投影光学系统和平视显示装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种投影光学系统和平视显示装置，具有从驾驶员一侧看来成凹面形状的一部分的虚像面形状。为此，平视显示装置(30)包括显示图像信息的图像形成单元(10)和投影光学系统，投影光学系统包括通过反射从图像形成单元(10)出射的光而显示虚像的目视光学系统(5)，目视光学系统(5)包括球面透镜(51)(52)(53)和自由曲面反射镜(56)，沿光的出射方向按球面透镜(51)(52)(53)、自由曲面反射镜(56)的顺序配置。

Projective optical system and flat view display device

The present invention provides a projection optical system and a flat view display device, having a virtual image shape of a part of a concave shape from the driver's side. To this end, the flat view display device (30) includes an image forming unit (10) showing image information and a projection optical system, which includes a visual optical system (5) displaying a virtual image by reflecting the light emitted from the image forming unit (10), and the visual optical system (5) including spherical lenses (51) (52) (53) and free surface reflector (56). The direction of exit along the light is in the order of spherical lens (51) (52) (53) and free-form reflector (56).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】投影光学系统和平视显示装置
本专利技术涉及投影光学系统和使用它的平视显示装置，特别涉及因为用于汽车或飞机所以对挡风玻璃投影图像，使得能够越过挡风玻璃将该图像作为虚像观察的投影光学系统和使用它的平视显示装置。
技术介绍
作为关于平视显示装置的技术，专利文献1公开了这样的结构，“包括：透射型的液晶显示面板，对液晶显示面板从背后照射光的背光源，和将液晶显示面板上显示的图像放大投影的投影光学系统。投影光学系统由中继透镜和投影透镜(目视光学系统)构成。中继透镜构成为，通过满足某些条件而能够高效地利用远心性的显示光，将液晶显示面板上显示的图像放大形成为实像。投影透镜将实像进一步放大，向汽车的挡风玻璃投影，对驾驶员显示虚像(摘自说明书摘要)”。该专利文献1的平视显示装置在驾驶员的前方2m处，用虚像显示速度计或转速计、水温计、燃料计等各种仪表类的值。由此，以虚像观察各种仪表类的值的视线方向与驾驶员观看前景的视线方向的差异变小，所以能够减小在这2个视线方向之间移动视线所需的时间。另外，与直接观看各种仪表类等的距离相比，到虚像的距离(2m前方)更接近到驾驶员观看的前景的距离，所以在人眼对焦于前景中对象物的状态与对焦于虚像的状态之间，人眼对焦所需的时间也能够缩短。因为这2个优点，有望利用平视显示装置提高汽车驾驶的安全性。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2009-229552号公报
技术实现思路
专利技术要解决的技术问题专利文献1公开的平视显示装置例采用了这样的结构，即，液晶显示面板上显示的影像光被中继光学系统成像为实像(专利文献1的图2的Ir)，经由目视光学系统(同图的L1)观察虚像(同图的Iv)。按成像关系整理可知，液晶显示面板上的影像光(平面)被成像为实像Ir(平面)，进而实像Ir(平面)被成像为虚像Iv(平面)。但是，驾驶员的前景不是二维平面而是三维空间。因此，使用图12说明从乘坐汽车(本车)的驾驶员起的视线方向和该视线方向上的距离。在本车101的驾驶员观看到的前景也就是其视野范围中，存在着前方行驶的前方车辆102、其跟前的路面105(例如路面上是否有抛落物等)、在道路边缘行驶于附近的自行车、人行道上的行人等。观看前方行驶的前方车辆102的视线方向103是使视线从正面方向略微降低的方向，而观看道路上其跟前的路面105的视线方向104是使视线进一步降低的方向。这样可知，对于驾驶过程中驾驶员要注意的对象物来说，其与驾驶员之间的距离随着视线方向而相应地不同，虚像面整体看起来有较大倾斜。从而，为了进一步提高汽车驾驶的安全性，非常重要的一点是，通过使驾驶过程中注视的对象物的距离接近此时显示的虚像的距离，来缩短人眼对焦所需的时间。关于这一点，采用专利文献1的技术，即使是在三维空间内不同的视线方向和视线距离上存在对象物的情况下，因为关于各对象物的信息都是显示在平面状的虚像面上的，所以不能使对象物的距离与其虚像的距离充分接近，存在这样的实际情况，即，需要一种能够进一步减小虚像观察者进行眼睛对焦时的负担的技术。本专利技术鉴于上述实际情况，目的在于提供一种技术，在使用平视显示装置观察虚像的驾驶员观察对象物和显示关于该对象物的信息的虚像时，以进一步减小视线移动所需的负担。解决问题的技术手段为解决上述问题，本专利技术提供一种投影光学系统，包括通过反射从图像形成单元出射的光而显示虚像的目视光学系统，其中所述图像形成单元出射包含图像信息的光，其特征在于，所述目视光学系统包括球面透镜和自由曲面反射镜，沿所述光的出射方向按所述球面透镜、所述自由曲面反射镜的顺序配置。另外，本专利技术提供一种平视显示装置，其特征在于，包括图像形成单元和上述投影光学系统。专利技术效果根据本专利技术能够提供一种技术，在使用平视显示装置观察虚像的驾驶员观察对象物和显示关于该对象物的信息的虚像时，进一步减小视线移动所需的负担。另外，上述以外的技术问题、技术特征和技术效果将通过以下实施方式的说明而明确。附图说明图1是第一实施方式的目视光学系统的整体光线图，(a)表示在YZ平面上驾驶员的眼睛观看虚像面的影像信息的样子，(b)表示在XZ平面上驾驶员的眼睛观看虚像面的影像信息的样子。图2是第一实施方式的目视光学系统的主要部分放大图。图3是第一实施方式的目视光学系统的透镜部的立体放大图。图4是表示第一实施方式的目视光学系统的透镜数据的图。图5是第一实施方式的目视光学系统的自由曲面系数的图。图6是第一实施方式的目视光学系统的奇次非球面系数的图。图7是表示虚像面与其切平面的关系的说明图。图8是表示第一实施方式的目视光学系统的畸变性能的图。图9是第一实施方式的目视光学系统的光斑图。图10是表示第一实施方式的目视光学系统的虚像像距的图。图11是平视显示装置的概略结构图。图12是说明驾驶员的视野方向及其距离的差异的图。图13是说明倾斜的斜面上的成像关系的图。图14是说明屏幕板(散射板)上的影像光的入射与出射的关系的图。图15是使用了微机电系统(MicroElectroMechanicalSystems)的平视显示装置的概略结构图。图16是未使用中继光学系统的液晶显示面板方式的平视显示装置的概略结构图。具体实施方式下面使用附图等说明本专利技术的一个实施方式和各种实施例。以下说明给出本专利技术的内容的具体例，本专利技术不限于这些说明，能够在本说明书中公开的技术思想的范围内由本领域技术人员实施各种变更和修正。另外，在用于说明本专利技术的全部图中，对于具有相同功能的部分标注同一标记，有时省略其重复的说明。用图11说明平视显示装置的基本结构。图11是平视显示装置的概略结构图。图11所示的平视显示装置30的结构是这样的，使从包括图像形成单元10和目视光学系统5的投影光学系统20出射的影像光在汽车(未图示)的挡风玻璃6上反射而入射到驾驶员的眼睛8。更具体而言，从背光源1照射到液晶显示面板2上的光束，作为包括液晶显示面板2上显示的影像信息的影像光束入射到中继光学系统3。在中继光学系统3的成像作用下，液晶显示面板2上的影像信息被放大从而放大投影至屏幕板(散射板)4上。液晶显示面板2上的点P1、P2、P3分别对应于屏幕板(散射板)4的点Q1、Q2、Q3。通过使用中继光学系统3能够使用显示尺寸小的液晶显示面板。背光源1、液晶显示面板2、中继光学系统3和屏幕板(散射板)4在屏幕板(散射板)4上形成图像信息(影像信息)，所以将它们总称为图像形成单元10。接着，屏幕板(散射板)4上的图像信息被目视光学系统5投影至挡风玻璃6，在挡风玻璃6上反射的光束到达驾驶员的眼睛8的位置。于是形成了这样的关系，即，从驾驶员的眼睛看来，仿佛正在观看虚像面7的图像信息。屏幕板(散射板)4上的点Q1、Q2、Q3分别对应于虚像面7的点V1、V2、V3。另外，即使移动眼睛8的位置也能够观看到虚像面7上的点V1、V2、V3的范围是eyebox(眼动范围)9。这样，目视光学系统与相机的取景器的目镜和显微镜中的目镜同样，是将物(空间像)的像(虚像)显示在驾驶员眼前的光学系统。另外，屏幕板(散射板)4由将微透镜二维配置的微透镜阵列构成。由此，产生散射作用，增大从屏幕板4出射的光束的扩散角，使eyebox9的大小成为规定的大小。另外，屏幕板(散射板)4的散射作用也能够通过内置散射颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种投影光学系统，包括通过反射从图像形成单元出射的光而显示虚像的目视光学系统，其中所述图像形成单元出射包含图像信息的光，所述投影光学系统的特征在于：所述目视光学系统包括球面透镜和自由曲面反射镜，沿所述光的出射方向按所述球面透镜、所述自由曲面反射镜的顺序配置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种投影光学系统，包括通过反射从图像形成单元出射的光而显示虚像的目视光学系统，其中所述图像形成单元出射包含图像信息的光，所述投影光学系统的特征在于：所述目视光学系统包括球面透镜和自由曲面反射镜，沿所述光的出射方向按所述球面透镜、所述自由曲面反射镜的顺序配置。2.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：所述目视光学系统在所述球面透镜和所述自由曲面反射镜之间还配置有自由曲面透镜。3.如权利要求2所述的投影光学系统，其特征在于：在所述自由曲面透镜和所述自由曲面反射镜之间还配置有反射镜。4.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于：要由所述目视光学系统向虚像面投影的显示图像的面为平面形状，并且，从所述光向所述虚像面入射的一侧看来，所述虚像面为凹面状或其局部形状。5.如权利要求4所述的投影光学系统，其特征在于：在所述虚像面的垂直方向的截面形状中，从所述光向所述虚像面入射的一侧处的所述虚像的观察者看来，上侧的视线方向的虚像像距大于下侧的视线方向的虚像像距。6.如权利要求4所述的投影光学系统，其特征在于：在所述虚像面的水平方向的截面形状中，从所述光向所述虚像面入射的一侧处的所述虚像的观察者看来，正面的视线方向的虚像像距大于左右侧的视线方向的虚像像距。7.一种平视显示装置，其特征在于，包括：出射包含图像信息的光的图像形成单元；和通过反射从所述图像形成单元出射的光来显示供驾驶员观察的虚像的目视光学系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷津雅彦，金子一臣，星野茂树，
申请(专利权)人：麦克赛尔株式会社，日立产业控制解决方案有限公司，
类型：发明
国别省市：日本,JP