JP6741089B2

JP6741089B2 - ヘッドアップディスプレイ装置

Info

Publication number: JP6741089B2
Application number: JP2019019380A
Authority: JP
Inventors: 裕輝春山; 宗也松浦
Original assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Current assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Priority date: 2019-02-06
Filing date: 2019-02-06
Publication date: 2020-08-19
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: JP2019082722A

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。

従来より種々提案されているヘッドアップディスプレイ装置として、特許文献１に開示されるものがある。このヘッドアップディスプレイ装置は、光線を放出する光源と、光線を分割し光源の像を複数生成するレンズアレイと、レンズアレイにより生成される光源の像から発せられる光線を所定角度で表示部材に入射させるフィールドレンズと、を有し、レンズアレイは、レンズアレイにより生成される光源の像面が、フィールドレンズの物体側焦点に対してフィールドレンズの主点側に位置するように配設されるものである。

上述のようなヘッドアップディスプレイ装置によれば、アイボックスへの光照射効率を向上することができ、視点移動に伴う表示像の輝度変化量を抑制するこ
とが可能であり、また望ましい配光角度特性を実現可能とされる。

特開２０１２−２０３１７６号公報

しかしながら、レンズアレイのように中間像を結ぶレンズを備えたヘッドアップディスプレイ装置においては、高温環境下で高輝度の光線を光源が発した場合に、当該レンズを通過する光線の集光点がレンズ内で１点に集まると、レンズの材質によってはレンズが変質して表示品位が低下してしまう虞があった。

本発明は、上述した課題を鑑みてなされたものであり、光源が発する光線の集光によって中間像を結ぶレンズが変質する虞を低減したヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、
矩形の表示領域を有する表示部材１１３と、光線Ｌ０を放出する光源１１１ａと、前記光源１１１ａ像としての中間像を結ぶ第１レンズ１１１ｃと、前記中間像から発せられる前記光線Ｌ０を所定の角度で前記表示部材１１３に入射させる第２レンズ１１１ｄと、を備え、前記表示部材１１３から発せられる表示光Ｌを投射部材１２０，２２０に投射して前記表示光Ｌの虚像Ｖを表示させるヘッドアップディスプレイ装置１００であって、
前記光源１１１ａと前記第１レンズ１１１ｃと前記第２レンズ１１１ｄによりケーラー照明光学系１１１を構成し、
前記第１レンズ１１１ｃは、レンズアレイであり、
前記レンズアレイの各レンズは、前記表示領域の短手方向に対応する第１方向における第１集光点Ｐ１と、前記表示領域の長手方向に対応する第２方向における第２集光点Ｐ２はレンズ１１１ｃ内に位置し、前記第２集光点Ｐ２が前記第１集光点Ｐ１よりも入射曲面側に位置する。

本発明によれば、光源が発する光線の集光によって中間像を結ぶレンズが変質する虞を低減したヘッドアップディスプレイ装置を提供することができる。

本発明の実施形態であるヘッドアップディスプレイ装置の概略図である。同上ヘッドアップディスプレイ装置の断面図である。同ヘッドアップディスプレイ装置における光路を説明する図である。同ヘッドアップディスプレイ装置におけるレンズアレイの光路を説明する図である。（ａ）は縦方向（第１方向）における光路を示し、（ｂ）は横方向（第２方向）おける光路を示す。

以下、図１から図４に基づいて、本発明を車両用のヘッドアップディスプレイ装置に適用した一実施形態を説明する。

ヘッドアップディスプレイ装置１００は、図１に示すように車両２００のインパネ２１０内部に配設され、後述する液晶表示器（表示器）１１０が発する表示光Ｌをフロントガラス（投射部材）２２０を介して反射させ、車両２００の運転者（観察者）ＤのアイボックスＢに導いて、虚像（表示像）Ｖを表示する。これにより、運転者Ｄは表示光Ｌによる虚像Ｖを風景に重畳させて視認できる。

ヘッドアップディスプレイ装置１００は、図２に示すように液晶表示器１１０と、凹面鏡１２０と、ハウジング１３０と、放熱部材１４０と、から主に構成される。

液晶表示器１１０は、照明光学系１１１と、光拡散部材１１２と、液晶表示パネル（表示部材）１１３と、第１のケース体１１４と、第２のケース体１１５と、第３のケース体１１６と、を備える。

照明光学系１１１は、いわゆるケーラー照明光学系であり、図３に示すように、光源１１１ａと、コンデンサレンズ１１１ｂと、レンズアレイ１１１ｃと、フィールドレンズ１１１ｄと、で構成される。また、照明光学系１１１は、光源１１１ａから発せられる光線Ｌ０を液晶表示パネル１１３の横長矩形の有効領域に均等に照射させつつ、同光線Ｌ０を凹面鏡１２０とフロントガラス２２０とで構成される投射光学系を介して、運転者ＤのアイボックスＢへ導くように液晶表示パネル１１３面から出射される表示光Ｌの角度を制御する。

光源１１１ａは、ＬＥＤなどの発光素子からなり、光線Ｌ０を発する。光源１１１ａは、回路基板（光源基板）１１７に実装されている。

コンデンサレンズ１１１ｂは、波長５８７．５６ｎｍにおける屈折率Ｎｄが１．４〜１．７である光学樹脂により作製される凸レンズからなり、光源１１１ａから出射される光線Ｌ０を集光し、ヘッドアップディスプレイ装置１００の光軸Ａに対して平行化する機能を有する。コンデンサレンズ１１１ｂは、１個の光源１１１ａに対して１つのレンズが対応し、本実施形態のように光源１１１ａが複数使用される場合は、凸レンズ部が複数配置された集合レンズの形態を取る。コンデンサレンズ１１１ｂの有効焦点距離は５〜９ｍｍであり、レンズ製造上の都合からレンズ曲面頂点間距離（レンズ厚さ）を一定以下に抑えたい場合など、仕様によっては２枚のレンズで構成してもよい。光源１１１ａはその射出面がコンデンサレンズ１１１ｂの焦点に位置し、光源１１１ａから射出される近軸光線がコンデンサレンズ１１１ｂを透過後に光軸Ａと平行な平行光となる。なお、コンデンサレンズ１１１ｂの入射側曲面頂点と光源１１１ａの射出面との間隔は光源１１１ａからの光取り込み量及び寸法制約などを条件として規定される。光源１１１ａがランバシアン配光に近い特性を持つ場合、コンデンサレンズ１１１ｂの射出側曲面形状は球面を基本とするが、光源１１１ａの配光特性に応じて非球面のトロイダル形状としてもよい。

レンズアレイ１１１ｃは、波長５８７．５６ｎｍにおける屈折率Ｎｄが１．４〜１．７である光学樹脂により作製される両凸レンズがヘッドアップディスプレイ装置１００の光軸Ａに対して垂直な平面に規則的に複数配置された光学部材である。レンズアレイ１１１ｃは、コンデンサレンズ１１１ｂによって平行化された光線Ｌ０をアレイ数に応じて分割して中間像を結ぶ機能を有する。この中間像は、コンデンサレンズ１１１ｂによって生成される光源１１１ａの拡大像をアレイ数で分割した像である。レンズアレイ１１１ｃの各レンズは、レンズの縦方向と横方向が液晶表示パネル１１３の縦方向と横方向に対応しており、液晶表示パネル１１３の横長矩形の有効領域を均一に照明するように最適化される。

レンズアレイ１１１ｃの各レンズの縦横におけるレンズ同士のピッチ間隔と、各レンズの形状によって、中間像面から出射される光線Ｌ０の配光角度（開口数）を調整できる。しかしながら、各レンズのピッチ間隔や形状を調整するが、各レンズのピッチ間隔を広げると、レンズアレイ１１ｃにより生成される中間像の境界部分を運転者Ｄに視認されて表示品位が低下する虞が高まり好ましくない。

また、レンズアレイ１１１ｃが光線Ｌ０の集光によって変質しないようにレンズアレイ１１１ｃに入射した光線Ｌ０が集光する位置をレンズアレイ１１１ｃ外とすることが好ましい。しかしながら、液晶表示パネル１１３を適切に照明するために必要な中間像面から出射される光線Ｌ０の配光角度と、レンズアレイ１１１ｃの剛性を保つために必要な厚さから、レンズアレイ１１１ｃに入射した光線Ｌ０が集光する位置をレンズアレイ１１１ｃ外とすることは難しい。

よって、レンズアレイ１１１ｃの各レンズの形状を、図４に示すように、レンズアレイ１１１ｃ上で集光する集光点Ｐの縦方向における集光位置Ｐ１と横方向における集光位置Ｐ２同士が１点で交わらず、中間像面から出射される横方向の光線Ｌ０の配光角度を縦方向の光線Ｌ０の配光角度に比べ広くなるように、集光位置Ｐ１よりも集光位置Ｐ２をレンズアレイ１１１ｃの近軸平行光が入射した側に位置するように規定した非球面のトロイダル形状とする。

フィールドレンズ１１１ｄは、波長５８７．５６ｎｍにおける屈折率Ｎｄが１．４〜１．７である光学樹脂により作製される凸レンズからなり、本実施形態においては少なくとも２つの凸レンズからなる。フィールドレンズ１１１ｄは、レンズアレイ１１１ｃが生成した中間像から発せられる光線Ｌ０を、所定の配光角度で液晶表示パネル１１３へ導く機能を有する。すなわち、照明光学系１１１は、レンズアレイ１１１ｃによって光源１１１ａからの平行化された光線Ｌ０を分割して各中間像を生成し、生成される各中間像から発せられる光線Ｌ０をフィールドレンズ１１１ｄによってそれぞれ液晶パネル１１３面（液晶層の厚さ方向の中心線を通る平面）全体を照射するように拡大し、また、個々の物点を１つの面である液晶表示パネル１１３面に重ねる。これにより、アイボックスＢへの光照射効率が向上し、また、集光後に横方向及び縦方向にのみ広げるレンチキュラレンズを用いた従来の方法に比べて虚像Ｖの輝度均斉度を改善して視点移動に伴う虚像Ｖの輝度変化量を抑制できる。

光拡散部材１１２は、透明樹脂材料を基材としてフィルム状あるいは板状の部材であり、照明光学系１１１のフィールドレンズ１１１ｄと液晶表示パネル１１３との間に、全光路を覆う大きさで配置される。光拡散部材１１２は、第３のケース体１１６内に外装部品での挟み込みや接着等によって固定される。光拡散部材１１２は、フィールドレンズ１１１ｄの射出側曲面で反射される外光を拡散し、また、照明光学系１１１のレンズアレイ１１ｃにより生成される中間像の境界部分を運転者Ｄに視認されないようにする機能を有する。

液晶表示パネル１１３は、透明電極膜が形成された一対の透光性基板に液晶層を封入した液晶セルの前後両面に偏光板を貼着した表示パネルであり、例えばＱＶＧＡ（Quarter Video Graphics Array）規格の横長矩形の有効領域を有し、第３のケース体１１６内に収納される。フィールドレンズ１１１ｄによって所定の配光角度で液晶表示パネル１１３面へ導かれた光線Ｌ０は液晶表示パネル１１３を透過して表示光Ｌとなって投射光学系を構成する凹面鏡１２０に照射される。

第１のケース体１１４は、液晶表示器１１０の後方側に設けられ、非透過性樹脂材料からなる断面略矩形状の筒状部材であり、コンデンサレンズ１１１ｂを収容する。

第２のケース体１１５は、非透過性樹脂材料からなる断面矩形状の筒状部材であり、第１のケース体１１４と第３のケース体１１６との間に設けられ、照明光学系１１１を構成する各部材を収容、保持する。

第３のケース体１１６は、液晶表示器１１０の前方側（射出側）に設けられ、非透過性樹脂材料からなり、光拡散部材１１２及び液晶表示パネル１１３を収納する。また、第３のケース体１２０には液晶表示パネル１１３の表示面を露出する窓部１１６ａが設けられており、窓部１１６ａから表示光Ｌが射出される。

凹面鏡１２０は、例えばポリカーボネートなどの樹脂材料に例えばアルミニウムなどの金属を蒸着させて凹面状の反射面を形成した反射鏡である。凹面鏡１２０は、液晶表示器１１０が発した表示光Ｌを拡大してフロントガラス２２０に照射する機能と、フロントガラス２の曲面による表示光Ｌの歪みを凹面状の曲面にて補正する機能を有する。

ハウジング１３０は、非透過性樹脂材料からなり、液晶表示器１１０及び凹面鏡１２０を収納する。ハウジング１３０には、表示光を出射する窓部１３１が設けられている。この窓部１３１は例えばアクリルなどの透光性樹脂材料からなり、湾曲形成されている。また、ハウジング１３０には、後方側に放熱部材１４０を配設するための開口部１３２が設けられている。

放熱部材１４０は、ハウジング１３０の開口部１３２に設けられる。放熱部材１４０は、例えばアルミニウムなどの金属材料で作成されるフィン型の構造体であり、光源１１７が発する熱を外部に放出する役割を有する。放熱部材１４０には、螺子止めにより第１，第２のケース体１１４，１１５が固定される。また、放熱部材１４０はハウジング１３０に螺子止めされる。

以上の各部によってヘッドアップディスプレイ装置１００が構成される。

本実施形態によれば、レンズアレイ１１１ｃに入射した近軸平行光が屈折して集光する位置Ｐを、縦方向（第１方向）と横方向（第２方向）における集光位置Ｐ１，Ｐ２が互いにレンズアレイ１１１ｃ上で重ならないように規定することで、光線Ｌ０がレンズアレイ１１１ｃの１点に集光しないため、レンズアレイ１１１ｃが光線Ｌ０の集光によってレンズアレイが変質して表示品位が低下してしまう虞を低減できる。

また、本実施形態は、液晶表示パネル（表示部材）１１３の横長矩形の有効領域に均等に光線Ｌ０を照射するにあたって、横方向（第２方向）における集光位置Ｐ２を縦方向（第１方向）における集光位置Ｐ１よりもレンズアレイ１１１ｃの入射側曲面側に配置することで、レンズアレイ１１１ｃの各レンズの横方向（第２方向）のピッチを広げて配光角度を広げるのに比べて、照明光学系１１１のレンズアレイ１１１ｃにより生成される中間像の境界部分を運転者Ｄに視認されにくくなり、表示品位が低下する虞を低減できる。

また、本実施形態は、レンズアレイ１１１ｃに入射した近軸平行光が屈折して集光する位置Ｐを、縦方向（第１方向）と横方向（第２方向）における集光位置Ｐ１，Ｐ２が互いにレンズアレイ１１１ｃ上で重ならないように規定することで、光線Ｌ０がレンズアレイ１１１ｃの１点に集光せず、レンズアレイ１１１ｃが光線Ｌ０の集光による変質の虞を低減できるため、例えば無機ガラスからなるレンズアレイ１１１ｃに比べ、耐熱性は低いが安価で成形が容易な光学樹脂からなるレンズアレイ１１１ｃを採用できた。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施ができる。

例えば、本実施形態においては、ＬＥＤなどの発光素子からなる点光源の光源１１１ａが発する光線Ｌ０を、コンデンサレンズ１１１ｂによって集光し、ヘッドアップディスプレイ装置１００の光軸Ａに対して平行化して、レンズアレイ１１１ｃに出射したが、光源１１１ａが平行光を発する面光源であれば、コンデンサレンズ１１１ｂを廃してもよい。

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に好適である。

１００：ヘッドアップディスプレイ装置
１１０：液晶表示器（表示器）
１１１：照明光学系
１１１ａ：光源
１１１ｂ：コンデンサレンズ
１１１ｃ：レンズアレイ
１１１ｄ：フィールドレンズ
１１２：光拡散部材
１１３：液晶表示パネル（表示部材）
１１４：第１のケース体
１１５：第２のケース体
１１６：第３のケース体
１１７：回路基板（光源基板）
１２０：凹面鏡
１３０：ハウジング
１４０：放熱部材

Claims

矩形の表示領域を有する表示部材と、光線を放出する光源と、前記光源の像としての中間像を結ぶ第１レンズと、前記中間像から発せられる前記光線を所定の角度で前記表示部材に入射させる第２レンズと、を備え、前記表示部材から発せられる表示光を投射部材に投射して前記表示光の虚像を表示させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記光源と前記第１レンズと前記第２レンズによりケーラー照明光学系を構成し、
前記第１レンズは、レンズアレイであり、
前記レンズアレイの各レンズは、前記表示領域の短手方向に対応する第１方向における第１集光点と前記表示領域の長手方向に対応する第２方向における第２集光点がレンズ内に位置し、前記第２集光点が前記第１集光点よりも入射曲面側に位置する、
ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
前記第１レンズは、第１集光点が出射曲面の頂点に位置する、
ことを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
前記第２レンズは、直列に位置する複数のレンズから構成される、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。