平視顯示裝置的製作方法

2023-04-25 17:21:06 2

本發明涉及在實景上重合虛像而辨認的平視顯示裝置。

背景技術：

作為過去的平視顯示裝置(HUD：Head Up Display)，包括有在專利文獻1中記載的類型。這樣的HUD像圖7、圖8所示的那樣，包括：投影器501，該投影器501射出投影光L1、L2、L3；投射透鏡502，該投射透鏡502使投影光L1、L2、L3成像於透射型屏幕503上；透射型屏幕503，該透射型屏幕503通過背面而接收來自投射透鏡502的投影光L1、L2、L3，使實像成像，在其外面側擴散而射出表示實像的圖像光；平面鏡504、凹面鏡505，該平面鏡504、凹面鏡505使通過透射型屏幕503而擴散的圖像光M1、M2、M3朝向車輛的擋風前窗(投影反射面)510。圖7、圖8所示的P1、P2、P3表示有助於觀察者辨認虛像的圖像光的光路。

從投射透鏡502朝向透射型屏幕503的投影光L朝向透射型屏幕503而呈錐狀擴大。射入到透射型屏幕503中的投影光L1通過透射型屏幕503而擴散，以其朝向與投影光L1相同的配光軸M1a為光軸，作為圖像光M1而擴散。另外，射入透射型屏幕503中的投影光L2、L3也同樣地通過透射型屏幕503而擴散，以其朝向與投影光L2、L3相同的配光軸M2a，M3a為光軸，作為圖像光M2、M3而擴散。

已有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：JP特開2004—126226號公報

技術實現要素：

發明要解決的課題

但是，像專利文獻1那樣，在來自投射透鏡502的投影光L原樣地投影於透射型屏幕503上的場合，從透射型屏幕503而射出的配光軸M1a、M2a、M3a的朝向與投影光L1、L2、L3基本相同。由此，從透射型屏幕503的規定區域而射出的圖像光M1、M3的光路不沿朝向觀察者的視點520的光路P1、P3(配光軸M1a、M3a不與光路P1、P3一致)。由此，由於到達觀察者的視點520的圖像光M弱，故具有觀察者辨認的虛像的亮度降低的危險。另外，由於通過透射型屏幕503的各區域而擴散的光路的圖像光M1、M3的配光軸M1a、M3a沒有沿朝向觀察者的視點520的光路P1、P3，故圖像光M1、M3的光利用效率降低。

於是，本發明是針對上述實際情況而提出的，本發明的目的在於，提供可以良好的效率，使圖像光朝向觀察者的平視顯示裝置。

用於解決課題的技術方案

為了實現上述第1目的，本發明的平視顯示裝置包括：投影器，該投影器射出表示圖像的投影光；屏幕，該屏幕對該投影光進行成像，將其作為圖像光而擴散；成像光學系統，該成像光學系統將上述投影光放大，將其成像於上述屏幕上；配光調整機構，該配光調整機構設置於上述屏幕和上述成像光學系統之間，通過使上述投影光折射，針對每個區域調整從上述屏幕所射出的上述圖像光的配光。

另外，在第2發明的平視顯示裝置中，上述配光調整機構將從上述屏幕的各區域所射出的上述圖像光調整到上述投影光的光軸側。

此外，在第3發明的平視顯示裝置中，在沿與上述投影光的光軸相垂直的方向而延伸的第1方向、沿與上述投影光的光軸相垂直的方向而延伸並且與上述第1方向相正交的第2方向中，上述配光調整機構至少在上述第1方向，伴隨與上述投影光的光軸的離開，使上述投影光的調整量增加。

發明的效果

按照本發明，能以良好的效率使圖像光朝向觀察者。

附圖說明

圖1為本發明的第1實施方式的平視顯示裝置的結構示意圖；

圖2是針對上述實施方式的圖，圖2(a)為從第2方向觀看配光調整機構時的結構示意圖，圖2(b)為從第1方向觀看配光調整機構時的結構示意圖；

圖3是針對第2實施方式的圖，圖3(a)為從第2方向觀看配光調整機構時的結構示意圖，圖3(b)為從第1方向觀看配光調整機構時的結構示意圖；

圖4為本發明的第3實施方式的平視顯示裝置的結構示意圖；

圖5是針對本發明的第3實施方式的圖，圖5(a)為從第2方向觀看配光調整機構時的結構示意圖，圖5(b)為從第1方向觀看配光調整機構時的結構示意圖；

圖6為針對變形例子的從第2方向觀看配光調整機構時的結構示意圖；

圖7為已有技術的平視顯示裝置的結構示意圖；

圖8為針對變形例子的從第2方向而觀看配光調整機構時的結構示意圖。

具體實施方式

(第1實施方式)

下面參照附圖，對本發明的第1實施方式進行說明。

圖1為表示本實施方式的平視顯示裝置(在下面記載為HUD裝置)1的結構的結構示意圖。本實施方式的HUD裝置1設置於車輛的儀錶盤的內部。HUD裝置1將圖像光200射出到車輛的擋風前窗2。由該擋風前窗2而反射的圖像光200朝向可視範圍3。在用戶的視點位置位於可視範圍3內部的場合，用戶辨認由圖像光200而產生的所希望的亮度的虛像。用戶通過擋風前窗2，按照與車輛的前方的實景重疊、虛像位於遠方的方式進行辨認。

HUD裝置1像圖1所示的那樣，包括：顯示裝置10，該顯示裝置10射出顯示虛像S1並表示該實像S1的圖像光200；第1反射部20，該第1反射部20反射顯示裝置10所射出的圖像光200；第2反射部30，該第2反射部30將第1反射部20反射的圖像光200放大，使其朝向擋風前窗2；外殼40，該外殼40接納上述這些部分；控制部，該控制部在圖中未示出，該控制部進行HUD裝置1的電控制。

(顯示裝置10)

顯示裝置10像圖1所示的那樣，包括：光源1，該光源1射出在圖中未示出的照明光；光源反射鏡12；稜鏡13；反射型顯示器14；投射透鏡15；配光調整機構16；透射型屏幕17，使實像S1成像於透射型屏幕17上，將表示實像S1的圖像光200朝向第1反射部20而射出。

光源11包括可分別射出比如紅色、藍色、綠色的光的多個LED，該光源11根據來自控制部的控制，按照所希望的顏色、光強度、時刻射出上述照明光。另外，本實施方式的顯示裝置10採用場序彩色(Field Sequential Color)驅動方式，各色的光源11按照時間分割方式射出上述照明光。

光源鏡12為二向色鏡等，該二向色鏡反射指定波長的光，使其它波長的光透射，使從多個光源11而射出的紅色、藍色、綠色的光的行進線路對齊，朝向稜鏡13，使來自光源11的上述照明光以適合的角度射入稜鏡13。

稜鏡13設置於光源反射鏡12和反射型顯示器14之間，該稜鏡13具有傾斜面，該傾斜面以規定角度，相對從光源反光鏡12射入的上述照明光的光軸而傾斜。射入傾斜面的來自光源反光鏡12的上述照明光透過傾斜面，射入反射型顯示器14中，接著，從反射型顯示器14射出的投影光100再次射入稜鏡器13中，通過傾斜面反射到投射透鏡15的方向，從投射面13a而射出投影光100。

反射型顯示器14為比如DMD(數字微鏡器件，Digital Micromirror Device)，LCOS(註冊商標：矽基液晶，Liquid Crystal On Silicon)等的反射型的顯示器，其根據上述控制部的控制，將從稜鏡13射入的上述照明光變換為用於顯示虛像的投影光100，使其朝向稜鏡13而反射。

投射透鏡15通過比如具有球面的凸透鏡等形成，將從稜鏡13射入的投影光100放大，將其朝向配光調整機構16的方向而射出。投射透鏡15為成像光學系統，其接收來自反射型顯示器14的投影光100，使實像S1成像於後述的透射型屏幕17上。

配光調整機構16像圖2所示的那樣，為下述的透鏡，該透鏡具有雙面凸的自由曲面，在該自由曲面中，在沿與投影光的光軸(102)相垂直的方向而延伸的第1方向X，與和該第1方向X相垂直的第2方向，曲率不同，該配光調整機構16設置於從投射透鏡15朝向透射型屏幕17的投影光100的光路上。配光調整機構16通過使從投影面13a朝向透射型屏幕17的投影光100折射，調整從透射型屏幕17的各區域射出的圖像光200的配光。配光調整機構16的具體的作用將在後面描述。

透射型屏幕17為擴散膜，該擴散膜由比如聚碳酸酯等的樹脂形成，其將從投射透鏡15射出的投影光100作為實像S1而成像，射出以一定的分布而擴散的圖像光200。另外，從透射型屏幕17而射出的圖像光200的配光通過配光調整機構16的作用，針對透射型屏幕17的每個區域而調整。

在以上說明的顯示裝置10中，反射型顯示器14產生投影光100，從投影面13a射出投影光100，投射透鏡15在透射型屏幕17上，將投影光100作為實像S1而成像。接著，配光調整機構16通過使從投射透鏡15朝向透射型屏幕17的投影光100折射，調整從透射型屏幕17的各區域射出的圖像光200的配光，由此，以良好的效率，將圖像光200朝向可視範圍3的方向。

第1反射部20為平面鏡，在由比如合成樹脂材料、玻璃材料形成的基材的表面上，通過蒸鍍等的方式形成反射膜。第1反射部20朝向後述的第2反射部30反射通過透射型屏幕17而擴散、透射的圖像光200。

第2反射部30為凹面鏡，在由比如，合成樹脂材料形成的基材的表面上，通過蒸鍍等的方式形成反射膜。在第2反射部30中，反射面具有凹狀的自由曲面，其具體的表面形狀根據透射型屏幕17、第1反射部20、擋風前窗2(反射透射面)、可視範圍3之間的位置關係；擋風前窗2的曲率；所要求的虛像的成像距離；用戶辨認的HUD裝置1的畫角等而計算。第2反射部30可按照上述虛像的形變最小的方式進行設計，另外，將通過第1反射部20而反射的圖像光200放大，將其朝向擋風前窗2而反射。

此外，第2反射部30具有可調整第2反射部30的角度的致動器30a。致動器30a可通過對應於通過由在圖中未示出的攝像頭等構成的視點位置檢測機構而檢測的觀察者的視點位置，使第2反射部30旋轉，可使圖像光200朝向可視範圍3。另外，致動器30a還可對應於在圖中未示出的操作部的操作，使第2反射部30旋轉。

以上為本實施方式的HUD裝置1的結構。藉此，採用圖2對配光調整機構16的作用進行說明。圖2(a)為從第2方向Y觀看配光調整機構16時的結構示意圖，圖2(b)為從第1方向X觀看配光調整機構16時的結構示意圖。

(配光調整機構16的作用)

首先，參照圖2(a)對從第2方向Y觀看配光調整機構16時的配光調整機構16的作用進行說明。另外，從圖2(a)所示的投影面13a而射出的投影光100(投影光101、投影光102、投影光103)為形成觀察者辨認的上述虛像的上下方向的光，投影光101形成上述虛像的下端，投影光102形成上述虛像的上下中間附近，投影光103形成上述虛像的上端。

從投影面13a的各區域射出的投影光100(投影光101、投影光102、投影光103)經由投射透鏡15射入配光調整機構16。配光調整機構16按照使透射型屏幕17所射出的圖像光201、圖像光202、圖像光203的配光軸201a、配光軸202a、配光軸203a大致沿朝向可視範圍3的光路P1、光路P2、光路P3的方式使射入透射型屏幕17中的投影光101、投影光102、投影光103折射。

在第1方向X，配光調整機構16將射入到與配光調整機構16的光軸離開的位置的投影光100(投影光101、投影光103)以較大程度而折射，將其射出到透射型屏幕17側。具體來說，配光調整機構16以角度θ1使投影光101傾斜而射出到配光調整機構16的光軸側，以角度θ3使投影光103傾斜而射出到配光調整機構16的光軸側。另外，沿配光調整機構16的光軸的投影光102沒有通過配光調整機構16而折射(沒有通過配光調整機構16而調整配光)，而成像於透射型屏幕17上，作為圖像光202射出。配光調整機構16伴隨與配光調整機構16的光軸的離開，使投影光100的調整量(傾斜的角度)增加。

下面參照圖2(b)，對從第1方向X觀看配光調整機構16時的配光調整機構16的作用進行說明。另外，從圖2(b)所示的投影面13a射出的投影光100(投影光104、投影光105、投影光106)為形成觀察者辨認的上述虛像的左右方向的光，投影光104形成上述虛像的右端，投影光105形成上述虛像的左右中央附近，投影光106形成上述虛像的左端。

從投影面13a的各區域射出的投影光100(投影光104、投影光105、投影光106)經由投射透鏡15射入配光調整機構16。配光調整機構16按照使從透射型屏幕17射出的圖像光204、圖像光205、圖像光206的配光軸204a、配光軸205a、配光軸206a大致沿朝向可視範圍3的光路P4、光路P5、光路P6的方式使射入透射型屏幕17中的投影光104、投影光105、投影光106折射。

在第2方向Y，配光調整機構16使射入到與配光調整機構16離開的位置的投影光100(投影光104、投影光106)以較大程度折射，將其射出到透射型屏幕17側。具體來說，配光調整機構16以角度θ4使投影光104傾斜而射出到配光調整機構16的光軸側，以角度θ6使投影光106傾斜而射出到配光調整機構16的光軸側。另外，沿配光調整機構16的光軸的投影光105沒有通過配光調整機構16而折射(沒有通過配光調整機構16而調整配光)，而成像於透射型屏幕17上，作為圖像光205射出。配光調整機構16伴隨與配光調整機構16的光軸的離開，使投影光100的調整量(傾斜的角度)增加。此外，使通過配光調整機構16而於可視範圍3的上下方向配光的圖像光201、圖像光203折射的角度θ1、θ3(調整量)大於使在可視範圍3的左右方向配光的圖像光204、圖像光206折射的角度θ4、θ6(調整量)。

像以上描述的那樣，按照本實施方式的HUD裝置1，由於可通過配光調整機構16調整從透射型屏幕17的各區域射出的圖像光200的配光，故能以良好的效率使圖像光200朝向可視範圍3。

(第2實施方式)

下面採用圖3，對第2實施方式的配光調整機構16a的作用進行說明。圖3(a)為從第2方向Y觀看配光調整機構16a時的結構示意圖，圖3(b)為從第1方向X觀看配光調整機構16a時的結構示意圖。另外，在圖3中，對於與上述第1實施方式相同的結構，採用相同的標號，其說明省略。

第2實施方式的HUD裝置1的不同點在於具有其特性不同於上述第1實施方式的配光調整機構16的配光調整機構16a。第2實施方式的配光調整機構16a由柱狀透鏡構成，該柱狀透鏡在第1方向X，具有使投影光100折射的能力，於第2方向Y，不具有使投影光100折射的能力。

參照圖3(b)，對從第1方向X觀看第2實施方式的配光調整機構16a時的配光調整機構16a的作用進行說明。

從投影面13a的各區域射出的投影光100(投影光104、投影光105、投影光106)經由投射透鏡15射入配光調整機構16a。配光調整機構16a不改變投影光104、投影光105、投影光106的朝向，將這些投影光射出到透射型屏幕17側。透射型屏幕17射出具有其朝向與從背面射入的投影光104、投影光105、投影光106基本相同的配光軸204a、配光軸205a、配光軸206a的圖像光204，圖像光205、圖像光206。另外，按照配光軸204a、配光軸205a、配光軸206a沿朝向可視範圍3的光路P4、光路P5、光路P6的方式，設定來自投影透鏡15的投影光104、投影光105、投影光106的投射角度。

同樣在這樣的結構中，由於通過配光調整機構16a可調整從透射型屏幕17的各區域射出的圖像光200的配光，故可以良好的效率使圖像光200朝向可視範圍3。另外，在配光調整機構16a中，由於僅僅在1個軸方向(第1方向X)具有使投影光100折射的能力，故可容易進行配光調整機構16a的光學設計。

(第3實施方式)

第3實施方式的HUD裝置1的不同點在於從透射型屏幕17的各區域而射出的圖像光201、圖像光202、圖像光203交叉，在規定的位置形成中間像S2。在下面通過圖4、圖5，對本發明的第3實施方式進行說明。圖4為第3實施方式的HUD裝置1的結構示意圖，圖5(a)為從第2方向Y觀看配光調整機構16b時的結構示意圖，圖5(b)為從第1方向X觀看配光調整機構16b時的結構示意圖。

第3實施方式的配光調整機構16b為比如柱狀透鏡，其接收投影光100，使朝向透射型屏幕17而折射的投影光100射出的光學區域，按照大於透射型屏幕17對實像S1進行成像的區域的方式形成。

(配光調整機構16b的作用)

首先，參照圖5(a)，對從第2方向Y觀看配光調整機構16b時的配光調整機構16b的作用進行說明。

從投影面13a的各區域射出的投影光100(投影光101、投影光102、投影光103)經由投影透鏡15射入到配光調整機構16b。配光調整機構16b按照下述方式使投影光101、投影光102、投影光103折射，將其射出到透射型屏幕17，該方式為：從透射型屏幕17而射出的圖像光201、圖像光202、圖像光203的配光軸201a、配光軸202a、配光軸203a基本沿朝向可視範圍3的光路P1、光路P2、光路P3。

在第1方向X使射入與配光調整機構16b的光軸離開的位置的投影光100(投影光101、投影光103)大大折射，將其射出到透射型屏幕17側。具體來說，配光調整機構16b按照朝向配光調整機構16b的光軸側的方式使投影光101、投影光103傾斜而射出。由於通過像這樣，圖像光200的整體在作為收斂的同時，朝向第1反射部20，故可通過小型的第1反射部20接收圖像光200。配光調整機構16b伴隨與配光調整機構16b的光軸的離開，增加投影光100的調整量(傾斜角度)。

另外，在第3實施方式的HUD裝置1中，由於從透射型屏幕17射出的圖像光200成像於中間像S2，故通過凹面鏡構成第1反射部20b。第1反射部20將通過透射型屏幕17而成像的實像S1的圖像光200在第1反射部20和第2反射部30之間，作為中間像S2而成像。中間像S2的成像位於相對第2反射部30的焦點距離的第2反射部30一側，位於上述第2反射部30的焦點距離附近，由此，可讓觀察者辨認高倍率的虛像。

像以上說明的那樣，在第3實施方式的HUD裝置1中，通過配光調整機構16b，使從透射型屏幕17的各區域射出的圖像光200的配光軸200a朝向配光調整機構16b的光軸側，由此，可通過小型的第1反射部20，以良好的效率而產生中間像S2。

本發明不限於以上的實施方式和附圖。在不改變本發明的實質的範圍內，可適當進行變更(還包括刪除結構元件)。在下面給出變形例子的一個例子。

在上述實施方式中，使來自投影透鏡15的投影光100折射的配光調整機構16為自由曲面透鏡、柱狀透鏡，但是並不限於此，也可適當地為球面或非球面的旋轉對稱透鏡，超環面(toroidal)鏡。

還有，在上述實施方式中，通過透鏡而構成配光調整機構16，但是也可通過具有凹面的反射鏡而構成配光調整機構16。

此外，在上述實施方式中，透射型屏幕17為擴散膜，但是透射型屏幕17也可由微型透鏡陣列構成。由於可通過由微型透鏡陣列而構成透射型屏幕17，針對透射型屏幕17的每個區域而調整從透射型屏幕17的各區域射出的圖像光200的配光角的尺寸、配光方向，故可以更加良好的效率，使圖像光朝向觀察者。

此外，在上述實施方式中，透射型屏幕17與配光調整機構16的光軸垂直地設置，但是，也可像圖6所示的那樣，在第1方向X和/或第2方向Y，使透射型屏幕17相對配光調整機構16的光軸而傾斜。通過該方案，防止從HUD裝置1的外部侵入的太陽光從透射型屏幕17中透射，到達光源反射鏡12、光源11的情況。

另外，投影有圖像光200的反射透射面不限於車輛的擋風前窗2。投影圖像光200的反射透射面也可為比如專門設置的合成器部件。

在以上的說明中，為了容易理解本發明，適當省略非重要的公知的技術事項的說明。

產業的利用可能性

本發明涉及於實景上重合虛像而進行辨認的平視顯示裝置，最好為下述顯示裝置，該顯示裝置比如設置於車輛的儀錶盤內，將圖像光射出到車輛的擋風前窗。

標號的說明：

標號1表示HUD裝置(平視顯示裝置)；

標號2表示擋風前窗(反射透射面)；

標號3表示可視範圍；

標號10表示顯示裝置；

標號11表示光源；

標號12表示光源反光鏡；

標號13表示稜鏡；

標號14表示反射型顯示器(投影器)；

標號15表示投射透鏡(成像光學系統)；

標號16表示配光調整機構；

標號17表示透射型屏幕(屏幕)；

標號20表示第1反射部；

標號23表示第2反射部；

標號40表示外殼；

標號100表示投影光；

標號200表示圖像光。