CN110869835A - 投影光学系统和平视显示装置 - Google Patents

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平田浩二
星野茂树
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Hitachi Industry and Control Solutions Co Ltd
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Abstract

本发明的目的是在确保远心性的同时实现平视显示装置的小型化。本发明的投影光学系统包括目镜光学系统(5)，该目镜光学系统(5)使从用于形成图像信息的图像形成单元出射的光折射和反射来显示虚像，目镜光学系统(5)从具有液晶显示面板(2)的图像形成单元(10)一侧起依次至少配置有凹透镜(52)、反射镜(53)和凹面反射镜(54)。平视显示装置包括该投影光学系统(5)。

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平视显示装置。
背景技术
已知一种平视显示装置，其能够向汽车、飞机等移动体所具有的防风罩(挡风玻璃)投射图像，通过挡风玻璃将投影的图像作为虚像来观察。
例如专利文献1中，作为现有的平视显示装置，公开了一种“包括从投射型的液晶显示面板的背后照射光，将显示于液晶显示面板的图像放大投影的投影光学系统(摘要摘录)”的装置。
此外，专利文献2公开了“一种显示装置，其从显示器起在观察者的光路上依次具有第1反射镜和第2反射镜，(引导至所述观察者的视点区域显示虚像，)满足条件式θx＞θy(θx：第1反射镜的图像长轴方向的入射角，θy：第1反射镜的图像短轴方向的入射角)，0.2＜D1/Lh＜0.9(D1：显示器件的图像显示面与第1反射镜的间隔(视点区域的中心的光路长)，Lh：观察者可见的虚像的水平方向的宽度)(摘要摘录)”。
进而，专利文献3中公开了一种车辆用显示装置，其包括“修正部件，该修正部件设置在挡风玻璃与显示器件之间，使向挡风玻璃投射的图像透射而对该图像进行修正，以抵消因投影区域的非平面性而在从眼点可见的图像中产生的畸变(摘要摘录)”。
进而，非专利文献1公开了一种平视显示装置，其为了修正因凹面反射镜而产生的畸变，配置了倾斜的屏幕和作为物镜的凸透镜。
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:美国专利申请公开第2016/195719号说明书
专利文献3:美国专利申请公开第2002/084950号说明书
非专利文献
非专利文献1:PIONEER R&D(Vol.22，2013)
发明内容
在专利文献2公开的平视显示装置例中，通过使显示器件和旋转非对称反射镜在水平方向上错开地配置来提供薄型的平视显示装置。但是，在专利文献2的实施例1中，虚像尺寸为140×70mm，横向较长，具有垂直方向尺寸的2倍的光束尺寸，在水平方向折弯光束。因此，折弯反射镜变大，即使是薄型的平视显示装置，平视显示装置的体积难以小型化。
在专利文献3公开的平视显示装置例中，公开了对因挡风玻璃的投影区域的非平面性而产生的畸变进行修正的内容，但是没有关于因非专利文献1公开的凹面反射镜而产生的畸变的对策。在该非专利文献1中，为了修改因凹面反射镜而产生的畸变，配置了倾斜的屏幕和作为物镜的凸透镜，但是没有满足关于专利文献1公开的液晶显示面板的远心性的性能。这样，关于投影光学系统和平视显示装置，实际情况是，为了确保必要的性能并实现装置的小型化，需进一步改善。
本发明就是鉴于上述的问题而完成的，其目的是确保远心性，并实现平视显示装置的小型化。
用于解决技术问题的技术方案
为了解决上述技术问题，本发明具有要求的权利范围所记载的结构。本发明的一个方式的投影光学系统，其包括目镜光学系统，该目镜光学系统使从用于形成图像信息的图像形成单元出射的光折射和反射来显示虚像，所述投影光学系统的特征为，所述目镜光学系统从所述图像形成单元一侧起依次至少配置有凹透镜、反射镜和凹面反射镜。
发明的效果
依照本发明，能够确保远心性并实现平视显示装置的小型化。上述以外的技术问题、结构和效果，根据以下的实施方式的说明而清晰。
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主要部位放大图。
图3是表示第1实施方式的平视显示装置的透镜数据的图。
图4是第1实施方式的目镜光学系统的自由曲面系数的图。
图5是从第1实施方式的眼动范围的指定部位看到的畸变性能的图。
图6是第1实施方式的目镜光学系统的各色的点图。
图7A是表示第1实施方式的主光线的角度偏移的图。
图7B是表示主光线Ray1与虚拟光线Ray0的角度θ的图。
图7C是表示液晶显示面板、偏振单元和凹透镜的排列顺序的图。
图8A是第2实施方式的目镜光学系统的整体光线图(YZ平面)。
图8B是第3实施方式的目镜光学系统的整体光线图(XZ平面)。
图9是第2实施方式的目镜光学系统的主要部位放大图。
图10是表示第2实施方式的目镜光学系统的透镜数据的图。
图11是第2实施方式的目镜光学系统的自由曲面系数的图。
图12是表示从第2实施方式的眼动范围的指定部位看到的畸变性能的图。
图13是第2实施方式的目镜光学系统的各色的点图。
图14A是表示第2实施方式的主光线的角度偏移的图。
图14B是表示主光线Ray1与虚拟光线Ray0的角度θ的图。
图14C是表示液晶显示面板、偏振单元和凹透镜的排列顺序的图。
图15是平视显示装置的光瞳位置的说明图。
图16是表示本实施方式中的平视显示装置的例子的图像形成单元的概略结构图。
图17是表示本实施方式中的平视显示装置的另一例子的图像形成单元的概略结构图。
图18是表示本实施方式中的平视显示装置的又一例子的图像形成单元的概略结构图。
图19是图像形成单元的功能框图。
图20是平视显示装置在汽车上的投影区域的说明图。
具体实施方式
下面，使用附图等对本发明的一个实施方式和各种实施例进行说明。下面的说明是本发明的内容的具体例子，本发明并不限定于下面的说明，在本说明书记载的技术思想的范围内，本领域技术人员能够进行各种改变和修改。此外，在用于说明本发明的所有附图中，对于具有相同的功能的部位，赋予相同的附图标记，有时会省略其重复说明。
使用图16对平视显示装置30的基本结构进行说明。图16是表示本实施方式的平视显示装置的例子的图像形成单元的概略结构图。
图16所示的平视显示装置30，利用汽车(未图示)的挡风玻璃6，使从包括图像形成单元10和目镜光学系统5的投影光学系统20出射的影像光反射而入射至观察者的眼睛9。更详细而言，从目镜光学系统一侧观看时，目镜光学系统的图像形成单元侧的光瞳位置在液晶显示面板2的前方，并且图像形成单元10的目镜光学系统一侧的光瞳位置在液晶显示面板2的跟前。采用这样的结构，从观察者的眼睛9观看时，成为像是在虚像面7观看图像信息的状态。
首先，参照图19对图像形成单元10进行说明。图19是图像形成单元的功能框图。如图19所示，图像形成单元10包括液晶显示面板2、背光灯1和控制它们的动作的控制器200。图像形成单元10从背光灯1对液晶显示面板2照射光，将显示于液晶显示面板2的图像信息(影像信息)向目镜光学系统5出射。
控制器200包括控制装置201。各种信息从外部装置被输入至该控制装置201。例如，生成并输出关于安装了平视显示装置30的移动体的动作的信息的导航装置即导航仪208、以及控制移动体的动作的ECU(Electronic Control Unit：电子控制单元)209连接。移动体所具有的各种传感器210与ECU209连接，将检测到的信息通知ECU209。
控制器200包括：对来自之前说明了的外部装置的各种数据进行处理的控制装置201；和用于驱动背光灯1的背光灯驱动电路207。
控制装置201包括微机202和与微机202连接的存储装置206。
微机202包括：用于存储来自外部装置的各种数据的RAM(Randam AccsessMemory：随机访问存储器)203；执行生成图像数据的运算处理的CPU(Central ProsessingUnit：中央处理器)205，该图像数据是观察者可见的虚像的基础的数据；和存储可执行CPU205的运算处理的程序和参数的ROM(Read Only Memory：只读存储器)204。
利用具有以上结构的控制器200，图像形成单元10所具有的液晶显示面板2显示图像信息。图像形成单元10利用背光灯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出射。
返回至图16。在图像形成单元10形成而出射的影像光束，通过目镜光学系统5被向挡风玻璃6投射。投射至挡风玻璃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，从观察者的眼睛9看时，如同正在看虚像面7的图像信息的关系成立。
如图16那样，在液晶显示面板2的影像光束的出射面考虑点Q1、点Q2、点Q3这样的虚拟点。当考虑与从这些虚拟点出射的影像光束对应的虚像面7上的虚拟点时，如图16所示，点V1、点V2、点V3符合。即使观察者移动眼睛9的位置，能够视认虚像面7上的点V1、点V2、点V3的范围是眼动范围8。这样，目镜光学系统5与摄像机的取景器的目镜透镜、以及显微镜中的的目镜透镜同样是将物(空间像)的像(虚像)显示在观察者的眼睛9前的光学系统。
这里，使用图20对本实施方式的平视显示装置30安装在移动体上的情况的例子进行说明。图20是从前方观看作为移动体的汽车500时的平面图。在图20所示那样的汽车500上，作为防风罩，挡风玻璃(front glass)6配置在驾驶座的前方。
平视显示装置30通过将影像光束投影于挡风玻璃6，形成处于驾驶座的观察者能够作为虚像看到关于汽车500的动作的各种信息的状态。影像光束被投影的位置是驾驶座的前方及其周围。例如，影像光束被投影至虚线矩形区域R1所示的位置。
接着对基于平视显示装置30的基本结构的特征进行说明。
如在专利文献1的第5页(说明书段落[0022])记载的“中继透镜使从液晶显示面板出射的远心性的显示光聚光”那样，在通常的液晶显示面板2和背光灯1的组合结构中，在液晶显示面板2的入射出射侧为远心。
为了满足图15的液晶显示面板2侧的该远心(出射光瞳距离无限大)，有必要在液晶显示面板2的跟前，作为物镜配置为负的光焦度(power)的凹透镜。
关于该物镜的作用，使用图15进行说明。图15是平视显示装置的光瞳位置的说明图。在图15的上层，将光圈1008配置在从凸透镜1054起离开凸透镜1054(相当于凹面反射镜54)的焦距以上的间距的位置，从光圈1008的中心透射的主光线，在凸透镜1054受到大的光焦度，主光线收敛而向像面1002入射。同时，因在凸透镜1054产生的象差，与像面1002处的近轴光线的高度h0相比，实际光线的光线高度h较小，因此在像面1002产生桶形的畸变。
在图15的中层，为了显示聚光位置1001，光线追踪图显示至像面1002的前方，能够确认到远心性变差。
图15的下层表示用于修正远心性和畸变的基本结构。与图15的中层相比较，通过将具有与像面1002同聚光位置1001之间的距离相当的焦距的凹透镜1052配置在像面1002之前，主要能够改善远心性。
这里，通过配置凹透镜1052之外的具有自由曲面形状的光学元件1053，光学元件1053与凹透镜1052的位置的不同，即光线高度的不同，对远心性和畸变的修正是有效的。
自由曲面形状的光学元件1053由于包含XY多项式，详细的定义式在后面说明，因此能够具有左右非对称、上下非对称的作用，对于因挡风玻璃6而产生的左右非对称及上下非对称的畸变性能的修正也是有效的。
此外，作为期望的条件，为了将凹透镜1052靠近液晶显示面板2地配置，通过使凹透镜1052的靠近液晶显示面板2的一侧的面为平面，容易保持凹透镜1052和液晶显示面板2。假如相反地使凹透镜1052的靠液晶显示面板2侧的面为凹面，则凹面的端部靠近液晶显示面板2，因此需要使凹透镜1052自身离开液晶显示面板2地配置。进而，与液晶显示面板2上的影像光的有效尺寸相比，液晶显示面板2上的像素的可显示范围较大，并且在其外侧还存在结构物，包含这些，为了避免与凹透镜1052的结构干扰，越发需要使凹透镜1052离开液晶显示面板2地配置。
接着，对使用能够实现小型的平视显示装置30的凹面反射镜54、反射镜53和凹透镜52的投影光学系统的第1实施方式进行说明。
＜第1实施方式＞
第1实施方式的特征在于图16的平视显示装置30中的目镜光学系统5的结构。参照图1，对构成投影光学系统的挡风玻璃6和目镜光学系统5进行说明。图1是第1实施方式的目镜光学系统5的整体光线图，图1A表示在由眼动范围8的水平方向X轴、垂直方向Y轴和与XY轴正交的Z轴定义的YZ平面中观察者的眼睛9观看虚像面7的影像信息的情形，图1B表示在XZ平面中观察者的眼睛9观看虚像面7的影像信息的情形。在YZ平面中右眼与左眼重合(参照附图标记9)，在XZ平面中能够分别看到右眼和左眼。由于挡风玻璃6在汽车的左右方向上为对称的形状，因此平视显示装置30的有效光束通过的挡风玻璃6的范围左右对称地显示。
图2是第1实施方式的目镜光学系统的主要部位放大图。如图2所示，目镜光学系统5通过从液晶显示面板2侧起排列配置偏振单元51、凹透镜52、反射镜53、正的光焦度的凹面反射镜54和挡风玻璃6而构成。目镜光学系统5的光焦度主要由凹面反射镜54承担。在凹透镜52主要实现远心性，并且配合反射镜53修正畸变。通过使反射镜53位于挡风玻璃6与凹面反射镜54之间的光路之下(在Y轴上处于下侧)，主要使影像光的光路向Z方向折弯，缩短在整个光路长中所占的Z方向的长度。由此，可知实现了平视显示装置30的小型化。
偏振单元51在2片平板之间的空间设置了线栅(wire grid)状的偏振元件，通过使与从液晶显示面板2出射的影像光不同的偏振光衰减，即使在太阳光聚光在液晶显示面板2上的情况下，也能够抑制液晶显示面板2的温度上升。
图3是表示第1实施方式的平视显示装置30的透镜数据的图。在图3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处于行进方向上的情况，面间距离表示从各面的顶点位置至下一个的面的顶点位置的光轴上的距离。在反射光学系统中，在面间距离为负值的部位中，曲率半径的符号相反。
偏心是X轴方向、Y轴方向、Z轴方向各自的值，偏离是绕X轴的旋转、绕Y轴的旋转、绕Z轴的旋转，偏心、偏离在对应的面按偏心和偏离的顺序作用，在“普通偏心”的情况下，下一个面配置在偏心、偏离所作用的新的坐标系上的面间距离的位置。偏心与回归(Decenterand return)的偏心和偏离仅在该面作用，对下一个面不影响。绕X轴的旋转在从X轴的正方向看时为顺时针旋转，为正，绕Y轴的旋转在从Y轴的正方向看时为顺时针旋转，为正，绕Z轴的旋转在从Z轴的正方向看时为逆时针旋转，为正。
玻璃名称54.57表示折射率为1.54、阿贝值为57的材料，玻璃名称50.30表示折射率为1.50、阿贝值为30的材料，玻璃名称52.649表示折射率为1.52、阿贝值为64.9的材料。
在本实施方式中，使凹面反射镜54和反射镜53为自由曲面形状，不仅能够确保远心性，而且能够实现后述的良好的畸变性能和点图。
图4是第1实施方式的目镜光学系统的自由曲面系数的图。图4的自由曲面系数通过下式(1)求取。
[式1]
Figure BDA0002337911210000081
自由曲面系数Cj是关于各自的光轴(Z轴)旋转非对称的形状，是用圆锥项的成分和XY的多项式的项的成分定义的形状。例如，在X为2次(m＝2)、Y为3次(n＝3)的情况，与为j＝{(2+3)2+2+3×3}/2+1＝19的C19的系数对应。此外，自由曲面的各自的光轴的位置根据图3的透镜数据的偏心、偏离的量而决定。
下面，按水平方向、垂直方向的顺序表示第1实施方式的目镜光学系统的眼动范围尺寸和视野角等的值。
眼动范围尺寸120×60mm
液晶显示面板的影像光的有效尺寸36.1×19.5mm
虚像尺寸489×209mm
视野角(全视角)7×3度
伏角2.9度
虚像距离4.0m(伏角方向)
接着，使用图5～图7对第1实施方式的光学性能进行说明。
图5是表示从第1实施方式的眼动范围的指定部位看到的畸变性能的图。图5的畸变性能是相对于矩形状的虚像面7的范围，通过眼动范围8的中央和4角的光线在液晶显示面板2侧的畸变图。假设以在液晶显示面板2侧显示了矩形状的图像的状态，眼睛9处于眼动范围8内的各个位置的情况下，能够观察到与图5相反的畸变(例：桶形
Figure BDA0002337911210000091
线管形)。由于图5的各个畸变图为大致相同的形状，因此通过将与图5的畸变图一致的影像显示在液晶显示面板2，观察者能够用左右眼观察没有畸变的矩形状的虚像。
图6是第1实施方式的目镜光学系统的各色的点图。图6是在虚像面配置了物点的情况下的液晶显示面板2上的点图，是按照红色(650nm)、绿色(550nm)、蓝色(450nm)分别显示了通过眼动范围8整体的光束所产生的点图的图。在该点图中，眼动范围8的大小为水平120mm×垂直60mm的全光束的点图，在为实际的观察者观看的虚像的情况下，人眼的虹膜的大小(认为最大为φ7mm)的点图大幅变好。这里，点图是以虚像为物面的缩小光学系统的、将液晶显示面板2的各位置处的点图放大了5倍进行强调的图。
图7A是在各画角位置的主光线Ray1与虚拟光线Ray0的角度偏移图。图7B是表示主光线Ray1与虚拟光线Ray0形成的角度θ的图。图7C是表示液晶显示面板、偏振单元和凹透镜的排列顺序的图。
如图7B所示，虚拟光线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19度后得到的直线。即，意味着相对于液晶显示面板2，使照明光学系统倾斜19度地配置。由此，太阳位于汽车500的上方，即使在透过挡风玻璃6的太阳光在凹面反射镜54反射而到达了液晶显示面板2的情况下，由于太阳光倾斜地入射至液晶显示面板2，因此其反射光向与凹面反射镜54不同的方向反射，不会到达眼动范围8。此外，之所以如图7B、图7C所示的那样相对于光束倾斜地配置液晶显示面板2，是因为在太阳位于凹面反射镜54与挡风玻璃6之间的光线的延长上的情况下，透过作为半透射面的挡风玻璃的太阳光到达液晶显示面板2，为了使得由液晶显示面板2反射了的太阳光的像不会与虚像重合地显示，而使液晶显示面板2倾斜。此外，该条件在液晶显示面板2的全部光束范围内是必要的，如图7A那样在二维状的位置进行评价。
依照本实施方式，通过凹透镜的作用以及使凹面反射镜和反射镜中的至少一个为自由曲面形状，能够确保远心性，并通过在凹面反射镜与凹透镜之间配置反射镜，能够实现投影光学系统的小型化。其结果是，还能够实现平视显示装置30的小型化。
＜第2实施方式＞
第2实施方式的特征在于目镜光学系统5的结构与第1实施方式不同。第2实施方式是设想与行驶中的前方车辆的距离，将虚像距离大幅度地增大至20m的平视显示装置30的实施方式。
图8是第2实施方式的目镜光学系统5的整体光线图，图8A表示在由眼动范围8的水平方向X轴、垂直方向Y轴和与XY轴正交的Z轴定义的YZ平面中观察者用眼睛9观看虚像面7的影像信息的情形，图8B表示在XZ平面中观察者用眼睛9观看虚像面7的影像信息的情形。
图9是第2实施方式的目镜光学系统的主要部位放大图。如图9所示，目镜光学系统5从液晶显示面板2侧起包括排列偏振单元51、凹透镜52、反射镜53、正的光焦度的凹面反射镜54和挡风玻璃6。
在本实施方式中，通过使凹面反射镜54和反射镜53为自由曲面形状，不仅确保了远心性，而且实现了后述的良好的畸变性能。
图10是表示第2实施方式的目镜光学系统的透镜数据的图。图11是第2实施方式的目镜光学系统的自由曲面系数的图。
下面，按水平方向、垂直方向的顺序表示第2实施方式的目镜光学系统的眼动范围尺寸和视野角等的值。
眼动范围尺寸130×40mm
液晶显示面板的影像光的有效尺寸68.0×25.2mm
虚像尺寸3500×943mm
视野角(全视角)10.0×2.7度
伏角2.376度
虚像距离20.0m
接着，使用图12～图14对第2实施方式的光学性能进行说明。图12是表示从第2实施方式的眼动范围的指定部位看到的畸变性能的图。图13是第2实施方式的目镜光学系统的各色的点图。图14A是表示第2实施方式的主光线的角度偏移的图。图14B是表示主光线Ray1与虚拟光线Ray0的角度θ的图。图14C是表示液晶显示面板、偏振单元和凹透镜的排列顺序的图。
如图14B所示，虚拟光线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14度的直线。即，表示相对于液晶显示面板2，将照明光学系统倾斜14度地配置。这里，角度14度比第1实施方式的19度小的理由是，在第2实施方式中增大了液晶显示面板2上的影像光的有效尺寸。其结果是，液晶显示面板2侧的F值变大。即，由于液晶显示面板2侧的立体角变小，因此即使令角度为14度，太阳光的反射光也不会到达眼动范围8。
因此，依照本实施方式，采用使用了凹面反射镜和凹透镜的投影光学系统，能够提供大的虚像距离的平视显示装置30。
此外，本实施方式也是，通过配置凹透镜，能够确保远心性，并且使用反射镜使光路折回，能够实现平视显示装置自身的小型化。
＜第3实施方式＞
图17所示的第3实施方式的特征在于，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。即，在第1实施方式中直接用目镜光学系统5将液晶显示面板2的影像信息放大，作为虚像来显示，在本实施方式中，代替该图像形成单元10的结构，使用更小型的液晶显示面板2，利用形成光阀的像的中继光学系统3将其影像信息放大并投影至屏幕板(扩散板)上，利用目镜光学系统将该影像信息放大，作为虚像来显示。
在图17的平视显示装置30中，使中继光学系统3的主点位置与在目镜光学系统5侧设想的位置一致。通过在屏幕板4的跟前配置物镜而进行控制。
更详细而言，从背光灯1照射至液晶显示面板2的光束，作为包含由液晶显示面板2显示的影像信息的影像光束，入射至中继光学系统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，并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分别与屏幕板(扩散板)4的点Q1、Q2、Q3对应。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。由于背光灯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)，因此将它们总称为图像形成单元10。
此外，屏幕板(扩散板)4由二维地配置了微透镜的微透镜阵列构成。由此产生扩散作用，增大从屏幕板4出射的光束的发散角，使眼动范围8的大小为规定的大小。此外，屏幕板(扩散板)4的扩散作用还能够通过内置扩散颗粒而实现。
通过沿着包含上述背光灯和液晶显示面板的图像形成单元10的光出射方向在前方配置凹透镜和反射镜，能够确保远心性，并且能够使光路折回而实现平视显示装置自身的小型化。
＜第4实施方式＞
图18所示的第4实施方式的特征在于，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。即，在第1实施方式中将液晶显示面板2的影像信息投影至具有扩散功能的屏幕板4，而本实施方式可以构成为，代替该图像形成单元10，采用通过使激光光源进行光扫描，在具有扩散功能的屏幕板4上形成光扫描像的方法。第4实施方式的图像形成单元也可以构成为使用微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems)102。MEMS102包括激光光源101、反射面102a、和使反射面102a旋转而进行光扫描的光扫描部102b。通过利用该MEMS使光线角度改变而使光扫描的位置与出射光瞳位置一致。通过利用该MEMS使光线角度改变而使光扫描的位置与出射光瞳位置一致。此外，使MEMS102的旋转中心位置与在目镜光学系统5侧设想的位置一致。
通过沿着具有上述MEMS的图像形成单元10的光射出方向在前方配置凹透镜和反射镜，能够确保远心性，并且使光路折回而实现平视显示装置自身的小型化。
上述的各实施方式并不限定本发明，不偏离本发明的精神的各种畸变例包含在本发明内。例如，本发明以包括凹透镜和反射镜的方式为特征，但是并不妨碍这以外的光学部件设置在光路上。
附图标记的说明
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…观察者的眼，10…图像形成单元，20…投影光学系统，30…平视显示装置，51…偏振单元，52…凹透镜，53…反射镜，54…凹面反射镜，1001…聚光位置，1008…光圈，1002…像面，1052…凹透镜，1053…光学元件，1054…凸透镜。

Claims (6)

1.一种包括目镜光学系统的投影光学系统，其中所述目镜光学系统使从用于形成图像信息的图像形成单元出射的光折射和反射来显示虚像，所述投影光学系统的特征在于：
所述目镜光学系统从所述图像形成单元一侧起依次至少配置有凹透镜、反射镜和凹面反射镜。
2.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：
所述凹面反射镜和所述反射镜中的至少一者具有自由曲面形状。
3.一种平视显示装置，其特征在于，包括：
出射包含图像信息的影像光的图像形成单元；和
使从所述图像形成单元出射的影像光折射和反射来显示虚像的目镜光学系统，
所述图像形成单元包括背光灯和液晶显示面板，
所述目镜光学系统沿着所述影像光的出射方向从靠近所述液晶显示面板的一侧起依次至少配置有凹透镜、反射镜和凹面反射镜。
4.一种平视显示装置，其特征在于，包括：
出射包含图像信息的影像光的图像形成单元；和
使从所述图像形成单元出射的影像光折射和反射来显示虚像的目镜光学系统，
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，
所述目镜光学系统沿着所述影像光的出射方向从靠近所述图像形成单元的一侧起依次至少配置有凹透镜、反射镜和凹面反射镜。
5.一种平视显示装置，其包括：
出射包含图像信息的影像光的图像形成单元；和
使从所述图像形成单元出射的影像光折射和反射来显示虚像的目镜光学系统，
所述图像形成单元包括：
激光光源；
通过反射面的旋转来使所述激光光源进行光扫描的光扫描部；和
使来自所述激光光源的出射光扩散的屏幕板，
所述目镜光学系统沿着所述影像光的出射方向从靠近所述图像形成单元的一侧起依次至少配置有凹透镜、反射镜和凹面反射镜。
6.如权利要求3～5中任一项所述的平视显示装置，其特征在于：
所述凹面反射镜和所述反射镜中的至少一者具有自由曲面形状。
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111752046B (zh) * 2015-10-15 2023-06-02 麦克赛尔株式会社 平视显示装置
CN107861247B (zh) * 2017-12-22 2020-08-25 联想(北京)有限公司 光学部件及增强现实设备
JP7087895B2 (ja) * 2018-10-01 2022-06-21 株式会社デンソー 虚像表示装置
WO2021002428A1 (ja) * 2019-07-03 2021-01-07 日本精機株式会社 ヘッドアップディスプレイ装置
JP7426627B2 (ja) 2020-02-14 2024-02-02 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 ヘッドアップディスプレイ
TWM618898U (zh) * 2021-05-07 2021-11-01 和碩聯合科技股份有限公司 抬頭顯示裝置
WO2023233737A1 (ja) * 2022-06-03 2023-12-07 日亜化学工業株式会社 映像表示システム
WO2023238460A1 (ja) * 2022-06-08 2023-12-14 日亜化学工業株式会社 光源ユニット及び映像表示装置
CN117270219A (zh) * 2023-11-23 2023-12-22 深圳昇旸光学科技有限公司 显示系统

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05341226A (ja) * 1992-06-11 1993-12-24 Fujitsu Ltd ヘッドアップ表示装置
JP2011123119A (ja) * 2009-12-08 2011-06-23 Toshiba Corp 表示装置、表示方法及び移動体
JP2011247997A (ja) * 2010-05-25 2011-12-08 Nippon Seiki Co Ltd ヘッドアップディスプレイ装置
CN102348573A (zh) * 2009-03-12 2012-02-08 本田技研工业株式会社 平视显示装置
US20120224062A1 (en) * 2009-08-07 2012-09-06 Light Blue Optics Ltd Head up displays
CN205594239U (zh) * 2015-12-24 2016-09-21 深圳点石创新科技有限公司 一种抬头显示器
WO2017061039A1 (ja) * 2015-10-09 2017-04-13 日立マクセル株式会社 投影光学系及びヘッドアップディスプレイ装置

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002202475A (ja) 2000-12-28 2002-07-19 Yazaki Corp 車両用表示装置
JP4223936B2 (ja) * 2003-02-06 2009-02-12 株式会社リコー 投射光学系、拡大投射光学系、拡大投射装置及び画像投射装置
JP2009229552A (ja) 2008-03-19 2009-10-08 Fujinon Corp 投影光学系及びヘッドアップディスプレイ装置
JP5332686B2 (ja) * 2009-02-13 2013-11-06 セイコーエプソン株式会社 投射光学系及び投射型画像表示装置
JP5287828B2 (ja) 2010-10-26 2013-09-11 株式会社デンソー ヘッドアップディスプレイ装置
JP5541462B2 (ja) * 2011-05-10 2014-07-09 大日本印刷株式会社 投射型映像表示装置
JP5341226B2 (ja) 2012-05-09 2013-11-13 株式会社沖データ 画像形成装置
JP6207850B2 (ja) * 2013-03-13 2017-10-04 株式会社日立エルジーデータストレージ 虚像表示装置
JP2015194707A (ja) 2014-03-27 2015-11-05 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 表示装置
JP2017083699A (ja) * 2015-10-29 2017-05-18 日本精機株式会社 表示装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05341226A (ja) * 1992-06-11 1993-12-24 Fujitsu Ltd ヘッドアップ表示装置
CN102348573A (zh) * 2009-03-12 2012-02-08 本田技研工业株式会社 平视显示装置
US20120224062A1 (en) * 2009-08-07 2012-09-06 Light Blue Optics Ltd Head up displays
JP2011123119A (ja) * 2009-12-08 2011-06-23 Toshiba Corp 表示装置、表示方法及び移動体
JP2011247997A (ja) * 2010-05-25 2011-12-08 Nippon Seiki Co Ltd ヘッドアップディスプレイ装置
WO2017061039A1 (ja) * 2015-10-09 2017-04-13 日立マクセル株式会社 投影光学系及びヘッドアップディスプレイ装置
CN205594239U (zh) * 2015-12-24 2016-09-21 深圳点石创新科技有限公司 一种抬头显示器

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Publication number Publication date
JP7217231B2 (ja) 2023-02-02
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