JP7279548B2 - head-up display device - Google Patents
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Description
本開示は、車両で使用され、車両の前景に画像を重畳して視認させるヘッドアップディスプレイ装置に関する。 The present disclosure relates to a head-up display device that is used in a vehicle and that superimposes an image on the foreground of the vehicle for visual recognition.
特許文献1には、車両の搭乗者に対向して主画像を表示する表示器と、一端側が主画像に隣接するとともに他端側が一端側よりも手前に位置する副画像を表示する投影器及びスクリーンと、を備えるヘッドアップディスプレイ装置が開示されている。 Patent Document 1 discloses a display that displays a main image facing a passenger of a vehicle, a projector that displays a sub-image whose one end side is adjacent to the main image and whose other end side is located in front of the one end side, and A head-up display device is disclosed that includes a screen.
特許文献1のヘッドアップディスプレイ装置では、運転者に対向するような画像を表示するための表示器と、路面に沿うように配置される表示器(投影器とスクリーン)と、の2つの表示器が必要となり、部品費などが上昇してしまうことが想定される。 In the head-up display device of Patent Document 1, there are two displays: a display for displaying an image facing the driver and a display (projector and screen) arranged along the road surface. is required, and it is assumed that the cost of parts will increase.
本明細書に開示される特定の実施形態の要約を以下に示す。これらの態様が、これらの特定の実施形態の概要を読者に提供するためだけに提示され、この開示の範囲を限定するものではないことを理解されたい。実際に、本開示は、以下に記載されない種々の態様を包含し得る。 A summary of certain embodiments disclosed herein follows. It should be understood that these aspects are presented only to provide the reader with an overview of these particular embodiments and are not intended to limit the scope of this disclosure. Indeed, the present disclosure may encompass various aspects not described below.
本開示の概要は、コストを抑えつつ、路面に沿うような表示領域と、路面に沿う角度から起き上がったような傾きの表示領域と、を有するヘッドアップディスプレイ装置を提供することに関する。 The outline of the present disclosure relates to providing a head-up display device that has a display area that follows the road surface and a display area that tilts upward from the angle along the road surface while keeping costs down.
したがって、本明細書に記載される第1実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置は、車両の前後方向に沿う虚像表示領域で虚像を視認者に視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、前記虚像の元となる画像光を射出する表示面を有し、前記表示面は、前記視認者に向かう前記画像光の光軸に対して、前記虚像表示領域が前記車両の前後方向に沿うような方向に傾いて配置される、ように構成された表示器と、前記表示面が射出する前記画像光を被投影部に向けてリレーし、前記虚像表示領域の遠方領域で前記虚像を表示するための第1画像光が通過する第1光学的パワーを有する第1領域と、前記視認者から見て前記遠方領域より近い中間領域で前記虚像を表示するための第2画像光が通過する第2光学的パワーを有する第2領域と、を有し、前記第1領域の焦点距離が前記第2領域の焦点距離より長くなるように前記第1光学的パワーが前記第2光学的パワーより小さい、ように構成されたリレー光学系と、から構成され、前記視認者から見て前記中間領域より近い近傍領域で前記虚像を表示するための第3画像光が通過する第3光学的パワーを有する第3領域をさらに含み、前記第2領域から前記第1領域までの光学的パワーの変化率が、前記第3領域から前記第2領域までの光学的パワーの変化率より大きい、ように構成される前記リレー光学系、から構成される。 Therefore, the head-up display device according to the first embodiment described in this specification is a head-up display device that allows a viewer to visually recognize a virtual image in a virtual image display area along the longitudinal direction of the vehicle. The display surface is tilted in such a direction that the virtual image display area is along the front-rear direction of the vehicle with respect to the optical axis of the image light directed toward the viewer. and a first image for relaying the image light emitted from the display surface toward a projection target portion and displaying the virtual image in a distant area of the virtual image display area. A first region having a first optical power through which light passes and a second optical power through which a second image light for displaying the virtual image is formed in an intermediate region closer to the viewer than the distant region. and wherein the first optical power is less than the second optical power such that the focal length of the first region is longer than the focal length of the second region. and a relay optical system, the third area having a third optical power through which the third image light for displaying the virtual image passes in a neighboring area closer than the intermediate area when viewed from the viewer. and wherein the rate of change in optical power from the second region to the first region is greater than the rate of change in optical power from the third region to the second region. system.
また、第2実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置は、車両の前後方向に沿う虚像表示領域で虚像を視認者に視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、前記虚像の元となる画像光を射出する表示面を有し、前記表示面は、前記視認者に向かう前記画像光の光軸に対して、前記虚像表示領域が前記車両の前後方向に沿うような方向に傾いて配置される、ように構成された表示器と、前記表示面が射出する前記画像光を被投影部に向けてリレーし、前記虚像表示領域の遠方領域で前記虚像を表示するための第1画像光が通過する第1光学的パワーを有する第1領域と、前記視認者から見て前記遠方領域より近い中間領域で前記虚像を表示するための第2画像光が通過する第2光学的パワーを有する第2領域と、を有し、前記第1領域の焦点距離が前記第2領域の焦点距離より長くなるように前記第1光学的パワーが前記第2光学的パワーより小さい、ように構成されたリレー光学系と、から構成され、前記車両の前後方向に対する前記虚像表示領域の接線の角度が、前記視認者の近傍から遠方に向かうにつれて非減少で連続的又は断続的に増加するように、前記第1領域、前記第2領域、及びこれらの間の領域の前記光学的パワーの分布を調整する前記リレー光学系、から構成される。 Further, the head-up display device in the second embodiment is a head-up display device that allows a viewer to visually recognize a virtual image in a virtual image display area along the longitudinal direction of the vehicle, and is a display that emits image light that is the source of the virtual image. The display surface is arranged so as to be inclined in such a direction that the virtual image display area is along the front-rear direction of the vehicle with respect to the optical axis of the image light directed to the viewer. and a first optical system through which the first image light passes for relaying the image light emitted from the display surface toward the projection target portion and displaying the virtual image in a distant region of the virtual image display region. and a second region having a second optical power through which the second image light for displaying the virtual image passes in an intermediate region closer than the distant region as viewed from the viewer. a relay optical system configured such that the first optical power is smaller than the second optical power such that the focal length of the first region is longer than the focal length of the second region; wherein the angle of the tangential line of the virtual image display area with respect to the front-rear direction of the vehicle increases non-decreasingly, continuously or intermittently, from the vicinity of the viewer to the distance. It consists of two regions and the relay optics for adjusting the distribution of the optical power in the region between them.
また、第3実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置は、車両の前後方向に沿う虚像表示領域で虚像を視認者に視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、前記虚像の元となる画像光を射出する表示面を有し、前記表示面は、前記視認者に向かう前記画像光の光軸に対して、前記虚像表示領域が前記車両の前後方向に沿うような方向に傾いて配置される、ように構成された表示器と、前記表示面が射出する前記画像光を被投影部に向けてリレーし、前記虚像表示領域の遠方領域で前記虚像を表示するための第1画像光が通過する第1光学的パワーを有する第1領域と、前記視認者から見て前記遠方領域より近い中間領域で前記虚像を表示するための第2画像光が通過する第2光学的パワーを有する第2領域と、を有し、前記第1領域の焦点距離が前記第2領域の焦点距離より長くなるように前記第1光学的パワーが前記第2光学的パワーより小さい、ように構成されたリレー光学系と、から構成され、前記車両の前後方向に対する前記虚像表示領域の接線の角度が、前記中間領域から前記遠方領域に向かうにつれて単調増加するように、前記第1領域、前記第2領域、及びこれらの間の領域の前記光学的パワーの分布を調整し、前記中間領域が前記視認者の前方向に20メートル、又はそれ以上の距離に配置されるように、前記第2領域が配置される、ように構成される前記リレー光学系、から構成される。 Further, the head-up display device in the third embodiment is a head-up display device that allows a viewer to visually recognize a virtual image in a virtual image display area along the longitudinal direction of the vehicle, and is a display that emits image light that is the source of the virtual image. The display surface is arranged so as to be inclined in such a direction that the virtual image display area is along the front-rear direction of the vehicle with respect to the optical axis of the image light directed to the viewer. and a first optical system through which the first image light passes for relaying the image light emitted from the display surface toward the projection target portion and displaying the virtual image in a distant region of the virtual image display region. and a second region having a second optical power through which the second image light for displaying the virtual image passes in an intermediate region closer than the distant region as viewed from the viewer. a relay optical system configured such that the first optical power is smaller than the second optical power such that the focal length of the first region is longer than the focal length of the second region; The first region, the second region, and the space therebetween such that the angle of the tangent line of the virtual image display region with respect to the front-rear direction of the vehicle monotonically increases from the intermediate region toward the far region. wherein the second region is arranged such that the optical power distribution of the regions is adjusted such that the intermediate region is positioned at a distance of 20 meters or more in front of the viewer. and the relay optical system.
また、第4実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置は、車両の前後方向に沿う虚像表示領域で虚像を視認者に視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、前記虚像の元となる画像光を射出する表示面を有し、前記表示面は、前記視認者に向かう前記画像光の光軸に対して、前記虚像表示領域が前記車両の前後方向に沿うような方向に傾いて配置される、ように構成された表示器と、前記表示面が射出する前記画像光を被投影部に向けてリレーし、前記虚像表示領域の遠方領域で前記虚像を表示するための第1画像光が通過する第1光学的パワーを有する第1領域と、前記視認者から見て前記遠方領域より近い中間領域で前記虚像を表示するための第2画像光が通過する第2光学的パワーを有する第2領域と、を有し、前記第1領域の焦点距離が前記第2領域の焦点距離より長くなるように前記第1光学的パワーが前記第2光学的パワーより小さい、ように構成されたリレー光学系と、から構成され、前記虚像表示領域は、前記虚像表示領域の一部を路面より下側に配置し、前記遠方領域を含む他部を前記路面より上側に配置する。 Further, the head-up display device in the fourth embodiment is a head-up display device that allows a viewer to visually recognize a virtual image in a virtual image display area along the longitudinal direction of the vehicle, and is a display that emits image light that is the source of the virtual image. The display surface is arranged so as to be inclined in such a direction that the virtual image display area is along the front-rear direction of the vehicle with respect to the optical axis of the image light directed to the viewer. and a first optical system through which the first image light passes for relaying the image light emitted from the display surface toward the projection target portion and displaying the virtual image in a distant region of the virtual image display region. and a second region having a second optical power through which the second image light for displaying the virtual image passes in an intermediate region closer than the distant region as viewed from the viewer. a relay optical system configured such that the first optical power is smaller than the second optical power such that the focal length of the first region is longer than the focal length of the second region; In the virtual image display area, a part of the virtual image display area is arranged below the road surface, and the other part including the distant area is arranged above the road surface.
また、第5実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置は、車両の前後方向に沿う虚像表示領域で虚像を視認者に視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、前記虚像の元となる画像光を射出する表示面を有し、前記表示面は、前記視認者に向かう前記画像光の光軸に対して、前記虚像表示領域が前記車両の前後方向に沿うような方向に傾いて配置される、ように構成された表示器と、前記表示面が射出する前記画像光を被投影部に向けてリレーし、前記虚像表示領域の遠方領域で前記虚像を表示するための第1画像光が通過する第1光学的パワーを有する第1領域と、前記視認者から見て前記遠方領域より近い中間領域で前記虚像を表示するための第2画像光が通過する第2光学的パワーを有する第2領域と、を有し、前記第1領域の焦点距離が前記第2領域の焦点距離より長くなるように前記第1光学的パワーが前記第2光学的パワーより小さい、ように構成されたリレー光学系と、から構成され、前記中間領域は、前記車両の前後方向で前記視認者から見た前記虚像表示領域の遠方端(110)と近傍端との間であり、前記虚像表示領域の最低位置に配置される。 Further, the head-up display device in the fifth embodiment is a head-up display device that allows a viewer to visually recognize a virtual image in a virtual image display area along the longitudinal direction of the vehicle, and is a display that emits image light that is the source of the virtual image. The display surface is arranged so as to be inclined in such a direction that the virtual image display area is along the front-rear direction of the vehicle with respect to the optical axis of the image light directed to the viewer. and a first optical system through which the first image light passes for relaying the image light emitted from the display surface toward the projection target portion and displaying the virtual image in a distant region of the virtual image display region. and a second region having a second optical power through which the second image light for displaying the virtual image passes in an intermediate region closer than the distant region as viewed from the viewer. a relay optical system configured such that the first optical power is smaller than the second optical power such that the focal length of the first region is longer than the focal length of the second region; The intermediate area is between the far end (110) and the near end of the virtual image display area as seen from the viewer in the longitudinal direction of the vehicle, and is arranged at the lowest position of the virtual image display area. .
以下、図1及び図2では、例示的な車両用表示システム、及びヘッドアップディスプレイ装置の構成の説明を提供する。また、図3A、図3Bでは、比較例の説明を提供し、図4Aないし図7Bでは、本実施形態の構成の説明を提供する。なお、本発明は以下の実施形態(図面の内容も含む)によって限定されるものではない。下記の実施形態に変更(構成要素の削除も含む)を加えることができるのはもちろんである。また、以下の説明では、本発明の理解を容易にするために、公知の技術的事項の説明を適宜省略する。 Below, FIGS. 1 and 2 provide a description of an exemplary vehicular display system and head-up display device configuration. 3A and 3B provide a description of a comparative example, and FIGS. 4A to 7B provide a description of the configuration of this embodiment. In addition, the present invention is not limited by the following embodiments (including the contents of the drawings). Of course, modifications (including deletion of constituent elements) can be added to the following embodiments. In addition, in the following description, descriptions of known technical matters are omitted as appropriate in order to facilitate understanding of the present invention.
図1を参照する。車両用表示システム10は、HUD装置20と、HUD装置20を制御する表示制御装置30と、で構成される。なお、本実施形態の説明では、車両1の運転席に着座する視認者(運転者4)が車両1の前方を向いた際の左右方向をX軸(左方向がX軸正方向)、上下方向をY軸(上方向がY軸正方向)、前後方向をZ軸(前方向がZ軸正方向)とする。
Please refer to FIG. The vehicle display system 10 includes a
車両用表示システム10におけるHUD装置20は、車両1のダッシュボード5内に設けられたヘッドアップディスプレイ(HUD:Head-Up Display)装置である。HUD装置20は、画像光40をフロントウインドシールド2(被投影部の一例である)に向けて出射し、フロントウインドシールド2で反射された画像光40により所定領域のアイボックス(不図示)を生成する。運転者4は、アイポイントを前記アイボックスに配置することで、HUD装置20が表示する画像の全体を視認することができる。なお、ここでは、前記アイボックスを画像の全体が見える領域と定義したが、これに限定されるものではなく、視認者が視認するHUD装置20の表示する画像の歪みが所定閾値内に収まる領域など、HUD装置20が表示する画像が所望の状態で視認される領域である。フロントウインドシールド2(被投影部の一例である)よりも前方側(Z軸正方向)の虚像表示領域100で画像(虚像)を視認させる。これにより、運転者4は、フロントウインドシールド2を介して視認される現実空間である前景300に重なった画像(虚像)を視認できる。
The
本実施形態の車両用表示システム10(HUD装置20)は、虚像表示領域100を路
面310(前景300の一例)に沿うように形成する。具体的には、路面310に沿うような虚像表示領域100は、虚像表示領域100の遠方端110と近傍端130との間の奥行方向(Z軸方向)の距離100Zが、虚像表示領域100の最高位置150と最低位置160との間の高さ方向(Y軸方向)の距離100Yよりも20倍、又はこれより長いことを示し、さらに好ましくは、奥行方向(Z軸方向)の距離100Zが、高さ方向(Y軸方向)の距離100Yよりも40倍、又はこれより長いことを示す。一実施例の虚像表示領域100において、(Z座標[meter]、Y座標[meter])で表すし、前記アイボックスの高さ方向の中心を(0、1.2)とすると、近傍端130は(14.5、0.0)、遠方端110(最高位置150)は(53.4、1.48)前記アイボックスの中心から運転者4が見た場合の遠方端110と近傍端130との中心は(27.3、0.15)であり、この場合、奥行方向(Z軸方向)の距離100Zが38.9[meter]、高さ方向(Y軸方向)の距離100Yが1.48[meter]となり、奥行方向(Z軸方向)の距離100Zが高さ方向(Y軸方向)の距離100Yの26倍となる。なお、虚像表示領域100は、HUD装置20の内部で生成された画像が、虚像として結像する曲面、又は一部曲面の領域であり、結像面とも呼ばれる。虚像表示領域100は、HUD装置20の後述する表示面(スクリーン24)の虚像が結像される位置であり、すなわち、虚像表示領域100は、HUD装置20の後述する表示面に対応し、虚像表示領域100で視認される虚像は、HUD装置20の後述する表示面に表示される画像に対応している、と言える。虚像表示領域100自体は、実際に運転者4に視認されない、又は視認されにくい程度に視認性が低いことが好ましい。
The vehicle display system 10 (HUD device 20) of the present embodiment forms the virtual
図2は、本実施形態のHUD装置20の構成を示す図である。HUD装置20は、画像を表示する表示面を有する表示器21と、リレー光学系25と、を含む。
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the
図2の表示器21は、プロジェクタ22(画像生成部の一例)と、プロジェクタ22からの投影光を受光して画像(実像)を表示するスクリーン24(表示面の一例)と、で構成されるプロジェクション型ディスプレイである。なお、表示器21は、LCDなどのバックライトからの光を透過する透過型ディスプレイ(画像生成部の一例)であってもよく、自発光型ディスプレイ(画像生成部の一例)であってもよい。これらの場合、表示面は、透過型ディスプレイにおけるディスプレイ表面(表示面の一例)であり、プロジェクション型ディスプレイのスクリーン24(表示面の一例)である。前記表示面は、前記表示面から、後述のリレー光学系25及び前記被投影部を介して前記アイボックス(前記アイボックスの中央)へ向かう画像光40の光軸40pに対し垂直になる角度から傾いて配置され、これにより、虚像表示領域100を路面310に沿うように配置することができる。なお、表示器21は、表示制御装置30により制御されるモータなどのアクチュエータ(不図示)が取り付けられ、表示面を移動、及び/又は回転可能であってもよい。
The
リレー光学系25は、表示器21とフロントウインドシールド2(被投影部の一例。)との間の表示器21からの画像の光(表示器21から前記アイボックスへ向かう光。)の光路上に配置され、表示器21からの画像の光をHUD装置20の外側のフロントウインドシールド2に投影する1つ又はそれ以上の光学部材で構成される。図2のリレー光学系25は、1つの凹状の第1ミラー26と、1つの平面の第2ミラー28と、を含む。
The relay
第1ミラー26は、一端から他端に向けて曲率半径が徐々に変化する自由曲面形状である。換言すると、第1ミラー26は、領域毎に光学的パワーが異なる曲面形状であり、すなわち、画像光40が通る領域(光路)に応じて画像光40に付加される光学的パワーが異なる。具体的には、前記表示面の各領域から前記アイボックスへ向かう第1画像光41、第2画像光42、第3画像光43(図2参照)とで、リレー光学系25によって付加される光学的パワーが異なる。
The
なお、第2ミラー28は、平面ではなく、光学的パワーを有する曲面であってもよい。すなわち、リレー光学系25は、複数のミラー(例えば、本実施形態の第1ミラー26、第2ミラー28。)を合成することで、画像光40が通る領域(光路)に応じて付加される光学的パワーを異ならせてもよい。
The
なお、本実施形態では、リレー光学系25は、2つのミラーを含んでいたが、これに限定されるものではなく、これらに追加又は代替で、1つ又はそれ以上の、レンズなどの屈折光学部材、ホログラムなどの回折光学部材、反射光学部材、又はこれらの組み合わせを含んでいてもよい。
It should be noted that in this embodiment, the relay
また、本実施形態のリレー光学系25は、この曲面形状(光学的パワーのパラメータの一例。)により、虚像が結像される位置(虚像表示領域100)までの距離を設定する機能、及びスクリーン24(表示面)に表示された画像を拡大した虚像を生成する機能、を有するが、これに加えて、フロントウインドシールド2の湾曲形状により生じ得る虚像の歪みを抑制する(補正する)機能、を有していてもよい。
Further, the relay
また、リレー光学系25は、表示制御装置30により制御されるモータなどのアクチュエータ(不図示)が取り付けられ、移動、及び/又は回転可能であってもよい。
Also, the relay
次に、本実施形態に係る、領域毎に曲率半径が異なるリレー光学系25と表示面24との配置と、生成される虚像表示領域100の配置について説明する。本実施形態の虚像表示領域100は、路面310に沿い、遠方側の傾斜が起き上がるように形成される。
Next, the arrangement of the relay
まず、比較例を図3A、図3Bを用いて説明する。図3Aは、比較例のリレー光学系500と表示面524との配置を示す図である。なお、図3Aでは、本実施形態との違いをわかりやすくするため、リレー光学系500の各領域501,502,503の焦点を符号501f,502f,503fで表記するが、これら焦点501f,502f,503fとリレー光学系500との距離関係、及び焦点501f,502f,503fと表示面524との距離関係を正確に示したものではない。比較例では、リレー光学系500は、領域毎に曲率半径が異ならない。すなわち、表示面524の各領域M1,M2,M3からの画像光541,542,543が通るリレー光学系500の領域501,502,503の光学的パワーは同じである。また、次に説明する本発明の実施形態でも同様だが、表示面524は、表示面524から前記アイボックスへ向かう画像光の光軸540pとの垂直面524aから角度αだけ傾いて配置される。具体的には、表示面524は、垂直面524aと比べて、視認者から見て遠方側の虚像表示領域に対応する表示面524の領域M1が、リレー光学系500から離れ、視認者から見て近傍側の虚像表示領域に対応する表示面524の領域M3が、リレー光学系500に近づくように配置される。このような場合、図3Bに示すように、車両1の左右方向(X方向)から見ると、生成される虚像表示領域550は、運転者4側(上側(Y軸正方向))が凸状となる。
First, a comparative example will be described with reference to FIGS. 3A and 3B. FIG. 3A is a diagram showing the arrangement of the relay
次に、本実施形態について図4A、図4Bを用いて説明する。図4Aは、本実施形態のリレー光学系25と表示面24との配置を示す図である。なお、図4Aでは、比較例との違いをわかりやすくするため、リレー光学系25の各領域251,252,253の焦点を符号251f,252f,253fで表記するが、リレー光学系25、又は表示面24との距離関係を正確に示したものではない。本実施形態の表示面24は、表示面24から前記アイボックスへ向かう画像光40の光軸40pとの垂直面24aから角度αだけ傾いて配置される。具体的には、表示面24は、垂直面24aと比べて、視認者から見て虚像表示領域100の遠方領域101(図4B参照)に対応する表示面24の領域241が、リレー光学系25から離れ、視認者から見て虚像表示領域100の遠方領域101より近い中間領域102(図4B参照)に対応する表示面24の領域242が、リレー光学系25に近づくように配置される。本実施形態のリレー光学系25は、領域毎に曲率半径が異なる。具体的には、運転者4から見て虚像表示領域100の遠方領域101に虚像を表示する第1画像光41が通るリレー光学系25の第1領域(第1光路)251の第1光学的パワーを、運転者4から見て虚像表示領域100の遠方領域101よりも近い中間領域102に虚像を表示する第2画像光42が通るリレー光学系25の第2領域(第2光路)252の第2光学的パワーより小さくする。すなわち、リレー光学系25の主たる光学的パワーが凹面鏡である第1ミラー26に起因する場合、第1画像光41を反射する第1領域251の第1曲率半径(第1光学的パワーのパラメータの一例。)を、第2画像光42を反射する第2領域252の第2曲率半径(第2光学的パワーのパラメータの一例。)より大きくする。第1画像光41を反射する第1領域251の第1曲率半径が大きくなると、第1領域251の焦点251fの焦点距離(曲率半径の1/2)が長くなる。
Next, this embodiment will be described with reference to FIGS. 4A and 4B. FIG. 4A is a diagram showing the arrangement of the relay
ここで、物体と凹面ミラーの距離a(>0)、虚像と凹面ミラーの距離b(>0),そして、凹面ミラーの焦点距離f(>a)の間には、以下の関係式が成り立つ。この関係式によれば、凹面ミラーの曲率半径が大きく(ミラーの曲率が小さく)なれば、凹面ミラーの焦点距離が長くなり、焦点距離が長いほど、虚像の距離bが短くなる。
1/a-1/b=1/f
Here, the following relational expression holds between the distance a (>0) between the object and the concave mirror, the distance b (>0) between the virtual image and the concave mirror, and the focal length f (>a) of the concave mirror. . According to this relational expression, the larger the radius of curvature of the concave mirror (the smaller the curvature of the mirror), the longer the focal length of the concave mirror, and the longer the focal length, the shorter the distance b of the virtual image.
1/a-1/b=1/f
上述したように、表示面24が、表示面24から前記アイボックスへ向かう画像光の光軸40pとから傾いて配置されることで、虚像表示領域100が、路面310に沿うように(近傍から遠方に向けて徐々に結像距離が長くなるように)、配置される。表示面24から第1ミラー26の曲率半径が大きい第1領域251に投射した第1画像光41は、焦点距離(第1領域251から焦点251fまでの距離)が長いため、フロントウインドシールド2に反射された際に、(曲率半径を大きくしない場合と比較して)フロントウインドシールド2からの結像距離が短くなる。
As described above, by arranging the
本実施形態のリレー光学系25は、通過する画像光で表示される虚像が遠方側である程、光学的パワーを徐々に小さくする(曲率半径を徐々に大きくする)ことで、虚像表示領域100の遠方領域101(遠方端110)が路面310に沿う傾きから起き上がるように湾曲させることができる。遠方領域101(遠方端110)が路面310に沿う傾きから起き上がるように湾曲させるとは、図4B示すように、遠方領域101における虚像表示領域100の接線と路面310との間のチルト角θ(第1チルト角θ1)が、遠方領域101より運転者4に近い中間領域102における虚像表示領域100の接線と路面310との間のチルト角θ(第2チルト角θ2)より大きく、かつチルト角θが、中間領域102(近傍側)から遠方領域101(遠方側)に向かうに連れて連続的に増加する(単調増加する)。
The relay
図5Aないし図5Eは、実施形態に係る、虚像表示領域100の奥行き方向(Z軸方向)の位置とチルト角θとの関係を示す図である。本実施形態では、遠方領域101(遠方端110)が遠方領域101より近傍の中間領域102より路面310に沿う傾きから起き上がればよく、図5Aに示すように、近傍端130から遠方端110に向かうにつれてチルト角θが単調増加することに限定されるものではない。
5A to 5E are diagrams showing the relationship between the position of the virtual
すなわち、いくつかの実施形態では、図5Bに示すように、近傍端130から中間領域102までのチルト角θの増加率(変化率)が、中間領域102から遠方端110までのチルト角θの増加率(変化率)より小さくなるようにしてもよい。この場合、リレー光学系25は、近傍領域103の虚像に対応する第3画像光43が通るリレー光学系25の第3領域253の第3光学的パワーから、中間領域102の虚像に対応する第2画像光42が通るリレー光学系25の第2領域252の第2光学的パワーまでの減少率(変化率)を、第2領域252の第2光学的パワーから、遠方領域101の虚像に対応する第1画像光41が通るリレー光学系25の第1領域251の第1光学的パワーまでの減少率(変化率)より小さくする。これにより、奥行き方向の距離の増加に従う、近傍側の虚像表示領域と路面との間の距離の変化を小さく抑えることができる。
That is, in some embodiments, as shown in FIG. 5B, the rate of increase (rate of change) in tilt angle θ from
また、いくつかの実施形態では、図5Cに示すように、近傍端130から中間領域102までのチルト角θの増加率(変化率)をゼロにし、中間領域102から遠方端110までのチルト角θの増加率(変化率)をゼロより大きくしてもよい。すなわち、虚像表示領域100の接線と車両1の前後左右方向(XZ平面)との間の角度(チルト角θ)が、近傍から遠方に向かうに連れて(Z軸正方向に向かうに連れて)単調増加するものに限定されず、一部で増加率(変化率)をゼロとしてもよく、すなわち、チルト角θが、近傍領域103(近傍側)から遠方領域101(遠方側)に向かうに連れて連続的又は断続的に増加してもよい(広義単調増加(単調非減少)してもよい)。この場合、リレー光学系25は、第3領域253から、第2領域252までの光学的パワーの減少率(変化率)を、虚像表示領域100の近傍領域103から中間領域102にかけて路面310とのチルト角θが維持されるように調整しつつ、第2領域252から、遠方領域101の虚像に対応する第1画像光41が通るリレー光学系25の第1領域251までの光学的パワーの減少率(変化率)を、第3領域253から、第2領域252までの光学的パワーの減少率(変化率)より小さくしてもよい。これにより、奥行き方向の距離の増加に従う、近傍側の虚像表示領域と路面との間の距離の変化、及び近傍側の虚像表示領域のチルト角の変化を小さく抑えることができる。
Also, in some embodiments, as shown in FIG. 5C, the rate of increase (rate of change) of tilt angle θ from
また、図5Cの代替として、いくつかの実施形態では、図5Dに示すように、近傍端130から中間領域102までのチルト角θをゼロ(路面310と平行。)に維持し、中間領域102から遠方端110までのチルト角θの増加率(変化率)をゼロより大きくしてもよい。これにより、奥行き方向の距離の増加に従う、近傍側の虚像表示領域と路面との重畳性を向上させることができる。
Also, as an alternative to FIG. 5C, some embodiments maintain the tilt angle .theta. to the
また、いくつかの実施形態では、図5Eに示すように、近傍領域103から中間領域102までのチルト角θの変化率を負の値から徐々にゼロまで増加させ、中間領域102から遠方端110までのチルト角θの増加率(変化率)をゼロより大きくしてもよい。この場合の虚像表示領域100の配置を図6に示す。すなわち、この虚像表示領域100は、近傍領域103から中間領域102まで徐々に上下方向(Y軸方向)の位置が低くなり、中間領域102を最低位置160とし、中間領域102から遠方端110まで徐々に上下方向(Y軸方向)の位置が高くなり、近傍端130を最高位置150とする。この場合、上記実施形態よりも表示面24の傾きαを大きくし、かつ、リレー光学系25は、近傍領域103の虚像に対応する第3画像光43が通るリレー光学系25の第3領域253から、中間領域102の虚像に対応する第2画像光42が通るリレー光学系25の第2領域252までの光学的パワーの減少率(変化率)を、第2領域252から、遠方領域101の虚像に対応する第1画像光41が通るリレー光学系25の第1領域251までの光学的パワーの減少率(変化率)より小さくしてもよい。これにより、奥行き方向の距離の増加に従う、近傍側の虚像表示領域と路面との間の距離の変化を小さく抑えることができる。
Also, in some embodiments, the rate of change of tilt angle θ from near
また、いくつかの実施形態では、虚像表示領域100の最低位置160を含む一部を路面310よりも下に配置し、虚像表示領域100の遠方端110を含む一部を路面よりも上に配置してもよい。例えば、虚像表示領域100は、図7Aに示すように、近傍端130が最低位置160となり、近傍端130から遠方端110に向けた途中までを路面310の下に配置し、これより遠方端110までの他部を路面310の上に配置してもよい。また、虚像表示領域100は、図7Bに示すように、遠方端110と近傍端130との間の中間領域102を最低位置160としてもよい。視認者から見て路面に対して虚像が手前側にズレて表示される場合の違和感は、路面に対して画像が奥側にズレて表示される場合の違和感より大きい。したがって、車両1の角度が変化した場合でも路面310より上側に虚像表示領域100が配置されることを抑制することができ、また、車両1の角度が変化により近傍側の虚像表示領域が路面310の上側に配置される場合でも、近傍側の画像と路面310との高さ方向の距離を小さく抑えることができる。
In some embodiments, a portion of the virtual
また、いくつかの実施形態では、車両1の前後方向に対する虚像表示領域100の接線の角度θが、中間領域102から遠方領域101に向かうにつれて単調増加するように、第1領域251、第2領域252、及びこれらの間の領域の光学的パワーの分布を調整し、中間領域102が視認者7(車両1)の前方向に20メートル、又はそれ以上の距離に配置されるように、リレー光学系25に第2領域252が配置されてもよい。これによれば、虚像表示領域100は、車両1の前方向に20メートル、又はそれ以上の距離から遠方側に向かうにつれて、車両1の前後方向に対する虚像表示領域100の接線の角度θが単調増加し、路面310に沿った角度から起き上がる。本発明の発明者は、視認者から20メートル以上離れた物体に対する距離感(距離感)が鈍くなることを認識した。すなわち、視認者から20メートル以上離れた位置から虚像表示領域と路面との間の距離を単調増加させても、視認者が虚像表示面と路面との間の距離差を知覚しにくく(20メートル未満の虚像表示領域に表示された画像と同様に路面に沿って表示されているように知覚させやすく)、かつ遠方側の虚像表示領域を路面に沿う角度から視認者側に起き上がらせるように湾曲させることで、視認者から見た遠方側の虚像表示面を広い前景(例えば、路面)の領域に重ねることができる。換言すると、虚像表示領域の単位面積あたりの重なる前景(例えば、路面)の面積を拡げることができ、広い前景に対して効率的に画像を重ねて表示することができる。
Further, in some embodiments, the
1 :車両
2 :フロントウインドシールド(被投影部)
4 :運転者
5 :ダッシュボード
10 :車両用表示システム
20 :HUD装置
21 :表示器
22 :プロジェクタ
24 :スクリーン(表示面)
24a :垂直面
25 :リレー光学系
26 :第1ミラー
28 :第2ミラー
30 :表示制御装置
40 :画像光
40p :光軸
41 :第1画像光
42 :第2画像光
43 :第3画像光
100 :虚像表示領域
101 :遠方領域
102 :中間領域
103 :近傍領域
110 :遠方端
130 :近傍端
150 :最高位置
160 :最低位置
241 :領域
242 :領域
251 :第1領域
252 :第2領域
253 :第3領域
310 :路面
α :角度
θ :チルト角
1: Vehicle 2: Front windshield (projected part)
4: Driver 5: Dashboard 10: Vehicle display system 20: HUD device 21: Display device 22: Projector 24: Screen (display surface)
24a: vertical surface 25: relay optical system 26: first mirror 28: second mirror 30: display control device 40: image light 40p: optical axis 41: first image light 42: second image light 43: third image light 100 : virtual image display region 101 : distant region 102 : intermediate region 103 : near region 110 : far end 130 : near end 150 : highest position 160 : lowest position 241 : region 242 : region 251 : first region 252 : second region 253 : Third area 310 : Road surface α : Angle θ : Tilt angle
Claims (6)
前記虚像の元となる画像光(40)を射出する表示面(24)を有し、
前記表示面(24)は、前記視認者に向かう前記画像光(40)の光軸(40p)に対して、前記虚像表示領域(100)が前記車両の前後方向に沿うような方向に傾いて配置される、ように構成された表示器(21)と、
前記表示面(24)が射出する前記画像光(40)を被投影部(2)に向けてリレーし、
前記虚像表示領域(100)の遠方領域(101)で前記虚像を表示するための第1画像光(41)が通過する第1光学的パワーを有する第1領域(251)と、
前記視認者から見て前記遠方領域(101)より近い中間領域(102)で前記虚像を表示するための第2画像光(42)が通過する第2光学的パワーを有する第2領域(252)と、を有し、
前記第1領域(251)の焦点距離が前記第2領域(252)の焦点距離より長くなるように前記第1光学的パワーが前記第2光学的パワーより小さい、ように構成されたリレー光学系(25)と、から構成され、
前記視認者から見て前記中間領域(102)より近い近傍領域(103)で前記虚像を表示するための第3画像光(43)が通過する第3光学的パワーを有する第3領域(253)、をさらに含み、
前記第2領域(252)から前記第1領域(251)までの光学的パワーの変化率が、前記第3領域(253)から前記第2領域(252)までの光学的パワーの変化率より大きい、ように構成される前記リレー光学系(25)、
から構成されるヘッドアップディスプレイ装置。 A head-up display device (20) that allows a viewer to visually recognize a virtual image in a virtual image display area (100) along the longitudinal direction of the vehicle,
Having a display surface (24) for emitting image light (40) that is the source of the virtual image,
The display surface (24) is inclined with respect to the optical axis (40p) of the image light (40) directed to the viewer in such a direction that the virtual image display area (100) is along the longitudinal direction of the vehicle. an indicator (21) arranged to:
relaying the image light (40) emitted by the display surface (24) toward the projection target (2);
a first area (251) having a first optical power through which a first image light (41) for displaying the virtual image passes in a distant area (101) of the virtual image display area (100);
A second area (252) having a second optical power through which a second image light (42) for displaying the virtual image passes in an intermediate area (102) closer than the far area (101) when viewed from the viewer. and
A relay optical system configured such that the first optical power is smaller than the second optical power so that the focal length of the first region (251) is longer than the focal length of the second region (252). (25) and
A third area (253) having a third optical power through which a third image light (43) for displaying the virtual image passes in a neighboring area (103) closer than the intermediate area (102) when viewed from the viewer. , further including
The rate of change in optical power from said second region (252) to said first region (251) is greater than the rate of change in optical power from said third region (253) to said second region (252). said relay optics (25) configured to:
A head-up display device comprising :
前記虚像の元となる画像光(40)を射出する表示面(24)を有し、
前記表示面(24)は、前記視認者に向かう前記画像光(40)の光軸(40p)に対して、前記虚像表示領域(100)が前記車両の前後方向に沿うような方向に傾いて配置される、ように構成された表示器(21)と、
前記表示面(24)が射出する前記画像光(40)を被投影部(2)に向けてリレーし、
前記虚像表示領域(100)の遠方領域(101)で前記虚像を表示するための第1画像光(41)が通過する第1光学的パワーを有する第1領域(251)と、
前記視認者から見て前記遠方領域(101)より近い中間領域(102)で前記虚像を表示するための第2画像光(42)が通過する第2光学的パワーを有する第2領域(252)と、を有し、
前記第1領域(251)の焦点距離が前記第2領域(252)の焦点距離より長くなるように前記第1光学的パワーが前記第2光学的パワーより小さい、ように構成されたリレー光学系(25)と、から構成され、
前記車両の前後方向に対する前記虚像表示領域(100)の接線の角度(θ)が、前記視認者の近傍から遠方に向かうにつれて非減少で連続的又は断続的に増加するように、前記第1領域(251)、前記第2領域(252)、及びこれらの間の領域の前記光学的パワーの分布を調整する前記リレー光学系(25)、
から構成されるヘッドアップディスプレイ装置。 A head-up display device (20) that allows a viewer to visually recognize a virtual image in a virtual image display area (100) along the longitudinal direction of the vehicle,
Having a display surface (24) for emitting image light (40) that is the source of the virtual image,
The display surface (24) is inclined with respect to the optical axis (40p) of the image light (40) directed to the viewer in such a direction that the virtual image display area (100) is along the longitudinal direction of the vehicle. an indicator (21) arranged to:
relaying the image light (40) emitted by the display surface (24) toward the projection target (2);
a first area (251) having a first optical power through which a first image light (41) for displaying the virtual image passes in a distant area (101) of the virtual image display area (100);
A second area (252) having a second optical power through which a second image light (42) for displaying the virtual image passes in an intermediate area (102) closer than the far area (101) when viewed from the viewer. and
A relay optical system configured such that the first optical power is smaller than the second optical power so that the focal length of the first region (251) is longer than the focal length of the second region (252). (25) and
The first region is such that an angle (θ) of a tangent line of the virtual image display region (100) with respect to the front-rear direction of the vehicle increases non-decreasingly and continuously or intermittently as it goes away from the vicinity of the viewer. (251), the relay optics (25) for adjusting the distribution of the optical power in the second region (252) and regions therebetween;
A head-up display device comprising :
前記虚像の元となる画像光(40)を射出する表示面(24)を有し、
前記表示面(24)は、前記視認者に向かう前記画像光(40)の光軸(40p)に対して、前記虚像表示領域(100)が前記車両の前後方向に沿うような方向に傾いて配置される、ように構成された表示器(21)と、
前記表示面(24)が射出する前記画像光(40)を被投影部(2)に向けてリレーし、
前記虚像表示領域(100)の遠方領域(101)で前記虚像を表示するための第1画像光(41)が通過する第1光学的パワーを有する第1領域(251)と、
前記視認者から見て前記遠方領域(101)より近い中間領域(102)で前記虚像を表示するための第2画像光(42)が通過する第2光学的パワーを有する第2領域(252)と、を有し、
前記第1領域(251)の焦点距離が前記第2領域(252)の焦点距離より長くなるように前記第1光学的パワーが前記第2光学的パワーより小さい、ように構成されたリレー光学系(25)と、から構成され、
前記車両の前後方向に対する前記虚像表示領域(100)の接線の角度(θ)が、前記中間領域(102)から前記遠方領域(101)に向かうにつれて単調増加するように、前記第1領域(251)、前記第2領域(252)、及びこれらの間の領域の前記光学的パワーの分布を調整し、
前記中間領域(102)が前記視認者の前方向に20メートル、又はそれ以上の距離に配置されるように、前記第2領域(252)が配置される、ように構成される前記リレー光学系(25)、から構成されるヘッドアップディスプレイ装置。 A head-up display device (20) that allows a viewer to visually recognize a virtual image in a virtual image display area (100) along the longitudinal direction of the vehicle,
Having a display surface (24) for emitting image light (40) that is the source of the virtual image,
The display surface (24) is inclined with respect to the optical axis (40p) of the image light (40) directed to the viewer in such a direction that the virtual image display area (100) is along the longitudinal direction of the vehicle. an indicator (21) arranged to:
relaying the image light (40) emitted by the display surface (24) toward the projection target (2);
a first area (251) having a first optical power through which a first image light (41) for displaying the virtual image passes in a distant area (101) of the virtual image display area (100);
A second area (252) having a second optical power through which a second image light (42) for displaying the virtual image passes in an intermediate area (102) closer than the far area (101) when viewed from the viewer. and
A relay optical system configured such that the first optical power is smaller than the second optical power so that the focal length of the first region (251) is longer than the focal length of the second region (252). (25) and
The first region (251 ), the second region (252), and adjusting the distribution of the optical power in regions therebetween;
The relay optics configured such that the second region (252) is positioned such that the intermediate region (102) is positioned at a distance of 20 meters or more in front of the viewer. (25), a head-up display device comprising :
前記虚像の元となる画像光(40)を射出する表示面(24)を有し、
前記表示面(24)は、前記視認者に向かう前記画像光(40)の光軸(40p)に対して、前記虚像表示領域(100)が前記車両の前後方向に沿うような方向に傾いて配置される、ように構成された表示器(21)と、
前記表示面(24)が射出する前記画像光(40)を被投影部(2)に向けてリレーし、
前記虚像表示領域(100)の遠方領域(101)で前記虚像を表示するための第1画像光(41)が通過する第1光学的パワーを有する第1領域(251)と、
前記視認者から見て前記遠方領域(101)より近い中間領域(102)で前記虚像を表示するための第2画像光(42)が通過する第2光学的パワーを有する第2領域(252)と、を有し、
前記第1領域(251)の焦点距離が前記第2領域(252)の焦点距離より長くなるように前記第1光学的パワーが前記第2光学的パワーより小さい、ように構成されたリレー光学系(25)と、から構成され、
前記虚像表示領域(100)は、前記虚像表示領域(100)の一部を路面(310)より下側に配置し、前記遠方領域(101)を含む他部を前記路面(310)より上側に配置する、
ヘッドアップディスプレイ装置。 A head-up display device (20) that allows a viewer to visually recognize a virtual image in a virtual image display area (100) along the longitudinal direction of the vehicle,
Having a display surface (24) for emitting image light (40) that is the source of the virtual image,
The display surface (24) is inclined with respect to the optical axis (40p) of the image light (40) directed to the viewer in such a direction that the virtual image display area (100) is along the longitudinal direction of the vehicle. an indicator (21) arranged to:
relaying the image light (40) emitted by the display surface (24) toward the projection target (2);
a first area (251) having a first optical power through which a first image light (41) for displaying the virtual image passes in a distant area (101) of the virtual image display area (100);
A second area (252) having a second optical power through which a second image light (42) for displaying the virtual image passes in an intermediate area (102) closer than the far area (101) when viewed from the viewer. and
A relay optical system configured such that the first optical power is smaller than the second optical power so that the focal length of the first region (251) is longer than the focal length of the second region (252). (25) and
The virtual image display area (100) is configured such that a part of the virtual image display area (100) is arranged below the road surface (310) and the other part including the distant area (101) is arranged above the road surface (310). place ,
Head-up display device.
前記虚像の元となる画像光(40)を射出する表示面(24)を有し、
前記表示面(24)は、前記視認者に向かう前記画像光(40)の光軸(40p)に対して、前記虚像表示領域(100)が前記車両の前後方向に沿うような方向に傾いて配置される、ように構成された表示器(21)と、
前記表示面(24)が射出する前記画像光(40)を被投影部(2)に向けてリレーし、
前記虚像表示領域(100)の遠方領域(101)で前記虚像を表示するための第1画像光(41)が通過する第1光学的パワーを有する第1領域(251)と、
前記視認者から見て前記遠方領域(101)より近い中間領域(102)で前記虚像を表示するための第2画像光(42)が通過する第2光学的パワーを有する第2領域(252)と、を有し、
前記第1領域(251)の焦点距離が前記第2領域(252)の焦点距離より長くなるように前記第1光学的パワーが前記第2光学的パワーより小さい、ように構成されたリレー光学系(25)と、から構成され、
前記中間領域(102)は、前記車両の前後方向で前記視認者から見た前記虚像表示領域(100)の遠方端(110)と近傍端(130)との間であり、前記虚像表示領域(100)の最低位置に配置される、
ヘッドアップディスプレイ装置。 A head-up display device (20) that allows a viewer to visually recognize a virtual image in a virtual image display area (100) along the longitudinal direction of the vehicle,
Having a display surface (24) for emitting image light (40) that is the source of the virtual image,
The display surface (24) is inclined with respect to the optical axis (40p) of the image light (40) directed to the viewer in such a direction that the virtual image display area (100) is along the longitudinal direction of the vehicle. an indicator (21) arranged to:
relaying the image light (40) emitted by the display surface (24) toward the projection target (2);
a first area (251) having a first optical power through which a first image light (41) for displaying the virtual image passes in a distant area (101) of the virtual image display area (100);
A second area (252) having a second optical power through which a second image light (42) for displaying the virtual image passes in an intermediate area (102) closer than the far area (101) when viewed from the viewer. and
A relay optical system configured such that the first optical power is smaller than the second optical power so that the focal length of the first region (251) is longer than the focal length of the second region (252). (25) and
The intermediate area (102) is between a far end (110) and a near end (130) of the virtual image display area (100) seen from the viewer in the front-rear direction of the vehicle, and the virtual image display area ( 100) placed at the lowest position ,
Head-up display device.
請求項5に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
In the virtual image display area (100), a part of the virtual image display area (100) including the intermediate area (102) is arranged below a road surface (310), and the other part including the far area (101) is arranged below the road surface (310). Placed above the road surface (310),
The head-up display device according to claim 5.
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