(57)【要約】  テレセントリック性を確保しつつ、ヘッドアップディスプレイ装置の小型化も図ることができる。そのために、投影光学系は、画像情報を形成する画像形成ユニットから射出された光を屈折及び反射することで虚像を表示させる接眼光学系を含み、接眼光学系は画像形成ユニット側から順に、少なくとも凹レンズと、折返しミラーと、凹面ミラーとが配置される。この投影光学系をヘッドアップディスプレイ装置に備える。
2019008684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像情報を形成する画像形成ユニットから射出された光を屈折及び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、前記画像形成ユニット側から順に、少なくとも凹レンズと、折返しミラーと、凹面ミラーとが配置される、  ことを特徴とする投影光学系。
【請求項２】
請求項１に記載の投影光学系であって、  前記凹面ミラー及び前記折返しミラーの少なくとも一つは、自由曲面形状である、  ことを特徴とする投影光学系。
【請求項３】
画像情報を含む映像光を射出する画像形成ユニットと、  前記画像形成ユニットから射出された映像光を屈折及び反射することで虚像を表示させる接眼光学系と、を含むヘッドアップディスプレイ装置であって、  前記画像形成ユニットは、バックライト及び液晶表示パネルを含み、  前記接眼光学系は、前記映像光の出射方向に沿って前記液晶表示パネルに近い側から順に少なくとも凹レンズと、折返しミラーと、凹面ミラーとが配置される、  ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項４】
画像情報を含む映像光を射出する画像形成ユニットと、  前記画像形成ユニットから射出された映像光を屈折及び反射することで虚像を表示させる接眼光学系と、を含むヘッドアップディスプレイ装置であって、  前記画像形成ユニットは、ライトバルブの像を形成するリレー光学系及び拡散機能を有するスクリーン板を含み、  前記接眼光学系は、前記映像光の出射方向に沿って前記画像形成ユニットに近い側から順に少なくとも凹レンズと、折返しミラーと、凹面ミラーとが配置される、  ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項５】
画像情報を含む映像光を射出する画像形成ユニットと、  前記画像形成ユニットから射出された映像光を屈折及び反射することで虚像を表示させる接眼光学系と、を含むヘッドアップディスプレイ装置であって、  前記画像形成ユニットは、  レーザー光源と、  前記当該レーザー光源を反射面の回転で光走査する光走査部と、  前記レーザー光源からの出射光を拡散するスクリーン板と、を含み、  前記接眼光学系は、前記映像光の出射方向に沿って前記画像形成ユニットから近い順に少なくとも凹レンズと、折返しミラーと、凹面ミラーとが配置される、  ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項６】
請求項３、４、又は５のいずれか一つに記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、  前記凹面ミラー及び前記折返しミラーの少なくとも一つは、自由曲面形状である、  ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、投影光学系及びヘッドアップディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  自動車や航空機などの移動体が備える風防（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。【０００３】  例えば特許文献１には、従来のヘッドアップディスプレイ装置として、「透過型の液晶表示パネルの背後から光を照射して、液晶表示パネルに表示される画像を拡大投影する投影光学系を備える（要約抜粋）」装置が開示されている。【０００４】  また特許文献２には、「表示デバイスから観察者の光路の順に、第１ミラーと第２ミラーを有し、（前記観察者の視点領域に導いて虚像を表示させる、）条件式θｘ＞θｙ（θｘ：第１ミラーにおける画像長軸方向の入射角、θｙ：第１ミラーにおける画像短軸方向の入射角）、０．２＜Ｄ１／Ｌｈ＜０．９（Ｄ１：表示デバイスの画像表示面と第１ミラーとの間隔（視点領域の中心の光路長）、Ｌｈ：観察者によって視認される虚像の水平方向の幅）を満たす、表示装置（要約抜粋）」が開示されている。【０００５】  更に特許文献３には、「フロントガラスと表示デバイスとの間に設けられ、投影エリアの非平面性に起因してアイポイントから視認される画像に生じる歪みを相殺するように、フロントガラスに投影する画像を透過して補正する補正部材（要約抜粋）」を備えた車両用表示装置が開示されている。【０００６】  更に非特許文献１には、凹面ミラーで生じる歪曲を補正するため、スクリーンの傾けと、フィールドレンズとしての凸レンズを配置した構成を含むヘッドアップディスプレイ装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２２９５５２号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１６／１９５７１９号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００２／０８４９５０号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】ＰＩＯＮＥＥＲ  Ｒ＆Ｄ（Ｖｏｌ．２２、２０１３）
【発明の概要】
【０００９】  特許文献２に開示されたヘッドアップディスプレイ装置例では、表示デバイスと回転非対称ミラーとを水平方向にずらす配置により、薄型なヘッドアップディスプレイ装置を提供している。しかしながら、特許文献２の実施例１では、虚像サイズが１４０×７０ｍｍと横長であり、垂直方向サイズの２倍の光束サイズを有する水平方向で光束を折り曲げた構成となる。従って、折り曲げミラーが大きくなり、薄型なヘッドアップディスプレイ装置であっても、ヘッドアップディスプレイ装置の容積の小形化は難しい。
【００１０】  特許文献３に開示されたヘッドアップディスプレイ装置例では、ウインドシールドの投影エリアの非平面性に起因する歪曲の補正について開示しているが、非特許文献１で開示している凹面ミラーによって生じる歪曲に関して考慮されていない。その非特許文献１についても、凹面ミラーで生じる歪曲を補正するために、スクリーンの傾けと、フィールドレンズとしての凸レンズを配置している訳だが、特許文献１に開示の液晶表示パネルでのテレセントリック性についての性能を満足していない。このように、投影光学系及びヘッドアップディスプレイ装置については、必要な性能を確保しつつ装置の小型化を図るための更なる改善の余地があるのが実情である。
【００１１】  本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、テレセントリック性を確保しつつ、ヘッドアップディスプレイ装置の小型化も図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  上記した課題を解決するために、本発明は請求の範囲に記載の構成を備える。本発明の一態様として、画像情報を形成する画像形成ユニットから射出された光を屈折及び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、前記画像形成ユニット側から順に、少なくとも凹レンズと、折返しミラーと、凹面ミラーとが配置される、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】  本発明によれば、テレセントリック性を確保しつつ、ヘッドアップディスプレイ装置の小型化も図ることができる。尚、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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】第１実施形態の接眼光学系の全体光線図（ＹＺ平面）
【図１Ｂ】第１実施形態の接眼光学系の全体光線図（ＸＺ平面）
【図２】第１実施形態の接眼光学系の要部拡大図
【図３】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
【図４】第１実施形態に係る接眼光学系の自由曲面係数の図
【図５】第１実施形態のアイボックスの指定箇所から見た歪性能を表す図
【図６】第１実施形態の接眼光学系の各色のスポット図
【図７Ａ】第１実施形態の主光線の角度ずれを表す図
【図７Ｂ】主光線Ｒａｙ１と仮想光線Ｒａｙ０の角度θを示す図
【図７Ｃ】液晶表示パネル、偏光ユニット、及び凹レンズの配列順を示す図
【図８Ａ】第２実施形態の接眼光学系の全体光線図（ＹＺ平面）
【図８Ｂ】第３実施形態の接眼光学系の全体光線図（ＸＺ平面）
【図９】第２実施形態の接眼光学系の要部拡大図
【図１０】第２実施形態に係る接眼光学系のレンズデータを示す図
【図１１】第２実施形態に係る接眼光学系の自由曲面係数の図
【図１２】第２実施形態のアイボックスの指定箇所から見た歪性能を表す図
【図１３】第２実施形態の接眼光学系の各色のスポット図
【図１４Ａ】第２実施形態の主光線の角度ずれを表す図
【図１４Ｂ】主光線Ｒａｙ１と仮想光線Ｒａｙ０の角度θを示す図
【図１４Ｃ】液晶表示パネル、偏光ユニット、及び凹レンズの配列順を示す図
【図１５】ヘッドアップディスプレイ装置の瞳位置の説明図
【図１６】本実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置の例を示す画像形成ユニットの概略構成図
【図１７】本実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置の別の例を示す画像形成ユニットの概略構成図
【図１８】本実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置の更に別の例を示す画像形成ユニットの概略構成図
【図１９】画像形成ユニットの機能ブロック図
【図２０】ヘッドアップディスプレイ装置の自動車での投影領域の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１５】  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及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。
【００１６】  図１６を用いて、ヘッドアップディスプレイ装置３０の基本構成について説明する。図１６は、本実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置の例を示す画像形成ユニットの概略構成図である。
【００１７】  図１６に示すヘッドアップディスプレイ装置３０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２０から出射された映像光を、自動車（不図示）のウインドシールド６で反射させて観察者の眼９に入射させる構成を備える。より詳しくは、接眼光学系の画像形成ユニット側の瞳位置を、接眼光学系側から見て、液晶表示パネル２の先に形成し、且つ、画像形成ユニット１０の接眼光学系側の瞳位置を液晶表示パネル２の手前に設けた。この構成により、観察者の眼９から見ると、虚像面７において画像情報を見ているかのような状態になる。
【００１８】  まず、画像形成ユニット１０について図１９を参照して説明する。図１９は、画像形成ユニットの機能ブロック図である。図１９に示すように、画像形成ユニット１０は、液晶表示パネル２と、バックライト１と、これらの動作を制御するコントローラー２００と、を備えている。画像形成ユニット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に表示された画像情報（映像情報）を接眼光学系５に向けて出射する。
【００１９】  コントローラー２００は、制御装置２０１を備えている。この制御装置２０１には、種々の情報が外部装置から入力される。例えば、ヘッドアップディスプレイ装置３０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には移動体が備える各種のセンサ２１０が接続されていて、検知した情報をＥＣＵ２０９に通知するように構成されている。
【００２０】  コントローラー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制御装置２０１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。
【００２１】  制御装置２０１は、マイコン２０２及びこれに接続された記憶装置２０６を含む。
【００２２】  マイコン２０２は、外部装置からの各種データを記憶するためのＲＡＭ（Ｒａｎｄａｍ  Ａｃｃｓｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）２０３と、観察者が視認する虚像の元になる画像データを生成する演算処理を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｓｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）２０５と、ＣＰＵ２０５における演算処理を実行可能なプログラムやパラメータを記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）２０４と、を備えている。
【００２３】  以上の構成を備えるコントローラー２００によって画像形成ユニット１０が備える液晶表示パネル２に画像情報が表示される。画像形成ユニット１０は、液晶表示パネル２に表示された画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束として出射する。
【００２４】  図１６に戻る。画像形成ユニット１０において形成され出射された映像光束は、接眼光学系５によって、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束は、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の画像情報を見ているような関係性が成立する。
【００２５】  図１６のように、液晶表示パネル２における映像光束の出射面において、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束が対応する虚像面７における仮想点を考えると、図１６に示すように点Ｖ１・点Ｖ２・点Ｖ３が、それに当たる。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、接眼光学系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（空間像）の像（虚像）を観察者の眼９の前に表示する光学系である。
【００２６】  ここで、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置３０を移動体に搭載した場合の例について図２０を用いて説明する。図２０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２０に示すような自動車５００には、風防として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。
【００２７】  ヘッドアップディスプレイ装置３０は、ウインドシールド６に映像光束を投影することで、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にする。映像光束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、破線矩形領域Ｒ１に示すような位置に映像光束が投影される。
【００２８】  次に、ヘッドアップディスプレイ装置３０の基本構成に由来する特徴について説明する。
【００２９】  特許文献１の第５頁（明細書段落[００２２]）でも、「リレーレンズは、液晶表示パネルから出射するテレセントリック性の表示光を集光させ」と記載しているように、通常の液晶表示パネル２とバックライト１の組合せでは、液晶表示パネル２の入出射側でテレセントリックとしている。
【００３０】  図１５の液晶表示パネル２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２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。
【００３１】  このフィールドレンズの作用について、図１５を用いて説明する。図１５は、ヘッドアップディスプレイ装置の瞳位置の説明図である。図１５の上段では、絞り１００８を凸レンズ１０５４（凹面ミラー５４に相当）の焦点距離以上に凸レンズ１０５４から離して配置しており、絞り１００８の中心を通過する主光線は、凸レンズ１０５４で大きな屈折力を受け、像面１００２へは主光線が収束して入射する。同時に、凸レンズ１０５４で発生する収差により、像面１００２での近軸光線の高さｈ０より、実光線の光線高さｈの方が小さくなるので、像面１００２では樽型の歪が生じる。
【００３２】  図１５の中段では、集光位置１００１を表示するために、像面１００２の先まで表示した光線追跡図であり、テレセントリック性が劣化していることが確認できる。
【００３３】  図１５の下段は、テレセントリック性と歪を補正するための基本構成を示す。図１５の中段と比較して、像面１００２と集光位置１００１の距離に相当する焦点距離を有する凹レンズ１０５２を像面１００２の前に配置することで主にテレセントリック性の改善を実現している。
【００３４】  ここで、凹レンズ１０５２とは別に、自由曲面形状を有する光学素子１０５３を配置することで、光学素子１０５３と凹レンズ１０５２の位置の違い、即ち、光線高さの違いが、テレセントリック性と歪の補正に有効である。
【００３５】  詳細な定義式は後で説明するが、自由曲面形状の光学素子１０５３はＸＹ多項式を含むため、左右非対称・上下非対称な作用を持たせることが可能であり、ウインドシールド６で発生する左右非対称、且つ、上下非対称な歪性能の補正にも有効である。
【００３６】  また、望ましい条件として、凹レンズ１０５２を液晶表示パネル２に近づけて配置するために、凹レンズ１０５２の液晶表示パネル２に近い側の面を平面とすることで、凹レンズ１０５２と液晶表示パネル２の保持が容易になる。もし、逆に、凹レンズ１０５２の液晶表示パネル２側の面を凹面にすると、凹面の端部が液晶表示パネル２に近づくので、凹レンズ１０５２自体を液晶表示パネル２から離して配置する必要が生じる。更に、液晶表示パネル２での映像光の有効サイズよりも、液晶表示パネル２での画素の表示可能範囲が大きく、その外側にも構造物が存在するので、それらを含めて、凹レンズ１０５２との構造干渉を回避するために、凹レンズ１０５２を益々、液晶表示パネル２から離して配置する必要が生じてしまう。
【００３７】  次に、小型なヘッドアップディスプレイ装置３０を実現できる凹面ミラー５４と折返しミラー５３と凹レンズ５２を用いた投影光学系の第１実施形態について説明する。
【００３８】＜第１実施形態＞  第１実施形態は、図１６のヘッドアップディスプレイ装置３０のうち、接眼光学系５の構成に特徴がある。図１を参照して、投影光学系を構成するウインドシールド６と接眼光学系５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、図１Ａはアイボックス８の水平方向Ｘ軸と垂直方向Ｙ軸とＸＹ軸に直交するＺ軸で定義するＹＺ平面において虚像面７の映像情報を観察者の眼９で見ている様子を表し、図１ＢはＸＺ平面において虚像面７の映像情報を観察者の眼９で見ている様子を表している。ＹＺ平面では右眼と左眼が重なっており（符号９参照）、ＸＺ平面では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ので、ヘッドアップディスプレイ装置３０での有効光束が通過するウインドシールド６の範囲を左右対称に表示した。
【００３９】  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は液晶表示パネル２側から、偏光ユニット５１と、凹レンズ５２と、折返しミラー５３と、正の屈折力の凹面ミラー５４と、ウインドシールド６とを並べて配置することにより構成されている。接眼光学系５の屈折力は、主に凹面ミラー５４が負担している。凹レンズ５２で主にテレセントリック性を実現し、且つ、折返しミラー５３と合わせ歪を補正している。ウインドシールド６と凹面ミラー５４との間の光路の下（Ｙ軸で下側）に、折返しミラー５３が位置することで、映像光の光路を主にＺ方向に折り曲げて、全光路長に占めるＺ方向の長さを短くしている。これにより、ヘッドアップディスプレイ装置３０の小形化を実現していることが分かる。
【００４０】  ところで、偏光ユニット５１は２枚の平板の間の空間にワイヤーグリッド状の偏光素子を設けたもので、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。
【００４１】  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３０のレンズデータを示す図である。図３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。尚、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。
【００４２】  偏心はＸ軸方向・Ｙ軸方向・Ｚ軸方向それぞれの値であり、倒れはＸ軸回りの回転・Ｙ軸回りの回転・Ｚ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。尚、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。
【００４３】  硝材名５４．５７は屈折率１．５４でアッベ数が５７の材料を、硝材名５０．３０は屈折率１．５０でアッベ数が３０の材料を、硝材名５２．６４９は屈折率１．５２でアッベ数が６４．９の材料を表す。
【００４４】  本実施形態においては、凹面ミラー５４と折返しミラー５３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。
【００４５】  図４は、第１実施形態に係る接眼光学系の自由曲面係数の図である。図４の自由曲面係数は、下式（１）により求められる。【数１】
2019008684.tif 000003
【００４６】  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のレンズデータでの偏心・倒れの量によって定まる。
【００４７】  以下に、第１実施形態の接眼光学系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  １２０×６０ｍｍ      液晶表示パネルでの映像光の有効サイズ  ３６．１×１９．５ｍｍ      虚像サイズ            ４８９×２０９ｍｍ      視野角（全画角）          ７×３度      伏角                      ２．９度      虚像距離                  ４．０ｍ（伏角方向）
【００４８】  次に、第１実施形態の光学性能について図５から図７を用いて説明する。
【００４９】  図５は、第１実施形態のアイボックスの指定箇所から見た歪性能を表す図である。図５の歪性能は、矩形状の虚像面７の範囲に対して、アイボックス８の中央と４隅を通過する光線による液晶表示パネル２側での歪図である。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内のそれぞれの位置に眼９を位置した場合には、図５と逆の歪（例：樽型⇔糸巻型）が観察される。図５のそれぞれの歪図はほぼ同じ形状になっているので、図５の歪図に合わせた映像を液晶表示パネル２に表示することで、観察者は歪の無い矩形状の虚像を左右の眼で観察できる。
【００５０】  図６は、第１実施形態の接眼光学系の各色のスポット図である。図６は、虚像面に物点を配置した場合の液晶表示パネル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を、赤色（６５０ｎｍ）・緑色（５５０ｎｍ）・青色（４５０ｎｍ）で別々に表示した図である。このスポット図では、アイボックス８の大きさが水平１２０ｍｍ×垂直６０ｍｍの全光束でのスポット図であり、実際の観察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、大幅に良くなっている。ここで、スポット図は、虚像を物面とした縮小光学系での、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。
【００５１】  図７Ａは、各画角位置での主光線Ｒａｙ１と仮想光線Ｒａｙ０の角度ずれ図である。図７Ｂは、主光線Ｒａｙ１と仮想光線Ｒａｙ０とがなす角度θを示す図である。図７Ｃは、液晶表示パネル、偏光ユニット、及び凹レンズの配列順を示す図である。
【００５２】  図７Ｂに示すように、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１９度回転した直線である。即ち、液晶表示パネル２に対して、照明光学系を１９度傾けて配置することを意味する。これにより、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５４で反射し液晶表示パネル２に到達した場合でも、液晶表示パネル２には太陽光が斜めに入射するので、その反射光は凹面ミラー５４とは異なる方向に反射するので、アイボックス８に到達することはない。なお、図７Ｂ、図７Ｃで示すように光束に対して液晶表示パネル２を傾けて配置したのは、凹面ミラー５４とウインドシールド６の間の光線の延長上に、太陽が位置した場合に、半透過面であるウインドシールドを透過した太陽光が液晶表示パネル２に到達するので、液晶表示パネル２で反射した太陽光の像が虚像に重なって表示されないように、液晶表示パネル２を傾けている訳である。また、この条件は、液晶表示パネル２の全ての光束範囲で必要であり、図７Ａのように二次元状の位置で評価している。
【００５３】  本実施形態によれば、凹レンズの作用及び凹面ミラーと折返しミラーの少なくとも一つを自由曲面形状とすることによりテレセントリック性を確保しつつ、凹面ミラーと凹レンズとの間に折返しミラーを配置することで投影光学系の小型化を図ることができる。その結果、ヘッドアップディスプレイ装置３０の小型化も図ることができる。
【００５４】＜第２実施形態＞  第２実施形態は、接眼光学系５の構成が第１実施形態とは異なる点に特徴がある。第２実施形態では走行中の車両の前方車までの距離を想定し、虚像距離を２０ｍと大幅に大きくしたヘッドアップディスプレイ装置３０の実施形態である。
【００５５】  図８は第２実施形態の接眼光学系５の全体光線図であり、図８Ａはアイボックス８の水平方向Ｘ軸と垂直方向Ｙ軸とＸＹ軸に直交するＺ軸で定義するＹＺ平面において虚像面７の映像情報を観察者の眼９で見ている様子を表し、図８ＢはＸＺ平面において虚像面７の映像情報を観察者の眼９で見ている様子を表している。
【００５６】  図９は第２実施形態の接眼光学系の要部拡大図である。図９に示すように、接眼光学系５は液晶表示パネル２側から、偏光ユニット５１と、凹レンズ５２と、折返しミラー５３と、正の屈折力の凹面ミラー５４と、ウインドシールド６とを並べて配置することにより構成されている。
【００５７】  本実施形態においては、凹面ミラー５４と折返しミラー５３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。
【００５８】  図１０は第２実施形態に係る接眼光学系のレンズデータを示す図である。図１１は、第２実施形態に係る接眼光学系の自由曲面係数の図である。
【００５９】  以下に、第２実施形態の接眼光学系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  １３０×４０ｍｍ      液晶表示パネルでの映像光の有効サイズ  ６８．０×２５．２ｍｍ      虚像サイズ            ３５００×９４３ｍｍ      視野角（全画角）      １０．０×２．７度      伏角                  ２．３７６度      虚像距離              ２０．０ｍ
【００６０】  次に、第２実施形態の光学性能について図１２から図１４を用いて説明する。図１２は、第２実施形態のアイボックスの指定箇所から見た歪性能を表す図である。図１３は、第２実施形態の接眼光学系の各色のスポット図である。図１４Ａは、第２実施形態の主光線の角度ずれを表す図である。図１４Ｂは、主光線Ｒａｙ１と仮想光線Ｒａｙ０の角度θを示す図である。図１４Ｃは、液晶表示パネル、偏光ユニット、及び凹レンズの配列順を示す図である。
【００６１】  図１４Ｂに示すように、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１４度回転した直線である。即ち、液晶表示パネル２に対して、照明光学系を１４度傾けて配置することを意味する。ここで、角度１４度が第１実施形態の１９度に比べて小さい理由は、第２実施形態では液晶表示パネル２上での映像光の有効サイズを大きくしていることである。その結果、液晶表示パネル２側でのＦ値が大きくなる。即ち、液晶表示パネル２側での立体角が小さくなっているので、角度１４度にしても、太陽光の反射光がアイボックス８に到達することはない。
【００６２】  従って、本実施形態によれば、凹面ミラーと凹レンズを用いた投影光学系により、大きな虚像距離のヘッドアップディスプレイ装置３０を提供できる。
【００６３】  また、本実施形態においても凹レンズを配置することでテレセントリック性を確保しつつ、折返しミラーを用いて光路を折り返してヘッドアップディスプレイ装置自体の小型化を図ることができる。
【００６４】＜第３実施形態＞  図１７に示す第３実施形態は、画像形成ユニット１０の構成が第１実施形態や第２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、直接、接眼光学系５で拡大し、虚像として表示しているが、この画像形成ユニット１０の構成に代えて、より小型の液晶表示パネル２を用いて、その映像情報を、ライトバルブの像を形成するリレー光学系３でスクリーン板（拡散板）上に拡大写像し、その映像情報を接眼光学系で拡大し、虚像として表示している。
【００６５】  図１７のヘッドアップディスプレイ装置３０では、リレー光学系３の主点位置を、接眼光学系５側で想定した位置に合わせる。スクリーン板４の手前にフィールドレンズを配置することで制御である。
【００６６】  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（拡散板）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（拡散板）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（拡散板）４は、スクリーン板（拡散板）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。
【００６７】  また、スクリーン板（拡散板）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、アイボックス８の大きさを、所定の大きさにしている。尚、スクリーン板（拡散板）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。
【００６８】  上記バックライト及び液晶表示パネルを含む画像形成ユニット１０の光射出方向に沿って前方に凹レンズ及び折返しミラーを配置することで、テレセントリック性を確保しつつ、光路を折り返してヘッドアップディスプレイ装置自体の小型化を図ることができる。
【００６９】＜第４実施形態＞  図１８に示す第４実施形態は、画像形成ユニット１０の構成が第１実施形態や第２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。第４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）１０２を用いて構成してもよい。ＭＥＭＳ１０２は、レーザー光源１０１と、反射面１０２ａと、反射面１０２ａを回転させて光走査する光走査部１０２ｂと、を含んで構成される。このＭＥＭＳで光線角度を振ることで光走査する位置を、射出瞳位置に合わせて配置する。このＭＥＭＳで光線角度を振ることで光走査する位置を、射出瞳位置に合わせて配置する。また、ＭＥＭＳ１０２の回転中心位置を、接眼光学系５側で想定した位置に合わせる。
【００７０】  上記ＭＥＭＳを有する画像形成ユニット１０の光射出方向に沿って前方に凹レンズ及び折返しミラーを配置することで、テレセントリック性を確保しつつ、光路を折り返してヘッドアップディスプレイ装置自体の小型化を図ることができる。
【００７１】  上記各実施形態は、本発明を限定する趣旨ではなく、本発明の趣旨を逸脱しない様々な変形例は本発明に含まれる。例えば、本発明は、凹レンズと折返しミラーとを備えることを特徴とするが、それ以外の光学部品が光路上にあることを妨げるものではない。
【符号の説明】
【００７２】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…ウインドシールド、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、２０…投影光学系、３０…ヘッドアップディスプレイ装置、５１…偏光ユニット、５２…凹レンズ、５３…折返しミラー、５４…凹面ミラー、１００１…集光位置、１００８…絞り、１００２…像面、１０５２…凹レンズ、１０５３…光学素子、１０５４…凸レンズ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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