CN111094048A - 信息显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于，提供一种在交通工具上显示信息的信息显示装置，能够减少观察者的视点移动并获得大量的影像信息。为达到上述目，在交通工具上显示信息的信息显示装置包括：在交通工具的前挡风玻璃上反射来显示虚像的影像信息的第一信息显示装置；利用MEMS元件使激光在前挡风玻璃上扫描来得到实像的第二信息显示装置；和使用交通工具的仪表板构成的第三信息显示装置。

Description

信息显示装置
技术领域
本发明涉及将图像投影到汽车、火车、飞机等载人移动的所谓交通工具的前挡风玻璃上的信息显示装置。
背景技术
例如根据以下专利文献1，已知一种所谓平视显示(HUD：Head-Up-Display)装置，其将影像光投影到汽车的前挡风玻璃上形成虚像，来显示路线信息、拥堵信息等交通信息以及燃料余量、冷却液温度等汽车信息。
对于这种信息显示装置，由于要将HUD装置主体配置在驾驶员座位前方的方向盘与挡风玻璃之间，所以希望其实现小型化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-194707号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
现有技术的平视显示装置由凹面反射镜实现，其虚像生成原理如图20所示，相对于凹面反射镜1′的光轴上的点O将物点AB配置在焦点F(焦距f)的内侧，能够得到由凹面反射镜1′形成的虚像。在该图20中，为了便于说明，将凹面反射镜1′视作具有相同的正光焦度的凸透镜，表示了物点、凸透镜(为了便于说明，图20中记作凹面反射镜)和产生的虚像的关系。
现有技术中，为了增大凹面反射镜1′生成的虚像的尺寸可以使物点AB接近焦点F，但为了获得所希望的倍率，凹面反射镜的曲率半径需要减小。其结果是，反射镜尺寸减小、实际放大率增大，但只能获得可观察范围小的虚像。因此，为了同时满足(1)所希望的虚像尺寸和(2)必要的虚像倍率M＝b/a，需要使凹面反射镜的尺寸与观察范围匹配，并兼顾影像显示装置来决定虚像的倍率。
另一方面，在专利文献1公开的虚像方式的HUD中，为了增大可从观察者处看到的虚像的尺寸，增大了用于形成虚像的凹面反射镜的尺寸，因此装置的容积增大。
此外，专利文献1虽然公开了所谓的能够显示速度信息等信息的虚像的HUD，但是没有考虑所谓的增强现实，即，没有考虑扩大观察者看到的虚像的可观察范围，并增大虚像的尺寸，将虚像叠加在观察者肉眼看到的远景的实像上这一情况，而为了实现该增强现实，需要增大从影像源至凹面反射镜的距离。此外，再考虑到在近景的实像上叠加虚像的情况，因此需要一种视点移动较少、能够得到大量的影像信息的影像显示装置。
因此，本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够减少观察者的视点移动并获得大量的影像信息的影像显示装置。
解决问题的技术手段
本发明鉴于上述背景技术和技术问题，举其一例如下。一种在交通工具上显示信息的信息显示装置，包括：在交通工具的前挡风玻璃上反射来显示虚像的影像信息的第一信息显示装置；利用MEMS元件使激光在前挡风玻璃上扫描来得到实像的第二信息显示装置；和使用交通工具的仪表板(instrument panel)构成的第三信息显示装置，第一信息显示装置包括虚像光学系统，其使从显示影像信息的影像显示装置出射的光在前挡风玻璃上反射，来在交通工具的前方显示虚像，第二信息显示装置包括实像光学系统，其利用扫描型反射元件使激光扫描来在前挡风玻璃上显示实像，第三信息显示装置包括直视型的影像显示装置作为仪表板，第一信息显示装置的影像显示位置为前挡风玻璃的中央附近，第二信息显示装置的影像显示位置为前挡风玻璃的下部。
发明效果
依照本发明能够提供一种信息显示装置，通过组合在远景上叠加虚像的HUD装置、在近景上叠加显示实像的实像显示装置以及仪表板(instrument panel)各自的显示，来减少驾驶员的视点移动，对辅助安全驾驶作出贡献。
附图说明
图1A是实施例1的信息显示装置的截面立体图。
图1B是实施例1的信息显示装置的外围设备的概略结构框图。
图2是表示实施例1的信息显示装置、前挡风玻璃与驾驶员的视点位置的概略截面结构图。
图3是实施例1的影像显示位置的概略说明图。
图4是实施例1的其他的影像显示位置的概略说明图。
图5是说明实施例1的前挡风玻璃的曲率半径的差异的图。
图6是实施例1中不同的偏振光在玻璃上的反射率与入射角度的关系。
图7是安装了实施例1的信息显示装置的汽车的顶视图。
图8是表示实施例1中涂敷、粘接或粘附在前挡风玻璃上的反射物的反射特性的特性图。
图9是实施例2的信息显示装置的虚像光学系统的概略结构图。
图10是实施例3的投影光学装置的基本结构图。
图11是实施例3的2轴驱动MEMS元件的概略结构图。
图12是说明实施例3中利用MEMS元件进行的光束扫描的概要的说明图。
图13是实施例3中在被投影部件(前挡风玻璃内表面)上扫描的激光的第一扫描状态的说明图。
图14是实施例3中第一扫描状态下的光扫描装置的光源光谱。
图15是黑体轨迹和等色温线图。
图16是实施例3中第一扫描状态下的光扫描装置的光源光的色度表。
图17是实施例3中在被投影部件(前挡风玻璃内表面)上扫描的激光的第二扫描状态的说明图。
图18是实施例3中第二扫描状态下的光扫描装置的光源光谱。
图19是实施例3中第二扫描状态下的光扫描装置的光源光的色度表。
图20是用于说明现有技术的虚像光学系统的原理的概略图。
具体实施方式
下面使用附图等对本发明的实施例进行详细说明。
实施例1
首先，对本实施例的信息显示装置和信息显示装置的外围设备的概略结构进行说明。此处，作为其一例，特别说明在汽车的前挡风玻璃上投影图像的信息显示装置。图1A是信息显示装置的截面立体图，图1B是外围设备的概略结构框图。
在图1B中，控制装置40从导航系统60取得各种信息作为前景信息(即，要用上述虚像在本车前方显示的信息)，该各种信息包括与本车正在行驶的当前位置对应的道路的限速和车道数、导航系统60中设定的本车的行驶预定路线等。
驾驶辅助ECU62是根据作为周围监视装置63的监视结果检测出的障碍物来对驱动系统和控制系统进行控制，由此实现驾驶辅助控制的控制装置，作为驾驶辅助控制，例如包括巡航控制、自适应巡航控制、预碰撞安全系统、车道保持辅助等公知技术。
周围监视装置63是监视本车周围的状况的装置，作为一例，是基于本车周围拍摄到的图像来检测本车周围存在的物体的摄像机，和基于探测波的收发结果来检测本车周围存在的物体的探测装置等。
控制装置40取得来自该驾驶辅助ECU62的信息(例如与前车间的距离、前车的方位、障碍物和标志的所在位置等)作为前景信息。进而，点火(IG)信号和本车状态信息也被输入到控制装置40。这些信息中，本车状态信息是作为车辆信息取得的信息，例如包括内燃机燃料的余量和冷却液的温度等表示已达到预先规定的异常状态的警告信息。此外，还包括方向指示器的操作结果和本车行驶速度，此外还包括挡位信息等。
来自上述的控制装置40的影像信号是与汽车的状态和周围环境对应的影像信息，被适当地、有选择地显示在HUD装置100、投影光学装置220和直视型的仪表板42上，减少观察者即驾驶员在驾驶过程中发生视点移动，其中，HUD装置100是将影像信息以虚像叠加在观察者正在观看的远方实景上的第一信息显示装置，投影光学装置220是将影像信息以实像叠加在近景上的第二信息显示装置，仪表板42是第三信息显示装置。此外，该控制装置40在输入了点火信号时启动。以上是本实施例的信息显示装置整个系统的结构。
在图1A中，45是车体，6是作为被投影部件的前挡风玻璃，表示了车体纵截面的示意。HUD装置100是为了在驾驶员的视线8上于本车前方形成虚像，而将被投影部件6(本实施例中为前挡风玻璃的内表面)上反射的各种信息显示为虚像(Virtual Image)的装置。被投影部件6只要是信息能够投影到的部件即可，不仅可以是上述的前挡风玻璃，也可以是叠像镜(combiner)。即，本实施例的HUD装置100只要能够在驾驶员的视线8上于本车前方形成虚像供驾驶员观察即可，作为可显示为虚像的信息，例如还包括车辆信息和由监控摄像头或全景监视器等摄像机(未图示)拍摄的前景信息。
HUD装置100中设置有投射影像光的影像显示装置4，其中影像光用于显示信息，并且，利用凹面反射镜1使显示在该影像显示装置4上的影像形成为虚像时会产生畸变和像差，为了校正该畸变和像差，在影像显示装置4与凹面反射镜1之间设置有透镜2和3作为校正用的光学元件。
HUD装置100包括用于控制上述影像显示装置4和背光源10的控制装置40。包括上述影像显示装置4和背光源10等在内的光学部件即为下述的虚像光学系统，其中包括使光反射的凹面形状的凹面反射镜1。经该凹面反射镜1反射的光在前挡风玻璃6上反射而去往驾驶员的视点8(也可以是能够正确观察虚像的驾驶员的视点范围即所谓的Eyebox(眼动范围))。
作为上述影像显示装置4，例如是设有背光源的LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)，或自发光的VFD(Vacuum Fluorescent Display，真空荧光显示器)等。
也可以代替上述影像显示装置4，通过投影装置在屏幕上显示影像，利用上述凹面反射镜1使之成为虚像并在被投影部件即前挡风玻璃6上反射而去往驾驶员的视点8。作为这样的屏幕，例如可以利用二维状地配置有微透镜的微透镜阵列构成。
更具体而言，为了减少虚像的畸变，凹面反射镜1的形状可以采用这样的形状，其中，在图1A所示的上部(与驾驶员的视点的距离相对较短的、光线在挡风玻璃6的下方反射的区域)相对地减小曲率半径以增大放大率，在下部(与驾驶员的视点的距离相对较长的、光线在挡风玻璃6的上方反射的区域)相对地增大曲率半径以减小放大率。另外，通过使影像显示装置4相对于凹面反射镜的光轴倾斜，来校正上述虚像倍率的差异，降低产生的畸变本身，能够实现更好的校正。
图2是表示本实施例的信息显示装置、前挡风玻璃与驾驶员的视点位置的概略截面结构图。
图3是本实施例的影像显示位置的概略说明图。图3是从驾驶席观看前挡风玻璃6的概略图。
如图2、图3所示，本实施例包括三个图像显示区域，它们分别是方向盘43的前面的前挡风玻璃6的中央部附近的图像显示区域1(a)、前挡风玻璃6的下部的图像显示区域2(a)和仪表板42上的图像显示区域3(a)。
本实施例的信息显示装置能够利用上述HUD装置100，以前挡风玻璃6的中央部附近的图2、图3所示的图像显示区域1(a)为反射面，向观察者提供虚像像距8m的、40英寸以上的虚像，通过将该虚像叠加到观察者在驾驶过程中观察的实景上来抑制视点移动。
发明人测量了行驶于城市道路时的驾驶员的视点位置变化，通过实测求得，若使虚像像距的最大值为30m，视点移动能够得到90％的抑制，并通过实验求得，在行驶于高速公路时，若使虚像像距为70m以上，则能够同样地抑制视点移动。此时所需的虚像的大小相当于350英寸。
如上所述，在观察者的视点位于远方区域时，使用显示虚像的HUD装置100在图2和图3所示的图像显示区域1(a)进行显示，另一方面，在图2和图3所示的图像显示区域2(a)使用投影光学装置220显示(映现)实像，在该投影光学装置220中，为了将影像叠加在观察者即驾驶员实际看到的近景上，利用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统)元件使特定偏振的光束在前挡风玻璃的下部扫描。此处，MEMS实现的影像显示基本是免调焦的，因此适合于投影到具有曲率的前挡风玻璃6上。
此外，在显示(映现)影像的前挡风玻璃下部，通过使其含有或在车内的玻璃面涂敷、粘接或粘附后文详细说明的下述部件，来高效地反射影像光，使实像去往观察者，其中，该部件具有特定偏振下的反射率不同于其他偏振下的反射率的特性。此处，对于利用HUD装置100进行显示的前挡风玻璃6上的图像显示区域1(a)来说，由于是以虚像形成在前挡风玻璃前方的远方来对焦的，所以其水平方向显示尺寸比投影光学装置220形成的实像显示的水平方向显示尺寸小。
此外，发明人通过实验证实，代替上述的图像显示区域的划分，如图4所示，通过使利用HUD装置显示虚像的远方的图像显示区域1(b)的一部分或全部与在近景上叠加影像的图像显示区域2(b)重叠来进行显示，能够模拟地实现立体显示。为了得到更好的显示，使虚像的进深方向的显示位置与实像的进深方向的显示位置部分重叠，能够得到良好的效果。此外，通过将上述2个图像显示区域重叠显示，显示图像变得存在连续性，能够获得可流畅地进行视点移动等崭新的技术效果。
显示在上述前挡风玻璃中央部附近的虚像的显示位置、显示颜色、显示间隔由监视观察者的状态的监视用摄像机210适当地选择，除了用影像来显示受控于自动行驶状态的汽车接下来要进行的动作——例如右左转、停止、加速等——的信息之外，还探测驾驶员的健康状态和睡意等，根据这些信息显示用于提醒注意的影像等。这些信息并不需要始终显示，优选利用监视用摄像机210追踪驾驶员的视线的活动，根据需要在必要的位置进行显示。
乘用车的前挡风玻璃6如图5所示，垂直方向的曲率半径Rv与水平方向的曲率半径Rh不同，通常具有Rh＞Rv的关系。因此，如图5所示，若采用前挡风玻璃6作为反射面，则其构成超环面的凹面反射镜。从而，本实施例的HUD装置100中，凹面反射镜1的形状在水平方向和垂直方向可以采用不同的平均曲率半径，以校正受前挡风玻璃6的形状影响的虚像倍率，即校正前挡风玻璃的垂直方向与水平方向的曲率半径的差异。此时，就凹面反射镜1的形状而言，因为关于光轴对称的球面或非球面形状(后述式(2)表达的形状)是从光轴起的距离h的函数，无法个别地控制不同部位的水平截面和垂直截面形状，所以优选将其调整为后述式(1)表达的自由曲面，该自由曲面是坐标(x，y)——面上的从反射镜面的光轴起的坐标——的函数。
Figure BDA0002396795680000081
Figure BDA0002396795680000082
此处，z是以定义面的轴为基准的坐标(x，y)处的垂度(sag)，c是定义面的轴的原点的曲率，K是圆锥常数，Cj是系数。
再回到图1A，在影像显示装置4与凹面反射镜1之间，作为透射型的光学部件例如进一步配置了透镜元件2和透镜元件3，由此，通过控制去往凹面反射镜的光线的出射方向，能够与凹面反射镜的形状匹配地进行畸变的校正，并同时实现虚像的像差校正——其中包括因上述前挡风玻璃6的水平方向的曲率半径与垂直方向的曲率半径的差异而产生的像散。
另一方面，如图1A和图2所示，在来自太阳50的光束之中，几乎全部的S偏振光被前挡风玻璃反射，入射到车内的光束几乎全部为P偏振光，因此，为了将影像投影到前挡风玻璃下部以在近景上叠加影像，利用了使S偏振的光束入射到MEMS元件进行扫描的投影光学装置220。此时使用S偏振光进行影像显示的另外的理由是，前挡风玻璃的倾斜角度较大为40度以上，其反射率如图6所示，S偏振光的反射率较高。
此外，汽车的前挡风玻璃如图5所示，水平方向的曲率半径Rh与垂直方向的曲率半径Rv不同，如图7所示，作为观察者的驾驶员的位置(图7中为方向盘43的位置)导致影像的中心与水平方向的曲率中心不同。
对此，上述的投影光学装置220使用激光光源，利用MEMS在垂直和水平方向上进行扫描而在前挡风玻璃上显示影像，并且，在图2和图3所示的前挡风玻璃下部的图像显示区域2(a)，通过使其含有或在车内的玻璃面涂敷、粘接或粘附具有反射率对S偏振光与P偏振光不同之特性的部件，来高效地反射影像光，使实像去往观察者。具体而言，如图8所示，S偏振的激光的可见光波段(380nm～780nm)的反射率为特性(1)所示的平均为10％左右至特性(2)所示的20％左右为好，使影像光在挡风玻璃的与车室内相接的反射面上反射，向观察者即驾驶员的方向反射。
更具体而言，可以将具有上述特性的光学多层膜层叠而得到片材，或将折射率不同的多个片材层叠以具有同样的效果，也可以为了使挡风玻璃的水平方向上的扩散特性大于垂直方向上的扩散特性，而在片材表面设置凹凸形状。
此外，上述片材的反射率在紫外线波段(小于380nm)和近红外线波段(大于780nm)设定得高，这是为了抑制紫外线和近红外线入射到车内，以实现更舒适的环境。
如上所述，本实施例是一种在交通工具上显示信息的信息显示装置，包括：使虚像的影像信息在交通工具的前挡风玻璃上反射来显示该影像信息的第一信息显示装置，利用MEMS元件使激光在前挡风玻璃上扫描来得到实像的第二信息显示装置，和使用交通工具的仪表板构成的第三信息显示装置，第一信息显示装置包括虚像光学系统，其使从显示影像信息的影像显示装置出射的光在前挡风玻璃上反射，来在交通工具的前方显示虚像，第二信息显示装置包括实像光学系统，其利用扫描型反射元件使激光扫描而在前挡风玻璃上显示实像，第三信息显示装置包括直视型的影像显示装置作为仪表板，第一信息显示装置的影像显示位置为前挡风玻璃的中央附近，第二信息显示装置的影像显示位置为前挡风玻璃的下部。
依照本发明，能够提供一种信息显示装置，通过组合在远景上叠加虚像的HUD装置、在近景上叠加显示实像的实像显示装置以及仪表板各自的显示，来减少驾驶员的视点移动，对辅助安全驾驶作出贡献。
实施例2
本实施例说明上述信息显示装置中包括虚像光学系统的HUD装置的更具体的光学结构。
图9是本实施例的HUD装置100的整体结构图。在图9中，如上所述，从下游侧起依次设置有凹面(自由曲面)反射镜1、校正用的透镜组2、影像显示装置4和形成背光的背光源10，其中，凹面反射镜1投影经前挡风玻璃6形成虚像的影像光，透镜组2校正影像光投影时产生的畸变和像差。7为壳体。进一步，为了抑制进入HUD装置100内部的太阳光的P光成分，作为一例，在透镜组2与影像显示装置4之间设置有用于抑制P光成分的光学单元3。
首先，在本实施例中，用于投影影像光的凹面(自由曲面)反射镜1优选具有这样的功能，即，在反射可见光(波长：约400～700nm)的同时，特别是从包含各种波长光谱的太阳光中除去信息显示装置不需要的、会对装置造成损伤的例如红外线(IR)和紫外线(UV)等。此时，通过使可见光的反射率为95％以上，能够实现光利用效率高的虚像光学系统。
但是，反之在透过前挡风玻璃直接看见凹面(自由曲面)反射镜1的情况下，由于外部光会反射晃眼而导致汽车档次降低，并且，太阳光或夜晚时相向车的前灯等强光在凹面反射镜1上反射，一部分光线返回到液晶面板导致作为信息显示装置得到的图像(虚像)的画质——例如对比度性能——下降，而且会对构成影像显示装置4的偏振片和液晶面板造成损伤。为此，通过有意识地降低凹面(自由曲面)反射镜1的反射率，使其为90％以下优选为85％以下，能够解决上述问题。
凹面(自由曲面)反射镜1的基材即凹面反射镜支承部1a选用透明性高的材料，以便基材不会吸收上述太阳光中未反射的波长成分的光。作为塑料制、透明度高的基材，包括(1)日本瑞翁株式会社的ZEONEX，(2)聚碳酸酯，(3)丙烯酸树脂等。其中，吸水率大致为0％且热变形温度高的(1)ZEONEX最为适合，但由于价格昂贵，因此可以设法使用热变形温度相同但吸水率为0.2％左右的聚碳酸酯。对于成形性最好、价格最低的丙烯酸树脂，由于吸湿率最大，因此必须设置防湿膜和反射膜。
为了防止凹面(自由曲面)反射镜1的基材发生吸湿，可以与形成在反射面上的反射膜一起，在相反侧的面上形成SiN(氮化硅)膜作为防湿膜。作为防湿膜的SiN能够使太阳光通过，因此不会发生基材内的光吸收，能够抑制热变形。其结果是，对于由聚碳酸酯或丙烯酸树脂形成的凹面(自由曲面)反射镜，也能够防止因吸湿引起的形状变化。
此外，除了具有上述抑制/除去IR和UV之功能的凹面(自由曲面)反射镜1之外，或者代替该功能，也可以在形成于HUD装置100上部的开口部41设置具有除去IR和UV之功能的透光片，不过此处未图示。此外，该透光片除了抑制IR和UV的功能外，还能够具有防止外部的尘埃进入HUD装置100内部的功能。
这样，采用上述的凹面反射镜1，能够从经开口部41进入HUD装置100内部的包含大量光谱成分的太阳光之中，除去该HUD装置不需要的成分，有选择地主要取出可见光成分。
另一方面，作为导致HUD装置的画质降低的主要原因，已知的是，从影像显示装置4向凹面反射镜1出射的影像光线在配置于途中的光学元件2的表面反射而返回影像显示装置，在影像显示装置上再次反射并与原本的影像光叠加，导致画质降低。因此，本实施例优选的是，不仅在光学元件2的表面形成防反射膜来抑制反射，还限制光学元件2的面形状，将其设计成使得光学元件2的影像光入射面和出射面中的某一者或二者的透镜面形状成为不会使上述反射光过度会聚在影像显示装置4的一部分上的形状。
接着，作为影像显示装置4，通过使用为了吸收来自上述光学元件2的反射光而配置了偏振片的液晶面板，能够减轻画质的降低。另外，对于液晶面板的背光源10，控制向影像显示装置4入射的光的入射方向，使之高效地入射到凹面反射镜1的入瞳。此时，作为光源优选采用产品寿命长的固体光源，进而优选采用周围温度变动引起的光输出变化较小的LED(Light Emitting Diode，发光二极管)，并使用设置有减小光的发散角的光学单元的PBS(Polarizing Beam Splitter，偏振光分束器)进行偏振变换。
液晶面板的背光源10一侧(光入射面)和光学元件2一侧(光出射面)配置有偏振片，用于提高影像光的对比度。作为设置在背光源10一侧(光入射面)的偏振片，通过使用偏振度高的碘系偏振片可以获得高对比度。而在光学元件2一侧(光出射面)，通过使用染料系的偏振片，即使在有外部光入射的情况下和环境温度高的情况下，也能够得到高可靠性。
在使用液晶面板作为影像显示装置4的情况下，尤其是驾驶员佩戴了偏振太阳镜的情况下，可能会发生特定偏振光被遮挡导致看不到影像的问题。为了防止该问题，优选在配置于液晶面板的光学元件2一侧的偏振片的光学元件一侧配置λ/4波片，将统一在特定偏振方向上的影像光变换为圆偏振光。
实施例3
本实施例说明上述信息显示装置中包括实像光学系统的投影光学装置的更具体的光学结构。
图10是本实施例中利用MEMS使激光扫描来得到实像的投影光学装置220的基本结构图。在图10中，投影光学装置220是扫描型的图像显示装置，其中安装有使激光——其光强按图像信号进行调制(下称“调制”)——在二维方向上扫描的光扫描装置，利用该光扫描装置使激光在被照射体(例如前挡风玻璃)上扫描而描绘图像。即，通过利用设有转动轴的扫描反射镜61使来自光源部64(64a、64b)的激光反射，能够使激光扫描。从概念上讲，调制后的各像素201沿显示面20上的激光扫描轨迹202，在像面上呈二维状扫描。
下面说明本实施例中扫描反射镜61的二维状的偏转作用的详细情况。
图11是本实施例的2轴驱动的MEMS元件即扫描反射镜61的概略结构图。在图11中，使激光按反射角度偏转的扫描反射镜面61a与在同一轴上隔着扫描反射镜面61a相对配置的第一扭簧61b连结。扭簧61b与保持部件61c连结，保持部件61c进而与第二扭簧61d连结。第二扭簧61d与框架61e连结。并且，在关于各扭簧61b和61d大致对称的位置，配置有未图示的永磁体和线圈。线圈以与扫描反射镜61的扫描反射镜面61a大致平行的方式形成，在扫描反射镜61的扫描反射镜面61a静止的状态时，产生与扫描反射镜面61a大致平行的磁场。当有电流在线圈中流动时，根据弗莱明左手定则，产生与扫描反射镜面61a大致垂直的洛仑兹力。
扫描反射镜面61a转动至洛仑兹力与扭簧61b和61d的复原力取得平衡的位置。对于扭簧61b，通过以扫描反射镜面61a的谐振频率对线圈供给交流电流，扫描反射镜面61a进行谐振动作。同样地，对于扭簧61d，通过以扫描反射镜面61a和保持部件61c的整体的谐振频率对线圈供给交流电流，扫描反射镜面61a和扭簧61b以及保持部件61c进行谐振动作。由此，能够在2个方向上进行不同谐振频率的谐振动作。
在图12中，令光扫描部的反射面即扫描反射镜61的转动角为β/2，则反射光线的角度即扫描角的变化为其2倍即β。此处，在扫描反射镜61与显示面20之间没有配置光学元件的情况下，扫描角β等于显示面20上的入射角α。从而，某一投影距离下的扫描像的大小由扫描反射镜61的转动角β/2决定。因此，为了以短距离得到大画面，在本实施例中，通过在图10所示的扫描反射镜61到投影面即前挡风玻璃之间设置(未图示的)光学系统(凹透镜或凸面镜)，来增大上述的振幅。
在本实施例中，由于将影像叠加在观察者观看的近景上，从观察者到影像的距离较短，所以需要使影像显示区域在水平方向上相比垂直方向取更大的值。因此，发明人将观察者即驾驶员到前挡风玻璃下部的距离固定为1.2m，通过实测求得影像显示宽度的最佳值。根据结果可知，为了按照方向盘的转动角度，以箭头显示所驾驶的汽车向左右转弯的情况，需要使水平方向的显示范围为30英寸以上，如果能够实现超过40英寸的显示，则能够进行更加良好的影像显示。
另一方面，发明人发现，垂直方向的显示只要有10英寸就能够进行明确的显示。发明人还确认，为了提高显示的可辨识性，需要将显示范围扩大至20英寸左右，不过在MEMS的驱动中，增大垂直方向的振幅需要减小水平方向的振幅，因此只要上限为15英寸就能够得到实用上足够的影像。
接着，说明本实施例中在像面上进行扫描的激光的第一扫描状态。
图13表示本实施例中来自光扫描部的激光的第一扫描状态。如上所述，就本实施例中光扫描部的扫描范围(振幅)而言，水平方向的振幅角度为垂直方向的振幅角度的2倍以上，水平方向的影像显示范围大于垂直方向。以激光在前挡风玻璃上的尺寸为一个像素，使激光301在水平方向上从左至右地扫描，之后下降一个像素再从右向左扫描。302是第一扫描部的扫描轨迹。图像切换的帧速率在汽车的行驶速度为40km/小时的情况下为1/60Hz即可，不过，通过在行驶速度为100km/时采用1/120Hz的帧速率，能够按照汽车的行驶速度提高显示图像的刷新速度来实现最佳显示。
此时，本实施例的光扫描部如式(3)所示，帧频F、水平偏转频率fh与垂直偏转频率fv的积大致为固定值A。因此，按照从图1B所示的驾驶辅助ECU62得到的汽车的行驶速度信息来变更帧速率，则根据式(3)，要减小水平的偏转频率，并同时按比例减小偏转角度。
A＝F(fh×fv)…(3)
其结果是，就影像显示范围来说，虽然显示影像的水平方向尺寸减小，不过由于行驶速度提高时驾驶员的视野变窄，所以能够得到在使用时没有不适感的信息显示装置。
在本实施例的第一扫描状态下，使用图14所示的3种颜色(红色(635nm)、绿色(532nm)、蓝色(460nm))的单色激光。对于它们组合而得到的单色光和合成光的情况下的色度，将其转换到图15所示的色度图上的坐标，其结果表示在图16中，由于单色光的色纯度均较高，所以能够在覆盖NTSC标准的色域范围的同时，获得足够的亮度。
进一步，在分别发出单色光时混入其他颜色的光，例如，在蓝色激光按100％发光时，使绿色光按最大发光的10％发光，同时使红色光按最大发光的5％发光，混色光为蓝色等效(等同)色，亮度为2倍以上。如上所述，发明人发现，本申请方式的扫描部不使用激光单色光而是混入其他颜色的激光，能够进一步提高近似(模拟)单色光的亮度。
接着，说明本实施例中在像面上进行扫描的激光的第二扫描状态。
图17表示本实施例中来自光扫描部的激光的第二扫描状态。与第一扫描状态的不同之处是光扫描部为多个，即在图17中为第一扫描部和第二扫描部这2个扫描部。就第一扫描部的扫描范围(振幅)而言，水平方向的振幅角度为垂直方向的振幅角度的2倍以上，水平方向的影像显示范围大于垂直方向。以激光301在前挡风玻璃上的尺寸为一个像素，使光束在水平方向上扫描，即，按图17的实线所示的轨迹从左向右地进行扫描，之后下降一个像素再从右向左地扫描。302是第一扫描部的扫描轨迹。
另一方面，第二扫描部的扫描范围(振幅)与第一扫描部同样，水平方向的振幅角度为垂直方向的振幅角度的2倍以上，水平方向的影像显示范围大于垂直方向。以激光303在前挡风玻璃上的尺寸为一个像素，使光束在水平方向上扫描，即，按图17的虚线所示的轨迹从左向右地进行扫描，之后上升一个像素再从右向左地扫描。图17表示了激光303到达最下行的最末像素的状态。第二扫描部的扫描方向既可以从上向下进行，也可以从下向上进行。304是第二扫描部的扫描轨迹。此时，所显示的是第一扫描部显示的帧图像的下一个帧，并且错开大致1/2帧来显示下一个帧的影像。
其结果是，确认到能够模拟地使帧速率成为2倍。进一步，第二扫描状态下的第一扫描部使用图18所示的3种颜色的红色(635nm)、绿色(532nm)、蓝色(460nm)的单色激光。此外，通过在第二扫描部使用图18所示的3种颜色的红色(645nm)、绿色(515nm)、蓝色(450nm)的单色激光还能够减少散斑，它们组合而得到的单色光和合成光的情况下的色度如图19所示，由于构成2个扫描部的激光光源的单色光的色纯度均较高，所以能够在覆盖NTSC标准的色域范围的同时，获得足够的亮度。
进一步，在第一扫描部(下文记作(1))、第二扫描部(下文记作(2))分别进行单色光发光时混入其他颜色的光，例如，在2个扫描部的蓝色激光(1)和(2)按100％发光时，使绿色光(1)按最大发光的5％发光，同时使绿色光(2)按最大发光的10％发光，并使红色光(1)按最大发光的5％发光，混色光是蓝色等效色，亮度为2倍以上。
如上所述，依照本实施例，发明人发现，即使同时使用多个扫描部，通过不使用激光单色光而是混入其他颜色激光也能够进一步提高近似的单色光的亮度。本实施例说明了同时使用2个扫描部的情况下的效果，当然同时使用3个以上的扫描部也能够模拟地提高帧速率，通过在各个扫描部同时使用不同波长的激光，也能够大幅减少散斑噪声。此外，也能够如上述那样，在不损害单色光的色度的前提下提高亮度。
实施例4
本实施例说明上述信息显示装置中仪表板上的显示的更具体的结构。
图1A所示的仪表板42配置在方向盘43的内径部分，所以其显示的影像对于观察者即驾驶员来说视点移动最大。因此，除了汽车于自动驾驶模式下自动驾驶的情况之外，显示紧急度低的信息。利用上述的监视用摄像机210检测驾驶员的视点来变更显示影像，由此能够有效地对驾驶员显示大量的影像信息。
作为仪表板，为了实现装置的薄型化而使用液晶面板。可以重视汽车内饰而采用曲面形状。此外，通过高速刷新显示内容，使显示速度为帧速率(60Hz)2倍的120Hz或4倍的240Hz，能够实时显示来自车外的监视摄像机的影像信息。
实施例5
在以上所述的信息显示装置中，作为图3所示的3种信息显示位置具有图像显示区域1(a)、图像显示区域2(a)、图像显示区域3(a)。作为监视观察者即驾驶员的视点移动的传感器，例如使用图1A或图2所示的监视用摄像机210，与观察者的视点移动的信息和汽车的速度对应地，将3种信息显示位置上显示的各自的影像显示按最佳的位置、时间、显示内容来组合显示，由此，能够提供对安全驾驶辅助有效的信息显示装置。例如，能够根据转弯时的观察者的视点移动，进行将信息显示位置变更到转弯方向等控制。
此外，上述3个信息显示位置以包含方向盘的转动中心轴的直线的附近为显示的中心，从而，观察者即驾驶员的水平方向的视点移动变得左右平均，因此具有抑制驾驶时的疲劳的效果和使视点移动最小的效果。
上面对本发明的各种实施例的信息显示装置进行了说明。但本发明并不仅限于上述的实施例，还包括各种各样的变形例。例如，在上述实施例中，为了易懂地说明本发明而详细地说明了整个系统，但并不一定限定于包括所说明的所有结构。能够将一个实施例的结构的一部分替换到另一个实施例的结构，此外，还能够在一个实施例的结构中加入另一个实施例的结构。另外，能够对各实施例的结构的一部分进行其他结构的追加、删除、替换。
附图标记说明
1…凹面反射镜，1a…凹面反射镜支承部，2、3…光学元件(透镜)，4…影像显示装置，6…被投影部件(前挡风玻璃)，8…驾驶员的视点(eyebox)，10…背光源，41…开口部，42…仪表板，43…方向盘，44…前盖，45…车体，50…太阳，100…HUD装置，101…汽车，210…监视用摄像机，220…投影光学装置，201…像素，202…激光的扫描轨迹，301…第一扫描部的激光，302…第一扫描部的扫描轨迹，303…第二扫描部的激光，304…第二扫描部的扫描轨迹，20…显示面，61…扫描反射镜，1(a)、2(a)、3(a)、1(b)、2(b)、3(b)…图像显示区域

Claims (7)

1.一种在交通工具上显示信息的信息显示装置，其特征在于，包括：
在交通工具的前挡风玻璃上反射来显示虚像的影像信息的第一信息显示装置；
利用MEMS元件使激光在所述前挡风玻璃上扫描来得到实像的第二信息显示装置；和
使用交通工具的仪表板构成的第三信息显示装置，
所述第一信息显示装置包括虚像光学系统，其使从显示所述影像信息的影像显示装置出射的光在所述前挡风玻璃上反射，来在所述交通工具的前方显示虚像，
所述第二信息显示装置包括实像光学系统，其利用扫描型反射元件使激光扫描来在所述前挡风玻璃上显示实像，
所述第三信息显示装置包括直视型的影像显示装置作为所述仪表板，
所述第一信息显示装置的影像显示位置为所述前挡风玻璃的中央附近，所述第二信息显示装置的影像显示位置为所述前挡风玻璃的下部。
2.如权利要求1所述的信息显示装置，其特征在于：
所述第一至第三信息显示装置显示的各影像显示位置的中心位于包含所述交通工具的方向盘的转动中心轴的直线的附近。
3.如权利要求1所述的信息显示装置，其特征在于：
所述第一信息显示装置的虚像影像按下述方式显示：
在相比通过所述第二信息显示装置显示实像的所述前挡风玻璃位于远方的实景上叠加显示虚像。
4.如权利要求1所述的信息显示装置，其特征在于：
所述第一信息显示装置的虚像影像以与所述第二信息显示装置的实像影像的一部分或全部重叠的方式显示。
5.如权利要求1所述的信息显示装置，其特征在于：
观察者通过所述前挡风玻璃观察的所述第一信息显示装置的虚像影像的、所述前挡风玻璃上的水平方向显示尺寸，比所述第二信息显示装置的实像的水平方向显示尺寸小。
6.如权利要求1所述的信息显示装置，其特征在于：
包括监视观察者的视点移动的传感器，
所述第一至第三信息显示装置显示的各影像显示位置、显示时间、显示内容基于由所述传感器得到的观察者的视点移动的信息而变化。
7.如权利要求1所述的信息显示装置，其特征在于：
根据检测所述交通工具的速度的传感器的输出，改变所述第二信息显示装置的影像显示范围，在所述前挡风玻璃进行显示。
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