走査面素子２０３は、複数のマイクロレンズが２次元配列されているものを前提としているが、これに代えて、複数のマイクロレンズを１次元配列したもの、又は３次元配列したものと用いてもよい。 The surface element 203 to be scanned is not limited to the fine convex lens structure (microlens array), and a diffuser plate, a transmission screen, a reflection screen, or the like may be used. In the present embodiment, the surface element 203 to be scanned, which is a microlens array, is premised on having a plurality of microlenses arranged two-dimensionally, but instead, a plurality of microlenses are arranged one-dimensionally. , Or it may be used as a three-dimensional array.

●虚像光学系
次に、虚像光学系３００の詳細な構成について説明する。図１において示すように、虚像光学系３００は、拡大凹面鏡３０１と、コンバイナ３０２と、を有してなる。コンバイナ３０２については、既に説明をした通りである。拡大凹面鏡３０１には、被走査面素子２０３において形成された「カラーの２次元画像」が画像情報の画素単位の光（各画素に対応する光）である画素光として入射される。拡大凹面鏡３０１は、入射された画像光をコンバイナ３０２に向けて反射する。 ● Virtual Image Optical System Next, the detailed configuration of the virtual image optical system 300 will be described. As shown in FIG. 1, the virtual image optical system 300 includes a magnifying concave mirror 301 and a combiner 302. The combiner 302 has already been described. The "color two-dimensional image" formed in the surface element 203 to be scanned is incident on the magnifying concave mirror 301 as pixel light which is light in pixel units of image information (light corresponding to each pixel). The magnifying concave mirror 301 reflects the incident image light toward the combiner 302.

コンバイナ３０２であるフロントウインドシールド１０は、投射された中間画像の水平線が、上または下に凸形状となる。この光学歪み要素を補正するように、拡大凹面鏡３０１は設計され配置されている。 In the front windshield 10 which is the combiner 302, the horizontal line of the projected intermediate image has a convex shape upward or downward. The magnifying concave mirror 301 is designed and arranged so as to correct this optical distortion element.

次に、虚像光学系３００の詳細な構成について説明する。説明を容易にするために、図４に示すように、ＨＵＤ１０００を＋Ｙ方向から−Ｙ方向に向かって見た場合の被走査面素子２０３の中央部からの光（第１画像光２１）と、被走査面素子２０３の端部からの光（第２画像光２２、第３画像光２３）を想定する。 Next, the detailed configuration of the virtual image optical system 300 will be described. For the sake of simplicity, as shown in FIG. 4, the light from the central portion of the surface element 203 to be scanned (first image light 21) when the HUD 1000 is viewed from the + Y direction to the −Y direction, Light from the end of the surface element 203 to be scanned (second image light 22, third image light 23) is assumed.

図４（ａ）は、従来の光学配置例であって、本実施形態に係る拡大凹面鏡３０１の特徴を明確に説明するための光学配置図である。図４（ｂ）は、本実施形態に係る拡大凹面鏡３０１の被走査面素子２０３に対する光学配置図である。 FIG. 4A is a conventional optical layout example, and is an optical layout diagram for clearly explaining the features of the magnifying concave mirror 301 according to the present embodiment. FIG. 4B is an optical layout of the magnifying concave mirror 301 according to the present embodiment with respect to the surface element 203 to be scanned.

図４において、被走査面素子２０３の中央部からの第１画像光２１は、拡大凹面鏡３０１の反射面にある仮想点（反射面中心３０７）に入射する。図４（ａ）に示すように、拡大凹面鏡３０１をＸ−Ｚ平面上で被走査面素子２０３に対して回転させずに配置すれば、第２画像光２２と第３画像光２３の長さは同等である。本実施形態に係る拡大凹面鏡３０１は、ＨＵＤ１０００の小型化を図るために、図４（ｂ）に示すように、拡大凹面鏡３０１をＸ−Ｚ平面上で被走査面素子２０３に対して回転させ、第２画像光２２と第３画像光２３の長さを異ならせる。この場合、拡大凹面鏡３０１の回転は、図４（ａ）において示すＡ点の位置においたＹ軸方向と並行の軸を回転軸としたものである。 In FIG. 4, the first image light 21 from the central portion of the surface element 203 to be scanned is incident on a virtual point (reflection surface center 307) on the reflection surface of the magnifying concave mirror 301. As shown in FIG. 4A, if the magnifying concave mirror 301 is arranged on the XZ plane without being rotated with respect to the surface element 203 to be scanned, the lengths of the second image light 22 and the third image light 23 are long. Are equivalent. In the magnifying concave mirror 301 according to the present embodiment, in order to reduce the size of the HUD 1000, as shown in FIG. 4B, the magnifying concave mirror 301 is rotated with respect to the surface element 203 to be scanned on the XZ plane. The lengths of the second image light 22 and the third image light 23 are made different. In this case, the rotation of the magnifying concave mirror 301 is based on the axis parallel to the Y-axis direction at the position of point A shown in FIG. 4A.

ここで、拡大虚像１２を利用者１１からみたときの横方向（Ｘ方向）と、拡大凹面鏡３０１の横方向、および被走査面素子２０３の横方向は、同じ方向である。同様に、拡大虚像１２を利用者１１からみたときの縦方向（Ｙ方向）と、拡大凹面鏡３０１の縦方向、および被走査面素子２０３の縦方向は、同じ方向である。 Here, the lateral direction (X direction) when the magnified virtual image 12 is viewed from the user 11, the lateral direction of the magnifying concave mirror 301, and the lateral direction of the surface element 203 to be scanned are the same directions. Similarly, the vertical direction (Y direction) when the magnified virtual image 12 is viewed from the user 11, the vertical direction of the magnifying concave mirror 301, and the vertical direction of the surface element 203 to be scanned are the same directions.

したがって、拡大凹面鏡３０１は、拡大凹面鏡３０１の横方向の端部と、これに対向する被走査面素子２０３の横方向の端部との距離が一方の端部と他方の端部で異なるように配置されている。言い換えると、拡大凹面鏡３０１は、Ｙ軸方向と並行の軸を回転中心とした場合、回転した状態で配置されている。 Therefore, in the magnifying concave mirror 301, the distance between the lateral end of the magnifying concave mirror 301 and the lateral end of the surface element 203 to be scanned facing the magnifying concave mirror 301 is different between one end and the other end. Have been placed. In other words, the magnifying concave mirror 301 is arranged in a rotated state when the axis parallel to the Y-axis direction is the center of rotation.

また、中間画像の横方向（Ｘ方向）と、拡大虚像１２の横方向、および拡大凹面鏡３０１の横方向は同じ方向である。縦方向も同様である。したがって、拡大凹面鏡３０１は、中間画像の横方向の一の端部に対向する端部が被走査面素子２０３の横方向の端部に近く、中間画像の他の端部に対向する端部が被走査面素子２０３の横方向の端部から遠くなるように配置されている。 Further, the lateral direction (X direction) of the intermediate image, the lateral direction of the magnified virtual image 12, and the lateral direction of the magnified concave mirror 301 are the same directions. The same applies to the vertical direction. Therefore, in the magnifying concave mirror 301, the end facing one end in the lateral direction of the intermediate image is close to the lateral end of the surface element 203 to be scanned, and the end facing the other end of the intermediate image is located. It is arranged so as to be far from the lateral end portion of the surface element 203 to be scanned.

また、被走査面素子２０３における中間画像形成面の中心における法線と、拡大凹面鏡３０１の反射面中心３０７における法線とは、Ｘ−Ｚ平面において交差する関係になっている。 Further, the normal at the center of the intermediate image forming surface of the surface element 203 to be scanned and the normal at the center of the reflecting surface 307 of the magnifying concave mirror 301 intersect with each other in the XZ plane.

以上のような拡大凹面鏡３０１の配置状態、すなわち、拡大凹面鏡３０１をＸ−Ｚ平面において被走査面素子２０３に対して回転させた配置状態であって、第２画像光２２と第３画像光２３の長さを異なる状態は、拡大虚像１２の歪みが大きくなる。すなわち、ＨＵＤ１０００の光学性能が低くなる。そこで、本実施形態に係る拡大凹面鏡３０１は、その反射面形状を非回転対称の形状にしている。すなわち、拡大凹面鏡３０１の反射面を自由曲面によって形成している。これによって、拡大虚像１２の収差補正を図ることができ、光学性能を向上させることができる。 The arrangement state of the magnifying concave mirror 301 as described above, that is, the arrangement state in which the magnifying concave mirror 301 is rotated with respect to the surface element 203 to be scanned in the XZ plane, and the second image light 22 and the third image light 23 are arranged. When the lengths of the magnified virtual images are different, the distortion of the magnified virtual image 12 becomes large. That is, the optical performance of the HUD1000 is lowered. Therefore, the magnifying concave mirror 301 according to the present embodiment has a non-rotational symmetric shape of the reflecting surface. That is, the reflective surface of the magnifying concave mirror 301 is formed by a free curved surface. As a result, the aberration of the magnified virtual image 12 can be corrected, and the optical performance can be improved.

●虚像光学系の実施例
次に、虚像光学系３００と拡大凹面鏡３０１の実施例について説明する。表１は、本実施例に係る虚像光学系３００の仕様を表すものである。

● Examples of the virtual image optical system Next, examples of the virtual image optical system 300 and the magnifying concave mirror 301 will be described. Table 1 shows the specifications of the virtual image optical system 300 according to this embodiment.

すでに説明したとおり、拡大凹面鏡３０１は、非回転対称形状であって反射面が自由曲面で形成されている鏡である。この拡大凹面鏡３０１の形状は、以下の多項式（式１）によって規定される。式１の各変数に表２に示される数値を代入することで、拡大凹面鏡３０１の形状を求めることができる。
（式１）

ここで，

As described above, the magnifying concave mirror 301 is a mirror having a non-rotational symmetric shape and having a reflecting surface formed by a free curved surface. The shape of the magnifying concave mirror 301 is defined by the following polynomial (Equation 1). By substituting the numerical values shown in Table 2 into each variable of Equation 1, the shape of the magnifying concave mirror 301 can be obtained.
(Equation 1)

here,

次に、本実施例に係るＨＵＤ１０００の各光学素子の位置及び姿勢（角度）について説明する。表３は、本実施例における、拡大虚像１２の画像中心をＸＹＺ直交座標系の座標原点とした場合の各光学素子の位置および姿勢（角度）を示す。

Next, the position and orientation (angle) of each optical element of the HUD1000 according to this embodiment will be described. Table 3 shows the position and orientation (angle) of each optical element when the image center of the enlarged virtual image 12 is the coordinate origin of the XYZ Cartesian coordinate system in this embodiment.

上記のとおり、本実施例に係る虚像光学系は、以下の条件を満たす。すなわち、被走査面素子２０３の横方向の長さをＷ、拡大虚像１２の横方向の長さをＷ’、コンバイナ３０２から拡大虚像１２までの距離をＳ’、被走査面素子２０３から拡大凹面鏡３０１までの距離をＳとしたとき、以下の式１を満たす、
（式１）Ｓ＜ＷＳ’／Ｗ’ As described above, the virtual image optical system according to this embodiment satisfies the following conditions. That is, the lateral length of the scanned surface element 203 is W, the lateral length of the magnified virtual image 12 is W', the distance from the combiner 302 to the magnified virtual image 12 is S', and the magnified concave mirror from the scanned surface element 203. When the distance to 301 is S, the following equation 1 is satisfied.
(Equation 1) S <WS'/ W'

次に、本実施例における光学性能について計算機を用いたシミュレーション結果を用いて、ＨＵＤ１０００の特徴について説明する。図５に示すシミュレーション結果は、拡大虚像１２からの逆光線追跡によって得られる被走査面素子２０３の歪曲性能を示している。なお、図５（ａ）は、図４（ａ）において示したように、被走査面素子２０３に対して拡大凹面鏡３０１を回転させていない配置状態に基づくシミュレーション結果である。また、図５（ｂ）は図４（ｂ）において示したように、被走査面素子２０３に対して拡大凹面鏡３０１を回転させた配置状態に基づくシミュレーション結果である。すなわち、本実施形態における歪曲性能は、図５（ｂ）のグラフにおいて示されている。 Next, the features of the HUD1000 will be described using the simulation results using a computer for the optical performance in this embodiment. The simulation result shown in FIG. 5 shows the distortion performance of the surface element 203 to be scanned obtained by tracing the back light from the magnified virtual image 12. Note that FIG. 5A is a simulation result based on an arrangement state in which the magnifying concave mirror 301 is not rotated with respect to the surface element 203 to be scanned, as shown in FIG. 4A. Further, FIG. 5B is a simulation result based on an arrangement state in which the magnifying concave mirror 301 is rotated with respect to the surface element 203 to be scanned, as shown in FIG. 4B. That is, the distortion performance in this embodiment is shown in the graph of FIG. 5 (b).

図５において点線で表された格子は、歪曲のない理想の状態を例示したものである。また、同様に実線で表された格子は、それぞれの歪曲性能のシミュレーション結果を示している。図５（ａ）と図５（ｂ）を比較すると明らかなとおり、拡大凹面鏡３０１を被走査面素子２０３に対して回転させた状態にすると、特に端部の歪曲性能が劣る。しかし、長手方向の中央付近を比較すると、実用上問題にならない程度の範囲における性能差である。これは、拡大凹面鏡３０１が非回転対称形状であって、反射面が自由曲面によって形成されているからである。すなわち、ＨＵＤ１０００は、拡大凹面鏡３０１を被走査面素子２０３に対してＸ−Ｚ平面において回転させた状態で配置しても、光学性能の低下は問題にならない程度で収まる。 The grid represented by the dotted line in FIG. 5 illustrates an ideal state without distortion. Similarly, the grid represented by the solid line shows the simulation result of each distortion performance. As is clear from a comparison between FIGS. 5A and 5B, when the magnifying concave mirror 301 is rotated with respect to the surface element 203 to be scanned, the distortion performance of the end portion is particularly inferior. However, when comparing the vicinity of the center in the longitudinal direction, the performance difference is within a range that does not pose a problem in practical use. This is because the magnifying concave mirror 301 has a non-rotational symmetric shape, and the reflecting surface is formed by a free curved surface. That is, even if the magnifying concave mirror 301 is arranged in a state of being rotated in the XZ plane with respect to the surface element 203 to be scanned, the HUD1000 is contained to the extent that the deterioration of the optical performance does not become a problem.

次に、本実施例における別の光学性能について、上記と同様に計算機を用いたシミュレーション結果を用いて説明する。図６に示すシミュレーション結果は、拡大虚像１２からの逆光線追跡によって得られた被走査面素子２０３に係るＭＴＦ性能を表している。ＭＴＦ性能は、被走査面素子２０３の各角と、各角の中間点、及び被走査面素子２０３の中央点のそれぞれにおける縦方向と横方向の解像度を表すものである。したがって、本来であれば、ＭＴＦ性能を示すには、１８本のグラフを表すことになる。しかし、全ての線をグラフに表すと煩雑かつ不明瞭になり、本実施形態の特徴がわかりづらくなる。そこで、図６に示すように、被走査面素子２０３における対角線上に配置される３点の縦方向におけるＭＴＦ性能のみを表している。 Next, another optical performance in this embodiment will be described using a simulation result using a computer in the same manner as described above. The simulation result shown in FIG. 6 shows the MTF performance of the surface element 203 to be scanned obtained by tracing the back light from the magnified virtual image 12. The MTF performance represents the vertical and horizontal resolutions at each angle of the surface element 203 to be scanned, the midpoint of each angle, and the center point of the surface element 203 to be scanned. Therefore, originally, 18 graphs are represented to show the MTF performance. However, if all the lines are represented in a graph, it becomes complicated and unclear, and it becomes difficult to understand the features of the present embodiment. Therefore, as shown in FIG. 6, only the MTF performance in the vertical direction of the three points arranged diagonally in the surface element 203 to be scanned is shown.

図６の実線は、拡大凹面鏡３０１から被走査面素子２０３をみたときの被走査面素子２０３上の「左下」からの画像光におけるＭＴＦ性能を表している。また、長い破線では、拡大凹面鏡３０１から被走査面素子２０３をみたときの被走査面素子２０３上の「中央」からの画像光におけるＭＴＦ性能を表している。短い破線は、拡大凹面鏡３０１から被走査面素子２０３をみたときの被走査面素子２０３上の「右上」からの画像光におけるＭＴＦ性能を表している。 The solid line in FIG. 6 represents the MTF performance in the image light from the “lower left” on the scanned surface element 203 when the scanned surface element 203 is viewed from the magnifying concave mirror 301. Further, the long broken line represents the MTF performance in the image light from the "center" on the scanned surface element 203 when the scanned surface element 203 is viewed from the magnifying concave mirror 301. The short broken line represents the MTF performance in the image light from the "upper right" on the scanned surface element 203 when the scanned surface element 203 is viewed from the magnifying concave mirror 301.

上記の各画像光と、拡大凹面鏡３０１及び被走査面素子２０３の関係について、説明する。図６（ａ）は、図４（ａ）に示したように、被走査面素子２０３に対して拡大凹面鏡３０１を回転させていないときのＭＴＦ性能を表している。図６（ｂ）は、図４（ｂ）に示したように被走査面素子２０３に対して拡大凹面鏡３０１を回転させたときのＭＴＦ性能を表している。 The relationship between each of the above image lights and the magnifying concave mirror 301 and the surface element 203 to be scanned will be described. As shown in FIG. 4A, FIG. 6A shows the MTF performance when the magnifying concave mirror 301 is not rotated with respect to the surface element 203 to be scanned. FIG. 6B shows the MTF performance when the magnifying concave mirror 301 is rotated with respect to the surface element 203 to be scanned as shown in FIG. 4B.

図６（ａ）と図６（ｂ）を比較すると明らかなとおり、被走査面素子２０３の中央から出射された画像光に係るＭＴＦ性能（長い破線）は、被走査面素子２０３に対して拡大凹面鏡３０１を回転させた場合でも、回転させない場合との差は殆どない。これは、拡大凹面鏡３０１の形状が非回転対称形状であって、反射面が自由曲面によって形成されていることによる効果である。以上のとおり、本実施形態に係るＨＵＤ１０００によれば、被走査面素子２０３に対して拡大凹面鏡３０１を回転させて配置しても、ＭＴＦ性能は劣らない。 As is clear from comparing FIGS. 6 (a) and 6 (b), the MTF performance (long broken line) related to the image light emitted from the center of the surface element 203 to be scanned is expanded with respect to the surface element 203 to be scanned. Even when the concave mirror 301 is rotated, there is almost no difference from the case where it is not rotated. This is an effect that the shape of the magnifying concave mirror 301 is a non-rotational symmetric shape and the reflecting surface is formed by a free curved surface. As described above, according to the HUD 1000 according to the present embodiment, the MTF performance is not inferior even if the magnifying concave mirror 301 is rotated and arranged with respect to the surface element 203 to be scanned.

次に、上記の拡大凹面鏡３０１を有するＨＵＤ１０００を、右ハンドルの自動車に装置したときの例について図７を用いて説明する。図７において、実線が従来のヘッドアップディスプレイの装備状態の例を表している。また、破線がＨＵＤ１０００の装備状態の例を表している。 Next, an example in which the HUD 1000 having the magnifying concave mirror 301 is mounted on a right-hand drive automobile will be described with reference to FIG. 7. In FIG. 7, the solid line shows an example of the equipped state of the conventional head-up display. Further, the broken line represents an example of the equipped state of the HUD1000.

図７に示すとおり、ＨＵＤ１０００は、コンバイナ３０２であるフロントウインドシールド１０の曲面に沿うように拡大凹面鏡３０１が配置されている。したがって、従来よりも、自動車前方にＨＵＤ１０００を配置しても、フロントウインドシールド１０と干渉しないように配置することができる。 As shown in FIG. 7, in the HUD 1000, the magnifying concave mirror 301 is arranged along the curved surface of the front windshield 10 which is the combiner 302. Therefore, even if the HUD 1000 is arranged in front of the automobile, it can be arranged so as not to interfere with the front windshield 10.

また、図７に示すようにＨＵＤ１０００は、横方向（Ｘ方向）の長さは従来とほぼ同等であるが、自動車の前後方向（Ｚ軸方向）における最短部の長さが８７ｍｍほど短縮される。これは、拡大凹面鏡３０１をＸ−Ｚにおいて回転させた状態で配置することの効果である。したがって、ＨＵＤ１０００は、自動車の前後方向において、最短部を大幅に小型化できている。 Further, as shown in FIG. 7, the length of the HUD1000 in the lateral direction (X direction) is almost the same as that of the conventional one, but the length of the shortest portion in the front-rear direction (Z-axis direction) of the automobile is shortened by about 87 mm. .. This is an effect of arranging the magnifying concave mirror 301 in a rotated state in XZ. Therefore, the HUD1000 can significantly reduce the size of the shortest portion in the front-rear direction of the automobile.

すでに述べたように拡大凹面鏡３０１を被走査面素子２０３に対して回転させても、光学性能（歪曲とＭＴＦ性能）に関しては、大きく劣る点はない。これは、拡大凹面鏡３０１を非回転対称形状にすることで、拡大虚像１２に生じる歪みを補正しているからである。以上のとおり、本実施例に係るＨＵＤ１０００によれば、小型化を図り、かつ、光学性能は従来のものと同等のものを提供することができる。 As described above, even if the magnifying concave mirror 301 is rotated with respect to the surface element 203 to be scanned, there is no significant inferior point in terms of optical performance (distortion and MTF performance). This is because the distortion caused in the magnified virtual image 12 is corrected by making the magnifying concave mirror 301 a non-rotational symmetric shape. As described above, according to the HUD1000 according to the present embodiment, it is possible to achieve miniaturization and provide an optical performance equivalent to that of the conventional one.

以上のとおり、本実施形態に係るＨＵＤ１０００は、反射鏡である拡大凹面鏡３０１の反射面の法線が、画像形成部である被走査面素子２０３の画像形成面の法線に対して傾斜している。すなわち、拡大凹面鏡３０１を被走査面素子２０３に対して回転した状態で配置されている。このように拡大凹面鏡３０１を配置することで、低コストかつ簡易な構成の小型画像表示装置を得ることができる。 As described above, in the HUD 1000 according to the present embodiment, the normal of the reflecting surface of the magnifying concave mirror 301, which is a reflecting mirror, is inclined with respect to the normal of the image forming surface of the scanned surface element 203, which is an image forming portion. There is. That is, the magnifying concave mirror 301 is arranged in a rotated state with respect to the surface element 203 to be scanned. By arranging the magnifying concave mirror 301 in this way, it is possible to obtain a small image display device having a low cost and a simple configuration.

また、本実施形態に係るＨＵＤ１０００は、拡大凹面鏡３０１が被走査面素子２０３に対して回転した状態で配置されている。すなわち、拡大凹面鏡３０１の長手方向の両端と、これに対向する被走査面素子２０３の長手方向のそれぞれの両端との間の長さは異なる。このように拡大凹面鏡３０１を配置することで、低コストかつ簡易な構成の小型画像表示装置を得ることができる。 Further, in the HUD 1000 according to the present embodiment, the magnifying concave mirror 301 is arranged in a state of being rotated with respect to the surface element 203 to be scanned. That is, the lengths between both ends in the longitudinal direction of the magnifying concave mirror 301 and both ends in the longitudinal direction of the surface element 203 to be scanned facing the magnifying concave mirror 301 are different. By arranging the magnifying concave mirror 301 in this way, it is possible to obtain a small image display device having a low cost and a simple configuration.

また、本実施形態に係るＨＵＤ１０００によれば、拡大凹面鏡３０１をフロントウインドシールド１０の傾斜方向に回転させる。すなわち、拡大凹面鏡３０１の回転方向は、フロントウインドシールド１０の傾斜方向と同一方向である。これによって、様々な車種に合わせた画像表示装置の小型化を図ることができる。 Further, according to the HUD 1000 according to the present embodiment, the magnifying concave mirror 301 is rotated in the tilting direction of the front windshield 10. That is, the rotation direction of the magnifying concave mirror 301 is the same as the inclination direction of the front windshield 10. As a result, it is possible to reduce the size of the image display device according to various vehicle models.

また、本実施形態に係るＨＵＤ１０００によれば、拡大凹面鏡３０１が非回転対称の形状を有する凹面形状である。これによって、拡大虚像１２の歪みや解像性能を補正することができ、良好な画質の拡大虚像１２を視認できるようになる。 Further, according to the HUD 1000 according to the present embodiment, the magnifying concave mirror 301 has a concave shape having a non-rotational symmetric shape. As a result, the distortion and resolution performance of the magnified virtual image 12 can be corrected, and the magnified virtual image 12 with good image quality can be visually recognized.

また、本実施形態に係るＨＵＤ１０００によれば、Ｓ＜ＷＳ´／Ｗ´を満足する。これによって良好な画質の虚像を視認できるようになる。なお、「Ｗ」は、画像形成部である被走査面素子２０３の長手方向（横方向）の長さである。「Ｓ」は、被走査面素子２０３から拡大凹面鏡３０１までの距離である。「Ｗ´」は、ＨＵＤ１０００によって得られる拡大虚像１２の横方向（長手方向）の長さである。「Ｓ´」は、コンバイナ３０２であるフロントウインドシールド１０から拡大虚像１２までの距離である。 Further, according to the HUD1000 according to the present embodiment, S <WS'/ W'is satisfied. This makes it possible to visually recognize a virtual image with good image quality. In addition, "W" is the length in the longitudinal direction (horizontal direction) of the surface element 203 to be scanned which is an image forming portion. “S” is the distance from the surface element 203 to be scanned to the magnifying concave mirror 301. "W'" is the lateral (longitudinal) length of the magnified virtual image 12 obtained by the HUD1000. “S'” is the distance from the front windshield 10 which is the combiner 302 to the magnified virtual image 12.

また、本実施形態に係るＨＵＤ１０００によれば、光源にレーザー光源もしくはＬＥＤ光源を使用することで、小型かつ、長寿命、かつ色再現性の良い画像表示装置を得ることができる。 Further, according to the HUD 1000 according to the present embodiment, by using a laser light source or an LED light source as the light source, it is possible to obtain an image display device having a small size, a long life, and good color reproducibility.

また、本実施形態に係るＨＵＤ１０００によれば、被走査面素子２０３を含む走査光学系２００によって中間画像を形成するので、実視界とのかぶりのない高コントラストの拡大虚像１２を表示する画像表示装置を得ることができる。 Further, according to the HUD 1000 according to the present embodiment, since the intermediate image is formed by the scanning optical system 200 including the surface element 203 to be scanned, an image display device that displays a high-contrast enlarged virtual image 12 that does not cover the actual field of view. Can be obtained.

また、本実施形態に係るＨＵＤ１０００によれば、中間画像を形成する走査光学系２００を２次元偏向素子２０１であるＤＭＤを用いて構成することで、高解像度の拡大虚像１２を表示できる画像表示装置を得ることができる。 Further, according to the HUD 1000 according to the present embodiment, an image display device capable of displaying a high-resolution enlarged virtual image 12 by configuring the scanning optical system 200 for forming an intermediate image by using a DMD which is a two-dimensional deflection element 201. Can be obtained.

また、本実施形態に係るＨＵＤ１０００によれば、自動車、航空機などの移動体において、運転者が少ない視線移動で警報・情報を認知できる画像表示装置を提供することができる。 Further, according to the HUD 1000 according to the present embodiment, it is possible to provide an image display device capable of recognizing an alarm / information in a moving body such as an automobile or an aircraft by moving the line of sight with a small number of drivers.

１０フロントウインドシールド
１１利用者
１２拡大虚像
１００光源部
２００走査光学系
２０３被走査面素子
３００虚像光学系
３０１拡大凹面鏡
３０２コンバイナ
１０００ＨＵＤ 10 Front windshield 11 User 12 Magnified virtual image 100 Light source 200 Scanning optical system 203 Scanned surface element 300 Virtual image optical system 301 Magnifying concave mirror 302 Combiner 1000 HUD

特開２００４−１０１８２９号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-101829

Claims

An image forming element that forms an intermediate image and
It has a virtual image optical system that forms a virtual image based on the intermediate image.
An image display device that allows the user to visually recognize the virtual image by projecting it onto the front windshield of the moving body.
The virtual image optical system has a magnifying concave mirror that magnifies and projects the intermediate image toward the front windshield.
If the left-right direction of the user's field of view is defined as the X-axis direction, the vertical direction of the user's field of view is defined as the Y-axis direction, and the direction orthogonal to both the X-axis direction and the Y-axis direction is defined as the Z-axis direction, XZ In a plane, the end of the magnifying concave mirror and the end of the image forming element face each other.
In the XZ plane, the length between one end of the magnifying concave mirror in the X-axis direction and one end of the image forming element in the X-axis direction is the X-axis of the magnifying concave mirror. It is arranged at an angle with respect to the X-axis so as to be longer than the length between the other end in the direction and the other end in the X-axis direction of the image forming element.
The front windshield is curved in the XZ plane and
The tilting direction of the magnifying concave mirror in the XZ plane is the same side as the tilting direction of the front windshield, and the magnifying concave mirror is on the curved surface of the front windshield corresponding to the portion where the magnifying concave mirror is arranged. An image display device characterized in that it is arranged along the line.

The magnifying concave mirror is arranged in a state of being rotated with respect to the image forming element about a line passing through the center of the image forming element in the X-axis direction.
The image display device according to claim 1.

The magnifying concave mirror has a concave shape having a non-rotational symmetric shape.
The image display device according to claim 1 or 2.

The lateral length of the image forming element is W,
The lateral length of the virtual image is W',
When the distance from the front windshield to the virtual image is S',
S indicating the distance from the image forming element to the magnifying concave mirror satisfies the following conditions.
The image display device according to any one of claims 1 to 3.
(Conditions) S <WS'/ W'