CN106802481A - 平视显示装置 - Google Patents

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CN106802481A CN201610836980.8A CN201610836980A CN106802481A CN 106802481 A CN106802481 A CN 106802481A CN 201610836980 A CN201610836980 A CN 201610836980A CN 106802481 A CN106802481 A CN 106802481A
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Abstract

本发明提供一种确保图像显示元件至图像反射面的光路长度的同时实现小型化的平视显示装置。一种平视显示装置，其透过图像反射面将显示于图像显示元件(D)的图像扩大显示来作为虚拟图像，其中，反射光学系统沿从图像显示元件(D)射出的光线，从图像显示元件一侧依次连续具有第l反射镜(Ml)、第m反射镜(Mm)、第n反射镜(Mn)等至少3个以上的反射镜，第n反射镜(Mn)具有光焦度并在所有反射镜中配置于最靠近图像反射面一侧，从图像显示元件(D)射出的光线依次反射于第l反射镜(Ml)、第m反射镜(Mm)、第n反射镜(Mn)，从第n反射镜(Mn)射出的光线穿过第l反射镜(Ml)与第m反射镜(Mm)之间而到达图像反射面，并且满足规定条件式。

Description

平视显示装置
技术领域
本发明有关一种用于汽车等移动体的平视显示装置。
背景技术
以往，作为对汽车等的驾驶者显示方向指示和提醒注意、行驶速度等信息的装置已知有平视显示装置。一种平视显示装置，其将所显示的图像的虚拟图像显示于前窗或组合器等图像反射面来使驾驶者能够识别驾驶汽车等时所需的信息，而无需从视野中转移视线。作为这种平视显示装置，提出有专利文献1、2。
专利文献1：日本特开平4-247489号公报
专利文献2：日本特开2007-272061号公报
这种平视显示装置由于应设置于汽车等移动体的驾驶席周围的有限的空间中，因此要求小型化。
并且，为了安全性和防止驾驶者的眼疲劳，并为了减少确认平视显示装置的显示信息时的驾驶者的视线移动，优选虚拟图像的焦点位置尽量远离驾驶者，并为了这种结构而需要将平视显示装置内的图像显示元件至图像反射面的光路长度设为较长，但这与装置的小型化要求恰恰相反。
发明内容
本发明是鉴于上述内容而完成的，其目的在于提供一种确保图像显示元件至图像反射面的光路长度的同时实现小型化的平视显示装置。
本发明的平视显示装置，具备在与观察者相对的图像反射面中使来自图像显示元件的显示光朝向观察者一侧反射的反射光学系统，并透过图像反射面将显示于图像显示元件的图像放大显示为虚拟图像，其特征在于，反射光学系统沿从图像显示元件射出的光线，从图像显示元件一侧依次连续具有第l反射镜、第m反射镜、第n反射镜这样的至少3个以上的反射镜，第n反射镜具有光焦度并在所有反射镜中配置于在所述光线的光路上最靠近图像反射面一侧的位置，从图像显示元件射出的光线依次被第l反射镜、第m反射镜、第n反射镜反射，从第n反射镜射出的光线穿过第l反射镜与第m反射镜之间而到达图像反射面，并满足下述条件式(1)～(6)。
0.18＜β×H1/αm＜0.33......(1)
3.50＜αm/(αn×sinθn)＜5.00......(2)
1.00＜αm/(L2-(αn×cosθn)2)1/2＜2.00......(3)
π/36＜θn＜π/9......(4)
-π/15＜(π/2)-(2×θm+θn)＜π/15......(5)
-π/15＜(π/2)-(θl+θm+θn)＜π/15......(6)
其中，将从图像显示元件的中心位置朝向与图像显示元件的显示面垂直的方向射出的光线设为中心光线，将中心光线与第l反射镜的交点设为Pl，将中心光线与第m反射镜的交点设为Pm，将中心光线与第n反射镜的交点设为Pn，将包含交点Pl、交点Pm、交点Pn的平面设为U时，
β：第n反射镜的近轴放大率，
H1：平面U上的图像显示元件的显示区域的中心至端末的距离，
αm：交点Pl至交点Pm的距离，
αn：交点Pm至交点Pn的距离，
θl：交点Pl上的中心光线的入射角度或反射角度，
θm：交点Pm上的中心光线的入射角度或反射角度，
θn：交点Pn上的中心光线的入射角度或反射角度，
L：交点Pl至交点Pn的距离。
其中，第n反射镜的近轴放大率β中，将An设为图像显示元件的中心位置至交点Pn的中心光路长度时，以下述式表示。
β＝|B/(-An)|
上述式中“B”为，将R设为第n反射镜的近轴曲率半径(凸面取正，凹面取负)时，由下述式导出的图像距离。
(1/(-An))+(1/B)＝(2/R)
另外，满足条件式(1)～(6)的基础上，优选进一步满足下述条件式(1-1)～(6-1)中的任意一个或多个组合，进一步优选满足下述条件式(1-2)～(6-2)中的任意一个或多个组合。
0.21＜β×H1/αm＜0.32......(1-1)
0.22＜β×H1/αm＜0.30......(1-2)
3.80＜αm/(αn×sinθn)＜4.50......(2-1)
3.90＜αm/(αn×sinθn)＜4.30......(2-2)
1.20＜αm/(L2-(αn×cosθn)2)1/2＜1.80......(3-1)
1.25＜αm/(L2-(αn×cosθn)2)1/2＜1.70......(3-2)
π/22＜θn＜π/10......(4-1)
π/20＜θn＜π/11......(4-2)
-π/18＜(π/2)-(2×θm+θn)＜π/18......(5-1)
-π/22＜(π/2)-(2×θm+θn)＜π/22......(5-2)
-π/18＜(π/2)-(θl+θm+θn)＜π/18......(6-1)
-π/22＜(π/2)-(θl+θm+θn)＜π/22......(6-2)
本发明的平视显示装置，具有用于使从图像显示元件射出的光线扩散投影的扩散部件，从图像显示元件射出的光线经由扩散部件而投影于图像反射面，其可以构成为从图像显示元件射出的光线穿过沿从图像显示元件射出的光线在图像显示元件至第n反射镜之间相邻的2个反射镜之间，并满足下述条件式(7)。这种条件下，更优选满足下述条件式(7-1)，进一步满足下述条件式(7-2)。
0.20＜2×H2/ατ＜0.40......(7)
0.22＜2×H2/ατ＜0.38......(7-1)
0.24＜2×H2/ατ＜0.36......(7-2)
其中，将相邻的2个反射镜从图像显示元件一侧依次设为第σ反射镜、第τ反射镜，并将中心光线与第σ反射镜的交点设为Pσ，将中心光线与第τ反射镜的交点设为Pτ时，
H2：平面U上的扩散部件的显示区域中心至端末的距离，
ατ：交点Pσ至交点Pτ的距离。
在此，图10中示出表示条件式(1)的各符号所表示的内容的说明图，图11中示出表示条件式(2)的各符号所表示的内容的说明图，图12中示出表示条件式(3)的各符号所表示的内容的说明图，图13中示出表示条件式(4)的各符号所表示的内容的说明图，图14中示出表示条件式(5)的各符号所表示的内容的说明图，图15中示出表示条件式(6)的各符号所表示的内容的说明图，图16中示出表示条件式(7)的各符号所表示的内容的说明图。
图10～图16中示出，从图像显示元件D的中心O射出的光线依次反射于第l反射镜Ml、第m反射镜Mm、第n反射镜Mn，从第n反射镜Mn射出的光线穿过第l反射镜Ml与第m反射镜Mm之间并达到未图示的图像反射面的状态。其中，图16中示出，将从包含于投影光学系统S的图像显示元件射出的光线暂时投影于扩散器等扩散部件E的状态。
另外，上述各条件式中，H、αm、αn、L、ατ的单位为mm，θl、θm、θn的单位为rad(弧度)。
发明效果
本发明的平视显示装置，将从图像显示元件射出的光线的光路通多至少3个反射镜折弯，并且关于该3个反射镜的配置位置和配置角度，以满足下述条件式(1)～(6)的方式构成，因此能够确保图像显示元件至图像反射面的光路长度的同时实现小型化。
0.18＜β×H1/αm＜0.33......(1)
3.50＜αm/(αn×sinθn)＜5.00......(2)
1.00＜αm/(L2-(αn×cosθn)2)1/2＜2.00......(3)
π/36＜θn＜π/9......(4)
-π/15＜(π/2)-(2×θm+θn)＜π/15......(5)
-π/15＜(π/2)-(θl+θm+θn)＜π/15......(6)
附图说明
图1是搭载有本发明的一实施方式所涉及的平视显示装置的汽车驾驶席的示意图。
图2是本发明的一实施方式所涉及的平视显示装置的概略结构图。
图3是本发明的一实施方式所涉及的平视显示装置的反射光学系统的概略结构图(与实施例1相同)。
图4是本发明的实施例1的平视显示装置的反射光学系统的另一方式的概略结构图。
图5是本发明的实施例2的平视显示装置的反射光学系统的概略结构图。
图6是本发明的实施例2的平视显示装置的反射光学系统的另一方式的概略结构图。
图7是本发明的实施例3的平视显示装置的反射光学系统的概略结构图。
图8是本发明的实施例3的平视显示装置的反射光学系统的另一方式的概略结构图。
图9是本发明的一实施方式所涉及的平视显示装置的投影光学系统的概略结构图。
图10是表示条件式(1)的各符号所表示的内容的说明图。
图11是表示条件式(2)的各符号所表示的内容的说明图。
图12是表示条件式(3)的各符号所表示的内容的说明图。
图13是表示条件式(4)的各符号所表示的内容的说明图。
图14是表示条件式(5)的各符号所表示的内容的说明图。
图15是表示条件式(6)的各符号所表示的内容的说明图。
图16是表示条件式(7)的各符号所表示的内容的说明图。
图17是表示本发明的一实施方式所涉及的平视显示装置的各构成要件的配置方式的说明图。
符号说明
10-平视显示装置，11-汽车，12-仪表板，13-前窗，14-驾驶者，20-框体，21-图像显示元件，31～35-反射镜，40-投影光学系统，41-反射镜，51-光源，52-照明光学系统，53-DMD，54-投影透镜，55-反射镜，V-虚拟图像。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。图1是搭载有本发明的一实施方式所涉及的平视显示装置的汽车驾驶席的示意图，图2是该平视显示装置的概略结构图。
如图1所示，本实施方式的平视显示装置10配置于汽车11的仪表板12内，将显示从装置内射出的行驶速度等的信息的图像通过前窗(图像反射面)13反射，并在驾驶者(观察者)14的透过前窗13的前方放大表示来作为虚拟图像V。
如图2所示，平视显示装置10在框体20内部具备将来自图像显示元件21的显示光反射于驾驶者14一侧的反射光学系统30。另外，框体20中设有用于使来自图像显示元件21的显示光通过前窗13的开口20a。同样地对于仪表板12也设有用于使来自图像显示元件21的显示光通过前窗13的开口12a。
反射光学系统30如下构成，即沿从图像显示元件21射出的光线，从图像显示元件21一侧依次连续具有第l反射镜、第m反射镜、第n反射镜等至少3个以上的反射镜，第n反射镜具有光焦度并在所有反射镜中配置于最靠近前窗(图像反射面)13一侧，从图像显示元件21射出的光线依次反射于第l反射镜、第m反射镜、第n反射镜，从第n反射镜射出的光线穿过第l反射镜与第m反射镜之间而到达图像反射面。
并且，第l反射镜、第m反射镜、第n反射镜等3个反射镜的配置位置和配置角度，以满足下述条件式(1)～(6)的方式构成。
0.18＜β×H1/αm＜0.33......(1)
3.50＜αm/(αn×sinθn)＜5.00......(2)
1.00＜αm/(L2-(αn×cosθn)2)1/2＜2.00......(3)
π/36＜θn＜π/9......(4)
-π/15＜(π/2)-(2×θm+θn)＜π/15......(5)
-π/15＜(π/2)-(θl+θm+θn)＜π/15......(6)
其中，将从图像显示元件的中心位置朝向与图像显示元件的显示面垂直的方向射出的光线设为中心光线，将中心光线与第l反射镜的交点设为Pl，将中心光线与第m反射镜的交点设为Pm，将中心光线与第n反射镜的交点设为Pn，将包含交点Pl、交点Pm、交点Pn的平面设为U时，
β：第n反射镜的近轴放大率，
H1：平面U上的图像显示元件的显示区域中心至端末的距离，
αm：交点Pl至交点Pm的距离，
αn：交点Pm至交点Pn的距离，
θl：交点Pl上的中心光线的入射角度或反射角度，
θm：交点Pm上的中心光线的入射角度或反射角度，
θn：交点Pn上的中心光线的入射角度或反射角度，
L：交点Pl至交点Pn的距离。
在此，对条件式(1)进行详细说明。图10是表示条件式(1)的各符号所表示的内容的说明图。条件式(1)确定第l反射镜Ml与第m反射镜Mm的间隔和虚拟图像的高度的比率范围，具体而言，有关从第n反射镜Mn射出的光线，与利用第l反射镜Ml和第m反射镜Mm反射并通过的光线重合而通过的同时穿过第l反射镜Ml与第m反射镜Mm之间时，光线不会被第l反射镜Ml和第m反射镜Mm遮蔽，且结合与虚拟图像的高度对应的射出光束直径来确定第l反射镜Ml与第m反射镜Mm的间隔。
通过设为不会成为该条件式(1)的下限以下，能够抑制第l反射镜Ml与第m反射镜Mm的间隔相对于与虚拟图像的高度对应的射出光束直径变得过大，因此在将上述射出光束直径尽量确保为较大的状态下，能够将相当于第l反射镜Ml和第m反射镜Mm的间隔与射出光束直径之间的差量的余量尽量取较小值。从而，能够将设置于仪表板12及框体20的开口12a及开口20a的大小尽量减小，因此能够抑制朝向框体20内的外光的入射、尘埃或烟的焦油等的侵入。
并且，通过设为不会成为条件式(1)的上限以上，能够抑制第l反射镜Ml与第m反射镜Mm的间隔相对于与虚拟图像的高度对应的射出光束直径变得过小，因此能够防止从第n反射镜Mn射出的光线被第l反射镜Ml或第m反射镜Mm遮蔽。
接着，对条件式(2)进行详细说明。图11为表示条件式(2)的各符号所表示的内容的说明图，图17为表示本发明的一实施方式所涉及的平视显示装置的各构成要件的配置状态的说明图。条件式(2)确定第m反射镜Mm与第n反射镜Mn的间隔。通过满足该条件式(2)，从第n反射镜Mn射出的光线能够形成通过第l反射镜Ml与第m反射镜Mm之间的中心附近的光路。由此，将通过第n反射镜Mn反射后的中心光路设为向量Vn时，能够抑制与反射光学系统的反射镜配置区域中的向量Vn垂直的方向上的长度(图17中，由S2表示)，因此能够实现装置的小型化。
另外，通过设为不会成为该条件式(2)的下限以下，能够防止从第n反射镜Mn射出的光线穿过第l反射镜Ml与第m反射镜Mm之间时过于靠近第l反射镜Ml一侧，因此能够防止该光线被第l反射镜Ml遮蔽。并且，通过设为不会成为条件式(2)的上限以上，能够防止从第n反射镜Mn射出的光线穿过第l反射镜Ml与第m反射镜Mm之间时过于靠近第m反射镜Mm一侧，因此能够防止该光线被第m反射镜Mm遮蔽。
接着，对条件式(3)进行详细说明。图12是表示条件式(3)的各符号所表示的内容的说明图。条件式(3)确定第l反射镜Ml与第n反射镜Mn的间隔。通过满足该条件式(3)，能够形成连结交点Pl和交点Pm的线与第n反射镜Mn的法线向量Wn呈大致垂直的光路。由此，能够将反射光学系统的反射镜配置区域中的向量Wn方向上的长度(图17中，由S1表示)尽量取较小值，因此能够实现装置的小型化。
另外，通过设为不会成为该条件式(3)的下限以下，能够抑制第l反射镜Ml与第n反射镜Mn的间隔过于空旷，因此能够实现装置的小型化。并且，通过设为不会成为条件式(3)的上限以上，能够抑制第l反射镜Ml与第n反射镜Mn的间隔变得过窄，因此能够防止到达第l反射镜Ml之前的光线与通过第n反射镜Mn反射之后的光线靠近而任意光线被构成反射光学系统30的反射镜或图像显示元件21遮蔽。
接着，对条件式(4)进行详细说明。图13是表示条件式(4)的各符号所表示的内容的说明图。条件式(4)确定通过第n反射镜Mn上的交点Pn的中心光路中的光线的反射角度θn。通过设为不会成为该条件式(4)的下限以下，能够抑制反射角度θn变得过小，因此能够防止通过第n反射镜Mn反射的光线被第m反射镜Mm遮蔽。并且，第n反射镜Mn为具有光焦度的反射镜，因此通过设为不会成为条件式(4)的上限以上，能够抑制反射角度θn变得过大，由此能够设为失真较少的虚拟图像。
接着，对条件式(5)进行详细说明。图14是表示条件式(5)的各符号所表示的内容的说明图。条件式(5)相对θn确定θm，并以形成连结交点Pl和交点Pm的线与第n反射镜Mn的法线向量Wn呈大致垂直的光路的方式确定第m反射镜Mm的设置角度。
通过设为不会成为该条件式(5)的下限以下，能够形成连结交点Pl和交点Pm的线与第n反射镜Mn的法线向量Wn呈大致垂直的光路。由此，能够尽量减小法线向量Wn方向上的长度，因此能够实现装置的小型化，并能够抑制第m反射镜Mm上的反射角度变得过小，从而能够消除第m反射镜Mm与第n反射镜Mn成为相对置的设置角度，并能够防止通过第n反射镜Mn反射的光线被第m反射镜Mm遮蔽。并且，通过设为不会成为条件式(5)的上限以上，能够形成连结交点Pl和交点Pm的线与第n反射镜Mn的法线向量Wn呈大致垂直的光路。由此，能够尽量减小法线向量Wn方向上的长度，从而能够实现装置的小型化。
接着，对条件式(6)进行详细说明。图15是表示条件式(6)的各符号所表示的内容的说明图。条件式(6)相对θm及θn确定θl，并以形成从第n反射镜Mn射出的光线与入射于第l反射镜Ml的光线大致平行的光路的方式确定第l反射镜Ml的设置角度。
通过设为不会成为该条件式(6)的下限以下，能够抑制第l反射镜Ml上的反射角度变得过小，因此能够防止到达第l反射镜Ml之前的光线与通过第n反射镜Mn反射之后的光线靠近而使任意光线被构成反射光学系统30的反射镜或图像显示元件21遮蔽。并且，通过设为不会成为条件式(6)的上限以上，能够抑制第l反射镜Ml上的反射角度变得过大，并能够抑制与反射光学系统的反射镜配置区域中的向量Vn垂直的方向上的长度(图17中，由S2表示)，因此能够实现装置的小型化。
另外，在满足条件式(1)～(6)的基础上，进一步满足下述条件式(1-1)～(6-1)的任意一个或多个组合，并进一步满足下述条件式(1-2)～(6-2)的任意一个或多个组合，则能够设为更优异的特性。
0.21＜β×H1/αm＜0.32......(1-1)
0.22＜β×H1/αm＜0.30......(1-2)
3.80＜αm/(αn×sinθn)＜4.50......(2-1)
3.90＜αm/(αn×sinθn)＜4.30......(2-2)
1.20＜αm/(L2-(αn×cosθn)2)1/2＜1.80......(3-1)
1.25＜αm/(L2-(αn×cosθn)2)1/2＜1.70......(3-2)
π/22＜θn＜π/10......(4-1)
π/20＜θn＜π/11......(4-2)
-π/18＜(π/2)-(2×θm+θn)＜π/18......(5-1)
-π/22＜(π/2)-(2×θm+θn)＜π/22......(5-2)
-π/18＜(π/2)-(θl+θm+θn)＜π/18......(6-1)
-π/22＜(π/2)-(θl+θm+θn)＜π/22......(6-2)
本实施方式的平视显示装置10，将从图像显示元件21射出的光线的光路通过至少3个反射镜折弯，并且以满足条件式(1)～(6)方式构成该3个反射镜的配置位置或配置角度，因此能够确保图像显示元件至图像反射面的光路长度的同时实现小型化。
如图16所示，本实施方式的平视显示装置10可如下构成，即该平视显示装置具有用于使从图像显示元件射出的光线扩散投影的扩散部件，从图像显示元件射出的光线经由扩散部件投影于图像反射面，其中，从图像显示元件射出的光线穿过沿从图像显示元件射出的光线在图像显示元件至第n反射镜之间相邻的2个反射镜之间，并满足下述条件式(7)。
在此，对条件式(7)进行详细说明。图16为表示条件式(7)的各符号所表示的内容的说明图。另外，图16表示从包含于投影光学系统S的图像显示元件射出的光线暂时投影于扩散器等扩散部件E的状态。条件式(7)确定相邻的2个反射镜(设为第σ反射镜Mσ及第τ反射镜Mτ)的间隔与入射于扩散部件E的光线的光线宽度的比率范围，具体而言，从图像显示元件射出的光线穿过第σ反射镜Mσ与第τ反射镜Mτ之间时，光线不会被第σ反射镜Mσ与第τ反射镜Mτ遮蔽，且结合将光照射于整个扩散部件E的显示区域时所需要的射出光束直径来确定第σ反射镜Mσ与第τ反射镜Mτ的间隔。
通过设为不会成为该条件式(7)的下限以下，能够抑制第σ反射镜Mσ与第τ反射镜Mτ的间隔相对入射于扩散部件E的光线的光线宽度变得过大，因此能够将结合投影光学系统与反射光学系统的空间的大小抑制为较小。并且，通过设为不会成为条件式(7)的上限以上，能够抑制第σ反射镜Mσ与第τ反射镜Mτ的间隔相对入射于扩散部件E的光线的光线宽度变得过小，因此能够使所需光线通过，而从图像显示元件射出的光线不会被第σ反射镜Mσ或第τ反射镜Mτ遮蔽。
另外，满足下述条件式(7-1)，并进一步满足下述条件式(7-2)，则能够设为更优异的特性。
0.20＜2×H2/ατ＜0.40......(7)
0.22＜2×H2/ατ＜0.38......(7-1)
0.24＜2×H2/ατ＜0.36......(7-2)
其中，将相邻的2个反射镜从图像显示元件一侧依次设为第σ反射镜、第τ反射镜，将中心光线与第σ反射镜之间的交点设为Pσ，并将中心光线与第τ反射镜之间的交点设为Pτ时，
H2：平面U上的扩散部件的显示区域中心至端末的距离，
ατ：交点Pσ至交点Pτ的距离。
另外，本实施方式的平视显示装置10中，图像显示元件可以设为透射型图像显示元件，也可以设为反射型图像显示元件。当设为透射型图像显示元件时，可以设为图像显示元件与光源的背光被一体化，也可以设为图像显示元件与光源之间隔开有间隔。
接着，对本发明的平视显示装置的反射光学系统的数值实施例进行说明。首先，对实施例1的平视显示装置的反射光学系统进行说明。图3为实施例1的平视显示装置的反射光学系统的概略结构图。
实施例1的平视显示装置的反射光学系统具备第1反射镜31(相当于第l反射镜)、第2反射镜32(相当于第m反射镜)、第3反射镜33(相当于第n反射镜)等3个反射镜。
在表1中示出平面U上的图像显示元件21、第1反射镜31(相当于第l反射镜)、第2反射镜32(相当于第m反射镜)、第3反射镜33(相当于第n反射镜)、前窗(图像反射面)13的坐标。另外，表1中，将中心光线与第n反射镜之间的交点设为原点，将第n反射镜的法线向量Wn设为Y轴，将在平面U上与Y轴正交的方向设为X轴。并且，关于各部件位置的编号，“-0”表示中心位置，“-1”表示两端中的在正方向上Y轴分量较大的一方的端部，“-2”表示两端中的在正方向上Y轴分量较小的一方的端部。
图3中，仅示出驾驶者的瞳孔位置为单点的情况，但实际可以设想驾驶者的瞳孔位置移动的情况。瞳孔位置移动则光束区域也移动，因此根据由表1的坐标所表示的各反射镜的端点变化的反射镜尺寸无需一定与实际的反射镜尺寸相同，考虑瞳孔位置的移动可以构成为实际的反射镜尺寸比根据由表1的坐标所表示的各反射镜的端点变化的反射镜尺寸大。
并且，第3反射镜33(相当于第n反射镜)为具有光焦度的反射镜，将第3反射镜33的自由曲面系数示于表2。自由曲面系数为由下述式所表示的自由曲面式中的旋转非对称非球面系数C(i，j)的值。另外，表2中未特别记载的旋转非对称非球面系数为0。
[数学式1]
其中，
X，Y，Z：将面顶点设为原点的各坐标，
C(i，j)：旋转非对称非球面系数(i+j＝k，k＝1～8)。
并且，将实施例1的平视显示装置的反射光学系统的各尺寸示于表3。
其中，
αi：交点Pi至交点Pi-1的距离(i：反射镜编号，其中P0为图像显示元件的中心位置)，
Ai：图像显示元件的中心位置至交点Pi的中心光路长度(i：反射镜编号)，
β：第n反射镜的近轴放大率，
H1：平面U上的图像显示元件的显示区域中心至端末的距离，
H2：平面U上的扩散部件的显示区域中心至端末的距离，
Ki：来自第i反射镜的射出光束直径的半值(i：反射镜编号)，
R：第n反射镜的近轴曲率半径(凸面取正，凹面取负)，
B：从成像关系导出的图像距离，
C：沿中心光路，第n反射镜至图像反射面的距离，
D：沿中心光路，图像反射面至瞳孔的距离，
Li：交点Pi至交点Pn的距离(i：反射镜编号)，
Lω：交点Pn至交点P1～Pn-1的各距离中，与向量Wn平行的分量的最大长度，
Lν：交点Pn至交点P1～Pn-1的各距离中，与向量Vn(从交点Pn朝向交点F(中心光线与图像反射面的交点)的向量)垂直的分量的最大长度，
向量Vl(从交点Pl朝向交点Pm的向量)与向量Vn(从交点Pn朝向交点F(中心光线与图像反射面的交点)的向量)之间的角度，
θi：交点Pi上的中心光线的入射角度或反射角度(i：反射镜编号)。
接着，将实施例1的平视显示装置中，从图像显示元件射出的光线暂时投影于扩散器等的扩散部件的情况下的反射光学系统的概略结构图示于图4。另外，当未经由扩散部件而投影虚拟图像的情况下，虚拟图像的清晰度虽较高但可以清楚地确认虚拟图像的瞳孔位置的范围被限定为极其狭窄的范围，因此驾驶者的头部相对图像反射面移动则有可能导致识别性降低。如图4所示，为了解决这种问题，通过经由扩散器等的扩散部件22投影虚拟图像V，能够扩大可以清楚地确认虚拟图像V的瞳孔位置的范围。
当组合实施例1的平视显示装置与扩散部件的情况下，需要增加扩散部件22、用于将从图像显示元件射出的光线投影于扩散部件22的投影光学系统40及反射镜41。在此，对该投影光学系统40进行详细说明。图9是从图4中的A箭头方向观察图4所示的投影光学系统40时的概略结构图。
投影光学系统40由光源51、照明光学系统52、作为图像显示元件的DMD(DigitalMicromirror Device：注册商标)53、投影透镜54、以及反射镜55构成。另外，图9中概略性地图示上述各构成要件。由光源51射出的光线通过未图示的色轮按时间序列选择性地变换为三原色光(R、G、B)的各光，并通过照明光学系统52实现与光线的光轴垂直的截面上的光量分布的均匀化之后入射于DMD53中。在DMD53中，根据入射光的颜色切换，调制切换到该颜色的光。通过DMD53进行光调制的光入射于投影透镜54中。另外，照明光学系统52的射出瞳孔位置与投影透镜54的入射瞳孔位置(与投影透镜54的缩小一侧的瞳孔位置相对应)构成为实质上相同。由投影透镜54射出的光线通过反射镜55及反射镜41反射并投影于扩散部件22。另外，投影光学系统40并不限定于上述结构，可以设为按每个原色设置DMD的方式，使用透射型图像显示元件从图像显示元件的背面入射光线的方式等，各种方式。
本实施例中，构成为从投影光学系统40射出的光线穿过第2反射镜32与第3反射镜33之间，第2反射镜32相当于条件式(7)中的第σ反射镜，第3反射镜33相当于条件式(7)中的第τ反射镜。
另外，有关表中的符号的含义和投影光学系统的结构，通过实施例1进行了举例说明，但在实施例2、3中基本上一样，因此省略以后的说明。
[表1]
实施例1
编号 x y
O-0 -81.177 77.274
O-1 -66.447 81.221
O-2 -95.907 73.327
P1-0 -90.236 111.081
P1-1 -77.245 128.012
P1-2 -102.559 95.021
P2-0 29.764 111.081
P2-1 14.313 131.218
P2-2 46.168 89.704
P3-0 0.000 0.000
P3-1 -25.711 0.325
P3-2 25.617 0.323
F-0 -97.057 362.222
F-1 -121.666 388.612
F-2 -70.756 334.018
[表2]
实施例1
C(1.0) 0.0000000E+00
C(0.1) 0.0000000E+00
C(2.0) 5.9225487E-05
C(1.1) 0.0000000E+00
C(0.2) 4.3528928E-05
C(3.0) 0.0000000E+00
C(2.1) 1.0422756E-07
C(1.2) 0.0000000E+00
C(0.3) 1.1992905E-07
C(4.0) 2.6699162E-10
C(3.1) 0.0000000E+00
C(2.2) -1.9395346E-10
C(1.3) 0.0000000E+00
C(0.4) -2.6412411E-09
C(5.0) 0.0000000E+00
C(4.1) 1.2222019E-11
C(3.2) 0.0000000E+00
C(2.3) 2.2829643E-12
C(1.4) 0.0000000E+00
C(0.5) -2.3463867E-11
C(6.0) 1.3899570E-14
C(5.1) 0.0000000E+00
C(4.2) 2.5015246E-14
C(3.3) 0.0000000E+00
C(2.4) 1.6173528E-13
C(1.5) 0.0000000E+00
C(0.6) 1.4733360E-12
C(7.0) 0.0000000E+00
C(6.1) -7.3641442E-17
C(5.2) 0.0000000E+00
C(4.3) -7.5977056E-16
C(3.4) 0.0000000E+00
C(2.5) -1.6534915E-15
C(1.6) 0.0000000E+00
C(0.7) 7.2091197E-15
C(8.0) -9.5060131E-19
C(7.1) 0.0000000E+00
C(6.2) 3.4973588E-19
C(5.3) 0.0000000E+00
C(4.4) -8.4826275E-18
C(3.5) 0.0000000E+00
C(2.6) -6.2873112E-18
C(1.7) 0.0000000E+00
C(0.8) -2.2353940E-16
[表3]
实施例1
α1 35.0
α2 120.0
α3 115.0
α4
α5
A1 35.0
A2 155.0
A3 270.0
A4
A5
β 2.1349
R -1015.793
B 576.436
C 375.0
D 900.0
H1 15.25
H2 15.25
Ks 20.818
Kt 23.924
Kn 22.421
L1 143.114
L2 115.000
L3
L4
在L1与Wn平行的分量 111.081
在L2与Wn平行的分量 111.081
在L3与Wn平行的分量
在L4与Wn平行的分量
Lω 111.081
在L1与Vn垂直的分量 58.411
在L2与Vn垂直的分量 57.500
在L3与Vn垂直的分量
在L4与Vn垂直的分量
Lν 58.411
φ[deg] 105.0
θ1[deg] 37.5
θ2[deg] 37.5
θ3[deg] 15.0
θ4[deg]
θ5[deg]
θF[deg] 62.0
接着，对实施例2的平视显示装置的反射光学系统进行说明。图5是实施例2的平视显示装置的反射光学系统的概略结构图。实施例2的平视显示装置的反射光学系统具备第1反射镜31、第2反射镜32(相当于第l反射镜)、第3反射镜33(相当于第m反射镜)、第4反射镜34(相当于第n反射镜)等4个反射镜。
将平面U上的图像显示元件21、第1反射镜31、第2反射镜32(相当于第l反射镜)、第3反射镜33(相当于第m反射镜)、第4反射镜34(相当于第n反射镜)、前窗(图像反射面)13的坐标示于表4。
并且，第4反射镜34(相当于第n反射镜)为具有光焦度的反射镜，将第4反射镜34的自由曲面系数示于表5。
并且，将实施例2的平视显示装置的反射光学系统的各尺寸示于表6。
并且，在实施例2的平视显示装置中，将从图像显示元件射出的光线暂时投影于扩散部件的情况下的反射光学系统的概略结构图示于图6。
当组合实施例2的平视显示装置与扩散部件的情况下，需要增加扩散部件22与投影光学系统40。本实施例中，构成为从投影光学系统40射出的光线穿过第3反射镜33与第4反射镜34之间，第3反射镜33相当于条件式(7)中的第σ反射镜，第4反射镜34相当于条件式(7)中的第τ反射镜。
[表4]
实施例2
编号 x y
O-0 -47.372 28.055
O-1 -50.020 43.074
O-2 -44.724 13.037
P1-0 -69.530 24.148
P1-1 -50.365 36.869
P1-2 -89.498 11.938
P2-0 -91.530 106.252
P2-1 -78.177 123.654
P2-2 -104.583 89.241
P3-0 28.470 106.252
P3-1 13.860 125.293
P3-2 43.643 86.478
P4-0 0.000 0.000
P4-1 22.240 0.175
P4-2 -22.060 0.172
F-0 -97.057 362.222
F-1 -118.289 384.991
F-2 -74.355 337.877
[表5]
实施例2
C(1.0) 0.0000000E+00
C(0.1) 0.0000000E+00
C(2.0) 5.9225487E-05
C(1.1) 0.0000000E+00
C(0.2) 4.3528928E-05
C(3.0) 0.0000000E+00
C(2.1) 1.0422756E-07
C(1.2) 0.0000000E+00
C(0.3) 1.1992905E-07
C(4.0) 2.6699162E-10
C(3.1) 0.0000000E+00
C(2.2) -1.9395346E-10
C(1.3) 0.0000000E+00
C(0.4) -2.6412411E-09
C(5.0) 0.0000000E+00
C(4.1) 1.2222019E-11
C(3.2) 0.0000000E+00
C(2.3) 2.2829643E-12
C(1.4) 0.0000000E+00
C(0.5) -2.3463867E-11
C(6.0) 1.3899570E-14
C(5.1) 0.0000000E+00
C(4.2) 2.5015246E-14
C(3.3) 0.0000000E+00
C(2.4) 1.6173528E-13
C(1.5) 0.0000000E+00
C(0.6) 1.4733360E-12
C(7.0) 0.0000000E+00
C(6.1) -7.3641442E-17
C(5.2) 0.0000000E+00
C(4.3) -7.5977056E-16
C(3.4) 0.0000000E+00
C(2.5) -1.6534915E-15
C(1.6) 0.0000000E+00
C(0.7) 7.2091197E-15
C(8.0) -9.5060131E-19
C(7.1) 0.0000000E+00
C(6.2) 3.4973588E-19
C(5.3) 0.0000000E+00
C(4.4) -8.4826275E-18
C(3.5) 0.0000000E+00
C(2.6) -6.2873112E-18
C(1.7) 0.0000000E+00
C(0.8) -2.2353940E-16
[表6]
实施例2
α1 22.5
α2 85.0
α3 120.0
α4 110.0
α5
A1 22.5
A2 107.5
A3 227.5
A4 337.5
A5
β 1.9112
R -1415.793
B 645.025
C 375.0
D 900.0
H1 15.25
H2 15.25
Ks 21.067
Kt 22.499
Kn 19.354
L1 73.604
L2 140.240
L3 110.000
L4
在L1与Wn平行的分量 24.148
在L2与Wn平行的分量 106.252
在L3与Wn平行的分量 106.252
在L4与Wn平行的分量
Lω 106.252
在L1与Vn垂直的分量 60.911
在L2与Vn垂直的分量 60.911
在L3与Vn垂直的分量 55.000
在L4与Vn垂直的分量
Lν 60.911
φ[deg] 105.0
θ1[deg] 47.5
θ2[deg] 37.5
θ3[deg] 37.5
θ4[deg] 15.0
θ5[deg]
θF[deg] 62.0
接着，对实施例3的平视显示装置的反射光学系统进行说明。图7是实施例3的平视显示装置的反射光学系统的概略结构图。实施例3的平视显示装置的反射光学系统具备第1反射镜31、第2反射镜32、第3反射镜33(相当于第l反射镜)、第4反射镜34(相当于第m反射镜)、第5反射镜35(相当于第n反射镜)等5个反射镜。
将平面U上的图像显示元件21、第1反射镜31、第2反射镜32、第3反射镜33(相当于第l反射镜)、第4反射镜34(相当于第m反射镜)、第5反射镜35(相当于第n反射镜)、前窗(图像反射面)13的坐标示于表7。
并且，第5反射镜35(相当于第n反射镜)为具有光焦度的反射镜，将第5反射镜35的自由曲面系数示于表8。
而且，将实施例3的平视显示装置的反射光学系统的各尺寸示于表9。
并且，在实施例3的平视显示装置中，将从图像显示元件射出的光线暂时投影于扩散部件的情况下的反射光学系统的概略结构图示于图8。
当组合实施例3的平视显示装置与扩散部件的情况下，需要增加扩散部件22、投影光学系统40以及反射镜41。本实施例中，构成为从投影光学系统40射出的光线穿过第2反射镜32与第3反射镜33之间、以及穿过第4反射镜34与第5反射镜35之间。这种情况下，成为条件式(7)的计算对象的反射镜的组合成为如2，第一个组合中，第2反射镜32相当于条件式(7)中的第σ反射镜，第3反射镜33相当于条件式(7)中的第τ反射镜。并且，第二组合中，第4反射镜34相当于条件式(7)中的第σ反射镜，第5反射镜35相当于条件式(7)中的第τ反射镜。
[表7]
实施例3
编号 x y
O-0 57.143 59.899
O-1 42.149 62.678
O-2 72.138 57.120
P1-0 52.587 35.318
P1-1 71.216 52.091
P1-2 33.885 18.478
P2-0 -57.074 26.688
P2-1 -75.213 40.860
P2-2 -39.070 12.621
P3-0 -71.928 115.453
P3-1 -58.880 132.154
P3-2 -85.011 98.707
P4-0 22.779 122.907
P4-1 9.510 137.644
P4-2 36.198 108.004
P5-0 0.000 0.000
P5-1 16.413 0.048
P5-2 -16.214 0.047
F-0 -68.338 368.721
F-1 -82.941 387.079
F-2 -52.891 349.301
[表8]
实施例3
C(1.0) 0.0000000E+00
C(0.1) 0.0000000E+00
C(2.0) 5.9225487E-05
C(1.1) 0.0000000E+00
C(0.2) 4.3528928E-05
C(3.0) 0.0000000E+00
C(2.1) 1.0422756E-07
C(1.2) 0.0000000E+00
C(0.3) 1.1992905E-07
C(4.0) 2.6699162E-10
C(3.1) 0.0000000E+00
C(2.2) -1.9395346E-10
C(1.3) 0.0000000E+00
C(0.4) -2.6412411E-09
C(5.0) 0.0000000E+00
C(4.1) 1.2222019E-11
C(3.2) 0.0000000E+00
C(2.3) 2.2829643E-12
C(1.4) 0.0000000E+00
C(0.5) -2.3463867E-11
C(6.0) 1.3899570E-14
C(5.1) 0.0000000E+00
C(4.2) 2.5015246E-14
C(3.3) 0.0000000E+00
C(2.4) 1.6173528E-13
C(1.5) 0.0000000E+00
C(0.6) 1.4733360E-12
C(7.0) 0.0000000E+00
C(6.1) -7.3641442E-17
C(5.2) 0.0000000E+00
C(4.3) -7.5977056E-16
C(3.4) 0.0000000E+00
C(2.5) -1.6534915E-15
C(1.6) 0.0000000E+00
C(0.7) 7.2091197E-15
C(8.0) -9.5060131E-19
C(7.1) 0.0000000E+00
C(6.2) 3.4973588E-19
C(5.3) 0.0000000E+00
C(4.4) -8.4826275E-18
C(3.5) 0.0000000E+00
C(2.6) -6.2873112E-18
C(1.7) 0.0000000E+00
C(0.8) -2.2353940E-16
[表9]
实施例3
α1 25.0
α2 110.0
α3 90.0
α4 95.0
α5 125.0
A1 25.0
A2 135.0
A3 225.0
A4 320.0
A5 445.0
β 1.4621
R -2815.793
B 650.656
C 375.0
D 900.0
H1 15.25
H2 15.25
Ks 20.330
Kt 18.797
Kn 14.764
L1 63.347
L2 63.005
L3 136.026
L4 125.000
在L1与Wn平行的分量 35.318
在L2与Wn平行的分量 26.688
在L3与Wn平行的分量 115.453
在L4与Wn平行的分量 122.907
Lω 122.907
在L1与Vn垂直的分量 58.143
在L2与Vn垂直的分量 51.254
在L3与Vn垂直的分量 49.684
在L4与Vn垂直的分量 44.796
Lν 58.143
φ[deg] 96.0
θ1[deg] 52.5
θ2[deg] 47.5
θ3[deg] 42.5
θ4[deg] 37.5
θ5[deg] 10.5
θF[deg] 62.0
将与实施例1～3的平视显示装置的条件式(1)～(7)对应的值示于表10。
[表10]
[实施例3]
从以上数据可知，实施例1～3的平视显示装置为满足所有条件式(1)～(7)，并确保图像显示元件至图像反射面的光路长度的同时实现了小型化的平视显示装置。
以上，例举实施方式及实施例来对本发明进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式及实施例，并能够进行各种变更。例如，关于图像显示元件或各反射镜、光源等的位置和大小，并不限定于上述各数值实施例中所表示的值，并可取其他值。

Claims (6)

1.一种平视显示装置，具备在与观察者相对的图像反射面中使来自图像显示元件的显示光朝向所述观察者一侧反射的反射光学系统，并透过所述图像反射面将显示于所述图像显示元件的图像放大显示为虚拟图像，所述平视显示装置的特征在于，
所述反射光学系统沿从所述图像显示元件射出的光线，从所述图像显示元件一侧依次连续具有第1反射镜、第m反射镜、第n反射镜这样的至少3个以上的反射镜，所述第n反射镜具有光焦度，并在所有反射镜中配置于在所述光线的光路上最靠近所述图像反射面一侧的位置，
从所述图像显示元件射出的光线依次被所述第1反射镜、所述第m反射镜、所述第n反射镜反射，从所述第n反射镜射出的光线穿过所述第l反射镜与所述第m反射镜之间而到达所述图像反射面，
并满足下述条件式(1)～(6)：
0.18＜β×H1/αm＜0.33......(1)
3.50＜αm/(αn×sinθn)＜5.00......(2)
1.00＜αm/(L2-(αn×cosθn)2)1/2＜2.00......(3)
π/36＜θn＜π/9......(4)
-π/15＜(π/2)-(2×θm+θn)＜π/15......(5)
-π/15＜(π/2)-(θ1+θm+θn)＜π/15......(6)
其中，
将从所述图像显示元件的中心位置朝向与所述图像显示元件的显示面垂直的方向射出的光线设为中心光线，将该中心光线与所述第1反射镜的交点设为P1，将所述中心光线与所述第m反射镜的交点设为Pm，将所述中心光线与所述第n反射镜的交点设为Pn，将包含所述交点Pl、所述交点Pm、所述交点Pn的平面设为U时，
β：所述第n反射镜的近轴放大率，
H1：所述平面U上的所述图像显示元件的显示区域的中心至端末的距离，
αm：所述交点Pl至所述交点Pm的距离，
αn：所述交点Pm至所述交点Pn的距离，
θl：所述交点Pl上的所述中心光线的入射角度或反射角度，
θm：所述交点Pm上的所述中心光线的入射角度或反射角度，
θn：所述交点Pn上的所述中心光线的入射角度或反射角度，
L：所述交点Pl至所述交点Pn的距离。
2.根据权利要求1所述的平视显示装置，具有用于使从所述图像显示元件射出的光线扩散投影的扩散部件，从所述图像显示元件射出的光线经由所述扩散部件而投影于所述图像反射面，其中，
从所述图像显示元件射出的光线穿过相邻的2个反射镜之间，该相邻的2个反射镜是沿从所述图像显示元件射出的光线在所述图像显示元件至所述第n反射镜之间相邻的2个反射镜，
并满足下述条件式(7)：
0.20＜2×H2/ατ＜0.40......(7)
其中，
将所述相邻的2个反射镜从所述图像显示元件一侧依次设为第σ反射镜、第τ反射镜，并将所述中心光线与所述第σ反射镜的交点设为Pσ，将所述中心光线与所述第τ反射镜的交点设为Pτ时，
H2：所述平面U上的所述扩散部件的显示区域的中心至端末的距离，
ατ：所述交点Pσ至所述交点Pτ的距离。
3.根据权利要求1所述的平视显示装置，其中，
满足下述条件式(1-1)～(6-1)中的至少一个：
0.21＜β×H1/αm＜0.32......(1-1)，
3.80＜αm/(αn×sinθn)＜4.50......(2-1)，
1.20＜αm/(L2-(αn×cosθn)2)1/2＜1.80......(3-1)，
π/22＜θn＜π/10......(4-1)，
-π/18＜(π/2)-(2×θm+θn)＜π/18......(5-1)，
-π/18＜(π/2)-(θl+θm+θn)＜π/18......(6-1)。
4.根据权利要求1所述的平视显示装置，其中，
满足下述条件式(1-2)～(6-2)中的至少一个：
0.22＜β×H1/αm＜0.30......(1-2)，
390＜αm/(αn×sinθn)＜430(2-2)，
1.25＜αm/(L2-(αn×cosθn)2)1/2＜1.70......(3-2)，
π/20＜θn＜π/11......(4-2)，
-π/22＜(π/2)-(2×θm+θn)＜π/22......(5-2)，
-π/22＜(π/2)-(θ1+θm+θn)＜π/22......(6-2)。
5.根据权利要求2所述的平视显示装置，其中，
满足下述条件式(7-1)：
0.22＜2×H2/ατ＜0.38......(7-1)。
6.根据权利要求2所述的平视显示装置，其中，
满足下述条件式(7-2)：
0.24＜2×H2/ατ＜0.36......(7-2)。
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