信息显示装置的制作方法

本发明涉及在汽车、电车或航空器等(以下也统称为“交通工具”)的挡风玻璃或叠像镜(combiner)上投影图像的信息显示装置，涉及使其图像能够越过挡风玻璃作为虚像观察的投影光学系统和使用它的信息显示装置。

背景技术：

根据下述专利文献1，已知一种所谓平视显示(hud：head-up-display)装置，其将影像光投影到汽车的挡风玻璃或叠像镜(combiner)上形成虚像，来显示路线信息、拥堵信息等交通信息，以及燃料剩余量、冷却水温度等汽车信息。

对于这种信息显示装置，一方面期望扩大驾驶员可观察到虚像的区域，另一方面，虚像分辨率高、可辨识性高也是重要的性能因素。

在平视显示装置中，作为对驾驶员提供虚像的最终反射面，挡风玻璃或叠像镜(combiner)是必不可少的，对此发明人注意到，为了获得高可辨识性和高分辨率性能，重要的一点是改善因最终反射面即挡风玻璃或叠像镜(combiner)上的双重反射而产生的虚像的重影。

另一方面，人们也提出了一种例如下述非专利文献1中公开的装置，该装置的包括叠像镜(combiner)在内的主体被安装在汽车的顶棚(遮阳板)附近。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-194707号公报

非专利文献

非专利文献1：pioneerr&d(vol.22,2013)

技术实现要素：

发明要解决的技术问题

现有技术的平视显示装置由凹面反射镜实现，其虚像生成原理如图33所示，相对于凹面反射镜1′的光轴上的点o将物点ab配置在焦点f(焦距f)的内侧，能够得到由凹面反射镜1′形成的虚像。在该图33中，为了便于说明，将凹面反射镜1′视作具有相同的正光焦度的凸透镜，表示了物点、凸透镜(为了便于说明，图33中记作凹面反射镜)和产生的虚像的关系。

现有技术中，为了扩大凹面反射镜1′生成的虚像的可观察范围，可以使物点ab接近焦点f并相对于物尺寸ab增大凹面反射镜，但为了获得要求的倍率则需要减小凹面反射镜的曲率半径，故二者难以兼顾。其结果是，反射镜尺寸减小、实际放大率增大，但只能获得可观察范围小的虚像。因此，为了同时满足(1)要求的虚像尺寸和(2)必要的虚像倍率m＝b/a，需要使凹面反射镜的尺寸与观察范围匹配，兼顾影像显示装置来决定虚像的倍率。

因此，在现有技术中，为了在要求的观察范围中获得较大的虚像，例如图33所示，需要增大凹面反射镜1′到虚像的距离、即增大作为最终反射面的挡风玻璃或叠像镜(combiner)(未图示)与凹面反射镜的距离，同时增大凹面反射镜的尺寸。但是，并没有考虑到因挡风玻璃或叠像镜(combiner)上的双重反射而产生的虚像的重影。

或者，例如在作为现有技术的上述专利文献1中公开的平视显示装置的例子中，包括显示图像的设备和投影光学系统，投影光学系统用于投影要在显示设备上显示的图像，投影光学系统在从显示设备到观察者的光路上设有第一反射镜和第二反射镜，通过使第一反射镜上的图像长轴方向的入射角、第一反射镜上的图像短轴方向的入射角、显示设备的图像显示面与第一反射镜的间隔、和观察者辨识到的虚像的水平方向的宽度的关系满足规定的条件，能够实现小型化。但是，对于减轻因上述挡风玻璃的两个面(驾驶员一侧和外侧这两个面)的反射而产生的重影的方法并没有给出记载。

在非专利文献1公开的主体被安装在汽车的顶棚(遮阳板)附近的装置中，通过在不面向驾驶员的反射面上形成防反射膜来减少重影的产生。但其存在安全上的问题，例如，在发生碰撞事故时hud装置脱落的情况下，存在使驾驶员受伤的可能性。

因此，发明人认为上述专利文献1中记载的以挡风玻璃作为反射面的方式今后会成为主流，故研究了通过对投影光学系统进行改进，来减少在挡风玻璃的两面反射的用于生成虚像的影像光的反射的技术。

本发明的目的在于，提出一种后文详述的通过对光学系统进行改进来减轻以挡风玻璃作为反射面的情况下发生的虚像的重影化的技术，同时还提供一种能够形成可辨识性高的虚像的信息显示装置，将驾驶员观察到的虚像的畸变和像差减轻至实用上没问题的水平。

解决问题的技术手段

为实现上述目的而实施的本发明之一例，是一种在交通工具的反射面上显示作为虚像的影像信息的信息显示装置，包括：显示器，其显示所述影像信息；和虚像光学系统，其使从所述显示器出射的光在所述反射面上反射，来在所述交通工具的前方显示多个虚像，所述虚像光学系统包括凹面反射镜和光学元件，与在所述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，对所述光学元件的形状和位置进行优化，使得在所述反射面的上部形成与远景重叠的危险信息等的虚像，并从所述反射面的上部去往下部，形成与近景或汽车的发动机盖重叠的速度信息或表示导航的前进方向等的箭头等的虚像，并且，包括减轻因影像光束在所述反射面的正面和背面反射而产生的虚像的重影，由此，能够在实现小型化的同时，与驾驶员的视点位置对应地在多个位置形成所述多个虚像。

这样，采用本发明能够实现一种信息显示装置，其控制从影像显示装置入射到影像光的光学系统中的光的发散角，以获得上述虚像中产生的重影得到减轻并且可辨识性得到提高的影像。

发明效果

采用本发明能够提供一种信息显示装置，为了在实现装置的小型化的同时，校正驾驶员观察到的虚像的畸变和像差并减轻虚像中产生的重影，通过控制入射到虚像光学系统中的光源光束的发散角，形成了可辨识性得到提高的虚像。

附图说明

图1是表示实施例的信息显示装置的外围设备结构的概略结构图。

图2是搭载了信息显示装置的汽车的顶视图。

图3是说明挡风玻璃上的曲率半径的差异的图。

图4是表示信息显示装置、挡风玻璃和驾驶员的视点位置的概略结构图。

图5是表示信息显示装置的虚像光学系统的一个实施例的概略结构图。

图6是实施例的信息显示装置的整个虚像光学系统的光线图。

图7是实施例的信息显示装置的虚像光学系统的局部的光线图。

图8是说明虚像光学系统的原理的概略说明图。

图9是说明重影产生的原理的概略图。

图10是说明本发明的原理的概略说明图。

图11是表示实施例的eyebox(眼动范围)内的分辨率性能评价点的图。

图12是表示绿色光线的反向追踪结果(从虚像出射光线，评价其在影像源处的成像状态)的光斑图，用于表示实施例的分辨率性能评价的结果。

图13是表示实施例的从eyebox的中央观察的畸变性能的图。

图14是实施例的透镜数据。

图15是实施例的透镜数据。

图16是表示影像显示装置和光源装置的配置的结构图。

图17是表示光源装置的结构的概略结构图。

图18是说明光束从影像显示装置和光源装置出射的状况的概略图。

图19是说明来自光源装置的光束的出射光分布的特性图。

图20是表示光源装置的导光体的形状的概略结构图。

图21是表示光源装置的导光体的截面形状的概略结构图。

图22是表示液晶面板的特性评价方法的概念图。

图23是表示液晶面板的屏幕左右方向上的透射率特性的特性图。

图24是表示液晶面板进行全白显示的情况下的屏幕左右方向上的亮度的角度特性的特性图。

图25是表示液晶面板的背光源亮度的左右方向上的角度特性的特性图。

图26是表示液晶面板的背光源亮度的上下方向上的角度特性的特性图。

图27是表示液晶面板的对比度的左右方向上的角度特性的特性图。

图28是表示液晶面板的上下方向上的透射率特性的特性图。

图29是表示液晶面板的亮度的上下方向上的角度特性的特性图。

图30是表示液晶面板的全黑显示亮度的左右方向上的角度特性的特性图。

图31是表示液晶面板的对比度的上下方向上的角度特性的特性图。

图32是表示液晶面板的全黑显示亮度的上下方向上的角度特性的特性图。

图33是用于说明现有技术的虚像光学系统的原理的概略图。

图34是用于说明s偏振光和p偏振光的由入射角造成的玻璃的反射率变化的概略图。

图35是说明用于减小虚像光学系统的佩兹瓦尔和的具体方法的概略结构图。

图36是说明用于减小虚像光学系统的佩兹瓦尔和的具体方法的概略结构图。

具体实施方式

下面使用附图等详细说明本发明的实施例。本发明不限于以下说明，本领域技术人员能够在本说明书公开的技术思想范围内实施各种变更和修正。在用于说明本发明的全部图中，对具有相同功能的部分标注相同标记，有时省略重复的说明。

＜信息显示装置的实施方式＞

图1是表示本发明一实施例的信息显示装置的外围设备结构的概略结构图，此处，作为其一例，特别说明在汽车的挡风玻璃上投影图像的信息显示装置100。

该信息显示装置100是为了在驾驶员的视线8上于本车前方形成虚像v1，而将经被投影部件6(本实施例中是挡风玻璃的内表面)反射的各种信息显示为虚像vi(virtualimage)的装置(所谓hud(headupdisplay，平视显示器))。被投影部件6只要是信息能够投影到的部件即可，不仅是上述的挡风玻璃，也可以是叠像镜(combiner)。即，本实施例的信息显示装置100只要能够在驾驶员的视线8上于本车前方形成虚像供驾驶员观察即可，作为可显示为虚像的信息，当然也包括例如车辆信息和由监控摄像头或全景监视器等摄像机(未图示)拍摄的前景信息。

信息显示装置100中设置有投射影像光的影像显示装置4，其中影像光用于显示信息，并且，利用凹面反射镜1使显示在该影像显示装置4上的影像形成虚像时会产生畸变和像差，为了校正该畸变和像差，在影像显示装置4与凹面反射镜1之间设置有校正用的透镜组2。

信息显示装置100包括用于控制上述影像显示装置4和背光源5的控制装置40。包括上述影像显示装置4和背光源5等在内的光学部件即为后文所述的虚像光学系统，其中包括使光反射的凹面反射镜1。该光学部件上反射的光经被投影部件6反射后去往驾驶员的视线8(eyebox：后文详述)。

作为上述影像显示装置4，例如是具有背光源的lcd(liquidcrystaldisplay)，或自发光的vfd(vacuumfluorescentdisplay)等。

也可以代替上述影像显示装置4，通过投影装置在屏幕上显示影像，利用上述凹面反射镜1使之成为虚像并在被投影部件即挡风玻璃6上反射而去往驾驶员的视点8。

作为这样的屏幕，例如可以利用二维状地配置有微透镜的微透镜阵列构成。

此处，为了减少虚像的畸变，凹面反射镜1的形状采用的是这样的形状，其中，在图1所示的上部(光线在与驾驶员的视点的距离相对较短的挡风玻璃6的下方反射的区域)相对地减小曲率半径以增大放大率，在下部(光线在与驾驶员的视点的距离相对较长的挡风玻璃6的上方反射的区域)相对地增大曲率半径以减小放大率。另外，通过使影像显示装置4相对于凹面反射镜的光轴倾斜，来降低因校正上述虚像倍率的差异而产生的畸变本身，从而能够实现更好的校正。

另一方面，乘用车的挡风玻璃6如图2、图3所示，车体垂直方向的曲率半径rv与水平方向的曲率半径rh不同，通常具有rh＞rv的关系。因此，若采用挡风玻璃6作为反射面，则其构成超环面的凹面反射镜。从而，本实施例的信息显示装置100中，凹面反射镜1的形状在水平方向和垂直方向采用了不同的平均曲率半径，以校正受挡风玻璃6的形状影响的虚像倍率，即校正挡风玻璃6的垂直方向与水平方向的曲率半径的差异。此时，就凹面反射镜1的形状而言，因为关于光轴对称的球面或非球面形状(后述式2表达的形状)是从光轴起的距离r的函数，无法个别地控制不同部位的水平截面和垂直截面形状，所以优选将其调整为后述式1表达的自由曲面，该自由曲面是坐标(x，y)——面的从反射镜面的光轴起的坐标——的函数。

再回到图1，在影像显示装置4与凹面反射镜1之间，作为透射型的光学部件例如进一步配置了透镜元件2，由此，通过控制去往凹面反射镜1的光线的出射方向，能够与凹面反射镜1的形状匹配地进行畸变的校正，并同时校正包括因上述挡风玻璃6的水平方向的曲率半径与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。

为了进一步提高像差校正能力，也可以使上述光学元件2为多片透镜。或者，也可以代替透镜元件配置曲面反射镜，在使光路折返的同时控制光线在凹面反射镜1上的入射位置，从而也能够减少畸变。如以上所述，即使在凹面反射镜1与影像显示装置4之间进一步设置为了提高像差校正能力而最优设计的光学元件，也不脱离本发明的技术思想或范围。此外，通过改变上述光学元件2的光轴方向的厚度，除了原本的像差校正之外，也能够改变凹面反射镜1与影像显示装置4的光学距离，使虚像的显示位置从远处连续地变化至近处。

另外，也可以将影像显示装置4配置成相对于凹面反射镜1的光轴法线倾斜，来校正虚像的上下方向上的倍率差异。

另一方面，作为导致信息显示装置100的画质降低的主要原因，已知的是，从影像显示装置4向凹面反射镜1出射的影像光线在配置于途中的光学元件2的表面反射而返回影像显示装置4，在影像显示装置4上再次反射并与原本的影像光叠加，导致画质降低。因此，本实施例优选的是，不仅在光学元件2的表面形成防反射膜来抑制反射，还限制光学元件2的面形状，将其设计成使得光学元件2的影像光入射面和出射面中的某一者或二者的透镜面形状成为不会使上述反射光聚焦在影像显示装置4的一部分上的形状(例如为凹面冲向影像显示装置4的形状)。

此外，作为影像显示装置4，若在接近液晶面板配置的第一偏振片之外，为了吸收来自上述光学元件2的反射光而与液晶面板分离地配置了第二偏振片，则能够减轻画质的降低。另外，对液晶面板的背光源5进行控制，使入射到液晶面板4的光的入射方向高效地入射到凹面反射镜1的入瞳。此时，通过减小向液晶面板入射的光束的发散角，不仅能够使影像光高效地去往驾驶员的eyebox，还能够如图27和图31所示获得对比度高且可辨识性良好的影像。影像的与发散角对应的对比度性能在水平方向上较为显著，±20度以内可获得优秀的特性。为了进一步提高对比度性能，可使用±10度以内的光束。

作为光源优选采用产品寿命长的固体光源，进而优选采用周围温度变动引起的光输出变化较小的led(lightemittingdiode)，并使用设置有减小光的发散角的光学单元的pbs(polarizingbeamsplitter)进行偏振变换。

液晶面板的背光源5一侧(光入射面)和光学元件2一侧(光出射面)配置有偏振片，由此来提高影像光的对比度。作为设置在背光源5一侧(光入射面)偏振片，通过使用偏振度高的碘系偏振片可以获得高对比度。而在光学元件2一侧(光出射面)，通过使用染料系的偏振片，即使在有外部光入射的情况下和环境温度高的情况下，也能够得到高可靠性。

在使用液晶面板作为影像显示装置4的情况下，尤其是驾驶员佩戴了偏振太阳镜的情况下，可能会发生特定偏振光被遮挡导致看不到影像的问题。为了防止该问题，优选在配置于液晶面板的光学元件2一侧的偏振片的光学元件一侧配置λ/4波片，将统一在特定偏振方向上的影像光变换为圆偏振光。

控制装置40从这样的导航系统61取得各种信息作为前景信息(即，要用上述虚像在本车前方显示的信息)，该各种信息包括与本车正在行驶的当前位置对应的道路的限速和车道数、导航系统61中设定的本车的移动预定路径等。

驾驶辅助ecu62是根据作为周边监视装置63的监视结果检测出的障碍物来对驱动系统和控制系统进行控制，由此实现驾驶辅助控制的控制装置，作为驾驶辅助控制，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是监视本车周边的状况的装置，作为一例，是基于本车周边拍摄到的图像来检测本车周边存在的物体的摄像机，和基于探测波的收发结果来检测本车周边存在的物体的探测装置等。

控制装置40取得来自该驾驶辅助ecu62的信息(例如与前车间的距离、前车的方位、障碍物和标志的所在位置等)作为前景信息。进而，点火(ig)信号和本车状态信息也被输入到控制装置40。这些信息中，本车状态信息是作为车辆信息取得的信息，例如包括内燃机燃料的剩余量和冷却水的温度等表示已达到预先规定的异常状态的警告信息。此外，还包括方向指示灯的操作结果和本车行驶速度、挡位信息等。以上说明的控制装置40在输入了点火信号时起动。以上是本申请实施例的信息显示装置整个系统的说明。

＜虚像光学系统的第一实施方式＞

下面接着说明本实施例的虚像光学系统和影像显示装置的更详细的内容。

如上所述，图2是搭载了本实施例的信息显示装置100的汽车的顶视图，在汽车主体101的驾驶座前部，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。为了实现最优的虚像光学系统，发明人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，挡风玻璃的与汽车触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之间通常存在下述的关系。

rh＞rv

发明人还发现，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，考虑了挡风玻璃中与汽车触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的差异，并考虑了挡风玻璃的倾斜角，在此基础上进行虚像光学系统的设计。

更详细而言，被投影部件即挡风玻璃的水平曲率半径rh与垂直曲率半径rv存在较大的差异，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。

接着，发明人针对信息显示装置100的小型化进行了研究。研究的条件如下，即，fov为水平7度、垂直2.6度，虚像像距为2m。在研究的最开始，以用于生成虚像的凹面反射镜1(图5中简记作平面反射镜)、影像显示装置4和背光源5为基本结构，在影像显示装置4与凹面反射镜1之间配置1片光路折返反射镜，并使用各部件的配置和从影像显示装置4到凹面反射镜1的距离作为参数进行了模拟，使得信息显示装置100的容积变得最小。

其结果，在配置成使得影像显示装置4的影像光不与各部件发生干涉的情况下，容积为3.6升。之后，为了实现进一步的小型化，对不使用光路折返反射镜的直接方式进行了研究。

参照图4说明本实施例的虚像光学系统的结构。该图4是表示了用于在图1所示的本实施例的虚像光学系统中进行小型化研究的基本结构的整体结构图。为了简化说明，省略了像差和畸变校正用的光学元件，与图1所示的挡风玻璃6同样地表示了其垂直截面形状。作为影像显示装置4假定采用液晶面板，以配置了背光源5的结构作为基本结构，影像显示装置4被配置在所显示的影像可由凹面反射镜1形成为虚像的位置上。

此时，如图5所示，设计上的限制使得各部件需要实现这样的配置，即，从影像显示装置4的屏幕中央的影像产生的影像光r2、来自上端的影像光r1和来自下端的影像光r3各自在凹面反射镜1上反射时不会与影像显示装置4发生干涉、光不被遮挡。

发明人考虑到上述设计上的限制，同时令fov为水平7度、垂直2.6度，并令虚像像距为2m，以凹面反射镜1与影像显示装置4(液晶面板和背光源5)的间隔z作为参数求取了信息显示装置100的容积。在距离z为100mm的情况下，能够使凹面反射镜1的垂直尺寸最小。在距离z为75mm的情况下，水平面与凹面反射镜1的角度α2增大，凹面反射镜1的垂直尺寸也增大。若进一步缩短距离z至50mm以下，水平面与凹面反射镜1的角度α3增大，凹面反射镜1的垂直尺寸也进一步增大。

如上所述，以距离z作为参数对影像显示装置4的组合高度和组合深度的关系进行模拟可知，通过减小距离z能够减小组合深度，但组合高度会变高。同样地，关于距离z与组合容积l的关系，与从影像显示装置4到凹面反射镜的空间容积(表示为光路容积)相比，组合容积(包括lcd驱动电路、光源驱动电路、背光源部体积)的变化是以距离z为60mm处为边界变化的。

根据上述内容可知，为了使信息显示装置100小型化，需要实现直接利用凹面反射镜1将影像显示装置4上显示的影像放大的距离z较短的虚像光学系统，并且影像显示装置4的影像显示部的屏幕垂直方向中心需要配置得比凹面反射镜1的中心靠下侧。

该配置中，影像显示装置4到凹面反射镜1的上端的距离(对应于光线r1)较长，影像显示装置4到凹面反射镜1的下端的距离(对应于光线r3)较短。于是，最好将影像显示装置4配置成，使得影像显示装置4与凹面反射镜1的距离尽可能均匀。

本实施例的虚像光学系统(参照图6和图7)在影像显示装置4与凹面反射镜1之间利用光学元件——其校正虚像的畸变并校正虚像中产生的像差——进行像差校正，对此在后文中用图8说明。即，相对于凹面反射镜1的光轴上的点o将影像显示装置4(物点)配置在焦点f(焦距f)的内侧，能够得到由凹面反射镜1形成的虚像。该图8中，为了便于说明，将凹面反射镜1视作具有相同的正光焦度的凸透镜，表示了物点、凸透镜(为了便于说明，图8中记作凹面反射镜)和产生的虚像的关系。

本实施例中，为了减小凹面反射镜1中产生的畸变和像差而配置了光学元件2。该光学元件可以是透射型的光学透镜也可以是凹面反射镜，使来自影像显示装置4的影像光满足以下条件：

(1)在作为远心光束入射到反射面上的情况下，透镜或凹面反射镜1的光焦度大致为零，

(2)在来自影像显示装置4的影像光发散地入射到光学元件上的情况下，光学元件具有正的光焦度，

(3)在来自影像显示装置4的影像光会聚地入射到光学元件上的情况下，光学元件具有负的光焦度。

通过采用这样的方式，控制入射到凹面反射镜的光束的方向(角度和位置)，对产生的虚像的畸变进行校正。进而，在透射型的光学透镜的情况下，通过影像显示装置4一侧的入射面和凹面反射镜1一侧的出射面的相互作用，对虚像中产生的关于成像性能的像差进行校正。本实施例说明的是光学元件为1个的情况，但也可以是多个透射型的光学元件，或者也可以采用反射型的光学元件(反射镜)与透射型的光学元件的组合。

此时，关于驾驶员观察到的虚像的大小，如上所述，由于挡风玻璃存在倾斜，影像显示装置4与凹面反射镜1的距离a和凹面反射镜1到虚像的距离b在虚像的上端和下端是不同的。因此，以挡风玻璃或叠像镜(combiner)作为反射面会产生虚像的重影。为此，本发明开发了一种通过改进光学系统来减轻该情况下发生的虚像的重影化的技术，下面说明其细节。

＜虚像重影的产生原理＞

发明人进行了各种研究，基于下述发现，开发了一种后述的减轻虚像重影的技术。

在挡风玻璃的上部反射并由驾驶员观察到的虚像如图9所示，因为挡风玻璃存在倾斜，生成上述虚像的光线倾斜地入射到挡风玻璃上，所以若令挡风玻璃的厚度为t，在离驾驶员较近的反射面(后文记作反射面1)上反射的常规反射光的反射位置a，与在离驾驶员较远的反射面(后文记作反射面2)上反射的背面反射光的反射位置b在垂直方向上向上方偏离了距离l，形成了两个虚像。

就该常规反射光形成的常规虚像和背面反射光形成的第二虚像来说，因为从空气入射到挡风玻璃上的入射光的反射率4％等于挡风玻璃与空气界面上的反射率4％，所以该常规虚像和背面反射光形成的虚像的亮度大致相等。从而，为了获得虚像影像的良好的分辨率性能，降低由背面反射光形成的虚像的亮度是不可或缺的。

另一方面，在挡风玻璃下部反射并由驾驶员观察到的虚像，与图9所示的上部的反射同样地，由于挡风玻璃存在倾斜，生成上述虚像的光线倾斜地入射到挡风玻璃上，背面反射光偏离在常规反射光的上方，形成了两个虚像。

进而，在屏幕左右方向上，背面反射光相对于常规反射光在远离凹面反射镜的光轴与挡风玻璃的交点的方向上偏离，形成了两个虚像。

如上所述，令挡风玻璃的折射率为1.5，则影像光线在挡风玻璃上的入射角与反射率的关系如图34所示，垂直入射的情况下s偏振光和p偏振光的反射率都是4％左右，但入射角超过25度时s偏振光的反射率增大。

因此，在使用lcd作为影像显示装置的情况下，挡风玻璃的反射率根据使用哪一种偏振光作为影像输出光而不同，存在驾驶员观察到的虚像的亮度随影像光在反射面上的入射角变化的可能。

进而，若在不改变挡风玻璃与凹面反射镜的距离的前提下扩大了驾驶员可观察虚像的区域，则影像光线在挡风玻璃上的入射角增大，在屏幕的上下左右会产生重影，有碍虚像的聚焦感。

因此，发明人发现，通过使影像显示装置4相对于凹面反射镜1的光轴如图8所示地倾斜，使虚像上端部的像倍率m′＝b′/a′与虚像下端部的像倍率m＝b/a大致一致，能够更好地降低所产生的畸变。

进而，使光学元件2的垂直方向的截面形状的平均曲率半径与水平方向的截面形状的平均曲率半径为不同的值，来校正因上述挡风玻璃的垂直方向曲率半径rv与水平方向曲率半径rh的差异产生光路差而造成的畸变和导致虚像的成像性能降低的像差。

如上所述，在利用挡风玻璃6直接反射影像光而获得虚像的信息显示装置100中，在确保虚像的成像性能方面，最为重要的是校正因挡风玻璃6的垂直方向曲率半径rv与水平方向曲率半径rh的差异产生光路差而导致的像差。

因此，发明人没有使用现有的光学设计中一直使用的非球面形状——其中透镜面或反射镜面的形状被定义为从光轴起的距离r的函数(参照下式2)，而是使用了自由曲面形状——其能够将面的形状定义为从光轴起的绝对坐标(x，y)的函数(参照下式1)，从而能够减轻因上述挡风玻璃的曲率半径的差异导致的虚像成像性能的降低。

[式1]

另一方面，透镜面或反射镜面的形状被定义为从光轴起的距离r的函数的非球面形状由下式2表达。

[式2]

汽车用的挡风玻璃的折射率通常为n＝1.5，每一面的反射率为5％。如上所述，信息显示装置使虚像在挡风玻璃上反射而在驾驶员的eyebox内形成影像。因此，如图9所示，影像光线分离为在挡风玻璃的车内一侧的反射面1上反射的常规反射光，和在与外部空气接触的反射面2上反射的背面反射光，被驾驶员的眼睛识别为重影。该重影产生的方向按照挡风玻璃的垂直方向和水平方向而不同，在信息显示装置100配置在挡风玻璃下方的情况下，因背面反射光而产生的重影出现在常规反射光的影像的上部。

同样地，在信息显示装置100配置在挡风玻璃上方的情况下，因背面反射光而产生的重影也出现在常规反射光形成的影像的上部。

另一方面，关于挡风玻璃的水平方向上的重影，因为挡风玻璃的周边部的曲率半径比中心小，所以在其周边部于外侧(远离驾驶员的方向)出现重影。为了减轻该重影，

(1)在挡风玻璃的与外部空气接触的面上设置防反射膜来减轻背面反射光。

(2)发明人还发现，通过在产生虚像的投影光学系统中应用以下说明的方法，能够减轻可观察到的重影。

下面使用图10详细说明减轻上述重影的实施例。此处为了简化说明而使用实像投影光学系统进行说明。

图10表示实像投影光学系统的物点p1与成像点p0的关系。在评价成像性能时，从虚像一侧(原本的成像点)向作为物点的面板面(原本的物点)以将入瞳均匀分割的方式出射光线，对面板面上的成像性能进行评价。

将驾驶员的eyebox如图11所示地分割，以均匀间隔进行光线追踪，对与各评价点对应的面板面上的成像性能进行评价。基于本实施例的图14和图15所示的透镜数据，评价结果如图12和图13所示，屏幕中央和周边部产生的像差的大小不同，因此光斑形状随屏幕内的位置而不同，光斑相对于通过入瞳中央(与光轴相交的点)的主光线不构成同心圆状，会产生模糊(像差)。

于是，在透镜的设计中，为了减少在主光线的外侧产生的像差，可以设计成使通过入瞳的上部周边部分的光线去往主光线的内侧。具体而言，可以配置具有如下形状的光学元件，其形状使得，从主光线所通过的光线位置的上部周边部分通过的光线的光路上的光焦度，大于主光线所通过的光路上的光焦度。

对于这一点，如图10所示，说明使光线从像点向物点出射而进行反向追踪的情况。该方法中，以物点为虚像一侧，以像点为面板面，以将虚像光学系统的入瞳均匀分割的方式出射光线，对面板面上的成像性能进行评价。在虚像光学系统中，对于实线所示的子午光线和虚线所示的弧矢光线来说，虚像光学系统的相对光焦度是不同的。

因此，在弧矢光线具有最佳聚焦性能时，子午光线在面板面之前聚焦，面板面上产生像差(图中用灰色(网格部分)表示)。因此，在上述挡风玻璃产生的重影之中，在信息显示装置100配置在挡风玻璃下方的情况下，因背面反射光而产生的重影出现在常规反射光的影像的上部。因此，为了减轻该重影，优选以在主光线下方产生像差的方式，使通过入瞳中心的上部的光线所通过的虚像光学系统的相对光焦度，小于这之外的通过入瞳中心和中心下部的光线所通过的虚像光学系统的相对光焦度。

另一方面，关于挡风玻璃的水平方向上的重影，因为挡风玻璃的周边部的曲率半径比中心小，所以在其周边部于外侧(远离驾驶员的方向)出现重影。从而，由于背面反射光产生的重影出现在常规反射光的影像的外侧，为了减轻该重影，优选以在主光线的内侧产生像差的方式，使通过入瞳中心的外侧的光线所通过的虚像光学系统的相对光焦度，小于这之外的通过入瞳中心和中心的内侧的光线所通过的虚像光学系统的相对光焦度。

代替上述透镜的设计，可以如图35所示，使构成实像投影光学系统的影像显示装置4即面板面4a匹配于挡风玻璃的弯曲面而发生弯曲，采用这样的方式也能够得到与上述同样的效果。更具体而言，因为挡风玻璃的垂直方向的曲率半径小于水平方向的曲率半径，所以将挡风玻璃置换为凹面反射镜时，垂直方向的光焦度较大。因此，通过使面板的垂直方向的曲率半径小于水平方向的曲率半径，来减小整个系统的佩兹瓦尔和，从而减少像面弯曲。这能够通过使面板面4a向着光源5a凸状弯曲来实现。另外，挡风玻璃如上所述在垂直方向和水平方向具有不同的曲率半径，所以该面板面4a的弯曲也优选与挡风玻璃的不同的曲率半径对应地适当设定。

为了更加高效地将光收集到上述虚像光学系统中，可以如图36所示，使面板面4b的曲率半径与光源5b的曲率半径一致。

接着，使用图16至图32详细说明能够在减轻上述重影的同时，形成可辨识性高的虚像的本发明的实施例的结构。图16是上述实施例的虚像光学系统的影像显示装置4即液晶面板和背光源5的主要部分放大图。基于从液晶面板的柔性基板10输入的影像信号对来自背光源的光进行调制，在液晶面板显示面11上显示影像，利用虚像光学系统(实施例中是自由曲面的凹面反射镜和自由曲面光学元件)将所显示的影像生成虚像，向驾驶员传递影像信息。

在上述结构中，作为背光源5中的光源元件，使用作为固体光源比较廉价且可靠性高的led光源。为了高输出化而使用了面发光型的led，所以需要使用后述的技术改进提高光利用效率。led的相对于输入功率的发光效率虽然随发光颜色而不同，但是在20～30％左右，其余几乎都被转换为热。因此，在led的安装框架上，设置由导热率高的部件(例如铝等金属部件)构成的散热用的翅片13使热向外部散发，能够得到提高led的发光效率本身的效果。

尤其是，当前市面上流通的发光颜色为红色的led在结温升高时发光效率大幅降低，同时影像的色度也会发生变化，因此优选提高led的降温的优先级，采用增大对应散热翅片的面积来提高冷却效率的结构。为了高效地将来自led的扩散光导向液晶面板4，在图17所示的例子中使用了导光体18，但也可以采用由外包覆部件16整体包覆的背光源，使得不会有灰尘附着。

该图17中表示了包括光源即led、导光体和扩散板的光源单元的主要部分放大图，由图17可知，使光漏斗21、22、23、24中的用于导入来自led的发散光线的开口部21a、22a、23a、24a为平面，在其与led之间插入介质以实现光学连接，或者，使它们为凸面形状以具有聚光作用，使发散的光源光尽可能地成为平行光，减小光漏斗的界面上入射的光的入射角。其结果，在通过光漏斗之后，能够进一步减小发散角，所以容易对在导光体18上反射后去往液晶面板的光源光进行控制。

进而，为了提高来自led的发散光的利用效率，在光漏斗21～24与导光体18的接合部分25使用pbs(polarizingbeamsplitter)进行偏振变换，变换为要求的偏振方向，从而能够提高入射到lcd中的入射光的入射效率。

如上所述，在光源光的偏振方向统一的情况下，作为导光体18的材料可以使用双折射小的材料，使得在光的偏振方向旋转而通过液晶面板时，不会发生例如在全黑显示时出现颜色等问题。

如上所述，发散角减小后的来自led的光束被导光体控制，在设于导光体18的斜面的全反射面上反射，被配置在相对的面与液晶面板之间的扩散部件14扩散，之后入射到作为影像显示装置的液晶面板4。本实施例中，如上所述，扩散部件14配置在导光体18与液晶面板4之间，但也可以使导光体18的端面具有扩散效果，例如设置微小的凹凸形状，这样也可以得到同样的效果。

接着使用图20说明上述导光体18的结构及其带来的效果。图20是表示本实施例的导光体18的外观图。经图17所示的光漏斗21～24减小了发散角后的光束，入射到导光体18的光入射面18a。此时，利用入射面的形状(截面形状示于图21中)效果，控制垂直方向(图21的上下方向)的发散角，使光在导光体18内高效地传播。

图21是导光体的主要部分截面放大图，由光漏斗21～24减小了发散角后的光源光，经由接合部25如上所述地从入射面18a入射，在设置于相对面的棱镜18中发生全反射，去往相对面17。全反射棱镜18在入射面18a的附近(b部放大图)和端部(a部放大图)中，其形状与入射到各面的光束的发散角相应地分割为阶梯状，由此控制全反射面的角度。另一方面，为了使入射到影像显示装置即液晶面板4的光束在该液晶面板4的出射面内的光量分布变得均匀，以上述全反射面的分割尺寸作为变量，控制分割后的光束的反射后的到达位置和能量。

图18表示的是，在本实施例的信息显示装置100中对上述背光源的出射光通过液晶面板后的状态进行模拟的结果。图18(a)是表示从液晶面板的长边方向观察的光的出射状态的图，图18(b)是表示从液晶面板的短边方向观察的光的出射状态的图。本实施例中，为了使fov的水平角度扩大至设计以上，使水平方向的扩散角度大于垂直方向，设计成即使在驾驶员摇头或移动眼睛的位置的情况下，左右眼观察到的虚像的亮度也不会极端地变化。

并且，通过减小背光源的垂直方向的发散角而减小液晶面板上显示的影像的屏幕垂直方向的发散角，抑制重影的产生。图19表示如本实施例所示，使用了用导光体18控制光的出射方向和强度的背光源的情况下的液晶面板4的出射面的亮度分布。由图19可知，除了屏幕垂直方向(短边方向)的亮度分布之外，也能够减小屏幕垂直方向(长边方向)的有效范围以外的亮度降低的斜率。

本实施例的信息显示装置100中的来自作为影像显示装置使用的液晶面板的出射光(影像光)如图23和图28所示，在以左右、上下方向上的视角作为参数的情况下(参照图22)，在±50°的范围内表现出规定的透射率。若视角的范围在±40°以内，则能够得到更好的透射率特性。其结果，如图24和图29所示，在显示屏幕的左右方向和上下方向，屏幕亮度随观看屏幕的方向(视角)而大为不同。这取决于图25和图26所示的背光源亮度的角度特性。

因此，发明人利用导光体18的全反射面的角度和光漏斗21～24对来自led的光源光的发散角进行控制，使得导入到虚像光学系统中的来自液晶面板4的出射光尽可能为与屏幕垂直的光，来将背光源的视角特性限制在较小的范围，由此得到较高的亮度。具体而言，如图24和图29所示，为了得到高亮度的影像，使用左右视野角±30°的范围的光，而在考虑了图27和图31所示的对比度性能的情况下，通过限制为±20°以下，能够同时得到使用了良好的画质的源图像的虚像。

如上所述，影响影像显示装置的画质的对比度性能，是由全黑显示——这是决定画质的基础——的情况下的亮度(图30和图32中记作全黑显示亮度)可降低至何种程度来决定。因此，在液晶面板4与背光源之间，优选使用偏振度高的碘系的偏振片。

另一方面，作为设置在光学元件2一侧(光出射侧)的偏振片，通过使用染料系偏振片，在外部光入射的情况和环境温度高的情况下也能够得到高可靠性。

在使用液晶面板4进行彩色显示的情况下，会设置与各像素对应的滤色片。因此，在背光源的光源色为白色的情况下，滤色片中的光吸收较大，损失较大。于是，发明人如上述图17所示，使用了多种led：

(1)与使用多个白色led的情况相比，追加对亮度贡献较大的绿色led。

(2)对白色led追加红色或蓝色led，提高图像的显色性。

(3)个别地配置红色、蓝色、绿色的led，追加对亮度贡献较大的绿色led并个别地驱动led，扩大色彩再现范围、提高显色性，同时也提高亮度。

(4)通过实施上述(3)而提高各滤色片对红色、蓝色、绿色led的峰值亮度的透射率，提高整体的亮度。

(5)作为背光源的第二实施例，通过在光漏斗与导光体之间配置pbs将光统一成特定的偏振，减轻对液晶面板入射侧的偏振片的损伤。另外，配置在液晶面板入射侧的偏振片的偏振方向是通过pbs(polarizingbeamsplitter)后的统一到特定方向上的偏振光能够通过的方向。

如上所述，作为本发明的实施方式中的影像显示装置4，也能够在液晶显示面板出射面设置λ/4波片而使出射光成为圆偏振光。结果，驾驶员即使佩戴了偏振太阳镜，也能够观察到良好的虚像。

进而，通过利用金属多层膜来形成虚像光学系统中使用的反射镜的反射膜，反射率的角度依赖性较小，反射率不会因偏振方向(p波或s波)而改变，所以能够将屏幕的色度和亮度保持均匀。

进而，通过在虚像光学系统与挡风玻璃之间设置紫外线反射膜或具有紫外线反射膜和红外线反射膜的光学部件，即使有外部光(太阳光)入射，也能够减轻液晶显示面板和偏振片的温度上升和损伤，可以得到无损信息显示装置的可靠性之效果。

在虚像光学系统中，考虑了现有技术中作为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的差来进行优化设计，在挡风玻璃与影像显示装置或中间像显示部之间，配置凹面朝向挡风玻璃6一侧的凹面反射镜1，由此将影像显示装置4的影像放大而使其在挡风玻璃6上反射。此时，在上述凹面反射镜1与影像显示装置4之间配置光学元件，使与驾驶员的视点位置对应地成像的、用于形成上述影像的放大像(虚像)的影像光束，通过配置在影像显示装置之间的上述光学元件，对凹面反射镜1中产生的畸变和像差进行校正。因此，与现有的仅包括凹面反射镜的虚像光学系统相比，能够得到畸变和像差大幅减少的虚像。

在图1所示的本实施例的结构中，在挡风玻璃6的上部(车体垂直方向上部)反射得到的虚像需要在更远处成像。因此，为了使从显示了对应的影像的影像显示装置的上部出射的发散的影像光束良好地成像，配置在上述凹面反射镜1与影像显示装置4之间的光学元件的焦距f1较短，相反地，在挡风玻璃6的下部(车体垂直方向下部)反射得到的虚像需要在更近处成像。因此，为了使从显示了对应的影像的影像显示装置的下部出射的发散的影像光束良好地成像，配置在上述凹面反射镜1与影像显示装置4之间配置的多个光学元件的合成焦距f2设定得相对较长。

本实施例中，为了校正因挡风玻璃6的水平方向(与地面平行)曲率半径与垂直方向(与挡风玻璃水平方向垂直的方向)曲率半径不同而导致驾驶员观察到的虚像的畸变，在虚像光学系统中，配置轴对称性关于光轴不同的光学元件，实现了上述畸变的校正。

以上针对适用于本发明各种实施例的具有图像显示设备的电子装置中的面状的光源装置进行了说明。但本发明不限于上述实施例，包括各种变形例。例如，上述实施例为了易于理解地说明本发明而对整个系统详细进行了说明，但并不限定于必须具备说明的全部结构。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，也能够在某个实施例的结构上添加其他实施例的结构。另外，对于各实施例的结构的一部分，能够追加、删除、置换其他结构。

附图标记说明

100……信息显示装置，101……汽车，1……凹面反射镜，2……光学元件，4……影像显示装置，4a、4b……液晶显示面板，5a、5b……背光源，6……被投影部件(挡风玻璃)，7……壳体，v1……虚像，8……eyebox(观察者的眼睛)，9……光源单元，r1……上限影像光，r2……中央影像光，r3……下限影像光，10……柔性基板，11……影像显示面，12……框架，13……翅片，14……扩散部件，16……外包覆部件，17……出射面，18……导光体，20……光漏斗单元，21～24……光漏斗，36……自液晶面板的出射光线。