JP6628873B2 - 投影光学系、ヘッドアップディスプレイ装置及び自動車 - Google Patents

Description

本発明は、投影光学系、及びそれを用いた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。

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」装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特許文献１において開示されているヘッドアップディスプレイ装置は、その投影光学系が、リレーレンズと投影レンズ（接眼光学系）とから構成されている。リレーレンズは、いくつかの条件を満たすことでテレセントリック性の表示光を効率良く利用する構成であり、液晶表示パネルに表示された画像を拡大して実像を結像する。また投影レンズは、実像をさらに拡大して、自動車などのウインドシールドに画像を投影し、運転者に対して虚像を表示する構成である。

特許文献１のヘッドアップディスプレイ装置では、観察者（運転者）の前方２ｍ先に、スピードメータやタコメータ、水温計や燃料計等の各種計器類の値を虚像で表示する。各種計器類の値を虚像で見る視線方向と、運転者が見る前景の視線方向との差が小さくなるので、この２つの視線方向の間での視線移動に要する時間を低減できる。

また、各種計器類等を直接見る距離よりも、虚像までの距離（約２ｍ前方）の方が、運転者が見ている前景までの距離に近くなる。これによって、前景の中の対象物に眼のピントを合わせた状態と、虚像にピントを合わせた状態の間での眼のピント合わせに要する時間も短縮できる。

この２つの利点により、ヘッドアップディスプレイ装置を用いると、自動車等の運転の安全性の向上が期待できる。

また、従来のヘッドアップディスプレイ装置として、「表示デバイス側から、回転非対称ミラーと自由曲面ミラーを有し、各ミラーの配置角度などを規定する表示装置」が知られている（例えば、特許文献２を参照）。

特開２００９−２２９５５２号公報 特開２０１５−１９４７０７号公報

特許文献２において開示されているヘッドアップディスプレイ装置のような配置、即ち、表示デバイスと回転非対称ミラーを水平方向にずらすような配置にすれば、ヘッドアップディスプレイ装置の寸法を薄くすることができる。

しかし、特許文献２に開示されているようなヘッドアップディスプレイ装置は、虚像サイズが横長である。実施例１に例示されているものでは、虚像サイズにおける横方向の寸法が縦方向の寸法に比べて２倍である（例えば、特許文献２の実施例１を参照）。このような横長の虚像を表示する構成は、その光路において、縦方向の光束サイズの２倍に相当する横方向の光束を折り曲げるような構成にしなければならない。大きな光束を折り曲げるには、折り曲げミラーのサイズを大きくする必要がある。

したがって、特許文献２において開示されているような構成では、ヘッドアップディスプレイ装置全体の容積を小さくすることにおいて課題がある。

本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、少ない光学素子で構成可能な投影光学系及び、それを用いた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、本発明に係る投影光学系は、画像情報を形成する画像形成ユニットから出射された光を反射しウインドシールドに投影して虚像を表示させる接眼光学系を含む投影光学系であって、前記接眼光学系は、前記画像形成ユニットから順に自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーと、を含み、アイボックスの水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸、ＸＹ平面に対する垂直方向をＺ軸と定義したとき、視野範囲の中の任意の点である視野に対応する光束がアイボックスのＹ軸上の上下２点と中央点のそれぞれを通過する３つの光線の前記自由曲面凹面ミラーにおける交点をＹＺ平面に投影した３点により定まる円の曲率半径（正の値）をＲＹ４とし、アイボックスのＸ軸上の左右２点と中央点のそれぞれを通過する３つの光線の自由曲面凹面ミラー上での交点をＸＺ平面に投影した３点により定まる円の曲率半径（正の値）をＲＸ４としたとき、ＲＸ４＞ＲＹ４を満たし、前記視野のそれぞれに対応する光束の前記ウインドシールドにおける交点のうち、ＹＺ平面に投影した任意の３点により定まる円の正の曲率半径をＲＹ２とし、ＸＺ平面に投影した前記任意の３点により定まる円の正の曲率半径をＲＸ２としたとき、ＲＸ２＜ＲＹ２を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、少ない光学素子で構成可能な投影光学系及び、それを用いる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。

本発明に係る投影光学系が備える接眼光学系における全体光線図であり、（ａ）は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し、（ｂ）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である。 第１実施形態に係る接眼光学系の要部拡大図である。 第１実施形態に係る接眼光学系のレンズデータを示す図である。 第１実施形態に係る接眼光学系の自由曲面係数を示す図である。 第１実施形態に係るアイボックスの中央から見た歪性能を表す図である。 第１実施形態に係るアイボックスの右上から見た歪性能を表す図である。 第１実施形態に係るアイボックスの左上から見た歪性能を表す図である。 第１実施形態に係るアイボックスの左下から見た歪性能を表す図である。 第１実施形態に係るアイボックスの右下から見た歪性能を表す図である。 第１実施形態に係る接眼光学系の赤色のスポット図である。 第１実施形態に係る接眼光学系の緑色のスポット図である。 第１実施形態に係る接眼光学系の青色のスポット図である。 第１実施形態に係るウインドシールドの非対称性を説明する図である。 第１実施形態に係るウインドシールドにおける局所的な曲率半径を説明する図である。 第１実施形態に係るウインドシールドにおける局所的な曲率半径の例を表す図である。 第１実施形態に係るウインドシールドにおける光束範囲の例を表す図である。 第１実施形態に係る自由曲面凹面ミラーにおける局所的な曲率半径を表す図である。 第１実施形態に係る自由曲面凹面ミラーにおける光束範囲の例を表す図である。 本発明の第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置を示す概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係るヘットアップディスプレイ装置を示す概略構成図である。 本発明の第３実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置を示す概略構成図である。 本発明に係るウインドシールドと自由曲面凹面ミラーにおける局所的な曲率半径を説明する図である。 本発明に係る視野範囲を説明する図である。 本発明に係る自動車の実施形態を示す平面図である。 本発明に係る投影光学系が備える画像形成ユニットの構成を説明する図である。

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を省略する場合がある。

まず、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置の一実施形態について図１９を用いて説明する。図１９は、本実施形態に係るＨＵＤ（Ｈｅａｄ−ＵＰ Ｄｉｓｐｌａｙ）１００の基本構成を例示する概略構成図である。ＨＵＤ１００は、画像形成ユニット２０及び接眼光学系５を含む投影光学系１０から出射された映像光を、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。

まず、画像形成ユニット２０について説明する。図２５に示すように、画像形成ユニット２０は、液晶表示パネル２２と、バックライト２３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２０は、バックライト２３から液晶表示パネル２２に光を照射し、液晶表示パネル２２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、ＨＵＤ１００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２３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、外部装置からの各種データを記憶するためのＲＡＭ（Ｒａｎｄａｍ Ａｃｃｓｅｓｓ 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 Ｐｒｏｓｅｓｓｉｎｇ 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２０が備える液晶表示パネル２２に画像情報が表示される。画像形成ユニット２０は、液晶表示パネル２２に表示された画像情報をバックライト２３が照射した光束によって映像光束として出射する。

図１９に戻る。画像形成ユニット２０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１９のように、液晶表示パネル２２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１９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１９は、ＨＵＤ１００を平面的に見た図である。実際のＨＵＤ１００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ＨＵＤ１００を移動体に搭載した場合の例について図２４を用いて説明する。図２４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２４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。

ＨＵＤ１００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。例えば図２４の破線矩形領域Ｒ１に示すような位置に映像光束が投影される。

次に、ＨＵＤ１００が備える投影光学系１０に含まれる自由曲面凹面ミラー５２と、ウインドシールド６の、局所的な曲率半径について説明する。

図１３は、アイボックス８の座標系において、アイボックス８から自由曲面凹面ミラー５２までの光路を表した光線図である。アイボックス８の座標系は、三次元直交座標系である。図１３に示すようにアイボックス８の水平方向をＸ軸とし、垂直方向をＹ軸とし、Ｘ軸とＹ軸に直交する軸であって、ＸＹ平面に対する垂直方向をＺ軸と定義する。

図１３（ａ）は、ウインドシールド６と自由曲面凹面ミラー５２とアイボックス８のＹＺ平面における相対的な配置関係を例示する図である。図１３（ｂ）は、ウインドシールド６と自由曲面凹面ミラー５２とアイボックス８のＸＺ平面における相対的な配置関係を例示する図である。

本実施形態の説明に用いる自動車５００は、左ハンドル車である（図２４を参照）。したがって、自動車５００の前方に向かって左側に運転席があり、ウインドシールド６上における映像光束の投影位置は左側になる。仮に自動車５００が右ハンドル車であるならば、ウインドシールド６上における映像光束の投影位置は、自動車５００の前方に向かって右側になる。

ウインドシールド６の形状は、図２４を用いて示したように、自動車５００に対して左右対称な形状である。観察者である運転者は自動車５００の左側に偏った位置においてウインドシールド６に向かうことになる。したがって、観察者が見るウインドシールド６の形状は、左右非対称な形状である。また、ウインドシールド６の形状は、図１３（ａ）に示すように上下非対称の形状でもある。ウインドシールド６における反射作用は、上記のように、観察者である運転者から見えるウインドシールド６の形状は、左右方向と上下方向ともに非対称である。したがって、ウインドシールド６に投影される映像光束は、この非対称性の影響を受ける。即ちウインドシールド６は、ＨＵＤ１００のように映像光束を投影して反射させる形状としては、最適な形状ではない。

次に、ウインドシールド６における非対称性を定量的に把握するために局所的な曲率半径について説明する。図１４（ａ）は、ＹＺ平面にウインドシールド６を投影した図である。図１４（ｂ）は、ＸＺ平面にウインドシールド６を投影した図である。

図１４（ａ）に示すように、ＹＺ平面に投影したウインドシールド６の形状は円弧状になる。また、図１４（ｂ）に示すように、ＸＺ平面に投影したウインドシールド６の形状も円弧状になる。これら円弧状の曲率半径を求めれば、ウインドシールド６における非対称性を定量的に把握することができる。

図１４（ａ）に示すように、各視野に対応する光束がアイボックス８のＹ軸上の上下２点と中央点のそれぞれを通過する３つの光線とする。この３つの光線のウインドシールド６における交点をＹＺ平面に投影すると、それぞれの光線に対応する３点（Ａｙ・Ｂｙ・Ｃｙ）を表せる。この３点（Ａｙ・Ｂｙ・Ｃｙ）によって定まるＹＺ平面での円の曲率半径が、視野に対応する局所的な曲率半径である。

換言すると、虚像面７において視認される虚像の中の任意の点に対応する光束は、アイボックス８におけるＹ軸上の３つの点を通過する３つの光線になる。この３つの光線のそれぞれがウインドシールド６と交わる交点を、上側の点（Ａｙ）と、下側の点（Ｃｙ）と、ＡｙとＣｙのＹ軸上の中点（Ｂｙ）とする。ＡｙとＢｙとＣｙの３点により定まる円の曲率半径が、虚像面７において視認される虚像の中の任意の点に対応する光線をウインドシールド６が反射する位置におけるＹＺ平面での曲率半径である。

また、図１４（ｂ）に示すように、各視野に対応する光束がアイボックス８のＸ軸上の左右２点と中央点のそれぞれを通過する３つの光線とする。この３つの光線のウインドシールド６における交点をＸＺ平面に投影すると、それぞれの光線に対応する３点（Ａｘ・Ｂｘ・Ｃｘ）を表せる。この３点（Ａｘ・Ｂｘ・Ｃｘ）によって定まるＸＺ平面での円の曲率半径が、視野に対応する局所的な曲率半径である。

換言すると、虚像面７において視認される虚像の中の任意の点に対応する光束は、アイボックス８におけるＸ軸上の３つの点を通過する３つの光線になる。この３つの光線のそれぞれがウインドシールド６と交わる交点を、右側の点（Ａｘ）と、左側の点（Ｃｘ）と、ＡｘとＣｘのＸ軸上の中点（Ｂｘ）とする。ＡｘとＢｘとＣｘの３点により定まる円の曲率半径が、虚像面７において視認される虚像の中の任意の点に対応する光線をウインドシールド６が反射する位置におけるＸＺ平面での曲率半径である。

まず、虚像面７における任意の点に対応する光束が、図１３において示したアイボックス８の座標系と同様の座標系において、アイボックス８上の対応する点の全体を視野範囲８１として定義する。視野範囲８１は、アイボックス８の範囲に虚像面７の任意の点に対応する光線に対応する点の集合ともいえる。図２３では、視野範囲８１に含まれる点のうち、２１カ所の点を例示している。以下の説明において、適宜、この２１カ所の点を用いて説明をする。

図２２（ａ）に示すように、虚像面７における虚像に含まれる点であって、これに対応する視野範囲８１に含まれる任意の点に係る３つの光線を仮定する。この光線がウインドシールド６と交わる３点をＹＺ平面に投影した場合の３点を通過する円の曲率半径を「曲率半径ＲＹ２」と定義する。また、同じ３つの光線が自由曲面凹面ミラー５２の反射面と交わる３点を通過する円の曲率半径を「曲率半径ＲＹ４」と定義する。

図２２（ｂ）に示すように、虚像面７における虚像に含まれる点であって、これに対応する視野範囲８１に含まれる任意の点に係る３つの光線を仮定する。この光線がウインドシールド６と交わる３点をＸＺ平面に投影した場合の３点を通過する円の曲率半径を「曲率半径ＲＸ２」と定義する。また、同じ３つの光線が自由曲面凹面ミラー５２の反射面と交わる３点を通過する円の曲率半径を「曲率半径ＲＸ４」と定義する。

以上のように、本実施形態に説明において、曲率半径ＲＹ２及び曲率半径ＲＸ２は、ウインドシールド６における局所的な曲率半径を示す。また、曲率半径ＲＹ４及び曲率半径ＲＸ４は、自由曲面凹面ミラー５２における局所的な曲率半径を示す。

さらに、球面鏡の凹面の曲率半径を正で定義すれば、球面鏡の「焦点距離＝（曲率半径）／２」となるので、球面鏡の「屈折力＝１／焦点距離＝２／（曲率半径）」となる。

次に、上記のように定義した曲率半径ＲＹ２と曲率半径ＲＸ２の実施例について説明する。以下に示す実施例は、アイボックス８に係る座標系を用いて、視野範囲８１に含まれる２１カ所の点における曲率半径ＲＹ２と曲率半径ＲＸ２について例示している。図２３に示すように視野範囲８１に含まれる２１カ所の点は、アイボックス８に係る座標系におけるＸ軸方向及びＹ軸方向の中央点を「Ｆ１」とする。また、Ｘ軸方向の右端であり、Ｙ軸方向の最上端を「Ｆ２」とする。また、Ｘ軸方向の最左端であり、Ｙ軸方向の最上端を「Ｆ３」とする。また、Ｘ軸方向の最左端であり、Ｙ軸方向の最下端を「Ｆ４」とする。また、Ｘ軸方向の最右端であり、Ｙ軸方向の最下端を「Ｆ５」とする。

図１５は、上記にて説明をした視野範囲８１の中の２１か所の点（以下、「２１点」という。）に対応する曲率半径ＲＹ２と曲率半径ＲＸ２について、図１４を用いて説明した定義を当てはめて説明する図である。図１５（ａ）は、視野範囲８１の２１点に対応する曲率半径ＲＹ２の具体例を示す表である。図１５（ｂ）は、視野範囲８１の２１点に対応する曲率半径ＲＸ２の具体例を示す表である。図１５（ｃ）は、視野範囲８１の２１点に対応するウインドシールド６の屈折力の変化（Δ屈折力）の具体例を示す表である。尚、ウインドシールド６のＹＺ断面における屈折力とＸＺ断面における屈折力は大きく異なる。そこで、図１５（ｃ）に示したΔ屈折力は、ウインドシールド６におけるＹＺ断面の屈折力とＸＺ断面の屈折力の平均値の変化を用いて表している。

図１５に示すように、曲率半径ＲＹ２の値は、６４４１[ｍｍ]〜６６９１[ｍｍ]の範囲にある。曲率半径ＲＹ２の値はいずれも大きいので、ＹＺ断面における屈折力は小さい。一方、曲率半径ＲＸ２の値は、１０７４[ｍｍ]〜１２０６[ｍｍ]の範囲にある。曲率半径ＲＸ２の値はいずれも小さいので、ＸＺ断面における屈折力は大きい。

即ち、ウインドシールド６では、ＸＺ断面の屈折力に比べてＹＺ断面の屈折力は、視野範囲８１の中央（Ｆ１）において、１／５．８倍になる。また、屈折力が大きいＸＺ断面における曲率半径ＲＸ２の値は、最大値と最小値の差が１３２ｍｍであって大きい。以上のように、ウインドシールド６は、屈折力にも局所的な偏りがある。

以上のとおり、ウインドシールド６では、ＹＺ断面での屈折力とＸＺ断面での屈折力の違いだけでなく、同じ断面での屈折力の偏りも含めた非対称性を有する。したがって、自由曲面凹面ミラー５２では、このウインドシールド６における非対称性を補う必要である。そこで、この非対称性を補う光学素子として、回転非対称な形状パラメータを有する自由曲面凹面ミラー５２を用いる。

次に、ウインドシールド６における光束範囲について説明する。図１６は、車両に対して左右対称なウインドシールド６における光束範囲を表す図である。図１６に示すように、ウインドシールド６の座標軸を定義する。すなわち、ウインドシールド６の水平方向をＸ_２軸、垂直方向をＹ_２軸として定義する。Ｘ_２軸とＹ_２軸の交点である原点Ｏは、ウインドシールド６の横方向の中点であって、ウインドシールド６を備える自動車５００（図２４参照）の高さ方向の中点でもある。

図１６に示すように、視野範囲８１に対応するウインドシールド６における光束範囲は、原点Ｏから大きくＸ_２軸の負方向にずれた位置にある。例えば、ウインドシールド６上での視野範囲８１の中央（Ｆ１）の光束の中心位置ＡＤＸ２は、ＡＤＸ２＝−３８０ｍｍとなっている。すなわち、ウインドシールド６は、Ｘ_２軸方向において大きく非対称である。尚、Ｙ_２軸に対しては、ウインドシールド６の形状を表す定義式によって変わるが、その場合でも局所的な曲率半径の分布は、図１５と同様である。

ウインドシールド６の形状は、反射光に対して凹面形状である。したがって、ウインドシールド６における屈折力は正の値になる。また、自由曲面凹面ミラー５２の形状も凹面形状であるから、その屈折力は正の値になる。そこで、ウインドシールド６に対して映像光束を反射する自由曲面凹面ミラー５２において、ウインドシールド６のＹＺ断面における屈折力を補う必要がある。具体的には、自由曲面凹面ミラー５２のＸＺ断面における屈折力よりも、ＹＺ断面における屈折力を大きくする。即ち、自由曲面凹面ミラー５２のＸＺ断面における曲率半径よりも、ＹＺ断面における曲率半径を小さくする。

ウインドシールド６と自由曲面凹面ミラー５２の形状を決定するために必要な条件は、本実施形態に係るＨＵＤ１００を小型にするために重要である。その理由について説明する。

一般的に、多くの光学要素を備える光学系では、あるレンズ玉で発生した収差量と逆向きの収差量を生じる別のレンズ玉を用いることで収差を補正する。例えば、複数の凸レンズや凹レンズを組み合わせることで収差量を補正する。したがって、従来のように多数の光学素子を用いて屈折力の非対称性を補正しようとすると、多くの光学要素を用いることになる。これを本実施形態に係るＨＵＤ１００に適用しようとすれば、ＨＵＤ１００の小型化に反する。

そこで、本実施形態に係るＨＵＤ１００は、必要最小限の光学要素を用いてウインドシールド６における局所的な屈折力を補正する投影光学系１０を構成する。具体的には、ウインドシールド６における局所的に大きな屈折力を打ち消す補正ではなく、ウインドシールド６における局所的に小さな屈折力に対して、自由曲面凹面ミラー５２に局所的に大きな屈折を発生させて補正する。

上記のような補正の仕方を用いる理由は、所定の大きさの虚像を表示するためには、ＨＵＤ１００としての屈折力が必要になるからである。言い換えると、ＨＵＤ１００としての屈折力を小さい側に揃えると、ＨＵＤ１００として所定の屈折力を実現できなくなるからである。

以上をまとめると、ウインドシールド６はＹＺ平面へ投影した曲率半径ＲＹ２と、ＸＺ平面へ投影した曲率半径ＲＸ２が大きく異なる。視野範囲８１の中央（Ｆ１）におけるその比率は、５．８倍である（６６０６／１１３１≒５．８）。また、曲率半径ＲＸ２における最大値と最小値の差は１３２ｍｍである（Ｆ２−Ｆ４＝１２０６−１０７４＝１３２［ｍｍ］）。以上のようにウインドシールド６は、左右非対称性な形状である。

次に、左右非対称であり、かつ、局所的に曲率半径が変化することで、局所的に屈折率が変化するウインドシールド６を補う自由曲面凹面ミラー５２について説明する。

図１７は、ウインドシールド６の説明に用いたものと同様、自由曲面凹面ミラー５２における局所的な曲率半径ＲＹ４と曲率半径ＲＸ４について、図１４を用いて説明した定義を当てはめて説明するための図である。

図１７（ａ）は、視野範囲８１の２１点に対応する曲率半径ＲＹ４の具体例を示す図である。図１７（ｂ）は、視野範囲８１の２１点に対応する曲率半径ＲＸ４の具体例を示す図である。図１７（ｃ）は、視野範囲８１の２１点に対応する自由曲面凹面ミラー５２の屈折率の変化（Δ屈折率）の具体例を示す図である。

図１７に示すように、曲率半径ＲＹ４の値は、２２９[ｍｍ]〜３４９[ｍｍ]の範囲にある。曲率半径ＲＹ４の値はいずれも小さいので、ＹＺ断面における屈折力は大きい。一方、曲率半径ＲＸ４の値は、３３８[ｍｍ]〜４０６[ｍｍ]の範囲にある。自由曲面凹面ミラー５２において、視野範囲８１の中央（Ｆ１）において、屈折力の差は約１．３倍である（３５８／２８２≒１．３）。このように、自由曲面凹面ミラー５２のＹＺ断面における屈折力を大きくすることで、ウインドシールド６のＹＺ断面における屈折力を補うことができる。

図１５を用いて説明したとおり、ウインドシールド６における局所的な曲率半径ＲＸ２が最大になるのは、視野範囲８１における最右上（Ｆ２）に対応する部分である。また、ウインドシールド６における局所的な曲率半径ＲＸ２が最小になるのは、視野範囲８１における最左下（Ｆ４）に対応する部分である。

これに対して、自由曲面凹面ミラー５２における局所的な曲率半径ＲＹ４と曲率半径ＲＸ４がともに最大になるのは、視野範囲８１における最左上（Ｆ３）に対応する部分である。また、自由曲面凹面ミラー５２における局所的な曲率半径ＲＹ４が最小になるのは、視野範囲８１における最右上（Ｆ２）に対応する部分である。また、自由曲面凹面ミラー５２における局所的な曲率半径ＲＸ４が最小になるのも視野範囲８１における最右下（Ｆ５）に対応する部分である。

即ち、本実施形態に係る投影光学系１０は、ウインドシールド６における屈折力が小さい側の視野と、自由曲面凹面ミラー５２における屈折力が大きい側の視野が、左右で同じ側にある。

次に、自由曲面凹面ミラー５２における光束範囲について図１８を用いて説明する。ここで、説明に用いるための自由曲面凹面ミラー５２を定義する座標系において、Ｘ軸を「Ｘ_４軸」とし、Ｙ軸を「Ｙ_４軸」とする。自由曲面凹面ミラー５２は、Ｘ_４軸とＹ_４軸のそれぞれにおいて大きく非対称である。

視野範囲８１の中の点（Ｆ１からＦ２１）に対応する光束の範囲、即ち、自由曲面凹面ミラー５２上における有効な光束範囲を、上記の座標系に表すと、図１８に示すようになる。図１８において明らかなとおり、本実施形態に係る自由曲面凹面ミラー５２の中心位置（Ｆ１）は、Ｘ_４軸に対応する位置とＹ_４軸に対応する位置の絶対値とを比較した場合、Ｘ_４軸に対応する位置の絶対値の方が大きくなる。

また、自由曲面凹面ミラー５２上における有効な光束範囲の長辺方向は、上記の座標系に表すと、Ｘ_４軸に対して傾いている。この傾きは４５度以上になる。

上記のように自由曲面凹面ミラー５２における光束範囲を非対称にする理由は、ウインドシールド６において視野範囲８１の右側の屈折力が小さいこと（曲率半径ＲＸ２が大きいこと）を補うためである。すなわち、自由曲面凹面ミラー５２において、視野範囲８１の右側の屈折力を大きくするためである。

自由曲面凹面ミラー５２における自由曲面形状の定義式は、後述するが、この自由曲面形状は、Ｘ_４軸とＹ_４軸に関連する多項式を有するので、自由曲面形状の原点から離れた位置の方が、面形状のサグ量を制御しやすくなる。

例えば、一般的に回転対称な非球面形状の場合でも、光軸の近傍のサグ量の変化は小さいが、光軸から離れるほどサグ量の変化が大きくなる。これは、自由曲面の場合でも同様であって、サグ量に対して光軸から離れる程に、より高次の係数の影響が大きくなる。即ち、光軸から離れる程、局所的な曲率半径を小さくすることができる。

これを、本実施形態に係る自由曲面凹面ミラー５２に当てはめると、自由曲面凹面ミラー５２における視野範囲８１に対応する位置のうち、右側の位置（図１８におけるＦ２とＦ５）に対応する視野への光線が、自由曲面凹面ミラー５２の光軸からより離れるような位置関係が望ましい。例えば、自由曲面凹面ミラー５２上での視野範囲８１の中央（Ｆ１）の光束の中心位置ＡＤＸ４は、ＡＤＸ４＝５４ｍｍとなっている。この値は、ウインドシールド６上での説明での、ＡＤＸ２＝−３８０ｍｍとは異符号の関係である。

次に、本発明に係る投影光学系の実施形態についてさらに説明する。本実施形態に係る投影光学系１０は、ウインドシールド６における局所的な屈折力不足を、自由曲面凹面ミラー５２における局所的に大きな屈折力を用いて補うように構成する。この構成からなる投影光学系１０を備えるＨＵＤ１００は、小型化に向いている。

＜第１実施形態＞
図１９を用いて説明したとおり、本実施形態に係るＨＵＤ１００は、接眼光学系５の構成に特徴を有する。まず、投影光学系１０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、図１を用いて説明する。

図１は、第１実施形態の接眼光学系５の全体光線図である。図１において、アイボックス８の水平方向をＸ軸、アイボックス８の垂直方向をＹ軸、Ｘ軸とＹ軸に直交する軸をＺ軸として定義する。図１（ａ）は、ＹＺ平面において虚像面７の映像情報を観察者の眼９で見ている様子を表している。図１（ｂ）は、ＸＺ平面において虚像面７の映像情報を観察者の眼９で見ている様子を表している。

図１において、ウインドシールド６は、ＨＵＤ１００での有効光束が通過する範囲のみを表している。なお、ウインドシールド６は、図１３及び図２４を用いてすでに説明したとおり、自動車５００の横幅方向（左右方向）に対して対称な形状である。

次に、第１実施形態に係る接眼光学系５の詳細について、さらに説明する。図２は、本実施形態に係る接眼光学系５の要部拡大図である。図２に示すように、本実施形態に係る接眼光学系５は、液晶表示パネル２２の構成部品である偏光板２１の側から順に、自由曲面レンズ５１と、自由曲面凹面ミラー５２と、ウインドシールド６と、を配置することで構成される。

自由曲面レンズ５１は、自由曲面凹面ミラー５２側に凸面を向けた負の屈折力を有するレンズである。自由曲面凹面ミラー５２は、正の屈折力を有する鏡である。なお、図２において、自由曲面レンズ５１の前後面は、面表示で表している。これらの光学素子（光学要素）を備えて構成される接眼光学系５の屈折力は、主に自由曲面凹面ミラー５２が負担している。

自由曲面凹面ミラー５２から離れた位置に配置される自由曲面レンズ５１は、主光線の光線高さが高い。したがって、自由曲面レンズ５１は、台形歪の補正作用を有する。本実施形態に係る接眼光学系５は、自由曲面凹面ミラー５２において反射されウインドシールド６に向かう光束の光路の真下に、自由曲面レンズ５１が配置されている。このような配置関係により、本実施形態に係る接眼光学系５を備えるＨＵＤ１００は、その全体の寸法を小型にできる。

＜レンズデータ＞
次に、本実施形態に係るＨＵＤ１００におけるレンズデータについて、図３を用いて説明する。まず、図３に示すレンズデータにおける各項目について説明する。

「呼称」は、各光学素子に対応する呼び名であって“ミラーＭ１”はウインドシールド６に対応する。“ミラーＭ２”は自由曲面凹面ミラー５２に対応する。”自由曲面レンズ”は自由曲面レンズ５１に対応する。”偏光板”は、偏光板２１に対応する。”カバーガラス”は、液晶表示パネル２２の表示面を保護する部材に対応する。”像面ＬＣＤ”は、液晶表示パネル２２に対応する。

「面番号」は、物面である虚像面７を第０面として、虚像面７において虚像を視認できる状態を形成する光束を遡りながら、各光学要素に対応する面を表している。なお、「称呼」におけるダミー面は、実際に物理的な光学要素を指すのではなく、光学要素の配置を検討する際に用いるパラメータに相当する要素である。

「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ている。「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。

「硝材名」は、該当する光学素子を形成する材料を表す。材料名において“５０．３０”は、屈折率１．５０でアッベ数が３０の材料を表す。また、“５２．６０”は屈折率１．５１でアッベ数が６０の材料を表す。

「偏心・倒れの内容」は、該当の面における偏心と倒れの順に作用し、“普通偏心”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“は、その面でのみ作用し、次の面に影響しない。

「偏心」は、Ｘ軸方向・Ｙ軸方向・Ｚ軸方向それぞれにおける原点０からの距離［ｍｍ］である。「倒れ」は、Ｘ軸回りの回転・Ｙ軸回りの回転・Ｚ軸回りの回転量［度］である。尚、Ｘ軸回りの回転はＸ軸の正方向から見て時計回りを正、Ｙ軸回りの回転はＹ軸の正方向から見て時計回りを正、Ｚ軸回りの回転はＺ軸の正方向から見て反時計回りを正とする。

次に、本実施形態に係る自由曲面凹面ミラー５２と、自由曲面レンズ５１に係る自由曲面係数を図４において示す。図４に示した自由曲面係数は、以下の式１により求められる。

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において示したレンズデータでの偏心・倒れの量によって定まる。

本実施形態において、接眼光学系５におけるアイボックス８の寸法、視野角などの具体例について、表１に示す。なお、表１において、数値の順番は水平方向、垂直方向の順である。

次に、第１実施形態の光学性能について図５から図１２を用いて説明する。図５から図９は、第１実施形態に係るＨＵＤ１００の歪性能を表す図である。図１０から図１２は、第１実施形態に係るＨＵＤ１００のスポット図である。

図５は、アイボックス８の中央（Ｅ１）を通過する光線による液晶表示パネル２２側での歪図である。図６は、アイボックス８の最右上（Ｅ２）を通過する光線による液晶表示パネル２２側での歪図である。図７は、アイボックス８の最左上（Ｅ３）を通過する光線による液晶表示パネル２２側での歪図である。図８は、アイボックス８の最左下（Ｅ４）を通過する光線による液晶表示パネル２２側での歪図である。図９は、アイボックス８の最右下（Ｅ５）を通過する光線による液晶表示パネル２２側での歪図である。

以上のように、図５から図９において示した歪性能は、矩形状の虚像面７の範囲に対して、アイボックス８の中央と４隅を通過する光線による液晶表示パネル２２側における歪性能である。仮に、液晶表示パネル２２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９を位置した場合、図５から図９と逆の歪（例：樽型⇔糸巻型）が観察される。図５から図９において示す歪図は、ほぼ同じ形状になっているので、本実施形態に係るＨＵＤ１００において、例えば図５の歪図に合わせた映像を液晶表示パネル２２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１０は、虚像面７に物点を配置した場合の液晶表示パネル２２上におけるスポット図であって、アイボックス８全体を通過する光束の波長が６５０ｎｍ（赤色）のもののスポットを示した図である。図１１は、虚像面７に物点を配置した場合の液晶表示パネル２２上におけるスポット図であって、アイボックス８全体を通過する光束の波長を５５０ｎｍ（緑色）のもののスポットを示した図である。図１２は、虚像面７に物点を配置した場合の液晶表示パネル２２上におけるスポット図であって、アイボックス８全体を通過する光束の波長を４５０ｎｍ（青色）のもののスポットを示した図である。

図１０から図１２に示したスポット図は、アイボックス８の大きさが水平１３０ｍｍ×垂直４０ｍｍであって、全光束によるスポット図である。実際の観察者が見る虚像の場合は、眼９の虹彩の大きさ（最大でφ７ｍｍといわれている）におけるスポット図は、大幅に良くなっている。

したがって、第１実施形態に係るＨＵＤ１００によれば、自由曲面凹面ミラー５２と自由曲面レンズ５１を用いた投影光学系１０により、小型化にすることができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明に係る投影光学系の別の実施形態について図２０を用いて説明する。本実施形態（第２実施形態）は、すでに説明をした第１実施形態における画像形成ユニット２０と異なる点に特徴を有する。

第１実施形態に係る投影光学系１０は、液晶表示パネル２２において形成された映像情報を、直接的に接眼光学系５において拡大して投影し、虚像として表示する構成を備えていた。これに対して、第２実施形態に係る投影光学系１０ａは、画像形成ユニット２０ａにおいて、より小型の液晶表示パネル２２ａを用いる。そして、液晶表示パネル２２ａにおいて形成される映像情報をリレー光学系２４において拡散板であるスクリーン板２５へ拡大写像する。スクリーン板２５において拡大写像した映像情報を接眼光学系５で拡大投影し、虚像として表示している。

より詳しくは、バックライト２３ａから液晶表示パネル２２ａに照射された光束は、液晶表示パネル２２ａ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２４に入射する。液晶表示パネル２２ａからの映像情報は、リレー光学系２４における結像作用により、拡大されてスクリーン板２５に拡大投写される。

図２０に示すように、液晶表示パネル２２ａにおける映像光束の出射面において、点Ｐ１・点Ｐ２・点Ｐ３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、スクリーン板２５上の仮想点は、点Ｑ１ａ・点Ｑ２ａ・Ｑ３ａである。

本実施形態に係るリレー光学系２４を画像形成ユニット２０ａに用いることで、表示サイズの小さい液晶表示パネル２２ａを使用することができる。また、スクリーン板２５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２５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２５の拡散作用は、拡散粒子を内蔵することでも実現できる。

以上のとおり、本実施形態に係る画像形成ユニット２０ａを備える投影光学系１０ａは、小型の液晶表示パネル２２ａを用いても拡大した映像情報を投影することができる。

＜第３実施形態＞
次に，本発明に係る投影光学系の更に別の実施形態について図２１を用いて説明する。本実施形態（第３実施形態）は、すでに説明をした第２実施形態における投影光学系１０と異なる点に特徴がある。

第２実施形態に係る投影光学系１０ａは、液晶表示パネル２２ａにおいて形成された映像情報を、拡散機能を有するスクリーン板２５に写像している。これに対して、第３実施形態に係る投影光学系１０ｂは、レーザー光源１０１からのレーザー光をＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）１０２を用いて光走査する構成を備えている。

レーザー光源１０１は、映像光束の元になる光を供給する光源である。ＭＥＭＳ１０２は、微小ミラー１０２ａと駆動部１０２ｂにより構成されている。微小ミラー１０２ａは、レーザー光源１０１から出射されたレーザー光を反射して、スクリーン板２５をレーザー光によって走査する。駆動部１０２ｂは、微小ミラー１０２ａにおける反射角度を制御する。

ＭＥＭＳ１０２により走査されたスクリーン板２５は拡散機能を有していて、レーザー光の走査により形成される映像情報を接眼光学系５に向けて出射する。

以上のとおり、本実施形態に係る画像形成ユニット２０ｂを備える投影光学系１０ｂは、レーザー光源１０１からのレーザー光を用いても拡大した映像情報を投影することができる。

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…投影光学系、２０…画像形成ユニット、５１…自由曲面レンズ、５２…自由曲面凹面ミラー、１００…ヘッドアップディスプレイ装置

Claims (15)

1. 画像情報を形成する画像形成ユニットから出射された光を反射しウインドシールドに投影して虚像を表示させる接眼光学系を含む投影光学系であって、
   前記接眼光学系は、前記画像形成ユニットから順に自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーと、を含み、
   アイボックスの水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸、ＸＹ平面に対する垂直方向をＺ軸と定義したとき、
   視野範囲の中の任意の点である視野に対応する光束がアイボックスのＹ軸上の上下２点と中央点のそれぞれを通過する３つの光線の前記自由曲面凹面ミラーにおける交点をＹＺ平面に投影した３点により定まる円の曲率半径（正の値）をＲＹ４とし、アイボックスのＸ軸上の左右２点と中央点のそれぞれを通過する３つの光線の自由曲面凹面ミラー上での交点をＸＺ平面に投影した３点により定まる円の曲率半径（正の値）をＲＸ４としたとき、ＲＸ４＞ＲＹ４を満たし、
   前記視野のそれぞれに対応する光束の前記ウインドシールドにおける交点のうち、ＹＺ平面に投影した任意の３点により定まる円の正の曲率半径をＲＹ２とし、ＸＺ平面に投影した前記任意の３点により定まる円の正の曲率半径をＲＸ２としたとき、ＲＸ２＜ＲＹ２を満たすことを特徴とする投影光学系。
2. 前記自由曲面凹面ミラーにおける前記ＲＹ４が最大となる前記視野と、前記ＲＹ４が最小となる前記視野は、前記視野範囲の中で左右に分かれていることを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
3. 前記視野範囲の中央の光束の前記自由曲面凹面ミラーにおける中心位置を、前記自由曲面凹面ミラーを定義する座標系のＸ軸においてＡＤＸ４とし、
   前記自由曲面凹面ミラーを定義する座標系のＹ軸においてＡＤＹ４としたとき、
   前記自由曲面凹面ミラー上における有効な光束範囲の中心位置は、
   ｜ＡＤＸ４｜＞｜ＡＤＹ４｜
   であることを特徴とする請求項２に記載の投影光学系。
4. 前記自由曲面凹面ミラー上における有効な光束範囲の長辺方向は、前記自由曲面凹面ミラーを定義する座標系におけるＸ軸に対して傾いていて、その傾きは４５度以上であることを特徴とする請求項３に記載の投影光学系。
5. 前記自由曲面凹面ミラー上における有効な光束範囲に、前記自由曲面凹面ミラーを定義する座標系における前記自由曲面凹面ミラーの原点は含まれないことを特徴とする請求項４に記載の投影光学系。
6. 前記ウインドシールドにおける前記ＲＸ２が最大となる視野と、前記ＲＸ２が最小となる視野は、前記視野範囲の中で左右に分かれていることを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
7. 前記視野範囲の中央の光束の前記ウインドシールドにおける中心位置を、前記ウインドシールドを定義する座標系のＸ軸においてＡＤＸ２とし、
   前記自由曲面凹面ミラーを定義する座標系のＸ軸においてＡＤＸ４としたとき、
   前記ＡＤＸ２と前記ＡＤＸ４が異符号であることを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
8. 画像情報を含む光を出射する画像形成ユニットと、
   前記画像形成ユニットから出射された光を反射しウインドシールドに投影して虚像を表示させる接眼光学系と、を備え、
   前記接眼光学系は、前記画像形成ユニットから順に自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーとを含み、
   アイボックスの水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸、ＸＹ平面に対する垂直方向をＺ軸と定義したとき、
   視野範囲の中の任意の点である視野に対応する光束の前記自由曲面凹面ミラーにおける交点のうち、ＹＺ平面に投影した任意の３点により定まる円の正の曲率半径をＲＹ１とし、ＸＺ平面に投影した任意の３点により定まる円の正の曲率半径をＲＸ１としたときに、ＲＸ１＞ＲＹ１を満たし、
   前記視野のそれぞれに対応する光束の前記ウインドシールドにおける交点のうち、ＹＺ平面に投影した任意の３点により定まる円の正の曲率半径をＲＹ２とし、ＸＺ平面に投影した前記任意の３点で定まる円の正の曲率半径をＲＸ２としたとき、ＲＸ２＜ＲＹ２を満たすことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
9. 前記自由曲面凹面ミラーにおける前記ＲＹ１が最大となる前記視野と、前記ＲＹ１が最小となる前記視野は、前記視野範囲の中で左右に分かれていることを特徴とする請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
10. 前記視野範囲の中央の光束の前記自由曲面凹面ミラーにおける中心位置を、前記自由曲面凹面ミラーを定義する座標系のＸ軸においてＡＤＸ４とし、
    前記自由曲面凹面ミラーを定義する座標系のＹ軸においてＡＤＹ４としたとき、
    前記自由曲面凹面ミラー上における有効な光束範囲の中心位置は、
    ｜ＡＤＸ４｜＞｜ＡＤＹ４｜
    であることを特徴とする請求項９に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
11. 前記自由曲面凹面ミラー上における有効な光束範囲の長辺方向は、前記自由曲面凹面ミラーを定義する座標系におけるＸ軸に対して傾いて、その傾きは４５度以上であることを特徴とする請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
12. 前記自由曲面凹面ミラー上における有効な光束範囲に、前記自由曲面凹面ミラーを定義する座標系での前記自由曲面凹面ミラーの原点は含まれないことを特徴とする請求項１１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
13. 前記ウインドシールドにおける前記ＲＸ２が最大となる視野と、前記ＲＸ２が最小となる視野は、前記視野範囲の中で左右に分かれていることを特徴とする請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
14. 前記視野範囲の中央の光束の前記ウインドシールドにおける中心位置を、前記ウインドシールドを定義する座標系のＸ軸においてＡＤＸ２とし、前記自由曲面凹面ミラーを定義する座標系のＸ軸においてＡＤＸ４としたとき、
    前記ＡＤＸ２と前記ＡＤＸ４が異符号であることを特徴とする請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
15. 前方にウインドシールドを備え、
    画像情報を含む光を出射する画像形成ユニットと、前記画像形成ユニットから出射された光を反射し前記ウインドシールドに投影して虚像を表示させる接眼光学系と、前記接眼光学系が前記画像形成ユニット側から自由曲面レンズと自由曲面凹面ミラーを含む、ヘッドアップディスプレイ装置を備える自動車であって、
    前記ヘッドアップディスプレイ装置は、請求項８乃至１４のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置であることを特徴とする自動車。