WO2019225570A1 - ヘッドアップディスプレイ装置及びヘッドアップディスプレイ装置の設計方法 - Google Patents

ヘッドアップディスプレイ装置及びヘッドアップディスプレイ装置の設計方法 Download PDF

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WO2019225570A1
WO2019225570A1 PCT/JP2019/020026 JP2019020026W WO2019225570A1 WO 2019225570 A1 WO2019225570 A1 WO 2019225570A1 JP 2019020026 W JP2019020026 W JP 2019020026W WO 2019225570 A1 WO2019225570 A1 WO 2019225570A1
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WO
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axis
concave mirror
viewer
conjugate
display light
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PCT/JP2019/020026
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English (en)
French (fr)
Inventor
真哉 佐藤
Original Assignee
日本精機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K35/00—Instruments specially adapted for vehicles; Arrangement of instruments in or on vehicles
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays

Definitions

  • the present invention relates to a head-up display device and a head-up display device design method.
  • Display light representing an image is emitted toward a translucent member (for example, a windshield) provided in the vehicle, reflected by the translucent member, and displayed to the viewer (for example, a driver), thereby displaying a virtual image of the image to the viewer.
  • a head-up display (HUD) device for visually recognizing a virtual image of the image to the viewer.
  • Patent Document 1 discloses a HUD device including a concave mirror that reflects display light emitted from a display toward a light-transmitting member. This HUD device is configured to be able to adjust the display position of a virtual image according to the viewer's viewpoint height by rotationally driving the concave mirror.
  • the virtual image display position adjustment using the rotational drive of the concave mirror it is ideal that the virtual image display position can be adjusted in the vertical direction according to the viewpoint height of the viewer.
  • the ideal rotation axis hereinafter referred to as the ideal axis
  • the ideal axis is determined by the HUD device. Due to the limitations of the optical system, in most cases, it is not parallel to the representative plane of the concave mirror (a plane perpendicular to the normal of the concave mirror).
  • the conventional concave mirror rotation drive structure Since it is difficult to realize an ideal axis that is spatially inclined with respect to the representative plane of the concave mirror, the conventional concave mirror rotation drive structure has exterior conditions rather than the adjustment position accuracy of the virtual image accompanying the rotation of the concave mirror.
  • the rotation axis that is parallel to the representative plane is set with priority given to the above.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a head-up display device and a head-up display device design method capable of suppressing the viewer from feeling uncomfortable in the position adjustment of the virtual image. Objective.
  • a head-up display device emits display light representing an image toward a light transmissive member provided in a vehicle, and reflects the light on the light transmissive member.
  • a head-up display device that causes the viewer to visually recognize a virtual image of the image by the display light toward the viewer,
  • a concave mirror that reflects the incident display light toward the translucent member;
  • a support portion that rotatably supports the concave mirror about a predetermined axis, The predetermined axis is orthogonal to the normal of the concave mirror at the position where the principal ray of the display light is incident,
  • a conjugate axis that is optically conjugate with the predetermined axis as viewed from the viewer is substantially parallel to a reference horizontal plane set for the vehicle.
  • a head-up display device provides: A head-up display that emits display light representing an image toward a translucent member provided in a vehicle and causes the viewer to visually recognize a virtual image of the image by the display light that is reflected by the translucent member and travels toward the viewer A device, A concave mirror that reflects the incident display light toward the translucent member; A support portion that rotatably supports the concave mirror about a predetermined axis, When the concave mirror is rotated, the ideal rotation axis of the concave mirror that moves along a reference line orthogonal to a reference horizontal plane set in the vehicle as seen from the viewer is an ideal axis.
  • a plane perpendicular to the normal of the concave mirror at the position where the principal ray of the display light is incident is a virtual plane
  • the axis that projects the ideal axis onto the virtual plane is a projection axis
  • the predetermined axis is rotated by a predetermined angle around the normal line in a rotational direction in which a conjugate projection axis optically conjugate with the projection axis as viewed from the viewer approaches the reference horizontal plane. In position.
  • a method for designing a head-up display device includes: A concave mirror that reflects display light representing an incident image toward a translucent member provided in the vehicle and is rotatable about a predetermined axis is provided by the display light that is reflected by the translucent member and travels toward a viewer.
  • a design method for a head-up display device that allows the viewer to visually recognize a virtual image of the image, When the concave mirror is rotated, an ideal axis that is an ideal rotation axis of the concave mirror that moves along a reference line that is orthogonal to a reference horizontal plane that is set on the vehicle is obtained as viewed from the viewer.
  • Steps Obtaining a virtual plane orthogonal to the normal of the concave mirror at the position where the principal ray of the display light is incident; Obtaining a projection axis which is an axis obtained by projecting the ideal axis onto the virtual plane; An axis obtained by rotating the projection axis by a predetermined angle around the normal line in a rotational direction in which a conjugate projection axis that is optically conjugate with the projection axis as viewed from the viewer approaches the reference horizontal plane is the predetermined axis. Determining the step.
  • FIG. 1 It is a mimetic diagram of a HUD device concerning one embodiment of the present invention.
  • (A) is a figure for demonstrating an image and the chief ray of display light
  • (b) is a perspective view of a concave mirror and a rotation drive mechanism.
  • (A) is a figure for demonstrating the relationship between the principal ray of display light, the normal of a concave mirror, and a virtual plane
  • (b) is a figure for demonstrating the relationship between an ideal axis line and a projection axis line. is there.
  • (A) And (b) is a figure for demonstrating an ideal axis
  • (c) is a figure for demonstrating the moving direction of a virtual image when a concave mirror is rotated centering on an ideal axis.
  • (A) And (b) is a figure for demonstrating a projection axis
  • (c) is a figure for demonstrating the moving direction of a virtual image when a concave mirror is rotated centering
  • It is a flowchart of the design method of the HUD apparatus which concerns on one Embodiment of this invention.
  • (A) And (b) is a figure for demonstrating the design method of the HUD apparatus which concerns on one Embodiment of this invention.
  • (A) shows the change of the virtual image when the rotation axis of the concave mirror is the projection axis
  • (b) is a diagram showing the change of the virtual image in the HUD device according to the embodiment of the present invention.
  • a head-up display device (HUD: Head-Up Display) device 100 emits display light L representing an image R toward a windshield 1 (front glass) of a vehicle. .
  • the HUD device 100 causes the viewer 2 to visually recognize the virtual image V of the image by the display light L that is reflected by the windshield 1 that has been subjected to the combiner process and is directed toward the viewer 2 (mainly the driver of the vehicle).
  • the HUD device 100 is disposed, for example, in a dashboard of a vehicle.
  • the display light L reflected by the windshield 1 travels toward the viewer 2 side.
  • the viewer 2 can visually recognize the image R as the virtual image V through the windshield 1 by placing the viewpoint within a range (eye box) where the virtual image V is visually recognized. That is, the HUD device 100 displays the virtual image V in front of the windshield 1. Thereby, the viewer 2 can visually recognize the virtual image V superimposed on a part of the forward scenery.
  • the virtual image V displays various information about the vehicle (hereinafter referred to as vehicle information).
  • vehicle information includes not only information on the vehicle itself but also external information on the vehicle.
  • the HUD device 100 includes the display 10, the plane mirror 20, the concave mirror 30, and the housing 40 shown in FIG. 1, the rotation drive mechanism 50 shown in FIG. 2B, and a control unit (not shown).
  • the display device 10 emits the display light L representing the image R toward the plane mirror 20 by displaying the rectangular image R shown in FIG.
  • the display device 10 includes, for example, an LCD (Liquid Crystal Display) and a backlight that illuminates the LCD from behind.
  • the LCD is, for example, a TFT (Thin Film Transistor) type.
  • the backlight is composed of, for example, an LED (Light Emitting Diode) or a light guide member.
  • the plane mirror 20 is composed of, for example, a cold mirror, and is inclined on the optical path of the display light L from the display 10.
  • the display light L from the display device 10 is reflected by the plane mirror 20 and travels toward the concave mirror 30.
  • a plurality of plane mirrors may be provided, and how many plane mirrors are used and how the optical path of the display light L is folded can be appropriately changed according to the design.
  • the concave mirror 30 reflects the light L toward the windshield 1 while expanding the display light L from the plane mirror 20. Thereby, the virtual image V visually recognized by the viewer 2 is obtained by enlarging the image R displayed on the display 10.
  • the reflecting surface of the concave mirror 30 is a free-form surface formed in view of the shape of the windshield 1 so that the visible virtual image V is not distorted.
  • the concave mirror 30 is rotatable about the real axis Ar.
  • the symbols of the projection axis Av and the ideal axis Ai are schematically attached to the same position as the real axis Ar that is the actual rotation axis of the concave mirror 30, but the real axis Ar in the three-dimensional space is provided.
  • the projection axis Av and the ideal axis Ai extend in different directions.
  • symbols of the conjugate projection axis Cv and the conjugate ideal axis Ci are schematically attached to the same position as the conjugate axis Cr optically conjugate with the real axis Ar and the windshield 1.
  • the conjugate axis Cr, the conjugate projection axis Cv, and the conjugate ideal axis Ci in the three-dimensional space extend in different directions.
  • the conjugate projection axis Cv is optically conjugate with the projection axis Av
  • the conjugate ideal axis Ci is optically conjugate with the ideal axis Ai and the windshield 1.
  • the housing 40 has a light shielding property and is formed in a box shape, and accommodates the display 10, the plane mirror 20, the concave mirror 30, and the rotation drive mechanism 50 in positions where the respective functions are satisfied.
  • the housing 40 is provided with an exit port through which the display light L reflected by the concave mirror 30 passes or passes through the windshield 1.
  • the display light L reflected by the concave mirror 30 is emitted from the exit of the housing 40 and travels toward the windshield 1.
  • the display light L is reflected by the windshield 1 so that the virtual image V is displayed in front of the windshield 1 when viewed from the viewer 2.
  • the rotational drive mechanism 50 rotationally drives the concave mirror 30 about the real axis Ar. As shown in FIG. 2B, the first support portion 51, the second support portion 52, the motor 53, A gear mechanism 54.
  • the first support portion 51 is fixed to the housing 40 and supports the first supported portion 31 provided at the right end portion of the concave mirror 30 in FIG.
  • the first supported portion 31 is supported by the first supporting portion 51 so as to be rotatable about the real axis Ar.
  • the second support portion 52 is fixed to the housing 40 and supports the second supported portion 32 provided at the left end portion of the concave mirror 30 in FIG.
  • the second supported portion 32 is supported by the first support portion 51a so as to be rotatable about the real axis Ar.
  • the concave mirror 30 is supported by the first support portion 51 and the second support portion 52 so as to be rotatable about the real axis Ar.
  • the real axis Ar in the HUD device 100 is set in a positional relationship peculiar to the present embodiment as will be described in detail later.
  • the concave mirror 30 and the rotation drive mechanism 50 in this embodiment show a configuration example in the case where the vehicle on which the HUD device 100 is mounted is a left-hand drive vehicle (hereinafter referred to as LHD (Left) Hand Drive)).
  • the motor 53 is, for example, a stepping motor.
  • the gear mechanism 54 includes gears that are engaged with the female screw attached to the rotation shaft of the motor 53 and the female screw and the gear portion 32 a formed on the second supported portion 32.
  • the rotational power of the motor 53 is transmitted to the second supported portion 32 via the gear mechanism 54 and the gear portion 32 a, and the concave mirror 30 is transmitted to the first support portion 51 and the second support portion 52. And rotate about the real axis Ar.
  • a control unit (not shown) includes a microcomputer, a driver for the display 10, a driver for the motor 53, and the like.
  • the control unit communicates with a system such as an ECU (Electronic Control Unit) that controls each part of the vehicle, and causes the display 10 to display an image indicating the vehicle information.
  • ECU Electronic Control Unit
  • control unit drives the motor 53 in accordance with the adjustment instruction for the position of the virtual image V, and rotates the concave mirror 30 about the real axis Ar by an angle according to the adjustment instruction content.
  • the adjustment instruction may be in accordance with an input operation from the operation unit, or may be in accordance with a detection result from a detection unit that detects the viewpoint position of the viewer 2.
  • the operation means can be constituted by a touch panel or a push button, for example.
  • the detection means can be composed of, for example, a stereo camera. Other known configurations may be employed as appropriate as the operation means and detection means.
  • the display position of the virtual image V appropriate for the viewer 2 having the reference viewpoint E0 is set as the reference position P0, and is appropriate for the viewer 2 having the first viewpoint E1 higher than the reference viewpoint E0.
  • the display position of the virtual image V is the first position P1
  • the display position of the virtual image V that is appropriate for the viewer 2 having the second viewpoint E2 lower than the reference viewpoint E0 is the second position P2.
  • the reference viewpoint E0 and the reference position P0 are assumed to be a standard viewer 2 and are determined in advance.
  • the “reference horizontal plane H” is a plane (coordinate system) that serves as a reference for various vehicle controls and mounted product positions, and is determined in advance for each type of vehicle on which the HUD device 100 is mounted.
  • the reference horizontal plane H is defined as a plane parallel to the horizontal direction when the vehicle takes an ideal horizontal posture.
  • each axis including the real axis Ar of the concave mirror 30 will be described.
  • an orthogonal coordinate system composed of X, Y, and Z axes and an orthogonal coordinate system composed of ⁇ , ⁇ , and ⁇ axes will be described.
  • the “principal ray L1” means a ray passing through the center (rectangular center of gravity) of the rectangular image R as shown in FIG. 2A among the display light L representing the image R displayed by the display 10. say.
  • the normal N is a bisector of an angle formed by the principal ray L1 incident on the concave mirror 30 and the principal ray L1 reflected by the concave mirror 30.
  • the principal ray L1 also corresponds to the center of the virtual image V and the center of the eye box.
  • An axis extending along the normal line N is defined as “Z axis”.
  • a plane that is orthogonal to the normal N and passes through the incident position of the principal ray L1 on the concave mirror 30 is referred to as a “virtual plane P”.
  • an optical path connecting the center point of the reference position P0 (a point corresponding to the principal ray L1) and the reference viewpoint E0 is referred to as a “reference optical path L0”.
  • the rotation axis coincides with a “conjugated ideal axis Ci” (an axis optically conjugate with the ideal axis Ai) described later.
  • a “conjugated ideal axis Ci” an axis optically conjugate with the ideal axis Ai
  • a “reference line B” shown in FIG. 4C is a normal line of the reference horizontal plane H shown in FIG.
  • the reference line B is along the vertical direction when viewed from the viewer 2.
  • the ⁇ axis is defined as an axis parallel to the reference line B, and the ⁇ axis and the ⁇ axis are defined as axes orthogonal to each other in the in-plane direction of the reference horizontal plane H. That is, the reference horizontal plane H is parallel to the ⁇ - ⁇ plane.
  • the ⁇ -axis direction is the line-of-sight direction (same as the direction along the reference optical path L0) when the viewer 2 having the reference viewpoint E0 is looking at the virtual image V at the reference position P0. . Therefore, FIG. 4C shows the visual field of the viewer 2 having the reference viewpoint E0 (hereinafter referred to as “reference visual field”).
  • X, Y, and Z axes shown together with the concave mirror 30 schematically shown are also schematically shown.
  • the X, Y, and Z axes are defined as described above. The same applies to FIGS. 5A, 7A, and 9 described later.
  • the concave mirror 30 when the concave mirror 30 is rotated about the ideal axis Ai, the virtual image V is rotated about the conjugate ideal axis Ci shown in FIG. 1 as the rotation center, so that in the reference visual field shown in FIG. It moves along the reference line B.
  • “Conjugated ideal axis Ai” is a virtual axis at a position where the ideal axis Ai is folded back to the front side of the windshield 1 when viewed from the viewer 2 with respect to the incident point of the principal ray L1 on the windshield 1.
  • the conjugate ideal axis Ci is a rotation axis of the optical path of the display light L that is reflected by the windshield 1 and travels toward the viewer 2.
  • the conjugate ideal axis Ci is optically conjugate with the ideal axis Ai.
  • the “conjugate projection axis Cv” is a virtual axis at a position where the projection axis Av is turned to the front side of the windshield 1 when viewed from the viewer 2 with respect to the incident point of the principal ray L1 on the windshield 1.
  • the conjugate projection axis Cv becomes the rotation axis of the optical path of the display light L reflected by the windshield 1 and directed toward the viewer 2 when the concave mirror 30 is rotated around the projection axis Av.
  • the conjugate ideal axis Cv is optically conjugate with the projection axis Av.
  • the “conjugate axis Cr” is a virtual axis at a position where the real axis Ar is turned to the front side of the windshield 1 when viewed from the viewer 2 with respect to the incident point of the principal ray L1 on the windshield 1.
  • the conjugate axis Cr becomes a rotation axis of the optical path of the display light L reflected by the windshield 1 and directed toward the viewer 2 when the concave mirror 30 is rotated about the real axis Ar.
  • the conjugate axis Cr is optically conjugate with the real axis Ar.
  • the inventor of the present application has found a design method for determining the real axis Ar that is the actual rotation axis of the concave mirror 30 in order to solve the above problem.
  • the design method will be described mainly with reference to FIG.
  • an ideal axis Ai and a virtual plane P are obtained (step S1).
  • a conjugate ideal axis Ci in which the virtual image V moves along the reference line B in the reference visual field shown in FIG. Then, an axis having an optical conjugate relationship with the obtained conjugate ideal axis Ci may be obtained as the ideal axis Ai.
  • the virtual plane P can be obtained as described with reference to FIG. The order of obtaining the ideal axis Ai and the virtual plane P is naturally arbitrary.
  • a projection axis Av is obtained (step S2).
  • the projection axis Av can be obtained as an orthogonal projection of the ideal axis Ai onto the virtual plane P as shown in FIG.
  • the actual axis Ar is obtained by rotating the projection axis Av by a predetermined angle around the Z axis (normal line N of the concave mirror 30) (step S3). Specifically, until the conjugate projection axis Cv is parallel to the ⁇ axis in the reference visual field shown in FIG. 7B (that is, until the conjugate projection axis Cv is parallel to the reference horizontal plane H), FIG. As shown in FIG. 4, an axis obtained by rotating the projection axis Av around the Z axis is obtained. Then, the axis obtained in this way is determined as a real axis Ar as an actual rotation axis of the concave mirror 30.
  • the real axis Ar thus obtained and determined is parallel to the XY plane in the same manner as the projection axis Av shown in FIG. 5B, and when viewed from the X-axis direction, FIG.
  • the conjugate axis Cr is synonymous with the conjugate ideal axis Ai in the reference visual field.
  • the actual axis Ar is obtained by rotating the projection axis Av about the Z axis by a predetermined angle in the CW direction.
  • a conjugate axis Cr is obtained by rotating the conjugate projection axis Cv about the axis parallel to the ⁇ axis by an angle corresponding to the predetermined angle in the CCW direction.
  • RHD Right Hand Drive
  • the actual axis Ar is obtained by rotating the projection axis Av about the Z axis by a predetermined angle in the CCW direction.
  • a conjugate axis Cr is obtained by rotating the conjugate projection axis Cv about the axis parallel to the ⁇ axis by an angle corresponding to the predetermined angle in the CW direction.
  • Each axis described above can be calculated by calculation using simulation software or calculation using an orthogonal coordinate system in a three-dimensional space.
  • the HUD device 100 designed by the above design method will be described with reference to the appearance of the virtual image V shown in FIGS.
  • the virtual image V is represented by a solid line in a matrix so that the degree of deformation due to the position change of the virtual image V can be easily understood.
  • FIG. 8A shows the appearance of the virtual image V at each of the reference position P0, the first position P1, and the second position P2 shown in FIG. 1 when the concave mirror 30 is rotated about the projection axis Av. It is derived by software.
  • FIG. 8B shows the reference position P0, the first position P1, and the second position P2 shown in FIG. 1 when the concave mirror 30 is rotated about the real axis Ar determined by the above design method.
  • the appearance of the virtual image V is derived by simulation software. That is, FIG. 8B shows the appearance of the display of the virtual image V by the HUD device 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 8A the virtual image V moves obliquely with respect to the ⁇ axis, and the virtual image V is significantly distorted at the first position P1 and the second position P2.
  • FIG. 8B it can be seen that the virtual image V moves substantially along the ⁇ -axis, and the distortion generated in the virtual image V at the first position P1 and the second position P2 is reduced.
  • the HUD device 100 that rotates the concave mirror 30 about the real axis Ar, it is possible to suppress misalignment and distortion of the virtual image V due to the rotation of the concave mirror 30 and a loss of a part of the virtual image V. Therefore, it is possible to suppress the viewer 2 from feeling uncomfortable in the position adjustment of the virtual image V.
  • the real axis Ar is smaller than when the projection axis Av indicated by a dotted line in the figure is set to the concave mirror 30. Since it approaches the X axis (that is, it approaches the reference horizontal plane H), the layout of the components such as the first support portion 51 and the second support portion 52 in the housing 40 is improved.
  • the shape of the reflecting surface of the concave mirror 30 and the posture of the concave mirror 30 for realizing the reference viewpoint E0 and the reference position P0 are different for each vehicle type on which the HUD device 100 is mounted. This is because the curved shape of the windshield 1 and the layout of the HUD device 100 differ depending on the vehicle type.
  • the present inventor examined how much the projection axis Av should be rotated about the Z axis in step S3 when the real axis Ar is obtained by the above design method.
  • an angle formed by the projection axis Av and the real axis Ar shown in FIG. 7A is referred to as a “rotation angle”.
  • the rotation angle is rotation in the CW direction when the vehicle is LHD, and rotation in the CCW direction when the vehicle is RHD.
  • FIG. 10A shows the types of concave mirror 30 (model 1 to model 9) having different characteristics depending on the vehicle type, and values ("CM V”, “CM H”, “CM Inc") indicating the attitude of the concave mirror 30 for each model. )) And the rotation angle ("Rot”).
  • CM V”, “CM H”, and “CM Inc” are values indicating how much the position of the concave mirror 30 has been changed according to the constraints of the layout of the HUD device 100. In the table shown in FIG. These are shown for each model corresponding to the rotation angle obtained by the above design method. Specifically, “CM V” indicates a rotation angle with respect to the X axis, that is, how much the concave mirror 30 is rotated in the vertical direction in accordance with layout constraints.
  • CM H indicates a rotation angle with respect to the Y axis, that is, how much the concave mirror 30 is rotated in the horizontal direction in accordance with layout restrictions.
  • CM Inc indicates the square root of the sum of the squared value of “CM V” and the squared value of “CM H”. When “CM H” is 0 (zero), it matches “CM V”. To do.
  • the range of the rotation angle (Rot) is “1.4 degrees or more and 6.3 degrees or less”.
  • FIG. 10B is a graph showing the relationship between the sum of “CM V” and “CM H” and “Rot”. As can be seen from the figure, the sum of “CM V” and “CM H” and “Rot” are generally proportional.
  • FIG. 11 is a normal QQ plot created based on data of model 1 to model 9 for confirming whether Rot follows a normal distribution.
  • the horizontal axis represents Rot, and the vertical axis represents the expected value.
  • the Rot of the concave mirror 30 generally follows a normal distribution.
  • the inventor of the present application calculates the rotation angle (Rot) applicable to various concave mirrors 30 based on these values, and the rotation angle (Rot) applicable to 99.3% of the concave mirror 30 is “0. 1 degree or more and 10.0 degrees or less ". Further, the rotation angle applicable to 96.7% of the concave mirror 30 was “1.0 degree or more and 7.0 degree or less”. Further, the rotation angle applicable at 80.5% of the concave mirror 30 was “2.0 degrees or more and 6.0 degrees or less”.
  • the range of the rotation angle (Rot) for obtaining the real axis Ar is “0.1 degrees or more and 10.0 degrees or less”, preferably It is “1.0 degree or more and 7.0 degree or less”, more preferably “1.4 degree or more and 6.3 degree or less” in nine samples.
  • the display 10 is not limited to the one using the LCD, but may be one using an OLED (Organic Light-Emitting Diode).
  • the display device 10 may be a display using a reflective display device such as DMD (Digital Micromirror Device) or LCOS (Liquid Crystal On Silicon).
  • the translucent member that is the projection target of the display light L is not limited to the windshield 1 of the vehicle, and if it is provided in the vehicle, it is a combiner configured by a plate-shaped half mirror, a hologram element, or the like. May be.
  • the rotational drive mechanism 50 is not limited to the configuration described above, and the configuration thereof is arbitrary as long as the concave mirror 30 can be rotationally driven about the real axis Ar.
  • the type of vehicle on which the HUD device 100 is mounted is not limited, and can be applied to various vehicles such as an automobile and a motorcycle.
  • the virtual plane P is preferably a plane orthogonal to the normal line N and passing through the incident position of the principal ray L1 on the concave mirror 30.
  • the principal plane to the concave mirror 30 is preferred. It may be slightly shifted in the Z-axis direction from the incident position of the light beam L1.
  • the HUD device 100 described above emits the display light L representing the image R toward the transparent light member (for example, the windshield 1) provided in the vehicle, reflects the light through the light transmissive member, and displays toward the viewer 2
  • the light L causes the viewer 2 to visually recognize the virtual image V of the image R.
  • the HUD device 100 includes a concave mirror 30 that reflects incident display light L toward a translucent member, and a support unit (first support unit) that supports the concave mirror 30 so as to be rotatable about a real axis Ar (an example of a predetermined axis). 51 and a second support portion 52).
  • the real axis Ar is orthogonal to the normal N of the concave mirror 30 at the position where the principal ray L1 of the display light L is incident, and the viewer
  • the conjugate axis Cr that is optically conjugate with the real axis Ar as viewed from 2 is substantially parallel (including exactly parallel) to the reference horizontal plane H set in the vehicle.
  • the substantially parallel “substantially” is a concept that allows deviations from the reference horizontal plane H of the conjugate axis Cr due to errors in the manufacturing process and layout constraints. Including the case of tilting about 0 degree.
  • the layout constraint referred to here is, for example, set by slightly shifting the virtual plane P and the XY plane slightly in the Z-axis direction from the incident position of the principal ray L1 on the concave mirror 30 within a range within the thickness of the concave mirror 30. This is the case when there is no choice but to do so.
  • the real axis Ar is the conjugate projection axis Cv that is optically conjugate with the projection axis Av when viewed from the viewer 2, and the reference horizontal plane H
  • the projection axis Av is rotated by a predetermined angle around the normal line N in the rotation direction approaching.
  • the conjugate axis Cr that is optically conjugate with the real axis Ar when viewed from the viewer 2 is substantially parallel to the reference horizontal plane H set in the vehicle. Is preferred.
  • the rotation angle (Rot) as the predetermined angle is not less than 0.1 degrees and not more than 10 degrees.
  • the rotation angle (Rot) is preferably 1.0 degree or more and 7.0 degree or less, and more preferably 1.4 degree or more and 6.3 degree or less.
  • the conjugate axis Cr having an optical conjugate relationship with the real axis Ar as viewed from the viewer 2 is substantially parallel to the reference horizontal plane H.
  • SYMBOLS 100 Head-up display (HUD) apparatus 10 ... Display device 20 ... Plane mirror 30 ... Concave mirror 40 ... Case 50 ... Rotation drive mechanism 51 ... 1st support part, 52 ... 2nd support part 1 ... Windshield (translucent member of light transmission member) One case) 2 ... Viewer E0 ... Reference viewpoint, E1 ... First viewpoint, E2 ... Second viewpoint V ... Virtual image P0 ... Reference position, P1 ... First position, P2 ... Second position R ... Image L ... Display light, L0 ... Reference Optical path, L1 ... chief ray N ... normal, P ... virtual plane B ... reference line, H ... reference horizontal plane Ar ...

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Abstract

虚像の位置調整において視認者に違和感を与えることを抑制することができるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置及びＨＵＤ装置の設計方法を提供する。 ＨＵＤ装置は、画像を表す表示光を車両に設けられた透光部材に向けて射出し、透光部材で反射して視認者に向かう表示光によって視認者に画像の虚像を視認させる。ＨＵＤ装置は、入射した表示光を透光部材に向けて反射させる凹面鏡３０と、凹面鏡３０を実軸線Ａｒを中心として回転可能に支持する支持部と、を備える。実軸線Ａｒは、表示光の主光線が入射する位置における凹面鏡３０の法線に沿うＺ軸と直交する。また、視認者から見て実軸線Ａｒと光学的共役関係にある共役軸線Ｃｒは、車両に設定された基準水平面に沿うα軸と略平行である。

Description

ヘッドアップディスプレイ装置及びヘッドアップディスプレイ装置の設計方法
　本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置及びヘッドアップディスプレイ装置の設計方法に関する。
　画像を表す表示光を車両に設けられた透光部材（例えばウインドシールド）に向けて射出し、透光部材で反射して視認者（例えば運転者）に向かう表示光によって視認者に画像の虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置が知られている。
　特許文献１には、表示器が射出した表示光を透光部材に向けて反射させる凹面鏡を備えるＨＵＤ装置が開示されている。このＨＵＤ装置は、凹面鏡を回転駆動することで、視認者の視点高さに応じて虚像の表示位置を調整可能に構成されている。
特開２００３－１０７３９１号公報
　上記のように凹面鏡の回転駆動を利用した虚像の表示位置調整においては、視認者の視点高さに応じて虚像の表示位置が上下方向に調整可能であることが理想的である。しかしながら、凹面鏡を回転させた場合に、視認者から見て虚像が上下方向に移動する凹面鏡の理想の回転軸線（以下、理想軸線と言う。）を求めた場合、この理想軸線は、ＨＵＤ装置の光学系の制約上、凹面鏡の代表平面（凹面鏡の法線と直交する平面）に対して平行にはならないことがほとんどである。
　凹面鏡の代表平面に対して空間的に斜めとなる理想軸線を実現するのは構造上困難であるため、従来の凹面鏡の回転駆動構造では、凹面鏡の回転に伴う虚像の調整位置精度よりも外装条件を優先して、前記の代表平面と平行になる回転軸線を設定していた。このように設定した回転軸線周りに凹面鏡を回転させると、虚像が視認者から見て斜めに移動するなどし、視認者に違和感を与えてしまう虞がある。
　本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、虚像の位置調整において視認者に違和感を与えることを抑制することができるヘッドアップディスプレイ装置及びヘッドアップディスプレイ装置の設計方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るヘッドアップディスプレイ装置は、　画像を表す表示光を車両に設けられた透光部材に向けて射出し、前記透光部材で反射して視認者に向かう前記表示光によって前記視認者に前記画像の虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
　入射した前記表示光を前記透光部材に向けて反射させる凹面鏡と、
　前記凹面鏡を所定軸線を中心として回転可能に支持する支持部と、を備え、
　前記所定軸線は、前記表示光の主光線が入射する位置における前記凹面鏡の法線と直交し、
　前記視認者から見て前記所定軸線と光学的共役関係にある共役軸線は、前記車両に設定された基準水平面と略平行である。
　上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係るヘッドアップディスプレイ装置は、
　画像を表す表示光を車両に設けられた透光部材に向けて射出し、前記透光部材で反射して視認者に向かう前記表示光によって前記視認者に前記画像の虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
　入射した前記表示光を前記透光部材に向けて反射させる凹面鏡と、
　前記凹面鏡を所定軸線を中心として回転可能に支持する支持部と、を備え、
　前記凹面鏡を回転させた場合に、前記視認者から見て、前記虚像が前記車両に設定された基準水平面と直交する基準線に沿って移動する前記凹面鏡の理想の回転軸線を理想軸線とし、
　前記表示光の主光線が入射する位置における前記凹面鏡の法線と直交する面を仮想平面とし、
　前記理想軸線を前記仮想平面に投影した軸線を投影軸線とした場合、
　前記所定軸線は、前記視認者から見て前記投影軸線と光学的共役関係にある共役投影軸線が前記基準水平面に近づく回転方向に、前記投影軸線を前記法線を中心として所定角度だけ回転させた位置にある。
　上記目的を達成するため、本発明の第３の観点に係るヘッドアップディスプレイ装置の設計方法は、
　入射した画像を表す表示光を車両に設けられた透光部材に向けて反射させるとともに所定軸線を中心として回転可能な凹面鏡を備え、前記透光部材で反射して視認者に向かう前記表示光によって前記視認者に前記画像の虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置の設計方法であって、
　前記凹面鏡を回転させた場合に、前記視認者から見て、前記虚像が前記車両に設定された基準水平面と直交する基準線に沿って移動する前記凹面鏡の理想の回転軸線である理想軸線を求めるステップと、
　前記表示光の主光線が入射する位置における前記凹面鏡の法線と直交する仮想平面を求めるステップと、
　前記理想軸線を前記仮想平面に投影した軸線である投影軸線を求めるステップと、
　前記視認者から見て前記投影軸線と光学的共役関係にある共役投影軸線が前記基準水平面に近づく回転方向に、前記投影軸線を前記法線を中心として所定角度だけ回転させた軸線を前記所定軸線に決定するステップと、を備える。
　本発明によれば、虚像の位置調整において視認者に違和感を与えることを抑制することができる。
本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置の模式図である。 （ａ）は、画像と表示光の主光線とを説明するための図であり、（ｂ）は、凹面鏡及び回転駆動機構の斜視図である。 （ａ）は、表示光の主光線と凹面鏡の法線と仮想平面との関係を説明するための図であり、（ｂ）は、理想軸線と投影軸線との関係を説明するための図である。 （ａ）及び（ｂ）は、理想軸線を説明するための図であり、（ｃ）は、理想軸線を中心に凹面鏡を回転させた場合の虚像の移動方向を説明するための図である。 （ａ）及び（ｂ）は、投影軸線を説明するための図であり、（ｃ）は、投影軸線を中心に凹面鏡を回転させた場合の虚像の移動方向を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置の設計方法のフローチャートである。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置の設計方法を説明するための図である。 （ａ）は、凹面鏡の回転軸線を投影軸線とした場合における虚像の変化を示し、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置における虚像の変化を示す図である。 本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置によるレイアウト上の優位性を説明するための図である。 （ａ）及び（ｂ）は、凹面鏡の機種毎の特性を説明するための図である。 図１０（ａ）における回転角（Ｒｏｔ）に基づいて作成した正規Ｑ－Ｑプロットを示す図である。 Ｘ軸の定義手法を説明するための図である。
　本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
　本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ：Head-Up Display）装置１００は、図１に示すように、車両のウインドシールド１（フロントガラス）に向けて画像Ｒを表す表示光Ｌを射出する。ＨＵＤ装置１００は、コンバイナ処理されたウインドシールド１で反射して視認者２（主に車両の運転者）に向かう表示光Ｌによって、視認者２に画像の虚像Ｖを視認させる。ＨＵＤ装置１００は、例えば、車両のダッシュボード内に配設される。
　ウインドシールド１で反射した表示光Ｌは、視認者２側へと向かう。視認者２は、視点を虚像Ｖが視認される範囲（アイボックス）内におくことで、ウインドシールド１を介して画像Ｒを虚像Ｖとして視認することができる。つまり、ＨＵＤ装置１００は、ウインドシールド１の前方に虚像Ｖを表示する。これにより、視認者２は、前方風景の一部に重畳された虚像Ｖを視認することができる。虚像Ｖは、車両に関する各種情報（以下、車両情報と言う。）を表示する。なお、車両情報は、車両自体の情報のみならず、車両の外部情報も含む。
　以下では、ＨＵＤ装置１００の構成を説明した後に、後述の実軸線Ａｒの位置設定や、実軸線Ａｒを定めるための設計方法について説明する。
　ＨＵＤ装置１００は、図１に示す表示器１０、平面鏡２０、凹面鏡３０、及び筐体４０と、図２（ｂ）に示す回転駆動機構５０と、図示しない制御部と、を備える。
　表示器１０は、図２（ａ）に示す矩形の画像Ｒを表示することで、画像Ｒを表す表示光Ｌを平面鏡２０に向けて射出する。表示器１０は、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）と、ＬＣＤを背後から照明するバックライトとを含んで構成される。ＬＣＤは、例えば、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）型のものである。バックライトは、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）や導光部材などにより構成されている。
　平面鏡２０は、例えばコールドミラーからなり、表示器１０からの表示光Ｌの光路上に傾いて配置される。表示器１０からの表示光Ｌは、平面鏡２０で反射して凹面鏡３０へと向かう。なお、平面鏡を複数枚設けてもよく、平面鏡を何枚用いるかや、どのように表示光Ｌの光路を折り返すかは、設計に応じて適宜変更可能である。
　凹面鏡３０は、平面鏡２０からの表示光Ｌを拡大しつつ、ウインドシールド１に向けて反射させる。これにより、視認者２に視認される虚像Ｖは、表示器１０に表示されている画像Ｒが拡大されたものとなる。凹面鏡３０の反射面は、視認される虚像Ｖが歪まないようにウインドシールド１の形状を鑑みて形成された自由曲面となっている。また、凹面鏡３０は、実軸線Ａｒを中心に回転可能となっている。
　なお、図１においては、模式的に、凹面鏡３０の実際の回転軸線となる実軸線Ａｒと同じ位置に投影軸線Ａｖ及び理想軸線Ａｉの符号を付しているが、三次元空間における実軸線Ａｒ、投影軸線Ａｖ及び理想軸線Ａｉは、互いに異なる方向に延びる。同様に、図１においては、模式的に、実軸線Ａｒとウインドシールド１に対して光学的に共役関係にある共役軸線Ｃｒと同じ位置に、共役投影軸線Ｃｖ及び共役理想軸線Ｃｉの符号を付しているが、三次元空間における共役軸線Ｃｒ、共役投影軸線Ｃｖ及び共役理想軸線Ｃｉは、互いに異なる方向に延びる。共役投影軸線Ｃｖは投影軸線Ａｖと、共役理想軸線Ｃｉは理想軸線Ａｉとウインドシールド１に対して光学的に共役関係にある。これらの軸線については、後に詳細に述べる。
　筐体４０は、遮光性を有して箱状に形成され、表示器１０、平面鏡２０、凹面鏡３０、及び回転駆動機構５０を、各々の機能が満たされる位置に収容する。筐体４０には、凹面鏡３０で反射した表示光Ｌをウインドシールド１へと通過又は透過させる射出口が設けられている。凹面鏡３０で反射した表示光Ｌは、筐体４０の射出口から射出され、ウインドシールド１へと向かう。この表示光Ｌがウインドシールド１で反射することで、視認者２から見てウインドシールド１の前方に虚像Ｖが表示される。
　回転駆動機構５０は、凹面鏡３０を実軸線Ａｒを中心に回転駆動するものであり、図２（ｂ）に示すように、第１支持部５１と、第２支持部５２と、モータ５３と、ギヤ機構５４と、を備える。
　第１支持部５１は、筐体４０に対して固定され、凹面鏡３０の図２（ｂ）における右端部に設けられた第１被支持部３１を支持する。第１被支持部３１は、実軸線Ａｒを中心として回転可能に第１支持部５１に支持されている。第２支持部５２は、筐体４０に対して固定され、凹面鏡３０の図２（ｂ）における左端部に設けられた第２被支持部３２を支持する。第２被支持部３２は、実軸線Ａｒを中心として回転可能に第１支持部５１ａに支持されている。
　このように、凹面鏡３０は、第１支持部５１及び第２支持部５２に、実軸線Ａｒを中心として回転可能に支持されている。ＨＵＤ装置１００における実軸線Ａｒは、後に詳細に述べるように本実施形態に特有の位置関係で設定されている。なお、この実施形態における凹面鏡３０及び回転駆動機構５０は、ＨＵＤ装置１００が搭載される車両が左ハンドル車（以下、ＬＨＤ（Left Hand Drive）と言う。）の場合の構成例を示している。
　モータ５３は、例えばステッピングモータである。ギヤ機構５４は、モータ５３の回転軸に取り付けられたイモネジや、イモネジと第２被支持部３２に形成されたギヤ部３２ａとの各々と係合する歯車を有して構成されている。モータ５３が動作すると、ギヤ機構５４とギヤ部３２ａとを介して、モータ５３の回転動力が第２被支持部３２に伝達され、凹面鏡３０が第１支持部５１及び第２支持部５２に対して、実軸線Ａｒを中心として回転する。
　図示しない制御部は、マイクロコンピュータや、表示器１０用のドライバや、モータ５３用のドライバなどを備える。制御部は、車両の各部を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）などのシステムと通信を行い、車両情報を示す画像を表示器１０に表示させる。
　また、制御部は、虚像Ｖの位置の調整指示に応じてモータ５３を駆動し、凹面鏡３０を実軸線Ａｒを中心として、調整指示内容に応じた角度だけ回転させる。当該調整指示は、操作手段からの入力操作に応じたものであってもよいし、視認者２の視点位置を検出する検出手段からの検出結果に応じたものであってもよい。操作手段は、例えばタッチパネルやプッシュボタンから構成することができる。検出手段は、例えばステレオカメラから構成することができる。操作手段や検出手段として、その他の公知の構成を適宜採用してもよい。
　以上のようにして、制御部の制御により凹面鏡３０が回転駆動されると、表示光Ｌの反射角が変更され、虚像Ｖの表示位置（高さ）が調整可能となる。
　ここで、図１に示すように、基準視点Ｅ０を有する視認者２にとって適切な虚像Ｖの表示位置を基準位置Ｐ０とし、基準視点Ｅ０よりも高い第１視点Ｅ１を有する視認者２にとって適切な虚像Ｖの表示位置を第１位置Ｐ１とし、基準視点Ｅ０よりも低い第２視点Ｅ２を有する視認者２にとって適切な虚像Ｖの表示位置を第２位置Ｐ２とする。なお、基準視点Ｅ０及び基準位置Ｐ０は、標準的な視認者２を想定したものであり、予め定められている。基準視点Ｅ０と基準位置Ｐ０とを結ぶ線分は、図１に示すように、基準水平面Ｈと平行に設定されている。「基準水平面Ｈ」は、車両の各種制御や実装品の位置の基準となる面（座標系）であり、ＨＵＤ装置１００が搭載される車両の種類毎に予め定められている。例えば、基準水平面Ｈは、車両が理想的に水平の姿勢をとった場合に、当該水平方向と平行となる面として規定される。
　図１の例では、基準位置Ｐ０に虚像Ｖが表示されている状態から、凹面鏡３０を実軸線Ａｒを中心として時計周り（ＣＷ：Clockwise）方向に所定角度だけ回転させると、虚像Ｖが第１位置Ｐ１に移動する。また、基準位置Ｐ０に虚像Ｖが表示されている状態から、凹面鏡３０を実軸線Ａｒを中心として反時計周り（ＣＣＷ：Counterclockwise）方向に所定角度だけ回転させると、虚像Ｖが第２位置Ｐ２に移動する。
　ここからは、凹面鏡３０の実軸線Ａｒを含む各軸線について説明する。まず、各軸線の説明をするための座標系として、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸からなる直交座標系と、α、β、γ軸からなる直交座標系を説明する。
　図３（ａ）に示すように、凹面鏡３０の自由曲面からなる反射面の法線のうち、表示光Ｌの主光線Ｌ１が入射する位置におけるものを「法線Ｎ」とする。なお、「主光線Ｌ１」とは、表示器１０が表示する画像Ｒを表す表示光Ｌのうち、図２（ａ）に示すように矩形の画像Ｒの中心（矩形の重心）を通る光線を言う。なお、法線Ｎは、凹面鏡３０に入射する主光線Ｌ１と、凹面鏡３０で反射した主光線Ｌ１とのなす角の二等分線となる。また、主光線Ｌ１は、虚像Ｖの中心と、アイボックスの中心とも対応する。この法線Ｎに沿って延びる軸を「Ｚ軸」と定義する。また、法線Ｎと直交するとともに、凹面鏡３０への主光線Ｌ１の入射位置を通る面を「仮想平面Ｐ」とする。
　次に「Ｘ軸」について説明する。まず、図１に示すように、基準位置Ｐ０の中心点（主光線Ｌ１に対応する点）と基準視点Ｅ０とを結ぶ光路を「基準光路Ｌ０」と言う。この基準光路Ｌ０上に位置する仮想の回転軸線であって、当該回転軸線で基準光路Ｌ０を回転させた場合に虚像Ｖが視認者２から見て上下方向（後述の基準線Ｂ）に沿って移動する回転軸線を考える。当該回転軸線は、後述の「共役理想軸線Ｃｉ」（理想軸線Ａｉと光学的に共役関係にある軸線）と一致する。
　図１２に示すように、共役理想軸線Ｃｉを示す像Ｉｍであって基準光路Ｌ０（図１参照）に沿ってウインドシールド１で折り返され、凹面鏡３０の反射面と主光線Ｌ１との交点（反射点）を通る像Ｉｍに沿って延びる軸を「Ｘ軸」と定義する。そして、「Ｙ軸」は、前記のように定義されたＸ軸とＺ軸の各々と直交する軸である。こうした場合、Ｘ－Ｙ平面は、前述の仮想平面Ｐと平行な面となる。
　図４（ｃ）に示す「基準線Ｂ」は、図１に示す基準水平面Ｈの法線である。基準線Ｂは、視認者２から見て上下方向に沿う。β軸はこの基準線Ｂと平行な軸として定義され、α軸とγ軸は基準水平面Ｈの面内方向において互いに直交する軸として定義される。つまり、基準水平面Ｈは、α－γ平面と平行となる。γ軸方向は、図１に示すように、基準視点Ｅ０を有する視認者２が基準位置Ｐ０にある虚像Ｖを見ている場合の視線方向（前述の基準光路Ｌ０に沿う方向と同じ）となる。したがって、図４（ｃ）は、基準視点Ｅ０を有する視認者２の視野（以下、「基準視野」と言う。）を表す。
（理想軸線Ａｉ）
　凹面鏡３０を回転駆動させた場合、図４（ｃ）に示す基準視野において、虚像Ｖが基準線Ｂに沿って（つまり、視認者２から見て上下方向に沿って）移動することが理想的である。このように、凹面鏡３０を回転させた場合に、虚像Ｖが基準線Ｂに沿って移動する凹面鏡３０の回転軸線を、図４（ａ）、（ｂ）に示す「理想軸線Ａｉ」とする。理想軸線Ａｉは、図４（ｂ）に示すように、ＨＵＤ装置１００の光学系の制約上、凹面鏡３０の仮想平面Ｐに対して平行にはならないことがほとんどである。なお、図４（ａ）では、凹面鏡３０を模式的に示した。また、当該模式的に示した凹面鏡３０に併せて記したＸ、Ｙ、Ｚの各軸も模式的に示したものである。Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸は、あくまで前述のように定義されるものである。後述の図５（ａ）、図７（ａ）、図９も同様である。
　ここで、理想軸線Ａｉを中心に凹面鏡３０を回転させた場合、虚像Ｖは、図１に示す共役理想軸線Ｃｉを回転中心として回転移動することで、図４（ｃ）に示す基準視野においては基準線Ｂに沿って移動することになる。
　「共役理想軸線Ａｉ」は、理想軸線Ａｉをウインドシールド１における主光線Ｌ１の入射点に対して、視認者２から見てウインドシールド１の前方側に折り返した位置にある仮想の軸線である。共役理想軸線Ｃｉは、凹面鏡３０を理想軸線Ａｉを中心に回転させた場合において、ウインドシールド１で反射して視認者２に向かう表示光Ｌの光路の回転軸線となる。このように、共役理想軸線Ｃｉは、理想軸線Ａｉと光学的に共役関係にある。後述の投影軸線Ａｖと共役投影軸線Ｃｖとの関係、実軸線Ａｒと共役軸線Ｃｒとの関係も同様である。
　「共役投影軸線Ｃｖ」は、投影軸線Ａｖをウインドシールド１における主光線Ｌ１の入射点に対して、視認者２から見てウインドシールド１の前方側に折り返した位置にある仮想の軸線である。共役投影軸線Ｃｖは、凹面鏡３０を投影軸線Ａｖを中心に回転させた場合において、ウインドシールド１で反射して視認者２に向かう表示光Ｌの光路の回転軸線となる。このように、共役理想軸線Ｃｖは、投影軸線Ａｖと光学的に共役関係にある。
　「共役軸線Ｃｒ」は、実軸線Ａｒをウインドシールド１における主光線Ｌ１の入射点に対して、視認者２から見てウインドシールド１の前方側に折り返した位置にある仮想の軸線である。共役軸線Ｃｒは、凹面鏡３０を実軸線Ａｒを中心に回転させた場合において、ウインドシールド１で反射して視認者２に向かう表示光Ｌの光路の回転軸線となる。このように、共役軸線Ｃｒは、実軸線Ａｒと光学的に共役関係にある。
（投影軸線Ａｖ）
　前記のように、凹面鏡３０の仮想平面Ｐに対して空間的に斜めとなる理想軸線Ａｉを実現するのは構造上困難であるため、図３（ｂ）に示すように、理想軸線ＡｉをＸ－Ｙ平面に投影した「投影軸線Ａｖ」を凹面鏡３０の回転軸線とした場合を考える。この投影軸線Ａｖは、図５（ｂ）に示すように、凹面鏡３０の仮想平面Ｐと平行となり、凹面鏡３０の実際の回転軸として構造上実現が容易になる。しかしながら、図５（ａ）に示すように、投影軸線Ａｖを中心に凹面鏡３０を回転させた場合、虚像Ｖは、図１に示す共役投影軸線Ｃｖを回転中心として回転移動することで、図５（ｃ）に示す基準視野においては基準線Ｂに対して斜めに移動してしまう。これでは、虚像Ｖの位置調整時に視認者２に違和感を与えてしまう虞がある。
　本願発明者は、上記の問題を解消するため、凹面鏡３０の実際の回転軸線である実軸線Ａｒを定めるための設計方法を見出した。以下、主に図６を参照して当該設計方法を説明する。
　まず、理想軸線Ａｉと仮想平面Ｐとを求める（ステップＳ１）。理想軸線Ａｉについては、例えば、凹面鏡３０を回転させた場合に、図４（ｃ）に示す基準視野において虚像Ｖが基準線Ｂに沿って移動する共役理想軸線Ｃｉを求める。そして、求めた共役理想軸線Ｃｉと光学的共役関係にある軸線を理想軸線Ａｉとして求めればよい。また、仮想平面Ｐは、図３（ａ）を参照して説明したように求めることができる。なお、理想軸線Ａｉと仮想平面Ｐを求める順序は、当然ながら任意である。
　続いて、投影軸線Ａｖを求める（ステップＳ２）。投影軸線Ａｖは、図３（ｂ）に示すように、理想軸線Ａｉの仮想平面Ｐへの正射影として求めることができる。
　続いて、投影軸線ＡｖをＺ軸（凹面鏡３０の法線Ｎ）を中心に所定角度だけ回転させて実軸線Ａｒを求める（ステップＳ３）。具体的には、図７（ｂ）に示す基準視野において共役投影軸線Ｃｖがα軸と平行になるまで（つまり、共役投影軸線Ｃｖが基準水平面Ｈと平行になるまで）、図７（ａ）に示すように、投影軸線ＡｖをＺ軸を中心として回転させた軸線を求める。そして、このように求めた軸線を凹面鏡３０の実際の回転軸としての実軸線Ａｒに決定する。
　このように、求められ、決定された実軸線Ａｒは、図５（ｂ）に示す投影軸線Ａｖと同様にＸ－Ｙ平面と平行で、Ｘ軸方向から見た場合には図４（ｂ）に示す理想軸線Ａｉと異なるものの、その共役軸線Ｃｒが基準視野においては共役理想軸線Ａｉと同義となる。
　車両がＬＨＤの場合は、図７（ａ）に示すように、Ｚ軸を中心に投影軸線ＡｖをＣＷ方向に所定角度だけ回転させて実軸線Ａｒを求めることになる。この場合、図７（ｂ）に示す基準視野では、γ軸と平行な軸を中心に共役投影軸線ＣｖがＣＣＷ方向に当該所定角度と対応した角度だけ回転したものが共役軸線Ｃｒとなる。
　なお、ＨＵＤ装置１００が搭載される車両が右ハンドル車（以下、ＲＨＤ（Right Hand Drive）と言う。）の場合は、図７（ａ）、（ｂ）に示す関係と左右対称の関係にすればよいことはシミュレーションにおいて確認されている。つまり、車両がＲＨＤの場合は、Ｚ軸を中心に投影軸線ＡｖをＣＣＷ方向に所定角度だけ回転させて実軸線Ａｒを求めることになる。この場合、基準視野では、γ軸と平行な軸を中心に共役投影軸線ＣｖがＣＷ方向に当該所定角度と対応した角度だけ回転したものが共役軸線Ｃｒとなる。
　以上がＨＵＤ装置１００の設計方法である。なお、以上に述べた各軸線などは、シミュレーションソフトによる演算や、三次元空間の直交座標系を利用した演算により算出可能である。
　以上の設計方法により設計したＨＵＤ装置１００による効果を、図８（ａ）、（ｂ）に示す虚像Ｖの見栄えを参照して説明する。同図では、虚像Ｖの位置変化による変形度合いが分かり易いように、虚像Ｖを実線でマトリクス状に表している。
　図８（ａ）は、凹面鏡３０を投影軸線Ａｖを中心に回転させた場合における、図１に示した基準位置Ｐ０、第１位置Ｐ１及び第２位置Ｐ２の各位置における虚像Ｖの見栄えをシミュレーションソフトにより導出したものである。
　図８（ｂ）は、凹面鏡３０を上記設計方法により決定した実軸線Ａｒを中心に回転させた場合における、図１に示した基準位置Ｐ０、第１位置Ｐ１及び第２位置Ｐ２の各位置における虚像Ｖの見栄えをシミュレーションソフトにより導出したものである。つまり、図８（ｂ）は、本実施形態に係るＨＵＤ装置１００による虚像Ｖの表示の見栄えを表している。
　図８（ａ）では、虚像Ｖがβ軸に対して斜めに移動するとともに、第１位置Ｐ１及び第２位置Ｐ２では虚像Ｖに歪みが顕著に発生してしまっている。一方、図８（ｂ）では、虚像Ｖがほぼβ軸に沿って移動するとともに、第１位置Ｐ１及び第２位置Ｐ２において虚像Ｖに発生する歪みが低減されていることが分かる。
　このように、実軸線Ａｒを中心に凹面鏡３０を回転させるＨＵＤ装置１００によれば、凹面鏡３０の回転に伴う虚像Ｖの位置ずれ、歪み、虚像Ｖの一部が欠けてしまうこと等が抑制することができるため、虚像Ｖの位置調整において視認者２に違和感を与えることを抑制することができる。
　また、図９に示すように、実軸線Ａｒを中心に凹面鏡３０を回転させるＨＵＤ装置１００によれば、同図に点線で示す投影軸線Ａｖを凹面鏡３０に設定したときに比べ、実軸線ＡｒがＸ軸に近づく（つまり、基準水平面Ｈに近づく）ため、第１支持部５１及び第２支持部５２などの部品の筐体４０内におけるレイアウト性が向上する。
　ところで、ＨＵＤ装置１００が搭載される車両の車種毎に、凹面鏡３０の反射面形状や、基準視点Ｅ０及び基準位置Ｐ０を実現するための凹面鏡３０の姿勢は異なる。これは、車種によってウインドシールド１の曲面形状や、ＨＵＤ装置１００のレイアウト等が異なることに起因する。
　そこで、本願発明者は、上記の設計方法により実軸線Ａｒを求める際に、ステップＳ３において投影軸線ＡｖをＺ軸を中心にどのくらい回転させればいいかを調べた。以下では、図７（ａ）に示す投影軸線Ａｖと実軸線Ａｒとのなす角を「回転角」と言う。前記の通り、回転角は、車両がＬＨＤの場合はＣＷ方向の回転となり、ＲＨＤの場合はＣＣＷ方向の回転となる。
　図１０（ａ）は、車種毎によって特性の異なる凹面鏡３０の機種（機種１～機種９）と、機種毎の凹面鏡３０の姿勢を示す値（「ＣＭ　Ｖ」、「ＣＭ　Ｈ」、「ＣＭ　Ｉｎｃ」）と、回転角（「Ｒｏｔ」）との関係を示す表である。「ＣＭ　Ｖ」、「ＣＭ　Ｈ」、「ＣＭ　Ｉｎｃ」は、ＨＵＤ装置１００のレイアウトの制約に応じて凹面鏡３０の姿勢をどのくらい変更したかを示す値であり、図１０（ａ）に示す表では、上記の設計手法により求められる回転角と対応させて機種毎に示している。具体的には、「ＣＭ　Ｖ」は、Ｘ軸を基準とした回転角度を示し、つまり、レイアウトの制約に応じて凹面鏡３０をどのくらい縦方向に回転させているかを示す。「ＣＭ　Ｈ」は、Ｙ軸を基準とした回転角度を示し、つまり、レイアウトの制約に応じて凹面鏡３０をどのくらい横方向に回転させているかを示す。「ＣＭ　Ｉｎｃ」は、「ＣＭ　Ｖ」を二乗した値と「ＣＭ　Ｈ」を二乗した値との和の平方根を示し、「ＣＭ　Ｈ」が０（ゼロ）のときは、「ＣＭ　Ｖ」と一致する。同図を見ると、９つのサンプル（機種１～機種９）においては、回転角（Ｒｏｔ）の範囲は、「１．４度以上、６．３度以下」であることが分かる。なお、図１０（ｂ）は、「ＣＭ　Ｖ」と「ＣＭ　Ｈ」の和と「Ｒｏｔ」との関係を示したグラフである。同図を見て分かるように、「ＣＭ　Ｖ」と「ＣＭ　Ｈ」の和と「Ｒｏｔ」とは概ね比例関係にあることが分かる。
　図１１は、Ｒｏｔが正規分布に従うかを確認するための機種１～機種９のデータに基づいて作成した正規Ｑ－Ｑプロットである。横軸はＲｏｔを示し、縦軸は期待値を示している。同図を見ると、凹面鏡３０のＲｏｔは、概ね正規分布に従うことが分かる。ここで、凹面鏡３０のＲｏｔが正規分布に従うと過程し、Ｒｏｔの平均μと標準偏差σとを算出すると、μ≒３．９３、σ≒１．５４となった。そして、（μ±２σ）の範囲に全体の９５．４％が分布し、（μ±３σ）の範囲に全体の９９．７％が分布する。
　本願発明者は、これらの値に基づいて、種々の凹面鏡３０に適用可能な回転角（Ｒｏｔ）を算出すると、凹面鏡３０の９９．３％で適用可能な回転角（Ｒｏｔ）は、「０．１度以上、１０．０度以下」となった。また、凹面鏡３０の９６．７％で適用可能な回転角は、「１．０度以上、７．０度以下」となった。また、凹面鏡３０の８０．５％で適用可能な回転角は、「２．０度以上、６．０度以下」となった。
　以上の確率計算や実際の９つのサンプルのデータを勘案すると、実軸線Ａｒを求めるための回転角（Ｒｏｔ）の範囲は、「０．１度以上、１０．０度以下」であり、好ましくは「１．０度以上、７．０度以下」であり、より好ましくは９つのサンプルにおける「１．４度以上、６．３度以下」であればよい。
　なお、本発明は以上の実施形態及び図面によって限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜、変更（構成要素の削除も含む）を加えることが可能である。
　表示器１０は、ＬＣＤを用いたものに限られず、ＯＬＥＤ（Organic Light-Emitting Diode）を用いたものを採用してもよい。また、表示器１０は、例えば、ＤＭＤ（Digital Micro mirror Device）やＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）などの反射型表示デバイスを用いたものであってもよい。
　また、表示光Ｌの投射対象である透光部材は、車両のウインドシールド１に限定されず、車両に設けられるものであれば、板状のハーフミラー、ホログラム素子等により構成されるコンバイナであってもよい。また、回転駆動機構５０は、以上に説明した構成に限られず、凹面鏡３０を実軸線Ａｒを中心に回転駆動することができれば、その構成は任意である。
　また、ＨＵＤ装置１００が搭載される車両の種類は限定されず、自動四輪車や、自動二輪車など、様々車両に適用可能である。
　また、仮想平面Ｐは、法線Ｎと直交するとともに、凹面鏡３０への主光線Ｌ１の入射位置を通る面であることが好ましいが、凹面鏡３０の厚み内の範囲においては、凹面鏡３０への主光線Ｌ１の入射位置よりもＺ軸方向に若干ずれていてもよい。
　以上に説明したＨＵＤ装置１００は、画像Ｒを表す表示光Ｌを車両に設けられた透明光部材（例えばウインドシールド１）に向けて射出し、透光部材で反射して視認者２に向かう表示光Ｌによって視認者２に画像Ｒの虚像Ｖを視認させる。ＨＵＤ装置１００は、入射した表示光Ｌを透光部材に向けて反射させる凹面鏡３０と、凹面鏡３０を実軸線Ａｒ（所定軸線の一例）を中心として回転可能に支持する支持部（第１支持部５１及び第２支持部５２）と、を備える。
（１）特に、以上に説明した設計方法により設計されたＨＵＤ装置１００においては、実軸線Ａｒは、表示光Ｌの主光線Ｌ１が入射する位置における凹面鏡３０の法線Ｎと直交し、視認者２から見て実軸線Ａｒと光学的共役関係にある共役軸線Ｃｒは、車両に設定された基準水平面Ｈと略平行（丁度平行も含む）である。この構成により、前述の通り、虚像Ｖの位置調整において視認者２に違和感を与えることを抑制することができる。
　なお、略平行の「略」とは、製造過程で発生する誤差や、レイアウトの制約による共役軸線Ｃｒの基準水平面Ｈからのずれを許容する概念であり、共役軸線Ｃｒが基準水平面Ｈから１．０度程度傾いていた場合も含む。また、ここで言うレイアウトの制約とは、例えば、仮想平面Ｐ及びＸ－Ｙ平面を凹面鏡３０の厚み内の範囲において凹面鏡３０への主光線Ｌ１の入射位置よりもＺ軸方向に若干ずらして設定せざるを得なかった場合などである。
（２）また、以上に説明した設計方法により設計されたＨＵＤ装置１００においては、実軸線Ａｒは、視認者２から見て投影軸線Ａｖと光学的共役関係にある共役投影軸線Ｃｖが基準水平面Ｈに近づく回転方向に、投影軸線Ａｖを法線Ｎを中心として所定角度だけ回転させた位置にある。
　このように、共役投影軸線Ｃｖが基準水平面Ｈに近づく回転方向に、投影軸線Ａｖを法線Ｎを中心として所定角度だけ回転させた位置に実軸線Ａｒがある場合においても、虚像Ｖの位置調整において視認者２に違和感を与えることを抑制することができる。
（３）上記（２）に記載のＨＵＤ装置１００において、視認者２から見て実軸線Ａｒと光学的共役関係にある共役軸線Ｃｒは、車両に設定された基準水平面Ｈと略平行であることが好ましい。
（４）上記（２）に記載のＨＵＤ装置１００において、前述の通り、所定角度としての回転角（Ｒｏｔ）は、０．１度以上で１０度以下である。なお、回転角（Ｒｏｔ）は、１．０度以上で７．０度以下であることが好ましく、１．４度以上で６．３度以下であることがより好ましい。
（５）以上に説明したＨＵＤ装置１００の設計方法は、凹面鏡３０を回転させた場合に、視認者２から見て、虚像Ｖが車両に設定された基準水平面Ｈと直交する基準線Ｂに沿って移動する凹面鏡３０の理想の回転軸線である理想軸線Ａｉを求めるステップと、表示光Ｌの主光線Ｌ１が入射する位置における凹面鏡３０の法線Ｎと直交する仮想平面Ｐを求めるステップと、理想軸線Ａｉを仮想平面Ｐに投影した軸線である投影軸線Ａｖを求めるステップと、視認者２から見て投影軸線Ａｖと光学的共役関係にある共役投影軸線Ｃｖが基準水平面Ｈに近づく回転方向に、投影軸線Ａｖを法線Ｎを中心として所定角度だけ回転させた軸線を実軸線Ａｒに決定するステップと、を備える。
（６）上記（５）に記載の設計方法において、視認者２から見て実軸線Ａｒと光学的共役関係にある共役軸線Ｃｒは、基準水平面Ｈと略平行であることが好ましい。
　以上の説明では、本発明の理解を容易にするために、公知の技術的事項の説明を適宜省略した。
１００…ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置
　１０…表示器
　２０…平面鏡
　３０…凹面鏡
　４０…筐体
　５０…回転駆動機構
　５１…第１支持部、５２…第２支持部
　　１…ウインドシールド（透光部材の一例）
　　２…視認者
　Ｅ０…基準視点、Ｅ１…第１視点、Ｅ２…第２視点
　　Ｖ…虚像
　Ｐ０…基準位置、Ｐ１…第１位置、Ｐ２…第２位置
　　Ｒ…画像
　　Ｌ…表示光、Ｌ０…基準光路、Ｌ１…主光線
　　Ｎ…法線、Ｐ…仮想平面
　　Ｂ…基準線、Ｈ…基準水平面
　Ａｒ…実軸線（所定軸線の一例）
　Ａｖ…投影軸線
　Ａｉ…理想軸線
　Ｃｒ…共役軸線
　Ｃｖ…共役投影軸線
　Ｃｉ…共役理想軸線
　Ｉｍ…像

Claims (6)

  1. 　画像を表す表示光を車両に設けられた透光部材に向けて射出し、前記透光部材で反射して視認者に向かう前記表示光によって前記視認者に前記画像の虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
    　入射した前記表示光を前記透光部材に向けて反射させる凹面鏡と、
    　前記凹面鏡を所定軸線を中心として回転可能に支持する支持部と、を備え、
    　前記所定軸線は、前記表示光の主光線が入射する位置における前記凹面鏡の法線と直交し、
    　前記視認者から見て前記所定軸線と光学的共役関係にある共役軸線は、前記車両に設定された基準水平面と略平行である、
    　ヘッドアップディスプレイ装置。
  2. 　画像を表す表示光を車両に設けられた透光部材に向けて射出し、前記透光部材で反射して視認者に向かう前記表示光によって前記視認者に前記画像の虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
    　入射した前記表示光を前記透光部材に向けて反射させる凹面鏡と、
    　前記凹面鏡を所定軸線を中心として回転可能に支持する支持部と、を備え、
    　前記凹面鏡を回転させた場合に、前記視認者から見て、前記虚像が前記車両に設定された基準水平面と直交する基準線に沿って移動する前記凹面鏡の理想の回転軸線を理想軸線とし、
    　前記表示光の主光線が入射する位置における前記凹面鏡の法線と直交する面を仮想平面とし、
    　前記理想軸線を前記仮想平面に投影した軸線を投影軸線とした場合、
    　前記所定軸線は、前記視認者から見て前記投影軸線と光学的共役関係にある共役投影軸線が前記基準水平面に近づく回転方向に、前記投影軸線を前記法線を中心として所定角度だけ回転させた位置にある、
    　ヘッドアップディスプレイ装置。
  3. 　前記視認者から見て前記所定軸線と光学的共役関係にある共役軸線は、前記車両に設定された基準水平面と略平行である、
    　請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  4. 　前記所定角度は、０．１度以上で１０度以下である、
    　請求項２又は３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  5. 　入射した画像を表す表示光を車両に設けられた透光部材に向けて反射させるとともに所定軸線を中心として回転可能な凹面鏡を備え、前記透光部材で反射して視認者に向かう前記表示光によって前記視認者に前記画像の虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置の設計方法であって、
    　前記凹面鏡を回転させた場合に、前記視認者から見て、前記虚像が前記車両に設定された基準水平面と直交する基準線に沿って移動する前記凹面鏡の理想の回転軸線である理想軸線を求めるステップと、
    　前記表示光の主光線が入射する位置における前記凹面鏡の法線と直交する仮想平面を求めるステップと、
    　前記理想軸線を前記仮想平面に投影した軸線である投影軸線を求めるステップと、
    　前記視認者から見て前記投影軸線と光学的共役関係にある共役投影軸線が前記基準水平面に近づく回転方向に、前記投影軸線を前記法線を中心として所定角度だけ回転させた軸線を前記所定軸線に決定するステップと、を備える、
    　ヘッドアップディスプレイ装置の設計方法。
  6. 　前記視認者から見て前記所定軸線と光学的共役関係にある共役軸線は、前記基準水平面と略平行である、
    　請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ装置の設計方法。
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