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JP7562805B2 - Information display device - Google Patents

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JP7562805B2 JP2023182402A JP2023182402A JP7562805B2 JP 7562805 B2 JP7562805 B2 JP 7562805B2 JP 2023182402 A JP2023182402 A JP 2023182402A JP 2023182402 A JP2023182402 A JP 2023182402A JP 7562805 B2 JP7562805 B2 JP 7562805B2
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Description

本発明は、自動車や電車や航空機等(以下では、一般的に「乗り物」とも言う)のフロントガラスまたはコンバイナに画像を投影する情報表示装置に関し、その画像をフロントガラス越しに虚像として観察するようにした投影光学系およびそれを用いた情報表示装置に関する。 The present invention relates to an information display device that projects an image onto the windshield or combiner of an automobile, train, airplane, etc. (hereinafter, generally referred to as "vehicle"), and to a projection optical system that allows the image to be observed as a virtual image through the windshield, and an information display device that uses the same.

自動車のフロントガラスやコンバイナに映像光を投写して虚像を形成しルート情報や渋滞情報などの交通情報や燃料残量や冷却水温度等の自動車情報を表示するいわゆる、ヘッドアップディスプレイ(HUD:Head-Up-Display)装置が以下の特許文献1により既に知られている。 A so-called head-up display (HUD) device that projects image light onto the windshield or combiner of an automobile to form a virtual image and display traffic information such as route information and congestion information, and automobile information such as remaining fuel and coolant temperature, is already known from the following Patent Document 1.

この種の情報表示装置においては、ドライバが虚像を観視できる領域を拡大することが望まれる一方、虚像が高解像度で視認性が高いことも重要な性能要因である。 In this type of information display device, it is desirable to expand the area in which the driver can view the virtual image, but it is also an important performance factor that the virtual image has high resolution and is highly visible.

ヘッドアップディスプレイ装置はドライバに虚像を提供する最終反射面としてフロントガラスまたはコンバイナが必ず必要であり、発明者らは視認性が高く良好な解像性能を得るためには、最終反射面であるフロントガラスまたはコンバイナで発生する二重反射により生じる虚像の二重像の改善が重要であることに気付いた。 A head-up display device necessarily requires a windshield or combiner as the final reflective surface that provides a virtual image to the driver, and the inventors realized that in order to obtain high visibility and good resolution performance, it is important to improve the double image of the virtual image caused by double reflections that occur at the final reflective surface, the windshield or combiner.

一方、例えば、以下の非特許文献1にも開示されるような自動車の天井(サンバイザー)付近にコンバイナを含めた本体を取り付ける装置も既に提案されている。 On the other hand, a device has already been proposed in which the main body including the combiner is attached near the roof (sun visor) of the vehicle, as disclosed in the following non-patent document 1:

特開2015-194707号公報JP 2015-194707 A

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

従来技術によるヘッドアップディスプレイ装置を実現する凹面ミラーによる虚像生成の原理は、図33に示すように、凹面ミラー1’の光軸上の点Oに対して焦点F(焦点距離f)の内側に物点ABを配置することで、凹面ミラー1’による虚像を得ることができると言うものである。この図33では、説明の都合上、凹面ミラー1’を同じ正の屈折力を持つ凸レンズとみなし、物点と凸レンズ(説明の都合上、図33では、凹面ミラーで表記)と発生する虚像の関係を示した。 The principle of virtual image generation by a concave mirror to realize a head-up display device according to conventional technology is that, as shown in Figure 33, a virtual image can be obtained by the concave mirror 1' by placing an object point AB inside the focal point F (focal length f) with respect to point O on the optical axis of the concave mirror 1'. For convenience of explanation, Figure 33 regards the concave mirror 1' as a convex lens with the same positive refractive power, and shows the relationship between the object point, the convex lens (for convenience of explanation, it is represented as a concave mirror in Figure 33), and the virtual image that is generated.

従来技術では、凹面ミラー1’で生成する虚像が見える範囲を広げるためには、物点ABを焦点Fに近づけて物寸法ABに対して凹面ミラーを大きくすると良いが、所望の倍率を得るためには、凹面ミラーの曲率半径が小さくなるためこれらを両立することは困難となる。この結果、ミラーサイズが小さくなり、実効的に拡大率は大きいが、観視可能な範囲が小さい虚像しか得られないという結果となる。このため、(1)所望の虚像サイズと、(2)必要な虚像の倍率M=b/aを同時に満足するためには、凹面ミラーの寸法は観視範囲に合わせ、映像表示装置との兼ね合いで虚像の倍率を決める必要がある。 In the prior art, in order to expand the range in which the virtual image generated by the concave mirror 1' can be seen, it is sufficient to move the object point AB closer to the focal point F and make the concave mirror larger relative to the object dimension AB; however, in order to obtain the desired magnification, the radius of curvature of the concave mirror becomes small, making it difficult to achieve both. As a result, the mirror size becomes small, and although the effective magnification is large, only a virtual image with a small viewable range is obtained. For this reason, in order to simultaneously satisfy (1) the desired virtual image size and (2) the required virtual image magnification M = b/a, it is necessary to match the dimensions of the concave mirror to the viewing range and determine the virtual image magnification in consideration of the image display device.

このため、従来技術では、所望の観視範囲において大きな虚像を得るためには、例えば図33に示すように、凹面ミラー1’から虚像までの距離を大きく、すなわち、最終反射面であるフロントガラスまたはコンバイナ(図示せず)と凹面ミラーの距離を大きくし、同時に、凹面ミラーのサイズを大きくする必要があった。しかしながら、フロントガラスまたはコンバイナで発生する二重反射により生じる虚像の二重像については配慮されていなかった。 For this reason, in the prior art, in order to obtain a large virtual image in the desired viewing range, it was necessary to increase the distance from the concave mirror 1' to the virtual image, i.e., to increase the distance between the final reflecting surface, the windshield or combiner (not shown), and the concave mirror, and at the same time increase the size of the concave mirror, as shown in FIG. 33, for example. However, no consideration was given to the double image of the virtual image caused by double reflection at the windshield or combiner.

また、例えば、従来技術である上記の特許文献1に開示されたヘッドアップディスプレイ装置の例では、画像を表示するデバイスと表示デバイスに表示された画像を投写する投写光学系を備え、投写光学系として表示デバイスから観視者の光路において第一ミラーと第二ミラーを有し、第一ミラーにおける画像長軸方向の入射角と第一ミラーにおける画像短軸方向の入射角、および、表示デバイスの画像表示面と第一ミラーとの間隔と、観視者によって視認される虚像の水平方向の幅の関係を所定の条件を満足させることで、小型化を実現している。しかしながら、上述したフロントガラスの両面(ドライバ側と外側の二面)の反射により発生する二重像の軽減手段については記載すらなかった。 For example, the example of a head-up display device disclosed in the above-mentioned Patent Document 1, which is a conventional technology, includes a device for displaying an image and a projection optical system for projecting the image displayed on the display device. The projection optical system has a first mirror and a second mirror in the optical path from the display device to the viewer, and the relationship between the angle of incidence in the image long axis direction on the first mirror and the angle of incidence in the image short axis direction on the first mirror, the distance between the image display surface of the display device and the first mirror, and the horizontal width of the virtual image viewed by the viewer satisfies predetermined conditions, thereby realizing compactness. However, there is no mention of any means for reducing the double image caused by reflection on both sides of the windshield (the driver's side and the two outer sides).

他方、非特許文献1に開示されるような自動車の天井(サンバイザー)付近に本体を取り付ける装置では、ドライバに面していない反射面に反射防止膜を成膜することで二重像の発生を低減している。しかしながら、衝突事故を起こした時にHUD装置が外れた場合、運転者に怪我を負わせる可能性があるなど、なお安全上の課題が残る。 On the other hand, in a device that is mounted near the roof (sun visor) of a car as disclosed in Non-Patent Document 1, the occurrence of double images is reduced by forming an anti-reflection film on the reflective surface that does not face the driver. However, there are still safety issues, such as the possibility of the driver being injured if the HUD device becomes detached in the event of a collision.

このため、今後は上記の特許文献1に記載されたフロントガラスを反射面とする方式が主流となると考えられることから、フロントガラスの両面で反射する虚像を生成する映像光の反射を投写光学系の工夫で低減する技術手段を考案した。 As a result, it is believed that the method described in Patent Document 1 above, in which the windshield is used as a reflective surface, will become mainstream in the future, and so we have devised a technical means for reducing the reflection of the imaging light that creates a virtual image reflected on both sides of the windshield by using an ingenious technique in the projection optical system.

本発明は、以下にも詳述するフロントガラスを反射面とした場合に生じる虚像の二重像化を光学系の工夫で軽減する技術手段を含めて提案するものであり、併せて、運転者が視認する虚像の歪みと収差を実用上問題のないレベルまで軽減した視認性の高い虚像を形成することを可能とする情報表示装置を提供することを目的とする。 The present invention proposes a technical means for reducing the double image of a virtual image that occurs when the windshield is used as a reflective surface, using optical system innovations, as described in detail below. It also aims to provide an information display device that can form a highly visible virtual image in which the distortion and aberration of the virtual image seen by the driver are reduced to a practically acceptable level.

上記目的を達成するためになされた本発明は、その一例として、乗り物のフロントガラスに虚像の映像情報を表示する情報表示装置は、映像情報の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、を備え、光学系は、凹面ミラーと光学素子を含んでおり、光学素子は、映像生成部と凹面ミラーとの間に配置され、凹面ミラーの形状と光学素子の形状により運転者の視点位置に対応して得られる虚像の収差を補正するように構成されており、光学系は、負の屈折力を持つ光学素子を備えており、負の屈折力を持つ光学素子は、映像生成部からの映像光が、光学素子に入射され、凹面ミラーに向け出射するように構成されている。 As an example of the present invention made to achieve the above object, an information display device that displays virtual image information on the windshield of a vehicle includes an image generation unit that generates an image of the image information, and an optical system that receives a light beam from the image generation unit and displays a virtual image that is an enlarged image of the image generated by the image generation unit, the optical system including a concave mirror and an optical element, the optical element being disposed between the image generation unit and the concave mirror and configured to correct aberration of the virtual image obtained corresponding to the driver's viewpoint position by the shape of the concave mirror and the shape of the optical element, the optical system including an optical element with negative refractive power, and the optical element with negative refractive power being configured such that image light from the image generation unit is incident on the optical element and is emitted toward the concave mirror.

このように、本発明によれば、上述した虚像に発生する二重像を低減させると共に視認性を向上した映像が得られるように、映像表示装置からの映像光の光学系に入射する光の発散角を制御した情報表示装置が実現される。 In this way, according to the present invention, an information display device is realized in which the divergence angle of light entering the optical system of the image light from the image display device is controlled so as to reduce the double image that occurs in the virtual image described above and to obtain an image with improved visibility.

本発明によれば、装置の小型化を実現しながら、運転者が観察する虚像の歪や収差を補正し、虚像に発生する二重像を低減させるために虚像光学系に入射する光源光束の発散角を制御することで、視認性を向上した虚像を形成する情報表示装置を提供することが可能となる。 The present invention makes it possible to provide an information display device that forms a virtual image with improved visibility by miniaturizing the device, correcting distortion and aberration in the virtual image observed by the driver, and controlling the divergence angle of the light source beam entering the virtual image optical system to reduce double images that appear in the virtual image.

実施例に係る情報表示装置の周辺機器構成を示す概略構成図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of peripheral devices of the information display device according to the embodiment. 情報表示装置を搭載した自動車の上面図である。FIG. 1 is a top view of an automobile equipped with an information display device. フロントガラスの曲率半径の違いを説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a difference in the radius of curvature of a windshield. 情報表示装置とフロントガラスと運転者の視点位置を示す概略構成図である。1 is a schematic diagram showing an information display device, a windshield, and a driver's viewpoint position. 情報表示装置の虚像光学系の一実施例を示す概略構成図である。1 is a schematic diagram showing an example of a virtual image optical system of an information display device; 実施例に係る情報表示装置の虚像光学系全体の光線図である。3 is a ray diagram of the entire virtual image optical system of the information display device according to the embodiment. FIG. 実施例に係る情報表示装置の虚像光学系の一部における光線図である。4 is a ray diagram of a part of a virtual image optical system of the information display device according to the embodiment. 虚像方式光学系の原理を説明する概略説明図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the principle of a virtual image type optical system. 二重像発生の原理を説明する概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the principle of double image generation. 本発明の原理を説明する概略説明図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the principle of the present invention. 実施例に係るアイボックス内の解像性能評価点を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing resolution performance evaluation points within an eye box according to an embodiment. 実施例に係る解像性能評価の結果を示す緑色光線による逆追跡結果(虚像から光線を飛ばし映像源での結像状態を評価)を示すスポット図である。FIG. 11 is a spot diagram showing the results of back-tracing using a green ray (a ray is projected from a virtual image to evaluate the imaging state at the image source), illustrating the results of the resolution performance evaluation in the example. 実施例に係るアイボックス中央から見た歪性能を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing distortion performance as viewed from the center of the eye box in the embodiment. 実施例に係るレンズデータである。1 shows lens data according to an example. 実施例に係るレンズデータである。1 shows lens data according to an example. 映像表示装置と光源装置の配置を示す構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram showing the arrangement of a video display device and a light source device. 光源装置の構成を示す概略構成図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a light source device. 映像表示装置と光源装置からの光束の出射状況を説明する概略図である。2 is a schematic diagram for explaining the emission state of light beams from an image display device and a light source device. FIG. 光源装置からの光束の出射光分布を説明する特性図である。4 is a characteristic diagram illustrating the distribution of light emitted from a light source device. FIG. 光源装置の導光体の形状を示す概略構成図である。3 is a schematic diagram showing the shape of a light guide of the light source device. FIG. 光源装置の導光体の断面形状を示す概略構成図である。3 is a schematic diagram showing a cross-sectional shape of a light guide of the light source device. FIG. 液晶パネルの特性評価の方法を示す概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram showing a method for evaluating the characteristics of a liquid crystal panel. 液晶パネルの画面左右方向の透過率特性を示す特性図である。4 is a characteristic diagram showing transmittance characteristics in the left-right direction of the screen of a liquid crystal panel. FIG. 液晶パネルに白表示した場合の画面左右方向の輝度の角度特性を示す特性図である。10 is a characteristic diagram showing the angular characteristics of luminance in the left-right direction of the screen when white is displayed on the liquid crystal panel. 液晶パネルのバックライト輝度の左右方向の角度特性を示す特性図である。10 is a characteristic diagram showing angular characteristics of backlight luminance of a liquid crystal panel in the left-right direction. 液晶パネルのバックライト輝度の上下方向の角度特性を示す特性図である。10 is a characteristic diagram showing the angular characteristics of the backlight luminance of a liquid crystal panel in the vertical direction. 液晶パネルのコントラストの左右方向の角度特性を示す特性図である。10 is a characteristic diagram showing angular characteristics of contrast of a liquid crystal panel in the left-right direction. 液晶パネルの上下方向の透過率特性を示す特性図である。4 is a characteristic diagram showing the transmittance characteristics in the vertical direction of a liquid crystal panel. FIG. 液晶パネルの輝度の上下方向の角度特性を示す特性図である。10 is a characteristic diagram showing the angular characteristics of brightness of a liquid crystal panel in the vertical direction. 液晶パネルの黒表示輝度の左右方向の角度特性を示す特性図である。10 is a characteristic diagram showing the angular characteristics of black display luminance of a liquid crystal panel in the left-right direction. 液晶パネルのコントラストの上下方向の角度特性を示す特性図である。10 is a characteristic diagram showing the angular characteristics of contrast of a liquid crystal panel in the vertical direction. 液晶パネルの黒表示輝度の上下方向の角度特性を示す特性図である。10 is a characteristic diagram showing the angular characteristics of black display luminance of a liquid crystal panel in the vertical direction. 従来技術による虚像光学系の原理を説明するための概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the principle of a virtual image optical system according to the prior art. S偏光とP偏光による入射角度によるガラスの反射率変化を説明するための概略図である。1 is a schematic diagram for explaining the change in reflectance of glass depending on the angle of incidence of S-polarized light and P-polarized light; 虚像光学系のペッツバール和を低減する具体的な方法を説明するための概略構成図である。FIG. 11 is a schematic diagram for explaining a specific method for reducing the Petzval sum of a virtual image optical system. 虚像光学系のペッツバール和を低減する具体的な方法を説明するための概略構成図である。FIG. 11 is a schematic diagram for explaining a specific method for reducing the Petzval sum of a virtual image optical system.

以下、図面等を用いて、本発明の実施例について詳細に説明する。なお、本発明は以下の説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。 The following describes in detail the embodiments of the present invention with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the following description, and various changes and modifications can be made by those skilled in the art within the scope of the technical ideas disclosed in this specification. In addition, in all drawings used to explain the present invention, parts having the same functions are given the same reference numerals, and repeated explanations may be omitted.

<情報表示装置の実施形態>
図1は、本発明の一実施例に係る情報表示装置の周辺機器構成を示す概略構成図であり、ここでは、その一例として、特に、自動車のフロントガラスに画像を投影する情報表示装置100について説明する。
<Embodiments of Information Display Device>
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of peripheral devices of an information display device according to one embodiment of the present invention. In this embodiment, an information display device 100 that projects an image onto the windshield of an automobile will be described as an example.

この情報表示装置100は、運転者の視線8において自車両の前方に虚像V1を形成するため、被投影部材6(本実施例では、フロントガラスの内面)にて反射された各種情報を虚像VI(Virtual Image)として表示する装置(いわゆる、HUD(Headup Display)である。なお、被投影部材6は、情報が投影される部材であれば良く、前述したフロントガラスだけではなく、その他、コンバイナであっても良い。すなわち、本実施例の情報表示装置100では、運転者の視線8において自車両の前方に虚像を形成して運転者に視認させるものであれば良く、虚像として表示する情報としては、例えば、車両情報や監視カメラやアラウンドビュアーなどのカメラ(図示せず)で撮影した前景情報をも含むことは当然であろう。 This information display device 100 is a device (so-called HUD (Headup Display)) that displays various information reflected from a projection target 6 (in this embodiment, the inner surface of the windshield) as a virtual image VI (Virtual Image) to form a virtual image V1 in front of the vehicle in the driver's line of sight 8. The projection target 6 may be any member onto which information is projected, and may be not only the windshield described above, but also a combiner. In other words, the information display device 100 of this embodiment may be any device that forms a virtual image in front of the vehicle in the driver's line of sight 8 and allows the driver to view it, and the information displayed as a virtual image may naturally include, for example, vehicle information and foreground information captured by a camera (not shown) such as a surveillance camera or an around viewer.

また、情報表示装置100では、情報を表示する映像光を投射する映像表示装置4と、当該映像表示装置4に表示された映像を凹面ミラー1で虚像を形成する際に発生する歪や収差を補正するために補正用のレンズ群2が、映像表示装置4と凹面ミラー1の間に設けられている。 In addition, the information display device 100 includes an image display device 4 that projects image light to display information, and a correction lens group 2 between the image display device 4 and the concave mirror 1 to correct distortion and aberration that occurs when the image displayed on the image display device 4 is converted into a virtual image by the concave mirror 1.

そして、情報表示装置100は、上記映像表示装置4とバックライト5を制御する制御装置40とを備えている。なお、上記映像表示装置4とバックライト5などを含む光学部品は、以下に述べる虚像光学系であり、光を反射させる凹面ミラー1を含んでいる。また、この光学部品において反射した光は、被投影部材6にて反射されて運転者の視線8(EyeBox:後に詳述する)へと向かう。 The information display device 100 is equipped with a control device 40 that controls the image display device 4 and the backlight 5. The optical components including the image display device 4 and the backlight 5 are a virtual image optical system described below, and include a concave mirror 1 that reflects light. The light reflected by this optical component is reflected by the projection member 6 and directed toward the driver's line of sight 8 (EyeBox: described in detail later).

上記の映像表示装置4としては、例えば、バックライトを有するLCD(Liquid Crystal Display)の他に自発光のVFD(Vacuum Flourescent Display)などがある。 Examples of the image display device 4 include a backlit LCD (Liquid Crystal Display) and a self-illuminating VFD (Vacuum Fluorescent Display).

一方、上述した映像表示装置4の代わりに、投写装置によりスクリーンに映像を表示して、前述の凹面ミラー1で虚像とし被投影部材であるフロントガラス6で反射して運転者の視点8と向かわせても良い。 On the other hand, instead of using the image display device 4 described above, an image can be displayed on a screen using a projection device, and then the image can be made into a virtual image using the concave mirror 1 described above, and reflected by the windshield 6, which is the object to be projected, toward the driver's viewpoint 8.

このようなスクリーンとしては、例えば、マイクロレンズを2次元状に配置したマイクロレンズアレイにより構成しても良い。 Such a screen may be constructed, for example, from a microlens array in which microlenses are arranged two-dimensionally.

ここで、虚像の歪みを低減するために凹面ミラー1の形状は、図1に示す上部(相対的に運転者の視点との距離が短いフロントガラス6の下方で光線が反射する領域)では、拡大率が大きくなるように相対的に曲率半径が小さく、他方、下部(相対的に運転者の視点との距離が長いフロントガラス6の上方で光線が反射する領域)では、拡大率が小さくなるように相対的に曲率半径が大きくなる形状とすると良い。また、映像表示装置4を凹面ミラーの光軸に対して傾斜させることで上述した虚像倍率の違いを補正して発生する歪みそのものを低減することによっても、更に良好な補正が実現できる。 To reduce distortion of the virtual image, the shape of the concave mirror 1 should be such that the upper part shown in FIG. 1 (the area where light is reflected below the windshield 6, which is relatively close to the driver's viewpoint) has a relatively small radius of curvature so that the magnification is large, while the lower part (the area where light is reflected above the windshield 6, which is relatively far from the driver's viewpoint) has a relatively large radius of curvature so that the magnification is small. In addition, even better correction can be achieved by tilting the image display device 4 with respect to the optical axis of the concave mirror to correct the difference in virtual image magnification described above and reduce the distortion itself that occurs.

一方、乗用車のフロントガラス6は、図2、図3にも示すように、本体垂直方向の曲率半径Rvと水平方向の曲率半径Rhが異なり、一般には、Rh>Rvの関係にある。このため、反射面としてフロントガラス6を捉えると、凹面ミラーのトロイダル面となる。このため、本実施例の情報表示装置100では、凹面ミラー1の形状はフロントガラス6の形状による虚像倍率を補正するように、すなわち、フロントガラス6の垂直方向と水平方向の曲率半径の違いを補正するように水平方向と垂直方向で異なる平均曲率半径とすれば良い。この時、凹面ミラー1の形状は、光軸に対称な球面または非球面形状(後述する数2の式で表される形状)では、光軸からの距離rの関数であり、離れた場所の水平断面と垂直断面形状を個別に制御できないことから、後述する数1の式で表される自由曲面としてミラー面の光軸からの面の座標(x,y)の関数として補正することが好ましい。 On the other hand, as shown in Figs. 2 and 3, the windshield 6 of a passenger vehicle has a different radius of curvature Rv in the vertical direction of the body and a different radius of curvature Rh in the horizontal direction, and generally, the relationship is Rh>Rv. Therefore, when the windshield 6 is taken as a reflecting surface, it becomes a toroidal surface of a concave mirror. For this reason, in the information display device 100 of this embodiment, the shape of the concave mirror 1 is set to have different average radii of curvature in the horizontal and vertical directions so as to correct the virtual image magnification due to the shape of the windshield 6, that is, to correct the difference in the radii of curvature in the vertical and horizontal directions of the windshield 6. At this time, the shape of the concave mirror 1 is a function of the distance r from the optical axis in a spherical or aspherical shape symmetrical with respect to the optical axis (a shape expressed by the formula 2 described later), and since the horizontal and vertical cross-sectional shapes at distant locations cannot be controlled individually, it is preferable to correct it as a function of the coordinates (x, y) of the surface from the optical axis of the mirror surface as a free-form surface expressed by the formula 1 described later.

再び、図1に戻り、更に、映像表示装置4と凹面ミラー1の間に透過型の光学部品として、例えばレンズ素子2を配置し、もって、凹面ミラー1への光線の出射方向を制御することで凹面ミラー1の形状と合わせて歪曲収差の補正を行うと同時に、前述したフロントガラス6の水平方向の曲率半径と垂直方向の曲率半径の違いによって生じる非点収差を含めた虚像の収差補正を実現する。 Returning to FIG. 1, a lens element 2, for example, is placed between the image display device 4 and the concave mirror 1 as a transmissive optical component, and the direction of light emitted to the concave mirror 1 is controlled to correct distortion in accordance with the shape of the concave mirror 1, while at the same time achieving aberration correction of the virtual image, including astigmatism caused by the difference between the horizontal and vertical radii of curvature of the front glass 6 mentioned above.

また、収差補正能力を更に高めるために、上述した光学素子2を複数枚のレンズとしても良い。または、レンズ素子の代わりに曲面ミラーを配置して光路の折り返しと同時に凹面ミラー1への光線の入射位置を制御することで、歪曲収差を低減することもできる。以上にも述べたように、更に、収差補正能力を向上させるために最適設計された光学素子を凹面ミラー1と映像表示装置4の間に設けても、本発明の技術的思想または範囲を逸脱するものではないことは言うまでもない。更に、上述した光学素子2の光軸方向の厚さを変化させることで、本来の収差補正の他に凹面ミラー1と映像表示装置4の光学的な距離を変えて、虚像の表示位置を遠方から近接位置まで、連続的に変化させることもできる。 In addition, in order to further improve the aberration correction ability, the optical element 2 described above may be a plurality of lenses. Alternatively, a curved mirror may be placed instead of the lens element to control the incident position of the light beam on the concave mirror 1 while folding back the optical path, thereby reducing distortion. As described above, it goes without saying that even if an optical element optimally designed to improve the aberration correction ability is provided between the concave mirror 1 and the image display device 4, this does not deviate from the technical idea or scope of the present invention. Furthermore, by changing the thickness of the optical element 2 described above in the optical axis direction, in addition to the original aberration correction, the optical distance between the concave mirror 1 and the image display device 4 can be changed, and the display position of the virtual image can be changed continuously from a distant to a close position.

また、映像表示装置4を凹面ミラー1の光軸法線に対して傾けて配置することで虚像の上下方向の倍率の違いを補正しても良い。 The image display device 4 may also be tilted relative to the optical axis normal of the concave mirror 1 to correct the difference in magnification of the virtual image in the vertical direction.

一方、情報表示装置100の画質を低下させる要因として、映像表示装置4から凹面ミラー1に向かって出射する映像光線が途中に配置された光学素子2の表面で反射して映像表示装置4に戻り、再度反射して本来の映像光に重畳されて、画質を低下させることが知られている。このため、本実施例では、光学素子2の表面に反射防止膜を成膜して反射を抑えるだけでなく、更に、光学素子2の映像光入射面と出射面のいずれか一方、若しくは、両方のレンズ面形状を上述した反射光が映像表示装置4の一部分に集光しないような形状(例えば、映像表示装置4に凹面を向けた形状)となるよう、その面形状に制約を持たせて設計することが好ましい。 On the other hand, it is known that a factor that reduces the image quality of the information display device 100 is that the image light emitted from the image display device 4 toward the concave mirror 1 is reflected on the surface of the optical element 2 arranged along the way, returns to the image display device 4, and is reflected again and superimposed on the original image light, thereby reducing the image quality. For this reason, in this embodiment, not only is an anti-reflection film formed on the surface of the optical element 2 to suppress reflection, but it is also preferable to design the lens surface shape of either or both of the image light entrance surface and exit surface of the optical element 2 with constraints on the surface shape so that the above-mentioned reflected light is not concentrated on a portion of the image display device 4 (for example, a shape with a concave surface facing the image display device 4).

次に、映像表示装置4として、上述した光学素子2からの反射光を吸収させるために液晶パネルに近接して配置された第一の偏光板に加えて、第二の偏光板を液晶パネルと分離して配置すれば、画質の低下を軽減できる。また、液晶パネルのバックライト5は、液晶パネル4に入射する光の入射方向を凹面ミラー1の入射瞳に効率よく入射するように制御される。この時、液晶パネルに入射する光束の発散角を小さくすれば、効率よく運転者のアイポイントに映像光を向けることができるばかりでなく、更に、図27および図31に示すようにコントラストの高い視認性の良い映像を得ることが可能となる。映像の発散角に対するコントラスト性能は水平方向の方が顕著で±20度以内であれば優れた特性が得られる。更にコントラスト性能を向上させるためには、±10度以内の光束を利用すると良い。 Next, in the image display device 4, in addition to the first polarizing plate arranged close to the liquid crystal panel to absorb the reflected light from the optical element 2 described above, if a second polarizing plate is arranged separately from the liquid crystal panel, the deterioration of image quality can be reduced. Also, the backlight 5 of the liquid crystal panel is controlled so that the direction of incidence of light incident on the liquid crystal panel 4 is efficiently incident on the entrance pupil of the concave mirror 1. At this time, if the divergence angle of the light beam incident on the liquid crystal panel is reduced, not only can the image light be efficiently directed to the driver's eye point, but also, as shown in Figures 27 and 31, it is possible to obtain an image with high contrast and good visibility. The contrast performance against the divergence angle of the image is more noticeable in the horizontal direction, and excellent characteristics can be obtained if it is within ±20 degrees. In order to further improve the contrast performance, it is recommended to use a light beam within ±10 degrees.

一方、光源としては、製品寿命が長い固体光源を採用することが好ましく、更には、周囲温度の変動に対する光出力変化が少ないLED(Light Emitting Diode)として光の発散角を低減する光学手段を設けたPBS(Polarizing Beam Splitter)を用いて偏光変換を行うことが好ましい。 On the other hand, it is preferable to use a solid-state light source with a long product life as the light source, and moreover, it is preferable to use an LED (Light Emitting Diode) that has little change in light output due to fluctuations in the ambient temperature, and to perform polarization conversion using a PBS (Polarizing Beam Splitter) equipped with optical means for reducing the divergence angle of the light.

液晶パネルのバックライト5側(光入射面)と光学素子2側(光出射面)には、偏光板が配置されており、これにより、映像光のコントラスト比を高めている。バックライト5側(光入射面)に設ける偏光板には、偏光度が高いヨウ素系のものを採用すれば、高いコントラスト比が得られる。一方、光学素子2側(光出射面)には染料系の偏光板を用いることによれば、外光が入射した場合や環境温度が高い場合でも、高い信頼性を得ることが可能となる。 Polarizing plates are arranged on the backlight 5 side (light entrance surface) and the optical element 2 side (light exit surface) of the liquid crystal panel, which increases the contrast ratio of the image light. If an iodine-based polarizing plate with a high degree of polarization is used for the polarizing plate on the backlight 5 side (light entrance surface), a high contrast ratio can be obtained. On the other hand, by using a dye-based polarizing plate on the optical element 2 side (light exit surface), high reliability can be obtained even when external light is incident or the ambient temperature is high.

映像表示装置4として液晶パネルを用いる場合、特に、運転者が偏光サングラスを着用している場合には、特定の偏波が遮蔽されて映像が見えない不具合が発生する。これを防ぐために、液晶パネルの光学素子2側に配置した偏光板の光学素子側にλ/4板を配置し、もって、特定の偏光方向に揃った映像光を円偏光に変換することが好ましい。 When a liquid crystal panel is used as the image display device 4, a problem occurs in which certain polarized waves are blocked and the image cannot be seen, particularly when the driver is wearing polarized sunglasses. To prevent this, it is preferable to place a λ/4 plate on the optical element side of the polarizing plate placed on the optical element 2 side of the liquid crystal panel, thereby converting image light aligned in a specific polarization direction into circularly polarized light.

制御装置40は、このようなナビゲーションシステム61から、自車両が走行している現在位置に対応する道路の制限速度や車線数、ナビゲーションシステム61に設定された自車両の移動予定経路などの各種の情報を、前景情報(すなわち、上記虚像により自車両の前方に表示する情報)として取得する。 The control device 40 obtains various information from the navigation system 61, such as the speed limit and number of lanes of the road corresponding to the current position of the vehicle, and the planned route of travel of the vehicle set in the navigation system 61, as foreground information (i.e., information displayed in front of the vehicle using the virtual image).

運転支援ECU62は、周辺監視装置63での監視の結果として検出された障害物に従って駆動系や制御系を制御することで、運転支援制御を実現する制御装置であり、運転支援制御としては、例えば、クルーズコントロール、アダプティブクルーズコントロール、プリクラッシュセーフティ、レーンキーピングアシストなどの周知技術を含む。 The driving assistance ECU 62 is a control device that realizes driving assistance control by controlling the drive system and control system according to obstacles detected as a result of monitoring by the surroundings monitoring device 63. Examples of driving assistance control include well-known technologies such as cruise control, adaptive cruise control, pre-crash safety, and lane keeping assist.

周辺監視装置63は、自車両の周辺の状況を監視する装置であり、一例としては、自車両の周辺を撮影した画像に基づいて自車両の周辺に存在する物体を検出するカメラや、探査波を送受信した結果に基づいて自車両の周辺に存在する物体を検出する探査装置などである。 The surroundings monitoring device 63 is a device that monitors the situation around the vehicle. Examples include a camera that detects objects around the vehicle based on images captured around the vehicle, and a detection device that detects objects around the vehicle based on the results of transmitting and receiving detection waves.

制御装置40は、このような運転支援ECU62からの情報(例えば、先行車両までの距離および先行車両の方位、障害物や標識が存在する位置など)を前景情報として取得する。更に、制御装置40には、イグニッション(IG)信号、および、自車状態情報が入力される。これらの情報の内、自車状態情報とは、車両情報として取得される情報であり、例えば、内燃機関の燃料の残量や冷却水の温度など、予め規定された異常状態となったことを表す警告情報を含んでいる。また、方向指示器の操作結果や自車両の走行速度、更には、シフトポジション情報なども含まれている。以上述べた制御装置40は、イグニッション信号が入力されると起動する。以上が、本願実施例の情報表示装置全体システムの説明である。 The control device 40 acquires information from the driving assistance ECU 62 as foreground information (e.g., distance to the preceding vehicle, direction of the preceding vehicle, location of obstacles and signs, etc.). In addition, an ignition (IG) signal and vehicle status information are input to the control device 40. Of these pieces of information, the vehicle status information is information acquired as vehicle information, and includes, for example, warning information indicating a predetermined abnormal state, such as the remaining amount of fuel in the internal combustion engine and the temperature of the cooling water. It also includes the operation result of the turn signal, the traveling speed of the vehicle, and even shift position information. The control device 40 described above is activated when an ignition signal is input. This concludes the description of the entire information display device system of the embodiment of the present application.

<虚像光学系の第一の実施形態>
次に、本実施例に係る虚像光学系、および、映像表示装置の更なる詳細について、以下に説明する。
First Embodiment of Virtual Image Optical System
Next, the virtual image optical system and the image display device according to this embodiment will be described in further detail below.

図2は、既述のように、本実施例における情報表示装置100を搭載した自動車の上面図であり、自動車本体101の運転席前部には、被投影部材6としてのフロントガラスが存在する。なお、このフロントガラスは、自動車のタイプによって、車体に対する傾斜角度が異なる。更に、発明者らは、最適な虚像光学系を実現するため、この曲率半径についても調査した。その結果、フロントガラスは、図3に示すように、自動車の接地面に対して平行な水平方向の曲率半径Rhと、水平軸に対して直交する垂直方向の曲率半径Rvとで異なり、RhとRvの間には、一般的に、下記の関係があることが判った。
Rh>Rv
As described above, Fig. 2 is a top view of a car equipped with the information display device 100 of this embodiment, and in front of the driver's seat of the car body 101, there is a windshield as a projection target member 6. The inclination angle of the windshield with respect to the car body differs depending on the type of car. Furthermore, the inventors investigated the radius of curvature of the windshield in order to realize an optimal virtual image optical system. As a result, as shown in Fig. 3, the windshield has a different radius of curvature Rh in the horizontal direction parallel to the ground surface of the car and a radius of curvature Rv in the vertical direction perpendicular to the horizontal axis, and it was found that there is generally the following relationship between Rh and Rv.
Rh>Rv

また、この曲率半径の違い、すなわち、Rvに対するRhは、1.5倍から2.5倍の範囲にあるものが多いことも判明した。 It was also found that the difference in the radius of curvature, i.e., Rh relative to Rv, is often in the range of 1.5 to 2.5 times.

次に、発明者らは、フロントガラスの傾斜角度についても市販品を調査した。その結果、車体タイプによっても異なるが、軽自動車や1Boxタイプでは20度~30度、セダンタイプでは30度~40度、スポーツタイプでは40度以上であった。そこで、本実施例では、フロントガラスの自動車の接地面に対して平行な水平方向の曲率半径Rhと水平軸に対して直交する垂直方向の曲率半径Rvの違いとフロントガラスの傾斜角について考慮し、虚像光学系の設計を行った。 Next, the inventors investigated the inclination angle of commercially available windshields. The results showed that, although it differed depending on the vehicle type, it was 20 to 30 degrees for minicars and one-box types, 30 to 40 degrees for sedan types, and 40 degrees or more for sports cars. Therefore, in this embodiment, the virtual image optical system was designed taking into consideration the difference between the horizontal radius of curvature Rh of the windshield parallel to the vehicle's contact surface and the vertical radius of curvature Rv perpendicular to the horizontal axis, as well as the inclination angle of the windshield.

より詳細には、被投影部材であるフロントガラスの水平曲率半径Rhと垂直曲率半径Rvとは、これらは大きく異なるため、光軸(Z軸)に対してフロントガラスの水平軸およびこの軸に垂直な軸に対して軸非対称な光学素子2を虚像光学系内に設けることにより、良好な収差補正を実現した。 More specifically, since the horizontal radius of curvature Rh and the vertical radius of curvature Rv of the windshield, which is the object to be projected, are significantly different, good aberration correction is achieved by providing an optical element 2 in the virtual image optical system that is axially asymmetric with respect to the horizontal axis of the windshield and the axis perpendicular to this axis with respect to the optical axis (Z axis).

次に、発明者らは、情報表示装置100の小型化について検討を行った。検討の条件として、FOVの水平:7度,垂直2.6度とし、更に、虚像距離2mとして検討を行った。検討の当初、虚像を生成する凹面ミラー1(以下の図5では、平面ミラーとして簡易的に表示する)と映像表示装置4およびバックライト5を基本構成として、映像表示装置4と凹面ミラー1の間に光路折り返しミラーを1枚配置して、情報表示装置100の容積が最小になるように、それぞれの部材の配置と映像表示装置4から凹面ミラー1までの距離をパラメータとしてシミュレーションを行った。 Next, the inventors investigated miniaturization of the information display device 100. The conditions for the investigation were a horizontal FOV of 7 degrees and a vertical FOV of 2.6 degrees, and a virtual image distance of 2 m. At the beginning of the investigation, the basic components were a concave mirror 1 (simply shown as a flat mirror in FIG. 5 below) that generates a virtual image, an image display device 4, and a backlight 5, and a single optical path folding mirror was placed between the image display device 4 and the concave mirror 1. Simulations were performed using the arrangement of each component and the distance from the image display device 4 to the concave mirror 1 as parameters to minimize the volume of the information display device 100.

その結果、映像表示装置4からの映像光がそれぞれの部品に干渉しないように配置した場合の容積は3.6リットルとなった。その後、更なる小型化を狙って光路折り返しミラーを除いた直接方式について検討を行った。 As a result, when the image light from the image display device 4 was arranged so that it did not interfere with each component, the volume was 3.6 liters. After that, in order to further reduce the size, we investigated a direct method that does not use the optical path folding mirror.

図4を参照して本実施例の虚像光学系の構成について説明する。この図4は、図1に示した本実施例の虚像光学系において小型化の検討を行うための基本構成を示した全体構成図である。説明の簡略化のために、収差および歪曲収差補正用の光学素子は省略し、図1に示したウインドガラス6と同様に、その垂直断面形状を示している。映像表示装置4としては、液晶パネルを想定し、バックライト5を配置した構成を基本構成として、映像表示装置4は、表示された映像を凹面ミラー1によって虚像が得られる位置に配置される。 The configuration of the virtual image optical system of this embodiment will be described with reference to Figure 4. This Figure 4 is an overall configuration diagram showing the basic configuration for studying miniaturization in the virtual image optical system of this embodiment shown in Figure 1. For simplicity of explanation, the optical elements for correcting aberration and distortion are omitted, and the vertical cross-sectional shape is shown, similar to the window glass 6 shown in Figure 1. The image display device 4 is assumed to be a liquid crystal panel, and the basic configuration is one in which a backlight 5 is arranged, and the image display device 4 is placed at a position where the displayed image is converted into a virtual image by the concave mirror 1.

この時、図5に示したように、映像表示装置4の画面中央の映像から発生した映像光R2、上端からの映像光R1、および、下端からの映像光R3は、それぞれ、凹面ミラー1で反射した際に映像表示装置4に干渉して光が遮られないように配置することが設計的な制約となる。 At this time, as shown in FIG. 5, the design constraint is that the image light R2 generated from the image at the center of the screen of the image display device 4, the image light R1 from the top end, and the image light R3 from the bottom end are each positioned so that they do not interfere with the image display device 4 and block the light when reflected by the concave mirror 1.

発明者らは、上述した設計制約を考慮して、同時に、FOVの水平:7度,垂直2.6度とし、更に、虚像距離2mとして、凹面ミラー1と映像表示装置4(液晶パネルとバックライト5)との間隔Zをパラメータとして情報表示装置100の容積を求めた。距離Zが100mmの場合は、凹面ミラー1の垂直寸法を最も小さくできる。距離Zを75mmとした場合には水平面と凹面ミラー1の角度α2が大きくなり、凹面ミラー1の垂直寸法も大きくなる。距離Zを更に短縮して50mm以下にすると水平面と凹面ミラー1の角度α3が大きくなり、凹面ミラー1の垂直寸法も更に大きくなる。 The inventors took into consideration the above-mentioned design constraints, and at the same time, set the FOV horizontal: 7 degrees, vertical: 2.6 degrees, and further set the virtual image distance to 2 m, and calculated the volume of the information display device 100 using the distance Z between the concave mirror 1 and the image display device 4 (liquid crystal panel and backlight 5) as a parameter. When the distance Z is 100 mm, the vertical dimension of the concave mirror 1 can be made the smallest. When the distance Z is set to 75 mm, the angle α2 between the horizontal plane and the concave mirror 1 becomes large, and the vertical dimension of the concave mirror 1 also becomes large. When the distance Z is further shortened to 50 mm or less, the angle α3 between the horizontal plane and the concave mirror 1 becomes large, and the vertical dimension of the concave mirror 1 also becomes larger.

以上に述べたように、距離Zをパラメータとして、映像表示装置4のセット高さとセット奥行きの関係をシミュレーションすると、距離Zを小さくすればセット奥行きが低減できるが、一方で、セット高さが高くなる。同様に、距離Zとセット容積Lの関係は、映像表示装置4から凹面ミラーまでの空間容積(光路容積と表示)に比べ、セット容積(LCD駆動回路,光源駆動回路、バックライト部体積含む)の変化は距離Zが60mmを境界として変化した。 As described above, when simulating the relationship between the set height and set depth of the image display device 4 using distance Z as a parameter, the set depth can be reduced by making distance Z smaller, but on the other hand, the set height increases. Similarly, in terms of the relationship between distance Z and set volume L, compared to the spatial volume from the image display device 4 to the concave mirror (referred to as the optical path volume), the change in the set volume (including the LCD drive circuit, light source drive circuit, and backlight volume) changes at a distance Z of 60 mm.

以上のことから、情報表示装置100を小型化するためには、映像表示装置4に表示された映像を直接凹面ミラー1で拡大する距離Zが短い虚像光学系を実現する必要があり、映像表示装置4の映像表示部の画面垂直方向中心は凹面ミラー1の中心より下側に配置されることが必要であることが判った。 From the above, it was found that in order to miniaturize the information display device 100, it is necessary to realize a virtual image optical system with a short distance Z in which the image displayed on the image display device 4 is directly magnified by the concave mirror 1, and that the vertical center of the screen of the image display unit of the image display device 4 needs to be located below the center of the concave mirror 1.

一方、この配置では、映像表示装置4と凹面ミラー1の上端までの距離(光線R1に対応)が長く、映像表示装置4と凹面ミラー1の下端までの距離(光線R3に対応)は短くなる。そこで、映像表示装置4を映像表示装置4と凹面ミラー1の距離が可能な限り均一になるように配置するのが良い。 On the other hand, with this arrangement, the distance between the image display device 4 and the upper end of the concave mirror 1 (corresponding to light ray R1) is long, and the distance between the image display device 4 and the lower end of the concave mirror 1 (corresponding to light ray R3) is short. Therefore, it is advisable to arrange the image display device 4 so that the distance between the image display device 4 and the concave mirror 1 is as uniform as possible.

本実施例の虚像光学系(図6および図7を参照)では、映像表示装置4と凹面ミラー1の間に虚像の歪み補正と虚像で発生する収差を補正する光学素子による収差補正を行うが、これについては後に図8を用いて説明する。すなわち、凹面ミラー1の光軸上の点Oに対して焦点F(焦点距離f)の内側に映像表示装置4(物点)を配置することで、凹面ミラー1による虚像を得ることができる。この図8では、説明の都合上、凹面ミラー1を同じ正の屈折力を持つ凸レンズとみなし、物点と凸レンズ(説明の都合上、図8では凹面ミラーで表記)と発生する虚像の関係を示した。 In the virtual image optical system of this embodiment (see Figures 6 and 7), distortion correction of the virtual image and aberration correction by optical elements that correct aberrations generated by the virtual image are performed between the image display device 4 and the concave mirror 1, which will be explained later using Figure 8. That is, by placing the image display device 4 (object point) inside the focal point F (focal length f) with respect to point O on the optical axis of the concave mirror 1, a virtual image can be obtained by the concave mirror 1. For convenience of explanation, Figure 8 regards the concave mirror 1 as a convex lens with the same positive refractive power, and shows the relationship between the object point, the convex lens (for convenience of explanation, it is represented as a concave mirror in Figure 8), and the virtual image generated.

本実施例では、凹面ミラー1で発生する歪みと収差を低減するために光学素子2を配置する。この光学素子は、透過型の光学レンズであっても凹面ミラーであっても良いが、映像表示装置4からの映像光が:
(1)テレセントリックな光束として反射面へ入射する場合は、レンズまたは凹面ミラー1の屈折力はほぼ零となる;
(2)映像表示装置4からの映像光が発散して光学素子に入射する場合には、光学素子は正の屈折力を持つ;
(3)映像表示装置4からの映像光が集光して光学素子に入射する場合には、光学素子は負の屈折力を持つ;
ようにして、凹面ミラーに入射する光束の方向(角度と位置)を制御し、発生する虚像の歪曲収差を補正する。更に、透過型の光学レンズの場合には、映像表示装置4側の入射面と凹面ミラー1側の出射面の相互作用により、虚像に発生する結像性能に関する収差を補正する。本実施例では一つの光学素子について述べたが、複数の透過型の光学素子であっても良く、あるいは、反射型の光学素子(ミラー)と透過型の光学素子の組合せとしても良い。
In this embodiment, an optical element 2 is disposed to reduce distortion and aberration occurring in the concave mirror 1. This optical element may be a transmissive optical lens or a concave mirror, but when the image light from the image display device 4 is:
(1) When a telecentric light beam is incident on a reflecting surface, the refractive power of the lens or concave mirror 1 is approximately zero;
(2) When the image light from the image display device 4 diverges and enters the optical element, the optical element has a positive refractive power;
(3) When the image light from the image display device 4 is condensed and enters the optical element, the optical element has a negative refractive power;
In this way, the direction (angle and position) of the light beam incident on the concave mirror is controlled, and distortion aberration of the virtual image that occurs is corrected. Furthermore, in the case of a transmissive optical lens, the interaction between the entrance surface on the image display device 4 side and the exit surface on the concave mirror 1 side corrects aberration related to the imaging performance that occurs in the virtual image. Although one optical element has been described in this embodiment, multiple transmissive optical elements may be used, or a combination of a reflective optical element (mirror) and a transmissive optical element may be used.

この時、運転者が視認する虚像の大きさは、前述したように、フロントガラスの傾斜により生じる映像表示装置4と凹面ミラー1の距離aと凹面ミラー1と虚像までの距離bが虚像の上端と下端で異なる。そのため、フロントガラスまたはコンバイナを反射面として、虚像の二重像が発生する。そこで、本実施例では、かかる場合に生じる虚像の二重像化を光学系の工夫で軽減する技術を開発し、以下にその詳細について述べる。 At this time, as described above, the size of the virtual image seen by the driver differs between the upper and lower ends of the virtual image due to the inclination of the windshield, that is, the distance a between the image display device 4 and the concave mirror 1 and the distance b between the concave mirror 1 and the virtual image. As a result, a double virtual image occurs with the windshield or combiner as the reflecting surface. Therefore, in this embodiment, a technology has been developed to reduce the double virtual image that occurs in such cases by using optical system innovations, and the details of this technology are described below.

<虚像二重像化発生のメカニズム>
発明者らは、種々の検討の結果、下記に述べる知見に基づいて、以下に詳述する虚像の二重像化を軽減する技術を開発した。
<Mechanism of virtual and double image generation>
As a result of various investigations, the inventors have developed a technique for reducing double images caused by virtual images, which will be described in detail below, based on the findings described below.

フロントガラスの上部で反射して運転者が視認する虚像は、図9に示すように、フロントガラスの傾斜と前述の虚像を生成する光線がフロントガラスに斜めから入射するため、フロントガラスの厚さをtとすると、ドライバに近い反射面(以降、反射面1と記載)で反射する正規光の反射位置aと、ドライバから遠い反射面(以降、反射面2と記載)で反射する裏面反射光の反射位置bが垂直方向に距離Lだけ上方にずれてしまい、二つの虚像が形成される。 As shown in Figure 9, the virtual image reflected by the top of the windshield and viewed by the driver is caused by the inclination of the windshield and the light rays that generate the virtual image enter the windshield at an angle. If the thickness of the windshield is t, then the reflection position a of the normal light reflected by the reflective surface closest to the driver (hereafter referred to as reflective surface 1) and the reflection position b of the back-reflected light reflected by the reflective surface farther from the driver (hereafter referred to as reflective surface 2) are shifted vertically upward by a distance L, forming two virtual images.

この正規光による正規虚像と裏面反射光による第二の虚像は、空気からフロントガラスに入射光の反射率4%とフロントガラスと空気界面での反射率4%が等しいため、これら正規虚像と裏面反射光による虚像の明るさはほぼ等しい。このため、裏面反射光による虚像の明るさの低減が、虚像による映像の良好な解像性能を得るためには不可欠となる。 The normal virtual image created by normal light and the second virtual image created by back-reflected light have almost the same brightness because the reflectance of light incident on the windshield from the air is 4% and the reflectance at the interface between the windshield and the air is 4%. For this reason, reducing the brightness of the virtual image created by back-reflected light is essential to achieving good resolution performance for virtual images.

一方、フロントガラス下部においても反射して運転者が視認する虚像は、図9に示した上部での反射と同様、フロントガラスの傾斜と前述の虚像を生成する光線がフロントガラスに斜めから入射するが、他方の裏面反射光は正規反射光の上方にずれて二つの虚像が形成される。 On the other hand, the virtual image that is reflected at the bottom of the windshield and viewed by the driver is similar to the reflection at the top shown in Figure 9, as the windshield is tilted and the light rays that generate the virtual image enter the windshield at an angle, but the other back-reflected light is shifted above the regular reflected light, forming two virtual images.

更に、画面左右方向においては、正規反射光に対して凹面ミラーの光軸がフロントガラスと交差する点から離れる方向に裏面反射光がずれて、二つの虚像が形成される。 Furthermore, in the left-right direction of the screen, the back-reflected light is shifted away from the point where the optical axis of the concave mirror intersects with the windshield compared to the regular reflected light, forming two virtual images.

前述したようにフロントガラスの屈折率を1.5とすると、映像光線のフロントガラスへの入射角度と反射率の関係は図34に示すように、垂直入射の場合反射率はS偏光とP偏光、共に、4%程度であるが入射角度が25度を超えるとS偏波の反射率が大きくなる。 As mentioned above, if the refractive index of the windshield is 1.5, the relationship between the angle of incidence of the image light on the windshield and the reflectance is as shown in Figure 34. In the case of perpendicular incidence, the reflectance is about 4% for both S-polarized and P-polarized light, but when the angle of incidence exceeds 25 degrees, the reflectance of S-polarized light increases.

このため、映像表示装置としてLCDを用いる場合は映像出力光をどちら側の偏波を使用するかでフロントガラスの反射率が異なるため、ドライバが視認できる虚像の明るさが、反射面への入射角度で変化する可能性が生じる。 For this reason, when using an LCD as an image display device, the reflectivity of the windshield differs depending on which polarization is used for the image output light, and the brightness of the virtual image visible to the driver may change depending on the angle of incidence on the reflective surface.

更に、フロントガラスと凹面ミラーの距離を変えずにドライバが虚像を視認できる領域を拡大すると、映像光線がフロントガラスに入射する角度が大きくなり画面の上下左右に二重像が発生し虚像のフォーカス感を阻害する。 Furthermore, if the area in which the driver can see the virtual image is expanded without changing the distance between the windshield and the concave mirror, the angle at which the image light enters the windshield increases, resulting in double images appearing above, below, left and right of the screen, hindering the sense of focus of the virtual image.

このため、発明者らは、映像表示装置4を凹面ミラー1の光軸に対して図8に示すように傾けることで、虚像上端部の像倍率M’=b’/a’と、虚像下端部の像倍率M=b/aとを略一致させ、このことによって発生する歪曲収差の低減をすると更に良いことを見つけ出した。 The inventors therefore discovered that by tilting the image display device 4 with respect to the optical axis of the concave mirror 1 as shown in FIG. 8, the image magnification M' = b'/a' at the upper end of the virtual image can be made to approximately match the image magnification M = b/a at the lower end of the virtual image, thereby reducing the distortion aberration that occurs.

更に、光学素子2の垂直方向の断面形状の平均曲率半径と水平方向の断面形状の平均曲率半径とを異なる値として、前述したフロントガラスの垂直方向曲率半径Rvと水平方向曲率半径Rhの違いにより発生する光路差によって発生する、歪曲収差と虚像の結像性能を低下させる収差を補正する。 Furthermore, the average radius of curvature of the vertical cross-sectional shape of the optical element 2 is set to different values from the average radius of curvature of the horizontal cross-sectional shape, thereby correcting the distortion aberration and the aberration that reduces the imaging performance of the virtual image caused by the optical path difference resulting from the difference between the vertical radius of curvature Rv and the horizontal radius of curvature Rh of the front glass described above.

上記に述べたように、フロントガラス6に直接映像光を反射させて虚像を得る情報表示装置100においては、フロントガラス6の垂直方向曲率半径Rvと水平方向曲率半径Rhの違いにより生じる光路差によって発生する収差の補正が、虚像の結像性能確保において最も重要になる。 As described above, in the information display device 100 that obtains a virtual image by directly reflecting image light onto the windshield 6, the most important thing in ensuring the imaging performance of the virtual image is to correct the aberration caused by the optical path difference resulting from the difference between the vertical radius of curvature Rv and the horizontal radius of curvature Rh of the windshield 6.

このため、発明者らは、従来の光学設計に用いられてきた、光軸からの距離rの関数としてレンズ面やミラー面の形状を定義する非球面形状(下記の数2の式を参照)に対して、光軸からの絶対座標(x,y)の関数として面の形状を定義することが可能な自由曲面形状(以下の数1の式を参照)を用いることにより、上述したフロントガラスの曲率半径の違いによる虚像の結像性能低下を軽減した。 For this reason, the inventors have reduced the degradation of virtual image formation performance caused by the above-mentioned difference in the radius of curvature of the windshield by using a free-form surface shape (see equation 1 below) that allows the shape of the surface to be defined as a function of absolute coordinates (x, y) from the optical axis, as opposed to the aspheric surface shape (see equation 2 below) that has been used in conventional optical design and defines the shape of the lens surface or mirror surface as a function of the distance r from the optical axis.

Figure 0007562805000001
Figure 0007562805000001

なお、光軸からの距離rの関数としてレンズ面やミラー面の形状を定義する非球面形状は、以下の数2の式ように表される。 The aspheric shape that defines the shape of a lens surface or mirror surface as a function of the distance r from the optical axis is expressed by the following formula 2.

Figure 0007562805000002
Figure 0007562805000002

自動車用のフロントガラスの屈折率は通常n=1.5であり、一面当たりの反射率は5%である。上述したように、情報表示装置は、フロントガラスで虚像を反射させて運転者のアイボックス内に映像を結ばせるものである。このため、図9に示したように、映像光線はフロントガラスの車内側の反射面1で反射した正規反射光と、外気に接した反射面2で反射した裏面反射光とに分離され、運転者の目には二重像として認識される。この二重像はフロントガラスの垂直方向と水平方向により発生する方向が異なり、情報表示装置100がフロントガラスの下方に配置された場合には、裏面反射光により発生する二重像は、正規反射光による映像の上部に発生する。 The refractive index of an automobile windshield is usually n=1.5, and the reflectance per surface is 5%. As described above, the information display device reflects a virtual image on the windshield to focus the image in the driver's eyebox. For this reason, as shown in FIG. 9, the image light is separated into regular reflected light reflected by reflective surface 1 on the inside of the windshield and back-reflected light reflected by reflective surface 2 exposed to the outside air, and is recognized as a double image by the driver's eyes. The direction in which this double image occurs differs depending on the vertical and horizontal directions of the windshield, and when the information display device 100 is placed below the windshield, the double image generated by the back-reflected light appears above the image generated by the regular reflected light.

同様に、情報表示装置100がフロントガラスの上方に配置された場合においても、裏面反射光により発生する二重像は、正規反射光による映像の上部に発生する。 Similarly, even if the information display device 100 is placed above the windshield, the double image caused by the backside reflected light appears above the image caused by the regular reflected light.

一方、フロントガラスに水平な方向の二重像は、フロントガラス中心より周辺部で曲率半径が小さくなるため、その周辺部では外側(運転者から離れた方向)に発生する。これを軽減するために、
(1)フロントガラスの外気に接した面に反射防止膜を設けて裏面反射光を軽減する。
(2)更に、発明者らは虚像を発生させる投写光学系において、以下に説明する方策を適用することにより、見た目の二重像を軽減することを考え出した。
On the other hand, double images in the horizontal direction on the windshield occur on the outside (away from the driver) in the periphery of the windshield because the radius of curvature is smaller at the periphery than at the center of the windshield.
(1) An anti-reflective coating is applied to the surface of the windshield exposed to the outside air to reduce light reflected from the back side.
(2) Furthermore, the inventors have devised a method for reducing the appearance of double images in a projection optical system that generates a virtual image by applying the measures described below.

次に、上述した二重像を軽減する実施例を図10により詳細に説明する。なお、ここでは、説明を簡略化するために実像投写光学系を用いて説明する。 Next, an embodiment for reducing the above-mentioned double images will be described in detail with reference to FIG. 10. Note that, for simplicity, a real image projection optical system will be used for the explanation.

図10は、実像投写光学系の物点P1と結像点P0の関係を示している。結像性能の評価は、虚像側(本来の結像点)から物点であるパネル面(本来の物点)に向かって入射瞳を均等分割して光線を飛ばし、パネル面での結像性能を評価する。 Figure 10 shows the relationship between object point P1 and image point P0 in a real image projection optical system. Imaging performance is evaluated by equally dividing the entrance pupil and directing light rays from the virtual image side (the original image point) toward the panel surface (the original object point), which is the object point, and evaluating the imaging performance on the panel surface.

運転者のアイボックス内を図11に示すように分割し、均等間隔で光線追跡を行い、それぞれの評価ポイントに対応するパネル面での結像性能を評価した。本実施例に係る図14および図15に示したレンズデータに基づく結果は、図12および図13に示すように、画面中央と周辺部で発生する収差の大きさが異なるため、スポット形状が画面内の位置で異なり、入射瞳の中央(光軸と交差する点)を通過する主光線に対してスポットが同心円状にならずにボケ(収差)が発生する。 The inside of the driver's eyebox was divided as shown in Figure 11, and ray tracing was performed at equal intervals to evaluate the imaging performance on the panel surface corresponding to each evaluation point. The results based on the lens data shown in Figures 14 and 15 for this embodiment show that, as shown in Figures 12 and 13, the magnitude of aberration generated at the center and periphery of the screen is different, so the spot shape differs depending on the position on the screen, and the spot does not become concentric with respect to the chief ray passing through the center of the entrance pupil (the point where it intersects with the optical axis), resulting in blurring (aberration).

そこで、レンズの設計において、主光線より外側に発生する収差を低減するために、瞳の上部周辺部分を通過する光線が主光線より内側に向かうように設計すると良い。具体的には、主光線が通過する光線位置より上部周辺部分を通過する光線が通過する光路における屈折力が、主光線が通過する光路における屈折力と比較して相対的に強くなる形状を有する光学素子を配置すると良い。 Therefore, in order to reduce aberrations that occur outside the chief ray, it is advisable to design the lens so that light rays passing through the upper peripheral part of the pupil are directed inward from the chief ray. Specifically, it is advisable to arrange an optical element having a shape such that the refractive power in the optical path through which light rays passing through the upper peripheral part above the position of the light ray through which the chief ray passes is relatively stronger than the refractive power in the optical path through which the chief ray passes.

このことを、図10に示したように、像点から物点に向かって光線を飛ばす逆追跡の場合について説明する。この手法では、物点を虚像側に、像点をパネル面として、虚像光学系の入射瞳を均等分割して光線を飛ばし、パネル面での結像性能を評価する。虚像光学系においても、実線で示したメリディオナル光線と破線で示したサジタル光線では、虚像光学系の相対的な屈折力が異なる。 This will be explained in the case of reverse tracing, in which light rays are sent from an image point to an object point, as shown in Figure 10. In this method, the object point is the virtual image side and the image point is the panel surface, the entrance pupil of the virtual image optical system is equally divided, light rays are sent, and the imaging performance at the panel surface is evaluated. Even in the virtual image optical system, the relative refractive power of the virtual image optical system differs between the meridional ray shown by the solid line and the sagittal ray shown by the dashed line.

このため、サジタル光線でフォーカス性能を最良とすると、メリディオナル光線はパネル面の手前で集光し、パネル面では収差が発生する(図中グレー(メッシュ部分)で表示)。このため、前述したフロントガラスで発生する二重像のうち、情報表示装置100がフロントガラスの下方に配置された場合には、裏面反射光により発生する二重像は、正規反射光による映像の上部に発生する。そのため、これを軽減するには、主光線より下に収差が発生するように、入射瞳の中心より上部を通過する光線が通過する虚像光学系の相対屈折力を、他方の入射瞳の中心および中心より下部を通過する光線が通過する虚像光学系の相対屈折力よりも、小さくすると良い。 For this reason, if the focus performance is optimal with sagittal rays, the meridional rays will be focused in front of the panel surface, and aberration will occur on the panel surface (shown in gray (mesh) in the figure). For this reason, of the double images that occur on the windshield described above, when the information display device 100 is placed below the windshield, the double image that occurs due to back-reflected light will occur above the image due to regular reflected light. Therefore, in order to reduce this, it is advisable to make the relative refractive power of the virtual image optical system through which the light rays that pass above the center of the entrance pupil pass smaller than the relative refractive power of the virtual image optical system through which the light rays that pass at the center and below the center of the other entrance pupil pass, so that aberration will occur below the chief ray.

一方、フロントガラスに水平な方向の二重像はフロントガラス中心より周辺部で曲率半径が小さくなるため、周辺部では二重像は外側(運転者から離れた方向)に発生する。そのため、裏面反射光により発生する二重像は、正規反射光による映像の外側に発生するので、これを軽減するには、主光線より内側に収差が発生するように、入射瞳の中心より外側を通過する光線が通過する虚像光学系の相対屈折力を、他方の入射瞳の中心および中心より内側を通過する光線が通過する虚像光学系の相対屈折力より小さくすると良い。 On the other hand, the radius of curvature of a double image in a direction horizontal to the windshield is smaller at the periphery than at the center of the windshield, so in the periphery, the double image appears to the outside (away from the driver). Therefore, since the double image caused by back-reflected light appears outside the image caused by regular reflected light, in order to reduce this, it is advisable to make the relative refractive power of the virtual image optical system through which light rays passing outside the center of the entrance pupil pass smaller than the relative refractive power of the virtual image optical system through which light rays passing at the center of the other entrance pupil and inside the center pass, so that aberration occurs inside the chief ray.

また、上述したレンズの設計に替えて、図35にも示すように、実像投写光学系を構成する映像表示装置4であるパネル面4Aを、フロントガラスの湾曲面に適合して湾曲することによっても、上記と同様の効果を得ることが可能である。より具体的にはフロントガラスの垂直方向の曲率半径が水平方向の曲率半径より小さいためフロントガラスを凹面ミラーに置き換えると垂直方向の光学的なパワーが大きい。このため、パネルの垂直方向の曲率半径を水平方向に対して小さくして光学的なペッツバール和をシステム全体で小さくして像面湾曲を低減する。これはパネル面4Aを光源5Aに対して凸状に湾曲した構成とすることで実現できる。なお、フロントガラスは、上述したように、垂直方向と水平方向において異なる曲率半径を有していることから、当該パネル面4Aの湾曲も、フロントガラスの異なる曲率半径に対応して、適宜、設定することが好ましいであろう。 Instead of the above-mentioned lens design, as shown in FIG. 35, the panel surface 4A, which is the image display device 4 constituting the real image projection optical system, can be curved to fit the curved surface of the windshield to obtain the same effect as above. More specifically, since the vertical radius of curvature of the windshield is smaller than the horizontal radius of curvature, if the windshield is replaced with a concave mirror, the optical power in the vertical direction is large. Therefore, the vertical radius of curvature of the panel is made smaller than the horizontal radius of curvature, and the optical Petzval sum is reduced in the entire system, thereby reducing the curvature of the field. This can be achieved by configuring the panel surface 4A to be curved convexly toward the light source 5A. Note that, as mentioned above, the windshield has different radii of curvature in the vertical and horizontal directions, so it would be preferable to appropriately set the curvature of the panel surface 4A to correspond to the different radii of curvature of the windshield.

上述した虚像光学系に光をより効率よく取り込むために図36に示すようにパネル面4Bの曲率半径と光源5Bの曲率半径を一致させると良い。 In order to more efficiently capture light into the virtual image optical system described above, it is advisable to match the radius of curvature of panel surface 4B with the radius of curvature of light source 5B, as shown in FIG. 36.

次に、上述した二重像を軽減すると共に、視認性の高い虚像を形成することを可能とするための本発明の実施例に係る構成について、図16から図32により詳細に説明する。図16は、上述した実施例に係る虚像光学系の映像表示装置4としての液晶パネルとバックライト光源5の要部拡大図である。液晶パネルのフレキシブル基板10から入力された映像信号によりバックライトからの光を変調することで映像を液晶パネル表示面11に表示し、表示された映像を虚像光学系(実施例では、自由曲面凹面ミラーと自由曲面光学素子)で虚像を生成して、運転者に映像情報を伝える。 Next, the configuration according to the embodiment of the present invention for reducing the above-mentioned double images and forming a highly visible virtual image will be described in detail with reference to Figs. 16 to 32. Fig. 16 is an enlarged view of the main parts of the liquid crystal panel and backlight light source 5 as the image display device 4 of the virtual image optical system according to the above-mentioned embodiment. An image is displayed on the liquid crystal panel display surface 11 by modulating the light from the backlight with a video signal input from the flexible substrate 10 of the liquid crystal panel, and a virtual image is generated from the displayed image by the virtual image optical system (in the embodiment, a free-form concave mirror and a free-form optical element), and the image information is conveyed to the driver.

上記の構成では、バックライト光源5の光源素子には、固体光源として比較的安価で信頼性の高いLED光源を用いる。LEDは、高出力化するために面発光タイプを使用するので、後述する技術的な工夫を用いて光利用効率を向上させる。LEDの入力電力に対する発光効率は、発光色によっても異なるが、20~30%程度であり、残りの殆どは熱に変換される。このため、LEDを取り付けるフレームとしては、熱伝導率の高い部材(例えば、アルミニュウム等の金属部材)からなる放熱用のフィン13を設けて熱を外部に放散させることにより、LEDの発光効率そのものを向上させる効果が得られる。 In the above configuration, the light source element of the backlight light source 5 is a relatively inexpensive and reliable LED light source used as a solid light source. Since the LED is a surface-emitting type that is used to achieve high output, the light utilization efficiency is improved using the technical ingenuity described below. The light-emitting efficiency of the LED with respect to the input power varies depending on the light-emitting color, but is about 20 to 30%, and most of the remainder is converted into heat. For this reason, the frame on which the LED is attached is provided with heat-dissipating fins 13 made of a material with high thermal conductivity (for example, a metal material such as aluminum) to dissipate heat to the outside, which has the effect of improving the light-emitting efficiency of the LED itself.

特に、現在市場に出回っている赤色を発光色とするLEDは、ジャンクション温度が高くなると発光効率が大幅に低下し、同時に映像の色度も変化するので、LEDの温度低減の優先度を上げ、対応する放熱フィンの面積を大きくして冷却効率を高めた構成とすることが好ましい。LEDからの拡散光を効率よく液晶パネル4に導くため、図17に示した例では、導光体18を用いるが、塵などの付着が無い様に、例えば、外装部材16によって全体を覆ったバックライト光源としてまとめることが好ましい。 In particular, LEDs currently on the market that emit red light have a significant drop in light emission efficiency when the junction temperature increases, and at the same time the chromaticity of the image changes, so it is preferable to give priority to lowering the LED temperature and increase the area of the corresponding heat dissipation fins to improve cooling efficiency. In the example shown in Figure 17, a light guide 18 is used to efficiently guide the diffused light from the LED to the liquid crystal panel 4, but it is preferable to combine it as a backlight light source that is entirely covered by, for example, an exterior member 16 to prevent dust and the like from adhering.

また、この図17には、光源であるLEDと導光体および拡散板を含めた光源ユニットの要部拡大図が示されており、図17からも明らかなように、ライトファネル21、22、23、24のLEDからの発散光線を取り込む開口部21a,22a,23a,24aを平面とし、LEDとの間に媒質を挿入して光学的に接続するか、若しくは、凸面形状として集光作用を持たすことで、発散する光源光を可能な限り平行光として、ライトファネルの界面に入射する光の入射角を小さくする。その結果、ライトファネルの通過後、更に、発散角を小さくできるので、導光体18で反射後に液晶パネルに向かう光源光の制御が容易になる。 In addition, FIG. 17 shows an enlarged view of the main parts of the light source unit, including the LEDs as the light source, the light guide, and the diffusion plate. As is clear from FIG. 17, the openings 21a, 22a, 23a, and 24a that take in the divergent light rays from the LEDs of the light funnels 21, 22, 23, and 24 are made flat, and a medium is inserted between them and the LEDs to optically connect them, or they are made convex to have a focusing effect, thereby making the divergent light from the light source as parallel as possible and reducing the angle of incidence of the light incident on the interface of the light funnel. As a result, the divergence angle can be further reduced after passing through the light funnel, making it easier to control the light source light that is reflected by the light guide 18 and directed toward the liquid crystal panel.

更に、LEDからの発散光の利用効率を向上させるために、ライトファネル21~24と導光体18の接合部分25においてPBS((Polarizing Beam Splitter)を用いて偏光変換を行い、所望の偏光方向に変換することで、LCDへの入射光の効率を向上させることができる。 Furthermore, in order to improve the efficiency of use of the divergent light from the LED, a PBS (Polarizing Beam Splitter) is used at the joint 25 between the light funnels 21-24 and the light guide 18 to perform polarization conversion and convert the light into the desired polarization direction, thereby improving the efficiency of the light incident on the LCD.

上述したように、光源光の偏光方向を揃えた場合には、導光体18の素材としては、複屈折が少ない材料を用い、もって偏波の方向が回転して液晶パネルを通過する際に、例えば黒表示時に色付きなどの問題が発生しないようにすると更に良い。 As mentioned above, when the polarization direction of the light from the light source is aligned, it is even better to use a material with low birefringence for the light guide 18, so that when the direction of polarization rotates and passes through the liquid crystal panel, problems such as coloring when displaying black do not occur.

以上に述べたように、発散角を低減したLEDからの光束は導光体により制御され、導光体18の斜面に設けた全反射面にて反射し、対向する面と液晶パネルの間に配置された拡散部材14により拡散された後、映像表示装置として液晶パネル4に入射する。本実施例では、前述したように、導光体18と液晶パネル4の間に拡散部材14を配置したが、導光体18の端面に拡散効果を持たせた、例えば、微細な凹凸形状を設けても同様な効果が得られる。 As described above, the light flux from the LED with a reduced divergence angle is controlled by the light guide, reflected by the total reflection surface provided on the inclined surface of the light guide 18, diffused by the diffusion member 14 arranged between the opposing surface and the liquid crystal panel, and then enters the liquid crystal panel 4 as an image display device. In this embodiment, as described above, the diffusion member 14 is arranged between the light guide 18 and the liquid crystal panel 4, but the same effect can be obtained by providing the end surface of the light guide 18 with a diffusion effect, for example, by providing a fine uneven shape.

次に、上述した導光体18の構成とそれにより得られる効果について、図20を用いて説明する。図20は本実施例の導光体18を示す外観図である。図17に示したライトファネル21~24により発散角が低減された光束は、導光体18の光入射面18aに入射する。この時、入射面の形状(断面形状を図21に示す)効果により垂直方向(図21の上下方向)の発散角が制御され、導光体18内を効率よく伝播する。 Next, the configuration of the light guide 18 described above and the effects obtained thereby will be described with reference to FIG. 20. FIG. 20 is an external view showing the light guide 18 of this embodiment. The light beam, whose divergence angle has been reduced by the light funnels 21 to 24 shown in FIG. 17, enters the light incident surface 18a of the light guide 18. At this time, the divergence angle in the vertical direction (the up and down direction in FIG. 21) is controlled by the effect of the shape of the incident surface (the cross-sectional shape is shown in FIG. 21), and the light propagates efficiently within the light guide 18.

図21は、導光体の要部断面拡大図であり、ライトファネル21~24で発散角が低減された光源光は、接合部25を経由して、上述したように入射面18aから入射し、対向面に設けられたプリズム18によって全反射して対向面17に向かう。全反射プリズム18は、入射面18aの近傍(B部拡大図)と端部(A部拡大図)で、その形状がそれぞれの面に入射する光束の発散角に応じて、階段状に分割されて形成されており、これにより、全反射面の角度を制御している。一方、映像表示装置である液晶パネル4に入射する光束の当該液晶パネル4の出射面内での光量分布が均一となるように、前述した全反射面の分割寸法を変数として、分割された光束の反射後の到達位置とエネルギー量を制御する。 Figure 21 is an enlarged cross-sectional view of the main part of the light guide, in which the light source light, whose divergence angle has been reduced by the light funnels 21-24, passes through the joint 25, enters from the entrance surface 18a as described above, and is totally reflected by the prism 18 provided on the opposing surface toward the opposing surface 17. The total reflection prism 18 is formed by dividing its shape into a stepped shape in the vicinity of the entrance surface 18a (enlarged view of part B) and at the end (enlarged view of part A) according to the divergence angle of the light beam incident on each surface, thereby controlling the angle of the total reflection surface. On the other hand, the division dimensions of the total reflection surface described above are used as variables to control the arrival position and energy amount of the divided light beam after reflection so that the light beam incident on the liquid crystal panel 4, which is the image display device, has a uniform light amount distribution within the exit surface of the liquid crystal panel 4.

本実施例の情報表示装置100において、上記のバックライトからの出射光が液晶パネルを通過した状態をシミュレーションした結果を、図18に示す。図18(a)は液晶パネルの長手方向から見た光の出射状態を示す図であり、図18(b)は液晶パネルの短手方向から見た光の出射状態を示す図である。本実施例ではFOVの水平角度を設計以上に広げるため、水平方向の拡散角度を垂直方向に対して大きくして、運転者が首を振ったりして眼の位置が動いた場合においても、左右の眼によって視認される虚像の明るさが極端に変化しないように設計している。 Figure 18 shows the results of a simulation of the state in which light emitted from the backlight passes through the liquid crystal panel in the information display device 100 of this embodiment. Figure 18(a) is a diagram showing the state of light emission as viewed from the longitudinal direction of the liquid crystal panel, and Figure 18(b) is a diagram showing the state of light emission as viewed from the lateral direction of the liquid crystal panel. In this embodiment, in order to widen the horizontal angle of the FOV beyond the design, the horizontal diffusion angle is made larger than the vertical direction, and the design is such that the brightness of the virtual images viewed by the left and right eyes does not change drastically even if the driver moves the position of their eyes by shaking their head, etc.

また、バックライトの垂直方向の発散角を小さくすることで液晶パネルに表示した映像の画面垂直方向の発散角を小さくして、二重像の発生を抑えている。本実施例のように、導光体18を用いて光の出射方向と強度を制御したバックライトを用いた場合における液晶パネル4の出射面の輝度分布を、図19に示す。図19からも明らかなように、画面垂直方向(短辺方向)の輝度分布に加え、画面垂直方向(長辺方向)の有効範囲以外での輝度低下の傾斜を小さくできる。 In addition, by reducing the divergence angle of the backlight in the vertical direction, the divergence angle of the image displayed on the liquid crystal panel in the vertical direction of the screen is reduced, thereby suppressing the occurrence of double images. Figure 19 shows the luminance distribution on the exit surface of the liquid crystal panel 4 when using a backlight in which the light exit direction and intensity are controlled using a light guide 18, as in this embodiment. As is clear from Figure 19, in addition to the luminance distribution in the vertical direction (short side direction) of the screen, the slope of the luminance decrease outside the effective range in the vertical direction (long side direction) of the screen can be reduced.

本実施例の情報表示装置100において映像表示装置として使用した液晶パネルからの出射光(映像光)は、図23および図28に示すように、左右,上下方向の視角をパラメータとした場合(図22を参照)、±50°の範囲で所定の透過率を示す。視角の範囲を±40°以内とすれば、より良好な透過率特性を得ることができる。この結果、図24や図29に示すように、表示画面の左右方向と上下方向において、画面を観視する方向(視角)により画面の輝度が大きく異なる。これは、図25および図26に示したバックライト輝度の角度特性による。 As shown in Figures 23 and 28, the light emitted from the liquid crystal panel used as the image display device in the information display device 100 of this embodiment shows a predetermined transmittance in the range of ±50° when the viewing angles in the left-right and up-down directions are parameters (see Figure 22). Better transmittance characteristics can be obtained by setting the viewing angle range within ±40°. As a result, as shown in Figures 24 and 29, the brightness of the screen varies greatly depending on the direction (viewing angle) from which the screen is viewed in the left-right and up-down directions of the display screen. This is due to the angle characteristics of the backlight brightness shown in Figures 25 and 26.

このため、発明者らは、虚像光学系に取り込む液晶パネル4からの出射光をできる限り画面に垂直な光として得られるように、導光体18の全反射面の角度とライトファネル21~24によるLEDからの光源光の発散角の制御を行ってバックライトの視角特性を少ない範囲に絞り込むことで、高い輝度を得た。具体的には、図24および図29に示したように、高輝度な映像を得るためには、左右の視野角で±30°の範囲の光を使用し、図27および図31に示すコントラスト性能も考慮すると、±20°以下に絞ることで、同時に良好な画質の源画像を用いた虚像を得ることができた。 For this reason, the inventors obtained high brightness by narrowing the viewing angle characteristics of the backlight to a small range by controlling the angle of the total reflection surface of the light guide 18 and the divergence angle of the light source light from the LEDs by the light funnels 21-24 so that the light emitted from the liquid crystal panel 4 to be taken into the virtual image optical system is as perpendicular to the screen as possible. Specifically, as shown in Figures 24 and 29, in order to obtain a high-brightness image, light in the range of ±30° in the left and right viewing angles is used, and considering the contrast performance shown in Figures 27 and 31, by narrowing it to ±20° or less, a virtual image using a source image with good image quality can be obtained.

以上にも述べたように、映像表示装置の画質を左右するコントラスト性能は、画質を決める基となる黒表示した場合の輝度(図30および図32では、黒表示輝度と表記)をどこまで下げられるかで決まる。このため、液晶パネル4とバックライトの間には、偏光度が高いヨウ素系の偏光板を用いることが好ましい。 As mentioned above, the contrast performance that determines the image quality of an image display device is determined by how much the luminance when black is displayed (referred to as black display luminance in Figures 30 and 32), which is the basis for determining image quality, can be reduced. For this reason, it is preferable to use an iodine-based polarizing plate with a high degree of polarization between the liquid crystal panel 4 and the backlight.

一方、光学素子2側(光出射面)に設ける偏光板としては、染料系偏光板を用いることで、外光が入射した場合や環境温度が高い場合においても高い信頼性を得ることができる。 On the other hand, by using a dye-based polarizer as the polarizer provided on the optical element 2 side (light exit surface), high reliability can be achieved even when external light is incident or the environmental temperature is high.

液晶パネル4でカラー表示を行う場合には、それぞれの画素に対応したカラーフィルターを設ける。このため、バックライトの光源色が白色の場合には、カラーフィルターでの光吸収が大きく、損失が大きくなる。そこで、発明者らは、上記の図17に示したように、複数のLEDを使用して:
(1)白色LEDを複数使用する場合に比べ、明るさへの寄与が大きい緑LEDを追加する。
(2)白色LEDに赤色または青色LEDを追加して、画像の艶色性を高める。
(3)赤、青、緑のLED個別に配置し、明るさへの寄与が大きい緑色LEDを追加して個別にLEDを駆動することで、色再現範囲を拡大して艶色性を高めると同時に明るさも向上する。
(4)上記の(3)を実施することで赤、青、緑LEDのピーク輝度に対するそれぞれのカラーフィルターの透過率を上げて、全体としての明るさを向上する。
(5)更に、バックライトの第二の実施例として、ライトファネルと導光体の間にPBSを配置して特定の偏波に揃えることで、液晶パネル入射側の偏光板へのダメージを軽減する。なお、液晶パネル入射側の配置する偏光板の偏光方向は、PBS(Polarizing Beam Splitter)通過後に特定方向に揃えた偏波が通過する方向とすれば良いことは言うまでもない。
When performing color display on the liquid crystal panel 4, a color filter is provided corresponding to each pixel. Therefore, when the light source color of the backlight is white, the color filter absorbs a lot of light, resulting in a large loss. Therefore, the inventors have used multiple LEDs as shown in FIG. 17 above:
(1) Adding a green LED, which contributes more to brightness than using multiple white LEDs.
(2) Add a red or blue LED to the white LED to improve the glossiness of the image.
(3) By arranging red, blue, and green LEDs separately and adding a green LED, which contributes greatly to brightness, and driving the LEDs separately, the color reproduction range is expanded, the glossy colors are improved, and the brightness is also improved.
(4) By implementing the above (3), the transmittance of each color filter with respect to the peak luminance of the red, blue, and green LEDs is increased, thereby improving the overall brightness.
(5) Furthermore, as a second embodiment of the backlight, a PBS is placed between the light funnel and the light guide to align the light to a specific polarization, thereby reducing damage to the polarizing plate on the entrance side of the liquid crystal panel. It goes without saying that the polarization direction of the polarizing plate placed on the entrance side of the liquid crystal panel should be the direction in which the polarized waves aligned in a specific direction pass after passing through the PBS (Polarizing Beam Splitter).

以上にも述べたように、本発明の実施形態における映像表示装置4として、液晶表示パネル出射面にはλ/4板を設けて出射光を円偏光とすることも可能である。その結果、運転者は、偏光サングラスを装着していても、良好な虚像を監視することができる。 As described above, in the image display device 4 according to the embodiment of the present invention, a λ/4 plate can be provided on the exit surface of the liquid crystal display panel to circularly polarize the exiting light. As a result, the driver can monitor a clear virtual image even when wearing polarized sunglasses.

更に、虚像光学系で使用する反射ミラーの反射膜を金属多層膜で成膜することによっても、反射率の角度依存性が少なく、偏光方向(P波またはS波)によって反射率が変わることがないため、画面の色度や明るさを均一に保つことが可能となる。 Furthermore, by forming the reflective film of the reflective mirror used in the virtual image optical system from a metal multilayer film, the angle dependency of the reflectance is small and the reflectance does not change depending on the polarization direction (P waves or S waves), making it possible to maintain uniform chromaticity and brightness on the screen.

更に、虚像光学系とフロントガラスの間に、紫外線反射膜や紫外線反射膜と赤外線反射膜を合わせた光学部材を設けることによれば、外光(太陽光)が入射しても、液晶表示パネルおよび偏光板をその温度上昇やダメージから軽減できるので、情報表示装置の信頼性を損なうことがないという効果が得られる。 Furthermore, by providing an optical component that is an ultraviolet reflective film or a combination of an ultraviolet reflective film and an infrared reflective film between the virtual image optical system and the windshield, the liquid crystal display panel and polarizing plate can be protected from temperature rise and damage even when external light (sunlight) is incident, so there is no loss of reliability for the information display device.

また、虚像光学系は、従来技術において被投影部材とされていたフロントガラスの車両水平方向の曲率半径と垂直方向の曲率半径の差も含めて最適設計を行い、フロントガラスと映像表示装置または中間像表示部の間には、フロントガラス6側に凹面を向けた凹面ミラー1を配置しており、これにより、映像表示装置4の映像を拡大し、フロントガラス6において反射する。この時、前述の凹面ミラー1と映像表示装置4の間には、光学素子が配置されており、他方、運転者の視点位置に対応して結像する前記映像の拡大像(虚像)を形成する映像光束は、映像表示装置間に配置された前記光学素子を通過し、凹面ミラー1で発生する歪みや収差を補正する。そのため、従来の凹面ミラーのみの虚像光学系に比べて、歪みと収差が大幅に低減された虚像を得ることができる。 The virtual image optical system is optimally designed, taking into account the difference between the radius of curvature in the horizontal direction of the vehicle and the radius of curvature in the vertical direction of the windshield, which was the projection target in the conventional technology, and a concave mirror 1 with its concave surface facing the windshield 6 is placed between the windshield and the image display device or intermediate image display unit, thereby enlarging the image of the image display device 4 and reflecting it on the windshield 6. At this time, an optical element is placed between the concave mirror 1 and the image display device 4, and the image light beam that forms the enlarged image (virtual image) of the image that is imaged corresponding to the driver's viewpoint position passes through the optical element placed between the image displays, correcting the distortion and aberration generated by the concave mirror 1. Therefore, compared to the conventional virtual image optical system with only a concave mirror, a virtual image with significantly reduced distortion and aberration can be obtained.

更に、図1に示した本実施例の構成では、フロントガラス6の上部(車体垂直方向上部)に反射されて得られる虚像は、より遠方に結像する必要がある。このため、これに対応した映像が表示される映像表示装置の上部から発散される映像光束を良好に結像させるためには、前述の凹面ミラー1と映像表示装置4の間に配置した光学素子の焦点距離f1は、短く、反対に、フロントガラス6の下部(車体垂直方向下部)に反射されて得られる虚像は、より近傍に結像する必要がある。このため、これに対応した映像が表示される映像表示装置の下部から発散される映像光束を良好に結像させるため、前述の凹面ミラー1と映像表示装置4の間に配置した複数の光学素子の合成焦点距離f2は、相対的に長く設定されると良い。 Furthermore, in the configuration of this embodiment shown in FIG. 1, the virtual image obtained by reflection on the upper part of the windshield 6 (upper part in the vertical direction of the vehicle body) needs to be imaged farther away. Therefore, in order to image well the image light beam emitted from the upper part of the image display device on which the corresponding image is displayed, the focal length f1 of the optical element arranged between the concave mirror 1 and the image display device 4 described above is short, and conversely, the virtual image obtained by reflection on the lower part of the windshield 6 (lower part in the vertical direction of the vehicle body) needs to be imaged closer. Therefore, in order to image well the image light beam emitted from the lower part of the image display device on which the corresponding image is displayed, the composite focal length f2 of the multiple optical elements arranged between the concave mirror 1 and the image display device 4 described above should be set relatively long.

また、本実施例では、フロントガラス6の水平方向(地面に平行)曲率半径と垂直方向(フロントガラス水平方向に垂直な方向)の曲率半径が異なることで運転者が観視する虚像の画面歪みを補正するため、虚像光学系に、光軸に対して軸対称性が異なる光学素子を配置することで、上述した歪みの補正を実現している。 In addition, in this embodiment, in order to correct the screen distortion of the virtual image observed by the driver due to the difference between the radius of curvature of the windshield 6 in the horizontal direction (parallel to the ground) and the vertical direction (perpendicular to the horizontal direction of the windshield), optical elements with different axial symmetries with respect to the optical axis are arranged in the virtual image optical system, thereby achieving the correction of the above-mentioned distortion.

以上、本発明の種々の実施例に係る画像表示デバイスを備えた電子装置に用いるのに適した面状の光源装置について述べた。しかしながら、本発明は、上述した実施例のみに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するためにシステム全体を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 Above, we have described a surface light source device suitable for use in an electronic device equipped with an image display device according to various embodiments of the present invention. However, the present invention is not limited to only the above-mentioned embodiments, and includes various modified examples. For example, the above-mentioned embodiments are detailed descriptions of the entire system in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all of the configurations described. In addition, it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. In addition, it is possible to add, delete, or replace part of the configuration of each embodiment with other configurations.

100…情報表示装置、101…自動車、1…凹面ミラー、2…光学素子、4…映像表示装置、4A,4B…液晶表示パネル、5A,5B…バックライト光源、6…被投影部材(フロントガラス)、7…筐体、V1…虚像、8…アイボックス(観察者の眼)、9…光源ユニット、R1…上限映像光、R2…中央映像光、R3…下限映像光、10…フレキシブル基板、11…映像表示面、12…フレーム、13…フィン、14…拡散部材、16…外装部材、17…出射面、18…導光体、20…ライトファネルユニット、21~24…ライトファネル、36…液晶パネルからの出射光線。 100...information display device, 101...automobile, 1...concave mirror, 2...optical element, 4...image display device, 4A, 4B...liquid crystal display panel, 5A, 5B...backlight light source, 6...projected member (windshield), 7...housing, V1...virtual image, 8...eye box (observer's eye), 9...light source unit, R1...upper limit image light, R2...central image light, R3...lower limit image light, 10...flexible substrate, 11...image display surface, 12...frame, 13...fin, 14...diffusing member, 16...exterior member, 17...exit surface, 18...light guide, 20...light funnel unit, 21-24...light funnel, 36...emitted light from liquid crystal panel.

Claims (6)

乗り物のフロントガラスに虚像の映像情報を表示する情報表示装置であって、
前記映像情報の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、を備え、
前記光学系は、凹面ミラーと光学素子を含んでおり、
前記光学素子は、前記映像生成部と前記凹面ミラーとの間に配置され、前記凹面ミラーの形状と前記光学素子の形状により運転者の視点位置に対応して得られる虚像の収差を補正するように構成されており、
前記光学系は、負の屈折力を持つ光学素子を備えており、前記負の屈折力を持つ光学素子は、前記映像生成部からの映像光が集光して、前記光学素子に入射され、前記凹面ミラーに向け出射するように構成されており
前記光学系と前記フロントガラスの間に、外光の赤外線を吸収または反射する光学部材を備える、
情報表示装置。
An information display device that displays virtual image information on a windshield of a vehicle,
an image generating unit that generates an image of the image information;
an optical system for receiving the light beam from the image generating unit and displaying a virtual image obtained by enlarging the image generated by the image generating unit;
The optical system includes a concave mirror and an optical element,
the optical element is disposed between the image generating unit and the concave mirror, and is configured to correct an aberration of a virtual image obtained corresponding to a viewpoint position of a driver by a shape of the concave mirror and a shape of the optical element;
the optical system includes an optical element having a negative refractive power, and the optical element having a negative refractive power is configured to collect image light from the image generator, cause the image light to be incident on the optical element, and emit the image light toward the concave mirror,
An optical member that absorbs or reflects infrared rays of external light is provided between the optical system and the windshield.
Information display device.
請求項1に記載の情報表示装置において、
前記凹面ミラーの形状は、前記フロントガラスの垂直方向と水平方向の曲率半径の違いを補正するように水平方向と垂直方向で異なる平均曲率半径を有する形状である、
情報表示装置。
2. The information display device according to claim 1,
The shape of the concave mirror is such that it has different average radii of curvature in the horizontal and vertical directions so as to compensate for the difference between the radii of curvature of the windshield in the vertical and horizontal directions.
Information display device.
請求項1に記載の情報表示装置において、
前記映像生成部は、虚像上端部の像倍率と、虚像下端部の像倍率とを一致させるように、前記凹面ミラーの光軸に対して傾いて設けられている、
情報表示装置。
2. The information display device according to claim 1,
the image generating unit is provided at an angle with respect to the optical axis of the concave mirror so that an image magnification at an upper end of a virtual image and an image magnification at a lower end of the virtual image are equal to each other;
Information display device.
請求項1に記載の情報表示装置において、
前記映像生成部は、前記映像生成部の光出射面の曲率半径と一致した曲率半径を有する光源を備える、
情報表示装置。
2. The information display device according to claim 1,
The image generating unit includes a light source having a radius of curvature that matches the radius of curvature of a light exit surface of the image generating unit .
Information display device.
請求項1に記載の情報表示装置であって、
前記映像生成部はスクリーン板を含み、前記スクリーン板に映像を表示し、前記スクリーン板からの映像光を前記フロントガラスで反射させ、反射された光を前記乗り物の運転者の眼に入射させる、
情報表示装置。
The information display device according to claim 1 ,
The image generating unit includes a screen plate, displays an image on the screen plate, reflects image light from the screen plate on the windshield, and causes the reflected light to enter the eyes of the driver of the vehicle.
Information display device.
請求項5に記載の情報表示装置であって、
前記スクリーン板には、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が含まれる、
情報表示装置。
The information display device according to claim 5,
The screen plate includes a microlens array in which microlenses are arranged two-dimensionally.
Information display device.
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