JP2009122582A - Projection optical system and head-up display apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small type head-up display apparatus that displays a virtual image the aberrations of which are satisfactorily corrected. <P>SOLUTION: The head-up display apparatus 10 includes: a projecting optical system 22 for producing display light 21 that has image information and enlarging and projecting this; and a front glass for displaying a virtual image by reflecting the display light 21. The projecting optical system 22 has: a liquid crystal panel 24 for producing display light 21; a projecting lens group 27 having positive refractive power; a concave mirror 28 having a non-rotation-symmetrical aspherical face, that is disposed so as to be eccentric to the projecting lens group 27. Display light 21 emitted from the liquid crystal panel 24 is magnified and projected while a power is dispersed by the projecting optical lens group 27 and the concave mirror 28. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、投影光学系に関するものであり、さらに詳しくは、自動車や航空機などのフロントガラス等に画像表示光を投影し、フロントガラス越しにその虚像が観察できるようにしたヘッドアップディスプレイ装置に好適な投影光学系に関するものである。   The present invention relates to a projection optical system. More specifically, the present invention is suitable for a head-up display device that projects image display light onto a windshield or the like of an automobile or an aircraft so that the virtual image can be observed through the windshield. The present invention relates to a projection optical system.

例えば、自動車のフロントガラスによって、画像表示パネルに表示する画像の表示光を、運転手(観察者)に向かって反射させ、スピードメータ等の計器類の画像を虚像として観察できるようにしたヘッドアップディスプレイ装置が知られている(特許文献1等)。こうした計器類の画像は、フロントガラス越しに、運転手から2m以上離れた位置に虚像として拡大表示される。したがって、運転手は通常の前方視野とともに、視線方向や視度を殆ど変えずに表示画像を観察することができるようになっている。   For example, a head-up that reflects the display light of the image displayed on the image display panel toward the driver (observer) by the windshield of an automobile so that the image of instruments such as a speedometer can be observed as a virtual image A display device is known (Patent Document 1, etc.). Such an instrument image is enlarged and displayed as a virtual image at a position 2 m or more away from the driver through the windshield. Therefore, the driver can observe the display image together with the normal front view without changing the line-of-sight direction or diopter.

このようなヘッドアップディスプレイ装置に用いられる光学系は、画像表示パネル、照明光源、投影光学系などから構成される。画像表示パネルには透過型液晶表示パネルが多用され、その背後に設けられたバックライト光源が照明光源となり、液晶表示パネルを透過した画像表示光を投影光学系に入射させる。投影光学系には、例えば凹面ミラーが用いられ、凹面ミラーからの反射光が表示光としてフロントガラスに入射し、さらに、フロントガラスの反射により表示光が観察者へと向けられるようになっている。   An optical system used in such a head-up display device is composed of an image display panel, an illumination light source, a projection optical system, and the like. A transmissive liquid crystal display panel is frequently used as an image display panel, and a backlight light source provided behind the transmissive liquid crystal display panel serves as an illumination light source, and image display light transmitted through the liquid crystal display panel is incident on a projection optical system. For example, a concave mirror is used in the projection optical system, and reflected light from the concave mirror is incident on the windshield as display light, and further, the display light is directed to the observer by reflection of the windshield. .

一般に、自動車などではフロントガラスの近傍に広いスペースを確保することが難しいことから、例えば画像表示パネルや凹面ミラーのサイズをコンパクト化したい要求がある。その反面、上述のように観察される虚像は観察者から2m以上離れた位置となるため、その画像サイズは少なくとも150mm程度にする必要がある。   In general, since it is difficult to secure a large space in the vicinity of a windshield in an automobile or the like, there is a demand for reducing the size of, for example, an image display panel or a concave mirror. On the other hand, since the virtual image observed as described above is at a position 2 m or more away from the observer, the image size needs to be at least about 150 mm.

さらに、ヘッドアップディスプレイ装置は観察者が両眼で像を観察するように設けられ、その観察位置は必ずしも一定ではない。こうしたことから、観察位置が左右に20mm程度ずれても両眼での観察を可能にするには、瞳の大きさを少なくとも100mmは確保する必要がある。また、表示光を運転手に向けて反射させるフロントガラスが、運転手と虚像の表示位置との略中間に位置していることを考慮すると、投影光学系の口径を125mm程度にしておく必要がある。   Furthermore, the head-up display device is provided so that an observer observes an image with both eyes, and the observation position is not necessarily constant. For this reason, in order to enable observation with both eyes even when the observation position is shifted by about 20 mm from side to side, it is necessary to secure a pupil size of at least 100 mm. Further, considering that the windshield that reflects the display light toward the driver is positioned approximately in the middle between the driver and the display position of the virtual image, the aperture of the projection optical system needs to be about 125 mm. is there.

画像表示パネルに表示された小さな表示画像を拡大投影する場合、凹面ミラーから虚像までの光路長(像距離)をD3、投影倍率をβ、投影光学系全体の焦点距離をfとすると、D3=(1+β)×fとなる(結像公式)。そして、像距離D3を1100mm、画像表示パネル上の画像サイズを15mmとし、これを10倍に拡大して150mmの虚像を表示しようとすると、投影光学系全体の焦点距離は100mmとなる。前述の理由から、投影光学系の口径を125mmにした場合、この投影光学系の明るさ(焦点距離/口径)は0.8と非常に明るいものとなるが、これとともに収差もできるだけ抑えることが望まれる。
特開2006−11168号公報
When a small display image displayed on the image display panel is enlarged and projected, assuming that the optical path length (image distance) from the concave mirror to the virtual image is D3, the projection magnification is β, and the focal length of the entire projection optical system is f, D3 = (1 + β) × f (imaging formula). If the image distance D3 is 1100 mm, the image size on the image display panel is 15 mm, and this is magnified 10 times to display a virtual image of 150 mm, the focal length of the entire projection optical system is 100 mm. For the above reasons, when the aperture of the projection optical system is set to 125 mm, the brightness (focal length / aperture) of this projection optical system is as very bright as 0.8, but this also suppresses aberrations as much as possible. desired.
JP 2006-11168 A

しかしながら、従来のヘッドアップディスプレイ装置の投影光学系は、凹面ミラーで表示光を大きな偏向角で反射させているため球面収差や非点収差の影響が著しい。例えば、特許文献1記載の光学系では、画像中心を通る主光線に相当する基準光軸を凹面ミラーで折り曲げる際に、折り曲げ前後の光軸相互間の角度(偏向角α)が60度程度にも達し、収差を軽減して良好な結像性能を得るには焦点距離を300mm程度まで長くしなければならない。このため、観察し易い大きさで画像表示を行おうとすると、画像表示パネルのサイズやその照明系も大きくなり、スペース、コスト、消費電力の増大を避けることができない。   However, since the projection optical system of the conventional head-up display device reflects display light with a large deflection angle by the concave mirror, the influence of spherical aberration and astigmatism is remarkable. For example, in the optical system described in Patent Document 1, when the reference optical axis corresponding to the principal ray passing through the center of the image is bent by the concave mirror, the angle between the optical axes before and after bending (deflection angle α) is about 60 degrees. In order to reduce aberrations and obtain good imaging performance, the focal length must be increased to about 300 mm. For this reason, if an image is displayed in a size that allows easy observation, the size of the image display panel and its illumination system also increase, and an increase in space, cost, and power consumption cannot be avoided.

本発明は上述の背景を考慮してなされたものであり、画像表示パネルを小型化しながらも、観察し易い画像サイズで虚像を表示することができ、しかも収差を抑える点でも有利な投影光学系、及びこれを用いた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。   The present invention has been made in consideration of the above-described background, and is a projection optical system that can display a virtual image with an image size that is easy to observe while reducing the size of the image display panel, and is advantageous in terms of suppressing aberrations. And a head-up display device using the same.

本発明の投影光学系は、所定の位置にいる観察者に対面する反射面で、画像表示パネルからの表示光を観察者側に反射するように投影し、前記反射面越しに前記画像表示パネルに表示された画像を両眼で観察する虚像として拡大表示する投影光学系であり、正の屈折力を有し、前記画像表示パネルからの表示光を投影する投影レンズ群と、前記投影レンズ群の光軸に対して偏心して配置され、前記投影レンズ群からの表示光を反射して、前記反射面に拡大投影する凹面ミラーと、を備えることを特徴とする。   The projection optical system of the present invention projects the display light from the image display panel so as to be reflected on the viewer side by the reflecting surface facing the viewer at a predetermined position, and passes through the reflecting surface to the image display panel. A projection optical system that enlarges and displays the image displayed on the image as a virtual image observed with both eyes, has a positive refractive power, and projects the display light from the image display panel; and the projection lens group And a concave mirror that reflects the display light from the projection lens group and magnifies and projects it onto the reflecting surface.

また、投影倍率をβ、前記凹面ミラーの反射点から表示する前記虚像までの光路長をD3、前記投影レンズ群の焦点距離をfとするときに、1.0 < f×β/D3 < 2.0を満たすことを特徴とする。   Further, when the projection magnification is β, the optical path length from the reflection point of the concave mirror to the virtual image to be displayed is D3, and the focal length of the projection lens group is f, 1.0 <f × β / D3 <2. 0.0.

また、前記凹面ミラーの反射面の形状が、非回転対称非球面であることを特徴とする。   The shape of the reflecting surface of the concave mirror is a non-rotationally symmetric aspherical surface.

また、前記投影レンズ群から前記凹面ミラーに入射する表示光の主光線を入射基準光軸、前記凹面ミラーに反射されて前記反射面に向かう表示光の主光線を出射基準光軸とし、前記入射基準光軸に沿ってz軸を定め、前記入射基準光軸と前記出射基準光軸とを含む面をyz面、該yz面に垂直かつ前記z軸に平行な面をxz面とし、前記凹面ミラーのyz面内の近軸曲率をCY、前記凹面ミラーのxz面内の近軸曲率をCXとするときに、1.3<|CY/CX|を満たすことを特徴とする。   Further, the principal ray of display light incident on the concave mirror from the projection lens group is an incident reference optical axis, and the principal ray of display light reflected by the concave mirror and directed to the reflective surface is an outgoing reference optical axis, and the incident A z-axis is defined along a reference optical axis, a plane including the incident reference optical axis and the output reference optical axis is a yz plane, a plane perpendicular to the yz plane and parallel to the z axis is an xz plane, and the concave surface When the paraxial curvature in the yz plane of the mirror is CY and the paraxial curvature in the xz plane of the concave mirror is CX, 1.3 <| CY / CX | is satisfied.

また、前記画像表示パネルは、前記投影レンズ群の光軸に対して傾斜して配置されることを特徴とする。   Further, the image display panel is arranged to be inclined with respect to the optical axis of the projection lens group.

また、前記投影レンズ群は、材料及び面形状が同一の2以上の屈折レンズを含むことを特徴とする。   The projection lens group may include two or more refractive lenses having the same material and surface shape.

本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、上述の投影光学系を備えることを特徴とする。   A head-up display device according to the present invention includes the above-described projection optical system.

本発明によれば、パワーを分散して画像を拡大投影することで、収差を良好に補正し、かつ、投影光学系及びヘッドアップディスプレイ装置をコンパクトに構成することができる。   According to the present invention, it is possible to favorably correct aberrations and to make the projection optical system and the head-up display device compact by dispersing power and projecting an image in an enlarged manner.

図1に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置10は、その投影光学系を自動車12のダッシュボード13に配置され、スピードメータの値などを運転手(観察者)14の前方に表示する。   As shown in FIG. 1, the head-up display device 10 has its projection optical system arranged on the dashboard 13 of the automobile 12 and displays the value of the speedometer and the like in front of the driver (observer) 14.

ヘッドアップディスプレイ装置10は、内蔵する小型の液晶パネルからの表示光をフロントガラス18に拡大投影し、このフロントガラス18で運転手14の方向へ反射させる。したがってこのヘッドアップディスプレイ装置10により表示される像は虚像19となっている。すなわち、ヘッドアップディスプレイ装置10は、フロントガラス18上に画像が結像して実像が表示されるのではなく、運転手14にはフロントガラス18越しの距離D1の位置に虚像19が表示される。   The head-up display device 10 enlarges and projects the display light from the built-in small liquid crystal panel onto the windshield 18 and reflects the light toward the driver 14 with the windshield 18. Therefore, the image displayed by the head-up display device 10 is a virtual image 19. That is, in the head-up display device 10, an image is not formed on the windshield 18 and a real image is displayed, but the virtual image 19 is displayed on the driver 14 at a distance D1 through the windshield 18. .

運転中に視線を殆ど動かさずに、かつ目のピント調節が殆ど行われずに、虚像19を見ることができるように、この虚像19が表示される距離D1は十分に長くなっており、例えば、運転手から2m以上の距離となっている。   The distance D1 at which the virtual image 19 is displayed is sufficiently long so that the virtual image 19 can be viewed with little eye movement during driving and little focus adjustment of the eyes. The distance is more than 2m from the driver.

図2に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置10は、表示する像の情報を持つ表示光21を生成するとともにこれを拡大投影する投影光学系22と、この表示光21を運転手14の方向に反射するフロントガラス(反射面)18とからなる。投影光学系22は、液晶パネル(画像表示パネル)24、光源26、投影レンズ群27、凹面ミラー28等から構成される。   As shown in FIG. 2, the head-up display device 10 generates a display light 21 having information of an image to be displayed and enlarges and projects the display light 21, and the display light 21 in the direction of the driver 14. It consists of a windshield (reflecting surface) 18 that reflects. The projection optical system 22 includes a liquid crystal panel (image display panel) 24, a light source 26, a projection lens group 27, a concave mirror 28, and the like.

液晶パネル24は、例えば0.8型等の小型液晶パネルである。この液晶パネル24には、スピードメータやタコメータ、水温計、燃料計などの各種計器類の値が表示される。液晶パネル24に表示される画像は、前述のように、フロントガラス18に拡大投影される。   The liquid crystal panel 24 is a small liquid crystal panel such as a 0.8 type. The liquid crystal panel 24 displays values of various instruments such as a speedometer, a tachometer, a water temperature gauge, and a fuel gauge. The image displayed on the liquid crystal panel 24 is enlarged and projected on the windshield 18 as described above.

また、表示する虚像19の中心となる主光線の経路を基準光軸L1とし、この基準光軸L1を運転手14(又は虚像19)側から順に投影光学系22側に追跡すると、液晶パネル24の表示面は、この基準光軸L1に対して90度ではなく、所定角度だけ傾斜して配置されている。   Further, when the path of the principal ray at the center of the virtual image 19 to be displayed is the reference optical axis L1, and the reference optical axis L1 is traced sequentially from the driver 14 (or virtual image 19) side to the projection optical system 22 side, the liquid crystal panel 24. The display surface is inclined by a predetermined angle rather than 90 degrees with respect to the reference optical axis L1.

こうした基準光軸L1に対する液晶パネル24の傾斜は、虚像19のピントが表示範囲内の全ての範囲で合うような傾斜角度γとなっている。すなわち、虚像19の上端を見る運転手14の視線は液晶パネル24の表示面の上端でピントが合い、かつ虚像19の下端を見る運転手14の視線もまた液晶パネル24の表示面の下端でピントが合うように、液晶パネル24は基準光軸L1に対して垂直ではなく、基準光軸L1に直交する水平な軸のまわりに角度γだけ傾斜して配置される。   The inclination of the liquid crystal panel 24 with respect to the reference optical axis L1 is an inclination angle γ such that the focus of the virtual image 19 is met in all ranges within the display range. That is, the line of sight of the driver 14 who sees the upper end of the virtual image 19 is in focus at the upper end of the display surface of the liquid crystal panel 24, and the line of sight of the driver 14 who looks at the lower end of the virtual image 19 is also at the lower end of the display surface of the liquid crystal panel 24. In order to focus, the liquid crystal panel 24 is not perpendicular to the reference optical axis L1, but is inclined at an angle γ around a horizontal axis orthogonal to the reference optical axis L1.

また、液晶パネル24に表示される画像は、上述の傾斜角度γにあわせて、この液晶パネル24を直視する場合に表示すべき画像の形状を変換した形状の画像となっている。   The image displayed on the liquid crystal panel 24 is an image having a shape obtained by converting the shape of the image to be displayed when the liquid crystal panel 24 is directly viewed according to the above-described tilt angle γ.

光源26は、例えば白色のLEDなどからなり、液晶パネル24の背面に配置される。すなわち、光源26はいわゆるバックライトであり、液晶パネル24の背後から照明光を一様に照射する。この光源26による照明光は、液晶パネル24を透過するときに、液晶パネル24に表示された画像の情報を持った表示光21となり、液晶パネル24から出射する。なお、光源26は白色LEDからなるが、これに限らず、所望の色の光源とすることができる。例えば、赤色,緑色,青色等の単色LEDから構成しても良く、またこれらの単色LEDをいくつか組み合わせて所望の色で像を表示させるようにしたものであっても良い。さらに、光源26としてはLEDに限らず、他の周知のランプ等を用いても良い。   The light source 26 is made of, for example, a white LED and is disposed on the back surface of the liquid crystal panel 24. That is, the light source 26 is a so-called backlight and uniformly illuminates illumination light from behind the liquid crystal panel 24. The illumination light from the light source 26 becomes display light 21 having image information displayed on the liquid crystal panel 24 when it passes through the liquid crystal panel 24, and is emitted from the liquid crystal panel 24. In addition, although the light source 26 consists of white LED, it can be set as the light source of not only this but a desired color. For example, it may be composed of single-color LEDs such as red, green, and blue, or a combination of several of these single-color LEDs to display an image in a desired color. Furthermore, the light source 26 is not limited to an LED, and other known lamps may be used.

投影レンズ群27は、1枚の屈折レンズからなり、全体としては正の屈折力のレンズ群となっている。この投影レンズ群27は、液晶パネル24の前方に配置され、液晶パネル24から出射する表示光21を凹面ミラー28へと投影する。また、投影レンズ群27の光軸は、前述の基準光軸L1と一致するように配置される。なお、撮影レンズ群27は1枚の屈折レンズから構成されることに限らず、2枚以上の屈折レンズで構成しても良く、屈折レンズとともに他の周知の光学部材をあわせたものを撮影レンズ群としても良い。   The projection lens group 27 is composed of one refracting lens, and is a lens group having a positive refractive power as a whole. The projection lens group 27 is disposed in front of the liquid crystal panel 24 and projects the display light 21 emitted from the liquid crystal panel 24 onto the concave mirror 28. Further, the optical axis of the projection lens group 27 is arranged so as to coincide with the above-mentioned reference optical axis L1. The photographic lens group 27 is not limited to a single refracting lens, and may be composed of two or more refracting lenses. The photographic lens is a combination of a refracting lens and another known optical member. It is good as a group.

凹面ミラー28は、投影レンズ群27から入射する表示光21をフロントガラス18へ向けて反射するミラーであり、投影レンズ群27側に反射面である凹面を向けて配置される。液晶パネル24に表示される画像は、この凹面ミラー28と前述の投影レンズ群27とにより、フロントガラス18へ拡大して投影される。   The concave mirror 28 is a mirror that reflects the display light 21 incident from the projection lens group 27 toward the windshield 18, and is disposed with the concave surface that is a reflection surface facing the projection lens group 27 side. The image displayed on the liquid crystal panel 24 is enlarged and projected onto the windshield 18 by the concave mirror 28 and the projection lens group 27 described above.

図3に示すように、凹面ミラー28の面形状は、単に凹面というだけでなく、非回転対称な非球面形状、いわゆる自由曲面形状となっている。凹面ミラー28がこうした非回転対称非球面形状となっていることで、凹面ミラー28は表示光21を拡大投影すると同時に、凹面ミラー28及び投影レンズ群27で生じる収差を表示する虚像19の全体で良好に補正する。   As shown in FIG. 3, the surface shape of the concave mirror 28 is not only a concave surface, but also a non-rotationally symmetric aspherical shape, a so-called free curved surface shape. Since the concave mirror 28 has such a non-rotationally symmetric aspherical shape, the concave mirror 28 enlarges and projects the display light 21, and at the same time, the entire virtual image 19 displaying the aberration generated by the concave mirror 28 and the projection lens group 27. Correct well.

すなわち、凹面ミラー28の面形状は自由曲面31の一部分からなり、この自由曲面31は例えば球面等の回転対称な曲面をもとにして収差を良好に補正するように変形させたものとなっている。この凹面ミラー28を延長した自由曲面31を大局的に見れば、回転対称軸(以下、光軸)L2が定めることができることがある。このように光軸L2を定めることができるような場合にも、凹面ミラー28は、例えば、自由曲面31の光軸L2が凹面ミラー28の外側に位置するようにつくられている。したがって、凹面ミラー28自体には光軸を定めることはできず、凹面ミラー28は回転対称性のない自由曲面形状となっている。さらに、凹面ミラー28は投影レンズ群27の光軸に対して偏心して配置される。すなわち、少なくとも、前述の光軸L2が投影レンズ群27の光軸に対して傾斜するように、または前述の光軸L2が投影レンズ群27の光軸の位置とはずれた位置となるように、凹面ミラー28は配置される。前述のように、投影レンズ群27はその光軸が基準光軸L1と一致するように配置されているから、こうした凹面ミラー28の配置は基準光軸L1に対しても同様となっている。   That is, the surface shape of the concave mirror 28 consists of a part of a free-form surface 31, and this free-form surface 31 is deformed so as to favorably correct aberrations based on a rotationally symmetric curved surface such as a spherical surface. Yes. If the free-form surface 31 obtained by extending the concave mirror 28 is viewed globally, a rotationally symmetric axis (hereinafter referred to as an optical axis) L2 may be determined. Even when the optical axis L2 can be determined as described above, the concave mirror 28 is formed so that the optical axis L2 of the free-form surface 31 is located outside the concave mirror 28, for example. Therefore, the concave mirror 28 itself cannot have an optical axis, and the concave mirror 28 has a free-form surface having no rotational symmetry. Furthermore, the concave mirror 28 is arranged eccentrically with respect to the optical axis of the projection lens group 27. That is, at least so that the optical axis L2 is inclined with respect to the optical axis of the projection lens group 27, or so that the optical axis L2 is shifted from the optical axis position of the projection lens group 27. The concave mirror 28 is arranged. As described above, since the projection lens group 27 is arranged so that the optical axis thereof coincides with the reference optical axis L1, the arrangement of the concave mirror 28 is the same with respect to the reference optical axis L1.

なお、この凹面ミラー28の面形状は全く対称性のない完全な自由曲面となっているが、必ずしも完全な自由曲面となっている必要はなく、表示光を拡大投影する反射面の形状によっては線対称性などの対称性があっても良い。すなわち、表示光21を拡大投影するフロントガラス18は運転手14に対して前後に傾斜して配置され、かつ運転手14の正面を基準として左右に非対称な形状となっているから、上述のように凹面ミラー28もまた全く対称性のない完全な自由曲面形状となっている。しかし、例えば、運転手14等の観察者にとって左右に対称な平面に表示光を拡大投影して虚像を表示する場合には、正常な形状の虚像を表示するために、凹面ミラーの面形状を、基準光軸を中心として左右対称なシリンドリカル形状となっていることが好ましい。   The surface shape of the concave mirror 28 is a complete free-form surface having no symmetry, but it is not necessarily a complete free-form surface, and depending on the shape of the reflection surface that magnifies and projects the display light. There may be symmetry such as line symmetry. That is, the windshield 18 for enlarging and projecting the display light 21 is tilted forward and backward with respect to the driver 14 and has an asymmetric shape on the left and right with respect to the front of the driver 14. The concave mirror 28 also has a completely free-form surface having no symmetry. However, for example, when displaying a virtual image by magnifying and projecting display light on a plane symmetrical to the left and right for an observer such as the driver 14, the surface shape of the concave mirror is changed to display a normal virtual image. The cylindrical shape is preferably symmetrical with respect to the reference optical axis.

上述の各部から構成される投影光学系22は、下記数1の条件を満たすように構成されている。すなわち、投影光学系22は、投影レンズ群27の焦点距離をf、投影倍率(表示する虚像のサイズ/液晶パネル上の画像サイズ)をβ、後述する凹面ミラー28の基準点から虚像19までの光路長をD3とするときに、下記数1の条件を満たす。   The projection optical system 22 composed of the above-described parts is configured so as to satisfy the following equation (1). That is, the projection optical system 22 sets the focal length of the projection lens group 27 to f, the projection magnification (the size of the virtual image to be displayed / the image size on the liquid crystal panel) to β, and the reference point of the concave mirror 28 described later to the virtual image 19. When the optical path length is D3, the following condition 1 is satisfied.

Figure 2009122582
Figure 2009122582

投影光学系22は、非回転対称非球面形状の凹面ミラー28を投影レンズ群27に対して偏心して配置するから、投影光学系22全系の焦点距離を従来のレンズ系のように一義的に定めることが難しい。上述の条件式(数1)は、こうした投影光学系22に対して、従来のレンズ系の結像公式に相当する意義を持つ条件式となっている。   Since the projection optical system 22 is arranged with the non-rotationally symmetric aspherical concave mirror 28 decentered with respect to the projection lens group 27, the focal length of the entire projection optical system 22 is uniquely defined as in a conventional lens system. It is difficult to determine. The above-described conditional expression (Equation 1) is a conditional expression having a meaning corresponding to the imaging formula of the conventional lens system with respect to such a projection optical system 22.

具体的には、上述の条件式は、投影レンズ群27と凹面ミラー28のパワーの配分を定めるものとなっている。すなわち、f×β/D3の値が、上述の条件式の下限(1.0)を下回ると、投影光学系22が虚像19を表示するための殆どのパワーを投影レンズ群27が担うことになり、投影レンズ群27から虚像19の結像位置までの距離が長くなる。したがって、上述の条件式の下限を下回ると、投影光学系22をコンパクトに構成することができなくなり、結果的にヘッドアップディスプレイ装置10の小型化が難しくなる。   Specifically, the conditional expression described above determines the power distribution of the projection lens group 27 and the concave mirror 28. That is, when the value of f × β / D3 falls below the lower limit (1.0) of the above conditional expression, the projection lens group 27 bears most of the power for the projection optical system 22 to display the virtual image 19. Thus, the distance from the projection lens group 27 to the imaging position of the virtual image 19 becomes longer. Therefore, if the lower limit of the above conditional expression is not reached, the projection optical system 22 cannot be made compact, and as a result, it is difficult to reduce the size of the head-up display device 10.

一方、f×β/D3の値が、上述の条件式の上限(2.0)を上回ると、投影光学系22が虚像19を表示させるための殆どのパワーを凹面ミラー28が担うことになり、投影レンズ群27及び凹面ミラー28で生じる収差の補正が困難となる。凹面ミラー28で生じる収差は、表示光21の偏向角度が大きいほど、すなわち、投影レンズ群27から入射する表示光21の基準光軸L1(以下、入射基準光軸)と凹面ミラー28で反射された表示光21の基準光軸L1(以下、出射基準光軸)とのなす角が大きいほど顕著にあらわれる。しかし、f×β/D3の値が上述の条件式の上限(2.0)よりも小さな値となっていれば、表示光の偏向角度が比較的大きな場合、例えば偏向角度が60度程度の場合であっても良好に収差が補正される。   On the other hand, when the value of f × β / D3 exceeds the upper limit (2.0) of the conditional expression described above, the concave mirror 28 bears most of the power for the projection optical system 22 to display the virtual image 19. Thus, it becomes difficult to correct aberrations generated by the projection lens group 27 and the concave mirror 28. The aberration generated by the concave mirror 28 is reflected by the reference optical axis L1 (hereinafter referred to as the incident reference optical axis) of the display light 21 incident from the projection lens group 27 and the concave mirror 28 as the deflection angle of the display light 21 increases. The larger the angle between the display light 21 and the reference optical axis L1 (hereinafter referred to as the emission reference optical axis), the more pronounced it becomes. However, if the value of f × β / D3 is smaller than the upper limit (2.0) of the above conditional expression, when the deflection angle of the display light is relatively large, for example, the deflection angle is about 60 degrees. Even in this case, the aberration is corrected satisfactorily.

このように、投影光学系22は、f×β/D3の値が数1の条件式を満たすように構成されることが好ましく、1.0<f×β/D3<2.0を満たすことがより好ましい。さらに、投影光学系22は、1.1<f×β/D3<1.8を満たすように構成されていることが特に好ましい。   As described above, the projection optical system 22 is preferably configured so that the value of f × β / D3 satisfies the conditional expression of Formula 1, and satisfies 1.0 <f × β / D3 <2.0. Is more preferable. Further, the projection optical system 22 is particularly preferably configured to satisfy 1.1 <f × β / D3 <1.8.

また、ヘッドアップディスプレイ装置10は、その凹面ミラー28の面形状について、下記数2の条件式を満たすようにつくられている。すなわち、入射基準光軸をz軸として、入射基準光軸と出射基準光軸とを含む面をyz面と定め、yz面に垂直にかつz軸に平行にxz面を定めるときに、凹面ミラー28のyz面内の近軸曲率CYとxz面内の近軸曲率CXとは、下記数2の条件式を満たすようにつくられている。   Further, the head-up display device 10 is formed so as to satisfy the following conditional expression 2 regarding the surface shape of the concave mirror 28. That is, when the incident reference optical axis is the z axis, the plane including the incident reference optical axis and the outgoing reference optical axis is defined as the yz plane, and the concave mirror is defined when the xz plane is defined perpendicular to the yz plane and parallel to the z axis. 28, the paraxial curvature CY in the yz plane and the paraxial curvature CX in the xz plane are formed so as to satisfy the following conditional expression (2).

Figure 2009122582
Figure 2009122582

この条件式(数2)は、ヘッドアップディスプレイ装置10によって表示される虚像19を殆どの運転手(観察者)が両眼で正常に観察するための条件となっている。すなわち、凹面ミラー28について近軸曲率CXに対する近軸曲率CYの比の大きさが、数2の下限を下回ると、運転手の両眼にではなく片眼にのみ表示光が到達してしまい、運転手は表示された虚像19のチラつきを感じる等の不具合を生じてしまう。   This conditional expression (Expression 2) is a condition for most drivers (observers) to normally observe the virtual image 19 displayed by the head-up display device 10 with both eyes. That is, if the ratio of the paraxial curvature CY to the paraxial curvature CX of the concave mirror 28 is below the lower limit of Equation 2, the display light reaches only one eye instead of both eyes of the driver. The driver will have problems such as the flickering of the displayed virtual image 19.

このように、凹面ミラー28は、上述の数2の条件を満たすように作られていることが好ましく、1.5<|CY/CX|を満たすようにつくられていることがより好ましく、1.7<|CY/CX|を満たすように作られていることが特に好ましい。   Thus, the concave mirror 28 is preferably made so as to satisfy the condition of the above formula 2, more preferably 1.5 <| CY / CX |. .7 <| CY / CX |

このように構成されるヘッドアップディスプレイ装置10,投影光学系22の具体的な例を、以下に実施例1〜4として示す。   Specific examples of the head-up display device 10 and the projection optical system 22 configured as described above are shown as Examples 1 to 4 below.

[実施例1]
図4に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置10aの投影光学系22aは、投影レンズ群27a、凹面ミラー28a、液晶パネル24等から構成される。このヘッドアップディスプレイ装置10aは、自動車のフロントガラスに表示光を拡大投影して反射させ、虚像を表示するように構成した。このヘッドアップディスプレイ装置10aの各部は、運転手に対して、フロントガラス越しの前方2m(D1=2m)の位置に虚像を表示するように配置した。また、ヘッドアップディスプレイ装置10aによって表示される虚像の大きさが運転手にとって十分に見やすい大きさとなるように、表示する虚像のサイズ(幅h×高さv)をh×v=150mm×50mmとした。このとき、運転手が表示された虚像を両眼視する観察範囲、すなわち入射瞳の大きさは、幅100mm×高さ40mmとした。
[Example 1]
As shown in FIG. 4, the projection optical system 22a of the head-up display device 10a includes a projection lens group 27a, a concave mirror 28a, a liquid crystal panel 24, and the like. The head-up display device 10a is configured to display a virtual image by projecting and reflecting display light on a windshield of an automobile. Each part of the head-up display device 10a was arranged to display a virtual image at a position 2m ahead (D1 = 2m) through the windshield for the driver. Further, the size (width h × height v) of the virtual image to be displayed is h × v = 150 mm × 50 mm so that the size of the virtual image displayed by the head-up display device 10a is sufficiently large for the driver to see. did. At this time, the observation range in which the driver displayed the virtual image displayed on both eyes, that is, the size of the entrance pupil, was set to width 100 mm × height 40 mm.

投影レンズ群27aは、正の屈折力を有する1枚の屈折レンズ36aから構成した。この屈折レンズ36aは、凹面ミラー28a側に凸面を向けたメニスカス形状のレンズであり、この屈折レンズ36a(投影レンズ群27a)の光軸が基準光軸L1と一致するように配置した。   The projection lens group 27a is composed of a single refractive lens 36a having a positive refractive power. The refractive lens 36a is a meniscus lens having a convex surface facing the concave mirror 28a, and is arranged so that the optical axis of the refractive lens 36a (projection lens group 27a) coincides with the reference optical axis L1.

また、凹面ミラー28aが虚像の表示に関与する実効的な大きさは、縦方向(運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置10aの縦方向)の長さAが46mm、横方向(運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置10aの横方向)の長さが122mmとなっている。   The effective size of the concave mirror 28a involved in displaying a virtual image is that the length A in the vertical direction (the vertical direction of the head-up display device 10a as viewed from the driver) is 46 mm, and the horizontal direction (as viewed from the driver). The length in the horizontal direction of the head-up display device 10a is 122 mm.

このヘッドアップディスプレイ装置10aの各部の詳細な配置等を示すために、基準光軸L1が凹面ミラー28aに反射される点を原点Oとする座標系を定める。この座標系は、基準光軸L1に沿って原点Oから投影レンズ群27a側をz軸の正方向とし、このz軸に垂直かつ凹面ミラー28aに反射された表示光21の基準光軸L1を含む面内にy軸を定め、フロントガラスの配置されている方向をこのy軸の正方向とする。また、x軸は、上述のy軸及びz軸に垂直に、かつ座標系が右手系をなすように定める。すなわち、凹面ミラー28aを基準に、入射基準光軸と出射基準光軸とを含む面がyz面であり、このyz面に垂直で、かつz軸に平行な面がxz面となるようにxyz座標系を定める。   In order to show the detailed arrangement and the like of each part of the head-up display device 10a, a coordinate system having the origin O as a point where the reference optical axis L1 is reflected by the concave mirror 28a is determined. In this coordinate system, the projection lens group 27a side from the origin O along the reference optical axis L1 is the positive direction of the z axis, and the reference optical axis L1 of the display light 21 that is perpendicular to the z axis and reflected by the concave mirror 28a is used. The y-axis is defined within the plane to include, and the direction in which the windshield is disposed is defined as the positive direction of the y-axis. Further, the x-axis is determined so that it is perpendicular to the above-described y-axis and z-axis, and the coordinate system forms a right-handed system. That is, with respect to the concave mirror 28a, the plane including the incident reference optical axis and the outgoing reference optical axis is the yz plane, and the plane perpendicular to the yz plane and parallel to the z axis is the xyz plane. Define the coordinate system.

このように座標系を定めるときに、凹面ミラー28aをS1、屈折レンズ36aの凹面ミラー28a側の面をS2、屈折レンズ36a(投影レンズ群27a)の液晶パネル24側の面をS3、液晶パネル24の表示面をS4として、各面の具体的な位置を表1に示す。なお、この表1に示す座標のスケールは全てmmとする。また同時に、表1の下段には、ヘッドアップディスプレイ装置10aの各種条件を併せて示す。   Thus, when the coordinate system is determined, the concave mirror 28a is S1, the surface of the refractive lens 36a on the concave mirror 28a side is S2, the surface of the refractive lens 36a (projection lens group 27a) on the liquid crystal panel 24 side is S3, and the liquid crystal panel Table 1 shows the specific positions of each surface, with 24 display surfaces designated as S4. The coordinate scales shown in Table 1 are all mm. At the same time, the lower part of Table 1 also shows various conditions of the head-up display device 10a.

さらに、投影レンズ群27a(屈折レンズ36a)の各面の曲率半径Ri,屈折率Nd,アッベ数νdを凹面ミラー28a及び液晶パネル24とともに、表2に示す。また、表2の下段には、投影レンズ群27aの焦点距離fの値を示す。なお、この表2に示す屈折率Nd及びアッベ数νdは何れもd線(波長587.6nm)に対するものである。   Further, Table 2 shows the curvature radius Ri, refractive index Nd, and Abbe number νd of each surface of the projection lens group 27a (refractive lens 36a) together with the concave mirror 28a and the liquid crystal panel 24. The lower part of Table 2 shows the value of the focal length f of the projection lens group 27a. The refractive index Nd and Abbe number νd shown in Table 2 are both for the d-line (wavelength 587.6 nm).

Figure 2009122582
Figure 2009122582

Figure 2009122582
Figure 2009122582

表1及び2に示すように、液晶パネル24は、その表示面と基準光軸L1との交点が、すなわち表示面の中心座標が(x,y,z)=(0.00,0.00,143.09)となるように配置した。さらに、液晶パネル24は、表示面S4の法線とz軸とのなす角が5.0度となるように、x軸方向を軸として回転して配置した。したがって、表示面S4の法線と基準光軸L1とのなす角(液晶パネル24の傾斜角度)γは5.0度なっている。また、液晶パネル24は、表示面S4の大きさが幅h×高さv=15mm×5mmの大きさのものを用いた。すなわち、ヘッドアップディスプレイ装置10aの投影倍率βは10倍とした。   As shown in Tables 1 and 2, the liquid crystal panel 24 has an intersection between the display surface and the reference optical axis L1, that is, the center coordinates of the display surface are (x, y, z) = (0.00, 0.00 , 143.09). Further, the liquid crystal panel 24 was arranged to rotate about the x-axis direction so that the angle formed by the normal line of the display surface S4 and the z-axis was 5.0 degrees. Therefore, the angle (inclination angle of the liquid crystal panel 24) γ formed by the normal line of the display surface S4 and the reference optical axis L1 is 5.0 degrees. Further, the liquid crystal panel 24 has a display surface S4 having a size of width h × height v = 15 mm × 5 mm. That is, the projection magnification β of the head-up display device 10a is 10 times.

屈折レンズ36aの液晶パネル24側の面S3は、凹面ミラー28a側に凸の球面形状(曲率半径R3=78.9791mm)とし、また、基準光軸L1との交点の位置座標が(x,y,z)=(0.00,0.00,35.00)となる位置に配置した。また、凹面ミラー28a側の面S2は、凹面ミラー28a側に凸の球面形状(曲率半径R2=370.7333mm)とし、また、基準光軸L1との交点の位置座標が(x,y,z)=(0.00,0.00,59.17)となる位置に配置した。また、これらの屈折レンズ36aの光軸は、z軸,基準光軸L1に平行となっており、焦点距離fは165.27mmとなっている。   The surface S3 of the refractive lens 36a on the liquid crystal panel 24 side has a spherical shape convex to the concave mirror 28a side (curvature radius R3 = 78.9791 mm), and the position coordinates of the intersection with the reference optical axis L1 are (x, y). , Z) = (0.00, 0.00, 35.00). The surface S2 on the concave mirror 28a side has a spherical shape convex to the concave mirror 28a side (curvature radius R2 = 370.7333 mm), and the position coordinates of the intersection with the reference optical axis L1 are (x, y, z). ) = (0.00, 0.00, 59.17). Further, the optical axes of these refractive lenses 36a are parallel to the z-axis and the reference optical axis L1, and the focal length f is 165.27 mm.

凹面ミラー28aを、その光軸L2の位置が(x,y,z)=(0.00,−174.85,171.18)となるように配置するとともに、光軸L2とy軸とのなす角が62.5度となるようにx軸方向を軸として回転して配置した。また、座標系の原点Oから運転手までの光路長D2は900mm、座標系の原点Oから表示する虚像までの光路長D3は1100mmとなっている。   The concave mirror 28a is arranged so that the position of the optical axis L2 is (x, y, z) = (0.00, −174.85, 171.18), and the optical axis L2 and the y axis The x-axis direction was rotated and arranged so that the angle formed was 62.5 degrees. The optical path length D2 from the origin O of the coordinate system to the driver is 900 mm, and the optical path length D3 from the origin O of the coordinate system to the virtual image to be displayed is 1100 mm.

また、凹面ミラー28aの面形状は、下記数3で表される。ここで、CX,CY,KAX,KAY,A4,K2,A6,K3は非回転対称非球面係数であり、その具体的な値は表3に示す。これらの非回転対象非球面係数のなかでも、CXはxz面内の近軸曲率であり、CYはyz平面内の近軸曲率である。   The surface shape of the concave mirror 28a is expressed by the following formula 3. Here, CX, CY, KAX, KAY, A4, K2, A6, and K3 are non-rotationally symmetric aspheric coefficients, and specific values thereof are shown in Table 3. Among these non-rotation target aspherical coefficients, CX is a paraxial curvature in the xz plane, and CY is a paraxial curvature in the yz plane.

Figure 2009122582
Figure 2009122582

Figure 2009122582
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このように構成したヘッドアップディスプレイ装置10aは、表4に示すように、fxβ/D3の値は1.50であり、前述の条件式(数1)の範囲内の値となっている。また、凹面ミラー28aの面形状については、xz面内の近軸曲率CXに対するyz面内の近軸曲率CYとの比の大きさ|CY/CX|は約39.5であり、前述の数2の条件を満たす。   As shown in Table 4, in the head-up display device 10a configured in this way, the value of fxβ / D3 is 1.50, which is a value within the range of the conditional expression (Equation 1). Regarding the surface shape of the concave mirror 28a, the ratio | CY / CX | of the ratio of the paraxial curvature CY in the yz plane to the paraxial curvature CX in the xz plane is about 39.5, Satisfy the condition of 2.

Figure 2009122582
Figure 2009122582

また、液晶パネル24の中心(表示面と基準光軸L1との交点)を原点とし、水平方向をX軸とするXY座標系を定め、この液晶パネル24上の像座標(0.0,2.5),(0.0,0.0),(0.0,−2.5),(7.5,2.5),(7.5,0.0),(7.0,−2.5)の各点のスポットダイアグラムを図5(A)〜(F)に示す。なお、像座標のスケールは何れもmmであり、また、各スポットダイアグラムは、基準長さ(図5右上)が250μmとなるスケールで示す。   Further, an XY coordinate system is defined in which the center of the liquid crystal panel 24 (intersection of the display surface and the reference optical axis L1) is the origin and the horizontal direction is the X axis, and the image coordinates (0.0, 2) on the liquid crystal panel 24 are defined. .5), (0.0, 0.0), (0.0, -2.5), (7.5, 2.5), (7.5, 0.0), (7.0, Spot diagrams of each point of -2.5) are shown in FIGS. The scale of the image coordinates is mm, and each spot diagram is indicated by a scale having a reference length (upper right of FIG. 5) of 250 μm.

[実施例2]
図6に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置10bの投影光学系22bは、投影レンズ群27b、凹面ミラー28b、液晶パネル24等から構成される。このヘッドアップディスプレイ装置10bは、前述の実施例1と同様に自動車のフロントガラス越しに、運転手の前方2mの位置に虚像を表示するように構成した。同様に、表示する虚像のサイズ(幅h×高さv)をh×v=150mm×50mmとし、入射瞳の大きさは幅100mm×高さ40mmとした。
[Example 2]
As shown in FIG. 6, the projection optical system 22b of the head-up display device 10b includes a projection lens group 27b, a concave mirror 28b, a liquid crystal panel 24, and the like. This head-up display device 10b is configured to display a virtual image at a position 2 m ahead of the driver through the windshield of the automobile, as in the first embodiment. Similarly, the size (width h × height v) of the virtual image to be displayed was h × v = 150 mm × 50 mm, and the size of the entrance pupil was 100 mm wide × 40 mm high.

投影レンズ群27bは、正の屈折力を有する1枚の屈折レンズ36bから構成した。この屈折レンズ36bは、凹面ミラー28b側に凸面を向けたメニスカス形状のレンズであり、この屈折レンズ36b(投影レンズ群27b)の光軸が基準光軸L1と一致するように配置した。   The projection lens group 27b is composed of a single refractive lens 36b having a positive refractive power. The refractive lens 36b is a meniscus lens having a convex surface facing the concave mirror 28b, and is arranged so that the optical axis of the refractive lens 36b (projection lens group 27b) coincides with the reference optical axis L1.

また、凹面ミラー28bが虚像の表示に関与する実効的な大きさは、縦方向(運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置10bの縦方向)の長さAが46mm、横方向(運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置10bの横方向)の長さが122mmとなっている。   The effective size of the concave mirror 28b involved in the display of the virtual image is that the length A in the vertical direction (the vertical direction of the head-up display device 10b as viewed from the driver) is 46 mm, and the horizontal direction (as viewed from the driver). The length in the horizontal direction of the head-up display device 10b) is 122 mm.

前述の実施例1と同様にxyz座標系を定めるときに、凹面ミラー28bを面S1、屈折レンズ36bの凹面ミラー28b側の面をS2、屈折レンズ36bの液晶パネル側の面をS3、液晶パネル24の表示面をS4として、各面の具体的な位置を表5に示す。なお、表5に示す座標のスケールは全てmmとする。また同時に、表5の下段には、ヘッドアップディスプレイ装置10aの各種条件を併せて示す。   When the xyz coordinate system is determined as in the first embodiment, the concave mirror 28b is the surface S1, the surface on the concave mirror 28b side of the refractive lens 36b is S2, the surface on the liquid crystal panel side of the refractive lens 36b is S3, and the liquid crystal panel Table 5 shows the specific positions of the 24 display surfaces, S4. The coordinate scales shown in Table 5 are all mm. At the same time, the lower part of Table 5 also shows various conditions of the head-up display device 10a.

さらに、投影レンズ群27b(屈折レンズ36b)の各面の曲率半径Ri,屈折率Nd,アッベ数νdを凹面ミラー28b及び液晶パネル24とともに、表6に示す。また、表6の下段には、投影レンズ群27aの焦点距離fの値を示す。なお、この表6に示す屈折率Nd及びアッベ数νdは何れもd線(波長587.6nm)に対するものである。   Further, Table 6 shows the radius of curvature Ri, the refractive index Nd, and the Abbe number νd of each surface of the projection lens group 27b (refractive lens 36b) together with the concave mirror 28b and the liquid crystal panel 24. The lower part of Table 6 shows the value of the focal length f of the projection lens group 27a. The refractive index Nd and Abbe number νd shown in Table 6 are both for the d-line (wavelength 587.6 nm).

Figure 2009122582
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Figure 2009122582
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表5及び6に示すように、液晶パネル24は、表示面S4の中心座標が(x,y,z)=(0.00,0.00,139.38)となるように配置した。さらに、液晶パネル24は、表示面S4の法線とz軸とのなす角が5.0度となるように、x軸方向を軸として回転して配置した。したがって、表示面S4の法線と基準光軸L1とのなす角(液晶パネル24の傾斜角度)γは5.0度となっている。また、液晶パネル24は、表示面S4の大きさが幅h×高さv=15mm×5mmの大きさのものを用いた。すなわち、ヘッドアップディスプレイ装置10bの投影倍率βは10倍とした。   As shown in Tables 5 and 6, the liquid crystal panel 24 was arranged so that the center coordinates of the display surface S4 were (x, y, z) = (0.00, 0.00, 139.38). Further, the liquid crystal panel 24 was arranged to rotate about the x-axis direction so that the angle formed by the normal line of the display surface S4 and the z-axis was 5.0 degrees. Therefore, the angle (inclination angle of the liquid crystal panel 24) γ formed between the normal line of the display surface S4 and the reference optical axis L1 is 5.0 degrees. Further, the liquid crystal panel 24 has a display surface S4 having a size of width h × height v = 15 mm × 5 mm. That is, the projection magnification β of the head-up display device 10b is 10 times.

屈折レンズ36bの液晶パネル24側の面S3は、凹面ミラー28b側に凸の球面形状(曲率半径R3=108.2557mm)とし、また、基準光軸L1との交点の位置座標が(x,y,z)=(0.00,0.00,35.00)となる位置に配置した。また、凹面ミラー28b側の面S2は、凹面ミラー28b側に凸の球面形状(曲率半径R2=370.7333mm)とし、また、基準光軸L1との交点の位置座標(x,y,z)=(0.00,0.00,59.17)となる位置に配置した。また、この屈折レンズ36bの光軸は、z軸,基準光軸L1に平行となっており、焦点距離fは189.19mmとなっている。   The surface S3 of the refractive lens 36b on the liquid crystal panel 24 side has a spherical shape convex toward the concave mirror 28b (curvature radius R3 = 108.2557 mm), and the position coordinates of the intersection with the reference optical axis L1 are (x, y). , Z) = (0.00, 0.00, 35.00). Further, the surface S2 on the concave mirror 28b side has a spherical shape convex on the concave mirror 28b side (curvature radius R2 = 370.7333 mm), and the position coordinates (x, y, z) of the intersection with the reference optical axis L1. = (0.00, 0.00, 59.17). The optical axis of the refractive lens 36b is parallel to the z-axis and the reference optical axis L1, and the focal length f is 189.19 mm.

凹面ミラー28bは、その光軸L2の位置が(x,y,z)=(0.00,−174.85,171.18)となるように配置するとともに、光軸L2とy軸とのなす角が62.5度となるようにx軸方向を軸として回転して配置した。また、座標系の原点Oから運転手までの光路長D2は900mm、座標系の原点Oから表示する虚像までの光路長D3は1100mmとなっている。   The concave mirror 28b is disposed such that the position of the optical axis L2 is (x, y, z) = (0.00, −174.85, 171.18), and the concave mirror 28b is positioned between the optical axis L2 and the y axis. The x-axis direction was rotated and arranged so that the angle formed was 62.5 degrees. The optical path length D2 from the origin O of the coordinate system to the driver is 900 mm, and the optical path length D3 from the origin O of the coordinate system to the virtual image to be displayed is 1100 mm.

また、凹面ミラー28bの面形状は、前述の実施例1と同様に、数3の式で表される。この凹面ミラー28bの非回転対象非球面係数の具体的な値は表7に示す。   Further, the surface shape of the concave mirror 28b is expressed by the equation (3) as in the first embodiment. Table 7 shows specific values of the non-rotation target aspheric coefficient of the concave mirror 28b.

Figure 2009122582
Figure 2009122582

このように構成したヘッドアップディスプレイ装置10bは、表8に示すように、f×β/D3の値は1.72であり、前述の条件式(数1)の範囲内の値となっている。また、xz面内の近軸曲率CXに対するyz面内の近軸曲率CYの比の大きさは、|CY/CX|≒1.90であり、前述の数2の条件を満たす。   In the head-up display device 10b configured as described above, as shown in Table 8, the value of f × β / D3 is 1.72, which is a value within the range of the above-described conditional expression (Equation 1). . Further, the ratio of the paraxial curvature CY in the yz plane to the paraxial curvature CX in the xz plane is | CY / CX | ≈1.90, which satisfies the above-described equation (2).

Figure 2009122582
Figure 2009122582

また、液晶パネル24の中心(表示面と基準光軸L1との交点)を原点とし、水平方向をX軸とするXY座標系を定め、この液晶パネル24上の像座標(0.0,2.5),(0.0,0.0),(0.0,−2.5),(7.5,2.5),(7.5,0.0),(7.0,−2.5)の各点のスポットダイアグラムを図7(A)〜(F)に示す。なお、像座標のスケールは何れもmmであり、また、各スポットダイアグラムは、基準長さ(図7右上)が250μmとなるスケールで示す。   Further, an XY coordinate system is defined in which the center of the liquid crystal panel 24 (intersection of the display surface and the reference optical axis L1) is the origin and the horizontal direction is the X axis, and the image coordinates (0.0, 2) on the liquid crystal panel 24 are defined. .5), (0.0, 0.0), (0.0, -2.5), (7.5, 2.5), (7.5, 0.0), (7.0, Spot diagrams of each point of -2.5) are shown in FIGS. Note that the scale of image coordinates is mm, and each spot diagram is indicated by a scale having a reference length (upper right of FIG. 7) of 250 μm.

[実施例3]
図8に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置10cの投影光学系22cは、投影レンズ群27c、凹面ミラー28c、液晶パネル24等から構成される。このヘッドアップディスプレイ装置10cは、前述の実施例1,2と同様に、自動車のフロントガラス越しに、運転手の前方2mの位置に虚像を表示するように構成した。同様に、表示する虚像のサイズ(幅h×高さv)をh×v=150mm×5mmとし、入射瞳の大きさは幅100mm×高さ40mmとした。
[Example 3]
As shown in FIG. 8, the projection optical system 22c of the head-up display device 10c includes a projection lens group 27c, a concave mirror 28c, a liquid crystal panel 24, and the like. The head-up display device 10c is configured to display a virtual image at a position 2 m ahead of the driver through the windshield of the automobile, as in the first and second embodiments. Similarly, the size (width h × height v) of the virtual image to be displayed was h × v = 150 mm × 5 mm, and the size of the entrance pupil was 100 mm wide × 40 mm high.

投影レンズ群27cは、正の屈折力を有する1枚の屈折レンズ36cから構成した。この屈折レンズ36cは、凹面ミラー28c側に凸面を向けたメニスカス形状のレンズであり、この屈折レンズ36c(投影レンズ群27c)の光軸が基準光軸L1と一致するように配置した。   The projection lens group 27c is composed of a single refractive lens 36c having a positive refractive power. The refractive lens 36c is a meniscus lens having a convex surface facing the concave mirror 28c, and is arranged so that the optical axis of the refractive lens 36c (projection lens group 27c) coincides with the reference optical axis L1.

また、凹面ミラー28cが虚像の表示に関与する実効的な大きさは、縦方向(運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置10cの縦方向)の長さAが46mm、横方向(運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置10cの横方向)の長さが122mmとなっている。   The effective size of the concave mirror 28c involved in the display of the virtual image is that the length A in the vertical direction (the vertical direction of the head-up display device 10c as viewed from the driver) is 46 mm and the horizontal direction (as viewed from the driver). The length in the horizontal direction of the head-up display device 10c is 122 mm.

前述の実施例1,2と同様にxyz座標系を定めるときに、凹面ミラー28cを面S1、屈折レンズ36cの凹面ミラー28c側の面をS2、屈折レンズ36cの液晶パネル24側の面をS3、液晶パネル24の表示面をS4として、各面の具体的な位置を表9に示す。なお、表9に示す座標系のスケールは全てmmとする。また、同時に、表9の下段には、ヘッドアップディスプレイ装置10cの各種条件を併せて示す。   When the xyz coordinate system is determined as in the first and second embodiments, the concave mirror 28c is the surface S1, the surface of the refractive lens 36c on the concave mirror 28c side is S2, and the surface of the refractive lens 36c on the liquid crystal panel 24 side is S3. The display surface of the liquid crystal panel 24 is S4, and the specific positions of each surface are shown in Table 9. All scales in the coordinate system shown in Table 9 are mm. At the same time, the lower part of Table 9 also shows various conditions of the head-up display device 10c.

さらに、投影レンズ群27c(屈折レンズ36c)の各面の曲率半径Ri,屈折率Nd,アッベ数νdを、凹面ミラー28c及び液晶パネル24とともに、表10に示す。また、表10の下段には、詳細は後述するが投影レンズ群27cの焦点距離fv,fhの値を示す(詳細は後述)。なお、この表10に示す屈折率Nd及びアッベ数νdは何れもd線(波長587.6nm)に対するものである。   Further, Table 10 shows the curvature radius Ri, the refractive index Nd, and the Abbe number νd of each surface of the projection lens group 27c (refractive lens 36c) together with the concave mirror 28c and the liquid crystal panel 24. The lower part of Table 10 shows the values of the focal lengths fv and fh of the projection lens group 27c (details will be described later) although details will be described later. The refractive index Nd and Abbe number νd shown in Table 10 are both for the d-line (wavelength 587.6 nm).

Figure 2009122582
Figure 2009122582

Figure 2009122582
Figure 2009122582

表9及び10に示すように、液晶パネル24は、表示面S4の中心座標が(x,y,z)=(0.00,0.00,134.54)となるように配置した。さらに、液晶パネル24は、表示面S4の法線とz軸とのなす角が5.0となるように、x軸方向を軸として回転して配置した。したがって、表示面S4の法線と基準光軸L1とのなす角(液晶パネル24の傾斜角度)γは5.0度となっている。また、液晶パネル24は、表示面S4の大きさが幅h×高さv=15mm×5mmの大きさのものを用いた。すなわち、ヘッドアップディスプレイ装置10cの投影倍率βは10倍とした。   As shown in Tables 9 and 10, the liquid crystal panel 24 was arranged so that the center coordinates of the display surface S4 were (x, y, z) = (0.00, 0.00, 134.54). Further, the liquid crystal panel 24 was arranged to rotate about the x-axis direction so that the angle formed by the normal line of the display surface S4 and the z-axis was 5.0. Therefore, the angle (inclination angle of the liquid crystal panel 24) γ formed between the normal line of the display surface S4 and the reference optical axis L1 is 5.0 degrees. Further, the liquid crystal panel 24 has a display surface S4 having a size of width h × height v = 15 mm × 5 mm. That is, the projection magnification β of the head-up display device 10c is 10 times.

屈折レンズ36cの液晶パネル24側の面S3は、凹面ミラー28c側に凸の球面形状(曲率半径R3=−900.6493mm)とし、基準光軸L1との交点の位置座標が(x,y,z)=(0.00,0.00,61.23)となるように配置した。   The surface S3 of the refractive lens 36c on the liquid crystal panel 24 side has a spherical shape convex to the concave mirror 28c side (curvature radius R3 = −900.6493 mm), and the position coordinates of the intersection with the reference optical axis L1 are (x, y, z) = (0.00, 0.00, 61.23).

一方、屈折レンズ36cの凹面ミラー28c側の面S2は、凹面ミラー28c側に凸の形状となっているが、球面ではなく、非回転対称な非球面形状となっている。この屈折レンズ36cの面S2の形状は、前述の数3で表される。なお、この屈折レンズ36cについての非回転対称非球面係数の具体的な値は、後述する凹面ミラー28cのものと併せて示す(表11)。   On the other hand, the surface S2 on the concave mirror 28c side of the refractive lens 36c has a convex shape on the concave mirror 28c side, but is not a spherical surface but a non-rotationally symmetric aspherical shape. The shape of the surface S2 of the refracting lens 36c is expressed by the above formula 3. The specific value of the non-rotationally symmetric aspheric coefficient for the refractive lens 36c is shown together with that of the concave mirror 28c described later (Table 11).

また、こうして面S2,3からなる屈折レンズ36cの光軸は、z軸,基準光軸L1に平行となるように配置した。しかし、前述の実施例1,2とは異なり、凹面ミラー28c側の面S2が上述のように非回転対称非球面であるから、表示光の光束が透過する方向によって焦点距離は異なる。そこで、縦方向(面S2とyz面との交線)の焦点距離をfv、横方向(面S2とxz面との交線)の焦点距離をfhとすると、fv=124.88mm,fh=145.74mmとなっている。   Further, the optical axis of the refractive lens 36c composed of the surfaces S2 and S3 is arranged so as to be parallel to the z axis and the reference optical axis L1. However, unlike the first and second embodiments, the surface S2 on the concave mirror 28c side is a non-rotationally symmetric aspherical surface as described above, so that the focal length varies depending on the direction in which the display light beam is transmitted. Therefore, if the focal length in the vertical direction (intersection line between the surface S2 and the yz plane) is fv, and the focal length in the lateral direction (intersection line between the surface S2 and the xz plane) is fh, fv = 124.88 mm, fh = It is 145.74 mm.

凹面ミラー28cの面形状は、前述の数3の式で表される。この凹面ミラー28cの非回転対称非球面係数の具体的な値を、上述の屈折レンズ36cの面S2の非回転対称非球面係数の具体的な値とともに、表11に示す。   The surface shape of the concave mirror 28c is expressed by the above-described equation (3). Specific values of the non-rotationally symmetric aspheric coefficient of the concave mirror 28c are shown in Table 11 together with specific values of the non-rotationally symmetric aspheric coefficient of the surface S2 of the refractive lens 36c.

Figure 2009122582
Figure 2009122582

このように構成したヘッドアップディスプレイ装置10cは、表12に示すように、縦方向についてはfv×β/D3=1.14であり、横方向についてはfh×β/D3=1.32であり、縦方向,横方向の何れにしてもf×β/D3の値は前述の条件式(数1)の範囲内の値となっている。また、凹面ミラー28cについては、xz面内の近軸曲率CXに対するyz面内の近軸曲率CYの大きさは、|CY/CX|≒4.42であり、前述の数2の条件を満たす。   As shown in Table 12, the head-up display device 10c configured as described above has fv × β / D3 = 1.14 in the vertical direction and fh × β / D3 = 1.32 in the horizontal direction. In any of the vertical and horizontal directions, the value of f × β / D3 is within the range of the conditional expression (Equation 1). Further, for the concave mirror 28c, the magnitude of the paraxial curvature CY in the yz plane with respect to the paraxial curvature CX in the xz plane is | CY / CX | ≈4.42, which satisfies the above-described equation (2). .

Figure 2009122582
Figure 2009122582

また、液晶パネル24の中心(表示面S4と基準光軸L1との交点)を原点とし、水平方向をX軸とするXY座標系を定め、この液晶パネル24上の像座標(0.0,2.5),(0.0,0.0),(0.0,−2.5),(7.5,2.5),(7.5,0.0),(7.0,−2.5)の各点のスポットダイアグラムを図9(A)〜(F)に示す。なお、像座標のスケールは何れもmmであり、また、各スポットダイアグラムは、基準長さ(図9右上)が250μmとなるスケールで示す。   Further, an XY coordinate system is defined in which the center of the liquid crystal panel 24 (intersection of the display surface S4 and the reference optical axis L1) is the origin and the horizontal direction is the X axis, and the image coordinates (0.0, 2.5), (0.0, 0.0), (0.0, -2.5), (7.5, 2.5), (7.5, 0.0), (7.0 , −2.5) spot diagrams of the respective points are shown in FIGS. Note that the scale of the image coordinates is mm, and each spot diagram is shown with a scale at which the reference length (upper right in FIG. 9) is 250 μm.

[実施例4]
図10に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置10dの投影光学系22dは、投影レンズ群27d、凹面ミラー28d、液晶パネル24等から構成される。このヘッドアップディスプレイ装置10dは、前述の実施例1,2と同様に、自動車のフロントガラス越しに、運転手の前方2mの位置に虚像を表示するように構成した。同様に、表示する虚像のサイズ(幅h×高さv)をh×v=150mm×5mmとし、入射瞳の大きさは幅100mm×高さ40mmとした。
[Example 4]
As shown in FIG. 10, the projection optical system 22d of the head-up display device 10d includes a projection lens group 27d, a concave mirror 28d, a liquid crystal panel 24, and the like. The head-up display device 10d is configured to display a virtual image at a position 2 m ahead of the driver through the windshield of the automobile, as in the first and second embodiments. Similarly, the size (width h × height v) of the virtual image to be displayed was h × v = 150 mm × 5 mm, and the size of the entrance pupil was 100 mm wide × 40 mm high.

投影レンズ群27dは、第1屈折レンズ36d,第2屈折レンズ36eの2枚の屈折レンズから構成した。これらの屈折レンズは、凹面ミラー28d側から第1屈折レンズ36d、第2屈折レンズ36eの順に配置した。また、第1屈折レンズ36d及び第2屈折レンズ36eは何れも凹面ミラー28d側に凸面を向けたメニスカス形状のレンズであり、投影レンズ群27dは全体として正の屈折力を有するレンズ群となっている。また、投影レンズ群27dの光軸は、基準光軸L1と一致するように配置した。   The projection lens group 27d is composed of two refractive lenses, a first refractive lens 36d and a second refractive lens 36e. These refractive lenses are arranged in the order of the first refractive lens 36d and the second refractive lens 36e from the concave mirror 28d side. Each of the first refractive lens 36d and the second refractive lens 36e is a meniscus lens having a convex surface facing the concave mirror 28d, and the projection lens group 27d as a whole has a positive refractive power. Yes. Further, the optical axis of the projection lens group 27d is arranged so as to coincide with the reference optical axis L1.

また、凹面ミラー28cが虚像の表示に関与する実効的な大きさは、縦方向(運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置10dの縦方向)の長さAが46mm、横方向(運転手から見たヘッドアップディスプレイ装置10dの横方向)の長さが122mmとなっている。   The effective size of the concave mirror 28c involved in the display of the virtual image is that the length A in the vertical direction (the vertical direction of the head-up display device 10d as viewed from the driver) is 46 mm and the horizontal direction (as viewed from the driver). The length in the horizontal direction of the head-up display device 10d) is 122 mm.

前述の実施例1〜3と同様にxyz座標系を定めるときに、凹面ミラー28dを面S1、第1屈折レンズ36dの凹面ミラー28d側の面をS2、第1屈折レンズ36dの液晶パネル24側の面をS3、第2屈折レンズ36eの凹面ミラー28d側の面をS4、第2屈折レンズ36eの液晶パネル24側の面をS5、液晶パネル24の表示面をS6として、各面の具体的な位置を表13に示す。なお、表13に示す座標系のスケールは全てmmとする。また、同時に、表13の下段には、ヘッドアップディスプレイ装置10dの各種条件を併せて示す。   When the xyz coordinate system is determined as in the first to third embodiments, the concave mirror 28d is the surface S1, the surface of the first refractive lens 36d on the concave mirror 28d side is S2, and the first refractive lens 36d is on the liquid crystal panel 24 side. The surface of the second refractive lens 36e on the concave mirror 28d side is S4, the surface of the second refractive lens 36e on the liquid crystal panel 24 side is S5, and the display surface of the liquid crystal panel 24 is S6. Table 13 shows the positions. All scales in the coordinate system shown in Table 13 are mm. At the same time, the lower part of Table 13 shows various conditions of the head-up display device 10d.

さらに、第1屈折レンズ36d及び第2屈折レンズ36eの各面の曲率半径Ri,屈折率Nd,アッベ数νdを、凹面ミラー28d及び液晶パネル24とともに、表14に示す。また、表14の下段には、投影レンズ群27dの焦点距離fv,fhの値を示す。   Further, Table 14 shows the radius of curvature Ri, the refractive index Nd, and the Abbe number νd of each surface of the first refractive lens 36d and the second refractive lens 36e together with the concave mirror 28d and the liquid crystal panel 24. The lower part of Table 14 shows the values of the focal lengths fv and fh of the projection lens group 27d.

Figure 2009122582
Figure 2009122582

Figure 2009122582
Figure 2009122582

表13及び14に示すように、液晶パネル24は、表示面S6の中心座標が(x,y,z)=(0.00,0.00,147.41)となるように配置した。さらに、液晶パネル24は、表示面S6の法線とz軸とのなす角が5.0度なるように、x軸方向を軸として回転して配置した。したがって、表示面S6の法線と基準光軸L1とのなす角(液晶パネル24の傾斜角度)γは5.0怒鳴っている。また、液晶パネル24は、表示面S6の大きさが幅h×高さv=15mm×5mmの大きさのものを用いた。すなわち、ヘッドアップディスプレイ装置10dの投影倍率βは10倍とした。   As shown in Tables 13 and 14, the liquid crystal panel 24 was arranged so that the center coordinates of the display surface S6 were (x, y, z) = (0.00, 0.00, 147.41). Further, the liquid crystal panel 24 was arranged to rotate about the x-axis direction so that the angle formed by the normal line of the display surface S6 and the z-axis was 5.0 degrees. Therefore, the angle (inclination angle of the liquid crystal panel 24) γ formed by the normal line of the display surface S6 and the reference optical axis L1 is 5.0 yelling. In addition, the liquid crystal panel 24 has a display surface S6 having a size of width h × height v = 15 mm × 5 mm. That is, the projection magnification β of the head-up display device 10d is 10 times.

第2屈折レンズ36eの液晶パネル24側の面S5は、凹面ミラー28d側に凸の球面形状(曲率半径R5=476.5493mm)とし、基準光軸L1との交点の位置座標が(x,y,z)=(0.00,0.00,67.05)となるように配置した。   The surface S5 of the second refractive lens 36e on the liquid crystal panel 24 side has a spherical shape convex to the concave mirror 28d side (curvature radius R5 = 4766.5493 mm), and the position coordinates of the intersection with the reference optical axis L1 are (x, y). , Z) = (0.00, 0.00, 67.05).

一方、第2屈折レンズ36eの凹面ミラー28d側の面S4は、凹面ミラー28d側に凸の形状となっているが、球面ではなく、非回転対称な非球面形状となっている。この第2屈折レンズ36eの面形状は前述の数3の式で表される。なお、この第2屈折レンズ36dについての非回転対称非球面係数の具体的な値は、後述する凹面ミラー28dのものと併せて示す(表15)。   On the other hand, the surface S4 on the concave mirror 28d side of the second refractive lens 36e has a convex shape toward the concave mirror 28d, but is not a spherical surface but a non-rotationally symmetric aspherical shape. The surface shape of the second refracting lens 36e is expressed by the above equation (3). The specific value of the non-rotationally symmetric aspheric coefficient for the second refractive lens 36d is shown together with that of the concave mirror 28d described later (Table 15).

また、第1屈折レンズ36dの液晶パネル24側の面S3は、凹面ミラー28d側に凸の球面形状(曲率半径R3=476.5493mm)とし、基準光軸L1との交点の位置座標が(x,y,z)=(0.00,0.00,50.52)となるように配置した。   Further, the surface S3 of the first refractive lens 36d on the liquid crystal panel 24 side has a spherical shape convex on the concave mirror 28d side (curvature radius R3 = 4766.5493 mm), and the position coordinates of the intersection with the reference optical axis L1 are (x , Y, z) = (0.00, 0.00, 50.52).

一方、第1屈折レンズ36dの凹面ミラー28d側の面S2は、凹面ミラー28d側に凸の形状となっているが、球面ではなく、非回転対称な非球面形状となっている。この第1屈折レンズ36dの具体的な面形状は、前述の数3の式で表される。なお、この第1屈折レンズ36dについての非回転対称非球面係数の値は、後述する凹面ミラー28dのものと併せて示す(表15)。   On the other hand, the surface S2 on the concave mirror 28d side of the first refractive lens 36d has a convex shape on the concave mirror 28d side, but is not a spherical surface but a non-rotationally symmetric aspherical shape. The specific surface shape of the first refracting lens 36d is expressed by the above equation (3). The value of the non-rotationally symmetric aspheric coefficient for the first refractive lens 36d is shown together with that of the concave mirror 28d described later (Table 15).

第1屈折レンズ36d及び第2屈折レンズ36eからなる投影レンズ群27dの光軸は、z軸,基準光軸L1に平行となるように配置した。しかし、前述の実施例3と同様に、非回転対称非球面を含むために、表示光の光束が透過する方向によって焦点距離は異なる。そこで、縦方向(yz面内を透過する光束)の焦点距離をfv、横方向(xz面内を透過する光束)の焦点距離をfhとすると、fv=124.88mm,fh=148.12mmとなっている。   The optical axis of the projection lens group 27d including the first refractive lens 36d and the second refractive lens 36e is arranged to be parallel to the z axis and the reference optical axis L1. However, since the non-rotationally symmetric aspherical surface is included as in the above-described third embodiment, the focal length differs depending on the direction in which the display light beam is transmitted. Therefore, when the focal length in the vertical direction (light beam transmitted through the yz plane) is fv and the focal length in the horizontal direction (light beam transmitted through the xz plane) is fh, fv = 124.88 mm and fh = 148.12 mm. It has become.

凹面ミラー28dの面形状は、前述の数3の式で表される。この凹面ミラー28dの非回転対称非球面係数の具体的な値を、上述の第1屈折レンズ36dの面S2,第2屈折レンズ36eの面S4の非回転対称非球面係数の具体的な値とともに、表15に示す。   The surface shape of the concave mirror 28d is expressed by the above equation (3). The specific value of the non-rotationally symmetric aspheric coefficient of the concave mirror 28d is combined with the specific value of the non-rotationally symmetric aspheric coefficient of the surface S2 of the first refractive lens 36d and the surface S4 of the second refractive lens 36e. Table 15 shows.

Figure 2009122582
Figure 2009122582

このように構成したヘッドアップディスプレイ装置10dは、表16に示すように、縦方向についてはfv×β/D3=1.14であり、横方向についてはfh×β/D3=1.35であり、縦方向,横方向のいずれにしてもf×β/D3の値は前述の条件式(数1)の範囲内の値となっている。また、凹面ミラー28dについては、xz面内の近軸曲率CXに対するyz面内の近軸曲率CYの大きさが、|CY/CX|≒3.69であり、前述の数2の条件を満たす。   As shown in Table 16, the head-up display device 10d configured as described above has fv × β / D3 = 1.14 in the vertical direction and fh × β / D3 = 1.35 in the horizontal direction. In any of the vertical and horizontal directions, the value of f × β / D3 is within the range of the conditional expression (Equation 1). Further, for the concave mirror 28d, the magnitude of the paraxial curvature CY in the yz plane with respect to the paraxial curvature CX in the xz plane is | CY / CX | ≈3.69, which satisfies the condition of the above equation (2). .

Figure 2009122582
Figure 2009122582

また、液晶パネル24の中心(表示面S6と基準光軸L1との交点)を原点とし、水平方向をX軸とするXY座標系を定め、この液晶パネル24上の像座標(0.0,2.5),(0.0,0.0),(0.0,−2.5),(7.5,2.5),(7.5,0.0),(7.0,−2.5)の各点のスポットダイアグラムを図11(A)〜(F)に示す。なお、像座標のスケールは何れもmmであり、また、各スポットダイアグラムは、基準長さ(図11右上)が250μmとなるスケールで示す。   Further, an XY coordinate system is defined in which the center of the liquid crystal panel 24 (intersection of the display surface S6 and the reference optical axis L1) is the origin and the horizontal direction is the X axis, and the image coordinates (0.0, 2.5), (0.0, 0.0), (0.0, -2.5), (7.5, 2.5), (7.5, 0.0), (7.0 , −2.5) spot diagrams of the respective points are shown in FIGS. Note that the scale of the image coordinates is mm, and each spot diagram is indicated by a scale having a reference length (upper right of FIG. 11) of 250 μm.

以上のように、本発明の投影光学系は、液晶パネルに表示する画像を、投影レンズ群と凹面ミラーとによってパワーを分散してフロントガラス(反射面)に拡大投影するから、短い焦点距離で収差を良好に補正することができる。したがって、液晶パネルやその照明,凹面ミラー等の投影光学系各部として小型のものを用いることができ、投影光学系の全体をコンパクトに構成することができる。また、この投影光学系を搭載するヘッドアップディスプレイ装置もまた、収差を良好に補正して虚像を表示することができるとともに、コンパクトに構成することができる。   As described above, the projection optical system of the present invention projects an image to be displayed on the liquid crystal panel on the windshield (reflecting surface) by distributing the power by the projection lens group and the concave mirror, so that the projection optical system has a short focal length. The aberration can be corrected satisfactorily. Accordingly, a small-sized projection optical system such as a liquid crystal panel, its illumination, and a concave mirror can be used, and the entire projection optical system can be made compact. Also, a head-up display device equipped with this projection optical system can display a virtual image with good aberration correction, and can be configured compactly.

また、投影光学系が数1の条件を満たすように構成されていることで、上述のような良好な収差の補正と、投影光学系及びヘッドアップディスプレイ装置の小型化を容易に実現することができる。   Further, since the projection optical system is configured so as to satisfy the condition of Equation 1, it is possible to easily realize the above-described favorable aberration correction and downsizing of the projection optical system and the head-up display device. it can.

また、凹面ミラーを非回転対称非球面とすることで、特に良好に収差を補正することができる。   In addition, the aberration can be corrected particularly well by making the concave mirror a non-rotationally symmetric aspherical surface.

さらに、ヘッドアップディスプレイ装置で表示された虚像に対して、これを観察する観察者の位置は変動してしまうが、非回転対称非球面の凹面ミラーが、縦横の近軸曲率について数2の条件式を満たすように構成されていることで、像のチラつき等がない両眼での正常な観察を実現することができる。   Furthermore, the position of the observer observing the virtual image displayed by the head-up display device varies, but the non-rotationally symmetric aspherical concave mirror has a condition of Formula 2 for the vertical and horizontal paraxial curvatures. By being configured so as to satisfy the equation, normal observation with both eyes without flickering of the image can be realized.

また、液晶パネルが投影レンズ群(,基準光軸)に対して所定角度傾斜して配置されていることで、ヘッドアップディスプレイ装置は観察し易い比較的大きな虚像を表示するにもかかわらず、その上下左右何れの位置についても、観察者は意識せずに容易にピントを合わせることができる。   In addition, since the liquid crystal panel is disposed at a predetermined angle with respect to the projection lens group (and the reference optical axis), the head-up display device displays a relatively large virtual image that is easy to observe. The observer can easily focus on any of the upper, lower, left and right positions without being aware of it.

また、投影レンズ群に2以上の屈折レンズを用いることで、投影レンズ群内においても屈折力を各々の屈折レンズに分散することができ、さらに、これらの投影レンズ群を構成する屈折レンズが材料及び面形状が同一のものとすれば、より安価に投影レンズ群を構成することができる。   Further, by using two or more refractive lenses in the projection lens group, it is possible to disperse the refractive power among the refractive lenses in the projection lens group, and the refractive lenses constituting these projection lens groups are made of a material. If the surface shapes are the same, the projection lens group can be configured at a lower cost.

なお、上述の実施形態では、液晶パネルに対してひとつの光源を配置するが、これに限らず、液晶パネルに対して複数の光源を設けても良い。例えば、図12に示すように、投影光学系41は、一つの液晶パネル24に対して第1光源42aと第2光源42bとを設ける。   In the above-described embodiment, one light source is arranged for the liquid crystal panel. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of light sources may be provided for the liquid crystal panel. For example, as shown in FIG. 12, the projection optical system 41 includes a first light source 42 a and a second light source 42 b for one liquid crystal panel 24.

第1光源42aは、最終的に観察者の右眼に到達する表示光となる照明光を、液晶パネル24に対して斜め方向から照射する。この第1光源42aは、投影レンズ群27の光軸の一方の側に所定距離だけずらして配置されているとともに、投影レンズ群27の光軸に対して所定角度傾斜して配置される。したがって、液晶パネル24の配置は前述の実施形態等と同様に、液晶パネル24から出射する右眼用の表示光の基準光軸L1aに対して所定角度傾斜した配置となっている。   The first light source 42a irradiates the liquid crystal panel 24 from an oblique direction with illumination light that finally becomes display light that reaches the right eye of the observer. The first light source 42 a is disposed on one side of the optical axis of the projection lens group 27 while being shifted by a predetermined distance, and is inclined at a predetermined angle with respect to the optical axis of the projection lens group 27. Therefore, the arrangement of the liquid crystal panel 24 is inclined by a predetermined angle with respect to the reference optical axis L1a of the display light for the right eye emitted from the liquid crystal panel 24, as in the above-described embodiment.

一方、第2光源42bは、最終的に観察者の左目に到達する表示光となる照明光を、液晶パネル24に対して斜め方向から照射する。この第2光源42bは、前述の第1光源42aと対称な配置となるように、投影レンズ群27の他方の側に所定距離だけずらして配置されるとともに、投影レンズ群27の光軸に対して所定角度傾斜して配置される。したがって、液晶パネル24の配置は前述の実施形態等と同様に、液晶パネル24から出射する左眼用の表示光の基準光軸L1bに対して所定角度傾斜した配置となっている。   On the other hand, the second light source 42b irradiates the liquid crystal panel 24 from an oblique direction with illumination light that finally becomes display light that reaches the left eye of the observer. The second light source 42b is arranged on the other side of the projection lens group 27 by a predetermined distance so as to be symmetrical with the first light source 42a described above, and with respect to the optical axis of the projection lens group 27. And arranged at a predetermined angle. Therefore, the arrangement of the liquid crystal panel 24 is inclined at a predetermined angle with respect to the reference optical axis L1b of the display light for the left eye emitted from the liquid crystal panel 24, as in the above-described embodiment.

また、前述の実施形態等では、光軸が表示光の基準光軸と一致するように投影レンズ群は配置されるが、2つの光源が設けられた投影レンズ群41の場合には、その光軸が、右眼用の基準光軸L1aと左眼用の基準光軸L1bとのなす角の二等分線と一致するように配置される。   In the above-described embodiment, the projection lens group is arranged so that the optical axis coincides with the reference optical axis of the display light. However, in the case of the projection lens group 41 provided with two light sources, the light beam The axes are arranged so as to coincide with the bisector of the angle formed by the reference optical axis L1a for the right eye and the reference optical axis L1b for the left eye.

このように、右眼用,左眼用に各々光源を設けることで、観察者の両眼には略均等な光量の表示光がより確実に入射するようになり、両眼での観察をしやすくすることができる。   In this way, by providing light sources for the right eye and the left eye, respectively, display light with a substantially equal amount of light is more reliably incident on both eyes of the observer, and observation with both eyes is possible. It can be made easier.

なお、上述の実施形態,実施例では、凹面ミラーを非回転対称非球面とし、実施例3,4では投影レンズ群の屈折レンズの面をも非回転対称非球面とする例を説明するが、これに限らず、投影レンズ群の屈折レンズのいくつかの面を非回転対称非球面とし、凹面ミラーを回転対称な非球面,あるいは球面としても良い。すなわち、凹面ミラーを非回転対称非球面とすることが好ましいが、投影レンズ群で収差が十分に補正されるならば、これに限らない。   In the above-described embodiment and examples, the concave mirror is a non-rotationally symmetric aspheric surface, and in Examples 3 and 4, the surface of the refractive lens of the projection lens group is also a non-rotationally symmetric aspheric surface. However, the present invention is not limited to this, and some surfaces of the refractive lens of the projection lens group may be non-rotationally symmetric aspherical surfaces, and the concave mirror may be a rotationally symmetric aspherical surface or spherical surface. In other words, the concave mirror is preferably a non-rotationally symmetric aspherical surface, but is not limited to this as long as aberrations are sufficiently corrected by the projection lens group.

また、上述の実施例では、投影レンズ群が1または2枚の屈折レンズからなる例を説明するが、これに限らず、投影レンズ群を3枚以上の屈折レンズから構成しても良い。さらに、屈折レンズだけから構成することに限らず、屈折レンズと併せてミラーやプリズム等の周知の光学部材を組み合わせて投影レンズ群を構成しても良い。   In the above-described embodiment, an example in which the projection lens group is composed of one or two refractive lenses will be described. However, the present invention is not limited to this, and the projection lens group may be composed of three or more refractive lenses. Furthermore, the projection lens group is not limited to the refraction lens alone, and a known optical member such as a mirror or a prism may be combined with the refraction lens.

なお、上述の実施形態,実施例では、ヘッドアップディスプレイ装置として自動車用のものを例に説明するが、これに限らず、航空機や船舶等の他のものにも本発明のヘッドアップディスプレイ装置を好適に用いることができる。このように、自動車以外に本発明のヘッドアップディスプレイ装置を適用する場合には、表示光を拡大投影する反射面(自動車ではフロントガラス)の形状に応じて、凹面ミラーの面形状を非回転対称非球面の面形状としながらも、各々の反射面の形状に応じて個々に決定する必要がある。また、車種等によってはフロントガラスの傾斜や湾曲の状態は異なるから、本発明のヘッドアップディスプレイ装置を自動車に用いる場合であっても、同様の調節が必要となる。   In the above-described embodiments and examples, the head-up display device is described as an example for an automobile, but the present invention is not limited to this, and the head-up display device of the present invention is applied to other things such as an aircraft and a ship. It can be used suitably. Thus, when the head-up display device of the present invention is applied to a device other than an automobile, the surface shape of the concave mirror is non-rotationally symmetric according to the shape of the reflecting surface (windscreen in the automobile) that magnifies and projects the display light. Although it is an aspherical surface shape, it must be determined individually according to the shape of each reflecting surface. Moreover, since the state of inclination and curvature of the windshield differs depending on the vehicle type and the like, the same adjustment is necessary even when the head-up display device of the present invention is used in an automobile.

また、上述の実施形態,実施例では、画像表示パネルとして透過型の液晶パネルを用いる例を説明するが、これに限らず、画像表示パネルは反射型の液晶パネルであっても良く、液晶のモードも適宜選択してよい。また、画像表示パネルは液晶を用いるものに限られず、表示光を出射することができれば、他の周知の画像表示パネルを用いても良い。   In the above-described embodiments and examples, an example in which a transmissive liquid crystal panel is used as an image display panel will be described. However, the present invention is not limited to this, and the image display panel may be a reflective liquid crystal panel. The mode may be selected as appropriate. The image display panel is not limited to the one using liquid crystal, and other known image display panels may be used as long as they can emit display light.

また、ヘッドアップディスプレイ装置は、設置環境に応じた耐久性を備えた材料等でつくられることが好ましい。例えば、自動車のダッシュボードに設置されるヘッドアップディスプレイ装置の場合には、これを構成する各部は耐熱性に優れたものであることが好ましい。   The head-up display device is preferably made of a material having durability according to the installation environment. For example, in the case of a head-up display device installed on a dashboard of an automobile, it is preferable that each part constituting the device is excellent in heat resistance.

ヘッドアップディスプレイ装置の概略を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline of a head-up display apparatus. ヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す概略的な断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of a head-up display apparatus. 凹面ミラーの面形状を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the surface shape of a concave mirror. 実施例1のヘッドアップディスプレイ装置の具体的な構成を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a specific configuration of the head-up display device according to the first embodiment. 実施例1の投影光学系のスポットダイアグラムである。2 is a spot diagram of the projection optical system of Example 1. FIG. 実施例2のヘッドアップディスプレイ装置の具体的な構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the specific structure of the head-up display apparatus of Example 2. FIG. 実施例2の投影光学系のスポットダイアグラムである。6 is a spot diagram of the projection optical system of Example 2. FIG. 実施例3のヘッドアップディスプレイ装置の具体的な構成を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a specific configuration of a head-up display device of Example 3. FIG. 実施例3の投影光学系のスポットダイアグラムである。10 is a spot diagram of the projection optical system of Example 3. FIG. 実施例4のヘッドアップディスプレイ装置の具体的な構成を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a specific configuration of a head-up display device of Example 4. 実施例4の投影光学系のスポットダイアグラムである。10 is a spot diagram of the projection optical system of Example 4. FIG. 複数の光源を設ける例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example which provides a some light source.

符号の説明Explanation of symbols

10,10a〜d ヘッドアップディスプレイ装置
12 自動車
14 運転手(観察者)
18 フロントガラス(反射面)
19 虚像
21 表示光
22,22a〜d,41 投影光学系
24 液晶パネル(画像表示パネル)
26,42a,42b 光源
27 投影レンズ群
28 凹面ミラー
31 自由曲面
36a〜e 屈折レンズ
L1 基準光軸
L2 凹面ミラーの光軸
10, 10a-d Head-up display device 12 Car 14 Driver (observer)
18 Windshield (reflective surface)
19 Virtual Image 21 Display Light 22, 22a to d, 41 Projection Optical System 24 Liquid Crystal Panel (Image Display Panel)
26, 42a, 42b Light source 27 Projection lens group 28 Concave mirror 31 Free-form surface 36a-e Refractive lens L1 Reference optical axis L2 Optical axis of concave mirror

Claims (7)

所定の位置にいる観察者に対面する反射面で、画像表示パネルからの表示光を観察者側に反射するように投影し、前記反射面越しに前記画像表示パネルに表示された画像を両眼で観察する虚像として拡大表示する投影光学系において、
正の屈折力を有し、前記画像表示パネルからの表示光を投影する投影レンズ群と、
前記投影レンズ群の光軸に対して偏心して配置され、前記投影レンズ群からの表示光を反射して、前記反射面に拡大投影する凹面ミラーと、
を備えることを特徴とする投影光学系。
Projecting the display light from the image display panel to the viewer with a reflection surface facing the observer at a predetermined position, and displaying the image displayed on the image display panel over the reflection surface with both eyes In the projection optical system that enlarges and displays as a virtual image to be observed with
A projection lens group having a positive refractive power and projecting display light from the image display panel;
A concave mirror that is arranged eccentrically with respect to the optical axis of the projection lens group, reflects display light from the projection lens group, and magnifies and projects the reflected light onto the reflection surface;
A projection optical system comprising:
投影倍率をβ、前記凹面ミラーの反射点から表示する前記虚像までの光路長をD3、前記投影レンズ群の焦点距離をfとするときに、
1.0 < f×β/D3 < 2.0
を満たすことを特徴とする請求項1記載の投影光学系。
When the projection magnification is β, the optical path length from the reflection point of the concave mirror to the virtual image to be displayed is D3, and the focal length of the projection lens group is f,
1.0 <f × β / D3 <2.0
The projection optical system according to claim 1, wherein:
前記凹面ミラーの反射面の形状が、非回転対称非球面であることを特徴とする請求項1または2に記載の投影光学系。   The projection optical system according to claim 1, wherein the shape of the reflecting surface of the concave mirror is a non-rotationally symmetric aspherical surface. 前記投影レンズ群から前記凹面ミラーに入射する表示光の主光線を入射基準光軸、前記凹面ミラーに反射されて前記反射面に向かう表示光の主光線を出射基準光軸とし、前記入射基準光軸に沿ってz軸を定め、前記入射基準光軸と前記出射基準光軸とを含む面をyz面、該yz面に垂直かつ前記z軸に平行な面をxz面とし、前記凹面ミラーのyz面内の近軸曲率をCY、前記凹面ミラーのxz面内の近軸曲率をCXとするときに、
1.3 < |CY/CX|
を満たすことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の投影光学系。
A principal ray of display light incident on the concave mirror from the projection lens group is an incident reference optical axis, and a principal ray of display light reflected by the concave mirror and directed to the reflective surface is an outgoing reference optical axis, and the incident reference light A z axis is defined along the axis, a plane including the incident reference optical axis and the outgoing reference optical axis is defined as a yz plane, a plane perpendicular to the yz plane and parallel to the z axis is defined as an xz plane, and the concave mirror When the paraxial curvature in the yz plane is CY and the paraxial curvature in the xz plane of the concave mirror is CX,
1.3 <| CY / CX |
The projection optical system according to claim 1, wherein:
前記画像表示パネルは、前記投影レンズ群の光軸に対して傾斜して配置されることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の投影光学系。   The projection optical system according to claim 1, wherein the image display panel is disposed to be inclined with respect to an optical axis of the projection lens group. 前記投影レンズ群は、材料及び面形状が同一の2以上の屈折レンズを含むことを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の投影光学系。   6. The projection optical system according to claim 1, wherein the projection lens group includes two or more refractive lenses having the same material and surface shape. 請求項1ないし6のいずれかに記載の投影光学系を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。   A head-up display device comprising the projection optical system according to claim 1.
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