CN106796352A - 平视显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于，以良好的效率使图像光朝向观察者。显示器(14)射出表示图像的投影光(100)，透射型屏幕(17)使投影光(100)成像，将其作为图像光(200)而扩散，投影透镜(15)将投影光(100)放大，使其成像于透射型屏幕(17)上，配光调整机构(16)设置于透射型屏幕(17)和投射透镜(15)之间，通过使投影光(100)折射，由此，针对每个区域调整从透射型屏幕(17)而射出的图像光(200)的配光。

Description

平视显示装置
技术领域
本发明涉及在实景上重合虚像而辨认的平视显示装置。
背景技术
作为过去的平视显示装置(HUD：Head Up Display)，包括有在专利文献1中记载的类型。这样的HUD像图7、图8所示的那样，包括：投影器501，该投影器501射出投影光L1、L2、L3；投射透镜502，该投射透镜502使投影光L1、L2、L3成像于透射型屏幕503上；透射型屏幕503，该透射型屏幕503通过背面而接收来自投射透镜502的投影光L1、L2、L3，使实像成像，在其外面侧扩散而射出表示实像的图像光；平面镜504、凹面镜505，该平面镜504、凹面镜505使通过透射型屏幕503而扩散的图像光M1、M2、M3朝向车辆的挡风前窗(投影反射面)510。图7、图8所示的P1、P2、P3表示有助于观察者辨认虚像的图像光的光路。
从投射透镜502朝向透射型屏幕503的投影光L朝向透射型屏幕503而呈锥状扩大。射入到透射型屏幕503中的投影光L1通过透射型屏幕503而扩散，以其朝向与投影光L1相同的配光轴M1a为光轴，作为图像光M1而扩散。另外，射入透射型屏幕503中的投影光L2、L3也同样地通过透射型屏幕503而扩散，以其朝向与投影光L2、L3相同的配光轴M2a，M3a为光轴，作为图像光M2、M3而扩散。
已有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2004—126226号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，像专利文献1那样，在来自投射透镜502的投影光L原样地投影于透射型屏幕503上的场合，从透射型屏幕503而射出的配光轴M1a、M2a、M3a的朝向与投影光L1、L2、L3基本相同。由此，从透射型屏幕503的规定区域而射出的图像光M1、M3的光路不沿朝向观察者的视点520的光路P1、P3(配光轴M1a、M3a不与光路P1、P3一致)。由此，由于到达观察者的视点520的图像光M弱，故具有观察者辨认的虚像的亮度降低的危险。另外，由于通过透射型屏幕503的各区域而扩散的光路的图像光M1、M3的配光轴M1a、M3a没有沿朝向观察者的视点520的光路P1、P3，故图像光M1、M3的光利用效率降低。
于是，本发明是针对上述实际情况而提出的，本发明的目的在于，提供可以良好的效率，使图像光朝向观察者的平视显示装置。
用于解决课题的技术方案
为了实现上述第1目的，本发明的平视显示装置包括：投影器，该投影器射出表示图像的投影光；屏幕，该屏幕对该投影光进行成像，将其作为图像光而扩散；成像光学系统，该成像光学系统将上述投影光放大，将其成像于上述屏幕上；配光调整机构，该配光调整机构设置于上述屏幕和上述成像光学系统之间，通过使上述投影光折射，针对每个区域调整从上述屏幕所射出的上述图像光的配光。
另外，在第2发明的平视显示装置中，上述配光调整机构将从上述屏幕的各区域所射出的上述图像光调整到上述投影光的光轴侧。
此外，在第3发明的平视显示装置中，在沿与上述投影光的光轴相垂直的方向而延伸的第1方向、沿与上述投影光的光轴相垂直的方向而延伸并且与上述第1方向相正交的第2方向中，上述配光调整机构至少在上述第1方向，伴随与上述投影光的光轴的离开，使上述投影光的调整量增加。
发明的效果
按照本发明，能以良好的效率使图像光朝向观察者。
附图说明
图1为本发明的第1实施方式的平视显示装置的结构示意图；
图2是针对上述实施方式的图，图2(a)为从第2方向观看配光调整机构时的结构示意图，图2(b)为从第1方向观看配光调整机构时的结构示意图；
图3是针对第2实施方式的图，图3(a)为从第2方向观看配光调整机构时的结构示意图，图3(b)为从第1方向观看配光调整机构时的结构示意图；
图4为本发明的第3实施方式的平视显示装置的结构示意图；
图5是针对本发明的第3实施方式的图，图5(a)为从第2方向观看配光调整机构时的结构示意图，图5(b)为从第1方向观看配光调整机构时的结构示意图；
图6为针对变形例子的从第2方向观看配光调整机构时的结构示意图；
图7为已有技术的平视显示装置的结构示意图；
图8为针对变形例子的从第2方向而观看配光调整机构时的结构示意图。
具体实施方式
(第1实施方式)
下面参照附图，对本发明的第1实施方式进行说明。
图1为表示本实施方式的平视显示装置(在下面记载为HUD装置)1的结构的结构示意图。本实施方式的HUD装置1设置于车辆的仪表盘的内部。HUD装置1将图像光200射出到车辆的挡风前窗2。由该挡风前窗2而反射的图像光200朝向可视范围3。在用户的视点位置位于可视范围3内部的场合，用户辨认由图像光200而产生的所希望的亮度的虚像。用户通过挡风前窗2，按照与车辆的前方的实景重叠、虚像位于远方的方式进行辨认。
HUD装置1像图1所示的那样，包括：显示装置10，该显示装置10射出显示虚像S1并表示该实像S1的图像光200；第1反射部20，该第1反射部20反射显示装置10所射出的图像光200；第2反射部30，该第2反射部30将第1反射部20反射的图像光200放大，使其朝向挡风前窗2；外壳40，该外壳40接纳上述这些部分；控制部，该控制部在图中未示出，该控制部进行HUD装置1的电控制。
(显示装置10)
显示装置10像图1所示的那样，包括：光源1，该光源1射出在图中未示出的照明光；光源反射镜12；棱镜13；反射型显示器14；投射透镜15；配光调整机构16；透射型屏幕17，使实像S1成像于透射型屏幕17上，将表示实像S1的图像光200朝向第1反射部20而射出。
光源11包括可分别射出比如红色、蓝色、绿色的光的多个LED，该光源11根据来自控制部的控制，按照所希望的颜色、光强度、时刻射出上述照明光。另外，本实施方式的显示装置10采用场序彩色(Field Sequential Color)驱动方式，各色的光源11按照时间分割方式射出上述照明光。
光源镜12为二向色镜等，该二向色镜反射指定波长的光，使其它波长的光透射，使从多个光源11而射出的红色、蓝色、绿色的光的行进线路对齐，朝向棱镜13，使来自光源11的上述照明光以适合的角度射入棱镜13。
棱镜13设置于光源反射镜12和反射型显示器14之间，该棱镜13具有倾斜面，该倾斜面以规定角度，相对从光源反光镜12射入的上述照明光的光轴而倾斜。射入倾斜面的来自光源反光镜12的上述照明光透过倾斜面，射入反射型显示器14中，接着，从反射型显示器14射出的投影光100再次射入棱镜器13中，通过倾斜面反射到投射透镜15的方向，从投射面13a而射出投影光100。
反射型显示器14为比如DMD(数字微镜器件，Digital Micromirror Device)，LCOS(注册商标：硅基液晶，Liquid Crystal On Silicon)等的反射型的显示器，其根据上述控制部的控制，将从棱镜13射入的上述照明光变换为用于显示虚像的投影光100，使其朝向棱镜13而反射。
投射透镜15通过比如具有球面的凸透镜等形成，将从棱镜13射入的投影光100放大，将其朝向配光调整机构16的方向而射出。投射透镜15为成像光学系统，其接收来自反射型显示器14的投影光100，使实像S1成像于后述的透射型屏幕17上。
配光调整机构16像图2所示的那样，为下述的透镜，该透镜具有双面凸的自由曲面，在该自由曲面中，在沿与投影光的光轴(102)相垂直的方向而延伸的第1方向X，与和该第1方向X相垂直的第2方向，曲率不同，该配光调整机构16设置于从投射透镜15朝向透射型屏幕17的投影光100的光路上。配光调整机构16通过使从投影面13a朝向透射型屏幕17的投影光100折射，调整从透射型屏幕17的各区域射出的图像光200的配光。配光调整机构16的具体的作用将在后面描述。
透射型屏幕17为扩散膜，该扩散膜由比如聚碳酸酯等的树脂形成，其将从投射透镜15射出的投影光100作为实像S1而成像，射出以一定的分布而扩散的图像光200。另外，从透射型屏幕17而射出的图像光200的配光通过配光调整机构16的作用，针对透射型屏幕17的每个区域而调整。
在以上说明的显示装置10中，反射型显示器14产生投影光100，从投影面13a射出投影光100，投射透镜15在透射型屏幕17上，将投影光100作为实像S1而成像。接着，配光调整机构16通过使从投射透镜15朝向透射型屏幕17的投影光100折射，调整从透射型屏幕17的各区域射出的图像光200的配光，由此，以良好的效率，将图像光200朝向可视范围3的方向。
第1反射部20为平面镜，在由比如合成树脂材料、玻璃材料形成的基材的表面上，通过蒸镀等的方式形成反射膜。第1反射部20朝向后述的第2反射部30反射通过透射型屏幕17而扩散、透射的图像光200。
第2反射部30为凹面镜，在由比如，合成树脂材料形成的基材的表面上，通过蒸镀等的方式形成反射膜。在第2反射部30中，反射面具有凹状的自由曲面，其具体的表面形状根据透射型屏幕17、第1反射部20、挡风前窗2(反射透射面)、可视范围3之间的位置关系；挡风前窗2的曲率；所要求的虚像的成像距离；用户辨认的HUD装置1的画角等而计算。第2反射部30可按照上述虚像的形变最小的方式进行设计，另外，将通过第1反射部20而反射的图像光200放大，将其朝向挡风前窗2而反射。
此外，第2反射部30具有可调整第2反射部30的角度的致动器30a。致动器30a可通过对应于通过由在图中未示出的摄像头等构成的视点位置检测机构而检测的观察者的视点位置，使第2反射部30旋转，可使图像光200朝向可视范围3。另外，致动器30a还可对应于在图中未示出的操作部的操作，使第2反射部30旋转。
以上为本实施方式的HUD装置1的结构。借此，采用图2对配光调整机构16的作用进行说明。图2(a)为从第2方向Y观看配光调整机构16时的结构示意图，图2(b)为从第1方向X观看配光调整机构16时的结构示意图。
(配光调整机构16的作用)
首先，参照图2(a)对从第2方向Y观看配光调整机构16时的配光调整机构16的作用进行说明。另外，从图2(a)所示的投影面13a而射出的投影光100(投影光101、投影光102、投影光103)为形成观察者辨认的上述虚像的上下方向的光，投影光101形成上述虚像的下端，投影光102形成上述虚像的上下中间附近，投影光103形成上述虚像的上端。
从投影面13a的各区域射出的投影光100(投影光101、投影光102、投影光103)经由投射透镜15射入配光调整机构16。配光调整机构16按照使透射型屏幕17所射出的图像光201、图像光202、图像光203的配光轴201a、配光轴202a、配光轴203a大致沿朝向可视范围3的光路P1、光路P2、光路P3的方式使射入透射型屏幕17中的投影光101、投影光102、投影光103折射。
在第1方向X，配光调整机构16将射入到与配光调整机构16的光轴离开的位置的投影光100(投影光101、投影光103)以较大程度而折射，将其射出到透射型屏幕17侧。具体来说，配光调整机构16以角度θ1使投影光101倾斜而射出到配光调整机构16的光轴侧，以角度θ3使投影光103倾斜而射出到配光调整机构16的光轴侧。另外，沿配光调整机构16的光轴的投影光102没有通过配光调整机构16而折射(没有通过配光调整机构16而调整配光)，而成像于透射型屏幕17上，作为图像光202射出。配光调整机构16伴随与配光调整机构16的光轴的离开，使投影光100的调整量(倾斜的角度)增加。
下面参照图2(b)，对从第1方向X观看配光调整机构16时的配光调整机构16的作用进行说明。另外，从图2(b)所示的投影面13a射出的投影光100(投影光104、投影光105、投影光106)为形成观察者辨认的上述虚像的左右方向的光，投影光104形成上述虚像的右端，投影光105形成上述虚像的左右中央附近，投影光106形成上述虚像的左端。
从投影面13a的各区域射出的投影光100(投影光104、投影光105、投影光106)经由投射透镜15射入配光调整机构16。配光调整机构16按照使从透射型屏幕17射出的图像光204、图像光205、图像光206的配光轴204a、配光轴205a、配光轴206a大致沿朝向可视范围3的光路P4、光路P5、光路P6的方式使射入透射型屏幕17中的投影光104、投影光105、投影光106折射。
在第2方向Y，配光调整机构16使射入到与配光调整机构16离开的位置的投影光100(投影光104、投影光106)以较大程度折射，将其射出到透射型屏幕17侧。具体来说，配光调整机构16以角度θ4使投影光104倾斜而射出到配光调整机构16的光轴侧，以角度θ6使投影光106倾斜而射出到配光调整机构16的光轴侧。另外，沿配光调整机构16的光轴的投影光105没有通过配光调整机构16而折射(没有通过配光调整机构16而调整配光)，而成像于透射型屏幕17上，作为图像光205射出。配光调整机构16伴随与配光调整机构16的光轴的离开，使投影光100的调整量(倾斜的角度)增加。此外，使通过配光调整机构16而于可视范围3的上下方向配光的图像光201、图像光203折射的角度θ1、θ3(调整量)大于使在可视范围3的左右方向配光的图像光204、图像光206折射的角度θ4、θ6(调整量)。
像以上描述的那样，按照本实施方式的HUD装置1，由于可通过配光调整机构16调整从透射型屏幕17的各区域射出的图像光200的配光，故能以良好的效率使图像光200朝向可视范围3。
(第2实施方式)
下面采用图3，对第2实施方式的配光调整机构16a的作用进行说明。图3(a)为从第2方向Y观看配光调整机构16a时的结构示意图，图3(b)为从第1方向X观看配光调整机构16a时的结构示意图。另外，在图3中，对于与上述第1实施方式相同的结构，采用相同的标号，其说明省略。
第2实施方式的HUD装置1的不同点在于具有其特性不同于上述第1实施方式的配光调整机构16的配光调整机构16a。第2实施方式的配光调整机构16a由柱状透镜构成，该柱状透镜在第1方向X，具有使投影光100折射的能力，于第2方向Y，不具有使投影光100折射的能力。
参照图3(b)，对从第1方向X观看第2实施方式的配光调整机构16a时的配光调整机构16a的作用进行说明。
从投影面13a的各区域射出的投影光100(投影光104、投影光105、投影光106)经由投射透镜15射入配光调整机构16a。配光调整机构16a不改变投影光104、投影光105、投影光106的朝向，将这些投影光射出到透射型屏幕17侧。透射型屏幕17射出具有其朝向与从背面射入的投影光104、投影光105、投影光106基本相同的配光轴204a、配光轴205a、配光轴206a的图像光204，图像光205、图像光206。另外，按照配光轴204a、配光轴205a、配光轴206a沿朝向可视范围3的光路P4、光路P5、光路P6的方式，设定来自投影透镜15的投影光104、投影光105、投影光106的投射角度。
同样在这样的结构中，由于通过配光调整机构16a可调整从透射型屏幕17的各区域射出的图像光200的配光，故可以良好的效率使图像光200朝向可视范围3。另外，在配光调整机构16a中，由于仅仅在1个轴方向(第1方向X)具有使投影光100折射的能力，故可容易进行配光调整机构16a的光学设计。
(第3实施方式)
第3实施方式的HUD装置1的不同点在于从透射型屏幕17的各区域而射出的图像光201、图像光202、图像光203交叉，在规定的位置形成中间像S2。在下面通过图4、图5，对本发明的第3实施方式进行说明。图4为第3实施方式的HUD装置1的结构示意图，图5(a)为从第2方向Y观看配光调整机构16b时的结构示意图，图5(b)为从第1方向X观看配光调整机构16b时的结构示意图。
第3实施方式的配光调整机构16b为比如柱状透镜，其接收投影光100，使朝向透射型屏幕17而折射的投影光100射出的光学区域，按照大于透射型屏幕17对实像S1进行成像的区域的方式形成。
(配光调整机构16b的作用)
首先，参照图5(a)，对从第2方向Y观看配光调整机构16b时的配光调整机构16b的作用进行说明。
从投影面13a的各区域射出的投影光100(投影光101、投影光102、投影光103)经由投影透镜15射入到配光调整机构16b。配光调整机构16b按照下述方式使投影光101、投影光102、投影光103折射，将其射出到透射型屏幕17，该方式为：从透射型屏幕17而射出的图像光201、图像光202、图像光203的配光轴201a、配光轴202a、配光轴203a基本沿朝向可视范围3的光路P1、光路P2、光路P3。
在第1方向X使射入与配光调整机构16b的光轴离开的位置的投影光100(投影光101、投影光103)大大折射，将其射出到透射型屏幕17侧。具体来说，配光调整机构16b按照朝向配光调整机构16b的光轴侧的方式使投影光101、投影光103倾斜而射出。由于通过像这样，图像光200的整体在作为收敛的同时，朝向第1反射部20，故可通过小型的第1反射部20接收图像光200。配光调整机构16b伴随与配光调整机构16b的光轴的离开，增加投影光100的调整量(倾斜角度)。
另外，在第3实施方式的HUD装置1中，由于从透射型屏幕17射出的图像光200成像于中间像S2，故通过凹面镜构成第1反射部20b。第1反射部20将通过透射型屏幕17而成像的实像S1的图像光200在第1反射部20和第2反射部30之间，作为中间像S2而成像。中间像S2的成像位于相对第2反射部30的焦点距离的第2反射部30一侧，位于上述第2反射部30的焦点距离附近，由此，可让观察者辨认高倍率的虚像。
像以上说明的那样，在第3实施方式的HUD装置1中，通过配光调整机构16b，使从透射型屏幕17的各区域射出的图像光200的配光轴200a朝向配光调整机构16b的光轴侧，由此，可通过小型的第1反射部20，以良好的效率而产生中间像S2。
本发明不限于以上的实施方式和附图。在不改变本发明的实质的范围内，可适当进行变更(还包括删除结构元件)。在下面给出变形例子的一个例子。
在上述实施方式中，使来自投影透镜15的投影光100折射的配光调整机构16为自由曲面透镜、柱状透镜，但是并不限于此，也可适当地为球面或非球面的旋转对称透镜，超环面(toroidal)镜。
还有，在上述实施方式中，通过透镜而构成配光调整机构16，但是也可通过具有凹面的反射镜而构成配光调整机构16。
此外，在上述实施方式中，透射型屏幕17为扩散膜，但是透射型屏幕17也可由微型透镜阵列构成。由于可通过由微型透镜阵列而构成透射型屏幕17，针对透射型屏幕17的每个区域而调整从透射型屏幕17的各区域射出的图像光200的配光角的尺寸、配光方向，故可以更加良好的效率，使图像光朝向观察者。
此外，在上述实施方式中，透射型屏幕17与配光调整机构16的光轴垂直地设置，但是，也可像图6所示的那样，在第1方向X和/或第2方向Y，使透射型屏幕17相对配光调整机构16的光轴而倾斜。通过该方案，防止从HUD装置1的外部侵入的太阳光从透射型屏幕17中透射，到达光源反射镜12、光源11的情况。
另外，投影有图像光200的反射透射面不限于车辆的挡风前窗2。投影图像光200的反射透射面也可为比如专门设置的合成器部件。
在以上的说明中，为了容易理解本发明，适当省略非重要的公知的技术事项的说明。
产业的利用可能性
本发明涉及于实景上重合虚像而进行辨认的平视显示装置，最好为下述显示装置，该显示装置比如设置于车辆的仪表盘内，将图像光射出到车辆的挡风前窗。
标号的说明：
标号1表示HUD装置(平视显示装置)；
标号2表示挡风前窗(反射透射面)；
标号3表示可视范围；
标号10表示显示装置；
标号11表示光源；
标号12表示光源反光镜；
标号13表示棱镜；
标号14表示反射型显示器(投影器)；
标号15表示投射透镜(成像光学系统)；
标号16表示配光调整机构；
标号17表示透射型屏幕(屏幕)；
标号20表示第1反射部；
标号23表示第2反射部；
标号40表示外壳；
标号100表示投影光；
标号200表示图像光。

Claims (3)

1.一种平视显示装置，其特征在于，该平视显示装置包括：
投影器，该投影器射出表示图像的投影光；
屏幕，该屏幕对该投影光进行成像，将其作为图像光而扩散；
成像光学系统，该成像光学系统将上述投影光放大，将其成像于上述屏幕上；
配光调整机构，该配光调整机构设置于上述屏幕和上述成像光学系统之间，通过使上述投影光折射，针对每个区域调整从上述屏幕所射出的上述图像光的配光。
2.根据权利要求1所述的平视显示装置，其特征在于，上述配光调整机构将从上述屏幕的各区域所射出的上述图像光调整到上述投影光的光轴侧。
3.根据权利要求1或2所述的平视显示装置，其特征在于，在沿与上述投影光的光轴相垂直的方向而延伸的第1方向、沿与上述投影光的光轴相垂直的方向而延伸并且与上述第1方向相正交的第2方向中，上述配光调整机构至少在上述第1方向，伴随与上述投影光的光轴的离开，使上述投影光的调整量增加。
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