JP7485828B2 - vehicle - Google Patents

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JP7485828B2 JP2023076979A JP2023076979A JP7485828B2 JP 7485828 B2 JP7485828 B2 JP 7485828B2 JP 2023076979 A JP2023076979 A JP 2023076979A JP 2023076979 A JP2023076979 A JP 2023076979A JP 7485828 B2 JP7485828 B2 JP 7485828B2
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Description

本発明は、車両に関する。 The present invention relates to a vehicle.

自動車や航空機などの移動体が備える風防(ウインドシールド)に画像を投影し、その
投影画像をウインドシールド越しに虚像として観察できるようにするヘッドアップディス
プレイ装置が知られている。
2. Description of the Related Art Head-up display devices are known that project an image onto a windshield of a moving body such as an automobile or an aircraft, allowing the projected image to be observed as a virtual image through the windshield.

例えば特許文献1には、従来のヘッドアップディスプレイ装置として、「透過型の液晶
表示パネルの背後から光を照射して、液晶表示パネルに表示される画像を拡大投影する投
影光学系を備える(要約抜粋)」装置が開示されている。
For example, Patent Document 1 discloses a conventional head-up display device that "includes a projection optical system that irradiates light from behind a transmissive liquid crystal display panel and enlarges and projects an image displayed on the liquid crystal display panel (summary excerpt)."

また特許文献2には、「表示デバイスから観察者の光路の順に、第1ミラーと第2ミラ
ーを有し、(前記観察者の視点領域に導いて虚像を表示させる、)条件式θx>θy(θ
x:第1ミラーにおける画像長軸方向の入射角、θy:第1ミラーにおける画像短軸方向
の入射角)、0.2<D1/Lh<0.9(D1:表示デバイスの画像表示面と第1ミラ
ーとの間隔(視点領域の中心の光路長)、Lh:観察者によって視認される虚像の水平方
向の幅)を満たす、表示装置(要約抜粋)」が開示されている。
In addition, in Patent Document 2, "a first mirror and a second mirror are provided in the order of an optical path from a display device to an observer, and a virtual image is displayed by guiding the first mirror to the viewpoint area of the observer, and the conditional formula θx>θy(θ
x: angle of incidence in the image long axis direction on the first mirror, θy: angle of incidence in the image short axis direction on the first mirror), 0.2<D1/Lh<0.9 (D1: distance between the image display surface of the display device and the first mirror (optical path length at the center of the viewpoint area), Lh: horizontal width of the virtual image viewed by the observer) is satisfied (summary excerpt)."

更に特許文献3には、「フロントガラスと表示デバイスとの間に設けられ、投影エリア
の非平面性に起因してアイポイントから視認される画像に生じる歪みを相殺するように、
フロントガラスに投影する画像を透過して補正する補正部材(要約抜粋)」を備えた車両
用表示装置が開示されている。
Furthermore, in Patent Document 3, "a projection lens is provided between the windshield and the display device to offset distortions that occur in an image viewed from the eye point due to non-flatness of the projection area,
The document discloses a display device for a vehicle that includes a correction member that transmits and corrects an image projected onto the windshield (abstract excerpt).

更に非特許文献1には、凹面ミラーで生じる歪曲を補正するため、スクリーンの傾けと
、フィールドレンズとしての凸レンズを配置した構成を含むヘッドアップディスプレイ装
置が開示されている。
Furthermore, Non-Patent Document 1 discloses a head-up display device including a configuration in which a screen is tilted and a convex lens is arranged as a field lens in order to correct distortion caused by a concave mirror.

特開2009-229552号公報JP 2009-229552 A 米国特許出願公開第2016/195719号明細書US Patent Application Publication No. 2016/195719 米国特許出願公開第2002/084950号明細書US Patent Application Publication No. 2002/084950

PIONEER R&D(Vol.22、2013)PIONEER R&D (Vol. 22, 2013)

特許文献2に開示されたヘッドアップディスプレイ装置では、表示デバイスと第1ミラ
ー(回転非対称ミラー)を水平方向にずらす配置により、薄型なヘッドアップディスプレ
イ装置を提供している。しかしながら、特許文献2の実施例1では、虚像サイズが140
×70mmと横長であり、垂直方向サイズの2倍の光束サイズを有する水平方向で光束を
折り曲げた構成となる。従って、折り曲げミラーが大きくなり、薄型なヘッドアップディ
スプレイ装置であっても、ヘッドアップディスプレイ装置の容積の小型化は難しい。
In the head-up display device disclosed in Patent Document 2, a display device and a first mirror (a rotationally asymmetric mirror) are arranged to be shifted in the horizontal direction, thereby providing a thin head-up display device. However, in Example 1 of Patent Document 2, the virtual image size is 140
The horizontal dimension is 70 mm x 70 mm, and the light beam is folded in the horizontal direction with a light beam size twice the vertical size. Therefore, the folding mirror is large, and it is difficult to reduce the volume of the head-up display device even if it is a thin head-up display device.

特許文献3に開示されたヘッドアップディスプレイ装置例では、ウインドシールドの投
影エリアの非平面性に起因する歪曲の補正について開示しているが、非特許文献1で開示
している凹面ミラーによって生じる歪曲に関して考慮されていない。その非特許文献1に
ついても、凹面ミラーで生じる歪曲を補正するために、スクリーンの傾けと、フィールド
レンズとしての凸レンズを配置している訳だが、特許文献1に開示の液晶表示パネルでの
テレセントリック性についての性能を満足していない。このように、投影光学系及びヘッ
ドアップディスプレイ装置については、必要な性能を確保しつつ装置の小型化を図るため
の更なる改善の余地があるのが実情である。
The example of a head-up display device disclosed in Patent Document 3 discloses correction of distortion caused by non-flatness of the projection area of the windshield, but does not take into consideration the distortion caused by the concave mirror disclosed in Non-Patent Document 1. In Non-Patent Document 1, the screen is tilted and a convex lens is arranged as a field lens to correct the distortion caused by the concave mirror, but the telecentric performance of the liquid crystal display panel disclosed in Patent Document 1 is not satisfied. Thus, the reality is that there is room for further improvement in the projection optical system and the head-up display device in order to reduce the size of the device while maintaining the required performance.

本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、必要な性能を確保しつつ光学系
の光学構成の最小化を図り、小型のヘッドアップディスプレイ装置を搭載した車両を提供
することを目的とする。
The present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and has an object to provide a vehicle equipped with a small head-up display device that minimizes the optical configuration of the optical system while ensuring the necessary performance.

上記した課題を解決するために、本発明は請求の範囲に記載の構成を備える。本発明の一態様は、車両であって、ウインドシールドと、映像を生成する映像生成部と、映像生成部からの光束を入射し、映像生成部が生成した映像を拡大した虚像を表示するための光学系と、を有するヘッドアップディスプレイ装置と、を備え、光学系は、当該光学系から出射された映像光を前記ウインドシールドで反射させ、反射された光を運転者の眼に入射させることで、運転者の眼から見ると、虚像面において画像情報を見ているかのように虚像を表示する光学系であり、映像生成部から順に光路に配置された凹レンズ、自由曲面レンズ、及び自由曲面凹面ミラーを含んでおり、映像生成部における光束の出射面と、前記凹レンズにおける前記映像生成部に対向する対向面との第1の面間距離は、凹レンズにおける光束が入射する対向面と、凹レンズから光束が出射する出射面との第2の面間距離よりも短く、凹レンズは、第2の面間距離よりも映像生成部に近づけて配置され、凹レンズは、凹レンズにおける光束の入射面が映像生成部における光束の出射面と略平行となるように配置される。 In order to solve the above problems, the present invention has the configuration described in the claims. One aspect of the present invention is a vehicle that includes a head-up display device having a windshield, an image generating unit that generates an image, and an optical system that receives light from the image generating unit and displays a virtual image that is an enlarged version of the image generated by the image generating unit. The optical system reflects the image light emitted from the optical system on the windshield and causes the reflected light to enter the driver's eye, thereby displaying a virtual image as if the driver were viewing image information on a virtual image surface. The optical system includes a concave lens, a free-form lens, and a free-form concave mirror arranged in the optical path in this order from the image generating unit, and a first inter-surface distance between the exit surface of the image generating unit from the light beam and the opposing surface of the concave lens that faces the image generating unit is shorter than a second inter-surface distance between the opposing surface of the concave lens where the light beam is incident and the exit surface from which the light beam is emitted from the concave lens, the concave lens is arranged closer to the image generating unit than the second inter-surface distance, and the concave lens is arranged so that the entrance surface of the light beam in the concave lens is approximately parallel to the exit surface of the light beam in the image generating unit.

本発明によれば、必要な性能を確保しつつ光学系の光学構成の最小化を図り、小型のヘ
ッドアップディスプレイ装置を搭載した車両を提供することができる。なお、上記した以
外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
According to the present invention, it is possible to provide a vehicle equipped with a small head-up display device by minimizing the optical configuration of the optical system while ensuring the required performance. Note that problems, configurations, and effects other than those described above will become apparent from the description of the following embodiments.

第1実施形態の接眼光学系の全体光線図(YZ平面)FIG. 1 is a ray diagram of the entire eyepiece optical system according to the first embodiment (YZ plane); 第1実施形態の接眼光学系の全体光線図(XZ平面)FIG. 1 is an overall ray diagram (XZ plane) of the eyepiece optical system of the first embodiment; 第1実施形態の接眼光学系の要部拡大図FIG. 1 is an enlarged view of a main portion of an eyepiece optical system according to a first embodiment. 第1実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置のレンズデータを示す図FIG. 1 is a diagram showing lens data of the head-up display device according to the first embodiment; 第1実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の自由曲面係数の図FIG. 1 is a diagram showing free-form surface coefficients of the head-up display device according to the first embodiment; 第1実施形態におけるアイボックスの中央から見た歪性能を表す図FIG. 13 is a diagram showing distortion performance as viewed from the center of the eye box in the first embodiment. 第1実施形態におけるアイボックスの右上から見た歪性能を表す図FIG. 13 is a diagram showing distortion performance as viewed from the upper right of the eye box in the first embodiment. 第1実施形態におけるアイボックスの左上から見た歪性能を表す図FIG. 13 is a diagram showing distortion performance when viewed from the upper left of the eye box in the first embodiment. 第1実施形態におけるアイボックスの左下から見た歪性能を表す図FIG. 13 is a diagram showing distortion performance as viewed from the bottom left of the eye box in the first embodiment. 第1実施形態におけるアイボックスの右下から見た歪性能を表す図FIG. 13 is a diagram showing distortion performance as viewed from the lower right of the eye box in the first embodiment. 虚像面に物点を配置した場合の液晶表示パネル上でのスポット図Spot diagram on the LCD panel when an object point is placed on the virtual image plane 各画角位置での主光線Ray1と仮想光線Ray0の角度ずれ図Diagram of the angle deviation between the principal ray Ray1 and the virtual ray Ray0 at each angle of view 主光線Ray1と仮想光線Ray0の角度θを示す図A diagram showing the angle θ between the principal ray Ray1 and the virtual ray Ray0 第2実施形態の接眼光学系の全体光線図(YZ平面)FIG. 11 is a ray diagram of the entire eyepiece optical system according to the second embodiment (YZ plane); 第2実施形態の接眼光学系の全体光線図(XZ平面)FIG. 11 is a ray diagram of the entire eyepiece optical system according to the second embodiment (XZ plane); 第2実施形態の接眼光学系の要部拡大図FIG. 13 is an enlarged view of a main portion of an eyepiece optical system according to a second embodiment. 第2実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置のレンズデータを示す図FIG. 13 is a diagram showing lens data of the head-up display device according to the second embodiment; 第2実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の自由曲面係数の図FIG. 11 is a diagram showing free-form surface coefficients of the head-up display device according to the second embodiment. 第2実施形態におけるアイボックスの中央から見た歪性能を表す図FIG. 13 is a diagram showing distortion performance as viewed from the center of the eye box in the second embodiment. 第2実施形態におけるアイボックスの右上から見た歪性能を表す図FIG. 13 is a diagram showing distortion performance as viewed from the upper right of the eye box in the second embodiment. 第2実施形態におけるアイボックスの左上から見た歪性能を表す図FIG. 13 is a diagram showing distortion performance when viewed from the upper left of the eye box in the second embodiment. 第2実施形態におけるアイボックスの左下から見た歪性能を表す図FIG. 13 is a diagram showing distortion performance as viewed from the bottom left of the eye box in the second embodiment. 第2実施形態におけるアイボックスの右下から見た歪性能を表す図FIG. 13 is a diagram showing distortion performance as viewed from the lower right of the eye box in the second embodiment. 第2実施形態のヘッドアップディスプレイ装置のスポット図Spot diagram of the head-up display device of the second embodiment 各画角位置での主光線と液晶表示パネルの法線との角度ずれ図Diagram of the angle deviation between the chief ray and the normal line of the LCD panel at each angle of view 主光線と液晶表示パネルの法線との角度θを示す図A diagram showing the angle θ between the chief ray and the normal to the liquid crystal display panel. ウインドシールドから光束の集光位置(射出瞳位置)までの光線をYZ断面に投影した光線図Ray diagram showing the rays from the windshield to the condensing position (exit pupil position) of the light beam projected onto the YZ cross section. 自由曲面凹面ミラーから光束の集光位置(射出瞳位置)までの光線をXZ断面に投影した光線図Ray diagram showing the light rays projected on the XZ cross section from the free-form concave mirror to the light beam focusing position (exit pupil position). 絞りを凸レンズ(自由曲面凹面ミラーに相当)の焦点距離以上に凸レンズから離して配置した場合の光線追跡図Ray tracing diagram when the aperture is placed farther away from a convex lens (corresponding to a free-form concave mirror) than the focal length of the convex lens. 集光位置を表示するために、像面の先まで表示した光線追跡図Ray tracing diagram showing the focus beyond the image plane テレセントリック性と歪を補正するための基本構成を用いた場合の光線追跡図Ray tracing diagram using the basic configuration to correct telecentricity and distortion ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図Schematic diagram of a head-up display device 第3実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が備える画像形成ユニットの概略構成図FIG. 13 is a schematic configuration diagram of an image forming unit included in a head-up display device according to a third embodiment. 第4実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が備える画像形成ユニットの概略構成図FIG. 13 is a schematic configuration diagram of an image forming unit included in a head-up display device according to a fourth embodiment. 画像形成ユニットの機能ブロック図Functional block diagram of the image forming unit 移動体である自動車を前方から見た平面図A plan view of a moving vehicle, a car, seen from the front

以下、図面等を用いて、本発明の一実施形態及び各種実施例について説明する。以下の
説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるもの
ではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更お
よび修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有す
るものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。以下、全実施
形態に共通する事項について説明し、続いて各実施形態の特徴について説明する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention and various examples will be described with reference to the drawings. The following description shows a specific example of the contents of the present invention, and the present invention is not limited to these descriptions. Various changes and modifications are possible by those skilled in the art within the scope of the technical ideas disclosed in this specification. In addition, in all drawings for explaining the present invention, parts having the same functions are given the same reference numerals, and repeated explanations may be omitted. Below, matters common to all embodiments will be described, followed by the features of each embodiment.

図17を用いて、ヘッドアップディスプレイ装置30の基本構成について説明する。図
17はヘッドアップディスプレイ装置30の概略構成図である。
The basic configuration of the head-up display device 30 will be described with reference to Fig. 17. Fig. 17 is a schematic diagram of the head-up display device 30.

図17に示すヘッドアップディスプレイ装置30は、画像形成ユニット10及び接眼光
学系5を含む投影光学系20から出射された映像光を、自動車のウインドシールド6で反
射させて観察者の眼9に入射させる構成を備える。この構成により、観察者の眼9から見
ると、虚像面7において画像情報を見ているかのような状態になる。画像形成ユニット1
0で射出された映像光が接眼光学系5を通りウインドシールド6で反射される方向が、映
像光の射出方向に相当する。
The head-up display device 30 shown in Fig. 17 has a configuration in which image light emitted from a projection optical system 20 including an image forming unit 10 and an eyepiece optical system 5 is reflected by a windshield 6 of a vehicle and made to enter an observer's eye 9. With this configuration, when viewed from the observer's eye 9, it appears as if the observer is viewing image information on a virtual image plane 7.
The direction in which the image light emitted at 0 passes through the eyepiece optical system 5 and is reflected by the windshield 6 corresponds to the emission direction of the image light.

まず、図20を参照して画像形成ユニット10について説明する。図20は、画像形成
ユニットの機能ブロック図である。図20に示すように、画像形成ユニット10は、液晶
表示パネル2と、バックライト1と、これらの動作を制御するコントローラー200と、
を備えている。画像形成ユニット10は、バックライト1から液晶表示パネル2に光を照
射し、液晶表示パネル2に表示された画像情報(映像情報)を接眼光学系5に向けて出射
する。
First, the image forming unit 10 will be described with reference to Fig. 20. Fig. 20 is a functional block diagram of the image forming unit. As shown in Fig. 20, the image forming unit 10 includes a liquid crystal display panel 2, a backlight 1, a controller 200 that controls the operations of these, and
The image forming unit 10 irradiates light from the backlight 1 onto the liquid crystal display panel 2 , and outputs image information (video information) displayed on the liquid crystal display panel 2 towards the eyepiece optical system 5 .

コントローラー200は、制御装置201を備えている。この制御装置201には、種
々の情報が外部装置から入力される。例えば、外部装置として、ヘッドアップディスプレ
イ装置30を搭載した移動体の動作に関する情報を生成して出力するナビゲーション装置
であるナビ208や、移動体の動作を制御するECU(Electronic Cont
rol Unit)209が制御装置201に接続されている。ECU209には移動体
が備える各種のセンサ210が接続されていて、検知した情報をECU209に通知する
ように構成されている。
The controller 200 includes a control device 201. Various information is input to the control device 201 from external devices. For example, the external devices include a navigation device 208 that generates and outputs information related to the operation of a mobile object equipped with the head-up display device 30, and an ECU (Electronic Control Unit) that controls the operation of the mobile object.
A vehicle control unit (ECU) 209 is connected to the control device 201. The ECU 209 is connected to various sensors 210 provided in the vehicle, and configured to notify the ECU 209 of detected information.

コントローラー200は、上記にて説明をした外部装置からの各種データを処理する制
御装置201と、バックライト1を駆動するためのバックライト駆動回路207と、を備
えている。
The controller 200 includes a control device 201 that processes various data from the external devices described above, and a backlight drive circuit 207 that drives the backlight 1 .

制御装置201は、マイコン202及びこれに接続された記憶装置206を含む。 The control device 201 includes a microcomputer 202 and a memory device 206 connected thereto.

マイコン202は、外部装置からの各種データを記憶するためのRAM(Random
Access Memory)203と、観察者が視認する虚像の元になる画像データ
を生成する演算処理を実行するCPU(Central Processing Uni
t)205と、CPU205における演算処理を実行可能なプログラムやパラメータを記
憶するROM(Read Only Memory)204と、を備えている。
The microcomputer 202 includes a RAM (Random Access Memory) for storing various data from external devices.
A central processing unit (CPU) 203 executes calculations to generate image data that is the basis of a virtual image that is visually recognized by an observer.
and a ROM (Read Only Memory) 204 that stores programs and parameters that can execute the arithmetic processing in the CPU 205.

以上の構成を備えるコントローラー200によって画像形成ユニット10が備える液晶
表示パネル2に画像情報が表示される。画像形成ユニット10は、液晶表示パネル2に表
示された画像情報をバックライト1が照射した光束によって映像光束として出射する。
The controller 200 having the above configuration displays image information on the liquid crystal display panel 2 included in the image forming unit 10. The image forming unit 10 outputs the image information displayed on the liquid crystal display panel 2 as an image light beam by using a light beam irradiated by the backlight 1.

図17に戻る。画像形成ユニット10において形成され出射された映像光束は、接眼光
学系5によって、ウインドシールド6に投影される。ウインドシールド6に投影された映
像光束は、ウインドシールド6で反射されて、観察者の眼9の位置に到達する。これによ
って、観察者の眼9から見ると、あたかも、虚像面7の画像情報を見ているような関係性
が成立する。
Returning to Fig. 17, the image light beam formed and emitted by the image forming unit 10 is projected onto the windshield 6 by the eyepiece optical system 5. The image light beam projected onto the windshield 6 is reflected by the windshield 6 and reaches the position of the observer's eye 9. This creates a relationship as if the observer were looking at the image information on the virtual image plane 7 when looking through the observer's eye 9.

図17のように、液晶表示パネル2における映像光束の出射面において、点Q1・点Q
2・点Q3という仮想点を考える。これら仮想点から出射された映像光束が対応する虚像
面7における仮想点を考えると、図17に示すように点V1・点V2・点V3が、それに
当たる。観察者が眼9の位置を動かしても虚像面7における点V1・点V2・点V3を視
認できる範囲が、アイボックス8である。
As shown in FIG. 17, on the exit surface of the liquid crystal display panel 2 for the image light beam, points Q1 and Q
Consider virtual points Q1, Q2, and Q3 on the virtual image plane 7. If we consider the virtual points on the virtual image plane 7 to which the image light beams emitted from these virtual points correspond, they are points V1, V2, and V3 as shown in Figure 17. The range in which the observer can view points V1, V2, and V3 on the virtual image plane 7 even if he or she moves the position of his or her eye 9 is the eye box 8.

図17は、ヘッドアップディスプレイ装置30を側面視で図示しているが、実際のヘッ
ドアップディスプレイ装置30の構成は立体的であるから、アイボックス8は二次元的な
広がりを有している。このように、接眼光学系5は、カメラのファインダーの接眼レンズ
や、顕微鏡での接眼レンズと同様に、物(空間像)の像(虚像)を観察者の眼の前に表示
する光学系である。
17 illustrates the head-up display device 30 from a side view, but the actual configuration of the head-up display device 30 is three-dimensional, so the eye box 8 has a two-dimensional expansion. In this manner, the eyepiece optical system 5 is an optical system that displays an image (virtual image) of an object (spatial image) in front of the observer's eye, similar to the eyepiece of a camera viewfinder or the eyepiece of a microscope.

ここで、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置30を移動体に搭載した場合
の例について図21を用いて説明する。図21は、移動体である自動車500を前方から
見た平面図である。図21に示すような自動車500には、風防としてフロントガラスで
あるウインドシールド6が、運転席の前方に配置されている。
Here, an example of a case where the head-up display device 30 according to this embodiment is mounted on a moving body will be described with reference to Fig. 21. Fig. 21 is a plan view of an automobile 500, which is a moving body, as seen from the front. In the automobile 500 shown in Fig. 21, a windshield 6, which is a front glass as a windshield, is disposed in front of the driver's seat.

ヘッドアップディスプレイ装置30は、ウインドシールド6に映像光束を投影すること
で、自動車500の動作に係る各種情報を運転席にいる観察者が虚像として視認できる状
態にする。映像光束が投影される位置は、運転席の前方やその周囲である。例えば破線矩
形領域R1に示すような位置に映像光束が投影される。
The head-up display device 30 projects an image light beam onto the windshield 6, allowing an observer in the driver's seat to visually recognize various information related to the operation of the automobile 500 as a virtual image. The image light beam is projected onto a position in front of or around the driver's seat. For example, the image light beam is projected onto a position shown in a dashed rectangular area R1.

図15と図16を用いて、ヘッドアップディスプレイ装置30の接眼光学系5に求めら
れる瞳位置の条件について説明する。
The conditions of the pupil position required for the eyepiece optical system 5 of the head-up display device 30 will be described with reference to FIGS.

図15では接眼光学系5を、必要最小限な構成であるウインドシールド6と自由曲面凹
面ミラー54(自由曲面凹面ミラーは凸レンズに相当する)で構成した場合の縮小光学系
で表示した光線図である。実際には図20に示すようにヘッドアップディスプレイ装置3
0内に液晶表示パネル2を配置するが、図15A、図15Bの各図は、虚像面側を物体と
した縮小光学系での射出瞳位置101の説明の便宜のため液晶表示パネルの図示を省略し
、瞳径を0.001mmとし、ウインドシールド6及び自由曲面凹面ミラー54のみの構
成とした状態での主光線のみの光線の状態を図示している。
15 is a ray diagram showing a reduced optical system in which the eyepiece optical system 5 is configured with the minimum necessary components, a windshield 6 and a free-form concave mirror 54 (a free-form concave mirror corresponds to a convex lens).
15A and 15B omit the illustration of the liquid crystal display panel for the convenience of explaining the exit pupil position 101 in a reduction optical system in which the virtual image surface side is the object, and illustrate the state of only the chief ray in a configuration in which the pupil diameter is 0.001 mm and only the windshield 6 and free-form concave mirror 54 are used.

図15A、図15Bの座標系は、アイボックス8の水平方向をX軸、垂直方向をY軸、
XY平面に垂直な方向をZ軸で定義している。
In the coordinate system of FIGS. 15A and 15B, the horizontal direction of the eye box 8 is the X axis, the vertical direction is the Y axis,
The direction perpendicular to the XY plane is defined as the Z axis.

図15Aはウインドシールド6から光束の集光位置101(射出瞳位置)までの光線を
YZ断面に投影した光線図であり、図15Bは自由曲面凹面ミラー54から光束の集光位
置101(射出瞳位置)までの光線をXZ断面に投影した光線図である。
FIG. 15A is a ray diagram showing the light rays projected from the windshield 6 to the focusing position 101 (exit pupil position) of the light beam onto the YZ cross section, and FIG. 15B is a ray diagram showing the light rays projected from the free-form concave mirror 54 to the focusing position 101 (exit pupil position) of the light beam onto the XZ cross section.

ヘッドアップディスプレイ装置30の小型化のためには、ウインドシールド6から自由
曲面凹面ミラー54への光路を避けた場所で、なるべく自由曲面凹面ミラー54に近い場
所に、液晶表示パネルを配置することが望ましい。従って、図15A、図15Bの虚像面
を物体とした縮小光学系では、液晶表示パネルを通り過ぎた先に、接眼光学系5の射出瞳
が位置することになる。
In order to reduce the size of the head-up display device 30, it is desirable to place the liquid crystal display panel in a location that avoids the optical path from the windshield 6 to the free-form concave mirror 54 and is as close to the free-form concave mirror 54 as possible. Therefore, in the reduction optical system in which the virtual image plane of Figures 15A and 15B is the object, the exit pupil of the eyepiece optical system 5 is located past the liquid crystal display panel.

ところで、通常の液晶表示パネル2とバックライト1の組合せでは、液晶表示パネルの
入出射側でテレセントリックとしている。
Incidentally, a typical combination of a liquid crystal display panel 2 and a backlight 1 is telecentric on the input and output sides of the liquid crystal display panel.

ここで図15A、図15Bの液晶表示パネル側でのこのテレセントリック(射出瞳距離
が無限大)を満足するためには、液晶表示パネルの直前にフィールドレンズとして、負の
屈折力(=パワー)である凹レンズを配置する必要がある。
Here, in order to achieve this telecentricity (exit pupil distance is infinite) on the liquid crystal display panel side in Figures 15A and 15B, it is necessary to place a concave lens with negative refractive power (= power) as a field lens immediately before the liquid crystal display panel.

このフィールドレンズの作用と自由曲面レンズの作用について、図16A~図16Cを
用いて説明する。図16Aは、絞りを凸レンズ(自由曲面凹面ミラーに相当)の焦点距離
以上に凸レンズから離して配置した場合の光線追跡図である。絞り102を凸レンズ10
3(自由曲面凹面ミラー54に相当)の焦点距離以上に凸レンズ103から離して配置し
ており、絞り102の中心を通過する主光線は、凸レンズ103で大きな屈折力を受け、
像面104へは主光線が収束して入射する。同時に、凸レンズ103で発生する収差によ
り、像面104での近軸光線の高さHより、実光線の光線高さHの方が小さくなるので
、像面104では樽型の歪が生じる。
The action of the field lens and the action of the free curved lens will be described with reference to Figures 16A to 16C. Figure 16A is a ray tracing diagram in the case where the diaphragm is placed away from the convex lens (corresponding to a free curved concave mirror) at a distance greater than the focal length of the convex lens.
The aperture 102 is disposed at a distance from the convex lens 103 that is greater than the focal length of the aperture 102 (corresponding to the free-form concave mirror 54). The principal ray passing through the center of the aperture 102 is subjected to a large refractive power by the convex lens 103.
The chief ray is converged and incident on the image plane 104. At the same time, due to aberration occurring in the convex lens 103, the ray height H of the actual ray is smaller than the ray height H0 of the paraxial ray on the image plane 104, so that a barrel-shaped distortion occurs on the image plane 104.

図16Bは、集光位置101を表示するために、像面104の先まで表示した光線追跡
図であり、テレセントリック性が劣化していることが確認できる。
FIG. 16B is a ray tracing diagram showing the light collection position 101 up to the image plane 104, and it can be seen that the telecentricity has deteriorated.

図16Cは、テレセントリック性と歪を補正するための基本構成を用いた場合の光線追
跡図である。図16Bの像面104と集光位置101の距離に相当する焦点距離を有する
凹レンズ51を像面104の直前に配置することで主にテレセントリック性の改善を実現
し、且つ、その手間に配置した自由曲面レンズ52で、像面104での実光線の光線高さ
Hを近軸光線の光線高さHに近づけることで主に歪を補正している。
Fig. 16C is a ray tracing diagram when using a basic configuration for correcting telecentricity and distortion. By arranging a concave lens 51 having a focal length equivalent to the distance between the image plane 104 and the light collecting position 101 in Fig. 16B immediately before the image plane 104, mainly improvement of telecentricity is realized, and by arranging a free-form surface lens 52 in front of the concave lens 51, the ray height H of the real ray on the image plane 104 is made close to the ray height H0 of the paraxial ray, mainly distortion is corrected.

ここで、自由曲面レンズ52自体に負の屈折力を持たせることで、凹レンズ51を省略
することは可能であるが、自由曲面レンズ52のレンズ面の面勾配が大きくなる。従って
、自由曲面レンズ52と凹レンズ51に分けることで、自由曲面レンズ52の生産性が向
上し、且つ、自由曲面レンズ52の位置と凹レンズ51の位置との違い、即ち、光線高さ
の違いが、即ち自由度がテレセントリック性と歪の補正に有効である。
Here, it is possible to omit the concave lens 51 by giving the free-form surface lens 52 itself a negative refractive power, but this would increase the surface gradient of the lens surface of the free-form surface lens 52. Therefore, by separating the free-form surface lens 52 from the concave lens 51, the productivity of the free-form surface lens 52 is improved, and the difference between the positions of the free-form surface lens 52 and the concave lens 51, i.e., the difference in ray height, i.e., the degree of freedom, is effective for telecentricity and distortion correction.

詳細な定義式は後で説明するが、自由曲面レンズ52はXY多項式を含むため、左右非
対称・上下非対称なレンズ作用を持たせることが可能であり、ウインドシールド6で発生
する左右非対称、且つ、上下非対称な歪性能の補正にも有効である。
Although the detailed defining formula will be explained later, because the free-form surface lens 52 includes an XY polynomial, it is possible to give it a lens action that is asymmetric left-right and up-down, and it is also effective in correcting the asymmetric left-right and up-down distortion performance that occurs in the windshield 6.

また、凹レンズ51は液晶表示パネル2(図20参照)の光照射面に対向させて、光照
射面との間隔をできるだけ小さくして(間隔が0の場合は光照射面に接する)配置するこ
とが望ましい。そこで凹レンズ51において、液晶表示パネルの光照射面に対向する面(
以下「対向面」という)を平面状に形成する。これにより、凹レンズ51の対向面が凹面
に形成させる場合と比較して、対向面全面を液晶表示パネルにより近づけて配置しやすく
なる。その際、凹レンズ51は液晶表示パネル2に保持部材25(図9参照)を介して取
り付けることにより、更に凹レンズ51を液晶表示パネル2に近づけて配置させやすくな
る。
In addition, it is desirable to place the concave lens 51 facing the light irradiation surface of the liquid crystal display panel 2 (see FIG. 20) with the distance from the light irradiation surface as small as possible (when the distance is 0, the concave lens 51 is in contact with the light irradiation surface).
In this case, the concave lens 51 is attached to the liquid crystal display panel 2 via a holding member 25 (see FIG. 9 ), which makes it easier to position the concave lens 51 closer to the liquid crystal display panel 2 than when the concave lens 51 has a concave facing surface.

なお、凹レンズ51の対向面が凹面に形成された場合、凹面の端部は凹面の中央部と比
較して液晶表示パネル2により近づくので、凹レンズ51自体を液晶表示パネル2から離
して配置する必要が生じる。さらに、液晶表示パネル2での映像光の有効サイズよりも、
液晶表示パネル2での画素の表示可能範囲が大きく、その外側にも構造物が存在するので
、それらを含めて、凹レンズ51との構造干渉を回避するために、凹レンズ51を益々、
液晶表示パネル2から離して配置する必要が生じてしまう。このことから、凹レンズ51
における液晶表示パネル2との対向面は、凹面よりも平面で形成することが望ましいと考
えられる。
In addition, when the opposing surface of the concave lens 51 is formed as a concave surface, the end portion of the concave surface is closer to the liquid crystal display panel 2 than the center portion of the concave surface, so that it becomes necessary to dispose the concave lens 51 itself away from the liquid crystal display panel 2. Furthermore, if the effective size of the image light on the liquid crystal display panel 2 is larger than the effective size of the image light on the liquid crystal display panel 2,
The displayable range of the pixels in the liquid crystal display panel 2 is large, and there are structures outside of that range. In order to avoid structural interference with the concave lens 51, including those structures, the concave lens 51 is further
It becomes necessary to place the concave lens 51 away from the liquid crystal display panel 2.
It is considered desirable that the surface of the liquid crystal display device 2 facing the liquid crystal display panel 2 be formed as a flat surface rather than a concave surface.

また、凹レンズ51は、凹レンズ51の焦点距離を、自由曲面凹面ミラー54の焦点距
離で割った値が、-0.6以上で-0.3以下を満たす光学特性を有することが望ましい
Moreover, it is desirable for the concave lens 51 to have optical characteristics such that the value obtained by dividing the focal length of the concave lens 51 by the focal length of the free curved concave mirror 54 is equal to or greater than −0.6 and equal to or less than −0.3.

縮小光学系で光線追跡を表示した図15を用いて、条件の意味について説明する。自由
曲面凹面ミラー54の屈折力(=焦点距離の逆数)が強いと、自由曲面凹面ミラー54で
反射した光束の集光位置が自由曲面凹面ミラー54に近づく。逆に、自由曲面凹面ミラー
54の屈折力が弱いと、自由曲面凹面ミラー54で反射した光束の集光位置が自由曲面凹
面ミラー54から離れる。そして、光束をテレセントリックな状態にするための凹レンズ
51は、自由曲面凹面ミラー54の屈折力が強い場合には、凹レンズ51の屈折力(負の
値)も強くする必要がある。逆に、自由曲面凹面ミラー54の屈折力が弱い場合には、凹
レンズ51の屈折力も弱くする必要がある。従って、焦点距離の比が-0.6よりも小さ
いと液晶表示パネル2での主光線が収束状態となり、焦点距離の比が-0.3より大きい
液晶表示パネル2での主光線が発散状態になってしまう。
The meaning of the condition will be explained using FIG. 15 showing ray tracing in a reduction optical system. When the refractive power (= the reciprocal of the focal length) of the free-form concave mirror 54 is strong, the focusing position of the light beam reflected by the free-form concave mirror 54 approaches the free-form concave mirror 54. Conversely, when the refractive power of the free-form concave mirror 54 is weak, the focusing position of the light beam reflected by the free-form concave mirror 54 moves away from the free-form concave mirror 54. And, when the refractive power of the free-form concave mirror 54 is strong, the refractive power (negative value) of the concave lens 51 for making the light beam telecentric needs to be strong. Conversely, when the refractive power of the free-form concave mirror 54 is weak, the refractive power of the concave lens 51 needs to be weak. Therefore, when the focal length ratio is smaller than -0.6, the chief ray at the liquid crystal display panel 2 is in a convergent state, and when the focal length ratio is greater than -0.3, the chief ray at the liquid crystal display panel 2 is in a divergent state.

尚、焦点距離の逆数が屈折力であり、屈折力が強いとはその絶対値が大きいことを意味
し、逆に、屈折力が弱いとはその絶対値が小さいことを意味する。
Incidentally, the reciprocal of the focal length is the refractive power, and strong refractive power means that its absolute value is large, while weak refractive power means that its absolute value is small.

次に、小型なヘッドアップディスプレイ装置30を実現できる自由曲面凹面ミラー54
と自由曲面レンズ52と凹レンズ51を用いた投影光学系の第1実施形態について説明す
る。
Next, a free-form concave mirror 54 that can realize a small head-up display device 30 is
A first embodiment of a projection optical system using a free curved surface lens 52 and a concave lens 51 will be described.

<第1実施形態>
第1実施形態は、図17のヘッドアップディスプレイ装置30のうち、接眼光学系5の
構成に特徴がある。図1を参照して、投影光学系を構成するウインドシールド6と接眼光
学系5について説明する。図1Aは第1実施形態の接眼光学系5の全体光線図であり、ア
イボックス8の水平方向X軸と垂直方向Y軸とXY軸に直交するZ軸で定義するYZ平面
において虚像面7の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表す。また図1Bは第1実施
形態の接眼光学系5の全体光線図であり、XZ平面において虚像面7の映像情報を観察者
の眼で見ている様子を表している。
First Embodiment
The first embodiment is characterized by the configuration of the eyepiece optical system 5 of the head-up display device 30 in Fig. 17. The windshield 6 and the eyepiece optical system 5 constituting the projection optical system will be described with reference to Fig. 1. Fig. 1A is an overall ray diagram of the eyepiece optical system 5 of the first embodiment, and shows a state in which the image information on the virtual image surface 7 is viewed by the observer's eye in the YZ plane defined by the horizontal X-axis, vertical Y-axis, and Z-axis perpendicular to the XY-axis of the eyebox 8. Fig. 1B is an overall ray diagram of the eyepiece optical system 5 of the first embodiment, and shows a state in which the image information on the virtual image surface 7 is viewed by the observer's eye in the XZ plane.

YZ平面では右眼と左眼が重なっており(図1Aの符号9参照)、XZ平面では右眼と
左眼が別々に見えている(図1Bの符号9参照)。図1Aに示すように、虚像面7は視野
方向に対して傾けて配置している。具体的には、視野の上方(Y座標の正側)で虚像距離
を大きくし、視野の下方(Y座標の負側)で虚像距離を小さくした。ウインドシールド6
は自動車の左右方向に対して対称な形状であるので、ヘッドアップディスプレイ装置30
での有効光束が通過するウインドシールド6の範囲を左右対称に表示した。
In the YZ plane, the right eye and the left eye overlap (see reference numeral 9 in FIG. 1A), and in the XZ plane, the right eye and the left eye see separately (see reference numeral 9 in FIG. 1B). As shown in FIG. 1A, the virtual image surface 7 is disposed at an angle to the direction of the field of view. Specifically, the virtual image distance is made larger in the upper part of the field of view (positive side of the Y coordinate) and smaller in the lower part of the field of view (negative side of the Y coordinate). Windshield 6
Since the head-up display device 30 has a symmetrical shape with respect to the left-right direction of the vehicle,
The range of the windshield 6 through which the effective light beam passes is shown symmetrically.

図2は第1実施形態の接眼光学系の要部拡大図である。図2に示すように、接眼光学系
5は偏光板21(液晶表示パネル2の構成部品)側から、凹レンズ51と、自由曲面レン
ズ52と、折返しミラー53と、正の屈折力の自由曲面凹面ミラー54と、ウインドシー
ルド6とを並べて配置することにより構成されている。凹レンズ51は、液晶表示パネル
2の映像光の射出面22に対向して配置される。接眼光学系5の屈折力は、主に自由曲面
凹面ミラー54が負担している。凹レンズ51で主にテレセントリック性を実現し、且つ
、自由曲面レンズ52で主に歪を補正している。ウインドシールド6で反射した光束が自
由曲面凹面ミラー54に向かう光路の下に、折返しミラー53が位置することで、さらに
、その光路の下に自由曲面レンズ52が位置することで、ヘッドアップディスプレイ装置
30の小型化を実現していることが分かる。
2 is an enlarged view of the main part of the eyepiece optical system of the first embodiment. As shown in FIG. 2, the eyepiece optical system 5 is configured by arranging a concave lens 51, a free-form surface lens 52, a return mirror 53, a free-form surface concave mirror 54 with positive refractive power, and a windshield 6 from the polarizing plate 21 (a component of the liquid crystal display panel 2) side. The concave lens 51 is arranged facing the exit surface 22 of the image light of the liquid crystal display panel 2. The refractive power of the eyepiece optical system 5 is mainly borne by the free-form surface concave mirror 54. The concave lens 51 mainly realizes telecentricity, and the free-form surface lens 52 mainly corrects distortion. It can be seen that the return mirror 53 is located under the optical path of the light beam reflected by the windshield 6 toward the free-form surface concave mirror 54, and the free-form surface lens 52 is further located under the optical path, thereby realizing the miniaturization of the head-up display device 30.

図3は第1実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置30のレンズデータを示す図
である。図3に示すレンズデータでは、曲率半径は曲率半径の中心位置が進行方向にある
場合を正の符合で表し、面間距離は、各面の頂点位置から次の面の頂点位置までの光軸上
の距離を表している。
Fig. 3 is a diagram showing lens data of the head-up display device 30 according to the first embodiment. In the lens data shown in Fig. 3, the radius of curvature is indicated by a positive sign when the center position of the radius of curvature is in the traveling direction, and the inter-surface distance indicates the distance on the optical axis from the vertex position of each surface to the vertex position of the next surface.

図3に示すように、液晶表示パネル2における映像光の射出面22(図3の12面に相
当する)から凹レンズ51における液晶表示パネル2に対向する対向面51a(図9参照
、図3の11面に相当)までの第1面間距離d1(図9参照)は0.122であり、対向
面から凹レンズ51に入射した映像光が凹レンズ51から射出する射出面51b(図9参
照、図3の10面に相当する)までの第2面間距離d2(図9参照)は4.700である
ので、第1面間距離d1は第2面間距離d2よりも短い。即ち、凹レンズ51は凹レンズ
51の厚みよりも液晶表示パネル2に近づけて配置される。第1面間距離d1が小さいほ
ど、即ち凹レンズ51が液晶表示パネル2に近いほど好ましく、d1=0の場合は凹レン
ズ51が液晶表示パネル2に接して配置されることとなる。
As shown in FIG. 3, the first inter-surface distance d1 (see FIG. 9) from the exit surface 22 (corresponding to surface 12 in FIG. 3) of the image light in the liquid crystal display panel 2 to the facing surface 51a (see FIG. 9, corresponding to surface 11 in FIG. 3) of the concave lens 51 facing the liquid crystal display panel 2 is 0.122, and the second inter-surface distance d2 (see FIG. 9) from the facing surface to the exit surface 51b (see FIG. 9, corresponding to surface 10 in FIG. 3) from which the image light incident on the concave lens 51 exits from the concave lens 51 is 4.700, so that the first inter-surface distance d1 is shorter than the second inter-surface distance d2. That is, the concave lens 51 is disposed closer to the liquid crystal display panel 2 than the thickness of the concave lens 51. The smaller the first inter-surface distance d1 is, that is, the closer the concave lens 51 is to the liquid crystal display panel 2, the more preferable it is, and when d1=0, the concave lens 51 is disposed in contact with the liquid crystal display panel 2.

偏心はX軸方向・Y軸方向・Z軸方向それぞれの値であり、倒れはX軸回りの回転・Y
軸回りの回転・Z軸回りの回転であり、偏心・倒れは、該当の面で偏心と倒れの順に作用
し、「普通偏心」では、偏心・倒れが作用した新しい座標系上での面間距離の位置に次の
面が配置される。デセンタ・アンド・リターンの偏心及び倒れは、その面でのみ作用し、
次の面に影響しない。尚、X軸回りの回転はX軸の正方向から見て時計回りが正、Y軸回
りの回転はY軸の正方向から見て時計回りが正、Z軸回りの回転はZ軸の正方向から見て
反時計回りが正である。
The eccentricity is the value in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, and the tilt is the rotation around the X-axis and the Y-axis.
Rotation around the axis and rotation around the Z axis. Eccentricity and tilt act on the relevant surface in the order of eccentricity and tilt. In "normal eccentricity", the next surface is placed at the position of the inter-surface distance on the new coordinate system where the eccentricity and tilt acted. In decenter and return, eccentricity and tilt act only on that surface.
It does not affect the next surface. Note that rotation around the X-axis is positive when viewed from the positive direction of the X-axis, rotation around the Y-axis is positive when viewed from the positive direction of the Y-axis, and rotation around the Z-axis is positive when viewed from the positive direction of the Z-axis.

硝材名50.30は屈折率1.50でアッベ数が30の材料を、硝材名52.60は屈
折率1.52でアッベ数が60の材料を表す。
The glass material name 50.30 indicates a material with a refractive index of 1.50 and an Abbe number of 30, and the glass material name 52.60 indicates a material with a refractive index of 1.52 and an Abbe number of 60.

第2面(ウインドシールド6)は、アナモフィック非球面であり、Y方向の曲率半径9
686mm(=1/cuy)とX方向の曲率半径5531mm(=1/cux)を用いて
、下式(1)により求められる。

Figure 0007485828000001

・・・(1) The second surface (windshield 6) is an anamorphic aspheric surface with a radius of curvature of 9 in the Y direction.
Using the radius of curvature in the X direction of 686 mm (=1/cuy) and the radius of curvature in the X direction of 5531 mm (=1/cux), the value can be calculated using the following formula (1).
Figure 0007485828000001

... (1)

図4は、第1実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置30の自由曲面係数の図で
ある。図4の自由曲面係数は、下式(2)により求められる。

Figure 0007485828000002

・・・(2) Fig. 4 is a diagram of free-form surface coefficients of the head-up display device 30 according to the first embodiment. The free-form surface coefficients in Fig. 4 are calculated by the following formula (2).
Figure 0007485828000002

... (2)

自由曲面係数Cは、それぞれの光軸(Z軸)に対して回転非対称な形状であり、円錐
項の成分とXYの多項式の項の成分で定義される形状である。例えば、Xが2次(m=2
)でYが3次(n=3)の場合は、j={(2+3)+2+3×3}/2+1=19で
あるC19の係数が対応する。
The free curved surface coefficient Cj is a shape that is rotationally asymmetric with respect to each optical axis (Z axis) and is a shape defined by the components of the cone term and the components of the polynomial term of XY. For example, when X is quadratic (m=2
) and Y is cubic (n=3), then there are 19 coefficients in C, where j={(2+3) 2 +2+3×3}/2+1=19.

また、自由曲面のそれぞれの光軸の位置は、図3のレンズデータでの偏心・倒れの量に
よって定まる。
Furthermore, the position of each optical axis of the free curved surface is determined by the amount of decentering and tilting in the lens data of FIG.

以下に、第1実施形態の接眼光学系のアイボックスサイズや、視野角などの値を、水平
方向、垂直方向の順に示す。
アイボックスサイズ 130×40mm
液晶表示パネルでの映像光の有効サイズ 67.4×29.0mm
視野角(全画角) 10×4度
伏角 0.7度
虚像距離 16.5m(伏角方向)
Below, values such as the eyebox size and the viewing angle of the eyepiece optical system of the first embodiment are shown in the horizontal and vertical directions.
Eye box size: 130 x 40 mm
Effective size of image light on LCD panel: 67.4 x 29.0 mm
Field of view (full field of view): 10 x 4 degrees Dip angle: 0.7 degrees Virtual image distance: 16.5 m (dip direction)

凹レンズの焦点距離(-143mm)を自由曲面凹面ミラーの焦点距離(355mm)
で割った値が、-0.40である。
The focal length of the concave lens (-143 mm) is the focal length of the free-form concave mirror (355 mm).
The value divided by this is −0.40.

次に、第1実施形態の光学性能について図5A~図5E、図6、図7A及び図7Bを用
いて説明する。
Next, the optical performance of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 5A to 5E, 6, 7A, and 7B.

図5A~図5Eの各図は、第1実施形態のヘッドアップディスプレイ装置30の歪性能
を表す図である。より詳しくは、図5Aは、矩形状の虚像面7の範囲に対して、アイボッ
クス8の中央を通過する光線による液晶表示パネル2側での歪図である。図5B、図5C
、図5D、図5Eはアイボックス8の右上隅、左上隅、左下隅、右下隅の各点を通過する
光線による液晶表示パネル2側での歪図である。
5A to 5E are diagrams showing the distortion performance of the head-up display device 30 of the first embodiment. More specifically, Fig. 5A is a diagram showing distortion on the liquid crystal display panel 2 side caused by a ray passing through the center of the eye box 8 for the range of the rectangular virtual image surface 7.
5D and 5E are diagrams showing distortions on the liquid crystal display panel 2 side caused by light rays passing through the upper right corner, upper left corner, lower left corner, and lower right corner of the eye box 8. FIG.

仮に、液晶表示パネル2側に矩形状の画像を表示した状態で、アイボックス8内のそれ
ぞれの位置に眼を位置した場合には、図5A~図5Eと逆の歪(例:樽型⇔糸巻型)が観
察される。図5A~図5Eの歪図はほぼ同じ形状になっているので、例えば図5A~図5
Eの歪図に合わせた映像を液晶表示パネル2に表示すれば、観察者は歪の無い矩形状の虚
像を観察できる。
If a rectangular image is displayed on the liquid crystal display panel 2 and the eye is positioned at each position within the eye box 8, the opposite distortion (e.g. barrel shape ⇔ pincushion shape) to that shown in Figures 5A to 5E will be observed.
If an image conforming to the distortion diagram of E is displayed on the liquid crystal display panel 2, the observer can observe a rectangular virtual image without distortion.

図6は、第1実施形態のヘッドアップディスプレイ装置30のスポット図である。図6
は、虚像面に物点を配置した場合の液晶表示パネル2上でのスポット図であり、アイボッ
クス8全体を通過する光束によるスポット図を、赤色(650nm)・緑色(550nm
)・青色(450nm)で別々に表示した図である。このスポット図では、アイボックス
8の大きさが水平130mm×垂直40mmの全光束でのスポット図であり、実際の観察
者が見る虚像の場合は、人の眼の虹彩の大きさ(最大でφ7mmといわれている)でのス
ポット図は、大幅に良くなっている。ここで、スポット図は、虚像を物面とした縮小光学
系での、液晶表示パネル2の各位置でのスポット図を5倍に拡大強調した図である。
FIG. 6 is a spot diagram of the head-up display device 30 of the first embodiment.
is a spot diagram on the liquid crystal display panel 2 when an object point is placed on the virtual image plane. The spot diagram of the light beam passing through the entire eye box 8 is shown in Fig. 1 for red (650 nm) and green (550 nm).
) and blue (450 nm) separately. In this spot diagram, the size of the eye box 8 is 130 mm horizontally × 40 mm vertically for the total luminous flux, and in the case of a virtual image seen by an actual observer, the spot diagram for the size of the iris of the human eye (said to be φ7 mm at maximum) is significantly improved. Here, the spot diagram is a diagram in which the spot diagram at each position of the liquid crystal display panel 2 in a reduced optical system with the virtual image as the object surface is magnified and emphasized by 5 times.

図7Aは、各画角位置での主光線Ray1と仮想光線Ray0の角度ずれ図である。ま
た図7Bは主光線Ray1と仮想光線Ray0の角度θを示す図である。図7Bに示すよ
うに、仮想光線Ray0は、液晶表示パネル2の長辺に平行な回転軸を中心に、液晶表示
パネル2の法線を13度回転した直線である。即ち、液晶表示パネル2に対して、照明光
学系を13度傾けて配置することを意味する。図7Aより、角度ずれの最大値が1.9度
と小さいことが分かる。
Fig. 7A is a diagram showing the angle deviation between the principal ray Ray1 and the virtual ray Ray0 at each angle of view. Fig. 7B is a diagram showing the angle θ between the principal ray Ray1 and the virtual ray Ray0. As shown in Fig. 7B, the virtual ray Ray0 is a straight line obtained by rotating the normal to the liquid crystal display panel 2 by 13 degrees around a rotation axis parallel to the long side of the liquid crystal display panel 2. In other words, this means that the illumination optical system is disposed with an inclination of 13 degrees with respect to the liquid crystal display panel 2. Fig. 7A shows that the maximum angle deviation is small, at 1.9 degrees.

従って、本実施形態によれば、自由曲面凹面ミラーと自由曲面レンズと凹レンズを用い
た投影光学系により、小型化なヘッドアップディスプレイ装置30を提供できる。
Therefore, according to this embodiment, a projection optical system using a free-form concave mirror, a free-form lens, and a concave lens can provide a compact head-up display device 30.

<第2実施形態>
第2実施形態は、接眼光学系5の構成が第1実施形態とは異なる点に特徴がある。第2
実施形態では小型の液晶表示パネル2と組合せ、折返しミラー53を削除し、ヘッドアッ
プディスプレイ装置30の小型化を優先した実施形態である。
Second Embodiment
The second embodiment is characterized in that the configuration of the eyepiece optical system 5 is different from that of the first embodiment.
In this embodiment, a small-sized liquid crystal display panel 2 is combined with the head-up display device 30, and the folding mirror 53 is omitted, giving priority to miniaturization of the head-up display device 30.

図8Aは第2実施形態の接眼光学系5の全体光線図であり、アイボックス8の水平方向
X軸と垂直方向Y軸とXY軸に直交するZ軸で定義するYZ平面において虚像面7の映像
情報を観察者の眼で見ている様子を表す。図8Bは、XZ平面において虚像面7の映像情
報を観察者の眼で見ている様子を表す。図9は第2実施形態の接眼光学系の要部拡大図で
ある。
Fig. 8A is an overall ray diagram of the eyepiece optical system 5 of the second embodiment, and shows the state in which the image information on the virtual image surface 7 is viewed by the observer's eye in the YZ plane defined by the horizontal X-axis, vertical Y-axis, and Z-axis perpendicular to the XY-axis of the eyebox 8. Fig. 8B shows the state in which the image information on the virtual image surface 7 is viewed by the observer's eye in the XZ plane. Fig. 9 is an enlarged view of the main part of the eyepiece optical system of the second embodiment.

図8A、図8B、図9に示すように、接眼光学系5は偏光板21(液晶表示パネル2の
構成部品)側から、凹レンズ51と、自由曲面レンズ52と、正の屈折力の自由曲面凹面
ミラー54とが配置され、それに次いでウインドシールドが並べて配置される。
As shown in Figures 8A, 8B, and 9, the eyepiece optical system 5 is arranged, from the polarizing plate 21 (a component of the liquid crystal display panel 2) side, with a concave lens 51, a free-form surface lens 52, and a free-form concave mirror 54 with positive refractive power, followed by a windshield.

図10は第2実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置30のレンズデータを示す
図である。図11は、第2実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置30の自由曲面
係数の図である。
Fig. 10 is a diagram showing lens data of the head-up display device 30 according to the second embodiment. Fig. 11 is a diagram showing free-form surface coefficients of the head-up display device 30 according to the second embodiment.

以下に、第2実施形態の接眼光学系のアイボックスサイズや、視野角などの値を、水平
方向、垂直方向の順に示す。
アイボックスサイズ 130×40mm
液晶表示パネルでの映像光の有効サイズ 39.5×20.4mm
虚像サイズ 240×90mm
視野角(全画角) 6.9×2.6度
伏角 5.1度
虚像距離 2.1m
The eyebox size, viewing angle, and other values of the eyepiece optical system of the second embodiment are shown below in the horizontal and vertical directions.
Eye box size: 130 x 40 mm
Effective size of image light on LCD panel: 39.5 x 20.4 mm
Virtual image size: 240 x 90 mm
Field of view (full field of view): 6.9 x 2.6 degrees Dip angle: 5.1 degrees Virtual image distance: 2.1 m

凹レンズの焦点距離(-90mm)を自由曲面凹面ミラーの焦点距離(188mm)で
割った値が、-0.48である。
The focal length of the concave lens (-90 mm) divided by the focal length of the free-form concave mirror (188 mm) is -0.48.

次に、第2実施形態の光学性能について図12A~図12E、図13、図14A、図1
4Bを用いて説明する。図12A~図12Eは、第2実施形態のヘッドアップディスプレ
イ装置30の歪性能を表す図である。より詳しくは、図12Aは、矩形状の虚像面7の範
囲に対して、アイボックス8の中央を通過する光線による液晶表示パネル2側での歪図で
ある。図12B、図12C、図12D、図12Eはアイボックス8の右上隅、左上隅、左
下隅、右下隅の各点を通過する光線による液晶表示パネル2側での歪図である。図13は
、第2実施形態のヘッドアップディスプレイ装置30のスポット図である。図14Aは、
各画角位置での主光線と液晶表示パネル2の法線との角度ずれ図である。図14Bは主光
線と液晶表示パネル2の法線との角度θを示す図である。図14Aより、主光線と液晶表
示パネル2の法線との角度ずれの最大値が2.8度と小さいことが分かる。
Next, the optical performance of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 12A to 12E, 13, 14A, and 1
4B. Figs. 12A to 12E are diagrams showing the distortion performance of the head-up display device 30 of the second embodiment. More specifically, Fig. 12A is a diagram showing distortion on the liquid crystal display panel 2 side caused by a ray of light passing through the center of the eye box 8 for the range of the rectangular virtual image surface 7. Figs. 12B, 12C, 12D, and 12E are diagrams showing distortion on the liquid crystal display panel 2 side caused by a ray of light passing through each of the upper right corner, upper left corner, lower left corner, and lower right corner of the eye box 8. Fig. 13 is a spot diagram of the head-up display device 30 of the second embodiment. Fig. 14A is a
14A is a diagram showing the angle deviation between the chief ray and the normal line to the liquid crystal display panel 2 at each view angle position. Fig. 14B is a diagram showing the angle θ between the chief ray and the normal line to the liquid crystal display panel 2. It can be seen from Fig. 14A that the maximum angle deviation between the chief ray and the normal line to the liquid crystal display panel 2 is small at 2.8 degrees.

従って、本実施形態によれば、自由曲面凹面ミラーと自由曲面レンズと凹レンズを用い
た投影光学系により、小型化なヘッドアップディスプレイ装置30を提供できる。
Therefore, according to this embodiment, a projection optical system using a free-form concave mirror, a free-form lens, and a concave lens can provide a compact head-up display device 30.

<第3実施形態>
第3実施形態は、画像形成ユニット10の構成が第1実施形態や第2実施形態とは異な
る点に特徴がある。図18を参照して、第3実施形態について説明する。図18は、第3
実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が備える画像形成ユニットの概略構成図で
ある。
Third Embodiment
The third embodiment is characterized in that the configuration of the image forming unit 10 is different from that of the first and second embodiments. The third embodiment will be described with reference to FIG. 18. FIG.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an image forming unit included in the head-up display device according to the embodiment.

第1実施形態では液晶表示パネル2の映像情報を、直接、接眼光学系5で拡大し、虚像
として表示しているが、この画像形成ユニット10の構成に代えて、より小型の液晶表示
パネル2を用いて、その映像情報をライトバルブの像を形成するリレー光学系3でスクリ
ーン板(拡散板)上に拡大写像し、その映像情報を接眼光学系で拡大し、虚像として表示
している。
In the first embodiment, the image information on the liquid crystal display panel 2 is directly enlarged by the eyepiece optical system 5 and displayed as a virtual image, but instead of the configuration of this image forming unit 10, a smaller liquid crystal display panel 2 is used, and the image information is enlarged and projected onto a screen plate (diffusion plate) by the relay optical system 3 that forms an image of the light valve, and the image information is then enlarged by the eyepiece optical system and displayed as a virtual image.

より詳しくは、バックライト1から液晶表示パネル2に照射された光束は、液晶表示パ
ネル2に表示された映像情報を含んだ映像光束として、リレー光学系3に入射する。像光
はスクリーン板4の射出面401から接眼光学系5に向かって射出される。リレー光学系
3での結像作用により、液晶表示パネル2上の映像情報は拡大されスクリーン板(拡散板
)4上に拡大投写される。液晶表示パネル2上の点P1・P2・P3が、それぞれスクリ
ーン板(拡散板)4の点Q1・Q2・Q3に対応する。リレー光学系3を用いることで、
表示サイズの小さい液晶表示パネルを使用することができる。バックライト1、液晶表示
パネル2、リレー光学系3、及びスクリーン板(拡散板)4は、スクリーン板(拡散板)
4上に画像情報(映像情報)を形成するので、これらを総称して画像形成ユニット10と
いう。
More specifically, the light beam irradiated from the backlight 1 to the liquid crystal display panel 2 enters the relay optical system 3 as an image light beam containing image information displayed on the liquid crystal display panel 2. The image light is emitted from the exit surface 401 of the screen plate 4 toward the eyepiece optical system 5. Due to the imaging action of the relay optical system 3, the image information on the liquid crystal display panel 2 is enlarged and projected on the screen plate (diffusion plate) 4. Points P1, P2, and P3 on the liquid crystal display panel 2 correspond to points Q1, Q2, and Q3 on the screen plate (diffusion plate) 4, respectively. By using the relay optical system 3,
A liquid crystal display panel with a small display size can be used. The backlight 1, the liquid crystal display panel 2, the relay optical system 3, and the screen plate (diffusion plate) 4 are
4, image information (video information) is formed on the image forming unit 10.

また、スクリーン板(拡散板)4は、マイクロレンズを2次元状に配置したマイクロレ
ンズアレイにより構成される。これにより拡散作用が生じ、スクリーン板4を出射する光
束の広がり角を大きくしており、アイボックス8の大きさを、所定の大きさにしている。
尚、スクリーン板(拡散板)4の拡散作用は、拡散粒子を内蔵することでも実現できる。
The screen plate (diffusion plate) 4 is composed of a microlens array in which microlenses are arranged two-dimensionally, which creates a diffusing effect, increasing the spread angle of the light beam emitted from the screen plate 4 and making the size of the eye box 8 a predetermined size.
The diffusing effect of the screen plate (diffusing plate) 4 can also be realized by incorporating diffusing particles therein.

<第4実施形態>
第4実施形態は、画像形成ユニット10の構成が第1実施形態や第2実施形態とは異な
る点に特徴がある。図19を参照して、第4実施形態について説明する。図19は、第4
実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が備える画像形成ユニットの概略構成図で
ある。
Fourth Embodiment
The fourth embodiment is characterized in that the configuration of the image forming unit 10 is different from that of the first and second embodiments. The fourth embodiment will be described with reference to FIG. 19. FIG.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an image forming unit included in the head-up display device according to the embodiment.

第1実施形態では液晶表示パネル2の映像情報を、拡散機能を有するスクリーン板4に
写像しているが、この画像形成ユニット10の構成に代えて、レーザー光源301と、レ
ーザー光源301から射出されるレーザー光を操作する光走査部302とを含む微小電気
機械システム(MEMS:Micro Electro Mechanical Sys
tems)を用いて構成してもよい。光走査部302は反射面302a及び反射面回転駆
動部302bを含む。MEMSは、レーザーを光走査することで、拡散機能を有するスク
リーン板4に光走査像を形成する。映像光はスクリーン板4の射出面401から接眼光学
系5に向かって射出される。第4実施形態の画像形成ユニットは、このMEMSで光線角
度を振ることで光走査する位置を、射出瞳位置に合わせて配置する。MEMSの回転中心
位置は、接眼光学系5側で想定した位置に合わせて構成される。
In the first embodiment, the image information of the liquid crystal display panel 2 is projected onto the screen plate 4 having a diffusion function. However, instead of the configuration of the image forming unit 10, a micro electro mechanical system (MEMS: Micro Electro Mechanical System) including a laser light source 301 and an optical scanning unit 302 that manipulates the laser light emitted from the laser light source 301 may be used.
The fourth embodiment may be configured using a MEMS. The optical scanning unit 302 includes a reflecting surface 302a and a reflecting surface rotation drive unit 302b. The MEMS optically scans a laser to form an optically scanned image on a screen plate 4 having a diffusion function. The image light is emitted from an exit surface 401 of the screen plate 4 towards the eyepiece optical system 5. The image forming unit of the fourth embodiment positions the optical scanning position to match the exit pupil position by changing the light ray angle with the MEMS. The rotation center position of the MEMS is configured to match the position assumed on the eyepiece optical system 5 side.

1…バックライト、2…液晶表示パネル、3…リレー光学系、4…スクリーン板(拡散板
)、5…接眼光学系、6…ウインドシールド、7…虚像面、8…アイボックス、9…観察
者の眼、10…画像形成ユニット、20…投影光学系、30…ヘッドアップディスプレイ
装置、51…凹レンズ、52…自由曲面レンズ、53…折返しミラー、54…自由曲面凹
面ミラー、101…集光位置、102…絞り、103…凸レンズ、104…像面
1...backlight, 2...liquid crystal display panel, 3...relay optical system, 4...screen plate (diffusion plate), 5...ocular optical system, 6...windshield, 7...virtual image surface, 8...eye box, 9...observer's eye, 10...image forming unit, 20...projection optical system, 30...head-up display device, 51...concave lens, 52...free-form lens, 53...folding mirror, 54...free-form concave mirror, 101...focus position, 102...aperture, 103...convex lens, 104...image surface

Claims (8)

車両であって、
ウインドシールドと、
映像を生成する映像生成部と、前記映像生成部からの光束を入射し、前記映像生成部が生成した映像を拡大した虚像を表示するための光学系と、を有するヘッドアップディスプレイ装置と、を備え、
前記光学系は、当該光学系から出射された映像光を前記ウインドシールドで反射させ、反射された光を運転者の眼に入射させることで、前記運転者の眼から見ると、虚像面において画像情報を見ているかのように虚像を表示する光学系であり、
前記映像生成部から順に光路に配置された凹レンズ、自由曲面レンズ、及び自由曲面凹面ミラーを含んでおり、
前記映像生成部における光束の出射面と、前記凹レンズにおける前記映像生成部に対向する対向面との第1の面間距離は、前記凹レンズにおける光束が入射する前記対向面と、前記凹レンズから光束が出射する出射面との第2の面間距離よりも短く、
前記凹レンズは、前記第2の面間距離よりも前記映像生成部に近づけて配置され、
前記凹レンズは、前記凹レンズにおける光束の入射面が前記映像生成部における光束の出射面と略平行となるように配置される、
車両。
A vehicle,
Windshield and
a head-up display device including an image generating unit that generates an image, and an optical system that receives a light beam from the image generating unit and displays a virtual image by enlarging the image generated by the image generating unit,
the optical system reflects image light emitted from the optical system by the windshield and causes the reflected light to enter the driver's eye, thereby displaying a virtual image as if the driver were viewing image information on a virtual image plane, when viewed by the driver's eye;
The optical system includes a concave lens, a free-form lens, and a free-form concave mirror arranged in this order from the image generating unit to the optical path,
a first inter-surface distance between an emission surface of the image generating unit from which the light beam is emitted and an opposing surface of the concave lens facing the image generating unit is shorter than a second inter-surface distance between the opposing surface of the concave lens, on which the light beam is incident, and an emission surface from which the light beam is emitted from the concave lens;
the concave lens is disposed closer to the image generating unit than the second inter-surface distance,
the concave lens is disposed so that an incident surface of the concave lens for receiving a light beam is substantially parallel to an exit surface of the image generating unit for receiving a light beam.
vehicle.
請求項1に記載の車両であって、
前記凹レンズにおける光束の入射面は平面状に形成される、
車両。
2. A vehicle as claimed in claim 1,
The concave lens has a plane on which the light beam is incident.
vehicle.
請求項1に記載の車両であって、
前記凹レンズの焦点距離を前記自由曲面凹面ミラーの焦点距離で割った値が-0.6以上で-0.3以下である、
車両。
2. A vehicle as claimed in claim 1,
a value obtained by dividing the focal length of the concave lens by the focal length of the free-form concave mirror is equal to or greater than −0.6 and equal to or less than −0.3;
vehicle.
請求項1に記載の車両であって、
前記凹レンズは、前記映像生成部における光束の前記出射面に対向させて前記映像生成部に保持部材を介して取り付けられる、
車両。
2. A vehicle as claimed in claim 1,
the concave lens is attached to the image generating unit via a holding member so as to face the exit surface of the image generating unit for the light beam;
vehicle.
請求項1に記載の車両であって、
前記映像生成部は、光源及び表示パネルを含み、光束の前記出射面は、前記表示パネルの出射面である、
車両。
2. A vehicle as claimed in claim 1,
The image generating unit includes a light source and a display panel, and the exit surface of the light beam is an exit surface of the display panel.
vehicle.
請求項1に記載の車両であって、
前記映像生成部は、光源及び表示パネルを含み、光束の前記出射面は、前記表示パネルの出射面であり、
前記表示パネルは、前記光源からの光束の光軸に対して傾けて配置される、
車両。
2. A vehicle as claimed in claim 1,
the image generating unit includes a light source and a display panel, the exit surface of the light beam is an exit surface of the display panel,
the display panel is disposed at an angle with respect to an optical axis of a light beam from the light source.
vehicle.
請求項1に記載の車両であって、
前記映像生成部は、リレー光学系及び拡散機能を有するスクリーン板を含み、光束の前記出射面は、前記スクリーン板の出射面である、
車両。
2. A vehicle as claimed in claim 1,
The image generating unit includes a relay optical system and a screen plate having a diffusion function, and the exit surface of the light beam is the exit surface of the screen plate.
vehicle.
請求項1に記載の車両であって、
前記映像生成部は、レーザー光源と、前記レーザー光源からのレーザー光を、反射面の回転で光走査する光走査部と、拡散機能を有するスクリーン板とを含み、光束の前記出射面は、前記スクリーン板の出射面である、
車両。
2. A vehicle as claimed in claim 1,
The image generating unit includes a laser light source, a light scanning unit that optically scans the laser light from the laser light source by rotating a reflection surface, and a screen plate having a diffusion function, and the exit surface of the light beam is the exit surface of the screen plate.
vehicle.
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