CN110050222B - 虚像显示装置 - Google Patents

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CN110050222B CN201880004898.6A CN201880004898A CN110050222B CN 110050222 B CN110050222 B CN 110050222B CN 201880004898 A CN201880004898 A CN 201880004898A CN 110050222 B CN110050222 B CN 110050222B
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Abstract

虚像显示装置(10)包括对照明光进行调制并生成图像显示光的显示部(14)、以及投影光学系统(16)，投影光学系统(16)包括将图像显示光向虚像提示板(22)反射的凹面镜(18)、以及被配置在显示部(14)与凹面镜(18)之间的凸透镜(17)。显示部(14)被配置在比由虚像提示板(22)和投影光学系统(16)构成的合成光学系统(20)的子午面内焦点(26m)更靠近凸透镜(17)的位置。

Description

虚像显示装置
技术领域
本发明涉及虚像显示装置。
背景技术
近年来，有时使用平视显示器作为车辆用显示装置。平视显示器将图像显示光投影到车辆的挡风玻璃等上，将基于图像显示光的虚像重叠显示在车外的风景上。由于挡风玻璃中存在车内侧和车外侧这两个界面，因此在各自的界面上反射而被视认的图像显示光会偏移地重叠，有时会看到双重像。为了抑制这样的双重像的产生，以双重像的偏移量在人眼的分辨率以内的方式设定视距，并提出用于得到实现该视距的光学配置的数学式(例如，参照专利文献1)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭62-225429号公报。
发明内容
在上述技术中，为了减少双重像，以将视距设为20m左右为前提，该视距是在用户的前方看到的虚像的提示位置为止的视距。优选的是，即使在以更近的位置观察到虚像的方式提示虚像的情况下，也能够适当地减少双重像的产生。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种提高所提示的虚像的视认性的技术。
本发明的一个方式的虚像显示装置包括：显示部，对照明光进行调制，并生成图像显示光；以及投影光学系统。投影光学系统包括凹面镜，将图像显示光向虚像提示板反射；以及凸透镜，被配置在显示部与凹面镜之间。显示部被配置在比合成光学系统的子午面内焦点更靠近凸透镜的位置，合成光学系统包括虚像提示板和投影光学系统。
此外，以上的构成要素的任意组合、将本发明的构成要素或表述在方法、装置、系统等之间相互替换的实施方式，作为本发明的方式来说，也是有效的。
根据本发明，能够减少双重像的产生，从而提高虚像的视认性。
附图说明
图1是示意性地示出实施方式所涉及的虚像显示装置的构成的图；
图2是示出比较例所涉及的虚像显示装置的光学配置的图；
图3是示出比较例所涉及的虚像显示装置的光学配置的图；
图4是详细示出实施方式所涉及的虚像显示装置的光学配置的图；
图5的(a)～(c)是示意性地示出第一虚像、第二虚像以及第三虚像的样子的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。该实施方式所示的具体的数值等只不过是用于使发明的理解变得容易的示例，除了特别说明的情况以外，并不限定本发明。此外，在本说明书和附图中，针对具有实质上相同的功能、构成的要素标注相同符号，并省略重复说明，并且针对与本发明没有直接关系的要素，省略图示。
图1是示意性地示出实施方式所涉及的虚像显示装置10的设置方式的图。在本实施方式中，在作为移动体的一个例子的车辆60的仪表板(Dashboard)内设置虚像显示装置10。虚像显示装置10是所谓的平视显示装置。虚像显示装置10向作为虚像提示板的挡风玻璃62投影图像显示光，在车辆60的行进方向(图1的右方向)的前方提示虚像50。驾驶者等用户E能够经由挡风玻璃62视认与现实的风景重叠的虚像50。因此，用户E在车辆的行驶中几乎不移动视线就能够得到虚像50所示的信息。在图1中，将车辆60的行进方向(前后方向)设为z方向，将车辆60的垂直方向(上下方向)设为y方向，将车辆60的左右方向设为x方向。
虚像显示装置10具备照明部12、显示部14、投影光学系统16、驱动部19以及控制部40。照明部12是用于生成图像显示光的光源，并生成用于对显示部14进行照明的照明光。照明部12具有LED(Light Emitting Diode，光发射二极管)和LD(Laser Diode，激光二极管)等发光元件、以及用于调整来自发光元件的输出光的强度分布和角度分布的光学元件。照明部12对显示部14提供大致均匀亮度的白色光。照明部12的构成不受特别限制，但为了调整来自发光元件的输出光，例如可以使用光通道、菲涅耳透镜、光扩散板等光学元件。
显示部14对来自照明部12的照明光进行调制并生成图像显示光，并且形成与虚像50的显示内容对应的中间像。显示部14包括用于生成图像显示光的透射型的图像显示元件，并包括透射型的液晶面板这样的显示设备。图像显示元件接收从控制部40发送的图像信号，并生成与图像信号对应的显示内容的图像显示光。显示部14还可以包括用于调整图像显示光的方向或配光角的光学元件，例如还可以包括被称作微透镜阵列片或光扩散片这样的透射型屏幕。
投影光学系统16将显示部14所生成的图像显示光朝向挡风玻璃62投影。投影光学系统16包括凸透镜17和凹面镜18。凹面镜18将来自显示部14的图像显示光朝向挡风玻璃62反射，并放大被显示在显示部14上的中间像而提示给用户E。凸透镜17配置在显示部14和凹面镜18之间，改变从显示部14朝向凹面镜18的图像显示光的方向。
投影光学系统16还可以包括未图示的追加的光学元件，例如，还可以设置用于使从照明部12到凹面镜18的光路折返的平面镜等。追加的平面镜可以配置在照明部12和显示部14之间，也可以配置在显示部14和凸透镜17之间，还可以配置在凸透镜17和凹面镜18之间。在投影光学系统16中还可以设置两个以上的平面镜。另外，凸透镜17可以由透镜组构成，该透镜组由多个透镜构成。
驱动部19被构成为改变凹面镜18的角度。驱动部19调整凹面镜18的方向，从而使虚像50的视线方向A变化。由此，能够向不同眼睛高度的用户E适当地提示虚像50。
控制部40生成显示用图像，并使照明部12、显示部14以及驱动部19动作，以提示与显示用图像对应的虚像50。控制部40与外部装置64连接，基于来自外部装置64的信息生成显示用图像。
外部装置64是生成显示为虚像50的图像的原始数据的装置。外部装置64例如为：车辆60的电子控制单元(ECU：Electronic Control Unit)、导航装置；移动电话、智能手机、平板电脑等的移动装置等。外部装置64将虚像50的显示所需的图像数据、表示图像数据的内容或种类的信息、车辆60的速度或当前位置等的与车辆60相关的信息发送给控制部40。
在本实施方式中，通过将显示部14配置在预定位置，抑制如下情况：在挡风玻璃62的车内侧和车外侧这两个界面上反射而被视认的图像显示光偏移地显示，从而看起来是双重像。在对实施方式所涉及的显示部14的配置进行详细说明之前，参照比较例，对这样的双重像的产生进行说明。
图2是示出比较例所涉及的虚像显示装置110的光学配置的图，示意性地示出双重像产生的状态。虚像显示装置110具备以与上述实施上方式相同的方式构成的显示部114以及凹面镜118。凹面镜118将来自显示部114的图像显示光L投影给作为挡风玻璃62的虚像提示板22。虚像提示板22具有预定的厚度t，并具有第一主面23和第二主面24。第一主面23与挡风玻璃62的车内侧的界面对应，第二主面24与挡风玻璃62的车外侧的界面对应。
投影到挡风玻璃62的图像显示光L主要通过两个光路L1、L2而朝向用户E。第一光路L1是被第一主面23反射并朝向用户E的光路，第二光路L2是在第一主面23折射并被第二主面24反射之后，在第一主面23上再次折射朝向用户E的光路。此时，当朝向用户E的第一光路L1与第二光路L2之间存在角度差Δφ时，根据该角度差Δφ，分别通过两个光路L1、L2的图像显示光被偏移地视认，并在虚像150上产生双重像。此外，也可以设想在第一主面23和第二主面24之间多次反射之后朝向用户E的光路，但由于在多次反射之后朝向用户E的图像显示光的分量较小，因此在通常的使用方式中可以忽略。
图3是示出比较例所涉及的虚像显示装置110的光学配置的图，示意性地示出使用与图2不同的虚像提示板222来抑制双重像的情况。图3所示的虚像提示板222被称为所谓的“楔形玻璃”，并被构成为虚像提示板222的厚度会发生变化。其结果是，虚像提示板222的第一主面223和第二主面224相对于虚像显示装置110具有相互不同的倾斜角，被设置成角度差δ。通过使用在两个主面223、224之间设置有角度差δ的楔形玻璃，对如图2所示的第一光路L1与第二光路L2的角度差Δφ进行修正，能够提示减少了双重像的虚像250。
但是，这样的“楔形玻璃”需要精密地控制角度差δ来形成，因此与厚度t均匀的通常的玻璃相比价格较高。另外，在将车辆60的挡风玻璃62作为楔形玻璃的情况下，不仅需要与车辆60的形状对应的专用的楔形玻璃，还需要更换整个挡风玻璃62，因此成本非常高。因此，优选的是，不使用这样的特殊的楔形玻璃就能够减少双重像的产生。
图4是详细示出实施方式所涉及的虚像显示装置10的光学配置的图，对应于上述的图1的构成。在图4中，作为虚像提示板22，使用厚度t均匀的普通玻璃而不是楔形玻璃。在本实施方式中，通过在显示部14与凹面镜18之间插入凸透镜17、并将显示部14配置在适当的位置，抑制双重像的产生。通过在比合成光学系统20的子午(meridional)面内焦点16m更靠近凸透镜17的位置处配置显示部14，能够使得难以看到双重像，其中，合成光学系统20包括投影光学系统16和虚像提示板22。这里的“子午面”是指，包含合成光学系统20的光轴和图像显示光L的主光线的平面，在图4所示的例子中，yz平面相当于子午面。
在合成光学系统20中，由于图像显示光L以角度θ斜入射到凹面镜18，因此产生像散差As。其结果是，合成光学系统20的子午面内焦点26m与弧矢(sagittal)面内焦点26s的位置不同，子午面内焦点26m位于比弧矢面内焦点26s更靠近凸透镜17的位置。这里的“弧矢面”是指，包含合成光学系统20的光轴的平面且与子午面正交的平面。合成光学系统20的合成焦点26f位于子午面内焦点26m与弧矢面内焦点26s之间。
合成光学系统20的焦点由构成合成光学系统20的凸透镜17、凹面镜18以及虚像提示板22的特性和配置来决定。具体而言，由凸透镜17的焦距、凹面镜18的焦距、虚像提示板22的焦距、凸透镜17、凹面镜18以及虚像提示板22的相对距离或方向来决定。此时，虚像提示板22可以具有如下形状：具有预定曲率、且第一主面23为凹面、第二主面24为凸面的形状；或者第一主面23和第二主面24为平面的形状。此外，在图4所示的合成光学系统20的各焦点26f、26m、26s的位置是示意性地示出的，并不表示基于合成光学系统20的准确的焦点位置。
在本实施方式中，由于显示部14比合成光学系统20的各焦点26f、26m、26s向跟前侧(凸透镜17侧)远离配置，因此从用户E侧观察时在有限的视距内提示虚像50。另外，由于存在像散差As，因此在从用户E侧观察时，看起来在横向(弧矢面内)上聚焦的第一虚像51s、以及看起来在纵向(子午面内)上聚焦的第三虚像53m被提示在深度方向上的不同位置。更具体而言，子午面内的焦距比弧矢面内的焦距短，显示部14被配置在子午面内焦点26m的附近而不是弧矢面内焦点26s的附近，因此看起来在弧矢面内聚焦的第一虚像51s位于跟前侧、在子午面内聚焦的第三虚像53m位于里侧。另外，看起来在纵向和横向上都聚焦的第二虚像52f位于第一虚像51s与第三虚像53m之间。
图5的(a)～(c)是示意性地示出第一虚像51s、第二虚像52f、第三虚像53m的样子的图，示意性地示出虚像提示位置的图像显示光的斑点形状。在图5的(a)～(c)中，第一斑点55s、55f、55m与第一光路L1的图像显示光对应，第二斑点56s、56f、56m与第二光路L2的图像显示光对应。
图5的(a)示意性地示出第一虚像51s的斑点形状。在第一虚像51s中，由于在横向(x方向)上聚焦、但在纵向(y方向)上不聚焦，因此具有纵向长的斑点形状。因此，即使分别由虚像显示板22的第一主面23和第二主面24反射的图像显示光的光路L1、L2在上下方向上偏移，如图的(a)所示，斑点看起来在上下方向上连续。
图5的(b)示意性地示出第二虚像52f的斑点形状。在第二虚像52f中，纵向和横向上均聚焦，并具有纵向和横向的斑点直径之差小的圆形或椭圆的斑点形状。在图示的例子中，第一斑点55f和第二斑点56f看起来在上下方向上重叠。
图5的(c)示意性地示出第三虚像53m的斑点形状。在第三虚像53m中，由于在纵向上聚焦、但在横向上不聚焦，因此具有横向长的斑点形状。其结果是，第一光路L1和第二光路L2在上下方向上偏移，如图5的(c)所示，斑点看起来在上下方向上分离。其结果是，第三虚像53m与上述的第一虚像51s和第二虚像52f相比，以容易看到双重像的方式提示。
在本实施方式中，如图4所示，第一虚像51s被提示在跟前侧、且第三虚像53m被提示在里侧，因此认为用户E主要聚焦在跟前侧的第一虚像51s或中间的第二虚像52f上。如此，通过提高难以看到双重像的方式的第一虚像51s或第二虚像52f的视认性、而降低容易看到双重像的方式的第三虚像53m的视认性，能够适当地降低虚像50的双重像。
此外，为了适当实现上述的作用效果，需要适当地设定合成光学系统20的像散差As。假如像散差As过小的情况下，从第一虚像51s到第三虚像53m的距离变短，从而用户E也会聚焦到第三虚像53m，双重像的降低效果可能降低。另一方面，在像散差As过大的情况下，虚像50的成像性能下降，并且虚像50看起来模糊。
如果合成光学系统20的合成焦距f为恒定，则合成光学系统20的像散差As的大小主要依赖于凹面镜18的焦距f1和凹面镜18中的图像显示光L的入射/反射角θ。具体而言，凹面镜18的焦距f1越小(即，凹面镜18的聚光力1/f1越大)，并且入射/反射角θ越大，像散差As越大。由于虚像显示装置10的光学配置的限制，难以将入射/反射角θ设定为接近0度的值，入射/反射角θ的值为10度～45度左右的范围，通常为20度～35度左右。因此，在适当地设定像散差As的值时，需要主要调整凹面镜18的焦距f1。
根据本发明的发明人的研究，在想要仅仅使用凹面镜18作为投射光学系16来设定适当的像散差As的情况下，需要将凹面镜18的焦距f1设为100mm～500mm左右。但是，若将凹面镜18的焦距f1设为较小，则凹面镜18的曲率增加，导致虚像50的失真增加。由此，本发明的发明人想到通过在显示部14与凹面镜18之间设置凸透镜17，一定程度上增加凹面镜18的焦距的同时，减小合成光学系统20的像散差As。更具体而言，通过将凹面镜18的焦距f1设为比凸透镜17的焦距f2大，确保合成光学系统20作为整体的虚像50的放大率，并减小像散差As。另一方面，若增加凹面镜18的焦距f1从而导致凹面镜18的聚光力1/f1过小，则像散差As实质上难以产生，因此需要使凹面镜18具有一定程度的曲率。根据本发明的发明人的研究，优选将凹面镜18的焦距f1设为凸透镜17的焦距f2的1.1倍以上且5倍以下，更优选设为1.5倍以上且3倍以下。当举出具体的数值例时，凹面镜18的焦距f1为500mm～2000mm左右，凸透镜17的焦距f2为200mm～600mm左右。该情况下的合成光学系统20的合成焦距f成为150mm～500mm左右，合成光学系统20的像散差As成为4mm～40mm左右。
针对如上所述的方式构成的合成光学系统20，通过将显示部14配置在适当的位置，能够以适当的视距和放大率提示虚像50。具体而言，优选将合成光学系统20的子午面内焦点26m与显示部14之间的距离d设为合成光学系统20的子午面内焦距fM的5％～20％左右。例如，如果将虚像50的放大率设为β，则合成光学系统20的子午面内焦点26m与显示部14之间的距离d能够记述为d＝fM/β。
接着，对凹面镜18的方向变化的情况下的虚像50的样子进行说明。当凹面镜18的方向变化而入射/反射角θ变化时，根据其变化量而像散差As的值也变化。具体而言，当入射/反射角θ增加时，像散差As增加，第一虚像51s与第三虚像53m之间的距离也增加。其结果是，当入射/反射角θ以增加的方式变化时，虚像50的样子向进一步减轻双重像的方向变化。另一方面，当入射/反射角θ减小时，像散差As减小，因此虚像50的样子向容易看到双重像的方向变化。另一方面，通过像散差As的减小，虚像50的成像性能提高，因此会成为模糊较少的虚像50。因此，在使用如上所述的合成光学系统20、从平衡了双重像的产生量和虚像50的成像性的位置、在预定范围内改变凹面镜18的角度θ时，可以不破坏两者的平衡而调整虚像50的视线方向A。
通过以上的构成，根据本实施方式，通过使用组合了凸透镜17和凹面镜18的投射光学系统16，能够将合成光学系统20的合成焦距f和像散差As设为适当的值。由此，防止虚像50的成像性能的过度降低的同时，将第一虚像51s和第三虚像53m提示在深度方向上的不同的位置，能够以难以看到双重像的方式提示虚像50。因此，根据本实施方式，无需使用楔形玻璃这样的昂贵的部件，能够适当地降低虚像50的双重像的产生。
根据本实施方式，由于显示部14从合成光学系统20的合成焦点26f偏移，因此能够将用户E观察时的虚像50的视距设为有限值。其结果是，能够提高与在有限距离处看到的风景重叠的虚像50的视认性。根据本实施方式，例如能够将虚像50的提示位置设在2m～10m左右相对较近的位置，而不是20m左右的远处。
以上，参照上述实施方式而说明了本发明，但本发明不限于上述实施方式，适当组合或替换了各显示例所示的构成的方式也包含于本发明中。
符号说明
10…虚像显示装置、14…显示部、16…投影光学系统、17…凸透镜、18…凹面镜、20…合成光学系统、22…虚像提示板、26m…子午面内焦点、50…虚像。
工业应用性
根据本发明，能够减少双重像的产生，从而提高虚像的视认性。

Claims (3)

1.一种虚像显示装置，其特征在于，包括：
显示部，对照明光进行调制，并生成图像显示光；以及
投影光学系统，具有：
凹面镜，将所述图像显示光向厚度均匀的虚像提示板反射；以及
凸透镜，被配置在所述显示部与所述凹面镜之间，
所述显示部被配置在比合成光学系统的子午面内焦点更靠近所述凸透镜的位置，所述合成光学系统包括所述虚像提示板和所述投影光学系统，
所述子午面内焦点位于比弧矢面内焦点更靠近所述凸透镜的位置，
所述凹面镜的焦距是所述凸透镜的焦距的1.5倍以上且3倍以下。
2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于，
当将所述合成光学系统的虚像的放大率设为β、将所述合成光学系统的子午面内焦距设为fM时，所述显示部被配置在距所述合成光学系统的子午面内焦点的距离为d=fM/β的位置。
3.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于，
所述虚像提示板是被设置在车辆上的厚度均匀的挡风玻璃。
CN201880004898.6A 2017-06-30 2018-03-19 虚像显示装置 Active CN110050222B (zh)

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