JP2010066731A - レンズ光学系、画像表示装置およびヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】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を提供する。
【解決手段】物体側より順に、複数の第１要素凸レンズ２１が平面状に配置された第１凸レンズ群２０と、複数の第２要素凸レンズ２３が平面状に配置された第２凸レンズ群２２と、複数の第３要素凸レンズ２５が平面状に配置された第３凸レンズ群２４とを備える。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、要素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。
【選択図】図５

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。

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。

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。

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。

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Ｌ_１、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Ｌ_２、点Ｑとコンバイナ１０２の中心の点Ｒの距離をＬ_３、点Ｒと運転者の目の位置（点Ｅ）の距離をＬ_４とする。

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、Ｌ_２＋Ｌ_３＋Ｌ_４である。このうち、Ｌ_３とＬ_４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、Ｌ_２を大きくする必要がある。

Ｌ_２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Ｌ_１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。

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、Ｌ_１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。
特開平０６−５５９５７号公報

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Ｌ_１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。

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Ｌ_１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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、・・・・。

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。

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。

従来のヘッドアップディスプレイの一例を示す図である。 凹面鏡による遠方拡大表示の説明図を示す図である。 従来の別の光学ユニットの一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係るレンズ光学系を説明するための図である。 本実施の形態に係るレンズ光学系の断面図である。 図６（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態に係るレンズ光学系の動作を説明するための図である。 本実施の形態に係るレンズ光学系を用いたヘッドアップディスプレイを説明するための図である。 試作した第１実施例の光学系を示す図である。 第１実施例において用いたレンズ光学系の諸元を示す図である。 カメラにより撮像された虚像を示す図である。 試作した第２実施例の光学系を示す図である。 第２実施例において用いたレンズ光学系の諸元を示す図である。 カメラにより撮像された虚像を示す図である。 試作した第３実施例の光学系を示す図である。

符号の説明

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。

Claims (6)

1. 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、
   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。
2. 前記第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ることを特徴とする請求項１に記載のレンズ光学系。
3. 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、
   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。
4. 前記第１内側凸レンズと前記第２内側凸レンズは、レンズ径およびレンズピッチが等しいことを特徴とする請求項３に記載のレンズ光学系。
5. 画像を表示する画像表示部と、
   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。
6. 画像を表示する画像表示部と、
   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。