(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像形成ユニットにおいて形成される画像光束に基づく虚像を接眼光学系により形成する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、バックライトと液晶表示パネルとを含み、
前記接眼光学系は、前記画像形成ユニットに近い方から順に、自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーと、を含み、
前記虚像を観察者が観察する瞳位置は、前記接眼光学系の外側に位置し、
前記接眼光学系における前記画像形成ユニットの瞳位置は、前記接眼光学系の方から見て前記液晶表示パネルの先に形成され、
前記画像形成ユニットにおける前記接眼光学系の瞳位置は、前記画像形成ユニットの方から見て前記液晶表示パネルの手前に形成される、
ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項２】
画像形成ユニットにおいて形成される画像光束に基づく虚像を接眼光学系により形成する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と、拡散機能を有するスクリーン板と、を含み、
前記接眼光学系は、前記画像形成ユニットに近い方から順に、自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーと、を含み、
前記虚像を観察者が観察する瞳位置は、前記接眼光学系の外側に位置し、
前記接眼光学系における前記画像形成ユニットの瞳位置は、前記接眼光学系の方から見て前記スクリーン板の先に形成され、
前記画像形成ユニットにおける前記接眼光学系の瞳位置は、前記画像形成ユニットの方から見て前記スクリーン板の手前に形成される、
ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項３】
画像形成ユニットにおいて形成される画像光束に基づく虚像を接眼光学系により形成する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、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、拡散機能を有するスクリーン板と、を含み、
前記接眼光学系は、前記画像形成ユニットに近い方から順に、自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーと、を含み、
前記虚像を観察者が観察する瞳位置は、前記接眼光学系の外側に位置し、
前記接眼光学系における前記画像形成ユニットの瞳位置は、前記反射面の回転中心に形成される、
ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項４】
画像情報を含む照明光に基づいて画像光束を形成して射出する画像形成ユニットと、前記画像光束に基づく虚像を表示させる接眼光学系と、を含む投影光学系であって、
前記画像形成ユニットは、バックライトと、液晶表示パネルと、を含み、
前記接眼光学系は、前記画像形成ユニットに近い方から順に、自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーと、を含み、
前記接眼光学系の前記画像形成ユニットの瞳位置は、前記接眼光学系の方から見て前記液晶表示パネルの先に形成され、
前記画像形成ユニットの前記接眼光学系の瞳位置は、前記画像形成ユニットの方から見て前記液晶表示パネルの手前に形成される、
ことを特徴とする投影光学系。
【請求項５】
画像情報を含む照明光に基づいて画像光束を形成して射出する画像形成ユニットと、前記画像光束に基づく虚像を表示させる接眼光学系と、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に近い方から順に、自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーと、を含み、
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と、拡散機能を有するスクリーン板と、を含み、
前記接眼光学系の前記画像形成ユニットの瞳位置は、前記接眼光学系の方から見て前記スクリーン板の先に形成され、
前記画像形成ユニットの前記接眼光学系の瞳位置は、前記画像形成ユニットの方から見て前記スクリーン板の手前に形成される、
ことを特徴とする投影光学系。
【請求項６】
画像情報を含む照明光に基づいて画像光束を形成して射出する画像形成ユニットと、前記画像光束に基づく虚像を表示させる接眼光学系と、を含む投影光学系であって、
前記画像形成ユニットは、レーザー光源と、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、及び拡散機能を有するスクリーン板と、を含み、
前記接眼光学系は、前記画像形成ユニットに近い方から順に、自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーと、を含み、
前記接眼光学系の前記画像形成ユニットの瞳位置は、前記反射面の回転中心が配置される、
ことを特徴とする投影光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影光学系およびヘッドアップディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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（接眼光学系）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（接眼光学系）は、実像をさらに拡大して、自動車のウインドシールドに投影し、運転手に対して虚像を表示する（要約抜粋）」という構成が開示されている。【０００３】
この特許文献１のヘッドアップディスプレイ装置では、観察者の前方２ｍ先に、スピードメータやタコメータ、水温計、燃料計等の各種計器類の値を虚像として表示する。これによって、各種計器類の値を虚像で見る視線方向と、虚像の観察者が見る前景に対する視線方向との差が小さくなるので、この２つの視線方向の間での視線移動に要する時間を低減できる。【０００４】
また、各種計器類等を直接見る距離よりも、虚像までの距離（２ｍ前方）の方が、観察者が見ている前景までの距離に近くなる。これによって、前景の中の対象物に観察者の眼のピントを合わせた状態と、虚像として表示される各種計器類の値に観察者の眼のピントを合わせた状態との間における、ピント調整時間を短縮できる。【０００５】
この２つの利点により、ヘッドアップディスプレイ装置による、自動車の運転における安全性の向上が期待できる。【０００６】
また、特許文献２には、「表示デバイス側から、回転非対称ミラーと、自由曲面ミラーを有する構成で、各ミラーの配置角度などを規定することで、鉛直方向に薄型な表示装置を提供する（要約抜粋）」という構成が開示されている。【０００７】
一方、非特許文献１には、（光学系において像の）「歪曲の起こる原因」として、「凸レンズの後ろに絞りがあると、凸レンズは主光線を曲げる力が理想レンズより強くなるから、理想像高より像高のほうが大きくなる。」という記載がある。【０００８】
同様に、特許文献３には「第１レンズの前方に絞りを配置した構成であるため、光学系を構成するレンズのパワー配分の対称性が悪く、ディストーションや倍率の色収差が発生してしまう。」という記載がある。すなわち、従来から、絞りに対するパワー配分の非対称性は、歪曲が起こる原因であることが知られている。【０００９】
絞りに対するパワー配分の違いによる歪曲は、凸レンズと絞りとの位置関係において異なる。例えば、凸レンズの手前に絞りを配置と、絞りの中心を通過する主光線に対して、凸レンズによる球面収差が発生する。この結果、近軸光線の像高さより、実光線の像高さの方が低くなり、樽型の歪が生じる。また、凸レンズ１０３の後に絞りを配置すると、絞りの中心を通過する主光線に対して、同様に凸レンズによる球面収差が発生する。この結果、近軸光線の像高さより、実光線の像高さの方が高くなり、糸巻き型の歪が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−２２９５５２号公報
【特許文献２】特開２０１５−１９４７０７号公報
【特許文献３】特開２００４−３６１９３４号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】写真工業（１９９８年１２月号、１１２〜１１３頁）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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は、表示デバイスと回転非対称ミラーを水平方向にずらすことで薄型化を図っている。しかしながら、特許文献２のヘッドアップディスプレイ装置は、虚像サイズが１４０×７０ｍｍの横長状になるので、垂直方向サイズの２倍の光束サイズを有する水平方向に光束を折り曲げる構成になる（特に実施例１を参照）。このような構成は、折り曲げミラーが大きくなり、薄型化を図ることはできても装置全体の容積の小型化には課題がある。【００１３】
また、特許文献２のような構成は、特許文献１に開示された液晶表示パネルにおけるテレセントリック性についても、互いに影響し合う、したがって、従来から知られている技術や構成によれば、歪性能との関係において、テレセントリック性の条件を整えるには課題がある。【００１４】
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、投影光学系を最小な光学構成で、且つ、小型な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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記した課題を解決するために、画像形成ユニットにおいて形成される画像光束に基づく虚像を接眼光学系により形成する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、バックライトと液晶表示パネルとを含み、前記接眼光学系は、前記画像形成ユニットに近い方から順に、自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーと、を含み、前記虚像を観察者が観察する瞳位置は、前記接眼光学系の外側に位置し、前記接眼光学系における前記画像形成ユニットの瞳位置は、前記接眼光学系の方から見て前記液晶表示パネルの先に形成され、前記画像形成ユニットにおける前記接眼光学系の瞳位置は、前記画像形成ユニットの方から見て前記液晶表示パネルの手前に形成される、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、投影光学系を最小な光学構成で、且つ、小型な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。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る投影光学系の第１実施形態における接眼光学系の全体光線図であり、（ａ）ＹＺ平面における全体光線図、（ｂ）ＸＺ平面における全体光線図、である。
【図２】第１実施形態に係る接眼光学系の要部拡大図である。
【図３】第１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４】第１実施形態に係る接眼光学系の自由曲面係数を示す図である。
【図５】第１実施形態における射出瞳位置を変えた場合の角度ずれの変化を表す図である。
【図６】第１実施形態におけるアイボックスの中央から見た歪性能を表す図である。
【図７】第１実施形態におけるアイボックスの右上から見た歪性能を表す図である。
【図８】第１実施形態におけるアイボックスの左上から見た歪性能を表す図である。
【図９】第１実施形態におけるアイボックスの左下から見た歪性能を表す図である。
【図１０】第１実施形態におけるアイボックスの右下から見た歪性能を表す図である。
【図１１】第１実施形態における接眼光学系の赤色のスポット図である。
【図１２】第１実施形態における接眼光学系の緑色のスポット図である。
【図１３】第１実施形態における接眼光学系の青色のスポット図である。
【図１４】第１実施形態における主光線の角度ずれ図である。
【図１５】本発明に係る投影光学系の第２実施形態における接眼光学系の全体光線図であり、（ａ）ＹＺ平面における全体光線図、（ｂ）ＸＺ平面における全体光線図、である。
【図１６】第２実施形態に係る接眼光学系の要部拡大図である。
【図１７】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１８】第２実施形態に係る接眼光学系の自由曲面係数を示す図である。
【図１９】第２実施形態におけるアイボックスの中央から見た歪性能を表す図である。
【図２０】第２実施形態におけるアイボックスの右上から見た歪性能を表す図である。
【図２１】第２実施形態におけるアイボックスの左上から見た歪性能を表す図である。
【図２２】第２実施形態におけるアイボックスの左下から見た歪性能を表す図である。
【図２３】第２実施形態におけるアイボックスの右下から見た歪性能を表す図である。
【図２４】第２実施形態における接眼光学系の赤色のスポット図である。
【図２５】第２実施形態における接眼光学系の緑色のスポット図である。
【図２６】第２実施形態における接眼光学系の青色のスポット図である。
【図２７】第２実施形態における主光線の角度ずれ図である。
【図２８】本実施形態における接眼光学系の縮小側の主光線図である。
【図２９】本実施形態における入射瞳位置の違いによる射出瞳位置の変化を説明する図である。
【図３０】本実施形態における射出瞳方向からの角度ずれの定義の説明図である。
【図３１】本発明の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。
【図３２】本発明の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である。
【図３３】本発明の実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置のさらに別の例を示す画像形成ユニットの概略構成図である。
【図３４】本実施形態における絞りに対する非対称性による歪性能の説明図である。
【図３５】本実施形態に関連する瞳位置の測定方法の説明図である。
【図３６】本発明に係る自動車の実施形態を示す平面図である。
【図３７】本発明に係る投影光学系が備える画像形成ユニットの構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。本発明は、以下において説明される内容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。
【００１９】
まず、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置の一実施形態であるヘッドアップディスプレイ装置３０について図３１を用いて説明する。図３１は、本実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置３０の基本構成を示す概略構成図である。
【００２０】
図３１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。なお、投影光学系２０は、本発明に係る投影光学系の一実施形態である。
【００２１】
より詳しくは、投影光学系２０は、照明手段であるバックライト１と、画像形成手段である液晶表示パネル２と、を含む光学系である。バックライト１から出射された光は、液晶表示パネル２に照射される。液晶表示パネル２は、バックライト１からの光束を用いて、液晶表示パネル２に表示された画像情報（映像情報）を含んだ画像光束（映像光束）を生成して出射する。このバックライト１と、液晶表示パネル２を総称して画像形成ユニット１０という。
【００２２】
次に、液晶表示パネル２で生成されて出射された映像光束は、接眼光学系
５に照射される。接眼光学系５は、この映像光束を拡大してウインドシールド６に投写する。ウインドシールド６に投写された拡大された映像光束は、ウインドシールド６において反射される。このウインドシールド６において反射された映像光束が、観察者の眼９の位置に到達する。観察者の眼９に到達した映像光束によって、観察者はあたかも、虚像面７における画像情報（映像情報）を見ているような関係性が成立する。図３１において示す液晶表示パネル２上の３点（点Ｑ１・Ｑ２・Ｑ３）が、それぞれ虚像面７における３点（点Ｖ１・Ｖ２・Ｖ３）に対応する。
【００２３】
観察者の眼９の位置を動かしても、虚像面７の点Ｖ１・Ｖ２・Ｖ３を見ることができる範囲が、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）を観察者の眼の前に表示する光学系である。なお、ウインドシールド６で映像光束を反射する代わりに、専用のコンバイナと呼ばれる半透過性の凹面ミラーを配置する構成でもよい。
【００２４】
図３１は、ヘッドアップディスプレイ装置３０を一定の方向から平面に投影した状態を例示している。したがって、液晶表示パネル２や虚像面７及びアイボックス８は線分で表している。しかし、これら光学素子はいずれも奥行き方向に寸法を有していて、観察者の眼９において２次元的な広がりを有する画面状の虚像を見えるようにするものである。
【００２５】
観察者の眼９において虚像面７の虚像を観察するときのいわゆる「瞳位置」は、アイボックス８の位置に相当する。すなわち、本実施形態において、虚像面７における虚像を観察する観察者の眼９における瞳位置は、接眼光学系５の外側に位置する。
【００２６】
ここで、図２８から図３０を用いて、ヘッドアップディスプレイ装置３０の接眼光学系５に求められる瞳位置の条件について説明する。
【００２７】
図２８は、ウインドシールド６と自由曲面凹面ミラー５２を含む接眼光学系５の必要最小限な構成における光線図である。図２８は、通常は配置される液晶表示パネル２を省略し、虚像面７側を物体とした縮小光学系における射出瞳位置１０１を説明するための図である。したがって、図２８では、液晶表示パネル２を配置せずに、且つ、主光線のみでの光線の状態を示している。なお、図２８の光線図は、瞳径を０．００１ｍｍと仮定したものである。
【００２８】
図２８において、座標系は、アイボックス８の水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸、ＸＹ平面に垂直な方向をＺ軸として定義する。図２８（ａ）は、ウインドシールド６から光束の集光位置（射出瞳位置１０１）までの光線をＹＺ断面に投影した光線図である。また、図２８（ｂ）は、自由曲面凹面ミラー５２から光束の集光位置（射出瞳位置１０１）までの光線をＸＺ断面に投影した光線図である。
【００２９】
ところで、ヘッドアップディスプレイ装置３０の小型化を図るには、液晶表示パネル２の配置場所をウインドシールド６から自由曲面凹面ミラー５２への光路を避け、なるべく凹面ミラーに近い場所にすることが望ましい。したがって、図２８に示すような虚像面７を物体とした縮小光学系では、映像光束が液晶表示パネル２を通り過ぎた先に、接眼光学系５の射出瞳が位置することになる。以上のとおり、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置３０は、虚像面７を物体と捉える縮小光学系と仮定して、接眼光学系５及び液晶表示パネル２の瞳位置を規定する。
【００３０】
なお、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。
【００３１】
図２８に示す構成において、液晶表示パネル２側でテレセントリック性（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。
【００３２】
このフィールドレンズの作用について、図２９を用いて説明する。図２９（ａ）は、絞り１０２を凸レンズ１０３の直前に配置した例である。図２９（ａ）において、絞り１０２の中心を通過する主光線は、凸レンズ１０３の光軸に近い箇所を通過する。この主光線はそのまま直進する。したがって、絞り１０２の中心を通過する主光線は、像面１０４への入射が発散するので、テレセントリック性を実現するためには、フィールドレンズとして正の屈折力を有する凸レンズ１０３を配置する必要がある。
【００３３】
図２９（ｂ）は、絞り１０２を凸レンズ１０３の焦点距離と同じ距離だけ凸レンズ１０３から離して配置した例である。図２９（ｂ）において、絞り１０２の中心を通過する主光線は、凸レンズ１０３で屈折して平行光線になる。したがって、フィールドレンズなしでテレセントリックを実現できる。
【００３４】
図２９（ｃ）は、絞り１０２を凸レンズ１０３の焦点距離以上に凸レンズ１０３から離して配置した例である。絞り１０２の中心を通過する主光線は、図２９（ｂ）に比べて、より大きな屈折力を受け、像面１０４へは主光線が収束して入射する。したがって、テレセントリックを実現するためには、フィ−ルドレンズとして、負の屈折力を有する凹レンズを配置する必要がある。
【００３５】
図２９（ｃ）のように、絞り１０２が凸レンズ１０３の手前に大きくずれる配置は、ヘッドアップディスプレイ装置３０における配置関係と同様である。すなわち、ヘッドアップディスプレイ装置３０のように、接眼光学系５からアイボックス８が大きく飛び出ている配置関係と同じ配置関係である。したがってヘッドアップディスプレイ装置３０の接眼光学系５の液晶表示パネル２側でテレセントリックを実現するには、液晶表示パネル２の手前に凹レンズを配置する必要がある。
【００３６】
一方で、像面の手前に配置するフィールドレンズは、テレセントリック化の作用と同時に、歪曲に関する作用が大きい。ここで、図３４を用いて歪曲に関する作用について説明する。図３４は、絞り１０２に対するパワー配分の違いによる歪図をまとめたものである。
【００３７】
図３４（ａ）は、凸レンズ１０３の手前に絞り１０２を配置した構成を例示している。この場合、絞り１０２の中心を通過する主光線に対して、凸レンズ１０３による球面収差が発生する。その結果、近軸光線の像高さｙ０より、実光線の像高さｙの方が低くなり、樽型の歪が生じる。
【００３８】
図３４（ｂ）は、凸レンズ１０３の後ろに絞り１０２を配置した構成を例示している。この場合、絞り１０２の中心を通過する主光線に対して、同様に凸レンズ１０３による球面収差が発生する。その結果、近軸光線の像高さｙ０より、実光線の像高さｙの方が高くなり、糸巻き型の歪が生じる。
【００３９】
ヘッドアップディスプレイ装置３０の接眼光学系５の基本構成は、アイボックス８が大きく飛び出た構成であるから、図３４（ａ）の構成に該当する。したがって、正の屈折力を有する光学素子で発生する歪量を補正するために、液晶表示パネル２の手前に、逆の歪量を発生させるための光学素子を配置する必要がある。すなわち、液晶表示パネル２の手前に、負の屈折力を有する凹レンズを配置することが必要となる。
【００４０】
テレセントリック化のために凹レンズを用いる目的は、主光線を光軸に平行にする点にある。しかし、歪曲の補正のために凹レンズを用いる目的は、図３４（ａ）に例示したような樽型の歪を補正するために液晶表示パネル２において像高を少し大きくする点にある。
【００４１】
そこで、本実施形態では、照明光学系としてのバックライト１から液晶表示パネル２に入射する照明系の瞳位置を自由度として用いる。この照明光学系の瞳位置とは、画像形成ユニット１０を液晶表示パネル２とバックライト１で構成する場合は、バックライト１の仮想の光源出射位置に相当する。また、照明光学系の瞳位置とは、画像形成ユニット１０を微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）による光走査（後で詳細は説明する）で構成する場合は、ＭＥＭＳの位置に相当する。
【００４２】
ここで、図３０を用いて、液晶表示パネル２側でテレセントリックにした場合と、液晶表示パネル２側の瞳位置を有限距離にした場合における、角度ずれの定義について説明する。図３０は、入射角度と、射出瞳方向からの光線ずれを説明する図である。図３０（ａ）は、従来のテレセントリックが狙いの場合での角度ずれを説明する図である。図３０（ａ）に示すように、液晶表示パネル２に入射する主光線と、液晶表示パネル２の法線との成す角度θ１を入射角度とする。図３０（ｂ）は、液晶表示パネル２での主光線の交点と有限距離にある瞳位置を繋ぐ仮想光線の角度ずれを説明する図である。図３０（ｂ）に示すように、液晶表示パネル２における主光線の交点と有限距離にある瞳位置とを結ぶ仮想光線と、主光線との成す角度θ２を出射瞳ずれ角度とする。射出瞳ずれ角度は、射出瞳位置１０１を無限遠に設定すれば入射角度に一致する。この場合、射出瞳位置１０１の位置は、光軸上に存在するとは限らない。
【００４３】
ヘッドアップディスプレイ装置３０は、例えば、車両に搭載される装置であるから、ヘッドアップディスプレイ装置３０が映像光束を投射するウインドシールド６は、車両に対して左右対称である。しかし、車両において、ヘッドアップディスプレイ装置３０が搭載される位置は、運転者の正面に位置するので、接眼光学系５にとってウインドシールド６が左右非対称、上下非対称な構成要素である。その結果、ウインドシールド６の形状による左右非対称・上下非対称の歪みが大きく発生する。そこで、接眼光学系５において、液晶表示パネル２の手前に配置する凹レンズは、歪性能や解像度性能を含めた光学性能の補正を行う自由曲面レンズとする。
【００４４】
詳細な定義式は後で説明するが、接眼光学系における液晶表示パネル２の手前に配置される自由曲面レンズ(凹レンズ)は、ＸＹ多項式を含むため、左右非対称・上下非対称なレンズ作用を持たせることができる。したがって、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は、自由曲面レンズを用いることで補正することができる。
【００４５】
次に、ヘッドアップディスプレイ装置３０の実施形態について説明する。本実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置３０は、液晶表示パネル２側での瞳位置を液晶表示パネル２の奥（バックライト１側）に設けて、自由曲面凹面ミラー５２と自由曲面凹面レンズ５１を用いた投影光学系２０を備える。
【００４６】
ここで、液晶表示パネル２に照明光を照射する照明光学系であるバックライト１の瞳位置の測定方法について、図３５を用いて説明する。
【００４７】
図３５（ａ）は、バックライト１から射出された照明光束を液晶表示パネル２に照射している様子を表している。ヘッドアップディスプレイ装置３０において、バックライト１から射出された照明光束の進行方向において、液晶表示パネル２の後段には、接眼光学系５を構成する光学要素が配置される。図３５（ａ）においては、その接眼光学系５の光学要素を省略している。図３５（ａ）に示すように、バックライト１から出射された照明光束は、液晶表示パネル２を通過して拡散する。
【００４８】
図３５（ｂ）は、図３５（ａ）に例示した構成に対して、液晶表示パネル２の代わりに、遮光板２０００を配置した状態を例示している。遮光板２０００は、照明光束の進行方向において孔２００１が１箇所だけ設けられている。図３５（ｂ）のような構成を設けて、遮光板２０００から１ｍ先の平面における光量分布の中心位置を測定する。これによって、遮光板２０００上の孔２００１の位置を繋いだ線上に瞳位置が存在することが分かる。近軸計算では瞳位置は、１点で明確に定まる。しかし、実際の光学系には収差があるので、遮光板２０００に設けた孔２００１の位置によって、測定で求まる瞳位置にはずれが生じる。なお、液晶表示パネル２全体に対する瞳位置を測定で特定することが可能である。
【００４９】
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３６を用いて説明する。図３６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３６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。
【００５０】
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。例えば図２４の破線矩形領域Ｒ１に示すような位置に映像光束が投影される。
【００５１】
本実施形態の説明に用いる自動車５００は、左ハンドル車である。したがって、自動車５００の前方に向かって左側に運転席があり、ウインドシールド６上における映像光束の投影位置は左側になる。仮に自動車５００が右ハンドル車であるならば、ウインドシールド６上における映像光束の投影位置は、自動車５００の前方に向かって右側になる。
【００５２】
次に、自動車５００に画像形成ユニット１０を搭載した場合の例について説明する。図３７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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
制御装置２０１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。
【００５６】
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。
【００５７】
＜第１実施形態＞
以下、本発明に係る投影光学系の第１実施形態について説明する。図３１は、第１実施形態に係る投影光学系２０を備えるヘッドアップディスプレイ装置３０の構成を概略的に示す概略構成図である。本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置３０は、接眼光学系５の構成において特徴を有する。図３１において、ヘッドアップディスプレイ装置３０は、接眼光学系５と画像形成ユニット１０を備える投影光学系２０における瞳位置に特徴を有する。すなわち、接眼光学系５の画像形成ユニット１０側の瞳位置を接眼光学系５側から見て液晶表示パネル２の先に形成し、画像形成ユニット１０の接眼光学系５側の瞳位置を液晶表示パネル２の手前に形成する。
【００５８】
次に、図１を参照して、本実施形態に係る投影光学系２０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実施形態に係る接眼光学系５の全体光線図であって、座標系は、アイボックス８の水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸、ＸＹ平面に垂直な方向をＺ軸として定義する。図１（ａ）は、ＹＺ平面において虚像面７の映像情報（虚像）を観察者の眼９で見ている様子を表している。また、図１（ｂ）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。
【００５９】
図１（ａ）に示すようにＹＺ平面では、観察者の右眼と左眼が重なっており（符号９参照）、図１（ｂ）に示すようにＸＺ平面では右眼と左眼が別々に図示されている。ウインドシールド６は、ヘッドアップディスプレイ装置３０による有効光束が通過する範囲のみを表示しているが、ウインドシールド６自体は、自動車の左右方向に対して対称な形状である。
【００６０】
図２は、第１実施形態における接眼光学系５の要部拡大図である。図２に示すように、接眼光学系５は偏光板２１側から、自由曲面凹面ミラー５２側に凸面を向けた負の屈折力の自由曲面凹面レンズ５１と、正の屈折力の自由曲面凹面ミラー５２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。なお、偏光板２１は、液晶表示パネル２の構成部品である。また、図２において自由曲面凹面レンズ５１は、前後面を１つの面で表している。
【００６１】
接眼光学系５の屈折力は、主に自由曲面凹面ミラー５２が負担している。自由曲面凹面ミラー５２から離れた位置にある自由曲面凹面レンズ５１では、主光線の光線高さが高いので台形歪の補正作用を有する。ウインドシールド６で反射した光束が自由曲面凹面ミラー５２に向かう光路の真下に、自由曲面凹面レンズ５１が位置することで、ヘッドアップディスプレイ装置３０は小型化を図ることができる。
【００６２】
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において、「曲率半径」は曲率半径の中心位置が映像光束の進行方向にある場合を正の符合で表している。また、「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。
【００６３】
「偏心」は、Ｘ軸方向・Ｙ軸方向・Ｚ軸方向のそれぞれにおける値である。「倒れ」は、Ｘ軸回りの回転・Ｙ軸回りの回転・Ｚ軸回りの回転である。「偏心・倒れ」は、該当の面における偏心と倒れの順に作用し、「普通偏心」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、次の面には影響しない。なお、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。
【００６４】
硝材名５０．３０は、屈折率１．５０でアッベ数が３０の材料を表す。また、硝材名５２．６０は、屈折率１．５１でアッベ数が６０の材料を表す。
【００６５】
次に、本実施形態に係る自由曲面凹面ミラー５２と自由曲面凹面レンズ５１に係る自由曲面係数を図４において示す。図４に示した自由曲面係数は、以下の式１により求められる。
【００６６】
【数１】
0006616005.tif 000002
【００６７】
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。
【００６８】
次に、本実施形態に係る接眼光学系５におけるアイボックスサイズ（アイボックス８の寸法）や、視野角などの具体的数値例について表１に示す。なお、表１において、数値の順番は、水平方向、垂直方向の順である。
【００６９】
【表１】
0006616005.tif 000003
【００７０】
図３において示したレンズデータは、虚像面７を物体とした縮小光学系として捉えた接眼光学系５を場合のデータである。表１において、「射出瞳位置１０１」が「−１６５ｍｍ」となっているが、このマイナス符合の意味は、自由曲面凹面ミラー５２の後で面間距離が負になっている空間における位置に射出瞳位置１０１があることを示している。即ち、液晶表示パネル２から距離１６５ｍｍ過ぎた所に射出瞳位置１０１があることを表している。
【００７１】
図５は、射出瞳位置１０１を「−１６５ｍｍ」の位置からずらした場合に、図３０を用いて説明した仮想光線からの角度ずれがどのように変化をするかを説明する図である。図５に示す表に含まれるＦ１からＦ２３までの符合は、各画角位置を表している。図５に示すグラフは、横軸が射出瞳位置１０１の位置、縦軸が各画角位置における角度ずれの平均値と最大値を表している。
【００７２】
図５のグラフが示すように、射出瞳位置１０１を液晶表示パネル２から−１６５ｍｍの位置に設定せず、液晶表示パネル２に近づけても、液晶表示パネル２から遠ざけても、角度ずれが大きくなる。すなわち、本実施形態における射出瞳位置１０１は、液晶表示パネル２から−１６５ｍｍに相当する位置が、角度ずれを小さくする最適な位置である。
【００７３】
次に、第１実施形態の光学性能について図６から図１４を用いて説明する。図６から図１０は、第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置３０の歪性能を表す図である。図１１から図１３は、第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置３０のスポット図である。図１４は、各画角位置における主光線の仮想光線からの角度ずれ図である。
【００７４】
図６は、アイボックス８の中央（Ｅ１）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。図７は、アイボックス８の最右上（Ｅ２）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。図８は、アイボックス８の最左上（Ｅ３）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。図９は、アイボックス８の最左下（Ｅ４）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。図１０は、アイボックス８の最右下（Ｅ５）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。
【００７５】
図６から図１０の歪性能は、矩形状の虚像の範囲に対して、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を位置した場合には、図６から図１０と逆の歪（例：樽型⇔糸巻型）が観察される。
【００７６】
図６から図１０に示すとおり、本実施形態における歪性能は、歪図の形状がほぼ同じ形状になっている。したがって、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置３０において、例えば図６の歪図に合わせた映像を液晶表示パネル２に表示すれば、観察者は歪の無い矩形状の虚像を観察できる。
【００７７】
図１１は、虚像面７に物点を配置した場合の液晶表示パネル２上におけるスポット図であって、アイボックス８全体を通過する光束の波長が６５０ｎｍ（赤色）のもののスポットを示した図である。図１２は、虚像面７に物点を配置した場合の液晶表示パネル２上におけるスポット図であって、アイボックス８全体を通過する光束の波長を５５０ｎｍ（緑色）のもののスポットを示した図である。図１３は、虚像面７に物点を配置した場合の液晶表示パネル２２上におけるスポット図であって、アイボックス８全体を通過する光束の波長を４５０ｎｍ（青色）のもののスポットを示した図である。
【００７８】
図１１から図１３に示したスポット図は、アイボックス８の大きさが水平１３０ｍｍ×垂直４０ｍｍである場合の全光束によるスポット図である。実際の観察者の眼９の虹彩の大きさは最大でφ７ｍｍといわれているので、観察者の眼９において見える虚像のスポット図としては、大幅に良くなっている。なお、図１１から図１３において示したスポット図は、虚像面７を物体とした縮小光学系における液晶表示パネル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。図１１から図１４に示すＦ１乃至Ｆ２３は、視野範囲のなかの各画角位置を表している。
【００７９】
視野範囲は、アイボックス８の位置に眼を配置し、観察する虚像の範囲、即ち、視野の範囲である。図１１から図１３で示したスポット図は、視野範囲の中の虚像上のある点（画角）から出射し、アイボックス８の範囲全てを通過した光束における液晶表示パネル２側でのスポット図である。視野範囲は、アイボックス８の範囲に虚像面７の任意の点に対応する光線に対応する点の集合ともいえる。本実施形態の説明において、視野範囲に含まれる点のうち、２３カ所の点を例示している。以下、この２３カ所の点を適宜用いて説明する。
【００８０】
図１４は、各画角位置における主光線の仮想光線からの角度ずれを示す図である。図１４に示すように、角度ずれの最大値は３．０度であって、角度ずれの平均値は１．７度である。以上のとおり、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置３０は、各画角位置における主光線の仮想光線からの角度ずれは小さい。
【００８１】
以上説明のように、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置３０は、自由曲面凹面ミラー５２と自由曲面凹面レンズ５１を用いた投影光学系により、小型化なヘッドアップディスプレイ装置３０を提供できる。
【００８２】
＜第２実施形態＞
次に、本発明に係る投影光学系の別の実施形態について説明する。第２実施形態は、接眼光学系５の射出瞳位置が第１実施形態とは異なる点に特徴がある。第１実施形態では液晶表示パネル２側での射出瞳位置１０１を−１６５ｍｍとした。第２実施形態では液晶表示パネル２側での射出瞳位置１０１を液晶表示パネル２に対し水平方向及び垂直方向において動かすことができる。
【００８３】
まず、図１５を参照して、本実施形態に係る投影光学系２０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１５は、第２実施形態に係る接眼光学系５の全体光線図であって、座標系は、アイボックス８の水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸、ＸＹ平面に垂直な方向をＺ軸として定義する。図１５（ａ）は、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ている。また、図１５（ｂ）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。
【００８４】
図１５（ａ）に示すようにＹＺ平面では、観察者の右眼と左眼が重なっており（符号９参照）、図１５（ｂ）に示すようにＸＺ平面では右眼と左眼が別々に図示されている。ウインドシールド６は、ヘッドアップディスプレイ装置３０による有効光束が通過する範囲のみを表示しているが、ウインドシールド６自体は、自動車の左右方向に対して対称な形状である。
【００８５】
図１６は、第１実施形態における接眼光学系５の要部拡大図である。図１６に示すように、接眼光学系５は偏光板２１側から、自由曲面凹面ミラー５２側に凸面を向けた負の屈折力の自由曲面凹面レンズ５１と、正の屈折力の自由曲面凹面ミラー５２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。なお、偏光板２１は、液晶表示パネル２の構成部品である。また、図１６において自由曲面凹面レンズ５１は、前後面を１つの面で表している。
【００８６】
接眼光学系５の屈折力は、主に自由曲面凹面ミラー５２が負担している。自由曲面凹面ミラー５２から離れた位置にある自由曲面凹面レンズ５１では、主光線の光線高さが高いので台形歪の補正作用を有する。ウインドシールド６で反射した光束が自由曲面凹面ミラー５２に向かう光路の真下に、自由曲面凹面レンズ５１が位置することで、ヘッドアップディスプレイ装置３０は小型化を図ることができる。
【００８７】
図１７は、第２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１７に示すレンズデータにおいて、各カラムの意味合いは、第１実施形態における図３のものと同様であるので詳細な説明を省略する。
【００８８】
次に、本実施形態に係る自由曲面凹面ミラー５２と、自由曲面凹面レンズ５１に係る自由曲面係数を図１８において示す。図１８に示した自由曲面係数は、第１実施形態において説明した式１により求められる。
【００８９】
次に、第２実施形態に係る接眼光学系５におけるアイボックスサイズや、視野角などの具体的数値例を表２に示す。なお、表２において、数値の順番は、水平方向、垂直方向の順である。
【００９０】
【表２】
0006616005.tif 000004
【００９１】
図１８において示したレンズデータは、虚像面７を物体とした縮小光学系として接眼光学系５を捉えた場合のデータである。表２において、「射出瞳位置１０１」が「−１６８ｍｍ」となっているが、このマイナス符合の意味は、自由曲面凹面ミラー５２の後で面間距離が負になっている空間における位置に射出瞳位置１０１があることを示している。即ち、液晶表示パネル２から距離１６５ｍｍ過ぎた所に射出瞳位置１０１があることを表している。
【００９２】
また、表２において、「射出瞳位置１０１」のＸが「−１４ｍｍ」、Ｙが「９ｍｍ」となっている。これは、アイボックス８において定義した座標系において、液晶表示パネル２側の射出瞳位置１０１が、液晶パネルに対して水平方向（Ｘ）と垂直方向（Ｙ）において、それぞれ移動した位置に形成されることを表している。
【００９３】
次に、第２実施形態の光学性能について図１９から図２７を用いて説明する。図１９から図２３は、第２実施形態のヘッドアップディスプレイ装置３０の歪性能を表す図である。図２４から図２６は、第２実施形態のヘッドアップディスプレイ装置３０のスポット図である。これら歪性能を示す図とスポット図における表記の仕方は、第１実施形態における図と同様である。すなわち、図１９から図２３の歪性能は、矩形状の虚像の範囲に対して、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を位置した場合には、図１９から図２３と逆の歪（例：樽型⇔糸巻型）が観察される。
【００９４】
図１９から図２３に示すとおり、本実施形態における歪性能は、歪図の形状がほぼ同じ形状になっている。したがって、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置３０において、例えば図１９の歪図に合わせた映像を液晶表示パネル２に表示すれば、観察者は歪の無い矩形状の虚像を観察できる。
【００９５】
図２４から図２６に示したスポット図は、アイボックス８の大きさが水平１３０ｍｍ×垂直４０ｍｍである場合の全光束によるスポット図である。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）におけるスポット図は、大幅に良くなっている。なお、図２４から図２６において示したスポット図は、虚像を物面とした縮小光学系における液晶表示パネル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。図２４から図２７に示すＦ１乃至Ｆ２３は、視野範囲のなかの各画角位置を表している。
【００９６】
視野範囲は、アイボックス８の位置に眼を配置し、観察する虚像の範囲、即ち、視野の範囲である。図１１から図１３で示したスポット図は、視野範囲の中の虚像上のある点（画角）から出射し、アイボックス８の範囲全てを通過した光束における液晶表示パネル２側でのスポット図である。視野範囲は、アイボックス８の範囲に虚像面７の任意の点に対応する光線に対応する点の集合ともいえる。本実施形態の説明において、視野範囲に含まれる点のうち、２３カ所の点を例示している。以下、この２３カ所の点を適宜用いて説明する。
【００９７】
図２７は、各画角位置における主光線の仮想光線からの角度ずれを示す図である。図２７に示すように、角度ずれの最大値は１．９度であって、角度ずれの平均値は０．８度である。以上のとおり、第２実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置３０は、第１実施形態のものよりもさらに小型化を図ることができる。
【００９８】
以上説明のように、第２実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置３０は、自由曲面凹面ミラー５２と自由曲面凹面レンズ５１を用いた投影光学系により、より小型化なヘッドアップディスプレイ装置３０を提供できる。
【００９９】
＜第３実施形態＞
次に、本発明に係る投影光学系のさらに別の実施形態について図３１を用いて説明する。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。
【０１００】
第１実施形態及び第２実施形態に係る投影光学系２０は、液晶表示パネル２２において形成された映像情報を、直接的に接眼光学系５において拡大して投影し、虚像として表示する構成を備えていた。これに対して、第２実施形態に係る投影光学系３０ａは、画像形成ユニット１０ａにおいて、より小型の液晶表示パネル２ａを用いる。そして、液晶表示パネル２ａにおいて形成される映像情報をリレー光学系３において拡散板であるスクリーン板４へ拡大写像する。スクリーン板４において拡大写像した映像情報を接眼光学系５で拡大投影し、虚像として表示している。
【０１０１】
より詳しくは、ライトバルブであるバックライト１ａから液晶表示パネル２ａに照射された光束は、液晶表示パネル２ａ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。液晶表示パネル２ａからの映像情報は、リレー光学系３における結像作用により、拡大されてスクリーン板４に拡大投写される。
【０１０２】
図３２に示すように、液晶表示パネル２ａにおける映像光束の出射面において、点Ｐ１・点Ｐ２・点Ｐ３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、スクリーン板４上の仮想点は、点Ｑ１・点Ｑ２・Ｑ３である。
【０１０３】
本実施形態に係るリレー光学系３を画像形成ユニット１０ａに用いることで、表示サイズの小さい液晶表示パネル２ａを使用することができる。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、アイボックス８の大きさを、所定の大きさにしている。なお、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。
【０１０４】
以上のとおり、本実施形態に係る画像形成ユニット１０ａを備える投影光学系２０ａは、小型の液晶表示パネル２ａを用いても拡大した映像情報を投影することができる。
【０１０５】
＜第４実施形態＞
次に，本発明に係る投影光学系の更に別の実施形態について図３３を用いて説明する。本実施形態（第４実施形態）は、すでに説明をした第２実施形態や第３実施形態における投影光学系２０と異なる点に特徴がある。
【０１０６】
第３実施形態に係る投影光学系２０ａは、液晶表示パネル２ａにおいて形成された映像情報を、拡散機能を有するスクリーン板４に写像している。これに対して、第４実施形態に係る投影光学系２０ｂは、レーザー光源１０６からのレーザー光を、ＭＥＭＳ１０５の反射面（微小ミラー１０５ａ）を用いて光走査する構成を備えている。
【０１０７】
レーザー光源１０６は、映像光束の元になる光を供給する光源である。ＭＥＭＳ１０５は、微小ミラー１０５ａと駆動部１０５ｂにより構成されている。微小ミラー１０５ａは、レーザー光源１０６から出射されたレーザー光を反射して、スクリーン板４をレーザー光によって走査する。即ち、微小ミラー１０５ａは光走査部に相当する。駆動部１０５ｂは、微小ミラー１０５ａにおける反射角度を制御する。
【０１０８】
ＭＥＭＳ１０５により走査されたスクリーン板４は拡散機能を有していて、レーザー光の走査により形成される映像情報を接眼光学系５に向けて出射する。
【０１０９】
ＭＥＭＳ１０５の回転中心の位置が、接眼光学系５における画像形成ユニット１０ａ側の瞳位置になるように、ＭＥＭＳ１０５を配置する。
【０１１０】
以上のとおり、本実施形態に係る画像形成ユニット１０ｂを備える投影光学系２０ｂは、レーザー光源１０６からのレーザー光を用いても拡大した映像情報を投影することができる。
【符号の説明】
【０１１１】
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…自由曲面レンズ、５２…自由曲面凹面ミラー、１０１…射出瞳位置、１０２…絞り、１０３…凸レンズ、１０４…像面。
【図１】
0006616005.tif 000005
【図２】
0006616005.tif 000006
【図３】
0006616005.tif 000007
【図４】
0006616005.tif 000008
【図５】
0006616005.tif 000009
【図６】
0006616005.tif 000010
【図７】
0006616005.tif 000011
【図８】
0006616005.tif 000012
【図９】
0006616005.tif 000013
【図１０】
0006616005.tif 000014
【図１１】
0006616005.tif 000015
【図１２】
0006616005.tif 000016
【図１３】
0006616005.tif 000017
【図１４】
0006616005.tif 000018
【図１５】
0006616005.tif 000019
【図１６】
0006616005.tif 000020
【図１７】
0006616005.tif 000021
【図１８】
0006616005.tif 000022
【図１９】
0006616005.tif 000023
【図２０】
0006616005.tif 000024
【図２１】
0006616005.tif 000025
【図２２】
0006616005.tif 000026
【図２３】
0006616005.tif 000027
【図２４】
0006616005.tif 000028
【図２５】
0006616005.tif 000029
【図２６】
0006616005.tif 000030
【図２７】
0006616005.tif 000031
【図２８】
0006616005.tif 000032
【図２９】
0006616005.tif 000033
【図３０】
0006616005.tif 000034
【図３１】
0006616005.tif 000035
【図３２】
0006616005.tif 000036
【図３３】
0006616005.tif 000037
【図３４】
0006616005.tif 000038
【図３５】
0006616005.tif 000039
【図３６】
0006616005.tif 000040
【図３７】
0006616005.tif 000041