WO2024009573A1 - 投影光学装置およびヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

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WO2024009573A1
WO2024009573A1 PCT/JP2023/014073 JP2023014073W WO2024009573A1 WO 2024009573 A1 WO2024009573 A1 WO 2024009573A1 JP 2023014073 W JP2023014073 W JP 2023014073W WO 2024009573 A1 WO2024009573 A1 WO 2024009573A1
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WO
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lens
optical path
head
image
projection
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PCT/JP2023/014073
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雅彦 谷津
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マクセル株式会社
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    • 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—Instruments specially adapted for vehicles; Arrangement of instruments in or on vehicles
    • 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—Instruments specially adapted for vehicles; Arrangement of instruments in or on vehicles
    • B60K35/20—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor
    • B60K35/21—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor using visual output, e.g. blinking lights or matrix displays
    • B60K35/23—Head-up displays [HUD]
    • 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 projection optical device and a head-up display device.
  • a head-up display device projects an image onto a windshield of a moving object such as a car or an airplane, and allows the projected image to be observed as a virtual image through the windshield.
  • a head-up display device it is equipped with a transmissive liquid crystal display panel that displays an image by modulating light emitted from behind, and a projection optical device that enlarges and projects the image displayed on the liquid crystal display panel. things are known.
  • the projection optical device is composed of a relay lens and a projection lens, specifically an eyepiece optical section.
  • the relay lens is configured to efficiently utilize telecentric display light by satisfying several conditions, and magnifies the image displayed on the liquid crystal display panel to form a real image. Further, the projection lens is configured to further enlarge the real image, project the image onto the windshield of a car, etc., and display the virtual image to the driver.
  • the head-up display device shown in Patent Document 1 displays the values of various instruments such as a speedometer, tachometer, water temperature gauge, and fuel gauge as virtual images 2 meters in front of an observer, for example, a driver.
  • various instruments such as a speedometer, tachometer, water temperature gauge, and fuel gauge
  • the distance to the virtual image (approximately 2 meters ahead) is closer to the distance to the foreground that the driver is looking at than the distance at which various instruments are directly viewed.
  • the time required for focusing the eye between the state in which the eye focuses on the object in the foreground and the state in which the eye focuses on the virtual image can also be reduced.
  • Patent Document 2 and Patent Document 3 disclose head-up display devices that project virtual images at two different distances.
  • Patent Document 4 discloses a projection optical device including an image forming section that emits image light including image information, and an eyepiece optical section that displays a virtual image by reflecting the image light.
  • the eyepiece optical section includes a concave lens, a free-form surface lens, and a free-form concave mirror arranged in order from the image forming section side along the emission direction of the image light.
  • the first screen and the second screen are arranged at different distances from the concave mirror. Further, an imaging position adjusting mirror is provided to reflect the image light emitted from the display. The imaging position adjustment mirror changes the imaging position of a part of the incident image light, converts the incident image light into first image light and second image light having different imaging distances, and reflects the reflected image light.
  • the first image light and the second image light are formed as real images on the first screen and the second screen, respectively.
  • the real image on the first screen and the real image on the second screen are respectively displayed as virtual images at different positions as viewed from the driver via the concave mirror and the windshield of the vehicle.
  • the head-up display device shown in Patent Document 2 requires a special display for projecting image light onto two different screen positions. For this reason, there was a risk that the device would become larger.
  • the first image display section and the second image display section are arranged at different distances from the concave mirror.
  • the image on the first image display section and the image on the second image display section are respectively displayed as virtual images at different positions as viewed from the driver via the concave mirror and the windshield of the vehicle.
  • the head-up display device shown in Patent Document 3 requires two image display units, for example, an LCD (Liquid Crystal Display), and accordingly, two backlight devices are also required. For this reason, there was a risk that the device would become larger and the manufacturing cost would significantly increase.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and one of its objects is to provide a projection optical device and a head-up display device capable of displaying virtual images at long distances and short distances, respectively.
  • the goal is to achieve miniaturization.
  • an embodiment of the present invention may be configured, for example, as described in the claims.
  • the present application includes multiple means for solving the above problems, but one example is to refract and reflect the image light emitted from the image forming section and project it onto a projection surface, thereby refracting and reflecting the image light emitted from the image forming section.
  • a first optical path for displaying a virtual image at a short distance and a second optical path for displaying a virtual image at a long distance are formed between the first lens and the first lens. It is only necessary to arrange the light beam on the first optical path of the first optical path and the second optical path.
  • the projection optical device and head-up display device that can display virtual images at long distances and short distances, it is possible to realize miniaturization of the head-up display device.
  • FIG. 2 is an overall ray diagram of an eyepiece optical section in a YZ plane in a head-up display device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an overall ray diagram of an eyepiece optical section in an XZ plane in a head-up display device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a configuration example of a main part of an eyepiece optical section in a head-up display device according to an embodiment.
  • 3 is a diagram showing an example of lens data corresponding to the near distance side of the eyepiece optical section in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of lens data corresponding to the far side of the eyepiece optical section in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of free-form surface coefficients of the eyepiece optical part in FIG. 2.
  • FIG. 2 is an overall ray diagram of an eyepiece optical section in a YZ plane in a head-up display device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an overall ray diagram of an eyepiece optical section
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of an aspheric coefficient of the eyepiece optical section in FIG. 2.
  • FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating distortion performance of a head-up display device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a spot diagram of a head-up display device according to an embodiment.
  • FIG. 6A is a supplementary diagram of FIG. 6A.
  • it is a diagram showing the angular shift of the principal ray corresponding to the virtual image plane on the far side.
  • FIG. 6 is a diagram showing an angular shift of a chief ray corresponding to a virtual image plane on a short distance side in a head-up display device according to an embodiment.
  • FIG. 7B is a supplementary figure to FIGS.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating details of the first lens in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating details of the first lens in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating details of the first lens in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a diagram showing a detailed example of the arrangement and configuration of the first lens in FIG. 2;
  • 9A is a diagram illustrating an example of an arrangement configuration as a comparative example of FIG. 9A.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating the action of the first lens in FIG. 2.
  • FIG. FIG. 10A is a schematic diagram as a comparative example of FIG. 10A.
  • FIG. FIG. 2 is a plan view of an automobile, which is a moving object, seen from the front.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing an example of the basic configuration of a head-up display device according to an embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram showing a more detailed configuration example of the head-up display device in FIG. 11.
  • a head-up display device 20 shown in FIG. 11 includes an image forming section 10 and an eyepiece optical section 5.
  • the image forming section 10 emits image light containing image information.
  • the eyepiece optical section 5 projects the image light emitted from the image forming section 10 onto a projection surface, such as a windshield 6 of an automobile, and reflects the image light from the projection surface to enter the observer's eye 9. As a result, when viewed from the observer's eyes 9, it appears as if the video information is being viewed on the virtual image plane 7.
  • the image forming section 10 includes a display panel or liquid crystal display panel 2, and a light source device or backlight 1. Further, the image forming section 10 includes a control device that controls the operations of the liquid crystal display panel 2 and the backlight 1, in other words, a controller 200. On the other hand, the image forming section 10 may not include the controller 200, and the operations of the liquid crystal display panel 2 and the backlight 1 may be controlled by a control section of a moving body equipped with the head-up display device 20, for example. The image forming section 10 irradiates the liquid crystal display panel 2 with light from the backlight 1 and emits the image information displayed on the liquid crystal display panel 2 toward the eyepiece optical section 5 .
  • the controller 200 is connected to various external devices, and receives various information from the external devices.
  • the controller 200 includes a navigation device 208 that is a navigation device that generates and outputs information regarding the operation of a moving object equipped with the head-up display device 20, and an ECU (Electronic Control Unit) 209 that controls the operation of the moving object. is connected.
  • the ECU 209 is connected to various sensors 210 included in the moving body, and receives information detected by the various sensors 210.
  • the controller 200 includes a main control unit 201 that processes various data from the external device described above, a storage device 206, and a backlight drive circuit 207 that drives the backlight 1.
  • the main control unit 201 includes a RAM (Random Access Memory) 203, a ROM (Read Only Memory) 204, and a processor 205 such as a CPU (Central Processing Unit).
  • RAM Random Access Memory
  • ROM Read Only Memory
  • CPU Central Processing Unit
  • the RAM 203 stores various data from external devices.
  • the ROM 204 stores programs and parameters for the processor 205 to execute arithmetic processing.
  • the processor 205 executes arithmetic processing based on a program stored in the ROM 204 or a program developed in the RAM 203 to generate video data that is the basis of a virtual image that is visually recognized by an observer.
  • the storage device 206 is used, for example, as an external storage device for the main control unit 201.
  • the image forming unit 10 displays video information on the liquid crystal display panel 2 under the control of the controller 200 as described above. Then, the image forming unit 10 emits the video information displayed on the liquid crystal display panel 2 as video light using the light flux emitted by the backlight 1.
  • the eyepiece optical section 5 includes, for example, one or more of a concave lens 53, a folding mirror 54, and a concave mirror 55, although the details will be described later.
  • the eyepiece optical section 5 refracts and reflects the image light from the image forming section 10 using such lenses and mirrors, and projects it onto a projection surface, for example, the windshield 6. Note that in the specification, the eyepiece optical section 5 is also referred to as a projection optical device or a projection optical device.
  • the image light formed and emitted by the image forming section 10 is projected onto a projection surface, for example, a windshield 6, by the eyepiece optical section 5.
  • the image light projected onto the windshield 6 is reflected by the windshield 6 and reaches the position of the observer's eyes 9.
  • a relationship is established as if the video information is being viewed on the virtual image plane 7.
  • virtual points such as point Q1, point Q2, and point Q3 are considered on the image light exit surface of the liquid crystal display panel 2.
  • the virtual points on the virtual image plane 7 corresponding to the image light emitted from these virtual points are point V1, point V2, and point V3 shown in FIG. 11, respectively.
  • the eye box 8 is the range in which the point V1, point V2, and point V3 on the virtual image plane 7 can be visually recognized even if the observer moves the position of the eye 9.
  • the eyepiece optical section 5 is an optical section that displays an object image, specifically a virtual image, in front of the observer's eye 9, similar to the eyepiece of a camera finder or the eyepiece of a microscope.
  • FIG. 13 is a plan view of an automobile 500, which is a moving object, viewed from the front.
  • a windshield 6 which is a windshield, is arranged in front of the driver's seat.
  • the head-up display device 20 By projecting image light onto the windshield 6, the head-up display device 20 creates a state in which an observer in the driver's seat can visually recognize various information regarding the operation of the automobile 500 as a virtual image.
  • the position where the image light is projected is in front of the driver's seat and around it. For example, the image light is projected at a position as shown in the broken line rectangular region R1 in FIG.
  • Patent Document 4 is by the same inventor as the present invention.
  • Paragraph [0035] of Patent Document 4 states, ⁇ In order to satisfy this telecentricity (exit pupil distance is infinite) on the liquid crystal display panel side, a field lens with negative refractive power ( It is necessary to arrange a concave lens that has a power of The concave lens corresponds to, for example, the concave lens 53 shown in FIG. 12.
  • FIG. 1A is an overall ray diagram of the eyepiece optical section in the YZ plane in a head-up display device according to an embodiment.
  • FIG. 1B is an overall ray diagram of the eyepiece optical section in the XZ plane in the head-up display device according to one embodiment.
  • (X, Y, Z) is used as the spatial coordinate system and direction for the vehicle 500.
  • the Y axis and Y direction are vertical directions, in other words, vertical directions and vertical directions.
  • the X axis and the X direction are the first horizontal direction, in other words, the left and right direction and the horizontal direction.
  • the Z axis and the Z direction are the second horizontal direction orthogonal to the X axis, in other words, the front and rear directions.
  • FIG. 1A shows how the viewer's eyes 9 view video information on the virtual image plane 7 in the YZ plane.
  • FIG. 1B shows how the viewer's eyes 9 view video information on the virtual image plane 7 in the XZ plane.
  • the right eye and left eye overlap as shown by 9 in FIG. 1A
  • the right eye and left eye overlap as shown by 9 in FIG. 1B. I can see it.
  • the windshield 6 Since the windshield 6 has a symmetrical shape with respect to the left-right direction of the automobile, the range of the windshield 6 through which the image light from the head-up display device 20 passes is symmetrical, as shown in FIG. 1B. . Further, as shown in FIGS. 1A and 1B, the eyepiece optical section 5 has a virtual image plane 7a on the near side located at a distance L1 from the eyebox 8 and a far side virtual image plane 7a located at a distance L2 from the eyebox 8. Different video information and the like are displayed on the virtual image plane 7b on the side.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an example of the configuration of the main parts of the eyepiece optical section in a head-up display device according to an embodiment.
  • the eyepiece optical section 5 includes a first lens 51, a polarizing element 52, and a concave lens 53, which is a second lens, which are arranged in order from the image forming section side including the liquid crystal display panel 2.
  • a folding mirror 54 which is a third lens
  • a concave mirror 55 having positive refractive power are also referred to as an image projection section.
  • a first optical path P1 for displaying a virtual image at a short distance and a second optical path P2 for displaying a virtual image at a long distance are formed between the liquid crystal display panel 2 and the concave lens 53.
  • the first lens 51 is arranged only on the first optical path P1 of the first optical path P1 and the second optical path P2.
  • the polarizing element 52 attenuates polarized light different from the image light emitted from the liquid crystal display panel 2, thereby suppressing a rise in temperature of the liquid crystal display panel 2 even when sunlight is focused on the liquid crystal display panel 2. belongs to.
  • the concave lens 53 mainly achieves telecentricity, and together with the folding mirror 54, corrects distortion.
  • the reflection mirror 54 reflects the image light incident from the liquid crystal display panel 2 via the concave lens 53 and the like toward the concave mirror 55.
  • the concave mirror 55 enlarges and reflects the image light incident from the folding mirror 54, thereby projecting the image light in an enlarged manner onto the windshield 6, which is a projection surface.
  • the refractive power of the eyepiece optical section 5 is mainly provided by the concave mirror 55.
  • the head-up display device 20 can be made smaller. realizable.
  • the eyepiece optical section 5 may be configured to make the image light from the liquid crystal display panel 2 enter the concave mirror 55 without passing through the folding mirror 54, depending on the case.
  • the polarizing element 52 is also not an essential component. Therefore, the eyepiece optical section 5 may include at least the first lens 51, the concave lens 53, and the concave mirror 55.
  • FIG. 3A is a diagram showing an example of lens data corresponding to the near distance side of the eyepiece optical section in FIG. 2.
  • FIG. 3B is a diagram showing an example of lens data corresponding to the far side of the eyepiece optical section in FIG. 2.
  • FIG. 3B only the range of surface numbers whose lens data differs from that in FIG. 3A is displayed.
  • the virtual image distance on the near side in FIG. 3A, ie, the distance L1 in FIG. 1A, is 7 m
  • the virtual image distance on the far side in FIG. 3B, ie, the distance L2 in FIG. 1A is 15 m.
  • the first lens 51 corresponds to a range of 14 to 18 surfaces, and is configured to include these five surfaces. Note that the details of the five surfaces will be described later with reference to FIGS. 8 and 9.
  • each surface constituting the first lens 51 is a plane with a radius of curvature of ⁇ , and is the same plane that overlaps the plane with surface number 13. This means that the first lens 51 is not placed on the long distance side.
  • the radius of curvature is expressed with a positive sign when the center position of the radius of curvature is in the traveling direction.
  • the distance between surfaces represents the distance on the optical axis from the apex position of each surface to the apex position of the next surface.
  • the distance from the 14th surface to the 15th surface of the first lens 51 is 2 mm.
  • the sign of the radius of curvature is reversed at locations where the distance between surfaces is a negative value.
  • Eccentricity is expressed as values in the X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction, and inclination is expressed as a rotation angle around the X-axis, a rotation angle around the Y-axis, and a rotation angle around the Z-axis.
  • Eccentricity and inclination act in the order of eccentricity and inclination on the relevant surface.
  • Normal eccentricity means that the next surface is placed at the position of the distance between the surfaces on the new coordinate system where eccentricity/inclination is applied.
  • Eccentricity and inclination of "decenter and return” act only on that surface and do not affect the next surface.
  • rotation around the X-axis is positive when viewed from the positive direction of the X-axis, clockwise when viewed from the positive direction of the Y-axis, rotation around the Y-axis is positive, and rotation around the Z-axis is positive when viewed from the positive direction of the Y-axis.
  • Counterclockwise rotation is positive when viewed from the positive direction of the axis.
  • the glass material name 490.560 represents a material with a refractive index of 1.490 and an Abbe number of 56.0.
  • the glass material name 520.649 represents a material with a refractive index of 1.520 and an Abbe number of 64.9
  • the glass material name 583.302 represents a material with a refractive index of 1.583 and an Abbe number of 30.2.
  • "ret s13" written on the 19th surface means that the 19th surface, which is placed next to the 18th surface, is placed on the 13th surface. Therefore, the 20 planes are defined based on the 19 planes, or even the 13 planes.
  • the optical path of the image light is separated into two optical paths P1 and P2.
  • the 19th plane is a virtual plane that allows the separated optical path to be defined from the reference plane, that is, the 13th plane.
  • plane 20 is placed at a distance of 21 mm from plane 19 and thus plane 13.
  • the concave mirror 55 and the folding mirror 54 are formed into free-form surfaces, thereby ensuring telecentricity and achieving good distortion performance and a spot diagram as described below. has been realized.
  • FIG. 4A is a diagram showing an example of free-form surface coefficients of the eyepiece optical section in FIG. 2.
  • FIG. 4B is a diagram showing an example of the aspheric coefficient of the eyepiece optical section in FIG. 2.
  • the free-form surface coefficient Cj shown in FIG. 4A is obtained by equation (1).
  • the fourth-order, sixth-order, eighth-order, and tenth-order aspherical coefficients shown in FIG. 4B are determined by equation (2).
  • FIG. 5 is a diagram showing the distortion performance of the head-up display device according to one embodiment.
  • FIG. 5 shows the distortion performance on the liquid crystal display panel 2 side due to a light beam passing through the center of the eye box 8, which was obtained based on the range of the rectangular virtual image plane 7 shown in FIG. For example, if a rectangular image is displayed on the liquid crystal display panel 2 side and the eye 9 is positioned at the center of the eye box 8, the image changes from a barrel shape to a pincushion shape, from the pincushion side to a barrel shape, etc. A distortion opposite to that in FIG. 5 is observed.
  • the distortion performance corresponding to the viewing range located at the virtual image distance on the far side that is, the range of the virtual image plane 7b shown in FIG. 1A is shown.
  • the distortion performance corresponding to the visual field range located at the near virtual image distance that is, the range of the virtual image plane 7a shown in FIG. 1A is shown.
  • good distortion performance is obtained on both the long-distance side and the short-distance side.
  • FIG. 5 it can be seen that on the liquid crystal display panel 2, there is an unused zone between the virtual image distance on the far side and the virtual image distance on the near side.
  • FIG. 6A is a spot diagram of a head-up display device according to one embodiment.
  • Figure 6B is a supplementary figure to Figure 6A.
  • FIG. 6A is a spot diagram on the liquid crystal display panel 2 obtained when 23 object points are placed within the range of the virtual image plane 7, as shown in FIG. It is a spot diagram based on a luminous flux.
  • the spot diagram shown in FIG. 6A is a diagram in which the spot diagram at each position of the liquid crystal display panel 2 is enlarged and emphasized five times in a reduction optical system using a virtual image as an object surface.
  • a spot diagram corresponding to the visual field range of the virtual image distance on the far side is shown
  • the spot diagram corresponding to the visual field range of the virtual image distance on the near side is shown.
  • good spot maps are obtained on both the long-distance side and the short-distance side.
  • this spot diagram is a spot diagram of the total luminous flux on the assumption that the size of the eye box 8 is 120 mm horizontally x 40 mm vertically.
  • the maximum size of the iris of a human eye is said to be, for example, ⁇ 7 mm. Therefore, when an observer actually views a virtual image, the spot map at the size of the iris of a human eye is significantly improved.
  • FIG. 7A is a diagram showing the angular shift of the chief ray corresponding to the virtual image plane on the far side in a head-up display device according to an embodiment.
  • FIG. 7B is a diagram showing the angular shift of the chief ray corresponding to the virtual image plane on the short distance side in the head-up display device according to one embodiment.
  • Figure 7C is a supplementary figure to Figures 7A and 7B.
  • FIGS. 7A and 7B show the values of the angular deviation of the principal ray Ray1 with respect to the virtual ray Ray0 at each view angle position.
  • the virtual ray Ray0 is a straight line obtained by rotating the normal line of the liquid crystal display panel 2 by a predetermined angle, for example, 18 degrees, around a rotation axis parallel to the long side of the liquid crystal display panel 2.
  • FIG. 7A shows the value of the angular shift of the principal ray Ray1 with respect to the virtual ray Ray0 on the liquid crystal display panel 2 when 23 object points are placed on the virtual image plane 7b at the virtual image distance on the far side. . As shown in FIG. 7A, the values of the angular deviations are all within 9.3 degrees.
  • FIG. 7B shows the value of the angular shift of the principal ray Ray1 with respect to the virtual ray Ray0 on the liquid crystal display panel 2 when 23 object points are arranged on the virtual image plane 7a at the virtual image distance on the short distance side. . As shown in FIG. 7B, the values of the angular deviations are all within 9.3 degrees.
  • FIG. 8A shows the liquid crystal display panel 2, the first lens 51, the polarizing element 52, and the concave lens 53 in FIG. 2.
  • a first optical path P1 for displaying a virtual image at a short distance and a second optical path P2 for displaying a virtual image at a long distance are formed between the liquid crystal display panel 2 and the polarizing element 52. .
  • the first lens 51 is arranged only on the first optical path P1.
  • the first lens 51 is constructed by, for example, pasting together a concave lens 511 and a convex lens 512, and thereby has a shape similar to a rectangular parallelepiped.
  • FIG. 8B is a plan view of the first lens 51, and only the bonding surface s16 of the two lenses is visible.
  • FIG. 8C is a diagram of the diagram shown in FIG. 8B viewed from an oblique direction, and surfaces s14 to s18 are visible, including the bonding surface s16. Surfaces s14 to s18 correspond to surfaces 14 to 18 in the lens data shown in FIG. 3, respectively.
  • the glass materials of the surfaces s14 and s15 of the first lens 51 are the same TAFD32_HOYA, and the glass materials of the surfaces s16 and s17 of the first lens 51 are the same FDS20W_HOYA. That is, the glass material of the concave lens 511 in FIG. 9A is TAFD32_HOYA with a refractive index of 1.871 and an Abbe number of 40.7, and the glass material of the convex lens 512 is FDS20W_HOYA with a refractive index of 1.870 and an Abbe number of 20.0. .
  • the amount of adjustment of the optical path length varies depending on the refractive index of the glass material; when the refractive index is small, the amount of adjustment of the optical path length can be made small, and when the refractive index is large, the amount of adjustment of the optical path length can be made large. Furthermore, the embodiments are not limited to the above-mentioned combinations of glass materials, and other combinations of glass materials may be used.
  • the bonding surface s16 of the first lens 51 has no refractive effect on the d-line. If the difference in refractive index is large, the first lens 51 will have a lens effect on the d-line, which will affect only the rays on the short distance side, and the telecentricity on the short distance side will change. Put it away. Therefore, it is desirable that the difference in refractive index between the two glass materials constituting the first lens 51 be 0.01 or less.
  • FIG. 10A is a schematic diagram explaining the action of the first lens in FIG. 2, and FIG. 10B is a schematic diagram as a comparative example of FIG. 10A.
  • the optical path length from the concave mirror 55 to the liquid crystal display panel 2 in FIG. 2 becomes longer when the virtual image distance is long, and becomes shorter when the virtual image distance is short, as shown in FIG. 10B. In this way, in order to display two virtual images having different virtual image distances, it is usually necessary to provide two display panels or the like.
  • the first lens 51 is arranged only on the first optical path P1, which is the optical path when the virtual image distance is short.
  • the optical path length when the virtual image distance is short can be set to the same length as the optical path length when the virtual image distance is long.
  • the optical path length of a rectangular parallelepiped with no refractive power in terms of air is d ⁇ N using the refractive index N and thickness d, so the optical path length is d(N-1), which is the difference from the physical length d. You can make the length longer. As a result, it becomes possible to display two virtual images at two different positions using one liquid crystal display panel 2.
  • the concave lens 53 disposed near the first lens 51 has refractive power to achieve the telecentricity shown in FIGS. 7A and 7B, and as a result, the magnification Chromatic aberration may occur.
  • the chromatic aberration of magnification is corrected using the difference in Abbe number between TAFD32_HOYA and FDS20W_HOYA.
  • the difference in Abbe numbers is large, the radius of curvature at the bonding surface s16 can be increased.
  • the difference in Abbe number is small, it is necessary to reduce the radius of curvature at the bonding surface s16. Therefore, it is desirable that the difference in Abbe number between the two glass materials constituting the first lens 51 be 10 or more.
  • the surface s15 and the surface s17 can be omitted because the front and rear surfaces thereof are made of the same glass material, but they are provided here for use in the explanation in FIG. 9A.
  • the optical axis AX of the bonding surface s16 corresponds to the representative ray on the short distance side, that is, the principal ray at the center of the visual field on the short distance side. It is arranged so that it almost coincides with the direction.
  • the optical axes of the surface s15, the surface s16, and the surface s17 coincide, and the representative ray passes through the center of the rectangular parallelepiped formed by the section from the surface s15 to the surface s17.
  • the first lens 51 is configured such that the surface s15 and the surface s17 are the incident surface and the exit surface of the image light.
  • the sunlight transmitted through the windshield 6 is reflected by the concave mirror 55, travels the optical path of the image light in the opposite direction, and then enters the surface s15 and the surface s17 facing the air substantially perpendicularly.
  • the stray light reflected by the surfaces s15 and s17 returns along the optical path of the image light and enters the eye box 8 and, ultimately, the driver's eyes 9.
  • the first lens 51 is configured to have an entrance surface and an exit surface that are not perpendicular to the optical axis AX of the bonding surface s16, like the surface s14 and the surface s18.
  • the surface s14 and the surface s18 are in a parallel positional relationship, and the first lens 51 including the surface s14 and the surface s18 acts on the d-line in the same way as a rectangular parallelepiped.
  • the lens diameters of the concave lens 511 and the convex lens 512 that constitute the first lens 51 can be made small, and material costs can be reduced.
  • the optical axis AX of the bonded surface of the lens 51b corresponding to the first lens 51 is not parallel to the representative ray on the short distance side, but is parallel to the optical axis.
  • the concave lens 511b and convex lens 512b constituting the lens 51b have larger lens diameters than in the case of FIG. 9A before being cut out into a substantially rectangular parallelepiped shape or rectangular parallelepiped shape.
  • a projection optical device and a head-up display device that can display virtual images at a long distance and a short distance, only on the first optical path P1 for displaying a virtual image at a short distance.
  • a first lens 51 is arranged.
  • the optical path length of the image light can be set equally on the far side and the near side, so it becomes possible to display virtual images at different virtual image distances using one liquid crystal display panel 2.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above, and can be modified in various ways without departing from the gist thereof.
  • the embodiments described above have been described in detail to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and the present invention is not necessarily limited to having all the configurations described.
  • the technology according to the embodiment it is possible to prevent sunlight from entering the driver's eyes, as described above.
  • the driver can also view images of information necessary for driving, such as alert information display when an oncoming vehicle or pedestrian is detected. It is possible to provide a head-up display device that reduces viewpoint movement and contributes to supporting safe driving. This makes it possible to prevent traffic accidents. Furthermore, it will be possible to contribute to "3. Good health and well-being for all" in the Sustainable Development Goals (SDGs) advocated by the United Nations.
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Abstract

遠距離と近距離にそれぞれ虚像を表示可能な投影光学装置およびヘッドアップディスプレイ装置において、ヘッドアップディスプレイ装置の小型化を実現する。本発明によれば、持続可能な開発目標の「3すべての人に健康と福祉を」に貢献する。そこで、画像形成部から出射された映像光を屈折および反射させて投影面に投影することで、遠距離と近距離に虚像を表示させるものであって、画像形成部側から順に配置される、第１のレンズ５１と、第２のレンズである凹レンズ５３と、凹面ミラー５５とを少なくとも備える。画像形成部と凹レンズ５３との間には、近距離に虚像を表示させるための第１の光路Ｐ１と、遠距離に虚像を表示させるための第２の光路Ｐ２とが形成される。第１のレンズ５１は、第１の光路Ｐ１と第２の光路Ｐ２のうちの第１の光路Ｐ１上のみに配置される。

Description

投影光学装置およびヘッドアップディスプレイ装置
　本発明は、投影光学装置およびヘッドアップディスプレイ装置に関する。
　例えば、自動車や航空機などの移動体が備える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。ヘッドアップディスプレイ装置の一つとして、背後から照射された光を変調することで画像を表示する透過型の液晶表示パネルと、液晶表示パネルに表示された画像を拡大投影する投影光学装置とを備えたものが知られている。
　特許文献１に示されるヘッドアップディスプレイ装置では、投影光学装置は、リレーレンズと投影レンズ、詳細には接眼光学部とから構成されている。リレーレンズは、いくつかの条件を満たすことでテレセントリック性の表示光を効率良く利用するように構成され、液晶表示パネルに表示された画像を拡大して実像を結像する。また、投影レンズは、実像をさらに拡大して、自動車などのウインドシールドに画像を投影し、運転者に対して虚像を表示するように構成される。
　特許文献１に示されるヘッドアップディスプレイ装置は、観察者、例えば運転者の前方２ｍ先に、スピードメータやタコメータ、水温計や燃料計等の各種計器類の値を虚像として表示する。この場合、各種計器類の値を虚像として見る視線方向と、運転者が見る前景の視線方向との差が小さくなる。これにより、この２つの視線方向の間での視線移動に要する時間を低減できる。
　さらに、各種計器類等を直接見る距離よりも、虚像までの距離（約２ｍ前方）の方が、運転者が見ている前景までの距離に近くなる。これにより、前景の中の対象物に眼のピントを合わせた状態と、虚像にピントを合わせた状態との間で、眼のピント合わせに要する時間も短縮できる。そして、これらの２つの利点により、自動車等を運転する際の安全性を向上させることが可能になる。
　特許文献２および特許文献３には、２つの異なる距離に虚像を投影するヘッドアップディスプレイ装置が示される。特許文献４には、映像情報を含む映像光を出射する画像形成部と、映像光を反射することで虚像を表示させる接眼光学部と、を含んだ投影光学装置が示される。接眼光学部は、映像光の出射方向に沿って画像形成部側から順に配置された凹レンズ、自由曲面レンズ、及び自由曲面凹面ミラーを含んで構成される。
特開２００９－２２９５５２号公報 特開２０１６－１７３５８３号公報 特開２０１６－１８６５０９号公報 国際公開第２０１８／０６６０８１号
　特許文献２に示されるヘッドアップディスプレイ装置では、凹面鏡からの距離の異なる位置に第１スクリーンと第２スクリーンとが配置される。また、表示器からの出射される映像光を反射する結像位置調整ミラーが設けられる。結像位置調整ミラーは、入射した映像光の一部の結像位置を変えることで、入射した映像光を、結像距離の異なる第１映像光と第２映像光に変換して反射し、第１映像光と第２映像光をそれぞれ第１スクリーンと第２スクリーンに実像として結像させる。
　これにより、第１スクリーン上の実像と第２スクリーン上の実像は、それぞれ、凹面ミラーと車両のウインドシールドを介して、運転者から見て異なる位置に虚像として表示される。しかしながら、特許文献２に示されるヘッドアップディスプレイ装置では、異なる２つのスクリーン位置に映像光を投影するための特別な表示器が必要とされる。このため、装置の大型化が生じるおそれがあった。
　一方、特許文献３に示されるヘッドアップディスプレイ装置では、凹面鏡からの距離の異なる位置に第１画像表示部と第２画像表示部とが配置される。第１画像表示部上の映像と第２画像表示部上の映像は、それぞれ、凹面ミラーと車両のウインドシールドを介して、運転者から見て異なる位置に虚像として表示される。しかしながら、特許文献３に示されるヘッドアップディスプレイ装置では、２つの画像表示部、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）が必要とされ、これに伴い、２つのバックライト装置も必要とされる。このため、装置の大型化や、製造コストの大幅な増大が生じるおそれがあった。
　本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、遠距離と近距離にそれぞれ虚像を表示可能な投影光学装置およびヘッドアップディスプレイ装置において、ヘッドアップディスプレイ装置の小型化を実現することにある。
　本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
　上記課題を解決するために、本発明の一実施の態様は、例えば特許請求の範囲に記載されるように構成すればよい。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、画像形成部から出射された映像光を屈折および反射させて投影面に投影することで、遠距離と近距離に虚像を表示させるものであって、前記画像形成部側から順に配置される、第１のレンズと、第２のレンズと、画像投射部とを少なくとも備え、前記画像形成部と前記第２のレンズとの間には、前記近距離に虚像を表示させるための第１の光路と、前記遠距離に虚像を表示させるための第２の光路とが形成され、前記第１のレンズは、前記第１の光路と前記第２の光路のうちの前記第１の光路上のみに配置される、ように構成されればよい。
　前記一実施の形態によれば、遠距離と近距離にそれぞれ虚像を表示可能な投影光学装置およびヘッドアップディスプレイ装置において、ヘッドアップディスプレイ装置の小型化を実現できる。
一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置において、接眼光学部のＹＺ平面での全体光線図である。 一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置において、接眼光学部のＸＺ平面での全体光線図である。 一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置において、接眼光学部の主要部の構成例を示す斜視図である。 図２における接眼光学部の近距離側に対応するレンズデータの一例を示す図である。 図２における接眼光学部の遠距離側に対応するレンズデータの一例を示す図である。 図２における接眼光学部の自由曲面係数の一例を示す図である。 図２における接眼光学部の非球面係数の一例を示す図である。 一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置の歪性能を表す図である。 一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置のスポット図である。 図６Ａの補足図である。 一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置において、遠距離側の虚像面に対応する主光線の角度ずれを表す図である。 一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置において、近距離側の虚像面に対応する主光線の角度ずれを表す図である。 図７Ａおよび図７Ｂの補足図である。 図２における第１のレンズの詳細を説明する図である。 図２における第１のレンズの詳細を説明する図である。 図２における第１のレンズの詳細を説明する図である。 図２における第１のレンズの詳細な配置構成例を示す図である。 図９Ａの比較例となる配置構成例を示す図である。 図２における第１のレンズの作用を説明する模式図である。 図１０Ａの比較例となる模式図である。 一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置において、基本構成の一例を示す概略図である。 図１１におけるヘッドアップディスプレイ装置のより詳細な構成例を示す図である。 移動体である自動車を前方から見た平面図である。
　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。
　＜ヘッドアップディスプレイ装置の概略＞
　図１１は、一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置において、基本構成の一例を示す概略図である。図１２は、図１１におけるヘッドアップディスプレイ装置のより詳細な構成例を示す図である。図１１に示すヘッドアップディスプレイ装置２０は、画像形成部１０と、接眼光学部５とを備える。画像形成部１０は、映像情報を含む映像光を出射する。接眼光学部５は、画像形成部１０から出射された映像光を、例えば自動車のウインドシールド６等である投影面に投影し、投影面で反射させて観察者の眼９に入射させる。これにより、観察者の眼９から見ると、虚像面７において映像情報を見ているかのような状態になる。
　まず、画像形成部１０について説明する。図１２に示すように、画像形成部１０は、表示パネルまたは液晶表示パネル２と、光源装置またはバックライト１とを備えている。また、画像形成部１０は、液晶表示パネル２とバックライト１の動作を制御する制御装置、言い換えればコントローラ２００を備えている。一方、画像形成部１０は、コントローラ２００を有さず、例えばヘッドアップディスプレイ装置２０を搭載した移動体の制御部により液晶表示パネル２とバックライト１の動作を制御してもよい。画像形成部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に表示された映像情報を接眼光学部５に向けて出射する。
　コントローラ２００は、種々の外部装置に接続され、外部装置から種々の情報が入力される。この例では、コントローラ２００は、ヘッドアップディスプレイ装置２０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が接続されている。ＥＣＵ２０９は、移動体が備える各種のセンサ２１０に接続され、各種のセンサ２１０によって検知した情報が入力される。
　コントローラ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主制御部２０１と、記憶装置２０６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。主制御部２０１は、ＲＡＭ（Randam Accsess Memory）２０３と、ＲＯＭ（Read Only Memory）２０４と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ２０５とを備える。
　ＲＡＭ２０３は、外部装置からの各種データを記憶する。ＲＯＭ２０４は、プロセッサ２０５が演算処理を実行するためのプログラムやパラメータを記憶する。プロセッサ２０５は、ＲＯＭ２０４に記憶されたプログラムまたはＲＡＭ２０３に展開されたプログラムに基づいて、観察者が視認する虚像の元になる映像データを生成するための演算処理を実行する。記憶装置２０６は、例えば、主制御部２０１の外部記憶装置として用いられる。
　画像形成部１０は、このようなコントローラ２００による制御に基づいて、液晶表示パネル２に映像情報を表示する。そして、画像形成部１０は、液晶表示パネル２に表示された映像情報を、バックライト１が照射した光束によって映像光として出射する。接眼光学部５は、詳細は後述するが、例えば、凹レンズ５３と、折返しミラー５４と、凹面ミラー５５とを一つまたは複数備える。接眼光学部５は、このようなレンズおよびミラーにより画像形成部１０からの映像光を屈折および反射させて、投影面、例えばウインドシールド６に投影する。なお、明細書では、接眼光学部５を投影光学装置または投射光学装置とも呼ぶ。
　図１１に戻る。画像形成部１０において形成され出射された映像光は、接眼光学部５によって、投影面、例えばウインドシールド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で映像情報を見ているような関係性が成立する。
　図１１に示されるように、液晶表示パネル２における映像光の出射面において、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に対応する虚像面７における仮想点は、それぞれ、図１１に示される点Ｖ１・点Ｖ２・点Ｖ３となる。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。このように、接眼光学部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、物像、詳細には虚像を観察者の眼９の前に表示する光学部である。
　ここで、ヘッドアップディスプレイ装置２０を移動体に搭載した場合の例について図１３を用いて説明する。図１３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１３に示すような自動車５００には、風防のため、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２０は、ウインドシールド６に映像光を投影することで、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を構築する。映像光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、映像光は、図１３における破線矩形領域Ｒ１に示すような位置に投影される。
　ここで、前述した特許文献４は、本発明と同じ発明者によるものである。特許文献４の段落［００３５］には、「液晶表示パネル側でのこ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、液晶表示パネルの直前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必要がある」と、記載されている。当該凹レンズは、例えば、図１２に示した凹レンズ５３に該当する。
　＜接眼光学部の詳細＞
　一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置２０は、特に、接眼光学部５、言い換えれば投影光学装置の構成に特徴がある。まずは、図１Ａおよび図１Ｂを参照して、ウインドシールド６と接眼光学部５との関係について説明する。図１Ａは、一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置において、接眼光学部のＹＺ平面での全体光線図である。図１Ｂは、一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置において、接眼光学部のＸＺ平面での全体光線図である。
　実施の形態では、車両５００に対する空間座標系や方向として、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いている。Ｙ軸、Ｙ方向は、鉛直方向であり、言い換えると上下方向、縦方向である。Ｘ軸、Ｘ方向は、第１水平方向であり、言い換えると、左右方向、横方向である。Ｚ軸、Ｚ方向は、Ｘ軸に対し直交する第２水平方向であり、言い換えると、前後方向である。
　ここでは、アイボックス８の水平方向をＸ軸で、垂直方向をＹ軸で、ＸＹ軸に直交する方向をＺ軸で定義する。図１Ａには、ＹＺ平面において虚像面７の映像情報を観察者の眼９で見ている様子が示される。図１Ｂには、ＸＺ平面において、虚像面７の映像情報を観察者の眼９で見ている様子が示される。ＹＺ平面では、図１Ａでの符号９に示されるように、右眼と左眼が重なっており、ＸＺ平面では、図１Ｂでの符号９に示されるように、右眼と左眼が別々に見えている。
　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ため、図１Ｂに示されるように、ヘッドアップディスプレイ装置２０からの映像光が通過するウインドシールド６の範囲は、左右対称となる。また、図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、接眼光学部５は、アイボックス８からの距離Ｌ１に位置する近距離側の虚像面７ａと、アイボックス８からの距離Ｌ２に位置する遠距離側の虚像面７ｂとに、互い異なる映像情報等をそれぞれ表示させる。
　図２は、一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置において、接眼光学部の主要部の構成例を示す斜視図である。図２に示されるように、接眼光学部５は、液晶表示パネル２を含む画像形成部側から順に配置される、第１のレンズ５１と、偏光素子５２と、第２のレンズである凹レンズ５３と、第３のレンズである折返しミラー５４と、正の屈折力を有する凹面ミラー５５と、を備える。これらの部品は、液晶表示パネル２と、投影面であるウインドシールド６との間の光路を形成する。なお、明細書では、凹面ミラー５５を画像投射部とも呼ぶ。
　ここで、液晶表示パネル２と凹レンズ５３との間には、近距離に虚像を表示させるための第１の光路Ｐ１と、遠距離に虚像を表示させるための第２の光路Ｐ２とが形成される。第１のレンズ５１は、第１の光路Ｐ１と第２の光路Ｐ２のうちの第１の光路Ｐ１上のみに配置されている。
　偏光素子５２は、液晶表示パネル２から出射する映像光とは異なる偏光光を減衰させることで、太陽光が液晶表示パネル２上に集光する場合でも、液晶表示パネル２の温度上昇を抑えるためのものである。凹レンズ５３は、主にテレセントリック性を実現し、且つ、折返しミラー５４と合わせて歪を補正している。
　折返しミラー５４は、液晶表示パネル２から凹レンズ５３等を介して入射された映像光を、凹面ミラー５５に向けて反射する。凹面ミラー５５は、折返しミラー５４から入射された映像光を拡大および反射することで、投影面であるウインドシールド６に映像光を拡大投影する。接眼光学部５の屈折力は、主に凹面ミラー５５が担っている。
　このように、ウインドシールド６と凹面ミラー５５との間の光路の下部または画像形成部１０と凹面ミラー５５との間に、折返しミラー５４を配置することで、ヘッドアップディスプレイ装置２０の小形化を実現できる。ただし、接眼光学部５は、場合によっては、液晶表示パネル２からの映像光を、折返しミラー５４を介さずに凹面ミラー５５に入射させるように構成されてもよい。また、偏光素子５２も、必須の部品ではない。このため、接眼光学部５は、少なくとも、第１のレンズ５１と、凹レンズ５３と、凹面ミラー５５とを備えればよい。
　図３Ａは、図２における接眼光学部の近距離側に対応するレンズデータの一例を示す図である。図３Ｂは、図２における接眼光学部の遠距離側に対応するレンズデータの一例を示す図である。図３Ｂには、図３Ａとはレンズデータが異なる面番号の範囲のみを表示している。図３Ａにおける近距離側の虚像距離、すなわち図１Ａにおける距離Ｌ１は、７ｍであり、図３Ｂにおける遠距離側の虚像距離、すなわち図１Ａにおける距離Ｌ２は、１５ｍである。
　図３Ａにおいて、第１のレンズ５１は、１４面から１８面までの範囲に該当し、当該５個の面を含んで構成される。なお、当該５個の面の詳細に関しては、図８および図９で後述する。一方、図３Ｂにおいて、第１のレンズ５１を構成する各面は、全て曲率半径が∞の平面であり、面番号１３の平面に重なる同じ平面となっている。これは、遠距離側には、第１のレンズ５１は配置されないことを意味する。
　図３Ａおよび図３Ｂ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に正の符合で表わされる。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。例えば、図３Ａにおいて、第１のレンズ５１の１４面から１５面までの距離は、２ｍｍである。なお、反射光学系においては、面間距離が負の値となる箇所では、曲率半径の符号は逆になる。
　偏心は、Ｘ軸方向・Ｙ軸方向・Ｚ軸方向それぞれの値で表され、倒れは、Ｘ軸回りの回転角度・Ｙ軸回りの回転角度・Ｚ軸回りの回転角度で表される。偏心・倒れは、該当の面で偏心と倒れの順に作用する。「普通偏心」は、偏心・倒れが作用した新しい座標系上での面間距離の位置に次の面が配置されることを意味する。「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。なお、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。
　図３Ａにおいて、硝材名４９０．５６０は、屈折率１．４９０でアッベ数が５６．０の材料を表す。同様に、硝材名５２０．６４９は、屈折率１．５２０でアッベ数が６４．９の材料を表し、硝材名５８３．３０２は、屈折率１．５８３でアッベ数が３０．２の材料を表す。また、１９面に記される「ｒｅｔ　ｓ１３」は、１８面の次に配置される１９面を、１３面に配置することを意味する。このため、２０面は、１９面、ひいては１３面を基準に定義される。
　図２に示したように、第１のレンズ５１が配置される区間では、映像光の光路は、２個の光路Ｐ１，Ｐ２に分離される。１９面は、当該分離された光路を基準の面、すなわち１３面から定義できるようにするための仮想的な面である。図３Ａに基づくと、例えば、２０面は、１９面、ひいては１３面から２１ｍｍの距離に配置される。また、一実施の形態では、図３Ａに示されるように、凹面ミラー５５と折返しミラー５４とを自由曲面形状とすることで、テレセントリック性を確保した上で、後述する良好な歪性能とスポット図を実現している。
　図４Ａは、図２における接眼光学部の自由曲面係数の一例を示す図である。図４Ｂは、図２における接眼光学部の非球面係数の一例を示す図である。図４Ａに示される自由曲面係数Ｃｊは、式（１）により求められる。図４Ｂに示される４次、６次、８次、１０次の非球面係数は、式（２）により求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　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３に示されるレンズデータでの偏心・倒れの量によって定まる。
　以下に、接眼光学部５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。
　　　アイボックスサイズ　１２０×４０ｍｍ
　　　液晶表示パネルでの映像光サイズ　８１．４×３５．７ｍｍ
　　　虚像距離（伏角方向）
　　　　　　　遠距離側　　　１３．０ｍ
　　　　　　　近距離側　　　　７．０ｍ
　　　視野角（全画角）
　　　　　　　全範囲　　　　１２．０×４．０度
　　　　　　　遠距離　　　　１２．０×２．５度
　　　　　　　近距離　　　　１２．０×０．９度
　　　伏角　　　　　　　　　　　　２．５度
　＜光学性能の検証結果＞
　次に、一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置２０の光学性能を検証した結果について、図５から図７を用いて説明する。
　図５は、一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置の歪性能を表す図である。図５には、図１１に示した矩形状の虚像面７の範囲を基準として得られた、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側での歪性能が示される。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の中央位置に眼９を位置した場合、例えば、樽型から糸巻型に、糸巻側から樽型に、といったように図５とは逆の歪が観察される。
　図５における上方には、遠距離側の虚像距離に位置する視野範囲、すなわち図１Ａに示した虚像面７ｂの範囲に対応する歪性能が示される。一方、図５における下方には、近距離側の虚像距離に位置する視野範囲、すなわち図１Ａに示した虚像面７ａの範囲に対応する歪性能が示される。図５に示されるように、遠距離側と近距離側とで、それぞれ、良好な歪性能が得られている。また、図５において、液晶表示パネル２上では、遠距離側の虚像距離と近距離側の虚像距離との間に、未使用帯があることがわかる。
　図６Ａは、一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置のスポット図である。図６Ｂは、図６Ａの補足図である。図６Ａは、図６Ｂに示されるように、虚像面７の範囲に２３か所の物点を配置した場合に得られる液晶表示パネル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である。
　図６Ａに示されるスポット図は、虚像を物面とした縮小光学系において、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６Ａにおける上方には、遠距離側の虚像距離の視野範囲に対応するスポット図が示され、図６Ａにおける下方には、近距離側の虚像距離の視野範囲に対応するスポット図が示される。図６に示されるように、遠距離側と近距離側とで、それぞれ、良好なスポット図が得られている。
　また、このスポット図は、アイボックス８の大きさが水平１２０ｍｍ×垂直４０ｍｍであることを前提とした全光束でのスポット図である。一方、人の眼の虹彩の大きさは、例えば、最大でφ７ｍｍといわれている。このため、実際に観察者が虚像を見る場合、人の眼の虹彩の大きさでのスポット図は、大幅に良くなる。
　図７Ａは、一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置において、遠距離側の虚像面に対応する主光線の角度ずれを表す図である。図７Ｂは、一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置において、近距離側の虚像面に対応する主光線の角度ずれを表す図である。図７Ｃは、図７Ａおよび図７Ｂの補足図である。
　図７Ａおよび図７Ｂには、図７Ｃに示されるように、各画角位置での仮想光線Ｒａｙ０に対する主光線Ｒａｙ１の角度ずれの値が示される。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の法線を所定角度、例えば１８度回転した直線である。このように角度を有した仮想光線Ｒａｙ０を定めることで、例えば、自動車５００の上方に太陽が位置し、ウインドシールド６を透過した太陽光が凹面ミラー５５で反射して液晶表示パネル２に到達した場合、太陽光は、液晶表示パネル２に対して斜めに入射することになる。その結果、その反射光は、凹面ミラー５５とは異なる方向に向かい、アイボックス８に到達することはない。
　図７Ａには、遠距離側の虚像距離の虚像面７ｂに２３か所の物点を配置した場合の、液晶表示パネル２上での仮想光線Ｒａｙ０に対する主光線Ｒａｙ１の角度ずれの値が示される。図７Ａに示されるように、角度ずれの値は、いずれも９．３度以内に収まっている。図７Ｂには、近距離側の虚像距離の虚像面７ａに２３か所の物点を配置した場合の、液晶表示パネル２上での仮想光線Ｒａｙ０に対する主光線Ｒａｙ１の角度ずれの値が示される。図７Ｂに示されるように、角度ずれの値は、いずれも９．３度以内に収まっている。
　＜第１のレンズの詳細＞
　図８Ａ、図８Ｂおよび図８Ｃは、図２における第１のレンズの詳細を説明する図である。図９Ａは、図２における第１のレンズの詳細な配置構成例を示す図であり、図９Ｂは、図９Ａの比較例となる配置構成例を示す図である。図８Ａには、図２における液晶表示パネル２と、第１のレンズ５１と、偏光素子５２と、凹レンズ５３とが示される。液晶表示パネル２と、偏光素子５２との間には、近距離に虚像を表示させるための第１の光路Ｐ１と、遠距離に虚像を表示させるための第２の光路Ｐ２とが形成される。第１のレンズ５１は、第１の光路Ｐ１上のみに配置されている。
　第１のレンズ５１は、図９Ａに示されるように、例えば、凹レンズ５１１と凸レンズ５１２とを貼り合わせることで構成され、これによって、直方体に似た形状を備える。図８Ｂは、第１のレンズ５１を面表示した図であり、当該２枚のレンズの貼り合わせ面ｓ１６のみが見えている。図８Ｃは、図８Ｂに示される図を斜め方向から見た図であり、貼り合わせ面ｓ１６も含め、面ｓ１４～面ｓ１８が見えている。面ｓ１４～面ｓ１８は、図３に示したレンズデータおける１４面～１８面にそれぞれ該当する。
　図３に示したように、第１のレンズ５１の面ｓ１４と面ｓ１５の硝材は、同じＴＡＦＤ３２＿ＨＯＹＡであり、第１のレンズ５１の面ｓ１６と面ｓ１７の硝材は、同じＦＤＳ２０Ｗ＿ＨＯＹＡである。すなわち、図９Ａにおける凹レンズ５１１の硝材は、屈折率１．８７１およびアッベ数４０．７を有するＴＡＦＤ３２＿ＨＯＹＡであり、凸レンズ５１２の硝材は、屈折率１．８７０およびアッベ数２０．０を有するＦＤＳ２０Ｗ＿ＨＯＹＡである。硝材の屈折率に応じて、光路長の調整量が異なり、屈折率が小さい場合、光路長の調整量を小さくでき、屈折率が大きい場合、光路長の調整量を大きくできる。また、実施の形態では、上記の硝材の組み合わせに限定されず、ほかの硝材の組み合わせでもよい。
　この場合、波長５８７．５６２ｎｍであるｄ線における屈折率の差は０．００１しかないので、第１のレンズ５１の貼り合わせ面ｓ１６は、ｄ線に対しては屈折作用を有さない。もし、屈折率の差が大きいと、第１のレンズ５１がｄ線に対してレンズ作用を持つので、近距離側の光線にのみ影響を与えてしまい、近距離側のテレセントリック性が変化してしまう。従って、第１のレンズ５１を構成する２つの硝材の屈折率の差は、０．０１以下であることが望ましい。
　図１０Ａは、図２における第１のレンズの作用を説明する模式図であり、図１０Ｂは、図１０Ａの比較例となる模式図である。図２における凹面ミラー５５から液晶表示パネル２までの光路長は、図１０Ｂに示されるように、原理的に、虚像距離が遠い場合に長くなり、虚像距離が近い場合に短くなる。このように、虚像距離の異なる２つの虚像を表示させるためには、通常、２個の表示パネル等を設ける必要がある。
　そこで、一実施の形態では、虚像距離が近い場合の光路である第１の光路Ｐ１上のみに、第１のレンズ５１が配置される。これにより、図１０Ａに示されるように、虚像距離が近い場合の光路長を、虚像距離が遠い場合の光路長と同等の長さに定めることができる。詳細には、屈折力の無い直方体の空気換算での光路長は、屈折率Ｎおよび厚さｄを用いてｄ×Ｎであるため、物理長ｄとの差ｄ（Ｎ－１）だけ、光路長を長くできる。その結果、１個の液晶表示パネル２を用いて、異なる２つの位置に２つの虚像をそれぞれ表示することが可能になる。
　また、例えば、図８Ｃにおいて、第１のレンズ５１の近くに配置される凹レンズ５３は、図７Ａおよび図７Ｂに示したテレセントリック性を実現するために屈折力を有しており、その結果、倍率色収差を発生し得る。一実施の形態では、その倍率色収差を、ＴＡＦＤ３２＿ＨＯＹＡとＦＤＳ２０Ｗ＿ＨＯＹＡのアッベ数の差を利用して補正している。この際に、アッベ数の差が大きければ、貼り合わせ面ｓ１６での曲率半径を大きくすることができる。一方、アッベ数の差が小さければ、貼り合わせ面ｓ１６での曲率半径を小さくする必要がある。従って、第１のレンズ５１を構成する２つの硝材のアッベ数の差は、１０以上であることが望ましい。
　ところで、第１のレンズ５１において、面ｓ１５および面ｓ１７は、それぞれの前後が同じ硝材であるため、省略可能であるが、ここでは、図９Ａでの説明で使用するために設けられる。一実施の形態では、第１のレンズ５１は、図９Ａに示されるように、貼り合わせ面ｓ１６の光軸ＡＸが、近距離側の代表光線、すなわち近距離側の視野の中央の主光線の方向と略一致するように配置されている。また、面ｓ１５と面ｓ１６と面ｓ１７は、光軸が一致しており、代表光線は、面ｓ１５から面ｓ１７までの区間で構成される直方体の中心部を通過することになる。
　ここで、第１の比較例として、仮に、第１のレンズ５１が、面ｓ１５および面ｓ１７を、映像光の入射面および出射面とするように構成された場合を想定する。この場合、ウインドシールド６を透過した太陽光は、凹面ミラー５５で反射し、映像光の光路を逆方向に進行したのち、空気に面した面ｓ１５と面ｓ１７に略垂直に入射する。その結果、面ｓ１５と面ｓ１７で反射した迷光が、映像光の光路を戻り、アイボックス８、ひいては、運転者の眼９に入光されるおそれがある。
　そこで、図９Ａに示されるような面ｓ１４および面ｓ１８を設けることで、このような第１のレンズ５１の入出射面での迷光の発生を防ぐことができる。すなわち、第１のレンズ５１は、面ｓ１４および面ｓ１８のように、貼り合わせ面ｓ１６の光軸ＡＸに対して垂直でない入射面と出射面とを有するように構成される。面ｓ１４と面ｓ１８は、平行な位置関係であり、面ｓ１４と面ｓ１８を含めた第１のレンズ５１は、ｄ線に対しては、直方体と同様に作用する。
　さらに、図９Ａに示される構成例を用いることで、第１のレンズ５１を構成する凹レンズ５１１と凸レンズ５１２のレンズ径を小さくでき、材料コストの低減等が図れる。例えば、第２の比較例となる図９Ｂの構成例では、第１のレンズ５１に対応するレンズ５１ｂの貼り合わせ面の光軸ＡＸは、近距離側の代表光線と平行ではなく、凹レンズ５３の光軸と平行になっている。この場合、レンズ５１ｂを構成する凹レンズ５１１ｂと凸レンズ５１２ｂは、略直方体状または直方体状に切り出す前のレンズ径が、図９Ａの場合と比べて大きくなる。
　＜実施の形態の主要な効果＞
　以上のように、一実施の形態では、遠距離と近距離にそれぞれ虚像を表示可能な投影光学装置およびヘッドアップディスプレイ装置において、近距離に虚像を表示させるための第１の光路Ｐ１上のみに第１のレンズ５１が配置される。これにより、遠距離側と近距離側とで映像光の光路長を同等に定めることができるため、１個の液晶表示パネル２を用いて異なる虚像距離に虚像を表示させることが可能になる。その結果、代表的には、ヘッドアップディスプレイ装置２０の小型化等が実現可能になる。
　以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、前述した実施の形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　例えば、実施の形態に係る技術を用いると、前述したように、太陽光が運転者の目に入光する事態を防止できる。また、フロントガラス等に投影された行き先や速度などのナビゲーション情報表示の他に、対向車や歩行者を検知した際のアラート情報表示などの走行に必要な情報の映像を視認でき、運転者の視点移動を軽減して安全運転の支援に寄与するヘッドアップディスプレイ装置を提供できる。これにより、交通事故を防止することが可能となる。さらに、国連の提唱する持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ：Sustainable Development Goals）の「３．すべての人に健康と福祉を」に貢献することが可能になる。
　２…液晶表示パネル、５…接眼光学部（投影光学装置）、６…ウインドシールド、７，７ａ，７ｂ…虚像面、８…アイボックス、９…眼、１０…画像形成部、２０…ヘッドアップディスプレイ装置、５１…第１のレンズ、５２…偏光素子、５３…凹レンズ（第２のレンズ）、５４…折返しミラー（第３のレンズ）、５５…凹面ミラー（画像投射部）、５１１…凹レンズ、５１２…凸レンズ、Ｐ１…第１の光路、Ｐ２…第２の光路

Claims (10)

  1. 　画像形成部から出射された映像光を反射させて投影面に投影することで、前記投影面を基準として遠距離と近距離に虚像を表示させる投影光学装置であって、
    　前記画像形成部側から順に配置され、前記画像形成部と前記投影面との間の光路を形成する、第１のレンズと、第２のレンズと、画像投射部とを少なくとも備え、
    　前記画像形成部と前記第２のレンズとの間には、前記近距離に虚像を表示させるための第１の光路と、前記遠距離に虚像を表示させるための第２の光路とが形成され、
    　前記第１のレンズは、前記第１の光路と前記第２の光路のうちの前記第１の光路上のみに配置されている、
    　投影光学装置。
  2. 　請求項１に記載の投影光学装置において、
    　前記第１のレンズは、凹レンズと凸レンズとを貼り合わせることで構成される、
    　投影光学装置。
  3. 　請求項２に記載の投影光学装置において、
    　前記第１のレンズは、前記第１のレンズを構成する前記凹レンズと前記凸レンズとの貼り合わせ面の光軸が、前記第１の光路における光線の方向と一致するように配置されている、
    　投影光学装置。
  4. 　請求項３に記載の投影光学装置において、
    　前記第１のレンズは、前記貼り合わせ面の光軸に対して垂直でない入射面と、前記貼り合わせ面の光軸に対して垂直でない出射面と、を有する、
    　投影光学装置。
  5. 　請求項４に記載の投影光学装置において、
    　前記第１のレンズを構成する前記凹レンズと前記凸レンズは、それぞれ、屈折率の差で０．０１以下、かつ、アッベ数の差で１０以上が得られる硝材を用いてそれぞれ構成される、
    　投影光学装置。
  6. 　映像情報を含む映像光を出射する画像形成部と、
    　前記画像形成部から出射された前記映像光を反射させて投影面に投影することで、前記投影面を基準として遠距離と近距離に虚像を表示させる接眼光学部と、
    　を備えるヘッドアップディスプレイ装置であって、
    　前記接眼光学部は、前記画像形成部側から順に配置され、前記画像形成部と前記投影面との間の光路を形成する、第１のレンズと、第２のレンズと、画像投射部とを少なくとも備え、
    　前記画像形成部と前記第２のレンズとの間には、前記近距離に虚像を表示させるための第１の光路と、前記遠距離に虚像を表示させるための第２の光路とが形成され、
    　前記第１のレンズは、前記第１の光路と前記第２の光路のうちの前記第１の光路上のみに配置されている、
    　ヘッドアップディスプレイ装置。
  7. 　請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    　前記第１のレンズは、凹レンズと凸レンズとを貼り合わせることで構成される、
    　ヘッドアップディスプレイ装置。
  8. 　請求項７に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    　前記第１のレンズは、前記第１のレンズを構成する前記凹レンズと前記凸レンズとの貼り合わせ面の光軸が、前記第１の光路における光線の方向と一致するように配置されている、
    　ヘッドアップディスプレイ装置。
  9. 　請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    　前記第１のレンズは、前記貼り合わせ面の光軸に対して垂直でない入射面と、前記貼り合わせ面の光軸に対して垂直でない出射面と、を有する、
    　ヘッドアップディスプレイ装置。
  10. 　請求項９に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    　前記第１のレンズを構成する前記凹レンズと前記凸レンズは、それぞれ、屈折率の差で０．０１以下、かつ、アッベ数の差で１０以上が得られる硝材を用いてそれぞれ構成される、
    ヘッドアップディスプレイ装置。
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