CN103460114B - 平视显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于提供一种平视显示装置，其可提高向视点区的光照射效率，可抑制伴随视点移动的显示像的亮度变化量，另外可实现希望的配光角度特性。平视显示装置的照明光学系统(111)包括发出光线(L0)的光源(111a)；分割光线(L0)、按照多个而形成光源(111a)的像的透镜阵列(111c)；场镜(111d)，该场镜(111d)以规定的角度，将下述光线(L0)射入显示部件(113)，该光线(L0)是由通过透镜阵列(111c)而形成的光源(111a)的像发出的，其中，透镜阵列(111c)按照通过透镜阵列(111c)而形成的光源(111a)的像面位于场镜(111d)的物体侧焦点的场镜(111d)的主点侧的方式设置。

Description

平视显示装置
技术领域
本发明涉及平视显示装置。
背景技术
在过去人们提出的各种的平视显示装置中，将显示光经由车辆的前玻璃、专用的组合器构成的投射部件，投射到观察者(针对车辆用的平视显示装置，主要是驾驶员)的视点范围(在下面也称为视点区(eyebox))，显示虚像，该显示光是从包括具有光源的照明光学系统和液晶显示面板的液晶显示器而发出的。过去的平视显示装置包括有比如专利文献1中公开的类型。在该平视显示装置中，照明光学系统包括汇聚发光元件发出的照明光的聚光镜；柱状透镜，该柱状透镜至少在横向将通过聚光镜汇聚的照明光扩展；具有环形面的聚光透镜。
按照采用上述照明光学系统的平视显示装置，可按照与观察者的视点区相对应的方式对显示部件进行透射照明，可通过高亮度显示虚像。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2009—169399号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在采用柱状透镜的平视显示装置中，在相对光轴而倾斜的方向的大部分(特别是，在斜横、斜纵方向以外的纵横方向，同时倾斜地行进的光)，难以进行配光控制，与相对光轴的上下左右方向的配光强度相比较，相对光轴的倾斜方向的配光强度较低，由此，具有伴随观察者的视点移动的显示像的亮度变化量大的问题。另外，在平视显示装置中，要求不同于投影仪等的配光角度特性，实现希望的配光角度特性。
于是，本发明的目的在于提供一种平视显示装置，其可提高向视点区的光照射效率，可抑制伴随视点移动的显示像的亮度变化量，另外可实现希望的配光角度特性。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述课题，本发明涉及一种平视显示装置，其中，将显示光经由投射部件导向到观察者的视点区域以显示虚像，该显示光由具有照明光学系统和显示部件的显示器而发出，其特征在于，上述照明光学系统包括：
发出光线的光源；
透镜阵列，该透镜阵列分割上述光线，按照多个而形成上述光源的像；
场镜，该场镜以规定的角度，将由通过透镜阵列而形成的光源的像发出的上述光线射入上述显示部件；
上述透镜阵列按照通过上述透镜阵列而形成的上述光源的像面位于上述场镜的物体侧焦点的上述场镜的主点侧的方式设置。
发明的效果
按照本发明，可提高视点区的光照射效率，可抑制伴随视点移动的显示像的亮度变化量，另外可实现希望的配光角度特性。
附图说明
图1为作为本发明的实施方式的平视显示装置的概况图；
图2为该平视显示装置的剖视图；
图3为说明该平视显示装置中的光路的图；
图4为表示该平视显示装置的第1外壳体的固定方法的立体图。
具体实施方式
下面根据图1～图4，对本发明用于车辆用的平视显示装置的一个实施方式进行说明。
平视显示装置100像图1所示的那样，设置于车辆200的仪表盘210的内部，将后述的液晶显示器110发出的显示光L经由前玻璃(投射部件)220而反射，导向到车辆200的驾驶员(观察者)D的视点区，显示虚像(显示像)。驾驶员D按照重叠有风景的方式辨认显示光L产生的虚像V。
平视显示装置100像图2所示的那样，主要由液晶显示器(显示器)110、凹面镜120、外壳130与放热部件140构成。
液晶显示器110包括照明光学系统111、光扩散部件112、液晶显示面板(显示部件)113、第1外壳体114、第2外壳体115与第3外壳体116。
照明光学系统111为所谓的科勒照明光学系统，像图3所示的那样，由光源111a、聚光镜111b、透镜阵列111c与场镜111d构成。另外，照明光学系统111一边将从光源111a发出的光线L0均匀地照射到液晶显示面板的有效区域，一边控制下述显示光L的角度，该显示光L按照经由凹面镜120和前玻璃220构成的投射光学系统，导向驾驶员D的视点区的方式将该光线从液晶显示面板113面而射出。
光源111a由LED等的发光元件构成，发出光线L0。光源111a安装于电路衬底(光源衬底)117上。
聚光镜111b由凸透镜构成，该凸透镜由波长587.56nm下折射率Nd在1.4～1.7的范围内的光学树脂制作，具有汇聚从光源111a射出的L0，与平视显示装置100的光轴A平行的功能。对于聚光镜111b，相对一个光源111a，对应有一个透镜，在像实施方式那样，采用多个光源111a的场合，取凸透镜部按照多个设置的集合透镜的方式。聚光镜111b的有效焦点距离在5～9mm的范围内，在根据透镜制造上的情况，对透镜曲面顶点间距(透镜厚度)按照低于一定程度的方式抑制的场合等时，也可根据式样，由两个透镜构成。光源111a的射出面位于聚光镜111b的焦点，从光源111a射出的近轴光线在透过聚光镜111b后，与光轴A平行。另外，透过聚光镜111b的入射侧曲面顶点和光源111a的射出面的间隔将来自光源111a的光获取量和尺寸限制等作为条件而规定。在光源111a具有接近均匀扩散面(Lambertian)配光的特性的场合，聚光镜111b的射出侧曲面形状基本为球面，但是也可对应于光源111a的配光特性，为非球面形状。
透镜阵列111c为下述的光学部件，其中，根据在波长587.56mm下折射率Nd为1.4～1.7的范围内的由光学树脂制作的双凸透镜在与平视显示装置100的光轴A相垂直的平面上，有规则地按照多个设置，具有对应于阵列数而分割通过聚光镜111b而平行化的光线L0，形成中间像的功能。该中间像为按照阵列数而分割通过聚光镜111b而形成的光源111a的放大像而形成的像。透镜阵列111c可通过调整各透镜的纵横宽度，使从中间像面射出的光线L0的配光角度(开口数)在纵向和横向(液晶显示面板113的短边方向和长边方向)分别不同，进行最佳化处理。各透镜的纵横宽度的比(纵向宽度∶横向宽度)按照基本等于液晶显示面板113的高宽比(显示画面的纵横尺寸比)的方式设定。由此，由于由透镜阵列111c形成的中间像的形状与液晶显示面板113的显示画面类似，该中间像通过后述的场镜111d的作用，放大而照射到液晶显示面板113，故可提高液晶显示面板113的入射时的照明效率。在透镜阵列111c中，对于各透镜的曲面形状，基本为球面(通过矩形而切取球面的一部分的曲面)，但是，如果曲面形状为环形面这样的非球面，则还可使各透镜的纵横宽度相等，分别对纵向宽度，横向方向的配光角度进行最佳化处理。另外，透镜阵列111c的厚度，即曲面顶点间距按照以透镜的入射侧曲面为基准，将射入透镜阵列111c的近轴平行光折射而汇聚光的位置(在设计上，该位置等于上述中间像面)作为射出侧曲面的方式规定。另外，透镜阵列111c的入射侧曲面和射出侧曲面为朝向相互相反且具有相同的曲率半径的、主平面对称的组合。另外，透镜阵列111c的整体的纵横宽度对应于液晶显示面板113面中的射出光线的配光角度而规定。比如，在场镜111d的焦距固定的场合，伴随透镜阵列111c的整体的纵横宽度的增加，液晶显示面板113的射出光线的配光角度扩大。由此，在确定透镜阵列111c的整体的纵横宽度后，规定聚光镜111b的有效曲面尺寸，进行聚光镜111b的具体设计。对于聚光镜111b和透镜阵列111c的间隔，从光学的观点来说，可以不管，但是，如果考虑制品尺寸的小型化等，最好极力地缩短该间隔。
场镜111d由下述的凸透镜构成，该凸透镜由波长为587.56nm下折射率Nd在1.4～1.7的范围内的光学树脂制作。在本实施方式中，由至少两个凸透镜构成。场镜111d具有下述的功能，该功能指以规定的配光角度，将从透镜阵列111c产生的中间像发出的光线L0导向液晶显示面板113。即，照明光学系统111通过透镜阵列111c，分割来自光源111a的平行化的光线L0，形成各中间像，按照通过场镜111d而分别将从已形成的各中间像发出的光线L0照射到液晶显示面板113面(通过液晶层的厚度方向的中心线的平面)的整体的方式对该光线进行放大，另外，将各自的物点重合于作为一个面的液晶显示面板113面上。由此，可提高视点区B的光照射效率，另外，与在聚光后仅仅在横向方向和纵向方向扩大的柱状透镜的已有的方法相比较，改善虚像V的亮度不均匀度，可抑制伴随视点移动的虚像V的亮度变化量。液晶显示面板113面中的配光角度通过下述方式求出，该方式为：将驾驶员D的视点区B和位置预定的虚像V连接的光线组经由平视显示装置100的投射光学系统(在本实施方式中，由前玻璃220和凹面镜120构成)进行逆光线追踪。构成场镜111d的两个凸透镜的间隔(空间层)最好为大于场镜111d的有效焦距的1/2的长度。在此场合，在液晶显示面板113面的配光角度(像侧开口数)大的场合，由于对应于两个凸透镜的间隔短的情况，场镜111d的聚光度劣化，液晶显示面板113面中的光照射效率和亮度均匀度降低，故必须要求应避免该性能恶化的两个凸透镜之间的程度的间隔。另外，当前量产的许多平视显示装置中的液晶显示面板113面的希望的配光角度特性如下，具有相对平视显示装置100的光轴A而向外侧扩大的倾斜角，其在面中间的点以平视显示装置100的光轴A为轴而呈同心圆状扩大，在与面中央离开的任意的点，与距面中央的距离成比例。为了实现该配光角度特性，在本实施方式中，按照透镜阵列111c的中间像面F1位于相对场镜111d物体侧焦点P1的场镜111d的主点P2侧的方式设置透镜阵列111c和场镜111d。作为物理法则，通过场镜的焦点，从倾斜方向而射入透镜的光线按照在透镜通过后，与光轴平行的方式进行。另外，在倾斜地射入的光线和光轴的交点位于透镜的主点与焦点之间的场合，透镜透射后的光线沿与光轴离开的方向(沿发散方向扩大)而行进。于是，如果透镜阵列111c的中间像面F1和场镜111d的物体侧焦点P1为上述那样的位置关系，则从理论上可确认在上述平视显示装置中可实现希望的配光角度。但是，由于用于普通的投影仪等的科勒照明光学系统将远心光线导向到液晶显示面板等的照明对象，故使透镜阵列的中间像面与场镜的物体侧焦点一致的设计是基本的。由于该不同，本申请发明的照明光学系统111称为独特的光学系统。另外，透镜阵列111c的中间像面F1位于相对透镜阵列111c的主点的像侧(虚像V侧)。于是，在像凹面柱状透镜等的中间像位于其主点的物体侧(光源侧)的场合那样，中间像和场镜111d的物体侧焦点P1极力地接近的样式中，不因形成中间像的透镜本身的厚度，对光学设计产生妨碍。另外，场镜111d按照其像侧焦点P3与液晶显示面板113面基本一致的方式设置。其为用于将从通过透镜阵列111c而形成的各中间像，以相同角度而射出的光线组通过场镜111d成像于液晶显示面板113面上的配置。可有助于液晶显示面板113面的均匀度的提高。场镜111d的射出侧曲面顶点和液晶显示面板113面的间隔在光学设计上没有规定。但是，由于设置后述的光扩散部件112，故最好，以10mm的程度设定两者的间隔。构成场镜111d的曲面具有曲面形状，但是，为了改善液晶显示面板113面的聚光度，也可形成非球面形状。
光扩散部件112为以透明树脂材料为基材的膜状或板状的部件，按照覆盖全部光路的尺寸而设置于照明光学系统111的场镜111d和液晶显示面板113之间。光扩散部件112通过外装部件的夹入、粘接等的方式固定于第3外壳体116的内部。光扩散部件112具有下述的功能，即，将通过场镜111d的射出侧曲面反射的外光扩散，另外，驾驶员D无法直视通过照明光学系统111的透镜阵列111c而形成的中间像的边界部分。
在液晶显示面板113中，在形成有透明电极的一对透光性衬底中密封有液晶层的液晶盒的前后两个面上粘贴有偏振片，该液晶显示面板113接纳于第3外壳体116的内部。通过场镜111d，以规定的配光角度，导向到液晶显示面板113面的光线L0透过液晶显示面板113形成显示光L，照射到构成投射光学系统的凹面镜120。
第1外壳体114设置于液晶显示器110的后方侧，为由非透光树脂材料形成的截面基本为矩形状的筒状部件，包括：壁部114a，该壁部114a形成接纳聚光镜111b的接纳空间；凸缘部114b，该凸缘部114b从壁部114a的一个端部(后方侧的端部)而延伸，与壁部114b相垂直；缺口部114c，该缺口部114c形成于壁部114a的另一个端部(前方侧的端部)。图4为表示第1外壳体114的固定方法的图。在图4中，仅仅示出第1外壳体114的凸缘部114b。在第1外壳体114中，于凸缘部114b的后面侧，设置高精度地定位的两个定位销114d。在设置第1外壳体114时，首先将该定位销114d穿过分别形成于聚光镜111b和电路衬底117中的两个部位的定位孔111e、117a，接着，插入形成于放热部件140中的两个部位的定位孔141中，进行这些部件的定位。聚光镜111b的定位孔111e相对聚光镜111b的透镜曲面顶点而高精度地定位，电路衬底117的定位孔117a相对光源111a的安装区域，高精度地定位。此外，定位孔111e、117a、141分别具有同一孔间距和孔径，通过将定位销114d插入定位孔111e、117a、141中，处于聚光镜111b的透镜曲面顶点与光源111a的发光区域中心位于同一轴上的状态。另外，在第1外壳体114中，在凸缘部114b上开设有供螺钉S穿过的两个部位的通孔114e。同样地，在聚光镜111b和电路衬底117上的各自的两个部位，形成供螺钉S穿过的通孔111f、117b。螺钉S在穿过通孔114e、111f、117b后，螺接于形成在放热部件140上的两个部位的螺纹孔142中，以螺纹方式将第1外壳体114紧固于放热部件140上。此时，在第1外壳体114和放热部件140之间，夹持电路衬底117和聚光镜111b，将它们固定。返回到图2，在设置于第1外壳体114的壁部114a的另一端部(前方侧的端部)上的缺口部114c上，碰触有形成于透镜阵列111c的周边上的平面部111g，将透镜阵列111c定位。还通过借助第1外壳体114和第2外壳体115夹持平面部111g的方式，将透镜阵列111c固定于任意的位置。
第2外壳体115为由非透光性树脂材料形成的截面呈矩形的筒状部件，设置于第1外壳体114和第3外壳体116之间，接纳而保持构成照明光学系统111的各部件。第2外壳体115包括：壁部115a，该壁部115a呈前方侧的宽度相对后方侧变窄的台阶状；凸缘部115b，该凸缘部115b在壁部115a的一个端部(后方侧的端部)延伸设置。在凸缘部115b上开设有螺纹通孔(图中未示出)，第2外壳体115通过螺纹而紧固于放热部件140上。此外，第2外壳体115具有突出面115c，在于壁部115a的台阶部分的内面侧，通过螺纹而紧固于放热部件140上时，该突出面115c与透镜阵列111c的平面部111g碰触，通过该突出面115c和第1外壳体114的缺口部114c夹持平面部111g，由此，将透镜阵列114固定。另外，第2外壳体115具有保持场镜111d的作用，构成场镜111d的2个凸透镜分别固定于第2外壳体115的壁部115a的内面上，两者的间隔以良好的精度而保持。
第3外壳体116设置于液晶显示器100的前方侧(射出侧)，由非透光性树脂材料形成，接纳有光扩散部件112和液晶显示面板113。在第3外壳体120中设置有使液晶显示面板113的显示面露出的窗部116a。
在凹面镜120中，在比如聚碳酸酯等的树脂材料上，蒸镀比如铝等的金属，形成凹面状的反射面。通过凹面镜120，将液晶显示器110发出的显示光L放大，照射到前玻璃220上。
外壳130由非透光性树脂材料形成，接纳液晶显示器110和凹面镜120。在外壳130中，设置射出显示光的窗部131。该窗部131由比如丙烯酸酯等的透光性树脂材料形成，以弯曲方式形成。另外，在外壳130中，在后方侧开设有用于设置放热部件140的开口部132。
放热部件140设置于外壳130的开口部132上。放热部件140为翅片型的结构体，其由比如铝等的金属材料制作，具有将光源117发出的热量排放到外部的作用。在放热部件140上，通过螺纹紧固方式而固定有第1、第2外壳体114、115。另外，放热部件140通过螺纹而紧固于外壳130上。
通过以上的各部分，构成平视显示装置100。
按照本实施方式，在照明光学系统111中具有透镜阵列111c，该透镜阵列111c分割光线L0，按照多个而形成光源111a的中间像；场镜111d，该场镜111d以规定的角度，将从由透镜阵列111c产生的中间像发出的光线L0射入液晶显示面板113中，由此，提高向视点区B的光照射效率，另外，可改善虚像V的亮度均匀度，可抑制伴随视点移动的虚像V的亮度变化量。另外，透镜阵列111c按照使通过透镜阵列111c而形成的中间像F1位于相对场镜111d的物体侧焦点P1的场镜111d的主点P2侧的方式设置，由此，获得平视显示装置100中的液晶显示面板113面的希望的配光角度特性。
另外，在本实施方式中，通过按照其像侧焦点P3基本与液晶显示面板113面一致的方式设置场镜111d，可提高液晶显示面板113面的均匀度。
此外，在本实施方式中，通过在光源111a和透镜阵列111c之间设置汇聚光线L0的聚光镜111b，可以良好的效率将来自光源111a的光线L0汇聚于透镜阵列111c上。另外，还可为下述的类型，其中，如果光源111a发出平行光，具有规定的宽度，则不设置聚光镜111b。
还有，在本实施方式中，在场镜111d中，所形成的中间像的开口数量在液晶显示面板113的短边方向和长边方向不同，由此，可分别进行最佳化处理。作为具体的方法的一种，在透镜阵列111d中，两个凸透镜成一体地按照多个设置，在上述两个凸透镜中，通过使其曲面有效区域的长边宽度和短边宽度的比基本等于液晶显示面板113的显示区域的高宽比，分别对纵向和横向的开口数进行最佳化处理。
再有，在本实施方式中，场镜111d至少由两个凸透镜构成，在上述凸透镜之间设置其长度为场镜111d的有效焦距的1/2以上的空气层，由此，容易设置聚光度高的场镜111d。另外，如果不考虑制造的容易性，则还可通过一个凸透镜构成场镜111d。
另外，在本实施方式中，通过在场镜111d和液晶显示面板113之间设置光扩散部件112，将通过场镜111d的射出侧曲面而反射的外光扩散，此外，驾驶员D无法直视通过照明光学系统111的透镜阵列111c而形成的中间像的边界部分，可提高平视显示装置100的显示质量。
此外，本实施方式包括安装光源111a的电路衬底117和形成有定位销114d的第1外壳体114，光源衬底117和聚光镜111b在相互面对的位置具有通孔117a、111e，将定位销114d穿过通孔117a、111e，光源衬底117和聚光镜111b通过第1外壳体114和设置于光源衬底117的背面侧的放热部件140而夹持。由此，可以良好的精度而将光源111a和聚光镜111b定位。另外，在本实施方式中，包括保持场镜111d的第2外壳体115，透镜阵列111c在端部具有平面部111g，通过第1外壳体114和第2外壳体115夹持平面部111g，由此，容易设置固定透镜阵列111c。
产业上的利用可能性
本发明适用于平视显示装置。
标号的说明：
标号100表示平视显示装置；
标号110表示液晶显示器；
标号111表示照明光学系统；
标号111a表示光源；
标号111b表示聚光镜；
标号111c表示透镜阵列；
标号111d表示场镜；
标号112表示光扩散部件；
标号113表示液晶显示面板(显示部件)
标号114表示第1外壳体；
标号115表示第2外壳体；
标号116表示第3外壳体；
标号117表示电路衬底(光源衬底)；
标号120表示凹面镜；
标号130表示外壳；
标号140表示放热部件。

Claims (8)

1.一种平视显示装置，其将显示光经由投射部件导向到观察者的视点区域以显示虚像，该显示光由具有照明光学系统和显示部件的显示器而发出，其特征在于，
上述照明光学系统包括：
发出光线的光源；
透镜阵列，该透镜阵列分割上述光线，按照多个而形成上述光源的像；
场镜，该场镜以规定的角度，将由通过透镜阵列而形成的上述光源的像发出的上述光线射入上述显示部件；
上述透镜阵列按照通过上述透镜阵列而形成的上述光源的像面位于上述场镜的物体侧焦点的上述场镜的主点侧的方式设置，
上述场镜由至少两个凸透镜构成，在上述凸透镜之间设置长度为上述场镜的有效焦距的1/2以上的空气层。
2.根据权利要求1所述的平视显示装置，其特征在于，上述场镜按照其像侧焦点与上述显示部件的面基本一致的方式设置。
3.根据权利要求1所述的平视显示装置，其特征在于，在上述光源和上述透镜阵列之间，设置汇聚上述光线的聚光镜。
4.根据权利要求1所述的平视显示装置，其特征在于，上述透镜阵列的所形成的上述光源的像的开口数在上述显示部件的短边方向和长边方向不同。
5.根据权利要求1所述的平视显示装置，其特征在于，在上述透镜阵列中，双凸透镜一体地按照多个设置，上述双凸透镜的曲面有效区域的长边宽度和短边宽度的比基本等于上述显示部件的显示区域的高宽比。
6.根据权利要求1所述的平视显示装置，其特征在于，在上述场镜和上述显示部件之间，设置光扩散部件。
7.根据权利要求3所述的平视显示装置，其特征在于，其包括安装上述光源的光源衬底和形成有定位销的第1外壳体；
上述光源衬底和上述聚光镜在相互面对的位置具有通孔；
上述光源衬底和上述聚光镜的上述通孔中穿插有上述定位销，上述光源衬底和上述聚光镜通过上述第1外壳体和设置于上述光源衬底的背面侧的放热部件而夹持。
8.根据权利要求7所述的平视显示装置，其特征在于，具有保持上述场镜的第2外壳体；
在上述透镜阵列的端部具有平面部；
上述平面部通过上述第1外壳体和上述第2外壳体而夹持。
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