JP2011128500A - Lens optical system, image display device and head-up display - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レンズ光学系、並びに該レンズ光学系を用いた画像表示装置およびヘッドアップディスプレイに関する。 The present invention relates to a lens optical system, and an image display device and a head-up display using the lens optical system.
従来より、車両のフロントウィンドウの前方に車速などの情報を表示するヘッドアップディスプレイが知られている。運転者は、ヘッドアップディスプレイにより表示された表示画像と車両前方の風景とを重ね合わせてみることにより、車両運転中に視線の移動をあまり行わずに車速などの情報を確認することができる。 2. Description of the Related Art Conventionally, a head-up display that displays information such as a vehicle speed in front of a front window of a vehicle is known. The driver can check information such as the vehicle speed without much moving the line of sight while driving the vehicle by superimposing the display image displayed by the head-up display and the scenery in front of the vehicle.
図1は、従来のヘッドアップディスプレイの一例を示す。このヘッドアップディスプレイは、特許文献1に開示されたものである。図1に示すように、車のダッシュボードに配置される光学ユニット80は、画像表示部である表示器88、平面鏡81、凹面鏡82で構成されている。表示器88の光は、平面鏡81と拡大光学系である凹面鏡82で反射され、出射窓87を通って、フロントウィンドウ101に設けられたコンバイナ102で運転者に向けて反射される。運転者にとっては、前方に表示の虚像103が視認される。 FIG. 1 shows an example of a conventional head-up display. This head-up display is disclosed in Patent Document 1. As shown in FIG. 1, the optical unit 80 arranged on the dashboard of the car includes a display 88 that is an image display unit, a plane mirror 81, and a concave mirror 82. The light from the display 88 is reflected by the plane mirror 81 and the concave mirror 82 that is a magnifying optical system, passes through the exit window 87, and is reflected toward the driver by the combiner 102 provided on the front window 101. For the driver, the displayed virtual image 103 is visually recognized in front.
平面鏡81の役割は、光学ユニット80の空間的制約で、表示器88から凹面鏡82に至る光路を一直線にできない場合の、光路の折り曲げである。 The role of the plane mirror 81 is to bend the optical path when the optical path from the display 88 to the concave mirror 82 cannot be made straight due to the spatial restriction of the optical unit 80.
図2は、凹面鏡82による遠方拡大表示の説明図を示す。表示器88と凹面鏡82(中心点をQとする)の距離をL1、表示器上の点Pの凹面鏡による虚像をP’としたときのQP’の距離をL2、点Qとコンバイナ102の中心の点Rの距離をL3、点Rと運転者の目の位置(点E)の距離をL4とする。 FIG. 2 is an explanatory view of the far-increasing display by the concave mirror 82. The distance between the display 88 and the concave mirror 82 (center point is Q) is L 1 , the distance of QP ′ when the virtual image of the concave mirror at the point P on the display is P ′ is L 2 , the point Q and the combiner 102 The distance between the center point R is L 3 and the distance between the point R and the driver's eye position (point E) is L 4 .
運転者の目の位置(点E)と前方に形成される虚像P”の距離は、L2+L3+L4である。このうち、L3とL4は自動車により決まり、乗用車の場合は、1m程度である。このため、目の焦点移動を行わずに表示と車外風景を視認できるように、より遠方に虚像を表示するためには、L2を大きくする必要がある。 The distance between the driver's eye position (point E) and the virtual image P ″ formed forward is L 2 + L 3 + L 4. Of these, L 3 and L 4 are determined by the car, and in the case of a passenger car, is about 1 m. Therefore, as can view the display and view outside the vehicle without focus movement of the eye, in order to display more virtual image far away, it is necessary to increase the L 2.
L2を大きくする方法の一つは、凹面鏡82の焦点距離を短く(曲率半径を小さく)して表示器88から凹面鏡82に至る光路長L1を、凹面鏡の焦点距離よりも短い状態で、できるだけ焦点距離に近づけることである。これにより、大きな拡大倍率が得られ、表示器88が小さくて済む。 One method of increasing the L 2 is an optical path length L1 extending from the focal length shorter (smaller radius of curvature) to display 88 of the concave mirror 82 to the concave mirror 82 in a short state than the focal length of the concave mirror, as much as possible It is close to the focal length. Thereby, a large enlargement magnification can be obtained, and the display 88 can be small.
別の方法としては、焦点距離の長い(曲率半径の大きい)凹面鏡82を用い、L1を長くとる方法がある。この方法では、低拡大率であっても、表示距離を大きくすることができる。たとえば図3に示す光学ユニットの如く、平面鏡91、92、凹面鏡93を設けて、限られた空間に光路を重複させる構成としている。これにより光学ユニットの小型化を図っている。 Alternatively, (large curvature radius) long focal length using a concave mirror 82, there is a long take ways L 1. With this method, the display distance can be increased even with a low magnification. For example, like the optical unit shown in FIG. 3, plane mirrors 91 and 92 and a concave mirror 93 are provided so that optical paths overlap in a limited space. As a result, the optical unit is miniaturized.
上記において、凹面鏡82は、表示器88に表示された像の虚像を形成すると同時に、虚像を拡大表示するために用いられている。車のダッシュボードはヘッドアップディスプレイ以外の装置を配置する必要がある関係で、ヘッドアップディスプレイの光学系はできるだけ小さいことが望まれている。そのため、小さな表示器が用いられる。しかしながら、運転者にはある程度の大きさの虚像を表示する必要があるため、像を拡大するための光学系として凹面鏡82が必要となる。 In the above description, the concave mirror 82 is used to form a virtual image of the image displayed on the display 88 and at the same time to enlarge and display the virtual image. Since the dashboard of a car needs a device other than the head-up display, it is desired that the optical system of the head-up display is as small as possible. Therefore, a small display is used. However, since it is necessary for the driver to display a virtual image of a certain size, the concave mirror 82 is required as an optical system for enlarging the image.
また、車のフロントウィンドウは車両のデザイン上の制約により曲面であることが多く、そのためにフロントウィンドウで反射された像には歪が生じる。そのため、図4に示すように、この歪を補正するための機能を凹面鏡82に持たせることも行われている。図4は特許文献2に開示されたものである。 In addition, the front window of a car is often a curved surface due to restrictions on the design of the vehicle, which causes distortion in the image reflected by the front window. For this reason, as shown in FIG. 4, the concave mirror 82 is also provided with a function for correcting this distortion. FIG. 4 is disclosed in Patent Document 2.
しかしながら、図1の従来のヘッドアップディスプレイの光学ユニットでは、より遠方に虚像(表示像)を表示するために、光学系の光路長L1を長くしないで、光学系の拡大倍率を大きくすると、光学ユニットを大きくすることなく、表示像をより遠方に表示できるが、表示像の歪み、収差が大きく、視点を変えたときに像の流れが生じるという問題があった。 However, in the conventional head-up display optical unit of Figure 1, in order to display a virtual image (display image) more distant, without lengthening the optical path length L 1 of the optical system, increasing the magnification of the optical system, Although the display image can be displayed farther without enlarging the optical unit, there is a problem that the display image has a large distortion and aberration, and the image flows when the viewpoint is changed.
また、図1乃至図4の従来のヘッドアップディスプレイでは、虚像を形成すると同時に像を拡大表示するために光学ユニット内に凹面鏡を設置するが、フロントウィンドウ等の開口部を透過した太陽光が凹面鏡に入射した場合、凹面鏡で反射した光は集光するため、ヘッドアップでィスプレイ等の装置、その中で特に表示器に損傷を与える可能性があるという問題があった。 In addition, in the conventional head-up display shown in FIGS. 1 to 4, a concave mirror is installed in the optical unit to form a virtual image and display an enlarged image at the same time, but sunlight transmitted through an opening such as a front window is concave mirror. Since the light reflected by the concave mirror is collected when it is incident on the head, there is a problem that there is a possibility of damaging a device such as a display, particularly a display in the head-up.
また、凹面鏡が虚像の形成、拡大光学系としての機能と、フロントウィンドウの曲面であることによる反射像の歪補正の機能とを併せ持っているため、凹面鏡の面積、形状および傾斜角度に設計上の自由度が小さく、互いの機能を両立させることが難しいと共にそれ以外の機能をさらに付加することが難しいという問題があった。そのため、各機能を有する光学部品を別々に設置する必要があるため、光学系を小さくすることができないという問題があった。 In addition, the concave mirror has both the function of forming a virtual image and a magnifying optical system, and the function of correcting the distortion of the reflected image due to the curved surface of the front window. There was a problem that the degree of freedom was small and it was difficult to make the functions compatible with each other and it was difficult to add other functions. For this reason, there is a problem that the optical system cannot be made small because it is necessary to separately install optical components having respective functions.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヘッドアップディスプレイなどの画像表示装置を小型化でき、かつ太陽光による損傷の可能性がないレンズ光学系、並びに該レンズ光学系を用いた画像表示装置およびヘッドアップディスプレイを提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to reduce the size of an image display device such as a head-up display and to prevent damage due to sunlight, and the lens optical system. An object of the present invention is to provide an image display device and a head-up display using the above.
上記課題を解決するために、本発明のある態様のレンズ光学系は、物体側より順に、複数の凸レンズが平面状に配置された第1凸レンズ群と、複数の凸レンズが平面状に配置された第2凸レンズ群と、複数の凸レンズが平面状に配置された第3凸レンズ群と、を備える。第1凸レンズ群、第2凸レンズ群、第3凸レンズ群の順に、凸レンズのレンズ径およびレンズピッチが大きくなるように構成されている。 In order to solve the above problems, in a lens optical system according to an aspect of the present invention, a first convex lens group in which a plurality of convex lenses are arranged in a planar shape and a plurality of convex lenses are arranged in a planar shape in order from the object side. A second convex lens group, and a third convex lens group in which a plurality of convex lenses are arranged in a planar shape. The first convex lens group, the second convex lens group, and the third convex lens group are configured in order of the lens diameter and lens pitch of the convex lens.
この態様によると、物体から放射状に放出された光を受けた第1凸レンズ群の各凸レンズは、各凸レンズの結像点に物体の倒立像を形成する。第2凸レンズ群の各凸レンズは、この各倒立像の光束を受けて、各凸レンズの光軸方向に曲げる。第3凸レンズ群の各凸レンズは、この曲げられた各光束を受け、視点から物体までの光路長よりも遠方に物体の虚像を形成する。第3凸レンズ群の凸レンズのレンズピッチおよび曲率半径を調整することで、虚像を任意の位置に形成することができる。この態様によれば、上述した従来技術のように光学系の光路長を大きくとらなくても、任意の位置に物体の虚像を形成することができるので、ヘッドアップディスプレイなどの画像表示装置を小型化できる。 According to this aspect, each convex lens of the first convex lens group that has received the light emitted radially from the object forms an inverted image of the object at the imaging point of each convex lens. Each convex lens of the second convex lens group receives the light flux of each inverted image and bends it in the optical axis direction of each convex lens. Each convex lens of the third convex lens group receives each bent light beam and forms a virtual image of the object farther than the optical path length from the viewpoint to the object. A virtual image can be formed at an arbitrary position by adjusting the lens pitch and the radius of curvature of the convex lens of the third convex lens group. According to this aspect, a virtual image of an object can be formed at an arbitrary position without increasing the optical path length of the optical system as in the conventional technique described above. Can be
本発明の別の態様は、画像表示装置である。この装置は、画像を表示する画像表示部と、画像表示部からの光を受け、画像の虚像を表示する上述のレンズ光学系と、レンズ光学系の出射光の光路を変更する凸面鏡とを備える。 Another aspect of the present invention is an image display device. The apparatus includes an image display unit that displays an image, the above-described lens optical system that receives light from the image display unit and displays a virtual image of the image, and a convex mirror that changes an optical path of emitted light of the lens optical system. .
この態様によると、小型の画像表示装置を構成できる。このような画像表示装置は、たとえばゲーム機に利用することができる。すなわち、画像表示部で表示した画像よりも遠方に、奥行きのある虚像を形成することにより、ゲームの立体感を演出することができる。 According to this aspect, a small image display device can be configured. Such an image display device can be used for a game machine, for example. In other words, a three-dimensional effect of the game can be produced by forming a virtual image having a depth farther than the image displayed on the image display unit.
また、虚像の形成、拡大と、フロントウィンドウが曲面であることによる歪の補正とをレンズ光学系、凸面鏡とに分けることができるため、凸面鏡に他の機能を持たすことが可能となる。一方向に圧縮した画像を画像表示部に表示し、凸面鏡で画像の伸長を行ってもとに戻す機能を持たせることで、画像表示部および光学系の厚みを薄くすることが可能となり、さらに画像表示装置を小型化できる。 Further, since the formation and enlargement of the virtual image and the correction of distortion due to the curved front window can be divided into the lens optical system and the convex mirror, the convex mirror can have other functions. By displaying the image compressed in one direction on the image display unit and restoring the image even if the image is expanded with a convex mirror, the thickness of the image display unit and the optical system can be reduced. The image display device can be downsized.
本発明のさらに別の態様は、ヘッドアップディスプレイである。このヘッドアップディスプレイは、画像を表示する画像表示部と、画像表示部からの光を受けるレンズ光学系と、レンズ光学系の出射光の光路を変更する凸面鏡と、光路を観察者に向けて反射して、観察者の前方に画像の虚像を表示するコンバイナとを備える。 Yet another embodiment of the present invention is a head-up display. This head-up display includes an image display unit that displays an image, a lens optical system that receives light from the image display unit, a convex mirror that changes the optical path of light emitted from the lens optical system, and a light path that is reflected toward an observer. And a combiner that displays a virtual image of the image in front of the observer.
この態様によると、ヘッドアップディスプレイにおける光学ユニットを小型化することができる。これにより、ダッシュボード内にあまりスペースが確保できない場合であっても、ヘッドアップディスプレイの光学ユニットを収納することが可能となる。 According to this aspect, the optical unit in the head-up display can be reduced in size. This makes it possible to store the optical unit of the head-up display even when there is not enough space in the dashboard.
また、レンズ光学系からの出射光の光路を変更するミラーが凸面鏡であり、フロントウィンドウから入射した太陽光を集光せずに発散するため、太陽光の入射によってヘッドアップディスプレイの部品、特に画像表示部に損傷を与えることを防ぐことができる。 In addition, the mirror that changes the optical path of the light emitted from the lens optical system is a convex mirror, and the sunlight incident from the front window diverges without condensing. It is possible to prevent the display portion from being damaged.
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above-described constituent elements and a representation obtained by converting the expression of the present invention between a method, an apparatus, a system, and the like are also effective as an aspect of the present invention.
本発明によれば、ヘッドアップディスプレイなどの画像表示装置を小型化できるレンズ光学系、並びに該レンズ光学系を用いた画像表示装置およびヘッドアップディスプレイを提供できる。さらには光路変更用のミラーが該レンズ光学系に対して凸面形状にできるため、フロントウィンドウ等の開口部から入射した太陽光が画像表示装置またはヘッドアップディスプレイに入射した際に、太陽光をミラーが集光することにより画像表示部等の部品が損傷するという問題を防ぐことができる。 According to the present invention, it is possible to provide a lens optical system that can downsize an image display device such as a head-up display, and an image display device and a head-up display using the lens optical system. Furthermore, since the mirror for changing the optical path can have a convex shape with respect to the lens optical system, when sunlight incident from an opening such as a front window enters the image display device or the head-up display, the sunlight is mirrored. It is possible to prevent a problem that parts such as the image display unit are damaged by condensing light.
10 レンズ光学系、 12 第1レンズアレイプレート、 14 第2レンズアレイプレート、 20 第1凸レンズ群、 21 第1要素凸レンズ、 22 第2凸レンズ群、 23 第2要素凸レンズ、 24 第3凸レンズ群、 25 第3要素凸レンズ、 30 画像表示部、 32 フロントウィンドウ、 34 コンバイナ、 40 物体、 42 虚像、 52 画像、 54 虚像、 100 ヘッドアップディスプレイ。 10 lens optical system, 12 first lens array plate, 14 second lens array plate, 20 first convex lens group, 21 first element convex lens, 22 second convex lens group, 23 second element convex lens, 24 third convex lens group, 25 Third element convex lens, 30 image display unit, 32 front window, 34 combiner, 40 object, 42 virtual image, 52 image, 54 virtual image, 100 head-up display.
図5は、本発明の実施の形態に係るレンズ光学系10を説明するための図である。図5に示すように、レンズ光学系10は、複数の凸レンズが両面に形成された第1レンズアレイプレート12と第2レンズアレイプレート14とが積層された構造となっている。図5では、第2レンズアレイプレート14の第2外側面14c上に、複数の第2外側凸レンズ14aが配置されている様子が示されている。 FIG. 5 is a diagram for explaining the lens optical system 10 according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the lens optical system 10 has a structure in which a first lens array plate 12 and a second lens array plate 14 in which a plurality of convex lenses are formed on both surfaces are laminated. FIG. 5 shows a state in which a plurality of second outer convex lenses 14 a are arranged on the second outer surface 14 c of the second lens array plate 14.
レンズ光学系10は、第1レンズアレイプレート12の第1外側面12c側である物体側に位置する物体40からの光を受けて、第2レンズアレイプレート14の第2外側面14c側である観察側に位置する観察者44に、虚像42を表示するものである。虚像42は、観察者44の視点から物体40までの光路長よりも遠方に形成される。本実施の形態に係るレンズ光学系10を用いることにより、たとえばヘッドアップディスプレイなどの、観察者に虚像を表示する画像表示装置を構成することができる。 The lens optical system 10 receives light from the object 40 located on the object side which is the first outer surface 12c side of the first lens array plate 12, and is on the second outer surface 14c side of the second lens array plate 14. The virtual image 42 is displayed on the observer 44 located on the observation side. The virtual image 42 is formed farther than the optical path length from the viewpoint of the observer 44 to the object 40. By using the lens optical system 10 according to the present embodiment, an image display device that displays a virtual image to an observer, such as a head-up display, can be configured.
図6は、本実施の形態に係るレンズ光学系10の断面図である。上述したように、レンズ光学系10は、両面に複数の凸レンズが配置された第1レンズアレイプレート12と、第2レンズアレイプレート14とが積層された構造となっている。すなわち、第1レンズアレイプレート12の一方の面である第1外側面12c上には、複数の第1外側凸レンズ12aが規則的に配置されており、他方の面である第1内側面12d上には、複数の第1内側凸レンズ12bが規則的に配置されている。また、第2レンズアレイプレート14の一方の面である第2外側面14c上には、複数の第2外側凸レンズ14aが規則的に配置されており、他方の面である第2内側面14d上には、複数の第2内側凸レンズ14bが規則的に配置されている。第1レンズアレイプレート12と第2レンズアレイプレート14は、第1内側凸レンズ12bと第2内側凸レンズ14bとが対向するように積層されている。 FIG. 6 is a cross-sectional view of the lens optical system 10 according to the present embodiment. As described above, the lens optical system 10 has a structure in which the first lens array plate 12 having a plurality of convex lenses arranged on both surfaces and the second lens array plate 14 are laminated. That is, a plurality of first outer convex lenses 12a are regularly arranged on the first outer surface 12c which is one surface of the first lens array plate 12, and on the first inner surface 12d which is the other surface. The plurality of first inner convex lenses 12b are regularly arranged. A plurality of second outer convex lenses 14a are regularly arranged on the second outer surface 14c, which is one surface of the second lens array plate 14, and on the second inner surface 14d, which is the other surface. A plurality of second inner convex lenses 14b are regularly arranged. The first lens array plate 12 and the second lens array plate 14 are laminated so that the first inner convex lens 12b and the second inner convex lens 14b face each other.
第1外側面12c、第1内側面12d、第2外側面14cおよび第2内側面14d上において、第1外側凸レンズ12a、第1内側凸レンズ12b、第2外側凸レンズ14aおよび第2内側凸レンズ14bは、それぞれ最密充填配列で配置されている。図5には、第2レンズアレイプレート14の第2外側面14c上に、第2外側凸レンズ14aが最密充填配列で配置されている様子が示されている。 On the first outer surface 12c, the first inner surface 12d, the second outer surface 14c, and the second inner surface 14d, the first outer convex lens 12a, the first inner convex lens 12b, the second outer convex lens 14a, and the second inner convex lens 14b are , Each arranged in a close packed arrangement. FIG. 5 shows a state in which the second outer convex lenses 14 a are arranged in a close-packed arrangement on the second outer surface 14 c of the second lens array plate 14.
本実施の形態において、平面状に配置された複数の第1外側凸レンズ12aは、第1凸レンズ群20を構成している。以下においては適宜、第1外側凸レンズ12aを「第1要素凸レンズ21」と称する。 In the present embodiment, the plurality of first outer convex lenses 12 a arranged in a plane form a first convex lens group 20. Hereinafter, the first outer convex lens 12a is appropriately referred to as a “first element convex lens 21”.
また、平面状に配置された第1内側凸レンズ12bと第2内側凸レンズ14bは、同一のレンズ径およびレンズピッチであり、対向する第1内側凸レンズ12bと第2内側凸レンズ14bは、光軸が一致し、且つ凸レンズの表面同士が当接するように配置されている。このように配置された第1内側凸レンズ12bと第2内側凸レンズ14bの1つの組は、1つの凸レンズとして機能する。従って、以下においては適宜、対向する第1内側凸レンズ12bと第2内側凸レンズ14bの組を「第2要素凸レンズ23」として扱う。そして、複数の第2要素凸レンズ23は、第2凸レンズ群22を構成している。 Further, the first inner convex lens 12b and the second inner convex lens 14b arranged in a planar shape have the same lens diameter and lens pitch, and the first inner convex lens 12b and the second inner convex lens 14b facing each other have a single optical axis. In addition, the surfaces of the convex lenses are arranged so as to contact each other. One set of the first inner convex lens 12b and the second inner convex lens 14b arranged in this manner functions as one convex lens. Therefore, in the following, a pair of the first inner convex lens 12b and the second inner convex lens 14b facing each other is appropriately treated as the “second element convex lens 23”. The plurality of second element convex lenses 23 constitute a second convex lens group 22.
また、平面状に配置された複数の第2外側凸レンズ14aは、第3凸レンズ群24を構成している。以下においては適宜、第2外側凸レンズ14aを「第3要素凸レンズ25」と称する。 The plurality of second outer convex lenses 14 a arranged in a plane form a third convex lens group 24. Hereinafter, the second outer convex lens 14a is appropriately referred to as a “third element convex lens 25”.
本実施の形態においては、第1凸レンズ群20、第2凸レンズ群22、第3凸レンズ群24の順に、凸レンズのレンズ径およびレンズピッチが大きくなるように構成されている。すなわち、第1要素凸レンズ21のレンズ径d1<第2要素凸レンズ23のレンズ径d2<第3要素凸レンズ25のレンズ径d3、且つ、第1要素凸レンズ21のレンズピッチp1<第2要素凸レンズ23のレンズピッチp2<第3要素凸レンズ25のレンズピッチp3となるように構成されている。なお、本実施の形態において、レンズピッチとは、最も近接する2つのレンズの中心間の距離である。また、レンズ径とは、レンズとしての機能を有する部分の直径である。 In the present embodiment, the first convex lens group 20, the second convex lens group 22, and the third convex lens group 24 are configured so that the lens diameter and lens pitch of the convex lens increase in this order. That is, the lens diameter d 1 of the first element convex lens 21 <the lens diameter d 2 of the second element convex lens 23 <the lens diameter d 3 of the third element convex lens 25, and the lens pitch p 1 of the first element convex lens 21 <second. The lens pitch p 2 of the element convex lens 23 is smaller than the lens pitch p 3 of the third element convex lens 25. In the present embodiment, the lens pitch is the distance between the centers of the two closest lenses. The lens diameter is a diameter of a portion having a function as a lens.
また、本実施の形態においては、第2凸レンズ群22は、その主平面が第1凸レンズ群20の結像面に位置するように配置されている。第2凸レンズ群22の主平面とは、各第2要素凸レンズ23における第1内側凸レンズ12bと第2内側凸レンズ14bとの接点が位置している平面である。第1凸レンズ群20の結像面とは、各第1要素凸レンズ21の結像点が位置している平面である。後述するように、このような位置に第2凸レンズ群22を配置することにより、物体からの光束を好適に曲げ、物体よりも遠方に虚像を形成することができる。また、第1凸レンズ群20に対する第3凸レンズ群24の位置は、後述するように、物体から第1凸レンズ群20までの距離に応じて設定される。 Further, in the present embodiment, the second convex lens group 22 is arranged such that its main plane is located on the image plane of the first convex lens group 20. The main plane of the second convex lens group 22 is a plane on which the contact point between the first inner convex lens 12b and the second inner convex lens 14b in each second element convex lens 23 is located. The imaging plane of the first convex lens group 20 is a plane on which the imaging point of each first element convex lens 21 is located. As will be described later, by arranging the second convex lens group 22 at such a position, the light beam from the object can be favorably bent, and a virtual image can be formed farther than the object. The position of the third convex lens group 24 with respect to the first convex lens group 20 is set according to the distance from the object to the first convex lens group 20, as will be described later.
第1レンズアレイプレート12および第2レンズアレイプレート14は、射出成形により形成される。第1レンズアレイプレート12および第2レンズアレイプレート14の材質は、射出成形に使用可能で、必要な波長帯域の光に対して光透過性が高く、吸水性の低いものが望ましい。望ましい材質としては、シクロオレフィン系樹脂や、オレフィン系樹脂、ノルボルネン系樹脂、ポリカーボネートなどを例示することができる。 The first lens array plate 12 and the second lens array plate 14 are formed by injection molding. The material of the first lens array plate 12 and the second lens array plate 14 is preferably one that can be used for injection molding, has high light transmittance with respect to light in a necessary wavelength band, and low water absorption. Examples of desirable materials include cycloolefin resins, olefin resins, norbornene resins, and polycarbonates.
図7(a)〜(c)は、本実施の形態に係るレンズ光学系10の動作を説明するための図である。図7(a)は、物体「F」を距離Dだけ離れた位置から両眼で観察すると、観察者は、物体を距離Dの位置に確認できることを示している。 FIGS. 7A to 7C are diagrams for explaining the operation of the lens optical system 10 according to the present embodiment. FIG. 7A shows that when the object “F” is observed with both eyes from a position separated by the distance D, the observer can confirm the object at the position of the distance D.
ここで、図7(b)に示すように、物体と観察者の視点との間にレンズ径およびレンズピッチの異なる第1凸レンズ群20と第3凸レンズ群24を所望の間隔で配置し、物体からの光を、第1凸レンズ群20の各第1要素凸レンズ21から放射される光束に分けて考える。ここで、第1凸レンズ群20と第3凸レンズ群24との間隔は、物体から放射される光束が、角度変化なく第3凸レンズ群24から出射し、物体から第1凸レンズ群20の個々の第1要素凸レンズ21に張った光線角度(放射角度)に整合するように決める。 Here, as shown in FIG. 7B, the first convex lens group 20 and the third convex lens group 24 having different lens diameters and lens pitches are arranged at a desired interval between the object and the observer's viewpoint, and the object Are divided into luminous fluxes emitted from the first element convex lenses 21 of the first convex lens group 20. Here, the distance between the first convex lens group 20 and the third convex lens group 24 is such that the light beam radiated from the object is emitted from the third convex lens group 24 without any change in angle, and the first convex lens group 20 is individually separated from the object. It is determined so as to match the light ray angle (radiation angle) stretched on the one-element convex lens 21.
図7(b)のような構成の場合、物体から放射状に放出された光を受けた第1凸レンズ群20の各第1要素凸レンズ21は、各第1要素凸レンズ21の結像点に倒立像(要素画像とも呼ぶ)を形成する。第3凸レンズ群24の各第3要素凸レンズ25は、この各要素画像の各光束を受けて、観察者に向けて放出する。観察者がこのような放射光線を両眼で観察すると、物体は、観察者の視点から距離Dの位置に反転して視認できる。 In the case of the configuration as shown in FIG. 7B, each first element convex lens 21 of the first convex lens group 20 that has received light emitted radially from the object is an inverted image at the imaging point of each first element convex lens 21. (Also referred to as an elemental image). Each third element convex lens 25 of the third convex lens group 24 receives each light flux of each element image and emits it toward the observer. When the observer observes such a radiation beam with both eyes, the object can be visually recognized by inverting the position of the distance D from the viewpoint of the observer.
次いで、図7(c)に示すように、第1凸レンズ群20と第3凸レンズ群24の間に、第1凸レンズ群20よりレンズ径およびレンズピッチが大きく、第3凸レンズ群24よりレンズ径およびレンズピッチが小さく、しかも第1凸レンズ群20、第3凸レンズ群24よりも屈折力の大きな第2凸レンズ群22を追加する。第2凸レンズ群22は、上述したように、その主平面が第1凸レンズ群20の結像面に位置するように配置される。 Next, as shown in FIG. 7C, the lens diameter and the lens pitch are larger between the first convex lens group 20 and the third convex lens group 24 than the first convex lens group 20, and the lens diameter and the lens pitch are larger than those of the third convex lens group 24. A second convex lens group 22 having a small lens pitch and a larger refractive power than the first convex lens group 20 and the third convex lens group 24 is added. As described above, the second convex lens group 22 is arranged such that its main plane is located on the image plane of the first convex lens group 20.
第2凸レンズ群22の各第2要素凸レンズ23は、各要素画像の結像に寄与した各光束を、各第2要素凸レンズ23の光軸方向に曲げる。このように第2凸レンズ群22の各第2要素凸レンズ23により光束が曲げられることにより、観察者は、曲げられた光束の視点から反対方向の延長線上に、虚像である観察像を視認できる。第3凸レンズ群24のレンズピッチおよび第3要素凸レンズ25の曲率半径を調整することで、観察像を任意の位置D’に結像させることができる。もちろん、物体と第1凸レンズ群20の距離Eを変更することにより、観察像の倍率を変化させることができる。 Each second element convex lens 23 of the second convex lens group 22 bends each light flux contributing to the image formation of each element image in the optical axis direction of each second element convex lens 23. As described above, the light beam is bent by the second element convex lenses 23 of the second convex lens group 22, so that the observer can visually recognize the observation image which is a virtual image on the extension line in the opposite direction from the viewpoint of the bent light beam. By adjusting the lens pitch of the third convex lens group 24 and the radius of curvature of the third element convex lens 25, an observation image can be formed at an arbitrary position D '. Of course, the magnification of the observation image can be changed by changing the distance E between the object and the first convex lens group 20.
つまり、第1凸レンズ群20により、高品位な倒立像を形成し、第3凸レンズ群24のレンズピッチ、曲率半径、および第2凸レンズ群22と第3凸レンズ群24の位置を調整して、倒立像を読み出すことで、任意の位置に虚像を結像することが可能となり、視差と視度の両立を図ることができる。 That is, the first convex lens group 20 forms a high-quality inverted image, and the lens pitch and the radius of curvature of the third convex lens group 24 and the positions of the second convex lens group 22 and the third convex lens group 24 are adjusted. By reading out the image, a virtual image can be formed at an arbitrary position, and both parallax and diopter can be achieved.
このように、本実施の形態に係るレンズ光学系10によれば、物体と第1凸レンズ群20との距離Eを大きくとらなくても、任意の位置に物体の虚像を形成することができるので、ヘッドアップディスプレイなどの画像表示装置を小型化できる。 Thus, according to the lens optical system 10 according to the present embodiment, a virtual image of an object can be formed at an arbitrary position without increasing the distance E between the object and the first convex lens group 20. In addition, an image display device such as a head-up display can be downsized.
図8は、本実施の形態に係るレンズ光学系10を用いたヘッドアップディスプレイ100を説明するための図である。このヘッドアップディスプレイ100は、画像表示部30と、上述したレンズ光学系10と、光学系からの出射光の光路を変更する凸面鏡33と、コンバイナ34とを備える。レンズ光学系10、画像表示部30および凸面鏡33はヘッドアップディスプレイ100の光学ユニットを構成し、たとえば車両のダッシュボード内に収納される。 FIG. 8 is a diagram for explaining a head-up display 100 using the lens optical system 10 according to the present embodiment. The head-up display 100 includes an image display unit 30, the above-described lens optical system 10, a convex mirror 33 that changes the optical path of light emitted from the optical system, and a combiner 34. The lens optical system 10, the image display unit 30, and the convex mirror 33 constitute an optical unit of the head-up display 100, and are accommodated in, for example, a dashboard of a vehicle.
画像表示部30は、たとえば液晶ディスプレイで構成され、図示しない画像処理部からの信号に基づいて、車速、燃料残量などの情報を画像52として表示する。 The image display unit 30 is composed of, for example, a liquid crystal display, and displays information such as the vehicle speed and the remaining fuel amount as an image 52 based on a signal from an image processing unit (not shown).
レンズ光学系10は、第1レンズアレイプレート12の第1外側面12cが画像表示部30の表面と対向するように配置される。画像表示部30から出射された光は、第1凸レンズ群20に入射した後、第2凸レンズ群22を通って第3凸レンズ群24より出射される。 The lens optical system 10 is disposed so that the first outer surface 12 c of the first lens array plate 12 faces the surface of the image display unit 30. The light emitted from the image display unit 30 enters the first convex lens group 20, then passes through the second convex lens group 22 and is emitted from the third convex lens group 24.
レンズ光学系10から出射した光束をフロントウィンドウ32に対して所定の入射角、たとえば45度の入射角で入射するようにするために、凸面鏡33が配置される。図1の従来のヘッドアップディスプレイの光学ユニットでは、光路を変更するミラーが虚像を形成し、拡大するために凹面鏡になるのに対し、本発明においてはレンズ光学系10が画像表示部30に表示された画像の虚像を形成し、拡大する機能を有しているため、凸面鏡33にはフロントウィンドウ32の曲面によって歪む反射像を補正する機能のみが求められるため、凸面鏡となっている。 A convex mirror 33 is disposed so that the light beam emitted from the lens optical system 10 enters the front window 32 at a predetermined incident angle, for example, an incident angle of 45 degrees. In the optical unit of the conventional head-up display of FIG. 1, the mirror that changes the optical path forms a virtual image and becomes a concave mirror to enlarge, whereas in the present invention, the lens optical system 10 displays on the image display unit 30. Since the convex mirror 33 has a function of forming and enlarging a virtual image of the generated image, the convex mirror 33 is only required to correct a reflected image distorted by the curved surface of the front window 32, and thus is a convex mirror.
コンバイナ34は、フロントウィンドウ32の表面に形成された反射膜であり、レンズ光学系10から出射された光を運転者50に向けて反射する。運転者は、視点からコンバイナ34までの光路の延長線上に、画像52の虚像54を視認することができる。 The combiner 34 is a reflective film formed on the surface of the front window 32 and reflects the light emitted from the lens optical system 10 toward the driver 50. The driver can visually recognize the virtual image 54 of the image 52 on the extension line of the optical path from the viewpoint to the combiner 34.
ここで、画像表示部30からレンズ光学系10の第1凸レンズ群20までの距離をD1、レンズ光学系10の第3凸レンズ群24から凸面鏡33までの距離をD2、凸面鏡33からコンバイナ34までの距離をD3、コンバイナ34から運転者50の視点までの距離をD4、コンバイナ34から虚像54までの距離をD5とする。このとき、運転者50の視点から画像52までの光路長は、D1+D2+D3+D4である。また、運転者50の視点から虚像54までの光路長は、D4+D5である。本実施の形態に係るレンズ光学系10は、図7において説明したのと同様に、運転者50の視点から虚像54までの光路長D4+D5を、運転者50の視点から画像52までの光路長D1+D2+D3+D4よりも長くすることができる。 Here, the distance from the image display unit 30 to the first convex lens group 20 of the lens optical system 10 is D1, the distance from the third convex lens group 24 of the lens optical system 10 to the convex mirror 33 is D2, and the distance from the convex mirror 33 to the combiner 34 is The distance is D3, the distance from the combiner 34 to the viewpoint of the driver 50 is D4, and the distance from the combiner 34 to the virtual image 54 is D5. At this time, the optical path length from the viewpoint of the driver 50 to the image 52 is D1 + D2 + D3 + D4. Further, the optical path length from the viewpoint of the driver 50 to the virtual image 54 is D4 + D5. In the lens optical system 10 according to the present embodiment, the optical path length D4 + D5 from the viewpoint of the driver 50 to the virtual image 54 and the optical path length D1 + D2 + D3 + D4 from the viewpoint of the driver 50 to the image 52 are the same as described in FIG. Can be longer.
運転者50が車両前方の風景と虚像54とを重ね合わせて視認することができるように、虚像54は、車両前方の出来るだけ遠方に形成されることが好ましい。たとえば、コンバイナ34から虚像54までの距離D5は、1m程度を確保することが望ましい。図3に示すような従来のヘッドアップディスプレイの光学ユニットでは、コンバイナから虚像までの距離を1m確保するためには、画像から凹面鏡までの光路長を1m確保する必要があった。この場合、光学ユニットを小型化することは難しい。しかしながら、本実施の形態に係るレンズ光学系10を用いてヘッドアップディスプレイ100を構成することにより、距離D1+D2+D3を距離D4よりも小さくすることができる。従って、光学ユニット内においてそれほど大きな光路長を確保する必要がないため、光学ユニットを小型化することができる。 The virtual image 54 is preferably formed as far as possible in front of the vehicle so that the driver 50 can visually recognize the scenery in front of the vehicle and the virtual image 54 superimposed on each other. For example, it is desirable to secure a distance D5 from the combiner 34 to the virtual image 54 of about 1 m. In the optical unit of the conventional head-up display as shown in FIG. 3, in order to secure 1 m from the combiner to the virtual image, it is necessary to secure 1 m of the optical path length from the image to the concave mirror. In this case, it is difficult to reduce the size of the optical unit. However, the distance D1 + D2 + D3 can be made smaller than the distance D4 by configuring the head-up display 100 using the lens optical system 10 according to the present embodiment. Therefore, it is not necessary to secure a very long optical path length in the optical unit, and the optical unit can be downsized.
また、図9(a)に示す通り、従来の光学ユニットでは光路を変更するミラーが凹面鏡となっているため、フロントウィンドウから光学ユニットに入射する太陽光が凹面鏡にて集光され、画像表示部を損傷してしまうのに対し、本発明の光学ユニットにおいては設置されるミラーが凸面鏡であるため、図9(b)に示すとおりフロントウィンドウから光学ユニットに入射する太陽光がミラーによって集光されないため、画像表示部の損傷を防ぐことができる。 In addition, as shown in FIG. 9A, in the conventional optical unit, the mirror that changes the optical path is a concave mirror, so that the sunlight incident on the optical unit from the front window is condensed by the concave mirror, and the image display unit In contrast, in the optical unit of the present invention, the mirror installed is a convex mirror, so that sunlight incident on the optical unit from the front window is not collected by the mirror as shown in FIG. 9B. Therefore, damage to the image display unit can be prevented.
また、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ100によれば、非常に簡易な構成により、画像表示部30に表示された画像52の奥行き画像である虚像54を構成できる。奥行き感のある画像を形成する装置としては、従来より、映像投影系の結像位置にレンチキュラスクリーンを配置し、両眼視差を含んだ画像をそれぞれ左右の眼に空間的に分離して提示する装置が開示されている。しかしながら、このような装置では、両眼視差を含んだ左右の画像を観察者の頭の中で合成して奥行き感を得るものであるので、奥行き感のある画像を認識するのに疲労感を伴ってしまう。しかしながら、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ100では、両眼視差を含んだ左右の画像を観察者の頭の中で合成するような作業は必要なく、容易に奥行き感のある虚像54を視認できるため、観察者が疲労感を感じることはない。 Moreover, according to the head-up display 100 according to the present embodiment, the virtual image 54 that is the depth image of the image 52 displayed on the image display unit 30 can be configured with a very simple configuration. As a device for forming an image with a sense of depth, a lenticular screen is conventionally arranged at the image forming position of the video projection system, and images including binocular parallax are spatially separated and presented to the left and right eyes, respectively. An apparatus is disclosed. However, in such an apparatus, the left and right images including the binocular parallax are synthesized in the observer's head to obtain a sense of depth, so that it is not easy to recognize an image with a sense of depth. It will accompany. However, in the head-up display 100 according to the present embodiment, it is not necessary to synthesize the left and right images including binocular parallax in the observer's head, and the virtual image 54 with a sense of depth can be easily visually recognized. Because it can, the observer will not feel tired.
次に凸面鏡にフロントウィンドウの曲面による歪の補正以外の機能を付加した、他の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ200につて説明する。 Next, a head-up display 200 according to another embodiment in which functions other than correction of distortion due to the curved surface of the front window are added to the convex mirror will be described.
図10は、図8に示した光学系において、画像表示部30に表示される画像を紙面の上下方向(ヘッドアップディスプレイの高さ方向)に圧縮して表示する場合を示している。画像表示部30に表示する画像を1方向、特にヘッドアップディスプレイの高さ方向に圧縮することにより、表示に必要な画像表示部の高さを低くすることができる。また、虚像形成に必要な光学系10の幅(紙面の上下方向)も画像表示部に合わせて小さくすることができるため、光学系の高さを低くすることができ、もってヘッドアップディスプレイを薄くすることができる。 FIG. 10 shows a case where the image displayed on the image display unit 30 is compressed and displayed in the vertical direction of the paper (the height direction of the head-up display) in the optical system shown in FIG. By compressing the image displayed on the image display unit 30 in one direction, particularly in the height direction of the head-up display, the height of the image display unit necessary for display can be reduced. In addition, since the width of the optical system 10 (vertical direction on the paper surface) necessary for forming the virtual image can be reduced in accordance with the image display unit, the height of the optical system can be reduced, and the head-up display can be made thin. can do.
図10においては、ヘッドアップディスプレイの高さ方向に圧縮された画像は凸面鏡33によって高さ方向に伸長され、所定の縦横比率を有する画像に変換される。したがって、視認できる虚像は圧縮された像ではなく、圧縮前のもとの像となる。 In FIG. 10, the image compressed in the height direction of the head-up display is expanded in the height direction by the convex mirror 33 and converted into an image having a predetermined aspect ratio. Therefore, the visible virtual image is not a compressed image but an original image before compression.
また、画像の圧縮は上記のように画像表示部に表示される画像で行ってもよいが、図10に示したように画像表示部30の出射側にシリンドリカルレンズ62を設置することによって行ってもよい。また、画像表示部30およびシリンドリカルレンズ62の両方で画像の圧縮を行ってもよい。 Further, the image may be compressed by the image displayed on the image display unit as described above. However, as shown in FIG. 10, the image compression may be performed by installing a cylindrical lens 62 on the emission side of the image display unit 30. Also good. Further, the image may be compressed by both the image display unit 30 and the cylindrical lens 62.
ヘッドアップディスプレイにおける虚像を明るくするためには、図10において示したように、画像表示部30のすぐ近くにシリンドリカルレンズ62を配置することが望ましい。シリンドリカルレンズ62を配置することによって、レンズ光学系10に画像表示部30から出射された光をより多く到達させることが可能となり、もってヘッドアップディスプレイでの像を明るくすることができる。 In order to brighten the virtual image in the head-up display, it is desirable to arrange the cylindrical lens 62 in the immediate vicinity of the image display unit 30 as shown in FIG. By disposing the cylindrical lens 62, it becomes possible to make more light emitted from the image display unit 30 reach the lens optical system 10, and thus the image on the head-up display can be brightened.
以上、フロントウィンドウの曲面による像の歪を補正するために、光路を変更するミラーを凸面鏡33とした場合を説明した。しかしながら、図11に示すように、フロントウィンドウの曲率による像の歪に対応した像を画像処理して画像表示部に表示することにより、光路を変更するミラーを凸面鏡ではなく、平面鏡36とすることができる。平面鏡36とすることでミラーの作製が容易となり、ヘッドアップディスプレイのコストを下げることができる。また、平面鏡を用いた場合においてもフロントウィンドウから入射した太陽光を集光することがないので、画像表示部に損傷を与えることを防止することができる。
The case where the mirror that changes the optical path is the convex mirror 33 has been described above in order to correct the distortion of the image due to the curved surface of the front window. However, as shown in FIG. 11, an image corresponding to the distortion of the image due to the curvature of the front window is processed and displayed on the image display unit, so that the mirror that changes the optical path is not a convex mirror but a plane mirror 36. Can do. By using the plane mirror 36, the mirror can be easily manufactured, and the cost of the head-up display can be reduced. Further, even when a plane mirror is used, sunlight incident from the front window is not collected, so that it is possible to prevent the image display unit from being damaged.
Claims (6)
前記第1凸レンズ群、前記第2凸レンズ群、前記第3凸レンズ群の順に、前記凸レンズのレンズ径およびレンズピッチが大きくなるように構成されていることを特徴とするレンズ光学系。 In order from the object side, a first convex lens group in which a plurality of convex lenses are arranged in a plane, a second convex lens group in which a plurality of convex lenses are arranged in a plane, and a third convex lens in which a plurality of convex lenses are arranged in a plane. A group,
A lens optical system, wherein a lens diameter and a lens pitch of the convex lens increase in order of the first convex lens group, the second convex lens group, and the third convex lens group.
前記画像表示部からの光を受け、前記画像の虚像を表示する請求項1記載のレンズ光学系と、
前記レンズ光学系の出射光の光路を変更する凸面鏡と、
を備えることを特徴する画像表示装置。 An image display unit for displaying an image;
The lens optical system according to claim 1, which receives light from the image display unit and displays a virtual image of the image;
A convex mirror that changes the optical path of the emitted light of the lens optical system;
An image display device comprising:
前記画像を圧縮した方向と同じ方向に曲げられた前記凸面鏡と、
を備えることを特徴とする請求項2記載の画像表示装置。 The image display unit for displaying an image compressed in one direction;
The convex mirror bent in the same direction as the compressed direction of the image;
The image display apparatus according to claim 2, further comprising:
前記画像表示部からの光を受ける請求項1記載のレンズ光学系と、
前記レンズ光学系の出射光の光路を変更する凸面鏡と、
前記凸面鏡からの光を観察者に向けて反射して、観察者の前方に前記画像の虚像を表示するコンバイナと、
を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ。 An image display unit for displaying an image;
The lens optical system according to claim 1, which receives light from the image display unit;
A convex mirror that changes the optical path of the emitted light of the lens optical system;
A combiner that reflects light from the convex mirror toward the viewer and displays a virtual image of the image in front of the viewer;
A head-up display comprising:
前記画像を圧縮した方向と同じ方向に曲げられた前記凸面鏡と、
を備えることを特徴とする請求項4記載のヘッドアップディスプレイ。 The image display unit for displaying an image compressed in one direction;
The convex mirror bent in the same direction as the compressed direction of the image;
The head-up display according to claim 4, further comprising:
前記シリンドリカルレンズによって前記光が曲げられる方向に曲げられた前記凸面鏡と、
を備えることを特徴とする請求項4記載のヘッドアップディスプレイ。 A cylindrical lens that bends light emitted from the image display unit in one direction;
The convex mirror bent in a direction in which the light is bent by the cylindrical lens;
The head-up display according to claim 4, further comprising:
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