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CN112946897B - 抬头显示器装置 - Google Patents

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CN112946897B
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Abstract

本发明提供一种抬头显示器装置，并且提供能够将影像信息作为虚像显示于前窗玻璃的小型的信息显示装置。信息显示装置将虚像的影像信息显示于交通工具的前窗玻璃，其中，所述信息显示装置具备包括所述前窗玻璃的虚像光学系统，在该虚像光学系统中，作为形成所述影像信息的影像显示装置而配置液晶面板，用于通过使所述液晶面板的影像在前窗玻璃反射，从而使虚像显示于所述交通工具的前方，所述虚像光学系统是在凹面反射镜、所述凹面反射镜以及影像显示装置之间配置光学元件而构成的。

Description

抬头显示器装置
本申请是申请号为201680084642.1(PCT/JP2016/063068)、申请日为2016年4月26日(递交日为2018年10月16)、发明名称为“信息显示装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种抬头显示器装置，并且涉及将图像投影到汽车、电车、飞机等(以下，一般还称为“交通工具”)的前窗玻璃的信息显示装置，涉及隔着前窗玻璃将该图像作为虚像进行观察的投影光学系统以及使用了该投影光学系统的信息显示装置。
背景技术
根据以下的专利文献1，已经知晓将影像光投映到汽车的前窗玻璃而形成虚像，显示路线信息、拥堵信息等交通信息、燃料剩余量、冷却水温度等汽车信息的所谓的抬头显示器(HUD：Head－Up－Display)装置。
在这种信息显示装置中，将HUD装置主体配置于驾驶员的座椅前方的方向盘与车窗玻璃之间，所以期望小型化。
另一方面，例如还提出了如在以下的非专利文献1中也公开那样的在汽车的顶棚(遮阳板)附近安装主体的装置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-194707号公报
非专利文献
非专利文献1：PIONEER R&D(Vol.22，2013)
发明内容
如图27所示，基于实现现有技术的抬头显示器装置的凹面反射镜的虚像生成的原理在于，通过将物点AB相对于凹面反射镜1'的光轴上的点O配置于焦点F(焦点距离f)的内侧，能够得到基于凹面反射镜1'的虚像。在该图27中，为了便于说明，将凹面反射镜1'视为具有相同的正的折射力的凸透镜，示出了物点、凸透镜(为了便于说明，在上图27中，用凹面反射镜记载)以及产生的虚像的关系。
在现有技术中，为了放大由凹面反射镜1'生成的虚像的大小，使物点AB靠近焦点F即可，但为了得到所期望的倍率，凹面反射镜的曲率半径变小。其结果，成为如下结果：反射镜尺寸变小，在实际效果上只能得到放大率大但能够观察的范围小的虚像。因此，为了同时满足(1)所期望的虚像尺寸以及(2)所需的虚像的倍率M＝b/a，凹面反射镜的尺寸需要与观察范围相匹配，通过与影像显示装置的兼顾来确定虚像的倍率。
因此，在现有技术中，为了得到所期望的大小的虚像，如图27所示，需要增大从凹面反射镜1'至虚像的距离，作为结果，信息显示装置的尺寸必须变大。
进而，关于驾驶员视觉辨认的虚像的大小，如前所述，由于前窗玻璃的倾斜而产生的影像显示装置与凹面反射镜1'的距离a、和凹面反射镜1'与虚像的距离b在虚像的上端和下端不同，所以难以使虚像上端部的像倍率与虚像下端部的像倍率大致一致。因此，进行了如下研究：需要通过增大前述b尺寸使上下的光路差相对变小，从而减轻像倍率的部分的变化(像的失真)，通过在影像显示装置与凹面反射镜1'之间设置光路弯折反射镜，从而降低信息显示装置的容积。
另外，在上述专利文献1所公开的抬头显示器装置的例子中，具备显示图像的设备和投映显示于显示设备的图像的投映光学系统，作为投映光学系统，从显示设备起，在观察者的光路中具有第一反射镜和第二反射镜，使第一反射镜中的图像长轴方向的入射角和第一反射镜中的图像短轴方向的入射角、以及显示设备的图像显示面与第一反射镜的间隔和由观察者视觉辨认的虚像的水平方向的宽度的关系满足预定的条件，从而实现了小型化。
然而，在后面也将叙述，发明者们的研究的结果是，发现为了使组件的容积最小，使生成虚像的凹面反射镜(专利文献1的图2的122)的焦点距离变短，且使显示设备的位置与凹面反射镜的焦点的距离变短，从而即使不改变虚像的大小且没有弯折反射镜(专利文献1的图2的121)，也能够实现。
另一方面，在如非专利文献1所公开那样的在汽车的顶棚(遮阳板)附近安装主体的装置中，由于当在汽车发生碰撞事故时HUD装置脱落的情况下，有可能会使驾驶员负伤等，所以留有安全上的课题，所以今后发明者等认为上述专利文献1所记载的方式是主流。
进而，在上述专利文献1中，考虑作为被投影部件(220)的前窗玻璃的反射面在存在多个驾驶员的视点位置的情况下，前窗玻璃的车体垂直方向曲率半径以及车体水平方向曲率半径的中心位置不同，如所有的实施方式所示，在将前窗玻璃考虑成环形形状之后进行了投映光学系统的最佳化。
另外，在上述专利文献1中的实施方式1、2、3、4、6、7中，在驾驶员与显示设备之间，在大致同一平面内配置两枚反射镜，从而实现组件尺寸的小型化，并且将产生虚像的具有凹面形状的反射面的第二反射镜和为了减小第二反射镜的尺寸而具有凸面形状的反射面的第一反射镜各自的反射面设为自由曲面，在整个视点区域将虚像的失真降低至在实际使用上没有问题的水平。
另外，在实施方式5中，将第一反射镜设为具有凸面的形状的环形面的反射面，使反射镜的制造变容易。另一方面，关于第二反射镜，与其它实施方式同样地设为具有自由曲面形状的凹面反射镜。
在以上所叙述的专利文献1所公开的发明中，需要在观察者与显示设备之间配置两枚反射镜，为了配置成第一反射镜中的反射光束不被第二反射镜遮挡，配置的自由度会丧失，无法进行接近配置，所以成为组件的小型化的障碍。另一方面，关于在驾驶员观察的虚像中产生的像差的校正，关于校正的必要性及其具体的降低手段都未记载，也未考虑。
本发明的目的在于提供如下信息显示装置：为了实现装置的小型化，形成虚像的具有凹面的反射面的反射镜设为一枚的结构而在驾驶员与显示设备之间配置至少一方的面的一个剖面为凹面(具有负折射力)的透镜，从而能够在抑制组件的大型化、复杂化的同时，形成将驾驶员视觉辨认的虚像的失真和像差减轻至在实用上没有问题的水平的视觉辨认性高的虚像。
为了达到上述目的而完成的本发明作为其一个例子，是一种信息显示装置，其将虚像的影像信息显示于交通工具的前窗玻璃，其中，所述信息显示装置具备：平面显示器，显示所述影像信息；以及虚像光学系统，通过使从所述平面显示器射出的光在所述前窗玻璃反射，从而使多个虚像显示于所述交通工具的前方，所述虚像光学系统包括凹面反射镜和光学元件，该光学元件以在所述前窗玻璃的上部形成与远景重叠的虚像，而且从所述前窗玻璃的上部朝向下部使与近景重叠的虚像成立的方式，与使在所述平面显示器与所述凹面反射镜之间分离的各虚像成立的影像光束对应地使所述光学元件的形状和位置最佳化，从而在为小型的同时，与驾驶员的视点位置对应地在多个位置处形成所述多个虚像。
根据本发明，能够提供能够在实现装置的小型化的同时形成校正驾驶员观察的虚像的失真、像差后的视觉辨认性高的虚像的信息显示装置。
附图说明
图1是示出信息显示装置以及分配给信息显示装置的周边仪器的概略结构的概略结构图。
图2是搭载有本发明的信息显示装置的汽车的俯视图。
图3是说明前窗玻璃的曲率半径的差异的结构图。
图4是示出信息显示装置、前窗玻璃以及驾驶员的视点位置的概略结构图。
图5是示出本发明的信息显示装置的虚像光学系统的一个实施例的概略结构图。
图6是示出作为本发明的实施例的信息显示装置的虚像光学系统的配置的概略结构图。
图7是示出本发明的信息显示装置的虚像光学系统的凹面反射镜与影像显示装置的距离和装置的尺寸关系的图。
图8是示出本发明的信息显示装置的虚像光学系统的凹面反射镜与影像显示装置的距离和装置的容积的关系的图。
图9是说明本申请发明的原理的概略图。
图10是示出本发明的信息显示装置中的影像显示装置和光源装置的配置的结构图。
图11是示出本发明的影像显示部的光源装置的结构的概略结构图。
图12是示出本发明的光源装置的导光体的形状的概略结构图。
图13是示出本发明的光源装置的导光体的剖面形状的概略结构图。
图14是说明来自本发明的信息显示装置中的影像显示装置和光源装置的光束的出射状况的概略图。
图15是说明来自本发明的信息显示装置中的影像显示装置用光源装置的光束的出射光分布的特性图。
图16是示出作为影像显示装置的液晶面板的特性评价的方法的概念图。
图17是示出作为影像显示装置的液晶面板的画面左右方向的透射率特性的特性图。
图18是示出白显示于作为影像显示装置的液晶面板的情况下的画面左右方向的亮度的角度特性的特性图。
图19是示出作为影像显示装置的液晶面板的背光亮度的左右方向角度特性的特性图。
图20是示出作为影像显示装置的液晶面板的上下方向的透射率的角度特性的特性图。
图21是示出作为影像显示装置的液晶面板的白显示时的上下方向的亮度的角度特性的特性图。
图22是示出作为影像显示装置的液晶面板的背光亮度的上下方向角度特性的特性图。
图23是示出作为影像显示装置的液晶面板的对比度的左右方向角度特性的特性图。
图24是示出作为影像显示装置的液晶面板的黑显示亮度的左右方向角度特性的特性图。
图25是示出作为影像显示装置的液晶面板的对比度的上下方向角度特性的特性图。
图26是示出作为影像显示装置的液晶面板的黑显示亮度的上下方向角度特性的特性图。
图27是用于说明现有技术的虚像光学系统的原理的概略图。
附图标记说明
100：信息显示装置；101：汽车；1：凹面反射镜；2：光学元件；4：液晶显示面板；5：背光光源；6：被投影部件(前窗玻璃)；7：框体；V1：虚像；8：眼球(观察者的眼睛)；9：光源单元；R1：上限影像光；R2：中央影像光；R3：下限影像光；10：柔性基板；11：影像显示面；12：框架；13：翅片；14：扩散部件；16：外装部件；17：出射面；18：导光体；20：光漏斗单元；21：光漏斗；22：光漏斗；23：光漏斗；24：光漏斗；21a：光漏斗开口部；22a：光漏斗开口部；23a：光漏斗开口部；24a：光漏斗开口部；25：接合部分(PBS)。
具体实施方式
以下，使用附图等，详细地说明本发明的各种实施例。此外，以下说明示出本发明的内容的具体例，本发明并不限定于这些说明，能够在本说明书所公开的技术的思想的范围内进行基于本领域技术人员的各种变更以及修正。另外，在用于说明本发明的所有图中，对具有相同的功能的结构附加相同的附图标记，有时省略其重复的说明。
<信息显示装置的实施方式>
图1是示出本申请发明的一个实施例的信息显示装置的周边仪器结构的框图和概略结构图，在此，作为其一个例子，特别说明将图像投影到汽车的前窗玻璃的信息显示装置。
该信息显示装置100是为了在驾驶员的视线8上在本车辆的前方形成虚像V1而将由被投影部件6(在本实施例中为前窗玻璃的内表面)反射的各种信息作为虚像VI(VirtualImage)进行显示的装置(所谓的HUD(Headup Display)。此外，被投影部件6只要为投影信息的部件即可，不仅可以为前述前窗玻璃，除此之外，也可以为组合器(combiner)。即，在本实施方式的信息装置100中，只要在驾驶员的视线8上在本车辆的前方形成虚像而使驾驶员视觉辨认即可，作为显示为虚像的信息，当然还包括例如车辆信息、用监视摄像机、全车监视器(around viewer)等摄像机(未图示)摄影而得到的前景信息。
另外，在信息显示装置100中，具备投射显示信息的影像光的影像显示装置4、以及用于校正在针对显示于该影像显示装置4的影像而用凹面反射镜1形成虚像时产生的失真、像差的校正用的透镜群2，该校正用的透镜群2设置于影像显示装置4与凹面反射镜1之间。
而且，信息显示装置100具备控制上述影像显示装置4和背光光源5的控制装置40。此外，包括上述影像显示装置4和背光光源5等的光学构件为以下叙述的虚像光学系统，包括使光反射的凹面形状的反射镜1。另外，在该背光光源5中反射的光由被投影部件6反射而朝向驾驶员的视线8(EyeBox：之后详述)。
作为上述影像显示装置4，例如，除了具有背光的LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)之外，还有自发光的VFD(Vacuum Flourescent Display，真空荧光显示器)等。
另一方面，也可以代替上述影像显示装置4，而由投映装置将影像显示于屏幕，利用前述凹面反射镜1形成为虚像，由作为被投影部件的前窗玻璃6反射而朝向驾驶员的视点8。
作为这样的屏幕，例如也可以由以2维状配置微透镜而成的微透镜阵列构成。
更具体而言，为了降低虚像的失真，凹面反射镜1的形状设为如下形状即可：在图1所示的上部(光线在与驾驶员的视点的距离相对短的前窗玻璃6的下方反射的区域)，曲率半径相对小以使放大率变大，另一方面，在下部(光线在与驾驶员的视点的距离相对长的前窗玻璃6的上方反射的区域)，曲率半径相对大以使放大率变小。另外，通过使影像显示装置4相对于凹面反射镜的光轴倾斜，降低校正上述虚像倍率的差异而产生的失真本身，从而能够实现更良好的校正。
另一方面，关于乘用车的前窗玻璃6，也如图2示出那样，主体垂直方向的曲率半径Rv与水平方向的曲率半径Rh不同，一般处于Rh>Rv的关系。因此，如图3所示，当将前窗玻璃6视为反射面时，成为凹面反射镜的环形面。因此，在图3所示的本发明的信息显示装置中，凹面反射镜1的形状只要设为在水平方向和垂直方向上不同的平均曲率半径以便校正由前窗玻璃6的形状导致的虚像倍率、即以便校正前窗玻璃的垂直方向与水平方向曲率半径的差异即可。此时，关于凹面反射镜1的形状，在以光轴对称的球面或者非球面形状(用后述式2的公式表示的形状)的情况下为距光轴的距离r的函数，无法单独地控制远离的部位的水平剖面和垂直剖面形状，所以优选设为后述式1的公式表示的自由曲面而作为反射镜面的距光轴的面的坐标(x，y)的函数而进行校正。
再次返回到图1，进而，在影像显示装置4与凹面反射镜1之间例如配置透镜元件2作为透射型的光学构件，因此，通过控制光线向凹面反射镜的出射方向，从而在与凹面反射镜的形状相匹配地进行失真像差的校正的同时，实现包含因前述前窗玻璃6的水平方向的曲率半径与垂直方向的曲率半径的差异而产生的非点像差的虚像的像差校正。
另外，为了进一步提高像差校正能力，也可以将上述光学元件2设为多枚透镜。或者，不配置透镜元件，而配置曲面反射镜，与光路的弯折同时地控制光线向凹面反射镜1的入射位置，从而还能够降低失真像差。如以上叙述那样，即使将为了进一步提高像差校正能力而最优设计的光学元件设置于凹面反射镜1与影像显示装置4之间，也不脱离本发明的技术的思想或者范围，这是不言而喻的。进而，通过使上述光学元件2的光轴方向的厚度变化，从而除了本来的像差校正之外，还能够改变凹面反射镜1与影像显示装置4的光学上的距离，使虚像的显示位置从远方连续地变化至接近位置。
另外，也可以通过将影像显示装置4相对于凹面反射镜1的光轴法线倾斜地配置，从而校正虚像的上下方向的倍率的差异。
另一方面，作为使信息显示装置的图像质量下降的主要原因，已知在于从影像显示装置4朝向凹面反射镜1射出的影像光线在配置于中途的光学元件2的表面反射而返回到影像显示装置，再次反射而与本来的影像光重叠，使图像质量下降。因此，在本发明中，优选不仅在光学元件2的表面形成反射防止膜来抑制反射，还以具有如上述反射光不过分地聚光到影像显示装置4的一部分那样的形状的制约的方式设计光学元件2的影像光入射面和出射面中的任意一方、或者两方的透镜面形状。
接下来，作为影像显示装置4，只要设为为了吸收来自上述光学元件2的反射光而配置有偏光板的液晶面板，就能够减轻图像质量的下降。另外，液晶面板的背光光源5被控制成使入射到液晶面板4的光的入射方向向凹面反射镜1的入射光瞳效率良好地入射。进而，作为光源，最好采用产品寿命长的固体光源，进而，作为光输出变化相对周围温度的变动少的LED(Light Emitting Diode，发光二极管)，优选使用设置有降低光的发散角的光学机构的PBS(Polarizing Beam Splitter，偏振光束分离器)来进行偏光变换。
在液晶面板的背光光源5侧(光入射面)和光学元件2侧(光出射面)配置偏光板，提高影像光的对比度。作为设置于背光光源5侧(光入射面)的偏光板，只要采用偏光度高的碘系偏光板，就能够得到高的对比度。另一方面，通过在光学元件2侧(光出射面)使用染料系偏光板，从而即使在外部光线入射的情况或环境温度高的情况下，也能够得到高的可靠性。
在作为影像显示装置而使用液晶面板的情况、特别是驾驶员戴上偏光太阳镜的情况下，发生特定的偏振波被遮蔽而无法看到影像的不好的情况。为了防止这种情况，优选在配置于液晶面板的光学元件2侧的偏光板的光学元件侧配置λ/4板，由此将与特定的偏光方向一致的影像光变换为圆偏振光。
控制装置40从这样的导航系统61获取与本车辆行驶的当前位置对应的道路的限制速度、车道数量、设定于导航系统61的本车辆的移动预定路径等各种信息，作为前景信息(即，利用上述虚像显示于本车辆的前方的信息)。
驾驶支援ECU62为通过依照作为周边监视装置63中的监视的结果而检测到的障碍物来控制驱动系统、控制系统，从而实现驾驶支援控制的控制装置，作为驾驶支援控制，例如包括巡航控制、自适应巡航控制、预碰撞安全、车道保持辅助等公知技术。
周边监视装置63为监视本车辆的周边的状况的装置，作为一个例子，为根据对本车辆的周边进行摄影而得到的图像来检测存在于本车辆的周边的物体的摄像机、根据收发探测波的结果来检测存在于本车辆的周边的物体的探测装置等。
控制装置40获取来自这样的驾驶支援ECU62的信息(例如，至先行车辆的距离以及先行车辆的方位、障碍物或标识存在的位置等)作为前景信息。进而，点火(IG)信号以及本车状态信息被输入到控制装置40。这些信息中的本车状态信息是指作为车辆信息而获取的信息，例如，包含表示内燃机的燃料的剩余量、冷却水的温度等成为预先规定的异常状态的警告信息。另外，还包含方向指示器的操作结果、本车辆的行驶速度、进而档位信息等。以上叙述的控制装置40当被输入点火信号时启动。以上为本申请发明的信息显示装置整体系统的说明。
<虚像光学系统的第一实施方式>
接下来，以下，说明本发明的虚像光学系统、以及影像显示装置的更详细的内容。
图2如已经叙述那样是搭载有本发明的信息显示装置的汽车的俯视图，作为被投影部件6的前窗玻璃存在于汽车主体101的驾驶席前部。此外，该前窗玻璃因汽车的类型不同而相对于车体的倾斜角度不同。进而，发明者们为了实现最佳的虚像光学系统，关于该曲率半径也进行了调查。其结果，如图3所示，关于前窗玻璃，判明与汽车的接地面平行的水平方向的曲率半径Rh和与水平轴正交的垂直方向的曲率半径Rv不同，在Rh与Rv之间，一般而言，具有下述关系。
Rh>Rv
另外，还判明该曲率半径的差异、即Rh与Rv之比多处于1.5倍至2.5倍的范围。
接下来，发明者等关于前窗玻璃的倾斜角度也对销售品进行了调查。其结果，也因车体类型不同而不同，在为轻型汽车、一厢(1Box)类型的情况下为20度～30度，在为轿车(sedan)类型的情况下为30度～40度，在为运动类型的情况下为40度以上。因而，在本发明中，考虑前窗玻璃的与汽车的接地面平行的水平方向的曲率半径Rh和与水平轴正交的垂直方向的曲率半径Rv的差异以及前窗玻璃的倾斜角，进行了虚像光学系统的设计。
更详细而言，关于作为被投影部件的前窗玻璃的水平曲率半径Rh和垂直曲率半径Rv，它们大幅不同，所以相对于前窗玻璃的水平轴以及与该轴垂直的轴，将相对于光轴(Z轴)为轴非对称的光学元件2设置于虚像光学系统内，从而实现了良好的像差校正。
接下来，发明者们关于信息显示装置100的小型化进行了研究。作为研究的条件，设为FOV的水平：7度，垂直2.6度，进而设为虚像距离2m而进行了研究。在研究的最初，将生成虚像的凹面反射镜1(在以下的图5以及图6中，简易地显示为平面反射镜)和影像显示装置4以及背光光源5作为基本结构，在影像显示装置4与凹面反射镜1之间配置一枚光路弯折反射镜，以使信息显示装置100的容积成为最小的方式，将各个部件的配置和从影像显示装置4至凹面反射镜1为止的距离作为参数而进行了仿真。
其结果，配置成来自影像显示装置4的影像光不干扰到各个构件的情况下的容积为3.6升。之后，关于寻求更加小型化而除掉光路弯折反射镜的直接方式进行了研究。在图5以及图6中集中地示出研究的结果。另外，表1示出图6中的实际的数值。
[表1]
凹面镜-LCD间距离(mm) 40 47.3 61.4 74.8 87 100
光路容积(l) 1.31 1.33 1.40 1.50 1.60 1.74
内容积(l) 2.80 2.90 3.00 3.20 3.40 3.70
参照图5，说明本发明的虚像光学系统的结构。该图5是示出了用于在图1所示的本发明的第一实施方式的虚像光学系统中进行小型化的研究的基本结构的整体结构图。为了简化说明，省略像差以及失真像差校正用的光学元件，与图4所示的车窗玻璃6同样地，示出了其垂直剖面形状。作为影像显示装置4，设想液晶面板，将配置有背光光源5的结构作为基本结构，影像显示装置4配置于能够将被显示的影像由凹面反射镜1得到虚像的位置。
此时，设计制约在于，如图5所示，配置成使得从影像显示装置4的画面中央的影像产生的影像光R2、来自上端的影像光R1以及来自下端的影像光R3分别在由凹面反射镜1反射时不干扰到影像显示装置4而光被遮蔽。
在图6中，考虑上述设计制约，同时设为FOV的水平：7度，垂直2.6度，进而设为虚像距离2m，将凹面反射镜1与影像显示装置4(液晶面板和背光光源5)的间隔Z作为参数，求出信息显示装置100的容积。在距离Z为100mm的情况下，成为图6(c)所示的结构，在该情况下，能够使凹面反射镜1的垂直尺寸变得最小。在将距离Z设为75mm的情况下，如图6(b)所示，水平面与凹面反射镜1的角度α2变大，凹面反射镜1的垂直尺寸也变大。当进一步缩短距离Z而成为50mm以下时，如图6(a)所示，水平面与凹面反射镜1的角度α3变大，凹面反射镜1的垂直尺寸也进一步变得大。
图7为将距离Z作为参数而对影像显示装置4的组件高度与组件进深的关系进行仿真的结果。当减小距离Z时，能够降低组件进深，另一方面，组件高度变高。同样地，图8是总结距离Z与组件容积L的关系的图，相比于从影像显示装置4至凹面反射镜为止的空间容积(在图8中，显示为光路容积)，组件容积(包括LCD驱动电路、光源驱动电路、背光部体积)的变化以距离Z为60mm为边界而变化。
从以上的内容可判明，为了使信息显示装置100小型化，需要实现直接用凹面反射镜来放大显示于影像显示装置4的影像的距离Z短的虚像光学系统，影像显示装置4的影像显示部的画面垂直方向中心需要比凹面反射镜1的中心靠下侧配置。
另一方面，在该配置中，影像显示装置4与凹面反射镜1的上端的距离(对应于光线R1)变长，影像显示装置4与凹面反射镜1的下端的距离(对应于光线R3)变短。因而，最好使影像显示装置4向图6(a)的箭头方向移动，在不干扰到影像光(遮挡光)的范围移动，配置成影像显示装置4与凹面反射镜1的距离尽可能均匀。
在本发明的虚像光学系统中，在影像显示装置4与凹面反射镜1之间进行虚像的失真校正和基于校正由虚像产生的像差的光学元件的像差校正，使用图9说明该情况。即，相对于凹面反射镜1的光轴上的点O而在焦点F(焦点距离f)的内侧配置影像显示装置4(物点)，从而能够得到基于凹面反射镜1的虚像。在该图9中，为了便于说明，将凹面反射镜1视为具有相同的正的折射力的凸透镜，示出了物点和凸透镜(为了便于说明，在图9中用凹面反射镜记载)产生的虚像的关系。
在本发明中，为了降低由凹面反射镜1产生的失真和像差而配置光学元件2。根据该光学元件，既可以为透射型的光学透镜，也可以为凹面反射镜，但：
(1)在来自影像显示装置4的影像光作为远心(Telecentric)光束而入射到反射面的情况下，使透镜或者凹面反射镜1的折射力大致为零；
(2)在来自影像显示装置4的影像光发散地入射到光学元件的情况下，使光学元件具有正的折射力；
(3)来自影像显示装置4的影像光聚光地入射到光学元件的情况下，使光学元件具有负的折射力，
控制入射到凹面反射镜的光束的方向(角度和位置)，校正产生的虚像的失真像差。进而，在为透射型的光学透镜的情况下，利用影像显示装置4侧的入射面和凹面反射镜1侧的出射面的相互作用来校正在虚像中产生的与成像性能有关的像差。
此时，关于驾驶员视觉辨认的虚像的大小，如前所述，因前窗玻璃的倾斜而产生的影像显示装置4与凹面反射镜1的距离a和凹面反射镜1与虚像的距离b在虚像的上端和下端不同。
因此，发明者们发现，更优选通过使影像显示装置4相对于凹面反射镜1的光轴而如图9所示倾斜，从而使虚像上端部的像倍率M'＝b'/a'与虚像下端部的像倍率M＝b/a大致一致，从而降低产生的失真像差。
进而，使光学元件2的垂直方向的剖面形状的平均曲率半径和水平方向的剖面形状的平均曲率半径成为不同的值，校正由于因前述前窗玻璃的垂直方向曲率半径Rv与水平方向曲率半径Rh的差异产生的光路差而产生的失真像差和使虚像的成像性能下降的像差。
如上述所叙述那样，在使前窗玻璃6直接反射影像光而得到虚像的信息显示装置100中，由于因前窗玻璃6的垂直方向曲率半径Rv与水平方向曲率半径Rh的差异产生的光路差而产生的像差的校正在虚像的成像性能确保中最重要。
因此，发明者等通过相对于用于以往的光学设计的设为距光轴的距离r的函数而定义透镜面、反射镜面的形状的非球面形状(参照下述(式2))，使用能够设为距光轴的绝对坐标(x，y)的函数而定义面的形状的自由曲面形状(参照以下的式1的公式)，从而减轻了上述前窗玻璃的曲率半径的差异所致的虚像的成像性能下降。
[式1]
Figure GDA0003977260840000151
此外，设为距光轴的距离r的函数而定义透镜面、反射镜面的形状的非球面形状以以下的式2的公式的方式表示。
[式2]
Figure GDA0003977260840000152
图10是作为上述第1实施方式的虚像光学系统的影像显示装置4的液晶面板和背光光源5的主要部分放大图。通过根据从液晶面板的柔性基板10输入的影像信号来调制来自背光的光，从而将影像显示于液晶面板显示面11，由虚像光学系统(在实施例中为自由曲面凹面反射镜和自由曲面光学元件)生成被显示的影像的虚像，将影像信息传递给驾驶员。
在上述结构中，使用作为固体光源而比较廉价且可靠性高的LED光源作为背光光源5的光源元件。关于LED，为了实现高输出化而使用面发光类型，所以使用后述技术上的工夫来提高光利用效率。LED的与输入电力相对的发光效率也因发光颜色不同而不同，为20～30％左右，剩余的几乎都被变换为热。因此，作为安装LED的框架，设置由导热率高的部件(例如，铝等金属部件)构成的散热用的翅片13，使热散热到外部，从而能够得到提高LED的发光效率本身的效果。
特别是，关于在当前市场上上市的将红色作为发光颜色的LED，当结温度变高时，发光效率大幅下降，同时影像的色度也变化，所以提高LED的温度降低的优先级，优选设为增大对应的散热片的面积、提高冷却效率的结构。为了将来自LED的扩散光效率良好地引导到液晶面板4，在图11所示的例子中，使用导光体18，但为了没有尘埃等的附着，例如，优选由外装部件16覆盖整体而合并为背光光源。
另外，该图11示出了包括作为光源的LED和导光体以及扩散板的光源单元的主要部分放大图，从图可明确，光漏斗21、22、23、24的获取来自LED的发散光线的开口部21a、22a、23a、24a作为平面而在与LED之间插入介质地光学性地连接，或者，作为凸面形状而具有聚光作用，从而使发散的光源光尽可能成为平行光，减小入射到光漏斗的界面的光的入射角。其结果，能够在通过光漏斗后，进一步使发散角变小，所以在被导光体18反射后朝向液晶面板的光源光的控制变容易。
进而，为了提高来自LED的发散光的利用效率，使用PBS(Polarizing BeamSplitter，偏振光束分离器)作为光漏斗21～24与导光体18的接合部分25来进行偏光变换，变换为所期望的偏光方向，从而能够提高向LCD的入射光的效率。
在如上所述使光源光的偏光方向一致的情况下，更优选作为导光体18的原材料而使用复折射少的材料，使得在偏振波的方向旋转并通过液晶面板的情况下，例如在黑显示时不发生着色等问题。
如以上所叙述那样，来自发散角被降低后的LED的光束被导光体控制，在设置于导光体18的斜面的全反射面反射，在由配置于对置的面与液晶面板之间的扩散部件14扩散之后，作为影像显示装置入射到液晶面板4。在本实施例中，如前所述，在导光体18与液晶面板4之间配置有扩散部件14，但即使设置使导光体18的端面具有扩散效果的、例如微细的凹凸形状，也能够得到同样的效果。
接下来，使用图12以及图13，说明上述导光体18的结构和由此得到的效果。图12是示出本发明的导光体18的外观图。由于图11所示的光漏斗21～24而发散角被降低的光束入射到导光体18的光入射面18a。此时，由于入射面的形状(图13示出剖面形状)效果而垂直方向(图13的上下方向)的发散角被控制，在导光体18内效率良好地传播。
图13是导光体的主要部分剖面放大图，由于光漏斗21～24而发散角被降低的光源光经由接合部25而如上所述从入射面18a入射，由设置于对置面的棱镜18全反射而朝向对置面17。关于全反射棱镜18，在入射面18a的附近(B部放大图)和端部(A部放大图)，其形状根据入射到各个面的光束的发散角而以阶梯状分割地形成，由此控制全反射面的角度。另一方面，将前述全反射面的分割尺寸作为变量，控制分割而成的光束的反射后的到达位置和能量，以使入射到作为影像显示装置的液晶面板4的光束在该液晶面板4的出射面内的光量分布变均匀。
图14示出在本发明的信息显示装置100中对来自上述背光的出射光通过了液晶面板的状态进行了仿真的结果。图14(a)是示出从液晶面板的长度方向观察时的光的出射状态的图，图14(b)示出了从液晶面板的宽度方向观察时的光的出射状态。在本发明中，为了使FOV的水平角度变宽到设计以上，设计成使水平方向的扩散角度相对于垂直方向变大，即使在驾驶员摇头或者眼睛的位置活动的情况下，由左右的眼睛视觉辨认的虚像的明亮度也不过分地变化。
另外，图15以及图16示出如本发明的实施例那样使用了使用导光体18而控制光的出射方向和强度的背光的情况下的液晶面板4的出射面的亮度分布和液晶面板的特性评价的方法。从图也可明确，能够相对于画面垂直方向(短边方向)的亮度分布而减小画面垂直方向(长边方向)的有效范围以外的亮度下降的倾斜。
来自在本发明的信息显示装置100中用作影像显示装置的液晶面板的出射光(影像光)如图17以及图20所示在将左右、上下方向的视角作为参数的情况下，在±50°的范围示出预定的透射率。只要使视角的范围成为±40°以内，就能够得到更加良好的透射率特性。其结果，如图18、图21所示，在显示画面的左右方向和上下方向上，因观察画面的方向(视角)不同而画面的亮度大幅不同。这取决于图19以及图22所示的背光亮度的角度特性。
因此，发明者们通过以作为尽量与画面垂直的光而得到来自获取到虚像光学系统的液晶面板4的出射光的方式，进行导光体18的全反射面的角度和来自基于光漏斗21～24的LED的光源光的发散角的控制，将背光的视角特性限制于少的范围，从而得到了高的亮度。具体而言，如图18以及图21所示，为了得到高亮度的影像，使用左右的视野角为±30°的范围的光，如果还考虑图23以及图25所示的对比度性能，则限制于±20°以下，从而得到了同时使用了良好的图像质量的源图像的虚像。
如以上也叙述那样，影响影像显示装置的图像质量的对比度性能根据使成为决定图像质量的基础的进行黑显示的情况下的亮度(在图24以及图26中，标记为黑显示亮度)下降到何种程度来确定。因此，优选在液晶面板4与背光之间使用偏光度高的碘系的偏光板。
另一方面，作为设置于光学元件2侧(光出射面)的偏光板，使用染料系偏光板，从而即使在外部光线入射的情况或环境温度高的情况下也能够得到高的可靠性。
在用液晶面板4进行彩色显示的情况下，设置与各个像素对应的彩色滤波器。因此，在背光的光源颜色为白色的情况下，彩色滤波器下的光吸收大，损耗变大。因而，发明者等如上述图11所示使用多个LED：
(1)相比于使用多个白色LED的情况，追加对明亮度的贡献更大的绿LED。
(2)对白色LED追加红色或者蓝色LED，提高图像的艳色性。
(3)单独地配置红、蓝、绿的LED，追加对明亮度的贡献大的绿色LED而单独地驱动LED，从而在扩大颜色再现范围而提高艳色性的同时，明亮度也提高。
(4)通过实施上述(3)，从而提高针对红、蓝、绿LED的峰值亮度的各个彩色滤波器的透射率，提高作为整体的明亮度。
(5)进而，作为背光的第二实施例，在光漏斗与导光体之间配置PBS而与特定的偏振波一致，从而减轻对液晶面板入射侧的偏光板的损伤。此外，配置于液晶面板入射侧的偏光板的偏光方向设为在通过PBS(Polarizing Beam Splitter)之后与特定方向一致的偏振波通过的方向即可，这是不言而喻的。
如以上也叙述那样，作为本发明的实施方式中的影像光源装置4，还能够在液晶显示面板出射面设置λ/4板，使出射光成为圆偏振光。其结果，即使驾驶员佩戴偏光太阳镜，也能够监视良好的虚像。
进而，通过用金属多层膜形成在虚像光学系统中使用的反射镜的反射膜，由于反射率的角度依赖性少，反射率不会因偏光方向(P波或者S波)改变而改变，所以也能够均匀地保持画面的色度、明亮度。
进而，在虚像光学系统与前窗玻璃之间设置紫外线反射膜、将紫外线反射膜和红外线反射膜合在一起的光学部件，从而即使外部光线(太阳光)入射，也能够减轻液晶显示面板以及偏光板的温度上升、损伤，所以能够得到不会损害信息显示装置的可靠性这样的效果。
另外，关于虚像光学系统，还包括在现有技术中被当作被投影部件的前窗玻璃的车辆水平方向的曲率半径与垂直方向的曲率半径之差在内进行最适设计，在前窗玻璃与影像显示装置或者中间像显示部之间配置有使凹面朝向前窗玻璃6侧的凹面反射镜1，由此放大影像显示装置的影像，在前窗玻璃6反射。此时，在前述凹面反射镜1与影像显示装置4之间配置有光学元件，另一方面，形成与驾驶员的视点位置对应地成像的所述影像的放大像(虚像)的影像光束通过配置于影像显示装置间的所述光学元件，校正由凹面反射镜1产生的失真、像差。因此，相比于以往的仅凹面反射镜的虚像光学系统，能够得到失真和像差被大幅降低的虚像。
进而，在图1所示的本发明中，在前窗玻璃6的上部(车体垂直方向上部)反射而得到的虚像需要在更远方成像。因此，为了使从显示与其对应的影像的影像显示装置的上部发散的影像光束良好地成像，配置于前述凹面反射镜1与影像显示装置4之间的光学元件的焦点距离f1设定成相对地短，相反，在前窗玻璃6的下部(车体垂直方向下部)反射而得到的虚像需要在更近处成像。因此，为了使从显示与其对应的影像的影像显示装置的下部发散的影像光束良好地成像，配置于前述凹面反射镜1与影像显示装置4之间的多个光学元件的合成焦点距离f2被设定成相对地长即可。
另外，在本发明中，为了校正前窗玻璃6的水平方向(与地面平行)曲率半径与垂直方向(与前窗玻璃水平方向垂直的方向)的曲率半径不同而导致的驾驶员观察的虚像的画面失真，在虚像光学系统中，配置轴对称性相对于光轴不同的光学元件，从而实现了上述失真的校正。
以上，叙述了适于在具备本发明的各种实施例的图像显示设备的电子装置中使用的面状的光源装置。然而，本发明并不仅限定于上述实施例，包括各种变形例。例如，上述实施例为了易于理解地说明本发明而详细地说明了系统整体，未必限定于具备说明的所有的结构的装置。另外，能够将某个实施例的结构的一部分置换为其它实施例的结构，另外，还能够对某个实施例的结构追加其它实施例的结构。另外，能够对各实施例的结构的一部分进行其它结构的追加、删除、置换。

Claims (9)

1.一种抬头显示器装置，具备：
显示元件，显示图像；以及
光学系统，用于基于来自所述显示元件的光来显示虚像，
所述光学系统包括配置于光路上的光学元件和凹面反射镜，
所述光学元件构成为配置于所述显示元件与所述凹面反射镜之间，
所述凹面反射镜的形状是如下形状：在所述凹面反射镜配置于光路上的状态下，以垂直方向为基准，在上部中与下部相比曲率半径小以使放大率变大，
所述显示元件被配置成使其显示区域的画面垂直方向中心比所述凹面反射镜的中心靠下侧，并且，
所述凹面反射镜被配置成使来自所述凹面反射镜的反射光不被所述显示元件所遮挡。
2.根据权利要求1所述的抬头显示器装置，其中，
关于所述光学元件的光轴方向上的光学距离，所述光学元件的上部中的光束所经由的光学距离比所述光学元件的下部中的光束所经由的光学距离短。
3.一种抬头显示器装置，具备：
显示元件，显示图像；以及
光学系统，用于基于来自所述显示元件的光来显示虚像，
所述光学系统包括配置于光路上的光学元件和凹面反射镜，
所述光学元件构成为配置于所述显示元件与所述凹面反射镜之间，
所述凹面反射镜的形状是如下形状：在所述凹面反射镜配置于光路上的状态下，以垂直方向为基准，在上部中与下部相比曲率半径小以使放大率变大，
以在从驾驶员的视点位置观察时使在车窗玻璃的上部反射而得到的虚像与在下部反射而得到的虚像相比形成于远方的方式，所述光学元件的光轴方向上的光学距离被设定成使所述光学元件的上部中的光束所经由的光学距离比所述光学元件的下部中的光束所经由的光学距离短。
4.根据权利要求3所述的抬头显示器装置，其中，
所述凹面反射镜被配置成使来自所述凹面反射镜的反射光不被所述显示元件所遮挡。
5.根据权利要求3所述的抬头显示器装置，其中，
所述显示元件的显示区域的画面垂直方向中心被配置成比所述凹面反射镜的中心靠下侧。
6.根据权利要求1或者3所述的抬头显示器装置，其中，
所述凹面反射镜在光路上配置于所述显示元件与投射面之间。
7.根据权利要求1或者3所述的抬头显示器装置，其中，
所述光学元件的水平方向的剖面形状的平均曲率半径与垂直方向的剖面形状的平均曲率半径不同。
8.根据权利要求1或者3所述的抬头显示器装置，其中，
相对于所述凹面反射镜的光轴而倾斜地配置所述显示元件。
9.根据权利要求1或者3所述的抬头显示器装置，其中，
所述抬头显示器装置具备导光体，该导光体将来自光源的光引导到所述显示元件，
所述导光体在所述导光体的内侧具有对来自所述光源的光进行反射的反射面，所述反射面相互分离。
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