JP6940825B2

JP6940825B2 - 変倍投影光学系及び画像表示装置

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Publication number: JP6940825B2
Application number: JP2018543978A
Authority: JP
Inventors: 橋村　淳司; 淳司橋村; 山田　範秀; 範秀山田
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Filing date: 2017-10-05
Publication date: 2021-09-29
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Description

本発明は、視線の先に虚像としての画像を表示し、かつ虚像の投影位置を可変とした変倍投影光学系及び当該変倍投影光学系を用いた画像表示装置に関するものである。

ヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤとする）は、虚像投影表示を行う表示装置であり、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）やＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）等の表示素子に表示した画像を虚像として表示する投影光学系と、当該虚像を表示するためのウィンドシールドやコンバイナー等の表示スクリーンとを有する。このＨＵＤは、運転中のドライバーが視線や視点を大きく動かすことなく表示を確認することができる点で、従来の速度メーター等のインパネ（車の運転席に設けられた計器盤等のインストルメントパネル）に情報表示する装置に比べてドライバーの危険性を減らすメリットを有する。今後、ドライバーの安全運転を支援するための表示を行う装置として、ＨＵＤが積極的に用いられることが予想される。その際、伝えるべき危険情報や、注意すべき情報等をドライバーに多様な手法で伝える必要があり、これらの情報の認識を高めるような表示が求められる。

ドライバーに情報を伝える表示方法の１つの例として、虚像の表示位置（又は表示距離）を変える方法がある（例えば、特許文献１〜４参照）。特許文献１では、ＨＵＤ光学系に用いる反射ミラーにおいて、少なくとも曲率の異なる２つの反射ミラー面を設けて、それらの回動によって切替えを行って表示距離を可変としている。特許文献２では、可動部を有しない構成において、反射体までの光路距離の異なる複数の表示板を用いて虚像を表示し、複数の表示板の表示を切り替えることにより、虚像の表示距離を変化させている。特許文献３では、ＨＵＤ光学系がレンズ駆動により表示像を変倍する集光レンズを有している。この集光レンズは表示像の大きさを変倍することが目的であり、集光レンズに例えばビームエキスパンダーを用いることにより、虚像の光軸方向の表示位置を調整している。特許文献４では、ＨＵＤ光学系において、表示素子と結像光学系との間にリレー光学系を有し、リレー光学系により中間像を形成している。このリレー光学系内に用いる光学素子の位置を変化させることにより、中間像の位置を変化させ、虚像の表示位置を変化させている。特許文献４では、位置を変化させた中間像の各画像を例えば６０分の１秒以内に重ね合わせることにより立体視映像を得ている。

しかしながら、特許文献１では、ミラー面が２つであるのため、虚像の表示距離は２点に限定され、表示距離数を増やそうとするとミラー枚（面）数が多くなるという問題がある。また、特許文献２では、表示距離数を増やすと表示板の数を増やす必要があり、装置が複雑で大型化するだけでなく、各表示板の位置が固定となるため、画面内の任意の位置で虚像の表示距離を変化させることが難しいという問題がある。また、特許文献３では、虚像位置を変えることの効果については示されておらず、変倍の具体的な構成例について開示されていない。また、特許文献４では、中間像の位置に拡散板（中間スクリーン）を配置しているが、表示パネルに光走査型のデバイスを用いる場合に限定している。特許文献４において、虚像の表示位置を可変とするには、この中間スクリーンを移動させる必要がある。ここで、虚像を表示する際の視野角を大きくしつつ使いやすい表示とするために、ドライバー（観察者）の目が移動しても観察可能である範囲（アイボックス）を大きくするには、リレー光学系の倍率をある程度高くする必要がある。そのため、中間スクリーンのサイズが大きくなり、移動させる機構が大掛かりになる等の問題が生じる。なお、小型の表示パネルを用いて装置の小型化を図ろうとすると、視野角を確保しつつアイボックスを大きくしたい場合には、表示パネルが光走査型であるか否かに関わらず中間スクリーンを用いる必要があり、この場合も中間スクリーンを移動させる機構が大掛かりになる。

特開平９−１８５０１２号公報特開２００４−１６８２３０号公報特開２００７−９４３９４号公報特開２００８−１８０７５９号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、画面内の任意の位置で虚像の表示距離を容易に変化させる変倍投影光学系を提供することを目的とする。

また、本発明は、当該変倍投影光学系を用いた画像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る変倍投影光学系は、表示素子の画像から第１中間像を形成する第１投影光学系と、第１中間像からの像光を表示スクリーンで反射させることによって当該表示スクリーン越しに虚像を表示する第２投影光学系とを備え、第１投影光学系と第２投影光学系との間で、第１中間像の位置に中間スクリーンを有し、第２投影光学系は、虚像の表示位置を可変とする可変焦点光学系を有し、第１投影光学系は、可変焦点光学系を有さない。

上記課題を解決するため、本発明に係る画像表示装置は、上述の変倍投影光学系を搭載する。

図１Ａは、第１実施形態の画像表示装置を車体に搭載した状態を示す側方断面図であり、図１Ｂは、画像表示装置を説明する車内側からの正面図である。図１Ａの画像表示装置を説明する拡大側方断面図である。図１Ａの画像表示装置の構成を説明する概念図である。図４Ａは、一変形例を説明する図であり、図４Ｂは、別の変形例を説明する図である。図５Ａは、画像表示装置による結像を説明する断面図であり、図５Ｂは、虚像を観察可能なアイボックスを説明する図である。図６Ａは、第２実施形態の画像表示装置を説明する車内側からの正面図であり、図６Ｂは、画像表示装置を説明する側方断面図である。第３実施形態の画像表示装置を説明する側方断面図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る変倍投影光学系及びこれを組み込んだ画像表示装置について説明する。

図１Ａ及び１Ｂは、本実施形態の画像表示装置１００及びその使用状態を説明する概念的な側方断面図及び正面図である。この画像表示装置１００は、例えばヘッドアップディスプレイ装置として車体２内に搭載されるものであり、描画ユニット１０とコンバイナー２０とを備える。画像表示装置１００は、後述する表示素子１１に表示される画像情報を、表示スクリーン（本実施形態の例では、コンバイナー２０）越しに虚像表示又は虚像投影するものである。

画像表示装置１００のうち描画ユニット１０は、車体２のダッシュボード４内に埋め込むように設置されており、運転関連情報を含む画像に対応する表示光ＨＫをコンバイナー２０に向けて射出する。コンバイナー２０は、半透過性を有する凹面鏡として機能する表示スクリーンであり、下端の支持によってダッシュボード４上に立設され、描画ユニット１０からの表示光ＨＫを車体２の後方に向けて反射する。つまり、コンバイナー２０は、フロントウィンドウ８とは別体で設置される独立型のものとなっている。コンバイナー（表示スクリーン）２０で反射された表示光ＨＫは、ドライバーＵＮの瞳ＨＴ及びその周辺位置に対応するアイボックスＳＹ（図５Ｂ参照）に導かれる。ドライバーＵＮは、コンバイナー２０で反射された表示光ＨＫ、つまり車体２の前方にある虚像としての表示像ＩＭを観察することができる。一方、ドライバーＵＮは、コンバイナー２０を透過した外界光、つまり前方景色等の実像を観察することができる。結果的に、ドライバーＵＮは、コンバイナー２０の背後の外界像に重ねて、コンバイナー２０での表示光ＨＫの反射によって形成される運転関連情報等を含む表示像（虚像）ＩＭを観察することができる。

図２及び図３に示すように、描画ユニット１０は、表示素子１１を備えた描画デバイス１２と、変倍投影光学系１３と、ハウジング１４とを備える。なお、図３は、画像表示装置１００の構成を例示したものであり、画像表示装置１００の構成は、その仕様や設置箇所等によって適宜変更される。

描画デバイス１２は、詳細な説明を省略するが、表示素子１１のほかに、表示素子１１に表示動作を行わせる表示駆動回路、表示素子１１を照明するための光を射出するＬＥＤその他の光源、かかる光源からの光を均一化する均一化光学系等を備える。表示素子１１は、ＤＭＤやＬＣＯＳ等の反射型の素子でも、液晶等の透過型の素子でもよい。特に、表示素子１１にＤＭＤを用いると、明るさを維持しつつ画像を高速で切り替えることができ、表示に有利である。

変倍投影光学系１３は、表示素子１１に形成された画像に対応する第１中間像を形成する第１投影光学系３０と、第１中間像ＴＩ１に対応する像光を表示スクリーンであるコンバイナー２０に入射させることによって虚像を表示する第２投影光学系４０とを備える。変倍投影光学系１３は、非球面を少なくとも１面以上有することが望ましい。変倍投影光学系１３が非球面を有することで、光学性能を確保しながら変倍投影光学系１３内の各レンズ群を構成するレンズやミラーの枚数を少なくでき、光学系の小型化を図ることができる。

変倍投影光学系１３において、第１投影光学系３０と第２投影光学系４０との間で、第１中間像ＴＩ１を形成する位置には、中間スクリーンｍＳＣが配置されている。第１中間像ＴＩ１は光軸ＡＸ方向等に移動しないため、中間スクリーンｍＳＣを移動させる必要がなく、後述する可変焦点光学系５１の作用のみで表示像（虚像）ＩＭの奥行位置を変化させ、かつ視野角とアイボックスとの両方を大きくすることができる。中間スクリーンｍＳＣは、配光角を所望の角度に制御した拡散板である。拡散板には、例えば摺りガラス、レンズ拡散板、マイクロレンズアレイ等が用いられる。中間スクリーンｍＳＣとして拡散板を設けることにより、視野角とアイボックスサイズとを簡易に確保しつつ、光学系の光利用効率を比較的高くすることができる。なお、拡散の配光角が狭すぎるとアイボックスサイズが小さくなってしまう。逆に、拡散の配光角を大きくしすぎると、光利用効率を高くするために光学系（特に、後述するリレー光学系５０）のＦ値を小さくする必要があり、性能確保が難しく光学系の径や枚数が増大してしまう。

上述の中間スクリーンｍＳＣである拡散板については、拡散板の配光角をαとし、第１投影光学系３０に入射する表示素子１１からの軸上マージナル光線の広がり角をθ１とし、第１投影光学系３０の倍率をβ１とし、第２投影光学系４０に入射する軸上マージナル光線をθ２とした場合、配光角αは以下の条件式（２）で設定するとよい。
α≒√｛θ２^２−（θ１／β１）^２｝ … （２）
条件式（２）は変倍投影光学系１３の第１中間像ＴＩ１の位置に用いる中間スクリーンｍＳＣの発散角にかかるものとなっている。条件式（２）を満たすことにより、第２投影光学系４０に取り込む光束を効率良く使用できる。

図３に示すように、第１投影光学系３０は、表示素子１１の画像を投影させる複数のレンズ又はレンズ群を有している。図示の例では、第１投影光学系３０は、４枚のレンズで構成されている。

第２投影光学系４０は、第１中間像ＴＩ１をリレーするリレー光学系５０と、リレー光学系５０に対して表示スクリーンであるコンバイナー２０側に配置される第３投影光学系６０とを有している。第２投影光学系４０は、リレー光学系５０と第３投影光学系６０との間で第２中間像ＴＩ２を形成する。第２投影光学系４０を、リレー光学系５０及び第３投影光学系６０の２つの光学系で構成することで、全体の拡大倍率をリレー光学系５０と第３投影光学系６０とに振り分けることができる。これにより、リレー光学系５０のＦ値を大きくしながら全系としての視野角及びアイボックスサイズを大きくでき、使いやすい仕様でありながらリレー光学系５０の大型化を防ぎ、虚像表示時の像面性や非点隔差等の光学性能を確保することができる。

第２投影光学系４０は、表示像（虚像）ＩＭの奥行方向の表示位置を可変とする可変焦点光学系５１を有する。可変焦点光学系５１は、リレー光学系５０内に配置されている。これにより、可変焦点光学系５１を小型にすることができ、可動機構等を簡素化することができる。可変焦点光学系５１は、少なくとも１枚のレンズを光軸ＡＸ方向、光軸ＡＸと垂直な面内の垂直方向、並びに光軸ＡＸ方向及び垂直方向を組合せた方向のいずれかに移動させる構成となっている。特に、奥行方向の表示位置のみを変化させる場合、少なくとも１枚のレンズを光軸ＡＸ方向に移動させる。図示の例では、２枚のレンズを一組として光軸ＡＸ方向に一体的に移動させている。これにより、可変焦点光学系５１に後述する焦点可変レンズを用いた場合に生じるレンズ径や焦点可変範囲の制約を受けることなく変倍することができ、変倍範囲、視野角、及びアイボックスサイズといった仕様を大きく確保することができる。なお、可変焦点光学系５１に含まれるレンズを光軸ＡＸと垂直な面内で曲率が変化する構成として、当該光軸ＡＸと垂直な面内で曲率が変化するレンズを光軸ＡＸと垂直な面内で垂直方向に移動させた場合には、レンズの曲率が変化することで、焦点可変レンズの場合やレンズを光軸ＡＸ方向に移動させた場合と同様に変倍することが可能となる。また、光軸ＡＸと垂直な面内の表示位置を変更することができ、表示範囲に広がりを持たせることも可能となる。

変倍投影光学系１３は、可変焦点光学系５１による焦点距離の変化に伴い、表示像ＩＭの奥行方向の表示位置又は表示距離を変化させている。既に説明したように、変倍投影光学系１３は、リレー光学系５０と第３投影光学系６０との間に第２中間像ＴＩ２を形成する構成となっており、可変焦点光学系５１で変倍を行った際に、第２中間像ＴＩ２の位置が光軸ＡＸに沿って移動する。これにより、表示像ＩＭは、変倍の度合に応じて、コンバイナー２０に近い位置（表示像ＩＭ１の位置）から中間の位置（表示像ＩＭ２の位置）を経て遠い位置（表示像ＩＭ３の位置）まで位置が変化して連続的又は断続的に表示される。例えば、最も遠い位置から最も近い位置までの表示距離を高速（例えば、１／３０秒以内）に変動させて表示像ＩＭを連続的に表示させれば、擬似的な３Ｄ虚像表示を行うことができる。

なお、可変焦点光学系５１は、レンズを移動させる代わりに、少なくとも１枚の焦点可変レンズを有する構成としてもよい。焦点可変レンズは、弾性体及び液体のいずれか一方を用いてレンズ曲率（つまり、光学面の曲率）を変化させて虚像の表示位置を可変とする。図４Ａに示すように、弾性体を用いたレンズ５１ａは、例えばアクチュエーター８１の作用力を弾性体部５５ａに与えて、弾性体部５５ａの形状を変化させて焦点を変化させる。また、図４Ｂに示すように、液体を用いたレンズ５１ｂは、例えば容器中５６ｃに水（水溶液）及び油の２種類の液体５６ａ，５６ｂと電極５６ｅとが封入された構成となっており、電源部１８１から電極５６ｅに電圧を加えることで、油と水との接する面の形を変えることで屈折力を変化させ、焦点を変化させる。可変焦点光学系５１に焦点可変レンズを用いることで、上述のようなレンズを光軸ＡＸ方向等に移動させる駆動機構を用いずに焦点を変化させることができ、機構の簡素化や小型化が可能となる。

リレー光学系５０は、拡大投影系であり、複数のレンズ又はレンズ群を有する。図３に示す例では、リレー光学系５０は、７枚のレンズで構成されている。リレー光学系５０は、例えば複数のレンズ又はレンズ群のうち表示スクリーンであるコンバイナー２０側に可変焦点光学系５１を有している。リレー光学系５０は、１枚又は２枚からなる可変焦点光学系５１を可動レンズ群として光軸ＡＸ方向等に移動させることで変倍を行う。レンズの構成枚数が少ないことで、可変焦点光学系５１のレンズ重量を軽くすることができる。これにより、可変焦点光学系５１を駆動させる機構を大掛かりなものにする必要がなくなり、装置の大型化や複雑化を防ぐことができる。また、可変焦点光学系５１をプラスチックレンズで構成すれば、さらなる軽量化を図ることができる。

リレー光学系５０は、表示像（虚像）ＩＭの表示位置が最も遠いとき（図３に示す表示像ＩＭ３の位置）のリレー光学系５０の倍率をβ２Ｌとしたとき、以下の条件式（１）を満たす。
０．７５＜β２Ｌ＜２．０ … （１）
条件式（１）は変倍を行うリレー光学系５０の倍率を規定するものである。条件式（１）の値β２Ｌの上限を下回ることにより、アイボックスサイズを確保するためにリレー光学系５０と第３投影光学系６０との間隔を大きくする必要がなくなる。これにより、光学系が大型化せず、最終光学系である第２投影光学系４０（具体的には、第３投影光学系６０の最終面）からドライバーＵＮの瞳位置までの距離が長くなることも防ぐことができる。また、視野角を大きく設定した場合にも最終光学系の径方向のサイズが大きくなりすぎることを防ぐことができる。また、条件式（１）の値β２Ｌの下限を上回ることにより、アイボックスサイズを確保するためのリレー光学系５０のＦ値がリレー光学系５０に負担がかからない程度に比較的大きくなり、光学系の性能を確保することができる。

なお、条件式（１）に関し、以下の式を満たすことがより望ましい。
１．０＜β２Ｌ＜１．６ … （１）'

第３投影光学系６０は、複数のミラーを有している。図示の例では、第３投影光学系６０は、２枚のミラーＭＲ１，ＭＲ２で構成されている。第３投影光学系６０を構成するミラーは、凸面、凹面、又は平面とでき、曲面の場合、球面に限らず、非球面、自由曲面等とすることができる。第３投影光学系６０は、後述するコンバイナー２０と共働して、虚像の拡大投影系を構成する。

図２に示すように、ハウジング１４は、表示光ＨＫを通過させる開口１４ａを有し、この開口１４ａには、フィルム状又は薄板状の光透過部材１５を配置することができる。

コンバイナー２０は、板状の部材であり、観察者であるドライバーＵＮのいる観察側又は座席６（図１Ａ参照）側に設けた第１光学面２１と、反観察側又はフロントウィンドウ８側に設けた第２光学面２２とを有する。第１光学面２１は、凹の曲面であり、非球面又は自由曲面となっている。第２光学面２２は、凸の曲面（観察者側から見た場合には凹の曲面）であり、非球面又は自由曲面となっている。第１光学面２１は、基材である本体層２０ａ上に例えば５〜３０％の反射率を有するハーフミラーコート２０ｂを形成することによって得たものであり、表示光ＨＫを適度に反射しつつ外界光ＧＫを所望の程度に透過させることができる。第２光学面２２には、反射防止膜や保護コートが形成されている。なお、第２光学面２２に反射防止膜等を形成しない場合もある。

図５Ａに示すように、コンバイナー２０で反射された表示光ＨＫは、ドライバーＵＮの瞳ＨＴに導かれる。ここで、表示光ＨＫをコンバイナー２０の背後に延長した虚像光線ＫＫは、ドライバーの瞳ＨＴに対して前方の所定位置に表示像（虚像）ＩＭを形成する。なお、瞳ＨＴからコンバイナー２０までの距離ｄ１は、車体２の仕様によるが例えば０．５〜１ｍ程度としてあり、コンバイナー２０から表示像ＩＭまでの距離ｄ２は、例えば１ｍ程度以上としている。また、視野角は、−１０〜−１５度程度としている。また、図５Ｂに示すアイボックスＳＹは、標準的なドライバーＵＮの瞳ＨＴの位置をカバーするように設定され、例えば横１０〜１５ｃｍ、縦５〜８ｃｍと言ったサイズに設定される。

コンバイナー２０の瞳ＨＴ側に配置されている第１光学面２１は、変倍投影光学系１３を介して表示素子１１に形成された画像を瞳ＨＴに対して表示像ＩＭとして少ない歪みで表示又は投影する。この際、第１光学面２１は、その光学面形状によって歪みのない表示像ＩＭを形成することができる。なお、第２光学面２２に反射防止膜を設けない場合、又は反射防止膜で若干の反射が残る場合、第２光学面２２においても、第１光学面２１を通過して分岐された表示光ＨＫを部分的に反射する。この場合、分岐後に背後の第２光学面２２での反射された表示光（以下便宜上、副表示光と呼ぶ）は、第１光学面２１を通過して瞳ＨＴに入射するので、表示像ＩＭと重畳して２重像を形成する可能性がある。しかしながら、第２光学面２２で反射された副表示光が、元の表示光ＨＫとの関連で表示像ＩＭ上の同一点から射出されるよう進行するならば、表示光ＨＫによる虚像と副表示光よる虚像とが重なって２重像の形成を回避できる。副表示光の進行方向を制御するため、第２光学面２２の曲率又は傾斜角や本体層２０ａの厚さを第１光学面２１を基準として調整すればよい。

以上説明した変倍投影光学系１３又は画像表示装置１００では、第１投影光学系３０によって形成した第１中間像ＴＩ１を表示スクリーンであるコンバイナー２０越しに虚像表示する第２投影光学系４０を備え、この第２投影光学系４０が表示位置を可変とする可変焦点光学系５１を有することにより、第１中間像ＴＩ１の位置を移動させることなく表示像（虚像）ＩＭの表示位置を変化させることができる。これにより、第１中間像ＴＩ１の位置に中間スクリーンｍＳＣその他の光学素子を用いた場合でもかかる光学素子の移動のための大掛かりな機構が不要となり、装置の複雑化や大型化を防ぐことができる。

なお、表示素子１１のサイズを小型にすることで光学系を小型にできれば、装置の小型化が図れるが、その場合、虚像表示を行う際の視野角を確保しようとすると表示素子１１のサイズに対して変倍投影光学系１３で像を拡大投影する拡大倍率が大きくなる。このような拡大倍率が大きい投影を、中間像がない投影光学系で達成しようとすると、ドライバー（観察者）の目が移動しても観察可能である範囲（アイボックス）を大きくすることが困難であり、実際の装置として使用しにくいものになってしまうという問題がある。

これに対し中間像を形成する本実施形態のような光学系では、第１中間像ＴＩ１を挟んだ２つの光学系のそれぞれに拡大倍率を振り分けた投影が可能となるので、アイボックスを広くした光学系が可能となる。また、視野角とアイボックスサイズとの両方を大きくするため、中間像（つまり、第１中間像ＴＩ１）の位置に拡散板等で構成される中間スクリーンｍＳＣを用いることが望ましい。既に説明したように、このような光学系で、第１中間像ＴＩ１に対して表示素子１１側を第１投影光学系３０とし、表示スクリーン側を第２投影光学系４０とした場合、投影距離を可変とするには、どちらかの光学系内又は双方の光学系内に焦点距離を可変とする可変焦点光学系５１を設ける必要がある。

ここで、仮に第１投影光学系３０内に可変焦点光学系５１を設けた場合には、第１中間像ＴＩ１の結像位置が可変焦点光学系５１の焦点距離変動に伴って光軸ＡＸ方向に移動することになる。第１中間像ＴＩ１の位置に中間スクリーンｍＳＣを用いる場合には、中間スクリーンｍＳＣの位置を機械的に動かす必要があり、機構が複雑となり装置の小型化が難しくなる。また、高速に表示距離を変動させて擬似的な３Ｄ虚像表示を得ようとする光学系を考えると、機械的な移動が発生するとスピードに対応できず変倍が追い付かなくなってしまう。これらの問題を解決するため、第１投影光学系３０でなく、第２投影光学系４０内に可変焦点光学系５１を設ける。これにより、第１投影光学系３０でできる第１中間像ＴＩ１の位置を固定したまま変倍が可能となり、中間スクリーンｍＳＣの移動の問題がなくなり、かつ表示像ＩＭの表示位置も可変にできる。

変倍投影光学系１３を備える画像表示装置１００は、自動車等に用いられるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置等に応用される。上述の構成で表示像ＩＭの表示距離を変化させることで、例えばＨＵＤ装置において、ドライバー（観察者）ＵＮが運転中に遭遇する前方の危険事項に対して、実際にその危険がある距離、位置に警告となる像を重ねて表示を行うことができる。これにより、ドライバーＵＮの頭が動くことで目又は瞳ＨＴの位置が動く等しても表示が移動することがなく、ドライバーＵＮに違和感なく自然に情報を伝えることができる。また、最も遠い位置から最も近い位置までの表示距離を１／３０秒以内、さらに望ましくは１／６０秒以内に変化させることができれば、距離を変えた表示像（虚像）ＩＭが、人の目からはほぼ同時の表示に見える。これにより、ドライバーＵＮに距離の違う複数の危険等の情報を同時に伝えることができ、ドライバーＵＮの安全運転を支援することができる。

〔実施例〕
以下、本発明の変倍投影光学系１３の実施例を示す。

（実施例１）
実施例１の変倍投影光学系１３のデータを以下の表１に示す。なお、以下の表１において、変倍投影光学系１３を構成するレンズ群の番号を「m」で表し、各レンズ群の焦点距離を「fm」で表し、表示位置を遠距離とした場合における各レンズ群間の間隔を「dm(LR)」で表し、表示位置を近距離とした場合における各レンズ群間の間隔を「dm(SR)」で表している。また、表示素子を「DD」で表し、中間スクリーンを「mSC」で表している。また、「M」の欄における各レンズ群の間隔「dm」は、最終光学系（つまり、第３投影光学系６０）から瞳ＨＴ（つまり、ドライバーの目の位置）までの距離であり、「N」の欄における間隔「dm」は、瞳ＨＴから虚像の表示位置までの距離である。なお、間隔「dm」については、虚像表示が遠距離のときと近距離のときで、第３及び第４レンズ群間の間隔、並びに第４及び第５レンズ群間の間隔をそれぞれ変えている。本実施例では、遠距離を約５０ｍとし、近距離を約３ｍとしているが、後述する第３及び第４レンズ群間の間隔、並びに第４及び第５レンズ群間の間隔（つまり、第４レンズ群の移動量）を変えると、これらの距離範囲をもっと広くしたり狭くしたりすることができる。また、表には示されていないが、実際の使用時には、虚像を表示するためのコンバイナー２０等である表示スクリーンは、第６レンズ群とドライバーの目（つまり、瞳ＨＴ）との間に配置される。なお、符号「←」は、左側の数値と同じであることを示す。以上のことは、特に説明しなければ、実施例２以降も同様である。
〔表１〕
m fm dm(LR) dm(SR)
DD
52.50 ←
1 45.000
315.00 ←
mSC
120.00 ←
2 120.000
173.33 ←
3 -74.270
16.00 6.00
4 63.903
488.78 498.78
5 -500.000
94.63 ←
6 271.462
M 1499.43 ←
N -50132.33 -2999.58

実施例１の表示素子１１のサイズ及び視野角を以下に示す。
表示素子水平方向サイズ（単位：ｍｍ）：9.86
水平方向視野角（単位：度）：-12.2

本実施例において、条件式（１）の値β２Ｌは１．５倍であり、２群の遠距離投影時におけるＦ値は約３．４２である。その際のアイボックスサイズは画面横方向で約１２７〜１１６ｍｍ確保される。

実施例１の変倍投影光学系１３は、表示素子１１側から順に、第１投影光学系３０と、中間スクリーンｍＳＣと、第２投影光学系４０とから実質的になる。第１投影光学系３０は、第１レンズ群で構成される。第２投影光学系４０は、第２〜第６レンズ群で構成される。ここで、第２投影光学系４０は、第２〜第４レンズ群で構成されるリレー光学系５０と、第５及び第６レンズ群で構成される第３投影光学系６０とからなる。このうちリレー光学系５０の第４レンズ群が可変焦点光学系５１となっている。可変焦点光学系５１である第４レンズ群は、光軸ＡＸ方向に移動することで変倍を行っている。

本実施例では、各レンズ群の焦点距離と各レンズ群間の間隔とを示したが、各レンズ群は、１枚のレンズ又は１枚のミラーで構成してもよいし、複数枚のレンズ又は複数枚のミラーで構成してもよい。さらに、実施例に示していないが、光学系の光路中に光路を折り曲げるミラーを配置することで、光学系全体のサイズを小さくすることもできる。第３投影光学系６０は、少なくとも１枚のミラーで構成するとよい。表示スクリーンであるコンバイナー２０までの光路の取り回し自由度が出るとともに、色収差の発生もないことから、ミラー、特に自由曲面のミラーの構成が望ましい。

また、本実施例では、第２レンズ群を出射する光束がアフォーカルになっているが、特にアフォーカルとする必要はなく、光学系のサイズや各レンズ群の焦点距離、Ｆ値、倍率等の仕様に合わせて望ましい構成に変更可能である。さらに、本実施例では、リレー光学系５０内で焦点距離を変えるために移動させる第４レンズ群について、レンズを移動させる機構への負担を小さくするために、その位置を、リレー光学系５０の瞳位置とほぼ同じになるように設定しているが、設計に際して仕様その他の要素も配慮して異なる位置に設定してもよい。

（実施例２）
実施例２の変倍投影光学系１３のデータを以下の表２に示す。
〔表２〕
m fm dm(LR) dm(SR)
DD
52.00 ←
1 45.000
334.29 ←
mSC
120.00 ←
2 120.000
169.78 ←
3 -67.000
16.00 6.00
4 53.262
348.66 358.66
5 -350.000
62.27 ←
6 190.278
M 1114.94 ←
N -50135.22 -3002.97

実施例２の表示素子１１のサイズ及び視野角を以下に示す。
表示素子１１水平方向サイズ（単位：ｍｍ）：9.86
水平方向視野角（単位：度）：-12.1

本実施例において、条件式（１）の値β２Ｌは１．０倍であり、２群の遠距離投影時におけるＦ値は約２．３１である。その際のアイボックスサイズは画面横方向で約１３５〜１１８ｍｍ確保される。

実施例２の変倍投影光学系１３は、表示素子１１側から順に、第１投影光学系３０と、中間スクリーンｍＳＣと、第２投影光学系４０とから実質的になる。第１投影光学系３０は、第１レンズ群で構成される。第２投影光学系４０は、第２〜第６レンズ群で構成される。ここで、第２投影光学系４０は、第２〜第４レンズ群で構成されるリレー光学系５０と、第５及び第６レンズ群で構成される第３投影光学系６０とからなる。このうちリレー光学系５０の第４レンズ群が可変焦点光学系５１となっている。可変焦点光学系５１である第４レンズ群は、光軸ＡＸ方向に移動することで変倍を行っている。

（実施例３）
実施例３の変倍投影光学系１３のデータを以下の表３に示す。
〔表３〕
m fm dm(LR) dm(SR)
DD
52.05 ←
1 45.000
332.23 ←
mSC
120.00 ←
2 120.000
170.13 ←
3 -68.900
18.00 8.00
4 67.517
562.70 572.70
5 -550.000
223.80 ←
6 403.722
M 2391.83 ←
N -50231.36 -2999.05

実施例３の表示素子１１のサイズ及び視野角を以下に示す。
表示素子１１水平方向サイズ（単位：ｍｍ）：9.86
水平方向視野角（単位：度）：-12.2

本実施例において、条件式（１）の値β２Ｌは２．０倍であり、２群の遠距離投影時におけるＦ値は約４．５４である。その際のアイボックスサイズは画面横方向で約１３７〜１３３ｍｍ確保される。

実施例３の変倍投影光学系１３は、表示素子１１側から順に、第１投影光学系３０と、中間スクリーンｍＳＣと、第２投影光学系４０とから実質的になる。第１投影光学系３０は、第１レンズ群で構成される。第２投影光学系４０は、第２〜第６レンズ群で構成される。ここで、第２投影光学系４０は、第２〜第４レンズ群で構成されるリレー光学系５０と、第５及び第６レンズ群で構成される第３投影光学系６０とからなる。このうちリレー光学系５０の第４レンズ群が可変焦点光学系５１となっている。可変焦点光学系５１である第４レンズ群は、光軸ＡＸ方向に移動することで変倍を行っている。

（実施例４）
実施例４の変倍投影光学系１３のデータを以下の表４に示す。
〔表４〕
m fm dm(LR) dm(SR)
DD
51.90 ←
1 45.000
338.48 ←
mSC
120.00 ←
2 120.000
169.07 ←
3 -63.200
16.00 6.00
4 47.560
244.05 254.05
5 -300.000
80.14 ←
6 168.949
M 917.95 ←
N -50081.85 -2993.93

実施例４の表示素子１１のサイズ及び視野角を以下に示す。
表示素子１１水平方向サイズ（単位：ｍｍ）：9.86
水平方向視野角（単位：度）：-12.2

本実施例において、条件式（１）の値β２Ｌは０．７９倍であり、２群の遠距離投影時におけるＦ値は約１．８５である。その際のアイボックスサイズは画面横方向で約１３６〜１１６ｍｍ確保される。

実施例４の変倍投影光学系１３は、表示素子１１側から順に、第１投影光学系３０と、中間スクリーンｍＳＣと、第２投影光学系４０とから実質的になる。第１投影光学系３０は、第１レンズ群で構成される。第２投影光学系４０は、第２〜第６レンズ群で構成される。ここで、第２投影光学系４０は、第２〜第４レンズ群で構成されるリレー光学系５０と、第５及び第６レンズ群で構成される第３投影光学系６０とからなる。このうちリレー光学系５０の第４レンズ群が可変焦点光学系５１となっている。可変焦点光学系５１である第４レンズ群は、光軸ＡＸ方向に移動することで変倍を行っている。

（実施例５）
実施例５の変倍投影光学系１３のデータを以下の表５に示す。なお、間隔「fm」については、虚像表示が遠距離のときと近距離のときで、第３レンズ群の焦点距離を変えている。本実施例では、遠距離を約５０ｍとし、近距離を約３ｍとしているが、第３レンズ群間の焦点可変範囲を変えると、これらの距離範囲をもっと広くしたり狭くしたりすることができる。また、表には示されていないが、実際の使用時には、虚像を表示するためのコンバイナー２０等である表示スクリーンは、第５レンズ群とドライバーの目との間に配置される。
〔表５〕
m fm(LR) fm(SR) dm(LR) dm(SR)
DD
52.50 ←
1 45.000 ←
315.00 ←
mSC
120.00 ←
2 120.000 ←
173.33 ←
3 180.000 265.000
450.00 ←
4 -500.000 ←
94.63 ←
5 271.462 ←
M 1499.43 ←
N -50132.33 -2991.13

実施例５の表示素子１１のサイズ及び視野角を以下に示す。
表示素子１１水平方向サイズ（単位：ｍｍ）：9.86
水平方向視野角（単位：度）：-12.2

本実施例において、条件式（１）の値β２Ｌは１．５倍であり、２群の遠距離投影時におけるＦ値は約３．４２である。その際のアイボックスサイズは画面横方向で約１２７ｍｍ確保される。

実施例５の変倍投影光学系１３は、表示素子１１側から順に、第１投影光学系３０と、中間スクリーンｍＳＣと、第２投影光学系４０とからなる。第１投影光学系３０は、第１レンズ群で構成される。第２投影光学系４０は、第２〜第５レンズ群で構成される。ここで、第２投影光学系４０は、第２及び第３レンズ群で構成されるリレー光学系５０と、第４及び第５レンズ群で構成される第３投影光学系６０とからなる。このうちリレー光学系５０の第３レンズ群が可変焦点光学系５１となっている。可変焦点光学系５１である第３レンズ群を焦点可変レンズとすることで変倍を行っている。

本実施例では、各レンズ群の焦点距離と各レンズ群間の間隔とを示したが、第３レンズ群以外の各レンズ群は、１枚のレンズ又は１枚のミラーで構成してもよいし、複数枚のレンズ又は複数枚のミラーで構成してもよい。第３レンズ群に用いる焦点可変レンズとしては、例えば液体を弾性体で挟んで封入した液体レンズや弾性体の曲率を変えて焦点を変えるものや、液晶レンズ等の電気的に焦点を変えるもの等が挙げられる。

また、本実施例では、リレー光学系５０内で焦点可変レンズとしている第３レンズ群について、レンズ径を小さくするために、その位置を、リレー光学系５０の瞳位置とほぼ同じになるように設定しているが、設計に際して仕様その他の要素も配慮して異なる位置に設定してもよい。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る変倍投影光学系及びこれを組み込んだ画像表示装置について説明する。なお、第２実施形態の変倍投影光学系等は第１実施形態の変倍投影光学系等を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。

図６Ａ及び６Ｂに示すように、第２実施形態に係る画像表示装置１００の場合、フロントウィンドウ８が薄い中間層１２０を内蔵しており、フロントウィンドウ８の運転席正面に設けた矩形の反射領域８ｄが表示スクリーンとして機能する。

図示の例では、フロントウィンドウ８の内側面が第１光学面２１として機能し、中間層１２０の内側面が第２光学面２２として機能する。この場合、第１光学面２１の形状は、フロントウィンドウ８の内側面の成形や加工によってある程度調整できるが、その調整範囲は狭い。第２光学面２２の形状は、中間層１２０の配置や厚みを調整することによって調整できる。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係る変倍投影光学系及びこれを組み込んだ画像表示装置について説明する。なお、第３実施形態の変倍投影光学系等は第１及び第２実施形態の変倍投影光学系等を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態等と同様である。

図７に示すように、第３実施形態に係る画像表示装置１００の場合、フロントウィンドウ８の運転席正面に設けた矩形の反射領域８ｄ（図６Ａ参照）の内側にスクリーンとしてのコンバイナー部分２２０が貼り付けられている。

図示の例では、コンバイナー部分２２０の内側面が第１光学面２１として機能し、フロントウィンドウ８の外側面が第２光学面２２として機能する。

以上では実施形態に係る変倍投影光学系等について説明したが、本発明に係る変倍投影光学系等は、上記のものには限られない。例えば、第１実施形態において、画像表示装置１００の配置を上下反転させて、フロントウィンドウ８の上部又はサンバイザー位置にコンバイナー２０を配置することもでき、この場合、描画ユニット１０の斜め下方前方にコンバイナー２０が配置される。また、コンバイナー２０は、自動車の従来のミラーに対応する位置に表示できるように配置してもよい。

上記実施形態において、コンバイナー２０の輪郭や、反射領域８ｄの輪郭は、矩形に限らず、様々な形状とすることができる。

図２に示す描画ユニット１０等は、単なる例示であり、変倍投影光学系１３の構成を適宜変更したり、表示素子１１を他の種類の表示素子に置き換えたりすることができる。

上記実施形態において、中間スクリーンｍＳＣは拡散板であるとしたが、中間スクリーンｍＳＣはマイクロレンズアレイであってもよい。この場合、各マイクロレンズの曲率等を制御することで所望の配光角を得ることができ、光利用効率を高くすることができる。

上記実施形態において、第２中間像ＴＩ２を形成する構成としたが、第２中間像ＴＩ２を形成しない構成としてもよい。

図３において、可変焦点光学系５１をリレー光学系５０の表示スクリーン側のレンズ群であるとしたが、光学設計又は仕様に応じて他のレンズ群又はレンズとしてもよい。

図３において、表示像（虚像）ＩＭの表示位置を３か所例示したが、表示像ＩＭが表示される位置は、表示位置の数を含めて適宜設定することができる。また、表示像ＩＭの表示は、位置を変化させて連続的又は断続的に行うことができる。

上記実施形態において、変倍投影光学系１３等によって形成された表示像ＩＭのサイズは、表示像ＩＭの表示距離（又は表示位置）に応じて比例的に変化させるものに限らず、様々なサイズに調整することができる。

Claims

表示素子の画像から第１中間像を形成する第１投影光学系と、
前記第１中間像からの像光を表示スクリーンで反射させることによって当該表示スクリーン越しに虚像を表示する第２投影光学系と、
を備え、
前記第１投影光学系と前記第２投影光学系との間で、前記第１中間像の位置に中間スクリーンを有し、
前記第２投影光学系は、前記虚像の表示位置を可変とする可変焦点光学系を有し、
前記第１投影光学系は、前記可変焦点光学系を有さない、変倍投影光学系。
前記可変焦点光学系は、少なくとも１枚の焦点可変レンズを有し、
前記焦点可変レンズは、弾性体及び液体のいずれか一方を用いてレンズ曲率を変化させて虚像の表示位置を可変とする、請求項１に記載の変倍投影光学系。
前記可変焦点光学系は、少なくとも１枚のレンズを光軸方向、光軸と垂直な面内の垂直方向、並びに前記光軸方向及び前記垂直方向を組合せた方向のいずれかに移動させる、請求項１に記載の変倍投影光学系。
前記中間スクリーンは、拡散板である、請求項１に記載の変倍投影光学系。
前記中間スクリーンは、マイクロレンズアレイである、請求項１に記載の変倍投影光学系。
前記第２投影光学系は、前記第１中間像をリレーするリレー光学系と、前記リレー光学系の前記表示スクリーン側に配置される第３投影光学系とを有し、
前記リレー光学系と前記第３投影光学系との間で第２中間像を形成する、請求項１に記載の変倍投影光学系。
前記可変焦点光学系は、前記リレー光学系内に配置される、請求項６に記載の変倍投影光学系。
前記リレー光学系において、前記虚像の表示位置が最も遠いときの前記リレー光学系の倍率をβ２Ｌとしたとき、以下の条件式を満たす、請求項６及び７のいずれか一項に記載の変倍投影光学系。
０．７５＜β２Ｌ＜２．０ … （１）
前記請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の変倍投影光学系を搭載した画像表示装置。