JP2009229552A - Projection optical system and headup display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自動車や航空機などのフロントガラスに画像を投影し、その画像をフロントガラス越しに虚像として観察するようにしたヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。 The present invention relates to a head-up display device in which an image is projected onto a windshield of an automobile or an aircraft, and the image is observed as a virtual image through the windshield.
自動車のフロントガラスで、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。ヘッドアップディスプレイ装置によって表示される計器類の画像は、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ことから、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。 2. Description of the Related Art A head-up display device is known in which display light of an image is reflected toward a driver (observer) on a windshield of an automobile so that an image of an instrument such as a speedometer can be observed as a virtual image. The instrument image displayed by the head-up display device is enlarged and displayed as a virtual image at a position 2 m or more away from the driver through the windshield. The display image can be observed with almost no change.
ヘッドアップディスプレイ装置で用いられる光学ユニットは、画像表示パネル、照明光源、投影光学系から構成される。画像表示パネルには透過型の液晶表示パネルが多く用いられ、その背後にはバックライトが配置される。バックライトによる照明光は、液晶表示パネルを透過し、液晶表示パネル上に表示された画像の情報を持つ表示光となって、投影光学系に入射する。投影光学系は、フロントガラスに表示光を拡大して投影し、前述のように、運転手に拡大された虚像を表示する。 The optical unit used in the head-up display device includes an image display panel, an illumination light source, and a projection optical system. As the image display panel, a transmissive liquid crystal display panel is often used, and a backlight is disposed behind it. Illumination light from the backlight is transmitted through the liquid crystal display panel, becomes display light having image information displayed on the liquid crystal display panel, and enters the projection optical system. The projection optical system magnifies and projects the display light on the windshield, and displays the magnified virtual image on the driver as described above.
ヘッドアップディスプレイ装置に用いられる投影光学系としては、例えば、液晶表示パネルに表示された画像をミラーレンズで拡大投影するものや(特許文献1)、拡大レンズで拡大投影するもの(特許文献2)などが知られている。
しかし、ミラーレンズや拡大レンズで直接的に表示画像を拡大投影する場合、表示する虚像の大きさと、投影光学系から表示する虚像までの距離との関係から、液晶表示パネルに表示する画像はある程度の大きさが必要となる。このため、液晶表示パネルは大きなものを使用せざるを得ず、これに応じてバックライトも大きなものが必要となり、ヘッドアップディスプレイ装置の小型化、低コスト化、低消費電力化が困難となる。 However, when directly enlarging and projecting a display image with a mirror lens or a magnifying lens, the image displayed on the liquid crystal display panel is somewhat due to the relationship between the size of the virtual image to be displayed and the distance from the projection optical system to the virtual image to be displayed. The size of is required. For this reason, a large liquid crystal display panel must be used, and accordingly, a large backlight is required, which makes it difficult to reduce the size, cost and power consumption of the head-up display device. .
また、ヘッドアップディスプレイ装置によって表示される虚像の大きさを、運転手に観察し易い150mm程度の大きさとする場合に、運転手が左右に20mm程度移動しても、表示される虚像を両眼で観察できるようにするためには、投影光学系の射出瞳の大きさを100mm程度とする必要がある。このとき、運転手と表示される虚像との中間程度に位置するフロントガラスで表示光を反射させることを考慮すると、投影光学系の口径は150mmとする必要がある。投影光学系から虚像までの距離をD、投影倍率をβ、投影光学系の焦点距離をfとすれば、x=(1+β)×fとなるから(結像公式)、例えば、0.8型の液晶表示パネルの幅16mmを9倍に拡大し、144mmの虚像を表示する場合を考えると、投影光学系の焦点距離は100mmとなる。しかし、口径150mmで焦点距離100mmのレンズは、F値が0.67であり、極めて明るいレンズとなるため、実現は困難である。 In addition, when the size of the virtual image displayed by the head-up display device is set to about 150 mm that is easy for the driver to observe, the displayed virtual image is displayed with both eyes even if the driver moves about 20 mm from side to side. In order to enable observation with the projection optical system, the exit pupil size of the projection optical system needs to be about 100 mm. At this time, considering that the display light is reflected by the windshield positioned approximately in the middle between the driver and the displayed virtual image, the aperture of the projection optical system needs to be 150 mm. If the distance from the projection optical system to the virtual image is D, the projection magnification is β, and the focal length of the projection optical system is f, x = (1 + β) × f (imaging formula), for example, 0.8 type When the 16 mm width of the liquid crystal display panel is enlarged nine times and a 144 mm virtual image is displayed, the focal length of the projection optical system is 100 mm. However, a lens having a diameter of 150 mm and a focal length of 100 mm has an F value of 0.67 and is extremely bright, so that it is difficult to realize.
そこで、液晶表示パネルに表示された画像を直接的に拡大投影するのではなく、リレーレンズによって拡大した像をスクリーンに結像させ、この拡大像をさらに投影レンズで拡大投影する投影光学系を用いることが考えられる。しかし、この投影光学系は照明光の利用効率が悪く、従来と同程度の輝度のバックライトを用いても、表示する虚像は従来よりも暗くなってしまうという問題がある。逆に、従来のヘッドアップディスプレイ装置と同程度の輝度で虚像を表示するためには、極めて高輝度のバックライトを用いる必要があり、設置スペース、コスト、消費電力が増大してしまうという問題がある。 Therefore, instead of directly enlarging and projecting the image displayed on the liquid crystal display panel, a projection optical system is used in which an image enlarged by the relay lens is formed on the screen, and this enlarged image is further enlarged and projected by the projection lens. It is possible. However, this projection optical system has poor utilization efficiency of illumination light, and there is a problem that a virtual image to be displayed becomes darker than before even when a backlight having the same brightness as that of the conventional one is used. On the other hand, in order to display a virtual image with the same level of brightness as a conventional head-up display device, it is necessary to use an extremely high-brightness backlight, which increases the installation space, cost, and power consumption. is there.
特許文献2には、リレーレンズによってスクリーン等を使用しない空中像を結ばせ、投影光学系のNAと主光線角度を合わせることによって、効率よく照明光を利用する投影光学系が開示されているが、この投影光学系は投影倍率が大きく、液晶表示パネル側でNAが非常に大きくなる。
周知のように、液晶表示パネルは、コントラストや輝度の良好な画像を観察できる視野角が限られ、しかもこの視野角は狭い。液晶表示パネル側で大きなNAとなる投影光学系は、液晶表示パネルの視野角よりも大きな角度で出射する表示光をも利用することになるから、照明光の利用効率は高まるものの、表示する虚像の色やコントラストにはシェーディングが生じてしまうという問題がある。また、表示する虚像の色やコントラストのシェーディングを防止するために、投影光学系の主光線角度に合わせて照明する場合には、主光線は背面側(バックライト側)に発散する方向となることから、従来よりも大きなバックライトにしなければならないという問題がある。 As is well known, the liquid crystal display panel has a limited viewing angle at which an image with good contrast and brightness can be observed, and this viewing angle is narrow. Since the projection optical system having a large NA on the liquid crystal display panel side uses display light emitted at an angle larger than the viewing angle of the liquid crystal display panel, the use efficiency of illumination light is increased, but a virtual image to be displayed is displayed. There is a problem that shading occurs in the color and contrast of the image. Also, in order to prevent shading of the color and contrast of the virtual image to be displayed, when illuminating according to the chief ray angle of the projection optical system, the chief ray will diverge to the back side (backlight side). Therefore, there is a problem that the backlight has to be larger than before.
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、小型の液晶表示パネルに表示される画像を明るく均一な虚像として投影することができる投影光学系を提供することを目的とする。また、明るく均一な虚像を投影するとともに、消費電力が少なく、小型で安価な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 view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a projection optical system capable of projecting an image displayed on a small liquid crystal display panel as a bright and uniform virtual image. Another object of the present invention is to provide a small and inexpensive head-up display device that projects a bright and uniform virtual image and consumes less power.
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、透過型の液晶表示パネルから出射する表示光を前記観察者側に反射し、前記反射面越しに前記液晶表示パネルに表示された画像を虚像として拡大投影する投影光学系であり、前記液晶表示パネルの背後から光を照射し、前記液晶表示パネルの前面から前記液晶表示パネルに表示された画像の情報を持つ表示光を出射させる照明手段と、前記液晶表示パネルから出射された表示光を集光させ、前記液晶表示パネル上に表示された画像を拡大して実像として結像させるリレーレンズと、前記リレーレンズによって結像された前記画像の拡大された実像を、前記反射面に拡大して投影する投影レンズと、を備え、前記リレーレンズの焦点距離をf1、像側を正の向きとした前記リレーレンズの像側主点から前記リレーレンズの射出瞳までの距離をα、前記投影レンズの焦点距離をf3、前記リレーレンズの像側主点から前記リレーレンズによって結像される実像までの距離をb、前記実像から前記投影レンズの物体側主点までの距離をδ、前記投影レンズの像側主点から前記観察者までの距離をWD、前記観察者の視点が移動する範囲の大きさをDpo、前記リレーレンズの射出瞳の大きさをDpr2とするときに、0.5 < α/f1 <1.5、f3=WD×(−α+b+δ)/(−α+b+δ+WD)、Dpo=Dpr2×WD/(−α+b+δ)の条件を満たすことを特徴とする。 The projection optical system of the present invention is a reflective surface facing an observer at a predetermined position, reflects display light emitted from a transmissive liquid crystal display panel to the observer side, and displays the liquid crystal display through the reflective surface. A projection optical system for enlarging and projecting an image displayed on the panel as a virtual image, irradiating light from behind the liquid crystal display panel, and having information on the image displayed on the liquid crystal display panel from the front of the liquid crystal display panel Illuminating means for emitting display light, a relay lens for condensing display light emitted from the liquid crystal display panel, and enlarging an image displayed on the liquid crystal display panel to form a real image, and the relay lens A projection lens that magnifies and projects the enlarged real image of the image formed by the projection onto the reflecting surface, the focal length of the relay lens is f1, and the image side is in a positive direction. The distance from the image side principal point of the Ray lens to the exit pupil of the relay lens is α, the focal length of the projection lens is f3, and the distance from the image side principal point of the relay lens to the real image formed by the relay lens. b, the distance from the real image to the object-side principal point of the projection lens is δ, the distance from the image-side principal point of the projection lens to the observer is WD, and the size of the range in which the observer's viewpoint moves is Dpo, when the size of the exit pupil of the relay lens is Dpr2, 0.5 <α / f1 <1.5, f3 = WD × (−α + b + δ) / (− α + b + δ + WD), Dpo = Dpr2 × WD / It satisfies the condition of (−α + b + δ).
また、前記観察者から前記虚像までの距離をL、前記液晶表示パネルに表示される画像の大きさに対する前記虚像の拡大倍率をMとするときに、1<L/(M×Dpo)<4の条件を満たすことを特徴とする。 Further, when the distance from the observer to the virtual image is L and the magnification of the virtual image with respect to the size of the image displayed on the liquid crystal display panel is M, 1 <L / (M × Dpo) <4 It satisfies the following conditions.
本発明のヘッドアップディ数プレイ装置は、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、小型の液晶表示パネルに表示される画像を明るく均一な虚像として投影することができる投影光学系を提供することができる。また、明るく均一な虚像を投影するとともに、消費電力が少なく、小型で安価なヘッドアップディスプレイ装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the projection optical system which can project the image displayed on a small-sized liquid crystal display panel as a bright uniform virtual image can be provided. In addition, a bright and uniform virtual image can be projected, and a small and inexpensive head-up display device with low power consumption can be provided.
図1に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置10は、自動車11のダッシュボード12に配置され、スピードメータ等の計器類の値を運転手(観察者)14の前方に、フロントガラス13(反射面)越しに表示する。
As shown in FIG. 1, the head-
このヘッドアップディスプレイ装置10は、小型の液晶表示パネル16(図2参照)を内蔵しており、この液晶表示パネルに計器類の値を表示する。ヘッドアップディスプレイ装置10は、液晶表示パネル16からの出射する表示光26を投影光学系20(図2参照)によってフロントガラス13に向けて拡大投影する。投影された表示光26は、フロントガラス13で運転手14の方向に反射される。
The head-up
ヘッドアップディスプレイ装置10は、フロントガラス13上に実像を表示するのではなく、運転手14からフロントガラス13越しの距離Dの位置に虚像Ivを表示する。
The head-up
運転中に視線を殆ど動かさずに、かつ、眼のピント調節が殆ど行われずに、虚像Ivを見ることができるように、虚像Ivが表示される距離Dは十分に長くなっている。例えば、運転手から2m以上の距離に虚像Ivは表示される。 The distance D at which the virtual image Iv is displayed is sufficiently long so that the virtual image Iv can be viewed with little eye movement during driving and almost no focus adjustment of the eyes. For example, the virtual image Iv is displayed at a distance of 2 m or more 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、液晶表示パネル16、バックライト17(照明手段)、投影光学系20から構成される。
As shown in FIG. 2, the head-up
液晶表示パネル16には、スピードメータやタコメータ、水温計、燃料計等の各種計器類の値が表示される。また、液晶表示パネル16は、透過型であり、背後に設けられたバックライト17から照明光を照射され、表示した画像の情報を持つ表示光26を前方に透過させる。
The liquid
バックライト17は、例えば白色のLEDなどからなり、液晶表示パネル16を背後から一様に照明する。なお、バックライト17は、白色のLEDにより白色の照明光を照射するもの限らず、所望の色の照明光を照射するようにしてよい。例えば、赤色,緑色,青色等の単色LEDから構成しても良く、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ても良い。また、バックライト17はLEDに限らず、他の周知のランプ等を用いても良い。
The backlight 17 is made of, for example, a white LED, and uniformly illuminates the liquid
投影光学系20は、リレーレンズ21と投影レンズL1とからなり、液晶表示パネル16に表示された画像を実像Irとして拡大して結像した後に、この実像Irをさらに拡大してフロントガラス13に投影する。リレーレンズ21は、液晶表示パネル16側(物体側)がテレセントリックになるように構成されている。リレーレンズ21は、液晶表示パネル16から出射するテレセントリック性の表示光26を集光させ、液晶表示パネル16上に表示された画像を拡大し、実像Irとして結像させる。投影レンズL1は、例えばフレネルレンズであり、リレーレンズ21によって結像された実像Irをフロントガラス13に拡大して投影する。
The projection
投影光学系20は、リレーレンズ21の焦点距離をf1、像側を正の向きとしたリレーレンズ21の像側主点Hr2からリレーレンズ21の射出瞳Pr2までの距離をαとするときに、下記数1の条件を満たすように構成されている。
When the focal length of the relay lens 21 is f1, and the distance from the image side principal point Hr2 of the relay lens 21 with the image side in the positive direction to the exit pupil Pr2 of the relay lens 21, the projection
数1に示す条件は、リレーレンズ21の射出瞳Pr2の位置を制限するものであり、液晶表示パネル16から出射する表示光26のうち、リレーレンズ21の光軸に略平行とみなせる、いわゆるテレセントリック性の表示光26だけを像の表示に効率的良く利用するための条件である。α/f1の値が数1の上限及び下限を越えると、液晶表示パネル16から出射する表示光26のうち、液晶表示パネル16の視野角外の表示光26をも虚像Ivの表示に利用することになり、虚像Ivには輝度やコントラストにシェーディングが生じてしまう。
The condition shown in
また、投影光学系20は、投影レンズL1の焦点距離をf3、リレーレンズ21の像側主点Hr2からリレーレンズ21によって結像される実像Irまでの距離をb、実像Irから投影レンズL1の物体側主点Hp1までの距離をδ、投影レンズL1の像側主点Hp2から運転手14までの距離をWDとするときに、下記数2の条件を満たすように構成されている。
Further, the projection
数2に示す条件は、数1の条件を満たすように定められたリレーレンズ21の射出瞳Pr2の位置(αの値)に応じて投影レンズL1の焦点距離を定めるものであり、リレーレンズ21の射出瞳Pr2の位置と観察者範囲Poの位置とが共役となるようにする条件である。
The condition shown in
さらに、投影光学系20は、運転手の視点が移動する範囲(以下、観察者範囲Poと称す)の大きさをDpo、リレーレンズ21の射出瞳Pr2の大きさをDpr2とするときに、下記数3の条件を満たすように構成されている。なお、観察者範囲Poの大きさDpoは、例えば、観察者範囲を円形とする場合にはその直径、また、例えば観察者範囲Poを長方形とする場合には対角長にするなど、観察者範囲Poの広がりの基準となる長さとするまた、射出瞳Pr2の大きさとは、射出瞳Pr2の直径をいう。
Furthermore, when the size of the range in which the driver's viewpoint moves (hereinafter referred to as the observer range Po) is Dpo and the size of the exit pupil Pr2 of the relay lens 21 is Dpr2, the projection
数3に示す条件は、数1の条件を満たすように定められたリレーレンズ21の射出瞳Pr2の位置に応じて、リレーレンズ21の射出瞳Pr2の大きさDpr2と観察者範囲Poの大きさDpoの比率を定めるものであり、数1で定められたテレセントリック性の表示光26を効率良く利用して、最も高輝度,高コントラストの虚像Ivを、所定サイズの観察者範囲Poから観察できるようにするための条件である。
The condition shown in
また、投影光学系20は、運転手14から虚像Ivまでの距離をL、液晶表示パネル16に表示される画像の大きさに対する虚像Ivの拡大倍率をMとするときに、下記数4の条件を満たすように構成されている。
Further, the projection
リレーレンズ21の液晶表示パネル16側の有効Fナンバーは、L/(M×Dpo)に比例する。したがって、L/(M×Dpo)の値が、数4の下限を下回ると、リレーレンズ21のFナンバーが小さくなり、十分に収差を補正することができなくなる。一方、L/(M×Dpo)の値が、数4の上限を上回ると、リレーレンズ21の倍率が小さくなり、所定の輝度の虚像Ivを表示しようとすると、液晶表示パネル16の大型化を招く。
The effective F number on the liquid
投影光学系20は、上述の数1〜数4の条件を満たすように構成されていることによって、図3(A)に模式的に示すように、液晶表示パネル16からリレーレンズ21の光軸に略平行に出射するテレセントリック性の表示光26のみが虚像Ivの表示に利用される。このテレセントリック性の表示光26は、リレーレンズ21によって実像Irに拡大して結像され、この実像Irは投影レンズL1によってさらに拡大してフロントガラス13に投影される。
Since the projection
図3では煩雑さを避けるために図示しないが、フロントガラス13に反射された表示光26は、観察者範囲Po内の一点で観察する運転手14の眼に入射する。液晶表示パネル16の一点から出射するテレセントリック性の表示光26は、投影レンズL1によって観察者範囲Po内に立体角を広げるように入射されるから、運転手14は、これら同一の一点から出射した表示光26の仮想的な交点の位置に実像Irをさらに拡大した虚像Ivをフロントガラス13越しに観察する。
Although not shown in FIG. 3 to avoid complication, the display light 26 reflected by the
例えば、図3(B)に模式的に示すように、運転手14が観察者範囲Poの下端から虚像Ivを観察する場合、表示光26aが運転手14の眼に入射する。この表示光26aは、液晶表示パネル16からやや斜め上方に出射するが、輝度やコントラストが出力すべき正常な値とみなせるような視野角で出射するテレセントリック性の表示光26aである。また、運転手14が観察者範囲Poの上端から虚像Ivを観察する場合にも、この観察者範囲Poの下端から観察する虚像Ivも、液晶表示パネル16をやや斜め下方に出射するが輝度やコントラストの正常なテレセントリック性の表示光26によって表示される。
For example, as schematically shown in FIG. 3B, when the
このような、運転手14が観察者範囲Poのある位置から観察する虚像Ivがテレセントリック性の表示光26によって表示されることは、観察者範囲Poの上端や下端、あるいは中央といった特異な点でのみ成り立つものではなく、観察者範囲Po内のどの位置から虚像Ivを観察する場合にも同様に、虚像Ivはテレセントリック性の表示光26によって表示される。
Such a virtual image Iv that the
なお、図3に示すように、テレセントリック性の表示光26を虚像Ivの表示に利用するために、リレーレンズ21内に実際の絞りを配置する必要はない。投影光学系20が数1〜数4の条件を満足するように構成されていることで、観察者範囲Poから虚像Ivを観察する場合に運転手14の眼に入射する表示光26は、リレーレンズ21の射出瞳Pr2と共役なリレーレンズ21内部の実際の射出瞳(以下、実瞳)から出射する表示光26に自動的に限られる。このリレーレンズ21の実瞳27の大きさは、観察者範囲Poの共役像と同じか、あるいは観察者範囲Poの共役像よりも大きければ良く、投影光学系20が数1〜数4の条件を満たすように構成されることで、実瞳27の大きさは観察者範囲Poの共役像と同じ大きさとなる。
As shown in FIG. 3, it is not necessary to arrange an actual aperture in the relay lens 21 in order to use the telecentric display light 26 for displaying the virtual image Iv. When the projection
また、投影光学系20は上述の数1〜数4の条件を満たすように構成されているから、図4に模式的に示すように、観察者範囲Poとリレーレンズ21の射出瞳Pr2とは、互いに共役な位置となっている。これにより、液晶表示パネル16からテレセントリック性の視野角で出射する表示光26は、全て観察者範囲Poに入射する。したがって、液晶表示パネル16から出射する表示光26のうち、輝度やコントラストが正常な視野角で出射した表示光26は、最も効率良く虚像Ivの表示に利用される。
Further, since the projection
特に、リレーレンズ21の物体側主点Hr2とリレーレンズ21の射出瞳Pr2とを一致させず、上述のようにリレーレンズ21の物体側主点Hr2からリレーレンズ21の射出瞳Pr2までの距離αを数1の条件の範囲内に定めることによって、液晶表示パネル16から出射するテレセントリック性の表示光26の範囲と、観察者範囲Poが一致する。これにより、観察者範囲Poのどの位置から虚像Ivを観察する場合にも、虚像Ivの表示に適切な、輝度やコントラストにシェーディングを生じないテレセントリック性の表示光26のみが虚像Ivの表示に利用される。
In particular, the object side principal point Hr2 of the relay lens 21 and the exit pupil Pr2 of the relay lens 21 are not matched, and the distance α from the object side principal point Hr2 of the relay lens 21 to the exit pupil Pr2 of the relay lens 21 as described above. Is set within the range of the condition of
また、投影光学系20は、L/(M×Dpo)の値が数4の条件の範囲内の値となっていることで、十分に収差を補正することができるようにするとともに、十分に小さなバックライト17で高輝度,高コントラストの虚像Ivを表示する。
In addition, the projection
以下に、投影光学系20の具体的な例を、実施例1〜3として示す。なお、液晶表示パネル16上に表示する画像の大きさを、実施例1では30mm×10mm、実施例2及び実施例3では15mm×5mmとし、運転手14から虚像Ivまでの距離Lが2mとなるように構成した。また、各実施例で示すレンズデータでは、L,f1,f3,α,b,δ,Dpo,Dpr2,WDの単位は全てmmとした。
Hereinafter, specific examples of the projection
[実施例1]
図5に示すように、投影光学系31は、像側から順に、像側にフレネル面が設けられた投影レンズL1、第2レンズL2,第3レンズL3,第4レンズL4の3枚のレンズからなるリレーレンズ32から構成される。これらの投影光学系31を構成するレンズの各面を、像側から順に、面番号i(i=1〜8)を用いてSiで表す。また、隣接する面Si間の間隔(面Siと面Si+1との光軸上の面間隔)をDiとする。
[Example 1]
As shown in FIG. 5, the projection optical system 31 includes, in order from the image side, three lenses of a projection lens L1, a second lens L2, a third lens L3, and a fourth lens L4 provided with a Fresnel surface on the image side. It is comprised from the relay lens 32 which consists of. Each surface of the lenses constituting these projection optical systems 31 is represented by Si using surface numbers i (i = 1 to 8) in order from the image side. Further, the distance between adjacent surfaces Si (the surface distance between the surface Si and the surface Si + 1 on the optical axis) is Di.
投影光学系31のレンズデータとして、各面Siの曲率半径Ri(mm)、各面間隔Di(mm)、像側から順にレンズの番号をj(j=1〜4)として、d線(587.6nm)に対する各レンズLjの屈折率Ndj、各レンズLjのアッベ数νdjを表1に示す。 As lens data of the projection optical system 31, a curvature radius Ri (mm) of each surface Si, a distance between surfaces Di (mm), and a lens number j (j = 1 to 4) in order from the image side, d line (587) Table 1 shows the refractive index Ndj of each lens Lj and the Abbe number νdj of each lens Lj with respect to .6 nm).
また、表1の下段には、リレーレンズ32の焦点距離f1、リレーレンズ32の像側主点Hr2からリレーレンズ32の像側主点Hr2からリレーレンズ32の射出瞳Pr2までの距離α、投影レンズL1の焦点距離f3、リレーレンズ32の像側主点Hr2から実像Irまでの距離b、実像Irから投影レンズL1の物体側主点Hp1までの距離δ、投影レンズL1の像側主点Hp2から観察者範囲Poまでの距離WD、観察者範囲Poの大きさDpo、リレーレンズ32の射出瞳Pr2の大きさDpr2、液晶表示パネル16上の画像に対する虚像Ivの拡大倍率M、観察者範囲Poから虚像Ivまでの距離L、α/f1の値、L/(M×Dpo)の値を示す。
In the lower part of Table 1, the focal length f1 of the relay lens 32, the distance α from the image-side principal point Hr2 of the relay lens 32 to the image-side principal point Hr2 of the relay lens 32 to the exit pupil Pr2 of the relay lens 32, the projection The focal length f3 of the lens L1, the distance b from the image side principal point Hr2 of the relay lens 32 to the real image Ir, the distance δ from the real image Ir to the object side principal point Hp1 of the projection lens L1, and the image side principal point Hp2 of the projection lens L1 To the observer range Po, the size Dpo of the observer range Po, the size Dpr2 of the exit pupil Pr2 of the relay lens 32, the magnification M of the virtual image Iv with respect to the image on the liquid
表1に示すように、リレーレンズ32を構成する第2レンズL2〜第4レンズL4の各面は何れも球面となっており、第4レンズL4の液晶表示パネル16側(物体側)の面S8から液晶表示パネル16の画像表示面までの間隔は52.720mmとなっている。
As shown in Table 1, each surface of the second lens L2 to the fourth lens L4 constituting the relay lens 32 is a spherical surface, and the liquid
表1からわかるように、投影光学系31はα/f1=0.66であり、数1の条件を満たす。また、投影レンズL1の焦点距離f3は、α,b,δ,WDの値から算出される数2の条件を満たす値となっており、観察者範囲Poの大きさDpoは、α,b,δ,Dpr2から算出される数3の条件を満たす値となっている。同様に、L/(M×Dpo)=3.98であり、数4の条件を満たす。
As can be seen from Table 1, the projection optical system 31 satisfies α / f1 = 0.66 and satisfies the condition of
投影光学系31の球面収差を図6(A)に、非点収差を図6(B)に、歪曲収差を図6(C)に示す。球面収差は、e線(波長546.1nm)についてのものを実線で、g線(波長435.8nm)のものを破線で、C線(波長656.3nm)のものを二点差線で示す。また、非点収差は、サジタル方向のものを実線で、タンジェンシャル方向のものを破線で示す。 The spherical aberration of the projection optical system 31 is shown in FIG. 6A, the astigmatism is shown in FIG. 6B, and the distortion is shown in FIG. 6C. The spherical aberration is indicated by a solid line for the e-line (wavelength 546.1 nm), a broken line for the g-line (wavelength 435.8 nm), and a two-point difference line for the C-line (wavelength 656.3 nm). Astigmatism is indicated by a solid line in the sagittal direction and by a broken line in the tangential direction.
図7(A)〜(D)には、投影光学系31の像高0mm,25mm,75mm,80mmの場合について、タンジェンシャル方向の横収差を示す。図7(E)〜(G)には、投影光学系31の像高25mm,75mm,80mmの場合について、サジタル方向の横収差を示す。 7A to 7D show lateral aberrations in the tangential direction for image heights of the projection optical system 31 of 0 mm, 25 mm, 75 mm, and 80 mm. 7E to 7G show the lateral aberrations in the sagittal direction when the image height of the projection optical system 31 is 25 mm, 75 mm, and 80 mm.
以上のように、実施例1の投影光学系31は、数1〜数4の条件を満たすように構成されているから、小型の液晶表示パネル16から出射するテレセントリック性の表示光26を効率良く利用して、観察者範囲Poのどの位置から虚像Ivを観察する場合にも、輝度やコントラストにシェーディングを生じることなく、明るく均一な虚像Ivとして投影することができる。また、この投影光学系31を搭載すれば、ヘッドアップディスプレイ装置10は、小型の液晶表示パネル16及びバックライト17で、明るく均一な虚像Ivを投影することができるから、消費電力が少なく、小型で安価に構成される。
As described above, since the projection optical system 31 according to the first embodiment is configured to satisfy the conditions of
[実施例2]
図8に示すように、投影光学系41は、像側から順に、投影レンズL1、第2レンズL2,第3レンズL3,第4レンズL4,第5レンズL5,第6レンズL6の5枚のレンズからなるリレーレンズ42から構成される。これらの投影光学系41を構成するレンズの各面を、像側から順に、面番号i(i=1〜11)で表す。また、隣接する面Si間の間隔(面Siと面Si+1との光軸上の面間隔)をDiとする。なお、リレーレンズ42を構成する第3レンズL3と第4レンズL4は面S6で接合されている。
[Example 2]
As shown in FIG. 8, the projection optical system 41 includes five projection lenses L1, a second lens L2, a third lens L3, a fourth lens L4, a fifth lens L5, and a sixth lens L6 in order from the image side. The relay lens 42 is composed of a lens. Each surface of the lenses constituting the projection optical system 41 is represented by a surface number i (i = 1 to 11) in order from the image side. Further, the distance between adjacent surfaces Si (the surface distance between the surface Si and the surface Si + 1 on the optical axis) is Di. Note that the third lens L3 and the fourth lens L4 constituting the relay lens 42 are cemented by a surface S6.
投影光学系41のレンズデータとして、各面Siの曲率半径Ri(mm)、各面間隔Di(mm)、像側から順にレンズの番号をj(j=1〜6)として、d線に対する各レンズLjの屈折率Ndj、各レンズLjのアッベ数νdjを表2に示す。 As lens data of the projection optical system 41, each curvature with respect to the d-line is defined with a curvature radius Ri (mm) of each surface Si, a distance between surfaces Di (mm), and a lens number j (j = 1 to 6) in order from the image side. Table 2 shows the refractive index Ndj of the lens Lj and the Abbe number νdj of each lens Lj.
また、表2の下段には、リレーレンズ42の焦点距離f1、像側を正の向きとしたリレーレンズ42の像側主点Hr2からリレーレンズ42の射出瞳Pr2までの距離α、投影レンズL1の焦点距離f3、リレーレンズ42の像側主点Hr2から実像Irまでの距離b、実像Irから投影レンズL1の物体側主点Hp1までの距離δ、投影レンズL1の像側主点Hp2から観察者範囲Poまでの距離WD、観察者範囲Poの大きさDpo、リレーレンズ42の射出瞳Pr2の大きさDpr2、液晶表示パネル16上の画像に対する虚像Ivの拡大倍率M、観察者範囲Poから虚像Ivまでの距離L、α/f1の値、L/(M×Dpo)の値を示す。
In the lower part of Table 2, the focal length f1 of the relay lens 42, the distance α from the image side principal point Hr2 of the relay lens 42 with the image side in the positive direction to the exit pupil Pr2 of the relay lens 42, the projection lens L1 A focal length f3, a distance b from the image side principal point Hr2 of the relay lens 42 to the real image Ir, a distance δ from the real image Ir to the object side principal point Hp1 of the projection lens L1, and an observation from the image side principal point Hp2 of the projection lens L1. The distance WD to the observer range Po, the size Dpo of the observer range Po, the size Dpr2 of the exit pupil Pr2 of the relay lens 42, the magnification M of the virtual image Iv with respect to the image on the liquid
表2に示すように、第6レンズL6の液晶表示パネル16側(物体側)の面S11から液晶表示パネル16の画像表示面までの間隔は19.412mmとした。また、リレーレンズ42を構成するレンズは、面S2,面S4,面S6〜面S11を球面とし、面S1,面S3,面S5を非球面とした。非球面とした面S1,面S3,面S5の具体的な形状は、光軸から高さy、高さyの非球面状の点から非球面頂点の接平面に下ろした垂線の長さをx、非球面頂点近傍での曲率半径r、円錐係数K、第2i次(i=2〜5)の非球面係数A2iを用いて、下記数5の式で表される。また、面S1,面S3,面S5の非球面係数は、具体的には表3に示す値とした。
As shown in Table 2, the distance from the liquid
表2からわかるように、投影光学系41はα/f1=0.96であり、数1の条件を満たす。また、投影レンズL1の焦点距離f3は、α,b,δ,WDの値から算出される数2の条件を満たす値となっており、観察者範囲Poの大きさDpoは、α,b,δ,Dpr2から算出される数3の条件を満たす値となっている。同様に、L/(M×Dpo)=1.43であり、数4の条件を満たす。
As can be seen from Table 2, the projection optical system 41 satisfies α / f1 = 0.96, which satisfies the condition of
投影光学系41の球面収差を図9(A)に、非点収差を図9(B)に、歪曲収差を図9(C)に示す。また、図10(A)〜(D)には像高0mm、25mm、75mm、80mmの場合について、タンジェンシャル方向の横収差を、図10(E)〜(G)には、像高25mm、75mm、80mmの場合について、サジタル方向の横収差を示す。なお、これらの各収差の表記は、実施例1と同様とする。 The spherical aberration of the projection optical system 41 is shown in FIG. 9A, the astigmatism is shown in FIG. 9B, and the distortion is shown in FIG. 9C. FIGS. 10A to 10D show lateral aberrations in the tangential direction for image heights of 0 mm, 25 mm, 75 mm, and 80 mm. FIGS. 10E to 10G show image heights of 25 mm, The lateral aberration in the sagittal direction is shown for the cases of 75 mm and 80 mm. Note that the notations of these aberrations are the same as those in the first embodiment.
以上のように、実施例2の投影光学系41は、数1〜数4の条件を満たすように構成されているから、小型の液晶表示パネル16から出射するテレセントリック性の表示光26を効率良く利用して、小型の液晶表示パネル16に表示される画像を、輝度やコントラストにシェーディングを生じることなく、明るく均一な虚像Ivとして投影することができる。また、この投影光学系41を搭載すれば、ヘッドアップディスプレイ装置10は、小型の液晶表示パネル16及びバックライト17で、明るく均一な虚像Ivを投影することができるから、消費電力が少なく、小型で安価に構成される。
As described above, since the projection optical system 41 according to the second embodiment is configured to satisfy the conditions of
[実施例3]
図11に示すように、投影光学系51は、像側から順に、像側にフレネル面が設けられた投影レンズL1、第2レンズL2〜第8レンズL8の7枚のレンズからなるリレーレンズ52から構成される。これらの投影光学系51を構成するレンズの各面を、像側から順に、面番号i(i=1〜15)を用いてSiで表す。また、隣接する面Si間の間隔(面Siと面Si+1との光軸上の免間隔)をDiとする。なお、リレーレンズ52を構成する第5レンズL5と第6レンズL6は、面S10で接合されている。
[Example 3]
As shown in FIG. 11, the projection optical system 51 includes, in order from the image side, a
投影光学系51のレンズデータとして、各面Siの曲率半径Ri(mm)、各面間隔Di(mm)、像側から順にレンズ番号をj(j=1〜8)として、d線に対する各レンズLjの屈折率Ndj、各レンズLjのアッベ数νdjを表4に示す。 As lens data of the projection optical system 51, the curvature radius Ri (mm) of each surface Si, the distance between surfaces Di (mm), and the lens number j (j = 1 to 8) in order from the image side, each lens for the d line. Table 4 shows the refractive index Ndj of Lj and the Abbe number νdj of each lens Lj.
また、表4の下段には、リレーレンズ52の焦点距離f1、リレーレンズ52の像側主点Hr2からリレーレンズ52の像側主点Hr2からリレーレンズ52の射出瞳Pr2までの距離α、投影レンズL1の焦点距離f3、リレーレンズ52の像側主点Hr2から実像Irまでの距離b、実像Irから投影レンズL1の物体側主点Hp1までの距離δ、投影レンズL1の像側主点Hp2から観察者範囲Poまでの距離WD、観察者範囲Poの大きさDpo、リレーレンズ52の射出瞳Pr2の大きさDpr2、液晶表示パネル16上の画像に対する虚像Ivの拡大倍率M、観察者範囲Poから虚像Ivまでの距離L、α/f1の値、L/(M×Dpo)の値を示す。
In the lower part of Table 4, the focal length f1 of the
表4に示すように、リレーレンズ52を構成する第2レンズL2〜第8レンズL8の各面は何れも球面となっており、第8レンズL8の液晶表示パネル16側(物体側)の面S15から液晶表示パネル16の画像表示面までの間隔は19.886mmとなっている。
As shown in Table 4, each surface of the second lens L2 to the eighth lens L8 constituting the
表4からわかるように、投影光学系51はα/f1=0.68であり、数1の条件を満たす。また、投影レンズL1の焦点距離f3は、α,b,δ,WDの値から算出される数2の条件を満たす値となっており、観察者範囲Poの大きさDpoは、α,b,δ,Dpr2から算出される数3の条件を満たす値となっている。同様に、L/(M×Dpo)=2.00であり、数4の条件を満たす。
As can be seen from Table 4, the projection optical system 51 satisfies α / f1 = 0.68 and satisfies the condition of
投影光学系51の球面収差を図12(A)に、非点収差を図12(B)に、歪曲収差を図12(C)に示す。また、図13(A)〜(D)には像高0mm、25mm、75mm、80mmの場合について、タンジェンシャル方向の横収差を、図13(E)〜(G)には、像高25mm、75mm、80mmの場合について、サジタル方向の横収差を示す。なお、これらの各収差の表記は、実施例1と同様とする。 The spherical aberration of the projection optical system 51 is shown in FIG. 12A, the astigmatism is shown in FIG. 12B, and the distortion is shown in FIG. 13A to 13D show lateral aberrations in the tangential direction for the image heights of 0 mm, 25 mm, 75 mm, and 80 mm, and FIGS. 13E to 13G show the image height of 25 mm. The lateral aberration in the sagittal direction is shown for the cases of 75 mm and 80 mm. Note that the notations of these aberrations are the same as those in the first embodiment.
以上のように、実施例3の投影光学系51は、数1〜数4の条件を満たすように構成されているから、小型の液晶表示パネル16から出射するテレセントリック性の表示光26を効率良く利用して、観察者範囲Poのどの位置から虚像Ivを観察する場合にも、輝度やコントラストにシェーディングを生じることなく、明るく均一な虚像Ivとして投影することができる。また、この投影光学系51を搭載すれば、ヘッドアップディスプレイ装置10は、小型の液晶表示パネル16及びバックライト17で、明るく均一な虚像Ivを投影することができるから、消費電力が少なく、小型で安価に構成される。
As described above, since the projection optical system 51 according to the third embodiment is configured to satisfy the conditions of
なお、上述の実施形態では、投影レンズL1としてフレネルレンズ等の屈折レンズを用いるが、これに限らず、ミラー非球面レンズ等のレンズ効果のある光学部材を投影レンズL1として用いても良い。また、上述の実施形態では、投影レンズL1は1枚の屈折レンズからなる例を示すが、複数枚の屈折レンズから投影レンズL1を構成しても良く、また、屈折レンズと他のレンズ効果のある光学部材とを組み合わせて投影レンズL1を構成しても良い。 In the above-described embodiment, a refractive lens such as a Fresnel lens is used as the projection lens L1, but not limited thereto, an optical member having a lens effect such as a mirror aspheric lens may be used as the projection lens L1. In the above-described embodiment, the projection lens L1 is an example of a single refraction lens. However, the projection lens L1 may be composed of a plurality of refraction lenses. You may comprise the projection lens L1 combining a certain optical member.
また、上述の実施形態では、液晶表示パネル16として15mm×5mmの0.8型の液晶表示パネルや30mm×10mmの液晶表示パネルを用いるがこれに限らず、アスペクト比や表示領域の大きさが異なる他の液晶表示パネルを用いても良い。同様に、表示する虚像Ivの大きさ等、ヘッドアップディスプレイ装置の種別や用途等に応じて定められる値は、上述の実施形態で示す値に限らず、適宜設定して良い。
In the above-described embodiment, a 15 mm × 5 mm 0.8-type liquid crystal display panel or a 30 mm × 10 mm liquid crystal display panel is used as the liquid
なお、上述の実施形態では、本発明の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、非回転対称非球面の面形状としながらも凹面ミラーの詳細な面形状を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 embodiment, the head-up display device of the present invention is described as an example for an automobile. However, the present invention is not limited to this, and the head-up display device of the present invention is applied to other devices 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 a non-rotationally symmetric aspheric surface is set according to the shape of a reflecting surface (a windshield in an automobile) that magnifies and projects display light. However, it is necessary to individually determine the detailed surface shape of the concave mirror. 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.
なお、ヘッドアップディスプレイ装置は、自動車のダッシュボード等に設置されるものであるから、このヘッドアップディスプレイ装置を構成する各部は、耐熱性に優れたものであることが好ましい。 Since the head-up display device is installed on a dashboard or the like of an automobile, each part constituting the head-up display device is preferably excellent in heat resistance.
10 ヘッドアップディスプレイ装置
14 運転手(観察者)
16 液晶表示パネル
17 バックライト(照明手段)
20,31,41,51 投影光学系
21,32,42,52 リレーレンズ
26 表示光
L1 投影レンズ
f1 リレーレンズの焦点距離
f3 投影レンズの焦点距離
Iv 虚像
Ir 実像
Pr2 リレーレンズの射出瞳
Hr2 リレーレンズの像側主点
Po 観察者範囲
Hp2 投影レンズの像側主点
Hp1 投影レンズの物体側主点
10 Head-up
16 Liquid crystal display panel 17 Backlight (lighting means)
20, 31, 41, 51 Projection
Claims (3)
前記液晶表示パネルの背後から光を照射し、前記液晶表示パネルの前面から前記液晶表示パネルに表示された画像の情報を持つ表示光を出射させる照明手段と、
前記液晶表示パネルから出射された表示光を集光させ、前記液晶表示パネル上に表示された画像を拡大して実像として結像させるリレーレンズと、
前記リレーレンズによって結像された前記画像の拡大された実像を、前記反射面に拡大して投影する投影レンズと、
を備え、
前記リレーレンズの焦点距離をf1、像側を正の向きとした前記リレーレンズの像側主点から前記リレーレンズの射出瞳までの距離をα、前記投影レンズの焦点距離をf3、前記リレーレンズの像側主点から前記リレーレンズによって結像される実像までの距離をb、前記実像から前記投影レンズの物体側主点までの距離をδ、前記投影レンズの像側主点から前記観察者までの距離をWD、前記観察者の視点が移動する範囲の大きさをDpo、前記リレーレンズの射出瞳の大きさをDpr2とするときに、
0.5 < α/f1 <1.5、
f3=WD×(−α+b+δ)/(−α+b+δ+WD)、
Dpo=Dpr2×WD/(−α+b+δ)
の条件を満たすことを特徴とする投影光学系。 A reflective surface facing an observer at a predetermined position reflects display light emitted from a transmissive liquid crystal display panel to the observer side, and an image displayed on the liquid crystal display panel through the reflective surface is a virtual image. In the projection optical system that magnifies and projects as
Illuminating means for irradiating light from behind the liquid crystal display panel and emitting display light having image information displayed on the liquid crystal display panel from the front surface of the liquid crystal display panel;
A relay lens for condensing display light emitted from the liquid crystal display panel and enlarging an image displayed on the liquid crystal display panel to form a real image;
A projection lens that magnifies and projects an enlarged real image of the image formed by the relay lens onto the reflecting surface;
With
The distance from the image side principal point of the relay lens to the exit pupil of the relay lens with the focal length of the relay lens as f1, the image side as the positive direction, α, the focal length of the projection lens as f3, and the relay lens B is the distance from the image side principal point to the real image formed by the relay lens, δ is the distance from the real image to the object side principal point of the projection lens, and the observer is the image side principal point of the projection lens. Is WD, the size of the range in which the observer's viewpoint moves is Dpo, and the size of the exit pupil of the relay lens is Dpr2.
0.5 <α / f1 <1.5,
f3 = WD × (−α + b + δ) / (− α + b + δ + WD),
Dpo = Dpr2 × WD / (− α + b + δ)
A projection optical system characterized by satisfying the following condition.
1< L/(M×Dpo)<4
の条件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 distance from the observer to the virtual image is L, and the magnification of the virtual image with respect to the size of the image displayed on the liquid crystal display panel is M,
1 <L / (M × Dpo) <4
The projection optical system according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.
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