JP4668780B2 - 発光表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、背後のバックライトからの照明光の透過により液晶ディスプレイから出射される表示像の像光を反射部材により反射させて視認させる発光表示装置に関する。

例えば車両においては、ウィンドシールドの前方の風景と重畳させて各種情報をドライバに視認させるために、ダッシュボード内の液晶ディスプレイからの表示像の像光をウィンドシールドやその手前に配置したコンバイナによりドライバ側に反射させて、ウィンドシールドやコンバイナ上において表示像の虚像を視認させるヘッドアップディスプレイが用いられいる。

また、車両においては、運転中の視線移動の際に焦点距離が大きく変化して目に大きな負担が掛からないように、コンビネーションメータで実像表示している情報を、虚像表示型の表示装置で視認させるケースがある。

このような虚像表示型の表示装置においては、ダッシュボード内において、液晶ディスプレイからの表示像の像光を反射ミラーで１乃至複数回反射させた後にドライバに視認させており、この反射ミラーによる像光の反射によって光路長を稼ぐことにより焦点距離を、ウィンドシールド越しに前方の風景を視認する際の焦点距離に近づけている。

以上のヘッドアップディスプレイや虚像表示型の表示装置に共通することは、表示像の像光を反射させるウィンドシールドやコンバイナ、反射ミラーが、ドライバから液晶ディスプレイに至る視線に対して傾斜して配置されることから、表示像の上側と下側とでドライバから液晶ディスプレイまでの光路長にギャップが生じて、ドライバが視認する虚像が傾き歪んで見えてしまうことのないように、ドライバから液晶ディスプレイまでの視線に対して液晶ディスプレイが傾斜して配置されることである。

また、ドライバから液晶ディスプレイまでの視線に対して液晶ディスプレイが傾斜して配置されるのは、ウィンドシールドから車内に入射した太陽光等の外光が液晶ディスプレイに到達し、その反射光が表示像の像光と共にドライバの視点に到達してしまうことのないようにする目的もある（例えば特許文献１）。
特開２０００−５６２５４号公報

一般に液晶ディスプレイから出射される像光は、液晶ディスプレイに対して平行にバックライトが配置されることから、液晶ディスプレイの表示面に対して垂直な方向を光軸とする拡散光となる。

したがって、ドライバから液晶ディスプレイまでの視線に対して液晶ディスプレイを傾斜して配置すると、視線上に位置するウィンドシールドやコンバイナ、反射ミラーといった反射部材のレイアウトに対して、液晶ディスプレイからの像光の照射範囲がずれることになる。

このずれは、像光の一部を反射部材の外側に外れさせてしまって表示像の光量不足を招く要因となるので、そうならないように、像光の全てが反射部材の内側に照射されるように液晶ディスプレイやバックライトをできるだけ視線に対して垂直な方向に近づけてレイアウトする必要がある。

しかし、そのように液晶ディスプレイやバックライトをレイアウトすると、表示像の上側と下側とでバックライトからドライバまでの光路長にギャップが生じて像光の減衰の度合いに差が生じ、ドライバが視認する表示像の虚像に輝度ムラが発生する要因となる。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、反射部材で反射された視線に対して液晶ディスプレイが傾斜して配置されており、それにより、液晶ディスプレイが反射部材に対して平行に配置されていない場合であっても、バックライトからの照明光を効率よく利用し、液晶ディスプレイに表示された表示像の虚像を反射部材上で十分かつ均一な輝度で視認させることができる発光表示装置を提供することにある。

前記目的を達成するため請求項１に記載した本発明の発光表示装置は、視線に対して傾斜して配置された反射部材上で視認される虚像が前記視線に対して垂直な面上に結像するように、前記反射部材により反射された視線に対して傾斜して配置された液晶ディスプレイの背後からバックライトの照明光を照射して、前記液晶ディスプレイに表示された表示像の像光を前記反射部材に向けて出射させる発光表示装置において、前記バックライトがその発光面が前記反射部材により反射された視線に対して垂直に位置するように配置され、前記バックライトと前記液晶ディスプレイとの間に、前記発光面から出射される前記照明光の光束が前記液晶ディスプレイの内側に収まり、かつ、前記液晶ディスプレイを透過して前記表示像の像光となった前記照明光の光束が前記反射部材の内側に収まるように、前記照明光の光束を収束させる集束レンズ部材が配置されていることを特徴とする。

また、請求項２に記載した本発明の発光表示装置は、請求項に１記載した本発明の発光表示装置において、前記集束レンズ部材が複数の集束レンズを平面上に配列したアレイ状に構成されている構成とした。

さらに、請求項３に記載した本発明の発光表示装置は、請求項２に記載した本発明の発光表示装置において、前記バックライトが複数の点光源を平面上に配列して構成されており、前記各集束レンズが前記各点光源と光軸を合致させて配置されている構成とした。

請求項１に記載した本発明の発光表示装置によれば、反射部材により反射された視線に対して垂直に位置するように配置されたバックライトの発光面から出射され照明光の光束が、反射部材により反射された視線に対して傾斜して配置された液晶ディスプレイと、バックライトとの間に配置された集束レンズ部材によって、液晶ディスプレイの内側に収まり、かつ、液晶ディスプレイを透過して表示像の像光となった照明光の光束が反射部材の内側に収まるように収束されることになる。

このため、バックライトからの照明光を無駄なく効率よく利用しつつ、表示像の上側と下側とでバックライトから視点までの光路長に差が生じないようにして、視点から視認される表示像の虚像に輝度ムラが生じるのを防ぐことができる。

また、請求項２に記載した本発明の発光表示装置によれば、請求項１に記載した本発明の発光表示装置において、複数の集束レンズを平面上に配列したアレイ状に集束レンズ部材が構成されていることから、単一の集束レンズにより集束レンズ部材を構成するのに比べてレンズの凸面の曲率が小さくて済むことになる。

よって、単一の集束レンズにより集束レンズ部材を構成するのに比べて、集束レンズ部材の製造を容易にすることができると共に、視線方向における集束レンズ部材の厚みを薄くしてコンパクト化を図ることができる。

さらに、請求項３に記載した本発明の発光表示装置によれば、請求項２に記載した本発明の発光表示装置において、バックライトが複数の点光源を平面上に配列して構成されている場合、集束レンズ部材の各集束レンズを各点光源と光軸を合致させて配置して、各点光源からの照明光の光束を対応する各集束レンズによって収束させることで、照明光全体としての光束を効率よく所望の範囲に収束させることができる。

以下、本発明の発光表示装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る発光表示装置の概略構成を示す説明図で、本実施形態の発光表示装置は、車両のダッシュボード（図示せず）内に収容された発光表示ユニット１からの表示像の像光を、凹面鏡３（請求項中の反射部材に相当）により反射、拡大させ、さらに、ウィンドシールド５での反射によりドライバのアイポイントＩに到達させて、表示像の虚像Ｆをウィンドシールド５の前方の風景と重畳してドライバに視認させるヘッドアップディスプレイに適用したものである。

もう少し詳細に説明すると、ドライバは、凹面鏡３の背後の第１虚像Ｆ１の虚像を、ウィンドシールド５の前方に、表示像の最終的な虚像Ｆとして視認する訳である。

そこで、本発明の詳細の説明に入る前に、発光表示ユニット１に要求されるレイアウトについて説明すると、まず、ドライバがウィンドシールド５の前方に視認する表示像の虚像Ｆは、上下方向において傾き歪んでしまうことがないように、アイポイントＩからのドライバの視線Ｌに対して垂直な面上に結像される必要がある。

ところで、もしも、凹面鏡３の背後の第１虚像Ｆ１が、図２の説明図に示すように、ウィンドシールド５による反射後の視線Ｌ´に対して垂直な面上に結像されると、ウィンドシールド５が視線Ｌに対して傾斜して配置されていることから、虚像Ｌは上側か遠く下側が近いように傾いて、歪んでアイポイントＩから視認されてしまう。

一方、もしも、凹面鏡３の背後の第１虚像Ｆ１が、図３の説明図に示すように、ウィンドシールド５に対してほぼ平行な面上に結像されると、今度は、虚像Ｌがウィンドシールド５とほぼ平行するように、上側が近く下側が遠いように傾いて、歪んでアイポイントＩから視認されてしまう。

そのため、虚像Ｆが視線Ｌに対して垂直な面上に結像されるためには、図４の説明図に示すように、凹面鏡３の背後の第１虚像Ｆ１が、ウィンドシールド５程ではないにしろ、ウィンドシールド５による反射後の視線Ｌ´に対して多少傾斜した面上に結像される必要があることが分かる。

では、図４に示す面上に第１虚像Ｆ１を結像させるために、発光表示ユニット１を凹面鏡３の手前にどのような向きでレイアウトする必要があるかについて考察すると、もしも、凹面鏡３による反射後の視線Ｌ″に対して垂直な面上に発光表示ユニット１が配置されると、図５の説明図に示すように、ウィンドシールド５による反射後の視線Ｌ´から見た時に凹面鏡３の背後に視認される第１虚像Ｆ１は、目標とする面に対して上側が凹面鏡３から遠く下側が凹面鏡３に近いように傾きがずれた面上に結像されてしまう。

一方、もしも、凹面鏡３にほぼ平行な面上に発光表示ユニット１が配置されると、図６の説明図に示すように、ウィンドシールド５による反射後の視線Ｌ´から見た時に凹面鏡３の背後に視認される第１虚像Ｆ１は、目標とする面に対して上側が凹面鏡３から近く下側が凹面鏡３に遠いように傾きがずれた面上に結像されてしまう。

そのため、図４に示す面上に第１虚像Ｆ１を結像させるためには、図７の説明図に示すように、発光表示ユニット１が、凹面鏡３にほぼ平行な面程ではないにしろ、凹面鏡３による反射後の視線Ｌ″に対して多少傾斜した面上に配置される必要があることが分かる。

さて、発光表示ユニット１は、図８に模式的に示すように、表示像を表示する液晶ディスプレイ１１と、液晶ディスプレイ１１の背後に配置されて拡散する照明光を出射する面発光タイプのバックライト１３と、液晶ディスプレイ１１とバックライト１３との間に配置されてバックライト１３からの照明光の光束を液晶ディスプレイ１１の範囲内に収束させる集束レンズ部材１５とを有している。

この発光表示ユニット１は、先程説明したように、凹面鏡３による反射後の視線Ｌ″に対して多少傾斜した面上に配置される必要があり、そのため、バックライト１３からの照明光の光軸を凹面鏡３による反射後の視線Ｌ″に対して多少傾斜した位置関係で配置すると、図９の説明図に示すように、液晶ディスプレイ１１を透過して凹面鏡３に向かう表示像の像光の一部が、凹面鏡３による反射後の視線Ｌ″に対して光軸を多少傾斜させた分だけ、凹面鏡３の外側に外れてしまい、表示像の光量不足を招く要因となってしまう。

そこで、本実施形態の発光表示装置では、図１０の説明図に示すように、バックライト１３と集束レンズ部材１５とを、照明光の光軸が凹面鏡３による反射後の視線Ｌ″に一致しバックライト１３の発光面１３ａが視線Ｌ″に対して垂直に位置するように配置して、液晶ディスプレイ１１を透過して凹面鏡３に向かう表示像の像光が凹面鏡３の範囲内に収まるようにしている。

具体的に説明すると、バックライト１３は、図１１に模式的に示すように、基板１３ｂに複数配列した白色発光ダイオード１３ｃ（請求項中の点光源に相当）によって構成されており、集束レンズ部材１５は、平面上に複数配列して、図１２に模式的に示すように、アレイ状とした集束レンズ１５ａによって構成されている。

そして、図１１に示すように、バックライト１３の各白色発光ダイオード１３ｃに対して、集束レンズ部材１５の各集束レンズ１５ａを、各白色発光ダイオード１３ｃが出射する照明光の光軸と対応する各集束レンズ１５ａの光軸とが合致するように配置して、これらを凹面鏡３による反射後の視線Ｌ″に平行に位置するようにレイアウトしている。

これにより、図１３に模式的に示すように、各集束レンズ１５ａにより収束された各白色発光ダイオード１３ｃからの照明光の光束を、バックライト１３の全体として、凹面鏡３による反射後の視線Ｌ″に対して多少傾斜した位置関係で配置した液晶ディスプレイ１１の範囲内に収まるようにし、これにより、図１０に示すように、液晶ディスプレイ１１を透過した表示像の像光が凹面鏡３の範囲内に収まるようにしている。

尚、集束レンズ１５ａが対応する白色発光ダイオード１３ｃから離れれば離れるほど、収束後の照明光が平行光に近づく代わりに、元々拡散光である照明光のうち集束レンズ１５ａで光束を収束させることのできる割合が減り、反対に、集束レンズ１５ａが対応する白色発光ダイオード１３ｃに近づけば近づくほど、収束後の照明光が拡散光に近づく代わりに、集束レンズ１５ａで光束を収束させることのできる照明光の割合が増す。

集束レンズ１５ａで光束を収束させることのできる照明光の割合が増せば増すほど、バックライト１３の照明光を効率よく液晶ディスプレイ１１による表示像の像光に利用してその輝度を高めることができ、一方、集束レンズ１５ａによる収束後の照明光が平行光に近づけば近づくほど、バックライト１３の照明光を液晶ディスプレイ１１の透過後に凹面鏡３やウィンドシールド３の広い範囲に照射させて、表示像の像光の全体を明るくし視認性を高めることができるので、バックライト１３にと集束レンズ部材１５との距離は、それらの特性を考慮して最適化することが望ましい。

以上の説明から明らかなように、本実施形態では、アイポイントＩからのドライバの視線Ｌと、ウィンドシールド５による反射後の視線Ｌ´とが、請求項中の視線に相当し、ウィンドシールド５の前方の風景と重畳してドライバに視認される表示像の虚像Ｆと、凹面鏡３の背後の第１虚像Ｆ１とが、請求項中の虚像に相当し、凹面鏡３による反射後の視線Ｌ″が、請求項中の反射部材上で視認される虚像に相当している。

このように、本実施形態の発光表示装置によれば、凹面鏡３による反射後の視線Ｌ″に対して多少傾斜した位置関係で配置した液晶ディスプレイ１１の背後に、凹面鏡３による反射後の視線Ｌ″に対して垂直な面上に位置するようにバックライト１３及び集束レンズ部材１５を配置して、バックライト１３からの照明光の光束が液晶ディスプレイ１１の範囲内に収まるように集束レンズ部材１５によって収束させる構成とした。

このため、凹面鏡３により反射された視線Ｌ″に対して垂直に位置するように配置されたバックライト１３の発光面１３ａから出射され照明光の光束が、凹面鏡３により反射された視線Ｌ″に対して傾斜して配置された液晶ディスプレイ１１と、バックライト１３との間に配置された集束レンズ部材１５によって、液晶ディスプレイ１１の範囲内に収まり、かつ、液晶ディスプレイ１１を透過して表示像の像光となった照明光の光束が凹面鏡３の内側に収まるように収束させて、バックライト１３からの照明光を無駄なく効率よく利用しつつ、表示像の上側と下側とでバックライト１３からアイポイントＩまでの光路長に差が生じないようにして、アイポイントＩから視認される表示像の虚像に輝度ムラが生じるのを防ぐことができる。

尚、集束レンズ部材１５は、単一の集束レンズで構成されるものであってもよいが、本実施形態で示したような、複数の集束レンズ１５ａを平面上に複数配列してアレイ状としたもので構成すれば、単一の集束レンズにより集束レンズ部材１５を構成するのに比べてレンズの凸面の曲率が小さくて済むので、集束レンズ部材１５の製造を容易にすることができると共に、凹面鏡３による反射後の視線Ｌ″方向における集束レンズ部材１５の厚みを薄くしてコンパクト化を図ることができる。

また、バックライト１３に用いる点光源は、白色発光ダイオード１３ｃ以外のものであってもよく、あるいは、点光源以外のものを光源とするバックライトであっても本発明は適用可能である。

しかし、本実施形態のように、白色発光ダイオード１３ｃ等の点光源を複数平面上に配列してバックライト１３を構成した場合、集束レンズ部材１５の各集束レンズ１５ａを各点光源と光軸を合致させて配置して、各点光源からの照明光の光束を対応する各集束レンズ１５ａによって収束させることで、照明光全体としての光束を効率よく所望の範囲に収束させることができるので、有利である。

さらに、本実施形態の発光表示装置では、液晶ディスプレイ１１の表示像の像光を凹面鏡３及びウィンドシールド５により反射させてアイポイントＩに導く車両のヘッドアップディスプレイに適用した場合を例に取って説明したが、本発明は、液晶ディスプレイとバックライトによる表示像を反射ミラーで反射させてアイポイントから視認させる虚像表示型の表示装置をはじめとして、液晶ディスプレイからの発光表示像を反射部材で反射させて視認させる発光表示装置であれば、車両で使用するものに限らず広く適用可能であることは、言うまでもない。

本発明の一実施形態に係る発光表示装置の概略構成を示す説明図である。 図１のアイポイントから視認するウィンドシールドの前方の虚像の結像位置と凹面鏡の背後の第１虚像の結像位置との関係を示す説明図である。 図１のアイポイントから視認するウィンドシールドの前方の虚像の結像位置と凹面鏡の背後の第１虚像の結像位置との関係を示す説明図である。 図１のアイポイントから視認するウィンドシールドの前方の虚像の結像位置と凹面鏡の背後の第１虚像の結像位置との関係を示す説明図である。 図１の発光表示ユニットの配置と凹面鏡の背後の第１虚像の結像位置との関係を示す説明図である。 図１の発光表示ユニットの配置と凹面鏡の背後の第１虚像の結像位置との関係を示す説明図である。 図１の発光表示ユニットの配置と凹面鏡の背後の第１虚像の結像位置との関係を示す説明図である。 図１の発光表示ユニットの概略構成を示す模式図である。 図８の液晶ディスプレイやバックライトの配置と表示像の像光の照射範囲との関係を示す説明図である。 図９の配置から変えた場合の図８の液晶ディスプレイやバックライトの配置と表示像の像光の照射範囲との関係を示す説明図である。 図８のバックライトや集束レンズ部材の概略構成を示す模式図である。 図１１の集束レンズ部材の斜視図である。 図１０の配置にした図１の発光表示ユニットの概略構成を示す模式図である。

符号の説明

３ 凹面鏡（反射部材）
１１ 液晶ディスプレイ
１３ バックライト
１３ａ 発光面
１３ｃ 白色発光ダイオード（点光源）
１５ 集束レンズ部材
１５ａ 集束レンズ
Ｆ 虚像（反射部材上で視認される虚像）
Ｆ１ 第１虚像（反射部材上で視認される虚像）
Ｌ 視線
Ｌ´ ウィンドシールドによる反射後の視線（視線）
Ｌ″ 凹面鏡による反射後の視線（反射部材上で視認される虚像）

Claims (3)

1. 視線に対して傾斜して配置された反射部材上で視認される虚像が前記視線に対して垂直な面上に結像するように、前記反射部材により反射された視線に対して傾斜して配置された液晶ディスプレイの背後からバックライトの照明光を照射して、前記液晶ディスプレイに表示された表示像の像光を前記反射部材に向けて出射させる発光表示装置において、
   前記バックライトはその発光面が前記反射部材により反射された視線に対して垂直に位置するように配置され、
   前記バックライトと前記液晶ディスプレイとの間には、前記発光面から出射される前記照明光の光束が前記液晶ディスプレイの内側に収まり、かつ、前記液晶ディスプレイを透過して前記表示像の像光となった前記照明光の光束が前記反射部材の内側に収まるように、前記照明光の光束を収束させる集束レンズ部材が配置されている、
   ことを特徴とする発光表示装置。
2. 前記集束レンズ部材は複数の集束レンズを平面上に配列したアレイ状に構成されている請求項１記載の発光表示装置。
3. 前記バックライトは複数の点光源を平面上に配列して構成されており、前記各集束レンズは前記各点光源と光軸を合致させて配置されている請求項２記載の発光表示装置。

Images