JP6479163B2 - 投影光学系およびそれを用いたヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、投影光学系及びそれを用いたヘッドアップディスプレイ装置に関し、特に自動車や航空機なのでフロントガラスに画像を投影し、その画像をフロントガラス越しに虚像として観察するようにした投影光学系およびそれを用いたヘッドアップディスプレイ装置に関する。

ヘッドアップディスプレイ装置に関する技術として、特許文献１には、「透過型の液晶表示パネル、液晶表示パネルに背後から光を照射するバックライト、液晶表示パネル上に表示される画像を拡大投影する投影光学系を備える。投影光学系は、リレーレンズと投影レンズとからなる。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ており、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。投影レンズは、実像をさらに拡大して、自動車のフロントガラスに投影し、運転手に対して虚像を表示する（要約抜粋）」構成が開示されている。

また特許文献２には、「表示すべき画像を形成する画像形成素子と、画像形成素子から出射された光を反射することで虚像を表示させる光学素子と、を備える。光学素子は、画像形成素子から出射された光の進行方向に向かって凹形状を有している。また、光学素子には、画像形成素子から出射された光が他の光学素子によって反射されることなく入射される。そして、画像形成素子は、光学素子を通して虚像を視認する方向に対して略直交する方向に配置される（要約抜粋）」構成が開示されている。

特開２００９−２２９５５２号公報 国際公開第２０１３／０２４５３９号

特許文献１に開示されたフロントガラス方式のヘッドアップディスプレイ装置例では、表示パネルの大きさが３０×１０ｍｍ、倍率が５．０２倍なので、虚像の大きさは１５０．６×５０．２ｍｍになる。従って、虚像距離２０００ｍｍを用いて計算すると、視野角は水平４．３度（＝２ａｔａｎ（１５０．６／２／２０００））、垂直１．４度（＝２ａｔａｎ（５０．２／２／２０００））となる。即ち、特許文献１では画像情報を、視野角４．３×１．４度の範囲に表示しなければならない。ヘッドアップディスプレイで表示する虚像の解像度に相当する画質は人の目の分解能による制約を受けるので、画質を向上させるためには視野角を広げてより多くの画素を配置できるようにすることが求められている。

一方、特許文献２に開示されたコンバイナ方式のヘッドアップディスプレイ装置では、レーザー光源による中間像のサイズが７５×２５ｍｍ、虚像距離が１５００ｍｍ、虚像サイズ（参照スクリーンのサイズ）が４５０×１５０ｍｍなので、視野角は水平１７．１度（＝２ａｔａｎ（４５０／２／１５００））、垂直５．７度（＝２ａｔａｎ（１５０／２／１５００））となり、特許文献１に開示されたフロントガラス方式のヘッドアップディスプレイよりも大きい。

しかし、水平１７．１度、垂直５．７度の視野角を確保するために、中間像の大きさを７５×２５ｍｍと大きくしているので、ヘッドアップディスプレイ装置の大型化が避けられない。そこで、特許文献２では、コンバイナを視界の上部、かつ観察者（運転者）からの距離が５００ｍｍの位置に配置し、ヘッドアップディスプレイ装置の大型化を防いでいる。その結果、コンバイナが観察者（運転者）に非常に近い場所に配置されるので、ヘッドアップディスプレイ装置を使用していないときでも、観察者（運転者）の視界内にコンバイナが入り、車内空間での圧迫感を招いている。

更に、コンバイナ方式は、フロントガラス方式に比べて、前景を見るときと、ヘッドアップディスプレイ装置の虚像を見るときとで、視線（の方向）のずれが大きく、画像情報を認識するためにより多くの時間を要している。

そこでフロントガラス方式を用いたヘッドアップディスプレイ装置における視野角の拡大が望まれているという実情がある。

本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、映像光をフロントガラスで反射する方式でありながら、大きな視野角を実現する投射光学系及びそれを用いたヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明は、画像情報を形成する画像形成ユニットから出射された光を反射することで虚像を表示させる接眼光学系を含む投影光学系であって、前記接眼光学系は、負の屈折力を持つ第１光学素子と、正の屈折力を持つ第２光学素子と、前記投影光学系が搭載される車両のフロントガラスに向けて前記第２光学素子から出射された光を反射させる凹面の反射ミラーとを含み、それらが前記画像形成ユニット側から順に、前記第１光学素子、前記第２光学素子、及び前記反射ミラーの順に並べて配置されることにより構成され、前記接眼光学系は、回転非対称なレンズを更に含み、前記反射ミラーは、回転非対称なミラーにより構成され、前記接眼光学系は、前記第２光学素子と前記回転非対称なミラーとの間に前記回転非対称なレンズを配置することにより構成される、ことを特徴とする。

また本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置において画像形成ユニットと上記投影光学系とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、映像光をフロントガラスで反射する方式でありながら、大きな視野角を実現したヘッドアップディスプレイ装置を提供できる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第１実施形態の接眼光学系５の全体光線図であり、（ａ）はＹＺ平面において虚像面７の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表し、（ｂ）はＸＺ平面において虚像面７の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表している。 第１実施形態の接眼光学系の要部拡大図 第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の光学系の要部斜視拡大図 第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置のレンズ部の斜視拡大図 第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置のレンズデータを示す図 第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の自由曲面係数の図 第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置の歪性能を表す図 第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置のスポット図 ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図 虚像の視野角を大きくする広角化（視野角拡大）の課題を説明する図 本実施形態に係るアイリリーフ拡大を説明する図

以下、図面等を用いて、本発明の一実施形態及び各種実施例について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

図９を用いて、ヘッドアップディスプレイ装置の基本構成について説明する。図９はヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。

図９に示すヘッドアップディスプレイ装置１１０は、画像形成ユニット１０及び接眼光学系５を含む投影光学系１００から出射された映像光を、車（不図示）のフロントガラス６で反射させて観察者の眼８に入射させる構成を備える。

より詳しくは、バックライト１から液晶表示パネル２に照射された光束は、液晶表示パネル２に表示された映像情報を含んだ映像光束として、リレー光学系３に入射する。リレー光学系３での結像作用により、液晶表示パネル２上の映像情報は拡大されスクリーン板４上に拡大投写される。液晶表示パネル２上の点Ｐ１・Ｐ２・Ｐ３が、それぞれスクリーン板４の点Ｑ１・Ｑ２・Ｑ３に対応する。リレー光学系３を用いることで、表示サイズの小さい液晶表示パネルを使用することができる。バックライト１、液晶表示パネル２、リレー光学系３、及びスクリーン板４は、スクリーン板４上に画像情報（映像情報）を形成するので、これらを総称して画像形成ユニット１０という。

次に、スクリーン板４上の画像情報は、接眼光学系５によって、フロントガラス６に投写され、フロントガラス６で反射した光束が、観察者の眼８の位置に到達する。観察者の眼から見ると、あたかも、虚像面７の画像情報を見ているような関係性が成立する。スクリーン板４上の点Ｑ１・Ｑ２・Ｑ３が、それぞれ虚像面７の点Ｖ１・Ｖ２・Ｖ３に対応する。尚、眼８の位置を動かしても、虚像面７上の点Ｖ１・Ｖ２・Ｖ３が見ることができる範囲が、アイボックス９である。このように、接眼光学系は、カメラのファインダーの接眼レンズや、顕微鏡での接眼レンズと同様に、物（空間像）の像（虚像）を観察者の眼の前に表示する光学系である。

また、スクリーン板４は、マイクロレンズを２次元状に配置したマイクロレンズアレイにより構成される。これにより拡散作用が生じ、スクリーン板４を出射する光束の広がり角を大きくしており、アイボック９の大きさを、所定の大きさにしている。尚、スクリーン板４の拡散作用は、拡散粒子を内蔵することでも実現できる。

ここで、従来技術での問題点を図１０で整理したうえで、今回の発明の要点について図１１を用いて説明する。

図１０は、虚像の視野角を大きくする広角化（視野角拡大）の課題を説明する図である。図１０で、スクリーン板４上の映像情報は、接眼光学系５によって、虚像面７に結像され、アイボックス９の範囲内に眼８を位置することで観察者は、虚像面７を観察することができる。ところで、虚像面７の視野角が狭いと、虚像面上に表示できる映像情報が少なくなる（図１０の上図参照）ので、接眼光学系５の屈折力を大きく（焦点距離ｆを小さく）して視野角を広げたのが図１０の下図である。

ここで図１０の下図では、図１０の上図のアイボックス９と同じ大きさを確保するために、光束径Ｄを同じ大きさとしたので、接眼光学系５のＦ値は、Ｆ＝ｆ／ＤよりＦ値が小さくなる、即ち、大口径化する必要があることが分かる。と同時に、接眼光学系５の焦点距離ｆを小さくしているので、接眼光学系５から観察者の眼８の位置までの距離（アイリリーフ）も短くなってしまう。

従来のフロントガラス方式ヘッドアップディスプレイ装置は、フロントガラス６（図１０では省略）を介した長いアイリリーフを確保しているが、視野角は小さい値になる傾向があり、より多くの映像情報を投影するために視野角の拡大が望まれる。一方、従来のコンバイナ方式のヘッドアップディスプレイ装置は、比較的大きな視野角が確保しやすいが、反面、アイリリーフが短い値となりフロントガラス６を介することができず、専用のコンバイナを配置する必要がある。そのため、コンバイナが車内空間を圧迫するという課題がある。

そこで、フロントガラス方式ヘッドアップディスプレイ装置においてアイリリーフを改善したことが、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の特徴である。このアイリリーフの改善に寄与する構成について図１１を参照して説明する。図１１は、本実施形態に係るアイリリーフ拡大を説明する図である。

図１１の下図では、スクリーン板４側から順に、負の屈折力の光学素子５０１と、正の屈折力の光学素子５０２と、を配置する。これにより、図１１の上図に示す従来例に比べて、同じ焦点距離ｆを確保しつつ、アイリリーフaの長さはより長い値を確保している。

なお、スクリーン板４の直後にいわゆるフィールドレンズを配置することで、軸外の光線の向きを変えることができるが、フィ−ルドレンズでは軸上光線の光線高さが小さいので、先に説明した接眼光学系５の焦点距離ｆはほとんど変化しない。逆に言えば、本発明の作用を保ったままで、フィールドレンズを配置できるということである。

＜第１実施形態＞

第１実施形態は、図９のヘッドアップディスプレイ装置１１０のうち、特に接眼光学系５の構成に特徴がある。そこで、図１を参照して接眼光学系の構成について説明する。図１は第１実施形態の接眼光学系５の全体光線図であり、（ａ）はＹＺ平面において虚像面７の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表し、（ｂ）はＸＺ平面において虚像面７の映像情報を観察者の眼で見ている様子を表している。ＹＺ平面では右目と左眼が重なっており（符号８参照）、ＸＺ平面では右眼と左眼が別々に見えている。

図２は第１実施形態の接眼光学系の要部拡大図である。図２に示すように、接眼光学系５はスクリーン板４側から順に、負の屈折力の凹レンズ５１と、正の屈折力の凸レンズ５２と、回転非対称な自由曲面レンズ５３と回転非対称な自由曲面ミラー５４とを並べて配置することにより構成されている。回転非対称な自由曲面レンズ５３は、台形歪み補正作用を有する。

図３は、第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の光学系の要部斜視拡大図である。図４は、第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置のレンズ部の斜視拡大図である。図３と図４に示すように、自由曲面レンズ５３及び自由曲面ミラー５４のそれぞれは、回転非対称な形状に構成される。尚、凹レンズ５１及び凸レンズ５２は、大きな偏心量（前後面での偏心は無し）を持っている。

図５は第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置のレンズデータを示す図である。図５に示すレンズデータでは、曲率半径は曲率半径の中心位置が進行方向にある場合を正の符合で表し、面間距離は、各面の頂点位置から次の面の頂点位置までの光軸上の距離を表している。

偏心はＹ軸方向の値であり、倒れはＹＺ平面内でＸ軸回りの回転であり、偏心・倒れは、該当の面で偏心と倒れの順に作用し、「普通偏心」では、偏心・倒れが作用した新しい座標系上での面間距離の位置に次の面が配置される。デセンタ・アンド・リターンの偏心及び倒れは、その面でのみ作用し、次の面に影響しない。

硝材名のＰＭＭＡは、プラスチックのアクリル（Polymethyl methacrylate）である。

図６は、第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の自由曲面係数の図である。図６の自由曲面係数は、下式（１）により求められる。

自由曲面係数Ｃ_ｊ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Ｃ_１９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５のレンズデータでの偏心・倒れの量によって定まる。

次に、第１実施形態の光学性能について図７と図８を用いて説明する。図７は、第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置の歪性能を表す図である。図８は、第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置のスポット図である。

図７は、スクリーン板４上の矩形枠が虚像面７でどう歪んでいるかを表している。また、図７の虚像の大きさは、光軸を含む十字の線上で、水平が１０２０ｍｍ、垂直が１５５．６ｍｍなので、眼８から虚像面７までの距離５０００ｍｍで計算して、視野角が水平が１１．６度（＝ａｔａｎ（１０２０／２／５０００））、垂直が１．８度（＝ａｔａｎ（１５５．６／２／５０００））という視野角の拡大を実現している。

図８は、虚像面７に物点を配置し、スクリーン板４でのスポット図を計算したスポット図を示しており、良好な光学性能を実現している。尚、このスポット図では、アイボックス９の大きさが水平１１０ｍｍ×垂直５０ｍｍの全光束でのスポット図であり、実際の観察者（運転者）が見る虚像の場合は、人の眼の虹彩の大きさ（最大でφ７ｍｍといわれている）でのスポット図は、図８よりも大幅に良くなる。

本実施形態によれば、スクリーン板４からの光束を凹レンズにより一旦広角化してから凸レンズに入射させることで、映像光をフロントガラスで反射する方式でありながら、アイリリーフをより長く確保しつつ大きな視野角を実現したヘッドアップディスプレイ装置を提供できる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態は、画像形成ユニット１０の構成が第１実施形態とは異なる点に特徴がある。すなわち、第１実施形態では液晶表示パネル２の映像情報を、拡散機能を有するスクリーン板４に写像しているが、この画像形成ユニット１０の構成に代えて、レーザー光源を光走査することで、拡散機能を有するスクリーン板４に光走査像を形成する方法でも良い。スクリーン板４での拡散機能によって光束の立体角が拡大され、その光束が第１光学素子に入射するので、大きな視野角を実現したヘッドアップディスプレイを提供できる。第２実施形態の画像形成ユニットは、微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems）を用いて構成してもよい。

１…バックライト、２…液晶表示パネル、３…リレー光学系、４…スクリーン板（拡散板）、５…接眼光学系、６…フロントガラス、７…虚像面、８…アイボックス、９…観察者の眼、１０…画像形成ユニット、５１…凹レンズ（第１光学素子）、５２…凸レンズ（第２光学素子）、５３…自由曲面レンズ、５４…自由曲面ミラー（反射ミラー）、

Claims (6)

1. 画像情報を形成する画像形成ユニットから出射された光を反射することで虚像を表示さ
   せる接眼光学系を含む投影光学系であって、
   前記接眼光学系は、負の屈折力を持つ第１光学素子と、正の屈折力を持つ第２光学素子
   と、前記投影光学系が搭載される車両のフロントガラスに向けて前記第２光学素子から出
   射された光を反射させる凹面の反射ミラーとを含み、それらが前記画像形成ユニット側か
   ら順に、前記第１光学素子、前記第２光学素子、及び前記反射ミラーの順に並べて配置さ
   れることにより構成され、
   前記接眼光学系は、回転非対称なレンズを更に含み、
   前記反射ミラーは、回転非対称なミラーにより構成され、
   前記接眼光学系は、前記第２光学素子と前記回転非対称なミラーとの間に前記回転非対
   称なレンズを配置することにより構成される、
   ことを特徴とする投影光学系。
2. 画像情報を形成する画像形成ユニットから出射された光を反射することで虚像を表示さ
   せる接眼光学系を含む投影光学系であって、
   前記接眼光学系は、負の屈折力を持つ第１光学素子と、正の屈折力を持つ第２光学素子
   と、前記投影光学系が搭載される車両のフロントガラスに向けて前記第２光学素子から出
   射された光を反射させる凹面の反射ミラーとを含み、それらが前記画像形成ユニット側か
   ら順に、前記第１光学素子、前記第２光学素子、及び前記反射ミラーの順に並べて配置さ
   れることにより構成され、
   前記接眼光学系は、回転非対称な自由曲面レンズを更に含み、
   前記第１光学素子は、負の屈折力を持つ球面レンズであり、
   前記第２光学素子は、正の屈折力を持つ球面レンズであり、
   前記反射ミラーは、回転非対称な自由曲面ミラーであり、
   前記接眼光学系は、前記正の屈折力を持つ球面レンズと前記自由曲面ミラーとの間に前
   記自由曲面レンズを配置することにより構成される、
   ことを特徴とする投影光学系。
3. 画像情報を形成する画像形成ユニットと、
   前記画像形成ユニットから出射された光を反射することで虚像を表示させる接眼光学系
   と、を備え、
   前記接眼光学系は、負の屈折力を持つ第１光学素子と、正の屈折力を持つ第２光学素子
   と、前記接眼光学系が搭載される車両のフロントガラスに向けて前記第２光学素子から出
   射された光を反射させる凹面の反射ミラーとを含み、それらが前記画像形成ユニット側か
   ら順に、前記第１光学素子、前記第２光学素子、及び前記反射ミラーの順に並べて配置さ
   れることにより構成され、
   前記接眼光学系は、回転非対称なレンズを更に含み、
   前記反射ミラーは、回転非対称なミラーにより構成され、
   前記接眼光学系は、前記第２光学素子と前記回転非対称なミラーとの間に前記回転非対
   称なレンズを配置することにより構成される、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
4. 画像情報を形成する画像形成ユニットと、
   前記画像形成ユニットから出射された光を反射することで虚像を表示させる接眼光学系
   と、を備え、
   前記接眼光学系は、負の屈折力を持つ第１光学素子と、正の屈折力を持つ第２光学素子
   と、前記接眼光学系が搭載される車両のフロントガラスに向けて前記第２光学素子から出
   射された光を反射させる凹面の反射ミラーとを含み、それらが前記画像形成ユニット側か
   ら順に、前記第１光学素子、前記第２光学素子、及び前記反射ミラーの順に並べて配置さ
   れることにより構成され、
   前記接眼光学系は、回転非対称な自由曲面レンズを更に含み、
   前記第１光学素子は、負の屈折力を持つ球面レンズであり、
   前記第２光学素子は、正の屈折力を持つ球面レンズであり、
   前記反射ミラーは、回転非対称な自由曲面ミラーであり、
   前記接眼光学系は、前記正の屈折力を持つ球面レンズと前記自由曲面ミラーとの間に前
   記自由曲面レンズを配置することにより構成される、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記画像形成ユニットは、投影対象となる画像情報を表示する透過性を有する液晶表示
   パネル、前記液晶表示パネルを透過した前記画像情報を含む光束が入射されリレー光学系
   、及び拡散機能を有するスクリーン板を含んで構成される、
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
6. 前記画像形成ユニットは、レーザー光源、当該レーザー光源を光走査する光走査部、及
   び拡散機能を有するスクリーン板を含んで構成される、
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

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