(57)【要約】【課題】本発明の課題は、光利用効率の従来のような激しい低下を無くし、従来技術に比べて劇的に光の利用効率を高めることを達成すること。【解決手段】従来、パネルを拡大ルーペで直に見る方式であったのを改め、結像系による１次拡大像を従来のパネル位置に重なるような光学系とし、ＮＡと主光線角度を合致させ、照明光の利用効率をたかめる。ＮＡと主光線角度を合わせるための具体的方法を詳述。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオードと、この発光ダイオードから射出した光を有効に透過型パネル（液晶ディスプレイ等）に導く為の照明光学系と、このパネルを照明し透過した光によりパネルの実像を有限距離に結像する結像光学系と、この結像光学系による実像を拡大するルーペ系からなる光学系で、当該ルーペ系を出た光はフロントガラスで反射後、自動車運転席に座る運転者の眼に入り、運転者はフロントガラス前方（やや下方）に、パネル上の画像の拡大された虚像を観察できる光学系であって、前記ルーペ系の具体的構成は、前記結像光学系の実像位置にほぼ密着して設置したリレーレンズと、そこからやや距離をおいて設置された拡大ルーペとからなる構成であって、下記の（１）式および（２）式を満たすように、パネルから結像レンズ第１主点までの距離をａとし、結像レンズ第２主点から実像までの距離をｂとし、下記（３）式および（４）式を満たすように拡大ルーペの焦点距離ｆ３を決定し、最終観察虚像の最大径Ｄ”を下記（５）式のように決定し、結像レンズ瞳径の最終拡大像の直径Ｐ”（運転者の眼が動いてもパネルの拡大像が視認できる範囲）を下記（６）式のように決定した光学系およびそれを搭載したプロジェクター装置内臓のヘッドアップディスプレイ。
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（ただし、ｆ１は結像レンズの焦点距離、ｍは結像レンズの結像倍率、ｆ２はリレーレンズの焦点距離、ＷＤは拡大ルーペから運転者の眼までの距離、ｃは実像位置から拡大ルーペまでの距離であって、実際の光学系では必要なところに適切な角度で反射ミラーを設置して全系をコンパクトにする。また上記の式はすべて薄肉無収差の理想レンズを仮定した場合であり、実際には収差を加味した実効焦点距離等を採用する。また、リレーレンズと拡大ルーペについてはフレネルレンズで代行することも十分可能であり、その方がより適切な場合がある。）
【請求項２】
発光ダイオードと、この発光ダイオードから射出した光を有効に透過型パネル（液晶ディスプレイ等）に導く為の照明光学系と、このパネルを照明し透過した光によりパネルの実像を有限距離に結像する結像光学系と、この結像光学系による実像を拡大するルーペ系からなる光学系で、当該ルーペ系を出た光はフロントガラスで反射後、自動車運転席に座る運転者の眼に入り、運転者はフロントガラス前方（やや下方）に、パネル上の画像の拡大された虚像を観察できる光学系であって、前記ルーペ系の具体的構成は、前記結像光学系の実像位置から距離δをおいて置かれた拡大ルーペのみであって、上記の（１）式および（２）式を満たすように、パネルから結像レンズ第１主点までの距離をａとし、結像レンズ第２主点から実像までの距離をｂとし、下記（７）式を満たすように拡大ルーペの焦点距離ｆ３を決定し、最終観察虚像の最大径Ｄ”を下記（９）式のように決定し、結像レンズ瞳径の最終拡大像の直径Ｐ”（運転者の眼が動いてもパネルの拡大像が視認できる範囲）を下記（１０）式のように決定した光学系およびそれを搭載したプロジェクター装置内臓のヘッドアップディスプレイ。
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（ただし、δは結像レンズによる拡大像位置から拡大ルーペまでの距離、δ’は拡大ルーペから最終観察虚像までの距離、その他請求項１と同一の符号は、同じ内容を示す。また上記の式はすべて薄肉無収差の理想レンズを仮定した場合であり、実際には収差を加味した実効焦点距離等を採用する。また、拡大ルーペについてはフレネルレンズで代行することも十分可能であり、その方がより適切な場合がある。）
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は自動車フロントシートの通称ヘッドアップディスプレイとその光学系設計方法およびこの設計方法によって設計されたヘッドアップディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】比較的大きな液晶ディスプレイパネルを用いてこれを拡大レンズで拡大しその虚像を見る、という方式が主であった。拡大用には通常のレンズの代わりにフレネルレンズを用いた場合もあり、また、フロントガラス方向へ反射させる為のミラーを凹面鏡として、拡大用に用いる場合もある。凹面鏡は、光学的には凸レンズと同じプラスのパワーを持つ。【０００３】図３に従来技術の典型例を示す。７００は液晶パネルであり、その照明系は省略されている。１２００は拡大ルーペであり、１１００は光路折り曲げ用ミラー、１３００はフロントガラス、１４００は運転者の眼が置かれる領域である。１５００は液晶パネル７００の拡大された虚像ができる位置である。
拡大ルーペ１２００と光路折り曲げ用ミラー１１００の位置関係は、逆の場合もある。また、光路折り曲げ用ミラーを凹面鏡とし、拡大系にはレンズを全く用いない場合もある。いずれにせよ光学的な意味で本質的なことは、パネルを拡大ルーペで直に見る、ということである。ここに実は問題の大半が存在している。【０００４】自動車用ヘッドアップディスプレイの、光学的に見て過酷な点は、夜間から雪道の日中までのように、外光の環境が幅広く変わる点がある。その最も過酷な条件下においても表示輝度が外光に対して必要なコントラストを得るためには、照明光の利用効率を、可能な限り高めなければならない。【０００５】従来技術の典型例として図３を再度よく見ると、パネル７００を照明した全ての光束のうち、観察領域１４００まで到達する光束は、図３に見るようにパネル７００を狭い角度で出た光だけである。一方、パネル７００を照明する光学系はいろいろな工夫はされているが、照明後にパネル７００を透過してパネル外へ出る光はかなり広がると考えられる。ここでの光の損失は相当な程度になっている。たとえば、パネル７００から出る光はランベルトの法則で２πステラジアンに広がっていると仮定し、そのうち有効に使われる光束の角度の半分が、たとえば、５度と仮定すると、ここでなんと１３０分の１に低下してしまう。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】本発明は、光利用効率のこのような激しい低下を無くし、従来技術に比べて劇的に光の利用効率を高めることを目的とする。
【課題を解決する為の手段】
【０００７】上記の課題を解決する為に、発明者らはさまざまな照明光学系の開発経験と各種結像光学系の設計経験、とりわけ照明系と結像系の結合の有効性を高める工夫を色々と重ねてきた知見からひとつの重要な光学系の仕組みに思い至った。それは、図３の７００の位置にパネルそのものを置くのではなく、その代わりに結像された実像をこの位置に造るようにし、しかも結像の主光線角度を、図３の７００の各像高の主光線角度に一致するようにし、かつ各像高に結像する光束のＮＡ（開口数）も、図３の７００におけるＮＡに一致するようにする事であり、またそれが実現可能なこと、その設計方法が判明したのである。
【０００８】上記のことを実際に行って結像の実像側で、各像高での主光線角度とＮＡを一致させたものが、図２である。すなわち図２で、９００が実像であり、９００から出ている主光線角度とＮＡは、図３の７００から出ている主光線角度とＮＡに一致している。図２に戻ると、８００は結像レンズ、７００が液晶パネル（これは図３のパネルより、結像レンズ８００の結像倍率分だけ、小さいパネルである）。またパネル７００を照明する照明系は、図２では省略されている。また図１と図２において結像レンズは、理想レンズで代表されている。すなわち８００と付番された縦の線分は、理想レンズの入射瞳と射出瞳が一致したものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】パネル７００の照明系については、図４にその一例を示す。図４の８００は結像レンズであり、これは理想レンズではなく具体的な設計例である。Ｆナンバーは、１．４である。光源側から説明すると、１００が光源（ＬＥＤ）である。番号の後ろにＧ，Ｒ，Ｂ，と付したのは、それぞれ緑色、赤色、青色を表す。ＬＥＤには樹脂にて半球レンズを密着し、集光レンズを経てクロスダイクロイックミラー（ＸＤＭ）２００を通り３色が合成されて、マイクロフライアイドラムレンズ３００を通過後、偏光変換プリズム４００を経て、重畳レンズ５００を通りフィールドレンズ６００をへて、パネル７００を照明する。この例では、ＬＥＤ１００Ｇ，Ｒ，Ｂ、半球レンズ、その次の集光レンズは、紙面に垂直方向にそれぞれ３個ずつ並べている。またマイクロフライアイドラムレンズは、６ｘ６が紙面垂直方向にやはり３個分、すなわち６ｘ１８のメッシュを構成している。図４の例は、単板式であり、３色合成して白色で使用してもよし、解像度は低下するが、カラーフィルター付きＬＥＤを用いて、カラーで使用しても良い。図５は、３板式フルカラーの例をしめす。７００Ｇ、７００Ｒ、７００Ｂがそれぞれ緑色、赤色、青色のパネルであり、以下同様である。結像レンズ８００はこの場合、Ｆナンバー１．２である。光源ＬＥＤと半球レンズ、集光レンズは、紙面内に２個、紙面垂直方向に３個、計６個ずつ使用している。図５の例では、ＲとＢの光路で、重畳レンズ５００とフィールドレンズ６００の間に反射ミラーを設置し、光源をすべて左側にそろえても良い。【００１０】さて本発明の主題にもどって、上記段落番号〔０００７〕以降の内容を実現する方法について述べる。そのためには、上記の通り、図３の７００の位置に、直接パネルを置いてはだめであり、結像レンズによる実像が来るようにする。この空中にできた実像をルーペ系で拡大しその虚像を最終的に見るようにする。このルーペ系を二枚レンズで構成する方法と、一枚レンズで構成する方法がある。以下に順次説明する。説明の方法にそって、即ち請求項の方法にそって設計を行うと、結果的に、上記のような光学系の構成が達成される。【００１１】請求項１に沿った実施例のひとつを図１にしめす。ただし図１において結像レンズ８００は理想レンズである。図１のパネル７００を照明する照明系の一実施例が図４に示されている。図１において実像９００に密着したリレーレンズ１０００および拡大ルーペ１２００の諸元ほかの決め方は次のようにする。請求項１の数式１、（１）から（６）および図６を参照し、結像の基本式をあてはめ、結像レンズの焦点距離ｆ１、結像レンズの結像倍率ｍ、をあらかじめ決定しておくと、図６を参照して、
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一方、結像倍率がｍであるから、
ｂ＝ｍａ
上記が（２）式である；よって
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これを変形すると、
2006350267.tif 000005
上記が（１）式である。つぎに図６を参照してリレーレンズ１０００の焦点距離ｆ２、ｂを物体距離とみなすと、リレーレンズ１０００による結像レンズの瞳８００の像位置ｂ‘は、
2006350267.tif 000006
これを解くと、
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上記が（３）式である。上記のｂ‘はリレーレンズ１０００（焦点距離ｆ２）による結像レンズの瞳の虚像位置である。このｂ’を用いて瞳の虚像の、拡大ルーペ１２００（焦点距離ｆ３）による実像は、運転者の眼の位置１４００に作らなければならない。そこに眼を置いたときケラレなくパネルの虚像全体を見る為である。ｆ３から見たとき物体は今の場合、虚物体であるがｃ−ｂ‘にある。それが焦点距離ｆ３によって眼の位置（拡大ルーペ１２００からＷＤの距離）に像ができるようにするには、
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これを解けば、
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これは（４）式そのものである。【００１２】パネル７００の対角長をＤとし、その結像レンズ８００による像の大きさをＤ‘とし、さらにその像の拡大ルーペによる像（虚像）の大きさをＤ“としたとき、
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上式のｃ‘は
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で与えられるから、これを上式に代入して解くと、
2006350267.tif 000012
これが、（５）式である。
つぎに瞳の大きさの比を考える。結像レンズの瞳径はＰ、そのリレーレンズによる１次像の大きさがＰ‘、その拡大ルーペによる最終像がＰ“で、それが視認領域１４００の直径そのものであるから、Ｐ”／Ｐ’を考えると、
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一方、
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これを変形すると、
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よってＰ“／Ｐ‘は、
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したがって、これをＰ“について解くと、
2006350267.tif 000017
上式の右辺は（６）式そのものである。【００１３】つぎに、図７を参照しながら請求項２の説明を行う。請求項２は、請求項１で、リレーレンズと拡大ルーペ、と分けられて存在していた２個のレンズを一まとめにして、１個のレンズでその働きを兼務させるものである。結果として、よりシンプルな系となった。１個のレンズがパネル像の拡大も、瞳像の拡大も兼ねるため、実像から離して、距離δを置いて拡大ルーペを設置する。したがって拡大ルーペ（焦点距離ｆ３）が結像レンズの瞳を視認領域１４００に造るためには、
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これをｆ３について解くと、
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上記が（７）式である。一方、図７において、実像９００を拡大ルーペ１２００が拡大する共役系について考えると物体距離δにある実像を拡大ルーペ１２００が拡大した後の虚像位置をδ‘とすれば（図７には表記されず）、レンズの基本公式から、
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これを解いて、
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上記は（８）式である。また、パネル７００（対角長Ｄ）の実像９００の大きさＤ‘、その拡大ルーペ１２００による拡大像の大きさＤ“の関係式は、
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上式右辺は（９）式である。また、結像レンズ８００の瞳径Ｐの、拡大ルーペ１２００による拡大像（視認領域１４００の直径）の大きさＰ“は、
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これは、（１０）式そのものである。請求項２の場合（図７の場合）瞳径は、ＰとＰ“だけが存在し、Ｐ‘は無い。
請求項１についても、請求項２についても、上記のアルゴリズムで諸パラメータを決定すると、結果として上記段落番号〔０００７〕以降に記したことが必然的に達成された光学系になる。たたし上記が唯一解ではなく、多数のパラメータのうちどれを最初に与え、他を上記関係式から導き出すか、の自由度は残る。しかしいずれにしても、上記の関係式そのものは無収差理想レンズの仮定の範囲で有効である。実際の光学系は、光線追跡あるいはシミュレーション等を行い、収差を加味して設計する。従来技術では、図３の７００から広い角度で出てくる光束のうちほんの僅かしか利用されなかったのに対して、本発明の手法によれば、その利用される狭い角度（図２の９００の光束の角度は図３の７００の角度と同一）に光源ＬＥＤから有効に拾いこんだ全ての光束を、すべて注入している。そのため明るさは劇的に明るくすることが可能となった。
【実施例１】
【００１４】図１が請求項１に基づく実施例であり、パネルの照明系と結像レンズの部分は、図４の単板式ないしは、図５の３板式の光学系（フルカラー式）を組み込めば良い。
【実施例２】図２が請求項２に基づく実施例であり、パネルの照明系と結像レンズの部分は、図４の単板式ないしは、図５の３板式の光学系（フルカラー式）を組み込めば良い。
【発明の効果】
従来のヘッドアップディスプレイに比して圧倒的に明るい、照明光の利用効率の高い光学系を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】請求項１に基づく光学系の断面図。結像レンズは理想レンズ。
【図２】請求項２に基づく光学系の断面図。結像レンズは理想レンズ。
【図３】従来技術を説明する為の光学系断面図。
【図４】液晶パネルを照明する照明系の一例。単板式。
【図５】液晶パネルを照明する照明系の一例。３板式。
【図６】請求項１の数式を説明する為の光学系模式図。反射ミラー省略。
【図７】請求項２の数式を説明する為の光学系模式図。反射ミラー省略。
【符号の説明】
【００１６】１００光源ＬＥＤ。２００クロスダイクロイックミラー。３００マイクロフライアイドラムレンズ。４００偏光変換プリズム。５００重畳レンズ。６００フィールドレンズ。７００液晶パネル。８００結像レンズ。９００パネルの１次拡大像。１０００リレーレンズ。１１００光路折り曲げ用反射ミラー。１２００拡大ルーペ。１３００フロントカラス。１４００視認領域。１５００最終拡大像（虚像）。
【図１】
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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７】
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