レンズ光学系、画像表示装置およびヘッドアップディスプレイ
【課題】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を提供する。
【解決手段】物体側より順に、複数の第１要素凸レンズ２１が平面状に配置された第１凸レンズ群２０と、複数の第２要素凸レンズ２３が平面状に配置された第２凸レンズ群２２と、複数の第３要素凸レンズ２５が平面状に配置された第３凸レンズ群２４とを備える。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、各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、かつ第２凸レンズ群と第３凸レンズとの間の距離が第１凸レンズ群と第２凸レンズ群との間の距離よりも長くなるように構成されている
【解決手段】物体側より順に、複数の第１要素凸レンズ２１が平面状に配置された第１凸レンズ群２０と、複数の第２要素凸レンズ２３が平面状に配置された第２凸レンズ群２２と、複数の第３要素凸レンズ２５が平面状に配置された第３凸レンズ群２４とを備える。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、各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、かつ第２凸レンズ群と第３凸レンズとの間の距離が第１凸レンズ群と第２凸レンズ群との間の距離よりも長くなるように構成されている
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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見ることにより、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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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：視点）の距離をＬ４とする。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平０６−５５９５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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、視点を移動したときに像の流れが生じるという問題があった。
【００１１】
一方、図３の光学ユニットの如く、光学系の拡大倍率を大きくしないで、光学系の光路長Ｌ１を大きくとると、表示像の歪み、収差、視点を変えたときの像の流れの問題を生じないで、表示像をより遠方に表示できるが、光路を鉛直方向の面内で折り曲げているため、光学ユニットの厚みが大きく小型化は不十分で、自動車のダッシュボード内に収納できないという問題点があった。
【００１２】
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することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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、さらに第１凸レンズ群と第２凸レンズ群との間の距離よりも第２凸レンズ群と第３凸レンズ群との間の距離が長くなるように構成されている。
【００１４】
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凸レンズ群を構成する各第１要素凸レンズは、各第１要素凸レンズの結像面に物体の倒立像をそれぞれ形成する。第２凸レンズ群を構成する各第２要素凸レンズは、この各倒立像の光束を受けて、光束を主光軸方向に曲げる。第３凸レンズ群を構成する各第３要素凸レンズは、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主光軸上の遠方に切れ目の無い物体の虚像を形成する。また、第１凸レンズ群と第２凸レンズ群との間の距離よりも第２凸レンズ群と第３凸レンズ群との間の距離を長くすることで、第１凸レンズ群に入射した光束が第２凸レンズ群、第３凸レンズ群を通過する際に欠けることを防ぐことができる。そして、第３凸レンズ群の第３要素凸レンズのレンズピッチ、曲率半径、および第２凸レンズ群と第３凸レンズ群との間の距離を調整することで、虚像を主光軸上の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とも、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。ここで主光軸とは、レンズ光学系の光軸である。また、物体と表示器、および画像表示部は同意である。
【００１５】
第１凸レンズ群は、その各第１要素凸レンズの結像面が対応する第２要素凸レンズの主平面に位置するように各第１要素凸レンズの焦点距離を設定しても良い。第１要素凸レンズおよび第２要素凸レンズのレンズピッチはそれぞれ第１凸レンズ群および第２凸レンズ群内で同一にならなくても良い。第１凸レンズ群内でレンズピッチが全て同一である場合は、第２要素凸レンズのレンズピッチは、主光軸から離れるに従って大きくしてもよい。また、第２凸レンズ群内でレンズピッチをすべて同一にする場合は、第１要素凸レンズのレンズピッチを主光軸から離れるに従って小さくしてもよい。ここで第１凸レンズ群および／または第２凸レンズ群内においてレンズピッチが同一でない場合は、１対１対応する近接する２組の第１要素凸レンズと第２要素凸レンズにおいて、それぞれの要素凸レンズ間のレンズピッチは、必ず、第１要素凸レンズ間のレンズピッチよりも第２要素凸レンズ間のレンズピッチの方が大きくなっている。
【００１６】
この態様によると、これまで各第１要素凸レンズの像面湾曲によって対応する第２要素凸レンズの主平面よりも第１凸レンズ群側に結像していた物体の倒立像が、第２要素凸レンズの主平面に位置する。各第１要素凸レンズの焦点距離は、主光軸から遠ざかるに従い長くなる。各第２要素凸レンズは、この各倒立像の光束を受けて、主光軸方向に曲げる。第２凸レンズ群は各第２要素凸レンズを平面上に配置した方がレンズ光学系の作製が容易となるが、この場合、第１要素凸レンズおよび／または第２要素凸レンズのレンズピッチはそれぞれ第１凸レンズ群および／または第２凸レンズ群内で同一にならない。
【００１７】
この形態によれば、各第２要素凸レンズで曲げることができる各第１要素凸レンズによる物体の倒立像の光束の領域が増えるため、上述のように任意の位置に形成した物体の虚像を広い範囲から視認できるようになる。
【００１８】
第１凸レンズ群は、頂点面を物体に対して凹面状に形成しても良い。ここで頂点面とは、個々の第１要素凸レンズの頂点に接する2次曲面のことである。
【００１９】
この形態によると、頂点面が平坦の場合に比べて、物体から放射される光線の主光軸から離れた第１要素凸レンズに対する入射断面を増すことができ、物体から放射される光線が入射する第１要素凸レンズの個数を多くできる。この形態によれば、上述のように任意の位置に形成した物体の虚像を明るくすることができる。
【００２０】
第３凸レンズ群は、各第３要素凸レンズの結像面が対応する第２要素凸レンズの主平面に位置するように焦点距離を設定しても良い。この場合、第３要素凸レンズおよび／または第２要素凸レンズのレンズピッチはそれぞれ第３凸レンズ群および／または第２凸レンズ群内で同一にならない。
【００２１】
この形態によると、これまで各第３要素凸レンズの像面湾曲によって対応する各第２要素レンズの主平面よりも第３凸レンズ群側に結像していた視点の倒立像が、各第２要素凸レンズの主平面に位置する。各第３要素凸レンズの焦点距離は、主光軸から遠ざかるに従い長くなる。各第２要素凸レンズは、各第１要素凸レンズによる物体の倒立像の光束を受ける。そのため、第３要素凸レンズおよび／または第２要素凸レンズのレンズピッチはそれぞれ第３凸レンズ群および／または第２凸レンズ群内で同一にならない。
【００２２】
第３凸レンズ群は、頂点面が物体に対して凸面状であっても良い。
【００２３】
この形態、つまり各第３要素凸レンズの頂点に接する面が物体に対して凸面状であると、主光軸から離れた第３要素凸レンズから出射される光線が多くなる。
【００２４】
この形態によれば、上述のように任意の位置に形成した物体の虚像の明るさを損なうことなく視認できるようになる。ここで視点は眼を言い、視点位置は眼の位置を言う。何れもレンズ光学系を挟んで物体の反対側に位置する。
【００２５】
さらに、画像を表示する画像表示部から放出する光線の放射角度を制限する手段を設けても良い。
【００２６】
この形態によると、各第１要素凸レンズによる各第２要素凸レンズの主平面への倒立像の結像範囲を制限することができる。この形態によれば、各第１要素凸レンズの像面湾曲によって各第２要素凸レンズの主平面よりも第１凸レンズ群側に倒立像を結像しても、物体の虚像が視認できる範囲を歪みやボケの無い範囲に制限することができる。
【００２７】
一方の面に規則的に配置された複数の第１外側凸レンズと、他方の面に規則的に配置された複数の第１内側凸レンズとを有する第１レンズアレイプレートと、一方の面に規則的に配置された複数の第２外側凸レンズと、他方の面に規則的に配置された複数の第２内側凸レンズとを有する第２レンズアレイプレートと、を備え、第１内側凸レンズと第２内側凸レンズが対向するように、第１レンズアレイプレートと第２レンズアレイプレートとが積層されており、複数の第１外側凸レンズが第１凸レンズ群を構成し、第１内側凸レンズと第２内側凸レンズの複数の組が第２凸レンズ群を構成し、複数の第２外側凸レンズが第３凸レンズ群を構成してもよい。第１内側凸レンズと第２内側凸レンズの曲率半径を等しく、また対向するレンズの光軸を一致させてもよい。
【００２８】
この場合、２枚のレンズアレイプレートを積層することで上述のレンズ光学系を構成できるので、レンズ光学系を簡易な構造とすることができ、コストを低減することができる。
【００２９】
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を備える。
【００３０】
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。
【００３１】
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の一つの形態は、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、レンズ光学系からの光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。画像表示部とレンズ光学系、レンズ光学系とコンバイナとの間に光の方向を変えるミラーを置いても良い。
【００３２】
これら態様によると、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。
【００３３】
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。
【発明の効果】
【００３４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来のヘッドアップディスプレイの一例を示す図である。
【図２】凹面鏡による遠方拡大表示の説明図を示す図である。
【図３】従来の別の光学ユニットの一例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るレンズ光学系を説明するための図である。
【図５】本実施の形態に係るレンズ光学系の断面図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態に係るレンズ光学系の動作を説明するための図である。
【図７】本実施の形態に係る第３要素凸レンズと光束を説明するための図である。図７（ａ）はＴ１２＝Ｔ２３の場合、図７（ｂ）はＴ１２＜Ｔ２３の場合を示す。
【図８】本実施の形態に係る放射角度制限手段を説明するための図である。
【図９】本実施の形態に係る第１凸レンズ群の焦点距離調整、レンズ頂点面調整の効果を説明するための図である。
【図１０】本実施の形態に係るレンズ光学系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。
【図１１】本実施の形態に係るレンズ光学系を用いたヘッドアップディスプレイ２００を説明するための図である。
【図１２】試作した第１の実施例の光学系を示す図である。
【図１３】第１の実施例に係るレンズ光学系の諸元を示す図である。
【図１４】第１の実施例に係る第１要素凸レンズの焦点距離の分布を示す図である。
【図１５】第１の実施例に係るカメラにより撮像された虚像を示す図である。
【図１６】第１の実施例の比較例として、第１凸レンズ群の第１要素凸レンズの焦点距離をすべて同一とした場合のレンズ光学系の諸元を示す図である。
【図１７】第１の実施例において、第１要素凸レンズの焦点距離調整の有無により視認される虚像の変化を示した図である。図１７（ａ）〜（ｃ）に焦点距離調整をした場合、図１７（ｄ）〜（ｆ）に焦点距離調整をしなかった場合にカメラにより撮像された虚像を示す。
【図１８】第１の実施例において、第１要素凸レンズの焦点距離調整の有無により視認される虚像の変化の結果を表した図である。
【図１９】図１７および図１８に示した虚像の撮像における、虚像５４のカメラによる撮像位置と光軸７４の関係を説明した図である。
【図２０】試作した第２の実施例の光学系を示す図である。
【図２１】第２の実施例に係るカメラにより撮像された虚像を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
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、 ３３ 光路変更ミラー、 ３４ コンバイナ、 ４０
物体、 ４２ 虚像、 ４４ 視点、 ５２ 画像、 ５４ 虚像、 ６０
カメラ、 ６２ 目印、 １００ ヘッドアップディスプレイ。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図４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４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４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。
【００３８】
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の視点４４に、虚像４２を表示するものである。虚像４２は、観察者の視点４４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。
【００３９】
図５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。
【００４０】
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４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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
また、平面状に配置された第１凸レンズ群２０と第２凸レンズ群２２の間の距離をＴ１２、第２凸レンズ群２２と第３凸レンズ群２４の間の距離をＴ２３と称する。
【００４５】
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、第１凸レンズ群２０と第２凸レンズ群２２の距離よりも第２凸レンズ群２２と第３凸レンズ群２４の距離が長くなるように構成されている。
【００４６】
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、且つ、Ｔ２３＞Ｔ１２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外接円の直径である。
【００４７】
また、本実施の形態において、第１凸レンズ群２０は、その各第１要素凸レンズ２１の結像面が対応する各第２要素凸レンズ２３の主平面に位置するように、個々の第１要素凸レンズ２１に主光軸に対して同心円状に焦点距離の分布が設けられており、第２凸レンズ群２２の第２要素凸レンズ２３は、第１凸レンズ群２０の個々の第１要素凸レンズ２１を通った光束を主光軸の方向に曲げるように配置されている。
【００４８】
図５は第１凸レンズ群の各第１要素凸レンズ２１を一定（同一）のレンズピッチで配列した場合を示しており、この場合、第２要素凸レンズ２３、第３要素凸レンズ２５は各凸レンズ群の平面内において、主光軸から離れるに従ってレンズピッチが大きくなるように各レンズが配列されている。図５において第２要素凸レンズ２３の主平面とは、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。また、図５においては、各第２要素凸レンズ２３の主平面は全て同一の平面上に位置している。
【００４９】
第２要素凸レンズ２３および第３要素凸レンズ２５のレンズピッチがその各凸レンズ群の平面内で同一でない時は、対応する各第１要素凸レンズ２１、第２要素凸レンズ２３および第３要素凸レンズ２５の組を考えた場合に、近接する２組の各要素凸レンズ間のレンズピッチは、必ず、第１要素凸レンズ間のレンズピッチＰ１＜第２要素凸レンズ間のレンズピッチＰ２＜第３要素凸レンズ間のレンズピッチＰ３となる。
【００５０】
また、本実施の形態においては、第１凸レンズ群２０の個々の凸レンズ１２ａは、主光軸に対して同心円状、物体に対して凹面状の頂点面が設けられている。
【００５１】
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。
【００５２】
図６（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６（ａ）は、物体４０を距離Ｄだけ離れた位置から両眼で観察すると、観察者（視点）４４は、物体４０を距離Ｄの位置に視認できることを示している。
【００５３】
ここで、図６（ｂ）に示すように、物体４０と観察者の視点４４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４０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４０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４０から第１凸レンズ群２０の個々の第１要素凸レンズ２１に張った光線角度に整合するように決める。
【００５４】
図６（ｂ）のような構成の場合、物体４０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の結像面に倒立像（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４０は、観察者の視点４４から距離Ｄの位置に反転して視認できる。
【００５５】
次いで、図６（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、第１凸レンズ群２０と第２凸レンズ群２２の距離よりも第２凸レンズ群２２と第３凸レンズ群２４の距離が長くなるように、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の各第２要素凸レンズ２３は、上述したように、その主平面が各第１要素凸レンズ２１の結像面に位置するように配置される。
【００５６】
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主光軸の延長線上に、虚像である観察像４２を観ることができる。第３要素凸レンズ２５のレンズピッチと曲率半径、および第２凸レンズ群２２と第３凸レンズ群２４の距離を調整することで、観察像４２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４０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４２の倍率と虚像位置Ｄ‘を変化させることができる。
【００５７】
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２要素凸レンズ２３と第３要素凸レンズ２５のレンズピッチ、曲率半径、第２凸レンズ群２２と第３凸レンズ群２４の距離、および位置を調整して、倒立像を読み出すことで、任意の位置に虚像４２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。ここで観察者と観察者の視点、および視点は４４で同意であり、視点は眼を言う。
【００５８】
第１凸レンズ群２０と第２凸レンズ群２２の距離Ｔ１２、および第２凸レンズ群２２と第３凸レンズ群２４の距離Ｔ２３について言えば、第１要素凸レンズ２１と第３要素凸レンズ２５を通る光束の断面積に比例してＴ２３＞Ｔ１２にする。
【００５９】
図７は本実施の形態に係る第３凸レンズ群２４における第３要素凸レンズ２５の光束を説明するための図である。図７（ａ）はＴ２３＝Ｔ１２のときのレンズ光学系の光束の広がり、図７（ｂ）はＴ２３＞Ｔ１２のときのレンズ光学系の光束の広がりをそれぞれ示したものである。図７（ａ）に示すように、Ｔ２３＝Ｔ１２のときは第３凸レンズ群から観察者に向けて出射される光束は離散的で間が開いたものになるのに対し、図７（ｂ）に示すようにＴ２３＞Ｔ１２にすることで第３凸レンズ群から観察者に向けて出射される光束は連続的になることが判る。光束が離散的になった場合は、虚像５４が点状物を寄せ集めた見にくいものになるのに対し、光束を連続的にすることで、滑らかな見やすい虚像とすることができる。
【００６０】
図８は本実施の形態に係る放射角度制限手段を説明するための図である。図８（ａ）のように、物体４０から放出される光線の放射角度を制限する手段Ｆを設けることで、第１凸レンズ群２０の各第１要素凸レンズ２１による第２凸レンズ群２２の各第２要素凸レンズ２３の主平面を繋いだ平面１３へ倒立像が結像する範囲を制限することができる。この形態によれば、第１凸レンズ群２０の各第１要素凸レンズ２１の像面湾曲があり、第２凸レンズ群２２の各第２要素凸レンズ２３の主平面を繋いだ平面１３よりも第１凸レンズ群側に倒立像が結像したとしても（各第１要素凸レンズ２１の結像面を繋いだ面が面７１）、任意の位置に形成した物体の虚像を歪みやボケなく視認することができる。放射角度制限手段とは、物体（画像表示部）から放出する光線の広がりを規制するものである。つまり、虚像が見える範囲を制限するものであり、視野制限板Ｆ以外では、例えば、点光源３６を用いて物体４０を表示する画像表示部３０の場合に、点光源３６から出射される光の光路上にレンズ６５を設置した場合のレンズ６５が放射角度制限手段に相当する
【００６１】
図９は本実施の形態に係るレンズ光学系１０の結像面、主平面、焦点距離分布、および頂点面を説明するための図である。
【００６２】
図９（ａ）のように、物体４０と各第１要素凸レンズ２１との位置関係から成る各第１要素凸レンズ２１の結像面を繋いだ面７１は、各第１要素凸レンズ２１の像面湾曲のために主光軸７２から離れるに従い各第２要素凸レンズ２３の主平面を繋いだ平面１３よりも第１凸レンズ群２０側に位置するため、第２要素凸レンズ２３の主平面を繋いだ平面１３の位置では倒立像がボケる。
【００６３】
上述したように、個々の第１要素凸レンズ２１の焦点距離が第２要素凸レンズ２３の主平面を繋いだ面１３に位置するように調整すると、各第１要素凸レンズ２１の結像面と第２要素凸レンズ２３の主平面が広範囲に一致することで、良好な虚像が広範囲な視点から観察することができるようになる（図９（ｂ））。
【００６４】
また、図９（ｂ）のように個々の第１要素凸レンズ２１の頂点に接する面を主光軸７２に対して、物体側に凹面状に形成する。つまり、第１要素凸レンズ２１のレンズ高さを主光軸７２に対して同心円状で、物体４０側に凹面状になるように高くすることで、主光軸７２から離れた凸レンズに入射できる光線が多くなり、視点の位置に依ることなく、任意の位置に形成した物体４０の虚像を明るく視認できるようになる。
【００６５】
上記では放射角度制限手段Ｆと第１要素凸レンズの焦点距離の調整について別々に記載したが、これらは別々に用いられてもよく、また併用して用いられてもよい。
【００６６】
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４０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４０の虚像４２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。
【００６７】
図１０は、本実施の形態に係るレンズ光学系１０を用いた第１の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、コンバイナ３４とを備える。レンズ光学系１０と画像表示部３０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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。レンズ光学系１０は、第３凸レンズ群２４から出射した光が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配置される。
【００７０】
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（視点）４４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。
【００７１】
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からコンバイナ３４までの距離をＤ２、コンバイナ３４から運転者の視点４４までの距離をＤ３、コンバイナ３４から虚像５４までの距離をＤ４とする。このとき、運転者の視点４４から画像５２までの光路長は、Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３である。また、運転者の視点４４から虚像５４までの光路長は、Ｄ３＋Ｄ４である。本実施の形態に係るレンズ光学系１０は、図３において説明したのと同様に、運転者の視点４４から虚像５４までの光路長Ｄ３＋Ｄ４を、運転者の視点４４から画像５２までの光路長Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３よりも長くすることができる。
【００７２】
運転者の視点４４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Ｄ４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。
【００７３】
図１１は、本実施の形態に係るレンズ光学系１０を用いた第２のヘッドアップディスプレイ２００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２００は、画像表示部３０と、上述したレンズ光学系１０と、光路変更ミラー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および光路変更ミラー３３は、ヘッドアップディスプレイ２００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。
【００７４】
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。レンズ光学系１０は、第３凸レンズ群２４から出射した光が光路変更ミラー３３に反射させて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配置される。
【００７５】
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に向けて反射する。運転者は、視点４４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。
【００７６】
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から光路変更ミラー３３までの距離をＤ５、光路変更ミラー３３からコンバイナ３４までの距離をＤ６、コンバイナ３４から運転者の視点４４までの距離をＤ３、コンバイナ３４から虚像５４までの距離をＤ４とする。このとき、運転者の視点４４から画像５２までの光路長は、Ｄ１＋Ｄ５＋Ｄ６＋Ｄ３である。また、運転者の視点４４から虚像５４までの光路長は、Ｄ３＋Ｄ４である。本実施の形態に係るレンズ光学系１０は、図３において説明したのと同様に、運転者の視点４４から虚像５４までの光路長Ｄ３＋Ｄ４を、運転者の視点４４から画像５２までの光路長Ｄ１＋Ｄ５＋Ｄ６＋Ｄ３よりも長くすることができる。
【００７７】
運転者の視点４４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Ｄ４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２００を構成することにより、距離Ｄ１＋Ｄ５＋Ｄ６を距離Ｄ４よりも小さくすることができる。
【００７８】
ヘッドアップディスプレイ２００によれば、ヘッドアップディスプレイ１００のレンズ光学系１０とコンバイナ３４の間に光路変更ミラー３３を追加したのみと考えられるが、
このミラーを追加することで、ヘッドアップディスプレイの高さをより低くできる。
【００７９】
また、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００、２００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の虚像５４を遠方に表示できる。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ある。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および２００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。
【実施例】
【００８０】
次に、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００を実際に試作した第１の実施例について説明する。図１２は、ヘッドアップディスプレイ１００を試作した第１の実施例の光学系を示す図である。図１３は第１の実施例において用いたレンズ光学系１０の諸元を示す図である。第１の実施例においては、図１０の視点４４の位置にカメラ６０を置き、また、虚像５２が形成される位置に目印６２を置いた。
【００８１】
図１２に示すように、第１の実施例においては、画像表示部３０から第１凸レンズ群２０までの距離Ｄ１＝１３０ｍｍ、第３凸レンズ群２４からコンバイナ３４までの距離Ｄ２＝１００ｍｍ、コンバイナ３４からカメラ６０までの距離Ｄ３＝１０００ｍｍ、コンバイナ３４から目印６２までの距離Ｄ４＝１０００ｍｍと設定した。
【００８２】
また、図１３に示すように、第１要素凸レンズ２１を曲率半径＝０．５８４〜０．６８１ｍｍ（焦点距離によって変更）、レンズピッチ＝０．６６２ｍｍと設定した。ここで各第１要素凸レンズ２１の焦点距離分布は図１４のように設定した。各第１要素凸レンズ２１の焦点距離は主光軸７２（図示せず）から離れるに従って同心円状に長くなっている。第２凸レンズ群２２を構成する第１内側凸レンズ１２ｂおよび第２内側凸レンズ１４ｂの曲率半径を０．４９７ｍｍとし、レンズピッチを主光軸から離れるに従って０．６６５ｍｍから０．６６６ｍｍまで増加させた。また、第３要素凸レンズ２５は、曲率半径を１．０４２ｍｍとし、レンズピッチを主光軸から離れるに従って０．６６７ｍｍから０．６６８ｍｍまで増加させた。第１レンズアレイプレート１２の厚みを１．４０５ｍｍ、第２レンズアレイプレート１４の厚みを２．９９９ｍｍと設定した。なお、全てのレンズの屈折率は、１．５６である。
【００８３】
このように構成された第１の実施例において、大きさが１インチ対角の文字「180Km/h」を画像表示部３０に表示し、カメラ６０によって形成された虚像を撮像した。図１５は、カメラ６０により撮像された虚像５４を示す図である。図１５に示すように、目印６２を設置した位置に虚像５４が形成できていることが分かる。虚像の大きさは、元の像５２の約３倍に拡大されていた。
【００８４】
このように第１の実施例より、画像表示部３０から第１凸レンズ群２０までの距離Ｄ１を１３０ｍｍ、第３凸レンズ群２４からコンバイナまでの距離Ｄ２を１００ｍｍと短くしても、コンバイナ３４から距離Ｄ４＝１０００ｍｍの位置に視差と視度を持った虚像５４を表示できることが判り、ヘッドアップディスプレイ１００の光学ユニットをコンパクトにしかも低コストに構成できることが分かった。
【００８５】
図１６に第１の実施例に対する比較例として、第１要素凸レンズ２１の焦点距離が第１凸レンズ群２０内全て同一である場合のレンズ光学系の諸元を示す。第１凸レンズ群２０を構成する第１外側凸レンズ１２ａは、曲率半径＝０．５８４ｍｍ、レンズピッチ＝０．６６２ｍｍとし、第２凸レンズ群２２を構成する第１内側凸レンズ１２ｂおよび第２内側凸レンズ１４ｂは、曲率半径＝０．４９７ｍｍ、レンズピッチ＝０．６６５ｍｍとし、第３凸レンズ群２４を構成する第２外側凸レンズ１４ａは、曲率半径＝１．０４２ｍｍ、レンズピッチ＝０．６６８ｍｍと設定した。第１レンズアレイプレート１２の厚みは１．４０５ｍｍ、第２レンズアレイプレート１４の厚みは２．９９９ｍｍと設定した。なお、レンズの屈折率は、全ての凸レンズにおいて１．５６である。図１６においては、各第１要素凸レンズ２１の焦点距離は第１凸レンズ群内において同一であり、第２要素凸レンズ２３および第３要素凸レンズ２５のレンズピッチは各凸レンズ群内で同一となっている。
【００８６】
図１７に、第１要素凸レンズ２１に焦点距離分布を付けた場合（第１の実施例）と付けなかった場合（比較例）において、虚像の見え方がどのように異なるかを観察した結果を示す。図１７において観察した時のカメラの設置位置６０は、図１９に示すとおり、（１）図１２におけるカメラの位置、すなわち光軸７４（レンズ光学系７２の主光軸７２を進む光がコンバイナ３４にて反射されて進む光軸）上、（２）光軸７４の（１）の位置から、光軸７４に対して垂直方向（フロントウィンドウに対して横方向）に３０ｍｍ離れた位置、（３）光軸７４に対して垂直方向に６０ｍｍ離れた位置、である。
【００８７】
図１７においては、図１７（ａ）〜（ｃ）が第１要素凸レンズ２１に焦点距離分布を設けた場合（実施例）の結果を示しており、図１７（ｄ）〜（ｆ）が焦点距離分布を設けなかった場合（比較例）の結果を示している。（ａ）と（ｄ）は上記（１）の位置で、（ｂ）と（ｅ）は上記（２）の位置で、（ｃ）と（ｆ）は上記（３）の位置で撮像した結果を示す。
【００８８】
図１７の観察結果をまとめたものが図１８である。焦点距離分布を設けた場合は光軸７４から６０ｍｍはなれても虚像５４をはっきりと視認できるのに対し（○で表示）、第１要素凸レンズ２１の焦点距離を全て一定にした場合では光軸７４から３０ｍｍはなれた場合ですでに虚像５４がボケ（△で表示）、６０ｍｍはなれた場合は視認が難しくなっていることがわかる（×で表示）。
【００８９】
第１凸レンズ群２０を構成する各第１要素凸レンズ２１の結像面が対応する各第２要素凸レンズ２３の主平面に位置するように、各第１要素凸レンズ２１に焦点距離分布を設け、それに伴って、第２要素凸レンズ２３および第３要素凸レンズ２５のレンズピッチの調整を行うことにより、光軸７４から離れた位置においても虚像５４を視認することが可能となる。よって、ヘッドアップディスプレイ１００の視域を広げることができる。
【００９０】
図２０は、ヘッドアップディスプレイ２００を試作した第２の実施例の光学系を示す図である。第２の実施例においては、図１１の視点４４の位置にカメラ６０を置き、また、虚像５４が形成される位置に目印６２を置いている。
【００９１】
図２０に示すように、第２の実施例においては、画像表示部３０から第１凸レンズ群２０までの距離Ｄ１＝１３０ｍｍ、第３凸レンズ群２４から光路変更ミラー３３までの距離D５＝５０ｍｍ、光路変更ミラー３３からコンバイナ３４までの距離Ｄ６＝１００ｍｍ、コンバイナ３４からカメラ６０までの距離Ｄ３＝１０００ｍｍ、コンバイナ３４から目印６２までの距離Ｄ４＝１０００ｍｍと設定した。
【００９２】
このように構成された第２の実施例において、大きさが１インチ対角の文字「180Km/h」を画像表示部３０に表示し、カメラ６０によって形成された虚像５４を撮像した。図２１は、カメラ６０により撮像された虚像５４を示す図である。図２１に示すように、光路変更用ミラー３３を設けた場合においても目印６２を設置した位置に虚像５４が形成されていることが分かる。
【００９３】
第２の実施例においては、図１２に示した第１の実施例に比べてレンズ光学系１０からコンバイナ３４までの距離が５０ｍｍ増えているため、虚像の大きさは若干小さくなり、拡大倍率は約２．８倍であった。
【００９４】
第２の実施例に示したとおり、光路変更ミラー３３を用いることで、光学ユニットの高さを決定する第１の実施例の画像表示部３０から第１凸レンズ群２０までの距離Ｄ１＝１３０ｍｍと第３凸レンズ群２４からコンバイナまでの距離Ｄ２＝１００ｍｍを足した２３０ｍｍが、第２の実施例においてはレンズ光学系１０の幅Ｗ（約６０ｍｍ）の半分と光路変更用ミラー３３とコンバイナ３４までの距離Ｄ６＝１００ｍｍを足した１３０ｍｍと短くなり、もってヘッドアップディスプレイ２００の高さをヘッドアップディスプレイ１００に比べて低くすることができた。
【００９５】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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見ることにより、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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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：視点）の距離をＬ４とする。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平０６−５５９５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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、視点を移動したときに像の流れが生じるという問題があった。
【００１１】
一方、図３の光学ユニットの如く、光学系の拡大倍率を大きくしないで、光学系の光路長Ｌ１を大きくとると、表示像の歪み、収差、視点を変えたときの像の流れの問題を生じないで、表示像をより遠方に表示できるが、光路を鉛直方向の面内で折り曲げているため、光学ユニットの厚みが大きく小型化は不十分で、自動車のダッシュボード内に収納できないという問題点があった。
【００１２】
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することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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、さらに第１凸レンズ群と第２凸レンズ群との間の距離よりも第２凸レンズ群と第３凸レンズ群との間の距離が長くなるように構成されている。
【００１４】
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凸レンズ群を構成する各第１要素凸レンズは、各第１要素凸レンズの結像面に物体の倒立像をそれぞれ形成する。第２凸レンズ群を構成する各第２要素凸レンズは、この各倒立像の光束を受けて、光束を主光軸方向に曲げる。第３凸レンズ群を構成する各第３要素凸レンズは、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主光軸上の遠方に切れ目の無い物体の虚像を形成する。また、第１凸レンズ群と第２凸レンズ群との間の距離よりも第２凸レンズ群と第３凸レンズ群との間の距離を長くすることで、第１凸レンズ群に入射した光束が第２凸レンズ群、第３凸レンズ群を通過する際に欠けることを防ぐことができる。そして、第３凸レンズ群の第３要素凸レンズのレンズピッチ、曲率半径、および第２凸レンズ群と第３凸レンズ群との間の距離を調整することで、虚像を主光軸上の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とも、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。ここで主光軸とは、レンズ光学系の光軸である。また、物体と表示器、および画像表示部は同意である。
【００１５】
第１凸レンズ群は、その各第１要素凸レンズの結像面が対応する第２要素凸レンズの主平面に位置するように各第１要素凸レンズの焦点距離を設定しても良い。第１要素凸レンズおよび第２要素凸レンズのレンズピッチはそれぞれ第１凸レンズ群および第２凸レンズ群内で同一にならなくても良い。第１凸レンズ群内でレンズピッチが全て同一である場合は、第２要素凸レンズのレンズピッチは、主光軸から離れるに従って大きくしてもよい。また、第２凸レンズ群内でレンズピッチをすべて同一にする場合は、第１要素凸レンズのレンズピッチを主光軸から離れるに従って小さくしてもよい。ここで第１凸レンズ群および／または第２凸レンズ群内においてレンズピッチが同一でない場合は、１対１対応する近接する２組の第１要素凸レンズと第２要素凸レンズにおいて、それぞれの要素凸レンズ間のレンズピッチは、必ず、第１要素凸レンズ間のレンズピッチよりも第２要素凸レンズ間のレンズピッチの方が大きくなっている。
【００１６】
この態様によると、これまで各第１要素凸レンズの像面湾曲によって対応する第２要素凸レンズの主平面よりも第１凸レンズ群側に結像していた物体の倒立像が、第２要素凸レンズの主平面に位置する。各第１要素凸レンズの焦点距離は、主光軸から遠ざかるに従い長くなる。各第２要素凸レンズは、この各倒立像の光束を受けて、主光軸方向に曲げる。第２凸レンズ群は各第２要素凸レンズを平面上に配置した方がレンズ光学系の作製が容易となるが、この場合、第１要素凸レンズおよび／または第２要素凸レンズのレンズピッチはそれぞれ第１凸レンズ群および／または第２凸レンズ群内で同一にならない。
【００１７】
この形態によれば、各第２要素凸レンズで曲げることができる各第１要素凸レンズによる物体の倒立像の光束の領域が増えるため、上述のように任意の位置に形成した物体の虚像を広い範囲から視認できるようになる。
【００１８】
第１凸レンズ群は、頂点面を物体に対して凹面状に形成しても良い。ここで頂点面とは、個々の第１要素凸レンズの頂点に接する2次曲面のことである。
【００１９】
この形態によると、頂点面が平坦の場合に比べて、物体から放射される光線の主光軸から離れた第１要素凸レンズに対する入射断面を増すことができ、物体から放射される光線が入射する第１要素凸レンズの個数を多くできる。この形態によれば、上述のように任意の位置に形成した物体の虚像を明るくすることができる。
【００２０】
第３凸レンズ群は、各第３要素凸レンズの結像面が対応する第２要素凸レンズの主平面に位置するように焦点距離を設定しても良い。この場合、第３要素凸レンズおよび／または第２要素凸レンズのレンズピッチはそれぞれ第３凸レンズ群および／または第２凸レンズ群内で同一にならない。
【００２１】
この形態によると、これまで各第３要素凸レンズの像面湾曲によって対応する各第２要素レンズの主平面よりも第３凸レンズ群側に結像していた視点の倒立像が、各第２要素凸レンズの主平面に位置する。各第３要素凸レンズの焦点距離は、主光軸から遠ざかるに従い長くなる。各第２要素凸レンズは、各第１要素凸レンズによる物体の倒立像の光束を受ける。そのため、第３要素凸レンズおよび／または第２要素凸レンズのレンズピッチはそれぞれ第３凸レンズ群および／または第２凸レンズ群内で同一にならない。
【００２２】
第３凸レンズ群は、頂点面が物体に対して凸面状であっても良い。
【００２３】
この形態、つまり各第３要素凸レンズの頂点に接する面が物体に対して凸面状であると、主光軸から離れた第３要素凸レンズから出射される光線が多くなる。
【００２４】
この形態によれば、上述のように任意の位置に形成した物体の虚像の明るさを損なうことなく視認できるようになる。ここで視点は眼を言い、視点位置は眼の位置を言う。何れもレンズ光学系を挟んで物体の反対側に位置する。
【００２５】
さらに、画像を表示する画像表示部から放出する光線の放射角度を制限する手段を設けても良い。
【００２６】
この形態によると、各第１要素凸レンズによる各第２要素凸レンズの主平面への倒立像の結像範囲を制限することができる。この形態によれば、各第１要素凸レンズの像面湾曲によって各第２要素凸レンズの主平面よりも第１凸レンズ群側に倒立像を結像しても、物体の虚像が視認できる範囲を歪みやボケの無い範囲に制限することができる。
【００２７】
一方の面に規則的に配置された複数の第１外側凸レンズと、他方の面に規則的に配置された複数の第１内側凸レンズとを有する第１レンズアレイプレートと、一方の面に規則的に配置された複数の第２外側凸レンズと、他方の面に規則的に配置された複数の第２内側凸レンズとを有する第２レンズアレイプレートと、を備え、第１内側凸レンズと第２内側凸レンズが対向するように、第１レンズアレイプレートと第２レンズアレイプレートとが積層されており、複数の第１外側凸レンズが第１凸レンズ群を構成し、第１内側凸レンズと第２内側凸レンズの複数の組が第２凸レンズ群を構成し、複数の第２外側凸レンズが第３凸レンズ群を構成してもよい。第１内側凸レンズと第２内側凸レンズの曲率半径を等しく、また対向するレンズの光軸を一致させてもよい。
【００２８】
この場合、２枚のレンズアレイプレートを積層することで上述のレンズ光学系を構成できるので、レンズ光学系を簡易な構造とすることができ、コストを低減することができる。
【００２９】
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を備える。
【００３０】
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。
【００３１】
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の一つの形態は、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、レンズ光学系からの光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。画像表示部とレンズ光学系、レンズ光学系とコンバイナとの間に光の方向を変えるミラーを置いても良い。
【００３２】
これら態様によると、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。
【００３３】
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。
【発明の効果】
【００３４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来のヘッドアップディスプレイの一例を示す図である。
【図２】凹面鏡による遠方拡大表示の説明図を示す図である。
【図３】従来の別の光学ユニットの一例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るレンズ光学系を説明するための図である。
【図５】本実施の形態に係るレンズ光学系の断面図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態に係るレンズ光学系の動作を説明するための図である。
【図７】本実施の形態に係る第３要素凸レンズと光束を説明するための図である。図７（ａ）はＴ１２＝Ｔ２３の場合、図７（ｂ）はＴ１２＜Ｔ２３の場合を示す。
【図８】本実施の形態に係る放射角度制限手段を説明するための図である。
【図９】本実施の形態に係る第１凸レンズ群の焦点距離調整、レンズ頂点面調整の効果を説明するための図である。
【図１０】本実施の形態に係るレンズ光学系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。
【図１１】本実施の形態に係るレンズ光学系を用いたヘッドアップディスプレイ２００を説明するための図である。
【図１２】試作した第１の実施例の光学系を示す図である。
【図１３】第１の実施例に係るレンズ光学系の諸元を示す図である。
【図１４】第１の実施例に係る第１要素凸レンズの焦点距離の分布を示す図である。
【図１５】第１の実施例に係るカメラにより撮像された虚像を示す図である。
【図１６】第１の実施例の比較例として、第１凸レンズ群の第１要素凸レンズの焦点距離をすべて同一とした場合のレンズ光学系の諸元を示す図である。
【図１７】第１の実施例において、第１要素凸レンズの焦点距離調整の有無により視認される虚像の変化を示した図である。図１７（ａ）〜（ｃ）に焦点距離調整をした場合、図１７（ｄ）〜（ｆ）に焦点距離調整をしなかった場合にカメラにより撮像された虚像を示す。
【図１８】第１の実施例において、第１要素凸レンズの焦点距離調整の有無により視認される虚像の変化の結果を表した図である。
【図１９】図１７および図１８に示した虚像の撮像における、虚像５４のカメラによる撮像位置と光軸７４の関係を説明した図である。
【図２０】試作した第２の実施例の光学系を示す図である。
【図２１】第２の実施例に係るカメラにより撮像された虚像を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
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、 ３３ 光路変更ミラー、 ３４ コンバイナ、 ４０
物体、 ４２ 虚像、 ４４ 視点、 ５２ 画像、 ５４ 虚像、 ６０
カメラ、 ６２ 目印、 １００ ヘッドアップディスプレイ。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図４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４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４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。
【００３８】
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の視点４４に、虚像４２を表示するものである。虚像４２は、観察者の視点４４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。
【００３９】
図５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。
【００４０】
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４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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
また、平面状に配置された第１凸レンズ群２０と第２凸レンズ群２２の間の距離をＴ１２、第２凸レンズ群２２と第３凸レンズ群２４の間の距離をＴ２３と称する。
【００４５】
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、第１凸レンズ群２０と第２凸レンズ群２２の距離よりも第２凸レンズ群２２と第３凸レンズ群２４の距離が長くなるように構成されている。
【００４６】
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、且つ、Ｔ２３＞Ｔ１２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外接円の直径である。
【００４７】
また、本実施の形態において、第１凸レンズ群２０は、その各第１要素凸レンズ２１の結像面が対応する各第２要素凸レンズ２３の主平面に位置するように、個々の第１要素凸レンズ２１に主光軸に対して同心円状に焦点距離の分布が設けられており、第２凸レンズ群２２の第２要素凸レンズ２３は、第１凸レンズ群２０の個々の第１要素凸レンズ２１を通った光束を主光軸の方向に曲げるように配置されている。
【００４８】
図５は第１凸レンズ群の各第１要素凸レンズ２１を一定（同一）のレンズピッチで配列した場合を示しており、この場合、第２要素凸レンズ２３、第３要素凸レンズ２５は各凸レンズ群の平面内において、主光軸から離れるに従ってレンズピッチが大きくなるように各レンズが配列されている。図５において第２要素凸レンズ２３の主平面とは、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。また、図５においては、各第２要素凸レンズ２３の主平面は全て同一の平面上に位置している。
【００４９】
第２要素凸レンズ２３および第３要素凸レンズ２５のレンズピッチがその各凸レンズ群の平面内で同一でない時は、対応する各第１要素凸レンズ２１、第２要素凸レンズ２３および第３要素凸レンズ２５の組を考えた場合に、近接する２組の各要素凸レンズ間のレンズピッチは、必ず、第１要素凸レンズ間のレンズピッチＰ１＜第２要素凸レンズ間のレンズピッチＰ２＜第３要素凸レンズ間のレンズピッチＰ３となる。
【００５０】
また、本実施の形態においては、第１凸レンズ群２０の個々の凸レンズ１２ａは、主光軸に対して同心円状、物体に対して凹面状の頂点面が設けられている。
【００５１】
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。
【００５２】
図６（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６（ａ）は、物体４０を距離Ｄだけ離れた位置から両眼で観察すると、観察者（視点）４４は、物体４０を距離Ｄの位置に視認できることを示している。
【００５３】
ここで、図６（ｂ）に示すように、物体４０と観察者の視点４４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４０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４０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４０から第１凸レンズ群２０の個々の第１要素凸レンズ２１に張った光線角度に整合するように決める。
【００５４】
図６（ｂ）のような構成の場合、物体４０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の結像面に倒立像（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４０は、観察者の視点４４から距離Ｄの位置に反転して視認できる。
【００５５】
次いで、図６（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、第１凸レンズ群２０と第２凸レンズ群２２の距離よりも第２凸レンズ群２２と第３凸レンズ群２４の距離が長くなるように、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の各第２要素凸レンズ２３は、上述したように、その主平面が各第１要素凸レンズ２１の結像面に位置するように配置される。
【００５６】
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主光軸の延長線上に、虚像である観察像４２を観ることができる。第３要素凸レンズ２５のレンズピッチと曲率半径、および第２凸レンズ群２２と第３凸レンズ群２４の距離を調整することで、観察像４２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４０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４２の倍率と虚像位置Ｄ‘を変化させることができる。
【００５７】
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２要素凸レンズ２３と第３要素凸レンズ２５のレンズピッチ、曲率半径、第２凸レンズ群２２と第３凸レンズ群２４の距離、および位置を調整して、倒立像を読み出すことで、任意の位置に虚像４２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。ここで観察者と観察者の視点、および視点は４４で同意であり、視点は眼を言う。
【００５８】
第１凸レンズ群２０と第２凸レンズ群２２の距離Ｔ１２、および第２凸レンズ群２２と第３凸レンズ群２４の距離Ｔ２３について言えば、第１要素凸レンズ２１と第３要素凸レンズ２５を通る光束の断面積に比例してＴ２３＞Ｔ１２にする。
【００５９】
図７は本実施の形態に係る第３凸レンズ群２４における第３要素凸レンズ２５の光束を説明するための図である。図７（ａ）はＴ２３＝Ｔ１２のときのレンズ光学系の光束の広がり、図７（ｂ）はＴ２３＞Ｔ１２のときのレンズ光学系の光束の広がりをそれぞれ示したものである。図７（ａ）に示すように、Ｔ２３＝Ｔ１２のときは第３凸レンズ群から観察者に向けて出射される光束は離散的で間が開いたものになるのに対し、図７（ｂ）に示すようにＴ２３＞Ｔ１２にすることで第３凸レンズ群から観察者に向けて出射される光束は連続的になることが判る。光束が離散的になった場合は、虚像５４が点状物を寄せ集めた見にくいものになるのに対し、光束を連続的にすることで、滑らかな見やすい虚像とすることができる。
【００６０】
図８は本実施の形態に係る放射角度制限手段を説明するための図である。図８（ａ）のように、物体４０から放出される光線の放射角度を制限する手段Ｆを設けることで、第１凸レンズ群２０の各第１要素凸レンズ２１による第２凸レンズ群２２の各第２要素凸レンズ２３の主平面を繋いだ平面１３へ倒立像が結像する範囲を制限することができる。この形態によれば、第１凸レンズ群２０の各第１要素凸レンズ２１の像面湾曲があり、第２凸レンズ群２２の各第２要素凸レンズ２３の主平面を繋いだ平面１３よりも第１凸レンズ群側に倒立像が結像したとしても（各第１要素凸レンズ２１の結像面を繋いだ面が面７１）、任意の位置に形成した物体の虚像を歪みやボケなく視認することができる。放射角度制限手段とは、物体（画像表示部）から放出する光線の広がりを規制するものである。つまり、虚像が見える範囲を制限するものであり、視野制限板Ｆ以外では、例えば、点光源３６を用いて物体４０を表示する画像表示部３０の場合に、点光源３６から出射される光の光路上にレンズ６５を設置した場合のレンズ６５が放射角度制限手段に相当する
【００６１】
図９は本実施の形態に係るレンズ光学系１０の結像面、主平面、焦点距離分布、および頂点面を説明するための図である。
【００６２】
図９（ａ）のように、物体４０と各第１要素凸レンズ２１との位置関係から成る各第１要素凸レンズ２１の結像面を繋いだ面７１は、各第１要素凸レンズ２１の像面湾曲のために主光軸７２から離れるに従い各第２要素凸レンズ２３の主平面を繋いだ平面１３よりも第１凸レンズ群２０側に位置するため、第２要素凸レンズ２３の主平面を繋いだ平面１３の位置では倒立像がボケる。
【００６３】
上述したように、個々の第１要素凸レンズ２１の焦点距離が第２要素凸レンズ２３の主平面を繋いだ面１３に位置するように調整すると、各第１要素凸レンズ２１の結像面と第２要素凸レンズ２３の主平面が広範囲に一致することで、良好な虚像が広範囲な視点から観察することができるようになる（図９（ｂ））。
【００６４】
また、図９（ｂ）のように個々の第１要素凸レンズ２１の頂点に接する面を主光軸７２に対して、物体側に凹面状に形成する。つまり、第１要素凸レンズ２１のレンズ高さを主光軸７２に対して同心円状で、物体４０側に凹面状になるように高くすることで、主光軸７２から離れた凸レンズに入射できる光線が多くなり、視点の位置に依ることなく、任意の位置に形成した物体４０の虚像を明るく視認できるようになる。
【００６５】
上記では放射角度制限手段Ｆと第１要素凸レンズの焦点距離の調整について別々に記載したが、これらは別々に用いられてもよく、また併用して用いられてもよい。
【００６６】
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４０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４０の虚像４２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。
【００６７】
図１０は、本実施の形態に係るレンズ光学系１０を用いた第１の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、コンバイナ３４とを備える。レンズ光学系１０と画像表示部３０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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。レンズ光学系１０は、第３凸レンズ群２４から出射した光が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配置される。
【００７０】
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（視点）４４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。
【００７１】
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からコンバイナ３４までの距離をＤ２、コンバイナ３４から運転者の視点４４までの距離をＤ３、コンバイナ３４から虚像５４までの距離をＤ４とする。このとき、運転者の視点４４から画像５２までの光路長は、Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３である。また、運転者の視点４４から虚像５４までの光路長は、Ｄ３＋Ｄ４である。本実施の形態に係るレンズ光学系１０は、図３において説明したのと同様に、運転者の視点４４から虚像５４までの光路長Ｄ３＋Ｄ４を、運転者の視点４４から画像５２までの光路長Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３よりも長くすることができる。
【００７２】
運転者の視点４４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Ｄ４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。
【００７３】
図１１は、本実施の形態に係るレンズ光学系１０を用いた第２のヘッドアップディスプレイ２００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２００は、画像表示部３０と、上述したレンズ光学系１０と、光路変更ミラー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および光路変更ミラー３３は、ヘッドアップディスプレイ２００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。
【００７４】
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。レンズ光学系１０は、第３凸レンズ群２４から出射した光が光路変更ミラー３３に反射させて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配置される。
【００７５】
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に向けて反射する。運転者は、視点４４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。
【００７６】
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から光路変更ミラー３３までの距離をＤ５、光路変更ミラー３３からコンバイナ３４までの距離をＤ６、コンバイナ３４から運転者の視点４４までの距離をＤ３、コンバイナ３４から虚像５４までの距離をＤ４とする。このとき、運転者の視点４４から画像５２までの光路長は、Ｄ１＋Ｄ５＋Ｄ６＋Ｄ３である。また、運転者の視点４４から虚像５４までの光路長は、Ｄ３＋Ｄ４である。本実施の形態に係るレンズ光学系１０は、図３において説明したのと同様に、運転者の視点４４から虚像５４までの光路長Ｄ３＋Ｄ４を、運転者の視点４４から画像５２までの光路長Ｄ１＋Ｄ５＋Ｄ６＋Ｄ３よりも長くすることができる。
【００７７】
運転者の視点４４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Ｄ４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２００を構成することにより、距離Ｄ１＋Ｄ５＋Ｄ６を距離Ｄ４よりも小さくすることができる。
【００７８】
ヘッドアップディスプレイ２００によれば、ヘッドアップディスプレイ１００のレンズ光学系１０とコンバイナ３４の間に光路変更ミラー３３を追加したのみと考えられるが、
このミラーを追加することで、ヘッドアップディスプレイの高さをより低くできる。
【００７９】
また、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００、２００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の虚像５４を遠方に表示できる。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ある。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および２００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。
【実施例】
【００８０】
次に、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００を実際に試作した第１の実施例について説明する。図１２は、ヘッドアップディスプレイ１００を試作した第１の実施例の光学系を示す図である。図１３は第１の実施例において用いたレンズ光学系１０の諸元を示す図である。第１の実施例においては、図１０の視点４４の位置にカメラ６０を置き、また、虚像５２が形成される位置に目印６２を置いた。
【００８１】
図１２に示すように、第１の実施例においては、画像表示部３０から第１凸レンズ群２０までの距離Ｄ１＝１３０ｍｍ、第３凸レンズ群２４からコンバイナ３４までの距離Ｄ２＝１００ｍｍ、コンバイナ３４からカメラ６０までの距離Ｄ３＝１０００ｍｍ、コンバイナ３４から目印６２までの距離Ｄ４＝１０００ｍｍと設定した。
【００８２】
また、図１３に示すように、第１要素凸レンズ２１を曲率半径＝０．５８４〜０．６８１ｍｍ（焦点距離によって変更）、レンズピッチ＝０．６６２ｍｍと設定した。ここで各第１要素凸レンズ２１の焦点距離分布は図１４のように設定した。各第１要素凸レンズ２１の焦点距離は主光軸７２（図示せず）から離れるに従って同心円状に長くなっている。第２凸レンズ群２２を構成する第１内側凸レンズ１２ｂおよび第２内側凸レンズ１４ｂの曲率半径を０．４９７ｍｍとし、レンズピッチを主光軸から離れるに従って０．６６５ｍｍから０．６６６ｍｍまで増加させた。また、第３要素凸レンズ２５は、曲率半径を１．０４２ｍｍとし、レンズピッチを主光軸から離れるに従って０．６６７ｍｍから０．６６８ｍｍまで増加させた。第１レンズアレイプレート１２の厚みを１．４０５ｍｍ、第２レンズアレイプレート１４の厚みを２．９９９ｍｍと設定した。なお、全てのレンズの屈折率は、１．５６である。
【００８３】
このように構成された第１の実施例において、大きさが１インチ対角の文字「180Km/h」を画像表示部３０に表示し、カメラ６０によって形成された虚像を撮像した。図１５は、カメラ６０により撮像された虚像５４を示す図である。図１５に示すように、目印６２を設置した位置に虚像５４が形成できていることが分かる。虚像の大きさは、元の像５２の約３倍に拡大されていた。
【００８４】
このように第１の実施例より、画像表示部３０から第１凸レンズ群２０までの距離Ｄ１を１３０ｍｍ、第３凸レンズ群２４からコンバイナまでの距離Ｄ２を１００ｍｍと短くしても、コンバイナ３４から距離Ｄ４＝１０００ｍｍの位置に視差と視度を持った虚像５４を表示できることが判り、ヘッドアップディスプレイ１００の光学ユニットをコンパクトにしかも低コストに構成できることが分かった。
【００８５】
図１６に第１の実施例に対する比較例として、第１要素凸レンズ２１の焦点距離が第１凸レンズ群２０内全て同一である場合のレンズ光学系の諸元を示す。第１凸レンズ群２０を構成する第１外側凸レンズ１２ａは、曲率半径＝０．５８４ｍｍ、レンズピッチ＝０．６６２ｍｍとし、第２凸レンズ群２２を構成する第１内側凸レンズ１２ｂおよび第２内側凸レンズ１４ｂは、曲率半径＝０．４９７ｍｍ、レンズピッチ＝０．６６５ｍｍとし、第３凸レンズ群２４を構成する第２外側凸レンズ１４ａは、曲率半径＝１．０４２ｍｍ、レンズピッチ＝０．６６８ｍｍと設定した。第１レンズアレイプレート１２の厚みは１．４０５ｍｍ、第２レンズアレイプレート１４の厚みは２．９９９ｍｍと設定した。なお、レンズの屈折率は、全ての凸レンズにおいて１．５６である。図１６においては、各第１要素凸レンズ２１の焦点距離は第１凸レンズ群内において同一であり、第２要素凸レンズ２３および第３要素凸レンズ２５のレンズピッチは各凸レンズ群内で同一となっている。
【００８６】
図１７に、第１要素凸レンズ２１に焦点距離分布を付けた場合（第１の実施例）と付けなかった場合（比較例）において、虚像の見え方がどのように異なるかを観察した結果を示す。図１７において観察した時のカメラの設置位置６０は、図１９に示すとおり、（１）図１２におけるカメラの位置、すなわち光軸７４（レンズ光学系７２の主光軸７２を進む光がコンバイナ３４にて反射されて進む光軸）上、（２）光軸７４の（１）の位置から、光軸７４に対して垂直方向（フロントウィンドウに対して横方向）に３０ｍｍ離れた位置、（３）光軸７４に対して垂直方向に６０ｍｍ離れた位置、である。
【００８７】
図１７においては、図１７（ａ）〜（ｃ）が第１要素凸レンズ２１に焦点距離分布を設けた場合（実施例）の結果を示しており、図１７（ｄ）〜（ｆ）が焦点距離分布を設けなかった場合（比較例）の結果を示している。（ａ）と（ｄ）は上記（１）の位置で、（ｂ）と（ｅ）は上記（２）の位置で、（ｃ）と（ｆ）は上記（３）の位置で撮像した結果を示す。
【００８８】
図１７の観察結果をまとめたものが図１８である。焦点距離分布を設けた場合は光軸７４から６０ｍｍはなれても虚像５４をはっきりと視認できるのに対し（○で表示）、第１要素凸レンズ２１の焦点距離を全て一定にした場合では光軸７４から３０ｍｍはなれた場合ですでに虚像５４がボケ（△で表示）、６０ｍｍはなれた場合は視認が難しくなっていることがわかる（×で表示）。
【００８９】
第１凸レンズ群２０を構成する各第１要素凸レンズ２１の結像面が対応する各第２要素凸レンズ２３の主平面に位置するように、各第１要素凸レンズ２１に焦点距離分布を設け、それに伴って、第２要素凸レンズ２３および第３要素凸レンズ２５のレンズピッチの調整を行うことにより、光軸７４から離れた位置においても虚像５４を視認することが可能となる。よって、ヘッドアップディスプレイ１００の視域を広げることができる。
【００９０】
図２０は、ヘッドアップディスプレイ２００を試作した第２の実施例の光学系を示す図である。第２の実施例においては、図１１の視点４４の位置にカメラ６０を置き、また、虚像５４が形成される位置に目印６２を置いている。
【００９１】
図２０に示すように、第２の実施例においては、画像表示部３０から第１凸レンズ群２０までの距離Ｄ１＝１３０ｍｍ、第３凸レンズ群２４から光路変更ミラー３３までの距離D５＝５０ｍｍ、光路変更ミラー３３からコンバイナ３４までの距離Ｄ６＝１００ｍｍ、コンバイナ３４からカメラ６０までの距離Ｄ３＝１０００ｍｍ、コンバイナ３４から目印６２までの距離Ｄ４＝１０００ｍｍと設定した。
【００９２】
このように構成された第２の実施例において、大きさが１インチ対角の文字「180Km/h」を画像表示部３０に表示し、カメラ６０によって形成された虚像５４を撮像した。図２１は、カメラ６０により撮像された虚像５４を示す図である。図２１に示すように、光路変更用ミラー３３を設けた場合においても目印６２を設置した位置に虚像５４が形成されていることが分かる。
【００９３】
第２の実施例においては、図１２に示した第１の実施例に比べてレンズ光学系１０からコンバイナ３４までの距離が５０ｍｍ増えているため、虚像の大きさは若干小さくなり、拡大倍率は約２．８倍であった。
【００９４】
第２の実施例に示したとおり、光路変更ミラー３３を用いることで、光学ユニットの高さを決定する第１の実施例の画像表示部３０から第１凸レンズ群２０までの距離Ｄ１＝１３０ｍｍと第３凸レンズ群２４からコンバイナまでの距離Ｄ２＝１００ｍｍを足した２３０ｍｍが、第２の実施例においてはレンズ光学系１０の幅Ｗ（約６０ｍｍ）の半分と光路変更用ミラー３３とコンバイナ３４までの距離Ｄ６＝１００ｍｍを足した１３０ｍｍと短くなり、もってヘッドアップディスプレイ２００の高さをヘッドアップディスプレイ１００に比べて低くすることができた。
【００９５】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
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たレンズ光学系であって、
前記第２凸レンズ群と前記第３凸レンズ群との間の距離は、前記第１凸レンズ群と前記第２凸レンズ群との間の距離よりも長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。
【請求項２】
前記第１凸レンズ群を構成する第１要素凸レンズと、前記第２凸レンズ群を構成する第２要素凸レンズとが１対１に対応しており、前記第１要素凸レンズの結像面が対応する前記第２要素凸レンズの主平面に位置するように、前記第１要素凸レンズの焦点距離が設定されていることを特徴とする請求項１に記載のレンズ光学系。
【請求項３】
前記第２要素凸レンズの前記レンズピッチが、主光軸から離れるに従って大きくなることを特徴とする請求項１または２に記載のレンズ光学系。
【請求項４】
前記第１要素凸レンズの前記レンズピッチが、主光軸から離れるに従って小さくなることを特徴とする請求項１または２に記載のレンズ光学系。
【請求項５】
前記第３凸レンズ群を構成する第３要素凸レンズと、前記第２凸レンズ群を構成する第２要素凸レンズとが１対１に対応しており、前記第３要素凸レンズの結像面が対応する前記第２要素凸レンズの主平面に位置するように、前記第３要素凸レンズの焦点距離が設定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレンズ光学系。
【請求項６】
一方の面に規則的に配置された複数の第１外側凸レンズと、他方の面に規則的に配置された複数の第１内側凸レンズとを有する第１レンズアレイプレートと、
一方の面に規則的に配置された複数の第２外側凸レンズと、他方の面に規則的に配置された複数の第２内側凸レンズとを有する第２レンズアレイプレートと、を備え、
前記第１内側凸レンズと前記第２内側凸レンズが対向するように、前記第１レンズアレイプレートと前記第２レンズアレイプレートとが積層されており、
前記複数の第１外側凸レンズが前記第１凸レンズ群を構成し、前記第１内側凸レンズと前記第２内側凸レンズの複数の組が前記第２凸レンズ群を構成し、前記複数の第２外側凸レンズが前記第３凸レンズ群を構成することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレンズ光学系。
【請求項７】
前記第１内側凸レンズと前記第２内側凸レンズは前記レンズ径が等しく、対向する前記第１内側凸レンズと前記第２内側凸レンズの光軸が一致していることを特徴とする請求項６に記載のレンズ光学系
【請求項８】
画像を表示する画像表示部と、
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から７のいずれかに記載のレンズ光学系と、
を備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項９】
画像を表示する前記画像表示部は、放出する光線の放射角度を制限する手段が設けられていることを特徴とする請求項８に記載されている画像表示装置。
【請求項１０】
画像を表示する画像表示部と、
前記画像表示部からの光を受ける請求項１から７のいずれかに記載のレンズ光学系と、
前記レンズ光学系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。
【請求項１１】
画像を表示する画像表示部と、
前記画像表示部からの光を受ける請求項１から７のいずれかに記載のレンズ光学系と、
前記レンズ光学系からの光をコンバイナに向けて反射するミラーと、
前記ミラー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前記コンバイナと、
を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
【請求項１２】
画像を表示する前記画像表示部は、放出する光線の放射角度を制限する手段が設けられていることを特徴とする請求項１０または１１に記載されているヘッドアップディスプレイ。
【請求項１】
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、
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たレンズ光学系であって、
前記第２凸レンズ群と前記第３凸レンズ群との間の距離は、前記第１凸レンズ群と前記第２凸レンズ群との間の距離よりも長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。
【請求項２】
前記第１凸レンズ群を構成する第１要素凸レンズと、前記第２凸レンズ群を構成する第２要素凸レンズとが１対１に対応しており、前記第１要素凸レンズの結像面が対応する前記第２要素凸レンズの主平面に位置するように、前記第１要素凸レンズの焦点距離が設定されていることを特徴とする請求項１に記載のレンズ光学系。
【請求項３】
前記第２要素凸レンズの前記レンズピッチが、主光軸から離れるに従って大きくなることを特徴とする請求項１または２に記載のレンズ光学系。
【請求項４】
前記第１要素凸レンズの前記レンズピッチが、主光軸から離れるに従って小さくなることを特徴とする請求項１または２に記載のレンズ光学系。
【請求項５】
前記第３凸レンズ群を構成する第３要素凸レンズと、前記第２凸レンズ群を構成する第２要素凸レンズとが１対１に対応しており、前記第３要素凸レンズの結像面が対応する前記第２要素凸レンズの主平面に位置するように、前記第３要素凸レンズの焦点距離が設定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレンズ光学系。
【請求項６】
一方の面に規則的に配置された複数の第１外側凸レンズと、他方の面に規則的に配置された複数の第１内側凸レンズとを有する第１レンズアレイプレートと、
一方の面に規則的に配置された複数の第２外側凸レンズと、他方の面に規則的に配置された複数の第２内側凸レンズとを有する第２レンズアレイプレートと、を備え、
前記第１内側凸レンズと前記第２内側凸レンズが対向するように、前記第１レンズアレイプレートと前記第２レンズアレイプレートとが積層されており、
前記複数の第１外側凸レンズが前記第１凸レンズ群を構成し、前記第１内側凸レンズと前記第２内側凸レンズの複数の組が前記第２凸レンズ群を構成し、前記複数の第２外側凸レンズが前記第３凸レンズ群を構成することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレンズ光学系。
【請求項７】
前記第１内側凸レンズと前記第２内側凸レンズは前記レンズ径が等しく、対向する前記第１内側凸レンズと前記第２内側凸レンズの光軸が一致していることを特徴とする請求項６に記載のレンズ光学系
【請求項８】
画像を表示する画像表示部と、
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から７のいずれかに記載のレンズ光学系と、
を備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項９】
画像を表示する前記画像表示部は、放出する光線の放射角度を制限する手段が設けられていることを特徴とする請求項８に記載されている画像表示装置。
【請求項１０】
画像を表示する画像表示部と、
前記画像表示部からの光を受ける請求項１から７のいずれかに記載のレンズ光学系と、
前記レンズ光学系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。
【請求項１１】
画像を表示する画像表示部と、
前記画像表示部からの光を受ける請求項１から７のいずれかに記載のレンズ光学系と、
前記レンズ光学系からの光をコンバイナに向けて反射するミラーと、
前記ミラー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前記コンバイナと、
を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
【請求項１２】
画像を表示する前記画像表示部は、放出する光線の放射角度を制限する手段が設けられていることを特徴とする請求項１０または１１に記載されているヘッドアップディスプレイ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１３−４７６９８（Ｐ２０１３−４７６９８Ａ）
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８８９１５（Ｐ２００９−２８８９１５）
【出願日】平成２１年１２月２１日（２００９．１２．２１）
【出願人】（０００００４００８）日本板硝子株式会社 (853)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２１日（２００９．１２．２１）
【出願人】（０００００４００８）日本板硝子株式会社 (853)
【Ｆターム（参考）】
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