JP7090127B2 - 光学系及びヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学系及びヘッドアップディスプレイ装置に関する。

自動車や航空機などの移動体が備える風防（ウインドシールド）に画像を投影し、その投影画像をウインドシールド越しに虚像として観察できるようにするヘッドアップディスプレイ装置が知られている。

例えば特許文献１には、従来のヘッドアップディスプレイ装置として、「透過型の液晶表示パネルの背後から光を照射して、液晶表示パネルに表示される画像を拡大投影する投影光学系を備える（要約抜粋）」装置が開示されている。

また特許文献２には、「表示デバイスから観察者の光路の順に、第１ミラーと第２ミラーを有し、（前記観察者の視点領域に導いて虚像を表示させる、）条件式θｘ＞θｙ（θｘ：第１ミラーにおける画像長軸方向の入射角、θｙ：第１ミラーにおける画像短軸方向の入射角）、０．２＜Ｄ１／Ｌｈ＜０．９（Ｄ１：表示デバイスの画像表示面と第１ミラーとの間隔（視点領域の中心の光路長）、Ｌｈ：観察者によって視認される虚像の水平方向の幅）を満たす、表示装置（要約抜粋）」が開示されている。

更に特許文献３には、「フロントガラスと表示デバイスとの間に設けられ、投影エリアの非平面性に起因してアイポイントから視認される画像に生じる歪みを相殺するように、フロントガラスに投影する画像を透過して補正する補正部材（要約抜粋）」を備えた車両用表示装置が開示されている。

更に非特許文献１には、凹面ミラーで生じる歪曲を補正するため、スクリーンの傾けと、フィールドレンズとしての凸レンズを配置した構成を含むヘッドアップディスプレイ装置が開示されている。

特開２００９－２２９５５２号公報 米国特許出願公開第２０１６／１９５７１９号明細書 米国特許出願公開第２００２／０８４９５０号明細書

ＰＩＯＮＥＥＲ Ｒ＆Ｄ（Ｖｏｌ．２２、２０１３）

特許文献２に開示されたヘッドアップディスプレイ装置では、表示デバイスと第１ミラー（回転非対称ミラー）を水平方向にずらす配置により、薄型なヘッドアップディスプレイ装置を提供している。しかしながら、特許文献２の実施例１では、虚像サイズが１４０×７０ｍｍと横長であり、垂直方向サイズの２倍の光束サイズを有する水平方向で光束を折り曲げた構成となる。従って、折り曲げミラーが大きくなり、薄型なヘッドアップディスプレイ装置であっても、ヘッドアップディスプレイ装置の容積の小型化は難しい。

特許文献３に開示されたヘッドアップディスプレイ装置例では、ウインドシールドの投影エリアの非平面性に起因する歪曲の補正について開示しているが、非特許文献１で開示している凹面ミラーによって生じる歪曲に関して考慮されていない。その非特許文献１についても、凹面ミラーで生じる歪曲を補正するために、スクリーンの傾けと、フィールドレンズとしての凸レンズを配置している訳だが、特許文献１に開示の液晶表示パネルでのテレセントリック性についての性能を満足していない。このように、投影光学系及びヘッドアップディスプレイ装置については、必要な性能を確保しつつ装置の小型化を図るための更なる改善の余地があるのが実情である。

本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、必要な性能を確保しつつ光学系の光学構成の最小化を図り、小型のヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明は請求の範囲に記載の構成を備える。本発明の一態様として、光学系から出射された映像光をウインドシールドで反射させ、反射された光を観察者の眼に入射させることで、前記観察者の眼から見ると、虚像面において画像情報を見ているかのように虚像を表示するための光学系であって、前記光学系は、映像生成部からの光束を入射し、前記映像生成部が生成した映像を拡大した虚像を表示するための光学系であり、前記光学系は、前記映像生成部から順に光路に配置された凹レンズ、自由曲面レンズ、及び自由曲面凹面ミラーを含んでおり、前記映像生成部における光束の出射面と、前記凹レンズにおける前記映像生成部に対向する対向面との第１の面間距離は、前記凹レンズにおける光束が入射する前記対向面と、前記凹レンズから光束が出射する出射面との第２の面間距離よりも短く、前記凹レンズは、前記第２の面間距離よりも前記映像生成部に近づけて配置され、前記凹レンズは、前記凹レンズにおける光束の入射面が前記映像生成部における光束の出射面と略平行となるように配置される、ことを特徴とする。

本発明によれば、必要な性能を確保しつつ光学系の光学構成の最小化を図り、小型のヘッドアップディスプレイ装置を提供することができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第１実施形態の接眼光学系の全体光線図（ＹＺ平面） 第１実施形態の接眼光学系の全体光線図（ＸＺ平面） 第１実施形態の接眼光学系の要部拡大図 第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置のレンズデータを示す図 第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の自由曲面係数の図 第１実施形態におけるアイボックスの中央から見た歪性能を表す図 第１実施形態におけるアイボックスの右上から見た歪性能を表す図 第１実施形態におけるアイボックスの左上から見た歪性能を表す図 第１実施形態におけるアイボックスの左下から見た歪性能を表す図 第１実施形態におけるアイボックスの右下から見た歪性能を表す図 虚像面に物点を配置した場合の液晶表示パネル上でのスポット図 各画角位置での主光線Ｒａｙ１と仮想光線Ｒａｙ０の角度ずれ図 主光線Ｒａｙ１と仮想光線Ｒａｙ０の角度θを示す図 第２実施形態の接眼光学系の全体光線図（ＹＺ平面） 第２実施形態の接眼光学系の全体光線図（ＸＺ平面） 第２実施形態の接眼光学系の要部拡大図 第２実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置のレンズデータを示す図 第２実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の自由曲面係数の図 第２実施形態におけるアイボックスの中央から見た歪性能を表す図 第２実施形態におけるアイボックスの右上から見た歪性能を表す図 第２実施形態におけるアイボックスの左上から見た歪性能を表す図 第２実施形態におけるアイボックスの左下から見た歪性能を表す図 第２実施形態におけるアイボックスの右下から見た歪性能を表す図 第２実施形態のヘッドアップディスプレイ装置のスポット図 各画角位置での主光線と液晶表示パネルの法線との角度ずれ図 主光線と液晶表示パネルの法線との角度θを示す図 ウインドシールドから光束の集光位置（射出瞳位置）までの光線をＹＺ断面に投影した光線図 自由曲面凹面ミラーから光束の集光位置（射出瞳位置）までの光線をＸＺ断面に投影した光線図 絞りを凸レンズ（自由曲面凹面ミラーに相当）の焦点距離以上に凸レンズから離して配置した場合の光線追跡図 集光位置を表示するために、像面の先まで表示した光線追跡図 テレセントリック性と歪を補正するための基本構成を用いた場合の光線追跡図 ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図 第３実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が備える画像形成ユニットの概略構成図 第４実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が備える画像形成ユニットの概略構成図 画像形成ユニットの機能ブロック図 移動体である自動車を前方から見た平面図

以下、図面等を用いて、本発明の一実施形態及び各種実施例について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。以下、全実施形態に共通する事項について説明し、続いて各実施形態の特徴について説明する。

図１７を用いて、ヘッドアップディスプレイ装置３０の基本構成について説明する。図１７はヘッドアップディスプレイ装置３０の概略構成図である。

図１７に示すヘッドアップディスプレイ装置３０は、画像形成ユニット１０及び接眼光学系５を含む投影光学系２０から出射された映像光を、自動車のウインドシールド６で反射させて観察者の眼９に入射させる構成を備える。この構成により、観察者の眼９から見ると、虚像面７において画像情報を見ているかのような状態になる。画像形成ユニット１０で射出された映像光が接眼光学系５を通りウインドシールド６で反射される方向が、映像光の射出方向に相当する。

まず、図２０を参照して画像形成ユニット１０について説明する。図２０は、画像形成ユニットの機能ブロック図である。図２０に示すように、画像形成ユニット１０は、液晶表示パネル２と、バックライト１と、これらの動作を制御するコントローラー２００と、を備えている。画像形成ユニット１０は、バックライト１から液晶表示パネル２に光を照射し、液晶表示パネル２に表示された画像情報（映像情報）を接眼光学系５に向けて出射する。

コントローラー２００は、制御装置２０１を備えている。この制御装置２０１には、種々の情報が外部装置から入力される。例えば、外部装置として、ヘッドアップディスプレイ装置３０を搭載した移動体の動作に関する情報を生成して出力するナビゲーション装置であるナビ２０８や、移動体の動作を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０９が制御装置２０１に接続されている。ＥＣＵ２０９には移動体が備える各種のセンサ２１０が接続されていて、検知した情報をＥＣＵ２０９に通知するように構成されている。

コントローラー２００は、上記にて説明をした外部装置からの各種データを処理する制御装置２０１と、バックライト１を駆動するためのバックライト駆動回路２０７と、を備えている。

制御装置２０１は、マイコン２０２及びこれに接続された記憶装置２０６を含む。

マイコン２０２は、外部装置からの各種データを記憶するためのＲＡＭ（Random Access Memory）２０３と、観察者が視認する虚像の元になる画像データを生成する演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）２０５と、ＣＰＵ２０５における演算処理を実行可能なプログラムやパラメータを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）２０４と、を備えている。

以上の構成を備えるコントローラー２００によって画像形成ユニット１０が備える液晶表示パネル２に画像情報が表示される。画像形成ユニット１０は、液晶表示パネル２に表示された画像情報をバックライト１が照射した光束によって映像光束として出射する。

図１７に戻る。画像形成ユニット１０において形成され出射された映像光束は、接眼光学系５によって、ウインドシールド６に投影される。ウインドシールド６に投影された映像光束は、ウインドシールド６で反射されて、観察者の眼９の位置に到達する。これによって、観察者の眼９から見ると、あたかも、虚像面７の画像情報を見ているような関係性が成立する。

図１７のように、液晶表示パネル２における映像光束の出射面において、点Ｑ１・点Ｑ２・点Ｑ３という仮想点を考える。これら仮想点から出射された映像光束が対応する虚像面７における仮想点を考えると、図１７に示すように点Ｖ１・点Ｖ２・点Ｖ３が、それに当たる。観察者が眼９の位置を動かしても虚像面７における点Ｖ１・点Ｖ２・点Ｖ３を視認できる範囲が、アイボックス８である。

図１７は、ヘッドアップディスプレイ装置３０を側面視で図示しているが、実際のヘッドアップディスプレイ装置３０の構成は立体的であるから、アイボックス８は二次元的な広がりを有している。このように、接眼光学系５は、カメラのファインダーの接眼レンズや、顕微鏡での接眼レンズと同様に、物（空間像）の像（虚像）を観察者の眼の前に表示する光学系である。

ここで、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置３０を移動体に搭載した場合の例について図２１を用いて説明する。図２１は、移動体である自動車５００を前方から見た平面図である。図２１に示すような自動車５００には、風防としてフロントガラスであるウインドシールド６が、運転席の前方に配置されている。

ヘッドアップディスプレイ装置３０は、ウインドシールド６に映像光束を投影することで、自動車５００の動作に係る各種情報を運転席にいる観察者が虚像として視認できる状態にする。映像光束が投影される位置は、運転席の前方やその周囲である。例えば破線矩形領域Ｒ１に示すような位置に映像光束が投影される。

図１５と図１６を用いて、ヘッドアップディスプレイ装置３０の接眼光学系５に求められる瞳位置の条件について説明する。

図１５では接眼光学系５を、必要最小限な構成であるウインドシールド６と自由曲面凹面ミラー５４（自由曲面凹面ミラーは凸レンズに相当する）で構成した場合の縮小光学系で表示した光線図である。実際には図２０に示すようにヘッドアップディスプレイ装置３０内に液晶表示パネル２を配置するが、図１５Ａ、図１５Ｂの各図は、虚像面側を物体とした縮小光学系での射出瞳位置１０１の説明の便宜のため液晶表示パネルの図示を省略し、瞳径を0.001mmとし、ウインドシールド６及び自由曲面凹面ミラー５４のみの構成とした状態での主光線のみの光線の状態を図示している。

図１５Ａ、図１５Ｂの座標系は、アイボックス８の水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸、ＸＹ平面に垂直な方向をＺ軸で定義している。

図１５Ａはウインドシールド６から光束の集光位置１０１（射出瞳位置）までの光線をＹＺ断面に投影した光線図であり、図１５Ｂは自由曲面凹面ミラー５４から光束の集光位置１０１（射出瞳位置）までの光線をＸＺ断面に投影した光線図である。

ヘッドアップディスプレイ装置３０の小型化のためには、ウインドシールド６から自由曲面凹面ミラー５４への光路を避けた場所で、なるべく自由曲面凹面ミラー５４に近い場所に、液晶表示パネルを配置することが望ましい。従って、図１５Ａ、図１５Ｂの虚像面を物体とした縮小光学系では、液晶表示パネルを通り過ぎた先に、接眼光学系５の射出瞳が位置することになる。

ところで、通常の液晶表示パネル２とバックライト１の組合せでは、液晶表示パネルの入出射側でテレセントリックとしている。

ここで図１５Ａ、図１５Ｂの液晶表示パネル側でのこのテレセントリック（射出瞳距離が無限大）を満足するためには、液晶表示パネルの直前にフィールドレンズとして、負の屈折力（＝パワー）である凹レンズを配置する必要がある。

このフィールドレンズの作用と自由曲面レンズの作用について、図１６Ａ～図１６Ｃを用いて説明する。図１６Ａは、絞りを凸レンズ（自由曲面凹面ミラーに相当）の焦点距離以上に凸レンズから離して配置した場合の光線追跡図である。絞り１０２を凸レンズ１０３（自由曲面凹面ミラー５４に相当）の焦点距離以上に凸レンズ１０３から離して配置しており、絞り１０２の中心を通過する主光線は、凸レンズ１０３で大きな屈折力を受け、像面１０４へは主光線が収束して入射する。同時に、凸レンズ１０３で発生する収差により、像面１０４での近軸光線の高さＨ_０より、実光線の光線高さＨの方が小さくなるので、像面１０４では樽型の歪が生じる。

図１６Ｂは、集光位置１０１を表示するために、像面１０４の先まで表示した光線追跡図であり、テレセントリック性が劣化していることが確認できる。

図１６Ｃは、テレセントリック性と歪を補正するための基本構成を用いた場合の光線追跡図である。図１６Ｂの像面１０４と集光位置１０１の距離に相当する焦点距離を有する凹レンズ５１を像面１０４の直前に配置することで主にテレセントリック性の改善を実現し、且つ、その手間に配置した自由曲面レンズ５２で、像面１０４での実光線の光線高さＨを近軸光線の光線高さＨ_０に近づけることで主に歪を補正している。

ここで、自由曲面レンズ５２自体に負の屈折力を持たせることで、凹レンズ５１を省略することは可能であるが、自由曲面レンズ５２のレンズ面の面勾配が大きくなる。従って、自由曲面レンズ５２と凹レンズ５１に分けることで、自由曲面レンズ５２の生産性が向上し、且つ、自由曲面レンズ５２の位置と凹レンズ５１の位置との違い、即ち、光線高さの違いが、即ち自由度がテレセントリック性と歪の補正に有効である。

詳細な定義式は後で説明するが、自由曲面レンズ５２はＸＹ多項式を含むため、左右非対称・上下非対称なレンズ作用を持たせることが可能であり、ウインドシールド６で発生する左右非対称、且つ、上下非対称な歪性能の補正にも有効である。

また、凹レンズ５１は液晶表示パネル２（図２０参照）の光照射面に対向させて、光照射面との間隔をできるだけ小さくして（間隔が０の場合は光照射面に接する）配置することが望ましい。そこで凹レンズ５１において、液晶表示パネルの光照射面に対向する面（以下「対向面」という）を平面状に形成する。これにより、凹レンズ５１の対向面が凹面に形成させる場合と比較して、対向面全面を液晶表示パネルにより近づけて配置しやすくなる。その際、凹レンズ５１は液晶表示パネル２に保持部材２５（図９参照）を介して取り付けることにより、更に凹レンズ５１を液晶表示パネル２に近づけて配置させやすくなる。

なお、凹レンズ５１の対向面が凹面に形成された場合、凹面の端部は凹面の中央部と比較して液晶表示パネル２により近づくので、凹レンズ５１自体を液晶表示パネル２から離して配置する必要が生じる。さらに、液晶表示パネル２での映像光の有効サイズよりも、液晶表示パネル２での画素の表示可能範囲が大きく、その外側にも構造物が存在するので、それらを含めて、凹レンズ５１との構造干渉を回避するために、凹レンズ５１を益々、液晶表示パネル２から離して配置する必要が生じてしまう。このことから、凹レンズ５１における液晶表示パネル２との対向面は、凹面よりも平面で形成することが望ましいと考えられる。

また、凹レンズ５１は、凹レンズ５１の焦点距離を、自由曲面凹面ミラー５４の焦点距離で割った値が、－０．６以上で－０．３以下を満たす光学特性を有することが望ましい。

縮小光学系で光線追跡を表示した図１５を用いて、条件の意味について説明する。自由曲面凹面ミラー５４の屈折力（＝焦点距離の逆数）が強いと、自由曲面凹面ミラー５４で反射した光束の集光位置が自由曲面凹面ミラー５４に近づく。逆に、自由曲面凹面ミラー５４の屈折力が弱いと、自由曲面凹面ミラー５４で反射した光束の集光位置が自由曲面凹面ミラー５４から離れる。そして、光束をテレセントリックな状態にするための凹レンズ５１は、自由曲面凹面ミラー５４の屈折力が強い場合には、凹レンズ５１の屈折力（負の値）も強くする必要がある。逆に、自由曲面凹面ミラー５４の屈折力が弱い場合には、凹レンズ５１の屈折力も弱くする必要がある。従って、焦点距離の比が－０．６よりも小さいと液晶表示パネル２での主光線が収束状態となり、焦点距離の比が－０．３より大きい液晶表示パネル２での主光線が発散状態になってしまう。

尚、焦点距離の逆数が屈折力であり、屈折力が強いとはその絶対値が大きいことを意味し、逆に、屈折力が弱いとはその絶対値が小さいことを意味する。

次に、小型なヘッドアップディスプレイ装置３０を実現できる自由曲面凹面ミラー５４と自由曲面レンズ５２と凹レンズ５１を用いた投影光学系の第１実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
第１実施形態は、図１７のヘッドアップディスプレイ装置３０のうち、接眼光学系５の構成に特徴がある。図１を参照して、投影光学系を構成するウインドシールド６と接眼光学系５について説明する。図１Ａは第１実施形態の接眼光学系５の全体光線図であり、アイボックス８の水平方向Ｘ軸と垂直方向Ｙ軸とＸＹ軸に直交するＺ軸で定義するＹＺ平面において虚像面７の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表す。また図１Ｂは第１実施形態の接眼光学系５の全体光線図であり、ＸＺ平面において虚像面７の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表している。

ＹＺ平面では右眼と左眼が重なっており（図１Ａの符号９参照）、ＸＺ平面では右眼と左眼が別々に見えている（図１Ｂの符号９参照）。図１Ａに示すように、虚像面７は視野方向に対して傾けて配置している。具体的には、視野の上方（Ｙ座標の正側）で虚像距離を大きくし、視野の下方（Ｙ座標の負側）で虚像距離を小さくした。ウインドシールド６は自動車の左右方向に対して対称な形状であるので、ヘッドアップディスプレイ装置３０での有効光束が通過するウインドシールド６の範囲を左右対称に表示した。

図２は第１実施形態の接眼光学系の要部拡大図である。図２に示すように、接眼光学系５は偏光板２１（液晶表示パネル２の構成部品）側から、凹レンズ５１と、自由曲面レンズ５２と、折返しミラー５３と、正の屈折力の自由曲面凹面ミラー５４と、ウインドシールド６とを並べて配置することにより構成されている。凹レンズ５１は、液晶表示パネル２の映像光の射出面２２に対向して配置される。接眼光学系５の屈折力は、主に自由曲面凹面ミラー５４が負担している。凹レンズ５１で主にテレセントリック性を実現し、且つ、自由曲面レンズ５２で主に歪を補正している。ウインドシールド６で反射した光束が自由曲面凹面ミラー５４に向かう光路の下に、折返しミラー５３が位置することで、さらに、その光路の下に自由曲面レンズ５２が位置することで、ヘッドアップディスプレイ装置３０の小型化を実現していることが分かる。

図３は第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置３０のレンズデータを示す図である。図３に示すレンズデータでは、曲率半径は曲率半径の中心位置が進行方向にある場合を正の符合で表し、面間距離は、各面の頂点位置から次の面の頂点位置までの光軸上の距離を表している。

図３に示すように、液晶表示パネル２における映像光の射出面２２（図３の１２面に相当する）から凹レンズ５１における液晶表示パネル２に対向する対向面５１ａ（図９参照、図３の１１面に相当）までの第１面間距離ｄ１（図９参照）は０．１２２であり、対向面から凹レンズ５１に入射した映像光が凹レンズ５１から射出する射出面５１ｂ（図９参照、図３の１０面に相当する）までの第２面間距離ｄ２（図９参照）は４．７００であるので、第１面間距離ｄ１は第２面間距離ｄ２よりも短い。即ち、凹レンズ５１は凹レンズ５１の厚みよりも液晶表示パネル２に近づけて配置される。第１面間距離ｄ１が小さいほど、即ち凹レンズ５１が液晶表示パネル２に近いほど好ましく、ｄ１＝０の場合は凹レンズ５１が液晶表示パネル２に接して配置されることとなる。

偏心はＸ軸方向・Ｙ軸方向・Ｚ軸方向それぞれの値であり、倒れはＸ軸回りの回転・Ｙ軸回りの回転・Ｚ軸回りの回転であり、偏心・倒れは、該当の面で偏心と倒れの順に作用し、「普通偏心」では、偏心・倒れが作用した新しい座標系上での面間距離の位置に次の面が配置される。デセンタ・アンド・リターンの偏心及び倒れは、その面でのみ作用し、次の面に影響しない。尚、Ｘ軸回りの回転はＸ軸の正方向から見て時計回りが正、Ｙ軸回りの回転はＹ軸の正方向から見て時計回りが正、Ｚ軸回りの回転はＺ軸の正方向から見て反時計回りが正である。

硝材名５０．３０は屈折率１．５０でアッベ数が３０の材料を、硝材名５２．６０は屈折率１．５２でアッベ数が６０の材料を表す。

第２面（ウインドシールド６）は、アナモフィック非球面であり、Ｙ方向の曲率半径９６８６ｍｍ（＝１／ｃｕｙ）とＸ方向の曲率半径５５３１ｍｍ（＝１／ｃｕｘ）を用いて、下式（１）により求められる。

・・・（１）

図４は、第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置３０の自由曲面係数の図である。図４の自由曲面係数は、下式（２）により求められる。

・・・（２）

自由曲面係数Ｃ_ｊは、それぞれの光軸（Ｚ軸）に対して回転非対称な形状であり、円錐項の成分とＸＹの多項式の項の成分で定義される形状である。例えば、Ｘが２次（ｍ＝２）でＹが３次（ｎ＝３）の場合は、ｊ＝｛(２＋３)^２＋２＋３×３｝／２＋１＝１９であるＣ_１９の係数が対応する。

また、自由曲面のそれぞれの光軸の位置は、図３のレンズデータでの偏心・倒れの量によって定まる。

以下に、第１実施形態の接眼光学系のアイボックスサイズや、視野角などの値を、水平方向、垂直方向の順に示す。
アイボックスサイズ １３０×４０ｍｍ
液晶表示パネルでの映像光の有効サイズ ６７．４×２９．０ｍｍ
視野角（全画角） １０×４度
伏角 ０．７度
虚像距離 １６．５ｍ（伏角方向）

凹レンズの焦点距離（－１４３ｍｍ）を自由曲面凹面ミラーの焦点距離（３５５ｍｍ）で割った値が、－０．４０である。

次に、第１実施形態の光学性能について図５Ａ～図５Ｅ、図６、図７Ａ及び図７Ｂを用いて説明する。

図５Ａ～図５Ｅの各図は、第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置３０の歪性能を表す図である。より詳しくは、図５Ａは、矩形状の虚像面７の範囲に対して、アイボックス８の中央を通過する光線による液晶表示パネル２側での歪図である。図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄ、図５Ｅはアイボックス８の右上隅、左上隅、左下隅、右下隅の各点を通過する光線による液晶表示パネル２側での歪図である。

仮に、液晶表示パネル２側に矩形状の画像を表示した状態で、アイボックス８内のそれぞれの位置に眼を位置した場合には、図５Ａ～図５Ｅと逆の歪（例：樽型⇔糸巻型）が観察される。図５Ａ～図５Ｅの歪図はほぼ同じ形状になっているので、例えば図５Ａ～図５Ｅの歪図に合わせた映像を液晶表示パネル２に表示すれば、観察者は歪の無い矩形状の虚像を観察できる。

図６は、第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置３０のスポット図である。図６は、虚像面に物点を配置した場合の液晶表示パネル２上でのスポット図であり、アイボックス８全体を通過する光束によるスポット図を、赤色（６５０ｎｍ）・緑色（５５０ｎｍ）・青色（４５０ｎｍ）で別々に表示した図である。このスポット図では、アイボックス８の大きさが水平１３０ｍｍ×垂直４０ｍｍの全光束でのスポット図であり、実際の観察者が見る虚像の場合は、人の眼の虹彩の大きさ（最大でφ７ｍｍといわれている）でのスポット図は、大幅に良くなっている。ここで、スポット図は、虚像を物面とした縮小光学系での、液晶表示パネル２の各位置でのスポット図を５倍に拡大強調した図である。

図７Ａは、各画角位置での主光線Ｒａｙ１と仮想光線Ｒａｙ０の角度ずれ図である。また図７Ｂは主光線Ｒａｙ１と仮想光線Ｒａｙ０の角度θを示す図である。図７Ｂに示すように、仮想光線Ｒａｙ０は、液晶表示パネル２の長辺に平行な回転軸を中心に、液晶表示パネル２の法線を１３度回転した直線である。即ち、液晶表示パネル２に対して、照明光学系を１３度傾けて配置することを意味する。図７Ａより、角度ずれの最大値が１．９度と小さいことが分かる。

従って、本実施形態によれば、自由曲面凹面ミラーと自由曲面レンズと凹レンズを用いた投影光学系により、小型化なヘッドアップディスプレイ装置３０を提供できる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態は、接眼光学系５の構成が第１実施形態とは異なる点に特徴がある。第２実施形態では小型の液晶表示パネル２と組合せ、折返しミラー５３を削除し、ヘッドアップディスプレイ装置３０の小型化を優先した実施形態である。

図８Ａは第２実施形態の接眼光学系５の全体光線図であり、アイボックス８の水平方向Ｘ軸と垂直方向Ｙ軸とＸＹ軸に直交するＺ軸で定義するＹＺ平面において虚像面７の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表す。図８Ｂは、ＸＺ平面において虚像面７の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表す。図９は第２実施形態の接眼光学系の要部拡大図である。

図８Ａ、図８Ｂ、図９に示すように、接眼光学系５は偏光板２１（液晶表示パネル２の構成部品）側から、凹レンズ５１と、自由曲面レンズ５２と、正の屈折力の自由曲面凹面ミラー５４とが配置され、それに次いでウインドシールドが並べて配置される。

図１０は第２実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置３０のレンズデータを示す図である。図１１は、第２実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置３０の自由曲面係数の図である。

以下に、第２実施形態の接眼光学系のアイボックスサイズや、視野角などの値を、水平方向、垂直方向の順に示す。
アイボックスサイズ １３０×４０ｍｍ
液晶表示パネルでの映像光の有効サイズ ３９．５×２０．４ｍｍ
虚像サイズ ２４０×９０ｍｍ
視野角（全画角） ６．９×２．６度
伏角 ５．１度
虚像距離 ２．１ｍ

凹レンズの焦点距離（－９０ｍｍ）を自由曲面凹面ミラーの焦点距離（１８８ｍｍ）で割った値が、－０．４８である。

次に、第２実施形態の光学性能について図１２Ａ～図１２Ｅ、図１３、図１４Ａ、図１４Ｂを用いて説明する。図１２Ａ～図１２Ｅは、第２実施形態のヘッドアップディスプレイ装置３０の歪性能を表す図である。より詳しくは、図１２Ａは、矩形状の虚像面７の範囲に対して、アイボックス８の中央を通過する光線による液晶表示パネル２側での歪図である。図１２Ｂ、図１２Ｃ、図１２Ｄ、図１２Ｅはアイボックス８の右上隅、左上隅、左下隅、右下隅の各点を通過する光線による液晶表示パネル２側での歪図である。図１３は、第２実施形態のヘッドアップディスプレイ装置３０のスポット図である。図１４Ａは、各画角位置での主光線と液晶表示パネル２の法線との角度ずれ図である。図１４Ｂは主光線と液晶表示パネル２の法線との角度θを示す図である。図１４Ａより、主光線と液晶表示パネル２の法線との角度ずれの最大値が２．８度と小さいことが分かる。

従って、本実施形態によれば、自由曲面凹面ミラーと自由曲面レンズと凹レンズを用いた投影光学系により、小型化なヘッドアップディスプレイ装置３０を提供できる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態は、画像形成ユニット１０の構成が第１実施形態や第２実施形態とは異なる点に特徴がある。図１８を参照して、第３実施形態について説明する。図１８は、第３実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が備える画像形成ユニットの概略構成図である。

第１実施形態では液晶表示パネル２の映像情報を、直接、接眼光学系５で拡大し、虚像として表示しているが、この画像形成ユニット１０の構成に代えて、より小型の液晶表示パネル２を用いて、その映像情報をライトバルブの像を形成するリレー光学系３でスクリーン板（拡散板）上に拡大写像し、その映像情報を接眼光学系で拡大し、虚像として表示している。

より詳しくは、バックライト１から液晶表示パネル２に照射された光束は、液晶表示パネル２に表示された映像情報を含んだ映像光束として、リレー光学系３に入射する。像光はスクリーン板４の射出面４０１から接眼光学系５に向かって射出される。リレー光学系３での結像作用により、液晶表示パネル２上の映像情報は拡大されスクリーン板（拡散板）４上に拡大投写される。液晶表示パネル２上の点Ｐ１・Ｐ２・Ｐ３が、それぞれスクリーン板（拡散板）４の点Ｑ１・Ｑ２・Ｑ３に対応する。リレー光学系３を用いることで、表示サイズの小さい液晶表示パネルを使用することができる。バックライト１、液晶表示パネル２、リレー光学系３、及びスクリーン板（拡散板）４は、スクリーン板（拡散板）４上に画像情報（映像情報）を形成するので、これらを総称して画像形成ユニット１０という。

また、スクリーン板（拡散板）４は、マイクロレンズを２次元状に配置したマイクロレンズアレイにより構成される。これにより拡散作用が生じ、スクリーン板４を出射する光束の広がり角を大きくしており、アイボックス８の大きさを、所定の大きさにしている。尚、スクリーン板（拡散板）４の拡散作用は、拡散粒子を内蔵することでも実現できる。

＜第４実施形態＞
第４実施形態は、画像形成ユニット１０の構成が第１実施形態や第２実施形態とは異なる点に特徴がある。図１９を参照して、第４実施形態について説明する。図１９は、第４実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が備える画像形成ユニットの概略構成図である。

第１実施形態では液晶表示パネル２の映像情報を、拡散機能を有するスクリーン板４に写像しているが、この画像形成ユニット１０の構成に代えて、レーザー光源３０１と、レーザー光源３０１から射出されるレーザー光を操作する光走査部３０２とを含む微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）を用いて構成してもよい。光走査部３０２は反射面３０２ａ及び反射面回転駆動部３０２ｂを含む。ＭＥＭＳは、レーザーを光走査することで、拡散機能を有するスクリーン板４に光走査像を形成する。映像光はスクリーン板４の射出面４０１から接眼光学系５に向かって射出される。第４実施形態の画像形成ユニットは、このＭＥＭＳで光線角度を振ることで光走査する位置を、射出瞳位置に合わせて配置する。ＭＥＭＳの回転中心位置は、接眼光学系５側で想定した位置に合わせて構成される。

１…バックライト、２…液晶表示パネル、３…リレー光学系、４…スクリーン板（拡散板）、５…接眼光学系、６…ウインドシールド、７…虚像面、８…アイボックス、９…観察者の眼、１０…画像形成ユニット、２０…投影光学系、３０…ヘッドアップディスプレイ装置、５１…凹レンズ、５２…自由曲面レンズ、５３…折返しミラー、５４…自由曲面凹面ミラー、１０１…集光位置、１０２…絞り、１０３…凸レンズ、１０４…像面

Claims (12)

1. 光学系から出射された映像光をウインドシールドで反射させ、反射された光を観察者の眼に入射させることで、前記観察者の眼から見ると、虚像面において画像情報を見ているかのように虚像を表示するための光学系であって、
   前記光学系は、映像生成部からの光束を入射し、前記映像生成部が生成した映像を拡大した虚像を表示するための光学系であり、
   前記光学系は、前記映像生成部から順に光路に配置された凹レンズ、自由曲面レンズ、及び自由曲面凹面ミラーを含んでおり、
   前記映像生成部における光束の出射面と、前記凹レンズにおける前記映像生成部に対向する対向面との第１の面間距離は、前記凹レンズにおける光束が入射する前記対向面と、前記凹レンズから光束が出射する出射面との第２の面間距離よりも短く、
   前記凹レンズは、前記第２の面間距離よりも前記映像生成部に近づけて配置され、
   前記凹レンズは、前記凹レンズにおける光束の入射面が前記映像生成部における光束の出射面と略平行となるように配置される、
   ことを特徴とする光学系。
2. 請求項１に記載の光学系であって、
   前記凹レンズにおける光束の入射面は平面状に形成される、
   ことを特徴とする光学系。
3. 請求項１または請求項２に記載の光学系であって、
   前記凹レンズの焦点距離を前記自由曲面凹面ミラーの焦点距離で割った値が－０．６以上で－０．３以下である、
   ことを特徴とする光学系。
4. 請求項１、２、３のいずれか一つに記載の光学系であって、
   前記凹レンズは、前記映像生成部における光束の出射面に対向させて前記映像生成部に保持部材を介して取り付けられる、
   ことを特徴とする光学系。
5. 映像を生成する映像生成部と、
   前記映像生成部からの光束を入射し、前記映像生成部が生成した映像を拡大した虚像を表示するための光学系と、を備え、
   前記光学系は、当該光学系から出射された映像光をウインドシールドで反射させ、反射された光を観察者の眼に入射させることで、前記観察者の眼から見ると、虚像面において画像情報を見ているかのように虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置の光学系であって、
   前記映像生成部から順に光路に配置された凹レンズ、自由曲面レンズ、及び自由曲面凹面ミラーを含んでおり、
   前記映像生成部における光束の出射面と、前記凹レンズにおける前記映像生成部に対向する対向面との第１の面間距離は、前記凹レンズにおける光束が入射する前記対向面と、前記凹レンズから光束が出射する出射面との第２の面間距離よりも短く、
   前記凹レンズは、前記第２の面間距離よりも前記映像生成部に近づけて配置され、
   前記凹レンズは、前記凹レンズにおける光束の入射面が前記映像生成部における光束の出射面と略平行となるように配置される、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
6. 請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記凹レンズにおける光束の入射面は平面状に形成される、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
7. 請求項５または請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記凹レンズの焦点距離を前記自由曲面凹面ミラーの焦点距離で割った値が－０．６以上で－０．３以下である、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
8. 請求項５、６、７のいずれか一つに記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記凹レンズは、前記映像生成部における光束の前記出射面に対向させて前記映像生成部に保持部材を介して取り付けられる、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
9. 請求項５、６、７、８のいずれか一つに記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記映像生成部は、光源及び液晶表示パネルを含み、光束の前記出射面は、前記液晶表示パネルの出射面である、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
10. 請求項５、６、７、８のいずれか一つに記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
    前記映像生成部は、光源及び液晶表示パネルを含み、光束の前記出射面は、前記液晶表示パネルの出射面であり、
    前記液晶表示パネルは、前記光源からの光束の光軸に対して傾けて配置される、
    ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
11. 請求項５、６、７、８のいずれか一つに記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
    前記映像生成部は、リレー光学系及び拡散機能を有するスクリーン板を含み、光束の前記出射面は、前記スクリーン板の出射面である、
    ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
12. 請求項５、６、７、８のいずれか一つに記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
    前記映像生成部は、レーザー光源と、前記レーザー光源からのレーザー光を、反射面の回転で光走査する光走査部と、拡散機能を有するスクリーン板とを含み、光束の前記出射面は、前記スクリーン板の出射面である、
    ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。

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