CN109154719B - 投影光学系统、抬头显示器装置以及汽车 - Google Patents

投影光学系统、抬头显示器装置以及汽车 Download PDF

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Abstract

提供小型的抬头显示器装置。为此，抬头显示器装置(100)包括投影光学系统，该投影光学系统包括：图像形成单元(20)，显示图像信息；以及目镜光学系统(5)，通过对从图像形成单元(20)射出的光进行反射而使虚像显示，目镜光学系统(5)通过以下构成：从图像形成单元侧起按照自由曲面透镜(51)和自由曲面凹面反射镜(52)的顺序排列配置自由曲面透镜(51)和自由曲面凹面反射镜(52)，使将自由曲面凹面反射镜的形状投影到眼动范围的坐标系的垂直剖面的情况下的曲率半径RY1小于投影到水平剖面的情况下的曲率半径RX1。

Description

投影光学系统、抬头显示器装置以及汽车
技术领域
本发明涉及投影光学系统、以及使用其的抬头显示器装置。
背景技术
已知能够在汽车、飞机等移动体所具备的防风罩(挡风玻璃)上投影图像，隔着挡风玻璃将该投影图像作为虚像观察的抬头显示器装置。
作为以往的抬头显示器装置，已知“具备从透射型的液晶显示面板的背后照射光，对显示于液晶显示面板的图像进行放大投影的投影光学系统”的装置(参照例如专利文献1)。
在专利文献1公开的抬头显示器装置中，其投影光学系统包括中继透镜和投影透镜(目镜光学系统)。中继透镜是通过满足若干条件而高效地利用远心光路性的显示光的结构，对显示于液晶显示面板的图像进行放大而使实像成像。另外，投影透镜是使实像进一步放大，在汽车等的挡风玻璃上投影图像，针对驾驶员显示虚像的结构。
在专利文献1的抬头显示器装置中，在观察者(驾驶员)的前方2m前，用虚像显示速度表、转速表、水温计、燃料计等各种仪表类的值。用虚像观察各种仪表类的值的视线方向、和驾驶员观察的前景的视线方向的差变小，所以能够降低该2个视线方向之间的视线移动所需的时间。
另外，相比于直接观察各种仪表类等的距离，直至虚像的距离(约2m前方)更接近直至驾驶员观察的前景的距离。由此，将眼睛的焦点对到前景中的对象物的状态、与将焦点对到虚像的状态之间的眼的聚焦所需的时间也能够缩短。
通过该2个优点，在使用抬头显示器装置时，能够期待提高汽车等的驾驶的安全性。
另外，作为以往的抬头显示器装置，已知“从显示设备侧起具有旋转非对称反射镜和自由曲面反射镜，规定各反射镜的配置角度等的显示装置”(参照例如专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-229552号公报
专利文献2：日本特开2015-194707号公报
发明内容
如果成为如专利文献2公开的抬头显示器装置的配置、即如使显示设备和旋转非对称反射镜在水平方向上错开的配置，则能够使抬头显示器装置的尺寸变薄。
但是，关于如专利文献2公开的抬头显示器装置，虚像尺寸是横向更长。在实施例1例示的例子中，虚像尺寸中的横向的尺寸相比于纵向的尺寸成为2倍(参照例如专利文献2的实施例1)。这样的显示横向更长的虚像的结构必须成为如在其光路中使与纵向的光束尺寸的2倍相当的横向的光束折弯的结构。为了使大的光束折弯，需要增大折弯反射镜的尺寸。
因此，在如专利文献2公开的结构中，在减小抬头显示器装置整体的容积中存在课题。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够用少的光学元件构成的投影光学系统、以及使用其的小型的抬头显示器装置。
为了解决上述课题，提供一种投影光学系统，包括目镜光学系统，该目镜光学系统对从形成图像信息的图像形成单元射出的光进行反射并投影到挡风玻璃而使虚像显示，该投影光学系统的特征在于，
所述目镜光学系统从所述图像形成单元侧起包括自由曲面透镜、和自由曲面凹面反射镜，
在将眼动范围的水平方向定义为X轴、垂直方向定义为Y轴、相对XY平面的垂直方向定义为Z轴时，
在把由将作为视野范围中的任意的点的视野所对应的光束通过眼动范围的Y轴上的上下2点和中央点的各个点的3条光线在所述自由曲面凹面反射镜中的交点投影到YZ平面的3点决定的圆的曲率半径(正的值)设为RY4，把由将通过眼动范围的X轴上的左右2点和中央点的各个点的3条光线的自由曲面凹面反射镜上的交点投影到XZ平面的3点决定的圆的曲率半径(正的值)设为RX4时，满足RX4>RY4。
根据本发明，能够提供能够用少的光学元件构成的投影光学系统、以及使用其的小型的抬头显示器装置。
附图说明
图1是本发明所涉及的投影光学系统具备的目镜光学系统中的整体光线图，(a)是示出在YZ平面中用观察者的眼观察虚像面7的影像信息的情形的图，(b)是示出在XZ平面中用观察者的眼观察虚像面7的影像信息的情形的图。
图2是第1实施方式所涉及的目镜光学系统的要部放大图。
图3是示出第1实施方式所涉及的目镜光学系统的透镜数据的图。
图4是示出第1实施方式所涉及的目镜光学系统的自由曲面系数的图。
图5是示出第1实施方式所涉及的从眼动范围的中央观察的失真性能的图。
图6是示出第1实施方式所涉及的从眼动范围的右上观察的失真性能的图。
图7是示出第1实施方式所涉及的从眼动范围的左上观察的失真性能的图。
图8是示出第1实施方式所涉及的从眼动范围的左下观察的失真性能的图。
图9是示出第1实施方式所涉及的从眼动范围的右下观察的失真性能的图。
图10是第1实施方式所涉及的目镜光学系统的红色的点图。
图11是第1实施方式所涉及的目镜光学系统的绿色的点图。
图12是第1实施方式所涉及的目镜光学系统的蓝色的点图。
图13是说明第1实施方式所涉及的挡风玻璃的非对称性的图。
图14是说明第1实施方式所涉及的挡风玻璃中的局部的曲率半径的图。
图15是示出第1实施方式所涉及的挡风玻璃中的局部的曲率半径的例子的图。
图16是示出第1实施方式所涉及的挡风玻璃中的光束范围的例子的图。
图17是示出第1实施方式所涉及的自由曲面凹面反射镜中的局部的曲率半径的图。
图18是示出第1实施方式所涉及的自由曲面凹面反射镜中的光束范围的例子的图。
图19是示出本发明的第1实施方式所涉及的抬头显示器装置的概略结构图。
图20是示出本发明的第2实施方式所涉及的抬头显示器装置的概略结构图。
图21是示出本发明的第3实施方式所涉及的抬头显示器装置的概略结构图。
图22是说明本发明所涉及的挡风玻璃和自由曲面凹面反射镜中的局部的曲率半径的图。
图23是说明本发明所涉及的视野范围的图。
图24是示出本发明所涉及的汽车的实施方式的俯视图。
图25是说明本发明所涉及的投影光学系统具备的图像形成单元的结构的图。
(符号说明)
1：背光源；2：液晶显示面板；3：中继光学系统；4：屏板(扩散板)；5：目镜光学系统；6：挡风玻璃；7：虚像面；8：眼动范围；9：观察者的眼；10：投影光学系统；20：图像形成单元；51：自由曲面透镜；52：自由曲面凹面反射镜；100：抬头显示器装置。
具体实施方式
以下，使用附图等，说明本发明的一个实施方式以及各种实施例。以下的说明示出本发明的内容的具体例，本发明不限定于这些说明，能够在本说明书中公开的技术思想的范围内由本领域技术人员进行各种变更以及修正。另外，在用于说明本发明的全部附图中，有时对具有同一功能的部分附加同一符号，省略其反复的说明。
首先，使用图19，说明本发明所涉及的抬头显示器装置的一个实施方式。图19是例示本实施方式所涉及的HUD(Head-UP Display，抬头显示器)100的基本结构的概略结构图。HUD100具备使从包括图像形成单元20以及目镜光学系统5的投影光学系统10射出的影像光被挡风玻璃6反射并入射到观察者的眼9的结构。通过该结构，在从观察者的眼9观察时，成为如在虚像面7中观察图像信息的状态。
首先，说明图像形成单元20。如图25所示，图像形成单元20具备液晶显示面板22、背光源23、以及控制它们的动作的控制器200。图像形成单元20从背光源23向液晶显示面板22照射光，将显示于液晶显示面板22的图像信息(影像信息)朝向目镜光学系统5射出。
控制器200具备控制装置201。该控制装置201从外部装置被输入各种信息。例如，连接有作为生成并输出与搭载有HUD100的移动体的动作有关的信息的导航装置的导航器208、控制移动体的动作的ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)209。构成为对ECU209连接移动体具备的各种传感器210，将探测出的信息通知给ECU209。
控制器200具备：控制装置201，处理来自在上述中说明的外部装置的各种数据；以及背光源驱动电路207，用于驱动背光源23。
控制装置201具备：RAM(Randam Accsess Memory，随机存取存储器)203，用于存储来自外部装置的各种数据；CPU(Central Prosessing Unit，中央处理单元)205，执行生成成为观察者视觉辨认的虚像的基础的图像数据的运算处理；以及ROM(Read Only Memory，只读存储器)204，存储能够执行CPU205中的运算处理的程序、参数。
通过具备以上的结构的控制器200，在图像形成单元20具备的液晶显示面板22上显示图像信息。图像形成单元20将显示于液晶显示面板22的图像信息通过背光源23照射的光束作为影像光束射出。
返回到图19。在图像形成单元20中形成并射出的影像光束通过目镜光学系统5被投影到挡风玻璃6。投影到挡风玻璃6的影像光束被挡风玻璃6反射而达到观察者的眼9的位置。由此，在从观察者的眼9观察时，犹如观察虚像面7的图像信息那样的关系性成立。
如图19，在液晶显示面板22中的影像光束的射出面中，考虑点Q1、点Q2、点Q3这样的假想点。在考虑从这些假想点射出的影像光束对应的虚像面7中的假想点时，如图19所示，点V1、点V2、点V3与此相当。即使观察者将眼9的位置移动也能够对虚像面7中的点V1、点V2、点V3进行视觉辨认的范围是眼动范围(eye box)8。
图19是平面地观察HUD100的图。实际的HUD100的结构是立体，所以眼动范围8具有二维的扩展。这样，目镜光学系统5是与照相机的取景器的目镜透镜、显微镜中的目镜透镜同样地，在观察者的眼前显示物(空间像)的像(虚像)的光学系统。
在此，使用图24，说明将本实施方式所涉及的HUD100搭载于移动体的情况的例子。图24是从前方观察作为移动体的汽车500的俯视图。在如图24所示的汽车500中，作为防风罩，作为前挡玻璃的挡风玻璃6配置于驾驶席的前方。
HUD100通过向挡风玻璃6投影影像光束，成为坐在驾驶席的观察者能够将与汽车500的动作相关的各种信息作为虚像视觉辨认的状态。被投影影像光束的位置是驾驶席的前方、其周围。例如，在如24的虚线矩形区域R1所示的位置投影影像光束。
接下来，说明在HUD100具备的投影光学系统10中包含的自由曲面凹面反射镜52和挡风玻璃6的局部的曲率半径。
图13是在眼动范围8的坐标系中表示从眼动范围8至自由曲面凹面反射镜52的光路的光线图。眼动范围8的坐标系是三维正交坐标系。如图13所示，将眼动范围8的水平方向定义为X轴，垂直方向定义为Y轴，与X轴和Y轴正交且相对XY平面的垂直方向定义为Z轴。
图13(a)是例示挡风玻璃6、自由曲面凹面反射镜52在眼动范围8的YZ平面中的相对的配置关系的图。图13(b)是例示挡风玻璃6、自由曲面凹面反射镜52在眼动范围8的XZ平面中的相对的配置关系的图。
在本实施方式的说明中使用的汽车500是左侧驾驶车(参照图24)。因此，面向汽车500的前方，在左侧有驾驶席，挡风玻璃6上的影像光束的投影位置为左侧。如果假设汽车500是右侧驾驶车，则挡风玻璃6上的影像光束的投影位置面向汽车500的前方为右侧。
挡风玻璃6的形状是如使用图24所示那样，相对汽车500左右对称的形状。作为观察者的驾驶员在偏向汽车500的左侧的位置面向挡风玻璃6。因此，观察者观察的挡风玻璃6的形状是左右非对称的形状。另外，挡风玻璃6的形状还是如图13(a)所示上下非对称的形状。关于挡风玻璃6中的反射作用，如上所述，从作为观察者的驾驶员能够观察到的挡风玻璃6的形状在左右方向和上下方向上都为非对称。因此，投影到挡风玻璃6的影像光束受到该非对称性的影响。即，关于挡风玻璃6，作为如HUD100那样投影影像光束而反射的形状，并非最佳的形状。
接下来，为了定量地掌握挡风玻璃6中的非对称性，说明局部的曲率半径。图14(a)是向YZ平面投影挡风玻璃6的图。图14(b)是向XZ平面投影挡风玻璃6的图。
如图14(a)所示，投影到YZ平面的挡风玻璃6的形状成为圆弧状。另外，如图14(b)所示，投影到XZ平面的挡风玻璃6的形状也成为圆弧状。如果求出这些圆弧状的曲率半径，则能够定量地掌握挡风玻璃6中的非对称性。
如图14(a)所示，与各视野对应的光束成为通过眼动范围8的Y轴上的上下2点和中央点的各个点的3条光线。在将该3条光线在挡风玻璃6中的交点投影到YZ平面时，表示与各条光线对应的3点(Ay、By、Cy)。由该3点(Ay、By、Cy)决定的YZ平面中的圆的曲率半径是与视野对应的局部的曲率半径。
换言之，与在虚像面7中被视觉辨认的虚像中的任意的点对应的光束成为通过眼动范围8中的Y轴上的3个点的3条光线。将该3条光线分别与挡风玻璃6交叉的交点设为上侧的点(Ay)、下侧的点(Cy)、以及Ay和Cy的Y轴上的中点(By)。由Ay、By以及Cy这3点决定的圆的曲率半径是挡风玻璃6对与在虚像面7中被视觉辨认的虚像中的任意的点对应的光线进行反射的位置处的YZ平面中的曲率半径。
另外，如图14(b)所示，与各视野对应的光束成为通过眼动范围8的X轴上的左右2点和中央点的各个点的3条光线。在将该3条光线在挡风玻璃6处的交点投影到XZ平面时，表示与各条光线对应的3点(Ax、Bx、Cx)。由该3点(Ax、Bx、Cx)决定的XZ平面中的圆的曲率半径是与视野对应的局部的曲率半径。
换言之，与在虚像面7中被视觉辨认的虚像中的任意的点对应的光束成为通过眼动范围8中的X轴上的3个点的3条光线。将该3条光线分别与挡风玻璃6交叉的交点设为右侧的点(Ax)、左侧的点(Cx)、以及Ax和Cx的X轴上的中点(By)。由Ax、Bx以及Cx这3点决定的圆的曲率半径是挡风玻璃6对与在虚像面7中被视觉辨认的虚像中的任意的点对应的光线进行反射的位置处的XZ平面中的曲率半径。
首先，将与虚像面7中的任意的点对应的光束在与图13示出的眼动范围8的坐标系同样的坐标系中，在眼动范围8上对应的所有点定义为视野范围81。视野范围81还被称为在眼动范围8的范围中与虚像面7的任意的点对应的光线所对应的点的集合。在图24中，例示包含于视野范围81的点中的21个部位的点。在以下的说明中，适宜地使用该21个部位的点来说明。
如图22(a)所示，假设与在虚像面7中的虚像中包含的、且在与其对应的视野范围81中包含的任意的点相关的3条光线。将通过把该光线与挡风玻璃6交叉的3点投影到YZ平面的情况下的3点的圆的曲率半径定义为“曲率半径RY2”。另外，将通过相同的3条光线与自由曲面凹面反射镜52的反射面交叉的3点的圆的曲率半径定义为“曲率半径RY4”。
如图22(b)所示，假设与在虚像面7中的虚像中包含的、且在与其对应的视野范围81中包含的任意的点相关的3条光线。将通过把该光线与挡风玻璃6交叉的3点投影到XZ平面的情况下的3点的圆的曲率半径定义为“曲率半径RX2”。另外，将通过相同的3条光线与自由曲面凹面反射镜52的反射面交叉的3点的圆的曲率半径定义为“曲率半径RX4”。
如以上所述，在本实施方式的说明中，曲率半径RY2以及曲率半径RX2表示挡风玻璃6中的局部的曲率半径。另外，曲率半径RY4以及曲率半径RX4表示自由曲面凹面反射镜52中的局部的曲率半径。
进而，如果将球面镜的凹面的曲率半径定义为正，则成为球面镜的“焦距＝(曲率半径)/2”，所以成为球面镜的“折射力＝1/焦距＝2/(曲率半径)”。
接下来，说明如上所述定义的曲率半径RY2和曲率半径RX2的实施例。在以下所示的实施例中，使用与眼动范围8相关的坐标系，例示包含于视野范围81的21个部位的点处的曲率半径RY2和曲率半径RX2。关于如图24所示包含于视野范围81的21个部位的点，将与眼动范围8相关的坐标系中的X轴方向以及Y轴方向的中央点设为“F1”。另外，将X轴方向的右端且Y轴方向的最上端设为“F2”。另外，将X轴方向的最左端且Y轴方向的最上端设为“F3”。另外，将X轴方向的最左端且Y轴方向的最下端设为“F4”。另外，将X轴方向的最右端且Y轴方向的最下端设为“F5”。
图15是应用使用图14说明的定义来说明与在上述中说明的视野范围81中的21个部位的点(以下称为“21点”)对应的曲率半径RY2和曲率半径RX2的图。图15(a)是示出与视野范围81的21点对应的曲率半径RY2的具体例的表。图15(b)是示出与视野范围81的21点对应的曲率半径RX2的具体例的表。图15(c)是示出与视野范围81的21点对应的挡风玻璃6的折射力的变化(Δ折射力)的具体例的表。此外，挡风玻璃6的YZ剖面中的折射力和XZ剖面中的折射力大幅不同。因此，使用挡风玻璃6中的YZ剖面的折射力和XZ剖面的折射力的平均值的变化，来表示图15(c)所示的Δ折射力。
如图15所示，曲率半径RY2的值处于6441[mm]～6691[mm]的范围。曲率半径RY2的值都大，所以YZ剖面中的折射力小。另一方面，曲率半径RX2的值处于1074[mm]～1206[mm]的范围。曲率半径RX2的值都小，所以XZ剖面中的折射力大。
即，在挡风玻璃6中，相比于XZ剖面的折射力，YZ剖面的折射力在视野范围81的中央(F1)成为1/5.8倍。另外，关于折射力大的XZ剖面中的曲率半径RX2的值，最大值和最小值的差是132mm且大。如以上所述，挡风玻璃6在折射力中也有局部的偏向。
如以上所述，在挡风玻璃6中，具有不仅包括YZ剖面中的折射力和XZ剖面中的折射力的差异，而且还包括相同的剖面中的折射力的偏向的非对称性。因此，在自由曲面凹面反射镜52中，需要补偿该挡风玻璃6中的非对称性。因此，作为该补偿非对称性的光学元件，使用具有旋转非对称的形状参数的自由曲面凹面反射镜52。
接下来，说明挡风玻璃6中的光束范围。图16是示出相对车辆左右对称的挡风玻璃6中的光束范围的图。如图16所示，定义挡风玻璃6的坐标轴。即，将挡风玻璃6的水平方向定义为X2轴，将垂直方向定义为Y2轴。作为X2轴和Y2轴的交点的原点O是挡风玻璃6的横向的中点，且还是具备挡风玻璃6的汽车500(参照图24)的高度方向的中点。
如图16所示，与视野范围81对应的挡风玻璃6中的光束范围处于从原点O向X2轴的负方向大幅偏移的位置。例如，挡风玻璃6上的视野范围81的中央(F1)的光束的中心位置ADX2成为ADX2＝-380mm。即，挡风玻璃6在X2轴方向上大幅非对称。此外，相对Y2轴，根据表示挡风玻璃6的形状的定义式变化，但在该情况下，局部的曲率半径的分布也与图15相同。
挡风玻璃6的形状相对反射光是凹面形状。因此，挡风玻璃6中的折射力为正的值。另外，自由曲面凹面反射镜52的形状也是凹面形状，所以其折射力为正的值。因此，需要在针对挡风玻璃6反射影像光束的自由曲面凹面反射镜52中，补偿挡风玻璃6的YZ剖面中的折射力。具体而言，相比于自由曲面凹面反射镜52的XZ剖面中的折射力，增大YZ剖面中的折射力。即，相比于自由曲面凹面反射镜52的XZ剖面中的曲率半径，减小YZ剖面中的曲率半径。
为了决定挡风玻璃6和自由曲面凹面反射镜52的形状所需的条件在为了使本实施方式所涉及的HUD100变得小型方面是重要的。说明其理由。
一般，在具备大量的光学要素的光学系统中，通过使用产生与由某个透镜球产生的像差量反向的像差量的其它透镜球，校正像差。例如，通过组合多个凸透镜、凹透镜，校正像差量。因此，如以往那样在想要使用大量的光学元件来校正折射力的非对称性时，使用大量的光学要素。如果想要将其应用于本实施方式所涉及的HUD100，则违背HUD100的小型化。
因此，本实施方式所涉及的HUD100构成使用必要最小限度的光学要素来校正挡风玻璃6中的局部的折射力的投影光学系统10。具体而言，并非是抵消挡风玻璃6中的局部地大的折射力的校正，而针对挡风玻璃6中的局部地小的折射力，使自由曲面凹面反射镜52产生局部地大的折射来进行校正。
使用如上述的校正的方法的理由在于，为了显示预定的大小的虚像，需要作为HUD100的折射力。换言之，其原因为，在使作为HUD100的折射力与小的一侧一致时，作为HUD100无法实现预定的折射力。
综上所述，挡风玻璃6向YZ平面投影的曲率半径RY2、和向XZ平面投影的曲率半径RX2大幅不同。视野范围81的中央(F1)处的该比例是5.8倍(6606/1131≈5.8)。另外，曲率半径RX2中的最大值与最小值之差是132mm(F2-F4＝1206-1074＝132[mm])。如以上所述，挡风玻璃6是左右非对称性的形状。
接下来，说明左右非对称并且曲率半径局部地变化从而补偿折射率局部地变化的挡风玻璃6的自由曲面凹面反射镜52。
图17是用于与在挡风玻璃6的说明中使用的例子同样地，应用使用图14说明的定义来说明自由曲面凹面反射镜52中的局部的曲率半径RY4和曲率半径RX4的图。
图17(a)是示出与视野范围81的21点对应的曲率半径RY4的具体例的图。图17(b)是示出与视野范围81的21点对应的曲率半径RX4的具体例的图。图17(c)是示出与视野范围81的21点对应的自由曲面凹面反射镜52的折射率的变化(Δ折射率)的具体例的图。
如图17所示，曲率半径RY4的值处于229[mm]～349[mm]的范围。曲率半径RY4的值都小，所以YZ剖面中的折射力大。另一方面，曲率半径RX4的值处于338[mm]～406[mm]的范围。在自由曲面凹面反射镜52中，在视野范围81的中央(F1)处，折射力的差是约1.3倍(358/282≈1.3)。这样，通过增大自由曲面凹面反射镜52的YZ剖面中的折射力，能够补偿挡风玻璃6的YZ剖面中的折射力。
如使用图15说明的，挡风玻璃6中的局部的曲率半径RX2成为最大的部分是与视野范围81中的最右上(F2)对应的部分。另外，挡风玻璃6中的局部的曲率半径RX2成为最小的部分是与视野范围81中的最左下(F4)对应的部分。
相对于此，自由曲面凹面反射镜52中的局部的曲率半径RY4和曲率半径RX4都成为最大的部分是与视野范围81中的最左上(F3)对应的部分。另外，自由曲面凹面反射镜52中的局部的曲率半径RY4成为最小的部分是与视野范围81中的最右上(F2)对应的部分。另外，自由曲面凹面反射镜52中的局部的曲率半径RX4成为最小的部分也是与视野范围81中的最右下(F5)对应的部分。
即，在本实施方式所涉及的投影光学系统10中，挡风玻璃6中的折射力小的一侧的视野、和自由曲面凹面反射镜52中的折射力大的一侧的视野在左右处于相同的一侧。
接下来，使用图18来说明自由曲面凹面反射镜52中的光束范围。在此，在用于说明的定义自由曲面凹面反射镜52的坐标系中，将X轴设为“X4轴”，将Y轴设为“Y4轴”。自由曲面凹面反射镜52在X4轴和Y4轴的各个中大幅非对称。
在上述坐标系中表示与视野范围81中的点(F1至F21)对应的光束的范围、即自由曲面凹面反射镜52上的有效的光束范围时，如图18所示。如在图18中可知，关于本实施方式所涉及的自由曲面凹面反射镜52的中心位置(F1)，在比较与X4轴对应的位置和与Y4轴对应的位置的绝对值的情况下，与X4轴对应的位置的绝对值更大。
另外，关于自由曲面凹面反射镜52上的有效的光束范围的长边方向，在上述坐标系中表示时，相对X4轴倾斜。其倾斜度成为45度以上。
如上所述使自由曲面凹面反射镜52中的光束范围成为非对称的理由在于，补偿在挡风玻璃6中视野范围81的右侧的折射力小(曲率半径RX2大)。即，其理由在于，在自由曲面凹面反射镜52中，增大视野范围81的右侧的折射力。
自由曲面凹面反射镜52中的自由曲面形状的定义式将后述，该自由曲面形状具有与X4轴和Y4轴关联的多项式，所以自由曲面形状的从原点离开的位置更易于控制面形状的垂度。
例如，一般地，即使在旋转对称的非球面形状的情况下，光轴附近的垂度的变化小，但越远离光轴，垂度的变化变得越大。这在自由曲面的情况下也是同样的，越远离光轴，高次的系数对垂度的影响越大。即，越远离光轴，能够越减小局部的曲率半径。
在将其应用于本实施方式所涉及的自由曲面凹面反射镜52时，向与自由曲面凹面反射镜52中的视野范围81对应的位置中的、右侧的位置(图18中的F2和F5)所对应的视野的光线最好为如进一步远离自由曲面凹面反射镜52的光轴那样的位置关系。例如，自由曲面凹面反射镜52上的视野范围81的中央(F1)的光束的中心位置ADX4成为ADX4＝54mm。该值是挡风玻璃6上的说明中的、与ADX2＝-380mm不同符号的关系。
接下来，进一步说明本发明所涉及的投影光学系统的实施方式。本实施方式所涉及的投影光学系统10构成为使用自由曲面凹面反射镜52中的局部地大的折射力来补偿挡风玻璃6中的局部的折射力不足。具备由该结构构成的投影光学系统10的HUD10面向小型化。
<第1实施方式>
如使用图19说明的，本实施方式所涉及的HUD100在目镜光学系统5的结构方面具有特征。首先，使用图1，说明构成投影光学系统10的挡风玻璃6和目镜光学系统5。
图1是第1实施方式的目镜光学系统5的整体光线图。在图1中，将眼动范围8的水平方向定义为X轴，将眼动范围8的垂直方向定义为Y轴，将与X轴和Y轴正交的轴定义为Z轴。图1(a)示出在YZ平面中用观察者的眼9观察虚像面7的影像信息的情形。图1(b)示出在XZ平面中用观察者的眼9观察虚像面7的影像信息的情形。
在图1中，挡风玻璃6仅表示HUD100中的有效光束通过的范围。此外，挡风玻璃6如使用图13以及图24已经说明的，是相对汽车500的横宽方向(左右方向)对称的形状。
接下来，进一步说明第1实施方式所涉及的目镜光学系统5的详情。图2是本实施方式所涉及的目镜光学系统5的要部放大图。如图2所示，本实施方式所涉及的目镜光学系统5是通过从作为液晶显示面板22的结构零件的偏振片21的一侧起，依次配置自由曲面透镜51、自由曲面凹面反射镜52、以及挡风玻璃6而构成的。
自由曲面透镜51是使凸面朝向自由曲面凹面反射镜52侧的具有负的折射力的透镜。自由曲面凹面反射镜52是具有正的折射力的镜。此外，在图2中，自由曲面透镜51的前后面用面显示来表示。关于具备这些光学元件(光学要素)而构成的目镜光学系统5的折射力，主要由自由曲面凹面反射镜52负担。
关于配置于从自由曲面凹面反射镜52离开的位置的自由曲面透镜51，主光线的光线高度高。因此，自由曲面透镜51具有梯形失真的校正作用。在本实施方式所涉及的目镜光学系统5中，在自由曲面凹面反射镜52中反射并朝向挡风玻璃6的光束的光路的正下，配置有自由曲面透镜51。通过这样的配置关系，能够使具备本实施方式所涉及的目镜光学系统5的HUD100的整体的尺寸小型。
<透镜数据>
接下来，使用图3，说明本实施方式所涉及的HUD100中的透镜数据。首先，说明图3所示的透镜数据中的各项目。
“称呼”是与各光学元件对应的名称，“反射镜M1”与挡风玻璃6对应。“反射镜M2”与自由曲面凹面反射镜52对应。“自由曲面透镜”与自由曲面透镜51对应。“偏振片”与偏振片21对应。“罩玻璃”与保护液晶显示面板22的显示面的部件对应。“像面LCD”与液晶显示面板22对应。
关于“面编号”，将作为物面的虚像面7作为第0面，一边追溯在虚像面7中形成能够对虚像进行视觉辨认的状态的光束，一边表示与各光学要素对应的面。此外，“称呼”中的虚设面并非实际上指物理性的光学要素，而是与在研究光学要素的配置时使用的参数相当的要素。
“曲率半径”用正的符号表示曲率半径的中心位置处于行进方向的情况。“面间距离”表示从各面的顶点位置至接下来的面的顶点位置的光轴上的距离。
“玻璃材料名”表示形成相应的光学元件的材料。在材料名中，“50.30”表示折射率为1.50且阿贝数为30的材料。另外，“52.60”表示折射率为1.51且阿贝数为60的材料。
“偏心/倾斜的内容”按照相应的面中的偏心和倾斜的顺序发挥作用，关于“普通偏心”，在偏心/倾斜发挥作用的新的坐标系上的面间距离的位置配置接下来的面。“离心并回归”仅在该面中发挥作用，不影响接下来的面。
“偏心”是X轴方向、Y轴方向、Z轴方向各个上的距原点0的距离[mm]。“倾斜”是绕X轴的旋转、绕Y轴的旋转、绕Z轴的旋转量[度]。此外，关于绕X轴的旋转，在从X轴的正方向观察时，将顺时针设为正，关于绕Y轴的旋转，在从Y轴的正方向观察时，将顺时针设为正，关于绕Z轴的旋转，在从Z轴的正方向观察时，将逆时针设为正。
接下来，在图4中，示出与本实施方式所涉及的自由曲面凹面反射镜52、和自由曲面透镜51相关的自由曲面系数。通过以下的式1，求出图4所示的自由曲面系数。
[式1]
Figure BDA0001857687470000161
自由曲面系数Cj是相对各个光轴(Z轴)旋转非对称的形状，是用圆锥项的分量和XY的多项式的项的分量定义的形状。例如，在X是2次(m＝2)且Y是3次(n＝3)的情况下，j＝{(2+3)2+2+3×3}/2+1＝19即C19的系数对应。另外，自由曲面各自的光轴的位置由在图3中示出的透镜数据中的偏心/倾斜的量决定。
在本实施方式中，表1示出目镜光学系统5中的眼动范围8的尺寸、视野角等的具体例。此外，在表1中，数值的顺序是水平方向、垂直方向的顺序。
[表1]
Figure BDA0001857687470000171
接下来，使用图5至图12，说明第1实施方式的光学性能。图5至图9是示出第1实施方式所涉及的HUD100的失真性能的图。图10至图12是第1实施方式所涉及的HUD100的点图。
图5是通过眼动范围8的中央(E1)的光线所致的液晶显示面板22侧的失真图。图6是通过眼动范围8的最右上(E2)的光线所致的液晶显示面板22侧的失真图。图7是通过眼动范围8的最左上(E3)的光线所致的液晶显示面板22侧的失真图。图8是通过眼动范围8的最左下(E4)的光线所致的液晶显示面板22侧的失真图。
图9是通过眼动范围8的最右下(E5)的光线所致的液晶显示面板22侧的失真图。
如以上所述，在图5至图9中示出的失真性能是相对矩形形状的虚像面7的范围，通过眼动范围8的中央和4角的光线所致的液晶显示面板22侧的失真性能。假设在液晶显示面板22侧显示矩形形状的图像的状态下，使眼9位于眼动范围8内的各个位置的情况下，观察到与图5至图9相反的失真(例：
Figure BDA0001857687470000172
)。在图5至图9中示出的失真图成为大致相同形状，所以在本实施方式所涉及的HUD100中，如果将例如与图5的失真图符合的影像显示于液晶显示面板22，则观察者能够观察到无失真的矩形形状的虚像。
图10是在虚像面7上配置物点的情况下的液晶显示面板22上的点图，是示出通过眼动范围8整体的光束的波长为650nm(红色)的例子的光点的图。图11是在虚像面7上配置物点的情况下的液晶显示面板22上的点图，是示出通过眼动范围8整体的光束的波长为550nm(绿色)的例子的光点的图。图12是在虚像面7上配置物点的情况下的液晶显示面板22上的点图，是示出通过眼动范围8整体的光束的波长为450nm(蓝色)的例子的光点的图。
图10至图12所示的点图是眼动范围8的大小为水平130mm×垂直40mm、且全光束下的点图。在实际的观察者观察的虚像的情况下，眼9的虹膜的大小(最大为φ7mm)下的点图大幅改善。
因此，根据第1实施方式所涉及的HUD100，能够通过使用自由曲面凹面反射镜52和自由曲面透镜51的投影光学系统10实现小型化。
<第2实施方式>
接下来，使用图20，说明本发明所涉及的投影光学系统的另一实施方式。本实施方式(第2实施方式)在与已经说明的第1实施方式中的图像形成单元20不同的方面具有特征。
第1实施方式所涉及的投影光学系统10具备将在液晶显示面板22中形成的影像信息直接在目镜光学系统5中放大并投影，并显示为虚像的结构。相对于此，第2实施方式所涉及的投影光学系统10a在图像形成单元20a中使用更小型的液晶显示面板22a。另外，将在液晶显示面板22a中形成的影像信息在中继光学系统24中向作为扩散板的屏板25放大成像。将在屏板25中放大成像的影像信息用目镜光学系统5放大投影，显示为虚像。
更详细而言，将从背光源23a照射到液晶显示面板22a的光束作为包括显示于液晶显示面板22a的影像信息的影像光束，入射到中继光学系统24。将来自液晶显示面板22a的影像信息通过中继光学系统24中的成像作用放大而向屏板25放大投射。
如图20所示，在液晶显示面板22a中的影像光束的射出面中，考虑点P1、点P2、点P3这样的假想点。从这些假想点射出的影像光束对应的屏板25上的假想点是点Q1a、点Q2a、Q3a。
通过在图像形成单元20a中使用本实施方式所涉及的中继光学系统24，能够使用显示尺寸小的液晶显示面板22a。另外，屏板25由二维状地配置有微型透镜的微型透镜阵列构成。由此，产生扩散作用，增大射出屏板25的光束的扩展角，使眼动范围8的大小成为预定的大小。此外，屏板25的扩散作用通过内置扩散粒子也能够实现。
如以上所述，具备本实施方式所涉及的图像形成单元20a的投影光学系统10a使用小型的液晶显示面板22a也能够投影放大的影像信息。
<第3实施方式>
接下来，使用图21，说明本发明所涉及的投影光学系统的又一实施方式。本实施方式(第3实施方式)在与已经说明的第2实施方式中的投影光学系统10不同的方面具有特征。
第2实施方式所涉及的投影光学系统10a将在液晶显示面板22a中形成的影像信息向具有扩散功能的屏板25成像。相对于此，第3实施方式所涉及的投影光学系统10b具备使用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微电子机械系统)102对来自激光光源101的激光进行光扫描的结构。
激光光源101是供给成为影像光束的基础的光的光源。MEMS102包括微小反射镜102a和驱动部102b。微小反射镜102a对从激光光源101射出的激光进行反射，利用激光对屏板25进行扫描。驱动部102b控制微小反射镜102a中的反射角度。
通过MEMS102扫描的屏板25具有扩散功能，将通过激光的扫描形成的影像信息朝向目镜光学系统5射出。
如以上所述，具备本实施方式所涉及的图像形成单元20b的投影光学系统10b使用来自激光光源101的激光也能够投影放大的影像信息。

Claims (15)

1.一种投影光学系统，包括目镜光学系统，该目镜光学系统对从形成图像信息的图像形成单元射出的光进行反射并投影到挡风玻璃而使虚像显示，所述投影光学系统的特征在于，
所述目镜光学系统从所述图像形成单元起依次包括自由曲面透镜和自由曲面凹面反射镜，
在将眼动范围的水平方向定义为X轴，将垂直方向定义为Y轴，将相对XY平面的垂直方向定义为Z轴时，
在把由将作为视野范围中的任意的点的视野所对应的光束通过眼动范围的Y轴上的上下2点和中央点的各个点的3条光线在所述自由曲面凹面反射镜中的交点投影到YZ平面的3点决定的圆的正的曲率半径设为RY4，把由将通过眼动范围的X轴上的左右2点和中央点的各个点的3条光线在自由曲面凹面反射镜上的交点投影到XZ平面的3点决定的圆的正的曲率半径设为RX4时，满足RX4>RY4，
在将由所述视野各自所对应的光束在所述挡风玻璃中的交点中的、投影到YZ平面的任意的3点决定的圆的正的曲率半径设为RY2，将由投影到XZ平面的所述任意的3点决定的圆的正的曲率半径设为RX2时，满足RX2<RY2。
2.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，
所述自由曲面凹面反射镜中的所述RY4成为最大的所述视野和所述RY4成为最小的所述视野在所述视野范围中被分成左右。
3.根据权利要求2所述的投影光学系统，其特征在于，
在将所述视野范围的中央的光束在所述自由曲面凹面反射镜中的中心位置在定义所述自由曲面凹面反射镜的坐标系的X轴中设为ADX4，在定义所述自由曲面凹面反射镜的坐标系的Y轴中设为ADY4时，
所述自由曲面凹面反射镜上的有效的光束范围的中心位置是
|ADX4|>|ADY4|。
4.根据权利要求3所述的投影光学系统，其特征在于，
所述自由曲面凹面反射镜上的有效的光束范围的长边方向相对定义所述自由曲面凹面反射镜的坐标系中的X轴倾斜，其倾斜度是45度以上。
5.根据权利要求4所述的投影光学系统，其特征在于，
在所述自由曲面凹面反射镜上的有效的光束范围中，不包括定义所述自由曲面凹面反射镜的坐标系中的所述自由曲面凹面反射镜的原点。
6.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，
所述挡风玻璃中的所述RX2成为最大的视野和所述RX2成为最小的视野在所述视野范围中被分成左右。
7.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，
在将视野范围的中央的光束在所述挡风玻璃中的中心位置在定义所述挡风玻璃的坐标系的X轴中设为ADX2，在定义所述自由曲面凹面反射镜的坐标系的X轴中设为ADX4时，
所述ADX2和所述ADX4是不同符号。
8.一种抬头显示器装置，其特征在于，具备：
图像形成单元，射出包含图像信息的光；以及
目镜光学系统，对从所述图像形成单元射出的光进行反射并投影到挡风玻璃而使虚像显示，
所述目镜光学系统从所述图像形成单元起依次包括自由曲面透镜和自由曲面凹面反射镜，
在将眼动范围的水平方向定义为X轴，将垂直方向定义为Y轴，将相对XY平面的垂直方向定义为Z轴时，
在将由作为视野范围中的任意的点的视野所对应的光束在所述自由曲面凹面反射镜中的交点中的、投影到YZ平面的任意的3点决定的圆的正的曲率半径设为RY1，将由投影到XZ平面的任意的3点决定的圆的正的曲率半径设为RX1时，满足RX1>RY1，
在将由所述视野各自所对应的光束在所述挡风玻璃中的交点中的、投影到YZ平面的任意的3点决定的圆的正的曲率半径设为RY2，将由投影到XZ平面的所述任意的3点决定的圆的正的曲率半径设为RX2时，满足RX2<RY2。
9.根据权利要求8所述的抬头显示器装置，其特征在于，
所述自由曲面凹面反射镜中的所述RY1成为最大的所述视野和所述RY1成为最小的所述视野在所述视野范围中被分成左右。
10.根据权利要求9所述的抬头显示器装置，其特征在于，
在将视野范围的中央的光束在所述自由曲面凹面反射镜中的中心位置在定义所述自由曲面凹面反射镜的坐标系的X轴中设为ADX4，在定义所述自由曲面凹面反射镜的坐标系的Y轴中设为ADY4时，
所述自由曲面凹面反射镜上的有效的光束范围的中心位置是
|ADX4|>|ADY4|。
11.根据权利要求10所述的抬头显示器装置，其特征在于，
所述自由曲面凹面反射镜上的有效的光束范围的长边方向相对定义所述自由曲面凹面反射镜的坐标系中的X轴倾斜，其倾斜度是45度以上。
12.根据权利要求11所述的抬头显示器装置，其特征在于，
在所述自由曲面凹面反射镜上的有效的光束范围中，不包括定义所述自由曲面凹面反射镜的坐标系中的所述自由曲面凹面反射镜的原点。
13.根据权利要求8所述的抬头显示器装置，其特征在于，
所述挡风玻璃中的所述RX2成为最大的视野和所述RX2成为最小的视野在所述视野范围中被分成左右。
14.根据权利要求8所述的抬头显示器装置，其特征在于，
在将视野范围的中央的光束在所述挡风玻璃中的中心位置在定义所述挡风玻璃的坐标系的X轴中设为ADX2，在定义所述自由曲面凹面反射镜的坐标系的X轴中设为ADX4时，
所述ADX2和所述ADX4是不同符号。
15.一种汽车，
在前方具备挡风玻璃，
所述汽车具备抬头显示器装置，该抬头显示器装置具备：
图像形成单元，射出包含图像信息的光；以及
目镜光学系统，对从所述图像形成单元射出的光进行反射并投影到所述挡风玻璃而使虚像显示，
所述目镜光学系统从所述图像形成单元侧起包括自由曲面透镜和自由曲面凹面反射镜，所述汽车的特征在于，
所述抬头显示器装置是权利要求8至14中的任意一项所述的抬头显示器装置。
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