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CN108369342B - 光学扫描设备、图像显示设备和车辆 - Google Patents

光学扫描设备、图像显示设备和车辆 Download PDF

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CN108369342B CN201680070409.8A CN201680070409A CN108369342B CN 108369342 B CN108369342 B CN 108369342B CN 201680070409 A CN201680070409 A CN 201680070409A CN 108369342 B CN108369342 B CN 108369342B
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Abstract

根据本发明的光学扫描设备具有：光源单元，其发射光束；光偏转单元，其在主扫描方向上和与主扫描方向正交的副扫描方向上使光束二维地偏转；以及图像形成单元，其通过由光偏转单元执行的使用光束进行的二维扫描来形成图像。在光偏转单元与图像形成单元之间的光束光路上布置有平板，入射到光偏转单元的光和来自光偏转单元的经偏转和反射的光透过该平板，并且该平板在副扫描方向上的截面中相对于图像形成单元进行倾斜。因此，即使不需要的光进入，也能够形成高对比度的中间图像，并且能够稳定地显示高图像质量的虚拟图像。

Description

光学扫描设备、图像显示设备和车辆
技术领域
本发明涉及光学扫描设备、图像显示设备和车辆。
背景技术
已知存在一种图像显示设备，其使得操作者(驾驶员)在该操作者操纵移动物体时能够以小的视线移动在视觉上识别出有用的信息，该设备安装在诸如车辆、飞机以及轮船的移动物体上。这样的图像显示设备通常被称为平视显示器(此后称为“HUD”)。
HUD基于移动物体有关的信息来形成中间图像，并且将该中间图像作为虚拟图像显示在驾驶员的视野中。已知在HUD中形成中间图像的几种系统。这些系统的示例包括使用诸如液晶的成像设备的面板系统、二维地扫描从激光二极管发射的激光光束的激光扫描系统(此后称为LD)，等等。在面板系统中，整个屏幕的光发射被部分遮蔽以形成中间图像。在激光扫描系统中，“光发射”或“非光发射”被分配给每个像素以形成中间图像(例如，见专利文献1)。
激光扫描系统能够形成比面板系统具有更高对比度的中间图像。为了增大中间图像的对比度并且增强虚拟图像的可视性，期望的是，除了形成中间图像的激光光束以外的不必要的光不到达形成中间图像的部分。
另外，在激光扫描系统中，为了在期望位置形成中间图像，需要控制LD的光发射的定时。为此，使用了检测扫描光的光接收元件，其中的扫描光包括来自LD的激光光束。当如上所述的不必要的光入射到该光接收元件时，中间图像的形成位置被干扰，这引起中间图像的图像质量下降。
另外，在一些情况下，根据背景亮度，待显示在HUD上的虚拟图像的可视性可能降低。因此，期望的是能够相对于虚拟图像的背景亮度来调整中间图像的亮度。
发明内容
发明所要解决的问题
本发明的目的是提供一种光学扫描设备，该光学扫描设备即使在不必要的光侵入时也能够形成高对比度的中间图像并且能够稳定地显示高图像质量的虚拟图像。
解决问题所使用的手段
根据本发明的光学扫描设备包括：光源单元，其发射光束；光偏转单元，其在主扫描方向上和与主扫描方向正交的副扫描方向上使光束二维地偏转；以及图像形成单元，其通过由光偏转单元执行的光束的二维扫描来形成图像，其中在光偏转单元与图像形成单元之间的光束光路上布置有平板，该平板用于透过入射到光偏转单元的光和来自光偏转单元的经偏转的反射光，并且该平板在副扫描方向上的截面中相对于图像形成单元倾斜。
发明的效果
根据本发明，即使在不必要的光侵入时也能够形成高对比度的中间图像并且能够稳定地显示高图像质量的虚拟图像。
附图说明
[图1]图1是示出根据本发明的图像显示设备的实施例的示例的配置示意图。
[图2]图2是示出根据图像显示设备的光源单元的示例的配置示意图。
[图3]图3是示出根据图像显示设备的扫描光学系统的示例的配置示意图。
[图4]图4是示出根据图像显示设备的光学扫描装置的示例的平视图。
[图5]图5是示出根据图像显示设备的中间图像形成单元的示例的透视图。
[图6]图6是示出图像显示设备的硬件配置的示例的框图。
[图7]图7是示出图像显示设备的功能配置的示例的功能框图。
[图8]图8是在主扫描方向上的截面中的根据本发明的光学扫描设备的实施例的光学布置示意图。
[图9]图9是在副扫描方向上的截面中的根据本发明的光学扫描设备的实施例的光学布置示意图。
[图10]图10是用于描述根据本发明的光学扫描设备的实施例的示意图。
[图11]图11是用于描述根据本发明的光学扫描设备的实施例的效果的示意图。
[图12]图12是在副扫描方向上的截面中的根据本发明的光学扫描设备的另一实施例的光学布置示意图。
[图13]图13是用于描述根据本发明的光学扫描设备的另一实施例的效果的示意图。
[图14]图14是在副扫描方向上的截面中的根据本发明的光学扫描设备的又一实施例的光学布置示意图。
[图15]图15是用于描述与本发明有关的不必要的光的示意图。
具体实施方式
此后，将参考附图描述根据本发明的光学扫描设备、图像显示设备和车辆的实施例。首先，将描述包括光学扫描设备的图像显示设备的实施例。
(实施例)
[图像显示设备的概述]
如图1所示，作为根据本发明的图像显示设备的实施例的HUD 1是安装在车辆中并且在车辆中使用的设备。HUD 1将对于驾驶员3有用的信息作为虚拟图像2显示在车辆的驾驶员3的视野中。在此，“对于驾驶员3有用的信息”是包括存在于驾驶员3的视野中的物体等有关的信息、车辆运行有关的信息等的信息。另外，“对于驾驶员3有用的信息”还包括警告等有关的信息以提供车辆运行中的异常的通知。此后，在本说明书的描述中，在一些情况下，上述“对于驾驶员3有用的信息”可以被称为“信息”。
图1中所示的HUD 1的形式是将作为车辆的前风挡的风挡50作为光学混合器32来使用的形式。光学混合器32是如下的透射反射元件，随后描述的中间图像投影到其上，并且其将所投影的中间图像231朝向驾驶员反射并透过来自环境或者存在于驾驶员3的视野中的物体的光(外部光)。顺便提及，与风挡50分开的透射反射类型的光学元件可以作为光学混合器32来使用。
HUD 1包括光源单元10、扫描光学系统20以及观察光学系统30。光源单元10和扫描光学系统20组成作为根据本发明的光学扫描设备的光学扫描单元100。
中间图像231形成在光学扫描单元100中。在光学扫描单元100中，中间图像231出现在靠近凹面反射镜31的一侧，凹面反射镜31形成观察光学系统30的一部分。凹面反射镜31反射待投影到光学混合器32上的中间图像231。光学混合器32显示中间图像231使得驾驶员3能够视觉上识别虚拟图像2。
[光源单元10的概述]
光源单元10发射用于形成中间图像231的光束。当将虚拟图像2设置为彩色图像时，从光源单元10发射与该彩色图像所需的光的三原色对应的光束。
[扫描光学系统20的概述]
扫描光学系统20基于从光源单元10发射的光束形成中间图像231。扫描光学系统20朝向观察光学系统30发射所形成的中间图像231。顺便提及，中间图像231的一般外部形状是矩形等。
[观察光学系统30的概述]
观察光学系统30包括作为反射光学元件的凹面反射镜31，以及光学混合器32。形成在扫描光学系统20中的中间图像231在凹面反射镜31中被放大并且投影到光学混合器上。经放大并投影的中间图像231由光学混合器32朝向驾驶员3反射。
在驾驶员3的视野中的不同于光学混合器32的物理位置的位置处(远离驾驶员3的方向的位置处)，由光学混合器32反射的中间图像231被视觉地识别为虚拟图像2。如上所述，虚拟图像2所显示的信息是与车辆前方有关的信息、与车辆运行有关的信息、诸如车辆的速度和行驶距离的导航信息、目的地显示等。
顺便提及，将用作参考的视点位置(参考视点)简单示出为驾驶员3的视点。驾驶员3的视点范围等于或小于驾驶员对于车辆的人眼范围(JIS D0021)。
在此，将定义根据本实施例的描述的“方向”。中间图像231是通过由扫描光学系统20执行的二维扫描而生成的图像。这里，二维扫描是通过将主扫描方向和副扫描方向的两个方向上的扫描进行组合而获得的扫描。另外，主扫描方向和副扫描方向对应于中间图像231的左右方向和上下方向。
中间图像231的左右方向与如下方向对应：当驾驶员3视觉上识别虚拟图像2时与被视为左右方向的方向相同的方向。类似地，中间图像231的上下方向与如下方向对应：当驾驶员3视觉上识别虚拟图像2时与被视为上下方向的方向相同的方向。中间图像231的左右方向是主扫描方向，其上下方向是副扫描方向。
在下面的描述中，在生成中间图像231时，主扫描方向被定义为“X方向”并且其副扫描方向将被定义为“Y方向”。当描述虚拟图像2中的横向方向时，即使物理方向上存在差异，但是该横向方向将被称为与中间图像231中的主扫描方向对应的方向的“X方向”。另外，当描述虚拟图像2中的Y方向时，即使物理方向上存在差异，但是该Y方向将被称为与中间图像231中的副扫描方向对应的方向的“Y方向”。
另外，当如图1中所示HUD 1安装在车辆时，车辆的行驶方向被定义为“Z'方向”，车辆的左右方向将被定义为“X'方向”，车辆的上下方向将被定义为“Y'方向”。在此情况下，从虚拟图像2朝向驾驶员3的方向(车辆向后的方向)将被定义为+Z'方向，驾驶员3的视线方向(车辆向前的方向)被定义为-Z'方向。另外，驾驶员3朝右的方向(纸张的后方方向)被定义为+X'方向，并且驾驶员3朝左的方向(纸张的前方方向)被定义为-X'方向。另外，驾驶员3朝上的方向被定义为+Y'方向，并且驾驶员3朝下的方向被定义为-Y'方向。
在图1中，虚拟图像2的X方向和车辆的X'方向(左右方向)一致。另外，虚拟图像2的Y方向和车辆的Y'方向(上下方向)一致。另一方面，存在X方向(主扫描方向)与扫描光学系统20中生成的中间图像231的X'方向(左右方向)不一致的情况。类似地，存在Y方向(副扫描方向)与中间图像231的Y'方向(上下方向)不一致的情况。这是因为，取决于光学元件在扫描光学系统20中的布置和方向，以及扫描光学系统20和观察光学系统30的布置，中间图像231在主扫描方向和副扫描方向上的物理方向不一定正交于X'轴、Y'轴以及Z'轴。
如图1中所示，从凹面反射镜31投影到光学混合器32的图像光的入射区域的中心被设置为入射区域中心303。如图1所示，当从X'轴方向看时，入射区域中心303处的切平面相对于连接驾驶员3的视点与虚拟图像2的中心(虚拟图像中心305)的第一虚拟轴304倾斜。顺便提及，第一虚拟轴304是穿过入射区域中心303的轴。当假设连接扫描光学系统20中形成的中间图像231的中心与反射表面中心307的第二虚拟轴306时，如图1中所示，当从X'轴方向看，第二虚拟轴306相对第一虚拟轴304倾斜。另外，当从Y'轴方向看时，第二虚拟轴306相对于第一虚拟轴304倾斜。
[光源单元10的配置]
接着，将参考图2来描述光源单元10的详细配置。光源单元10将与光的三原色对应的光束组合成一个光束，并且发射所组成的光束使得虚拟图像2是彩色图像。在下面的说明中，从光源单元10发射并且导向到随后将描述的光扫描装置的光束将被称为第一光束101。
光源单元10例如包括三个半导体激光元件。每个半导体激光元件是与光的三原色中的一个原色对应的光源元件。第一激光元件110是发射红色(R)激光的激光元件。第二激光元件120是发射绿色(G)激光的激光元件。第三激光元件130是发射蓝色(B)激光的激光元件。
顺便提及，称为边发射激光器或者垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的激光器二极管(LD)也可以用于每个激光元件。另外，LED元件也可以用于代替半导体激光元件。
除了各个激光元件以外，光源单元10还包括耦合透镜，每个耦合透镜抑制从激光元件中的一个激光元件发射的激光的发散。另外，光源单元10包括孔径，每个孔径调节来自耦合透镜中的一个耦合透镜的激光的光束直径用于成形。另外，光源单元10包括束组合棱镜140以及透镜150，其中的束组合棱镜140将通过各个孔径成形的各个颜色的激光光束进行组合并且发射经组合的光束。
与各个颜色的激光元件对应的耦合透镜将被称为第一耦合透镜111、第二耦合透镜121以及第三耦合透镜131。
与各个激光元件对应的孔径将被称为第一孔径112、第二孔径122以及第三孔径132。
束组合棱镜140包括透过红色激光且反射绿色激光的第一二向色膜141和透过红色和绿色激光并且反射蓝色激光的第二二向色膜142。
透镜150将从束组合棱镜140发射的光束转换为“处于期望聚光状态的光束”。
从第一激光元件110发射的光束(激光)的波长λR例如是640nm。从第二激光元件120发射的光束(激光)的波长λG例如是530nm。从第三激光元件130发射的光束(激光)的波长λB例如是445nm。
从第一激光元件110发射的红色激光经由第一耦合透镜111和第一孔径112入射到束组合棱镜140上。入射到束组合棱镜140的红色激光穿过第一二向色膜141，直线行进。
从第二激光元件120发射的绿色激光经由第二耦合透镜121和第二孔径122入射到束组合棱镜140上。入射到束组合棱镜140的绿色激光由第一二向色膜141反射从而被导向与红色激光相同的方向(朝向第二二向色膜142的方向)。
从第三激光元件130发射的蓝色激光经由第三耦合透镜131和第三孔径132入射到束组合棱镜140上。入射到束组合棱镜140的蓝色激光由第二二向色膜142反射从而被导向与红色激光和绿色激光相同的方向。
以上述方式，从束组合棱镜140发射通过组合红色激光、绿色激光和蓝色激光而获得的光束。
从束组合棱镜140发射的光束由透镜150转换成第一光束101，其是“处于期望的聚光状态的光束”。第一光束101是将红色激光、绿色激光和蓝色激光组合为一个激光光束的光束。
第一光束101中包括的R(红)、G(绿)、B(蓝)每个颜色的激光光束是根据与待显示的“二维彩色图像”有关的图像信号进行强度调制的。可替换地，根据指示与待显示的“二维彩色图像”有关的相关图像信息的图像数据来执行该强度调制。可以使用对于每个颜色的半导体激光进行直接调制的系统(直接调制系统)或者对于从每个颜色的半导体激光发射的激光光束进行调制的系统(外部调制系统)来执行激光光束的强度调制。
顺便提及，根据光束的发散角度等可以将具有诸如圆形、椭圆形、矩形以及正方形的各种形状的孔径用作每个孔径。另外，透镜150是具有朝向随后描述的MEMS反射镜21的凹形表面的弯月形透镜。
[扫描光学系统20的配置]
如图3中所示，扫描光学系统20包括使第一光束101偏转的MEMS反射镜21、透明平板22、以及作为中间图像形成单元的微透镜阵列23。
扫描光学系统20是通过MEMS反射镜21使得从光源单元10发射的第一光束101偏转的光学系统。在扫描光学系统20中发生偏转的光束作为第二光束102入射到微透镜阵列23上。
如图3所示，来自光源单元10的第一光束101在进入MEMS反射镜21的途中穿过透明平板22。另外，由MEMS反射镜偏转的第二光束102在进入微透镜阵列23的途中穿过透明平板22。也就是，入射到MEMS反射镜21上的光束和从MEMS反射镜21发射的光束都穿过透明平板22。
更具体地说，MEMS反射镜21被布置在密封区域，并且透过透明平板22来执行激光进入到该区域和从该区域发射激光。顺便提及，透明平板22、MEMS反射镜21等被配置为集成模块。
利用通过MEMS反射镜21进行偏转的第二光束102，在包括主扫描方向和副扫描方向的二维中对于微透镜阵列23进行扫描。中间图像231通过相对于微透镜阵列23的二维扫描来生成。根据所生成的中间图像231的图像光103从微透镜阵列23的发射表面发射并且被导向观察光学系统30。
[MEMS反射镜21的描述]
这里，将参照图4详细描述MEMS反射镜21。MEMS反射镜21对应于通过半导体工艺等制造为微振荡反射镜元件的微机电系统(MEMS)，并且在其中心部分包括微反射镜210。微反射镜210是偏转从光源单元10发射的第一光束101并且在二维上扫描微透镜阵列23的光偏转单元。
微反射镜210具有反射第一光束101的反射表面2101。反射表面2101用于绕两个轴旋转。当反射平面2101绕Y方向的轴旋转时，第二光束102的行进方向相对于X方向发生变化。因此，当反射表面2101绕Y方向的轴旋转时，可以执行用于生成中间图像231的主扫描。另外，当反射平面2101绕X方向的轴旋转时，第二光束102的行进方向相对于Y方向发生变化。因此，当反射表面2101绕X方向的轴旋转时，可以执行用于生成中间图像231的副扫描。也就是，在图4中，X方向对应于主扫描方向，而Y方向对应于副扫描方向。
在微反射镜210的X方向的两侧布置有一对曲折横梁部152，该对曲折横梁部152形成为曲折通过多个折叠部。曲折横梁部152中折叠且相互邻近的横梁被分为第一横梁部152a和第二横梁部152b，并且每个横梁部包括压电元件156。这里使用的压电元件156例如是PZT。
施加到第一横梁部152a和第二横梁部152b的电压独立地施加到相邻的横梁。这些独立施加的电压具有相互不同的电压值。施加不同电压的第一横梁部152a和第二横梁部152b中发生不同的弯曲。弯曲方向根据所施加的电压来判定。也就是，相互邻近的第一横梁部152a和第二横梁部152b在相互不同的方向上发生偏转。顺便提及，曲折横梁部152由框架元件154支撑。
随着上述偏转的累积，微反射镜210旋转，从而改变反射表面2101相对于X方向的绕X方向的轴的方向。第一光束101通过反射表面2101绕X方向的轴进行的旋转被反射，并且作为第二光束102在Y方向上扫描微透镜阵列23。
MEMS反射镜21在主扫描方向上执行正弦波振荡，在副扫描方向上执行锯齿振荡，从而在二维上将第一光束101偏转为第二光束，由此二维地扫描微透镜阵列23。
当使用具有上述配置的MEMS反射镜21时，HUD 1能够以低电压使用X方向的轴作为旋转中心，在垂直方向(Y方向)上执行光学扫描。另一方面，通过使用连接到微反射镜210的扭杆等的共振来执行使用Y方向的轴作为旋转中心的水平方向(X方向)的光学扫描。
[微透镜阵列23的描述]
接着，将详细描述微透镜阵列23。在微透镜阵列23中，二维布置有微细凸透镜的透镜表面是入射表面，与该透镜表面相对的平坦表面是发射表面。顺便提及，作为微透镜阵列23使用的光学元件不限于上述示例，可以采用扩散板、透射屏幕、反射屏幕等。
入射到透镜表面的第二光束102从发射表面扩散并且发射。MEMS反射镜21执行的扫描例如是光栅扫描，其中以高速扫描主方向并且以低速扫描副扫描方向。
如上所述，从HUD 1的光源单元10发射的第一光束101支持彩色。因此，微透镜阵列23中形成的中间图像231是彩色图像。顺便提及，黑白的中间图像231可以形成在微透镜阵列23中。
图5是从第二光束102的入射方向所看到的微透镜阵列23的透视图。图5中由虚拟线示出的矩形表示中间图像231的虚拟轮廓。利用在二维上通过MEMS反射镜21进行偏转的第一光束101作为第二光束102，沿着图5中所示的从L1到L2的主扫描方向执行扫描，作为第二光束102。接着，从L1在副扫描方向向下移动一步之后，沿着主扫描方向执行扫描。最后，通过从L3到L4的主扫描形成一个帧的中间图像231。如上所述，中间图像231的横向方向是主扫描方向，与其正交的纵向方向是副扫描方向。在主扫描方向和副扫描方向上，在预定时间(扫描时间)针对每个帧形成中间图像231。当完成一个帧的扫描时，为了在扫描时间内形成下一帧的中间图像231，从L1开始主扫描。
微透镜阵列23中的每个时刻(每个帧速率)形成的中间图像231是由“只是该时刻第二光束102照射的像素”形成的。因此，“作为二维彩色图像的中间图像231”是使用第二光束102进行二维扫描的每个时刻显示的一组像素。
因为中间图像231在被微透镜阵列23散射的同时被发射，因此即便驾驶员3的眼睛位置由于驾驶员3的高度等而发生变化，也能够在视觉上识别出中间图像231。
[光学扫描单元100的控制系统]
在此，将描述控制HUD 1的光学扫描单元100的控制系统的配置。如图6中所示，HUD1包括FPGA 600、CPU 602、ROM 604、RAM 606、I/F 608、总线线路610、LD驱动器6111、以及MEMS控制器615。
FPGA 600使用LD驱动器6111和MEMS控制器615来操作光源单元10和MEMS反射镜21。CPU 602是控制HUD 1中所提供的上述硬件的每个部分的操作的处理器。ROM 604是存储将要由CPU 602执行以控制HUD 1的每个功能的图像处理程序的半导体存储器。RAM 606是当CPU 602执行每个硬件的控制处理时作为工作区域使用的半导体存储器。
I/F 608是将HUD 1连接到外部控制器等的接触点。例如，HUD 1经由I/F 608连接到控制器局域网(CAN)。因此，HUD 1能够在与经由CAN连接的另一外部控制器等进行通信的同时进行操作。
[光学扫描单元100的功能配置]
接着，将描述HUD 1中包括的光学扫描单元100的功能配置。如图7中所示，光学扫描单元100包括车辆信息输入单元800、外部信息输入单元802、图像信息生成单元804、以及显示图像形成单元806。
车辆信息输入单元800从经由I/F 608连接的另外的外部控制器等获取信息(例如，车辆的行驶速度、行驶距离等)。
外部信息输入单元802从经由I/F 608连接的另外的外部控制器等获取信息(例如，基于GPS的位置信息、来自导航设备的交通信息等)。
图像信息生成单元804基于从车辆信息输入单元800和外部信息输入单元802输入的信息来生成信息，该信息用于形成用作虚拟图像2的源的中间图像231(见图1)。
显示图像形成单元806包括控制单元8060。控制单元8060基于由图像信息生成单元804生成的信息来控制光源单元10和扫描光学系统20的操作。利用该控制功能，生成待投影到风挡50上的中间图像231。利用上述功能块的操作，可以创建在驾驶员3的视点处视觉上识别虚拟图像2的状态。
描述将返回到图1。HUD 1被配置为以光学扫描单元100中包括的中间图像形成单元(微透镜阵列23)作为边界，中间图像形成单元的外部与车内的空间相连接。存在影响虚拟图像2的显示的不必要的光5，诸如太阳光，从车辆的外部进入内部的情况。不必要的光5不限于从车辆上方到达的光，诸如图1中示例的太阳光，而是从各个角度到达。
另外，当不必要的光5透过观察光学系统30并且入射到微透镜阵列23时，出现不必要的光5从微透镜阵列23发射到MEMS反射镜21的状态。在此情况下，出现与形成中间图像231的第二光束102不同的光影响中间图像231的情况。如上所述，不必要的光5使得中间图像231的对比度下降，并且使得中间图像231的图像质量下降。
另外，类似地，也可以想到不必要的光5入射到同步信息传感器的情况，其中的同步信息传感器检测第二光束102以控制中间图像231形成在微透镜阵列23中的位置。在此情况下，同步信号传感器检测到的光量变得不稳定，并且在与需要执行检测的定时不同的定时检测同步信号，这使得中间图像231的图像质量显著下降。
[光学扫描单元100的第一实施例]
接着，将详细描述光学扫描单元100的实施例。根据本实施例的光学扫描单元100防止由不必要的光5的影响所引起的中间图像231的对比度下降。另外，根据本发明的光学扫描单元100防止用于形成中间图像231的同步信号传感器的错误操作，并且形成图像质量好的中间图像231。
图15是用于描述不必要的光5的影响的示意图，并且是光学扫描单元100的副扫描方向上的截面的示例。如图15所示，假设透明平板22布置成与微透镜阵列23平行的情况。在图15中所示的布置关系中，不必要的光5容易再次进入微透镜阵列23中。这里再次进入是指不必要的光5在透过微透镜阵列23并且进入光扫描单元100的内部之后变为散射光，并且入射到微透镜阵列23的入射表面上。
当在微透镜阵列23与透明平板22平行的情况下不必要的光5被微透镜阵列23散射时，散射光被透明平板22或MEMS反射镜21反射并且容易再次进入微透镜阵列23。也就是，当微透镜阵列23与透明平板22平行时，中间图像231的形成很有可能受到不利影响。
根据本发明的光学扫描单元100通过在如图8和图9中所示的副扫描截面中将透明平板22相对于微透镜阵列23进行倾斜，具有防止上述不利影响的效果。
图8示出光扫描单元100在主扫描截面中的光学布置的示例。图9示出光扫描单元100在副扫描截面中的光学布置的示例。如图8中所示，在主扫描截面中，微透镜阵列23和透明平板22相互平行。MEMS反射镜21在主扫描方向上使第二光束102偏转的分布角例如是52度。在此情况下，检测第二光束102的同步信号传感器布置在微透镜阵列23的主扫描方向上的一端，并且同步信号传感器检测第二光束102以调整中间图像231的位置，从而改善图像质量。
如图9所示，根据本实施例的光学扫描单元100被布置为在副扫描截面中透明平板22相对微透镜阵列23倾斜从而形成角度α。因此，即使存在从微透镜阵列23入射的不必要的光5，不必要的光5也难以被透明平板22反射并再次进入微透镜阵列23。
基于对角连接透明平板22的端部与微透镜阵列23的端部的两条虚拟线来定义根据本实施例的光学扫描单元100中的透明平板22的倾斜方向。上述两条虚拟线中的一条虚拟线与透明平板22的垂线形成比另一条线小的角度。透明平板22在该条线与透明平板22的垂线之间形成的角度增大的方向上倾斜。
将更详细地描述根据本实施例的透明平板22相对于微透镜阵列23的倾斜。如图10所示，在副扫描截面中，微透镜阵列23的端部中的一个端部称为“端部A”，而另一端部将称为“端部B”。另外，在副扫描截面中，连接端部A和与端部A对角的透明平板22的端部的虚拟线被称为“第一虚拟线251”，并且连接端部B和与端部B对角的透明平板22的端部的虚拟线被称为“第二虚拟线252”。
当在副扫描截面中透明平板22的两端设置虚拟垂线221时，第一虚拟线251与垂线221之间形成的角度小于第二虚拟线252与垂线221之间形成的角度。也就是，光学扫描单元100的透明平板22在第一虚拟线251与垂线221之间形成的角度增大的方向C上倾斜。换言之，光学扫描单元100的透明平板22在远离平行于微透镜阵列23的状态的方向上倾斜。
将参考图11来描述透明平板22如上所述进行倾斜的情况下的效果。假设如图11所示的不必要的光5的光路，如果来自微透镜阵列23的端部A的不必要的光5在透明平板22的端部被反射，则被导向附图标记A1或A2所表示的方向。类似地，如果来自微透镜阵列23的端部A的不必要的光5在透明平板22的端部被反射，则被导向附图标记B1或B2所表示的方向。
当透明平板22如图10中所示相对于微透镜阵列23倾斜布置时，达到从微透镜阵列23散射的不必要的光5即使被透镜平板22反射也不会重新进入微透镜阵列23的状态。
当透明平板22在C方向上倾斜时(见图10)，从微透镜阵列23的端部A被散射的不必要的光5在副扫描截面中被透明平板22的一端反射形成的角度大于不必要的光被另一端反射形成的角度。这也适用于从微透镜阵列23的端部B散射的不必要的光5。当经散射的不必要的光5被透明平板22反射时，在副扫描截面中靠近微透镜阵列23的光路是与附图标记A1对应的光路。换言之，没有比附图标记A1经反射更靠近微透镜阵列23的不必要的光5，并且其他的不必要的光5被反射在远离微透镜阵列23的方向上。
如果透明平板22在与图10中所示的方向C相反的方向上倾斜，由透明平板22反射的一些不必要的光5返回到微透镜阵列23。当不必要的光5返回到微透镜阵列23时，在相关时刻(相关帧)没有对于形成中间图像231起作用的一部分微透镜阵列23被照亮。当出现这种状态时，原本暗的部分变亮，使得中间图像的对比度下降。
上述根据第一实施例的光学扫描单元100能够防止不必要的光5对于中间图像231产生不利影响，因为来自微透镜阵列23的整个区域的散射光即使被透明平板22反射也不重新进入微透镜阵列23。因此，能够形成高对比度的中间图像231。
[光学扫描单元100的第二实施例]
接着，将参考图12和图13描述根据本发明的光学扫描设备的另一实施例。与上述实施例类似，在副扫描截面中，微透镜阵列23的端部中的一个端部称为“端部A”，而另一端部将称为“端部B”。在副扫描截面中，连接端部A与端部A对角的透明平板22的端部的虚拟线被称为“第一虚拟线251”，并且连接端部B与端部B对角的透明平板22的端部的虚拟线被称为“第二虚拟线252”。
在根据本实施例的光学扫描单元100中，透明平板22在副扫描截面中的倾斜方向不同于上述实施例。也就是，透明平板22相对于微透镜阵列23倾斜，使得第二虚拟线252与透明平板22的垂线221之间形成的角度小于第一虚拟线251与透明平板22的垂线221之间形成的角度。换言之，根据第二实施例的光学扫描单元100，透明平板22的倾斜方向被设置为第二虚拟线252与垂线221之间形成的角度增大并且透明平板22远离平行于微透镜阵列23的状态的方向。
当透明平板22如上所述倾斜时，第二虚拟线252变为如下的线：这条线包含透明平板22的距离入射到MEMS反射镜21上的第一光束101更远的一端，也就是位于与微透镜阵列23的端部B对角的位置处的端部。当通过这种方式来设置透明平板22的倾斜方向时，可以减小穿透透明平板22的光束(第一光束101和第二光束102)相对于透明平板22的入射角度。因此，能够缩小透明平板22的尺寸，并且能够改善透明平板22的透过率。
将参考图13来描述通过如上所述倾斜透明平板22所获得的效果。假设如图13中所示的不必要的光5的光路，在透明平板22的一端被反射的光行进在来自微透镜阵列23的端部B的不必要的光5的外部最靠近微透镜阵列23的光路，并且经反射的不必要的光5不进入微透镜阵列23。当透明平板22如图12和13中所示相对于微透镜阵列23倾斜时，从微透镜阵列23散射的不必要的光5即使被透镜平板22反射也难以重新进入微透镜阵列23。
如上所述，根据本发明的光学扫描单元100能够在光学单元10关闭或者转到在微阵列透镜23上不形成中间图像231的部分的情况下防止不必要的光5的进入，因为来自微透镜阵列23的整个区域的散射光即使被透明平板22反射也不重新进入微透镜阵列23。因此，可以形成高对比度的中间图像231。
另外，将参考图14描述通过如上所述减小从透明平板22透过的光束(第一光束101和第二光束102)相对于透明平板22的入射角度能够使得透明平板22紧凑并且能够改善透过率的原因。
如图14所示，在副扫描截面上从光源单元10入射到MEMS反射镜21上的第一光束101的入射角度被设置为13度，并且MEMS反射镜21在副扫描截面上的振幅(MEMS幅值)被设置为±5度。在此情况下，相对于MEMS反射镜21的副扫描振幅中心，入射侧是13度，发射侧是23度(13度+10度)。
如果微透镜阵列23的中心与MEMS反射镜21的振幅中心(MEMS振幅中心)的激光到达位置一致，并且在副扫描方向上具有对称形状，则如上所述倾斜的透明平板22的倾斜量基本相同。因此，在透明平板22朝向入射光倾斜的情况下，可以将待穿透透明平板22的光束的入射角度设置为更小。
也就是，从缩小透明平板22的尺寸和改善透过率的角度来说，在执行二维扫描的MEMS反射镜21中，更期望的是，将透明平板22朝向入射光向MEMS反射镜21倾斜。
另外，通过减小透明平板22的倾斜可以缩短MEMS反射镜21与透明平板22之间的距离。因此，能够减小第一光束101透过的区域。也就是，可以缩小光扫描单元100的尺寸并且降低制造成本。
此外，HUD 1需要使得中间图像231比虚拟图像2的背景亮度更亮。也就是，因为由于虚拟图像2的背景需要大量的光，所以不期望降低光在透明平板22中的透过率。然而，根据本实施例，透射光束(第一光束101和第二光束102)相对于透明平板22的入射角度被减小，其导致透过率的改善。另外，还可以减小微透镜阵列23中形成中间图像231的第二光束102的入射区域(中间图像区域内)中的亮度偏差，并且可以改善虚拟图像2的显示性能。
由于上述根据第一或第二实施例的光扫描单元100是激光扫描系统，所以为了控制中间图像231的形成位置，有必要获取用于控制光源单元10的光发射定时的信号。控制信号的这种获取由作为同步信号传感器的光接收元件25来执行。光接收元件如图10和图12所示布置在副扫描截面中。
光接收元件25被期望布置在与线中包含的微透镜阵列23的端部相对的端部，其中的线在副扫描截面中相对于微透镜阵列23的中心与透明平板22形成更小角度。
例如，在图10所示的布置中，光接收元件25布置在微透镜阵列23的端部B。在图12所示的布置的情况下，光接收元件25布置在微透镜阵列23的端部A。因此，即使从微透镜阵列23散射的不必要的光5被透明平板22反射，也能够防止不必要的光5入射到光接收元件25上。当光接收元件25布置在微透镜阵列23外部时，特别是在发出不必要的光5的一侧，不必将透明平板22的垂线在由透明平板22与微透镜阵列23之间形成的角度增加的方向上倾斜的量设置大。
如上述，根据上述实施例中的任何实施例，可以防止不必要的光5入射到光接收元件25并且防止光扫描单元100的图像质量下降。另外，可以在不必将透明平板22大量倾斜的情况下，将穿透透明平板22的光束的入射角度设置小。因此，能够缩小透明平板22的尺寸，并且能够改善透过率。
另外，在根据上述实施例中的任何实施例的光学扫描设备中，透明平板22被布置为在副扫描方向上具有角度从而防止入射到MEMS反射镜21上的入射光(第一光束101)垂直入射到透明平板22上。如果第一光束101垂直入射到透明平板22，则有可能第一光束101的反射光返回到光源单元10。
当光源单元10监视第一光束101的光量时，由于第一光束101的光量浮动，所以光量控制变得不稳定。即使在不监视光量的光源单元10中，也存在提供了在MEMS反射镜21上分离反射光以监视光量等的光学系统的情况。在任何情况下，都不期望第一光束通过透明平板22返回到光源单元10。
因此，如根据上述实施例中的任何实施例的光扫描单元100一样，当透明平板22被布置成在副扫描方向上相对于MEMS反射镜21相对于入射光具有角度，可以防止光反射到传感器，该传感器控制光量等并且准确地控制第一光束101。
如上所述，HUD 1能够准确地执行彩色显示的色彩再现和在虚拟图像2的显示期间相对于背景亮度的适当亮度的设置。
[本发明的有益效果]
根据上述的HUD 1，来自第一光源单元10的第一光束101被用于由具有单个反射表面2101的MEMS反射镜21进行的二维扫描，并且被成像以在作为待扫描的表面的微透镜阵列23上形成中间图像231。在用于形成中间图像231的光学扫描单元100中，为了改善MEMS反射镜21的工作准确性并且改善图像质量的目的而布置的透明平板22被布置为满足副扫描截面中的预定条件。这里，预定条件是指透明平板22相对于对角连接透明平板22的端部与微透镜阵列23的端部的两条线中的与透明平板22的垂线形成更小角度的线的倾斜方向。倾斜方向是透明平板22与微透镜阵列23形成的角度相对于透明平板22的垂线增大的方向。
因此，即使从外部到达微透镜阵列23的不必要的光5被微透镜阵列23散射，也可以防止在形成中间图像231时被散射的光重新进入微透镜阵列23。因此，HUD 1能够形成高对比度的中间图像231，并且显示高对比度的虚拟图像2。另外，能够以稳定的方式持续获得用于控制中间图像231的形成位置的同步信号，并且能够改善中间图像231的图像质量。
另外，与透明平板22的垂线形成更小角度的线可以是包含与入射到MEMS反射镜21上的光束(第一光束101)距离更远的透明平板22的端部的线。由此，可以缩小透明平板22的尺寸并且保证透过率。
另外，至少单个光接收元件25，其用于获得用来确定扫描定时的信号，被布置在与线中包含的微透镜阵列23的端部相对的端部，其中的线在副扫描截面中相对于微透镜阵列23的中心与透明平板22形成更小角度。因此，可以获得能够在不受不必要的光5影响的情况下实现稳定图像形成的光扫描单元100。
另外，通过提供如上所述的光学扫描单元100可以获得高图像质量的紧凑HUD 1。
附图标记列表
1 HUD
10 光源单元
20 扫描光学系统
21 MEMS反射镜
23 微透镜阵列
100 光学扫描单元
101 第一光束
102 第二光束
103 图像光
210 微反射镜
231 中间图像
引文列表
专利文献
专利文献1：日本专利5050862号公报

Claims (6)

1.一种光学扫描设备，其包括：
光源单元，其用于发射光束；
光偏转单元，其用于在主扫描方向上和与所述主扫描方向正交的副扫描方向上使所述光束二维地偏转；以及
图像形成单元，其用于通过由所述光偏转单元执行的所述光束的二维扫描来形成图像，其中，在所述图像形成单元处生成的图像的光出射到所述光学扫描设备之外，
其中在所述光偏转单元与所述图像形成单元之间的所述光束的光路中布置有平板，所述平板用于透过入射到所述光偏转单元的光和来自所述光偏转单元的经偏转的反射光，并且
在所述副扫描方向上的截面中，所述平板在由虚拟线和所述平板的垂线形成的角度增大的方向上倾斜，所述虚拟线是对角连接所述平板的端部和所述图像形成单元的端部的两条虚拟线中的与所述平板的垂线形成更小角度的虚拟线，以使如果进入所述图像形成单元的光被所述图像形成单元散射并由所述平板反射，经反射的光不再进入所述图像形成单元。
2.根据权利要求1所述的光学扫描设备，其中所述虚拟线是包含所述平板的与入射到所述光偏转单元的光束距离更远的端部的线。
3.根据权利要求1或2所述的光学扫描设备，进一步包括光接收元件，其用于获取控制所述图像形成单元中的所述二维扫描的定时的信号，
其中在所述副扫描方向上的所述截面中，相对于所述图像形成单元的中心，所述光接收元件被布置在所述图像形成单元的所述虚拟线所包含的端部相对的端部。
4.根据权利要求1或2所述的光学扫描设备，其中所述平板在相对于入射到所述光偏转单元的光在所述副扫描方向上具有角度。
5.一种图像显示设备，其包括根据权利要求1至4中的任一项所述的光学扫描设备，
其中由所述图像形成单元生成的中间图像作为虚拟图像来显示。
6.一种包括权利要求5所述的图像显示设备的车辆，其中所述中间图像作为所述虚拟图像显示给驾驶员。
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