JP2022132298A - head up display - Google Patents

Abstract

Translated fromJapanese

【課題】フレネル構造の光学素子を有するヘッドアップディスプレイにおいて、観察者に圧迫感や違和感を与えることなく、アイボックスを適切に形成する。
【解決手段】ヘッドアップディスプレイは、表示像を構成する光を出射する光源部と、光源部からの光が上方から入射され、移動体のフロントガラスの傾斜方向と同じ方向にて配置された光学素子とを備え、表示像を構成する光を光学素子で反射することで当該表示像を虚像として視認させる。光学素子は、一の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが形成され、当該ハーフミラーによって光源部からの光を反射する。ハーフミラーは、フレネル構造の元になる自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心に位置しないフレネル構造が適用されている。ヘッドアップディスプレイでは、ハーフミラーで反射した光が全反射することなく光学素子の外部へ出射されるように、光源部と光学素子との相対位置が設定されている。
【選択図】図８

An object of the present invention is to appropriately form an eyebox in a head-up display having an optical element with a Fresnel structure, without giving an observer a sense of oppression or discomfort.
A head-up display includes a light source unit that emits light that forms a display image, and an optical unit that receives the light from the light source unit from above and is arranged in the same direction as the tilt direction of the windshield of a moving body. The display image is viewed as a virtual image by reflecting the light forming the display image with the optical element. The optical element has a Fresnel structure half mirror formed in one flat plate, and the half mirror reflects the light from the light source section. The half mirror has a Fresnel structure in which the center of the free-form surface, which is the basis of the Fresnel structure, is not positioned at the center of the half mirror. In the head-up display, the relative positions of the light source and the optical element are set so that the light reflected by the half mirror is emitted to the outside of the optical element without being totally reflected.
[Selection drawing] Fig. 8

Description

Translated fromJapanese

本発明は、虚像として画像を視認させる技術分野に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a technical field for visually recognizing an image as a virtual image.

従来から、虚像として画像を視認させるヘッドアップディスプレイなどの表示装置が知られている。一般的に、ヘッドアップディスプレイでは、小型液晶ディスプレイなどの小さな画面（実像）を、拡大された虚像として運転者に視認させるために、コンバイナ（合成器）と呼ばれるハーフミラーを用いている。例えば、特許文献１及び２には、フレネル構造を利用したコンバイナが提案されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, display devices such as head-up displays that display images as virtual images have been known. Head-up displays generally use a half-mirror called a combiner to allow the driver to view a small screen (real image) such as a small liquid crystal display as an enlarged virtual image. For example,Patent Documents 1 and 2 propose combiners using a Fresnel structure.

特許第４７７６６６９号公報Japanese Patent No. 4776669特開２０１１－１９１７１５号公報JP 2011-191715 A

ところで、一般的な凹面ハーフミラーをコンバイナとして用いた場合には、実像の位置が固定されると、コンバイナによって形成される虚像観察可能領域（以下では「アイボックス」と呼ぶ。）を運転者の頭部付近に形成するのに必要なコンバイナの設置角度が自動的に決まってしまう。例えば、運転者の正面に設置されたコンバイナに対して実像を構成する光を上方から入射させる場合、コンバイナの設置角度はフロントガラスの傾斜とは逆方向に傾くことになる。この場合、アイボックスは適切な位置（運転者の頭部付近）に形成されるが、コンバイナの存在感が大きく、運転者に圧迫感や違和感を与えてしまう場合がある。そこで、コンバイナをフロントガラスと同じ方向に傾斜させると、コンバイナに対する圧迫感や違和感はかなり軽減されるが、アイボックスが適切な位置に形成されなくなり（例えば運転者の腹部にアイボックスが形成される）、運転者は虚像を視認することができなくなってしまう。 By the way, when a general concave half mirror is used as a combiner, when the position of the real image is fixed, a virtual image observable area (hereinafter referred to as an "eyebox") formed by the combiner is displayed by the driver. The installation angle of the combiner required to form near the head is automatically determined. For example, when light forming a real image is incident on a combiner installed in front of a driver from above, the installation angle of the combiner is opposite to the inclination of the windshield. In this case, the eyebox is formed at an appropriate position (near the driver's head), but the presence of the combiner is large, which may give the driver a sense of oppression and discomfort. Therefore, if the combiner is tilted in the same direction as the windshield, the feeling of oppression and discomfort with the combiner can be considerably reduced, but the eyebox will not be formed in an appropriate position (for example, the eyebox will be formed on the abdomen of the driver). ), the driver cannot see the virtual image.

ここで、上記した特許文献２に記載されたような、コンバイナの中心とは異なる位置にフレネルパターンの中心が配置されたコンバイナを用いた場合、入射光と反射光との成す角度を一定に保ったまま、コンバイナとの相対角度を変えることができると考えられる。したがって、そのようなコンバイナを用いることで、コンバイナをフロントガラスと同じ方向に傾斜させてもアイボックスを運転者の頭部付近に適切に形成できると考えられる。しかしながら、フレネル構造を適用したコンバイナは、その反射面が表面ではなく基板内に存在するため、コンバイナにおける基板内部の反射面で反射した光が全反射することでコンバイナの外部に出射されない場合がある。特許文献１及び２には、そのような不具合については考慮されていない。 Here, when using a combiner in which the center of the Fresnel pattern is arranged at a position different from the center of the combiner, as described in the above-mentionedPatent Document 2, the angle formed by the incident light and the reflected light is kept constant. It is conceivable that the relative angle with the combiner can be changed while the Therefore, by using such a combiner, it is believed that the eyebox can be appropriately formed near the driver's head even if the combiner is tilted in the same direction as the windshield. However, in a combiner with a Fresnel structure, the reflective surface is not on the surface but inside the substrate, so the light reflected by the reflective surface inside the substrate of the combiner may not be emitted outside the combiner due to total reflection. .Patent Documents 1 and 2 do not consider such a problem.

本発明が解決しようとする課題は上記のようなものが例として挙げられる。本発明は、フレネル構造の光学素子を有するヘッドアップディスプレイにおいて、観察者に圧迫感や違和感を与えることなく、アイボックスを適切に形成することを課題とする。 Examples of the problems to be solved by the present invention are as described above. An object of the present invention is to appropriately form an eyebox in a head-up display having an optical element with a Fresnel structure, without giving the observer a sense of oppression or discomfort.

請求項１に記載の発明は、表示装置であって、表示像を構成する光を出射する光源部と、前記光源部が出射した光の一部を反射することで前記表示像を虚像として認識させるフレネル構造を有するミラーと、前記ミラーに対する前記光の入射面側に、前記ミラーと対面させて設けられた基板と、前記ミラーで反射した前記光源部からの光を、前記基板で全反射されることなく前記基板の外部へ導出させる、前記光源部、前記ミラー、前記基板を含む光学系と、を有することを特徴とする。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a display device comprising: a light source unit that emits light constituting a display image; and a display image that is recognized as a virtual image by reflecting part of the emitted light from the light source unit. a mirror having a Fresnel structure that allows the light to enter the mirror; a substrate facing the mirror on the incident surface side of the light with respect to the mirror; and an optical system including the light source section, the mirror, and the substrate, which is led to the outside of the substrate.

一般的なヘッドアップディスプレイを概略的に示した図である。It is the figure which showed the general head-up display roughly.コンバイナの設置角度とアイボックスの位置との関係を説明するための図を示す。FIG. 10 is a diagram for explaining the relationship between the installation angle of the combiner and the position of the eyebox;本実施例の基本概念を説明するための図を示す。FIG. 2 shows a diagram for explaining the basic concept of the present embodiment. FIG.オフセットされたフレネル構造が適用されたコンバイナを用いることで不具合が解決できることを説明するための図を示す。FIG. 10 shows a diagram for explaining that the problem can be solved by using a combiner to which an offset Fresnel structure is applied;課題１を具体的に説明するための図を示す。FIG. 2 shows a diagram for specifically explainingProblem 1. FIG.課題２を具体的に説明するための図を示す。FIG. 4 shows a diagram for specifically explainingProblem 2. FIG.射出角を全反射角未満にするための入射角の条件を説明するための図を示す。FIG. 10 is a diagram for explaining the condition of the incident angle for making the exit angle less than the total reflection angle.第１実施例に係るコンバイナの最適な配置例を説明するための図を示す。FIG. 4 shows a diagram for explaining an optimal arrangement example of the combiner according to the first embodiment;第２実施例に係るコンバイナの最適な配置例を説明するための図を示す。FIG. 10 is a diagram for explaining an optimal arrangement example of the combiner according to the second embodiment; FIG.

本発明の１つの観点では、表示像を構成する光を出射する光源部と、前記光源部からの光が上方から入射され、移動体のフロントガラスの傾斜方向と同じ方向にて配置された光学素子とを備え、前記表示像を構成する光を前記光学素子で反射することで当該表示像を虚像として視認させるヘッドアップディスプレイであって、前記光学素子は、一の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが形成され、当該ハーフミラーによって前記光源部からの光を反射し、前記ハーフミラーは、前記フレネル構造の元になる自由曲面の中心が、当該ハーフミラーの中心に位置しないフレネル構造が適用されており、前記ハーフミラーで反射した光が全反射することなく前記光学素子の外部へ出射されるように、前記光源部と前記光学素子との相対位置が設定されている。 In one aspect of the present invention, a light source unit that emits light that constitutes a display image, and an optical system that receives the light from the light source unit from above and is arranged in the same direction as the tilt direction of the windshield of a moving object. and a head-up display that allows the displayed image to be viewed as a virtual image by reflecting the light that constitutes the displayed image by the optical element, wherein the optical element has a Fresnel structure in one flat plate. A half mirror is formed to reflect the light from the light source unit, and the half mirror has a Fresnel structure in which the center of the free curved surface that is the basis of the Fresnel structure is not positioned at the center of the half mirror. The relative positions of the light source section and the optical element are set so that the light reflected by the half mirror is emitted to the outside of the optical element without being totally reflected.

上記のヘッドアップディスプレイは、移動体に設置され、光源部から出射された表示像を構成する光を光学素子（例えばコンバイナ）で反射することで、当該表示像を虚像として視認させるために利用される。光学素子は、光源部からの光が上方から入射され、移動体のフロントガラスの傾斜方向と同じ方向にて配置される。また、光学素子は、一の平板内に、フレネル構造のハーフミラーが形成され、当該ハーフミラーによって光源部からの光を反射する。ハーフミラーは、フレネル構造の元になる自由曲面の中心（例えば頂点）が、当該ハーフミラーの中心に位置しないフレネル構造が適用されている。ヘッドアップディスプレイでは、ハーフミラーで反射した光が、光学素子内部で全反射することなく光学素子の外部へ出射されるように、光源部と光学素子との相対位置が設定されている。言い換えると、ハーフミラーで反射した光が全反射することなく外部へ出射されるような入射角で、光源部からの光が光学素子に入射される。 The above-mentioned head-up display is installed on a moving object, and is used to make the display image visible as a virtual image by reflecting the light that constitutes the display image emitted from the light source unit with an optical element (for example, a combiner). be. The optical element receives light from the light source from above and is arranged in the same direction as the tilt direction of the windshield of the moving body. Further, the optical element has a Fresnel structure half mirror formed in one flat plate, and the half mirror reflects the light from the light source section. The half mirror has a Fresnel structure in which the center (for example, vertex) of the free curved surface that is the basis of the Fresnel structure is not positioned at the center of the half mirror. In the head-up display, the relative positions of the light source section and the optical element are set so that the light reflected by the half mirror is emitted to the outside of the optical element without being totally reflected inside the optical element. In other words, the light from the light source enters the optical element at an incident angle such that the light reflected by the half mirror is emitted to the outside without being totally reflected.

上記のヘッドアップディスプレイによれば、ハーフミラーの中心に自由曲面の中心が位置しないフレネル構造が適用された光学素子を用いることで、光源部からの光が上方から入射される光学素子をフロントガラスと同じ方向に傾斜させても、観察者の頭部付近にアイボックスを適切に形成することができる。よって、観察者に圧迫感や違和感を与えることなく、アイボックスを適切な位置に形成することができる。また、上記のヘッドアップディスプレイによれば、ハーフミラーで反射した光が全反射することなく外部へ出射されるように光源部と光学素子との相対位置が設定されるため、ハーフミラーで反射した光を適切に出射させることができ、虚像の一部分が視認できないといった不具合を適切に回避することが可能となる。よって、光学素子の全面を有効に利用することが可能となる。 According to the above head-up display, by using an optical element with a Fresnel structure in which the center of the free-form surface is not positioned at the center of the half mirror, the optical element into which the light from the light source is incident from above is replaced by the front glass. Even if it is tilted in the same direction as , the eyebox can be appropriately formed near the head of the observer. Therefore, the eyebox can be formed at an appropriate position without giving the observer a sense of oppression or discomfort. Further, according to the above head-up display, the relative position between the light source and the optical element is set so that the light reflected by the half mirror is emitted to the outside without being totally reflected. Light can be appropriately emitted, and the problem that a part of the virtual image cannot be visually recognized can be appropriately avoided. Therefore, it becomes possible to effectively utilize the entire surface of the optical element.

上記のヘッドアップディスプレイの一態様では、前記光源部からの光が前記光学素子に入射する入射角を「θ_ｉｎ」とし、前記光学素子において前記ハーフミラーの外側に設けられた基板の屈折率を「ｎ」とし、前記自由曲面の焦点距離を「ｆ」とし、前記光源部からの光が前記ハーフミラーに入射する位置と前記自由曲面の中心との距離を「ＯＦＳ」とすると、前記入射角θ_ｉｎが下式の条件を満たすように、前記光源部と前記光学素子との相対位置が設定されている。In one aspect of the above head-up display, the incident angle at which the light from the light source section enters the optical element is defined as "θ_in ", and the refractive index of the substrate provided outside the half mirror in the optical element is Let "n" be the focal length of the free-form surface, let "f" be the focal length of the free-form surface, and let "OFS" be the distance between the position where the light from the light source unit is incident on the half mirror and the center of the free-form surface. The relative positions of the light source section and the optical element are set such that θ_in satisfies the following formula.

θ_ｉｎ＞ｓｉｎ^－１［ｎ・ｓｉｎ｛２ｔａｎ^－１（ＯＦＳ／２ｆ）－ｓｉｎ^－１（１／ｎ）｝］
上記のヘッドアップディスプレイの他の一態様では、前記ハーフミラーの外側に設けられた基板の透過率の変化量が所定値以下となるような、前記光源部からの光が前記光学素子に入射する入射角の範囲が用いられるように、前記光源部と前記光学素子との相対位置が設定されている。θ_in >sin⁻¹ [n·sin {2tan⁻¹ (OFS/2f)−sin⁻¹ (1/n)}]
In another aspect of the above-described head-up display, the light from the light source unit enters the optical element such that the amount of change in the transmittance of the substrate provided outside the half mirror is equal to or less than a predetermined value. The relative positions of the light source section and the optical element are set so that a range of incident angles is used.

この態様では、基板の透過率の入射角依存性が少ない領域が用いられるように、光源部と光学素子との相対位置が設定されている。これにより、光学素子の面内での輝度変化（輝度むら）の発生を適切に抑制することができる。 In this aspect, the relative positions of the light source section and the optical element are set so that a region in which the transmittance of the substrate is less dependent on the incident angle is used. Thereby, it is possible to appropriately suppress the occurrence of luminance variation (luminance unevenness) in the plane of the optical element.

上記のヘッドアップディスプレイの他の一態様では、前記光源部は、Ｐ偏光を出射する。これにより、Ｓ偏光を用いる場合と比較して、基板の透過率（界面反射率）の入射角依存性を小さくすることができる。 In another aspect of the above head-up display, the light source section emits P-polarized light. This makes it possible to reduce the incident angle dependency of the transmittance (interface reflectance) of the substrate compared to the case of using S-polarized light.

上記のヘッドアップディスプレイの他の一態様では、前記光源部は、光源から照射された光の射出瞳を拡大する射出瞳拡大素子を有し、当該射出瞳拡大素子からの光を前記光学素子に向けて出射する。ＬＣＤやＣＲＴを用いた場合には光が大きな角度で拡散するが、プロジェクタなどからの光を射出瞳拡大素子で広げる構成では、拡散角度を狭くコントロールすることを容易に実現することができる。 In another aspect of the above head-up display, the light source unit has an exit pupil enlarging element that enlarges an exit pupil of light emitted from the light source, and the light from the exit pupil enlarging element is directed to the optical element. emit toward When an LCD or CRT is used, light is diffused at a large angle, but in a configuration in which the light from a projector or the like is widened by an exit pupil enlarging element, it is possible to easily control the diffusion angle to be narrow.

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。
＜基本概念＞
まず、本実施例の内容を説明する前に、本実施例の基本概念について説明する。
図１は、一般的なヘッドアップディスプレイを概略的に示した図である。ヘッドアップディスプレイでは、表示すべき画面（実像ＲＩ）を形成し、実像ＲＩを構成する光をコンバイナ１０で反射させることで、実像ＲＩに対応する虚像ＶＩを運転者に視認させる。例えば、実像ＲＩは、小型液晶ディスプレイによって表示される画面や、プロジェクタによってスクリーンに形成される像（１つの例では射出瞳拡大素子（ＥＰＥ： Exit-Pupil Expander）によって形成される像）に相当する。なお、小型液晶ディスプレイや、プロジェクタ及びスクリーンは、本発明における「光源部」の一例に相当する。Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
<Basic concept>
First, before describing the contents of this embodiment, the basic concept of this embodiment will be described.
FIG. 1 is a diagram schematically showing a general head-up display. In the head-up display, a screen (real image RI) to be displayed is formed, and light forming the real image RI is reflected by thecombiner 10 to allow the driver to visually recognize the virtual image VI corresponding to the real image RI. For example, the real image RI corresponds to a screen displayed by a small liquid crystal display or an image formed on a screen by a projector (in one example, an image formed by an exit-pupil expander (EPE)). . A small liquid crystal display, a projector, and a screen correspond to examples of the "light source section" in the present invention.

昼間でも虚像ＶＩを明るく視認させるためには、実像ＲＩの発光輝度を上げれば良いが、消費電力やデバイス価格が増大するため、通常は光の利用効率を上げる手法が用いられている。光の利用効率を上げるために、一般的なヘッドアップディスプレイでは、実像ＲＩの発光角度を制限するとともに、コンバイナ１０で反射された光が観察者の頭部に集まるように、コンバイナ１０として凹面ハーフミラーを用い、凹面ハーフミラーの焦点距離を適切な値に設定している。図１において符号ＥＢで示す領域は、観察者の頭部付近に形成される虚像観察可能領域（アイボックス）である。 In order to make the virtual image VI bright even in the daytime, it is possible to increase the light emission luminance of the real image RI, but this increases the power consumption and device price. In order to increase the efficiency of light utilization, in a general head-up display, the light emission angle of the real image RI is limited, and thecombiner 10 is configured to have a concave half surface so that the light reflected by thecombiner 10 is concentrated on the observer's head. A mirror is used, and the focal length of the concave half mirror is set to an appropriate value. An area indicated by symbol EB in FIG. 1 is a virtual image observable area (eyebox) formed near the observer's head.

図２は、コンバイナ１０の設置角度と、コンバイナ１０によって形成されるアイボックスＥＢの位置との関係を説明するための図を示す。図１に示したような（凹面）ハーフミラーをコンバイナ１０として用いた場合には、実像ＲＩの位置が固定されると、アイボックスＥＢを運転者の頭部付近に形成するのに必要なコンバイナ１０の設置角度が自動的に決まってしまう。例えば、図２（ａ）のように、運転者の正面に設置されたコンバイナ１０に対して実像ＲＩを構成する光を上方から入射させる場合、コンバイナ１０の設置角度はフロントガラスの傾斜とは逆方向に傾くことになる。この場合、アイボックスＥＢ１は適切な位置（運転者の頭部付近）に形成されるが、コンバイナ１０の存在感が大きく、運転者に圧迫感や違和感を与えてしまう場合がある。そこで、図２（ｂ）のように、コンバイナ１０をフロントガラスと同じ方向に傾斜させると、コンバイナ１０に対する圧迫感や違和感はかなり軽減されるが、運転者の腹部にアイボックスＥＢ２が形成されるため、運転者は虚像ＶＩを視認することができなくなってしまう。 FIG. 2 is a diagram for explaining the relationship between the installation angle of thecombiner 10 and the position of the eyebox EB formed by thecombiner 10. As shown in FIG. If a (concave) half-mirror as shown in FIG. The installation angle of 10 is automatically determined. For example, as shown in FIG. 2(a), when the light constituting the real image RI is incident on thecombiner 10 installed in front of the driver from above, the installation angle of thecombiner 10 is opposite to the inclination of the windshield. direction will be tilted. In this case, the eyebox EB1 is formed at an appropriate position (near the driver's head), but the presence of thecombiner 10 is large, which may give the driver a sense of oppression and discomfort. Therefore, if thecombiner 10 is tilted in the same direction as the windshield as shown in FIG. 2(b), the feeling of oppression and discomfort with respect to thecombiner 10 can be considerably reduced, but an eye box EB2 is formed on the abdomen of the driver. Therefore, the driver cannot visually recognize the virtual image VI.

本実施例では、上記したような不具合を解決するべく、図１に示したような一般的なコンバイナ１０の替わりに、フレネル構造のハーフミラーを平板の内部に形成したコンバイナを利用する。ここで、フレネル構造を利用したコンバイナについては、例えば前述した特許文献１及び２に提案されている。特に特許文献２には、第１フレネルレンズが設けられた第１主面における当該第１フレネルレンズの光軸を、第１主面の外形の中心とは異なる位置に配置することで、第１主面の表面で反射された光と第２主面の表面で反射された光（表面反射光）との角度を変えることで、２重像（第１主面の表面で反射された光と第２主面の表面で反射された光とが重なることで生じる現象）の発生を抑制することが提案されている。 In this embodiment, in order to solve the above problems, a combiner in which a Fresnel structure half mirror is formed inside a flat plate is used instead of thegeneral combiner 10 shown in FIG. Here, a combiner using a Fresnel structure is proposed, for example, inPatent Documents 1 and 2 mentioned above. In particular, inPatent Document 2, by arranging the optical axis of the first Fresnel lens on the first main surface on which the first Fresnel lens is provided at a position different from the center of the outer shape of the first main surface, the first By changing the angle between the light reflected by the surface of the principal surface and the light reflected by the surface of the second principal surface (surface reflected light), a double image (light reflected by the surface of the first principal surface and It has been proposed to suppress the occurrence of the phenomenon caused by the light reflected on the surface of the second main surface.

図３は、本実施例の基本概念を説明するための図を示している。図３は、３枚のコンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３（以下では、これらを区別しない場合には単に「コンバイナ１０ｘ」と呼ぶ。）の例を示しており、コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３のそれぞれについて正面図及び断面図（側面図）を示している。なお、正面図及び断面図は、概略的に示したイメージ図を示している。コンバイナ１０ｘは、図１に示したコンバイナ１０の代わりにヘッドアップディスプレイに対して適用される（後述するコンバイナ１０ａ、１０ｂについても同様とする）。 FIG. 3 shows a diagram for explaining the basic concept of this embodiment. FIG. 3 shows an example of three combiners 10x1, 10x2, and 10x3 (hereinafter simply referred to as "combiners 10x" when not distinguished). Fig. 3 shows a diagram and a sectional view (side view); It should be noted that the front view and cross-sectional view are schematic image diagrams. Thecombiner 10x is applied to the head-up display instead of thecombiner 10 shown in FIG. 1 (the same applies tocombiners 10a and 10b described later).

コンバイナ１０ｘは、内部にフレネル構造のハーフミラーが形成されている。具体的には、コンバイナ１０ｘは、フレネル構造（フレネルパターン）の元になる仮想放物面Ｓ１の湾曲に応じた微小な反射面（ミラー面）Ｓ２が内部に複数形成されることで、ハーフミラーとして機能する。複数の反射面は、例えば仮想放物面Ｓ１を有するレンズを図３における垂直方向に等間隔で分割して配列したような形状を有する。例えば、コンバイナ１０ｘは、仮想放物面Ｓ１の湾曲に応じた凹凸が形成された、同じ屈折率を有する２つの部材（以下では適宜「基板」と呼ぶ。基板は言い換えるとカバー層である。）の間に、ある程度の透過性を有する反射薄膜を挟み込むことで作成される。コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３に対して光が垂直に入射した場合、コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３のそれぞれに入射した光は、全て、内部に形成された反射面Ｓ２によって仮想放物面Ｓ１の焦点Ｐ１の方向に反射される（矢印Ａｒ１１、Ａｒ１２、Ａｒ１３参照）。 Thecombiner 10x has a Fresnel structure half mirror formed therein. Specifically, thecombiner 10x is formed with a plurality of minute reflecting surfaces (mirror surfaces) S2 corresponding to the curvature of the virtual paraboloid S1, which is the basis of the Fresnel structure (Fresnel pattern), to form a half mirror. function as The plurality of reflecting surfaces have a shape in which, for example, a lens having a virtual parabolic surface S1 is divided into equal intervals in the vertical direction in FIG. 3 and arranged. For example, thecombiner 10x is composed of two members having the same refractive index (hereinafter referred to as “substrates”, in other words, a cover layer) and having unevenness corresponding to the curvature of the virtual paraboloid S1. It is created by sandwiching a reflective thin film having a certain degree of transparency between them. When light is perpendicularly incident on the combiners 10x1, 10x2, and 10x3, the light incident on each of the combiners 10x1, 10x2, and 10x3 is all reflected at the focal point P1 of the virtual paraboloid S1 by the reflecting surface S2 formed inside. (see arrows Ar11, Ar12, and Ar13).

なお、本明細書では、「フレネル構造」とは、公知のフレネルレンズの面形状に類似する形状が適用された構造を意味するものとする。つまり、「フレネル構造のハーフミラー」とは、公知のフレネルレンズの面形状に類似する形状が適用されたハーフミラーを意味するものとする。 In this specification, the term "Fresnel structure" means a structure to which a shape similar to the surface shape of a known Fresnel lens is applied. In other words, a “half mirror with a Fresnel structure” means a half mirror to which a shape similar to the surface shape of a known Fresnel lens is applied.

ここで、コンバイナ１０ｘ１は、その中心（外形中心）に、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２（言い換えると仮想放物面Ｓ１の中心であり、以下同様とする。）が位置している。つまり、コンバイナ１０ｘ１は、ハーフミラーの面上における中心点Ｐ３ｘ１に頂点Ｐ２が位置する仮想放物面Ｓ１を元にしたフレネル構造が適用されている。そのため、コンバイナ１０ｘ１では、内部に形成された反射面Ｓ２の傾きが小さい。他方で、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３は、その中心（外形中心）に、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２が位置していない。つまり、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３は、ハーフミラーの面上における中心点Ｐ３ｘ２、Ｐ３ｘ３から外れた場所に頂点Ｐ２が位置する仮想放物面Ｓ１を元にしたフレネル構造が適用されている。言い換えると、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３は、フレネルパターンの中心から外れた領域が適用されている。そのため、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３では、内部に形成された反射面Ｓ２の傾きが大きい（つまり反射面Ｓ２が立っている）。 Here, the combiner 10x1 has the vertex P2 of the imaginary paraboloid S1 (in other words, the center of the imaginary paraboloid S1, the same applies hereinafter) located at the center (the center of the outer shape). That is, the combiner 10x1 employs a Fresnel structure based on a virtual paraboloid S1 in which the vertex P2 is positioned at the center point P3x1 on the surface of the half mirror. Therefore, in the combiner 10x1, the inclination of the reflective surface S2 formed inside is small. On the other hand, the combiners 10x2 and 10x3 do not have the vertex P2 of the imaginary paraboloid S1 at their centers (outer center). In other words, the combiners 10x2 and 10x3 employ a Fresnel structure based on the virtual paraboloid S1 with the vertex P2 located off the center points P3x2 and P3x3 on the surface of the half mirror. In other words, the combiners 10x2, 10x3 are applied to the off-center area of the Fresnel pattern. Therefore, in the combiners 10x2 and 10x3, the inclination of the reflective surface S2 formed inside is large (that is, the reflective surface S2 is upright).

以下では、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３のように、ハーフミラーの中心点Ｐ３ｘ２、Ｐ３ｘ３から外れた場所に頂点Ｐ２が位置する仮想放物面Ｓ１をフレネル構造に適用することを、適宜「オフセット」と呼ぶ。また、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２からのオフセットの量を「オフセット量」と呼ぶ。１つの例では、「オフセット量」は、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２がハーフミラーの中心点Ｐ３ｘ２、Ｐ３ｘ３からずらされている量（言い換えると頂点Ｐ２と中心点Ｐ３ｘ２、Ｐ３ｘ３との距離）で表される。図３に示す例では、コンバイナ１０ｘ２は、ハーフミラーの中心点Ｐ３ｘ２からオフセット量ＯＦＳｘ２だけ頂点Ｐ２がずらされた仮想放物面Ｓ１を元にしたフレネル構造が適用されており、コンバイナ１０ｘ３は、ハーフミラーの中心点Ｐ３ｘ３からオフセット量ＯＦＳｘ３だけ頂点Ｐ２がずらされた仮想放物面Ｓ１を元にしたフレネル構造が適用されている。 Hereinafter, the application of the virtual paraboloid S1 whose apex P2 is located away from the center points P3x2 and P3x3 of the half mirrors to the Fresnel structure, as in the combiners 10x2 and 10x3, is appropriately referred to as "offset". Further, the amount of offset from the vertex P2 of the virtual paraboloid S1 is called "offset amount". In one example, the "offset amount" is the amount by which the vertex P2 of the virtual paraboloid S1 is shifted from the center points P3x2 and P3x3 of the half mirrors (in other words, the distance between the vertex P2 and the center points P3x2 and P3x3). expressed. In the example shown in FIG. 3, the combiner 10x2 employs a Fresnel structure based on a virtual paraboloid S1 in which the vertex P2 is shifted from the center point P3x2 of the half mirror by the offset amount OFSx2. A Fresnel structure is applied based on a virtual paraboloid S1 in which the vertex P2 is shifted from the center point P3x3 of the mirror by an offset amount OFSx3.

このようにオフセットが適用されたコンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３を用いることで、図３中の矢印Ａｒ１２、Ａｒ１３に示すように、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３のハーフミラーにおける入射光と反射光との成す角度を変えることができる。一方で、コンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３における表面反射光（基板の表面で反射した光）の角度は変わらないため、上記したような２重像を回避することができるのである。また、図３中の矢印Ａｒ２１、Ａｒ２２、Ａｒ２３に示すように、コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３のハーフミラーにおける入射光と反射光との成す角度を一定に保ったまま、コンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３との相対角度を変えることが可能となる。 By using the combiners 10x2 and 10x3 to which the offset is applied in this way, as indicated by arrows Ar12 and Ar13 in FIG. can be done. On the other hand, since the angle of surface reflected light (light reflected on the surface of the substrate) in the combiners 10x2 and 10x3 does not change, it is possible to avoid double images as described above. Further, as indicated by arrows Ar21, Ar22, and Ar23 in FIG. It is possible to change the relative angle of

なお、フレネル構造の元になる面として放物面を用いることに限定はされない。作り易さの観点から球面形状を用いても良いし、収差を補正するために非球面形状を用いても良い。つまり、種々の自由曲面（例えば焦点が規定されるような曲面）をフレネル構造の元になる面として適用することができる。好適な１つの例では、反射面を覆う基板（カバー層）を加味したハーフミラーの特性が放物面に従ったものであるように（つまり、コンバイナに垂直に光を入射させた場合に、反射面で反射して基板を透過して出射された光が放物面の焦点に向かうように）、フレネル構造の元になる面として非放物面を適用することができる。 It should be noted that there is no limitation to using a paraboloid as the surface that forms the base of the Fresnel structure. A spherical shape may be used from the viewpoint of ease of manufacture, or an aspherical shape may be used to correct aberrations. In other words, various free-form surfaces (for example, curved surfaces that define a focal point) can be applied as the original surface of the Fresnel structure. In one preferred example, the characteristics of the half-mirror, including the substrate (cover layer) that covers the reflective surface, follow a paraboloid (that is, when light is incident perpendicularly to the combiner, A non-parabolic surface can be applied as the surface on which the Fresnel structure is based so that the light reflected by the reflective surface, transmitted through the substrate, and emitted goes to the focal point of the paraboloid).

図４は、上記したようなオフセットされたフレネル構造が適用されたコンバイナを用いることで、フロントガラスと同じ方向にコンバイナを傾斜させてもアイボックスＥＢを運転者の頭部付近に適切に形成できることについて説明する。図４は、図３に示したコンバイナ１０ｘ１、１０ｘ２、１０ｘ３を時計回りに９０°させた後に、反射光の角度が水平になるように回転させた状態で車両内に設置した状態を示している。図４より、例えばコンバイナ１０ｘ３（オフセット量が比較的大きなフレネル構造を適用したもの）を用いた場合、コンバイナ１０ｘ３をフロントガラスと概ね同じ方向に傾斜させても、アイボックスＥＢを運転者の頭部付近に適切に形成できることがわかる。つまり、図２（ｂ）に示したような不具合（フロントガラスと同じ方向に傾斜させたコンバイナ１０では天井付近に設置した実像ＲＩのアイボックスＥＢ２が腹部に形成されてしまうといった不具合）を解決することができると言える。 FIG. 4 shows that by using the combiner to which the offset Fresnel structure is applied as described above, the eyebox EB can be appropriately formed near the driver's head even if the combiner is tilted in the same direction as the windshield. will be explained. FIG. 4 shows a state in which the combiners 10x1, 10x2, and 10x3 shown in FIG. 3 are rotated clockwise by 90° and then installed in a vehicle so that the angle of the reflected light is horizontal. . From FIG. 4, for example, when the combiner 10x3 (using a Fresnel structure with a relatively large offset amount) is used, even if the combiner 10x3 is tilted in substantially the same direction as the windshield, the eye box EB is It can be seen that it can be appropriately formed in the vicinity. In other words, the problem shown in FIG. 2B (the problem that thecombiner 10 tilted in the same direction as the windshield causes the eyebox EB2 of the real image RI installed near the ceiling to be formed in the abdomen) is solved. It can be said that

ここで、上記したようなフレネル構造を適用したコンバイナ１０ｘは、図１に示したような一般的なコンバイナ１０と異なり、その反射面Ｓ２が表面ではなく基板内に存在するため、いくつかの課題（課題１及び２）が発生し得る。課題１は、コンバイナ１０ｘにおける基板内部の反射面Ｓ２で反射した光が全反射することで基板（カバー層）から出射されない場合がある、といった課題である。課題２は、コンバイナ１０ｘの上部と下部とで観察者に到達する光量が変わってしまう、といった課題である。このような課題１及び２について、図５及び図６を参照して具体的に説明する。 Here, unlike thegeneral combiner 10 shown in FIG. 1, thecombiner 10x to which the Fresnel structure as described above is applied has its reflecting surface S2 not on the surface but in the substrate. (Problems 1 and 2) may occur.Problem 1 is that the light reflected by the reflecting surface S2 inside the substrate of thecombiner 10x may not be emitted from the substrate (cover layer) due to total reflection.Problem 2 is that the amount of light reaching the observer differs between the upper portion and the lower portion of thecombiner 10x.Problems 1 and 2 will be specifically described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG.

図５は、課題１を具体的に説明するための図を示す。図５（ａ）及び（ｂ）は、コンバイナ１０ｘにおける基板内部の反射面Ｓ２で反射した光について例示している（図示のように、反射面Ｓ２で反射した光は、基板へ入射するときの角度と異なるものとなる）。図５（ａ）は、オフセット量が比較的小さいフレネル構造を適用した場合について示している。この場合には、基板内部の反射面Ｓ２で反射した光は、基板内部から外部へと出射される。他方で、図５（ｂ）は、オフセット量が比較的大きいフレネル構造を適用した場合について示している。この場合には、基板内部の反射面Ｓ２で反射した光は、基板表面における内側の面で全反射することで、基板内部から外部へと出射されない（基板内部を導波する）。図５（ａ）及び（ｂ）より、オフセット量が比較的大きいフレネル構造を適用した場合に、課題１が生じ易いと言える。 FIG. 5 shows a diagram for specifically explainingProblem 1. FIG. FIGS. 5A and 5B illustrate the light reflected by the reflecting surface S2 inside the substrate in thecombiner 10x (as shown in the figure, the light reflected by the reflecting surface S2 is reflected when entering the substrate. different from the angle). FIG. 5(a) shows a case where a Fresnel structure with a relatively small offset amount is applied. In this case, the light reflected by the reflecting surface S2 inside the substrate is emitted from the inside of the substrate to the outside. On the other hand, FIG. 5B shows a case where a Fresnel structure with a relatively large offset amount is applied. In this case, the light reflected by the reflective surface S2 inside the substrate is totally reflected by the inner surface of the substrate surface, so that the light does not exit from the inside of the substrate to the outside (waves through the inside of the substrate). From FIGS. 5A and 5B, it can be said thatProblem 1 is likely to occur when a Fresnel structure having a relatively large offset amount is applied.

図６は、課題２を具体的に説明するための図を示す。図６（ａ）は、コンバイナ１０ｘをフロントガラスと同じ方向に傾斜させた状態で、実像ＲＩをその上部に設置した場合について示している。この場合、実像ＲＩからの光はコンバイナ１０ｘに対して深い角度で入射する。また、コンバイナ１０ｘの下部に光が入射する入射角θ_１は、コンバイナ１０ｘの上部に光が入射する入射角θ_２よりも大きくなる（θ_１＞θ_２）。FIG. 6 shows a diagram for specifically explainingproblem 2. FIG. FIG. 6(a) shows a case where thecombiner 10x is tilted in the same direction as the windshield and the real image RI is placed thereon. In this case, the light from the real image RI is incident on thecombiner 10x at a deep angle. Also, the incident angle θ₁ at which the light is incident on the lower portion of thecombiner 10x is larger than the incident angle θ₂ at which the light is incident on the upper portion of thecombiner 10x (θ₁ >θ₂ ).

図６（ｂ）は、入射角［°］と、コンバイナ１０における「入射時透過率×出射時透過率」［％］との関係を示している。「入射時透過率×出射時透過率」は、コンバイナ１０ｘから出射された光の光量（つまり観察者に到達する光量）に相当する。図６（ｂ）において、符号ＧＲｐはＰ偏光を用いた場合のグラフを示し、符号ＧＲｓはＳ偏光を用いた場合のグラフを示している。このようなグラフＧＲｐ、ＧＲｓは、基板（カバー層）の屈折率ｎが１．５９であり、仮想放物面Ｓ１の焦点距離ｆが３００［ｍｍ］であるコンバイナ１０ｘを用い、オフセット量が２５０［ｍｍ］である位置に光を入射させた場合に得られた結果である（反射面Ｓ２の反射率を１００％と仮定している）。 FIG. 6B shows the relationship between the incident angle [°] and the "incident transmittance×exit transmittance" [%] in thecombiner 10 . “Incident transmittance×Exit transmittance” corresponds to the amount of light emitted from thecombiner 10x (that is, the amount of light reaching the observer). In FIG. 6(b), the symbol GRp indicates the graph when P-polarized light is used, and the symbol GRs indicates the graph when S-polarized light is used. Such graphs GRp and GRs are obtained by using thecombiner 10x in which the refractive index n of the substrate (cover layer) is 1.59, the focal length f of the virtual paraboloid S1 is 300 [mm], and the offset amount is 250 [mm]. This is the result obtained when light is incident on a position of [mm] (assuming that the reflectance of the reflecting surface S2 is 100%).

図６（ｂ）より、コンバイナ１０ｘへの入射角に応じて、「入射時透過率×出射時透過率」の値が変化していることがわかる。具体的には、入射角が大きい領域では、「入射時透過率×出射時透過率」の値が大きく低下していることがわかる。また、Ｓ偏光では、Ｐ偏光よりも、「入射時透過率×出射時透過率」の値の大きさが全体的に小さく、「入射時透過率×出射時透過率」の値が低下し始める入射角が小さいことがわかる。なお、入射角が概ね１０［°］以下の領域で「入射時透過率×出射時透過率」の値が０［％］となっているのは、全反射が生じたためである。 From FIG. 6B, it can be seen that the value of "incident transmittance×exit transmittance" changes according to the incident angle to thecombiner 10x. Specifically, it can be seen that the value of "incident transmittance×exit transmittance" is greatly reduced in a region where the incident angle is large. In addition, with S-polarized light, the magnitude of the value of "transmittance at the time of incidence x transmittance at the time of emission" is generally smaller than that for P-polarized light, and the value of "transmittance at the time of incidence x transmittance at the time of emission" begins to decrease. It can be seen that the incident angle is small. The reason why the value of “incident transmittance×exit transmittance” is 0[%] in the region where the incident angle is approximately 10[°] or less is because total reflection occurred.

図６（ａ）及び（ｂ）より、コンバイナ１０ｘをフロントガラスと同じ方向に傾斜させると共に実像ＲＩをコンバイナ１０ｘの上部に設置した場合には、入射角θ_１及びθ_２が比較的大きくなると共に、入射角θ_１と入射角θ_２との差も大きくなるため、コンバイナ１０ｘの上部と下部とで「入射時透過率×出射時透過率」の値に差が生じる傾向にあると言える。つまり、コンバイナ１０ｘの上部と下部とで観察者に到達する光量が変わる傾向にあると言える。即ち、課題２が生じ易いと言える。6A and 6B, when thecombiner 10x is tilted in the same direction as the windshield and the real image RI is placed above thecombiner 10x, the incident angles θ₁ and θ₂ become relatively large and Since the difference between the incident angles_θ1 and θ2 also increases, it can be said that there tends to be_a difference in the value of "incident transmittance×exit transmittance" between the upper portion and the lower portion of thecombiner 10x. In other words, it can be said that the amount of light reaching the observer tends to change between the upper portion and the lower portion of thecombiner 10x. That is, it can be said thatproblem 2 is likely to occur.

以下では、課題１、２を解決可能な具体的な実施例（第１及び第２実施例）について説明する。第１実施例は、課題１の解決を主目的としたものであり、第２実施例は、課題２の解決を主目的としたものである。 Specific examples (first and second examples) capable of solvingproblems 1 and 2 will be described below. The main purpose of the first embodiment is to solve the first problem, and the second embodiment is mainly to solve the second problem.

＜第１実施例＞
第１実施例では、フレネル構造を適用したコンバイナ内の反射面で反射した光が、全反射することなくコンバイナの外部へと適切に出射されるように、コンバイナと実像ＲＩ（実質的には光源部である。以下同様とする。）との相対位置を設定する。つまり、第１実施例では、コンバイナにおける基板内部の反射面で反射した光が基板表面の内側の面に入射する角度（以下では適宜「射出角」と呼ぶ。）が全反射角未満となるように、コンバイナと実像ＲＩとの相対位置を設定する。<First embodiment>
In the first embodiment, the combiner and the real image RI (substantially the light source The same shall apply hereinafter.) is set. That is, in the first embodiment, the angle at which the light reflected by the reflective surface inside the substrate in the combiner is incident on the inner surface of the substrate surface (hereinafter referred to as the "emission angle" as appropriate) is set to be less than the total reflection angle. , the relative position between the combiner and the real image RI is set.

図７を参照して、射出角を全反射角未満にするための入射角の条件について説明する。図７は、第１実施例に係るコンバイナ１０ａの断面イメージ図を示している。図７に示すように、入射光は、入射角θ_ｉｎでコンバイナ１０ａに入射し、屈折率ｎの基板で屈折して角度θ_ｉｎ’となる。この場合、スネルの法則より、「ｓｉｎθ_ｉｎ＝ｎ・ｓｉｎθ_ｉｎ’」といった式が成り立つ。そして、この入射光は、コンバイナ１０ａ内部のフレネル構造の反射面Ｓ２上の点Ｐ１０に入射する。点Ｐ１０は、仮想放物面Ｓ１の頂点Ｐ２からｘ方向において「ＯＦＳ」だけ離れた場所に位置する（「ＯＦＳ」はオフセット量に相当する）。仮想放物面Ｓ１は、焦点距離ｆを用いると「ｙ＝ｘ^２／４ｆ」と表される。With reference to FIG. 7, the condition of the angle of incidence for making the angle of emergence less than the angle of total reflection will be described. FIG. 7 shows a cross-sectional image diagram of thecombiner 10a according to the first embodiment. As shown in FIG. 7, incident light enters thecombiner 10a at an incident angle θ_in and is refracted by the substrate of refractive index n to an angle θ_in ′. In this case, according to Snell's law, an expression such as "sin θ_in =n·sin θ_in '" holds. This incident light then enters a point P10 on the reflecting surface S2 of the Fresnel structure inside thecombiner 10a. The point P10 is located at a distance of "OFS" in the x direction from the vertex P2 of the virtual paraboloid S1 ("OFS" corresponds to the offset amount). The virtual paraboloid S1 is expressed as "y=x² /4f" using the focal length f.

ここで、点Ｐ１０を通る、ｘ軸に平行な直線と、点Ｐ１０での仮想放物面Ｓ１の接線とが成す角度φは、「φ＝ｔａｎ^－１（ＯＦＳ／２ｆ）」となる。このような角度φを用いると、角度θ_ｉｎ’の入射光が反射面Ｓ２に入射する角度βは、「β＝φ－θ_ｉｎ’」となる。そして、反射面Ｓ２上の点Ｐ１０で反射した光は、基板表面の内側の面Ｓ３に対して角度「θ_ｉｎ’＋２β」で入射する。この角度「θ_ｉｎ’＋２β」は、上記した射出角に相当する。射出角を全反射角「ｓｉｎ^－１（１／ｎ）」未満とするための条件は、以下の式（１）で表される。Here, the angle φ between the straight line passing through the point P10 and parallel to the x-axis and the tangent to the imaginary paraboloid S1 at the point P10 is "φ=tan⁻¹ (OFS/2f)". When such an angle φ is used, the angle β at which the incident light of the angle θ_in ' enters the reflecting surface S2 becomes "β=φ−θ_in '". Then, the light reflected at the point P10 on the reflecting surface S2 is incident on the inner surface S3 of the substrate surface at an angle "θ_in '+2β". This angle "θ_in '+2β" corresponds to the exit angle described above. The condition for making the exit angle less than the total reflection angle “sin⁻¹ (1/n)” is expressed by the following formula (1).

θ_ｉｎ’＋２β＜ｓｉｎ^－１（１／ｎ） 式（１）
また、射出角は、以下の式（２）のように書き換えられる。θ_in '+2β<sin⁻¹ (1/n) Equation (1)
Also, the exit angle can be rewritten as in Equation (2) below.

θ_ｉｎ’＋２β＝２φ－θ_ｉｎ’
＝２ｔａｎ^－１（ＯＦＳ／２ｆ）－ｓｉｎ^－１（ｓｉｎθ_ｉｎ／ｎ） 式（２）
このような式（２）を式（１）に代入することで、射出角を全反射角未満とするために入射角θ_ｉｎが満たすべき条件が得られる。その条件は、以下の式（３）で表される。_θin ′+2β=2φ−_θin ′
=2tan⁻¹ (OFS/2f)−sin⁻¹ (sinθ_in /n) Equation (2)
By substituting such equation (2) into equation (1), the condition that the incident angle θ_in should satisfy in order to make the exit angle less than the total reflection angle is obtained. The condition is represented by the following formula (3).

θ_ｉｎ＞ｓｉｎ^－１［ｎ・ｓｉｎ｛２ｔａｎ^－１（ＯＦＳ／２ｆ）－ｓｉｎ^－１（１／ｎ）｝］ 式（３）
式（３）に示すように、入射角θ_ｉｎが満たすべき条件は、屈折率ｎと、オフセット量ＯＦＳと、焦点距離ｆとで表される。θ_in >sin⁻¹ [n·sin{2tan⁻¹ (OFS/2f)−sin⁻¹ (1/n)}] Equation (3)
As shown in Equation (3), the condition that the incident angle θ_in should satisfy is represented by the refractive index n, the offset amount OFS, and the focal length f.

第１実施例では、式（３）の条件を満たす入射角θ_ｉｎが実現されるように、コンバイナ１０ａと実像ＲＩとの相対位置を設定する。つまり、実像ＲＩを構成する光が、式（３）の条件を満たす入射角θ_ｉｎにてコンバイナ１０ａに入射するように、コンバイナ１０ａと実像ＲＩとの相対位置を設定する。これにより、基板内部の反射面Ｓ２で反射した光を適切に外部に出射させることができ、虚像の一部分が視認できないといった不具合を適切に回避することが可能となる。よって、コンバイナ１０ａの全面を有効に利用することが可能となる。In the first embodiment, the relative position between thecombiner 10a and the real image RI is set so that the incident angle θ_in satisfying the condition of expression (3) is realized. That is, the relative position between thecombiner 10a and the real image RI is set so that the light that forms the real image RI is incident on thecombiner 10a at the incident angle θ_in that satisfies the condition of Equation (3). As a result, the light reflected by the reflection surface S2 inside the substrate can be appropriately emitted to the outside, and it is possible to appropriately avoid the problem that a part of the virtual image cannot be visually recognized. Therefore, it becomes possible to effectively utilize the entire surface of thecombiner 10a.

図８は、第１実施例に係るコンバイナ１０ａの最適な配置例を説明するための図を示す。図８（ａ）は、第１実施例に係るコンバイナ１０ａの正面イメージ図を示している。なお、第１実施例に係るコンバイナ１０ａは、前述したコンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３と基本的な構成は同じである。つまり、第１実施例に係るコンバイナ１０ａは、オフセットされたフレネル構造が適用されたハーフミラーが内部に形成されている。 FIG. 8 shows a diagram for explaining an optimal arrangement example of thecombiner 10a according to the first embodiment. FIG. 8(a) shows a front image diagram of thecombiner 10a according to the first embodiment. Thecombiner 10a according to the first embodiment has the same basic configuration as the combiners 10x2 and 10x3 described above. In other words, thecombiner 10a according to the first embodiment is internally formed with a half mirror to which an offset Fresnel structure is applied.

ここでは、基板（カバー層）の屈折率ｎが１．５９であり（基板としてポリカーボネートを用いている）、フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点距離ｆが３００［ｍｍ］であり、縦方向のサイズが１５０［ｍｍ］であるコンバイナ１０ａを用いた場合を例に挙げる。このコンバイナ１０ａでは、上端部ではオフセット量（フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点とコンバイナ１０ａの上端部との距離）が２００［ｍｍ］であり、下端部ではオフセット量（フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点とコンバイナ１０ａの下端部との距離）が３５０［ｍｍ］であるものとする。また、実像ＲＩ（表示画面）の縦方向のサイズが５０［ｍｍ］であり、実像ＲＩとコンバイナ１０ａとの距離が１８０［ｍｍ］であり、コンバイナ１０ａを２０°の傾斜角度でフロントガラス側に設置した場合を例に挙げる。 Here, the refractive index n of the substrate (cover layer) is 1.59 (polycarbonate is used as the substrate), the focal length f of the virtual paraboloid on which the Fresnel structure is based is 300 [mm], A case of using acombiner 10a having a vertical size of 150 [mm] will be taken as an example. In thiscombiner 10a, the offset amount (the distance between the focus of the virtual paraboloid that is the basis of the Fresnel structure and the upper end of thecombiner 10a) is 200 [mm] at the upper end, and the offset amount (the Fresnel structure It is assumed that the distance between the focus of the original virtual paraboloid and the lower end of thecombiner 10a is 350 [mm]. The vertical size of the real image RI (display screen) is 50 [mm], the distance between the real image RI and thecombiner 10a is 180 [mm], and thecombiner 10a is tilted at an angle of 20° toward the windshield. Let us take the case of installation as an example.

図８（ｂ）は、コンバイナ１０ａの第１配置例を示しており、図８（ｃ）は、コンバイナ１０ａの第２配置例を示している。図８（ｂ）及び（ｃ）は、コンバイナ１０ａ及び実像ＲＩの側面イメージ図を示している。第１配置例では、コンバイナ１０ａの上端部に光が入射する入射角は－３．３［°］であり、コンバイナ１０ａの下端部に光が入射する入射角は＋２６［°］である。第２配置例では、コンバイナ１０ａの上端部に光が入射する入射角は＋６［°］であり、コンバイナ１０ａの下端部に光が入射する入射角は＋３４．２［°］である。 FIG. 8(b) shows a first arrangement example of thecombiner 10a, and FIG. 8(c) shows a second arrangement example of thecombiner 10a. 8B and 8C show side image diagrams of thecombiner 10a and the real image RI. In the first arrangement example, the incident angle of light incident on the upper end of thecombiner 10a is −3.3[°], and the incident angle of light incident on the lower end of thecombiner 10a is +26[°]. In the second arrangement example, the incident angle of light incident on the upper end of thecombiner 10a is +6 [°], and the incident angle of light incident on the lower end of thecombiner 10a is +34.2 [°].

図８（ｄ）は、横軸にオフセット量［ｍｍ］を示し、縦軸に入射角［°］を示し、上記した式（３）の条件を満たす領域を塗りつぶして表している。式（３）には、図８（ａ）の説明で述べたパラメータ（ｎ、ｆ）を代入したものとする。図８（ｄ）によれば、式（３）の条件を満たすためには、コンバイナ１０ａの上端部（オフセット量＝２００［ｍｍ］）では入射角が－３．３［°］以上である必要があり、コンバイナ１０ａの下端部（オフセット量＝３５０［ｍｍ］）では入射角が＋３４．２［°］以上である必要があることがわかる。 In FIG. 8D, the horizontal axis indicates the offset amount [mm], the vertical axis indicates the incident angle [°], and the area satisfying the condition of the above formula (3) is painted out. It is assumed that the parameters (n, f) described in the explanation of FIG. 8(a) are substituted into the equation (3). According to FIG. 8D, in order to satisfy the condition of formula (3), the incident angle must be -3.3[°] or more at the upper end portion (offset amount=200[mm]) of the combiner 10a. , and the incident angle needs to be +34.2[°] or more at the lower end of thecombiner 10a (offset amount=350[mm]).

第１配置例を適用した場合には、コンバイナ１０ａの上端部では入射角が－３．３［°］であるため、基板内部の反射面Ｓ２で反射した光はぎりぎり外部に出射されるが、コンバイナ１０ａの下端部では入射角が＋２６［°］であるため（つまり＋３４．２［°］未満であるため）、基板内部の反射面Ｓ２で反射した光は全反射することで外部へ出射されない。他方で、第２配置例を適用した場合には、コンバイナ１０ａの上端部では入射角が＋６［°］であるため（つまり－３．３［°］以上であるため）、基板内部の反射面Ｓ２で反射した光は外部に出射され、コンバイナ１０ａの下端部では入射角が＋３４．２［°］であるため、基板内部の反射面Ｓ２で反射した光はぎりぎり外部に出射される。したがって、コンバイナ１０ａの位置に対する実像ＲＩの位置を第２配置例よりも上方にすると、式（３）の条件が適切に満たされるため、基板内部の反射面Ｓ２で反射した光が適切に出射されることとなる。したがって、コンバイナ１０ａの全面を有効に利用することが可能となる。 When the first arrangement example is applied, the incident angle is -3.3 [°] at the upper end of thecombiner 10a, so the light reflected by the reflecting surface S2 inside the substrate is barely emitted to the outside. Since the incident angle is +26 [°] (that is, less than +34.2 [°]) at the lower end of thecombiner 10a, the light reflected by the reflecting surface S2 inside the substrate is totally reflected and is not emitted to the outside. . On the other hand, when the second arrangement example is applied, the incident angle at the upper end of thecombiner 10a is +6 [°] (that is, -3.3 [°] or more), so the reflection surface inside the substrate The light reflected by S2 is emitted to the outside, and since the incident angle is +34.2 [°] at the lower end of thecombiner 10a, the light reflected by the reflection surface S2 inside the substrate is barely emitted to the outside. Therefore, if the position of the real image RI with respect to the position of thecombiner 10a is set above the position of the second arrangement example, the condition of the expression (3) is properly satisfied, so that the light reflected by the reflecting surface S2 inside the substrate is properly emitted. The Rukoto. Therefore, it is possible to effectively utilize the entire surface of thecombiner 10a.

＜第２実施例＞
次に、第２実施例について説明する。第２実施例は、課題２の解決を主目的としたものである。具体的には、第２実施例では、コンバイナ内の基板の透過率の変化量が所定値（適合などにより予め定められる値）以下となるような入射角の範囲が用いられるように、コンバイナと実像ＲＩとの相対位置を設定する。つまり、第２実施例では、基板の透過率の入射角依存性が少ない領域が用いられるように、コンバイナと実像ＲＩとの相対位置を設定する。このような第２実施例によれば、コンバイナの面内での輝度変化（輝度むら）の発生を適切に抑制することが可能となる。<Second embodiment>
Next, a second embodiment will be described. The second embodiment is mainly intended to solve the second problem. Specifically, in the second embodiment, the combiner and the Set the relative position with the real image RI. In other words, in the second embodiment, the relative position between the combiner and the real image RI is set so that the region in which the transmittance of the substrate is less dependent on the incident angle is used. According to the second embodiment as described above, it is possible to appropriately suppress the occurrence of luminance variation (luminance unevenness) within the plane of the combiner.

図９は、第２実施例に係るコンバイナ１０ｂの最適な配置例を説明するための図を示す。図９（ａ）は、第２実施例に係るコンバイナ１０ｂの正面イメージ図を示している。なお、第２実施例に係るコンバイナ１０ｂも、前述したコンバイナ１０ｘ２、１０ｘ３と基本的な構成は同じである。つまり、第２実施例に係るコンバイナ１０ｂは、オフセットされたフレネル構造が適用されたハーフミラーが内部に形成されている。 FIG. 9 shows a diagram for explaining an optimal arrangement example of thecombiner 10b according to the second embodiment. FIG. 9(a) shows a front image diagram of acombiner 10b according to the second embodiment. Thecombiner 10b according to the second embodiment also has the same basic configuration as the combiners 10x2 and 10x3 described above. In other words, thecombiner 10b according to the second embodiment is internally formed with a half mirror to which an offset Fresnel structure is applied.

ここでは、基板（カバー層）の屈折率ｎが１．５９であり（基板としてポリカーボネートを用いている）、フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点距離ｆが３００［ｍｍ］であり、縦方向のサイズが１００［ｍｍ］であるコンバイナ１０ｂを用いた場合を例に挙げる。このコンバイナ１０ｂでは、上端に位置する点Ａではオフセット量（フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点と点Ａとの距離）が１５０［ｍｍ］であり、中央に位置する点Ｂではオフセット量（フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点と点Ｂとの距離）が２００［ｍｍ］であり、下端に位置する点Ｃではオフセット量（フレネル構造の元になる仮想放物面の焦点と点Ｃとの距離）が２５０［ｍｍ］であるものとする。また、実像ＲＩ（表示画面）の縦方向のサイズが３６［ｍｍ］であり、実像ＲＩとコンバイナ１０ｂとの距離が１８０［ｍｍ］である場合を例に挙げる。 Here, the refractive index n of the substrate (cover layer) is 1.59 (polycarbonate is used as the substrate), the focal length f of the virtual paraboloid on which the Fresnel structure is based is 300 [mm], A case of using acombiner 10b having a vertical size of 100 [mm] will be taken as an example. In thiscombiner 10b, the offset amount (the distance between the focal point of the virtual paraboloid on which the Fresnel structure is based and the point A) is 150 [mm] at the point A located at the upper end, and the offset amount at the point B located in the center. The amount (the distance between the focal point of the virtual paraboloid that is the basis of the Fresnel structure and the point B) is 200 [mm], and the offset amount (the distance of It is assumed that the distance between the focal point and the point C) is 250 [mm]. Also, a case where the vertical size of the real image RI (display screen) is 36 [mm] and the distance between the real image RI and thecombiner 10b is 180 [mm] will be taken as an example.

図９（ｂ）は、コンバイナ１０ｂの第１配置例を示しており、図９（ｃ）は、コンバイナ１０ｂの第２配置例を示しており、図９（ｄ）は、コンバイナ１０ｂの第３配置例を示している。図９（ｂ）～（ｄ）は、コンバイナ１０ｂ及び実像ＲＩの側面イメージ図を示している。第１配置例では、コンバイナ１０ｂの点Ａでの入射角は－１０［°］であり、コンバイナ１０ｂの点Ｂでの入射角は０［°］であり、コンバイナ１０ｂの点Ｃでの入射角は＋１０［°］である。第２配置例では、コンバイナ１０ｂの点Ａでの入射角は＋１９［°］であり、コンバイナ１０ｂの点Ｂでの入射角は＋３０［°］であり、コンバイナ１０ｂの点Ｃでの入射角は＋３７［°］である。第３配置例では、コンバイナ１０ｂの点Ａでの入射角は＋５２［°］であり、コンバイナ１０ｂの点Ｂでの入射角は＋６０［°］であり、コンバイナ１０ｂの点Ｃでの入射角は＋６４［°］である。 9(b) shows a first arrangement example of thecombiner 10b, FIG. 9(c) shows a second arrangement example of thecombiner 10b, and FIG. 9(d) shows a third arrangement example of thecombiner 10b. An arrangement example is shown. 9(b) to (d) show side image diagrams of thecombiner 10b and the real image RI. In the first arrangement example, the incident angle at the point A of thecombiner 10b is -10 [°], the incident angle at the point B of thecombiner 10b is 0 [°], and the incident angle at the point C of thecombiner 10b is is +10[°]. In the second arrangement example, the incident angle at the point A of thecombiner 10b is +19[°], the incident angle at the point B of thecombiner 10b is +30[°], and the incident angle at the point C of thecombiner 10b is +37[°]. In the third arrangement example, the incident angle at the point A of thecombiner 10b is +52[°], the incident angle at the point B of thecombiner 10b is +60[°], and the incident angle at the point C of thecombiner 10b is +64[°].

図９（ｅ）は、基板への入射角［°］と基板の透過率（基板内を往復する光についての透過率を意味するものとする。）との関係を示した図である。図９（ｅ）において、グラフＧＲ１はコンバイナ１０ｂの点Ａに入射する光についての基板の透過率を示しており、グラフＧＲ２はコンバイナ１０ｂの点Ｂに入射する光についての基板の透過率を示しており、グラフＧＲ３はコンバイナ１０ｂの点Ｃに入射する光についての基板の透過率を示している。グラフＧＲ１～ＧＲ３は、既知の界面反射率（フレネル反射率）の計算式に基づいて求められる。また、グラフＧＲ１～ＧＲ３は、コンバイナ１０ｂにＳ偏光を入射させた場合を仮定している。 FIG. 9(e) is a diagram showing the relationship between the incident angle [°] to the substrate and the transmittance of the substrate (meaning the transmittance of light traveling back and forth within the substrate). In FIG. 9(e), graph GR1 shows the transmittance of the substrate for light incident on point A ofcombiner 10b, and graph GR2 shows the transmittance of the substrate for light incident on point B of combiner 10b. , and graph GR3 shows the transmittance of the substrate for light incident on point C ofcombiner 10b. Graphs GR1 to GR3 are obtained based on a known interface reflectance (Fresnel reflectance) formula. Graphs GR1 to GR3 assume that S-polarized light is incident on thecombiner 10b.

第１配置例を適用した場合には、コンバイナ１０ｂの点Ａ、Ｂ、Ｃでの入射角をグラフＧＲ１、ＧＲ２、ＧＲ３上にそれぞれプロットすると点Ａ１、Ｂ１、Ｃ１が得られ、これらの点Ａ１、Ｂ１、Ｃ１をつなげると破線Ｄ１が得られる。破線Ｄ１より、第１配置例を適用した場合には、入射角に対する透過率の変化量が大きいことがわかる。したがって、第１配置例を適用した場合には、コンバイナ１０ｂの面内での輝度変化（輝度むら）が大きくなると言える。そのため、第２実施例では、このような第１配置例を採用しない。 When the first arrangement example is applied, the angles of incidence at points A, B, and C of thecombiner 10b are plotted on graphs GR1, GR2, and GR3, respectively, to obtain points A1, B1, and C1. , B1 and C1, a dashed line D1 is obtained. It can be seen from the dashed line D1 that when the first arrangement example is applied, the amount of change in transmittance with respect to the incident angle is large. Therefore, when the first arrangement example is applied, it can be said that the luminance change (luminance unevenness) in the plane of thecombiner 10b becomes large. Therefore, in the second embodiment, such a first arrangement example is not adopted.

第２配置例を適用した場合には、コンバイナ１０ｂの点Ａ、Ｂ、Ｃでの入射角をグラフＧＲ１、ＧＲ２、ＧＲ３上にそれぞれプロットすると点Ａ２、Ｂ２、Ｃ２が得られ、これらの点Ａ２、Ｂ２、Ｃ２をつなげると破線Ｄ２が得られる。破線Ｄ２より、第２配置例を適用した場合には、入射角に対する透過率の変化量が小さいことがわかる。したがって、第２配置例を適用した場合には、コンバイナ１０ｂの面内での輝度変化（輝度むら）がほとんど生じないと言える。そのため、第２実施例では、このような第２配置例を採用することとする。 When the second arrangement example is applied, points A2, B2, and C2 are obtained by plotting the angles of incidence at points A, B, and C of thecombiner 10b on the graphs GR1, GR2, and GR3, respectively. , B2 and C2, a dashed line D2 is obtained. It can be seen from the dashed line D2 that the amount of change in transmittance with respect to the incident angle is small when the second arrangement example is applied. Therefore, when the second arrangement example is applied, it can be said that almost no luminance change (luminance unevenness) occurs within the plane of thecombiner 10b. Therefore, in the second embodiment, such a second arrangement example is adopted.

第３配置例を適用した場合には、コンバイナ１０ｂの点Ａ、Ｂ、Ｃでの入射角をグラフＧＲ１、ＧＲ２、ＧＲ３上にそれぞれプロットすると点Ａ３、Ｂ３、Ｃ３が得られ、これらの点Ａ３、Ｂ２、Ｃ３をつなげると破線Ｄ３が得られる。破線Ｄ３より、第３配置例を適用した場合には、第１配置例を適用した場合よりも透過率の変化量が小さいが、第２配置例を適用した場合よりも透過率の変化量が大きいことがわかる。また、破線Ｄ３の右側の領域では、透過率の変化量が大きくなることがわかる。したがって、第３配置例を適用した場合には、第３配置例における設置角度からコンバイナ１０ｂを少し傾けるだけで急激な明るさの変化が生じてしまうと言える。そのため、第２実施例では、このような第３配置例を採用しない。 When the third arrangement example is applied, points A3, B3, and C3 are obtained by plotting the incident angles at points A, B, and C of thecombiner 10b on the graphs GR1, GR2, and GR3, respectively. , B2 and C3, a dashed line D3 is obtained. From the dashed line D3, when the third arrangement example is applied, the amount of change in transmittance is smaller than when the first arrangement example is applied, but the amount of change in transmittance is smaller than when the second arrangement example is applied. I know it's big. Also, it can be seen that the amount of change in transmittance increases in the region on the right side of the dashed line D3. Therefore, when the third arrangement example is applied, it can be said that a sudden change in brightness occurs even if thecombiner 10b is slightly tilted from the installation angle in the third arrangement example. Therefore, in the second embodiment, such a third arrangement example is not adopted.

なお、図９では、コンバイナ１０ｂに入射させる光としてＳ偏光を用いる場合を例示したが、Ｓ偏光の代わりにＰ偏光を用いても良い。図６（ｂ）に示したように、Ｐ偏光はＳ偏光よりも界面反射率（透過率）の入射角依存性が小さいため、Ｓ偏光よりもＰ偏光を用いることが好ましいと言える。 Although FIG. 9 illustrates the case where S-polarized light is used as the light incident on thecombiner 10b, P-polarized light may be used instead of S-polarized light. As shown in FIG. 6B, P-polarized light is preferable to S-polarized light because the incident angle dependency of interface reflectance (transmittance) is smaller for P-polarized light than for S-polarized light.

なお、上記では、第２実施例は課題２の解決を主目的としたものであると述べたが、第２実施例によれば課題１も解決される。課題２が解決されれば、必然的に課題１も解決されるからである。 Although it has been described above that the main purpose of the second embodiment is to solve the second problem, the second embodiment also solves the first problem. This is because, if theproblem 2 is solved, theproblem 1 will inevitably be solved.

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｘ コンバイナ
Ｐ１ 焦点
Ｐ２ 頂点
Ｓ１ 仮想放物面
Ｓ２ 反射面
ＲＩ 実像
ＶＩ 虚像10, 10a, 10b, 10x combiner P1 focus P2 vertex S1 virtual paraboloid S2 reflection surface RI real image VI virtual image

Claims (1)

Translated fromJapanese

表示像を構成する光を出射する光源部と、
前記光源部が出射した光の一部を反射することで前記表示像を虚像として認識させるフレネル構造を有するミラーと、
前記ミラーに対する前記光の入射面側に、前記ミラーと対面させて設けられた基板と、
前記ミラーで反射した前記光源部からの光を、前記基板で全反射されることなく前記基板の外部へ導出させる、前記光源部、前記ミラー、前記基板を含む光学系と、
を有することを特徴とする表示装置。a light source unit that emits light constituting a display image;
a mirror having a Fresnel structure that allows the displayed image to be recognized as a virtual image by reflecting part of the light emitted from the light source;
a substrate provided facing the mirror on the incident surface side of the light with respect to the mirror;
an optical system including the light source unit, the mirror, and the substrate, which guides the light from the light source unit reflected by the mirror to the outside of the substrate without being totally reflected by the substrate;
A display device comprising:

Images