CN111868606B - 图像投影设备和移动体 - Google Patents

Abstract

一种图像投影设备，其通过投影光学***(511)来投影形成在图像形成构件(15)上的图像，其中，所述图像形成构件的图像光发射表面被设置成相对于图像光的光轴(L0)倾斜，使得当入射到所述投影光学***上的外部光(L')入射到所述图像形成构件的图像光发射表面上时，沿着在所述图像光发射表面上被反射的所述外部光的光轴行进的光束偏离用户的视点区域(402a)。

Description

图像投影设备和移动体

技术领域

本发明涉及一种图像投影设备和一种移动体。

背景技术

传统上，投影由投影光学***在图像形成构件上形成图像的图像投影设备是已知的。

例如，专利文献1公开了一种平视显示(HUD)设备(图像投影设备)，其通过柱面透镜向车辆的挡风玻璃发射从显示设备(图像形成构件)的图像发光表面发射的图像光以形成图像，例如液晶显示器。在该HUD设备中，柱面透镜相对于图像光的光轴被设置成倾斜的，使得当从挡风玻璃入射到构成投影光学***的柱面透镜上的外部光(阳光等)在柱面透镜的发光表面上反射时，反射的外部光偏离车辆的驾驶员(用户)的视点区域(即所谓的眼睛范围)。

发明内容

技术问题

然而，诸如阳光的外部光可以传输通过包括柱面透镜的投影光学***以到达图像形成构件。在这种情况下，外部光可以在图像形成构件的图像光发射表面上被反射，以使反射的外部光穿过图像光的光路朝用户的观看区域行进，从而降低由用户视觉识别的图像的可见性。

问题的解决方案

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，一种图像投影设备通过投影光学***来投影在图像形成构件上形成的图像，其中图像形成构件的图像光发射表面被设置成相对于图像光的光轴倾斜，从而当入射到投影光学***上的外部光入射到图像形成构件的图像光发射表面上时，沿着在图像光发射表面上被反射的外部光的光轴行进的光束偏离用户的视点区域。

本发明的有益效果

根据本发明，可以防止由用户视觉识别的图像的可见度由于外部光而降低。

附图说明

[图1]图1是示出根据实施例的图像显示设备的示例的示意图；

[图2]图2是图像显示设备的示例的硬件配置图；

[图3]图3是图像显示设备的控制设备的示例的功能框图；

[图4]图4是与图像显示设备有关的过程的示例的流程图；

[图5]图5是沿+Z方向观察的图像显示设备的光偏转器的示例的平面图；

[图6]图6是沿P-P'截取的图5所示的光偏转器的截面图；

[图7]图7是沿Q-Q'截取的图5所示的光偏转器的截面图；

[图8A]图8A是图示地示出光偏转器的第二驱动器的变形的示意图；

[图8B]图8B是图示地示出光偏转器的第二驱动器的变形的示意图；

[图8C]图8C是图示地示出光偏转器的第二驱动器的变形的示意图；

[图9A]图9A是示出施加到光偏转器的压电驱动器组A的驱动电压A的波形的示例的曲线图；

[图9B]图9B是示出施加到光偏转器的压电驱动器组B的驱动电压B的波形的示例的曲线图；

[图9C]图9C是示出图9A中的驱动电压的波形与图9B中的驱动电压的波形叠加的示例的曲线图；

[图10]图10是示出图像显示设备的光学扫描的图；

[图11]图11是安装有图像显示设备的平视显示设备的机动车辆的示例的示意图；

[图12]图12是平视显示设备的示例的示意图；

[图13]图13是说明当诸如阳光等的外部光经由投影镜从挡风玻璃入射到屏幕构件上时的光路的说明图；

[图14]图14是光路长度的说明图，其中沿着从屏幕构件的图像光发射表面发射的图像光的光轴行进的光束到达眼睛范围的中心位置；和

[图15]图15是示出作为分辨率特性的索引值的MTF值与屏幕构件的图像光发射表面相对于图像光的光轴的倾斜角之间的关系的曲线图。

具体实施方式

在下文中，将描述本发明的实施例。首先，将参考附图描述根据本实施例的图像投影设备。

图1是示出根据本实施例的图像投影设备中提供的图像显示设备的示例的示意图。如图1所示，图像显示设备10在控制设备11的控制下，通过作为光扫描构件的光偏转器13的反射表面14，偏转从光源设备12发射的光，并光学扫描作为图像形成构件的屏幕构件15以形成图像(中间图像)。光偏转器13可以在其上执行光学扫描的可扫描区域16包括有效扫描区域17。

图像显示设备10包括控制设备11，光源设备12，光偏转器13，第一光探测器18和第二光探测器19。

控制设备11是包括例如CPU(中央处理单元)和FPGA(现场可编程门阵列)的电子电路单元。光源设备12例如是发射激光的激光装置。光偏转器13是MEMS(微机电***)设备，其具有例如可移动的反射表面14。屏幕构件15例如是光漫射构件，具体地说是微透镜阵列，其中二维地布置有微透镜。注意，屏幕构件15可以是另一种类型的构件，例如光漫射板等，并且不必是光漫射构件。第一光电探测器18和第二光电探测器19例如是接收光并输出光电探测信号的PD(光电二极管)。

控制设备11基于从外部设备等获得的光学扫描信息(图像信息)生成用于光源设备12和光偏转器13的控制信号，并且基于该控制信号向光源设备12和光偏转器13输出驱动信号。此外，基于从光源设备12输出的信号，从光偏转器13输出的信号，从第一光电探测器18输出的第一光电探测信号，以及从第二光电探测器19输出的第二光电探测信号，控制设备11使光源设备12和光偏转器13同步，并生成控制信号。

光源设备12基于从控制设备11输入的驱动信号从光源发射光。

光偏转器13基于从控制设备11输入的驱动信号在单轴方向(一维方向)和双轴方向(二维方向)中的至少一个方向上移动反射表面14，以偏转来自光源设备12的光。注意，驱动信号是具有预定驱动频率的信号。光偏转器13具有预定的固有频率(也称为"谐振频率")。

例如，这使得在基于光学扫描信息(图像信息)的控制设备11的控制下，能够在预定范围内沿双轴方向往复移动光偏转器13的反射表面14，从而使从光源设备12发出的入射在反射表面14上的光偏转，以执行光学扫描，并在屏幕构件15上形成(投影)中间图像。

尽管本实施例中的图像显示方法是通过对屏幕构件进行光学扫描来形成图像的光学扫描方法，但是可以采用使用例如液晶显示器(LCD)或荧光显示管(VFD)的图像形成构件的方法。

注意，光偏转器13和控制设备11的控制将在后面详细描述。

接下来，参考图2，将描述图像显示设备10的示例的硬件配置。图2是图像显示设备10的示例的硬件配置图。如图2所示，图像显示设备10包括彼此电连接的控制设备11，光源设备12，光偏转器13，第一光电探测器18和第二光电探测器19。其中，下面将详细描述控制设备11。

控制设备11包括CPU 20,RAM(随机存取存储器)21,ROM(只读存储器)22,FPGA23，外部I/F 24，光源设备驱动器25和光偏转器驱动器26。

CPU 20是算术/逻辑单元，其从诸如ROM 22的存储设备读取程序和数据到RAM 21上，并执行处理，以实现控制设备11的总体控制和功能。RAM 21是临时保存程序和数据的易失性存储设备。

ROM 22是非易失性存储设备，其即使在电源关闭时也能够保存程序和数据，并存储由CPU 20执行的处理程序和数据以控制图像显示设备10的功能。

FPGA 23是根据CPU 20执行的过程输出适合于光源设备驱动器25和光偏转器驱动器26的控制信号的电路。此外，FPGA 23分别经由光源设备驱动器25和光偏转器驱动器26获得光源设备12和光偏转器13的输出信号，并进一步从第一光探测器18和第二光探测器19获得光探测信号，以基于输出信号和光探测信号生成控制信号。

外部I/F 24是与例如外部设备和/或网络的接口。外部设备包括，例如，诸如PC(个人计算机)的主机设备，以及诸如USB存储器，SD卡，CD,DVD,HDD和SSD的存储设备。此外，网络例如是机动车辆中的CAN(控制器局域网)或LAN(局域网)，车辆交互通信，因特网等。外部I/F 24只需要被配置成能够与外部设备连接或通信，并且可以为每一个外部设备提供外部I/F 24。

光源设备驱动器25是根据输入控制信号向光源设备12输出表示驱动电压等的驱动信号的电路。

光偏转器驱动器26是根据输入控制信号向光偏转器13输出表示驱动电压等的驱动信号的电路。

在控制设备11中，CPU 20经由外部I/F 24从外部设备或网络获得光学扫描信息。注意，CPU 20只需要配置为能够获取光学扫描信息；控制设备11中的ROM 22或FPGA 23可以被配置为存储光学扫描信息，或者诸如SSD的存储设备可以被新提供在控制设备11中并且被配置为存储光学扫描信息。

这里，光学扫描信息是表示光源设备12和光偏转器13如何光学扫描屏幕构件15的信息，更具体地，例如，在通过光学扫描显示中间图像的情况下的图像数据。

接下来，参考图3，将描述图像显示设备10的控制设备11的功能配置。图3是图像显示设备10的控制设备11的示例的功能框图。根据本实施例的控制设备11可以根据CPU 20的指令和图2所示的硬件配置来实现下面描述的功能单元。

如图3所示，控制设备11包括作为功能单元的控制单元30和驱动信号输出单元31。控制单元30是由例如CPU 20,FPGA 23等实现的控制手段，其从设备获得光学扫描信息和信号，以基于这些生成控制信号，从而将控制信号输出到驱动信号输出单元31。

例如，控制单元30从外部设备等获得作为光学扫描信息的图像数据，以通过预定处理从图像数据生成控制信号，从而将控制信号输出到驱动信号输出单元31。此外，控制单元30经由驱动信号输出单元31获得光源设备12和光偏转器13的输出信号，以基于输出信号生成控制信号。此外，控制单元30分别获得第一光电探测器18和第二光电探测器19的光电探测信号，以基于光电探测信号生成控制信号。

驱动信号输出单元31由光源设备驱动器25，光偏转器驱动器26等实现，以基于输入控制信号向光源设备12或光偏转器13输出驱动信号。驱动信号输出单元31例如用作向光源设备12或光偏转器13施加驱动电压的手段。可以为对其输出驱动信号的每个对象提供驱动信号输出单元31。

驱动信号是用于控制光源设备12或光偏转器13的驱动的信号。例如，在光源设备12中，驱动信号表示用于控制光源的发射时刻和发射强度的驱动电压。此外，例如，在光偏转器13中，驱动信号表示用于在移动光偏转器13的反射表面14时控制时刻和可移动范围的驱动电压。

接下来，参考图4，将描述由图像显示设备10执行的对屏幕构件15进行光学扫描的过程。图4是与图像显示设备10有关的过程的示例的流程图。在步骤S11，控制单元30从外部设备等获得光学扫描信息。此外，控制单元30通过驱动信号输出单元31分别获得光源设备12和光偏转器13的输出信号，并分别获得第一光电探测器18和第二光电探测器19的光电探测信号。

在步骤S12，控制单元30从所获得的光学扫描信息、输出信号和光电探测信号生成控制信号，以将控制信号输出到驱动信号输出单元31。此时，由于可能存在当被激活时不能获得输出信号和光电探测信号的情况，所以当被激活时可以作为单独的步骤执行预定的操作。

在步骤S13，驱动信号输出单元31基于输入的控制信号向光源设备12和光偏转器13输出驱动信号。

在步骤S14，光源设备12基于输入驱动信号发射光。此外，光偏转器13基于输入驱动信号移动反射表面14。通过驱动光源设备12和光偏转器13，光在适当的方向上偏转，以执行光学扫描。

注意，在本实施例的图像显示设备10中，尽管控制设备11作为单个设备用于控制光源设备12和光偏转器13，但是也可以将用于光源设备的控制设备与用于光偏转器的控制设备分开。

此外，在本实施例的图像显示设备10中，单个控制设备11具有光源设备12和光偏转器13的控制单元30的功能，以及驱动信号输出单元31的功能。然而，这些功能可以在分开的设备中提供，例如，具有驱动信号输出单元31的驱动信号输出设备可以与具有控制单元30的控制设备11分开提供。

接下来，参考图5至7，将详细描述光偏转器13。图5是能够在双轴方向上偏转光的双支撑光偏转器的平面图。图6是沿图5中的线PP'截取的横截面视图。图7是沿图5中的线QQ'截取的横截面视图。

如图5所示，光偏转器13包括用于反射入射光的镜部件101；第一驱动器110a和110b，其连接到镜部件并且围绕平行于Y轴的第一轴驱动镜部件；支撑镜部件和第一驱动器的第一支撑构件120；第二驱动器130a和130b，其连接到第一支撑构件并围绕平行于X轴的第二轴驱动镜部件和第一支撑构件；用于支撑第二驱动器的第二支撑构件140；电极连接部分150，其与第一驱动器，第二驱动器及控制设备电连接。

光偏转器13具有例如反射表面14，第一压电驱动器112a和112b，第二压电驱动器131a至131f,132a至132f，电极连接部分150等，它们形成在单个SOI(绝缘体上硅)衬底上，然后通过蚀刻等成形，从而使这些元件整体成形。注意，这些元件的成形可以在SOI衬底成形之后或在SOI衬底成形的同时进行。

SOI衬底是具有设置在由单晶硅(Si)制成的第一硅层上的氧化硅层162的衬底，并且还具有设置在氧化硅层162上的由单晶硅制成的第二硅层。在下文中，第一硅层被称为硅支撑层161，而第二硅层被称为硅有源层163。注意，在烧结之后使用SOI衬底，以在硅有源层163的表面上形成氧化硅层164。

由于硅有源层163在Z轴方向上的厚度小于在X轴方向或Y轴方向上的厚度，因此由硅有源层163或硅有源层163和氧化硅层164构成的构件具有作为有弹性的弹性部分的功能。注意，在本实施例中，尽管提供氧化硅层164以防止硅有源层163和下电极201之间的电接触，但是氧化硅层164可以用另一种绝缘材料代替。

注意，SOI衬底不一定需要具有平面形状，可以具有曲率等。而且，只要是可以通过蚀刻等整体成形并且可以部分地具有弹性的基底，用于形成光偏转器13的构件不仅限于SOI衬底。

镜部件101由例如圆形镜部件基座102和形成在镜部件基座的+Z侧表面上的反射表面14构成。镜部件基座102由例如硅有源层163和氧化硅层164构成。

反射表面14由包含例如铝，金，银等的金属薄膜形成。此外，镜部件101可以具有用于加固形成在镜部件基座102的-Z侧表面上的镜部件的肋状物。

肋状物由例如硅支撑层161和氧化硅层162构成，以便能够防止反射表面14由于移动而变形。

第一驱动器110a和110b中的每一个由扭杆111a或111b构成，扭杆111a或111b的一端连接到镜部件基座102并沿第一轴方向延伸以支撑镜部件101为可移动；以及第一压电驱动器112a或112b，其一端连接到扭杆，另一端连接到第一支撑构件120的内周部。

如图6所示，扭杆111a和111b由硅有源层163和氧化硅层164构成。第一压电驱动器112a和112b通过在作为弹性部分的硅有源层163和氧化硅层164的+Z侧表面上依次形成下电极201，压电部分202和上电极203而形成。

上电极203和下电极201由例如金(Au)或铂(Pt)组成。压电部分202由例如PZT(锆钛酸铅)作为压电材料组成。

再参考图5，第一支撑构件120由例如硅支撑层161，氧化硅层162，硅有源层163和氧化硅层164构成，第一支撑构件120是包围镜部件101形成的矩形支撑构件。

第二驱动器130a和130b例如由多个第二压电驱动器131a至131f和132a至132f构成，这些第二压电驱动器131a至131f和132a至132f以如同被折叠成彼此相邻的方式连接，并且第二驱动器130a和130b中的每一个的一端连接到第一支撑构件120的外周部分，并且另一端连接到第二支撑构件140的内周部分。这种蛇形结构被称为迂曲结构。此外，与第二压电驱动器的情况一样，由一个梁和具有驱动力的构件构成的结构被称为驱动悬臂。

此时，第二驱动器130a和第一支撑构件120之间的连接部分以及第二驱动器130b和第一支撑构件120之间的连接部分相对于反射表面14的中心是点对称；此外，第二驱动器130a和第二支撑构件140之间的连接部分以及第二驱动器130b和第二支撑构件140之间的连接部分也相对于反射表面14的中心是点对称。

如图7所示，第二驱动器130a和130b通过在作为弹性部分的硅有源层163和氧化硅层164的+Z侧表面上依次形成下电极201，压电部分202和上电极203而形成。上电极203和下电极201由例如金(Au)或铂(Pt)组成。压电部分202由例如PZT(锆钛酸铅)作为压电材料组成。

回到图5，第二支撑构件140由例如硅支撑层161，氧化硅层162，硅有源层163和氧化硅层164构成，第二支撑构件140是形成为包围镜部件101，第一驱动器110a和110b，第一支撑构件120和第二驱动器130a和130b的矩形支撑构件。

电极连接部分150例如形成在第二支撑构件140的+Z侧表面上，并且经由铝(Al)等的电极布线与第一压电驱动器112a和112b的上电极203和下电极201，第二压电驱动器131a至131f以及控制设备11电连接。

注意，在本实施例中，尽管在已经描述了作为示例的情况中，压电部分202仅形成在作为弹性部分的硅有源层163和氧化硅层164的一个表面(+Z侧的表面)上，但是压电部分202可以设置在弹性部分的另一个表面(例如-Z侧的表面)上，或者同时设置在弹性部分的一个表面和另一个表面上。

而且，只要能够围绕第一轴或围绕第二轴驱动镜部件101，元件的形状就不限于本实施例中的形状。例如，扭杆111a和111b以及第一压电驱动器112a和112b可以是具有曲率的形状。

此外，在第一驱动器110a和110b的上电极203的+Z侧表面上、在第一支撑构件120的+Z侧表面上、在第二驱动器130a和130b的上电极203的+Z侧表面上、以及在第二支撑构件140的+Z侧表面上的至少一个上，绝缘层可以由氧化硅膜形成。此时，通过在绝缘层上提供电极布线，并且在上电极203或下电极201与电极布线连接的连接点处部分地去除或不形成绝缘层作为开口，可以增加设计第一驱动器110a和110b，第二驱动器130a和130b以及电极布线的自由度，并且进一步地，防止由于电极彼此接触而引起的短路。注意，绝缘层仅需要是绝缘构件，或者可以在形成为薄膜时具有作为抗反射材料的功能。

接下来，将详细描述由控制设备11执行以驱动光偏转器13的第一驱动器110和第二驱动器130的控制。当在电极方向上施加正或负电压时，第一驱动器110a和110b以及第二驱动器130a和130b的压电部分202与所施加的电压的电势成比例地变形(例如，膨胀或收缩)，以呈现所谓的反向压电效应。第一驱动器110a和110b以及第二驱动器130a和130b通过使用反向压电效应来移动镜部件101。此时，入射在镜部件101的反射表面14上的光束偏转的角度被称为偏转角。偏转角表示由光偏转器13偏转的程度。这里，当电压没有施加到压电部分202时的偏转角被限定为0，大于零角的偏转角被限定为正偏转角，并且小于零角的偏转角被限定为负偏转角。

首先，将描述由控制设备11执行的用于驱动第一驱动器110a和110b的控制。在第一驱动器110a和110b中，当经由上电极203和下电极201将驱动电压平行地施加到第一压电驱动器112a和112b的压电部分202时，相应的压电部分202中的每一个都变形。压电部分202的这种变形具有弯曲和变形第一压电驱动器112a和112b的效果。

结果，围绕第一轴的驱动力通过两个扭杆111a和111b的扭转作用在镜部件101上，这使镜部件101围绕第一轴移动。施加到第一驱动器110a和110b的驱动电压由控制设备11控制。

此时，通过将具有预先设定的波形的驱动电压并行地施加到第一驱动器110a和110b的第一压电驱动器112a和112b，控制单元11可以在具有预先设定的正弦波形的驱动电压的周期中围绕第一轴移动镜部件101。此外，例如，当预定波形电压的频率被设置为大约20kHz时，其实际上与扭杆111a和111b的谐振频率相同，通过使用由扭杆111a和111b的扭转引起的谐振的发生，有可能以大约20kHz谐振地振荡镜部件101。

接下来，参考图8A-8C，将描述由用于驱动第二驱动器130的控制设备执行的控制。图8A-8C是示意性地示出对光偏转器13的第二驱动器130a和130b的驱动的示意图。用斜线画出的区域代表镜部件101等。

在第二驱动器130a的多个第二压电驱动器131a至131f中，从最靠近镜部件的第二压电驱动器131a开始计数的偶数个第二压电驱动器，即第二压电驱动器131b,131d和131f被分类为压电驱动器组A(也称为"第一致动器")。

此外，在第二驱动器130b的多个第二压电驱动器132a至132f中，从最靠近镜部件的第二压电驱动器132a开始计数的奇数个第二压电驱动器，即第二压电驱动器132a,132c和132e类似地分类为压电驱动器组A。当驱动电压并行地施加时，如图8A所示，压电驱动器组A在相同的方向上弯曲和变形，并且镜部件101围绕第二轴移动以具有正偏转角。

此外，在第二驱动器130a的多个第二压电驱动器131a至131f中，从最靠近镜部件的第二压电驱动器131a开始计数的奇数个第二压电驱动器，即第二压电驱动器131a,131c和131e被分类为压电驱动器组B(也称为"第二致动器")。

此外，在第二驱动器130b的多个第二压电驱动器132a至132f中，从最靠近镜部件的第二压电驱动器132a开始计数的偶数个第二压电驱动器，即第二压电驱动器132b,132d和132f类似地分类为压电驱动器组B。当驱动电压并行地施加时，如图8C所示，在压电驱动器组B中，镜驱动器组B在同一方向上弯曲和变形，并且镜部件101围绕第二轴移动以具有负偏转角。

此外，如图8B所示，当没有施加电压时，或者当由施加电压引起的压电驱动器组A的镜部件101的移动量与由施加电压引起的压电驱动组B的镜部件101的移动量相平衡时，偏转角变为0。

如图8A和8C所示，在第二驱动器130a和130b中，通过弯曲和变形压电驱动器组A的多个压电部分202或压电驱动器组B的多个压电部分202，可以累积由弯曲变形引起的移动量，以增加围绕镜部件101的第二轴的偏转角。此外，通过将驱动电压施加到第二压电驱动器以便连续地重复图8A到8C中的状态，可以围绕第二轴驱动镜部件101。

施加到第二驱动器130a和130b的驱动信号(驱动电压)由控制设备11控制。参照图9，将描述施加到压电驱动器组A的驱动电压(下文称为"驱动电压A")和施加到压电驱动器组B的驱动电压(下文称为"驱动电压B")。此外，用于施加驱动电压A(第一驱动电压)的施加设备将被称为"第一施加设备"，并且用于施加驱动电压B(第二驱动电压)的施加设备将被称为"第二施加设备"。

图9A是施加到光偏转器13的压电驱动器组A的驱动电压A的波形的示例。图9B是施加到光偏转器13的压电驱动器组B的驱动电压B的波形的示例。图9C是驱动电压A的波形与驱动电压B的波形叠加的图。

如图9A所示，施加到压电驱动器组A的驱动电压A的波形例如是锯齿形波形，频率例如是60Hz。此外，驱动电压A的波形被预先设置为具有表示为例如TrA:TFA＝8.5:1.5的时间周期比，其中TrA表示电压值从最小值增加到下一个最大值的上升周期的时间宽度，TfA表示电压值从最大值减小到下一个最小值的下降周期的时间宽度。此时，TrA与一个周期的比率被称为驱动电压A的对称度。

如图9B所示，施加到压电驱动器组B的驱动电压B的波形例如是锯齿形波形，频率例如是60Hz。此外，驱动电压B的波形被预先设置为具有表示为例如TrB:TFB＝8.5:1.5的时间周期比，其中TrB表示电压值从最小值增加到下一个最大值的上升周期的时间宽度，TfB表示电压值从最大值减小到下一个最小值的下降周期的时间宽度。此时，TfB与一个周期的比率被称为驱动电压B的对称度。

此外，如图9C所示，例如，驱动电压A的波形的周期TA被设置为与驱动电压B的波形的周期TB相同。此时，驱动电压A和驱动电压B具有相位差d。

注意，例如通过叠加正弦波来产生驱动电压A和驱动电压B的锯齿形波形。而且，驱动电压A和驱动电压B的频率(驱动频率fs)是光偏转器13的最低阶固有频率f(1)的半整数倍是合适的。例如，期望将fs设置为f(1)的1/5.5倍，1/6.5倍，1/7.5倍。设置为半整数倍能够防止由驱动频率的谐波所引起的振荡。这种不利地影响光学扫描的振荡被称为不必要的振荡。

此外，在本实施例中，尽管使用具有锯齿形波形的驱动电压作为驱动电压A和B，但波形不限于此。还可以根据光偏转器的器件特性改变波形，使得驱动电压可以具有通过对锯齿形波形的峰值进行舍入而获得的波形，或者其中锯齿形波形中的线性区域是弯曲的波形。在这种情况下，对称度是上升时间与一个周期的比率或下降时间与一个周期的比率。此时，上升时间和下降时间中的哪一个被用作参考可以被任意地设置。

参考图10，将描述由图像显示设备10执行的光学扫描方法。图10是图解说明由图像显示设备10执行的光学扫描的图。如图10所示，图像显示设备10通过光偏转器13在两个方向上偏转来自光源设备12的光，以光学扫描可扫描区域16，该可扫描区域16包括屏幕构件15上的有效扫描区域17。如上文所述，图像显示设备10通过由正弦波驱动信号的共振引起的高速驱动，在两个方向中的一个方向(以下称为"X轴方向")上光学扫描光偏转器13的反射表面；并且通过由锯齿形波驱动信号的非谐振引起的低速驱动，在另一方向(以下称为"Y轴方向")上光学扫描光偏转器13的反射表面。这种在两个方向上以锯齿形方式执行光学扫描的驱动方法也被称为光栅扫描方法。

在驱动方法中，期望在有效扫描区域17中在Y轴方向上以恒定速度执行光学扫描。这是因为如果在Y轴方向上的扫描速度不是恒定的，那么例如，当通过光学扫描执行图像投影时，在投影的图像中会出现不均匀的亮度，波动等，这将损害投影的图像。为了使Y轴方向上的扫描速度恒定，必须保持光偏转器13的反射表面14围绕第二轴的移动速度，即，在有效扫描区域17中围绕反射表面14的第二轴的偏转角随时间的变化是恒定的。

接下来，参考图11和图12，将描述本实施例的图像显示设备10，并且将详细描述应用该图像显示设备10的图像投影设备。图11是与机动车辆400的实施例相关的示意图，机动车辆400是作为移动体的车辆，其安装有作为的图像投影设备的示例的平视显示设备500。图12是平视显示设备500的示例的示意图。

如图11所示，平视显示设备500安装在例如机动车辆400的挡风玻璃401等附近。从平视显示设备500发射的投影光(图像光)L在挡风玻璃401上反射，并向作为用户的观察者(驾驶员402)传播。这使得驾驶员402能够视觉识别由平视显示设备500投影的图像为虚拟图像。注意，组合器可以安装在挡风玻璃的内壁表面上，以便使得用户通过在组合器上反射的图像光来视觉识别虚拟图像。

如图12所示，平视显示设备500从激光源501R,501G和501B发射红，绿和蓝的激光。所发射的激光传输通过入射光学***，然后，被具有反射表面14的光偏转器13偏转，该入射光学***包括为相应的激光源提供的准直透镜502,503和504，两个二向色镜505和506，以及光量调节器507。然后，偏转的激光通过平面镜509聚焦在屏幕构件15上，以形成中间图像。形成中间图像的激光传输通过屏幕构件15，由投影镜511构成的投影光学***进行投影。屏幕构件15设置有第一光电探测器18和第二光电探测器19，以通过使用相应的光电探测信号来调整图像显示设备10。

在平视显示设备500中，激光源501R,501G和501B；准直透镜502,503和504；分色镜505和506构成光源单元530，作为包括在光学外壳中的单元。

根据本实施例的图像显示设备由光源单元530，光偏转器13，控制设备11，平面镜509和屏幕构件15构成。

平视显示设备500将显示在屏幕构件15上的中间图像投影到机动车辆400的挡风玻璃401上，以便使驾驶员402视觉识别该中间图像为虚拟图像。

从激光源501R,501G和501B发射的各个颜色的激光束分别由准直透镜502,503和504制成基本上平行的光束，以由两个分色镜505和506合成。合成的激光由光量调节器507相对于光量进行调节，然后由具有反射表面14的光偏转器13进行二维扫描。由光偏转器13二维扫描的投影光(图像光)L在平面镜509上反射，然后投射在屏幕构件15上以形成中间图像。

屏幕构件15具有结构，在该结构中，具有二维布置的微透镜的微透镜阵列被设置在图像光发射表面(图12中的左侧表面)上，以通过微透镜单元来发散和放大入射在屏幕构件15的图像光入射表面(图12中的右侧表面)上的图像光L。

光偏转器13使反射表面14沿双轴方向往复移动，以便二维扫描入射到反射表面14上的投影光L。与激光源501R,501G和501B的光发射定时同步地执行光偏转器13的驱动控制。

如上所述，已经描述了作为图像投影设备的示例的平视显示设备500；注意，图像投影设备仅仅需要是投影由投影光学***在图像形成构件上形成的图像的设备。例如，它可以类似地应用于在显示屏上投影图像的投影仪；或一种头戴式显示设备，其被安装在与观察者的头部等附接的附着构件上，利用该头戴式显示设备将图像投影到附着构件的反射/透射屏幕上，或者投影到作为屏幕的眼球中。

而且，图像投影设备不仅可以安装在车辆或附着构件上，而且可以安装在诸如飞行器，船，移动机器人等的移动物体上，或者安装在诸如工作机器人的非移动物体上，例如机械手，工作机器人在不会移动离开其安装位置的情况下对于要***控的物体进行操作。

接下来，将描述作为本发明的特征部分的屏幕构件15的布置。图13是说明当外部光L'(例如太阳光)经由构成投影光学***的投影镜511从挡风玻璃401入射到屏幕构件15上时的光路的说明性视图。在本实施例中，诸如阳光，路灯等的外部光L'可以传输通过挡风玻璃401，入射到平视显示设备500的投影镜511上。此时，光可以在投影镜511上反射，到达屏幕构件15，在屏幕构件15的图像光发射表面上反射，并返回到投影镜511。当以这种方式从屏幕构件15的图像光发射表面返回到投影镜511的外部光L'在投影镜511上被反射时，外部光L'可以沿着与图像光L相同的光路朝向挡风玻璃401传播，然后，与图像光L一起，可以在挡风玻璃401上反射，以朝向作为用户的观察者(驾驶员402)的视区(所谓的眼睛范围)402a传播。在这种情况下，外部光L'叠加在虚拟图像G上，以进入通过图像光而视觉地识别虚拟图像G的驾驶员402的眼睛，，这降低了虚拟图像G的可见性。

因此，在本实施例中，如图13所示，屏幕构件15的图像光发射表面被设置成相对于图像光的光轴L0倾斜，使得即使当入射到投影镜511上的外部光L'入射到屏幕构件15的图像光发射表面上并在屏幕构件15的图像光发射表面上反射，并且沿着外部光L'的光轴传播的光束朝向挡风玻璃401传播并且在挡风玻璃401上被反射时，外部光L'偏离眼睛范围402a。具体地，将倾斜角θ定义为在平面S1与平面S2之间形成的角度，平面S1与从屏幕构件15的图像光发射表面发射的图像光的光轴L0垂直，平面S2平行于屏幕构件15的图像光发射表面，屏幕构件15的图像光发射表面被设置为相对于图像光的光轴L0在0°<θ<90°的范围内倾斜，使得沿着在图像光发射表面上被反射的外部光L'的光轴行进的光束偏离眼睛范围402a。

考虑屏幕构件15的图像光发射表面被设置成与图像光的光轴L0垂直的情况，也即倾斜角θ为零的情况。在这种情况下，例如，当外部光L'沿着从投影镜511传播到挡风玻璃401的图像光的光轴从挡风玻璃401入射到投影镜511上时，外部光L'沿着图像光的光轴L0垂直地入射到屏幕构件15的图像光发射表面上。在这种情况下，在屏幕构件15的图像光发射表面上反射的外部光L'沿着与图像光的光轴L0一样的光轴，向所谓的眼睛范围402a传播，以降低虚拟图像G的可见性。

相反地，在本实施例中，当外部光L'沿着从投影镜511朝向挡风玻璃401传播的图像光的光轴从挡风玻璃401入射到投影镜511上时，外部光L'倾斜地入射到屏幕构件15的图像光发射表面上。因此，在屏幕构件15的图像光发射表面上反射的外部光L'在与图像光的光轴L0不同的方向上被反射，以沿着与图像光的光轴不同的光路传播。然后，在屏幕构件15的图像光发射表面上反射的外部光L'在投影镜511上反射以朝向挡风玻璃401传播，并且即使在挡风玻璃401上反射，也偏离眼睛范围402a。

此外，在本实施例中，入射在投影镜511上、在屏幕构件15的图像光发射表面上被反射、并且沿着外部光L'的光轴传播的光束，构成在屏幕构件15的图像光发射表面上反射的外部光L'中具有最多光量的部分。因此，将光束偏离眼睛范围402能够抑制向眼睛范围402a传播的外部光L'的光量。

在本实施例中，表示屏幕构件15的图像光发射表面和图像光的光轴L0之间的倾斜角度的倾斜角θ的范围可以由下面的表达式(1)限定。换句话说，将倾斜角θ设置在满足以下表达式(1)的范围内使得能够将在屏幕构件15的图像光发射表面上反射的外部光L'偏离眼睛范围402a。[数学.1]

在表达式(1)中，"l"表示当光束到达眼睛范围402a的中心位置时，沿着从屏幕构件15的图像光发射表面发射的图像光的光轴行进的光束的光路长度。如图14所示，沿着从屏幕构件15的图像光发射表面发射的图像光的光轴行进的光束的光路长度l是从屏幕构件15的图像光发射表面到投影镜511的光路长度1₁、从投影镜511到挡风玻璃401的光路长度1₂、以及从挡风玻璃401到眼睛范围402a的中心位置的光路长度1₃的总和。此外，在等式(1)中，"Y_er"表示在通过相对于图像光的光轴L0倾斜的屏幕构件15的图像光发射表面、外部光L'偏离眼睛范围402a的中心位置的方向上的眼睛范围402a的长度；在本实施例中，这对应于眼睛范围402a的垂直长度或在虚拟图像G的次扫描方向上的眼睛范围402a的长度。

这里，当屏幕构件15的图像光发射表面相对于图像光的光轴L0倾斜时，焦点位置可以在图像的***部分处移动，这可以降低虚拟图像G的分辨率特性(表示图像的清晰度的特性)。因此，在本实施例中，有利的是，表示屏幕构件15的图像光发射表面和图像光的光轴L0之间的倾斜角度的倾斜角θ的角度范围被设置在虚拟图像G的分辨率特性可以被包含在允许范围内的范围内。

图15示出了用作分辨率特性的索引值的MTF(调制传递函数)值和表示屏幕构件15的图像光发射表面和图像光的光轴L0之间的倾斜角度的倾斜角θ之间的关系的曲线图。MTF值为10cpd(周期/度)情况下的MTF值，当分辨率特性较好时，MTF值接近100％；如果MTF值大于或等于75％，则可以获得允许范围内的分辨率特性，并且大于或等于80％的值是有利的。如图15所示，在本实施例中，即使当屏幕构件15的图像光发射表面相对于图像光的光轴L0倾斜时，只要倾斜角θ在3°至17°的范围内，则MTF值大于或等于75％，并且可以获得在允许范围内的分辨率特性。此外，如果倾斜角θ在8°至17°的范围内，即使当屏幕构件15的图像光发射表面相对于图像光的光轴L0倾斜时，MTF值也大于或等于80％，并且可以保持满意的分辨率特性。

如上所述，已经描述了本发明的实施例；注意，上述实施例简单地示出了本发明的应用实例。本发明不限于如上所述的实施例，并且可以通过在实现时添加各种修改和改变来实现，而不背离本发明的要旨。

例如，在本实施例中，屏幕构件15具有一结构，在该结构中，图像光发射表面的一侧上设置微透镜阵列，该微透镜阵列具有二维地布置用于漫射入射图像光的微透镜，该微透镜阵列可以设置在图像光入射表面的一侧上，或者可以设置在图像光入射表面和图像发射表面两侧上。然而，当从投影镜511侧入射的外部光L'在屏幕构件15的图像光发射表面上反射时，在图像光发射表面侧上设置微透镜阵列的配置能够使反射光漫射；因此，在反射的外部光L'中到达眼睛范围402a的光量被进一步减少，这使得能够进一步防止由于外部光引起的图像可见度的降低。

而且，将屏幕构件15的图像光发射表面形成为具有凸曲面形状，可以减小场曲。进一步地，这使得当从投影镜511侧入射的外部光L'在屏幕构件15的图像光发射表面上反射时，能够使反射光散射；因此，在反射的外部光L'中到达眼睛范围402a的光量被进一步减少，这使得能够进一步防止由于外部光引起的图像可见度的降低。特别地，如果图像光发射表面仅在主扫描方向和次扫描方向中的一个方向上弯曲，如柱面透镜，则仅在场曲趋于出现的方向上弯曲图像光发射表面是有利的。

此外，通过将屏幕构件15的图像光发射表面形成为具有凸曲面形状，并且通过将屏幕构件15的图像光入射表面形成为具有凹曲面形状以获得环形屏幕构件15，可以减小主扫描方向和次扫描方向上的场曲。或者，屏幕构件15可以形成为使得屏幕构件15的图像光发射表面具有凸曲面形状，并且屏幕构件15的图像光入射表面也具有凸曲面形状。同时在这种情况下，可以减小主扫描方向和次扫描方向上的场曲。

此外，通过将屏幕构件15的图像光发射表面形成为具有自由形式的表面形状，可以减小整个虚拟图像G上的场曲。

以上描述仅示出了实例，并且以下方面中的每一个都带来了具体的效果。

<第一方面>

第一方面的特征在于，图像投影设备(例如平视显示设备500)，其通过投影光学***(例如投影镜511)投影形成在图像形成构件(例如屏幕构件15)上的图像(例如中间图像)，其中将图像形成构件的图像光发射表面设置成相对于图像光的光轴L0倾斜，从而当入射到投影光学***上的外部光L'入射在图像形成构件的图像光发射表面上时，沿着在图像光发射表面上反射的外部光的光轴行进的光束偏离用户的视点区域(例如，眼睛范围402a)。

根据该方面，通过将成像构件的图像光发射表面设置成相对于图像光的光轴倾斜，即使当入射到投影光学***上的外部光入射到图像形成构件的图像光发射表面上并且在图像光发射表面上被反射时，沿着反射的外部光的光轴行进的光也会偏离用户的视点区域。这使得能够在从投影光学***入射到图像形成构件上的外部光中、抑制朝向用户的视点区域行进的光量。因此，可以防止由用户视觉识别的图像的可见度由于外部光而降低。注意，用户的视点区域通常是用户眼睛的位置分布在其中的预定区域，例如，机动车辆的驾驶员的眼睛范围402a等。

<第二方面>

第二方面的特征在于，如第一方面所述的图像投影设备，其中将图像形成构件的图像光发射表面设置成相对于图像光的光轴倾斜，使得在特定空间频率(10cpd)处的MTF(调制传递函数)值落在大于或等于75％的范围内。

根据这一方面，即使当图像形成构件的图像光发射表面被设置成相对于图像光的光轴倾斜时，虚拟图像G的分辨率特性可以保持在允许范围内，并且可以确保用户视觉识别的图像的清晰度。

<第三方面>

第三方面的特征在于，如第一或第二方面所述的图像投影设备，其中与图像光的光轴垂直的平面与图像光发射表面之间的角度(倾斜角θ)落在大于或等于3°且小于或等于17°的范围内。

根据这一方面，即使当图像形成构件的图像光发射表面被设置成相对于图像光的光轴倾斜时，只要倾斜角θ落在该范围内，虚拟图像G的分辨率特性可以保持在允许范围内，并且可以确保用户视觉识别的图像的清晰度。

<第四方面>

第四方面的特征在于，如第一至第三方面中任一项所述的图像投影设备，其中所述图像形成构件包括微透镜阵列，在所述微透镜阵列中，用于漫射入射图像光的微透镜二维地布置在所述图像光发射表面的一侧上。

根据该方面，当入射的外部光在图像形成构件的图像光发射表面上反射时，可以通过微透镜使反射光漫射。因此，在反射的外部光中到达用户的视点区域的光量被进一步减少，并且可以进一步防止由于外部光引起的图像可见度的降低。

<第五方面>

第五方面的特征在于，如第一至第四方面中任一项所述的图像投影设备，其中所述图像形成构件包括微透镜阵列，在所述微透镜阵列中，用于漫射入射图像光的微透镜二维地布置在所述图像光入射表面的一侧上。

根据这一方面，由于从图像形成构件的图像光发射表面发射的图像光的发散轮廓变得比在微透镜阵列设置在图像形成构件的图像光发射表面的一侧的情况更接近矩形形状，所以可以更容易地减小亮度的差异。

<第六方面>

第六方面的特征在于，如第一至第五方面中任一项所述的图像投影设备，其中所述图像形成构件具有图像光发射表面，图像光发射表面具有凸曲面形状。

根据这一方面，可以减小场曲。此外，当入射的外部光在图像形成构件的图像光发射表面上反射时，可以漫射反射的光。因此，在反射的外部光中到达用户的视点区域的光量被进一步减少，并且可以进一步防止由于外部光引起的图像可见度的降低。

<第七方面>

第七方面的特征在于，如第六方面所述的图像投影设备，其中图像形成构件具有图像光入射表面，图像光入射表面具有凹曲面形状。

根据这一方面，可以在主扫描方向和次扫描方向上减小场曲。

<第八方面>

第八方面的特征在于，如第六方面所述的图像投影设备，其中所述图像形成构件具有图像光入射表面，图像光入射表面具有凸曲面形状。

根据这一方面，可以在主扫描方向和次扫描方向上减小场曲。

<第九方面>

第九方面的特征在于，如第六至第八方面中任一项所述的图像投影设备，其中所述图像形成构件具有图像光发射表面，图像光发射表面具有自由形式的曲面形状。

根据该方面，可以在整个虚拟图像G上减小场曲。

<第十方面>

第十方面的特征在于，包括如第一至第九方面中任一项所述的图像投影设备的移动体(例如，机动车辆400)。

根据这一方面，可以实现一种移动体，其中可以防止由于外部光而导致的用户视觉识别的图像的可见性的降低。

引用列表

专利文献

[PTL 1]日本专利No.4325724

本申请基于2018年3月19日向日本专利局提交的日本优先申请No.2018-051221的优先权的权益，其全部内容通过引用结合在本文中。

Claims (10)

1.一种图像投影设备，其特征在于，所述图像投影设备通过投影光学***来投影形成在图像形成构件上的图像，其中，所述图像形成构件的图像光发射表面被设置成相对于图像光的光轴在倾斜角的范围内倾斜，在所述倾斜角的范围内，所述图像的分辨率特性被包含在预定范围内，并且所述图像形成构件的所述图像光发射表面被布置有从所述图像光发射表面到用户的视点区域的光路长度l的设置，使得当入射到所述投影光学***上的外部光直接入射到所述图像形成构件的所述图像光发射表面上时，沿着在所述图像光发射表面上被反射的所述外部光的光轴行进的光束被反射到所述投影光学***，并偏离所述用户的所述视点区域。

2.根据权利要求1所述的图像投影设备，其特征在于，所述图像形成构件的所述图像光发射表面被设置成相对于所述图像光的所述光轴倾斜，使得在特定空间频率处的MTF(调制传递函数)值落在大于或等于75％的范围内。

3.根据权利要求2所述的图像投影设备，其特征在于，在与所述图像光的所述光轴垂直的平面和所述图像光发射表面之间的角度落在大于或等于3°且小于或等于17°的范围内。

4.根据权利要求3所述的图像投影设备，其特征在于，所述图像形成构件包括微透镜阵列，在所述微透镜阵列中，用于漫射入射图像光的微透镜二维地布置在所述图像光发射表面的一侧上。

5.根据权利要求3所述的图像投影设备，其特征在于，所述图像形成构件包括微透镜阵列，在所述微透镜阵列中，用于漫射入射图像光的微透镜二维地布置在所述图像光入射表面的一侧上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的图像投影设备，其特征在于，所述图像形成构件具有凸曲面形状的所述图像光发射表面。

7.根据权利要求6所述的图像投影设备，其特征在于，所述图像形成构件具有凹曲面形状的图像光入射表面。

8.根据权利要求6所述的图像投影设备，其特征在于，所述图像形成构件具有凸曲面形状的图像光入射表面。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的图像投影设备，其特征在于，所述图像形成构件具有自由形式的曲面形状的所述图像光发射表面。

10.一种移动体，其特征在于，包括：

根据权利要求1至9中任一项所述的图像投影设备。

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