KR20090100231A - Projection optical system and head-up display device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 자동차나 항공기 등의 앞유리에 화상을 투영하고, 그 화상이 앞유리 너머에 허상으로서 관찰되도록 한 헤드업 디스플레이 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
자동차의 앞유리에서 화상의 표시광을 운전수(관찰자)를 향해서 반사시켜서 속도계 등의 계기류의 화상을 허상으로서 관찰할 수 있게 한 헤드업 디스플레이 장치가 알려져 있다. 헤드업 디스플레이 장치에 의해 표시되는 계기류의 화상은 앞유리 너머에 운전수로부터 2m 이상 떨어진 위치에 허상으로서 확대 표시되기 때문에 운전수는 통상의 전방 시야와 아울러 시선 방향이나 시야를 거의 바꾸지 않고 표시 화상을 관찰할 수 있게 되어 있다.BACKGROUND ART A head-up display apparatus is known in which a display light of an image is reflected from a windshield of an automobile toward a driver (observer) so that an image of a device such as a speedometer can be observed as a virtual image. Since the image of the instrument 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 over the windshield, the driver can observe the display image with almost no change in the direction of vision or the field of view as well as the normal front view. It is supposed to be.
헤드업 디스플레이 장치에서 사용되는 광학 유닛은 화상 표시 패널, 조명 광원, 투영 광학계로 구성된다. 화상 표시 패널에는 투과형 액정 표시 패널이 많이 사용되고, 그 배후에는 백라이트가 배치된다. 백라이트에 의한 조명광은 액정 표시 패널을 투과하고, 액정 표시 패널 상에 표시된 화상의 정보를 갖는 표시광으로 되어서 투영 광학계에 입사된다. 투영 광학계는 앞유리에 표시광을 확대해서 투영하 고, 상술한 바와 같이, 운전수에 확대된 허상을 표시한다.The optical unit used in the head-up display device is composed of an image display panel, an illumination light source, and a projection optical system. A transmissive liquid crystal display panel is often used for an image display panel, and a backlight is disposed behind the image display panel. The illumination light by the backlight penetrates the liquid crystal display panel, becomes a display light having information of an image displayed on the liquid crystal display panel, and enters the projection optical system. The projection optical system enlarges and projects the display light on the windshield, and displays the enlarged virtual image on the driver as described above.
헤드업 디스플레이 장치에 사용되는 투영 광학계로서는, 예를 들면 액정 표시 패널에 표시된 화상을 미러 렌즈로 확대 투영하는 것이나(특허문헌 1), 확대 렌즈로 확대 투영하는 것(특허문헌 2) 등이 알려져 있다.As a projection optical system used for a head-up display apparatus, the enlarged projection of the image displayed on a liquid crystal display panel with a mirror lens (patent document 1), the enlarged projection with a magnifying lens (patent document 2), etc. are known, for example. .
[특허문헌 1] 일본 특허공개 2006-11168호 공보[Patent Document 1] Japanese Patent Publication No. 2006-11168
[특허문헌 2] 일본 특허공개 2007-148092호 공보 [Patent Document 2] Japanese Patent Publication No. 2007-148092
그러나, 미러 렌즈나 확대 렌즈로 직접적으로 표시 화상을 확대 투영할 경우에 표시하는 허상의 크기와, 투영 광학계로부터 표시하는 허상까지의 거리의 관계때문에 액정 표시 패널에 표시하는 화상은 어느 정도의 크기가 필요하게 된다. 이 때문에 액정 표시 패널은 큰 것을 사용해야만 하고, 이에 따라서 백라이트도 큰 것이 필요해져 헤드업 디스플레이 장치의 소형화, 저비용화, 저소비전력화가 곤란해진다.However, due to the relationship between the size of the virtual image displayed when the display image is directly magnified and projected by a mirror lens or an enlarged lens and the distance from the projection optical system to the virtual image displayed, the size of the image displayed on the liquid crystal display panel is somewhat It is necessary. For this reason, a large liquid crystal display panel must be used, and accordingly, a large backlight is required, making it difficult to miniaturize, reduce the cost, and reduce the power consumption of the head-up display device.
또한, 헤드업 디스플레이 장치에 의해 표시되는 허상의 크기를 운전수가 관찰하기 쉬운 150mm 정도의 크기로 할 경우에 운전수가 좌우로 20mm 정도 이동해도 표시되는 허상을 양안으로 관찰할 수 있게 하기 위해서는, 투영 광학계의 출사동공의 크기를 100mm 정도로 할 필요가 있다. 이때, 운전수와 표시되는 허상의 중간정도에 위치하는 앞유리에서 표시광을 반사시키는 것을 고려하면 투영 광학계의 구경은 150mm로 할 필요가 있다. 투영 광학계로부터 허상까지의 거리를 D, 투영 배율을 β, 투영 광학계의 초점거리를 f로 하면, x=(1+β)×f로 되기 때문에(결상 공식), 예를 들면 0.8형의 액정 표시 패널의 폭 16mm를 9배로 확대하여 144mm의 허상을 표시하는 경우를 생각하면, 투영 광학계의 초점거리는 100mm가 된다. 그러나, 구경 150mm이고 초점거리 100mm의 렌즈는 F값이 0.67이고, 매우 밝은 렌즈가 되기 때문에 실현은 곤란하다.In addition, when the size of the virtual image displayed by the head-up display device is about 150 mm, which is easy for the driver to observe, the projection optical system can be observed with both eyes even if the driver moves about 20 mm from side to side. It is necessary to make the exit pupil of about 100mm in size. At this time, in consideration of reflecting the display light from the windshield positioned between the driver and the virtual image displayed, the aperture of the projection optical system needs to be 150 mm. When 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 liquid crystal display. Considering the case where the width of the
그래서, 액정 표시 패널에 표시된 화상을 직접적으로 확대 투영하는 것이 아니라, 릴레이 렌즈(relay lens)에 의해 확대한 상을 스크린에 결상시키고, 이 확대 상을 투영 렌즈에 의해 더욱 확대 투영하는 투영 광학계를 사용하는 것이 고려된다. 그러나, 이 투영 광학계는 조명광의 이용 효율이 나쁘고, 종래와 같은 정도의 휘도의 백라이트를 이용하여도 표시하는 허상은 종래보다 어두워져 버린다고 하는 문제가 있다. 반대로, 종래의 헤드업 디스플레이 장치와 같은 정도의 휘도로 허상을 표시하기 위해서는 매우 고휘도의 백라이트를 사용할 필요가 있고, 설치 공간, 비용, 소비전력이 증대한다고 하는 문제가 있다.Therefore, instead of directly magnifying and projecting the image displayed on the liquid crystal display panel, a projection optical system is used to form an image enlarged by a relay lens on the screen, and further enlarge and project the enlarged image by the projection lens. Is considered. However, this projection optical system has a problem in that the utilization efficiency of illumination light is poor, and the virtual image displayed even if it uses the backlight of the same grade as before will become darker than before. On the contrary, in order to display a virtual image with the same brightness | luminance as the conventional head-up display apparatus, it is necessary to use the backlight of very high brightness, and there exists a problem that installation space, cost, and power consumption increase.
특허문헌 2에는 릴레이 렌즈에 의해 스크린 등을 사용하지 않는 중공상(空中像)을 연결시키고, 투영 광학계의 NA와 주광선 각도를 맞춤으로써 효율적으로 조명광을 이용하는 투영 광학계가 개시되어 있지만, 이 투영 광학계는 투영 배율이 크고, 액정 표시 패널측에서 NA가 매우 커진다.
주지와 같이, 액정 표시 패널은 콘트라스트나 휘도가 양호한 화상을 관찰할 수 있는 시야각이 한정되고, 또한 이 시야각은 좁다. 액정 표시 패널측에서 큰 NA가 되는 투영 광학계는 액정 표시 패널의 시야각보다 큰 각도로 출사하는 표시광도 이용하게 되므로 조명광의 이용 효율은 높아지지만, 표시하는 허상의 색이나 콘트라스트에는 음영(shading)이 발생한다고 하는 문제가 있다. 또한, 표시하는 허상의 색이나 콘트라스트의 음영을 방지하기 위해서, 투영 광학계의 주광선 각도에 맞춰서 조명할 경우에는 주광선은 배면측(백라이트측)으로 발산하는 방향이 되기 때문에 종래보다 큰 백라이트로 해야만 한다는 문제가 있다.As is well known, the liquid crystal display panel has a limited viewing angle at which an image having good contrast and brightness can be observed, and this viewing angle is narrow. The projection optical system, which has a large NA on the liquid crystal display panel side, also uses display light emitted at an angle greater than the viewing angle of the liquid crystal display panel, thereby increasing utilization efficiency of illumination light, but shading occurs in the color and contrast of the virtual image to be displayed. There is a problem to say. In addition, in order to prevent the color of the virtual image to be displayed and the shadow of the contrast, when illuminating according to the chief ray angle of the projection optical system, the chief ray is diverged toward the back side (backlight side), so that the backlight must be larger than the conventional one. There is.
본 발명은 상술한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 소형 액정 표시 패널에 표시되는 화상을 밝고 균일한 허상으로서 투영할 수 있는 투영 광학계를 제공 하는 것을 목적으로 한다. 또한, 밝고 균일한 허상을 투영함과 아울러 소비전력이 적고, 소형이며 저렴한 헤드업 디스플레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made in view of the above 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. In addition, an object of the present invention is to provide a bright and uniform virtual image and to provide a head-up display device with low power consumption and a small size.
본 발명의 투영 광학계는 소정 위치에 있는 관찰자에 대면하는 반사면으로 투과형 액정 표시 패널로부터 출사되는 표시광을 상기 관찰자측에 반사하여 상기 반사면 너머로 상기 액정 표시 패널에 표시된 화상을 허상으로서 확대 투영하는 투영 광학계이고, 상기 액정 표시 패널의 배후로부터 광을 조사하여 상기 액정 표시 패널의 전면으로부터 상기 액정 표시 패널에 표시된 화상의 정보를 갖는 표시광을 출사시키는 조명 수단과, 상기 액정 표시 패널로부터 출사된 표시광을 집광시켜서 상기 액정 표시 패널 상에 표시된 화상을 확대해서 실상으로서 결상시키는 릴레이 렌즈와, 상기 릴레이 렌즈에 의해 결상된 상기 화상의 확대된 실상을 상기 반사면에 확대해서 투영하는 투영 렌즈를 구비하고, 상기 릴레이 렌즈의 초점거리를 f1, 상측을 정방향으로 한 상기 릴레이 렌즈의 상측 주점으로부터 상기 릴레이 렌즈의 출사동공까지의 거리를 α, 상기 투영 렌즈의 초점거리를 f3, 상기 릴레이 렌즈의 상측 주점으로부터 상기 릴레이 렌즈에 의해 결상되는 실상까지의 거리를 b, 상기 실상으로부터 상기 투영 렌즈의 물체측 주점까지의 거리를 δ, 상기 투영 렌즈의 상측 주점으로부터 상기 관찰자까지의 거리를 WD, 상기 관찰자의 시점이 이동하는 범위의 크기를 Dpo, 상기 릴레이 렌즈의 출사동공 크기를 Dpr2로 할 때에, 0.5<α/f1<15, f3=WD×(-α+b+δ)/(-α+b+δ+WD), Dpo=Dpr2×WD/(-α+b+δ)의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 한다.The projection optical system of the present invention reflects display light emitted from a transmissive liquid crystal display panel to the observer side with a reflection surface facing an observer at a predetermined position to enlarge and project the image displayed on the liquid crystal display panel as a virtual image over the reflection surface. Illumination means for irradiating light from a rear of the liquid crystal display panel to a projection optical system and emitting display light having information of an image displayed on the liquid crystal display panel from a front surface of the liquid crystal display panel; and a display emitted from the liquid crystal display panel. A relay lens for condensing light and enlarging an image displayed on the liquid crystal display panel to form an image as a real image, and a projection lens for enlarging and projecting an enlarged real image of the image formed by the relay lens onto the reflective surface; The focal length of the relay lens is f1 and the image side is the forward direction. B is the distance from the main principal point of the relay lens to the exit pupil of the relay lens, f3 is the focal length of the projection lens, and the distance from the main principal point of the relay lens to the actual image formed by the relay lens b, The distance from the actual image to the object-side main point of the projection lens is δ, the distance from the image-side main point of the projection lens to the observer is WD, and the size of the range in which the viewpoint of the observer moves is Dpo, the exit pupil of the relay lens. When the size is Dpr2, 0.5 <α / f1 <15, f3 = WD × (−α + b + δ) / (− α + b + δ + WD), Dpo = Dpr2 × WD / (− α + b + δ) is satisfied.
또한, 상기 관찰자로부터 상기 허상까지의 거리를 L, 상기 액정 표시 패널에 표시되는 화상의 크기에 대한 상기 허상의 확대 배율을 M으로 할 때에, 1<L/(M×Dpo)<4의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 한다.Further, when the distance from the observer to the virtual image is L and the magnification of the virtual image relative to the size of the image displayed on the liquid crystal display panel is M, the condition of 1 <L / (M × Dpo) <4 is set. It is characterized by satisfying.
본 발명의 헤드업 디스플레이 장치는 상술한 투영 광학계를 구비하는 것을 특징으로 한다.The head-up display device of the present invention is characterized by including the above-described projection optical system.
(발명의 효과)(Effects of the Invention)
본 발명에 의하면, 소형 액정 표시 패널에 표시되는 화상을 밝고 균일한 허상으로서 투영할 수 있는 투영 광학계를 제공할 수 있다. 또한, 밝고 균일한 허상을 투영함과 아울러 소비전력이 적고, 소형이며 저렴한 헤드업 디스플레이 장치를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible 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. In addition, it is possible to provide a bright and uniform virtual image and to provide a head-up display device with low power consumption and a small size.
도 1에 나타내는 바와 같이, 헤드업 디스플레이 장치(10)는 자동차(11)의 대시보드(dashboard)(12)에 배치되고, 속도계 등의 계기류의 값을 운전수(관찰자)(14)의 전방에, 앞유리(13)(반사면) 너머에 표시한다.As shown in FIG. 1, the head-
이 헤드업 디스플레이 장치(10)는 소형 액정 표시 패널(16)(도 2 참조)을 내장하고 있고, 이 액정 표시 패널에 계기류의 값을 표시한다. 헤드업 디스플레이 장치(10)는 액정 표시 패널(16)로부터 출사되는 표시광(26)을 투영 광학계(20)(도 2 참조)에 의해 앞유리(13)를 향해서 확대 투영한다. 투영된 표시광(26)은 앞유리(13)에서 운전수(14)의 방향으로 반사된다.This head-up
헤드업 디스플레이 장치(10)는 앞유리(13) 상에 실상을 표시하는 것이 아니라, 운전수(14)로부터 앞유리(13) 너머의 거리(D)의 위치에 허상(Iv)을 표시한다.The head-up
운전 중에 시선을 거의 움직이지 않고, 또한 눈의 초점 조절이 거의 행하여지지 않아도 허상(Iv)을 볼 수 있도록 허상(Iv)이 표시되는 거리(D)는 충분하게 길게 되어 있다. 예를 들면, 운전수로부터 2m 이상의 거리에 허상(Iv)은 표시된다.The distance D on which the virtual image Iv is displayed is sufficiently long so that the virtual image Iv can be seen even when the eyes are hardly moved and the eye focus is hardly adjusted. For example, the virtual image Iv is displayed at a distance of 2 m or more from the driver.
도 2에 나타내는 바와 같이, 헤드업 디스플레이 장치(10)는 액정 표시 패널(16), 백라이트(17)(조명 수단), 투영 광학계(20)로 구성된다.As shown in FIG. 2, the head-up
액정 표시 패널(16)에는 속도계(speedometer)나 회전 속도계(tachometer), 수온계, 연료계 등의 각종 계기류의 값이 표시된다. 또한, 액정 표시 패널(16)은 투과형이고, 배후에 설치된 백라이트(17)로부터 조명광이 조사되며, 표시된 화상의 정보를 갖는 표시광(26)을 전방에 투과시킨다.The liquid
백라이트(17)는, 예를 들면 백색의 LED 등으로 이루어지고, 액정 표시 패널(16)을 배후로부터 똑같이 조명한다. 또한, 백라이트(17)는 백색의 LED에 의해 백색의 조명광을 조사하는 것에 한하지 않고, 원하는 색의 조명광을 조사하도록 해도 좋다. 예를 들면, 적색, 녹색, 청색 등의 단색 LED로 구성해도 좋고, 이들 단색 LED를 몇 가지 조합해서 원하는 색으로 상을 표시시키도록 해도 좋다. 또한, 백라이트(17)는 LED에 한하지 않고, 다른 주지의 램프 등을 사용해도 된다.The backlight 17 is made of, for example, a white LED or the like, and illuminates the liquid
투영 광학계(20)는 릴레이 렌즈(21)와 투영 렌즈(L1)로 이루어지고, 액정 표시 패널(16)에 표시된 화상을 실상(Ir)으로서 확대해서 결상한 후에 이 실상(Ir)을 더욱 확대해서 앞유리(13)에 투영한다. 릴레이 렌즈(21)는 액정 표시 패널(16)측(물체측)이 텔레센트릭(telecentric)이 되도록 구성되어 있다. 릴레이 렌즈(21)는 액정 표시 패널(16)로부터 출사되는 텔레센트릭성 표시광(26)을 집광시키고, 액정 표시 패널(16) 상에 표시된 화상을 확대하여 실상(Ir)으로서 결상시킨다. 투영 렌즈(L1)는, 예를 들면 프레넬 렌즈(fresnel lens)이고, 릴레이 렌즈(21)에 의해 결상된 실상(Ir)을 앞유리(13)에 확대해서 투영한다.The projection
투영 광학계(20)는 릴레이 렌즈(21)의 초점거리를 f1, 상측을 정방향으로 한 릴레이 렌즈(21)의 상측 주점(Hr2)으로부터 릴레이 렌즈(21)의 출사동공(Pr2)까지의 거리를 α로 할 때에 하기 수학식 1의 조건을 만족시키도록 구성되어 있다.The projection
수학식 1에 나타내는 조건은 릴레이 렌즈(21)의 출사동공(Pr2)의 위치를 제한하는 것이고, 액정 표시 패널(16)로부터 출사되는 표시광(26) 중에 릴레이 렌즈(21)의 광축에 대략 평행하다고 간주할 수 있는, 소위 텔레센트릭성 표시광(26)만을 상의 표시에 효율적으로 이용하기 위한 조건이다. α/f1의 값이 수학식 1의 상한 및 하한을 초과하면, 액정 표시 패널(16)로부터 출사되는 표시광(26) 중, 액정 표시 패널(16)의 시야각 외의 표시광(26)도 허상(Iv)의 표시에 이용되게 되어 허상(Iv)에는 휘도나 콘트라스트에 음영이 발생하여 버린다.The condition shown in equation (1) is to limit the position of the exit pupil Pr2 of the
또한, 투영 광학계(20)는 투영 렌즈(L1)의 초점거리를 f3, 릴레이 렌즈(21)의 상측 주점(Hr2)으로부터 릴레이 렌즈(21)에 의해 결상되는 실상(Ir)까지의 거리를 b, 실상(Ir)으로부터 투영 렌즈(L1)의 물체측 주점(Hp1)까지의 거리를 δ, 투영 렌즈(L1)의 상측 주점(Hp2)으로부터 운전수(14)까지의 거리를 WD로 할 때에 하기 수학식 2의 조건을 만족시키도록 구성되어 있다.In addition, the projection
수학식 2에 나타내는 조건은 수학식 1의 조건을 만족시키도록 정해진 릴레이 렌즈(21)의 출사동공(Pr2)의 위치(α의 값)에 따라서 투영 렌즈(L1)의 초점거리를 정하는 것이고, 릴레이 렌즈(21)의 출사동공(Pr2)의 위치와 관찰자 범위(Po)의 위치가 공역이 되도록 하는 조건이다.The condition shown in
또한, 투영 광학계(20)는 운전수의 시점이 이동하는 범위[이하, 관찰자 범위(Po)라고 칭한다]의 크기를 Dpo, 릴레이 렌즈(21)의 출사동공(Pr2)의 크기를 Dpr2로 할 때에 하기 수학식 3의 조건을 만족시키도록 구성되어 있다. 또한, 관찰자 범위(Po)의 크기(Dpo)는, 예를 들면 관찰자 범위를 원형으로 할 경우에는 그 직경, 또한 예를 들면 관찰자 범위(Po)를 장방형으로 할 경우에는 대각 길이로 하는 등, 관찰자 범위(Po)의 확대의 기준이 되는 길이로 한다. 또한, 출사동공(Pr2)의 크기란, 출사동공(Pr2)의 직경을 말한다.In addition, the projection
수학식 3에 나타내는 조건은 수학식 1의 조건을 만족시키도록 정해진 릴레이 렌즈(21)의 출사동공(Pr2)의 위치에 따라서 릴레이 렌즈(21)의 출사동공(Pr2)의 크기(Dpr2)와 관찰자 범위(Po)의 크기(Dpo)의 비율을 정하는 것이고, 수학식 1에서 정해진 텔레센트릭성 표시광(26)을 효율적으로 이용하여 가장 고휘도, 고콘트라스트의 허상(Iv)을 소정 사이즈의 관찰자 범위(Po)에서 관찰할 수 있게 하기 위한 조건이다.The condition shown in equation (3) is the size (Dpr2) and the observer of the exit pupil (Pr2) of the relay lens (21) in accordance with the position of the exit pupil (Pr2) of the relay lens (21) determined to satisfy the condition of equation (1). The ratio of the size Dpo of the range Po is determined, and the most high luminance and high contrast virtual image Iv is obtained by using the telecentric display light 26 determined by
또한, 투영 광학계(20)는 운전수(14)로부터 허상(Iv)까지의 거리를 L, 액정 표시 패널(16)에 표시되는 화상의 크기에 대한 허상(Iv)의 확대 배율을 M으로 할 때에 하기 수학식 4의 조건을 만족시키도록 구성되어 있다.In addition, the projection
릴레이 렌즈(21)의 액정 표시 패널(16)측의 유효 F넘버는 L/(M×Dpo)에 비례한다. 따라서, L/(M×Dpo)의 값이 수학식 4의 하한을 하회하면 릴레이 렌즈(21)의 F넘버가 작아져 충분하게 수차를 보정할 수 없게 된다. 한편, L/(M×Dpo)의 값이 수학식 4의 상한을 상회하면 릴레이 렌즈(21)의 배율이 작아져 소정 휘도의 허상(Iv)을 표시하려고 하면 액정 표시 패널(16)의 대형화를 초래한다.The effective F number on the liquid
투영 광학계(20)는 상술한 수학식 1~수학식 4의 조건을 만족시키도록 구성되어 있음으로써 도 3(A)에 모식적으로 나타내는 바와 같이, 액정 표시 패널(16)로부터 릴레이 렌즈(21)의 광축에 대략 평행하게 출사되는 텔레센트릭성 표시광(26)만이 허상(Iv)의 표시에 이용된다. 이 텔레센트릭성 표시광(26)은 릴레이 렌즈(21)에 의해 실상(Ir)으로 확대되어서 결상되고, 이 실상(Ir)은 투영 렌즈(L1)에 의해 더욱 확대되어서 앞유리(13)에 투영된다.As the projection
도 3에서는 번잡함을 피하기 위해서 도면에는 나타내지 않지만, 앞유리(13)에 반사된 표시광(26)은 관찰자 범위(Po) 내의 한 점에서 관찰하는 운전수(14)의 눈에 입사된다. 액정 표시 패널(16)의 한 점으로부터 출사되는 텔레센트릭성 표시광(26)은 투영 렌즈(L1)에 의해 관찰자 범위(Po) 내에 입체각을 넓히도록 입사되기 때문에 운전수(14)는 이들 동일한 한 점으로부터 출사된 표시광(26)의 가상적인 교점의 위치에 실상(Ir)을 더욱 확대한 허상(Iv)을 앞유리(13) 너머로 관찰한다.In FIG. 3, although not shown in the drawing to avoid the trouble, the display light 26 reflected by the
예를 들면, 도 3(B)에 모식적으로 나타내는 바와 같이, 운전수(14)가 관찰자 범위(Po)의 하단으로부터 허상(Iv)을 관찰할 경우, 표시광(26a)이 운전수(14)의 눈에 입사된다. 이 표시광(26a)은 액정 표시 패널(16)로부터 약간 비스듬하게 상방으로 출사되지만, 휘도나 콘트라스트가 출력해야 할 정상의 값으로 간주할 수 있는 시야각으로 출사되는 텔레센트릭성 표시광(26a)이다. 또한, 운전수(14)가 관찰자 범위(Po)의 상단으로부터 허상(Iv)을 관찰할 경우에도 이 관찰자 범위(Po)의 하단으로부터 관찰하는 허상(Iv)도 액정 표시 패널(16)을 약간 비스듬하게 하방으로 출사하지만 휘도나 콘트라스트가 정상인 텔레센트릭성 표시광(26)에 의해 표시된다.For example, as shown schematically in FIG. 3B, when the
이러한, 운전수(14)가 관찰자 범위(Po)에 있는 위치로부터 관찰하는 허상(Iv)이 텔레센트릭성 표시광(26)에 의해 표시되는 것은 관찰자 범위(Po)의 상단이나 하단, 또는 중앙이라고 한 특이한 점에서만 성립하는 것은 아니고, 관찰자 범위(Po) 내의 어느 위치로부터 허상(Iv)을 관찰하는 경우에도 마찬가지로 허상(Iv) 은 텔레센트릭성 표시광(26)에 의해 표시된다.Such a virtual image Iv, which the
또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 텔레센트릭성 표시광(26)을 허상(Iv)의 표시에 이용하기 위해서 릴레이 렌즈(21) 내에 실제 조리개를 배치할 필요는 없다. 투영 광학계(20)가 수학식 1~수학식 4의 조건을 만족하도록 구성되어 있음으로써, 관찰자 범위(Po)로부터 허상(Iv)을 관찰할 경우에 운전수(14)의 눈에 입사되는 표시광(26)은 릴레이 렌즈(21)의 출사동공(Pr2)과 공역인 릴레이 렌즈(21) 내부의 실제의 출사동공(이하, 실동)으로부터 출사되는 표시광(26)에 자동적으로 한정된다. 이 릴레이 렌즈(21)의 실동(27)의 크기는 관찰자 범위(Po)의 공역상과 같거나, 또는 관찰자 범위(Po)의 공역상보다 크면 좋고, 투영 광학계(20)가 수학식 1~수학식 4의 조건을 만족시키도록 구성됨으로써 실동(27)의 크기는 관찰자 범위(Po)의 공역상과 같은 크기가 된다.In addition, as shown in FIG. 3, in order to use the telecentric display light 26 for displaying the virtual image Iv, it is not necessary to arrange the actual aperture within the
또한, 투영 광학계(20)는 상술한 수학식 1~수학식 4의 조건을 만족시키도록 구성되어 있기 때문에, 도 4에 모식적으로 나타내는 바와 같이, 관찰자 범위(Po)와 릴레이 렌즈(21)의 출사동공(Pr2)은 서로 공역인 위치로 되어 있다. 이것에 의해, 액정 표시 패널(16)로부터 텔레센트릭성 시야각으로 출사되는 표시광(26)은 모두 관찰자 범위(Po)에 입사된다. 따라서, 액정 표시 패널(16)로부터 출사하는 표시광(26) 중에 휘도나 콘트라스트가 정상인 시야각으로 출사된 표시광(26)은 가장 효율적으로 허상(Iv)의 표시에 이용된다.Moreover, since the projection
특히, 릴레이 렌즈(21)의 물체측 주점(Hr2)과 릴레이 렌즈(21)의 출사동공(Pr2)을 일치시키지 않고, 상술한 바와 같이 릴레이 렌즈(21)의 물체측 주 점(Hr2)으로부터 릴레이 렌즈(21)의 출사동공(Pr2)까지의 거리(α)를 수학식 1의 조건의 범위 내로 정함으로써 액정 표시 패널(16)로부터 출사되는 텔레센트릭성 표시광(26)의 범위와 관찰자 범위(Po)가 일치한다. 이것에 의해, 관찰자 범위(Po)의 어느 위치로부터 허상(Iv)을 관찰할 경우라도 허상(Iv)의 표시에 적절한 휘도나 콘트라스트에 음영이 생기지 않는 텔레센트릭성 표시광(26)만이 허상(Iv)의 표시에 이용된다.In particular, as described above, the object-side main point Hr2 of the
또한, 투영 광학계(20)는 L/(M×Dpo)의 값이 수학식 4의 조건의 범위 내의 값으로 되어 있음으로써 충분하게 수차를 보정할 수 있게 함과 아울러 충분하게 작은 백라이트(17)로 고휘도, 고콘트라스트의 허상(Iv)을 표시한다.In addition, the projection
이하에, 투영 광학계(20)의 구체적인 예를 실시예 1~3으로서 나타낸다. 또한, 액정 표시 패널(16) 상에 표시하는 화상의 크기를 실시예 1에서는 30mm×10mm, 실시예 2 및 실시예 3에서는 15mm×5mm로 하고, 운전수(14)로부터 허상(Iv)까지의 거리(L)가 2m로 되도록 구성했다. 또한, 각 실시예에서 나타내는 렌즈 데이터에서는 L, f1, f3, α, b, δ, Dpo, Dpr2, WD의 단위는 모두 mm로 했다.Below, the specific example of the projection
[실시예 1]Example 1
도 5에 나타내는 바와 같이, 투영 광학계(31)는 상측으로부터 차례대로 상측에 프레넬면이 형성된 투영 렌즈(L1)와, 제 2 렌즈(L2), 제 3 렌즈(L3), 제 4 렌즈(L4)의 3매의 렌즈로 이루어지는 릴레이 렌즈(32)로 구성된다. 이들 투영 광학계(31)를 구성하는 렌즈의 각 면을 상측으로부터 차례대로 면 번호(i)(i=1~8)를 이용하여 Si로 나타낸다. 또한, 인접하는 면(Si) 사이의 간격[면(Si)과 면(Si+1)의 광축 상의 면 간격]을 Di로 한다.As shown in FIG. 5, the projection optical system 31 has the projection lens L1 in which the Fresnel surface was formed in order from the image side, the 2nd lens L2, the 3rd lens L3, and the 4th lens L4. The relay lens 32 is composed of three lenses. Each surface of the lens which comprises these projection optical system 31 is represented by Si using surface number i (i = 1-8) sequentially from an image side. In addition, the space | interval (surface space | interval on the optical axis of the surface Si and the surface Si + 1) between adjacent surfaces Si is set to Di.
투영 광학계(31)의 렌즈 데이터로서, 각 면(Si)의 곡률반경(Ri)(mm), 각 면 간격(Di)(mm), 상측으로부터 차례대로 렌즈의 번호를 j(j=1~4)로 해서 d선(587.6nm)에 대한 각 렌즈(Lj)의 굴절률(Ndj), 각 렌즈(Lj)의 아베수(υdj)를 표 1에 나타낸다. As the lens data of the projection optical system 31, the number of lenses is sequentially determined from the curvature radius Ri (mm) of each surface Si, the surface spacing Di (mm), and the image side in order from j (j = 1 to 4). In Table 1, the refractive index Ndj of each lens Lj and the Abbe's number υdj of each lens Lj with respect to the d line (587.6 nm) are shown in Table 1).
또한, 표 1의 하단에는 릴레이 렌즈(32)의 초점거리(f1), 릴레이 렌즈(32)의 상측 주점(Hr2)으로부터 릴레이 렌즈(32)의 출사동공(Pr2)까지의 거리(α), 투영 렌즈(L1)의 초점거리(f3), 릴레이 렌즈(32)의 상측 주점(Hr2)으로부터 실상(Ir)까지의 거리(b), 실상(Ir)으로부터 투영 렌즈(L1)의 물체측 주점(Hp1)까지의 거리(δ), 투영 렌즈(L1)의 상측 주점(Hp2)으로부터 관찰자 범위(Po)까지의 거리(WD), 관찰자 범위(Po)의 크기(Dpo), 릴레이 렌즈(32)의 출사동공(Pr2)의 크기(Dpr2), 액정 표시 패널(16) 상의 화상에 대한 허상(Iv)의 확대 배율(M), 관찰자 범위(Po)로부터 허상(Iv)까지의 거리(L), α/f1의 값, L/(M×Dpo)의 값을 나타낸다.In addition, the lower end of Table 1 shows the focal length f1 of the relay lens 32, the distance α from the upper main point Hr2 of the relay lens 32 to the exit pupil Pr2 of the relay lens 32, and the projection. The focal length f3 of the lens L1, the distance b from the image main main point Hr2 of the relay lens 32 to the actual image Ir, and the object side main point Hp1 of the projection lens L1 from the actual image Ir. Distance (δ), distance WD from the upper main point Hp2 of the projection lens L1 to the observer range Po, the size Dpo of the observer range Po, and the output of the relay lens 32 The size Dpr2 of the pupil Pr2, the magnification M of the virtual image Iv with respect to the image on the liquid
표 1에 나타내는 바와 같이, 릴레이 렌즈(32)를 구성하는 제 2 렌즈(L2)~제 4 렌즈(L4)의 각 면은 모두 구면으로 되어 있고, 제 4 렌즈(L4)의 액정 표시 패널(16)측(물체측)의 면(S8)으로부터 액정 표시 패널(16)의 화상 표시면까지의 간격은 52.720mm로 되어 있다.As shown in Table 1, each surface of the second lens L2 to the fourth lens L4 constituting the relay lens 32 has a spherical surface, and the liquid
표 1로부터 알 수 있듯이, 투영 광학계(31)는 α/f1=0.66이고, 수학식 1의 조건을 만족시킨다. 또한, 투영 렌즈(L1)의 초점거리(f3)는 α, b, δ, WD의 값으로부터 산출되는 수학식 2의 조건을 만족시키는 값으로 되어 있고, 관찰자 범위(Po)의 크기(Dpo)는 α, b, δ, Dpr2로부터 산출되는 수학식 3의 조건을 만족시키는 값으로 되어 있다. 마찬가지로 L/(M×Dpo)=3.98이고, 수학식 4의 조건을 만족시킨다.As can be seen from Table 1, the projection optical system 31 has α / f1 = 0.66, which satisfies the condition of Expression (1). In addition, the focal length f3 of the projection lens L1 is a value satisfying the condition of
투영 광학계(31)의 구면수차를 도 6(A)에, 비점수차를 도 6(B)에, 왜곡수차를 도 6(C)에 나타낸다. 구면수차는 e선(파장 546.1nm)에 대한 것을 실선으로, g선(파장 435.8nm)의 것을 파선으로, C선(파장 656.3nm)의 것을 2점 쇄선으로 나타낸다. 또한, 비점수차는 사지탈 방향의 것을 실선으로, 탄젠셜 방향의 것을 파선으로 나타낸다.Spherical aberration of the projection optical system 31 is shown in Fig. 6A, astigmatism is shown in Fig. 6B, and distortion is shown in Fig. 6C. The spherical aberration is represented by the solid line for the e line (wavelength 546.1 nm), the dashed line for the g line (wavelength 435.8 nm), and the two-dot chain line for the C line (wavelength 656.3 nm). In addition, astigmatism shows the thing of the sagittal direction by a solid line, and the thing of the tangential direction by a broken line.
도 7(A)~(D)에는 투영 광학계(31)의 상 높이 0mm, 25mm, 75mm, 80mm의 경우에 대해서 탄젠셜 방향의 횡수차를 나타낸다. 도 7(E)~(G)에는 투영 광학계(31)의 상 높이 25mm, 75mm, 80mm의 경우에 대해서 사지탈 방향의 횡수차를 나타낸다.7A to 7D show the lateral aberration in the tangential direction in the case of the image heights 0 mm, 25 mm, 75 mm, and 80 mm of the projection optical system 31. 7E to 7G show the lateral aberration in the sagittal direction with respect to the case of the image height 25mm, 75mm, 80mm of the projection optical system 31.
이상과 같이, 실시예 1의 투영 광학계(31)는 수학식 1~수학식 4의 조건을 만족시키도록 구성되어 있기 때문에, 소형 액정 표시 패널(16)로부터 출사되는 텔레센트릭성 표시광(26)을 효율적으로 이용하여, 관찰자 범위(Po)의 어느 위치로부터 허상(Iv)을 관찰할 경우에도 휘도나 콘트라스트에 음영이 생기는 일 없이, 밝고 균일한 허상(Iv)으로서 투영할 수 있다. 또한, 이 투영 광학계(31)를 탑재하면 헤드업 디스플레이 장치(10)는 소형 액정 표시 패널(16) 및 백라이트(17)로 밝고 균일한 허상(Iv)을 투영할 수 있기 때문에 소비전력이 적고, 소형이며 저렴하게 구성된다.As mentioned above, since the projection optical system 31 of Example 1 is comprised so that the conditions of Formula (1)-(4) may be satisfied, the telecentric display light 26 radiate | emitted from the small liquid
[실시예 2]Example 2
도 8에 나타내는 바와 같이, 투영 광학계(41)는 상측으로부터 차례대로 투영 렌즈(L1)와, 제 2 렌즈(L2), 제 3 렌즈(L3), 제 4 렌즈(L4), 제 5 렌즈(L5), 제 6 렌즈(L6)의 5매의 렌즈로 이루어지는 릴레이 렌즈(42)로 구성된다. 이들 투영 광학계(41)를 구성하는 렌즈의 각 면을 상측으로부터 차례대로 면 번호(i)(i=1~11)로 나타낸다. 또한, 인접하는 면(Si) 사이의 간격[면(Si)과 면(Si+1)의 광축 상의 면 간격]을 Di로 한다. 또한, 릴레이 렌즈(42)를 구성하는 제 3 렌즈(L3)와 제 4 렌즈(L4)는 면 S6에서 접합되어 있다.As shown in FIG. 8, the projection optical system 41 has the projection lens L1, the 2nd lens L2, the 3rd lens L3, the 4th lens L4, and the 5th lens L5 in order from an image side. And a relay lens 42 composed of five lenses of the sixth lens L6. Each surface of the lens which comprises these projection optical systems 41 is shown by surface number i (i = 1-11) in order from an image side. In addition, the space | interval (surface space | interval on the optical axis of the surface Si and the surface Si + 1) between adjacent surfaces Si is set to Di. In addition, the third lens L3 and the fourth lens L4 constituting the relay lens 42 are joined at the surface S6.
투영 광학계(41)의 렌즈 데이터로서 각 면(Si)의 곡률반경(Ri)(mm), 각 면 간격(Di)(mm), 상측으로부터 차례대로 렌즈의 번호를 j(j=1~6)로 해서 d선에 대한 각 렌즈(Lj)의 굴절률(Ndj), 각 렌즈(Lj)의 아베수(υdj)를 표 2에 나타낸다.As the lens data of the projection optical system 41, the lens number j is j (j = 1 to 6) in order from the curvature radius Ri (mm) of each surface Si, each surface space Di (mm), and from the image side. Table 2 shows the refractive index Ndj of each lens Lj and the Abbe number υdj of each lens Lj with respect to the d line.
또한, 표 2의 하단에는 릴레이 렌즈(42)의 초점거리(f1), 상측을 정방향으로 한 릴레이 렌즈(42)의 상측 주점(Hr2)으로부터 릴레이 렌즈(42)의 출사동공(Pr2)까지의 거리(α), 투영 렌즈(L1)의 초점거리(f3), 릴레이 렌즈(42)의 상측 주점(Hr2)으로부터 실상(Ir)까지의 거리(b), 실상(Ir)으로부터 투영 렌즈(L1)의 물체측 주점(Hp1)까지의 거리(δ), 투영 렌즈(L1)의 상측 주점(Hp2)으로부터 관찰자 범위(Po)까지의 거리(WD), 관찰자 범위(Po)의 크기(Dpo), 릴레이 렌즈(42)의 출사동공(Pr2)의 크기(Dpr2), 액정 표시 패널(16) 상의 화상에 대한 허상(Iv)의 확대 배율(M), 관찰자 범위(Po)로부터 허상(Iv)까지의 거리(L), α/f1의 값, L/(M×Dpo)의 값을 나타낸다. Further, at the lower end of Table 2, the distance from the focal length f1 of the relay lens 42 and the upper main point Hr2 of the relay lens 42 with the image side in the forward direction to the exit pupil Pr2 of the relay lens 42. (α), the focal length f3 of the projection lens L1, the distance b from the image-side main point Hr2 of the relay lens 42 to the actual image Ir, and the actual image Ir of the projection lens L1. Distance (δ) to object-side main point Hp1, distance from upper main point Hp2 of projection lens L1 to observer range Po, WD, observer range Po, size Dpo, relay lens The size Dpr2 of the exit pupil Pr2 of 42, the magnification M of the virtual image Iv with respect to the image on the liquid
표 2에 나타내는 바와 같이, 제 6 렌즈(L6)의 액정 표시 패널(16)측(물체측)의 면(S11)으로부터 액정 표시 패널(16)의 화상 표시면까지의 간격은 19.412mm로 했다. 또한, 릴레이 렌즈(42)를 구성하는 렌즈는 면 S2, 면 S4, 면 S6~면 S11을 구면으로 하고, 면 S1, 면 S3, 면 S5를 비구면으로 했다. 비구면으로 한 면 S1, 면 S3, 면 S5의 구체적인 형상은 광축으로부터 높이(y), 높이(y)의 비구면상의 점으로부터 비구면 정점의 접평면에 내린 수선의 길이를 x, 비구면 정점 근방에서의 곡률반경(r), 원뿔 계수(K), 제 2i 차(i=2~5)의 비구면 계수(A2i)를 이용하여 하기 수학식 5의 식으로 나타내어진다. 또한, 면 S1, 면 S3, 면 S5의 비구면 계수는 구체적으로는 표 3에 나타내는 값으로 했다.As shown in Table 2, the space | interval from the surface S11 of the liquid
표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 투영 광학계(41)는 α/f1=0.96이고, 수학식 1의 조건을 만족시킨다. 또한, 투영 렌즈(L1)의 초점거리(f3)는 α, b, δ, WD의 값으로부터 산출되는 수학식 2의 조건을 만족시키는 값으로 되어 있고, 관찰자 범위(Po)의 크기(Dpo)는 α, b, δ, Dpr2로부터 산출되는 수학식 3의 조건을 만족시키는 값으로 되어 있다. 마찬가지로 L/(M×Dpo)=1.43이고, 수학식 4의 조건을 만족시킨다.As can be seen from Table 2, the projection optical system 41 has α / f1 = 0.96, which satisfies the condition of Expression (1). In addition, the focal length f3 of the projection lens L1 is a value satisfying the condition of
투영 광학계(41)의 구면수차를 도 9(A)에, 비점수차를 도 9(B)에, 왜곡수차를 도 9(C)에 나타낸다. 또한, 도 10(A)~(D)에는 상 높이 0mm, 25mm, 75mm, 80mm의 경우에 대하여 탄젠셜 방향의 횡수차를, 도 10(E)~(G)에는 상 높이 25mm, 75mm, 80mm의 경우에 대하여 사지탈 방향의 횡수차를 나타낸다. 또한, 이들 각 수차의 표기는 실시예 1과 마찬가지로 한다. Spherical aberration of the projection optical system 41 is shown in Fig. 9A, astigmatism is shown in Fig. 9B, and distortion is shown in Fig. 9C. 10 (A)-(D), the transverse aberration in the tangential direction is shown in the case of the image height 0mm, 25mm, 75mm, 80mm, and the image height 25mm, 75mm, 80mm in FIGS. 10 (E)-(G). In this case, the lateral aberration in the sagittal direction is shown. In addition, the description of each of these aberrations is the same as that of the first embodiment.
이상과 같이, 실시예 2의 투영 광학계(41)는 수학식 1~수학식 4의 조건을 만족시키도록 구성되어 있기 때문에 소형 액정 표시 패널(16)로부터 출사되는 텔레센트릭성 표시광(26)을 효율적으로 이용하여 소형 액정 표시 패널(16)에 표시되는 화상을 휘도나 콘트라스트에 음영을 발생시키는 일 없이, 밝고 균일한 허상(Iv)으로서 투영할 수 있다. 또한, 이 투영 광학계(41)를 탑재하면, 헤드업 디스플레이 장치(10)는 소형 액정 표시 패널(16) 및 백라이트(17)로 밝고 균일한 허상(Iv)을 투영할 수 있기 때문에 소비전력이 적고, 소형이며 저렴하게 구성된다.As described above, since the projection optical system 41 of the second embodiment is configured to satisfy the conditions of
[실시예 3]Example 3
도 11에 나타내는 바와 같이, 투영 광학계(51)는 상측으로부터 차례대로 상측에 프레널면이 형성된 투영 렌즈(L1)와, 제 2 렌즈(L2)~제 8 렌즈(L8)의 7매의 렌즈로 이루어지는 릴레이 렌즈(52)로 구성된다. 이들 투영 광학계(51)를 구성하는 렌즈의 각 면을 상측으로부터 차례대로 면 번호(i)(i=1~15)를 이용하여 Si로 나타낸다. 또한, 인접하는 면(Si) 사이의 간격[면(Si)과 면(Si+1)의 광축 상의 면 간격]을 Di로 한다. 또한, 릴레이 렌즈(52)를 구성하는 제 5 렌즈(L5)와 제 6 렌즈(L6)는 면 S10에서 접합되어 있다. As shown in FIG. 11, the projection optical system 51 consists of the projection lens L1 in which the Fresnel surface was formed in the image side in order from an image side, and the seven lenses of 2nd lens L2-the 8th lens L8. It consists of a relay lens 52. Each surface of the lens which comprises these projection optical systems 51 is represented by Si using surface number i (i = 1-15) in order from an image side. In addition, the space | interval (surface space | interval on the optical axis of the surface Si and the surface Si + 1) between adjacent surfaces Si is set to Di. In addition, the fifth lens L5 and the sixth lens L6 constituting the relay lens 52 are joined at the surface S10.
투영 광학계(51)의 렌즈 데이터로서 각 면(Si)의 곡률반경(Ri)(mm), 각 면 간격(Di)(mm), 상측으로부터 차례대로 렌즈 번호를 j(j=1~8)로 해서 d선에 대한 각렌즈(Lj)의 굴절률(Ndj), 각 렌즈(Lj)의 아베수(υdj)를 표 4에 나타낸다. As the lens data of the projection optical system 51, the lens number is j (j = 1 to 8) in order from the radius of curvature Ri (mm) of each surface Si, the distance of each surface Di (mm), and the image side. Table 4 shows the refractive index Ndj of the angle lens Lj and the Abbe number υdj of each lens Lj with respect to the d line.
또한, 표 4의 하단에는 릴레이 렌즈(52)의 초점거리(f1), 릴레이 렌즈(52)의 상측 주점(Hr2)으로부터 릴레이 렌즈(52)의 출사동공(Pr2)까지의 거리(α), 투영 렌즈(L1)의 초점거리(f3), 릴레이 렌즈(52)의 상측 주점(Hr2)으로부터 실상(Ir)까지의 거리(b), 실상(Ir)으로부터 투영 렌즈(L1)의 물체측 주점(Hp1)까지의 거리(δ), 투영 렌즈(L1)의 상측 주점(Hp2)으로부터 관찰자 범위(Po)까지의 거리(WD), 관찰자 범위(Po)의 크기(Dpo), 릴레이 렌즈(52)의 출사동공(Pr2)의 크기(Dpr2), 액정 표시 패널(16) 상의 화상에 대한 허상(Iv)의 확대 배율(M), 관찰자 범위(Po)로부터 허상(Iv)까지의 거리(L), α/f1의 값, L/(M×Dpo)의 값을 나타낸다. In addition, the lower end of Table 4 shows the focal length f1 of the relay lens 52, the distance α from the upper main point Hr2 of the relay lens 52 to the exit pupil Pr2 of the relay lens 52, and the projection. The focal length f3 of the lens L1, the distance b from the image main main point Hr2 of the relay lens 52 to the actual image Ir, and the object side main point Hp1 of the projection lens L1 from the actual image Ir. Distance (δ), distance WD from the upper main point Hp2 of the projection lens L1 to the observer range Po, the size Dpo of the observer range Po, and the output of the relay lens 52 The size Dpr2 of the pupil Pr2, the magnification M of the virtual image Iv with respect to the image on the liquid
표 4에 나타내는 바와 같이, 릴레이 렌즈(52)를 구성하는 제 2 렌즈(L2)~제 8 렌즈(L8)의 각 면은 모두 구면으로 되어 있고, 제 8 렌즈(L8)의 액정 표시 패널(16)측(물체측)의 면(S15)으로부터 액정 표시 패널(16)의 화상 표시면까지의 간격은 19.886mm로 되어 있다. As shown in Table 4, each surface of the second lens L2 to the eighth lens L8 constituting the relay lens 52 is all spherical, and the liquid
표 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 투영 광학계(51)는 α/f1=0.68이고, 수학식 1의 조건을 만족시킨다. 또한, 투영 렌즈(L1)의 초점거리(f3)는 α, b, δ, WD의 값으로부터 산출되는 수학식 2의 조건을 만족시키는 값으로 되어 있고, 관찰자 범위(Po)의 크기(Dpo)는 α, b, δ, Dpr2로부터 산출되는 수학식 3의 조건을 만족시키는 값으로 되어 있다. 마찬가지로 L/(M×Dpo)=2.00이고, 수학식 4의 조건을 만족시킨다.As can be seen from Table 4, the projection optical system 51 has α / f1 = 0.68, and satisfies the condition of Expression (1). In addition, the focal length f3 of the projection lens L1 is a value satisfying the condition of
투영 광학계(51)의 구면수차를 도 12(A)에, 비점수차를 도 12(B)에, 왜곡수차를 도 12(C)에 나타낸다. 또한, 도 13(A)~(D)에는 상 높이 0mm, 25mm, 75mm, 80mm의 경우에 대해서 탄젠셜 방향의 횡수차를, 도 13(E)~(G)에는 상 높이 25mm, 75mm, 80mm의 경우에 대해서 사지탈 방향의 횡수차를 나타낸다. 또한, 이들 각 수차의 표기는 실시예 1과 같은 마찬가지로 한다.Spherical aberration of the projection optical system 51 is shown in Fig. 12A, astigmatism is shown in Fig. 12B, and distortion is shown in Fig. 12C. 13 (A) to (D), the transverse aberration in the tangential direction is shown in the case of the image height 0 mm, 25 mm, 75 mm, and 80 mm, and the image height 25 mm, 75 mm, and 80 mm in FIGS. 13E and (G). In this case, the lateral aberration in the sagittal direction is shown. In addition, the description of each of these aberrations is similar to that of the first embodiment.
이상과 같이, 실시예 3의 투영 광학계(51)는 수학식 1~수학식 4의 조건을 만족시키도록 구성되어 있기 때문에 소형 액정 표시 패널(16)로부터 출사되는 텔레센트릭성 표시광(26)을 효율적으로 이용하여 관찰자 범위(Po)의 어느 위치로부터 허상(Iv)을 관찰할 경우에도 휘도나 콘트라스트에 음영을 발생시키는 일 없이, 밝고 균일한 허상(Iv)으로서 투영할 수 있다. 또한, 이 투영 광학계(51)를 탑재하면, 헤드업 디스플레이 장치(10)는 소형 액정 표시 패널(16) 및 백라이트(17)로 밝고 균일한 허상(Iv)을 투영할 수 있기 때문에 소비전력이 적고, 소형이며 저렴하게 구성된다.As described above, since the projection optical system 51 of Example 3 is configured to satisfy the conditions of
또한, 상술한 실시형태에서는 투영 렌즈(L1)로서 프레넬 렌즈 등의 굴절 렌즈를 사용하지만, 이것에 한하지 않고 미러 비구면 렌즈 등의 렌즈 효과가 있는 광학 부재를 투영 렌즈(L1)로서 사용해도 된다. 또한, 상술한 실시형태에서는 투영 렌즈(L1)는 1매의 굴절 렌즈로 이루어지는 예를 나타내지만, 복수매의 굴절 렌즈로 투영 렌즈(L1)를 구성해도 좋고, 또한 굴절 렌즈와 다른 렌즈 효과가 있는 광학 부재를 조합해서 투영 렌즈(L1)를 구성해도 좋다.In addition, although the above-mentioned embodiment uses refractive lenses, such as a Fresnel lens, as projection lens L1, you may use not only this but optical members with lens effects, such as a mirror aspherical lens, as projection lens L1. . In addition, although the projection lens L1 shows the example which consists of one refractive lens in embodiment mentioned above, you may comprise the projection lens L1 with several refractive lenses, and there exists a lens effect different from a refractive lens. The optical lens may be combined to constitute the projection lens L1.
또한, 상술한 실시형태에서는 액정 표시 패널(16)로서 15mm×5mm의 0.8형의 액정 표시 패널이나 30mm×10mm의 액정 표시 패널을 사용하지만 이것에 한정하지 않고, 어스펙트비나 표시 영역의 크기가 상이한 다른 액정 표시 패널을 사용해도 좋다. 마찬가지로, 표시하는 허상(Iv)의 크기 등, 헤드업 디스플레이 장치의 종별이나 용도 등에 따라서 정해지는 값은 상술한 실시형태에서 나타내는 값에 한하지 않고, 적당하게 설정하면 좋다. In addition, although the above-mentioned embodiment uses the 0.8 type liquid crystal display panel of 15 mm x 5 mm, and the liquid crystal display panel of 30 mm x 10 mm as a liquid
또한, 상술한 실시형태에서는 본 발명의 헤드업 디스플레이 장치로서 자동차용의 것을 예로 들어 설명하지만, 이에 한정하지 않고 항공기나 선박 등의 다른 것에도 본 발명의 헤드업 디스플레이 장치를 적합하게 사용할 수 있다. 이와 같이, 자동차 이외에 본 발명의 헤드업 디스플레이 장치를 적용하는 경우에는, 표시광을 확대 투영하는 반사면(자동차에서는 앞유리)의 형상에 따라서 비회전 대칭 비구면의 면 형상으로 하면서도 오목면 미러의 상세한 면 형상을 개별적으로 결정할 필요가 있다. 또한, 차종 등에 따라서는 앞유리의 경사나 만곡의 상태는 상이하므로 본 발명의 헤드업 디스플레이 장치를 자동차에 사용할 경우라도 마찬가지의 조절이 필요해진다. In the above-described embodiment, the head-up display device of the present invention is described as an example for automobiles. However, the head-up display device of the present invention can be suitably used for other things such as aircrafts and ships. As described above, in the case of applying the head-up display device of the present invention in addition to the automobile, the concave mirror is detailed while the surface of the non-rotationally symmetric aspherical surface is formed in accordance with the shape of the reflective surface (windshield in the automobile) for expanding and projecting the display light. It is necessary to determine the face shape individually. Moreover, since the state of the inclination and curvature of a windshield differs according to a vehicle model etc., the same adjustment is required even when using the head-up display apparatus of this invention for an automobile.
또한, 헤드업 디스플레이 장치는 자동차의 대시보드 등에 설치되는 것이므로 이 헤드업 디스플레이 장치를 구성하는 각 부는 내열성이 우수한 것이 바람직하다.In addition, since the head-up display device is installed in a dashboard of a vehicle or the like, it is preferable that each part constituting the head-up display device is excellent in heat resistance.
도 1은 헤드업 디스플레이 장치의 개략을 나타내는 설명도이다.1 is an explanatory diagram showing an outline of a head-up display device.
도 2는 투영 광학계의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다.It is explanatory drawing which shows typically the structure of a projection optical system.
도 3은 표시광의 광로를 모식적으로 나타내는 설명도이다.3 is an explanatory diagram schematically showing an optical path of display light.
도 4는 릴레이 렌즈의 출사동공을 모식적으로 나타내는 설명도이다.It is explanatory drawing which shows typically the exit pupil of a relay lens.
도 5는 실시예 1의 투영 광학계의 단면도이다.5 is a cross-sectional view of the projection optical system of Example 1. FIG.
도 6은 실시예 1의 투영 광학계의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차를 나타내는 수차도이다. 6 is an aberration diagram showing spherical aberration, astigmatism, and distortion aberration of the projection optical system of Example 1. FIG.
도 7은 실시예 1의 투영 광학계의 횡수차도이다.7 is a horizontal aberration diagram of the projection optical system of Example 1. FIG.
도 8은 실시예 2의 투영 광학계의 단면도이다.8 is a cross-sectional view of the projection optical system of Example 2. FIG.
도 9는 실시예 2의 투영 광학계의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차를 나타내는 수차도이다. 9 is aberration diagrams showing spherical aberration, astigmatism, and distortion aberration of the projection optical system of Example 2. FIG.
도 10은 실시예 2의 투영 광학계의 횡수차도이다.10 is a horizontal aberration diagram of the projection optical system of Example 2. FIG.
도 11은 실시예 3의 투영 광학계의 단면도이다.11 is a cross-sectional view of the projection optical system of Example 3. FIG.
도 12는 실시예 3의 투영 광학계의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차를 나타내는 수차도이다.12 is aberration diagrams showing spherical aberration, astigmatism, and distortion aberration of the projection optical system of Example 3. FIG.
도 13은 실시예 3의 투영 광학계의 횡수차도이다.13 is a horizontal aberration diagram of the projection optical system of Example 3. FIG.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10 : 헤드업 디스플레이 장치 14 : 운전수(관찰자)10: head-up display device 14: driver (observer)
16 : 액정 표시 패널 17 : 백라이트(조명 수단)16 liquid crystal display panel 17 backlight (lighting means)
20, 31, 41, 51 : 투영 광학계 21, 32, 42, 52 : 릴레이 렌즈20, 31, 41, 51: projection
26 : 표시광 L1 : 투영 렌즈26: display light L1: projection lens
f1 : 릴레이 렌즈의 초점거리 f3 : 투영 렌즈의 초점거리f1: focal length of the relay lens f3: focal length of the projection lens
Iv : 허상 Ir : 실상Iv: virtual image Ir: real
Pr2 : 릴레이 렌즈의 출사동공 Hr2 : 릴레이 렌즈의 상측 주점Pr2: Exit pupil of the relay lens Hr2: Upper pub of the relay lens
Po : 관찰자 범위 Hp2 : 투영 렌즈의 상측 주점 Po: Observer range Hp2: Image main point of the projection lens
Hp1 : 투영 렌즈의 물체측 주점Hp1: Object side principal point of the projection lens
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