CN113296268B - 平视显示器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供小型的平视显示器装置。本发明的平视显示器装置包括：图像形成单元(2)，射出包含图像信息的影像光；以及目镜光学系统(5)，通过反射影像光而使虚像显示，目镜光学系统(5)构成为包括沿着影像光的射出方向从图像形成单元(2)侧起依次配置的凹透镜(51)、自由曲面透镜(52)以及自由曲面凹面反射镜(54)。

Description

平视显示器装置
本申请是分案申请，其母案申请的申请日为2016年10月04日，国际申请号为PCT/JP2016/079540，进入中国国家阶段的申请号为201680089698.6，发明名称为“投影光学系统以及平视显示器装置”。
技术领域
本发明涉及投影光学系统以及平视显示器装置。
背景技术
已知将图像投影到汽车、航空飞机等移动体具备的风挡(挡风玻璃)而将其投影图像能够越过挡风玻璃而观察为虚像的平视显示器装置。
例如，在专利文献1中，作为以往的平视显示器装置，公开了“具备从透射型的液晶显示面板的背后照射光并对显示于液晶显示面板的图像进行放大投影的投影光学系统(摘要摘录)”装置。
另外，在专利文献2中，公开了“一种显示装置，从显示设备起按观察者的光路的顺序具有第1反射镜和第2反射镜，满足(引导到所述观察者的视点区域而使虚像显示的)条件式θx>θy(θx：第1反射镜中的图像长轴方向的入射角，θy：第1反射镜中的图像短轴方向的入射角)，0.2<D1/Lh<0.9(D1：显示设备的图像显示面与第1反射镜的间隔(视点区域的中心的光路长)，Lh：由观察者视觉辨认的虚像的水平方向的宽度)(摘要摘录)”。
进而，在专利文献3中，公开了一种车辆用显示装置，该车辆用显示装置具备“校正部件，该校正部件设置于前面玻璃与显示设备之间，以抵消由于投影区域的非平面性而在从眼点视觉辨认的图像中产生的失真的方式，透射投影到前面玻璃的图像而进行校正(摘要摘录)”。
进而，在非专利文献1中，公开了一种平视显示器装置，该平视显示器装置为了校正在凹面反射镜产生的畸变，包括配置有屏幕的倾斜和作为场透镜的凸透镜的结构。
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：先锋R&D(Vol.22，2013)
发明内容
在专利文献2公开的平视显示器装置中，通过使显示设备和第1反射镜(旋转非对称反射镜)在水平方向上偏移的配置而提供薄型的平视显示器装置。然而，在专利文献2的实施例1中，成为虚像尺寸的横宽为140mm×70mm且具有垂直方向尺寸的两倍的光束尺寸的水平方向上将光束折弯的结构。因此，折弯反射镜变大，即使是薄型的平视显示器装置，也难以实现平视显示器装置的容积的小型化。
在专利文献3公开的平视显示器装置例中，公开了校正挡风玻璃的投影区域的非平面性所引起的畸变，但未考虑到在非专利文献1中公开的凹面反射镜所产生的畸变。关于该非专利文献1，为了校正在凹面反射镜中产生的畸变，也本该配置有屏幕的倾斜和作为场透镜的凸透镜，但未满足专利文献1公开的液晶显示面板中的关于远心性的性能。这样，关于投影光学系统以及平视显示器装置，实际情况是存在用于在确保所需的性能的同时实现装置的小型化的进一步改善的余地。
本发明是鉴于上述实际情况而完成的，其目的在于提供在确保所需的性能的同时实现投影光学系统的光学结构的最小化的小型的平视显示器装置。
为了解决上述问题，本发明具备权利要求书记载的结构。作为本发明的一个方案，本发明是投影光学系统，包括反射从图像形成单元射出的影像光而使虚像显示的目镜光学系统，所述图像形成单元形成图像信息并射出包含该图像信息的所述影像光，所述投影光学系统的特征在于，所述目镜光学系统构成为包括沿着所述影像光的射出方向从所述图像形成单元侧起依次配置的凹透镜、自由曲面透镜以及自由曲面凹面反射镜。
作为本发明的另一个方案，提供一种平视显示器装置，具备：图像形成单元，生成影像；以及光学系统，用于入射来自所述图像形成单元的影像光并射出，所述光学系统包括从所述图像形成单元起依次配置于光路的凹透镜、自由曲面透镜以及自由曲面凹面反射镜，所述图像形成单元中的影像光的射出面与所述凹透镜中的与所述图像形成单元对置的对置面之间的第1面间距离比所述凹透镜中的影像光入射的所述对置面与从所述凹透镜射出影像光的射出面之间的第2面间距离短。
根据本发明，能够提供在确保所需的性能的同时实现投影光学系统的光学结构的最小化的小型的平视显示器装置。此外，上述以外的课题、结构以及效果通过以下的实施方式的说明而清楚。
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重要部分放大图。
图3是示出第1实施方式的平视显示器装置的透镜数据的图。
图4是第1实施方式的平视显示器装置的自由曲面系数的图。
图5A是表示第1实施方式中的从眼动范围(eyebox)的中央观察时的失真性能的图。
图5B是表示第1实施方式中的从眼动范围的右上观察时的失真性能的图。
图5C是表示第1实施方式中的从眼动范围的左上观察时的失真性能的图。
图5D是表示第1实施方式中的从眼动范围的左下观察时的失真性能的图。
图5E是表示第1实施方式中的从眼动范围的右下观察时的失真性能的图。
图6是在虚像面配置有物点的情况下的液晶显示面板上的光点图。
图7A是各视角位置处的主光线Ray1与假想光线Ray0的角度偏差图。
图7B是示出主光线Ray1与假想光线Ray0的角度θ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2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重要部分放大图。
图10是示出第2实施方式的平视显示器装置的透镜数据的图。
图11是第2实施方式的平视显示器装置的自由曲面系数的图。
图12A是表示第2实施方式中的从眼动范围的中央观察时的失真性能的图。
图12B是表示第2实施方式中的从眼动范围的右上观察时的失真性能的图。
图12C是表示第2实施方式中的从眼动范围的左上观察时的失真性能的图。
图12D是表示第2实施方式中的从眼动范围的左下观察时的失真性能的图。
图12E是表示第2实施方式中的从眼动范围的右下观察时的失真性能的图。
图13是第2实施方式的平视显示器装置的光点图。
图14A是各视角位置处的主光线与液晶显示面板的法线的角度偏差图。
图14B是示出主光线与液晶显示面板的法线的角度θ的图。
图15A是将从挡风玻璃至光束的聚光位置(出射光瞳位置)的光线投影到YZ剖面的光线图。
图15B是将从自由曲面凹面反射镜至光束的聚光位置(出射光瞳位置)的光线投影到XZ剖面的光线图。
图16A是将光圈配置为从凸透镜远离凸透镜(与自由曲面凹面反射镜相当)的焦距以上的情况下的光线示踪图。
图16B是为了显示聚光位置而显示至像面的前面的光线示踪图。
图16C是使用了用于远心性和失真校正的基本结构的情况的光线示踪图。
图17是平视显示器装置的概略结构图。
图18是第3实施方式的平视显示器装置具备的图像形成单元的概略结构图。
图19是第4实施方式的平视显示器装置具备的图像形成单元的概略结构图。
图20是图像形成单元的功能框图。
图21是从前方观察作为移动体的汽车时的俯视图。
附图标记说明
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：平视显示器装置；51：凹透镜；52：自由曲面透镜；53：转弯反射镜；54：自由曲面凹面反射镜；101：聚光位置；102：光圈；103：凸透镜；104：像面
具体实施方式
以下，使用附图等说明本发明的一个实施方式以及各种实施例。以下的说明示出本发明的内容的具体例，本发明不限定于这些说明，能够在本说明书公开的技术思想的范围内由本领域技术人员进行各种变更以及修改。另外，在用于说明本发明的所有附图中，对具有相同功能的结构附加相同附图标记，有时省略其重复的说明。以下，说明在整个实施方式中共同的事项，接着说明各实施方式的特征。
使用图17说明平视显示器装置30的基本结构。图17是平视显示器装置30的概略结构图。
图17所示的平视显示器装置30具备使从包括图像形成单元10以及目镜光学系统5的投影光学系统20射出的影像光被汽车的挡风玻璃6反射而入射到观察者的眼睛9的结构。根据该结构，成为如当从观察者的眼睛9观察时好像在虚像面7观察到图像信息那样的状态。由图像形成单元10射出的影像光经由目镜光学系统5被挡风玻璃6反射的方向相当于影像光的射出方向。
首先，参照图20说明图像形成单元10。图20是图像形成单元的功能框图。如图20所示，图像形成单元10具备液晶显示面板2、背光灯1、以及控制它们的动作的控制器200。图像形成单元10将光从背光灯1照射到液晶显示面板2，朝向目镜光学系统5射出显示于液晶显示面板2的图像信息(影像信息)。
控制器200具备控制装置201。各种信息从外部装置输入到该控制装置201。例如，作为外部装置，生成与搭载有平视显示器装置30的移动体的动作有关的信息而输出的导航装置即导航器208、控制移动体的动作的ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)209连接于控制装置201。ECU209被连接有移动体具备的各种传感器210，构成为将检测到的信息通知给ECU209。
控制器200具备处理来自上述说明的外部装置的各种数据的控制装置201和用于驱动背光灯1的背光灯驱动电路207。
控制装置201包括微计算机202以及与其连接的存储装置206。
微计算机202具备用于存储来自外部装置的各种数据的RAM(Random AccessMemory，随机存取存储器)203、执行生成成为观察者视觉辨认的虚像的元信息的图像数据的运算处理的CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)205、以及存储能够执行CPU205中的运算处理的程序、参数的ROM(Read Only Memory，只读存储器)204。
通过具备以上的结构的控制器200，图像信息显示于图像形成单元10具备的液晶显示面板2。图像形成单元10通过背光灯1照射的光束将显示于液晶显示面板2的图像信息射出为影像光束。
返回到图17。在图像形成单元10中形成而被射出的影像光束通过目镜光学系统5而被投影到挡风玻璃6。被投影到挡风玻璃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，成立当从观察者的眼睛9观察时好像观察到虚像面7的图像信息的关系。
如图17那样，在液晶显示面板2中的影像光束的射出面，考虑点Q1、点Q2、点Q3这样的假想点。如果考虑从这些假想点射出的影像光束对应的虚像面7中的假想点，则如图17所示，对应点V1、点V2、点V3。观察者即使使眼睛9的位置移动也能够视觉辨认虚像面7中的点V1、点V2、点V3的范围为眼动范围8。
图17以侧视的方式图示了平视显示器装置30，但实际的平视显示器装置30的结构是立体的，所以眼动范围8具有二维的扩展。这样，目镜光学系统5与相机的取景器的目镜透镜、显微镜中的目镜透镜同样地，是将物(空间像)的像(虚像)显示于观察者的眼前的光学系统。
在此，使用图21说明将本实施方式的平视显示器装置30搭载于移动体的情况的例子。图21是从前方观察作为移动体的汽车500时的俯视图。在如图21所示的汽车500，作为风挡，前面玻璃即挡风玻璃6配置于驾驶席的前方。
平视显示器装置30通过将影像光束投影到挡风玻璃6，使与汽车500的动作相关的各种信息为处于驾驶席的观察者能够视觉辨认为虚像的状态。影像光束被投影的位置为驾驶席的前方、其周围。例如影像光束被投影到如虚线矩形区域R1所示的位置。
使用图15和图16说明平视显示器装置30的目镜光学系统5所要求的光瞳位置的条件。
图15是由作为所需最小限度的结构的挡风玻璃6和自由曲面凹面反射镜54(自由曲面凹面反射镜与凸透镜相当)构成目镜光学系统5的情况下的缩小光学系统中显示的光线图。实际上，如图20所示，将液晶显示面板2配置于平视显示器装置30内，而在图15A、图15B的各图中，为了便于说明以虚像面侧为物体的缩小光学系统中的出射光瞳位置101，省略液晶显示面板的图示，图示出将光瞳直径设为0.001mm且设为仅挡风玻璃6以及自由曲面凹面反射镜54的结构的状态下的仅主光线的光线的状态。
在图15A、图15B的坐标系中，用X轴定义眼动范围8的水平方向，用Y轴定义垂直方向，用Z轴定义与XY平面垂直的方向。
图15A是将从挡风玻璃6至光束的聚光位置101(出射光瞳位置)的光线投影到YZ剖面的光线图，图15B是将从自由曲面凹面反射镜54至光束的聚光位置101(出射光瞳位置)的光线投影到XZ剖面的光线图。
为了实现平视显示器装置30的小型化，最好在避开了从挡风玻璃6向自由曲面凹面反射镜54的光路的部位中尽量靠近自由曲面凹面反射镜54的部位配置液晶显示面板。因此，在图15A、图15B的以虚像面为物体的缩小光学系统中，目镜光学系统5的出射光瞳位于通过了液晶显示面板的前面。
然而，在通常的液晶显示面板2与背光灯1的组合中，在液晶显示面板的入射出射侧设为远心。
在此，为了满足图15A、图15B的液晶显示面板侧的该远心(出射光瞳距离无限大)，需要在液晶显示面板的跟前作为场透镜而配置作为负的折射力(＝光焦度)的凹透镜。
使用图16A～图16C说明该场透镜的作用和自由曲面透镜的作用。图16A是将光圈配置为从凸透镜远离凸透镜(与自由曲面凹面反射镜相当)的焦距以上的情况下的光线示踪图。从凸透镜103远离凸透镜103(与自由曲面凹面反射镜54相当)的焦距以上地配置有光圈102，通过光圈102的中心的主光线在凸透镜103受到大的折射力，主光线向像面104收敛地入射。同时，由于在凸透镜103产生的像差，实际光线的光线高度H变得小于像面104中的近轴光线的高度H0，所以在像面104产生桶型的失真。
图16B是为了显示聚光位置101而显示至像面104的前面的光线示踪图，能够确认远心性发生了劣化。
图16C是使用了用于远心性和失真校正的基本结构的情况下的光线示踪图。通过将具有与图16B的像面104和聚光位置101的距离相当的焦距的凹透镜51配置于像面104的跟前来主要实现远心性的改善，且通过利用以其工夫配置的自由曲面透镜52使像面104中的实际光线的光线高度H靠近近轴光线的光线高度H0来主要校正失真。
在此，通过使自由曲面透镜52自身具有负的折射力，能够省略凹透镜51，但自由曲面透镜52的透镜面的面倾斜变大。因此，通过分成自由曲面透镜52和凹透镜51，自由曲面透镜52的生产率提高，且自由曲面透镜52的位置与凹透镜51的位置的差异即光线高度的差异、即自由度对于远心性和失真的校正是有效的。
后面说明详细的定义式，自由曲面透镜52包含XY多项式，所以能够具有左右非对称和上下非对称的透镜作用，对于在挡风玻璃6产生的左右非对称且上下非对称的失真性能的校正也是有效的。
另外，最好配置为使凹透镜51与液晶显示面板2(参照图20)的光照射面对置并尽可能减小与光照射面的间隔(在间隔为0的情况下与光照射面相接)。因此，在凹透镜51中，使与液晶显示面板的光照射面对置的面(以下称为“对置面”)形成为平面状。由此，与凹透镜51的对置面形成为凹面的情况相比，易于将对置面整个面配置为更加靠近液晶显示面板。此时，凹透镜51经由保持部件25(参照图9)安装于液晶显示面板2，从而更易于将凹透镜51配置为靠近液晶显示面板2。
此外，在凹透镜51的对置面形成为凹面的情况下，凹面的端部比凹面的中央部更靠近液晶显示面板2，所以需要将凹透镜51自身配置为远离液晶显示面板2。进而，液晶显示面板2中的像素的可显示范围比液晶显示面板2中的影像光的有效尺寸大，在其外侧还存在结构体，所以为了包括它们在内地避免与凹透镜51的构造干涉，需要将凹透镜51配置为更远离液晶显示面板2。由此，凹透镜51中的与液晶显示面板2的对置面被认为与由凹面形成相比最好由平面形成。
另外，凹透镜51最好具有将凹透镜51的焦距除以自由曲面凹面反射镜54的焦距而得到的值满足－0.6以上且－0.3以下的光学特性。
使用在缩小光学系统中显示了光线示踪的图15说明条件的含义。当自由曲面凹面反射镜54的折射力(＝焦距的倒数)强时，在自由曲面凹面反射镜54反射的光束的聚光位置靠近自由曲面凹面反射镜54。反过来，当自由曲面凹面反射镜54的折射力弱时，在自由曲面凹面反射镜54反射的光束的聚光位置从自由曲面凹面反射镜54远离。另外，用于使光束为远心的状态的凹透镜51在自由曲面凹面反射镜54的折射力强的情况下，需要使凹透镜51的折射力(负的值)也变强。反过来，在自由曲面凹面反射镜54的折射力弱的情况下，需要使凹透镜51的折射力也变弱。因此，当焦距之比小于－0.6时，液晶显示面板2中的主光线成为收敛状态，焦距之比大于－0.3的液晶显示面板2中的主光线成为发散状态。
此外，焦距的倒数为折射力，当折射力强时，意味着其绝对值大，反过来，当折射力弱时，意味着其绝对值小。
接下来，说明使用了能够实现小型的平视显示器装置30的自由曲面凹面反射镜54、自由曲面透镜52以及凹透镜51的投影光学系统的第1实施方式。
<第1实施方式>
第1实施方式在图17的平视显示器装置30中的目镜光学系统5的结构中具有特征。参照图1说明构成投影光学系统的挡风玻璃6和目镜光学系统5。图1A是第1实施方式的目镜光学系统5的整体光线图，示出在用眼动范围8的水平方向X轴、垂直方向Y轴以及与XY轴正交的Z轴定义的YZ平面通过观察者的眼睛观察虚像面7的影像信息的情形。另外，图1B是第1实施方式的目镜光学系统5的整体光线图，示出在XZ平面通过观察者的眼睛观察虚像面7的影像信息的情形。
在YZ平面，右眼与左眼重叠(参照图1A的附图标记9)，在XZ平面，分别看到右眼与左眼(参照图1B的附图标记9)。如图1A所示，虚像面7配置为相对于视野方向倾斜。具体而言，在视野的上方(Y坐标的正侧)增大虚像距离，在视野的下方(Y坐标的负侧)减小虚像距离。挡风玻璃6为相对于汽车的左右方向对称的形状，所以左右对称地显示了平视显示器装置30中的有效光束通过的挡风玻璃6的范围。
图2是第1实施方式的目镜光学系统的重要部分放大图。如图2所示，目镜光学系统5通过从偏光板21(液晶显示面板2的结构构件)侧起排列地配置凹透镜51、自由曲面透镜52、转弯反射镜53、正的折射力的自由曲面凹面反射镜54以及挡风玻璃6而构成。凹透镜51被配置为与液晶显示面板2的影像光的射出面22对置。目镜光学系统5的折射力主要由自由曲面凹面反射镜54承担。用凹透镜51主要实现远心性，且用自由曲面透镜52主要校正失真。可知通过转弯反射镜53位于在挡风玻璃6反射的光束朝向自由曲面凹面反射镜54的光路之下，进而自由曲面透镜52位于该光路之下，从而实现了平视显示器装置30的小型化。
图3是示出第1实施方式的平视显示器装置30的透镜数据的图。在图3所示的透镜数据中，关于曲率半径，用正的符合表示曲率半径的中心位置处于行进方向的情况，面间距离表示从各面的顶点位置至接下来的面的顶点位置的光轴上的距离。
如图3所示，从液晶显示面板2中的影像光的射出面22(与图3的12面相当)至凹透镜51中的与液晶显示面板2对置的对置面51a(参照图9，与图3的11面相当)的第1面间距离d1(参照图9)为0.122，从对置面至入射到凹透镜51的影像光从凹透镜51射出的射出面51b(参照图9，与图3的10面相当)的第2面间距离d2(图9参照)为4.700，所以第1面间距离d1比第2面间距离d2短。即，凹透镜51被配置为与凹透镜51的厚度相比靠近液晶显示面板2。第1面间距离d1越小、即凹透镜51越靠近液晶显示面板2则越优选，在d1＝0的情况下，凹透镜51被配置为与液晶显示面板2相接。
偏心为X轴方向、Y轴方向、Z轴方向各自的值，歪斜为绕X轴的旋转、绕Y轴的旋转、绕Z轴的旋转，偏心和歪斜在对应的面按照偏心和歪斜的顺序作用，在“普通偏心”中，在偏心和歪斜作用的新的坐标系上的面间距离的位置配置接下来的面。离心和回归的偏心以及歪斜仅在该面作用，不影响接下来的面。此外，绕X轴的旋转当从X轴的正方向观察时顺时针旋转为正，绕Y轴的旋转当从Y轴的正方向观察时顺时针旋转为正，绕Z轴的旋转当从Z轴的正方向观察时逆时针旋转为正。
玻璃材料名称50.30表示折射率为1.50且阿贝数为30的材料，玻璃材料名称52.60表示折射率为1.52且阿贝数为60的材料。
第2面(挡风玻璃6)为变形非球面，使用Y方向的曲率半径9686mm(＝1/cuy)和X方向的曲率半径5531mm(＝1/cux)，通过下式(1)而求出。
[式1]
Figure GDA0004040640480000121
图4是第1实施方式的平视显示器装置30的自由曲面系数的图。图4的自由曲面系数通过下式(2)而求出。
[式2]
Figure GDA0004040640480000131
其中j＝[(m+n)2+m+3n]/2+1
···(2)
自由曲面系数Cj为相对于各个光轴(Z轴)旋转非对称的形状，为用圆锥项的分量和XY的多项式的项的分量定义的形状。例如，在X为2次(m＝2)且Y为3次(n＝3)的情况下，j＝{(2+3)2+2+3×3}/2+1＝19即C19的系数对应。
另外，自由曲面的各个的光轴的位置由图3的透镜数据中的偏心和歪斜的量而定。
以下，按照水平方向、垂直方向的顺序示出第1实施方式的目镜光学系统的眼动范围尺寸、视场角等值。
Figure GDA0004040640480000132
将凹透镜的焦距(－143mm)除以自由曲面凹面反射镜的焦距(355mm)而得到的值为－0.40。
接下来，使用图5A～图5E、图6、图7A以及图7B说明第1实施方式的光学性能。
图5A～图5E的各图是表示第1实施方式的平视显示器装置30的失真性能的图。更详细而言，图5A是基于相对于矩形形状的虚像面7的范围而通过眼动范围8的中央的光线的液晶显示面板2侧的失真图。图5B、图5C、图5D、图5E是基于通过眼动范围8的右上角、左上角、左下角、右下角的各点的光线的液晶显示面板2侧的失真图。
假设在液晶显示面板2侧显示有矩形形状的图像的状态下使眼睛位于眼动范围8内的各个位置的情况下，观察到与图5A～图5E相反的失真(例：
Figure GDA0004040640480000141
)。图5A～图5E的失真图为大致相同的形状，所以例如如果将与图5A～图5E的失真图相匹配的影像显示于液晶显示面板2，则观察者就能够观察到没有失真的矩形形状的虚像。
图6是第1实施方式的平视显示器装置30的光点图。图6是在虚像面配置有物点的情况下的液晶显示面板2上的光点图，是用红色(650nm)、绿色(550nm)、蓝色(450nm)分别显示了基于通过眼动范围8整体的光束的光点图的图。该光点图是眼动范围8的大小为水平130mm×垂直40mm的所有光束下的光点图，在实际的观察者观察的虚像的情况下，人的眼睛的虹膜的大小(据说最大
Figure GDA0004040640480000142
)的光点图大幅变好。在此，光点图是以虚像为物面的缩小光学系统中的液晶显示面板2的各位置处的光点图放大强调了5倍的图。
图7A是各视角位置处的主光线Ray1与假想光线Ray0的角度偏差图。另外，图7B是示出主光线Ray1与假想光线Ray0的角度θ的图。如图7B所示，假想光线Ray0为以与液晶显示面板2的长边平行的旋转轴为中心而使液晶显示面板2的法线旋转了13度而成的直线。即，意味着将照明光学系统配置为相对于液晶显示面板2倾斜13度。从图7A可知，角度偏差的最大值小到1.9度。
因此，根据本实施方式，能够通过使用了自由曲面凹面反射镜、自由曲面透镜以及凹透镜的投影光学系统提供小型化的平视显示器装置30。
<第2实施方式>
第2实施方式在目镜光学系统5的结构与第1实施方式不同这点具有特征。第2实施方式是与小型的液晶显示面板2组合并删除转弯反射镜53而使平视显示器装置30的小型化优先的实施方式。
图8A是第2实施方式的目镜光学系统5的整体光线图，示出在用眼动范围8的水平方向X轴、垂直方向Y轴以及与XY轴正交的Z轴定义的YZ平面通过观察者的眼睛观察虚像面7的影像信息的情形。图8B示出在XZ平面通过观察者的眼睛观察虚像面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重要部分放大图。
如图8A、图8B、图9所示，目镜光学系统5从偏光板21(液晶显示面板2的结构构件)侧起配置凹透镜51、自由曲面透镜52以及正的折射力的自由曲面凹面反射镜54，接着其而排列地配置挡风玻璃。
图10是示出第2实施方式的平视显示器装置30的透镜数据的图。图11是第2实施方式的平视显示器装置30的自由曲面系数的图。
以下，按照水平方向、垂直方向的顺序示出第2实施方式的目镜光学系统的眼动范围尺寸、视场角等值。
Figure GDA0004040640480000151
将凹透镜的焦距(－90mm)除以自由曲面凹面反射镜的焦距(188mm)而得到的值为－0.48。
接下来，使用图12A～图12E、图13、图14A、图14B说明第2实施方式的光学性能。图12A～图12E是表示第2实施方式的平视显示器装置30的失真性能的图。更详细而言，图12A是基于相对于矩形形状的虚像面7的范围而通过眼动范围8的中央的光线的液晶显示面板2侧的失真图。图12B、图12C、图12D、图12E是基于通过眼动范围8的右上角、左上角、左下角、右下角的各点的光线的液晶显示面板2侧的失真图。图13是第2实施方式的平视显示器装置30的光点图。图14A是各视角位置处的主光线与液晶显示面板2的法线的角度偏差图。图14B是示出主光线与液晶显示面板2的法线的角度θ的图。从图14A可知，主光线与液晶显示面板2的法线的角度偏差的最大值小到2.8度。
因此，根据本实施方式，能够通过使用了自由曲面凹面反射镜、自由曲面透镜以及凹透镜的投影光学系统提供小型化的平视显示器装置30。
<第3实施方式>
第3实施方式在图像形成单元10的结构与第1实施方式、第2实施方式不同这点具有特征。参照图18说明第3实施方式。图18是第3实施方式的平视显示器装置具备的图像形成单元的概略结构图。
在第1实施方式中，直接通过目镜光学系统5放大液晶显示面板2的影像信息而显示为虚像，但代替该图像形成单元10的结构而使用更小型的液晶显示面板2，将该影像信息通过形成光阀的像的中继光学系统3放大映射到屏幕板(扩散板)上，通过目镜光学系统放大该影像信息而显示为虚像。
更详细而言，从背光灯1被照射到液晶显示面板2的光束作为包含显示于液晶显示面板2的影像信息的影像光束而入射到中继光学系统3。像光从屏幕板4的射出面401朝向目镜光学系统5而射出。由于中继光学系统3中的成像作用，液晶显示面板2上的影像信息被放大，被放大投射到屏幕板(扩散板)4上。液晶显示面板2上的点P1、P2、P3分别对应于屏幕板(扩散板)4的点Q1、Q2、Q3。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。背光灯1、液晶显示面板2、中继光学系统3以及屏幕板(扩散板)4使图像信息(影像信息)形成于屏幕板(扩散板)4上，所以将它们总称为图像形成单元10。
另外，屏幕板(扩散板)4由以2维状配置有微型透镜的微型透镜阵列构成。由此，产生扩散作用而增大了在屏幕板4射出的光束的扩散角，使眼动范围8的大小为预定的大小。此外，通过内置扩散粒子而也能够实现屏幕板(扩散板)4的扩散作用。
<第4实施方式>
第4实施方式在图像形成单元10的结构与第1实施方式、第2实施方式不同这点具有特征。参照图19说明第4实施方式。图19是第4实施方式的平视显示器装置具备的图像形成单元的概略结构图。
在第1实施方式中，将液晶显示面板2的影像信息映射到具有扩散功能的屏幕板4，但也可以代替该图像形成单元10的结构，使用包括激光光源301和操作从激光光源301射出的激光的光扫描部302的微计算电机系统(MEMS：Micro Electro Mechanical Systems)而构成。光扫描部302包括反射面302a以及反射面旋转驱动部302b。MEMS通过对激光器进行光扫描，使光扫描图像形成于具有扩散功能的屏幕板4。影像光从屏幕板4的射出面401朝向目镜光学系统5而被射出。第4实施方式的图像形成单元将通过用该MEMS在光线角度摆动而进行光扫描的位置与出射光瞳位置相匹配地配置。MEMS的旋转中心位置构成为与在目镜光学系统5侧设想的位置相匹配。

Claims (7)

1.一种平视显示器装置，其特征在于，具备：
图像形成单元，生成影像；以及
光学系统，用于入射来自所述图像形成单元的影像光并射出，
所述光学系统包括从所述图像形成单元起依次配置于光路的凹透镜、自由曲面透镜以及自由曲面凹面反射镜，
所述图像形成单元中的影像光的射出面与所述凹透镜中的与所述图像形成单元对置的对置面之间的第1面间距离比所述凹透镜中的影像光入射的所述对置面与从所述凹透镜射出影像光的射出面之间的第2面间距离短，
所述凹透镜被配置为所述凹透镜中的影像光的入射面与所述图像形成单元中的影像光的射出面平行。
2.根据权利要求1所述的平视显示器装置，其特征在于，
将所述凹透镜的焦距除以所述自由曲面凹面反射镜的焦距而得到的值为－0.6以上且－0.3以下。
3.根据权利要求1所述的平视显示器装置，其特征在于，
使所述凹透镜与所述图像形成单元中的影像光的射出面对置地经由保持部件而安装于所述图像形成单元。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的平视显示器装置，其特征在于，
所述图像形成单元包括光源以及液晶显示面板，影像光的所述射出面为所述液晶显示面板的射出面。
5.根据权利要求4所述的平视显示器装置，其特征在于，
所述光源相对所述液晶显示面板倾斜配置。
6.根据权利要求1～3中的任意一项所述的平视显示器装置，其特征在于，
所述图像形成单元包括中继光学系统以及具有扩散功能的屏幕板，影像光的所述射出面为所述屏幕板的射出面。
7.根据权利要求1～3中的任意一项所述的平视显示器装置，其特征在于，
所述图像形成单元包括：激光光源；光扫描部，通过反射面的旋转而对来自所述激光光源的激光进行光扫描；以及具有扩散功能的屏幕板，影像光的所述射出面为所述屏幕板的射出面。
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