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CN107003526A - 平视显示器 - Google Patents

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CN107003526A
CN107003526A CN201680004058.0A CN201680004058A CN107003526A CN 107003526 A CN107003526 A CN 107003526A CN 201680004058 A CN201680004058 A CN 201680004058A CN 107003526 A CN107003526 A CN 107003526A
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CN
China
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optical element
image light
display
head
heads
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201680004058.0A
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English (en)
Inventor
大谷创右
伏见吉正
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Abstract

本发明提供能够尽量减小容积的平视显示器。本发明的平视显示器具备出射影像光的影像光出射装置(200)、第一光学元件(301)、第二光学元件(303)以及第三光学元件(302)，且将透过第一光学元件(301)的影像光投射至合成器(102)。第一光学元件(301)相对于影像光出射装置(200)的出射面倾斜设置，且对具有第一偏振方向的影像光进行反射，使具有与第一偏振方向不同的第二偏振方向的影像光透过。第二光学元件(303)将来自第一光学元件(301)的影像光向第一光学元件(301)反射。第三光学元件(302)配置于第一光学元件(301)与第二光学元件(303)之间，通过影像光往复地透过而将具有第一偏振方向的影像光转换为具有第二偏振方向的影像光。

Description

平视显示器
技术领域
本公开涉及搭载于自家用车等车辆的平视显示器。
背景技术
专利文献1公开了如下平视显示器装置：该平视显示器装置通过向移动体的投影面投影显示图像而在移动体的室内的视觉辨认区域以能够视觉辨认的方式显示该显示图像的虚像。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-170112号公报
发明内容
本公开提供能够尽量减小容积的平视显示器。
本公开涉及一种平视显示器，其具备出射影像光的影像光出射装置、第一光学元件、第二光学元件以及第三光学元件，且将透过第一光学元件的影像光投射至合成器。第一光学元件相对于影像光出射装置的出射面倾斜设置，且对具有第一偏振方向的影像光进行反射，使具有与第一偏振方向不同的第二偏振方向的影像光透过。第二光学元件将来自第一光学元件的影像光向第一光学元件反射。第三光学元件配置于第一光学元件与第二光学元件之间，通过影像光往复透过该第三光学元件，该第三光学元件将具有第一偏振方向的影像光转换为具有第二偏振方向的影像光。
根据本公开的平视显示器，能够尽量减小容积。
附图说明
图1是搭载本公开的平视显示器的车辆的部分示意图。
图2是表示实施方式1的平视显示器的结构的示意图。
图3是用于说明实施方式1的平视显示器的光学元件的配置的示意图。
图4是实施方式1的平视显示器所投射的影像的说明图。
图5是表示实施方式1的平视显示器中的影像光的偏振状态的变迁的流程图。
图6是表示实施方式1的变形例1的平视显示器的结构的示意图。
图7是表示实施方式1的变形例2的平视显示器的结构的示意图。
图8是表示实施方式2的平视显示器的结构的示意图。
图9是表示实施方式3的平视显示器的结构的示意图。
图10是表示实施方式4的平视显示器的结构的示意图。
图11是表示实施方式4的平视显示器的主要部分的示意图。
具体实施方式
以下，适当参照附图来详细说明实施方式。但是，有时省略超出必要的详细的说明。例如，有时省略对已经熟知的事项的详细说明、对实质上相同的结构的重复说明。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，使本领域技术人员容易理解。
需要说明的是，附图以及以下的说明是为了使本领域技术人员充分理解本公开而提供的，不意在通过其来限定权利要求书的保护范围。
(实施方式1)
以下，使用图1～图5来说明本公开的实施方式1。
[1-1.整体结构]
图1是搭载有实施方式1的平视显示器(以下，也称作HUD)101的车辆100的部分示意图。车辆100是移动体的一例。
平视显示器101如图1所示配置于仪表板103的内部。平视显示器101出射影像光B，并通过作为合成器发挥功能的挡风玻璃102反射影像光B，由此使驾驶员D(观察者)视觉辨认虚像I。
合成器是具有将作为背景的第二图像与从平视显示器101出射的影像光B所产生的第一图像重叠的作用的半透射型光学元件。在该情况下，第二图像是从驾驶员D透过挡风玻璃102看到的前方的景色。来自平视显示器101的影像光B所产生的虚像I在挡风玻璃102上与该前方的景色重叠，驾驶员D能够视觉辨认重叠后的影像。
在本实施方式中，合成器为车辆100的挡风玻璃，但也可以是与挡风玻璃独立配置的半反射镜等。
[1-2.HUD结构]
图2是从车辆的侧方观察实施方式1的平视显示器101而得到的示意图。平视显示器101包括：投影仪(第一光学系统)200，其生成第一图像；以及HUD光学系统(第二光学系统)300，其将第一图像作为虚像显示。
投影仪200是LED或者以激光为光源的投射型影像显示装置，是出射影像光B的影像光出射装置的一例。作为影像光出射装置，除此之外还可以使用液晶显示装置(LiquidCrystal Display)、荧光显像管。
HUD光学系统300具有配置于HUD收容壳体400的开口部401附近的反射型偏振片301、作为相位差板的1/4波长板302、以及凹面镜303。
反射型偏振片301具有固有的偏振轴，是使与偏振轴平行的直线偏振光成分透过且使与偏振轴垂直的直线偏振光成分反射的光学元件，例如使用线栅膜等。该反射型偏振片301是第一光学元件的一例，在本实施方式中形成为平面形状。反射型偏振片301相对于凹面镜303的光轴偏心配置，并且相对于从投影仪200出射的S偏振光的影像光B的出射面倾斜配置。
1/4波长板302是使处于彼此垂直的关系的两个偏振光成分的相位错开的相位差板，以慢轴相对于反射型偏振片301的偏振轴倾斜45度的方式配备。1/4波长板302具有覆盖从投影仪200出射的影像光的波长区域的宽频带的特性。该1/4波长板302是第三光学元件的一例。
凹面镜303是具有正光焦度的反射型光学元件，例如是不具有旋转对称性的自由曲面形状。该凹面镜303是第二光学元件的一例。需要说明的是，1/4波长板302和反射型偏振片301为了容易掌握构造而以平面形状的构件进行说明，但不限定于此，能够采取任意的形状。另外，1/4波长板302也可以形成为具备粘合面的膜并粘贴于凹面镜303而一体地构成。
图3是用于说明投影仪200、反射型偏振片301以及凹面镜303的优选的位置关系的图。
以如下的入射光与反射光所成的角θ满足下述(数1)式的方式配置凹面镜303，所述入射光是位于从投影仪200出射的影像光的中心的主光线被反射型偏振片301反射并入射至凹面镜303的光，所述反射光是该入射光被凹面镜303反射后的光。
[数1]
在此，
Y：影像短轴方向长度(≈Y1)(参照图4)；
L：反射型偏振片301与凹面镜303的面间隔；
从投影仪200出射的影像光B的光轴与反射型偏振片301所成的角。
通过以成为上述那样的关系的方式配置凹面镜303，能够减小HUD的容积。
[1-3.动作]
使用图5来说明实施方式1的HUD光学系统300的动作。
图5是按照发展顺序示出平视显示器101中的影像光B的偏振状态的变迁的图。
以下，为了便于说明，将透过反射型偏振片301的方向设为P方向，将反射的方向设为S方向，将沿着这些方向振动的直线偏振光分别称作P偏振光、S偏振光。另外，将P偏振光通过1/4波长板302而转换后的偏振状态称作左旋圆偏振光，将S偏振光通过1/4波长板302而转换后的偏振状态称作右旋圆偏振光。在其他实施方式中也是同样。
从投影仪200出射的影像光B具有S偏振光，因此由反射型偏振片301反射并向1/4波长板302入射。影像光B由1/4波长板302将其相位旋转90度而成为右旋圆偏振光，然后在凹面镜303上反射时旋转方向反转而成为左旋圆偏振光，再次向1/4波长板302入射。左旋圆偏振光的影像光B被1/4波长板302转换为P偏振光并向反射型偏振片301入射，因此透过反射型偏振片301并向挡风玻璃102入射。
这样，从投影仪200出射的S偏振光的影像光B通过往复透过1/4波长板302而转换为P偏振光的影像光B。
从平视显示器101入射至挡风玻璃102的影像光B被朝向驾驶员D反射，驾驶员D作为虚像I而视觉辨认该影像。
[1-4.效果]
根据本实施方式，影像光在反射型偏振片301与凹面镜303之间的空间往复，因此能够确保充分的光路长度，能够使HUD小型。另外，将凹面镜303朝观察者即驾驶员D的方向倾斜的角度得到缓和，因此能够减小HUD光学系统300的铅垂方向尺寸。而且，在光学性能方面，也能够减少由偏心引起的扭曲、像散这样的像差而提高画质。反射型偏振片301配置于开口部401的正下方，因此入射至平视显示器101的来自外部的光的大约一半被反射。因此，不容易看到内部构造，另外能够使投影仪200在太阳光下的暴露减半而延长装置寿命。
[实施方式1的变形例1]
图6是表示实施方式1的变形例1的平视显示器111的结构的示意图。在平视显示器111中，相对于平视显示器101，如图6所示那样在来自投影仪200的影像光B的出射面附近配置有凸透镜201。通过配置凸透镜201，由此光学面增加而设计自由度增加，具体而言能够调整投影仪200的投射图像的尺寸。凸透镜201是折射光学元件的一例。
[实施方式1的变形例2]
图7是表示实施方式1的变形例2的平视显示器121的结构的示意图。平视显示器101(HUD光学系统300)的反射型偏振片301为平面形状，但平视显示器121(HUD光学系统320)的反射型偏振片321如图7所示那样构成为在开口部401侧具有凹面的圆筒形状。通过像这样将反射型偏振片321构成为圆筒形状，能够避免太阳光等外界光被反射型偏振片321反射而到达驾驶员D。
(实施方式2)
以下，使用图8来说明实施方式2的平视显示器131。图8是表示实施方式2的平视显示器131的结构的示意图。平视显示器131出射影像光B并由作为合成器发挥功能的挡风玻璃102反射而使驾驶员D视觉辨认虚像I，这点与实施方式1所说明的平视显示器101相同，平视显示器131的HUD光学系统330的结构不同。在本实施方式中，在HUD光学系统330的结构中，主以与实施方式1不同的点为中心进行说明。另外，对与实施方式1相同的构成要素标注相同的附图标记。
[2-1.HUD的结构]
平视显示器131如图8所示具有第一1/4波长板302a以及第二1/4波长板302b而代替实施方式1所说明的1/4波长板302。第一1/4波长板302a与反射型偏振片301接近并大致平行地配置，第二1/4波长板302b配置于投影仪200的出射面侧。来自投影仪200的影像光B透过第二1/4波长板302b以及第一1/4波长板302a而被引导至反射型偏振片301。在实施方式2中，第一1/4波长板302a具有与在实施方式1中说明的1/4波长板302同样的特性，但在HUD光学系统中的配置与1/4波长板302不同。第二1/4波长板302b是偏振光调整元件的一例。
[2-2.动作]
说明实施方式2中的HUD光学系统330的动作。从投影仪200出射的S偏振光的影像光B当透过第二1/4波长板302b时被转换为右旋圆偏振光。被转换为右旋圆偏振光的影像光B当透过第一1/4波长板302a时被转换为S偏振光。
被转换为S偏振光的影像光B由相对于从投影仪200出射的影像光B的出射面倾斜配置的反射型偏振片301反射之后，再次向第一1/4波长板302a入射。由反射型偏振片301反射后的S偏振光的影像光B通过透过第一1/4波长板302a而被转换为右旋圆偏振光，并向凹面镜303入射。入射至凹面镜303的右旋圆偏振光的影像光被反射而成为左旋圆偏振光之后，再次向第一1/4波长板302a入射。入射至第一1/4波长板302a的左旋圆偏振光的影像光B被转换为P偏振光并向反射型偏振片301入射。入射至反射型偏振片301的P偏振光的影像光B透过反射型偏振片301并向挡风玻璃102入射。这样，影像光三次透过第一1/4波长板302a。
如上所述，在HUD光学系统330中，作为第二1/4波长板302b，使用将S偏振光转换为右旋圆偏振光的偏振光调整元件，但也可以从投影仪200出射P偏振光的影像光，并作为第二1/4波长板302b使用将P偏振光转换为右旋圆偏振光的偏振光调整元件。
由此，从平视显示器131入射至挡风玻璃102的影像光B被朝向驾驶员D反射，驾驶员D能够作为虚像I而视觉辨认该影像。
[2-3.效果]
根据本实施方式，第一1/4波长板302a重叠配置于反射型偏振片301的附近，因此保持构造被简化，能够降低保持构造所花费的成本。
(实施方式3)
以下，使用图9来说明实施方式3的平视显示器141。图9是表示实施方式3的平视显示器141的结构的示意图。平视显示器131出射影像光B并由作为合成器发挥功能的挡风玻璃102反射而使驾驶员D视觉辨认虚像I，这点与在实施方式1中说明的平视显示器101相同，平视显示器141的HUD光学系统340的结构不同。在本实施方式中，在HUD光学系统340的结构中，主要以与实施方式1不同的点为中心进行说明。另外，对与实施方式1相同的构成要素标注相同的附图标记。
[3-1.HUD结构]
与实施方式1不同的点是在反射型偏振片301与挡风玻璃102之间配置有第二相位差板304这点。该第二相位差板304是第四光学元件的一例。
该第二相位差板304例如可以使用1/4波长板或1/2波长板。
[3-2.动作]
说明将1/4波长板用作第二相位差板304的情况。
从投影仪出射的影像光B是S偏振光。影像光B由相对于从投影仪200出射的影像光B的出射方向倾斜配置的反射型偏振片301反射并向1/4波长板302入射。
入射至1/4波长板302的S偏振光的影像光被转换为右旋圆偏振光并向凹面镜303入射。入射至凹面镜303的右旋圆偏振光的影像光被反射而成为左旋圆偏振光之后，再次向1/4波长板302入射。入射至1/4波长板302的左旋圆偏振光的影像光被转换为P偏振光并向反射型偏振片301入射。入射至反射型偏振片301的P偏振光的影像光透过反射型偏振片301而向第二相位差板(1/4波长板)304入射。
入射至第二相位差板304(1/4波长板)的影像光被转换为左旋圆偏振光并向挡风玻璃102入射。
由此，从平视显示器141入射至挡风玻璃102的左旋圆偏振光的影像光被朝向驾驶员D反射，驾驶员D能够作为虚像而视觉辨认该影像。
[3-3.效果]
在像这样向驾驶员D反射圆偏振光的影像光的情况下，驾驶员D即便带着偏振光太阳镜，也不会妨碍影像的观赏。
[实施方式3的变形例]
作为第二相位差板304，说明使用1/2波长板而代替1/4波长板的情况。第二相位差板304(1/2波长板)通过相对于反射型偏振片301调整慢轴的方向，能够使透过反射型偏振片301后的P偏振光的偏振方向旋转。即，第二相位差板304(1/2波长板)将具有P偏振光的偏振方向的光的一部分转换为S偏振光。
由此，即使在从平视显示器141入射至挡风玻璃102的影像光的入射角接近布鲁斯特角的情况下，也能够在挡风玻璃102上得到良好的反射率。
(实施方式4)
[4-1.HUD结构]
图10是表示实施方式4的平视显示器151的结构的示意图。与实施方式1的平视显示器101不同的点是平视显示器151的HUD光学系统350具有百叶窗光学元件305这点。百叶窗光学元件305配置于反射型偏振片301与挡风玻璃102之间。百叶窗光学元件305是第五光学元件的一例。
将百叶窗光学元件305的构造表示在图11中。百叶窗光学元件305具有在内部大致平行地排列有被称作百叶窗的遮光部306的构造，且具有使与遮光部306平行地行进的光透过并对沿着除此之外的方向行进的光进行吸收的功能。百叶窗光学元件305构成为，遮光部306的角度与透过百叶窗光学元件305的内部的影像光B平行。作为百叶窗光学元件305，例如可以将百叶窗膜如图10所示那样保持为在开口部401侧具有凹面的圆筒形状并使用。
[4-2.动作]
说明配置有百叶窗光学元件305的平视显示器151。透过反射型偏振片301的影像光B如图11所示以入射角度θ1入射至百叶窗光学元件305，因百叶窗光学元件305与空气的折射率差而以角度θ2透过百叶窗光学元件305的内部。角度θ2与百叶窗的倾斜角θ3相等，因此影像光在百叶窗光学元件305内部不被吸收而被向挡风玻璃102引导。
由此，从平视显示器151入射至挡风玻璃102的P偏振光的影像光B被朝向驾驶员D反射，驾驶员D能够作为虚像I而视觉辨认该影像。
另一方面，自外部入射至平视显示器151的外界光B2在向百叶窗光学元件305入射时，被分为表面上的反射光B3和向内部透射的透射光B4。反射光B3借助百叶窗光学元件305的圆筒形状而向不被驾驶员D视觉辨认的方向反射。透射光B4在百叶窗光学元件305的内部以与遮光部306的角度θ3不同的角度行进，因此被遮光部306吸收。
[4-3.效果]
通过像这样追加百叶窗光学元件305，能够防止太阳光等外界光被驾驶员视觉辨认，提高影像光的视觉辨认性。
以上，作为在本申请中公开的技术的例示而说明了实施方式。然而，本公开的技术不限定于此，也能够应用于进行了变更、置换、附加、省略等的实施方式。另外，也可以通过组合在上述实施方式中说明的各构成要素而形成新的实施方式。
产业上的可利用性
本公开能够应用于搭载于自家用车等车辆的平视显示器。
附图标记说明：
100 车辆；
101、111、121、131、141、151 平视显示器；
102 挡风玻璃；
103 仪表板；
200 投影仪；
201 凸透镜；
300、320、330、340、350 HUD光学系统；
301、321 反射型偏振片；
302、302a、302b 1/4波长板；
303 凹面镜；
304 第二相位差板；
305 百叶窗光学元件；
306 遮光部；
400 HUD收容壳体；
401 开口部。

Claims (11)

1.一种平视显示器，其具备：
影像光出射装置，其出射影像光；
第一光学元件，其相对于所述影像光出射装置的出射面倾斜设置，且对具有第一偏振方向的所述影像光进行反射，使具有与所述第一偏振方向不同的第二偏振方向的所述影像光透过；
第二光学元件，其将来自所述第一光学元件的所述影像光向所述第一光学元件反射；以及
第三光学元件，其配置于所述第一光学元件与所述第二光学元件之间，通过所述影像光往复地透过该第三光学元件，该第三光学元件将具有所述第一偏振方向的所述影像光转换为具有所述第二偏振方向的所述影像光，
所述平视显示器将透过所述第一光学元件的所述影像光投射至合成器。
2.根据权利要求1所述的平视显示器，其中，
所述第一光学元件为平面形状。
3.根据权利要求1所述的平视显示器，其中，
在所述影像光出射装置的出射面侧配置有折射光学元件，
所述影像光透过所述折射光学元件。
4.根据权利要求1所述的平视显示器，其中，
所述第一光学元件为圆筒形状。
5.根据权利要求1所述的平视显示器，其中，
在所述第一光学元件与所述合成器之间配置有第四光学元件，
所述第四光学元件将具有所述第二偏振方向的所述影像光的一部分向第一偏振方向转换。
6.根据权利要求1所述的平视显示器，其中，
所述影像光三次透过所述第三光学元件。
7.根据权利要求1所述的平视显示器，其中，
所述第二光学元件为凹面镜。
8.根据权利要求1所述的平视显示器，其中，
所述第三光学元件为1/4波长板，且配置为慢轴相对于包含所述第一偏振方向的轴而倾斜45度。
9.根据权利要求6所述的平视显示器，其中，
在所述影像光出射装置的出射面侧配置有偏振光调整元件，
所述影像光透过所述偏振光调整元件。
10.根据权利要求1所述的平视显示器，其中，
在所述第一光学元件与所述合成器之间配置有第五光学元件，
所述第五光学元件在内部具有遮光部。
11.根据权利要求1所述的平视显示器，其中，
向所述第二光学元件入射的所述影像光与由所述第二光学元件反射的所述影像光所成的角θ满足下述(数1)式，
(数1)
θ ≤ tan - 1 ( Y cos φ L )
其中，
Y：影像短轴方向长度；
L：第一光学元件与第二光学元件的面间隔；
从影像光出射装置出射的影像光的光轴与第一光学元件所成的角。
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