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JP2019191313A - Head-up display device - Google Patents

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JP2019191313A
JP2019191313A JP2018082338A JP2018082338A JP2019191313A JP 2019191313 A JP2019191313 A JP 2019191313A JP 2018082338 A JP2018082338 A JP 2018082338A JP 2018082338 A JP2018082338 A JP 2018082338A JP 2019191313 A JP2019191313 A JP 2019191313A
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JP
Japan
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light
display light
optical system
image
waveguide
Prior art date
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JP2018082338A
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Japanese (ja)
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孝啓 南原
Takahiro Nambara
孝啓 南原
和幸 石原
Kazuyuki Ishihara
和幸 石原
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Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】視認者にとってピントが合わせ易く、疲労感を発生させ難い虚像を表示可能なHUD装置を提供する。【解決手段】HUD装置は、結像部に画像の表示光を反射させることにより、画像を視認可能に虚像表示する。HUD装置は、表示光の光束を拡張すると共に、表示光を結像部側へ導く導波路30と、表示光の光源として機能する光源部11と、光源部11から提供された光によって、導波路30へと表示光を入射させる入射光学系IOSと、を備える。入射光学系IOSは、第1のメリジオナル断面MS1上に規定される入射光学系IOSの第1の焦点距離と、第2のメリジオナル断面MS2上に規定される入射光学系IOSの第2の焦点距離とを、互いに異ならせている。【選択図】図5Provided is a HUD device capable of displaying a virtual image that is easy for a viewer to focus on and does not easily generate a feeling of fatigue. An HUD device displays a virtual image of an image so that the image can be visually recognized by reflecting display light of the image on an image forming unit. The HUD device expands the luminous flux of the display light and guides the display light to the image forming unit side by using the waveguide 30, the light source unit 11 that functions as a light source of the display light, and the light provided from the light source unit 11. An incident optical system IOS for causing the display light to enter the wave path 30. The incident optical system IOS has a first focal length of the incident optical system IOS defined on the first meridional section MS1 and a second focal length of the incident optical system IOS defined on the second meridional section MS2. And are different from each other. [Selection diagram] FIG.

Description

この明細書による開示は、ヘッドアップディスプレイ装置(以下、HUD装置を略称とする)に関する。   The disclosure according to this specification relates to a head-up display device (hereinafter abbreviated as a HUD device).

従来、HUD装置が知られている。特許文献1に開示のHUD装置は、画像の表示光の光束を拡張する導波路を有している。また、特許文献2に開示のHUD装置は、結像部に画像の表示光を反射させることにより、画像を視認可能に虚像表示するものである。   Conventionally, HUD devices are known. The HUD device disclosed in Patent Document 1 has a waveguide that expands the luminous flux of image display light. Further, the HUD device disclosed in Patent Literature 2 displays a virtual image so that the image can be visually recognized by reflecting display light of the image on the imaging unit.

特表2017−528739号公報Special table 2017-528739 gazette 特開2017−181645号公報JP 2017-181645 A

さて、特許文献1のHUD装置のような導波路から射出した表示光を、特許文献2のような結像部に反射させ、虚像を表示する構成において、虚像が結像部の形状及び配置の影響を受ける。この結果、視認者にとって、乱視の見え方のような虚像の表示となり、虚像のピントが合わせ難くなるため、虚像の視認に伴った疲労感の発生が懸念されている。   Now, in the configuration in which the display light emitted from the waveguide like the HUD device of Patent Document 1 is reflected on the imaging unit as shown in Patent Document 2 to display a virtual image, the virtual image has the shape and arrangement of the imaging unit. to be influenced. As a result, it becomes a virtual image display that looks like astigmatism for a viewer, and it is difficult to focus the virtual image, so there is a concern about the generation of fatigue associated with visual recognition of the virtual image.

開示されるひとつの目的は、視認者にとってピントが合わせ易く、疲労感を発生させ難い虚像を表示可能なHUD装置を提供することにある。   One disclosed object is to provide a HUD device capable of displaying a virtual image that is easy to focus for a viewer and hardly causes fatigue.

ここに開示された態様は、結像部(3a)に画像の表示光を反射させることにより、画像を視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
表示光の光束を拡張すると共に、表示光を結像部側へ導く導波路(30)と、
表示光の光源として機能する光源部(11)と、
光源部から提供された光によって、導波路へと表示光を入射させる入射光学系(IOS)と、を備え、
入射光学系において、互いに直交する第1のメリジオナル断面(MS1)と第2のメリジオナル断面(MS2)とを、定義すると、
入射光学系は、第1のメリジオナル断面上に規定される入射光学系の第1の焦点距離と、第2のメリジオナル断面上に規定される入射光学系の第2の焦点距離とを、互いに異ならせている。
The aspect disclosed here is a head-up display device that displays a virtual image so that an image can be visually recognized by reflecting display light of the image to the imaging unit (3a).
A waveguide (30) that expands the luminous flux of the display light and guides the display light to the imaging unit side;
A light source unit (11) that functions as a light source of display light;
An incident optical system (IOS) that causes display light to enter the waveguide by the light provided from the light source unit;
In the incident optical system, a first meridional section (MS1) and a second meridional section (MS2) orthogonal to each other are defined.
The incident optical system has a difference between a first focal length of the incident optical system defined on the first meridional section and a second focal length of the incident optical system defined on the second meridional section. It is

このような態様によると、入射光学系の互いに直交するメリジオナル断面上に規定される第1の焦点距離と第2の焦点距離とが互いに異なっている。このような焦点距離の違いにより、光源部から光を提供された入射光学系によって、導波路へと入射する表示光の光束に、結像部の形状の影響を修正するような非点隔差を予め付与することが可能となる。非点隔差付与後、導波路によって表示光の光束が拡張され、当該表示光が結像部に反射されるので、結像状態の良い虚像を表示させることが可能となる。したがって、視認者にとってピントが合わせ易く、疲労感を発生させ難い虚像を表示可能なHUD装置を提供することができる。   According to such an aspect, the first focal length and the second focal length defined on the meridional sections orthogonal to each other of the incident optical system are different from each other. Due to such a difference in focal length, an astigmatism that corrects the influence of the shape of the imaging unit on the luminous flux of the display light incident on the waveguide by the incident optical system provided with light from the light source unit. It can be given in advance. After providing the astigmatic difference, the light beam of the display light is expanded by the waveguide, and the display light is reflected by the imaging unit, so that a virtual image with a good imaging state can be displayed. Therefore, it is possible to provide a HUD device that can display a virtual image that is easy for the viewer to focus and hardly causes fatigue.

なお、括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。   In addition, the code | symbol in parenthesis shows the corresponding relationship with the part of embodiment mentioned later, Comprising: It does not intend limiting the technical scope.

第1実施形態のHUD装置の車両への搭載状態を示す図である。It is a figure which shows the mounting state to the vehicle of the HUD apparatus of 1st Embodiment. 第1実施形態のHUD装置の斜視図である。It is a perspective view of the HUD device of a 1st embodiment. 第1実施形態のHUD装置の上面図である。It is a top view of the HUD device of a 1st embodiment. 第1実施形態のHUD装置の側面図である。It is a side view of the HUD device of a 1st embodiment. 第1実施形態のプロジェクタユニット及び折り返しミラーを示す図であって、入射光学系を説明するための図である。It is a figure which shows the projector unit and folding mirror of 1st Embodiment, Comprising: It is a figure for demonstrating an incident optical system. 第1実施形態の入力ポート及び拡張ポートにおける回折格子構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the diffraction grating structure in the input port and expansion port of 1st Embodiment. 第1実施形態の出力ポートにおける回折格子構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the diffraction grating structure in the output port of 1st Embodiment. 第1実施形態の導波路の機能を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the function of the waveguide of 1st Embodiment. 第2実施形態のHUD装置の側面図である。It is a side view of the HUD device of a 2nd embodiment. 第3実施形態のプロジェクタユニット及び折り返しミラーを示す図である。It is a figure which shows the projector unit and folding mirror of 3rd Embodiment. 変形例2のホログラム素子を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a hologram element of a second modification. 変形例4のハーフミラー型導波路を示す図である。It is a figure which shows the half mirror type | mold waveguide of the modification 4.

以下、複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合せることができる。   Hereinafter, a plurality of embodiments will be described with reference to the drawings. In addition, the overlapping description may be abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol to the corresponding component in each embodiment. When only a part of the configuration is described in each embodiment, the configuration of the other embodiment described above can be applied to the other part of the configuration. In addition, not only combinations of configurations explicitly described in the description of each embodiment, but also the configurations of a plurality of embodiments can be partially combined even if they are not explicitly specified unless there is a problem with the combination. .

(第1実施形態)
図1に示すように、本開示の第1実施形態によるヘッドアップディスプレイ装置100は、車両1に用いられ、当該車両1のインストルメントパネル2内に収容されることにより、当該車両1に搭載されている。HUD装置100は、車両1のウインドシールド3に設定された結像部3aへ向けて画像の表示光を射出する。これによりHUD装置100は、画像を、視認者としての乗員により視認可能に虚像表示する。すなわち、結像部3aにて反射される画像の表示光が、車両1の室内に設定された視認領域EBに到達することにより、視認領域EBにアイポイントEPが位置する乗員が当該表示光を虚像VRIとして知覚する。そして、乗員は、虚像VRIとして表示される各種情報を認識することができる。虚像表示される各種情報としては、例えば車速、燃料残量等の車両1の状態を示す情報、又は視界補助情報、道路情報等のナビゲーション情報が挙げられる。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the head-up display device 100 according to the first embodiment of the present disclosure is used in a vehicle 1 and is mounted in the vehicle 1 by being housed in an instrument panel 2 of the vehicle 1. ing. The HUD device 100 emits image display light toward the imaging unit 3 a set in the windshield 3 of the vehicle 1. As a result, the HUD device 100 displays a virtual image so that the image can be visually recognized by an occupant as a viewer. That is, when the display light of the image reflected by the imaging unit 3a reaches the visual recognition area EB set in the vehicle 1, the passenger whose eye point EP is located in the visual recognition area EB transmits the display light. Perceived as a virtual image VRI. The occupant can recognize various information displayed as the virtual image VRI. Examples of various types of information displayed as virtual images include information indicating the state of the vehicle 1 such as the vehicle speed and the remaining amount of fuel, or navigation information such as visibility assistance information and road information.

以下において、特に断り書きがない限り、前方、後方、前後方向、上方、下方、上下方向、左方、右方、及び左右方向の表記は、水平面HP上の車両1を基準として記載される。   In the following description, unless otherwise specified, front, rear, front and rear directions, upper, lower, up and down directions, left, right, and left and right directions are described with reference to the vehicle 1 on the horizontal plane HP.

車両1のウインドシールド3は、例えばガラスないしは合成樹脂により透光性の板状に形成され、インストルメントパネル2よりも上方に配置されている。ウインドシールド3は、下方から上方へ向かう程、より後方となるように傾斜して配置されている。ウインドシールド3は、画像が投影される結像部3aを、滑らかな凹状に湾曲するアナモルフィック面状に形成している。このようなウインドシールド3の形状は、一般的に、車両1の用途ないしはデザイン等に基づいて車両メーカにより設定されている。例えば結像部3aは、上下方向よりも左右方向に大きく湾曲するように形成されていることにより、左右方向の曲率が上下方向の曲率よりも大きくなるような凹面状に形成されている。HUD装置100は、このようなウインドシールド3の結像部3aに表示光を投射するように構成されている。   The windshield 3 of the vehicle 1 is formed in a translucent plate shape by glass or synthetic resin, for example, and is disposed above the instrument panel 2. The windshield 3 is disposed so as to be more rearward from the lower side toward the upper side. The windshield 3 has an image forming portion 3a on which an image is projected, formed in an anamorphic surface curved in a smooth concave shape. Such a shape of the windshield 3 is generally set by a vehicle manufacturer based on the use or design of the vehicle 1. For example, the imaging portion 3a is formed in a concave shape so that the curvature in the left-right direction is larger than the curvature in the up-down direction by being formed so as to bend more in the left-right direction than in the up-down direction. The HUD device 100 is configured to project display light onto the image forming unit 3 a of the windshield 3.

視認領域EBは、HUD装置100により表示される虚像VRIが所定の規格(例えば虚像VRI全体を所定の輝度以上で視認できる)を満たすように視認可能となる空間領域であって、アイボックスとも称される。視認領域EBは、典型的には、車両1に設定されたアイリプスと重なるように設定される。アイリプスは、乗員のアイポイントEPの空間分布を統計的に表したアイレンジに基づいて、楕円体状に設定されている。   The visual recognition area EB is a spatial area that is visible so that the virtual image VRI displayed by the HUD device 100 satisfies a predetermined standard (for example, the entire virtual image VRI can be visually recognized with a predetermined luminance or higher), and is also referred to as an eye box. Is done. The visual recognition area EB is typically set so as to overlap with the eyelips set in the vehicle 1. The eyelips are set in an ellipsoidal shape based on an eye range that statistically represents the spatial distribution of the occupant's eye points EP.

このようなHUD装置100の具体的構成を、図2〜8も用いて、以下に説明する。HUD装置100は、図2〜4に示すように、プロジェクタユニット10、折り返しミラー20、導波路30等により構成されている。これら構成要素は、例えば、中空形状に形成された遮光性を有するハウジング6の内部に、収容されている。本実施形態のHUD装置100は、従来のような大型の凹面鏡等が不要な構成を実現したことにより、大幅な小型化が図られている。   A specific configuration of such a HUD device 100 will be described below with reference to FIGS. As shown in FIGS. 2 to 4, the HUD device 100 includes a projector unit 10, a folding mirror 20, a waveguide 30, and the like. For example, these components are accommodated in a light-shielding housing 6 formed in a hollow shape. The HUD device 100 of the present embodiment is greatly reduced in size by realizing a configuration that does not require a conventional large concave mirror or the like.

プロジェクタユニット10は、画像の表示光(以下、単に表示光という)を投射する。プロジェクタユニット10は、図5に示すように、光源部11、画像素子部12及び投射レンズ部13等により構成され、これらはケーシング10aに収容されている。プロジェクタユニット10の具体的構成の一例を、以下に説明する。   The projector unit 10 projects image display light (hereinafter simply referred to as display light). As shown in FIG. 5, the projector unit 10 includes a light source unit 11, an image element unit 12, a projection lens unit 13, and the like, which are accommodated in a casing 10a. An example of a specific configuration of the projector unit 10 will be described below.

光源部11は、表示光の光源として機能する。光源部11には、例えば複数のレーザ発振器が採用される。各レーザ発振器は、例えば半導体レーザを採用しており、可視領域にて波長が互いに異なるレーザ光を発振する。レーザ発振器が3つ設けられる場合には、例えばピーク波長が490〜530nmの範囲、好ましくは515nmである緑色のレーザ光を発振するレーザ発振器と、例えばピーク波長が430〜470nmの範囲、好ましくは640nmである青色のレーザ光を発振するレーザ発振器と、例えばピーク波長が600〜650nmの範囲、好ましくは640nmである赤色のレーザ光を発振するレーザ発振器とが、採用され得る。   The light source unit 11 functions as a light source for display light. For the light source unit 11, for example, a plurality of laser oscillators are employed. Each laser oscillator employs, for example, a semiconductor laser and oscillates laser beams having different wavelengths in the visible region. When three laser oscillators are provided, for example, a laser oscillator that oscillates green laser light having a peak wavelength in the range of 490 to 530 nm, preferably 515 nm, and a peak wavelength in the range of 430 to 470 nm, preferably 640 nm. For example, a laser oscillator that oscillates blue laser light and a laser oscillator that oscillates red laser light having a peak wavelength in the range of 600 to 650 nm, preferably 640 nm can be employed.

画像素子部12には、例えばLCOS(Liquid crystal on silicon)等のシリコン基板上に液晶層が設けられて形成された反射型液晶素子が採用される。反射型液晶素子は、例えば各レーザ発振器がそれぞれ発する各波長の光に対応するように複数設けられる。各反射型液晶素子は、画素電極が2次元に配列されることにより構成された液晶画素毎に、入射する光の反射率を制御することができる。各反射型液晶素子は、反射率の制御によって、各波長に対応した画像を生成することが可能となる。その後、各波長に対応した画像がダイクロイックプリズムを用いて互いに合成され、表示光が投射レンズ部13に入射することとなる。また、HUD装置100による光学系において、反射型液晶素子と虚像VRIとが共役関係となる。   For the image element unit 12, a reflective liquid crystal element formed by providing a liquid crystal layer on a silicon substrate such as LCOS (Liquid crystal on silicon) is employed. A plurality of reflective liquid crystal elements are provided so as to correspond to light of each wavelength emitted by each laser oscillator, for example. Each reflective liquid crystal element can control the reflectance of incident light for each liquid crystal pixel configured by two-dimensionally arranging pixel electrodes. Each reflective liquid crystal element can generate an image corresponding to each wavelength by controlling the reflectance. Thereafter, the images corresponding to the respective wavelengths are combined with each other using the dichroic prism, and the display light is incident on the projection lens unit 13. Further, in the optical system using the HUD device 100, the reflective liquid crystal element and the virtual image VRI are in a conjugate relationship.

投射レンズ部13は、画像素子部12からの表示光を集光して、プロジェクタユニット10の外部(特に本実施形態では折り返しミラー20)へ投射する。投射レンズ部13は、全体の光学パワーが正となるレンズ群を構成するように、複数のレンズ14,15,16を有している。各レンズ14,15,16は、画像素子部12から射出された表示光を屈折して、当該表示光の投射状態を調整する。   The projection lens unit 13 condenses the display light from the image element unit 12 and projects it to the outside of the projector unit 10 (particularly, the folding mirror 20 in the present embodiment). The projection lens unit 13 includes a plurality of lenses 14, 15, and 16 so as to constitute a lens group in which the entire optical power is positive. Each lens 14, 15, 16 refracts the display light emitted from the image element unit 12 and adjusts the projection state of the display light.

このようにして、プロジェクタユニット10は、図2,4に示すように、車両1の前方から後方へ向かって表示光を投射する。   In this way, the projector unit 10 projects display light from the front to the rear of the vehicle 1 as shown in FIGS.

折り返しミラー20は、表示光による光路上において、導波路30よりもプロジェクタユニット10側、すなわちプロジェクタユニット10と導波路30との間に配置される。折り返しミラー20は、例えば合成樹脂ないしはガラスからなる基材の表面に、アルミニウムの金属蒸着等により、反射面21を形成した反射鏡である。反射面21は、例えば滑らかな平面状に形成されている。プロジェクタユニット10から折り返しミラー20に入射した表示光は、導波路30の入力ポート33へ向けて反射される。   The folding mirror 20 is disposed on the projector unit 10 side of the waveguide 30, that is, between the projector unit 10 and the waveguide 30 on the optical path of the display light. The folding mirror 20 is a reflecting mirror in which a reflecting surface 21 is formed on the surface of a base material made of synthetic resin or glass, for example, by metal deposition of aluminum. The reflective surface 21 is formed in a smooth flat shape, for example. Display light incident on the folding mirror 20 from the projector unit 10 is reflected toward the input port 33 of the waveguide 30.

導波路30は、図3,4に示すように、例えばガラスないしは合成樹脂により透光性の板状基材31の板表面31a,31bに、入力ポート33、拡張ポート35、及び出力ポート37が設けられて平板状に形成されている。導波路30は、プロジェクタユニット10及び折り返しミラー20よりも上方において、前後方向及び左右方向に輪郭が矩形状となるように延設されており、入力ポート33を折り返しミラー20と上下方向に対向させている。換言すると、入力ポート33は、板状基材31のうち下方を向く板表面31aに設けられている。   As shown in FIGS. 3 and 4, the waveguide 30 includes an input port 33, an expansion port 35, and an output port 37 on the plate surfaces 31 a and 31 b of the light-transmitting plate-like base material 31 made of glass or synthetic resin, for example. It is provided and is formed in a flat plate shape. The waveguide 30 is extended above the projector unit 10 and the folding mirror 20 so as to have a rectangular outline in the front-rear direction and the left-right direction. The input port 33 faces the folding mirror 20 in the vertical direction. ing. In other words, the input port 33 is provided on the plate surface 31 a facing downward in the plate-like base material 31.

一方、拡張ポート35及び出力ポート37は、板状基材31のうち上方を向く板表面31b、換言すると、板表面31aとは反対側の板表面31bに設けられている。拡張ポート35は、入力ポート33に対して前方にずれた位置に、入力ポート33とは板厚方向(本実施形態では上下方向)の重なりを避けるように、配置されている。出力ポート37は、拡張ポート35に対して、左方又は右方にずれた位置に、入力ポート33及び拡張ポート35とは板厚方向の重なりを避けるように、配置されている。   On the other hand, the expansion port 35 and the output port 37 are provided on the plate surface 31b facing upward, in other words, on the plate surface 31b opposite to the plate surface 31a. The expansion port 35 is disposed at a position displaced forward with respect to the input port 33 so as to avoid overlapping with the input port 33 in the plate thickness direction (vertical direction in the present embodiment). The output port 37 is arranged at a position shifted leftward or rightward with respect to the expansion port 35 so as to avoid overlap in the plate thickness direction with the input port 33 and the expansion port 35.

このような導波路30の板表面31a,31bに沿う仮想平面上にて、入力ポート33と拡張ポート35とを結ぶ方向D1が、前後方向に沿うように定義され、拡張ポート35と出力ポート37とを結ぶ方向D2が、左右方向に沿うように定義される。方向D1と方向D2とは、実質的に90度の角度をなしている。   A direction D1 connecting the input port 33 and the expansion port 35 is defined along the front-rear direction on a virtual plane along the plate surfaces 31a and 31b of the waveguide 30 as described above, and the expansion port 35 and the output port 37 are defined. A direction D2 is defined to extend along the left-right direction. The direction D1 and the direction D2 are substantially at an angle of 90 degrees.

板状基材31における入力ポート33側の板表面31aと、拡張ポート35及び出力ポート37側の板表面31bとは、互いに実質平行に配置されると共に、各々平面状かつ表示光を反射によって導光可能な鏡面状に形成されている。   The plate surface 31a on the input port 33 side and the plate surface 31b on the expansion port 35 and output port 37 side of the plate-like base material 31 are arranged substantially parallel to each other, and each is planar and guides display light by reflection. It is formed in the shape of a mirror that allows light.

入力ポート33は、拡張ポート35及び出力ポート37よりも、表面積が小さくなるように、矩形状、より詳細には正方形状に形成されている。入力ポート33は、板状基材31よりも薄く形成され、板表面31aに対して接合されている。入力ポート33には、プロジェクタユニット10により投射された表示光が折り返しミラー20を介して入射され、入力ポート33は、当該表示光を導波路30の内部へと導入する。本実施形態の入力ポート33には、回折光学素子(Diffractive Optical Element;DOE)の一種である回折格子構造34が採用されている。   The input port 33 is formed in a rectangular shape, more specifically, in a square shape so as to have a smaller surface area than the expansion port 35 and the output port 37. The input port 33 is formed thinner than the plate-like base material 31, and is joined to the plate surface 31a. The display light projected by the projector unit 10 is incident on the input port 33 via the folding mirror 20, and the input port 33 introduces the display light into the waveguide 30. The input port 33 of the present embodiment employs a diffraction grating structure 34 that is a kind of diffractive optical element (DOE).

回折格子構造34は、図6に拡大して示すように、方向D1とは直交する直交方向に直線状に延伸したプリズム状の延伸構造34aが方向D1に沿って周期的に配列されることで、格子状に形成されている。回折格子構造34は、延伸構造34aの配列ピッチ及び構造の高さを、表示光の各波長を考慮して適切に設定されると共に、ブレーズ化されていることで、回折次数が1次である1次回折光の回折効率が他の次数の回折光の回折効率よりも高くなるように形成されている。そして、表示光が回折格子構造34に入射した際に、1次回折光は、板表面31bにて全反射される角度で、板状基材31の内部かつ拡張ポート35側へ向けて回折される。そして、1次回折光は、板表面31a,31bの間を全反射されながら往復し、拡張ポート35へと逐次到達する。   As shown in an enlarged view in FIG. 6, the diffraction grating structure 34 is formed by periodically arranging prism-like extending structures 34 a extending linearly in an orthogonal direction orthogonal to the direction D <b> 1 along the direction D <b> 1. It is formed in a lattice shape. In the diffraction grating structure 34, the arrangement pitch of the extending structures 34a and the height of the structure are appropriately set in consideration of each wavelength of the display light and are blazed, so that the diffraction order is the first order. It is formed so that the diffraction efficiency of the first-order diffracted light is higher than the diffraction efficiency of the diffracted light of other orders. When the display light is incident on the diffraction grating structure 34, the first-order diffracted light is diffracted toward the inside of the plate-like base material 31 and the expansion port 35 side at an angle that is totally reflected by the plate surface 31b. . The first-order diffracted light reciprocates between the plate surfaces 31 a and 31 b while being totally reflected, and sequentially reaches the expansion port 35.

拡張ポート35は、図3に示すように、入力ポート33から遠ざかるように、方向D1に沿って延伸すると共に、入力ポート33から遠ざかる程、方向D1とは直交する直交方向に拡幅する台形状に形成されている。拡張ポート35は、板状基材31よりも薄く形成され、板表面31bに対して接合されている。本実施形態の拡張ポート35には、回折光学素子の一種である回折格子構造36が採用されている。   As shown in FIG. 3, the expansion port 35 extends in the direction D1 so as to move away from the input port 33, and has a trapezoidal shape that widens in the orthogonal direction perpendicular to the direction D1 as it moves away from the input port 33. Is formed. The expansion port 35 is formed thinner than the plate-like base material 31, and is joined to the plate surface 31b. The expansion port 35 of the present embodiment employs a diffraction grating structure 36 that is a kind of diffractive optical element.

回折格子構造36は、図6に拡大して示すように、方向D1に対して斜めに交差する方向D3(図3も参照)に直線状に延伸したプリズム状の延伸構造36aが当該方向D3とは直交する直交方向に周期的に配列されることで、格子状に形成されている。例えば方向D1と方向D2とが90度の角度をなす本実施形態では、方向D3は、90度の半角である45度の角度を、方向D1に対してなしている。回折格子構造36は、入力ポート33の回折格子構造34と同様に、特定次数の回折光の回折効率が他の次数の回折効率よりも高くなるように形成されている。   As shown in an enlarged view in FIG. 6, the diffraction grating structure 36 includes a prism-like extending structure 36a linearly extending in a direction D3 (see also FIG. 3) that obliquely intersects the direction D1, and the direction D3. Are periodically arranged in orthogonal directions to form a lattice shape. For example, in this embodiment in which the direction D1 and the direction D2 form an angle of 90 degrees, the direction D3 forms an angle of 45 degrees, which is a half angle of 90 degrees, with respect to the direction D1. Similar to the diffraction grating structure 34 of the input port 33, the diffraction grating structure 36 is formed so that the diffraction efficiency of the diffracted light of a specific order is higher than the diffraction efficiency of other orders.

そして、表示光が入力ポート33から拡張ポート35の回折格子構造36に入射した際に、特定次数の回折光は、板表面31aにて全反射される角度で、板状基材31の内部へ向けて回折される。このとき、方向D3が入力ポート33からの表示光が進む方向D1に対して交差していることで、表示光は、板状基材31の内部において、実質的に、方向D2に沿って出力ポート37へ向かう成分と、方向D1に沿って拡張ポート35のうち入力ポート33からより遠ざかる成分とに実質的に分かれる。この結果、表示光が、その光束を拡張ポート35にて方向D1に拡張されると共に、方向D2に偏向されていく。   When the display light is incident on the diffraction grating structure 36 of the expansion port 35 from the input port 33, the diffracted light of a specific order is totally reflected on the plate surface 31a to the inside of the plate-like base material 31. Diffracted toward. At this time, since the direction D3 intersects the direction D1 in which the display light from the input port 33 travels, the display light is substantially output along the direction D2 inside the plate-like substrate 31. The component is substantially divided into a component toward the port 37 and a component further away from the input port 33 in the expansion port 35 along the direction D1. As a result, the display light is expanded in the direction D1 by the light flux at the expansion port 35 and is deflected in the direction D2.

方向D2に偏向された光は、入力ポート33での回折と同様に、板表面31aにて全反射される角度に進むことで、板表面31a,31bの間を全反射されながら往復し、出力ポート37へと逐次到達する。   Similar to the diffraction at the input port 33, the light deflected in the direction D2 travels between the plate surfaces 31a and 31b while traveling back and forth between the plate surfaces 31a and 31b, and is output. The port 37 is reached sequentially.

出力ポート37は、図3,4に示すように、拡張ポート35から遠ざかるように、方向D2に沿って延伸することによって、方向D2を長手方向とする矩形状(長方形状)に形成されている。この出力ポート37の形状が視認領域EBの形状に概ね対応している。出力ポート37は、板状基材31よりも薄く形成され、板表面31bに対して接合されている。本実施形態の出力ポート37には、回折光学素子の一種である回折格子構造38が採用されている。   As shown in FIGS. 3 and 4, the output port 37 is formed in a rectangular shape (rectangular shape) having the direction D2 as a longitudinal direction by extending along the direction D2 so as to move away from the expansion port 35. . The shape of the output port 37 generally corresponds to the shape of the visual recognition area EB. The output port 37 is formed thinner than the plate-like base material 31 and is bonded to the plate surface 31b. The output port 37 of the present embodiment employs a diffraction grating structure 38 that is a kind of diffractive optical element.

回折格子構造38は、図7に拡大して示すように、方向D2と直交する方向D1に沿って延伸するプリズム状の突起構造38aが互いに間隔を空けて周期的に配列されている。各突起構造38aの間には、突起構造38aの先端とは段差をなす平面状の平面構造38bが形成されていることにより、突起構造38aと平面構造38bとがストライプ状に交互配置されている。回折格子構造38にて、突起構造38aの配列ピッチ及び構造の高さは、表示光の各波長を考慮して適切に設定される。これにより、回折次数が0次である0次回折光と、回折次数が1次である1次回折光とが、異なる方向に所定の比率で分岐されるように、各々の回折効率が設定されている。   In the diffraction grating structure 38, as shown in an enlarged view in FIG. 7, prism-like protrusion structures 38a extending along a direction D1 orthogonal to the direction D2 are periodically arranged at intervals. Between each protrusion structure 38a, the planar planar structure 38b which makes a level | step difference with the front-end | tip of the protrusion structure 38a is formed, and the protrusion structure 38a and the planar structure 38b are alternately arrange | positioned at stripe form. . In the diffraction grating structure 38, the arrangement pitch and the height of the protrusion structure 38a are appropriately set in consideration of each wavelength of the display light. Accordingly, the respective diffraction efficiencies are set so that the 0th-order diffracted light having the 0th diffraction order and the 1st-order diffracted light having the 1st diffraction order are branched in a predetermined ratio in different directions. .

より詳細に、回折格子構造38は、拡張ポート35により導光された表示光が入射した際に、0次回折光を、板状基材31の内部かつ拡張ポート35からより遠ざかる方向D2へ回折させる。この0次回折光は板表面31aに全反射されて、出力ポート37において拡張ポート35に対してより遠い位置に到達する。その一方で、回折格子構造38は、1次回折光を、板状基材31の外部、すなわち導波路30の外部へ向けて回折させる。この結果、表示光は、出力ポート37にてその光束を0次回折光によって方向D2に拡張されると共に、出力ポート37の各箇所から1次回折光によって導波路30の外部である結像部3aへ向けて射出される。   More specifically, the diffraction grating structure 38 diffracts the 0th-order diffracted light in the direction D2 inside the plate-like base material 31 and further away from the expansion port 35 when the display light guided by the expansion port 35 is incident. . This 0th-order diffracted light is totally reflected by the plate surface 31 a and reaches a position farther from the expansion port 35 at the output port 37. On the other hand, the diffraction grating structure 38 diffracts the first-order diffracted light toward the outside of the plate-like base material 31, that is, the outside of the waveguide 30. As a result, the display light is expanded in the direction D2 by the 0th-order diffracted light at the output port 37, and the display light is directed from the respective portions of the output port 37 to the imaging unit 3a outside the waveguide 30 by the first-order diffracted light. It is injected towards.

このようにして、図8に示すように、光(電磁波)の伝送路としての導波路30は、表示光の光束を方向D1及び方向D2に拡張すると共に、当該表示光を光路上の結像部3a側へ導く。換言すると、導波路30は、HUD装置100による光学系の射出瞳を拡大する射出瞳拡大素子として、機能している。   In this way, as shown in FIG. 8, the waveguide 30 as a light (electromagnetic wave) transmission path expands the luminous flux of the display light in the direction D1 and the direction D2, and forms an image of the display light on the optical path. Guide to the part 3a side. In other words, the waveguide 30 functions as an exit pupil enlarging element that enlarges the exit pupil of the optical system by the HUD device 100.

導波路30から射出された表示光が出力ポート37から上方のウインドシールド3へ向けて進むこととなる。このとき、車両1の左右方向を長手方向とする出力ポート37により、表示光の光束は、車両1の左右方向の径が車両1の前後方向の径よりも大きな状態で、ウインドシールド3の結像部3aへ入射する。そして、表示光の光束が結像部3aにて反射されると、表示光の進行方向が後方へと偏向され、車両1の左右方向の径が車両1の上下方向の径よりも大きな状態で、例えば乗員の座席の上方に位置する視認領域EBへと到達することとなる。したがって、視認領域EBは、車両1の左右方向の径が車両1の上下方向の径よりも大きな矩形状に形成される。   The display light emitted from the waveguide 30 travels from the output port 37 toward the upper windshield 3. At this time, due to the output port 37 whose longitudinal direction is the lateral direction of the vehicle 1, the light flux of the display light is connected to the windshield 3 in a state where the lateral diameter of the vehicle 1 is larger than the longitudinal dimension of the vehicle 1. The light enters the image portion 3a. When the luminous flux of the display light is reflected by the imaging unit 3a, the traveling direction of the display light is deflected rearward, and the diameter of the vehicle 1 in the left-right direction is larger than the diameter of the vehicle 1 in the vertical direction. For example, it reaches the visual recognition area EB located above the passenger's seat. Therefore, the visual recognition area EB is formed in a rectangular shape in which the diameter of the vehicle 1 in the left-right direction is larger than the diameter of the vehicle 1 in the up-down direction.

さて、図5に示すように、本実施形態の投射レンズ部13は、3つのレンズが画像素子部12側から凸レンズ14、凹レンズ15、凸レンズ16の順に配置された所謂トリプレットのレンズ構成となっている。具体的に、最も画像素子部12側の凸レンズ14の入射側屈折面14a及び射出側屈折面14bには、光軸まわりの任意の角度の回転に対して実質的な対称性を有する回転対称形状が採用されている。2つの凸レンズ14,16に挟まれた凹レンズ15の入射側屈折面15a及び射出側屈折面15bにも、光軸まわりの任意の角度の回転に対して実質的な対称性を有する回転対称形状が採用されている。   As shown in FIG. 5, the projection lens unit 13 of the present embodiment has a so-called triplet lens configuration in which three lenses are arranged in the order of the convex lens 14, the concave lens 15, and the convex lens 16 from the image element unit 12 side. Yes. Specifically, the incident side refracting surface 14a and the exit side refracting surface 14b of the convex lens 14 closest to the image element unit 12 have a rotationally symmetric shape having substantial symmetry with respect to rotation at an arbitrary angle around the optical axis. Is adopted. A rotationally symmetric shape having substantial symmetry with respect to rotation at an arbitrary angle around the optical axis is also present on the incident side refractive surface 15a and the exit side refractive surface 15b of the concave lens 15 sandwiched between the two convex lenses 14 and 16. It has been adopted.

最も折り返しミラー20側(換言すると導波路30側)の凸レンズ16の入射側屈折面16aには、光軸まわりの任意の角度の回転に対して実質的な対称性を有する回転対称形状が採用されている。一方、凸レンズ16の射出側屈折面16bには、光軸まわりの任意の角度の回転に対して対称性をもたず、90度の回転にのみ実施的な対称性を有する回転非対称形状が採用されている。より詳細に射出側屈折面16bは、アナモルフィック面の一種である凸状のトロイダル面となっている。   The incident side refractive surface 16a of the convex lens 16 on the most folding mirror 20 side (in other words, on the waveguide 30 side) has a rotationally symmetric shape having substantial symmetry with respect to rotation at an arbitrary angle around the optical axis. ing. On the other hand, the exit-side refracting surface 16b of the convex lens 16 has a rotationally asymmetric shape that has no symmetry with respect to rotation at an arbitrary angle around the optical axis and has symmetry that is practical only for rotation of 90 degrees. Has been. More specifically, the exit-side refractive surface 16b is a convex toroidal surface that is a kind of anamorphic surface.

そして、光源部11と導波路30の入力ポート33との間の光路上に配置される要素、具体的に本実施形態では画像素子部12、投射レンズ部13及び折り返しミラー20を合わせて、入射光学系IOSと改めて定義する。入射光学系IOSは、全体として正の光学パワーを有し、光源部11から提供された光によって、導波路30へと表示光を入射させる光学系である。   Then, the elements arranged on the optical path between the light source unit 11 and the input port 33 of the waveguide 30, specifically the image element unit 12, the projection lens unit 13, and the folding mirror 20 in the present embodiment are combined and incident. It is redefined as the optical system IOS. The incident optical system IOS has a positive optical power as a whole, and is an optical system that causes display light to enter the waveguide 30 by light provided from the light source unit 11.

この入射光学系IOSにおいて、互いに直交する第1のメリジオナル断面MS1と、第2のメリジオナル断面MS2とが定義され得る。例えば、凸レンズ16の射出側屈折面16bにおいて、最も曲率が大きな方向と、光軸方向ADとを含むように、第1のメリジオナル断面MS1が定義でき、最も曲率が小さな方向と、光軸方向ADとを含むように、第2のメリジオナル断面MS2が定義できる。この第1のメリジオナル断面MS1は、虚像VRIにおいて上下方向に対応した断面であり、第2のメリジオナル断面MS2は、虚像VRIにおいて左右方向に対応した断面である。   In the incident optical system IOS, a first meridional section MS1 and a second meridional section MS2 orthogonal to each other can be defined. For example, the first meridional section MS1 can be defined so as to include the direction with the largest curvature and the optical axis direction AD on the exit side refractive surface 16b of the convex lens 16, and the direction with the smallest curvature and the optical axis direction AD. The second meridional section MS2 can be defined to include The first meridional section MS1 is a section corresponding to the vertical direction in the virtual image VRI, and the second meridional section MS2 is a section corresponding to the left and right direction in the virtual image VRI.

そして、第1のメリジオナル断面MS1上に規定される入射光学系IOSの第1の焦点距離と、第2のメリジオナル断面MS2上に規定される入射光学系IOSの第2の焦点距離は、互いに異なっている。結像部3aの曲率が小さな方向に対応した第1の焦点距離が、結像部3aの曲率が大きな方向に対応した第2の焦点距離よりも短くなっている。この焦点距離の差異は、特に本実施形態では、凸レンズ16の射出側屈折面16bの形状に起因している。   The first focal length of the incident optical system IOS defined on the first meridional section MS1 and the second focal length of the incident optical system IOS defined on the second meridional section MS2 are different from each other. ing. The first focal length corresponding to the direction in which the curvature of the imaging unit 3a is small is shorter than the second focal length corresponding to the direction in which the curvature of the imaging unit 3a is large. This difference in focal length is caused by the shape of the exit-side refractive surface 16b of the convex lens 16, particularly in the present embodiment.

焦点距離の差異により、入射光学系IOSの折り返しミラー20から導波路30の入力ポート33には、非点隔差を有する非点光束が表示光の光束として入射するようになっている。換言すると、入力ポート33へ入射する表示光の光束の波面もまた、トロイダル面のような回転非対称形状となっている。   Due to the difference in focal length, an astigmatic light beam having an astigmatic difference enters the input port 33 of the waveguide 30 from the folding mirror 20 of the incident optical system IOS as a light beam of display light. In other words, the wavefront of the luminous flux of the display light incident on the input port 33 also has a rotationally asymmetric shape like a toroidal surface.

導波路30は、上述の板表面31a,31bの構成及び各ポート33,35,37の構成によって、入射した表示光の光束の非点隔差を残存させるようになっている。すなわち、表示光の光束は、導波路30の内部にて径を拡張されつつも、出力ポート37からの射出時において、波面における回転非対称形状が維持される。なお、ここでいう非点隔差の残存とは、出力時に入力時と同程度の非点隔差が維持される場合に留まらず、入力時よりも非点隔差が縮小しつつも、虚像VRIの結像に影響を与える程度に残っている場合も含む。   The waveguide 30 is configured to leave the astigmatic difference in the luminous flux of the incident display light by the configuration of the plate surfaces 31a and 31b and the configuration of the ports 33, 35, and 37 described above. That is, the light flux of the display light is expanded in diameter inside the waveguide 30, but maintains a rotationally asymmetric shape at the wavefront when exiting from the output port 37. The residual astigmatism here is not limited to the case where the astigmatic difference of the same level as that at the time of input is maintained at the time of output. This includes cases where the image remains so as to affect the image.

導波路30から非点隔差が残存した非点光束が表示光の光束として射出されることにより、左右方向の曲率が上下方向の曲率よりも大きくなるような凹面状に形成された結像部3aにて反射される際に、非点隔差が低減ないしは消失するように(換言すると、波面が球面に近づくように)修正される。   An astigmatic light beam in which an astigmatic difference remains from the waveguide 30 is emitted as a light beam of display light, so that the imaging portion 3a is formed in a concave shape so that the curvature in the left-right direction is larger than the curvature in the vertical direction. Is corrected so that the astigmatic difference is reduced or eliminated (in other words, the wavefront approaches a spherical surface).

(作用効果)
以上説明した第1実施形態の作用効果を以下に改めて説明する。
(Function and effect)
The operational effects of the first embodiment described above will be described again below.

第1実施形態によると、入射光学系IOSの互いに直交するメリジオナル断面MS1,MS2上に規定される第1の焦点距離と第2の焦点距離とが互いに異なっている。このような焦点距離の違いにより、光源部11から光を提供された入射光学系IOSによって、導波路30へと入射する表示光の光束に、結像部3aの形状の影響を修正するような非点隔差を予め付与することが可能となる。非点隔差付与後、導波路30によって表示光の光束が拡張され、当該表示光が結像部3aに反射されるので、結像状態の良い虚像VRIを表示させることが可能となる。したがって、視認者にとってピントが合わせ易く、疲労感を発生させ難い虚像VRIを表示可能なHUD装置100を提供することができる。   According to the first embodiment, the first focal length and the second focal length defined on the meridional sections MS1 and MS2 orthogonal to each other of the incident optical system IOS are different from each other. Due to the difference in focal length, the incident optical system IOS provided with light from the light source unit 11 corrects the influence of the shape of the imaging unit 3a on the luminous flux of the display light incident on the waveguide 30. Astigmatic difference can be given in advance. After providing the astigmatism difference, the light flux of the display light is expanded by the waveguide 30 and the display light is reflected by the imaging unit 3a, so that it is possible to display a virtual image VRI with a good imaging state. Therefore, it is possible to provide the HUD device 100 that can display the virtual image VRI that is easy for the viewer to focus on and hardly causes fatigue.

また、第1実施形態によると、表示光の光束が非点隔差を有する非点光束として入射する導波路30は、この非点隔差を残存させて表示光の光束を射出するように構成されている。表示光の光束は、導波路30により非点隔差が残存した状態で結像部3aに反射されることとなるため、容易に結像部3aの形状の影響を修正することができ、結像状態の良い虚像VRIを表示させることができる。   Further, according to the first embodiment, the waveguide 30 on which the display light beam is incident as an astigmatic beam having an astigmatic difference is configured to emit the display light beam with the astigmatic difference remaining. Yes. Since the light flux of the display light is reflected to the imaging unit 3a with the astigmatic difference remaining by the waveguide 30, the influence of the shape of the imaging unit 3a can be easily corrected. A virtual image VRI in good condition can be displayed.

また、第1実施形態によると、入射光学系IOSは、投射レンズ部13が形成している屈折面14a,14b,15a,15b,16a,16bのうち少なくとも1面を、アナモルフィック面とすることにより、第1の焦点距離と、第2の焦点距離とを、異ならせている。すなわち、投射レンズ部13による各種収差の補正作用と、非点格差の付与とが相俟って、虚像VRIの結像状態を一層良好なものとすることができる。   Further, according to the first embodiment, in the incident optical system IOS, at least one of the refractive surfaces 14a, 14b, 15a, 15b, 16a, and 16b formed by the projection lens unit 13 is an anamorphic surface. Thus, the first focal length is different from the second focal length. That is, the action of correcting various aberrations by the projection lens unit 13 and the provision of astigmatism are combined, and the imaging state of the virtual image VRI can be further improved.

また、第1実施形態によると、投射レンズ部13が形成している屈折面14a,14b,15a,15b,16a,16bのうち、光路上において最も導波路30側に位置する射出側屈折面16bは、アナモルフィック面である。より導波路30側の屈折面16bをアナモルフィック面とすることにより、表示光が投射レンズ部13への入射時よりも拡がった状態で、アナモルフィック面を通過させることが可能となる。故に、表示光の光束全体に、より精度よく非点隔差を付与することができるので、虚像VRIの結像状態を一層良好なものとすることができる。   Further, according to the first embodiment, of the refracting surfaces 14a, 14b, 15a, 15b, 16a, and 16b formed by the projection lens unit 13, the exit-side refracting surface 16b that is located closest to the waveguide 30 on the optical path. Is an anamorphic surface. By using the refracting surface 16b on the waveguide 30 side as an anamorphic surface, it is possible to allow the display light to pass through the anamorphic surface in a state where the display light is wider than when incident on the projection lens unit 13. Therefore, the astigmatic difference can be given to the entire luminous flux of the display light with higher accuracy, so that the imaging state of the virtual image VRI can be further improved.

(第2実施形態)
図9に示すように、第2実施形態は第1実施形態の変形例である。第2実施形態について、第1実施形態とは異なる点を中心に説明する。
(Second Embodiment)
As shown in FIG. 9, the second embodiment is a modification of the first embodiment. The second embodiment will be described with a focus on differences from the first embodiment.

第2実施形態において、投射レンズ部213の各屈折面には、任意の角度の回転に対して実質的な対称性を有する回転対称形状が採用されている。一方、折り返しミラー220の反射面221は、アナモルフィック面の一種である凹状のシリンドリカル面となっている。   In the second embodiment, each refracting surface of the projection lens unit 213 has a rotationally symmetric shape having substantial symmetry with respect to rotation at an arbitrary angle. On the other hand, the reflecting surface 221 of the folding mirror 220 is a concave cylindrical surface which is a kind of anamorphic surface.

より詳細に、反射面221は、円筒の母線が左右方向に沿ったシリンドリカル面となっている。この結果、反射面221は、左右方向の曲率が、当該左右方向と直交する方向の曲率よりも小さく設定されている。本実施形態では、反射面221での左右方向は、虚像VRIの左右方向に対応している。   More specifically, the reflecting surface 221 is a cylindrical surface with a cylindrical generatrix along the left-right direction. As a result, the reflective surface 221 is set such that the curvature in the left-right direction is smaller than the curvature in the direction orthogonal to the left-right direction. In the present embodiment, the left-right direction on the reflection surface 221 corresponds to the left-right direction of the virtual image VRI.

第2実施形態においても、入射光学系IOSの第1の焦点距離と、入射光学系IOSの第2の焦点距離は、互いに異なっている。この焦点距離の差異は、特に本実施形態では、折り返しミラー220の形状に起因している。   Also in the second embodiment, the first focal length of the incident optical system IOS and the second focal length of the incident optical system IOS are different from each other. This difference in focal length is caused by the shape of the folding mirror 220, particularly in this embodiment.

以上説明した第2実施形態によると、折り返しミラー220が形成している反射面221を、アナモルフィック面とすることにより、第1の焦点距離と、第2の焦点距離とを、異ならせている。すなわち、入射光学系IOSにおいて表示光が最も拡がった状態となる入力ポート33の入射の直前で、表示光にアナモルフィック面を通過させることが可能となる。故に、表示光の光束全体に、より精度よく非点隔差を付与することができるので、虚像VRIの結像状態を一層良好なものとすることができる。   According to the second embodiment described above, the first focal length and the second focal length are made different by making the reflecting surface 221 formed by the folding mirror 220 an anamorphic surface. Yes. In other words, it is possible to allow the display light to pass through the anamorphic surface immediately before entering the input port 33 where the display light is in the most spread state in the incident optical system IOS. Therefore, the astigmatic difference can be given to the entire luminous flux of the display light with higher accuracy, so that the imaging state of the virtual image VRI can be further improved.

(第3実施形態)
図10に示すように、第3実施形態は第1実施形態の変形例である。第3実施形態について、第1実施形態とは異なる点を中心に説明する。
(Third embodiment)
As shown in FIG. 10, the third embodiment is a modification of the first embodiment. The third embodiment will be described with a focus on differences from the first embodiment.

第3実施形態のプロジェクタユニット10には、MEMSスキャナ方式が採用されている。第3実施形態の光源部311には、発光ダイオード素子が採用されている。発光ダイオード素子は、光源用回路基板上に配置され、当該基板上の配線パターンを通じて、電源と電気的に接続されている。発光ダイオード素子は、チップ状の青色ダイオード素子を、透光性を有する合成樹脂に黄色蛍光剤を混合した黄色蛍光体により封止することにより形成されている。青色ダイオード素子から電流量に応じて発せられる青色光により、黄色蛍光体が励起されて黄色光を発光し、青色光と黄色光との合成により疑似白色の光が発せられる。   The projector unit 10 of the third embodiment employs a MEMS scanner system. A light emitting diode element is employed for the light source unit 311 of the third embodiment. The light emitting diode element is disposed on the light source circuit board and is electrically connected to the power source through the wiring pattern on the board. The light-emitting diode element is formed by sealing a chip-like blue diode element with a yellow phosphor obtained by mixing a translucent synthetic resin with a yellow phosphor. The yellow phosphor is excited by the blue light emitted from the blue diode element according to the amount of current to emit yellow light, and pseudo white light is emitted by the combination of the blue light and the yellow light.

第3実施形態の画像素子部312は、調整レンズ部312a、導光ミラー312d及び走査部312eを有している。調整レンズ部312aは、1つのレンズからなり、光源部311からの光を集光することで、平行光束化する。調整レンズ部312aにより表示光の光束の状態が調整されて、導光ミラー312dを反射した後、当該表示光の光束が走査部312eに供給される。   The image element unit 312 of the third embodiment includes an adjustment lens unit 312a, a light guide mirror 312d, and a scanning unit 312e. The adjustment lens unit 312a includes a single lens, and condenses the light from the light source unit 311 to be converted into a parallel light beam. The state of the light beam of the display light is adjusted by the adjustment lens unit 312a and reflected by the light guide mirror 312d, and then the light beam of the display light is supplied to the scanning unit 312e.

より詳細に、本実施形態の調整レンズ部312aの入射側屈折面312b及び射出側屈折面312cのうち少なくとも一方は、アナモルフィック面の一種である凸状のトロイダル面となっている。特に本実施形態では、射出側屈折面312cが、凸状のトロイダル面となっている。   More specifically, at least one of the entrance-side refracting surface 312b and the exit-side refracting surface 312c of the adjustment lens unit 312a of the present embodiment is a convex toroidal surface that is a kind of anamorphic surface. Particularly in the present embodiment, the exit-side refractive surface 312c is a convex toroidal surface.

走査部312eには、走査ミラー312fが採用されている。走査ミラー312fは、微小電気機械システム(Micro Electro Mechanical Systems;MEMS)を用い、表示光の光束を時間的に走査可能に構成されたMEMSミラーである。走査ミラー312fは、アルミニウムの金属蒸着等により、反射面を形成している。反射面は、当該反射面に沿って互いに実質直交する2つの回転軸まわりに、回動可能となっている。   A scanning mirror 312f is employed in the scanning unit 312e. The scanning mirror 312f is a MEMS mirror configured using a micro electro mechanical system (MEMS) and capable of temporally scanning a light beam of display light. The scanning mirror 312f forms a reflecting surface by metal deposition of aluminum or the like. The reflecting surface is rotatable around two rotation axes that are substantially orthogonal to each other along the reflecting surface.

このような走査ミラー312fは、コントローラと電気的に接続されており、その走査信号に従って回動することで、反射面の向きを変えることができる。   Such a scanning mirror 312f is electrically connected to the controller, and can turn the reflecting surface by rotating in accordance with the scanning signal.

走査ミラー312fの反射面には、表示光の光束が入射される。そして、走査ミラー312fがコントローラにより制御されることで、光源部311と連動して、表示光の光束の反射面への入射箇所である偏向点TLを起点として、時間的に表示光の光束の投射方向を偏向走査することが可能となっている。こうした表示光の光束が走査ミラー312fの振れ角に応じた走査角度範囲RGに走査されることによって、走査ミラー312fは、虚像VRIとして表示される画像を描画して生成することを可能としている。   The luminous flux of the display light is incident on the reflecting surface of the scanning mirror 312f. When the scanning mirror 312f is controlled by the controller, the light beam of the display light is temporally started from the deflection point TL that is the incident position of the display light on the reflecting surface in conjunction with the light source unit 311. The projection direction can be deflected and scanned. By scanning such a luminous flux of the display light within a scanning angle range RG corresponding to the swing angle of the scanning mirror 312f, the scanning mirror 312f can draw and generate an image displayed as a virtual image VRI.

偏向点TLでの偏向によって走査ミラー312fに走査された表示光の光束は、プロジェクタユニット10から折り返しミラー20に反射され、導波路30の入力ポート33へ向けて表示光として投射される。   The display light beam scanned on the scanning mirror 312 f by the deflection at the deflection point TL is reflected from the projector unit 10 to the folding mirror 20 and projected as display light toward the input port 33 of the waveguide 30.

第3実施形態の入射光学系IOSは、調整レンズ部312a、導光ミラー312d、走査部312e及び折り返しミラー20によって構成される。入射光学系IOSの第1の焦点距離と、入射光学系IOSの第2の焦点距離は、互いに異なっている。この焦点距離の差異は、特に本実施形態では、調整レンズ部312aの形状に起因している。   The incident optical system IOS of the third embodiment includes an adjustment lens unit 312a, a light guide mirror 312d, a scanning unit 312e, and a folding mirror 20. The first focal length of the incident optical system IOS and the second focal length of the incident optical system IOS are different from each other. This difference in focal length is caused by the shape of the adjustment lens portion 312a, particularly in this embodiment.

以上説明した第3実施形態によると、調整レンズ部312aが形成している屈折面312b,312cのうち少なくとも1面を、アナモルフィック面とすることにより、第1の焦点距離と、第2の焦点距離とを、異ならせている。すなわち、走査部312eにより表示光の光束が走査される前に、表示光がアナモルフィック面を通過するので、描画後の各画素に均一的に非点隔差を付与することができ、虚像VRIの結像状態を一層良好なものとすることができる。   According to the third embodiment described above, by setting at least one of the refracting surfaces 312b and 312c formed by the adjustment lens portion 312a as an anamorphic surface, the first focal length and the second The focal length is different. That is, since the display light passes through the anamorphic surface before the light beam of the display light is scanned by the scanning unit 312e, an astigmatic difference can be uniformly given to each pixel after drawing, and the virtual image VRI The imaging state can be made even better.

(他の実施形態)
以上、複数の実施形態について説明したが、本開示は、それらの実施形態に限定して解釈されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。
(Other embodiments)
Although a plurality of embodiments have been described above, the present disclosure is not construed as being limited to those embodiments, and can be applied to various embodiments and combinations without departing from the scope of the present disclosure. Can do.

具体的に変形例1としては、結像部3aは、ウインドシールド3に設けられていなくてもよい。例えば車両1と別体となっているコンバイナを車両1内に設置して、当該コンバイナに結像部3aが設定されていてもよい。   Specifically, as the first modification, the imaging unit 3 a may not be provided on the windshield 3. For example, a combiner that is separate from the vehicle 1 may be installed in the vehicle 1, and the imaging unit 3 a may be set in the combiner.

変形例2としては、図11に示すように、導波路30の入力ポート33、拡張ポート35及び出力ポート37のうち少なくとも1つにおいて、回折光学素子の一種であるホログラム素子939が採用されていてもよい。ホログラム素子939は、例えば合成樹脂ないしはガラス等の一対の透光基板層939aに、ホログラム層939bが挟まれることによって、薄い平板状に形成されている。ホログラム層939bは、例えば合成樹脂からなる組成物により透光性に形成されて、縞状の周期的な屈折率分布を有する。こうした屈折率分布によって、表示光を回折することができる。この構成であれば、太陽光の熱の影響で導波路30の性能が変化し難い。   As Modification 2, as shown in FIG. 11, a hologram element 939, which is a kind of diffractive optical element, is employed in at least one of the input port 33, the expansion port 35, and the output port 37 of the waveguide 30. Also good. The hologram element 939 is formed in a thin flat plate shape by sandwiching the hologram layer 939b between a pair of light-transmitting substrate layers 939a such as synthetic resin or glass. The hologram layer 939b is formed to be translucent with a composition made of a synthetic resin, for example, and has a striped periodic refractive index distribution. Display light can be diffracted by such a refractive index distribution. With this configuration, the performance of the waveguide 30 is unlikely to change due to the influence of sunlight heat.

変形例3としては、導波路30において入力ポート33、拡張ポート35及び出力ポート37が導光に用いる回折光は、他の次数の回折光であってもよく、例えば1次回折光よりも高次の回折光であってもよい。   As a third modification, the diffracted light used for light guide by the input port 33, the expansion port 35, and the output port 37 in the waveguide 30 may be diffracted light of other orders, for example, higher order than the first order diffracted light. Diffracted light.

変形例4としては、図12に示すように、導波路30として、板状基材31の内部にハーフミラー930aを配列し、当該ハーフミラー930aによる表示光の透過光及び反射光への分岐によって、当該表示光の光束を拡張するハーフミラー型導波路が採用されてもよい。   As a fourth modification, as shown in FIG. 12, as a waveguide 30, a half mirror 930 a is arranged inside a plate-like base material 31, and the half mirror 930 a branches display light into transmitted light and reflected light. A half mirror type waveguide that expands the luminous flux of the display light may be employed.

変形例5としては、プロジェクタユニット10として、DLP(登録商標,Digital Light Processing)方式を採用することができ、画像素子部12として、DMD(Digital Micromirror Device)を採用することができる。   As a modified example 5, a DLP (registered trademark, Digital Light Processing) method can be adopted as the projector unit 10, and a DMD (Digital Micromirror Device) can be adopted as the image element unit 12.

第1実施形態に関する変形例6としては、凸レンズ16の射出側屈折面16bは、シリンドリカル面又は自由曲面であってもよい。   As a sixth modification related to the first embodiment, the exit-side refractive surface 16b of the convex lens 16 may be a cylindrical surface or a free-form surface.

第1実施形態に関する変形例7としては、投射レンズ部13が形成している屈折面14a,14b,15a,15b,16a,16bのうち、任意の屈折面をアナモルフィック面としてもよく、複数の屈折面又は全部の屈折面をアナモルフィック面としてもよい。   As a modified example 7 related to the first embodiment, an arbitrary refracting surface among the refracting surfaces 14a, 14b, 15a, 15b, 16a, and 16b formed by the projection lens unit 13 may be an anamorphic surface. The refracting surface or the entire refracting surface may be an anamorphic surface.

第2実施形態に関する変形例8としては、折り返しミラー220の反射面221は、トロイダル面又は自由曲面であってもよい。   As a modification 8 related to the second embodiment, the reflecting surface 221 of the folding mirror 220 may be a toroidal surface or a free-form surface.

第1,2実施形態に関する変形例9としては、投射レンズ部13,213は、トリプレットのレンズ構成に限らず、任意のレンズ数により構築された各種のレンズ構成を採用することができる。   As a ninth modified example related to the first and second embodiments, the projection lens units 13 and 213 are not limited to a triplet lens configuration, and various lens configurations constructed by an arbitrary number of lenses can be employed.

第3実施形態に関する変形例10としては、プロジェクタユニット310において、光源部311に、第1実施形態のように複数のレーザ発振器を採用してもよい。この場合、調整レンズ部312aは、各レーザ発振器に個別に対応するように複数のレンズを並列に配置して構成されていてもよい。また、導光ミラー312dは、各レーザ発振器から調整レンズ部312aを経た各レーザ光の光束を、合成するように、複数のダイクロイックミラーに置換されていてもよい。   As a tenth modification related to the third embodiment, a projector unit 310 may employ a plurality of laser oscillators as the light source unit 311 as in the first embodiment. In this case, the adjustment lens unit 312a may be configured by arranging a plurality of lenses in parallel so as to individually correspond to each laser oscillator. Further, the light guide mirror 312d may be replaced with a plurality of dichroic mirrors so as to synthesize the light beams of the respective laser beams that have passed through the adjustment lens unit 312a from the respective laser oscillators.

変形例11としては、折り返しミラー20に左右方向に沿って伸びる回転軸を設定し、当該回転軸を回転させて、虚像VRIの表示位置及び視認領域EBの位置が上下移動するような調整機構を追加してもよい。   As a modified example 11, an adjustment mechanism is set such that a rotation axis extending in the left-right direction is set on the folding mirror 20, and the rotation axis is rotated so that the display position of the virtual image VRI and the position of the visual recognition area EB move up and down. May be added.

変形例12としては、HUD装置100は、航空機、船舶、あるいは移動しない筐体(例えばゲーム筐体)等の各種の乗り物に適用することができる。   As a twelfth modification, the HUD device 100 can be applied to various vehicles such as an aircraft, a ship, or a casing that does not move (for example, a game casing).

100 HUD装置、3a 結像部、11 光源部、30 導波路、IOS 入射光学系、MS1 第1のメリジオナル断面、MS2 第2のメリジオナル断面   100 HUD device, 3a imaging unit, 11 light source unit, 30 waveguide, IOS incident optical system, MS1 first meridional section, MS2 second meridional section

Claims (6)

結像部(3a)に画像の表示光を反射させることにより、前記画像を視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記表示光の光束を拡張すると共に、前記表示光を前記結像部側へ導く導波路(30)と、
前記表示光の光源として機能する光源部(11)と、
前記光源部から提供された光によって、前記導波路へと前記表示光を入射させる入射光学系(IOS)と、を備え、
前記入射光学系において、互いに直交する第1のメリジオナル断面(MS1)と第2のメリジオナル断面(MS2)とを、定義すると、
前記入射光学系は、前記第1のメリジオナル断面上に規定される前記入射光学系の第1の焦点距離と、前記第2のメリジオナル断面上に規定される前記入射光学系の第2の焦点距離とを、互いに異ならせているヘッドアップディスプレイ装置。
A head-up display device that displays a virtual image so that the image can be visually recognized by reflecting display light of the image to the imaging unit (3a),
A waveguide (30) for expanding the luminous flux of the display light and guiding the display light to the imaging unit side;
A light source unit (11) functioning as a light source of the display light;
An incident optical system (IOS) that causes the display light to enter the waveguide by the light provided from the light source unit;
In the incident optical system, a first meridional section (MS1) and a second meridional section (MS2) orthogonal to each other are defined.
The incident optical system includes a first focal length of the incident optical system defined on the first meridional section and a second focal length of the incident optical system defined on the second meridional section. Are different from each other.
前記導波路には、前記表示光の光束が非点隔差を有する非点光束として入射し、
前記導波路は、前記非点隔差を残存させて前記表示光の光束を射出するように構成されている請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
The light beam of the display light is incident on the waveguide as an astigmatic light beam having an astigmatic difference,
The head-up display device according to claim 1, wherein the waveguide is configured to emit the light beam of the display light with the astigmatic difference remaining.
前記入射光学系は、
前記画像を生成する画像素子部(12)と、
前記画像素子部から射出された前記表示光を集光する投射レンズ部(13)と、を有し、
前記投射レンズ部が形成している屈折面(14a,14b,15a,15b,16a,16b)のうち少なくとも1面を、アナモルフィック面とすることにより、前記第1の焦点距離と、前記第2の焦点距離とを、異ならせている請求項1又は2に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
The incident optical system is:
An image element unit (12) for generating the image;
A projection lens part (13) for condensing the display light emitted from the image element part,
By making at least one of the refractive surfaces (14a, 14b, 15a, 15b, 16a, 16b) formed by the projection lens unit an anamorphic surface, the first focal length and the first The head-up display device according to claim 1, wherein the focal lengths of the two are different.
前記投射レンズ部が形成している前記屈折面のうち、光路上において最も前記導波路側に位置する前記屈折面は、アナモルフィック面である請求項3に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   4. The head-up display device according to claim 3, wherein among the refractive surfaces formed by the projection lens unit, the refractive surface located closest to the waveguide on the optical path is an anamorphic surface. 5. 前記入射光学系は、
前記画像を生成する画像素子部(12)と、
前記導波路の入力ポートと対向する位置に配置され、光路上の前記画像素子部側から入射する前記表示光を反射により前記入力ポート側へ折り返す折り返しミラー(220)と、を有し、
前記折り返しミラーが形成している反射面(221)を、アナモルフィック面とすることにより、前記第1の焦点距離と、前記第2の焦点距離とを、異ならせている請求項1又は2に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
The incident optical system is:
An image element unit (12) for generating the image;
A folding mirror (220) that is disposed at a position facing the input port of the waveguide and that reflects the display light incident from the image element unit side on the optical path to the input port side by reflection;
3. The first focal length and the second focal length are differentiated by making the reflecting surface (221) formed by the folding mirror an anamorphic surface. 4. The head-up display device described in 1.
前記入射光学系は、
前記表示光の光束を走査することにより、前記画像を描画する走査部(312e)と、
前記走査部に供給する前記表示光の光束の状態を屈折により調整する調整レンズ部(312a)と、を備え、
前記調整レンズ部が形成している屈折面(312b,312c)のうち少なくとも1面を、アナモルフィック面とすることにより、前記第1の焦点距離と、前記第2の焦点距離とを、異ならせている請求項1又は2に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
The incident optical system is:
A scanning unit (312e) for drawing the image by scanning a light flux of the display light;
An adjustment lens unit (312a) that adjusts the state of the luminous flux of the display light supplied to the scanning unit by refraction,
By making at least one refracting surface (312b, 312c) formed by the adjustment lens portion an anamorphic surface, the first focal length and the second focal length are different from each other. The head-up display device according to claim 1 or 2.
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