JPWO2018066062A1 - 投影光学系、及びヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、要な性能を確保しつつ投影光学系を最小な光学構成で、且つ、虚像面を傾斜したヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、画像情報を含む映像光を射出する画像形成ユニット(2)と、映像光を反射することで虚像を表示させる接眼光学系(5)と、を含み、虚像面を傾斜して虚像を遠距離から近距離の範囲に表示する状態で、虚像面上の遠距離点と共役となる画像形成ユニット上の点が、虚像面上の近距離点と共役となる画像形成ユニット上の点よりも、画像形成ユニットへ入射する光束から光学的に離れていることを特徴とする。

Description

本発明は、投影光学系、及びヘッドアップディスプレイ装置に関する。
自動車や航空機などの移動体が備える風防(ウインドシールド)に画像を投影し、その投影画像をウインドシールド越しに虚像として観察できるようにするヘッドアップディスプレイ装置が知られている。
例えば特許文献1には、従来のヘッドアップディスプレイ装置として、「透過型の液晶表示パネルの背後から光を照射して、液晶表示パネルに表示される画像を拡大投影する投影光学系を備える(要約抜粋)」装置が開示されている。
また特許文献2には、「表示デバイスから観察者の光路の順に、第1ミラーと第2ミラーを有し、(前記観察者の視点領域に導いて虚像を表示させる、)条件式θx>θy(θx:第1ミラーにおける画像長軸方向の入射角、θy:第1ミラーにおける画像短軸方向の入射角)、0.2<D1/Lh<0.9(D1:表示デバイスの画像表示面と第1ミラーとの間隔(視点領域の中心の光路長)、Lh:観察者によって視認される虚像の水平方向の幅)を満たす、表示装置(要約抜粋)」が開示されている。
また、特許文献3には、「プロジェクタ4から出力した映像をスクリーン5に投射し、スクリーン5に投射された映像を車両2のフロントウィンドウ6に反射させて車両の乗員7に視認させることによって、車両の乗員7が視認する映像の虚像8を生成する。また、スクリーン5を可動させることによって、プロジェクタ4の光路に対するスクリーン5の角度を変更可能に構成し、プロジェクタ4の光路に対するスクリーン5の角度に基づいて、プロジェクタ4からスクリーン5へとレーザー光を照射する照射方向を制御するように構成する、虚像表示装置(要約抜粋)」が開示されている。すなわち、特許文献3には、従来のヘッドアップディスプレイ装置の一例として、プロジェクタの光路に対して、スクリーンを傾斜して配置することで虚像面を傾斜させる構成が開示されている。
特開2009−229552号公報 米国特許出願公開第2016/195719号明細書 特開2015−197496号公報
特許文献2に開示されたヘッドアップディスプレイ装置の例では、表示デバイスと第1ミラー(回転非対称ミラー)を水平方向にずらす配置により、薄型なヘッドアップディスプレイ装置を提供している。しかしながら、特許文献2の実施例1では、虚像サイズが140×70mmと横長であり、垂直方向サイズの2倍の光束サイズを有する水平方向で光束を折り曲げた構成となる。したがって、折り曲げミラーが大きくなり、薄型なヘッドアップディスプレイ装置であっても、ヘッドアップディスプレイ装置の容積の小型化は難しい。
特許文献3に開示されたヘッドアップディスプレイ装置の例では、虚像面の傾斜の方向と、スクリーンの傾斜の方向との関係が示されている。この関係は、いわゆる「シャインプルーフの原理」において確認できる内容である。特許文献3のヘッドアップディスプレイ装置のようにシャインプルーフの原理に基づくと、台形状の映像をスクリーンや液晶表示パネルに表示する必要がある。その結果、有効な画素数が減り、表示できる情報量が減るという問題がある。
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、必要な性能を確保しつつ投影光学系を最小な光学構成で、且つ、虚像面を傾斜したヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。
上記した課題を解決するために、画像情報を形成し、当該画像情報を含む映像光を射出する画像形成ユニットから射出された前記映像光を反射することで虚像を表示させる接眼光学系を含む投影光学系であって、前記接眼光学系は、前記映像光の射出方向に沿って前記画像形成ユニット側から順に、自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーを含み、虚像面を傾斜して虚像を遠距離から近距離の範囲に表示する状態で、前記虚像面における遠距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点が、前記虚像面における近距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点よりも、前記画像形成ユニットへ入射する光束から光学的に離れていることを特徴とする投影光学系。を特徴とする
本発明によれば、投影光学系を最小な光学構成で、且つ、虚像面を傾斜したヘッドアップディスプレイ装置を提供できる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
第1実施形態の接眼光学系の全体光線図(YZ平面) 第1実施形態の接眼光学系の全体光線図(XZ平面) 第1実施形態の接眼光学系の要部拡大図 第1実施形態の液晶表示パネルの傾斜を表す図 第1実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置のレンズデータを示す図 第1実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の自由曲面係数の図 第1実施形態におけるアイボックスの中央から見た歪性能を表す図 第1実施形態におけるアイボックスの右上から見た歪性能を表す図 第1実施形態におけるアイボックスの左上から見た歪性能を表す図 第1実施形態におけるアイボックスの左下から見た歪性能を表す図 第1実施形態におけるアイボックスの右下から見た歪性能を表す図 第1実施形態に係る接眼光学系の各色のスポット図 各画角位置での主光線Ray1と仮想光線Ray0の角度ずれ図 主光線Ray1と仮想光線Ray0の角度θを示す図 第2実施形態の接眼光学系の全体光線図(YZ平面) 第2実施形態の接眼光学系の全体光線図(XZ平面) 第2実施形態の接眼光学系の要部拡大図 第2実施形態の液晶表示パネルの傾斜を表す図 第2実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置のレンズデータを示す図 第2実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の自由曲面係数の図 第2実施形態におけるアイボックスの中央から見た歪性能を表す図 第2実施形態におけるアイボックスの右上から見た歪性能を表す図 第2実施形態におけるアイボックスの左上から見た歪性能を表す図 第2実施形態におけるアイボックスの左下から見た歪性能を表す図 第2実施形態におけるアイボックスの右下から見た歪性能を表す図 第2実施形態のヘッドアップディスプレイ装置のスポット図 第2実施形態に係る主光線の角度ずれを表す図 主光線と液晶表示パネルの法線との角度θを示す図 実像光学系におけるシャインプルーフの原理の説明図 実像光学系における物体を傾斜させた場合の説明図 虚像光学系におけるシャインプルーフの原理の説明図 虚像光学系における物体を傾斜させた場合の説明図 従来技術におけるスクリーン板の傾斜の方向と虚像の関係を表す図 本発明に係る視野角と空間像との関係図 本発明に係る液晶表示パネルの傾斜の方向を説明する図 ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。 第3実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が備える画像形成ユニットの概略構成図 第4実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が備える画像形成ユニットの概略構成図 画像形成ユニットの機能ブロック図 移動体である自動車を前方から見た平面図
以下、図面等を用いて、本発明の一実施形態及び各種実施例について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。以下、全実施形態に共通する事項について説明し、続いて各実施形態の特徴について説明する。
図22を用いて、ヘッドアップディスプレイ装置30の基本構成について説明する。図22はヘッドアップディスプレイ装置30の概略構成図である。
図22に示すヘッドアップディスプレイ装置30は、画像形成ユニット10及び接眼光学系5を含む投影光学系20から出射された画像光を、自動車(不図示)のウインドシールド6で反射させて観察者の眼9に入射させる構成を備える。この構成により、観察者の眼9から見ると、虚像面7において画像情報を見ているかのような状態になる。
まず、図25を参照して画像形成ユニット10について説明する。図25は、画像形成ユニットの機能ブロック図である。図25に示すように、画像形成ユニット10は、液晶表示パネル2と、バックライト1と、これらの動作を制御するコントローラー200と、を備えている。画像形成ユニット10は、バックライト1から液晶表示パネル2に光を照射し、液晶表示パネル2に表示された画像情報(映像情報)を接眼光学系5に向けて出射する。
コントローラー200は、制御装置201を備えている。この制御装置201には、種々の情報が外部装置から入力される。例えば、外部装置として、ヘッドアップディスプレイ装置30を搭載した移動体の動作に関する情報を生成して出力するナビゲーション装置であるナビ208や、移動体の動作を制御するECU(Electronic Control Unit)209が制御装置201に接続されている。ECU209には移動体が備える各種のセンサ210が接続されていて、検知した情報をECU209に通知するように構成されている。
コントローラー200は、上記にて説明をした外部装置からの各種データを処理する制御装置201と、バックライト1を駆動するためのバックライト駆動回路207と、を備えている。
制御装置201は、マイコン202及びこれに接続された記憶装置206を含む。
マイコン202は、外部装置からの各種データを記憶するためのRAM(Random Access Memory)203と、観察者が視認する虚像の元になる画像データを生成する演算処理を実行するCPU(Central Processing Unit)205と、CPU205における演算処理を実行可能なプログラムやパラメータを記憶するROM(Read Only Memory)204と、を備えている。
以上の構成を備えるコントローラー200によって画像形成ユニット10が備える液晶表示パネル2に画像情報が表示される。画像形成ユニット10は、液晶表示パネル2に表示された画像情報をバックライト1が照射した光束によって映像光束として出射する。
図22に戻る。画像形成ユニット10から出射された映像光束は、接眼光学系5によって、ウインドシールド6に投影される。ウインドシールド6に投影された映像光束は、ウインドシールド6で反射されて、観察者の眼9の位置に到達する。これによって、観察者の眼9から見ると、あたかも、虚像面7の画像情報を見ているような関係性が成立する。
図22のように、液晶表示パネル2における映像光束の出射面において、点Q1・点Q2・点Q3という仮想点を考える。これら仮想点から出射された映像光束が対応する虚像面7における仮想点を考えると、図22に示すように点V1・点V2・点V3が、それに当たる。観察者が眼9の位置を動かしても虚像面7における点V1・点V2・点V3を視認できる範囲が、アイボックス8である。
図22は、ヘッドアップディスプレイ装置30を側面視で図示しているが、実際のヘッドアップディスプレイ装置30の構成は立体的であるから、アイボックス8は二次元的な広がりを有している。このように、接眼光学系5は、カメラのファインダーの接眼レンズや、顕微鏡での接眼レンズと同様に、物(空間像)の像(虚像)を観察者の眼の前に表示する光学系である。
ここで、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置30を移動体に搭載した場合の例について図26を用いて説明する。図26は、移動体である自動車500を前方から見た平面図である。図26に示すような自動車500には、風防としてフロントガラスであるウインドシールド6が、運転席の前方に配置されている。
ヘッドアップディスプレイ装置30は、ウインドシールド6に映像光束を投影することで、自動車500の動作に係る各種情報を運転席にいる観察者が虚像として視認できる状態にする。映像光束が投影される位置は、運転席の前方やその周囲である。例えば破線矩形領域R1に示すような位置に映像光束が投影される。
<本発明に適用可能な原理>
次に、図17から図21を用いて、ヘッドアップディスプレイ装置30において虚像面7を傾斜させるための条件について説明する。
まず、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置30において適用可能な「シャインプルーフの原理」について説明する。図17Aに示すように、凸レンズ101に対して物面111を斜めに配置した場合、実像面112が斜めに形成される。ここで、シャインプルーフの原理によれば、凸レンズ101の主平面の延長線と、物面111の延長線と、実像面112の延長線が1点(図のA点)で交差する。尚、図17Aは実像光学系の結像を例示している。したがって、物面111と実像面112の上下左右は反転する。図17Aでは、物面111における向き(白の矢印)と実像面112における向き(黒の矢印)は上下が逆になることを表している。
図17Bは、凸レンズ101の光軸に平行な光線が凸レンズ101の焦点位置Fに集光する光線と、凸レンズ101の中心を直進する光線の交点から、物体Objに係る像面Imgの位置を作図で求めた図である。物体Objの位置である物位置Obj1に対する像の位置を像位置Img1としたとき、物体Objを物位置Obj1から物位置Obj2へ移動させて、凸レンズ101に近づけると、凸レンズ101の中心を通過する光線の傾きが大きくなる。これによって、像は、像位置Img1から像位置Img2へ移動する。即ち、像の位置は凸レンズ101から遠くなる。以上を踏まえると、図17Bのように物体Objの一部を物位置Obj1に留め、他の部分を物位置Obj2に移動させ、物体Objを傾けて配置した場合は、像位置Img1から像位置Img2にかけて傾いた像が形成される。
図17Aおよび図17Bを用いて実像における結像について説明したが、次に、図18Aと図18Bを用いて、シャインプルーフの原理に基づく虚像における結像について説明する。図18Aは、凸レンズ101の主平面の延長線と、物面111の延長線と、虚像面7の延長線が、1点(図18AにおけるA点)において交差するように作図した図である。
図18Aに示すように、虚像光学系では実像光学系とは異なり、物面111と実像面112の上下左右は反転せず、同じ向きになる。
図18Bは、凸レンズ101の光軸に平行な光線が凸レンズ101の焦点位置Fに集光する光線と、凸レンズ101の中心を直進する光線の交点から、物体Objに係る像面Imgの位置を作図で求めた図である。虚像光学系では、物体Objは、凸レンズ101の焦点位置Fよりも、近い位置に配置されているので、実像光学系とは異なり、2つの光線が交差する位置は、凸レンズ101に対して物体Objと同じ側になる。
ここで、物体Objの位置(物位置)を物位置Obj1から物位置Obj2に移動させる。即ち、物体Objを凸レンズ101から離れる方向に移動させると、凸レンズ101の中心を通過する光線の傾きが小さくなる。したがって、像は像位置Img1から像位置Img2へ移動する。即ち、像の位置は凸レンズ101から遠くになる。図18Bのように物体Objの一部を物位置Obj1に留め、他の部分を物位置Obj2に移動させ、物体Objを傾けて配置した場合は、像は像位置Img1から像位置Img2にかけて、物体Objのかた向きと逆方向に傾いて形成される。
即ち、虚像光学系において虚像が表れる面(本実施形態における虚像面7)を傾斜させるには、虚像距離が遠い側のImg2に対応する物面が、凸レンズ101から遠い側の物位置Obj2になるように傾斜させればよい。
本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置30において上記の原理を適用して虚像面7を傾斜させるには、物面に相当する部分を傾けばよい。この点について、従来から知られている技術に基づいて説明する。図19は従来技術において、映像光束を出射するプロジェクタとスクリーンの関係性に基づいて、プロジェクタに相当するバックライト1からの光束に対してスクリーンに相当する液晶表示パネル2を傾斜させた場合を例示している。バックライト1に対して液晶表示パネル2を傾斜させると、虚像面7を傾斜させることができる。
この場合、傾斜した虚像面7の遠い側(Far)に対応する液晶表示パネル2の位置はバックライト1に近い。一方、傾斜した虚像面7に近い側(Near)に対応する液晶表示パネル2の位置はバックライト1から離れる。
なお、「バックライト1から近い」は「ウインドシールド6側から遠い」と同じ意味であり、「バックライト1から離れる」は「ウインドシールド6側から近い」と同じ意味である。したがって、液晶表示パネル2の傾斜の向きは、図18を用いて説明したシャインプルーフの原理と同じ向きである。
すでに説明したとおり、シャインプルーフの原理によれば、像において台形歪が発生する。ヘッドアップディスプレイ装置30は、虚像をアイボックス8の位置から観察する。そこで、シャインプルーフの原理に基づいて虚像面7を傾斜させた場合の台形歪みについて、図20を用いて説明する。
アイボックス8からの視野範囲が矩形状であると仮定する。この場合、アイボックス8の位置に眼9とすると、虚像を観察した状態で視野範囲が矩形状に見えるためには、傾斜した虚像面7において、逆台形状の虚像が表される必要がある。なお、「逆台形状」とは、視野範囲における虚像の上側が長く下側が短い状態に歪んでいることをいう。虚像距離の「遠い/近い」に比べ、物距離の「遠い/近い」の方が1に近いので、物面では緩和された逆台形となる。
ここで、液晶表示パネル2をこの物面に配置した場合、液晶表示パネル2の映像表示範囲の中で、逆台形の範囲に映像を表示する処理が必要となり、且つ、有効な画素数が減ってしまうので表示できる情報量が減ってしまう。
そこで、虚像面7を傾斜させた場合で、虚像を逆台形形状に形成し、液晶表示パネル2での台形歪を、非回転対称な自由曲面凹面ミラー54(図2に表示)と自由曲面レンズ52を用いて、且つ、液晶表示パネル2をシャインプルーフの原理とは逆方向に傾斜させる。このような配置関係を用いて接眼光学系5を構成することで、液晶表示パネル2を傾斜させることで生じる台形歪を補正できる。
また、液晶表示パネル2側でのテレセントリック(射出瞳距離が無限大)を満足するためには、自由曲面レンズ52と液晶表示パネル2の間にフィールドレンズとして、負の屈折力(=パワー)である凹レンズを配置することで、さらに、性能を改善できる。
以上をまとめると、ヘッドアップディスプレイ装置30では、虚像面7を傾斜させた場合でも、アイボックス8の位置から虚像を観察するので、観察者から見た視野角が矩形状になっていれば、虚像の台形歪は認識されない。即ち、虚像面を傾斜させる場合には、アイボックス8から見た状態で台形歪が観察されないように、逆台形歪状の虚像を表示すればよい。この場合、図21に示すように、物面に相当するスクリーン(液晶表示パネル2)において台形歪を補正することが重要である。
即ち、非回転対称な形状を有する自由曲面凹面ミラー54と自由曲面レンズ52を用い、且つ、液晶表示パネル2をシャインプルーフの原理とは逆方向に傾斜させる。これによって、虚像面7を傾斜した状態で虚像を逆台形状に形成し、液晶表示パネル2において台形歪を補正できる。
詳細な定義式は後で説明するが、自由曲面レンズ52はXY多項式を含むため、左右非対称・上下非対称なレンズ作用を持たせることが可能であり、ウインドシールド6で発生する左右非対称、且つ、上下非対称な歪性能の補正にも有効である。
次に、小型なヘッドアップディスプレイ装置30を実現できる自由曲面凹面ミラー54と自由曲面レンズ52と凹レンズ51を用いた投影光学系の第1実施形態について説明する。
<第1実施形態>
第1実施形態は、図22において示したヘッドアップディスプレイ装置30のうち、接眼光学系5の構成に特徴がある。まず図1A及び図1Bを参照して、投影光学系20を構成するウインドシールド6と接眼光学系5について説明する。図1Aは、第1実施形態の接眼光学系5の全体光線図であって、アイボックス8の水平方向X軸と垂直方向Y軸とXY軸に直交するZ軸で定義するYZ平面において虚像面7の映像情報を観察者の眼9で見ている様子を表している。また、図1Bは、第1実施形態の接眼光学系5の全体光線図であって、同様に定義されるXZ平面において虚像面7の映像情報を観察者の眼9で見ている様子を表している。図1Aにおいて、観察者の眼9は、右眼と左眼が重なって表されている。
図1Aに示すように、虚像面7は視野方向に対して約80度の傾きをもっておいる。具体的には、接眼光学系5において、視野範囲の上方にあたるY座標の正側の虚像距離が20.6mであって、視野範囲の下方にあたるY座標の負側の虚像距離が13.8mになるように虚像面7は、視野方向に傾けられている。したがって、本実施形態において虚像面7に表示される虚像の範囲(虚像範囲)は、遠距離部分/近距離部分=20.6/13.8≒1.5となる。即ち、本実施形態における虚像範囲は、広い範囲に虚像を表示できる。なお、ウインドシールド6は自動車の左右方向に対して対称な形状である。
図2は、第1実施形態における接眼光学系5の要部拡大図である。図2に示すように、接眼光学系5は、液晶表示パネル2における映像光束の射出方向に取って、液晶表示パネル2側から順に、凹レンズ51と、自由曲面レンズ52と、折返しミラー53と、正の屈折力を有する自由曲面凹面ミラー54と、ウインドシールド6と、を並べて配置することにより構成されている。接眼光学系5の屈折力は、主に自由曲面凹面ミラー54が負担している。凹レンズ51で主にテレセントリック性を実現し、且つ、自由曲面レンズ52で主に歪を補正している。
図2に示すように、第1実施形態における接眼光学系5は、折返しミラー53が、ウインドシールド6で反射した映像光束が自由曲面凹面ミラー54に向かう光路の下に位置することで、ヘッドアップディスプレイ装置30の小型化を図ることができる。
図3は、液晶表示パネル2の傾斜の方向を説明するために、液晶表示パネル2の後方まで光線を描画した光線図である。図3では、光線と液晶表示パネル2の傾斜との関係を判別しやすいように、虚像距離が遠い側の光線を「Far」とし、虚像距離が近い側の光線を「Near」とし、その中間の光線も表示している。
虚像面7(図1参照)におけるFar側の光線に対応する位置を遠距離点とし、虚像面7(図1参照)におけるNear側の光線に対応する位置を近距離点として、以下説明する。
図3において示すとおり、本実施形態に係る接眼光学系5によれば、遠距離点(Far)と共役となる液晶表示パネル2上の点は、虚像面7における近距離点(Near)と共役となる液晶表示パネル2上の点よりも、バックライト1側の光束から光学的に離れている。言い換えると、本実施形態において、虚像面7における遠距離点(Far)と共役となる液晶表示パネル2上の点は、虚像面7における近距離点(Near)と共役となる液晶表示パネル2上の点よりも、液晶表示パネル2へ入射する光束から光学的に離れている。
さらに言い換えると、虚像面7上の遠距離点(Far)と共役となる液晶表示パネル2上の点は、虚像面7上の近距離点(Near)と共役となる液晶表示パネル2上の点よりも、自由曲面凹面ミラー54側(ウインドシールド6側)の光束から光学的に近い。
さらに言い換えると、虚像面7において、Y軸方向(図1A参照)における上側部分に相当する、アイボックス8からの距離が相対的に遠い点を遠距離点(Far)とする。また、虚像面7において、Y軸方向(図1A参照)における下側部分に相当する、アイボックス8からの距離が相対的に近い点を近距離点(Near)とする。この場合、遠距離点(Far)と共役となる液晶表示パネル2上の点は、近距離点(Near)と共役となる液晶表示パネル2上の点よりも、バックライト1側の光束(液晶表示パネル2へ入射する光束)から光学的に離れている。即ち、遠距離点(Far)と共役となる液晶表示パネル2上の点は、近距離点(Near)と共役となる液晶表示パネル2上の点よりも、自由曲面凹面ミラー54側の光束から光学的に近い。
したがって、本実施形態に係る液晶表示パネル2の傾斜の方向は、図19を用いて説明した従来技術におけるスクリーンの傾斜の向きとは逆になる。
ここで、「光束から光学的に離れる/近い」の意味は、液晶表示パネル2を通過する光束に対して「離れる/近い」の意味であり、液晶表示パネル2の前後の空間を媒質で埋める、或いは光学部品を配置していても、その物理的な距離は関係しない。
図4は、第1実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置30のレンズデータを示す図である。図4に示すレンズデータにおいて、「曲率半径」は、曲率半径の中心位置が進行方向にある場合を正の符合で表している。「面間距離」は、各面の頂点位置から次の面の頂点位置までの光軸上の距離を表している。「偏心」は、X軸方向・Y軸方向・Z軸方向のそれぞれにおける値であり、「倒れ」は、X軸回りの回転・Y軸回りの回転・Z軸回りの回転である。
また、「偏心・倒れの内容」は、該当の面において偏心と倒れの順に作用し、“普通偏心”では、偏心・倒れが作用した新しい座標系での面間距離の位置に次の面が配置される。“デセンタ・アンド・リターン”の偏心及び倒れは、その面でのみ作用し、次の面に影響しない。尚、X軸回りの回転はX軸の正方向から見て時計回りが正、Y軸回りの回転はY軸の正方向から見て時計回りが正、Z軸回りの回転はZ軸の正方向から見て反時計回りが正である。
「硝材名」は、レンズ、ガラス、ミラーなどの光学素子の素材名称であって、“50.30”は屈折率1.50でアッベ数が30の材料を表し、“52.60”は屈折率1.52でアッベ数が60の材料を表す。
図5は、第1実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置30の自由曲面係数の図である。図5の自由曲面係数は、下記の式(1)により求められる。
上記の式(1)における自由曲面係数Cjは、それぞれの光軸(Z軸)に対して回転非対称な形状であり、円錐項の成分とXYの多項式の項の成分で定義される形状である。例えば、Xが2次(m=2)でYが3次(n=3)の場合は、j={(2+3)2+2+3×3}/2+1=19であるC19の係数が対応する。また、自由曲面のそれぞれの光軸の位置は、図4のレンズデータにおける「偏心・倒れ」の量によって定まる。
次に、本実施形態に係る接眼光学系5におけるアイボックスサイズ(アイボックス8の寸法)や、視野角などの具体的数値例について表1に示す。なお、表1において、数値の順番は、水平方向、垂直方向の順である。
凹レンズの焦点距離(−143mm)を自由曲面凹面ミラーの焦点距離(355mm)で割った値は、−0.40である。
次に、第1実施形態の光学性能について図6A〜図6E、図7,図8A及び図8Bを用いて説明する。より詳しくは、図5Aは、矩形状の虚像範囲に対して、アイボックス8の中央を通過する光線による液晶表示パネル2側での歪図である。図5B、図5C、図5D、図5Eはアイボックス8の右上隅、左上隅、左下隅、右下隅の各点を通過する光線による液晶表示パネル2側での歪図である。
仮に、液晶表示パネル2側に矩形状の画像を表示した状態で、アイボックス8内のそれぞれの位置に眼9を位置した場合には、図6A〜図6Eと逆の歪(例:樽型⇔糸巻型)が観察される。図6A〜図6Eの歪図はほぼ同じ形状になっているので、例えば図6A〜図6Eの歪図に合わせた映像を液晶表示パネル2に表示すれば、観察者は歪の無い矩形状の虚像を観察できる。
図7は、第1実施形態のヘッドアップディスプレイ装置30のスポット図である。図7は、虚像面に物点を配置した場合の液晶表示パネル2上でのスポット図であり、アイボックス8全体を通過する光束によるスポット図を、赤色(650nm)・緑色(550nm)・青色(450nm)で別々に表示した図である。このスポット図では、アイボックス8の大きさが水平130mm×垂直40mmの全光束でのスポット図であり、実際の観察者が見る虚像の場合は、人の眼の虹彩の大きさ(最大でφ7mmといわれている)でのスポット図は、大幅に良くなっている。ここで、スポット図は、虚像を物面とした縮小光学系での、液晶表示パネル2の各位置でのスポット図を5倍に拡大強調した図である。
図8Aは、各画角位置での主光線Ray1と仮想光線Ray0の角度ずれ図である。また図8Bは主光線Ray1と仮想光線Ray0の角度θを示す図である。図8Bに示すように、仮想光線Ray0は、液晶表示パネル2の長辺に平行な回転軸を中心に、液晶表示パネル2の法線を13度回転した直線である。即ち、液晶表示パネル2に対して、照明光学系を13度傾けて配置することを意味する。図8Aより、角度ずれの最大値が1.9度と小さいことが分かる。
したがって、本実施形態によれば、自由曲面凹面ミラー54と自由曲面レンズ52と凹レンズを用いた投影光学系により、虚像光学系でのシャインプルーフの原理とは逆方向に、液晶表示パネル2を傾斜することで、虚像面7の傾斜を実現したヘッドアップディスプレイ装置30を提供できる。
<第2実施形態>
第2実施形態は、接眼光学系5の構成が第1実施形態とは異なる点に特徴がある。第2実施形態では小型の液晶表示パネル2と組合せ、折返しミラー53を削除し、ヘッドアップディスプレイ装置30の小型化を優先した実施形態である。
図9Aは第2実施形態の接眼光学系5の全体光線図であり、アイボックス8の水平方向X軸と垂直方向Y軸とXY軸に直交するZ軸で定義するYZ平面において虚像面7の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表す。図9Bは、XZ平面において虚像面7の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表す。
図9Aにおいて明らかなように、本実施形態に係る接眼光学系5の作用により、虚像面7は視野方向に対して84度と大きく傾けて配置される。具体的には、視野の上方(Y座標の正側)で虚像距離を24.7mと大きくし、視野の下方(Y座標の負側)で虚像距離を12.4mと小さくした。遠距離/近距離=2.0倍という広い虚像範囲を実現している。ウインドシールド6は自動車の左右方向に対して対称な形状である。
図10は第2実施形態の接眼光学系の要部拡大図である。図10に示すように、接眼光学系5は偏光板21(液晶表示パネル2の構成部品)側から、凹レンズ51と、自由曲面レンズ52と、正の屈折力の自由曲面凹面ミラー54と、ウインドシールド6とを並べて配置することにより構成されている。
図11は、液晶表示パネル2の傾斜の方向を説明するために、液晶表示パネル2の後方まで光線を描画した縮小光学系の光線図である。この光線図では、判別しやすいように、虚像距離が遠い側(Far)と近い側(Near)とその中間の光線のみを表示した。虚像面上の遠距離点(Far)と共役となる液晶表示パネル2上の点が、虚像面上の近遠距離点(Near)と共役となる液晶表示パネル2上の点よりも、バックライト1側の光束から光学的に離れていることが分かる。即ち、虚像面上の遠距離点(Far)と共役となる液晶表示パネル2上の点が、虚像面上の近遠距離点(Near)と共役となる液晶表示パネル2上の点よりも、自由曲面凹面ミラー54側(ウインドシールド6側)の光束から光学的に近いことが分かる。
したがって、この液晶表示パネル2の傾斜の方向は、図19を用いて説明した特許文献3でのスクリーンの傾斜の向きとは逆になっている。
ここで、「光束から光学的に離れる/近い」の意味は、液晶表示パネル2を通過する光束に対し離れる/近い、の意味であり、液晶表示パネル2の前後の空間を媒質で埋める、或いは光学部品を配置していても、その物理的な距離は関係しない。
図12は第2実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置30のレンズデータを示す図である。図13は、第2実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置30の自由曲面係数の図である。
以下に、第2実施形態の接眼光学系のアイボックスサイズや、視野角などの値を、水平方向、垂直方向の順に示す。
凹レンズの焦点距離(−90mm)を自由曲面凹面ミラーの焦点距離(188mm)で割った値が、−0.48である。
次に、第2実施形態の光学性能について図14A〜図14E、図15、図16A及び図16Bを用いて説明する。図14A〜図14Eは、第2実施形態のヘッドアップディスプレイ装置30の歪性能を表す図である。より詳しくは、図14Aは、矩形状の虚像範囲に対して、アイボックス8の中央を通過する光線による液晶表示パネル2側での歪図である。図14B、図14C、図14D、図14Eはアイボックス8の右上隅、左上隅、左下隅、右下隅の各点を通過する光線による液晶表示パネル2側での歪図である。図15は、第2実施形態のヘッドアップディスプレイ装置30のスポット図である。図16Aは、各画角位置での主光線Ray1と仮想光線Ray0の角度ずれ図である。図16Bは主光線と液晶表示パネル2の法線との角度θを示す図である。図16Aより、仮想光線Ray0は、液晶表示パネル2の長辺に平行な回転軸を中心に、液晶表示パネル2の法線を13度回転した直線である。即ち、液晶表示パネル2に対して、照明光学系を13度傾けて配置することを意味する。図16Aより、角度ずれの最大値が3.9度と小さいことが分かる。
したがって、本実施形態によれば、自由曲面凹面ミラー54と自由曲面レンズ52と凹レンズ51を用いた投影光学系により、虚像光学系でのシャインプルーフの原理とは逆方向に、液晶表示パネル2を傾斜することで、虚像面7の傾斜を実現したヘッドアップディスプレイ装置30を提供できる。
<第3実施形態>
図23に示す第3実施形態は、画像形成ユニット10の構成が第1実施形態や第2実施形態とは異なる点に特徴がある。図23は、第3実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が備える画像形成ユニットの概略構成図である。
第1実施形態では液晶表示パネル2の映像情報を、直接、接眼光学系5で拡大し、虚像として表示している。この画像形成ユニット10の構成に代えて、光源としてライトバルブを備え、より小型の液晶表示パネル2を用いて、その映像情報をリレー光学系3でスクリーン板(拡散板)上に拡大写像し、その映像情報を接眼光学系で拡大し、虚像として表示している。
より詳しくは、バックライト1から液晶表示パネル2に照射された光束は、液晶表示パネル2に表示された映像情報を含んだ映像光束として、リレー光学系3に入射する。リレー光学系3での結像作用により、液晶表示パネル2上の映像情報は拡大されスクリーン板(拡散板)4上に拡大投写される。液晶表示パネル2上の点P1・P2・P3が、それぞれスクリーン板(拡散板)4の点Q1・Q2・Q3に対応する。リレー光学系3を用いることで、表示サイズの小さい液晶表示パネルを使用することができる。バックライト1、液晶表示パネル2、リレー光学系3、及びスクリーン板(拡散板)4は、スクリーン板(拡散板)4上に画像情報(映像情報)を形成するので、これらを総称して画像形成ユニット10という。
また、スクリーン板(拡散板)4は、マイクロレンズを2次元状に配置したマイクロレンズアレイにより構成される。これにより拡散作用が生じ、スクリーン板4を出射する光束の広がり角を大きくしており、アイボックス8の大きさを、所定の大きさにしている。尚、スクリーン板(拡散板)4の拡散作用は、拡散粒子を内蔵することでも実現できる。
<第4実施形態>
第4実施形態は、画像形成ユニット10の構成が第1実施形態や第2実施形態とは異なる点に特徴がある。図24を参照して、第4実施形態について説明する。図24は、第4実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が備える画像形成ユニットの概略構成図である。
第1実施形態では液晶表示パネル2の映像情報を、拡散機能を有するスクリーン板4に写像しているが、この画像形成ユニット10の構成に代えて、レーザー光源を光走査することで、拡散機能を有するスクリーン板4に光走査像を形成する方法でも良い。第4実施形態の画像形成ユニット10は、微小電気機械システム(Micro Electro Mechanical Systems)を光走査部として用いてもよい。このMEMSにおいて反射面を回転させて光線角度を振ることで光走査する位置を、射出瞳位置に合わせて配置する。MEMS102における反射面の回転中心位置は、接眼光学系5側で想定した位置に合わせて構成される。
1…バックライト、2…液晶表示パネル、3…リレー光学系、4…スクリーン板(拡散板)、5…接眼光学系、6…ウインドシールド、7…虚像面、8…アイボックス、9…眼、10…画像形成ユニット、20…投影光学系、30…ヘッドアップディスプレイ装置、51…凹レンズ、52…自由曲面レンズ、53…折返しミラー、54…自由曲面凹面ミラー、101…凸レンズ、111…物面、112…実像面、F…焦点位置。

Claims (9)

  1. 画像情報を形成し、当該画像情報を含む映像光を射出する画像形成ユニットから射出された前記映像光を反射することで虚像を表示させる接眼光学系を含む投影光学系であって、
    前記接眼光学系は、前記映像光の射出方向に沿って前記画像形成ユニット側から順に、自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーを含み、
    虚像面を傾斜して虚像を遠距離から近距離の範囲に表示する状態で、前記虚像面における遠距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点が、前記虚像面における近距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点よりも、前記画像形成ユニットへ入射する光束から光学的に離れていることを特徴とする投影光学系。
  2. 画像情報を形成し、当該画像情報を含む映像光を射出する画像形成ユニットから射出された前記映像光を反射することで虚像を表示させる接眼光学系を含む投影光学系であって、
    前記接眼光学系は、前記映像光の射出方向に沿って前記画像形成ユニット側から順に、自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーを含み、
    虚像面を傾斜して虚像を遠距離から近距離の範囲に表示した状態で、前記虚像面における遠距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点が、前記虚像面における近距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点よりも、前記自由曲面凹面ミラーに光学的に近いことを特徴とする投影光学系。
  3. 請求項1または2に記載の投影光学系において、
    前記画像形成ユニットと前記自由曲面レンズの間に、凹レンズを配置したことを特徴とする投影光学系。
  4. 画像情報を含む映像光を射出する画像形成ユニットと、
    前記映像光を反射することで虚像を表示させる接眼光学系と、を含むヘッドアップディスプレイ装置であって、
    前記接眼光学系は、前記映像光の射出方向に沿って前記画像形成ユニット側から順に、自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーを含み、
    虚像面を傾斜して虚像を遠距離から近距離の範囲に表示する状態で、前記虚像面における遠距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点が、前記虚像面における近距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点よりも、前記画像形成ユニットへ入射する光束から光学的に離れていることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  5. 画像情報を含む映像光を射出する画像形成ユニットと、
    前記映像光を反射することで虚像を表示させる接眼光学系と、を含むヘッドアップディスプレイ装置であって、
    前記接眼光学系は、前記映像光の射出方向に沿って前記画像形成ユニット側から順に、自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーを含み、
    虚像面を傾斜して虚像を遠距離から近距離の範囲に表示した状態で、前記虚像面における遠距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点が、前記虚像面における近距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点よりも、前記自由曲面凹面ミラーに光学的に近いことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  6. 請求項4または請求項5に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記画像形成ユニットと前記自由曲面レンズの間に、凹レンズを配置したことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  7. 請求項4または請求項5に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記画像形成ユニットは、バックライトと液晶表示パネルを含むことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  8. 請求項4または請求項5に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記画像形成ユニットは、ライトバルブの像を形成するリレー光学系と、拡散機能を有するスクリーン板を含むことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  9. 請求項4または請求項5に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記画像形成ユニットは、レーザー光源と、当該レーザー光源を反射面の回転で光走査する光走査部、及び拡散機能を有するスクリーン板を含むことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
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