CN111752046B - 平视显示装置 - Google Patents

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Hitachi Industry and Control Solutions Co Ltd
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Maxell Ltd
Hitachi Industry and Control Solutions Co Ltd
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Abstract

一种能够在挡风玻璃的宽阔的面积上，将不同的多个影像信息作为虚像显示在不同的位置处的小型信息显示装置。作为有代表性的实施方式，配置有用于形成影像信息的平板显示器并设有包括被投影部件的虚像光学系统，该被投影部件用于通过使平板显示器的影像反射来在交通工具的前方多个位置显示虚像，虚像与驾驶员的视点位置对应地形成在多个位置上。在虚像光学系统中，用于形成各虚像的影像光束以在平板显示器与凹面反射镜之间分离而独立的方式配置，与各光束对应地配置有不同的光学元件。

Description

平视显示装置
技术领域
本发明涉及一种在汽车、火车、飞机等(以下，一般称为“交通工具”)的挡风玻璃上投影图像的信息显示装置，尤其涉及使得该图像隔着挡风玻璃以虚像观察的虚像光学系统及使用该虚像光学系统的信息显示装置。
背景技术
根据以下的专利文献1，已知一种将影像光投影到汽车的挡风玻璃上形成虚像，对路径信息、拥堵信息等交通信息和燃料余量、冷却水温度等汽车信息进行显示的所谓的平视显示装置(HUD:Head-Up-Display)。
在此类信息显示装置中，出于使驾驶员容易辨识到信息之目的，要求根据驾驶员的注视位置在多个位置上形成虚像，即，使虚像的形成距离与驾驶员的注视位置相匹配。因此，存在一种例如以下的专利文献2中公开的那样，在距驾驶员较远处(远距离)和较近处(近距离)分别形成像的技术。
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：日本特开2015-34919号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
专利文献1公开的平视显示装置例采用了这样的结构，即，液晶显示面板上显示的影像光被中继光学系统成像为实像(专利文献1的图2的Ir)，经由目视光学系统(同图的L1)观察虚像(同图的Iv)。按成像关系整理可知，液晶显示面板上的影像光(平面)被成像为实像Ir(平面)，进而实像Ir(平面)被成像为虚像Iv(平面)。
但是，驾驶员的前景不是二维平面而是三维空间。因此，使用图18说明从乘坐汽车(本车)的驾驶员起的视线方向和该视线方向上的距离。
在本车101的驾驶员观看到的前景也就是其视野范围中，存在着前方行驶的前方车辆102、其跟前的路面105(例如路面上是否有抛落物等)、在道路边缘行驶于附近的自行车、人行道上的行人等。
观看前方行驶的前方车辆102的视线方向103是使视线从正面方向略微降低的方向，而观看道路上其跟前的路面105的视线方向104是使视线进一步降低的方向。这样可知，对于驾驶过程中驾驶员要注意的对象物来说，其与驾驶员之间的距离随着视线方向而相应地不同。
从而，为了进一步提高汽车驾驶的安全性，非常重要的一点是，通过使驾驶过程中注视的对象物的距离接近此时显示的虚像的像距，来缩短人眼对焦所需的时间。
另外，上述专利文献2公开的头戴式显示装置例采用了在离驾驶员不同的距离处形成虚像的结构，具体而言，不可或缺的一点是，根据显示内容来选择屏幕，并与选中的屏幕相应地利用可变焦透镜高速地进行对焦。因此，作为可变焦透镜，使用了“液体透镜，其改变密封在容器内的液体的液体界面”或者“凹面反射镜，其构成为曲率可变”等，头戴式显示器装置向大型化发展，成本增加。
另外，对于被投影部件(6)即挡风玻璃的反射面来说，在驾驶员的视点位置存在多个的情况下，由于挡风玻璃的车体垂直方向曲率半径和车体水平方向曲率半径的中心位置与驾驶员的眼睛的位置不同，所以显示的图像会发生畸变，专利文献2对这一点完全没有考虑。
如上所述，在上述的现有的信息显示装置中，难以在抑制装置结构的大型化和复杂化的同时，在驾驶员的不同的视点位置(距离)处形成虚像。而且，对于显示的影像，也完全没有考虑由于驾驶员的视点位置而产生畸变的问题。
因此，本发明鉴于上述现有技术中的问题而完成，更具体而言，其目的在于提供一种信息显示装置，能够在抑制装置的大型化和复杂化的同时，在驾驶员的不同的视点位置(距离)处形成辨识性高的虚像。
解决问题的技术手段
为达到上述目的，本发明之一例提供一种在交通工具的挡风玻璃上显示作为虚像的影像信息的信息显示装置，其特征在于，包括：显示所述影像信息的平板显示器；和使从所述平板显示器出射的光在所述挡风玻璃上反射，来在所述交通工具的前方显示多个虚像的虚像光学系统，所述虚像光学系统包括凹面反射镜和多个光学元件，所述多个光学元件与在所述平板显示器与所述凹面反射镜之间分离的用于形成各虚像的影像光束对应地配置，使得在所述挡风玻璃的上部形成与远景重叠的虚像V3，并从所述挡风玻璃的上部去往下部，形成与近景重叠的虚像V1，所述虚像V3与所述虚像V1的尺寸满足V3＞V1的关系，所述多个虚像与驾驶员的视点位置对应地形成在多个位置。
发明效果
根据上述的本发明可提供一种信息显示装置，能够在抑制装置的大型化和复杂化的同时，在驾驶员的不同的视点位置(距离)处形成辨识性高的虚像。
附图说明
图1是表示本发明一实施方式的信息显示装置和附属于信息显示装置的外围设备的概略结构的概略结构图。
图2是搭载了本发明一实施方式的信息显示装置的汽车的俯视图。
图3是对本发明一实施方式的挡风玻璃的曲率半径的差异进行说明的结构图。
图4是表示本发明一实施方式中的驾驶员在驾驶过程中注视的区域的概略结构图。
图5是表示本发明一实施方式的信息显示装置的虚像光学系统的概略结构图。
图6是表示本发明一实施方式的信息显示装置的虚像光学系统之一实施例的概略结构图。
图7是表示本发明一实施方式的信息显示装置的虚像光学系统之一实施例的概略结构图。
图8是表示本发明一实施方式的信息显示装置的虚像光学系统之一实施例的概略结构图。
图9是表示本发明一实施方式的信息显示装置中的影像投影装置的配置的结构图。
图10是表示本发明一实施方式的信息显示装置的整体结构之概略的截面图。
图11是本发明第一实施方式的虚像光学系统的整体光线图，图11(a)表示在YZ平面以观察者的眼睛来观察虚像面的影像信息的状况，图11(b)表示在XZ平面以观察者的眼睛来观察虚像面的影像信息的状况。
图12是本发明第一实施方式的虚像光学系统的主要部分的立体放大图。
图13是本发明第一实施方式的构成虚像光学系统的目视光学系统的透镜部的立体放大图。
图14是对本发明第一实施方式的倾斜的斜面上的成像关系进行说明的图。
图15是表示本发明第一实施方式的每个分离光路的畸变性能的图。
图16是表示本发明第一实施方式的目视光学系统整体的畸变性能的图。
图17是本发明第一实施方式的目视光学系统的光斑图。
图18是对现有技术中的驾驶员的视野方向与视野方向上的距离的差异进行说明的图。
图19是对物距和像距的成像关系进行说明的图。
图20是对实像光学系统中的成像关系和阶梯滤光片的作用进行说明的图。
图21是对虚像光学系统中的成像关系和阶梯滤光片的作用进行说明的图。
具体实施方式
下面使用附图等说明本发明一实施方式和各种实施例。以下说明给出本发明的内容的具体例，本发明不限于这些说明，能够在本说明书中公开的技术思想的范围内由本领域技术人员实施各种变更和修正。另外，在用于说明本发明的全部图中，对于具有相同功能的部分标注同一标记，有时省略其重复的说明。
＜信息显示装置的实施方式＞
图1是表示本发明一实施方式的信息显示装置1的外围设备结构的框图和概略结构图，在此，作为其一例，尤其是对在汽车的挡风玻璃上投影图像的信息显示装置进行说明。
该信息显示装置1是为了沿驾驶员的视线8在本车前方的多个位置处分别形成虚像V1～V3，将被投影部件6(在本实施方式中为挡风玻璃)上反射的各种信息作为虚像VI(Virtual Image)显示的装置(所谓的HUD(Headup Display)。其中，被投影部件6只要是能够用来投影信息的部件即可，不仅可以是所述的挡风玻璃，还可以是呈像镜(combiner)。即，本实施方式的信息装置1在驾驶员的视线8上的本车前方的多个位置分别形成虚像来供驾驶员观察，作为以虚像显示的信息，例如也包括车辆信息或者由监视摄像机、全景摄像机(around viewer)等摄像机(未图示)拍摄的前景信息。
另外，信息显示装置1包括对用于显示信息的影像光进行投影的影像投影装置11，使来自该影像投影装置11的光成像的中间像成像部4，使在该中间像成像部4上成像的影像信息(影像光)会聚或者发散的光学部件5，和对上述影像投影装置11进行控制的控制装置40。此外，上述的光学部件5是以下要描述的虚像光学系统，包括使光反射的凹面形状的反射镜。该光学部件5上反射的光由被投影部件6反射而去往驾驶员的视线8(EyeBox(眼动范围)：后文详述)。
上述的中间像成像(或者，中间像显示)部4具有使来自影像投影装置11的光成像的功能，例如由将微透镜二维配置的微透镜阵列构成。在本实施方式中，在中间像成像部4与形成目视光学系统的由上述凹面反射镜构成的光学部件5之间，配置有光学元件21和光学元件22。之所以配置该光学元件21和光学元件22，其第一目的是为了使虚像的形成位置为本车前方的多处位置(本实施方式中为3处)。此外，作为第二目的，是为了在中间像成像部4与形成目视光学系统的光学部件5之间，在来自该中间像成像部4的影像光分离的位置分别进行像差校正。并且，通过利用这些光学元件进行像差校正，即使虚像形成在不同的位置上，也能够使用同一个虚像光学系统将多个虚像以不同的倍率显示。
更具体而言，形成最近位置处的虚像V1的光束的像差校正是利用光学元件21进行的，同时，中间位置处的虚像V2的像差校正是利用光学元件22进行的。另外，由于形成在最远处的虚像V3在原本的虚像光学系统中像差就为最优设计，因此在此未设置光学元件，但即使为了进一步提高像差校正能力而设置了最优设计的光学元件，当然也不超出本发明的技术思想或者范围。
另外，在本实施例中，为了便于说明，对于将虚像的产生位置划分为远处虚像V3、中间虚像V2、近处虚像V1，并分别独立设置有光学元件21和22的例子进行了说明，但不限于此。例如，为了使虚像的显示位置从远处到近处连续地变化，需要按照使空间上的光学距离变化且虚像的产生位置连续地变化的方式充分地减小像差，为此即使设置共用的光学元件来进行应对，也当然不超出本发明的技术思想或者范围。
另一方面，控制装置30包括存储装置31和微型计算机(以下记为“微机”)32。存储装置31由存储内容可擦写的非易失性存储装置构成。微机32以具有ROM34、RAM33和CPU35的计算机为中心而构成，其中ROM34存储即使断电也有必要保持存储内容的处理程序和数据，RAM33用于临时存储处理程序和数据，CPU35按照存储在上述ROM34和RAM33中的处理程序来执行各种处理。
其中，ROM34中存储有供微机44执行信息显示处理的处理程序，在所述信息显示处理中，控制影像投影装置11以将车辆信息和前景信息等各种信息投影到被投影部件6上。另外，作为车辆信息和前景信息的获取源，控制装置30至少与导航系统41和驾驶辅助电子控制装置(以下记作“驾驶辅助装置ECU(Electronic Control Unit)”)42连接。
导航系统61是对位置检测装置检测出的当前位置与存储在地图数据存储部中的地图数据进行对照，并根据对照的结果，引导前往所设定的目的地的路径的装置。地图数据中包含关于道路的限速和车道数、交叉路口的信息等各种信息。
控制装置30从这样的导航系统61获取与本车行驶的当前位置对应的道路的限速和车道数、在导航系统51中设定的本车的预定行驶路径等信息作为前景信息(即，要利用上述虚像显示在本车前方的信息)。
驾驶辅助装置ECU62是根据作为周边监视装置63的监视结果而检测出的障碍物来对驱动系统和控制系统进行控制，由此来实现驾驶辅助控制的控制装置，作为驾驶辅助控制技术，包括巡航控制(cruise control)、自适应巡航控制(adaptive cruise control)、预碰撞安全(pre-crush safety)、车道保持辅助(lane keeping assist)等众所周知的技术。
周边监视装置63是对本车周边的状況进行监视的装置，作为一例，是基于拍摄本车周边而得到的图像来检测存在于本车周边的物体的摄像机，或者基于探测波的收发结果来检测存在于本车周边的物体的探测装置等。
控制装置30获取来自这样的驾驶辅助装置ECU62的信息(例如，到前方车辆的距离、前方车辆的方位、障碍物或者标识所处的位置等)作为前景信息。并且，点火(IG)信号和本车状态信息也被输入到控制装置30。在这些信息中，本车状态信息是作为车辆信息获取到的信息，例如包括表示内燃机的燃料余量和冷却水的温度等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、本车的行驶速度和档位等信息。以上所述的控制装置30在点火信号输入时启动。上面是本发明一实施方式的信息显示装置的整体系统的说明。
＜第一实施方式＞
接着，对本发明一实施方式的虚像光学系统5和影像投影装置11的更详细的内容，在下面进行说明。
图2是搭载有本发明一实施方式的信息显示装置1的汽车的俯视图，在汽车主体101的驾驶席前部，存在作为被投影部件6的挡风玻璃。该挡风玻璃相对车体的倾斜角度随汽车车型的不同而不同。发明人为了实现最优的虚像光学系统，对挡风玻璃的曲率半径也进行了调研。结果了解到，如图3所示，挡风玻璃的与汽车的接地面(轮胎接地面)平行的水平方向的曲率半径Rh不同于与水平轴正交的垂直方向的曲率半径Rv，并且Rh与Rv通常存在下述的关系。
Rh＞Rv
另外，发明人还明确了，该曲率半径的差异即Rh与Rv的比大多在1.5倍至2.5倍的范围内。
接着，针对挡风玻璃的倾斜角度，发明人也对市售产品进行了调研。其结果，轻型汽车或者小型货车为20度～30度，轿车为30度～40度，跑车为40度以上——不过，取决于车体类型还会存在不同。因此，在本实施方式中，考虑挡风玻璃的与汽车的接地面平行的水平方向的曲率半径Rh和与水平轴正交的垂直方向的曲率半径Rv之间的差异，并考虑挡风玻璃的倾斜角，对虚像光学系统进行了设计。
更详细而言，作为被投影部件的挡风玻璃的水平曲率半径Rh与垂直曲率半径Rv有较大的差异，因此通过在虚像光学系统内设置挡风玻璃的水平轴与垂直于该轴的轴关于光轴(Z轴)非轴对称的光学元件，实现了良好的像差校正。其中，对于所获得的虚像光学系统的透镜数据，将在后文中详述。
在此，以下针对图1中也表示出的使用了非旋转对称形状的自由曲面透镜和自由曲面反射镜的虚像光学系统的第一实施方式进行说明，其中该虚像光学系统能够构成为，对于视野范围和虚像像距各自不同的多个虚像面，各自的物面位置在同一平面上。
参考图11对本发明第一实施方式的虚像光学系统的结构进行说明。该图11是图1所示的本发明一实施方式的虚像光学系统5的整体光线图，尤其是，图11(a)表示在YZ平面以观察者的眼睛来观察虚像面7的影像信息的状况，图11(b)表示在XZ平面以观察者的眼睛来观察虚像面7的影像信息的状况。在YZ平面上右眼与左眼重合(参考附图标记8)，在XZ平面上右眼与左眼能够被分别看到。
图12是上述第一实施方式的虚像光学系统5的主要部分的立体放大图。图13是上述第一实施方式的构成虚像光学系统5的目视光学系统5a的透镜部的立体放大图。如该图12和图13所示，自由曲面透镜54和自由曲面反射镜56分别构成为非旋转对称形状。光学元件51、凸透镜52和凹透镜53具有较大的偏心量(在前后面没有偏心)。此外，图14是对在倾斜的斜面上的成像关系进行说明的图。
如图12所示，虚像光学系统5从中间像显示部(或者平板显示器等图像显示部)4一侧开始，依次排列配置有阶梯滤光片(光学元件)51、正光焦度的凸透镜52、负光焦度的凹透镜53、非旋转对称的自由曲面透镜54、柱面镜55、非旋转对称的自由曲面反射镜56和挡风玻璃6。挡风玻璃6的水平方向与垂直方向的曲率半径的差异是通过增加柱面镜55来抵消的。此外，反射面非旋转对称的自由曲面反射镜56对虚像的畸变进行校正。
在此，在以下的表1和表2中，给出上述第一实施方式的虚像光学系统5内获得到的透镜数据。
Figure BDA0002614581210000101
表2
Figure BDA0002614581210000111
表1是表示本发明第一实施方式的影像投影装置11的透镜数据的表。该表1所示的透镜数据中，曲率半径用正号表示曲率半径的中心位置在行进方向上的情况，面间距离表示从各面的顶点位置到下一个面的顶点位置的光轴上的距离。例如，在虚像像距18m的情况下，与图6所示的光学元件23对应的阶梯滤光片的厚度为27.439mm，在虚像像距30m的情况下，与图6所示的光学元件24对应的阶梯滤光片的厚度为14.556mm，在虚像像距100m的情况下，阶梯滤光片的厚度为0mm。
偏心是Y轴方向的值，倾斜是YZ平面内绕X轴的旋转，偏心和倾斜在该面上按偏心和倾斜的顺序作用，“基本偏心”的情况下，在偏心和倾斜作用后的新坐标系上的面间距离的位置处配置下一个面。“偏心与回归”的偏心和倾斜仅作用于该面，不影响下一个面。
玻璃材料名的PMMA是塑料中的丙烯酸树脂(Polymethyl methacrylate)，玻璃材料名58.3表示折射率是1.58且阿贝数是30的材料。
表2是本发明第一实施方式的影像投影装置11的透镜数据的自由曲面系数的图。该表2的自由曲面系数可以通过下式(式1)求取。
[式1]
Figure BDA0002614581210000121
自由曲面系数Cj是关于各自的光轴(Z轴)非旋转对称，且由圆锥项的成分和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)的情况下，对应于j＝{(2+3)2+2+3×3}/2+1＝19的C19的系数。另外，自由曲面各光轴的位置，由表1的透镜数据中的偏心和倾斜的量决定。
另外，本发明第一实施方式的影像投影装置11的非球面变形(anamorphic)系数能够利用下式(式2)求取。关于该(式2)的cuy(＝1/rdy)和cux(＝1/rdx)，在表1中，rdy＝9686mm，rdx＝5531mm，其他系数全部设为0。
[式2]
Figure BDA0002614581210000131
下面按水平方向、垂直方向的顺序给出本发明第一实施方式的构成虚像光学系统5的目视光学系统的eyebox尺寸和视角等的值。
eyebox尺寸100×50mm
屏幕板上的影像光的有效尺寸40.70×18.80mm
视角(全视角)5.4×1.8度
分离光路(垂直视野方向，虚像尺寸，虚像像距)
1.8～2.2度，1698×126mm，18m
1.1～1.5度，2830×210mm，30m
0.4～0.8度，9432×698mm，100m
接着，对于上述第一实施方式的虚像光学系统5的光学性能，尤其是畸变性能，使用图15～图17进行说明。
图15和图16是表示本发明第一实施方式的影像投影装置11中的虚像光学系统5的畸变性能的图。图17是本发明第一实施方式的影像投影装置11中的目视光学系统的光斑图。
图15是表示在上述图11所示的虚像面71、72、73上的第一实施方式中的每个分离光路的畸变性能的图，根据该图可知，在各虚像面上实现了矩形形状的虚像。根据各虚像面71、72、73上的虚像尺寸计算视角，视野范围F1的水平视角(全视角)为2×tan(1698/2/18000)＝5.4度，视野范围F2的水平视角(全视角)为2×tan(2830/2/30000)＝5.4度，视野范围F3的水平视角(全视角)为2×tan(9432/2/100000)＝5.4度。各虚像面71、72、73上的水平方向的视角为相同的值，因此在图16中将各虚像面71、72、73上的视野范围一并表示，可知各视野区域F1、F2、F3显示在垂直方向上偏离的位置。
图17给出了在虚像面71、72、73上分别配置物点，对屏幕板4上的光斑图进行计算得到的光斑图，实现了良好的光学性能。另外，该光斑图是eyebox 9的大小为水平100mm×垂直50mm的全部光束的光斑图，在实际上驾驶员观看虚像的情况下，是人眼的虹膜大小(认为最大φ7mm)的光斑图，与图17相比还有大幅改善。
因此，根据本实施方式能够提供一种信息显示装置，其利用使用了自由曲面透镜和自由曲面反射镜的虚像光学系统，能够在不同的视野方向上以不同的虚像像距同时显示虚像。
驾驶员通常如图20(a)～(c)所示，在驾驶过程中，需要确认前方车辆(刹车灯和右转、左转灯的点亮)、确认其跟前道路的路面(有无抛落物等)、以及确认跟前道路边缘的自行车和/或行人等。根据本实施方式，能够进行这样的显示，即，在相当于前方车辆的位置的虚像范围中显示关于前方车辆的提醒信息，在相当于其跟前的道路路面的位置的虚像范围中显示存在抛落物等。而且，根据本实施方式，能够在具有不同虚像像距且位于不同视野方向的多个虚像面上同时显示影像。
另外，因为驾驶员也要确认速度计和燃料计等的信息，所以通过装备信息显示装置，能够将各种仪表类的信息作为虚像显示在驾驶员的前方，因此驾驶员的视线方向的移动减小，并且也能够缩短眼睛对焦所需的时间，因此能够提高驾驶安全性。
然而，前景中的前方车辆、跟前的路面以及跟前的道路边缘的自行车和/或行人到驾驶员的距离不同，所以通过改变用于显示与它们相关的信息的虚像的距离，能够进一步缩短眼睛对焦所需的时间，能够进一步提高驾驶安全性。
接着，使用图19～图21，对信息显示装置的不同虚像像距下的成像关系进行整理，定量地分析要解决的技术问题。
图19是说明物距与像距(在实像光学系统中的)成像关系的图。随着成像透镜201到物面202的距离L减小，成像透镜201到像面203的距离a增大。图20是对实像光学系统中的成像关系与阶梯滤光片的作用进行说明的图，表示了焦距＝440mm、物距L＝100～10m下的聚焦位置的移动量δ。在实像光学系统中，近距离(近物距)侧的聚焦位置比远距离(远物距)侧的聚焦位置远。此处，若在成像透镜201与实像面203之间配置了厚度为d、折射率为N的滤光片251，能够与滤光片251的物理长度d与光学长度d/N之差d(1-1/N)相应地，使实像面203的位置变远同样的量。在实像光学系统中，近距离(近物距)侧的实像面位置比远距离(远物距)侧的实像面位置远，因此通过在远距离(远物距)侧的光路上，在成像透镜201与实像面203之间配置滤光片251，能够使近距离(近物距)侧的物理上的实像面位置和远距离(远物距)侧的物理上的实像面位置配置在同一个平面上。
同样，图21是对虚像光学系统中的成像关系与阶梯滤光片的作用进行说明的图，表示了焦距＝440mm、虚像像距L＝100～10m下的物位置的移动量δ。在虚像光学系统中，远距离(远像距)侧的物位置比近距离(近像距)侧的物位置远。同样地，若在目镜301与物面302之间配置了厚度为d、折射率为N的滤光片351，能够与阶梯滤光片351的物理长度d与光学长度d/N之差d(1-1/N)相应地，使物面203的位置变远同样的量。在虚像光学系统中，远距离(远像距)侧的物面位置比近距离(近像距)侧的物面位置远，因此通过在近距离(近像距)侧的光路上，在目镜301与物面302之间配置滤光片351，能够使近距离(近像距)侧的物理上的物面位置与远距离(远像距)侧的物理上的物面位置配置在同一平面上。例如，在虚像像距L＝20～10m的情况下，物面302的位置存在δ＝9.1mm的偏移，因此需要d＝δ/(1-1/N)＝26.6mm的滤光片351。同样，在虚像像距L＝100～18m的情况下，物面302的位置存在δ＝8.6mm的偏移，因此需要d＝25.2mm的滤光片351。
＜第二实施方式＞
下面，参考图5对本发明第二实施方式的信息显示装置的光学系统的基本结构进行说明。该图5所示的光学系统包括图像形成单元10和构成上述虚像光学系统5的目视光学系统5a。即，具有这样的结构，使从投影光学系统20出射的影像光在汽车(未图示)的挡风玻璃6上反射而入射到驾驶员的眼睛8。
更具体而言，从背光源100照射到液晶显示面板2上的光束，作为包含液晶显示面板4a上显示的影像信息的影像光束入射到中继光学系统3。利用中继光学系统3的成像作用，将液晶显示面板2上的影像信息放大，之后放大投影到中间像成像部4上。液晶显示面板2上的点P1、P2、P3分别与中间像成像部4的点Q1、Q2、Q3对应。通过使用中继光学系统3，能够使用显示尺寸较小的液晶显示面板。背光源100、液晶显示面板2、中继光学系统3和中间像成像部4用于在上述中间像成像部4上形成图像信息(影像信息)，因此将它们统称为图像形成单元10。
接着，中间像成像部4上的图像信息由目视光学系统5a投影到挡风玻璃6上，被挡风玻璃6反射的光束到达观察者的眼睛8的位置。于是形成了这样的关系，即，从观察者的眼睛看来，仿佛正在观看虚像面7的图像信息。中间像成像部4上的点Q1、Q2、Q3分别与虚像面7的点V1、V2、V3对应。另外，即使移动眼睛8的位置也能够观看到虚像面7上的点V1、V2、V3的范围是所谓的eyebox(眼动范围)9。这样，本发明的虚像光学系统与相机的取景器的目镜和显微镜中的目镜同样，是能够将物(空间像)的像(虚像)显示在观察者眼前的光学系统。
另外，中间像成像部4由将微透镜二维配置的微透镜阵列构成。即，利用散射作用，增大从该中间像成像部4出射的光束的扩散角，使eyebox 9的大小成为规定的大小。另外，中间像成像部4的散射作用也能够通过内置散射颗粒来实现。
在本发明第二实施方式中，如图5所示，从中间像成像部4一侧到构成虚像光学系统5的目视光学系统5a之间，与虚像的产生位置对应地配置用于校正像差的光学元件。具体而言，在与最近处的位置V1对应的光束所经过的位置上，配置校正用的光学元件21，使虚像光学系统5的虚像产生位置靠近以实现低倍率，并同时降低虚像中产生的畸变和像差。其次，在与形成于中间位置的虚像V2对应的光束所经过的位置上，配置校正用的光学元件22，使虚像光学系统5的虚像产生位置处于中间位置以实现中倍率，并同时降低虚像中产生的畸变和像差。并且，对构成虚像光学系统5的目视光学系统5a进行最优设计，即，使得对于形成在离监视者最远处的虚像V3而言，可以不在对应的光束所经过的位置上配置上述的校正用的光学元件。
像这样，通过针对作为基准的、形成在最远处的虚像V3进行目视光学系统5a的最优设计，并对形成于中间距离处的V2和形成于近处的V1分别配置校正用的光学元件，不仅能够缩短中间像成像部4与目视光学系统5a之间的光学距离，还能够构成用于对形成于各像位置处的虚像的畸变和像差进行校正的最优的结构。
另外，为了减小虚像的畸变和像差，也可以使用多个中间像成像部(将其分割也能够获得同样的效果)，将它们各自与其虚像位置对应地配置在关于上述目视光学系统5a而言最佳的位置上，此时，通过使上述中间成像部的朝向冲着目视光学系统5a的入瞳方向，能够更高效地使影像光入射到目视光学系统5a。
本实施方式中说明的是这样的方案，即，在与形成于近处的虚像V1对应的光束、与形成于中间处的虚像V2对应的光束和与形成于远处的虚像V3对应的光束这三个光束分离而向虚像光学系统5入射的位置(在图5和图6中，表示为目视光学系统与平板显示器之间)，与各虚像对应地配置校正用的光学系统，来进行虚像的畸变、像差校正。但是，本发明不仅限于此，例如，即使虚像的形成位置从远处到近处是连续变化的，只要配置校正光学元件使得上述虚像光学系统5与中间像成像部4之间的光学距离按照与各虚像的形成位置对应的方式变化即可，这样的方案当然不超出本发明的技术思想或者范围。
＜第三实施方式＞
接着，使用图6说明本发明第三实施方式的信息显示装置的光学系统。
在该图的例子中，使用平板显示器(例如，液晶显示面板)4a作为影像源。从背光源100照射的光束作为包含液晶显示面板4a上显示的影像信息的影像光束，入射到构成虚像光学系统5的目视光学系统5a。与上述的第二实施方式同样，在液晶显示面板4a与构成虚像光学系统5的目视光学系统5a之间，与虚像的产生位置对应地配置用于校正像差的光学元件。具体而言，在与最近处的V1对应的光束所经过的位置上，配置校正用的光学元件23，使虚像光学系统5的虚像产生位置靠近，并同时降低虚像中产生的畸变和像差。其次，在与形成于中间位置的虚像V2对应的光束所经过的位置上，配置校正用的光学元件24，使虚像光学系统5的虚像产生位置处于中间位置以实现中倍率，并同时降低虚像中产生的畸变和像差。并且，对构成虚像光学系统5的目视光学系统5a进行最优设计，使得对于形成在离监视者最远处的虚像V3而言，可以不在对应的光束所经过的位置上配置校正用光学元件。
在该第三实施方式中，也与上述第二实施方式同样地，针对形成于离监视者最远处的虚像V3，以其为虚像光学系统5的设计基准的方式对虚像光学系统5进行最优设计，并对形成于中间距离处的V2和形成于近处的V1分别配置校正用的光学元件。由此，能够使平板显示器4a与目视光学系统5a之间的光学距离分别与各虚像匹配，构成用于对形成于各位置处的虚像的畸变和像差进行校正的最优的结构。
图7表示使用了多个平板显示器(例如，液晶显示面板)4b、4c、4d作为影像源的例子。从背光源100b、100c、100d照射的光束作为包含液晶显示面板4b、4c、4d上显示的影像信息的影像光束，入射到虚像光学系统5a。关于虚像光学系统5a和与各虚像V3、V2、V1对应的校正用的光学元件的作用，与上述图6所示的第二实施方式相同，在此省略其说明。
图8表示使用多个平板显示器(例如，液晶显示面板)4b、4c、4d作为影像源的另一例子。此处也是，从背光源100b、100c、100d照射的光束作为包含液晶显示面板4b、4c、4d上显示的影像信息的影像光束，入射到目视光学系统5a。此外，在本例中，根据图也可知，通过使各平板显示器向目视光学系统5a的入瞳方向倾斜，能够更高效地收集影像光。此外，关于与各虚像V3、V2、V1对应的校正用光学元件的作用，与上述图6所示的第二实施方式同样，在此省略其说明。
将使用以上所述的多个平板显示器(液晶显示面板)而得到的特殊效果总结如下。
(1)通过使用多个液晶显示面板作为影像源，能够提高合成的分辨率。其结果，能够增大虚像整体的信息量，因此，如上述图3所示，能够在挡风玻璃6的大致整个区域形成虚像。不过，通常不在挡风玻璃6的整个面形成虚像，而是在图中的图像显示区域1(a)，或图像显示区域1(c)，或者图像显示区域1(a)和1(c)这两处形成虚像。其结果，如上述图4所示，能够与行驶中的汽车101的驾驶员在驾驶过程中注视的前方的视野重叠地，显示来自上述图1所示的周边监视装置的影像信息和提醒注意的信息，以及来自导航系统的信息等，能够实现所谓的虚拟现实。此外，在想要右转的情况下，在利用周边监视装置识别到会造成行驶安全问题的行人的信息后，在拍摄到的影像信息上叠加显示提醒注意的信息，从而构成安全驾驶上的有效的辅助。
另外，对于从行进方向的左侧行驶来的汽车102，如果成为安全上的问题则在上述图3的图像显示区域2中间断地显示注意提醒的影像等，能够起到强化驾驶员的安全性认知的作用。
(2)通过将多个平板显示器(液晶显示面板)配置在虚像光学系统的物面范围内的期望的位置上，能够适当地控制所获得的虚像的形成位置和倍率。
(3)而且，通过使各液晶显示面板的朝向向所述目视光学系统5a的入瞳方向倾斜，能够提高影像光的利用效率，能够得到明亮的虚像。同样，在配置液晶显示面板的位置，以有利于进行所形成的各虚像的像差和畸变校正的方式使液晶显示面板倾斜，能够提高设计的自由度。
其结果，与上述图6所示的虚像光学系统5相比能够提高设计自由度，提高分辨率、像差校正和畸变校正的自由度，并且能够使从驾驶员的视点看到的虚像形成在期望的位置。在上述的图7中，作为一个例子，记载了并排设置3个液晶显示面板4b、4c、4d的例子，但是不限于此，例如可以如图8所示，使液晶显示面板4b、4c、4d分别与目视光学系统5a的光轴方向对应地倾斜配置，或者也可以如图9所示，将平板显示器配置为矩阵状，当然也可以插入上述的校正光学元件。此时，使各面板相对虚像光学系统的光轴倾斜来提高畸变校正和像差校正的自由度这一点，也同样是有效的。
＜其他实施方式＞
图10是作为本发明另一实施方式的信息显示装置中的影像光源表示了包括液晶显示面板4a和背光源100的结构的整体概要的截面图。对来自作为固体光源的白色LED46的出射光，利用光漏斗(light funnel)44缩小它的发散角，并且使出射光的强度分布均匀化。之后，利用光学元件43使出射光成为大致平行光，在偏振变换用的PBS45中，使偏振统一为单一的偏振。之后，该出射光在反射面41上反射，入射到液晶显示面板4a。此时，为使从液晶显示面板4a得到的影像光束成为对比度性能优越的光束，设置用于对去往液晶显示面板4的光束的入射角进行控制的光学元件17。
由此，在液晶显示元件4a的光入射面和出射面设置偏振片，能够得到对比度性能优越的影像光束。而且，在液晶显示面板4a的出射面设置λ/4波片46，能够将出射光变换为圆偏光。其结果，驾驶员即使戴着偏振太阳镜，也能够看到良好的虚像。
而且，即使虚像光学系统中使用的反射镜的反射膜由金属多层膜成膜形成，反射率的角度依赖性也不高，不会因为偏振方向(P光或者S光)不同而导致反射率变化，因此能够均匀地保持画面的色度和亮度。
此外，在最靠近虚像光学系统5的位置上，设置有紫外线反射膜或者组合紫外线反射膜和红外线反射膜得到的光学部件47，从而能够得到这样的效果，即，即使外界光(太阳光)入射，也能够降低液晶显示面板和偏振片的温度上升或者损伤，不会有损信息显示装置的可靠性。
＜其他＞
上面对本发明各实施方式的信息显示装置的主要结构进行了详述，以下对上述实施方式进行总结性说明，并对其他结构的详细内容进行说明。
其中，首先，作为影像投影装置，使用TFT型的彩色液晶面板或者具有彩色滤光片的单片LCOS(Liquid Crystal On Silicon)、OLED(Organic Light Emitting Diode)等平板显示器。作为影像源(中间像显示部)，可以利用小型的液晶面板或者DMD(DigitalMirror Device)等影像显示元件根据影像信号对光强度进行调制，由投影单元将该调制后的光放大投影到中间像显示部，此外，利用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)的精细反射镜对光源光进行扫描，能够得到与上述影像投影装置相同的影像信息。因此，能够使投影装置的最优像面或者扫描得到的影像面与中间像显示部的面形状大致一致，能够使其为平面以外的例如球面、非球面、自由曲面，提高虚像光学系统的设计自由度。另外，也可以设置多个中间像显示部，将影像分割显示(不过，图1和图5将中间像显示部表示为一个)。
另外，在虚像光学系统中，将一直以来用作被投影部件的挡风玻璃的车辆水平方向的曲率半径与垂直方向的曲率半径之差考虑在内进行最优设计，在挡风玻璃与影像投影装置或者中间像显示部之间，配置凹面朝向挡风玻璃侧的凹面反射镜，由此将影像投影装置上的影像或放大投影到中间像显示部上的影像放大，使其在挡风玻璃上反射。此时，在所述凹面反射镜与影像投影装置或者中间像显示部之间配置有多个光学元件，用于形成与驾驶员的视点位置对应成像的所述影像的放大像(虚像)的影像光束经过配置于凹面反射镜与影像投影装置或者中间像显示部之间的所述多个光学元件，此时，影像光束经过配置于彼此分离的位置上的光学元件。因此，通过与各光束对应地将光学元件分割来进行最优像差校正，能够得到与驾驶员的多个视点位置对应的辨识性高的虚像。
另外，如上述图7所示，通过并排设置多个小型的影像显示元件以构成影像投影装置，能够低廉地实现高分辨率。而且，通过改变多个影像显示元件相对于上述虚像光学系统的配置位置，能够控制驾驶员看到的虚像的产生位置及其的倍率。
更具体而言，在本发明中，由挡风玻璃上部(车体垂直方向上部)反射而得的虚像需要在更远处成像。因此，为了使从影像投影装置和中间像显示部的上部——即显示有对应的影像的部分——发散的影像光束良好地成像，需要利用配置在所述的凹面反射镜与影像投影装置或中间像显示部之间的多个光学元件来缩短合成的焦距f1，或者插入折射率大于1.0的光学部件来增大光学距离L1，相反地，为了使由挡风玻璃下部(车体垂直方向下部)反射而得的虚像在更近处成像，需要增大合成焦距f2或者缩短光学距离L2。换言之，两者的关系可以设定为f1＜f2。为了实现本发明的目的，如上所述，可以将影像投影装置和中间像显示部分为若干份来显示必要的信息，或者也可以进行连续的信息显示。
在图1所示的本发明一实施方式中，由挡风玻璃上部(车体垂直方向上部)反射而得的虚像V3需要在更远处成像。因此，为了使从影像投影装置或中间像显示部的上部——即显示有对应的影像的部分——发散的影像光束良好地成像，需要利用配置在所述的凹面反射镜与影像投影装置或中间像显示部之间的多个光学元件来缩短合成的焦距f1，相反地，由挡风玻璃下部(车体垂直方向下部)反射而得的虚像V1需要在更近处成像。因此，为了使从影像投影装置或中间像显示部的下部——即显示有对应的影像的部分——发散的影像光束良好地成像，可以将配置在所述的凹面反射镜与影像投影装置或中间像显示部之间的多个光学元件的合成焦距f2相对地设定得较长。
另外，在本发明一实施方式中，为了校正因挡风玻璃的水平方向(与地面平行)曲率半径和垂直方向(与挡风玻璃水平方向垂直的方向)的曲率半径不同而导致驾驶员观看到的虚像的画面畸变，在虚像光学系统中配置关于光轴具有不同轴对称性的光学元件，由此实现上述畸变的校正。
在本发明一实施方式中，影像面构成为平板显示器(Flat Panel Display)。具体而言，为使用了TFT型的彩色液晶面板或者具有彩色滤光片的单片LCOS(Liquid CrystalOn Silicon)、OLED(Organic Light Emitting Diode)等平板显示器。显示画面尺寸为1英寸至5英寸左右较好，考虑到影像光的有效利用，优选最大3英寸左右。另外，如图7所示，也能够使用多个小型的平板显示器进行组合以得到期望的分辨率。
此时，由于影像投影装置本身为虚像光学系统的影像源，显示面为平面，因此作为设计上的自由度，存在考虑挡风玻璃相对于虚像光学系统的光轴的的倾斜度而对梯形畸变进行校正等自由度。而且，在使用了多个平板显示器的信息显示装置中，通过改变小型的平板显示器相对于虚像光学系统的配置位置，也同样能够对上述虚像的产生位置和倍率进行控制。
另外，在影像面与虚像光学系统之间，以使影像光束到达驾驶员的视点位置的方式配置具有会聚作用的光学元件，使来自影像面的出射光线通过虚像光学系统而高效地到达驾驶员的眼睛。另外，在使用了TFT型的色彩液晶面板或者具有彩色滤光片的单片LCOS(Liquid Crystal On Silicon)、OLED(Organic Light Emitting Diode)等仅使用特定的偏振光的影像投影装置中，通过在光源与影像投影装置之间设置对光源光进行偏振变换以仅输出期望的偏振成分的光学元件，能够有效利用光源光。而且，通过控制光源光的发散角度，仅使用来自所述影像投影装置的输出光中的对比度性能高的角度成分，影像对比度性能的提高也变得可能。
另外，就挡风玻璃的反射面来说，在由于驾驶员发生变更等导致驾驶员的视点位置存在多个的情况下，挡风玻璃的车体垂直方向的曲率半径和车体水平方向的曲率半径的中心位置与驾驶员的眼睛的位置不同，因此以虚像观察到的图像的畸变对驾驶员各不相同。因此，例如也可以在汽车车内为了测量驾驶员的视点位置而利用摄像机等测定瞳孔的位置，以预先校正虚像中会产生的畸变的方式，使输出到影像投影装置上的显示图像变形。
而且，关于上述因挡风玻璃反射面的形状和驾驶员的视点位置而产生的所显示的字符、图形的畸变，能够通过按显示图像的位置改变字符、图形的高宽比，使得驾驶员观看到的虚像的形状表现得更加自然(高宽比为更正确的比例)。
基于以上结果，利用本发明一实施方式的信息显示装置，能够在驾驶员的多个视点位置(不同的距离)形成辨识性高的虚像。而且，利用本发明一实施方式的信息显示装置，与上述的专利文献1和专利文献2所示的技术相比，能够以简单的结构实现，即，可尽可能抑制装置结构的大型化和复杂化。
另外，在本发明一实施方式的信息显示装置中，与上述专利文献2中记载的技术相比，无需与各个成像单元对应地高速调整投影单元的焦距，能够利用低廉且简单的结构，在近距离(相当于挡风玻璃的下方)或远距离(相当于挡风玻璃的上方)等与驾驶员的视线相符合的位置形成虚像。其结果，能够提供一种对使用者具有较高易用性的信息显示装置。
附图标记说明
1…信息显示装置、100……背光源，2……液晶显示面板，3……中继光学系统，4……中间像成像部(散射板)，5a……目视光学系统(光学部件)，5……虚像光学系统，6……被投影部件(挡风玻璃)，7……虚像面，8……eyebox，9……观察者的眼睛，10……图像形成单元，11……影像投影装置，17……光学元件，20……投影光学系统，21……光学元件，22……光学元件，23……光学元件，41……反射面，42……λ/2波片，43……光学元件，44……光漏斗，45……PBS，46……固体光源，47……紫外线和红外线反射片，48……λ/4波片，51……光学元件(阶梯滤光片)，52……凸透镜(第一光学元件)，53……凹透镜(第二光学元件)，54……自由曲面透镜，55……柱面反射镜(反射镜)，56……自由曲面反射镜(反射镜)，V1、V2、V3……虚像。

Claims (10)

1.一种平视显示装置，其特征在于，包括：
生成影像信息的显示元件；和
基于从所述显示元件出射的影像光在观察者的前方形成虚像的光学系统，
所述光学系统包括配置在所述影像光的光路上的光学元件，
所述光学元件构成为，在自所述观察者的视点位置起分别位于不同视野方向和虚像像距处的多个位置上形成所述虚像，
所述多个位置包括所述观察者的前方的第一位置，虚像像距比所述第一位置远的第二位置，和虚像像距比所述第二位置远的第三位置，
所述光学元件包括由阶梯滤光片构成的共用光学元件，所述阶梯滤光片具有能够使光学距离变化的形状以将所述多个虚像形成在所述多个位置上，
所述阶梯滤光片包括供第一影像光束通过的第一部分、供第二影像光束通过且厚度比所述第一部分薄的第二部分和供第三影像光束通过且厚度比所述第二部分薄的第三部分，其中第一影像光束用于形成位于所述第一位置的第一虚像，第二影像光束用于形成位于所述第二位置的第二虚像，第三影像光束用于形成位于所述第三位置的第三虚像，
所述光学系统利用所述光学元件进行所述第一虚像、所述第二虚像、所述第三虚像的像差校正，其中，所述光学系统针对形成在虚像像距最远的所述第三位置处的所述第三虚像进行了最优设计，并且对所述第二虚像和所述第一虚像分别配置了校正用光学元件。
2.如权利要求1所述的平视显示装置，其特征在于：
所述光学系统使从所述显示元件出射的所述影像光在挡风玻璃上反射，来将所述虚像显示在从所述观察者的视点看来位于前方之处，
所述光学系统包括凹面反射镜、所述光学元件和柱面反射镜，所述凹面反射镜在所述影像光的光路上配置于所述显示元件与所述挡风玻璃之间，所述光学元件在所述光路上配置于所述显示元件与所述凹面反射镜之间，所述柱面反射镜在所述光路上配置于所述显示元件与所述凹面反射镜之间且比所述光学元件靠后，
所述挡风玻璃的曲面具有水平方向的曲率半径大于垂直方向的曲率半径的关系，
所述柱面反射镜具有用于校正由所述挡风玻璃的曲面的形状引起的畸变的形状。
3.如权利要求1所述的平视显示装置，其特征在于：
所述光学系统使从所述显示元件出射的所述影像光在挡风玻璃上反射，来将所述虚像显示在从所述观察者的视点看来位于前方之处，
所述光学系统包括凹面反射镜和所述光学元件，所述凹面反射镜在所述影像光的光路上配置于所述显示元件与所述挡风玻璃之间，所述光学元件在所述光路上配置于所述显示元件与所述凹面反射镜之间，
所述凹面反射镜包括用于校正所述虚像的畸变的自由曲面反射镜，所述自由曲面反射镜具有关于所述影像光的光轴非旋转对称的形状。
4.如权利要求1所述的平视显示装置，其特征在于：
所述光学系统使从所述显示元件出射的所述影像光在挡风玻璃上反射，来将所述虚像显示在从所述观察者的视点看来位于前方之处，
所述光学系统包括凹面反射镜和所述光学元件，所述凹面反射镜在所述影像光的光路上配置于所述显示元件与所述挡风玻璃之间，所述光学元件在所述光路上配置于所述显示元件与所述凹面反射镜之间，
所述光学系统包括用于校正所述虚像的畸变的自由曲面透镜，所述自由曲面透镜在所述光路上配置于所述显示元件与所述凹面反射镜之间且比所述光学元件靠后，具有关于所述影像光的光轴非旋转对称的形状。
5.如权利要求1所述的平视显示装置，其特征在于：
所述光学系统使从所述显示元件出射的所述影像光在挡风玻璃上反射，来将所述虚像显示在从所述观察者的视点看来位于前方之处，
所述光学系统包括凹面反射镜、所述光学元件和柱面反射镜，所述凹面反射镜在所述影像光的光路上配置于所述显示元件与所述挡风玻璃之间，所述光学元件在所述光路上配置于所述显示元件与所述凹面反射镜之间，所述柱面反射镜在所述光路上配置于所述显示元件与所述凹面反射镜之间且比所述光学元件靠后，
所述阶梯滤光片在所述显示元件与所述柱面反射镜之间配置于靠近所述显示元件的后方，
所述阶梯滤光片包括配置在所述第一影像光束通过的部分的第一光学元件，和配置在所述第二影像光束通过的部分的第二光学元件。
6.如权利要求1所述的平视显示装置，其特征在于：
所述显示元件包括液晶显示面板。
7.如权利要求1所述的平视显示装置，其特征在于：
所述显示元件包括影像投影装置和用于使来自所述影像投影装置的光成像的中间像成像部。
8.如权利要求1所述的平视显示装置，其特征在于：
所述显示元件包括在与所述影像光的光轴垂直的方向上排列的小型的多个平面型显示元件。
9.如权利要求8所述的平视显示装置，其特征在于：
所述多个平面型显示元件中的各平面型显示元件在所述光轴的方向上配置于不同的位置，以控制所述多个位置和各虚像的倍率。
10.如权利要求8所述的平视显示装置，其特征在于：
所述多个平面型显示元件中的各平面型显示元件被配置成朝向所述光学系统的所述光轴上的规定位置，以提高所述影像光的利用效率。
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