JP7021939B2 - Information display device - Google Patents

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Description

本発明は、自動車や電車や航空機等のフロントガラス又はコンバイナに映像情報を投影し、その映像情報をフロントガラス越しに虚像として観察する情報表示装置に関する。 The present invention relates to an information display device that projects video information onto a windshield or combiner of an automobile, train, aircraft, or the like, and observes the video information as a virtual image through the windshield.

自動車のフロントガラスやコンバイナに映像光を投影して虚像を形成し、ルート情報や渋滞情報などの交通情報や燃料残量や冷却水温度等の自動車情報を表示する、所謂、ヘッドアップディスプレイ(HUD)装置が知られている。例えば、特許文献1には、画像を表示するデバイスと、表示された画像を投射(投影)する投射光学系とを備え、運転者の視点領域全域で画面歪みが小さく、小型な表示装置について提案されている。 A so-called head-up display (HUD) that projects video light onto the windshield or combiner of a car to form a virtual image and displays traffic information such as route information and traffic jam information, as well as car information such as fuel level and cooling water temperature. ) The device is known. For example, Patent Document 1 proposes a compact display device including a device for displaying an image and a projection optical system for projecting (projecting) the displayed image, with little screen distortion over the entire viewpoint region of the driver. Has been done.

また、例えば特許文献2には、光源部から出射された画素表示用レーザ光を2次元偏向手段(MEMSミラー)により偏向して、凹面鏡を介して、透過部材である湾曲スクリーンに向けて反射し、中間像を形成する構成が開示されている。この装置では、その後中間像を凹面ミラーにより反射して、自動車のフロントガラスやコンバイナに映像光を投影して虚像を形成している。 Further, for example, in Patent Document 2, a laser beam for pixel display emitted from a light source unit is deflected by a two-dimensional deflecting means (MEMS mirror) and reflected toward a curved screen which is a transmissive member via a concave mirror. , The configuration that forms the intermediate image is disclosed. In this device, the intermediate image is then reflected by a concave mirror, and the image light is projected onto the windshield or combiner of an automobile to form a virtual image.

特開2015-194707号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-194707 特開2016-136222号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-136222

この種の情報表示装置においては、運転者が虚像を観察できる領域を拡大することが望まれる一方、虚像が高解像度で視認性が高いことも重要な性能要因である。また、ヘッドアップディスプレイ装置は、運転者に虚像を提供する最終反射面としてフロントガラス又はコンバイナが必要であり、発明者らは視認性が高く良好な解像性能を得るためには、さらなる改善が重要であることに気付いた。 In this type of information display device, it is desired to expand the area where the driver can observe the virtual image, but it is also an important performance factor that the virtual image has high resolution and high visibility. In addition, the head-up display device requires a windshield or combiner as the final reflective surface that provides a virtual image to the driver, and the inventors have made further improvements in order to obtain high visibility and good resolution performance. I realized it was important.

一般的に、凹面ミラーで生成する虚像が見える範囲を広げるためには、物点を焦点に近づけて物寸法に対して凹面ミラーを大きくすると良いが、所望の倍率を得るためには、凹面ミラーの曲率半径が小さくなるためこれらを両立することは困難となる。その結果、ミラーサイズが小さくなり、実効的に拡大率は大きいが、観察可能な範囲が小さい虚像しか得られないという結果となる。 Generally, in order to widen the visible range of the virtual image generated by the concave mirror, it is better to move the object point closer to the focal point and make the concave mirror larger with respect to the object size, but in order to obtain the desired magnification, the concave mirror Since the radius of curvature of is small, it is difficult to achieve both of these. As a result, the mirror size becomes small, and the magnifying power is effectively large, but only a virtual image having a small observable range can be obtained.

このため、(1)所望の虚像サイズ、(2)必要な虚像の倍率、を同時に満足するためには、凹面ミラーの寸法は観察範囲に合わせ、映像表示部との兼ね合いで虚像の倍率を決めざるを得なかった。このため従来技術では、所望の観察範囲において大きな虚像を得るためには、凹面ミラーから虚像までの距離を大きく、すなわち、最終反射面であるフロントガラス又はコンバイナと凹面ミラーの距離を大きくし、同時に、凹面ミラーのサイズを大きくする必要があった。これらの要請は、装置の小型化を阻む要因となる。 Therefore, in order to simultaneously satisfy (1) the desired virtual image size and (2) the required virtual image magnification, the dimensions of the concave mirror should be adjusted to the observation range, and the magnification of the virtual image should be determined in consideration of the image display unit. I had no choice but to do it. Therefore, in the prior art, in order to obtain a large virtual image in a desired observation range, the distance from the concave mirror to the virtual image is increased, that is, the distance between the windshield or combiner, which is the final reflecting surface, and the concave mirror is increased, and at the same time. , It was necessary to increase the size of the concave mirror. These demands are factors that hinder the miniaturization of equipment.

上記した特許文献1や特許文献2には、装置の構成を小型化するとともに、所望の観察範囲において大きな虚像を得るための技術については開示されていない。また、装置の小型化に伴い、運転者が視認する虚像の歪みと収差が増大するが、これを有効に解決する技術についても開示されていない。 The above-mentioned Patent Documents 1 and 2 do not disclose a technique for miniaturizing the configuration of an apparatus and obtaining a large virtual image in a desired observation range. Further, as the device is miniaturized, the distortion and aberration of the virtual image visually recognized by the driver increase, but the technique for effectively solving this is not disclosed.

本発明は上述した従来技術の課題を鑑み、その目的は、装置の小型化を図りながら、所望の観察範囲においてより大きな虚像を得るための技術手段を提案することである。併せて、運転者が視認する虚像の歪みと収差を実用上問題のないレベルまで軽減させ、視認性の高い虚像を形成する情報表示装置を提供することである。 In view of the above-mentioned problems of the prior art, an object of the present invention is to propose a technical means for obtaining a larger virtual image in a desired observation range while reducing the size of the apparatus. At the same time, it is an object of the present invention to provide an information display device for forming a highly visible virtual image by reducing the distortion and aberration of the virtual image visually recognized by the driver to a level where there is no practical problem.

本発明は、投影部材に映像を投影する情報表示装置であって、背面側に光源を配置し前記映像の映像光を生成する映像表示部と、前記映像表示部で生成された前記映像光を凹面ミラーで反射し、前記投影部材に投影することで前記投影部材の前方に虚像を表示させる光学系と、を備え、前記映像表示部の表示面を前記凹面ミラーに向って湾曲形状となるように形成したことを特徴とする。ここに前記映像表示部の表示面の湾曲形状は、前記凹面ミラーの形状により前記虚像に発生する像面湾曲を低減するように定める。 The present invention is an information display device that projects an image on a projection member, and has an image display unit that arranges a light source on the back side to generate image light of the image and the image light generated by the image display unit. An optical system that reflects light with a concave mirror and projects it onto the projection member to display a virtual image in front of the projection member is provided so that the display surface of the image display unit has a curved shape toward the concave mirror. It is characterized by being formed in. Here, the curvature of the display surface of the image display unit is determined so as to reduce the curvature of field generated in the virtual image due to the shape of the concave mirror.

本発明によれば、装置の小型化を図りながら、所望の観察範囲においてより大きな虚像を得るとともに、運転者が視認する虚像の歪みと収差を軽減し視認性の高い虚像を形成する情報表示装置を実現することができる。 According to the present invention, an information display device that obtains a larger virtual image in a desired observation range while reducing the size of the device, reduces distortion and aberration of the virtual image visually recognized by the driver, and forms a highly visible virtual image. Can be realized.

情報表示装置とその周辺装置を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the information display device and its peripheral device. 虚像の発生原理を説明する図である。It is a figure explaining the generation principle of a virtual image. 情報表示装置を搭載した自動車の上面図である。It is a top view of the automobile equipped with an information display device. フロントガラスの曲面形状を示す図である。It is a figure which shows the curved surface shape of a windshield. 液晶パネルのバックライト輝度の上下方向の角度特性を示す図である。It is a figure which shows the angle characteristic in the vertical direction of the backlight brightness of a liquid crystal panel. 液晶パネルのコントラストの上下方向の角度特性を示す図である。It is a figure which shows the angle characteristic in the vertical direction of the contrast of a liquid crystal panel. 図1における虚像光学系の全体構成図である。It is an overall block diagram of the virtual image optical system in FIG. 虚像光学系の基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic structure of a virtual image optical system. 凹面ミラーと映像表示部の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship between a concave mirror and an image display part. 距離Zと情報表示装置の容積の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the distance Z and the volume of an information display device. 典型的な像面湾曲(歪曲)の状態を説明する図である。It is a figure explaining the state of a typical curvature of field (distortion). 液晶パネル面を湾曲形状とした構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure which made the liquid crystal panel surface into a curved shape. 液晶パネル面とともに光源の出射面を湾曲させた構成を示す図である。It is a figure which shows the structure which curved the exit surface of a light source together with the liquid crystal panel surface. 本実施例の虚像光学系の全体の光線図である。It is a ray diagram of the whole virtual image optical system of this embodiment. 図14の虚像光学系の一部を拡大した光線図である。FIG. 6 is an enlarged ray diagram of a part of the virtual image optical system of FIG. 液晶パネルとバックライトの外観図である。It is an external view of a liquid crystal panel and a backlight. バックライト内の光源ユニットの拡大図である。It is an enlarged view of the light source unit in a backlight. 導光体の外観を示す図である。It is a figure which shows the appearance of a light guide body. 導光体の要部断面拡大図である。It is a cross-sectional enlarged view of the main part of a light guide body. 液晶パネルを通過した出射光のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the emitted light which passed through a liquid crystal panel. 液晶パネルの出射面の輝度分布を示す図である。It is a figure which shows the luminance distribution of the emission surface of a liquid crystal panel.

以下、図面等を用いて、本発明の実施例について詳細に説明する。なお、本発明は以下の説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更及び修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。 Hereinafter, examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings and the like. The present invention is not limited to the following description, and various modifications and modifications can be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea disclosed in the present specification. Further, in all the drawings for explaining the present invention, those having the same function may be designated by the same reference numerals, and the repeated description thereof may be omitted.

<情報表示装置の構成>
図1は、本発明の一実施例に係る情報表示装置とその周辺装置を示す概略構成図である。ここでは、その一例として、自動車のフロントガラスに映像情報を投影する情報表示装置100について説明する。
<Configuration of information display device>
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an information display device and its peripheral devices according to an embodiment of the present invention. Here, as an example thereof, the information display device 100 that projects video information onto the windshield of an automobile will be described.

この情報表示装置100は、運転者の視点(アイポイント)8において自車両の前方に虚像V1を形成するため、投影部材6(本実施例では、フロントガラスの内面)にて反射された各種情報を虚像VI(Virtual Image)として表示する装置、いわゆるヘッドアップディスプレイ(HUD)装置である。なお、投影部材6は、映像情報が投影される部材であればよく、フロントガラスだけでなく、コンバイナ等、他の投影部材であっても良い。虚像VIとして表示する映像情報としては、例えば、車速などの車両情報や車載カメラで撮影した前景情報などが含まれる。 This information display device 100 forms a virtual image V1 in front of the own vehicle at the driver's viewpoint (eye point) 8, so that various information reflected by the projection member 6 (in the present embodiment, the inner surface of the windshield) is reflected. Is a device that displays a virtual image as a VI (Virtual Image), a so-called head-up display (HUD) device. The projection member 6 may be any member as long as it is a member on which video information is projected, and may be not only a windshield but also another projection member such as a combiner. The video information displayed as the virtual image VI includes, for example, vehicle information such as vehicle speed and foreground information taken by an in-vehicle camera.

情報表示装置100の構成は、表示する映像情報の映像光を生成する液晶ディスプレイ(LCD)などの映像表示部4と、映像表示部4の背面側に配し映像光の光源であるバックライト5、映像表示部4にて生成された映像光を反射する凹面ミラー1、映像表示部4と凹面ミラー1の間に設けたレンズなどの光学素子2を有し、これらは筐体7に収納されている。光学素子2は、映像光を投影して虚像を形成する際に発生する歪や収差を補正するためのものである。凹面ミラー1で反射した映像光は、投影部材6にて反射されて運転者の視点8へ向かい、虚像VIを表示する。 The configuration of the information display device 100 consists of a video display unit 4 such as a liquid crystal display (LCD) that generates video light of video information to be displayed, and a backlight 5 that is arranged on the back side of the video display unit 4 and is a light source of video light. It has a concave mirror 1 that reflects the image light generated by the image display unit 4, and an optical element 2 such as a lens provided between the image display unit 4 and the concave mirror 1, and these are housed in a housing 7. ing. The optical element 2 is for correcting distortions and aberrations that occur when an image light is projected to form a virtual image. The image light reflected by the concave mirror 1 is reflected by the projection member 6 and heads toward the driver's viewpoint 8 to display a virtual image VI.

上記映像表示部4とバックライト5は、制御部40で制御される。制御部40は、ナビゲーションシステム61から、自車両が走行している現在位置に対応する道路の制限速度や車線数、ナビゲーションシステム61に設定された自車両の移動予定経路などの各種の情報を、前景情報(すなわち、上記虚像により自車両の前方に表示する情報)として取得する。 The video display unit 4 and the backlight 5 are controlled by the control unit 40. From the navigation system 61, the control unit 40 obtains various information such as the speed limit and the number of lanes of the road corresponding to the current position where the own vehicle is traveling, and the planned movement route of the own vehicle set in the navigation system 61. It is acquired as foreground information (that is, information displayed in front of the own vehicle by the above-mentioned virtual image).

運転支援ECU62は、周辺監視装置63での監視の結果として検出された障害物に従って駆動系や制御系を制御することで、運転支援制御を実現する制御装置である。運転支援制御としては、例えば、クルーズコントロール、アダプティブクルーズコントロール、プリクラッシュセーフティ、レーンキーピングアシストなどの周知技術を含む。 The driving support ECU 62 is a control device that realizes driving support control by controlling a drive system and a control system according to an obstacle detected as a result of monitoring by the peripheral monitoring device 63. Driving support control includes, for example, well-known technologies such as cruise control, adaptive cruise control, pre-crash safety, and lane keeping assist.

周辺監視装置63は、自車両の周辺の状況を監視する装置であり、一例としては、自車両の周辺を撮影した画像に基づいて自車両の周辺に存在する物体を検出するカメラや、探査波を送受信した結果に基づいて自車両の周辺に存在する物体を検出する探査装置などである。 The peripheral monitoring device 63 is a device that monitors the situation around the own vehicle, and as an example, a camera that detects an object existing around the own vehicle based on an image taken around the own vehicle, or an exploration wave. It is an exploration device that detects objects existing around the own vehicle based on the result of transmitting and receiving.

制御部40は、このような運転支援ECU62からの情報(例えば、先行車両までの距離及び先行車両の方位、障害物や標識が存在する位置など)を前景情報として取得する。さらに、制御部40には、イグニッション(IG)信号、及び、各種センサ64で検出した自車状態情報が入力される。これらの情報の内、自車状態情報とは、車両情報として取得される情報であり、例えば、内燃機関の燃料の残量や冷却水の温度など、予め規定された異常状態となったことを表す警告情報を含んでいる。また、方向指示器の操作結果や自車両の走行速度、さらには、シフトポジション情報なども含まれている。以上述べた制御部40は、イグニッション信号が入力されると起動する。 The control unit 40 acquires information from such a driving support ECU 62 (for example, the distance to the preceding vehicle, the direction of the preceding vehicle, the position where an obstacle or a sign exists, etc.) as foreground information. Further, the ignition (IG) signal and the own vehicle state information detected by various sensors 64 are input to the control unit 40. Among these information, the own vehicle state information is information acquired as vehicle information, and for example, it means that a predetermined abnormal state such as the remaining amount of fuel of the internal combustion engine and the temperature of the cooling water has occurred. Contains warning information to represent. In addition, the operation result of the direction indicator, the traveling speed of the own vehicle, and the shift position information are also included. The control unit 40 described above is activated when an ignition signal is input.

情報表示装置100における光学系の構成において、映像表示部4とバックライト5と凹面ミラー1などの光学部品は、以下に述べる虚像光学系を形成する。 In the configuration of the optical system in the information display device 100, the image display unit 4, the backlight 5, the concave mirror 1, and other optical components form the virtual image optical system described below.

図2は、虚像の発生原理を説明する図である。反射面である凹面ミラー1'の焦点Fの内側(同図では反射面側の位置a)に物体(映像源)ABを配置した場合、虚像はA’B’の大きさで位置bに形成される。反射面がレンズ面である場合には、反射面に対する相対位置(図示せず)に虚像が形成される。 FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of generating a virtual image. When the object (image source) AB is placed inside the focal point F of the concave mirror 1'which is the reflecting surface (position a on the reflecting surface side in the figure), a virtual image is formed at position b with the size of A'B'. Will be done. When the reflecting surface is a lens surface, a virtual image is formed at a position (not shown) relative to the reflecting surface.

図1において、表示される虚像の歪みを低減するための凹面ミラー1の形状について説明する。凹面ミラー1の上部領域では、フロントガラス6の下方に光線が入射し、相対的に運転者の視点8との距離(L1+L2)が短いので、拡大率が大きくなるように曲率半径を小さくする。他方、凹面ミラー1の下部領域では、フロントガラス6の上方に光線が入射し、相対的に運転者の視点8との距離が長いので、拡大率が小さくなるように曲率半径を大きくする。また、映像表示部4を凹面ミラー1の光軸に対して傾斜させて上述した虚像倍率の違いを補正することによっても、発生する歪みそのものを低減することができる。 In FIG. 1, the shape of the concave mirror 1 for reducing the distortion of the displayed virtual image will be described. In the upper region of the concave mirror 1, a light beam is incident below the windshield 6 and the distance (L1 + L2) from the driver's viewpoint 8 is relatively short, so the radius of curvature is reduced so that the magnification is large. On the other hand, in the lower region of the concave mirror 1, a light beam is incident above the windshield 6 and the distance from the driver's viewpoint 8 is relatively long, so the radius of curvature is increased so that the magnification is small. Further, the distortion itself can be reduced by inclining the image display unit 4 with respect to the optical axis of the concave mirror 1 to correct the above-mentioned difference in virtual image magnification.

また虚像光学系では、自動車のフロントガラス6の曲面形状に対する補正を行う。
図3は、情報表示装置を搭載した自動車の上面図、図4は、フロントガラス6の曲面形状を示す図である。自動車本体101に対し、水平方向の曲率半径Rhと垂直方向の曲率半径Rvとは異なり、一般には、Rh>Rvの関係にある。このため、フロントガラス6を反射面として捉えると、トロイダル状の凹面ミラーとなる。このため、情報表示装置100における凹面ミラー1の形状は、フロントガラス6の形状による虚像倍率を補正するような形状とする。すなわち、フロントガラス6の水平方向と垂直方向の曲率半径Rh,Rvの違いを補正するように、水平方向と垂直方向で異なる平均曲率半径とする。
Further, in the virtual image optical system, the curved surface shape of the windshield 6 of the automobile is corrected.
FIG. 3 is a top view of an automobile equipped with an information display device, and FIG. 4 is a diagram showing a curved surface shape of the windshield 6. Unlike the radius of curvature Rh in the horizontal direction and the radius of curvature Rv in the vertical direction with respect to the automobile main body 101, there is generally a relationship of Rh> Rv. Therefore, if the windshield 6 is regarded as a reflective surface, it becomes a toroidal concave mirror. Therefore, the shape of the concave mirror 1 in the information display device 100 is such that the virtual image magnification due to the shape of the windshield 6 is corrected. That is, the average radius of curvature differs between the horizontal direction and the vertical direction so as to correct the difference in the radius of curvature Rh and Rv between the horizontal direction and the vertical direction of the front glass 6.

この時、凹面ミラー1の形状は、以下の[数式1]で示す自由曲面の形状として、ミラー面の光軸からの面の座標(x,y)の関数として補正することが好ましい。なぜなら、光軸に対称な球面または非球面(以下に[数式2]で示す)形状では、光軸からの距離rの関数であり、離れた場所の水平断面と垂直断面形状を個別に制御できないからである。 At this time, it is preferable that the shape of the concave mirror 1 is corrected as a function of the coordinates (x, y) of the surface of the mirror surface from the optical axis as the shape of the free curved surface shown in the following [Formula 1]. This is because a spherical or aspherical shape (shown by [Formula 2] below) symmetrical to the optical axis is a function of the distance r from the optical axis, and the horizontal and vertical cross-sectional shapes at distant places cannot be controlled individually. Because.

Figure 0007021939000001
Figure 0007021939000001

Figure 0007021939000002
Figure 0007021939000002

さらに図1において、映像表示部4と凹面ミラー1の間の光学素子2として例えばレンズ素子を配置し、もって、凹面ミラー1への光線の出射方向を制御する。これにより、凹面ミラー1による補正機能と合わせて虚像の歪曲収差の補正を行なう。またこれと同時に光学素子2により、前述したフロントガラス6の水平方向と垂直方向の曲率半径Rh,Rvの違いによって生じる、非点収差を含めた虚像の収差補正を実現する。 Further, in FIG. 1, for example, a lens element is arranged as an optical element 2 between the image display unit 4 and the concave mirror 1, thereby controlling the emission direction of light rays to the concave mirror 1. As a result, the distortion aberration of the virtual image is corrected in combination with the correction function of the concave mirror 1. At the same time, the optical element 2 realizes the aberration correction of the virtual image including astigmatism caused by the difference in the radius of curvature Rh and Rv in the horizontal direction and the vertical direction of the windshield 6 described above.

さらに、収差補正能力を向上させるために、凹面ミラー1と映像表示部4の間に最適設計された光学素子を設けてもよい。加えて、上述した光学素子2の光軸方向の厚さを変化させることで、本来の収差補正の他に凹面ミラー1と映像表示部4の光学的な距離を変えて、虚像の表示位置を遠方から近接位置まで、連続的に変化させることもできる。また、映像表示部4を凹面ミラー1の光軸法線に対して傾けて配置することで、虚像の上下方向の倍率の違いを補正することもできる。 Further, in order to improve the aberration correction ability, an optimally designed optical element may be provided between the concave mirror 1 and the image display unit 4. In addition, by changing the thickness of the optical element 2 in the optical axis direction described above, in addition to the original aberration correction, the optical distance between the concave mirror 1 and the image display unit 4 is changed to change the display position of the virtual image. It can also be changed continuously from a distant position to a close position. Further, by arranging the image display unit 4 at an angle with respect to the optical axis normal of the concave mirror 1, it is possible to correct the difference in the vertical magnification of the virtual image.

一方、情報表示装置100の画質を低下させる要因として、映像表示部4から凹面ミラー1に向かって出射する映像光が、途中に配置された光学素子2の表面で反射して映像表示部4に戻り、再度反射して本来の映像光に重畳されて、画質を低下させることがある。このため、光学素子2の表面に反射防止膜を成膜して反射を抑えるだけでなく、さらに、光学素子2の映像光入射面と出射面の少なくとも一方のレンズ面形状を、例えば映像表示部4に凹面を向けた形状とし、上述した反射光が映像表示部4の一部分に集光しないようにする。 On the other hand, as a factor of deteriorating the image quality of the information display device 100, the image light emitted from the image display unit 4 toward the concave mirror 1 is reflected by the surface of the optical element 2 arranged in the middle and reflected on the image display unit 4. It may return, reflect again, and be superimposed on the original image light, degrading the image quality. Therefore, not only is an antireflection film formed on the surface of the optical element 2 to suppress reflection, but also the shape of at least one of the image light incident surface and the emitted surface of the optical element 2 can be changed, for example, the image display unit. The shape is such that the concave surface is directed toward 4, so that the above-mentioned reflected light is not focused on a part of the image display unit 4.

次に、映像表示部4(以下、液晶パネルとも呼ぶ)においては、上述した光学素子2からの反射光を吸収させるために、液晶パネル4に近接して配置された第一の偏光板に加えて、第二の偏光板を液晶パネル4と分離して配置すれば、画質の低下を軽減できる。また、液晶パネル4のバックライト5は、液晶パネル4に入射する光の入射方向を凹面ミラー1の入射瞳に効率良く入射するように制御される。この時、液晶パネル4に入射する光束の発散角を小さくすれば、効率良く運転者の視点8に映像光を向けることができるばかりでなく、さらに、コントラストの高い視認性の良い映像を得ることが可能となる。 Next, in the image display unit 4 (hereinafter, also referred to as a liquid crystal panel), in order to absorb the reflected light from the optical element 2 described above, in addition to the first polarizing plate arranged in the vicinity of the liquid crystal panel 4. Further, if the second polarizing plate is arranged separately from the liquid crystal panel 4, the deterioration of the image quality can be reduced. Further, the backlight 5 of the liquid crystal panel 4 is controlled so that the incident direction of the light incident on the liquid crystal panel 4 is efficiently incident on the entrance pupil of the concave mirror 1. At this time, if the divergence angle of the light flux incident on the liquid crystal panel 4 is reduced, not only the image light can be efficiently directed to the driver's viewpoint 8 but also a high-contrast and highly visible image can be obtained. Is possible.

図5は、液晶パネルのバックライト輝度の上下方向の角度特性を示す図である。また図6は、液晶パネルのコントラストの上下方向の角度特性を示す図である。このように、映像の発散角に対するコントラスト性能は上下方向に±20度以内となり、優れた特性が得られる。さらにコントラスト性能を向上させるためには、±10度以内のバックライト光束を利用すると良い。 FIG. 5 is a diagram showing the vertical angular characteristics of the backlight brightness of the liquid crystal panel. Further, FIG. 6 is a diagram showing the vertical angular characteristics of the contrast of the liquid crystal panel. As described above, the contrast performance with respect to the divergence angle of the image is within ± 20 degrees in the vertical direction, and excellent characteristics can be obtained. In order to further improve the contrast performance, it is preferable to use a backlight flux within ± 10 degrees.

一方、光源(バックライト)4の発光素子としては、製品寿命が長い固体光源、特に、周囲温度の変動に対する光出力変化が少ないLED(Light Emitting Diode)が好ましい。そして、光の発散角を低減する光学手段を設けたPBS(Polarizing Beam Splitter)を用いて偏光変換を行なうことが好ましい。 On the other hand, as the light emitting element of the light source (backlight) 4, a solid-state light source having a long product life, particularly an LED (Light Emitting Diode) having a small change in light output with respect to fluctuations in ambient temperature is preferable. Then, it is preferable to perform polarization conversion using a PBS (Polarizing Beam Splitter) provided with an optical means for reducing the emission angle of light.

液晶パネル4は、光入射面側と光出射面側に偏光板が配置されており、これにより、映像光のコントラスト比を高めている。光入射面側に設ける偏光板には、偏光度が高いヨウ素系のものを採用すれば、高いコントラスト比が得られる。一方、光出射面側には染料系の偏光板を用いることで、外光が入射した場合や環境温度が高い場合でも、高い信頼性を得ることができる。 In the liquid crystal panel 4, polarizing plates are arranged on the light incident surface side and the light emitting surface side, thereby increasing the contrast ratio of the image light. A high contrast ratio can be obtained by using an iodine-based polarizing plate having a high degree of polarization as the polarizing plate provided on the light incident surface side. On the other hand, by using a dye-based polarizing plate on the light emitting surface side, high reliability can be obtained even when external light is incident or the environmental temperature is high.

また、映像表示部4として液晶パネルを用いる場合、特に、運転者が偏光サングラスを着用している場合には、特定の偏波が遮蔽されて映像が見えない不具合が発生する。これを防ぐために、液晶パネル4の出射面側に配置した偏光板の光学素子2側にλ/4板を配置し、もって、特定の偏光方向に揃った映像光を円偏光に変換することが好ましい。 Further, when a liquid crystal panel is used as the image display unit 4, particularly when the driver wears polarized sunglasses, a problem occurs in which a specific polarization is shielded and the image cannot be seen. In order to prevent this, it is possible to arrange a λ / 4 plate on the optical element 2 side of the polarizing plate arranged on the exit surface side of the liquid crystal panel 4, thereby converting the image light aligned in a specific polarization direction into circular polarization. preferable.

<虚像光学系の詳細>
次に、本実施例に係る虚像光学系及び映像表示部を詳細に説明する。
図3で上述したように、自動車本体101の運転席前部には、投影部材としてのフロントガラス6が存在する。なお、このフロントガラス6は、自動車のタイプによって車体に対する傾斜角度が異なる。発明者らは、最適な虚像光学系を実現するため、フロントガラス6の曲率半径について調査した。その結果、図4に示すように、フロントガラス6は、自動車の接地面に対して平行な水平方向の曲率半径Rhと、水平軸に対して直交する垂直方向の曲率半径Rvとで異なり、RhとRvの間には、一般にRh>Rvの関係があることが判った。具体的には、この曲率半径の比Rh/Rvは、1.5倍から2.5倍の範囲にあるものが多いことも判明した。
<Details of virtual image optical system>
Next, the virtual image optical system and the image display unit according to this embodiment will be described in detail.
As described above in FIG. 3, a windshield 6 as a projection member is present in the front portion of the driver's seat of the automobile main body 101. The windshield 6 has a different inclination angle with respect to the vehicle body depending on the type of automobile. The inventors investigated the radius of curvature of the windshield 6 in order to realize the optimum virtual image optical system. As a result, as shown in FIG. 4, the front glass 6 differs between the horizontal radius of curvature Rh parallel to the ground plane of the automobile and the vertical radius of curvature Rv orthogonal to the horizontal axis, and Rh. It was found that there is generally a relationship of Rh> Rv between and Rv. Specifically, it was also found that the ratio Rh / Rv of the radius of curvature is often in the range of 1.5 times to 2.5 times.

さらに、フロントガラス6の傾斜角度についても市販品を調査した。その結果、車体タイプによっても異なるが、軽自動車や1Boxタイプでは20度~30度、セダンタイプでは30度~40度、スポーツタイプでは40度以上であった。そこで本実施例では、フロントガラスの水平方向の曲率半径Rhと垂直方向の曲率半径Rvの違い、及びフロントガラスの傾斜角について考慮し、虚像光学系の設計を行った。 Further, a commercially available product was investigated for the inclination angle of the windshield 6. As a result, although it varies depending on the vehicle body type, it was 20 to 30 degrees for the light vehicle and the 1Box type, 30 to 40 degrees for the sedan type, and 40 degrees or more for the sports type. Therefore, in this embodiment, the virtual image optical system is designed in consideration of the difference between the horizontal radius of curvature Rh and the vertical radius of curvature Rv of the windshield and the inclination angle of the windshield.

より詳細には、フロントガラス6の水平曲率半径Rhと垂直曲率半径Rvは大きく異なるため、光軸(Z軸)に対して直交する面内、すなわちフロントガラス6の水平方向(X軸)と垂直方向(Y軸)に関し軸非対称な光学素子2を虚像光学系内に設けることにより、良好な収差補正を実現した。 More specifically, since the horizontal radius of curvature Rh and the vertical radius of curvature Rv of the front glass 6 are significantly different, they are in the plane orthogonal to the optical axis (Z axis), that is, perpendicular to the horizontal direction (X axis) of the front glass 6. Good aberration correction was realized by providing an optical element 2 whose axis is asymmetric with respect to the direction (Y-axis) in the imaginary optical system.

次に、情報表示装置100の小型化について説明する。小型化検討の条件として、視野角(FOV)は水平方向7度、垂直方向2.6度とし、さらに、虚像距離2mとした。まず、予備検討では、虚像を生成する凹面ミラー1と映像表示部4及びバックライト5を基本構成として、映像表示部4と凹面ミラー1の間に光路折り返しミラーを1枚配置した。そして、情報表示装置100の容積が最小となるように、それぞれの部材の配置と映像表示部4から凹面ミラー1までの距離をパラメータとしてシミュレーションを行った。 Next, the miniaturization of the information display device 100 will be described. As a condition for studying miniaturization, the viewing angle (FOV) was set to 7 degrees in the horizontal direction and 2.6 degrees in the vertical direction, and the virtual image distance was set to 2 m. First, in the preliminary study, a concave mirror 1 for generating a virtual image, an image display unit 4, and a backlight 5 were used as a basic configuration, and one optical path folding mirror was arranged between the image display unit 4 and the concave mirror 1. Then, a simulation was performed using the arrangement of each member and the distance from the image display unit 4 to the concave mirror 1 as parameters so that the volume of the information display device 100 is minimized.

その結果、映像表示部4からの映像光がそれぞれの部品に干渉しないように配置した場合、情報表示装置100の容積は3.6リットルとなった。その後、さらなる小型化を狙って、光路折り返しミラー(光路長を稼ぐため、または、容積を小さくするために設けられる平面ミラー)を除いた直接方式について検討を行った。 As a result, when the video light from the video display unit 4 was arranged so as not to interfere with each component, the volume of the information display device 100 was 3.6 liters. After that, with the aim of further miniaturization, a direct method excluding the optical path folding mirror (a plane mirror provided to increase the optical path length or to reduce the volume) was examined.

図7は、図1における虚像光学系の全体構成図であり、情報表示装置100とともにフロントガラス6や運転者の視点8を含めて示している。また図8は、虚像光学系の基本構成を示す図であり、これに基づいて小型化の説明を行なう。なお、図面では凹面ミラー1は簡単のため平面ミラーとして描いている。また説明の簡略化のために、収差補正用の光学素子2は省略している。映像表示部4には液晶パネルを想定し、バックライト5を背後に配置した構成を基本とする。 FIG. 7 is an overall configuration diagram of the virtual image optical system in FIG. 1, and shows the information display device 100 together with the windshield 6 and the driver's viewpoint 8. Further, FIG. 8 is a diagram showing a basic configuration of a virtual image optical system, and the miniaturization will be described based on this. In the drawing, the concave mirror 1 is drawn as a flat mirror for the sake of simplicity. Further, for the sake of simplification of the description, the optical element 2 for correcting aberrations is omitted. A liquid crystal panel is assumed for the image display unit 4, and the backlight 5 is basically arranged behind the image display unit 4.

映像表示部4は、表示された映像が凹面ミラー1によって虚像が得られるように配置する。その制約条件は、図8に示す光線に関し、映像表示部4の画面上端からの映像光R1、中央からの映像光R2、及び下端からの映像光R3は、それぞれ、凹面ミラー1で反射した際に、映像表示部4に干渉して光が遮られないように配置することである。 The image display unit 4 arranges the displayed image so that a virtual image can be obtained by the concave mirror 1. The constraint condition is that with respect to the light beam shown in FIG. 8, the image light R1 from the upper end of the screen, the image light R2 from the center, and the image light R3 from the lower end of the image display unit 4 are reflected by the concave mirror 1, respectively. In addition, it is arranged so as not to interfere with the image display unit 4 and block the light.

上述した制約条件と、上述した検討条件(FOVの水平:7度,垂直:2.6度、虚像距離2m)を満足するように、凹面ミラー1と映像表示部(液晶パネル)4との距離Zをパラメータとして情報表示装置100の容積を求めた。なお、距離Zは、映像光R2に沿った距離で、凹面ミラー1の中央部と映像表示部4の中央部間の水平距離である。 The distance between the concave mirror 1 and the image display unit (liquid crystal panel) 4 so as to satisfy the above-mentioned constraint conditions and the above-mentioned examination conditions (FOV horizontal: 7 degrees, vertical: 2.6 degrees, virtual image distance 2 m). The volume of the information display device 100 was obtained with Z as a parameter. The distance Z is a distance along the image light R2, and is a horizontal distance between the central portion of the concave mirror 1 and the central portion of the image display unit 4.

図9は、凹面ミラー1と映像表示部4の位置関係を示す図で、距離Zをパラメータとして示している。距離Zが100mmの場合は、(c)に示した構成となり、この場合、凹面ミラー1の垂直寸法を最も小さくできる。距離Zを75mmとした場合には、(b)に示すように、水平面と凹面ミラー1の角度α2が大きくなり、凹面ミラー1の垂直寸法も大きくなる。距離Zを更に短縮して50mm以下にすると、(a)に示すように、水平面と凹面ミラー1の角度α3が大きくなり、凹面ミラー1の垂直寸法も更に大きくなる。このように、距離Zをパラメータとして、情報表示装置(セット)100の高さと奥行きの関係は、距離Zを小さくすればセット奥行きが低減できるが、一方でセット高さが高くなる。 FIG. 9 is a diagram showing the positional relationship between the concave mirror 1 and the image display unit 4, and shows the distance Z as a parameter. When the distance Z is 100 mm, the configuration shown in (c) is obtained, and in this case, the vertical dimension of the concave mirror 1 can be minimized. When the distance Z is 75 mm, as shown in (b), the angle α2 between the horizontal plane and the concave mirror 1 becomes large, and the vertical dimension of the concave mirror 1 also becomes large. When the distance Z is further shortened to 50 mm or less, as shown in (a), the angle α3 between the horizontal plane and the concave mirror 1 becomes large, and the vertical dimension of the concave mirror 1 also becomes large. As described above, the relationship between the height and the depth of the information display device (set) 100 with the distance Z as a parameter is that the set depth can be reduced by reducing the distance Z, but the set height is increased.

図10は、距離Zと情報表示装置100の容積の関係を示す図である。距離Zとセット容積の関係は、映像表示部4から凹面ミラー1までの空間容積の変化に比べ、セット容積(LCD駆動回路、光源駆動回路、バックライト体積などを含む)の変化は急峻となる。そして、距離Zが100mmの場合を基準にすると、距離Zを60mm以下とすることでセット容積は約80%(=3/3.7リットル)以下となり、十分小型化できることが判明した。 FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the distance Z and the volume of the information display device 100. Regarding the relationship between the distance Z and the set volume, the change in the set volume (including the LCD drive circuit, the light source drive circuit, the backlight volume, etc.) is steeper than the change in the space volume from the image display unit 4 to the concave mirror 1. .. Then, based on the case where the distance Z is 100 mm, it was found that the set volume becomes about 80% (= 3 / 3.7 liters) or less by setting the distance Z to 60 mm or less, and the size can be sufficiently reduced.

以上のことから、情報表示装置100を小型化するためには、映像表示部4に表示された映像を直接凹面ミラー1で拡大する距離Zが短い虚像光学系を実現する必要があり、図9(a)のように、映像表示部4の画面垂直方向中心は凹面ミラー1の中心より下側に配置されることが必要であることが判った。 From the above, in order to reduce the size of the information display device 100, it is necessary to realize a virtual image optical system having a short distance Z for directly magnifying the image displayed on the image display unit 4 by the concave mirror 1. FIG. As shown in (a), it was found that the center of the image display unit 4 in the vertical direction of the screen needs to be arranged below the center of the concave mirror 1.

一方この配置では、映像表示部4と凹面ミラー1の上端までの距離(光線R1に対応)が長く、映像表示部4と凹面ミラー1の下端までの距離(光線R3に対応)は短くなる。そこで、映像表示部4と凹面ミラー1の距離が可能な限り均一になるように映像表示部4を配置するのが良い。そして、映像表示部4と凹面ミラー1の距離が均一となる条件を満足するように、距離Zの最適値を決定する。 On the other hand, in this arrangement, the distance between the image display unit 4 and the upper end of the concave mirror 1 (corresponding to the light ray R1) is long, and the distance between the image display unit 4 and the lower end of the concave mirror 1 (corresponding to the light ray R3) is short. Therefore, it is preferable to arrange the image display unit 4 so that the distance between the image display unit 4 and the concave mirror 1 is as uniform as possible. Then, the optimum value of the distance Z is determined so as to satisfy the condition that the distance between the image display unit 4 and the concave mirror 1 becomes uniform.

本実施例の虚像光学系では、映像表示部4と凹面ミラー1の間に光学素子2を設けることで、装置小型化に伴う虚像の歪み補正と虚像で発生する収差の補正を行っている。さらには、光学素子2による補正能力を補うために、映像表示部4である液晶パネルの表示面(以下、パネル面)を湾曲形状としたことに特徴がある。以下、これらについて詳細に説明する。 In the virtual image optical system of this embodiment, the optical element 2 is provided between the image display unit 4 and the concave mirror 1 to correct the distortion of the virtual image and the aberration generated by the virtual image due to the miniaturization of the device. Further, in order to supplement the correction ability of the optical element 2, the display surface (hereinafter referred to as the panel surface) of the liquid crystal panel, which is the image display unit 4, is characterized by having a curved shape. Hereinafter, these will be described in detail.

本実施例の虚像光学系では、凹面ミラー1で発生する歪みと収差を低減するために光学素子2を配置している。この光学素子2は透過型の光学レンズであって、周辺温度の変化により屈折率と形状が変化してレンズの屈折力が変化することを低減するため、次のような構成とする。 In the virtual image optical system of this embodiment, the optical element 2 is arranged in order to reduce the distortion and aberration generated in the concave mirror 1. The optical element 2 is a transmissive optical lens, and has the following configuration in order to reduce the change in the refractive index and shape of the lens due to a change in the ambient temperature and the change in the refractive power of the lens.

(1)レンズの入射面と出射面がほぼ平行な形状で局部的なレンズ作用を持たない形状とする。この時、テレセントリックな光束として凹面ミラー1の反射面へ入射する映像光は、凹面ミラー1への入射位置と発生する収差の補正に寄与する。 (1) The shape is such that the entrance surface and the exit surface of the lens are almost parallel and do not have a local lens action. At this time, the image light incident on the reflecting surface of the concave mirror 1 as a telecentric light flux contributes to the correction of the incident position on the concave mirror 1 and the aberration generated.

(2)映像表示部4からの映像光を光学素子2により発散させ、凹面ミラー1に映像光が入射する位置を光軸から離すように屈折させることで、局部的に発生する歪曲収差を補正することができる。この時、光学素子2のレンズ作用は光軸上では負の屈折力を持つため、凹面ミラー1の相対的な正屈折力は大きくする必要がある。 (2) The image light from the image display unit 4 is diverged by the optical element 2 and refracted so that the position where the image light is incident on the concave mirror 1 is separated from the optical axis, thereby correcting the distortion generated locally. can do. At this time, since the lens action of the optical element 2 has a negative refractive power on the optical axis, it is necessary to increase the relative positive refractive power of the concave mirror 1.

(3)映像表示部4からの映像光を光学素子2により集光させ、凹面ミラー1に映像光が入射する位置を光軸に近づけることでも、局部的に発生する歪曲収差を補正することができる。この時、光学素子2のレンズ作用は光軸上では正の屈折力を持つため、凹面ミラー1の相対的な正屈折力は小さくできる。 (3) Distortion aberration that occurs locally can also be corrected by condensing the video light from the video display unit 4 by the optical element 2 and bringing the position where the video light is incident on the concave mirror 1 closer to the optical axis. can. At this time, since the lens action of the optical element 2 has a positive refractive power on the optical axis, the relative positive refractive power of the concave mirror 1 can be reduced.

(4)以上は凹面ミラー1の光軸近辺での歪曲収差の補正であるが、光学素子2の形状を非球面形状や光軸から離れた偏心非球面形状、または自由曲面形状とすることで、光学素子2に局部的な正または負の屈折力を持たせ、より高度に歪曲収差の補正が可能となる。
さらに、光学素子2の入射面と出射面の少なくとも一方を非球面、または偏心非球面、または自由曲面とすることで、収差補正の自由度を大きくし、上述した歪曲収差の補正も行なう。本実施例では一つの光学素子について述べたが、複数の透過型の光学素子であっても良い。
(4) The above is the correction of distortion near the optical axis of the concave mirror 1. By making the shape of the optical element 2 an aspherical shape, an eccentric aspherical shape away from the optical axis, or a free curved shape. , The optical element 2 is provided with a local positive or negative refractive power, and distortion can be corrected to a higher degree.
Further, by making at least one of the incident surface and the exit surface of the optical element 2 an aspherical surface, an eccentric aspherical surface, or a free curved surface, the degree of freedom of aberration correction is increased, and the above-mentioned distortion aberration is also corrected. Although one optical element has been described in this embodiment, a plurality of transmissive optical elements may be used.

<像面湾曲の低減技術>
一方、装置小型化の実現には凹面ミラー1の正屈折力の増大が不可欠であるが、光学素子2による像面湾曲の補正能力が不足し、結果としてその他の収差の補正能力も不足する。そのため、凹面ミラー1で反射される映像の解像度が低下してしまい、視認性の高い映像が得られないことが分かった。つまり、凹面ミラー1の正屈折力を強くするに伴い、像面湾曲が大きくなるという課題がある。具体的には、光軸から離れた部分では像面が後方に倒れ像面湾曲が発生する。
<Technology for reducing curvature of field>
On the other hand, in order to realize miniaturization of the apparatus, it is indispensable to increase the positive refractive power of the concave mirror 1, but the ability of the optical element 2 to correct the curvature of field is insufficient, and as a result, the ability to correct other aberrations is also insufficient. Therefore, it has been found that the resolution of the image reflected by the concave mirror 1 is lowered, and an image with high visibility cannot be obtained. That is, there is a problem that the curvature of field increases as the positive refractive power of the concave mirror 1 is increased. Specifically, in a portion away from the optical axis, the image plane tilts backward and curvature of field occurs.

図11は、典型的な像面湾曲(歪曲)の状態を説明する図である。(a)は歪曲なしの映像パターンで、(b)は糸巻型歪曲が発生した状態、(c)は樽型歪曲が発生した状態を示す。
そこで、本実施例の虚像光学系では、映像表示部4である液晶パネル面を湾曲形状としたことに特徴がある。
FIG. 11 is a diagram illustrating a typical field curvature (distortion) state. (A) is an image pattern without distortion, (b) shows a state in which pincushion type distortion has occurred, and (c) shows a state in which barrel type distortion has occurred.
Therefore, the virtual image optical system of this embodiment is characterized in that the liquid crystal panel surface of the image display unit 4 has a curved shape.

図12は、液晶パネル面を湾曲形状とした構成を模式的に示す図である。映像表示部4の表示面であるパネル面4a(実線で示す)を、凹面ミラー1に対して凹面となるように湾曲させることで発生する像面湾曲を低減する。このような凹面状パネルを用いた光学系を「第一の虚像光学系」と呼ぶことにする。この結果、前述した光学素子2の収差補正能力を補うことで、視認性の高い良好な虚像を得ることができる。 FIG. 12 is a diagram schematically showing a configuration in which the liquid crystal panel surface has a curved shape. The curvature of field generated by bending the panel surface 4a (shown by a solid line), which is the display surface of the image display unit 4, so as to be concave with respect to the concave mirror 1 is reduced. An optical system using such a concave panel will be referred to as a "first virtual image optical system". As a result, by supplementing the aberration correction ability of the optical element 2 described above, a good virtual image with high visibility can be obtained.

他方、変形例としてパネル面を符号4b(破線で示す)で示すように逆向きとし、凹面ミラー1に対して凸面となるように湾曲させた形状とすることもできる(破線で示す)。このような凸面状パネルを用いた光学系を「第二の虚像光学系」と呼ぶ。この光学系では、発生する像面湾曲を大きくし、像面位置を運転者からより遠ざける。この結果、虚像の形成位置が遠くなり得られる虚像のサイズも大きくなる。この場合、発生する収差をより高精度に補正するため、前述した光学素子2を複数枚設けることで収差補正能力を補い、視認性の高い良好な虚像を得ることができる。 On the other hand, as a modification, the panel surface may be oriented in the opposite direction as shown by the reference numeral 4b (indicated by the broken line), and may be curved so as to be a convex surface with respect to the concave mirror 1 (indicated by the broken line). An optical system using such a convex panel is called a "second virtual image optical system". In this optical system, the curvature of field that occurs is increased, and the image plane position is moved further away from the driver. As a result, the position where the virtual image is formed becomes far away, and the size of the virtual image that can be obtained also increases. In this case, in order to correct the generated aberration with higher accuracy, the aberration correction ability can be supplemented by providing a plurality of the above-mentioned optical elements 2, and a good virtual image with high visibility can be obtained.

また、フロントガラス6の湾曲面にも適合して湾曲させることによっても、映像表示部4からの映像像面の湾曲を低減することができる。具体的には、フロントガラス6の垂直方向の曲率半径Rvは水平方向の曲率半径Rhより小さいため、フロントガラス6を凹面ミラーに置き換えると垂直方向の光学的なパワーが大きい。このため、パネル面4aの垂直方向の曲率半径を水平方向に対して小さくして像面湾曲を低減する。これは、パネル面4aを光源5に対して凸状に湾曲した形状(第一の虚像光学系)とすることで実現できる。なお、フロントガラス6は、上述したように、垂直方向と水平方向において異なる曲率半径を有していることから、パネル面4aの湾曲形状も、フロントガラス6の異なる曲率半径に対応させて設定することが好ましい。 Further, by bending the windshield 6 so as to be compatible with the curved surface, it is possible to reduce the curvature of the image plane from the image display unit 4. Specifically, since the radius of curvature Rv in the vertical direction of the windshield 6 is smaller than the radius of curvature Rh in the horizontal direction, if the windshield 6 is replaced with a concave mirror, the optical power in the vertical direction is large. Therefore, the radius of curvature in the vertical direction of the panel surface 4a is reduced with respect to the horizontal direction to reduce curvature of field. This can be realized by forming the panel surface 4a into a shape (first virtual image optical system) that is convexly curved with respect to the light source 5. Since the windshield 6 has different radii of curvature in the vertical direction and the horizontal direction as described above, the curved shape of the panel surface 4a is also set corresponding to the different radii of curvature of the windshield 6. Is preferable.

このように、虚像光学系を構成する映像表示部4であるパネル面4aを湾曲することにより、装置の小型化を実現するとともに、装置の小型化に不可欠な光学素子2による像面湾曲を低減して、凹面ミラー1での反射によって高い解像度で視認性の高い虚像を表示することができる。 In this way, by curving the panel surface 4a, which is the image display unit 4 constituting the virtual image optical system, the device can be miniaturized and the curvature of field due to the optical element 2 which is indispensable for the miniaturization of the device can be reduced. Then, it is possible to display a highly visible virtual image with high resolution by the reflection by the concave mirror 1.

図13は、液晶パネル面とともに光源5の出射面を湾曲させた構成を示す図である。第一の虚像光学系においては、光源5a(実線で示す)の出射面の曲率半径をパネル面4aの曲率半径と略一致させ、凹面ミラー1に対して凹面となるように構成する。かかる構成によれば、装置の小型化の実現に不可欠な光学素子2の入射側の湾曲面に適合して湾曲すると同時に、上述した虚像光学系に光源光をより効率良く取り込むことが可能となる。よって、凹面ミラー1での反射によって、より高い輝度や解像度で視認性の高い虚像を表示することができる。 FIG. 13 is a diagram showing a configuration in which the emission surface of the light source 5 is curved together with the liquid crystal panel surface. In the first virtual image optical system, the radius of curvature of the emission surface of the light source 5a (indicated by a solid line) is substantially the same as the radius of curvature of the panel surface 4a, and is configured to be concave with respect to the concave mirror 1. According to such a configuration, it is possible to conform to the curved surface on the incident side of the optical element 2 which is indispensable for realizing the miniaturization of the device, and at the same time, it is possible to more efficiently capture the light source light into the above-mentioned virtual image optical system. .. Therefore, it is possible to display a highly visible virtual image with higher luminance and resolution by reflection by the concave mirror 1.

同様に、第二の虚像光学系においては、光源5b(破線で示す)の出射面の曲率半径をパネル面4bの曲率半径と略一致させ、凹面ミラー1に対して凸面となるように構成する。この場合の効果も第一の虚像光学系の場合と同様である。 Similarly, in the second virtual image optical system, the radius of curvature of the emission surface of the light source 5b (indicated by a broken line) is substantially the same as the radius of curvature of the panel surface 4b, and is configured to be a convex surface with respect to the concave mirror 1. .. The effect in this case is the same as that in the case of the first virtual image optical system.

図14は、本実施例の虚像光学系の全体の光線図を示し、(a)は垂直方向(Y軸方向)の断面図、(b)は水平方向(X軸方向)の断面図である。ABは映像光源、A’B’は虚像の位置を表し、凹面ミラー1とフロントガラス6との位置関係を示している。 14A and 14B show an overall ray diagram of the virtual image optical system of this embodiment, where FIG. 14A is a cross-sectional view in the vertical direction (Y-axis direction) and FIG. 14B is a cross-sectional view in the horizontal direction (X-axis direction). .. AB represents a video light source, A'B'represents the position of a virtual image, and indicates the positional relationship between the concave mirror 1 and the windshield 6.

図15は、図14の虚像光学系の一部を拡大した光線図を示し、光学素子2、凹面ミラー1、フロントガラス6の近傍を拡大している。この例では光学素子2は2枚のレンズ素子で構成している。 FIG. 15 shows an enlarged ray diagram of a part of the virtual image optical system of FIG. 14, and enlarges the vicinity of the optical element 2, the concave mirror 1, and the windshield 6. In this example, the optical element 2 is composed of two lens elements.

<湾曲した映像表示部の製造方法>
本発明の一実施例に係る、映像表示部である液晶パネルを湾曲させる方法について以下に述べる。曲面液晶パネルを実現するためにはベース素材としてのカバーガラスを必要な曲面形状とする必要がある。このために平面ガラス基板を熱変形温度まで加熱し所望の曲面形状を有する型により加圧して変形させ序冷することで所望の形状を得る。得られた曲面形状のガラス基板に曲面に合わせて液晶パネルを貼り合せる。この時、曲面ガラスと液晶パネルの間に気泡の混入がないように真空中で貼りあわせを行うと良いが、この手法では貼り付けを行う前に真空チャンバ内に2つの部材を導入しチャンバ内の真空引きを行い、貼り付け後に真空中から取り出しことで貼り付け面への気泡の混入を防止する。
<Manufacturing method of curved image display unit>
A method of bending a liquid crystal panel, which is an image display unit, according to an embodiment of the present invention will be described below. In order to realize a curved liquid crystal panel, it is necessary to make the cover glass as a base material into the required curved shape. For this purpose, a flat glass substrate is heated to a heat distortion temperature and pressed by a mold having a desired curved surface shape to be deformed and pre-cooled to obtain a desired shape. A liquid crystal panel is attached to the obtained curved glass substrate according to the curved surface. At this time, it is advisable to perform bonding in a vacuum so that air bubbles do not enter between the curved glass and the liquid crystal panel. However, in this method, two members are introduced into the vacuum chamber and inside the chamber before bonding. It is evacuated and taken out of the vacuum after pasting to prevent air bubbles from entering the pasting surface.

上述した手法では装置が大型化し、製造タクトが長く生産性が低い可能性があるが、大気中で湾曲した部材に液晶パネルなどを貼り合せる手法としては、例えば特開2016-179600号公報に記載の技術がある。 In the above-mentioned method, the device may become large, the manufacturing tact may be long, and the productivity may be low. However, as a method for attaching a liquid crystal panel or the like to a member curved in the atmosphere, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-179600 is described. There is technology.

<光源(バックライト)の実装構造>
次に、小型化を図った情報表示装置100における映像表示部(液晶パネル)4と光源(バックライト)5の好適な実装構造について説明する。
<Mounting structure of light source (backlight)>
Next, a suitable mounting structure of the image display unit (liquid crystal panel) 4 and the light source (backlight) 5 in the miniaturized information display device 100 will be described.

図16は、映像表示部(液晶パネル)4と光源(バックライト)5の外観図である。液晶パネル4は、パネル表示面11とフレーム12、及びフレキシブル基板10からなり、バックライト5は、光源ユニットを収納する外装部材16、拡散部材14、フレーム15及び放熱フィン13からなる。液晶パネル4は、フレキシブル基板10から入力された映像信号により、バックライト5からの光を変調することで、パネル表示面11に映像を表示する。表示された映像は虚像光学系にて虚像に変換され、運転者に映像情報として伝えられる。なお、ここでは液晶パネル4とバックライト5の出射面は簡単のために平面で示しているが、図12、図13で示したように、必要に応じて湾曲形状を有するものとする。 FIG. 16 is an external view of the image display unit (liquid crystal panel) 4 and the light source (backlight) 5. The liquid crystal panel 4 is composed of a panel display surface 11, a frame 12, and a flexible substrate 10, and the backlight 5 is composed of an exterior member 16 for accommodating a light source unit, a diffusion member 14, a frame 15, and heat radiation fins 13. The liquid crystal panel 4 displays an image on the panel display surface 11 by modulating the light from the backlight 5 with the image signal input from the flexible substrate 10. The displayed image is converted into a virtual image by the virtual image optical system and transmitted to the driver as image information. Here, the exit surfaces of the liquid crystal panel 4 and the backlight 5 are shown as flat surfaces for the sake of simplicity, but as shown in FIGS. 12 and 13, they are assumed to have a curved shape as necessary.

上記の構成では、バックライト5の発光素子には、固体発光素子として比較的安価で信頼性の高いLED光源を用いる。LEDは、高出力化するために面発光タイプを使用するので、後述する技術的な工夫を用いて光利用効率を向上させる。LEDの入力電力に対する発光効率は、発光色によっても異なるが20~30%程度であり、残りの殆どは熱に変換される。このため、LEDを取り付けるフレーム15には、熱伝導率の高い部材(例えば、アルミニウム等の金属部材)からなる放熱用のフィン13を設けて熱を外部に放散させることにより、LEDの発光効率そのものを向上させる。 In the above configuration, a relatively inexpensive and highly reliable LED light source is used as the solid-state light emitting element for the light emitting element of the backlight 5. Since the LED uses a surface light emitting type in order to increase the output, the light utilization efficiency is improved by using a technical device described later. The luminous efficiency with respect to the input power of the LED varies depending on the emission color, but is about 20 to 30%, and most of the rest is converted into heat. Therefore, the frame 15 to which the LED is mounted is provided with fins 13 for heat dissipation made of a member having a high thermal conductivity (for example, a metal member such as aluminum) to dissipate heat to the outside, whereby the luminous efficiency of the LED itself is achieved. To improve.

特に、現在市場に出回っている赤色を発光色とするLEDは、ジャンクション温度が高くなると発光効率が大幅に低下し、同時に映像の色度も変化するので、LEDの温度低減の優先度を上げ、対応する放熱フィン13の面積を大きくして冷却効率を高めた構成とすることが好ましい。また、LEDからの拡散光を効率よく液晶パネル4に導くため、導光体(図17の符号18)を用いるが、塵などの付着がないように、外装部材16によって全体を覆った構成とすることが好ましい。 In particular, LEDs currently on the market that use red as the emission color have a significantly reduced luminous efficiency when the junction temperature rises, and at the same time, the chromaticity of the image also changes. It is preferable to increase the area of the corresponding heat radiating fin 13 to improve the cooling efficiency. Further, in order to efficiently guide the diffused light from the LED to the liquid crystal panel 4, a light guide body (reference numeral 18 in FIG. 17) is used, but the entire structure is covered with an exterior member 16 so that dust or the like does not adhere. It is preferable to do so.

図17は、バックライト5内の光源ユニット9の拡大図である。光源ユニット9は、複数のLED光源を含むライトファネルユニット20、導光体18及び拡散部材14を有する。ライトファネルユニット20は、複数のLED21からの発散光線を対応する複数のライトファネル22の開口部23で取込む。その際、開口部23を平面とし、LED21との間に媒質を挿入して光学的に接続するか、若しくは、凸面形状として集光作用を持たすことで、発散する光源光を可能な限り平行光として、ライトファネル22の界面に入射する光の入射角を小さくする。その結果、ライトファネル22を通過後、さらに発散角を小さくできるので、導光体18で反射後に液晶パネル4に向う光源光の制御が容易になる。 FIG. 17 is an enlarged view of the light source unit 9 in the backlight 5. The light source unit 9 includes a light funnel unit 20 including a plurality of LED light sources, a light guide body 18, and a diffusion member 14. The light funnel unit 20 captures the divergent rays from the plurality of LEDs 21 at the openings 23 of the corresponding plurality of light funnels 22. At that time, the opening 23 is a flat surface, and a medium is inserted between the opening 23 and the LED 21 to optically connect the light, or the convex shape has a condensing effect so that the emitted light source light is as parallel as possible. As a result, the incident angle of the light incident on the interface of the light funnel 22 is reduced. As a result, since the divergence angle can be further reduced after passing through the light funnel 22, it becomes easy to control the light source light directed to the liquid crystal panel 4 after being reflected by the light guide body 18.

さらに、LED21からの発散光の利用効率を向上させるために、ライトファネル22と導光体18の接合部25において、偏光変換素子(PBS)を用いて偏光変換を行ない、所望の偏光方向に変換することで、液晶パネル4への入射光の効率を向上させることができる。 Further, in order to improve the utilization efficiency of the divergent light from the LED 21, polarization conversion is performed at the junction 25 of the light funnel 22 and the light guide body 18 using a polarization conversion element (PBS), and the light funnel 22 and the light guide body 18 are converted into a desired polarization direction. By doing so, the efficiency of the incident light on the liquid crystal panel 4 can be improved.

光源光の偏光方向を揃えた場合には、導光体18の素材としては、複屈折が少ない材料を用い、もって偏波の方向が回転して液晶パネル4を通過する際に、例えば黒表示時に色付きなどの問題が発生しないようにするとさらに良い。 When the polarization directions of the light source lights are aligned, a material having less birefringence is used as the material of the light guide body 18, and when the direction of polarization rotates and passes through the liquid crystal panel 4, for example, a black display is displayed. It is even better to avoid problems such as coloring from time to time.

発散角を低減したLED21からの光束は導光体18により制御され、導光体18の斜面に設けた全反射面にて反射し、対向する面と液晶パネル4の間に配置された拡散部材14により拡散された後、液晶パネル4に入射する。本実施例では、導光体18と液晶パネル4の間に拡散部材14を配置したが、導光体18の端面に拡散効果を持たせた構造、例えば、微細な凹凸形状を設けた構造でも同様の効果が得られる。 The luminous flux from the LED 21 with the reduced divergence angle is controlled by the light guide body 18, is reflected by the total reflection surface provided on the slope of the light guide body 18, and is a diffusion member arranged between the facing surface and the liquid crystal panel 4. After being diffused by 14, it is incident on the liquid crystal panel 4. In this embodiment, the diffusion member 14 is arranged between the light guide body 18 and the liquid crystal panel 4, but a structure in which the end face of the light guide body 18 has a diffusion effect, for example, a structure having a fine uneven shape is also available. A similar effect can be obtained.

図18は、導光体18の外観を示す図である。図17に示したライトファネル22により発散角が低減された光束は、導光体18の入射面18aに入射し、出射面18cから出射する。この時、入射面18aの形状効果(断面形状を図19に示す)により垂直方向(図19の上下方向)の発散角が制御され、導光体18内を効率よく伝播する。 FIG. 18 is a diagram showing the appearance of the light guide body 18. The luminous flux whose divergence angle is reduced by the light funnel 22 shown in FIG. 17 is incident on the incident surface 18a of the light guide body 18 and is emitted from the exit surface 18c. At this time, the divergence angle in the vertical direction (vertical direction in FIG. 19) is controlled by the shape effect of the incident surface 18a (the cross-sectional shape is shown in FIG. 19), and the light propagates efficiently in the light guide body 18.

図19は、導光体18の要部断面拡大図である。ライトファネル22で発散角が低減された光源光は、(a)に示すように接合部25を経由して、入射面18aから入射し、対向面に設けられたプリズム18bによって全反射して出射面18cに向かう。全反射プリズム18bは、入射面18aの近傍((b)図、B部拡大)と端部((c)図、A部拡大)で、その形状がそれぞれの面に入射する光束の発散角に応じて、階段状に分割されて形成されており、これにより、全反射面の角度を制御している。一方、液晶パネル4に入射する光束が液晶パネル4の出射面内での光量分布が均一となるように、全反射プリズム18bの反射面の分割寸法を変数として、分割された光束の反射後の到達位置とエネルギー量を制御する。 FIG. 19 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the light guide body 18. As shown in (a), the light source light whose divergence angle is reduced by the light funnel 22 is incident from the incident surface 18a via the junction 25, and is totally reflected by the prism 18b provided on the facing surface and emitted. Head to surface 18c. The total reflection prism 18b has a shape in the vicinity of the incident surface 18a (Fig. (B), enlarged part B) and an end portion (Fig. (C), enlarged part A), and its shape determines the divergence angle of the light flux incident on each surface. Correspondingly, it is divided into steps and formed, thereby controlling the angle of the total reflection surface. On the other hand, after the reflected light flux is reflected, the divided dimension of the reflecting surface of the total reflection prism 18b is used as a variable so that the light beam incident on the liquid crystal panel 4 has a uniform light amount distribution in the emission surface of the liquid crystal panel 4. Control the arrival position and the amount of energy.

図20は、バックライト5からの出射光が液晶パネル4を通過した状態のシミュレーション結果を示す図である。(a)は液晶パネル4の長手方向から見た光の出射状態を示し、(b)は液晶パネル4の短手方向から見た光の出射状態を示す。本実施例では、FOVの水平角度を設計以上に広げるため、水平方向の拡散角度を垂直方向に対して大きくして、運転者が首を振ったりして眼の位置が動いた場合においても、左右の眼によって視認される虚像の明るさが極端に変化しないように設計している。また、バックライト5の垂直方向の発散角を小さくすることで液晶パネル4に表示した映像の画面垂直方向の発散角を小さくして、二重像の発生を抑えている。 FIG. 20 is a diagram showing a simulation result in a state where the light emitted from the backlight 5 has passed through the liquid crystal panel 4. (A) shows the light emission state seen from the longitudinal direction of the liquid crystal panel 4, and (b) shows the light emission state seen from the short side of the liquid crystal panel 4. In this embodiment, in order to widen the horizontal angle of the FOV beyond the design, the horizontal diffusion angle is increased with respect to the vertical direction, and even when the driver shakes his head or the eye position moves. It is designed so that the brightness of the imaginary image seen by the left and right eyes does not change drastically. Further, by reducing the divergence angle in the vertical direction of the backlight 5, the divergence angle in the vertical direction of the screen of the image displayed on the liquid crystal panel 4 is reduced, and the generation of the double image is suppressed.

図21は、液晶パネル4の出射面の輝度分布を示す図である。ここでは、バックライト5に導光体18を用いて、光の出射方向と強度を制御している。図から明らかなように、画面垂直方向(Y軸方向)の輝度分布に対して画面水平方向(X軸方向)の有効範囲以外での輝度低下の傾斜を小さくできる。 FIG. 21 is a diagram showing a luminance distribution on the emission surface of the liquid crystal panel 4. Here, the light guide body 18 is used for the backlight 5 to control the light emission direction and the intensity. As is clear from the figure, it is possible to reduce the inclination of the brightness decrease outside the effective range in the screen horizontal direction (X-axis direction) with respect to the brightness distribution in the screen vertical direction (Y-axis direction).

このように、虚像光学系に取り込む液晶パネル4からの出射光をできる限り画面に垂直な光として得られるように、導光体18の全反射面の角度とライトファネル22によるLED21からの光源光の発散角の制御を行なって、バックライト5の視角特性を少ない範囲に絞り込むことで、高い輝度を得た。具体的には高輝度な映像を得るためには、左右の視野角で±30°の範囲の光を使用し、コントラスト性能も考慮すると、±20°以下に絞ることで、同時に良好な画質の映像を用いた虚像を得ることができた。 In this way, the angle of the total reflecting surface of the light guide body 18 and the light source light from the LED 21 by the light funnel 22 so that the light emitted from the liquid crystal panel 4 taken into the virtual image optical system can be obtained as light as perpendicular to the screen as possible. By controlling the divergence angle of the backlight 5 and narrowing down the viewing angle characteristic of the backlight 5 to a small range, high brightness was obtained. Specifically, in order to obtain a high-brightness image, light in the range of ± 30 ° is used for the left and right viewing angles, and considering the contrast performance, it is possible to reduce the image quality to ± 20 ° or less at the same time. I was able to obtain a virtual image using images.

以上にも述べたように、映像表示部の画質を左右するコントラスト性能は、画質を決める基となる黒表示した場合の輝度(黒輝度)をどこまで下げられるかで決まる。このため、液晶パネル4とバックライト5の間には、偏光度が高いヨウ素系の偏光板を用いることが好ましい。一方、液晶パネル4の光出射面側に設ける偏光板としては、染料系偏光板を用いることで、外光が入射した場合や環境温度が高い場合においても高い信頼性を得ることができる。 As described above, the contrast performance that affects the image quality of the image display unit is determined by how much the brightness (black brightness) in the case of black display, which is the basis for determining the image quality, can be lowered. Therefore, it is preferable to use an iodine-based polarizing plate having a high degree of polarization between the liquid crystal panel 4 and the backlight 5. On the other hand, by using a dye-based polarizing plate as the polarizing plate provided on the light emitting surface side of the liquid crystal panel 4, high reliability can be obtained even when external light is incident or the environmental temperature is high.

液晶パネル4でカラー表示を行なう場合には、それぞれの画素に対応したカラーフィルターを設ける。このため、バックライト5の光源色が白色の場合には、カラーフィルターでの光吸収が大きく損失が大きくなる。そこで、上記の図17に示したように、複数のLED21を使用して、
(1)白色LEDを複数使用する場合に比べ、明るさへの寄与が大きい緑LEDを追加する。
(2)白色LEDに赤色又は青色LEDを追加して、画像の艶色性を高める。
(3)赤、青、緑のLED個別に配置し、明るさへの寄与が大きい緑色LEDを追加して個別にLEDを駆動することで、色再現範囲を拡大して艶色性を高めると同時に明るさも向上する。
(4)上記の(3)を実施することで赤、青、緑LEDのピーク輝度に対するそれぞれのカラーフィルターの透過率を上げて、全体としての明るさを向上する。
(5)さらに、バックライトの第二の実施例として、ライトファネルと導光体の間にPBSを配置して特定の偏波に揃えることで、液晶パネル入射側の偏光板へのダメージを軽減する。なお、液晶パネル入射側の配置する偏光板の偏光方向は、PBS通過後に特定方向に揃えた偏波が通過する方向とすれば良い。
When color display is performed on the liquid crystal panel 4, a color filter corresponding to each pixel is provided. Therefore, when the light source color of the backlight 5 is white, the light absorption by the color filter is large and the loss is large. Therefore, as shown in FIG. 17 above, using a plurality of LEDs 21, a plurality of LEDs 21 are used.
(1) Add a green LED that contributes more to brightness than when a plurality of white LEDs are used.
(2) Add a red or blue LED to the white LED to enhance the glossiness of the image.
(3) By arranging the red, blue, and green LEDs individually and adding a green LED that contributes greatly to the brightness and driving the LEDs individually, the color reproduction range can be expanded and the glossiness can be enhanced. At the same time, the brightness is improved.
(4) By carrying out the above (3), the transmittance of each color filter with respect to the peak luminance of the red, blue, and green LEDs is increased, and the overall brightness is improved.
(5) Further, as a second embodiment of the backlight, by arranging PBS between the light funnel and the light guide to align with a specific polarization, damage to the polarizing plate on the incident side of the liquid crystal panel is reduced. do. The polarization direction of the polarizing plate arranged on the incident side of the liquid crystal panel may be the direction in which the polarization aligned in a specific direction passes after passing through PBS.

以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、さらに様々な変形が可能である。
映像表示部4として、液晶パネル出射面にはλ/4板を設けて出射光を円偏光とすることも可能である。その結果、運転者は、偏光サングラスを装着していても、良好な虚像を観察することができる。
Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, various modifications are possible.
As the image display unit 4, it is also possible to provide a λ / 4 plate on the emission surface of the liquid crystal panel so that the emitted light is circularly polarized. As a result, the driver can observe a good virtual image even when wearing polarized sunglasses.

また、液晶パネルは、透明なガラス基板間に液晶を封止した構造を想定しているが、これに限定されるものではなく、例えば、透明ポリイミド基板間に液晶を封止したフレキシブル液晶パネルであっても良い。また、バックライトは、導光体を用いたサイドライト型に限定されず、直下型でも良い。更に、液晶パネルの湾曲形状は、1軸を湾曲させたものであっても、2軸以上で湾曲させたものでも良い。その場合、液晶パネルの中心における湾曲の曲率と周辺部における曲率を異ならせてもよい。また、2軸以上で湾曲させる場合、軸毎に曲率を異ならせても良い。尚、2軸以上に湾曲されることば難しい場合、フロントガラスの曲率半径の小さい垂直方向の曲率Rvに対応する1軸のみの曲面とすることも可能である。 Further, the liquid crystal panel is assumed to have a structure in which a liquid crystal is sealed between transparent glass substrates, but the present invention is not limited to this, and for example, a flexible liquid crystal panel in which a liquid crystal is sealed between transparent polyimide substrates. There may be. Further, the backlight is not limited to the side light type using a light guide, and may be a direct type. Further, the curved shape of the liquid crystal panel may be one in which one axis is curved or one in which two or more axes are curved. In that case, the curvature at the center of the liquid crystal panel and the curvature at the periphery may be different. Further, when the curvature is formed on two or more axes, the curvature may be different for each axis. If it is difficult to say that the windshield is curved more than two axes, it is possible to make a curved surface having only one axis corresponding to the vertical curvature Rv having a small radius of curvature of the windshield.

さらに、虚像光学系で使用する反射ミラーの反射膜を金属多層膜で成膜することによっても、反射率の角度依存性が少なく、偏光方向(P波又はS波)によって反射率が変わることがないため、画面の色度や明るさを均一に保つことが可能となる。 Furthermore, by forming the reflective film of the reflective mirror used in the imaginary optical system with a metal multilayer film, the angle dependence of the reflectance is small, and the reflectance may change depending on the polarization direction (P wave or S wave). Therefore, it is possible to keep the chromaticity and brightness of the screen uniform.

さらに、虚像光学系とフロントガラスの間に、紫外線反射膜や赤外線反射膜のいずれか、あるいは両方を合わせた光学部材を設けることによれば、外光(太陽光)が入射しても、液晶パネル及び偏光板をその温度上昇やダメージから軽減できるので、情報表示装置の信頼性を損なうことがない。 Further, by providing an optical member between the virtual image optical system and the front glass, which is a combination of an ultraviolet reflecting film, an infrared reflecting film, or both, even if external light (sunlight) is incident, the liquid crystal is displayed. Since the panel and the polarizing plate can be reduced from the temperature rise and damage, the reliability of the information display device is not impaired.

本実施例の虚像光学系は、投影部材であるフロントガラスの車両水平方向の曲率半径と垂直方向の曲率半径の差も含めて最適設計を行い、フロントガラス5と映像表示部4(又は中間像表示部)の間には、フロントガラス6側に凹面を向けた凹面ミラー1を配置しており、これにより、映像表示部4の映像を拡大し、フロントガラス6において反射する。この時、前述の凹面ミラー1と映像表示部4の間には、光学素子2が配置されており、他方、運転者の視点位置8に対応して結像する前記映像の拡大像(虚像)を形成する映像光束は、映像表示部4間に配置された前記光学素子2を通過し、凹面ミラー1で発生する歪みや収差を補正する。そのため、従来の凹面ミラー1のみの虚像光学系に比べて、歪みと収差が大幅に低減された虚像を得ることができる。 The imaginary optical system of this embodiment is optimally designed including the difference between the radius of curvature in the vehicle horizontal direction and the radius of curvature in the vertical direction of the windshield, which is a projection member, and the windshield 5 and the image display unit 4 (or an intermediate image). A concave mirror 1 having a concave surface facing the windshield 6 side is arranged between the display units), whereby the image of the image display unit 4 is enlarged and reflected by the windshield 6. At this time, the optical element 2 is arranged between the concave mirror 1 and the image display unit 4, and on the other hand, an enlarged image (virtual image) of the image formed corresponding to the viewpoint position 8 of the driver. The image luminous flux forming the image passes through the optical element 2 arranged between the image display units 4 and corrects distortion and aberration generated in the concave mirror 1. Therefore, it is possible to obtain a virtual image with significantly reduced distortion and aberration as compared with the conventional virtual image optical system having only the concave mirror 1.

さらに、図1に示した構成では、フロントガラス6の上部(車体垂直方向上部)に反射されて得られる虚像VIは、より遠方に結像する必要がある。このため、これに対応した映像が表示される映像表示部4の上部から発散される映像光束を良好に結像させるためには、前述の凹面ミラー1と映像表示部4の間に配置した光学素子2の焦点距離f1は短く設定する。反対に、フロントガラス6の下部(車体垂直方向下部)に反射されて得られる虚像は、より近傍に結像する必要がある。このため、これに対応した映像が表示される映像表示部4の下部から発散される映像光束を良好に結像させるため、前述の凹面ミラー1と映像表示部4の間に配置した複数の光学素子2の合成焦点距離f2は、相対的に長く設定されると良い。 Further, in the configuration shown in FIG. 1, the virtual image VI obtained by being reflected by the upper part of the windshield 6 (the upper part in the vertical direction of the vehicle body) needs to be imaged farther. Therefore, in order to satisfactorily image the image luminous flux emitted from the upper part of the image display unit 4 on which the corresponding image is displayed, the optics arranged between the concave mirror 1 and the image display unit 4 described above The focal length f1 of the element 2 is set short. On the contrary, the virtual image obtained by being reflected by the lower part of the windshield 6 (the lower part in the vertical direction of the vehicle body) needs to be imaged closer. Therefore, in order to satisfactorily image the image luminous flux emitted from the lower part of the image display unit 4 on which the corresponding image is displayed, a plurality of optics arranged between the concave mirror 1 and the image display unit 4 described above. The combined focal length f2 of the element 2 may be set relatively long.

また本実施例では、フロントガラス6の水平方向(地面に平行)曲率半径と、これに垂直な方向の曲率半径が異なることで、運転者が観察する虚像の画面歪みを補正するため、虚像光学系に、光軸に対して軸対称性が異なる光学素子2を配置することで、上述した歪みの補正を実現している。 Further, in this embodiment, virtual image optics is used to correct the screen distortion of the virtual image observed by the driver because the horizontal radius of curvature (parallel to the ground) of the front glass 6 and the radius of curvature in the direction perpendicular to the radius of curvature are different. By arranging the optical elements 2 having different axial symmetries with respect to the optical axis in the system, the above-mentioned distortion correction is realized.

本実施例の情報表示装置は、自動車に搭載してフロントガラス越しに虚像として観察する場合について説明したが、これに限らず、電車や航空機等の「乗り物」に搭載して、運転者(操縦者)が観察する場合にも同様に適用できる。 The case where the information display device of this embodiment is mounted on an automobile and observed as a virtual image through the front glass has been described, but the present invention is not limited to this, and the information display device is mounted on a "vehicle" such as a train or an aircraft to be mounted on a driver (maneuvering). The same can be applied when the person) observes.

以上、本発明の情報表示装置に係る種々の光学系の構成について述べた。本発明は、上述した実施例のみ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装置全体を詳細に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。 The configurations of various optical systems according to the information display device of the present invention have been described above. The present invention is not limited to the above-mentioned examples, but includes various modifications. For example, the above-described embodiment describes the entire apparatus in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one including all the configurations described. Further, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add / delete / replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.

1…凹面ミラー、2…光学素子、4…映像表示部(液晶パネル、LCD)、5…光源(バックライト)、6…投影部材(フロントガラス)、7…筐体、8…運転者の視点、9…光源ユニット、10…フレキシブル基板、11…パネル表示面、12…フレーム、13…放熱フィン、14…拡散部材、15…フレーム、16…外装部材、18…導光体、20…ライトファネルユニット、21…LED、22…ライトファネル、23…開口部、25…接合部、40…制御部、100…情報表示装置、VI…虚像。 1 ... concave mirror, 2 ... optical element, 4 ... image display unit (liquid crystal panel, LCD), 5 ... light source (backlight), 6 ... projection member (front glass), 7 ... housing, 8 ... driver's point of view , 9 ... Light source unit, 10 ... Flexible substrate, 11 ... Panel display surface, 12 ... Frame, 13 ... Radiation fin, 14 ... Diffuse member, 15 ... Frame, 16 ... Exterior member, 18 ... Light guide body, 20 ... Light funnel Unit, 21 ... LED, 22 ... light funnel, 23 ... opening, 25 ... junction, 40 ... control unit, 100 ... information display device, VI ... virtual image.

Claims (11)

投影部材に映像を投影する情報表示装置において、
光源と、
背面側に前記光源を配置し前記映像の映像光を生成する映像表示部と、
前記映像表示部で生成された前記映像光を凹面ミラーで反射し、前記投影部材に投影することで前記投影部材の前方に虚像を表示させる光学系と、を備え、
前記映像表示部の表示面は、前記凹面ミラーに対して凹面形状となるように形成され、
前記光源は、光を略平行光とする光学手段と、前記光学手段により略平行光となった光を反射して前記映像表示部に入射させる導光体と、を備え、
前記導光体は、前記光学手段からの光を反射する反射面を有し、前記映像表示部の表示面の凹面形状に合わせて、前記映像表示部へ入射する光の出射方向を前記反射面の形状によって調整し、
前記映像表示部の表示面の垂直方向中心は、前記凹面ミラーの中心よりも下側に配置され、
前記凹面ミラーの中央部と前記映像表示部の中央部との間の水平距離が60mm以下で設定される、ことを特徴とする情報表示装置。
In an information display device that projects an image on a projection member
Light source and
An image display unit that arranges the light source on the back side and generates the image light of the image, and
An optical system that reflects the image light generated by the image display unit by a concave mirror and projects it onto the projection member to display a virtual image in front of the projection member is provided.
The display surface of the image display unit is formed so as to have a concave shape with respect to the concave mirror.
The light source includes an optical means that converts light into substantially parallel light, and a light guide that reflects the light that has become substantially parallel light by the optical means and causes the light to enter the image display unit.
The light guide has a reflecting surface that reflects light from the optical means, and the light emitting direction of light incident on the image display unit is set according to the concave shape of the display surface of the image display unit. Adjust according to the shape of
The vertical center of the display surface of the image display unit is arranged below the center of the concave mirror.
An information display device characterized in that the horizontal distance between the central portion of the concave mirror and the central portion of the image display unit is set to 60 mm or less.
投影部材に映像を投影する情報表示装置において、
光源と、
背面側に前記光源を配置し前記映像の映像光を生成する映像表示部と、
前記映像表示部で生成された映像光を凹面ミラーで反射し、前記投影部材に投影することで前記投影部材の前方に虚像を表示させる光学系を備え、
前記光学系は、前記映像表示部と前記凹面ミラーとの間にさらに光学素子を有し、当該光学素子は、前記凹面ミラーの形状により前記虚像に発生する歪みを補正するものであり、
前記映像表示部の表示面は、前記光学素子に対して凹面形状となるように形成され、
前記光源は、光を略平行光とする光学手段と、前記光学手段により略平行光となった光を反射して前記映像表示部に入射させる導光体と、を備え、
前記導光体は、前記光学手段からの光を反射する反射面を有し、前記映像表示部の表示面の凹面形状に合わせて、前記映像表示部へ入射する光の出射方向を前記反射面の形状によって調整し、
前記映像表示部の表示面の垂直方向中心は、前記凹面ミラーの中心よりも下側に配置され、
前記凹面ミラーの中央部と前記映像表示部の中央部との間の水平距離が60mm以下で設定される、ことを特徴とする情報表示装置。
In an information display device that projects an image on a projection member
Light source and
An image display unit that arranges the light source on the back side and generates the image light of the image, and
An optical system is provided that reflects the image light generated by the image display unit with a concave mirror and projects it onto the projection member to display a virtual image in front of the projection member.
The optical system further has an optical element between the image display unit and the concave mirror, and the optical element corrects the distortion generated in the virtual image due to the shape of the concave mirror.
The display surface of the image display unit is formed so as to have a concave shape with respect to the optical element.
The light source includes an optical means that converts light into substantially parallel light, and a light guide that reflects the light that has become substantially parallel light by the optical means and causes the light to enter the image display unit.
The light guide has a reflecting surface that reflects light from the optical means, and the light emitting direction of light incident on the image display unit is set according to the concave shape of the display surface of the image display unit. Adjust according to the shape of
The vertical center of the display surface of the image display unit is arranged below the center of the concave mirror.
An information display device characterized in that the horizontal distance between the central portion of the concave mirror and the central portion of the image display unit is set to 60 mm or less.
請求項1または2に記載の情報表示装置において、
前記映像表示部の表示面の凹面形状は、前記凹面ミラーの形状により前記虚像に発生する像面湾曲を低減するように定めたことを特徴とする情報表示装置。
In the information display device according to claim 1 or 2.
An information display device characterized in that the concave shape of the display surface of the image display unit is determined so as to reduce the curvature of field generated in the virtual image due to the shape of the concave mirror.
請求項3に記載の情報表示装置において、
前記映像表示部の表示面の凹面形状は、さらに、前記投影部材の湾曲形状により前記虚像に発生する像面湾曲を低減するように定めたことを特徴とする情報表示装置。
In the information display device according to claim 3,
An information display device characterized in that the concave shape of the display surface of the image display unit is further determined to reduce the curvature of field generated in the virtual image due to the curvature of the projection member.
請求項1または2に記載の情報表示装置において、
前記光源の出射面を、前記映像表示部の表示面の凹面形状と同様の凹面形状となるように形成したことを特徴とする情報表示装置。
In the information display device according to claim 1 or 2.
An information display device characterized in that the emission surface of the light source is formed so as to have a concave shape similar to the concave shape of the display surface of the image display unit.
請求項1または2に記載の情報表示装置において、
前記映像表示部として液晶パネルを使用したことを特徴とする情報表示装置。
In the information display device according to claim 1 or 2.
An information display device characterized in that a liquid crystal panel is used as the image display unit.
請求項6に記載の情報表示装置において、In the information display device according to claim 6,
前記導光体からの出射光が前記液晶パネルを通過した後、前記液晶パネルの長手方向から見た光の出射状態と短手方向から見た光の出射状態が異なることを特徴とする情報表示装置。Information display characterized in that after the light emitted from the light guide has passed through the liquid crystal panel, the light emitted from the longitudinal direction of the liquid crystal panel and the light emitted from the lateral direction are different. Device.
請求項6に記載の情報表示装置において、In the information display device according to claim 6,
前記液晶パネルの出射面側にλ/4板を設けたことを特徴とする情報表示装置。An information display device characterized in that a λ / 4 plate is provided on the exit surface side of the liquid crystal panel.
請求項6に記載の情報表示装置において、In the information display device according to claim 6,
前記光学系と前記投影部材との間に、紫外線及び赤外線の少なくとも一方を反射する光Light that reflects at least one of ultraviolet rays and infrared rays between the optical system and the projection member.
学部材を備えていることを特徴とする情報表示装置。An information display device characterized by being equipped with academic members.
請求項1または2に記載の情報表示装置において、In the information display device according to claim 1 or 2.
前記凹面ミラーと前記映像表示部の上端から下端にかけての距離が均一となるように、前記映像表示部が配置されることを特徴とする情報表示装置。An information display device characterized in that the image display unit is arranged so that the distance between the concave mirror and the upper end to the lower end of the image display unit is uniform.
請求項10に記載の情報表示装置において、In the information display device according to claim 10,
前記映像表示部と前記凹面ミラーの距離が均一となる条件を満足するように、前記凹面ミラーの中央部と前記映像表示部の中央部間の水平距離が設定されることを特徴とする情報表示装置。Information display characterized in that the horizontal distance between the central portion of the concave mirror and the central portion of the image display unit is set so as to satisfy the condition that the distance between the image display unit and the concave mirror is uniform. Device.
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