JP5310161B2 - Image display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、表示面に画像を出力する表示器と凹面鏡とを備え、表示面に出力された画像を、凹面鏡を介して観察者の視点に投射する画像表示装置に関する。 The present invention relates to an image display device that includes a display that outputs an image on a display surface and a concave mirror, and that projects the image output on the display surface to the viewer's viewpoint via the concave mirror.
従来、表示器から出力される画像を観察者の視点に投射して虚像表示像を視認させる画像表示装置が利用されている。
このような画像表示装置を車両において搭載する場合には、インストルメントパネルのメータに示される情報や経路案内の情報など示す画像を、コンバイナとして用いられるフロントガラスに投射する構成が考えられる。フロントガラスに投射された画像は、フロントガラスに反射して運転者の目に投射されるため、運転者はフロントガラスを介して車両外部を視認しながらに、その視界において画像を虚像表示像として視認することができるようになる。
2. Description of the Related Art Conventionally, an image display device that projects an image output from a display device to a viewer's viewpoint and visually recognizes a virtual image display image has been used.
When such an image display device is mounted in a vehicle, a configuration is conceivable in which an image indicating information such as information displayed on a meter of an instrument panel or route guidance information is projected onto a windshield used as a combiner. Since the image projected on the windshield is reflected on the windshield and projected to the driver's eyes, the driver visually recognizes the outside of the vehicle through the windshield and displays the image as a virtual image display image in the field of view. It becomes possible to visually recognize.
このような画像表示装置において、装置を小型化するために、拡大作用を持つ光学素子からなる拡大光学系を光路中に設けることが一般的となっている。
例えば、図１０（ａ），（ｂ）に示す画像表示装置３０１では、表示器１０から出力された画像は、凹面鏡３０を経由しカバー４０を透過した後、車両のフロントガラス５０をコンバイナとして観察者の視点Ａに到達する。観察者は、フロントガラス５０の前方の地点（図１０（ｂ）における虚像表示面Ｂ）において、画像を拡大された虚像表示像として視認することができる。
In such an image display device, in order to reduce the size of the device, it is a common practice to provide a magnifying optical system including an optical element having a magnifying action in the optical path.
For example, in the image display device 301 shown in FIGS. 10A and 10B, the image output from the display device 10 is transmitted through the cover 40 via the concave mirror 30 and then observed using the windshield 50 of the vehicle as a combiner. A person's viewpoint A is reached. The observer can visually recognize the image as an enlarged virtual image display image at a point in front of the windshield 50 (virtual image display surface B in FIG. 10B).
しかし、上述した凹面鏡のように拡大作用を持つ光学素子は、同時に収差も発生させることとなる。一般的に、画像表示装置を小型化しようとするほど光学系の必要拡大倍率が上がるため光学素子の曲率が大きくなり、虚像表示像の歪みは顕著となる。 However, an optical element having a magnifying function such as the concave mirror described above also causes aberrations at the same time. In general, the smaller the image display device is, the higher the required magnification of the optical system, so that the curvature of the optical element increases and the distortion of the virtual image display image becomes significant.
この虚像表示像の歪みは、像面湾曲と形状歪みに分けられる。像面湾曲とは、観察者から見た虚像表示像が空間的に歪む現象である。また、形状歪みとは、観察者から見た虚像表示像が表示像面内で平面的に歪む現象である。 The distortion of the virtual image display image is divided into field curvature and shape distortion. The field curvature is a phenomenon in which a virtual image display image viewed from the observer is distorted spatially. Further, the shape distortion is a phenomenon in which a virtual image display image viewed from an observer is distorted in a plane in the display image plane.
従来、これらの歪みを補正するための種々の技術が提案されている。
像面湾曲を補正する例としては、拡大光学系にて発生する像面湾曲効果を相殺するような湾曲形状を持つ中間実像をリレー光学系にて一旦形成し、その中間実像を拡大光学系にて拡大した虚像表示像に変換することで、観察者が最終的に視認する虚像表示像の像面湾曲を補正する技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
Conventionally, various techniques for correcting these distortions have been proposed.
As an example of correcting the field curvature, an intermediate real image having a curved shape that cancels the field curvature effect generated by the magnifying optical system is once formed by the relay optical system, and the intermediate real image is used as the magnifying optical system. A technique for correcting the curvature of field of a virtual image display image finally viewed by an observer by converting the image to a virtual image display image that has been enlarged is proposed (for example, see Patent Document 1).
また、形状歪みを補正する例としては、その形状歪みと相殺するように、表示器が出力する表示画像に予め形状歪みを持たせることで、観察者が視認する虚像表示像の形状歪みを補正する技術が提案されている（例えば、特許文献２を参照。）。 In addition, as an example of correcting the shape distortion, the shape distortion of the virtual image displayed by the observer is corrected by giving the display image output from the display device a shape distortion in advance so as to cancel the shape distortion. (See, for example, Patent Document 2).
特許文献１の装置では、実像である中間実像を形成するリレー光学系を設置するスペースの確保が必要となるため、装置が大型化してしまうという問題があった。
また、特許文献２の装置では以下のような問題がある。例えば長方形の画像を観察者に視認させたい場合に、その長方形の画像に形状歪みを持たせた画像を一般的な長方形の表示画面にて表示するためには、その表示画面は形状歪みを持たせる前の画像の長方形よりも大きなものを用いる必要がある。その結果、装置が大型化してしまったり、コスト高に繋がるという問題があった。
In the apparatus of Patent Document 1, it is necessary to secure a space for installing a relay optical system that forms an intermediate real image, which is a real image, and thus there is a problem that the apparatus becomes large.
Further, the apparatus of Patent Document 2 has the following problems. For example, when a viewer wants to visually recognize a rectangular image, in order to display an image in which the rectangular image has a shape distortion on a general rectangular display screen, the display screen has a shape distortion. It is necessary to use an image that is larger than the rectangle of the image before being applied. As a result, there has been a problem that the apparatus becomes large and leads to high costs.
本発明は、かかる問題を鑑みてなされたもので、装置を大型化することなく、像面湾曲と形状歪みを補正した画像を出力できる画像表示装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an image display device capable of outputting an image in which field curvature and shape distortion are corrected without increasing the size of the device.
上述した問題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、表示面に画像を出力する表示器と凹面鏡とを備え、表示面に出力された画像を、上記凹面鏡を介して観察者の視点に投射する画像表示装置に関する。この画像表示装置は、平凸型のシリンドリカル形状を有するレンズを備えている。このレンズは、所定の方向に曲率を有する第１面と、略平坦な第２面と、を有しており、上記第２面が表示器の表示面に対向する。 The invention according to claim 1, which has been made to solve the above-described problem, includes a display device that outputs an image on a display surface and a concave mirror, and an image output on the display surface is transmitted to the observer via the concave mirror. The present invention relates to an image display device that projects on the viewpoint. This image display device includes a lens having a plano-convex cylindrical shape. This lens has a first surface having a curvature in a predetermined direction and a substantially flat second surface, and the second surface faces the display surface of the display.
このレンズは、表示器の表示面の中心から観察者の視点の中心に向かう光路を中心光軸としたとき、その中心光軸を通り上記凹面鏡に入射する入射光と、中心光軸を通り上記凹面鏡から反射する反射光と、を含む平面の法線に、レンズの曲率方向が沿う位置関係で配置される。 The lens has an optical path from the center of the display surface of the display toward the center of the observer's viewpoint as a central optical axis, and incident light that passes through the central optical axis and enters the concave mirror, and the central optical axis. The lens is arranged in a positional relationship along the normal line of the plane including the reflected light reflected from the concave mirror along the curvature direction of the lens.
また、上記表示器および上記凹面鏡は、上記平面において、表示器の表示面における法線，および，凹面鏡の上記入射光が入射する部分の法線が中心光軸と平行となる位置から、上記平面の法線方向を回転軸として、それぞれが同じ方向に回転して傾斜した位置関係で配置されている。さらに、上記表示面と上記第２面との間に位置するリニアフレネルレンズを備えている。 In addition, the display and the concave mirror are configured so that, in the plane, the normal from the display surface of the display and the normal of the portion of the concave mirror where the incident light is incident are parallel to the central optical axis. These are arranged in a positional relationship in which each of them is rotated in the same direction and tilted with the normal direction as the rotation axis. Further, a linear Fresnel lens is provided between the display surface and the second surface.
このように構成された画像表示装置では、シリンドリカル形状のレンズの光学効果により、凹面鏡に対して凸形状となる方向に湾曲した見かけ上の表示面上において画像が表示されているとみなすことができる。 In the image display device configured as described above, an image can be regarded as being displayed on an apparent display surface curved in a convex shape with respect to the concave mirror due to the optical effect of the cylindrical lens. .
そして、その見かけ上の表示面上に表示される画像の湾曲が、凹面鏡によって生じる像面湾曲と打ち消しあうため、凹面鏡によって生じる像面湾曲収差を補正することができる。 Then, the curvature of the image displayed on the apparent display surface cancels out the curvature of field caused by the concave mirror, so that the field curvature aberration caused by the concave mirror can be corrected.
さらに、像面湾曲収差を補正するための中間実像を形成するリレー光学系が不要となることから、光路をコンパクトにすることができ、それにより画像表示装置をコンパクトにすることができる。 Further, since a relay optical system for forming an intermediate real image for correcting curvature of field aberration is not required, the optical path can be made compact, thereby making the image display device compact.
また、レンズは曲率方向に沿って厚みが変化しているため、レンズを透過する光は、その曲率方向に関する位置に応じて、レンズから外部に射出する位置が異なる。そして、レンズから射出した光は屈折するが、射出する位置が異なるため、曲率方向と交差する方向から見ると、射出した光の光路にはずれが生じる（図３（ａ）、（ｂ）の光路６０〜６２参照）。それにより、画像に弓形の形状歪みが生じる。 Further, since the thickness of the lens changes along the curvature direction, the position where the light transmitted through the lens is emitted from the lens to the outside differs depending on the position related to the curvature direction. The light emitted from the lens is refracted, but since the exit position is different, the optical path of the emitted light is deviated when viewed from the direction intersecting the curvature direction (the optical paths in FIGS. 3A and 3B). 60-62). Thereby, an arcuate shape distortion occurs in the image.
そして、上述したように各光学素子が配置されていることにより、レンズによる画像の形状歪みが、凹面鏡によって生じる形状歪みと打ち消しあうため、凹面鏡によって生じる形状歪みを補正することができる。 Since each optical element is arranged as described above, the shape distortion of the image caused by the lens cancels out with the shape distortion caused by the concave mirror, so that the shape distortion caused by the concave mirror can be corrected.
このように、本発明の画像表示装置では、装置を大型化することなく、像面湾曲と形状歪みを補正した画像を出力することができる。
また、請求項１に記載の画像表示装置において、上述したレンズが、そのレンズにおける上記入射光と反射光を含む平面に平行な断面において、第１面側の境界線と、第２面側の境界線と、が非平行となるように形成されていてもよい。
As described above, the image display apparatus of the present invention can output an image in which field curvature and shape distortion are corrected without increasing the size of the apparatus.
In the image display apparatus according to claim 1, the above-mentioned lens, the cross section parallel to the plane containing the incident light and the reflected light at the lens, and the boundary line of the first surface side, of the second surface side The boundary line may be formed to be non-parallel.
このように構成された画像表示装置では、レンズの内部反射にて発生する光線がノイズ光として観察者に到達しないため、表示画質の劣化を防ぐことができる。
また、請求項１に記載の画像表示装置において、表示器の表示面とレンズの第２面との間に位置するリニアフレネルレンズを備えていてもよい。この場合において、リニアフレネルレンズは負のパワーを持ち、そのリニアフレネルレンズが、曲率方向が上記レンズの曲率方向に沿う方向となるように配置されていてもよい。
In the image display device configured as described above, since the light generated by the internal reflection of the lens does not reach the observer as noise light, it is possible to prevent deterioration in display image quality.
In the image display apparatus according to claim 1, it may be provided with a linear Fresnel lens located between the second surface of the display surface and the lens of the indicator. In this case, the linear Fresnel lens Chi lifting a negative power, the linear Fresnel lens, the curvature direction may be arranged such that the direction along the curvature direction of the lens.
このように構成された画像表示装置では、レンズによって生じる曲率方向の正のフィールドレンズ効果を、リニアフレネルレンズによって生じる逆向きのフィールドレンズ効果によって相殺できるため、観察者の視域における虚像表示像の輝度分布を良好にすることができる。 In the image display device configured as described above, since the positive field lens effect in the curvature direction caused by the lens can be canceled by the reverse field lens effect caused by the linear Fresnel lens, the virtual image display image in the observer's viewing zone The luminance distribution can be improved.
また、請求項１に記載の画像表示装置において、表示器の表示面とレンズの第２面との間に位置するリニアフレネルレンズを備える場合において、リニアフレネルレンズは正のパワーを持ち、そのリニアフレネルレンズが、曲率方向が上記レンズの曲率方向と交差する方向となるように配置されていてもよい。 In the image display apparatus according to claim 1, in the case with a linear fresnel lens positioned between the second surface of the display surface and the lens of the indicator, linear Fresnel lenses Chi lifting a positive power, the linear Fresnel lens, the curvature direction may be arranged such that the direction crossing the direction of curvature of the lens.
このように構成された画像表示装置では、上記レンズではフィールドレンズ効果が生じない、曲率方向と交差する方向において、リニアフレネルレンズにより正のフィールドレンズ効果を発生させることができる。そのため、上述した曲率方向およびその方向と交差する方向のいずれにも正のフィールドレンズ効果を発生させることができ、観察者の視域における虚像表示像の輝度分布を良好にすることができる。 In the image display device configured as described above, the field lens effect is not generated by the lens, and a positive field lens effect can be generated by the linear Fresnel lens in a direction intersecting the curvature direction. Therefore, a positive field lens effect can be generated in both the curvature direction and the direction intersecting with the above-described curvature direction, and the luminance distribution of the virtual image display image in the observer's viewing area can be improved.
また上述した画像表示装置において、リニアフレネルレンズは、上述したレンズと一体として形成されていてもよい。
このように構成された画像表示装置では、レンズおよびリニアフレネルレンズの効果を１つの光学素子で達成でき、部品点数を減らすことができることから組み付けの容易を向上することができる。
In the image display device described above , the linear Fresnel lens may be formed integrally with the lens described above.
In the image display device configured as described above, the effects of the lens and the linear Fresnel lens can be achieved by one optical element, and the number of parts can be reduced, so that the ease of assembly can be improved.
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［実施例１］
（１）構成
本実施例の画像表示装置１は、車両に搭載されて用いられるものであって、図１（ａ）に示すように、平面形状の表示面１０ａに２次元画像を表示する表示器１０と、平凸形状のシリンドリカルレンズ２０と、凹面鏡３０と、防塵を目的とし、拡散，集光などの光学作用を持たない透明なカバー４０と、からなる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Example 1]
(1) Configuration An image display device 1 according to the present embodiment is used by being mounted on a vehicle, and displays a two-dimensional image on a planar display surface 10a as shown in FIG. 1 (a). It comprises a vessel 10, a plano-convex cylindrical lens 20, a concave mirror 30, and a transparent cover 40 for the purpose of dust prevention and having no optical action such as diffusion and condensing.
表示面１０ａから出力された画像（画像光）は、シリンドリカルレンズ２０および凹面鏡３０を経由し、カバー４０を透過した後、図１（ｂ）に示すように、車両のフロントガラス５０に投射される。そして、このフロントガラス５０をコンバイナとして観察者の視点Ａに到達する。観察者は、フロントガラス５０の前方の地点（図１（ｂ）における虚像表示面Ｂ）において、画像を拡大された虚像（虚像表示像）として視認する。 The image (image light) output from the display surface 10a passes through the cylindrical lens 20 and the concave mirror 30, passes through the cover 40, and is then projected onto the windshield 50 of the vehicle as shown in FIG. . The windshield 50 is used as a combiner to reach the observer's viewpoint A. The observer visually recognizes the image as an enlarged virtual image (virtual image display image) at a point in front of the windshield 50 (virtual image display surface B in FIG. 1B).
上述した画像表示装置１における各構成要素の詳細および光学配置を説明する。光学配置を説明する上で、上述した表示器１０の表示面１０ａ中心部から観察者の視点Ａまで到達する光線を中心光軸と定義する。そして、表示面１０ａ（シリンドリカルレンズ２０における光が入射する面である平面２０ａ）からシリンドリカルレンズ２０における光の射出する面である凸面２０ｂまでの中心光軸の光路を第１光路１１、シリンドリカルレンズ２０の凸面２０ｂから凹面鏡３０までの中心光軸の光路を第２光路１２、凹面鏡３０からカバー４０までの中心光軸の光路を第３光路１３とする。なお、上述した図１（ａ）、（ｂ）は、第２光路１２と第３光路１３とを含む平面（以降、単に基準平面という。図示しない）による画像表示装置１の断面図を、図１右方向を車両の進行方向としたときに、進行方向を向いて車両の右側から見た様子を示している。 The details and optical arrangement of each component in the image display device 1 described above will be described. In describing the optical arrangement, a light beam reaching the observer's viewpoint A from the central portion of the display surface 10a of the display 10 is defined as a central optical axis. The optical path of the central optical axis from the display surface 10a (the plane 20a on which light is incident on the cylindrical lens 20) to the convex surface 20b on which light is emitted in the cylindrical lens 20 is defined as the first optical path 11 and the cylindrical lens 20. The optical path of the central optical axis from the convex surface 20 b to the concave mirror 30 is the second optical path 12, and the optical path of the central optical axis from the concave mirror 30 to the cover 40 is the third optical path 13. 1A and 1B described above are cross-sectional views of the image display apparatus 1 taken along a plane including the second optical path 12 and the third optical path 13 (hereinafter simply referred to as a reference plane, not shown). 1 shows a state in which the vehicle is viewed from the right side of the vehicle facing the traveling direction when the right direction is the traveling direction of the vehicle.
また、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸は、表示面１０ａを基準に定められており、表示面１０ａはＸＹ平面上に位置しており、Ｚ軸は表示面１０ａの法線方向と一致する。
上述した表示器１０は、液晶やＣＲＴ等のディスプレイにより表示面１０ａを構成するものであるが、プロジェクタ等の画像投影手段によってスクリーン（表示面１０ａ）に画像を形成する構成に置き換えることも可能である。この表示器１０は、基準平面において、表示面１０ａの法線１４が第１光路１１と平行となる場合より、表示器１０を時計回りに回転させた位置関係にて配置されている（図１（ａ）参照）。
The X, Y, and Z axes are determined with reference to the display surface 10a. The display surface 10a is located on the XY plane, and the Z axis coincides with the normal direction of the display surface 10a.
The display device 10 described above constitutes the display surface 10a by a display such as a liquid crystal or a CRT. However, the display device 10 can be replaced with a configuration in which an image is projected on a screen (display surface 10a) by image projection means such as a projector. is there. The display 10 is arranged in a positional relationship in which the display 10 is rotated clockwise as compared with the case where the normal line 14 of the display surface 10a is parallel to the first optical path 11 on the reference plane (FIG. 1). (See (a)).
シリンドリカルレンズ２０をＹ軸方向から見た断面図を図２に示す。シリンドリカルレンズ２０は、略平坦な平面２０ａ（本発明における第２面）と、一方向にのみ集光作用を持つように一方向にのみ曲率を有する凸面２０ｂ（本発明における第１面）とからなる平凸形状を有している。この凸面２０ｂの曲面形状は非球面形状である。 A cross-sectional view of the cylindrical lens 20 viewed from the Y-axis direction is shown in FIG. The cylindrical lens 20 includes a substantially flat plane 20a (second surface in the present invention) and a convex surface 20b (first surface in the present invention) having a curvature only in one direction so as to have a light collecting action only in one direction. It has a plano-convex shape. The curved surface shape of the convex surface 20b is an aspherical shape.
このシリンドリカルレンズ２０は、図２に示すように、シリンドリカルレンズ２０の平面２０ａが表示器１０の表示面１０ａと接するように配置されている。そのため、表示面１０ａから出力された画像光は同時にシリンドリカルレンズ２０に進入する。 As shown in FIG. 2, the cylindrical lens 20 is disposed so that the flat surface 20 a of the cylindrical lens 20 is in contact with the display surface 10 a of the display 10. Therefore, the image light output from the display surface 10a enters the cylindrical lens 20 at the same time.
また、シリンドリカルレンズ２０は、曲率を持つ曲率方向（集光方向）が、基準平面における法線と平行となるように（図１におけるＸ軸方向となるように）配置される。
なお、図２は、シリンドリカルレンズ２０と凹面鏡３０との関係を模式的に示したものであるため、それらの位置関係は他の図面と一致しない場合がある。
The cylindrical lens 20 is arranged so that the curvature direction (condensing direction) having a curvature is parallel to the normal line on the reference plane (the X-axis direction in FIG. 1).
FIG. 2 schematically shows the relationship between the cylindrical lens 20 and the concave mirror 30, and therefore the positional relationship thereof may not coincide with other drawings.
凹面鏡３０は、湾曲した曲面の内側を鏡面とし、入射された画像を拡大した像とする鏡であって、公知の構成である。この凹面鏡３０は、基準平面において、第２光路１２が入射する点における凹面鏡３０の法線１５が第２光路１２と一致する場合より、凹面鏡３０を時計回りに回転させた位置関係にて配置されている（図１（ａ）参照）。 The concave mirror 30 is a mirror having a curved inner surface as a mirror surface and an enlarged image of an incident image, and has a known configuration. The concave mirror 30 is arranged in a positional relationship in which the concave mirror 30 is rotated clockwise compared to the case where the normal 15 of the concave mirror 30 at the point where the second optical path 12 is incident coincides with the second optical path 12 in the reference plane. (See FIG. 1 (a)).
上記各光学素子（構成要素）および光学配置の具体的なデータを表１に示す。 Table 1 shows specific data of the optical elements (components) and the optical arrangement.
各数値データにおいては、表示器１０の表示面１０ａの位置を絶対座標系の基準として表記する。そして、絶対座標系における座標軸をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とする。ここで、上述したように、Ｘ軸とＹ軸はそれぞれ表示器１０の表示面１０ａの面内にある。また、Ｚ軸は以下のように定義する。 In each numerical data, the position of the display surface 10a of the display device 10 is expressed as a reference of the absolute coordinate system. The coordinate axes in the absolute coordinate system are defined as the X axis, the Y axis, and the Z axis. Here, as described above, the X axis and the Y axis are respectively in the plane of the display surface 10 a of the display 10. The Z axis is defined as follows.
Ｚ軸：表示面１０ａ（第１面）の法線と平行である。そして、第１面の中心から第２面の中心を通る直線であり、この方向を正とする。なお、表におけるsurfaceの項目が面番号を示している。 Z axis: parallel to the normal line of the display surface 10a (first surface). And it is a straight line which passes through the center of the 2nd surface from the center of the 1st surface, and makes this direction positive. The surface item in the table indicates the surface number.
また、光学系を構成する第ｉ面の面形状の表記は、それぞれにおいてローカル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を設定して、そのローカル座標系での関数により表現する。また、第ｉ面のtiltは、各面のチルト角度を示している。本実施形態では、ＹＺ面内のみにチルト角を設定しており、＋Ｚ方向から＋Ｙ方向に回転する方向を正として表す（単位はdegree）。このときのローカル座標系のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を以下のように示す。 The notation of the surface shape of the i-th surface constituting the optical system is expressed by a function in the local coordinate system by setting a local coordinate system (x, y, z) in each. Further, tilt on the i-th surface indicates the tilt angle of each surface. In this embodiment, the tilt angle is set only in the YZ plane, and the direction of rotation from the + Z direction to the + Y direction is expressed as positive (unit is degree). The x-axis, y-axis, and z-axis of the local coordinate system at this time are shown as follows.
ｚ軸：第ｉ面のローカル座標系の原点を通り、かつ、第(i-1)面のローカル座標系のｚ軸に対してＹＺ面内においてチルト角の量だけ角度をなす直線。（ただし、第１面のローカル座標はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸であるとする）
ｘ軸：第ｉ面のローカル座標系の原点を通り、Ｘ軸と平行な直線。
z-axis: A straight line that passes through the origin of the local coordinate system of the i-th surface and forms an angle by the amount of the tilt angle in the YZ plane with respect to the z-axis of the local coordinate system of the (i-1) -th surface. (However, the local coordinates of the first surface are assumed to be the X, Y, and Z axes)
x-axis: A straight line passing through the origin of the local coordinate system on the i-th surface and parallel to the X-axis.
ｙ軸：第ｉ面のローカル座標系の原点を通り、ｘｚ面に対して直交する直線。
表１における各項目について以下に説明する。なお、後述する表２〜４においても同様である。
y-axis: a straight line passing through the origin of the local coordinate system of the i-th surface and orthogonal to the xz-plane.
Each item in Table 1 will be described below. The same applies to Tables 2 to 4 described later.
type：面の形状を示す。自由曲面形状の場合はXYP、ｘ方向に曲率を持つシリンドリカル形状の場合はXC、ｘ方向に曲率を持つリニアフレネル形状の場合はXRFと示す。平面形状の場合は空白とする。また、ミラーとして用いる場合は（Ｍ）を付随する。 type: Indicates the shape of the surface. The free-form surface shape is indicated as XYP, the cylindrical shape having a curvature in the x direction is indicated as XC, and the linear Fresnel shape having a curvature in the x direction is indicated as XRF. Leave blank for planar shapes. When used as a mirror, (M) is attached.
surface：面番号を示す。
d：第ｉ面のｚ軸の＋方向における、第ｉ面のローカル座標の原点から第(i+1)面のローカル座標の原点までの長さを示す（単位はmm）。
surface: Indicates the surface number.
d: Indicates the length from the origin of the local coordinates of the i-th surface to the origin of the local coordinates of the (i + 1) -th surface in the + direction of the z-axis of the i-th surface (unit: mm).
tilt：各面のチルト角度を示している。本実施形態では、ＹＺ面内のみにチルト角を設定しており、＋Ｚ方向から＋Ｙ方向に回転する方向を正として表す（単位はdegree）。
n、ν：第ｉ面と第(i+1)面の間のd線での屈折率とアッベ数を示す。
tilt: Indicates the tilt angle of each surface. In this embodiment, the tilt angle is set only in the YZ plane, and the direction of rotation from the + Z direction to the + Y direction is expressed as positive (unit is degree).
n, ν: Refractive index and Abbe number at the d-line between the i-th surface and the (i + 1) -th surface.
また、自由曲面形状については以下の式で表現する。 The free-form surface shape is expressed by the following formula.
（２．１）像面湾曲収差の補正
本実施例の表示器１０およびシリンドリカルレンズ２０は、上述したように、表示面１０ａと平面２０ａとが接するように配置されている。
図２において、表示面１０ａから出力される画像光の実際の光路１６ａを実線で示し、シリンドリカルレンズ２０の光学効果による見かけ上の光路１６ｂを破線で示す。この光学効果については後述する。 In FIG. 2, the actual optical path 16a of the image light output from the display surface 10a is indicated by a solid line, and the apparent optical path 16b due to the optical effect of the cylindrical lens 20 is indicated by a broken line. This optical effect will be described later.
見かけ上の光路１６ｂは実際の光路１６ａよりも表示器１０における光の進行方向前方の位置から射出されているように見える。よって、表示器１０から出力される画像光は、一点鎖線の位置に形成される見かけ上の表示面（見かけ表示面１０ｂ）から出力されているとみなすことができる。この見かけ表示面１０ｂは、凹面鏡３０に対して凸形状となる方向に虚像化した湾曲形状となっている。 The apparent optical path 16b appears to be emitted from a position ahead of the actual light path 16a in the light traveling direction on the display 10. Therefore, the image light output from the display device 10 can be regarded as being output from an apparent display surface (apparent display surface 10b) formed at the position of the alternate long and short dash line. The apparent display surface 10 b has a curved shape that is virtualized in a direction that is convex with respect to the concave mirror 30.
ここで、表示器１０の表示面１０ａとシリンドリカルレンズの平面２０ａとが接するように配置することによる光学効果（見かけ表示面１０ｂが形成される理由）を説明する。
表示面１０ａから出力された画像光は、厚みを持った媒質内を通過することによる光路長の変化が発生する。ここで言う光路長の変化とは、ある厚みを持った屈折率が１以上の媒質内を光線が通過する場合に、見かけ上の光路長（ある厚みを持った屈折率が１以上の媒質によって形成される見かけ表示面１０ｂからの光路長）が、実際に光が通る空間的長さよりも短くなる効果のことを指す。
Here, an optical effect (the reason why the apparent display surface 10b is formed) by arranging the display surface 10a of the display 10 and the flat surface 20a of the cylindrical lens in contact with each other will be described.
The image light output from the display surface 10a changes in the optical path length due to passing through a medium having a thickness. The change in the optical path length here means that when a light beam passes through a medium having a certain refractive index of 1 or more, an apparent optical path length (depending on the medium having a refractive index of 1 or more having a certain thickness). The effect is that the optical path length from the apparent display surface 10b to be formed is shorter than the spatial length through which light actually passes.
この光路長の変化は媒質の厚みが大きいほど顕著となる。本実施例のシリンドリカルレンズ２０は平凸形状であり、曲率方向（図１、図２におけるＸ軸方向）に関して、表示面１０ａの上下方向の端部ほどレンズ部分の厚みが小さく、中心部分ほどレンズ部分の厚みが大きくなっている。そのため、見かけ上の光路長は上記曲率方向の中心部分ほど短くなる結果、見かけ表示面１０ｂは、凹面鏡３０に対して凸形状となる方向の湾曲形状となる。 This change in optical path length becomes more prominent as the thickness of the medium increases. The cylindrical lens 20 of the present embodiment has a plano-convex shape, and with respect to the curvature direction (X-axis direction in FIGS. 1 and 2), the lens portion has a smaller thickness at the end in the vertical direction of the display surface 10a and the lens at the center. The thickness of the part is large. Therefore, as a result of the apparent optical path length becoming shorter toward the central portion in the curvature direction, the apparent display surface 10 b has a curved shape that is convex with respect to the concave mirror 30.
像面湾曲収差の補正の説明に戻る。前述したように、凹面鏡３０による拡大を伴う虚像表示（図１（ｂ）における虚像表示面Ｂにて形成される虚像表示像の表示）を行う場合、像面湾曲収差が発生する。ここで発生する像面湾曲収差は、凹面鏡を介すことにより生じる虚像表示像の周辺部ほど観察者に近くなる方向に歪む現象である。 Returning to correction of field curvature aberration. As described above, when performing virtual image display accompanied by magnification by the concave mirror 30 (display of a virtual image display image formed on the virtual image display surface B in FIG. 1B), field curvature aberration occurs. The field curvature aberration generated here is a phenomenon in which the peripheral portion of the virtual image display image generated through the concave mirror is distorted in a direction closer to the observer.
しかしながら、本発明の構成では、見かけ表示面１０ｂが凹面鏡３０に対して凸形状となる方向に湾曲しているため、見かけ表示面１０ｂの水平方向（図１におけるＸ軸方向、シリンドリカルレンズ２０の曲率方向）の周辺部ほど画像が観察者からみると遠くに表示されている（観察者から遠くなる方向に像面湾曲収差がある）こととなる。 However, in the configuration of the present invention, since the apparent display surface 10b is curved in a convex shape with respect to the concave mirror 30, the horizontal direction of the apparent display surface 10b (the X-axis direction in FIG. 1, the curvature of the cylindrical lens 20). The image is displayed farther from the observer (there is a field curvature aberration in the direction farther from the observer).
その結果、出力された画像における水平方向の像面湾曲収差と、虚像表示像の水平方向の像面湾曲収差と、が相殺されることにより、虚像表示像の水平方向の像面湾曲収差を補正できる。 As a result, the horizontal field curvature aberration of the output image is offset by the horizontal field curvature aberration of the virtual image display image, thereby correcting the horizontal field curvature aberration of the virtual image display image. it can.
本実施例の構成では、上述したように見かけ表示面１０ｂが形成される結果、虚像表示面Ｂ形成される虚像表示像における中央部分(0mm,0mm)（Ｘｏ−Ｙｏ平面における座標）と端部分(225mm,0mm)とでの結像距離の差は10mmとなった。一方、シリンドリカルレンズ２０を用いない構成によって拡大した虚像表示を行う場合は、中央部分と端部分との結像距離の差が41mmとなったことから、本実施例の構成をとることによって像面湾曲収差を低減できていることがわかる。 In the configuration of the present embodiment, as shown above, the apparent display surface 10b is formed, and as a result, the central portion (0 mm, 0 mm) (coordinates in the Xo-Yo plane) and the end portion of the virtual image display image formed on the virtual image display surface B The difference in imaging distance between (225 mm and 0 mm) was 10 mm. On the other hand, when displaying an enlarged virtual image with a configuration without using the cylindrical lens 20, the difference in imaging distance between the central portion and the end portion is 41 mm. It can be seen that the curvature aberration can be reduced.
また、表示器１０の表示面１０ａとシリンドリカルレンズ２０の平面２０ａとが接するように配置することによって、表示面１０ａはシリンドリカルレンズ２０の主点近傍に配置されることになるため、シリンドリカルレンズ２０において表示面１０ａの拡大効果はほとんど発生しない。よって、その拡大効果による虚像表示面Ｂでの虚像表示像の変形は抑制されている。 In addition, since the display surface 10a is arranged near the principal point of the cylindrical lens 20 by arranging the display surface 10a of the display 10 and the flat surface 20a of the cylindrical lens 20 in contact with each other, The enlargement effect of the display surface 10a hardly occurs. Therefore, deformation of the virtual image display image on the virtual image display surface B due to the enlargement effect is suppressed.
なお、本実施例では、観察者がより像面湾曲収差に対する違和感を強く感じる水平方向（Ｙ，Ｙｏ方向）の像面湾曲収差の補正を行っている。そのため、観察者は、相対的に違和感を受けにくい鉛直方向の像面湾曲収差のみを補正する場合と比較して、その補正効果をより効果的に感じることができる。
（２．２）弓状の形状歪みの補正
上述したように、本実施例の表示器１０およびシリンドリカルレンズ２０は、表示面１０ａと平面２０ａとが接するように配置されている。図３（ａ），（ｂ）に、図１（ａ）のＸ軸方向およびＹ軸方向から見たシリンドリカルレンズ２０の断面図および上面図を示す。なお、図３（ａ），（ｂ）は、説明を容易にするためシリンドリカルレンズ２０のサイズを適宜変更して記載しているの、そのサイズが各図で一致しない場合がある。図中の光路６０，６１，６２は、表示面１０ａから射出された画像光のうち、ＹＺ平面に関する方向は同一で、Ｘ軸方向が異なる光路を示している。
In the present embodiment, the correction of the field curvature aberration in the horizontal direction (Y, Yo direction) where the observer feels more uncomfortable with the field curvature aberration is performed. Therefore, the observer can feel the correction effect more effectively as compared with the case of correcting only the field curvature aberration in the vertical direction, which is relatively uncomfortable.
(2.2) Correction of Bow-Shaped Shape Distortion As described above, the display 10 and the cylindrical lens 20 of this embodiment are arranged so that the display surface 10a and the flat surface 20a are in contact with each other. 3A and 3B are a cross-sectional view and a top view of the cylindrical lens 20 viewed from the X-axis direction and the Y-axis direction of FIG. 3A and 3B are illustrated by appropriately changing the size of the cylindrical lens 20 for easy explanation, the sizes may not match in each drawing. Optical paths 60, 61, and 62 in the figure indicate optical paths that have the same direction with respect to the YZ plane and different X-axis directions, among the image light emitted from the display surface 10a.
図３（ａ）に示すように、シリンドリカルレンズ２０はＸ軸方向の中心ほど厚み（Ｚ軸方向の厚み）が大きく、中心から離れた端部ほど厚みが小さくなるため、各光路６０〜６２は、Ｘ軸方向の位置に応じて、シリンドリカルレンズ２０の凸面２０ｂにおいて外部に射出する射出点のＺ軸方向の位置が異なる。 As shown in FIG. 3A, the cylindrical lens 20 is thicker toward the center in the X-axis direction (thickness in the Z-axis direction) and is thinner toward the end away from the center. Depending on the position in the X-axis direction, the position in the Z-axis direction of the exit point that exits to the outside on the convex surface 20b of the cylindrical lens 20 differs.
シリンドリカルレンズ２０の材質の屈折率ｎ1は、空気の屈折率ｎ2（≒１）よりも大きい。そのため、図３（ｂ）に示すように、凸面２０ｂから射出した画像光において、シリンドリカルレンズ２０から空気への入射角をα、屈折角をβとすると、ｎ1ｓｉｎα＝ｎ2ｓｉｎβであるから、ｓｉｎα＜ｓｉｎβとなり、α＜βとなる。つまり、画像光は入射角度よりも大きな角度で射出される。 The refractive index n 1 of the material of the cylindrical lens 20 is larger than the refractive index n 2 (≈1) of air. Therefore, as shown in FIG. 3B, in the image light emitted from the convex surface 20b, when the incident angle from the cylindrical lens 20 to the air is α and the refraction angle is β, n 1 sin α = n 2 sin β. , Sin α <sin β, and α <β. That is, the image light is emitted at an angle larger than the incident angle.
ここで、上述したように、各光路６０〜６２では、Ｘ軸方向の位置が違うことにより射出点のＺ軸方向の位置が変化する。その結果、図３（ｂ）に示すように、各光路６０〜６２ごとにＹＺ平面に関して光路がずれることとなる。このずれの大きさは、シリンドリカルレンズ２０のＸ軸方向の中心を通る光路６０に比べて、Ｘ軸方向の中心から離れる光路ほど大きくなる。 Here, as described above, in each of the optical paths 60 to 62, the position in the Z-axis direction of the emission point changes due to the difference in the position in the X-axis direction. As a result, as shown in FIG. 3B, the optical path is shifted with respect to the YZ plane for each of the optical paths 60-62. The magnitude of this deviation is larger as the optical path is farther from the center in the X-axis direction than the optical path 60 passing through the center of the cylindrical lens 20 in the X-axis direction.
ここで、表示器１０に図４に示すような格子状の表示を出力した場合に、シリンドリカルレンズ２０を通過したある観察面（図１（ａ）における面Ｄであって、実際に光学素子などは存在しない）において観察される表示像を図５に示す。面Ｄでは、先に説明した光路のずれによって、Ｘａ方向に関して中心から離れるほど、Ｙａ方向に関して負の方向に移動するように歪んだ表示像が観察される。この図５において、Ｘａ，Ｙａは、虚像表示像における画像成分のＸｏ，Ｙｏに対応する方向である。なお、仮にシリンドリカルレンズ２０を透過しない場合には、面Ｄでは図４と同様に歪みのない表示像が観察される。 Here, when a grid-like display as shown in FIG. 4 is output to the display device 10, it is a certain observation surface (surface D in FIG. 1A) that has passed through the cylindrical lens 20 and is actually an optical element or the like. A display image observed in FIG. 5 is shown in FIG. On the surface D, a display image that is distorted so as to move in the negative direction with respect to the Ya direction is observed as the distance from the center with respect to the Xa direction increases due to the optical path shift described above. In FIG. 5, Xa and Ya are directions corresponding to image components Xo and Yo in the virtual image display image. If the light does not pass through the cylindrical lens 20, a display image without distortion is observed on the surface D as in FIG.
上記シリンドリカルレンズ２０を用いない従来の構成において、凹面鏡３０を斜入射構成にて用いる場合に発生する虚像表示像の弓形の形状歪みは、図１１に示すように、Ｘｏ方向に関して中心から離れるほど、Ｙｏ方向に関して正の方向に移動するような弓形の形状歪みとなっている。この形状歪みは、上述した面Ｄにて観察される表示像における歪みと反対方向の歪みである。 In the conventional configuration in which the cylindrical lens 20 is not used, the bow-shaped distortion of the virtual image display image that occurs when the concave mirror 30 is used in the oblique incidence configuration, the farther from the center in the Xo direction, as shown in FIG. It has an arcuate shape distortion that moves in the positive direction with respect to the Yo direction. This shape distortion is a distortion in a direction opposite to the distortion in the display image observed on the surface D described above.
その結果、シリンドリカルレンズ２０により生じる形状歪みと、凹面鏡３０を斜入射構成にて用いる場合に発生する形状歪みと、を相殺することができるため、虚像表示面Ｂにて視認される虚像表示像の弓状の形状歪みを補正することができる。 As a result, the shape distortion caused by the cylindrical lens 20 and the shape distortion generated when the concave mirror 30 is used in the oblique incidence configuration can be offset, so that the virtual image display image visually recognized on the virtual image display surface B can be offset. An arcuate shape distortion can be corrected.
参考として、表示器１０の表示面１０ａに図４に示すような格子状の表示（76mm×21mm）を出力した場合の虚像表示像の様子を図６に示す。従来の構成における虚像表示像である図１１と比較すると、それぞれの図における、Ｐの値は1mm（図６）と2mm（図１１）となり、本実施形態の値の方が小さいことから、本実施形態をとることによって形状歪みを低減できていることがわかる。
（２．３）その他の効果
車両に搭載する画像表示装置１においては、装置サイズが小さいこと、つまり、装置内の光路がコンパクトであることが望まれる。本実施例では、光路の順に、表示器１０、シリンドリカルレンズ２０、凹面鏡３０と配置する構成において、表示器１０の表示面１０ａとシリンドリカルレンズ２０の平面２０ａとを接するように配置することで、光路をコンパクトにすることが実現されている。
For reference, FIG. 6 shows a virtual image display image when a grid-like display (76 mm × 21 mm) as shown in FIG. 4 is output on the display surface 10 a of the display 10. Compared with FIG. 11 which is a virtual image display image in the conventional configuration, the values of P in each figure are 1 mm (FIG. 6) and 2 mm (FIG. 11), and the value of this embodiment is smaller. It turns out that shape distortion can be reduced by taking embodiment.
(2.3) Other Effects In the image display device 1 mounted on a vehicle, it is desired that the device size is small, that is, the optical path in the device is compact. In the present embodiment, in the configuration in which the display device 10, the cylindrical lens 20, and the concave mirror 30 are arranged in the order of the optical path, the display surface 10a of the display device 10 and the flat surface 20a of the cylindrical lens 20 are arranged so as to be in contact with each other. Has been realized to be compact.
さらに詳しく説明すると、映像の欠けを発生させることなく虚像表示像を観察者に視認させるには、凹面鏡３０から観察者までの光線をけらないように、厚肉レンズを配置しなければならない。この場合、表示器１０から厚肉レンズまでの距離に関係なく、厚肉レンズを凹面鏡３０からある程度以上の距離を離して配置する必要がある。本実施例では、シリンドリカルレンズ２０が肉厚レンズに該当する。よって、本実施例のように、表示器１０の表示面１０ａとシリンドリカルレンズ２０の平面２０ａとを接するように配置することで、装置全体の光路をコンパクトにすることができる。 More specifically, in order to allow the observer to visually recognize a virtual image display image without causing a lack of video, a thick lens must be disposed so as not to cast light from the concave mirror 30 to the observer. In this case, regardless of the distance from the display 10 to the thick lens, it is necessary to dispose the thick lens at a certain distance from the concave mirror 30. In this embodiment, the cylindrical lens 20 corresponds to a thick lens. Therefore, the optical path of the entire apparatus can be made compact by arranging the display surface 10a of the display 10 and the flat surface 20a of the cylindrical lens 20 in contact with each other as in this embodiment.
また、画像表示装置１において、凸形状等の正のパワーを持つレンズを光路中に配置する場合、表示器１０と正のパワーを持つレンズとの間に距離を設けることで、正のパワーを持つレンズに拡大作用を持たせることが可能であるが、この場合、正のパワーを持つレンズでの拡大作用に伴う色収差が発生することとなる。これに対して、本実施形態のように、表示器１０の表示面１０ａとシリンドリカルレンズ２０の平面２０ａとを接するように配置する場合、表示面１０ａをシリンドリカルレンズ２０の主点近傍に、もしくは主点位置に、配置できるため、シリンドリカルレンズ２０に拡大作用をほぼ持たせず、凹面鏡３０に拡大作用のほぼ全てを持たせることが可能となり、シリンドリカルレンズ２０にて発生する色収差の影響を小さくすることができる。 In the image display device 1, when a lens having a positive power such as a convex shape is arranged in the optical path, a positive power can be obtained by providing a distance between the display 10 and the lens having a positive power. Although it is possible to give a lens having a magnifying action, in this case, chromatic aberration is generated due to the magnifying action of a lens having a positive power. On the other hand, when the display surface 10a of the display 10 and the flat surface 20a of the cylindrical lens 20 are arranged so as to contact each other as in this embodiment, the display surface 10a is in the vicinity of the principal point of the cylindrical lens 20 or the main surface. Since it can be arranged at the point position, the cylindrical lens 20 can have almost no magnifying action, and the concave mirror 30 can have almost all of the magnifying action, and the influence of chromatic aberration generated in the cylindrical lens 20 can be reduced. Can do.
また、本実施形態では、Ｘ軸方向にのみ曲率を持ち、かつ、中心光軸（第１光路１１）に対して傾斜配置したシリンドリカルレンズ２０を、表示器１０に接するように配置しているため、太陽光などの装置外光成分がレンズ表面にて反射し、その反射成分が観察者に到達することによってノイズ光となる現象の発生を抑制することができる。
（３）変形例
本実施例においては、シリンドリカルレンズ２０の平面２０ａと表示器１０の表示面１０ａとが接するように配置される構成を例示したが、上記平面２０ａと上記表示面１０ａとが対向していれば、それらの間に間隔があってもよい。なお、その間隔が小さいほどシリンドリカルレンズ２０による拡大効果が生じないため都合がよい。
In the present embodiment, the cylindrical lens 20 having a curvature only in the X-axis direction and inclined with respect to the central optical axis (first optical path 11) is disposed so as to contact the display device 10. It is possible to suppress the occurrence of a phenomenon that becomes a noise light when an external light component such as sunlight is reflected on the lens surface and the reflected component reaches the observer.
(3) Modification In the present embodiment, the configuration in which the flat surface 20a of the cylindrical lens 20 and the display surface 10a of the display device 10 are in contact with each other is illustrated, but the flat surface 20a and the display surface 10a are opposed to each other. If so, there may be an interval between them. In addition, since the expansion effect by the cylindrical lens 20 does not arise so that the space | interval is small, it is convenient.
また、本実施例においては、シリンドリカルレンズ２０の凸面２０ｂが非球面形状である構成を例示したが、球面形状のシリンドリカルレンズを用いる構成であってもよい。
また、本実施例においては、一方向にのみ曲率を有するシリンドリカルレンズ２０を用いた。しかしながら、他方にも曲率を有するトロイダルレンズを用いる構成であっても、形状歪みの補正，および太陽光などのノイズ光抑制は困難になるものの、像面湾曲収差の補正を実現できる。
［実施例２］
（１）構成
実施例２における画像表示装置１０１を図７（ａ），（ｂ）に示す。図７（ａ），（ｂ）は、図１（ａ），（ｂ）と同じ視点から画像表示装置１０１を見た断面図である。なお、本実施例において、上述した実施例１と共通する構成については共通の符号を用いて詳細な説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
In the present embodiment, the configuration in which the convex surface 20b of the cylindrical lens 20 is aspherical is illustrated, but a configuration using a spherical cylindrical lens may be used.
In this embodiment, the cylindrical lens 20 having a curvature only in one direction is used. However, even with a configuration using a toroidal lens having a curvature on the other side, it is difficult to correct shape distortion and noise light such as sunlight, but it is possible to correct field curvature aberration.
[Example 2]
(1) Configuration An image display device 101 according to the second embodiment is shown in FIGS. FIGS. 7A and 7B are cross-sectional views of the image display apparatus 101 viewed from the same viewpoint as FIGS. 1A and 1B. In addition, in a present Example, detailed description is abbreviate | omitted using a common code | symbol about the structure which is common in Example 1 mentioned above, and demonstrates a different part mainly.
本実施例において、シリンドリカルレンズ１２０は、略平坦な平面１２０ａと、一方向にのみ集光作用を持つように曲率を有する凸面１２０ｂとからなる平凸形状を有している。また、曲率方向（図７（ａ）におけるＸ軸方向）と垂直関係となる方向に対してプリズム効果を持つような楔形状である。この形状をより具体的に説明する。 In the present embodiment, the cylindrical lens 120 has a plano-convex shape including a substantially flat plane 120a and a convex surface 120b having a curvature so as to have a light collecting function only in one direction. Further, the wedge shape has a prism effect with respect to a direction perpendicular to the curvature direction (X-axis direction in FIG. 7A). This shape will be described more specifically.
図８に、シリンドリカルレンズ１２０の基準平面に平行な平面による断面図を示す。平面１２０ａ側の境界線１２１ａと、凸面１２０ｂ側の境界線１２１ｂとは、非平行となるように形成されている。また、境界線１２１ａと境界線１２１ｂとの間の傾斜方向は、基準平面の法線方向を回転軸として、境界線１２１ａを反時計回り方向に傾ける方向としている。 FIG. 8 shows a cross-sectional view of a plane parallel to the reference plane of the cylindrical lens 120. The boundary line 121a on the flat surface 120a side and the boundary line 121b on the convex surface 120b side are formed to be non-parallel. Further, the inclination direction between the boundary line 121a and the boundary line 121b is a direction in which the boundary line 121a is inclined counterclockwise with the normal direction of the reference plane as a rotation axis.
なお、基準平面に平行な平面による断面図であれば、シリンドリカルレンズ１２０のどの部分の断面図であっても上述した関係を満たす形状となっている。
上記各光学素子（構成要素）および光学配置の具体的なデータを表２に示す。
As long as the cross-sectional view is a plane parallel to the reference plane, the cross-sectional view of any part of the cylindrical lens 120 has a shape that satisfies the above-described relationship.
Table 2 shows specific data of the optical elements (components) and the optical arrangement.
表示面１０ａからシリンドリカルレンズ１２０に進入した画像光のうち、シリンドリカルレンズ１２０にて内部反射しない光線を正規光とし、内部反射した光線をノイズ光とすると、図８に示すように、シリンドリカルレンズ１２０を射出した正規光とノイズ光との間に角度差が生じる。その結果、ノイズ光は観察者の視点に到達しないこととなる。ノイズ光が観察者の視点に到達すると表示画質が劣化するが、本実施例の構成であれば、ノイズ光が観察者の視点に到達しないため、表示画質の劣化を防ぐことができる。
［実施例３］
（１）構成
実施例３における画像表示装置２０１を図９（ａ），（ｂ）に示す。図９（ａ），（ｂ）は、図１（ａ），（ｂ）と同じ視点から画像表示装置２０１を見た断面図である。なお、本実施例において、上述した実施例１と共通する構成については共通の符号を用いて詳細な説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
[Example 3]
(1) Configuration An image display device 201 according to the third embodiment is shown in FIGS. FIGS. 9A and 9B are cross-sectional views of the image display device 201 viewed from the same viewpoint as FIGS. 1A and 1B. In addition, in a present Example, detailed description is abbreviate | omitted using a common code | symbol about the structure which is common in Example 1 mentioned above, and demonstrates a different part mainly.
本実施例の画像表示装置２０１は、負のパワーを持つリニアフレネルレンズ２１０を備えている。このリニアフレネルレンズ２１０は、その主たる面が、表示器１０の表示面１０ａとシリンドリカルレンズ２０の平面２０ａとにそれぞれ接するように配置されている。また、リニアフレネルレンズ２１０の曲率方向は、シリンドリカルレンズ２０の曲率方向（図９（ａ）におけるＸ軸方向）に沿う方向となる。 The image display apparatus 201 of this embodiment includes a linear Fresnel lens 210 having negative power. The linear Fresnel lens 210 is arranged so that its main surface is in contact with the display surface 10 a of the display 10 and the flat surface 20 a of the cylindrical lens 20. Further, the curvature direction of the linear Fresnel lens 210 is a direction along the curvature direction of the cylindrical lens 20 (X-axis direction in FIG. 9A).
上記各光学素子（構成要素）および光学配置の具体的なデータを表３に示す。 Table 3 shows specific data of the optical elements (components) and the optical arrangement.
リニアフレネルレンズ２１０は１つの方向にのみ負のパワーを有しているため、その曲率方向にのみ、負のフィールドレンズ効果を与える。ここで、負のフィールドレンズ効果とは、負のパワーを有するレンズをフィールドレンズとして用いた場合の光学効果を表すこととする。一方、シリンドリカルレンズ２０は、その曲率方向に正のフィールドレンズ効果を与える。ここで、正のフィールドレンズ効果とは、正のパワーを有するレンズをフィールドレンズとして用いた場合の光学効果を表すこととする。このとき、上述したリニアフレネルレンズ２１０の曲率方向は、シリンドリカルレンズ２０の曲率方向に沿った方向であるため、シリンドリカルレンズ２０によるフィールドレンズ効果をリニアフレネルレンズ２１０により打消し合うような光学作用を発生させることができる。
シリンドリカルレンズ２０が曲率を持つ方向は、図９におけるＸ軸方向であり、この方向は観察者における左右方向（虚像表示面ＢにおけるＸｏ方向）である。上述したリニアフレネルレンズのフィールドレンズ効果によって、左右方向のフィールドレンズ効果を抑制できるため、虚像表示像における左右方向と上下方向との投影光の状態の異なりを低減できる。
（３）変形例
本実施例においては、負のパワーを持つリニアフレネルレンズ２１０を、その曲率方向がシリンドリカルレンズ２０の曲率方向に沿った位置関係で配置する構成を例示したが、リニアフレネルレンズ２１０に替えて、正のパワーを持つリニアフレネルレンズを、その曲率方向がシリンドリカルレンズ２０の曲率方向と交差する位置関係で配置する構成であっても良い。
The direction in which the cylindrical lens 20 has a curvature is the X-axis direction in FIG. 9, and this direction is the left-right direction (Xo direction on the virtual image display surface B) for the observer. The field lens effect in the left-right direction can be suppressed by the field lens effect of the linear Fresnel lens described above, so that the difference in the state of the projected light in the left-right direction and the vertical direction in the virtual image display image can be reduced.
(3) Modification In the present embodiment, a configuration in which the linear Fresnel lens 210 having negative power is arranged in a positional relationship along the curvature direction of the cylindrical lens 20 is illustrated. Instead, a configuration in which a linear Fresnel lens having a positive power is arranged in a positional relationship in which the curvature direction intersects the curvature direction of the cylindrical lens 20 may be employed.
このように構成された画像表示装置２０１であれば、シリンドリカルレンズ２０による左右方向の正のフィールドレンズ効果に、更にリニアフレネルレンズによる上下方向の正のフィールドレンズ効果を加えることができるため、観察者が視認する虚像表示像の左右方向と上下方向とにおける投影光の状態の差異を小さくすることができる。なお、リニアフレネルレンズの曲率方向は、シリンドリカルレンズ２０の曲率方向と直交する方向に近づくほど正のフィールドレンズ効果が上下方向のみに集約されるため都合がよい。 With the image display device 201 configured as described above, since the positive field lens effect in the vertical direction by the linear Fresnel lens can be further added to the positive field lens effect in the horizontal direction by the cylindrical lens 20, the observer It is possible to reduce the difference in the state of the projected light between the horizontal direction and the vertical direction of the virtual image display image visually recognized by. The curvature direction of the linear Fresnel lens is convenient because the positive field lens effect is concentrated only in the vertical direction as it approaches the direction orthogonal to the curvature direction of the cylindrical lens 20.
また、本実施例におけるリニアフレネルレンズ２１０，または，上述した変形例における正のパワーをもつリニアフレネルレンズは、シリンドリカルレンズ２０と一体として形成されていてもよい。具体的には、シリンドリカルレンズ２０の平面２０ａをリニアフレネル形状に形成するとよい。このように構成することで、リニアフレネルレンズとシリンドリカルレンズの効果を１つの光学素子で達成でき、部品点数を減らすことができるため、組み付けの容易さ向上が期待できる。 Further, the linear Fresnel lens 210 in the present embodiment or the linear Fresnel lens having positive power in the above-described modification may be formed integrally with the cylindrical lens 20. Specifically, the plane 20a of the cylindrical lens 20 may be formed in a linear Fresnel shape. With such a configuration, the effects of the linear Fresnel lens and the cylindrical lens can be achieved with one optical element, and the number of parts can be reduced, so that the ease of assembly can be expected.
また、本実施例においては、リニアフレネルレンズ２１０の主たる面が、シリンドリカルレンズ２０の平面２０ａと表示器１０の表示面１０ａとに接するように配置される構成を例示したが、それらの間に間隔をあけて配置される構成であってもよい。なお、その間隔が小さいほどシリンドリカルレンズ２０による拡大効果が生じないため都合がよい。
［比較例］
従来技術の画像表示装置３０１を図１０（ａ），（ｂ）に示す。各構成要素の基本的な光学配置は、上記各実施例と同様である。上記各光学素子（構成要素）および光学配置の具体的なデータを表４に示す。
In the present embodiment, the configuration in which the main surface of the linear Fresnel lens 210 is disposed so as to be in contact with the flat surface 20a of the cylindrical lens 20 and the display surface 10a of the display device 10 is illustrated. The structure arrange | positioned with opening may be sufficient. In addition, since the expansion effect by the cylindrical lens 20 does not arise so that the space | interval is small, it is convenient.
[Comparative example]
A conventional image display device 301 is shown in FIGS. The basic optical arrangement of each component is the same as in the above embodiments. Table 4 shows specific data of the optical elements (components) and the optical arrangement.
１…画像表示装置、１０…表示器、１０ａ…表示面、１０ｂ…見かけ表示面、１１…第１光路、１２…第２光路、１３…第３光路、１４…法線、１５…法線、１６ａ、１６ｂ…光路、２０…シリンドリカルレンズ、２０ａ…平面、２０ｂ…凸面、３０…凹面鏡、４０…カバー、５０…フロントガラス、６０，６１，６２…光路、１０１…画像表示装置、１２０…シリンドリカルレンズ、１２０ａ…平面、１２０ｂ…凸面、１２１ａ，１２１ｂ…境界線、２０１…画像表示装置、２１０…リニアフレネルレンズ、３０１…画像表示装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Image display apparatus, 10 ... Display, 10a ... Display surface, 10b ... Apparent display surface, 11 ... 1st optical path, 12 ... 2nd optical path, 13 ... 3rd optical path, 14 ... Normal, 15 ... Normal, 16a, 16b ... optical path, 20 ... cylindrical lens, 20a ... flat surface, 20b ... convex surface, 30 ... concave mirror, 40 ... cover, 50 ... windshield, 60, 61, 62 ... optical path, 101 ... image display device, 120 ... cylindrical lens , 120a ... flat surface, 120b ... convex surface, 121a, 121b ... boundary line, 201 ... image display device, 210 ... linear Fresnel lens, 301 ... image display device
Claims (4)
所定の方向にのみ曲率を有する第１面と、略平坦な第２面と、からなる平凸型のシリンドリカル形状を有しており、前記第２面が前記表示面に対向するレンズを備えており、
前記レンズは、前記表示面の中心から観察者の視点の中心に向かう光路を中心光軸としたとき、前記中心光軸を通り前記凹面鏡に入射する入射光と、前記中心光軸を通り前記凹面鏡から反射する反射光と、を含む平面の法線に、前記レンズの曲率方向が沿う位置関係で配置され、
前記表示器および前記凹面鏡は、前記平面において、前記表示器の前記表示面における法線，および，前記凹面鏡の前記入射光が入射する部分の法線が前記中心光軸と平行となる位置から、前記平面の法線方向を回転軸として、それぞれが同じ方向に回転して傾斜した位置関係で配置されており、
さらに、前記表示面と前記第２面との間に位置するリニアフレネルレンズを備える
ことを特徴とする画像表示装置。 An image display device comprising a display for outputting an image on a display surface and a concave mirror, and projecting the image output on the display surface to an observer's viewpoint through the concave mirror,
It has a plano-convex cylindrical shape composed of a first surface having a curvature only in a predetermined direction and a substantially flat second surface, and the second surface includes a lens facing the display surface. And
When the optical path from the center of the display surface to the center of the observer's viewpoint is a central optical axis, the lens has incident light that passes through the central optical axis and enters the concave mirror, and the concave mirror that passes through the central optical axis. Is arranged in a positional relationship along the normal direction of the plane including the reflected light reflected from the curvature direction of the lens,
In the plane, the indicator and the concave mirror have a normal line on the display surface of the display unit, and a position where a normal line of a portion of the concave mirror where the incident light is incident is parallel to the central optical axis, With the normal direction of the plane as the axis of rotation, each is arranged in a positional relationship that is rotated and inclined in the same direction ,
The image display device further includes a linear Fresnel lens positioned between the display surface and the second surface .
ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。 The linear Fresnel lens Chi lifting a negative power, the image display apparatus according to claim 1, the curvature direction, characterized in that it is arranged such that the direction along the curvature direction of the lens.
ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。 The linear Fresnel lens is an image display apparatus according to claim 1, characterized in that Chi lifting a positive power, curvature direction is arranged such that the direction crossing the direction of curvature of the lens.
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の画像表示装置。 The image display device according to any one of claims 1 to 3, wherein the linear Fresnel lens is formed integrally with the lens.
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