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CN106471417A - 虚像显示装置 - Google Patents

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CN106471417A
CN106471417A CN201580031269.9A CN201580031269A CN106471417A CN 106471417 A CN106471417 A CN 106471417A CN 201580031269 A CN201580031269 A CN 201580031269A CN 106471417 A CN106471417 A CN 106471417A
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Abstract

虚像显示装置(100)具有光源部(111)、偏振切换部(112)、影像生成部(115)、光路单元(120)、投影部(130)。偏振切换部(112)对保持第一偏振方向还是变更为第二偏振方向进行切换，第一偏振方向不变更从光源部(111)出射的光的偏振方向。影像生成部(115)通过从光源部(111)出射的光生成影像。光路单元(120)具备供具有第一偏振方向的光穿过的第一光路(210)和供具有第二偏振方向的光穿过且光路长度比第一光路(210)长的第二光路(220)。利用穿过了第一光路(210)的光，在距观察者第一距离(411)的位置处显示第一虚像(410)。利用穿过了第二光路(220)的光，在距观察者比第一距离(411)远的第二距离(421)的位置处显示第二虚像(420)。

Description

虚像显示装置
技术领域
本发明涉及主要用作汽车的平视显示器等的虚像显示装置。
背景技术
关于车辆用的平视显示器(Head Up Display、以下称为HUD)，从驾驶者观察，在前挡风玻璃的前方将驾驶辅助信息显示为虚像。驾驶辅助信息例如是速度显示、导航信息等。驾驶者能够重叠地观察车辆的前景和驾驶辅助信息。因此，驾驶者能够缩短驾驶时的视线移动的时间或焦点调整的时间。由此，HUD能够实现驾驶者的疲劳的减轻和安全性的提高。
为了进一步缩短驾驶时的焦点调整的时间，需要使虚像的显示距离接近驾驶者的眼睛的焦距。虚像的显示距离是从驾驶者到虚像的距离。驾驶者的眼睛的焦距是从驾驶者到驾驶者注视的位置的距离。
但是，驾驶者注视的位置根据行驶速度等而变化。因此，提出了根据车辆的行驶速度等而使虚像的显示距离变化的技术(例如参照专利文献1)。
在专利文献1所公开的技术中，设置对来自光源的光进行扫描的扫描单元、供由扫描单元扫描的光成像的屏幕、对屏幕上成像的影像进行投影的投影单元，通过使屏幕移动，使虚像的显示距离变化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-150947号公报(段落0023～0047、图1、2)
发明内容
发明要解决的课题
但是，在上述专利文献1所公开的技术中，为了使虚像的显示距离大幅变化，需要延长屏幕的移动距离。并且，需要用于使屏幕移动的驱动装置。因此，装置大型化。并且，使虚像的显示距离变化需要较长时间。
本发明的目的在于，提供能够以可小型化的结构缩短对虚像的显示距离进行变更的时间的虚像显示装置。
用于解决课题的手段
本发明的虚像显示装置具有：光源部，其出射光；偏振切换部，其设置在从光源部出射的光的光路上，对保持第一偏振方向还是变更为第二偏振方向进行切换，其中，所述第一偏振方向不变更从光源部出射的光的偏振方向；影像生成部，其通过从光源部出射的光生成影像；光路单元，其配置在从影像生成部出射的光入射的位置，具备供具有第一偏振方向的光穿过的第一光路和供具有第二偏振方向的光穿过且光路长度比第一光路长的第二光路；以及投影部，其对从光路单元出射的光进行投影。利用穿过了光路单元的第一光路的光，在距观察者第一距离的位置处将影像显示为虚像。利用穿过了光路单元的第二光路的光，在距观察者比第一距离远的第二距离的位置处将影像显示为虚像。
发明效果
根据本发明，能够实现虚像显示装置的小型化，能够缩短对虚像的显示距离进行变更的时间。
附图说明
图1(A)和(B)是示出本发明的实施方式1的虚像显示装置的结构的图以及示出虚像显示装置的光路上的各距离的图。
图2是用于说明实施方式1的虚像显示装置中的光源部的结构例的示意图。
图3是用于说明实施方式1的虚像显示装置中的扫描部的结构例的示意图。
图4(A)和(B)是用于说明实施方式1的虚像显示装置中的偏振切换部的动作原理的示意图。
图5(A)和(B)是用于说明实施方式1的虚像显示装置中的光的偏振方向的示意图。
图6是示出实施方式1的虚像显示装置中、从屏幕到放大镜的距离和从驾驶者的眼睛到虚像的距离的关系的图。
图7(A)和(B)是示出实施方式1的虚像显示装置中的光路切换动作的示意图。
图8是用于说明实施方式1的虚像显示装置中的虚像的显示距离的切换控制的一例的示意图。
图9(A)、(B)和(C)是用于说明实施方式1的虚像显示装置中的虚像的显示距离的切换控制的另一例的示意图。
图10是用于说明实施方式1的虚像显示装置中的虚像的显示距离的切换控制的又一例的示意图。
图11(A)和(B)是示出实施方式1的虚像显示装置中、代替第二偏振镜而设置半反射镜(half mirror)的变形例的图以及示出进一步增加偏振板的变形例的图。
图12(A)和(B)是用于说明实施方式1的虚像显示装置中、在不同的显示距离对影像进行时间分割显示的变形例的图。
图13是示出图12所示的变形例中显示的虚像的例子的示意图。
图14是示出本发明的实施方式2的虚像显示装置中的影像显示部的图。
图15是示出实施方式2的虚像显示装置中的光路的图。
图16是示出本发明的实施方式3的虚像显示装置的结构的图。
图17是示出本发明的实施方式4的虚像显示装置的结构的图。
图18是示出本发明的实施方式4的虚像显示装置的结构的变形例的图。
图19是示出本发明的实施方式5的虚像显示装置的结构的图。
具体实施方式
实施方式1.
<虚像显示装置的整体结构>
图1(A)是示出实施方式1的虚像显示装置100的结构的图。图1(B)是用于说明虚像显示装置100内的光路上的各距离的示意图。图1(A)和图1(B)所示的虚像显示装置100例如用作搭载在车辆600(参照图8)的仪表板610上的平视显示器。
另外，下面，为了便于说明，在虚像显示装置100搭载在车辆600上的状态下，将重力方向称为“铅直方向”，将与铅直方向正交的方向称为“水平方向”。
如图1(A)所示，虚像显示装置100具有光源部111、偏振切换部112、影像生成部115和光路单元120。在以下的说明中，将偏振切换部112作为偏振切换元件进行说明。
作为一例，影像生成部115作为具有扫描部113和屏幕114的结构进行说明。并且，设具有光源部111、偏振切换元件112、扫描部113和屏幕114的结构为影像显示部110。
影像显示部110显示影像。光源部111出射光(这里为激光)。偏振切换元件112对从光源部111出射的光的偏振方向进行控制。扫描部113在屏幕114上扫描从偏振切换元件112出射的光。另外，如上所述，扫描部113和屏幕114构成影像生成部115。
光路单元120具有使从影像显示部110出射的光(影像光)穿过的2个光路。作为一例，将光路单元120设为具有第一偏振镜121、第二偏振镜122、第一反射镜123和第二反射镜124的结构进行说明。
并且，虚像显示装置100可以具有放大镜130和控制部150。
作为投影部的放大镜130对从光路单元120出射的光进行放大并投影。控制部150对光源部111、偏振切换元件112和扫描部113进行控制。
<光源部的结构>
图2是示出光源部111的结构例的示意图。光源部111例如具有出射红色、绿色和蓝色的波长的激光的半导体激光器11R、11G、11B。光源部111将从这些半导体激光器11R、11G、11B出射的各激光作为共同光轴A0上的光束进行出射。
在图2所示的结构例中，半导体激光器11R、11G、11B在一个方向上并排配置。即，在图2中，半导体激光器11R、11G、11B在与光轴A0平行的方向上并排配置。
在半导体激光器11R、11G、11B的出射侧分别配置有镜11a、11b、11c(合成单元)。
镜11a是使从半导体激光器11R出射的红色的激光进行90度反射的反射镜。在实施方式1中，作为一例，镜11a是全反射镜。
镜11b使从半导体激光器11G出射的绿色的激光进行90度反射。并且，镜11b透射由镜11a反射的红色的激光。这里，将透射一部分波长的光并反射其他波长的光的镜称为“选择透射/反射镜”。即，镜11b是反射绿色的激光并透射红色的激光的选择透射/反射镜。
镜11c使从半导体激光器11B出射的蓝色的激光进行90度反射。并且，镜11c使透射过镜11b的红色的激光和由镜11b反射的绿色的激光透射。即，镜11c是反射蓝色的激光并透射红色和绿色的激光的选择透射/反射镜。
由此，红色、绿色和蓝色的波长的激光被合成，作为共同光轴A0上的光束进行出射。
另外，光源部111的结构不限于图2所示的结构例。例如，也可以使用分光棱镜等对各颜色的激光进行合成并出射。
关于光源部111中使用的半导体激光器的偏振特性，一般具有TE(TransverseElectric)模式和TM(Transverse Magnetic)模式。在TE模式的情况下，成为与半导体激光器的接合面平行的偏振方向的直线偏振光。在TM模式的情况下，成为与半导体激光器的接合面正交的偏振方向的直线偏振光。另外，能够根据半导体激光器的封装形状来判别半导体激光器的接合面的方向。并且，根据半导体激光器的规格来确定半导体激光器的偏振特性的模式(TE模式/TM模式)。
<偏振切换元件的结构>
返回图1(A)，从光源部111出射的光入射到偏振切换元件112。偏振切换元件112根据施加电压对入射光的偏振方向进行变更。即，偏振切换元件112根据施加电压，能够使入射光的偏振方向旋转90度进行出射。并且，偏振切换元件112根据施加电压，能够不改变偏振方向进行出射。
图4(A)和(B)是用于说明偏振切换元件112的基本结构的示意图。偏振切换元件112例如可以由液晶元件构成。
具体而言，偏振切换元件112是在槽的方向相差90度的2张取向膜12a、12b之间设置由液晶分子构成的液晶层12c而得到的。在取向膜12a、12b的两侧设置有用于对液晶层12c施加电压的透明电极12d、12e。
如图4(A)所示，在未对液晶层12c施加电压的状态下，液晶分子沿着取向膜12a、12b的槽的方向排列。因此，以沿着液晶分子的扭转的方式，入射到液晶层12c的光的偏振方向扭转90度。即，入射光的偏振方向旋转90度后进行出射。例如，在图4(A)中，当设入射光的偏振方向为第一偏振方向时，出射光的偏振方向是第二偏振方向。
另一方面，如图4(B)所示，当对液晶层12c施加电压(V)时，液晶分子沿着电场的方向排列。因此，入射到液晶层12c的光的偏振方向不会变化。入射光以原来的偏振方向进行出射。例如，在图4(B)中，当设入射光的偏振方向为第一偏振方向时，出射光的偏振方向是第一偏振方向。
图5(A)和(B)是用于说明本实施方式1中使用的光的偏振方向的示意图。图5(A)和(B)是示出从光源部111侧观察偏振切换元件112的入射面的情况下的偏振方向的图。
光源部111配置成，从光源部111出射的光(激光)的偏振方向在偏振切换元件112的入射面中成为第一偏振方向(图5(A))。从光源部111侧观察偏振切换元件112的入射面，第一偏振方向是相对于铅直方向顺时针旋转45度的方向。
偏振切换元件112的入射侧的取向膜12a的槽方向设置成透射从光源部111出射的第一偏振方向的光的朝向。
在对偏振切换元件112施加了电压时，如图4(B)所示，偏振方向没有变化。因此，从偏振切换元件112出射第一偏振方向(图5(A))的光。
在未对偏振切换元件112施加电压时，如图4(A)所示，偏振方向变化90度。因此，从偏振切换元件112出射第二偏振方向(图5(B))的光。
<扫描部的结构>
扫描部113例如由MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)镜或检流计镜(galvanometer mirror)构成。透射过偏振切换元件112的光入射到扫描部113。扫描部113在屏幕114上对所入射的光进行二维扫描，生成影像。另外，将生成影像的光(在屏幕114上扫描的光)称为影像光。
图3是示出利用MEMS镜构成扫描部113的情况下的基本结构的示意图。扫描部113(MEMS镜)以能够以2个轴为中心轴(旋转轴)旋转的方式设置具有反射面的扫描镜113a。2个轴例如是水平方向的旋转轴(X轴)和铅直方向的旋转轴(Y轴)。
通过使扫描镜113a绕铅直方向的旋转轴(Y轴)旋转，在水平方向上扫描光。并且，通过使扫描镜113a绕水平方向的旋转轴(X轴)旋转，在铅直方向上扫描光。由此，扫描部113在双轴方向上进行光栅扫描。“光栅扫描”是如下方式：在显示器的画面上描绘水平的扫描线，通过使该扫描依次在铅直方向上偏移，显示图像。
控制部150根据要显示的影像信号数据，将激光器驱动信号发送至光源部111。并且，控制部150将与激光器驱动信号同步的MEMS驱动信号发送至扫描部113。
屏幕114是透射型屏幕。在屏幕114的表面上对光进行二维扫描，显示影像。屏幕114的尺寸例如为6英寸(对角尺寸)。
另外，屏幕114不限于透射型，也可以是反射型。并且，影像信号数据可以由控制部150本身生成，或者也可以由例如车辆的控制部或导航系统等其他设备生成。
设扫描镜113a位于以水平方向的旋转轴为中心的旋转方向的中心位置、且位于以铅直方向的旋转轴为中心的旋转方向的中心位置的状态为扫描镜113a的基准位置。设在扫描镜113a位于基准位置(中心位置)的状态下从扫描镜113a出射的光的中心光线的路径为基准光轴Ax。基准光轴Ax穿过屏幕114的水平方向和铅直方向上的中心位置。
<光路单元的结构>
返回图1(A)，透射过屏幕114的光入射到光路单元120。透射过屏幕114的光是影像光。
光路单元120具有与入射光的偏振方向对应的第一光路210和第二光路220。入射光的偏振方向由偏振切换元件112控制。第一光路210和第二光路220的光路长度相互不同。即，第一光路210的光路长度与第二光路220的光路长度不同。
光路单元120朝向放大镜130出射穿过了第一光路210或第二光路220的光。光路单元120的结构在后面叙述。
<放大镜的结构>
放大镜130例如具备具有负光焦度的反射面(凹面)。放大镜130朝向前挡风玻璃300投影从光路单元120出射的影像光。由此，从驾驶者(观察者)观察，在前挡风玻璃300的前方放大显示第一虚像410或第二虚像420。
驾驶者能够观察到由放大镜130投影的影像与前挡风玻璃300的前方的风景重叠。即，驾驶者能够观察到第一虚像410和前挡风玻璃300的前方的风景重叠后的像。或者，驾驶者能够观察到第二虚像420和前挡风玻璃300的前方的风景重叠后的像。
放大镜130的反射面例如形成为自由曲面，以对由于前挡风玻璃300的曲率而产生的影像的失真进行校正。
<虚像的显示距离>
如图1(B)所示，从屏幕114的位置a到放大镜130的位置b的距离用Lab表示。并且，从放大镜130的位置b经由前挡风玻璃300(位置c)到虚像的位置v的距离用Lbv表示。在图1(B)中，距离Lbv用单点划线表示。虚像的位置v是第一虚像410的位置e或第二虚像420的位置f。
放大镜130的焦距用F表示。该情况下，根据透镜的成像公式，以下的式(1)成立。
1/Lab-1/Lbv＝1/F…(1)
对该式(1)进行展开时，得到以下的式(2)。
Lbv＝1/(1/Lab-1/F)…(2)
并且，从放大镜130的位置b到前挡风玻璃300的位置c的距离用Lbc表示。从前挡风玻璃300的位置c到驾驶者的眼睛500的位置d的距离用Lcd表示。从驾驶者的眼睛500的位置d到虚像的位置v(即第一虚像410的位置e或第二虚像420的位置f)的距离用Ldv表示。
从前挡风玻璃300的位置c到虚像的位置v的距离Lcv可以表示为Ldv-Lcd，并且也可以表示为Lbv-Lbc。因此，以下的式(3)成立。
Ldv-Lcd＝Lbv-Lbc…(3)
将上述的式(3)变形为
Ldv＝Lbv-Lbc+Lcd
代入上述的式(2)时，得到以下的式(4)。
Ldv＝1/(1/Lab-1/F)-Lbc+Lcd…(4)
例如，设距离Lbc为250mm。距离Lbc是从放大镜130的位置b到前挡风玻璃300的位置c的距离。设距离Lcd为850mm。距离Lcd是从前挡风玻璃300的位置c到驾驶者的眼睛500的位置d的距离。而且，设放大镜130的焦距F为600mm。
在这些条件的情况下，距离Lab和距离Ldv的关系成为图6所示的曲线图。距离Lab是从屏幕114的位置a到放大镜130的位置b的距离。距离Ldv是从驾驶者的眼睛500的位置d到虚像的距离。
图6是示出虚像显示装置中、从屏幕114到放大镜130的距离Lab和从驾驶者的眼睛500到虚像的距离Ldv的关系的图。横轴是距离Lab(mm)。在图6中，左侧的距离Lab的值较小。纵轴是距离Ldv(m)。在图6中，下侧的距离Ldv的值较小。
如图6所示，随着距离Lab接近焦距F(600mm)，距离Ldv变长。并且，随着距离Lab接近焦距F(600mm)，距离Ldv的变化相对于距离Lab的变化的比例急剧增大。距离Lab是从屏幕114的位置a到放大镜130的位置b的距离。距离Ldv是从驾驶者的眼睛500的位置d到虚像的距离。
一般情况下，当驾驶者在城市街道等以通常速度驾驶时，认为驾驶者注视从驾驶者的眼睛500起比较近的位置(前方4～10m左右的位置)。这里，通常速度例如为时速50～60Km左右。例如，在通常驾驶时的虚像显示位置设定为比驾驶者注视的位置近的2m的情况下，在图6的曲线图中，当把距离Ldv设定为2m时，距离Lab大约为420mm。距离Ldv是从驾驶者的眼睛500的位置d到虚像的距离。距离Lab是从屏幕114的位置a到放大镜130的位置b的距离。
另一方面，当驾驶者在高速道路等以高速驾驶时，认为驾驶者注视从驾驶者的眼睛500起较远的位置(前方30～50m左右的位置)。这里，高速例如为时速80Km以上。例如，在高速驾驶时的虚像显示位置设定为比驾驶者注视的位置近的20m的情况下，在图6中，当把距离Ldv设定为20m时，距离Lab大约为582mm。距离Ldv是从驾驶者的眼睛500的位置d到虚像的距离。距离Lab是从屏幕114的位置a到放大镜130的位置b的距离。
因此，在本实施方式1中，根据驾驶状况(例如车辆的行驶速度)来切换距离Lab。由此，在图1(A)所示的第一距离411与第二距离421之间切换从观察者到虚像的显示位置的距离(称为显示距离)。距离Lab是从屏幕114的位置a到放大镜130的位置b的距离。
另外，距离Lcd大致由座椅601(参照图8)的配置等规格来决定。距离Lbc大致由仪表板610(参照图8)与前挡风玻璃300的位置关系等规格来决定。在一般车辆的规格中，距离Lbc、Lcd、Ldv等大致为上述数值。距离Lcd是从前挡风玻璃300的位置c到驾驶者的眼睛500的位置d的距离。距离Lbc是从放大镜130的位置b到前挡风玻璃300的位置c的距离。
放大镜130的放大率M用Lbv/Lab表示。虚像的尺寸成为屏幕114的尺寸乘以放大率M而得到的尺寸。
例如，在设屏幕114的尺寸为6英寸的情况下，距离2m(第一距离411)的位置e处显示的影像(虚像)的尺寸(对角尺寸)例如为20英寸。并且，距离20m(第二距离421)的位置f处显示的影像(虚像)的尺寸例如为200英寸。驾驶者能够观察的外观尺寸例如均为10英寸。另外，画面的大小用对角线的长度的数值表示。单位使用英寸，将数值称为英寸数。这里，虚像的大小用英寸数表示。
另外，这里，设放大镜130的焦距F为60mm。但是，当放大镜130的焦距F变化时，距离Lab与距离Ldv的关系也变化。距离Lab是从屏幕114的位置a到放大镜130的位置b的距离。距离Ldv是从驾驶者的眼睛500的位置d到虚像的位置v的距离。
即，放大镜130的焦距F越小，则图6所示的曲线越向左侧偏移。即，曲线向距离Lab的值较小的方向移动。
因此，将焦距F设定得越小，则即使较短地设定距离Lab，也能够延长距离Ldv。距离Lab是从屏幕114的位置a到放大镜130的位置b的距离。距离Ldv是从驾驶者的眼睛500的位置d到虚像的距离。
<光路单元的结构>
接着，对切换距离Lab的光路单元120的具体结构进行说明。距离Lab是从屏幕114的位置a到放大镜130的位置b的距离。
如图1(A)所示，光路单元120例如具有第一偏振镜121、第二偏振镜122、第一反射镜123和第二反射镜124。
第一偏振镜121(第一偏振分离元件)配置在透射过屏幕114的光(影像光)入射的位置。即，透射过屏幕114的光(影像光)入射到第一偏振镜121(第一偏振分离元件)。更具体而言，第一偏振镜121的中心位置(水平方向和铅直方向上的中心位置)位于上述基准光轴Ax上。
第一偏振镜121是根据入射光的偏振方向而反射或透射该入射光的偏振分离元件。这里，第一偏振镜121透射图5(B)所示的第二偏振方向的光。并且，第一偏振镜121反射图5(A)所示的第一偏振方向的光。
在图1(A)中，例如，第一偏振镜121朝下方以90度的角度反射第一偏振方向的光。这里的“角度”是合并了光的入射角和反射角而得到的角度。
另外，第一偏振镜121不限于这种结构，也可以透射图5(A)所示的第一偏振方向的光，反射图5(B)所示的第二偏振方向的光。
第二偏振镜122(第二偏振分离元件)配置在透射过第一偏振镜121的光入射的位置。第二偏振镜122(第二偏振分离元件)配置在从第一偏振镜121起的距离L1的位置。
更具体而言，第二偏振镜122的水平方向和铅直方向上的中心位置位于上述扫描镜113a的基准光轴Ax上。而且，从第一偏振镜121到第二偏振镜122的基准光轴Ax上的长度为距离L1。
与第一偏振镜121同样，第二偏振镜122是根据入射光的偏振方向而反射或透射该入射光的偏振分离元件。这里，第二偏振镜122透射第二偏振方向的光。即，第二偏振镜122使透射过第一偏振镜121的光透射。并且，第二偏振镜122以90度的反射角度反射第一偏振方向的光。即，第二偏振镜122以90度的反射角度反射由第一偏振镜121、第一反射镜123和第二反射镜124依次反射的光。
第一反射镜123配置在由第一偏振镜121反射的光入射的位置。第一反射镜123配置在从第一偏振镜121起的距离L2的位置。
更具体而言，第一反射镜123的中心位置(水平方向和铅直方向上的中心位置)位于穿过第一偏振镜121的中心位置且与基准光轴Ax正交的轴线上。而且，从第一偏振镜121到第一反射镜123的与基准光轴Ax垂直的轴线上的长度为距离L2。
第一反射镜123例如是以90度的角度反射入射光的全反射镜。这里，由第一反射镜123反射的光的行进方向与透射过第一偏振镜121的光的行进方向平行。
第二反射镜124配置在由第一反射镜123反射的光入射的位置。即，由第一反射镜123反射的光入射到第二反射镜124。更具体而言，第二反射镜124的中心位置(水平方向和铅直方向上的中心位置)位于穿过第一反射镜123的中心位置且与基准光轴Ax平行的轴线上。
从第一反射镜123到第二反射镜124的距离与从第一偏振镜121到第二偏振镜122的距离L1相同。即，从第一反射镜123到第二反射镜124的基准光轴Ax上的长度为距离L1。
与第一反射镜123同样，第二反射镜124例如是以90度的角度反射入射光的全反射镜。
第二反射镜124配置成由该第二反射镜124反射的光入射到第二偏振镜122。即，由第二反射镜124反射的光入射到第二偏振镜122。更具体而言，第二反射镜124的中心位置(水平方向和铅直方向上的中心位置)位于穿过第二反射镜124的中心位置且与基准光轴Ax垂直的轴线上。
从第二反射镜124到第二偏振镜122的距离与从第一偏振镜121到第一反射镜123的距离L2相同。即，从第二反射镜124到第二偏振镜122的与基准光轴Ax垂直的轴线上的长度为距离L2。
由于这样构成，所以，第二偏振方向(图5(B))的光透射过第一偏振镜121，还透射过第二偏振镜122，入射到放大镜130。这样，设透射过第一偏振镜121和第二偏振镜122的光的光路为第一光路210。
另一方面，第一偏振方向(图5(A))的光由第一偏振镜121反射。
由第一偏振镜121反射的光进一步由第一反射镜123和第二反射镜124反射并入射到第二偏振镜122。进而，由反射镜124反射并入射到第二偏振镜122的光还由第二偏振镜122反射并入射到放大镜130。
这样，设由第一偏振镜121、第一反射镜123、第二反射镜124和第二偏振镜122依次反射的光的光路为第二光路220。第二光路220的光路长度比第一光路210长距离L2×2。
例如，如上所述，在420mm和582mm之间切换距离Lab的情况下，根据距离L2×2＝582mm-420mm(＝162mm)的计算，距离L2大约为81mm。并且，距离L1为420mm以下，则可以自由设定。距离Lab是从屏幕114的位置a到放大镜130的位置b的距离。
<虚像显示装置的作用>
图7(A)是示出未对偏振切换元件112施加电压的情况下的从屏幕114到放大镜130的光路的图。图7(B)是示出对偏振切换元件112施加了电压的情况下的从屏幕114到放大镜130的光路的图。在图7(A)和图7(B)中，对屏幕114以后的光束施加斜线而示出。
在未对偏振切换元件112施加电压的情况下，从偏振切换元件112出射第二偏振方向(图5(B))的光。然后，第二偏振方向的光入射到光路单元120。如图7(A)所示，第二偏振方向的光透射过第一偏振镜121并穿过第一光路210。然后，第二偏振方向的光透射过第二偏振镜122。然后，透射过第二偏振镜122的光入射到放大镜130。
另一方面，在对偏振切换元件112施加了电压的情况下，从偏振切换元件112出射第一偏振方向(图5(A))的光。然后，第一偏振方向的光入射到光路单元120。如图7(B)所示，第一偏振方向的光由第一偏振镜121反射并穿过第二光路220。即，第一偏振方向的光由第一反射镜123和第二反射镜124依次反射并入射到第二偏振镜122。进而，第一偏振方向的光由第二偏振镜122反射。然后，由第二偏振镜122反射的光入射到放大镜130。
如上所述，第二光路220的光路长度比第一光路210长距离L2×2。因此，在对偏振切换元件112施加了电压的情况下，与未施加电压的情况相比，距离Lab也变长距离L2×2。距离Lab是光从屏幕114的位置a行进到放大镜130的位置b的距离。
因此，在未对偏振切换元件112施加电压的情况下，在从驾驶者的眼睛500起较近的第一距离411(位置e)，将屏幕114上生成的影像显示为虚像(第一虚像410)。另一方面，在对偏振切换元件112施加了电压的情况下，在从驾驶者的眼睛500起较远的第二距离421(位置f)，将屏幕114上生成的影像显示为虚像(第二虚像420)。
另外，第一虚像410由具有第一偏振方向(图5(A))的偏振特性的光形成。并且，第二虚像420由具有第二偏振方向(图5(B))的偏振特性的光形成。如图5(A)和图5(B)所示，第一偏振方向和第二偏振方向均相对于水平方向和铅直方向倾斜。因此，即使驾驶者佩戴了偏光太阳镜，也不会妨碍观察虚像。
这是因为，偏光太阳镜以遮断太阳光的反射光等为目的，构成为遮断具有水平方向的偏振方向的光。在实施方式1中，如上所述，形成第一虚像410的光的偏振方向(第一偏振方向)和形成第二虚像420的光的偏振方向(第二偏振方向)相对于水平方向倾斜。因此，即使隔着偏光太阳镜进行观察，虽然光量减半，但是，能够观察到第一虚像410和第二虚像420。
第一偏振镜121和第二偏振镜122一般具有透射p偏振的光且反射s偏振的光的特性。
因此，在入射到光路单元120的入射光的偏振方向为p偏振的情况下，入射到光路单元120的入射光穿过第一光路210。即，入射到光路单元120的入射光透射过第一偏振镜121和第二偏振镜122。第一光路210是透射第一偏振镜121和第二反射镜124的光路。
另一方面，在入射到光路单元120的入射光的偏振方向为s偏振的情况下，入射到光路单元120的入射光穿过第二光路220。即，入射到光路单元120的入射光由第一偏振镜121和第二偏振镜122反射。第二光路220是由第一偏振镜121、第一反射镜123、第二反射镜124和第二偏振镜122依次反射的光的光路。
因此，在入射到光路单元120的入射光的偏振方向为p偏振的情况下，在位置e显示虚像410。另一方面，在入射到光路单元120的入射光的偏振方向为s偏振的情况下，在位置f显示虚像420。
<虚像的显示距离的切换控制的例子>
在实施方式1中，虚像显示装置100的控制部150对针对偏振切换元件112的电压施加进行控制，切换显示虚像的位置e、f。
图8是用于说明虚像显示装置100的控制部150进行的虚像的显示距离的切换控制的一例的示意图。一般情况下，驾驶者在行驶速度较慢时注视车辆的附近，在行驶速度较快时注视远方。因此，在驾驶者注视远方的状况下，控制部150对偏振切换元件112施加电压。然后，虚像显示装置100在距驾驶者较远的第二距离421(位置f)处显示第二虚像420。
驾驶者注视远方的状况例如是在高速道路上行驶中的情况等。
例如，能够根据车辆的行驶速度的信息或导航信息来判断车辆600是否在高速道路上行驶中。导航信息是从导航系统630(参照图9)受理的信息。
例如，在图8所示的例子中，控制部150从车辆600所具有的行驶速度传感器620取得车辆600的行驶速度的信息。
在车辆600的行驶速度小于规定值(例如80km/h)的情况下，控制部150不对偏振切换元件112施加电压。然后，虚像显示装置100在距驾驶者较近的第一距离411(位置e)处显示第一虚像410。
另一方面，在车辆600的行驶速度为规定值(例如80km/h)以上的情况下，控制部150对偏振切换元件112施加电压。然后，虚像显示装置100在距驾驶者较远的第二距离421(位置f)处显示第二虚像420。
这样，在驾驶者注视远方的状况下，在距驾驶者更远的第二距离421(位置f)处显示虚像，由此，能够缩短调整驾驶者的眼睛500的焦点的时间，能够提高可视性。
图9(A)是用于说明虚像显示装置100的控制部150进行的虚像的显示位置的切换控制的另一例的示意图。
在图9(A)所示的例子中，控制部150从车辆600所具有的导航系统630取得车辆600的当前的位置信息。
在车辆600的当前位置是一般道路上的情况下，控制部150不对偏振切换元件112施加电压。然后，虚像显示装置100在距驾驶者较近的第一距离411(位置e)处显示第一虚像410。
另一方面，在车辆600的当前位置是高速道路上的情况下，控制部150对偏振切换元件112施加电压。然后，虚像显示装置100在距驾驶者较远的第二距离421(位置f)处显示第二虚像420。
另外，一般情况下，对于车辆600而言，一般道路的行驶频度高于高速道路的行驶频度。因此，虚像显示装置100构成为，在不对偏振切换元件112施加电压的状态下在距驾驶者较近的第一距离411处显示第一虚像410。
但是，偏振切换元件112的功耗非常小。因此，虚像显示装置100也可以构成为，在对偏振切换元件112施加了电压的状态下在距驾驶者较近的第一距离411处显示第一虚像410，在不对偏振切换元件112施加电压的状态下在距驾驶者较远的第二距离421处显示第二虚像420。
并且，这里，在车辆600高速行驶时，在距驾驶者较远的第二距离421处显示虚像。但是，不限于这种结构。
例如，在显示表示在十字路口等处右转的方向或左转的方向的箭头的情况下，也可以根据从车辆600的当前地到目标十字路口的距离来切换虚像的显示距离。将表示该方向的箭头称为“方向指示箭头”。
该情况下，例如，控制部150从导航系统630(图9(A))取得车辆600的当前地的信息和车辆600预计要右转或左转的十字路口的位置信息。
在从车辆600的当前地到十字路口的距离为规定距离以上的情况下，虚像显示装置100在距驾驶者较远的第二距离421(位置f)处显示方向指示箭头。
另一方面，在小于规定距离的情况下，虚像显示装置100在距驾驶者较近的第一距离411(位置e)处显示方向指示箭头。
车辆600预计要右转或左转的十字路口越近，则驾驶者注视车辆600的附近的可能性越高。因此，这样，驾驶者容易识别方向指示箭头。
进而，也可以不仅仅是切换虚像的显示距离，还使显示的内容的大小变化。
图9(B)和图9(C)是示出方向指示箭头B的显示例的示意图。图9(B)是从当前地到十字路口的距离较近的情况下的图。图9(C)是从当前地到十字路口的距离较远的情况下的图。
例如，如图9(B)和图9(C)所示，从当前地到十字路口的距离越近，则越大地显示方向指示箭头B。并且，从当前地到十字路口的距离越远，则越小地显示方向指示箭头B。这样，能够使驾驶者感觉到与十字路口之间的距离感。
并且，还考虑显示唤起注意的信息作为虚像的情况。唤起注意的信息也称为注意唤起信息或警告信息。唤起注意的信息例如是车辆的前方的落下物等障碍物或步行者等。下面，将障碍物或步行者等称为“注意对象物”。
也可以根据从车辆到注意对象物的距离来切换虚像的显示距离。图10是用于说明虚像的显示距离的切换控制的又一例的示意图。
例如，如图10所示，有时在车辆600中具有组合了前方监视照相机640和图像处理装置641的前方监视系统。前方监视照相机640是搭载在车辆600上且用于监视车辆600的前方的照相机。
前方监视照相机640取得车辆600的前方的图像。图像处理装置641根据由前方监视照相机640取得的车辆前方的图像，计算从车辆600的当前地到注意对象物的距离。虚像显示装置100的控制部150从图像处理装置641取得与注意对象物之间的距离的信息。
在与注意对象物之间的距离为规定距离以上的情况下，虚像显示装置100在距驾驶者较远的第二距离421(位置f)处显示“前方注意”等注意唤起信息。另一方面，在与注意对象物之间的距离小于规定距离的情况下，虚像显示装置100在距驾驶者较近的距离411(位置e)处显示注意唤起信息。由此，能够提高针对驾驶者的注意唤起的效果。
<实施方式1的效果>
如以上说明的那样，根据实施方式1，利用偏振切换元件112切换光的偏振方向。通过切换光的偏振方向，在光路单元120中切换光路长度。并且，通过切换光路长度，切换虚像的显示距离。虚像的显示距离是从驾驶者到虚像的显示位置的距离。
因此，与通过使屏幕移动来切换虚像的显示距离的结构相比，能够在短时间内切换虚像的显示距离。并且，不需要设置使屏幕移动的机构，所以，能够有助于虚像显示装置100的小型化。
并且，偏振切换元件112切换通过扫描部113(例如MEMS镜)对光进行二维扫描之前的光的偏振方向。因此，入射到偏振切换元件112的光的光束较细，能够利用较小的元件构成偏振切换元件112。
进而，关于光路单元120，只要在设置于一般的虚像显示装置中的光路上追加光路单元120即可。这里，一般的虚像显示装置中设置的光路相当于实施方式1的从屏幕114到放大镜130的光路。因此，能够利用简单的装置结构来切换虚像的显示距离。另外，如上所述，光路单元120例如具有第一偏振镜121、第一反射镜123、第二反射镜124和第二偏振镜122。
并且，虚像显示装置100根据车辆的行驶速度、从车辆的当前地到十字路口的距离或从车辆到注意对象物的距离等，切换虚像的显示距离。由此，虚像显示装置100能够在驾驶者的注视位置的附近显示虚像。
而且，虚像显示装置100能够进一步提高驾驶者的可视性。十字路口是车辆预计要右转或左转的十字路口。
另外，在实施方式1中，将偏振切换元件112配置在扫描部113的入射侧(光源部111侧)。但是，偏振切换元件112只要配置在从光源部111到光路单元120之间即可。例如，可以将偏振切换元件112配置在扫描部113与屏幕114之间。并且，还可以将偏振切换元件112配置在屏幕114的出射侧。
并且，在实施方式1中，在不对偏振切换元件112施加电压的情况下，光穿过第一光路210，在对偏振切换元件112施加了电压的情况下，光穿过第二光路220。但是，也可以是，与此相反，在对偏振切换元件112施加了电压的情况下，光穿过第一光路210，在不对偏振切换元件112施加电压的情况下，光穿过第二光路220。
并且，在实施方式1中，将第一偏振方向(图5(A))设为光路单元120的入射面中相对于铅直方向顺时针旋转45度后的偏振方向，将第二偏振方向(图5(B))设为光路单元120的入射面中相对于铅直方向逆时针旋转45度后的偏振方向。但是，第一偏振方向和第二偏振方向的关系也可以相反。
<结构的变形例1>
图11(A)是示出代替第二偏振镜122而使用半透半反镜125的虚像显示装置100的结构的变形例1的图。半透半反镜125与偏振方向无关而透射入射光的光量的一半并反射一半。
在图11(A)所示的虚像显示装置100中，半透半反镜125配置在与第二偏振镜122(图1(A))相同的位置。透射过第一偏振镜121的光入射到半透半反镜125，其光量的一半透射过半透半反镜125并入射到放大镜130。
并且，由第一偏振镜121反射的光由第一反射镜123和第二反射镜124依次反射并入射到半透半反镜125。从第二反射镜124入射到半透半反镜125的光的光量的一半由半透半反镜125反射并入射到放大镜130。
半透半反镜未利用入射光的光量的一半，所以，在光的利用效率的方面，比偏振镜差，但是，在低成本的方面是有利的。
并且，在实施方式1中，将从光源部111输出的光的偏振方向(第一偏振方向)设为相对于铅直方向倾斜45度的方向，但是，光的偏振方向也可以是铅直方向。
<结构的变形例2>
图11(B)是示出光的偏振方向为铅直方向的情况下的虚像显示装置100的结构的变形例2的图。
在图11(B)所示的虚像显示装置100中，在第一偏振镜121与半透半反镜125之间配置使偏振方向旋转90度的光学元件。使偏振方向旋转90度的光学元件例如是1/2波长板(λ/2板)126。并且，第一偏振镜121配置成透射具有水平方向的偏振方向的光、反射具有铅直方向的偏振方向的光。
在图11(B)的虚像显示装置100中，当对偏振切换元件112施加电压时，偏振切换元件112将光的偏振方向(铅直方向)切换为水平方向。第一偏振镜121透射具有水平方向的偏振方向的光。
透射过第一偏振镜121的光的偏振方向由1/2波长板126切换为铅直方向后，该光入射到半透半反镜125。从1/2波长板126入射到半透半反镜125的光的光量的一半透射过半透半反镜125并入射到放大镜130。
在不对偏振切换元件112施加电压的情况下，偏振切换元件112不切换光的偏振方向。因此，具有铅直方向的偏振方向的光入射到第一偏振镜121。
具有铅直方向的偏振方向的光由第一偏振镜121反射。然后，由第一偏振镜121反射的光由第一偏振镜121、第一反射镜123和第二反射镜124依次反射并入射到半透半反镜125。然后，从第二反射镜124入射到半透半反镜125的光的光量的一半由半透半反镜125反射并入射到放大镜130。
由此，在距驾驶者较近的第一距离411(位置e)处形成第一虚像410的情况下，形成虚像的光的偏振方向成为铅直方向。并且，在距驾驶者较远的第二距离421(位置f)处形成第二虚像420的情况下，形成虚像的光的偏振方向也成为铅直方向。即，第一虚像410的光的偏振方向和第二虚像420的光的偏振方向均成为铅直方向。因此，即使驾驶者佩戴遮挡具有水平方向的偏振方向的光的偏振太阳镜，也能够观察到虚像。
另外，在上述说明中，将光的偏振方向设为相对于铅直方向倾斜45度的方向、铅直方向或水平方向进行了说明。但是，偏振方向的角度不需要是严格的，也可以存在几度左右的误差。但是，当考虑透射过各光学元件并进行反射时的光的利用效率时，优选光源部111、偏振切换元件112、光路单元120的偏振镜121、122等的相对角度的误差尽可能较小。
并且，在实施方式1中，偏振切换元件112由根据有无施加电压(接通/断开)来切换入射光的偏振方向的液晶元件构成。但是，只要对从光源部111输出的光的偏振方向进行切换，则不限于液晶元件。例如，也可以机械地切换是否将1/2波长板配置在光路中。配置1/2波长板的位置例如是光源部111与扫描部113之间。
并且，在实施方式1中，将第二光路220设置在第一光路210的下侧。但是，也可以将第二光路220设置在第一光路210的上侧。并且，还可以将第二光路220相对于第一光路210设置在纸面的里侧方向或近前方向。
并且，光路单元120的结构不限于图1(A)所示的结构。只要根据入射光的偏振方向来选择不同光路长度的光路即可。
另外，在本实施方式1中，利用扫描部113扫描从光源部111出射的3色的光(激光)，由此在屏幕114上显示影像。但是，不限于这种结构。
例如，也可以利用使用了DMD(Digital Mirror Device)的DLP(Digital LightProcessing：注册商标)等来显示影像。即，作为影像生成部115，也可以使用DLP。DLP是二维排列微镜并形成图像的元件。在由DLP形成的影像光穿过的位置配置偏振切换元件112来切换影像光的偏振方向即可。
并且，也可以代替扫描部113和屏幕114，而使用液晶显示部(液晶显示器)作为影像生成部115。该情况下，例如在图1所示的屏幕114的位置配置液晶显示部。而且，在液晶显示部的出射光(影像光)穿过的位置配置偏振切换元件112而切换影像光的偏振方向。并且，光源部111可以构成为液晶显示部的背景灯。
并且，用于显示影像的光不限于激光。但是，为了利用偏光来变更光路长度，与LED光等其他光相比，具有偏振特性的激光适合于虚像显示装置100。
并且，在本实施方式1中，示出了根据与车辆的驾驶状况有关的信息(行驶速度、当前地、注意对象物等)来切换虚像的显示距离的例子。但是，例如，也可以在第一距离411(位置e)和第二距离421(位置f)处以时间分割的方式显示不同的影像(内容)。
<显示方法的变形例>
图12(A)和图12(B)是用于说明在不同的显示距离处对影像进行时间分割显示的变形例的图。
图12(A)是示出针对偏振切换元件112的通电模式的示意图。纵轴表示电压的高低。横轴表示时间。将纵轴中较高的电压表示为“ON(接通)”，将较低的电压表示为“OFF(断开)”。“ON(接通)”的状态是施加了电压的状态。“OFF(断开)”的状态是未施加电压的状态。“施加电压”是指加电压。图12(A)中示出电压以矩形波的方式变化的例子。
图12(B)是时序地示出所显示的影像的种类的示意图。影像A1、A2的切换定时与图12(A)的矩形波的切换定时同步。
在电压为“OFF(断开)”的状态下，显示影像A1。在电压为“ON(接通)”的状态下，显示影像A2。
在该情况下，如图12(A)所示，控制部150以一定周期对偏振切换元件112的电压的接通和断开进行切换。然后，与偏振切换元件112的电压的接通和断开的定时同步地，如图12(B)所示，通过光源部111和扫描部113交替显示影像A1和影像A2。
影像A1是在未对偏振切换元件112施加电压的状态(断开状态)下显示的影像。影像A1例如相当于在距驾驶者较近的第一距离411(位置e)处显示的第一虚像410。影像A2是在对偏振切换元件112施加了电压的状态(接通状态)下显示的影像。影像A2例如相当于在距驾驶者较远的第二距离421(距离f)处显示的第二虚像420。
由此，驾驶者能够观察到同时显示影像A1和影像A2。但是，当影像A1和影像A2显示在完全相同的区域内时，驾驶者很难辨认。因此，例如，如图13所示，优选将影像A1和影像A2显示在不同的区域内。
图13是示出所显示的虚像的例子的示意图。影像A表示为“60km/h”。影像A2是向右转向的箭头的图。影像A1、A2显示在前挡风玻璃300的左侧。并且，影像A1显示在影像A2的下侧。
特别地，驾驶者在观察下方向时，容易对焦在近距离处。因此，如图13所示，优选将影像A1(第一虚像410)显示在下侧的区域，将影像A2(第二虚像420)显示在上侧的区域。
影像A1例如是基于从行驶速度传感器620(图8)取得的信息的车辆的行驶速度的信息。并且，影像A2例如是基于从导航系统630(图9(A))取得的信息的方向指示箭头B。或者，影像A2也可以是上述注意唤起信息。
在驾驶者注视附近时，对于驾驶者而言，可清楚地观察到距驾驶者较近的第一距离411的影像A1(第一虚像410)。并且，此时，对于驾驶者而言，模糊地观察到距驾驶者较远的第二距离421的影像A2(第二虚像420)。
相反，在驾驶者注视远方时，对于驾驶者而言，可清楚地观察到影像A2(第二虚像420)。并且，此时，对于驾驶者而言，模糊地观察到影像A1(第一虚像410)。因此，能够根据驾驶者观察的位置而观察到分别不同的信息。
实施方式2.
接着，对本发明的实施方式2的虚像显示装置100A进行说明。实施方式2的虚像显示装置100A与实施方式1的虚像显示装置100的不同之处在于影像显示部110A的结构，其他部分相同。下面，对与实施方式1的虚像显示装置100的不同之处进行说明。并且，对与实施方式1的虚像显示装置100相同或对应的要素标注相同标号并省略其说明。
与实施方式1的虚像显示装置100相同的结构要素是光源部111、扫描部113、屏幕114、光路单元120、放大镜130和控制部150。
图14是示出实施方式2的虚像显示装置100A中的影像显示部110A的图。影像显示部110A具有光源部111、偏振切换部112A和影像生成部115。下面，将偏振切换部112A作为偏振切换元件进行说明。
作为一例，设影像生成部115构成为具有扫描部113和屏幕114进行说明。光源部111、扫描部113和屏幕114的结构如实施方式1中说明的那样。
在实施方式2中，偏振切换元件112A与屏幕114的入射侧邻接配置。“邻接”是指相邻。与实施方式1不同，偏振切换元件112A配置在扫描部113与屏幕114之间。在图14中，偏振切换元件112A配置成与屏幕114接触。屏幕114的入射侧相对于屏幕114是光源部111侧。
并且，偏振切换元件112A具有与屏幕114大致相同的大小。在图14中，偏振切换元件112A是与屏幕114相同的大小。另外，偏振切换元件112A的大小不需要与屏幕114的大小严格相同。只要是入射到屏幕114的光全部穿过偏振切换元件112A的大小即可。即，在偏振切换元件112A是与屏幕114不同的大小的情况下，偏振切换元件112A小于屏幕114。
与实施方式1的偏振切换元件112同样，偏振切换元件112A是能够通过电压的施加来切换偏振方向的元件。但是，与实施方式1的偏振切换元件112不同，构成为能够按照每个像素对施加电压进行控制。例如，如一般的液晶面板那样，偏振切换元件112具有按照每个像素独立地控制有无对液晶层的施加电压(接通/断开)的开关。
在未对偏振切换元件112A的全部像素施加电压的情况下，如图7(A)所示，光穿过第一光路210。在对偏振切换元件112A的全部像素施加了电压的情况下，如图7(B)所示，光穿过第二光路220。
图15是示出实施方式2的虚像显示装置100A中的影像光的光路的图。在图15中，虚像显示装置100A未对偏振切换元件112A的上半部分的区域(非电压施加区域R1)施加电压。并且，虚像显示装置100A对偏振切换元件112A的下半部分的区域(电压施加区域R2)施加电压。
透射过偏振切换元件112A的非电压施加区域R1的光透射过第一偏振镜121和第二偏振镜122并入射到放大镜130。即，透射过偏振切换元件112A的非电压施加区域R1的光穿过第一光路211。
另一方面，透射过偏振切换元件112A的电压施加区域R2的光由第一偏振镜121、第一反射镜123、第二反射镜124、第二偏振镜122依次反射并入射到放大镜130。即，透射过偏振切换元件112A的电压施加区域R2的光穿过第二光路221。
通过穿过了第一光路211的光，在距驾驶者较近的第一距离411(位置e)处显示影像A1(第一虚像410)。通过穿过了第二光路221的光，在距驾驶者较远的第二距离421(位置f)处显示影像A2(第二虚像420)。即，如上述图13所示，同时显示影像A1和影像A2。
另外，通过放大镜130的反射作用，屏幕114显示的影像在上下方向上反转。因此，基于穿过了偏振切换元件112A的上半部分的非电压施加区域R1的光的影像A1(第一虚像410)显示在下侧。基于穿过了偏振切换元件112A的下半部分的电压施加区域R2的光的影像A2(第二虚像420)显示在上侧。
如参照图13说明的那样，影像A1例如是基于从行驶速度传感器620(图8)取得的信息的车辆行驶速度等信息。并且，影像A2例如是基于从导航系统630(图9(A))取得的信息的方向指示箭头或注意唤起信息等。
在驾驶者注视附近时，可清楚地观察到距驾驶者较近的第一距离411的影像A1(第一虚像410)。并且，此时，对于驾驶者而言，模糊地观察到距驾驶者较远的第二距离421的影像A2(第二虚像420)。
相反，在驾驶者注视远方时，可清楚地观察到影像A2(第二虚像420)。并且，此时，对于驾驶者而言，模糊地观察到影像A1(第一虚像410)。
虚像显示装置100A的控制部150进行不对与偏振切换元件112A的上半部分的区域(非电压施加区域R1)相当的像素施加电压的控制。而且，控制部150进行对与偏振切换元件112A的下半部分的区域(电压施加区域R2)相当的像素施加电压的控制。
进而，控制部150对光源部111和扫描部113进行驱动控制，以使得在屏幕114的上侧的区域显示影像A1。并且，控制部150对光源部111和扫描部113进行驱动控制，以使得在屏幕114的下侧的区域显示影像A2。
这里，设为按照每个像素对偏振切换元件112A的施加电压进行控制。但是，不限于每个像素的控制。按照偏振切换元件112A的每个区域进行偏振切换元件112A的施加电压的控制即可。例如，在偏振切换元件112A的上半部分的区域和下半部分的区域进行偏振切换元件112A的施加电压的控制。
如以上说明的那样，根据本发明的实施方式2，偏振切换元件112A按照每个区域(每个像素)切换偏振方向。而且，虚像显示装置100A能够在距驾驶者的距离不同的2个位置e、f处同时显示虚像。因此，驾驶者能够根据驾驶者观察的位置而观察到分别不同的信息。
另外，在实施方式2中，透射过偏振切换元件112A的非电压施加区域R1的光穿过第一光路211。而且，透射过偏振切换元件112A的电压施加区域R2的光穿过第二光路221。但是，相反，也可以使透射过偏振切换元件112A的非电压施加区域R1的光穿过第二光路221，透射过偏振切换元件112A的电压施加区域R2的光穿过第一光路211。
并且，在实施方式2中，将偏振切换元件112A配置在屏幕114的入射侧(光源部111侧)。但是，也可以将偏振切换元件112A配置在屏幕114的出射侧(与光源部111侧相反的一侧)。
即，本在实施方式2中，偏振切换元件112A对由扫描部113形成的影像光的偏振方向进行转换。
并且，如实施方式1中说明的那样，也可以代替扫描部113和屏幕114(影像生成部115)而使用液晶显示部。在该情况下，例如在图15所示的屏幕114的位置配置液晶显示部。而且，在液晶显示部的出射光(影像光)入射的位置配置偏振切换元件112A。并且，光源部111可以构成为液晶显示部的背景灯。
并且，如实施方式1中说明的那样，也可以代替扫描部113和屏幕114(影像生成部115)而使用DLP。即，也可以代替液晶显示部而使用二维排列微镜的DLP。
并且，在实施方式2中，入射到屏幕114的光全部透射过偏振切换元件112A(非电压施加区域R1和电压施加区域R2)。但是，也可以是，只有入射到屏幕114的特定区域的光透射过偏振切换元件112A。屏幕114的特定区域例如是屏幕114的上侧的1/3到1/2的区域。
如实施方式2中说明的那样，该情况下的偏振切换元件也可以按照每个像素进行电压施加的切换。并且，如实施方式1中说明的那样，偏振切换元件也可以整体进行电压施加的切换。由此，虚像显示装置100A能够仅切换屏幕114上的必要区域的影像的虚像的显示距离。
并且，也可以将实施方式2的结构例与实施方式1中说明的结构例(图8～图11)进行组合。
实施方式3.
接着，对本发明的实施方式3的虚像显示装置100B进行说明。实施方式3的虚像显示装置100B与实施方式1的虚像显示装置100的不同之处在于光路单元120B的结构，其他部分相同。下面，对与实施方式1的虚像显示装置100的不同之处进行说明。并且，对与实施方式1的虚像显示装置100相同或对应的要素标注相同标号并省略其说明。
与实施方式1的虚像显示装置100相同的结构要素是影像显示部110(光源部111、偏振切换元件112、扫描部113和屏幕114)、第一偏振镜121、第二偏振镜122、第一反射镜123、第二反射镜124、放大镜130和控制部150。但是，第一反射镜123和第二反射镜124搭载在移动部127上，这点与实施方式1不同。即，第一反射镜123和第二反射镜124本身与实施方式1相同。
图16是示出实施方式3的虚像显示装置100B的图。
实施方式3的虚像显示装置100B的光路单元120B在实施方式1中说明的光路单元120的基础上具有移动部127。移动部127搭载有第一反射镜123和第二反射镜124。移动部127能够在铅直方向上移动。这里，铅直方向是在第一偏振镜121的中心位置处反射的光的行进方向。
实施方式3的虚像显示装置100B还具有驱动机构160。
驱动机构160使移动部127在铅直方向上移动。驱动机构160例如组合了进给丝杠和马达。但是，驱动机构160不限于使用进给丝杠和马达。驱动机构160只要能够使移动部127进行往复移动即可。控制部150对驱动机构160的马达的驱动进行控制。
驱动机构160使移动部127在铅直方向上移动。移动部127搭载有第一反射镜123和第二反射镜124。即，第一反射镜123和第二反射镜124在铅直方向上移动。由此，光路220的长度变化。
例如，当移动部127向下方向移动时，第二光路220的光路长度变长。
而且，显示第二虚像420的位置f向远离驾驶者的方向移动。
相反，当移动部127向上方向移动时，第二光路220的光路长度变短。而且，显示第二虚像420的位置f向接近驾驶者的方向移动。
这里，根据图6所示的曲线图，在距离Ldv为10m以上的情况下，相对于距离Lab的变化量，距离Ldv大幅变化。距离Ldv是从驾驶者的眼睛500的位置d到虚像的距离。距离Lab是从屏幕114的位置a到放大镜130的位置b的距离。距离Ldv是从驾驶者的眼睛500的位置d到虚像的距离。
因此，这里，以在移动部127位于其移动范围内的基准位置时距离Ldv成为10m以上的方式设定移动部127的位置。基准位置例如是移动部127的移动方向的中心位置。
由此，仅仅通过使移动部127稍微移动，就能够使第二虚像420的显示距离大幅移动。
如以上说明的那样，根据本发明的实施方式3，通过使移动部127移动，使第一反射镜123和第二反射镜124移动。由此，在实施方式1的效果的基础上，虚像显示装置100B还能够对第二虚像420的显示距离进行调整。
因此，例如，在AR(Augmented Reality：增强现实)显示中，能够与实像对应地调整虚像的显示距离。“增强现实”是通过计算机增强人感知的现实环境的技术。在AR显示中，例如使虚像与实像重合。
并且，虚像显示装置100B还能够根据驾驶者的喜好来调整第二虚像420的显示距离(第二距离421)。
另外，在本实施方式3中，使搭载在移动部127上的第一反射镜123和第二反射镜124在铅直方向上移动。但是，不限于这种结构。只要构成为在使第一光路210或第二光路220中的至少一方的光路长度变化的方向上使光路单元120的结构要素的一部分移动即可。
例如，也可以使第一偏振镜121和第一反射镜123在前后方向(图16中的左右方向)上移动。并且，还可以使第二反射镜124和第二偏振镜122在前后方向上移动。
并且，也可以使屏幕114在前后方向(透射过第二偏振镜122的中心位置的激光的行进方向)上移动。并且，还可以使影像显示部110的整体在前后方向上移动。
如果这样构成，则能够对第一光路210和第二光路220双方的光路长度进行调整。因此，能够对显示第一虚像410的位置e和显示第二虚像420的位置f双方进行调整。
并且，也可以将本实施方式3与实施方式1中说明的结构例(图8～图11)或实施方式2进行组合。
实施方式4.
接着，对本发明的实施方式4的虚像显示装置100C进行说明。实施方式4的虚像显示装置100C与实施方式1的虚像显示装置100的不同之处在于光路单元120C的结构，其他部分相同。下面，对与实施方式1的虚像显示装置100的不同之处进行说明。并且，对与实施方式1的虚像显示装置100相同或对应的要素标注相同标号并省略其说明。
与实施方式1的虚像显示装置100相同的结构要素是影像显示部110(光源部111、偏振切换元件112、扫描部113和屏幕114)、偏振镜121、放大镜130和控制部150。
图17是示出实施方式4的虚像显示装置100C的图。实施方式4的虚像显示装置100C的光路单元120C具有作为偏振分离元件的偏振镜121、第一1/4波长板125a、第二1/4波长板125b、第一镜126a和第二镜126b。偏振镜121与实施方式1中说明的光路单元120中的偏振镜121相同。
偏振镜121配置在来自影像显示部110的影像光入射的位置。第一1/4波长板125a和第一镜126a配置在由偏振镜121反射入射光的光轴上。第二1/4波长板125b和第二镜126b隔着偏振镜121而配置在与第一1/4波长板125a以及第一镜126a相反的一侧。
下面，对偏振镜121具有透射p偏振光且反射s偏振光的特性的情况下的例子进行说明。
入射到光路单元120C的光入射到偏振镜121。在入射到偏振镜121的光为p偏振光的情况下，入射到偏振镜121的光透射过偏振镜121，穿过第一光路210。然后，在位置e处显示虚像410。第一光路210是透射过偏振镜121的光路。
另一方面，在入射到偏振镜121的光为s偏振光的情况下，入射到偏振镜121的光由偏振镜121反射，穿过第二光路220。然后，在位置g处显示虚像430。第二光路220例如由下面的(1)、(2)和(3)的光路构成。
(1)入射到偏振镜121的光由偏振镜121反射，透射过第一1/4波长板125a，由第一镜126a反射，然后，再次透射过第一1/4波长板125a，再次入射到偏振镜121。
(2)再次入射到偏振镜121的光穿过偏振镜121后，透射过第二1/4波长板125b，由第二镜126b反射，然后，再次透射过第二1/4波长板125b，三度(三次)入射到偏振镜121。
(3)三度入射到偏振镜121的光由偏振镜121反射，朝放大镜130行进。
这里，说明第二光路220成为上述那样的原因。在入射到偏振镜121的光为s偏振光的情况下，首先，由偏振镜121反射。由偏振镜121反射的光朝图17的下方向行进。朝图17的下方向行进的光到达第一1/4波长板125a。透射过第一1/4波长板125a的s偏振的光(直线偏振光)被转换为相位差为90度的圆偏振的光。然后，圆偏振的光到达第一镜126a。在第一镜126a中，圆偏振的光直接被反射。由第一镜126a反射的圆偏振的光再次透射过第一1/4波长板125a，相位差进一步增加90度。然后，再次透射过第一1/4波长板125a的光从圆偏振光转换为直线偏振光。其结果，相对于最初入射到偏振镜121的光(s偏振光)，再次入射到偏振镜121的光被转换为相位差为180度、偏振方向旋转了90度的p偏振光。
这样，通过使第一1/4波长板125a往复而转换为p偏振光的光透射过偏振镜121，朝图17的上方向行进。透射过偏振镜121的光到达第二1/4波长板125b。与上述同样，透射过偏振镜121的光透射过第二1/4波长板125b，被转换为相位差为90度的圆偏振光，由第二镜126反射。然后，由第二镜126b反射的圆偏振光再次透射过第二1/4波长板125b，由此被转换为s偏振光。然后，再次返回到偏振镜121的光由偏振镜121反射，朝放大镜130行进。
由于如上所述构成，所以，与实施方式1～3相比，实施方式4的虚像显示装置100C具有以下的特征。第一，光路单元120C仅具有一个作为特殊光学部件的偏振镜。第二，由于第二光路220构成为在相同光路上使光折返，所以，能够在较小空间内构成光路单元120C，能够实现虚像显示装置100C的小型化。第二光路220是光路长度较长的光路。
第一镜126a或第二镜126b的配置也可以被固定。并且，也可以使第一镜126a或第二镜126b移动。在使第一镜126a或第二镜126b移动的结构中，在图17中，使第一镜126a或第二镜126b在上下方向上移动。由此，能够对虚像430的位置g进行变更。
在该情况下，也可以仅使第一镜126a或第二镜126b中的任意一方移动。并且，还可以使第一镜126a和第二镜126b双方分别在相反方向上移动。
并且，也可以使第一1/4波长板125a和第一镜126a一起移动。并且，还可以使第二1/4波长板125b和第二镜126b一起移动。
<结构的变形例>
图18是示出实施方式4的虚像显示装置的结构的变形例的图。图18所示的变形例的虚像显示装置100D在光路单元120C的基础上还具有光路单元120D。除了光路长度以外，光路单元120D采用与光路单元120C相同的结构。并且，虚像显示装置100D在光路单元120C与光路单元D之间具有第二偏振切换部128。
这里，第二光路220在光路单元120C和光路单元120D中设为分别不同的光路长度。第二光路220是光路单元内的光路长度较长的一方的光路。在图18中示出光路单元120D的光路长度比光路单元120C的光路长度短的情况。
光路单元120C配置在来自影像显示部110的影像光入射的位置。第二偏振切换部128配置在从光路单元120C出射的光入射的位置。光路单元120D配置在从第二偏振切换部128出射的光入射的位置。
第二偏振切换部128构成为能够切换不改变入射光的偏振方向进行出射还是使偏振方向变化90度而出射。第二偏振切换部128由控制部150进行控制。另外，在图18中，省略了从控制部150到第二偏振切换部128的箭头。
在来自屏幕114的光为p偏振光、第二偏振切换部128不改变偏振方向的情况下，入射到光路单元120C的光穿过第一光路210。即，入射到光路单元120C的光穿过光路单元120C的较短光路和光路单元D的较短光路。然后，在位置e处显示虚像410。不通过第二偏振切换部128对从光路单元120C出射的光的偏振进行切换。即，从光路单元120C出射的光作为p偏振光入射到光路单元120D。
接着，对第二光路220进行说明。在该变形例中，第二光路220具有3个光路长度。即，虚像440显示在位置h，虚像430显示在位置g，虚像450显示在位置i。虚像440显示在比虚像410更靠远方的位置。虚像430显示在比虚像440更靠远方的位置。虚像450显示在比虚像430更靠远方的位置。
首先，对显示在位置h的虚像440进行说明。在该情况下，来自屏幕114的光为p偏振光，第二偏振切换部128使入射光的偏振方向变化90度。入射到光路单元120C的光穿过光路单元120C的较短光路(第一光路210)。通过第二偏振切换部128将从光路单元120C出射的光从p偏振光切换为s偏振光。切换为s偏振光的光穿过光路单元120D的较长光路(第二光路220)。通过从光路单元120D出射的光，在位置h处显示虚像440。
接着，对显示在位置g的虚像430进行说明。在该情况下，来自屏幕114的光为s偏振光，第二偏振切换部128使入射光的偏振方向变化90度。入射到光路单元120C的光穿过光路单元C的较长光路(第二光路220)。通过第二偏振切换部128将从光路单元120C出射的光从s偏振光切换为p偏振光。切换为p偏振光的光穿过光路单元120D的较短光路(第一光路210)。通过从光路单元120D出射的光，在位置g处显示虚像430。
最后，对显示在位置i处的虚像450进行说明。在该情况下，来自屏幕114的光为s偏振光，第二偏振切换部128不改变入射光的偏振方向。入射到光路单元120C的光穿过光路单元C的较长光路(第二光路220)。不通过第二偏振切换部128改变从光路单元120C出射的光的偏振方向。即，从光路单元120C出射的光作为s偏振光入射到光路单元120D。入射到光路单元120D的光穿过光路单元120D的较长光路(第二光路220)。通过从光路单元120D出射的光，在位置i处显示虚像450。
在实施方式4中，将1/4波长板125a、125b和镜126a、126b配置在偏振镜121的上下方向。但是，不限于这种配置。例如，也可以将1/4波长板125a、125b和镜126a、126b配置在偏振镜121的横向上。
并且，在图17和图18所示的例子中，使从第一偏振镜121到第一镜126a的距离和从第一偏振镜121到第二镜126b的距离相同。但是，也可以构成为使任意一方的距离较长。例如，能够根据汽车的仪表板的空间而配置在非对称的距离。由此，与实施方式1～3的结构相比，设置虚像显示装置的自由度提高。
并且，也可以将实施方式4与实施方式1(图1～7)、其结构例(图8～图11)、实施方式2或实施方式3进行组合。
实施方式5.
接着，对本发明的实施方式5的虚像显示装置100E进行说明。实施方式5的虚像显示装置100E例如是安装在眼镜等上的头戴式显示器。
实施方式5的虚像显示装置100E的基本结构与实施方式1相同。下面，对与实施方式1的虚像显示装置100的不同之处进行说明。并且，对与实施方式1的虚像显示装置100相同或对应的要素标注相同标号。
图19是从上表面观察作为实施方式5的虚像显示装置100E的眼镜型头戴式显示器的图。实施方式5的虚像显示装置100E设置在眼镜700上。来自影像显示部110的影像光穿过光路210或光路220中的任意一方，通过镜131向眼镜700的镜片方向反射。由镜131反射的影像光由组入眼镜700的镜片部分中的镜301反射，佩戴着眼镜700的人能够观察到虚像410或虚像420。另外，在图19中省略了控制部150(图1)。
这里，镜301相当于实施方式1的前挡风玻璃300(图1)。例如，通过透射型的自由曲面镜，影像光向眼睛(左眼)500L的方向反射。另外，镜301不限于自由曲面镜。例如，也可以使用能够将光的衍射角度控制成期望角度的全息元件或衍射元件等。
与实施方式1同样，通过偏振切换元件112切换影像光的偏振方向，能够切换影像光穿过的光路210和光路220。在穿过光路210的情况下，能够在距眼睛(左眼)500L较近的位置处观察到虚像410。在穿过光路220的情况下，能够在距眼睛(左眼)500L较远的位置处观察到虚像420。
作为作业辅助用的影像显示，头戴式显示器显示与背景重叠的信息和影像。因此，当从眼睛到虚像(信息)的距离与从眼睛到背景的距离之差较大时，可视性降低。并且，容易使作业者疲劳。因此，例如，另外测定重叠信息时的与背景之间的距离，对在近距离显示虚像还是在远距离显示虚像进行切换。
如以上说明的那样，根据本发明的实施方式5，在头戴式显示器中，对显示虚像的距离进行切换。因此，能够减小与背景重叠的信息或影像的距离差。而且，能够实现可视性的提高和作业者的疲劳减轻。
另外，在实施方式5中，如上所述，采用与实施方式1相同的结构。但是，也可以采用与实施方式2～4相同的结构。并且，在实施方式5中，在左眼500L侧安装虚像显示装置100D，但是，也可以在右眼500R侧同样安装虚像显示装置100D。并且，还可以在左眼500L侧和右眼侧500R双方安装虚像显示装置100D。
上述虚像显示装置100、100A、100B、100C、100D、100E例如能够用作汽车等的平视显示器或头戴式显示器。并且，虚像显示装置100、100A、100B、100C、100D、100E不限于汽车，还能够在飞机、医疗领域或利用虚像的各种领域进行利用。
标号说明
100、100A、100B、100C、100D、100E：虚像显示装置；110、110A：影像显示部；111：光源部；11R、11G、11B：半导体激光器；11a、11b、11c：镜；112、112A：偏振切换元件；113：扫描部；113a：扫描镜；114：屏幕；115：影像生成部；120、120B、120C：光路单元；121：第一偏振镜；122：第二偏振镜；123：第一反射镜；124：第二反射镜；125：半透半反镜；125a：第一1/4波长板；125b：第二1/4波长板；126a：第一镜；126b：第二镜；126：偏振板；127：移动部；128：第二偏振切换部；130：放大镜；150：控制部；160：驱动机构；210、211：第一光路；220、221：第二光路；300：前挡风玻璃；410：第一虚像；411：第一距离；420：第二虚像；421：第二距离；500：驾驶者的眼睛；600：车辆。

Claims (12)

1.一种虚像显示装置，其特征在于，所述虚像显示装置具有：
光源部，其出射光；
偏振切换部，其设置在从所述光源部出射的光的光路上，对保持第一偏振方向还是变更为第二偏振方向进行切换，其中，所述第一偏振方向不变更从所述光源部出射的光的偏振方向；
影像生成部，其通过从所述光源部出射的光生成影像；
光路单元，其配置在从所述影像生成部出射的光入射的位置，具备供具有所述第一偏振方向的光穿过的第一光路和供具有所述第二偏振方向的光穿过且光路长度比所述第一光路长的第二光路；以及
投影部，其对从所述光路单元出射的光进行投影，
利用穿过了所述光路单元的所述第一光路的光，在距观察者第一距离的位置处将所述影像显示为虚像，
利用穿过了所述光路单元的所述第二光路的光，在距观察者比所述第一距离远的第二距离的位置处将所述影像显示为虚像。
2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于，
所述光源部是激光光源，出射所述第一偏振方向或所述第二偏振方向中的任意一方的光，
所述偏振切换部对是使从所述光源部出射的光的偏振方向变更90度而出射、还是不变更从所述光源部出射的光的偏振方向而出射进行切换。
3.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其特征在于，
所述偏振切换部是通过电压施加来切换光的偏振方向的液晶元件。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的虚像显示装置，其特征在于，
所述影像生成部具有在屏幕上扫描从所述光源部出射的光的扫描部，
所述偏振切换部配置在所述光源部与所述扫描部之间。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的虚像显示装置，其特征在于，
所述光路单元具有根据入射光的偏振方向选择性地透射或反射所述入射光的第一偏振分离元件，
透射过所述第一偏振分离元件的光和由所述第一偏振分离元件反射的光中的一方进入所述第一光路，另一方进入所述第二光路。
6.根据权利要求1～4中的任意一项所述的虚像显示装置，其特征在于，
所述光路单元具有：
偏振分离元件，其根据入射光的偏振方向选择性地透射或反射该入射光；
第一1/4波长板和第一镜，它们配置在利用所述偏振分离元件对入射光进行反射的光轴上；以及
第二1/4波长板和第二镜，它们隔着所述偏振分离元件配置在相反侧。
7.根据权利要求1～6中的任意一项所述的虚像显示装置，其特征在于，
所述虚像显示装置搭载在车辆上且具有控制部，
所述控制部从所述车辆具有的行驶速度传感器取得所述车辆的行驶速度的信息，根据所述行驶速度的信息对所述偏振切换部进行控制。
8.根据权利要求1～6中的任意一项所述的虚像显示装置，其特征在于，
所述虚像显示装置搭载在车辆上且具有控制部，
所述控制部从所述车辆具有的导航系统取得所述车辆的当前地的信息，根据所述当前地的信息对所述偏振切换部进行控制。
9.根据权利要求1～6中的任意一项所述的虚像显示装置，其特征在于，
所述虚像显示装置搭载在车辆上且具有控制部，
所述控制部从所述车辆具有的前方监视系统取得所述车辆的前方的注意对象物的信息，根据所述注意对象物的信息对所述偏振切换部进行控制。
10.根据权利要求1～9中的任意一项所述的虚像显示装置，其特征在于，
所述虚像显示装置具有控制部，
所述控制部以在所述第一距离和所述第二距离的位置处交替地对影像进行时间分割显示的方式，对所述光源部、所述影像生成部和所述偏振切换部进行控制。
11.根据权利要求1～10中的任意一项所述的虚像显示装置，其特征在于，
所述偏振切换部构成为按照每个区域独立地切换偏振方向，
通过穿过了所述光路单元的所述第一光路的光和穿过了所述第二光路的光，在所述第一距离和所述第二距离的位置处分别同时显示虚像。
12.根据权利要求1～11中的任意一项所述的虚像显示装置，其特征在于，
所述虚像显示装置还具有移动部，该移动部通过使所述光路单元的一部分移动，使所述第一光路或所述第二光路的光路长度变化而使从观察者到虚像的距离变化。
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