JP7095018B2 - Head-up display device - Google Patents

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本発明は、自動車や電車や航空機等(以下では、一般的に「乗り物」とも言う)のフロントガラスに画像を投影する情報表示装置に関し、その画像をフロントガラス越しに虚像として観察するようにした虚像光学系およびそれを用いた情報表示装置に関する。 The present invention relates to an information display device that projects an image onto the windshield of an automobile, train, aircraft, etc. (hereinafter, also generally referred to as a "vehicle"), and observes the image as a virtual image through the windshield. The present invention relates to a virtual image optical system and an information display device using the virtual image optical system.

自動車のフロントガラスに映像光を投写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いわゆる、ヘッドアップディスプレイ(HUD:Head-Up-Display)装置が以下の特許文献1により既に知られている。 A so-called head-up display (HUD: Head-Up) that projects image light onto the windshield of an automobile to form a virtual image and displays traffic information such as route information and traffic jam information, as well as automobile information such as remaining fuel and cooling water temperature. -Display) device is already known by the following Patent Document 1.

この種の情報表示装置においては、運転者が情報を認識し易くすることを目的として、運転者の視認位置に応じて複数の位置に虚像を形成すること、すなわち虚像の形成する距離を運転者の視認位置に合わせることが求められている。このため、例えば以下の特許文献2にも開示されるように、運転者から遠方(遠距離)および近傍(近距離)のそれぞれに像を形成するものがある。 In this type of information display device, for the purpose of facilitating the driver's recognition of information, a virtual image is formed at a plurality of positions according to the driver's visual position, that is, the distance formed by the virtual image is determined by the driver. It is required to match the visual position of. Therefore, for example, as disclosed in Patent Document 2 below, there are some that form images at a distance (long distance) and a vicinity (short distance) from the driver.

特開2009-229552号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-229552 特開2015-34919号公報JP-A-2015-34919

特許文献1に開示されたヘッドアップディスプレイ装置例では、液晶表示パネルに表示した映像光は、リレー光学系で実像(特許文献1の図2のIr)として写像され、接眼光学系(同図のL1)を介して、虚像(同図のIv)を観察する構成になっている。写像関係で整理すると、液晶表示パネル上の映像光(平面)が実像Ir(平面)に写像され、さらに、実像Ir(平面)が虚像Iv(平面)に写像されている。 In the example of the head-up display device disclosed in Patent Document 1, the image light displayed on the liquid crystal display panel is mapped as a real image (Ir in FIG. 2 of Patent Document 1) by the relay optical system, and the eyepiece optical system (in the same figure). It is configured to observe a virtual image (Iv in the figure) via L1). When arranged in terms of mapping, the image light (plane) on the liquid crystal display panel is mapped to the real image Ir (plane), and the real image Ir (plane) is mapped to the virtual image Iv (plane).

しかしながら、運転者の前景は、二次元状の平面ではなく、三次元状の空間である。そこで、図22を用いて、自動車(自車)に乗った運転者からの視線方向とそこまでの距離について説明する。 However, the driver's foreground is not a two-dimensional plane, but a three-dimensional space. Therefore, with reference to FIG. 22, the line-of-sight direction from the driver in the automobile (own vehicle) and the distance to the line-of-sight direction will be described.

自車101の運転者が見る前景としての視野範囲には、前方を走る前走車102や、その手前の路面105(例えば、路面に落下物が無いかどうか等)や、道路の端で近くを走る自転車や、歩道の歩行者などが存在する。 The foreground view range seen by the driver of the own vehicle 101 includes the front vehicle 102 running ahead, the road surface 105 in front of it (for example, whether there are any falling objects on the road surface, etc.), and near the edge of the road. There are bicycles running on the road and pedestrians on the sidewalk.

前方を走る前走車102を見る視線方向103は、真正面の方向から視線をやや下げた方向になるが、道路上でその手前の路面105を見る視線方向104は、さらに、視線を下げた方向になる。このように、運転中に運転者が注意すべき対象物は、視線方向に応じてそこまでの距離が異なることが分かる。 The line-of-sight direction 103 looking at the preceding vehicle 102 running ahead is a direction in which the line-of-sight is slightly lowered from the direction directly in front, while the line-of-sight direction 104 looking at the road surface 105 in front of the road surface 105 is a direction in which the line-of-sight is further lowered. become. In this way, it can be seen that the distance to the object that the driver should pay attention to while driving differs depending on the line-of-sight direction.

従って、自動車の運転の安全性をさらに向上させるためには、運転中に注視している対象物までの距離と、そのときに表示する虚像までの距離を近づけることで、眼のピント合わせのための時間を短縮することが重要である。 Therefore, in order to further improve the driving safety of a car, the distance to the object being watched while driving and the distance to the virtual image displayed at that time are brought closer to focus the eyes. It is important to reduce the time.

また、上記の特許文献2に開示されたヘッドマウントディスプレイ装置例では、運転者から異なる距離に虚像を形成する構成になっているが、具体的には、表示内容に応じてスクリーンを選択し、選択したスクリーンに合わせて可変焦点レンズでのピント合わせを高速に行うことが不可欠である。このため、可変焦点レンズとして、「容器内に封入された液体の液体界面を変更する液体レンズ」或いは、「曲率を変更可能に構成された凹面鏡で」などを用いており、ヘッドマウントディスプレイ装置の大型化や、コストが増加する。 Further, in the head-mounted display device example disclosed in Patent Document 2 above, a virtual image is formed at a different distance from the driver. Specifically, a screen is selected according to the display content. It is essential to focus at high speed with a varifocal lens according to the selected screen. For this reason, as a varifocal lens, a "liquid lens that changes the liquid interface of the liquid enclosed in the container" or "a concave mirror configured so that the curvature can be changed" is used, and the head-mounted display device is used. The size will increase and the cost will increase.

また、被投影部材(6)であるフロントガラスの反射面は運転者の視点位置が複数存在した場合には、フロントガラスの車体垂直方向曲率半径および車体水平方向曲率半径の中心位置と運転者の眼の位置が異なるため、表示した画像に歪が生じるが、この点については全く考慮されていなかった。 Further, when there are a plurality of viewpoint positions of the driver, the reflective surface of the front glass, which is the projected member (6), is the center position of the vertical curvature radius of the vehicle body and the horizontal curvature radius of the vehicle body of the front glass and the driver. Due to the different eye positions, the displayed image is distorted, but this point was not taken into consideration at all.

以上に述べたように、上述した従来の情報表示装置では、装置構成の大型化や複雑化を抑制し運転者の異なる視点位置(距離)に虚像を形成することは困難であった。さらに、表示される映像についても運転者の視点位置により歪が発生する点についても全く考慮されていなかった。 As described above, in the above-mentioned conventional information display device, it is difficult to suppress the enlargement and complexity of the device configuration and to form a virtual image at different viewpoint positions (distances) of the driver. Furthermore, neither the displayed image nor the point that distortion occurs depending on the viewpoint position of the driver is taken into consideration at all.

そこで、本発明は、上述した従来技術における問題点に鑑みて達成されたものであり、より具体的には、装置の大型化や複雑化を抑制しながら、運転者からの異なる視点位置(距離)においても、視認性の高い虚像を形成することを可能とする情報表示装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been achieved in view of the above-mentioned problems in the prior art, and more specifically, different viewpoint positions (distances) from the driver while suppressing the increase in size and complexity of the device. ) Also, it is an object of the present invention to provide an information display device capable of forming a highly visible virtual image.

上記目的を達成するためになされた本発明は、その一例として、乗り物のフロントガラスに虚像の映像情報を表示する情報表示装置であって、前記映像情報を表示する液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルから出射された光を前記フロントガラスで反射させることで虚像を前記乗り物の前方に表示させる虚像光学系とを備えており、前記虚像光学系は、凹面ミラーと複数の光学素子を含んでおり、前記凹面ミラーは、基材表面に可視光に対する分光反射率が高くて一様となる金属膜からなる反射面を有し、前記複数の光学素子は、前記フロントガラスの上部から下部に向かって、運転者の視点位置に対応して複数の位置に前記複数の虚像を成立させるように、前記液晶表示パネルと前記凹面ミラーとの間において各虚像を成立させる映像光束が分離されるように配置された情報表示装置である。 The present invention made to achieve the above object is, for example, an information display device for displaying virtual image video information on the front glass of a vehicle, a liquid crystal display panel for displaying the video information, and the liquid crystal display. The virtual image optical system comprises a virtual image optical system that displays a virtual image in front of the vehicle by reflecting the light emitted from the panel by the front glass, and the virtual image optical system includes a concave mirror and a plurality of optical elements. The concave mirror has a reflective surface made of a metal film having a high spectral reflectance to visible light and is uniform on the surface of the base material, and the plurality of optical elements are directed from the upper part to the lower part of the front glass. The image light beam that establishes each virtual image is separated between the liquid crystal display panel and the concave mirror so that the plurality of virtual images are established at a plurality of positions corresponding to the viewpoint position of the driver. It is an information display device.

上述した本発明によれば、装置の大型化や複雑化を抑制しながら、運転者からの異なる視点位置(距離)においても、視認性の高い虚像を形成することを可能とする情報表示装置を提供することが可能となる。 According to the present invention described above, an information display device capable of forming a highly visible virtual image even at different viewpoint positions (distances) from the driver while suppressing the enlargement and complexity of the device is provided. It will be possible to provide.

本発明の一実施形態である情報表示装置および情報表示装置に配置された周辺機器の概略構成を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the schematic structure of the information display device which is one Embodiment of this invention, and the peripheral device arranged in the information display device. 本発明の一実施形態の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 the information display device of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態のフロントガラスの曲率半径の違いを説明する構成図である。It is a block diagram explaining the difference of the radius of curvature of the windshield of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における運転者が運転中に注視する領域を示す略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the region which the driver looks at while driving in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における情報表示装置の虚像光学系を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the virtual image optical system of the information display apparatus in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における情報表示装置の虚像光学系の一実施例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows one Example of the virtual image optical system of the information display apparatus in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における情報表示装置の虚像光学系の一実施例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows one Example of the virtual image optical system of the information display apparatus in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における情報表示装置の虚像光学系の一実施例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows one Example of the virtual image optical system of the information display apparatus in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における情報表示装置における映像投写装置の配置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the arrangement of the image projection apparatus in the information display apparatus in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における情報表示装置の構造の全体の概略を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the outline of the whole structure of the information display device in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態のミラー面での反射を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the reflection on the mirror surface of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の金属反射膜の分光反射率を示す特性図である。It is a characteristic diagram which shows the spectral reflectance of the metal reflective film of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態のアルミ膜に1層の増反射膜を成膜した場合の分光反射率を示す特性図である。It is a characteristic diagram which shows the spectral reflectance when one layer of a reflective film is formed on the aluminum film of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態のアルミ膜に5層の増反射膜を成膜した場合の分光反射率を示す特性図である。It is a characteristic diagram which shows the spectral reflectance when the 5 layers of a reflective film are formed on the aluminum film of one Embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態である虚像光学系の全体光線図であり、図15(a)はYZ平面において虚像面の映像情報を観察者の眼で見ている様子を、図15(b)はXZ平面において虚像面の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表す。It is the whole ray diagram of the virtual image optical system which is the 1st Embodiment of this invention, and FIG. ) Represents a state in which the image information of the virtual image plane is viewed by the observer's eyes in the XZ plane. 本発明の第一の実施形態の虚像光学系の要部斜視拡大図である。It is a perspective enlargement view of the main part of the virtual image optical system of the first embodiment of the present invention. 本発明の第一の実施形態の虚像光学系を構成する接眼光学系のレンズ部の斜視拡大図である。It is a perspective enlarged view of the lens part of the eyepiece optical system which constitutes the virtual image optical system of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態における傾いた斜面での写像関係を説明する図である。It is a figure explaining the mapping relation on the inclined slope in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態における分離光路ごとの歪性能を表す図である。It is a figure which shows the strain performance for each separation optical path in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態における接眼光学系の全体の歪性能を表す図である。It is a figure which shows the distortion performance of the whole eyepiece optical system in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態における接眼光学系のスポット図である。It is a spot figure of the eyepiece optical system in the 1st Embodiment of this invention. 従来技術における運転者の視野方向とその距離の違いを説明する図である。It is a figure explaining the difference between the visual field direction and the distance of a driver in the prior art. 物距離と像距離による写像関係を説明する図である。It is a figure explaining the mapping relation by an object distance and an image distance. 実像光学系での写像関係と段差フィルタの作用を説明する図である。It is a figure explaining the mapping relation in the real image optical system, and the operation of a step filter. 虚像光学系での写像関係と段差フィルタの作用を説明する図である。It is a figure explaining the mapping relation in the virtual image optical system, and the operation of a step filter.

以下、図面等を用いて、本発明の一実施形態および各種実施例について説明する。なお、以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれら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およ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, an embodiment and various examples of the present invention will be described with reference to the drawings and the like. It should be noted that the following description shows specific examples of the contents of the present invention, and the present invention is not limited to these explanations, and is by those skilled in the art within the scope of the technical idea disclosed in the present specification. Various changes and modifications are possible. 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.

<情報表示装置の実施形態>
図1は、本発明の一実施形態である情報表示装置1の周辺機器構成を示すブロックと概略構成図であり、ここでは、その一例として、特に、自動車のフロントガラスに画像を投影する情報表示装置について説明する。
<Embodiment of Information Display Device>
FIG. 1 is a block and a schematic configuration diagram showing a peripheral device configuration of an information display device 1 according to an embodiment of the present invention. Here, as an example thereof, an information display for projecting an image onto a windshield of an automobile is particularly shown. The device will be described.

この情報表示装置1は、運転者の視線8において自車両の前方における複数の位置それぞれに虚像V1~V3を形成するため、被投影部材6(本実施形態ではフロントガラス)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HUD(Headup Display)である。なお、被投影部材6は、情報が投影される部材であればよく、前述したフロントガラスだけではなく、その他、コンバイナであっても良い。すなわち、本実施形態の情報装置1では、運転者の視線8において自車両の前方における複数の位置それぞれに虚像を形成して運転者に視認させるものであり、虚像として表示する情報としては、例えば、車両情報や監視カメラやアラウンドビュアーなどのカメラ(図示せず)で撮影した前景情報も含む。 Since the information display device 1 forms virtual images V1 to V3 at each of a plurality of positions in front of the own vehicle in the driver's line of sight 8, various types of information reflected by the projected member 6 (front glass in the present embodiment) are formed. It is a device (so-called HUD (Headup Display)) that displays information as a virtual image (VI). The projected member 6 may be a member to which information is projected, and is not limited to the above-mentioned front glass. That is, in the information device 1 of the present embodiment, a virtual image is formed at each of a plurality of positions in front of the own vehicle in the driver's line of sight 8 to be visually recognized by the driver. The information to be displayed includes, for example, vehicle information and foreground information taken by a camera (not shown) such as a surveillance camera or an around viewer.

また、情報表示装置1は、情報を表示する映像光を投射する映像投写装置11と、当該映像投写装置11からの光を結像させる中間像結像部4と、当該中間像結像部4において結像した映像情報(映像光)を収束または発散させる光学部品5と、そして、上記映像投写装置11を制御する制御装置40とを備えている。なお、上記の光学部品5は、以下に述べる虚像光学系であり、光を反射させる凹面形状のミラーを含んでいる。また、この光学部品5において反射した光は、被投影部材6にて反射されて運転者の視線8(EyeBox:後に詳述する)へと向かう。 Further, the information display device 1 includes an image projection device 11 that projects an image light for displaying information, an intermediate image forming unit 4 that forms an image of light from the image projection device 11, and the intermediate image forming unit 4. It is provided with an optical component 5 for converging or diverging the imaged image information (image light) formed in the above, and a control device 40 for controlling the image projection device 11. The above-mentioned optical component 5 is a virtual image optical system described below, and includes a concave mirror that reflects light. Further, the light reflected by the optical component 5 is reflected by the projected member 6 and heads toward the driver's line of sight 8 (EyeBox: described in detail later).

上記の中間像結像(または、中間像表示)部4は、映像投写装置11からの光を結像する機能を有しており、例えば、マイクロレンズを2次元状に配置したマイクロレンズアレイにより構成される。本実施形態においては、中間像結像部4と、接眼光学系を形成する上記凹面反射ミラーから成る光学部品5との間には、光学素子21および光学素子22が配置されている。これら光学素子21および光学素子22の配置は、第一の目的として、虚像の形成位置を自車両の前方の複数個所(本実施形態においては3箇所)とするためである。さらに第二の目的として、中間像結像部4と接眼光学系を形成する光学部品5との間において、当該中間像結像部4からの映像光が分離する位置において、それぞれ、収差補正を行なうためである。なお、これらの光学素子による収差補正によれば、虚像が異なる位置に形成されても、同一の虚像光学系を用いることにより、複数の虚像を異なる倍率で表示することが可能となる。 The intermediate image imaging (or intermediate image display) unit 4 has a function of forming an image of light from the image projection device 11, for example, by using a microlens array in which microlenses are arranged two-dimensionally. It is composed. In the present embodiment, the optical element 21 and the optical element 22 are arranged between the intermediate image imaging unit 4 and the optical component 5 composed of the concave reflection mirror forming the eyepiece optical system. The primary purpose of arranging the optical elements 21 and the optical elements 22 is to set the virtual image formation positions at a plurality of locations (three locations in the present embodiment) in front of the own vehicle. Further, as a second purpose, aberration correction is performed at a position where the image light from the intermediate image forming unit 4 is separated between the intermediate image forming unit 4 and the optical component 5 forming the eyepiece optical system. To do it. According to the aberration correction by these optical elements, even if the virtual images are formed at different positions, it is possible to display a plurality of virtual images at different magnifications by using the same virtual image optical system.

より具体的には、最も近傍に位置する虚像V1を形成する光束の収差改善は、光学素子21により行ない、同時に、中間に位置する虚像V2の収差補正は、光学素子22により行なう。また、最も遠方に形成される虚像V3は、本来の虚像光学系で収差が最適設計されているため、ここでは光学素子を設けていないが、さらに収差補正能力を向上させるたに最適設計された光学素子を設けても、本発明の技術的思想または範囲を逸脱するものではないことは言うまでもない。 More specifically, the aberration of the light beam forming the virtual image V1 located in the nearest vicinity is improved by the optical element 21, and at the same time, the aberration of the virtual image V2 located in the middle is corrected by the optical element 22. Further, the virtual image V3 formed at the farthest distance is not provided with an optical element because the aberration is optimally designed in the original virtual image optical system, but it is optimally designed to further improve the aberration correction ability. It goes without saying that the provision of the optical element does not deviate from the technical idea or scope of the present invention.

また、本実施例では、説明の都合上、虚像の発生位置を遠方虚像V3、中間虚像V2、近接虚像V1に分割し、それぞれ、個別に光学素子21および22を設けた例について説明したが、これに限定されることはない。例えば、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ためには、空間的な光学距離を変化させ、連続的に虚像が発生する位置が変化するように収差を十分に低減するため、共通の光学素子を設けて対応しても、やはり、本発明の技術的思想または範囲を逸脱するものではないことは言うまでもない。 Further, in this embodiment, for convenience of explanation, an example in which the virtual image generation position is divided into a distant virtual image V3, an intermediate virtual image V2, and a close virtual image V1 and the optical elements 21 and 22 are individually provided has been described. It is not limited to this. For example, in order to continuously change the display position of the virtual image from a distant position to a close position, the spatial optical distance is changed, and the aberration is sufficiently reduced so that the position where the virtual image is continuously generated changes. Therefore, it goes without saying that the provision of a common optical element does not deviate from the technical idea or scope of the present invention.

一方、制御装置30は、記憶装置31と、マイクロコンピュータ(以下「マイコン」と記す)32とを備えている。記憶装置31は、記憶内容を書き換え可能な不揮発性の記憶装置からなる。マイコン32は、電源が切断されても記憶内容を保持する必要がある処理プログラムやデータを格納するROM34と、処理プログラムやデータを一時的に収納するRAM33と、上記ROM34やRAM33に記憶された処理プログラムに従って各種処理を実行するCPU35とを有したコンピュータとを中心にして構成されている。 On the other hand, the control device 30 includes a storage device 31 and a microcomputer (hereinafter referred to as “microcomputer”) 32. The storage device 31 is a non-volatile storage device in which the stored contents can be rewritten. The microcomputer 32 has a ROM 34 that stores a processing program and data that need to retain the stored contents even when the power is turned off, a RAM 33 that temporarily stores the processing program and data, and a process stored in the ROM 34 and the RAM 33. It is mainly composed of a computer having a CPU 35 that executes various processes according to a program.

このうち、ROM34には、車両情報や前景情報などの各種情報が被投影部材6に投影されるように映像投写装置11を制御する情報表示処理をマイコン44が実行するための処理プログラムが格納されている。そして、制御装置30には、車両情報や前景情報の取得元として、少なくとも、ナビゲーションシステム41と運転支援電子制御装置(以下、「運転支援ECU(Electronic Control Unit)と記載)42とが接続されている。 Among these, the ROM 34 stores a processing program for the microcomputer 44 to execute an information display process for controlling the image projection device 11 so that various information such as vehicle information and foreground information is projected on the projected member 6. ing. Then, at least the navigation system 41 and the driving support electronic control device (hereinafter, referred to as "driving support ECU (Electronic Control Unit)) 42 are connected to the control device 30 as the acquisition source of the vehicle information and the foreground information. There is.

ナビゲーションシステム61は、位置検出装置にて検出した現在位置を地図データ記憶部に記憶されている地図データに照合した結果に従って、設定された目的地までの経路を案内する装置である。地図データには、道路の制限速度や車線数、交差点に関する情報などの各種情報が含まれる。 The navigation system 61 is a device that guides the route to the set destination according to the result of collating the current position detected by the position detection device with the map data stored in the map data storage unit. Map data includes various information such as road speed limits, number of lanes, and information on intersections.

制御装置30は、このような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51に設定された自車両の移動予定経路などの情報を前景情報(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。 From such a navigation system 61, the control device 30 obtains 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, the planned movement route of the own vehicle set in the navigation system 51, and the like. 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り、運転支援制御としは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 the drive system and the control system according to an obstacle detected as a result of monitoring by the peripheral monitoring device 63, and the driving support control is cruise control. , Includes well-known technologies such as 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.

制御装置30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および先行車両の方位、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、制御装置30には、イグニッション(IG)信号、および、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、シフトポジションなどの情報も含まれている。以上述べた制御装置30はイグニッション信号が入力されると起動する。以上が本発明の一実施形態である情報表示装置の全体システムの説明である。 The control device 30 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, an ignition (IG) signal and own vehicle state information are input to the control device 30. Among these information, the own vehicle state information is information acquired as vehicle information, and indicates that, for example, a predetermined abnormal state such as the remaining amount of fuel of the internal combustion engine or the temperature of the cooling water has occurred. Contains warning information. It also includes information such as the operation result of the turn signal, the traveling speed of the own vehicle, and the shift position. The control device 30 described above is activated when an ignition signal is input. The above is a description of the entire system of the information display device according to the embodiment of the present invention.

<第一の実施形態>
次に、本発明の一実施形態である虚像光学系5、および、映像投写装置11のさらなる詳細について、以下に説明する。
<First embodiment>
Next, further details of the virtual image optical system 5 and the image projection device 11 according to the embodiment of the present invention will be described below.

図2は、本発明の一実施形態の情報表示装置1を搭載した自動車の上面図であり、自動車本体101の運転席前部には、被投影部材6としてのフロントガラスが存在する。なお、このフロントガラスは、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。さらに、発明者らは、最適な虚像光学系を実現するため、この曲率半径についても調査した。その結果、フロントガラスは、図3に示すように、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は一般的には下記の関係があることが分かった。
Rh>Rv
FIG. 2 is a top view of an automobile equipped with the information display device 1 according to the embodiment of the present invention, and a windshield as a projected member 6 is present in the front portion of the driver's seat of the automobile main body 101. The angle of inclination of this windshield with respect to the vehicle body differs depending on the type of automobile. Furthermore, the inventors also investigated this radius of curvature in order to realize an optimum virtual image optical system. As a result, as shown in FIG. 3, the windshield has a radius of curvature Rh in the horizontal direction parallel to the ground plane of the automobile and a radius of curvature Rv in the vertical direction orthogonal to the horizontal axis. It was found that Rv generally has the following relationship.
Rh> Rv

また、この曲率半径の違い、すなわち、Rvに対するRh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。 It was also found that this difference in radius of curvature, that is, Rh with respect to Rv, is often in the range of 1.5 to 2.5 times.

次に、発明者等はフロントガラス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、本実施形態では、フロントガラスの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の違いと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。 Next, the inventors investigated commercially available products regarding the inclination angle of the windshield. 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 the present embodiment, the difference between the horizontal radius of curvature Rh parallel to the ground plane of the automobile of the front glass and the vertical radius of curvature Rv orthogonal to the horizontal axis and the inclination angle of the front glass are considered. , I designed the imaginary optical system.

より詳細には、被投影部材であるフロントガラスの水平曲率半径Rhと垂直曲率半径Rvとは、これらは大きく異なるため、光軸(Z軸)に対してフロントガラスの水平軸とこの軸に垂直な軸に対して軸非対称な光学素子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。なお、得られた虚像光学系のレンズデータについては、後に詳述する。 More specifically, since the horizontal radius of curvature Rh and the vertical radius of curvature Rv of the front glass, which is the projected member, are significantly different from each other, they are perpendicular to the horizontal axis of the front glass and this axis with respect to the optical axis (Z axis). Good aberration correction was realized by providing an optical element that is asymmetrical to the horizontal axis in the virtual image optical system. The lens data of the obtained virtual image optical system will be described in detail later.

また、ここで、図1にも示したように、視野範囲と虚像距離がそれぞれ異なる複数の虚像面に対し、それぞれの物面位置が同一の平面上となる光学系を実現できる回転非対称な形状である自由曲面レンズと、当該自由曲面ミラー(本明細書では凹面形状をベースとした自由曲面ミラーを例に挙げて説明する)を用いた虚像光学系の第一の実施形態について以下に説明する。 Further, as shown in FIG. 1, a rotation-asymmetrical shape capable of realizing an optical system in which the object plane positions are on the same plane for a plurality of virtual image planes having different viewing ranges and virtual image distances. The first embodiment of the virtual image optical system using the free curved lens and the free curved mirror (described in this specification by exemplifying a free curved mirror based on a concave shape) will be described below. ..

図15を参照して本発明の第一の実施形態である虚像光学系の構成について説明する。この図15は、図1に示した本発明の一実施形態における虚像光学系5の全体光線図であり、特に、図15(a)は、YZ平面において虚像面7の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表し、図15(b)は、XZ平面において虚像面7の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表している。YZ平面では、右眼と左眼が重なっており(符号8を参照)、XZ平面では右眼と左眼が別々に見えている。 The configuration of the virtual image optical system according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 15 is an overall ray diagram of the virtual image optical system 5 according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1, and in particular, FIG. 15A is an observer's image information of the virtual image plane 7 in the YZ plane. FIG. 15B shows the state of viewing with the eyes, and FIG. 15B shows the state of viewing the image information of the virtual image plane 7 in the XZ plane with the eyes of the observer. In the YZ plane, the right eye and the left eye overlap (see reference numeral 8), and in the XZ plane, the right eye and the left eye are seen separately.

図16は、上記第一の実施形態の虚像光学系5の要部斜視拡大図である。また、図17は、上記第一の実施形態に係る虚像光学系5を構成する接眼光学系5aのレンズ部の斜視拡大図である。これら図16と図17に示すように、自由曲面レンズ54および自由曲面ミラー56のそれぞれは、回転非対称な形状に構成される。なお、光学素子51、凸レンズ52および凹レンズ53は大きな偏心量(前後面での偏心は無し)を持っている。また、図18は、傾いた斜面での写像関係を説明する図である。 FIG. 16 is an enlarged perspective view of a main part of the virtual image optical system 5 of the first embodiment. Further, FIG. 17 is an enlarged perspective view of the lens portion of the eyepiece optical system 5a constituting the virtual image optical system 5 according to the first embodiment. As shown in FIGS. 16 and 17, each of the free-form surface lens 54 and the free-form surface mirror 56 is configured to have a rotationally asymmetrical shape. The optical element 51, the convex lens 52, and the concave lens 53 have a large amount of eccentricity (no eccentricity on the front and rear surfaces). Further, FIG. 18 is a diagram illustrating a mapping relationship on an inclined slope.

図16にも示すように、虚像光学系5は、中間像表示部(または平面ディスプレイなどの画像表示部)4側から順に、段差フィルタ(光学素子)51と、正の屈折力の凸レンズ52と、負の屈折力の凹レンズ53と、回転非対称な自由曲面レンズ54と、シリンダーミラー55と、回転非対称な自由曲面ミラー56と、そして、フロントガラス6とを並べて配置することにより構成されている。フロントガラス6の水平方向と垂直方向の曲率半径の違いは、シリンダーミラー55を追加することでキャンセルする構成としている。さらに、反射面の回転非対称な自由曲面レンズ56は、虚像の歪みを補正する。 As shown in FIG. 16, the virtual image optical system 5 includes a step filter (optical element) 51 and a convex lens 52 having a positive refractive power in this order from the intermediate image display unit (or image display unit such as a flat display) 4 side. , A concave lens 53 having a negative refractive power, a rotation-asymmetric free-curved lens 54, a cylinder mirror 55, a rotation-asymmetric free-curved mirror 56, and a front glass 6 are arranged side by side. The difference in the radius of curvature in the horizontal direction and the vertical direction of the windshield 6 is canceled by adding the cylinder mirror 55. Further, the rotation-asymmetric free-form surface lens 56 of the reflecting surface corrects the distortion of the virtual image.

ここで、上記第一の実施形態の虚像光学系5内の得られたレンズデータを以下の表1および表2に示す。 Here, the lens data obtained in the virtual image optical system 5 of the first embodiment is shown in Tables 1 and 2 below.

Figure 0007095018000001
Figure 0007095018000001

Figure 0007095018000002
Figure 0007095018000002

表1は、本発明の第一の実施形態に係る映像投写装置11のレンズデータを示す表である。この表1に示すレンズデータでは、曲率半径は、曲率半径の中心位置が進行方向にある場合に正の符合で表し、面間距離は、各面の頂点位置から次の面の頂点位置までの光軸上の距離を表している。例えば、虚像距離18mでは、図6に示した光学素子23に対応した段差フィルタの厚さは27.439mm、虚像距離30mでは、図6に示した光学素子24に対応した段差フィルタの厚さは14.556mm、虚像距離100mでは、段差フィルタの厚さは0mmである。 Table 1 is a table showing the lens data of the image projection device 11 according to the first embodiment of the present invention. In the lens data shown in Table 1, the radius of curvature is represented by a positive sign when the center position of the radius of curvature is in the traveling direction, and the interplane distance is from the apex position of each surface to the apex position of the next surface. It represents the distance on the optical axis. For example, at a virtual image distance of 18 m, the thickness of the step filter corresponding to the optical element 23 shown in FIG. 6 is 27.439 mm, and at a virtual image distance of 30 m, the thickness of the step filter corresponding to the optical element 24 shown in FIG. 6 is At 14.556 mm and a virtual image distance of 100 m, the thickness of the step filter is 0 mm.

また、偏心はY軸方向の値であり、倒れはYZ平面内でX軸回りの回転であり、偏心・倒れは、該当の面で偏心と倒れの順に作用し、「普通偏心」では、偏心・倒れが作用した新しい座標系上での面間距離の位置に次の面が配置される。デセンタ・アンド・リターンの偏心および倒れは、その面でのみ作用し、次の面に影響しない。 Further, the eccentricity is a value in the Y-axis direction, the tilt is the rotation around the X-axis in the YZ plane, and the eccentricity / tilt acts in the order of eccentricity and tilt in the corresponding plane, and in "normal eccentricity", eccentricity. -The next plane is placed at the position of the face-to-face distance on the new coordinate system where the collapse has acted. Decenter and return eccentricities and collapses act only on that aspect and do not affect the next aspect.

硝材名のPMMAはプラスチックのアクリル(Polymethyl methacrylate)であり、硝材名の58.3は、屈折率1.58でアッベ数30の材料を表す。 The glass material name PMMA is plastic acrylic, and the glass material name 58.3 represents a material having a refractive index of 1.58 and an Abbe number of 30.

表2は、本発明の第一の実施形態に係る映像投写装置11のレンズデータの自由曲面係数の図である。この表2の自由曲面係数は、以下の式(数1)により求められる。 Table 2 is a diagram of free-form surface coefficients of the lens data of the image projection device 11 according to the first embodiment of the present invention. The free-form surface coefficient in Table 2 is obtained by the following equation (Equation 1).

Figure 0007095018000003
Figure 0007095018000003

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

また、本発明の第一の実施形態に係る映像投写装置11のアナモフィック非球面係数は、以下の式(数2)により求められる。この(数2)のcuy(=1/rdy)とcux(=1/rdx)は、表1では、rdy=9686mm、rdx=5531mmであり、その他の係数は、全て0とした。 Further, the anamorphic aspherical coefficient of the image projection device 11 according to the first embodiment of the present invention is obtained by the following equation (Equation 2). The cute (= 1 / rdy) and cup (= 1 / rdx) of (Equation 2) were rdy = 9686 mm and rdx = 5531 mm in Table 1, and all other coefficients were set to 0.

Figure 0007095018000004
Figure 0007095018000004

また、以下には、本発明の第一の実施形態の虚像光学系5を構成する接眼光学系のアイボックスサイズや、視野角などの値を、水平方向、垂直方向の順に示す。
アイボックスサイズ 100×50mm
スクリーン板での映像光の有効サイズ 40.70×18.80mm
視野角(全画角) 5.4×1.8度
分離光路(垂直視野方向、虚像サイズ、虚像距離)
1.8~2.2度、1698×126mm、 18m
1.1~1.5度、2830×210mm、 30m
0.4~0.8度、9432×698mm、100m
Further, the values such as the eye box size and the viewing angle of the eyepiece optical system constituting the virtual image optical system 5 of the first embodiment of the present invention are shown below in the order of the horizontal direction and the vertical direction.
Eye box size 100 x 50 mm
Effective size of image light on screen board 40.70 x 18.80 mm
Viewing angle (total angle of view) 5.4 x 1.8 degrees Separation optical path (vertical viewing direction, virtual image size, virtual image distance)
1.8-2.2 degrees, 1698 x 126 mm, 18 m
1.1-1.5 degrees, 2830 x 210 mm, 30 m
0.4-0.8 degrees, 9432 x 698 mm, 100 m

次に、上述した第一の実施形態における虚像光学系5の光学性能、特に、歪性能について、図19~図21を用いて説明する。 Next, the optical performance of the virtual image optical system 5 in the above-mentioned first embodiment, particularly the distortion performance, will be described with reference to FIGS. 19 to 21.

図19と図20は、本発明の第一の実施形態の映像投写装置11における虚像光学系5の歪性能を表す図である。図21は、本発明の第一の実施形態の映像投写装置11における接眼光学系のスポット図である。 19 and 20 are diagrams showing the distortion performance of the virtual image optical system 5 in the image projection device 11 of the first embodiment of the present invention. FIG. 21 is a spot view of the eyepiece optical system in the image projection device 11 of the first embodiment of the present invention.

図19は、上記図15で示した虚像面71、72、73での第一の実施形態における分離光路ごとの歪性能を表す図であり、この図から、それぞれの虚像面で矩形状の虚像を実現していることが分かる。各虚像面71、72、73での虚像サイズから視野角を計算すると、視野範囲F1の水平視野角(全画角)は、2×tan(1698/2/18000)=5.4度、視野範囲F2の水平視野角(全画角)は、2×tan(2830/2/30000)=5.4度、視野範囲F3の水平視野角(全画角)は、2×tan(9432/2/100000)=5.4度となる。各虚像面71、72、73での水平方向の視野角が同じ値なので、図20では、各虚像面71、72、73での視野範囲をまとめて表したが、各視野領域F1、F2、F3が、垂直方向にずれた位置に表示されていることが分かる。 FIG. 19 is a diagram showing the distortion performance of each separated optical path in the first embodiment of the virtual image planes 71, 72, and 73 shown in FIG. 15, and from this figure, a rectangular virtual image on each virtual image plane. It can be seen that is realized. When the viewing angle is calculated from the virtual image sizes on the virtual image planes 71, 72, and 73, the horizontal viewing angle (total angle of view) of the viewing range F1 is 2 × tan (1698/2/18000) = 5.4 degrees, and the field of view. The horizontal viewing angle (total angle of view) of the range F2 is 2 × tan (2830/2/30000) = 5.4 degrees, and the horizontal viewing angle (total angle of view) of the viewing range F3 is 2 × tan (9432/2). / 100,000) = 5.4 degrees. Since the horizontal viewing angles on the virtual image planes 71, 72, and 73 have the same value, in FIG. 20, the visual field ranges on the virtual image planes 71, 72, and 73 are collectively represented. It can be seen that F3 is displayed at a position shifted in the vertical direction.

図21は、虚像面71、72、73にそれぞれ物点を配置し、スクリーン板4でのスポット図を計算したスポット図を示しており、良好な光学性能を実現している。なお、このスポット図では、アイボックス9の大きさが水平100mm×垂直50mmの全光束でのスポット図であり、実際の運転者が見る虚像の場合は、人の眼の虹彩の大きさ(最大でφ7mmといわれている)でのスポット図は、図21よりも大幅に良くなっている。 FIG. 21 shows a spot diagram in which object points are arranged on the virtual image planes 71, 72, and 73, and a spot diagram on the screen plate 4 is calculated, and good optical performance is realized. In this spot diagram, the size of the eye box 9 is a spot diagram with a total luminous flux of 100 mm horizontal × 50 mm vertical, and in the case of a virtual image seen by an actual driver, the size of the iris of the human eye (maximum). The spot diagram at (which is said to be φ7 mm) is significantly better than that of FIG. 21.

従って、本実施形態によれば、自由曲面レンズと自由曲面ミラーを用いた虚像光学系により、異なる虚像距離で異なる視野方向に同時に虚像として表示できる情報表示装置を提供できる。 Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide an information display device capable of simultaneously displaying as a virtual image in different viewing directions at different virtual image distances by using a virtual image optical system using a free curved lens and a free curved mirror.

運転者は、一般に、図24(a)~(c)に示すように、運転中においては、前走車の確認(ブレーキランプや右折・左折ランプの点灯)や、手前の道路の路面の確認(落下物の有無など)や、さらには、手前の道路の端の自転車・歩行者の確認などを行っている。本実施形態によれば、前走車の位置に相当する虚像範囲には、前走車に関する注意喚起情報を表示し、その手前の道路の路面の位置には、相当する虚像範囲に落下物の存在を表示するなどの表示が可能となる。さらに、本実施形態によれば、異なる虚像距離で、かつ、異なる視野方向に位置する複数の虚像面に、同時に映像を表示することが可能である。 As shown in FIGS. 24 (a) to 24 (c), the driver generally checks the vehicle in front (lights the brake lamp and right / left turn lamp) and checks the road surface in front of the vehicle while driving. We also check (presence or absence of falling objects, etc.) and bicycles and pedestrians at the end of the road in front of us. According to the present embodiment, the warning information about the preceding vehicle is displayed in the virtual image range corresponding to the position of the preceding vehicle, and the falling object is displayed in the corresponding virtual image range at the position of the road surface of the road in front of the virtual image range. It is possible to display such as displaying the existence. Further, according to the present embodiment, it is possible to simultaneously display an image on a plurality of virtual image planes located at different virtual image distances and in different viewing directions.

また、運転者はスピードメータや燃料計などの情報も確認するので、情報表示装置を装備することによって、各種計器類の情報を虚像として運転者の前方に表示できるので、運転者の視線方向の移動が小さくなり、かつ、眼のピント合わせに要する時間も短縮できることから、運転の安全性が向上できる。 In addition, since the driver also checks information such as speedometers and fuel gauges, by equipping the information display device, information on various instruments can be displayed in front of the driver as a virtual image, so that the driver's line of sight can be seen. Driving safety can be improved because the movement is reduced and the time required for focusing the eyes can be shortened.

ところで、前景中の前走車と、その手前の路面と、さらに手前の道路の端の自転車・歩行者では、運転者からの距離が異なるので、それらに関係した情報を表示する虚像の距離を変えることで、さらに眼のピント合わせに要する時間を短縮でき、さらに、運転の安全性が向上できる。 By the way, the distance from the driver is different between the vehicle in front in the foreground, the road surface in front of it, and the bicycle / pedestrian at the end of the road in front of it. By changing it, the time required for focusing the eyes can be further shortened, and the driving safety can be improved.

次に、図23~図25を用いて、情報表示装置の虚像距離の違いによる写像関係を整理し、解決される課題を定量的に示す。 Next, with reference to FIGS. 23 to 25, the mapping relationship due to the difference in the virtual image distance of the information display device is organized, and the problem to be solved is quantitatively shown.

図23は、物距離と像距離による(実像光学系での)写像関係を説明する図である。結像レンズ201からの物面202までの距離Lが減ることで、像面203までの距離aが増加している。図24は、実像光学系での写像関係と段差フィルタの作用を説明する図であり、焦点距離=440mmで、物距離L=100~10mでの焦点位置の移動量δを示している。実像光学系では、遠距離側の焦点位置よりも、近距離側の焦点位置の方が離れている。ここで、厚さdで屈折率Nのフィルタ251を結像レンズ201と実像面203の間に配置すると、フィルタ251の物理長dと光学長d/Nのとの差であるd(1-1/N)の分だけ、実像面203の位置を離すことができる。実像光学系では、遠距離側の実像面位置に比べて、近距離側の実像面位置の方が離れているので、遠距離側の光路上で、結像レンズ201と実像面203の間に、フィルタ251を配置することで、近距離側の物理的な実像面位置と遠距離側の物理的な実像面位置を同一の平面上に配置することが可能となる。 FIG. 23 is a diagram illustrating a mapping relationship (in a real image optical system) between an object distance and an image distance. As the distance L from the image plane lens 201 to the object surface 202 decreases, the distance a to the image plane 203 increases. FIG. 24 is a diagram for explaining the mapping relationship in the real image optical system and the operation of the step filter, and shows the movement amount δ of the focal position at the focal length = 440 mm and the object distance L = 100 to 10 m. In the real image optical system, the focal position on the short-distance side is farther than the focal position on the long-distance side. Here, when the filter 251 having a thickness d and a refractive index N is arranged between the imaging lens 201 and the real image plane 203, it is the difference between the physical length d and the optical length d / N of the filter 251 d (1-1). The position of the real image plane 203 can be separated by the amount of 1 / N). In the real image optical system, the position of the real image plane on the short distance side is farther than the position of the real image plane on the long distance side. Therefore, on the optical path on the long distance side, between the image lens 201 and the real image plane 203. By arranging the filter 251, it is possible to arrange the physical real image plane position on the short-distance side and the physical real image plane position on the long-distance side on the same plane.

同様に、図25は、虚像光学系での写像関係と段差フィルタの作用を説明する図であり、焦点距離=440mmで、虚像距離L=100~10mでの物位置の移動量δを示している。虚像光学系では、近距離側の物位置よりも、遠距離側の物位置の方が離れている。同様に、厚さdで屈折率Nのフィルタ351を、接眼レンズ301と物面302との間に配置すると、段差フィルタ351の物理長dと光学長d/Nとの差であるd(1-1/N)の分だけ、物面203の位置を離すことができる。虚像像光学系では近遠距離側の物面位置に比べて、遠距離側の物面位置の方が離れているので、近距離側の光路上で、接眼レンズ301と物面302の間に、フィルタ351を配置することで、近距離側の物理的な物面位置と遠距離側の物理的な物面位置を同一の平面上に配置することが可能となる。例えば、虚像距離L=20~10mの場合では、物面302の位置がδ=9.1mmずれるので、d=δ/(1-1/N)=26.6mmのフィルタ351が必要となる。同様に、虚像距離L=100~18mの場合では、物面302の位置がδ=8.6mmずれるので、d=25.2mmのフィルタ351が必要となる。 Similarly, FIG. 25 is a diagram for explaining the mapping relationship in the virtual image optical system and the operation of the step filter, and shows the movement amount δ of the object position at the focal length = 440 mm and the virtual image distance L = 100 to 10 m. There is. In the virtual image optical system, the object position on the long-distance side is farther than the object position on the short-distance side. Similarly, when a filter 351 having a thickness d and a refractive index N is arranged between the eyepiece 301 and the object surface 302, it is the difference between the physical length d and the optical length d / N of the step filter 351 d (1). The position of the object surface 203 can be separated by the amount of -1 / N). In the phantom image optical system, the object surface position on the long-distance side is farther away than the object surface position on the short-distance side, so that between the eyepiece lens 301 and the object surface 302 on the optical path on the short-distance side. By arranging the filter 351, it is possible to arrange the physical object surface position on the short-distance side and the physical object surface position on the long-distance side on the same plane. For example, when the virtual image distance L = 20 to 10 m, the position of the object surface 302 deviates by δ = 9.1 mm, so that a filter 351 with d = δ / (1-1 / N) = 26.6 mm is required. Similarly, when the virtual image distance L = 100 to 18 m, the position of the object surface 302 deviates by δ = 8.6 mm, so that a filter 351 with d = 25.2 mm is required.

<第二の実施形態>
次に、図5を参照しながら、本発明の第二の実施形態である情報表示装置の光学系の基本構造について説明する。この図5に示す光学系は、形成ユニット10と、上記虚像光学系5を構成する接眼光学系5aを含んでいる。すなわち、投写光学系20から出射された映像光を、自動車(図示せず)のフロントガラス6に反射させ、もって、運転者の眼8に入射させる構成を備えている。
<Second embodiment>
Next, with reference to FIG. 5, the basic structure of the optical system of the information display device according to the second embodiment of the present invention will be described. The optical system shown in FIG. 5 includes a forming unit 10 and an eyepiece optical system 5a constituting the virtual image optical system 5. That is, it has a configuration in which the image light emitted from the projection optical system 20 is reflected on the windshield 6 of an automobile (not shown) and thus incident on the driver's eye 8.

より詳しくは、バックライト100から液晶表示パネル2に照射された光束は、液晶表示パネル4aに表示された映像情報を含んだ映像光束として、リレー光学系に入射する。リレー光学系3での結像作用により、液晶表示パネル2上の映像情報は拡大され、その後、中間像結像部4上に拡大投写される。液晶表示パネル2上の点P1、P2、P3が、それぞれ、中間像結像部4の点Q1、Q2、Q3に対応する。リレー光学系3を用いることで、表示サイズの小さい液晶表示パネルを使用することができる。バックライト100、液晶表示パネル2、リレー光学系3、および、中間像結像部4は、上記中間像結像部4上に画像情報(映像情報)を形成するので、これらを総称して画像形成ユニット10という。 More specifically, the luminous flux emitted from the backlight 100 to the liquid crystal display panel 2 is incident on the relay optical system as an image luminous flux including the image information displayed on the liquid crystal display panel 4a. The image information on the liquid crystal display panel 2 is magnified by the image forming action of the relay optical system 3, and then magnified and projected onto the intermediate image forming unit 4. The points P1, P2, and P3 on the liquid crystal display panel 2 correspond to the points Q1, Q2, and Q3 of the intermediate image forming unit 4, respectively. By using the relay optical system 3, a liquid crystal display panel having a small display size can be used. Since the backlight 100, the liquid crystal display panel 2, the relay optical system 3, and the intermediate image imaging unit 4 form image information (video information) on the intermediate image imaging unit 4, they are collectively images. It is called a forming unit 10.

次に、中間像結像部4上の画像情報は、接眼光学系5aによって、フロントガラス6に投写され、フロントガラス6で反射した光束が、観察者の眼8の位置に到達する。観察者の眼から見ると、あたかも、虚像面7の画像情報を見ているような関係性が成立する。中間像結像部4上の点Q1、Q2、Q3が、それぞれ、虚像面7の点V1、V2、V3に対応する。なお、眼8の位置を動かしても虚像面7上の点V1、V2、V3が見ることができる範囲が、いわゆる、アイボックス9である。このように、本発明の虚像光学系は、カメラのファインダーの接眼レンズや顕微鏡での接眼レンズと同様に、物(空間像)と像(虚像)を観察者の眼の前に表示することが可能な光学系である。 Next, the image information on the intermediate image forming unit 4 is projected onto the windshield 6 by the eyepiece optical system 5a, and the light flux reflected by the windshield 6 reaches the position of the observer's eye 8. From the observer's point of view, the relationship is established as if the image information of the virtual image surface 7 is being viewed. The points Q1, Q2, and Q3 on the intermediate image forming unit 4 correspond to the points V1, V2, and V3 on the virtual image plane 7, respectively. The range in which the points V1, V2, and V3 on the virtual image plane 7 can be seen even if the position of the eye 8 is moved is the so-called eye box 9. As described above, the virtual image optical system of the present invention can display an object (spatial image) and an image (virtual image) in front of the observer's eyes, similar to the eyepiece of a camera finder or an eyepiece of a microscope. It is a possible optical system.

また、中間像結像部4は、マイクロレンズを2次元状に配置したマイクロレンズアレイにより構成される。すなわち、その拡散作用により、当該中間像結像部4を出射する光束の広がり角は大きくなり、これにより、アイボック9の大きさを所定の大きさにしている。なお、中間像結像部4の拡散作用は、拡散粒子を内蔵することでも実現できる。 Further, the intermediate image forming unit 4 is composed of a microlens array in which microlenses are arranged two-dimensionally. That is, due to the diffusing action, the spreading angle of the light flux emitted from the intermediate image forming unit 4 is increased, whereby the size of the Ivoc 9 is set to a predetermined size. The diffusing action of the intermediate image forming unit 4 can also be realized by incorporating the diffusing particles.

また、本発明の第二の実施形態では、図5に示すように、中間像結像部4側から虚像光学系5を構成する接眼光学系5aの間に、虚像の発生位置に対応して、収差補正用の光学素子を配置する。具体的には、最も近接した位置V1に対応する光束が通過する位置には、補正用の光学素子21を配置し、虚像光学系5の虚像発生位置を近づけて低倍率化を図ると同時に、虚像で発生する歪みと収差を低減する。次いで、中間位置に成立する虚像V2に対応する光束が通過する位置には、補正用の光学素子22を配置し、虚像光学系5の虚像の発生位置を中間位置に成立させて中倍率化を図ると同時に、虚像で発生する歪みと収差を低減する。そして、監視者に対して最も遠方に成立する虚像V3に対応する光束が通過する位置には上述した補正用光学素子を配置しなくても良いように、すなわち、虚像光学系5を構成する接眼光学系5aを最適設計する。 Further, in the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 5, the position where the virtual image is generated corresponds to the position between the eyepiece optical system 5a constituting the virtual image optical system 5 from the intermediate image imaging unit 4 side. , An optical element for aberration correction is arranged. Specifically, the optical element 21 for correction is arranged at the position where the light beam corresponding to the closest position V1 passes, and the virtual image generation position of the virtual image optical system 5 is brought closer to reduce the magnification at the same time. Reduces distortion and aberrations that occur in virtual images. Next, a correction optical element 22 is arranged at a position where the light beam corresponding to the virtual image V2 established at the intermediate position passes, and the virtual image generation position of the virtual image optical system 5 is established at the intermediate position to achieve medium magnification. At the same time, the distortion and aberration generated in the virtual image are reduced. Then, the correction optical element described above does not have to be arranged at the position where the light flux corresponding to the virtual image V3 established farthest from the observer passes, that is, the eyepiece constituting the virtual image optical system 5 is formed. Optimal design of the optical system 5a.

このように、基準となる最も遠方に成立する虚像V3に対して接眼光学系5aを最適設計しておき、他方、中間距離に成立するV2および近傍に成立するV1に対しては補正用の光学素子をそれぞれ配置することによれば、中間像結像部4と接眼光学系5aとの間の光学距離を短縮するばかりでなく、それぞれの像位置で成立する虚像の歪みと収差を補正するために最適な構造となる。 In this way, the eyepiece optical system 5a is optimally designed for the virtual image V3 that is established at the farthest point as a reference, while the optical for correction is applied to V2 that is established at an intermediate distance and V1 that is established in the vicinity. By arranging the elements respectively, not only the optical distance between the intermediate image imaging unit 4 and the eyepiece optical system 5a is shortened, but also the distortion and aberration of the virtual image established at each image position are corrected. It has the optimum structure.

また、虚像の歪みや収差を低減するために、中間像結像部を複数用い(分割して同様の効果を得られる)、それぞれを、その虚像位置に合わせて、上記接眼光学系5aに対する最適な位置に配置しても良く、その場合、上記中間結像部の向きを接眼光学系5aの入射瞳方向に向けることによれば、より効率的に映像光を接眼光学系5aに入射させることが可能となる。 Further, in order to reduce the distortion and aberration of the virtual image, a plurality of intermediate image imaging units are used (the same effect can be obtained by dividing them), and each of them is adjusted to the virtual image position to be optimal for the eyepiece optical system 5a. In that case, by directing the direction of the intermediate image forming portion toward the entrance pupil direction of the eyepiece optical system 5a, the image light is more efficiently incident on the eyepiece optical system 5a. Is possible.

本実施形態では、近傍に成立する虚像V1に対応する光束と、中間に成立する虚像V2に対応する光束、および、遠方に成立する虚像V3に対応する光束が分離して虚像光学系5に入射する位置(図5および図6では接眼光学系と平面ディスプレイの間として図示)に、それぞれの虚像に対応して補正用の光学系を配置することにより、虚像の歪み、収差補正を行なうものであるとして説明をした。しかしながら、本発明はこれにのみ限定されず、例えば虚像の成立位置が遠方から近傍にかけて連続的であっても、上記虚像光学系5と中間像結像部4との間の光学距離をそれぞれの虚像の成立位置に対応するように変化させて補正光学素子を配置すればよく、このことは本発明の技術的思想または範囲を逸脱するものではないことは言うまでもない。 In the present embodiment, the light beam corresponding to the virtual image V1 formed in the vicinity, the light beam corresponding to the virtual image V2 formed in the middle, and the light beam corresponding to the virtual image V3 formed in the distance are separated and incident on the virtual image optical system 5. By arranging an optical system for correction corresponding to each virtual image at the position (shown as between the eyepiece optical system and the flat display in FIGS. 5 and 6), the distortion and aberration of the virtual image are corrected. I explained that there is. However, the present invention is not limited to this, and for example, even if the position where the virtual image is formed is continuous from a distance to a vicinity, the optical distance between the virtual image optical system 5 and the intermediate image imaging unit 4 is set. It goes without saying that the adaptive optics element may be arranged so as to correspond to the position where the virtual image is formed, and this does not deviate from the technical idea or scope of the present invention.

<第三の実施形態>
次に、本発明の第三の実施形態である情報表示装置の光学系について図6を用いて説明する。
<Third embodiment>
Next, the optical system of the information display device according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

この図の例では、映像源として平面ディスプレイ(例えば、液晶表示パネル)4aを使用する。バックライト100から照射された光束は、液晶表示パネル4aに表示された映像情報を含んだ映像光束として、虚像光学系5を構成する接眼光学系5aに入射する。上述した第二の実施形態と同様に、液晶表示パネル4aと虚像光学系5を構成する接眼光学系5aとの間に、虚像の発生位置に対応して収差補正用の光学素子を配置する。具体的には、最も近傍に位置するV1に対応する光束が通過する位置には、補正用の光学素子23を配置し、虚像光学系5の虚像発生位置を近傍に近づけ同時に、虚像で発生する歪みと収差を低減する。次いで、中間位置に成立する虚像V2に対応する光束が通過する位置には、補正用の光学素子24を配置し、虚像光学系5の虚像発生位置を中間位置に成立させ中倍率化を図ると同時に、虚像で発生する歪みと収差を低減する。他方、監視者に対して最も遠方に成立する虚像V3に対応する光束が通過する位置には補正用光学素子を配置しなくても良いように、虚像光学系5を構成する接眼光学系5aを最適設計する。 In the example of this figure, a flat display (for example, a liquid crystal display panel) 4a is used as an image source. The luminous flux emitted from the backlight 100 is incident on the eyepiece optical system 5a constituting the virtual image optical system 5 as an image luminous flux including the image information displayed on the liquid crystal display panel 4a. Similar to the second embodiment described above, an optical element for aberration correction is arranged between the liquid crystal display panel 4a and the eyepiece optical system 5a constituting the virtual image optical system 5 according to the position where the virtual image is generated. Specifically, the optical element 23 for correction is arranged at the position where the light beam corresponding to V1 located closest to the passage passes, and the virtual image generation position of the virtual image optical system 5 is brought close to the vicinity, and at the same time, the virtual image is generated. Reduce distortion and aberrations. Next, a correction optical element 24 is arranged at a position where the light beam corresponding to the virtual image V2 established at the intermediate position passes, and the virtual image generation position of the virtual image optical system 5 is established at the intermediate position to achieve medium magnification. At the same time, it reduces the distortion and aberrations that occur in virtual images. On the other hand, the eyepiece optical system 5a constituting the virtual image optical system 5 is provided so that the correction optical element does not have to be arranged at the position where the light flux corresponding to the virtual image V3 established farthest from the observer passes. Optimal design.

この第三の実施形態でも、上記第二の実施形態と同様に、虚像光学系5の設計基準となるように、監視者の最も遠方に成立する虚像V3に対して虚像光学系5を最適設計しておき、中間距離に成立するV2および近傍に成立するV1に対して補正用の光学素子をそれぞれ配置するものとする。これによれば、平面ディスプレイ4aと接眼光学系5aとの間の光学距離を、それぞれに合わせることができるので、それぞれの位置で成立する虚像の歪みと収差を補正するのに最適な構造となる。 Also in this third embodiment, similarly to the second embodiment, the virtual image optical system 5 is optimally designed for the virtual image V3 established at the farthest distance from the observer so as to be a design standard for the virtual image optical system 5. However, it is assumed that the correction optical elements are arranged for V2 established at an intermediate distance and V1 established in the vicinity. According to this, since the optical distance between the planar display 4a and the eyepiece optical system 5a can be adjusted to each, the structure is optimal for correcting the distortion and aberration of the virtual image established at each position. ..

図7には、映像源として複数の平面ディスプレイ(例えば、液晶表示パネル)4b,4c,4dを使用する例を示す。バックライト100b、100c、100dから照射された光束は、液晶表示パネル4b、4c、4dに表示された映像情報を含んだ映像光束として虚像光学系5aに入射する。虚像光学系5aとそれぞれの虚像V3、V2、V1に対応した補正用光学素子の働きについては、上記図6で示した第二の実施形態と同様であり、ここではその説明を省略する。 FIG. 7 shows an example in which a plurality of flat displays (for example, a liquid crystal display panel) 4b, 4c, 4d are used as an image source. The luminous flux emitted from the backlights 100b, 100c, and 100d is incident on the virtual image optical system 5a as an image luminous flux including the image information displayed on the liquid crystal display panels 4b, 4c, and 4d. The functions of the virtual image optical system 5a and the correction optical elements corresponding to the respective virtual images V3, V2, and V1 are the same as those of the second embodiment shown in FIG. 6, and the description thereof will be omitted here.

図8には、映像源として複数の平面ディスプレイ(例えば、液晶表示パネル)4b、4c、4dを使用する他の例を示す。ここでも、バックライト100b、100c、100dから照射された光束は、液晶表示パネル4b、4c、4dに表示された映像情報を含んだ映像光束として接眼光学系5aに入射する。なお、本例では、図からも明らかなように、それぞれの平面ディスプレイを接眼光学系5aの入射瞳方向に傾けることで、より効率よく映像光を取り込むことを可能としている。なお、それぞれの虚像V3、V2、V1に対応した補正用光学素子の働きについては、上記図6で示した第二の実施形態と同様であり、ここではその説明を省略する。 FIG. 8 shows another example in which a plurality of flat displays (for example, liquid crystal display panels) 4b, 4c, and 4d are used as an image source. Here, too, the luminous flux emitted from the backlights 100b, 100c, and 100d is incident on the eyepiece optical system 5a as an image luminous flux including the image information displayed on the liquid crystal display panels 4b, 4c, and 4d. In this example, as is clear from the figure, by tilting each flat display in the direction of the entrance pupil of the eyepiece optical system 5a, it is possible to capture the image light more efficiently. The function of the correction optical element corresponding to each of the virtual images V3, V2, and V1 is the same as that of the second embodiment shown in FIG. 6, and the description thereof will be omitted here.

以上述べた複数の平面ディスプレイ(液晶表示パネル)を使用することで得られる特有の効果を、以下に纏める。 The unique effects obtained by using the plurality of flat displays (liquid crystal display panels) described above are summarized below.

(1)複数の液晶表示パネルを映像源として使用することで合成の解像度を高くすることができる。その結果、虚像全体の情報量を大きくできるので、上記図3に示すように、フロントガラス6のほぼ全域にかけて虚像を成立させることが可能となる。なお、通常は、フロントガラス6の全面に虚像を成立させること無く、図の画像表示領域1(a)、または、画像表示領域1(c)、または、画像表示領域1(a)と1(c)の両方に虚像を成立させる。その結果、上記図4に示すように、走行中の自動車101の運転者が運転中に注視する前方の視界に重ねて、上記図1にも示した周辺監視装置からの映像情報や注意喚起の情報、さらには、ナビゲーションシステムからの情報などを表示でき、いわゆる、仮想現実が実現できる。さらに、右折しようとした場合においても、走行の安全上問題となる歩行者の情報を周辺監視装置で認識した後、撮影した映像情報に注意喚起の情報を重ねて表示することによれば、安全運転のための有効な補助となる。 (1) By using a plurality of liquid crystal display panels as an image source, the resolution of composition can be increased. As a result, the amount of information of the entire virtual image can be increased, and as shown in FIG. 3, it is possible to establish the virtual image over almost the entire area of the windshield 6. Normally, the image display area 1 (a) or the image display area 1 (c), or the image display areas 1 (a) and 1 ( A virtual image is established in both of c). As a result, as shown in FIG. 4, the image information and attention alert from the peripheral monitoring device also shown in FIG. 1 are superimposed on the front view that the driver of the traveling automobile 101 is gazing at while driving. Information, as well as information from the navigation system, can be displayed, and so-called virtual reality can be realized. Furthermore, even if you try to make a right turn, it is safe to display the information of the pedestrian, which is a safety issue for driving, by the peripheral monitoring device, and then display the information of the alert on the captured video information. It is an effective aid for driving.

また、進行方向の左から走行中の自動車102に対しては、安全上問題となれば上記図3の画像表示領域2において注意喚起の映像を断続的に表示するなど、運転者の安全認識強化に役立てることができる。 Further, for the automobile 102 traveling from the left in the traveling direction, if there is a safety problem, the driver's safety awareness is strengthened by intermittently displaying a warning image in the image display area 2 of FIG. Can be useful for.

(2)複数の平面ディスプレイ(液晶表示パネル)を、虚像光学系の物面範囲内の所望な位置に配置することで、得られる虚像成立位置と倍率を、適宜、制御できる。 (2) By arranging a plurality of flat displays (liquid crystal display panels) at desired positions within the object surface range of the virtual image optical system, the obtained virtual image formation position and magnification can be appropriately controlled.

(3)さらに、それぞれの液晶表示パネルの向きを前記接眼光学系5aの入射瞳方向に傾けることで、映像光の利用効率が向上でき明るい虚像を得ることができる。同様に、液晶表示パネルの配置する位置において、成立するそれぞれの虚像の収差と歪み補正に有利なように液晶表示パネルを傾けることで、設計の自由度を向上できる。 (3) Further, by tilting the direction of each liquid crystal display panel toward the entrance pupil direction of the eyepiece optical system 5a, the utilization efficiency of the image light can be improved and a bright virtual image can be obtained. Similarly, at the position where the liquid crystal display panel is arranged, the degree of freedom in design can be improved by tilting the liquid crystal display panel so as to be advantageous for correcting the aberration and distortion of each virtual image that is established.

その結果、上記図6示した虚像光学系よりも設計の自由度が増加し、解像性能と収差補正や歪み補正の自由度を向上すると共に、運転者の視点から見た場合の虚像を所望の位置に成立させることが可能となる。上記の図7には、一例として、3個の液晶表示パネル4b、4c、4dを並列にした例を記載しているが、これに限られず、例えば図8に示すように、接眼光学系5aの光軸方向に対応させてそれぞれを傾けて配置させ、または、図9に示すように、マトリックス状に平面ディスプレイを配置してもよく、さらには、上述した補正光学素子を挿入しても良いことは言うまでもない。この時、それぞれのパネルを虚像光学系の光軸に対して傾けることで歪み補正や収差補正の自由度を向上させることも、同様に、有効である。 As a result, the degree of freedom in design is increased as compared with the virtual image optical system shown in FIG. 6, the resolution performance and the degree of freedom in aberration correction and distortion correction are improved, and a virtual image seen from the driver's point of view is desired. It is possible to establish at the position of. In FIG. 7 above, as an example, an example in which three liquid crystal display panels 4b, 4c, and 4d are arranged in parallel is described, but the present invention is not limited to this, and for example, as shown in FIG. 8, the eyepiece optical system 5a is shown. Each of them may be tilted and arranged in correspondence with the optical axis direction of the above, or a flat display may be arranged in a matrix as shown in FIG. 9, and further, the above-mentioned adaptive optics element may be inserted. Needless to say. At this time, it is also effective to improve the degree of freedom of distortion correction and aberration correction by tilting each panel with respect to the optical axis of the virtual image optical system.

<その他の実施形態>
図10は、本発明の他の実施形態である情報表示装置における映像光源として液晶表示パネル4aとバックライト100を含めた構造の全体の概略を示した断面図である。固体光源である白色LED46からの出射光を、ライトファネル44によって、その発散角を小さくし、かつ、出射光の強度分布を均一化する。その後、光学素子43により略平行光とし、偏光変換用のPBS45において、単一の偏波に揃える。その後、反射面41で反射させ、液晶表示パネル4aに入射させる。この時、液晶表示パネル4aによって得られる映像光束がコントラスト性能の優れたものとなるように、液晶表示パネル4への光束入射角度を制御するための光学素子17を設ける。
<Other embodiments>
FIG. 10 is a cross-sectional view showing an outline of the entire structure including a liquid crystal display panel 4a and a backlight 100 as an image light source in an information display device according to another embodiment of the present invention. The light funnel 44 reduces the divergence angle of the emitted light from the white LED 46, which is a solid light source, and makes the intensity distribution of the emitted light uniform. After that, the light is made substantially parallel by the optical element 43, and is aligned with a single polarization in the PBS 45 for polarization conversion. After that, it is reflected by the reflecting surface 41 and incident on the liquid crystal display panel 4a. At this time, an optical element 17 for controlling the angle of incident light flux on the liquid crystal display panel 4 is provided so that the image light flux obtained by the liquid crystal display panel 4a has excellent contrast performance.

これによれば、液晶表示素子4aの光入射面と出射面には偏光板が設けられ、コントラスト性能の優れた映像光束を得ることができる。さらに、液晶表示パネル4aの出射面にはλ/4板46を設け、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、良好な虚像を監視することができる。 According to this, polarizing plates are provided on the light incident surface and the light emitting surface of the liquid crystal display element 4a, and it is possible to obtain an image luminous flux having excellent contrast performance. Further, it is also possible to provide a λ / 4 plate 46 on the exit surface of the liquid crystal display panel 4a so that the emitted light is circularly polarized. As a result, the driver can monitor a good virtual image even when wearing polarized sunglasses.

以上述べたように映像光源として偏光を用いる液晶表示パネル4aを用いて明るい虚像の映像を得ようとすると、例えば上述の第一の実施形態に係る虚像光学系5を構成する接眼光学系5a(レンズ部の斜視拡大図を図17に示す)を構成する自由曲面ミラー56とシリンダーミラー55の基材はプラスチック成形ミラーまたはガラスプレートを加熱しコンプレッションすることで反射面の形状精度を確保し表面には反射膜を成膜する。この時、明るい虚像を得るためには反射膜の反射率を高くする必要がある。 As described above, when a bright virtual image image is to be obtained by using the liquid crystal display panel 4a using polarization as the image light source, for example, the eyepiece optical system 5a constituting the virtual image optical system 5 according to the first embodiment described above ( The base material of the free curved mirror 56 and the cylinder mirror 55 constituting (the enlarged perspective view of the lens portion is shown in FIG. 17) secures the shape accuracy of the reflective surface by heating and compressing a plastic molded mirror or a glass plate on the surface. Form a reflective film. At this time, in order to obtain a bright virtual image, it is necessary to increase the reflectance of the reflective film.

この時、得られる虚像の明るさと色度の一様性を確保するためには、(1)可視光領域(380nm~780nm)での分光反射率が高く、(2)一様な反射率特性である、ことが重要となる。図12に一般的な金属の分光反射特性を示す。金属としては上記2つの用件を満足するものとして、銀が最も優れている。 At this time, in order to ensure the uniformity of the brightness and chromaticity of the obtained virtual image, (1) the spectral reflectance in the visible light region (380 nm to 780 nm) is high, and (2) the uniform reflectance characteristics. Is important. FIG. 12 shows the spectral reflection characteristics of a general metal. As a metal, silver is the most excellent as it satisfies the above two requirements.

しかしながら耐久性(化合物化して反射率が大きく低下)と価格に課題が有ったため、改良が加えられ現在では耐久性に優れた銀合金の反射膜が実用化されている。 However, since there were problems in durability (compounding and a large decrease in reflectance) and price, improvements were made and a silver alloy reflective film with excellent durability is now in practical use.

銀または銀合金の反射膜のもう1つの優れた特性としては、図11や図12に示したように、この銀または銀合金を基材に成膜して得られた反射膜の反射率は入射角度依存性が小さく、P波とS波による波長依存性も小さい。このため本実施形態の映像光源として液晶表示パネルを用いて特定の偏波を使用する場合にはS偏光を使用する。この結果、S偏光の反射率が高いため明るく良好な虚像が得られる。 Another excellent property of the reflective film of silver or silver alloy is that, as shown in FIGS. 11 and 12, the reflectance of the reflective film obtained by forming a film of this silver or silver alloy on a substrate is The angle of incidence dependence is small, and the wavelength dependence of P and S waves is also small. Therefore, when a liquid crystal display panel is used as the image light source of the present embodiment and a specific polarization is used, S polarization is used. As a result, a bright and good virtual image can be obtained because the reflectance of S polarization is high.

一方、反射膜のコストを抑えるためには近年、反射膜としてアルミニウムを使用し、この表面に光の干渉効果により反射率を向上させる増反射膜を設けることが盛んに行なわれている。図13はアルミニウム反射膜の表面に単層の増反射膜を成膜した場合の分光反射率を示す。図12に示したアルミニウムの反射率に比べ垂直入射(入射角度が0度)の場合には単層の増反射膜を設けることも可視領域での反射率を5%程度向上できるが、同時に反射率の入射角度依存性と波長依存性および偏波依存性(S偏波とP偏波で反射率が異なり、S偏波の反射率が高い)を持つ。 On the other hand, in order to reduce the cost of the reflective film, aluminum is used as the reflective film in recent years, and an augmented reflective film that improves the reflectance by the interference effect of light is actively provided on the surface thereof. FIG. 13 shows the spectral reflectance when a single-layer reflective film is formed on the surface of the aluminum reflective film. In the case of vertical incidence (incident angle is 0 degrees) compared to the reflectance of aluminum shown in FIG. 12, the reflectance in the visible region can be improved by about 5% by providing a single-layer antireflection film, but at the same time, the reflectance is reflected. It has incident angle dependence, wavelength dependence, and polarization dependence (reflectance differs between S polarization and P polarization, and the reflectance of S polarization is high).

さらに反射率を高めるために増反射膜の膜数を5層とした場合の特性を図14に示す。図13に示した単層の増反射膜の特性に対して垂直入射ではさらに3%程度反射率が向上するが、この反射率を維持する波長領域が狭帯域と成ることと入射角依存性がさらに大きくなるため、所望の反射特性を得て表示画面全領域で均一な明るさと一色再現性を得るためにはミラーへの光線入射角度を制御しながら設計する必要がある。 FIG. 14 shows the characteristics when the number of reflective films is 5 in order to further increase the reflectance. The reflectance is further improved by about 3% in vertical incident with respect to the characteristics of the single-layer antireflection film shown in FIG. 13, but the wavelength region that maintains this reflectance becomes a narrow band and the angle of incidence dependence. Since it becomes even larger, it is necessary to design while controlling the angle of light incident on the mirror in order to obtain desired reflection characteristics and obtain uniform brightness and one-color reproducibility in the entire display screen area.

以上述べたように、ミラーに成膜する反射膜は波長依存性、角度依存性、偏波に対する依存性が少ない銀または銀合金の反射膜とすると良い。 As described above, the reflective film formed on the mirror is preferably a silver or silver alloy reflective film having less wavelength dependence, angle dependence, and polarization dependence.

一方、コストを低減するためには、アルミニウムの反射膜に増反射膜を設け、反射率を高める必要がある。この時、図13および図14に示したように、反射率には入射角度依存性と波長依存性があるため、ミラーへの映像光線入射角度は60度以下であれば実用上問題なく、40度以下であれば得られる虚像の全画面領域において均一な明るさと色度が実現できる。 On the other hand, in order to reduce the cost, it is necessary to provide a reflective film on the aluminum reflective film to increase the reflectance. At this time, as shown in FIGS. 13 and 14, since the reflectance has an incident angle dependence and a wavelength dependence, there is no practical problem if the incident angle of the image ray on the mirror is 60 degrees or less, and 40 If it is less than or equal to the degree, uniform brightness and chromaticity can be realized in the entire screen area of the obtained virtual image.

一方、図10に示すように液晶表示パネル4aの出射面にλ/4板46を設け、出射光を円偏光とすることで偏波依存性(S偏波とP偏波で反射率が異なり、S偏波の反射率が高い)を低減しても良い。 On the other hand, as shown in FIG. 10, a λ / 4 plate 46 is provided on the emission surface of the liquid crystal display panel 4a, and the emitted light is circularly polarized, so that the reflectance is different between S polarization and P polarization. , The reflectance of S polarization is high) may be reduced.

さらに、虚像光学系5に最も近接した位置に、紫外線反射膜や紫外線反射膜と赤外線反射膜を合わせた光学部材47を設けることによれば、外光(太陽光)が入射しても、液晶表示パネルおよ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という効果が得られる。 Further, by providing the optical member 47, which is a combination of an ultraviolet reflecting film or an ultraviolet reflecting film and an infrared reflecting film, at a position closest to the virtual image optical system 5, even if external light (sunlight) is incident, the liquid crystal is displayed. Since the display panel and the polarizing plate can be reduced from the temperature rise and damage thereof, the effect that the reliability of the information display device is not impaired can be obtained.

<その他>
以上、本発明の各実施形態の情報表示装置の主要な構成について詳述したが、さらに、以下には、それらを纏めて述べると共に、その他の構成についての詳細についても述べる。
<Others>
The main configurations of the information display device according to each embodiment of the present invention have been described in detail above, but further, they will be summarized and the details of other configurations will be described below.

その内、まず、映像投写装置としては、TFT方式のカラー液晶パネルやカラーフィルタを供えた単板LCOS(Liquid Crystal On Silicon)、OLED(Organic Light Emitting Diode)などの平面ディスプレイである。一方、映像源(中間像表示部)には、小型の液晶パネルやDMD(Digital Mirror Device)などの映像表示素子により映像信号に合わせて光の強度を変調し、この変調された光を投写手段によって中間像表示部に拡大投写する方法があり、その他に、光源光をMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の微細ミラーでスキャンすることで前述の映像投写装置と同様の映像情報を得ることができる。このため、投写手段の最良像面やスキャンによって得られた映像面を中間像表示部の面形状と略一致させ、平面以外の、例えば、球面、非球面、自由曲面として、虚像光学系の設計自由度を大きくすることもできる。また、中間像表示部を複数設置して映像を分割表示しても良い(但し、図1および図5では、中間像表示部を1つとして表示)。 Among them, first, the image projection device is a flat display such as a single plate LCOS (Liquid Crystal On Silicon) provided with a TFT type color liquid crystal panel and a color filter, and an OLED (Organic Light Emitting Diode). On the other hand, the image source (intermediate image display unit) is a small liquid crystal panel or an image display element such as a DMD (Digital Mirror Device) that modulates the light intensity according to the image signal, and the modulated light is projected as a projection means. There is a method of magnifying and projecting on the intermediate image display unit, and in addition, the same image information as the above-mentioned image projection device can be obtained by scanning the light source light with a fine mirror of MEMS (Micro Electro Electro Mechanical Systems). Therefore, the best image plane of the projection means and the image plane obtained by scanning are substantially matched with the surface shape of the intermediate image display unit, and the virtual image optical system is designed as a non-planar surface, for example, a spherical surface, an aspherical surface, or a free curved surface. You can also increase the degree of freedom. Further, a plurality of intermediate image display units may be installed to display the video separately (however, in FIGS. 1 and 5, the intermediate image display unit is displayed as one).

また、虚像光学系は、従来技術において被投影部材とされていた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、フロントガラスと映像投写装置または中間像表示部の間には、フロントガラス側に凹面を向けた凹面ミラーを配置しており、これにより、映像投写装置または中間像表示部に拡大投写された映像を拡大し、フロントガラスにおいて反射する。この時、前述の凹面ミラーと映像投写装置または中間像表示部の間には、複数の光学素子が配置されており、他方、運転者の視点位置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、映像投写装置または中間像表示部との間に配置された前記複数の光学素子を通過し、その際には、互いに分離した位置に配置された光学素子を通過する。そこで、それぞれの光束に対応して光学素子を分割して最適収差補正を行なうことで、運転者の複数の視点位置に対応した視認性の高い虚像を得ることが可能となる。 In addition, the imaginary optical system is optimally designed including the difference between the windshield's radius of curvature in the vehicle horizontal direction and the radius of curvature in the vertical direction of the windshield, which was the member to be projected in the prior art, and the windshield and the image projection device or the middle. A concave mirror with a concave surface facing the windshield is placed between the image display units, thereby enlarging the image projected on the image projection device or the intermediate image display unit and reflecting it on the windshield. .. At this time, a plurality of optical elements are arranged between the concave mirror and the image projection device or the intermediate image display unit, and on the other hand, an enlarged image of the image formed corresponding to the viewpoint position of the driver. The image luminous flux forming the (virtual image) passes through the plurality of optical elements arranged between the image projection device or the intermediate image display unit, and at that time, the optical elements arranged at positions separated from each other are used. pass. Therefore, by dividing the optical element according to each luminous flux and performing optimum aberration correction, it is possible to obtain a highly visible virtual image corresponding to a plurality of viewpoint positions of the driver.

また、上記図7にも示したように、小型の映像表示素子を複数台並べ映像投写装置を構成することで高解像度を安価に実現できる。さらに、上述した虚像光学系に対して複数の映像表示素子の配置場所を変えることで、運転者から見た場合の虚像の発生位置とその倍率とを制御することが可能となる。 Further, as shown in FIG. 7, high resolution can be realized at low cost by arranging a plurality of small image display elements to form an image projection device. Further, by changing the arrangement location of the plurality of image display elements with respect to the above-mentioned virtual image optical system, it is possible to control the position where the virtual image is generated and its magnification when viewed from the driver.

より具体的には本発明では、フロントガラス上部(車体垂直方向上部)に反射されて得られる虚像は、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投写装置および中間像表示部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、前述の凹面ミラーと映像投写装置または中間像表示部の間に配置した複数の光学素子により、合成の焦点距離f1を短くし、または、屈折率が1.0より大きい光学部材を挿入して光学距離L1を長くし、反対に、フロントガラス下部(車体垂直方向下部)に反射されて得られる虚像は、より近傍に結像させるため、合成焦点距離f2を長くまたは光学距離L2を短く必要がある。言い換えると両者の関係は、f1<f2となるように設定されると良い。本発明の目的を実現するためには、上述したように、映像投写装置および中間像表示部を幾つかに分割して必要な情報を表示しても良く、または、連続的な情報表示を行なうことも可能である。 More specifically, in the present invention, the virtual image obtained by being reflected by the upper part of the windshield (the upper part in the vertical direction of the vehicle body) needs to be imaged farther. Therefore, in order to satisfactorily image the image light beam emitted from the upper part of the image projection device and the intermediate image display unit on which the corresponding image is displayed, the above-mentioned concave mirror and the image projection device or the intermediate image display unit are used. The focal length f1 of the composition is shortened by a plurality of optical elements arranged between the two, or an optical member having a refractive index of more than 1.0 is inserted to lengthen the optical distance L1. The virtual image obtained by being reflected by the lower part in the vertical direction of the vehicle body needs to have a long composite focal length f2 or a short optical distance L2 in order to form an image closer to the image. In other words, the relationship between the two should be set so that f1 <f2. In order to realize the object of the present invention, as described above, the image projection device and the intermediate image display unit may be divided into several parts to display necessary information, or continuous information display may be performed. It is also possible.

さらに、図1に示す本発明の一実施形態では、フロントガラス上部(車体垂直方向上部)に反射されて得られる虚像V3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投写装置または中間像表示部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、前述の凹面ミラーと映像投写装置または中間像表示部の間に配置した複数の光学素子の合成焦点距離f1は、短く、反対に、フロントガラス下部(車体垂直方向下部)に反射されて得られる虚像V1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投写装置または中間像表示部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、前述の凹面ミラーと映像投写装置または中間像表示部の間に配置した複数の光学素子の合成焦点距離f2は、相対的に長く設定されると良い。 Further, in one embodiment of the present invention shown in FIG. 1, the virtual image V3 obtained by being reflected by the upper part of the windshield (the upper part in the vertical direction of the vehicle body) needs to be imaged farther. Therefore, in order to satisfactorily image the image light beam emitted from the upper part of the image projection device or the intermediate image display unit on which the corresponding image is displayed, the above-mentioned concave mirror and the image projection device or the intermediate image display unit are used. The combined focal length f1 of the plurality of optical elements arranged between the two is short, and conversely, the virtual image V1 obtained by being reflected by the lower part of the front glass (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 projection device or the intermediate image display unit on which the corresponding image is displayed, the concave mirror and the image projection device or the intermediate image display unit described above are used. The combined focal length f2 of the plurality of optical elements arranged between them may be set relatively long.

また、本発明の一実施形態では、フロントガラスの水平方向(地面に平行)曲率半径と垂直方向(フロントガラス水平方向に垂直な方向)の曲率半径が異なることで運転者が観視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を配置することで、上述した歪みの補正を実現する。 Further, in one embodiment of the present invention, the radius of curvature in the horizontal direction (parallel to the ground) of the front glass and the radius of curvature in the vertical direction (direction perpendicular to the horizontal direction of the front glass) are different, so that the driver observes the imaginary image. By arranging optical elements having different axial symmetries with respect to the optical axis in the imaginary image optical system in order to correct the screen distortion, the above-mentioned distortion correction is realized.

次に、本発明の一実施形態では、映像面をフラットパネルディスプレイとして構成する。具体的には、TFT方式のカラー液晶パネルやカラーフィルタを供えた単板LCOS(Liquid Crystal On Silicon)、OLED(Organic Light Emitting Diode)などの平面ディスプレイである。表示画面サイズとしては、1インチから5インチ程度までが良く、映像光の有効利用を考慮すれば、3インチ程度までが好ましい。また、図7に示すように、小型の平面ディスプレイを複数用いて組み合わせることで所望の解像度を得ることも可能である。 Next, in one embodiment of the present invention, the image plane is configured as a flat panel display. Specifically, it is a flat display such as a single plate LCOS (Liquid Crystal On Silicon) provided with a TFT type color liquid crystal panel and a color filter, and an OLED (Organic Light Emitting Diode). The display screen size is preferably about 1 inch to 5 inches, and preferably about 3 inches in consideration of effective use of video light. Further, as shown in FIG. 7, it is possible to obtain a desired resolution by combining a plurality of small flat displays.

この場合、映像投写装置そのものが虚像光学系の映像源となるため、表示面が平面となるので、設計の自由度としては、虚像光学系の光軸に対して傾斜させるフロントガラスの傾斜を考慮して台形歪みの補正をするなどの自由度が存在する。さらに、複数の平面ディスプレイを用いた情報表示装置では、虚像光学系に対して小型の平面ディスプレイを配置する場所を変えることでも、同様に、上述した虚像の発生位置と倍率を制御できる。 In this case, since the image projection device itself is the image source of the virtual image optical system, the display surface is flat. Therefore, as the degree of freedom in design, the inclination of the front glass to be inclined with respect to the optical axis of the virtual image optical system is considered. There is a degree of freedom such as correcting the trapezoidal distortion. Further, in the information display device using a plurality of planar displays, the above-mentioned virtual image generation position and magnification can be similarly controlled by changing the location where the small planar display is arranged with respect to the virtual image optical system.

また、映像面と虚像光学系の間に運転者の視点位置に向かって映像光束が到達するように集光作用を有する光学素子を配置して、映像面からの出射光線が虚像光学系を通して運転者の眼に効率よく到達させる。また、TFT方式のカラー液晶パネルやカラーフィルタを供えた単板LCOS(Liquid Crystal On Silicon)、OLED(Organic Light Emitting Diode)など、特定の偏光のみを用いる映像投写装置では、光源光を偏光変換して所望の偏波成分のみ取り出す光学素子を光源と映像投写装置の間に設けることで、光源光の有効活用が可能となる。さらに、光源光の発散角度を制御して、前述の映像投写装置からの出力光の内のコントラスト性能の高い角度成分のみを使用することにより、映像のコントラスト性能を高めることも可能となる。 Further, an optical element having a condensing action is arranged between the image plane and the virtual image optical system so that the image light beam reaches the driver's viewpoint position, and the light emitted from the image plane is operated through the virtual image optical system. Efficiently reach the human eye. Further, in an image projection device that uses only specific polarization such as a single plate LCOS (Liquid Crystal On Silicon) equipped with a TFT type color liquid crystal panel and a color filter, and an OLED (Organic Light Emitting Diode), the light source light is polarized and converted. By providing an optical element that extracts only the desired polarization component between the light source and the image projection device, the light source light can be effectively used. Further, by controlling the divergence angle of the light source light and using only the angle component having high contrast performance in the output light from the above-mentioned image projection device, it is possible to improve the contrast performance of the image.

また、フロントガラスの反射面は、運転者の変更などによって運転者の視点位置が複数存在する場合には、フロントガラスの車体垂直方向の曲率半径および車体水平方向の曲率半径の中心位置と運転者の眼の位置とが異なり、そのため、虚像で得られる画像の歪がそれぞれに異なる。このため、例えば自動車の車内において運転者の視点位置を計測するため、カメラ等によって瞳の位置を測定し、予め虚像で発生する歪みを補正するように映像投写装置への表示画像を歪ませておくと良い。 In addition, when there are multiple viewpoint positions of the driver due to changes in the driver, the reflective surface of the front glass is the center position of the radius of curvature in the vertical direction of the vehicle body and the radius of curvature in the horizontal direction of the vehicle body and the driver. The position of the eye is different, and therefore the distortion of the image obtained by the virtual image is different. Therefore, for example, in order to measure the viewpoint position of the driver in a car, the position of the pupil is measured by a camera or the like, and the image displayed on the image projection device is distorted so as to correct the distortion generated in the virtual image in advance. It is good to leave it.

さらに、前述のフロントガラス反射面の形状と運転者の視点位置に起因して生じる表示する文字や図形の歪みは、文字や図形の縦横比を表示画像の位置によって変更することにより、運転者が観視する虚像の形状をより自然に(縦横比がより正しい比率に)表現することができる。 Further, the distortion of the displayed characters and figures caused by the shape of the front glass reflective surface and the position of the driver's viewpoint can be obtained by changing the aspect ratio of the characters and figures according to the position of the displayed image. The shape of the virtual image to be viewed can be expressed more naturally (the aspect ratio is more correct).

以上の結果、本発明の一実施形態である情報表示装置によれば、運転者の複数の視点位置(異なる距離)に視認性の高い虚像を形成することができる。さらに、本発明の一実施形態である情報表示装置によれば、上述した特許文献1および特許文献2に示された技術に比較して、簡単な構成で実現でき、すなわち、装置構造の大型化や複雑化を可能な限り抑制できる。 As a result of the above, according to the information display device according to the embodiment of the present invention, it is possible to form a highly visible virtual image at a plurality of viewpoint positions (different distances) of the driver. Further, according to the information display device according to the embodiment of the present invention, it can be realized with a simpler configuration as compared with the techniques shown in Patent Document 1 and Patent Document 2 described above, that is, the device structure is enlarged. And complexity can be suppressed as much as possible.

また、本発明の一実施形態である情報表示装置では、上記特許文献2に記載の技術に比べ、投写手段の焦点距離を個々の結像手段に合わせて高速で調整する必要が無く、安価で簡単な構成により、近距離(フロントガラスの下方に相当)や遠距離(フロントガラスの上方に相当)など、運転者の視線に適合する位置に、虚像を形成することができる。その結果、利用者にとっては使い勝手に優れた情報表示装置を提供することができる。 Further, in the information display device according to the embodiment of the present invention, as compared with the technique described in Patent Document 2, it is not necessary to adjust the focal length of the projection means at high speed according to each imaging means, and the cost is low. With a simple configuration, a virtual image can be formed at a position suitable for the driver's line of sight, such as a short distance (corresponding to the lower part of the windshield) or a long distance (corresponding to the upper part of the windshield). As a result, it is possible to provide an information display device that is easy for the user to use.

1…情報表示装置、100…バックライト、2…液晶表示パネル、3…リレー光学系、4…中間像結像部(拡散板)、5a…接眼光学系(光学部品)、5…虚像光学系、6…被投影部材(フロントガラス)、7…虚像面、8…アイボックス、9…観察者の眼、10…画像形成ユニット、11…映像投写装置、17…光学素子、20…投写光学系、21…光学素子、22…光学素子、23…光学素子、41…反射面、42…λ/2板、43…光学素子、44…ライトファネル、45…PBS、46…固体光源、47…紫外線および赤外線反射シート、48…λ/4板、51…光学素子(段差フィルタ)、52…凸レンズ(第1光学素子)、53…凹レンズ(第2光学素子)、54…自由曲面レンズ、55…シリンダーミラー(反射ミラー)、56…自由曲面ミラー(反射ミラー、凹面ミラー)、V1、V2、V3…虚像。 1 ... Information display device, 100 ... Backlight, 2 ... Liquid crystal display panel, 3 ... Relay optical system, 4 ... Intermediate image imaging unit (diffusing plate), 5a ... Eyepiece optical system (optical component), 5 ... Virtual image optical system , 6 ... Projected member (front glass), 7 ... Virtual image surface, 8 ... Eye box, 9 ... Observer's eye, 10 ... Image forming unit, 11 ... Image projection device, 17 ... Optical element, 20 ... Projection optical system , 21 ... Optical element, 22 ... Optical element, 23 ... Optical element, 41 ... Reflective surface, 42 ... λ / 2 plate, 43 ... Optical element, 44 ... Light funnel, 45 ... PBS, 46 ... Solid light source, 47 ... Ultraviolet rays And infrared reflective sheet, 48 ... λ / 4 plate, 51 ... optical element (step filter), 52 ... convex lens (first optical element), 53 ... concave lens (second optical element), 54 ... free curved lens, 55 ... cylinder Mirror (reflection mirror), 56 ... Free curved mirror (reflection mirror, concave mirror), V1, V2, V3 ... Virtual image.

Claims (10)

ヘッドアップディスプレイ装置であって、
映像情報を生成する表示素子と、
前記表示素子から出射された映像光に基づいて、観察者の前方に虚像を成立させる光学系と、を備え、
前記光学系は、前記映像光の光路上に配置されている光学素子を含んでおり、
前記光学素子は、前記観察者の視点位置から前記観察者の前方における異なる視野方向および虚像距離にある、所定の近傍位置から所定の遠方位置まで、前記虚像の表示位置を連続的に変化させるように構成されており、
前記近傍位置から前記遠方位置までの間には、複数の位置として、前記観察者の前方における第1の位置と、前記第1の位置より虚像距離が遠い第2の位置と、前記第2の位置より虚像距離が遠い第3の位置とを含み、
前記光学素子は、1個の共通光学素子を有し、前記共通光学素子は、前記映像光の光軸に対し垂直な方向において、前記映像光の光軸の方向に映像光束が通過する際の光学距離を前記異なる虚像距離と対応させて、前記光学距離を連続的に変化させるように構成されており、
前記共通光学素子は、前記第1の位置に形成される第1虚像を成立させるための第1映像光束が通過する第1光学距離変換を行う部分と、前記第2の位置に形成される第2虚像を成立させるための第2映像光束が通過する第2光学距離変換を行う部分と、前記第3の位置に形成される第3虚像を成立させるための第3映像光束が通過する第3光学距離変換を行う部分とを含んでいる、
ヘッドアップディスプレイ装置。
It ’s a head-up display device.
Display elements that generate video information and
An optical system that establishes a virtual image in front of the observer based on the image light emitted from the display element is provided.
The optical system includes an optical element arranged on the optical path of the image light.
The optical element continuously changes the display position of the virtual image from a predetermined near position to a predetermined distant position at different viewing directions and virtual image distances in front of the observer from the viewpoint position of the observer. Is configured in
Between the near position and the distant position, as a plurality of positions, a first position in front of the observer, a second position having a virtual image distance farther than the first position, and the second position. Including the third position where the virtual image distance is farther than the position,
The optical element has one common optical element, and the common optical element is used when an image light beam passes in the direction of the optical axis of the image light in a direction perpendicular to the optical axis of the image light. It is configured to continuously change the optical distance by associating the optical distance with the different virtual image distance .
The common optical element has a portion for performing a first optical distance conversion through which a first image light beam for establishing a first virtual image formed at the first position passes, and a second position formed at the second position. The portion where the second optical distance conversion through which the second image light beam for establishing the 2 virtual image passes and the third image light beam passing through the third image light beam for forming the third virtual image formed at the third position are passed. Including the part that performs optical distance conversion,
Head-up display device.
請求項1記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
前記光学系は、前記表示素子から出射された前記映像光を、フロントガラスで反射させることで、前記虚像を前記観察者の視点から見て前方に表示させる光学系であり、前記映像光の光路上において前記表示素子と前記フロントガラスとの間に配置されている凹面ミラーと、前記光路上で前記表示素子と前記凹面ミラーとの間に配置されている前記光学素子と、前記光路上で前記表示素子と前記凹面ミラーとの間で前記光学素子よりも後に配置されているシリンダーミラーとを含んでおり、
前記フロントガラスの曲面は、水平方向の曲率半径が垂直方向の曲率半径よりも大きい関係を有し、
前記シリンダーミラーは、前記フロントガラスの曲面の形状に起因する歪を補正するための、光軸に対し非対称な形状を持つ、
ヘッドアップディスプレイ装置。
In the head-up display device according to claim 1,
The optical system is an optical system in which the image light emitted from the display element is reflected by the front glass so that the virtual image is displayed forward when viewed from the viewpoint of the observer, and the light of the image light. A concave mirror arranged between the display element and the front glass on the road, an optical element arranged between the display element and the concave mirror on the optical path, and the optical element arranged between the display element and the concave mirror on the optical path, and the optical element on the optical path. It includes a cylinder mirror disposed between the display element and the concave mirror after the optical element.
The curved surface of the windshield has a relationship in which the radius of curvature in the horizontal direction is larger than the radius of curvature in the vertical direction.
The cylinder mirror has a shape asymmetrical with respect to the optical axis for correcting distortion caused by the shape of the curved surface of the windshield.
Head-up display device.
請求項1記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
前記光学系は、前記表示素子から出射された前記映像光を、フロントガラスで反射させることで、前記虚像を前記観察者の視点から見て前方に表示させる光学系であり、前記映像光の光路上において前記表示素子と前記フロントガラスとの間に配置されている凹面ミラーと、前記光路上で前記表示素子と前記凹面ミラーとの間に配置されている前記光学素子とを含んでおり、
前記凹面ミラーは、前記虚像の歪を補正するための、前記映像光の光軸に対し回転非対称な形状を持つ自由曲面ミラーを有する、
ヘッドアップディスプレイ装置。
In the head-up display device according to claim 1,
The optical system is an optical system in which the image light emitted from the display element is reflected by a front glass so that the virtual image is displayed forward when viewed from the viewpoint of the observer, and the light of the image light. It includes a concave mirror arranged between the display element and the front glass on the road and an optical element arranged between the display element and the concave mirror on the optical path.
The concave mirror has a free curved mirror having a shape that is rotationally asymmetric with respect to the optical axis of the image light for correcting the distortion of the virtual image.
Head-up display device.
請求項1記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
前記光学系は、前記表示素子から出射された前記映像光を、フロントガラスで反射させることで、前記虚像を前記観察者の視点から見て前方に表示させる光学系であり、前記映像光の光路上において前記表示素子と前記フロントガラスとの間に配置されている凹面ミラーと、前記光路上で前記表示素子と前記凹面ミラーとの間に配置されている前記光学素子とを含んでおり、
前記光学系は、前記光路上で前記表示素子と前記凹面ミラーとの間で前記光学素子よりも後に、前記虚像の歪を補正するための、前記映像光の光軸に対し回転非対称な形状を持つ自由曲面レンズを有する、
ヘッドアップディスプレイ装置。
In the head-up display device according to claim 1,
The optical system is an optical system in which the image light emitted from the display element is reflected by a front glass so that the virtual image is displayed forward when viewed from the viewpoint of the observer, and the light of the image light. It includes a concave mirror arranged between the display element and the front glass on the road and an optical element arranged between the display element and the concave mirror on the optical path.
The optical system has a shape that is rotationally asymmetric with respect to the optical axis of the image light for correcting the distortion of the virtual image after the optical element between the display element and the concave mirror on the optical path. Have a free curved lens
Head-up display device.
請求項1記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
前記共通光学素子における前記光学距離を連続的に変化させる形状は、前記映像光の光軸の方向の物理長と屈折率とによって設計されている、
ヘッドアップディスプレイ装置。
In the head-up display device according to claim 1,
The shape of the common optical element that continuously changes the optical distance is designed by the physical length and the refractive index in the direction of the optical axis of the image light.
Head-up display device.
請求項1記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
前記表示素子は、液晶表示パネルを有する、ヘッドアップディスプレイ装置。
In the head-up display device according to claim 1,
The display element is a head-up display device having a liquid crystal display panel.
請求項1記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
前記表示素子は、映像投写装置と、前記映像投写装置からの光を結像する中間像結像部と、を有する、ヘッドアップディスプレイ装置。
In the head-up display device according to claim 1,
The display element is a head-up display device having an image projection device and an intermediate image forming unit that forms an image of light from the image projection device.
請求項1記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
前記表示素子は、前記映像光の光軸に対し垂直な方向に配列された、複数枚の平面型表示素子を有する、ヘッドアップディスプレイ装置。
In the head-up display device according to claim 1,
The display element is a head-up display device having a plurality of planar display elements arranged in a direction perpendicular to the optical axis of the image light.
請求項8に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
前記複数枚の平面型表示素子の各平面型表示素子は、前記複数の位置および各虚像の倍率を制御するために、前記光軸の方向において異なる位置に配置されている、ヘッドアップディスプレイ装置。
In the head-up display device according to claim 8,
A head-up display device in which each of the plurality of planar display elements is arranged at different positions in the direction of the optical axis in order to control the plurality of positions and the magnification of each virtual image.
請求項8に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
前記複数枚の平面型表示素子の各平面型表示素子は、前記光学系の前記光軸上の所定の位置を向くように配置されている、ヘッドアップディスプレイ装置。
In the head-up display device according to claim 8,
A head-up display device in which each of the plurality of planar display elements is arranged so as to face a predetermined position on the optical axis of the optical system.
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