(57)【要約】【課題】所定範囲内のどこから見ても明るく均一な虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置に好適な投影光学系を提供する。【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置１０は、透過型の液晶表示パネル１６、液晶表示パネル１６に背後から光を照射するバックライト１７、液晶表示パネル１６上に表示される画像を拡大投影する投影光学系２０を備える。投影光学系２０は、リレーレンズ２１と投影レンズＬ１とからなる。リレーレンズ２１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２６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１６に表示された画像を拡大して実像Ｉｒを結像する。投影レンズＬ１は、実像Ｉｒをさらに拡大して、自動車のフロントガラス１３に投影し、運転手１４に対して虚像Ｉｖを表示する。【選択図】図２
2009229552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の位置にいる観察者に対面する反射面で、透過型の液晶表示パネルから出射する表示光を前記観察者側に反射し、前記反射面越しに前記液晶表示パネルに表示された画像を虚像として拡大投影する投影光学系において、
前記液晶表示パネルの背後から光を照射し、前記液晶表示パネルの前面から前記液晶表示パネルに表示された画像の情報を持つ表示光を出射させる照明手段と、
前記液晶表示パネルから出射された表示光を集光させ、前記液晶表示パネル上に表示された画像を拡大して実像として結像させるリレーレンズと、
前記リレーレンズによって結像された前記画像の拡大された実像を、前記反射面に拡大して投影する投影レンズと、
を備え、
前記リレーレンズの焦点距離をｆ１、像側を正の向きとした前記リレーレンズの像側主点から前記リレーレンズの射出瞳までの距離をα、前記投影レンズの焦点距離をｆ３、前記リレーレンズの像側主点から前記リレーレンズによって結像される実像までの距離をｂ、前記実像から前記投影レンズの物体側主点までの距離をδ、前記投影レンズの像側主点から前記観察者までの距離をＷＤ、前記観察者の視点が移動する範囲の大きさをＤｐｏ、前記リレーレンズの射出瞳の大きさをＤｐｒ２とするときに、
０．５  ＜  α／ｆ１  ＜１．５、
ｆ３＝ＷＤ×（−α＋ｂ＋δ）／（−α＋ｂ＋δ＋ＷＤ）、
Ｄｐｏ＝Ｄｐｒ２×ＷＤ／（−α＋ｂ＋δ）
の条件を満たすことを特徴とする投影光学系。
【請求項２】
前記観察者から前記虚像までの距離をＬ、前記液晶表示パネルに表示される画像の大きさに対する前記虚像の拡大倍率をＭとするときに、
１＜  Ｌ／（Ｍ×Ｄｐｏ）＜４
の条件を満たすことを特徴とする請求項１記載の投影光学系。
【請求項３】
請求項１または２に記載の投影光学系を備え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、自動車や航空機などの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ヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車のフロントガラスで、画像の表示光を運転手（観察者）に向かって反射させ、スピードメータ等の計器類の画像を虚像として観察できるようにしたヘッドアップディスプレイ装置が知られている。ヘッドアップディスプレイ装置によって表示される計器類の画像は、フロントガラス越しに運転手から２ｍ以上離れた位置に虚像として拡大表示されることから、運転手は通常の前方視野とともに、視線方向や視度を殆ど変えずに表示画像を観察することができるようになっている。
【０００３】
ヘッドアップディスプレイ装置で用いられる光学ユニットは、画像表示パネル、照明光源、投影光学系から構成される。画像表示パネルには透過型の液晶表示パネルが多く用いられ、その背後にはバックライトが配置される。バックライトによる照明光は、液晶表示パネルを透過し、液晶表示パネル上に表示された画像の情報を持つ表示光となって、投影光学系に入射する。投影光学系は、フロントガラスに表示光を拡大して投影し、前述のように、運転手に拡大された虚像を表示する。
【０００４】
ヘッドアップディスプレイ装置に用いられる投影光学系としては、例えば、液晶表示パネルに表示された画像をミラーレンズで拡大投影するものや（特許文献１）、拡大レンズで拡大投影するもの（特許文献２）などが知られている。
【特許文献１】特開２００６−１１１６８号公報
【特許文献２】特開２００７−１４８０９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ミラーレンズや拡大レンズで直接的に表示画像を拡大投影する場合、表示する虚像の大きさと、投影光学系から表示する虚像までの距離との関係から、液晶表示パネルに表示する画像はある程度の大きさが必要となる。このため、液晶表示パネルは大きなものを使用せざるを得ず、これに応じてバックライトも大きなものが必要となり、ヘッドアップディスプレイ装置の小型化、低コスト化、低消費電力化が困難となる。
【０００６】
また、ヘッドアップディスプレイ装置によって表示される虚像の大きさを、運転手に観察し易い１５０ｍｍ程度の大きさとする場合に、運転手が左右に２０ｍｍ程度移動しても、表示される虚像を両眼で観察できるようにするためには、投影光学系の射出瞳の大きさを１００ｍｍ程度とする必要がある。このとき、運転手と表示される虚像との中間程度に位置するフロントガラスで表示光を反射させることを考慮すると、投影光学系の口径は１５０ｍｍとする必要がある。投影光学系から虚像までの距離をＤ、投影倍率をβ、投影光学系の焦点距離をｆとすれば、ｘ＝（１＋β）×ｆとなるから（結像公式）、例えば、０．８型の液晶表示パネルの幅１６ｍｍを９倍に拡大し、１４４ｍｍの虚像を表示する場合を考えると、投影光学系の焦点距離は１００ｍｍとなる。しかし、口径１５０ｍｍで焦点距離１００ｍｍのレンズは、Ｆ値が０．６７であり、極めて明るいレンズとなるため、実現は困難である。
【０００７】
そこで、液晶表示パネルに表示された画像を直接的に拡大投影するのではなく、リレーレンズによって拡大した像をスクリーンに結像させ、この拡大像をさらに投影レンズで拡大投影する投影光学系を用いることが考えられる。しかし、この投影光学系は照明光の利用効率が悪く、従来と同程度の輝度のバックライトを用いても、表示する虚像は従来よりも暗くなってしまうという問題がある。逆に、従来のヘッドアップディスプレイ装置と同程度の輝度で虚像を表示するためには、極めて高輝度のバックライトを用いる必要があり、設置スペース、コスト、消費電力が増大してしまうという問題がある。
【０００８】
特許文献２には、リレーレンズによってスクリーン等を使用しない空中像を結ばせ、投影光学系のＮＡと主光線角度を合わせることによって、効率よく照明光を利用する投影光学系が開示されているが、この投影光学系は投影倍率が大きく、液晶表示パネル側でＮＡが非常に大きくなる。
【０００９】
周知のように、液晶表示パネルは、コントラストや輝度の良好な画像を観察できる視野角が限られ、しかもこの視野角は狭い。液晶表示パネル側で大きなＮＡとなる投影光学系は、液晶表示パネルの視野角よりも大きな角度で出射する表示光をも利用することになるから、照明光の利用効率は高まるものの、表示する虚像の色やコントラストにはシェーディングが生じてしまうという問題がある。また、表示する虚像の色やコントラストのシェーディングを防止するために、投影光学系の主光線角度に合わせて照明する場合には、主光線は背面側（バックライト側）に発散する方向となることから、従来よりも大きなバックライトにしなければならないという問題がある。
【００１０】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、小型の液晶表示パネルに表示される画像を明るく均一な虚像として投影することができる投影光学系を提供することを目的とする。また、明るく均一な虚像を投影するとともに、消費電力が少なく、小型で安価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】
【００１１】
本発明の投影光学系は、所定の位置にいる観察者に対面する反射面で、透過型の液晶表示パネルから出射する表示光を前記観察者側に反射し、前記反射面越しに前記液晶表示パネルに表示された画像を虚像として拡大投影する投影光学系であり、前記液晶表示パネルの背後から光を照射し、前記液晶表示パネルの前面から前記液晶表示パネルに表示された画像の情報を持つ表示光を出射させる照明手段と、前記液晶表示パネルから出射された表示光を集光させ、前記液晶表示パネル上に表示された画像を拡大して実像として結像させるリレーレンズと、前記リレーレンズによって結像された前記画像の拡大された実像を、前記反射面に拡大して投影する投影レンズと、を備え、前記リレーレンズの焦点距離をｆ１、像側を正の向きとした前記リレーレンズの像側主点から前記リレーレンズの射出瞳までの距離をα、前記投影レンズの焦点距離をｆ３、前記リレーレンズの像側主点から前記リレーレンズによって結像される実像までの距離をｂ、前記実像から前記投影レンズの物体側主点までの距離をδ、前記投影レンズの像側主点から前記観察者までの距離をＷＤ、前記観察者の視点が移動する範囲の大きさをＤｐｏ、前記リレーレンズの射出瞳の大きさをＤｐｒ２とするときに、０．５  ＜  α／ｆ１  ＜１．５、ｆ３＝ＷＤ×（−α＋ｂ＋δ）／（−α＋ｂ＋δ＋ＷＤ）、Ｄｐｏ＝Ｄｐｒ２×ＷＤ／（−α＋ｂ＋δ）の条件を満たすことを特徴とする。
【００１２】
また、前記観察者から前記虚像までの距離をＬ、前記液晶表示パネルに表示される画像の大きさに対する前記虚像の拡大倍率をＭとするときに、１＜Ｌ／（Ｍ×Ｄｐｏ）＜４の条件を満たすことを特徴とする。
【００１３】
本発明のヘッドアップディ数プレイ装置は、上述の投影光学系を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、小型の液晶表示パネルに表示される画像を明るく均一な虚像として投影することができる投影光学系を提供することができる。また、明るく均一な虚像を投影するとともに、消費電力が少なく、小型で安価なヘッドアップディスプレイ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、自動車１１のダッシュボード１２に配置され、スピードメータ等の計器類の値を運転手（観察者）１４の前方に、フロントガラス１３（反射面）越しに表示する。
【００１６】
このヘッドアップディスプレイ装置１０は、小型の液晶表示パネル１６（図２参照）を内蔵しており、この液晶表示パネルに計器類の値を表示する。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、液晶表示パネル１６からの出射する表示光２６を投影光学系２０（図２参照）によってフロントガラス１３に向けて拡大投影する。投影された表示光２６は、フロントガラス１３で運転手１４の方向に反射される。
【００１７】
ヘッドアップディスプレイ装置１０は、フロントガラス１３上に実像を表示するのではなく、運転手１４からフロントガラス１３越しの距離Ｄの位置に虚像Ｉｖを表示する。
【００１８】
運転中に視線を殆ど動かさずに、かつ、眼のピント調節が殆ど行われずに、虚像Ｉｖを見ることができるように、虚像Ｉｖが表示される距離Ｄは十分に長くなっている。例えば、運転手から２ｍ以上の距離に虚像Ｉｖは表示される。
【００１９】
図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、液晶表示パネル１６、バックライト１７（照明手段）、投影光学系２０から構成される。
【００２０】
液晶表示パネル１６には、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が表示される。また、液晶表示パネル１６は、透過型であり、背後に設けられたバックライト１７から照明光を照射され、表示した画像の情報を持つ表示光２６を前方に透過させる。
【００２１】
バックライト１７は、例えば白色のＬＥＤなどからなり、液晶表示パネル１６を背後から一様に照明する。なお、バックライト１７は、白色のＬＥＤにより白色の照明光を照射するもの限らず、所望の色の照明光を照射するようにしてよい。例えば、赤色，緑色，青色等の単色ＬＥＤから構成しても良く、これらの単色ＬＥＤをいくつか組み合わせて所望の色で像を表示させるようにしても良い。また、バックライト１７はＬＥＤに限らず、他の周知のランプ等を用いても良い。
【００２２】
投影光学系２０は、リレーレンズ２１と投影レンズＬ１とからなり、液晶表示パネル１６に表示された画像を実像Ｉｒとして拡大して結像した後に、この実像Ｉｒをさらに拡大してフロントガラス１３に投影する。リレーレンズ２１は、液晶表示パネル１６側（物体側）がテレセントリックになるように構成されている。リレーレンズ２１は、液晶表示パネル１６から出射するテレセントリック性の表示光２６を集光させ、液晶表示パネル１６上に表示された画像を拡大し、実像Ｉｒとして結像させる。投影レンズＬ１は、例えばフレネルレンズであり、リレーレンズ２１によって結像された実像Ｉｒをフロントガラス１３に拡大して投影する。
【００２３】
投影光学系２０は、リレーレンズ２１の焦点距離をｆ１、像側を正の向きとしたリレーレンズ２１の像側主点Ｈｒ２からリレーレンズ２１の射出瞳Ｐｒ２までの距離をαとするときに、下記数１の条件を満たすように構成されている。
【００２４】
【数１】
2009229552.tif 000003
【００２５】
数１に示す条件は、リレーレンズ２１の射出瞳Ｐｒ２の位置を制限するものであり、液晶表示パネル１６から出射する表示光２６のうち、リレーレンズ２１の光軸に略平行とみなせる、いわゆるテレセントリック性の表示光２６だけを像の表示に効率的良く利用するための条件である。α／ｆ１の値が数１の上限及び下限を越えると、液晶表示パネル１６から出射する表示光２６のうち、液晶表示パネル１６の視野角外の表示光２６をも虚像Ｉｖの表示に利用することになり、虚像Ｉｖには輝度やコントラストにシェーディングが生じてしまう。
【００２６】
また、投影光学系２０は、投影レンズＬ１の焦点距離をｆ３、リレーレンズ２１の像側主点Ｈｒ２からリレーレンズ２１によって結像される実像Ｉｒまでの距離をｂ、実像Ｉｒから投影レンズＬ１の物体側主点Ｈｐ１までの距離をδ、投影レンズＬ１の像側主点Ｈｐ２から運転手１４までの距離をＷＤとするときに、下記数２の条件を満たすように構成されている。
【００２７】
【数２】
2009229552.tif 000004
【００２８】
数２に示す条件は、数１の条件を満たすように定められたリレーレンズ２１の射出瞳Ｐｒ２の位置（αの値）に応じて投影レンズＬ１の焦点距離を定めるものであり、リレーレンズ２１の射出瞳Ｐｒ２の位置と観察者範囲Ｐｏの位置とが共役となるようにする条件である。
【００２９】
さらに、投影光学系２０は、運転手の視点が移動する範囲（以下、観察者範囲Ｐｏと称す）の大きさをＤｐｏ、リレーレンズ２１の射出瞳Ｐｒ２の大きさをＤｐｒ２とするときに、下記数３の条件を満たすように構成されている。なお、観察者範囲Ｐｏの大きさＤｐｏは、例えば、観察者範囲を円形とする場合にはその直径、また、例えば観察者範囲Ｐｏを長方形とする場合には対角長にするなど、観察者範囲Ｐｏの広がりの基準となる長さとするまた、射出瞳Ｐｒ２の大きさとは、射出瞳Ｐｒ２の直径をいう。
【００３０】
【数３】
2009229552.tif 000005
【００３１】
数３に示す条件は、数１の条件を満たすように定められたリレーレンズ２１の射出瞳Ｐｒ２の位置に応じて、リレーレンズ２１の射出瞳Ｐｒ２の大きさＤｐｒ２と観察者範囲Ｐｏの大きさＤｐｏの比率を定めるものであり、数１で定められたテレセントリック性の表示光２６を効率良く利用して、最も高輝度，高コントラストの虚像Ｉｖを、所定サイズの観察者範囲Ｐｏから観察できるようにするための条件である。
【００３２】
また、投影光学系２０は、運転手１４から虚像Ｉｖまでの距離をＬ、液晶表示パネル１６に表示される画像の大きさに対する虚像Ｉｖの拡大倍率をＭとするときに、下記数４の条件を満たすように構成されている。
【００３３】
【数４】
2009229552.tif 000006
【００３４】
リレーレンズ２１の液晶表示パネル１６側の有効Ｆナンバーは、Ｌ／（Ｍ×Ｄｐｏ）に比例する。したがって、Ｌ／（Ｍ×Ｄｐｏ）の値が、数４の下限を下回ると、リレーレンズ２１のＦナンバーが小さくなり、十分に収差を補正することができなくなる。一方、Ｌ／（Ｍ×Ｄｐｏ）の値が、数４の上限を上回ると、リレーレンズ２１の倍率が小さくなり、所定の輝度の虚像Ｉｖを表示しようとすると、液晶表示パネル１６の大型化を招く。
【００３５】
投影光学系２０は、上述の数１〜数４の条件を満たすように構成されていることによって、図３（Ａ）に模式的に示すように、液晶表示パネル１６からリレーレンズ２１の光軸に略平行に出射するテレセントリック性の表示光２６のみが虚像Ｉｖの表示に利用される。このテレセントリック性の表示光２６は、リレーレンズ２１によって実像Ｉｒに拡大して結像され、この実像Ｉｒは投影レンズＬ１によってさらに拡大してフロントガラス１３に投影される。
【００３６】
図３では煩雑さを避けるために図示しないが、フロントガラス１３に反射された表示光２６は、観察者範囲Ｐｏ内の一点で観察する運転手１４の眼に入射する。液晶表示パネル１６の一点から出射するテレセントリック性の表示光２６は、投影レンズＬ１によって観察者範囲Ｐｏ内に立体角を広げるように入射されるから、運転手１４は、これら同一の一点から出射した表示光２６の仮想的な交点の位置に実像Ｉｒをさらに拡大した虚像Ｉｖをフロントガラス１３越しに観察する。
【００３７】
例えば、図３（Ｂ）に模式的に示すように、運転手１４が観察者範囲Ｐｏの下端から虚像Ｉｖを観察する場合、表示光２６ａが運転手１４の眼に入射する。この表示光２６ａは、液晶表示パネル１６からやや斜め上方に出射するが、輝度やコントラストが出力すべき正常な値とみなせるような視野角で出射するテレセントリック性の表示光２６ａである。また、運転手１４が観察者範囲Ｐｏの上端から虚像Ｉｖを観察する場合にも、この観察者範囲Ｐｏの下端から観察する虚像Ｉｖも、液晶表示パネル１６をやや斜め下方に出射するが輝度やコントラストの正常なテレセントリック性の表示光２６によって表示される。
【００３８】
このような、運転手１４が観察者範囲Ｐｏのある位置から観察する虚像Ｉｖがテレセントリック性の表示光２６によって表示されることは、観察者範囲Ｐｏの上端や下端、あるいは中央といった特異な点でのみ成り立つものではなく、観察者範囲Ｐｏ内のどの位置から虚像Ｉｖを観察する場合にも同様に、虚像Ｉｖはテレセントリック性の表示光２６によって表示される。
【００３９】
なお、図３に示すように、テレセントリック性の表示光２６を虚像Ｉｖの表示に利用するために、リレーレンズ２１内に実際の絞りを配置する必要はない。投影光学系２０が数１〜数４の条件を満足するように構成されていることで、観察者範囲Ｐｏから虚像Ｉｖを観察する場合に運転手１４の眼に入射する表示光２６は、リレーレンズ２１の射出瞳Ｐｒ２と共役なリレーレンズ２１内部の実際の射出瞳（以下、実瞳）から出射する表示光２６に自動的に限られる。このリレーレンズ２１の実瞳２７の大きさは、観察者範囲Ｐｏの共役像と同じか、あるいは観察者範囲Ｐｏの共役像よりも大きければ良く、投影光学系２０が数１〜数４の条件を満たすように構成されることで、実瞳２７の大きさは観察者範囲Ｐｏの共役像と同じ大きさとなる。
【００４０】
また、投影光学系２０は上述の数１〜数４の条件を満たすように構成されているから、図４に模式的に示すように、観察者範囲Ｐｏとリレーレンズ２１の射出瞳Ｐｒ２とは、互いに共役な位置となっている。これにより、液晶表示パネル１６からテレセントリック性の視野角で出射する表示光２６は、全て観察者範囲Ｐｏに入射する。したがって、液晶表示パネル１６から出射する表示光２６のうち、輝度やコントラストが正常な視野角で出射した表示光２６は、最も効率良く虚像Ｉｖの表示に利用される。
【００４１】
特に、リレーレンズ２１の物体側主点Ｈｒ２とリレーレンズ２１の射出瞳Ｐｒ２とを一致させず、上述のようにリレーレンズ２１の物体側主点Ｈｒ２からリレーレンズ２１の射出瞳Ｐｒ２までの距離αを数１の条件の範囲内に定めることによって、液晶表示パネル１６から出射するテレセントリック性の表示光２６の範囲と、観察者範囲Ｐｏが一致する。これにより、観察者範囲Ｐｏのどの位置から虚像Ｉｖを観察する場合にも、虚像Ｉｖの表示に適切な、輝度やコントラストにシェーディングを生じないテレセントリック性の表示光２６のみが虚像Ｉｖの表示に利用される。
【００４２】
また、投影光学系２０は、Ｌ／（Ｍ×Ｄｐｏ）の値が数４の条件の範囲内の値となっていることで、十分に収差を補正することができるようにするとともに、十分に小さなバックライト１７で高輝度，高コントラストの虚像Ｉｖを表示する。
【００４３】
以下に、投影光学系２０の具体的な例を、実施例１〜３として示す。なお、液晶表示パネル１６上に表示する画像の大きさを、実施例１では３０ｍｍ×１０ｍｍ、実施例２及び実施例３では１５ｍｍ×５ｍｍとし、運転手１４から虚像Ｉｖまでの距離Ｌが２ｍとなるように構成した。また、各実施例で示すレンズデータでは、Ｌ，ｆ１，ｆ３，α,ｂ，δ，Ｄｐｏ，Ｄｐｒ２，ＷＤの単位は全てｍｍとした。
【００４４】
［実施例１］
図５に示すように、投影光学系３１は、像側から順に、像側にフレネル面が設けられた投影レンズＬ１、第２レンズＬ２，第３レンズＬ３，第４レンズＬ４の３枚のレンズからなるリレーレンズ３２から構成される。これらの投影光学系３１を構成するレンズの各面を、像側から順に、面番号ｉ（ｉ＝１〜８）を用いてＳｉで表す。また、隣接する面Ｓｉ間の間隔（面Ｓｉと面Ｓｉ＋１との光軸上の面間隔）をＤｉとする。
【００４５】
投影光学系３１のレンズデータとして、各面Ｓｉの曲率半径Ｒｉ（ｍｍ）、各面間隔Ｄｉ（ｍｍ）、像側から順にレンズの番号をｊ（ｊ＝１〜４）として、ｄ線（５８７．６ｎｍ）に対する各レンズＬｊの屈折率Ｎｄｊ、各レンズＬｊのアッベ数νｄｊを表１に示す。
【００４６】
また、表１の下段には、リレーレンズ３２の焦点距離ｆ１、リレーレンズ３２の像側主点Ｈｒ２からリレーレンズ３２の像側主点Ｈｒ２からリレーレンズ３２の射出瞳Ｐｒ２までの距離α、投影レンズＬ１の焦点距離ｆ３、リレーレンズ３２の像側主点Ｈｒ２から実像Ｉｒまでの距離ｂ、実像Ｉｒから投影レンズＬ１の物体側主点Ｈｐ１までの距離δ、投影レンズＬ１の像側主点Ｈｐ２から観察者範囲Ｐｏまでの距離ＷＤ、観察者範囲Ｐｏの大きさＤｐｏ、リレーレンズ３２の射出瞳Ｐｒ２の大きさＤｐｒ２、液晶表示パネル１６上の画像に対する虚像Ｉｖの拡大倍率Ｍ、観察者範囲Ｐｏから虚像Ｉｖまでの距離Ｌ、α／ｆ１の値、Ｌ／（Ｍ×Ｄｐｏ）の値を示す。
【００４７】
【表１】
2009229552.tif 000007
【００４８】
表１に示すように、リレーレンズ３２を構成する第２レンズＬ２〜第４レンズＬ４の各面は何れも球面となっており、第４レンズＬ４の液晶表示パネル１６側（物体側）の面Ｓ８から液晶表示パネル１６の画像表示面までの間隔は５２．７２０ｍｍとなっている。
【００４９】
表１からわかるように、投影光学系３１はα／ｆ１＝０．６６であり、数１の条件を満たす。また、投影レンズＬ１の焦点距離ｆ３は、α，ｂ，δ，ＷＤの値から算出される数２の条件を満たす値となっており、観察者範囲Ｐｏの大きさＤｐｏは、α，ｂ，δ，Ｄｐｒ２から算出される数３の条件を満たす値となっている。同様に、Ｌ／（Ｍ×Ｄｐｏ）＝３．９８であり、数４の条件を満たす。
【００５０】
投影光学系３１の球面収差を図６（Ａ）に、非点収差を図６（Ｂ）に、歪曲収差を図６（Ｃ）に示す。球面収差は、ｅ線（波長５４６．１ｎｍ）についてのものを実線で、ｇ線（波長４３５．８ｎｍ）のものを破線で、Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）のものを二点差線で示す。また、非点収差は、サジタル方向のものを実線で、タンジェンシャル方向のものを破線で示す。
【００５１】
図７（Ａ）〜（Ｄ）には、投影光学系３１の像高０ｍｍ，２５ｍｍ，７５ｍｍ，８０ｍｍの場合について、タンジェンシャル方向の横収差を示す。図７（Ｅ）〜（Ｇ）には、投影光学系３１の像高２５ｍｍ，７５ｍｍ，８０ｍｍの場合について、サジタル方向の横収差を示す。
【００５２】
以上のように、実施例１の投影光学系３１は、数１〜数４の条件を満たすように構成されているから、小型の液晶表示パネル１６から出射するテレセントリック性の表示光２６を効率良く利用して、観察者範囲Ｐｏのどの位置から虚像Ｉｖを観察する場合にも、輝度やコントラストにシェーディングを生じることなく、明るく均一な虚像Ｉｖとして投影することができる。また、この投影光学系３１を搭載すれば、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、小型の液晶表示パネル１６及びバックライト１７で、明るく均一な虚像Ｉｖを投影することができるから、消費電力が少なく、小型で安価に構成される。
【００５３】
［実施例２］
図８に示すように、投影光学系４１は、像側から順に、投影レンズＬ１、第２レンズＬ２，第３レンズＬ３，第４レンズＬ４，第５レンズＬ５，第６レンズＬ６の５枚のレンズからなるリレーレンズ４２から構成される。これらの投影光学系４１を構成するレンズの各面を、像側から順に、面番号ｉ（ｉ＝１〜１１）で表す。また、隣接する面Ｓｉ間の間隔（面Ｓｉと面Ｓｉ＋１との光軸上の面間隔）をＤｉとする。なお、リレーレンズ４２を構成する第３レンズＬ３と第４レンズＬ４は面Ｓ６で接合されている。
【００５４】
投影光学系４１のレンズデータとして、各面Ｓｉの曲率半径Ｒｉ（ｍｍ）、各面間隔Ｄｉ（ｍｍ）、像側から順にレンズの番号をｊ（ｊ＝１〜６）として、ｄ線に対する各レンズＬｊの屈折率Ｎｄｊ、各レンズＬｊのアッベ数νｄｊを表２に示す。
【００５５】
また、表２の下段には、リレーレンズ４２の焦点距離ｆ１、像側を正の向きとしたリレーレンズ４２の像側主点Ｈｒ２からリレーレンズ４２の射出瞳Ｐｒ２までの距離α、投影レンズＬ１の焦点距離ｆ３、リレーレンズ４２の像側主点Ｈｒ２から実像Ｉｒまでの距離ｂ、実像Ｉｒから投影レンズＬ１の物体側主点Ｈｐ１までの距離δ、投影レンズＬ１の像側主点Ｈｐ２から観察者範囲Ｐｏまでの距離ＷＤ、観察者範囲Ｐｏの大きさＤｐｏ、リレーレンズ４２の射出瞳Ｐｒ２の大きさＤｐｒ２、液晶表示パネル１６上の画像に対する虚像Ｉｖの拡大倍率Ｍ、観察者範囲Ｐｏから虚像Ｉｖまでの距離Ｌ、α／ｆ１の値、Ｌ／（Ｍ×Ｄｐｏ）の値を示す。
【００５６】
【表２】
2009229552.tif 000008
【００５７】
表２に示すように、第６レンズＬ６の液晶表示パネル１６側（物体側）の面Ｓ１１から液晶表示パネル１６の画像表示面までの間隔は１９．４１２ｍｍとした。また、リレーレンズ４２を構成するレンズは、面Ｓ２，面Ｓ４，面Ｓ６〜面Ｓ１１を球面とし、面Ｓ１，面Ｓ３，面Ｓ５を非球面とした。非球面とした面Ｓ１，面Ｓ３，面Ｓ５の具体的な形状は、光軸から高さｙ、高さｙの非球面状の点から非球面頂点の接平面に下ろした垂線の長さをｘ、非球面頂点近傍での曲率半径ｒ、円錐係数Ｋ、第２ｉ次（ｉ＝２〜５）の非球面係数Ａ２ｉを用いて、下記数５の式で表される。また、面Ｓ１，面Ｓ３，面Ｓ５の非球面係数は、具体的には表３に示す値とした。
【００５８】
【数５】
2009229552.tif 000009
【００５９】
【表３】
2009229552.tif 000010
【００６０】
表２からわかるように、投影光学系４１はα／ｆ１＝０．９６であり、数１の条件を満たす。また、投影レンズＬ１の焦点距離ｆ３は、α，ｂ，δ，ＷＤの値から算出される数２の条件を満たす値となっており、観察者範囲Ｐｏの大きさＤｐｏは、α，ｂ，δ，Ｄｐｒ２から算出される数３の条件を満たす値となっている。同様に、Ｌ／（Ｍ×Ｄｐｏ）＝１．４３であり、数４の条件を満たす。
【００６１】
投影光学系４１の球面収差を図９（Ａ）に、非点収差を図９（Ｂ）に、歪曲収差を図９（Ｃ）に示す。また、図１０（Ａ）〜（Ｄ）には像高０ｍｍ、２５ｍｍ、７５ｍｍ、８０ｍｍの場合について、タンジェンシャル方向の横収差を、図１０（Ｅ）〜（Ｇ）には、像高２５ｍｍ、７５ｍｍ、８０ｍｍの場合について、サジタル方向の横収差を示す。なお、これらの各収差の表記は、実施例１と同様とする。
【００６２】
以上のように、実施例２の投影光学系４１は、数１〜数４の条件を満たすように構成されているから、小型の液晶表示パネル１６から出射するテレセントリック性の表示光２６を効率良く利用して、小型の液晶表示パネル１６に表示される画像を、輝度やコントラストにシェーディングを生じることなく、明るく均一な虚像Ｉｖとして投影することができる。また、この投影光学系４１を搭載すれば、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、小型の液晶表示パネル１６及びバックライト１７で、明るく均一な虚像Ｉｖを投影することができるから、消費電力が少なく、小型で安価に構成される。
【００６３】
［実施例３］
図１１に示すように、投影光学系５１は、像側から順に、像側にフレネル面が設けられた投影レンズＬ１、第２レンズＬ２〜第８レンズＬ８の７枚のレンズからなるリレーレンズ５２から構成される。これらの投影光学系５１を構成するレンズの各面を、像側から順に、面番号ｉ（ｉ＝１〜１５）を用いてＳｉで表す。また、隣接する面Ｓｉ間の間隔（面Ｓｉと面Ｓｉ＋１との光軸上の免間隔）をＤｉとする。なお、リレーレンズ５２を構成する第５レンズＬ５と第６レンズＬ６は、面Ｓ１０で接合されている。
【００６４】
投影光学系５１のレンズデータとして、各面Ｓｉの曲率半径Ｒｉ（ｍｍ）、各面間隔Ｄｉ（ｍｍ）、像側から順にレンズ番号をｊ（ｊ＝１〜８）として、ｄ線に対する各レンズＬｊの屈折率Ｎｄｊ、各レンズＬｊのアッベ数νｄｊを表４に示す。
【００６５】
また、表４の下段には、リレーレンズ５２の焦点距離ｆ１、リレーレンズ５２の像側主点Ｈｒ２からリレーレンズ５２の像側主点Ｈｒ２からリレーレンズ５２の射出瞳Ｐｒ２までの距離α、投影レンズＬ１の焦点距離ｆ３、リレーレンズ５２の像側主点Ｈｒ２から実像Ｉｒまでの距離ｂ、実像Ｉｒから投影レンズＬ１の物体側主点Ｈｐ１までの距離δ、投影レンズＬ１の像側主点Ｈｐ２から観察者範囲Ｐｏまでの距離ＷＤ、観察者範囲Ｐｏの大きさＤｐｏ、リレーレンズ５２の射出瞳Ｐｒ２の大きさＤｐｒ２、液晶表示パネル１６上の画像に対する虚像Ｉｖの拡大倍率Ｍ、観察者範囲Ｐｏから虚像Ｉｖまでの距離Ｌ、α／ｆ１の値、Ｌ／（Ｍ×Ｄｐｏ）の値を示す。
【００６６】
【表４】
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【００６７】
表４に示すように、リレーレンズ５２を構成する第２レンズＬ２〜第８レンズＬ８の各面は何れも球面となっており、第８レンズＬ８の液晶表示パネル１６側（物体側）の面Ｓ１５から液晶表示パネル１６の画像表示面までの間隔は１９．８８６ｍｍとなっている。
【００６８】
表４からわかるように、投影光学系５１はα／ｆ１＝０．６８であり、数１の条件を満たす。また、投影レンズＬ１の焦点距離ｆ３は、α，ｂ，δ，ＷＤの値から算出される数２の条件を満たす値となっており、観察者範囲Ｐｏの大きさＤｐｏは、α，ｂ，δ，Ｄｐｒ２から算出される数３の条件を満たす値となっている。同様に、Ｌ／（Ｍ×Ｄｐｏ）＝２．００であり、数４の条件を満たす。
【００６９】
投影光学系５１の球面収差を図１２（Ａ）に、非点収差を図１２（Ｂ）に、歪曲収差を図１２（Ｃ）に示す。また、図１３（Ａ）〜（Ｄ）には像高０ｍｍ、２５ｍｍ、７５ｍｍ、８０ｍｍの場合について、タンジェンシャル方向の横収差を、図１３（Ｅ）〜（Ｇ）には、像高２５ｍｍ、７５ｍｍ、８０ｍｍの場合について、サジタル方向の横収差を示す。なお、これらの各収差の表記は、実施例１と同様とする。
【００７０】
以上のように、実施例３の投影光学系５１は、数１〜数４の条件を満たすように構成されているから、小型の液晶表示パネル１６から出射するテレセントリック性の表示光２６を効率良く利用して、観察者範囲Ｐｏのどの位置から虚像Ｉｖを観察する場合にも、輝度やコントラストにシェーディングを生じることなく、明るく均一な虚像Ｉｖとして投影することができる。また、この投影光学系５１を搭載すれば、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、小型の液晶表示パネル１６及びバックライト１７で、明るく均一な虚像Ｉｖを投影することができるから、消費電力が少なく、小型で安価に構成される。
【００７１】
なお、上述の実施形態では、投影レンズＬ１としてフレネルレンズ等の屈折レンズを用いるが、これに限らず、ミラー非球面レンズ等のレンズ効果のある光学部材を投影レンズＬ１として用いても良い。また、上述の実施形態では、投影レンズＬ１は１枚の屈折レンズからなる例を示すが、複数枚の屈折レンズから投影レンズＬ１を構成しても良く、また、屈折レンズと他のレンズ効果のある光学部材とを組み合わせて投影レンズＬ１を構成しても良い。
【００７２】
また、上述の実施形態では、液晶表示パネル１６として１５ｍｍ×５ｍｍの０．８型の液晶表示パネルや３０ｍｍ×１０ｍｍの液晶表示パネルを用いるがこれに限らず、アスペクト比や表示領域の大きさが異なる他の液晶表示パネルを用いても良い。同様に、表示する虚像Ｉｖの大きさ等、ヘッドアップディスプレイ装置の種別や用途等に応じて定められる値は、上述の実施形態で示す値に限らず、適宜設定して良い。
【００７３】
なお、上述の実施形態では、本発明のヘッドアップディスプレイ装置として自動車用のものを例に説明するが、これに限らず、航空機や船舶等の他のものにも本発明のヘッドアップディスプレイ装置を好適に用いることができる。このように、自動車以外に本発明のヘッドアップディスプレイ装置を適用する場合には、表示光を拡大投影する反射面（自動車ではフロントガラス）の形状に応じて、非回転対称非球面の面形状としながらも凹面ミラーの詳細な面形状を個々に決定する必要がある。また、車種等によってはフロントガラスの傾斜や湾曲の状態は異なるから、本発明のヘッドアップディスプレイ装置を自動車に用いる場合であっても、同様の調節が必要となる。
【００７４】
なお、ヘッドアップディスプレイ装置は、自動車のダッシュボード等に設置されるものであるから、このヘッドアップディスプレイ装置を構成する各部は、耐熱性に優れたものであることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】ヘッドアップディスプレイ装置の概略を示す説明図である。
【図２】投影光学系の構成を模式的に示す説明図である。
【図３】表示光の光路を模式的に示す説明図である。
【図４】リレーレンズの射出瞳を模式的に示す説明図である。
【図５】実施例１の投影光学系の断面図である。
【図６】実施例１の投影光学系の球面収差，非点収差，歪曲収差を示す収差図である。
【図７】実施例１の投影光学系の横収差図である。
【図８】実施例２の投影光学系の断面図である。
【図９】実施例２の投影光学系の球面収差，非点収差，歪曲収差を示す収差図である。
【図１０】実施例２の投影光学系の横収差図である。
【図１１】実施例３の投影光学系の断面図である。
【図１２】実施例３の投影光学系の球面収差，非点収差，歪曲収差を示す収差図である。
【図１３】実施例３の投影光学系の横収差図である。
【符号の説明】
【００７６】
１０  ヘッドアップディスプレイ装置
１４  運転手（観察者）
１６  液晶表示パネル
１７  バックライト（照明手段）
２０，３１，４１，５１  投影光学系
２１，３２，４２，５２  リレーレンズ
２６  表示光
Ｌ１  投影レンズ
ｆ１  リレーレンズの焦点距離
ｆ３  投影レンズの焦点距離
Ｉｖ  虚像
Ｉｒ  実像
Ｐｒ２  リレーレンズの射出瞳
Ｈｒ２  リレーレンズの像側主点
Ｐｏ  観察者範囲
Ｈｐ２  投影レンズの像側主点
Ｈｐ１  投影レンズの物体側主点
【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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【図８】
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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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