虚像显示装置的制作方法

本发明涉及虚像显示装置。

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影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。由于挡风玻璃中存在车内侧和车外侧这两个界面，因此在各自的界面上反射而被视认的图像显示光会偏移地重叠，有时会看到双重像。为了抑制这样的双重像的产生，以双重像的偏移量在人眼的分辨率以内的方式设定视距，并提出用于得到实现该视距的光学配置的数学式(例如，参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭62-225429号公报。

技术实现要素：

在上述技术中，为了减少双重像，以增加在用户的前方看到的虚像的提示位置为止的视距为前提。优选的是，无论虚像的视距如何都能够适当地减少双重像的产生。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种提高所提示的虚像的视认性的技术。

本发明的某一方式是用于经由虚像提示板向用户提示虚像的虚像显示装置。该虚像显示装置包括：显示部，对照明光进行调制，生成图像显示光；以及投影光学系统，将图像显示光向虚像提示板投射。投影光学系统包括：主凹面镜，将图像显示光向虚像提示板反射；以及副凹面镜，将图像显示光向主凹面镜反射。当以沿着虚像提示板上的图像显示光的入射方向和出射方向这两者的平面为基准面时，主凹面镜配置成：使得图像显示光成为在沿着基准面的方向上入射到主凹面镜的朝向，副凹面镜配置成：使得图像显示光成为在与基准面交叉的方向上入射到副凹面镜的朝向。

本发明的另一方式是用于经由虚像提示板向用户提示虚像的虚像显示装置。该虚像显示装置包括：显示部，对照明光进行调制，生成图像显示光；以及投影光学系统，将图像显示光向虚像提示板投射。图像显示光包括：第一显示光，被虚像提示板的第一主面反射并朝向用户；以及第二显示光，在第一主面上折射，被与第一主面对置的虚像提示板的第二主面反射之后，在第一主面上折射并朝向用户。投影光学系统包括：凹面形状的第一反射区域，将第一显示光向虚像提示板反射；以及凹面形状的第二反射区域，将第二显示光向虚像提示板反射。在由虚像提示板和投影光学系统构成的合成光学系统中，投影光学系统构成为：第二显示光所通过的第二光路上的合成光学系统的第二焦点距离小于第一显示光所通过的第一光路上的合成光学系统的第一焦点距离，显示部配置在合成光学系统的第一焦点与第二焦点之间的位置。

此外，以上的构成要素的任意组合、以及在方法、装置、系统等之间相互替换了本发明的构成要素或表现的方式也作为本发明的方式是有效的。

根据本发明，能够减少双重像的产生，从而提高虚像的视认性。

附图说明

图1是示意性示出实施方式涉及的虚像显示装置的构成的图；

图2是示意性示出因虚像提示板导致的双重像的产生的图；

图3是示意性示出通过楔形玻璃抑制双重像的图；

图4是示出比较例涉及的虚像显示装置的光学配置的图；

图5是示意性示出斜入射到凹面镜的光束的焦点位置的图；

图6的(a)、(b)是示意性示出斜入射到凹面镜的光束的像散的图；

图7是示意性示出通过两个凹面镜减小像散的图；

图8的(a)～(c)是详细示出实施方式涉及的虚像显示装置的构成的图。

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示例，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，针对具有实质上相同的功能、构成的要素标注相同符号，并省略重复说明，并且针对与本发明没有直接关系的要素，省略图示。

图1是示意性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，在作为移动体的一个例子的车辆60的仪表板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向作为虚像提示板的挡风玻璃62投影图像显示光，在车辆60的行进方向(图1的右方向)的前方提示虚像50。驾驶者等用户e能够经由挡风玻璃62视认与现实的风景重叠的虚像50。因此，用户e在车辆的行驶中几乎不移动视线就能够得到虚像50所示的信息。在图1中，将车辆60的行进方向(前后方向)设为z方向，将车辆60的垂直方向(上下方向)设为y方向，将车辆60的左右方向设为x方向。

虚像显示装置10具备照明部11、显示部12、投影光学系统14以及控制部40。照明部11是用于生成显示光的光源，并生成用于对显示部14进行照明的照明光。照明部11具有led(lightemittingdiode，光发射二极管)和ld(laserdiode，激光二极管)等发光元件、以及用于调整来自发光元件的输出光的强度分布和角度分布的光学元件。照明部11对显示部12提供大致均匀亮度的白色光。照明部11的构成不受特别限制，但为了调整来自发光元件的输出光，例如可以使用光通道、菲涅耳透镜、光扩散板等光学元件。

显示部12对来自照明部11的照明光进行调制并生成显示光，并形成与虚像50的显示内容对应的中间像。显示部12包括用于生成显示光的透射型的图像显示元件，并包括透射型的液晶面板这样的显示设备。图像显示元件接收从控制部40发送的图像信号，并生成与图像信号对应的显示内容的图像显示光。显示部12还可以包括用于调整图像显示光的方向或配光角的光学元件。另外，显示部12也可以是组合了例如透射型液晶面板以外的dmd(digitalmirrordevice，数字镜像装置)、lcos(liquidcrystalonsilicon，硅上液晶)、mems(microelectromechanicalsystems，微机电系统)方式等的被称作lsm(laserscanningmodule，激光扫描模块)的投影单元、以及被称作微透镜阵列片、光扩散片的透射型屏幕的构成。

投影光学系统14将显示部12所生成的图像显示光朝向挡风玻璃62投射。投影光学系统14包括主凹面镜16和副凹面镜18。主凹面镜16将来自显示部12的图像显示光朝向挡风玻璃62反射。副凹面镜18配置在显示部12和主凹面镜16之间，调整从显示部12朝向主凹面镜16的图像显示光的方向。

投影光学系统14可以进一步包括未图示的追加的光学元件，例如，也可以进一步设置用于使从照明部11到主凹面镜16的光路折返的平面镜等。追加的平面镜可以配置在照明部11和显示部12之间，也可以配置在显示部12和副凹面镜18之间。在投影光学系统14中也可以进一步设置两个以上的平面镜。

控制部40生成显示用图像，并使照明部11以及显示部12动作以使得与显示用图像对应的虚像50被提示。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是生成显示为虚像50的图像的原始数据的装置。外部装置64例如为：车辆60的电子控制单元(ecu：electroniccontrolunit)、导航装置；移动电话、智能手机、平板电脑等的移动装置等。外部装置64将虚像50的显示所需的图像数据、表示图像数据的内容或种类的信息、车辆60的速度或当前位置等的与车辆60相关的信息发送给控制部40。

在本实施方式中，通过将两个凹面镜16、18组合并将显示部14配置在预定位置，抑制如下情况：在挡风玻璃62的车内侧和车外侧这两个界面上反射而被视认的图像显示光偏移地提示，从而看起来是双重像。在对实施方式涉及的光学配置进行详细说明之前，参照比较例，对这样的双重像的产生进行说明。

图2是示意性示出因虚像提示板22导致的双重像的产生的图。在图2中，为了简化说明，省略了配置在虚像提示板22和显示部92之间的凹面镜等的光学元件。虚像提示板22具有预定的厚度t，并具有第一主面23和第二主面24。第一主面23与挡风玻璃62的车内侧的界面对应，第二主面24与挡风玻璃62的车外侧的界面对应。

从显示部92的任意一点到达用户e的图像显示光l主要通过两个光路l1、l2。第一光路l1是被第一主面23反射并朝向用户e的光路，第二光路l2是在第一主面23上折射并被第二主面24反射之后，在第一主面23上再次折射并朝向用户e的光路。此时，当在朝向用户e的第一光路l1与第二光路l2之间存在角度差δθ时，根据该角度差δθ，通过l1、l2中的每一个的图像显示光被偏移地视认，并在虚像150上产生双重像。此外，也可以设想在第一主面23与第二主面24之间多次反射并朝向用户e的光路，但多次反射并朝向用户e的图像显示光的分量较小，在通常的使用方式中可以忽略。

图3是示意性示出通过楔形玻璃抑制双重像的的图。图3的虚像提示板222被称为所谓的“楔形玻璃”，并构成为虚像提示板222的厚度根据位置会发生变化。其结果是，虚像提示板222的第一主面223和第二主面224相对于虚像显示装置110具有彼此不同的倾斜角，被设置角度差δ。通过使用在两个主面223、224之间设置有角度差δ的楔形玻璃，对如图2所示的第一光路l1与第二光路l2的角度差δθ进行修正，能够提示抑制了双重像的虚像250。

但是，这样的“楔形玻璃”需要精密地控制角度差δ来形成，因此与厚度t均匀的通常的玻璃相比价格较高。另外，在将车辆60的挡风玻璃62作为楔形玻璃的情况下，不仅需要与车辆60的形状对应的专用的楔形玻璃，还需要更换整个挡风玻璃62，因此成本非常高。因此，优选的是，不使用这样的特殊的楔形玻璃就能够减少双重像的产生。

图4是详细示出比较例涉及的虚像显示装置110的光学配置的图。比较例涉及的虚像显示装置110包括照明部111、显示部112以及投影光学系统114，投影光学系统114由一个凹面镜116构成。在本比较例中，通过适当设定显示部112以及凹面镜116的配置，即使不使用上述的楔形玻璃也能够抑制双重像的产生。

在图4的构成中，投影光学系统114构成为从虚像提示板22朝向用户e的第一光路l1和第二光路l2一致。其结果是，在虚像提示板22与凹面镜116之间的区间中第一光路l1以及第二光路l2成为平行乃至大致平行，从用户e的角度看时，第二光路l2位于与第一光路l1相比远的位置。另外，通过第一光路l1和第二光路l2中的每一个的图像显示光被凹面镜116的不同的区域131、132反射。具体来说，第二反射区域132比第一反射区域131位于上方(靠近虚像提示板22的一侧)，第一反射区域131对通过第一光路l1的第一显示光进行反射，第二反射区域132对通过第二光路l2的第二显示光进行反射。由于是如上所述的光学配置，因此，第二反射区域132中的第二显示光的入射角或反射角φa2大于第一反射区域131中的第一显示光的入射角或反射角φa1。

通常，当将平行光束斜入射到凹面镜时，到光的收敛位置为止的距离(即，焦点距离)能够根据其入射角而变化。假设凹面镜的焦点距离为f，入射到凹面镜的光的入射角为φ，则斜入射的光的焦点距离表示为f·cosφ，入射角或反射角φ越大，焦点距离f·cosφ变得越小。因此，在图4的构成中，由于在第一反射区域131中入射角或反射角φa1相对小，因此，焦点距离变得相对长。另一方面，由于在第二反射区域132中φa2相对大，因此焦点距离相对短。

图5是示意性示出斜入射到凹面镜116的光束的焦点位置的图，示出对凹面镜116入射平行光束的情况。如图所示，在第一反射区域131中被反射的平行光束的收敛位置(第一焦点)f1变得比在第二反射区域132中被反射的平行光束的收敛位置(第二焦点)f2远。另外，在第一反射区域131中被反射的光束和在第二反射区域132中被反射的光束的交点(也称作基准点)f0位于第一焦点f1与第二焦点f2之间。

在图4的比较例中，通过将显示部112配置在第一焦点f1与第二焦点f2之间的基准点f0或其附近，抑制双重像的产生。由于显示部112配置在比第一光路l1上的焦点(第一焦点f1)更靠近跟前侧(靠近凹面镜116)，因此，通过第一光路l1的第一显示光的光束成为朝向用户e收敛的收敛光。其结果是，第一显示光提示在从用户e观察时在有限的距离处被视认的虚像150。另一方面，由于显示部112配置在比第二光路l2上的焦点(第二焦点f2)更靠近内侧(远离主凹面镜)，因此，通过第二光路l2的第二显示光的光束成为朝向用户e发散的发散光。其结果是，第二显示光在从用户e观察时提示未成像而模糊的光。因此，根据本比较例，基于被虚像提示板22的第一主面23反射的第一显示光而在有限的距离提示虚像150，并且能够防止被第二主面24反射的第二显示光的成像。由此，抑制双重像的产生，并且能够在对于用户来说容易看到的有限的距离处提示虚像150。

然而，在图4的比较例中，由于对一个凹面镜116斜入射图像显示光l，因此可能产生像散。这里所说的“像散”是指，合成光学系统120的子午(meridional)面内焦点和弧矢(sagittal)面内焦点的不一致。如果产生如上所述的像散，则虚像150的横向(x方向)的成像位置和纵向(y方向)的成像位置产生偏移，导致成像性能的降低。另外，“子午面”是指，包含合成光学系统120的光轴和图像显示光l的主光线的平面，图4中的yz平面相当于子午面。另一方面，“弧矢面”是指，包含合成光学系统120的光轴的平面且与子午面正交的平面，图4的例子中xz平面相当于弧矢面。

图6的(a)、(b)是示出入射到凹面镜116的平行光束的像散的图，是分别从不同的视点观察的图。图6的(a)与上述的图5对应，示意性示出由虚像提示板22以及凹面镜116构成的合成光学系统120的子午面(yz平面)内的光束。图6的(b)示意性示出由虚像提示板22以及凹面镜116构成的合成光学系统120的弧矢面(xz平面)内的光束。如图所示，在子午面和弧矢面中，平行光束的收敛位置f1m、f1s不同，与子午面内焦点f1m相比，弧矢面内焦点f1s位于距凹面镜116更远的位置。如图5中说明的那样，这起因于光束倾斜入射的子午面内的焦点距离f·cosφ变短。

为了减小子午面内焦点f1m与弧矢面内焦点f1s之间的偏移、即像散差as，减小凹面镜116的入射角或反射角φ即可。然而，在通过凹面镜116将图像显示光l投射到虚像提示板22的构成中，难以显著减小凹面镜116的入射角或反射角φ。因此，在本实施方式中，通过组合两个凹面镜，使得在各凹面镜中产生的像散特性相反，从而整体投影光学系统的像散变小。

图7是示意性示出通过两个凹面镜16、18减小像散的图。在图7的例子中，构成为两个凹面镜扭转配置。符号f1m、f1s表示只有主凹面镜16时的子午面内焦点以及弧矢面内焦点，符号f2m、f2s表示组合了主凹面镜16以及副凹面镜18的合成光学系统20的子午面内焦点以及弧矢面内焦点。由于两个凹面镜16、18为扭转配置，图示的xz平面是主凹面镜16中的弧矢面，另一方面，也是副凹面镜18中的子午面。其结果是，副凹面镜18以使合成光学系统20的焦点f2m、f2s中的xz平面内的焦点f2s相对变短的方式作用。即，合成光学系统20的弧矢面内焦点f2s位于与弧矢面内焦点f1s’相比更靠近跟前侧的位置，该弧矢面内焦点f1s’是代替副凹面镜18而使用平面镜来折返光路时的弧矢面内焦点，从而能够减小与子午面内焦点f2m之间的距离(即，像散差)。由此，能够实现成像性能比上述比较例更好的光学系统，并能够提示分辨率更高的虚像50。

图8的(a)～(c)是详细示出实施方式所涉及的虚像显示装置的构成的图，是分别从不同的视点观察的图。图8的(a)与图1对应，示出在yz平面观察的构成。图8的(b)示出在xz平面观察的构成，图8的(c)示出在xy平面观察的构成。

如图8的(c)所示，照明部11、显示部12以及副凹面镜18按照x方向依次排列配置。如图8的(b)所示，副凹面镜18配置成将朝向副凹面镜18在x方向入射的图像显示光l向z方向反射。如图8的(a)所示，主凹面镜16配置成将朝向主凹面镜16在z方向入射的图像显示l朝向虚像提示板22向上方反射。

在图8的(a)～(c)中，以被虚像提示板22的第一主面23反射的第一显示光所通过的第一光路l1为基准绘制。即，在图8的(a)～(c)中用实线表示的光路相当于第一光路l1。另一方面，被虚像提示板22的第二主面24反射的第二显示光所通过的第二光路l2用虚线绘制，并比第一光路l1位于稍微上方。从显示部12到主凹面镜16的第一光路l1与第二光路l2不平行，在y方向，方向不同。具体来说，构成为：通过第一光路l1的第一显示光入射到主凹面镜16的第一反射区域31，通过第二光路l2的第二显示光入射到位于比第一反射区域31更靠近上方的第二反射区域32。其结果是，与主凹面镜16中的第一显示光的入射角或反射角φa1相比，第二显示光的入射角或反射角φa2更大。由此，在由虚像提示板22和投影光学系统14构成的合成光学系统20中，能够使得第二显示光所通过的第二光路l2上的第二焦点距离小于第一显示光所通过的第一光路l1上的第一焦点距离。

显示部12配置在第一光路l1与第二光路l2的交点或其附近，配置在如图5所示的第一焦点f1与第二焦点f2之间的位置。在由虚像提示板22和投影光学系统14构成的合成光学系统20中，显示部12配置在第一显示光所通过的第一光路l1上的合成光学系统20的第一焦点与第二显示光所通过的第二光路l2上的合成光学系统20的第二焦点之间的位置。其结果是，能够将基于第一显示光的虚像50提示在从用户e观察时有限的距离(例如2m～7m左右)处，并且，从用户e观察时基于第二显示光的虚像难以成像。由此，能够抑制双重像的产生。

根据本实施方式，由于主凹面镜16和副凹面镜18成为扭转配置，因此能够减小组合了主凹面镜16和副凹面镜18的合成光学系统20中的像散量。为了减小合成光学系统20的像散量，使得主凹面镜16以及副凹面镜18中的每一个产生的像散量相等即可。只要使得主凹面镜16的焦点距离fa与主凹面镜16中的图像显示光l的入射角或反射角φa的余弦cosφa的乘积fa·cosφa相等于副凹面镜18的焦点距离fb与副凹面镜18中的图像显示光l的入射角或反射角φb的余弦cosφb的乘积fb·cosφb即可。例如，通过设计成主凹面镜16的子午面内焦点距离fa·cosφa为副凹面镜18的子午面内焦点距离fb·cosφb的0.5倍以上且2倍以下，能够恰当地防止因像散导致的成像性能的降低。

根据本实施方式，因为通过凹面镜构成投影光学系统14，因此能够防止因透镜等的透射型光学元件引起的色差，并能够提示更精细的虚像50。

以上，参照上述实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限于上述实施方式，适当组合或替换各显示例所示的构成后的构成也包含于本发明中。

在上述的实施方式中，示出了以主凹面镜16的子午面与副凹面镜18的子午面正交的方式构成投影光学系统14的情况。在变形例中，主凹面镜16和副凹面镜18的子午面并不是严格正交，也可以以两者彼此交叉的方式构成投影光学系统14。当沿着虚像提示板22中的图像显示光l的入射方向和反射方向这两者的平面作为基准面(例如yz平面)时，构成为：入射到主凹面镜16的图像显示光l成为沿着基准面的方向，另一方面，入射到副凹面镜18的图像显示光l成为与基准面交叉的方向。

在上述的实施方式中，示出了由一个凹面镜16构成将第一显示光向虚像提示板22反射的第一反射区域31和将第二显示光向虚像提示板22反射的第二反射区域32的情况。在变形例中，第一反射区域31和第二反射区域32中的每一个也可以由不同的光学部件构成。另外，第一反射区域31和第二反射区域32可以以相同的曲面形状构成，也可以分别以不同的形状的曲面构成。在后者的情况下，第一反射区域31和第二反射区域32中的每一个可以是曲率不同的球面，也可以是由分别不同的参数定义的非球面(自由曲面)。

在上述的实施方式中，示出了通过组合两个凹面镜降低像散的构成。在变形例中，也可以是如图4所示的比较例那样、使用一个凹面镜来抑制双重像的构成。

在上述的实施方式中，示出了通过凹面镜构成投影光学系统的情况。在变形例中，也可以是组合追加的透镜等来构成投影光学系统。

符号说明

10…虚像显示装置、12…显示部、14…投影光学系统、16…主凹面镜、18…副凹面镜、20…合成光学系统、22…虚像提示板、23…第一主面、24…第二主面、31…第一反射区域、32…第二反射区域、50…虚像、60…车辆、62…挡风玻璃、l…图像显示光、l1…第一光路、l2…第二光路。

工业应用性

根据本发明，能够降低能够减少双重像的产生，从而提高虚像的视认性。