JP2020042135A - Head-up display apparatus - Google Patents

Abstract

To provide a head-up display apparatus that can extend the FOV of a virtual image while preventing an increase in size of a drawing device.SOLUTION: A head-up display apparatus 100 comprises a drawing device 11a; and a display screen 21 that reflects light from the drawing device 11a. When the focal distance in the transverse direction of the display screen 21 is fx, and the focal distance in the vertical direction of the display screen 21 is fy, the conditional expression (1) 0.5<fx/fy<0.9 is satisfied.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、フレネル素子が組み込まれ、虚像を表示する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 incorporating a Fresnel element and displaying a virtual image.

フォークリフトや重機などの産業機械において、安全運転支援システムとしてヘットアップディスプレイを搭載したいという要望がある。現存のシステムでは、ＬＣＤを作業者の視界を妨げないコントロールパネル付近に設置し、情報を表示したＬＣＤを確認するシステムとなっているが、ＬＣＤに表示された情報を確認するためには作業者の大きな視線移動や焦点移動が必要となり、作業者の身体的な負担を大きくしているという課題がある。ヘッドアップディスプレイを用いることで、作業者は通常作業時から大きな視線移動と焦点移動とをすることなく情報を確認することができるため作業者の身体的な負担も少なく、必要な情報をリアルタイムで確認することも可能となる。   In industrial machines such as forklifts and heavy equipment, there is a demand for mounting a head-up display as a safe driving support system. In the existing system, the LCD is installed near the control panel that does not obstruct the operator's view, and the LCD displaying the information is checked. However, the operator needs to check the information displayed on the LCD. Therefore, there is a problem in that a large gaze shift and a focus shift are required, and the physical burden on the worker is increased. By using a head-up display, workers can check information without having to move a large line of sight and focus from the time of normal work, so there is little physical burden on the worker, and necessary information can be obtained in real time. It is also possible to confirm.

ヘッドアップディスプレイでは、凹面鏡の機能を持つ表示スクリーンと、情報を表示する描画デバイスとによって作られる虚像を作業者が確認できる。虚像のＦＯＶ（視野角）を広くしようとすると、表示スクリーンのサイズや曲率が大きくなり、表示スクリーンの存在感が増してしまう。表示スクリーンの曲率をウインドシールドに近づける場合、描画デバイスのサイズを大きくすることで表示スクリーンの存在感を抑えつつ虚像のＦＯＶを広くできるが、描画デバイスが大きくなると作業者の視界を妨げたり、作業者が描画デバイスに衝突したりする可能性が高くなる。   In the head-up display, an operator can confirm a virtual image created by a display screen having a concave mirror function and a drawing device for displaying information. If an attempt is made to widen the FOV (viewing angle) of the virtual image, the size and curvature of the display screen increase, and the presence of the display screen increases. When the curvature of the display screen is brought close to the windshield, the FOV of the virtual image can be widened while suppressing the presence of the display screen by increasing the size of the drawing device. It is more likely that the user will collide with the drawing device.

ヘッドアップディスプレイとして、表示像を形成する光源部と、光源部からの光が上方から入射するフレネル構造のハーフミラーとを備え、ハーフミラーがフロントガラスと同じ方向に傾斜しているものが公知となっている（特許文献１）。しかしながら、特許文献１のヘッドアップディスプレイでは、ハーフミラーの配置や姿勢を目立たなくする手法に着目しており、描画デバイスのサイズ増加を抑えつつ虚像のＦＯＶを広くする手法については何ら開示がない。   It is known that a head-up display includes a light source unit that forms a display image, and a half mirror having a Fresnel structure in which light from the light source unit enters from above, and the half mirror is inclined in the same direction as the windshield. (Patent Document 1). However, the head-up display of Patent Document 1 focuses on a method of making the arrangement and posture of the half mirror inconspicuous, and does not disclose a method of increasing the FOV of the virtual image while suppressing an increase in the size of the drawing device.

国際公開第２０１４／０４１６８９号International Publication No. WO 2014/041689

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、描画デバイスのサイズ増加を抑えつつ虚像のＦＯＶを広くできるヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above background art, and has as its object to provide a head-up display device capable of widening the FOV of a virtual image while suppressing an increase in the size of a drawing device.

上記目的を達成するため、本発明にかかるヘッドアップディスプレイ装置は、描画デバイスと、描画デバイスからの光を反射する表示スクリーンとを備え、表示スクリーンの横方向の焦点距離をｆｘとし、表示スクリーンの縦方向の焦点距離をｆｙとして、下記の条件式
０．５＜ｆｘ／ｆｙ＜０．９ … （１）
を満たす。 In order to achieve the above object, a head-up display device according to the present invention includes a drawing device, and a display screen that reflects light from the drawing device, a horizontal focal length of the display screen being fx, and a display screen of the display screen. Assuming that the vertical focal length is fy, the following conditional expression: 0.5 <fx / fy <0.9 (1)
Meet.

上記ヘッドアップディスプレイ装置によれば、横方向の焦点距離ｆｘと縦方向の焦点距離ｆｙとの比に関する条件式（１）を満たすので、特に横方向に関して高倍率の光学系が可能となり、広いＦＯＶの虚像が得られるヘッドアップディスプレイ装置ながら、描画デバイスを相対的に小さくすることができる。これにより、描画デバイスを作業者の視界を妨げない位置、かつ、作業者が描画デバイスに衝突することを回避できる位置に配置することが容易になる。   According to the head-up display device, since the conditional expression (1) relating to the ratio between the focal length fx in the horizontal direction and the focal length fy in the vertical direction is satisfied, an optical system having a high magnification, particularly in the horizontal direction, can be provided, and a wide FOV can be obtained. Although the head-up display device can obtain the virtual image of the above, the drawing device can be made relatively small. This makes it easy to arrange the drawing device at a position that does not obstruct the field of view of the worker and that can prevent the worker from colliding with the drawing device.

本発明の具体的な１つの側面では、上記ヘッドアップディスプレイ装置において、表示スクリーンは、平板である。この場合、表示スクリーンをウインドシールドに近づけることが容易になり、表示スクリーンを目立たないものとできる。   In one specific aspect of the present invention, in the head-up display device, the display screen is a flat plate. In this case, the display screen can be easily brought close to the windshield, and the display screen can be made inconspicuous.

本発明の別の側面では、表示スクリーンは、内部にフレネル構造を有し、フレネル構造には、ハーフミラーが形成されている。この場合、表示スクリーンの光透過性を確保することができ、表示スクリーンの存在感を低減することができる。   In another aspect of the present invention, the display screen has a Fresnel structure inside, and a half mirror is formed in the Fresnel structure. In this case, the light transmittance of the display screen can be ensured, and the presence of the display screen can be reduced.

本発明のさらに別の側面では、フレネル構造は、基準となる凹形状の自由曲面に基づいて形成されている。   In still another aspect of the present invention, the Fresnel structure is formed based on a reference concave free-form surface.

本発明のさらに別の側面では、表示スクリーンは、鉛直方向に略平行な方向に配置される。この場合、観察者にとって表示スクリーンが比較的目立ちにくい。また、表示スクリーンの上端部が一定の幅を有していても比較的目立ちにくいものとなる。   In still another aspect of the present invention, the display screen is arranged in a direction substantially parallel to the vertical direction. In this case, the display screen is relatively inconspicuous for the observer. Further, even if the upper end of the display screen has a certain width, it becomes relatively inconspicuous.

本発明のさらに別の側面では、表示スクリーンは、上端側でアイボックスに近づくように鉛直方向に対して内側に傾斜している。この場合、観察者にとって表示スクリーンの存在が比較的目立ちにくい。   In still another aspect of the present invention, the display screen is inclined inward with respect to the vertical direction so as to approach the eye box on the upper end side. In this case, the presence of the display screen is relatively inconspicuous for the observer.

本発明のさらに別の側面では、表示スクリーンは、上端側でアイボックスから離れるように鉛直方向に対して外側に傾斜している。この場合、表示スクリーンの上端部が一定の幅を有していても比較的目立ちにくいものとなる。   In still another aspect of the present invention, the display screen is inclined outward with respect to the vertical direction away from the eye box on the upper end side. In this case, even if the upper end of the display screen has a certain width, it becomes relatively inconspicuous.

本発明のさらに別の側面では、表示スクリーンは、移動体のウインドシールドに固定されている。この場合、ウインドシールドが表示スクリーンの支持体として機能し、表示スクリーンの周囲に配置される遮光体を少なくできる。   In still another aspect of the present invention, the display screen is fixed to a windshield of the moving object. In this case, the windshield functions as a support for the display screen, and the number of light shields arranged around the display screen can be reduced.

本発明のさらに別の側面では、ウインドシールドは、鉛直方向に略平行な方向に配置され、又は、上端側でアイボックスに近づくように鉛直方向に対して内側に傾斜している。この場合、表示スクリーンが鉛直方向の略平行な方向に延び、或いは上端側でアイボックスに近づくように鉛直方向に対して内側に傾斜して延びているとき、表示スクリーンのウインドシールドに対する角度が小さくなり、表示スクリーンの突起を少なくできる。   In still another aspect of the present invention, the windshield is disposed in a direction substantially parallel to the vertical direction, or is inclined inward with respect to the vertical direction so as to approach the eye box on the upper end side. In this case, when the display screen extends in a direction substantially parallel to the vertical direction, or extends inward with respect to the vertical direction so as to approach the eye box at the upper end side, the angle of the display screen with respect to the windshield is small. Therefore, the number of projections on the display screen can be reduced.

表示スクリーンは、凹面鏡である。この場合、表示スクリーンを簡易に作製することができる。   The display screen is a concave mirror. In this case, the display screen can be easily manufactured.

（Ａ）は、第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置を移動体に搭載した状態を示す側面図であり、（Ｂ）は、移動体の正面図である。FIG. 2A is a side view showing a state in which the head-up display device according to the first embodiment is mounted on a moving body, and FIG. 2B is a front view of the moving body. ヘッドアップディスプレイ装置の構成例を説明する概念的な側面図である。It is a conceptual side view explaining the example of composition of a head up display device. （Ａ）は、表示スクリーンとしての第１のフレネル素子の正面図であり、（Ｂ）は、図３（Ａ）の第２のフレネル素子の正面図であり、（Ｃ）は、図３（Ａ）のフレネル素子のＡ−Ａ’矢視拡大断面図であり、（Ｄ）は、図３（Ｃ）に示すフレネル素子の断面構造の変形例である。(A) is a front view of a first Fresnel element as a display screen, (B) is a front view of a second Fresnel element of FIG. 3 (A), and (C) is FIG. FIG. 3A is an enlarged cross-sectional view of the Fresnel element taken along line AA ′ of FIG. 3A, and FIG. 3D is a modification of the cross-sectional structure of the Fresnel element shown in FIG. （Ａ）は、実施例１の虚像投影光学系の側面投影図（ｙｚ平面投影図）であり、（Ｂ）は、実施例１の虚像投影光学系のｘｚ平面投影図である。FIG. 2A is a side projection diagram (yz plane projection diagram) of the virtual image projection optical system of the first embodiment, and FIG. 2B is an xz plane projection diagram of the virtual image projection optical system of the first embodiment. （Ａ）は、実施例１の虚像投影光学系による虚像の形成を説明する側面投影図であり、（Ｂ）は、実施例１の虚像投影光学系による虚像の形成を説明するｘｚ平面投影図である。FIG. 3A is a side projection view illustrating formation of a virtual image by the virtual image projection optical system according to the first embodiment, and FIG. 3B is an xz plane projection view illustrating formation of a virtual image by the virtual image projection optical system according to the first embodiment. It is. （Ａ）は、実施例２の虚像投影光学系の側面投影図であり、（Ｂ）は、実施例２の虚像投影光学系による虚像の形成を説明する側面投影図である。(A) is a side projection diagram of the virtual image projection optical system of the second embodiment, and (B) is a side projection diagram illustrating formation of a virtual image by the virtual image projection optical system of the second embodiment. （Ａ）は、比較例１の虚像投影光学系の側面投影図であり、（Ｂ）は、比較例１の虚像投影光学系による虚像の形成を説明する側面投影図である。(A) is a side projection diagram of the virtual image projection optical system of Comparative Example 1, and (B) is a side projection diagram illustrating formation of a virtual image by the virtual image projection optical system of Comparative Example 1. 第２実施形態のヘッドアップディスプレイ装置の要部の側面投影図である。It is a side projection figure of an important section of a head up display device of a 2nd embodiment. 第３実施形態のヘッドアップディスプレイ装置の要部の側面投影図である。It is a side projection figure of an important section of a head up display device of a 3rd embodiment.

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置の第１実施形態について説明する。 [First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of a head-up display device according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図１（Ａ）及び１（Ｂ）は、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置を搭載した移動体の側面図及び正面図である。ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）装置１００は、移動体２であるフォークリフトに搭載されており、第１虚像投影光学系１０Ａと第２虚像投影光学系１０Ｂとを備える。第１虚像投影光学系１０Ａは、第１描画ユニット１１と第１表示スクリーン２１とを備え、第２虚像投影光学系１０Ｂは、第２描画ユニット１２と第２表示スクリーン２２とを備える。第１及び第２虚像投影光学系１０Ａ，１０Ｂは、描画ユニット１１，１２中の後述する描画デバイスに表示されている画像情報を、表示スクリーン２１，２２を介して運転者（観察者）ＤＲに虚像表示するものである。   FIGS. 1A and 1B are a side view and a front view of a moving body on which the head-up display device of the present embodiment is mounted. The head-up display (HUD) device 100 is mounted on a forklift serving as the moving body 2 and includes a first virtual image projection optical system 10A and a second virtual image projection optical system 10B. The first virtual image projection optical system 10A includes a first drawing unit 11 and a first display screen 21, and the second virtual image projection optical system 10B includes a second drawing unit 12 and a second display screen 22. The first and second virtual image projection optical systems 10A and 10B transmit image information displayed on a later-described drawing device in the drawing units 11 and 12 to a driver (observer) DR via the display screens 21 and 22. A virtual image is displayed.

移動体２は、正面側のフレーム２ｆに挟まれた状態でフレーム２ｆに支持されたウインドシールド８を有し、上部にルーフ部２ｔを有する。ウインドシールド８の下部内側には、ハンドル等を含む操作部２ｄが配置され、運転者ＤＲによる移動体２の操縦を可能にしている。なお、移動体２は、フォークリフトとして、チルト可能なマスト３ａや、マスト３ａに支持されて昇降するフォーク３ｂを有する。   The moving body 2 has a windshield 8 supported by the frame 2f while being sandwiched by the front-side frame 2f, and has a roof portion 2t at an upper portion. An operation unit 2d including a steering wheel and the like is arranged inside the lower part of the windshield 8, and enables the driver DR to control the moving body 2. The movable body 2 has a tiltable mast 3a and a fork 3b supported by the mast 3a to move up and down as a forklift.

第１虚像投影光学系１０Ａのうち第１描画ユニット１１は、ウインドシールド８とルーフ部２ｔとの境界の窪みに設置されてルーフ部２ｔに固定されており、運転関連情報や危険信号等を含む画像に対応する表示光ＨＫ１を、半透過性を有する第１表示スクリーン２１に向けて射出する。第１表示スクリーン２１は、支持部材１４等を利用してウインドシールド８に固定されている。第１表示スクリーン２１は、コンバイナーとも呼ばれ、半透過性を有する平板状のフレネル素子又はフレネルミラーである。第１表示スクリーン２１又はその有効領域は、矩形の輪郭を有し、横長である。つまり、第１表示スクリーン２１又はその有効領域は、縦のＶＹ方向よりも横のＶＸ方向に関して大きなサイズを有する。第１表示スクリーン２１によって所定の反射角で反射された表示光ＨＫ１は、運転席６に座った運転者ＤＲの瞳ＰＵに導かれる。   The first drawing unit 11 of the first virtual image projection optical system 10A is installed in a recess at the boundary between the windshield 8 and the roof 2t and fixed to the roof 2t, and includes driving-related information, a danger signal, and the like. The display light HK1 corresponding to the image is emitted toward the semi-transparent first display screen 21. The first display screen 21 is fixed to the windshield 8 using the support member 14 and the like. The first display screen 21 is also called a combiner, and is a semi-transparent flat plate-shaped Fresnel element or Fresnel mirror. The first display screen 21 or its effective area has a rectangular outline and is horizontally long. That is, the first display screen 21 or its effective area has a larger size in the horizontal VX direction than in the vertical VY direction. The display light HK1 reflected at a predetermined reflection angle by the first display screen 21 is guided to the pupil PU of the driver DR sitting on the driver's seat 6.

第２虚像投影光学系１０Ｂのうち第２描画ユニット１２は、ウインドシールド８と操作部２ｄとの間に設置されて操作部２ｄ側に固定されており、運転関連情報や危険信号等を含む画像に対応する表示光ＨＫ２を半透過性を有する第２表示スクリーン２２に向けて射出する。第２表示スクリーン２２は、ウインドシールド８に直接固定されている。第２表示スクリーン２２は、コンバイナーとも呼ばれ、半透過性を有する平板状のフレネル素子又はフレネルミラーである。第２表示スクリーン２２又はその有効領域は、矩形の輪郭を有し、横長である。つまり、第２表示スクリーン２２又はその有効領域は、縦のＶＹ方向よりも横のＶＸ方向に関して大きなサイズを有する。第２表示スクリーン２２で反射された表示光ＨＫ２は、運転席６に座った運転者ＤＲの瞳ＰＵに導かれる。   The second drawing unit 12 of the second virtual image projection optical system 10B is provided between the windshield 8 and the operation unit 2d and is fixed to the operation unit 2d, and includes an image including driving-related information, a danger signal, and the like. Are emitted toward the second display screen 22 having translucency. The second display screen 22 is directly fixed to the windshield 8. The second display screen 22 is also called a combiner, and is a semi-transparent flat-plate Fresnel element or Fresnel mirror. The second display screen 22 or its effective area has a rectangular outline and is horizontally long. That is, the second display screen 22 or its effective area has a larger size in the horizontal VX direction than in the vertical VY direction. The display light HK2 reflected on the second display screen 22 is guided to the pupil PU of the driver DR sitting on the driver's seat 6.

図２に示すように、第１虚像投影光学系１０Ａの第１表示スクリーン２１で反射された表示光ＨＫ１は、運転者ＤＲの瞳ＰＵ及びその周辺位置に対応するアイボックスＥＢに導かれる。一方、運転者ＤＲは、第１表示スクリーン２１を透過した外界光、つまり前方景色、自動車等の実像を観察することができる。結果的に、運転者ＤＲは、第１表示スクリーン２１の背後の外界像に重ねて、第１表示スクリーン２１での表示光ＨＫ１の反射によって形成される運転関連情報や危険信号等を含む表示像（虚像）ＩＭ１を観察することができる。第１表示スクリーン２１は、横方向に延びる鉛直平面であるＶＸ−ＶＹ平面に対して略平行な方向に延びるように配置されている。ただし、第１表示スクリーン２１は、第１描画ユニット１１に対して縦のＶＹ方向だけでなく横のＶＸ方向にも異なる位置に配置されている（図１（Ｂ）参照）。第１表示スクリーン２１は、全体として正のパワーを有し、凹面鏡と同様に機能する。ただし、第１表示スクリーン２１は、その横方向又はＶＸ方向の焦点距離をｆｘとし、その縦方向又はＶＹ方向の焦点距離をｆｙとして、下記の条件式（１）を満たす。
０．５＜ｆｘ／ｆｙ＜０．９ … （１）
この場合、第１表示スクリーン２１の横の焦点距離ｆｘが縦の焦点距離ｆｙよりも小さいが、その半分よりも大きい。つまり、第１表示スクリーン２１の横のパワーは、第１表示スクリーン２１の縦のパワーよりも倍程度未満の範囲で大きく、第１表示スクリーン２１の横の倍率は、第１表示スクリーン２１の縦の倍率よりも倍程度未満の範囲で大きい。結果的に、表示像（虚像）ＩＭ１の横方向の倍率は、その縦方向の倍率の２倍程度未満となって、表示像ＩＭ１の横サイズを維持したままで、第１描画ユニット１１又はその像形成素子１１ａのサイズを最大で半分程度に抑えることができ、省スペース化を図ることができる。この場合、表示像（虚像）ＩＭ１の像面が横方向と縦方向とで異なるものとなるが、表示する画像を微細としなければ、運転者ＤＲにとってあまり目立たないものとできる。 As shown in FIG. 2, the display light HK1 reflected by the first display screen 21 of the first virtual image projection optical system 10A is guided to the eye box EB corresponding to the pupil PU of the driver DR and its peripheral position. On the other hand, the driver DR can observe the external light transmitted through the first display screen 21, that is, a real scene of a front view, a car, or the like. As a result, the driver DR superimposes on the external image behind the first display screen 21 and displays a display image including driving-related information, a danger signal, and the like formed by the reflection of the display light HK1 on the first display screen 21. (Virtual image) IM1 can be observed. The first display screen 21 is arranged to extend in a direction substantially parallel to a VX-VY plane that is a vertical plane extending in the horizontal direction. However, the first display screen 21 is arranged at a different position not only in the vertical VY direction but also in the horizontal VX direction with respect to the first drawing unit 11 (see FIG. 1B). The first display screen 21 has a positive power as a whole and functions similarly to a concave mirror. However, the first display screen 21 satisfies the following conditional expression (1), where the focal length in the horizontal direction or the VX direction is fx, and the focal length in the vertical direction or the VY direction is fy.
0.5 <fx / fy <0.9 (1)
In this case, the horizontal focal length fx of the first display screen 21 is smaller than the vertical focal length fy, but is larger than half thereof. That is, the horizontal power of the first display screen 21 is larger than the vertical power of the first display screen 21 in a range of less than about twice, and the horizontal magnification of the first display screen 21 is the vertical power of the first display screen 21. It is larger in the range of less than about twice the magnification of. As a result, the magnification in the horizontal direction of the display image (virtual image) IM1 is less than about twice the magnification in the vertical direction, and the first drawing unit 11 or the first rendering unit 11 is maintained while maintaining the horizontal size of the display image IM1. The size of the image forming element 11a can be reduced to about half at the maximum, and the space can be saved. In this case, the image plane of the display image (virtual image) IM1 differs between the horizontal direction and the vertical direction. However, if the displayed image is not minute, the image can be less noticeable to the driver DR.

第１表示スクリーン２１の焦点距離の縦横比ｆｘ／ｆｙについては、下記の条件式（１）’を満たすことが、非点隔差を抑える観点でより好ましい。
０．６＜ｆｘ／ｆｙ＜０．９ … （１）’ As for the aspect ratio fx / fy of the focal length of the first display screen 21, it is more preferable to satisfy the following conditional expression (1) ′ from the viewpoint of suppressing astigmatic difference.
0.6 <fx / fy <0.9 (1) '

なお、第１表示スクリーン２１は、自由曲面であるので、その曲率半径は、近軸で考える。つまり、第１表示スクリーン２１の焦点距離ｆｘ，ｆｙは、描画ユニット１１の中心とアイボックスＥＢの中心とを通る光軸周辺の近軸域で考えて、光線束が最も細くなる位置から焦点距離を決定し、或いは、近軸のサグ量に対してフィッティングを行って焦点距離を決定することができる。焦点距離は、設計時に光学ソフト上で確認することができ、製品については実験的に集光位置を測位することで焦点距離を決定することができる。   Since the first display screen 21 is a free-form surface, its radius of curvature is considered to be paraxial. That is, the focal lengths fx and fy of the first display screen 21 are considered from the paraxial region around the optical axis passing through the center of the drawing unit 11 and the center of the eye box EB, from the position where the light beam becomes the thinnest. Alternatively, the focal length can be determined by performing fitting on the paraxial sag amount. The focal length can be confirmed on optical software at the time of design, and the focal length of a product can be determined by experimentally measuring the focal position.

以上において、第１表示スクリーン２１は、第１表示スクリーン２１の上端部ＴＥでウインドシールド８に直接固定され、下端部ＢＥで支持部材１４を介してウインドシールド８に間接的に固定されている。ここで、第１表示スクリーン２１が鉛直方向に延びる鉛直平面であるＶＸ−ＶＹ平面に対して略平行な方向に延びるように配置されているので、第１表示スクリーン２１の上端部ＴＥが目立たない状態となっている。つまり、第１表示スクリーン２１の上端部ＴＥは、一定の幅を有し、これに対して垂直な方向から所定以上上側に傾いた方向から視た場合、ある角度幅を有して目立った状態となる。しかしながら、第１表示スクリーン２１が鉛直平面であるＶＸ−ＶＹ平面に対して略平行な方向に延びるように配置されていれば、表示スクリーン２１の上端部ＴＥが一定の幅を有していても比較的目立ちにくいものとなる。   In the above, the first display screen 21 is directly fixed to the windshield 8 at the upper end TE of the first display screen 21 and indirectly fixed to the windshield 8 via the support member 14 at the lower end BE. Here, since the first display screen 21 is disposed so as to extend in a direction substantially parallel to the VX-VY plane which is a vertical plane extending in the vertical direction, the upper end TE of the first display screen 21 is inconspicuous. It is in a state. That is, the upper end portion TE of the first display screen 21 has a certain width, and has a certain angular width when viewed from a direction inclined upward by a predetermined amount or more from a direction perpendicular thereto. Becomes However, if the first display screen 21 is arranged so as to extend in a direction substantially parallel to the vertical plane VX-VY, even if the upper end TE of the display screen 21 has a certain width. It is relatively inconspicuous.

第２虚像投影光学系１０Ｂの第２表示スクリーン２２で反射された表示光ＨＫ２は、運転者ＤＲの瞳ＰＵ及びその周辺位置に対応するアイボックスＥＢに導かれる。一方、運転者ＤＲは、第２表示スクリーン２２を透過した外界光又は外界像を観察することができる。結果的に、運転者ＤＲは、第２表示スクリーン２２の背後の外界像に重ねて、第２表示スクリーン２２での表示光ＨＫ２の反射によって形成される運転関連情報等を含む表示像（虚像）ＩＭ２を観察することができる。第２表示スクリーン２２は、横方向に延びる鉛直平面であるＶＸ−ＶＹ平面に対して−ＶＸ側の横方向から見て時計方向に傾斜して配置されている。つまり、第２表示スクリーン２２は、上端側でアイボックスＥＢに近づくように鉛直のＶＺ方向に対して内側に傾斜している。第２表示スクリーン２２は、第２描画ユニット１２に対して縦のＶＹ方向も異なる位置に配置されているが、横のＶＸ方向には殆ど同じ位置に配置されている（図１（Ｂ）参照）。第２表示スクリーン２２は、全体として正のパワーを有し、凹面鏡と同様に機能する。ただし、第２表示スクリーン２２は、その横方向又はＶＸ方向の焦点距離をｆｘとし、その縦方向又はＶＹ方向の焦点距離をｆｙとして、下記の条件式（１）を満たす。
０．５＜ｆｘ／ｆｙ＜０．９ … （１）
つまり、第２表示スクリーン２２も、第１表示スクリーン２１と同様に、横の焦点距離ｆｘが縦の焦点距離ｆｙよりも小さいがその半分よりも大きいものとなっている。 The display light HK2 reflected on the second display screen 22 of the second virtual image projection optical system 10B is guided to the pupil PU of the driver DR and the eye box EB corresponding to the peripheral position thereof. On the other hand, the driver DR can observe the external light or the external image transmitted through the second display screen 22. As a result, the driver DR overlaps the external image behind the second display screen 22 and displays a display image (virtual image) including driving-related information and the like formed by the reflection of the display light HK2 on the second display screen 22. IM2 can be observed. The second display screen 22 is arranged to be inclined clockwise with respect to the VX-VY plane, which is a vertical plane extending in the horizontal direction, as viewed from the −VX side in the horizontal direction. That is, the second display screen 22 is inclined inward with respect to the vertical VZ direction so as to approach the eye box EB on the upper end side. The second display screen 22 is arranged at a different position in the vertical VY direction with respect to the second drawing unit 12, but is arranged at almost the same position in the horizontal VX direction (see FIG. 1B). ). The second display screen 22 has a positive power as a whole and functions like a concave mirror. However, the second display screen 22 satisfies the following conditional expression (1), where the focal length in the horizontal direction or the VX direction is fx, and the focal length in the vertical direction or the VY direction is fy.
0.5 <fx / fy <0.9 (1)
That is, also in the second display screen 22, the horizontal focal length fx is smaller than the vertical focal length fy, but is larger than half thereof, similarly to the first display screen 21.

第２表示スクリーン２２の焦点距離の縦横比ｆｘ／ｆｙについては、下記の条件式（１）’を満たすことが、非点隔差を抑える観点でより好ましい。
０．６＜ｆｘ／ｆｙ＜０．９ … （１）’ As for the aspect ratio fx / fy of the focal length of the second display screen 22, it is more preferable to satisfy the following conditional expression (1) ′ from the viewpoint of suppressing astigmatic difference.
0.6 <fx / fy <0.9 (1) '

第１描画ユニット１１は、描画デバイス１１ａと照明部１１ｂと表示駆動回路１１ｃとを備える。描画デバイス１１ａは、２次元的な表示面１１ｓを有する液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）である。表示面１１ｓに形成された像からの表示光ＨＫ１は、直進して第１表示スクリーン２１に入射する。ここで、描画デバイス１１ａすなわち表示面１１ｓは、縦のＶＹ方向よりも横のＶＸ方向に関して大きなサイズを有する。図２に示す照明部１１ｂは、描画デバイス１１ａを背後から照明する光を射出するＬＥＤその他の光源を有する。表示駆動回路１１ｃは、描画デバイス１１ａに表示動作を行わせる。なお、描画デバイス１１ａからの表示光ＨＫ１を第１表示スクリーン２１に効率良く入射させるため、照明部１１ｂから射出させる照明光の角度分布を調整することができ、或いは描画デバイス１１ａの射出面に表示光ＨＫ１の角度分布を画素単位又は全体で調整する光学素子を配置することができる。以上では、描画デバイス１１ａとして、ＬＣＤを用いる例を説明したが、他の種類の表示素子、例えば有機ＥＬ等の自発光型の表示素子、ＤＭＤやＬＣＯＳ等の反射型の表示素子と、投射レンズ及び拡散板とを組み合わせた光学系を用いることができる。また、描画デバイス１１ａとして、上記のような反射型の素子の代わりに、ＭＥＭＳと拡散板とを組み合わせた光学系を利用した走査型の映像素子を用いてもよい。   The first drawing unit 11 includes a drawing device 11a, a lighting unit 11b, and a display drive circuit 11c. The drawing device 11a is a liquid crystal display (LCD) having a two-dimensional display surface 11s. The display light HK1 from the image formed on the display surface 11s proceeds straight and enters the first display screen 21. Here, the drawing device 11a, that is, the display surface 11s, has a larger size in the horizontal VX direction than in the vertical VY direction. The illumination unit 11b illustrated in FIG. 2 includes an LED and other light sources that emit light for illuminating the drawing device 11a from behind. The display drive circuit 11c causes the drawing device 11a to perform a display operation. Note that, in order to make the display light HK1 from the drawing device 11a efficiently enter the first display screen 21, the angle distribution of the illumination light emitted from the illumination unit 11b can be adjusted, or the display light HK1 is displayed on the emission surface of the drawing device 11a. An optical element for adjusting the angular distribution of the light HK1 in pixel units or in whole can be arranged. In the above, an example in which an LCD is used as the drawing device 11a has been described. However, other types of display elements, for example, a self-luminous display element such as an organic EL, a reflective display element such as a DMD or LCOS, and a projection lens And an optical system in which a diffusion plate is combined. Further, as the drawing device 11a, a scanning type image element using an optical system combining a MEMS and a diffusion plate may be used instead of the above-described reflection type element.

第２描画ユニット１２は、描画デバイス１２ａと照明部１２ｂと表示駆動回路１２ｃとを備える。描画デバイス１２ａは、２次元的な表示面１２ｓを有する液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）である。表示面１２ｓに形成された像からの表示光ＨＫ２は、直進して第２表示スクリーン２２に入射する。ここで、描画デバイス１２ａすなわち表示面１２ｓは、縦のＶＹ方向よりも横のＶＸ方向に関して大きなサイズを有する。図２に示す照明部１２ｂは、描画デバイス１２ａを背後から照明する光を射出するＬＥＤその他の光源を有する。表示駆動回路１２ｃは、描画デバイス１２ａに表示動作を行わせる。なお、描画デバイス１２ａからの表示光ＨＫ２を第２表示スクリーン２２に効率良く入射させるため、照明部１２ｂから射出させる照明光の角度分布を調整することができ、或いは描画デバイス１２ａの射出面に表示光ＨＫ２の角度分布を画素単位又は全体で調整する光学素子を配置することができる。描画デバイス１２ａとして、第１描画ユニット１１の場合と同様に、自発光型の表示素子、或いは反射型の表示素子と、投射レンズ及び拡散板とを組み合わせた光学系を用いることができる。また、描画デバイス１２ａとして、ＭＥＭＳと拡散板とを組み合わせた光学系を利用した走査型の映像素子を用いてもよい。   The second drawing unit 12 includes a drawing device 12a, a lighting unit 12b, and a display drive circuit 12c. The drawing device 12a is a liquid crystal display (LCD) having a two-dimensional display surface 12s. The display light HK2 from the image formed on the display surface 12s proceeds straight and enters the second display screen 22. Here, the drawing device 12a, that is, the display surface 12s, has a larger size in the horizontal VX direction than in the vertical VY direction. The illumination unit 12b illustrated in FIG. 2 includes an LED and other light sources that emit light for illuminating the drawing device 12a from behind. The display drive circuit 12c causes the drawing device 12a to perform a display operation. In addition, in order to make the display light HK2 from the drawing device 12a efficiently incident on the second display screen 22, the angle distribution of the illumination light emitted from the illumination unit 12b can be adjusted, or the display light HK2 can be displayed on the exit surface of the drawing device 12a. An optical element for adjusting the angular distribution of the light HK2 in pixel units or in whole can be arranged. As in the case of the first drawing unit 11, an optical system in which a self-luminous display element or a reflective display element is combined with a projection lens and a diffusion plate can be used as the drawing device 12a. Further, as the drawing device 12a, a scanning video element using an optical system combining a MEMS and a diffusion plate may be used.

図３（Ａ）を参照して、第１表示スクリーン２１は、フレネル素子（フレネルミラー）５０となっている。フレネル素子５０は、円弧状のぎざぎざの突起が所定のピッチＰ１で一方向に繰り返し形成されたフレネル構造５１を有している。フレネル構造５１は、軸外し型又は偏芯型のパターンを有している。具体的には、図示のフレネル構造５１は、弧の法線が全体として右上方向に向かうように配置されている。フレネル構造５１は、円弧状の光学面５１ａと、平坦な段差面５１ｂとを有する。光学面５１ａは、基準となる凹形状の自由曲面に基づいて形成されている。つまり、自由曲面の光学原点からの高さを参照して複数の帯状領域に分割し複数の光学面５１ａに振り分けている。フレネル構造５１のピッチＰ１は、例えば場所に応じて変化させることができるが、場所に関わらず一定とすることもできる。また、フレネル構造５１の高さ（段差面５１ｂの第１表示スクリーン２１の厚さ方向の長さ）については、１００μｍ以下であることが好ましい。   Referring to FIG. 3A, first display screen 21 is a Fresnel element (Fresnel mirror) 50. The Fresnel element 50 has a Fresnel structure 51 in which arcuate jagged protrusions are repeatedly formed in one direction at a predetermined pitch P1. The Fresnel structure 51 has an off-axis or eccentric pattern. More specifically, the illustrated Fresnel structure 51 is arranged such that the normal of the arc is directed toward the upper right as a whole. The Fresnel structure 51 has an arcuate optical surface 51a and a flat step surface 51b. The optical surface 51a is formed based on a concave free-form surface serving as a reference. That is, the free-form surface is divided into a plurality of belt-like regions with reference to the height from the optical origin, and is distributed to the plurality of optical surfaces 51a. The pitch P1 of the Fresnel structure 51 can be changed, for example, depending on the location, but can be constant regardless of the location. Also, the height of the Fresnel structure 51 (the length of the step surface 51b in the thickness direction of the first display screen 21) is preferably 100 μm or less.

図３（Ｂ）を参照して、第２表示スクリーン２２は、フレネル素子（フレネルミラー）１５０となっている。フレネル素子１５０は、円弧状のぎざぎざの突起が所定のピッチＰ２で一方向に繰り返し形成されたフレネル構造１５１を有している。フレネル構造１５１は、軸外し型又は偏芯型のパターンを有している。具体的には、図示のフレネル構造５１は、弧の法線が全体として略下方向に向かうように配置されている。フレネル構造１５１は、円弧状の光学面５１ａと、平坦な段差面５１ｂとを有する。フレネル構造１５１のピッチＰ２は、例えば場所に応じて変化させることができるが、場所に関わらず一定とすることもできる。また、フレネル構造１５１の高さ（段差面５１ｂの第２表示スクリーン２２の厚さ方向の長さ）については、１００μｍ以下であることが好ましい。   Referring to FIG. 3B, second display screen 22 is a Fresnel element (Fresnel mirror) 150. The Fresnel element 150 has a Fresnel structure 151 in which arcuate jagged protrusions are repeatedly formed in one direction at a predetermined pitch P2. The Fresnel structure 151 has an off-axis or eccentric pattern. More specifically, the illustrated Fresnel structure 51 is arranged such that the normal line of the arc is directed substantially downward as a whole. The Fresnel structure 151 has an arcuate optical surface 51a and a flat step surface 51b. The pitch P2 of the Fresnel structure 151 can be changed, for example, depending on the location, but can be constant regardless of the location. Further, the height of the Fresnel structure 151 (the length of the step surface 51b in the thickness direction of the second display screen 22) is preferably 100 μm or less.

図３（Ｃ）に示すように、フレネル素子５０，１５０は、２枚の基材５３で構成されている。フレネル構造５１，１５１は、各基材５３の一方の面に設けられており、それらが対向している。フレネル素子５０は、フレネル構造５１としてハーフミラーコート層からなるハーフミラー５２を有している。基材５３は、樹脂等で形成され、ハーフミラー５２は、金属や誘電体多層膜で形成される。ハーフミラー５２における反射率は１５％程度、透過率は８５％程度であることが好ましい。ハーフミラー５２を有していない一方の基材５３は平面でもよいが、その場合には、ハーフミラー５２と反対側の基材５３との間を略同一の屈折率を有する媒質で満たす。結果的に、ハーフミラー５２は、略同一の屈折率を有する一対の基材５３で挟まれている状態となっている。これにより、虚像を視認できるだけでなく、フレネル素子５０を透過した外界光、つまり前方景色、自動車等の実像を歪みのない透過像として視認できる。また、フレネル素子５０，１５０の表面には、反射防止コートを形成することができる。反射防止コートは、誘電体多層膜で形成され、下地としてハードコート層を含むものであってもよい。   As shown in FIG. 3C, the Fresnel elements 50 and 150 are composed of two substrates 53. The Fresnel structures 51 and 151 are provided on one surface of each base material 53, and they face each other. The Fresnel element 50 has a half mirror 52 made of a half mirror coat layer as a Fresnel structure 51. The base member 53 is formed of a resin or the like, and the half mirror 52 is formed of a metal or a dielectric multilayer film. Preferably, the half mirror 52 has a reflectance of about 15% and a transmittance of about 85%. One of the substrates 53 having no half mirror 52 may be flat, but in this case, the space between the half mirror 52 and the substrate 53 on the opposite side is filled with a medium having substantially the same refractive index. As a result, the half mirror 52 is in a state of being sandwiched between the pair of base materials 53 having substantially the same refractive index. Thus, not only can a virtual image be visually recognized, but also external light transmitted through the Fresnel element 50, that is, a real image of a front view, a car, or the like can be visually recognized as a transmitted image without distortion. Further, an antireflection coat can be formed on the surfaces of the Fresnel elements 50 and 150. The antireflection coat may be formed of a dielectric multilayer film and include a hard coat layer as a base.

フレネル構造５１，１５１の光学面５１ａは、自由曲面であり、段差面５１ｂによって所定の厚みを有する平板面内に収められているが、段差面５１ｂを除いた場合、連続的に延びる曲面からなり、全体としてアイボックスＥＢ側に凹とされた自由曲面の一部となる。   The optical surfaces 51a of the Fresnel structures 51 and 151 are free-form surfaces and are accommodated in a flat plate surface having a predetermined thickness by the step surface 51b. However, when the step surface 51b is removed, the optical surface 51a is a continuously extending curved surface. , As a whole, is a part of a free-form surface concave toward the eye box EB.

図３（Ｄ）に示すように、フレネル素子５０，１５０の表面にＰＥＴシート５４を設けてもよく、ＰＥＴシート５４の表面には反射防止コートがコーティングされていてもよい。   As shown in FIG. 3D, a PET sheet 54 may be provided on the surfaces of the Fresnel elements 50 and 150, and the surface of the PET sheet 54 may be coated with an anti-reflection coat.

図２に戻って、表示制御装置１８は、第１及び第２虚像投影光学系１０Ａ，１０Ｂに画像信号や制御信号を出力し、第１及び第２虚像投影光学系１０Ａ，１０Ｂを個別に動作させることにより、第１及び第２表示スクリーン２１，２２の背後に表示像ＩＭ１，ＩＭ２を表示させる。   Returning to FIG. 2, the display control device 18 outputs image signals and control signals to the first and second virtual image projection optical systems 10A and 10B, and individually operates the first and second virtual image projection optical systems 10A and 10B. This causes the display images IM1 and IM2 to be displayed behind the first and second display screens 21 and 22.

以上において、ヘッドアップディスプレイ装置１００は、２つの表示用光学系、つまり第１及び第２虚像投影光学系１０Ａ，１０Ｂを含むが、第１及び第２虚像投影光学系１０Ａ，１０Ｂのいずれか一方のみを組み込むこともできる。   In the above, the head-up display device 100 includes two display optical systems, that is, the first and second virtual image projection optical systems 10A and 10B, but one of the first and second virtual image projection optical systems 10A and 10B. Only one can be incorporated.

以上で説明した第１実施形態のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置１００によれば、横方向又はＶＸ方向の焦点距離ｆｘと縦方向又はＶＹ方向の焦点距離ｆｙとの比に関する上記条件式（１）を満たすので、特に横方向に関して高倍率の光学系が可能となり、広いＦＯＶの虚像が得られるヘッドアップディスプレイ装置１００ながら、描画デバイス１１ａ，１２ａは相対的に小さくすることができる。これにより、描画デバイス１１ａ，１２ａを作業者の視界を妨げない位置、かつ、作業者が描画デバイス１１ａ，１２ａに衝突することを回避できる位置に配置することが容易になる。   According to the head-up display (HUD) device 100 of the first embodiment described above, the conditional expression (1) regarding the ratio of the focal length fx in the horizontal or VX direction to the focal length fy in the vertical or VY direction. Therefore, an optical system having a high magnification in the horizontal direction can be realized, and the drawing devices 11a and 12a can be relatively small while the head-up display device 100 can obtain a wide FOV virtual image. Thereby, it becomes easy to arrange the drawing devices 11a and 12a at positions that do not obstruct the field of view of the worker and at positions where the worker can avoid collision with the drawing devices 11a and 12a.

〔実施例〕
以下、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置１００の具体的な実施例について説明する。以下に示す実施例のデータにおいて、Ｓｉ（ｉ＝０，１，２，３，…）は、表示像（虚像）を形成する虚像面側から数えてｉ番目の面（表示像の虚像面を第０番目の面とする）を示している。虚像面に対応する第０面Ｓ０に続く第１面Ｓ１は、仮想的な面であり、第３面Ｓ３は、瞳ＰＵに相当する。 〔Example〕
Hereinafter, a specific embodiment of the head-up display device 100 according to the present invention will be described. In the data of the embodiment described below, Si (i = 0, 1, 2, 3,...) Is the i-th surface (the virtual image surface of the display image is counted from the virtual image surface side forming the display image (virtual image)). 0th plane). The first surface S1 following the zeroth surface S0 corresponding to the virtual image surface is a virtual surface, and the third surface S3 corresponds to the pupil PU.

虚像投影光学系１０Ａ，１０Ｂを構成する各面Ｓｉの配置は、面頂点座標（ｘ，ｙ，ｚ）と回転角度（ＡＤＥ，ＢＤＥ，ＣＤＥ）とでそれぞれ特定される。各面Ｓｉの面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点として、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）で表されている（単位はｍｍ）。ここで、グローバルな座標軸ｘは、図２に示すＶＸ軸に平行又は略平行に設定され、グローバルな座標軸ｙは、図２に示すＶＹ軸に平行又は略平行に設定され、グローバルな座標軸ｚは、図２に示すＶＺ軸に平行又は略平行に設定される。また、各面Ｓｉの傾きは、その面頂点を中心として、Ｘ軸回りのＡＤＥ又は回転角度（α回転）、Ｙ軸回りのＢＤＥ又は回転角度（β回転）、及びＺ軸回りのＣＤＥ又は回転角度（γ回転）で表されている。なお、回転角度の単位は、°であり、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の正方向から見て反時計回りの方向が、Ｘ軸回転又はα回転、Ｙ軸回転又はβ回転、及びＺ軸回転又はγ回転の回転角度の正方向とする。また、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）は、瞳ＰＵ又は瞳面（Ｓ３）のローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と一致した絶対座標系になっている。すなわち、各面Ｓｉの配置データは、瞳面中心を原点としたグローバル座標系で表現される。なお、瞳面（Ｓ３）では、コンバイナー２０から瞳ＰＵに向かう方向が＋Ｚ方向又は＋ｚ方向であり、瞳ＰＵに対して上方向が＋Ｙ方向又は＋ｙ方向であり、瞳ＰＵに対して右方向が＋Ｘ方向又は＋ｘ方向である。   The arrangement of each surface Si constituting the virtual image projection optical systems 10A and 10B is specified by the coordinates of the surface vertices (x, y, z) and the rotation angles (ADE, BDE, CDE). The surface vertex coordinates of each surface Si are determined by using the surface vertex as the origin of the local rectangular coordinate system (X, Y, Z), and using the local rectangular coordinate system (X, y, z) (X, y, z). It is represented by the coordinates (x, y, z) of the origin of (Y, Z) (the unit is mm). Here, the global coordinate axis x is set parallel or substantially parallel to the VX axis shown in FIG. 2, the global coordinate axis y is set parallel or almost parallel to the VY axis shown in FIG. 2, and the global coordinate axis z is , Are set parallel or substantially parallel to the VZ axis shown in FIG. In addition, the inclination of each surface Si is determined by using the ADE or rotation angle (α rotation) around the X axis, the BDE or rotation angle (β rotation) around the Y axis, and the CDE or rotation around the Z axis around the surface vertex. It is represented by an angle (γ rotation). The unit of the rotation angle is °, and the counterclockwise direction when viewed from the positive direction of the X axis, Y axis, and Z axis is X axis rotation or α rotation, Y axis rotation or β rotation, and Z direction. The positive direction is the rotation angle of the shaft rotation or γ rotation. The global rectangular coordinate system (x, y, z) is an absolute coordinate system that matches the local rectangular coordinate system (X, Y, Z) of the pupil PU or the pupil plane (S3). That is, the arrangement data of each surface Si is expressed in a global coordinate system having the origin at the center of the pupil plane. In the pupil plane (S3), the direction from the combiner 20 toward the pupil PU is the + Z direction or + z direction, the upward direction with respect to the pupil PU is the + Y direction or + y direction, and the right direction with respect to the pupil PU is the right direction. + X direction or + x direction.

各実施例において、第１及び第２表示スクリーン２１，２２内のハーフミラー５２は、自由曲面であり、その自由曲面形状は、面の頂点を原点とし、光軸方向にＺ軸をとり、光軸と垂直方向の高さをＸ，Ｙとして以下の「数１」で表す。
〔数１〕

ただし、
ｃ ：頂点曲率（ｃ＝１／Ｒ）
ｋ ：円錐定数
Ｃ_ｊ：Ｘ^ｍＹ^ｎの係数
Ｒ ：Ｙ曲率半径 In each embodiment, the half mirror 52 in each of the first and second display screens 21 and 22 is a free-form surface, and its free-form surface shape has the origin at the vertex of the surface, the Z-axis in the optical axis direction, and The height in the direction perpendicular to the axis is represented by the following “Formula 1” as X and Y.
[Equation 1]

However,
c: apex curvature (c = 1 / R)
k: conical constant _C ^j: X m ^Y coefficient ⁿ R: Y radius of curvature

〔実施例１〕
以下、実施例１の光学系について説明する。実施例１の光学系は、第１虚像投影光学系１０Ａに対応するものである。実施例１の虚像投影光学系の基本的な仕様を以下の表１に示す。
〔表１〕

[Example 1]
Hereinafter, the optical system of the first embodiment will be described. The optical system according to the first embodiment corresponds to the first virtual image projection optical system 10A. Table 1 below shows the basic specifications of the virtual image projection optical system according to the first embodiment.
[Table 1]

実施例１の光学面等のデータを以下の表２に示す。
〔表２〕

Table 2 below shows data on the optical surface and the like of Example 1.
[Table 2]

以下の表３は、実施例１のハーフミラー部分の面データを示す。実施例１のハーフミラー部分は、第１表示スクリーン２１のハーフミラー５２に相当する。表中の「＊」は積を表し、「＾」はべき乗条を表すものとする（以降の実施例も同様）。
〔表３〕

Table 3 below shows the surface data of the half mirror portion of the first embodiment. The half mirror portion of the first embodiment corresponds to the half mirror 52 of the first display screen 21. In the table, “*” represents a product, and “Δ” represents a power rule (the same applies to the following examples).
[Table 3]

図４（Ａ）は、実施例１の虚像投影光学系の側面投影図（ｙｚ平面投影図）を示し、図４（Ｂ）は、実施例１の虚像投影光学系のｘｚ平面投影図を示す。   FIG. 4A is a side projection view (yz plane projection view) of the virtual image projection optical system according to the first embodiment, and FIG. 4B is an xz plane projection view of the virtual image projection optical system according to the first embodiment. .

図５（Ａ）は、実施例１の虚像投影光学系による虚像の投影を説明する側面投影図であり、図４（Ａ）に対応し、図５（Ｂ）は、実施例１の虚像投影光学系による虚像の投影を説明するｘｚ平面投影図であり、図４（Ｂ）に対応する。   FIG. 5A is a side projection view illustrating projection of a virtual image by the virtual image projection optical system according to the first embodiment, and corresponds to FIG. 4A. FIG. 5B is a virtual image projection according to the first embodiment. FIG. 5 is an xz plane projection view for explaining projection of a virtual image by the optical system, and corresponds to FIG.

実施例１の虚像投影光学系の場合、横方向又はＶＸ方向の焦点距離ｆｘ＝４８０ｍｍであり、縦方向又はＶＹ方向の焦点距離ｆｙ＝５６６ｍｍであり、ｆｘ／ｆｙ＝０．８５となって、条件式（１）の値ｆｘ／ｆｙは、０．５〜０．９の範囲内にある。   In the case of the virtual image projection optical system of the first embodiment, the focal length fx in the horizontal direction or the VX direction is 480 mm, the focal length fy in the vertical direction or the VY direction is 566 mm, and fx / fy = 0.85. The value fx / fy of the conditional expression (1) is in the range of 0.5 to 0.9.

〔実施例２〕
以下、実施例２の光学系について説明する。実施例２の光学系は、第２虚像投影光学系１０Ｂに対応するものである。実施例２の虚像投影光学系の基本的な仕様を以下の表４に示す。
〔表４〕

[Example 2]
Hereinafter, the optical system of the second embodiment will be described. The optical system according to the second embodiment corresponds to the second virtual image projection optical system 10B. Table 4 below shows the basic specifications of the virtual image projection optical system according to the second embodiment.
[Table 4]

実施例２の光学面等のデータを以下の表５に示す。
〔表５〕

Table 5 below shows data on the optical surface and the like of Example 2.
[Table 5]

以下の表６は、実施例２のハーフミラー部分の面データを示す。実施例２のハーフミラー部分は、第２表示スクリーン２２のハーフミラー５２に相当する。
〔表６〕

Table 6 below shows surface data of the half mirror portion of the second embodiment. The half mirror portion of the second embodiment corresponds to the half mirror 52 of the second display screen 22.
[Table 6]

図６（Ａ）は、実施例２の虚像投影光学系の側面投影図を示す。図６（Ｂ）は、実施例２の虚像投影光学系による虚像の投影を説明する側面投影図である。   FIG. 6A is a side projection view of the virtual image projection optical system according to the second embodiment. FIG. 6B is a side projection diagram illustrating the projection of a virtual image by the virtual image projection optical system according to the second embodiment.

実施例２の虚像投影光学系の場合、横方向又はＶＸ方向の焦点距離ｆｘ＝４７１ｍｍであり、縦方向又はＶＹ方向の焦点距離ｆｙ＝７６５ｍｍであり、ｆｘ／ｆｙ＝０．６２となって、条件式（１）の値ｆｘ／ｆｙは、０．５〜０．９の範囲内にある。   In the case of the virtual image projection optical system of the second embodiment, the focal length fx in the horizontal direction or the VX direction is 471 mm, the focal length fy in the vertical direction or the VY direction is 765 mm, and fx / fy = 0.62. The value fx / fy of the conditional expression (1) is in the range of 0.5 to 0.9.

〔比較例１〕
以下、比較例１の光学系について説明する。比較例１の光学系は、第２虚像投影光学系１０Ｂに対応するが、後述するように条件式（１）を満たさない。比較例１の虚像投影光学系の基本的な仕様を以下の表７に示す。
〔表７〕

[Comparative Example 1]
Hereinafter, the optical system of Comparative Example 1 will be described. The optical system of Comparative Example 1 corresponds to the second virtual image projection optical system 10B, but does not satisfy the conditional expression (1) as described later. Table 7 below shows the basic specifications of the virtual image projection optical system of Comparative Example 1.
[Table 7]

比較例１の光学面等のデータを以下の表８に示す。
〔表８〕

Table 8 below shows data on the optical surface and the like of Comparative Example 1.
[Table 8]

以下の表９は、比較例１のハーフミラー部分の面データを示す。
〔表９〕

Table 9 below shows the surface data of the half mirror portion of Comparative Example 1.
[Table 9]

図７（Ａ）は、比較例１の虚像投影光学系の側面投影図を示す。図７（Ｂ）は、比較例１の虚像投影光学系による虚像の投影を説明する側面投影図である。   FIG. 7A is a side projection diagram of the virtual image projection optical system of Comparative Example 1. FIG. 7B is a side projection diagram illustrating projection of a virtual image by the virtual image projection optical system of Comparative Example 1.

比較例１の虚像投影光学系の場合、横方向又はＶＸ方向の焦点距離ｆｘ＝３７９ｍｍであり、縦方向又はＶＹ方向の焦点距離ｆｙ＝７６８ｍｍであり、ｆｘ／ｆｙ＝０．４９となって、条件式（１）の値ｆｘ／ｆｙは、下限値よりも小さい。この場合、詳細な説明を省略するが、ＭＴＦの値と、瞳ＰＵの位置による歪曲とが、実施例１、２に比較して顕著に悪化する。   In the case of the virtual image projection optical system of Comparative Example 1, the focal length fx in the horizontal direction or the VX direction is 379 mm, the focal length fy in the vertical direction or the VY direction is 768 mm, and fx / fy = 0.49. The value fx / fy of the conditional expression (1) is smaller than the lower limit. In this case, although a detailed description is omitted, the MTF value and the distortion due to the position of the pupil PU are significantly worse than those in the first and second embodiments.

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置について説明する。なお、第２実施形態のヘッドアップディスプレイ装置は第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。 [Second embodiment]
Hereinafter, a head-up display device according to the second embodiment will be described. Note that the head-up display device of the second embodiment is a modification of the head-up display device of the first embodiment, and items that are not particularly described are the same as those of the first embodiment.

図８に示すように、本実施形態において、ウインドシールド８は、ＶＸ−ＶＹ面に略沿って鉛直方向に略延びており、第１表示スクリーン２２１は、横方向に延びる鉛直平面であるＶＸ−ＶＹ平面に対して−ＶＸ側の横方向から見て反時計方向に僅かに傾斜して配置されている。つまり、図示の第１表示スクリーン２２１は、上端側でアイボックスＥＢから離れるように鉛直のＶＺ方向に対して外側に僅かに傾斜している。この結果、第１表示スクリーン２１の上端部ＴＥが比較的目立ちにくいものとなっている。   As shown in FIG. 8, in the present embodiment, the windshield 8 extends substantially in the vertical direction substantially along the VX-VY plane, and the first display screen 221 is a vertical plane VX- They are arranged slightly inclined counterclockwise with respect to the VY plane as viewed from the lateral side on the −VX side. That is, the illustrated first display screen 221 is slightly inclined outward with respect to the vertical VZ direction so as to be separated from the eye box EB at the upper end side. As a result, the upper end TE of the first display screen 21 is relatively inconspicuous.

本実施形態において、第１表示スクリーン２２１は、全体として正のパワーを有し、凹面鏡と同様に機能する。ただし、第１表示スクリーン２２１は、その横方向又はＶＸ方向の焦点距離をｆｘとし、その縦方向又はＶＹ方向の焦点距離をｆｙとして、下記の条件式（１）を満たす。
０．５＜ｆｘ／ｆｙ＜０．９ … （１）
この場合、第１表示スクリーン２２１の横の焦点距離ｆｘは、縦の焦点距離ｆｙよりも小さいが、その半分よりも大きい。 In the present embodiment, the first display screen 221 has a positive power as a whole, and functions similarly to a concave mirror. However, the first display screen 221 satisfies the following conditional expression (1), where the focal length in the horizontal direction or the VX direction is fx, and the focal length in the vertical direction or the VY direction is fy.
0.5 <fx / fy <0.9 (1)
In this case, the horizontal focal length fx of the first display screen 221 is smaller than the vertical focal length fy, but larger than half thereof.

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置について説明する。なお、第３実施形態のヘッドアップディスプレイ装置は第１又は第２実施形態のヘッドアップディスプレイ装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。 [Third embodiment]
Hereinafter, the head-up display device according to the third embodiment will be described. Note that the head-up display device of the third embodiment is a modification of the head-up display device of the first or second embodiment, and items that are not particularly described are the same as those of the first embodiment.

図９に示すように、本実施形態において、第１表示スクリーン３２１は、アイボックスＥＢ側から見て凹面となっている。つまり、第１表示スクリーン３２１は、非フレネル型の凹面鏡であり、全体として正のパワーを有する。ただし、第１表示スクリーン３２１は、その横方向又はＶＸ方向の焦点距離をｆｘとし、その縦方向又はＶＹ方向の焦点距離をｆｙとして、下記の条件式（１）を満たす。
０．５＜ｆｘ／ｆｙ＜０．９ … （１）
この場合、第１表示スクリーン３２１の横の焦点距離ｆｘは、縦の焦点距離ｆｙよりも小さいが、その半分よりも大きい。 As shown in FIG. 9, in the present embodiment, the first display screen 321 has a concave surface when viewed from the eye box EB side. That is, the first display screen 321 is a non-Fresnel type concave mirror and has a positive power as a whole. However, the first display screen 321 satisfies the following conditional expression (1), where the focal length in the horizontal direction or the VX direction is fx, and the focal length in the vertical direction or the VY direction is fy.
0.5 <fx / fy <0.9 (1)
In this case, the horizontal focal length fx of the first display screen 321 is smaller than the vertical focal length fy, but larger than half thereof.

以上では、具体的な実施形態としてのヘッドアップディスプレイ装置について説明したが、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、上記のものには限られない。例えば、第１及び第２表示スクリーン２１，２２の輪郭は、矩形に限らず、様々な形状とすることができる。   In the above, the head-up display device as a specific embodiment has been described, but the head-up display device according to the present invention is not limited to the above. For example, the contours of the first and second display screens 21 and 22 are not limited to rectangles, but may be various shapes.

また、上記実施形態において、フレネル構造５１，１５１のパターンは第１及び第２虚像投影光学系１０Ａ，１０Ｂの構成に応じて適宜変更することができる。   In the above embodiment, the patterns of the Fresnel structures 51 and 151 can be appropriately changed according to the configuration of the first and second virtual image projection optical systems 10A and 10B.

また、上記実施形態において、第１描画ユニット１１と第１表示スクリーン２１との間に平面ミラー、凹ミラー、凸ミラー、鞍型ミラーなどのミラーを設けてもよい。また、第２描画ユニット１２と第２表示スクリーン２２との間にも平面ミラー、凹ミラー、凸ミラー、鞍型ミラーなどのミラーを設けてもよい。   In the above embodiment, a mirror such as a plane mirror, a concave mirror, a convex mirror, or a saddle mirror may be provided between the first drawing unit 11 and the first display screen 21. In addition, a mirror such as a plane mirror, a concave mirror, a convex mirror, or a saddle mirror may be provided between the second drawing unit 12 and the second display screen 22.

また、上記実施形態において、ウインドシールド８の所定の位置に表示スクリーンを貼り付けてもよいし、ウインドシールド８内に表示スクリーンを埋め込んでもよい。   In the above embodiment, a display screen may be attached to a predetermined position of the windshield 8 or a display screen may be embedded in the windshield 8.

２…移動体、 ８…ウインドシールド、 １０Ａ，１０Ｂ…虚像投影光学系、 １１，１２…描画ユニット、 １１ａ，１２ａ…描画デバイス、 １１ｓ，１２ｓ…表示面、 １４…支持部材、 １８…表示制御装置、 ２０…コンバイナー、 ２１，２２，２２１…表示スクリーン、 ５０，１５０…フレネル素子、 ５１，１５１…フレネル構造、 ５２…ハーフミラー、 １００…ヘッドアップディスプレイ装置、 ＤＲ…運転者、 ＥＢ…アイボックス、 ＨＫ１，ＨＫ２…表示光、 ＩＭ１，ＩＭ２…表示像 Reference numeral 2: moving object, 8: wind shield, 10A, 10B: virtual image projection optical system, 11, 12: drawing unit, 11a, 12a: drawing device, 11s, 12s: display surface, 14: support member, 18: display control device , 20: combiner, 21, 22, 221: display screen, 50, 150: Fresnel element, 51, 151: Fresnel structure, 52: half mirror, 100: head-up display device, DR: driver, EB: eye box, HK1, HK2: display light, IM1, IM2: display image

Claims (10)

描画デバイスと、
前記描画デバイスからの光を反射する表示スクリーンとを備え、
前記表示スクリーンの横方向の焦点距離をｆｘとし、前記表示スクリーンの縦方向の焦点距離をｆｙとして、下記の条件式
０．５＜ｆｘ／ｆｙ＜０．９
を満たすことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。 A drawing device,
Comprising a display screen that reflects light from the drawing device,
Assuming that the horizontal focal length of the display screen is fx and the vertical focal length of the display screen is fy, the following conditional expression: 0.5 <fx / fy <0.9
A head-up display device characterized by satisfying the following. 前記表示スクリーンは、平板であることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   The head-up display device according to claim 1, wherein the display screen is a flat plate. 前記表示スクリーンは、内部にフレネル構造を有し、前記フレネル構造には、ハーフミラーが形成されていることを特徴とする請求項１及び２のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   3. The head-up display device according to claim 1, wherein the display screen has a Fresnel structure inside, and a half mirror is formed in the Fresnel structure. 4. 前記フレネル構造は、基準となる凹形状の自由曲面に基づいて形成されていることを特徴とする請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   The head-up display device according to claim 3, wherein the Fresnel structure is formed based on a concave free-form surface serving as a reference. 前記表示スクリーンは、鉛直方向に略平行な方向に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   The head-up display device according to any one of claims 1 to 4, wherein the display screen is arranged in a direction substantially parallel to a vertical direction. 前記表示スクリーンは、上端側でアイボックスに近づくように鉛直方向に対して内側に傾斜していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   The head-up display device according to any one of claims 1 to 4, wherein the display screen is inclined inward with respect to a vertical direction so as to approach an eye box on an upper end side. 前記表示スクリーンは、上端側でアイボックスから離れるように鉛直方向に対して外側に傾斜していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   The head-up display device according to any one of claims 1 to 4, wherein the display screen is inclined outward with respect to a vertical direction so as to be separated from the eye box at an upper end side. 前記表示スクリーンは、移動体のウインドシールドに固定されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   The head-up display device according to any one of claims 5 to 7, wherein the display screen is fixed to a windshield of a moving body. 前記ウインドシールドは、前記鉛直方向に略平行な方向に配置され、又は、上端側でアイボックスに近づくように前記鉛直方向に対して内側に傾斜していることを特徴とする請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   9. The windshield according to claim 8, wherein the windshield is arranged in a direction substantially parallel to the vertical direction, or is inclined inward with respect to the vertical direction so as to approach an eye box on an upper end side. Head-up display device. 前記表示スクリーンは、凹面鏡であること特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。   The head-up display device according to claim 1, wherein the display screen is a concave mirror.

Images