JPWO2018116897A1 - Head-up display device - Google Patents
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Abstract
3次元の虚像の見栄えが低下することを抑制できるヘッドアップディスプレイ装置を提供する。HUD装置10は、映像光L2を出射する表示器11aと、表示器11aからの映像光L2を受けて表示像O1,O2を生成するスクリーン11bと、を含む表示器ユニット11と、スクリーン11bを映像光L2の光軸方向に沿って往復運動させることで表示像O1,O2の位置を移動させる駆動部12と、表示像O1,O2の位置に応じて、それぞれ異なる位置にそれぞれ異なるサイズの中間像M1,M2を表示像O1,O2に係る表示光L1に基づき生成する第1の光学系の一例である光学部材13と、中間像M1,M2を表す表示光L3をウインドシールド2へ導くことで虚像I1,I2、ひいては3次元の虚像Vを表示する第2の光学系の一例である凹面鏡14と、を備える。Provided is a head-up display device capable of suppressing a decrease in appearance of a three-dimensional virtual image. The HUD device 10 includes a display unit 11 including a display 11a that emits video light L2, a screen 11b that receives the video light L2 from the display 11a and generates display images O1 and O2, and a screen 11b. A drive unit 12 that moves the positions of the display images O1 and O2 by reciprocating along the optical axis direction of the image light L2, and a medium of a different size at a different position according to the position of the display images O1 and O2. An optical member 13 that is an example of a first optical system that generates the images M1 and M2 based on the display light L1 related to the display images O1 and O2, and the display light L3 that represents the intermediate images M1 and M2 are guided to the windshield 2. And a concave mirror 14 as an example of a second optical system for displaying the virtual images I1 and I2 and eventually the three-dimensional virtual image V.
Description
本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。 The present invention relates to a head-up display device.
従来から、例えば、特許文献1に開示されるように、実景に重畳するように虚像を表示するヘッドアップディスプレイ(HUD: Head Up Display)装置が知られている。このHUD装置は、例えば、図7に模式的に示すように、映像を表す映像光を出射するプロジェクタ110と、プロジェクタ110からの映像光を受けて表示像O1,O2を結像するディフューザー111と、表示像O1,O2を表す表示光Lをウインドシールド102へ導くことで虚像I1,I2を表示する、レンズ、鏡等からなる光学系120と、このプロジェクタ110及びディフューザー111を線形移動させる図示しないアクチュエータと、を備える。このプロジェクタ110の線形移動により、虚像I1,I2をユーザから見た奥行き方向に移動させることで、3次元の虚像を表示させることができる。
Conventionally, as disclosed in
上記特許文献1に記載のHUD装置においては、プロジェクタ110とディフューザー111が線形移動するため、光学系120から表示像O1,O2までの距離が変化する。この距離の変化に応じて視認者の視点3から虚像I1,I2までの距離及び虚像I1,I2のサイズが変化する。このため、視点3から見た虚像I1,I2の画角αを一定に保つべく、表示像O1,O2のサイズを予め調整することが考えられる。
図7の例では、ディフューザー111が光学系120に近い位置にあるときの実線で示す表示像O1は、ディフューザー111が光学系120から遠い位置にあるときの破線で示す表示像O2よりも大きいサイズで形成される。これにより、表示像O1に対応する虚像I1の画角αと表示像O2に対応する虚像I2の画角αとを同一とすることができる。
しかし、この場合では、図8に模式的に示すように、表示像O2は、表示像O1よりも少ない画素E数で画像を表示することとなり、結果的に、表示像O2が拡大された虚像I2の解像度は、表示像O1が拡大された虚像I1の解像度よりも低くなる。このように、虚像の位置により虚像の解像度が変動するため、これら虚像により形成される3次元の虚像の見栄えが低下することが懸念されていた。なお、このような問題は、虚像I1,I2の画角αを同一とした場合に限らず、画角αを異ならせた場合であっても生じうる。In the HUD device described in
In the example of FIG. 7, the display image O1 indicated by the solid line when the diffuser 111 is located near the
However, in this case, as schematically shown in FIG. 8, the display image O2 displays an image with a smaller number of pixels E than the display image O1, and as a result, the display image O2 is an enlarged virtual image. The resolution of I2 is lower than the resolution of the virtual image I1 obtained by enlarging the display image O1. As described above, since the resolution of the virtual image varies depending on the position of the virtual image, there is a concern that the appearance of the three-dimensional virtual image formed by these virtual images is deteriorated. Such a problem may occur not only when the angles of view α of the virtual images I1 and I2 are the same, but also when the angles of view α are different.
本発明は、上記実状を鑑みてなされたものであり、3次元の虚像の見栄えが低下することを抑制できるヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described actual situation, and an object of the present invention is to provide a head-up display device capable of suppressing a decrease in appearance of a three-dimensional virtual image.
上記目的を達成するため、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、映像光を出射する表示器と、前記表示器からの前記映像光を受けて表示像を生成するスクリーンと、を含む表示器ユニットと、前記スクリーンを前記映像光の光軸方向に沿って往復運動させることで前記表示像の位置を移動させる駆動部と、前記表示像の位置に応じて、それぞれ異なる位置にそれぞれ異なるサイズの中間像を前記表示像を表す表示光に基づき生成する第1の光学系と、前記中間像を表す表示光を投射部材へ導くことで虚像を表示する第2の光学系と、を備える。 To achieve the above object, a head-up display device according to the present invention includes a display unit that emits video light, and a screen that receives the video light from the display unit and generates a display image. And a drive unit that moves the position of the display image by reciprocating the screen along the optical axis direction of the image light, and a medium of a different size at a different position according to the position of the display image. A first optical system that generates an image based on display light representing the display image; and a second optical system that displays a virtual image by guiding display light representing the intermediate image to a projection member.
本発明によれば、3次元の虚像の見栄えが低下することを抑制できる。 According to this invention, it can suppress that the appearance of a three-dimensional virtual image falls.
以下に、本発明の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイ(HUD)装置を、添付図面に基づいて説明する。 Hereinafter, a head-up display (HUD) device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1に示すように、HUD装置10は、車両1の図示しないダッシュボードに内蔵され、画像を表す表示光Laを生成し、生成した表示光Laを投射部材の一例であるウインドシールド2に向けて出射する。この表示光Laは、ウインドシールド2で反射したうえで視認者(主に、車両1の運転者)の視点3に到達する。これにより、視認者は、図3に例示するように、ウインドシールド2の前方に形成された3次元の虚像Vを視認可能となる。3次元の虚像Vは、視認者から見て奥行きがある形状であれば、どのような形状であってもよい。また、3次元の虚像Vは、道路情報、車両情報等、いかなる情報の提示に利用されてもよい。
As shown in FIG. 1, the
詳しくは、図1に示すように、HUD装置10は、表示器ユニット11と、第1の光学系の一例である光学部材13と、第2の光学系の一例である凹面鏡14と、駆動部12と、制御部50と、を備える。
Specifically, as shown in FIG. 1, the
表示器ユニット11は表示像O1,O2を表す表示光L1を光学部材13に出射するとともに、駆動部12によりその表示光L1の光軸(図1の左右方向)に沿って往復運動する。この表示器ユニット11の往復運動により、虚像Vを立体的に表示することができる。
The
詳しくは、図2(a)に示すように、表示器ユニット11は、表示器11aと、スクリーン11bと、筐体11cと、を備える。
表示器11aは、制御部50から入力される映像信号に基づいてその映像信号に含まれる映像を表す映像光L2を出射するプロジェクタである。スクリーン11bは、例えば、ポリカーボネート製の拡散フィルムであり、表示器11aの映像を一定の角度範囲に拡散させる半透明のフィルムである。スクリーン11bは、表示器11aからの映像光L2を受けて表示像O1,O2を結像し、表示像O1,O2を表す表示光L1を光学部材13に出射する。筐体11cは表示光L1が通過する開口部を有する箱状をなし、筐体11cの内部には表示器11a及びスクリーン11bが固定的に設けられている。In detail, as shown to Fig.2 (a), the
The
図2(a)に示すように、駆動部12は、例えば、制御部50による制御のもと、表示器ユニット11を表示光L1の光軸に沿って往復運動させる。詳しくは、駆動部12は、モーター12aと、そのモーター12aの回転運動を直線的な往復運動に変換し、その変換した往復運動を表示器ユニット11に伝達する変換機構12bと、を備える。変換機構12bは、例えば、モーター12aにより偏心回転する図示しない円板カムと、その円板カムの周面に接触する図示しない接触子と、からなる。この接触子は、図示しないばねにより円板カムの周面に付勢する。この接触子の直線的な往復運動が表示器ユニット11に伝達される。
As shown in FIG. 2A, the
図2(a),(b)に示すように、スクリーン11bは、駆動部12により、第1の位置P1と、この第1の位置P1よりも光学部材13から遠い第2の位置P2との間で往復運動する。第1の位置P1にあるスクリーン11bには表示像O1が表示され、第2の位置P2にあるスクリーン11bには表示像O2が表示される。図4に模式的に示すように、表示像O1,O2のサイズは略同一であり、表示像O1,O2は同一の画素E数を有する。本例では、表示像O1,O2は同一の内容の画像を表す。なお、この略同一は、凹面鏡14又はウインドシールド2の曲面による画像の歪みを補正するために表示像O1,O2のサイズを異ならせる範囲を含む。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
光学部材13は、図1等では模式的に1枚のレンズにより図示されているが、実際には図示しない複数のレンズを合成した薄肉レンズから構成される。光学部材13は、表示器ユニット11の表示像O1,O2を異なる倍率で拡大した中間像M1,M2を凹面鏡14側に生成する。詳細な中間像M1,M2の生成態様については後述する。
Although the
凹面鏡14は、中間像M1,M2を表す表示光L3をウインドシールド2に向けて反射させる。凹面鏡14は、ウインドシールド2の曲面形状による像の歪みを補正する機能と、中間像M1,M2を拡大する機能と、を有する。凹面鏡14は、例えば、ポリカーボネートの樹脂からなる基板と、その基板上に形成されるアルミ等の金属からなる反射ミラーと、を備える。
The
図1に示すように、ウインドシールド2は、凹面鏡14からの中間像M1,M2を表す表示光Laを視認者の視点3に向けて反射する。これにより、中間像M1が拡大された虚像I1と中間像M2が拡大された虚像I2とが表示される。虚像I2は、虚像I1よりも視認者から見て遠い位置にある。また、虚像I1,I2の画角αは同一となるように、虚像I2のサイズは、虚像I1よりも大きく設定されている。図1に模式的に示すように、虚像I1,I2における単位画素Evの画素角βが同一となるため、虚像I1,I2における画像解像度は同一となる。この画素角βは、視点3と単位画素Evの両端とを結ぶ2つの線分の間の角度である。
As shown in FIG. 1, the
制御部50は、CPU(Central Processing Unit)、グラフィックコントローラなどから構成される。制御部50は、例えば、車載ECU(Electronic Control Unit)などの他のユニットとシリアル通信可能であって、この他のユニットからの情報に基づき映像信号を生成し、その映像信号を表示器11aに出力することで表示器11aから映像光L2を出射させる。また、制御部50は、駆動部12のモーター12aを駆動することで、表示器ユニット11、ひいてはスクリーン11b及び表示像O1,O2を往復運動させる。
The
次に、中間像M1,M2及び虚像I1,I2の生成態様について説明する。
図5に示すように、光学部材13は、その表示像O1,O2側に位置する物体側焦点Fiと、表示像O1,O2の反対側に位置する像側焦点F’iと、を有する。表示像O1,O2が物体側焦点Fiよりも光学部材13から離れた位置にあるため、中間像M1,M2は実像となる。幾何光学の公式より、表示像O1,O2が物体側焦点Fiに近いほど、表示像O1,O2における横倍率は大きくなる。よって、表示像O1は表示像O2よりも大きい横倍率で拡大されるため、表示像O1に対応する中間像M1のサイズは、表示像O2に対応する中間像M2よりも大きくなる。
また、表示像O1,O2が物体側焦点Fiに近いほど、光学部材13から中間像M1,M2までの距離が大きくなる。本例では、表示像O1が表示像O2よりも光学部材13に近いため、中間像M1は中間像M2よりも光学部材13から遠い位置にある。Next, how the intermediate images M1 and M2 and the virtual images I1 and I2 are generated will be described.
As shown in FIG. 5, the
Further, the closer the display images O1 and O2 are to the object-side focal point Fi, the greater the distance from the
図6には、凹面鏡14とウインドシールド2とを光学的に合成した模式的合成レンズ13Lを示す。通常、ウインドシールド2は曲率半径が大きく、殆ど平面ガラスとみなせるため、模式的合成レンズ13Lの光学的特性は、ほぼ凹面鏡14で決まる。すなわち、模式的合成レンズ13Lと凹面鏡14の焦点位置はほぼ一致する。
FIG. 6 shows a schematic
図6に示すように、模式的合成レンズ13Lは、視認者の視点3側に位置する焦点F’1と、視点3と反対側に位置する焦点F1と、を有する。中間像M1,M2は焦点F1より模式的合成レンズ13L側に位置するため、模式的合成レンズ13Lは虚像I1,I2を結像する。中間像M1,M2が焦点F1に近づくほど、虚像I1,I2は模式的合成レンズ13Lから離れた位置に、かつ大きい横倍率で虚像I1,I2が生成される。従って、本例では、中間像M2は、中間像M1よりも焦点F1に近い位置にある。このため、中間像M2に対応する虚像I2は、中間像M1に対応する虚像I1よりも模式的合成レンズ13Lから離れた位置に、当該位置で虚像I1と画角αが同一となるように虚像I1よりも大きいサイズで表示される。
上記のように中間像M1,M2及び虚像I1,I2が生成されるように、HUD装置10、例えば、凹面鏡14及び光学部材13を設計する。As shown in FIG. 6, the schematic
The
上記では、車両1の幅方向から見た光線及び像について説明したが、車両1の高さ方向から見た光線及び像についても同様の構成であり、かつ同様に作用する。
Although the light beam and the image viewed from the width direction of the
(効果)
以上、説明した一実施形態によれば、以下の効果を奏する。(effect)
As mentioned above, according to one Embodiment described, there exist the following effects.
(1)HUD装置10は、映像光L2を出射する表示器11aと、表示器11aからの映像光L2を受けて表示像O1,O2を生成するスクリーン11bと、を含む表示器ユニット11と、スクリーン11bを映像光L2の光軸方向に沿って往復運動させることで表示像O1,O2の位置を移動させる駆動部12と、表示像O1,O2の位置に応じて、それぞれ異なる位置にそれぞれ異なるサイズの中間像M1,M2を表示像O1,O2を表す表示光L1に基づき生成する第1の光学系の一例である光学部材13と、中間像M1,M2を表す表示光L3をウインドシールド2へ導くことで虚像I1,I2、ひいては3次元の虚像Vを表示する第2の光学系の一例である凹面鏡14と、を備える。
この構成によれば、光学部材13は、表示像O1,O2に基づき中間像M1,M2を生成し、この際、中間像M1,M2の位置及びサイズを調整する。従って、虚像I1,I2に合わせて表示像O1,O2のサイズを調整する必要がないため、虚像I1,I2の画像解像度が異なることが抑制され、3次元の虚像Vの見栄えが低下することを抑制できる。(1) The
According to this configuration, the
(2)駆動部12は、第1の位置P1と当該第1の位置P1よりも光学部材13から遠い第2の位置P2との間で表示像O1,O2を移動させる。光学部材13は、表示像O1が第1の位置P1にあるとき第1の中間像M1を生成し、表示像O2が第2の位置P2にあるとき、第1の中間像M1よりもサイズが小さく、かつ第1の中間像M1よりも光学部材13の近くに位置する第2の中間像M2を生成する。凹面鏡14は、第1の中間像M1を表す表示光L3をウインドシールド2へ導くことで第1の虚像I1を表示し、第2の中間像M2を表す表示光L3をウインドシールド2へ導くことで、第1の虚像I1と画角αが同一となるように、第1の虚像I1よりもサイズが大きく、かつ第1の虚像I1よりもウインドシールド2から遠くに位置する第2の虚像I2を表示する。
この構成によれば、虚像I1,I2の画角αを同一とした場合であっても、画角αを同一とするために表示像O1,O2のサイズを調整する必要がない。このため、虚像I1,I2の画像解像度が異なることが抑制され、3次元の虚像Vの見栄えが低下することを抑制できる。
また、中間像M1,M2は光学部材13から離れるほど大きいサイズとなるため、HUD装置10における光路を短くすることができ、これによりHUD装置10の小型化を図ることができる。(2) The
According to this configuration, even when the field angles α of the virtual images I1 and I2 are the same, it is not necessary to adjust the sizes of the display images O1 and O2 in order to make the field angles α the same. For this reason, it can suppress that the image resolution of the virtual images I1 and I2 differs, and can suppress that the appearance of the three-dimensional virtual image V falls.
Further, since the intermediate images M1 and M2 become larger as they move away from the
(3)表示像O1,O2の画素E数は、表示像O1,O2の位置に関わらず同一に設定される。この構成によれば、虚像I1,I2の画像解像度を同一に設定することができ、3次元の虚像Vの見栄えが低下することを抑制できる。 (3) The number of pixels E of the display images O1 and O2 is set to be the same regardless of the positions of the display images O1 and O2. According to this configuration, the image resolutions of the virtual images I1 and I2 can be set to be the same, and deterioration of the appearance of the three-dimensional virtual image V can be suppressed.
(4)光学部材13は表示像O1,O2を拡大した中間像M1,M2を生成し、凹面鏡14は中間像M1,M2を拡大した虚像I1,I2を表示する。
この構成によれば、光学部材13及び凹面鏡14の両方で像を拡大するため、それぞれの倍率を低く抑えることができ、光学部材13及び凹面鏡14、ひいてはHUD装置10の小型化を図ることができる。特に、HUD装置10が車室内に搭載される場合には、その設置スペースが限られていることから、HUD装置10の小型化は有益である。(4) The
According to this configuration, since the image is magnified by both the
凹面鏡14はウインドシールド2の曲面形状による像の歪みを補正する機能と、中間像M1,M2を拡大する機能とを有する。このように、凹面鏡14に2つの機能を持たせることで、HUD装置10の小型化を図ることができる。
The
(変形例)
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。(Modification)
In addition, the said embodiment can be implemented with the following forms which changed this suitably.
駆動部12の構成は上記実施形態に限らず、表示器ユニット11を往復運動させることができれば、磁気型のアクチュエータ又はモーター12aの回転運動を直線運動に変換するラック&ピニオン機構を利用してもよい。
The configuration of the
上記実施形態においては、駆動部12は、表示器ユニット11を往復運動させていたが、駆動部12は、スクリーン11bのみを往復運動させてもよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態における第2の光学系は、凹面鏡14のみに限らず、凹面鏡14及び平面鏡から構成されてもよい。
The second optical system in the above embodiment is not limited to the
上記実施形態では、表示像O1,O2の画像の内容は同一であったが異ならせてもよい。この場合、制御部50は、スクリーン11bの位置に応じてスクリーン11bに表す表示像の内容を変化させてもよい。これにより、視認者から見て奥行き方向により立体感のある虚像を表示させることができる。
In the above embodiment, the contents of the display images O1 and O2 are the same, but they may be different. In this case, the
上記実施形態では、HUD装置10は車載されていたが、車載用に限らず、飛行機、船等の乗り物に搭載されてもよい。また、HUD装置10はメガネ型ウェアラブル端末に搭載されてもよい。さらに、投射部材はウインドシールド2に限られず、専用のコンバイナであってもよい。
In the above embodiment, the
2,102 ウインドシールド
3 視点
10 HUD装置
11 表示器ユニット
11a 表示器
11b スクリーン
11c 筐体
12 駆動部
12a モーター
12b 変換機構
13 光学部材
13L 模式的合成レンズ
14 凹面鏡
50 制御部
110 プロジェクタ
α 画角
V 3次元の虚像
I1 第1の虚像
I2 第2の虚像
M1 第1の中間像
M2 第2の中間像
O1,O2 表示像
P1 第1の位置
P2 第2の位置2,102
Claims (4)
前記スクリーンを前記映像光の光軸方向に沿って往復運動させることで前記表示像の位置を移動させる駆動部と、
前記表示像の位置に応じて、それぞれ異なる位置にそれぞれ異なるサイズの中間像を前記表示像を表す表示光に基づき生成する第1の光学系と、
前記中間像を表す表示光を投射部材へ導くことで虚像を表示する第2の光学系と、を備える、
ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。A display unit comprising: a display that emits image light; and a screen that receives the image light from the display and generates a display image;
A drive unit that moves the position of the display image by reciprocating the screen along the optical axis direction of the image light;
A first optical system that generates intermediate images of different sizes at different positions based on display light representing the display image according to the position of the display image;
A second optical system that displays a virtual image by guiding display light representing the intermediate image to a projection member,
A head-up display device.
前記第1の光学系は、前記表示像が前記第1の位置にあるとき前記中間像である第1の中間像を生成し、前記表示像が前記第2の位置にあるとき、前記第1の中間像よりもサイズが小さく、かつ前記第1の中間像よりも前記第1の光学系の近くに位置する前記中間像である第2の中間像を生成し、
前記第2の光学系は、前記第1の中間像を表す表示光を前記投射部材へ導くことで前記虚像である第1の虚像を表示し、前記第2の中間像を表す表示光を前記投射部材へ導くことで、前記第1の虚像と画角が同一となるように、前記第1の虚像よりもサイズが大きく、かつ前記第1の虚像よりも前記投射部材から遠くに位置する前記虚像である第2の虚像を表示する、
ことを特徴とする請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ装置。The drive unit moves the display image between a first position and a second position farther from the first optical system than the first position,
The first optical system generates a first intermediate image, which is the intermediate image when the display image is at the first position, and the first optical system when the display image is at the second position. A second intermediate image that is smaller than the intermediate image and is located closer to the first optical system than the first intermediate image,
The second optical system displays the first virtual image, which is the virtual image, by guiding the display light representing the first intermediate image to the projection member, and displays the display light representing the second intermediate image. By guiding to the projection member, the size is larger than that of the first virtual image and is located farther from the projection member than the first virtual image so that the angle of view is the same as that of the first virtual image. Displaying a second virtual image which is a virtual image;
The head-up display device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のヘッドアップディスプレイ装置。The number of pixels of the display image is set to be the same regardless of the position of the display image.
The head-up display device according to claim 1 or 2.
前記第2の光学系は、前記中間像を拡大した前記虚像を表示する、
ことを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。The first optical system generates the intermediate image obtained by enlarging the display image;
The second optical system displays the virtual image obtained by enlarging the intermediate image.
The head-up display device according to claim 1, wherein the head-up display device is a head-up display device.
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