WO2018066062A1 - 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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WO2018066062A1
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image
forming unit
optical system
virtual image
image forming
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PCT/JP2016/079488
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谷津　雅彦
平田　浩二
星野　茂樹
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マクセル株式会社
株式会社日立産業制御ソリューションズ
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Definitions

  • the present invention relates to a projection optical system and a head-up display device.
  • a head-up display device projects an image on a windshield (windshield) provided in a moving body such as an automobile or an aircraft, and allows the projected image to be observed as a virtual image through the windshield.
  • Patent Document 1 includes a projection optical system that irradiates light from behind a transmissive liquid crystal display panel and enlarges and projects an image displayed on the liquid crystal display panel as a conventional head-up display device (summary). (Excerpt) "device is disclosed.
  • Patent Document 2 states that “the display device has a first mirror and a second mirror in the order of the optical path of the observer, and the conditional expression ⁇ x> ⁇ y (leads to the observer's viewpoint area to display a virtual image).
  • ⁇ x incident angle of the first mirror in the image major axis direction
  • ⁇ y incident angle of the first mirror in the image minor axis direction
  • D1 image display surface of the display device
  • the display device (summary excerpt) that satisfies the distance between the first mirror and the first mirror (the optical path length of the center of the viewpoint region) and Lh: the horizontal width of the virtual image viewed by the observer ”is disclosed.
  • Patent Document 3 “by projecting an image output from the projector 4 onto the screen 5, reflecting the image projected on the screen 5 to the front window 6 of the vehicle 2, and allowing the vehicle occupant 7 to visually recognize the image, A virtual image 8 of an image viewed by the vehicle occupant 7 is generated, and the screen 5 is movable so that the angle of the screen 5 with respect to the optical path of the projector 4 can be changed, and the angle of the screen 5 with respect to the optical path of the projector 4 is configured.
  • a “virtual image display device (summary excerpt)” configured to control an irradiation direction in which laser light is irradiated from the projector 4 to the screen 5. That is, Patent Document 3 discloses, as an example of a conventional head-up display device, a configuration in which a virtual image plane is tilted by tilting a screen with respect to an optical path of a projector.
  • JP 2009-229552 A US Patent Application Publication No. 2016/195719 Japanese Patent Laying-Open No. 2015-197496
  • a thin head-up display device is provided by disposing the display device and the first mirror (rotationally asymmetric mirror) in the horizontal direction.
  • the virtual image size is 140 ⁇ 70 mm, which is horizontally long, and the light beam is bent in the horizontal direction having a light beam size that is twice the vertical size. Therefore, even if the folding mirror is large and the head-up display device is thin, it is difficult to reduce the volume of the head-up display device.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a head-up display device in which a projection optical system has a minimum optical configuration and a virtual image plane is inclined while ensuring necessary performance.
  • a projection including an eyepiece optical system that forms image information and displays a virtual image by reflecting the image light emitted from an image forming unit that emits image light including the image information.
  • the eyepiece optical system includes a free-form surface lens and a free-form surface concave mirror in order from the image forming unit side along the emission direction of the image light, and tilts the virtual image surface to distant the virtual image.
  • a point on the image forming unit where a point on the image forming unit that is conjugate with a far point on the virtual image plane is conjugate with a near point on the virtual image plane in a state of being displayed in a range from a distance to a short distance.
  • a projection optical system characterized in that the projection optical system is optically separated from a light beam incident on the image forming unit. Characterized by
  • the figure of the free-form surface coefficient of the head up display device concerning a 1st embodiment
  • the figure showing the distortion performance seen from the center of the eyebox in 1st Embodiment The figure showing the distortion performance seen from the upper right of the eyebox in 1st Embodiment
  • the figure showing the distortion performance seen from the upper left of the eyebox in 1st Embodiment The figure showing the distortion performance seen from the lower left of the eyebox in 1st Embodiment
  • Angle deviation diagram of principal ray Ray1 and virtual ray Ray0 at each angle of view The figure which shows angle (theta) of principal ray Ray1 and virtual ray Ray0
  • Overall ray diagram (XZ plane) of the eyepiece optical system of the second embodiment The principal part enlarged view of the eyepiece
  • the figure of the free-form surface coefficient of the head up display device concerning a 2nd embodiment
  • the figure showing the distortion performance seen from the center of the eyebox in 2nd Embodiment The figure showing the distortion performance seen from the upper right of the eyebox in 2nd Embodiment
  • the figure showing the distortion performance seen from the upper left of the eyebox in 2nd Embodiment The figure showing the distortion performance seen from the lower left of the eyebox in 2nd Embodiment
  • Explanatory drawing of the principle of Shine proof in real image optical system Explanatory drawing of tilting object in real image optical system
  • FIG. 4 is a relationship diagram between a viewing angle and an aerial image according to the present invention.
  • the figure explaining the direction of the inclination of the liquid crystal display panel which concerns on this invention It is a schematic block diagram of a head-up display apparatus.
  • Schematic configuration diagram of an image forming unit provided in a head-up display device according to a third embodiment Schematic configuration diagram of an image forming unit included in a head-up display device according to a fourth embodiment
  • Functional block diagram of the image forming unit A plan view of a moving vehicle from the front
  • FIG. 22 is a schematic configuration diagram of the head-up display device 30.
  • the head-up display device 30 shown in FIG. 22 reflects the image light emitted from the projection optical system 20 including the image forming unit 10 and the eyepiece optical system 5 by a windshield 6 of an automobile (not shown), and the observer's A configuration for entering the eye 9 is provided. With this configuration, when viewed from the observer's eye 9, the virtual image plane 7 looks as if viewing image information.
  • FIG. 25 is a functional block diagram of the image forming unit.
  • the image forming unit 10 includes a liquid crystal display panel 2, a backlight 1, and a controller 200 that controls these operations.
  • the image forming unit 10 emits light from the backlight 1 to the liquid crystal display panel 2 and emits image information (video information) displayed on the liquid crystal display panel 2 toward the eyepiece optical system 5.
  • the controller 200 includes a control device 201.
  • Various information is input to the control device 201 from an external device.
  • the navigation 208 that is a navigation device that generates and outputs information related to the operation of the moving body on which the head-up display device 30 is mounted, and the ECU (Electronic Control Unit) 209 that controls the operation of the moving body are controlled. It is connected to the device 201.
  • Various sensors 210 included in the moving body are connected to the ECU 209, and the detected information is notified to the ECU 209.
  • the controller 200 includes a control device 201 that processes various data from the external device described above, and a backlight drive circuit 207 for driving the backlight 1.
  • the control device 201 includes a microcomputer 202 and a storage device 206 connected thereto.
  • the microcomputer 202 includes a RAM (Random Access Memory) 203 for storing various data from an external device, and a CPU (Central Processing Unit) that executes arithmetic processing for generating image data that is a source of a virtual image visually recognized by the observer. 205 and a ROM (Read Only Memory) 204 that stores programs and parameters that can execute arithmetic processing in the CPU 205.
  • RAM Random Access Memory
  • CPU Central Processing Unit
  • ROM Read Only Memory
  • Image information is displayed on the liquid crystal display panel 2 provided in the image forming unit 10 by the controller 200 having the above configuration.
  • the image forming unit 10 emits image information displayed on the liquid crystal display panel 2 as an image light beam by a light beam irradiated by the backlight 1.
  • the image light beam emitted from the image forming unit 10 is projected onto the windshield 6 by the eyepiece optical system 5.
  • the image light flux projected on the windshield 6 is reflected by the windshield 6 and reaches the position of the eye 9 of the observer. Accordingly, when viewed from the eyes 9 of the observer, a relationship as if viewing the image information of the virtual image plane 7 is established.
  • FIG. 22 shows the head-up display device 30 in a side view, but since the actual configuration of the head-up display device 30 is three-dimensional, the eyebox 8 has a two-dimensional expanse.
  • the eyepiece optical system 5 is an optical system that displays an image (virtual image) of an object (aerial image) in front of the observer's eyes, like an eyepiece lens of a camera finder or an eyepiece lens of a microscope. is there.
  • FIG. 26 is a plan view of an automobile 500 as a moving body as viewed from the front.
  • a windshield 6 that is a windshield as a windshield is arranged in front of the driver's seat.
  • the head-up display device 30 projects the image light flux onto the windshield 6 so that various information relating to the operation of the automobile 500 can be visually recognized by the observer in the driver's seat as a virtual image.
  • the position where the image light beam is projected is in front of or around the driver's seat. For example, the image light beam is projected at a position as indicated by a broken-line rectangular region R1.
  • FIG. 17A when the object surface 111 is disposed obliquely with respect to the convex lens 101, the real image surface 112 is formed obliquely.
  • the extension line of the main plane of the convex lens 101, the extension line of the object surface 111, and the extension line of the real image plane 112 intersect at one point (point A in the figure).
  • FIG. 17A illustrates the imaging of the real image optical system. Therefore, the top, bottom, left and right of the object surface 111 and the real image surface 112 are reversed.
  • the direction on the object surface 111 (white arrow) and the direction on the real image surface 112 (black arrow) indicate that the top and bottom are reversed.
  • FIG. 17B plots the position of the image plane Img related to the object Obj from the intersection of the light beam that is focused on the focal position F of the convex lens 101 and the light beam that is parallel to the optical axis of the convex lens 101. It is the figure calculated
  • the position of the image is far from the convex lens 101.
  • the image position Img2 is changed from the image position Img1. A tilted image is formed.
  • FIG. 18A is a diagram in which an extension line of the main plane of the convex lens 101, an extension line of the object surface 111, and an extension line of the virtual image plane 7 intersect at one point (point A in FIG. 18A).
  • the upper and lower sides and the right and left sides of the object surface 111 and the real image surface 112 are not reversed and are in the same direction.
  • FIG. 18B plots the position of the image plane Img related to the object Obj from the intersection of a light beam that is focused on the focal position F of the convex lens 101 and a light beam that is parallel to the optical axis of the convex lens 101. It is the figure calculated
  • the object Obj is disposed at a position closer to the focal position F of the convex lens 101. Therefore, unlike the real image optical system, the position where the two light beams intersect with the convex lens 101 is the object Obj. On the same side.
  • the position (object position) of the object Obj is moved from the object position Obj1 to the object position Obj2. That is, when the object Obj is moved away from the convex lens 101, the inclination of the light beam passing through the center of the convex lens 101 is reduced. Therefore, the image moves from the image position Img1 to the image position Img2. That is, the position of the image is far from the convex lens 101.
  • the image is moved from the image position Img1 to the image position Img2. It is tilted in the direction opposite to the direction of Obj.
  • the object surface corresponding to Img2 on the far side of the virtual image distance becomes the object position Obj2 on the far side of the convex lens 101. It is sufficient to incline like this.
  • FIG. 19 illustrates a case where the liquid crystal display panel 2 corresponding to the screen is tilted with respect to the light flux from the backlight 1 corresponding to the projector based on the relationship between the projector emitting the image light flux and the screen in the prior art. is doing.
  • the virtual image plane 7 can be tilted.
  • the position of the liquid crystal display panel 2 corresponding to the far side (Far) of the tilted virtual image plane 7 is close to the backlight 1.
  • the position of the liquid crystal display panel 2 corresponding to the side closer to the inclined virtual image plane 7 (Near) is separated from the backlight 1.
  • trapezoidal distortion occurs in the image.
  • the head-up display device 30 observes the virtual image from the position of the eye box 8. Accordingly, trapezoidal distortion when the virtual image plane 7 is tilted based on the Scheinproof principle will be described with reference to FIG.
  • the field of view from the eyebox 8 is rectangular.
  • an inverted trapezoidal virtual image needs to be represented on the tilted virtual image plane 7 in order for the visual field range to look rectangular when the virtual image is observed.
  • the “inverted trapezoidal shape” means that the upper side of the virtual image in the visual field range is long and the lower side is distorted. Since the object distance “far / close” is closer to 1 than the virtual image distance “far / close”, the object surface has a relaxed inverted trapezoid.
  • liquid crystal display panel 2 when the liquid crystal display panel 2 is arranged on this surface, it is necessary to perform processing for displaying an image in an inverted trapezoidal range within the image display range of the liquid crystal display panel 2, and the number of effective pixels is reduced. This reduces the amount of information that can be displayed.
  • the virtual image surface 7 when the virtual image surface 7 is inclined, the virtual image is formed in an inverted trapezoidal shape, and the trapezoidal distortion in the liquid crystal display panel 2 is caused by a non-rotationally symmetric free-form curved concave mirror 54 (shown in FIG. 2) and a free-form surface lens. 52, and the liquid crystal display panel 2 is tilted in the direction opposite to the Scheinproof principle.
  • the eyepiece optical system 5 By configuring the eyepiece optical system 5 using such an arrangement relationship, it is possible to correct trapezoidal distortion that occurs when the liquid crystal display panel 2 is tilted.
  • the head-up display device 30 even when the virtual image plane 7 is inclined, the virtual image is observed from the position of the eye box 8, so if the viewing angle viewed from the observer is rectangular, The trapezoidal distortion of the virtual image is not recognized. That is, when the virtual image plane is inclined, an inverted trapezoidal distortion-like virtual image may be displayed so that the trapezoidal distortion is not observed when viewed from the eye box 8. In this case, as shown in FIG. 21, it is important to correct the trapezoidal distortion in the screen (liquid crystal display panel 2) corresponding to the object surface.
  • the free curved concave mirror 54 and the free curved lens 52 having a non-rotationally symmetric shape are used, and the liquid crystal display panel 2 is tilted in the direction opposite to the Scheinproof principle.
  • the virtual image is formed in an inverted trapezoidal shape with the virtual image plane 7 tilted, and the trapezoidal distortion can be corrected in the liquid crystal display panel 2.
  • the free-form surface lens 52 includes an XY polynomial, it is possible to have a left-right asymmetrical and vertical asymmetrical lens action, a left-right asymmetrical phenomenon that occurs in the windshield 6, and It is also effective for correcting distortion performance that is asymmetrical in the vertical direction.
  • FIG. 1A is an overall ray diagram of the eyepiece optical system 5 of the first embodiment, and a virtual image plane in the YZ plane defined by the horizontal X axis, the vertical Y axis, and the Z axis orthogonal to the XY axis of the eyebox 8. 7 shows a state where the image information 7 is viewed with the eyes 9 of the observer.
  • FIG. 1A is an overall ray diagram of the eyepiece optical system 5 of the first embodiment, and a virtual image plane in the YZ plane defined by the horizontal X axis, the vertical Y axis, and the Z axis orthogonal to the XY axis of the eyebox 8. 7 shows a state where the image information 7 is viewed with the eyes 9 of the observer.
  • FIG. 1A is an overall ray diagram of the eyepiece optical system 5 of the first embodiment, and a virtual image plane in the YZ plane defined by the horizontal X axis, the vertical Y axis, and the Z axis
  • FIG. 1B is an overall ray diagram of the eyepiece optical system 5 according to the first embodiment, and shows a state in which the image information of the virtual image plane 7 is viewed by the observer's eyes 9 on the XZ plane defined in the same manner. ing.
  • the observer's eye 9 is represented by overlapping the right eye and the left eye.
  • the virtual image plane 7 has an inclination of about 80 degrees with respect to the viewing direction.
  • the positive virtual image distance of the Y coordinate that is above the visual field range is 20.6 m
  • the negative virtual image distance of the Y coordinate that is below the visual field range is 13.8 m.
  • the windshield 6 has a symmetrical shape with respect to the left-right direction of the automobile.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a main part of the eyepiece optical system 5 in the first embodiment.
  • the eyepiece optical system 5 has a concave lens 51, a free-form surface lens 52, a folding mirror 53, in the order from the liquid crystal display panel 2 side, in the emission direction of the image light flux in the liquid crystal display panel 2.
  • the free curved concave mirror 54 having positive refractive power and the windshield 6 are arranged side by side.
  • the refractive power of the eyepiece optical system 5 is mainly borne by the free-form curved concave mirror 54.
  • the concave lens 51 mainly realizes telecentricity, and the free-form surface lens 52 mainly corrects distortion.
  • the eyepiece optical system 5 in the first embodiment is configured such that the folding mirror 53 is positioned below the optical path of the image light beam reflected by the windshield 6 toward the free curved concave mirror 54.
  • the display device 30 can be reduced in size.
  • FIG. 3 is a ray diagram in which rays are drawn to the rear of the liquid crystal display panel 2 in order to explain the direction of inclination of the liquid crystal display panel 2.
  • the light beam with the farther virtual image distance is “Far” and the light beam with the near virtual image distance is “Near”. Is also displayed.
  • the position corresponding to the far-side light beam on the virtual image plane 7 will be described as a long-distance point, and the position corresponding to the near-side light beam in the virtual image plane 7 (see FIG. 1) will be described as a short-distance point.
  • the point on the liquid crystal display panel 2 that is conjugate with the far point (Far) is conjugate with the near point (Near) on the virtual image plane 7. It is optically separated from the light beam on the backlight 1 side than the point on the liquid crystal display panel 2.
  • the point on the liquid crystal display panel 2 that is conjugate with the far point (Far) on the virtual image plane 7 is on the liquid crystal display panel 2 that is conjugate with the short distance point (Near) on the virtual image plane 7. Is optically separated from the light beam incident on the liquid crystal display panel 2.
  • a point on the liquid crystal display panel 2 that is conjugated with a far-distance point (Far) on the virtual image plane 7 is a point on the liquid crystal display panel 2 that is conjugated with a near-distance point (Near) on the virtual image plane 7.
  • a point on the liquid crystal display panel 2 that is conjugated with a far-distance point (Far) on the virtual image plane 7 is a point on the liquid crystal display panel 2 that is conjugated with a near-distance point (Near) on the virtual image plane 7.
  • the light beam on the free-form curved concave mirror 54 side windshield 6 side
  • a point on the virtual image plane 7 that corresponds to the upper part in the Y-axis direction (see FIG. 1A) and is relatively far from the eye box 8 is a far-distance point (Far).
  • a point corresponding to the lower portion in the Y-axis direction (see FIG. 1A) and having a relatively close distance from the eye box 8 is defined as a near distance point (Near).
  • the point on the liquid crystal display panel 2 that is conjugate with the far point (Far) is more luminous flux (liquid crystal) on the backlight 1 side than the point on the liquid crystal display panel 2 that is conjugate with the near point (Near). Optically separated from the light flux incident on the display panel 2.
  • the point on the liquid crystal display panel 2 that is conjugated with the far point (Far) is more from the light flux on the free curved concave mirror 54 side than the point on the liquid crystal display panel 2 that is conjugated with the near point (Near). Optically close.
  • the direction of the inclination of the liquid crystal display panel 2 according to the present embodiment is opposite to the direction of the inclination of the screen in the prior art described with reference to FIG.
  • optical away / close from the light beam means “away / close” to the light beam passing through the liquid crystal display panel 2, and the space before and after the liquid crystal display panel 2 is filled with a medium. Even if optical components are arranged, the physical distance is not relevant.
  • FIG. 4 is a diagram showing lens data of the head-up display device 30 according to the first embodiment.
  • curvature radius represents the case where the center position of the curvature radius is in the traveling direction with a positive sign.
  • the “inter-surface distance” represents the distance on the optical axis from the vertex position of each surface to the vertex position of the next surface.
  • Eucentricity is a value in each of the X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction, and “falling” is rotation about the X-axis, rotation about the Y-axis, and rotation about the Z-axis.
  • “Eccentric / falling content” acts in the order of eccentricity and falling on the corresponding surface, and “ordinary eccentricity” has the following surface at the position of the inter-surface distance in the new coordinate system where the eccentricity / falling has acted. Be placed. The decentering and return of decenter and return only works on that side and does not affect the next side. Note that rotation around the X axis is positive when viewed from the positive direction of the X axis, clockwise rotation when viewed from the positive direction of the Y axis is positive, and rotation around the Z axis is positive when the Z axis is positive. Counterclockwise when viewed from the direction is positive.
  • Glass name is a name of a material of an optical element such as a lens, glass, mirror, etc.
  • 50.30 represents a material having a refractive index of 1.50 and an Abbe number of 30, and “52.60” is refracted. It represents a material with a ratio of 1.52 and an Abbe number of 60.
  • FIG. 5 is a diagram of free-form surface coefficients of the head-up display device 30 according to the first embodiment.
  • the free-form surface coefficient in FIG. 5 is obtained by the following equation (1).
  • the free-form surface coefficient Cj in the above equation (1) has a rotationally asymmetric shape with respect to each optical axis (Z axis), and is a shape defined by a conical term component and a XY polynomial term component. .
  • the position of each optical axis of the free-form surface is determined by the amount of “eccentricity / falling” in the lens data of FIG.
  • Table 1 shows specific numerical examples such as an eye box size (dimension of the eye box 8) and a viewing angle in the eyepiece optical system 5 according to the present embodiment.
  • the numerical order is the horizontal direction and the vertical direction.
  • the value obtained by dividing the focal length (-143 mm) of the concave lens by the focal length (355 mm) of the free-form concave mirror is -0.40.
  • FIG. 5A is a distortion diagram on the side of the liquid crystal display panel 2 due to light rays passing through the center of the eye box 8 with respect to the rectangular virtual image range.
  • 5B, FIG. 5C, FIG. 5D, and FIG. 5E are distortion diagrams on the liquid crystal display panel 2 side due to light rays that pass through the upper right corner, upper left corner, lower left corner, and lower right corner of the eye box 8.
  • FIGS. 6A to 6E have substantially the same shape. For example, if an image in accordance with the distortion diagrams of FIGS. 6A to 6E is displayed on the liquid crystal display panel 2, the observer has a rectangular shape without distortion. A virtual image can be observed.
  • FIG. 7 is a spot diagram of the head-up display device 30 of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a spot diagram on the liquid crystal display panel 2 when an object point is arranged on the virtual image plane.
  • the spot diagram by the light beam passing through the entire eye box 8 is red (650 nm), green (550 nm), and blue. It is the figure displayed separately at (450 nm).
  • the size of the eye box 8 is a spot diagram with a total light flux of horizontal 130 mm ⁇ vertical 40 mm.
  • the spot diagram is a diagram in which the spot diagram at each position of the liquid crystal display panel 2 in the reduction optical system with the virtual image as the object surface is enlarged and emphasized five times.
  • FIG. 8A is an angle deviation diagram of the principal ray Ray1 and the virtual ray Ray0 at each angle of view position.
  • FIG. 8B is a diagram showing the angle ⁇ between the principal ray Ray1 and the virtual ray Ray0.
  • the virtual ray Ray0 is a straight line obtained by rotating the normal line of the liquid crystal display panel 2 by 13 degrees around the rotation axis parallel to the long side of the liquid crystal display panel 2. That is, it means that the illumination optical system is tilted by 13 degrees with respect to the liquid crystal display panel 2. From FIG. 8A, it can be seen that the maximum angle deviation is as small as 1.9 degrees.
  • the liquid crystal display panel 2 is tilted in the direction opposite to the principle of Scheinproof in the virtual image optical system by the projection optical system using the free curved concave mirror 54, the free curved lens 52 and the concave lens.
  • the head-up display device 30 that realizes the inclination of the virtual image plane 7 can be provided.
  • the second embodiment is characterized in that the configuration of the eyepiece optical system 5 is different from that of the first embodiment.
  • a combination with the small liquid crystal display panel 2 is used, the folding mirror 53 is deleted, and the downsizing of the head-up display device 30 is prioritized.
  • FIG. 9A is an overall ray diagram of the eyepiece optical system 5 of the second embodiment.
  • the virtual image plane 7 is defined on the YZ plane defined by the horizontal X-axis, the vertical Y-axis, and the Z-axis orthogonal to the XY axis. This represents a state in which video information is viewed with an observer's eyes.
  • FIG. 9B shows a state in which video information on the virtual image plane 7 is viewed with an observer's eyes on the XZ plane.
  • the windshield 6 has a symmetrical shape with respect to the left-right direction of the automobile.
  • FIG. 10 is an enlarged view of a main part of the eyepiece optical system according to the second embodiment.
  • the eyepiece optical system 5 includes a concave lens 51, a free curved lens 52, a free curved concave mirror 54 having a positive refractive power, and a window from the polarizing plate 21 (component of the liquid crystal display panel 2).
  • the shield 6 is arranged side by side.
  • FIG. 11 is a ray diagram of a reduction optical system in which rays are drawn to the rear of the liquid crystal display panel 2 in order to explain the direction of inclination of the liquid crystal display panel 2.
  • this light ray diagram only the light ray on the far side (Far), the near side (Near), and the intermediate light ray are displayed for easy identification.
  • the point on the liquid crystal display panel 2 conjugated with the far point (Far) on the virtual image plane is more backlight than the point on the liquid crystal display panel 2 conjugated with the near point (Near) on the virtual image plane. It can be seen that it is optically separated from the light beam on the one side.
  • the point on the liquid crystal display panel 2 that is conjugated with the far distance point (Far) on the virtual image plane is more than the point on the liquid crystal display panel 2 that is conjugated with the near distance point (Near) on the virtual image plane. It can be seen that it is optically close to the light beam on the free curved concave mirror 54 side (wind shield 6 side).
  • the tilt direction of the liquid crystal display panel 2 is opposite to the tilt direction of the screen in Patent Document 3 described with reference to FIG.
  • the meaning of “optically away from / close to the light beam” means to leave / close to the light beam passing through the liquid crystal display panel 2, and the space before and after the liquid crystal display panel 2 is filled with a medium, or Even if optical components are arranged, the physical distance is not relevant.
  • FIG. 12 is a diagram showing lens data of the head-up display device 30 according to the second embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram of free-form surface coefficients of the head-up display device 30 according to the second embodiment.
  • values such as the eye box size and the viewing angle of the eyepiece optical system of the second embodiment are shown in the order of the horizontal direction and the vertical direction.
  • the value obtained by dividing the focal length ( ⁇ 90 mm) of the concave lens by the focal length (188 mm) of the free-form concave mirror is ⁇ 0.48.
  • FIGS. 14A to 14E, FIG. 15, FIG. 16A and FIG. 14A to 14E are diagrams showing the distortion performance of the head-up display device 30 according to the second embodiment. More specifically, FIG. 14A is a distortion diagram on the side of the liquid crystal display panel 2 due to light rays passing through the center of the eye box 8 with respect to the rectangular virtual image range. 14B, FIG. 14C, FIG. 14D, and FIG. 14E are distortion diagrams on the liquid crystal display panel 2 side due to light rays that pass through the upper right corner, upper left corner, lower left corner, and lower right corner of the eye box 8.
  • FIG. 15 is a spot diagram of the head-up display device 30 according to the second embodiment.
  • FIG. 15 is a spot diagram of the head-up display device 30 according to the second embodiment.
  • FIG. 16A is an angle deviation diagram of the principal ray Ray1 and the virtual ray Ray0 at each angle of view position.
  • FIG. 16B is a diagram showing an angle ⁇ between the principal ray and the normal line of the liquid crystal display panel 2.
  • the virtual ray Ray0 is a straight line obtained by rotating the normal line of the liquid crystal display panel 2 by 13 degrees around the rotation axis parallel to the long side of the liquid crystal display panel 2. That is, it means that the illumination optical system is tilted by 13 degrees with respect to the liquid crystal display panel 2.
  • FIG. 16A shows that the maximum value of the angle deviation is as small as 3.9 degrees.
  • the projection optical system using the free curved concave mirror 54, the free curved lens 52, and the concave lens 51 allows the liquid crystal display panel 2 to be placed in a direction opposite to the principle of Scheimpflug in the virtual image optical system.
  • the head-up display device 30 realizing the tilt of the virtual image plane 7 can be provided.
  • FIG. 23 is a schematic configuration diagram of an image forming unit provided in the head-up display device according to the third embodiment.
  • video information of the liquid crystal display panel 2 is directly enlarged by the eyepiece optical system 5 and displayed as a virtual image.
  • a light valve is provided as a light source, and the image information is enlarged and mapped on a screen plate (diffusion plate) by a relay optical system 3 using a smaller liquid crystal display panel 2.
  • the video information is enlarged by an eyepiece optical system and displayed as a virtual image.
  • the light beam emitted from the backlight 1 to the liquid crystal display panel 2 is incident on the relay optical system 3 as an image light beam including video information displayed on the liquid crystal display panel 2.
  • the image information on the liquid crystal display panel 2 is enlarged and projected on the screen plate (diffusion plate) 4 by the imaging action in the relay optical system 3.
  • Points P1, P2, and P3 on the liquid crystal display panel 2 correspond to points Q1, Q2, and Q3 of the screen plate (diffusion plate) 4, respectively.
  • the backlight 1, the liquid crystal display panel 2, the relay optical system 3, and the screen plate (diffusion plate) 4 form image information (video information) on the screen plate (diffusion plate) 4.
  • the forming unit 10 is referred to.
  • the screen plate (diffusion plate) 4 is constituted by a microlens array in which microlenses are arranged two-dimensionally. As a result, a diffusing action occurs, the spread angle of the light beam emitted from the screen plate 4 is increased, and the size of the eye box 8 is set to a predetermined size.
  • the diffusing action of the screen plate (diffusion plate) 4 can also be realized by incorporating diffusing particles.
  • FIG. 24 is a schematic configuration diagram of an image forming unit provided in the head-up display device according to the fourth embodiment.
  • the video information of the liquid crystal display panel 2 is mapped onto the screen plate 4 having a diffusion function.
  • the laser light source is optically scanned to perform the diffusion function.
  • a method of forming an optical scanning image on the screen plate 4 having The image forming unit 10 of the fourth embodiment may use a micro electro mechanical system as an optical scanning unit.
  • the position where optical scanning is performed by rotating the reflection surface and swinging the light beam angle is arranged in accordance with the exit pupil position.
  • the rotational center position of the reflecting surface in the MEMS 102 is configured to match the position assumed on the eyepiece optical system 5 side.
  • SYMBOLS 1 Backlight
  • 2 Liquid crystal display panel
  • 3 Relay optical system
  • 4 Screen board (diffusion board)
  • 5 ... Eyepiece optical system
  • 6 ... Wind shield
  • 7 ... Virtual image surface
  • 8 ... Eye box
  • 9 ... Eye DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Image formation unit, 20 ... Projection optical system, 30 ... Head-up display apparatus, 51 ... Concave lens, 52 ... Free-form curved lens, 53 ... Folding mirror, 54 ... Free-form curved concave mirror, 101 ... Convex lens, 111 ... Object surface 112: Real image plane, F: Focus position.

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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

投影光学系、及びヘッドアップディスプレイ装置
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　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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