CN109219768A - 平视显示器系统以及具备平视显示器系统的移动体 - Google Patents

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Abstract

本公开的平视显示器系统具备：显示图像的显示设备；以及将显示于显示设备的图像投影到显示构件的投射光学系统。投射光学系统从显示构件到显示设备依次具有使光线朝向显示构件反射的反射镜ML和使光线朝向ML反射的反射镜ML‑1。并且，满足以下的条件(1)。0.01＜|MLD/MLW|×|ML‑1Z/ML‑1W|(1)这里，MLD：反射镜ML的进深方向尺寸，MLW：反射镜ML的横向尺寸，ML‑1Z：反射镜ML‑1的最大凹陷量，ML‑1W：反射镜ML‑1的横向尺寸。通过这样的结构，可提供一种在观察者的视点区域的整个区域内画面失真小且小型的平视显示器系统。

Description

平视显示器系统以及具备平视显示器系统的移动体
技术领域
本公开涉及使用反射构件将显示图像显示为虚像的平视显示器系统以及具备平视显示器系统的移动体。
背景技术
专利文献1是涉及以下平视显示器的文献，该平视显示器通过将显示图像投影到形成于挡风玻璃的凹面状的投影面来使显示图像的虚像能够被视觉辨识。专利文献1中公开了以下平视显示器装置，该平视显示器装置使对从激光扫描器投射的激光进行成像的屏幕的成像面形成为对虚像的像面弯曲进行校正的凸面状。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2013-25205号公报
发明内容
本公开的目的在于提供一种在观察者的视点区域的整个区域内画面失真小且小型的平视显示器系统以及具备平视显示器系统的移动体。
上述目的之一通过以下的平视显示器系统来达成。即，本公开是一种将图像投影到配置在观察者的视线方向上的显示构件的平视显示器系统，该平视显示器系统具备：显示设备，对图像进行显示；以及投射光学系统，将显示于显示设备的图像投影到显示构件。并且，投射光学系统从显示构件到显示设备依次具有使光线朝向显示构件反射的反射镜ML、和使光线朝向反射镜ML反射的反射镜ML-1，并满足以下的条件(1)。
0.01＜|MLD/MLW|×|ML-1Z/ML-1W| (1)
这里，MLD：反射镜ML的进深方向尺寸，MLW：反射镜ML的横向尺寸，ML-1Z：反射镜ML-1的最大凹陷量，ML-1W：反射镜ML-1的横向尺寸。
根据本公开，能够提供一种在观察者的视点区域的整个区域内画面失真小且小型的平视显示器系统以及具备平视显示器系统的移动体。
附图说明
图1是表示搭载有本公开的显示装置的车辆的剖面的示意图。
图2是表示用于说明实施方式1到4涉及的平视显示器系统的光学剖面的示意图。
图3是用于说明其他实施方式涉及的第一反射镜的形状的图。
图4是表现数值实施例1涉及的观察者的视点区域中的图像失真的图。
图5是表现数值实施例2涉及的观察者的视点区域中的图像失真的图。
图6是表现数值实施例3涉及的观察者的视点区域中的图像失真的图。
图7是表现数值实施例4涉及的观察者的视点区域中的图像失真的图。
图8是表示条件(1)涉及的坐标系以及尺寸的图。
图9是表示条件(1)涉及的坐标系以及尺寸的另一图。
图10是表示实施方式1到4涉及的数值实施例的坐标系的图。
具体实施方式
以下，适当参照附图来详细说明实施方式。其中，有时会省略超出需要的详细说明。例如，有时会省略已广泛知晓的事项的详细说明以及针对实质相同的结构的重复说明。这是为了避免以下的说明变得不必要地冗长，使本领域技术人员容易理解。
另外，申请人为了本领域技术人员充分理解本公开而提供了附图以及以下的说明，其意图并不在于由此来限定权利要求书所记载的主题。
(实施方式1～4)
[1-1.结构]
[1-1-1.平视显示器系统的整体结构]
以下，参照附图来说明本公开的平视显示器系统10的具体实施方式以及实施例。
图1是表示搭载有本公开涉及的平视显示器系统10的车辆200的剖面的图。如图1所示，平视显示器系统10配置在车辆200的挡风玻璃220下部的仪表盘210内部。
图2是实施方式1～4涉及的平视显示器系统10的简要剖面图。如图2所示，平视显示器系统10具备框体100、投射光学系统120、以及显示设备101。平视显示器系统10使显示设备101所显示的显示图像110经由挡风玻璃220反射后引导至车辆200的内部的观察者D，从而提示虚像I。
这里，将形成虚像I的中心的显示图像110的光路设为基准光线L。其中，设观察者D的视点处于视点区域300的中心。
框体100具备开口102。还可以在该开口102设置透明的盖体。若设置透镜形状的透明的盖体，就能够调整虚像的倍率。实施方式1涉及的平视显示器系统10具备框体100。但是，框体100不是必须的结构要素，车辆的仪表盘210可以担负框体的替代品。
投射光学系统120从显示设备101到挡风玻璃220(显示构件的一例)依次具有第一反射镜121(反射镜ML-1的一例)和第二反射镜122(反射镜ML的一例)。即，投射光学系统120具备由反射镜ML-1和反射镜ML构成的反射光学元件。显示设备101所显示的显示图像110经由第一反射镜121进行反射，接着经由第二反射镜122进行反射，进而经由挡风玻璃220进行反射，从而到达观察者D的视点区域300。然后，观察者D将显示图像110作为虚像I来视觉辨识。这里，视点区域300指的是观察者D能够对虚像I的整体无缺损地进行观察的区域。
此外，反射镜ML可以具有用于调整被投影到显示构件的图像的位置显示的可动机构。
在显示设备101中，通过未图示的微处理器等控制部来控制显示图像信息。作为显示图像信息，例如，列举道路行进方案、到前方车辆的距离、车的蓄电池剩余量、以及当前的车速等。在显示设备101中，可以显示这些各种显示图像信息。对显示设备101使用液晶显示装置(Liquid Cristal Display)、有机发光二极管(电致发光)、以及等离子体显示器等。
[1-1-2.投射光学系统和显示装置的结构]
在实施方式1～4涉及的平视显示器系统10中，显示设备101的位置相对于第一反射镜121配置在下方。此外，显示设备101的显示面朝向第一反射镜121的方向。此时，期望从显示设备101出射的光线相对于显示面的法线倾斜配置。由此，能防止因外部光进入到框体内并在显示设备101的显示面反射而导致的杂散光。
此外，第一反射镜121将其反射面偏心地配置在将由显示设备101显示的图像映现到第二反射镜122的方向上。
第二反射镜122的反射区域为了将图像放大后将其显示为虚像I而可以比第一反射镜121的反射区域大。这里，所谓反射区域，是指反射入射光的反射镜的区域，反射区域越大，则反射镜的形状也越大。
第二反射镜122相对于第一反射镜121配置在框体100的水平方向上，并且配置在车辆前方。此外，第二反射镜122将其反射面偏心地配置在使来自第一反射镜121的反射光入射到挡风玻璃220的方向上。
此外，从显示于显示设备101的图像的中心射出的光线当中朝向观察者D的视点区域300的中心的光线，与显示设备101的显示面的长边方向所成的角比与短边方向所成的角小。
在实施方式1～3中，第一反射镜121是具有凸面的形状的自由曲面形状的反射镜。此外，第二反射镜122是具有凹面的形状的自由曲面形状的反射镜。通过将第一反射镜121设为凸面的形状，能够良好地补偿在第二反射镜122中产生的非对称的偏心畸变。此外，通过将第二反射镜122设为凹面的形状，观察者D就能够对与显示设备101的图像相比被放大的虚像进行视觉辨识。
此外，对第一反射镜121以及第二反射镜122采用自由曲面形状。其理由是为了校正因反射产生的虚像的失真，以便可在视点区域300的整个区域内看到良好的虚像I。其中，可以是第一反射镜121或者第二反射镜122中仅任一个是自由曲面，而另一个是平面、环形面等形状。
在实施方式4中，第一反射镜121是具有凹面的形状的自由曲面形状的反射镜。此外，第二反射镜122是具有凹面的形状的自由曲面形状的反射镜。通过将第一反射镜121以及第二反射镜122的反射面设为凹面的形状，观察者D就能够对与显示设备101的图像相比被放大的虚像进行视觉辨识。此外，通过将第一反射镜121以及第二反射镜122的反射面设为凹面的形状，从而能够使一片反射镜所具有的能力(power)分散，并能够降低组装时的畸变像差灵敏度。
实施方式1～4的平视显示器系统10中使用的第一反射镜121以及第二反射镜122具有旋转非对称的形状。但是，可以如图3所示那样具有曲率的符号在X方向和Y方向上不同的所谓鞍型的面形状。
[1-2.效果等]
以下，使用图4～图7针对如以上那样构成的平视显示器系统10来说明其效果。
图4～7是从各实施方式1～4中的视点区域300观察到虚像I时的示意图。在本公开的平视显示器系统10中，视点区域300是横130mm×纵40mm的矩形。虚线是从视点区域300观察的情况下的虚像I的理想的形状。实线表示使用各实施方式中的平视显示器系统10投射出的虚像I。
在图4～7各个示意图中，(1)是表示从观察者D观察时从视点区域300的中心的位置看到虚像I时的画面失真的图。(2)是表示从视点区域300的左上的位置看到虚像I时的画面失真的图。(3)是表示从视点区域300的左下的位置看到虚像I时的画面失真的图。(4)是表示从视点区域300的右上的位置看到虚像I时的画面失真的图。(5)是表示从视点区域300的右下的位置看到虚像I时的画面失真的图。
通过使用本公开的平视显示器系统10，在视点区域300的整个区域内，画面失真可良好地得到校正。即，在视点区域300内，观察者D不论在哪个位置进行观察都能够视觉辨识良好的虚像。
[1-3.期望的条件]
以下，说明期望实施方式1～4涉及的平视显示器系统10满足的条件。另外，对各实施方式涉及的平视显示器系统10规定多个优选条件。并且，最期望是全都满足这多个条件的结构。但是，通过满足个别条件，也能够得到起到分别对应的效果的光学系统。
实施方式1～4涉及的平视显示器系统10具备：显示图像的显示设备101；以及对显示于显示设备101的显示图像110进行投射的投射光学系统120。并且，投射光学系统120按照从显示设备101朝向挡风玻璃220的光路的顺序具有第一反射镜121和第二反射镜122。
实施方式1～4涉及的平视显示器系统10将显示于显示设备101的显示图像110投影到挡风玻璃220而使观察者D来视觉辨识虚像I。由此，能够在不遮挡观察者D的前方视野的情况下，使观察者D视觉辨识显示于显示设备101的图像。
在本公开的平视显示器系统10中，期望第一反射镜121是自由曲面形状。由此，能够良好地校正在挡风玻璃220中产生的画面失真，从而在观察者D的视点区域300的整个区域内都能够视觉辨识画面失真少的良好的图像。
在本公开的平视显示器系统10中，期望第二反射镜122是自由曲面形状。由此，能够良好地校正在挡风玻璃220中产生的画面失真，从而在观察者D的视点区域300的整个区域内都能够视觉辨识画面失真少的良好的图像。
在本公开的平视显示器系统10中，第一反射镜121的反射面是凹面或者凸面。由此，与第一反射镜121是平面的情况相比，能够抑制因反射产生的虚像的失真。
在本公开的平视显示器系统10中，第一反射镜121的外形形状是梯形。由此，能够削减第一反射镜121中对像进行反射的区域以外的不需要的区域，能够使平视显示器系统10小型化。另外，第一反射镜121的外形形状并不限于梯形，能够根据有效区域的形状适当变更。
本公开的平视显示器系统10在将使光线朝向挡风玻璃220反射的反射镜设为反射镜ML，将使光线朝向反射镜ML反射的反射镜设为反射镜ML-1时，满足以下的条件(1)。
0.01＜|MLD/MLW|×|ML-1Z/ML-1W| (1)
这里，
MLD：反射镜ML的进深方向尺寸，
MLW：反射镜ML的横向尺寸，
ML-1Z：反射镜ML-1的最大凹陷量，
ML-1W：反射镜ML-1的横向尺寸。
图8是从铅垂方向的上面观察框体100的图。如图8所示，MLD的意思是反射镜ML的车辆前后方向最大尺寸，MLW的意思是反射镜ML的车辆左右方向最大尺寸，ML-1W的意思是反射镜ML-1的车辆左右方向最大尺寸。
图9是表示条件(1)涉及的坐标系以及尺寸的图。如图9所示，将包含反射镜ML-1的反射面与基准光线L的交点的反射镜ML-1的切平面定义为切平面170，将从切平面170到反射镜ML-1的反射面为止的距离当中最大的距离设为ML-1Z。
条件(1)是针对反射镜ML和反射镜ML-1来规定反射镜的尺寸与凹陷量之间的关系的条件。低于条件(1)的下限意味着：相对于反射镜ML-1、反射镜ML各自的反射镜的宽度，反射镜ML-1的能力弱，或者反射镜ML的前后方向倾斜配置小。若反射镜ML-1的能力弱，则校正虚像I的画面失真就会很困难。此外，若反射镜ML的前后方向倾斜配置小，则映现到反射镜ML的图像的旋转就会变大，反射镜ML的大小就会扩大。
进而，通过满足以下的条件(1a)，能够进一步起到所述的效果。
0.015＜|MLD/MLW|×|ML-1Z/ML-1W| (1a)
此外，期望在满足条件(1)的同时满足以下的条件(1b)。
|MLD/MLW|×|ML-1Z/ML-1W|＜0.04 (1b)
超过条件(1b)的上限意味着：相对于反射镜ML-1、反射镜ML各自的反射镜的宽度，反射镜ML-1的能力强，或者反射镜ML的前后方向倾斜配置大。若反射镜ML-1的能力强，则反射镜ML-1的变倍负担就会变得过大，反射镜ML-1就会扩大。此外，若反射镜ML的前后方向倾斜配置大，则框体100的大小就会扩大。
进而，通过满足以下的条件(1c)，能够进一步起到所述的效果。
|MLD/MLW|×|ML-1Z/ML-1W|＜0.03 (1c)
(数值实施例)
以下，说明具体地实施实施方式1～4涉及的平视显示器系统的数值实施例。另外，在各数值实施例中，各表的长度的单位全都是“mm”，角度的单位全都是“°”。此外，在各数值实施例中，自由曲面由下式定义。
【数学式1】
【数学式2】
这里，z是从对面进行定义的轴起(x，y)位置处的凹陷量，r是对面进行定义的轴的原点处的曲率半径，c是对面进行定义的轴的原点处的曲率，k是圆锥常数，Cj是单项式xmyn的系数。
图10是表示实施方式1到4涉及的数值实施例的坐标的图。在各数值实施例中，成为基准的坐标原点是显示设备的显示图像的中心，如图10所示，定义X、Y、Z轴。
进而，在各数值实施例中的偏心数据中，ADE指的是以X轴为中心将反射镜从Z轴方向向Y方向旋转的量，BDE指的是以Y轴为中心将反射镜从X轴方向向Z轴方向旋转的量，CDE指的是以Z轴为中心将反射镜从X轴方向向Y轴方向旋转的量。
(数值实施例1)
数值实施例1的投射光学系统120与实施方式1对应。表1示出数值实施例1的投射光学系统120的结构数据，表2示出多项式自由曲面的系数。
【表1】
【表2】
(数值实施例2)
数值实施例2的投射光学系统120与实施方式2对应。表3示出数值实施例2的投射光学系统120的结构数据，表4示出多项式自由曲面的系数。
【表3】
【表4】
(数值实施例3)
数值实施例3的投射光学系统120与实施方式3对应。表5示出数值实施例3的投射光学系统120的结构数据，表6示出多项式自由曲面的系数。
【表5】
【表6】
(数值实施例4)
数值实施例4的投射光学系统120与实施方式4对应。表7示出数值实施例4的投射光学系统120的结构数据，表8示出多项式自由曲面的系数。
【表7】
【表8】
在以下的表9中，示出各数值实施例中的显示图像大小、虚像大小、从观察者D的瞳孔到虚像I为止的距离、条件(1)的值。
【表9】
工业可利用性
本公开涉及的平视显示器系统适于车载用等的平视显示器系统这样要求高画质的平视显示器系统。
符号说明
10 平视显示器系统
100 框体
101 显示设备
102 开口
110 显示图像
120 投射光学系统
121 第一反射镜(反射镜ML-1)
122 第二反射镜(反射镜ML)
200 车辆
210 仪表盘
220 挡风玻璃(显示构件)
300 视点区域
D 观察者
I 虚像
L 基准光线。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.(修改后)、一种平视显示器系统，将图像投影到配置在观察者的视线方向上的显示构件，该平视显示器系统具备：
显示设备，对所述图像进行显示；以及
投射光学系统，将显示于所述显示设备的所述图像投影到所述显示构件，
所述投射光学系统从所述显示构件到所述显示设备依次具有：
反射镜ML，使光线朝向所述显示构件反射；以及
反射镜ML-1，使光线朝向所述反射镜ML反射，
所述显示设备相对于所述反射镜ML-1位于与所述显示构件相反的一侧，
所述反射镜ML相对于所述反射镜ML-1位于与所述观察者相反的一侧，
该平视显示器系统满足以下的条件(1)，
0.01＜|MLD/MLW|×|ML-1Z/ML-1W| (1)
这里，
MLD：反射镜ML的进深方向尺寸，
MLW：反射镜ML的横向尺寸，
ML-1Z：反射镜ML-1的最大凹陷量，
ML-1W：反射镜ML-1的横向尺寸。
2.根据权利要求1所述的平视显示器系统，其中，
所述反射镜ML具有用于调整投影到所述显示构件的所述图像的显示位置的可动机构。
3.根据权利要求1或2所述的平视显示器系统，其中，
从显示于所述显示设备的所述图像的中心射出的光线当中朝向所述观察者的视点区域中心的光线，与所述显示设备的显示面的长边方向所成的角比与所述显示面的短边方向所成的角小。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的平视显示器系统，其中，
所述投射光学系统中包含的反射光学元件由所述反射镜ML和所述反射镜ML-1构成。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的平视显示器系统，其中，
所述反射镜ML的反射面是自由曲面形状。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的平视显示器系统，其中，
所述反射镜ML-1的反射面是自由曲面形状。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的平视显示器系统，其中，
该平视显示器系统还具备框体，
所述显示设备以及所述投射光学系统配置在所述框体内部。
8.一种移动体，具备：
权利要求1～7中任一项所述的平视显示器系统。

Claims (8)

1.一种平视显示器系统，将图像投影到配置在观察者的视线方向上的显示构件，该平视显示器系统具备：
显示设备，对所述图像进行显示；以及
投射光学系统，将显示于所述显示设备的所述图像投影到所述显示构件，
所述投射光学系统从所述显示构件到所述显示设备依次具有：
反射镜ML，使光线朝向所述显示构件反射；以及
反射镜ML-1，使光线朝向所述反射镜ML反射，
该平视显示器系统满足以下的条件(1)，
0.01＜|MLD/MLW|×|ML-1Z/ML-1W| (1)
这里，
MLD：反射镜ML的进深方向尺寸，
MLW：反射镜ML的横向尺寸，
ML-1Z：反射镜ML-1的最大凹陷量，
ML-1W：反射镜ML-1的横向尺寸。
2.根据权利要求1所述的平视显示器系统，其中，
所述反射镜ML具有用于调整投影到所述显示构件的所述图像的显示位置的可动机构。
3.根据权利要求1或2所述的平视显示器系统，其中，
从显示于所述显示设备的所述图像的中心射出的光线当中朝向所述观察者的视点区域中心的光线，与所述显示设备的显示面的长边方向所成的角比与所述显示面的短边方向所成的角小。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的平视显示器系统，其中，
所述投射光学系统中包含的反射光学元件由所述反射镜ML和所述反射镜ML-1构成。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的平视显示器系统，其中，
所述反射镜ML的反射面是自由曲面形状。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的平视显示器系统，其中，
所述反射镜ML-1的反射面是自由曲面形状。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的平视显示器系统，其中，
该平视显示器系统还具备框体，
所述显示设备以及所述投射光学系统配置在所述框体内部。
8.一种移动体，具备：
权利要求1～7中任一项所述的平视显示器系统。
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