JP7743838B2 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本開示は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。

例えば、特許文献１に記載のヘッドアップディスプレイ装置は、表示光を放射する表示器と、この表示器で放射された表示光を反射する第１ミラーと、この第１ミラーで反射された表示光を反射する第２ミラーと、を備える。第１ミラーは、反射した表示光を第２ミラーに到達する前のクロス点で上下にクロスさせる。

国際公開第２０１８／１９８８２１号

上記特許文献１に記載の構成では、表示器から放射された表示光が平行光であるため、クロス点を過ぎた後の表示光が大きい発散角にて発散する。このため、第２ミラーの反射面を大きくする必要がある。

本開示は、上記実状を鑑みてなされたものであり、クロス点を過ぎた表示光の発散角を小さくすることができる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。

上記目的を達成するため、本開示に係るヘッドアップディスプレイ装置は、
光を放射する光源と、
前記光源からの光を受けて表示光を放射する液晶パネルと、
前記液晶パネルからの前記表示光を反射し、反射した前記表示光をクロス方向にクロス点でクロスさせる第１ミラーと、
前記第１ミラーにて反射して前記クロス点を通過した前記表示光を反射する第２ミラーと、
前記光源からの光を収束させることにより、前記表示光を収束した状態で前記第１ミラーに到達させる第１光学素子と、
前記光源から放射された光を略平行化する第２光学素子と、
前記第２光学素子により略平行化された光を発散させたうえで前記第１光学素子に出射する第３光学素子と、を備える。

本開示によれば、ヘッドアップディスプレイ装置において、クロス点を過ぎた表示光の発散角を小さくすることができる。

本開示の一実施形態に係る車両の概略図である。 本開示の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の概略図である。 本開示の一実施形態に係る光路を示す表示ユニットの側面図である。 本開示の一実施形態に係る光路を示す表示ユニットの平面図である。 本開示の変形例に係る光路を示す表示ユニットの側面図である。 本開示の変形例に係る光路を示す表示ユニットの平面図である。 本開示の変形例に係る光路を示す表示ユニットの側面図である。 本開示の変形例に係る光路を示す表示ユニットの平面図である。 本開示の変形例に係る光路を示す表示ユニットの側面図である。

本開示に係るヘッドアップディスプレイ装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１００は、車両２００に搭載され、表示光Ｌを被投射部材であるウインドシールド２０１に投射することにより車両情報を含む虚像Ｖを視認者１により視認可能に表示する。

図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１００は、第１ミラー１１と、第２ミラー１２と、表示ユニット２０と、ケース３０と、を備える。
ケース３０は遮光性の樹脂又は金属により箱状に形成されている。ケース３０内には第１ミラー１１、第２ミラー１２及び表示ユニット２０が収容されている。

ケース３０は、第２ミラー１２にて反射した表示光Ｌをウインドシールド２０１（図１参照）に向けて透過する透光窓材３１を備える。透光窓材３１は、透光性樹脂又はガラスにより板状に形成され、車両２００の高さ方向においてウインドシールド２０１に対応するように位置する。

表示ユニット２０は、第１ミラー１１に向けて収束する収束光として表示光Ｌを放射する。表示ユニット２０から放射される表示光Ｌの収束角αは、光軸中心に対して光軸中心から最も離れた位置の光線がなす角度である。表示ユニット２０から放射される表示光Ｌは、車両２００の高さ方向（クロス方向）において収束し、車両２００の幅方向において平行である。
表示ユニット２０の具体的な構成については後述する。

図２に示すように、第１ミラー１１は、車両２００の高さ方向に沿って湾曲し、車両２００の幅方向に沿って直線状に延びる凹面鏡である。第１ミラー１１は表示ユニット２０から放射された表示光Ｌを第２ミラー１２に向けて反射する。
第１ミラー１１は、車両２００の高さ方向において表示ユニット２０からの表示光Ｌをクロス点Ｃｒにてクロスさせるように第２ミラー１２に向けて反射する。クロス点Ｃｒは、表示光Ｌの光路において第１ミラー１１と第２ミラー１２の間に位置する。クロス点Ｃｒは、第１ミラー１１と第２ミラー１２の中間位置よりも第１ミラー１１の近くに設けられる。表示光Ｌは、第１ミラー１１からクロス点Ｃｒまで収束し、クロス点Ｃｒから第２ミラー１２まで発散角βにて発散する。発散角βは、クロス点Ｃｒから第２ミラー１２までの表示光Ｌの光軸中心に対して光軸中心から最も離れた位置の光線がなす角度である。
第１ミラー１１の反射面１１ａは、車両２００の前方下側を向いている。

第２ミラー１２は、車両２００の高さ方向に沿って湾曲し、車両２００の幅方向に沿って直線状に延びる凹面鏡である。第２ミラー１２は、第１ミラー１１から反射された表示光Ｌをウインドシールド２０１（図１参照）に向けて反射する。第２ミラー１２は、第１ミラー１１からの表示光Ｌを発散するようにウインドシールド２０１に向けて反射する。第２ミラー１２の反射面１２ａは、車両２００の後方上側を向いている。

次に、表示ユニット２０の具体的な構成について説明する。
図３及び図４に示すように、表示ユニット２０は、光源基板２１と、複数の光源２２と、光源２２からの照明光を調整する照明光学系２８と、を備える。照明光学系２８は、光源２２からの照明光を調整する。照明光の調整とは、照明光の平行化、照明光の拡散、散乱又は収束を言う。
照明光学系２８は、コンデンサレンズ２３と、第１レンチキュラレンズ２４と、第２レンチキュラレンズ２５と、ディフューザー２６と、液晶パネル２７と、を備える。
以下の説明では、光源２２から放射される照明光の光軸に沿う方向をＺ方向と規定し、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向及びＹ方向と規定する。Ｘ方向及びＹ方向は互いに直交する。本例では、Ｘ方向は第１レンチキュラレンズ２４等の短手方向に沿い、Ｙ方向は第１レンチキュラレンズ２４等の長手方向に沿う。Ｘ方向及びＺ方向に沿うクロス面において表示光Ｌがクロスするクロス点Ｃｒ（図１参照）が存在する。このクロス面は、車両高さ方向及び車両前後方向に沿う。
光源基板２１、コンデンサレンズ２３、第１レンチキュラレンズ２４、第２レンチキュラレンズ２５、ディフューザー２６及び液晶パネル２７は、それぞれの厚さ方向がＺ方向に沿いＺ方向に沿って並べられ、遮光性樹脂により形成される収容筒部（図示略）内に収容される。

光源２２は、図示しない制御部による制御のもと照明光を放射する。光源２２は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。複数の光源２２は、光源基板２１の主面に実装されている。光源基板２１の主面は、光源基板２１のコンデンサレンズ２３に対向する面である。複数の光源２２は、光源基板２１の主面に２行×６列のマトリックス状に配置されている。

コンデンサレンズ２３は、透光性の樹脂又はガラスにより板状に形成されている。コンデンサレンズ２３は、各光源２２から射出された照明光の各光線をＺ方向に沿わせることで略平行化する機能を有する。
コンデンサレンズ２３は、Ｘ方向及びＹ方向に並べられる複数の凸レンズ部２３ａを備える。各凸レンズ部２３ａは両凸レンズ状に形成される。複数の凸レンズ部２３ａは、それぞれ複数の光源２２に対応して２行×６列のマトリックス状に配置されている。

第１レンチキュラレンズ２４は、透光性の樹脂又はガラスにより板状に形成されている。詳しくは、第１レンチキュラレンズ２４は、光が入射する入射面２４ｉと、第１レンチキュラレンズ２４をその厚さ方向に通過した光が射出する射出面２４ｏと、を備える。第１レンチキュラレンズ２４の入射面２４ｉは、コンデンサレンズ２３に対向する面である。第１レンチキュラレンズ２４の射出面２４ｏは、第２レンチキュラレンズ２５に対向する面である。

図３に示すように、第１レンチキュラレンズ２４の入射面２４ｉには、複数（本例では１１個）のシリンドリカルレンズ部２４ａが形成されている。複数のシリンドリカルレンズ部２４ａは、それぞれＹ方向に延びる半円柱状に延出し、Ｘ方向に沿って配列されたシリンドリカルレンズアレイ形状をなす。第２のレンズ２４の入射面２４ｉは、シリンドリカルレンズ部２４ａによって、Ｘ方向における光強度のムラの発生を抑制するために光をＸ方向に発散する機能を有する。

図４に示すように、第１レンチキュラレンズ２４の射出面２４ｏには、複数（本例では１６個）のシリンドリカルレンズ部２４ｂが形成されている。複数のシリンドリカルレンズ部２４ｂは、それぞれＸ方向に延びる半円柱状に延出し、Ｙ方向に沿って配列されたシリンドリカルレンズアレイ形状をなす。第２のレンズ２４の射出面２４ｏは、シリンドリカルレンズ部２４ｂによって、Ｙ方向における光強度のムラの発生を抑制するために光をＹ方向に発散する機能を有する。
シリンドリカルレンズ部２４ａ，２４ｂは互いに交差する方向に配置される。シリンドリカルレンズ部２４ａ，２４ｂのピッチ及び曲率半径に基づき、光の発散角を調整することができる。

第２レンチキュラレンズ２５は透光性の樹脂又はガラスにより板状に形成されている。詳しくは、第２レンチキュラレンズ２５は、光が入射する入射面２５ｉと、第２レンチキュラレンズ２５の内部をその厚さ方向に通過した光が射出する射出面２５ｏと、を備える。第２レンチキュラレンズ２５の入射面２５ｉは第１レンチキュラレンズ２４に対向する面である。第２レンチキュラレンズ２５の射出面２５ｏはディフューザー２６に対向する面である。

図３に示すように、第２レンチキュラレンズ２５の入射面２５ｉは、Ｘ方向に沿って凸状に湾曲した曲面（シリンドリカル面）として形成されている。第２レンチキュラレンズ２５の入射面２５ｉは、Ｘ方向に照明光を収束光として収束させる機能を有する。射出面２５ｏの曲率半径により照明光、ひいては表示光Ｌの収束角αが決まる。射出面２５ｏの収束角αは、射出面２５ｏからの照明光が液晶パネル２７を経て収束光のまま表示光Ｌとして第１ミラー１１（図２参照）に到達可能な角度に設定されている。

図４に示すように、第２レンチキュラレンズ２５の射出面２５ｏは、Ｙ方向に沿って凹状に湾曲した曲面（シリンドリカル面）として形成されている。第２レンチキュラレンズ２５の射出面２５ｏは、Ｙ方向に照明光を発散光として発散する機能を有する。

ディフューザー２６は、光強度のムラの発生を抑制する発散板又は拡散板であり、第２レンチキュラレンズ２５を経た照明光を散乱させたうえで液晶パネル２７に向けて放射する。

液晶パネル２７は、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）型の液晶表示パネルである。液晶パネル２７は、図示しない制御部による制御のもと、ディフューザー２６を経た照明光を受けて表示光Ｌを放射する。

次に、各光源２２から放射された光の作用について説明する。
図３及び図４に示すように、各光源２２から放射された照明光は、コンデンサレンズ２３を透過することによりＸ方向及びＹ方向において光線がＺ方向に延びるように略平行化される。コンデンサレンズ２３を透過した照明光は、第１レンチキュラレンズ２４の入射面２４ｉに入射し、出射面２４ｏから出射する。図３及び図４に示すように、第１レンチキュラレンズ２４は、シリンドリカルレンズ部２４ａ，２４ｂにより、Ｘ方向及びＹ方向において、コンデンサレンズ２３を経た照明光を発散する。これにより、Ｘ方向及びＹ方向における光強度のムラが低減する。

第１レンチキュラレンズ２４を透過した照明光は、第２レンチキュラレンズ２５の入射面２５ｉに入射し、出射面２５ｏから出射する。図３に示すように、第２レンチキュラレンズ２５は、凸レンズ状の入射面２５ｉにより、Ｘ方向において照明光を収束、すなわち、照明光が進むにつれて光軸中心へ向かうように配向する。また、図４に示すように、第２レンチキュラレンズ２５は、凹レンズ状の出射面２５ｏにより、Ｙ方向において、照明光を発散、すなわち、照明光が進むにつれて光軸中心から離れるように配向する。

第２レンチキュラレンズ２５を透過した照明光は、ディフューザー２６により散らされたうえで液晶パネル２７を照明する。液晶パネル２７は、ディフューザー２６を経た照明光を受けて表示光Ｌを放射する。液晶パネル２７から放射される表示光Ｌは、第２レンチキュラレンズ２５の入射面２５ｉによりＸ方向において収束した状態となり、第２レンチキュラレンズ２５の出射面２５ｏによりＹ方向において発散した状態となる。図２に示すように、Ｘ方向において収束する表示光Ｌは、第１ミラー１１にて反射し、収束した状態を維持したまま第２ミラー１２に向かい、クロス点Ｃｒにて交差した後に発散した状態となって第２ミラー１２に到達する。一方、Ｙ方向において発散する表示光Ｌは、第１ミラー１１にて反射し、発散した状態を維持したまま第２ミラー１２に到達する。そして、表示光Ｌは第２ミラー１２にてウインドシールド２０１（図１参照）に向かうように反射する。ウインドシールド２０１にて反射した表示光Ｌは、視認者１に到達し、これにより、虚像Ｖが視認者１により視認可能となる。

（効果）
以上、説明した一実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）ヘッドアップディスプレイ装置１００は、光を放射する光源２２と、光源２２からの光を受けて表示光Ｌを放射する液晶パネル２７と、液晶パネル２７からの表示光Ｌを反射し、反射した表示光Ｌをクロス方向（車両２００の高さ方向）にクロス点Ｃｒでクロスさせる第１ミラー１１と、第１ミラー１１にて反射してクロス点Ｃｒを通過した表示光Ｌを反射する第２ミラー１２と、光源２２からの光を収束させることにより、表示光Ｌを収束した状態で第１ミラー１１に到達させる第１光学素子の一例である第２レンチキュラレンズ２５と、を備える。
この構成によれば、液晶パネル２７から放射された表示光Ｌは収束した状態で第１ミラー１１に到達する。このため、クロス点Ｃｒを過ぎた表示光Ｌの発散角βを小さくすることができる。これにより、第２ミラー１２のサイズを小さくすることができる。以下、具体的に説明する。例えば、液晶パネルから放射された表示光が平行光である比較例では、図２の破線で示す表示光の光軸垂直面の外縁に位置する光線経路Ｌｑは、上記構成の表示光Ｌよりも外側に位置する。また、比較例でのクロス点Ｃｒを過ぎた表示光の発散角θは、上記構成の表示光Ｌの発散角βよりも大きくなる。このため、当該比較例では、表示光を反射可能とするために、第１ミラー及び第２ミラーのサイズを大きくする必要があった。この点、上記構成では、クロス点Ｃｒを過ぎた表示光Ｌの発散角βが小さくなるため、第１ミラー１１及び第２ミラー１２のサイズ、ひいては、ヘッドアップディスプレイ装置１００のサイズを小さくすることができる。

（２）第２レンチキュラレンズ２５は、正のパワーを持ち、光源２２からの光を収束させる凸レンズ面の一例である入射面２５ｉを備える。
この構成によれば、第２レンチキュラレンズ２５の凸レンズ面により、光源２２からの光を収束させることができる。

（３）ヘッドアップディスプレイ装置１００は、光源２２から放射された光を略平行化する第２光学素子の一例であるコンデンサレンズ２３と、コンデンサレンズ２３により略平行化された光を発散させたうえで第２レンチキュラレンズ２５に出射する第３光学素子の一例である第１レンチキュラレンズ２４と、を備える。
この構成によれば、コンデンサレンズ２３により光源２２から放射された光が略平行化され、第１レンチキュラレンズ２４により光が発散される。このように、第２レンチキュラレンズ２５に到達するまでに光が調整される。

（４）第１レンチキュラレンズ２４の入射面２４ｉと出射面２４ｏは、それぞれ、互いに交差する方向に延びるシリンドリカルレンズ部２４ａ，２４ｂを有するシリンドリカルレンズアレイ形状に形成されている。
この構成によれば、１つの第１レンチキュラレンズ２４により２つの方向（例えば、Ｘ方向及びＹ方向）において光強度のムラが抑制されるように光が拡散される。

（５）第２レンチキュラレンズ２５の出射面２５ｏはＹ方向に沿って凹状に湾曲した曲面として形成されている。この構成と比較して、入射面２５ｉがＹ方向に沿って凹状に湾曲した曲面として形成する比較例の構成では、第２レンチキュラレンズ２５の入射面２５ｉのＹ方向の両端部が第１レンチキュラレンズに接触しないようにするため、第１レンチキュラレンズと第２レンチキュラレンズの間の距離が大きくなるおそれがある。この点、上記構成では、第２レンチキュラレンズ２５の出射面２５ｏはＹ方向に沿って凹状に湾曲した曲面として形成されているため、第１レンチキュラレンズ２４と第２レンチキュラレンズ２５の間の距離を小さくすることができる。

なお、本開示は以上の実施形態及び図面によって限定されるものではない。本開示の要旨を変更しない範囲で、適宜、変更（構成要素の削除も含む）を加えることが可能である。以下に、変形の一例を説明する。

（変形例）
上記実施形態においては、表示光Ｌは、車両２００の高さ方向においてクロスしていたが、これに代えて、又はこれに加えて、車両２００の幅方向においてクロスしていてもよい。この場合、第１ミラー１１の反射面１１ａは、車両２００の幅方向に沿って湾曲した凹状に形成されている。

上記実施形態におけるコンデンサレンズ２３、第１レンチキュラレンズ２４及び第２レンチキュラレンズ２５の構成は適宜変更可能である。以下に変形例１～３について説明する。以下、上記実施形態との相違点を中心に説明する。

（変形例１）
まず、変形例１について説明する。図５に示すように、第１レンチキュラレンズ２４の射出面２４ｏに複数のシリンドリカルレンズ部２４ａが形成され、図６に示すように、第１レンチキュラレンズ２４の入射面２４ｉに複数のシリンドリカルレンズ部２４ｂが形成されてもよい。すなわち、上記実施形態における第１レンチキュラレンズ２４の入射面２４ｉと射出面２４ｏとが反対となるように第１レンチキュラレンズ２４が表裏逆とされることにより変形例１が構成される。この場合でも、第１レンチキュラレンズ２４は、上記実施形態と同様に、照明光をＸ方向及びＹ方向に拡散することができる。

（変形例２）
次に、変形例２について説明する。図７に示すように、第２レンチキュラレンズ２５の入射面２５ｉはＸ方向及びＹ方向に沿う平面状に形成され、第２レンチキュラレンズ２５の出射面２５ｏはＸ方向に沿って凸状に湾曲した曲面として形成されてもよい。この場合、第２レンチキュラレンズ２５の出射面２５ｏはＸ方向に沿って凸状に湾曲し、Ｙ方向に沿って凹状に湾曲したトロイダル面として形成されている。この構成では、第２レンチキュラレンズ２５の出射面２５ｏは、上記実施形態の入射面２５ｉと同様にＸ方向に照明光を収束光として収束させるのに加えて、Ｙ方向に照明光を発散光として発散させる。

（変形例３）
次に、変形例３について説明する。上記実施形態における第２レンチキュラレンズ２５に代えて、図９に示すように、第１光学素子の一例である凹面鏡２９が設けられてもよい。凹面鏡２９は、Ｘ方向に対応する方向に照明光を収束光として収束させるように液晶パネル２７に向けて反射する。この構成でも、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
コンデンサレンズ２３、第１レンチキュラレンズ２４及び第２レンチキュラレンズ２５の構成は、上記変形例１～３に限らず、さらなる変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、第１レンチキュラレンズ２４のシリンドリカルレンズ部２４ａ，２４ｂは互いに交差するように配置されていたが、これに限らず、互いに同じ方向に延びていてもよい。
また、例えば、図７に示す第１レンチキュラレンズ２４の入射面２４ｉと出射面２４ｏの両面にＹ方向に延び、Ｘ方向に並ぶシリンドリカルレンズ部が形成され、図８に示す第２レンチキュラレンズ２５の入射面２５ｉにＸ方向に延び、Ｙ方向に並ぶシリンドリカルレンズ部が形成されてもよい。
また、例えば、第１レンチキュラレンズ２４は２枚対面するように並べられてもよい。１枚目のレンチキュラレンズは、その入射面と出射面の両面にＹ方向に延び、Ｘ方向に並ぶシリンドリカルレンズ部が形成され、２枚目のレンチキュラレンズは、その入射面と出射面の両面にＸ方向に延び、Ｙ方向に並ぶシリンドリカルレンズ部が形成されてもよい。

また、上記実施形態及び上記変形例１において、第２レンチキュラレンズ２５の入射面２５ｉと出射面２５ｏが反対となるように第２レンチキュラレンズ２５が表裏逆に設けられてもよい。
また、上記実施形態におけるディフューザー２６は省略可能である。

上記実施形態において、第２ミラー１２は車幅方向に沿う回転軸を中心にミラー駆動部により回転可能に構成されてもよい。第２ミラー１２が回転軸を中心に回転することにより、視認者１への表示光Ｌの照射位置を高さ方向に調整することが可能となる。

上記実施形態では、ヘッドアップディスプレイ装置１００が車載されていたが、これに限らず、飛行機、船等の乗り物に搭載されてもよい。また、被投射部材はウインドシールド２０１に限られず、専用のコンバイナであってもよい。

１ 視認者
１１ 第１ミラー
１１ａ，１２ａ 反射面
１２ 第２ミラー
２０ 表示ユニット
２１ 光源基板
２２ 光源
２３ コンデンサレンズ
２３ａ 凸レンズ部
２４ 第１レンチキュラレンズ，第２のレンズ
２４ａ，２４ｂ シリンドリカルレンズ部
２４ｉ，２５ｉ 入射面
２４ｏ，２５ｏ 射出面
２５ 第２レンチキュラレンズ
２６ ディフューザー
２７ 液晶パネル
２８ 照明光学系
２９ 凹面鏡
３０ ケース
３１ 透光窓材
１００ ヘッドアップディスプレイ装置
２００ 車両
２０１ ウインドシールド
α 収束角
β，θ 発散角
Ｌ 表示光
Ｖ 虚像
Ｃｒ クロス点
Ｌｑ 光線経路

Claims (2)

1. 光を放射する光源と、
   前記光源からの光を受けて表示光を放射する液晶パネルと、
   前記液晶パネルからの前記表示光を反射し、反射した前記表示光をクロス方向にクロス点でクロスさせる第１ミラーと、
   前記第１ミラーにて反射して前記クロス点を通過した前記表示光を反射する第２ミラーと、
   前記光源からの光を収束させることにより、前記表示光を収束した状態で前記第１ミラーに到達させる第１光学素子と、
   前記光源から放射された光を略平行化する第２光学素子と、
   前記第２光学素子により略平行化された光を発散させたうえで前記第１光学素子に出射する第３光学素子と、を備える、
   ヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記第３光学素子の入射面と出射面は、それぞれ、互いに交差する方向に延びるシリンドリカルレンズアレイ形状に形成されている、
   請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。