平视显示器的制作方法

本公开涉及一种平视显示器。

背景技术：

可以预见，在未来的自动驾驶社会中，车辆与人之间的视觉性交流将变得越来越重要。例如，可以预见，车辆和该车辆的乘员之间的视觉性交流将变得越来越重要。在这一点上，能够使用平视显示器(hud)来实现车辆和乘员之间的视觉性交流。在平视显示器中，图像或视频被投影在挡风玻璃或合成器上，且该图像通过挡风玻璃或合成器被叠加在现实空间上以使乘员看到，由此，能够实现所谓的ar(增强现实(augmentedreality))。

作为平视显示器的一个例子，在专利文献1中，公开了具备用于使用透明的显示介质来显示立体的虚像的光学系统的显示装置。该显示装置在挡风玻璃或合成器上向驾驶者的视野内投射光。投射的光的一部分透过挡风玻璃或合成器，而另一部分被挡风玻璃或合成器反射。该反射光射向驾驶员的眼睛。驾驶员将进入眼睛的该反射光感知为虚像，该虚像以透过挡风玻璃或合成器看到的实际的物体为背景，看起来如同隔着挡风玻璃或合成器而位于相反侧(汽车的外侧)的物体的像。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本国特开2018-45103号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

本发明的目的在于提供一种能够生成3d的虚像对象的紧凑的平视显示器。

用于解决课题的方案

本公开的一个方式的平视显示器设置在车辆上，并构成为朝向所述车辆的乘员显示规定的图像，所述平视显示器具备：

图像生成部，其射出用于生成所述规定的图像的光；

导光体，其使从所述图像生成部射出的光全反射并传播；

第一变更部，其变更所述光的方向，以使从所述图像生成部射出的光在所述导光体内全反射；

第二变更部，其变更所述光的方向，以使在所述导光体内全反射并传播的光从所述导光体射出；

微透镜阵列，其使入射的光在规定的方向上折射并射出；

所述微透镜阵列设置在所述光的光路中的所述第二变更部之后。

根据上述结构，使用第一变更部、导光体以及第二变更部使从图像生成部射出的光传播。由此，能够防止hud的大型化，且能够使光路长度变长。另外，微透镜阵列使入射的光在规定的方向上折射并射出；由此，能够生成3d的虚像对象。另外，通过使用微透镜阵列生成3d的虚像对象，与使用凹面镜生成虚像对象的情况相比，能够实现紧凑的构造。其结果，能够提供一种能够生成3d的虚像对象的紧凑的平视显示器。

另外，所述第一变更部以及所述第二变更部可以分别是全息光学元件。

根据上述结构，通过利用全息光学元件使光衍射，能够以紧凑的结构变更光的方向。

发明效果

根据本公开，能够提供一种能够生成3d的虚像对象的紧凑的平视显示器。

附图说明

图1是本公开的实施方式的车辆系统的框图。

图2是示出图1的车辆系统的hud的结构的示意图。

图3是示出具有图像生成部以及微透镜阵列的hud主体部的参考例的图。

图4是用于说明图2的hud主体部的图。

图5是示出变形例的hud的结构的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图对本公开的实施方式(以下，称为本实施方式)进行说明。为了便于说明，本附图所示的各部件的尺寸存在与实际的各部件的尺寸不同的情况。

另外，在本实施方式的说明中，为了便于说明，存在适当提及“左右方向”、“上下方向”、“前后方向”的情况。这些方向是针对图2所示的“hud(head-updisplay)”42设定的相对方向。在图2中，u是上方，d是下方，f是前方，b是后方。在此，“左右方向”是包括“左方向”以及“右方向”的方向。“上下方向”是包括“上方向”以及“下方向”的方向。“前后方向”是包括“前方向”以及“后方向”的方向。左右方向在图2中未示出，是与上下方向以及前后方向正交的方向。

首先，参照图1，以下对本实施方式的车辆系统2进行说明。图1是车辆系统2的框图。搭载有该车辆系统2的车辆1是能够以自动驾驶模式行驶的车辆(汽车)。

如图1所示，车辆系统2具备车辆控制部3、车辆用显示系统4(以下简称为“显示系统4”)、传感器5、摄像头6、雷达7。而且，车辆系统2具备hmi(人机接口(humanmachineinterface))8、gps(全球定位系统(globalpositioningsystem))9、无线通信部10、存储装置11、转向促动器12、转向装置13、制动促动器14、制动装置15、油门促动器16和油门装置17。

车辆控制部3构成为控制车辆的行驶。车辆控制部3例如由至少一个电子控制单元(ecu：electroniccontrolunit)构成。电子控制单元包括包含一个以上处理器和一个以上的存储器的计算机系统(例如，soc(系统级芯片(systemonachip))等)，由晶体管等有源元件以及无源元件构成的电子电路。处理器例如包括cpu(中央处理器(centralprocessingunit))、mpu(微处理单元(microprocessingunit))、gpu(图形处理单元(graphicsprocessingunit))以及tpu(感测处理单元(tensorprocessingunit))中的至少一个。cpu可以由多个cpu核构成。gpu可以由多个gpu核构成。存储器包括rom(只读存储器(readonlymemory))、ram(随机存取存储器(randomaccessmemory))。在rom中，也可以存储有车辆控制程序。例如，车辆控制程序可以包括自动驾驶用的人工智能(ai)程序。ai程序是通过使用多层神经网络的有教师或无教师机器学习(特别是深度学习)构建的程序(已学习模型)。在ram中，可以暂时存储车辆控制程序、车辆控制数据和/或表示车辆的周边环境的周边环境信息。处理器也可以构成为，将从存储在rom中的各种车辆控制程序指定的程序在ram上展开，通过与ram的协作来执行各种处理。另外，计算机系统可以由asic(专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit))或fpga(现场可编程门阵列(field-programmablegatearray))等非诺依曼型计算机构成。而且，计算机系统也可以由诺依曼型计算机和非诺依曼型计算机的组合构成。

传感器5包括加速度传感器、速度传感器以及陀螺仪传感器中的至少一个。传感器5检测车辆的行驶状态，并将行驶状态信息输出到车辆控制部3。传感器5还可以具备检测驾驶员是否坐在驾驶席上的乘坐传感器、检测驾驶员的面部的方向的面部朝向传感器、检测外部天气状况的外部天气传感器以及检测车内是否有人的人感传感器等。驾驶员是车辆1的乘员的一例。

摄像头6例如是包括ccd(电荷耦合器件(charge-coupleddevice))或cmos(互补型mos)等摄像元件的摄像头。摄像头6包括一个以上的外部摄像头6a和内部摄像头6b。外部摄像头6a构成为，在取得表示车辆的周边环境的图像数据之后，将该图像数据发送给车辆控制部3。车辆控制部3基于发送的图像数据，取得周边环境信息。在此，周边环境信息也可以包含与存在于车辆的外部的对象物(步行者、其他车辆、标识等)有关的信息。例如，周边环境信息可以包含与存在于车辆的外部的对象物的属性有关的信息、与对象物相对于车辆的距离和位置有关的信息。外部摄像头6a可以构成为单眼摄像头，也可以构成为立体摄像头。

内部摄像机6b构成为，配置在车辆的内部，并且取得表示乘员的图像数据。内部摄像头6b作为跟踪乘员的视点e的跟踪摄像机起作用。在此，乘员的视点e可以是乘员的左眼视点或右眼视点中的任一个。另外，视点e也可以被规定为连结左眼视点和右眼视点的线段的中点。

雷达7包括毫米波雷达、微波雷达以及激光雷达(例如，lidar单元)中的至少一个。例如，lidar单元构成为检测车辆的周围环境。特别是，lidar单元构成为，在取得表示车辆的周边环境的3d映射数据(点群数据)的基础上，将该3d映射数据发送到车辆控制部3。车辆控制部3基于发送的3d映射数据，确定周边环境信息。

hmi8由接受来自驾驶员的输入操作的输入部和向驾驶员输出行驶信息等的输出部构成。输入部包括方向盘、油门踏板、制动踏板、切换车辆的驾驶模式的驾驶模式切换开关等。输出部是显示各种行驶信息的显示器(hud除外)。gps9构成为，取得车辆的当前位置信息，并将该取得的当前位置信息输出到车辆控制部3。

无线通信部10构成为，从其他车辆接收与位于车辆的周围的其他车辆有关的信息(例如，行驶信息等)，并且将与车辆有关的信息(例如，行驶信息等)发送到其他车辆(车辆间通信)。另外，无线通信部10构成为，从信号机、标识灯等基础设施设备接收基础设施信息，并且将车辆1的行驶信息发送到基础设施设备(路车间通信)。另外，无线通信部10构成为，从步行者携带的便携式电子设备(智能手机、平板电脑、可穿戴设备等)接收与步行者有关的信息，并且将车辆的本车行驶信息发送到便携式电子设备(步车间通信)。车辆与其他车辆、基础设施设备或便携式电子设备可以通过自组织模式直接通信，或者可以经由接入点通信。进而，车辆也可以经由未示出的通信网络与其他车辆、基础设施设备或便携式电子设备通信。通信网络包括因特网、局域网(lan)、广域网(wan)以及无线接入网络(ran)中的至少一个。无线通信标准例如是wi-fi(注册商标)、bluetooth(注册商标)、zigbee(注册商标)、lpwa、dsrc(注册商标)或li-fi。另外，车辆1也可以使用第5代移动通信系统(5g)与其他车辆、基础设施设备或便携式电子设备通信。

存储装置11是硬盘驱动器(hdd)或ssd(固态驱动器(solidstatedrive))等外部存储装置。在存储装置11中，也可以存储二维或三维地图信息和/或车辆控制程序。例如，三维地图信息也可以由3d映射数据(点群数据)构成。存储装置11构成为，根据来自车辆控制部3的请求，将地图信息、车辆控制程序输出到车辆控制部3。地图信息、车辆控制程序也可以经由通信网络与无线通信部10进行更新。

在车辆以自动驾驶模式行驶的情况下，车辆控制部3基于行驶状态信息、周边环境信息、当前位置信息、地图信息等，自动生成转向控制信号、油门控制信号以及制动控制信号中的至少一个。转向促动器12构成为，从车辆控制部3接收转向控制信号，并基于接收到的转向控制信号来控制转向装置13。制动促动器14构成为，从车辆控制部3接收制动控制信号，并基于接收到的制动控制信号来控制制动装置15。油门促动器16构成为，从车辆控制部3接收油门控制信号，并基于接收到的油门控制信号来控制油门装置17。这样，车辆控制部3基于行驶状态信息、周边环境信息、当前位置信息、地图信息等，自动地控制车辆的行驶。即，在自动驾驶模式下，车辆的行驶由车辆系统2自动控制。

另一方面，在车辆以手动驾驶模式行驶的情况下，车辆控制部3按照驾驶员对油门踏板、制动踏板以及方向盘的手动操作，生成转向控制信号、油门控制信号以及制动控制信号。这样，在手动驾驶模式下，由于通过驾驶员的手动操作生成转向控制信号、油门控制信号以及制动控制信号，因此车辆的行驶由驾驶员控制。

显示系统4具备前灯20、路面描绘装置45、hud42、显示控制部43。

前灯20配置在车辆的前表面的左侧和右侧，具备：近光灯，其构成为向车辆的前方照射近光束；远光灯，其构成为向车辆1的前方照射远光束。近光灯和远光灯中的每一个具有led(发光二极管(lightemittingdiode))、ld(发光二极管(laserdiode))等一个以上的发光元件、透镜以及反射器等光学部件。

路面描绘装置45配置在前灯20的灯室内。路面描绘装置45构成为朝向车辆的外部的路面射出光图案。路面描绘装置45例如具有光源部、驱动镜、透镜、镜等光学系统、光源驱动电路、镜驱动电路。光源部是激光光源或led光源。例如，激光光源是构成为分别射出红色激光、绿色激光、蓝色激光的rgb(三原色)激光光源。驱动镜例如包括mems(微机电系统(microelectromechanicalsystem))镜、dmd(数字镜(digitalmirrordevice))镜、电流镜、多角镜等。光源驱动电路构成为对光源部进行驱动控制。光源驱动电路构成为，基于从显示控制部43发送的与规定的光图案相关的信号，生成用于控制光源部的动作的控制信号，在此基础上将该生成的控制信号发送到光源部。反射镜驱动电路构成为对驱动反射镜进行驱动控制。镜驱动电路构成为，基于从显示控制部43发送的与规定的光图案相关的信号，生成用于控制驱动镜的动作的控制信号，在此基础上将该生成的控制信号发送到驱动镜。在光源部是rgb激光光源的情况下，路面描绘装置45通过扫描激光，能够在路面上描绘各种颜色的光图案。例如，光图案也可以是表示车辆的行进方向的箭头形状的光图案。

另外，路面描绘装置45的描绘方式也可以是光栅扫描方式、dlp(数字光处理(digitallightprocessing))方式或lcos(液晶覆硅(liquidcrystalonsilicon))方式。在采用dlp方式或lcos方式的情况下，光源部也可以是led光源。另外，作为路面描绘装置的描绘方式，也可以采用投影方式。在采用投影方式的情况下，光源部也可以是排列成矩阵状的多个led光源。路面描绘装置45可以分别配置在左右前灯的灯室内，也可以配置在车体车顶上、保险杠或格栅部。

显示控制部43构成为控制路面描绘装置45、前灯20以及hud42的动作。显示控制部43由电子控制单元(ecu)构成。电子控制单元包括包含一个以上处理器和一个以上的存储器的计算机系统(例如，soc等)，由晶体管等有源元件以及无源元件构成的电子电路。处理器包括cpu、mpu、gpu以及tpu中至少一个。存储器包括rom和ram。另外，计算机系统也可以由asic或fpga等非诺依曼型计算机构成。显示控制部43也可以基于由内部摄像头6b取得的图像数据，确定乘员的视点e的位置。乘员的视点e的位置可以基于图像数据以规定的周期更新，也可以在车辆起动时仅决定一次。

在本实施方式中，车辆控制部3和显示控制部43作为单独的结构而设置，但车辆控制部3和显示控制部43也可以一体地构成。在这一点上，显示控制部43和车辆控制部3也可以由单一的电子控制单元构成。另外，显示控制部43也可以由构成为控制前灯20和路面描绘装置45的动作的电子控制单元、和构成为控制hud42的动作的电子控制单元这两个电子控制单元构成。

hud42的至少一部分位于车辆的内部。具体而言，hud42设置在车辆的室内的规定部位。例如，hud42也可以配置在车辆的仪表板内。hud42作为车辆和乘员之间的视觉性接口起作用。hud42构成为，以规定的信息(以下，称为hud信息。)与车辆的外部的现实空间(特别是，车辆的前方的周边环境)重叠的方式向乘员显示该hud信息。这样，hud42作为ar(augmentedreality)显示器起作用。由hud42显示的hud信息例如是与车辆的行驶相关的车辆行驶信息和/或与车辆的周边环境相关的周边环境信息(特别是，与存在于车辆的外部的对象物相关的信息)。

如图2所示，hud42具备hud主体部420。hud主体部420具有壳体422和射出窗423。射出窗423是使可见光透过的透明板。hud主体部420在壳体422的内侧具有图像生成部(pgu：图像生成单元(picturegenerationunit))424、入射用全息光学元件425、导光体426、射出用全息光学元件427、微透镜阵列428。入射用全息光学元件425以及射出用全息光学元件427以下称为入射用hoe425以及射出用hoe427。入射用hoe425是第一变更部的一个例子。射出用hoe425是第二变更部的一个例子。

图像生成部424具有光源(未图示)、光学部件(未图示)、显示设备429、控制基板430。光源例如是激光光源或led光源。激光光源例如是构成为分别射出红色激光、绿色激光、蓝色激光的rgb激光光源.光学部件适当地具有棱镜、透镜、扩散板、放大镜等。显示设备429是发光阵列(将多个光源体配置成阵列状的设备)等。需要说明的是，显示设备并不限定于发光阵列。例如，显示设备可以是液晶显示器、dmd(数字镜像设备(digitalmirrordevice))或微led显示器等的2d显示的设备。图像生成部424的描绘方式可以是光栅扫描方式、dlp方式或lcos方式。在采用dlp方式或lcos方式的情况下，图像生成部424的光源也可以是led光源。需要说明的是，在采用液晶显示器方式的情况下，图像生成部424的光源也可以是白色led光源。

控制基板430构成为控制显示设备429的动作。控制基板430搭载有cpu(中央处理器(centralproccessingunit))等处理器和存储器，处理器执行从存储器读出的计算机程序，控制显示设备429的动作。控制基板430构成为，基于从显示控制部43发送的与图像数据，生成用于控制显示设备429的动作的控制信号，在此基础上将该生成的控制信号发送到显示设备429。需要说明的是，控制基板430也可以构成为显示控制部43的一部分。

在导光体426的内部，入射用hoe425配置在从图像生成部424射出的光的光路上。入射用hoe425构成为，使从图像生成部424射出并入射到导光体426的光在规定的方向上衍射。入射用hoe425是使入射的光透过并衍射的透过型hoe。例如，入射用hoe425通过用由树脂或玻璃形成的两个基材夹持在表面贴附有光聚合物膜的透明玻璃基板而构成。需要说明的是，入射用hoe425也可以配置在导光体426的外侧。在该情况下，入射hoe425构成为，以使从图像生成部424射出的光以规定的角度入射到导光体426的方式，对从图像生成部424射出的光进行衍射。

导光体426由丙烯酸或聚碳酸酯等透明树脂形成。导光体426使由入射用hoe425衍射的光全反射并传播。

在导光体426的内部，射出用hoe427配置在在导光体426内传播的光的光路上。射出用hoe427构成为，以在导光体426内传播的光从导光体426向微透镜阵列428射出的方式，使在导光体426内传播的光在规定的方向上衍射。射出用hoe427是使入射的光透过并衍射的透过型hoe。例如，射出用hoe427通过用由树脂或玻璃形成的两个基材夹持在表面贴附有光聚合物膜的透明玻璃基板而构成。需要说明的是，射出用hoe427是使入射的光反射并在规定的方向上衍射的透过型hoe。

微透镜阵列428配置在从导光体426射出的光的光路上。微透镜阵列428的多个微小的凸透镜以二维状排列而构成。微透镜阵列428使从导光体426射出并入射到微透镜阵列428的光在规定的方向上折射并朝向挡风玻璃18射出。从微透镜阵列428射出的光通过光场方式，作为将显示装置429的2d图像(平面图像)生成为3d图像(立体图像)的光射出。

从hud主体部420射出的光照射到挡风玻璃18(例如，车辆1的前窗)。接着，从hud主体部420照射到挡风玻璃18的光的一部分朝向乘员的视点e反射。其结果，乘员将从hud主体部420射出的光(规定的3d图像)识别为在挡风玻璃18的前方的规定的距离形成的3d的虚像。这样，由hud42显示的图像穿过挡风玻璃18重叠在车辆1的前方的现实空间上，其结果，乘员能够看到由规定的图像形成的3d的虚像对象i在位于车辆外部的道路上漂浮。

接着，参照图3以及图4，以下对本实施方式的hud主体部420进行说明。图3是示出具有图像生成部424a以及微透镜阵列428a的hud主体部420a的参考例的图。图4是用于说明图2的hud主体部420的图。需要说明的是，对于具有与在上述的说明中已经说明的部件相同的附图标记的部件，为了便于说明，省略其说明。

图3的hud主体部420a具有壳体422a和射出窗423a。hud主体部420a在壳体422a的内侧具有图像生成部424a和微透镜阵列428a。图像生成部424a具有光源(未图示)、光学部件(未图示)、显示设备429a、控制基板430a。控制基板430a基于从显示控制部43发送的与图像数据，生成用于控制显示设备429a的动作的控制信号，在此基础上将该生成的控制信号发送到显示设备429a。

微透镜阵列428a以配置在从图像生成部424a射出的光的光路上的方式，与图像生成部424a对置而配置。微透镜阵列428a使从图像生成部424a射出并入射到微透镜阵列428a的光在规定的方向上折射并朝向挡风玻璃18射出。通过光场方式，从微透镜阵列428a射出的光作为将显示设备429a的2d图像(平面图像)生成为3d图像(立体图像)的光射出。

显示设备429a配置为，能够使乘员将从hud主体部420a射出的光(规定的图像)识别为在挡风玻璃18的前方的规定的距离形成的虚像。即，显示设备429a相对于微透镜阵列428a，离开与挡风玻璃18的前方的所述规定的距离对应的距离而配置。因此，hud主体部420a(壳体422a)整体的尺寸变大。

图4的本实施方式的hud主体部420使用入射用hoe425、导光体426以及射出用hoe427，将图3的显示设备429a虚化。因此，即使不增大hud主体部420(壳体422)整体的尺寸，乘员也能够将从hud主体部420射出的光(规定的图像)识别为在挡风玻璃18的前方的规定距离形成的虚像。

在图4中，由显示设备429形成的图像的光入射到导光体426，经由入射用hoe425在导光体426内反复全反射并传播，经由射出用hoe427从导光体426射出。微透镜阵列428使从导光体426射出并入射到微透镜阵列428的光在规定的方向上折射并朝向挡风玻璃18射出。通过光场方式，从微透镜阵列428a射出的光作为将显示设备429的2d图像(平面图像)生成为3d图像(立体图像)的光射出。

本实施方式的hud主体部420的、通过使用入射用hoe425、导光体426以及射出用hoe427而从导光体426射出的光以与从显示设备的虚像429’射出的光(双点划线)相同的光路入射到微透镜阵列428。因此，不需要将显示设备429设置在与微透镜阵列428对置的位置，能够防止hud主体部420的大型化。另外，由于入射到导光体426内的光反复反射，因此不需要较长地形成导光体426，就能够得到较长的光路长度。因此，可以增加虚像对象i被看到的距离(在远离虚像对象i的位置处生成虚像对象i)。需要说明的是，射出用hoe427也可以通过设为具有透镜效果的构造，从而能够变更生成虚像对象i的倍率或虚像对象i的虚像位置。

这样，在本实施方式中，导光体426使从图像生成部424射出的光全反射并传播，朝向微透镜阵列428射出。入射用hoe425变更光的方向，以使从图像生成部424射出的光在导光体426内全反射。射出用hoe425变更光的方向，以使在导光体426内全反射并传播的光从导光体426射出。由此，能够防止hud的大型化，且能够使光路长度变长。另外，微透镜阵列428使从导光体426射出并入射到微透镜阵列428的光在规定的方向上折射并射出。由此，能够生成3d的虚像对象i。另外，通过使用微透镜阵列428生成3d的虚像对象i，与使用凹面镜生成虚像对象的情况相比，能够实现紧凑的构造。其结果，能够以紧凑的构造，提供一种能够生成3d的虚像对象的平视显示器。

以上，对本公开的实施方式进行了说明，但是显然，本公开的技术范围不应当被解释为限于本实施方式的说明。本领域技术人员应理解，本实施方式仅为一例，在权利要求书所记载的发明的范围内，能够进行各种实施方式的变更。本公开的技术范围应基于权利要求书所记载的发明的范围及其等同的范围来确定。

图5是示出变形例的hud142的结构的示意图。

如图5所示，变形例的hud142由hud主体部420和组合器143构成。组合器143作为与挡风玻璃18分体的构造物，设置在挡风玻璃18的内侧。组合器143例如是透明的塑料盘，代替挡风玻璃18而供由微透镜阵列428射出的光照射。由此，与向挡风玻璃18照射光的情况相同，从hud主体部420照射到组合器143的光的一部分朝向乘员的视点e反射。其结果，乘员能够将从hud主体部420射出的光(规定的图像)识别为在组合器143(以及挡风玻璃18)的前方的规定的距离形成的虚像。

另外，在本实施方式中，使用全息光学元件来变更光的方向，但是不限于此。例如，可以使用衍射光学元件(doe：diffractiveoptiocalelement)等。

另外，在上述实施方式中，使用微透镜阵列428生成3d的虚像对象，但不限于此。也可以使用与微透镜阵列具有同样的效果的光学元件，例如hoe。

本申请基于2018年11月30日申请的日本特许申请2018-225179号，其内容在此作为参照被引入。