JP7128448B2 - head-up display device - Google Patents
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Description
本発明は、フレネル素子が組み込まれ、虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。 The present invention relates to a head-up display device incorporating a Fresnel element and displaying a virtual image.
フォークリフトや重機などの産業機械において、安全運転支援システムとしてヘットアップディスプレイを搭載したいという要望がある。現存のシステムでは、LCDを作業者の視界を妨げないコントロールパネル付近に設置し、情報を表示したLCDを確認するシステムとなっているが、LCDに表示された情報を確認するためには作業者の大きな視線移動や焦点移動が必要となり、作業者の身体的な負担を大きくしているという課題がある。ヘッドアップディスプレイを用いることで、作業者は通常作業時から大きな視線移動と焦点移動とをすることなく情報を確認することができるため作業者の身体的な負担も少なく、必要な情報をリアルタイムで確認することも可能となる。 There is a demand to install a head-up display as a safe driving support system in industrial machinery such as forklifts and heavy machinery. In the existing system, the LCD is installed near the control panel where the operator's field of vision is not obstructed, and the information displayed on the LCD is checked. There is a problem that a large amount of line-of-sight movement and focal point movement are required, increasing the physical burden on the worker. By using a head-up display, workers can check information without having to move their line of sight or focus much during normal work, which reduces the physical burden on workers and allows necessary information to be displayed in real time. It is also possible to confirm.
ヘッドアップディスプレイでは、凹面鏡の機能を持つ表示スクリーンと、情報を表示する描画デバイスとによって作られる虚像を作業者が確認できる。虚像のFOV(視野角)を広くしようとすると、表示スクリーンのサイズや曲率が大きくなり、表示スクリーンの存在感が増してしまう。また、産業機械では作業者の安全性(衝突回避)や作業性(視界確保)の観点から、表示スクリーンや描画デバイスなどを配置できるスペースが限られるが、フレネル構造を内部に持つ平板状の表示スクリーンを用いることで、作業者の安全性と作業性とを確保でき、表示スクリーンの存在感を軽減したヘッドアップディスプレイ装置とすることができる。しかしながら、表示スクリーンの内部にフレネル構造を有するため、屋外使用時に太陽などの高輝度光源からの光が様々な位置から入射することを想定した場合、光源からの光が表示スクリーンに映り込むおそれがある。 A head-up display allows an operator to see a virtual image created by a display screen that functions as a concave mirror and a drawing device that displays information. An attempt to widen the FOV (viewing angle) of the virtual image increases the size and curvature of the display screen, increasing the presence of the display screen. In addition, in industrial machinery, from the viewpoint of worker safety (collision avoidance) and workability (ensure visibility), the space where display screens and drawing devices can be placed is limited. By using the screen, the safety and workability of the operator can be ensured, and the head-up display device can reduce the presence of the display screen. However, since the display screen has a Fresnel structure inside, when it is assumed that light from a high-intensity light source such as the sun is incident from various positions during outdoor use, there is a risk that the light from the light source will be reflected on the display screen. be.
ヘッドアップディスプレイとして、例えば、表示像を構成する光を射出する光源部と、フロントガラスの傾斜方向と同じ方向に配置された光学素子とを備え、表示像を構成する光を光学素子で反射することで当該表示像を虚像として視認できるものが公知となっている(特許文献1)。上記光学素子は、平板内にフレネル構造のハーフミラーを有し、当該ハーフミラーによって光源部からの光を反射している。しかしながら、特許文献1のヘッドアップディスプレイでは、上記光学素子のフレネル構造の機能面と非機能面とのなす角が90°以下であり、高輝度光源からの光が様々な位置から入射することを想定した場合、高輝度光源からの光が表示スクリーンに映り込むという課題が残る。
As a head-up display, for example, it includes a light source unit that emits light that forms a display image, and an optical element that is arranged in the same direction as the tilt direction of the windshield, and the light that forms the display image is reflected by the optical element. Thus, it is known that the displayed image can be visually recognized as a virtual image (Patent Document 1). The optical element has a Fresnel structure half mirror in a flat plate, and the half mirror reflects the light from the light source. However, in the head-up display of
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、高輝度光源からの光が表示スクリーンに映り込むことを軽減するヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a head-up display device that reduces reflection of light from a high-brightness light source on a display screen.
上記目的を達成するためのヘッドアップディスプレイ装置は、描画デバイスと、描画デバイスからの光を反射する表示スクリーンとを備え、表示スクリーンは、機能面と非機能面とを有するフレネル構造部を内部に持ち、機能面と非機能面とにはハーフミラーコートがコーティングされ、フレネル構造部の機能面の基準となる形状は、曲面であり、フレネル構造部は、表示スクリーンの表面に対する機能面の傾きをaとし、機能面と非機能面とのなす角をbとしたときに、以下の条件式を満たす。
180°-3・a<b<180°-0.5・a … (1)
ここで、フレネル構造部の機能面の基準となる形状である曲面は、例えば自由曲面又は軸対称非球面の一部を含む。
A head-up display device for achieving the above object comprises a drawing device and a display screen for reflecting light from the drawing device, wherein the display screen has a Fresnel structure inside which has a functional surface and a non-functional surface. The functional surface and the non-functional surface are coated with a half-mirror coat, and the reference shape of the functional surface of the Fresnel structure is a curved surface. The following conditional expression is satisfied, where a is the angle formed by the functional surface and the non-functional surface is b.
180°-3・a<b<180°-0.5・a (1)
Here, the curved surface, which is the reference shape of the functional surface of the Fresnel structure portion, includes, for example, a part of a free curved surface or an axisymmetric aspherical surface.
上記ヘッドアップディスプレイによれば、条件式(1)の値bが上限値を越えた場合、機能面の面積が狭くなりすぎてしまい、虚像の輝度や解像度の低減を招いてしまう。一方、条件式(1)の値bが下限値よりも小さい場合、高輝度光源が表示スクリーンに映り込む範囲を限定することができない。条件式(1)の値bが上記範囲を満たすことにより、虚像のFOVが広くても作業者の安全性と作業性とを確保でき、高輝度光源からの光が表示スクリーンに映り込む範囲を特定位置に制限し、かつ表示スクリーンの表面で生じるゴーストを軽減することができる。 According to the above head-up display, when the value b of conditional expression (1) exceeds the upper limit, the area of the functional surface becomes too small, resulting in reduction in brightness and resolution of the virtual image. On the other hand, when the value b of conditional expression (1) is smaller than the lower limit, it is not possible to limit the range in which the high-brightness light source is reflected on the display screen. By satisfying the above range for the value b of conditional expression (1), it is possible to ensure the safety and workability of the operator even if the FOV of the virtual image is wide, and the range in which the light from the high-intensity light source is reflected on the display screen is reduced. It can be confined to a specific position and reduce ghosting that occurs on the surface of the display screen.
本発明の具体的な1つの側面では、上記ヘッドアップディスプレイ装置において、フレネル構造部の機能面の基準となる形状は自由曲面である。この場合、高倍率の光学系が可能となり、高い光学特性(解像度や目の位置をずらしたときの像歪み)を維持したまま、虚像のFOVを広くすることができる。 According to a specific aspect of the present invention, in the above head-up display device, the shape serving as a reference for the functional surface of the Fresnel structure is a free curved surface. In this case, a high-magnification optical system is possible, and the FOV of the virtual image can be widened while maintaining high optical characteristics (resolution and image distortion when the position of the eye is shifted).
本発明の別の側面では、表示スクリーンの透過率は、70%以上である。この場合、虚像を表示スクリーンに表示させつつ、外界像も十分に視認可能な状態とすることができ、作業の安定性を維持することができる。 In another aspect of the invention, the display screen has a transmittance of 70% or greater. In this case, while the virtual image is displayed on the display screen, the external image can be sufficiently viewed, and the stability of the work can be maintained.
本発明のさらに別の側面では、フレネル構造部は、以下の条件式を満たす。
5°≦a≦25° … (2)
条件式(2)の値aを下限値以上とすることで、表示スクリーン表面で発生するゴースト(スクリーンの表面反射による虚像)を回避することができ、条件式(2)の値aを上限値以下とすることで、虚像の光学特性を良好にすることができる。
In still another aspect of the present invention, the Fresnel structure satisfies the following conditional expressions.
5°≦a≦25° (2)
By making the value a of conditional expression (2) equal to or higher than the lower limit, it is possible to avoid ghosts (virtual images due to surface reflection of the screen) occurring on the surface of the display screen. The optical characteristics of the virtual image can be improved by doing the following.
本発明のさらに別の側面では、フレネル構造部は、角部にR形状部を有し、R形状部の幅をAとし、R形状部の曲率半径をBとしたときに、以下の条件式を満たす。
A≦10μm … (3)
5μm≦B≦20μm … (4)
条件式(3)及び(4)の範囲を満たすことにより、屋外使用時に太陽などの高輝度光源からの光がフレネル構造部の角部に入射することで発生するゴーストを軽減することができる。
In still another aspect of the present invention, the Fresnel structure portion has an R-shaped portion at the corner, the width of the R-shaped portion is A, and the radius of curvature of the R-shaped portion is B, the following conditional expression: meet.
A≦10 μm (3)
5 μm≦B≦20 μm (4)
By satisfying the ranges of conditional expressions (3) and (4), it is possible to reduce the ghost caused by light from a high-intensity light source such as the sun entering the corners of the Fresnel structure during outdoor use.
本発明のさらに別の側面では、表示スクリーンは、平板である。ここで、平板は、平面を有するものに限らず、曲面を有していてもよく、例えば曲率半径をEとして、|E|>1000mmであればよい。この場合、表示スクリーンをフラットなウインドシールドに近づけることが容易になったり、表示スクリーン自体を目立たないものとしたりできる。 In yet another aspect of the invention, the display screen is flat. Here, the flat plate is not limited to having a flat surface, and may have a curved surface. In this case, it becomes easier to bring the display screen closer to a flat windshield, and the display screen itself can be made inconspicuous.
本発明のさらに別の側面では、表示スクリーンは、移動体のウインドシールドに固定されている。この場合、ウインドシールドが表示スクリーンの支持体として機能し、表示スクリーンの周囲に配置される遮光体を少なくすることができる。 In yet another aspect of the invention, the display screen is fixed to the windshield of the vehicle. In this case, the windshield functions as a support for the display screen, and the number of light shields arranged around the display screen can be reduced.
〔第1実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置の第1実施形態について説明する。
[First Embodiment]
A first embodiment of a head-up display device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1(A)及び1(B)は、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置を搭載した移動体の側面図及び正面図である。ヘッドアップディスプレイ(HUD:Head-Up Display)装置100は、移動体2であるフォークリフトに搭載されており、第1虚像投影光学系10Aと第2虚像投影光学系10Bとを備える。第1虚像投影光学系10Aは、第1描画ユニット11と第1表示スクリーン21とを備え、第2虚像投影光学系10Bは、第2描画ユニット12と第2表示スクリーン22とを備える。第1及び第2虚像投影光学系10A,10Bは、描画ユニット11,12中の後述する描画デバイスに表示されている画像情報を、表示スクリーン21,22を介して運転者(観察者)DRに虚像表示するものである。なお、図1に示すヘッドアップディスプレイ装置100は2つの虚像投影光学系を備えているが、単独で用いても良い。
1(A) and 1(B) are a side view and a front view of a moving body on which the head-up display device of this embodiment is mounted. A head-up display (HUD: Head-Up Display)
移動体2は、正面側のフレーム2fに挟まれた状態でフレーム2fに支持されたウインドシールド8を有し、上部にルーフ部2tを有する。ウインドシールド8の下部内側には、ハンドル等を含む操作部2dが配置され、運転者DRによる移動体2の操縦を可能にしている。なお、移動体2は、フォークリフトとして、チルト可能なマスト3aや、マスト3aに支持されて昇降するフォーク3bを有する。
The
第1虚像投影光学系10Aのうち第1描画ユニット11は、ウインドシールド8と操作部2dとの間に設置されて操作部2d側に固定されており、運転関連情報や危険信号等を含む画像に対応する表示光HK1を、半透過性を有する第1表示スクリーン21に向けて射出する。第1表示スクリーン21は、ウインドシールド8に直接固定されている。これにより、ウインドシールド8が第1表示スクリーン21の支持体として機能し、第1表示スクリーン21の周囲に配置される遮光体を少なくすることができる。第1表示スクリーン21は、コンバイナーとも呼ばれ、半透過性を有する平板状のフレネル素子又はフレネルミラーである。これにより、第1表示スクリーン21をフラットなウインドシールド8に近づけることが容易になったり、第1表示スクリーン21自体を目立たないものとしたりできる。なお、平板は、平面を有するものに限らず、曲面を有していてもよく、例えば曲率半径をEとして、|E|>1000mmであればよい。第1表示スクリーン21又はその有効領域は、矩形の輪郭を有し、横長である。つまり、第1表示スクリーン21又はその有効領域は、縦のVY方向よりも横のVX方向に関して大きなサイズを有する。第1表示スクリーン21によって所定の反射角で反射された表示光HK1は、運転席6に座った運転者DRの瞳PUに導かれる。
The
第2虚像投影光学系10Bのうち第2描画ユニット12は、ウインドシールド8とルーフ部2tとの境界の窪みに設置されてルーフ部2tに固定されており、運転関連情報や危険信号等を含む画像に対応する表示光HK2を、半透過性を有する第2表示スクリーン22に向けて射出する。第2表示スクリーン22は、支持部材14等を利用してウインドシールド8に固定されている。第2表示スクリーン22は、コンバイナーとも呼ばれ、半透過性を有する平板状のフレネル素子又はフレネルミラーである。第2表示スクリーン22又はその有効領域は、矩形の輪郭を有し、横長である。つまり、第2表示スクリーン22又はその有効領域は、縦のVY方向よりも横のVX方向に関して大きなサイズを有する。第2表示スクリーン22によって所定の反射角で反射された表示光HK2は、運転席6に座った運転者DRの瞳PUに導かれる。
The
図2に示すように、第1虚像投影光学系10Aの第1表示スクリーン21で反射された表示光HK1は、運転者DRの瞳PU及びその周辺位置に対応するアイボックスEBに導かれる。一方、運転者DRは、第1表示スクリーン21を透過した外界光、つまり前方景色、自動車等の実像を観察することができる。結果的に、運転者DRは、第1表示スクリーン21の背後の外界像に重ねて、第1表示スクリーン21での表示光HK1の反射によって形成される運転関連情報や危険信号等を含む表示像(虚像)IM1を観察することができる。第1表示スクリーン21は、横方向に延びる鉛直平面であるVX-VY平面に対して-VX側の横方向から見て時計方向に傾斜して配置されている。つまり、第1表示スクリーン21は、上端側でアイボックスEBに近づくように鉛直のVZ方向に対して内側に傾斜している。第1表示スクリーン21は、第1描画ユニット11に対して縦のVY方向も異なる位置に配置されているが、横のVX方向には殆ど同じ位置に配置されている。第1表示スクリーン21は、全体として正のパワーを有し、凹面鏡と同様に機能する。
As shown in FIG. 2, the display light HK1 reflected by the
第2虚像投影光学系10Bの第2表示スクリーン22で反射された表示光HK2は、運転者DRの瞳PU及びその周辺位置に対応するアイボックスEBに導かれる。一方、運転者DRは、第2表示スクリーン22を透過した外界光又は外界像を観察することができる。結果的に、運転者DRは、第2表示スクリーン22の背後の外界像に重ねて、第2表示スクリーン22での表示光HK2の反射によって形成される運転関連情報等を含む表示像(虚像)IM2を観察することができる。第2表示スクリーン22は、横方向に延びる鉛直平面であるVX-VY平面に対して略平行な方向に延びるように配置されている。ただし、第2表示スクリーン22は、第2描画ユニット12に対して縦のVY方向だけでなく横のVX方向にも異なる位置に配置されている。第2表示スクリーン22は、全体として正のパワーを有し、凹面鏡と同様に機能する。
The display light HK2 reflected by the
以上において、第2表示スクリーン22は、第2表示スクリーン22の上端部TEでウインドシールド8に直接固定され、下端部BEで支持部材14を介してウインドシールド8に間接的に固定されている。ここで、第2表示スクリーン22が鉛直方向に延びる鉛直平面であるVX-VY平面に対して略平行な方向に延びるように配置されているので、第2表示スクリーン22の上端部TEが目立たない状態となっている。つまり、第2表示スクリーン22の上端部TEは、一定の幅を有し、これに対して垂直な方向から所定以上上側に傾いた方向から見た場合、ある角度幅を有して目立った状態となる。しかしながら、第2表示スクリーン22が鉛直平面であるVX-VY平面に対して略平行な方向に延びるように配置されていれば、第2表示スクリーン22の上端部TEが一定の幅を有していても比較的目立ちにくいものとなる。
In the above, the
第1描画ユニット11は、描画デバイス11aと照明部11bと表示駆動回路11cとを備える。描画デバイス11aは、2次元的な表示面11sを有する液晶ディスプレイ(LCD)である。表示面11sに形成された像からの表示光HK1は、直進して第1表示スクリーン21に入射する。ここで、描画デバイス11aすなわち表示面11sは、縦のVY方向よりも横のVX方向に関して大きなサイズを有する。図2に示す照明部11bは、描画デバイス11aを背後から照明する光を射出するLEDその他の光源を有する。表示駆動回路11cは、描画デバイス11aに表示動作を行わせる。なお、描画デバイス11aからの表示光HK1を第1表示スクリーン21に効率良く入射させるため、照明部11bから射出させる照明光の角度分布を調整することができ、或いは描画デバイス11aの射出面に表示光HK1の角度分布を画素単位又は全体で調整する光学素子を配置することができる。以上では、描画デバイス11aとして、LCDを用いる例を説明したが、他の種類の表示素子、例えば有機EL等の自発光型の表示素子、DMDやLCOS等の反射型の表示素子と、投射レンズ及び拡散板とを組み合わせた光学系を用いることができる。また、描画デバイス11aとして、また、描画デバイス11aとして、上記のような反射型の素子の代わりに、MEMSと拡散板とを組み合わせた光学系を利用した走査型の映像素子を用いてもよい。
The
第2描画ユニット12は、描画デバイス12aと照明部12bと表示駆動回路12cとを備える。描画デバイス12aは、2次元的な表示面12sを有する液晶ディスプレイ(LCD)である。表示面12sに形成された像からの表示光HK2は、直進して第2表示スクリーン22に入射する。ここで、描画デバイス12aすなわち表示面12sは、縦のVY方向よりも横のVX方向に関して大きなサイズを有する。図2に示す照明部12bは、描画デバイス12aを背後から照明する光を射出するLEDその他の光源を有する。表示駆動回路12cは、描画デバイス12aに表示動作を行わせる。なお、描画デバイス12aからの表示光HK2を第2表示スクリーン22に効率良く入射させるため、照明部12bから射出させる照明光の角度分布を調整することができ、或いは描画デバイス12aの射出面に表示光HK2の角度分布を画素単位又は全体で調整する光学素子を配置することができる。描画デバイス12aとして、第1描画ユニット11の場合と同様に、自発光型の表示素子、或いは反射型の表示素子と、投射レンズ及び拡散板とを組み合わせた光学系を用いることができる。また、描画デバイス12aとして、MEMSと拡散板とを組み合わせた光学系を利用した走査型の映像素子を用いてもよい。
The
図3(A)及び3(B)に示すように、第1表示スクリーン21は、フレネル素子(フレネルミラー)50となっている。フレネル素子50は、円弧状のぎざぎざの突起が略所定のピッチP1で一方向に繰り返し形成されたフレネル構造部51を有している。フレネル構造部51は、軸外し型又は偏芯型のパターンを有している。具体的には、図示のフレネル構造部51は、輪帯を構成する個々の弧の法線が全体として略下方向に向かうように配置されている。フレネル構造部51は、円弧状の光学面51aと、平坦な段差面51bとを有する。光学面51aは、機能面に相当し、段差面51bは、非機能面に相当する。機能面は、例えば曲面を表す所定の関数を与えられている面であり、それ以外は非機能面となっている。光学面51aは、基準となる凹形状の自由曲面に基づいて形成されている。つまり、自由曲面の光学原点からの高さを参照して複数の帯状領域に分割し複数の光学面51aに振り分けている。光学面51aの基準となる形状を自由曲面とすることにより、高倍率の光学系が可能となり、高い光学特性(解像度や目の位置をずらしたときの像歪み)を維持したまま、虚像のFOVを広くすることができる。フレネル構造部51は、例えば、フレネル構造部51の高さを同じにして自由曲面に応じたフレネル構造部51のピッチP1を決定したり、フレネル構造51のピッチP1を同じにしてフレネル構造部51の高さを決定したりできる。また、フレネル構造部51の高さ(段差面51bの第1表示スクリーン21の厚さ方向の長さ)については、100μm以下であることが好ましい。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the
図4(A)及び4(B)に示すように、第2表示スクリーン22は、フレネル素子(フレネルミラー)150となっている。フレネル素子150は、円弧状のぎざぎざの突起が略所定のピッチP2で一方向に繰り返し形成されたフレネル構造部151を有している。フレネル構造部151は、軸外し型又は偏芯型のパターンを有している。具体的には、図示のフレネル構造部151は、輪帯を構成する個々の弧の法線が全体として右上方向に向かうように配置されている。フレネル構造部151は、円弧状の光学面51aと、平坦な段差面51bとを有する。第1表示スクリーン21と同様に、光学面51aは、機能面に相当し、段差面51bは、非機能面に相当する。フレネル構造部151のピッチP2は、例えば場所に応じて変化させることができるが、場所に関わらず一定とすることもできる。また、フレネル構造部151の高さ(段差面51bの第2表示スクリーン22の厚さ方向の長さ)については、100μm以下であることが好ましい。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the
図3(B)及び図4(B)に示すように、フレネル素子50,150は、2枚の基材53で構成されている。フレネル構造部51,151は、各基材53の一方の面に設けられており、それらが対向している。フレネル素子50は、フレネル構造部51としてハーフミラーコート層からなるハーフミラー52を有している。つまり、フレネル構造部51において、光学面51a(機能面)と段差面51b(非機能面)とには、ハーフミラーコートがコーティングされている。基材53は、樹脂等で形成され、ハーフミラー52は、金属や誘電体多層膜で形成される。基材53の樹脂材料としては、UV硬化樹脂等が用いられる。ハーフミラー52における反射率は30%程度、透過率は70%程度であることが好ましく、より好ましくは反射率は10%程度、透過率は90%程度であることが好ましい。透過率を70%以上とすることにより、虚像を第1及び第2表示スクリーン21,22越しに表示させつつ、外界像も十分に視認可能な状態とすることができ、作業の安定性を維持することができる。図3(C)に示すように、ハーフミラー52を有していない一方の基材153は平面板でもよいが、その場合には、ハーフミラー52と反対側の基材153との間を略同一の屈折率(境界での反射率が波長530nmの光において0.1%以下)を有する媒質54、具体的にはUV硬化樹脂等で満たす。結果的に、図3(C)に示すハーフミラー52は、略同一の屈折率を有する一対の基材53,153で挟まれている状態となっている。これにより、虚像を視認できるだけでなく、フレネル素子50,150を透過した外界光、つまり前方景色、自動車等の実像を歪みのない透過像として視認できる。また、フレネル素子50,150の表面には、反射防止コートを形成することができる。反射防止コートは、誘電体多層膜で形成され、下地としてハードコート層を含むものであってもよい。
As shown in FIGS. 3(B) and 4(B), the
また、図3(D)に示すように、フレネル素子50,150の表面にPETシート55を設けてもよく、PETシート55の表面には反射防止コートがコーティングされていてもよい。なお、PETシート55の代わりに、アクリルシート、PCシート、COPシートなどを用いてもよい。
Further, as shown in FIG. 3D, a
フレネル構造部51,151の機能面である光学面51aは、自由曲面であり、非機能面である段差面51bによって所定の厚みを有する平板面内に収められているが、段差面51bを除いた場合、連続的に延びる曲面からなり、全体としてアイボックスEB側に凹とされた自由曲面の一部となる。
The
図3(B)及び図4(B)に示すように、フレネル構造部51,151は、第1及び第2表示スクリーン表面SA1に対する光学面51a(機能面)の傾きをaとし、光学面51aと段差面51b(非機能面)とのなす角をbとしたときに、以下の条件式を満たす。
180°-3・a<b<180°-0.5・a … (1)
ここで、光学面51aの傾きaは、第1及び第2表示スクリーン表面SA1に対して90°以下の小さい方の角度である。
As shown in FIGS. 3B and 4B, in the
180°-3・a<b<180°-0.5・a (1)
Here, the inclination a of the
条件式(1)の値bが上限値を越えた場合、光学面51a(機能面)の面積が狭くなりすぎてしまい、虚像の輝度や解像度の低減を招いてしまう。一方、条件式(1)の値bが下限値よりも小さい場合、詳細は後述するが、高輝度光源が第1及び第2表示スクリーン21,22に映り込む範囲を限定することができない。
If the value b of conditional expression (1) exceeds the upper limit, the area of the
また、フレネル構造部51,151は、以下の条件式を満たす。
5°≦a≦25° … (2)
条件式(2)の値aを下限値以上とすることで、第1及び第2表示スクリーン表面SA1で発生するゴースト(第1及び第2表示スクリーン21,22の表面反射による虚像)を回避することができ、条件式(2)の値aを上限値以下とすることで、虚像の光学特性を良好にすることができる。
Moreover, the
5°≦a≦25° (2)
By setting the value a of conditional expression (2) to be equal to or greater than the lower limit value, ghosts (virtual images due to surface reflections of the first and second display screens 21 and 22) generated on the first and second display screen surfaces SA1 are avoided. By setting the value a of conditional expression (2) to be equal to or less than the upper limit, the optical characteristics of the virtual image can be improved.
図2に示すように、表示制御装置18は、第1及び第2虚像投影光学系10A,10Bに画像信号や制御信号を出力し、第1及び第2虚像投影光学系10A,10Bを個別に動作させることにより、第1及び第2表示スクリーン21,22の背後に表示像IM1,IM2を表示させる。
As shown in FIG. 2, the
以上において、ヘッドアップディスプレイ装置100は、2つの表示用光学系、つまり第1及び第2虚像投影光学系10A,10Bを含むが、第1及び第2虚像投影光学系10A,10Bのいずれか一方のみを組み込むこともできる。
In the above description, the head-up
以上で説明したヘッドアップディスプレイ(HUD)装置100によれば、フレネル構造部51の機能面である光学面51aと非機能面である段差面51bとのなす角bが条件式(1)の範囲を満たすことにより、虚像のFOVが広くても運転者(作業者)DRの安全性と作業性とを確保でき、高輝度光源からの光が第1表示スクリーン21に映り込む範囲を特定位置に制限し、かつ第1表示スクリーン21の表面で生じるゴーストを軽減することができる。
According to the head-up display (HUD)
〔実施例〕
以下、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置100の具体的な実施例について説明する。以下に示す実施例のデータにおいて、Si(i=0,1,2,3,…)は、表示像(虚像)を形成する虚像面側から数えてi番目の面(表示像の虚像面を第0番目の面とする)を示している。虚像面に対応する第0面S0に続く第1面S1は、仮想的な面であり、第3面S3は、瞳PUに相当する。
〔Example〕
Specific examples of the head-up
虚像投影光学系10A,10Bを構成する各面Siの配置は、面頂点座標(x,y,z)と回転角度(ADE,BDE,CDE)とでそれぞれ特定される。各面Siの面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系(X,Y,Z)の原点として、グローバルな直交座標系(x,y,z)におけるローカルな直交座標系(X,Y,Z)の原点の座標(x,y,z)で表されている(単位はmm)。ここで、グローバルな座標軸xは、図2に示すVX軸に平行又は略平行に設定され、グローバルな座標軸yは、図2に示すVY軸に平行又は略平行に設定され、グローバルな座標軸zは、図2に示すVZ軸に平行又は略平行に設定される。また、各面Siの傾きは、その面頂点を中心として、X軸回りのADE又は回転角度(α回転)、Y軸回りのBDE又は回転角度(β回転)、及びZ軸回りのCDE又は回転角度(γ回転)で表されている。なお、回転角度の単位は、°であり、X軸、Y軸、及びZ軸の正方向から見て反時計回りの方向が、X軸回転又はα回転、Y軸回転又はβ回転、及びZ軸回転又はγ回転の回転角度の正方向とする。また、グローバルな直交座標系(x,y,z)は、瞳PU又は瞳面(S3)のローカルな直交座標系(X,Y,Z)と一致した絶対座標系になっている。すなわち、各面Siの配置データは、瞳面中心を原点としたグローバル座標系で表現される。なお、瞳面(S3)では、コンバイナー20から瞳PUに向かう方向が+Z方向又は+z方向であり、瞳PUに対して上方向が+Y方向又は+y方向であり、瞳PUに対して右方向が+X方向又は+x方向である。
The arrangement of the surfaces Si forming the virtual image projection
各実施例において、第1及び第2表示スクリーン21,22内のハーフミラー52は、自由曲面であり、その自由曲面形状は、面の頂点を原点とし、光軸方向にZ軸をとり、光軸と垂直方向の高さをX,Yとして以下の「数1」で表す。
〔数1〕
ただし、
c :頂点曲率(c=1/R)
k :円錐定数
Cj:XmYnの係数
R :Y曲率半径
In each embodiment, the
[Number 1]
however,
c: vertex curvature (c=1/R)
k: Conic constant Cj: X m Y n coefficient R: Y radius of curvature
〔実施例1〕
以下、実施例1の光学系について説明する。実施例1の光学系は、第1虚像投影光学系10Aに対応するものである。実施例1の虚像投影光学系の基本的な仕様を以下の表1に示す。
〔表1〕
[Example 1]
The optical system of Example 1 will be described below. The optical system of Example 1 corresponds to the first virtual image projection
[Table 1]
実施例1の光学面等のデータを以下の表2に示す。
〔表2〕
The data of the optical surfaces, etc. of Example 1 are shown in Table 2 below.
[Table 2]
以下の表3は、実施例1のハーフミラー部分の面データを示す。実施例1のハーフミラー部分は、第1表示スクリーン21のハーフミラー52に相当する。表中の「*」は積を表し、「^」はべき乗条を表すものとする(以降の実施例も同様)。
〔表3〕
Table 3 below shows the surface data of the half mirror portion of Example 1. The half mirror portion of Example 1 corresponds to the
[Table 3]
図5(A)は、実施例1の第1虚像投影光学系の側面投影図(yz平面投影図)を示す。図5(B)は、実施例1の第1虚像投影光学系による虚像の投影を説明する側面投影図である。 FIG. 5A shows a side projection view (yz plane projection view) of the first virtual image projection optical system of Example 1. FIG. FIG. 5B is a side projection view illustrating projection of a virtual image by the first virtual image projection optical system of Example 1. FIG.
図6は、実施例1の第1虚像投影光学系における外界からの光線が第1表示スクリーン21を経由してアイボックスEBまで到達する光路を説明する図である。図6の下方に示す光線の状態は、図6の上方に例示するパターンの第1表示スクリーン21を透過又は反射する光線L0と光線L1とについてアイボックスEBに入射する光をトレースしたものである(他の実施例及び比較例についても同様)。なお、図6において、光線L0は、ゴースト光の中で最も水平方向に近い光線を示し、光線L1の光路と一部共通する。本実施例において、第1表示スクリーン表面SA1に対する光学面51a(機能面)の傾きaは、7°であり、光学面51aと段差面51b(非機能面)とのなす角bは、162°であり、条件式(1)及び(2)を満たしている。
6A and 6B are diagrams for explaining optical paths in which light rays from the outside reach the eyebox EB via the
図6に示すように、外界(具体的には、移動体2の前方の領域AR1)からアイボックスEBに入射する光線L0と光線L1とは、第1表示スクリーン21に設けられたフレネル構造部51によって図6に示す範囲BR1に制限される。これにより、高輝度光源等からの光が第1表示スクリーン21に映り込む範囲が制限され、結果的に高輝度光源等に起因するゴーストが軽減される。
As shown in FIG. 6, a light ray L0 and a light ray L1 incident on the eyebox EB from the outside world (specifically, the area AR1 in front of the moving body 2) are reflected by the Fresnel structure provided on the
〔比較例1〕
図7は、比較例1の虚像投影光学系における外界からの光線が第1表示スクリーン121を経由してアイボックスEBまで到達する光路を説明する図である。本比較例において、表示スクリーン表面SA1に対する光学面51a(機能面)の傾きaは、7°であり、光学面51aと段差面51b(非機能面)とのなす角bは、83°であり、条件式(1)の範囲外となっている。
[Comparative Example 1]
7A and 7B are diagrams for explaining optical paths in which light rays from the outside world reach the eyebox EB via the
図7に示すように、外界(具体的には、移動体2の前方の領域AR1や移動体2の後方の領域AR2)からアイボックスEBに入射する光線L1、L2、L3、L4は、比較例1の表示スクリーン121に設けられたフレネル構造部51で透過又は反射され、外界の比較的広い領域(図7に示す範囲BR3,BR4)からの光が表示スクリーン121に映り込むこととなり、高輝度光源等に起因するゴーストの原因となる。なお、図7において、光線L4は、ゴースト光の中で最も水平方向に近い光線を示し、光線L3の光路と一部共通する。
As shown in FIG. 7, light rays L1, L2, L3, and L4 incident on the eyebox EB from the outside world (specifically, the area AR1 in front of the moving
〔比較例2〕
図8は、比較例2の虚像投影光学系における外界からの光線が第1表示スクリーン221を経由してアイボックスEBまで到達する光路を説明する図である。本比較例において、表示スクリーン表面SA1に対する光学面51a(機能面)の傾きaは、7°であり、光学面51aと段差面51b(非機能面)とのなす角bは、155°であり、条件式(1)の範囲外となっている。
[Comparative Example 2]
8A and 8B are diagrams for explaining optical paths in which light rays from the outside world reach the eyebox EB via the
図8に示すように、外界(具体的には、移動体2の前方の領域AR1や移動体2の後方の領域AR2)からアイボックスEBに入射する光線L1、L2、L3、L4は、比較例2の表示スクリーン221に設けられたフレネル構造部51で透過又は反射され、外界の比較的広い領域(図8に示す範囲BR3,BR4)からの光が表示スクリーン221に映り込むこととなり、高輝度光源等に起因するゴーストの原因となる。なお、図8において、光線L4は、ゴースト光の中で最も水平方向に近い光線を示し、光線L3の光路と一部共通する。
As shown in FIG. 8, light rays L1, L2, L3, and L4 incident on the eyebox EB from the outside world (specifically, the area AR1 in front of the moving
〔実施例2〕
以下、実施例2の光学系について説明する。実施例2の光学系は、第2虚像投影光学系10Bに対応するものである。実施例2の虚像投影光学系の基本的な仕様を以下の表4に示す。
〔表4〕
[Example 2]
The optical system of Example 2 will be described below. The optical system of Example 2 corresponds to the second virtual image projection
[Table 4]
実施例2の光学面等のデータを以下の表5に示す。
〔表5〕
The data of the optical surfaces, etc. of Example 2 are shown in Table 5 below.
[Table 5]
以下の表6は、実施例2のハーフミラー部分の面データを示す。実施例2のハーフミラー部分は、第2表示スクリーン22のハーフミラー52に相当する。
〔表6〕
Table 6 below shows the surface data of the half mirror portion of Example 2. The half mirror portion of Example 2 corresponds to the
[Table 6]
図9(A)は、実施例2の虚像投影光学系の側面投影図(yz平面投影図)を示し、図9(B)は、実施例2の虚像投影光学系のxz平面投影図を示す。 9A shows a side projection view (yz plane projection view) of the virtual image projection optical system of Example 2, and FIG. 9B shows an xz plane projection view of the virtual image projection optical system of Example 2. .
図10(A)は、実施例2の虚像投影光学系による虚像の投影を説明する側面投影図であり、図9(A)に対応し、図10(B)は、実施例2の虚像投影光学系による虚像の投影を説明するxz平面投影図であり、図9(B)に対応する。 FIG. 10(A) is a side projection view for explaining projection of a virtual image by the virtual image projection optical system of Example 2, corresponding to FIG. 9(A), and FIG. FIG. 9B is an xz-plane projection diagram for explaining projection of a virtual image by an optical system, and corresponds to FIG. 9B;
図11は、実施例2の第2虚像投影光学系における外界からの光線が第1表示スクリーン22を経由してアイボックスEBまで到達する光路を説明する図である。本実施例において、第2表示スクリーン表面SA1に対する光学面51a(機能面)の傾きaは、20°であり、光学面51aと段差面51b(非機能面)とのなす角bは、140°であり、条件式(1)及び(2)を満たしている。
11A and 11B are diagrams for explaining optical paths in which light rays from the outside world reach the eyebox EB via the
図11に示すように、外界(具体的には、移動体2の前方の領域AR1や移動体2の後方の領域AR2)からアイボックスEBに入射する光線L1,L2は、第2表示スクリーン22に設けられたフレネル構造部151によって図11に示す範囲BR1,BR2に制限される。これにより、高輝度光源等からの光が第2表示スクリーン22に映り込む範囲が制限され、結果的に高輝度光源等に起因するゴーストが軽減される。また、領域AR2からアイボックスEBに入射する光線L2は、領域AR2側に第2描画ユニット12を配置するため、第2描画ユニット12で遮られた分だけ外界光の映り込みがさらに軽減する。
As shown in FIG. 11, light rays L1 and L2 incident on the eyebox EB from the outside world (specifically, the area AR1 in front of the moving
〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置について説明する。なお、第2実施形態のヘッドアップディスプレイ装置は第1実施形態のヘッドアップディスプレイ装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第1実施形態と同様である。
[Second embodiment]
A head-up display device according to the second embodiment will be described below. Note that the head-up display device of the second embodiment is a modification of the head-up display device of the first embodiment, and items that are not particularly described are the same as those of the first embodiment.
本実施形態において、図12(A)に示すように、第2表示スクリーン22の第2フレネル構造部151は、角部51cにR形状部を有している。なお、第1表示スクリーン21の第1フレネル構造部51にも角部を設けてもよい。第2フレネル構造部151は、R形状部の幅をAとし、R形状部の曲率半径をBとしたときに、以下の条件式を満たす。
A≦10μm … (3)
5μm≦B≦20μm … (4)
条件式(3)及び(4)の範囲を満たすことにより、屋外使用時に太陽などの高輝度光源からの光TKが第2フレネル構造部151の角部51cに入射することで発生するゴーストを軽減することができる。
In this embodiment, as shown in FIG. 12A, the second
A≦10 μm (3)
5 μm≦B≦20 μm (4)
Satisfying the ranges of conditional expressions (3) and (4) reduces the ghost that occurs when the light TK from a high-intensity light source such as the sun enters the
図12(A)に示すように、第2フレネル構造部151の角部51cが、条件式(3)及び(4)を満たす場合、曲率半径Bが小さく、その範囲が狭い角部51cに入射した光束は、大きく広がった状態でそれぞれ運転者DRに到達する。運転者DRにとって、条件式(3)及び(4)を満たす角部51cからの光は非常に弱く、線状のゴーストはほとんど確認できない。
As shown in FIG. 12A, when the
図12(B)に示すように、第2フレネル構造部151の角部51cが、条件式(3)及び(4)を満たさない場合、曲率半径Bが大きく、その範囲が広い角部51cに入射した光束は、比較的狭い範囲に広がった状態でそれぞれ運転者DRに到達する。運転者DRにとって、条件式(3)及び(4)を満たす角部51cからの光は比較的強く、線状のゴーストとして視認される。
As shown in FIG. 12B, when the
以上では、具体的な実施形態としてのヘッドアップディスプレイ装置について説明したが、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、上記のものには限られない。例えば、第1及び第2表示スクリーン21,22の輪郭は、矩形に限らず、様々な形状とすることができる。 Although the head-up display device as a specific embodiment has been described above, the head-up display device according to the present invention is not limited to the above. For example, the contours of the first and second display screens 21 and 22 are not limited to rectangular shapes, and can be of various shapes.
また、上記実施形態において、フレネル構造部51,151のパターンは第1及び第2虚像投影光学系10A,10Bの構成に応じて適宜変更することができる。
Further, in the above embodiment, the patterns of the
また、上記実施形態において、第1描画ユニット11と第1表示スクリーン21との間に平面ミラーを設けてもよい。また、第2描画ユニット12と第2表示スクリーン22との間にも平面ミラーを設けてもよい。
Also, in the above embodiment, a plane mirror may be provided between the
また、上記実施形態において、ウインドシールド8の所定の位置に表示スクリーンを貼り付けてもよいし、ウインドシールド8内に表示スクリーンを埋め込んでもよい。また、表示スクリーンは治具で保持し、その治具はフォークリフトに固定しても良い。さらに、表示スクリーンの配置や傾斜方向も適宜変更することができる。
Further, in the above embodiment, the display screen may be attached to a predetermined position of the
また、上記実施形態において、フレネル構造部51の光学面51a(機能面)の基準となる形状を自由曲面としたが、例えば軸対称非球面の一部を含む曲面であってもよい。
In the above embodiment, the reference shape of the
また、上記実施形態において、ヘッドアップディスプレイ装置100をフォークリフトに搭載する例を挙げたが、乗用車等の他の移動体に搭載してもよい。
Moreover, in the above-described embodiment, an example in which the head-up
2…移動体、 8…ウインドシールド、 10A,10B…虚像投影光学系、 11,12…描画ユニット、 11a,12a…描画デバイス、 18…表示制御装置、 20…コンバイナー、 21,22,121,221…表示スクリーン、 50,150…フレネル素子、 51,151…フレネル構造部、 51a…光学面、 51b…段差面、 51c…角部、 52…ハーフミラー、 53,153…基材、 100…ヘッドアップディスプレイ装置、 DR…運転者、 EB…アイボックス、 HK1,HK2…表示光、SA1…表示スクリーン表面
2... Moving
Claims (6)
前記描画デバイスからの光を反射する表示スクリーンと、
を備え、
前記表示スクリーンは、機能面と非機能面とを複数組として有するフレネル構造部を内部に持ち、前記機能面と前記非機能面とにはハーフミラーコートがコーティングされ、
前記フレネル構造部の前記機能面は、所定の関数を与えられた仮想的な曲面を、原点からの高さを参照して複数の帯状領域に分割することによって振り分けられた形状を有する曲面であり、
前記フレネル構造部は、前記表示スクリーンの表面に対する前記機能面の傾きをaとし、前記機能面と前記非機能面とのなす角をbとしたときに、以下の条件式
180°-3・a<b<180°-0.5・a … (1)
を満たし、かつ、
前記フレネル構造部は、角部にR形状部を有し、
前記R形状部の幅をAとし、前記R形状部の曲率半径をBとしたときに、以下の条件式
A≦10μm … (3)
5μm≦B≦20μm … (4)
を満たすことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。 a drawing device;
a display screen that reflects light from the rendering device;
with
The display screen has inside a Fresnel structure portion having a plurality of sets of functional surfaces and non-functional surfaces, and the functional surface and the non-functional surface are coated with a half-mirror coat,
The functional surface of the Fresnel structure portion is a curved surface having a shape distributed by dividing a virtual curved surface given a predetermined function into a plurality of belt-like regions with reference to heights from the origin . ,
The Fresnel structure portion has the following conditional expression , where a is the inclination of the functional surface with respect to the surface of the display screen, and b is the angle between the functional surface and the non-functional surface.
180°-3・a<b<180°-0.5・a (1)
and
The Fresnel structure portion has an R-shaped portion at a corner,
When the width of the R-shaped portion is A and the curvature radius of the R-shaped portion is B, the following conditional expression
A≦10 μm (3)
5 μm≦B≦20 μm (4)
A head-up display device characterized by satisfying
5°≦a≦25° … (2) The head-up display device according to any one of claims 1 to 3, wherein the Fresnel structure satisfies the following conditional expression.
5°≦a≦25° (2)
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