JPH03180810A - Double mirror false image display device for automobile instrumentation - Google Patents
Double mirror false image display device for automobile instrumentationInfo
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
本発明は一般に虚像表示装置、特に異なる寸法の画像源
構造に大きい視界を提供する車両計装用の虚像表示装置
に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention This invention relates generally to virtual image displays, and more particularly to virtual image displays for vehicle instrumentation that provide a large field of view for image source structures of different dimensions.
[従来技術]
自動車のような車両用の伝統的な計器は、一般にステア
リングホイールの前方のダツシュボードに支持された直
接観察する計器を具備している。BACKGROUND OF THE INVENTION Traditional instruments for vehicles, such as automobiles, typically include direct viewing instruments supported on a dash board in front of the steering wheel.
このような伝統的直接観察計器は簡単で効果的であるが
、オペレータの目が道路観察と計器観察との間でリフオ
ーカスされる必要がある。さらに、伝統的直接観察計器
は典型的に近い対象のための読取り眼鏡を使用する成人
オペレータが読取ることが困難なほどオペレー進む光路
長十分に近い(約24乃至30インチ)。Although such traditional direct observation instruments are simple and effective, they require the operator's eyes to be refocused between road observation and instrument observation. Additionally, traditional direct viewing instruments typically operate with a close enough optical path length (approximately 24 to 30 inches) to be difficult to read by an adult operator using reading glasses for close objects.
[発明の解決すべき課題]
文献’Automotlve JnStrulerlt
VIrtual IIIageDisplay に
対する同一出願人による米国特許出願第07109B、
870号(1987年9月4日出願)には、伝統的な直
接観察計器よりオペレータから光学的に離れている実効
位置で計器の虚像を効果的に位置する計器虚像表示装置
が記載されている。オペレータから離れた虚像の位置は
単一の正の拡大ミラーによって実現される。しかしなが
ら、単一の正ミラーシステムにより使用されることがで
きる画像源は、典型的に1つまたは2つ以上の計器ゲー
ジまたは読取り器を許容しない、かなり短いシステム長
(すなわち画像源からミラーまでの距11i1)を維持
するために非常に小さくなければならない。[Problem to be solved by the invention] Document 'Automotlve JnStrulerlt'
commonly assigned U.S. Patent Application No. 07109B for Virtual IIIageDisplay;
No. 870, filed September 4, 1987, describes an instrument virtual image display system that effectively positions the virtual image of the instrument at an effective position that is optically further away from the operator than traditional direct viewing instruments. . The position of the virtual image away from the operator is achieved by a single positive magnifying mirror. However, image sources that can be used with a single positive mirror system typically have a fairly short system length (i.e., from the image source to the mirror) that does not allow for more than one or more instrument gauges or readers. must be very small in order to maintain the distance 11i1).
また、電子・機械装置のような比較的大きい画像源は使
用されることができない。Also, relatively large image sources such as electromechanical devices cannot be used.
したがって、2つ以上のゲージまたは読取り器の表示装
置を設けることのできる車両計器虚像表示装置を提供す
ることが有効である。Accordingly, it would be advantageous to provide a vehicle instrument virtual image display that can include more than one gauge or reader display.
別の利点は、アナログ電子・機械計器のような比較的大
きい画像源の使用を可能にする車両計器虚像表示装置を
提供することである。Another advantage is to provide a vehicle instrument virtual image display that allows the use of relatively large image sources such as analog electromechanical instruments.
[課題解決のための手段]
上記および別の利点は、画像照明を与える画像と、およ
び画像照明が画像源から車両オペレータの目まで進む光
路長より大きい観察距離で車両のオペレー進む光路長よ
り観察される画像源の虚像を生成とを含む本発明による
車両用の虚像表示装置によって提供される。SUMMARY OF THE INVENTION The above and other advantages provide that the image illumination provides an image and a vehicle operator with a viewing distance greater than the optical path length traveled by the image illumination from the image source to the vehicle operator's eye. a virtual image display for a vehicle according to the present invention.
[実施例]
以下の詳細な説明および複数の図面において、同じ素子
は同じ参照番号で示される。EXAMPLES In the following detailed description and in the drawings, like elements are designated by the same reference numerals.
第1図を参照すると、本発明による車両用の虚像表示装
置システムが示されている。虚像表示装置は例えば一般
的に計器パネルにより伝統的に占有される領域における
、例えば車両ステアリングコラムの上方およびステアリ
ングホイールの前方に配置されることができる。Referring to FIG. 1, a virtual image display system for a vehicle according to the present invention is shown. The virtual image display device can be located, for example, in the area traditionally occupied by the instrument panel, for example above the vehicle steering column and in front of the steering wheel.
表示装置システムは画像源11および画像源11からの
画像照明に応答する平面折返しミラー13を含む。平面
折返しミラー13は、発散した反射照明を提供する軸か
ら外れた凸状の負パワーミラー15に画像照明を反射す
る。ミラー15は、直接観察された場合に画像を減少さ
せるため負のパワーを有することを特徴とし、さらに入
射した平行な光線が反射時に発散するため発散した反射
を提供することを特徴とする。The display system includes an image source 11 and a planar fold mirror 13 responsive to image illumination from the image source 11. Planar fold mirror 13 reflects the image illumination to an off-axis convex negative power mirror 15 which provides divergent reflected illumination. The mirror 15 is characterized by having a negative power to reduce the image when directly observed, and is further characterized by providing a divergent reflection since the incident parallel light rays diverge upon reflection.
負パワーミラー15からの照明は、集束した反射照明を
提供する軸から外れた凹状の正パワーミラー17に入射
する。ミラー17は画像を拡大させるため正のパワーを
有することを特徴とし、さらに入射した平行な光線が反
射時に集束するため集束した反射を提供することを特徴
とする。Illumination from negative power mirror 15 is incident on an off-axis concave positive power mirror 17 which provides focused reflected illumination. The mirror 17 is characterized by having positive power to magnify the image, and is further characterized by providing a focused reflection because the incident parallel light rays are focused upon reflection.
正パワーミラー17によって反射された照明は、湾曲さ
れた保護ウィンドウ19を通って観察者に達する。湾曲
された保護ウィンドウ19は特に表示装置システムの外
側から観察されたとき、観察者によって見られることが
できる反射が保護ウィンドウの上方に位置された暗光ト
ラップの反射に限定されるように構成された負および楕
円形に成形されたシリンダの凹部である。The illumination reflected by the positive power mirror 17 reaches the viewer through the curved protective window 19. The curved protective window 19 is configured such that, particularly when viewed from outside the display system, the reflections that can be seen by the observer are limited to the reflections of a dark light trap located above the protective window. The recess of the cylinder is shaped into a negative and oval shape.
負および正のパワーミラー15および17は非点収差の
非回転的に対称的な反射面を有し、例えば金−ルドされ
たプラスチック基体を含むことができる。Negative and positive power mirrors 15 and 17 have astigmatic, non-rotationally symmetrical reflective surfaces and may include, for example, gold-hardened plastic substrates.
非点収差素子15および17はそれぞれ、非点収差的に
歪まされる前に各反射面の基本半径によって限定される
光軸を持つ光軸OAIおよびOA2を痕の
有する。光軸は各面の非フ奏瑳歪みを限定するために使
用される各座標系の原点として使用される光軸点P1お
よびP2を通過する。換言すると、的に歪められる。The astigmatic elements 15 and 17 each have an optical axis OAI and OA2 with the optical axis defined by the basic radius of the respective reflective surface before being astigmatically distorted. The optical axis passes through optical axis points P1 and P2, which are used as the origin of each coordinate system used to define non-flat distortions in each plane. In other words, the target is distorted.
負ミラー15の反射面に対して、光軸OAIは画像中心
と画像源中心を結び、光軸点ptおよびP2を通過する
光線によって限定される中心軸CAの入射および反射部
分を三等分する。正のミラー17の反射面に対して、光
軸OA2はまた中心軸C子は中心軸CAが光軸と一直線
ではないため軸から外れ、画像源および画像は任意の反
射折返し部を含む非点収差素子の光軸上にない。With respect to the reflective surface of the negative mirror 15, the optical axis OAI connects the image center and the image source center and divides into three equal parts the incident and reflected portions of the central axis CA defined by the rays passing through the optical axis points pt and P2. . For the reflective surface of the positive mirror 17, the optical axis OA2 is also off-axis since the central axis CA is not in line with the optical axis, and the image source and image are astigmatic, including any reflective folds. It is not on the optical axis of the aberration element.
中心軸CAはさらに画像源からの画像照明が車両オペレ
ータの目に進む光路を限定し、さらにここで論じられる
ようにこのような光路は虚像の実効的な観察距!(すな
わちオペレータの目が虚像を見るために焦点を結ぶ距1
1ft)より大きい距離を有する。The central axis CA further limits the optical path through which the image illumination from the image source travels to the vehicle operator's eyes, and as discussed herein, such optical path also limits the effective viewing distance of the virtual image! (i.e. the distance 1 at which the operator's eyes focus to see the virtual image)
1ft).
従来のシステムは球の袖から外れた部分または椎体(例
えば放物線体)の非点収差セクションを含むミラーを使
用するが、このようなシステムはミラーを限定するため
に使用された錐体セクションの光軸上に画像源を位置す
ることに留意すべきである。これは、組立てを容易にす
るためにある回転対称を維持するために行われる。しか
しながら、これはミラー面に与えることができる非点収
差度を制限することによってこのような光学系の特性を
制限する。この発明による光学系は軸から称ではなく、
全体的な虚像特性を改善する任意の形状を取る。この付
加的な設計の自由度は、この発明を従来の設計特性より
良好にする。While conventional systems use a mirror that includes an astigmatism section of the sleeve of the ball or a vertebral body (e.g. a parabola), such systems use a mirror that includes an astigmatism section of the sleeve of the ball or a vertebral body (e.g. a parabola); It should be noted that the image source is located on the optical axis. This is done to maintain some rotational symmetry for ease of assembly. However, this limits the properties of such optical systems by limiting the degree of astigmatism that can be imparted to the mirror surface. The optical system according to this invention is not symmetrical from the axis,
Take any shape that improves the overall virtual image properties. This additional design freedom makes the invention better than conventional design features.
負ミラー15は小さいミラーであり、画像源11の寸法
または虚像距離(すなわち観察者の目が虚像を見るため
に焦点を結ぶ実効的な距離)を変化させずに拡大された
虚像に対して合理的な拡大距離を得るために比較的簡単
な光学式(例えばCasscgrain望遠鏡における
ように)にしたがって大きい正ミラー17に関して位置
される。本発明によると、虚像距離は約4乃至12フィ
ートであり、これはドライバーの目と計器パネル内の直
接観察計器との間の典型的な距離より大きい。Negative mirror 15 is a small mirror that makes sense for an enlarged virtual image without changing the dimensions of image source 11 or the virtual image distance (i.e. the effective distance at which the observer's eye focuses to see the virtual image). It is positioned with respect to the large positive mirror 17 according to a relatively simple optical formula (such as in a Cassgrain telescope) to obtain a large magnification distance. According to the present invention, the virtual image distance is approximately 4 to 12 feet, which is greater than the typical distance between the driver's eyes and direct viewing instruments in the instrument panel.
負ミラーおよび正ミラーの使用により適切な拡大、虚像
距離、視界および光学特性(すなわち歪みおよびディス
パリティの減少)が提供され、方匹敵するパラメータを
有する単一の正ミラーシステムよりコンパクトである光
学系の長さ(すなわち画像源と公称的な目の位置に光学
的に最も近いミラーとの間の距#I)が維持される。換
言すると、所定の拡大、虚像距離、視界および光学特性
に対して、記載された二重ミラーシステムは匹敵する単
一の正ミラーシステムより短いシステム長、したがって
小さい光学パッケージを有する。The use of negative and positive mirrors provides adequate magnification, virtual image distance, field of view and optical properties (i.e. reduced distortion and disparity), making the optical system more compact than a single positive mirror system with comparable parameters. (i.e., the distance #I between the image source and the mirror optically closest to the nominal eye position) is maintained. In other words, for a given magnification, virtual image distance, field of view and optical properties, the described dual mirror system has a shorter system length and therefore a smaller optical package than a comparable single positive mirror system.
二重ミラーシステムのコンパクト性は負および正ミラー
の逆テレフォト配置の結果から得られ、これはシステム
長を著しく増加させずに動作焦点長を増加させる。動作
魚点長は良く知られているように、単レンズまたはミラ
ーが実質的に同じパラメータを有する単レンズまたはミ
ラー光学系を生成するように設けられる位置に配置され
る“第1の基本平面゛までの画像源からの距離である。The compactness of the dual mirror system results from the inverted telephoto arrangement of the negative and positive mirrors, which increases the working focal length without significantly increasing the system length. The working fish point length is, as is well known, a "first fundamental plane" in which a single lens or mirror is placed in such a position as to produce a single lens or mirror optical system with substantially the same parameters. The distance from the image source to
二重ミラーシステム用の第1の基本平面は、公称の目の
位置と光学的に最も近いミラーとの間に位置され、一方
単一の正ミラーシステム用の第1の主平面はミラーに位
置される。換言すると、二重ミラーシステム用の第1の
基本平面は光学素子の1つの物理的な位置にあるように
制限される。The first principal plane for a dual mirror system is located between the nominal eye position and the optically closest mirror, while the first principal plane for a single positive mirror system is located at the mirror. be done. In other words, the first fundamental plane for the dual mirror system is limited to being at one physical location of the optical element.
二重ミラーシステムをさらにコンパクトなシステム長を
実現させる要因は、第2図および第3図にそれぞれ示さ
れた単一および二重レンズ系の比較によりさらに良く理
解されることができ、これらは単レンズ系および二重ミ
ラー系の本質的に折返されていない変形であって、理解
し易い。適切な光学パラメータは以下の通りである。The factors that enable the double mirror system to achieve a more compact system length can be better understood by comparing the single and double lens systems shown in Figures 2 and 3, respectively, which are An essentially unfolded variant of the lens system and double mirror system that is easy to understand. Suitable optical parameters are as follows.
距NCR):公称の目の位置から虚像までの距離。Distance NCR): Distance from the nominal eye position to the virtual image.
アイリリーフ(L):公称の目の位置から第1のレンズ
面までの距離。Eye Relief (L): Distance from the nominal eye position to the first lens surface.
アイボックス(Y):虚像がぼかされずに観察されるこ
とができる公称の目の位置の周囲の空間の直径。Eyebox (Y): The diameter of the space around the nominal eye position in which the virtual image can be observed without blurring.
視界(FOV):公称の目の位置から見たときの虚像の
角度。Field of View (FOV): The angle of the virtual image when viewed from the nominal eye position.
システム長(Z):目に最も近いレンズと画像源との間
の距離。System length (Z): The distance between the lens closest to the eye and the image source.
バック焦点(B):画像源から画像源に最も近いレンズ
までの距離。Back focus (B): distance from the image source to the lens closest to the image source.
動作焦点長(F):画像源から光学系の第1の基本平面
までの距離。Operating focal length (F): distance from the image source to the first fundamental plane of the optical system.
動作直径(D):第1の基本平面の直径。Working Diameter (D): Diameter of the first basic plane.
動作F番号(F/#):動作焦点長と動作直径との比(
すなわちF/D)。Operating F number (F/#): ratio of operating focal length to operating diameter (
i.e. F/D).
画像源寸法(H):画像源の高さ(垂直平面における)
。Image source dimension (H): height of the image source (in the vertical plane)
.
虚像寸法(Hl :虚像の高さ(垂直平面における)
。Virtual image size (Hl: height of virtual image (in vertical plane)
.
単一および二重レンズ系の各光学特性(すなわち歪みお
よびディスパリティの減少)は、動作F番号F/#に直
接関連している。特に、特性は動作F番号F/#が減少
されるときに劣化する。したがって、所定の特性明細に
対して動作F番号F/#は一般に固定されている。また
、システム長Zは光学パッケージを最小にするためにで
きるだけ短くすることが望ましい。Each optical property of single and double lens systems (ie, distortion and disparity reduction) is directly related to the operating F-number F/#. In particular, the performance deteriorates when the operating F number F/# is decreased. Therefore, the operating F number F/# is generally fixed for a given characteristic specification. It is also desirable that the system length Z be as short as possible to minimize the optical package.
第2図に示された単一のレンズ系に対して、動作焦点長
F1バック焦点Bおよびシステム長2は等しい。動作直
径りはレンズの直径である。所定の距MR,アイリリー
フL1アイボックスYおよび視界FOVに対して、動作
直径りを以下のように表すことができる。For the single lens system shown in FIG. 2, the working focal length F1 back focal length B and system length 2 are equal. The working diameter is the diameter of the lens. For a given distance MR, eye relief L1 eye box Y, and field of view FOV, the operating diameter can be expressed as follows.
D−2Ltan(FOV/2)+Y(1−L/R)(式
1)
%式%
D −2L tan(F OV /2) + Y
(式2)要求される画像源寸法Hは、虚像寸法H″と
画像源寸法Hとの比が画像源距離(画像源に対するレン
ズ)に対する画像距離(画像に対するレンズ)の比に等
しいことを理解することによって決定されることができ
る。D-2Ltan(FOV/2)+Y(1-L/R)(Formula 1) %Formula% D-2Ltan(FOV/2)+Y
(Equation 2) The required image source dimension H is the understanding that the ratio of the virtual image dimension H'' to the image source dimension H is equal to the ratio of the image distance (lens to image) to the image source distance (lens to image source). can be determined by
H−(2Rtan(FOV/2)F)/ (R−L)(
式3)
%式%
H−2F tan(F OV /2) (
式4)したがって、特定のFOV、距離、アイボックス
およびアイリリーフの要求に対して動作直径は、式1に
よって定められる。動作F番号F/#は特定の特性要求
に対して最少にされ、固定されるため、動作焦点長はま
た固定され(F−DF/#なので)、画像源寸法は式1
により定められる。H-(2Rtan(FOV/2)F)/(R-L)(
Formula 3) % Formula % H-2F tan (F OV /2) (
Equation 4) Therefore, for a particular FOV, distance, eyebox and eye relief requirement, the working diameter is defined by Equation 1. Since the operating F number F/# is minimized and fixed for the specific property requirements, the operating focal length is also fixed (since F-DF/#) and the image source size is given by Equation 1
Determined by.
単一のレンズ系は、画像源が上記に論じられた画像源寸
法要求に適合するように任意に寸法を定められることが
できる場合に適切な特性を提供する。このような寸法決
定は、画像源がグラフィックの寸法が十分に小さいよう
に容易に変更されることができる液晶表示装置(LCD
)または真空蛍光表示装置(VFD)を含んでいる場合
に実現され得る。しかしながら、電子・機械計器はある
寸法、例えば直径で1インチよりも小さく縮小されるこ
とができない。アナログ画像源に対する寸法制限に関し
て、上記の式は所定の画像源寸法から逆にスタートする
ように適用される必要がある。A single lens system provides suitable properties where the image source can be arbitrarily sized to meet the source size requirements discussed above. Such sizing allows the image source to be easily modified such that the dimensions of the graphics are small enough.
) or a vacuum fluorescent display (VFD). However, electromechanical instruments cannot be reduced to smaller dimensions than one inch in diameter, for example. Regarding size constraints for analog image sources, the above equations need to be applied backwards starting from a given image source size.
アナログゲージが式により導かれた画像源寸法より大き
い場合、動作焦点長およびFOVの両者は一定の動作F
番号F/#に対して増加しなければならない。FOVが
一定でなければならない場合、動作直径も一定であり、
大きい画像源寸法を使用するただ1つの方法はF/#を
増加することである。これはまた動作焦点長を増加する
(FOVが増加されることができる場合よりも大きい)
。If the analog gauge is larger than the image source size derived by the equation, then both the working focal length and FOV are fixed at a constant working FOV.
Must be incremented for number F/#. If the FOV must be constant, the working diameter must also be constant;
The only way to use a larger image source size is to increase F/#. This also increases the operating focal length (larger than if the FOV could be increased)
.
アナログゲージ画像源がLCDまたはVFDソースはど
小さくされることができない場合、純粋の結果としてシ
ステム長はアナログゲージが画像源として使用された場
合に単一のレンズ系に対して増加されなければならない
。長いシステムは長いボックスおよび光学パッケージ寸
法における全体的な増加を意味する。If an analog gauge image source cannot be made as small as an LCD or VFD source, as a result the system length must be increased for a single lens system when an analog gauge is used as an image source. . Longer systems mean longer boxes and an overall increase in optical package size.
示された二fflミラーシステムの折返されない変形で
あり、システム長を増加させずに動作焦点長を増加させ
る逆テレフォト構造として機能する第3図の二重レンズ
系を考える。簡単化するために、単レンズ系に関して上
記したように無限大に距離を定める。2つのレンズの焦
点長はflおよびflであり、flは正の焦点長であり
、flは負の焦点長である。2つのレンズ間の距離はX
である。Consider the double lens system of FIG. 3, which is an unfolded version of the two ffl mirror system shown and functions as an inverted telephoto structure that increases the working focal length without increasing the system length. For simplicity, we define the distance to infinity as described above for a single lens system. The focal lengths of the two lenses are fl and fl, where fl is a positive focal length and fl is a negative focal length. The distance between the two lenses is
It is.
したがって、このシステムの動作焦点長は、F−(fl
)(fl)/ (fl +f2−x)(式5)
第3図に見られるように、焦点長は実際にはシステム長
を越す。flおよびflを変化することによって、焦点
長は実質的にバック焦点およびシステム長から独立す。Therefore, the operating focal length of this system is F-(fl
)(fl)/(fl+f2-x) (Equation 5) As can be seen in FIG. 3, the focal length actually exceeds the system length. By varying fl and fl, the focal length becomes substantially independent of the back focal point and system length.
公称の目の位置から第1の基本平面までの距fiL1は
、
L1瞬り十x+B−F(式6)
さらに動作直径は、
D = 2 L l jan(F OV /2) +
Y (式7)無限大の距離Rを持つ画像源寸法Hに
対して解くと、式7は以下のように4少する。The distance fiL1 from the nominal eye position to the first basic plane is: L1 blink + B-F (Equation 6) Furthermore, the operating diameter is: D = 2 L l jan (F OV /2) +
Y (Equation 7) When solved for an image source size H with an infinite distance R, Equation 7 reduces by 4 as follows.
H−2Fjan(FOV/2) (式8)これ
は式4と同じである。H-2Fjan(FOV/2) (Equation 8) This is the same as Equation 4.
画像源寸法が変化され、一方動作F番号F/#および視
界FOVを一定に維持した場合、動作焦点長は式8によ
って定められる。動作直径りは動作F番号F/#によっ
て定められる。LLは式7により定められる。したがっ
て、システム長であるff1(x+B)に対して式6を
解くことができる。If the image source dimensions are varied while keeping the operating F number F/# and field of view FOV constant, the operating focal length is defined by Equation 8. The operating diameter is determined by the operating F number F/#. LL is determined by Equation 7. Therefore, equation 6 can be solved for the system length ff1(x+B).
単一および二重レンズ系の差の例として、単一および二
重レンズ系に対する光学ノくラメータは以下のシステム
制限に対して計算される。As an example of the difference between single and double lens systems, the optical parameters for single and double lens systems are calculated for the following system constraints:
R→−
−24
Y −2,5
FOV−3゜
合理的な特性のために、動作F番号F/#は2゜Oより
小さくなければならない。R→--24 Y-2,5 FOV-3° For reasonable characteristics, the operating F number F/# must be less than 2°O.
単レンズ系に対して式2を使用すると、動作直径は、7
.514インチの黒点長(F/#−F/Dから)を要求
する3、75フインチでなければならず、単レンズ系に
関してシステム長は動作焦点長に等しいため、これはシ
ステム長でもある。式4から画像源寸法は0.394イ
ンチでなければならない。Using equation 2 for a single lens system, the working diameter is 7
.. It must be 3,75 inches which requires a sunspot length (from F/#-F/D) of 514 inches, which is also the system length since for a single lens system the system length is equal to the working focal length. From Equation 4, the image source size must be 0.394 inches.
以下、画像源として寸法が1インチであるアナログゲー
ジパッケージの使用を考える。式4および3@のFOV
から、焦点長は19.094インチに増加しなければな
らない。これはシステム長における150%の増加であ
る。動作直径は3.75フインチであり、5.082の
F/#を提供する。In the following, we consider the use of an analog gauge package with dimensions of 1 inch as an image source. FOV of equations 4 and 3@
, the focal length must increase to 19.094 inches. This is a 150% increase in system length. The working diameter is 3.75 finches, providing an F/# of 5.082.
19.094インチのシステム長が許容されることがで
きない場合、FOVは焦点長を減少するために゛変化さ
れることができる。式2において焦点長FにCD )(
F / # )を代入し、式2からのDを置換すること
により、動作F番号F/#およびFOVに画像源を関連
させることができる。If the system length of 19.094 inches cannot be tolerated, the FOV can be changed to reduce the focal length. In equation 2, the focal length F is CD )(
By substituting F/#) and replacing D from Equation 2, we can relate the image source to the motion F number F/# and FOV.
H= (2F/婁 tan(POV/2))[2L t
an(FOV/2)+Y](式9)
上記の二次方程式におけるFOVに対して解くと(この
例のために動作F番号F/#を2,0に固定した状態で
) 、5.803の値が得られる。式4にその値を代入
すると、9.865インチの動作焦点共および4.93
3インチの動作直径が結果的に得られる。システム長は
9.865 (0,394インチの小さい画像源寸法
に対して7.514インチの原より依然として大きい)
に減少されるているが、動作直径は3.75フインチか
ら4.933インチに増加する(31%大きい)。した
がって、新しいFOVでもシステムの全体的な寸法は増
加する。H= (2F/Lu tan (POV/2)) [2L t
an(FOV/2)+Y] (Equation 9) When solved for the FOV in the above quadratic equation (with the operation F number F/# fixed at 2,0 for this example), 5.803 The value of is obtained. Substituting that value into Equation 4 yields a working focal point of 9.865 inches and 4.93 inches.
A working diameter of 3 inches results. System length is 9.865 (still larger than the original of 7.514 inches for a small source size of 0.394 inches)
while the working diameter increases from 3.75 inches to 4.933 inches (31% larger). Therefore, even with a new FOV, the overall size of the system increases.
以下、1インチの画像源寸法に対する二重レンズ方法を
検討する。式8から、動作焦点共は3@のFOVに対し
て19.[194インチである。2つのレンズ間の距M
xを3インチに設定し、システム長を7.514インチ
に設定すると(特定されたアイリリーフ上1アイボツク
スYおよび視界FOVに対する可能な最短の単レンズ設
計)、バック焦点は4.514インチになる。式6から
、Llは12.42インチに等しい。各レンズの焦点長
は互いに関して変化するが、式5の1つの解によるとf
lが7.5B8インチであり、【2が−7,568イン
チである。Below, we consider the dual lens method for an image source size of 1 inch. From Equation 8, the working focal point is 19. [It is 194 inches. Distance M between two lenses
Setting x to 3 inches and system length to 7.514 inches (shortest possible single lens design for the specified eye relief above 1 eye box Y and field of view FOV), the back focal point is 4.514 inches. . From Equation 6, Ll is equal to 12.42 inches. Although the focal length of each lens varies with respect to each other, one solution to Equation 5 says that f
1 is 7.5B8 inches, and [2 is -7,568 inches.
flの寸法は3.757の単レンズ系の動作直径に等し
いため、flのF/#は2.014である。Since the dimension of fl is equal to the working diameter of a single lens system of 3.757, the F/# of fl is 2.014.
上記の比較により、距離、FOV等の光学明細を伴う特
定された画像源寸法に対して、二重レンズ系は小さい画
像源寸法を有する単レンズ系に匹敵す゛るシステム長を
提供することが理解されるべきである。二重レンズ系に
おける個々のレンズの動作F番号F/#はあまり速くな
いため、光学特性は最適化されるために2つのレンズが
存在するので単レンズ方法より良好であることが指摘さ
れる。From the above comparison, it can be seen that for a specified image source size with optical specifications such as distance, FOV, etc., a double lens system provides a system length comparable to a single lens system with a small image source size. Should. It is pointed out that the optical properties are better than the single lens method since there are two lenses to be optimized, since the operation F number F/# of the individual lenses in a double lens system is not very fast.
二重ミラー虚像表示装置システムの構造に関して、二重
レンズ系の上記の分析は第1のオーダー設計に達するよ
うに使用されることができ、それに続いて第1のオーダ
ー設計の球状ミラー変形に光学設計コンピュータプログ
ラムが使用される。Regarding the structure of the double-mirror virtual image display system, the above analysis of the double-lens system can be used to arrive at a first-order design, followed by an optical transformation into a spherical mirror deformation of the first-order design. A design computer program is used.
コンピュータプログラムにより、公称的な球面はアイボ
ックスにおいて観察されたときに歪みを最小にする所望
の基準に適合するように変形される。The computer program deforms the nominal spherical surface to meet the desired criteria of minimizing distortion when viewed in the eyebox.
アイボックスおよび虚像は2つのミラーの個々の軸に関
して軸を外されているため、非点収差面の式は目および
虚像を結ぶ軸とは無関係に調節されることができる。こ
れは設計工程において大きい許容性を提供し、光学収差
および歪みを良好に補正する。このような歪みは、最終
的な設計において問題になる垂直ディスパリティおよび
拡大率変化を生じさせ得る。Since the eyebox and virtual image are off-axis with respect to the respective axes of the two mirrors, the astigmatism surface equation can be adjusted independently of the axis joining the eye and virtual image. This provides greater latitude in the design process and better corrects optical aberrations and distortions. Such distortions can cause vertical disparity and magnification changes that are problematic in the final design.
第4A図、第4B図、第5A図および第5B図を参照し
て、表面が歪みを減少するように非点収の実施例を示す
。これらの図面に示されたミラーよび第4B図に示され
た座標系に関して以下の而の式を満足する。4A, 4B, 5A and 5B, embodiments of astigmatism are shown to reduce surface distortion. Regarding the mirrors shown in these drawings and the coordinate system shown in FIG. 4B, the following equations are satisfied.
ここで、 およびF (X。here, and F (X.
Y) は以下の通りで ある。Y) is as follows be.
−0,652462x 10−6 ア(x2+Y2)2 また、 (X。-0,652462x 10-6 A(x2+Y2)2 Also, (X.
Y) は、 (X。Y) teeth, (X.
Y) −R+ (R2 + X 2 + Y 2 ) ・ンプル点 (インチ) に対するデータを示す。Y) -R+ (R2 + X 2 + Y 2 ) ・Sample point (inch) Show the data for.
負ミラー面サンプル点 −0,057928 −0,025244 −0,028365 −()、097131 −0.072639 座標系に関して以下の面の式を満足する。Negative mirror surface sample point -0,057928 -0,025244 -0,028365 -(), 097131 -0.072639 Regarding the coordinate system, the following surface equation is satisfied.
ここで、C およびF (X。Here, C and F (X.
Y) は以下の通りで ある。Y) is as follows be.
F(X、Y)。F(X, Y).
また、 (X。Also, (X.
Y) は、 (X。Y) teeth, (X.
Y) R− (R2 X 2 2 ) ンブル点 (インチ) に対するデータを示す。Y) R- (R2 X 2 2 ) point (inch) Show the data for.
−0,041533
−0,029191
−0,0290E19
−0.073142
−0.068383
上記のミラー面は、以下のパラメータを有する表示装置
システムにおいて使用されることができる。-0,041533 -0,029191 -0,0290E19 -0.073142 -0.068383 The mirror surface described above can be used in a display system with the following parameters.
距111R:1110インチ
アイリリーフL:24インチ
バック焦点B : 5.フインチ
システム長229インチ
画像源寸法: 1.25X 5インチ
虚像寸法=80インチの距離で4”XlB’上記の非点
収差素子の光軸OAI 、OA2は各む表示装置システ
ムの中心軸CAはこのような座標系の原点を通過し、こ
のような原点は光軸点PL、P2に対応することを理解
すべきである。Distance 111R: 1110 inches Eye relief L: 24 inches Back focal point B: 5. Finch System Length 229 inches Image Source Dimensions: 1.25X 5 inches Virtual Image Size = 4" It should be understood that such a coordinate system passes through the origin, and such an origin corresponds to the optical axis point PL, P2.
第6図を参照すると、本発明による“軸外れ”の使用を
表した簡単な軸外れレンズ系が示されている。対象の中
心と画像の中心を結ぶ中心軸CAはレンズの光軸OAと
一致せず、したがって中心軸は対象および画像のように
“軸外れ”である。Referring to FIG. 6, a simple off-axis lens system is shown illustrating the use of "off-axis" according to the present invention. The central axis CA connecting the center of the object and the center of the image does not coincide with the optical axis OA of the lens, so the central axis is "off-axis" like the object and the image.
本発明において、軸外れ構造は最初に適切な非点収差面
を形成するために上述のように後に歪められる球状素子
の光軸に関して設定される。In the present invention, an off-axis structure is first set with respect to the optical axis of the spherical element which is subsequently distorted as described above to form a suitable astigmatic surface.
第7図を参照すると、光学素子の光軸に関して軸外に位
置される光学素子の一部を使用する既知の軸上システム
を表した簡単なレンズ系が示されており、このような光
軸は光学素子の基本半径により限定されている。光学素
子の軸外れ部分は使用されるが、対象の中心と画像の中
心を結ぶ中心軸は光軸OAに一致し、したがって対象お
よび画像のように“軸上”である(すなわち、対象およ
び画像は光軸上にある)。Referring to FIG. 7, a simple lens system is shown representing a known on-axis system using a portion of the optical element that is positioned off-axis with respect to the optical axis of the optical element; is limited by the fundamental radius of the optical element. Although the off-axis portion of the optical element is used, the central axis connecting the center of the object and the center of the image coincides with the optical axis OA and is therefore "on-axis" as the object and the image (i.e., the center of the object and the image is on the optical axis).
上記は主に電子・機械アナログゲージを含む画像源の内
容に関するものであるが、開示された二ffiミラー虚
像表示装置システムは単一のミラーシステムで使用され
るものより大きいVFDおよびLCDソースと共に使用
されることが可能であり、これはグラフィックスの緻密
化を可能にすることを理解すべきである。Although the above is primarily concerned with the content of image sources including electronic and mechanical analog gauges, the disclosed two-ffi mirror virtual image display system can be used with VFD and LCD sources larger than those used in a single mirror system. It should be understood that this allows for densification of the graphics.
上記において、複数のアナログ電子・機械ゲージを含み
、例えば約4乃至12フィートの距離の比較的大きい蜆
察距離および比較的大きい視界を提供することができる
コンパクトな虚像表示装置システムが開示されている。In the above, a compact virtual image display system is disclosed that includes a plurality of analog electronic and mechanical gauges and can provide a relatively large viewing distance and a relatively large field of view, e.g., from about 4 to 12 feet. .
上記において本発明の特定の実施例が説明され図示され
ているが、当業者は特許請求の範囲によって限定されて
いるような発明の技術的距離を逸脱することなく種々の
修正および変更を行うことができる。Although specific embodiments of the invention have been described and illustrated above, those skilled in the art will appreciate that various modifications and changes can be made without departing from the scope of the invention as defined by the claims. I can do it.
第1図は、虚像表示装置の概略的な断面図である。
第2図は、第1図の虚像表示装置を理解′するのに役立
つ単レンズ表示装置システムの正面図である。
第3図は第1図の虚像表示装置の折返されない変形であ
り、第1図の虚像表示装置を理解するのに役立つ二重レ
ンズ表示装置システムの上部図である。
第4A図および第4B図は、第1図の虚像表示装置の負
パワーミラーの実施例の側面および正面図である。
第5A図および第5B図は、第1図の虚像表示装置の正
パワーミラーの実施例の側面および正面図である。
第6図は、本発明の虚像表示装置の軸外れ構造を理解す
るのに役立つ軸外れレンズ系を示す概略図である。
第7図は、光学素子の軸外れ部分を使用する既知の軸外
れシステムを理解するのに役立つレンズの軸外れ部分を
使用した軸上レンズ系の概略図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a virtual image display device. FIG. 2 is a front view of a single lens display system that is helpful in understanding the virtual image display of FIG. FIG. 3 is a non-folded version of the virtual image display of FIG. 1 and is a top view of a dual lens display system that is helpful in understanding the virtual image display of FIG. 4A and 4B are side and front views of an embodiment of the negative power mirror of the virtual image display of FIG. 1; FIG. 5A and 5B are side and front views of an embodiment of the positive power mirror of the virtual image display of FIG. 1; FIG. FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an off-axis lens system useful in understanding the off-axis structure of the virtual image display of the present invention. FIG. 7 is a schematic illustration of an on-axis lens system using an off-axis portion of a lens that is helpful in understanding known off-axis systems that use an off-axis portion of an optical element.
Claims (10)
ワー非点収差軸外れ光学手段と、 画像照明が画像源から車両オペレータの目まで進む光路
長より大きい観察距離で車両のオペレータにより観察さ
れる前記画像源の虚像を生成する集束した画像照明を提
供する前記発散した画像照明に応答する正パワー非球面
軸外れ光学手段とを具備し、 油記非球面光学手段が軸を外れており、それによって画
像源および虚像が非球面素子の光軸上に位置せず、軸外
れ構造によって生成された歪みを含んでいる歪みを減少
するように非球面的に歪ませられている自動車用の虚像
表示装置。(1) an image source that provides image illumination; a negative power astigmatic off-axis optical means responsive to the image source image illumination that provides divergent image illumination; and an optical path length that the image illumination follows from the image source to the vehicle operator's eye. positive power aspherical off-axis optical means responsive to said divergent image illumination to provide a focused image illumination that produces a virtual image of said image source viewed by a vehicle operator at a greater viewing distance; The aspherical optical means is off-axis, so that the image source and the virtual image are not located on the optical axis of the aspherical element, and the aspherical optical means is off-axis so as to reduce distortions, including distortions produced by off-axis structures. A virtual image display device for cars that is visually distorted.
ジを含む請求項1記載の虚像表示装置。2. The virtual image display system of claim 1, wherein said image source means includes a plurality of electronic and mechanical vehicle instrument gauges.
項1記載の虚像表示装置。(3) The virtual image display device according to claim 1, wherein the virtual image is an enlarged image of the image source means.
求項1記載の虚像表示装置。4. The virtual image display of claim 1, wherein the viewing distance is approximately 4 to 12 feet.
ミラーを具備している請求項1記載の虚像表示装置。(5) The virtual image display device according to claim 1, wherein the negative power optical means comprises a negative mirror having a convex reflective surface.
ミラーを具備している請求項5記載の虚像表示装置。(6) The virtual image display device according to claim 5, wherein the positive power optical means comprises a positive mirror having a concave reflective surface.
ワー非球面軸外れミラーと、 画像照明が画像源から車両オペレータの目まで進む光路
長より大きい観察距離で車両のオペレータにより観察さ
れる前記画像源の虚像を生成する集束した画像照明を提
供する前記発散した画像照明に応答する正パワー非球面
軸外れミラーとを具備し、 前記非球面ミラーが軸を外れており、それによって画像
源および虚像が非点収差素子の光軸上に位置せず、軸外
れ構造によって生成された歪みを含んでいる歪みを減少
するように非球面的に歪ませられている自動車用の虚像
表示装置。(7) an image source providing image illumination; and a negative power aspheric off-axis mirror responsive to the image source image illumination providing divergent image illumination, the image illumination being greater than the optical path length traveled from the image source to the vehicle operator's eye. a positive power aspherical off-axis mirror responsive to the divergent image illumination to provide a focused image illumination that produces a virtual image of the image source observed by a vehicle operator at a viewing distance, the aspherical mirror comprising: off-axis, whereby the image source and virtual image are not located on the optical axis of the astigmatism element and are aspherically distorted to reduce distortion, including distortion produced by off-axis structures. A virtual image display device for automobiles.
ジを含む請求項7記載の虚像表示装置。8. The virtual image display system of claim 7, wherein said image source means includes a plurality of electronic and mechanical vehicle instrument gauges.
項7記載の虚像表示装置。(9) The virtual image display device according to claim 7, wherein the virtual image is an enlarged image of the image source means.
請求項7記載の虚像表示装置。10. The virtual image display device of claim 7, wherein the viewing distance is approximately 4 to 12 feet.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
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Family
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Family Applications (1)
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