CN108351517B - 投影光学系统和平视显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够在不同的虚像距离且不同的视野方向上同时显示虚像的平视显示装置。为此，平视显示装置(30)包括投影光学系统，该投影光学系统包括：出射包含图像信息的光的图像形成单元(10)；和通过反射从图像形成单元(10)出射的光来显示虚像的目视光学系统(5)，目视光学系统(5)包括球面透镜(52)(53)、自由曲面透镜(54)、反射镜(55)和自由曲面反射镜(56)，在关于目视光学系统(5)与虚像面共轭的面，在靠目视光学系统侧的空间中，沿共轭的面排列地配置有实现第一焦点位置移动而图像形成单元的光的分离光所入射的第一小透镜系统(511、512、513)、和实现比该第一焦点位置移动的距离短的第二焦点位置移动而图像形成单元(10)的光的分离光所入射的第二小透镜系统(514)。

Description

投影光学系统和平视显示装置
技术领域
本发明涉及投影光学系统和使用它的平视显示装置，特别涉及对汽车或飞机的挡风玻璃投影图像，越过挡风玻璃将该图像作为虚像观察的投影光学系统和使用它的平视显示装置。
背景技术
作为关于平视显示装置的技术，在专利文献1中，公开了“包括透射型的液晶显示面板、从背后对液晶显示面板照射光的背光源、和将液晶显示面板上显示的图像放大投影的投影光学系统。投影光学系统包括中继透镜和投影透镜(目视光学系统)。中继透镜构成为通过满足某些条件而效率良好地利用远心性的显示光，将液晶显示面板上显示的图像放大而形成实像。投影透镜将实像进一步放大，对汽车的挡风玻璃投影，对驾驶者显示虚像(摘自说明书摘要)”的结构。
该专利文献1的平视显示装置中，在驾驶者的前方2m处，用虚像显示速度计、转速计、水温计和燃料计等各种仪表的值。由此，用虚像观察各种仪表的值的视线方向与驾驶者观看前景的视线方向的差变小，因此能够减少视线在这2个视线方向之间移动所需的时间。
另外，与直接观看各种仪表等的距离相比，到虚像的距离(2m前方)更接近于到驾驶者观看的前景的距离，因此还能够缩短在眼睛的焦点对焦于前景中的对象物的状态、与焦点对焦于虚像的状态之间眼睛的对焦所需的时间。
因为这2个优点，能够期待用平视显示装置提高汽车的驾驶安全性。
但是，驾驶者的前景不是二维的平面而是三维的空间，因此当在同一虚像面上显示关于离驾驶者的眼睛的距离不同的对象物的信息时，对象物与所显示的信息的视线距离不同，存在眼睛的对焦还是花费时间的问题。
于是，专利文献2中公开了“通过在光路上将第1屏幕和第2屏幕配置在错开的位置，通过在离驾驶者的距离不同的部位形成各自的虚像、并且配置可变焦点透镜，在与第1屏幕或第2屏幕对焦的状态下使图像光成像。作为可变焦点透镜，驱动投影透镜之外的用于改变焦点距离的液体透镜、或可改变激光和曲率的凹面镜(摘录自摘要)”的结构。
在该专利文献2的平视显示装置中，由于能够在离驾驶者不同的距离上形成虚像，所以能够选择离驾驶者的前景中的对象物的距离近的虚像面。因此，能够进一步缩短眼睛的对焦在眼睛对焦于驾驶者的前景中的对象物的状态与眼睛对焦于虚像的状态所需的时间。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-229552号公报
专利文献2：日本特开2015-034919号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1公开的平视显示装置例中，液晶显示面板上显示的影像光，被中继光学系统映射为实像(专利文献1的图2的Ir)，经由目视光学系统(该图的L1)观察虚像(该图的Iv)。按映射关系进行整理，液晶显示面板上的影像光(平面)被映射至实像Ir(平面)，进而，实像Ir(平面)被映射至虚像Iv(平面)。
但是，驾驶者的前景不是二维的平面，而是三维的空间。于是，用图20说明从搭乘汽车(自车)的驾驶者起的视线方向和到该处的距离。
自车101的驾驶者观看的作为前景的视野范围中，有在前方行驶的前方车辆102、自车101跟前的路面105(例如路面上是否不存在落下物等)、在道路的边缘附近行驶的自行车、和人行道的行人等。
观看前方行驶的前方车辆102的视线方向103是使视线从正面的方向略微降低后的方向，而观看在道路上跟前的路面105的视线方向104是进一步降低视线后的方向。这样可知，在驾驶中驾驶者要注意的对象物，与视线方向相应地到该处的距离不同。
因此，为了进一步提高汽车的驾驶安全性，通过使到驾驶中注视的对象物的距离、与到此时显示的虚像的距离接近，缩短眼睛的对焦所需的时间，这一点是重要的。
另外，在专利文献2公开的平视显示装置例中，虽然在离驾驶者不同的距离上形成虚像，但是根据显示内容选择屏幕，进而与选择的屏幕匹配地高速进行可变焦点透镜的对焦是不可或缺的。而且，作为可变焦点透镜，使用“改变装在容器内的液体的液体界面的液体透镜”或“曲率可变的凹面镜”等，导致平视显示装置的大型化和成本增加。而且由于平视显示装置装载于汽车来使用，所以驾驶时的振动也会传递到平视显示装置。在此，专利文献2中由于用可变焦点透镜这样的可动部来进行对焦，所以担心驾驶时的振动会影响到可动部而无法充分对焦。
另外，在驾驶中可能存在想要同时显示关于前方车辆的虚像和关于路面上的落下物的虚像的状况，但是专利文献2的平视显示装置存在如下课题：在不同的距离显示虚像时只能择一地进行显示。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够降低汽车的驾驶时的振动所致的影响，并且能够同时显示不同的视点距离的虚像的投影光学系统和平视显示器。
用于解决课题的技术手段
为了解决上述课题，本发明的投影光学系统包括通过反射从图像形成单元出射的光而显示虚像的目视光学系统，该图像形成单元出射包含图像信息的光，所述投影光学系统的特征在于：所述目视光学系统至少包括球面透镜、自由曲面透镜和自由曲面反射镜，在关于所述目视光学系统与虚像面共轭的面，在靠所述目视光学系统侧的空间中，沿所述共轭的面排列地配置有第一小透镜系统和第二小透镜系统，其中，所述第一小透镜系统实现第一焦点位置移动，从所述图像形成单元出射的光的分离光入射至所述第一小透镜系统，所述第二小透镜系统实现比所述第一焦点位置移动的距离短的第二焦点位置移动，从所述图像形成单元出射的光的分离光入射至所述第二小透镜系统。
另外，本发明的平视显示装置的特征在于，包括：出射包含图像信息的光的图像形成单元和上述投影光学系统。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能够降低汽车的驾驶时的振动所致的影响，并且能够同时显示不同的视点距离的虚像的投影光学系统和平视显示器。另外，上述以外的课题、结构和效果将通过以下实施方式的说明而变得清楚。
附图说明
图1是第1实施方式的目视光学系统的整体光线图，(a)表示在YZ平面上由驾驶者的眼睛观看虚像面的影像信息的状况，(b)表示在XZ平面上由驾驶者的眼睛观看虚像面的影像信息的状况。
图2是第1实施方式的目视光学系统的主要部分放大图。
图3是第1实施方式的目视光学系统的透镜部的立体放大图。
图4是第1实施方式的分离光路的放大图。
图5是表示第1实施方式的目视光学系统的透镜数据的图。
图6是第1实施方式的目视光学系统的自由曲面系数的图。
图7是第1实施方式的各个分离光路的畸变性能的图。
图8是表示第1实施方式的目视光学系统整体的畸变性能的图。
图9是第1实施方式的目视光学系统的光斑图。
图10是第2实施方式的目视光学系统的整体光线图，(a)表示在YZ平面上由驾驶者的眼睛观看虚像面的影像信息的状况，(b)表示在XZ平面上由驾驶者的眼睛观看虚像面的影像信息的状况。
图11是第2实施方式的目视光学系统的主要部分放大图。
图12是第2实施方式的目视光学系统的透镜部的立体放大图。
图13是第2实施方式的分离光路的放大图。
图14是表示第2实施方式的目视光学系统的透镜数据的图。
图15是第2实施方式的目视光学系统的自由曲面系数的图。
图16是第2实施方式的各个分离光路的畸变性能的图。
图17是表示第2实施方式的目视光学系统整体的畸变性能的图。
图18是第2实施方式的目视光学系统的光斑图。
图19是平视显示装置的概略结构图。
图20是说明驾驶者的视野方向及其距离的差异的图。
图21是说明物距与像距的映射关系的图。
图22是说明实像光学系统的映射关系和阶梯滤光片的作用的图。
图23是说明虚像光学系统的映射关系和阶梯滤光片的作用的图。
图24是说明小透镜系统的作用的图。
图25是使用了微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems)的平视显示装置的概略结构图。
图26是不使用中继光学系统的液晶显示面板方式下的平视显示装置的概略结构图。
具体实施方式
以下，使用附图等说明本发明的一个实施方式和各种实施例。以下说明示出本发明的内容的具体例，本发明不限定于这些说明，能够在本说明书中公开的技术思想的范围内由本领域技术人员进行各种改变和修正。另外，在用于说明本发明的全部附图中，对于具有相同功能的部分，标注相同的附图标记，有时省略其重复的说明。
用图19说明平视显示装置的基本结构。图19是平视显示装置的概略结构图。
图19所示的平视显示装置30具有如下结构：使从包括图像形成单元10和目视光学系统5的投影光学系统20出射的影像光在汽车(未图示)的挡风玻璃6上反射而入射到驾驶者的眼睛8。
具体而言，从背光源1对液晶显示面板2照射的光束，作为包含液晶显示面板2上显示的影像信息的影像光束，入射到中继光学系统3。通过中继光学系统3的成像作用，液晶显示面板2上的影像信息被放大而被放大投影至屏幕板(扩散板)4上。液晶显示面板2上的点P1、P2、P3分别对应于屏幕板(扩散板)4的点Q1、Q2、Q3。通过使用中继光学系统3，能够使用显示尺寸小的液晶显示面板。由于背光源1、液晶显示面板2、中继光学系统3、和屏幕板(扩散板)4在屏幕板(扩散板)4上形成图像信息(影像信息)，所以将它们总称为图像形成单元10。
接着，屏幕板(扩散板)4上的图像信息被目视光学系统5投影(投射)至挡风玻璃6，在挡风玻璃6上反射的光束到达驾驶者的眼睛8的位置。从驾驶者的眼睛观看时，仿佛正在观看虚像面7的图像信息这样的关系成立。屏幕板(扩散板)4上的点Q1、Q2、Q3分别对应于虚像面7的点V1、V2、V3。另外，即使移动眼睛8的位置、也能够观看虚像面7上的点V1、V2、V3的范围是眼框(eye box，也可称为“视域”)9。这样，目视光学系统与相机的取景器(finder)的目镜以及显微镜中的目镜同样，是将物(空间像)的像(虚像)显示在驾驶者的眼睛前的光学系统。
另外，屏幕板(扩散板)4由将微透镜二维地配置的微透镜阵列构成。由此，产生扩散作用，增大从屏幕板4出射的光束的扩展角，使眼框9的大小成为规定的大小。另外，屏幕板(扩散板)4的扩散作用也能够通过内置扩散颗粒而实现。
在背景技术已进行了说明，在驾驶中，进行前方车辆的确认(刹车灯以及右转和左转灯的点亮)、跟前道路的路面的确认(有无落下物等)、以及跟前道路边缘的自行车、行人的确认等。
另外，因为驾驶者还确认速度计和燃料计等的信息，所以通过装备平视显示装置，用该平视显示装置将各种仪表的信息作为虚像显示在驾驶者的前方，确认仪表时的驾驶者的视线方向的移动变小，并且还能够缩短眼睛对焦所需的时间，能够提高驾驶安全性。
然而，前景中的前方车辆、跟前的路面、以及跟前的道路边缘的自行车、行人与驾驶者的距离不同，因此通过改变显示关于它们的信息的虚像的距离，能够进一步缩短眼睛对焦所需的时间，能够进一步提高驾驶安全性。
接着，用图21～图23，对平视显示装置的虚像距离不同所致的映射关系进行整理，定量地表示要解决的课题。
图21是说明物距与像距(在实像光学系统中)的映射关系的图。通过使成像透镜201至物面202的距离L减少ΔL，成像透镜201至像面203的距离a增加δ。图22是说明实像光学系统中的映射关系与滤光片的作用的图，表示焦点距离＝440mm，物距L＝100～10m的焦点位置的移动量δ。在实像光学系统中，与远距离侧的焦点位置相比，近距离侧的焦点位置的一方离得更远。在此，当将厚度为d且折射率为N的滤光片251配置于成像透镜201与实像面203之间时，能够使实像面203的位置离开滤光片251的物理长度d与光学长度d/N之差d(1-1/N)的量。这一量成为仅使用滤光片的情况下的焦点位置移动量。由于在实像光学系统中近距离侧的实像面位置比远距离侧的实像面位置离得远，所以通过在远距离侧的光路上在成像透镜201与实像面203之间配置滤光片251，能够将近距离侧的物理的实像面位置与远距离侧的物理的实像面位置配置在同一平面上。
同样，图23是说明虚像光学系统中的映射关系与滤光片的作用的图，表示焦点距离＝440mm，虚像距离L＝100～10m的物位置的移动量δ。在虚像光学系统中，与近距离侧的物位置相比，远距离侧的物位置的一方离得更远。同样，当将厚度为d且折射率为N的滤光片351配置于目镜301与物面302之间时，能够使物面302的位置离开滤光片351的物理长度d与光学长度d/N之差d(1-1/N)的量。这一量为仅使用滤光片的情况下的焦点位置移动量。由于在虚像光学系统中，与近远距离侧的物面位置相比，远距离侧的物面位置的一方离得远，所以通过在近距离侧的光路上在目镜301与物面302之间配置滤光片351，能够将近距离侧的物理的物面位置与远距离侧的物理的物面位置配置在同一平面上。图23中例如在虚像距离L＝100～14m的情况下物面302的位置偏离(偏移)δ＝11.5mm，所以如果N＝1.84999(FDS90)则需要d＝δ/(1-1/N)＝25.0mm的滤光片351。同样，在虚像距离L＝100～10m的情况下物面302的位置偏离δ＝16.6mm，因此如果N＝1.84999(FDS90)则需要d＝36.2mm的滤光片351。
另外，如果滤光片351较厚，则从物面302出射的光束的扩展范围变大，因此难以将滤光片351仅配置在一部分光路上。于是，可以考虑在插入滤光片351的基础上(或替代滤光片351)，使焦点位置(物面302)移动的方法。用图24对与该滤光片351不同的焦点位置的移动方法进行说明。
图24是说明小透镜系统的作用的图。在图24(a)中，通过插入滤光片351而使焦点面(物面302)移动，但为了进一步使焦点面(物面302)移动，在图24(b)中将滤光片351的一部分置换为透镜(小透镜)。在图24(b)中，首先用小透镜513(凹透镜)使光线向上方扩展(即，使光线向上方跳开)，接着用小透镜512(凸透镜)使光线角度返回原始角度。
在此，小透镜513(凹透镜)和小透镜512(凸透镜)都采用使凹面朝向放大(扩大)侧的弯月形透镜(meniscus lens)。该形状能够避免小透镜513与小透镜512的干扰，能够实现2者靠近的配置。另外，小透镜511(凹透镜)的放大侧的面也同样形成为凹面朝向放大侧的形状，因此也能够采用小透镜512与小透镜511靠近的配置。小透镜511(凹透镜)、小透镜512(凸透镜)、小透镜513(凹透镜)相当于实现第一焦点移动的第一小透镜系统。
如果将透镜以凹面彼此相对的形状配置，则为了防止透镜彼此之间的干扰，它们之间的空气间隔变大，其结果是，滤光片351的介质的厚度变小，用滤光片方式说明了的焦点位置(物面302)的移动的效果减小。
接着，说明对于视野范围和虚像距离各自不同的多个虚像面，能够实现各个物面位置处于同一平面上的光学系统的、使用了旋转非对称的形状的自由曲面透镜和自由曲面反射镜的投影光学系统的第1实施方式。
＜第1实施方式＞
第1实施方式的特征在于，图19的平视显示装置30中的、特别是虚像面7的形状和物面侧的结构。参考图1说明虚像面7的形状。图1是第1实施方式的目视光学系统5的整体光线图，(a)表示在YZ平面中由驾驶者的眼睛观看虚像面7的影像信息的状况，(b)表示在XZ平面中由驾驶者的眼睛观看虚像面7的影像信息的状况。在YZ平面上右眼睛与左眼睛重合(参考附图标记8)，在XZ平面上右眼睛与左眼睛看起来分开。此处，驾驶者相当于位于光对虚像面入射一侧的虚像的观察者。
虚像面7包括相对于驾驶者的正面的视线方向虚像距离在视线方向上发生变化的3个虚像面71、72、73。通过用目视光学系统5看配置在同一平面上的屏幕板(扩散板4)上的影像光，相对于正面的视线方向在视线方向为1.8～2.2度的范围实现虚像距离10m的虚像面71，在视线方向为0.97～1.37度的范围实现虚像距离30m的虚像面72，在视线方向为0.4～0.8度的范围实现虚像距离100m的虚像面73。另外，在图7、图8的畸变性能的说明中对视野范围的详情进行补充。
图2是第1实施方式的目视光学系统的主要部分放大图。图3是第1实施方式的平视显示装置的透镜部的立体放大图。如图2和图3所示，目视光学系统5通过从屏幕板(扩散板)4一侧起依次排列地配置小透镜系统51、正屈光力的凸透镜52、负屈光力的凹透镜53、旋转非对称的自由曲面透镜54、反射镜55、旋转非对称的自由曲面反射镜56和挡风玻璃6而构成。通过将自由曲面反射镜56和反射镜55相对地配置，将光路折弯成Z字状，实现了平视显示装置的小型化。反射镜55是球面反射镜。自由曲面透镜54是旋转非对称的形状，具有梯形畸变的修正作用。凸透镜52和凹透镜53具有较大的偏心量(没有前后面上的偏心)。按虚像距离近的光路F1、虚像距离处于中间的光路F2、虚像距离远的光路F3的顺序，将小透镜系统51的玻璃材料的总厚度做薄。另外，图3中有共用的屏幕板(扩散板)4，但光路F3上的小透镜系统51的玻璃材料的厚度为0mm。另外，在小透镜系统51中也包含配置在光路F2上的滤光片514。在此，滤光片514相当于焦点移动量比第一小透镜系统(包括小透镜511、512、513的小透镜系统)少的第二小透镜系统。
图4是第1实施方式的分离光路的放大图。透镜数据以缩小光学系统进行配置，所以从视野(视场)方向和虚像距离各自不同的虚像面71、72、73出射的光束，在通过了眼框至凸透镜52的共用的光路之后，在屏幕板(扩散板)4的跟前(前方)光束分离。在该光束分离的部位配置有小透镜系统51。可知在该小透镜系统51中，各光路F1、F2、F3的光束是分离的。
通常，在电视机和投影仪中，在整个显示区域显示影像信息，但是在平视显示装置中，采用仅在必要的部位显示必要的影像信息的使用方式。在车的驾驶中，只要将关于前方车辆的信息、关于途中的路面的信息、以及关于两端的自行车的信息等在各自的视野方向且其距离上显示即可。
于是，图4中，在与对应于各自的视野范围的光路F1、F2、F3的彼此之间对应的屏幕板(扩散板)4的部位、即在跟屏幕板(扩散板)4具有映射关系的液晶显示面板2上的与光路F1、F2、F3的彼此之间对应的部位，不显示影像信息。如果在对应于各自的视野范围的光路F1与F2之间也显示影像信息，则从与光路F1、F2对应的部位出射的影像光通过光路F1的滤光片和光路F2的滤光片这两者，因此会在虚像面上产生双重像等杂散光。
因此，为了使与图4的各自的视野范围对应的光路F1、F2、F3的范围为不显示影像信息的非显示区域，优选在液晶显示面板2上的带状(条形)的黑显示的基础上，在屏幕板(扩散板)4或液晶显示面板2的出射侧配置带状的遮光框。
图5是表示第1实施方式的平视显示装置的透镜数据的图。图5所示的透镜数据中，曲率半径用正的符号表示曲率半径的中心位置位于行进方向上的情况，面间距离表示在光轴上从各面的顶点位置到下一个面的顶点位置的距离。虚像距离10m时小透镜系统51的玻璃材料的总厚度为29.3mm(＝2+8+19.3)，虚像距离30m时小透镜系统51的玻璃材料的总厚度为8.329mm，虚像距离100m时小透镜系统51的玻璃材料的总厚度为0mm。
根据图23的估计值，为了仅由滤光片来实现虚像距离的范围L＝100～10m，需要玻璃材料厚度(在由滤光片单体构成小透镜系统的情况下，滤光片厚度相当于小透镜系统的总厚度)d＝36.2mm，但第1实施方式的小透镜系统51的玻璃材料的总厚度d＝29.3mm，实现了约20％的薄型化。由此，小透镜系统51中的光束的扩展也变小，因此能够防止不同的虚像距离的光路彼此的光路干扰。
从屏幕板(扩散板)4出射的光束，依赖于入射至屏幕板(扩散板)4的光束的扩展和扩散特性，但此处记载的光路干扰是涉及与所设定的眼框尺寸相当的有效的光束。
偏心是Y轴方向的值，倾倒(倒れ)是YZ平面内绕X轴的旋转，偏心/倾倒在相应的面(对应的面)上按偏心和倾倒的顺序作用，在“普通偏心”的情况下，在偏心/倾倒作用的新坐标系上的面间距离的位置配置下一个面。偏心与回归(ディセンタ&リターン：Decenter andreturn)的偏心和倾倒仅作用于该面，不影响下一个面。
玻璃材料名的PMMA是塑料中的丙烯酸树脂(Polymethyl methacrylate：聚甲基丙烯酸甲酯)，玻璃材料名58.3表示折射率是1.58且阿贝数(Abbe number)是30的材料。
图6是第1实施方式的平视显示装置的自由曲面系数的图。图6的自由曲面系数可以用下式(1)求出。
[数学式1]
Figure BDA0001622090190000111
j＝[(m+n)2+m+3n]/2+1
其中，自由曲面形状在XYZ轴(Z轴＝光轴)的坐标空间中，用由圆锥常数K和曲率c(＝曲率半径的倒数)定义的旋转对称的成分(圆锥项)和由自由曲面系数Cj定义的旋转非对称的成分(XY多项式项)定义。
例如，在X是2次(m＝2)且Y是3次(n＝3)的情况下，j＝{(2+3)2+2+3×3}/2+1＝19的C19的系数与其对应。另外，自由曲面的各自的光轴的位置，根据图4的透镜数据中的偏心/倾倒的量而决定。
另外，第1实施方式的平视显示装置的变形非球面系数可以用下式(2)求出。其中，变形非球面形状是旋转非对称的形状，在XYZ轴(Z轴＝光轴)的坐标空间中，用XZ截面上的圆锥常数Kx和曲率cux(＝曲率半径的倒数)、以及YZ截面上的圆锥常数Ky和曲率cuy(＝曲率半径的倒数)定义。式(2)的cuy(＝1/rdy)和cux(＝1/rdx)在图5中，是rdy＝9686mm，rdx＝5531mm，其他系数全部设为0(省略记载)。
[数学式2]
Figure BDA0001622090190000112
另外，以下按水平方向、垂直方向的顺序示出第1实施方式的目视光学系统的眼框尺寸(eye box size)和视野角等的值。
眼框尺寸100×50mm
屏幕板上的影像光的有效尺寸41.7×15.4mm
视野角(全视角) 5.4×1.8度
分离光路(垂直视野方向、虚像尺寸、虚像距离)
F1 1.8～2.2度、943×70mm、10m
F2 0.97～1.37度、2830×210mm、30m
F3 0.4～0.8度、9432×698mm、100m
接着，用图7至图9对第1实施方式的光学性能进行说明。图7和图8是表示第1实施方式的平视显示装置的畸变性能的图。图9是第1实施方式的平视显示装置的光斑图。
图7是表示与虚像面71、72、73分别对应的第1实施方式的各个分离光路的畸变性能的图，可知在各个虚像面上实现了矩形的虚像。根据各虚像面71、72、73上的虚像尺寸来计算视野角时，视野范围F1的水平视野角(全视角)为2×tan(943/2/10000)＝5.4度，视野范围F2的水平视野角(全视角)为2×tan(2830/2/30000)＝5.4度，视野范围F3的水平视野角(全视角)为2×tan(9432/2/100000)＝5.4度。由于相对于各虚像面71、72、73的水平方向的视野角为相同值，所以在图8中将相对于各虚像面71、72、73的视野范围汇总表示，但可知各视野区域F1、F2、F3显示于在垂直方向偏离(错开)的位置。
图9示出了在虚像面71、72、73上分别配置物点、对屏幕板4上的光斑图进行计算而得到的光斑图，实现了良好的光学性能。另外，该光斑图是眼框9的大小是水平100mm×垂直50mm的全部光束的光斑图，在是实际的驾驶者观看的虚像的情况下，人眼睛的虹膜的大小(认为最大φ7mm)的光斑图与图9相比大幅改善。
根据本实施方式，从图像形成单元10出射的光束分离后入射到小透镜系统51。在此，小透镜系统51包括焦点位置移动量不同的第一小透镜系统和第二小透镜系统。而且，由于从由透过第一小透镜系统后的分离光形成的虚像面至驾驶者的虚像距离、与从由透过第二小透镜系统后的分离光形成的虚像面至驾驶者的虚像距离不同，所以能够改变由分别透过第一小透镜系统和第二小透镜系统后的分离光形成的虚像面的位置。另外，由于分别透过第一小透镜系统和第二小透镜系统后的分离光所形成的虚像面形成于驾驶者的视野范围不同的位置，所以能够将虚像面在视野范围内进行分割。
而且，由于构成小透镜系统51的各小透镜在小透镜系统51和目视光学系统5中被静态地配置，所以不使用用于进行焦点位置移动的可动构件就能够改变虚像距离。因此，即使在将平视显示装置装载于汽车的情况下，也不必担心汽车的振动对可动构件的移动施加影响，导致在形成虚像距离不同的多个虚像面(换言之将一个虚像面在视野范围进行分割而成的各分割虚像面)时产生问题。
另外，从图像形成单元出射的光的分离光，同时透过(透射)第一小透镜系统和第二小透镜系统，在不同的虚像距离且不同的视野方向同时形成虚像。由此能够提供一种能够同时显示虚像距离不同的虚像的平视显示装置。
这样，根据本实施方式，能够在与前方车辆的位置相当的虚像范围中显示关于前方车辆的提醒注意信息，在与其跟前的道路的路面的位置相当的虚像范围中显示存在落下物，进行这样的显示等。而且，根据本实施方式，能够在位于不同的虚像距离且不同的视野方向的多个虚像面上同时显示影像。
另外，与前景中的提醒注意的对象物无关的“自车的速度”信息等，优选在成为通常的驾驶状态下的视野方向的、与前方车辆的位置相当的虚像范围中显示。
＜第2实施方式＞
以下，参考附图对第2实施方式进行说明。第2实施方式与第1实施方式的不同之处在于，第2实施方式的3个虚像面(将一个虚像面在视野范围中分割为3部分而得的3个分割虚像面)的距离差，比第1实施方式的3个虚像面的距离差大。
参考图10说明虚像面7的形状。图10是第2实施方式的目视光学系统5的整体光线图，(a)表示在YZ平面上由驾驶者的眼睛观看虚像面7的影像信息的状况，(b)表示在XZ平面上由驾驶者的眼睛观看虚像面7的影像信息的状况。在YZ平面上右眼睛与左眼睛重合(参考附图标记8)，在XZ平面上右眼睛与左眼睛看起来分开。
虚像面7包括相对于驾驶者的正面的视线方向在视线方向上虚像距离发生变化的3个虚像面71、72、73。通过用目视光学系统5看配置在同一平面上的屏幕板(扩散板4)上的影像光，相对于正面的视线方向，实现视线方向为1.8～2.2度的虚像距离14m的虚像面71、视线方向为1.1～1.5度的虚像距离30m的虚像面72、和视线方向为0.4～0.8度的虚像距离100m的虚像面73。另外，在图16、图17的畸变性能的说明中对视野范围的详情进行补充。
图11是第2实施方式的目视光学系统的主要部分放大图。图12是第2实施方式的平视显示装置的透镜部的立体放大图。如图11和图12所示，目视光学系统5通过从屏幕板(扩散板)4一侧起依次排列地配置小透镜系统51、正屈光力的凸透镜52、负屈光力的凹透镜53、旋转非对称的自由曲面透镜54、反射镜55、旋转非对称的自由曲面反射镜56和挡风玻璃6而构成。通过将自由曲面反射镜56和反射镜55相对地配置，将光路折弯成Z字状，实现了平视显示装置的小型化。反射镜55是球面反射镜。自由曲面透镜54是旋转非对称的形状，具有梯形畸变的修正作用。凸透镜52和凹透镜53具有较大的偏心量(没有前后面上的偏心)。按虚像距离近的光路F1、虚像距离为中间的光路F2、虚像距离远的光路F3的顺序，将小透镜系统51的玻璃材料的厚度形成得薄。另外，图12中有共用的屏幕板(扩散板)4，但光路F3上的小透镜系统51的玻璃材料的厚度为0mm。另外，在小透镜系统51中也包含配置在光路F2上的滤光片514。
图13是第2实施方式的分离光路的放大图。透镜数据以缩小光学系统进行配置，所以在从视野方向和虚像距离各自不同的虚像面71、72、73出射的光束，通过了眼框至凸透镜52的共用的光路之后，在屏幕板(扩散板)4的跟前光束分离的部位，配置有小透镜系统51。可知在该小透镜系统51中，各光路F1、F2、F3的光束是分离的。
图14是表示第2实施方式的平视显示装置的透镜数据的图。图14所示的透镜数据中，曲率半径用正的符号表示曲率半径的中心位置位于行进方向上的情况，面间距离表示在光轴上从各面的顶点位置到下一个面的顶点位置的距离。虚像距离为14m时小透镜系统的玻璃材料的总厚度为22.3mm(＝2+7.5+12.8)，虚像距离为30m时小透镜系统的玻璃材料的总厚度为12.108mm，虚像距离为100m时小透镜系统的玻璃材料的总厚度为0mm。
偏心是Y轴方向的值，倾倒是YZ平面内绕X轴的旋转，偏心/倾倒在相应的面(对应的面)上按偏心和倾倒的顺序作用，在为“普通偏心”的情况下，在偏心/倾倒作用的新坐标系上的面间距离的位置配置下一个面。偏心与回归的偏心和倾倒仅作用于该面，不影响下一个面。
玻璃材料名的PMMA是塑料中的丙烯酸树脂(Polymethyl methacrylate)，玻璃材料名58.3表示折射率是1.58且阿贝数是30的材料。
图15是第2实施方式的平视显示装置的自由曲面系数的图。图15的自由曲面系数可以用上述的式(1)求出。
自由曲面系数Cj为关于各自的光轴(Z轴)旋转非对称的形状，是用圆锥项的成分和XY多项式的项的成分定义的形状。例如，在X是2次(m＝2)且Y是3次(n＝3)的情况下，j＝{(2+3)2+2+3×3}/2+1＝19的C19的系数与其对应。另外，自由曲面的各光轴的位置，由图14的透镜数据中的偏心/倾倒的量决定。
另外，第2实施方式的平视显示装置的变形非球面系数可以用上述的(2)求出。其中，变形非球面形状是旋转非对称的形状，在XYZ轴(Z轴＝光轴)的坐标空间中，由XZ截面上的圆锥常数Kx和曲率cux(＝曲率半径的倒数)、以及YZ截面上的圆锥常数Ky和曲率cuy(＝曲率半径的倒数)定义。式(2)的cuy(＝1/rdy)和cux(＝1/rdx)在图5中是rdy＝9686mm，rdx＝5531mm，使其他系数全部为0(省略记载)。
另外，以下按水平方向、垂直方向的顺序示出第2实施方式的目视光学系统的眼框尺寸(也可将“尺寸”称为“大小”)和视野角等的值。
眼框尺寸100×50mm
屏幕板上的影像光的有效尺寸41.7×15.4mm
视野角(全视角) 5.4×1.8度
分离光路(垂直视野方向、虚像尺寸、虚像距离)
F1 1.8～2.2度、1320×98mm、14m
F2 1.1～1.5度、2830×210mm、30m
F3 0.4～0.8度、9432×698mm、100m
接着，用图16至图18对于第2实施方式的光学性能进行说明。图16和图17是表示第2实施方式的平视显示装置的畸变性能的图。图18是第2实施方式的平视显示装置的光斑图。
图16是表示与虚像面71、72、73对应的第1实施方式的各个分离光路的畸变性能的图，可知在各个虚像面上实现了矩形的虚像。根据各虚像面71、72、73上的虚像尺寸来计算视野角时，视野范围F1的水平视野角(全视角)为2×tan(1698/2/14000)＝5.4度，视野范围F2的水平视野角(全视角)为2×tan(2830/2/30000)＝5.4度，视野范围F3的水平视野角(全视角)为2×tan(9432/2/100000)＝5.4度。各虚像面71、72、73的水平方向的视野角为相同值，所以在图17中将各虚像面71、72、73的视野范围汇总表示，可知各视野区域F1、F2、F3显示于在垂直方向上错开的位置。
图18示出了在虚像面71、72、73上分别配置物点、对屏幕板4上的光斑图进行计算而得到的光斑图，实现了良好的光学性能。另外，该光斑图中，是眼框9的大小是水平100mm×垂直50mm的全部光束的光斑图，在是实际的驾驶者观看的虚像的情况下，人眼睛的虹膜的大小(认为最大φ7mm)的光斑图与图18相比大幅改善。
因此，根据本实施方式，能够用使用了自由曲面透镜和自由曲面反射镜的投影光学系统，提供一种能够在不同的虚像距离且不同的视野方向上同时显示为虚像的平视显示装置。
由此，能够在与前方车辆的位置相当的虚像范围中显示关于前方车辆的提醒注意信息，在与其跟前的道路的路面的位置相当的虚像范围中显示落下物的存在，能够进行这样的显示等。而且，根据本实施方式，能够在位于不同的虚像距离且不同的视野方向的多个虚像面上同时显示影像。
另外，与前景中的提醒注意的对象物无关的“自车的速度”信息等，优选在成为通常的驾驶状态下的视野方向的、与前方车辆的位置相当的虚像范围中显示。
＜第3实施方式＞
第3实施方式在图像形成单元10的结构与第1实施方式以及第2实施方式不同这一点上具有特征。图25是使用了微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems)的平视显示装置的概略结构图。
即，在第1实施方式中将液晶显示面板2的影像信息映射到具有扩散功能的屏幕板4上，但也可以替代该图像形成单元10的结构使用第3实施方式的图像形成单元10a，如图25所示，该图像形成单元10a使用包括激光源121、光扫描部122和具有扩散功能的屏幕板123的微机电系统，该光扫描部122使来自激光源121的光扫描，包括反射镜122a和改变反射镜122a的相对于激光源121的角度的反射镜驱动部122b。
＜第4实施方式＞
第4实施方式也在图像形成单元10的结构与第1实施方式以及第2实施方式不同这一点上具有特征。图26是未使用中继光学系统的液晶显示面板方式的平视显示装置的概略结构图。第1实施方式中，用中继光学系统3映射液晶显示面板2的影像光，但如图26所示，第4实施方式的图像形成单元10b中，将背光源1的光直接照射到比第1实施方式更大的液晶显示面板2，作为包含液晶显示面板2上显示的影像信息的影像光，用目视光学系统5显示为虚像7。
另外，在该第4实施方式中，在背光源1的光束的扩展不充分的情况下，在液晶显示面板2的附近配置扩散板。
另外，作为第1、第2、第3、第4实施方式中共通的效果，通过用在自由曲面透镜与自由曲面反射镜之间配置的反射镜使光路弯折，与自由曲面反射镜配合使光路呈Z字状地弯折，实现平视显示装置的小型化，但在不配置位于自由曲面透镜与自由曲面反射镜之间的反射镜而是将除去自由曲面反射镜外的平视显示装置主体配置在后视镜附近的结构中，能够不需要该反射镜。
附图标记的说明
1……背光源 2……液晶显示面板
3……中继光学系统 4……屏幕板(扩散板)
5……目视光学系统 6……挡风玻璃
7……虚像面 8……眼框(eyebox)
9……驾驶者的眼睛 10……图像形成单元
51……小透镜系统 52……第1透镜
53……第2透镜 54……自由曲面透镜
55……球面反射镜 56……自由曲面反射镜
101……自车(也称为“本车”)
102……前方车辆(也称为“前方行驶车辆”)
103……远距离的视线 104……近距离的视线
105……路面 201……成像透镜
202……物面 203……实像面
251……滤光片 301……目镜(也称为“接目镜”)
302……物面 303……虚像面
351……滤光片 511、512、513……小透镜
514……滤光片

Claims (14)

1.一种投影光学系统，其包括通过反射从图像形成单元出射的光而显示虚像的目视光学系统，其中所述图像形成单元出射包含图像信息的光，所述投影光学系统的特征在于：
所述目视光学系统至少包括球面透镜、自由曲面透镜和反射来自该自由曲面透镜的光的自由曲面反射镜，
在关于所述目视光学系统与虚像面共轭的面，在靠所述目视光学系统侧的空间中，沿所述共轭的面排列地配置有第一小透镜系统和第二小透镜系统，其中，
所述第一小透镜系统实现第一焦点位置移动，从所述图像形成单元出射的光的分离光入射至所述第一小透镜系统，
所述第二小透镜系统实现比所述第一焦点位置移动的距离短的第二焦点位置移动，从所述图像形成单元出射的光的分离光入射至所述第二小透镜系统，
所述自由曲面透镜和所述自由曲面反射镜的自由曲面形状，在XYZ轴的坐标空间中，用由圆锥常数和曲率定义的旋转对称的成分和由自由曲面系数定义的旋转非对称的成分定义。
2.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：
所述第一小透镜系统的介质的总厚度比所述第二小透镜系统的介质的总厚度大。
3.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：
从显示由透过所述第一小透镜系统后的所述光形成的虚像的第一虚像面至所述虚像的观察者的虚像距离，比从显示由透过所述第二小透镜系统后的所述光形成的虚像的第二虚像面至所述虚像的观察者的虚像距离短，且所述第一虚像面位于比所述第二虚像面更靠所述观察者的视野范围的端部的位置。
4.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：
具有不同的介质的总厚度的所述小透镜系统中介质的最小的厚度为0mm。
5.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：
在映出由透过所述第一小透镜系统后的光形成的虚像的第一虚像面与映出由透过所述第二小透镜系统后的光形成的虚像的第二虚像面之间，设置有不显示虚像的非显示区域。
6.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：
在所述自由曲面透镜与自由曲面反射镜之间配置有反射镜。
7.一种平视显示装置，其特征在于，包括：
出射包含图像信息的光的图像形成单元；和
通过反射从所述图像形成单元出射的光而显示虚像的目视光学系统，
所述目视光学系统至少包括球面透镜、自由曲面透镜和反射来自该自由曲面透镜的光的自由曲面反射镜，
在关于所述目视光学系统与虚像面共轭的面，在靠所述目视光学系统侧的空间中，沿所述共轭的面排列地配置有第一小透镜系统和第二小透镜系统，其中，
所述第一小透镜系统实现第一焦点位置移动，从所述图像形成单元出射的光的分离光入射至所述第一小透镜系统，
所述第二小透镜系统实现比所述第一焦点位置移动的距离短的第二焦点位置移动，从所述图像形成单元出射的光的分离光入射至所述第二小透镜系统，
所述自由曲面透镜和所述自由曲面反射镜的自由曲面形状，在XYZ轴的坐标空间中，用由圆锥常数和曲率定义的旋转对称的成分和由自由曲面系数定义的旋转非对称的成分定义。
8.如权利要求7所述的平视显示装置，其特征在于：
所述第一小透镜系统的介质的总厚度比所述第二小透镜系统的介质的总厚度大。
9.如权利要求7所述的平视显示装置，其特征在于：
从显示由透过所述第一小透镜置统后的所述光形成的虚像的第一虚像面至所述虚像的观察者的虚像距离，比从显示由透过所述第二小透镜系统后的所述光形成的虚像的第二虚像面至所述虚像的观察者的虚像距离短，且所述第一虚像面位于比所述第二虚像面更靠所述观察者的视野范围的端部的位置。
10.如权利要求7所述的平视显示装置，其特征在于：
具有不同的介质的总厚度的所述小透镜系统中介质的最小的厚度为0mm。
11.如权利要求7所述的平视显示装置，其特征在于：
在映出由透过所述第一小透镜系统后的光形成的虚像的第一虚像面与映出由透过所述第二小透镜系统后的光形成的虚像的第二虚像面之间，设置有不显示虚像的非显示区域。
12.如权利要求7所述的平视显示装置，其特征在于：
在所述自由曲面透镜与自由曲面反射镜之间配置有反射镜。
13.如权利要求7所述的平视显示装置，其特征在于：
所述图像形成单元包括具有透射性的液晶显示面板、中继光学系统和具有扩散功能的屏幕板，其中，所述液晶显示面板显示成为投影对象的图像信息，从所述液晶显示面板透射后的包含所述图像信息的光束入射到所述中继光学系统。
14.如权利要求7所述的平视显示装置，其特征在于：
所述述图像形成单元包括激光源、使该激光源进行光扫描的光扫描部和具有扩散功能的屏幕板。
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