(57)【要約】  本発明は、要な性能を確保しつつ投影光学系を最小な光学構成で、且つ、虚像面を傾斜し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。  本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、画像情報を含む映像光を射出する画像形成ユニット（２）と、映像光を反射することで虚像を表示させる接眼光学系（５）と、を含み、虚像面を傾斜して虚像を遠距離から近距離の範囲に表示する状態で、虚像面上の遠距離点と共役となる画像形成ユニット上の点が、虚像面上の近距離点と共役となる画像形成ユニット上の点よりも、画像形成ユニットへ入射する光束から光学的に離れていることを特徴とする。
2018066062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像情報を形成し、当該画像情報を含む映像光を射出する画像形成ユニットから射出された前記映像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、前記映像光の射出方向に沿って前記画像形成ユニット側から順に、自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーを含み、  虚像面を傾斜して虚像を遠距離から近距離の範囲に表示する状態で、前記虚像面における遠距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点が、前記虚像面における近距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点よりも、前記画像形成ユニットへ入射する光束から光学的に離れていることを特徴とする投影光学系。
【請求項２】
画像情報を形成し、当該画像情報を含む映像光を射出する画像形成ユニットから射出された前記映像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、前記映像光の射出方向に沿って前記画像形成ユニット側から順に、自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーを含み、  虚像面を傾斜して虚像を遠距離から近距離の範囲に表示した状態で、前記虚像面における遠距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点が、前記虚像面における近距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点よりも、前記自由曲面凹面ミラーに光学的に近いことを特徴とする投影光学系。
【請求項３】
請求項１または２に記載の投影光学系において、  前記画像形成ユニットと前記自由曲面レンズの間に、凹レンズを配置したことを特徴とする投影光学系。
【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、  前記映像光を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、  前記接眼光学系は、前記映像光の射出方向に沿って前記画像形成ユニット側から順に、自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーを含み、  虚像面を傾斜して虚像を遠距離から近距離の範囲に表示する状態で、前記虚像面における遠距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点が、前記虚像面における近距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点よりも、前記画像形成ユニットへ入射する光束から光学的に離れてい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、  前記映像光を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、  前記接眼光学系は、前記映像光の射出方向に沿って前記画像形成ユニット側から順に、自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーを含み、  虚像面を傾斜して虚像を遠距離から近距離の範囲に表示した状態で、前記虚像面における遠距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点が、前記虚像面における近距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点よりも、前記自由曲面凹面ミラーに光学的に近い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４または請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、  前記画像形成ユニットと前記自由曲面レンズの間に、凹レンズを配置した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７】
請求項４または請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、  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を含む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８】
請求項４または請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、  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を含む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９】
請求項４または請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、  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を含む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】  また、特許文献３には、「プロジェクタ４から出力した映像をスクリーン５に投射し、スクリーン５に投射された映像を車両２のフロントウィンドウ６に反射させて車両の乗員７に視認させることによって、車両の乗員７が視認する映像の虚像８を生成する。また、スクリーン５を可動させることによって、プロジェクタ４の光路に対するスクリーン５の角度を変更可能に構成し、プロジェクタ４の光路に対するスクリーン５の角度に基づいて、プロジェクタ４からスクリーン５へとレーザー光を照射する照射方向を制御するように構成する、虚像表示装置（要約抜粋）」が開示されている。すなわち、特許文献３には、従来のヘッドアップディスプレイ装置の一例として、プロジェクタの光路に対して、スクリーンを傾斜して配置することで虚像面を傾斜させる構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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】特開２０１５−１９７４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  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の例では、表示デバイスと第１ミラー（回転非対称ミラー）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。したがって、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型化は難しい。【０００８】  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の例では、虚像面の傾斜の方向と、スクリーンの傾斜の方向との関係が示されている。この関係は、いわゆる「シャインプルーフの原理」において確認できる内容である。特許文献３のヘッドアップディスプレイ装置のようにシャインプルーフの原理に基づくと、台形状の映像をスクリーンや液晶表示パネルに表示する必要がある。その結果、有効な画素数が減り、表示できる情報量が減るという問題がある。【０００９】  本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、必要な性能を確保しつつ投影光学系を最小な光学構成で、且つ、虚像面を傾斜し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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】  上記した課題を解決するために、画像情報を形成し、当該画像情報を含む映像光を射出する画像形成ユニットから射出された前記映像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、前記映像光の射出方向に沿って前記画像形成ユニット側から順に、自由曲面レンズと、自由曲面凹面ミラーを含み、虚像面を傾斜して虚像を遠距離から近距離の範囲に表示する状態で、前記虚像面における遠距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点が、前記虚像面における近距離点と共役となる前記画像形成ユニット上の点よりも、前記画像形成ユニットへ入射する光束から光学的に離れていることを特徴とする投影光学系。を特徴とする
【発明の効果】
【００１１】  本発明によれば、投影光学系を最小な光学構成で、且つ、虚像面を傾斜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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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実施形態の液晶表示パネルの傾斜を表す図
【図４】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５】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
【図６Ａ】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
【図６Ｂ】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
【図６Ｃ】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
【図６Ｄ】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
【図６Ｅ】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
【図７】第１実施形態に係る接眼光学系の各色のスポット図
【図８Ａ】各画角位置での主光線Ｒａｙ１と仮想光線Ｒａｙ０の角度ずれ図
【図８Ｂ】主光線Ｒａｙ１と仮想光線Ｒａｙ０の角度θを示す図
【図９Ａ】第２実施形態の接眼光学系の全体光線図（ＹＺ平面）
【図９Ｂ】第２実施形態の接眼光学系の全体光線図（ＸＺ平面）
【図１０】第２実施形態の接眼光学系の要部拡大図
【図１１】第２実施形態の液晶表示パネルの傾斜を表す図
【図１２】第２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１３】第２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
【図１４Ａ】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
【図１４Ｂ】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
【図１４Ｃ】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
【図１４Ｄ】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
【図１４Ｅ】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
【図１５】第２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
【図１６Ａ】第２実施形態に係る主光線の角度ずれを表す図
【図１６Ｂ】主光線と液晶表示パネルの法線との角度θを示す図
【図１７Ａ】実像光学系におけるシャインプルーフの原理の説明図
【図１７Ｂ】実像光学系における物体を傾斜させた場合の説明図
【図１８Ａ】虚像光学系におけるシャインプルーフの原理の説明図
【図１８Ｂ】虚像光学系における物体を傾斜させた場合の説明図
【図１９】従来技術におけるスクリーン板の傾斜の方向と虚像の関係を表す図
【図２０】本発明に係る視野角と空間像との関係図
【図２１】本発明に係る液晶表示パネルの傾斜の方向を説明する図
【図２２】ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。
【図２３】第３実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が備える画像形成ユニットの概略構成図
【図２４】第４実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が備える画像形成ユニットの概略構成図
【図２５】画像形成ユニットの機能ブロック図
【図２６】移動体である自動車を前方から見た平面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】  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。以下、全実施形態に共通する事項について説明し、続いて各実施形態の特徴について説明する。
【００１４】  図２２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２２はヘッドアップディスプレイ装置３０の概略構成図である。
【００１５】  図２２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から出射された画像光を、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。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。
【００１６】  まず、図２５を参照して画像形成ユニット１０について説明する。図２５は、画像形成ユニットの機能ブロック図である。図２５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。
【００１７】  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、外部装置として、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が制御装置２０１に接続されている。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。
【００１８】  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。
【００１９】  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。
【００２０】  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（Random Access 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 Processing 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。
【００２１】  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。
【００２２】  図２２に戻る。画像形成ユニット１０から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。
【００２３】  図２２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２２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。
【００２４】  図２２は、ヘッドアップディスプレイ装置３０を側面視で図示しているが、実際のヘッドアップディスプレイ装置３０の構成は立体的であるから、アイボックス８は二次元的な広がりを有している。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。
【００２５】  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２６を用いて説明する。図２６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２６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。
【００２６】  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。
【００２７】＜本発明に適用可能な原理＞  次に、図１７から図２１を用いて、ヘッドアップディスプレイ装置３０において虚像面７を傾斜させるための条件について説明する。
【００２８】  まず、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置３０において適用可能な「シャインプルーフの原理」について説明する。図１７Ａに示すように、凸レンズ１０１に対して物面１１１を斜めに配置した場合、実像面１１２が斜めに形成される。ここで、シャインプルーフの原理によれば、凸レンズ１０１の主平面の延長線と、物面１１１の延長線と、実像面１１２の延長線が１点（図のＡ点）で交差する。尚、図１７Ａは実像光学系の結像を例示している。したがって、物面１１１と実像面１１２の上下左右は反転する。図１７Ａでは、物面１１１における向き（白の矢印）と実像面１１２における向き（黒の矢印）は上下が逆になることを表している。
【００２９】  図１７Ｂは、凸レンズ１０１の光軸に平行な光線が凸レンズ１０１の焦点位置Ｆに集光する光線と、凸レンズ１０１の中心を直進する光線の交点から、物体Ｏｂｊに係る像面Ｉｍｇの位置を作図で求めた図である。物体Ｏｂｊの位置である物位置Ｏｂｊ１に対する像の位置を像位置Ｉｍｇ１としたとき、物体Ｏｂｊを物位置Ｏｂｊ１から物位置Ｏｂｊ２へ移動させて、凸レンズ１０１に近づけると、凸レンズ１０１の中心を通過する光線の傾きが大きくなる。これによって、像は、像位置Ｉｍｇ１から像位置Ｉｍｇ２へ移動する。即ち、像の位置は凸レンズ１０１から遠くなる。以上を踏まえると、図１７Ｂのように物体Ｏｂｊの一部を物位置Ｏｂｊ１に留め、他の部分を物位置Ｏｂｊ２に移動させ、物体Ｏｂｊを傾けて配置した場合は、像位置Ｉｍｇ１から像位置Ｉｍｇ２にかけて傾いた像が形成される。
【００３０】  図１７Ａおよび図１７Ｂを用いて実像における結像について説明したが、次に、図１８Ａと図１８Ｂを用いて、シャインプルーフの原理に基づく虚像における結像について説明する。図１８Ａは、凸レンズ１０１の主平面の延長線と、物面１１１の延長線と、虚像面７の延長線が、１点（図１８ＡにおけるＡ点）において交差するように作図した図である。
【００３１】  図１８Ａに示すように、虚像光学系では実像光学系とは異なり、物面１１１と実像面１１２の上下左右は反転せず、同じ向きになる。
【００３２】  図１８Ｂは、凸レンズ１０１の光軸に平行な光線が凸レンズ１０１の焦点位置Ｆに集光する光線と、凸レンズ１０１の中心を直進する光線の交点から、物体Ｏｂｊに係る像面Ｉｍｇの位置を作図で求めた図である。虚像光学系では、物体Ｏｂｊは、凸レンズ１０１の焦点位置Ｆよりも、近い位置に配置されているので、実像光学系とは異なり、２つの光線が交差する位置は、凸レンズ１０１に対して物体Ｏｂｊと同じ側になる。
【００３３】  ここで、物体Ｏｂｊの位置（物位置）を物位置Ｏｂｊ１から物位置Ｏｂｊ２に移動させる。即ち、物体Ｏｂｊを凸レンズ１０１から離れる方向に移動させると、凸レンズ１０１の中心を通過する光線の傾きが小さくなる。したがって、像は像位置Ｉｍｇ１から像位置Ｉｍｇ２へ移動する。即ち、像の位置は凸レンズ１０１から遠くになる。図１８Ｂのように物体Ｏｂｊの一部を物位置Ｏｂｊ１に留め、他の部分を物位置Ｏｂｊ２に移動させ、物体Ｏｂｊを傾けて配置した場合は、像は像位置Ｉｍｇ１から像位置Ｉｍｇ２にかけて、物体Ｏｂｊのかた向きと逆方向に傾いて形成される。
【００３４】  即ち、虚像光学系において虚像が表れる面（本実施形態における虚像面７）を傾斜させるには、虚像距離が遠い側のＩｍｇ２に対応する物面が、凸レンズ１０１から遠い側の物位置Ｏｂｊ２になるように傾斜させればよい。
【００３５】  本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置３０において上記の原理を適用して虚像面７を傾斜させるには、物面に相当する部分を傾けばよい。この点について、従来から知られている技術に基づいて説明する。図１９は従来技術において、映像光束を出射するプロジェクタとスクリーンの関係性に基づいて、プロジェクタに相当するバックライト１からの光束に対してスクリーンに相当する液晶表示パネル２を傾斜させた場合を例示している。バックライト１に対して液晶表示パネル２を傾斜させると、虚像面７を傾斜させることができる。
【００３６】  この場合、傾斜した虚像面７の遠い側（Ｆａｒ）に対応する液晶表示パネル２の位置はバックライト１に近い。一方、傾斜した虚像面７に近い側（Ｎｅａｒ）に対応する液晶表示パネル２の位置はバックライト１から離れる。
【００３７】  なお、「バックライト１から近い」は「ウインドシールド６側から遠い」と同じ意味であり、「バックライト１から離れる」は「ウインドシールド６側から近い」と同じ意味である。したがって、液晶表示パネル２の傾斜の向きは、図１８を用いて説明したシャインプルーフの原理と同じ向きである。
【００３８】  すでに説明したとおり、シャインプルーフの原理によれば、像において台形歪が発生する。ヘッドアップディスプレイ装置３０は、虚像をアイボックス８の位置から観察する。そこで、シャインプルーフの原理に基づいて虚像面７を傾斜させた場合の台形歪みについて、図２０を用いて説明する。
【００３９】  アイボックス８からの視野範囲が矩形状であると仮定する。この場合、アイボックス８の位置に眼９とすると、虚像を観察した状態で視野範囲が矩形状に見えるためには、傾斜した虚像面７において、逆台形状の虚像が表される必要がある。なお、「逆台形状」とは、視野範囲における虚像の上側が長く下側が短い状態に歪んでいることをいう。虚像距離の「遠い／近い」に比べ、物距離の「遠い／近い」の方が１に近いので、物面では緩和された逆台形となる。
【００４０】  ここで、液晶表示パネル２をこの物面に配置した場合、液晶表示パネル２の映像表示範囲の中で、逆台形の範囲に映像を表示する処理が必要となり、且つ、有効な画素数が減ってしまうので表示できる情報量が減ってしまう。
【００４１】  そこで、虚像面７を傾斜させた場合で、虚像を逆台形形状に形成し、液晶表示パネル２での台形歪を、非回転対称な自由曲面凹面ミラー５４（図２に表示）と自由曲面レンズ５２を用いて、且つ、液晶表示パネル２をシャインプルーフの原理とは逆方向に傾斜させる。このような配置関係を用いて接眼光学系５を構成することで、液晶表示パネル２を傾斜させることで生じる台形歪を補正できる。
【００４２】  また、液晶表示パネル２側で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、自由曲面レンズ５２と液晶表示パネル２の間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ことで、さらに、性能を改善できる。
【００４３】  以上をまとめると、ヘッドアップディスプレイ装置３０では、虚像面７を傾斜させた場合でも、アイボックス８の位置から虚像を観察するので、観察者から見た視野角が矩形状になっていれば、虚像の台形歪は認識されない。即ち、虚像面を傾斜させる場合には、アイボックス８から見た状態で台形歪が観察されないように、逆台形歪状の虚像を表示すればよい。この場合、図２１に示すように、物面に相当するスクリーン（液晶表示パネル２）において台形歪を補正することが重要である。
【００４４】  即ち、非回転対称な形状を有する自由曲面凹面ミラー５４と自由曲面レンズ５２を用い、且つ、液晶表示パネル２をシャインプルーフの原理とは逆方向に傾斜させる。これによって、虚像面７を傾斜した状態で虚像を逆台形状に形成し、液晶表示パネル２において台形歪を補正できる。
【００４５】  詳細な定義式は後で説明するが、自由曲面レンズ５２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。
【００４６】  次に、小型なヘッドアップディスプレイ装置３０を実現できる自由曲面凹面ミラー５４と自由曲面レンズ５２と凹レンズ５１を用いた投影光学系の第１実施形態について説明する。
【００４７】＜第１実施形態＞  第１実施形態は、図２２において示した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。まず図１Ａ及び図１Ｂを参照して、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１Ａは、第１実施形態の接眼光学系５の全体光線図であって、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ている。また、図１Ｂは、第１実施形態の接眼光学系５の全体光線図であって、同様に定義される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。図１Ａにおいて、観察者の眼９は、右眼と左眼が重なって表されている。
【００４８】  図１Ａに示すように、虚像面７は視野方向に対して約８０度の傾きをもっておいる。具体的には、接眼光学系５において、視野範囲の上方にあたるＹ座標の正側の虚像距離が２０．６ｍであって、視野範囲の下方にあたるＹ座標の負側の虚像距離が１３．８ｍになるように虚像面７は、視野方向に傾けられている。したがって、本実施形態において虚像面７に表示される虚像の範囲（虚像範囲）は、遠距離部分／近距離部分＝２０．６／１３．８≒１．５となる。即ち、本実施形態における虚像範囲は、広い範囲に虚像を表示できる。なお、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。
【００４９】  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、液晶表示パネル２における映像光束の射出方向に取って、液晶表示パネル２側から順に、凹レンズ５１と、自由曲面レンズ５２と、折返しミラー５３と、正の屈折力を有する自由曲面凹面ミラー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、主に自由曲面凹面ミラー５４が負担している。凹レンズ５１で主にテレセントリック性を実現し、且つ、自由曲面レンズ５２で主に歪を補正している。
【００５０】  図２に示すように、第１実施形態における接眼光学系５は、折返しミラー５３が、ウインドシールド６で反射した映像光束が自由曲面凹面ミラー５４に向かう光路の下に位置することで、ヘッドアップディスプレイ装置３０の小型化を図ることができる。
【００５１】  図３は、液晶表示パネル２の傾斜の方向を説明するために、液晶表示パネル２の後方まで光線を描画した光線図である。図３では、光線と液晶表示パネル２の傾斜との関係を判別しやすいように、虚像距離が遠い側の光線を「Ｆａｒ」とし、虚像距離が近い側の光線を「Ｎｅａｒ」とし、その中間の光線も表示している。
【００５２】  虚像面７（図１参照）におけるＦａｒ側の光線に対応する位置を遠距離点とし、虚像面７（図１参照）におけるＮｅａｒ側の光線に対応する位置を近距離点として、以下説明する。
【００５３】  図３において示すとおり、本実施形態に係る接眼光学系５によれば、遠距離点（Ｆａｒ）と共役となる液晶表示パネル２上の点は、虚像面７における近距離点（Ｎｅａｒ）と共役となる液晶表示パネル２上の点よりも、バックライト１側の光束から光学的に離れている。言い換えると、本実施形態において、虚像面７における遠距離点（Ｆａｒ）と共役となる液晶表示パネル２上の点は、虚像面７における近距離点（Ｎｅａｒ）と共役となる液晶表示パネル２上の点よりも、液晶表示パネル２へ入射する光束から光学的に離れている。
【００５４】  さらに言い換えると、虚像面７上の遠距離点（Ｆａｒ）と共役となる液晶表示パネル２上の点は、虚像面７上の近距離点（Ｎｅａｒ）と共役となる液晶表示パネル２上の点よりも、自由曲面凹面ミラー５４側（ウインドシールド６側）の光束から光学的に近い。
【００５５】  さらに言い換えると、虚像面７において、Ｙ軸方向（図１Ａ参照）における上側部分に相当する、アイボックス８からの距離が相対的に遠い点を遠距離点（Ｆａｒ）とする。また、虚像面７において、Ｙ軸方向（図１Ａ参照）における下側部分に相当する、アイボックス８からの距離が相対的に近い点を近距離点（Ｎｅａｒ）とする。この場合、遠距離点（Ｆａｒ）と共役となる液晶表示パネル２上の点は、近距離点（Ｎｅａｒ）と共役となる液晶表示パネル２上の点よりも、バックライト１側の光束（液晶表示パネル２へ入射する光束）から光学的に離れている。即ち、遠距離点（Ｆａｒ）と共役となる液晶表示パネル２上の点は、近距離点（Ｎｅａｒ）と共役となる液晶表示パネル２上の点よりも、自由曲面凹面ミラー５４側の光束から光学的に近い。
【００５６】  したがって、本実施形態に係る液晶表示パネル２の傾斜の方向は、図１９を用いて説明した従来技術におけるスクリーンの傾斜の向きとは逆になる。
【００５７】  ここで、「光束から光学的に離れる／近い」の意味は、液晶表示パネル２を通過する光束に対して「離れる／近い」の意味であり、液晶表示パネル２の前後の空間を媒質で埋める、或いは光学部品を配置していても、その物理的な距離は関係しない。
【００５８】  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３０のレンズデータを示す図である。図４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進行方向にある場合を正の符合で表している。「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、Ｘ軸方向・Ｙ軸方向・Ｚ軸方向のそれぞれにおける値であり、「倒れ」は、Ｘ軸回りの回転・Ｙ軸回りの回転・Ｚ軸回りの回転である。
【００５９】  また、「偏心・倒れの内容」は、該当の面において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。
【００６０】  「硝材名」は、レンズ、ガラス、ミラーなどの光学素子の素材名称であって、“５０．３０”は屈折率１．５０でアッベ数が３０の材料を表し、“５２．６０”は屈折率１．５２でアッベ数が６０の材料を表す。
【００６１】  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３０の自由曲面係数の図である。図５の自由曲面係数は、下記の式（１）により求められる。
【００６２】
【数１】
2018066062.tif 000003
【００６３】  上記の式（１）における自由曲面係数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４のレンズデータにおける「偏心・倒れ」の量によって定まる。
【００６４】  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。【表１】
2018066062.tif 000004
【００６５】  凹レンズの焦点距離（−１４３ｍｍ）を自由曲面凹面ミラーの焦点距離（３５５ｍｍ）で割った値は、−０．４０である。
【００６６】  次に、第１実施形態の光学性能について図６Ａ〜図６Ｅ、図７，図８Ａ及び図８Ｂを用いて説明する。より詳しくは、図５Ａは、矩形状の虚像範囲に対して、アイボックス８の中央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５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄ、図５Ｅはアイボックス８の右上隅、左上隅、左下隅、右下隅の各点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。
【００６７】  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６Ａ〜図６Ｅと逆の歪（例：樽型⇔糸巻型）が観察される。図６Ａ〜図６Ｅの歪図はほぼ同じ形状になっているので、例えば図６Ａ〜図６Ｅ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。
【００６８】  図７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７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１３０ｍｍ×垂直４０ｍｍ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。
【００６９】  図８Ａ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。また図８Ｂは主光線Ｒａｙ１と仮想光線Ｒａｙ０の角度θを示す図である。図８Ｂ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１３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１３度傾けて配置することを意味する。図８Ａより、角度ずれの最大値が１．９度と小さいことが分かる。
【００７０】  したがって、本実施形態によれば、自由曲面凹面ミラー５４と自由曲面レンズ５２と凹レンズを用いた投影光学系により、虚像光学系でのシャインプルーフの原理とは逆方向に、液晶表示パネル２を傾斜することで、虚像面７の傾斜を実現したヘッドアップディスプレイ装置３０を提供できる。
【００７１】＜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実施形態では小型の液晶表示パネル２と組合せ、折返しミラー５３を削除し、ヘッドアップディスプレイ装置３０の小型化を優先した実施形態である。
【００７２】  図９Ａは第２実施形態の接眼光学系５の全体光線図であり、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で見ている様子を表す。図９Ｂ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す。
【００７３】  図９Ａにおいて明らかなように、本実施形態に係る接眼光学系５の作用により、虚像面７は視野方向に対して８４度と大きく傾けて配置される。具体的には、視野の上方（Ｙ座標の正側）で虚像距離を２４．７ｍと大きくし、視野の下方（Ｙ座標の負側）で虚像距離を１２．４ｍと小さくした。遠距離／近距離＝２．０倍という広い虚像範囲を実現している。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。
【００７４】  図１０は第２実施形態の接眼光学系の要部拡大図である。図１０に示すように、接眼光学系５は偏光板２１（液晶表示パネル２の構成部品）側から、凹レンズ５１と、自由曲面レンズ５２と、正の屈折力の自由曲面凹面ミラー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。
【００７５】  図１１は、液晶表示パネル２の傾斜の方向を説明するために、液晶表示パネル２の後方まで光線を描画した縮小光学系の光線図である。この光線図では、判別しやすいように、虚像距離が遠い側（Ｆａｒ）と近い側（Ｎｅａｒ）とその中間の光線のみを表示した。虚像面上の遠距離点（Ｆａｒ）と共役となる液晶表示パネル２上の点が、虚像面上の近遠距離点（Ｎｅａｒ）と共役となる液晶表示パネル２上の点よりも、バックライト１側の光束から光学的に離れていることが分かる。即ち、虚像面上の遠距離点（Ｆａｒ）と共役となる液晶表示パネル２上の点が、虚像面上の近遠距離点（Ｎｅａｒ）と共役となる液晶表示パネル２上の点よりも、自由曲面凹面ミラー５４側（ウインドシールド６側）の光束から光学的に近いことが分かる。
【００７６】  したがって、この液晶表示パネル２の傾斜の方向は、図１９を用いて説明した特許文献３でのスクリーンの傾斜の向きとは逆になっている。
【００７７】  ここで、「光束から光学的に離れる／近い」の意味は、液晶表示パネル２を通過する光束に対し離れる／近い、の意味であり、液晶表示パネル２の前後の空間を媒質で埋める、或いは光学部品を配置していても、その物理的な距離は関係しない。
【００７８】  図１２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１３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の自由曲面係数の図である。
【００７９】  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。
【００８０】
【表２】
2018066062.tif 000005
【００８１】  凹レンズの焦点距離（−９０ｍｍ）を自由曲面凹面ミラーの焦点距離（１８８ｍｍ）で割った値が、−０．４８である。
【００８２】  次に、第２実施形態の光学性能について図１４Ａ〜図１４Ｅ、図１５、図１６Ａ及び図１６Ｂを用いて説明する。図１４Ａ〜図１４Ｅ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。より詳しくは、図１４Ａは、矩形状の虚像範囲に対して、アイボックス８の中央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１４Ｂ、図１４Ｃ、図１４Ｄ、図１４Ｅはアイボックス８の右上隅、左上隅、左下隅、右下隅の各点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１５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。図１６Ａ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１６Ｂは主光線と液晶表示パネル２の法線との角度θを示す図である。図１６Ａより、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１３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１３度傾けて配置することを意味する。図１６Ａより、角度ずれの最大値が３．９度と小さいことが分かる。
【００８３】  したがって、本実施形態によれば、自由曲面凹面ミラー５４と自由曲面レンズ５２と凹レンズ５１を用いた投影光学系により、虚像光学系でのシャインプルーフの原理とは逆方向に、液晶表示パネル２を傾斜することで、虚像面７の傾斜を実現したヘッドアップディスプレイ装置３０を提供できる。
【００８４】＜第３実施形態＞  図２３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。図２３は、第３実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が備える画像形成ユニットの概略構成図である。
【００８５】  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。この画像形成ユニット１０の構成に代えて、光源としてライトバルブを備え、より小型の液晶表示パネル２を用いて、その映像情報をリレー光学系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。
【００８６】  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。
【００８７】  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。
【００８８】＜第４実施形態＞  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。図２４を参照して、第４実施形態について説明する。図２４は、第４実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が備える画像形成ユニットの概略構成図である。
【００８９】  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１０は、微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems）を光走査部として用いてもよい。このＭＥＭＳにおいて反射面を回転させて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。ＭＥＭＳ１０２における反射面の回転中心位置は、接眼光学系５側で想定した位置に合わせて構成される。
【符号の説明】
【００９０】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…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…凹レンズ、５２…自由曲面レンズ、５３…折返しミラー、５４…自由曲面凹面ミラー、１０１…凸レンズ、１１１…物面、１１２…実像面、Ｆ…焦点位置。
【図１Ａ】
2018066062.tif 000006
【図１Ｂ】
2018066062.tif 000007
【図２】
2018066062.tif 000008
【図３】
2018066062.tif 000009
【図４】
2018066062.tif 000010
【図５】
2018066062.tif 000011
【図６Ａ】
2018066062.tif 000012
【図６Ｂ】
2018066062.tif 000013
【図６Ｃ】
2018066062.tif 000014
【図６Ｄ】
2018066062.tif 000015
【図６Ｅ】
2018066062.tif 000016
【図７】
2018066062.tif 000017
【図８Ａ】
2018066062.tif 000018
【図８Ｂ】
2018066062.tif 000019
【図９Ａ】
2018066062.tif 000020
【図９Ｂ】
2018066062.tif 000021
【図１０】
2018066062.tif 000022
【図１１】
2018066062.tif 000023
【図１２】
2018066062.tif 000024
【図１３】
2018066062.tif 000025
【図１４Ａ】
2018066062.tif 000026
【図１４Ｂ】
2018066062.tif 000027
【図１４Ｃ】
2018066062.tif 000028
【図１４Ｄ】
2018066062.tif 000029
【図１４Ｅ】
2018066062.tif 000030
【図１５】
2018066062.tif 000031
【図１６Ａ】
2018066062.tif 000032
【図１６Ｂ】
2018066062.tif 000033
【図１７Ａ】
2018066062.tif 000034
【図１７Ｂ】
2018066062.tif 000035
【図１８Ａ】
2018066062.tif 000036
【図１８Ｂ】
2018066062.tif 000037
【図１９】
2018066062.tif 000038
【図２０】
2018066062.tif 000039
【図２１】
2018066062.tif 000040
【図２２】
2018066062.tif 000041
【図２３】
2018066062.tif 000042
【図２４】
2018066062.tif 000043
【図２５】
2018066062.tif 000044
【図２６】
2018066062.tif 000045
【国際調査報告】
2018066062.tif 000046
2018066062.tif 000047
2018066062.tif 000048
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