CN109906400A - 虚像显示装置 - Google Patents

Abstract

虚像显示装置(10)包括：显示部(14)，对照明光进行调制，并生成图像显示光(L)；以及投影光学系统(16)，至少包含凹面镜(18)，凹面镜(18)将图像显示光(L)反射到虚像提示板(22)。显示部(14)被配置在比合成光学系统(20)的弧矢面内焦点(26s)更靠近合成光学系统(20)的子午面内焦点(26m)的位置，合成光学系统(20)由虚像提示板(22)以及投影光学系统(20)构成。

Description

虚像显示装置

技术领域

本发明涉及虚像显示装置。

背景技术

近年来，有时使用平视显示器作为车辆用显示装置。平视显示器将图像显示光投影到车辆的挡风玻璃等上，将基于图像显示光的虚像重叠显示在车外的风景上。由于挡风玻璃存在车内侧和车外侧这两个界面，因此在各自的界面上反射从而被视认的图像显示光偏移地重叠，有时会看到双重像。为了抑制这样的双重像的产生，以双重像的偏移量在人眼的分辨率以内的方式设定视距，并提出用于得到实现该视距的光学配置的数学式(例如，参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭62-225429号公报。

发明内容

发明所解决的问题

在上述技术中，为了减少双重像，以增加在用户的前方看到的虚像的提示位置为止的视距为前提。优选的是，无论虚像的视距如何都能够适当地减少双重像的产生。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种提高所提示的虚像的视认性的技术。

解决问题的手段

本发明的一个方式的虚像显示装置包括：显示部，对照明光进行调制，并生成图像显示光；以及投影光学系统，至少包含凹面镜，该凹面镜将图像显示光反射到虚像提示板。显示部被配置在比合成光学系统的弧矢面内焦点更靠近合成光学系统的子午面内焦点的位置，合成光学系统包括虚像提示板以及投影光学系统。

此外，以上的构成要素的任意组合、将本发明的构成要素或表现在方法、装置、系统等之间相互替换的方式，作为本发明的方式也是有效的。

发明效果

根据本发明，能够减少双重像的产生，从而提高虚像的视认性。

附图说明

图1是示意性示出实施方式所涉及的虚像显示装置的构成的图；

图2是示出比较例所涉及的虚像显示装置的光学配置的图；

图3是示出比较例所涉及的虚像显示装置的光学配置的图；

图4是详细示出实施方式所涉及的虚像显示装置的光学配置的图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。该实施方式所示的具体的数值等只不过是用于使发明的理解变得容易的示例，除了特别说明的情况以外，并不限定本发明。此外，在本说明书和附图中，针对具有实质上相同的功能、构成的要素标注相同符号，并省略重复说明，并且针对与本发明没有直接关系的要素，省略图示。

图1是示意性示出实施方式所涉及的虚像显示装置10的设置方式的图。在本实施方式中，在作为移动体的一个例子的车辆60的仪表板内设置虚像显示装置10。虚像显示装置10是所谓的平视显示装置。虚像显示装置10向作为虚像提示板的挡风玻璃62投影图像显示光，在车辆60的行进方向(图1的右方向)的前方提示虚像50。驾驶者等用户E能够经由挡风玻璃62视认与现实的风景重叠的虚像50。因此，用户E在车辆的行驶中几乎不移动视线就能够得到虚像50所示的信息。在图1中，将车辆60的行进方向(前后方向)设为z方向，将车辆60的垂直方向(上下方向)设为y方向，将车辆60的左右方向设为x方向。

虚像显示装置10具备照明部12、显示部14、投影光学系统16以及控制部40。照明部12是用于生成显示光的光源，并生成用于对显示部14进行照明的照明光。照明部12具有LED(光发射二极管，Light Emitting Diode)和LD(激光二极管，Laser Diode)等发光元件、以及用于调整来自发光元件的输出光的强度分布和角度分布的光学元件。照明部12对显示部14照明大致均匀的亮度的白色光。照明部12的构成不受特别限制，但为了调整来自发光元件的输出光，例如可以使用光通道、菲涅耳透镜、光扩散板等光学元件。

显示部14对来自照明部12的照明光进行调制并生成显示光，并且形成与虚像50的显示内容对应的中间像。显示部14包括透射型的液晶面板这样的显示设备，该透射型的液晶面板包括用于生成显示光的透射型的图像显示元件。图像显示元件接收从控制部40发送的图像信号，并生成与图像信号对应的显示内容的图像显示光。显示部14还可以包括用于调整图像显示光的方向或配光角的光学元件，例如，也可以包含微透镜阵列片或光扩散片这样的透射型屏幕。

投影光学系统16将显示部14生成的图像显示光投影到挡风玻璃62。投影光学系统16包括凸透镜17和凹面镜18。凹面镜18将来自显示部14的图像显示光朝向挡风玻璃62反射，对显示在显示部14上的中间像进行放大并提示给用户E。凸透镜17被配置在显示部14与凹面镜18之间，改变从显示部14向凹面镜18的图像显示光的方向。

投影光学系统16还可以包括未图示的追加的光学元件，例如，还可以设置用于折返从照明部12到凹面镜18的光路的平面镜等。追加的平面镜可以被配置在照明部12与显示部14之间，也可以被配置在显示部14与凸透镜17之间，还可以被配置在凸透镜17与凹面镜18之间。在投影光学系统16上还可以设置两个以上的平面镜。另外，凸透镜17也可以由用多个透镜构成的透镜组构成。

控制部40生成显示用图像，并使照明部12和显示部14动作，以提示与显示用图像对应的虚像50。控制部40与外部装置64连接，根据来自外部装置64的信息生成显示用图像。

外部装置64是生成显示为虚像50的图像的原始数据的装置。外部装置64例如为：车辆60的电子控制单元(ECU；Electronic Control Unit)、导航装置；移动电话、智能手机、平板电脑等的移动装置等。外部装置64将虚像50的显示所需的图像数据、表示图像数据的内容或种类的信息、车辆60的速度或当前位置等的与车辆60相关的信息发送给控制部40。

在本实施方式中，通过将显示部14配置在预定位置，抑制如下情况：在挡风玻璃62的车内侧和车外侧这两个界面上反射而被视认的图像显示光偏移地显示，从而看起来是双重像。在对实施方式所涉及的显示部14的配置进行详细说明之前，参照比较例，对这样的双重像的产生进行说明。

图2是示出比较例所涉及的虚像显示装置110的光学配置的图，并示意性地示出产生有双重像的状态。虚像显示装置110具备与上述实施方式同样构成的显示部114以及凹面镜118。凹面镜118将来自显示部114的图像显示光L投影到作为挡风玻璃62的虚像提示板22上。虚像提示板22具有预定的厚度t，并具有第一主面23和第二主面24。第一主面23与挡风玻璃62的车内侧的界面对应，第二主面24与挡风玻璃62的车外侧的界面对应。

从显示部114的任意一点到达用户E的图像显示光L主要通过两个光路L1、L2。第一光路L1是被第一主面23反射并朝向用户E的光路，第二光路L2是在第一主面23上折射并被第二主面24反射之后，在第一主面23上再次折射并朝向用户E的光路。此时，当在朝向用户E的第一光路L1与第二光路L2之间存在角度差Δφ时，根据该角度差Δφ，通过L1、L2中的每一个的图像显示光被偏移地视认，并在虚像150上产生双重像。此外，也可以设想在第一主面23与第二主面24之间多次反射并朝向用户E的光路，但多次反射并朝向用户E的图像显示光的分量较小，在通常的使用方式中可以忽略。

图3是示出比较例所涉及的虚像显示装置110的光学配置的图，并示意性地示出使用与图2不同的虚像提示板222来抑制双重像的情况。图3所示的虚像提示板222被称为所谓的“楔形玻璃”，并被构成为虚像提示板222的厚度会发生变化。其结果是，虚像提示板222的第一主面223和第二主面224相对于虚像显示装置110具有相互不同的倾斜角，被设置成角度差Δθ。通过使用在两个主面223、224之间设置有角度差Δθ的楔形玻璃，对如图2所示的第一光路L1与第二光路L2的角度差Δφ进行修正，能够提示减少了双重像的虚像250。

但是，这样的“楔形玻璃”需要精密地控制角度差Δθ来形成，因此与厚度t均匀的通常的玻璃相比价格较高。另外，在将车辆60的挡风玻璃62作为楔形玻璃的情况下，不仅需要与车辆60的形状对应的专用的楔形玻璃，还需要更换整个挡风玻璃62，因此成本非常高。因此，优选的是，不使用这样的特殊的楔形玻璃就能够减少双重像的产生。

图4是详细示出实施方式所涉及的虚像显示装置10的光学配置的图，与上述的图1的构成对应。在图4中，作为虚像提示板22，不使用楔形玻璃，而使用厚度t均匀的通常玻璃。在本实施方式中，通过在显示部14与凹面镜18之间插入凸透镜17，能够抑制双重像的产生。特别是，将显示部14配置在合成光学系统20的子午(meridional)面内焦点26m上，由此能够抑制双重像的产生，其中，合成光学系统20包括投影光学系统16和虚像提示板22。

在这里，“子午面”是指：包含合成光学系统20的光轴和图像显示光L的主光线的平面，在图4所示的例子中，yz平面相当于子午面。第一光路L1与第二光路L2的角度差在子午面内产生，因此通过在合成光学系统20的子午面内焦点26m上配置显示部14，使朝向用户E的两个光路L1、L2的方向一致，从而能够抑制双重像的产生。

在合成光学系统20中，由于图像显示光L斜入射到凹面镜18以及虚像提示板22，因此产生像散。即，合成光学系统20的子午面内焦点26m与弧矢(sagittal)面内焦点26s的位置不同，子午面内焦点26m位于比弧矢面内焦点26s更靠近凸透镜17的位置。这里，所谓“弧矢面”是包含合成光学系统20的光轴的平面，是与子午面正交的平面。合成光学系统20的合成焦点26位于子午面内焦点26m与弧矢面内焦点26s之间。

合成光学系统20的焦点通过构成合成光学系统20的凸透镜17、凹面镜18以及虚像提示板22的特性和配置来决定。具体而言，通过凸透镜17的焦距、凹面镜18的焦距、虚像提示板22的焦距、凸透镜17、凹面镜18以及虚像提示板22的相对距离或方向来决定。此时，虚像提示板22可以具有：具备预定曲率、且第一主面23为凹面、第二主面24为凸面的形状，也可以具有第一主表面23和第二主表面24为平面的形状。此外，图4所示的合成光学系统20的各焦点26、26m、26s的位置是示意性地示出的，并不是示出基于合成光学系统20的光学配置的准确的焦点位置的。

根据本实施方式，通过将显示部14配置在合成光学系统20的子午面内焦点26m上，能够使被虚像提示板22的第一主面23和第二主面24分别反射并朝向用户E的图像显示光的光路L1、L2的方向一致。由此，不使用楔形玻璃那样的高价的部件，就能够消除第一光路L1与第二光路L2的角度差Δφ，并抑制双重像的产生。因此，根据本实施方式，能够以简单的构成提示可视认性高的虚像50。

根据本实施方式，由于显示部14从合成光学系统20的合成焦点26偏移，因此能够将从用户E观察时的虚像50的视距设为有限值。其结果是，能够提高与在有限的距离处看到的风景重叠的虚像50的视认性。

根据本实施方式，组合凸透镜17和凹面镜18来构成投影光学系统16，由此与仅由凹面镜构成投影光学系统的情况相比，能够采用曲率半径大的凹面镜18。通过增大凹面镜18的曲率半径(即，减小曲率)，能够在虚像提示面上的更广的范围内消除双重像，能够提示视认性更高的虚像50。另外，与投影光学系统仅由凹面镜构成的情况相比，能够减小投影光学系统16的像散量，从而能够提示分辨率更高的虚像50。

以上，参照上述实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限于上述实施方式，适当组合或替换各显示例所示的构成后的构成也包含在本发明中。

在上述实施方式中，将显示部14配置在合成光学系统20的子午面内焦点26m上。显示部14可以不与合成光学系统20的子午面内焦点26m严格一致，可以位于子午面内焦点26m附近的预定范围内。在这种情况下，显示部14可以位于合成光学系统20的合成焦点26与子午面内焦点26m之间，也可以位于比弧矢面内焦点26s更靠近子午面内焦点26m的位置。显示部14也可以位于比子午面内焦点26m更靠近凸透镜17的位置。显示部14的位置越远离子午面内焦点26m，就越容易看到双重像，因此，优选的是，将显示部14配置在以从例如视力为1.0的人看来无法感知双重像的产生的程度接近子午面内焦点26m的位置。

在上述实施方式中，示出了在显示部14与凹面镜18之间配置了凸透镜17的构成。在变形例中，也可以不在投影光学系统16上设置凸透镜17。即使在这种情况下，通过在包括凹面镜18和虚像提示板22的合成光学系统的子午面内焦点或其附近配置显示部14，能够抑制双重像的产生。

符号说明

10…虚像显示装置、14…显示部、16…投影光学系统、17…凸透镜、18…凹面镜、20…合成光学系统、22…虚像提示板、26m…子午面内焦点、26s…弧矢面内焦点、50…虚像、60…车辆。

工业应用性

根据本发明，能够减少双重像的产生，从而提高虚像的视认性。

Claims (4)

1.一种虚像显示装置，其特征在于，包括：

显示部，对照明光进行调制，并生成图像显示光；以及

投影光学系统，至少包含凹面镜，所述凹面镜将所述图像显示光反射到虚像提示板，

所述显示部被配置在比合成光学系统的弧矢面内焦点更靠近所述合成光学系统的子午面内焦点的位置，所述合成光学系统包括所述虚像提示板以及所述投影光学系统。

2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于，

所述显示部被配置在所述合成光学系统的子午面内焦点上。

3.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其特征在于，

所述投影光学系统还包括凸透镜，所述凸透镜被配置在所述显示部与所述凹面镜之间。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的虚像显示装置，其特征在于，

所述虚像提示板是被设置在车辆上的厚度均匀的挡风玻璃。