平视显示装置的制作方法

本申请基于在2016年4月26日申请的日本申请号2016－88313号，在此引用其记载内容。

本公开涉及显示能够使乘员视觉确认的虚像的平视显示装置。

背景技术

以往，已知有显示能够使乘员视觉确认的虚像的平视显示装置(以下，简称为hud装置)。专利文献1所记载的hud装置具有组合器(combiner)，该组合器具有投射器、导光镜、以及成像反射面。投射器将显示光投射成光束状。导光镜具有将来自投射器的显示光朝向成像反射面反射的平面状的导光反射面。组合器的成像反射面对来自导光镜的显示光进行反射。

在将这样的hud装置搭载于车辆的仪表板的情况下，从虚像的可视性(例如视线移动等)的观点考虑优选将组合器中的成像反射面配置于比仪表板的上表面部靠上方。

另外，若组合器的成像反射面上的显示光的反射角增大，则例如虚像上下非对称地扭曲。因此，认为抑制成像反射面中的显示光的反射角增大。

然而，在如专利文献1的大尺寸的导光镜中的成像反射面，由于配置的自由度较低，所以很难抑制反射角增大，并且朝向配置于比上表面部靠上方的成像反射面反射显示光。

专利文献1:日本特开2014－215459号公报

技术实现要素：

本公开的目的在于提供一种虚像的可视性较高的hud装置。

如上所述，在如专利文献1的大尺寸的导光镜中的成像反射面中，由于配置的自由度较低，所以很难抑制反射角增大，并且朝向配置于比上表面部靠上方的成像反射面反射显示光。因此，本发明者对缩小导光镜的尺寸进行了研究。

具体而言，发明者考虑到将组合器的成像反射面设为凹面状，而缩小其曲率半径，从而能够紧凑地集中入射至该成像反射面的显示光的光束，所以能够缩小导光镜的尺寸。然而，若采用如专利文献1那样的具有平面状的导光反射面的导光镜，则例如必须将投射器接近导光镜来设置。若将投射器接近导光镜来设置，则例如产生在导光反射面上的反射后的光束干扰投射器的问题等，而会影响虚像的可视性。

本公开的第一方式中的平视显示装置搭载于车辆的仪表板。上述平视显示装置通过向具有配置于比上述仪表板的上表面部靠上方的凹面状的成像反射面的组合器投射被上述成像反射面反射的显示光，来显示能够使乘员视觉确认的虚像。上述平视显示装置具备将上述显示光投射成光束状的投射器。上述平视显示装置还具备导光镜，该导光镜具有将来自上述投射器的上述显示光朝向上述成像反射面反射的导光反射面。上述导光反射面为凸面状。

附图说明

通过参照附图进行下述的详细的描述，有关本公开的上述目的以及其它目的、特征、优点会变得更加明确。

图1是表示一个实施方式中的hud装置对车辆的搭载状态的示意图。

图2是表示一个实施方式中的投射器的结构的示意图。

图3是沿着光学开口部的法线方向观察一个实施方式中的光学开口部的示意图。

图4是放大表示图3的iv部的图。

图5是示意性地表示一个实施方式的hud装置的光学系统的图。

图6是示意性地表示比较例的hud装置的光学系统的图。

图7是示意性地表示参考例的hud装置的光学系统的图。

具体实施方式

以下，基于附图对本公开的一个实施方式进行说明。

如图1所示，本公开的一个实施方式的hud装置100搭载于作为移动体的一种的车辆1的仪表板2。hud装置100向作为投影部件的组合器40投射显示光，并利用组合器40的成像反射面42反射该显示光并且使其到达设置于车辆1的室内的视觉确认区域eb。由此，hud装置100显示能够使乘员视觉确认的虚像vi。即，显示光作为虚像vi被在车辆1的室内眼睛位于视觉确认区域eb内的车辆1的乘员感知。而且，乘员能够识别被显示为虚像vi的各种信息。作为被显示为虚像vi的各种信息，例如，可举出车速、燃料余量等车辆状态值，或者道路信息、视野辅助信息等车辆信息。

视觉确认区域eb是能够视觉确认通过hud装置100显示的虚像vi的空间区域。即，若乘员的眼睛在视觉确认区域eb内则能够视觉确认虚像vi，若乘员的眼睛远离视觉确认区域eb，则与前者相比很难进行虚像vi的视觉确认。

此外，在本实施方式的以下的说明中，表示位置关系的上方或者下方的意义通过车辆1位于水平面hp上的情况下的距离该水平面hp的高度的比较来确定。

以下对这样的hud装置100的具体的结构进行说明。hud装置100具备投射器10、导光镜30以及组合器40。其中投射器10以及导光镜30收容于hud装置100的壳体50内。

如图2所示，投射器10具有光源部12、聚光部14以及光学开口部20，例如将它们收容于箱状的外壳10a(参照图1)而形成。

光源部12例如具有发光二极管元件等多个发光元件12a(例如为3个)。多个发光元件12a配置在光源用电路基板12b上，通过该光源用电路基板12b上的布线图案，与电源连接。各发光元件12a通过通电以与电流量相应的发光量发光。更为详细而言，在各发光元件12a中，例如通过以荧光体覆盖蓝色二极管，实现以伪白色的发光。

聚光部14配置在光源部12和光学开口部20之间，具有聚光透镜15以及场透镜16。聚光透镜15配置在光源部12和场透镜16之间，由合成树脂或玻璃等形成，具有透光性。特别是本实施方式的聚光透镜15为多个凸透镜元件15a对应发光元件12a的数量以及配置排列而成的透镜阵列。聚光透镜15对从光源部12侧入射的光进行聚光并朝向场透镜16侧射出。

场透镜16配置在聚光透镜15和光学开口部20之间，由合成树脂或玻璃等形成，具有透光性。特别是本实施方式的场透镜16为形成为平板状的菲涅耳透镜。场透镜16对从聚光透镜15侧入射的光进一步进行聚光并朝向光学开口部20侧射出。

此外，聚光部14只要是对光源部12发出的光进行聚光的部件，也能够采用其它结构。例如，聚光部14可以由一个透镜或者反射镜构成，也可以对上述的结构追加透镜、反射镜、扩散板或者其他光学元件而构成。

光学开口部20通过光学开口，使光源部12发出的光中的一部分透过而形成图像，并将该图像作为显示光，朝向与光源部12以及聚光部14相反侧的导光镜30投射。

具体而言，本实施方式的光学开口部20由使用薄膜晶体管(thinfilmtransistor，tft)的有源矩阵方式的透射式液晶面板19形成。在这样的光学开口部20中，如图3、4所示，多个液晶像素22沿二维方向排列。液晶像素22的排列整体呈矩形，从而光学开口部20将外轮廓作成矩形，光学开口。

另外，如图4中详细所示，在各液晶像素22中，设置有沿光学开口部20的法线方向贯通设置的开口区域22a、以及包围开口区域22a而形成的布线区域22b。

在光学开口部20，在包含开口区域22a的部分，层叠有一对偏光板以及被一对偏光板夹持的液晶层等。各偏光板具有使沿规定方向偏振的光透过，吸收沿与规定方向实质垂直的方向偏振的光的性质。一对偏光板使各自的规定方向相互实质正交地配置。液晶层能够通过每个液晶像素的电压施加，使根据施加电压入射至液晶层的光的偏振光方向旋转。通过偏振方向的旋转，能够改变透过后面的偏光板的光的比例，即透过率。

对从聚光部14侧入射至光学开口部20的液晶像素22的排列的光控制每个液晶像素22的光的透过率的结果，形成图像。在相邻的液晶像素22中，设置有相互不同颜色(例如红、绿以及蓝)的彩色滤光片，通过它们的组合，再现各种颜色。

这样，投射器10通过光学开口部20，将显示光投射成光束状。由投射器10投射的显示光入射至导光镜30。

如图1所示，导光镜30是将来自光学开口部20侧的显示光导入组合器40的反射镜，配置在光学开口部20和组合器40之间的光路上。特别是本实施方式的导光镜30配置在比仪表板2的上表面部2a靠下方，且与该上表面部2a邻接的位置。导光镜30通过在由合成树脂或玻璃等构成的基体材料的表面，作为导光反射面32蒸镀铝等而形成。导光镜30的导光反射面32弯曲成凸状，从而呈光滑的凸面状。从光学开口部20侧入射的显示光被导光反射面32反射。反射出的显示光通过以使比上表面部2a靠下方的下方区域2c和比该上表面部2a靠上方的上方区域2b连通的方式开口的开口窗2d，入射至组合器40的成像反射面42。

组合器40由合成树脂或玻璃等，例如形成为从壳体50内朝向上方延伸的透光性的板状。组合器40在比上表面部2a靠上方且与导光镜30以及视觉确认区域eb对置的一侧的表面，配置形成有成像反射面42。成像反射面42弯曲成凹状，从而呈光滑的凹面状。从导光反射面32入射的显示光通过成像反射面42朝向视觉确认区域eb反射。这样，通过到达视觉确认区域eb的图像的显示光，乘员能够视觉确认虚像vi。

在这里，组合器40配置于比挡风玻璃3靠视觉确认区域eb侧。因此，乘员通过透光性的组合器40以及挡风玻璃3，能够视觉确认包含道路、道路标志等在内的车外的景色。换言之，视觉确认的虚像vi与车外的景色重叠显示。

以下，使用图5对由能够进行这样的重叠显示的hud装置100构成的光学系统进行详细研究。

以下，在图5所示的光学系统的光路上，将从虚像vi到视觉确认区域eb的间隔设为id(其中，由于是虚像，所以id＜0)，将从视觉确认区域eb到成像反射面42的间隔设为ed(其中，ed＞0)，将从成像反射面42到导光反射面32的间隔设为l3(其中，l3＞0)，将从导光反射面32到光学开口部20的间隔设为l4。

进一步，将导光反射面32的光功率设为φ1(其中，φ1＜0)，将成像反射面42的光功率设为φ2(其中，φ2＞0)。导光反射面32的焦距为f1＝1/φ1，成像反射面42的焦距为f2＝1/φ2。成像反射面42和导光反射面32的合成焦距为正。

此外，将虚像vi的尺寸的半值设为is，将视觉确认区域eb的尺寸的半值设为es，将光学开口部20的尺寸的半值设为os(其中，由于通过光学开口部20形成的图像是实像，所以os＜0)。

在本实施方式中，实际上，光源部12和视觉确认区域eb处于光学共轭关系。对于各参数，能够在将视觉确认区域eb置换为与光源部12光学共轭的共轭点cp后理解。例如，间隔id能够理解为共轭点cp和虚像vi的间隔，视觉确认区域eb的尺寸的半值es能够理解为共轭点cp上的显示光(具体而言，从投射器10投射出的显示光整体)的光束半径。

对于这样的光学系统，根据从视觉确认区域eb朝向光学开口部20侧的逆向光线追踪，依次求出图像近轴光线imr的角度以及图像近轴光线imr的高度。在这里，所谓的图像近轴光线imr的角度是相对于通过视觉确认区域eb的中心(例如共轭点cp)以及光学开口部20的中心的光线(以下，为主光线prr)，沿着在视觉确认区域eb和成像反射面42之间连结视觉确认区域eb的端部和虚像vi的中心的方向的光线(以下，将其称为图像近轴光线imr)张开的角度。在以下的说明中，图像近轴光线imr的角度以弧度为单位进行记载。所谓的图像近轴光线imr的高度是沿着与主光线prr相垂直的方向的主光线prr与图像近轴光线imr的间隔。

在视觉确认区域eb和成像反射面42之间，图像近轴光线imr的角度为－es/id，将其设置为hud常量a。在成像反射面42，图像近轴光线imr的高度为es+ed·(es/id)，将其设置为hud常量b。在成像反射面42和导光反射面32之间，图像近轴光线imr的角度为a+b·φ2。在导光反射面32上，图像近轴光线imr的高度为b－l3·(a+b·φ2)。在导光反射面32和光学开口部20之间，图像近轴光线imr的角度为(a+b·φ2)+(b－l3·(a+b·φ2))·φ1。

在光学开口部20，由于图像近轴光线imr的高度为0，所以间隔l4能够通过以下的式1所示的公式来表示。

[式1]

由于在光路上，不应将光学开口部20配置在导光反射面32和成像反射面42之间，所以需要满足l4＞0的条件。因此，导出以下的式2所示的条件。

[式2]

接下来，通过从视觉确认区域eb朝向光学开口部20侧的逆向光线追踪，依次求出瞳孔近轴光线pur的角度以及瞳孔近轴光线pur的高度。在这里，所谓的瞳孔近轴光线pur的角度是沿着在视觉确认区域eb和成像反射面42之间连结视觉确认区域eb的中心和虚像vi的端部的方向的光线(以下，将其设为瞳孔近轴光线pur)相对于主光线prr张开的角度。所谓的瞳孔近轴光线pur的高度是沿着与主光线prr相垂直的方向的主光线prr和瞳孔近轴光线pur的间隔。

在视觉确认区域eb和成像反射面42之间，瞳孔近轴光线pur的角度相当于虚像vi的半视场角θ，θ＝－is/id，将其设置为hud常量c。在成像反射面42中瞳孔近轴光线pur的高度为－ed·θ，将其设置为hud常量d。在成像反射面42和导光反射面32之间，瞳孔近轴光线pur的角度为c+d·φ2。在导光反射面32，瞳孔近轴光线pur的高度为d－(c+d·φ2)·l3。在导光反射面32和光学开口部20之间，瞳孔近轴光线pur的高度为(c+d·φ2)+{d－(c+d·φ2)·l3}·φ1。在光学开口部20，瞳孔近轴光线pur的高度为d－(c+d·φ2)·l3－l4·[(c+d·φ2)+{d－(c+d·φ2)·l3}·φ1]，其与光学开口部20的尺寸的半值os一致。

在该光学系统中，对于从光学开口部20到入射瞳孔的位置enp的瞳孔距离pd而言，由于求出瞳孔近轴光线pur的高度为0的距离即可，所以能够通过以下的式3所示的公式来表示。

[式3]

为了缩小导光反射面32的尺寸，优选入射瞳孔的位置enp存在于比光学开口部20靠导光反射面32侧。即，由于pd＜0，所以导出以下的式4所示的条件。

[式4]

将以式2所示的条件以及式4所示的条件成立的方式设计hud装置100的光学系统的结果详细地示于以下的表1。此外，作为前提条件，将与虚像vi的显示距离对应的间隔id设为－1800mm。若间隔l4过大，则hud装置100的尺寸增大难以搭载，所以例如为100～110mm的范围。

[表1]

相对于表1的设计，采用将导光反射面32置换为平面状的导光反射面932的比较例的hud装置900(参照图6)的设计结果详细示于以下的表2。

[表2]

此外，在表1、表2的“焦距”的列，所谓的“平面”意味着视为焦距无限大、或者视为在对应的“要素”中不存在折射作用以及反射作用。因此，在hud装置100、900中，不会否定所显示的虚像vi的像面弯曲的存在。

另外，在表1、2的“间隔”的列，示出相同的行的要素与该要素的下1行的要素的间隔，在表1、表2的“光线角度”的列，示出相同的行的要素与该要素的下1行的要素之间的图像近轴光线imr的角度。在表1、表2的“光线高度”的列，示出相同的行的要素的图像近轴光线imr的高度。

若对表1所示的设计结果和表2所示的设计结果进行比较，则比较例中的导光反射面932上的“光线高度”为11.9352mm，相对于此本实施方式中的导光反射面32的“光线高度”为8.26894mm。即，相对于比较例，在本实施方式中，有助于虚像vi的成像的光束状的显示光的扩展减小。因此，能够缩小导光反射面32的尺寸。

另外，成像反射面42的“焦距”在比较例中为235mm，相对于此，在本实施方式中为166mm。另一方面，虽然在表1、表2中未示出，但虚像倍率在比较例中为5.361702，相对于此，在本实施方式中为3.526636。因此，在本实施方式中，尽管成像反射面42的焦距被设定为比比较例短，由于虚像倍率比比较例小，所以成功提高虚像vi的分辨率。

此外，图5、图6示意性地表示光学系统，各要素20、32、932、42的形状、尺寸关系、各光线prr、imr、pur的方向、反射的角度、入射瞳孔的位置enp的位置等未必是正确的。另外，在图5中，为了方便地图示瞳孔距离pd，在来自光学开口部20的主光线prr的延长线上示出入射瞳孔的位置enp。

(作用效果)

以下对以上说明的本实施方式的作用效果进行说明。

根据本实施方式，从投射器10投射的显示光在凸面状的导光反射面32被反射，而朝向凹面状的成像反射面42。因此，即使不使投射器10接近导光镜30，也能够较大地设定从导光反射面32朝向成像反射面42的显示光的光束的扩展角。即，能够紧凑地集中入射至成像反射面42为止显示光的光束。这样，即使减小导光反射面32的尺寸，导光镜30也能够可靠地导入显示光。由于能够抑制导光镜30的尺寸，所以该导光镜30的配置的自由度升高。

因此，在安装于仪表板2的hud装置100中，即使是从导光镜30的导光反射面32向配置于比上表面部2a靠上方的成像反射面42导入显示光的结构，通过抑制导光镜30的尺寸也能够实现能够抑制成像反射面42上的显示光的反射角增大的导光镜30的配置。通过反射角增大的抑制，例如能够减少上下非对称地产生的虚像vi的形变。综上所述，能够提供一种虚像vi的可视性较高的hud装置100。

根据本实施方式，成像反射面42和导光反射面32的合成焦距为正。因此，通过凸面状的导光反射面32和凹面状的成像反射面42的组合，能够抑制像面弯曲，并且实现虚像vi的放大。

根据本实施方式，在具有凸面状的导光反射面32的导光镜30能够抑制尺寸的状态下，配置于比上表面部2a靠下方，从而能够抑制成像反射面42上的显示光的反射角增大，并且由于车辆1的乘员难以认出导光镜30的存在，所以提高车辆1的外观。

根据本实施方式，由于式2所示的条件成立，所以能够将投射器10配置于脱离导光反射面32和成像反射面42之间的光路上的位置。

根据本实施方式，由于式4所示的条件成立，所以能够将hud装置100的光学系统中的入射瞳孔的位置enp配置于比投射器10靠导光反射面32侧。因此，由于能够将对虚像vi的视觉确认有效的光线集中到导光反射面32的较窄的范围，所以能够提高导光镜30的尺寸抑制效果。

(参考例)

将使式2所示的条件以及式4所示的条件成立，并且对表1的设计采用将导光反射面32置换为凹面状的导光反射面832的参考例的hud装置800(参照图7)的设计结果详细地示于以下的表3。

[表3]

根据表3所示的设计结果，导光反射面832的焦距非常小，f1＝14mm。这是因为hud装置800的光学系统中的入射瞳孔的位置enp的位置位于导光反射面832的附近。即，表3的光学系统成为在显示光在导光反射面832的附近作为实像成像之后，使用利用成像反射面42的反射作为虚像vi显示于规定位置(例如间隔id＝－1800mm的位置)的光学系统。为了使显示于比成像反射面42远的虚像vi成立，需要l3＞f1的条件，且不得不减小导光反射面832的焦距。

在这样的导光反射面832中，由于由制造误差引起的焦距的差别较大，所以虚像vi的质量变得不稳定。因此，如表1那样，更优选采用凸面状的导光反射面32。

此外，图7示意性地表示光学系统，各要素20、832、42的形状、尺寸关系、光线的方向、反射的角度、入射瞳孔的位置enp等未必是准确的。

(其它实施方式)

本公开并不限定地解释为本实施方式，能够在不脱离本公开的主旨的范围内应用于各种实施方式。

具体地作为变形例1，导光镜30也可以不是整体配置于比上表面部2a靠下方。例如，也可以是导光镜30的一部分从上表面部2a向上方突出来配置。

作为变形例2，具有成像反射面42的组合器40也可以通过着色等具有半透光性，也可以不具有透光性。

作为变形例3，具有成像反射面42的组合器40也可以与hud装置100独立设置。

作为变形例4，光学开口部20也可以以使法线方向相对于主光线prr倾斜的状态配置。

上述的平视显示装置搭载于车辆1的仪表板2，对具有配置于比仪表板的上表面部2a靠上方的凹面状的成像反射面42的组合器40投射被成像反射面反射的显示光，从而显示能够使乘员视觉确认的虚像vi。平视显示装置具备将显示光投射成光束状的投射器10、以及具有将来自投射器的显示光朝向成像反射面反射的导光反射面32的导光镜30。导光反射面为凸面状。

根据这样的公开，从投射器投射出的显示光被凸面状的导光反射面反射，而朝向凹面状的成像反射面。因此，即使不使投射器接近导光镜，也能够较大地设置从导光反射面朝向成像反射面的显示光的光束的扩展角。即，能够紧凑地集中入射至成像反射面为止的显示光的光束。这样，即使减小导光反射面的尺寸，导光镜也能够可靠地导入显示光。由于能够抑制导光镜的尺寸，所以该导光镜的配置的自由度升高。

因此，在搭载于仪表板的hud装置中，即使为从导光镜的导光反射面对配置于比上表面部靠上方的成像反射面导入显示光的结构，也能够实现通过抑制导光镜的尺寸而能够抑制成像反射面上的显示光的反射角增大的导光镜的配置。通过反射角增大的抑制，例如能够减少上下非对称地产生的虚像的形变。综上所述，能够提供一种虚像的可视性较高的hud装置。

本公开以实施例为基准进行了描述，但应理解为本公开并不限于该实施例、构造。本公开也包含各种变形例、等同范围内的变形。其中，各种组合、方式进一步仅包含它们中一个要素、一个以上或一个以下的其它组合、方式也纳入到本公开的范畴、思想范围。