CN102902064A - 平视显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及平视显示设备。将被投射到投射表面（91，93）上的显示图像（71）在将显示图像（71）投射到投射表面（91，93）上时被形成在屏幕部件（30）的成像表面（31）上。投影仪（10）适合于投射光，其在成像表面（31）上形成显示图像（71）。成像表面（31）被形成为限制虚像（70）的场曲率的凸面。

Description

平视显示设备

技术领域

本公开涉及平视显示设备。

背景技术

在交通工具的平视显示设备领域中，已知的是在包括交通工具的挡风玻璃的光学系统中产生的像差引起被显示为虚像的图像的变形。光学系统的像差中的一个是由图像的失真引起的像差。在例如JPH07-257225A、JPH10-149085A和JPH11-30764A中公开了减小由失真引起的虚像的二维变形的技术。

具体地，JPH07-257225A教导了一种全息显示系统，其包括发光显示装置和反射全息图。发光显示装置投射虚像的光。从发光显示装置输出的光被投射到反射全息图上。由发光显示装置投射的显示图像的形状在补偿在反射全息图处产生的变形之前被预先变形（预先失真）。因此，可以限制所显示虚像的二维变形。

JPH10-149085A教导了一种全息显示设备，其包括显示器、光源和全息图组合器。该显示器投射光，其形成显示图像。从显示器输出的光被投射到全息图组合器上。由显示器投射的显示图像的形状在补偿在全息图组合器处产生的图像的二维变形之前预先变形（预先失真）。因此，可以限制所显示图像的二维变形。

JPH11-30764A教导了一种平视显示设备，其包括图像显示表面和半反射镜。图像的光是从图像显示表面投射的。从图像显示表面输出的光被投射到半反射镜上。从图像显示表面投射的图像在补偿在半反射镜处产生的图像的变形之前预先变形（预先失真）。因此，可以限制虚像的二维变形。

近来，类似于在JPH11-30764A的情况下，流行使用平视显示设备，其向位于观看者的正面的凹挡风玻璃上投射显示图像。在此类平视显示设备中，除由图像的二维变形引起的像差之外，还发生由三维场曲率引起的像差。因此，由观看者在观看区域处观看的显示图像的所显示的虚像被变形，使得观看者的观看区域与所显示的虚像之间的距离从所显示的虚像的中心部分向所显示的虚像的边缘部分减小。

在JPH11-30764A的平视显示设备中，显示所述显示图像的图像显示表面被形成为平面表面。另外，通常，难以改变此类图像显示表面的形状。因此，难以调整光程的距离（其是从图像显示表面到挡风玻璃）以及虚像的成像点。结果，不能减小虚像的三维变形。在其中在虚像中产生三维变形的情况下，当观看者在观看区域内移动他/她的视点时，在显示图像的虚像中发生形状变化和位置变化。因此，被显示为虚像的显示图像的显示质量可能会变得不足。

发明内容

鉴于上述缺点完成了本公开。因此，本公开的目的是提供一种平视显示设备，其能够改善被显示为虚像的显示图像的显示质量。

根据本公开，提供了一种平视显示设备，其适合于向显示部件的投射表面上投射显示图像以使得观看者能够从预定观看区域观看显示图像的虚像。平视显示设备包括屏幕部件和投影仪。该屏幕部件包括成像表面，在其上面，在向投射表面上投射显示图像时形成将被投射到投射表面上的显示图像。该投影仪适合于投射光，其在成像表面上形成显示图像。该成像表面被形成为限制虚像的场曲率的凸面。

附图说明

本文所述附图仅仅是用于图示的目的且并不意图以任何方式限制本公开的范围。

图1是示出交通工具的示意图，其中安装了本公开的实施例的平视显示设备；

图2是示出交通工具中的实施例的平视显示设备的布置的图；

图3是示出实施例的平视显示设备的激光扫描仪的结构的图；

图4是示出实施例的平视显示设备的部件的位置的图；

图5是示出本实施例的平视显示设备的屏幕的凸成像表面以及交通工具的挡风玻璃和在图2中的箭头V的方向上看的虚像的图；

图6是示出自由曲面透镜以及本实施例的平视显示设备的屏幕的成像表面和激光扫描仪的图；

图7A是示出在成像表面上形成的显示图像的图；

图7B是示出在成像表面是平面表面的情况下的虚像的形状的图；

图7C是示出当观看者的视点沿着向右方向移动时观看者所观看的图7B的虚像的图；

图7D是示出在成像表面是凸面的情况下的虚像的形状的图；

图7E是示出当观看者的视点沿着向右方向移动时观看者所观看的图7D的虚像的图；

图8是示出具有实施例的凸成像表面的设备的规格的图；

图9是示出比较例中的具有平面成像表面的设备的规格的图；

图10是示出使用具有凸成像表面的图8的设备在模拟中测量的激光的斑直径和使用具有平面成像表面的图9的设备在模拟中测量的激光的斑直径的图；

图11是示出具有本实施例的自由曲面透镜的设备的规格的图；以及

图12是示出使用具有实施例的自由曲面透镜的图11的设备在模拟中测量的激光的斑直径以及使用不具有自由曲面透镜的设备在模拟中测量的激光的斑直径的图。

具体实施方式

将参考附图来描述本公开的实施例。

参考图1至3，本公开的实施例的平视显示设备100被容纳在例如交通工具（在这种情况下为汽车）的仪表板中。显示图像71被从平视显示设备100投射到交通工具1的挡风玻璃（显示部件）90上，使得驾驶员（观看者）能够从预定眼箱60在视觉上识别显示图像71的虚像70。在挡风玻璃90的交通工具内部侧表面中形成了显示图像71被从平视显示设备100投射到其上面的投射表面（也称为投射的表面）91，且该投射表面被形成为凹面，其是凹陷的，即沿着远离观看者（并从而远离观看者的眼箱60）的方向弯曲并凹进。被投射到投射表面91上的显示图像71的光被投射表面91朝着眼箱60反射并到达驾驶员（观看者）的视点61。察觉显示图像71的光的观看者能够在视觉上识别、即能够观看显示图像71的虚像70，其在挡风玻璃90的正面（即，挡风玻璃90的与观看者相对的一面）上形成。

被投射到投射表面91上的显示图像71被配置成细长矩形形式（长方形形式），其具有水平长度，该水平长度是沿着交通工具的水平方向（左至右方向）测量的并大于沿着交通工具的垂直方向测量的显示图像71的垂直长度。这是因为当观看者坐在交通工具中的他/她的座位上时，视点61的移动在水平方向上比在垂直方向上更容易。显示图像71包括指示例如具有平视显示设备100的交通工具的行驶速度的图像段、由导航系统指定的交通工具的行驶方向标志的图像以及交通工具的警告标志。

现在，将参考图2和3来描述平视显示设备100的结构。平视显示设备100包括激光扫描仪10、屏幕30和凹面镜40，其被容纳到外壳110（图1）中。在以下描述中，将由观看者观看到的虚像70的水平方向（也称为横向或第一方向）的轴称为x轴。此外，将垂直于水平方向的虚像70的垂直方向（也称为从上到下的方向或第二方向）的轴称为y轴。并且，在以下描述中，为了方便起见，将在每个相应部件上形成或被投射到每个相应部件上的显示图像71的x轴的方向称为水平方向（也称为横向或第一方向），并将在每个相应部件上形成或被投射到每个相应部件上的显示图像71的y轴的方向称为垂直方向（也称为从上到下的方向或第二方向）。

激光扫描仪10包括光源13、光学设备20、微机电系统（MEMS）反射镜26和控制器11。

光源13包括三个激光投射设备14～16。激光投射设备14～16中的每一个投射相应的激光（也称为激光束），其具有与激光投射设备14～16中的另外两个的频率不同的频率，即具有与激光投射设备14～16中的另外两个的色彩相位不同的色彩相位的相应激光。具体地，激光投射设备14投射红色的激光。激光投射设备15投射蓝色的激光。激光投射设备16投射绿色的激光。当不同色彩相位的激光被加法地混合时，能够再现各种色彩。每个激光投射设备14～16被连接到控制器11。每个激光投射设备14～16基于从控制器11输出的控制信号来投射相应色彩相位的激光。

光学设备20包括三个准直透镜21、三个二向色滤光片22～24和聚光透镜25。每个准直透镜21沿着从激光投射设备14～16投射的激光的投射方向被置于相应激光投射设备14～16的下游侧。准直透镜21通过使激光弯曲来产生平行光线。

每个二向色滤光片22～24沿着从相应激光投射设备14～16投射的激光的投射方向被置于相应准直透镜21的下游侧。每个二向色滤光片22～24反射预定的相应频率的光并使其它频率的光通过，所述其它频率不同于所述预定的相应频率。具体地，被置于激光投射设备14的下游侧的二向色滤光片22反射红色的频率的光并使不同于红色的频率的其他频率的其它光通过。被置于激光投射设备15的下游侧的二向色滤光片23反射蓝色的频率的光并使不同于蓝色的频率的其他频率的其它光通过。被置于激光投射设备16的下游侧的二向色滤光片24反射绿色的频率的光并使不同于绿色的频率的其他频率的其它光通过。每个二向色滤光片22～24朝着聚光透镜25反射相应的激光。

聚光透镜25是平凸透镜，其具有被形成为平面表面的光输入表面和被形成为凸面的光输出表面。聚光透镜25通过使进入聚光透镜25的光输入表面的激光弯曲来使光会聚。从而，已通过聚光透镜25的激光被聚焦在稍后将描述的屏幕30的成像表面31上。

MEMS反射镜26被连接到控制器11并一般地被配置成矩形板形式。MEMS反射镜26包括外框架部分29、内框架部分28和反射镜部分27。

外框架部分29被配置成矩形框架形式，其围绕内框架部分28的外周边部分以及反射镜部分27的外周边部分。外框架部分29被激光扫描仪10的外壳牢固地保持。内框架部分28被置于外框架部分29的内侧并被配置成矩形框架形式。内框架部分28通过沿着水平方向延伸的两个低速枢轴28a被外框架部分29支撑。内框架部分28可绕着低速枢轴28a（更具体地，绕着低速枢轴28a的轴）旋转（枢转，即摆动）。在外框架部分29与内框架部分28之间提供了多个未描述的电极（一组电极）以使内框架部分28绕着低速枢轴28a旋转。

反射镜部分27被置于内框架部分28的内侧处并被配置成圆盘形式。通过例如铝的气相沉积在反射镜部分27的表面（其与光学设备20相对）上形成金属膜以便以高效率反射光。反射镜部分27通过两个高速枢轴27a被内框架部分28支撑，所述两个高速枢轴27a中的每一个在垂直方向上延伸。反射镜部分27可绕着高速枢轴27a（更具体地，绕着高速枢轴27a的轴）旋转（枢转，即摆动）。在内框架部分28与反射镜部分27之间提供了多个未描述的电极（一组电极）以使反射镜部分27绕着高速枢轴27a旋转。在以上述方式构造的MEMS反射镜26中，基于从控制器11输出的驱动信号来驱动在外框架部分29与内框架部分28之间提供的电极组和在内框架部分28与反射镜部分27之间提供的电极组。从而，可以沿着垂直方向（参见图3中的方向VS）和水平方向（参见图3中的方向HS）来调整反射镜部分27的取向。

控制器11是电子控制设备，其包括处理器并被连接到激光投射设备14～16和MEMS反射镜26。控制器11向每个激光投射设备14～16输出控制信号以使激光象脉冲光那样闪烁。另外，激光控制器11向MEMS反射镜26输出驱动信号以控制被反射的激光的方向，该被反射的激光是被反射镜部分27反射的，使得被反射镜部分27反射的被反射的激光形成图3所示的扫描线SL。

控制器11控制激光扫描仪10，使得激光扫描仪10投射光，其在屏幕30的成像表面31上形成显示图像71。具体地，通过扫描投射的闪烁激光，在屏幕30的成像表面31上形成显示图像71，其每个像素是由相应的闪烁激光形成的。通过激光扫描仪10的扫描形成的显示图像71是具有例如60帧每秒及沿水平方向（x轴）具有480像素和沿垂直方向（y轴）具有240像素的图像。

屏幕30是反射屏（反射类型的屏幕），其是由例如铝在由例如玻璃制成的衬底的表面上的气相沉积形成的。屏幕30被沿着交通工具的垂直方向置于激光扫描仪10的上侧上（参见图4）。屏幕30具有成像表面31。成像表面31是由例如被气相沉积在屏幕30上的铝的金属膜形成的。当沿着由y轴和z轴限定的y-z平面从激光扫描仪10投射激光时，在成像表面31上形成显示图像71（参见图4）。z轴垂直于x轴和y轴两者。成像表面31具有微凸体以使激光漫射。成像表面31朝着凹面镜40对激光进行漫射和反射，其形成显示图像71并撞击在成像表面31上。

凹面镜40是通过例如铝在由例如玻璃制成的衬底的表面上的气相沉积形成的。凹面镜40具有将被反射的激光反射到挡风玻璃90的投射表面90上的反射表面41，所述被反射的激光被从屏幕30的成像表面31反射。反射表面41的中心部分是凹形的，即沿着远离成像表面31和投射表面91的方向弯曲并凹进。反射表面41在投射表面91上投射显示图像71，使得反射表面41将被成像表面31反射的显示图像71放大并反射。被反射表面41的曲率放大的显示图像71的放大率在显示图像71的水平方向和垂直方向之间是不同的。具体地，沿水平方向的反射表面41的曲率大于沿垂直方向的反射表面41的曲率，使得在反射表面41上沿水平方向的显示图像71的放大率（放大比例）大于沿垂直方向的显示图像71的放大率（放大比例）。

接下来，将描述实施例的平视显示设备100的特性特征。如图2和4所示，屏幕30的成像表面31是弯曲凸面，其是凸形的，即朝着激光扫描仪10和凹面镜40弯曲并突出。另外，在激光扫描仪10与屏幕30之间放置自由曲面透镜（充当自由曲面光学元件）50。现在，将参考图4至7E来详细地描述成像表面31和自由曲面透镜50。

如图4和5所示，屏幕30的成像表面31朝着凹面镜40突出并沿着在成像表面31上形成的显示图像71的水平方向弯曲。具体地，屏幕30的成像表面31是凸形的，即突出并弯曲使得与沿激光的光透射方向（z轴的方向）的成像表面31的边缘部分33相比，成像表面31的中心部分32朝着凹面镜40的反射表面41（以及还有投射表面91）所位于的一侧更近。成像表面31的形状被选择为补偿（修正或限制）由反射表面41的曲率和投射表面91的曲率引起的虚像70的场曲率。这里，应注意的是图中所示的成像表面31的曲率、投射表面91的曲率和虚像70的曲率不是按比例的且被出于描述的目的而略微放大。

现在，将描述由场曲率引起的虚像70的三维变形。被成像表面31反射的激光进一步被弯曲的反射表面41和弯曲的投射表面91反射。由于这些反射，由场曲率在虚像70上产生像差。具体地，参考图5，被成像表面31的边缘部分33反射的激光与被成像表面31的中心部分32反射的激光相比，在更接近于挡风玻璃90的更近位置处被成像为虚像70的相应部分（边缘部分70b）。因此，在其中成像表面是平面表面的情况下，由观看者在视觉上识别的显示图像71的虚像70是弯曲的，使得平面成像表面（参见图5中由点-点-划线指示的成像表面31）与虚像70之间的距离被从虚像70的中心部分70a向虚像70的边缘部分70b逐渐地减小（参见图5中的点-点-划线）。

鉴于上述内容，根据本实施例，成像表面31被形成为弯曲凸面，其被三维地配置并补偿（修正或限制）虚像70的场曲率。由于成像表面31的此形状，沿着激光的光透射方向从成像表面31至投射表面91的距离从成像表面31的中心部分32向成像表面31的边缘部分33增加。因此，成像表面31具有调整功能，用于调整成像位置，使得虚像70的边缘部分70b的成像位置与虚像70的中心部分70a的成像位置相比以更大的量从成像表面31移开。由于场曲率而被接近于投射表面91放置的虚像70的边缘部分70b现在由于成像表面31的此调整功能而进一步与投射表面91间隔。从而，减小了虚像70的三维变形。

将参考用具有图8所示的规格的设备执行的特定模拟的结果来详细地描述成像表面31对虚像70的影响。图8示出了具有凸成像表面31的设备的规格。在图8中指示的成像表面31是沿水平方向（x轴）具有二次项的表面（二次曲面，更具体地，抛物面）。因此，成像表面31沿着水平方向呈抛物线地弯曲。此外，图9指示具有平面成像表面的比较设备的规格。在图10中针对图8的规格和图9的规格比较从眼箱60中的视点61观看的虚像70的激光的斑直径。斑直径是与激光的光透射方向垂直的平面中的激光的直径。当斑直径减小时，虚像70响应于视点61的位置变化而较少地移动并从而变得清楚。

如在图10中所指示的，当使用凸成像表面（凸面）31时，减小了显示图像71的中心部分中的激光的斑直径。另外，还减小了激光的最大斑直径，其是遍及显示图像71的整个范围的最大值。因此，虚像70响应于视点61的移动而较少地移动并从而变得清楚。

接下来，将描述自由曲面透镜50的功能。如图6所示，由激光扫描仪10投射的激光的聚焦点沿着同心球面SF（参见图6中的点线）定位，同心球面SF中心在激光扫描仪10的中心（具体地，MEMS反射镜26的反射镜部分27的中心）处。因此，在执行激光的水平扫描时（参见图6中的箭头HS），激光的聚焦点可以根据凸成像表面31的形状而基本上偏离成像表面31。具体地，在其中设置激光的聚焦点以将激光的聚焦点置于成像表面31的中心部分32的表面部上的情况下，边缘部分33的区域中的激光的聚焦点可以在激光扫描仪10所位于的一侧偏离成像表面31（参见图6中的箭头G1）。相比之下，在其中设置激光的聚焦点以将激光的聚焦点置于边缘部分33的表面部上的另一情况下，中心部分32的区域中的激光的聚焦点可以在与激光扫描仪10相对的相对侧偏离成像表面31（参见图6中的箭头G2）。从而，在成像表面31上形成的显示图像71可能会变得不清楚。

鉴于上述内容，根据实施例，在激光扫描仪10与成像表面31之间放置自由曲面透镜50。自由曲面透镜50是具有光输入表面51和光输出表面52并由光学玻璃制成的透镜。光输入表面51被形成为自由曲面并沿着激光的光透射方向与激光扫描仪10相对，即被置于激光扫描仪10所位于的一侧。光输出表面52被形成为平面表面。自由曲面透镜50调整由激光扫描仪10投射到成像表面31上的激光的聚焦点。具体地，自由曲面透镜50的光输入表面51沿着远离激光扫描仪10的方向凹进并沿着水平方向弯曲。因此，在水平边缘部分33（即，沿着成像表面31的水平方向位于显示图像71的末端处的水平边缘部分33）处形成显示图像71的一部分的激光的聚焦点从激光扫描仪10进一步移开。从而，即使当设置激光的聚焦点以将激光的聚焦点置于中心部分32的表面部上时，也能够通过自由曲面透镜50将显示图像71的水平边缘部分33的区域中的激光的聚焦点置于成像表面31上。由于自由曲面透镜50的上述功能，能够遍及成像表面31的整个范围将激光的聚焦点基本上置于成像表面31上。从而，能够遍及成像表面31的整个范围清楚地形成显示图像71。结果，由观看者观看的显示图像71的虚像70（参见图5）遍及虚像70的整个范围变成更清楚的图像。

现在将参考用具有图11所示的规格的设备执行的特定模拟的结果来详细地描述自由曲面透镜50对虚像70的影响。图11示出了具有自由曲面透镜50的设备的规格。在图11中指示的自由曲面透镜50的光输入表面51沿水平方向（x轴的方向）具有二次项和四次项。另外，光输入表面51沿垂直方向（y轴的方向）具有二次项、三次项和四次项。

在图11所示的自由曲面透镜50中，由于沿水平方向的偶数阶项，自由曲面透镜50是凹形的，即沿水平方向凹进并弯曲。激光的聚焦点被调整到弯曲成像表面31上。此外，自由曲面透镜50具有三次项，其为奇数阶项，使得沿垂直方向的光输入表面51的下半部分是凸形的，即朝着激光扫描仪10弯曲并突出。相比之下，沿垂直方向的光输入表面51的上半部分是凹形的，即沿着远离激光扫描仪10的方向弯曲并凹进。由于光输入表面51的上述配置，与其中去除了自由曲面透镜50的情况相比，通过光输入表面51的下半部分并到达成像表面31的下半部分的激光在更接近于激光扫描仪10的位置处被聚焦。相比之下，与其中去除了自由曲面透镜50的情况相比，通过光输入表面51的上半部分并到达成像表面31的上半部分的激光在更远离激光扫描仪10的位置处被聚焦。

在本实施例中，将激光扫描仪10置于屏幕30的下侧处。因此，从激光扫描仪10至屏幕30的距离沿着垂直方向朝着上侧增加。因此，由于通过自由曲面透镜50来调整激光的聚焦点，所以即使是在激光沿着y-z平面从下侧被投射的情况下，也能够遍及成像表面31的整个范围将激光的聚焦点调整到成像表面31上。图12示出其中提供了具有上述功能的自由曲面透镜50的情况与其中去除了自由曲面透镜50的情况之间的比较。

如在图12中所指示的，当将自由曲面透镜50置于激光扫描仪10与屏幕30之间时，在位于屏幕30的中心部分32中的显示图像71的中心部分处的激光的斑直径在提供自由曲面透镜50时略有增加。这里，应注意的是图12中的指示“0.0 μm”意指在不存在自由曲面透镜的情况下的显示图像71的中心部分中的激光的斑直径小于0.1 μm但大于零。当提供了自由曲面透镜50时，显示图像71的整个范围中的激光的最大斑直径被减小。因此，虚像70响应于视点61的移动而较少地移动，并从而在存在自由曲面透镜50的情况下遍及图像70的整个范围而变得更清楚。

参考图7A至7E，将针对其中观看者在眼箱60内移动视点61的情况来描述虚像70的变化。图7A示出了显示图像71的形状，其被一般地配置成沿着轴x的方向被拉长的细长矩形形式（长方形形式）并在成像表面31上形成。在其中成像表面是平面表面的情况下，观看者所观看的虚像70具有图7B所示的形状。虚像70的形状沿着水平方向弯曲（参见图2和5中的由点-点-划线指示的虚像70）。因此，在其中观看者例如沿着向右方向移动视点61的情况下，虚像70具有图7C所示的形状。具体地，虚像70的右半部分被沿着水平方向压缩，并且虚像70的左半部分被沿着水平方向扩大。另外，由于虚像70是弯曲的，所以虚像70与视点61之间的距离响应于视点61沿着水平方向的移动而改变。因此，当观看者移动视点61时，虚像70接近于观看者。如上文所讨论的，虚像70的形状和位置响应于视点61的移动而显著地改变。

图7D示出了在凸成像表面31上形成的虚像70。在图7D所示的虚像70中，减小了沿水平方向的虚像70的曲率（参见图2和5中的由实线指示的虚像70）。在本实施例中，在其中观看者沿着向右方向移动视点61的情况下，虚像70具有图7E所示的形状。在图7E的情况下，与图7C的虚像70相比，减小了沿水平方向位于右侧的图7E的虚像70的右半部分的压缩和沿水平方向位于左侧的图7E的虚像70的左半部分的扩大。另外，由于减小了虚像70的曲率，所以由视点61沿水平方向的移动引起的虚像70与视点61之间的距离的变化更加有限。

如上文所讨论的，在本实施例中，即使当观看者在眼箱60内移动视点61时，虚像70的形状变化和虚像70的位置变化两者也是有限的。因此，能够改善被显示为虚像70的显示图像71的显示质量。

此外，即使在本实施例中，其中，成像表面31被配置成凸形的以减小虚像70的三维变形，自由曲面透镜50也能够调整激光的聚焦点，并从而虚像70的清晰度的损失被限制以提供更清楚的虚像70。因此，能够可靠地改善显示图像71的显示质量。

此外，如在本实施例中那样，其中显示图像71被凹面镜40放大，可以放大由场曲率引起的虚像70的三维变形。然而，成像表面31能够通过成像表面31的调整功能来减小被放大的虚像70的被放大的三维变形。因此，观看者能够观看到改善的虚像70，其被放大以使得观看者能够容易地识别虚像，并且其中，虚像70的形状变化和位置变化是有限的。因此，能够进一步改善显示图像71的显示质量。

此外，在本实施例中，凹面镜40的反射表面41被配置成将显示图像71放大，使得显示图像71沿水平方向（横向或第一方向）的放大（放大率）大于显示图像71沿垂直方向（从上到下的方向或第二方向）的放大（放大率）。在这种情况下，由场曲率引起的虚像70沿水平方向的变形可能由于虚像70沿水平方向的增加的放大而变得突出。因此，成像表面31被配置成是凸面，其沿水平方向弯曲。从而，上文所讨论的成像表面31的调整功能能够有效地减小显示图像71的突出的水平变形。另外，能够容易地形成具有沿水平方向弯曲的简单弯曲形状的成像表面31，使得能够可靠地提供屏幕30。从而，能够增加显示图像71的改善的显示质量的可实现性。

另外，根据本实施例，通过高功率激光的扫描在成像表面31上形成的显示图像71具有高对比度。因此，能够实现虚像70的高可见性。如上文所讨论的，用本实施例的平视显示设备100能够实现良好的显示质量，其使得观看者能够观看具有高可见性和减小的变形的虚像70。

而且，在本实施例中，由于自由曲面透镜50与激光扫描仪10的组合，在成像表面31上形成的显示图像71在上文所讨论的自由曲面透镜50的聚焦点调整功能的帮助下变得更清楚。由此，观看者能够更容易地识别显示图像71的虚像70，其中变形被减小。结果，当激光扫描仪10与自由曲面透镜50组合时，能够大大改善显示图像71的显示质量。

而且，在本实施例中，自由曲面透镜50的光输入表面51具有用于调整成像表面31上的激光的聚焦点的调整功能。光输入表面51被形成为弯曲表面，使得激光在光输入表面51上的入射角（输入角）变成等于或接近直角的角。因此，在通过自由曲面透镜50时出现的激光的色差能够被减小。

而且，由于反射屏30的使用，激光的光路的一部分在平视显示设备100的内部中被向后和向前弯曲。由此，平视显示设备100的尺寸能够被减小以便能够在提供所需的光路距离的同时在仪表板中安装平视显示设备100。

在本实施例中，激光扫描仪10用作本公开的投影仪。屏幕30用作本公开的屏幕部件。凹面镜40用作本公开的放大镜（也称为放大器）。自由曲面透镜50用作本公开的聚焦点调整光学系统（或聚焦点调整光学系统的自由曲面光学部件）。眼箱60用作本公开的观看区域。挡风玻璃90用作本公开的显示部件。

已经关于上面的实施例描述了本公开。然而，本公开不限于上面的实施例，并且上面的实施例可以在本公开的精神和范围内被修改。

例如，在上面的实施例中，挡风玻璃90用作本公开的显示部件，在其上显示图像71被投射在平视显示设备100处。然而，在其上形成投射表面的显示部件不限于挡风玻璃90。例如，参考图2，显示部件可以是具有投射表面93的组合器（单独部件）92。该组合器92由光透射材料制成并被放置成邻近，更具体地说是附着于位于交通工具的客厢的内部的挡风玻璃90的内部表面。

而且，组合器92可以被单独形成或者被与挡风玻璃90分开地提供。在组合器92用作显示部件的情况下，用作放大镜的凹面镜可以被去除。在组合器92的投射表面93是弯曲的凹面的情况下，被驾驶员（观看者）观看的虚像是从形成在成像表面上的显示图像被放大的放大图像。因此，在这种情况下，可以去除放大镜。

而且，在被与挡风玻璃90分开地形成的组合器92用作显示部件的情况下，组合器92可以被配置成平面形式。另外，在能够利用放大镜获得期望的放大率的情况下，可能不需要具有放大功能，其通过投射表面的曲率来实现。因此，显示图像被投射到平面投射表面上的情况是可能的。

在上面的实施例中，反射表面41的曲率和投射表面91的曲率使得驾驶员（观看者）能够看到显示图像71的虚像70，其被放大以在水平方向上具有比在垂直方向上的放大率大的放大率。因此，成像表面31仅沿着水平方向被弯曲以有效地限制虚像70在水平方向上的变形，从而提供在水平方向上的所需的观看角。然而，在水平方向上的放大率和在垂直方向上的放大率能够根据要求（或需要）被适当地改变。由此，在沿着垂直方向需要观看角的情况下，成像表面可以除了在水平方向上还在垂直方向上被弯曲。具体地，在这种情况下，期望限定成像表面的形状的多项式（参见图8）包括y的偶数阶项（例如二次项）。而且，在这种情况下，成像表面的形状可以对应于相应的表面轮廓，即投射表面91沿水平方向的相应表面曲率和投射表面91沿垂直方向的相应表面曲率。上面的实施例也可应用于凹面镜40的反射表面41。

在上面的实施例中，使用反射屏30。然而，只要屏幕被配置为具有凸面，则该屏幕不限于反射类型的。例如，屏幕30可以被形成为透射屏，其由光透射材料制成。在这种情况下，激光扫描仪从与凹面镜相对的屏幕的凸成像表面的相对侧投射激光，其形成显示图像。

在上面的实施例中，屏幕31的成像表面是弯曲的抛物面，其具有二次项。然而，挡风玻璃的形状和投射表面的形状可以根据交通工具的类型而改变，在该交通工具上安装了平视显示设备。因此，在其中挡风玻璃和投射表面相对于垂直方向倾斜的情况下，期望限定成像表面的形状的多项式（参见图8）包括y的奇数阶项（例如三次项）以补偿（修正或限制）投射表面的倾斜的影响。

在上面的实施例中，被置于激光扫描仪10和屏幕30之间的自由表面透镜50用作本公开的聚焦点调整光学系统（或聚焦点调整光学系统的自由曲面光学部件）。可替换地，代替自由曲面透镜50，自由曲面反射镜可以用作本公开的聚焦点调整光学系统（或聚焦点调整光学系统的自由曲面光学部件）。在使用自由曲面反射镜的情况下，在调整激光的聚焦点时能够限制在激光中产生的色差。进一步可替换地，例如，多个透镜和/或反射镜可以用于形成本公开的聚焦点调整光学系统。进一步可替换地，激光扫描仪10的聚光透镜25可以被形成为本公开的聚焦点调整光学系统的一部分。

在上面的实施例中，自由曲面透镜50具有被形成为平面表面的光输出表面52和被形成为自由曲面的光输入表面51。可替换地，自由曲面透镜的光输出表面可以具有被形成为自由曲面的光输出表面和被形成为平面表面的光输入表面。进一步可替换地，自由曲面透镜的光输入表面和光输出表面可以被分别形成为自由曲面。进一步可替换地，自由曲面透镜可以具有被形成为简单凹面或简单凸面的光输入表面和被形成为简单凹面或简单凸面的光输出表面。

在上面的实施例中，如参考图6所讨论的，最初被设置成将激光的聚焦点置于成像表面31的中心部分32上同时将激光的聚焦点从在激光扫描仪10所位于的成像表面31的一侧的成像表面31的边缘部分33移开的各激光的聚焦点通过自由曲面透镜50的功能被调整，使得最初被从成像表面31的边缘部分33移开的激光的聚焦点被置于成像表面31的边缘部分33上，使得形成在成像表面31上的显示图像71遍及显示图像71的整个范围而变得更清楚。然而，这可以以任何其他适当的方式来修改。例如，最初被设置成将激光的聚焦点置于成像表面31的边缘部分33上同时将激光的聚焦点从在与激光扫描仪10相对的成像表面31的一侧的成像表面31的中心部分32移开的各激光的聚焦点可以通过自由曲面透镜50的功能被调整，使得最初被从成像表面31的中心部分32移开的激光的聚焦点通过将其朝着激光扫描仪10移位而被置于成像表面31的中心部分32上，使得形成在成像表面31上的显示图像71遍及显示图像71的整个范围而变得更清楚。进一步可替换地，最初被设置成将激光的聚焦点置于在中心部分32和边缘部分33之间的成像表面31的中间位置上同时将激光的聚焦点从中心部分32移开以及将激光的聚焦点从边缘部分33移开的各激光的聚焦点可以通过自由曲面透镜50的功能被调整，使得最初被从中心部分32移开的激光的聚焦点通过将其朝着激光扫描仪10移位而被置于中心部分32上，并且最初被从边缘部分33移开的激光的聚焦点通过将其远离激光扫描仪10移位而被置于边缘部分33上，使得形成在成像表面31上的显示图像71遍及显示图像71的整个范围而变得更清楚。

在上面的实施例中，从激光扫描仪10被发射到成像表面31的激光的光轴是沿着y-z平面的。由于该布置，限定自由曲面透镜50的光输入表面51的形状的多项式（参见图11）包括y的奇数阶项（具体地，三次项）。然而，激光扫描仪相对于成像表面的相对位置需要是根据在仪表板内部中的可用空间和交通工具的类型的挡风玻璃的形状以适当的方式可改变的，在所述交通工具中安装了平视显示设备。因此，期望限定自由曲面透镜的表面的形状的多项式包括对应于交通工具中的激光扫描仪的安装位置的（多个）项。具体地，在从激光扫描仪发射到成像表面的激光的光轴是沿着x-z平面（由x轴和z轴限定的平面）的情况下，即在激光被从成像表面的横向侧投射到投射表面上的情况下，期望限定自由曲面透镜的表面的形状的多项式包括x的奇数阶项。而且，在激光从投射表面的对角下侧被投射到投射表面上的情况下，期望限定自由曲面透镜的表面的形状的多项式包括x的奇数阶项和y的奇数阶项两者。

在上面的实施例中，通过激光的扫描（即利用反射镜部分27的激光的转向）在成像表面31上形成显示图像71的激光扫描仪10用作本公开的投影仪。然而，各种其他类型的投影仪可以用作本公开的投影仪，只要投影仪可以投射在成像表面上形成显示图像的光。具体地，例如，包括硅上液晶（LCOS）或数字式反射镜器件（DMD）的投影仪连同光源和光学系统（例如（多个）透镜）一起可以用作本公开的投影仪。

通过在硅衬底和光透射衬底之间保持（即夹住）液晶层来形成LCOS。液晶层形成多个排列的像素。驱动液晶的电路和反射光的电极被提供在硅衬底处。经过光透射衬底进入LCOS的光源的光通过液晶层并被在硅衬底处提供的电极反射，使得被反射的光离开LCOS。当稍后变成显示图像的原始图像在液晶层中形成时，具有这种LCOS的投影仪能够将形成显示图像的光投射到成像表面上。

通过在衬底上排列大量的微镜来形成DMD。每个微镜形成相应的像素。每个微镜的倾斜角可以基于控制信号而被改变。进入DMD的光源的光被每个微镜反射。DMD通过控制每个微镜的倾斜角能够形成图像。由此，具有DMD的投影仪能够投射在成像表面上形成显示图像的光。

在上面的实施例中，具有多个可移动枢轴（即高速枢轴27a和低速枢轴28a）的MEMS反射镜26被提供来扫描激光，即，使激光转向。然而，激光扫描仪可以具有多个MEMS反射镜，其每一个具有单个可移动枢轴（或两个枢轴，其仅在水平方向和垂直方向中的相应的一个方向上延伸）。具体地，沿水平方向扫描激光（即，使激光转向）的第一MEMS反射镜和沿垂直方向扫描激光（即，使激光转向）的第二MEMS反射镜可以被组合用于实现形成二维图像的上面实施例的MEMS反射镜26的功能。

在上面的实施例中，本公开应用于平视显示设备，其在交通工具（例如，汽车）的挡风玻璃90上投射显示图像71。然而，本公开可以应用于各种类型的平视显示器，其适合于安装在各种其他类型的运输设备（例如，其他类型的交通工具，诸如飞机，轮船，火车）中，并且使观看者能够观看显示图像71的虚像70。

对于本领域技术人员来说，另外的好处和修改将容易出现。因此，本公开在其更广泛的程度上不限于所示和所描述的具体细节、代表性设备和说明性实例。

Claims (13)

1.一种平视显示设备，其适合于向显示部件（90，92）的投射表面（91，93）上投射显示图像（71）以使得观看者能够从预定观看区域（60）观看显示图像（71）的虚像（70），所述平视显示设备包括：

屏幕部件（30），所述屏幕部件包括成像表面（31），在其上面，在向投射表面（91，93）上投射显示图像（71）时形成将被投射到投射表面（91，93）上的显示图像（71）；和

投影仪（10），所述投影仪适合于投射光，其在成像表面（31）上形成显示图像（71），其中所述成像表面（31）被形成为限制虚像（70）的场曲率的凸面。

2.根据权利要求1的平视显示设备，其中：

投射表面（91，93）被形成为凹面；并且

成像表面（31）被形成为限制由于投射表面（91，93）的曲率引起的虚像（70）的场曲率的凸面。

3.根据权利要求1的平视显示设备，其中投射表面（91，93）被形成为凹面，其沿远离所述预定观看区域（60）的方向弯曲和凹进。

4.根据权利要求1的平视显示设备，其中成像表面（31）朝着投影仪（10）弯曲和突出。

5.根据权利要求1的平视显示设备，其中基于投射表面（91，93）在第一方向上的曲率和投射表面（91，93）在第二方向上的曲率，成像表面（31）沿第一方向和第二方向都是三维弯曲的，所述第一方向和第二方向相互垂直。

6.根据权利要求1的平视显示设备，还包括放大镜（40），其包括被形成为凹面的反射表面（41），所述反射表面（41）通过在通过反射表面（41）放大显示图像（71）时反射形成在成像表面（31）上的显示图像（71）在将显示图像（71）投射到投射表面（91，93）上时将显示图像（71）投射到投射表面（91，93）上，其中成像表面（31）被形成为凸面，所述凸面限制由反射表面（41）的曲率引起的虚像（70）的场曲率。

7.根据权利要求6的平视显示设备，其中反射表面（41）沿远离成像表面（31）的方向弯曲和凹进。

8.根据权利要求6的平视显示设备，其中基于投射表面（91，93）在第一方向上的曲率和投射表面（91，93）在第二方向上的曲率，反射表面（41）沿第一方向和第二方向都是三维弯曲的，所述第一方向和第二方向相互垂直。

9.根据权利要求6的平视显示设备，其中：

被投射到显示部件（90，92）上的显示图像（71）沿显示图像（71）的第一方向而不是沿垂直于第一方向的第二方向被拉长；

反射表面（41）被形成为凹面，其放大被投射在显示部件（90，92）上的显示图像（71），使得显示图像（71）在第一方向上的放大率大于显示图像（71）在第二方向上的放大率；以及

成像表面（31）被形成为凸面，所述凸面在第一方向上比在第二方向上更弯曲以在第一方向上限制虚像（70）的场曲率。

10.根据权利要求1－9中的任一项的平视显示设备，还包括聚焦点调整光学系统（50），其调整从投影仪（10）被投射的光被聚焦到的聚焦点，以将聚焦点置于成像表面（30）上。

11.根据权利要求10的平视显示设备，其中聚焦点调整光学系统（50）包括自由曲面光学部件，所述自由曲面光学部件具有光输入表面（51）和光输出表面（52）中的一个，其具有被具有奇数阶项的多项式限定的弯曲表面部。

12.根据权利要求1－9中的任一项的平视显示设备，其中：

投影仪（10）适合于投射激光作为所述光；以及

投影仪（10）在成像表面（31）上扫描激光以在成像表面（31）上形成显示图像（71）。

13.根据权利要求1－9中的任一项的平视显示设备，其中：

所述平视显示设备用于交通工具；以及

显示部件（90，92）的投射表面（91，93）是下述之一：

交通工具的挡风玻璃的表面（91）；和

与挡风玻璃分开地形成并被布置成邻近挡风玻璃的内部表面的单独部件的表面（93）。

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