CN111213114A - 信息显示装置及其空间感测装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够以少的视点移动而选择/变更大量的显示影像且能够实现基于驾驶员的交互的功能的信息显示装置和其空间感测装置。一种信息显示装置，将信息显示于交通工具，具备：信息显示装置，将图像信息显示于所述交通工具的驾驶席的前方的图像显示区域；以及空间感测单元，在所述驾驶席与显示的所述图像显示区域之间的空间区域中，检测驾驶员的指示的位置信息，具备将所述驾驶员的指示与由所述空间感测单元检测出的所述驾驶员的指示的位置信息对应地显示于前方的所述图像显示区域的单元。

Description

信息显示装置及其空间感测装置
技术领域
本发明涉及向汽车、电车、飞机等载人移动的所谓交通工具的前挡玻璃投影包括图像的信息的信息显示装置，特别涉及具备基于驾驶员等的交互的功能的信息显示装置以及用于该信息显示装置的空间感测装置。
背景技术
例如，通过以下的专利文献1已经知晓向汽车的前挡玻璃投映影像光而形成虚像并且显示路线信息、拥堵信息等交通信息、燃料剩余量、冷却水温度等汽车信息的所谓抬头显示器(HUD：Head-Up-Display)装置。
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
在这种信息显示装置中，要求为了在驾驶员的座席前方的方向盘与前挡玻璃之间配置HUD装置主体而小型化、并且进而能够以如一边观察投影的画面一边进行对话那样的形式进行操作的所谓交互的功能。
然而，在利用上述以往技术的抬头显示器装置中，虽然公开了用于小型化的技术，但未记载交互的功能。特别地，完全未公开在HUD装置中成为课题的、即能够对被投影到驾驶员的座席前方的方向盘与前挡玻璃之间的空间的画面进行交互的操作的技术。
本发明的目的在于提供一种在向交通工具的前挡玻璃投影包括图像的信息的信息显示装置中能够实现基于驾驶员的交互的功能的信息显示装置以及用于该信息显示装置的空间感测装置。
本发明是为了达成上述目的而完成的，如果举出其一个例子，则是一种信息显示装置，将信息显示于交通工具，所述信息显示装置具备：信息显示装置，将图像信息显示于所述交通工具的驾驶席的前方的图像显示区域；以及空间感测单元，在所述驾驶席与显示的所述图像显示区域之间的空间区域中，检测驾驶员的指示的位置信息，具备将所述驾驶员的指示与由所述空间感测单元检测出的所述驾驶员的指示的位置信息对应地显示于前方的所述图像显示区域的单元。
此外，在本发明中，也可以所述信息显示装置具备通过使从该装置射出的光在所述交通工具的前挡玻璃处反射而将虚像显示于所述交通工具的前方的虚像光学系统，或者所述信息显示装置具备通过在所述交通工具的前挡玻璃上扫描从该装置射出的光而显示实像的实像光学系统，或者所述信息显示装置具备使用所述交通工具的仪表板的直视型的影像显示装置。
进而，本发明提供一种信息显示装置的空间感测装置，是用于上述信息显示装置的空间感测装置，其中，在直线上配置多个光学元件的对而构成所述空间感测装置，该光学元件的对由发光元件和聚光透镜元件构成，该发光元件使来自光源的光束为平行光束，该聚光透镜元件接受来自该发光元件的光束中的由障碍物反射的反射光束。
根据本发明，能够提供在向交通工具的前挡玻璃投影包括图像的信息的信息显示装置中以少的视点移动而选择/变更汽车的控制、控制内容以及导航信息等大量的显示影像并且能够实现基于驾驶员的交互的功能的信息显示装置以及用于该信息显示装置的空间感测装置。
附图说明
图1是本发明的实施例的具备交互功能的信息显示装置以及信息显示装置的周边设备的概略结构图。
图2是示出实施例中的信息显示装置、前挡玻璃以及驾驶员的视点位置的概略剖面结构图。
图3是实施例中的影像显示位置的概略说明图。
图4是实施例中的其他影像显示位置的概略说明图。
图5是用于在实施例中说明用于实现交互功能的结构的概略图。
图6是用于在实施例中说明交互功能的概略图。
图7是说明空间感测装置的原理的第一说明图。
图8是说明空间感测装置的原理的第二说明图。
图9是说明实施例中的前挡玻璃的曲率半径的差异的图。
图10是在实施例中针对不同的偏振光的相对玻璃的入射角度的反射率特性图。
图11是搭载有实施例中的信息显示装置的汽车的上面图。
图12是示出实施例中的在前挡玻璃上涂敷、粘接或者粘结的反射物质的反射特性的特性图。
图13是实施例中的信息显示装置的虚像光学系统的概略结构图。
图14是实施例中的投映光学装置的基本结构图。
图15是实施例中的2轴驱动的MEMS元件的概略结构图。
图16是说明实施例中的MEMS元件的光束扫描的概要的说明图。
图17是实施例中的在自由曲面反射镜上进行扫描的激光的第1扫描状态的说明图。
图18是实施例中的第1扫描状态下的光扫描装置的光源光谱。
图19是黑体轨迹以及等色温度线图。
图20是示出实施例中的第1扫描状态下的光扫描装置的光源光的色度表的图。
图21是实施例中的在自由曲面反射镜上进行扫描的激光的第2扫描状态的说明图。
图22是实施例中的第2扫描状态下的光扫描装置的光源光谱。
图23是实施例中的第2扫描状态下的光扫描装置的光源光的色度表。
(符号说明)
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(前挡玻璃)；8：眼盒(观察者的眼睛)；10：背光源光源；20：显示面；41：开口部；42：仪表板；43：方向盘；44：前盖；45：车体；50：太阳；51、52、53：空间感测装置；531：变换装置；60：光源；61：聚光器光学元件；65：聚光透镜元件；64：受光部；80：感测部件；91：扫描反射镜；100：HUD装置；101：汽车；201：像素；202：激光的扫描轨迹；210：观察用照相机；220：投映光学装置；301：第1扫描部的激光；302：第1扫描部的扫描轨迹；303：第2扫描部的激光；304：第2扫描部的扫描轨迹；1(a)、2(a)、3(a)、1(b)、2(b)、3(b)：图像显示区域。
具体实施方式
以下，使用附图等详细说明本发明的实施例。
首先，图1是本发明的实施例的具备交互功能的信息显示装置以及信息显示装置的周边设备的概略结构图。在此，作为其一个例子，特别说明向汽车的前挡玻璃投影图像的信息显示装置。图1的(A)是信息显示装置的剖面立体图，图1的(B)是周边设备的概略结构框图。
在图1的(A)中，45是车体，6是作为被投影部件的前挡玻璃，是车体的纵剖面的示意图。HUD装置100是为了在驾驶员的视线8中在本车辆的前方形成虚像而将由被投影部件6(在本实施例中是前挡玻璃的内表面)反射的各种信息显示为虚像(Virtual Image)的装置。此外，被投影部件6只要是信息被投影的部件即可，不仅可以是上述前挡玻璃，也可以是其他合成器。即，本实施例的HUD装置100只要在驾驶员的视线8中在本车辆的前方形成虚像而使驾驶员视觉辨认即可，作为作为虚像显示的信息，例如还包括车辆信息、用监视照相机、全景摄像机等照相机(未图示)拍摄的前景信息。
另外，在HUD装置100中，设置有投射显示信息的影像光的影像显示装置4，并且，在影像显示装置4与凹面反射镜1之间，设置有作为用于针对显示于该影像显示装置4的影像校正在凹面反射镜1中形成虚像时发生的失真、像差的校正用的光学元件的透镜2以及3。
另外，HUD装置100具备上述影像显示装置4和控制背光源光源10的控制装置40。此外，包括上述影像显示装置4和背光源光源10等的光学构件是包括作为以下叙述的虚像光学系统的、使光反射的凹面形状的凹面反射镜1。另外，在该凹面反射镜1中反射出的光被前挡玻璃6反射而朝向驾驶员的视线8(也可以是能够准确地进行观察的驾驶员的视点范围所谓眼盒(Eyebox))。
作为上述影像显示装置4，例如，除了具有背光源的LCD(Liquid CrystalDisplay，液晶显示器)以外，还有自发光的VFD(Vacuum Fluorescent Display，真空荧光显示)等。
另一方面，也可以代替上述影像显示装置4，通过投映装置在屏幕上显示影像，通过上述凹面反射镜1而成为虚像，在作为被投影部件的前挡玻璃6上反射而朝向驾驶员的视点8。作为这样的屏幕，例如也可以由二维状地配置有微透镜的微透镜阵列构成。
更具体而言，为了减少虚像的失真，凹面反射镜1的形状可以设为如下形状：在图1的(A)所示的上部(光线在与驾驶员的视点的距离相对短的前挡玻璃6的下方反射的区域)，曲率半径相对变小以使得放大率变大，另一方面，在下部(光线在与驾驶员的视点的距离相对长的前挡玻璃6的上方反射的区域)，曲率半径相对变大以使得放大率变小。另外，通过使影像显示装置4相对凹面反射镜的光轴倾斜来减少校正上述虚像倍率的差异而发生的失真自身，也能够实现更好的校正。
接下来，在图1的(B)中，控制装置40从导航系统60获取与本车辆行驶的当前位置对应的道路的限制速度、行车道数、在导航系统60中设定的本车辆的移动预定路径等各种信息，作为前景信息(即通过上述虚像显示于本车辆的前方的信息)。
驾驶支援ECU62是通过依照作为周边监视装置63中的监视的结果检测出的障碍物而控制驱动系统、控制系统来实现驾驶支援控制的控制装置，作为驾驶支援控制，例如包括巡航控制、自适应巡航控制、预碰撞安全、车道保持辅助等公知技术。
周边监视装置63是监视本车辆的周边的状况的装置，作为一个例子，是根据拍摄有本车辆的周边的图像而检测在本车辆的周边存在的物体的照相机、根据发送接收探查波而得到的结果来检测在本车辆的周边存在的物体的探查装置等。
控制装置40获取来自这样的驾驶支援ECU62的信息(例如与先行车辆相距的距离以及先行车辆的方位、障碍物、标识存在的位置等)作为前景信息。进而，对控制装置40输入点火(IG)信号以及本车状态信息。在这些信息中，本车状态信息是指作为车辆信息获取的信息，例如包括内燃机的燃料的剩余量、冷却水的温度等表示成为预先规定的异常状态的警告信息。另外，还包括方向指示器的操作结果、本车辆的行驶速度、进而包括档位信息等。
来自以上叙述的控制装置40的影像信号是与汽车的状态及周围环境对应的影像信息，适当选择性地显示于在观察者观察的远方实景上以虚像重叠的作为第1信息显示装置的HUD装置100和在近景上以实像重叠的作为第2信息显示装置的投映光学装置220以及作为第3信息显示装置的直视型的仪表板42，减轻作为观察者的驾驶员在驾驶中发生的视点移动。此外，该控制装置40在被输入点火信号时启动。以上是本实施例中的信息显示装置整体系统的结构。
图2是示出本实施例中的信息显示装置、前挡玻璃以及驾驶员的视点位置的概略剖面结构图。另外，图3是本实施例中的影像显示位置的概略说明图，是从驾驶席观察前挡玻璃6的概略图。
如这些图2、图3所示，在本实施例中，具有方向盘43的前面的前挡玻璃6的中央部附近的图像显示区域1(a)、前挡玻璃6的下部的图像显示区域2(a)以及仪表板42上的图像显示区域3(a)。
本实施例中的信息显示装置通过上述HUD装置100，将前挡玻璃6的中央部附近的图像显示区域1(a)(参照图2、图3)作为反射面，对观察者以8m的虚像距离提供40英寸以上的虚像，重叠到观察者在驾驶中观察的实景，从而能够抑制视点移动。此外，发明人测量市区行驶时的驾驶员的视点位置变化，通过实测而求出如果使虚像距离的最大值为30m则将视点移动抑制90％，通过实验而求出如果在高速行驶中使虚像距离为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。
如以上叙述，在观察者的视点为远方的区域中，使用显示虚像的HUD装置100而显示于图像显示区域1(a)，另一方面，在图像显示区域2(a)中，为了在作为观察者的驾驶员实际观察的近景重叠影像，在前挡玻璃下部，使用用MEMS(Micro Electro MechanicalSystems，微机电系统)元件扫描特定偏振波的光束的投映光学装置220来映出实像。在此，基于MEMS的影像显示基本上是免对焦的，所以有利于向具有曲率的前挡玻璃6的投映。
另外，在映出影像的前挡玻璃下部，将在后面详细说明的具有针对特定的偏振波的反射率相对另一方的偏振波而不同的特性的部件含有或者涂敷或者粘接或者粘结于车内的玻璃面，从而使影像光高效地反射而使实像朝向观察者。在此，为了在前挡玻璃前方的远方作为虚像而形成焦点，利用HUD装置100的前挡玻璃6上的图像显示区域1(a)的水平方向显示尺寸小于利用投映光学装置220的实像显示的水平方向显示尺寸。
进而，代替上述图像显示区域的分割，如图4所示，通过实验实证出，通过将使用HUD装置显示虚像的远方的图像显示区域1(b)的一部分或者全部与在近景重叠影像的图像显示区域2(b)重叠而显示，能够模拟地进行立体显示。为了实现更好的显示，在使虚像的纵深方向的显示位置和实像的纵深方向的显示位置部分重叠时，能够得到良好的效果。另外，通过重叠显示上述2个图像显示区域，能够得到显示图像的连续性，还能够得到顺利地进行视点移动等新的效果。
在上述前挡玻璃中央部附近映出的虚像的显示位置、显示颜色、显示间隔通过观察观察者的状态的观察用照相机210而适当地选择，不仅对以自动行驶状态控制的汽车接下来进行的动作例如左右拐、停止、加速等信息进行影像显示，还对驾驶员的健康状态、瞌睡等进行感测，通过这些信息进行注意提醒的影像显示等。此外，这些信息无需始终显示，最好用观察用照相机210追随驾驶员的眼线的运动，根据需要而显示于所需的场所。
<交互功能>
发明人们确认了，为了在上述信息显示装置中例如能够减轻视点移动而获取大量的信息，通过并用空间感测装置来选择多个影像或者选择影像显示的开关部等，能够实现以少的视点移动选择/变更汽车的控制、控制内容以及导航信息等大量的显示影像的影像显示装置。特别地，确认了通过实现能够以如一边观察投影的画面一边进行对话那样的形式进行操作的所谓交互的功能，有效用于实现更便利且使用性更好的信息显示装置。以下，叙述用于实现上述交互功能的结构。
<空间感测装置>
图1的(A)所示的符号51是与仪表板42(图像显示区域3(a)、3(b))对应的空间感测装置，通过配置为接近显示面而选择多个影像或者选择影像显示的开关部，能够以少的视点移动而选择汽车的控制、控制内容以及导航信息等大量的显示影像。进而，符号52以及53是能够与该空间感测装置51并行地一并空间感测从方向盘43朝向前挡玻璃6的纵深方向的位置信息(与图3的图像显示区域1(a)、2(a)或者图4的图像显示区域1(b)、2(b)对应)的空间感测装置。
关于该空间感测装置，在此，例如，特别地将与图3以及图4的图像显示区域1(a)或者1(b)对应的空间感测装置53作为其一个例子示出。另外，还如图5、图6所示，根据该空间感测装置，一边观察显示于该图像显示区域的信息一边驾驶的驾驶员即使在就坐于驾驶席的状态下，通过在空间区域(图中虚线A所示)中自如地操作/移动其手指(或者用手指夹持的棒状的物体：障碍物)，也能够在显示于该图像显示区域的画面上自如地操作/移动指示单元(指示器)。因此，例如经由变换装置531等根据检测到的手指(障碍物)的坐标位置而计算该指示单元(指示器)的位置，作为指示器的位置信息，向上述HUD装置100作为位置信息输出(参照图1或者图2)。
由此，驾驶员即使在驾驶的状态下，通过一边观察显示于前方的画面信息一边在上述虚线A所示的空间区域中将手指等移动到该画面信息的期望的位置，能够输入针对该画面信息的期望的位置的位置信息而指示期望的指令。即，能够实现能够以如一边观察投影的画面一边进行对话那样的形式进行操作的所谓交互的功能。
接下来，图7是示出本申请发明的空间感测装置的结构、动作的基本原理的图。在使用者(例如驾驶员)的手指从附图的左向右移动的情况下，首先，来自第一光源60的光束
Figure BDA0002452899160000091
通过聚光器光学元件61成为大致平行光束，由移动的使用者的手指反射而成为反射光束
Figure BDA0002452899160000092
通过聚光透镜元件65被聚光而到达第一受光部64。
此时，通过第一光源60的发光时间和第一受光部64受光的时间的时间上的差Δt1，得到Y轴方向的与手指相距的距离信息，同时通过第一光源60的发光时间和第一受光部64的绝对的位置坐标，得到X轴方向的位置信息。接下来，如该图所示，在使用者(例如驾驶员)的手指从附图的左向右进一步移动的情况下，首先，来自第三光源68的光束
Figure BDA0002452899160000093
通过聚光器光学元件69成为大致平行光束，由移动的使用者的手指反射而成为反射光束
Figure BDA0002452899160000094
通过聚光透镜元件73被聚光而到达第三受光部72。
此时，通过第三光源68的发光时间和第三受光部72受光的时间的时间上的差Δt2，得到Y轴方向的与手指相距的距离信息，同时通过第三光源68的发光时间和第三受光部72的绝对的位置坐标，得到X轴方向的位置信息。
接下来，使用图8说明获取Z轴方向的位置信息的方法。在Z轴方向(从方向盘43朝向前挡玻璃6的纵深方向)上排列配置多个在上述图7中说明的感测X轴方向以及Y轴方向的位置信息的部件80(在图中显示为80、81、82)。在使用者(例如驾驶员)的手指相对该感测装置51从附图的左向右进一步移动的情况下，首先，来自第一部件80的特定光源60的光束
Figure BDA0002452899160000101
通过聚光器光学元件61成为大致平行光束，由移动的使用者的手指反射而成为反射光束
Figure BDA0002452899160000102
通过聚光透镜元件(未图示)被聚光而到达受光部(未图示)。此时，通过上述部件的动作通过了第一部件80的时间(绝对时间T1)和XY坐标变得明确。如果使用者的手指进一步从左向右移动，则第二部件81也同样地，通过了第二部件81的时间(绝对时间T2)和XY坐标变得明确。另外，第三部件82的光束
Figure BDA0002452899160000103
如图8所示那样不经使用者的手指遮挡，所以也能够确定Z轴方向的手指的位置。
进而，在本发明的实施例中，能够根据上述绝对时间T1和绝对时间T2的时间差以及第二部件81的感测输出(XY坐标和在受光部处得到来自手指的反射光的绝对时间)，算出空间轴的Z坐标方向的手指的移动速度和加速度。同样地，也根据来自第一部件80和第二部件81的感测信息计算手指的移动方向和加速度，不仅仅是简单的位置信息，也能够将使用者的意志(如果加速度高，则意志强等)也反映到系统的信息显示的量、速度、位置等。
此外，例如在日本特表2012-518228号等中公开了上述空间感测装置的结构。另外，也在市场中以“空气棒(AIRBAR，日本注册商标：Neonode公司)”的名称而销售，还作为仅通过放置就将PC触摸面板化的结构而已知。该空间感测装置由于外形是棒状，所以在狭小的车内的仪表板、仪表盘上也能够容易地配置于期望的位置。
此外，在上述描述中，主要详细叙述了与图3的图像显示区域1(a)或者图4的图像显示区域1(b)对应的空间感测装置53。然而，关于图3的图像显示区域2(a)或者图4的图像显示区域2(b)、进而图3的图像显示区域3(a)或者图4的图像显示区域3(b)，也是与上述描述相同的。另外，由此，只要是本领域技术人员，就可明确能够实现如下所谓交互的功能：驾驶员即使在驾驶的状态下，通过一边观察显示于前方的画面信息，一边在上述虚线A所示的空间区域中将手指等移动到该画面信息的期望的位置，输入针对该画面信息的期望的位置的位置信息并指示，即，以如一边观察投影的画面一边进行对话那样的形式进行操作。
<本实施例的其他特征>
轿车的前挡玻璃6如图9所示，垂直方向的曲率半径Rv和水平方向的曲率半径Rh不同，一般处于Rh>Rv的关系。因此，如图7所示，在将前挡玻璃6处理为反射面时，成为凹面反射镜的圆环面。因此，在本实施例的HUD装置100中，关于凹面反射镜1的形状，只要以校正基于前挡玻璃6的形状的虚像倍率的方式、即以校正前挡玻璃的垂直方向和水平方向的曲率半径的差异的方式设为在水平方向和垂直方向上不同的平均曲率半径即可。此时，凹面反射镜1的形状是在对称于光轴的球面或者非球面(以下式(2)所示的)形状下与光轴相距的距离h的函数，无法单独地控制相离的场所的水平剖面和垂直剖面形状，所以优选作为以下式(1)所示的自由曲面而校正为从反射镜面的光轴起的面的坐标(x，y)的函数。
[式1]
Figure BDA0002452899160000111
[式2]
Figure BDA0002452899160000112
在此，z是将定义面的轴作为基准的坐标(x，y)中的垂度，c是定义面的轴的原点处的曲率，K是锥形常数，Cj是系数。
再次返回到图1，进而，在影像显示装置4与凹面反射镜1之间，作为透射型的光学构件，例如配置透镜元件2以及透镜元件3，通过控制向凹面反射镜1的光线的射出方向，与凹面反射镜1的形状相应地进行畸变像差的校正，与此同时，实现包含由于上述前挡玻璃6的水平方向的曲率半径和垂直方向的曲率半径的差异而产生的像散在内的虚像的像差校正。
另一方面，如图1以及图2所示，来自太阳50的光束在前挡玻璃6中S偏波的大部分被反射而入射到车内的光束大部分成为P偏振波，所以为了向前挡玻璃下部投影影像以便在近景上重叠影像，使用使S偏振波的光束入射到MEMS元件而扫描的投映光学装置220。此时，在影像显示中使用S偏振光的其他原因在于，前挡玻璃6的倾斜角度大到40度以上，该反射率如图10所示S偏振波高。
另外，其原因为，在汽车的前挡玻璃6中，如图9所示水平方向的曲率半径Rh和垂直方向的曲率半径Rv不同，以及如图11所示作为观察者的驾驶员的位置(在图11中是方向盘43的位置)相对水平方向的曲率中心而影像的中心不同。
相对于此，上述投映光学装置220使用激光光源，利用MEMS在垂直以及水平方向上进行扫描，从而在前挡玻璃上映出影像，但在图2以及图3所示的前挡玻璃下部的图像显示区域2(a)中，将具有针对S偏振波的反射率相对于P偏振波不同的特性的部件含有或者涂敷或者粘接或者粘结于车内的玻璃面，从而使影像光高效地反射而使实像朝向观察者。具体而言，如图12所示S波的激光的可见光范围(380nm～780nm)中的反射率优选为如特性(1)所示那样平均10％左右的反射率至特性(2)所示的20％左右的反射率，在前挡玻璃的与室内相接的反射面处反射而向作为观察者的驾驶员的方向反射影像光。
更具体而言，可以层叠有具有上述特性的光学多层膜而成的片材、或者层叠折射率不同的多个片材以使得具有同样的效果，也可以在片材表面设置凹凸形状以使前挡玻璃的针对水平方向的扩散特性大于针对垂直方向的扩散特性。
另外，其原因为，通过设定为上述片材的反射率在紫外线区域(小于380nm)以及近红外线区域(大于780nm)中高，来抑制向车内的紫外线以及近红外线的入射而实现更舒适的环境。
如以上所述，本实施例是除了上述特征以外还将信息显示于交通工具的信息显示装置，构成为具备：第1信息显示装置，反射到交通工具的前挡玻璃，显示虚像的影像信息；第2信息显示装置，利用MEMS元件在前挡玻璃扫描激光而得到实像；以及第3信息显示装置，使用交通工具的仪表板，第1信息显示装置具备通过使从显示影像信息的影像显示装置射出的光在前挡玻璃反射而使虚像显示于交通工具的前方的虚像光学系统，第2信息显示装置具备利用扫描型反射镜元件扫描激光而在前挡玻璃显示实像的实像光学系统，第3信息显示装置具备直视型的影像显示装置作为仪表板，第1信息显示装置的影像显示位置是前挡玻璃的中央附近，第2信息显示装置的影像显示位置是前挡玻璃的下部。
由此，能够提供通过组合在远景上重叠虚像的HUD装置和显示在近景上重叠的实像的实像显示装置以及仪表板的显示来减轻驾驶员的视点移动而对安全驾驶的支援作出贡献的信息显示装置。
进而，以下说明具有上述信息显示装置的虚像光学系统的HUD装置的更具体的光学结构。
图13是本实施例中的HUD装置100的整体结构图。在图13中，从下游侧依次设置有经由前挡玻璃6投射形成虚像的影像光的凹面(自由曲面)反射镜1、用于校正此时发生的失真、像差的校正用的透镜群2、影像显示装置4、构成背光源的背光源光源10。此外，7是框体。进而，为了抑制向HUD装置100的内部侵入的阳光的P波分量，作为其一个例子，在透镜群2与影像显示装置4之间设置有用于抑制P波分量的光学单元3。
首先，在本实施例中，作为投射影像光的凹面(自由曲面)反射镜1，优选具有在反射可见光(波长：大致400～700nm)的同时特别地从包含各种波长谱的阳光中去除在信息显示装置中无需且对装置造成损害的例如红外线(IR)、紫外线(UV)等的功能。此时，如果使可见光的反射率为95％以上，则能够实现光利用效率高的虚像光学系统。
然而，另一方面，在透过前挡玻璃直接观察凹面(自由曲面)反射镜1的情况下，干扰光反射引起炫目而导致汽车的质量下降、或由于阳光、夜间的相向车的大灯等的强光在凹面反射镜1上反射而一部分的光线返回到液晶面板而导致对比度性能等作为信息显示装置得到的图像(虚像)的画质下降，并且对构成影像显示装置4的偏振片、液晶面板造成损害。因此，通过将凹面(自由曲面)反射镜1的反射率意图地减少而为90％以下、最好85％以下，能够解决上述问题。
关于作为凹面(自由曲面)反射镜1的基材的凹面反射镜支承部1a，为了避免基材吸收在上述阳光内不反射的波长分量的光，选择透明性高的基材。作为塑料制基材且透明度高的基材，有(1)日本瑞翁(株式会社)的ZEONEX、(2)聚碳酸酯、(3)丙烯酸等。吸水率是大致0％且热变形温度高的(1)ZEONEX最佳，但由于价格高，所以研究而使用热变形温度同等且吸水率是0.2％左右的聚碳酸酯即可。关于成形性最高且廉价的丙烯酸，由于吸湿率最大，所以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的基材吸湿，与在反射面上形成的反射膜一并地，在相反侧的面上作为防湿膜而形成SiN(氮化硅)而设置防湿膜即可。作为防湿膜的SiN使阳光通过，所以不会发生基材中的光吸收而能够抑制热变形。其结果，在由聚碳酸酯、丙烯酸成形的凹面(自由曲面)反射镜中也能够防止由吸湿引起的形状变化。
进而，在此虽然未图示，也可以除了具备抑制/去除上述IR、UV的功能的凹面(自由曲面)反射镜1以外、或者代替该凹面反射镜，还在HUD装置100的上部形成的开口部41处设置具备去除IR、UV的功能的透光板。此外，在该情况下，除了IR、UV的抑制功能以外，还能够防止外部的灰尘侵入到HUD装置100内部。
这样，根据上述凹面反射镜1，能够在包含从开口部41向HUD装置100的内部侵入的大量的谱分量的阳光内去除在该HUD装置中无需的分量，主要选择性地提取可见光分量。
另一方面，作为使HUD装置的画质下降的因素，已知从影像显示装置4朝向凹面反射镜1射出的影像光线在途中配置的光学元件2的表面处反射而返回到影像显示装置，再次反射而重叠到原来的影像光，而使画质下降。因此，在本实施例中，优选不仅在光学元件2的表面形成反射防止膜来抑制反射，还考虑以使具有如防止上述反射光极端地聚光到影像显示装置4的一部分那样的形状的制约的方式设计光学元件2的影像光入射面和射出面中的某一方或者两方的透镜面形状。
接下来，作为影像显示装置4，如果设为为了使来自上述光学元件2的反射光吸收而配置有偏振片的液晶面板，则能够减轻画质的减少。另外，液晶面板的背光源光源10以高效地入射到凹面反射镜1的入射光瞳的方式被控制向影像显示装置4入射的光的入射方向。进而，作为光源，采用产品寿命长的固体光源即可，进而，优选使用作为相对周围温度的变动的光输出变化少的LED(Light Emitting Diode，发光二极管)设置有减少光的发散角的光学单元的PBS(Polarizing Beam Splitter，偏光分束器)进行偏振变换。
在液晶面板的背光源光源10侧(光入射面)和光学元件2侧(光射出面)配置偏振片来提高影像光的对比度比。如果作为设置于背光源光源10侧(光入射面)的偏振片而采用偏振度高的碘系的偏振片，则能够得到高的对比度比。另一方面，通过在光学元件2侧(光射出面)使用染料系的偏振片，即使在干扰光入射的情况下、环境温度高的情况下，也能够得到高的可靠性。
在作为影像显示装置4使用液晶面板的情况下、特别在驾驶员佩戴偏光太阳镜的情况下，特定的偏振波被遮蔽而发生看不到影像的不良现象。为了防止该不良现象，优选在液晶面板的光学元件2侧配置的偏振片的光学元件侧配置λ/4板，将集齐于特定的偏振方向的影像光变换为圆偏振光。
进而，说明具有上述信息显示装置的实像光学系统的投映光学装置的更具体的光学结构。
图14是本实施例中的通过MEMS扫描激光而得到实像的投映光学装置220的基本结构图。在图14中，投映光学装置220是如下扫描型的图像显示装置：搭载将根据图像信号进行光强度调制(以下称为“调制”)后的激光在二维方向上扫描的光扫描装置，通过该光扫描装置使激光在被照射体(例如前挡玻璃)上扫描而描绘图像。即，通过利用具有转动轴的扫描反射镜91使来自光源部94(94a、94b)的激光反射，能够扫描激光。概念性地，沿着显示面20的激光的扫描轨迹202在像面上二维状地扫描调制后的各像素201。
以下，详细说明本实施例中的扫描反射镜91中的二维状的偏向作用。
图15是本实施例中的作为2轴驱动的MEMS元件的扫描反射镜91的概略结构图。在图中，使激光以反射角度偏向的扫描反射镜面91a被连结于在该轴上隔着扫描反射镜面91a相向地配置的第1扭力弹簧91b。进而，扭力弹簧91b与保持部件91c连结，接下来，保持部件91c与第2扭力弹簧91d连结。第2扭力弹簧91d与框架91e连结。另外，虽然未图示，在关于各个扭力弹簧91b和91d大致对称的位置，配置有永久磁铁和线圈。线圈形成为与扫描反射镜91的扫描反射镜面91a大致平行，在扫描反射镜91的扫描反射镜面91a处于静止的状态时，产生与扫描反射镜面91a大致平行的磁场。在线圈中流过电流时，通过弗莱明的左手定律，发生与扫描反射镜面91a大致垂直的洛伦兹力。
扫描反射镜面91a转动至洛伦兹力与扭力弹簧91b和91d的恢复力均衡的位置。针对扭力弹簧91b，以扫描反射镜面91a具有的共振频率对线圈供给交流电流，从而扫描反射镜面91a进行共振动作。同样地，针对扭力弹簧91d，以将扫描反射镜面91a和保持部件91c合起来的共振频率对线圈供给交流电流，从而扫描反射镜面91a、扭力弹簧91b以及保持部件91c进行共振动作。由此，关于2个方向，能够实现基于不同的共振频率的共振动作。
在图16中，如果将作为光扫描部的反射面的扫描反射镜91的转动角设为β/2，则作为反射光线的角度的扫描角以其2倍β而变化。在此，在扫描反射镜91与像面20之间不配置任何光学要素的情况下，扫描角β等于像面20中的入射角α。因此，针对某个投射距离的扫描像的大小由扫描反射镜91的转动角β/2决定。因此，为了在短的距离下得到大画面，在本实施例中，通过在图14所示的扫描反射镜91至作为投映面的前挡玻璃之间设置光学系统(凹透镜或者凸面镜)(未图示)来增大上述振幅。
在本实施例中，为了在观察者观察的近景上重叠影像，从观察者至影像的距离短，所以需要相对垂直方向增大水平方向的影像显示区域。因此，发明人等将作为观察者的驾驶员和前挡玻璃下部为止的距离以1.2m固定，通过实测求出影像显示宽度的最佳值。可知为了与方向盘的旋转角度一并地用箭头显示驾驶的汽车左右拐弯，需要使水平方向的显示范围为30英寸以上，如果能够进行超过40英寸的显示，则能够进行更好的影像显示。
另一方面，发现了如果垂直方向的显示是10英寸则能够进行清晰的显示。进而，确认了为了提高显示的视觉辨认性，需要将显示范围扩大至20英寸左右，但在MEMS的驱动中增大垂直方向的振幅时，需要减小水平方向的振幅，只要使上限为15英寸，则能够得到实用上充分的影像。
接下来，说明本实施例中的在像面上进行扫描的激光的第1扫描状态。
图17示出本实施例中的来自光扫描部的激光的第1扫描状态。如上所述，关于本实施例中的光扫描部的扫描的范围(振幅)，使水平方向的振幅角度相对垂直方向的振幅角度为2倍以上，相对垂直方向增大水平方向的影像显示范围。使前挡玻璃上的激光的尺寸为一个像素，在水平方向上从左向右方向扫描激光301，减少一个像素量而从右朝左扫描。302是第1扫描部的扫描轨迹。图像切换的帧频在汽车的行驶速度为40km/时的情况下为1/60Hz即可，但在行驶速度为100km/时使帧频为1/120Hz，从而能够根据汽车的行驶速度提高显示图像的改写速度而实现最佳显示。
此时，在本实施例中的光扫描部中，如式(3)所示，帧频率F、水平偏向频率fh以及垂直偏向频率fv之积为大致固定值A。因此，利用来自图1所示的驾驶支援ECU62的汽车的行驶速度信息变更帧频，通过式(3)减小水平的偏向频率，与此同时，也成比例地减小偏向角度。
[式3]
A＝F(fh×fv)…(3)
其结果，作为影像表范围进行影像显示的水平方向尺寸变小，但在行驶速度变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。
在本实施例中的第1扫描状态中，使用图18所示的3色(红色(635nm)、绿色(532nm)、蓝色(460nm))的单色激光。在图20中，示出将组合它们而得到的单色的光以及合成的情况下的色度变换为图19所示的色度图上的坐标而得到的结果，但单色的颜色纯度各自是优良的，所以在覆盖NTSC方式的显示颜色范围的同时能够得到充分的明亮度。
进而，在各个单色的发光时混合其他色光、例如在使蓝色激光100％发光时使绿色光相对最大发光10％发光、同时使红色光相对最大发光5％发光时，混色光是与蓝色相当的颜色且明亮度为2倍以上。如以上叙述，还发现了，在本申请方式的扫描部中，通过并非激光单色光而使其他颜色的激光混色，能够进一步提高模拟的单色光的明亮度。
接下来，说明本实施例中的在像面上进行扫描的激光的第2扫描状态。
图21示出本实施例中的来自光扫描部的激光的第2扫描状态。与第1扫描状态的差异点在于，将光扫描部设为多个、即在图21中设为第1扫描部和第2扫描部这2个。关于第1扫描部的扫描的范围(振幅)，使水平方向的振幅角度相对垂直方向的振幅角度为2倍以上，相对垂直方向增大水平方向的影像显示范围。使前挡玻璃上的激光301的尺寸为一个像素，在水平方向上扫描光束，即按图21的实线所示的轨迹从左向右方向扫描，下降一个像素量而从右朝左扫描。302是第1扫描部的扫描轨迹。
另一方面，关于第2扫描部的扫描的范围(振幅)，与第1扫描部同样地，使水平方向的振幅角度相对垂直方向的振幅角度为2倍以上，相对垂直方向增大水平方向的影像显示范围。使前挡玻璃上的激光303的尺寸为一个像素，在水平方向上扫描光束，即按图21的虚线所示的轨迹从右向左方向扫描，下降一个像素量而从左朝右扫描。此外，在图21中，示出了激光303来到最下段的最终像素的状态。)另外，第2扫描部的扫描可以是从上向下的方向，也可以是从下向上的方向。304是第2扫描部的扫描轨迹。此时，将第1扫描部显示的帧图像的下个帧的显示错开大致1/2帧量而显示下个帧的影像。
其结果，确认了能够模拟地使帧频为2倍。进而，在第2扫描状态下的第1扫描部中，使用图22所示的3色的红色(635nm)、绿色(532nm)、蓝色(460nm)的单色激光。另外，在第2扫描部中，使用图22所示的3色的红色(645nm)、绿色(515nm)、蓝色(450nm)的单色激光，从而也能够减少光斑，组合它们而得到的单色的光以及合成的情况下的色度如图23所示，构成2个扫描部的激光光源的单色的颜色纯度各自是优良的，所以在覆盖NTSC方式的显示颜色范围的同时能够得到充分的明亮度。
进而，第1扫描部(以后记载为(1))、第2扫描部(以后记载为(2))在各个单色的发光时混合其他色光，例如在使2扫描部的蓝色激光(1)以及(2)100％发光时使绿色光(1)相对最大发光5％发光、同时使绿色光(2)相对最大发光10％发光并使红色光(1)相对最大发光5％发光时，混色光是与蓝色相当的颜色且明亮度为2倍以上。
如以上叙述，还发现了，根据本实施例，即使叠加使用多个扫描部，并非激光单色光而使其他颜色激光混色，从而也能够进一步提高模拟的单色光的明亮度。在本实施例中，叙述了同时使用2个扫描部的情况的效果，当然如果同时使用3个以上的扫描部，则能够模拟地提高帧频，通过将不同波长的激光使用而叠加于各个扫描部，还能够实现光斑噪声的大幅的减轻。关于明亮度，也能够如上所述无损地提高单色的色度。
接下来，说明上述信息显示装置的仪表板的显示的更具体的结构。
图1所示的仪表板42配置于方向盘43的内径部分，所以关于其显示的影像，从作为观察者的驾驶员的视点移动变得最大。因此，除了汽车正在进行基于自动驾驶模式的自动驾驶以外，还显示紧急度低的信息。用上述观察用照相机210感测驾驶员的视点，在变更显示影像时能够有效地对驾驶员显示大量的影像信息。
作为仪表板，为了装置的薄型化而使用液晶面板。重视汽车的内饰而设为曲面形状即可。另外，通过使显示速度为帧频(60Hz)的2倍的120Hz或者4倍的240Hz而高速地进行显示内容的切换，能够实时地显示来自车外的观察照相机的影像信息。
以上叙述的信息显示装置作为如图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)。相对于此，作为对作为观察者的驾驶员的视点移动进行观察的传感器，例如使用图1、图2所示的观察用照相机210，与观察者的视点移动的信息和汽车的速度对应地，将显示于3种信息显示位置的各个影像显示作为最佳的位置、时间、显示内容而组合显示，从而能够对安全驾驶支援提供有效的信息显示装置。例如，进行根据转弯时的观察者的视点移动将信息显示位置变更为转弯方向等控制。
另外，关于上述3个信息显示位置，将包括方向盘的旋转中心轴的直线附近作为显示的中心，从而作为观察者的驾驶员的水平方向的视点移动左右均等，所以具有抑制驾驶时的疲劳的效果和使视点移动最小的效果。
以上，叙述了本发明的各种实施例的信息显示装置。然而，本发明并非仅限定于上述实施例，而包括各种变形例。例如，上述实施例是为了易于理解地说明本发明而详细说明系统整体的例子，并非限定于一定具备说明的所有结构。另外，能够将某个实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，另外，还能够对某个实施例的结构添加其他实施例的结构。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、置换。

Claims (10)

1.一种信息显示装置，将信息显示于交通工具，所述信息显示装置具备：
信息显示装置，将图像信息显示于所述交通工具的驾驶席的前方的图像显示区域；以及
空间感测单元，在所述驾驶席与显示的所述图像显示区域之间的空间区域中，检测驾驶员的指示的位置信息，
具备将所述驾驶员的指示与由所述空间感测单元检测出的所述驾驶员的指示的位置信息对应地显示于前方的所述图像显示区域的单元。
2.根据权利要求1所述的信息显示装置，其中，
所述信息显示装置具备虚像光学系统，该虚像光学系统通过使从该装置射出的光在所述交通工具的前挡玻璃处反射而将虚像显示于所述交通工具的前方。
3.根据权利要求2所述的信息显示装置，其中，
所述信息显示装置配置于所述前挡玻璃与所述驾驶席之间的仪表盘上。
4.根据权利要求1所述的信息显示装置，其中，
所述信息显示装置具备实像光学系统，该实像光学系统通过在所述交通工具的前挡玻璃上扫描从该装置射出的光而显示实像。
5.根据权利要求4所述的信息显示装置，其中，
所述信息显示装置配置于所述前挡玻璃与所述驾驶席之间的仪表盘上。
6.根据权利要求1所述的信息显示装置，其中，
所述信息显示装置具备使用所述交通工具的仪表板的直视型的影像显示装置。
7.根据权利要求6所述的信息显示装置，其中，
所述信息显示装置配置于所述仪表板与所述驾驶席之间。
8.一种信息显示装置的空间感测装置，是用于权利要求1～7中的任意一项所述的信息显示装置的空间感测装置，其中，
在直线上配置多个光学元件的对而构成所述空间感测装置，所述光学元件的对由发光元件和聚光透镜元件构成，所述发光元件使来自光源的光束为平行光束，所述聚光透镜元件接受来自该发光元件的光束中的由障碍物反射的反射光束。
9.根据权利要求8所述的信息显示装置的空间感测装置，其中，
所述多个光学元件的对在前挡玻璃与驾驶席之间配置于水平方向且与从所述驾驶席向所述前挡玻璃的方向正交的方向。
10.根据权利要求8所述的信息显示装置的空间感测装置，其中，
沿着交通工具的仪表板的至少1个边，配置所述多个光学元件的对。
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