JP2015090376A - 投影光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】小レンズ体に対応したスクリーン以外のスクリーンに投影されるべき投影光が入射することを防ぎ、スクリーンに投影される実像の画質劣化を防止することができる投影光学系を提供すること。
【解決手段】実像を結像させるための投影光学系において、投影光学系を構成するレンズのうち、少なくとも１つのレンズは、光軸と直交する方向に２つ以上の小レンズ体に分割された分割レンズであり、投影光学系は、各小レンズ体が、互いに光軸方向に相対的に異なる位置に配置されることで、小レンズ体毎に結像位置を異ならせることが可能であり、分割レンズは開口絞りよりも出射側に配置され、光出射面が凸状の負のメニスカスレンズであり、投影光学系が、（１）２≦Ｄ／ｆ０ （２）−１≦ｆ０／ｆ１≦−０．１の条件式を満たすこととする。
【選択図】図２

Description

本発明は、投影光学系に関する。

特許文献１には、スクリーンを複数備え、各スクリーンに表示される表示内容を異ならせ、各スクリーンの前後方向（光軸方向に沿う方向）の位置を互いに異ならせることで、運転者に対する虚像の表示距離をスクリーン毎に異ならせることができるＨＵＤが開示されている。

しかしながら、スクリーンに実像を投影するために投影光学系を用いる場合、前後方向の位置が互いに異なるスクリーンそれぞれに実像を結像させるためには、各スクリーン毎に合焦位置を異ならせた投影光学系を構成する必要がある。この場合、スクリーン毎に独立した投影光学系を備える構成とした場合、全体として投影光学系が大型化してしまう。

そこで、投影光学系の一部のレンズを、スクリーン毎に一対一で対応するように分割し、分割されたそれぞれのレンズ（以下、一枚のレンズが分割された一つ一つのレンズを小レンズ体と記載する。また、分割される前のレンズを分割レンズと記載する。）を各スクリーンに対応させた所定の光軸方向の位置に配置することで、各スクリーンに実像を結像させることができる（特許文献２，３参照）。この場合、各小レンズ体を透過する投影光は、各小レンズ体と対応するスクリーンに表示されるべき表示内容の結像の投影光とする必要がある。

特開２００９−１５０９４７号 特開２０１０−２７１４２９号 特開平８−３２０４０４号

しかしながら、小レンズ体に、この小レンズ体に対応するスクリーン以外のスクリーンに投影されるべき投影光が入射してしまうと、スクリーンに投影される実像の画質が劣化（たとえば、精彩の低下等）する虞がある。

そこで、本発明は、小レンズ体に対応したスクリーン以外のスクリーンに投影されるべき投影光が入射することを防ぎ、スクリーンに投影される実像の画質劣化を防止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。

上記課題を解決するため、実像を結像させるための投影光学系において、投影光学系を構成するレンズのうち、少なくとも１つのレンズは、光軸と直交する方向に２つ以上の小レンズ体に分割された分割レンズであり、投影光学系は、各小レンズ体が、互いに光軸方向に相対的に異なる位置に配置されることで、小レンズ体毎に結像位置を異ならせることが可能であり、分割レンズは開口絞りよりも出射側に配置され、光出射面が凸状の負のメニスカスレンズであり、投影光学系は、下記の条件式（１）（２）を満たすこととする。

（１） ２≦Ｄ／ｆ０
（２） −１≦ｆ０／ｆ１≦−０．１

Ｄ：小レンズ体の主点位置と投影光学系の開口絞りとの間隔
ｆ０：投影光学系の焦点距離
ｆ１：小レンズ体の焦点距離。

上記発明において、分割レンズは、投影光学系を構成するレンズの中で、開口絞りから最も遠い位置に配置されていることとする。

上記課題を解決するため、スクリーンに結像された実像を観察者に対して虚像として表示する表示装置において、実像を上述の投影光学系により投影させることとする。

本発明によれば、小レンズ体に対応したスクリーン以外のスクリーンに投影されるべき投影光が入射することを防ぎ、スクリーンに投影される実像の画質劣化を防止することができる投影光学系を提供することができる。

ＨＵＤの全体的な概略構成を示す図である。 画像投影装置の概略の構成を示す図である。 レンズ保持枠の外観を示す図である。 スクリーンの概略の構成を示す図である。 遮光面の配置例を示す図である。 遮光部材が支持板を介して小レンズ体の端面に支持される構成を示す図である。 遮光部材が支持部を介して固定枠に支持される構成を示す図である。 遮光部材が支持部を介して固定枠に支持される構成を示す図である。 表示光学系の光学的条件を説明する図である。

（ＨＵＤ１の概略構成）
図１は、実像を観察者に対して虚像として表示する表示装置の一例として、自動車の運転者に、自己の自動車の情報をフロントガラスＦＧを介して視認させることができるＨＵＤ１の全体的な概略構成を示す図である。ＨＵＤ１は、画像投影装置２と、この画像投影装置２により出射される投影光が結像される光透過型のスクリーン３と、このスクリーン３に結像された実像Ｍを、虚像ＩＭとして観察者Ｓに表示させる反射光学系４とを有する。以下の説明において、画像投影装置２および反射光学系４を透過あるいは反射する投影光の進行方向を前方とし、その反対方向を後方として説明を行う。

なお、本実施の形態では、ＨＵＤ１を自動車用として説明しているが、ＨＵＤ１は自動車用に限らない。たとえば、フロントガラスＦＧを、反射ミラーあるいは透明な平面ガラスに置き換えることで、たとえば、ビデオゲーム機のＨＵＤとして用いることができる。また、フロントガラスＦＧを透明な平面ガラスに置き換え、平面ガラスを介して患者の患部を視認できるようにすれば、患者の患部に脈拍などのバイタルサインを重ねて表示できるＨＵＤとして用いることができる。

（画像投影装置２の構成）
図２は、画像投影装置２の概略の構成を示す図である。画像投影装置２は、像形成光学系５と、複数のレンズで構成される投影光学系６とを有する。

（像形成光学系５）
像形成光学系５は、画像表示素子７と、色光合成プリズム（ダイクロイックプリズム）８とを有する。画像表示素子７には、反射型のライトバルブや透過型のライトバルブ等を用いることができる。画像表示素子７の表示面は、図示外の照明装置により照明され、また、画像表示素子７は、図示外の画像制御部により駆動制御される。これにより、画像表示素子７の表示面には、実像Ｍ（図１参照）の物体側の像となる画像が表示される。像形成光学系５には、画像表示素子７が、ＲＧＢ（赤・緑・青）の各色光毎に１つずつ、合計３つ備えられているが、図面を理解し易くするため、図２においては、１つの画像表示素子７が代表的に示されている。３つの画像表示素子７は、投影光学系６に対して等価な位置に配置されている。ＲＧＢ（赤・緑・青）の各色光毎に１つずつ備えられる画像表示素子７から出射した光は、色光合成プリズム８にて合成され投影光学系６に入射する。像形成光学系５は、画像表示素子７および色光合成プリズム８を用いる代わりに、ＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ
Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）を用いてもよい。

（投影光学系６）
投影光学系６は、スクリーン３側から画像表示素子７の側、すなわちスクリーン３から後方に向かって順に配置される、小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂ、正のメニスカスレンズＬ２、正の凸レンズＬ３、負のメニスカスレンズＬ４、負のメニスカスレンズＬ５、正の凸レンズＬ６、正の凸レンズＬ７、正の凸レンズＬ８を有する。投影光学系６は、固定焦点であり、全体として正の屈折力を有する。投影光学系６においては、凸レンズＬ３の光入射側に開口絞り９が配置されている。投影光学系６は、小レンズ体Ｌ１Ａを透過する投影光の主光線と小レンズ体Ｌ１Ｂを透過する投影光の主光線とが、開口絞り９において、光軸Ｘ上で交差するように構成されている。なお、レンズ構成等は上記に限らず、スクリーン３に結像される実像の明るさや収差補正の程度あるいは投影光学系６の全長等により適宜の構成とすることができる。

小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂは、投影光学系６の中で最も前方に配置されている。小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂは、負のメニスカスレンズを分割レンズ（分割される前のレンズ）として、光軸Ｘを境として上下に、すなわち光軸Ｘと交差する方向に２つに分割されたレンズである。また、小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂは、光軸Ｘに対して対称な形状であり、互いに同一の光学特性を有している。

小レンズ体Ｌ１Ａには、画像表示素子７に形成される画像のうち、光軸Ｘを挟んで小レンズ体Ｌ１Ａの反対側（下側）となる位置に形成される画像の投影光が入射する。一方、小レンズ体Ｌ１Ｂには、画像表示素子７の光軸Ｘよりも上側半分（光軸Ｘを挟んだ小レンズ体Ｌ１Ｂの反対側）に形成される画像の投影光が入射する。小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂの光入射側には、小レンズ体Ｌ１Ａと小レンズ体Ｌ１Ｂとの間の間隙Ｋを投影光が通過しないように、遮光部材１０が配置されている。遮光部材１０は、黒色で艶消しの塗装等の光反射防止処理が施されている。

投影光学系６を構成する各レンズは、図３に示すレンズ保持枠１１に保持されている。レンズ保持枠１１は、鏡筒部１２、固定枠１３および可動枠１４等を有する。鏡筒部１２には、メニスカスレンズＬ２から凸レンズＬ８が保持される。固定枠１３には小レンズ体Ｌ１Ａが保持され、可動枠１４には小レンズ体Ｌ１Ｂが保持される。

固定枠１３は、小レンズ体Ｌ１Ａを内周側（光軸Ｘ側）に嵌合可能な嵌合部１３Ａが設けられ、この嵌合部１３Ａ内に小レンズ体Ｌ１Ａが保持される。嵌合部１３Ａは、固定枠１３の前方に突出する半円形の筒形状を呈している。可動枠１４は、小レンズ体Ｌ１Ｂを内周側（光軸Ｘ側）に嵌合可能な嵌合部１４Ａが設けられ、この嵌合部１４Ａ内に小レンズ体Ｌ１Ｂが保持される。嵌合部１４Ａは、可動枠１４の前方に突出する半円形の筒形状を呈している。

レンズ保持枠１１には、可動枠１４を光軸Ｘに沿って前後に移動させることができるレンズ移動機構１５が備えられている。可動枠１４が光軸Ｘに沿って前後に移動されることで、小レンズ体Ｌ１Ｂが可動枠１４と一体に光軸Ｘに沿って前後に移動することができる。レンズ移動機構１５は、たとえば、モーターにより駆動されるボール螺子機構等により構成することができ、また、図示を省略する制御部により駆動を制御することができる。小レンズ体Ｌ１Ｂを光軸Ｘ方向に前後に移動させることで、小レンズ体Ｌ１Ｂを透過する投影光の結像の位置を移動させることができる。

なお、図１に示すように、小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂの光出射側には、反射ミラー１６が配置されている。小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂから出射された投影光は、反射ミラー１６でスクリーン３に向けて９０度折り曲げられる。

（スクリーン３の構成）
図４は、スクリーン３の概略の構成を示す図である。スクリーン３は、図４に示すように、第１スクリーン３Ａと第２スクリーン３Ｂの２つのスクリーンを備える。第１スクリーン３Ａおよび第２スクリーン３Ｂは、透明樹脂に光拡散剤を混入させたり、あるいは表面を粗面化する等して光拡散性を持たせた光透過型のスクリーンである。したがって、第１スクリーン３Ａおよび第２スクリーン３Ｂの前方から、第１スクリーン３Ａおよび第２スクリーン３Ｂに結像した実像を観察することができる。また、第１スクリーン３Ａおよび第２スクリーン３Ｂが光拡散性を有することで、光拡散の程度に応じて、実像を観察できる視域の広さの拡大が図られている。

第２スクリーン３Ｂは、第１スクリーン３Ａよりも画像表示素子７側、すなわち後方に配置されている。したがって、第１スクリーン３Ａ上に結像した実像と第２スクリーン３Ｂ上に結像した実像とを、反射光学系４を介して虚像ＩＭとして観察者Ｓが観察したときに（図１参照）、第１スクリーン３Ａに結像した実像の虚像ＩＭに比べて、第２スクリーン３Ｂに結像した実像の虚像ＩＭの方をより遠方に視認することができる。

第１スクリーン３Ａは、保持枠１７Ａに保持されている。また、第２スクリーン３Ｂは、保持枠１７Ｂに保持されている。そして、保持枠１７Ｂは、支持柱１８を介して保持枠１７Ａに一体的に支持されている。保持枠１７Ａおよび保持枠１７Ｂは、スクリーン移動機構１９により、図４の上段（Ａ）と下段（Ｂ）に示すように、光軸Ｘと直交する上下方向の２箇所に移動可能とされている。図４の上段（Ａ）には、保持枠１７Ａおよび保持枠１７Ｂが下方位置に配置された状態が示され、図４の下段（Ｂ）には、保持枠１７Ａおよび保持枠１７Ｂが上方位置に配置された状態が示されている。スクリーン移動機構１９は、たとえば、モーターにより駆動されるボール螺子機構等により構成することができ、また、図示を省略する制御部により駆動を制御することができる。

保持枠１７Ａおよび保持枠１７Ｂに保持される第１スクリーン３Ａおよび第２スクリーン３Ｂも、保持枠１７Ａおよび保持枠１７Ｂの移動と一体に移動する。すなわち、第１スクリーン３Ａおよび第２スクリーン３Ｂは、図４の上段（Ａ）と下段（Ｂ）に示すように、光軸Ｘと直交する上下方向の２箇所に移動可能とされている。第２スクリーン３Ｂは、第１スクリーン３Ａと光軸Ｘ方向で重ならないように、第１スクリーン３Ａよりも下側に配置されている。

図４（Ａ）に示すように、第１スクリーン３Ａの上下方向の高さＨ１は、保持枠１７Ａが下方位置に配置されたときに、小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂから出射した投影光による実像Ｍ１、Ｍ２が収まる高さとされている。一方、図４（Ｂ）に示すように、第２スクリーン３Ｂの上下方向の高さＨ２は、保持枠１７Ａが上方位置に配置されたときに、小レンズ体Ｌ１Ｂから出射した投影光による実像Ｍ３が収まる高さとされている。また、第１スクリーン３Ａの上下方向の高さＨ１は、保持枠１７Ａが上方位置に配置されたときに、第１スクリーン３Ａ上に、小レンズ体Ｌ１Ａから出射した投影光による実像Ｍ４が収まる高さとされている。

第２スクリーン３Ｂは、スクリーン移動機構２０により、光軸Ｘに沿って前後に移動可能とされている。したがって、第２スクリーン３Ｂが、光軸Ｘに沿って前後に移動すると、第２スクリーン３Ｂに形成される実像Ｍ３の虚像ＩＭも、第２スクリーン３Ｂの移動にしたがって観察者Ｓに対して前後に移動する。スクリーン移動機構２０は、たとえば、モーターにより駆動されるボール螺子機構等により構成することができ、また、図示を省略する制御部により駆動を制御することができる。スクリーン移動機構１９、スクリーン移動機構２０および支持柱１８は、第１スクリーン３Ａおよび第２スクリーン３Ｂを透過する投影光に干渉しないように、第１スクリーン３Ａおよび第２スクリーン３Ｂの外側に配置されている。

図４（Ａ）に示すように、小レンズ体Ｌ１Ｂによる結像を第１スクリーン３Ａに結像させる場合には、小レンズ体Ｌ１Ｂ（可動枠１４）は、位置Ｐ１に配置される。位置Ｐ１は、光軸Ｘ方向において、小レンズ体Ｌ１Ａと同一位置である。また、図４（Ｂ）に示すように、小レンズ体Ｌ１Ｂによる結像を第２スクリーン３Ｂに結像させる場合には、小レンズ体Ｌ１Ｂを位置Ｐ２に移動させる。位置Ｐ２は、位置Ｐ１よりもスクリーン３に近い位置であり、光軸Ｘ方向に移動する第２スクリーン３Ｂの位置に応じて変わる位置である。

（反射光学系４の構成）
図１に示すように、反射光学系４は、スクリーン３に結像された実像Ｍを反射させる凹面鏡２１と、フレネル凸レンズ２２とを有する。スクリーン３に形成される実像Ｍは、凹面鏡２１、フレネル凸レンズ２２およびフロントガラスＦＧにより、観察者Ｓへ投影される。観察者Ｓは、実像ＭをフロントガラスＦＧを介して虚像ＩＭとして観察することができる。観察者Ｓが、視域ＥＡ内で歪みの少ない虚像ＩＭを観察でき、また、入射瞳によるけられが少なくなるように、凹面鏡２１およびフレネル凸レンズ２２の面形状等が設定されている。

（ＨＵＤ１の概略の動作）
画像表示素子７には、スクリーン３の上下方向の位置に対応して所定の画像が表示される。つまり、スクリーン３が、図４（Ａ）に示す下方位置に配置されている場合には、第１スクリーン３Ａに、実像Ｍ１および実像Ｍ２を表示するための画像が表示される。実像Ｍ１と実像Ｍ２とは、実像Ｍ１と実像Ｍ２とで、一つのコンテンツ（たとえば、ＴＶ映像やビデオ映像等）を表示する画像であってもよいし、実像Ｍ１と実像Ｍ２とが互いに異なるコンテンツ（たとえば、車速情報とエンジン回転数情報）を表示するものであってもよい。また、スクリーン３が、図４（Ｂ）に示す上方位置に配置されている場合には、第１スクリーン３Ａに実像Ｍ４を、第２スクリーン３Ｂに実像Ｍ３をそれぞれ表示するための画像が表示される。実像Ｍ３と実像Ｍ４は、異なるコンテンツとすることができ、たとえば、実像Ｍ３にはナビ情報（地図情報）を表示し、実像Ｍ４には車速情報を表示することができる。

第１スクリーン３Ａに実像Ｍ１、Ｍ２を表示する場合には、スクリーン３を図４（Ａ）に示す下方位置に配置させ、併せて、小レンズ体Ｌ１Ｂを位置Ｐ１に配置する。また、第１スクリーン３Ａに実像Ｍ４を表示し、第２スクリーン３Ｂに実像Ｍ３を表示する場合には、スクリーン３を図４（Ｂ）に示す上方位置に配置させ、併せて、小レンズ体Ｌ１Ｂを位置Ｐ２に配置する。

（実像Ｍの画質劣化を防止するための投影光学系６の構成）
図４（Ｂ）に示すように、第１スクリーン３Ａに小レンズ体Ｌ１Ａによる実像Ｍ４を結像させると共に、第２スクリーン３Ｂに小レンズ体Ｌ１Ｂによる実像Ｍ３を結像させる場合、小レンズ体Ｌ１Ａを透過した投影光が第２スクリーン３Ｂに投影されたり、あるいは、第２スクリーン３Ｂを透過した投影光が第１スクリーン３Ａに投影されると、実像Ｍ３，Ｍ４の画質を劣化させる虞がある。

そこで、光出射面側に凸状面を有する負のメニスカスレンズが光軸Ｘで上下に分割されたレンズを、小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂとして用いると共に、投影光学系６が下記の条件（１）（２）を満たす構成としている。

（１） ２≦Ｄ／ｆ０
（２） −１≦ｆ０／ｆ１≦−０．１

Ｄ：小レンズ体Ｌ１Ｂが位置Ｐ１に配置されているときの、小レンズ体Ｌ１Ｂの主点位置と開口絞り９との間隔 （※）
ｆ０：投影光学系６の焦点距離
ｆ１：小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂの焦点距離。

投影光学系６を上記のように構成することで、画像表示素子７に表示される画像のうち光軸Ｘより上側（第１スクリーン３Ａ側）に表示される画像の投影光が、小レンズ体Ｌ１Ａに入射する光量を低減できる。また、これと同時に、画像表示素子７に表示される画像のうち光軸Ｘより下側（第２スクリーン３Ｂ側）に表示される画像の投影光が、小レンズ体Ｌ１Ｂに入射する光量を低減できる。これにより、スクリーン３に結像する実像Ｍ（実像Ｍ３，実像Ｍ４）の画質劣化を抑えることができる。

なお、条件（１）を外れると、実像Ｍのコントラストが低下する。また、条件（２）の下限値を下回ると小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂのパワーが強くなり過ぎ、実像Ｍの結像性能を確保し難くなる。条件（２）の上限値を上回ると、第２スクリーン３Ｂが移動した際に、結像位置を変化させるための小レンズ体Ｌ１Ｂの移動量が大きくなり過ぎ、実像Ｍ３と実像Ｍ４との境目の画質が劣化し易いという問題が起きる。

小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂは、開口絞り９よりもできるだけ投影方向（前方）に遠い位置に配置することが好ましい。開口絞り９より離れるほど、画像表示素子７の光軸Ｘより上側に表示される画像の投影光が小レンズ体Ｌ１Ａに入射し難くなり、また、画像表示素子７の光軸Ｘより下側に表示される画像の投影光が小レンズ体Ｌ１Ｂに入射し難くなる。具体的には、投影光学系６の最も光出射側のレンズを小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂとすることが最も好ましい。

小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂは、１枚の分割レンズから構成されている。本実施の形態のように、分割レンズは、１枚とすることが好ましい。分割レンズを１枚とすることで、分割レンズを複数とする場合に比べて、小レンズ体の取り付け精度の誤差による投影光学系６の結像性能等の性能劣化を防止できる。

なお、Ｄ／ｆ０およびｆ０／ｆ１は、下記の条件（１−１）（２−１）とすることにより、画像表示素子７に表示される画像のうち光軸Ｘより上側に表示される画像の投影光が、小レンズ体Ｌ１Ａに入射する光量をより抑制でき、かつ、画像表示素子７に表示される画像のうち光軸Ｘより下側に表示される画像の投影光が、小レンズ体Ｌ１Ｂに入射する光量をより抑制できる。これにより、スクリーン３に結像する実像の画質劣化をより抑えることができる。

（１−１） ２．５≦Ｄ／ｆ０
（２−１） −０．６５≦ｆ０／ｆ１≦−０．１５

さらに、Ｄ／ｆ０およびｆ０／ｆ１は、下記の条件（１−２）（２−２）とすることにより、画像表示素子７に表示される画像のうち光軸Ｘより上側に表示される画像の投影光が、小レンズ体Ｌ１Ａに入射する光量をより一層抑制でき、かつ、画像表示素子７に表示される画像のうち光軸Ｘより下側に表示される画像の投影光が、小レンズ体Ｌ１Ｂに入射する光量をより一層抑制できる。これにより、スクリーン３に結像する実像の画質劣化をより一層抑えることができる。

（１−２） ３．０≦Ｄ／ｆ０
（２−２） −０．４≦ｆ０／ｆ１≦−０．２

（迷光およびゴースト像の発生を防止するための投影光学系６の構成）
小レンズ体Ｌ１Ｂを光軸Ｘ方向に移動させる際に、小レンズ体Ｌ１Ａとの干渉を防止するため、図２に示すように、小レンズ体Ｌ１Ａと小レンズ体Ｌ１Ｂとの間に、間隙Ｋを形成する必要がある。しかしながら、間隙Ｋが形成されることで、投影光の一部が間隙Ｋを通過してしまい、スクリーン３に迷光やゴースト像を発生させてしまう虞がある。

そこで、投影光学系６においては、間隙Ｋの光入射側に、遮光部材１０の遮光面１０Ａが配置されている。遮光面１０Ａにより間隙Ｋへの投影光の入射を遮光することができる。遮光面１０Ａは、光軸Ｘ方向から見て間隙Ｋと重なりを有し、光軸Ｘと交差する方向に配置されている。遮光面１０Ａを光軸Ｘと平行な方向に配置する構成とした場合にも、投影光が間隙Ｋを通過することを防止できる。しかしながら、遮光面１０Ａを間隙Ｋと重なりを有し、光軸Ｘと交差する方向に配置することで、間隙Ｋに投影光が入射しないように遮光できる。そのため、スクリーン３に迷光やゴースト像が発生することをより確実に防止できる。

遮光面１０Ａの光軸Ｘと交差する方向の幅Ｗは、下記の条件（３）を満たし、また、投影光学系６は、下記の条件（４）を満たすことが好ましい。

（３） ０．１≦Ｗ／（ｆ０／Ｆ）≦０．６、
（４） ０＜Ｔ＜｜ｆ１／Ｆ｜

なお、幅Ｗは、小レンズ体Ｌ１Ａの間隙Ｋ側の端面２３を含む面２４から小レンズ体Ｌ１Ｂ側への幅である。

ｆ０：投影光学系の焦点距離
ｆ１：小レンズ体の焦点距離
Ｔ：小レンズ体の光入射面と遮光部材との間隔
Ｆ：投影光学系のＦナンバー

投影光学系６を上記のように構成することで、間隙Ｋに入射する投影光の光量を効果的に低減させることができる。なお、条件（３）の下限値を下回ると、遮光の効果を得難くなる。また、条件（３）の上限値を上回ると、小レンズ体Ｌ１Ａを透過する投影光の結像と小レンズ体Ｌ１Ｂを透過する投影光の結像との境目が暗くなりけられを発生し易い。

また、条件（４）は、遮光部材１０と位置Ｐ１に配置されている小レンズ体Ｌ１Ｂの光入射面との間の間隔を既定するもので、上限値を超えるほどに、遮光部材１０が小レンズ体Ｌ１Ｂの光入射面から離れると間隙Ｋに投影光が入射し易くなってしまう。

なお、Ｗ／（ｆ０／Ｆ）は、下記の条件（３−１）とすることで、スクリーン３に形成される画像の明るさの低下を抑えながら、間隙Ｋに入射する投影光を効果的に遮光できる。

（３−１） ０．２５≦Ｗ／（ｆ０／Ｆ）≦０．５５

さらに、Ｗ／（ｆ０／Ｆ）は、下記の条件（３−２）とすることで、スクリーン３に形成される画像の明るさの低下の抑制と、間隙Ｋに入射する投影光の遮光とをより一層効果的に行うことができる。

（３−２） ０．４≦Ｗ／（ｆ０／Ｆ）≦０．５

図５に示すように、遮光面１０Ａは、小レンズ体Ｌ１Ａ側にも設けることが好ましい。遮光面１０Ａを小レンズ体Ｌ１Ｂ側にのみ設けると、小レンズ体Ｌ１Ｂを通過する投影光の光量だけ減り、小レンズ体Ｌ１Ａにより結像される実像の明るさに比べて、小レンズ体Ｌ１Ｂにより結像される実像の暗さが目立ち易くなる。

そこで、小レンズ体Ｌ１Ａに入射する投影光の入射量を減らすように小レンズ体Ｌ１Ａにも遮光面１０Ａを配置する構成とすることにより、小レンズ体Ｌ１Ａと小レンズ体Ｌ１Ｂとのそれぞれを透過して結像される実像の明るさの差を小さくできる。また、遮光面１０Ａを小レンズ体Ｌ１Ａにも配置することで、投影光が間隙Ｋに入射することをより効果的に防止できる。遮光面１０Ａは、光軸Ｘ方向から見たとき、間隙Ｋを挟んで小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂの両方に対する重なりの面積が同一となるように配置することが好ましい。小レンズ体Ｌ１Ａと小レンズ体Ｌ１Ｂとが遮光面１０Ａにより遮光される面積を同一とすることで、小レンズ体Ｌ１Ａを透過する投影光による結像と、小レンズ体Ｌ１Ｂを透過する投影光による結像の明るさの均一化を図ることができる。

図６から図８に、遮光部材１０を投影光学系６に取り付けるための構成の例を示す。

図６は、遮光部材１０が支持板２５を介して小レンズ体Ｌ１Ａの端面２３に支持される構成を示す。遮光部材１０および支持板２５は、光反射防止処理が施された板状体を長手方向に沿ってＬ字状に折った形状を呈し、Ｌ字の一方側が遮光部材１０に、他方側が支持板２５として構成されている。支持板２５は、小レンズ体Ｌ１Ａの端面２３に貼着等により取り付けることができる。

このような構成とした場合には、端面２３が支持板２５に覆われる。そのため、遮光面１０Ａで遮光し切れずに間隙Ｋに入射した光が、端面２３で反射し、スクリーン３に抜けることを防止することができる。つまり、端面２３を支持板２５で覆うことで、迷光およびゴースト像の発生をより効果的に防止することができる。

図６には、固定側のレンズ、すなわち小レンズ体Ｌ１Ａに遮光部材１０が支持されている構成が示されている。これに対し、移動側のレンズ、すなわち小レンズ体Ｌ１Ｂの端面（端面２３と対向する端面）に支持板２５を介して遮光部材１０を支持する構成としてもよい。かかる構成とした場合には、小レンズ体Ｌ１Ｂが移動したときに、遮光部材１０と小レンズ体Ｌ１Ａとが緩衝しないように、小レンズ体Ｌ１Ｂが小レンズ体Ｌ１Ａと同一位置（図４の位置Ｐ１）に配置されているときの遮光面１０Ａと小レンズ体Ｌ１Ａの光入射面との間の間隔を設定する。つまり、遮光部材１０と小レンズ体Ｌ１Ｂの光入射面との間の間隔を広く設定する。一方、該間隔は、小レンズ体Ｌ１Ｂが前方（図４の位置Ｐ２）へ移動したとき、小レンズ体Ｌ１Ａの入射面と遮光面１０Ａとの間から光ができるだけ入射しない間隔に設定する。

上述のように、小レンズ体Ｌ１Ｂ側に遮光部材１０を支持する構成とした場合には、小レンズ体Ｌ１Ｂが前方に移動したときに、遮光部材１０と小レンズ体Ｌ１Ａとが緩衝しないようにするため、遮光部材１０と小レンズ体Ｌ１Ｂの光入射面との間の間隔を広く設定する必要がある。したがって、小レンズ体Ｌ１Ｂが前方に配置されているときの遮光面１０Ａと小レンズ体Ｌ１Ａの光入射面との間隔よりも、小レンズ体Ｌ１Ｂが小レンズ体Ｌ１Ａと同一位置に配置されているときの該間隔の方が広くなる。一方、図６に示すように、小レンズ体Ｌ１Ａ側に遮光部材１０を支持する構成とした場合には、小レンズ体Ｌ１Ｂが小レンズ体Ｌ１Ａと同一位置に配置されているときの遮光面１０Ａと小レンズ体Ｌ１Ｂの光入射面との間隔は、小レンズ体Ｌ１Ｂが前方に配置されているときの該間隔よりも狭くなる。

小レンズ体Ｌ１Ａと小レンズ体Ｌ１Ｂが同一に配置され、各レンズを透過した投影光の実像Ｍ１および実像Ｍ２が同一面に結像するときの方が、間隙Ｋを通過する光による迷光やゴーストの影響が目立ち易い。したがって、固定側のレンズである小レンズ体Ｌ１Ａに遮光部材１０を支持し、小レンズ体Ｌ１Ａと小レンズ体Ｌ１Ｂが同一位置に配置されているときに、間隙Ｋに入射する光をできるだけ遮光できる構成とすることが好ましい。

図７は、遮光部材１０が支持部２６を介して固定枠１３に支持される構成を示す。支持部２６は、遮光部材１０の両端を結び、小レンズ体Ｌ１Ａの円弧の外周に沿う半円のリング状を呈し、光軸Ｘに直交する方向に沿う面の平面部２６Ａを有する。嵌合部１３Ａの内側には、小レンズ体Ｌ１Ａの前後方向の位置決め面となる段部２７が形成されている。また、嵌合部１４Ａの内側には、小レンズ体Ｌ１Ｂの前後方向の位置決め面となる段部２８が形成されている。

平面部２６Ａが段部２７に当接するように、嵌合部１３Ａ内に支持部２６を配置する。そして、小レンズ体Ｌ１Ａを段部２７に当接するように嵌合部１３Ａ内に嵌合させる。これにより、小レンズ体Ｌ１Ａと段部２７との間に支持部２６が挟持され、遮光部材１０を固定枠１３に対して支持することができる。なお、平面部２６Ａを段部２７に対して貼着することで、遮光部材１０を固定枠１３に対して支持してもよい。

遮光部材１０は、遮光面１０Ａが小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂの光出射面の間隙Ｋ側の縁部に沿う曲面となるように、両端よりも中心に向かうほど後方に向けて突出するように湾曲している。このように遮光部材１０を湾曲させることで、遮光部材１０を小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂに近づけることができ、間隙Ｋに投影光が入射することを効果的に防ぐことができる。

なお、遮光部材１０は、小レンズ体Ｌ１Ａの間隙Ｋ側の端面２３を含む面２４よりも小レンズ体Ｌ１Ｂ側のみに設けてもよい。また、光軸Ｘ方向から見たとき、間隙Ｋを挟んで小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂの両方に対する重なりの面積が同一となるように遮光面１０Ａを配置するようにしてもよい。

図８は、遮光部材１０が支持部２９を介して固定枠１３に支持される構成を示す。支持部２９は、遮光部材１０の両端を結び、小レンズ体Ｌ１Ａの円弧の外周に沿う半円のリング状を呈し、光軸Ｘ方向に沿う面の平面部２９Ａを有する。固定枠１３には後方に突出する半円形の筒状部３０が形成されている。可動枠１４にも後方に突出する半円形の筒状部３１が形成されている。固定枠１３および可動枠１４は、筒状部３０および筒状部３１の内側に鏡筒部１２の先端部１２Ａを嵌合させた状態で、鏡筒部１２に対して取り付けられる。

遮光部材１０は支持部２９を先端部１２Ａの外周面に沿わせた状態で貼着し、先端部１２Ａに対して取り付けられる。遮光部材１０を先端部１２Ａに取り付けた状態で、固定枠１３および可動枠１４が鏡筒部１２に取り付けられる。

遮光部材１０は、遮光面１０Ａが小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂの光出射面の間隙Ｋ側の縁部に沿う曲面となるように、両端よりも中心に向かうほど後方に向けて突出するように湾曲している。このように遮光部材１０を湾曲させることで、遮光部材１０を小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂに近づけることができ、間隙Ｋに投影光が入射することを効果的に防ぐことができる。

なお、遮光部材１０は、小レンズ体Ｌ１Ａの間隙Ｋ側の端面２３を含む面２４よりも小レンズ体Ｌ１Ｂ側のみに設けてもよく、光軸Ｘ方向から見たとき、間隙Ｋを挟んで小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂの両方に対する重なりの面積が同一となるように遮光面１０Ａを配置するようにしてもよい。

ところで、遮光部材１０を備えることで、画像表示素子７に表示される画像のうち光軸Ｘより上側（第１スクリーン３Ａ側）に表示される画像の投影光が小レンズ体Ｌ１Ａに入射する光量を低減でき、これと同時に、画像表示素子７に表示される画像のうち光軸Ｘより下側（第２スクリーン３Ｂ側）に表示される画像の投影光が、小レンズ体Ｌ１Ｂに入射する光量を低減することもできる。

したがって、遮光部材１０を備えることに併せて、投影光学系６を上述した条件（１）（２）、（１−１）（２−１）または（１−２）（２−２）を満たす構成とすることで、より効果的に、画像表示素子７に表示される画像のうち光軸Ｘより上側（第１スクリーン３Ａ側）に表示される画像の投影光が小レンズ体Ｌ１Ａに入射する光量を低減でき、また、画像表示素子７に表示される画像のうち光軸Ｘより下側（第２スクリーン３Ｂ側）に表示される画像の投影光が小レンズ体Ｌ１Ｂに入射する光量を低減できる。

また、投影光学系６を上述した条件（１）（２）、（１−１）（２−１）または（１−２）（２−２）を満たす構成とすることで、小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂの間隙Ｋ側の近傍に入射する光の光量を低減させることができる。そのため、投影光学系６を上述した条件（１）（２）、（１−１）（２−１）または（１−２）（２−２）を満たす構成とすることに併せて、遮光部材１０を備えることで、間隙Ｋに入射してしまう光をより効果的に遮光することができる。また、間隙Ｋの幅Ｗ（光軸Ｘと交差する方向の幅）を狭くすることもでき、遮光部材１０（遮光面１０Ａ）を備えることによる実像Ｍの暗化を抑えることができる。

上述の実施の形態では、小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂは、光軸Ｘを挟んで対象の形状であり、小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂの光の入・出射面積は同一である。これに対し、たとえば、小レンズ体Ｌ１Ａまたは小レンズ体Ｌ１Ｂのいずれか一方を他方に比べて光の入・出射面積が大きくなるように構成し、光の入・出射面積が大きい側の方に遮光面１０Ａがより多く重なるように構成することで、小レンズ体Ｌ１Ａと小レンズ体Ｌ１Ｂによる各実像Ｍの明るさの均一化を図る構成としてもよい。

（視域と虚像の照度分布の最適化を図るためのＨＵＤ１の構成）
スクリーン３、すなわち第１スクリーン３Ａおよび第２スクリーン３Ｂは、透明樹脂に光拡散剤を混入させたり、あるいは表面を粗面化する等して構成した光透過型のスクリーンである。したがって、スクリーン３に結像する実像Ｍの光はスクリーン３で光拡散する。実像Ｍの光がスクリーン３で光拡散されることで、虚像ＩＭを観察する観察者Ｓの視域ＥＡを広げることができる。しかしながら、スクリーン３が光拡散性を有することで、反射光学系の入射瞳にけられる光線束の量が多くなり、虚像ＩＭが暗くなり易い。これに対し、虚像ＩＭが明るくなるように、スクリーン３の光拡散性を低下させると、スクリーン３から反射光学系４に入射する光の指向性が高くなり（視域ＥＡが小さくなり）、虚像ＩＭの中心側の照度が極端に高くなり、逆に周辺側の照度が著しく低下する傾向がある。つまり、虚像ＩＭの照度分布の均一性が損なわれ易い。

そこで、ＨＵＤ１は、スクリーン３の光拡散度を視域ＥＡの投影光学系６の水平画角方向の幅が１０ｃｍ以上１５ｃｍ以下となるようにすると共に、図９に示すように、反射光学系４および投影光学系６が下記の条件（５）を満たすように構成されている。反射光学系４および投影光学系６は、スクリーン３に結像される実像Ｍを凹面鏡２１により反射させ、観察者Ｓに実像Ｍの虚像ＩＭを表示するＨＵＤ１の表示光学系を構成している。

（５） ０．７≦Ｒ・Ｔａｎ（θ）／（Ｎ／２）≦１．５

Ｒ：投影光学系６の射出瞳位置３２とと凹面鏡２１との光軸Ｘ上の間隔
２θ：投影光学系６の水平画角
Ｎ：投影光学系６の水平画角方向における凹面鏡２１の幅

反射光学系４および投影光学系６を上記のように構成することで、虚像ＩＭの明るさの向上を図りつつ、虚像ＩＭの照度分布の均一化を図ることができる。条件（５）の下限値を下回ると、反射光学系４の入射瞳に対して投影光学系６の画角が小さくなり過ぎ、虚像ＩＭの照度分布の均一性が大きく行われる。逆に、条件（５）の上限値を上回ると、投影光学系６の画角が大きくなり過ぎ、反射光学系４の入射瞳によりけられる光量が多くなり、虚像ＩＭが暗くなる。

なお、Ｒ・Ｔａｎ（θ）／（Ｎ／２）は、下記の条件（５−１）とすることで、虚像ＩＭの明るさの向上と、虚像ＩＭの照度分布の均一化をより好適に図ることができる。

（５−１） ０．７５≦Ｒ・Ｔａｎ（θ）／（Ｎ／２）≦１．１５

さらに、Ｒ・Ｔａｎ（θ）／（Ｎ／２）は、下記の条件（５−２）とすることで、虚像ＩＭの明るさの向上と、虚像ＩＭの照度分布の均一化をより一層好適に図ることができる。

（５−２） ０．８≦Ｒ・Ｔａｎ（θ）／（Ｎ／２）≦１．０５

上述の実施の形態では、小レンズ体Ｌ１Ａおよび小レンズ体Ｌ１Ｂは、分割レンズを上下に分割した構成が示されている。しかしながら、小レンズ体は、分割レンズを左右に分割したり、あるいは、光軸Ｘの周りに３分割、あるいは、それ以上の分割数で分割した構成とすることもできる。スクリーン３は、分割された小レンズ体の個数と配置に応じて、配置や数が構成されることになる。

１…ＨＵＤ（表示装置） ２…画像投影装置 ３…スクリーン ３Ａ…第１スクリーン ３Ｂ…第２スクリーン ４…反射光学系（表示光学系） ５…像形成光学系 ６…投影光学系（表示光学系） ７…画像表示素子 ８…色光合成プリズム Ｌ１Ａ…小レンズ体 Ｌ１Ｂ…小レンズ体 Ｌ２…メニスカスレンズ Ｌ３…凸レンズ Ｌ４…メニスカスレンズ Ｌ５…メニスカスレンズ Ｌ６…凸レンズ Ｌ７…凸レンズ Ｌ８…凸レンズ ９…開口絞り １０…遮光部材 １０Ａ…遮光面 １１…レンズ保持枠 １２…鏡筒部 １２Ａ…先端部 １３…固定枠 １３Ａ…嵌合部 １４…可動枠 １４Ａ…嵌合部 １５…レンズ移動機構 １６…反射ミラー １７Ａ…保持枠 １７Ｂ…保持枠 １８…支持柱 １９…スクリーン移動機構 ２０…スクリーン移動機構 ２１…凹面鏡（反射ミラー） ２２…フレネル凸レンズ ２３…端面 ２４…面 ２５…支持板 ２６…支持部 ２６Ａ…平面部 ２７…段部 ２８…段部 ２９…支持部 ２９Ａ…平面部 ３０…筒状部 ３１…筒状部 ３２…射出瞳位置 ＦＧ…フロントガラス Ｍ…実像 Ｍ１…実像 Ｍ２…実像 Ｍ３…実像 Ｍ４…実像 ＩＭ…虚像 Ｓ…観察者 Ｘ…光軸 Ｋ…間隙 Ｈ１…高さ Ｈ２…高さ Ｐ１…小レンズ体の位置 Ｐ２…小レンズ体の位置 ＥＡ…視域 Ｗ…遮光面の幅

Claims (3)

1. スクリーンに実像を投影する表示装置の投影光学系において、
   前記投影光学系を構成するレンズのうち、少なくとも１つのレンズは、光軸と直交する方向に２つ以上の小レンズ体に分割された分割レンズであり、
   前記投影光学系は、前記各小レンズ体が、互いに光軸方向に相対的に異なる位置に配置されることで、前記小レンズ体毎に結像位置を異ならせることが可能であり、
   前記分割レンズは開口絞りよりも出射側に配置され、光出射面が凸状の負のメニスカスレンズであり、
   前記投影光学系は、下記の条件式（１）（２）を満たすことを特徴とする投影光学系。
   
   （１） ２≦Ｄ／ｆ０
   （２） −１≦ｆ０／ｆ１≦−０．１
   
   Ｄ：小レンズ体の主点位置と投影光学系の開口絞りとの間隔
   ｆ０：投影光学系の焦点距離
   ｆ１：小レンズ体の焦点距離。
   
2. 請求項１に記載の投影光学系において、
   前記分割レンズは、前記投影光学系を構成するレンズの中で、前記開口絞りから最も遠い位置に配置されているレンズである、
   ことを特徴とする投影光学系。
   
3. スクリーンに結像された実像を観察者に対して虚像として表示する表示装置において、
   前記実像を請求項１または２に記載の投影光学系により投影させる、
   ことを特徴とする表示装置。

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