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WO2017061041A1 - 投影光学系及びヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

投影光学系及びヘッドアップディスプレイ装置 Download PDF

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Publication number
WO2017061041A1
WO2017061041A1 PCT/JP2015/078794 JP2015078794W WO2017061041A1 WO 2017061041 A1 WO2017061041 A1 WO 2017061041A1 JP 2015078794 W JP2015078794 W JP 2015078794W WO 2017061041 A1 WO2017061041 A1 WO 2017061041A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
virtual image
optical system
filter
plane
head
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2015/078794
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
谷津　雅彦
平田　浩二
一臣 金子
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Maxell Ltd
Hitachi Industry and Control Solutions Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Industry and Control Solutions Co Ltd
Hitachi Maxell Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Industry and Control Solutions Co Ltd, Hitachi Maxell Ltd filed Critical Hitachi Industry and Control Solutions Co Ltd
Priority to PCT/JP2015/078794 priority Critical patent/WO2017061041A1/ja
Publication of WO2017061041A1 publication Critical patent/WO2017061041A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K35/00—Instruments specially adapted for vehicles; Arrangement of instruments in or on vehicles
    • B60K35/20—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor
    • B60K35/21—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor using visual output, e.g. blinking lights or matrix displays
    • B60K35/213—Virtual instruments
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K35/00—Instruments specially adapted for vehicles; Arrangement of instruments in or on vehicles
    • B60K35/20—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor
    • B60K35/21—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor using visual output, e.g. blinking lights or matrix displays
    • B60K35/23—Head-up displays [HUD]
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays

Definitions

  • the present invention relates to a projection optical system and a head-up display device using the same, and particularly to a projection optical system that projects an image on a windshield and observes the image as a virtual image through the windshield because it is an automobile or an aircraft.
  • the present invention relates to a head-up display device using the above.
  • Patent Document 1 discloses “a transmissive liquid crystal display panel, a backlight that irradiates light from behind to the liquid crystal display panel, and projection optics that enlarges and projects an image displayed on the liquid crystal display panel.
  • the projection optical system includes a relay lens and a projection lens (an eyepiece optical system), which is configured to efficiently use telecentric display light by satisfying several conditions.
  • the image displayed on the liquid crystal display panel is enlarged to form a real image, and the projection lens further enlarges the real image and projects it onto the windshield of the automobile to display a virtual image to the driver (summary). (Excerpt) ”is disclosed.
  • the values of various instruments such as a speedometer, a tachometer, a water temperature gauge, and a fuel gauge are displayed as virtual images 2 meters ahead of the driver.
  • the difference between the line-of-sight direction in which the values of various instruments are viewed as virtual images and the foreground line-of-sight direction viewed by the driver is reduced, so that the time required for line-of-sight movement between the two line-of-sight directions can be reduced.
  • the distance to the virtual image (2m ahead) is closer to the foreground that the driver is looking at than the distance to see various instruments directly. It is also possible to reduce the time required for focusing the eye between the state in which the subject is in focus and the state in which the virtual image is in focus.
  • the driver's foreground is not a two-dimensional plane but a three-dimensional space, displaying information on objects with different distances from the driver's eyes on the same virtual image plane There is a problem that the line-of-sight distance differs from the displayed information, and it still takes time to focus the eyes.
  • Patent Document 2 states that “the first screen and the second screen are arranged at different positions on the optical path, thereby forming respective virtual images at different distances from the driver, and arranging the variable focus lens.
  • the image light is focused on the first screen or the second screen, and the variable focus lens can be a liquid lens for changing the focal length separately from the projection lens or the laser light and the curvature can be changed.
  • An arrangement that drives a concave mirror that is configured is disclosed.
  • JP 2009-229552 A Japanese Patent Laying-Open No. 2015-034919
  • the image light displayed on the liquid crystal display panel is mapped as a real image (Ir in FIG. 2 of Patent Document 1) by the relay optical system, and the eyepiece optical system (in FIG.
  • the virtual image (Iv in the figure) is observed through L1).
  • the image light (plane) on the liquid crystal display panel is mapped to the real image Ir (plane), and the real image Ir (plane) is mapped to the virtual image Iv (plane).
  • the driver's foreground is not a two-dimensional plane but a three-dimensional space. Then, the line-of-sight direction from the driver who got on the car (own vehicle) and the distance to the driver will be described with reference to FIG.
  • the range of the field of view as the foreground seen by the driver of the vehicle 101 is close to the foreground vehicle 102 running ahead, the road surface 105 in front of it (for example, whether there is no fallen object on the road surface), or the edge of the road.
  • the line-of-sight direction 103 for viewing the preceding vehicle 102 running forward is a direction in which the line of sight is slightly lowered from the direction in front of the vehicle, but the line-of-sight direction 104 for viewing the road surface 105 on the road is further in the direction in which the line of sight is lowered. Become. Thus, it can be seen that the object to which the driver should pay attention during driving differs in distance to the object depending on the line-of-sight direction.
  • the distance to the object being watched while driving and the distance to the virtual image displayed at that time are made closer to focus the eyes. It is important to reduce time.
  • a virtual image is formed at different distances from the driver, but the screen is selected according to the display content and variable according to the selected screen. It is indispensable to perform focusing with a focusing lens at high speed. Furthermore, as a variable focus lens, “a liquid lens that changes the liquid interface of the liquid sealed in the container” or “with a concave mirror that can change the curvature” is used, and the large-sized head-up display device. And cost increases. Furthermore, since the head-up display device is used in an automobile, vibration during driving is transmitted to the head-up display device.
  • a movable part such as a variable focus lens, there is a concern that vibration during operation affects the movable part and the focus is not sufficiently achieved.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a projection optical system and a head-up display capable of simultaneously displaying virtual images at different viewpoint distances while reducing the influence of vibration during driving of an automobile. To do.
  • a projection optical system includes a projection optical system including an eyepiece optical system that displays a virtual image by reflecting light emitted from an image forming unit that emits light including image information.
  • the eyepiece optical system includes at least a spherical lens, a free-form surface lens, and a free-form surface mirror, and in the space on the eyepiece optical system side of a surface conjugate with a virtual image plane with respect to the eyepiece optical system, Realizing the first focal position movement, the first filter on which the separated light of the light emitted from the image forming unit is incident, and the second focal position movement shorter than the first focal position movement,
  • the second filter on which the separated light of the light emitted from the image forming unit is incident is arranged side by side along the conjugate plane.
  • the head-up display device includes an image forming unit that emits light including image information, and the projection optical system.
  • the principal part enlarged view of the eyepiece optical system of 1st Embodiment The perspective enlarged view of the lens part of the eyepiece optical system concerning a 1st embodiment.
  • the enlarged view of the separation optical path concerning a 1st embodiment The figure which shows the lens data of the eyepiece optical system which concerns on 1st Embodiment.
  • the figure of the free-form surface coefficient of the eyepiece optical system concerning a 1st embodiment The figure showing the distortion performance for every separation optical path concerning a 1st embodiment
  • Spot diagram of the eyepiece optical system of the first embodiment It is a whole ray figure of the eyepiece optical system of a 2nd embodiment, (a) expresses a mode that image information on a virtual image plane is seen with a driver's eye in YZ plane, and (b) shows a virtual image plane in XZ plane. This shows how the video information is viewed with the driver's eyes.
  • the principal part enlarged view of the eyepiece optical system of 2nd Embodiment The perspective enlarged view of the lens part of the eyepiece optical system concerning a 2nd embodiment.
  • the enlarged view of the separation optical path concerning a 2nd embodiment The figure which shows the lens data of the eyepiece optical system which concerns on 2nd Embodiment.
  • the figure of the free-form surface coefficient of the eyepiece optical system concerning a 2nd embodiment The figure showing the distortion performance for every separation optical path concerning a 2nd embodiment
  • Spot diagram of eyepiece optical system of second embodiment Schematic configuration diagram of head-up display device Diagram explaining the difference between the driver's visual field direction and the distance Diagram explaining mapping relationship between object distance and image distance Diagram explaining mapping relationship in real image optical system and action of step filter Diagram explaining the mapping relationship in the virtual image optical system and the action of the step filter
  • Schematic configuration diagram of a head-up display device using a micro-electro-mechanical system Schematic configuration diagram of a head-up display device in a liquid crystal display panel system that does not use a relay optical system
  • FIG. 19 is a schematic configuration diagram of a head-up display device.
  • the head-up display device 30 shown in FIG. 19 reflects the image light emitted from the projection optical system 20 including the image forming unit 10 and the eyepiece optical system 5 by a windshield 6 of an automobile (not shown), thereby A configuration for entering the eye 8 is provided.
  • the light beam emitted from the backlight 1 to the liquid crystal display panel 2 is incident on the relay optical system 3 as an image light beam including video information displayed on the liquid crystal display panel 2.
  • the image information on the liquid crystal display panel 2 is enlarged and projected on the screen plate (diffusion plate) 4 by the imaging action in the relay optical system 3.
  • Points P1, P2, and P3 on the liquid crystal display panel 2 correspond to points Q1, Q2, and Q3 of the screen plate (diffusion plate) 4, respectively.
  • a liquid crystal display panel having a small display size can be used.
  • the backlight 1, the liquid crystal display panel 2, the relay optical system 3, and the screen plate (diffusion plate) 4 form image information (video information) on the screen plate (diffusion plate) 4.
  • Forming unit 10 is referred to.
  • the image information on the screen plate (diffusion plate) 4 is projected onto the windshield 6 by the eyepiece optical system 5, and the light beam reflected by the windshield 6 reaches the position of the driver's eye 8. From the viewpoint of the driver's eyes, the relationship as if viewing the image information on the virtual image plane 7 is established.
  • Points Q1, Q2, and Q3 on the screen plate (diffusion plate) 4 correspond to points V1, V2, and V3 on the virtual image plane 7, respectively.
  • the range in which the points V1, V2, and V3 on the virtual image plane 7 can be seen even when the position of the eye 8 is moved is the eye box 9.
  • the eyepiece optical system is an optical system that displays an image (virtual image) of an object (aerial image) in front of the driver's eyes, like an eyepiece lens of a camera finder or an eyepiece lens of a microscope. .
  • the screen plate (diffusion plate) 4 is constituted by a microlens array in which microlenses are arranged two-dimensionally. As a result, a diffusing action occurs, the spread angle of the light beam emitted from the screen plate 4 is increased, and the size of the eye box 9 is set to a predetermined size.
  • the diffusing action of the screen plate (diffusion plate) 4 can also be realized by incorporating diffusing particles.
  • the driver since the driver also confirms information such as speedometer and fuel gauge, equipped with a head-up display device, by displaying information of various instruments as a virtual image in front of the driver by this head-up display device, The movement of the driver's line of sight when checking the instrument is reduced, and the time required for focusing the eyes can be shortened, thereby improving driving safety.
  • the distance from the driver is different between the foreground vehicle in the foreground, the road surface in front of it, and the bicycle / pedestrian at the end of the road in front, the distance of the virtual image that displays information related to them By changing, the time required for focusing the eyes can be further reduced, and the driving safety can be improved.
  • FIG. 21 is a diagram for explaining the mapping relationship (in the real image optical system) depending on the object distance and the image distance. As the distance L from the imaging lens 201 to the object surface 202 decreases by ⁇ L, the distance a to the image surface 203 increases by ⁇ .
  • FIG. 22 is a diagram for explaining the mapping relationship in the real image optical system and the action of the filter, and shows the amount of movement ⁇ of the focal position when the focal length is 440 mm and the object distance L is 100 to 10 m. In the real image optical system, the focal position on the near side is farther away than the focal position on the far side.
  • the filter 251 having a thickness d and a refractive index N is arranged between the imaging lens 201 and the real image surface 203, the difference between the physical length d of the filter 251 and the optical length d / N is d (1-1 / N ), The position of the real image plane 203 can be separated. This amount is the focal position movement amount.
  • the real image surface position on the short distance side is farther than the real image surface position on the long distance side, on the optical path on the long distance side, between the imaging lens 201 and the real image surface 203, By disposing the filter 251, the physical real image plane position on the short distance side and the physical real image plane position on the long distance side can be arranged on the same plane.
  • FIG. 23 is a diagram for explaining the mapping relationship in the virtual image optical system and the action of the filter, and shows the amount of movement ⁇ of the object position when the focal length is 440 mm and the virtual image distance L is 100 to 10 m. .
  • the object position on the far side is farther away than the object position on the near side.
  • the difference between the physical length d of the filter 351 and the optical length d / N is d (1-1 / N). Therefore, the position of the object surface 302 can be separated. This amount is the focal position movement amount.
  • the object surface position on the far distance side is farther than the object surface position on the near distance side, and therefore, between the eyepiece lens 301 and the object surface 302 on the optical path on the near distance side,
  • the filter 351 By disposing the filter 351, the physical object surface position on the short distance side and the physical object surface position on the far distance side can be disposed on the same plane.
  • a free-form surface lens and a free-form surface mirror having a rotationally asymmetric shape that can realize an optical system in which each object surface position is on the same plane with respect to a plurality of virtual image planes having different visual field ranges and virtual image distances.
  • a first embodiment of the projection optical system used will be described.
  • FIG. 1 is an overall ray diagram of the eyepiece optical system 5 according to the first embodiment.
  • FIG. 1A shows how the video information on the virtual image plane 7 is viewed with the driver's eyes on the YZ plane
  • FIG. It shows a state in which the video information of the virtual image plane 7 is viewed with the eyes of the driver on a plane.
  • the right eye and the left eye overlap on the YZ plane (see reference numeral 8), and the right eye and the left eye appear separately on the XZ plane.
  • the driver corresponds to a virtual image observer positioned on the side where light enters the virtual image plane.
  • the virtual image plane 7 is composed of three virtual image planes 71, 72, and 73 whose virtual image distance changes in the line-of-sight direction with respect to the line-of-sight direction in front of the driver.
  • a virtual image plane 71 having a virtual image distance of 10 m in the range of the visual line direction of 1.8 to 2.2 degrees and a virtual image having a virtual image distance of 14 m in the range of the visual line direction of 1.1 to 1.5 degrees with respect to the front visual line direction.
  • the image light on the screen plate (diffusion plate 4) in which the surface 72 and the virtual image surface 73 with a virtual image distance of 20 m in the range of the line-of-sight direction of 0.4 to 0.8 degrees are arranged on the same plane is transmitted by the eyepiece optical system 5. Achieved by looking.
  • the details of the visual field range will be supplemented in the description of the distortion performance in FIGS.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a main part of the eyepiece optical system according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged perspective view of the lens unit of the head-up display device according to the first embodiment.
  • the eyepiece optical system 5 includes a step filter 51, a convex lens 52 having a positive refractive power, a concave lens 53 having a negative refractive power, and a rotation in order from the screen plate (diffusion plate) 4 side.
  • the asymmetric free-form lens 54, the reflection mirror 55, the rotationally asymmetric free-form mirror 56, and the windshield 6 are arranged side by side.
  • the reflection mirror 55 is a cylinder mirror.
  • the free-form surface lens 54 has a rotationally asymmetric shape and has a trapezoidal distortion correcting action.
  • the convex lens 52 and the concave lens 53 have a large amount of eccentricity (no eccentricity on the front and rear surfaces).
  • the step filter 51 includes three layers having different thicknesses along the light emission direction. In these three layers, the thickness of the step filter 51 is reduced in the order of the optical path F1 having a short virtual image distance, the optical path F2 having an intermediate virtual image distance, and the optical path F3 having a long virtual image distance.
  • the thickness of the step filter 51 in the optical path F3 is 0 mm.
  • the step filter 51 is formed in three layers, but the number of layers is not limited to three and may be a plurality of layers.
  • changing the thickness of each layer is a method for changing the focal position movement amount of each layer.
  • each layer is formed of a material having the same refractive index (for example, a homogeneous material)
  • the thickness is changed.
  • different focal position movements may be realized by configuring each layer using a material having a different refractive index in addition to changing the thickness of each layer.
  • the thicknesses of the layers may be the same using different materials.
  • each layer may be configured separately or may be configured integrally.
  • FIG. 4 is an enlarged view of the separation optical path according to the first embodiment. Since the lens data is arranged by the reduction optical system, the light beams emitted from the virtual image planes 71, 72, and 73 having different visual field directions and virtual image distances pass through a common optical path from the eye box to the convex lens 52, and then the screen plate ( The light beam is separated before the diffuser plate 4.
  • a step filter 51 is disposed at a location where the light beams are separated. In the step filter 51, it can be seen that the light fluxes of the optical paths F1, F2, and F3 are separated.
  • video information is displayed on the entire display area on televisions and projectors, but the head-up display device is used to display only necessary video information at necessary locations.
  • the head-up display device is used to display only necessary video information at necessary locations.
  • the screen plate (diffusion plate) 4 corresponding to each of the optical paths F1, F2, and F3 corresponding to the respective visual field ranges that is, has a mapping relationship with the screen plate (diffusion plate) 4.
  • video information is not displayed in a portion corresponding to the optical paths F1, F2, and F3. If video information is also displayed between the optical paths F1 and F2 corresponding to the respective visual field ranges, the video light emitted from the locations corresponding to the optical paths F1 and F2 is both a filter of the optical path F1 and a filter of the optical path F2. , Stray light such as a double image is generated on the virtual image plane.
  • FIG. 5 is a diagram showing lens data of the head-up display device according to the first embodiment.
  • the radius of curvature represents a positive sign when the center position of the radius of curvature is in the traveling direction
  • the inter-surface distance is the optical axis from the vertex position of each surface to the vertex position of the next surface. It represents the distance above.
  • the step filter thickness is 29.388 mm at a virtual image distance of 10 m
  • the step filter thickness is 13.140 mm at a virtual image distance of 14 m
  • the step filter thickness is 0 mm at a virtual image distance of 20 m.
  • Eccentricity is a value in the Y-axis direction
  • tilting is rotation about the X axis in the YZ plane
  • eccentricity / falling acts in the order of eccentricity and tilting on the corresponding surface.
  • the next surface is placed at the position of the inter-surface distance on the new coordinate system on which. The decentration and return eccentricity and collapse will only affect one side and not the next.
  • the glass material name PMMA is plastic acrylic, and the glass material name 58.3 represents a material with a refractive index of 1.58 and an Abbe number of 30.
  • FIG. 6 is a diagram of free-form surface coefficients of the head-up display device according to the first embodiment.
  • the free-form surface coefficient in FIG. 6 is obtained by the following equation (1).
  • the anamorphic aspheric coefficient of the head-up display device is obtained by the following equation (2).
  • values such as the eyebox size and viewing angle of the eyepiece optical system of the first embodiment are shown in the order of the horizontal direction and the vertical direction.
  • Eye box size 100 ⁇ 50mm Effective size of image light on screen plate 40.28 ⁇ 18.80mm Viewing angle (full angle of view) 5.4 x 1.8 degrees Separation optical path (vertical viewing direction, virtual image size, virtual image distance) F1 1.8-2.2 degrees, 943 ⁇ 70mm, 10m F2 1.1 ⁇ 1.5 degrees, 1320 ⁇ 98mm, 14m F3 0.4-0.8 degrees, 1886 ⁇ 140mm, 20m
  • FIGS. 7 and 8 are diagrams illustrating the distortion performance of the head-up display device according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a spot diagram of the head-up display device of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing distortion performance for each separation optical path according to the first embodiment on the virtual image planes 71, 72, and 73. It can be seen that a rectangular virtual image is realized on each virtual image plane.
  • FIG. 9 shows a spot diagram in which object points are arranged on the virtual image planes 71, 72, and 73 and the spot diagram on the screen plate 4 is calculated, and good optical performance is realized.
  • the size of the eye box 9 is a spot diagram with a total luminous flux of horizontal 100 mm ⁇ vertical 50 mm.
  • the spot diagram is significantly better than FIG.
  • the light beam emitted from the image forming unit 10 is separated and enters each layer of the filter thickness of the step filter 51 (thickness along the light emission direction).
  • the focal position movement amount of each layer is different, the distance to the virtual image surface formed by the light emitted from each layer and the driver can be changed.
  • the virtual image plane is formed by the light emitted from each layer at different positions in the driver's visual field range, the virtual image plane can be divided within the visual field range.
  • each layer of the step filter is statically arranged in the eyepiece optical system, the virtual image distance can be changed without using a movable element for moving the focal position. Therefore, even when a head-up display device is mounted on a car, multiple virtual image planes with different virtual image distances due to the vibration of the car affecting the movement of the movable element (in other words, one virtual image plane is divided in the field of view). There is no concern that a problem occurs when forming each divided virtual image plane.
  • the light emitted from the image forming unit is simultaneously transmitted through each layer of the step filter, and simultaneously forms virtual images in different viewing directions at different virtual image distances.
  • the head-up display apparatus which can display simultaneously the virtual image from which a virtual image distance differs can be provided.
  • warning information regarding the preceding vehicle is displayed in the virtual image range corresponding to the position of the preceding vehicle, and the fallen object is displayed in the virtual image range corresponding to the position of the road surface of the road in front. It is possible to display the presence. Furthermore, according to the present embodiment, it is possible to simultaneously display images on a plurality of virtual image planes positioned at different virtual image distances and in different viewing directions.
  • information related to the speed of the vehicle which is not related to the alert object in the foreground, is displayed in a virtual image range corresponding to the position of the preceding vehicle, which is the viewing direction in the normal driving state. It is desirable.
  • FIG. 10 is an overall ray diagram of the eyepiece optical system 5 according to the second embodiment.
  • FIG. 10A shows how the video information on the virtual image plane 7 is viewed with the eyes of the driver on the YZ plane, and FIG.
  • the virtual image plane 7 is composed of three virtual image planes 71, 72, and 73 whose virtual image distance changes in the line-of-sight direction with respect to the line-of-sight direction in front of the driver.
  • a virtual image plane 71 having a visual line direction of 1.8 to 2.2 degrees and a virtual image distance of 18 m
  • a virtual image plane 72 having a visual line direction of 1.1 to 1.5 degrees and a virtual image distance of 30 m with respect to the frontal visual line direction
  • a virtual image plane 73 with a line-of-sight direction of 0.4 to 0.8 degrees and a virtual image distance of 100 m is achieved by viewing the image light on the screen plate (diffusion plate 4) arranged on the same plane with the eyepiece optical system 5.
  • the details of the visual field range will be supplemented in the description of the distortion performance in FIGS.
  • FIG. 11 is an enlarged view of a main part of the eyepiece optical system according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is an enlarged perspective view of the lens unit of the head-up display device according to the second embodiment.
  • the eyepiece optical system 5 includes, in order from the screen plate (diffusion plate) 4 side, a step filter 51, a convex lens 52 having a positive refractive power, a concave lens 53 having a negative refractive power, and a rotating lens.
  • the asymmetric free-form lens 54, the reflection mirror 55, the rotationally asymmetric free-form mirror 56, and the windshield 6 are arranged side by side.
  • the reflection mirror 55 is a cylinder mirror.
  • the free-form surface lens 54 has a rotationally asymmetric shape and has a trapezoidal distortion correcting action.
  • the convex lens 52 and the concave lens 53 have a large amount of eccentricity (no eccentricity on the front and rear surfaces).
  • the thickness of the step filter 51 was reduced in the order of the optical path F1 having a short virtual image distance, the optical path F2 having an intermediate virtual image distance, and the optical path F3 having a long virtual image distance. In FIG. 12, there is a common screen plate (diffusion plate) 4, but the thickness of the step filter 51 in the optical path F3 is 0 mm.
  • FIG. 13 is an enlarged view of the separation optical path according to the second embodiment. Since the lens data is arranged by the reduction optical system, the light beams emitted from the virtual image planes 71, 72, and 73 having different visual field directions and virtual image distances pass through a common optical path from the eye box to the convex lens 52, and then the screen plate ( A step filter 51 is arranged at a position where the light beam is separated before the diffuser plate 4. In the step filter 51, it can be seen that the light fluxes of the optical paths F1, F2, and F3 are separated.
  • FIG. 14 is a diagram showing lens data of the head-up display device according to the second embodiment.
  • the radius of curvature represents a case where the center position of the radius of curvature is in the traveling direction, and the inter-surface distance is the optical axis from the vertex position of each surface to the vertex position of the next surface. It represents the distance above.
  • the step filter thickness is 27.439 mm at a virtual image distance of 18 m, the step filter thickness is 14.556 mm at a virtual image distance of 30 m, and the step filter thickness is 0 mm at a virtual image distance of 100 m.
  • Eccentricity is a value in the Y-axis direction
  • tilting is rotation about the X axis in the YZ plane
  • eccentricity / falling acts in the order of eccentricity and tilting on the corresponding surface.
  • the next surface is placed at the position of the inter-surface distance on the new coordinate system on which. The decentration and return eccentricity and collapse will only affect one side and not the next.
  • the glass material name PMMA is plastic acrylic, and the glass material name 58.3 represents a material with a refractive index of 1.58 and an Abbe number of 30.
  • FIG. 15 is a diagram of free-form surface coefficients of the head-up display device according to the second embodiment.
  • the free-form surface coefficient in FIG. 15 is obtained by the above-described equation (1).
  • Free-form surface coefficient C j is a rotationally asymmetric shape with respect to each of the optical axis (Z axis), a shape defined by the component sections of the component and the XY polynomial conical section.
  • Z axis optical axis
  • Y third order
  • the position of each optical axis of the free-form surface is determined by the amount of decentering / falling in the lens data of FIG.
  • the anamorphic aspheric coefficient of the head-up display device is obtained by the above-described equation (2).
  • values such as the eyebox size and viewing angle of the eyepiece optical system of the second embodiment are shown in the order of the horizontal direction and the vertical direction.
  • Eye box size 100 ⁇ 50mm Effective size of image light on screen plate 40.70 ⁇ 18.80mm Viewing angle (full angle of view) 5.4 x 1.8 degrees Separation optical path (vertical viewing direction, virtual image size, virtual image distance) F1 1.8-2.2 degrees, 1698 ⁇ 126mm, 18m F2 1.1 ⁇ 1.5 degrees, 2830 ⁇ 210mm, 30m F3 0.4-0.8 degrees, 9432 ⁇ 698mm, 100m
  • FIGS. 16 and 17 are diagrams illustrating the distortion performance of the head-up display device according to the second embodiment.
  • FIG. 18 is a spot diagram of the head-up display device of the second embodiment.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating the distortion performance for each separation optical path according to the second embodiment on the virtual image planes 71, 72, and 73, and it can be seen that a rectangular virtual image is realized on each virtual image plane.
  • the horizontal viewing angle (total field angle) of the field of view F3 is 2 ⁇ tan (9432/2 / 100,000).
  • FIG. 18 shows a spot diagram in which object points are arranged on the virtual image planes 71, 72, and 73 and the spot diagram on the screen plate 4 is calculated, and a good optical performance is realized.
  • the size of the eye box 9 is a spot diagram with a total luminous flux of horizontal 100 mm ⁇ vertical 50 mm.
  • the size of the iris of the human eye is significantly better than that of FIG.
  • a head-up display device that can simultaneously display virtual images in different visual field directions at different virtual image distances by a projection optical system using a free-form surface lens and a free-form surface mirror.
  • warning information about the preceding vehicle is displayed in the virtual image range corresponding to the position of the preceding vehicle, and the presence of a fallen object is displayed in the virtual image range corresponding to the position of the road surface in front of the vehicle.
  • information related to the speed of the vehicle which is not related to the alert object in the foreground, is displayed in a virtual image range corresponding to the position of the preceding vehicle, which is the viewing direction in the normal driving state. It is desirable.
  • FIG. 24 is a schematic configuration diagram of a head-up display device using a micro electro mechanical system.
  • an image forming unit 10a includes a laser light source 121 and an optical scanning unit 122 that optically scans the laser light source 121. And an image forming unit 10a using a micro electro mechanical system including a mirror 122a and an optical scanning unit 122 including a mirror driving unit 122b for changing an angle of the mirror 122a with respect to the laser light source 121 and a screen plate 123 having a diffusion function. Also good.
  • FIG. 25 is a schematic configuration diagram of a head-up display device in a liquid crystal display panel system that does not use a relay optical system.
  • the image light of the liquid crystal display panel 2 is mapped by the relay optical system 3.
  • the image forming unit 10b according to the fourth embodiment as shown in FIG.
  • the light 1 is directly applied to the liquid crystal display panel 2 larger than that of the first embodiment, and is displayed as a virtual image 7 by the eyepiece optical system 5 as video light including video information displayed on the liquid crystal display panel 2. is there.
  • a diffusion plate is disposed in the vicinity of the liquid crystal display panel 2.
  • the optical path is made Z together with the free-form surface mirror by bending the optical path with a mirror disposed between the free-form surface lens and the free-form surface mirror.
  • the head-up display device can be miniaturized by folding it in the shape of a letter, but without placing a mirror between the free-form surface lens and the free-form surface mirror, In the configuration arranged in the vicinity, this mirror can be omitted.

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Abstract

　異なる虚像距離で異なる視野方向に、同時に虚像として表示できるヘッドアップディスプレイ装置を提供する。そのためヘッドアップディスプレイ装置(30)は、画像情報を含む光を出射する画像形成ユニット(10)と、画像形成ユニット(10)から出射された光を反射することで虚像を表示させる接眼光学系(5)を含む投影光学系と、を含み、接眼光学系(5)は、少なくとも球面レンズ(52)(53)と、自由曲面レンズ(54)と、自由曲面ミラー(56)とを含み、接眼光学系(5)に対して虚像面と共役な面の接眼光学系側の空間において、第一の焦点位置移動を実現し、画像形成ユニット(10)の分離光が入射する第一フィルタ(51のＦ１)と、当該第一の焦点位置移動よりも短い第二の焦点位置移動を実現し、画像形成ユニット(10)の分離光が入射する第二フィルタ(51のＦ２)とが共役な面に沿って並べて配置されることにより構成される。

Description

投影光学系及びヘッドアップディスプレイ装置
　本発明は、投影光学系及びそれを用いたヘッドアップディスプレイ装置に関し、特に自動車や航空機なので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投影光学系およびそれを用いたヘッドアップディスプレイ装置に関する。
　ヘッドアップディスプレイ装置に関する技術として、特許文献１には、「透過型の液晶表示パネル、液晶表示パネルに背後から光を照射するバックライト、液晶表示パネル上に表示される画像を拡大投影する投影光学系を備える。投影光学系は、リレーレンズと投影レンズ（接眼光学系）とからなる。リレーレンズは、いくつかの条件を満たすことでテレセントリック性の表示光を効率良く利用するように構成されており、液晶表示パネルに表示された画像を拡大して実像を結像する。投影レンズは、実像をさらに拡大して、自動車のフロントガラスに投影し、運転手に対して虚像を表示する（要約抜粋）」構成が開示されている。
　この特許文献１のヘッドアップディスプレイ装置では、運転者の前方２ｍ先に、スピードメータやタコメータ、水温計、燃料計等の各種計器類の値を虚像で表示している。これによって、各種計器類の値を虚像で見る視線方向と、運転者が見る前景の視線方向との差が小さくなるので、この２つの視線方向の間での視線移動に要する時間を低減できる。
　また、各種計器類等を直接見る距離よりも、虚像までの距離（２ｍ前方）の方が、運転者が見ている前景までの距離に近くなるので、前景の中の対象物に眼のピントを合わせた状態と、虚像にピントを合わせた状態の間での眼のピント合わせに要する時間も短縮できる。
　この２つの利点により、ヘッドアップディスプレイ装置による、自動車の運転の安全性の向上が期待できる。
　しかし運転者の前景は、二次元状の平面ではなく、三次元状の空間であるので、同一の虚像面上に運転者の眼からの距離が異なる対象物に関する情報を表示すると、対象物と表示された情報との視線距離が異なり、目のピント合わせになお時間がかかるという問題がある。
　そこで特許文献２には、「光路上において第１スクリーンと第２スクリーンをずらした位置に配置することで、運転者から異なる距離にそれぞれの虚像を形成し、且つ、可変焦点レンズを配置することで画像光を第１スクリーンまたは第２スクリーンにてピントが合った状態で結像する。可変焦点レンズとしては、投射レンズと別に焦点距離を変更するための液体レンズや、レーザー光と曲率を変更可能に構成された凹面鏡を駆動する（要約抜粋）」構成が開示されている。
　この特許文献２のヘッドアップディスプレイ装置では、運転者から異なる距離に虚像を形成することができるので、運転者の前景の中の対象物の距離に近い虚像面を選択することが可能となる。従って、運転者の前景の中の対象物に眼のピントを合わせた状態と、虚像に眼のピントを合わせた状態での眼のピント合わせに要する時間をさらに短縮できる。
特開２００９－２２９５５２号公報 特開２０１５－０３４９１９号公報
　特許文献１に開示されたヘッドアップディスプレイ装置例では、液晶表示パネルに表示した映像光は、リレー光学系で実像（特許文献１の図２のＩｒ）として写像され、接眼光学系（同図のＬ１）を介して、虚像（同図のＩｖ）を観察する構成になっている。写像関係で整理すると、液晶表示パネル上の映像光（平面）が実像Ｉｒ（平面）に写像され、さらに、実像Ｉｒ（平面）が虚像Ｉｖ（平面）に写像されている。
　しかしながら、運転者の前景は、二次元状の平面ではなく、三次元状の空間である。そこで、図２０を用いて、自動車（自車）に乗った運転者からの視線方向とそこまでの距離について説明する。
　自車１０１の運転者が見る前景としての視野範囲には、前方を走る前走車１０２や、その手前の路面１０５（例えば、路面に落下物が無いかどうか等）や、道路の端で近くを走る自転車や、歩道の歩行者などが存在する。
　前方を走る前走車１０２を見る視線方向１０３は真正面の方向から視線をやや下げた方向になるが、道路上でその手前の路面１０５を見る視線方向１０４は、さらに、視線を下げた方向になる。このように、運転中に運転者が注意すべき対象物は、視線方向に応じてそこまでの距離が異なることが分かる。
　従って、自動車の運転の安全性をさらに向上させるために、運転中に注視している対象物までの距離と、そのときに表示する虚像までの距離を近づけることで、眼のピント合わせのための時間を短縮することが重要である。
　また、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例では、運転者から異なる距離に虚像を形成する構成になっているが、表示内容に応じてスクリーンを選択し、選択したスクリーンに合わせて可変焦点レンズでのピント合わせを高速に行うことが不可欠である。さらに、可変焦点レンズとして、「容器内に封入された液体の液体界面を変更する液体レンズ」或いは、「曲率を変更可能に構成された凹面鏡で」などを用いており、ヘッドアップディスプレイ装置の大型化や、コストが増加する。更にヘッドアップディスプレイ装置は自動車に搭載して使用するので運転時の振動がヘッドアップディスプレイ装置にも伝わる。ここで、特許文献２では可変焦点レンズのような可動部を用いてピント合わせを行うので、運転時の振動が可動部に影響してピントが十分に合わないことが懸念される。
　また、運転中には前走車に関する虚像による表示と、路面上の落下物に関する虚像による表示とを同時に表示させたい状況が生じうるが、特許文献２のヘッドアップディスプレイ装置では、異なる距離に虚像を表示する際に択一的にしか表示できないという課題が残る。
　本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、自動車の運転時の振動による影響を低減しつつ、異なる視点距離の虚像を同時に表示できる投影光学系及びヘッドアップディスプレイを提供することを目的とする。
　上記した課題を解決するために、本発明に係る投影光学系は画像情報を含む光を出射する画像形成ユニットから出射された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、少なくとも球面レンズと、自由曲面レンズと、自由曲面ミラーとを含み、前記接眼光学系に対して虚像面と共役な面の前記接眼光学系側の空間において、第一の焦点位置移動を実現し、前記画像形成ユニットから出射された光の分離光が入射する第一フィルタと、前記第一の焦点位置移動よりも短い第二の焦点位置移動を実現し、前記画像形成ユニットから出射された光の分離光が入射する第二フィルタとが、前記共役な面に沿って並べて配置されて構成される、ことを特徴とする。
　また本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、画像情報を含む光を出射する画像形成ユニットと、上記投影光学系とを含むことを特徴とする。
　本発明によれば、自動車の運転時の振動による影響を低減しつつ、異なる視点距離の虚像を同時に表示できる投影光学系及びヘッドアップディスプレイを提供することができる。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。
第１実施形態の接眼光学系の全体光線図であり、（ａ）はＹＺ平面において虚像面の映像情報を運転者の眼で見ている様子を表し、（ｂ）はＸＺ平面において虚像面の映像情報を運転者の眼で見ている様子を表している。 第１実施形態の接眼光学系の要部拡大図 第１実施形態に係る接眼光学系のレンズ部の斜視拡大図 第１実施形態に係る分離光路の拡大図 第１実施形態に係る接眼光学系のレンズデータを示す図 第１実施形態に係る接眼光学系の自由曲面係数の図 第１実施形態に係る分離光路ごとの歪性能を表す図 第１実施形態の接眼光学系の全体の歪性能を表す図 第１実施形態の接眼光学系のスポット図 第２実施形態の接眼光学系の全体光線図であり、（ａ）はＹＺ平面において虚像面の映像情報を運転者の眼で見ている様子を表し、（ｂ）はＸＺ平面において虚像面の映像情報を運転者の眼で見ている様子を表している。 第２実施形態の接眼光学系の要部拡大図 第２実施形態に係る接眼光学系のレンズ部の斜視拡大図 第２実施形態に係る分離光路の拡大図 第２実施形態に係る接眼光学系のレンズデータを示す図 第２実施形態に係る接眼光学系の自由曲面係数の図 第２実施形態に係る分離光路ごとの歪性能を表す図 第２実施形態の接眼光学系の全体の歪性能を表す図 第２実施形態の接眼光学系のスポット図 ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図 運転者の視野方向とその距離の違いを説明する図 物距離と像距離による写像関係を説明する図 実像光学系での写像関係と段差フィルタの作用を説明する図 虚像光学系での写像関係と段差フィルタの作用を説明する図 微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems）を用いたヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図 リレー光学系を用いない液晶表示パネル方式でのヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図
　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。
　図１９を用いて、ヘッドアップディスプレイ装置の基本構成について説明する。図１９はヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。
　図１９に示すヘッドアップディスプレイ装置３０は、画像形成ユニット１０及び接眼光学系５を含む投影光学系２０から出射された映像光を、自動車（不図示）のフロントガラス６で反射させて運転者の眼８に入射させる構成を備える。
　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。
　次に、スクリーン板（拡散板）４上の画像情報は、接眼光学系５によって、フロントガラス６に投写され、フロントガラス６で反射した光束が、運転者の眼８の位置に到達する。運転者の眼から見ると、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。スクリーン板（拡散板）４上の点Ｑ１・Ｑ２・Ｑ３が、それぞれ虚像面７の点Ｖ１・Ｖ２・Ｖ３に対応する。尚、眼８の位置を動かしても、虚像面７上の点Ｖ１・Ｖ２・Ｖ３が見ることができる範囲が、アイボックス９である。このように、接眼光学系は、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）を運転者の眼の前に表示する光学系である。
　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９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。
　背景技術で説明したが、運転中には、前走車の確認（ブレーキランプや右折・左折ランプの点灯）や、その手前の道路の路面の確認（落下物の有無など）や、さらに手前で道路の端の自転車・歩行者の確認などを行っている。
　また、運転者はスピードメータや燃料計などの情報も確認するので、ヘッドアップディスプレイ装置を装備し、このヘッドアップディスプレイ装置により各種計器類の情報を虚像として運転者の前方に表示することにより、計器を確認する際の運転者の視線方向の移動が小さくなり、且つ、眼のピント合わせに要する時間も短縮でき、運転の安全性が向上できる。
　ところで、前景の中の前走車と、その手前の路面と、さらに手前の道路の端の自転車・歩行者では、運転者からの距離が異なるので、それらに関係した情報を表示する虚像の距離を変えることで、さらに眼のピント合わせに要する時間を短縮でき、さらに、運転の安全性が向上できる。
　次に、図２１から図２３を用いて、ヘッドアップディスプレイ装置の虚像距離の違いによる写像関係を整理し、解決しようとする課題を定量的に示す。
　図２１は、物距離と像距離による（実像光学系での）写像関係を説明する図である。結像レンズ２０１からの物面２０２までの距離ＬがΔＬ減ることで、像面２０３までの距離ａがδ増加している。図２２は、実像光学系での写像関係とフィルタの作用を説明する図であり、焦点距離＝４４０ｍｍで、物距離Ｌ＝１００～１０ｍでの焦点位置の移動量δを示している。実像光学系では、遠距離側の焦点位置よりも、近距離側の焦点位置の方が離れている。ここで、厚さｄで屈折率Ｎのフィルタ２５１を結像レンズ２０１と実像面２０３の間に配置すると、フィルタ２５１の物理長ｄと光学長ｄ／Ｎの差でｄ（１－１／Ｎ）の分、実像面２０３の位置を離すことができる。この量が焦点位置移動量である。実像光学系では遠距離側の実像面位置に比べて、近距離側の実像面位置の方が離れているので、遠距離側の光路上で、結像レンズ２０１と実像面２０３の間に、フィルタ２５１を配置することで、近距離側の物理的な実像面位置と遠距離側の物理的な実像面位置を同一の平面上に配置することが可能となる。
　同様に、図２３は、虚像光学系での写像関係とフィルタの作用を説明する図であり、焦点距離＝４４０ｍｍで、虚像距離Ｌ＝１００～１０ｍでの物位置の移動量δを示している。虚像光学系では、近距離側の物位置よりも、遠距離側の物位置の方が離れている。同様に、厚さｄで屈折率Ｎのフィルタ３５１を接眼レンズ３０１と物面３０２の間に配置すると、フィルタ３５１の物理長ｄと光学長ｄ／Ｎの差でｄ（１－１／Ｎ）の分、物面３０２の位置を離すことができる。この量が焦点位置移動量である。虚像光学系では近遠距離側の物面位置に比べて、遠距離側の物面位置の方が離れているので、近距離側の光路上で、接眼レンズ３０１と物面３０２の間に、フィルタ３５１を配置することで、近距離側の物理的な物面位置と遠距離側の物理的な物面位置を同一の平面上に配置することが可能となる。図２３で例えば、虚像距離Ｌ＝２０～１０ｍの場合では物面３０２の位置がδ＝９．１ｍｍずれるので、Ｎ＝１．５１６８（ＢＳＣ７）では、ｄ＝δ／（１－１／Ｎ）＝２６．６ｍｍのフィルタ３５１が必要となる。同様に、虚像距離Ｌ＝１００～１８ｍの場合では物面３０２の位置がδ＝８．６ｍｍずれるので、Ｎ＝１．５１６８（ＢＳＣ７）では、ｄ＝２５．２ｍｍのフィルタ３５１が必要となる。
　ここで、視野範囲と虚像距離がそれぞれ異なる複数の虚像面に対して、それぞれの物面位置が同一の平面上となる光学系を実現できる回転非対称な形状である自由曲面レンズと自由曲面ミラーを用いた投影光学系の第１実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
　第１実施形態は、図１９のヘッドアップディスプレイ装置３０のうち、特に虚像面７の形状と物面側の段差フィルタに特徴がある。そこで、図１を参照して虚像面７の形状について説明する。図１は第１実施形態の接眼光学系５の全体光線図であり、（ａ）はＹＺ平面において虚像面７の映像情報を運転者の眼で見ている様子を表し、（ｂ）はＸＺ平面において虚像面７の映像情報を運転者の眼で見ている様子を表している。ＹＺ平面では右眼と左眼が重なっており（符号８参照）、ＸＺ平面では右眼と左眼が別々に見えている。ここで運転者は虚像面に光が入射する側に位置する虚像の観察者に相当する。
　虚像面７は、運転者の正面の視線方向に対する視線方向で虚像距離が変わる３つの虚像面７１・７２・７３で構成されている。正面の視線方向に対して、視線方向が１．８～２．２度の範囲で虚像距離１０ｍの虚像面７１と、視線方向が１．１～１．５度の範囲で虚像距離１４ｍの虚像面７２と、視線方向が０．４～０．８度の範囲で虚像距離２０ｍの虚像面７３を、同一平面上の配置したスクリーン板（拡散板４）上の映像光を接眼光学系５で見ることで達成している。尚、視野範囲の詳細については、図７・図８の歪性能の説明の中で補足する。
　図２は第１実施形態の接眼光学系の要部拡大図である。図３は、第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置のレンズ部の斜視拡大図である。図２と図３に示すように、接眼光学系５はスクリーン板（拡散板）４側から順に、段差フィルタ５１と、正の屈折力の凸レンズ５２と、負の屈折力の凹レンズ５３と、回転非対称な自由曲面レンズ５４と、反射ミラー５５と、回転非対称な自由曲面ミラー５６と、フロントガラス６とを並べて配置することにより構成されている。自由曲面ミラー５６と反射ミラー５５を向い合って配置することで、光路をＺ字状に折り曲げており、ヘッドアップディスプレイ装置の小型化を実現している。反射ミラー５５は、シリンダミラーである。自由曲面レンズ５４は回転非対称な形状であり、台形歪みの補正作用を有する。凸レンズ５２及び凹レンズ５３は、大きな偏心量（前後面での偏心は無し）を持っている。
　図３に示すように段差フィルタ５１は、光の射出方向に沿った厚みが異なる３層を備えて構成される。これら３層は、虚像距離が近い光路Ｆ１、虚像距離が中間の光路Ｆ２、虚像距離が遠い光路Ｆ３の順に、段差フィルタ５１の厚さを薄くした。尚、図３では共通のスクリーン板（拡散板）４があるが、光路Ｆ３での段差フィルタ５１の厚さは０ｍｍである。なお、本実施形態では段差フィルタ５１を３層に形成したが、層数は３つに限定されず複数層あればよい。
　また、各層の厚さを変えることは、各層の焦点位置移動量を変える一手法であって、各層が同一の屈折率を有する材料（例えば同質の材料）から形成される場合は、厚みを変えることで焦点位置移動量を変えるが、各層の厚みを変えることに加え各層を異なる屈折率を有する材料を用いて構成することで、異なる焦点位置移動を実現してもよい。更に、屈折率が異なる材料を用いることで、所望する虚像距離の差が実現できる場合には、各層を異質な材料を用いて厚みは同一に構成してもよい。
　また、各層は別体に構成してもよいし、一体に構成してもよい。
　図４は、第１実施形態に係る分離光路の拡大図である。レンズデータは縮小光学系で配置したので、視野方向と虚像距離がそれぞれ異なる虚像面７１・７２・７３から出射した光束は、アイボックスから凸レンズ５２まで共通の光路を通過した後で、スクリーン板（拡散板）４の手前で光束が分離する。この光束が分離している箇所に、段差フィルタ５１を配置している。この段差フィルタ５１においては、各光路Ｆ１・Ｆ２・Ｆ３の光束が、分離できていることが分かる。
　通常、テレビやプロジェクタでは、表示領域全体に映像情報を表示しているが、ヘッドアップディスプレイ装置では、必要な箇所に必要な映像情報のみを表示する使い方がなされている。車の運転では、前走車に関する情報、途中の路面に関する情報、両端の自転車に関する情報などを、それぞれの視野方向で、且つ、その距離に表示できればよい。
　そこで、図４で、それぞれの視野範囲に対応する光路Ｆ１とＦ２とＦ３の間に対応するスクリーン板（拡散板）４の箇所には、即ち、スクリーン板（拡散板）４と写像関係にある液晶表示パネル２での光路Ｆ１とＦ２とＦ３の間に対応する箇所には、映像情報を表示しない。もし、それぞれの視野範囲に対応する光路Ｆ１とＦ２の間にも映像情報を表示すると、光路Ｆ１とＦ２に対応する箇所から出射した映像光は、光路Ｆ１のフィルタと、光路Ｆ２のフィルタの両方を通過するので、虚像面に２重像などの迷光が発生してしまう。
　そのため、図４のそれぞれの視野範囲に対応する光路Ｆ１とＦ２とＦ３の範囲を、映像情報を表示しない非表示領域とするためには、液晶表示パネル２での帯状の黒表示に加えて、スクリーン板（拡散板）４若しくは液晶表示パネル２の出射側に帯状の遮光枠を配置することが望ましい。
　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のレンズデータを示す図である。図５に示すレンズデータでは、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、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。虚像距離１０ｍで段差フィルタ厚２９．３８８ｍｍ、虚像距離１４ｍで段差フィルタ厚１３．１４０ｍｍ、虚像距離２０ｍで段差フィルタ厚０ｍｍである。
　偏心はＹ軸方向の値であり、倒れはＹＺ平面内でＸ軸回りの回転であり、偏心・倒れは、該当の面で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上での面間距離の位置に次の面が配置される。デセンタ・アンド・リターンの偏心及び倒れは、その面でのみ作用し、次の面に影響しない。
　硝材名のＰＭＭＡはプラスチックのアクリル（Polymethyl methacrylate）であり、硝材名５８．３は屈折率１．５８でアッベ数３０の材料を表す。
　図６は、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である。図６の自由曲面係数は、下式（１）により求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　但し自由曲面形状は、ＸＹＺ軸（Ｚ軸＝光軸）の座標空間において、円錐定数Ｋと曲率ｃ（＝曲率半径の逆数）で定義される回転対称な成分（円錐項）と、自由曲面係数Ｃｊで定義される回転非対称な成分（ＸＹ多項式項）で定義される。
　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のレンズデータでの偏心・倒れの量によって定まる。
　また、第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置のアナモフィック非球面係数は、下式（２）により求められる。但し、アナモフィック非球面形状は、回転非対称な形状であり、ＸＹＺ軸（Ｚ軸＝光軸）の座標空間において、ＸＺ断面での円錐定数Ｋｘと曲率ｃｕｘ（＝曲率半径の逆数）と、ＹＺ断面での円錐定数Ｋｙと曲率ｃｕｙ（＝曲率半径の逆数）で定義される。式（２）のｃｕｙ（＝１／ｒｄｙ）とｃｕｘ（＝１／ｒｄｘ）は図５で、ｒｄｙ＝９６８６ｍｍ、ｒｄｘ＝５５３１ｍｍであり、その他の係数は、全て０とした（記載省略）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　また、以下に、第１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。
　　　アイボックスサイズ　１００×５０ｍｍ
　　　スクリーン板での映像光の有効サイズ　４０．２８×１８．８０ｍｍ
　　　視野角（全画角）　　　　　５．４×１．８度
　　　分離光路（垂直視野方向、虚像サイズ、虚像距離）
Ｆ１　１．８～２．２度、　９４３×　７０ｍｍ、１０ｍ
Ｆ２　１．１～１．５度、１３２０×　９８ｍｍ、１４ｍ
Ｆ３　０．４～０．８度、１８８６×１４０ｍｍ、２０ｍ
　次に、第１実施形態の光学性能について図７から図９を用いて説明する。図７と図８は、第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置の歪性能を表す図である。図９は、第１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である。
　図７は虚像面７１・７２・７３での第１実施形態に係る分離光路ごとの歪性能を表す図であり、それぞれの虚像面で矩形状の虚像を実現していることが分かる。各虚像面７１・７２・７３での虚像サイズから視野角を計算すると、視野範囲Ｆ１の水平視野角（全画角）が２×ｔａｎ（９４３／２／１００００）＝５．４度、視野範囲Ｆ２の水平視野角（全画角）が２×ｔａｎ（１３２０／２／１４０００）＝５．４度、視野範囲Ｆ３の水平視野角（全画角）が２×ｔａｎ（１８８６／２／２００００）＝５．４度となる。各虚像面７１・７２・７３での水平方向の視野角が同じ値なので、図８で、各虚像面７１・７２・７３での視野範囲をまとめて表したが、各視野領域Ｆ１・Ｆ２・Ｆ３が、垂直方向にずれた位置に表示されていることが分かる。
　図９は、虚像面７１・７２・７３にそれぞれ物点を配置し、スクリーン板４でのスポット図を計算したスポット図を示しており、良好な光学性能を実現している。尚、このスポット図では、アイボックス９の大きさが水平１００ｍｍ×垂直５０ｍｍの全光束でのスポット図であり、実際の運転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、図９よりも大幅に良くなっている。
　本実施形態によれば画像形成ユニット１０から出射した光束が分離して段差フィルタ５１のフィルタ厚（光の射出方向に沿った厚さ）の各層に入射する。ここで、各層の焦点位置移動量は異なるので、各層から出射した光により形成される虚像面と運転者までの距離を変えることができる。また、運転者の視野範囲の異なる位置に各層から出射した光による虚像面が形成されるので、虚像面を視野範囲内において分割することができる。
　更に、段差フィルタの各層は接眼光学系内に静的に配置されるので、焦点位置移動を行うために可動要素を用いることなく、虚像距離を変えることができる。そのため、ヘッドアップディスプレイ装置を自動車に搭載した場合にも、自動車の振動が可動要素の動きに影響を与えて虚像距離が異なる複数の虚像面（換言すれば一つの虚像面を視野範囲で分割した各分割虚像面）を形成する際に不具合が生じるという懸念がない。
　また、画像形成ユニットを出射した光は段差フィルタの各層を同時に透過し、異なる虚像距離で異なる視野方向に同時に虚像を形成する。これにより、虚像距離が異なる虚像を同時に表示できる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。
　このように、本実施形態によれば、前走車の位置に相当する虚像範囲に前走車に関する注意喚起情報を表示し、その手前の道路の路面の位置に相当する虚像範囲に落下物の存在を表示するなどの表示が可能である。さらに、本実施形態によれば、異なる虚像距離で且つ異なる視野方向に位置する複数の虚像面に、同時に映像を表示可能である。
　尚、前景の中の注意喚起の対象物とは関係しない、「自車のスピード」情報などは、通常の運転状態での視野方向となる、前走車の位置に相当する虚像範囲に表示することが望ましい。
＜第２実施形態＞
　以下図面を参照して第２実施形態について説明する。第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、第２実施形態の３つの虚像面（一つの虚像面を視野範囲で３分割した３つの分割虚像面）の距離差が、第１実施形態の３つの虚像面の距離差よりも大きい点である。図１０を参照して虚像面７の形状について説明する。図１０は第２実施形態の接眼光学系５の全体光線図であり、（ａ）はＹＺ平面において虚像面７の映像情報を運転者の眼で見ている様子を表し、（ｂ）はＸＺ平面において虚像面７の映像情報を運転者の眼で見ている様子を表している。ＹＺ平面では右眼と左眼が重なっており（符号８参照）、ＸＺ平面では右眼と左眼が別々に見えている。
　虚像面７は、運転者の正面の視線方向に対する視線方向で虚像距離が変わる３つの虚像面７１・７２・７３で構成されている。正面の視線方向に対して、視線方向が１．８～２．２度で虚像距離１８ｍの虚像面７１と、視線方向が１．１～１．５度で虚像距離３０ｍの虚像面７２と、視線方向が０．４～０．８度で虚像距離１００ｍの虚像面７３を、同一平面上の配置したスクリーン板（拡散板４）上の映像光を接眼光学系５で見ることで達成している。尚、視野範囲の詳細については、図１６・図１７の歪性能の説明の中で補足する。
　図１１は第２実施形態の接眼光学系の要部拡大図である。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のレンズ部の斜視拡大図である。図１１と図１２に示すように、接眼光学系５はスクリーン板（拡散板）４側から順に、段差フィルタ５１と、正の屈折力の凸レンズ５２と、負の屈折力の凹レンズ５３と、回転非対称な自由曲面レンズ５４と、反射ミラー５５と、回転非対称な自由曲面ミラー５６と、フロントガラス６とを並べて配置することにより構成されている。自由曲面ミラー５６と反射ミラー５５を向い合って配置することで、光路をＺ字状に折り曲げており、ヘッドアップディスプレイ装置の小型化を実現している。反射ミラー５５は、シリンダミラーである。自由曲面レンズ５４は回転非対称な形状であり、台形歪みの補正作用を有する。凸レンズ５２及び凹レンズ５３は、大きな偏心量（前後面での偏心は無し）を持っている。虚像距離が近い光路Ｆ１、虚像距離が中間の光路Ｆ２、虚像距離が遠い光路Ｆ３の順に、段差フィルタ５１の厚さを薄くした。尚、図１２では共通のスクリーン板（拡散板）４があるが、光路Ｆ３での段差フィルタ５１の厚さは０ｍｍである。
　図１３は、第２実施形態に係る分離光路の拡大図である。レンズデータは縮小光学系で配置したので、視野方向と虚像距離がそれぞれ異なる虚像面７１・７２・７３から出射した光束は、アイボックスから凸レンズ５２まで共通の光路を通過した後で、スクリーン板（拡散板）４の手前で光束が分離している箇所に、段差フィルタ５１を配置している。この段差フィルタ５１においては、各光路Ｆ１・Ｆ２・Ｆ３の光束が、分離できていることが分かる。
　図１４は、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である。図１４に示すレンズデータでは、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、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。虚像距離１８ｍで段差フィルタ厚２７．４３９ｍｍ、虚像距離３０ｍで段差フィルタ厚１４．５５６ｍｍ、虚像距離１００ｍで段差フィルタ厚０ｍｍである。
　偏心はＹ軸方向の値であり、倒れはＹＺ平面内でＸ軸回りの回転であり、偏心・倒れは、該当の面で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上での面間距離の位置に次の面が配置される。デセンタ・アンド・リターンの偏心及び倒れは、その面でのみ作用し、次の面に影響しない。
　硝材名のＰＭＭＡはプラスチックのアクリル（Polymethyl methacrylate）であり、硝材名５８．３は屈折率１．５８でアッベ数３０の材料を表す。
　図１５は、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である。図１５の自由曲面係数は、既述の式（１）により求められる。
　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１４のレンズデータでの偏心・倒れの量によって定まる。
　また、第２実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置のアナモフィック非球面係数は、既述の式（２）により求められる。但し、アナモフィック非球面形状は、回転非対称な形状であり、ＸＹＺ軸（Ｚ軸＝光軸）の座標空間において、ＸＺ断面での円錐定数Ｋｘと曲率ｃｕｘ（＝曲率半径の逆数）と、ＹＺ断面での円錐定数Ｋｙと曲率ｃｕｙ（＝曲率半径の逆数）で定義される。式（２）のｃｕｙ（＝１／ｒｄｙ）とｃｕｘ（＝１／ｒｄｘ）は図５で、ｒｄｙ＝９６８６ｍｍ、ｒｄｘ＝５５３１ｍｍであり、その他の係数は、全て０とした（記載省略）。
　また、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。
　　　アイボックスサイズ　１００×５０ｍｍ
　　　スクリーン板での映像光の有効サイズ　４０．７０×１８．８０ｍｍ
　　　視野角（全画角）　　　　　５．４×１．８度
　　　分離光路（垂直視野方向、虚像サイズ、虚像距離）
Ｆ１　１．８～２．２度、１６９８×１２６ｍｍ、　１８ｍ
Ｆ２　１．１～１．５度、２８３０×２１０ｍｍ、　３０ｍ
Ｆ３　０．４～０．８度、９４３２×６９８ｍｍ、１００ｍ
　次に、第２実施形態の光学性能について図１６から図１８を用いて説明する。図１６と図１７は、第２実施形態のヘッドアップディスプレイ装置の歪性能を表す図である。図１８は、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である。
　図１６は虚像面７１・７２・７３での第２実施形態に係る分離光路ごとの歪性能を表す図であり、それぞれの虚像面で矩形状の虚像を実現していることが分かる。各虚像面７１・７２・７３での虚像サイズから視野角を計算すると、視野範囲Ｆ１の水平視野角（全画角）が２×ｔａｎ（１６９８／２／１８０００）＝５．４度、視野範囲Ｆ２の水平視野角（全画角）が２×ｔａｎ（２８３０／２／３００００）＝５．４度、視野範囲Ｆ３の水平視野角（全画角）が２×ｔａｎ（９４３２／２／１０００００）＝５．４度となる。各虚像面７１・７２・７３での水平方向の視野角が同じ値なので、図１７で、各虚像面７１・７２・７３での視野範囲をまとめて表したが、各視野領域Ｆ１・Ｆ２・Ｆ３が、垂直方向にずれた位置に表示されていることが分かる。
　図１８は、虚像面７１・７２・７３にそれぞれ物点を配置し、スクリーン板４でのスポット図を計算したスポット図を示しており、良好な光学性能を実現している。尚、このスポット図では、アイボックス９の大きさが水平１００ｍｍ×垂直５０ｍｍの全光束でのスポット図であり、実際の運転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、図１８よりも大幅に良くなっている。
　従って、本実施形態によれば、自由曲面レンズと自由曲面ミラーを用いた投影光学系により、異なる虚像距離で異なる視野方向に同時に虚像として表示できるヘッドアップディスプレイ装置を提供できる。
　これにより、前走車の位置に相当する虚像範囲に前走車に関する注意喚起情報を表示し、その手前の道路の路面の位置に相当する虚像範囲に落下物の存在を表示するなどの表示が可能である。さらに、本実施形態によれば、異なる虚像距離で且つ異なる視野方向に位置する複数の虚像面に、同時に映像を表示可能である。
　尚、前景の中の注意喚起の対象物とは関係しない、「自車のスピード」情報などは、通常の運転状態での視野方向となる、前走車の位置に相当する虚像範囲に表示することが望ましい。
＜第３実施形態＞
　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２４は、微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems）を用いたヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。
　図２４に示すように、第１実施形態の画像形成ユニット１０に代えて、第３実施形態に係る画像形成ユニット１０ａはレーザー光源１２１と、レーザー光源１２１を光走査する光走査部１２２であって、ミラー１２２ａ及びミラー１２２ａのレーザー光源１２１に対する角度を変えるミラー駆動部１２２ｂを含む光走査部１２２と、拡散機能を有するスクリーン板１２３とを含む微小電気機械システムを用いた画像形成ユニット１０ａを用いてもよい。
＜第４実施形態＞
　第４実施形態も、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２５は、リレー光学系を用いない液晶表示パネル方式でのヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。第１実施形態では図１９に示すように、液晶表示パネル２の映像光をリレー光学系３で写像しているが、図２５のように、第４実施形態に係る画像形成ユニット１０ｂでは、バックライト１の光を直接、第１実施形態より大きな液晶表示パネル２に照射し、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として、接眼光学系５で虚像７として表示する構成である。
　尚、この第４実施形態では、バックライト１の光束の広がりが不十分な場合は、液晶表示パネル２の近傍に拡散板を配置する。
　また、第１・第２・第３・第４実施形態に共通な効果として、自由曲面レンズと自由曲面ミラーの間に配置したミラーで光路を折り曲げることで、自由曲面ミラーと合わせて光路をＺ字状に折り曲げ、ヘッドアップディスプレイ装置の小型化を実現しているが、自由曲面レンズと自由曲面ミラーの間のミラーを配置せずに、自由曲面ミラーを除くヘッドアップディスプレイ装置本体をバックミラーの近傍に配置する構成では、このミラーを不要とできる。
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…フロントガラス、７…虚像面、８…アイボックス、９…運転者の眼、１０…画像形成ユニット、５１…段差フィルタ、５２…第１レンズ、５３…第２レンズ、５４…自由曲面レンズ、５５…シリンダミラー、５６…自由曲面ミラー、１０１…自車、１０２…前走車、１０３…遠距離の視線、１０４…近距離の視線、１０５…路面、２０１…結像レンズ、２０２…物面、２０３…実像面、２５１…フィルタ、３０１…接眼レンズ、３０２…物面、３０３…虚像面、３５１…フィルタ

Claims (16)

  1. 　画像情報を含む光を出射する画像形成ユニットから出射された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、少なくとも球面レンズと、自由曲面レンズと、自由曲面ミラーとを含み、
    　前記接眼光学系に対して虚像面と共役な面の前記接眼光学系側の空間において、第一の焦点位置移動を実現し、前記画像形成ユニットから出射された光の分離光が入射する第一フィルタと、前記第一の焦点位置移動よりも短い第二の焦点位置移動を実現し、前記画像形成ユニットから出射された光の分離光が入射する第二フィルタとが、前記共役な面に沿って並べて配置されて構成される、
    　ことを特徴とする投影光学系。
  2. 　前記第一フィルタの前記光路の出射方向に沿った厚さは、前記第二フィルタの前記光路の出射方向に沿った厚さよりも厚く形成される、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
  3. 　前記第一フィルタを透過した前記光により形成される虚像が表示される第一虚像面から前記虚像の観察者までの虚像距離は、前記第二フィルタを透過した前記光により形成される虚像が表示される第二虚像面から前記虚像の観察者までの虚像距離よりも短く、かつ前記第一虚像面は前記第二虚像面よりも前記観察者の視野範囲の端部に位置する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
  4. 　前記第一フィルタ及び前記第二フィルタは一体に形成された段差フィルタとして構成される、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
  5. 　前記段差フィルタのうちの、最小の厚さが０ｍｍである、
    　ことを特徴とする請求項４に記載の投影光学系。
  6. 　前記第一フィルタを透過した光が形成する虚像を映す第一虚像面と前記第二フィルタを透過した光が形成する虚像を映す第二虚像面との間に、虚像が表示されない非表示領域を設ける、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
  7. 　前記自由曲面レンズと自由曲面ミラーの間に反射ミラーを配置する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
  8. 　画像情報を含む光を出射する画像形成ユニットと、
    　前記画像形成ユニットから出射された光を反射することで虚像を表示させる接眼光学系と、を備え、
    　前記接眼光学系は、少なくとも球面レンズと、自由曲面レンズと、自由曲面ミラーとを含み、
    　前記接眼光学系に対して虚像面と共役な面の前記接眼光学系側の空間において、第一の焦点位置移動を実現し、前記画像形成ユニットから出射された光の分離光が入射する第一フィルタと、前記第一の焦点位置移動よりも短い第二の焦点位置移動を実現し、前記画像形成ユニットから出射された光の分離光が入射する第二フィルタとが、前記共役な面に沿って並べて配置されて構成される、
    　ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  9. 　前記第一フィルタの前記光路の出射方向に沿った厚さは、前記第二フィルタの前記光路の出射方向に沿った厚さよりも厚く形成される、
    　ことを特徴とする請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  10. 　前記第一フィルタを透過した前記光により形成される虚像が表示される第一虚像面から前記虚像の観察者までの虚像距離は、前記第二フィルタを透過した前記光により形成される虚像が表示される第二虚像面から前記虚像の観察者までの虚像距離よりも短く、かつ前記第一虚像面は前記第二虚像面よりも前記観察者の視野範囲の端部に位置する、
    　ことを特徴とする請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  11. 　前記第一フィルタ及び前記第二フィルタは一体に形成された段差フィルタとして構成される、
    　ことを特徴とする請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  12. 　前記段差フィルタのうちの、最小の厚さが０ｍｍである、
    　ことを特徴とする請求項１１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  13. 　前記第一フィルタを透過した光が形成する虚像を映す第一虚像面と前記第二フィルタを透過した光が形成する虚像を映す第二虚像面との間に、虚像が表示されない非表示領域を設ける、
    　ことを特徴とする請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  14. 　前記自由曲面レンズと自由曲面ミラーの間に反射ミラーを配置する、
    　ことを特徴とする請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  15. 　前記画像形成ユニットは、投影対象となる画像情報を表示する透過性を有する液晶表示パネル、前記液晶表示パネルを透過した前記画像情報を含む光束が入射されるリレー光学系、及び拡散機能を有するスクリーン板を含んで構成される、
    　ことを特徴とする請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  16. 　前記画像形成ユニットは、レーザー光源、当該レーザー光源を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んで構成される、
    　ことを特徴とする請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
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