CN113557464A - 投影机、显示系统以及移动体 - Google Patents

Abstract

一种投影机包括:图像形成单元，配置成射出形成图像的图像光；以及成像光学系统，配置成通过反射所述图像光形成图像。在入射所述图像形成单元和所述成像光学系统之间的光路长度短的所述图像光的位置的放大率比在入射所述图像形成单元和所述成像光学系统之间的光路长度长的所述图像光的位置的放大率高。

Description

投影机、显示系统以及移动体

技术领域

本公开的实施例涉及投影机、显示系统以及移动体。

背景技术

本领域中已知一种图像显示装置，其中，将入射到中间屏幕上的光束行进方向设定为离开扫描中心的方向，在主扫描方向的中间屏幕的两个边缘处的光束的行进方向在主扫描方向互相不同(参照专利文献1)。

引文列表

专利文献

【专利文献1】JP-2016-130759

发明内容

技术问题

本发明提供一种投影机、显示系统和移动体，其中，防止由于成像单元和成像光学系统之间的光路长度差异而导致的图像质量下降。

解决问题的方案

一种投影机包括:图像形成单元，配置成射出形成图像的图像光；以及成像光学系统，配置成通过反射所述图像光形成图像，其中，在入射所述图像形成单元和所述成像光学系统之间的光路长度短的所述图像光的位置的放大率比在入射所述图像形成单元和所述成像光学系统之间的光路长度长的所述图像光的位置的放大率高。

本发明的效果

根据本发明的一个方面，可以提供一种投影机、显示系统和移动体，其中，防止由于图像形成单元和成像光学系统之间的光路长度差异而导致的图像质量下降。

附图说明

附图旨在描绘本公开的示例实施例，并且不应被解释为限制其范围。除非明确指出，否则附图不应视为按比例绘制。同样，在几个视图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的组件。

图1是表示根据本发明实施例的显示系统的系统配置的图。

图2是表示根据本发明实施例的安装装置的配置的图。

图3是表示根据本发明实施例的安装装置的顶视图。

图4是表示根据本发明实施例的安装装置的侧视图。

图5是表示根据本发明实施例的安装装置的横截面侧视图。

图6是表示根据本发明实施例的安装装置的横截面顶视图。

图7是表示根据本发明实施例的显示装置的配置的图。

图8是表示屏幕单元相对根据本发明实施例的显示装置装卸的图。

图9是表示根据本发明实施例的显示装置的硬件配置的图。

图10是表示根据本发明实施例的显示装置的功能配置的图。

图11是表示根据本发明实施例的光源装置的具体结构的图。

图12是表示根据本发明实施例的光偏转器的具体结构的图。

图13是表示根据本发明实施例的屏幕的具体配置的图。

图14A和图14B是根据本发明实施例的在微透镜阵列中用于说明因入射光通量直径和透镜直径的尺寸差异引起的作用差异的图。

图15是用于说明根据本发明实施例的光偏转器的反射镜和扫描范围之间对应关系的图。

图16是表示根据本发明实施例的二维扫描时扫描线轨迹的图。

图17是说明根据本发明实施例的成像光学系统的工作原理的示意图。

图18A和图18B是根据本发明实施例的控制样本分别说明安装装置的图。

图19A和图19B是根据本发明实施例的控制样本分别说明安装装置的图。

图20是根据本发明实施例说明包括自由曲面反射镜和前挡风玻璃的成像光学系统的示意图。

图21是说明根据本发明实施例的安装装置的示意图。

图22是表示根据本发明实施例的虚像的图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施例进行说明。在附图的说明中，相同的附图标记表示相同的元件，并且省略重复说明。

图1是表示根据本发明实施例的显示系统的系统配置的图。

在显示系统1中，使得从作为投影机一例的安装装置100投影的投影光向透射反射器投影，使得观察者3视认显示图像。显示图像是作为虚像45叠加在观察者3的视场上的图像。例如，显示系统1提供给诸如车辆、飞机和船舶的移动体，或者诸如操纵模拟系统和家庭影院系统的非移动体。在本实施例中，描述显示系统1提供给诸如移动体1A的车辆。但是，不打算由此限制，显示系统1的使用类型不限于本实施例。坐标轴定义如下：移动体1A的行进方向是X轴方向，移动体1A的左右方向是Y轴方向，移动体1A的上下方向是Z轴方向。

显示系统1安装在车辆上，通过车辆的前挡风玻璃50使观察者3(即，驾驶员)可以看到对车辆操纵必要的导航信息，导航信息包括例如关于车辆的速度、路线信息、到目的地的距离、当前位置的名称、在车辆前方的物体的存在或位置、表示例如速度限制的标志、和交通堵塞的信息。在这种情况下，前挡风玻璃50用作透射一部分入射光并反射至少一部分剩余入射光的透射反射器。观察者3的视点位置和前挡风玻璃50之间的距离大约为几十厘米到1米。小型的由透明塑料等制成的组合器可以用作透射反射器来代替前挡风玻璃50。

例如，安装装置100可以根据车辆的室内设计配置在任意所需位置，例如，安装装置100可以配置在车辆的仪表板2下方，或者可以嵌入仪表板2内。在本实施例中，描述安装装置100安装在仪表板2内场合。

图2是说明按照本发明实施例的安装装置100的配置的图。

安装装置100包括显示装置10和自由曲面反射镜30。

显示装置10包括光源装置11、光偏转器13和屏幕15。光源装置11是将从光源射出的激光束向装置外部照射的装置。例如，光源装置11可以照射红、绿和蓝(RGB)三色激光束合成的激光束。从光源装置11射出的激光束引导到光偏转器13的反射面。例如，光源装置11作为光源具有激光二极管(LD)等的半导体发光元件，但不限定于此，光源可以是发光二极管(LED)等的半导体发光元件。

光偏转器13是接收从光源装置11射出的照射光并射出用于形成图像的图像光的图像形成单元的一个例子，使用例如微机电系统(MEMS)改变激光束的行进方向。例如，光偏转器13例如利用由绕相互垂直的两个轴摆动的单一的微小MEMS镜或绕一轴摆动或旋转的两个MEMS镜构成的反射镜系统的扫描器构成。从光偏转器13射出的激光束扫描屏幕15。光偏转器13不限于MEMS镜，也可以由多面镜等构成。

屏幕15是从光偏转器13射出的图像光形成图像的屏幕的一个例子，是具有使得激光束以预定发散角发散的功能的发散部。例如，屏幕15可以作为射出光瞳扩散器(EPE)的形态，由诸如微透镜阵列(MLA)或扩散板的光扩散效果的透射型光学元件配置。或者屏幕15可以由诸如微透镜阵列(MLA)的具有光扩散效果的反射型光学元件配置。屏幕15通过从光偏转器13射出的激光束扫描屏幕15的表面，在屏幕15上形成二维中间图像40。

显示装置10的投影方式可以由面板系统或激光扫描系统实现。在所述面板系统中，由液晶面板、数字微镜器件(DMD)面板、或真空荧光显示管(VFD)等成像装置形成中间图像40，在所述激光扫描系统中，用光学扫描器使得从光源装置11射出的激光束扫描而形成中间图像40。

本发明的显示装置10采用激光扫描系统。尤其，在激光扫描系统中，由于射出/非射出可以分配给每个像素，通常可以形成高对比度图像。在一些可选实施例中，面板系统可以采用为显示装置10中的投影系统。

将如图1所示的虚像45投影到自由曲面反射镜30上，将由从屏幕15射出的激光(激光束)形成的中间图像40放大。将自由曲面反射镜30设计和配置成例如消除由前挡风玻璃50的弯曲形状引起的图像倾斜、图像失真和图像位移。自由曲面反射镜30可以设为绕旋转轴线以可枢转的方式配置。由于这样的配置，自由曲面反射镜30可以调整从屏幕15射出的激光(激光束)的反射方向，以改变虚像45的显示位置。

在本发明的实施例中，利用市售的光学设计模拟软件设计自由曲面反射镜30，使自由曲面反射镜30具有一定程度的聚光能力，以实现虚像45所希望的图像形成位置。在显示装置10中，自由曲面反射镜30的聚光能力设计成使虚像45显示在从观察者3的视点位置朝纵深方向离开例如至少1m、且等于或短于30m(优选等于或短于10m)的位置。自由曲面反射镜30可以是凹面反射镜，也可以是具有聚光能力的元件。自由曲面反射镜30是成像光学系统的一个例子。

前挡风玻璃50用作透射一些激光(激光束)并反射至少一部分剩余激光束(部分反射)的透射反射器。前挡风玻璃50可用作观察者3通过其视觉识别虚像45和移动体(车辆)前方风景的半透镜。虚像45是观察者3视觉识别的图像，包括车辆相关信息(例如速度和行进距离)、导航信息(例如路线引导和交通信息)、以及警告信息(例如碰撞警告)。例如，透射反射器可以是除了前挡风玻璃50之外设置的另一前挡风玻璃。前挡风玻璃50是反射器的一个例子。

虚像45可以显示为叠加在前挡风玻璃50前面的风景上。前挡风玻璃50不是平的而是弯曲的。因此，虚像45形成的位置由自由曲面反射镜30和前挡风玻璃50的曲面决定。在一些实施例中，前挡风玻璃50可以是用作具有反射器部分反射功能的分离透射的半透镜(组合器)。

由于上述结构，从屏幕15射出的激光(激光束)向自由曲面反射镜30投射，并由前挡风玻璃50反射。因此，观察者3可以视认由前挡风玻璃50反射的光在屏幕15上形成的中间图像40放大的虚像45。

图3是说明按照本发明实施例的安装装置100的顶视图。

如图3所示，安装装置100包括在右侧的两个安装部41a、41b和在左侧的两个安装部41c、41d。这些安装部41a、41b、41c、41d将安装装置100安装到移动体1A上，每个安装部41a～41d具有螺孔，安装装置100通过这些螺孔安装到移动体1A上。

图4是根据本实施例安装在移动体1A上的安装装置100的右侧视图。

移动体1A具有焊接固定在仪表板2上的安装托架42和焊接固定在横梁43上的安装托架44。安装托架42和安装托架44是安装部件的一个例子。安装装置100通过利用螺钉等将安装部41a、41c固定在安装托架42上，利用螺钉等将安装部41b、41d固定在安装托架44上而安装在移动体1A上。

图5是从右方向(Y方向的右侧)观察安装装置100的横截面侧视图。

图6是按照本发明的实施例从向上的方向(Z方向)看所安装的安装装置100的截面顶视图。

图5和图6说明了根据本发明实施例的安装装置100内部的具体布置。

除了如上参照图2所述的显示装置10和自由曲面反射镜30之外，安装装置100还包括设置在外壳102内的反射镜25，以将从显示装置10投射的激光束向自由曲面反射镜30反射。外壳102具有透射自由曲面反射镜30反射的光并将反射光投射到前挡风玻璃50上的射出窗104，射出窗是透光部件的一个例子。显示装置10和屏幕15设置成使激光束沿右方向(Y方向的右侧)投射。

图7是说明根据本发明实施例的显示装置10的结构的图。

除了上述光源装置11、光偏转器13和屏幕15之外，显示装置10还包括调制从光源装置11射出的激光束的滤光器307、将由滤光器307调制的激光束聚焦到光偏转器13的聚光透镜410、反射由光偏转器13偏转的激光束的第一反射镜401和将由第一反射镜401反射的激光束反射到屏幕15的第二反射镜402。

光源装置11包括光源元件111R、111G和111B(这些光源元件在下文描述中可以简单地称为光源元件111)、耦合透镜(准直透镜)112R、112G和112B、光栅113R、113G和113B、组合器114、115和116以及透镜117。

例如，三种颜色(红、绿和蓝(RGB))的每个光源元件111R、111G和111B都是具有单个或多个发光点的激光二极管LD，光源元件111R、111G和111B分别射出具有不同波长λR、λG和λB的激光束(光通量)，例如，λR＝640nm、λG＝530nm和λB＝445nm。

射出的激光束(光通量)分别由耦合透镜112R、112G和112B耦合，变成近似准直的光通量，耦合的激光束(光通量)由三个组合器114、115和116合成。组合器114、115和116是板状或棱柱状的二向色镜，根据激光束的波长反射或透射激光束(光通量)，将激光束合成为沿一个光路传播的一束激光束(光通量)。合成的激光束(光通量)通过滤光器307和聚光透镜410引导到光偏转器13。

显示装置10通过组装外壳10A、反射镜单元(反射镜保持部件)305和屏幕单元300而形成。外壳10A保持并收纳光源元件111R、111G和111B、耦合透镜112R、112G和112B、组合器114、115和116、滤光器307、聚光透镜410和光偏转器13。反射镜单元305保持第一反射镜401和第二反射镜402，屏幕单元300是保持屏幕15的保持部件的一个例子。

光源单元110可从外壳10A取下并保持光源元件111R、111G和111B。

图8说明根据本发明的实施例的屏幕单元300如何连接到显示装置10以及如何从显示装置10取下。

屏幕单元300可安装到外壳10A并可从外壳10A取下，而不需要从外壳10A取下光源装置110和反射镜单元305。屏幕单元300可安装到外壳10A并可从外壳10A取下，而不需要从外壳10A取下光源装置11、滤光器307、聚光透镜410和光偏转器13。

外壳10A由压铸铝制成，反射镜单元305由树脂制成，外壳10A具有比反射镜单元305高的导热率。

如图1和图2所示，通过屏幕15发散的图像光沿光路到达前挡风玻璃50，但是，在实际使用中，照射前挡风玻璃50的阳光可沿光路反向行进，到达屏幕15或屏幕单元300。在这种情况下，屏幕15的形状或颜色可能由于阳光的热量而改变，图像质量可能恶化。

为了处理这种情况，在本实施例中，屏幕单元300连接到外壳10A，由此，与屏幕单元300连接到位于光路上游侧的反射镜单元305的情况相比，屏幕15或屏幕单元300的热量可以容易地消散，可以防止图像质量的下降。

此外，屏幕单元300可连接到外壳10A并可从外壳10A取下，而不取下例如由反射镜单元305保持的第一反射镜401、第二反射镜402、光偏转器13从外壳10A取下。由于这种结构，屏幕单元300的更换或维护可以容易地以独立的方式进行。因此，即使屏幕15的形状或颜色改变，也可以通过屏幕15的更换或维护来防止图像质量的下降。

由于前挡风玻璃50的曲率根据移动体1A的种类(车辆种类)而不同，所以需要根据成像光学系统(即，自由曲面反射镜30)微妙地调整屏幕15的尺寸、位置和角度，但是，通过使屏幕单元300可从外壳10A等装卸自如，可以使得外壳10A等共用化，可以提高生产率。

图9是说明根据本实施例的显示装置10的硬件配置的图。

必要时，可将某些组件或元件添加到图2所示的硬件配置中或从图2所示的硬件配置中删除。

显示装置10包括控制显示装置10动作的控制器17。例如，控制器17是安装在显示装置10内部的基板或集成电路(IC)芯片。控制器17包括场可编程门阵列(FPGA)1001、中央处理单元(CPU)1002、只读存储器(ROM)

1003、随机存取存储器(RAM)1004、接口(I/F)1005、数据总线1006、激光二极管(LD)驱动器1008、微机电系统(MEMS)控制器1010和电机驱动器1012。

FPGA1001是可由显示装置10的设计者配置的集成电路。LD驱动器1008、MEMS控制器1010和电机驱动器1012根据从FPGA1001输出的控制信号产生驱动信号。CPU1002是控制整个显示装置10的集成电路。ROM1003是存储控制CPU1002的程序的存储装置。RAM1004是作为CPU1002的工作区域的存储装置。接口1005与外部装置通信，例如，接口1005与车辆的控制器区域网CAN连接。

例如，LD1007是构成光源装置11的一部分的半导体发光元件。LD驱动器1008是产生驱动LD1007的驱动信号的电路。MEMS1009是构成光偏转器13的一部份、使得扫描反射镜变位的装置。MEMS控制器1010是产生驱动MEMS1009的驱动信号的电路。电机1011是使自由曲面反射镜30的旋转轴旋转的电机。电机驱动器1012是产生驱动电机1011的驱动信号的电路。

图10是说明根据本发明实施例的显示装置的功能配置的图。

由显示装置10实现的功能包括车辆相关信息接收器171、外部信息接收器172、图像生成器173和图像显示单元174。

车辆相关信息接收器171是从控制器区域网CAN等接收车辆相关信息(例如速度和行驶距离)的功能。例如，车辆相关信息接收器171由图2所示的一些元件实现，特别地，车辆相关信息接收器171可以由接口1005、由CPU1002执行的处理和存储在ROM1003中的程序实现。

外部信息接收器172从外部网络接收车辆的外部信息(例如，来自全球定位系统GPS的位置信息、来自导航系统的路径信息和交通信息)。例如，外部信息接收器172由图2所示的一些元件实现，特别地，外部信息接收器172可以由接口1005、由CPU1002执行的处理和存储在ROM1003中的程序实现。

图像生成器173是根据从车辆相关信息接收器171和外部信息接收器172输入的数据生成用于显示中间图像40和虚像45的图像数据的功能。例如，图像生成器173由图2所示的一些元件实现，特别地，图像生成器173可以通过由CPU1002执行的处理和存储在ROM1003中的程序实现。

图像显示单元174具有根据图像生成部173生成的图像数据在屏幕15形成中间图像40的功能，将形成中间图像40的激光(激光束)向前挡风玻璃50投射，显示虚像45。例如，图像显示单元174由图2所示的一些元件实现，特别地，图像显示单元174可以由CPU1002、FPGA1001、LD驱动器1008、MEMS控制器1010和电机驱动器1012执行的处理以及存储在ROM1003中的程序实现。

图像显示单元174包括控制单元175、中间图像形成单元176和投影单元177。为了形成中间图像40，控制单元175产生用于控制光源装置11和光偏转器13的动作的控制信号。此外，控制单元175产生控制自由曲面反射镜30的动作的控制信号，以将虚像45显示在期望的位置。

中间图像形成单元176根据控制单元175产生的控制信号在屏幕15上形成中间图像40。投影单元177将形成中间图像40的激光束向透射反射镜(例如前挡风玻璃50)投影，以形成观察者3可视认的虚像45。

图11是说明根据本发明实施例的光源装置11的具体结构的图。

光源装置11除了具有如图7所述的元件外，还具有分别形成由耦合透镜112R、112G和112B耦合的激光束(光通量)的光栅113R、113G和113B，光栅113R、113G和113B设置在耦合透镜112R、112G和112B和组合器114、115和116之间。

光栅113R、113G和113B的形状可以是各种形状，例如圆形、椭圆形、矩形和正方形，取决于例如某些预定条件，例如激光束(光通量)的发散角。

图12是说明根据本发明实施例的光偏转器13的具体结构的图。

光偏转器13是通过半导体加工制造的MEMS反射镜，包括反射镜130、蛇形梁132、框架134和压电部件136。光偏转器13是扫描仪的例子。

反射镜130具有反射从光源装置11射向屏幕15侧的激光的反射面。在光偏转器13中，夹着反射镜130形成一对蛇形梁132。该一对蛇形梁132中的每一个具有多个折返部。这些折返部由交替设置的第一梁132a和第二梁132b构成。该一对蛇形梁132中的每一个由框架134支撑。压电部件136设置成使得互相邻接的第一梁132a和第二梁132b互相连接。压电部件136将不同电平的电压施加到第一梁132a和第二梁132b，以使第一梁132a和第二梁132b的每一个弯曲。

相邻的第一梁132a和第二梁132b朝不同方向挠曲。随着挠曲的累积，反射镜130围绕水平轴在垂直方向旋转。由于上述结构，光偏转器13可以在低电压下在垂直方向上执行光学扫描。通过耦合到反射镜130的扭杆或类似物产生的共振实现围绕垂直方向的轴的水平方向的光学扫描。

图13是说明根据本实施例的屏幕15的具体配置的图。

将从构成光源装置11的一部分的LD1007射出的激光束配置在屏幕15上。屏幕15成为以规定的发散角发散激光束的发散部。作为使得光发散的多个弯曲部的示例性配置，如图13所示，屏幕15具有微透镜阵列结构，其中，具有六边形形状的多个微透镜150没有间隙地排列在它们之间。微透镜150是弯曲部示例的凸部。每个微透镜150的透镜直径(互相相对的两侧之间的距离)大约为200μm。屏幕15的微透镜150具有六边形，多个微透镜150可以以高密度排列。根据本实施例的微透镜阵列200和微透镜150将在后面详细描述。

图14A和图14B是根据本发明实施例的在微透镜阵列中用于说明因入射光束直径和透镜直径的尺寸差异引起的作用差异的图。

在图14A中，屏幕15由多个微透镜150整齐排列的光学板151构成。当在光学板151上扫描入射光152时，入射光152在通过微透镜150时发散，入射光152成为发散光153。由于微透镜150的结构，入射光152可以以期望的发散角154发散通过屏幕15。微透镜150排列的透镜直径155设计成比入射光152的直径156a大。因此，屏幕15不会引起透镜之间的干涉，可以防止发生干涉噪声。

图14B是表示当入射光152的直径156b为配置微透镜150的透镜直径155两倍时的发散光的光路的图。入射光152入射到两个微透镜150a和150b，这两个微透镜150a和150b分别产生两个发散光157和158。在这种情况下，由于两个发散光存在于区域159中，光可能相互干扰。该干涉光进入观察者的眼场合，视认为干扰噪声。

鉴于上述情况，将配置微透镜150的透镜直径155设计成比入射光152的直径156b大，以减少干扰噪声。关于凸透镜的结构如上文参照图14A和图14B所述，但是不受此限定，即使以凹透镜配置也能期望有利的效果。

图15是说明光偏转器13的反射镜130和扫描范围之间的关系的图。

FPGA1001控制光源装置11中的多个光源元件的光射出强度、光射出定时和光波形。LD驱动器1008驱动光源装置11的多个光源元件射出激光束。如图15所示，从多个光源元件射出、其光路合成的激光束由光偏转器13的反射镜130绕α轴和β轴二维偏转，通过反射镜130，作为扫描光照射到屏幕15。换言之，屏幕15由光偏转器13通过主扫描和副扫描进行二维扫描。

在本实施例中，由光偏转器13扫描的整个区域可以称为扫描范围。扫描光束以大约20000至40000Hz的高频在主扫描方向以振动方式(双向扫描)扫描屏幕15的扫描范围，并且以大约几十Hz的低频在副扫描方向扫描屏幕15的扫描范围(单向扫描)。换言之，光偏转器13在屏幕15上执行光栅扫描。在该配置中，显示装置10根据扫描位置(扫描光束的位置)控制多个光源元件的光射出，因此可以按像素绘制图像，并显示虚像。

如上所述，副扫描周期大约是几十Hz。因此，绘制一帧图像的时间长度，即扫描一帧的时间长度(二维扫描的一个周期)是几十毫秒。例如，假设主扫描周期和副扫描周期分别是20000Hz和50Hz，扫描一帧的时间长度是20msec。

图16是图示根据本实施例进行二维扫描时扫描线的轨迹的图。

如图16所示，屏幕15包括图像区域61(即有效扫描区域)和围绕图像区域61的帧区域62。用根据图像数据调制的光照射图像区域61，并在图像区域61上绘制中间图像40。

在本发明中，扫描范围包括屏幕15中的图像区域61和帧区域62的一部分(即，围绕图像区域61的周边的部分)。在图16中，扫描范围内的扫描线的轨迹由锯齿形线表示。为了便于说明，图16中的扫描线的数目小于扫描线的实际数目。

如上所述，屏幕15由透射光学元件构成，例如使光扩散的微透镜阵列200。在本实施例中，图像区域61的形状为矩形或平面，但不限定于此，图像区域61的形状可以是多边形或弯曲。此外，在一些实施例中，屏幕15可以是反射光学元件，例如使光扩散的微透镜阵列，这取决于显示装置10的设计或布局。在本实施例的以下描述中，假定屏幕15由微透镜阵列200构成。

屏幕15设置有同步检测系统60，该同步检测系统60包括配置在扫描范围内的图像区域61的周边区域(帧区域62的一部分)的光接收器。在图16中，同步检测系统60配置在图像区域61的-X侧和+Y侧(主扫描方向和副扫描方向分别对应于X方向和Y方向)。更具体地说，同步检测系统60配置在+Y侧的角部。同步检测系统60检测光偏转器13的动作，向FPGA1001输出决定扫描的开始时刻或结束时刻的同步信号。

图17是说明根据本实施例的成像光学系统的工作原理的示意图，更具体地说，图17是说明根据本实施例的一般的扩展投影光学系统(成像光学系统)中虚像的尺寸和光路长度之间的关系的示意图。

在将物体A配置在比作为扩展投影光学系统(成像光学系统)的实例的自由曲面反射镜30的焦点F更靠近自由曲面反射镜30的一侧时，在自由曲面反射镜30的另一侧形成物体A的虚像45A。在这种情况下，虚像45A的位置称为A'。在将物体B配置在比物体A更靠近自由曲面反射镜30的一侧时，在自由曲面反射镜30的另一侧形成物体B的虚像45B。在这种情况下，虚像45B的位置称为B'。根据通常所知的透镜成像式，自由曲面反射镜30的放大率β可以表示如下：

β＝CA'/AC＝CB'/BC

因此，可以得到下列等式：

CA’/CB’＝AC/BC

由于AC＞BC，可得AC/BC＞1。因此，CA'/CB'＞1以及CA'＞CB'。

如上所述，假定自由曲面反射镜30的放大率β保持相同，则自由曲面反射镜30到虚像45的距离随着物体到自由曲面反射镜30的距离的缩短而缩短。

图18A和图18B是根据本发明的上述实施例的对照样本说明安装装置100的图。

在图18A和图18B中，参照图17的上述操作原理应用于由安装装置100形成的虚像45，即，图18A和图18B是从+Z方向(即高度方向)观察安装装置100时的表示显示装置10、包含自由曲面反射镜30和前挡风玻璃50的成像光学系统、虚像45、以及观察者3(视点的位置)的关系的平面图。在下面给出的说明中，假定在自由曲面反射镜30(成像光学系统)的放大率在Y方向两边缘相同。

图18A是不使用偏心光学系统时的平面图，图18B是使用偏心光学系统时的平面图。图18B是显示装置10相对于从观察者3向自由曲面反射镜30及虚像45的光路，朝Y方向(即车辆的宽度方向)偏心，显示装置10的屏幕的法线方向的光轴相对于自由曲面反射镜30的中心的入射角，相对于自由曲面反射镜30的中心的法线方向倾斜。

当如图18A所示不使用偏心光学系统时，从显示装置10到自由曲面反射镜30的光路长度S在Y方向的两个边缘之间相同，从自由曲面反射镜30到虚像45的光路长度S'在Y方向的两个边缘之间也相同。

当安装装置100提供给车辆时，在某些情况下，如图18B所示的偏心光学系统在布局上是有利的，因为这样的偏心光学系统可以布置成不妨碍配置在仪表板2内的车辆的其它部件。显示装置10偏心的方向不限于Y方向(即车辆的宽度方向)，通过例如在Z方向(即车辆的高度方向)使显示装置10偏心，也可以实现类似的效果。当然，可以有效地组合Y方向的偏心和Z方向的偏心。

但是，当使用如图18B所示的偏心光学系统时，在从显示装置10到自由曲面反射镜30的光路中，在Y方向的图像光的两端光路长S1和S2互相不同(S1＞S＞S2)。在这种情况下，根据参照图17的上述原理，与在从显示装置10到自由曲面反射镜30的光路中的Y方向两端的光路长S1和S2的差异对应，即使在从自由曲面反射镜30到虚像45的光路中，光路长S1′和S2′也互相不同(S1′＞S′＞S2′)。由此，当观察者3观看虚像45时，虚像45看起来好像在X方向(即移动体1A的纵深方向)倾斜。

图19A和图19B是根据本发明的上述实施例的对照样本说明安装装置100的图。

图19A是不使用偏心光学系统时的平面图，对应于图18A。图19B是使用偏心光学系统时的平面图，对应于图18B。以与图18A和图18B相同的方式，成像光学系统包括自由曲面反射镜30和前挡风玻璃50，假定自由曲面反射镜30(成像光学系统)的放大率在Y方向两边缘相同。

除了如上参照图5所述的显示装置10和自由曲面反射镜30之外，如图19A和图19B所示的安装装置100还包括反射镜25，该反射镜25设置成将从显示装置10投射的激光束向自由曲面反射镜30反射，以实现尺寸的减小。

当如图19A所示不使用偏心光学系统时，虚像45在X方向(即，移动体1A的纵深方向)不倾斜，显示装置10难以收纳于外壳102内。

另一方面，当如图19B所示使用偏心光学系统时，通过使得显示装置10朝Y方向(即车辆的宽度方向)偏心而被收纳在外壳102中，但是，虚像45看起来好像在移动体1A的X方向(即纵深方向)倾斜，这是不可取的。

在本实施例中，上述对照样本的技术问题如上文参照图18A、图18B、图19A和图19B进行处理和解决。更具体地说，在本实施例中，显示装置10收纳在外壳102中，并且虚像45在X方向(即移动体1A的纵深方向)不倾斜。

图20是根据本实施例说明包括自由曲面反射镜30和前挡风玻璃50的成像光学系统的示意图。

如图18B和图19B所示，偏心光学系统使得显示装置10相对于从观察者3到自由曲面反射镜30和虚像45的光路，在Y方向(即车辆的宽度方向)偏心，图20横轴表示显示装置10的Y方向的位置变化，纵轴表示自由曲面反射镜30的放大率的图。

如图20所示，在光路长度较长的自由曲面反射镜30的-Y侧，放大率低，在光路长度较短的自由曲面反射镜30的+Y侧，放大率高。

在如图18B所示的偏心光学系统中，在-Y方向的图像边缘的自由曲面反射镜30的放大率α1和在+Y方向的图像边缘的自由曲面反射镜30的放大率α2设定如下：

α1＝(S'/S1)^2

α2＝(S'/S2)^2

换句话说，自由曲面反射镜30配置成使得入射从显示装置10到自由曲面反射镜30的光路长度S2短的图像光的点处的放大率α2比入射从显示装置10到自由曲面反射镜30的光路长度S1长的图像光的点处的放大率α1高。

由于这种结构，可以减少由于从显示装置10到自由曲面反射镜30的光路长度差异造成的图像质量的下降。更具体地说，可以防止当观察者3观看虚像45时看起来好像虚像45在X方向(即，移动体1A的纵深方向)倾斜。

如图2和图7所示，显示装置10在光路最下游侧设置有屏幕15，因此，从显示装置10到自由曲面反射镜30的光路长度相当于从屏幕15到自由曲面反射镜30的光路长度。

如图2和图7所示，显示装置10在光路上的屏幕15的上游侧设置有光偏转器13，因此，由于Y方向的从光偏转器13到屏幕15的光路长度无差异或能够忽略地小，因此，从显示装置10到自由曲面反射镜30的光路长度可以由从光偏转器13到自由曲面反射镜30的光路长度代替。

图21是说明根据本发明实施例的安装装置100的配置的图。

图21所示的自由曲面反射镜30配置成如图20所说明那样，使得入射从显示装置10到自由曲面反射镜30的光路长度短的图像光的点处的放大率比入射从显示装置10到自由曲面反射镜30的光路长度长的图像光的点处的放大率高。

在图21所示的安装装置中，显示装置10在Y方向(即车辆的宽度方向)偏心，由于这种结构，显示装置10可以容纳在外壳102中，此外，由于自由曲面反射镜30的上述结构，可以防止虚像45在X方向(即移动体1A的纵深方向)倾斜。

图22是根据本实施例的虚像45的图。

虚像45包括叠加在前面车辆(移动体1A)上的叠加数据45a、文本数据45b和装饰数据45c，所述装饰数据45c例如是沿横向(即X方向)延伸的线。

在本实施例中，如上文参照图20和图21所述，防止虚像45在X方向(即移动体1A的纵深方向)倾斜，从而防止前车(移动体1A)上的叠加数据45a的叠加不自然，并且防止装饰数据45c(即水平取向线)在X方向(即移动体1A的纵深方向)上偏移并被视认，结果，几乎没有给观察者或驾驶员造成不自然印象。

根据本发明实施例的显示装置不仅适用于头部显示器HUD，而且适用于例如头戴式显示器、提示器、和投影仪。例如，当根据本发明实施例的显示装置应用于投影装置时，这种投影装置可以以类似于显示装置10的方式配置，换句话说，显示装置10可以通过自由曲面反射镜30将图像光投影到例如投影屏幕或壁上。

本专利申请基于并根据35U.S.C.§119(a)要求于2019年3月18日向日本专利局提交的日本专利申请No.2019-050099的优先权，其全部公开内容通过引用作为参考。

附图标记列表

1显示系统

10显示装置

10A外壳

11光源装置(光源的一例)

13光偏转器(扫描器或成像单元的一例)

15屏幕(光学元件的一例)

30自由曲面反射镜(成像光学系统的一例)

45虚像

50前挡风玻璃(反射器的一例)

100投影机

102外壳

Claims (6)

1.一种投影机，包括:

图像形成单元，配置成射出形成图像的图像光；以及

成像光学系统，配置成通过反射所述图像光形成图像，

其中，在入射所述图像形成单元和所述成像光学系统之间的光路长度短的所述图像光的位置的放大率比在入射所述图像形成单元和所述成像光学系统之间的所述光路长度长的所述图像光的位置的放大率高。

2.根据权利要求1所述的投影机，进一步包括:

光学元件，配置成使得从所述图像形成单元射出的所述图像光发散，投射到所述成像光学系统，

其中，使得入射从光学元件到成像光学系统之间的光路长度短的图像光的点处的放大率比入射从光学元件到成像光学系统之间的所述光路长度长的图像光的点处的放大率高。

3.根据权利要求2所述的投影机，进一步包括外壳，由所述成像光学系统反射的所述图像光透过该外壳，收纳所述图像形成单元、所述光学元件和所述成像光学系统。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的投影机，其中，所述成像光学系统在水平方向包括入射所述图像形成单元和所述成像光学系统之间的所述光路长度短的所述图像光的点，以及入射所述图像形成单元和所述成像光学系统之间的所述光路长度长的所述图像光的点。

5.一种显示系统，包括:

根据权利要求1至4中的任一项所述投影机；以及

透射反射器，配置成透射和反射由所述成像光学系统反射的所述图像光，

其中，所述成像光学系统将所述图像光投射到所述透射反射器，以形成虚像。

6.一种移动体，包括:

根据权利要求5所述的显示系统，

其中，所述透射反射器是反射所述图像光的前挡风玻璃。

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