JP2010066731A - Lens optical system, image display, and headup display - Google Patents
Lens optical system, image display, and headup display Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010066731A JP2010066731A JP2008235648A JP2008235648A JP2010066731A JP 2010066731 A JP2010066731 A JP 2010066731A JP 2008235648 A JP2008235648 A JP 2008235648A JP 2008235648 A JP2008235648 A JP 2008235648A JP 2010066731 A JP2010066731 A JP 2010066731A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- lens
- convex lens
- convex
- image
- lens group
- Prior art date
- Legal status (The legal status 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 status listed.)
- Pending
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 102
- 239000011295 pitch Substances 0.000 abstract description 23
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 210000003128 head Anatomy 0.000 description 2
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 150000001925 cycloalkenes Chemical class 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- JFNLZVQOOSMTJK-KNVOCYPGSA-N norbornene Chemical compound C1[C@@H]2CC[C@H]1C=C2 JFNLZVQOOSMTJK-KNVOCYPGSA-N 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 229920005672 polyolefin resin Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B3/00—Simple or compound lenses
- G02B3/0006—Arrays
- G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
- G02B3/0062—Stacked lens arrays, i.e. refractive surfaces arranged in at least two planes, without structurally separate optical elements in-between
-
- 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
- G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
-
- 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
- G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
- G02B2027/011—Head-up displays characterised by optical features comprising device for correcting geometrical aberrations, distortion
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Instrument Panels (AREA)
- Lenses (AREA)
- Fittings On The Vehicle Exterior For Carrying Loads, And Devices For Holding Or Mounting Articles (AREA)
Abstract
Description
本発明は、レンズ光学系、並びに該レンズ光学系を用いた画像表示装置およびヘッドアップディスプレイに関する。 The present invention relates to a lens optical system, and an image display device and a head-up display using the lens optical system.
従来より、車両のフロントウィンドウの前方に車速などの情報を表示するヘッドアップディスプレイが知られている。運転者は、ヘッドアップディスプレイにより表示された表示画像と車両前方の風景とを重ね合わせて見ることにより、車両運転中に視線の移動をあまり行わずに車速などの情報を確認することができる。 2. Description of the Related Art Conventionally, a head-up display that displays information such as a vehicle speed in front of a front window of a vehicle is known. The driver can check information such as the vehicle speed without much movement of the line of sight while driving the vehicle by superimposing the display image displayed by the head-up display and the scenery in front of the vehicle.
図１は、従来のヘッドアップディスプレイの一例を示す。このヘッドアップディスプレイは、特許文献１に開示されたものである。図１に示すように、車のダッシュボードに配置される光学ユニット８０は、表示器８８、平面鏡８１、凹面鏡８２で構成されている。表示器８８の光は、平面鏡８１と拡大光学系である凹面鏡８２で反射され、出射窓８７を通って、フロントウィンド１０１に設けられたコンバイナ１０２で運転者に向けて反射される。運転者にとっては、前方に表示の虚像１０３が視認される。 FIG. 1 shows an example of a conventional head-up display. This head-up display is disclosed in Patent Document 1. As shown in FIG. 1, the optical unit 80 arranged on the dashboard of the car includes a display 88, a plane mirror 81, and a concave mirror 82. The light from the display 88 is reflected by the plane mirror 81 and the concave mirror 82 which is a magnifying optical system, passes through the exit window 87 and is reflected toward the driver by the combiner 102 provided on the front window 101. For the driver, the displayed virtual image 103 is visually recognized in front.
平面鏡８１の役割は、光学ユニット８０の形状的制約で、表示器８８から凹面鏡８２に至る光路を一直線にできない場合の、光路の折り曲げである。 The role of the plane mirror 81 is to bend the optical path when the optical path from the display 88 to the concave mirror 82 cannot be made straight due to the shape restriction of the optical unit 80.
図２は、凹面鏡８２による遠方拡大表示の説明図を示す。表示器８８と凹面鏡８２（中心点をＱとする）の距離をＬ１、表示器上の点Ｐの凹面鏡による虚像をＰ'としたときのＱＰ'の距離をＬ２、点Ｑとコンバイナ１０２の中心の点Ｒの距離をＬ３、点Ｒと運転者の目の位置（点Ｅ）の距離をＬ４とする。 FIG. 2 is an explanatory view of the far-increasing display by the concave mirror 82. The distance between the display 88 and the concave mirror 82 (center point is Q) is L 1 , the distance of QP ′ when the virtual image of the concave mirror at the point P on the display is P ′ is L 2 , the point Q and the combiner 102 The distance between the center point R is L 3 and the distance between the point R and the driver's eye position (point E) is L 4 .
運転者の目の位置（点Ｅ）と前方に形成される虚像Ｐ"の距離は、Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４である。このうち、Ｌ３とＬ４は自動車により決まり、乗用車の場合は、１ｍ程度である。このため、目の焦点移動を行わずに表示と車外風景を視認できるように、より遠方に虚像を表示するためには、Ｌ２を大きくする必要がある。 The distance between the position of the driver's eyes (point E) and the virtual image P ″ formed forward is L 2 + L 3 + L 4. Of these, L 3 and L 4 are determined by the car, and in the case of a passenger car, is about 1 m. Therefore, as can view the display and view outside the vehicle without focus movement of the eye, in order to display more virtual image far away, it is necessary to increase the L 2.
Ｌ２を大きくする方法の一つは、凹面鏡８２の焦点距離を短く（曲率半径を小さく）して表示器８８から凹面鏡８２に至る光路長Ｌ１を、凹面鏡の焦点距離よりも短い状態で、できるだけ焦点距離に近づけることである。これにより、大きな拡大倍率が得られ、表示器８８が小さくて済む。 One method of increasing the L 2 is an optical path length L 1 extending from a focal length shorter (smaller radius of curvature) to display 88 of the concave mirror 82 to the concave mirror 82 in a short state than the focal length of the concave mirror, It should be as close to the focal length as possible. Thereby, a large magnification can be obtained and the display 88 can be made small.
別の方法としては、焦点距離の長い（曲率半径の大きい）凹面鏡８２を用い、Ｌ１を長くとる方法がある。この方法では、低拡大率であっても、表示距離を大きくすることができる。たとえば図３に示す光学ユニットの如く、平面鏡９１、９２、凹面鏡９３を設けて、限られた空間に光路を重複させる構成としている。これにより光学ユニットの小型化を図っている。
しかしながら、図１の従来のヘッドアップディスプレイの光学ユニットでは、より遠方に表示の虚像を表示するために、光学系の光路長Ｌ１を長くしないで、光学系の拡大倍率を大きくすると、光学ユニットを大きくすることなく、表示像をより遠方に表示できるが、表示像の歪み、収差が大きく、視点を変えたときに像の流れが生じるという問題があった。 However, in the conventional head-up display optical unit in FIG. 1, in order to display a virtual image display of more distant, without lengthening the optical path length L 1 of the optical system, increasing the magnification of the optical system, an optical unit The display image can be displayed at a greater distance without increasing the image quality, but there is a problem in that the display image has a large distortion and aberration, and the image flows when the viewpoint is changed.
一方、図３の光学ユニットの如く、光学系の拡大倍率を大きくしないで、光学系の光路長Ｌ１を大きくとると、表示像の歪み、収差、視点を変えたときの像の流れの問題を生じないで、表示像をより遠方に表示できるが、光路を鉛直方向の面内で折り曲げているため、光学ユニットの厚みが大きく小型化は不十分で、自動車のダッシュボード内に収納できないという問題点があった。 On the other hand, as an optical unit of Figure 3, without increasing the magnification of the optical system, when a large optical path length L 1 of the optical system, the image flow problems when changing distortion of the display image, aberration, viewpoint However, the optical path is bent in the vertical plane, so the optical unit is too thick to be miniaturized and cannot be stored in the dashboard of an automobile. There was a problem.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヘッドアップディスプレイなどの画像表示装置を小型化できるレンズ光学系、並びに該レンズ光学系を用いた画像表示装置およびヘッドアップディスプレイを提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a lens optical system capable of downsizing an image display device such as a head-up display, and an image display device and a head-up display using the lens optical system. It is to provide.
上記課題を解決するために、本発明のある態様のレンズ光学系は、物体側より順に、複数の凸レンズが平面状に配置された第１凸レンズ群と、複数の凸レンズが平面状に配置された第２凸レンズ群と、複数の凸レンズが平面状に配置された第３凸レンズ群と、を備える。第１凸レンズ群、第２凸レンズ群、第３凸レンズ群の順に、凸レンズのレンズ径およびレンズピッチが大きくなるように構成されている。第２凸レンズ群は、その主平面が第１凸レンズ群の結像面に位置するように配置されてもよい。 In order to solve the above problems, in a lens optical system according to an aspect of the present invention, a first convex lens group in which a plurality of convex lenses are arranged in a planar shape and a plurality of convex lenses are arranged in a planar shape in order from the object side. A second convex lens group, and a third convex lens group in which a plurality of convex lenses are arranged in a planar shape. The first convex lens group, the second convex lens group, and the third convex lens group are configured in order of the lens diameter and lens pitch of the convex lens. The second convex lens group may be arranged such that its main plane is located on the imaging plane of the first convex lens group.
この態様によると、物体から放射状に放出された光を受けた第１凸レンズ群の各凸レンズは、各凸レンズの結像点に物体の倒立像を形成する。第２凸レンズ群の各凸レンズは、この各倒立像の光束を受けて、各凸レンズの光軸方向に曲げる。第３凸レンズ群の各凸レンズは、この曲げられた各光束を受け、視点から物体までの光路長よりも遠方に物体の虚像を形成する。第３凸レンズ群の凸レンズのレンズピッチおよび曲率半径を調整することで、虚像を任意の位置に形成することができる。この態様によれば、上述した従来技術のように光学系の光路長を大きくとらなくとも、任意の位置に物体の虚像を形成することができるので、ヘッドアップディスプレイなどの画像表示装置を小型化できる。 According to this aspect, each convex lens of the first convex lens group that has received the light emitted radially from the object forms an inverted image of the object at the imaging point of each convex lens. Each convex lens of the second convex lens group receives the light flux of each inverted image and bends it in the optical axis direction of each convex lens. Each convex lens of the third convex lens group receives each bent light beam and forms a virtual image of the object farther than the optical path length from the viewpoint to the object. A virtual image can be formed at an arbitrary position by adjusting the lens pitch and the radius of curvature of the convex lens of the third convex lens group. According to this aspect, it is possible to form a virtual image of an object at an arbitrary position without increasing the optical path length of the optical system as in the prior art described above, so that the size of an image display device such as a head-up display is reduced. it can.
一方の面に規則的に配置された複数の第１外側凸レンズと、他方の面に規則的に配置された複数の第１内側凸レンズとを有する第１レンズアレイプレートと、一方の面に規則的に配置された複数の第２外側凸レンズと、他方の面に規則的に配置された複数の第２内側凸レンズとを有する第２レンズアレイプレートと、を備え、第１内側凸レンズと第２内側凸レンズが対向するように、第１レンズアレイプレートと第２レンズアレイプレートとが積層されており、複数の第１外側凸レンズが第１凸レンズ群を構成し、第１内側凸レンズと第２内側凸レンズの複数の組が第２凸レンズ群を構成し、複数の第２外側凸レンズが第３凸レンズ群を構成してもよい。第１内側凸レンズと第２内側凸レンズは、レンズ径およびレンズピッチが等しくてもよい。 A first lens array plate having a plurality of first outer convex lenses regularly arranged on one surface and a plurality of first inner convex lenses regularly arranged on the other surface; and regular on one surface A second lens array plate having a plurality of second outer convex lenses disposed on the other surface and a plurality of second inner convex lenses regularly disposed on the other surface, the first inner convex lens and the second inner convex lens. The first lens array plate and the second lens array plate are stacked such that the plurality of first outer convex lenses constitute a first convex lens group, and a plurality of first inner convex lenses and second inner convex lenses are formed. May constitute a second convex lens group, and a plurality of second outer convex lenses may constitute a third convex lens group. The first inner convex lens and the second inner convex lens may have the same lens diameter and lens pitch.
この場合、２枚のレンズアレイプレートを積層することで上述のレンズ光学系を構成できるので、レンズ光学系を簡易な構造とすることができ、コストを低減することができる。 In this case, since the lens optical system described above can be configured by laminating two lens array plates, the lens optical system can have a simple structure, and the cost can be reduced.
本発明の別の態様は、画像表示装置である。この装置は、画像を表示する画像表示部と、画像表示部からの光を受け、画像の虚像を表示する上述のレンズ光学系とを備える。 Another aspect of the present invention is an image display device. This apparatus includes an image display unit that displays an image, and the above-described lens optical system that receives light from the image display unit and displays a virtual image of the image.
この態様によると、小型の画像表示装置を構成できる。このような画像表示装置は、たとえばゲーム機に利用することができる。すなわち、画像表示部で表示した画像よりも遠方に、奥行きのある虚像を形成することにより、ゲームの立体感を演出することができる。 According to this aspect, a small image display device can be configured. Such an image display device can be used for a game machine, for example. In other words, a three-dimensional effect of the game can be produced by forming a virtual image having a depth farther than the image displayed on the image display unit.
本発明のさらに別の態様は、ヘッドアップディスプレイである。このヘッドアップディスプレイは、画像を表示する画像表示部と、画像表示部からの光を受けるレンズ光学系と、レンズ光学系からの光を観察者に向けて反射して、観察者の前方に画像の虚像を表示するコンバイナとを備える。 Yet another embodiment of the present invention is a head-up display. The head-up display includes an image display unit that displays an image, a lens optical system that receives light from the image display unit, and reflects light from the lens optical system toward the viewer so that the image is displayed in front of the viewer. And a combiner that displays a virtual image of
この態様によると、ヘッドアップディスプレイにおける光学ユニットを小型化することができる。これにより、ダッシュボード内にあまりスペースが確保できない場合であっても、ヘッドアップディスプレイの光学ユニットを収納することが可能となる。 According to this aspect, the optical unit in the head-up display can be reduced in size. This makes it possible to store the optical unit of the head-up display even when there is not enough space in the dashboard.
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above-described constituent elements and a representation of the present invention converted between a method, an apparatus, a system, etc. are also effective as an aspect of the present invention.
本発明によれば、ヘッドアップディスプレイなどの画像表示装置を小型化できるレンズ光学系、並びに該レンズ光学系を用いた画像表示装置およびヘッドアップディスプレイを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a lens optical system capable of downsizing an image display device such as a head-up display, and an image display device and a head-up display using the lens optical system.
図４は、本発明の実施の形態に係るレンズ光学系１０を説明するための図である。図４に示すように、レンズ光学系１０は、複数の凸レンズが両面に形成された第１レンズアレイプレート１２と第２レンズアレイプレート１４とが積層された構造となっている。図４では、第２レンズアレイプレート１４の第２外側面１４ｃ上に、複数の第２外側凸レンズ１４ａが配置されている様子が示されている。 FIG. 4 is a diagram for explaining the lens optical system 10 according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the lens optical system 10 has a structure in which a first lens array plate 12 and a second lens array plate 14 in which a plurality of convex lenses are formed on both surfaces are laminated. FIG. 4 shows a state in which a plurality of second outer convex lenses 14 a are arranged on the second outer surface 14 c of the second lens array plate 14.
レンズ光学系１０は、第１レンズアレイプレート１２の第１外側面１２ｃ側である物体側に位置する物体４０からの光を受けて、第２レンズアレイプレート１４の第２外側面１４ｃ側である観察側に位置する観察者４４に、虚像４２を表示するものである。虚像４２は、観察者４４の視点から物体４０までの光路長よりも遠方に形成される。本実施の形態に係るレンズ光学系１０を用いることにより、たとえばヘッドアップディスプレイなどの、観察者に虚像を表示する画像表示装置を構成することができる。 The lens optical system 10 receives light from the object 40 located on the object side which is the first outer surface 12c side of the first lens array plate 12, and is on the second outer surface 14c side of the second lens array plate 14. The virtual image 42 is displayed on the observer 44 located on the observation side. The virtual image 42 is formed farther than the optical path length from the viewpoint of the observer 44 to the object 40. By using the lens optical system 10 according to the present embodiment, an image display device that displays a virtual image to an observer, such as a head-up display, can be configured.
図５は、本実施の形態に係るレンズ光学系１０の断面図である。上述したように、レンズ光学系１０は、両面に複数の凸レンズが配置された第１レンズアレイプレート１２と、第２レンズアレイプレート１４とが積層された構造となっている。すなわち、第１レンズアレイプレート１２の一方の面である第１外側面１２ｃ上には、複数の第１外側凸レンズ１２ａが規則的に配置されており、他方の面である第１内側面１２ｄ上には、複数の第１内側凸レンズ１２ｂが規則的に配置されている。また、第２レンズアレイプレート１４の一方の面である第２外側面１４ｃ上には、複数の第２外側凸レンズ１４ａが規則的に配置されており、他方の面である第２内側面１４ｄ上には、複数の第２内側凸レンズ１４ｂが規則的に配置されている。第１レンズアレイプレート１２と第２レンズアレイプレート１４は、第１内側凸レンズ１２ｂと第２内側凸レンズ１４ｂとが対向するように積層されている。 FIG. 5 is a cross-sectional view of the lens optical system 10 according to the present embodiment. As described above, the lens optical system 10 has a structure in which the first lens array plate 12 having a plurality of convex lenses arranged on both surfaces and the second lens array plate 14 are laminated. That is, a plurality of first outer convex lenses 12a are regularly arranged on the first outer surface 12c which is one surface of the first lens array plate 12, and on the first inner surface 12d which is the other surface. The plurality of first inner convex lenses 12b are regularly arranged. A plurality of second outer convex lenses 14a are regularly arranged on the second outer surface 14c, which is one surface of the second lens array plate 14, and on the second inner surface 14d, which is the other surface. A plurality of second inner convex lenses 14b are regularly arranged. The first lens array plate 12 and the second lens array plate 14 are laminated so that the first inner convex lens 12b and the second inner convex lens 14b face each other.
第１外側面１２ｃ、第１内側面１２ｄ、第２外側面１４ｃおよび第２内側面１４ｄ上において、第１外側凸レンズ１２ａ、第１内側凸レンズ１２ｂ、第２外側凸レンズ１４ａおよび第２内側凸レンズ１４ｂは、それぞれ最密充填配列で配置されている。図４には、第２レンズアレイプレート１４の第２外側面１４ｃ上に、第２外側凸レンズ１４ａが最密充填配列で配置されている様子が示されている。 On the first outer surface 12c, the first inner surface 12d, the second outer surface 14c, and the second inner surface 14d, the first outer convex lens 12a, the first inner convex lens 12b, the second outer convex lens 14a, and the second inner convex lens 14b are , Each arranged in a close packed arrangement. FIG. 4 shows a state in which the second outer convex lenses 14 a are arranged in a close-packed arrangement on the second outer surface 14 c of the second lens array plate 14.
本実施の形態において、平面状に配置された複数の第１外側凸レンズ１２ａは、第１凸レンズ群２０を構成している。以下においては適宜、第１外側凸レンズ１２ａを「第１要素凸レンズ２１」と称する。 In the present embodiment, the plurality of first outer convex lenses 12 a arranged in a plane form a first convex lens group 20. Hereinafter, the first outer convex lens 12a is appropriately referred to as a “first element convex lens 21”.
また、平面状に配置された第１内側凸レンズ１２ｂと第２内側凸レンズ１４ｂは、同一のレンズ径およびレンズピッチであり、対向する第１内側凸レンズ１２ｂと第２内側凸レンズ１４ｂは、光軸が一致し、且つ凸レンズの表面同士が当接するように配置されている。このように配置された第１内側凸レンズ１２ｂと第２内側凸レンズ１４ｂの１つの組は、１つの凸レンズとして機能する。従って、以下においては適宜、対向する第１内側凸レンズ１２ｂと第２内側凸レンズ１４ｂの組を「第２要素凸レンズ２３」として扱う。そして、複数の第２要素凸レンズ２３は、第２凸レンズ群２２を構成している。 Further, the first inner convex lens 12b and the second inner convex lens 14b arranged in a planar shape have the same lens diameter and lens pitch, and the first inner convex lens 12b and the second inner convex lens 14b facing each other have a single optical axis. In addition, the surfaces of the convex lenses are arranged so as to contact each other. One set of the first inner convex lens 12b and the second inner convex lens 14b arranged in this manner functions as one convex lens. Therefore, in the following, a pair of the first inner convex lens 12b and the second inner convex lens 14b facing each other is appropriately treated as the “second element convex lens 23”. The plurality of second element convex lenses 23 constitute a second convex lens group 22.
また、平面状に配置された複数の第２外側凸レンズ１４ａは、第３凸レンズ群２４を構成している。以下においては適宜、第２外側凸レンズ１４ａを「第３要素凸レンズ２５」と称する。 The plurality of second outer convex lenses 14 a arranged in a plane form a third convex lens group 24. Hereinafter, the second outer convex lens 14a is appropriately referred to as a “third element convex lens 25”.
本実施の形態においては、第１凸レンズ群２０、第２凸レンズ群２２、第３凸レンズ群２４の順に、凸レンズのレンズ径およびレンズピッチが大きくなるように構成されている。すなわち、第１要素凸レンズ２１のレンズ径ｄ１＜第２要素凸レンズ２３のレンズ径ｄ２＜第３要素凸レンズ２５のレンズ径ｄ３、且つ、第１要素凸レンズ２１のレンズピッチｐ１＜第２要素凸レンズ２３のレンズピッチｐ２＜第３要素凸レンズ２５のレンズピッチｐ３となるように構成されている。なお、本実施の形態において、レンズピッチとは、最も近接する２つのレンズの中心間の距離である。また、レンズ径とは、レンズとしての機能を有する部分の直径である。 In the present embodiment, the first convex lens group 20, the second convex lens group 22, and the third convex lens group 24 are configured so that the lens diameter and lens pitch of the convex lens increase in this order. That is, the lens diameter d1 of the first element convex lens 21 <the lens diameter d2 of the second element convex lens 23 <the lens diameter d3 of the third element convex lens 25, and the lens pitch p1 of the first element convex lens 21 <the second element convex lens 23. The lens pitch p2 <the lens pitch p3 of the third element convex lens 25. In the present embodiment, the lens pitch is the distance between the centers of the two closest lenses. The lens diameter is a diameter of a portion having a function as a lens.
また、本実施の形態においては、第２凸レンズ群２２は、その主平面が第１凸レンズ群２０の結像面に位置するように配置されている。第２凸レンズ群２２の主平面とは、各第２要素凸レンズ２３における第１内側凸レンズ１２ｂと第２内側凸レンズ１４ｂとの接点が位置している平面である。第１凸レンズ群２０の結像面とは、各第１要素凸レンズ２１の結像点が位置している平面である。後述するように、このような位置に第２凸レンズ群２２を配置することにより、物体からの光束を好適に曲げ、物体よりも遠方に虚像を形成することができる。また、第１凸レンズ群２０に対する第３凸レンズ群２４の位置は、後述するように、物体から第１凸レンズ群２０までの距離に応じて設定される。 Further, in the present embodiment, the second convex lens group 22 is arranged such that its main plane is located on the image plane of the first convex lens group 20. The main plane of the second convex lens group 22 is a plane on which the contact point between the first inner convex lens 12b and the second inner convex lens 14b in each second element convex lens 23 is located. The imaging plane of the first convex lens group 20 is a plane on which the imaging point of each first element convex lens 21 is located. As will be described later, by arranging the second convex lens group 22 at such a position, the light beam from the object can be favorably bent, and a virtual image can be formed farther than the object. The position of the third convex lens group 24 with respect to the first convex lens group 20 is set according to the distance from the object to the first convex lens group 20, as will be described later.
第１レンズアレイプレート１２および第２レンズアレイプレート１４は、射出成形により形成される。第１レンズアレイプレート１２および第２レンズアレイプレート１４の材質は、射出成形に使用可能で、必要な波長帯域の光に対して光透過性が高く、吸水性の低いものが望ましい。望ましい材質としては、シクロオレフィン系樹脂や、オレフィン系樹脂、ノルボルネン系樹脂、ポリカーボネートなどを例示することができる。 The first lens array plate 12 and the second lens array plate 14 are formed by injection molding. The material of the first lens array plate 12 and the second lens array plate 14 is preferably one that can be used for injection molding, has high light transmittance with respect to light in a necessary wavelength band, and low water absorption. Examples of desirable materials include cycloolefin resins, olefin resins, norbornene resins, and polycarbonates.
図６（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態に係るレンズ光学系１０の動作を説明するための図である。図６（ａ）は、物体「Ｆ」を距離Ｄだけ離れた位置から両眼で観察すると、観察者は、物体を距離Ｄの位置に確認できることを示している。 6A to 6C are diagrams for explaining the operation of the lens optical system 10 according to the present embodiment. FIG. 6A shows that when the object “F” is observed with both eyes from a position separated by the distance D, the observer can confirm the object at the position of the distance D.
ここで、図６（ｂ）に示すように、物体と観察者の視点との間にレンズ径およびレンズピッチの異なる第１凸レンズ群２０と第３凸レンズ群２４を所望の間隔で配置し、物体からの光を、第１凸レンズ群２０の各第１要素凸レンズ２１から放射される光束に分けて考える。ここで、第１凸レンズ群２０と第３凸レンズ群２４との間隔は、物体から放射される光束が、角度変化なく第３凸レンズ群２４から出射し、物体から第１凸レンズ群２０の個々の第１要素凸レンズ２１に張った光線角度（放射角度）に整合するように決める。 Here, as shown in FIG. 6B, the first convex lens group 20 and the third convex lens group 24 having different lens diameters and lens pitches are arranged at a desired interval between the object and the viewpoint of the observer, and the object Are divided into luminous fluxes emitted from the first element convex lenses 21 of the first convex lens group 20. Here, the distance between the first convex lens group 20 and the third convex lens group 24 is such that the light beam radiated from the object is emitted from the third convex lens group 24 without any change in angle, and the first convex lens group 20 is individually separated from the object. It is determined so as to match the light ray angle (radiation angle) stretched on the one-element convex lens 21.
図６（ｂ）のような構成の場合、物体から放射状に放出された光を受けた第１凸レンズ群２０の各第１要素凸レンズ２１は、各第１要素凸レンズ２１の結像点に倒立像（要素画像とも呼ぶ）を形成する。第３凸レンズ群２４の各第３要素凸レンズ２５は、この各要素画像の各光束を受けて、観察者に向けて放出する。観察者がこのような放射光線を両眼で観察すると、物体は、観察者の視点から距離Ｄの位置に反転して視認できる。 In the case of the configuration as shown in FIG. 6B, each first element convex lens 21 of the first convex lens group 20 that has received light emitted radially from the object is an inverted image at the imaging point of each first element convex lens 21. (Also referred to as an elemental image). Each third element convex lens 25 of the third convex lens group 24 receives each light flux of each element image and emits it toward the observer. When the observer observes such a radiation beam with both eyes, the object can be visually recognized by inverting the position of the distance D from the viewpoint of the observer.
次いで、図６（ｃ）に示すように、第１凸レンズ群２０と第３凸レンズ群２４の間に、第１凸レンズ群２０よりレンズ径およびレンズピッチが大きく、第３凸レンズ群２４よりレンズ径およびレンズピッチが小さく、しかも第１凸レンズ群２０、第３凸レンズ群２４よりも屈折力の大きな第２凸レンズ群２２を追加する。第２凸レンズ群２２は、上述したように、その主平面が第１凸レンズ群２０の結像面に位置するように配置される。 Next, as shown in FIG. 6C, the lens diameter and the lens pitch are larger between the first convex lens group 20 and the third convex lens group 24 than the first convex lens group 20, and the lens diameter and the lens pitch are larger than those of the third convex lens group 24. A second convex lens group 22 having a small lens pitch and a larger refractive power than the first convex lens group 20 and the third convex lens group 24 is added. As described above, the second convex lens group 22 is arranged such that its main plane is located on the image plane of the first convex lens group 20.
第２凸レンズ群２２の各第２要素凸レンズ２３は、各要素画像の結像に寄与した各光束を、各第２要素凸レンズ２３の光軸方向に曲げる。このように第２凸レンズ群２２の各第２要素凸レンズ２３により光束が曲げられることにより、観察者は、曲げられた光束の視点から反対方向の延長線上に、虚像である観察像を視認できる。第３凸レンズ群２４のレンズピッチおよび第３要素凸レンズ２５の曲率半径を調整することで、観察像を任意の位置Ｄ’に結像させることができる。もちろん、物体と第１凸レンズ群２０の距離Ｅを変更することにより、観察像の倍率を変化させることができる。 Each second element convex lens 23 of the second convex lens group 22 bends each light flux contributing to the image formation of each element image in the optical axis direction of each second element convex lens 23. As described above, the light beam is bent by each second element convex lens 23 of the second convex lens group 22, so that the observer can visually recognize the observation image that is a virtual image on the extension line in the opposite direction from the viewpoint of the bent light beam. By adjusting the lens pitch of the third convex lens group 24 and the radius of curvature of the third element convex lens 25, an observation image can be formed at an arbitrary position D '. Of course, the magnification of the observation image can be changed by changing the distance E between the object and the first convex lens group 20.
つまり、第１凸レンズ群２０により、高品位な倒立像を形成し、第３凸レンズ群２４のレンズピッチ、曲率半径、および第２凸レンズ群２２と第３凸レンズ群２４の位置を調整して、倒立像を読み出すことで、任意の位置に虚像を結像することが可能となり、視差と視度の両立を図ることができる。 That is, the first convex lens group 20 forms a high-quality inverted image, and the lens pitch and curvature radius of the third convex lens group 24 and the positions of the second convex lens group 22 and the third convex lens group 24 are adjusted. By reading out the image, a virtual image can be formed at an arbitrary position, and both parallax and diopter can be achieved.
このように、本実施の形態に係るレンズ光学系１０によれば、物体と第１凸レンズ群２０との距離Ｅを大きくとらなくても、任意の位置に物体の虚像を形成することができるので、ヘッドアップディスプレイなどの画像表示装置を小型化できる。 Thus, according to the lens optical system 10 according to the present embodiment, a virtual image of an object can be formed at an arbitrary position without increasing the distance E between the object and the first convex lens group 20. In addition, an image display device such as a head-up display can be downsized.
図７は、本実施の形態に係るレンズ光学系１０を用いたヘッドアップディスプレイ１００を説明するための図である。このヘッドアップディスプレイ１００は、画像表示部３０と、上述したレンズ光学系１０と、コンバイナ３４とを備える。レンズ光学系１０と画像表示部３０は、ヘッドアップディスプレイ１００の光学ユニットを構成し、たとえば車両のダッシュボード内に収納される。 FIG. 7 is a diagram for explaining a head-up display 100 using the lens optical system 10 according to the present embodiment. The head-up display 100 includes an image display unit 30, the above-described lens optical system 10, and a combiner 34. The lens optical system 10 and the image display unit 30 constitute an optical unit of the head-up display 100, and are housed, for example, in a dashboard of a vehicle.
画像表示部３０は、たとえば液晶ディスプレイで構成され、図示しない画像処理部からの信号に基づいて、車速、燃料残量などの情報を画像５２として表示する。 The image display unit 30 is configured by, for example, a liquid crystal display, and displays information such as the vehicle speed and the remaining amount of fuel as an image 52 based on a signal from an image processing unit (not shown).
レンズ光学系１０は、第１レンズアレイプレート１２の第１外側面１２ｃが画像表示部３０の表面と対向するように配置される。画像表示部３０から出射された光は、第１凸レンズ群２０に入射した後、第２凸レンズ群２２を通って第３凸レンズ群２４より出射される。レンズ光学系１０は、第３凸レンズ群２４から出射した光がフロントウィンドウ３２に対して所定の入射角、たとえば４５度の入射角で入射するように配置される。 The lens optical system 10 is disposed so that the first outer surface 12 c of the first lens array plate 12 faces the surface of the image display unit 30. The light emitted from the image display unit 30 enters the first convex lens group 20, then passes through the second convex lens group 22 and is emitted from the third convex lens group 24. The lens optical system 10 is arranged so that light emitted from the third convex lens group 24 enters the front window 32 at a predetermined incident angle, for example, an incident angle of 45 degrees.
コンバイナ３４は、フロントウィンドウ３２の表面に形成された反射膜であり、レンズ光学系１０から出射された光を運転者５０に向けて反射する。運転者は、視点からコンバイナ３４までの光路の延長線上に、画像５２の虚像５４を視認することができる。 The combiner 34 is a reflective film formed on the surface of the front window 32 and reflects the light emitted from the lens optical system 10 toward the driver 50. The driver can visually recognize the virtual image 54 of the image 52 on the extension line of the optical path from the viewpoint to the combiner 34.
ここで、画像表示部３０からレンズ光学系１０の第１凸レンズ群２０までの距離をＤ１、レンズ光学系１０の第３凸レンズ群２４からコンバイナ３４までの距離をＤ２、コンバイナ３４から運転者５０の視点までの距離をＤ３、コンバイナ３４から虚像５４までの距離をＤ４とする。このとき、運転者５０の視点から画像５２までの光路長は、Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３である。また、運転者５０の視点から虚像５４までの光路長は、Ｄ３＋Ｄ４である。本実施の形態に係るレンズ光学系１０は、図６において説明したのと同様に、運転者５０の視点から虚像５４までの光路長Ｄ３＋Ｄ４を、運転者５０の視点から画像５２までの光路長Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３よりも長くすることができる。 Here, the distance from the image display unit 30 to the first convex lens group 20 of the lens optical system 10 is D1, the distance from the third convex lens group 24 of the lens optical system 10 to the combiner 34 is D2, and the combiner 34 to the driver 50 The distance to the viewpoint is D3, and the distance from the combiner 34 to the virtual image 54 is D4. At this time, the optical path length from the viewpoint of the driver 50 to the image 52 is D1 + D2 + D3. The optical path length from the viewpoint of the driver 50 to the virtual image 54 is D3 + D4. The lens optical system 10 according to the present embodiment has an optical path length D3 + D4 from the viewpoint of the driver 50 to the virtual image 54 and an optical path length D1 + D2 + D3 from the viewpoint of the driver 50 to the image 52, as described in FIG. Can be longer.
運転者５０が車両前方の風景と虚像５４とを重ね合わせて視認することができるように、虚像５４は、車両前方の出来るだけ遠方に形成されることが好ましい。たとえば、コンバイナ３４から虚像５４までの距離Ｄ４は、１ｍ程度を確保することが望ましい。図３に示すような従来のヘッドアップディスプレイの光学ユニットでは、コンバイナから虚像までの距離を１ｍ確保するためには、画像から凹面鏡までの光路長を１ｍ確保する必要があった。この場合、光学ユニットを小型化することは難しい。しかしながら、本実施の形態に係るレンズ光学系１０を用いてヘッドアップディスプレイ１００を構成することにより、距離Ｄ１＋Ｄ２を距離Ｄ４よりも小さくすることができる。従って、光学ユニット内においてそれほど大きな光路長を確保する必要がないため、光学ユニットを小型化することができる。 The virtual image 54 is preferably formed as far as possible in front of the vehicle so that the driver 50 can visually recognize the scenery in front of the vehicle and the virtual image 54 superimposed on each other. For example, it is desirable to secure a distance D4 from the combiner 34 to the virtual image 54 of about 1 m. In the optical unit of the conventional head-up display as shown in FIG. 3, in order to secure 1 m from the combiner to the virtual image, it is necessary to secure 1 m of the optical path length from the image to the concave mirror. In this case, it is difficult to reduce the size of the optical unit. However, the distance D1 + D2 can be made smaller than the distance D4 by configuring the head-up display 100 using the lens optical system 10 according to the present embodiment. Therefore, it is not necessary to secure a very long optical path length in the optical unit, and the optical unit can be downsized.
また、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００によれば、非常に簡易な構成により、画像表示部３０に表示された画像５２の奥行き画像である虚像５４を構成できる。奥行き感のある画像を形成する装置としては、従来より、映像投影系の結像位置にレンチキュラスクリーンを配置し、両眼視差を含んだ画像をそれぞれ左右の眼に空間的に分離して提示する装置が開示されている。しかしながら、このような装置では、両眼視差を含んだ左右の画像を観察者の頭の中で合成して奥行き感を得るものであるので、奥行き感のある画像を認識するのに疲労感を伴ってしまう。しかしながら、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００では、両眼視差を含んだ左右の画像を観察者の頭の中で合成するような作業は必要なく、容易に奥行き感のある虚像５４を視認できるため、観察者が疲労感を感じることはない。 Moreover, according to the head-up display 100 according to the present embodiment, the virtual image 54 that is the depth image of the image 52 displayed on the image display unit 30 can be configured with a very simple configuration. As a device for forming an image with a sense of depth, a lenticular screen is conventionally arranged at the image forming position of the video projection system, and images including binocular parallax are spatially separated and presented to the left and right eyes, respectively. An apparatus is disclosed. However, in such an apparatus, the left and right images including the binocular parallax are synthesized in the observer's head to obtain a sense of depth, so that it is not easy to recognize an image with a sense of depth. It will accompany. However, in the head-up display 100 according to the present embodiment, it is not necessary to synthesize the left and right images including binocular parallax in the observer's head, and the virtual image 54 with a sense of depth can be easily visually recognized. Because it can, the observer will not feel tired.
次に、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００を実際に試作した実施例について説明する。図８は、試作した第１実施例の光学系を示す図である。また、図９は、第１実施例において用いたレンズ光学系１０の諸元を示す図である。第１実施例においては、図７の運転者の位置にカメラ６０を置き、また、虚像が形成される位置に、目印６２を置いた。 Next, an example in which the head-up display 100 according to the present embodiment is actually prototyped will be described. FIG. 8 is a diagram showing a prototype optical system of the first example. FIG. 9 is a diagram showing specifications of the lens optical system 10 used in the first example. In the first embodiment, the camera 60 is placed at the position of the driver in FIG. 7, and the mark 62 is placed at the position where the virtual image is formed.
図８に示すように、第１実施例においては、画像表示部３０から第１凸レンズ群２０までの距離Ｄ１＝５０ｍｍ、第３凸レンズ群２４からコンバイナ３４までの距離Ｄ２＝１００ｍｍ、コンバイナ３４からカメラ６０までの距離Ｄ３＝１０００ｍｍ、コンバイナ３４から目印６２までの距離Ｄ４＝４００ｍｍと設定した。 As shown in FIG. 8, in the first embodiment, the distance D1 from the image display unit 30 to the first convex lens group 20 is 50 mm, the distance D2 from the third convex lens group 24 to the combiner 34 is 100 mm, and the combiner 34 to the camera. The distance D3 to 60 was set to 1000 mm, and the distance D4 from the combiner 34 to the mark 62 was set to 400 mm.
また、図９に示すように、第１凸レンズ群２０をレンズ径＝１．６５９ｍｍ、レンズピッチ＝１．１７３ｍｍ、焦点距離＝１．９１５ｍｍと設定した。また、第２凸レンズ群２２を、レンズ径＝１．６９７ｍｍ、レンズピッチ＝１．２ｍｍ、焦点距離＝１．９１５ｍｍと設定した。また、第３凸レンズ群２４を、レンズ径＝１．７３５ｍｍ、レンズピッチ＝１．２２７ｍｍ、焦点距離＝３．５５９ｍｍと設定した。また、第１レンズアレイプレート１２の厚みを３．０９５ｍｍとし、第２レンズアレイプレート１４の厚みを５．８７ｍｍと設定した。なお、レンズの屈折率は、１．５６である。 Also, as shown in FIG. 9, the first convex lens group 20 was set such that lens diameter = 1.659 mm, lens pitch = 1.173 mm, and focal length = 1.915 mm. Further, the second convex lens group 22 was set such that the lens diameter = 1.697 mm, the lens pitch = 1.2 mm, and the focal length = 1.915 mm. In addition, the third convex lens group 24 was set such that the lens diameter = 1.735 mm, the lens pitch = 1.227 mm, and the focal length = 3.559 mm. The thickness of the first lens array plate 12 was set to 3.095 mm, and the thickness of the second lens array plate 14 was set to 5.87 mm. The refractive index of the lens is 1.56.
このように構成された第１実施例において、大きさが９ｍｍ角の文字「Ｍ」を画像表示部３０に表示し、カメラ６０によって形成された虚像を撮像した。図１０は、カメラ６０により撮像された虚像５４を示す図である。図１０に示すように、目印６２とともに虚像が形成できていることが分かる。虚像の大きさは、約１８ｍｍ角であり、約２倍に拡大された虚像を表示することができた。 In the first embodiment configured as described above, a character “M” having a size of 9 mm square was displayed on the image display unit 30 and a virtual image formed by the camera 60 was captured. FIG. 10 is a diagram illustrating a virtual image 54 captured by the camera 60. As shown in FIG. 10, it can be seen that a virtual image is formed together with the mark 62. The size of the virtual image was about 18 mm square, and a virtual image magnified about twice could be displayed.
このように実施例１より、画像表示部３０から第１凸レンズ群２０までの距離Ｄ１を５０ｍｍと短くしても、コンバイナ３４から距離Ｄ４＝４００ｍｍの位置に視差と視度を持った虚像が結像できることが判り、ヘッドアップディスプレイ１００の光学ユニットをコンパクトにしかも低コストに構成できることが分かった。 Thus, from Example 1, even if the distance D1 from the image display unit 30 to the first convex lens group 20 is shortened to 50 mm, a virtual image having parallax and diopter is formed at a distance D4 = 400 mm from the combiner 34. It was found that an image can be obtained, and it was found that the optical unit of the head-up display 100 can be made compact and low-cost.
図１１は、試作した第２実施例の光学系を示す図である。また、図１２は、第２実施例において用いたレンズ光学系１０の諸元を示す図である。第２実施例においては、図７の運転者の位置にカメラ６０を置き、また、虚像が形成される位置に、目印６２として方眼チャートを置いている。 FIG. 11 is a diagram showing an optical system of the second example that was prototyped. FIG. 12 is a diagram showing specifications of the lens optical system 10 used in the second embodiment. In the second embodiment, the camera 60 is placed at the position of the driver in FIG. 7, and a grid chart is placed as a mark 62 at a position where a virtual image is formed.
図１１に示すように、第１実施例においては、画像表示部３０から第１凸レンズ群２０までの距離Ｄ１＝２４０ｍｍ、第３凸レンズ群２４からコンバイナ３４までの距離Ｄ２＝２４０ｍｍ、コンバイナ３４からカメラ６０までの距離Ｄ３＝１０００ｍｍ、コンバイナ３４から目印６２までの距離Ｄ４＝１０００ｍｍと設定した。 As shown in FIG. 11, in the first embodiment, the distance D1 from the image display unit 30 to the first convex lens group 20 is 240 mm, the distance D2 from the third convex lens group 24 to the combiner 34 is 240 mm, and the combiner 34 to the camera. The distance D3 to 60 was set to 1000 mm, and the distance D4 from the combiner 34 to the mark 62 was set to 1000 mm.
また、図１２に示すように、第１凸レンズ群２０をレンズ径＝０．８６３ｍｍ、レンズピッチ＝０．７４７ｍｍ、焦点距離＝１．４２９ｍｍと設定した。また、第２凸レンズ群２２を、レンズ径＝０．８６６ｍｍ、レンズピッチ＝０．７５ｍｍ、焦点距離＝１．２５ｍｍと設定した。また、第３凸レンズ群２４を、レンズ径＝０．８７２ｍｍ、レンズピッチ＝０．７５５ｍｍ、焦点距離＝３．２１７ｍｍと設定した。また、第１レンズアレイプレート１２の厚みを２．２０８ｍｍとし、第２レンズアレイプレート１４の厚みを５．００ｍｍと設定した。なお、レンズの屈折率は、１．５６である。 Also, as shown in FIG. 12, the first convex lens group 20 was set such that lens diameter = 0.863 mm, lens pitch = 0.747 mm, and focal length = 1.429 mm. The second convex lens group 22 was set such that lens diameter = 0.866 mm, lens pitch = 0.75 mm, and focal length = 1.25 mm. The third convex lens group 24 was set such that lens diameter = 0.72 mm, lens pitch = 0.755 mm, and focal length = 3.217 mm. The thickness of the first lens array plate 12 was set to 2.208 mm, and the thickness of the second lens array plate 14 was set to 5.00 mm. The refractive index of the lens is 1.56.
このように構成された第２実施例において、大きさが約９ｍｍ角の文字「Ｍ」を画像表示部３０に表示し、カメラ６０によって形成された虚像を撮像した。図１３は、カメラ６０により撮像された虚像５４を示す図である。図１３に示すように、目印６２の方眼チャートとともに虚像が形成できていることが分かる。虚像の大きさは、約１８ｍｍ角であり、約２倍に拡大された虚像を表示することができた。 In the second embodiment configured as described above, a letter “M” having a size of about 9 mm square is displayed on the image display unit 30 and a virtual image formed by the camera 60 is captured. FIG. 13 is a diagram illustrating a virtual image 54 captured by the camera 60. As shown in FIG. 13, it can be seen that a virtual image is formed together with the grid chart of the mark 62. The size of the virtual image was about 18 mm square, and a virtual image magnified about twice could be displayed.
このように実施例２より、画像表示部３０から第１凸レンズ群２０までの距離Ｄ１を２４０ｍｍと短くしても、コンバイナ３４から距離Ｄ４＝１０００ｍｍの位置に視差と視度を持った虚像が結像できることが分かり、ヘッドアップディスプレイ１００の光学ユニットをコンパクトにしかも低コストに構成できることが分かった。 Thus, from Example 2, even if the distance D1 from the image display unit 30 to the first convex lens group 20 is shortened to 240 mm, a virtual image having parallax and diopter is formed at a distance D4 = 1000 mm from the combiner 34. It was found that the image can be displayed, and the optical unit of the head-up display 100 can be made compact and low-cost.
図１４は、試作した第３実施例の光学系を示す図である。図１１に示す第２実施例において、さらに、画像表示部３０と第１凸レンズ群２０との距離Ｄ１を短縮し、あるいは凸レンズ群の表示（光線束）透過領域を拡大するためには、画像表示部３０と第１凸レンズ群２０の間に単レンズまたはフレネルレンズを配置して、画像表示部３０から第１凸レンズ群２０の各凸レンズに入射する光束を、各凸レンズの光軸方向に曲げることで実現できる。 FIG. 14 is a diagram showing an optical system of a third example that was prototyped. In the second embodiment shown in FIG. 11, in order to further reduce the distance D1 between the image display unit 30 and the first convex lens group 20, or to enlarge the display (light bundle) transmission region of the convex lens group, an image display is performed. By disposing a single lens or a Fresnel lens between the unit 30 and the first convex lens group 20 and bending a light beam incident on each convex lens of the first convex lens group 20 from the image display unit 30 in the optical axis direction of each convex lens. realizable.
図１４に示す第３実施例では、屈折率１．６０７、１．４９８で板厚１０ｍｍの両面に意匠面を形成した２枚の非球面フレネルレンズ６４、６６を、画像表示部３０と第１凸レンズ群２０の間に設置している。このように構成することで、画像表示部３０と第１凸レンズ群２０との距離Ｄ１を８０ｍｍに短縮でき（非球面フレネルレンズの設計値は以下の通り）、虚像倍率が約６倍になることが実験により分かっている。
・非球面レンズ設計値（屈折率n=1.607、物体側を１面目とする）
１面目：曲率=-0.02028、Conic係数a0=0、a2=0、a4= 1.3777E-06、a6=-3.6567E-10、・・・・・。
２面目：曲率=-0.01060、Conic係数a0=0、a2=0、a4=-3.2833E-08、a6= 1.1356E-11、・・・・・。
・非球面レンズ設計値（n=1.498、物体側を３面目）
３面目：曲率=-0.00271、Conic係数a0=0、a2=0、a4= 1.8098E-08、a6=-6.6097E-12、・・・・・。
４面目：曲率=-0.02349、Conic係数a0=-0.7259、a2=0、a4=3.4313E-07、a6=2.4388E-11、・・・・。
In the third embodiment shown in FIG. 14, two aspherical Fresnel lenses 64 and 66 having design surfaces formed on both surfaces with a refractive index of 1.607 and 1.498 and a plate thickness of 10 mm are connected to the image display unit 30 and the first. It is installed between the convex lens groups 20. With this configuration, the distance D1 between the image display unit 30 and the first convex lens group 20 can be shortened to 80 mm (design values of the aspheric Fresnel lens are as follows), and the virtual image magnification is about 6 times. Is known from experiments.
・ Aspheric lens design value (refractive index n = 1.607, object side is the first surface)
First surface: curvature = -0.02028, Conic coefficient a0 = 0, a2 = 0, a4 = 1.3777E-06, a6 = -3.6567E-10,.
Second surface: curvature = −0.01060, conic coefficient a0 = 0, a2 = 0, a4 = −3.2833E-08, a6 = 1.1356E-11,.
・ Aspherical lens design value (n = 1.498, 3rd object side)
Third surface: Curvature = -0.00271, Conic coefficient a0 = 0, a2 = 0, a4 = 1.8098E-08, a6 = -6.6097E-12,.
4th surface: curvature = -0.02349, Conic coefficient a0 = -0.7259, a2 = 0, a4 = 3.4313E-07, a6 = 2.4388E-11,...
また、各要素凸レンズ、あるいは物体と第１凸レンズ群２０との間の単レンズを非球面化する、要素凸レンズのレンズ径をφ０．７〜φ０．８にすることで、要素レンズの粒状感と光学性能を格段に向上することができる。また、上記レンズ径により、第３凸レンズ群２４のレンズピッチの変更幅、いわゆる虚像の奥行幅も得られる。さらには上記単レンズの焦点距離、あるいは物体と第１凸レンズ群２０との間の距離変更で虚像の倍率も変更できる。 In addition, each element convex lens or a single lens between the object and the first convex lens group 20 is made aspherical, and the lens diameter of the element convex lens is set to φ0.7 to φ0.8. Optical performance can be significantly improved. In addition, the lens pitch change width of the third convex lens group 24, that is, the so-called virtual image depth width is also obtained by the lens diameter. Furthermore, the magnification of the virtual image can be changed by changing the focal length of the single lens or the distance between the object and the first convex lens group 20.
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications can be made to combinations of the respective constituent elements and processing processes, and such modifications are also within the scope of the present invention. is there.
１０ レンズ光学系、 １２ 第１レンズアレイプレート、 １４ 第２レンズアレイプレート、 ２０ 第１凸レンズ群、 ２１ 第１要素凸レンズ、 ２２ 第２凸レンズ群、 ２３ 第２要素凸レンズ、 ２４ 第３凸レンズ群、 ２５ 第３要素凸レンズ、 ３０ 画像表示部、 ３２ フロントウィンドウ、 ３４ コンバイナ、 ４０ 物体、 ４２ 虚像、 ５２ 画像、 ５４ 虚像、 ６０ カメラ、 ６２ 目印、 １００ ヘッドアップディスプレイ。 10 lens optical system, 12 first lens array plate, 14 second lens array plate, 20 first convex lens group, 21 first element convex lens, 22 second convex lens group, 23 second element convex lens, 24 third convex lens group, 25 Third element convex lens, 30 image display unit, 32 front window, 34 combiner, 40 object, 42 virtual image, 52 image, 54 virtual image, 60 camera, 62 landmark, 100 head-up display.
Claims (6)
前記第１凸レンズ群、前記第２凸レンズ群、前記第３凸レンズ群の順に、前記凸レンズのレンズ径およびレンズピッチが大きくなるように構成されていることを特徴とするレンズ光学系。 In order from the object side, a first convex lens group in which a plurality of convex lenses are arranged in a plane, a second convex lens group in which a plurality of convex lenses are arranged in a plane, and a third convex lens in which a plurality of convex lenses are arranged in a plane. A group,
A lens optical system, wherein a lens diameter and a lens pitch of the convex lens increase in order of the first convex lens group, the second convex lens group, and the third convex lens group.
一方の面に規則的に配置された複数の第２外側凸レンズと、他方の面に規則的に配置された複数の第２内側凸レンズとを有する第２レンズアレイプレートと、を備え、
前記第１内側凸レンズと前記第２内側凸レンズが対向するように、前記第１レンズアレイプレートと前記第２レンズアレイプレートとが積層されており、
前記複数の第１外側凸レンズが前記第１凸レンズ群を構成し、前記第１内側凸レンズと前記第２内側凸レンズの複数の組が前記第２凸レンズ群を構成し、前記複数の第２外側凸レンズが前記第３凸レンズ群を構成することを特徴とする請求項１または２に記載のレンズ光学系。 A first lens array plate having a plurality of first outer convex lenses regularly arranged on one surface and a plurality of first inner convex lenses regularly arranged on the other surface;
A second lens array plate having a plurality of second outer convex lenses regularly arranged on one surface and a plurality of second inner convex lenses regularly arranged on the other surface;
The first lens array plate and the second lens array plate are laminated so that the first inner convex lens and the second inner convex lens face each other,
The plurality of first outer convex lenses constitute the first convex lens group, the plurality of sets of the first inner convex lens and the second inner convex lens constitute the second convex lens group, and the plurality of second outer convex lenses The lens optical system according to claim 1, wherein the third convex lens group is configured.
前記画像表示部からの光を受け、前記画像の虚像を表示する請求項１から４のいずれかに記載のレンズ光学系と、
を備えることを特徴とする画像表示装置。 An image display unit for displaying an image;
The lens optical system according to any one of claims 1 to 4, wherein the lens optical system receives light from the image display unit and displays a virtual image of the image.
An image display device comprising:
前記画像表示部からの光を受ける請求項１から４のいずれかに記載のレンズ光学系と、
前記レンズ光学系からの光を観察者に向けて反射して、観察者の前方に前記画像の虚像を表示するコンバイナと、
を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ。 An image display unit for displaying an image;
The lens optical system according to any one of claims 1 to 4, which receives light from the image display unit;
A combiner that reflects light from the lens optical system toward an observer and displays a virtual image of the image in front of the observer;
A head-up display comprising:
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008235648A JP2010066731A (en) | 2008-09-12 | 2008-09-12 | Lens optical system, image display, and headup display |
| PCT/JP2009/004394 WO2010029717A1 (en) | 2008-09-12 | 2009-09-04 | Lens optical system, image display device and heads-up display |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008235648A JP2010066731A (en) | 2008-09-12 | 2008-09-12 | Lens optical system, image display, and headup display |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2010066731A true JP2010066731A (en) | 2010-03-25 |
Family
ID=42004981
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008235648A Pending JP2010066731A (en) | 2008-09-12 | 2008-09-12 | Lens optical system, image display, and headup display |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2010066731A (en) |
| WO (1) | WO2010029717A1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012063646A (en) * | 2010-09-17 | 2012-03-29 | Nippon Seiki Co Ltd | Display device |
| JP2014026088A (en) * | 2012-07-26 | 2014-02-06 | Asahi Glass Co Ltd | Projection device and optical element |
| WO2015163270A1 (en) * | 2014-04-21 | 2015-10-29 | シャープ株式会社 | Transmission-type screen and headup display |
| KR20200055076A (en) * | 2017-09-27 | 2020-05-20 | 젠텍스 코포레이션 | Full display mirror with visual adjustment correction |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013047698A (en) * | 2009-12-21 | 2013-03-07 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | Lens optical system, image display apparatus, and head-up display |
| FR3035519B1 (en) * | 2015-04-24 | 2019-06-14 | Valeo Comfort And Driving Assistance | DISPLAY DEVICE FOR MOTOR VEHICLE |
| JP7301880B2 (en) | 2018-05-04 | 2023-07-03 | ハーマン インターナショナル インダストリーズ インコーポレイテッド | mirrorless head up display |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62103230A (en) * | 1985-10-30 | 1987-05-13 | Nissan Motor Co Ltd | Indication apparatus for vehicle |
| JP2000284217A (en) * | 1999-03-31 | 2000-10-13 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | Erect variable power array lens device |
| JP2003127707A (en) * | 2001-10-23 | 2003-05-08 | Central Glass Co Ltd | Head-up display |
| JP2005338293A (en) * | 2004-05-25 | 2005-12-08 | Pioneer Electronic Corp | Erected variable power lens, and stereoscopic two-dimensional image display device and rear projector provided with the same |
| WO2007049664A1 (en) * | 2005-10-26 | 2007-05-03 | Nippon Sheet Glass Company, Limited | On-vehicle space image display device |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03103817A (en) * | 1989-09-19 | 1991-04-30 | Canon Inc | Display device |
| JP2653186B2 (en) * | 1989-09-27 | 1997-09-10 | キヤノン株式会社 | Head-up display device |
| JP2005316270A (en) * | 2004-04-30 | 2005-11-10 | Shimadzu Corp | Display device |
-
2008
- 2008-09-12 JP JP2008235648A patent/JP2010066731A/en active Pending
-
2009
- 2009-09-04 WO PCT/JP2009/004394 patent/WO2010029717A1/en active Application Filing
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62103230A (en) * | 1985-10-30 | 1987-05-13 | Nissan Motor Co Ltd | Indication apparatus for vehicle |
| JP2000284217A (en) * | 1999-03-31 | 2000-10-13 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | Erect variable power array lens device |
| JP2003127707A (en) * | 2001-10-23 | 2003-05-08 | Central Glass Co Ltd | Head-up display |
| JP2005338293A (en) * | 2004-05-25 | 2005-12-08 | Pioneer Electronic Corp | Erected variable power lens, and stereoscopic two-dimensional image display device and rear projector provided with the same |
| WO2007049664A1 (en) * | 2005-10-26 | 2007-05-03 | Nippon Sheet Glass Company, Limited | On-vehicle space image display device |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012063646A (en) * | 2010-09-17 | 2012-03-29 | Nippon Seiki Co Ltd | Display device |
| JP2014026088A (en) * | 2012-07-26 | 2014-02-06 | Asahi Glass Co Ltd | Projection device and optical element |
| WO2015163270A1 (en) * | 2014-04-21 | 2015-10-29 | シャープ株式会社 | Transmission-type screen and headup display |
| KR20200055076A (en) * | 2017-09-27 | 2020-05-20 | 젠텍스 코포레이션 | Full display mirror with visual adjustment correction |
| JP2020535067A (en) * | 2017-09-27 | 2020-12-03 | ジェンテックス コーポレイション | Full screen display mirror with adjustment correction |
| JP7129475B2 (en) | 2017-09-27 | 2022-09-01 | ジェンテックス コーポレイション | Full screen mirror with adjustment compensation |
| KR102557322B1 (en) | 2017-09-27 | 2023-07-18 | 젠텍스 코포레이션 | Full display mirror with vision correction correction |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2010029717A1 (en) | 2010-03-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2011128500A (en) | Lens optical system, image display device and head-up display | |
| JP2010197493A (en) | Head-up display | |
| EP2639623B1 (en) | Image display device and image generating device | |
| JP6369148B2 (en) | Head-up display device and lighting unit thereof | |
| WO2011077688A1 (en) | Lens optical system, image display device and head-up display | |
| WO2010029717A1 (en) | Lens optical system, image display device and heads-up display | |
| EP1424586B1 (en) | Image observation system | |
| US20180039077A1 (en) | Head-up display and moving body equipped with head-up display | |
| CN107407813B (en) | Image display device | |
| JP2010152005A (en) | Head-up display | |
| JP2016161669A (en) | Image display device | |
| WO2017061039A1 (en) | Projection optical system and head-up display device | |
| JP6597196B2 (en) | Virtual image display measures | |
| JP2016109923A (en) | Image display device | |
| JP2007094394A (en) | Optical system for head-up display | |
| JP2011085790A (en) | Electro-optical device and electronic device | |
| JP2022113721A (en) | Information display system | |
| CN105700145B (en) | Head-mounted image display device | |
| JP4639721B2 (en) | 3D image display device | |
| US11194158B2 (en) | Light guide with beam separator for dual images | |
| JP6675059B2 (en) | Head-up display and moving object equipped with head-up display | |
| JP2018017750A (en) | Head-up display device | |
| WO2017061016A1 (en) | Information display device | |
| JP2003241100A (en) | Eccentric optical system | |
| CN107870428B (en) | Image display device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20110329 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20121218 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20130409 |