CN109564350B - 平视显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种平视显示装置，与HUD装置的小型化同时地，防止太阳光射入而到达影像显示装置的液晶面板、出射侧的偏振片等因聚光的太阳光而破损、劣化。本发明的平视显示装置通过对车辆的挡风玻璃投射影像来对驾驶员显示所述影像的虚像的平视显示装置包括：影像显示装置，其具有LED光源和显示元件，在所述显示元件上形成所述影像；和虚像光学***，其使得从所述影像显示装置出射的光被所述挡风玻璃反射而在所述车辆的前方显示所述虚像，所述虚像光学***包括凹面反射镜和光学元件，所述凹面反射镜的自由曲面被设定成使得从所述凹面反射镜射向所述挡风玻璃的影像光的光轴在水平方向上倾斜。
Description
技术领域
本发明涉及平视显示装置的技术，特别涉及应用于对透明的玻璃板等投射图像的平视显示装置有效的技术。
背景技术
例如，在机动车等车辆中，通常车速和发动机转速等信息被显示在仪表盘内的仪表板(仪表面板)上。另外，导航等画面被显示在仪表盘中嵌入或设置于仪表盘的显示器上。驾驶员在辨认这些信息的情况下需要使视线较大地移动，所以作为减少视线的移动量的技术，已知将车速等信息和关于车辆导航的指示等的信息投射显示在挡风玻璃(挡风玻璃)等上的平视显示(Head Up Display，以下有时记作“HUD”)装置。
作为关于HUD的技术，例如在日本特开2015-194707号公报(专利文献1)中，记载了具有显示图像的设备和投射显示设备上显示的图像的投射光学***，在观察者的整个视点区域中减小画面畸变同时实现小型化的显示装置。此处，投射光学***按从显示设备到观察者的光路的顺序，具有第一反射镜和第二反射镜。然后，记载了通过构成为第一反射镜中的图像长轴方向的入射角、与第一反射镜中的图像短轴方向的入射角、和显示设备的图像显示面与第一反射镜的间隔、与由观察者辨认的虚像的水平方向的宽度的关系满足规定的关系，来实现HUD装置的小型化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-194707号公报
发明内容
在如专利文献1所记载的现有技术中，能够使装置的结构小型化，但对于小型化也存在制约。即，专利文献1中记载的技术中，需要在观察者与显示设备之间配置2片反射镜。此时，为了使第一反射镜上的反射光束不被第二反射镜遮挡，反射镜的配置的自由度受到限制。即，对于将2片反射镜靠近配置存在制约，需要使其离开一定程度地配置，所以该部分成为装置结构小型化的障碍。
另外，HUD装置特别是搭载在机动车等车辆中的情况下，也指出了如下所述的问题点。即，暴露在盛夏等的强烈的太阳光下的情况下，取决于照射角度，该太阳光从对挡风玻璃(挡风玻璃)投射影像光的开口部入射，经过反射镜在影像光的光路中反向前进并到达HUD装置的影像显示装置即液晶面板，最坏的情况下，出射侧的偏振片因太阳光而破损、劣化。另外，对于该太阳光的射入，如上述现有的HUD装置一般在比较大的盒体内安装了多个反射镜的结构中，能够采用使该太阳光引起的热的一部分向外部发散等对策。但是，因太阳光射入而发生的HUD盒体的温度上升，特别在使HUD装置小型化的情况下更显著地发生。
因此，因为HUD装置的光源即LED的结温升高时发光效率大幅降低，所以特别是对于以小型化结构为目标的HUD装置而言其对策是当务之急。
于是，本发明的目的在于提供一种实现装置的进一步小型化、同时对于太阳光的射入也不会使LED光源破损、劣化的平视显示装置。
本发明的上述以及其他目的和新的特征，将通过本说明书的记载和附图说明。
用于解决问题的技术方案
对于本说明书等中公开的发明中、代表性的概要简单进行说明，如下所述。
本发明的代表性的实施例的平视显示装置，是一种通过对车辆的挡风玻璃投射影像来对驾驶员显示所述影像的虚像的平视显示装置，其包括：影像显示装置，其具有LED光源和显示元件，在所述显示元件上形成所述影像；和虚像光学***，其使得从所述影像显示装置出射的光被所述挡风玻璃反射而在所述车辆的前方显示所述虚像，所述虚像光学***包括凹面反射镜和光学元件，所述凹面反射镜的自由曲面被设定成使得从所述凹面反射镜射向所述挡风玻璃的影像光的光轴在水平方向上倾斜。
另外，一种通过对车辆的挡风玻璃投射影像来对驾驶员显示所述影像的虚像的平视显示装置，其包括：影像显示装置，其具有LED光源和显示元件，在所述显示元件上形成所述影像；和虚像光学***，其使得从所述影像显示装置出射的光被所述挡风玻璃反射而在所述车辆的前方显示所述虚像，所述虚像光学***包括凹面反射镜和光学元件，所述平视显示装置具有将所述影像显示装置和所述凹面反射镜收纳在内部的盒体，在所述盒体的一部分形成有开口部，该开口部具有使得光轴在水平方向上倾斜的影像光能够以朝向所述挡风玻璃的方式通过的尺寸和形状，在从所述盒体的所述开口部经由所述凹面反射镜到达所述显示元件的光路的一部分中，设置有遮挡射入的太阳光或使其透射的反射板。
发明效果
对通过本说明书等中公开的发明中代表性的发明得到的效果简单进行说明，如下所述。即，能够实现平视显示装置的进一步小型化，同时对于太阳光的射入也能够防止LED光源破损、劣化。
附图说明
图1是对于本发明的实施例的平视显示装置的动作概念的例子示出了概要的图。
图2是对于本发明的实施例的平视显示装置的安装方式的例子示出了概要的图。
图3是说明本发明的实施例的平视显示装置的结构和光线的图。
图4是说明本发明的其他实施例的平视显示装置的结构和光线的图。
图5是表示本发明的实施例的影像显示装置的安装方式的详细的例子的图。
图6是表示本发明的其他实施例的平视显示装置中的太阳光的遮挡/反射单元的一例的图。
具体实施方式
以下，基于附图详细说明本发明的实施例。另外，在用于说明实施例的全部图中，对于同一部分原则上附加相同附图标记，省略其反复说明。另一方面，对于某一图中附加附图标记进行了说明的部位，可能在其他图的说明时不进行再次图示但附加相同附图标记提及。另外，以下所示的各实施例中，以平视显示装置(HUD)装置被设置在机动车等车辆中的情况为例进行说明，但也能够应用于电车和航空器等其他交通工具。另外，也能够应用于为了交通工具以外的用途而使用的HUD装置。
图1是对于本发明的实施例1的平视显示装置的动作概念的例子示出了概要的图。本实施例的HUD装置1中，对于用在盒体50内(或者如后所述对于盒体50可拆装的部位)配置的影像显示装置30显示的影像，用凹面反射镜41使其反射，对车辆2的挡风玻璃3投射。
此处，被投射部件不限于挡风玻璃3，只要是被投射影像的部件，就能够采用组合器等其他部件。另外，影像显示装置30例如由具有背光源的投影仪或LCD(Liquid CrystalDisplay)等构成。也可以是自发光型的VFD(Vacuum Fluorescent Display)等。也可以用投射装置在屏幕上显示影像。作为这样的屏幕，例如可以用将微透镜二维状地配置的微透镜阵列构成。
凹面反射镜41例如由自由曲面反射镜或具有光轴非对称的形状的反射镜等构成。更具体而言，凹面反射镜41的形状为了减少虚像的畸变，而例如在其上部的区域(即，在此处反射的光线在挡风玻璃3的下方反射，所以相对而言与驾驶员5的视点的距离较短)，为了使放大率增大而相对地减小曲率半径。另一方面，在凹面反射镜41的下部的区域(即，在此处反射的光线在挡风玻璃3的上方反射，所以相对而言与驾驶员5的视点的距离较长)，为了使放大率减小而相对地增大曲率半径。通过使影像显示装置30相对于凹面反射镜41的光轴倾斜地配置，能够对如上所述的像倍率的不同进行修正，在影像显示区域正面中得到优良的聚焦性能。
驾驶员5通过观看投射在挡风玻璃3上的影像，而通过透明的挡风玻璃3在其前方将上述影像辨认为虚像。也可以通过调整凹面反射镜41的角度，来调整将影像投射至挡风玻璃3的位置，由此能够在上下方向上调整驾驶员5观看的虚像的显示位置。另外，作为虚像显示的内容并不特别限定，例如能够适当显示车辆信息和导航信息、用未图示的摄像机影像(监视摄像机和周围观察器等)拍摄的前方的风景的影像等。
关于HUD中使用的影像显示装置30的有效画面尺寸，为了将影线显示装置的驾驶员5辨认的虚像的大小增大至实用的尺寸，如果影像显示装置30的画面尺寸已决定则需要增大从凹面反射镜41到虚像的距离，结果，HUD装置1的尺寸不得不增大。另外，被投射影像的挡风玻璃3从驾驶员5看来通常是前后倾斜地配置的，所以难以在虚像的上部和下部中使像倍率匹配。
对此，如上述专利文献1所记载的现有技术中，在凹面反射镜41之外，也在驾驶员5与显示设备(本实施例中是影像显示装置30)之间设置光路折返反射镜，使光路自身延长而减小像倍率部分地不同的区域中的光路差。由此，能够确保从凹面反射镜41到虚像的距离，同时实现像倍率的部分变化(像的畸变)的减少和装置容积的减少。
另一方面，因为需要凹面反射镜41和光路折返反射镜这2片反射镜，所以反射镜的配置的自由度受到限制，需要使2片反射镜离开一定程度地配置，所以成为装置小型化的障碍。另外，关于驾驶员5辨认的虚像中发生的像差的修正，在专利文献1中也完全没有记载或考虑其必要性和具体的方案等。
与此相对，本实施例的HUD装置1中，为了实现装置的进一步小型化，如图1所示，使形成虚像用的反射镜成为凹面反射镜41的单片结构。进而，在驾驶员5与影像显示装置30之间，作为透射型的光学元件，例如配置至少一个面是凹面(具有负屈光力)的畸变等修正透镜43。由此，即使缩短凹面反射镜41与影像显示装置30的距离，也通过控制影像光线从影像显示装置30的出射方向而控制为对凹面反射镜41的要求的位置入射。结果，即使将HUD装置1小型化也能够通过凹面反射镜的形状而大幅减少畸变。
通过上述本实施例的结构，能够抑制HUD装置1的大型化和复杂化，同时将驾驶员5辨认的虚像的畸变和像差减轻至实用上没有问题的水平而提高辨认性。即，通过用畸变等修正透镜43控制光线向凹面反射镜41的出射方向，而与凹面反射镜41的形状相应地进行畸变像差的修正。进而，使透射型的光学元件的面形状成为自由曲面而对虚像的聚焦性能也一并修正。
另外，为了进一步提高像差修正能力，也可以设置多片畸变等修正透镜43。或者，也可以通过代替畸变等修正透镜43的畸变修正而配置曲面反射镜、与光路的折返同时地控制光线向凹面反射镜41的入射位置，由此减少畸变像差。这样，即使将为了进一步提高像差修正能力而优化设计的光学元件设置在凹面反射镜41与影像显示装置30之间，也不脱离本发明的技术思想或范围。
进而，本实施例的HUD装置1中，将凹面反射镜41的自由曲面设计为从该凹面反射镜41射向挡风玻璃3的影像光的光轴在水平方向上倾斜(偏移)。由此，防止发生太阳光射入而到达HUD装置1的作为影像显示装置30的例如液晶面板、最坏的情况下出射侧的偏振片等因聚光的太阳光而破损、劣化的情况。在图2和图3中，与HUD装置1相对于挡风玻璃3的安装位置一同地，用箭头示出从自由曲面的凹面反射镜41投射的影像光的光路。
图2用箭头示出了在HUD装置1内，来自LED光源31a的光例如经过由LCD构成的影像显示装置30而作为影像光通过畸变等修正透镜43，并因凹面反射镜41而射向挡风玻璃3的状况。另外，此时，影像光在水平方向上倾斜(偏移)地通过在盒体50的顶面形成的开口部或透光部件(进而也称为“防眩板”)52射向挡风玻璃3。另外，该开口部52具有仅有因凹面反射镜41而光轴在水平方向上倾斜(偏移)的影像光能够向挡风玻璃3通过的尺寸、形状。
图3是分别示出了对于HUD装置1从车辆的前面观察的正面图(图3(A))、立体图(图3(B))、以及从其顶部观察的顶面图(图3(C))。由这些图可知，来自LED光源31a、影像显示装置30、畸变等修正透镜43(以下总称为“影像光源装置”)的影像光，被凹面反射镜41在水平方向上倾斜(偏移)地反射。之后，该反射后的影像光通过盒体50的开口部52之后，对挡风玻璃3的规定的区域31(图中用虚线表示)投射。换言之，盒体50的开口部52在水平方向上配置在从凹面反射镜41偏移的位置。
另一方面，车辆在昼间行驶的情况下，如图2所示，暴露在太阳光下，如上所述，取决于车辆的状态，太阳光可能以接近被凹面反射镜41反射的影像光的角度入射。此时，特别是在车辆的停止状态(停车中等)下，例如盛夏等的强烈的太阳光以该角度入射的情况下，该太阳光的一部分通过上述开口部52射入HUD装置1内。然后，该射入的太阳光经过凹面反射镜41在影像光的光路中反向前进并到达HUD装置1的作为影像显示装置的液晶面板，最坏的情况下，出射侧的偏振片等因聚光的太阳光而破损、劣化。进而，因太阳光的射入而发生的HUD盒体的温度上升，在使HUD装置小型化的情况下变得更显著。
为了减轻上述太阳光的射入，由上述图3(A)～(C)、特别是从车辆的顶部观察的顶面图(图3(C))可知，将上述开口部52配置在从凹面反射镜41偏移的位置即可。通过采用这样的配置，在从盒体50的开口部52窥视其内部的情况下，对于凹面反射镜41，不能从开口部52看到其全体，但是取决于情况，是能够看到其一部分的程度。即，上述太阳光如图2所示，从车辆上方照射，因此，例如即使太阳光通过上述开口部52射入HUD装置1内，也不会到达凹面反射镜41，能够防止经过凹面反射镜41在影像光的光路中反向前进。另外，即使太阳光到达凹面反射镜41，也只能到达该反射镜的一部分，可以认为其引起的发热的影响小。即，在停车中暴露在盛夏等的强烈的太阳光下的情况下，也能够防止太阳光使HUD装置的光学部件即LED光源31a破损、劣化的事态。
另外，HUD装置1中，作为其他适合小型化的结构，取决于各部的配置、结构，也可以考虑代替上述图1和图2所示的结构(即，相对于车辆的前进方向，在凹面反射镜41的后方配置包括LED光源31a、影像显示装置30、畸变等修正透镜43的影像光源装置)地，例如如图4(A)所示地，采用在凹面反射镜41的后方配置影像光源装置的结构的情况。其中，在该情况下，也如图4(B)所示地，如果将凹面反射镜41的自由曲面设计为使从该凹面反射镜41射向挡风玻璃3的影像光的光轴在水平方向上相对于挡风玻璃倾斜，则与上述同样地，能够防止、减少太阳光通过盒体50的开口部52射入HUD装置1内并在影像光的光路中反向前进而到达LED光源31a。即，在停车中暴露在盛夏等的强烈的太阳光下的情况下，也能够防止太阳光到达HUD装置的作为影像显示装置的液晶面板、出射侧的偏振片等因聚光的太阳光而破损、劣化的事态。
接着，在图5中，示出关于影像显示装置30的安装例的概要。此处，用立体图示出了将模块化的影像显示装置30分解为各部件的状态。影像显示装置30中，LCD面板等显示元件33基于经由柔性线缆34从主电路板输入的影像信号，通过对来自背光源的光进行调制而显示影像。在LCD面板的背光源侧(光入射面)和凹面反射镜侧(光出射面)配置了偏振片(未图示)。影像显示装置30上显示的影像，被通过开口部输出至虚像光学***(本实施例中，是图2中的畸变等修正透镜43和凹面反射镜41)，生成驾驶员能够辨认的虚像。
作为背光源中的光源元件，例如使用作为固体光源比较廉价且可靠性高的LED(Light Emitting Diode)光源31a。LED光源31a为了高输出化而采用面发光型。图5的例子中安装为LED电路板。该情况下，使用如后所述的技术改进提高发散光的利用效率。
相对于LED的输入电功率的发光效率，因发光颜色而不同，但在20～30％程度，其余几乎者被变换为热。因此，在用于安装LED光源31a的框架35上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(散热器31b)而使热向外部发散。由此，能够得到提高LED光源31a的发光效率自身的效果。特别是，当前在市场上流通的以红色为发光颜色的LED，在结温升高时发光效率大幅降低，同时影像的色度也变化。从而，为了优先降低LED光源31a的温度，优选采用增大散热器31b中的散热翅片的面积而提高冷却效率的结构。
为了将来自LED光源31a的发散光效率良好地导向显示元件33，图5的例子中，使用了导光体32b。该情况下，为了防止灰尘等附着，优选例如用外装部件36a、36b覆盖导光体32b和显示元件33等的整体，模块化为影像显示装置30。
另外，图5的例子中，为了导入来自LED光源31a的发散光并使其成为平行光，而设置了由准直透镜等构成的多个光漏斗32a。在各光漏斗32a中导入来自LED光源31a的发散光的开口部，例如采用平面并且与LED光源31a之间***介质而光学地连接。或者，采用凸面形状而使其具有聚光作用。由此，使发散光尽可能地成为平行光，减小对光漏斗32a的界面入射的光的入射角。结果，在通过光漏斗32a之后，能够进一步减小发散角，所以在导光体32b上反射后射向显示元件33的光源光的控制变得容易。
进而，为了提高来自LED光源31a的发散光的利用效率，而在光漏斗32a与导光体32b的接合部分使用PBS(Polarizing Beam Splitter)来进行偏振变换，变换为要求的偏振方向。由此，能够提高对显示元件33的入射光的效率。在这样使光源光的偏振方向对齐的情况下，优选进而使用双折射少的材料作为导光体32b的材料。由此，在偏振波的方向旋转并通过显示元件33的情况下，例如能够在全黑显示时抑制染色等问题发生。
这样，发散角减小后的来自LED光源31a的光束，被导光体32b控制而在导光体32b的斜面(图5的例子中是外装部件36a一侧的面)上设置的全反射面上反射。然后，在导光体32b上被配置在与该全反射面相对的面(出射面)与显示元件33之间的扩散板32c(扩散部)扩散之后，对显示元件33(LCD面板)入射。另外，图5的例子中，通过在导光体32b与显示元件33之间配置扩散板32c而使来自LED光源31a的光束发散，但不限于这样的结构。通过代替扩散板32c的配置地、例如在导光体32b的出射面设置细微的凹凸形状而使其具有扩散效果，也能够得到同样的效果。
进而，本实施例的HUD装置1中，优选在上述结构之外，也设置用于将对其盒体50***入的太阳光遮挡、反射的单元。另外，该单元是在盒体50内，如图6所示，至少在从影像显示装置30经过凹面反射镜41到达盒体50的开口部52的影像光的光路的途中，将射入的太阳光遮挡或反射用的单元(以下称为“反射板”)。关于该反射板100，由该图6可知，在其表面的一半，形成来自影像显示装置30的光线能够透射的开口101，并且其余一半形成为光的反射板或遮挡板，在其一部分，例如通过安装弹簧102等弹性体而保持在规定的位置。另外，该反射板100例如是通过用电动机106等驱动单元使其位置移动而能够使光路通断的结构。另外，图6的附图标记103表示在上述电动机106的旋转轴上安装的齿轮，附图标记104表示在反射板100的底边形成的与该齿轮103啮合的齿轮，进而，附图标记105表示与发动机钥匙等联动的开关，附图标记B表示车辆的蓄电池。
根据上述结构，例如在使车辆停在停车场等中并关闭发动机钥匙的状态下，开关105被释放，所以来自电动机106的驱动力不发生，反射板100成为图6中虚线所示的位置(被弹簧102等弹性体偏置的位置)。即，从影像显示装置30经过凹面反射镜41到达盒体50的开口部52的光路成为被遮挡的状态。另一方面，在开启发动机钥匙的状态下，开关105被闭合，通过用电动机106发生的驱动力，抵抗弹簧102等的偏置力地，反射板100移动至图6中实线所示的位置。即，从影像显示装置30经过凹面反射镜41到达盒体50的开口部52的光路成为被开放的状态。
这样，通过在盒体50内设置上述反射板100，在射入的太阳光成为问题的车辆停止时等，通过遮挡该射入光反向前进的光路，能够更可靠地在盛夏等的强烈的太阳光下，也防止太阳光到达HUD装置的作为影像显示装置的液晶面板、出射侧的偏振片等因聚光的太阳光而破损、劣化的事态。
另外，上述例子中，对于防止太阳光对影像显示装置30入射用的反射板100，按其位置能够与发动机钥匙相应地自动移动的部件进行了说明。但是，本实施例中的影像显示装置30不限于此，例如通过使用通过施加电压而在透明的状态与不透明的状态之间变化的液晶板等，能够不使用移动单元地达成同样的效果。另外，也能够将上述反射板100例如设置在盒体50的开口部52上，不使用移动单元而手动地在透明的状态与不透明(或能够反射)的状态之间切换，或者使开关105与发动机钥匙以外的动作联动地工作。另外，关于用上述反射板100实现的防止太阳光入射的单元，通过与以上所述的从反射镜射向挡风玻璃的影像光的光轴的水平方向上的倾斜(偏移)一起采用，能够期待更可靠的效果，但是本发明不限定于此，例如也能够单独地采用。
如以上详述，根据本实施例的HUD装置1，能够成为适合实现装置的进一步小型化的、形成虚像用的反射镜仅有凹面反射镜41的单片结构，并且防止因采用该结构而成为课题的太阳光到达作为影像显示装置的液晶面板、出射侧的偏振片等因聚光的太阳光而破损、劣化。即，能够提供一种实现装置的进一步小型化、同时对于太阳光的射入也不会使LED光源破损、劣化的、实用上优秀的平视显示装置。另外，能够防止太阳光到达液晶面板、在液晶面板上反射的太阳光回到驾驶员的视点(FOV)。
以上基于实施例具体地说明了本发明人得出的发明，但本发明不限定于上述实施例，能够在不脱离其主旨的范围内进行各种变更。例如，上述实施例是为了易于理解地说明本发明而详细说明的，并不限定于必须具备说明的全部结构。另外，能够将某个实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，也能够在某个实施例的结构上添加其他实施例的结构。另外，对于各实施例的结构的一部分，能够追加、删除、置换其他结构。
附图标记说明
1…HUD装置，2…车辆，3…挡风玻璃，30…影像显示装置，41…凹面反射镜，43…畸变等修正透镜，50…盒体，52…开口部，100…反射板，101…开口，106…电动机，105…开关。
Claims (5)
1.一种通过对车辆的挡风玻璃投射影像来对驾驶员显示所述影像的虚像的平视显示装置，其特征在于，包括：
影像显示装置，其具有LED光源和显示元件，在所述显示元件上形成所述影像；和
虚像光学***，其使得从所述影像显示装置出射的光被所述挡风玻璃反射而在所述车辆的前方显示所述虚像，
所述虚像光学***包括凹面反射镜和光学元件，
所述凹面反射镜的自由曲面被设定成使得从所述凹面反射镜射向所述挡风玻璃的影像光的光轴在驾驶员辨认到的虚像的水平方向上倾斜，
还具有将所述影像显示装置和所述凹面反射镜收纳在内部的盒体，在所述盒体的一部分形成有开口部，该开口部的尺寸和形状使得仅有光轴因所述凹面反射镜而在所述水平方向上倾斜的影像光能够以朝向所述挡风玻璃的方式通过，
并且，所述开口部配置在相对于所述凹面反射镜在沿着所述挡风玻璃的方向上偏移的位置上，使得从所述车辆的上方照射并通过所述开口部的太阳光至多能够到达所述凹面反射镜的一部分。
2.如权利要求1所述的平视显示装置，其特征在于：
在从所述盒体的所述开口部经由所述凹面反射镜到达所述显示元件的光路的一部分中，设置有遮挡射入的太阳光或使其透射的反射板。
3.如权利要求2所述的平视显示装置，其特征在于：
所述反射板设置于所述盒体的开口部。
4.如权利要求2所述的平视显示装置，其特征在于：
所述反射板设置在从所述凹面反射镜至所述光源的光路的一部分中。
5.如权利要求4所述的平视显示装置，其特征在于：
所述反射板能够自动地使光路通断。
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