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JP2009115908A - Mirror optical system and headup display - Google Patents

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JP2009115908A
JP2009115908A JP2007286276A JP2007286276A JP2009115908A JP 2009115908 A JP2009115908 A JP 2009115908A JP 2007286276 A JP2007286276 A JP 2007286276A JP 2007286276 A JP2007286276 A JP 2007286276A JP 2009115908 A JP2009115908 A JP 2009115908A
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JP
Japan
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mirror
display
image
concave mirror
optical axis
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Application number
JP2007286276A
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Japanese (ja)
Inventor
Noboru Koizumi
昇 小泉
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Fujinon Corp
Original Assignee
Fujinon Corp
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Publication date
Application filed by Fujinon Corp filed Critical Fujinon Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact headup display for displaying virtual images excellently corrected in aberration. <P>SOLUTION: The headup display 10 includes: a mirror optical system 22 for generating display light 21 having image information and broadening and projecting it; and a front glass for displaying the virtual images by reflecting the display light 21. The mirror optical system 22 includes: a liquid crystal panel 23 generating the display light 21; a first planar mirror 26; non-rotation symmetrical aspheric shaped concave mirror 28; and the like. The headup display 10 reflects the display light 21 on the first planar mirror 26 and guides it to the concave mirror 28. When a path of a main light beam being the center of the virtual image is regarded as a reference optical axis L1, the display light 21 is reflected to the first planar mirror 26 again so that the concave mirror 28 deflects the reference optical axis L1 in a deflection angle α (degrees) satisfying 20<α<25. The display light 21 incident on the first planar mirror 26 again is broadened and projected onto the front glass. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、自動車や航空機などのフロントガラスに画像表示光を投影し、フロントガラス越しにその虚像が観察できるようにしたヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。   The present invention relates to a head-up display device in which image display light is projected onto a windshield of an automobile or an aircraft so that a virtual image can be observed through the windshield.

例えば自動車のフロントガラスにより画像の表示光を観察者である運転手に向かって反射させ、スピードメータなどの計器類の画像を虚像として観察できるようにしたヘッドアップディスプレイ装置が特許文献1などで知られている。計器類の画像は、フロントガラス越しに運転手から2m以上離れた位置に虚像として拡大表示されることから、運転手は通常の前方視野とともに視線方向や視度をほとんど変えずに表示画像を観察することができる。   For example, Patent Document 1 discloses a head-up display device in which display light of an image is reflected toward a driver who is an observer by a windshield of an automobile so that an image of an instrument such as a speedometer can be observed as a virtual image. It has been. The instrument image is enlarged and displayed as a virtual image at a position 2m or more away from the driver through the windshield, so the driver observes the displayed image with almost no change in the line-of-sight direction or diopter with the normal front vision. can do.

こうした用途で用いられる光学系ユニットは、特許文献1にも記載のように、画像表示パネル、照明光源、投影光学系とから構成される。画像表示パネルには透過型液晶表示パネルが多用され、その背後に設けられたバックライト光源が照明光源となり、液晶表示パネルを透過した画像表示光を投影光学系に入射させる。投影光学系には凹面ミラーが用いられ、凹面ミラーからの収束反射光が表示光としてフロントガラスに入射し、さらにフロントガラスの反射により表示光が観察者へと向けられるようになっている。   As described in Patent Document 1, the optical system unit used for such an application includes an image display panel, an illumination light source, and a projection optical system. A transmissive liquid crystal display panel is frequently used as an image display panel, and a backlight light source provided behind the transmissive liquid crystal display panel serves as an illumination light source, and image display light transmitted through the liquid crystal display panel is incident on a projection optical system. A concave mirror is used in the projection optical system, and convergent reflected light from the concave mirror enters the windshield as display light, and the display light is directed to the observer by reflection of the windshield.

一般に、自動車などではフロントガラスの近傍に広いスペースを確保することが難しいことから、例えば画像表示パネルや凹面ミラーのサイズをコンパクト化したい要求がある。その反面、観察される虚像は観察者から2m以上離れた位置となるため、その画像サイズは小さくても150mm程度にする必要がある。さらに、運転手の両眼の位置が必ずしも一定ではなく、左右に20mm程度ずれても両眼での観察を可能にするには、射出瞳のサイズを少なくとも100mm程度は確保し、また表示光を運転手に向けて反射させるフロントガラスが、運転手と虚像の表示位置とのほぼ中間に位置していることを考慮すると、凹面ミラーの口径を125mm程度にしておく必要がある。   In general, since it is difficult to secure a large space in the vicinity of a windshield in an automobile or the like, there is a demand for reducing the size of, for example, an image display panel or a concave mirror. On the other hand, since the observed virtual image is at a position 2 m or more away from the observer, the image size needs to be about 150 mm at the smallest. Furthermore, the position of the driver's eyes is not necessarily constant, and in order to enable observation with both eyes even if they are shifted by about 20 mm from side to side, the size of the exit pupil should be secured at least about 100 mm and display light should be used. Considering that the windshield reflecting toward the driver is positioned approximately in the middle between the driver and the display position of the virtual image, the aperture of the concave mirror needs to be about 125 mm.

画像表示パネルに表示された小さな表示画像を拡大投影する場合、凹面ミラーから虚像までの像距離をL、像倍率をβ、凹面ミラーの焦点距離をfとすると、L=(1+β)×fとなる(結像公式)。そして、像距離Lを1100mm、画像表示パネル上の画像サイズを15mmとし、これを10倍に投影して150mmの像を得ようとすると、凹面ミラーの焦点距離fは100mmとなる。前述の理由から、凹面ミラーの口径を125mmにした場合、凹面ミラーの明るさ(焦点距離/口径)は0.8と非常に明るいものになるが、これとともに収差もできるだけ抑えることが望まれる。
特開2006−11168号公報
When enlarging and projecting a small display image displayed on the image display panel, L = (1 + β) × f, where L is the image distance from the concave mirror to the virtual image, β is the image magnification, and f is the focal length of the concave mirror. (Imaging formula) If the image distance L is 1100 mm, the image size on the image display panel is 15 mm, and this is projected 10 times to obtain an image of 150 mm, the focal length f of the concave mirror is 100 mm. For the above-mentioned reason, when the aperture of the concave mirror is set to 125 mm, the brightness (focal length / aperture) of the concave mirror becomes very bright as 0.8, but it is desirable to suppress the aberration as much as possible.
JP 2006-11168 A

しかしながら、従来のヘッドアップディスプレイ装置の光学ユニットは、凹面ミラーで表示光を大きな偏向角で反射させているため球面収差や非点収差が出やすくなる。例えば特許文献1記載の光学系では、画像中心を通る主光線に相当する基準光軸を凹面ミラーで折り曲げる際に、折り曲げ前後の光軸相互間の角度(偏向角α)が60度程度にも達し、収差を軽減して良好な結像性能を得るには焦点距離を例えば300mm程度まで長くしなければならない。このため、観察しやすいサイズで画像表示を行おうとすると、画像表示パネルのサイズやその照明系も大きくなって、スペース、コスト、消費電力の増大を避けることができない。   However, since the optical unit of the conventional head-up display device reflects display light with a large deflection angle by the concave mirror, spherical aberration and astigmatism are likely to occur. For example, in the optical system described in Patent Document 1, when the reference optical axis corresponding to the principal ray passing through the center of the image is bent by the concave mirror, the angle between the optical axes before and after bending (deflection angle α) is as high as about 60 degrees. In order to reduce aberration and obtain good imaging performance, the focal length must be increased to, for example, about 300 mm. For this reason, if an image is displayed with a size that is easy to observe, the size of the image display panel and its illumination system also increase, and an increase in space, cost, and power consumption cannot be avoided.

本発明は以上の背景を考慮してなされたもので、画像表示パネルを小型化しながらも、観察しやすい画像サイズで虚像を表示することができ、しかも収差を抑える点でも有利なミラー光学系、及びこれを用いたヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of the above background, a mirror optical system that can display a virtual image with an image size that is easy to observe while reducing the size of the image display panel, and is advantageous in terms of suppressing aberrations, And it aims at providing a head up display device using the same.

本発明のミラー光学系は、所定の位置にいる観察者に対面する反射面で、画像表示パネルからの表示光を観察者側に反射し、前記反射面越しに前記画像表示パネルに表示された画像を虚像として拡大表示するミラー光学系であり、前記虚像の中心となる前記表示光を追跡した主光線の経路を基準光軸とするときに、前記画像表示パネルからの表示光を反射し、前記基準光軸を偏向する第1平面ミラーと、面形状が非回転対称非球面であり、前記基準光軸に対して偏心して配置され、前記第1平面ミラーで反射された前記表示光を反射して、前記表示光を再度前記第1平面ミラーに入射させ、前記画像表示パネルに表示された画像を拡大投影する凹面ミラーと、を備え、前記第1平面ミラーは、前記凹面ミラーから拡大投影された前記画像を前記反射面で反射させて虚像として表示することを特徴とする。   The mirror optical system of the present invention is a reflective surface facing an observer at a predetermined position, reflects display light from the image display panel to the observer side, and is displayed on the image display panel through the reflective surface. A mirror optical system that enlarges and displays an image as a virtual image, and reflects the display light from the image display panel when a path of a principal ray that tracks the display light that is the center of the virtual image is a reference optical axis, A first flat mirror that deflects the reference optical axis; and a surface shape of a non-rotationally symmetric aspherical surface that is arranged eccentrically with respect to the reference optical axis and reflects the display light reflected by the first flat mirror. And a concave mirror that enlarges and projects the image displayed on the image display panel by causing the display light to enter the first flat mirror again, and the first flat mirror magnifies and projects from the concave mirror. The previous image It is reflected by the reflecting surface and displaying a virtual image.

また、前記第1平面ミラーから前記凹面ミラーに入射する前記表示光の基準光軸と、前記凹面ミラーから前記第1平面ミラーに入射する前記表示光の基準光軸とのなす角α(度)が15<α<33を満たすことを特徴とする。   In addition, an angle α (degree) formed by the reference optical axis of the display light incident on the concave mirror from the first flat mirror and the reference optical axis of the display light incident on the first flat mirror from the concave mirror Satisfies 15 <α <33.

また、前記画像表示パネルは、前記基準光軸に対して傾斜して配置されることを特徴とする。   Further, the image display panel is arranged to be inclined with respect to the reference optical axis.

また、前記画像表示パネルと前記第1平面ミラーとの間に、前記表示光を前記第1平面ミラーに反射して導く第2平面ミラーを備えることを特徴とする。   In addition, a second plane mirror is provided between the image display panel and the first plane mirror to reflect and guide the display light to the first plane mirror.

本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、上述のミラー光学系を備えることを特徴とする。   A head-up display device according to the present invention includes the above-described mirror optical system.

本発明によれば、画像表示パネルと凹面ミラーとの間に第一平面ミラーを設け、凹面ミラーに入射する表示光と凹面ミラーで反射された表示光をこの第一平面ミラーで反射させる独特の構成により、凹面ミラーによる基準光軸の偏向角が15〜33度の範囲に抑えられるようになり、ミラー光学系全体をコンパクトにまとめながらも適切な表示画像サイズを得ることができ、また凹面ミラーを基準光軸に関して回転非対称非球面形状にすることによって収差も特に良好に補正される。   According to the present invention, the first plane mirror is provided between the image display panel and the concave mirror, and the display light incident on the concave mirror and the display light reflected by the concave mirror are reflected by the first plane mirror. According to the configuration, the deflection angle of the reference optical axis by the concave mirror can be suppressed to a range of 15 to 33 degrees, and an appropriate display image size can be obtained while the entire mirror optical system is compact, and the concave mirror can be obtained. Aberration is also particularly favorably corrected by making a rotationally asymmetric aspherical shape with respect to the reference optical axis.

図1に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置10は、その光学系(ミラー光学系22)を自動車12のダッシュボード13に配置され、スピードメータの値などを運転手(観察者)14の前方にフロントガラス18(反射面)越しに表示する。   As shown in FIG. 1, the head-up display device 10 has its optical system (mirror optical system 22) arranged on the dashboard 13 of the automobile 12, and the value of the speedometer and the like are placed in front of the driver (observer) 14. The image is displayed through the windshield 18 (reflection surface).

このヘッドアップディスプレイ装置10は、内蔵する小型の液晶パネルに表示する画像をフロントガラス18に拡大投影し、運転手14の方向へ反射させる。したがって、このヘッドアップディスプレイ装置10により表示される像は虚像19である。すなわち、ヘッドアップディスプレイ装置10は、フロントガラス18上に画像が結像して実像が表示されるのではなく、運転手14にはフロントガラス18越しの距離Dの位置に虚像19が表示される。   The head-up display device 10 enlarges and projects an image to be displayed on a built-in small liquid crystal panel on the windshield 18 and reflects the image toward the driver 14. Therefore, the image displayed by the head-up display device 10 is a virtual image 19. That is, in the head-up display device 10, an image is not formed on the windshield 18 and a real image is displayed, but a virtual image 19 is displayed on the driver 14 at a position of the distance D through the windshield 18. .

この虚像19が表示される距離Dは、運転中に視線を殆ど動かさずに、かつ、目のピント調節が殆ど行われずに、虚像19を見ることができるように十分に長くなっており、例えば運転手から2m以上の距離となっている。   The distance D at which the virtual image 19 is displayed is sufficiently long so that the virtual image 19 can be viewed with little eye movement during driving and almost no focus adjustment of the eyes. The distance is more than 2m from the driver.

図2に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置10は、表示する像の情報を持つ表示光21を生成するとともにこれを拡大投影するミラー光学系22と、この表示光21を運転手14等の観察者の方向に反射する反射面(フロントガラス18)とからなる。ミラー光学系22は、液晶パネル(画像表示パネル)23、光源24、第1平面ミラー26、第2平面ミラー27、凹面ミラー28などからなるミラー光学系22を備えている。   As shown in FIG. 2, the head-up display device 10 generates display light 21 having image information to be displayed and magnifies and projects the display light 21, and the display light 21 is observed by the driver 14 and the like. It consists of a reflective surface (front glass 18) that reflects in the direction of the person. The mirror optical system 22 includes a mirror optical system 22 including a liquid crystal panel (image display panel) 23, a light source 24, a first flat mirror 26, a second flat mirror 27, a concave mirror 28, and the like.

液晶パネル23は、例えば0.8型等、小型の透過型液晶パネルである。この液晶パネル23には、スピードメータやタコメータ、水温計、燃料計など各種計器類の値が表示される。液晶パネル23に表示される画像は、前述のように、フロントガラス18の前方に虚像として拡大投影される。   The liquid crystal panel 23 is a small transmissive liquid crystal panel such as 0.8 type. The liquid crystal panel 23 displays values of various instruments such as a speedometer, a tachometer, a water temperature gauge, and a fuel gauge. The image displayed on the liquid crystal panel 23 is enlarged and projected as a virtual image in front of the windshield 18 as described above.

また、表示する虚像19の中心となる主光線の経路を基準光軸L1とし、この基準光軸L1を運転手14(又は虚像19)側から逆にヘッドアップディスプレイ装置10,ミラー光学系22側に追跡すると、液晶パネル23の表示面は、この基準光軸L1に対して90度ではなく、所定角度だけ傾斜して配置されている。   The path of the principal ray that is the center of the virtual image 19 to be displayed is the reference optical axis L1, and this reference optical axis L1 is reversed from the driver 14 (or virtual image 19) side to the head-up display device 10 and the mirror optical system 22 side. In other words, the display surface of the liquid crystal panel 23 is not inclined by 90 degrees with respect to the reference optical axis L1, but is inclined by a predetermined angle.

こうした基準光軸L1に対する液晶パネル23の傾斜は、虚像19のピントが表示範囲内の全ての範囲で合うような傾斜角度γとなっている。すなわち、虚像19の上端を見る運転手14の視線は液晶パネル23の表示面の上端でピントが合い、かつ、虚像19の下端を見る運転手14の視線もまた液晶パネル23の表示面の下端でピントが合うように、液晶パネル23は基準光軸L1に対して角度γだけ傾斜して配置されている。   The inclination of the liquid crystal panel 23 with respect to the reference optical axis L1 is an inclination angle γ such that the focus of the virtual image 19 is met in all the ranges within the display range. That is, the line of sight of the driver 14 who sees the upper end of the virtual image 19 is focused on the upper end of the display surface of the liquid crystal panel 23, and the line of sight of the driver 14 who sees the lower end of the virtual image 19 is also the lower end of the display surface of the liquid crystal panel 23. The liquid crystal panel 23 is disposed so as to be inclined with respect to the reference optical axis L1 by an angle γ so that the image is in focus.

また、液晶パネル23に表示される画像は、上述の傾斜角度γにあわせて、この液晶パネル23を直視する場合に表示すべき画像の形状を変換した形状の画像となっている。   Further, the image displayed on the liquid crystal panel 23 is an image having a shape obtained by converting the shape of the image to be displayed when the liquid crystal panel 23 is directly viewed according to the above-described tilt angle γ.

光源24は、例えば白色のLEDなどからなり、液晶パネル23の背面に配置される。すなわち、光源24はいわゆるバックライトであり、液晶パネル23の背後から照明光を一様に照射する。この光源24による照明光は、液晶パネル23を透過するときに、液晶パネル23に表示された画像の情報を持った表示光21として液晶パネル23から出射する。なお、光源24は白色LEDからなるが、これに限らず、所望の色の光源とすることができる。例えば、赤色,緑色,青色等の単色LEDから構成しても良く、またこれらの単色LEDをいくつか組み合わせて所望の色で像を表示させるようにしたものであっても良い。さらに、光源24としてはLEDに限らず、他の周知のランプ等を用いても良い。   The light source 24 is made of, for example, a white LED and is disposed on the back surface of the liquid crystal panel 23. That is, the light source 24 is a so-called backlight and uniformly illuminates illumination light from behind the liquid crystal panel 23. The illumination light from the light source 24 is emitted from the liquid crystal panel 23 as display light 21 having image information displayed on the liquid crystal panel 23 when passing through the liquid crystal panel 23. In addition, although the light source 24 consists of white LED, it can be set as the light source of not only this but a desired color. For example, it may be composed of single-color LEDs such as red, green, and blue, or a combination of several of these single-color LEDs to display an image in a desired color. Furthermore, the light source 24 is not limited to an LED, and other known lamps may be used.

第2平面ミラー27は、液晶パネル23から出射する表示光を反射し、後述する第1平面ミラー26に導く。すなわち、この第2平面ミラー27は、反射面を液晶パネル23の表示面側及び第1平面ミラー26の反射面側に向けて、液晶パネル23と第1平面ミラー26との間に配置されている。   The second plane mirror 27 reflects display light emitted from the liquid crystal panel 23 and guides it to a first plane mirror 26 described later. That is, the second flat mirror 27 is disposed between the liquid crystal panel 23 and the first flat mirror 26 with the reflection surface facing the display surface side of the liquid crystal panel 23 and the reflection surface side of the first flat mirror 26. Yes.

このように第2平面ミラー27は、液晶パネル23と第1平面ミラー26の間に配置されるが、これは表示光21を基準とした光学的なものであり、ヘッドアップディスプレイ装置10の断面を見れば、第1平面ミラー26の端部の上方に配置されていても良い(図2)。また、後述するように、第1平面ミラー26が表示光21をフロントガラス18へ向けて反射するが、この第2平面ミラー27の配置は、第1平面ミラー26がフロントガラス18へ反射する表示光21の範囲には重ならない位置に配置されている。   As described above, the second flat mirror 27 is arranged between the liquid crystal panel 23 and the first flat mirror 26, which is optical with respect to the display light 21, and is a cross-section of the head-up display device 10. If it sees, you may arrange | position above the edge part of the 1st plane mirror 26 (FIG. 2). As will be described later, the first flat mirror 26 reflects the display light 21 toward the windshield 18, but the second flat mirror 27 is arranged so that the first flat mirror 26 reflects the windshield 18. It is arranged at a position that does not overlap the range of the light 21.

第1平面ミラー26は、第2平面ミラー27によって反射された表示光21を反射して凹面ミラー28へと導く。さらに、この第1平面ミラー26には、凹面ミラー28から再び表示光21が入射する。したがって、第1平面ミラー26は、第2平面ミラー27からの表示光21と、凹面ミラー28からの表示光21とをともに受けるような配置及び大きさに設けられている。また、凹面ミラー28から入射する表示光21は、第1平面ミラー26で反射され、フロントガラス18へと導かれる。   The first flat mirror 26 reflects the display light 21 reflected by the second flat mirror 27 and guides it to the concave mirror 28. Further, the display light 21 is incident on the first flat mirror 26 again from the concave mirror 28. Therefore, the first flat mirror 26 is arranged and sized so as to receive both the display light 21 from the second flat mirror 27 and the display light 21 from the concave mirror 28. Further, the display light 21 incident from the concave mirror 28 is reflected by the first flat mirror 26 and guided to the windshield 18.

凹面ミラー28は、第1平面ミラー26によって反射された表示光21を、第1平面ミラー26へ向けて反射する。この凹面ミラー28は、液晶パネル23に表示される画像を拡大して反射し、投影するミラーであり、第1平面ミラー26側に反射面である凹面を向けて配置されている。また、凹面ミラー28の面形状は、単に凹面というだけでなく、非回転対称の非球面形状となっている。   The concave mirror 28 reflects the display light 21 reflected by the first plane mirror 26 toward the first plane mirror 26. The concave mirror 28 is a mirror that magnifies, reflects, and projects an image displayed on the liquid crystal panel 23, and is disposed with the concave surface, which is a reflective surface, facing the first flat mirror 26 side. Further, the surface shape of the concave mirror 28 is not only a concave surface but also a non-rotationally symmetric aspherical shape.

前述の基準光軸L1は、この凹面ミラー28によって第1平面ミラー26に向けて折り返される。この基準光軸L1の折り返しの角度、すなわち、第1平面ミラー26から凹面ミラー28へ入射する表示光21の基準光軸L1と、凹面ミラー28から第1平面ミラー26へ入射する表示光21の基準光軸L1とがなす角度(以下、偏向角)をα(度)とすると、15<α<33を満たすように、ヘッドアップディスプレイ装置10は構成されている。   The aforementioned reference optical axis L1 is folded back toward the first plane mirror 26 by the concave mirror 28. The turning angle of the reference optical axis L1, that is, the reference optical axis L1 of the display light 21 incident on the concave mirror 28 from the first flat mirror 26 and the display light 21 incident on the first flat mirror 26 from the concave mirror 28. The head-up display device 10 is configured to satisfy 15 <α <33, where α (degrees) is an angle formed by the reference optical axis L1 (hereinafter referred to as a deflection angle).

この基準光軸L1の偏向角αの範囲は、表示光21が第1平面ミラー26から凹面ミラー28へと反射され、再び第1平面ミラー26へと戻り、これがフロントガラス18へと導かれるというヘッドアップディスプレイ装置10に独自の光路順を保ち、運転手14に虚像19を正しく表示するための条件範囲である。   In the range of the deflection angle α of the reference optical axis L1, the display light 21 is reflected from the first flat mirror 26 to the concave mirror 28, returns to the first flat mirror 26, and is guided to the windshield 18. This is a condition range for maintaining a unique optical path order on the head-up display device 10 and correctly displaying the virtual image 19 on the driver 14.

すなわち、凹面ミラー28での基準光軸L1の偏向角αが上述の条件式の下限を下回ると、液晶パネル23(第2平面ミラー27)から第1平面ミラー26に入射する表示光21と、凹面ミラー28から第1平面ミラー26に入射し、フロントガラス18の方向へ拡大投影する表示光21との分離が困難となる。例えば、凹面ミラー28で反射された表示光21は、第1平面ミラー26でフロントガラス18の方向へは反射されずに、第2平面ミラー27,液晶パネル23の方向へ反射されてしまい虚像19を表示することができなくなる。   That is, when the deflection angle α of the reference optical axis L1 at the concave mirror 28 is below the lower limit of the above conditional expression, the display light 21 incident on the first flat mirror 26 from the liquid crystal panel 23 (second flat mirror 27), It becomes difficult to separate from the display light 21 that enters the first flat mirror 26 from the concave mirror 28 and is enlarged and projected in the direction of the windshield 18. For example, the display light 21 reflected by the concave mirror 28 is not reflected in the direction of the windshield 18 by the first flat mirror 26 but is reflected in the direction of the second flat mirror 27 and the liquid crystal panel 23, and the virtual image 19. Cannot be displayed.

また、凹面ミラー28での基準光軸L1の偏向角αが上述の条件式の上限を超えると、凹面ミラー28で反射される表示光21は、第1平面ミラー26に戻らなくなってしまったり、あるいは、大きな第1平面ミラーや収差補正のために長い焦点距離を必要とする大きな凹面ミラーを必要とし、かえってヘッドアップディスプレイ装置10が大型化してしまうことになる。   If the deflection angle α of the reference optical axis L1 at the concave mirror 28 exceeds the upper limit of the above conditional expression, the display light 21 reflected by the concave mirror 28 may not return to the first flat mirror 26, Alternatively, a large first flat mirror or a large concave mirror that requires a long focal length for aberration correction is required, and the head-up display device 10 is increased in size.

また、凹面ミラー28は、第1平面ミラー26から入射する表示光21を拡大して投影するといういわゆるレンズの効果を発揮するミラーであるから、この凹面ミラー28での基準光軸L1の折り返しの角度αが大きな値であるほど、凹面ミラー28の収差の影響が大きくなる。したがって、凹面ミラー28での基準光軸L1の偏向角αが上述の条件式の範囲内となっていれば、ヘッドアップディスプレイ装置10をコンパクトに構成してもこのような凹面ミラー28による収差は殆ど問題にならない程度となる。   The concave mirror 28 is a mirror that exhibits a so-called lens effect of enlarging and projecting the display light 21 incident from the first flat mirror 26, so that the reference optical axis L <b> 1 of the concave mirror 28 is folded back. The greater the angle α, the greater the influence of the aberration of the concave mirror 28. Therefore, if the deflection angle α of the reference optical axis L1 at the concave mirror 28 is within the range of the above-described conditional expression, the aberration caused by such a concave mirror 28 is reduced even if the head-up display device 10 is made compact. It becomes the level which hardly becomes a problem.

このように、偏向角αの範囲は、ヘッドアップディスプレイ装置10の光路順を保ち正しく虚像を表示し、かつ凹面ミラーの収差を抑えるという制約から、上述のように15<α<33の範囲内の値であることが好ましく、15<α<32の範囲内の値であることがより好ましい。さらに、偏光角αの値が20<α<25の範囲内であれることが特に好ましい。   Thus, the range of the deflection angle α is within the range of 15 <α <33 as described above due to the restriction that the optical path order of the head-up display device 10 is maintained and a virtual image is displayed correctly and the aberration of the concave mirror is suppressed. Is preferable, and a value within a range of 15 <α <32 is more preferable. Furthermore, the value of the polarization angle α is particularly preferably in the range of 20 <α <25.

図3に示すように、凹面ミラー28の面形状は非回転対称な非球面形状、いわゆる自由曲面31となっている。この自由曲面31の光軸L2は、例えば、凹面ミラー28の外側にあり、凹面ミラー28に基準光軸L1を中心とした回転対称性はない。すなわち、凹面ミラー28は、自由曲面31を偏心した配置で用いられる。凹面ミラー28がこうした非回転対称非球面形状であることで、凹面ミラー28は表示光21を拡大投影すると同時に、表示する虚像19の全体でこの凹面ミラー28で生じる収差を良好に補正する。   As shown in FIG. 3, the surface shape of the concave mirror 28 is a non-rotationally symmetric aspherical shape, a so-called free-form surface 31. The optical axis L2 of the free-form surface 31 is, for example, outside the concave mirror 28, and the concave mirror 28 does not have rotational symmetry about the reference optical axis L1. That is, the concave mirror 28 is used in an arrangement in which the free curved surface 31 is decentered. Since the concave mirror 28 has such a non-rotationally symmetric aspherical shape, the concave mirror 28 magnifies and projects the display light 21 and at the same time, corrects aberrations generated by the concave mirror 28 in the entire virtual image 19 to be displayed.

なお、この凹面ミラー28の面形状は全く対称性のない完全な自由曲面となっているが、必ずしも完全な自由曲面である必要はなく、表示光を拡大投影する反射面の形状によっては線対称性等の対称性があっても良い。すなわち、表示光21を拡大投影するフロントガラス18は運転手14に対して前後に傾斜して配置され、かつ運転手14の正面を基準として左右に非対称な形状となっているから、上述のように凹面ミラー28もまた全く対称性のない完全な自由曲面形状となっている。しかし、例えば、運転手14等の観察者にとって左右に対称な平面に表示光を拡大投影して虚像を表示する場合には、正常な形状の虚像を表示するために、凹面ミラーの面形状は基準光軸を中心として左右対称なシリンドリカル形状となっていることが好ましい。   The surface shape of the concave mirror 28 is a complete free-form surface having no symmetry, but it is not necessarily a complete free-form surface. Depending on the shape of the reflection surface for enlarging and projecting the display light, the concave mirror 28 is line-symmetric. There may be symmetry such as sex. That is, the windshield 18 for enlarging and projecting the display light 21 is tilted forward and backward with respect to the driver 14 and has an asymmetric shape on the left and right with respect to the front of the driver 14. The concave mirror 28 also has a completely free-form surface having no symmetry. However, for example, when displaying a virtual image by enlarging and projecting display light on a plane symmetrical to the left and right for an observer such as the driver 14, the surface shape of the concave mirror is set to display a normal-shaped virtual image. It is preferable that the cylindrical shape is symmetrical with respect to the reference optical axis.

上述のように構成されるヘッドアップディスプレイ装置の具体的な例として、液晶パネルからの表示光を第2平面ミラーによらず直接的に第1平面ミラーで反射する最も基本的な例を、以下に実施例として示す。   As a specific example of the head-up display device configured as described above, the most basic example in which the display light from the liquid crystal panel is directly reflected by the first plane mirror without depending on the second plane mirror is as follows. Are shown as examples.

[実施例1]
図4に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置10aのミラー光学系22aは、第1平面ミラー26a、凹面ミラー28a、液晶パネル23等から構成される。このヘッドアップディスプレイ装置10aは、自動車のフロントガラスに表示光を拡大投影して反射させ、虚像を表示するように構成した。このヘッドアップディスプレイ装置10aの各部は、運転手に対して、前方2mのフロントガラス越しの位置に虚像を表示するように配置した。また、ヘッドアップディスプレイ装置10aによって表示される虚像の大きさが運転手にとって十分に見やすい大きさとなるように、表示する虚像のサイズ(幅h(mm),高さv(mm))がh×v=150×50となるように、ヘッドアップディスプレイ装置10aを構成した。このとき、運転手(観察者)が表示された虚像を両眼視する観察範囲、すなわち入射瞳の大きさは、幅100mm×高さ40mmとした。
[Example 1]
As shown in FIG. 4, the mirror optical system 22a of the head-up display device 10a includes a first flat mirror 26a, a concave mirror 28a, a liquid crystal panel 23, and the like. The head-up display device 10a is configured to display a virtual image by projecting and reflecting display light on a windshield of an automobile. Each part of the head-up display device 10a is arranged to display a virtual image at a position over the windshield 2m ahead of the driver. Further, the size of the virtual image to be displayed (width h (mm), height v (mm)) is h × so that the size of the virtual image displayed by the head-up display device 10a is sufficiently large for the driver to see. The head-up display device 10a was configured so that v = 150 × 50. At this time, the observation range in which the driver (observer) displays the virtual image displayed in both eyes, that is, the size of the entrance pupil, is 100 mm wide × 40 mm high.

第1平面ミラー26aが虚像の表示に関与する実効的な大きさは、縦方向(運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置10aの縦方向)の長さAが76mm、横方向(運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置10aの横方向)の長さが122mmとなっている。同様に、凹面ミラー28aが虚像の表示に関与する実効的な大きさは、縦方向の長さBが46mm、横方向が122mmとなっている。   The effective size of the first plane mirror 26a involved in the display of the virtual image is that the length A in the vertical direction (the vertical direction of the head-up display device 10a as viewed from the driver) is 76 mm, and the horizontal direction (as viewed from the driver). The length in the horizontal direction of the head-up display device 10a is 122 mm. Similarly, the effective size that the concave mirror 28a is involved in the display of the virtual image is 46 mm in the vertical direction B and 122 mm in the horizontal direction.

このヘッドアップディスプレイ装置10aの各部の詳細な配置等を示すために、基準光軸L1が第1平面ミラー26aに反射される点を座標系の原点Oとし、この基準光軸L1の延長方向を正方向とするz軸を定める。さらに、このz軸に垂直で第1平面ミラー26上の方向にx軸を定め、x軸とz軸とに垂直な方向で凹面ミラー28aが配置された方向を正方向とするy軸を定める。なお、座標系が左手系となるように、x軸の正方向を定める。   In order to show the detailed arrangement and the like of each part of the head-up display device 10a, the point where the reference optical axis L1 is reflected by the first plane mirror 26a is taken as the origin O of the coordinate system, and the extending direction of the reference optical axis L1 is A positive z-axis is defined. Furthermore, the x axis is defined in the direction perpendicular to the z axis and on the first plane mirror 26, and the y axis is defined in the direction perpendicular to the x axis and the z axis as the direction in which the concave mirror 28a is disposed. . Note that the positive direction of the x-axis is determined so that the coordinate system is a left-handed system.

このように座標系を定めるときに、第1平面ミラー26a、凹面ミラー28a、液晶パネル23の各々の具体的な座標を表1に示す。この表1に示す座標のスケールは全てmmとする。また、同時に、表1の下段には、ヘッドアップディスプレイ装置10aの各種条件を併せて示す。   Table 1 shows specific coordinates of the first plane mirror 26a, the concave mirror 28a, and the liquid crystal panel 23 when the coordinate system is determined in this way. The coordinate scales shown in Table 1 are all mm. At the same time, the lower part of Table 1 also shows various conditions of the head-up display device 10a.

Figure 2009115908
Figure 2009115908

表1に示すように、第1平面ミラー26aは、拡大投影する表示光がフロントガラスの方向に適切に偏向されるように、x軸方向を回転軸として、xz平面から40.0度傾けて配置するとともに、運転手から原点Oまでの基準光軸に沿った距離が943mmとなるように配置した。   As shown in Table 1, the first plane mirror 26a is inclined by 40.0 degrees from the xz plane with the x axis direction as the rotation axis so that the display light to be magnified and projected is appropriately deflected in the direction of the windshield. In addition to the arrangement, the distance from the driver to the origin O along the reference optical axis was 943 mm.

また、液晶パネル23は、その表示面と基準光軸L1との交点(表示面の中心)座標が(x,y,z)=(0.0,−36.79,−54.61)となるように配置した。さらに、表示面の法線とz軸とのなす角が10.61度となるように、かつ、表示面の法線と基準光軸L1とのなす角(液晶パネル23の傾斜角)γが11.4度となるように、x軸方向を軸として液晶パネル23を回転して配置した。また、液晶パネル23の表示面の大きさは、幅h(mm)×高さv(mm)=15×5の大きさのものを用いた。   Further, the liquid crystal panel 23 has coordinates (x, y, z) = (0.0, −36.79, −54.61) of the intersection (center of the display surface) between the display surface and the reference optical axis L1. Arranged to be. Further, the angle formed between the normal of the display surface and the z axis is 10.61 degrees, and the angle formed between the normal of the display surface and the reference optical axis L1 (inclination angle of the liquid crystal panel 23) γ is The liquid crystal panel 23 was rotated and arranged around the x-axis direction so as to be 11.4 degrees. Further, the display surface of the liquid crystal panel 23 has a size of width h (mm) × height v (mm) = 15 × 5.

凹面ミラー28aは、その光軸L2の位置が(x,y,z)=(0.0,26.37,−76.43)となるように配置するとともに、光軸L2とy軸とのなす角が71.78度となるようにx軸方向を軸として回転して配置した。この凹面ミラー28a上の基準光軸L1との交点から虚像までの距離、すなわち虚像から凹面ミラー28aまでの光路長Lは1020mmとなっている。また、凹面ミラー28aの面形状は、下記数1で表される。ここで、CX,CY,KAX,KAY,A4,K2,A6,K3は非回転対称非球面係数であり、その具体的な値は表2に示す。   The concave mirror 28a is arranged so that the position of the optical axis L2 is (x, y, z) = (0.0, 26.37, −76.43), and the concave mirror 28a is positioned between the optical axis L2 and the y axis. The x-axis direction was rotated and arranged so that the angle formed was 71.78 degrees. The distance from the intersection with the reference optical axis L1 on the concave mirror 28a to the virtual image, that is, the optical path length L from the virtual image to the concave mirror 28a is 1020 mm. The surface shape of the concave mirror 28a is expressed by the following formula 1. Here, CX, CY, KAX, KAY, A4, K2, A6, and K3 are non-rotationally symmetric aspherical coefficients, and specific values thereof are shown in Table 2.

Figure 2009115908
Figure 2009115908

Figure 2009115908
Figure 2009115908

このように構成したヘッドアップディスプレイ装置10aでは、凹面ミラー28aにおける基準光軸L1の偏向角αは22度であり(表1)、15<α<33の範囲内の値であり、特に20<α<25の範囲に収まる値となっている。また、このヘッドアップディスプレイ装置10aの投影倍率β(表示する虚像のサイズ/液晶パネル上の画像サイズ)は10倍であり、凹面ミラー28aの焦点距離fは92.73mmとなっている。   In the head-up display device 10a configured as described above, the deflection angle α of the reference optical axis L1 in the concave mirror 28a is 22 degrees (Table 1), which is a value within the range of 15 <α <33, particularly 20 < The value falls within the range of α <25. Further, the projection magnification β (size of the virtual image to be displayed / image size on the liquid crystal panel) of the head-up display device 10a is 10 times, and the focal length f of the concave mirror 28a is 92.73 mm.

また、液晶パネル23の中心(表示面と基準光軸との交点)を原点とし、水平方向をX軸とするXY座標系を定め、この液晶パネル23上の像座標(0.0,2.5),(0.0,0.0),(0.0,−2.5),(7.5,2.5),(7.5,0.0),(7.5,−2.5)の各点のスポットダイアグラムを図5(A)〜(F)に示す。なお、像座標のスケールは何れもmmであり、また、各スポットダイアグラムは、基準長さ(図5右上)が200μmとなるスケールで示す。   Further, an XY coordinate system is defined in which the center (intersection of the display surface and the reference optical axis) of the liquid crystal panel 23 is the origin and the horizontal direction is the X axis, and the image coordinates (0.0, 2.. 5), (0.0, 0.0), (0.0, -2.5), (7.5, 2.5), (7.5, 0.0), (7.5,- The spot diagram of each point of 2.5) is shown in FIGS. Note that the scale of image coordinates is mm, and each spot diagram is indicated by a scale having a reference length (upper right of FIG. 5) of 200 μm.

[実施例2]
図6に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置10bのミラー光学系22bは、第1平面ミラー26b、凹面ミラー28b、液晶パネル23等から構成される。このヘッドアップディスプレイ装置10bは、前述の実施例1と同様に自動車のフロントガラス越しに虚像を表示するように構成したものであり、運転手に対して前方2mのフロントガラス越しの位置に虚像を表示する。また、ヘッドアップディスプレイ装置10bが表示する虚像のサイズは幅h×高さv=150mm×50mm、入射瞳の大きさは100mm×40mmとした。
[Example 2]
As shown in FIG. 6, the mirror optical system 22b of the head-up display device 10b includes a first flat mirror 26b, a concave mirror 28b, a liquid crystal panel 23, and the like. The head-up display device 10b is configured to display a virtual image through the windshield of the automobile as in the first embodiment, and displays a virtual image at a position through the windshield 2m ahead of the driver. indicate. Further, the size of the virtual image displayed by the head-up display device 10b is width h × height v = 150 mm × 50 mm, and the size of the entrance pupil is 100 mm × 40 mm.

第1平面ミラー26bが虚像の表示に関与する実効的な大きさは、縦方向(運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置10bの縦方向)の長さAが70mm、横方向(運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置10aの横方向)の長さが122mmとなっている。同様に、凹面ミラー28bが虚像の表示に関与する実効的な大きさは、縦方向の長さBが46mm、横方向が122mmとなっている。   The effective size of the first flat mirror 26b involved in the display of the virtual image is that the length A in the vertical direction (the vertical direction of the head-up display device 10b as viewed from the driver) is 70 mm, and the horizontal direction (as viewed from the driver). The length in the horizontal direction of the head-up display device 10a is 122 mm. Similarly, the effective size that the concave mirror 28b is involved in the display of the virtual image is 46 mm in the vertical direction B and 122 mm in the horizontal direction.

また、実施例1と同様に、基準光軸と第1平面ミラー26bとの交点を原点とするxyz座標系を定め、第1平面ミラー26b、凹面ミラー28b、液晶パネル23の各々の具体的な座標を表3に示す。また、同時に、表3の下段には、ヘッドアップディスプレイ装置10bの各種条件を併せて示す。   Similarly to the first embodiment, an xyz coordinate system having an origin at the intersection of the reference optical axis and the first plane mirror 26b is defined, and each of the first plane mirror 26b, the concave mirror 28b, and the liquid crystal panel 23 is specifically described. The coordinates are shown in Table 3. At the same time, the lower part of Table 3 also shows various conditions of the head-up display device 10b.

Figure 2009115908
Figure 2009115908

表3に示すように、第1平面ミラー26bは、x軸方向を回転軸として、xz平面から40.68度傾けて配置するとともに、運転手から座標系原点Oまでの距離が943mmとなるように配置した。   As shown in Table 3, the first plane mirror 26b is disposed with an inclination of 40.68 degrees from the xz plane with the x-axis direction as the rotation axis, and the distance from the driver to the coordinate system origin O is 943 mm. Arranged.

また、液晶パネル23は、その表示面と基準光軸L1との交点(表示面の中心)座標が(x,y,z)=(0.00,−30.32,−57.62)となるように配置した。さらに、表示面の法線とz軸とのなす角が7.77度となるように、かつ、表示面の法線と基準光軸L1とのなす角(液晶パネル23の傾斜角)γが10.2度となるように、x軸方向を軸として液晶パネル23を回転して配置した。また、液晶パネル23の表地面の大きさは、幅h×高さv=15mm×5mmの大きさのものを用いた。   Further, the liquid crystal panel 23 has coordinates (x, y, z) = (0.00, −30.32, −57.62) of the intersection (the center of the display surface) between the display surface and the reference optical axis L1. Arranged to be. Furthermore, the angle (inclination angle of the liquid crystal panel 23) γ between the normal of the display surface and the reference optical axis L1 is such that the angle between the normal of the display surface and the z-axis is 7.77 degrees. The liquid crystal panel 23 was rotated and arranged around the x-axis direction as 10.2 degrees. The surface of the liquid crystal panel 23 has a size of width h × height v = 15 mm × 5 mm.

凹面ミラー28bは、その光軸L2の位置が(x,y,z)=(0.00,30.84,−55.18)となるように配置するとともに、光軸L2とy軸とのなす核が77.00度となるようにx軸方向を軸として回転して配置した。この凹面ミラー28b上の基準光軸L1との交点から虚像までの距離、すなわち虚像から凹面ミラー28aまでの光路長Lは1020mmとなっている。また、凹面ミラー28bの面形状は実施例1と同様に前述の数1で表され、その非回転対称非球面係数CX,CY,KAX,KAY,A4,K2,A6,K3の具体的な値は表4に示す。   The concave mirror 28b is arranged so that the position of the optical axis L2 is (x, y, z) = (0.00, 30.84, −55.18), and the optical axis L2 and the y axis are The x-axis direction was rotated and arranged so that the nucleus formed was 77.00 degrees. The distance from the intersection with the reference optical axis L1 on the concave mirror 28b to the virtual image, that is, the optical path length L from the virtual image to the concave mirror 28a is 1020 mm. The surface shape of the concave mirror 28b is expressed by the above-described equation 1 as in the first embodiment, and specific values of the non-rotationally symmetric aspheric coefficients CX, CY, KAX, KAY, A4, K2, A6, K3. Is shown in Table 4.

Figure 2009115908
Figure 2009115908

さらに、前述の実施例1と同様に、液晶パネル23の中心(表示面と基準光軸との交点)を原点とし、水平方向をX軸とするXY座標系を定め、この液晶パネル23上の像座標(0.0,2.5),(0.0,0.0),(0.0,−2.5),(7.5,2.5),(7.5,0.0),(7.5,−2.5)の各点のスポットダイアグラムを図7(A)〜(F)に示す。なお、像座標のスケールは何れもmmであり、また、各スポットダイアグラムは、基準長さ(図7右上)が200μmとなるスケールで示す。   Further, as in the first embodiment, an XY coordinate system is defined in which the center of the liquid crystal panel 23 (intersection of the display surface and the reference optical axis) is the origin and the horizontal direction is the X axis. Image coordinates (0.0, 2.5), (0.0, 0.0), (0.0, -2.5), (7.5, 2.5), (7.5, 0. The spot diagrams of the points 0) and (7.5, −2.5) are shown in FIGS. Note that the scale of the image coordinates is mm, and each spot diagram is indicated by a scale having a reference length (upper right of FIG. 7) of 200 μm.

このように構成したヘッドアップディスプレイ装置10bは、凹面ミラー28bにおける基準光軸L1の偏向角αは18度(表3)、15<α<33の範囲、特に20<α<25の範囲内の値となっている。また、このヘッドアップディスプレイ装置10bの投影倍率βは10倍であり、凹面ミラー28bの焦点距離fは92.73mmとなっている。   In the head-up display device 10b configured as described above, the deflection angle α of the reference optical axis L1 in the concave mirror 28b is 18 degrees (Table 3), 15 <α <33, particularly 20 <α <25. It is a value. Further, the projection magnification β of the head-up display device 10b is 10 times, and the focal length f of the concave mirror 28b is 92.73 mm.

[実施例3]
図8に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置10cのミラー光学系22cは、第1平面ミラー26c、凹面ミラー28c、液晶パネル23等から構成される。このヘッドアップディスプレイ装置10cは、前述の実施例1,2と同様に自動車のフロントガラス越しに虚像を表示するように構成したものであり、運転手に対して前方2mの位置に虚像を表示する。また、ヘッドアップディスプレイ装置10cが表示する虚像のサイズもまた、前述の実施例1,2と同様に、幅h×高さv=150mm×50mm、入射瞳の大きさは100mm×40mmとした。
[Example 3]
As shown in FIG. 8, the mirror optical system 22c of the head-up display device 10c includes a first flat mirror 26c, a concave mirror 28c, a liquid crystal panel 23, and the like. The head-up display device 10c is configured to display a virtual image through the windshield of the automobile as in the first and second embodiments, and displays a virtual image at a position 2m ahead of the driver. . Further, the size of the virtual image displayed by the head-up display device 10c was also set to width h × height v = 150 mm × 50 mm and the size of the entrance pupil was 100 mm × 40 mm, as in the first and second embodiments.

第1平面ミラー26cが虚像の表示に関与する実効的な大きさは、縦方向(運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置10cの縦方向)の長さAが90mm、横方向(運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置10cの横方向)の長さが122mmとなっている。同様に、凹面ミラー28bが虚像の表示に関与する実効的な大きさは、縦方向の長さBが47mm、横方向が122mmとなっている。   The effective size of the first plane mirror 26c involved in the display of the virtual image is that the length A in the vertical direction (the vertical direction of the head-up display device 10c as viewed from the driver) is 90 mm, and the horizontal direction (as viewed from the driver). The length in the horizontal direction of the head-up display device 10c is 122 mm. Similarly, the effective size with which the concave mirror 28b is involved in the display of the virtual image is 47 mm in the vertical length B and 122 mm in the horizontal direction.

また、実施例1,2と同様に、基準光軸L1と第1平面ミラー26cとの交点を原点とするxyz座標系を定め、第1平面ミラー26c、凹面ミラー28c、液晶パネル23の各々の具体的な座標を表5に示す。また、同時に、表5の下段には、ヘッドアップディスプレイ装置10cの各種条件を併せて示す。   Similarly to the first and second embodiments, an xyz coordinate system having an origin at the intersection of the reference optical axis L1 and the first flat mirror 26c is defined, and each of the first flat mirror 26c, the concave mirror 28c, and the liquid crystal panel 23 is determined. Specific coordinates are shown in Table 5. At the same time, the lower part of Table 5 also shows various conditions of the head-up display device 10c.

Figure 2009115908
Figure 2009115908

表5に示すように、第1平面ミラー26cは、x軸方向を回転軸として、xz平面から37.15度傾けて配置するとともに、運転手から座標系原点までの距離が943mmとなるように配置した。   As shown in Table 5, the first plane mirror 26c is disposed with an inclination of 37.15 degrees from the xz plane with the x-axis direction as the rotation axis, and the distance from the driver to the coordinate system origin is 943 mm. Arranged.

また、液晶パネル23は、その表示面と基準光軸L1との交点(表示面の中心)座標が(x,y,z)=(0.00,−48.91,−47.92)となるように配置した。さらに、表示面の法線とz軸とのなす角が14.30度となるように、かつ、表示面の法線と基準光軸L1とのなす角(液晶パネル23の傾斜角)γが15.7度となるように、x軸方向を軸として液晶パネル23を回転して配置した。また、液晶パネル23の表示面の大きさは、幅h×高さv=15mm×5mmの大きさのものを用いた。   Further, the liquid crystal panel 23 has coordinates (x, y, z) = (0.00, −48.91, −47.92) of the intersection (center of the display surface) between the display surface and the reference optical axis L1. Arranged to be. Further, the angle formed between the normal line of the display surface and the z axis is 14.30 degrees, and the angle formed between the normal line of the display surface and the reference optical axis L1 (inclination angle of the liquid crystal panel 23) γ is The liquid crystal panel 23 was rotated and arranged about the x-axis direction so as to be 15.7 degrees. The display surface of the liquid crystal panel 23 has a size of width h × height v = 15 mm × 5 mm.

凹面ミラー28cは、その光軸L2の位置が(x,y,z)=(0.00,17.19,−95.08)となるように配置するとともに、光軸L2とy軸とのなす角が64.86度と成るようにx軸方向を軸として回転して配置した。この凹面ミラー28c上の基準光軸L1との交点から虚像までの距離、すなわち虚像から凹面ミラー28aまでの光路長Lは1020mmとなっている。また、凹面ミラー28cの面形状は実施例1,2と同様に前述の数1で表され、その非回転対称非球面係数CX,CY,KAX,KAY,A4,K2,A6,K3の具体的な値は表6に示す。   The concave mirror 28c is arranged so that the position of the optical axis L2 is (x, y, z) = (0.00, 17.19, −95.08), and the optical axis L2 and the y axis are The x-axis direction was rotated and arranged so that the angle formed was 64.86 degrees. The distance from the intersection with the reference optical axis L1 on the concave mirror 28c to the virtual image, that is, the optical path length L from the virtual image to the concave mirror 28a is 1020 mm. Further, the surface shape of the concave mirror 28c is expressed by the above-described equation 1 as in the first and second embodiments, and the non-rotationally symmetric aspheric coefficients CX, CY, KAX, KAY, A4, K2, A6, and K3 are specific. Table 6 shows the values.

Figure 2009115908
Figure 2009115908

さらに、前述の実施例1,2と同様に、液晶パネル23の中心(表示面と基準光軸との交点)を原点とし、水平方向をX軸とするXY座標系を定め、この液晶パネル23上の像座標(0.0,2.5),(0.0,0.0),(0.0,−2.5),(7.5,2.5),(7.5,0.0),(7.5,−2.5)の各点のスポットダイアグラムを図9(A)〜(F)に示す。なお、像座標のスケールは何れもmmであり、また、各スポットダイアグラムは、基準長さ(図9右上)が200μmとなるスケールで示す。   Further, as in the first and second embodiments, an XY coordinate system having the center of the liquid crystal panel 23 (intersection of the display surface and the reference optical axis) as the origin and the horizontal direction as the X axis is defined. Upper image coordinates (0.0, 2.5), (0.0, 0.0), (0.0, -2.5), (7.5, 2.5), (7.5, The spot diagrams of the points 0.0) and (7.5, −2.5) are shown in FIGS. The scale of the image coordinates is mm, and each spot diagram is indicated by a scale having a reference length (upper right of FIG. 9) of 200 μm.

このように構成したヘッドアップディスプレイ装置10cは、凹面ミラー28cにける基準光軸L1の偏向角αは30度であり(表5)、15<α<33の範囲に収まり、特に20<α<25の範囲内の値となっている。また、このヘッドアップディスプレイ装置10cの投影倍率βは10倍であり、凹面ミラー28cの焦点距離fは92.73mmとなっている。   In the head-up display device 10c configured as described above, the deflection angle α of the reference optical axis L1 in the concave mirror 28c is 30 degrees (Table 5), which falls within the range of 15 <α <33, particularly 20 <α <. The value is in the range of 25. Further, the projection magnification β of the head-up display device 10c is 10, and the focal length f of the concave mirror 28c is 92.73 mm.

以上のように、本発明のミラー光学系及びこれを搭載するヘッドアップディスプレイ装置は、基準光軸L1が第1平面ミラーに折り返される独特の光路順となる構成であることや、凹面ミラーの焦点距離も短いことから、凹面ミラーや液晶パネル(及びこれを照明する光源)は小型のものを用いることができる。したがって、ミラー光学系及びこれを搭載するヘッドアップディスプレイ装置は、全体としてもコンパクトに構成される。また、ヘッドアップディスプレイ装置の各部が小型化されると、ヘッドアップディスプレイ装置の製造コストは低減され、かつ、虚像表示時の消費電力も抑えられる。さらには、凹面ミラーにおける基準光軸L1の偏向角αが15<α<33の範囲に収まるものとなっていることで、前述のような独特の光路順を実現するとともに、凹面ミラーによる収差を改善することができる。また、液晶パネルを基準光軸L1に対して傾斜して配置することで、表示された虚像の何れの位置においてもピントの合った虚像を観察することができる。また、第2平面ミラーを配置して、液晶パネルからの表示光を折り返して第1平面ミラーに入射させるようにすることで、ヘッドアップディスプレイ装置の縦方向(観察者から見たヘッドアップディスプレイの縦方向)の長さを、すなわち厚みをさらに軽減することができる。   As described above, the mirror optical system of the present invention and the head-up display device on which the mirror optical system is mounted have a configuration in which the reference optical axis L1 has a unique optical path order that is folded back to the first plane mirror, and the focal point of the concave mirror. Since the distance is short, a concave mirror and a liquid crystal panel (and a light source for illuminating the same) can be used. Therefore, the mirror optical system and the head-up display device on which the mirror optical system is mounted are configured compactly as a whole. Further, when each part of the head-up display device is downsized, the manufacturing cost of the head-up display device is reduced, and the power consumption during virtual image display can be suppressed. Furthermore, since the deflection angle α of the reference optical axis L1 in the concave mirror is within the range of 15 <α <33, the unique optical path order as described above is realized and the aberration due to the concave mirror is reduced. Can be improved. Further, by arranging the liquid crystal panel to be inclined with respect to the reference optical axis L1, it is possible to observe a focused virtual image at any position of the displayed virtual image. Further, by arranging the second plane mirror so that the display light from the liquid crystal panel is folded and incident on the first plane mirror, the vertical direction of the head-up display device (the head-up display as viewed from the observer) can be obtained. The length in the vertical direction), that is, the thickness can be further reduced.

なお、上述の実施形態や実施例で示すように、第1平面ミラー,凹面ミラー,液晶パネルの各々の配置を、運転者(観察者)側から順に液晶パネル,(第2平面ミラー,)第1平面ミラー,凹面ミラーの順に配置するが、これらのヘッドアップディスプレイ装置を構成する各部の配置順序はこれに限らない。すなわち、上述の実施形態や実施例で示すヘッドアップディスプレイ装置は、その長手方向を運転手等に対して略垂直になるように配置するいわゆる横置きにヘッドアップディスプレイを設置するために、各部は上述のような配置となっている。しかしながら、例えば、いわゆる縦置きに設置するヘッドアップディスプレイ装置10dの場合には、図5に示すように、ミラー光学系22dの各部を、運転手等の観察者側から、光源24d,液晶パネル23d,第2平面ミラー27d,凹面ミラー28d,第1平面ミラー26dの順に配置しても良い。   As shown in the above-described embodiments and examples, the first flat mirror, the concave mirror, and the liquid crystal panel are arranged in order from the driver (observer) side to the liquid crystal panel (second flat mirror). Although the one plane mirror and the concave mirror are arranged in this order, the arrangement order of each part constituting these head-up display devices is not limited to this. That is, in the head-up display device shown in the above-described embodiments and examples, in order to install the head-up display in a so-called horizontal position in which the longitudinal direction is arranged so as to be substantially perpendicular to the driver or the like, The arrangement is as described above. However, for example, in the case of the head-up display device 10d installed in a so-called vertical position, as shown in FIG. 5, each part of the mirror optical system 22d is connected to the light source 24d and the liquid crystal panel 23d from the observer side such as the driver. The second plane mirror 27d, the concave mirror 28d, and the first plane mirror 26d may be arranged in this order.

なお、上述の実施形態では、本発明のヘッドアップディスプレイ装置として自動車用のものを例に説明するが、これに限らず、航空機や船舶等の他のものにも本発明のヘッドアップディスプレイ装置を好適に用いることができる。このように、自動車以外に本発明のヘッドアップディスプレイ装置を適用する場合には、表示光を拡大投影する反射面(自動車ではフロントガラス)の形状に応じて、非回転対称非球面の面形状としながらも凹面ミラーの詳細な面形状を個々に決定する必要がある。また、車種等によってはフロントガラスの傾斜や湾曲の状態は異なるから、本発明のヘッドアップディスプレイ装置を自動車に用いる場合であっても、同様の調節が必要となる。   In the above-described embodiment, the head-up display device of the present invention is described as an example for an automobile. However, the present invention is not limited to this, and the head-up display device of the present invention is applied to other devices such as an aircraft and a ship. It can be used suitably. Thus, when the head-up display device of the present invention is applied to a device other than an automobile, the surface shape of a non-rotationally symmetric aspheric surface is set according to the shape of a reflecting surface (a windshield in an automobile) that magnifies and projects display light. However, it is necessary to individually determine the detailed surface shape of the concave mirror. Moreover, since the state of inclination and curvature of the windshield differs depending on the vehicle type and the like, the same adjustment is necessary even when the head-up display device of the present invention is used in an automobile.

なお、上述の実施形態では、画像表示パネルが透過型液晶パネルである例を説明するが、これに限らず、画像表示パネルは反射型液晶パネルであっても。良く、液晶のモードも適宜選択して良い。また、画像表示パネルは、液晶を用いるものに限られず、表示光を出射することができれば、他の周知の画像表示パネルを用いても良い。   In the above-described embodiment, an example in which the image display panel is a transmissive liquid crystal panel is described. However, the present invention is not limited thereto, and the image display panel may be a reflective liquid crystal panel. The liquid crystal mode may be selected as appropriate. Further, the image display panel is not limited to one using liquid crystal, and other known image display panels may be used as long as they can emit display light.

なお、ヘッドアップディスプレイ装置は、自動車のダッシュボード等に設置されるものであるから、このヘッドアップディスプレイ装置を構成する各部は、耐熱性に優れたものであることが好ましい。     Since the head-up display device is installed on a dashboard or the like of an automobile, each part constituting the head-up display device is preferably excellent in heat resistance.

ヘッドアップディスプレイ装置の概略を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline of a head-up display apparatus. ヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す概略的な断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of a head-up display apparatus. 凹面ミラーの面形状を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the surface shape of a concave mirror. 実施例1のヘッドアップディスプレイ装置の具体的な構成を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a specific configuration of the head-up display device according to the first embodiment. 実施例1のミラー光学系のスポットダイアグラム。FIG. 3 is a spot diagram of the mirror optical system of Example 1. FIG. 実施例2のヘッドアップディスプレイ装置の具体的な構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the specific structure of the head-up display apparatus of Example 2. FIG. 実施例2のミラー光学系のスポットダイアグラム。6 is a spot diagram of the mirror optical system of Example 2. FIG. 実施例3のヘッドアップディスプレイ装置の具体的な構成を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a specific configuration of a head-up display device of Example 3. FIG. 実施例3のミラー光学系のスポットダイアグラム。10 is a spot diagram of the mirror optical system of Example 3. FIG. ミラー光学系の各部が他の配置となっている例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example which each part of a mirror optical system becomes another arrangement | positioning.

符号の説明Explanation of symbols

10,10a〜d ヘッドアップディスプレイ装置
12 自動車
14 運転手(観察者)
18 フロントガラス(反射面)
22,22a〜d ミラー光学系
23 液晶パネル(画像表示パネル)
24 光源
26,26a〜d 第1平面ミラー
27 第2平面ミラー
28,28a〜d 凹面ミラー
L1 基準光軸
L2 凹面ミラーの光軸
10, 10a-d Head-up display device 12 Car 14 Driver (observer)
18 Windshield (reflective surface)
22, 22a to d Mirror optical system 23 Liquid crystal panel (image display panel)
24 Light source 26, 26a-d First plane mirror 27 Second plane mirror 28, 28a-d Concave mirror L1 Reference optical axis L2 Concave mirror optical axis

Claims (5)

所定の位置にいる観察者に対面する反射面で、画像表示パネルからの表示光を観察者側に反射し、前記反射面越しに前記画像表示パネルに表示された画像を虚像として拡大表示するミラー光学系において、
前記虚像の中心となる前記表示光を追跡した主光線の経路を基準光軸とするときに、
前記画像表示パネルからの表示光を反射し、前記基準光軸を偏向する第1平面ミラーと、
面形状が非回転対称非球面であり、前記基準光軸に対して偏心して配置され、前記第1平面ミラーで反射された前記表示光を反射して、前記表示光を再度前記第1平面ミラーに入射させ、前記画像表示パネルに表示された画像を拡大投影する凹面ミラーと、
を備え、
前記第1平面ミラーは、前記凹面ミラーから拡大投影された前記画像を前記反射面で反射させて虚像として表示することを特徴とするミラー光学系。
A mirror that reflects the display light from the image display panel to the viewer with a reflecting surface facing the viewer at a predetermined position, and enlarges and displays the image displayed on the image display panel as a virtual image through the reflecting surface. In the optical system,
When a principal ray path that tracks the display light that is the center of the virtual image is a reference optical axis,
A first plane mirror that reflects display light from the image display panel and deflects the reference optical axis;
The surface shape is a non-rotationally symmetric aspherical surface, which is arranged eccentrically with respect to the reference optical axis, reflects the display light reflected by the first plane mirror, and again reflects the display light to the first plane mirror. And a concave mirror that magnifies and projects the image displayed on the image display panel,
With
The first flat mirror reflects the image magnified and projected from the concave mirror by the reflecting surface and displays it as a virtual image.
前記第1平面ミラーから前記凹面ミラーに入射する前記表示光の基準光軸と、前記凹面ミラーから前記第1平面ミラーに入射する前記表示光の基準光軸とのなす角α(度)が
15 < α < 33
を満たすことを特徴とする請求項1記載のミラー光学系。
An angle α (degree) formed by a reference optical axis of the display light incident on the concave mirror from the first flat mirror and a reference optical axis of the display light incident on the first flat mirror from the concave mirror is 15 <Α <33
The mirror optical system according to claim 1, wherein:
前記画像表示パネルは、前記基準光軸に対して傾斜して配置されることを特徴とする請求項1または2記載のミラー光学系。   3. The mirror optical system according to claim 1, wherein the image display panel is disposed to be inclined with respect to the reference optical axis. 前記画像表示パネルと前記第1平面ミラーとの間に、前記表示光を前記第1平面ミラーに反射して導く第2平面ミラーを備えることを特徴とする請求項1ないし3に記載のミラー光学系。   4. The mirror optical according to claim 1, further comprising: a second plane mirror between the image display panel and the first plane mirror that reflects and guides the display light to the first plane mirror. 5. system. 請求項1ないし4に記載のミラー光学系を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。   A head-up display device comprising the mirror optical system according to claim 1.
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