平视显示器的制作方法

本公开涉及将显示图像作为虚像而使观察者视觉辨认的平视显示器。

背景技术：

专利文献1公开了一种显示装置，第1反射部件的反射面为凸面形状，第2反射部件的反射面为凹面形状。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第wo2015/098078号公报

技术实现要素：

-发明要解决的课题-

在由反射面为凸面形状的反射部件和凹面形状的反射部件构成的、所谓的长焦类型的显示装置中，在挡风玻璃(风防玻璃)的光焦度(折射能力)较大的情况下，若谋求大画面化，则难以避免光线与平视显示器的结构部件的干扰。

-解决课题的手段-

本公开中的平视显示器是一种向挡风玻璃投影图像并形成观察者能视觉辨认的虚像的平视显示器装置，具备：显示图像的显示元件、将显示元件的图像导向挡风玻璃并形成所述虚像的投射光学系统。投射光学系统具有反射面为凹面的至少2个反射镜，挡风玻璃的左右方向的曲率半径rx满足下述的条件(1)，

0.05＜ebx/rxmax＜0.50···(1)

这里，在将从观察者观察的左右方向设为x轴时，

ebx：观察者能够视觉辨认所述虚像的x方向上的眼观察区尺寸，

rxmax：挡风玻璃的光线使用区域中的曲率半径rx的最大值。

-发明效果-

通过本公开，在避免光线与平视显示器的结构部件的干扰的情况下，能够提供一种大画面的平视显示器。

附图说明

图1是表示搭载有实施方式1中的平视显示器的车辆的剖面的示意图。

图2是表示用于对实施方式1中的平视显示器进行说明的光学剖面的示意图。

图3是表示用于对实施方式1中的平视显示器中的挡风玻璃的x方向的局部曲率rx进行说明的光学剖面的示意图。

图4是表示用于对实施方式1中的平视显示器中的挡风玻璃的y方向的局部曲率ry进行说明的光学剖面的示意图。

图5是实施方式1中的平视显示器中的挡风玻璃的倾斜角θz的说明图。

图6是表示实施方式1中的平视显示器中的第1反射镜的坐标系和第1反射镜的xm1方向局部曲率rxm1、第1反射镜的ym1方向局部曲率rym1的示意图。

图7是表示实施方式1中的平视显示器中的第2反射镜的坐标系和第2反射镜的xm2方向局部曲率rxm2、第2反射镜的ym2方向局部曲率rym2的示意图。

图8是表示实施方式1～8中的平视显示器中的显示元件的坐标系的概略图。

图9是表示实施方式1～8中的平视显示器投影图像的挡风玻璃的概略图。

具体实施方式

以下，适当地参照附图，对实施方式详细进行说明。其中，可能省略非必要详细的说明。例如，可能省略已知事项的详细说明、针对实质相同的结构的重复说明。这是为了避免以下的说明变得不必要地冗长，使本领域技术人员容易理解。

另外，附图以及以下的说明是本领域技术人员为了充分理解本公开而提供的，并不意图通过这些来限定权利要求书所述的主题。

(实施方式1)

参照附图来对实施方式1所涉及的平视显示器进行说明。

另外，关于本实施方式1所涉及的平视显示器所涉及的具体的数值，在数值实施例1～8中后述。

[1.结构]

[1.1概略结构]

图1是表示搭载有实施方式1所涉及的平视显示器的、车辆的剖面的示意图。

投影图像的平视显示器10被配置于车辆20的仪表盘21的内部。平视显示器10在被配置于车辆20的透光性的被投影部件即挡风玻璃22(风防玻璃)投影图像，由此在挡风玻璃22的与观察者30侧相反的一侧形成平视显示器10所投影的图像的虚像40。观察者30能够通过挡风玻璃22来视觉辨认由平视显示器10投影的图像的虚像40。图1所示的双点划线表示被投影的图像的中心光路l，在以下的说明中，中心光路l也通过双点划线来图示。

图2是实施方式1所涉及的平视显示器10的示意图。

平视显示器10在作为被投影部件的挡风玻璃22投影图像，在相对于挡风玻璃22，与观察者30相反的一侧形成虚像40。平视显示器10具备：作为投影部件的显示元件13、将显示于显示元件13的图像导向挡风玻璃22并形成虚像40的投射光学系统。

投射光学系统具备第1反射镜m1和第2反射镜m2。第2反射镜m2相对于挡风玻璃22被配置于大致铅垂下方，将来自显示元件13的光经由第1反射镜m1，导向挡风玻璃22。第1反射镜m1的反射面是凹面形状。第2反射镜m2的反射面是凹面形状。由此，观察者30能够通过挡风玻璃22，视觉辨认图像的虚像40。针对投影于挡风玻璃22的图像，观察者30能够从预先假定的视觉辨认区域即眼观察区31(eyebox)视觉辨认图像的虚像40。另外，也可以在使来自显示元件13的光到达第2反射镜m2的光路配置多个透镜元件、反射部件等的光学元件。

[1.2挡风玻璃]

图3表示挡风玻璃的xc-yc剖面，是对实施方式1～8中的挡风玻璃22的、从驾驶员观察的左右方向的局部曲率rx进行说明的说明图。此外，在图3，也图示挡风玻璃22的局部坐标系(xl、yl、zl坐标)。

图4表示挡风玻璃的xc-zc剖面，是对实施方式1～8中的挡风玻璃22的、从驾驶员观察的上下方向的局部曲率ry进行说明的说明图。也图示挡风玻璃22的局部坐标系(xl、yl、zl坐标)。

图5是对实施方式1～8中的挡风玻璃22的倾斜角θz进行说明的说明图。设为将挡风玻璃的反射面的形状进行定义的定义式的原点ol、原点ol处的反射面的法线向量n1、任意的反射面上的点处的法线向量n2，将法线向量n1与法线向量n2所成的角设为倾斜角θz。

[1.3第1反射镜]

图6图示第1反射镜m1的坐标系(xm1、ym1、zm1坐标)和第1反射镜定义式的原点om1。第1反射镜m1的坐标系的z轴即zm1由通过第1反射镜定义式的原点om1的反射面的法线方向定义，xm1、ym1是与zm1垂直的分量。xm1是图6所示的第1反射镜m1的长边方向，这一般从作为驾驶员等的观察者30来看为左右方向。ym1是图6所示的第1反射镜m1的短边方向，这一般从观察者30来看为上下方向。此外，表示在与实施方式1～8中的第1反射镜m1的xm1-zm1平面平行的平面上定义的x方向的局部曲率rxm1、在与ym1-zm1平面平行的平面上定义的y方向的局部曲率rym1。

[1.4第2反射镜]

图7图示第2反射镜m2的坐标系(xm2、ym2、zm2坐标)和第2反射镜定义式的原点om2。第2反射镜m2的坐标系的z轴即zm2由通过第2反射镜定义式的原点om2的反射面的法线方向定义，xm2、ym2是与zm2垂直的分量。xm2是图7所示的第2反射镜m2的长边方向，这一般从观察者30来看为左右方向。ym2是图7所示的第2反射镜m2的短边方向，这一般从观察者30来看为上下方向。此外，表示在与实施方式1～8中的第2反射镜m2的xm2-zm2平面平行的平面上定义的x方向的局部曲率rxm2、在与ym2-zm2平面平行的平面上定义的y方向的局部曲率rym2。

[1.5显示元件]

图8是表示实施方式1中的显示元件的坐标系的概略图。

在实施方式1中，作为投影部件即显示元件13的一个例子，说明了lcd(liquidcrystaldisplay)。显示元件也可以是有机发光二极管(电致发光)、荧光显示装置(七段)等离子显示器等的显示装置。此外，也可以是投影仪、扫描式激光器。因此，显示元件并不限定于lcd。

[2.条件以及效果等]

平视显示器10在作为被投影部件的挡风玻璃22投影图像，在相对于被投影部件而与观察者30相反的一侧形成虚像40。平视显示器10具备：投影图像的投影部件即显示元件13、将图像导向被投影部件并形成虚像40的投射光学系统。投射光学系统至少具有2个反射面为凹面的反射镜。挡风玻璃22的反射面满足下述的条件(1)或者(2)或者(3)。

0.05＜ebx/rxmax＜0.50···(1)

这里，在将从观察者30观察的左右方向设为x轴时，

ebx：观察者30能够视觉辨认虚像40的x方向上的眼观察区尺寸，

rxmax：挡风玻璃22的光线使用区域中的曲率半径rx的最大值。

此外，

0.05＜eby/rymax＜0.50···(2)

这里，在将从观察者30观察的上下方向设为y轴时，

eby：观察者30能够视觉辨认虚像40的y方向上的眼观察区尺寸，

rymax：挡风玻璃22的光线使用区域中的曲率半径ry的最大值。

此外，

1.0°＜|θzmax-θzmin|＜6.0°···(3)

θz：与通过对挡风玻璃22的形状进行定义的定义式的原点的切平面垂直的法线向量、和挡风玻璃22上的任意点处的切平面的法线向量所成的角，

θzmax：θz的最大值，

θzmin：θz的最小值。

若低于条件(1)或者(2)的下限值，则挡风玻璃22的光焦度(折射能力)变弱，投射光学系统中允许的光路长延伸，因此将第1反射镜m1的反射面设为凸面，将第2反射镜m2的反射面设为凹面，设为所谓的长焦结构更加能够谋求小型化以及大画面化。若超过条件(1)或者(2)的上限值，则挡风玻璃22的光焦度变强，投射光学系统中允许的光路长变短，因此将第1反射镜m1的反射面设为凹面，将第2反射镜m2的反射面设为凸面，不设为所谓的逆焦式结构，则光线与反射镜等的平视显示器的结构部件干扰，不能确保充分的眼观察区尺寸(眼观察区31的尺寸)。

即，通过小型并且大画面能够实现没有光线干扰的结构。

若低于条件(3)的下限值，则挡风玻璃22的光焦度(折射能力)变弱，投射光学系统中允许的光路长延伸，将第1反射镜m1的反射面设为凸面，将第2反射镜m2的反射面设为凹面，设为所谓的长焦结构更能够谋求小型化。若超过条件(3)的上限值，则挡风玻璃22的光焦度变得过强，投射光学系统中允许的光路长变短，因此例如，将第1反射镜m1的反射面设为凹面，将第2反射镜m2的反射面设为凸面，不设为所谓的逆焦式结构，则光线与平视显示器的结构部件干扰，不能确保充分的眼观察区尺寸。

此外，期望平视显示器10满足下述的条件(4)。

0.5＜lm/ld＜8.0···(4)

这里，

lm：从显示元件13向虚像的投射光学系统的中心光路l中的第2反射镜m2与第1反射镜m1的间隔，

ld：从显示元件13到第1反射镜m1的中心光路l中的间隔。

若低于条件(4)的下限值即0.5，则显示元件13与第1反射镜m1的距离变长，因此装置大型化。若超过条件(4)的上限值即8.0，则显示元件13与第1反射镜m1的距离变得过短，产生显示元件13与光线的干扰。

即，通过满足条件(4)，能够使平视显示器10小型。

此外，期望平视显示器10满足下述的条件(5)。

0.0＜(ld+lm)/v＜0.2···(5)

这里，

lm：从显示元件13向虚像的投射光学系统的中心光路l中的第2反射镜m2与第1反射镜m1的间隔，

ld：从显示元件13到第1反射镜m1的中心光路l中的间隔，

v：从观察者30的视觉辨认区域中央到虚像40的中心的距离。

由于ld和lm是非0的有限的值，因此条件(5)的下限值为0.0。若超过条件(5)的上限值即0.2，则显示元件13与第1反射镜12的距离以及第1反射镜m1与第2反射镜m2的距离变长，因此装置大型化。

即，通过满足条件(5)，能够使平视显示器10小型。

此外，平视显示器10分别在挡风玻璃22、第1反射镜m1以及第2反射镜m2，在反射面为凹面的时设为正的曲率半径、在反射面为凸面的时设为负的曲率半径时，期望满足下述的条件(6)。

1＜rxws/rxm2+rxm2/rxm1＜70···(6)

这里，

rxm1：如图6所示，将从第1反射镜m1的大致中心c1向第1反射镜m1的4个角的第1线段l1(图中记载为1个线段)中的、距第1反射镜m1的大致中心c1起80％的点和第1反射镜m1的4个角设为对角，通过与反射面的形状大致相似形状的大致矩形区域即第1区域a1内的光线的反射点之中至少一点处的第1反射镜m1的长边方向(xm1方向)的曲率半径，

rxm2：将从第2反射镜m2的大致中心向第2反射镜m2的4个角的第2线段l2中的、距第2反射镜m2的大致中心c2起80％的点和第2反射镜m2的4个角设为对角，通过与反射面的形状大致相似形状的大致矩形区域即第2区域a2内的光线的反射点之中至少一点处的第2反射镜m2的长边方向(xm2方向)的曲率半径，

rxws：如图9所示，通过将从投影于挡风玻璃22的图像gws的大致中心向图像的4个角的线段中的、距图像的大致中心80％的点和图像的4个角设为对角的大致矩形区域即第3区域a3内的光线的反射点之中至少一点处的水平方向(yc方向)的曲率半径。

若超过条件式(6)的上限值即70，则不能通过第1反射镜m1和第2反射镜m2来修正挡风玻璃22中产生的像差，各像差、特别是像面弯曲、像散、畸变像差变大，因此不能清晰地看到虚像、变形等显示品位变差。此外，若低于下限值即1，则第1反射镜m1与第2反射镜m2的光焦度变小，光路长变长，因此装置大型化。

更为期望平视显示器10满足下述的条件(6)‘。

1＜rxws/rxm2+rxm2/rxm1＜55···(6)‘

进一步期望，不仅通过第1区域a1至第3区域a3内的光线的反射点之中的至少一点，而且在从第1区域a1到第3区域内的整个区域满足所述条件(6)或者条件(6)‘，从而能够进一步实现所述效果。

此外，期望虽然将第1区域a1至第3区域a3设为将距中心80％的点和4个角为对角的大致矩形区域，但也可以设为将第1区域a1至第3区域a3设为将从中心起60％的点和4个角为对角的大致矩形区域。由此，在通过第1区域a1至第3区域a3内的光线的反射点之中的至少一点，满足所述条件(6)或者条件(6)‘，从而能够实现所述效果。

更加期望，通过对于第3区域a3在挡风玻璃22之中投影图像的整个区域，在第1反射镜m1的光线通过第1区域a1的整个区域，在第2反射镜m2的光线通过第2区域a2的整个区域，满足所述条件(6)或者条件(6)‘，从而能够更加实现效果。

此外，平视显示器10分别在挡风玻璃22、第1反射镜m1以及第2反射镜m2，反射面为凹面的时设为正的曲率半径，反射面为凸面的时设为负的曲率半径时，期望满足下述的条件(7)。

-50＜ryws/rym2+rym2/rym1＜100···(7)

这里，

rym1：通过第1区域a1内的光线的反射点之中的至少一点处的第1反射镜m1的短边方向(ym1方向)的曲率半径，所述第1区域a1是以从第1反射镜m1的大致中心向第1反射镜m1的4个角的线段中的、距第1反射镜m1的大致中心80％的点和第1反射镜m1的4个角连结的线段为对角的大致矩形区域，

rym2：通过第2区域a2内的光线的反射点之中的至少一点处的第2反射镜m2的短边方向(ym2方向)的曲率半径，所述第2区域a2是以从第2反射镜m1的大致中心向第2反射镜m2的4个角的线段中的、距第2反射镜m2的大致中心80％的点和第2反射镜m2的4个角为对角的大致矩形区域，

ryws：通过第3区域a3内的光线的反射点之中的至少一点处的垂直方向(zc方向)的曲率半径，所述第3区域a3是以从投影于挡风玻璃22的图像的大致中心向图像的4个角的线段中的、距图像的大致中心80％的点和图像的4个角为对角的大致矩形区域。

若超过条件式(7)的上限值即100，则不能通过第1反射镜m1和第2反射镜m2来修正在挡风玻璃22产生的像差，各像差特别是像面弯曲、像散、畸变像差变大，因此不能清晰地看到虚像、出现变形等显示品质变差。此外，若低于下限值即-40，则不能通过第1反射镜m1和第2反射镜m2来修正在挡风玻璃22产生的像差，以像面弯曲为例的各像差变大，不能清晰地看到虚像、出现变形等显示品质变差。

更加期望，平视显示器10满足下述的条件(7)‘。

-30＜ryws/rym2+rym2/rym1＜90···(7)‘

此外期望，不仅通过第1区域a1至第3区域a3内的光线的反射点之中的至少一点，而且在第1区域a1至第3区域a3内的各个整个区域满足所述条件(7)或者条件(7)‘，从而进一步能够实现所述效果。

此外期望，虽然将第1区域a1至第3区域a3设为以连结距中心80％的点和4个角的线段为对角的大致矩形区域，但通过将第1区域a1到第3区域a3设为以连结从中心起60％的点和4个角的线段为对角的大致矩形区域，在通过第1区域a1至第3区域a3内的光线的反射点之中的至少一点，满足所述条件(7)或者条件(7)‘，从而能够实现所述效果。

更加期望，对于第3区域a3在挡风玻璃22之中投影图像的整个区域，在第1反射镜m1的光线通过第1区域a1的整个区域，在第2反射镜m2的光线通过第2区域a2的整个区域，满足所述条件(7)或者条件(7)‘，能够更加实现效果。

(其他实施方式)

在实施方式1中，作为第1反射镜m1或者第2反射镜m2的反射面的一个例子，说明了反射面为凹面形状。但第1反射镜m1或者第2反射镜m2的反射面的中心附近为大体凹面形状即可。因此，并不限定于第1反射镜m1或者第2反射镜m2的反射面在整个区域为凹面形状。但是，若第1反射镜m1或者第2反射镜m2的反射面为凹面形状，则能够延伸投射光学系统中允许的光路长。因此，能够避免光线与平视显示器的结构部件的干扰，能够确保充分的眼观察区尺寸。

此外，第1反射镜m1或者第2反射镜m2的反射面的端部的反射面也可以局部为凸面形状。作为第1反射镜m1或者第2反射镜m2的反射面，若端部的反射面局部为凸面形状，则能够修正在挡风玻璃22的眼观察区周边产生的各像差、特别是像面弯曲、像散、畸变像差。

(数值实施例)

以下，针对本公开中的平视显示器，对具体的数值实施例进行说明。另外，在以下说明的数值实施例中，表中的长度的单位为(mm)，角度的单位为(度)。此外，自由曲面通过以下数式来定义。

[式1]

[式2]

这里，z是从定义面的轴起(x，y)的位置处的凹陷量，r是定义面的轴的原点处的曲率半径，c是定义面的轴的原点处的曲率，k是圆锥常量，m以及n是满足式2的整数，cj是单项式xmyn的系数。

此外，在各数值实施例中，作为基准的坐标原点是显示元件13的显示图像50的中心，如图8所示，定义x轴、y轴、z轴。

进一步地，在各数值实施例中的偏心数据中，所谓ade，是指以x轴为中心从z轴方向朝y轴方向旋转的量，所谓bde，是指以y轴为中心从x轴方向朝z轴方向旋转的量，所谓cde，是指以z轴为中心从x轴方向朝y轴方向旋转的量。

(数值实施例1)

数值实施例1的投射光学系统是投影光学系统的一个例子。在表1中表示数值实施例1的投射光学系统的结构数据，表2中表示多项式自由曲面的系数。

[表1]

[表2]

(数值实施例2)

数值实施例2的投射光学系统是投影光学系统的一个例子。表3中表示数值实施例2的投射光学系统的结构数据，表4中表示多项式自由曲面的系数。

[表3]

[表4]

(数值实施例3)

数值实施例3的投射光学系统是投影光学系统的一个例子。在表5中表示数值实施例3的投射光学系统的结构数据，在表6中表示多项式自由曲面的系数。

[表5]

[表6]

(数值实施例4)

数值实施例4的投射光学系统是投影光学系统的一个例子。在表7中表示数值实施例4的投射光学系统的结构数据，在表8中表示多项式自由曲面的系数。

[表7]

[表8]

(数值实施例5)

数值实施例5的投射光学系统是投影光学系统的一个例子。表9中表示数值实施例5的投射光学系统的结构数据，表10中表示多项式自由曲面的系数。

[表9]

[表10]

(数值实施例6)

数值实施例6的投射光学系统是投影光学系统的一个例子。表11中表示数值实施例6的投射光学系统的结构数据，表12中表示多项式自由曲面的系数。

[表11]

[表12]

(数值实施例7)

数值实施例7的投射光学系统是投影光学系统的一个例子。表13中表示数值实施例7的投射光学系统的结构数据，表14中表示多项式自由曲面的系数。

[表13]

[表14]

(数值实施例8)

数值实施例8的投射光学系统是投影光学系统的一个例子。表15中表示数值实施例8的投射光学系统的结构数据，表16中表示多项式自由曲面的系数。

[表15]

[表16]

(数值实施例的总结)

表17表示图像的显示尺寸、虚像尺寸、从观察者的视觉辨认区域中央到虚像中央的距离即虚像距离v、眼观察区尺寸(ebx以及eby)的一个例子。此外，表18表示条件(1)～(7)的值。

关于条件(6)和(7)，不仅在挡风玻璃22、第1反射镜m1以及第2反射镜m2的各光学元件中，从各自的中心向4个角的线段之中、以距中心80％的点和4个角为对角的大致矩形区域设为四角附近时满足，而且在各光学元件的整个区域满足。

[表17]

[表18]

产业上的可利用性

本公开所涉及的平视显示器适合于车载用途。

-符号说明-

10平视显示器

13显示元件

20车辆

21仪表盘

22挡风玻璃

30观察者

31眼观察区

40虚像

50显示图像

l中心光路

v虚像距离

n1挡风玻璃的原点处的法线向量

n2挡风玻璃的任意的点处的法线向量

m1第1反射镜

m2第2反射镜