CN115004081A - 图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

图像显示装置(100)具有：第一图像投影部(S1)，其照射出第一图像(A1)；成像光学部，其使所述第一图像(A1)在第一距离成像而入射到用户的视点(e)；以及旋转支承部(ARM)，其将所述成像光学部保持为能够以支点(F)为旋转中心地转动。

Description

图像显示装置
技术领域
本发明涉及一种图像显示装置。
背景技术
以往，作为在车辆内显示各种信息的装置，使用点亮并显示图标的仪表盘。另外，随着所显示的信息量的增加，提出了将图像显示装置埋入仪表盘，或者由图像显示装置来构成仪表盘整体。
由于仪表盘位于车辆的挡风玻璃的下方，因此驾驶员为了视觉辨认仪表盘中显示的信息，需要在驾驶中使视线向下方移动，因此不优选。因此，提出了一种平视显示器(以下，称为HUD：Head Up Display)，其将图像投影在挡风玻璃上，在驾驶员对车辆的前方进行视觉辨认时读取信息(例如，参照专利文献1)。在这样的HUD中，需要用于向挡风玻璃的大范围投影图像的光学装置，期望光学装置的小型化和轻量化。
作为使用小型的光学装置来投影光的图像显示装置，已知有具有眼镜形状的头戴式HUD(例如，参照专利文献2)。头戴式HUD将从光源照射出的光直接照射到用户的眼睛，将图像投影到用户的视网膜。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018-118669号公报
专利文献2：日本特表2018-528446号公报
发明内容
发明欲解决的技术问题
但是，在以往的头戴式显示装置中，虽然能够将背景和图像重叠地显示，但在空中成像的图像(空中图像)的成像位置在视听者的视野内被固定，显示位置的自由度低。由此，根据用户的使用用途、各个人的喜好，有时会在不适当的位置显示空中图像，难以提供适当的图像视觉辨认体验。
本发明的目的在于提供一种能够变更在空间中成像的图像的位置且能够提高显示位置的自由度的图像显示装置。
用于解决问题的技术手段
本发明的图像显示装置的特征在于，具有：第一图像投影部，所述第一图像投影部照射出第一图像；成像光学部，所述成像光学部使所述第一图像在第一距离成像而入射到用户的视点；以及旋转支承部，所述旋转支承部将所述成像光学部保持为能够以支点为旋转中心地转动。
在这样的本发明的图像显示装置中，通过使保持于旋转支承部的成像光学部以支点为中心地旋转，能够变更在空间中成像的第一图像的位置，能够提高显示位置的自由度。
发明效果
在本发明中，能够提供一种能够变更在空间中成像的图像的位置且能够提高显示位置的自由度的图像显示装置。
附图说明
图1是表示第一实施方式所涉及的图像显示装置的俯视图。
图2是表示第一实施方式所涉及的图像显示装置的侧视图。
图3是表示第一实施方式所涉及的图像显示装置的立体图。
图4A是表示变形例中的图像显示装置的侧视图。
图4B是表示在变形例的图像显示装置中紫外光和红外光被滤波的情形的图。
图5是表示第二实施方式所涉及的图像显示装置的侧视图。
图6是表示第二实施方式所涉及的图像显示装置的侧视图。
图7是表示第二实施方式所涉及的图像显示装置的立体图。
具体实施方式
(第一实施方式)
下文中，将参考附图详细描述本发明的实施方式。对各附图所示的相同或同等的构成要素、部件、处理标注相同的附图标记，并适当省略重复的说明。另外，为了便于说明，本附图所示的各部件的尺寸有时与实际的各部件的尺寸不同。图1是表示本实施方式所涉及的图像显示装置100的结构的示意俯视图。如图1所示，图像显示装置100具备分束器BS1、BS2、回归反射部RR1、回归反射部RR2、分色镜DM、第一图像投影部S1、第二图像投影部S2以及旋转支承部ARM。
在图1所示的图像显示装置100中，用户从视点e将从第一图像投影部S1和第二图像投影部S2投影出的第一图像A1和第二图像A2视觉辨认为进深方向的不同的距离。在此，用户包括视听者。
在图1中，将纸面左右方向作为进深方向。另外，在图1中，将与进深方向正交的纸面上下方向作为横向。并且，将与进深方向和横向正交的方向作为垂直方向。“进深方向”是包括“前方向”和“后方向”的方向。“横向”是包括“左方向”和“右方向”的方向。“垂直方向”是包括“上方向”和“下方向”的方向。以下说明的附图中所示的符号U表示上方向。符号D表示下方向。符号F表示前方向。符号B表示后方向。符号L表示左方向。符号R表示右方向。在此，在图1中，从视点e朝向作为视线方向的进深方向而表现左右，但横向和垂直方向用于表示图1中的位置关系，上下左右可以变更。
分束器BS1是使入射的光的一部分透过并且使一部分反射的部件。也可以在分束器BS1的表面使用形成有调整反射率的膜的部分反射板。分束器BS1以与横向和进深方向成45度的角度的方式配置。另外，分束器BS1相对于从第一图像投影部S1和第二图像投影部S2照射出的光的光轴也倾斜45度地配置。
分束器BS2是使入射的光的一部分透过并且使一部分反射的部件。在分束器BS2的表面也可以使用形成有调整反射率的膜的部分反射板。分束器BS2以与横向和进深方向成呈45度的角度的方式倾斜地配置。另外，分束器BS2相对于从第一图像投影部S1和第二图像投影部S2照射出的光的光轴也倾斜45度地配置。此时，分束器BS1与分束器BS2以彼此呈90度角地交叉的方式对置配置。
这里，分束器BS1、BS2的光的透过率和反射率可以以任意的平衡来选择。例如，分束器BS1、BS2的透过率均为50％，反射率为50％。另外，在本实施方式中，分束器BS1、BS2相对于从第一图像投影部S1和第二图像投影部S2照射出的光的光轴呈45度倾斜地配置，并且，分束器BS1、BS2以相互正交的方式被配置。但是，分束器BS1、BS2的配置不限于本实施方式，可以根据来自第一图像投影部S1和第二图像投影部S2的光照射方向与图像的成像位置的关系而使用适当的角度。
本实施方式的分束器BS1、BS2是板状的分束器，但也可以是以夹着用于调整反射率的膜的方式将两个直角棱镜的斜面彼此接合而构成的立方体状的分束器。
回归反射部RR1、回归反射部RR2是使入射后的光相对于入射方向反射的光学部件。在回归反射部RR1、回归反射部RR2中，可以使用在反射膜的表面侧铺设微小的玻璃珠的结构或使用了棱镜的结构。回归反射部RR1配置于分束器BS2的右方向。回归反射部RR1的回归性反射面与横向垂直。回归反射部RR2与分束器BS1、BS2并排地配置在进深方向上。回归反射部RR2的回归性反射面与进深方向垂直。
分色镜DM是反射特定波长的光并使其他波长的光透过的光学部件。分色镜DM配置在回归反射部RR1、分束器BS2的左方向，以与进深方向成为45度角的方式倾斜地配置。在图1所示的例子中，分色镜DM使用对从第一图像投影部S1和第二图像投影部S2照射出的光的波长进行反射并使其他的可见光透过的分色镜。如后所述，利用被分色镜DM反射的光，第一图像A1和第二图像A2在空间上成像，因此分色镜DM构成本发明中的成像光学部。
另外，虽然在图1中省略，但也可以在分束器BS2与分色镜DM之间配置成像透镜作为成像光学***的一部分。成像透镜是用于使透过分束器BS2后的光在空间上的规定位置成像的光学部件。另外，作为成像透镜，也可以使用多个透镜组。
第一图像投影部S1和第二图像投影部S2是分别照射构成图像的光的装置，分别经由成像光学部向距用户的眼睛(视点e)规定距离投影图像。第一图像投影部S1配置于分束器BS1的右方向，在横向上对分束器BS1的一个面(与分束器BS2对置的面)照射光。第二图像投影部S2配置在分束器BS1、BS2和回归反射部RR2的后方向上，在进深方向上对分束器BS1的另一个面(与分束器BS2相反的一侧的面)照射光。
第一图像投影部S1、第二图像投影部S2的结构没有限定，例如第一图像投影部S1、第二图像投影部S2可以是具备背光源的液晶显示装置、自发光的有机EL显示装置、使用了光源和调制元件的投影仪装置等。第一图像投影部S1和第二图像投影部S2所投影的图像既可以是静止图像也可以是动态图像，各自所投影的图像可以相同也可以不同。另外，也可以在第一图像投影部S1和第二图像投影部S2分别具备透镜等光学部件。
旋转支承部ARM是对成像光学部中包括的分束器BS1、BS2、回归反射部RR1、回归反射部RR2以及分色镜DM的相对位置关系进行保持并支承的部件，是被设置为能够以支点为旋转中心进行转动的部件。在本实施方式中，示出了第一图像投影部S1、第二图像投影部S2也被旋转支承部ARM保持的例子。
旋转支承部ARM构成为能够在保持了分束器BS1、BS2、回归反射部RR1、回归反射部RR2、分色镜DM、第一图像投影部S1以及第二图像投影部S2的相对位置关系的状态下转动。因此，旋转支承部ARM需要由具有某种程度的刚性的材料制作。构成旋转支承部ARM的具体的材料、形状没有限定，例如可以使用金属、树脂、纸类等。
如图1所示，从第一图像投影部S1照射出的光在被分束器BS1反射后到达分束器BS2。另外，从第二图像投影部S2照射出的光在透过分束器BS1后到达分束器BS2。通过经由分束器BS1，从而第一图像投影部S1照射出的光和第二图像投影部S2照射出的光以相同的入射角度入射到分束器BS2。即，在经由分束器BS1后，第一图像投影部S1照射出的光的光轴与第二图像投影部S2照射出的光的光轴平行对齐。即，分束器BS1作为光轴对准部发挥功能。
到达分束器BS2后的光的一部分被反射而向回归反射部RR1传播，被回归反射部RR1再反射而再次入射到分束器BS2。再次入射到分束器BS2后的光透过分束器BS2，被分色镜DM反射，成像为第一图像A1和第二图像A2。成像为第一图像A1和第二图像A2的光到达用户的眼睛。
到达分束器BS2后的光的剩余的一部分透过分束器BS2而向回归反射部RR2传播，被回归反射部RR2再反射而再次入射到分束器BS2。再次入射到分束器BS2后的光被分束器BS2反射，被分色镜DM反射而成像为第一图像A1和第二图像A2。
如图1所示，通过使用回归反射部RR1和回归反射部RR2，从而被回归反射部RR2回归反射后的光也被分束器BS2反射而到达分色镜DM，成像为第一图像A1和第二图像A2。因此，透过分束器BS2后的光和反射后的光被用于第一图像A1和第二图像A2的成像，因此光量的降低得到抑制。
此时，被回归反射部RR1回归反射后的光和被回归反射部RR2回归反射后的光是由分束器BS2分支的同一内容的图像，需要相互重合地到达分色镜DM。因此，在回归反射部RR1和回归反射部RR2的光学特性相同的情况下，优选使从回归反射部RR1到分束器BS2的距离和从回归反射部RR2到分束器BS2的距离相等。
如上所述，用户能够将使第一图像A1和第二图像A2成像的光入射到同一用户的视野范围，在在进深方向上不同的位置即第一距离和第二距离上视觉辨认第一图像A1和第二图像A2。另外，在从用户的视点e的视线方向配置有使来自背景的光透过的透过板WB的情况下，能够透过透过板WB和分色镜DM来视觉辨认背景，并且能够视觉辨认在空中成像的第一图像A1和第二图像A2。
作为透过板WB的具体例，可以列举出平视显示器的显示面、车辆的挡风玻璃、头盔的防护面罩等。另外，也可以使用其他显示装置对这些透过板WB进行图像显示。
图2是表示本实施方式所涉及的图像显示装置100的结构的示意侧视图。图3是表示本实施方式所涉及的图像显示装置100的结构的示意立体图。如图2以及图3所示，旋转支承部ARM至少对成像光学部中包含的分色镜DM进行保持，能够以支点F为旋转中心在上下方向上以角度θ的范围转动。在此，θ是指，将分色镜DM处于水平时设为0度，由于旋转支承部ARM的上下转动而使分色镜DM上下转动的角度。以下，将θ为0度时(即水平时)的方向称为前方中心方向。在图2及图3中，作为角度θ而示出了使旋转支承部ARM从前方中心方向向下方转动的例子，但也可以向上方转动。
通过使旋转支承部ARM以支点F为中心地转动，从而图1所示的分束器BS1、BS2、回归反射部RR1、回归反射部RR2以及分色镜DM在保持相对的位置关系的状态下转动角度θ。因此，从第一图像投影部S1和第二图像投影部S2照射出的第一图像A1和第二图像A2的空中的成像位置也成为了与旋转支承部ARM的转动同样地仅变动了角度θ的位置。由此，用户在从前方中心方向仅位移了角度θ的方向上视觉辨认第一图像A1和第二图像A2的空中图像。
在此，作为角度θ的范围，优选从视听者的视点e起相对于前方中心方向上下25度的范围(-25°≤θ≤25°)。若角度θ大于±25°，则用于对第一图像A1和第二图像A2的空中图像进行视觉辨认的视线移动量变大，难以保持与背景的重叠显示中的舒适性。
另外，从旋转支承部ARM的支点F到作为成像光学部的分色镜DM的距离和从视点e到分色镜DM的距离优选为相同程度。另外，优选支点F和视点e在进深方向上处于相同的位置。由此，被分色镜DM反射而向视点e方向传播的光的路径以与旋转支承部ARM所转动的角度θ相同的程度进行位移。因此，旋转支承部ARM的转动与第一图像A1和第二图像A2的成像位置的位移连动，能够通过直观的动作实现第一图像A1和第二图像A2的成像位置变更。
假设在使分色镜DM在垂直方向或横向上平行移动的情况下，从视点e观察到的分色镜DM的距离、相对角度发生变化。在该情况下，被分色镜DM反射后的光的路径与图1所示的路径不同，第一图像A1和第二图像A2的显示内容与位置变动前不同。
与此相对，在本申请的图像显示装置100中，分色镜DM的移动不是向垂直方向的平行移动，而是以支点F为中心的旋转移动。由此，用于使第一图像A1和第二图像A2成像的成像光学部的相对位置关系、角度的关系维持在图1所示的关系，第一图像A1和第二图像A2的成像位置维持与视点e的距离，无论旋转支撑部ARM的转动如何，都能够维持空中图像的显示内容。
如上所述，在本实施方式的图像显示装置100中，被旋转支承部ARM保持的分色镜DM以支点F为中心旋转。由此，能够变更在空间中成像的第一图像A1和第二图像A2的位置，能够提高显示位置的自由度。
另外，根据上述结构，图像显示装置100的旋转支承部ARM不仅保持并支承成像光学部，还保持并支承图像投影部S1、S2。当旋转支承部ARM以支点F为中心转动时，在维持成像光学部与图像投影部S1、S2的相对位置关系的状态下，仅转动与旋转支承部ARM相同的角度。因此，即使旋转支承部ARM转动，也能够维持从用户的视点e到第一图像A1和第二图像A2的距离。因此，能够在保持了空中图像的显示内容的状态下，通过旋转支承部ARM的转动来变更显示位置。
(变形例)
图4是表示图像显示装置100的变形例的图，图4A是示意性的侧视图，图4B是示意性地表示将紫外光和红外光滤波的图。在本变形例中，通过使图1所示的图像显示装置100的旋转支承部ARM向上方向转动，从而使第一图像A1和第二图像A2的成像位置从前方中心方向向上方移动。在这种情况下，为了使观看者视觉辨认第一图像A1和第二图像A2的空中图像，用户需要使视线向上方移动。若考虑在室外使用图像显示装置100，则也可能存在太阳光、外部光从用户的上方向视点e传播的情况。因此，在本变形例的图像显示装置100A、构成成像光学部的分色镜DM上组合波长滤波器FL，将不需要的外部光滤波。
波长滤波器FL是将紫外光或/和红外光滤波的光学部件。波长薄膜FL可以使用公知的薄膜结构物。在图4A和图4B中，示出了将分色镜DM和波长滤波器FL分体构成的例子，但也可以将两者组合而一体地形成。另外，分色镜DM也可以构成为反射紫外光或/和红外光，分色镜DM兼作为波长滤波器FL的功能。
如图4B所示，即使紫外光、红外光从外界向视点e方向传播，由于紫外光和红外光被波长滤波器FL滤波或反射，因此紫外光和红外光不到达视点e。由此，即使将旋转支承部ARM向上方转动，也能够防止来自外界的紫外光、红外光直接入射到视听者的视点e，从而能够保护视听者的眼睛。
(第二实施方式)
接着，使用图5至图7对本发明的第二实施方式进行说明。省略说明与第一实施方式重复的内容。本实施方式与第一实施方式的不同点在于，使在空中成像的空中图像的数量增加。图5是表示本实施方式所涉及的图像显示装置200的结构的俯视图。图6是表示本实施方式所涉及的图像显示装置200的结构的侧视图。图7是表示实施方式所涉及的图像显示装置200的结构的立体图。
如图5至图7所示，图像显示装置200具备分束器BS1、BS2、BS3、回归反射部RR1、回归反射部RR2、分色镜DM、第一图像投影部S1、第二图像投影部S2、第三图像投影部S3以及旋转支承部ARM。
分束器BS3是使入射后的光的一部分透过并且使一部分反射的部件。分束器BS3的表面可以使用形成有用于调整反射率的膜的部分反射板。分束器BS3以与横向和进深方向呈45度角的方式倾斜地配置。此时，分束器BS3的倾斜方向和分束器BS1的倾斜方向彼此相同，即，分束器BS3与分束器BS1平行地对置配置。
第三图像投影部S3是照射出构成图像的光的装置，将图像投影到距视听者的眼睛(视点e)规定距离。第二图像投影部S2配置于分束器BS3的右方向，在横向上对分束器BS3的一个面(与分束器BS1对置的面)照射光。第三图像投影部S3配置在分束器BS1、BS2、BS3和回归反射部RR2的后方向，在进深方向上对分束器BS3的另一个面(与分束器BS1相反一侧的面)照射光。
旋转支承部ARM是对成像光学部中包含的分束器BS1、BS2、BS3、回归反射部RR1、回归反射部RR2以及分色镜DM的相对的位置关系进行保持并支承的部件，是被设置为能够以支点F为旋转中心地转动的部件。在本实施方式中，示出了第一图像投影部S1、第二图像投影部S2、第三图像投影部S3也被旋转支承部ARM保持的例子。
从第二图像投影部S2照射出的光在被分束器BS3反射后透过分束器BS1而到达分束器BS2。另外，从第三图像投影部S3照射出的光在透过分束器BS3和分束器BS1后到达分束器BS2。通过经由分束器BS3，从而第二图像投影部S2照射出的光和第三图像投影部S3照射出的光以相同的入射角度入射到分束器BS2。即，在经由分束器BS3之后，第二投影部S2照射出的光的光轴与第三投影部S3照射出的光的光轴平行对齐。即，分束器BS3作为光轴对准部发挥功能。
入射到分束器BS1的光通过与第一实施方式同样的路径入射到分色镜DM，在空中将空中图像成像为第一图像A1、第二图像A2、第三图像A3。在本实施方式的图像显示装置200中，通过追加分束器BS3和第三图像投影部S3，从而能够追加在空中成像的空中图像的数量。在图5至图7中，示出了使用三个图像投影部成像三个空中图像的例子，但通过增加分束器和图像投影部的数量，从而也能够进一步增加图像数。
在本实施方式的图像显示装置200中，被旋转支承部ARM保持的分色镜DM也以支点F为中心旋转。由此，能够变更从在空间中成像的第一图像A1到第三图像A3的位置，能够提高显示位置的自由度。
本发明并不限定于上述的各实施方式，能够在权利要求所示的范围内进行各种变更，将不同的实施方式中分别公开的技术手段适当组合而得到的实施方式也包括在本发明的技术范围内。
本申请适当引用了2020年1月27日申请的日本专利申请(日本特愿2020-011275号)中公开的内容。

Claims (7)

1.一种图像显示装置，其特征在于，具有：
第一图像投影部，所述第一图像投影部照射出第一图像；
成像光学部，所述成像光学部使所述第一图像在第一距离成像而向用户的视点入射；以及
旋转支承部，所述旋转支承部将所述成像光学部保持为能够以支点为旋转中心地转动。
2.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，
所述第一图像投影部被所述旋转支承部保持。
3.根据权利要求1或2所述的图像显示装置，其特征在于，
从所述支点到所述成像光学部的距离与从所述视点到所述成像光学部的距离相等。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的图像显示装置，其特征在于，
所述成像光学部具备将紫外光或/和红外光滤波的波长滤波器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的图像显示装置，其特征在于，
所述旋转支承部能够从所述视听者的前方中心方向在上下25度的范围内旋转。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的图像显示装置，其特征在于，
所述成像光学部具备：
分束器，所述分束器将所述第一图像投影部照射出的光的一部分向第一方向反射，并且使剩余的光向第二方向透过；
第一回归反射部，所述第一回归反射部使在所述第一方向传播的光向所述分束器回归反射；以及
第二回归反射部，所述第二回归反射部使在所述第二方向传播的光向所述分束器回归反射，
所述分束器使被所述第一回归反射部反射后的光向第三方向透过，使被所述第二回归反射部反射后的光向所述第三方向反射，
所述图像显示装置还具备分色镜，所述分色镜使在所述第三方向传播的光在空间上成像。
7.根据权利要求6所述的图像显示装置，其特征在于，具备：
第二图像投影部，所述第二图像投影部照射出第二图像；以及
光轴对准部，所述光轴对准部使所述第二图像投影部照射出的光以与所述第一图像投影部照射出的光相同的入射角度入射到所述分束器。
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