JP2010277065A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 虚像を高輝度にて表示できるヘッドアップディスプレイ装置を提供する。
【解決手段】 ヘッドアップディスプレイ装置１１は、液晶表示パネル１８及び液晶表示パネル１８を透過照明する発光素子２２を備えた液晶表示器１５が発した表示光Ｌによって虚像Ｖを表示させる。液晶表示器１５は、発光素子２２が発した照明光を集光する集光レンズ２１と、集光レンズ２１によって集光された照明光を広げるレンチキュラレンズ２０ａ，２０ｂを有する光学部材２０と、を備える。レンチキュラレンズ２０ａ，２０ｂは、平行光を所定角度の整数倍で屈折させる間隔が漸次縮小または拡大する形状である。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示パネル及びこの液晶表示パネルを透過照明する発光ダイオード等の発光素子を有する液晶表示器が発した表示光によって虚像を表示させるヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。

従来より、液晶表示器を用いたヘッドアップディスプレイ装置が種々提案されており、例えば特許文献１に開示されている。斯かるヘッドアップディスプレイ装置１は、表示光Ｌを車両のフロントガラス或いはコンバイナと称される半透過板に投影し、虚像を表示するものである。ヘッドアップディスプレイ装置１は、透光性の窓部２を備えたハウジング３に液晶表示器４及び反射鏡５を収容したものであり、液晶表示器４が発した表示光Ｌは、反射鏡５で反射されてフロントガラス或いは半透過板に投影される。液晶表示器４は、液晶表示パネル６及びこの液晶表示パネル６を透過照明する発光ダイオード等の発光素子７を有するものである。

特開平１１−３１００５５号公報

しかしながら、発光素子７が発した照明光は、液晶表示パネル６を透過して、アイボックスと称される視点範囲よりも大きい範囲に広がってしまうため、照明光の無駄が多く、表示される虚像の輝度が低いという問題を有していた。
本発明は、この問題に鑑みなされたものであり、虚像を高輝度にて表示できるヘッドアップディスプレイ装置を提供するものである。

本発明は、前記課題を解決するため、液晶表示パネル１８及び前記液晶表示パネル１８を透過照明する発光素子２２を備えた液晶表示器１５が発した表示光Ｌによって虚像Ｖを表示させるヘッドアップディスプレイ装置１１であって、前記液晶表示器１５は、前記発光素子２２が発した照明光を集光する集光レンズ２１と、前記集光レンズ２１によって集光された前記照明光を広げるレンチキュラレンズ２０ａ，２０ｂを有する光学部材２０と、を備えたものである。

また、本発明は、前記レンチキュラレンズ２０ａ，２０ｂは、平行光を所定角度αの整数倍で屈折させる間隔が漸次縮小または拡大する形状であるものである。

また、本発明は、前記レンチキュラレンズ２０ａ，２０ｂは、多面であるものである。

また、本発明は、前記レンチキュラレンズ２０ａ，２０ｂは、複数の曲面からなるものである。

また、本発明は、前記液晶表示器１５は、前記光学部材２０にて広げられた前記照明光を集光する第二の集光レンズ１９を備えたものである。

また、本発明は、前記液晶表示器１５は、少なくとも前記集光レンズ２１と前記レンチキュラレンズ２０との間に内壁がミラー面である筒状部材５０，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５２ａ，５２ｂを有するものである。

アイボックスに対応するように、発光素子が発した照明光を集光し、液晶表示パネルを透過照明することが可能になり、高輝度で虚像を表示することができる。

本発明の第一実施形態を示す断面図。 同上第一実施形態を示すヘッドアップディスプレイの概観図。 同上第一実施形態を示す光学部材の前面図及び後面図。 同上第一実施形態を示す光学部材の要部拡大図。 本発明の第二実施形態を示す光学部材の要部拡大図。 本発明の第三実施形態を示す光学部材の要部拡大図。 本発明の第四実施形態を示す光学部材の要部拡大図。 本発明の第五実施形態を示す光学部材の要部拡大図。 本発明の第六実施形態を示す光学部材の要部拡大図。 本発明の第七実施形態を示す断面図。 本発明の他の実施形態を示す断面図。 本発明の他の実施形態を示す断面図。 従来例を示す断面図。

以下、添付の図面に基づいて、本発明の一実施形態について説明する。図１乃至図４は、第一実施形態を示すものである。
ヘッドアップディスプレイ装置１１は車両のダッシュボード１２内に配設されている（図２参照）。ヘッドアップディスプレイ装置１１が投射する表示光Ｌはフロントガラス１３により車両ドライバー１４に反射される。車両ドライバー１４は虚像Ｖを風景と重畳させて視認することができる。

ヘッドアップディスプレイ装置１１は、液晶表示器１５，反射器１６をハウジング１７に収容したものである。液晶表示器１５は、液晶表示パネル１８と、集光レンズ（第二の集光レンズ）１９と、光学部材２０と、コンデンサレンズ（集光レンズ）２１と、発光ダイオード（発光素子）２２とからなるものである。レンズ群２３は、集光レンズ１９，光学部材２０及びコンデンサレンズ２１からなるものである。集光レンズ１９は、縦方向の曲率と横方向の曲率とが異なるトロイダル面を有する凸レンズからなるものである。

液晶表示パネル１８は、透明電極膜が形成された一対の透光性基板に液晶を封入した液晶セルの前後両面に偏光板を貼着したものであり、ケース体２４に固定されている。ケース体２４は略角筒形状になっており、ケース体２４の後端部は、後述する放熱部材に固定されている。ケース体２４の中間部には集光レンズ１９，光学部材２０及びコンデンサレンズ２１が保持され、前端部には液晶表示パネル１８が保持されている。発光ダイオード２２が発した照明光は、コンデンサレンズ２１によって、光線密度が略均一である平行光になり、光学部材２０及び集光レンズ１９を介して、液晶表示パネル１８を透過照明する。発光ダイオード２２は、回路基板２７に搭載されている。

反射器１６は、凹面鏡３０，保持部材３１及びステッピングモータ３２を有している。凹面鏡３０は、樹脂（例えばポリカーボネート）に金属（例えばアルミニウム）を蒸着させ反射面３０ａを形成したものである。反射面３０ａは凹面となっており、液晶表示器１５が発した表示光Ｌが拡大されて虚像Ｖが表示される。凹面鏡３０は保持部材３１に両面粘着テープにより接着されている。保持部材３１は樹脂（例えばＡＢＳ）からなるものであり、歯車部３４及び軸部３５が一体に形成されている。保持部材３１の軸部３５はハウジング１７に軸支されている。

ステッピングモータ３２の回動軸には歯車３７が取付けられており、この歯車３７は、保持部材３１の歯車部３４と噛合されている。凹面鏡３０は保持部材３１と共に回動可能な状態で支持されており、ステッピングモータ３２により凹面鏡３０を回動させ、表示光Ｌの投射方向を調整することができる。車両ドライバー１４は、押ボタンスイッチ（図示しない）を操作し表示光Ｌが目の位置に反射されるように（即ち、虚像Ｖを視認できるように）凹面鏡３０の角度を調整する。

４０は放熱部材であり、この放熱部材４０は、ハウジング１７の開口部１７ａに配設されている。放熱部材４０は、図示しないビスによってフランジ部４０ａでハウジング１７に固定されている。放熱部材４０は、平板形状の多数の放熱フィン４０ｂを有しており、発光ダイオード２２が発した熱をハウジング１７の外に放出する。４２は長方形環状のパッキング部材であり、このパッキング部材４２は、放熱部材４０と、ハウジング１７の開口部１７ａの間を塞ぐことによって、ハウジング１７の中に塵埃が入ることを防いでいる。

ハウジング１７には液晶表示器１５及び反射器１６が収容される。ハウジング１７には表示光Ｌが出射する窓部４４が設けられている。この窓部４４は透光性樹脂（例えばアクリル）からなるものであり、湾曲形状になっている。ハウジング１７には遮光壁１７ｃが設けられており、太陽光等の外光が液晶表示器１５に入射し虚像Ｖが見えにくくなる現象（ウォッシュアウト）を防止している。遮光壁１７ｃは平板形状になっており、ハウジング１７の上部から斜めに垂下するように形成されている。

次に、図３に基づいて、光学部材２０について詳述する。光学部材２０は、後面側（発光素子２２側）に形成されたレンズ部２０ａと、前面側（液晶表示パネル１８側）に形成されたレンズ部２０ｂとを有しており、発光素子２２から発せられて、コンデンサレンズ２１によって集光された照明光を縦方向及び横方向に広げる。
光学部材２０のレンズ部２０ａは、横方向に伸長するレンチキュラレンズからなるものであり、コンデンサレンズ２１によって集光された照明光を縦方向に広げる。光学部材２０のレンズ部２０ｂは、縦方向に伸長するレンチキュラレンズからなるものであり、コンデンサレンズ２１によって集光された照明光を横方向に広げる。

レンズ部２０ａ，２０ｂの光軸Ａから所定間隔Ｗ１を隔てた平行光Ｐ１は、レンズ部２０ａ，２０ｂにおいて、光軸Ａに対して所定角度αで屈折し、光軸Ａから所定間隔Ｗ１＋Ｗ２を隔てた平行光Ｐ２は、レンズ部２０ａ，２０ｂにおいて、光軸Ａに対して所定角度２αで屈折し、光軸Ａから所定間隔Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３を隔てた平行光Ｐ３は、レンズ部２０ａ，２０ｂにおいて、光軸Ａに対して所定角度３αで屈折する（図４参照）。レンズ部２０ａ，２０ｂは、平行光を所定角度αの整数倍で屈折させる間隔Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３が漸次縮小する形状になっている。即ち、間隔Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３には、Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３の関係がある。

図５は第二実施形態を示すものである。第二実施形態は、レンズ部２０ａ，２０ｂの形状のみが異なり、他の構成は第一実施形態と同一である。
レンズ部２０ａ，２０ｂの光軸Ａから所定間隔Ｗ４を隔てた平行光Ｐ４は、レンズ部２０ａ，２０ｂにおいて、光軸Ａに対して所定角度αで屈折し、光軸Ａから所定間隔Ｗ４＋Ｗ５を隔てた平行光Ｐ５は、レンズ部２０ａ，２０ｂにおいて、光軸Ａに対して所定角度２αで屈折し、光軸Ａから所定間隔Ｗ４＋Ｗ５＋Ｗ６を隔てた平行光Ｐ６は、レンズ部２０ａ，２０ｂにおいて、光軸Ａに対して所定角度３αで屈折する。レンズ部２０ａ，２０ｂは、平行光を所定角度αの整数倍で屈折させる間隔が漸次拡大する形状になっている。即ち、間隔Ｗ４，Ｗ５，Ｗ６には、Ｗ４＜Ｗ５＜Ｗ６の関係がある。
これにより、照射エリアの全ての範囲で均一で等しい光量を与えることができるので、表示像の中で各々の部分での輝度ばらつきが少なく、表示品位の高い表示像を得ることができる。

図６は第三実施形態を示すものである。第三実施形態は、レンズ部２０ａ，２０ｂの形状のみが異なり、他の構成は第一実施形態と同一である。レンズ部２０ａ，２０ｂは、複数の平面Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を有している。平面Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４の傾斜角度は、漸次大きくなっている。
これにより、光学部材２０に斜めに入射する光も制御でき、光が均質に照射される面を設けることができ、表示像のムラを軽減することができる。第二実施形態では、平行光のみの制御で、それ以外の光は制御できないが、第三実施形態では、斜め光も制御できる。

図７は第四実施形態を示すものである。第四実施形態は、レンズ部２０ａ，２０ｂの形状のみが異なり、他の構成は第一実施形態と同一である。レンズ部２０ａ，２０ｂは、複数の曲面Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を有している。各曲面Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、凸レンズ形状になっているが、凹レンズ形状であっても良い。
これにより、各面が平面である場合よりも光に少し広がりをもたせることができ、光が均質に照射される範囲を広げることができる。

図８は第五実施形態を示すものである。第五実施形態は、レンズ部２０ａ，２０ｂの形状のみが異なり、他の構成は第一実施形態と同一である。レンズ部２０ａ，２０ｂは、複数の平面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を有している。平面Ｓ１は、光軸に垂直となっており、平面Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は傾斜面になっている。平面Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の傾斜角度は、漸次大きくなっている。
これにより、光学部材２０に斜めに入射する光も制御でき、光が均質に照射される面を設けることができ、表示像のムラを軽減することができる。

図９は第六実施形態を示すものである。第六実施形態は、レンズ部２０ａ，２０ｂの形状のみが異なり、他の構成は第一実施形態と同一である。レンズ部２０ａ，２０ｂは、複数の曲面Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を有している。各曲面Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、凸レンズ形状になっているが、凹レンズ形状であっても良い。
これにより、各面が平面である場合よりも光に少し広がりをもたせることができ、光が均質に照射される範囲を広げることができる。第六実施形態では、光が均質な範囲Ｂ２が、第五実施形態における範囲Ｂ１よりも大きくなる。

図１０は第七実施形態を示すものである。第七実施形態は、液晶表示器１５に筒状部材５０を設けたものであり、他の構成は第一実施形態と同一である。
筒状部材５０は、４枚のガラスミラーからなるものであり、液晶表示器１５のケース体２４の内側に貼着されている。筒状部材５０は、内壁がミラー面になっており、コンデンサレンズ２１と光学部材２０との間に配置されている。
筒状部材５０は、コンデンサレンズ２１から斜めに出射される光を反射させ、光学部材２０に光を余すことなく入射させることにより、本来であれば斜めに出射して照明光として使われない光も照明光として使用することができ、従来よりも多くの光を得られ、効率が上がるため、平均輝度が高くなる。

各実施形態によれば、発光素子が発した照明光をコンデンサレンズ２１にて縦方向及び横方向に集光し、この集光された照明光を光学部材２０にて縦方向及び横方向に広げることによって、車両ドライバー１４のアイボックスに対応するように液晶表示パネル１８を透過照明することが可能になり、高輝度で高均斉度な表示品位の高い虚像Ｖを表示することができる。

本発明は、各実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能であり、例えば、光学部材２０のレンズ部２０ａ，２０ｂは、円筒面であっても良い。また、平板形状の樹脂基材にミラー蒸着を施した４枚の反射部材５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄをケース体２４の内側に貼着しても良いし（図１１参照）、Ｌ字状の樹脂基材にミラー蒸着を施した２個の反射部材５２ａ，５２ｂにて筒状部材を構成しても良い（図１２参照）。

１１ ヘッドアップディスプレイ装置
１５ 液晶表示器
１７ ハウジング
１８ 液晶表示パネル
１９ 集光レンズ（第二の集光レンズ）
２０ 光学部材
２０ａ レンズ部（レンチキュラレンズ）
２０ｂ レンズ部（レンチキュラレンズ）
２１ コンデンサレンズ（集光レンズ）
２２ 発光ダイオード（発光素子）
２３ レンズ群
５０ 筒状部材
５１ａ 反射部材（筒状部材）
５１ｂ 反射部材（筒状部材）
５１ｃ 反射部材（筒状部材）
５１ｄ 反射部材（筒状部材）
５２ａ 反射部材（筒状部材）
５２ｂ 反射部材（筒状部材）
Ｖ 虚像
Ｌ 表示光

Claims (6)

1. 液晶表示パネル及び前記液晶表示パネルを透過照明する発光素子を備えた液晶表示器が発した表示光によって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、
   前記液晶表示器は、前記発光素子が発した照明光を集光する集光レンズと、前記集光レンズによって集光された前記照明光を広げるレンチキュラレンズを有する光学部材と、を備えたことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記レンチキュラレンズは、平行光を所定角度の整数倍で屈折させる間隔が漸次縮小または拡大する形状であ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。
3. 前記レンチキュラレンズは、多面であ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。
4. 前記レンチキュラレンズは、複数の曲面からな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。
5. 前記液晶表示器は、前記光学部材にて広げられた前記照明光を集光する第二の集光レンズを備えた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。
6. 前記液晶表示器は、少なくとも前記集光レンズと前記レンチキュラレンズとの間に内壁がミラー面である筒状部材を有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。

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