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JP7501533B2 - Head-up display device - Google Patents
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Description

本開示は、車両で使用され、車両の前景に画像を重畳して視認させるヘッドアップディスプレイ装置に関する。 The present disclosure relates to a head-up display device that is used in a vehicle and superimposes an image onto the vehicle's foreground for viewing.

特許文献1には、車両の搭乗者に対向して主画像を表示する表示器と、一端側が主画像に隣接するとともに他端側が一端側よりも手前に位置する副画像を表示する投影器及びスクリーンと、を備えるヘッドアップディスプレイ装置が開示されている。Patent Document 1 discloses a head-up display device that includes a display that displays a main image facing the vehicle occupants, and a projector and a screen that displays a sub-image, one end of which is adjacent to the main image and the other end of which is positioned in front of the one end.

特開2016-71051号公報JP 2016-71051 A

特許文献1のヘッドアップディスプレイ装置では、運転者に対向するような画像を表示するための表示器と、路面に沿うように配置される表示器(投影器とスクリーン)と、の2つの表示器が必要となり、部品費などが上昇してしまうことが想定される。The head-up display device of Patent Document 1 requires two displays: a display for displaying an image facing the driver, and a display (projector and screen) that is positioned along the road surface, which is expected to increase parts costs, etc.

本明細書に開示される特定の実施形態の要約を以下に示す。これらの態様が、これらの特定の実施形態の概要を読者に提供するためだけに提示され、この開示の範囲を限定するものではないことを理解されたい。実際に、本開示は、以下に記載されない種々の態様を包含し得る。A summary of certain embodiments disclosed herein is provided below. It should be understood that these aspects are presented merely to provide the reader with an overview of these particular embodiments, and are not intended to limit the scope of the disclosure. Indeed, the disclosure may encompass a variety of aspects that are not set forth below.

本開示の概要は、コストを抑えつつ、路面に沿うような表示領域と、路面に沿う角度から起き上がったような傾きの表示領域と、を有するヘッドアップディスプレイ装置を提供することに関する。The present disclosure relates to providing a head-up display device that has a display area that follows the road surface and a display area that is tilted upward at an angle relative to the road surface, while keeping costs down.

したがって、本明細書に記載される実施形態のヘッドアップディスプレイ装置は、車両の前後方向に沿う虚像表示領域で虚像を視認者に視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、虚像表示領域は、遠方虚像領域と、視認者から見て遠方虚像領域より近い近傍虚像領域と、から構成され、表示器における表示面は、遠方虚像領域に対応した表示面遠方領域と、近傍虚像領域に対応した表示面近傍領域と、を含み、表示面近傍領域は、近傍虚像領域が車両の前後方向に沿って配置されるように、視認者に向かう画像光の光軸に対して傾いて配置され、表示面遠方領域は、近傍虚像領域(153)に対し、遠方虚像領域が視認者側に起き上がるように、表示面近傍領域に対して屈曲して配置される。Therefore, the head-up display device of the embodiment described in this specification is a head-up display device that allows the viewer to view a virtual image in a virtual image display area along the fore-and-aft direction of the vehicle, the virtual image display area being composed of a distant virtual image area and a near virtual image area that is closer to the viewer than the distant virtual image area, the display surface of the display device includes a display surface distant area corresponding to the distant virtual image area and a display surface near area corresponding to the near virtual image area, the display surface near area being arranged at an angle with respect to the optical axis of the image light directed toward the viewer so that the near virtual image area is arranged along the fore-and-aft direction of the vehicle, and the display surface distant area is arranged bent with respect to the display surface near area so that the distant virtual image area rises up towards the viewer with respect to the near virtual image area (153).

いくつかの実施形態に係る、ヘッドアップディスプレイ装置の車両への適用例を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of application of a head-up display device to a vehicle according to some embodiments. いくつかの実施形態に係る、ヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す図である。FIG. 1 illustrates a configuration of a head-up display device according to some embodiments. 比較例のリレー光学系と表示面との配置を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an arrangement of a relay optical system and a display surface in a comparative example. 図3Aの比較例で生成される虚像表示領域の配置を示す図である。FIG. 3B is a diagram showing the arrangement of virtual image display areas generated in the comparative example of FIG. 3A . いくつかの実施形態に係る、リレー光学系と表示面との配置を示す図である。FIG. 2 illustrates an arrangement of relay optics and a display surface according to some embodiments. 図4Aの実施形態で生成される虚像表示領域の配置を示す図である。FIG. 4B is a diagram showing the arrangement of virtual image display areas generated in the embodiment of FIG. 4A. いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の奥行き方向(Z軸方向)の位置とチルト角との関係を示す図である。11A to 11D are diagrams illustrating the relationship between the position in the depth direction (Z-axis direction) of the virtual image display area and the tilt angle according to some embodiments. いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の奥行き方向(Z軸方向)の位置とチルト角との関係を示す図である。11A to 11D are diagrams illustrating the relationship between the position in the depth direction (Z-axis direction) of the virtual image display area and the tilt angle according to some embodiments. いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の奥行き方向(Z軸方向)の位置とチルト角との関係を示す図である。11A to 11D are diagrams illustrating the relationship between the position in the depth direction (Z-axis direction) of the virtual image display area and the tilt angle according to some embodiments. いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の配置を示す図である。FIG. 2 illustrates an arrangement of virtual image display areas in accordance with some embodiments. いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の配置を示す図である。FIG. 2 illustrates an arrangement of virtual image display areas in accordance with some embodiments. いくつかの実施形態に係る、虚像表示領域の配置を示す図である。FIG. 2 illustrates an arrangement of virtual image display areas in accordance with some embodiments. いくつかの実施形態に係る、リレー光学系と表示面との配置を示す図である。FIG. 2 illustrates an arrangement of relay optics and a display surface according to some embodiments.

以下、図1及び図2では、例示的な車両用表示システム、及びヘッドアップディスプレイ装置の構成の説明を提供する。また、図3A、図3Bでは、比較例の説明を提供し、図4Aないし図8では、本実施形態の構成の説明を提供する。なお、本発明は以下の実施形態(図面の内容も含む)によって限定されるものではない。下記の実施形態に変更(構成要素の削除も含む)を加えることができるのはもちろんである。また、以下の説明では、本発明の理解を容易にするために、公知の技術的事項の説明を適宜省略する。 Below, in Figures 1 and 2, an explanation is provided of the configuration of an exemplary vehicle display system and head-up display device. In addition, in Figures 3A and 3B, an explanation is provided of a comparative example, and in Figures 4A to 8, an explanation is provided of the configuration of this embodiment. Note that the present invention is not limited to the following embodiments (including the contents of the drawings). Of course, modifications (including the deletion of components) can be made to the following embodiments. In addition, in the following explanation, explanations of known technical matters will be omitted as appropriate in order to facilitate understanding of the present invention.

図1を参照する。車両用表示システム10は、HUD装置20と、HUD装置20を制御する表示制御装置30と、で構成される。なお、本実施形態の説明では、車両1の運転席に着座する視認者(運転者4)が車両1の前方を向いた際の左右方向をX軸(左方向がX軸正方向)、上下方向をY軸(上方向がY軸正方向)、前後方向をZ軸(前方向がZ軸正方向)とする。 Refer to Figure 1. The vehicle display system 10 is composed of a HUD device 20 and a display control device 30 that controls the HUD device 20. In the description of this embodiment, the left-right direction when a viewer (driver 4) seated in the driver's seat of the vehicle 1 faces forward of the vehicle 1 is defined as the X-axis (the left direction is the X-axis positive direction), the up-down direction is defined as the Y-axis (the up direction is the Y-axis positive direction), and the front-rear direction is defined as the Z-axis (the forward direction is the Z-axis positive direction).

車両用表示システム10におけるHUD装置20は、車両1のダッシュボード5内に設けられたヘッドアップディスプレイ(HUD:Head-Up Display)装置である。HUD装置20は、画像光40をフロントウインドシールド2(被投影部の一例である)に向けて出射し、フロントウインドシールド2で反射された画像光40により所定領域のアイボックス(不図示)を生成する。運転者4は、アイポイントを前記アイボックスに配置することで、HUD装置20が表示する画像の全体を視認することができる。なお、ここでは、前記アイボックスを画像の全体が見える領域と定義したが、これに限定されるものではなく、視認者が視認するHUD装置20の表示する画像の歪みが所定閾値内に収まる領域など、HUD装置20が表示する画像が所望の状態で視認される領域である。フロントウインドシールド2(被投影部の一例である。)よりも前方側(Z軸正方向)の虚像表示領域100で画像(虚像)を視認させる。これにより、運転者4は、フロントウインドシールド2を介して視認される現実空間である前景300に重なった画像(虚像)を視認できる。The HUD device 20 in the vehicle display system 10 is a head-up display (HUD: Head-Up Display) device provided in the dashboard 5 of the vehicle 1. The HUD device 20 emits image light 40 toward the windshield 2 (one example of a projection target), and generates an eye box (not shown) of a predetermined area by the image light 40 reflected by the windshield 2. The driver 4 can view the entire image displayed by the HUD device 20 by placing the eye point in the eye box. Note that the eye box is defined here as an area where the entire image can be seen, but is not limited to this, and is an area where the image displayed by the HUD device 20 is viewed in a desired state, such as an area where the distortion of the image displayed by the HUD device 20 viewed by the viewer falls within a predetermined threshold value. The image (virtual image) is viewed in the virtual image display area 100 forward (Z-axis positive direction) of the windshield 2 (one example of a projection target). This allows the driver 4 to view an image (virtual image) superimposed on a foreground 300 , which is a real space viewed through the front windshield 2 .

本実施形態の車両用表示システム10(HUD装置20)は、虚像表示領域100を路面310(前景300の一例。)に沿うように形成する。具体的には、路面310に沿うような虚像表示領域100は、虚像表示領域100の遠方端110と近傍端120との間の奥行方向(Z軸方向)の距離100Zが、虚像表示領域100の最高位置(図1では遠方端110)と最低位置(図1では近傍端120)との間の高さ方向(Y軸方向)の距離100Yよりも20倍、又はこれより長いことを示し、さらに好ましくは、奥行方向(Z軸方向)の距離100Zが、高さ方向(Y軸方向)の距離100Yよりも40倍、又はこれより長いことを示す。一実施例の虚像表示領域100において、(Z座標[meter]、Y座標[meter])で表し、前記アイボックスの高さ方向の中心を(0、1.2)とすると、近傍端120は(14.5、0.0)、遠方端110(最高位置)は(53.4、1.48)、前記アイボックスの中心から運転者4が見た場合の遠方端110と近傍端120との中心は(27.3、0.15)であり、この場合、奥行方向(Z軸方向)の距離100Zが38.9[meter]、高さ方向(Y軸方向)の距離100Yが1.48[meter]となり、奥行方向(Z軸方向)の距離100Zが高さ方向(Y軸方向)の距離100Yの26倍となる。なお、虚像表示領域100は、HUD装置20の内部で生成された画像が、虚像として結像する曲面、又は一部曲面の領域であり、結像面とも呼ばれる。虚像表示領域100は、HUD装置20の後述する表示面(スクリーン24)の虚像が結像される位置であり、すなわち、虚像表示領域100は、HUD装置20の後述する表示面に対応し、虚像表示領域100で視認される虚像は、HUD装置20の後述する表示面に表示される画像に対応している、と言える。虚像表示領域100自体は、実際に運転者4に視認されない、又は視認されにくい程度に視認性が低いことが好ましい。The vehicle display system 10 (HUD device 20) of this embodiment forms the virtual image display area 100 to follow the road surface 310 (an example of the foreground 300). Specifically, the virtual image display area 100 that follows the road surface 310 indicates that the distance 100Z in the depth direction (Z-axis direction) between the far end 110 and the near end 120 of the virtual image display area 100 is 20 times or longer than the distance 100Y in the height direction (Y-axis direction) between the highest position (the far end 110 in FIG. 1) and the lowest position (the near end 120 in FIG. 1) of the virtual image display area 100, and more preferably, the distance 100Z in the depth direction (Z-axis direction) is 40 times or longer than the distance 100Y in the height direction (Y-axis direction). In the virtual image display area 100 of one embodiment, if the virtual image display area 100 is expressed by (Z coordinate [meter], Y coordinate [meter]), and the center of the height direction of the eye box is (0, 1.2), the near end 120 is (14.5, 0.0), the far end 110 (highest position) is (53.4, 1.48), and the center between the far end 110 and the near end 120 when the driver 4 sees from the center of the eye box is (27.3, 0.15). In this case, the distance 100Z in the depth direction (Z axis direction) is 38.9 [meter], and the distance 100Y in the height direction (Y axis direction) is 1.48 [meter], and the distance 100Z in the depth direction (Z axis direction) is 26 times the distance 100Y in the height direction (Y axis direction). The virtual image display area 100 is a curved surface or a partially curved surface area on which an image generated inside the HUD device 20 is formed as a virtual image, and is also called an imaging surface. The virtual image display area 100 is a position where a virtual image of a display surface (screen 24) of the HUD device 20, which will be described later, is formed, i.e., it can be said that the virtual image display area 100 corresponds to a display surface of the HUD device 20, which will be described later, and the virtual image viewed in the virtual image display area 100 corresponds to an image displayed on the display surface of the HUD device 20, which will be described later. It is preferable that the virtual image display area 100 itself has low visibility to the extent that it is not actually viewed by the driver 4 or is difficult to view.

図2は、本実施形態のHUD装置20の構成を示す図である。HUD装置20は、画像を表示する表示面を有する表示器21と、リレー光学系25と、を含む。 Figure 2 is a diagram showing the configuration of the HUD device 20 of this embodiment. The HUD device 20 includes a display 21 having a display surface for displaying an image, and a relay optical system 25.

図2の表示器21は、プロジェクタ22(画像生成部の一例)と、プロジェクタ22からの投影光を受光して画像(実像)を表示するスクリーン24(表示面の一例)と、で構成されるプロジェクション型ディスプレイである。なお、表示器21は、LCDなどのバックライトからの光を透過する透過型ディスプレイ(画像生成部の一例)であってもよく、自発光型ディスプレイ(画像生成部の一例)であってもよい。これらの場合、表示面は、透過型ディスプレイにおけるディスプレイ表面(表示面の一例)であり、プロジェクション型ディスプレイのスクリーン24(表示面の一例)である。前記表示面は、前記表示面から、後述のリレー光学系25及び前記被投影部を介して前記アイボックス(前記アイボックスの中央)へ向かう画像光40の光軸40pに対し垂直になる角度から傾いて配置され、これにより、虚像表示領域100を路面310に沿うように配置することができる。なお、表示器21は、表示制御装置30により制御されるモータなどのアクチュエータ(不図示)が取り付けられ、表示面を移動、及び/又は回転可能であってもよい。The display 21 in FIG. 2 is a projection-type display that includes a projector 22 (an example of an image generating unit) and a screen 24 (an example of a display surface) that receives projected light from the projector 22 and displays an image (real image). The display 21 may be a transmissive display (an example of an image generating unit) that transmits light from a backlight such as an LCD, or may be a self-luminous display (an example of an image generating unit). In these cases, the display surface is the display surface (an example of a display surface) in a transmissive display, and the screen 24 (an example of a display surface) in a projection-type display. The display surface is arranged at an angle that is perpendicular to the optical axis 40p of the image light 40 that travels from the display surface to the eye box (the center of the eye box) via the relay optical system 25 described below and the projected portion, thereby allowing the virtual image display area 100 to be arranged along the road surface 310. The display 21 may be equipped with an actuator (not shown) such as a motor controlled by the display control device 30, and may be capable of moving and/or rotating the display surface.

本実施形態の表示面24は、非平面であり、平面もしくは曲面の連続性が失われる(折れ曲がる)境界(後述する表示面屈曲部IM5)を有し、これにより、虚像表示領域100の遠方側の遠方虚像領域151を、虚像表示領域100の遠方虚像領域151より近傍側の近傍虚像領域153よりも起き上がらせる。これについては、後で詳述する。The display surface 24 of this embodiment is non-planar and has a boundary (display surface bend IM5 described later) where the continuity of the plane or curved surface is lost (bended), thereby causing the distant virtual image region 151 on the distant side of the virtual image display region 100 to be raised higher than the near virtual image region 153 on the near side of the distant virtual image region 151 of the virtual image display region 100. This will be described in detail later.

リレー光学系25は、表示器21とフロントウインドシールド2(被投影部の一例。)との間の表示器21からの画像の光(表示器21から前記アイボックスへ向かう光。)の光路上に配置され、表示器21からの画像の光をHUD装置20の外側のフロントウインドシールド2に投影する1つ又はそれ以上の光学部材で構成される。図2のリレー光学系25は、第1ミラー26と、第2ミラー28と、を含む。The relay optical system 25 is disposed on the optical path of the light of the image from the display 21 (light traveling from the display 21 to the eyebox) between the display 21 and the windshield 2 (an example of a projected portion), and is composed of one or more optical components that project the light of the image from the display 21 onto the windshield 2 outside the HUD device 20. The relay optical system 25 in FIG. 2 includes a first mirror 26 and a second mirror 28.

第1ミラー26は、一端から他端に向けて曲率半径が概ね一定の凹状の自由曲面形状である。換言すると、第1ミラー26は、領域毎に光学的パワーが概ね同じ曲面形状であり、すなわち、画像光40が通る領域(光路)に応じて画像光40に付加される光学的パワーが同じである。具体的には、前記表示面の各領域から前記アイボックスへ向かう第1画像光41、第2画像光42、第3画像光43(図2参照)とで、リレー光学系25によって付加される光学的パワーが概ね同じである。The first mirror 26 has a concave free-form surface shape with a generally constant radius of curvature from one end to the other end. In other words, the first mirror 26 has a curved surface shape with generally the same optical power for each region, that is, the optical power added to the image light 40 is the same depending on the region (optical path) through which the image light 40 passes. Specifically, the optical power added by the relay optical system 25 is generally the same for the first image light 41, the second image light 42, and the third image light 43 (see FIG. 2) traveling from each region of the display surface toward the eye box.

なお、第2ミラー28は、平面ミラーであるが、これに限定されず、平面ではなく、光学的パワーを有する曲面であってもよい。The second mirror 28 is a flat mirror, but is not limited to this and may be a curved surface having optical power instead of a flat surface.

また、リレー光学系25は、領域毎に光学的パワーが異なる曲面形状の複数のミラーを合成することで、画像光40が通る領域(光路)に応じて付加される光学的パワーが概ね同じになるように、複数のミラーの領域毎の光学的パワーを設定してもよい。In addition, the relay optical system 25 may be configured by combining multiple mirrors with curved shapes each having a different optical power for each region, and the optical power of each region of the multiple mirrors may be set so that the optical power added depending on the region (optical path) through which the image light 40 passes is approximately the same.

なお、本実施形態では、リレー光学系25は、2つのミラーを含んでいたが、これに限定されるものではなく、これらに追加又は代替で、1つ又はそれ以上の、レンズなどの屈折光学部材、ホログラムなどの回折光学部材、反射光学部材、又はこれらの組み合わせを含んでいてもよい。In this embodiment, the relay optical system 25 includes two mirrors, but is not limited to this and may additionally or instead include one or more refractive optical elements such as lenses, diffractive optical elements such as holograms, reflective optical elements, or combinations of these.

また、本実施形態のリレー光学系25は、この曲面形状(光学的パワーの一例。)により、虚像が結像される位置(虚像表示領域100)までの距離を設定する機能、及びスクリーン24(表示面)に表示された画像を拡大した虚像を生成する機能、を有するが、これに加えて、フロントウインドシールド2の湾曲形状により生じ得る虚像の歪みを抑制する(補正する)機能、を有していてもよい。In addition, the relay optical system 25 of this embodiment has the function of setting the distance to the position where the virtual image is formed (virtual image display area 100) by using this curved shape (an example of optical power), and the function of generating a virtual image that is an enlarged image displayed on the screen 24 (display surface), but in addition to this, it may also have the function of suppressing (correcting) distortion of the virtual image that may occur due to the curved shape of the front windshield 2.

また、リレー光学系25は、表示制御装置30により制御されるモータなどのアクチュエータ(不図示)が取り付けられ、移動、及び/又は回転可能であってもよい。 The relay optical system 25 may also be fitted with an actuator (not shown) such as a motor controlled by the display control device 30, making it movable and/or rotatable.

次に、本実施形態に係る、リレー光学系25と非平面の表示面24との配置と、生成される虚像表示領域100の配置について説明する。本実施形態の虚像表示領域100は、路面310に沿い、遠方側の傾斜が起き上がるように形成される。Next, the arrangement of the relay optical system 25 and the non-planar display surface 24, and the arrangement of the generated virtual image display area 100 according to this embodiment will be described. The virtual image display area 100 according to this embodiment is formed along the road surface 310 with an upward slope on the far side.

まず、比較例を図3A、図3Bを用いて説明する。図3Aは、比較例のリレー光学系500と表示面524との配置を示す図である。なお、図3Aでは、本実施形態との違いをわかりやすくするため、リレー光学系500の各領域501、502、503の焦点を符号501f,502f,503fで表記するが、これら焦点501f,502f,503fとリレー光学系500との距離関係、及び焦点501f,502f,503fと表示面524との距離関係を正確に示したものではない。比較例では、表示面524が、平面である。すなわち、比較例の表示面524は、後述する表示面屈曲部IM5がない。また、次に説明する本発明の実施形態でも同様だが、表示面524は、表示面524から前記アイボックスへ向かう画像光の光軸540pとの垂直面524aから角度αだけ傾いて配置される。具体的には、表示面524から前記アイボックスへ向かう画像光540の光軸540pの垂直面524aから角度αだけ傾いて配置される。具体的には、表示面524は、垂直面524aと比べて、虚像表示領域600の虚像表示近傍部603(図3B)に対応する表示面524における領域M3から、虚像表示近傍部603より遠方の虚像表示領域600の領域602(図3B)に対応する表示面524における領域M2に向けて徐々にリレー光学系500から離れるように配置される。換言すると、虚像表示領域600の虚像表示近傍部603に対応する表示面524における領域M3から、虚像表示近傍部603より遠方の虚像表示領域600の領域602(図3B)に対応する表示面524における領域M2に向けて徐々にリレー光学系500の焦点に近づくように配置される(領域M2と焦点502fとの間の距離を、領域M3と焦点503fとの間の距離より短くする)。このような場合、図3Bに示すように、車両1の左右方向(X方向)から見ると、生成される虚像表示領域600の断面は、運転者4側(上側(Y軸正方向))が凸状となる。 First, a comparative example will be described with reference to Figures 3A and 3B. Figure 3A is a diagram showing the arrangement of the relay optical system 500 and the display surface 524 of the comparative example. In Figure 3A, in order to make it easier to understand the difference from this embodiment, the focal points of each region 501, 502, and 503 of the relay optical system 500 are denoted by symbols 501f, 502f, and 503f, but the distance relationship between these focal points 501f, 502f, and 503f and the relay optical system 500, and the distance relationship between the focal points 501f, 502f, and 503f and the display surface 524 are not accurately shown. In the comparative example, the display surface 524 is a flat surface. That is, the display surface 524 of the comparative example does not have a display surface bending portion IM5 described later. Also, as in the embodiment of the present invention described next, the display surface 524 is arranged at an angle α from the perpendicular plane 524a to the optical axis 540p of the image light traveling from the display surface 524 to the eye box. Specifically, the display surface 524 is disposed at an angle α from a vertical plane 524a of an optical axis 540p of the image light 540 traveling from the display surface 524 to the eye box. Specifically, the display surface 524 is disposed so as to be gradually separated from the relay optical system 500 from a region M3 on the display surface 524 corresponding to a virtual image display vicinity 603 (FIG. 3B) of the virtual image display region 600 toward a region M2 on the display surface 524 corresponding to a region 602 (FIG. 3B) of the virtual image display region 600 that is farther away than the virtual image display vicinity 603, compared to the vertical plane 524a. In other words, the area is arranged so as to gradually approach the focal point of the relay optical system 500 from the area M3 on the display surface 524 corresponding to the virtual image display vicinity 603 of the virtual image display area 600 toward the area M2 on the display surface 524 corresponding to the area 602 (FIG. 3B) of the virtual image display area 600 farther than the virtual image display vicinity 603 (the distance between the area M2 and the focal point 502f is made shorter than the distance between the area M3 and the focal point 503f). In such a case, as shown in FIG. 3B, when viewed from the left-right direction (X direction) of the vehicle 1, the cross section of the generated virtual image display area 600 has a convex shape on the driver 4 side (upper side (positive Y-axis direction)).

次に、本実施形態について図4A、図4Bを用いて説明する。図4Aは、本実施形態のリレー光学系25と表示面24との配置を示す図である。本実施形態の表示面24は、遠方虚像領域151に対応した表示面遠方領域241と、近傍虚像領域153に対応した表示面近傍領域243と、を含み、表示面近傍領域243が、表示面24から前記アイボックスへ向かう画像光40の光軸40pとの垂直面24aから角度αだけ傾いて配置される。具体的には、表示面24は、垂直面24aと比べて、虚像表示領域100の近傍虚像領域153内に含まれる虚像表示近傍部103対応する表示面24の表示面近傍部IM3から、虚像表示領域100の虚像表示屈曲部105に対応する表示面24の表示面屈曲部IM5に向けて徐々にリレー光学系25から離れるように配置される。換言すると、虚像表示領域100の近傍虚像領域153に対応する表示面24の表示面近傍部IM3から、虚像表示領域100の虚像表示屈曲部105に対応する表示面24の表示面屈曲部IM5に向けて徐々にリレー光学系25の焦点に近づくように配置される(表示面屈曲部IM5と焦点255fとの間の距離を、表示面近傍部IM3と焦点253fとの間の距離より短くする)。Next, this embodiment will be described with reference to Figures 4A and 4B. Figure 4A is a diagram showing the arrangement of the relay optical system 25 and the display surface 24 of this embodiment. The display surface 24 of this embodiment includes a display surface far region 241 corresponding to the far virtual image region 151 and a display surface vicinity region 243 corresponding to the near virtual image region 153, and the display surface vicinity region 243 is arranged at an angle α from a perpendicular plane 24a with respect to the optical axis 40p of the image light 40 traveling from the display surface 24 to the eye box. Specifically, the display surface 24 is arranged so as to gradually move away from the relay optical system 25 from the display surface vicinity portion IM3 of the display surface 24 corresponding to the virtual image display vicinity portion 103 included in the near virtual image region 153 of the virtual image display region 100 toward the display surface bending portion IM5 of the display surface 24 corresponding to the virtual image display bending portion 105 of the virtual image display region 100, compared to the perpendicular plane 24a. In other words, the display surface 24 is arranged so as to gradually approach the focus of the relay optical system 25 from the display surface vicinity IM3 of the display surface 24 corresponding to the nearby virtual image region 153 of the virtual image display region 100 toward the display surface bend IM5 of the display surface 24 corresponding to the virtual image display bend 105 of the virtual image display region 100 (the distance between the display surface bend IM5 and the focus 255f is made shorter than the distance between the display surface vicinity IM3 and the focus 253f).

さらに、本実施形態の表示面24は、表示面屈曲部IM5を有し、表示面近傍部IM3から表示面屈曲部IM5までの表示面24の近似的な傾き(図4Aでの点線)を基準に、表示面屈曲部IM5から表示面遠方部IM1までの表示面24の近似的な傾きがリレー光学系25に近づくように屈曲する。換言すると、表示面近傍部IM3から表示面屈曲部IM5に向けて徐々にリレー光学系25の焦点に近づくように配置し(表示面屈曲部IM5と焦点255fとの間の距離を、表示面近傍部IM3と焦点253fとの間の距離より短くし)、かつ表示面屈曲部IM5から表示面遠方部IM1に向けて徐々にリレー光学系25の焦点に近づくように配置する(表示面遠方部IM1と焦点251fとの間の距離を、表示面屈曲部IM5と焦点255fとの間の距離より長くする)。 Furthermore, the display surface 24 of this embodiment has a display surface bending portion IM5, and is bent so that the approximate inclination of the display surface 24 from the display surface vicinity portion IM3 to the display surface bending portion IM5 approaches the relay optical system 25, based on the approximate inclination of the display surface 24 from the display surface vicinity portion IM3 to the display surface bending portion IM5 (the dotted line in FIG. 4A). In other words, it is arranged so as to gradually approach the focus of the relay optical system 25 from the display surface vicinity portion IM3 toward the display surface bending portion IM5 (the distance between the display surface bending portion IM5 and the focus 255f is made shorter than the distance between the display surface vicinity portion IM3 and the focus 253f), and is arranged so as to gradually approach the focus of the relay optical system 25 from the display surface bending portion IM5 toward the display surface distant portion IM1 (the distance between the display surface distant portion IM1 and the focus 251f is made longer than the distance between the display surface bending portion IM5 and the focus 255f).

ここで、物体と凹面ミラーとの間の距離a(>0)、虚像と凹面ミラーとの間の距離b(>0),そして、凹面ミラーの焦点距離f(>a)の間には、以下の関係式が成り立つ。この関係式によれば、物体と凹面ミラーとの間の距離が短くなるほど、虚像の距離bが短くなる。
1/a-1/b=1/f
Here, the following relational expression is established among the distance a (>0) between the object and the concave mirror, the distance b (>0) between the virtual image and the concave mirror, and the focal length f (>a) of the concave mirror. According to this relational expression, the shorter the distance between the object and the concave mirror, the shorter the distance b of the virtual image.
1/a-1/b=1/f

上述したように、表示面24が、表示面24から前記アイボックスへ向かう画像光の光軸40pとから傾いて配置されることで、虚像表示領域100が、路面310に沿うように(近傍から遠方に向けて徐々に結像距離が長くなるように)、配置される。表示面24(表示面遠方領域241(表示面遠方部IM1))から第1ミラー26の第1領域251に投射した第1画像光41は、表示面遠方領域241(表示面遠方部IM1)が第1領域251に近いため、フロントウインドシールド2に反射された際に、(表示面を屈曲させずにリレー光学系に近づけない場合と比較して)フロントウインドシールド2からの結像距離が短くなる。As described above, the display surface 24 is arranged at an angle from the optical axis 40p of the image light traveling from the display surface 24 to the eye box, so that the virtual image display area 100 is arranged to follow the road surface 310 (so that the imaging distance gradually increases from the vicinity to the distance). The first image light 41 projected from the display surface 24 (display surface distant area 241 (display surface distant portion IM1)) to the first area 251 of the first mirror 26 has a shorter imaging distance from the windshield 2 when reflected by the windshield 2 (compared to a case where the display surface is not bent and cannot be brought close to the relay optical system) because the display surface distant area 241 (display surface distant portion IM1) is close to the first area 251.

本実施形態の表示面24は、表示面屈曲部IM5を境界にした表示面遠方領域241を、表示面近傍部IM3から表示面屈曲部IM5までの表示面24の近似的な傾き(図4Aでの点線)よりも、リレー光学系25に近づける(物体と凹面ミラーとの間の距離を小さくする)ことで、虚像表示領域100の遠方虚像領域151(遠方端110も含む)が路面310に沿う傾きから起き上がるように湾曲させることができる。遠方虚像領域151(遠方端110も含む)が路面310に沿う傾きから起き上がるように湾曲させるとは、図4B示すように、遠方虚像領域151(虚像表示遠方部101)における虚像表示領域100の接線と路面310との間のチルト角θ(第1チルト角θ1)が、遠方虚像領域151より運転者4に近い近傍虚像領域153(中央部102)における虚像表示領域100の接線と路面310との間のチルト角θ(第2チルト角θ2)より大きく、かつチルト角θが、中央部102(近傍側)から遠方虚像領域151(遠方側)に向かうに連れて連続的に増加する(単調増加する)。In the display surface 24 of this embodiment, the display surface distant region 241 bounded by the display surface bending portion IM5 is brought closer to the relay optical system 25 (reducing the distance between the object and the concave mirror) than the approximate tilt of the display surface 24 from the display surface vicinity portion IM3 to the display surface bending portion IM5 (dotted line in Figure 4A), thereby allowing the distant virtual image region 151 (including the distant end 110) of the virtual image display area 100 to be curved so as to rise up from the tilt along the road surface 310. Curving the distant virtual image region 151 (including the distant end 110) so as to rise from an inclination along the road surface 310 means that, as shown in FIG. 4B, the tilt angle θ (first tilt angle θ1) between the tangent to the virtual image display region 100 in the distant virtual image region 151 (virtual image display distant portion 101) and the road surface 310 is greater than the tilt angle θ (second tilt angle θ2) between the tangent to the virtual image display region 100 and the road surface 310 in the near virtual image region 153 (central portion 102) which is closer to the driver 4 than the distant virtual image region 151, and the tilt angle θ increases continuously (monotonically increases) from the central portion 102 (nearby side) toward the distant virtual image region 151 (far side).

図5Aないし図5Cは、実施形態に係る、虚像表示領域100の奥行き方向(Z軸方向)の位置とチルト角θとの関係を示す図である。本実施形態では、遠方虚像領域151(遠方端110)が遠方虚像領域151より近傍の中央部102より路面310に沿う傾きから起き上がればよく、図5Aに示すように、近傍端120から遠方端110に向かうにつれてチルト角θが単調増加することに限定されるものではない。5A to 5C are diagrams showing the relationship between the position in the depth direction (Z-axis direction) of the virtual image display area 100 and the tilt angle θ according to an embodiment. In this embodiment, it is sufficient that the distant virtual image area 151 (distant end 110) rises from an inclination along the road surface 310 relative to the central portion 102 near the distant virtual image area 151, and the tilt angle θ is not limited to monotonically increasing from the near end 120 toward the far end 110 as shown in FIG. 5A.

すなわち、いくつかの実施形態では、図5Bに示すように、虚像表示近傍部103から虚像表示屈曲部105までのチルト角θの増加率(変化率)が、虚像表示屈曲部105から虚像表示遠方部101までのチルト角θの増加率(変化率)より小さくなるようにしてもよい。この場合、表示面24は、表示面近傍部IM3と第3画像光43が通るリレー光学系25の第3領域253との間の距離から、表示面屈曲部IM5と第5画像光45が通るリレー光学系25の第5領域255との間の距離までの増加率を、表示面屈曲部IM5と第5画像光45が通るリレー光学系25の第5領域255との間の距離から、表示面遠方部IM1と第1画像光41が通るリレー光学系25の第1領域251との間の距離までの増加率より小さくする。これにより、奥行き方向の距離の増加に従う、近傍虚像領域と路面との間の距離の変化を小さく抑えることができる。That is, in some embodiments, as shown in FIG. 5B, the increase rate (rate of change) of the tilt angle θ from the virtual image display vicinity portion 103 to the virtual image display bent portion 105 may be smaller than the increase rate (rate of change) of the tilt angle θ from the virtual image display bent portion 105 to the virtual image display distant portion 101. In this case, the display surface 24 is configured such that the increase rate from the distance between the display surface vicinity portion IM3 and the third region 253 of the relay optical system 25 through which the third image light 43 passes to the distance between the display surface bent portion IM5 and the fifth region 255 of the relay optical system 25 through which the fifth image light 45 passes is smaller than the increase rate from the distance between the display surface bent portion IM5 and the fifth region 255 of the relay optical system 25 through which the fifth image light 45 passes to the distance between the display surface distant portion IM1 and the first region 251 of the relay optical system 25 through which the first image light 41 passes. This makes it possible to suppress the change in the distance between the nearby virtual image region and the road surface as the distance in the depth direction increases.

また、いくつかの実施形態では、図5Cに示すように、近傍虚像領域153から中央部102までのチルト角θの変化率を負の値から徐々にゼロまで増加させ、中央部102から遠方端110までのチルト角θの増加率(変化率)をゼロより大きくしてもよい。この場合の虚像表示領域100の配置を図6に示す。すなわち、この虚像表示領域100は、近傍虚像領域153から中央部102まで徐々に上下方向(Y軸方向)の位置が低くなり、中央部102を最低位置とし、中央部102から遠方端110まで徐々に上下方向(Y軸方向)の位置が高くなり、近傍端120を最高位置とする。この場合、上記実施形態よりも表示面24の傾きαを大きくし、かつ、表示面近傍部IM3と第3画像光43が通るリレー光学系25の第3領域253との間の距離から、表示面屈曲部IM5と第5画像光45が通るリレー光学系25の第5領域255との間の距離までの増加率を、表示面屈曲部IM5と第5画像光45が通るリレー光学系25の第5領域255との間の距離から、表示面遠方部IM1と第1画像光41が通るリレー光学系25の第1領域251との間の距離までの増加率より小さくする。これにより、奥行き方向の距離の増加に従う、近傍側の虚像表示領域と路面との間の距離の変化を小さく抑えることができる。 In some embodiments, as shown in FIG. 5C, the rate of change of the tilt angle θ from the near virtual image region 153 to the central portion 102 may be gradually increased from a negative value to zero, and the rate of increase (rate of change) of the tilt angle θ from the central portion 102 to the far end 110 may be greater than zero. The arrangement of the virtual image display region 100 in this case is shown in FIG. 6. That is, the position of this virtual image display region 100 gradually decreases in the vertical direction (Y-axis direction) from the near virtual image region 153 to the central portion 102, with the central portion 102 being the lowest position, and the position gradually increases in the vertical direction (Y-axis direction) from the central portion 102 to the far end 110, with the near end 120 being the highest position. In this case, the inclination α of the display surface 24 is made larger than in the above embodiment, and the rate of increase from the distance between the display surface vicinity portion IM3 and the third region 253 of the relay optical system 25 through which the third image light 43 passes to the distance between the display surface bending portion IM5 and the fifth region 255 of the relay optical system 25 through which the fifth image light 45 passes is made smaller than the rate of increase from the distance between the display surface bending portion IM5 and the fifth region 255 of the relay optical system 25 through which the fifth image light 45 passes to the distance between the display surface distant portion IM1 and the first region 251 of the relay optical system 25 through which the first image light 41 passes. This makes it possible to keep small the change in the distance between the near-side virtual image display region and the road surface that follows an increase in the distance in the depth direction.

また、いくつかの実施形態では、虚像表示領域100の最低位置を含む一部を路面310よりも下に配置し、虚像表示領域100の遠方端110を含む一部を路面よりも上に配置してもよい。例えば、虚像表示領域100は、図7Aに示すように、近傍端120が最低位置となり、近傍端120から遠方端110に向けた途中までを路面310の下に配置し、これより遠方端110までの他部を路面310の上に配置してもよい。また、虚像表示領域100は、図7Bに示すように、遠方端110と近傍端120との間の中央部102を最低位置としてもよい。視認者から見て路面に対して虚像が手前側にズレて表示される場合の違和感は、路面に対して画像が奥側にズレて表示される場合の違和感より大きい。したがって、車両1の角度が変化した場合でも路面310より上側に虚像表示領域100が配置されることを抑制することができ、また、車両1の角度が変化により近傍側の虚像表示領域が路面310の上側に配置される場合でも、近傍側の画像と路面310との高さ方向の距離を小さく抑えることができる。In some embodiments, a part of the virtual image display area 100 including the lowest position may be placed below the road surface 310, and a part of the virtual image display area 100 including the far end 110 may be placed above the road surface. For example, as shown in FIG. 7A, the near end 120 of the virtual image display area 100 may be placed below the road surface 310 from the near end 120 to the far end 110, and the other part from this to the far end 110 may be placed above the road surface 310. Also, as shown in FIG. 7B, the virtual image display area 100 may have the center part 102 between the far end 110 and the near end 120 as the lowest position. The discomfort felt by the viewer when the virtual image is displayed shifted toward the front side relative to the road surface is greater than the discomfort felt when the image is displayed shifted toward the back side relative to the road surface. Therefore, even if the angle of the vehicle 1 changes, it is possible to prevent the virtual image display area 100 from being positioned above the road surface 310, and even if the angle of the vehicle 1 changes so that the near-side virtual image display area is positioned above the road surface 310, the vertical distance between the near-side image and the road surface 310 can be kept small.

また、いくつかの実施形態では、虚像表示領域100の虚像表示屈曲部105が、運転者4(車両1)の前方向に20メートル、又はそれ以上の距離に配置されるように、表示面24の表示面屈曲部IM5の位置を設定してもよい。これによれば、虚像表示領域100は、車両1の前方向に20メートル、又はそれ以上の距離から遠方側に向かうにつれて、車両1の前後方向に対する虚像表示領域100の接線のチルト角θが単調増加し、路面310に沿った角度から起き上がる。本発明の発明者は、視認者から20メートル以上離れた物体に対する距離感(距離感)が鈍くなることを認識した。すなわち、視認者から20メートル以上離れた位置から虚像表示領域と路面との間の距離を単調増加させても、視認者が虚像表示面と路面との間の距離差を知覚しにくく(20メートル未満の虚像表示領域に表示された画像と同様に路面に沿って表示されているように知覚させやすく)、かつ遠方側の虚像表示領域を路面に沿う角度から視認者側に起き上がらせるように湾曲させることで、視認者から見た遠方側の虚像表示面を広い前景(例えば、路面)の領域に重ねることができる。換言すると、虚像表示領域の単位面積あたりの重なる前景(例えば、路面)の面積を拡げることができ、広い前景に対して効率的に画像を重ねて表示することができる。In addition, in some embodiments, the position of the display surface bend IM5 of the display surface 24 may be set so that the virtual image display bend 105 of the virtual image display area 100 is located 20 meters or more in the forward direction of the driver 4 (vehicle 1). According to this, as the virtual image display area 100 moves from a distance of 20 meters or more in the forward direction of the vehicle 1 toward the far side, the tilt angle θ of the tangent of the virtual image display area 100 to the forward/rearward direction of the vehicle 1 increases monotonically, and rises from an angle along the road surface 310. The inventor of the present invention recognized that the sense of distance (perception of distance) for objects 20 meters or more away from the viewer becomes dull. That is, even if the distance between the virtual image display area and the road surface is monotonically increased from a position 20 meters or more away from the viewer, the viewer is unlikely to perceive the difference in distance between the virtual image display surface and the road surface (it is easy to perceive that the image is displayed along the road surface like the image displayed in the virtual image display area less than 20 meters away), and by curving the virtual image display area on the far side so that it rises up toward the viewer from an angle along the road surface, the virtual image display surface on the far side as seen by the viewer can be superimposed on a wide foreground (for example, the road surface). In other words, the area of the foreground (for example, the road surface) that overlaps per unit area of the virtual image display area can be expanded, and an image can be efficiently superimposed and displayed on the wide foreground.

上記実施形態では、第1ミラー26は、一端から他端に向けて曲率半径が概ね一定の自由曲面形状であったが、これに限定されるものではなく、曲率が概ね一定でなくてもよい。特に、本実施形態では、表示面24に表示面屈曲部IM5を設けることで、虚像表示領域100の遠方側の傾斜を、路面に沿う角度から起き上がるようにしているが、これに加えて、第1ミラー26(リレー光学系25)の領域毎に曲率半径(光学的パワー)を異ならせることで、虚像表示領域100の遠方側の傾斜を、より路面に沿う角度から起き上がりやすくしてもよい。In the above embodiment, the first mirror 26 has a free-form surface shape with a generally constant radius of curvature from one end to the other end, but this is not limited to this, and the curvature does not have to be generally constant. In particular, in this embodiment, the display surface bending portion IM5 is provided on the display surface 24 to make the inclination of the far side of the virtual image display area 100 rise from an angle that follows the road surface. In addition, the radius of curvature (optical power) may be made different for each area of the first mirror 26 (relay optical system 25) to make it easier for the inclination of the far side of the virtual image display area 100 to rise from an angle that follows the road surface.

具体的には、第1ミラー26は、一端から他端に向けて曲率半径が徐々に変化する自由曲面形状であってもよい。換言すると、第1ミラー26は、領域毎に光学的パワーが異なる曲面形状であり、すなわち、画像光40が通る領域(光路)に応じて画像光40に付加される光学的パワーが異なってもよい。具体的には、前記表示面の各領域から前記アイボックスへ向かう第1画像光41、第2画像光42、第3画像光43(図2参照)とで、リレー光学系25によって付加される光学的パワーが異なる。Specifically, the first mirror 26 may have a free-form surface shape in which the radius of curvature gradually changes from one end to the other end. In other words, the first mirror 26 may have a curved surface shape in which the optical power differs for each region, that is, the optical power added to the image light 40 may differ depending on the region (optical path) through which the image light 40 passes. Specifically, the optical power added by the relay optical system 25 differs between the first image light 41, the second image light 42, and the third image light 43 (see FIG. 2) traveling from each region of the display surface toward the eye box.

なお、第2ミラー28は、平面ではなく、光学的パワーを有する曲面であってもよい。すなわち、リレー光学系25は、複数のミラー(例えば、本実施形態の第1ミラー26、第2ミラー28。)を合成することで、画像光40が通る領域(光路)に応じて付加される光学的パワーを異ならせてもよい。The second mirror 28 may be a curved surface having optical power instead of a flat surface. In other words, the relay optical system 25 may combine multiple mirrors (e.g., the first mirror 26 and the second mirror 28 in this embodiment) to add different optical power depending on the area (optical path) through which the image light 40 passes.

図8は、本実施形態のリレー光学系25と表示面24との配置を示す図である。なお、図8は、比較例との違いをわかりやすくするため、リレー光学系25の各領域251,252,253の焦点を符号251f,252f,253fで表記するが、リレー光学系25、又は表示面24との距離関係を正確に示したものではない。図8のリレー光学系25は、領域毎に曲率半径が異なる。具体的には、運転者4から見て虚像表示領域100の遠方虚像領域151に虚像を表示する第1画像光41が通るリレー光学系25の第1領域(第1光路)251の第1光学的パワーを、運転者4から見て虚像表示領域100の遠方虚像領域151よりも近い虚像表示屈曲部105に虚像を表示する第2画像光42が通るリレー光学系25の第2領域(第2光路)252の第2光学的パワーより小さくする。すなわち、リレー光学系25の主たる光学的パワーが凹面鏡である第1ミラー26に起因する場合、第1画像光41を反射する第1領域251の第1曲率半径(第1光学的パワーの一例。)を、第2画像光42を反射する第2領域252の第2曲率半径(第2光学的パワーの一例。)より大きくする。第1画像光41を反射する第1領域251の第1曲率半径が大きくなると、第1領域251の焦点251fの焦点距離(曲率半径の1/2)が長くなる。 Figure 8 is a diagram showing the arrangement of the relay optical system 25 and the display surface 24 of this embodiment. In FIG. 8, the foci of each region 251, 252, 253 of the relay optical system 25 are denoted by symbols 251f, 252f, 253f in order to make it easier to understand the difference from the comparative example, but the distance relationship with the relay optical system 25 or the display surface 24 is not accurately shown. The relay optical system 25 in FIG. 8 has a different radius of curvature for each region. Specifically, the first optical power of the first region (first optical path) 251 of the relay optical system 25 through which the first image light 41 that displays a virtual image in the distant virtual image region 151 of the virtual image display region 100 as seen from the driver 4 passes is made smaller than the second optical power of the second region (second optical path) 252 of the relay optical system 25 through which the second image light 42 that displays a virtual image in the virtual image display bend portion 105 closer to the driver 4 than the distant virtual image region 151 of the virtual image display region 100 passes. That is, when the main optical power of the relay optical system 25 is due to the first mirror 26 which is a concave mirror, the first radius of curvature (an example of the first optical power) of the first region 251 which reflects the first image light 41 is made larger than the second radius of curvature (an example of the second optical power) of the second region 252 which reflects the second image light 42. When the first radius of curvature of the first region 251 which reflects the first image light 41 is larger, the focal length (1/2 the radius of curvature) of the focal point 251f of the first region 251 becomes longer.

上述した「1/a-1/b=1/f」の関係式によれば、凹面ミラーの曲率半径が大きく(ミラーの曲率が小さく)なれば、凹面ミラーの焦点距離が長くなり、焦点距離が長いほど、虚像の距離bが短くなる。 According to the above-mentioned relationship "1/a - 1/b = 1/f," the larger the radius of curvature of the concave mirror (the smaller the mirror curvature), the longer the focal length of the concave mirror, and the longer the focal length, the shorter the distance b of the virtual image.

表示面24が、表示面24から前記アイボックスへ向かう画像光の光軸40pとから傾いて配置されることで、虚像表示領域100が、路面310に沿うように(近傍から遠方に向けて徐々に結像距離が長くなるように)、配置される。表示面24から第1ミラー26の曲率半径が大きい第1領域251に投射した第1画像光41は、焦点距離(第1領域251から焦点251fまでの距離)が長いため、フロントウインドシールド2に反射された際に、(曲率半径を大きくしない場合と比較して)フロントウインドシールド2からの結像距離が短くなる。 The display surface 24 is arranged at an angle from the optical axis 40p of the image light traveling from the display surface 24 to the eye box, so that the virtual image display area 100 is arranged so as to follow the road surface 310 (so that the imaging distance gradually increases from the vicinity to the distance). The first image light 41 projected from the display surface 24 to the first area 251 having a large radius of curvature of the first mirror 26 has a long focal length (the distance from the first area 251 to the focal point 251f) and therefore, when reflected by the windshield 2, the imaging distance from the windshield 2 is shortened (compared to the case where the radius of curvature is not large).

本実施形態のリレー光学系25は、通過する画像光で表示される虚像が遠方側である程、光学的パワーを徐々に小さくする(曲率半径を徐々に大きくする)ことで、虚像表示領域100の遠方虚像領域151(遠方端110)が路面310に沿う傾きから起き上がるように湾曲させることができる。したがって、虚像表示面の遠方虚像領域が路面から起き上がるように表示面24を屈曲させることと、同様に虚像表示面の遠方虚像領域が路面から起き上がるようにリレー光学系25の光学的パワーを領域毎に異ならせること、とを組み合わせることで、より虚像表示面を大きく湾曲させることも可能となり、また、表示面24、リレー光学系25の設計自由度を向上させることも可能である。In the relay optical system 25 of this embodiment, the optical power is gradually decreased (the radius of curvature is gradually increased) as the virtual image displayed by the passing image light becomes farther away, so that the far virtual image region 151 (far end 110) of the virtual image display region 100 can be curved so as to rise from the inclination along the road surface 310. Therefore, by combining bending the display surface 24 so that the far virtual image region of the virtual image display surface rises from the road surface, and similarly varying the optical power of the relay optical system 25 for each region so that the far virtual image region of the virtual image display surface rises from the road surface, it is possible to curve the virtual image display surface more greatly, and it is also possible to improve the design freedom of the display surface 24 and the relay optical system 25.

遠方虚像領域151に対応する表示面遠方部IM1と、近傍虚像領域153に対応する表示面近傍部IM3とは、非連続的に結合される。すなわち、表示面24は、表示面遠方部IM1は、なめらかな曲面によってではなく、非連続的な表示面屈曲部IM5により、表示面近傍部IM3とつながる、ように形成される。The display surface distant portion IM1 corresponding to the distant virtual image region 151 and the display surface nearby portion IM3 corresponding to the near virtual image region 153 are discontinuously connected. That is, the display surface 24 is formed such that the display surface distant portion IM1 is connected to the display surface nearby portion IM3 not by a smooth curved surface but by a discontinuous display surface bend portion IM5.

1 :車両
2 :フロントウインドシールド
4 :運転者
5 :ダッシュボード
10 :車両用表示システム
20 :HUD装置
21 :表示器
22 :プロジェクタ
24 :スクリーン(表示面)
25 :リレー光学系
26 :第1ミラー
28 :第2ミラー
30 :表示制御装置
40 :画像光
40p :光軸
41 :第1画像光
42 :第2画像光
43 :第3画像光
45 :第5画像光
100 :虚像表示領域
101 :虚像表示遠方部
102 :中央部
103 :虚像表示近傍部
105 :虚像表示屈曲部
110 :遠方端
120 :近傍端
151 :遠方虚像領域
153 :近傍虚像領域
241 :表示面遠方領域
243 :表示面近傍領域
251 :第1領域
252 :第2領域
253 :第3領域
255 :第5領域
310 :路面
IM1 :表示面遠方部
IM3 :表示面近傍部
IM5 :表示面屈曲部
α :角度
θ :チルト角
θ1 :第1チルト角
θ2 :第2チルト角
1: Vehicle 2: Front windshield 4: Driver 5: Dashboard 10: Vehicle display system 20: HUD device 21: Display 22: Projector 24: Screen (display surface)
25: Relay optical system 26: First mirror 28: Second mirror 30: Display control device 40: Image light 40p: Optical axis 41: First image light 42: Second image light 43: Third image light 45: Fifth image light 100: Virtual image display area 101: Virtual image display distant part 102: Central part 103: Virtual image display nearby part 105: Virtual image display bent part 110: Distant end 120: Near end 151: Distant virtual image area 153: Near virtual image area 241: Display surface distant area 243: Display surface nearby area 251: First area 252: Second area 253: Third area 255: Fifth area 310: Road surface IM1: Display surface distant part IM3: Display surface nearby part IM5: Display surface bent part α: Angle θ: Tilt angle θ1 : First tilt angle θ2 : Second tilt angle

Claims (9)

車両の前後方向に沿う虚像表示領域で虚像を視認者に視認させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記虚像の元となる画像光を射出する表示面を有する表示器と、
前記表示面が射出する前記画像光を被投影部に向けてリレーする、ように構成されたリレー光学系と、を備え、
前記虚像表示領域は、遠方虚像領域と、視認者から見て前記遠方虚像領域より近い近傍虚像領域と、から構成され、
前記表示面は、
前記遠方虚像領域に対応した表示面遠方領域と、前記近傍虚像領域に対応した表示面近傍領域と、を含み、
前記表示面近傍領域は、前記近傍虚像領域が前記車両の前後方向に沿って配置されるように、前記視認者に向かう前記画像光の光軸に対して傾いて配置され、
前記表示面遠方領域は、前記近傍虚像領域に対し、前記遠方虚像領域が前記視認者側に起き上がるように、前記表示面近傍領域に対して屈曲して配置される、
ヘッドアップディスプレイ装置。
A head-up display device that allows a viewer to view a virtual image in a virtual image display area along a front-rear direction of a vehicle,
a display having a display surface that emits image light that is the source of the virtual image;
a relay optical system configured to relay the image light emitted by the display surface toward a projection target,
the virtual image display area is composed of a distant virtual image area and a nearby virtual image area that is closer to the viewer than the distant virtual image area,
The display surface is
a display surface distant region corresponding to the distant virtual image region and a display surface near region corresponding to the near virtual image region,
the display surface vicinity region is disposed at an angle with respect to an optical axis of the image light directed toward the viewer so that the vicinity virtual image region is disposed along a front-rear direction of the vehicle,
The display surface distant region is disposed so as to be bent with respect to the display surface near region such that the distant virtual image region rises toward the viewer side with respect to the near virtual image region.
Head-up display device.
前記表示面遠方領域が、非連続的な表示面屈曲部により、前記表示面近傍領域とつながるように形成され、
前記表示面屈曲部に対応する前記虚像表示領域の虚像表示屈曲部が、前記視認者の前方向に20メートル、又はそれ以上の距離に配置されるように、前記表示面屈曲部が配置される、ように構成される前記表示器、
から構成される、請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
The display surface distant region is formed so as to be connected to the display surface near region by a discontinuous display surface bend portion,
the display device is configured such that the display surface bending portion is disposed such that the virtual image display bending portion of the virtual image display area corresponding to the display surface bending portion is disposed at a distance of 20 meters or more in a forward direction of the viewer;
The head-up display device according to claim 1 ,
前記表示面近傍領域が、前記視認者に向かう前記画像光の光軸に対して傾いて配置されることで生じる前記近傍虚像領域の上側が凸に曲がることを抑制するように、前記リレー光学系側が凹状の曲面に形成される、ように構成される前記表示器、
から構成される、請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
the display device is configured such that the relay optical system side is formed into a concave curved surface so as to suppress a convex curve of an upper side of the near virtual image area caused by the display surface near area being disposed at an angle with respect to an optical axis of the image light directed toward the viewer;
The head-up display device according to claim 1 ,
前記表示面遠方領域が、非連続的な表示面屈曲部により、前記表示面近傍領域とつながるように形成され、
前記遠方虚像領域の虚像表示遠方部で前記虚像を表示するための第1画像光が通過する第1光学的パワーを有する第1領域と、
前記表示面屈曲部に対応する前記虚像表示領域の虚像表示屈曲部で前記虚像を表示するための第5画像光が通過する第5光学的パワーを有する第5領域と、を有し、
前記第1光学的パワーが前記第5光学的パワーより小さい、ように構成されたリレー光学系と、
から構成される、請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
The display surface distant region is formed so as to be connected to the display surface near region by a discontinuous display surface bend portion,
a first region having a first optical power through which a first image light for displaying the virtual image passes in a virtual image display distant portion of the distant virtual image region ;
a fifth region having a fifth optical power through which a fifth image light for displaying the virtual image passes at a virtual image display bending portion of the virtual image display region corresponding to the display surface bending portion ,
a relay optics configured such that the first optical power is less than the fifth optical power;
The head-up display device according to claim 1 ,
前記視認者から見て前記虚像表示屈曲部より近い虚像表示近傍部で前記虚像を表示するための第3画像光が通過する第3光学的パワーを有する第3領域、をさらに含み、
前記第5領域から前記第1領域までの光学的パワーの変化率が、前記第3領域から前記第5領域までの光学的パワーの変化率より大きい、ように構成される前記リレー光学系、
から構成される、請求項4に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
a third region having a third optical power through which a third image light for displaying the virtual image passes in a virtual image display vicinity portion closer to the virtual image display bend portion as viewed by the viewer,
the relay optical system configured such that a rate of change of optical power from the fifth region to the first region is greater than a rate of change of optical power from the third region to the fifth region;
The head-up display device according to claim 4 ,
前記車両の前後方向に対する前記虚像表示領域の接線の角度が、前記視認者の近傍から遠方に向かうにつれて広義単調増加するように、前記第1領域、前記第5領域、及びこれらの間の領域の前記光学的パワーの分布を調整する前記リレー光学系、
から構成される、請求項4に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
the relay optical system adjusts the distribution of optical power of the first region, the fifth region, and a region therebetween so that an angle of a tangent of the virtual image display region with respect to a longitudinal direction of the vehicle increases monotonically in a broad sense from the vicinity of the viewer to the distant position;
The head-up display device according to claim 4 ,
前記虚像表示屈曲部は、前記車両の前後方向で前記視認者から見た前記虚像表示領域の遠方端と近傍端との間であり、前記虚像表示領域の最低位置に配置される、
請求項4に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
the virtual image display bend portion is located between a far end and a near end of the virtual image display area as seen by the viewer in the front-rear direction of the vehicle, and is disposed at a lowest position of the virtual image display area.
The head-up display device according to claim 4.
前記虚像表示領域は、一部を路面より下側に配置し、前記虚像表示遠方部を含む他部を前記路面より上側に配置する、
請求項4に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
a portion of the virtual image display area is disposed below a road surface, and another portion including the virtual image display distant portion is disposed above the road surface;
The head-up display device according to claim 4.
前記虚像表示領域は、前記虚像表示屈曲部を含む一部を路面より下側に配置し、前記虚像表示遠方部を含む他部を前記路面より上側に配置する、
請求項8に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
a portion of the virtual image display region including the virtual image display bent portion is disposed below a road surface, and another portion of the virtual image display region including the virtual image display distant portion is disposed above the road surface;
The head-up display device according to claim 8.
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