WO2018066675A1 - 変倍投影光学系及び画像表示装置 - Google Patents

変倍投影光学系及び画像表示装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2018066675A1
WO2018066675A1 PCT/JP2017/036389 JP2017036389W WO2018066675A1 WO 2018066675 A1 WO2018066675 A1 WO 2018066675A1 JP 2017036389 W JP2017036389 W JP 2017036389W WO 2018066675 A1 WO2018066675 A1 WO 2018066675A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical system
projection optical
display
image
variable
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/036389
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
橋村淳司
山田範秀
Original Assignee
コニカミノルタ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by コニカミノルタ株式会社 filed Critical コニカミノルタ株式会社
Priority to JP2018543978A priority Critical patent/JP6940825B2/ja
Publication of WO2018066675A1 publication Critical patent/WO2018066675A1/ja

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K35/00—Arrangement of adaptations of instruments
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B15/00—Optical objectives with means for varying the magnification
    • G02B15/14—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays

Definitions

  • the present invention relates to a variable magnification projection optical system that displays an image as a virtual image at the tip of a line of sight and has a variable projection position of the virtual image, and an image display device using the variable magnification projection optical system.
  • a head-up display (hereinafter referred to as HUD) is a display device that performs a virtual image projection display, and is a projection that displays an image displayed on a display element such as DMD (Digital Micromirror Device) or LCOS (Liquid crystal crystal on silicon) as a virtual image. It has an optical system and a display screen such as a windshield or a combiner for displaying the virtual image.
  • This HUD is the instrument panel such as a conventional speedometer (instrument panel such as an instrument panel provided in the driver's seat of a car) in that the driver can check the display without moving the line of sight or viewpoint. ) Has the merit of reducing the danger of the driver as compared with the information display device.
  • the HUD will be actively used as a device that performs a display for supporting the driver's safe driving. At that time, it is necessary to convey danger information to be conveyed and information to be cautioned to the driver by various methods, and a display that enhances recognition of such information is required.
  • Patent Document 1 As an example of a display method for transmitting information to a driver, there is a method of changing the display position (or display distance) of a virtual image (see, for example, Patent Documents 1 to 4).
  • Patent Document 1 in the reflection mirror used in the HUD optical system, at least two reflection mirror surfaces having different curvatures are provided, and the display distance is made variable by switching by rotating them.
  • Patent Document 2 a virtual image is displayed using a plurality of display plates having different optical path distances to a reflector in a configuration having no movable part, and the display distance of the virtual image is changed by switching the display of the plurality of display plates. I am letting.
  • the HUD optical system has a condensing lens that changes the display image by driving the lens.
  • this condenser lens is to change the size of the display image, and the display position of the virtual image in the optical axis direction is adjusted by using, for example, a beam expander for the condenser lens.
  • a relay optical system is provided between the display element and the imaging optical system, and an intermediate image is formed by the relay optical system. By changing the position of the optical element used in the relay optical system, the position of the intermediate image is changed, and the display position of the virtual image is changed.
  • stereoscopic images are obtained by superimposing the images of the intermediate images whose positions are changed within, for example, 1/60 second.
  • Patent Document 1 since there are two mirror surfaces, the display distance of a virtual image is limited to two points, and there is a problem that the number of mirror sheets (surfaces) increases when the number of display distances is increased. Further, in Patent Document 2, if the number of display distances is increased, it is necessary to increase the number of display boards, which not only increases the complexity and size of the apparatus but also fixes the position of each display board. There is a problem that it is difficult to change the display distance of the virtual image at the position. Further, Patent Document 3 does not show the effect of changing the virtual image position, and does not disclose a specific configuration example of zooming. In Patent Document 4, a diffusion plate (intermediate screen) is arranged at the position of the intermediate image.
  • Patent Document 4 in order to change the display position of the virtual image, it is necessary to move the intermediate screen.
  • the range eye box
  • the present invention has been made in view of the above background art, and an object thereof is to provide a variable magnification projection optical system that can easily change the display distance of a virtual image at an arbitrary position in a screen.
  • a variable magnification projection optical system includes a first projection optical system that forms a first intermediate image from an image on a display element, and image light from the first intermediate image is reflected by a display screen. And a second projection optical system that displays a virtual image through the display screen, and the second projection optical system has a variable focus optical system that makes the display position of the virtual image variable.
  • an image display apparatus is equipped with the above-described variable magnification projection optical system.
  • FIG. 1A is a side cross-sectional view illustrating a state in which the image display device according to the first embodiment is mounted on a vehicle body
  • FIG. 1B is a front view from the vehicle inner side illustrating the image display device. It is an expanded side sectional view explaining the image display apparatus of FIG. 1A. It is a conceptual diagram explaining the structure of the image display apparatus of FIG. 1A.
  • FIG. 4A is a diagram for explaining one modified example
  • FIG. 4B is a diagram for explaining another modified example.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view illustrating image formation by the image display device
  • FIG. 5B is a view illustrating an eyebox capable of observing a virtual image.
  • FIG. 6A is a front view illustrating the image display apparatus according to the second embodiment from the vehicle inner side
  • FIG. 6B is a side cross-sectional view illustrating the image display apparatus. It is a sectional side view explaining the image display apparatus of 3rd Embodiment.
  • FIG. 1A and 1B are a conceptual side cross-sectional view and a front view illustrating the image display device 100 according to the present embodiment and a usage state thereof.
  • the image display device 100 is mounted in the vehicle body 2 as a head-up display device, for example, and includes a drawing unit 10 and a combiner 20.
  • the image display device 100 displays or projects a virtual image of image information displayed on a display element 11 described later through a display screen (combiner 20 in the example of the present embodiment).
  • the drawing unit 10 of the image display device 100 is installed so as to be embedded in the dashboard 4 of the vehicle body 2, and emits display light HK corresponding to an image including driving-related information toward the combiner 20.
  • the combiner 20 is a display screen that functions as a semitransparent concave mirror.
  • the combiner 20 is erected on the dashboard 4 by supporting the lower end, and reflects the display light HK from the drawing unit 10 toward the rear of the vehicle body 2. That is, the combiner 20 is an independent type that is installed separately from the front window 8.
  • the display light HK reflected by the combiner (display screen) 20 is guided to an eye box SY (see FIG. 5B) corresponding to the pupil HT of the driver UN and its peripheral position.
  • the driver UN can observe the display light HK reflected by the combiner 20, that is, the display image IM as a virtual image in front of the vehicle body 2.
  • the driver UN can observe external light transmitted through the combiner 20, that is, a real image such as a front scene.
  • the driver UN can observe a display image (virtual image) IM including driving-related information and the like formed by reflection of the display light HK at the combiner 20 so as to be superimposed on the external image behind the combiner 20. .
  • the drawing unit 10 includes a drawing device 12 including a display element 11, a variable magnification projection optical system 13, and a housing 14.
  • FIG. 3 exemplifies the configuration of the image display apparatus 100, and the configuration of the image display apparatus 100 is appropriately changed depending on the specification, installation location, and the like.
  • the drawing device 12 includes a display drive circuit that causes the display element 11 to perform a display operation, an LED or other light source that emits light for illuminating the display element 11, A uniformizing optical system for uniformizing light from the light source is provided.
  • the display element 11 may be a reflective element such as DMD or LCOS, or a transmissive element such as liquid crystal.
  • DMD digital versatile disk
  • LCOS liquid crystal
  • the variable magnification projection optical system 13 includes a first projection optical system 30 that forms a first intermediate image corresponding to the image formed on the display element 11, and a combiner that is a display screen that outputs image light corresponding to the first intermediate image TI1. And a second projection optical system 40 that displays a virtual image by being incident on the second projection optical system 20.
  • the variable magnification projection optical system 13 preferably has at least one aspheric surface. Since the variable magnification projection optical system 13 has an aspherical surface, the number of lenses and mirrors constituting each lens group in the variable magnification projection optical system 13 can be reduced while ensuring optical performance, and the optical system can be downsized. be able to.
  • an intermediate screen mSC is disposed at a position where the first intermediate image TI ⁇ b> 1 is formed between the first projection optical system 30 and the second projection optical system 40. Since the first intermediate image TI1 does not move in the optical axis AX direction or the like, there is no need to move the intermediate screen mSC, and the depth position of the display image (virtual image) IM is changed only by the action of the variable focus optical system 51 described later. In addition, both the viewing angle and the eye box can be increased.
  • the intermediate screen mSC is a diffusion plate whose light distribution angle is controlled to a desired angle.
  • the diffusion plate for example, ground glass, a lens diffusion plate, a microlens array, or the like is used.
  • the light utilization efficiency of the optical system can be made relatively high while easily ensuring the viewing angle and the eyebox size. Note that if the light distribution angle of diffusion is too narrow, the eye box size becomes small. On the other hand, if the light distribution angle of diffusion is too large, it is necessary to reduce the F value of the optical system (particularly, the relay optical system 50 described later) in order to increase the light utilization efficiency. Will increase in diameter and number.
  • the light distribution angle of the diffusion plate is ⁇
  • the spread angle of the axial marginal ray from the display element 11 incident on the first projection optical system 30 is ⁇ 1
  • the first projection When the magnification of the optical system 30 is ⁇ 1 and the axial marginal ray incident on the second projection optical system 40 is ⁇ 2, the light distribution angle ⁇ may be set by the following conditional expression (2). ⁇ ⁇ 2 2 ⁇ ( ⁇ 1 / ⁇ 1) 2 ⁇ (2)
  • Conditional expression (2) is related to the divergence angle of the intermediate screen mSC used at the position of the first intermediate image TI1 of the variable magnification projection optical system 13.
  • the first projection optical system 30 has a plurality of lenses or lens groups that project the image of the display element 11.
  • the first projection optical system 30 is composed of four lenses.
  • the second projection optical system 40 includes a relay optical system 50 that relays the first intermediate image TI1, and a third projection optical system 60 that is disposed on the side of the combiner 20 that is a display screen with respect to the relay optical system 50. ing.
  • the second projection optical system 40 forms a second intermediate image TI2 between the relay optical system 50 and the third projection optical system 60.
  • the entire magnification is distributed to the relay optical system 50 and the third projection optical system 60. Can do.
  • the viewing angle and eyebox size of the entire system can be increased while increasing the F value of the relay optical system 50, and the enlargement of the relay optical system 50 can be prevented while being easy to use. And optical performance such as astigmatism can be ensured.
  • the second projection optical system 40 has a variable focus optical system 51 that can change the display position of the display image (virtual image) IM in the depth direction.
  • the variable focus optical system 51 is disposed in the relay optical system 50. Thereby, the variable focus optical system 51 can be reduced in size, and a movable mechanism etc. can be simplified.
  • the variable focus optical system 51 is configured to move at least one lens in any one of the optical axis AX direction, a vertical direction in a plane perpendicular to the optical axis AX, and a direction in which the optical axis AX direction and the vertical direction are combined. It has become. In particular, when only the display position in the depth direction is changed, at least one lens is moved in the optical axis AX direction.
  • variable focus optical system 51 has a configuration in which the curvature changes in a plane perpendicular to the optical axis AX, and the lens in which the curvature changes in a plane perpendicular to the optical axis AX is perpendicular to the optical axis AX.
  • the curvature of the lens changes, so that the magnification can be changed in the same manner as in the case of a variable focus lens or when the lens is moved in the optical axis AX direction. . Further, the display position in the plane perpendicular to the optical axis AX can be changed, and the display range can be widened.
  • the variable magnification projection optical system 13 changes the display position or display distance in the depth direction of the display image IM in accordance with the change of the focal length by the variable focus optical system 51.
  • the variable magnification projection optical system 13 is configured to form the second intermediate image TI2 between the relay optical system 50 and the third projection optical system 60.
  • the position of the second intermediate image TI2 moves along the optical axis AX.
  • the display image IM is far from the position close to the combiner 20 (the position of the display image IM1) and the intermediate position (the position of the display image IM2) (the position of the display image IM3) according to the magnification.
  • the position changes until it is displayed continuously or intermittently. For example, if the display image IM is continuously displayed by changing the display distance from the farthest position to the nearest position at a high speed (for example, within 1/30 second), pseudo 3D virtual image display can be performed. it can.
  • variable focus optical system 51 may include at least one focus variable lens instead of moving the lens.
  • the variable focus lens changes the lens curvature (that is, the curvature of the optical surface) by using either one of an elastic body and a liquid to change the display position of the virtual image.
  • the lens 51a using the elastic body changes the focal point by changing the shape of the elastic body portion 55a by applying the acting force of the actuator 81 to the elastic body portion 55a, for example.
  • the lens 51b using a liquid has a configuration in which two types of liquids 56a and 56b of water (aqueous solution) and oil and an electrode 56e are sealed in a container 56c, for example.
  • the refractive power is changed by changing the shape of the surface in contact with oil and water, and the focal point is changed.
  • the focus can be changed without using a drive mechanism for moving the lens as described above in the direction of the optical axis AX, etc., and the mechanism can be simplified and miniaturized. It becomes possible.
  • the relay optical system 50 is an enlargement projection system and has a plurality of lenses or lens groups.
  • the relay optical system 50 is composed of seven lenses.
  • the relay optical system 50 includes a variable focus optical system 51 on the combiner 20 side which is a display screen among a plurality of lenses or lens groups.
  • the relay optical system 50 performs zooming by moving one or two variable focus optical systems 51 as a movable lens group in the optical axis AX direction or the like. Since the number of lenses is small, the weight of the variable focus optical system 51 can be reduced. This eliminates the need for a large mechanism for driving the variable focus optical system 51 and prevents the apparatus from becoming large and complicated. Further, if the variable focus optical system 51 is formed of a plastic lens, further weight reduction can be achieved.
  • the relay optical system 50 has the following conditional expression (1) when the magnification of the relay optical system 50 when the display position of the display image (virtual image) IM is farthest (the position of the display image IM3 shown in FIG. 3) is ⁇ 2L. Meet. 0.75 ⁇ 2L ⁇ 2.0 (1)
  • Conditional expression (1) defines the magnification of the relay optical system 50 that performs zooming. By falling below the upper limit of the value ⁇ 2L of the conditional expression (1), it is not necessary to increase the distance between the relay optical system 50 and the third projection optical system 60 in order to ensure the eyebox size.
  • the optical system does not increase in size, and the distance from the second projection optical system 40 (specifically, the final surface of the third projection optical system 60), which is the final optical system, to the pupil position of the driver UN increases. Can also be prevented. Even when the viewing angle is set large, it is possible to prevent the radial size of the final optical system from becoming too large. Further, by exceeding the lower limit of the value ⁇ 2L of the conditional expression (1), the F value of the relay optical system 50 for securing the eyebox size becomes relatively large so that the relay optical system 50 is not burdened. Performance can be ensured.
  • conditional expression (1) it is more desirable to satisfy the following expression. 1.0 ⁇ 2L ⁇ 1.6 (1) ′
  • the third projection optical system 60 has a plurality of mirrors.
  • the third projection optical system 60 is composed of two mirrors MR1 and MR2.
  • the mirror constituting the third projection optical system 60 can be a convex surface, a concave surface, or a flat surface.
  • the mirror is not limited to a spherical surface but can be an aspherical surface, a free curved surface, or the like.
  • the third projection optical system 60 forms a virtual image enlargement projection system in cooperation with the combiner 20 described later.
  • the housing 14 has an opening 14a through which the display light HK passes, and a film-like or thin plate-like light transmission member 15 can be disposed in the opening 14a.
  • the combiner 20 is a plate-like member, and is provided on the observation side where the driver UN who is an observer or the seat 6 (see FIG. 1A) side is provided, and on the counter-observation side or the front window 8 side.
  • a second optical surface 22 is a concave curved surface and is an aspherical surface or a free curved surface.
  • the second optical surface 22 is a convex curved surface (a concave curved surface when viewed from the observer side), and is an aspherical surface or a free curved surface.
  • the first optical surface 21 is obtained by forming a half mirror coat 20b having a reflectance of, for example, 5 to 30% on the main body layer 20a as a base material, and appropriately reflects the display light HK. External light GK can be transmitted to a desired degree.
  • a half mirror coat 20b having a reflectance of, for example, 5 to 30% on the main body layer 20a as a base material, and appropriately reflects the display light HK. External light GK can be transmitted to a desired degree.
  • an antireflection film and a protective coat are formed on the second optical surface 22. In some cases, an antireflection film or the like is not formed on the second optical surface 22.
  • the display light HK reflected by the combiner 20 is guided to the pupil HT of the driver UN.
  • the virtual image light beam KK obtained by extending the display light HK behind the combiner 20 forms a display image (virtual image) IM at a predetermined position in front of the driver's pupil HT.
  • the distance d1 from the pupil HT to the combiner 20 is about 0.5 to 1 m, for example, depending on the specifications of the vehicle body 2, and the distance d2 from the combiner 20 to the display image IM is about 1 m or more, for example.
  • the viewing angle is about ⁇ 10 to ⁇ 15 degrees.
  • the eye box SY shown in FIG. 5B is set so as to cover the position of the pupil HT of a standard driver UN, and is set to a size such as 10 to 15 cm in width and 5 to 8 cm in length.
  • the first optical surface 21 arranged on the pupil HT side of the combiner 20 displays an image formed on the display element 11 via the variable magnification projection optical system 13 with a small distortion as a display image IM with respect to the pupil HT. Project. At this time, the first optical surface 21 can form a display image IM without distortion depending on the shape of the optical surface. Note that when the antireflection film is not provided on the second optical surface 22 or when some reflection remains in the antireflection film, the display light branched through the first optical surface 21 also on the second optical surface 22. HK is partially reflected.
  • display light reflected on the second optical surface 22 behind the branch passes through the first optical surface 21 and enters the pupil HT, so that the display image IM To form a double image.
  • the secondary display light reflected by the second optical surface 22 travels from the same point on the display image IM in relation to the original display light HK, the virtual image and the secondary display by the display light HK are displayed. Formation of a double image can be avoided by overlapping with a virtual image due to light.
  • the curvature or inclination angle of the second optical surface 22 and the thickness of the main body layer 20a may be adjusted based on the first optical surface 21.
  • the variable magnification projection optical system 13 or the image display apparatus 100 described above includes the second projection optical system 40 that displays the first intermediate image TI1 formed by the first projection optical system 30 through the combiner 20 that is a display screen. Since the second projection optical system 40 includes the variable focus optical system 51 that makes the display position variable, the display position of the display image (virtual image) IM can be changed without moving the position of the first intermediate image TI1. Can do. Accordingly, even when the intermediate screen mSC or other optical element is used at the position of the first intermediate image TI1, a large mechanism for moving the optical element is not necessary, and the apparatus can be prevented from becoming complicated and large. .
  • the apparatus can be reduced in size. In that case, however, if the viewing angle for virtual image display is to be secured, the size of the display element 11 is reduced.
  • the enlargement magnification at which the image is enlarged and projected by the variable magnification projection optical system 13 is increased. If it is attempted to achieve such a projection with a large magnification using a projection optical system without an intermediate image, it is difficult to increase the range (eye box) that can be observed even if the driver's eyes move. Therefore, there is a problem that it becomes difficult to use as an actual device.
  • the projection can be performed with the enlargement magnification allocated to each of the two optical systems sandwiching the first intermediate image TI1, so that the eye box is widened.
  • An optical system becomes possible.
  • the projection distance Is variable, it is necessary to provide a variable focus optical system 51 that can change the focal length in one or both of the optical systems.
  • the image formation position of the first intermediate image TI 1 is in the direction of the optical axis AX as the focal length of the variable focus optical system 51 varies. Will be moved to.
  • the intermediate screen mSC is used at the position of the first intermediate image TI1
  • considering an optical system that attempts to obtain a pseudo 3D virtual image display by changing the display distance at high speed if the mechanical movement occurs, the speed cannot be accommodated and the scaling cannot catch up.
  • variable focus optical system 51 is provided not in the first projection optical system 30 but in the second projection optical system 40.
  • zooming can be performed while the position of the first intermediate image TI1 formed by the first projection optical system 30 is fixed, the problem of movement of the intermediate screen mSC is eliminated, and the display position of the display image IM can be made variable.
  • the image display device 100 provided with the variable magnification projection optical system 13 is applied to a head-up display (HUD) device used in an automobile or the like.
  • HUD head-up display
  • a warning image can be superimposed on the display.
  • a display image (virtual image) IM with a changed distance is displayed in the human eye. Appears almost simultaneously.
  • a plurality of information such as dangers with different distances can be simultaneously transmitted to the driver UN, and safe driving of the driver UN can be supported.
  • variable magnification projection optical system 13 of the present invention Examples of the variable magnification projection optical system 13 of the present invention will be described below.
  • Example 1 The data of the variable magnification projection optical system 13 of Example 1 is shown in Table 1 below.
  • Table 1 the number of the lens group constituting the variable magnification projection optical system 13 is represented by “m”, the focal length of each lens group is represented by “fm”, and the display position is a long distance.
  • the distance between the lens groups is represented by “dm (LR)”, and the distance between the lens groups when the display position is a short distance is represented by “dm (SR)”.
  • the display element is represented by “DD” and the intermediate screen is represented by “mSC”.
  • the interval “dm” between the lens groups in the “M” column is the distance from the final optical system (that is, the third projection optical system 60) to the pupil HT (that is, the position of the driver's eyes).
  • the interval “dm” in the “N” column is the distance from the pupil HT to the display position of the virtual image.
  • the interval between the third and fourth lens groups and the interval between the fourth and fifth lens groups are changed when the virtual image display is a long distance and a short distance, respectively.
  • the long distance is about 50 m and the short distance is about 3 m.
  • the distance between the third and fourth lens groups, which will be described later, and the distance between the fourth and fifth lens groups (that is, the fourth distance).
  • a display screen such as a combiner 20 for displaying a virtual image is disposed between the sixth lens group and the driver's eyes (that is, the pupil HT). Is done. Note that the symbol “ ⁇ ” indicates that it is the same as the numerical value on the left side. The above is the same in the second and subsequent embodiments unless specifically described.
  • Display element horizontal size (unit: mm): 9.86 Horizontal viewing angle (unit: degree): -12.2
  • the value ⁇ 2L of the conditional expression (1) is 1.5 times, and the F value at the long distance projection of the second group is about 3.42.
  • the eye box size at that time is secured to about 127 to 116 mm in the horizontal direction of the screen.
  • the variable magnification projection optical system 13 of Example 1 is substantially composed of a first projection optical system 30, an intermediate screen mSC, and a second projection optical system 40 in order from the display element 11 side.
  • the first projection optical system 30 includes a first lens group.
  • the second projection optical system 40 is composed of second to sixth lens groups.
  • the second projection optical system 40 includes a relay optical system 50 constituted by the second to fourth lens groups, and a third projection optical system 60 constituted by the fifth and sixth lens groups.
  • the fourth lens group of the relay optical system 50 is a variable focus optical system 51.
  • the fourth lens group that is the variable focus optical system 51 performs zooming by moving in the optical axis AX direction.
  • each lens group may be composed of one lens or one mirror, or a plurality of lenses. Alternatively, it may be composed of a plurality of mirrors. Further, although not shown in the embodiment, the size of the entire optical system can be reduced by arranging a mirror that bends the optical path in the optical path of the optical system.
  • the third projection optical system 60 may be composed of at least one mirror. Since the optical path to the combiner 20, which is a display screen, can be freely handled and chromatic aberration does not occur, a mirror, particularly a free-form mirror is desirable.
  • the light beam emitted from the second lens group is afocal, but it is not necessary to be afocal in particular.
  • the size of the optical system, the focal length of each lens group, the F value, the magnification, etc. It can be changed to a desired configuration according to the specifications.
  • the position of the fourth lens group that is moved to change the focal length in the relay optical system 50 is set to the position of the relay optical system 50 in order to reduce the burden on the mechanism for moving the lens. Although it is set so as to be almost the same as the pupil position, it may be set at a different position in consideration of specifications and other factors in designing.
  • Example 2 The data of the variable magnification projection optical system 13 of Example 2 is shown in Table 2 below.
  • Table 2 m fm dm (LR) dm (SR) DD 52.00 ⁇ 1 45.000 334.29 ⁇ mSC 120.00 ⁇ 2 120.000 169.78 ⁇ 3 -67.000 16.00 6.00 4 53.262 348.66 358.66 5 -350.000 62.27 ⁇ 6 190.278 M 1114.94 ⁇ N -50135.22 -3002.97
  • Display element 11 horizontal size (unit: mm): 9.86 Horizontal viewing angle (unit: degree): -12.1
  • the value ⁇ 2L of conditional expression (1) is 1.0 times, and the F value at the time of long-distance projection of the two groups is about 2.31.
  • the eyebox size at that time is secured to about 135 to 118 mm in the horizontal direction of the screen.
  • the variable magnification projection optical system 13 of Example 2 is substantially composed of a first projection optical system 30, an intermediate screen mSC, and a second projection optical system 40 in order from the display element 11 side.
  • the first projection optical system 30 includes a first lens group.
  • the second projection optical system 40 is composed of second to sixth lens groups.
  • the second projection optical system 40 includes a relay optical system 50 constituted by the second to fourth lens groups, and a third projection optical system 60 constituted by the fifth and sixth lens groups.
  • the fourth lens group of the relay optical system 50 is a variable focus optical system 51.
  • the fourth lens group that is the variable focus optical system 51 performs zooming by moving in the optical axis AX direction.
  • Example 3 The data of the variable magnification projection optical system 13 of Example 3 is shown in Table 3 below.
  • Table 3 m fm dm (LR) dm (SR) DD 52.05 ⁇ 1 45.000 332.23 ⁇ mSC 120.00 ⁇ 2 120.000 170.13 ⁇ 3 -68.900 18.00 8.00 4 67.517 562.70 572.70 5 -550.000 223.80 ⁇ 6 403.722 M 2391.83 ⁇ N -50231.36 -2999.05
  • Display element 11 horizontal size (unit: mm): 9.86 Horizontal viewing angle (unit: degree): -12.2
  • the value ⁇ 2L of the conditional expression (1) is 2.0 times, and the F value at the time of long-distance projection of the two groups is about 4.54.
  • the eyebox size at that time is secured about 137 to 133 mm in the horizontal direction of the screen.
  • the variable magnification projection optical system 13 substantially includes a first projection optical system 30, an intermediate screen mSC, and a second projection optical system 40 in this order from the display element 11 side.
  • the first projection optical system 30 includes a first lens group.
  • the second projection optical system 40 is composed of second to sixth lens groups.
  • the second projection optical system 40 includes a relay optical system 50 constituted by the second to fourth lens groups, and a third projection optical system 60 constituted by the fifth and sixth lens groups.
  • the fourth lens group of the relay optical system 50 is a variable focus optical system 51.
  • the fourth lens group that is the variable focus optical system 51 performs zooming by moving in the optical axis AX direction.
  • Example 4 Data of the variable magnification projection optical system 13 of Example 4 is shown in Table 4 below.
  • Table 4 m fm dm (LR) dm (SR) DD 51.90 ⁇ 1 45.000 338.48 ⁇ mSC 120.00 ⁇ 2 120.000 169.07 ⁇ 3 -63.200 16.00 6.00 4 47.560 244.05 254.05 5 -300.000 80.14 ⁇ 6 168.949 M 917.95 ⁇ N -50081.85 -2993.93
  • Display element 11 horizontal size (unit: mm): 9.86 Horizontal viewing angle (unit: degree): -12.2
  • the value ⁇ 2L of conditional expression (1) is 0.79 times, and the F value at the time of long-distance projection of the two groups is about 1.85.
  • the eye box size at that time is secured about 136 to 116 mm in the horizontal direction of the screen.
  • the variable magnification projection optical system 13 of Example 4 is substantially composed of a first projection optical system 30, an intermediate screen mSC, and a second projection optical system 40 in order from the display element 11 side.
  • the first projection optical system 30 includes a first lens group.
  • the second projection optical system 40 is composed of second to sixth lens groups.
  • the second projection optical system 40 includes a relay optical system 50 constituted by the second to fourth lens groups, and a third projection optical system 60 constituted by the fifth and sixth lens groups.
  • the fourth lens group of the relay optical system 50 is a variable focus optical system 51.
  • the fourth lens group that is the variable focus optical system 51 performs zooming by moving in the optical axis AX direction.
  • Example 5 Data of the variable magnification projection optical system 13 of Example 5 is shown in Table 5 below.
  • the focal length of the third lens group is changed between when the virtual image is displayed at a long distance and when the virtual image is displayed at a short distance.
  • the long distance is about 50 m and the short distance is about 3 m.
  • these distance ranges can be made wider or narrower.
  • a display screen such as a combiner 20 for displaying a virtual image is disposed between the fifth lens group and the driver's eyes.
  • Display element 11 horizontal size (unit: mm): 9.86 Horizontal viewing angle (unit: degree): -12.2
  • the value ⁇ 2L of the conditional expression (1) is 1.5 times, and the F value at the long distance projection of the second group is about 3.42.
  • the eye box size at that time is secured to about 127 mm in the horizontal direction of the screen.
  • the variable magnification projection optical system 13 of Example 5 includes a first projection optical system 30, an intermediate screen mSC, and a second projection optical system 40 in order from the display element 11 side.
  • the first projection optical system 30 includes a first lens group.
  • the second projection optical system 40 is composed of second to fifth lens groups.
  • the second projection optical system 40 includes a relay optical system 50 configured by the second and third lens groups, and a third projection optical system 60 configured by the fourth and fifth lens groups.
  • the third lens group of the relay optical system 50 is a variable focus optical system 51.
  • the third lens group that is the variable focus optical system 51 is a variable focus lens to perform zooming.
  • each lens group other than the third lens group may be composed of one lens or one mirror. However, it may be composed of a plurality of lenses or a plurality of mirrors.
  • the variable focus lens used for the third lens group include a liquid lens in which a liquid is sandwiched between elastic bodies, a lens that changes the focal point by changing the curvature of the elastic body, and a lens that changes the focal point electrically such as a liquid crystal lens. Is mentioned.
  • the position of the third lens group which is a variable focus lens in the relay optical system 50, is made substantially the same as the pupil position of the relay optical system 50 in order to reduce the lens diameter.
  • it may be set at a different position in consideration of the specification and other factors in designing.
  • variable magnification projection optical system according to the second embodiment and an image display apparatus incorporating the same will be described.
  • the variable magnification projection optical system and the like of the second embodiment is a modification of the variable magnification projection optical system and the like of the first embodiment, and matters not specifically described are the same as those of the first embodiment.
  • the front window 8 has a thin intermediate layer 120, and a rectangular reflection area provided in front of the driver seat of the front window 8. 8d functions as a display screen.
  • the inner surface of the front window 8 functions as the first optical surface 21, and the inner surface of the intermediate layer 120 functions as the second optical surface 22.
  • the shape of the first optical surface 21 can be adjusted to some extent by molding or processing the inner surface of the front window 8, but the adjustment range is narrow.
  • the shape of the second optical surface 22 can be adjusted by adjusting the arrangement and thickness of the intermediate layer 120.
  • variable magnification projection optical system according to the third embodiment and an image display apparatus incorporating the same will be described.
  • the variable magnification projection optical system and the like of the third embodiment is a modification of the variable magnification projection optical system and the like of the first and second embodiments, and matters not specifically described are the same as those of the first embodiment and the like.
  • a combiner portion 220 as a screen is provided inside a rectangular reflection region 8 d (see FIG. 6A) provided in front of the driver seat of the front window 8. It is pasted.
  • the inner surface of the combiner portion 220 functions as the first optical surface 21
  • the outer surface of the front window 8 functions as the second optical surface 22.
  • variable magnification projection optical system and the like according to the embodiments have been described above, the variable magnification projection optical system and the like according to the present invention are not limited to the above.
  • the arrangement of the image display device 100 can be turned upside down so that the combiner 20 can be arranged at the upper part of the front window 8 or at the sun visor position.
  • a combiner 20 is arranged.
  • the combiner 20 may be arranged so that it can be displayed at a position corresponding to a conventional mirror of an automobile.
  • the outline of the combiner 20 and the outline of the reflection region 8d are not limited to a rectangle, but may be various shapes.
  • the drawing unit 10 shown in FIG. 2 is merely an example, and the configuration of the variable magnification projection optical system 13 can be changed as appropriate, or the display element 11 can be replaced with another type of display element.
  • the intermediate screen mSC is a diffusion plate, but the intermediate screen mSC may be a microlens array.
  • a desired light distribution angle can be obtained by controlling the curvature and the like of each microlens, and the light utilization efficiency can be increased.
  • the second intermediate image TI2 is formed.
  • the second intermediate image TI2 may not be formed.
  • variable focus optical system 51 is a lens group on the display screen side of the relay optical system 50.
  • other lens groups or lenses may be used according to the optical design or specifications.
  • 3 exemplifies three display positions of the display image (virtual image) IM, the position where the display image IM is displayed can be appropriately set including the number of display positions.
  • the display of the display image IM can be performed continuously or intermittently by changing the position.
  • the size of the display image IM formed by the variable magnification projection optical system 13 or the like is not limited to one that is proportionally changed according to the display distance (or display position) of the display image IM, but various sizes. Can be adjusted.

Abstract

画面内の任意の位置で虚像の表示距離を容易に変化させる変倍投影光学系を提供すること。変倍投影光学系１３は、表示素子１１の画像から第１中間像を形成する第１投影光学系３０と、第１中間像ＴＩ１からの像光を表示スクリーンであるコンバイナー２０で反射させることによって当該表示スクリーン越しに虚像を表示する第２投影光学系４０とを備え、第２投影光学系４０は、虚像の表示位置を可変とする可変焦点光学系５１を有する。

Description

変倍投影光学系及び画像表示装置
　本発明は、視線の先に虚像としての画像を表示し、かつ虚像の投影位置を可変とした変倍投影光学系及び当該変倍投影光学系を用いた画像表示装置に関するものである。
　ヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤとする）は、虚像投影表示を行う表示装置であり、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）やＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）等の表示素子に表示した画像を虚像として表示する投影光学系と、当該虚像を表示するためのウィンドシールドやコンバイナー等の表示スクリーンとを有する。このＨＵＤは、運転中のドライバーが視線や視点を大きく動かすことなく表示を確認することができる点で、従来の速度メーター等のインパネ（車の運転席に設けられた計器盤等のインストルメントパネル）に情報表示する装置に比べてドライバーの危険性を減らすメリットを有する。今後、ドライバーの安全運転を支援するための表示を行う装置として、ＨＵＤが積極的に用いられることが予想される。その際、伝えるべき危険情報や、注意すべき情報等をドライバーに多様な手法で伝える必要があり、これらの情報の認識を高めるような表示が求められる。
　ドライバーに情報を伝える表示方法の１つの例として、虚像の表示位置（又は表示距離）を変える方法がある（例えば、特許文献１～４参照）。特許文献１では、ＨＵＤ光学系に用いる反射ミラーにおいて、少なくとも曲率の異なる２つの反射ミラー面を設けて、それらの回動によって切替えを行って表示距離を可変としている。特許文献２では、可動部を有しない構成において、反射体までの光路距離の異なる複数の表示板を用いて虚像を表示し、複数の表示板の表示を切り替えることにより、虚像の表示距離を変化させている。特許文献３では、ＨＵＤ光学系がレンズ駆動により表示像を変倍する集光レンズを有している。この集光レンズは表示像の大きさを変倍することが目的であり、集光レンズに例えばビームエキスパンダーを用いることにより、虚像の光軸方向の表示位置を調整している。特許文献４では、ＨＵＤ光学系において、表示素子と結像光学系との間にリレー光学系を有し、リレー光学系により中間像を形成している。このリレー光学系内に用いる光学素子の位置を変化させることにより、中間像の位置を変化させ、虚像の表示位置を変化させている。特許文献４では、位置を変化させた中間像の各画像を例えば６０分の１秒以内に重ね合わせることにより立体視映像を得ている。
　しかしながら、特許文献１では、ミラー面が２つであるのため、虚像の表示距離は２点に限定され、表示距離数を増やそうとするとミラー枚（面）数が多くなるという問題がある。また、特許文献２では、表示距離数を増やすと表示板の数を増やす必要があり、装置が複雑で大型化するだけでなく、各表示板の位置が固定となるため、画面内の任意の位置で虚像の表示距離を変化させることが難しいという問題がある。また、特許文献３では、虚像位置を変えることの効果については示されておらず、変倍の具体的な構成例について開示されていない。また、特許文献４では、中間像の位置に拡散板（中間スクリーン）を配置しているが、表示パネルに光走査型のデバイスを用いる場合に限定している。特許文献４において、虚像の表示位置を可変とするには、この中間スクリーンを移動させる必要がある。ここで、虚像を表示する際の視野角を大きくしつつ使いやすい表示とするために、ドライバー（観察者）の目が移動しても観察可能である範囲（アイボックス）を大きくするには、リレー光学系の倍率をある程度高くする必要がある。そのため、中間スクリーンのサイズが大きくなり、移動させる機構が大掛かりになる等の問題が生じる。なお、小型の表示パネルを用いて装置の小型化を図ろうとすると、視野角を確保しつつアイボックスを大きくしたい場合には、表示パネルが光走査型であるか否かに関わらず中間スクリーンを用いる必要があり、この場合も中間スクリーンを移動させる機構が大掛かりになる。
特開平９－１８５０１２号公報 特開２００４－１６８２３０号公報 特開２００７－９４３９４号公報 特開２００８－１８０７５９号公報
　本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、画面内の任意の位置で虚像の表示距離を容易に変化させる変倍投影光学系を提供することを目的とする。
　また、本発明は、当該変倍投影光学系を用いた画像表示装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明に係る変倍投影光学系は、表示素子の画像から第１中間像を形成する第１投影光学系と、第１中間像からの像光を表示スクリーンで反射させることによって当該表示スクリーン越しに虚像を表示する第２投影光学系とを備え、第２投影光学系は、虚像の表示位置を可変とする可変焦点光学系を有する。
　上記課題を解決するため、本発明に係る画像表示装置は、上述の変倍投影光学系を搭載する。
図１Ａは、第１実施形態の画像表示装置を車体に搭載した状態を示す側方断面図であり、図１Ｂは、画像表示装置を説明する車内側からの正面図である。 図１Ａの画像表示装置を説明する拡大側方断面図である。 図１Ａの画像表示装置の構成を説明する概念図である。 図４Ａは、一変形例を説明する図であり、図４Ｂは、別の変形例を説明する図である。 図５Ａは、画像表示装置による結像を説明する断面図であり、図５Ｂは、虚像を観察可能なアイボックスを説明する図である。 図６Ａは、第２実施形態の画像表示装置を説明する車内側からの正面図であり、図６Ｂは、画像表示装置を説明する側方断面図である。 第３実施形態の画像表示装置を説明する側方断面図である。
　〔第１実施形態〕
　以下、本発明の第１実施形態に係る変倍投影光学系及びこれを組み込んだ画像表示装置について説明する。
　図１Ａ及び１Ｂは、本実施形態の画像表示装置１００及びその使用状態を説明する概念的な側方断面図及び正面図である。この画像表示装置１００は、例えばヘッドアップディスプレイ装置として車体２内に搭載されるものであり、描画ユニット１０とコンバイナー２０とを備える。画像表示装置１００は、後述する表示素子１１に表示される画像情報を、表示スクリーン（本実施形態の例では、コンバイナー２０）越しに虚像表示又は虚像投影するものである。
　画像表示装置１００のうち描画ユニット１０は、車体２のダッシュボード４内に埋め込むように設置されており、運転関連情報を含む画像に対応する表示光ＨＫをコンバイナー２０に向けて射出する。コンバイナー２０は、半透過性を有する凹面鏡として機能する表示スクリーンであり、下端の支持によってダッシュボード４上に立設され、描画ユニット１０からの表示光ＨＫを車体２の後方に向けて反射する。つまり、コンバイナー２０は、フロントウィンドウ８とは別体で設置される独立型のものとなっている。コンバイナー（表示スクリーン）２０で反射された表示光ＨＫは、ドライバーＵＮの瞳ＨＴ及びその周辺位置に対応するアイボックスＳＹ（図５Ｂ参照）に導かれる。ドライバーＵＮは、コンバイナー２０で反射された表示光ＨＫ、つまり車体２の前方にある虚像としての表示像ＩＭを観察することができる。一方、ドライバーＵＮは、コンバイナー２０を透過した外界光、つまり前方景色等の実像を観察することができる。結果的に、ドライバーＵＮは、コンバイナー２０の背後の外界像に重ねて、コンバイナー２０での表示光ＨＫの反射によって形成される運転関連情報等を含む表示像（虚像）ＩＭを観察することができる。
　図２及び図３に示すように、描画ユニット１０は、表示素子１１を備えた描画デバイス１２と、変倍投影光学系１３と、ハウジング１４とを備える。なお、図３は、画像表示装置１００の構成を例示したものであり、画像表示装置１００の構成は、その仕様や設置箇所等によって適宜変更される。
　描画デバイス１２は、詳細な説明を省略するが、表示素子１１のほかに、表示素子１１に表示動作を行わせる表示駆動回路、表示素子１１を照明するための光を射出するＬＥＤその他の光源、かかる光源からの光を均一化する均一化光学系等を備える。表示素子１１は、ＤＭＤやＬＣＯＳ等の反射型の素子でも、液晶等の透過型の素子でもよい。特に、表示素子１１にＤＭＤを用いると、明るさを維持しつつ画像を高速で切り替えることができ、表示に有利である。
　変倍投影光学系１３は、表示素子１１に形成された画像に対応する第１中間像を形成する第１投影光学系３０と、第１中間像ＴＩ１に対応する像光を表示スクリーンであるコンバイナー２０に入射させることによって虚像を表示する第２投影光学系４０とを備える。変倍投影光学系１３は、非球面を少なくとも１面以上有することが望ましい。変倍投影光学系１３が非球面を有することで、光学性能を確保しながら変倍投影光学系１３内の各レンズ群を構成するレンズやミラーの枚数を少なくでき、光学系の小型化を図ることができる。
　変倍投影光学系１３において、第１投影光学系３０と第２投影光学系４０との間で、第１中間像ＴＩ１を形成する位置には、中間スクリーンｍＳＣが配置されている。第１中間像ＴＩ１は光軸ＡＸ方向等に移動しないため、中間スクリーンｍＳＣを移動させる必要がなく、後述する可変焦点光学系５１の作用のみで表示像（虚像）ＩＭの奥行位置を変化させ、かつ視野角とアイボックスとの両方を大きくすることができる。中間スクリーンｍＳＣは、配光角を所望の角度に制御した拡散板である。拡散板には、例えば摺りガラス、レンズ拡散板、マイクロレンズアレイ等が用いられる。中間スクリーンｍＳＣとして拡散板を設けることにより、視野角とアイボックスサイズとを簡易に確保しつつ、光学系の光利用効率を比較的高くすることができる。なお、拡散の配光角が狭すぎるとアイボックスサイズが小さくなってしまう。逆に、拡散の配光角を大きくしすぎると、光利用効率を高くするために光学系（特に、後述するリレー光学系５０）のＦ値を小さくする必要があり、性能確保が難しく光学系の径や枚数が増大してしまう。
　上述の中間スクリーンｍＳＣである拡散板については、拡散板の配光角をαとし、第１投影光学系３０に入射する表示素子１１からの軸上マージナル光線の広がり角をθ１とし、第１投影光学系３０の倍率をβ１とし、第２投影光学系４０に入射する軸上マージナル光線をθ２とした場合、配光角αは以下の条件式（２）で設定するとよい。
　α≒√｛θ２２－（θ１／β１）２｝　　…　　（２）
　条件式（２）は変倍投影光学系１３の第１中間像ＴＩ１の位置に用いる中間スクリーンｍＳＣの発散角にかかるものとなっている。条件式（２）を満たすことにより、第２投影光学系４０に取り込む光束を効率良く使用できる。
　図３に示すように、第１投影光学系３０は、表示素子１１の画像を投影させる複数のレンズ又はレンズ群を有している。図示の例では、第１投影光学系３０は、４枚のレンズで構成されている。
　第２投影光学系４０は、第１中間像ＴＩ１をリレーするリレー光学系５０と、リレー光学系５０に対して表示スクリーンであるコンバイナー２０側に配置される第３投影光学系６０とを有している。第２投影光学系４０は、リレー光学系５０と第３投影光学系６０との間で第２中間像ＴＩ２を形成する。第２投影光学系４０を、リレー光学系５０及び第３投影光学系６０の２つの光学系で構成することで、全体の拡大倍率をリレー光学系５０と第３投影光学系６０とに振り分けることができる。これにより、リレー光学系５０のＦ値を大きくしながら全系としての視野角及びアイボックスサイズを大きくでき、使いやすい仕様でありながらリレー光学系５０の大型化を防ぎ、虚像表示時の像面性や非点隔差等の光学性能を確保することができる。
　第２投影光学系４０は、表示像（虚像）ＩＭの奥行方向の表示位置を可変とする可変焦点光学系５１を有する。可変焦点光学系５１は、リレー光学系５０内に配置されている。これにより、可変焦点光学系５１を小型にすることができ、可動機構等を簡素化することができる。可変焦点光学系５１は、少なくとも１枚のレンズを光軸ＡＸ方向、光軸ＡＸと垂直な面内の垂直方向、並びに光軸ＡＸ方向及び垂直方向を組合せた方向のいずれかに移動させる構成となっている。特に、奥行方向の表示位置のみを変化させる場合、少なくとも１枚のレンズを光軸ＡＸ方向に移動させる。図示の例では、２枚のレンズを一組として光軸ＡＸ方向に一体的に移動させている。これにより、可変焦点光学系５１に後述する焦点可変レンズを用いた場合に生じるレンズ径や焦点可変範囲の制約を受けることなく変倍することができ、変倍範囲、視野角、及びアイボックスサイズといった仕様を大きく確保することができる。なお、可変焦点光学系５１に含まれるレンズを光軸ＡＸと垂直な面内で曲率が変化する構成として、当該光軸ＡＸと垂直な面内で曲率が変化するレンズを光軸ＡＸと垂直な面内で垂直方向に移動させた場合には、レンズの曲率が変化することで、焦点可変レンズの場合やレンズを光軸ＡＸ方向に移動させた場合と同様に変倍することが可能となる。また、光軸ＡＸと垂直な面内の表示位置を変更することができ、表示範囲に広がりを持たせることも可能となる。
　変倍投影光学系１３は、可変焦点光学系５１による焦点距離の変化に伴い、表示像ＩＭの奥行方向の表示位置又は表示距離を変化させている。既に説明したように、変倍投影光学系１３は、リレー光学系５０と第３投影光学系６０との間に第２中間像ＴＩ２を形成する構成となっており、可変焦点光学系５１で変倍を行った際に、第２中間像ＴＩ２の位置が光軸ＡＸに沿って移動する。これにより、表示像ＩＭは、変倍の度合に応じて、コンバイナー２０に近い位置（表示像ＩＭ１の位置）から中間の位置（表示像ＩＭ２の位置）を経て遠い位置（表示像ＩＭ３の位置）まで位置が変化して連続的又は断続的に表示される。例えば、最も遠い位置から最も近い位置までの表示距離を高速（例えば、１／３０秒以内）に変動させて表示像ＩＭを連続的に表示させれば、擬似的な３Ｄ虚像表示を行うことができる。
　なお、可変焦点光学系５１は、レンズを移動させる代わりに、少なくとも１枚の焦点可変レンズを有する構成としてもよい。焦点可変レンズは、弾性体及び液体のいずれか一方を用いてレンズ曲率（つまり、光学面の曲率）を変化させて虚像の表示位置を可変とする。図４Ａに示すように、弾性体を用いたレンズ５１ａは、例えばアクチュエーター８１の作用力を弾性体部５５ａに与えて、弾性体部５５ａの形状を変化させて焦点を変化させる。また、図４Ｂに示すように、液体を用いたレンズ５１ｂは、例えば容器中５６ｃに水（水溶液）及び油の２種類の液体５６ａ，５６ｂと電極５６ｅとが封入された構成となっており、電源部１８１から電極５６ｅに電圧を加えることで、油と水との接する面の形を変えることで屈折力を変化させ、焦点を変化させる。可変焦点光学系５１に焦点可変レンズを用いることで、上述のようなレンズを光軸ＡＸ方向等に移動させる駆動機構を用いずに焦点を変化させることができ、機構の簡素化や小型化が可能となる。
　リレー光学系５０は、拡大投影系であり、複数のレンズ又はレンズ群を有する。図３に示す例では、リレー光学系５０は、７枚のレンズで構成されている。リレー光学系５０は、例えば複数のレンズ又はレンズ群のうち表示スクリーンであるコンバイナー２０側に可変焦点光学系５１を有している。リレー光学系５０は、１枚又は２枚からなる可変焦点光学系５１を可動レンズ群として光軸ＡＸ方向等に移動させることで変倍を行う。レンズの構成枚数が少ないことで、可変焦点光学系５１のレンズ重量を軽くすることができる。これにより、可変焦点光学系５１を駆動させる機構を大掛かりなものにする必要がなくなり、装置の大型化や複雑化を防ぐことができる。また、可変焦点光学系５１をプラスチックレンズで構成すれば、さらなる軽量化を図ることができる。
　リレー光学系５０は、表示像（虚像）ＩＭの表示位置が最も遠いとき（図３に示す表示像ＩＭ３の位置）のリレー光学系５０の倍率をβ２Ｌとしたとき、以下の条件式（１）を満たす。
　０．７５＜β２Ｌ＜２．０　　…　　（１）
　条件式（１）は変倍を行うリレー光学系５０の倍率を規定するものである。条件式（１）の値β２Ｌの上限を下回ることにより、アイボックスサイズを確保するためにリレー光学系５０と第３投影光学系６０との間隔を大きくする必要がなくなる。これにより、光学系が大型化せず、最終光学系である第２投影光学系４０（具体的には、第３投影光学系６０の最終面）からドライバーＵＮの瞳位置までの距離が長くなることも防ぐことができる。また、視野角を大きく設定した場合にも最終光学系の径方向のサイズが大きくなりすぎることを防ぐことができる。また、条件式（１）の値β２Ｌの下限を上回ることにより、アイボックスサイズを確保するためのリレー光学系５０のＦ値がリレー光学系５０に負担がかからない程度に比較的大きくなり、光学系の性能を確保することができる。
　なお、条件式（１）に関し、以下の式を満たすことがより望ましい。
　１．０＜β２Ｌ＜１．６　　…　　（１）'
　第３投影光学系６０は、複数のミラーを有している。図示の例では、第３投影光学系６０は、２枚のミラーＭＲ１，ＭＲ２で構成されている。第３投影光学系６０を構成するミラーは、凸面、凹面、又は平面とでき、曲面の場合、球面に限らず、非球面、自由曲面等とすることができる。第３投影光学系６０は、後述するコンバイナー２０と共働して、虚像の拡大投影系を構成する。
　図２に示すように、ハウジング１４は、表示光ＨＫを通過させる開口１４ａを有し、この開口１４ａには、フィルム状又は薄板状の光透過部材１５を配置することができる。
　コンバイナー２０は、板状の部材であり、観察者であるドライバーＵＮのいる観察側又は座席６（図１Ａ参照）側に設けた第１光学面２１と、反観察側又はフロントウィンドウ８側に設けた第２光学面２２とを有する。第１光学面２１は、凹の曲面であり、非球面又は自由曲面となっている。第２光学面２２は、凸の曲面（観察者側から見た場合には凹の曲面）であり、非球面又は自由曲面となっている。第１光学面２１は、基材である本体層２０ａ上に例えば５～３０％の反射率を有するハーフミラーコート２０ｂを形成することによって得たものであり、表示光ＨＫを適度に反射しつつ外界光ＧＫを所望の程度に透過させることができる。第２光学面２２には、反射防止膜や保護コートが形成されている。なお、第２光学面２２に反射防止膜等を形成しない場合もある。
　図５Ａに示すように、コンバイナー２０で反射された表示光ＨＫは、ドライバーＵＮの瞳ＨＴに導かれる。ここで、表示光ＨＫをコンバイナー２０の背後に延長した虚像光線ＫＫは、ドライバーの瞳ＨＴに対して前方の所定位置に表示像（虚像）ＩＭを形成する。なお、瞳ＨＴからコンバイナー２０までの距離ｄ１は、車体２の仕様によるが例えば０．５～１ｍ程度としてあり、コンバイナー２０から表示像ＩＭまでの距離ｄ２は、例えば１ｍ程度以上としている。また、視野角は、－１０～－１５度程度としている。また、図５Ｂに示すアイボックスＳＹは、標準的なドライバーＵＮの瞳ＨＴの位置をカバーするように設定され、例えば横１０～１５ｃｍ、縦５～８ｃｍと言ったサイズに設定される。
　コンバイナー２０の瞳ＨＴ側に配置されている第１光学面２１は、変倍投影光学系１３を介して表示素子１１に形成された画像を瞳ＨＴに対して表示像ＩＭとして少ない歪みで表示又は投影する。この際、第１光学面２１は、その光学面形状によって歪みのない表示像ＩＭを形成することができる。なお、第２光学面２２に反射防止膜を設けない場合、又は反射防止膜で若干の反射が残る場合、第２光学面２２においても、第１光学面２１を通過して分岐された表示光ＨＫを部分的に反射する。この場合、分岐後に背後の第２光学面２２での反射された表示光（以下便宜上、副表示光と呼ぶ）は、第１光学面２１を通過して瞳ＨＴに入射するので、表示像ＩＭと重畳して２重像を形成する可能性がある。しかしながら、第２光学面２２で反射された副表示光が、元の表示光ＨＫとの関連で表示像ＩＭ上の同一点から射出されるよう進行するならば、表示光ＨＫによる虚像と副表示光よる虚像とが重なって２重像の形成を回避できる。副表示光の進行方向を制御するため、第２光学面２２の曲率又は傾斜角や本体層２０ａの厚さを第１光学面２１を基準として調整すればよい。
　以上説明した変倍投影光学系１３又は画像表示装置１００では、第１投影光学系３０によって形成した第１中間像ＴＩ１を表示スクリーンであるコンバイナー２０越しに虚像表示する第２投影光学系４０を備え、この第２投影光学系４０が表示位置を可変とする可変焦点光学系５１を有することにより、第１中間像ＴＩ１の位置を移動させることなく表示像（虚像）ＩＭの表示位置を変化させることができる。これにより、第１中間像ＴＩ１の位置に中間スクリーンｍＳＣその他の光学素子を用いた場合でもかかる光学素子の移動のための大掛かりな機構が不要となり、装置の複雑化や大型化を防ぐことができる。
　なお、表示素子１１のサイズを小型にすることで光学系を小型にできれば、装置の小型化が図れるが、その場合、虚像表示を行う際の視野角を確保しようとすると表示素子１１のサイズに対して変倍投影光学系１３で像を拡大投影する拡大倍率が大きくなる。このような拡大倍率が大きい投影を、中間像がない投影光学系で達成しようとすると、ドライバー（観察者）の目が移動しても観察可能である範囲（アイボックス）を大きくすることが困難であり、実際の装置として使用しにくいものになってしまうという問題がある。
　これに対し中間像を形成する本実施形態のような光学系では、第１中間像ＴＩ１を挟んだ２つの光学系のそれぞれに拡大倍率を振り分けた投影が可能となるので、アイボックスを広くした光学系が可能となる。また、視野角とアイボックスサイズとの両方を大きくするため、中間像（つまり、第１中間像ＴＩ１）の位置に拡散板等で構成される中間スクリーンｍＳＣを用いることが望ましい。既に説明したように、このような光学系で、第１中間像ＴＩ１に対して表示素子１１側を第１投影光学系３０とし、表示スクリーン側を第２投影光学系４０とした場合、投影距離を可変とするには、どちらかの光学系内又は双方の光学系内に焦点距離を可変とする可変焦点光学系５１を設ける必要がある。
　ここで、仮に第１投影光学系３０内に可変焦点光学系５１を設けた場合には、第１中間像ＴＩ１の結像位置が可変焦点光学系５１の焦点距離変動に伴って光軸ＡＸ方向に移動することになる。第１中間像ＴＩ１の位置に中間スクリーンｍＳＣを用いる場合には、中間スクリーンｍＳＣの位置を機械的に動かす必要があり、機構が複雑となり装置の小型化が難しくなる。また、高速に表示距離を変動させて擬似的な３Ｄ虚像表示を得ようとする光学系を考えると、機械的な移動が発生するとスピードに対応できず変倍が追い付かなくなってしまう。これらの問題を解決するため、第１投影光学系３０でなく、第２投影光学系４０内に可変焦点光学系５１を設ける。これにより、第１投影光学系３０でできる第１中間像ＴＩ１の位置を固定したまま変倍が可能となり、中間スクリーンｍＳＣの移動の問題がなくなり、かつ表示像ＩＭの表示位置も可変にできる。
　変倍投影光学系１３を備える画像表示装置１００は、自動車等に用いられるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置等に応用される。上述の構成で表示像ＩＭの表示距離を変化させることで、例えばＨＵＤ装置において、ドライバー（観察者）ＵＮが運転中に遭遇する前方の危険事項に対して、実際にその危険がある距離、位置に警告となる像を重ねて表示を行うことができる。これにより、ドライバーＵＮの頭が動くことで目又は瞳ＨＴの位置が動く等しても表示が移動することがなく、ドライバーＵＮに違和感なく自然に情報を伝えることができる。また、最も遠い位置から最も近い位置までの表示距離を１／３０秒以内、さらに望ましくは１／６０秒以内に変化させることができれば、距離を変えた表示像（虚像）ＩＭが、人の目からはほぼ同時の表示に見える。これにより、ドライバーＵＮに距離の違う複数の危険等の情報を同時に伝えることができ、ドライバーＵＮの安全運転を支援することができる。
〔実施例〕
　以下、本発明の変倍投影光学系１３の実施例を示す。
（実施例１）
　実施例１の変倍投影光学系１３のデータを以下の表１に示す。なお、以下の表１において、変倍投影光学系１３を構成するレンズ群の番号を「m」で表し、各レンズ群の焦点距離を「fm」で表し、表示位置を遠距離とした場合における各レンズ群間の間隔を「dm(LR)」で表し、表示位置を近距離とした場合における各レンズ群間の間隔を「dm(SR)」で表している。また、表示素子を「DD」で表し、中間スクリーンを「mSC」で表している。また、「M」の欄における各レンズ群の間隔「dm」は、最終光学系（つまり、第３投影光学系６０）から瞳ＨＴ（つまり、ドライバーの目の位置）までの距離であり、「N」の欄における間隔「dm」は、瞳ＨＴから虚像の表示位置までの距離である。なお、間隔「dm」については、虚像表示が遠距離のときと近距離のときで、第３及び第４レンズ群間の間隔、並びに第４及び第５レンズ群間の間隔をそれぞれ変えている。本実施例では、遠距離を約５０ｍとし、近距離を約３ｍとしているが、後述する第３及び第４レンズ群間の間隔、並びに第４及び第５レンズ群間の間隔（つまり、第４レンズ群の移動量）を変えると、これらの距離範囲をもっと広くしたり狭くしたりすることができる。また、表には示されていないが、実際の使用時には、虚像を表示するためのコンバイナー２０等である表示スクリーンは、第６レンズ群とドライバーの目（つまり、瞳ＨＴ）との間に配置される。なお、符号「←」は、左側の数値と同じであることを示す。以上のことは、特に説明しなければ、実施例２以降も同様である。
〔表１〕
m    fm          dm(LR)    dm(SR)
DD
                 52.50     ←
1    45.000
                315.00     ←
mSC
                120.00     ←
2   120.000
                173.33     ←
3   -74.270
                 16.00      6.00
4    63.903
                488.78    498.78
5  -500.000
                 94.63     ←
6   271.462
M              1499.43     ←
N            -50132.33  -2999.58
　実施例１の表示素子１１のサイズ及び視野角を以下に示す。
表示素子水平方向サイズ（単位：ｍｍ）：9.86
水平方向視野角（単位：度）：-12.2
　本実施例において、条件式（１）の値β２Ｌは１．５倍であり、２群の遠距離投影時におけるＦ値は約３．４２である。その際のアイボックスサイズは画面横方向で約１２７～１１６ｍｍ確保される。
　実施例１の変倍投影光学系１３は、表示素子１１側から順に、第１投影光学系３０と、中間スクリーンｍＳＣと、第２投影光学系４０とから実質的になる。第１投影光学系３０は、第１レンズ群で構成される。第２投影光学系４０は、第２～第６レンズ群で構成される。ここで、第２投影光学系４０は、第２～第４レンズ群で構成されるリレー光学系５０と、第５及び第６レンズ群で構成される第３投影光学系６０とからなる。このうちリレー光学系５０の第４レンズ群が可変焦点光学系５１となっている。可変焦点光学系５１である第４レンズ群は、光軸ＡＸ方向に移動することで変倍を行っている。
　本実施例では、各レンズ群の焦点距離と各レンズ群間の間隔とを示したが、各レンズ群は、１枚のレンズ又は１枚のミラーで構成してもよいし、複数枚のレンズ又は複数枚のミラーで構成してもよい。さらに、実施例に示していないが、光学系の光路中に光路を折り曲げるミラーを配置することで、光学系全体のサイズを小さくすることもできる。第３投影光学系６０は、少なくとも１枚のミラーで構成するとよい。表示スクリーンであるコンバイナー２０までの光路の取り回し自由度が出るとともに、色収差の発生もないことから、ミラー、特に自由曲面のミラーの構成が望ましい。
　また、本実施例では、第２レンズ群を出射する光束がアフォーカルになっているが、特にアフォーカルとする必要はなく、光学系のサイズや各レンズ群の焦点距離、Ｆ値、倍率等の仕様に合わせて望ましい構成に変更可能である。さらに、本実施例では、リレー光学系５０内で焦点距離を変えるために移動させる第４レンズ群について、レンズを移動させる機構への負担を小さくするために、その位置を、リレー光学系５０の瞳位置とほぼ同じになるように設定しているが、設計に際して仕様その他の要素も配慮して異なる位置に設定してもよい。
（実施例２）
　実施例２の変倍投影光学系１３のデータを以下の表２に示す。
〔表２〕
m    fm          dm(LR)    dm(SR)
DD
                 52.00     ←
1    45.000
                334.29     ←
mSC
                120.00     ←
2   120.000
                169.78     ←
3   -67.000
                 16.00      6.00
4    53.262
                348.66    358.66
5  -350.000
                 62.27     ←
6   190.278
M              1114.94     ←
N            -50135.22  -3002.97
　実施例２の表示素子１１のサイズ及び視野角を以下に示す。
表示素子１１水平方向サイズ（単位：ｍｍ）：9.86
水平方向視野角（単位：度）：-12.1
　本実施例において、条件式（１）の値β２Ｌは１．０倍であり、２群の遠距離投影時におけるＦ値は約２．３１である。その際のアイボックスサイズは画面横方向で約１３５～１１８ｍｍ確保される。
　実施例２の変倍投影光学系１３は、表示素子１１側から順に、第１投影光学系３０と、中間スクリーンｍＳＣと、第２投影光学系４０とから実質的になる。第１投影光学系３０は、第１レンズ群で構成される。第２投影光学系４０は、第２～第６レンズ群で構成される。ここで、第２投影光学系４０は、第２～第４レンズ群で構成されるリレー光学系５０と、第５及び第６レンズ群で構成される第３投影光学系６０とからなる。このうちリレー光学系５０の第４レンズ群が可変焦点光学系５１となっている。可変焦点光学系５１である第４レンズ群は、光軸ＡＸ方向に移動することで変倍を行っている。
（実施例３）
　実施例３の変倍投影光学系１３のデータを以下の表３に示す。
〔表３〕
m    fm          dm(LR)    dm(SR)
DD
                 52.05     ←
1    45.000
                332.23     ←
mSC
                120.00     ←
2   120.000
                170.13     ←
3   -68.900
                 18.00      8.00
4    67.517
                562.70    572.70
5  -550.000
                223.80     ←
6   403.722
M              2391.83     ←
N            -50231.36  -2999.05
　実施例３の表示素子１１のサイズ及び視野角を以下に示す。
表示素子１１水平方向サイズ（単位：ｍｍ）：9.86
水平方向視野角（単位：度）：-12.2
　本実施例において、条件式（１）の値β２Ｌは２．０倍であり、２群の遠距離投影時におけるＦ値は約４．５４である。その際のアイボックスサイズは画面横方向で約１３７～１３３ｍｍ確保される。
　実施例３の変倍投影光学系１３は、表示素子１１側から順に、第１投影光学系３０と、中間スクリーンｍＳＣと、第２投影光学系４０とから実質的になる。第１投影光学系３０は、第１レンズ群で構成される。第２投影光学系４０は、第２～第６レンズ群で構成される。ここで、第２投影光学系４０は、第２～第４レンズ群で構成されるリレー光学系５０と、第５及び第６レンズ群で構成される第３投影光学系６０とからなる。このうちリレー光学系５０の第４レンズ群が可変焦点光学系５１となっている。可変焦点光学系５１である第４レンズ群は、光軸ＡＸ方向に移動することで変倍を行っている。
（実施例４）
　実施例４の変倍投影光学系１３のデータを以下の表４に示す。
〔表４〕
m    fm          dm(LR)    dm(SR)
DD
                 51.90     ←
1    45.000
                338.48     ←
mSC
                120.00     ←
2   120.000
                169.07     ←
3   -63.200
                 16.00      6.00
4    47.560
                244.05    254.05
5  -300.000
                 80.14     ←
6   168.949
M               917.95     ←
N            -50081.85  -2993.93
　実施例４の表示素子１１のサイズ及び視野角を以下に示す。
表示素子１１水平方向サイズ（単位：ｍｍ）：9.86
水平方向視野角（単位：度）：-12.2
　本実施例において、条件式（１）の値β２Ｌは０．７９倍であり、２群の遠距離投影時におけるＦ値は約１．８５である。その際のアイボックスサイズは画面横方向で約１３６～１１６ｍｍ確保される。
　実施例４の変倍投影光学系１３は、表示素子１１側から順に、第１投影光学系３０と、中間スクリーンｍＳＣと、第２投影光学系４０とから実質的になる。第１投影光学系３０は、第１レンズ群で構成される。第２投影光学系４０は、第２～第６レンズ群で構成される。ここで、第２投影光学系４０は、第２～第４レンズ群で構成されるリレー光学系５０と、第５及び第６レンズ群で構成される第３投影光学系６０とからなる。このうちリレー光学系５０の第４レンズ群が可変焦点光学系５１となっている。可変焦点光学系５１である第４レンズ群は、光軸ＡＸ方向に移動することで変倍を行っている。
（実施例５）
　実施例５の変倍投影光学系１３のデータを以下の表５に示す。なお、間隔「fm」については、虚像表示が遠距離のときと近距離のときで、第３レンズ群の焦点距離を変えている。本実施例では、遠距離を約５０ｍとし、近距離を約３ｍとしているが、第３レンズ群間の焦点可変範囲を変えると、これらの距離範囲をもっと広くしたり狭くしたりすることができる。また、表には示されていないが、実際の使用時には、虚像を表示するためのコンバイナー２０等である表示スクリーンは、第５レンズ群とドライバーの目との間に配置される。
〔表５〕
m    fm(LR)    fm(SR)    dm(LR)    dm(SR)
DD
                         52.50     ←
1    45.000    ←
                        315.00     ←
mSC
                        120.00     ←
2   120.000    ←
                        173.33     ←
3   180.000   265.000
                        450.00     ←
4  -500.000    ←
                         94.63     ←
5   271.462    ←
M                      1499.43     ←
N                    -50132.33  -2991.13
　実施例５の表示素子１１のサイズ及び視野角を以下に示す。
表示素子１１水平方向サイズ（単位：ｍｍ）：9.86
水平方向視野角（単位：度）：-12.2
　本実施例において、条件式（１）の値β２Ｌは１．５倍であり、２群の遠距離投影時におけるＦ値は約３．４２である。その際のアイボックスサイズは画面横方向で約１２７ｍｍ確保される。
　実施例５の変倍投影光学系１３は、表示素子１１側から順に、第１投影光学系３０と、中間スクリーンｍＳＣと、第２投影光学系４０とからなる。第１投影光学系３０は、第１レンズ群で構成される。第２投影光学系４０は、第２～第５レンズ群で構成される。ここで、第２投影光学系４０は、第２及び第３レンズ群で構成されるリレー光学系５０と、第４及び第５レンズ群で構成される第３投影光学系６０とからなる。このうちリレー光学系５０の第３レンズ群が可変焦点光学系５１となっている。可変焦点光学系５１である第３レンズ群を焦点可変レンズとすることで変倍を行っている。
　本実施例では、各レンズ群の焦点距離と各レンズ群間の間隔とを示したが、第３レンズ群以外の各レンズ群は、１枚のレンズ又は１枚のミラーで構成してもよいし、複数枚のレンズ又は複数枚のミラーで構成してもよい。第３レンズ群に用いる焦点可変レンズとしては、例えば液体を弾性体で挟んで封入した液体レンズや弾性体の曲率を変えて焦点を変えるものや、液晶レンズ等の電気的に焦点を変えるもの等が挙げられる。
　また、本実施例では、リレー光学系５０内で焦点可変レンズとしている第３レンズ群について、レンズ径を小さくするために、その位置を、リレー光学系５０の瞳位置とほぼ同じになるように設定しているが、設計に際して仕様その他の要素も配慮して異なる位置に設定してもよい。
〔第２実施形態〕
　以下、第２実施形態に係る変倍投影光学系及びこれを組み込んだ画像表示装置について説明する。なお、第２実施形態の変倍投影光学系等は第１実施形態の変倍投影光学系等を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。
　図６Ａ及び６Ｂに示すように、第２実施形態に係る画像表示装置１００の場合、フロントウィンドウ８が薄い中間層１２０を内蔵しており、フロントウィンドウ８の運転席正面に設けた矩形の反射領域８ｄが表示スクリーンとして機能する。
　図示の例では、フロントウィンドウ８の内側面が第１光学面２１として機能し、中間層１２０の内側面が第２光学面２２として機能する。この場合、第１光学面２１の形状は、フロントウィンドウ８の内側面の成形や加工によってある程度調整できるが、その調整範囲は狭い。第２光学面２２の形状は、中間層１２０の配置や厚みを調整することによって調整できる。
〔第３実施形態〕
　以下、第３実施形態に係る変倍投影光学系及びこれを組み込んだ画像表示装置について説明する。なお、第３実施形態の変倍投影光学系等は第１及び第２実施形態の変倍投影光学系等を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態等と同様である。
　図７に示すように、第３実施形態に係る画像表示装置１００の場合、フロントウィンドウ８の運転席正面に設けた矩形の反射領域８ｄ（図６Ａ参照）の内側にスクリーンとしてのコンバイナー部分２２０が貼り付けられている。
　図示の例では、コンバイナー部分２２０の内側面が第１光学面２１として機能し、フロントウィンドウ８の外側面が第２光学面２２として機能する。
　以上では実施形態に係る変倍投影光学系等について説明したが、本発明に係る変倍投影光学系等は、上記のものには限られない。例えば、第１実施形態において、画像表示装置１００の配置を上下反転させて、フロントウィンドウ８の上部又はサンバイザー位置にコンバイナー２０を配置することもでき、この場合、描画ユニット１０の斜め下方前方にコンバイナー２０が配置される。また、コンバイナー２０は、自動車の従来のミラーに対応する位置に表示できるように配置してもよい。
　上記実施形態において、コンバイナー２０の輪郭や、反射領域８ｄの輪郭は、矩形に限らず、様々な形状とすることができる。
　図２に示す描画ユニット１０等は、単なる例示であり、変倍投影光学系１３の構成を適宜変更したり、表示素子１１を他の種類の表示素子に置き換えたりすることができる。
　上記実施形態において、中間スクリーンｍＳＣは拡散板であるとしたが、中間スクリーンｍＳＣはマイクロレンズアレイであってもよい。この場合、各マイクロレンズの曲率等を制御することで所望の配光角を得ることができ、光利用効率を高くすることができる。
　上記実施形態において、第２中間像ＴＩ２を形成する構成としたが、第２中間像ＴＩ２を形成しない構成としてもよい。
　図３において、可変焦点光学系５１をリレー光学系５０の表示スクリーン側のレンズ群であるとしたが、光学設計又は仕様に応じて他のレンズ群又はレンズとしてもよい。
　図３において、表示像（虚像）ＩＭの表示位置を３か所例示したが、表示像ＩＭが表示される位置は、表示位置の数を含めて適宜設定することができる。また、表示像ＩＭの表示は、位置を変化させて連続的又は断続的に行うことができる。
　上記実施形態において、変倍投影光学系１３等によって形成された表示像ＩＭのサイズは、表示像ＩＭの表示距離（又は表示位置）に応じて比例的に変化させるものに限らず、様々なサイズに調整することができる。

Claims (10)

  1. 　表示素子の画像から第１中間像を形成する第１投影光学系と、
    　前記第１中間像からの像光を表示スクリーンで反射させることによって当該表示スクリーン越しに虚像を表示する第２投影光学系と、
    を備え、
    　前記第２投影光学系は、前記虚像の表示位置を可変とする可変焦点光学系を有する、変倍投影光学系。
  2. 　前記可変焦点光学系は、少なくとも１枚の焦点可変レンズを有し、
    　前記焦点可変レンズは、弾性体及び液体のいずれか一方を用いてレンズ曲率を変化させて虚像の表示位置を可変とする、請求項１に記載の変倍投影光学系。
  3. 　前記可変焦点光学系は、少なくとも１枚のレンズを光軸方向、光軸と垂直な面内の垂直方向、並びに前記光軸方向及び前記垂直方向を組合せた方向のいずれかに移動させる、請求項１に記載の変倍投影光学系。
  4. 　前記第１投影光学系と前記第２投影光学系との間で、前記第１中間像の位置に中間スクリーンを有する、請求項１に記載の変倍投影光学系。
  5. 　前記中間スクリーンは、拡散板である、請求項４に記載の変倍投影光学系。
  6. 　前記中間スクリーンは、マイクロレンズアレイである、請求項４に記載の変倍投影光学系。
  7. 　前記第２投影光学系は、前記第１中間像をリレーするリレー光学系と、前記リレー光学系の前記表示スクリーン側に配置される第３投影光学系とを有し、
    　前記リレー光学系と前記第３投影光学系との間で第２中間像を形成する、請求項１に記載の変倍投影光学系。
  8. 　前記可変焦点光学系は、前記リレー光学系内に配置される、請求項７に記載の変倍投影光学系。
  9. 　前記リレー光学系において、前記虚像の表示位置が最も遠いときの前記リレー光学系の倍率をβ２Ｌとしたとき、以下の条件式を満たす、請求項７及び８のいずれか一項に記載の変倍投影光学系。
    　０．７５＜β２Ｌ＜２．０　　…　　（１）
  10. 　前記請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の変倍投影光学系を搭載した画像表示装置。
PCT/JP2017/036389 2016-10-06 2017-10-05 変倍投影光学系及び画像表示装置 WO2018066675A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018543978A JP6940825B2 (ja) 2016-10-06 2017-10-05 変倍投影光学系及び画像表示装置

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016198469 2016-10-06
JP2016-198469 2016-10-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018066675A1 true WO2018066675A1 (ja) 2018-04-12

Family

ID=61832141

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2017/036389 WO2018066675A1 (ja) 2016-10-06 2017-10-05 変倍投影光学系及び画像表示装置

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6940825B2 (ja)
WO (1) WO2018066675A1 (ja)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018146882A (ja) * 2017-03-08 2018-09-20 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 画像投写装置
WO2020009026A1 (ja) * 2018-07-03 2020-01-09 株式会社ｎｉｔｔｏｈ 投射光学系およびプロジェクタ
KR20220118762A (ko) * 2021-02-19 2022-08-26 삼성전기주식회사 촬상 광학계
WO2023152403A1 (en) 2022-02-14 2023-08-17 Morelli Tech S.R.L.S. Three-dimensional visualization device and method
CN116736551A (zh) * 2023-08-16 2023-09-12 浙江棱镜全息科技有限公司 一种空中成像系统及电子后视镜

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5640275A (en) * 1987-02-27 1997-06-17 Thomson-C.S.F. Head-up display device of holographic type
JP2010256867A (ja) * 2009-03-30 2010-11-11 Victor Co Of Japan Ltd ヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法
WO2013005444A1 (ja) * 2011-07-05 2013-01-10 日東光学株式会社 投射光学系およびプロジェクタ装置
JP2016151686A (ja) * 2015-02-18 2016-08-22 セイコーエプソン株式会社 投射光学系

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6024452B2 (ja) * 2012-12-28 2016-11-16 株式会社Ｊｖｃケンウッド 画像表示装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5640275A (en) * 1987-02-27 1997-06-17 Thomson-C.S.F. Head-up display device of holographic type
JP2010256867A (ja) * 2009-03-30 2010-11-11 Victor Co Of Japan Ltd ヘッドアップディスプレイ及び画像表示方法
WO2013005444A1 (ja) * 2011-07-05 2013-01-10 日東光学株式会社 投射光学系およびプロジェクタ装置
JP2016151686A (ja) * 2015-02-18 2016-08-22 セイコーエプソン株式会社 投射光学系

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018146882A (ja) * 2017-03-08 2018-09-20 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 画像投写装置
WO2020009026A1 (ja) * 2018-07-03 2020-01-09 株式会社ｎｉｔｔｏｈ 投射光学系およびプロジェクタ
KR20220118762A (ko) * 2021-02-19 2022-08-26 삼성전기주식회사 촬상 광학계
KR102597158B1 (ko) * 2021-02-19 2023-11-02 삼성전기주식회사 촬상 광학계
WO2023152403A1 (en) 2022-02-14 2023-08-17 Morelli Tech S.R.L.S. Three-dimensional visualization device and method
CN116736551A (zh) * 2023-08-16 2023-09-12 浙江棱镜全息科技有限公司 一种空中成像系统及电子后视镜

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2018066675A1 (ja) 2019-07-25
JP6940825B2 (ja) 2021-09-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6940825B2 (ja) 変倍投影光学系及び画像表示装置
CN108292039B (zh) 投影光学系统和平视显示装置
JP6650584B2 (ja) ヘッドアップディスプレイおよびヘッドアップディスプレイを搭載した移動体
JP6601431B2 (ja) ヘッドアップディスプレイ装置
JP6738543B2 (ja) 表示装置及びヘッドアップディスプレイ
WO2017061039A1 (ja) 投影光学系及びヘッドアップディスプレイ装置
US11092804B2 (en) Virtual image display device
US11353713B2 (en) Virtual image display device
JP2018146882A (ja) 画像投写装置
WO2019163171A1 (ja) ヘッドアップディスプレイおよびヘッドアップディスプレイを搭載した移動体
JP7233008B2 (ja) ヘッドアップディスプレイおよびヘッドアップディスプレイを搭載した移動体
WO2017061016A1 (ja) 情報表示装置
WO2017126176A1 (ja) ヘッドアップディスプレイ装置
WO2016208194A1 (ja) ヘッドアップディスプレイおよびヘッドアップディスプレイを搭載した移動体
JP2023054017A (ja) ヘッドアップディスプレイ
TW201409077A (zh) 影像分割式虛像顯示裝置
TWI649590B (zh) 反射式放大虛像顯示模組
JP2021015132A (ja) ヘッドアップディスプレイ装置
JP2018146883A (ja) 画像投写装置
WO2018186149A1 (ja) ヘッドアップディスプレイシステム、およびヘッドアップディスプレイシステムを備える移動体
US11119317B2 (en) Virtual image display device
CN219957989U (zh) 一种抬头显示系统及车辆
WO2017061041A1 (ja) 投影光学系及びヘッドアップディスプレイ装置
EP3534202B1 (en) Virtual image display device
JP2023079736A (ja) 虚像表示装置、それを備える車載システム及び移動装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17858511

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2018543978

Country of ref document: JP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17858511

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1