CN109791283B - 投影光学系统以及平视显示器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供在确保所需的性能的同时使投影光学系统为最小的光学结构且使虚像面倾斜的平视显示器装置。本发明的平视显示器装置的特征在于包括：图像形成单元(2)，射出包含图像信息的影像光；以及目镜光学系统(5)，通过反射影像光而使虚像显示，在使虚像面倾斜而将虚像显示于远距离至近距离的范围的状态下，与虚像面上的远距离点共轭的图像形成单元上的点相比于与虚像面上的近距离点共轭的图像形成单元上的点，与向图像形成单元入射的束在光学上远离。

Description

投影光学系统以及平视显示器装置
技术领域
本发明涉及投影光学系统以及平视显示器装置。
背景技术
已知有将图像投影到汽车、航空飞机等移动体具备的风挡(挡风玻璃)而使其投影图像能够隔着挡风玻璃观察为虚像的平视显示器装置。
例如，在专利文献1中，作为以往的平视显示器装置，公开了“具备从透射型的液晶显示面板的背后照射光并对显示于液晶显示面板的图像进行放大投影的投影光学系统(摘要摘录)”装置。
另外，在专利文献2中，公开了“一种显示装置，从显示设备起按观察者的光路的顺序具有第1反射镜和第2反射镜，满足(引导到所述观察者的视点区域而使虚像显示的)条件式θx>θy(θx：第1反射镜中的图像长轴方向的入射角，θy：第1反射镜中的图像短轴方向的入射角)，0.2<D1/Lh<0.9(D1：显示设备的图像显示面与第1反射镜的间隔(视点区域的中心的光路长)，Lh：由观察者视觉辨认的虚像的水平方向的宽度)(摘要摘录)”。
另外，在专利文献3中，公开了“一种虚像显示装置，将从投影仪4输出的影像投射到屏幕5，使被投射到屏幕5的影像反射到车辆2的前车窗6以使车辆的乘客7视觉辨认，从而生成车辆的乘客7视觉辨认的影像的虚像8。另外，通过使屏幕5可动，使屏幕5相对于投影仪4的光路的角度构成为能够变更，构成为根据屏幕5相对于投影仪4的光路的角度而控制从投影仪4向屏幕5照射激光的照射方向(摘要摘录)”。即，在专利文献3中，作为以往的平视显示器装置的一个例子，公开了通过相对于投影仪的光路倾斜地配置屏幕而使虚像面倾斜的结构。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2009-229552号公报
专利文献2：美国专利申请公开第2016/195719号说明书
专利文献3：日本特开2015-197496号公报
发明内容
在专利文献2公开的平视显示器装置的例子中，通过使显示设备和第1反射镜(旋转非对称反射镜)在水平方向上偏移的配置而提供薄型的平视显示器装置。然而，在专利文献2的实施例1中，成为虚像尺寸的横宽为140mm×70mm且具有垂直方向尺寸的两倍的光束尺寸的水平方向上使光束折弯的结构。因此，折弯反射镜变大，即使是薄型的平视显示器装置，也难以实现平视显示器装置的容积的小型化。
在专利文献3公开的平视显示器装置的例子中，示出了虚像面的倾斜的方向与屏幕的倾斜的方向的关系。该关系为能够在所谓“沙姆定律(Scheimpflug principle)”中确认的内容。如果如专利文献3的平视显示器装置那样基于沙姆定律，则需要将梯形形状的影像显示于屏幕、液晶显示面板。其结果是存在有效的像素数减少而能够显示的信息量减少的问题。
本发明是鉴于上述实际情况而完成的，其目的在于提供在确保所需的性能的同时使投影光学系统为最小的光学结构且使虚像面倾斜的平视显示器装置。
其特征在于。为了解决上述问题，本发明提供一种投影光学系统，包括通过反射从图像形成单元射出的影像光而使虚像显示的目镜光学系统，所述图像形成单元形成图像信息并射出包含该图像信息的所述影像光，所述投影光学系统的特征在于，所述目镜光学系统沿着所述影像光的射出方向从所述图像形成单元侧起依次包括自由曲面透镜和自由曲面凹面反射镜，在使虚像面倾斜而将虚像显示于远距离至近距离的范围的状态下，与所述虚像面处的远距离点共轭的所述图像形成单元上的点相比于与所述虚像面处的近距离点共轭的所述图像形成单元上的点，与向所述图像形成单元入射的光束在光学上远离。
根据本发明，能够提供使投影光学系统为最小的光学结构且使虚像面倾斜的平视显示器装置。此外，上述以外的课题、结构以及效果通过以下的实施方式的说明而变得清楚。
附图说明
图1A是第1实施方式的目镜光学系统的整体光线图(YZ平面)。
图1B是第1实施方式的目镜光学系统的整体光线图(XZ平面)。
图2是第1实施方式的目镜光学系统的重要部分放大图。
图3是表示第1实施方式的液晶显示面板的倾斜的图。
图4是示出第1实施方式的平视显示器装置的透镜数据的图。
图5是第1实施方式的平视显示器装置的自由曲面系数的图。
图6A是表示第1实施方式中的从眼动范围(eyebox)的中央观察时的失真性能的图。
图6B是表示第1实施方式中的从眼动范围的右上观察时的失真性能的图。
图6C是表示第1实施方式中的从眼动范围的左上观察时的失真性能的图。
图6D是表示第1实施方式中的从眼动范围的左下观察时的失真性能的图。
图6E是表示第1实施方式中的从眼动范围的右下观察时的失真性能的图。
图7是第1实施方式的目镜光学系统的各色的光点图。
图8A是各视角位置处的主光线Ray1与假想光线Ray0的角度偏差图。
图8B是示出主光线Ray1与假想光线Ray0的角度θ的图。
图9A是第2实施方式的目镜光学系统的整体光线图(YZ平面)。
图9B是第2实施方式的目镜光学系统的整体光线图(XZ平面)。
图10是第2实施方式的目镜光学系统的重要部分放大图。
图11是表示第2实施方式的液晶显示面板的倾斜的图。
图12是示出第2实施方式的平视显示器装置的透镜数据的图。
图13是第2实施方式的平视显示器装置的自由曲面系数的图。
图14A是表示第2实施方式中的从眼动范围的中央观察时的失真性能的图。
图14B是表示第2实施方式中的从眼动范围的右上观察时的失真性能的图。
图14C是表示第2实施方式中的从眼动范围的左上观察时的失真性能的图。
图14D是表示第2实施方式中的从眼动范围的左下观察时的失真性能的图。
图14E是表示第2实施方式中的从眼动范围的右下观察时的失真性能的图。
图15是第2实施方式的平视显示器装置的光点图。
图16A是表示第2实施方式的主光线的角度偏差的图。
图16B是示出主光线与液晶显示面板的法线的角度θ的图。
图17A是实像光学系统中的沙姆定律的说明图。
图17B是实像光学系统中的使物体倾斜的情况的说明图。
图18A是虚像光学系统中的沙姆定律的说明图。
图18B是虚像光学系统中的使物体倾斜的情况的说明图。
图19是表示现有技术中的屏幕板的倾斜的方向与虚像的关系的图。
图20是本发明的视场角与空间像的关系图。
图21是说明本发明的液晶显示面板的倾斜的方向的图。
图22是平视显示器装置的概略结构图。
图23是第3实施方式的平视显示器装置具备的图像形成单元的概略结构图。
图24是第4实施方式的平视显示器装置具备的图像形成单元的概略结构图。
图25是图像形成单元的功能框图。
图26是从前方观察作为移动体的汽车时的俯视图。
附图标记说明
1：背光灯；2：液晶显示面板；3：中继光学系统；4：屏幕板(扩散板)；5：目镜光学系统；6：挡风玻璃；7：虚像面；8：眼动范围；9：眼睛；10：图像形成单元；20：投影光学系统；30：平视显示器装置；51：凹透镜；52：自由曲面透镜；53：转弯反射镜；54：自由曲面凹面反射镜；101：凸透镜；111：物面；112：实像面；F：焦点位置。
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以及各种实施例。以下的说明示出本发明的内容的具体例，本发明并不限定于这些说明，能够在本说明书公开的技术思想的范围内由本领域技术人员进行各种变更以及修改。另外，在用于说明本发明的所有附图中，对具有相同功能的结构附加相同附图标记，有时省略其重复的说明。以下，说明在全部实施方式中共同的事项，接着说明各实施方式的特征。
使用图22说明平视显示器装置30的基本结构。图22是平视显示器装置30的概略结构图。
图22所示的平视显示器装置30具备使从包括图像形成单元10以及目镜光学系统5的投影光学系统20射出的图像光被汽车(未图示)的挡风玻璃6反射而入射到观察者的眼睛9的结构。根据该结构，成为当从观察者的眼睛9观察时好像在虚像面7观察到了图像信息的状态。
首先，参照图25说明图像形成单元10。图25是图像形成单元的功能框图。如图25所示，图像形成单元10具备液晶显示面板2、背光灯1、以及控制它们的动作的控制器200。图像形成单元10从背光灯1向液晶显示面板2照射光，朝向目镜光学系统5射出显示于液晶显示面板2的图像信息(影像信息)。
控制器200具备控制装置201。各种信息从外部装置被输入到该控制装置201。例如，作为外部装置，生成与搭载有平视显示器装置30的移动体的动作有关的信息而输出的导航装置即导航器208、控制移动体的动作的ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)209连接于控制装置201。ECU209连接有移动体具备的各种传感器210，构成为将检测到的信息通知给ECU209。
控制器200具备处理来自上述说明的外部装置的各种数据的控制装置201和用于驱动背光灯1的背光灯驱动电路207。
控制装置201包括微计算机202以及与其连接的存储装置206。
微计算机202具备用于存储来自外部装置的各种数据的RAM(Random AccessMemory，随机存取存储器)203、执行生成成为观察者视觉辨认的虚像的元信息的图像数据的运算处理的CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)205、以及存储能够执行CPU205中的运算处理的程序、参数的ROM(Read Only Memory，只读存储器)204。
通过具备以上的结构的控制器200，图像信息显示于图像形成单元10具备的液晶显示面板2。图像形成单元10通过背光灯1照射的光束将显示于液晶显示面板2的图像信息作为影像光束而射出。
返回到图22。从图像形成单元10射出的影像光束通过目镜光学系统5而被投影到挡风玻璃6。被投影到挡风玻璃6的影像光束被挡风玻璃6反射，到达观察者的眼睛9的位置。由此，成立当从观察者的眼睛9观察时好像观察到了虚像面7的图像信息那样的关系。
如图22那样，在液晶显示面板2中的影像光束的射出面，考虑点Q1、点Q2、点Q3这样的假想点。如果考虑从这些假想点射出的影像光束对应的虚像面7的假想点，则如图22所示，对应点V1、点V2、点V3。观察者即使移动眼睛9的位置也能够视觉辨认虚像面7的点V1、点V2、点V3的范围为眼动范围8。
图22以侧视的方式图示了平视显示器装置30，但实际的平视显示器装置30的结构是立体的，所以眼动范围8具有二维的扩展。这样，目镜光学系统5与相机的取景器的目镜透镜、显微镜中的目镜透镜同样地，是将物(空间像)的像(虚像)显示于观察者的眼前的光学系统。
在此，使用图26说明将本实施方式的平视显示器装置30搭载于移动体的情况下的例子。图26是从前方观察作为移动体的汽车500的俯视图。在如图26所示的汽车500，作为风挡，前面玻璃即挡风玻璃6配置于驾驶席的前方。
平视显示器装置30通过将影像光束投影到挡风玻璃6，使与汽车500的动作相关的各种信息为处于驾驶席的观察者能够视觉辨认为虚像的状态。影像光束被投影的位置为驾驶席的前方、其周围。例如影像光束被投影到如虚线矩形区域R1所示的位置。
<能够应用于本发明的原理>
接下来，使用图17至图21说明用于在平视显示器装置30中使虚像面7倾斜的条件。
首先，说明能够在本实施方式的平视显示器装置30中应用的“沙姆定律”。如图17A所示，在相对于凸透镜101倾斜地配置物面111的情况下，倾斜地形成实像面112。在此，根据沙姆定律，凸透镜101的主平面的延长线、物面111的延长线以及实像面112的延长线在1点(图的A点)相交。此外，图17A例示出实像光学系统的成像。因此，物面111和实像面112的上下左右反转。在图17A中，示出了物面111的朝向(白色的箭头)与实像面112的朝向(黑色的箭头)上下相反。
图17B是根据与凸透镜101的光轴平行的光线聚光到凸透镜101的焦点位置F的光线和直穿凸透镜101的中心的光线的交点通过制图求出与物体Obj相关的像面Img的位置的图。在将像相对物体Obj的位置即物位置Obj1的位置设为像位置Img1时，使物体Obj从物位置Obj1向物位置Obj2移动，如果靠近凸透镜101，则通过凸透镜101的中心的光线的倾斜变大。由此，像从像位置Img1向像位置Img2移动。即，像的位置从凸透镜101远离。基于以上，如图17B那样，在使物体Obj的一部分保留于物位置Obj1、使另一部分移动到物位置Obj2而倾斜地配置物体Obj的情况下，形成从像位置Img1倾斜至像位置Img2的像。
使用图17A以及图17B说明了实像中的成像，接下来使用图18A和图18B说明基于沙姆定律的虚像中的成像。图18A是以使凸透镜101的主平面的延长线、物面111的延长线以及虚像面7的延长线在1点(图18A中的A点)相交的方式制图而成的图。
如图18A所示，虚像光学系统与实像光学系统不同，物面111与实像面112的上下左右不反转而为相同的朝向。
图18B是根据与凸透镜101的光轴平行的光线聚光到凸透镜101的焦点位置F的光线和直穿凸透镜101的中心的光线的交点通过制图求出与物体Obj相关的像面Img的位置的图。在虚像光学系统中，物体Obj配置于比凸透镜101的焦点位置F近的位置，所以与实像光学系统不同，两个光线相交的位置相对于凸透镜101为与物体Obj相同的一侧。
在此，使物体Obj的位置(物位置)从物位置Obj1移动到物位置Obj2。即，如果使物体Obj向远离凸透镜101的方向移动，则通过凸透镜101的中心的光线的倾斜变小。因此，像从像位置Img1向像位置Img2移动。即，像的位置远离凸透镜101。如图18B那样，在使物体Obj的一部分保留于物位置Obj1、使另一部分移动到物位置Obj2而倾斜地配置物体Obj的情况下，从像位置Img1至像位置Img2向与物体Obj的倾斜反方向倾斜地形成像。
即，为了使在虚像光学系统中呈现虚像的面(本实施方式中的虚像面7)倾斜，只要以使与虚像距离远的一侧的Img2对应的物面为离凸透镜101远的一侧的物位置Obj2的方式倾斜即可。
为了在本实施方式的平视显示器装置30中应用上述原理而使虚像面7倾斜，只要使与物面相当的部分倾斜即可。关于这点，根据以往以来已知的技术进行说明。图19例示出在现有技术中根据射出影像光束的投影仪与屏幕的关系使与屏幕相当的液晶显示面板2相对于来自与投影仪相当的背光灯1的光束倾斜的情况。当使液晶显示面板2相对于背光灯1倾斜时，能够使虚像面7倾斜。
在该情况下，与倾斜的虚像面7的远的一侧(远)对应的液晶显示面板2的位置接近背光灯1。另一方面，与接近倾斜的虚像面7的一侧(近)对应的液晶显示面板2的位置远离背光灯1。
此外，“离背光灯1近”与“离挡风玻璃6侧远”是相同的意思，“远离背光灯1”与“离挡风玻璃6侧近”是相同的意思。因此，液晶显示面板2的倾斜的朝向是与使用图18说明的沙姆定律相同的朝向。
如已经说明的那样，根据沙姆定律，在像中产生梯形失真。平视显示器装置30从眼动范围8的位置观察虚像。因此，使用图20说明根据沙姆定律使虚像面7倾斜的情况下的梯形失真。
假定从眼动范围8起的视野范围为矩形形状。在该情况下，当在眼动范围8的位置处设为眼睛9时，为了在观察到虚像的状态下能够矩形形状地观察视野范围，需要在倾斜的虚像面7中呈现倒梯形形状的虚像。此外，“倒梯形形状”是指失真为视野范围中的虚像的上侧长且下侧短的状态。相比于虚像距离的“远/近”，物距离的“远/近”更接近1，所以在物面成为被缓和的倒梯形。
在此，在将液晶显示面板2配置于该物面的情况下，需要在液晶显示面板2的影像显示范围中影像显示于倒梯形的范围的处理，且有效的像素数减少，所以能够显示的信息量减少。
因此，在使虚像面7倾斜的情况下，使虚像形成为倒梯形形状，针对液晶显示面板2中的梯形失真，使用非旋转对称的自由曲面凹面反射镜54(在图2中显示)和自由曲面透镜52，且使液晶显示面板2向与沙姆定律相反的方向倾斜。通过使用这样的配置关系构成目镜光学系统5，能够校正由于使液晶显示面板2倾斜而产生的梯形失真。
另外，为了满足在液晶显示面板2侧的远心(出射光瞳距离无限大)，在自由曲面透镜52与液晶显示面板2之间作为场透镜而配置作为负的折射力(＝光焦度)的凹透镜，从而能够进一步改善性能。
如果汇总以上内容，则在平视显示器装置30中，即使在使虚像面7倾斜的情况下也从眼动范围8的位置观察虚像，所以只要从观察者观察到的视场角为矩形形状，就不会识别到虚像的梯形失真。即，在使虚像面倾斜的情况下，只要以在从眼动范围8观察的状态下使梯形失真不被观察到的方式显示倒梯形失真状的虚像即可。在该情况下，重要的是如图21所示在与物面相当的屏幕(液晶显示面板2)中校正梯形失真。
即，使用具有非旋转对称的形状的自由曲面凹面反射镜54和自由曲面透镜52，且使液晶显示面板2向与沙姆定律相反的方向倾斜。由此，能够在使虚像面7倾斜的状态下使虚像形成为倒梯形形状，在液晶显示面板2中校正梯形失真。
后面说明详细的定义式，自由曲面透镜52包含XY多项式，所以能够具有左右非对称和上下非对称的透镜作用，对于在挡风玻璃6产生的左右非对称且上下非对称的失真性能的校正也是有效的。
接下来，说明使用了能够实现小型的平视显示器装置30的自由曲面凹面反射镜54、自由曲面透镜52以及凹透镜51的投影光学系统的第1实施方式。
<第1实施方式>
第1实施方式在图22中示出的平视显示器装置30中的目镜光学系统5的结构中具有特征。首先，参照图1A以及图1B说明构成投影光学系统20的挡风玻璃6和目镜光学系统5。图1A是第1实施方式的目镜光学系统5的整体光线图，示出了在用眼动范围8的水平方向X轴、垂直方向Y轴以及与XY轴正交的Z轴定义的YZ平面中通过观察者的眼睛9观察虚像面7的影像信息的情形。另外，图1B是第1实施方式的目镜光学系统5的整体光线图，示出了在同样地定义的XZ平面中通过观察者的眼睛9观察虚像面7的影像信息的情形。在图1A中，右眼与左眼重叠地表示观察者的眼睛9。
如图1A所示，虚像面7相对于视野方向具有约80度的倾斜。具体而言，在目镜光学系统5中，以与视野范围的上方相当的Y坐标的正侧的虚像距离为20.6m、与视野范围的下方相当的Y坐标的负侧的虚像距离为13.8m的方式，虚像面7在视野方向上倾斜。因此，在本实施方式中，显示于虚像面7的虚像的范围(虚像范围)为远距离部分/近距离部分＝20.6/13.8≈1.5。即，本实施方式中的虚像范围能够在广的范围显示虚像。此外，挡风玻璃6为相对汽车的左右方向对称的形状。
图2是第1实施方式中的目镜光学系统5的重要部分放大图。如图2所示，目镜光学系统5通过取为液晶显示面板2中的影像光束的射出方向并从液晶显示面板2侧起依次排列地配置凹透镜51、自由曲面透镜52、转弯反射镜53、具有正的折射力的自由曲面凹面反射镜54以及挡风玻璃6而构成。目镜光学系统5的折射力主要由自由曲面凹面反射镜54承担。用凹透镜51主要实现远心性，且用自由曲面透镜52主要校正失真。
如图2所示，在第1实施方式中的目镜光学系统5中，转弯反射镜53位于由挡风玻璃6反射的影像光束朝向自由曲面凹面反射镜54的光路之下，从而能够实现平视显示器装置30的小型化。
图3是为了说明液晶显示面板2的倾斜的方向而将光线描绘至液晶显示面板2的后方的光线图。在图3中，为了易于判别光线与液晶显示面板2的倾斜的关系，将虚像距离远的一侧的光线设为“远”，将虚像距离近的一侧的光线设为“近”，还显示了其中间的光线。
将虚像面7(参照图1)中的与远侧的光线对应的位置设为远距离点，将虚像面7(参照图1)中的与近侧的光线对应的位置设为近距离点，进行以下说明。
如图3所示，根据本实施方式的目镜光学系统5，与远距离点(远)共轭的液晶显示面板2上的点相比于与虚像面7的近距离点(近)共轭的液晶显示面板2上的点，离背光灯1侧的光束光学性地远。换言之，在本实施方式中，与虚像面7的远距离点(远)共轭的液晶显示面板2上的点相比于与虚像面7的近距离点(近)共轭的液晶显示面板2上的点，离向液晶显示面板2入射的光束光学性地远。
进而，换言之，与虚像面7上的远距离点(远)共轭的液晶显示面板2上的点相比于与虚像面7上的近距离点(近)共轭的液晶显示面板2上的点，离自由曲面凹面反射镜54侧(挡风玻璃6侧)的光束起光学性地近。
再换言之，在虚像面7中，将与Y轴方向(参照图1A)上的上侧部分相当的、从眼动范围8起的距离相对远的点设为远距离点(远)。另外，在虚像面7中，将与Y轴方向(参照图1A)上的下侧部分相当的、从眼动范围8起的距离相对近的点设为近距离点(近)。在该情况下，与远距离点(远)共轭的液晶显示面板2上的点相比于与近距离点(近)共轭的液晶显示面板2上的点，离背光灯1侧的光束(向液晶显示面板2入射的光束)光学性地远。即，与远距离点(远)共轭的液晶显示面板2上的点相比于与近距离点(近)共轭的液晶显示面板2上的点，离自由曲面凹面反射镜54侧的光束光学性地近。
因此，本实施方式的液晶显示面板2的倾斜的方向与使用图19说明的现有技术中的屏幕的倾斜的朝向相反。
在此，“离光束光学性地远/近”的意思是相对于通过液晶显示面板2的光束“远/近”的意思，即使针对液晶显示面板2的前后的空间利用媒质填充或者配置光学部件，其物理上的距离也不会影响。
图4是示出第1实施方式的平视显示器装置30的透镜数据的图。在图4所示的透镜数据中，“曲率半径”用正的符合表示曲率半径的中心位置处于行进方向的情况。“面间距离”表示从各面的顶点位置至接下来的面的顶点位置为止的光轴上的距离。“偏心”是X轴方向、Y轴方向、Z轴方向各自的值，“歪斜”是绕X轴的旋转、绕Y轴的旋转、绕Z轴的旋转。
另外，“偏心和歪斜的内容”在对应的面按照偏心和歪斜的顺序作用，在“普通偏心”中，在偏心和歪斜作用了的新的坐标系下的面间距离的位置配置接下来的面。“离心和回归”的偏心以及歪斜仅在该面作用，不影响到接下来的面。此外，绕X轴的旋转当从X轴的正方向观察时顺时针旋转为正，绕Y轴的旋转当从Y轴的正方向观察时顺时针旋转为正，绕Z轴的旋转当从Z轴的正方向观察时逆时针旋转为正。
“玻璃材料名称”为透镜、玻璃、反射镜等光学元件的原材料名称，“50.30”表示折射率为1.50、阿贝数为30的材料，“52.60”表示折射率为1.52、阿贝数为60的材料。
图5是第1实施方式的平视显示器装置30的自由曲面系数的图。图5的自由曲面系数通过下述式(1)求出。
[式1]
Figure BDA0002009410220000131
上述式(1)中的自由曲面系数Cj为相对于各个光轴(Z轴)旋转非对称的形状，为由圆锥项的分量和XY的多项式的项的分量定义的形状。例如，在X为2次(m＝2)且Y为3次(n＝3)的情况下，j＝{(2+3)2+2+3×3}/2+1＝19即C19的系数对应。另外，自由曲面的各个的光轴的位置由图4的透镜数据中的“偏心和歪斜”的量而定。
接下来，表1示出本实施方式的目镜光学系统5中的眼动范围尺寸(眼动范围8的尺寸)、视场角等具体的数值例。此外，在表1中，数值的顺序为水平方向、垂直方向的顺序。
[表1]
眼动范围8的尺寸 130mm×40mm
液晶显示面板2中的影像光的有效尺寸 67.4mm×29.0mm
视场角(全视角) 10度×4度
倾角 0.7度
虚像距离(L) 16.5m(倾角方向)
虚像面7相对于倾角的倾斜 80度
将凹透镜的焦距(－143mm)除以自由曲面凹面反射镜的焦距(355mm)而得到的值为－0.40。
接下来，使用图6A～图6E、图7、图8A以及图8B说明第1实施方式的光学性能。更详细而言，图5A是基于相对于矩形形状的虚像范围而通过眼动范围8的中央的光线的液晶显示面板2侧的失真图。图5B、图5C、图5D、图5E是基于通过眼动范围8的右上角、左上角、左下角、右下角的各点的光线的液晶显示面板2侧的失真图。
假设在液晶显示面板2侧显示有矩形形状的图像的状态下使眼睛9位于眼动范围8内的各个位置的情况下，观察与图6A～图6E相反的失真(例：
Figure BDA0002009410220000141
)。图6A～图6E的失真图为大致相同的形状，所以例如如果将与图6A～图6E的失真图相匹配的影像显示于液晶显示面板2，则观察者就能够观察到没有失真的矩形形状的虚像。
图7是第1实施方式的平视显示器装置30的光点图。图7是在虚像面配置有物点的情况下的液晶显示面板2上的光点图，是用红色(650nm)、绿色(550nm)、蓝色(450nm)分别显示了基于通过眼动范围8整体的光束的光点图的图。该光点图是眼动范围8的大小为水平130mm×垂直40mm的所有光束下的光点图，在实际的观察者观察的虚像的情况下，人的眼的虹膜的大小(据说最大
Figure BDA0002009410220000142
)的光点图大幅变好。在此，光点图是以虚像为物面的缩小光学系统中的、液晶显示面板2的各位置处的光点图放大强调了5倍而成的图。
图8A是各视角位置处的主光线Ray1与假想光线Ray0的角度偏差图。另外，图8B是示出主光线Ray1与假想光线Ray0的角度θ的图。如图8B所示，假想光线Ray0是以与液晶显示面板2的长边平行的旋转轴为中心使液晶显示面板2的法线旋转了13度而成的直线。即表示相对于液晶显示面板2倾斜13度地配置照明光学系统。从图8A可知，角度偏差的最大值小到1.9度。
因此，根据本实施方式，通过使用了自由曲面凹面反射镜54、自由曲面透镜52以及凹透镜的投影光学系统，使液晶显示面板2向与虚像光学系统中的沙姆定律相反的方向倾斜，从而能够提供实现了虚像面7的倾斜的平视显示器装置30。
<第2实施方式>
第2实施方式在目镜光学系统5的结构与第1实施方式不同这点具有特征。第2实施方式是与小型的液晶显示面板2组合并删除转弯反射镜53而使平视显示器装置30的小型化优先的实施方式。
图9A是第2实施方式的目镜光学系统5的整体光线图，示出在用眼动范围8的水平方向X轴、垂直方向Y轴以及与XY轴正交的Z轴定义的YZ平面中通过观察者的眼睛观察虚像面7的影像信息的情形。图9B示出在XZ平面中通过观察者的眼观察虚像面7的影像信息的情形。
如在图9A中可知，由于本实施方式的目镜光学系统5的作用，虚像面7被配置为相对于视野方向大到84度地倾斜。具体而言，在视野的上方(Y坐标的正侧)使虚像距离大到24.7m，在视野的下方(Y坐标的负侧)使虚像距离小到12.4m。实现了远距离/近距离＝2.0倍的广的虚像范围。挡风玻璃6为相对于汽车的左右方向对称的形状。
图10是第2实施方式的目镜光学系统的重要部分放大图。如图10所示，目镜光学系统5通过从偏光板21(液晶显示面板2的结构部件)侧起排列地配置凹透镜51、自由曲面透镜52、正的折射力的自由曲面凹面反射镜54以及挡风玻璃6而构成。
图11是为了说明液晶显示面板2的倾斜的方向而将光线描绘至液晶显示面板2的后方的缩小光学系统的光线图。在该光线图中，为了易于判别，仅显示了虚像距离远的一侧(远)、近的一侧(近)以及其中间的光线。可知与虚像面上的远距离点(远)共轭的液晶显示面板2上的点相比于与虚像面上的近远距离点(近)共轭的液晶显示面板2上的点，离背光灯1侧的光束光学性地远。即，可知与虚像面上的远距离点(远)共轭的液晶显示面板2上的点相比于与虚像面上的近远距离点(近)共轭的液晶显示面板2上的点，离自由曲面凹面反射镜54侧(挡风玻璃6侧)的光束光学性地近。
因此，该液晶显示面板2的倾斜的方向与使用图19说明的专利文献3中的屏幕的倾斜的朝向相反。
在此，“离光束光学性地远/近”的意思是相对于通过液晶显示面板2的光束远/近的意思，即使将液晶显示面板2的前后的空间用媒质填充或者配置光学部件，其物理的距离也不会影响。
图12是示出第2实施方式的平视显示器装置30的透镜数据的图。图13是第2实施方式的平视显示器装置30的自由曲面系数的图。
以下，按照水平方向、垂直方向的顺序示出第2实施方式的目镜光学系统的眼动范围尺寸、视场角等值。
[表2]
眼动范围8的尺寸 130mm×40mm
液晶显示面板2中的影像光的有效尺寸 67.4mm×30.1mm
视场角(全视角) 10度×4度
倾角 0.7度
虚像距离(L) 16.5m
虚像面相对于倾角的倾斜84度 84度
将凹透镜的焦距(－90mm)除以自由曲面凹面反射镜的焦距(188mm)而得到的值为－0.48。
接下来，使用图14A～图14E、图15、图16A以及图16B说明第2实施方式的光学性能。图14A～图14E是表示第2实施方式的平视显示器装置30的失真性能的图。更详细而言，图14A是基于相对于矩形形状的虚像范围而通过眼动范围8的中央的光线的液晶显示面板2侧的失真图。图14B、图14C、图14D、图14E是基于通过眼动范围8的右上角、左上角、左下角、右下角的各点的光线的液晶显示面板2侧的失真图。图15是第2实施方式的平视显示器装置30的光点图。图16A是各视角位置处的主光线Ray1与假想光线Ray0的角度偏差图。图16B是示出主光线与液晶显示面板2的法线的角度θ的图。基于图16A，假想光线Ray0是以与液晶显示面板2的长边平行的旋转轴为中心将液晶显示面板2的法线旋转了13度而成的直线。即表示相对于液晶显示面板2倾斜13度地配置照明光学系统。从图16A可知，角度偏差的最大值小到3.9度。
因此，根据本实施方式，通过使用了自由曲面凹面反射镜54、自由曲面透镜52以及凹透镜51的投影光学系统，使液晶显示面板2向与虚像光学系统中的沙姆定律相反的方向倾斜，从而能够提供实现了虚像面7的倾斜的平视显示器装置30。
<第3实施方式>
图23所示的第3实施方式在图像形成单元10的结构与第1实施方式、第2实施方式不同这点具有特征。图23是第3实施方式的平视显示器装置具备的图像形成单元的概略结构图。
在第1实施方式中，直接用目镜光学系统5放大液晶显示面板2的影像信息而显示为虚像。代替该图像形成单元10的结构，作为光源具备光阀，使用更小型的液晶显示面板2将该影像信息用中继光学系统3放大映射到屏幕板(扩散板)上，将该影像信息用目镜光学系统放大而显示为虚像。
更详细而言，从背光灯1被照射到液晶显示面板2的光束作为包含在液晶显示面板2显示的影像信息的影像光束而入射到中继光学系统3。由于中继光学系统3中的成像作用，液晶显示面板2上的影像信息被放大而被放大投射到屏幕板(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。背光灯1、液晶显示面板2、中继光学系统3以及屏幕板(扩散板)4将图像信息(影像信息)形成于屏幕板(扩散板)4上，所以将它们总称地称作图像形成单元10。
另外，屏幕板(扩散板)4由以2维状配置有微型透镜的微型透镜阵列构成。由此，扩散作用发生，增大了从屏幕板4射出的光束的扩散角，使眼动范围8的大小为预定的大小。此外，通过内置扩散粒子也能够实现屏幕板(扩散板)4的扩散作用。
<第4实施方式>
第4实施方式在图像形成单元10的结构与第1实施方式、第2实施方式不同这点具有特征。参照图24说明第4实施方式。图24是第4实施方式的平视显示器装置具备的图像形成单元的概略结构图。
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，但也可以代替该图像形成单元10的结构，而是通过对激光光源进行光扫描将光扫描图像形成于具有扩散功能的屏幕板4的方法。第4实施方式的图像形成单元10也可以将微计算电机系统(Micro Electro Mechanical Systems)用作光扫描部。将通过在该MEMS中使反射面旋转而使光线角度变动来进行光扫描的位置与出射光瞳位置对准地配置。MEMS102中的反射面的旋转中心位置构成为与在目镜光学系统5侧设想的位置对准。

Claims (14)

1.一种投影光学系统，包括：图像形成单元，形成图像信息并射出包含该图像信息的影像光；以及目镜光学系统，通过反射从所述图像形成单元射出的所述影像光而使虚像显示，所述投影光学系统的特征在于，
所述图像形成单元具备：
显示部，显示所形成的所述图像信息；以及
照射部，向所述显示部照射光束，
所述目镜光学系统沿着所述影像光的射出方向从所述图像形成单元侧起依次包括用于校正梯形失真的自由曲面透镜和具有正的折射力的自由曲面凹面反射镜，
使所述显示部倾斜以如下方式倾斜：在使虚像面倾斜而将虚像显示于远距离至近距离的范围的状态下，与所述虚像面处的远距离点共轭的所述显示部上的点相比于与所述虚像面处的近距离点共轭的所述显示部上的点，与所述照射部在光学上更远离。
2.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，
在所述图像形成单元与所述自由曲面透镜之间配置有凹透镜。
3.一种投影光学系统，包括：图像形成单元，形成图像信息并射出包含该图像信息的影像光；以及目镜光学系统，通过反射从所述图像形成单元射出的所述影像光而使虚像显示，所述投影光学系统的特征在于，
所述图像形成单元具备：
显示部，显示所形成的所述图像信息；以及
照射部，向所述显示部照射光束，
所述目镜光学系统沿着所述影像光的射出方向从所述图像形成单元侧起依次包括用于校正梯形失真的自由曲面透镜和具有正的折射力的自由曲面凹面反射镜，
在使虚像面倾斜而将虚像显示于远距离至近距离的范围的状态下，与所述虚像面处的远距离点共轭的所述显示部上的点相比于与所述虚像面处的近距离点共轭的所述显示部上的点，光学性地更接近所述自由曲面凹面反射镜。
4.根据权利要求3所述的投影光学系统，其特征在于，
在所述图像形成单元与所述自由曲面透镜之间配置有凹透镜。
5.一种平视显示器装置，包括：
图像形成单元，射出包含图像信息的影像光；以及
目镜光学系统，通过反射所述影像光而使虚像显示，
所述平视显示器装置的特征在于，
所述图像形成单元具备：
显示部，显示所形成的所述图像信息；以及
照射部，向所述显示部照射光束，
所述目镜光学系统沿着所述影像光的射出方向从所述图像形成单元侧起依次包括用于校正梯形失真的自由曲面透镜和具有正的折射力的自由曲面凹面反射镜，
使所述显示部以如下方式倾斜：在使虚像面倾斜而将虚像显示于远距离至近距离的范围的状态下，与所述虚像面处的远距离点共轭的所述显示部上的点相比于与所述虚像面处的近距离点共轭的所述显示部上的点，与所述照射部在光学上更远离。
6.根据权利要求5所述的平视显示器装置，其特征在于，
在所述图像形成单元与所述自由曲面透镜之间配置有凹透镜。
7.根据权利要求5所述的平视显示器装置，其特征在于，
所述图像形成单元包括作为所述照射部的背光灯和作为所述显示部的液晶显示面板。
8.根据权利要求5所述的平视显示器装置，其特征在于，
所述图像形成单元包括形成光阀的像的中继光学系统和具有扩散功能的屏幕板。
9.根据权利要求5所述的平视显示器装置，其特征在于，
所述图像形成单元包括激光光源、通过反射面的旋转对该激光光源进行光扫描的光扫描部以及具有扩散功能的屏幕板。
10.一种平视显示器装置，包括：
图像形成单元，射出包含图像信息的影像光；以及
目镜光学系统，通过反射所述影像光而使虚像显示，
所述平视显示器装置的特征在于，
所述图像形成单元具备：
显示部，显示所形成的所述图像信息；以及
照射部，向所述显示部照射光束，
所述目镜光学系统沿着所述影像光的射出方向从所述图像形成单元侧起依次包括用于校正梯形失真的自由曲面透镜和具有正的折射力的自由曲面凹面反射镜，
在使虚像面倾斜而将虚像显示于远距离至近距离的范围的状态下，与所述虚像面处的远距离点共轭的所述显示部上的点相比于与所述虚像面处的近距离点共轭的所述显示部上的点，光学性地更接近所述自由曲面凹面反射镜。
11.根据权利要求10所述的平视显示器装置，其特征在于，
在所述图像形成单元与所述自由曲面透镜之间配置有凹透镜。
12.根据权利要求10所述的平视显示器装置，其特征在于，
所述图像形成单元包括作为所述照射部的背光灯和作为所述显示部的液晶显示面板。
13.根据权利要求10所述的平视显示器装置，其特征在于，
所述图像形成单元包括形成光阀的像的中继光学系统和具有扩散功能的屏幕板。
14.根据权利要求10所述的平视显示器装置，其特征在于，
所述图像形成单元包括激光光源、通过反射面的旋转对该激光光源进行光扫描的光扫描部以及具有扩散功能的屏幕板。
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