JP2024007060A - Projection optics and head-up display equipment - Google Patents
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Abstract
【課題】遠距離と近距離にそれぞれ虚像を表示可能な投影光学装置およびヘッドアップディスプレイ装置において、ヘッドアップディスプレイ装置の小型化を実現する。本発明によれば、持続可能な開発目標の「3すべての人に健康と福祉を」に貢献する。
【解決手段】画像形成部から出射された映像光を屈折および反射させて投影面に投影することで、遠距離と近距離に虚像を表示させるものであって、画像形成部側から順に配置される、第1のレンズ51と、第2のレンズである凹レンズ53と、凹面ミラー55とを少なくとも備える。画像形成部と凹レンズ53との間には、近距離に虚像を表示させるための第1の光路P1と、遠距離に虚像を表示させるための第2の光路P2とが形成される。第1のレンズ51は、第1の光路P1と第2の光路P2のうちの第1の光路P1上のみに配置される。
【選択図】図2
The present invention provides a projection optical device and a head-up display device capable of displaying virtual images at long distances and short distances, respectively, in which the head-up display device is miniaturized. According to the present invention, it contributes to the Sustainable Development Goal 3: Good health and well-being for all.
[Solution] A virtual image is displayed at a long distance and a short distance by refracting and reflecting image light emitted from an image forming section and projecting it onto a projection surface. The lens includes at least a first lens 51, a concave lens 53, which is a second lens, and a concave mirror 55. A first optical path P1 for displaying a virtual image at a short distance and a second optical path P2 for displaying a virtual image at a long distance are formed between the image forming section and the concave lens 53. The first lens 51 is arranged only on the first optical path P1 of the first optical path P1 and the second optical path P2.
[Selection diagram] Figure 2
Description
本発明は、投影光学装置およびヘッドアップディスプレイ装置に関する。 The present invention relates to a projection optical device and a head-up display device.
例えば、自動車や航空機などの移動体が備えるウインドシールドに画像を投影し、その投影画像をウインドシールド越しに虚像として観察できるようにするヘッドアップディスプレイ装置が知られている。ヘッドアップディスプレイ装置の一つとして、背後から照射された光を変調することで画像を表示する透過型の液晶表示パネルと、液晶表示パネルに表示された画像を拡大投影する投影光学装置とを備えたものが知られている。 For example, a head-up display device is known that projects an image onto a windshield of a moving body such as a car or an airplane, and allows the projected image to be observed as a virtual image through the windshield. As a head-up display device, it is equipped with a transmissive liquid crystal display panel that displays an image by modulating light emitted from behind, and a projection optical device that enlarges and projects the image displayed on the liquid crystal display panel. things are known.
特許文献1に示されるヘッドアップディスプレイ装置では、投影光学装置は、リレーレンズと投影レンズ、詳細には接眼光学部とから構成されている。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、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。また、投影レンズは、実像をさらに拡大して、自動車などのウインドシールドに画像を投影し、運転者に対して虚像を表示するように構成される。
In the head-up display device shown in
特許文献1に示されるヘッドアップディスプレイ装置は、観察者、例えば運転者の前方2m先に、スピードメータやタコメータ、水温計や燃料計等の各種計器類の値を虚像として表示する。この場合、各種計器類の値を虚像として見る視線方向と、運転者が見る前景の視線方向との差が小さくなる。これにより、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。
The head-up display device shown in
さらに、各種計器類等を直接見る距離よりも、虚像までの距離(約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。これにより、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との間で、眼のピント合わせに要する時間も短縮できる。そして、これらの2つの利点により、自動車等を運転する際の安全性を向上させることが可能になる。 Furthermore, the distance to the virtual image (approximately 2 meters ahead) is closer to the distance to the foreground that the driver is looking at than the distance from which the various instruments and the like are directly viewed. As a result, the time required for focusing the eye between the state in which the eye focuses on the object in the foreground and the state in which the eye focuses on the virtual image can also be reduced. These two advantages make it possible to improve safety when driving a car or the like.
特許文献2および特許文献3には、2つの異なる距離に虚像を投影するヘッドアップディスプレイ装置が示される。特許文献4には、映像情報を含む映像光を出射する画像形成部と、映像光を反射することで虚像を表示させる接眼光学部と、を含んだ投影光学装置が示される。接眼光学部は、映像光の出射方向に沿って画像形成部側から順に配置された凹レンズ、自由曲面レンズ、及び自由曲面凹面ミラーを含んで構成される。
特許文献2に示されるヘッドアップディスプレイ装置では、凹面鏡からの距離の異なる位置に第1スクリーンと第2スクリーンとが配置される。また、表示器からの出射される映像光を反射する結像位置調整ミラーが設けられる。結像位置調整ミラーは、入射した映像光の一部の結像位置を変えることで、入射した映像光を、結像距離の異なる第1映像光と第2映像光に変換して反射し、第1映像光と第2映像光をそれぞれ第1スクリーンと第2スクリーンに実像として結像させる。
In the head-up display device shown in
これにより、第1スクリーン上の実像と第2スクリーン上の実像は、それぞれ、凹面ミラーと車両のウインドシールドを介して、運転者から見て異なる位置に虚像として表示される。しかしながら、特許文献2に示されるヘッドアップディスプレイ装置では、異なる2つのスクリーン位置に映像光を投影するための特別な表示器が必要とされる。このため、装置の大型化が生じるおそれがあった。
Thereby, the real image on the first screen and the real image on the second screen are respectively displayed as virtual images at different positions as viewed from the driver via the concave mirror and the windshield of the vehicle. However, the head-up display device shown in
一方、特許文献3に示されるヘッドアップディスプレイ装置では、凹面鏡からの距離の異なる位置に第1画像表示部と第2画像表示部とが配置される。第1画像表示部上の映像と第2画像表示部上の映像は、それぞれ、凹面ミラーと車両のウインドシールドを介して、運転者から見て異なる位置に虚像として表示される。しかしながら、特許文献3に示されるヘッドアップディスプレイ装置では、2つの画像表示部、例えばLCD(Liquid Crystal Display)が必要とされ、これに伴い、2つのバックライト装置も必要とされる。このため、装置の大型化や、製造コストの大幅な増大が生じるおそれがあった。
On the other hand, in the head-up display device disclosed in
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、遠距離と近距離にそれぞれ虚像を表示可能な投影光学装置およびヘッドアップディスプレイ装置において、ヘッドアップディスプレイ装置の小型化を実現することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and one of its objects is to provide a projection optical device and a head-up display device capable of displaying virtual images at long distances and short distances, respectively. The goal is to achieve miniaturization.
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
上記課題を解決するために、本発明の一実施の態様は、例えば特許請求の範囲に記載されるように構成すればよい。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、画像形成部から出射された映像光を屈折および反射させて投影面に投影することで、遠距離と近距離に虚像を表示させるものであって、前記画像形成部側から順に配置される、第1のレンズと、第2のレンズと、画像投射部とを少なくとも備え、前記画像形成部と前記第2のレンズとの間には、前記近距離に虚像を表示させるための第1の光路と、前記遠距離に虚像を表示させるための第2の光路とが形成され、前記第1のレンズは、前記第1の光路と前記第2の光路のうちの前記第1の光路上のみに配置される、ように構成されればよい。 In order to solve the above problems, an embodiment of the present invention may be configured, for example, as described in the claims. The present application includes multiple means for solving the above problems, but one example is to refract and reflect the image light emitted from the image forming section and project it onto a projection surface, thereby refracting and reflecting the image light emitted from the image forming section. displays a virtual image on the image forming section, and includes at least a first lens, a second lens, and an image projecting section, which are arranged in order from the image forming section side, and the image forming section and the second lens A first optical path for displaying a virtual image at a short distance and a second optical path for displaying a virtual image at a long distance are formed between the first lens and the first lens. It is only necessary to arrange the light beam on the first optical path of the first optical path and the second optical path.
前記一実施の形態によれば、遠距離と近距離にそれぞれ虚像を表示可能な投影光学装置およびヘッドアップディスプレイ装置において、ヘッドアップディスプレイ装置の小型化を実現できる。 According to the embodiment, in the projection optical device and the head-up display device that can display virtual images at long distances and short distances, it is possible to realize miniaturization of the head-up display device.
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。 Hereinafter, one embodiment and various examples of the present invention will be described using drawings and the like. The following explanations show specific examples of the contents of the present invention, and the present invention is not limited to these explanations. Changes and modifications are possible. Further, in all the figures for explaining the present invention, parts having the same functions are given the same reference numerals, and repeated explanation thereof may be omitted.
<ヘッドアップディスプレイ装置の概略>
図11は、一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置において、基本構成の一例を示す概略図である。図12は、図11におけるヘッドアップディスプレイ装置のより詳細な構成例を示す図である。図11に示すヘッドアップディスプレイ装置20は、画像形成部10と、接眼光学部5とを備える。画像形成部10は、映像情報を含む映像光を出射する。接眼光学部5は、画像形成部10から出射された映像光を、例えば自動車のウインドシールド6等である投影面に投影し、投影面で反射させて観察者の眼9に入射させる。これにより、観察者の眼9から見ると、虚像面7において映像情報を見ているかのような状態になる。
<Overview of head-up display device>
FIG. 11 is a schematic diagram showing an example of the basic configuration of a head-up display device according to an embodiment. FIG. 12 is a diagram showing a more detailed configuration example of the head-up display device in FIG. 11. A head-up
まず、画像形成部10について説明する。図12に示すように、画像形成部10は、表示パネルまたは液晶表示パネル2と、光源装置またはバックライト1とを備えている。また、画像形成部10は、液晶表示パネル2とバックライト1の動作を制御する制御装置、言い換えればコントローラ200を備えている。一方、画像形成部10は、コントローラ200を有さず、例えばヘッドアップディスプレイ装置20を搭載した移動体の制御部により液晶表示パネル2とバックライト1の動作を制御してもよい。画像形成部10は、バックライト1から液晶表示パネル2に光を照射し、液晶表示パネル2に表示された映像情報を接眼光学部5に向けて出射する。
First, the
コントローラ200は、種々の外部装置に接続され、外部装置から種々の情報が入力される。この例では、コントローラ200は、ヘッドアップディスプレイ装置20を搭載した移動体の動作に関する情報を生成して出力するナビゲーション装置であるナビ208や、移動体の動作を制御するECU(Electronic Control Unit)209が接続されている。ECU209は、移動体が備える各種のセンサ210に接続され、各種のセンサ210によって検知した情報が入力される。
The controller 200 is connected to various external devices and receives various information from the external devices. In this example, the controller 200 includes a navigation device 208 that is a navigation device that generates and outputs information regarding the operation of a moving object equipped with the head-up
コントローラ200は、上記にて説明をした外部装置からの各種データを処理する主制御部201と、記憶装置206と、バックライト1を駆動するためのバックライト駆動回路207と、を備えている。主制御部201は、RAM(Randam Accsess Memory)203と、ROM(Read Only Memory)204と、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサ205とを備える。
The controller 200 includes a main control unit 201 that processes various data from the external device described above, a storage device 206, and a backlight drive circuit 207 that drives the
RAM203は、外部装置からの各種データを記憶する。ROM204は、プロセッサ205が演算処理を実行するためのプログラムやパラメータを記憶する。プロセッサ205は、ROM204に記憶されたプログラムまたはRAM203に展開されたプログラムに基づいて、観察者が視認する虚像の元になる映像データを生成するための演算処理を実行する。記憶装置206は、例えば、主制御部201の外部記憶装置として用いられる。 RAM 203 stores various data from external devices. The ROM 204 stores programs and parameters for the processor 205 to execute arithmetic processing. The processor 205 executes arithmetic processing based on a program stored in the ROM 204 or a program developed in the RAM 203 to generate video data that is the basis of a virtual image that is visually recognized by an observer. The storage device 206 is used, for example, as an external storage device for the main control unit 201.
画像形成部10は、このようなコントローラ200による制御に基づいて、液晶表示パネル2に映像情報を表示する。そして、画像形成部10は、液晶表示パネル2に表示された映像情報を、バックライト1が照射した光束によって映像光として出射する。接眼光学部5は、詳細は後述するが、例えば、凹レンズ53と、折返しミラー54と、凹面ミラー55とを一つまたは複数備える。接眼光学部5は、このようなレンズおよびミラーにより画像形成部10からの映像光を屈折および反射させて、投影面、例えばウインドシールド6に投影する。なお、明細書では、接眼光学部5を投影光学装置または投射光学装置とも呼ぶ。
The
図11に戻る。画像形成部10において形成され出射された映像光は、接眼光学部5によって、投影面、例えばウインドシールド6に投影される。ウインドシールド6に投影された映像光は、ウインドシールド6で反射されて、観察者の眼9の位置に到達する。これによって、観察者の眼9から見ると、あたかも、虚像面7で映像情報を見ているような関係性が成立する。
Return to FIG. 11. The image light formed and emitted by the
図11に示されるように、液晶表示パネル2における映像光の出射面において、点Q1・点Q2・点Q3という仮想点を考える。これら仮想点から出射された映像光に対応する虚像面7における仮想点は、それぞれ、図11に示される点V1・点V2・点V3となる。観察者が眼9の位置を動かしても虚像面7における点V1・点V2・点V3を視認できる範囲が、アイボックス8である。このように、接眼光学部5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、物像、詳細には虚像を観察者の眼9の前に表示する光学部である。
As shown in FIG. 11, virtual points such as point Q1, point Q2, and point Q3 are considered on the image light exit surface of the liquid
ここで、ヘッドアップディスプレイ装置20を移動体に搭載した場合の例について図13を用いて説明する。図13は、移動体である自動車500を前方から見た平面図である。図13に示すような自動車500には、風防のため、フロントガラスであるウインドシールド6が、運転席の前方に配置されている。
Here, an example in which the head-up
ヘッドアップディスプレイ装置20は、ウインドシールド6に映像光を投影することで、自動車500の動作に係る各種情報を運転席にいる観察者が虚像として視認できる状態を構築する。映像光が投影される位置は、運転席の前方やその周囲である。例えば、映像光は、図13における破線矩形領域R1に示すような位置に投影される。
By projecting image light onto the
ここで、前述した特許文献4は、本発明と同じ発明者によるものである。特許文献4の段落[0035]には、「液晶表示パネル側でのこのテレセントリック(射出瞳距離が無限大)を満足するためには、液晶表示パネルの直前にフィールドレンズとして、負の屈折力(=パワー)である凹レンズを配置する必要がある」と、記載されている。当該凹レンズは、例えば、図12に示した凹レンズ53に該当する。
Here, the above-mentioned
<接眼光学部の詳細>
一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置20は、特に、接眼光学部5、言い換えれば投影光学装置の構成に特徴がある。まずは、図1Aおよび図1Bを参照して、ウインドシールド6と接眼光学部5との関係について説明する。図1Aは、一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置において、接眼光学部のYZ平面での全体光線図である。図1Bは、一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置において、接眼光学部のXZ平面での全体光線図である。
<Details of the eyepiece optical section>
The head-up
実施の形態では、車両500に対する空間座標系や方向として、(X,Y,Z)を用いている。Y軸、Y方向は、鉛直方向であり、言い換えると上下方向、縦方向である。X軸、X方向は、第1水平方向であり、言い換えると、左右方向、横方向である。Z軸、Z方向は、X軸に対し直交する第2水平方向であり、言い換えると、前後方向である。
In the embodiment, (X, Y, Z) is used as the spatial coordinate system and direction for
ここでは、アイボックス8の水平方向をX軸で、垂直方向をY軸で、XY軸に直交する方向をZ軸で定義する。図1Aには、YZ平面において虚像面7の映像情報を観察者の眼9で見ている様子が示される。図1Bには、XZ平面において、虚像面7の映像情報を観察者の眼9で見ている様子が示される。YZ平面では、図1Aでの符号9に示されるように、右眼と左眼が重なっており、XZ平面では、図1Bでの符号9に示されるように、右眼と左眼が別々に見えている。
Here, the horizontal direction of the
ウインドシールド6は、自動車の左右方向に対して対称な形状であるため、図1Bに示されるように、ヘッドアップディスプレイ装置20からの映像光が通過するウインドシールド6の範囲は、左右対称となる。また、図1Aおよび図1Bに示されるように、接眼光学部5は、アイボックス8からの距離L1に位置する近距離側の虚像面7aと、アイボックス8からの距離L2に位置する遠距離側の虚像面7bとに、互い異なる映像情報等をそれぞれ表示させる。
Since the
図2は、一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置において、接眼光学部の主要部の構成例を示す斜視図である。図2に示されるように、接眼光学部5は、液晶表示パネル2を含む画像形成部側から順に配置される、第1のレンズ51と、偏光素子52と、第2のレンズである凹レンズ53と、第3のレンズである折返しミラー54と、正の屈折力を有する凹面ミラー55と、を備える。これらの部品は、液晶表示パネル2と、投影面であるウインドシールド6との間の光路を形成する。なお、明細書では、凹面ミラー55を画像投射部とも呼ぶ。
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration example of the main parts of the eyepiece optical section in a head-up display device according to an embodiment. As shown in FIG. 2, the eyepiece
ここで、液晶表示パネル2と凹レンズ53との間には、近距離に虚像を表示させるための第1の光路P1と、遠距離に虚像を表示させるための第2の光路P2とが形成される。第1のレンズ51は、第1の光路P1と第2の光路P2のうちの第1の光路P1上のみに配置されている。
Here, a first optical path P1 for displaying a virtual image at a short distance and a second optical path P2 for displaying a virtual image at a long distance are formed between the liquid
偏光素子52は、液晶表示パネル2から出射する映像光とは異なる偏光光を減衰させることで、太陽光が液晶表示パネル2上に集光する場合でも、液晶表示パネル2の温度上昇を抑えるためのものである。凹レンズ53は、主にテレセントリック性を実現し、且つ、折返しミラー54と合わせて歪を補正している。
The
折返しミラー54は、液晶表示パネル2から凹レンズ53等を介して入射された映像光を、凹面ミラー55に向けて反射する。凹面ミラー55は、折返しミラー54から入射された映像光を拡大および反射することで、投影面であるウインドシールド6に映像光を拡大投影する。接眼光学部5の屈折力は、主に凹面ミラー55が担っている。
The
このように、ウインドシールド6と凹面ミラー55との間の光路の下部または画像形成部10と凹面ミラー55との間に、折返しミラー54を配置することで、ヘッドアップディスプレイ装置20の小形化を実現できる。ただし、接眼光学部5は、場合によっては、液晶表示パネル2からの映像光を、折返しミラー54を介さずに凹面ミラー55に入射させるように構成されてもよい。また、偏光素子52も、必須の部品ではない。このため、接眼光学部5は、少なくとも、第1のレンズ51と、凹レンズ53と、凹面ミラー55とを備えればよい。
In this way, by arranging the
図3Aは、図2における接眼光学部の近距離側に対応するレンズデータの一例を示す図である。図3Bは、図2における接眼光学部の遠距離側に対応するレンズデータの一例を示す図である。図3Bには、図3Aとはレンズデータが異なる面番号の範囲のみを表示している。図3Aにおける近距離側の虚像距離、すなわち図1Aにおける距離L1は、7mであり、図3Bにおける遠距離側の虚像距離、すなわち図1Aにおける距離L2は、15mである。 FIG. 3A is a diagram showing an example of lens data corresponding to the near distance side of the eyepiece optical section in FIG. 2. FIG. FIG. 3B is a diagram showing an example of lens data corresponding to the far side of the eyepiece optical section in FIG. 2. FIG. In FIG. 3B, only the range of surface numbers whose lens data differs from that in FIG. 3A is displayed. The virtual image distance on the near side in FIG. 3A, ie, the distance L1 in FIG. 1A, is 7 m, and the virtual image distance on the far side in FIG. 3B, ie, the distance L2 in FIG. 1A, is 15 m.
図3Aにおいて、第1のレンズ51は、14面から18面までの範囲に該当し、当該5個の面を含んで構成される。なお、当該5個の面の詳細に関しては、図8および図9で後述する。一方、図3Bにおいて、第1のレンズ51を構成する各面は、全て曲率半径が∞の平面であり、面番号13の平面に重なる同じ平面となっている。これは、遠距離側には、第1のレンズ51は配置されないことを意味する。
In FIG. 3A, the
図3Aおよび図3Bにおいて、曲率半径は、曲率半径の中心位置が進行方向にある場合に正の符合で表わされる。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。例えば、図3Aにおいて、第1のレンズ51の14面から15面までの距離は、2mmである。なお、反射光学系においては、面間距離が負の値となる箇所では、曲率半径の符号は逆になる。
In FIGS. 3A and 3B, the radius of curvature is expressed with a positive sign when the center position of the radius of curvature is in the traveling direction. The distance between surfaces represents the distance on the optical axis from the apex position of each surface to the apex position of the next surface. For example, in FIG. 3A, the distance from the 14th surface to the 15th surface of the
偏心は、X軸方向・Y軸方向・Z軸方向それぞれの値で表され、倒れは、X軸回りの回転角度・Y軸回りの回転角度・Z軸回りの回転角度で表される。偏心・倒れは、該当の面で偏心と倒れの順に作用する。「普通偏心」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ことを意味する。「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。なお、X軸回りの回転は、X軸の正方向から見て時計回りが正、Y軸回りの回転は、Y軸の正方向から見て時計回りが正、Z軸回りの回転は、Z軸の正方向から見て反時計回りが正である。 Eccentricity is represented by values in the X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction, and inclination is represented by a rotation angle around the X-axis, a rotation angle around the Y-axis, and a rotation angle around the Z-axis. Eccentricity and inclination act in the order of eccentricity and inclination on the relevant surface. "Normal eccentricity" means that the next surface is placed at the position of the distance between the surfaces on the new coordinate system where eccentricity/inclination is applied. Eccentricity and inclination of "decenter and return" act only on that surface and do not affect the next surface. Note that rotation around the X-axis is positive when viewed from the positive direction of the X-axis, clockwise when viewed from the positive direction of the Y-axis, rotation around the Y-axis is positive, and rotation around the Z-axis is positive when viewed from the positive direction of the Y-axis. Counterclockwise rotation is positive when viewed from the positive direction of the axis.
図3Aにおいて、硝材名490.560は、屈折率1.490でアッベ数が56.0の材料を表す。同様に、硝材名520.649は、屈折率1.520でアッベ数が64.9の材料を表し、硝材名583.302は、屈折率1.583でアッベ数が30.2の材料を表す。また、19面に記される「ret s13」は、18面の次に配置される19面を、13面に配置することを意味する。このため、20面は、19面、ひいては13面を基準に定義される。 In FIG. 3A, the glass material name 490.560 represents a material with a refractive index of 1.490 and an Abbe number of 56.0. Similarly, the glass material name 520.649 represents a material with a refractive index of 1.520 and an Abbe number of 64.9, and the glass material name 583.302 represents a material with a refractive index of 1.583 and an Abbe number of 30.2. . Furthermore, "ret s13" written on the 19th side means that the 19th side, which is placed next to the 18th side, is placed on the 13th side. Therefore, the 20 planes are defined based on the 19 planes, or even the 13 planes.
図2に示したように、第1のレンズ51が配置される区間では、映像光の光路は、2個の光路P1,P2に分離される。19面は、当該分離された光路を基準の面、すなわち13面から定義できるようにするための仮想的な面である。図3Aに基づくと、例えば、20面は、19面、ひいては13面から21mmの距離に配置される。また、一実施の形態では、図3Aに示されるように、凹面ミラー55と折返しミラー54とを自由曲面形状とすることで、テレセントリック性を確保した上で、後述する良好な歪性能とスポット図を実現している。
As shown in FIG. 2, in the section where the
図4Aは、図2における接眼光学部の自由曲面係数の一例を示す図である。図4Bは、図2における接眼光学部の非球面係数の一例を示す図である。図4Aに示される自由曲面係数Cjは、式(1)により求められる。図4Bに示される4次、6次、8次、10次の非球面係数は、式(2)により求められる。 FIG. 4A is a diagram showing an example of free-form surface coefficients of the eyepiece optical part in FIG. 2. FIG. 4B is a diagram showing an example of the aspheric coefficient of the eyepiece optical section in FIG. 2. The free-form surface coefficient Cj shown in FIG. 4A is obtained by equation (1). The fourth-order, sixth-order, eighth-order, and tenth-order aspherical coefficients shown in FIG. 4B are obtained by equation (2).
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3に示されるレンズデータでの偏心・倒れの量によって定まる。 The free-form surface coefficient Cj has a shape that is rotationally asymmetric with respect to each optical axis (Z axis), and is defined by a conical term component and an XY polynomial term component. For example, if X is quadratic (m=2) and Y is cubic (n=3), the corresponding C19 coefficient is j={(2+3)2+2+3×3}/2+1=19. Further, the position of each optical axis of the free-form surface is determined by the amount of eccentricity and inclination in the lens data shown in FIG.
以下に、接眼光学部5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 120×40mm
液晶表示パネルでの映像光サイズ 81.4×35.7mm
虚像距離(伏角方向)
遠距離側 13.0m
近距離側 7.0m
視野角(全画角)
全範囲 12.0×4.0度
遠距離 12.0×2.5度
近距離 12.0×0.9度
伏角 2.5度
Below, values such as the eyebox size and viewing angle of the eyepiece
Eye box size 120 x 40mm
Image light size on LCD panel: 81.4 x 35.7 mm
Virtual image distance (inclination direction)
Far side 13.0m
Near distance side 7.0m
Viewing angle (full angle of view)
Full range 12.0 x 4.0 degrees
Long distance 12.0 x 2.5 degrees
Close range 12.0 x 0.9 degrees Inclination 2.5 degrees
<光学性能の検証結果>
次に、一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置20の光学性能を検証した結果について、図5から図7を用いて説明する。
<Optical performance verification results>
Next, the results of verifying the optical performance of the head-up
図5は、一実施の形態による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5には、図11に示した矩形状の虚像面7の範囲を基準として得られた、アイボックス8の中央を通過する光線による液晶表示パネル2側での歪性能が示される。仮に、液晶表示パネル2側に矩形状の画像を表示した状態で、アイボックス8の中央位置に眼9を位置した場合、例えば、樽型から糸巻型に、糸巻側から樽型に、といったように図5とは逆の歪が観察される。
FIG. 5 is a diagram illustrating distortion performance of a head-up display device according to an embodiment. FIG. 5 shows the distortion performance on the liquid
図5における上方には、遠距離側の虚像距離に位置する視野範囲、すなわち図1Aに示した虚像面7bの範囲に対応する歪性能が示される。一方、図5における下方には、近距離側の虚像距離に位置する視野範囲、すなわち図1Aに示した虚像面7aの範囲に対応する歪性能が示される。図5に示されるように、遠距離側と近距離側とで、それぞれ、良好な歪性能が得られている。また、図5において、液晶表示パネル2上では、遠距離側の虚像距離と近距離側の虚像距離との間に、未使用帯があることがわかる。
In the upper part of FIG. 5, the distortion performance corresponding to the visual field range located at the virtual image distance on the far side, that is, the range of the
図6Aは、一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置のスポット図である。図6Bは、図6Aの補足図である。図6Aは、図6Bに示されるように、虚像面7の範囲に23か所の物点を配置した場合に得られる液晶表示パネル2上でのスポット図であり、アイボックス8全体を通過する光束によるスポット図である。
FIG. 6A is a spot diagram of a head-up display device according to one embodiment. FIG. 6B is a supplementary figure to FIG. 6A. FIG. 6A is a spot diagram on the liquid
図6Aに示されるスポット図は、虚像を物面とした縮小光学系において、液晶表示パネル2の各位置でのスポット図を5倍に拡大強調した図である。図6Aにおける上方には、遠距離側の虚像距離の視野範囲に対応するスポット図が示され、図6Aにおける下方には、近距離側の虚像距離の視野範囲に対応するスポット図が示される。図6に示されるように、遠距離側と近距離側とで、それぞれ、良好なスポット図が得られている。
The spot diagram shown in FIG. 6A is a diagram in which the spot diagram at each position on the liquid
また、このスポット図は、アイボックス8の大きさが水平120mm×垂直40mmであることを前提とした全光束でのスポット図である。一方、人の眼の虹彩の大きさは、例えば、最大でφ7mmといわれている。このため、実際に観察者が虚像を見る場合、人の眼の虹彩の大きさでのスポット図は、大幅に良くなる。
Further, this spot diagram is a spot diagram for the total luminous flux on the assumption that the size of the
図7Aは、一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置において、遠距離側の虚像面に対応する主光線の角度ずれを表す図である。図7Bは、一実施の形態によるヘッドアップディスプレイ装置において、近距離側の虚像面に対応する主光線の角度ずれを表す図である。図7Cは、図7Aおよび図7Bの補足図である。 FIG. 7A is a diagram showing the angular shift of the chief ray corresponding to the virtual image plane on the far side in the head-up display device according to one embodiment. FIG. 7B is a diagram showing the angular shift of the chief ray corresponding to the virtual image plane on the short distance side in the head-up display device according to one embodiment. Figure 7C is a supplementary figure to Figures 7A and 7B.
図7Aおよび図7Bには、図7Cに示されるように、各画角位置での仮想光線Ray0に対する主光線Ray1の角度ずれの値が示される。仮想光線Ray0は、液晶表示パネル2の長辺に平行な回転軸を中心に、液晶表示パネル2の法線を所定角度、例えば18度回転した直線である。このように角度を有した仮想光線Ray0を定めることで、例えば、自動車500の上方に太陽が位置し、ウインドシールド6を透過した太陽光が凹面ミラー55で反射して液晶表示パネル2に到達した場合、太陽光は、液晶表示パネル2に対して斜めに入射することになる。その結果、その反射光は、凹面ミラー55とは異なる方向に向かい、アイボックス8に到達することはない。
7A and 7B, as shown in FIG. 7C, the value of the angular shift of the principal ray Ray1 with respect to the virtual ray Ray0 at each view angle position is shown. The virtual ray Ray0 is a straight line obtained by rotating the normal line of the liquid
図7Aには、遠距離側の虚像距離の虚像面7bに23か所の物点を配置した場合の、液晶表示パネル2上での仮想光線Ray0に対する主光線Ray1の角度ずれの値が示される。図7Aに示されるように、角度ずれの値は、いずれも9.3度以内に収まっている。図7Bには、近距離側の虚像距離の虚像面7aに23か所の物点を配置した場合の、液晶表示パネル2上での仮想光線Ray0に対する主光線Ray1の角度ずれの値が示される。図7Bに示されるように、角度ずれの値は、いずれも9.3度以内に収まっている。
FIG. 7A shows the value of the angular shift of the principal ray Ray1 with respect to the virtual ray Ray0 on the liquid
<第1のレンズの詳細>
図8A、図8Bおよび図8Cは、図2における第1のレンズの詳細を説明する図である。図9Aは、図2における第1のレンズの詳細な配置構成例を示す図であり、図9Bは、図9Aの比較例となる配置構成例を示す図である。図8Aには、図2における液晶表示パネル2と、第1のレンズ51と、偏光素子52と、凹レンズ53とが示される。液晶表示パネル2と、偏光素子52との間には、近距離に虚像を表示させるための第1の光路P1と、遠距離に虚像を表示させるための第2の光路P2とが形成される。第1のレンズ51は、第1の光路P1上のみに配置されている。
<Details of the first lens>
8A, FIG. 8B, and FIG. 8C are diagrams illustrating details of the first lens in FIG. 2. 9A is a diagram illustrating a detailed arrangement and configuration example of the first lens in FIG. 2, and FIG. 9B is a diagram illustrating an arrangement and configuration example that is a comparative example of FIG. 9A. FIG. 8A shows the liquid
第1のレンズ51は、図9Aに示されるように、例えば、凹レンズ511と凸レンズ512とを貼り合わせることで構成され、これによって、直方体に似た形状を備える。図8Bは、第1のレンズ51を面表示した図であり、当該2枚のレンズの貼り合わせ面s16のみが見えている。図8Cは、図8Bに示される図を斜め方向から見た図であり、貼り合わせ面s16も含め、面s14~面s18が見えている。面s14~面s18は、図3に示したレンズデータおける14面~18面にそれぞれ該当する。
As shown in FIG. 9A, the
図3に示したように、第1のレンズ51の面s14と面s15の硝材は、同じTAFD32_HOYAであり、第1のレンズ51の面s16と面s17の硝材は、同じFDS20W_HOYAである。すなわち、図9Aにおける凹レンズ511の硝材は、屈折率1.871およびアッベ数40.7を有するTAFD32_HOYAであり、凸レンズ512の硝材は、屈折率1.870およびアッベ数20.0を有するFDS20W_HOYAである。硝材の屈折率に応じて、光路長の調整量が異なり、屈折率が小さい場合、光路長の調整量を小さくでき、屈折率が大きい場合、光路長の調整量を大きくできる。また、実施の形態では、上記の硝材の組み合わせに限定されず、ほかの硝材の組み合わせでもよい。
As shown in FIG. 3, the glass materials of the surfaces s14 and s15 of the
この場合、波長587.562nmであるd線における屈折率の差は0.001しかないので、第1のレンズ51の貼り合わせ面s16は、d線に対しては屈折作用を有さない。もし、屈折率の差が大きいと、第1のレンズ51がd線に対してレンズ作用を持つので、近距離側の光線にのみ影響を与えてしまい、近距離側のテレセントリック性が変化してしまう。従って、第1のレンズ51を構成する2つの硝材の屈折率の差は、0.01以下であることが望ましい。
In this case, since the difference in refractive index for the d-line having a wavelength of 587.562 nm is only 0.001, the bonding surface s16 of the
図10Aは、図2における第1のレンズの作用を説明する模式図であり、図10Bは、図10Aの比較例となる模式図である。図2における凹面ミラー55から液晶表示パネル2までの光路長は、図10Bに示されるように、原理的に、虚像距離が遠い場合に長くなり、虚像距離が近い場合に短くなる。このように、虚像距離の異なる2つの虚像を表示させるためには、通常、2個の表示パネル等を設ける必要がある。
FIG. 10A is a schematic diagram illustrating the action of the first lens in FIG. 2, and FIG. 10B is a schematic diagram as a comparative example of FIG. 10A. In principle, the optical path length from the
そこで、一実施の形態では、虚像距離が近い場合の光路である第1の光路P1上のみに、第1のレンズ51が配置される。これにより、図10Aに示されるように、虚像距離が近い場合の光路長を、虚像距離が遠い場合の光路長と同等の長さに定めることができる。詳細には、屈折力の無い直方体の空気換算での光路長は、屈折率Nおよび厚さdを用いてd×Nであるため、物理長dとの差d(N-1)だけ、光路長を長くできる。その結果、1個の液晶表示パネル2を用いて、異なる2つの位置に2つの虚像をそれぞれ表示することが可能になる。
Therefore, in one embodiment, the
また、例えば、図8Cにおいて、第1のレンズ51の近くに配置される凹レンズ53は、図7Aおよび図7Bに示したテレセントリック性を実現するために屈折力を有しており、その結果、倍率色収差を発生し得る。一実施の形態では、その倍率色収差を、TAFD32_HOYAとFDS20W_HOYAのアッベ数の差を利用して補正している。この際に、アッベ数の差が大きければ、貼り合わせ面s16での曲率半径を大きくすることができる。一方、アッベ数の差が小さければ、貼り合わせ面s16での曲率半径を小さくする必要がある。従って、第1のレンズ51を構成する2つの硝材のアッベ数の差は、10以上であることが望ましい。
Further, for example, in FIG. 8C, the
ところで、第1のレンズ51において、面s15および面s17は、それぞれの前後が同じ硝材であるため、省略可能であるが、ここでは、図9Aでの説明で使用するために設けられる。一実施の形態では、第1のレンズ51は、図9Aに示されるように、貼り合わせ面s16の光軸AXが、近距離側の代表光線、すなわち近距離側の視野の中央の主光線の方向と略一致するように配置されている。また、面s15と面s16と面s17は、光軸が一致しており、代表光線は、面s15から面s17までの区間で構成される直方体の中心部を通過することになる。
Incidentally, in the
ここで、第1の比較例として、仮に、第1のレンズ51が、面s15および面s17を、映像光の入射面および出射面とするように構成された場合を想定する。この場合、ウインドシールド6を透過した太陽光は、凹面ミラー55で反射し、映像光の光路を逆方向に進行したのち、空気に面した面s15と面s17に略垂直に入射する。その結果、面s15と面s17で反射した迷光が、映像光の光路を戻り、アイボックス8、ひいては、運転者の眼9に入光されるおそれがある。
Here, as a first comparative example, assume that the
そこで、図9Aに示されるような面s14および面s18を設けることで、このような第1のレンズ51の入出射面での迷光の発生を防ぐことができる。すなわち、第1のレンズ51は、面s14および面s18のように、貼り合わせ面s16の光軸AXに対して垂直でない入射面と出射面とを有するように構成される。面s14と面s18は、平行な位置関係であり、面s14と面s18を含めた第1のレンズ51は、d線に対しては、直方体と同様に作用する。
Therefore, by providing the surface s14 and the surface s18 as shown in FIG. 9A, it is possible to prevent the occurrence of stray light on the entrance/exit surface of the
さらに、図9Aに示される構成例を用いることで、第1のレンズ51を構成する凹レンズ511と凸レンズ512のレンズ径を小さくでき、材料コストの低減等が図れる。例えば、第2の比較例となる図9Bの構成例では、第1のレンズ51に対応するレンズ51bの貼り合わせ面の光軸AXは、近距離側の代表光線と平行ではなく、凹レンズ53の光軸と平行になっている。この場合、レンズ51bを構成する凹レンズ511bと凸レンズ512bは、略直方体状または直方体状に切り出す前のレンズ径が、図9Aの場合と比べて大きくなる。
Furthermore, by using the configuration example shown in FIG. 9A, the lens diameters of the
<実施の形態の主要な効果>
以上のように、一実施の形態では、遠距離と近距離にそれぞれ虚像を表示可能な投影光学装置およびヘッドアップディスプレイ装置において、近距離に虚像を表示させるための第1の光路P1上のみに第1のレンズ51が配置される。これにより、遠距離側と近距離側とで映像光の光路長を同等に定めることができるため、1個の液晶表示パネル2を用いて異なる虚像距離に虚像を表示させることが可能になる。その結果、代表的には、ヘッドアップディスプレイ装置20の小型化等が実現可能になる。
<Main effects of the embodiment>
As described above, in one embodiment, in a projection optical device and a head-up display device that can display virtual images at a long distance and a short distance, only on the first optical path P1 for displaying a virtual image at a short distance. A
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、前述した実施の形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 As above, the invention made by the present inventor has been specifically explained based on the embodiments, but the present invention is not limited to the embodiments described above, and various changes can be made without departing from the gist thereof. For example, the embodiments described above have been described in detail to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and the present invention is not necessarily limited to having all the configurations described. Further, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. . Furthermore, it is possible to add, delete, or replace some of the configurations of each embodiment with other configurations.
例えば、実施の形態に係る技術を用いると、前述したように、太陽光が運転者の目に入光する事態を防止できる。また、フロントガラス等に投影された行き先や速度などのナビゲーション情報表示の他に、対向車や歩行者を検知した際のアラート情報表示などの走行に必要な情報の映像を視認でき、運転者の視点移動を軽減して安全運転の支援に寄与す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、交通事故を防止することが可能となる。さらに、国連の提唱する持続可能な開発目標(SDGs:Sustainable Development Goals)の「3.すべての人に健康と福祉を」に貢献することが可能になる。 For example, by using the technology according to the embodiment, it is possible to prevent sunlight from entering the driver's eyes, as described above. In addition to displaying navigation information such as destination and speed projected on the windshield, the driver can also view images of information necessary for driving, such as displaying alert information when an oncoming vehicle or pedestrian is detected. It is possible to provide a head-up display device that reduces viewpoint movement and contributes to supporting safe driving. This makes it possible to prevent traffic accidents. Furthermore, it will be possible to contribute to "3. Good health and well-being for all" in the Sustainable Development Goals (SDGs) advocated by the United Nations.
2…液晶表示パネル、5…接眼光学部(投影光学装置)、6…ウインドシールド、7,7a,7b…虚像面、8…アイボックス、9…眼、10…画像形成部、20…ヘッドアップディスプレイ装置、51…第1のレンズ、52…偏光素子、53…凹レンズ(第2のレンズ)、54…折返しミラー(第3のレンズ)、55…凹面ミラー(画像投射部)、511…凹レンズ、512…凸レンズ、P1…第1の光路、P2…第2の光路 2... Liquid crystal display panel, 5... Eyepiece optical section (projection optical device), 6... Windshield, 7, 7a, 7b... Virtual image plane, 8... Eye box, 9... Eye, 10... Image forming unit, 20... Head up Display device, 51... first lens, 52... polarizing element, 53... concave lens (second lens), 54... folding mirror (third lens), 55... concave mirror (image projection unit), 511... concave lens, 512... Convex lens, P1... First optical path, P2... Second optical path
Claims (10)
前記画像形成部側から順に配置され、前記画像形成部と前記投影面との間の光路を形成する、第1のレンズと、第2のレンズと、画像投射部とを少なくとも備え、
前記画像形成部と前記第2のレンズとの間には、前記近距離に虚像を表示させるための第1の光路と、前記遠距離に虚像を表示させるための第2の光路とが形成され、
前記第1のレンズは、前記第1の光路と前記第2の光路のうちの前記第1の光路上のみに配置されている、
投影光学装置。 A projection optical device that displays virtual images at long distances and short distances with the projection surface as a reference by reflecting image light emitted from an image forming unit and projecting it onto a projection surface, the projection optical device comprising:
At least a first lens, a second lens, and an image projection section, which are arranged in order from the image forming section side and form an optical path between the image forming section and the projection surface,
A first optical path for displaying the virtual image at the short distance and a second optical path for displaying the virtual image at the long distance are formed between the image forming unit and the second lens. ,
the first lens is disposed only on the first optical path of the first optical path and the second optical path;
Projection optical device.
前記第1のレンズは、凹レンズと凸レンズとを貼り合わせることで構成される、
投影光学装置。 The projection optical device according to claim 1,
The first lens is configured by bonding a concave lens and a convex lens.
Projection optical device.
前記第1のレンズは、前記第1のレンズを構成する前記凹レンズと前記凸レンズとの貼り合わせ面の光軸が、前記第1の光路における光線の方向と一致するように配置されている、
投影光学装置。 The projection optical device according to claim 2,
The first lens is arranged such that the optical axis of the bonded surface of the concave lens and the convex lens constituting the first lens coincides with the direction of the light ray in the first optical path.
Projection optical device.
前記第1のレンズは、前記貼り合わせ面の光軸に対して垂直でない入射面と、前記貼り合わせ面の光軸に対して垂直でない出射面と、を有する、
投影光学装置。 The projection optical device according to claim 3,
The first lens has an entrance surface that is not perpendicular to the optical axis of the bonded surface, and an exit surface that is not perpendicular to the optical axis of the bonded surface.
Projection optical device.
前記第1のレンズを構成する前記凹レンズと前記凸レンズは、それぞれ、屈折率の差で0.01以下、かつ、アッベ数の差で10以上が得られる硝材を用いてそれぞれ構成される、
投影光学装置。 The projection optical device according to claim 4,
The concave lens and the convex lens constituting the first lens are each constructed using a glass material that provides a difference in refractive index of 0.01 or less and a difference in Abbe number of 10 or more.
Projection optical device.
前記画像形成部から出射された前記映像光を反射させて投影面に投影することで、前記投影面を基準として遠距離と近距離に虚像を表示させる接眼光学部と、
を備えるヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記接眼光学部は、前記画像形成部側から順に配置され、前記画像形成部と前記投影面との間の光路を形成する、第1のレンズと、第2のレンズと、画像投射部とを少なくとも備え、
前記画像形成部と前記第2のレンズとの間には、前記近距離に虚像を表示させるための第1の光路と、前記遠距離に虚像を表示させるための第2の光路とが形成され、
前記第1のレンズは、前記第1の光路と前記第2の光路のうちの前記第1の光路上のみに配置されている、
ヘッドアップディスプレイ装置。 an image forming unit that emits image light including image information;
an eyepiece optical section that reflects the image light emitted from the image forming section and projects it onto a projection surface to display a virtual image at a long distance and a short distance with the projection surface as a reference;
A head-up display device comprising:
The eyepiece optical section includes a first lens, a second lens, and an image projection section, which are arranged in order from the image forming section side and form an optical path between the image forming section and the projection surface. At least be prepared
A first optical path for displaying the virtual image at the short distance and a second optical path for displaying the virtual image at the long distance are formed between the image forming unit and the second lens. ,
the first lens is disposed only on the first optical path of the first optical path and the second optical path;
Head-up display device.
前記第1のレンズは、凹レンズと凸レンズとを貼り合わせることで構成される、
ヘッドアップディスプレイ装置。 The head-up display device according to claim 6,
The first lens is configured by bonding a concave lens and a convex lens,
Head-up display device.
前記第1のレンズは、前記第1のレンズを構成する前記凹レンズと前記凸レンズとの貼り合わせ面の光軸が、前記第1の光路における光線の方向と一致するように配置されている、
ヘッドアップディスプレイ装置。 The head-up display device according to claim 7,
The first lens is arranged such that the optical axis of the bonded surface of the concave lens and the convex lens constituting the first lens coincides with the direction of the light ray in the first optical path.
Head-up display device.
前記第1のレンズは、前記貼り合わせ面の光軸に対して垂直でない入射面と、前記貼り合わせ面の光軸に対して垂直でない出射面と、を有する、
ヘッドアップディスプレイ装置。 The head-up display device according to claim 8,
The first lens has an entrance surface that is not perpendicular to the optical axis of the bonded surface, and an exit surface that is not perpendicular to the optical axis of the bonded surface.
Head-up display device.
前記第1のレンズを構成する前記凹レンズと前記凸レンズは、それぞれ、屈折率の差で0.01以下、かつ、アッベ数の差で10以上が得られる硝材を用いてそれぞれ構成される、
ヘッドアップディスプレイ装置。 The head-up display device according to claim 9,
The concave lens and the convex lens constituting the first lens are each constructed using a glass material that provides a difference in refractive index of 0.01 or less and a difference in Abbe number of 10 or more.
Head-up display device.
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