虚像显示装置、中间像形成部以及图像显示光生成单元的制作方法

本发明涉及虚像显示装置、中间像形成部以及图像显示光生成单元。

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射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。图像显示光被成像在屏幕上，屏幕上的图像作为虚像被呈现。作为对这样的平视显示器进一步赋予附加价值的方式，提出了可以使虚像沿着路面倾斜，在从用户观看的进深方向上呈现位置不同的多个虚像的方案。例如，为了在进深方向上的不同的多个位置呈现虚像，构成为从投射仪投射的图像显示光的第一部分和第二部分通过不同的光路(例如，参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-15806号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

优选能够以更少的部件数在进深方向上的不同的多个位置呈现虚像。

本发明的一个方式是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够呈现更适当的虚像的技术。

用于解决问题的手段

本发明的一个方式的虚像显示装置，包括：投射部，投射图像显示光；中间像形成部，用于使基于图像显示光的实像成像；以及投射镜，将从中间像形成部射出的图像显示光向虚像呈现面反射。中间像形成部包括图像显示光入射的基准面和使通过了基准面的图像显示光的一部分向基准面反射的反射部。基准面具有沿着基准面在预定方向上依次排列的第一区域、第二区域和第三区域。在第一区域设置有使作为图像显示光的一部分的第一显示光成像的透过型屏幕，在第三区域设置有使作为图像显示光的另一部分的第二显示光成像的反射型屏幕，第一显示光透过透过型屏幕，被反射部反射，通过第二区域后向投射镜射出，第二显示光被反射型屏幕反射后向投射镜射出。

本发明的另一方式是中间像形成部。该中间像形成部是用于使基于图像显示光的实像成像的中间像形成部，包括对图像显示光具有透过性的基板。基板具有第一主表面和与第一主表面相反侧的第二主表面。第一主表面具有沿着第一主表面在预定方向上依次排列的第一区域、第二区域和第三区域。在第一区域设置有透过型屏幕，在第三区域设置有反射型屏幕，在第二主表面上设置有反射层，该反射层反射从第一区域入射到基板上的光，并使光在第二区域从基板射出。

本发明的又一个方式是图像显示光生成单元。该图像显示光生成单元包括：投射部，投射图像显示光；中间像形成部，用于使基于图像显示光的实像成像；以及固定部件，投射部和中间像形成部安装于所述固定部件。中间像形成部包括图像显示光入射的基准面和使通过了基准面的图像显示光的一部分向基准面反射的反射部。基准面具有沿着基准面在预定方向上依次排列的第一区域、第二区域和第三区域，在第一区域设置有透过型屏幕，在第三区域设置有反射型屏幕。固定部件对投射部和中间像形成部之间的相对位置进行定位，i)使得作为图像显示光的一部分的第一显示光在透过型屏幕上成像，透过透过型屏幕后，被反射部反射，并通过第二区域从中间像形成部射出，并且ii)使得作为图像显示光的另一部分的第二显示光被反射型屏幕反射后从中间像形成部射出。

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

发明的效果

根据本发明的某些方式，能够更适当地呈现虚像。

附图说明

图1是示意性地示出实施方式涉及的虚像显示装置的构成的图。

图2是示意性地示出图1的第一虚像和第二虚像的显示例的图。

图3是示意性地示出实施方式涉及的中间像形成部的构成的截面图。

图4是示意性地示出图3的中间像形成部的第一主表面的构成的俯视图。

图5是示意性地示出图3的中间像形成部的第二主表面的构成的俯视图。

图6是详细示出图1的虚像显示装置的内部构成的图。

图7是示意性地示出投射到中间像形成部的图像显示光的图。

图8是示意性地示出变形例涉及的中间像形成部的构成的截面图。

图9是示意性地示出变形例涉及的中间像形成部的构成的截面图。

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例示，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，对于具有实质上相同的功能和构成的要素赋予相同的附图标记来省略对其的重复说明，另外，与本发明没有直接关系的要素省略图示。

图1是示意性地示出实施方式涉及的虚像显示装置10的构成的图。在本实施方式中，在作为移动体的一例的车辆60的仪表盘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向作为虚像呈现面的挡风玻璃62投射图像显示光，在车辆60的行进方向(图1的左方向)的前方呈现虚像(第一虚像51和第二虚像52)。驾驶员等用户e能够通过挡风玻璃62视认与现实的风景重叠的虚像。因此，用户e能够在车辆的行驶中几乎不移动视线而得到虚像所表示的信息。

虚像显示装置10在从用户e观看的进深方向上的不同的多个位置呈现虚像。虚像显示装置10呈现在从用户e观看的远的位置处呈现的第一虚像51和在从用户e观看的近的位置处呈现的第二虚像52。第一虚像51例如以在用户e前方的5m～10m左右的位置处能够看到的方式被呈现，在用户e观看相对远距离时的视线方向a1(也称为第一视线方向)上呈现。第二虚像52例如以在用户e前方的2m～3m左右的位置处能够看到的方式被呈现，在用户e观看相对近距离时的比第一视线方向a1靠下方的视线方向a2(也称为第二视线方向)上呈现。

第一虚像51和第二虚像52以相对于视线方向a1、a2向进深方向倾斜的方式被呈现，并以从用户e观看时的虚像51、52的上侧为里侧、虚像51、52的下侧为跟前侧的方式被呈现。另外，呈现在远处的第一虚像51的倾斜角θ1以比呈现在近处的第二虚像52的倾斜角θ2大的方式呈现。其结果是，呈现在远处的第一虚像51成为层次感比呈现在近处的第二虚像52大的显示方式。

虚像显示装置10具备投射部12、中间像形成部14、投射镜16、框体18和控制部40。投射部12生成用于呈现第一虚像51和第二虚像52的图像显示光，将生成的图像显示光投射到中间像形成部14。在从投射部12投射的图像显示光中包含用于显示第一虚像51的第一显示光和用于显示第二虚像52的第二显示光。

中间像形成部14使基于从投射部12投射的图像显示光的实像成像。中间像形成部14具有第一显示光成像的透过型屏幕和第二显示光成像的反射型屏幕。中间像形成部14具有使来自投射部12的图像显示光入射的基准面，在同一基准面上设置透过型屏幕和反射型屏幕双方。因此，中间像形成部14的“基准面”可以称为成为第一显示光及第二显示光的成像位置的基准的平面。

中间像形成部14构成为使从投射镜16观看时的第一显示光和第二显示光的成像位置不同，由此，第一虚像51和第二虚像52在进深方向上被呈现在不同的位置。具体而言，第一显示光在通过透过型屏幕后，在中间像形成部14的内部被反射后，朝向投射镜16。第二显示光被反射型屏幕反射并朝向投射镜16。另外，关于中间像形成部14的更详细的结构，将在后面另行叙述。

投射镜16将从中间像形成部14射出的图像显示光向挡风玻璃62反射。投射镜16例如是凹面镜，将中间像形成部14的实像放大后呈现给用户e。用户e将在中间像形成部14成像的实像视认为虚像。投射镜16可以构成为图像显示光的反射方向可变，也可以与用于改变方向的驱动机构连接。

框体18在其内部容纳投射部12、中间像形成部14和投射镜16。投射部12和中间像形成部14相对于框体18被定位，通过框体18确定它们相对位置关系。因此，框体18可以说是安装投射部12和中间像形成部14的固定部件。另外，也可以在与框体18分体的固定部件上安装投射部12和中间像形成部14，并将该固定部件固定在框体18上。投射镜16可以相对于框体18固定其朝向，也可以以相对于框体18朝向可变的方式经由驱动机构固定在框体18上。

控制部40使投射部12、中间像形成部14以及投射镜16动作，以便生成显示用图像来呈现与显示用图像对应的虚像。控制部40与外部装置64连接，基于来自外部装置64的信息生成显示用图像。

外部装置64是用于生成作为虚像显示的图像的原始数据的装置。外部装置64例如是所谓的车辆60的电子控制单元(ecu；electroniccontrolunit)、导航装置、移动电话、智能手机、平板电脑等移动装置等。外部装置64将显示虚像所需的图像数据、表示图像数据的内容或类别的信息、车辆60的速度和当前位置等与车辆60相关的信息发送给控制部40。

图2是示意性地示出图1的第一虚像51和第二虚像52的显示例的图，示意性地示出从用户e观看的车辆前方的视野。如图所示，在相对上侧呈现第一虚像51，在相对下侧呈现第二虚像52。在第一虚像51的显示区域显示希望与车辆前方的风景重叠的内容，例如，显示引导车辆60行进路径的箭头图像、用于警告向车辆60前方跑出的人或障碍物等的警告图像等。另一方面，在第二虚像52的显示区域显示与车辆前方的风景重叠的必要性低的内容，例如，显示车辆60的速度这样的在仪表盘的仪表上所表示的信息、限制速度这样的与行驶中的道路相关的限制信息等。

图3是示意性地示出实施方式涉及的中间像形成部14的构成的截面图。中间像形成部14包括设置有透过型屏幕31和反射型屏幕33的基板20。基板20具有第一主表面21和与第一主表面21相反侧的第二主表面22。基板20由对图像显示光具有透过性的材料构成，例如由透明的树脂材料构成。在图3中，将基板20的厚度t1的方向设为z方向，将沿第一主表面21和第二主表面22的面内的方向设为x方向和y方向。

第一主表面21是决定上述第一显示光和第二显示光的成像位置的“基准面”，设置有透过型屏幕31和反射型屏幕33。透过型屏幕31设置在第一主表面21的第一区域w1中，反射型屏幕33设置在第一主表面21的第三区域w3中。位于第一区域w1和第三区域w3之间的第二区域w2是透过窗32，在不设置屏幕这一点上与第一区域w1和第三区域w3不同。

在第一主表面21中，第一区域w1、第二区域w2及第三区域w3被设定为沿着第一主表面21的预定方向(图3的y方向)依次排列，各区域w1、w2、w3在y方向上的宽度被设定为大致相同。另外，第一主表面21的各区域w1～w3在y方向上的宽度可以不同，也可以分别具有不同的宽度。另外，第一主表面21的三个区域w1～w3中的两个区域也可以在y方向上具有相同的宽度。例如，第一区域w1和第二区域w2在y方向上的宽度相同，另一方面，第三区域w3在y方向上的宽度也可以与第一区域w1、第二区域w2在y方向上的宽度不同。

透过型屏幕31例如包括设置在第一主表面21的第一区域w1上的第一微透镜阵列24。第一微透镜阵列24由透明的树脂材料等构成，例如由具有与基板20相同折射率的材料或者与基板20相同的材料构成。第一微透镜阵列24可以形成为凸透镜状，也可以形成为凹透镜状。透过型屏幕31也可以不包括微透镜阵列，例如可以包括在表面设置微细凹凸或者分布有直径数十微米左右的珠扩散材料的光扩散膜。

反射型屏幕33包括设置在第一主表面21的第三区域w3上的第二微透镜阵列25和设置在第二微透镜阵列25的表面上的反射层26。反射层26具有反映第二微透镜阵列25的表面形状的形状，使入射到反射层26的图像显示光扩散并反射。第二微透镜阵列25由透明的树脂材料等构成，例如由具有与基板20相同的折射率的材料或者与基板20相同的材料构成。第二微透镜阵列25可以具有与第一微透镜阵列24相同的形状，也可以具有不同的形状。反射层26可以由铝等金属材料构成，也可以由电介质多层膜等构成。

反射部28设置在第二主表面22上。反射部28设置在能够使透过了第一区域w1的透过型屏幕31的图像显示光反射并使其朝向第二区域w2的透过窗32的位置。反射部28至少设置在第一区域w1和第二区域w2的边界附近，以横跨第一区域w1和第二区域w2的方式设置。反射部28仅设置在第二主表面22的一部分上，例如设置成y方向的宽度与第一区域w1和第二区域w2的y方向的宽度大致相同。反射部28可以设置在比图示的范围宽的范围内，例如也可以设置在第二主表面22的整个面上。

基板20构成为透过型屏幕31和反射型屏幕33在y方向上的宽度和厚度t1为相同程度。基板20的厚度t1例如设定为透过型屏幕31的y方向的宽度的0.5倍以上且2倍以下的范围内。通过将基板20的厚度t1设定在这样的范围内，能够得到后述的图6所示的适当的光路(光学配置)。

图4是示意性地示出图3的中间像形成部14的第一主表面21的构成的俯视图。中间像形成部14具有x方向宽度比第一区域w1、第二区域w2和第三区域w3排列的y方向的宽度大的横长的形状。在第一区域w1中设置有排列成蜂窝状的第一微透镜阵列24，在第三区域w3中设置有形成为蜂窝状的反射层26。在第一区域w1的透过型屏幕31和第三区域w3的反射型屏幕33之间设置有透过窗32。

图5是示意性地示出图3的中间像形成部14的第二主表面22的构成的俯视图。如图所示，反射部28设置在第一区域w1和第二区域w2的边界附近，以占据与第一区域w1和第二区域w2大致相同大小的区域的方式设置。

图6是详细示出图1的虚像显示装置10的内部构成的图。投射部12构成为通过光栅扫描方式生成图像显示光，具备光源42和对来自光源42的照明光进行调制和扫描的调制扫描部44。光源42是激光光源，例如构成为输出红色、绿色以及蓝色的三原色的激光。调制扫描部44例如是mems(microelectromechanicalsystems：微电子机械系统)扫描镜，以使得来自光源42的激光朝向中间像形成部14的第一主表面21被进行光栅扫描的方式进行动作。

在图示的例子中，示出了通过一个调制扫描部44实现激光的调制和光栅扫描的情况，但调制扫描部44的构成不限于此，可以通过组合多个扫描镜来实现光栅扫描。例如，也可以组合水平扫描镜和垂直扫描镜。投射部12也可以使用二维的图像显示元件来生成图像显示光。例如，使用dmd(digitalmicromirrordevice：数字微镜装置)、lcos(liquidcrystalonsilicon：液晶覆硅)、tft(thinfilmtransistor：薄膜晶体管)液晶显示面板等的基础上生成中间像的所谓的投射型图像显示元件为对象。在使用图像显示元件的情况下，优选使用生成适合于所使用的图像显示元件的形式的照明光的光源。

投射部12被配置成投射的图像显示光倾斜入射到中间像形成部14的基准面(第一主表面21)上。入射到基准面(第一主表面21)的图像显示光的入射角例如为30度以上且60度以下，典型地为40度～50度左右。入射到透过型屏幕31的第一显示光l1通过透过型屏幕31后，经过基板20的内部到达反射部28。第一显示光l1被反射部28反射而改变方向，从透过窗32射出到中间像形成部14的外部，朝向投射镜16。入射到反射型屏幕33的第二显示光l2被反射型屏幕33反射而改变方向，朝向投射镜16。

图7是示意性地示出向中间像形成部14投射的图像显示光的图，示出在中间像形成部14的基准面(第一主表面21)上成像的实像的显示例。基于第一显示光l1的第一实像56成像在第一区域w1中，并且基于第二显示光l2的第二实像57成像在第三区域w3中。图7中的第一实像56和第二实像57分别对应于图2中的第一虚像51和第二虚像52。由于投射镜16和挡风玻璃62的配置关系，以第一区域w1成为图像的上侧、第三区域w3成为图像的下侧的朝向投射图像显示光。

从投射部12投射的图像显示光优选实质上仅包含朝向透过型屏幕31的第一显示光l1和朝向反射型屏幕33的第二显示光l2。从投射部12朝向透过窗32的光的大部分通过基板20并从第二主表面22向外部射出，但是入射至透过窗32的光的一部分被透过窗32的表面(第一主表面21)反射，朝向投射镜16。被透过窗32的表面(第一主表面21)反射的光与第一显示光l1重叠并朝向用户e的眼睛，因此能够对基于第一显示光l1的第一虚像51的显示产生影响。为了降低这样的影响，优选从投射部12朝向透过窗32的光的强度足够小。例如，在图7所示的显示例中，优选在第一区域w1及第三区域w3投射与显示图像对应的显示光，而在第二区域w2投射与黑色图像对应的显示光。即，优选在第二区域w2中投射被认为是黑色的程度的低亮度的小于预定值的亮度的光，而在第一区域w1和第三区域w3投射预定值以上的高亮度的显示光。

图6所示的投射部12也可以以仅向第一区域w1和第三区域w3投射图像显示光、而向第二区域w2实质上不投射图像显示光的方式动作。例如，调制扫描部44也可以以如下方式动作：在对第一区域w1进行光栅扫描之后，跳过第二区域w2而对第三区域w3进行光栅扫描。即，可以将第一区域w1和第三区域w3作为扫描对象，而将第二区域w2作为非扫描对象。此外，与扫描第一区域w1和第三区域w3时的扫描密度相比，也可以通过降低扫描第二区域w2时的扫描密度，使投射到第二区域w2的光的亮度小于预定值。另外，在投射部12使用图像显示元件生成图像显示光的情况下，也可以使图像显示元件动作，以使与第二区域w2对应的像素显示黑色。

根据图6的配置结构，在透过型屏幕31上成像的第一显示光l1作为第一虚像51被用户e视认，在反射型屏幕33上成像的第二显示光l2作为第二虚像52被用户e视认。由于设置有透过型屏幕31和反射型屏幕33的基准面(第一主表面21)从投射镜16观看时倾斜，因此用户视认的第一虚像51和第二虚像52也以相对于视线方向倾斜的方式被呈现。另外，在透过型屏幕31上成像的第一显示光l1被反射部28反射后朝向投射镜16，因此在从投射镜16观看时，透过型屏幕31看起来比反射型屏幕33位于更远。具体而言，看起来是基于第一显示光l1的实像61位于基于反射部28的透过型屏幕31的镜像34的位置。其结果是，能够在远离与从透过窗32延伸到镜像34的虚线s的长度对应的距离的位置呈现第一虚像51。

另外，根据图示的配置关系，第一实像56配置在成像于反射型屏幕33上的第二实像57的倾斜方向的前方的更里侧的位置。由此，能够在用户e视线方向的跟前侧看到的第二虚像52的倾斜方向的前方的更里侧呈现第一虚像51。其结果是，能够在进深方向上不同的位置以更自然的配置关系呈现第一虚像51和第二虚像52。因此，根据本实施例涉及的虚像显示装置10，能够以更适当的方式呈现虚像。

根据本实施例，由于中间像形成部14一体地形成为一个平板状，因此与反射部28、透过型屏幕31和反射型屏幕33构成为不同部件的情况相比，能够减少部件数量。另外，由于决定第一虚像51和第二虚像52的呈现位置的反射部28、透过型屏幕31和反射型屏幕33以一个基准面(第一主表面21)为基准被固定，因此不需要用于调整这些配置关系的对准作业。其结果是，与中间像形成部14由多个部件构成的情况相比，能够降低虚像显示装置10的制造成本。

根据本实施例，尽管第一实像56和第二实像57在同一基准面上成像，但能够使第一虚像51和第二虚像52的倾斜角θ1、θ2不同。即，尽管第一实像56和第二实像57相对于投射镜16的倾斜角相同，也能够使第一虚像51的倾斜角θ1比第二虚像52的倾斜角θ2大。这是因为，从投射镜16到实像的距离越大，所对应的虚像的放大率越大，所呈现的虚像的倾斜角也越大。即，根据本实施例，能够使在远处呈现的第一虚像51的倾斜角θ1比在近处呈现的第二虚像52的倾斜角θ2大。由此，能够成为呈现在远处的第一虚像51比呈现在近处的第二虚像52层次感大的显示方式，能够以更自然的观看方式呈现虚像。

另外，在本实施例中，为了以预定倾斜角θ1、θ2呈现第一虚像51和第二虚像52，投射部12的投射方向和中间像形成部14的朝向之间的关系是重要的。为了提高投射部12和中间像形成部14的位置精度，也可以设置对投射部12和中间像形成部14之间的相对位置进行定位的专用的固定部件。投射部12和中间像形成部14也可以通过安装在固定部件上，构成作为一体的模块的图像显示光生成单元。图像显示光生成单元具备投射部12、中间像形成部14和固定部件，固定部件也可以对如图6所示那样的投射部12和中间像形成部14之间的相对位置进行定位。固定部件也可以实现如下的光学配置，即，第一显示光l1在透过型屏幕31上成像，并透过透过型屏幕31，被反射部28反射，通过第二区域w2的透过窗32从中间像形成部14射出。固定部件还可以实现第二显示光l2被反射型屏幕33反射而从中间像形成部14射出的光学配置。

以上，参照上述实施方式对本发明进行了说明，但是本发明并不限定于上述实施方式，将各显示例所示的结构适当组合或置换后的结构也包含在本发明中。

图8是示意性地示出变形例涉及的中间像形成部114的构成的截面图。在本变形例中，在基板20的第一主表面21的整个面上形成微透镜阵列123的这一点与上述实施方式不同。在第一主表面21的第一区域w1中，由微透镜阵列123构成透过型屏幕31。在第一主表面21的第三区域w3中，由设置在微透镜阵列123的表面上的反射层26构成反射型屏幕33。

在第一主表面21的第二区域w2中设置有填埋微透镜阵列123的表面的凹凸而形成平坦面的平坦化层127。因此，第二区域w2的透过窗32由微透镜阵列123和平坦化层127构成。平坦化层127由具有与微透镜阵列123相同的折射率的材料或者与微透镜阵列123相同的材料构成。因此，微透镜阵列123和平坦化层127之间的界面不起屏幕的作用。

在本变形例中，也能够实现与上述实施方式相同的功能。根据本变形例，能够以在第一主表面21的整个面上形成有微透镜阵列123的基板20、即通用的微透镜阵列片为基底形成中间像形成部114，从而能够降低中间像形成部114的制造成本。

图9是示意性地示出变形例涉及的中间像形成部214的构成的截面图。在本变形例中，在设置有透过型屏幕31、透过窗32以及反射型屏幕33的基板220与反射部228是分体的这一点上与上述的实施方式不同。基板220具有第一主表面221和第二主表面222，在第一主表面221上设置有透过型屏幕31、透过窗32以及反射型屏幕33。另一方面，在第二主表面222上未设置有反射部228。

基板220的厚度t2比上述实施方式涉及的基板20的厚度t1小，例如小于透过型屏幕31的y方向的宽度的0.5倍。反射部228以与第二主表面222相对的方式设置在远离第二主表面222的位置。基板220与反射部228的距离d与透过型屏幕31的y方向的宽度为相同程度，例如，设定为透过型屏幕31的y方向的宽度的0.5倍以上且2倍以下的范围内。在本变形例中，也能够实现与上述实施方式相同的功能。

在上述实施方式中，通过将投射镜16设为凹面镜，将在透过型屏幕31和反射型屏幕33上成像的实像放大而作为虚像呈现。在变形例中，也可以通过使用凸透镜等透过型光学元件，将在透过型屏幕31和反射型屏幕33上成像的实像放大后呈现。凸透镜等透过型光学元件例如也可以配置在中间像形成部14与投射镜16之间的位置、投射镜16与挡风玻璃62之间的位置。在使用凸透镜等透过型光学元件的情况下，投射镜16可以由平面构成，也可以由凹面构成。

符号说明

10…虚像显示装置、12…投射部、14…中间像形成部、16…投射镜、20…基板、21…第一主表面、22…第二主表面、23…微透镜阵列、26…反射层、28…反射部、31…透过型屏幕、33…反射型屏幕、l1…第一显示光、l2…第二显示光、w1…第一区域、w2…第二区域、w3…第三区域。

产业上的可利用性

根据本发明的一个方式，能够以较少的部件数在深度方向上的不同的多个位置呈现虚像。