JP7351818B2 - information display device - Google Patents
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Description
本発明は、自動車や電車や航空機等(以下では、一般的に「乗り物」とも言う)のフロントガラスまたはコンバイナ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投影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 or combiner of a car, train, airplane, etc. (hereinafter also generally referred to as a "vehicle"), and which allows the image to be observed as a virtual image through the windshield. The present invention relates to a projection optical system and an information display device using the same.
自動車のフロントガラスやコンバイナ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) projects video light onto a car's windshield or combiner to form a virtual image and displays traffic information such as route information and traffic jam information, as well as vehicle information such as remaining fuel level and coolant temperature. -Up-Display) device is already known from
この種の情報表示装置においては、ドライバが虚像を観視できる領域を拡大することが望まれる一方、虚像が高解像度で視認性が高いことも重要な性能要因である。 In this type of information display device, while it is desired to expand the area in which the driver can view the virtual image, it is also an important performance factor that the virtual image has high resolution and high visibility.
ヘッドアップディスプレイ装置はドライバに虚像を提供する最終反射面としてフロントガラスまたはコンバイナが必ず必要であり、発明者らは視認性が高く良好な解像性能を得るためには、最終反射面であるフロントガラスまたはコンバイナで発生する二重反射により生じる虚像の二重像の改善が重要であることに気付いた。 A head-up display device always requires a windshield or combiner as the final reflective surface that provides a virtual image to the driver, and the inventors believe that in order to obtain high visibility and good resolution performance, the front glass or combiner is the final reflective surface. It has been realized that it is important to improve the double image of the virtual image caused by the double reflection occurring in the glass or combiner.
一方、例えば、以下の非特許文献1にも開示されるような自動車の天井(サンバイザー)付近にコンバイナを含めた本体を取り付ける装置も既に提案されている。
On the other hand, a device for mounting a main body including a combiner near the ceiling (sun visor) of an automobile has already been proposed, as disclosed in Non-Patent
従来技術によるヘッドアップディスプレイ装置を実現する凹面ミラーによる虚像生成の原理は、図33に示すように、凹面ミラー1’の光軸上の点Oに対して焦点F(焦点距離f)の内側に物点ABを配置することで、凹面ミラー1’による虚像を得ることができると言うものである。この図33では、説明の都合上、凹面ミラー1’を同じ正の屈折力を持つ凸レンズとみなし、物点と凸レンズ(説明の都合上、図33では、凹面ミラーで表記)と発生する虚像の関係を示した。 The principle of generating a virtual image using a concave mirror that realizes a head-up display device according to the prior art is as shown in FIG. By arranging the object point AB, it is possible to obtain a virtual image by the concave mirror 1'. In FIG. 33, for convenience of explanation, the concave mirror 1' is assumed to be a convex lens having the same positive refractive power, and the virtual image generated by the object point, the convex lens (for convenience of explanation, expressed as a concave mirror in FIG. 33), showed the relationship.
従来技術では、凹面ミラー1’で生成する虚像が見える範囲を広げるためには、物点ABを焦点Fに近づけて物寸法ABに対して凹面ミラーを大きくすると良いが、所望の倍率を得るためには、凹面ミラーの曲率半径が小さくなるためこれらを両立することは困難となる。この結果、ミラーサイズが小さくなり、実効的に拡大率は大きいが、観視可能な範囲が小さい虚像しか得られないという結果となる。このため、(1)所望の虚像サイズと、(2)必要な虚像の倍率M=b/aを同時に満足するためには、凹面ミラーの寸法は観視範囲に合わせ、映像表示装置との兼ね合いで虚像の倍率を決める必要がある。 In the conventional technology, in order to widen the visible range of the virtual image generated by the concave mirror 1', it is better to bring the object point AB closer to the focal point F and make the concave mirror larger with respect to the object dimension AB, but in order to obtain the desired magnification In this case, the radius of curvature of the concave mirror becomes smaller, making it difficult to achieve both. As a result, the mirror size becomes small, and although the effective magnification is large, only a virtual image with a small viewable range is obtained. Therefore, in order to simultaneously satisfy (1) the desired virtual image size and (2) the required virtual image magnification M=b/a, the dimensions of the concave mirror should be adjusted to the viewing range and the dimensions of the concave mirror should be adjusted to suit the viewing range. It is necessary to determine the magnification of the virtual image.
このため、従来技術では、所望の観視範囲において大きな虚像を得るためには、例えば図33に示すように、凹面ミラー1’から虚像までの距離を大きく、すなわち、最終反射面であるフロントガラスまたはコンバイナ(図示せず)と凹面ミラーの距離を大きくし、同時に、凹面ミラーのサイズを大きくする必要があった。しかしながら、フロントガラスまたはコンバイナで発生する二重反射により生じる虚像の二重像については配慮されていなかった。 Therefore, in the conventional technology, in order to obtain a large virtual image in a desired viewing range, the distance from the concave mirror 1' to the virtual image is increased, as shown in FIG. Alternatively, it was necessary to increase the distance between the combiner (not shown) and the concave mirror, and at the same time increase the size of the concave mirror. However, no consideration was given to virtual double images caused by double reflections occurring on the windshield or combiner.
また、例えば、従来技術である上記の特許文献1に開示されたヘッドアップディスプレイ装置の例では、画像を表示するデバイスと表示デバイスに表示された画像を投写する投写光学系を備え、投写光学系として表示デバイスから観視者の光路において第一ミラーと第二ミラーを有し、第一ミラーにおける画像長軸方向の入射角と第一ミラーにおける画像短軸方向の入射角、および、表示デバイスの画像表示面と第一ミラーとの間隔と、観視者によって視認される虚像の水平方向の幅の関係を所定の条件を満足させることで、小型化を実現している。しかしながら、上述したフロントガラスの両面(ドライバ側と外側の二面)の反射により発生する二重像の軽減手段については記載すらなかった。
Further, for example, in the example of the head-up display device disclosed in the above-mentioned
他方、非特許文献1に開示されるような自動車の天井(サンバイザー)付近に本体を取り付ける装置では、ドライバに面していない反射面に反射防止膜を成膜することで二重像の発生を低減している。しかしながら、衝突事故を起こした時にHUD装置が外れた場合、運転者に怪我を負わせる可能性があるなど、なお安全上の課題が残る。
On the other hand, in a device that is mounted near the ceiling (sun visor) of a car as disclosed in Non-Patent
このため、今後は上記の特許文献1に記載されたフロントガラスを反射面とする方式が主流となると考えられることから、フロントガラスの両面で反射する虚像を生成する映像光の反射を投写光学系の工夫で低減する技術手段を考案した。
For this reason, it is thought that the method described in
本発明は、以下にも詳述するフロントガラスを反射面とした場合に生じる虚像の二重像化を光学系の工夫で軽減する技術手段を含めて提案するものであり、併せて、運転者が視認する虚像の歪みと収差を実用上問題のないレベルまで軽減した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。 The present invention proposes technical means for reducing the double image formation of virtual images that occurs when the windshield is used as a reflective surface, which will be described in detail below, by devising an optical system. An object of the present invention is to provide an information display device capable of forming a highly visible virtual image in which distortion and aberration of the virtual image visually recognized are reduced to a level that poses no problem in practical use.
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ディスプレイと、前記ディスプレイ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複数の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、凹面ミラーと光学素子を含んでおり、前記光学素子は、前記フロントガラスの上部には、遠景に重ねる例えば危険情報などの虚像を成立させ、そして、前記フロントガラスの上部から下部に向かって、近景あるいは自動車のボンネット上に重ねる速度情報やナビゲーションの進行方向などを示す矢印などの虚像を成立させるように、前記ディスプレイと前記凹面ミラーとの間で分離される各虚像を成立させる映像光束に対応して前記光学素子の形状と位置を最適化すると共に、映像光束が前記フロントガラスの表面と裏面で反射することで発生する虚像の二重像化を低減する手段を備えることで、小型でありながら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形成する。 The present invention, which has been made to achieve the above object, is an information display device that displays virtual image information on a windshield of a vehicle, which includes a display that displays the image information, and an image that is emitted from the display. a virtual image optical system that displays a plurality of virtual images in front of the vehicle by reflecting the light from the windshield, the virtual image optical system including a concave mirror and an optical element; At the top of the windshield, a virtual image such as danger information is superimposed on a distant view, and from the top to the bottom of the windshield, speed information and navigation progress are superimposed on the near view or the hood of the car. Optimizing the shape and position of the optical element in accordance with the image light flux that forms each virtual image separated between the display and the concave mirror so as to form a virtual image such as an arrow indicating a direction, etc. , is equipped with a means for reducing the double image of the virtual image that occurs when the image light flux is reflected on the front and back surfaces of the windshield, so that it can be displayed at multiple positions corresponding to the driver's viewpoint position even though it is small. forming the plurality of virtual images.
このように、本発明によれば、上述した虚像に発生する二重像を低減させると共に視認性を向上した映像が得られるように、映像表示装置からの映像光の光学系に入射する光の発散角を制御した情報表示装置が実現される。 As described above, according to the present invention, the light incident on the optical system of the image light from the image display device is adjusted so that the double image generated in the virtual image described above is reduced and an image with improved visibility is obtained. An information display device with a controlled divergence angle is realized.
本発明によれば、装置の小型化を実現しながら、運転者が観察する虚像の歪や収差を補正し、虚像に発生する二重像を低減させるために虚像光学系に入射する光源光束の発散角を制御することで、視認性を向上した虚像を形成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, the light source luminous flux incident on the virtual image optical system is adjusted to correct distortion and aberration of the virtual image observed by the driver and to reduce double images occurring in the virtual image while realizing miniaturization of the device. By controlling the divergence angle, it is possible to provide an information display device that forms a virtual image with improved visibility.
以下、図面等を用いて、本発明の実施例について詳細に説明する。なお、本発明は以下の説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更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。 Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings and the like. Note that the present invention is not limited to the following explanation, and various changes and modifications can be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea disclosed in this specification. Further, in all the figures for explaining the present invention, parts having the same functions are given the same reference numerals, and repeated explanation thereof may be omitted.
<情報表示装置の実施形態>
図1は、本発明の一実施例に係る情報表示装置の周辺機器構成を示す概略構成図であり、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100について説明する。
<Embodiment of information display device>
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the peripheral equipment configuration of an information display device according to an embodiment of the present invention, and here, as an example, an
この情報表示装置100は、運転者の視線8において自車両の前方に虚像V1を形成するため、被投影部材6(本実施例では、フロントガラスの内面)にて反射された各種情報を虚像VI(Virtual Image)として表示する装置(いわゆる、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良く、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、本実施例の情報表示装置100では、運転者の視線8において自車両の前方に虚像を形成して運転者に視認させるものであれば良く、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をも含むことは当然であろう。
In order to form a virtual image V1 in front of the own vehicle in the driver's line of
また、情報表示装置100では、情報を表示する映像光を投射する映像表示装置4と、当該映像表示装置4に表示された映像を凹面ミラー1で虚像を形成する際に発生する歪や収差を補正するために補正用のレンズ群2が、映像表示装置4と凹面ミラー1の間に設けられている。
The
そして、情報表示装置100は、上記映像表示装置4とバックライト5を制御する制御装置40とを備えている。なお、上記映像表示装置4とバックライト5などを含む光学部品は、以下に述べる虚像光学系であり、光を反射させる凹面ミラー1を含んでいる。また、この光学部品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。
The
上記の映像表示装置4としては、例えば、バックライトを有するLCD(Liquid Crystal Display)の他に自発光のVFD(Vacuum Flourescent Display)などがある。
Examples of the
一方、上述した映像表示装置4の代わりに、投写装置によりスクリーンに映像を表示して、前述の凹面ミラー1で虚像とし被投影部材であるフロントガラス6で反射して運転者の視点8と向かわせても良い。
On the other hand, instead of the above-mentioned
このようなスクリーンとしては、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しても良い。 Such a screen may be configured, for example, by a microlens array in which microlenses are arranged two-dimensionally.
ここで、虚像の歪みを低減するために凹面ミラー1の形状は、図1に示す上部(相対的に運転者の視点との距離が短いフロントガラス6の下方で光線が反射する領域)では、拡大率が大きくなるように相対的に曲率半径が小さく、他方、下部(相対的に運転者の視点との距離が長いフロントガラス6の上方で光線が反射する領域)では、拡大率が小さくなるように相対的に曲率半径が大きくなる形状とすると良い。また、映像表示装置4を凹面ミラーの光軸に対して傾斜させることで上述した虚像倍率の違いを補正して発生する歪みそのものを低減することによっても、更に良好な補正が実現できる。
Here, in order to reduce the distortion of the virtual image, the shape of the
一方、乗用車のフロントガラス6は、図2、図3にも示すように、本体垂直方向の曲率半径Rvと水平方向の曲率半径Rhが異なり、一般には、Rh>Rvの関係にある。このため、反射面としてフロントガラス6を捉えると、凹面ミラーのトロイダル面となる。このため、本実施例の情報表示装置100では、凹面ミラー1の形状はフロントガラス6の形状による虚像倍率を補正するように、すなわち、フロントガラス6の垂直方向と水平方向の曲率半径の違いを補正するように水平方向と垂直方向で異なる平均曲率半径とすれば良い。この時、凹面ミラー1の形状は、光軸に対称な球面または非球面形状(後述する数2の式で表される形状)では、光軸からの距離rの関数であり、離れた場所の水平断面と垂直断面形状を個別に制御できないことから、後述する数1の式で表される自由曲面としてミラー面の光軸からの面の座標(x,y)の関数として補正することが好ましい。
On the other hand, as shown in FIGS. 2 and 3, the
再び、図1に戻り、更に、映像表示装置4と凹面ミラー1の間に透過型の光学部品として、例えばレンズ素子2を配置し、もって、凹面ミラー1への光線の出射方向を制御することで凹面ミラー1の形状と合わせて歪曲収差の補正を行うと同時に、前述したフロントガラス6の水平方向の曲率半径と垂直方向の曲率半径の違いによって生じる非点収差を含めた虚像の収差補正を実現する。
Returning to FIG. 1 again, a
また、収差補正能力を更に高めるために、上述した光学素子2を複数枚のレンズとしても良い。または、レンズ素子の代わりに曲面ミラーを配置して光路の折り返しと同時に凹面ミラー1への光線の入射位置を制御することで、歪曲収差を低減することもできる。以上にも述べたように、更に、収差補正能力を向上させるために最適設計された光学素子を凹面ミラー1と映像表示装置4の間に設けても、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。更に、上述した光学素子2の光軸方向の厚さを変化させることで、本来の収差補正の他に凹面ミラー1と映像表示装置4の光学的な距離を変えて、虚像の表示位置を遠方から近接位置まで、連続的に変化させることもできる。
Further, in order to further improve the aberration correction ability, the
また、映像表示装置4を凹面ミラー1の光軸法線に対して傾けて配置することで虚像の上下方向の倍率の違いを補正しても良い。
Furthermore, the difference in vertical magnification of the virtual image may be corrected by arranging the
一方、情報表示装置100の画質を低下させる要因として、映像表示装置4から凹面ミラー1に向かって出射する映像光線が途中に配置された光学素子2の表面で反射して映像表示装置4に戻り、再度反射して本来の映像光に重畳されて、画質を低下させることが知られている。このため、本実施例では、光学素子2の表面に反射防止膜を成膜して反射を抑えるだけでなく、更に、光学素子2の映像光入射面と出射面のいずれか一方、若しくは、両方のレンズ面形状を上述した反射光が映像表示装置4の一部分に集光しないような形状(例えば、映像表示装置4に凹面を向けた形状)となるよう、その面形状に制約を持たせて設計することが好ましい。
On the other hand, one of the factors that degrades the image quality of the
次に、映像表示装置4として、上述した光学素子2からの反射光を吸収させるために液晶パネルに近接して配置された第一の偏光板に加えて、第二の偏光板を液晶パネルと分離して配置すれば、画質の低下を軽減できる。また、液晶パネルのバックライト5は、液晶パネル4に入射する光の入射方向を凹面ミラー1の入射瞳に効率よく入射するように制御される。この時、液晶パネルに入射する光束の発散角を小さくすれば、効率よく運転者のアイポイントに映像光を向けることができるばかりでなく、更に、図27および図31に示すようにコントラストの高い視認性の良い映像を得ることが可能となる。映像の発散角に対するコントラスト性能は水平方向の方が顕著で±20度以内であれば優れた特性が得られる。更にコントラスト性能を向上させるためには、±10度以内の光束を利用すると良い。
Next, as the
一方、光源としては、製品寿命が長い固体光源を採用することが好ましく、更には、周囲温度の変動に対する光出力変化が少ないLED(Light Emitting Diode)として光の発散角を低減する光学手段を設けたPBS(Polarizing Beam Splitter)を用いて偏光変換を行うことが好ましい。 On the other hand, it is preferable to use a solid-state light source with a long product life as the light source, and furthermore, it is preferable to use an optical means to reduce the divergence angle of light such as an LED (Light Emitting Diode) whose light output changes little with changes in ambient temperature. It is preferable to perform polarization conversion using a PBS (Polarizing Beam Splitter).
液晶パネルのバックライト5側(光入射面)と光学素子2側(光出射面)には、偏光板が配置されており、これにより、映像光のコントラスト比を高めている。バックライト5側(光入射面)に設ける偏光板には、偏光度が高いヨウ素系のものを採用すれば、高いコントラスト比が得られる。一方、光学素子2側(光出射面)には染料系の偏光板を用いることによれば、外光が入射した場合や環境温度が高い場合でも、高い信頼性を得ることが可能となる。
Polarizing plates are arranged on the
映像表示装置4として液晶パネルを用いる場合、特に、運転者が偏光サングラスを着用している場合には、特定の偏波が遮蔽されて映像が見えない不具合が発生する。これを防ぐために、液晶パネルの光学素子2側に配置した偏光板の光学素子側にλ/4板を配置し、もって、特定の偏光方向に揃った映像光を円偏光に変換することが好ましい。
When a liquid crystal panel is used as the
制御装置40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61に設定された自車両の移動予定経路などの各種の情報を、前景情報(すなわち、上記虚像により自車両の前方に表示する情報)として取得する。
The
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、運転支援制御としては、例えば、クルーズコントロール、アダプティブクルーズコントロール、プリクラッシュセーフティ、レーンキーピングアシストなどの周知技術を含む。
The driving
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
制御装置40は、このような運転支援ECU62からの情報(例えば、先行車両までの距離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。更に、制御装置40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、更には、シフトポジション情報なども含まれている。以上述べた制御装置40は、イグニッション信号が入力されると起動する。以上が、本願実施例の情報表示装置全体システムの説明である。
The
<虚像光学系の第一の実施形態>
次に、本実施例に係る虚像光学系、および、映像表示装置の更なる詳細について、以下に説明する。
<First embodiment of virtual image optical system>
Next, further details of the virtual image optical system and the video display device according to this embodiment will be described below.
図2は、既述のように、本実施例における情報表示装置100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。更に、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の間には、一般的に、下記の関係があることが判った。
Rh>Rv
As already mentioned, FIG. 2 is a top view of a car equipped with the
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 has also been found that the difference in the radius of curvature, that is, Rh with respect to Rv, is often in the range of 1.5 to 2.5 times.
次に、発明者らは、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、本実施例では、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 also investigated commercially available products regarding the angle of inclination of the windshield. As a result, although it varied depending on the vehicle body type, the angle was 20 degrees to 30 degrees for light cars and 1-box types, 30 degrees to 40 degrees for sedan types, and 40 degrees or more for sports types. Therefore, in this example, the difference between the radius of curvature Rh in the horizontal direction of the windshield parallel to the ground plane of the vehicle and the radius of curvature Rv in the vertical direction perpendicular to the horizontal axis and the inclination angle of the windshield are taken into consideration. , designed a virtual image 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およびこの軸に垂直な軸に対して軸非対称な光学素子2を虚像光学系内に設けることにより、良好な収差補正を実現した。
More specifically, since the horizontal radius of curvature Rh and the vertical radius of curvature Rv of the windshield, which is the projected member, are significantly different, the horizontal axis of the windshield and the vertical radius to this axis are By providing the
次に、発明者らは、情報表示装置100の小型化について検討を行った。検討の条件として、FOVの水平:7度,垂直2.6度とし、更に、虚像距離2mとして検討を行った。検討の当初、虚像を生成する凹面ミラー1(以下の図5では、平面ミラーとして簡易的に表示する)と映像表示装置4およびバックライト5を基本構成として、映像表示装置4と凹面ミラー1の間に光路折り返しミラーを1枚配置して、情報表示装置100の容積が最小になるように、それぞれの部材の配置と映像表示装置4から凹面ミラー1までの距離をパラメータとしてシミュレーションを行った。
Next, the inventors investigated miniaturization of the
その結果、映像表示装置4からの映像光がそれぞれの部品に干渉しないように配置した場合の容積は3.6リットルとなった。その後、更なる小型化を狙って光路折り返しミラーを除いた直接方式について検討を行った。
As a result, the volume was 3.6 liters when arranged so that the image light from the
図4を参照して本実施例の虚像光学系の構成について説明する。この図4は、図1に示した本実施例の虚像光学系において小型化の検討を行うための基本構成を示した全体構成図である。説明の簡略化のために、収差および歪曲収差補正用の光学素子は省略し、図1に示したウインドガラス6と同様に、その垂直断面形状を示している。映像表示装置4としては、液晶パネルを想定し、バックライト5を配置した構成を基本構成として、映像表示装置4は、表示された映像を凹面ミラー1によって虚像が得られる位置に配置される。
The configuration of the virtual image optical system of this example will be explained with reference to FIG. FIG. 4 is an overall configuration diagram showing the basic configuration for considering miniaturization of the virtual image optical system of this embodiment shown in FIG. 1. To simplify the explanation, optical elements for correcting aberrations and distortion are omitted, and the vertical cross-sectional shape is shown in the same manner as the
この時、図5に示したように、映像表示装置4の画面中央の映像から発生した映像光R2、上端からの映像光R1、および、下端からの映像光R3は、それぞれ、凹面ミラー1で反射した際に映像表示装置4に干渉して光が遮られないように配置することが設計的な制約となる。
At this time, as shown in FIG. 5, the image light R2 generated from the image at the center of the screen of the
発明者らは、上述した設計制約を考慮して、同時に、FOVの水平:7度,垂直2.6度とし、更に、虚像距離2mとして、凹面ミラー1と映像表示装置4(液晶パネルとバックライト5)との間隔Zをパラメータとして情報表示装置100の容積を求めた。距離Zが100mmの場合は、凹面ミラー1の垂直寸法を最も小さくできる。距離Zを75mmとした場合には水平面と凹面ミラー1の角度α2が大きくなり、凹面ミラー1の垂直寸法も大きくなる。距離Zを更に短縮して50mm以下にすると水平面と凹面ミラー1の角度α3が大きくなり、凹面ミラー1の垂直寸法も更に大きくなる。
Taking into account the design constraints mentioned above, the inventors set the FOV horizontally to 7 degrees and vertically to 2.6 degrees, and also set the virtual image distance to 2 m to connect the
以上に述べたように、距離Zをパラメータとして、映像表示装置4のセット高さとセット奥行きの関係をシミュレーションすると、距離Zを小さくすればセット奥行きが低減できるが、一方で、セット高さが高くなる。同様に、距離Zとセット容積Lの関係は、映像表示装置4から凹面ミラーまでの空間容積(光路容積と表示)に比べ、セット容積(LCD駆動回路,光源駆動回路、バックライト部体積含む)の変化は距離Zが60mmを境界として変化した。
As described above, when the relationship between the set height and the set depth of the
以上のことから、情報表示装置100を小型化するためには、映像表示装置4に表示された映像を直接凹面ミラー1で拡大する距離Zが短い虚像光学系を実現する必要があり、映像表示装置4の映像表示部の画面垂直方向中心は凹面ミラー1の中心より下側に配置されることが必要であることが判った。
From the above, in order to downsize the
一方、この配置では、映像表示装置4と凹面ミラー1の上端までの距離(光線R1に対応)が長く、映像表示装置4と凹面ミラー1の下端までの距離(光線R3に対応)は短くなる。そこで、映像表示装置4を映像表示装置4と凹面ミラー1の距離が可能な限り均一になるように配置するのが良い。
On the other hand, in this arrangement, the distance between the
本実施例の虚像光学系(図6および図7を参照)では、映像表示装置4と凹面ミラー1の間に虚像の歪み補正と虚像で発生する収差を補正する光学素子による収差補正を行うが、これについては後に図8を用いて説明する。すなわち、凹面ミラー1の光軸上の点Oに対して焦点F(焦点距離f)の内側に映像表示装置4(物点)を配置することで、凹面ミラー1による虚像を得ることができる。この図8では、説明の都合上、凹面ミラー1を同じ正の屈折力を持つ凸レンズとみなし、物点と凸レンズ(説明の都合上、図8では凹面ミラーで表記)と発生する虚像の関係を示した。
In the virtual image optical system of this embodiment (see FIGS. 6 and 7), aberration correction is performed between the
本実施例では、凹面ミラー1で発生する歪みと収差を低減するために光学素子2を配置する。この光学素子は、透過型の光学レンズであっても凹面ミラーであっても良いが、映像表示装置4からの映像光が:
(1)テレセントリックな光束として反射面へ入射する場合は、レンズまたは凹面ミラー1の屈折力はほぼ零となる;
(2)映像表示装置4からの映像光が発散して光学素子に入射する場合には、光学素子は正の屈折力を持つ;
(3)映像表示装置4からの映像光が集光して光学素子に入射する場合には、光学素子は負の屈折力を持つ;
ようにして、凹面ミラーに入射する光束の方向(角度と位置)を制御し、発生する虚像の歪曲収差を補正する。更に、透過型の光学レンズの場合には、映像表示装置4側の入射面と凹面ミラー1側の出射面の相互作用により、虚像に発生する結像性能に関する収差を補正する。本実施例では一つの光学素子について述べたが、複数の透過型の光学素子であっても良く、あるいは、反射型の光学素子(ミラー)と透過型の光学素子の組合せとしても良い。
In this embodiment, the
(1) When the light beam enters the reflecting surface as a telecentric beam, the refractive power of the lens or
(2) When the image light from the
(3) When the image light from the
In this way, the direction (angle and position) of the light beam incident on the concave mirror is controlled, and the distortion aberration of the virtual image that occurs is corrected. Furthermore, in the case of a transmission type optical lens, the interaction between the incident surface on the
この時、運転者が視認する虚像の大きさは、前述したように、フロントガラスの傾斜により生じる映像表示装置4と凹面ミラー1の距離aと凹面ミラー1と虚像までの距離bが虚像の上端と下端で異なる。そのため、フロントガラスまたはコンバイナを反射面として、虚像の二重像が発生する。そこで、本実施例では、かかる場合に生じる虚像の二重像化を光学系の工夫で軽減する技術を開発し、以下にその詳細について述べる。
At this time, the size of the virtual image that the driver visually recognizes is determined by the distance a between the
<虚像二重像化発生のメカニズム>
発明者らは、種々の検討の結果、下記に述べる知見に基づいて、以下に詳述する虚像の二重像化を軽減する技術を開発した。
<Mechanism of double virtual image generation>
As a result of various studies, the inventors have developed a technique for reducing double imaging of virtual images, which will be described in detail below, based on the knowledge described below.
フロントガラスの上部で反射して運転者が視認する虚像は、図9に示すように、フロントガラスの傾斜と前述の虚像を生成する光線がフロントガラスに斜めから入射するため、フロントガラスの厚さをtとすると、ドライバに近い反射面(以降、反射面1と記載)で反射する正規光の反射位置aと、ドライバから遠い反射面(以降、反射面2と記載)で反射する裏面反射光の反射位置bが垂直方向に距離Lだけ上方にずれてしまい、二つの虚像が形成される。 The virtual image that is reflected at the top of the windshield and seen by the driver depends on the thickness of the windshield, as shown in Figure 9, because the windshield is tilted and the light rays that generate the aforementioned virtual image enter the windshield obliquely. Let t be the reflection position a of the normal light reflected on the reflective surface close to the driver (hereinafter referred to as reflective surface 1), and the back reflected light reflected on the reflective surface far from the driver (hereinafter referred to as reflective surface 2). The reflection position b of is shifted upward by a distance L in the vertical direction, and two virtual images are formed.
この正規光による正規虚像と裏面反射光による第二の虚像は、空気からフロントガラスに入射光の反射率4%とフロントガラスと空気界面での反射率4%が等しいため、これら正規虚像と裏面反射光による虚像の明るさはほぼ等しい。このため、裏面反射光による虚像の明るさの低減が、虚像による映像の良好な解像性能を得るためには不可欠となる。 This normal virtual image by the normal light and the second virtual image by the back reflected light are the same as the 4% reflectance of the incident light from the air to the windshield and the 4% reflectance at the interface between the windshield and the air. The brightness of the virtual image due to reflected light is almost equal. Therefore, reducing the brightness of the virtual image due to the light reflected from the back surface is essential in order to obtain good resolution performance of the virtual image image.
一方、フロントガラス下部においても反射して運転者が視認する虚像は、図9に示した上部での反射と同様、フロントガラスの傾斜と前述の虚像を生成する光線がフロントガラスに斜めから入射するが、他方の裏面反射光は正規反射光の上方にずれて二つの虚像が形成される。 On the other hand, the virtual image that is reflected at the lower part of the windshield and seen by the driver is similar to the reflection at the upper part shown in Figure 9, due to the slope of the windshield and the light rays that generate the aforementioned virtual image entering the windshield obliquely. However, the other back surface reflected light is shifted above the regular reflected light, forming two virtual images.
更に、画面左右方向においては、正規反射光に対して凹面ミラーの光軸がフロントガラスと交差する点から離れる方向に裏面反射光がずれて、二つの虚像が形成される。 Further, in the horizontal direction of the screen, the back reflected light is shifted in a direction away from the point where the optical axis of the concave mirror intersects the windshield with respect to the regular reflected light, and two virtual images are formed.
前述したようにフロントガラスの屈折率を1.5とすると、映像光線のフロントガラスへの入射角度と反射率の関係は図34に示すように、垂直入射の場合反射率はS偏光とP偏光、共に、4%程度であるが入射角度が25度を超えるとS偏波の反射率が大きくなる。 As mentioned above, if the refractive index of the windshield is 1.5, the relationship between the angle of incidence of the image ray on the windshield and the reflectance is shown in Figure 34. In the case of normal incidence, the reflectance is S-polarized light and P-polarized light. , both are about 4%, but when the angle of incidence exceeds 25 degrees, the reflectance of S-polarized waves increases.
このため、映像表示装置としてLCDを用いる場合は映像出力光をどちら側の偏波を使用するかでフロントガラスの反射率が異なるため、ドライバが視認できる虚像の明るさが、反射面への入射角度で変化する可能性が生じる。 For this reason, when using an LCD as a video display device, the reflectance of the windshield differs depending on which side of the polarization is used for the video output light, so the brightness of the virtual image visible to the driver depends on the brightness of the virtual image that is visible to the driver. There is a possibility that it changes depending on the angle.
更に、フロントガラスと凹面ミラーの距離を変えずにドライバが虚像を視認できる領域を拡大すると、映像光線がフロントガラスに入射する角度が大きくなり画面の上下左右に二重像が発生し虚像のフォーカス感を阻害する。 Furthermore, if the area where the driver can see the virtual image is expanded without changing the distance between the windshield and the concave mirror, the angle at which the image light rays enter the windshield increases, creating double images on the top, bottom, left, and right sides of the screen, which makes it difficult to focus the virtual image. inhibit the sense of
このため、発明者らは、映像表示装置4を凹面ミラー1の光軸に対して図8に示すように傾けることで、虚像上端部の像倍率M’=b’/a’と、虚像下端部の像倍率M=b/aとを略一致させ、このことによって発生する歪曲収差の低減をすると更に良いことを見つけ出した。
Therefore, by tilting the
更に、光学素子2の垂直方向の断面形状の平均曲率半径と水平方向の断面形状の平均曲率半径とを異なる値として、前述したフロントガラスの垂直方向曲率半径Rvと水平方向曲率半径Rhの違いにより発生する光路差によって発生する、歪曲収差と虚像の結像性能を低下させる収差を補正する。
Furthermore, by setting the average radius of curvature of the vertical cross-sectional shape of the
上記に述べたように、フロントガラス6に直接映像光を反射させて虚像を得る情報表示装置100においては、フロントガラス6の垂直方向曲率半径Rvと水平方向曲率半径Rhの違いにより生じる光路差によって発生する収差の補正が、虚像の結像性能確保において最も重要になる。
As described above, in the
このため、発明者らは、従来の光学設計に用いられてきた、光軸からの距離rの関数としてレンズ面やミラー面の形状を定義する非球面形状(下記の数2の式を参照)に対して、光軸からの絶対座標(x,y)の関数として面の形状を定義することが可能な自由曲面形状(以下の数1の式を参照)を用いることにより、上述したフロントガラスの曲率半径の違いによる虚像の結像性能低下を軽減した。
For this reason, the inventors developed an aspherical shape (see
なお、光軸からの距離rの関数としてレンズ面やミラー面の形状を定義する非球面形状は、以下の数2の式ように表される。
Note that the aspheric shape that defines the shape of the lens surface or mirror surface as a function of the distance r from the optical axis is expressed by the
自動車用のフロントガラスの屈折率は通常n=1.5であり、一面当たりの反射率は5%である。上述したように、情報表示装置は、フロントガラスで虚像を反射させて運転者のアイボックス内に映像を結ばせるものである。このため、図9に示したように、映像光線はフロントガラスの車内側の反射面1で反射した正規反射光と、外気に接した反射面2で反射した裏面反射光とに分離され、運転者の目には二重像として認識される。この二重像はフロントガラスの垂直方向と水平方向により発生する方向が異なり、情報表示装置100がフロントガラスの下方に配置された場合には、裏面反射光により発生する二重像は、正規反射光による映像の上部に発生する。
The refractive index of an automobile windshield is usually n=1.5, and the reflectance per surface is 5%. As described above, the information display device reflects a virtual image on the windshield and focuses the image within the driver's eye box. Therefore, as shown in Fig. 9, the image light beam is separated into the normal reflected light reflected by the
同様に、情報表示装置100がフロントガラスの上方に配置された場合においても、裏面反射光により発生する二重像は、正規反射光による映像の上部に発生する。
Similarly, even when the
一方、フロントガラスに水平な方向の二重像は、フロントガラス中心より周辺部で曲率半径が小さくなるため、その周辺部では外側(運転者から離れた方向)に発生する。これを軽減するために、
(1)フロントガラスの外気に接した面に反射防止膜を設けて裏面反射光を軽減する。
(2)更に、発明者らは虚像を発生させる投写光学系において、以下に説明する方策を適用することにより、見た目の二重像を軽減することを考え出した。
On the other hand, the double image in the direction horizontal to the windshield has a smaller radius of curvature at the periphery than at the center of the windshield, so it appears on the outside (in the direction away from the driver) at the periphery. To alleviate this,
(1) An anti-reflection film is provided on the surface of the windshield that is in contact with the outside air to reduce light reflected from the back surface.
(2) Furthermore, the inventors have devised a method to reduce the appearance of double images by applying the measures described below to a projection optical system that generates a virtual image.
次に、上述した二重像を軽減する実施例を図10により詳細に説明する。なお、ここでは、説明を簡略化するために実像投写光学系を用いて説明する。 Next, an embodiment for reducing the double image described above will be described in detail with reference to FIG. Note that here, in order to simplify the explanation, a real image projection optical system will be used.
図10は、実像投写光学系の物点P1と結像点P0の関係を示している。結像性能の評価は、虚像側(本来の結像点)から物点であるパネル面(本来の物点)に向かって入射瞳を均等分割して光線を飛ばし、パネル面での結像性能を評価する。 FIG. 10 shows the relationship between the object point P1 and the imaging point P0 of the real image projection optical system. The imaging performance is evaluated by dividing the entrance pupil equally and emitting light rays from the virtual image side (original imaging point) toward the panel surface (original object point), and evaluating the imaging performance at the panel surface. Evaluate.
運転者のアイボックス内を図11に示すように分割し、均等間隔で光線追跡を行い、それぞれの評価ポイントに対応するパネル面での結像性能を評価した。本実施例に係る図14および図15に示したレンズデータに基づく結果は、図12および図13に示すように、画面中央と周辺部で発生する収差の大きさが異なるため、スポット形状が画面内の位置で異なり、入射瞳の中央(光軸と交差する点)を通過する主光線に対してスポットが同心円状にならずにボケ(収差)が発生する。 The interior of the driver's eyebox was divided as shown in FIG. 11, ray tracing was performed at equal intervals, and the imaging performance on the panel surface corresponding to each evaluation point was evaluated. The results based on the lens data shown in FIGS. 14 and 15 according to this example show that, as shown in FIGS. 12 and 13, the spot shape is The spot is not concentric with the principal ray that passes through the center of the entrance pupil (the point where it intersects with the optical axis), and blur (aberration) occurs.
そこで、レンズの設計において、主光線より外側に発生する収差を低減するために、瞳の上部周辺部分を通過する光線が主光線より内側に向かうように設計すると良い。具体的には、主光線が通過する光線位置より上部周辺部分を通過する光線が通過する光路における屈折力が、主光線が通過する光路における屈折力と比較して相対的に強くなる形状を有する光学素子を配置すると良い。 Therefore, in designing the lens, in order to reduce aberrations occurring outside the principal ray, it is preferable to design the lens so that the rays passing through the upper peripheral portion of the pupil are directed inward from the principal ray. Specifically, it has a shape in which the refractive power in the optical path through which the light ray passes through the upper peripheral portion is relatively stronger than the refractive power in the optical path through which the principal ray passes. It is good to arrange optical elements.
このことを、図10に示したように、像点から物点に向かって光線を飛ばす逆追跡の場合について説明する。この手法では、物点を虚像側に、像点をパネル面として、虚像光学系の入射瞳を均等分割して光線を飛ばし、パネル面での結像性能を評価する。虚像光学系においても、実線で示したメリディオナル光線と破線で示したサジタル光線では、虚像光学系の相対的な屈折力が異なる。 This will be explained in the case of reverse tracing in which a ray is directed from an image point toward an object point, as shown in FIG. In this method, with the object point on the virtual image side and the image point on the panel surface, the entrance pupil of the virtual image optical system is equally divided to emit light rays, and the imaging performance on the panel surface is evaluated. Also in the virtual image optical system, the relative refractive power of the virtual image optical system is different between the meridional ray shown by a solid line and the sagittal ray shown by a broken line.
このため、サジタル光線でフォーカス性能を最良とすると、メリディオナル光線はパネル面の手前で集光し、パネル面では収差が発生する(図中グレー(メッシュ部分)で表示)。このため、前述したフロントガラスで発生する二重像のうち、情報表示装置100がフロントガラスの下方に配置された場合には、裏面反射光により発生する二重像は、正規反射光による映像の上部に発生する。そのため、これを軽減するには、主光線より下に収差が発生するように、入射瞳の中心より上部を通過する光線が通過する虚像光学系の相対屈折力を、他方の入射瞳の中心および中心より下部を通過する光線が通過する虚像光学系の相対屈折力よりも、小さくすると良い。
For this reason, if the focus performance is best with sagittal rays, the meridional rays will be focused in front of the panel surface, and aberrations will occur on the panel surface (shown in gray (mesh area) in the figure). Therefore, among the double images generated on the windshield as described above, when the
一方、フロントガラスに水平な方向の二重像はフロントガラス中心より周辺部で曲率半径が小さくなるため、周辺部では二重像は外側(運転者から離れた方向)に発生する。そのため、裏面反射光により発生する二重像は、正規反射光による映像の外側に発生するので、これを軽減するには、主光線より内側に収差が発生するように、入射瞳の中心より外側を通過する光線が通過する虚像光学系の相対屈折力を、他方の入射瞳の中心および中心より内側を通過する光線が通過する虚像光学系の相対屈折力より小さくすると良い。 On the other hand, since the radius of curvature of a double image in the direction horizontal to the windshield is smaller at the periphery than at the center of the windshield, the double image appears on the outside (in the direction away from the driver) in the periphery. Therefore, the double image generated by the back-reflected light is generated outside the image caused by the regular reflected light, so in order to reduce this, it is necessary to It is preferable that the relative refractive power of the virtual image optical system through which the light ray passing through passes is smaller than the relative refractive power of the virtual image optical system through which the center of the other entrance pupil and the light ray passing inside the center pass.
また、上述したレンズの設計に替えて、図35にも示すように、実像投写光学系を構成する映像表示装置4であるパネル面4Aを、フロントガラスの湾曲面に適合して湾曲することによっても、上記と同様の効果を得ることが可能である。より具体的にはフロントガラスの垂直方向の曲率半径が水平方向の曲率半径より小さいためフロントガラスを凹面ミラーに置き換えると垂直方向の光学的なパワーが大きい。このため、パネルの垂直方向の曲率半径を水平方向に対して小さくして光学的なペッツバール和をシステム全体で小さくして像面湾曲を低減する。これはパネル面4Aを光源5Aに対して凸状に湾曲した構成とすることで実現できる。なお、フロントガラスは、上述したように、垂直方向と水平方向において異なる曲率半径を有していることから、当該パネル面4Aの湾曲も、フロントガラスの異なる曲率半径に対応して、適宜、設定することが好ましいであろう。
In addition, instead of the lens design described above, as shown in FIG. 35, the panel surface 4A, which is the
上述した虚像光学系に光をより効率よく取り込むために図36に示すようにパネル面4Bの曲率半径と光源5Bの曲率半径を一致させると良い。
In order to more efficiently capture light into the virtual image optical system described above, it is preferable to match the radius of curvature of the
次に、上述した二重像を軽減すると共に、視認性の高い虚像を形成することを可能とするための本発明の実施例に係る構成について、図16から図32により詳細に説明する。図16は、上述した実施例に係る虚像光学系の映像表示装置4としての液晶パネルとバックライト光源5の要部拡大図である。液晶パネルのフレキシブル基板10から入力された映像信号によりバックライトからの光を変調することで映像を液晶パネル表示面11に表示し、表示された映像を虚像光学系(実施例では、自由曲面凹面ミラーと自由曲面光学素子)で虚像を生成して、運転者に映像情報を伝える。
Next, a configuration according to an embodiment of the present invention for reducing the above-mentioned double image and making it possible to form a highly visible virtual image will be described in detail with reference to FIGS. 16 to 32. FIG. 16 is an enlarged view of essential parts of the liquid crystal panel and
上記の構成では、バックライト光源5の光源素子には、固体光源として比較的安価で信頼性の高いLED光源を用いる。LEDは、高出力化するために面発光タイプを使用するので、後述する技術的な工夫を用いて光利用効率を向上させる。LEDの入力電力に対する発光効率は、発光色によっても異なるが、20~30%程度であり、残りの殆どは熱に変換される。このため、LEDを取り付けるフレームとしては、熱伝導率の高い部材(例えば、アルミニュウム等の金属部材)からなる放熱用のフィン13を設けて熱を外部に放散させることにより、LEDの発光効率そのものを向上させる効果が得られる。
In the above configuration, a relatively inexpensive and highly reliable LED light source is used as a solid-state light source for the light source element of the
特に、現在市場に出回っている赤色を発光色とするLEDは、ジャンクション温度が高くなると発光効率が大幅に低下し、同時に映像の色度も変化するので、LEDの温度低減の優先度を上げ、対応する放熱フィンの面積を大きくして冷却効率を高めた構成とすることが好ましい。LEDからの拡散光を効率よく液晶パネル4に導くため、図17に示した例では、導光体18を用いるが、塵などの付着が無い様に、例えば、外装部材16によって全体を覆ったバックライト光源としてまとめることが好ましい。
In particular, the luminous efficiency of the LEDs currently on the market that emit red light significantly decreases as the junction temperature increases, and at the same time the chromaticity of the image changes, so we prioritize reducing the LED temperature. It is preferable to have a configuration in which the area of the corresponding radiation fin is increased to improve cooling efficiency. In order to efficiently guide the diffused light from the LED to the
また、この図17には、光源であるLEDと導光体および拡散板を含めた光源ユニットの要部拡大図が示されており、図17からも明らかなように、ライトファネル21、22、23、24のLEDからの発散光線を取り込む開口部21a,22a,23a,24aを平面とし、LEDとの間に媒質を挿入して光学的に接続するか、若しくは、凸面形状として集光作用を持たすことで、発散する光源光を可能な限り平行光として、ライトファネルの界面に入射する光の入射角を小さくする。その結果、ライトファネルの通過後、更に、発散角を小さくできるので、導光体18で反射後に液晶パネルに向かう光源光の制御が容易になる。
FIG. 17 also shows an enlarged view of the main parts of the light source unit including the LED as the light source, the light guide, and the diffuser plate. As is clear from FIG. 17, the light funnels 21, 22, The
更に、LEDからの発散光の利用効率を向上させるために、ライトファネル21~24と導光体18の接合部分25においてPBS((Polarizing Beam Splitter)を用いて偏光変換を行い、所望の偏光方向に変換することで、LCDへの入射光の効率を向上させることができる。
Furthermore, in order to improve the utilization efficiency of the diverging light from the LED, polarization conversion is performed using a PBS ((Polarizing Beam Splitter)) at the
上述したように、光源光の偏光方向を揃えた場合には、導光体18の素材としては、複屈折が少ない材料を用い、もって偏波の方向が回転して液晶パネルを通過する際に、例えば黒表示時に色付きなどの問題が発生しないようにすると更に良い。
As mentioned above, when the polarization direction of the light source light is aligned, a material with low birefringence is used as the material for the
以上に述べたように、発散角を低減したLEDからの光束は導光体により制御され、導光体18の斜面に設けた全反射面にて反射し、対向する面と液晶パネルの間に配置された拡散部材14により拡散された後、映像表示装置として液晶パネル4に入射する。本実施例では、前述したように、導光体18と液晶パネル4の間に拡散部材14を配置したが、導光体18の端面に拡散効果を持たせた、例えば、微細な凹凸形状を設けても同様な効果が得られる。
As described above, the light flux from the LED with a reduced divergence angle is controlled by the light guide, is reflected by the total reflection surface provided on the slope of the
次に、上述した導光体18の構成とそれにより得られる効果について、図20を用いて説明する。図20は本実施例の導光体18を示す外観図である。図17に示したライトファネル21~24により発散角が低減された光束は、導光体18の光入射面18aに入射する。この時、入射面の形状(断面形状を図21に示す)効果により垂直方向(図21の上下方向)の発散角が制御され、導光体18内を効率よく伝播する。
Next, the configuration of the
図21は、導光体の要部断面拡大図であり、ライトファネル21~24で発散角が低減された光源光は、接合部25を経由して、上述したように入射面18aから入射し、対向面に設けられたプリズム18によって全反射して対向面17に向かう。全反射プリズム18は、入射面18aの近傍(B部拡大図)と端部(A部拡大図)で、その形状がそれぞれの面に入射する光束の発散角に応じて、階段状に分割されて形成されており、これにより、全反射面の角度を制御している。一方、映像表示装置である液晶パネル4に入射する光束の当該液晶パネル4の出射面内での光量分布が均一となるように、前述した全反射面の分割寸法を変数として、分割された光束の反射後の到達位置とエネルギー量を制御する。
FIG. 21 is an enlarged cross-sectional view of the main part of the light guide, and the light source light whose divergence angle has been reduced in the light funnels 21 to 24 enters from the
本実施例の情報表示装置100において、上記のバックライトからの出射光が液晶パネルを通過した状態をシミュレーションした結果を、図18に示す。図18(a)は液晶パネルの長手方向から見た光の出射状態を示す図であり、図18(b)は液晶パネルの短手方向から見た光の出射状態を示す図である。本実施例ではFOVの水平角度を設計以上に広げるため、水平方向の拡散角度を垂直方向に対して大きくして、運転者が首を振ったりして眼の位置が動いた場合においても、左右の眼によって視認される虚像の明るさが極端に変化しないように設計している。
FIG. 18 shows the results of a simulation of the state in which the light emitted from the backlight passes through the liquid crystal panel in the
また、バックライトの垂直方向の発散角を小さくすることで液晶パネルに表示した映像の画面垂直方向の発散角を小さくして、二重像の発生を抑えている。本実施例のように、導光体18を用いて光の出射方向と強度を制御したバックライトを用いた場合における液晶パネル4の出射面の輝度分布を、図19に示す。図19からも明らかなように、画面垂直方向(短辺方向)の輝度分布に加え、画面垂直方向(長辺方向)の有効範囲以外での輝度低下の傾斜を小さくできる。
Furthermore, by reducing the vertical divergence angle of the backlight, the divergence angle of the image displayed on the liquid crystal panel in the vertical direction of the screen is also decreased, thereby suppressing the occurrence of double images. FIG. 19 shows the luminance distribution on the output surface of the
本実施例の情報表示装置100において映像表示装置として使用した液晶パネルからの出射光(映像光)は、図23および図28に示すように、左右,上下方向の視角をパラメータとした場合(図22を参照)、±50°の範囲で所定の透過率を示す。視角の範囲を±40°以内とすれば、より良好な透過率特性を得ることができる。この結果、図24や図29に示すように、表示画面の左右方向と上下方向において、画面を観視する方向(視角)により画面の輝度が大きく異なる。これは、図25および図26に示したバックライト輝度の角度特性による。
The light emitted from the liquid crystal panel (image light) used as a video display device in the
このため、発明者らは、虚像光学系に取り込む液晶パネル4からの出射光をできる限り画面に垂直な光として得られるように、導光体18の全反射面の角度とライトファネル21~24によるLEDからの光源光の発散角の制御を行ってバックライトの視角特性を少ない範囲に絞り込むことで、高い輝度を得た。具体的には、図24および図29に示したように、高輝度な映像を得るためには、左右の視野角で±30°の範囲の光を使用し、図27および図31に示すコントラスト性能も考慮すると、±20°以下に絞ることで、同時に良好な画質の源画像を用いた虚像を得ることができた。
For this reason, the inventors set the angle of the total reflection surface of the
以上にも述べたように、映像表示装置の画質を左右するコントラスト性能は、画質を決める基となる黒表示した場合の輝度(図30および図32では、黒表示輝度と表記)をどこまで下げられるかで決まる。このため、液晶パネル4とバックライトの間には、偏光度が高いヨウ素系の偏光板を用いることが好ましい。
As mentioned above, the contrast performance that determines the image quality of a video display device is the basis for determining image quality.The brightness when displaying black (indicated as black display brightness in Figures 30 and 32) can be lowered to what extent. It depends. For this reason, it is preferable to use an iodine-based polarizing plate with a high degree of polarization between the
一方、光学素子2側(光出射面)に設ける偏光板としては、染料系偏光板を用いることで、外光が入射した場合や環境温度が高い場合においても高い信頼性を得ることができる。
On the other hand, by using a dye-based polarizing plate as the polarizing plate provided on the
液晶パネル4でカラー表示を行う場合には、それぞれの画素に対応したカラーフィルターを設ける。このため、バックライトの光源色が白色の場合には、カラーフィルターでの光吸収が大きく、損失が大きくなる。そこで、発明者らは、上記の図17に示したように、複数のLEDを使用して:
(1)白色LEDを複数使用する場合に比べ、明るさへの寄与が大きい緑LEDを追加する。
(2)白色LEDに赤色または青色LEDを追加して、画像の艶色性を高める。
(3)赤、青、緑のLED個別に配置し、明るさへの寄与が大きい緑色LEDを追加して個別にLEDを駆動することで、色再現範囲を拡大して艶色性を高めると同時に明るさも向上する。
(4)上記の(3)を実施することで赤、青、緑LEDのピーク輝度に対するそれぞれのカラーフィルターの透過率を上げて、全体としての明るさを向上する。
(5)更に、バックライトの第二の実施例として、ライトファネルと導光体の間にPBSを配置して特定の偏波に揃えることで、液晶パネル入射側の偏光板へのダメージを軽減する。なお、液晶パネル入射側の配置する偏光板の偏光方向は、PBS(Polarizing Beam Splitter)通過後に特定方向に揃えた偏波が通過する方向とすれば良いことは言うまでもない。
When performing color display on the
(1) Add a green LED, which contributes more to brightness than when multiple white LEDs are used.
(2) Add a red or blue LED to the white LED to enhance the glossiness of the image.
(3) By arranging red, blue, and green LEDs individually, and adding a green LED that contributes significantly to brightness and driving the LEDs individually, the color reproduction range can be expanded and the color gloss improved. At the same time, brightness also improves.
(4) By implementing the above (3), the transmittance of each color filter with respect to the peak brightness of the red, blue, and green LEDs is increased, and the overall brightness is improved.
(5) Furthermore, as a second embodiment of the backlight, a PBS is placed between the light funnel and the light guide to align the polarization to a specific one, reducing damage to the polarizing plate on the incident side of the LCD panel. do. It goes without saying that the polarization direction of the polarizing plate disposed on the incident side of the liquid crystal panel may be a direction in which polarized waves aligned in a specific direction pass after passing through a PBS (Polarizing Beam Splitter).
以上にも述べたように、本発明の実施形態における映像表示装置4として、液晶表示パネル出射面にはλ/4板を設けて出射光を円偏光とすることも可能である。その結果、運転者は、偏光サングラスを装着していても、良好な虚像を監視することができる。
As described above, in the
更に、虚像光学系で使用する反射ミラーの反射膜を金属多層膜で成膜することによっても、反射率の角度依存性が少なく、偏光方向(P波またはS波)によって反射率が変わることがないため、画面の色度や明るさを均一に保つことが可能となる。 Furthermore, by forming the reflective film of the reflective mirror used in the virtual image optical system with a metal multilayer film, the angle dependence of the reflectance is reduced, and the reflectance does not change depending on the polarization direction (P wave or S wave). This makes it possible to maintain uniform chromaticity and brightness on the screen.
更に、虚像光学系とフロントガラスの間に、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。 Furthermore, by providing an optical member that includes an ultraviolet reflection film or a combination of an ultraviolet reflection film and an infrared reflection film between the virtual image optical system and the windshield, even if external light (sunlight) is incident, the liquid crystal display panel In addition, since the polarizing plate can be reduced from temperature rise and damage, the reliability of the information display device is not impaired.
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表示装置または中間像表示部の間には、フロントガラス6側に凹面を向けた凹面ミラー1を配置しており、これにより、映像表示装置4の映像を拡大し、フロントガラス6において反射する。この時、前述の凹面ミラー1と映像表示装置4の間には、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、映像表示装置間に配置された前記光学素子を通過し、凹面ミラー1で発生する歪みや収差を補正する。そのため、従来の凹面ミラーのみの虚像光学系に比べて、歪みと収差が大幅に低減された虚像を得ることができる。
In addition, the virtual image optical system is optimally designed by taking into account the difference between the radius of curvature in the vehicle horizontal direction and the radius of curvature in the vertical direction of the windshield, which is the projection target member in the conventional technology. A
更に、図1に示した本実施例の構成では、フロントガラス6の上部(車体垂直方向上部)に反射されて得られる虚像は、より遠方に結像する必要がある。このため、これに対応した映像が表示される映像表示装置の上部から発散される映像光束を良好に結像させるためには、前述の凹面ミラー1と映像表示装置4の間に配置した光学素子の焦点距離f1は、短く、反対に、フロントガラス6の下部(車体垂直方向下部)に反射されて得られる虚像は、より近傍に結像する必要がある。このため、これに対応した映像が表示される映像表示装置の下部から発散される映像光束を良好に結像させるため、前述の凹面ミラー1と映像表示装置4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。
Furthermore, in the configuration of this embodiment shown in FIG. 1, the virtual image obtained by being reflected on the upper part of the windshield 6 (the upper part in the vertical direction of the vehicle body) needs to be focused at a farther distance. Therefore, in order to form a good image of the image light flux diverging from the upper part of the image display device on which the corresponding image is displayed, it is necessary to use an optical element disposed between the
また、本実施例では、フロントガラス6の水平方向(地面に平行)曲率半径と垂直方向(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している。
In addition, in this embodiment, the screen distortion of the virtual image viewed by the driver is caused by the difference in the radius of curvature of the
以上、本発明の種々の実施例に係る画像表示デバイスを備えた電子装置に用いるのに適した面状の光源装置について述べた。しかしながら、本発明は、上述した実施例のみに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するためにシステム全体を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 Above, planar light source devices suitable for use in electronic devices equipped with image display devices according to various embodiments of the present invention have been described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications. For example, in the embodiments described above, the entire system is explained in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and the system is not necessarily limited to having all the configurations described. Furthermore, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add, delete, or replace a part of the configuration of each embodiment with other configurations.
100…情報表示装置、101…自動車、1…凹面ミラー、2…光学素子、4…映像表示装置、4A,4B…液晶表示パネル、5A,5B…バックライト光源、6…被投影部材(フロントガラス)、7…筐体、V1…虚像、8…アイボックス(観察者の眼)、9…光源ユニット、R1…上限映像光、R2…中央映像光、R3…下限映像光、10…フレキシブル基板、11…映像表示面、12…フレーム、13…フィン、14…拡散部材、16…外装部材、17…出射面、18…導光体、20…ライトファネルユニット、21~24…ライトファネル、36…液晶パネルからの出射光線。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記映像情報を表示するディスプレイと、
前記ディスプレイ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、を備えた情報表示装置であって、
前記虚像光学系は、凹面ミラーと光学素子を含んでおり、
前記光学素子は、前記ディスプレイと前記凹面ミラーとの間に配置され、前記凹面ミラーの形状と前記光学素子の形状により運転者の視点位置に対応して得られる虚像の像面湾曲を補正するように構成されており、
前記虚像光学系の像面湾曲を低減するために前記映像情報を表示する前記ディスプレイの形状は、前記フロントガラスの湾曲面に対応して、凹状に湾曲した光出射面を有する前記ディスプレイによって構成され、
前記虚像光学系は、弱い負の屈折力を持つ光学素子を備えており、前記弱い負の屈折力を持つ光学素子は、前記ディスプレイからの映像光が、前記光学素子に入射され、前記凹面ミラーに向け出射するように構成されている、情報表示装置。 An information display device that displays virtual image information on a windshield of a vehicle,
a display that displays the video information;
An information display device comprising: a virtual image optical system that displays a virtual image in front of the vehicle by reflecting light emitted from the display on the windshield,
The virtual image optical system includes a concave mirror and an optical element,
The optical element is disposed between the display and the concave mirror, and is configured to correct field curvature of a virtual image obtained in accordance with the driver's viewpoint position by the shape of the concave mirror and the shape of the optical element. It is composed of
The shape of the display that displays the image information in order to reduce field curvature of the virtual image optical system is configured by the display having a concavely curved light exit surface corresponding to the curved surface of the windshield. ,
The virtual image optical system includes an optical element having a weak negative refractive power, and the optical element having the weak negative refractive power is configured such that the image light from the display is incident on the optical element , and the optical element has a weak negative refractive power. An information display device configured to emit light toward a concave mirror.
前記凹面ミラーの形状は、前記フロントガラスの垂直方向と水平方向の曲率半径の違いを補正するように水平方向と垂直方向で異なる平均曲率半径を有する形状である、
情報表示装置。 The information display device according to claim 1,
The shape of the concave mirror is such that the average radius of curvature is different in the horizontal direction and the vertical direction so as to correct the difference in the radius of curvature in the vertical direction and the horizontal direction of the windshield.
Information display device.
前記ディスプレイは、虚像上端部の像倍率と、虚像下端部の像倍率とを一致させるように、前記凹面ミラーの光軸に対して傾いて設けられている、
情報表示装置。 The information display device according to claim 1,
The display is provided at an angle with respect to the optical axis of the concave mirror so that an image magnification at an upper end of the virtual image and an image magnification at a lower end of the virtual image match.
Information display device.
前記ディスプレイは、前記光出射面の曲率半径と一致した曲率半径を有する光源を備える、
情報表示装置。 The information display device according to claim 1,
The display includes a light source having a radius of curvature that matches the radius of curvature of the light exit surface.
Information display device.
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