CN107664843A - 照明装置和平视显示器装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种照明装置和平视显示器装置。照明装置(100)具有：多个光源(10)，它们被排列为2维矩阵的面状，朝所述面状的一个方向分别射出照明光(L1)；聚光透镜(20)，其被配设于多个光源(10)的射出面侧，并且具有与多个光源(10)分别对应的多个凸透镜部(22)，由凸透镜部(22)对由所对应的光源(10)射出的照明光(L1)进行会聚；以及准直透镜阵列(30)，其被配设于聚光透镜(20)的射出面侧，并且具有与多个凸透镜部(22)分别对应的膨出的多个出光面(32)，以使得来自相邻的凸透镜部的各照明光(L3)成为不会重合的平行光的方式从所述膨出的多个出光面(32)射出光。

Description

照明装置和平视显示器装置

技术领域

本发明涉及具有多个光源的照明装置以及具备该照明装置的平视显示器装置。

背景技术

以往已知如下的平视显示器装置(Head Up Display。以下，也称作HUD装置)，其将照明光在透过型的液晶面板(LCD)那样的投影部件中透过而形成的显示原像被规定的光学系统放大等而被整形后的显示像投影在移动体(例如车辆)的前玻璃等的显示部件上进行显示。HUD装置是被装配在汽车等的车辆上，在驾驶时在作为观察者的驾驶员或乘客的视场上映出上述显示像的装置，投影部件显示出显示原像的平面LCD数据，照明光透过该投影部件而使得显示原像被光学射出。在由车辆的前玻璃或也被称作合成仪的半透半反镜构成的显示器等的透明的(或半透明的)上述显示部件上，被投影出车辆的速度等的文字信息或导航用图像等的图像信息的显示像，车辆前方的风景与该显示像以重叠起来的方式被驾驶员识别出来。在平视显示器中，显示像在无限远的点上成像，因此在驾驶员将视点从外界切换至该显示像时，具有不会发生需要零点几秒左右的时间的重新对焦的生理现象的优点。这样，以驾驶时的安全性提高为目的，近些年来，对于作为在驾驶时无需进行驾驶员的重新对焦即能够进行辨认的显示器的HUD装置的需要不断扩大。

于是，例如已知如下所示的现有技术的HUD用照明装置。

1.一种照明单元，其具有2级聚光透镜，该聚光透镜具有与作为多个光源的LED对应的凸部，相对于LED而言位于远处的第2级聚光透镜调整光的成像位置，由此能够在减小有效直径或焦距的同时能够形成为较大的显示面积，可达成较高的照明效率(例如，日本特开2015-232608号公报)。

2.一种照明单元，其使用位置被与具有多个凸部的聚光透镜的透镜光轴对准后的光源以及相对于光轴而偏心的光源，由此抑制成像位置的偏离，减少虚像的亮度不均(例如，日本特开2015-232943号公报)。

3.一种照明装置，其具有作为多个光源的LED、对由光源照射的光进行会聚的透镜阵列以及调整光的方向的场透镜，场透镜在至少入射面侧的一部分区域上具有扩散区域，使来自场透镜的重复的光(相邻的入射光彼此重合的部分的光)透过该扩散区域，由此使该重复的光扩散以减少发生明线(亮线)的亮度不均(例如，日本特开2015-219425号公报)。

4.一种照明装置，其包括具有多个与多个光源对应的凸透镜的透镜阵列，使在相邻的凸透镜间形成的作为谷间的边界线的至少一部分形成为凹凸形状，由此使来自该边界线的射出光的亮度变得平均以减少发生暗线的亮度不均(例如，日本专利4952762号)。

包含在HUD装置中射出照明光的照明装置的背光灯例如具有由多个LED构成的光源，由此能够提高装置整体的亮度。然而，例如图15的(A)所示，根据多个LED光源10…10的配置而言，由一个LED光源10发出的照明光L3与由相邻的另一个LED光源10发出的照明光L3会如图中的虚线椭圆AA所示重合(将该重合的部分的光称作重复光)。这种情况下，照明光L3所重复的区域比其他的区域变得明亮，由此在来自背光灯的射出光上可辨认出亮度不均(所谓的明线)。此外，如图15的(C)所示，根据多个LED光源10…10的配置而言，由一个LED光源10发出的照明光L3与由相邻的另一个LED光源10发出的照明光L3会如图中的虚线椭圆CC所示而不会发生重合，然而会在各照明光L3之间产生间隙(将具有该间隙的照明光称作间隙光)。这种情况下，各照明光L3之间的间隙的区域比其他的区域变暗，由此会在来自背光灯的射出光上辨认出亮度不均(所谓的暗线)。

另一方面，如果这种向不必要的方向射出光的上述重复光或间隙光那样的损失光变多，则LED输出会按照重复光的量而变得过多，此外，为了弥补间隙光造成的亮度降低，会产生增大LED输出的需要。LED输出变大，由此其的散热量也会变大，因此使得LED冷却用的散热器大型化，其结果是，使得背光灯装置变得大型化。在专利文献2～4的现有技术中，减少了上述那样的亮度不均，然而并非减少了损失光的发生本身，因此无法避免这种散热量的增大、散热器的大型化和背光灯装置的大型化。另外，专利文献1的现有技术并非减少上述的亮度不均的技术，亦非减少损失光的发生本身的技术，因此同样无法避免散热量的增大、散热器的大型化和背光灯装置的大型化。

此外，作为平视显示器用的背光灯，需要1.8英寸等的100万cd/m²以上的超高亮度的光源，因此通常的结构是使用少数灯的高输出的LED，并且使用扩散体而使其具备面发光均一性，也可以使用多数灯的低输出LED来构成。在使用少数灯的高输出LED的情况下，损失光的发生量会增加，因此会招致散热量的增大、散热器的大型化和背光灯装置的大型化，而在使用多数灯的低输出LED的情况下，损失光的发生部位会增加，因此若采用专利文献1～4的现有技术那样的并不减少损失光的发生本身的结构，则会导致LED灯数的进一步增加，其结果是，招致散热量的增大、散热器的大型化和背光灯装置的大型化。

发明内容

于是，本发明的目的在于，提供能够实现散热量增大的抑制、即低消耗功率化和低成本化，并且能够实现散热器的大型化和背光灯装置的大型化的抑制、即装置的省空间化的照明装置和平视显示器装置。

本发明人进行各种研究，其结果是，发现可通过以下的本发明达成上述目的。

即，本发明的照明装置具有：多个光源，它们被排列为2维矩阵的面状，朝所述面状的一个方向分别射出照明光；聚光透镜，其被配设于所述多个光源的射出面侧，并且具有与所述多个光源分别对应的多个凸透镜部，由所述凸透镜部对由所对应的所述光源射出的所述照明光进行会聚；以及准直透镜阵列，其被配设于所述聚光透镜的射出面侧，并且具有与所述多个凸透镜部分别对应的膨出的多个出光面，以使得来自相邻的所述凸透镜部的各照明光成为不重合的平行光的方式从所述膨出的多个出光面射出光。

根据这种结构，以通过聚光透镜对由多个光源射出的照明光进行会聚的方式抑制该照明光的扩散，并且准直透镜阵列具有与聚光透镜的多个凸透镜部分别对应的膨出的多个出光面，以使得来自相邻的凸透镜部的各照明光成为不重合的平行光的方式，由膨出的出光面进一步抑制由该对应的凸透镜部射出的照明光的扩散并射出光。因此，能够减少损失光的发生本身，能够实现低消耗功率化和低成本化，能够实现装置的省空间化。其效果在使用多个LED的情况下尤为显著。

在上述结构中，所述聚光透镜的所述凸透镜部的曲率半径优选小于所述准直透镜阵列的所述膨出的出光面的曲率半径。由此，由多个凸透镜部射出的照明光几乎不会泄露地能够到达准直透镜阵列的膨出的出光面，因此能够提高光的使用效率。

在上述结构中，优选在所述准直透镜阵列的射出面侧配设有第1扩散体，在该第1扩散体的射出面侧以与所述第1扩散体隔开间隔的方式配设有第2扩散体。通过扩散体的使用而能够减少亮度不均。通过2个扩散体的上述配置，能够增加亮度不均减少的可靠性。

在配设有所述第1扩散体和所述第2扩散体的情况下，优选所述第1扩散体的雾度值小于所述第2扩散体的雾度值，该雾度值表示所述照明光的扩散程度。由此，能够尽量保持由被配设于第1扩散体侧的聚光透镜或准直透镜阵列等照射的光的指向性，实现亮度不均的减少并提高光的使用效率。

本发明的平视显示器装置具有：上述任意一项所述的照明装置，其射出所述照明光；投影部件，其利用来自所述照明装置的照明光透过而形成显示像并将其射出；以及光学系统，其对被射出的所述显示像进行整形，该平视显示器装置将被整形后的所述显示像投影在显示部件上，由此将该显示像的虚像显示为可由观察者进行辨认。

根据这种结构，由于包括具备上述的特征和作用效果的任意一项的照明装置，因此可实现能够减少损失光的发生本身，能够实现低消耗功率化和低成本化，能够实现装置的省空间化的平视显示器装置。这在使用多个LED的情况下尤为显著。

在权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少2个结构的任意组合也属于本发明。特别地，权利要求书的各权项的2个以上的任意组合也属于本发明。

附图说明

本发明根据以附图为参考的以下的优选实施方式的说明而能够被更明确地理解。然而，实施方式和附图仅用于图示和说明，不应用于确定本发明的范围。本发明的范围根据权利要求书的范围而被确定。在附图中，多个附图中的相同的部件标号表示同一部分。

图1是本发明的一个实施方式的搭载于车辆上的平视显示器装置的概略侧视图。

图2是该平视显示器装置的另一例的概略侧视图。

图3是表示本发明的一个实施方式的背光灯的外观的立体图。

图4是表示该背光灯的外观的主视图。

图5是表示本发明的一个实施方式的照明装置的结构的分解主视图。

图6是表示该照明装置的结构的分解立体图。

图7是从射出面侧观察该照明装置的各构成部件的俯视图。

图8是图7的VIII-VIII线剖视图。

图9是图7的IX-IX线剖视图。

图10是表示作为该照明装置的结构部件的聚光透镜的立体图。

图11是表示作为该照明装置的结构部件的准直透镜阵列的立体图。

图12是说明该照明装置的结构的变形例的主视图。

图13是说明该照明装置的结构的另一个变形例的主视图。

图14是说明该照明装置的结构的又一个变形例的主视图。

图15是说明本实施方式的照明装置的效果的图。

标号说明

10：(多个)光源；20：聚光透镜；22：(多个)凸透镜部；28：聚光透镜；28c：弯月透镜(凸透镜部)；30：准直透镜阵列；32：膨出的(多个)出光面；34：准直透镜；36a：凸透镜体(准直透镜)；40：第1扩散片(扩散体)；50：第2扩散片(扩散体)；100：照明装置；300：投影部件；400：光学系统；700：HUD(平视显示器)装置；L1、L2、L3、L4：照明光。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。另外，各图中的相同的标号表示相同或相当部分，在没有特别变更等的说明时，适当省略对其说明。

图1示出被搭载于一个实施方式的车辆600上的平视显示器(HUD)装置700的概略侧视图。HUD装置700具有包括后述的照明装置100(图3)的背光灯200、投影部件300和光学系统400。HUD装置700例如被载置于车辆600的仪表板内部的设置有方向盘610或仪表面板(未图示)的附近。具体地，背光灯200如图3的立体图和图4的主视图所示，例如由被黑色的顶架210覆盖而使得出光部101露出的照明装置100和散热器60构成。从照明装置100的出光部101例如射出作为均匀的白色光的照明光。

图1的投影部件300是透过型的点矩阵TFT液晶面板(LCD)等，将显示原像的图像或作为文字数据的平面LCD数据显示在液晶面板上，并且使来自照明装置100的出光部101的照明光透过该液晶面板，从而形成显示原像，并将其光学射出。光学系统400在本例中是凹面镜，也可以是透镜、棱镜、光纤等的光学元件。显示原像被光学系统400整形而成为显示像，被投影在作为车辆600的前玻璃等的显示用的显示部件500A(以下，前玻璃500A)上。依赖于该前玻璃500A的曲面的曲率和前玻璃500A与背光灯200之间的光学朝向或位置关系等，使得被投影在前玻璃500A上的显示像的大小、倾斜和变形等被确定，因此上述显示原像通过光学系统400而被实施扩大或缩小以及上述倾斜或变形的校正等的整形，从而成为在显示部件上进行显示用的显示像。

在前玻璃500A上被投影出作为车辆的速度等的文字信息或导航用图像等的图像信息的显示像，该显示像与车辆前方的风景重叠而被驾驶员识别出来，在驾驶员的视点(或视场)D处，例如显示像被观察为在车辆前方3～5m处的车辆前方的风景中悬浮。此外，显示像以不妨碍驾驶的方式，例如在前玻璃500A的角部附近仅显示出车辆的驾驶所需的信息。

另外，作为供显示像投影的显示部件在图1中是前玻璃500A，也可以是图2所示的合成仪500B。合成仪500B例如是由半透半反镜构成的显示器，若被投影了显示像，则车辆前方的风景与该显示像以重叠的方式通过合成仪500B而被驾驶员识别出来。合成仪500B和HUD装置700有时作为一体化的装置进行销售，这种情况下，在已出厂前的阶段，可以作为对合成仪与HUD装置之间的光学特性进行优化后的装置进行销售，将其直接安装在车辆即可，因而是优选情况。

如图5的照明装置100的分解主视图所示，照明装置100按顺序朝向射出方向具有射出照明光的多个光源10…10、聚光透镜20和准直透镜阵列30。进而，照明装置100在准直透镜阵列30的射出面侧配设有第1扩散体(扩散片)40，在第1扩散片40的射出面侧以与第1扩散片40隔开间隔的方式配设有第2扩散体(扩散片)50。在本实施方式中，多个光源10、聚光透镜20、准直透镜阵列30、第1扩散片40和第2扩散片50之间的间隔例如分别是0.5mm、6.9mm、3.2mm、2.9mm。另外，照明装置100的射出面侧的最前面可以存在对第2扩散片50进行保护的未图示的透明玻璃，这种情况下该透明玻璃形成出光部101。

多个光源10如图6的照明装置100的分解立体图所示，被排列为2维矩阵的面状(xy平面)，朝该xy平面的一个方向(图6的上方)分别射出照明光L1。光源10例如是日亚化学制的编号为NSSW157等的白色LED。图5所示的多个光源10例如被焊锡固定在进行各光源10的供电和控制的配线基板12上。如图7所示，多个光源10在x方向上配设9个，在y方向上配设4个，合计使用36个，x方向(图8)和y方向(图9)的配置间距P1为等间隔的6mm，并且被排列为使得LED元件的朝向为相同方向。作为对由各光源10发生的热进行散热的冷却部件的散热器60以电绝缘状态被安装在图3所示的配线基板12的与安装有多个光源10的面相反的面上。

此外，在本实施方式的照明装置100的光源10中，虽然每个灯的功率较低，然而通过使用多个低成本的LED，提高了光的使用效率，由此实现了大幅的尺寸降低。相比现有产品的背光灯的单元尺寸(例：长度70×宽度45×高度35mm)，本实施方式的例的背光灯单元尺寸例如为长度66×宽度40×高度16mm。此外，如后所述，还达成了消耗功率的降低，由此使得能够使散热器60形成得小型的效果也变大，相比以往其他公司生产的散热器(例：长度100×宽度60×高度60mm)，本实施方式的例的散热器60的尺寸为长度90×幅40×高度40mm，高度减少至3分之2等，能够实现省空间化。

图5的聚光透镜20具有与多个光源10分别对应的多个凸透镜部22…22，所述凸透镜部22对由所对应的光源10射出的照明光L1进行会聚，并射出照明光L2。聚光透镜20被配设于多个光源10的射出面侧。如图10所示，多个凸透镜部22以彼此离开的方式被配设于聚光透镜20的射出面侧，如图7所示，在xy方向上，多个光源10分别存在于大致相同位置处，从而相互对应。因此，作为多个凸透镜部22，在聚光透镜20上形成有与多个光源10数量相同的36个。

聚光透镜20通过对PMMA或PC等的热可塑性树脂进行注塑成型而被制造出来(本实施方式中为PMMA)。此外，在本实施方式中，图8所示的各凸透镜部22的曲率半径R1例如是2mm，相邻的凸透镜部22的间隔P2在x方向和y方向上例如都是6mm，凸透镜部22的顶点从聚光透镜20的主面24膨出2.3mm(最大厚度＝2.3mm)。

图5的准直透镜阵列30具有与多个凸透镜部22分别对应的膨出的多个出光面32…32，具体而言，包括分别具有所述出光面32的准直透镜34…34。准直透镜阵列30被配设于聚光透镜20的射出面侧。各准直透镜34供由所对应的凸透镜部22射出的各照明光L2射入，由这些各准直透镜34射出将该照明光L2的光的方向对齐为平行的照明光L3。具体而言，准直透镜34的膨出的出光面32抑制各照明光L2的光的扩散，由此使得相邻的照明光L3彼此成为不存在重合的平行光的(即不会成为重复光和间隙光的)照明光L3从膨出的多个出光面34分别射出。

如图11所示，多个准直透镜34彼此相邻地被配设于准直透镜阵列30的射出面侧，如图7所示，在xy方向上，多个光源10和凸透镜部22分别存在于大致相同位置处，从而相互对应起来。因此，作为多个准直透镜34，在准直透镜阵列30上形成有与多个光源10数量相同的36个。即，射出光L3从准直透镜阵列30的整个表面射出，而具体观察时，射出光L3从36个的发光区域分别射出。

准直透镜阵列30通过对PMMA或PC等的热可塑性树脂进行注塑成型而被制造出来(本实施方式中为PMMA)。此外，在本实施方式中，图8所示的各准直透镜34的曲率半径R2例如是6.3mm，膨出的出光面32的顶点从准直透镜阵列30的主面35膨出2.5mm(最大厚度＝2.5mm)。这样，本实施方式的聚光透镜20的凸透镜部22的曲率半径R1小于准直透镜阵列30的膨出的出光面32的曲率半径R2。

在本实施方式的准直透镜34中，不会发生前述的图15的(A)中的虚线椭圆AA所示的重复光或图15的(C)中的虚线椭圆CC所示的间隙光，如图15的(B)所示，除了以使得相邻的各照明光L3成为不重合的平行光的方式对凸透镜部22的照明光L2的扩散进行抑制之外，还由对应的准直透镜34、即膨出的出光面32对由该凸透镜部22射出的照明光L2的扩散进行抑制并射出照明光L3。因此，照明光L3中的光的方向如上所述对齐为平行，本实施方式的照明装置100能够减少损失光(重复光或间隙光)的发生本身。

即，在本实施方式中，除了具有聚光透镜20之外，还具有上述的准直透镜阵列30，由此能够减少损失光的发生本身，能够实现LED10的低消耗功率化和低成本化，而且散热器60也变得小型化，因此能够实现装置的省空间化。这种效果在使用多个LED的情况下尤为显著。

另外，图5所示的准直透镜阵列30的出光面32膨出且邻接，因此在各准直透镜34的边界即各发光区域的边界上形成有谷间(谷部37)，本实施方式的准直透镜阵列30在该谷部37形成有未图示的皱褶。因此，皱褶沿上述谷部37即各发光区域的边界而呈网格状被配置在准直透镜阵列30上。各皱褶的宽度为1～2mm左右。另外，在一个方向(x方向)的谷部37和另一个方向(y方向)的谷部37，皱褶的浓度、即皱褶的间距宽度和高度可以不同。在准直透镜34的各发光区域内，主要使来自被配设在各个区域内的一个LED10的光发光，因此各LED10的照射范围的接缝处即发光区域的边界会变得显著，从而发生亮度不均。具体而言，沿着准直透镜阵列30的谷部37而容易辨认到明线或暗线。然而，由于该皱褶的存在，能够使来自该边界线(谷部37)的射出光的亮度变得平均，能够减少亮度不均的发生。

扩散片40、50例如由作为热可塑性的工程塑料的PET树脂等构成，在表面上形成微小的透镜阵列，或者在表面上被涂布用于扩散光的树脂，由此使通过的光扩散而能够提供更为均匀的照明光。第2扩散片50的表示照明光的扩散的程度的雾度(HAZE)值是67％。来自准直透镜阵列30的谷部37的射出光L3的光量较多，因此第2扩散片50为了减少亮度不均就需要使该射出光L3扩散。于是，第2扩散片50的HAZE值大于后述的第1扩散片40的HAZE值，从而具备比第1扩散片40更强的光扩散功能。这里，第2扩散片50以与第1扩散片隔开间隔的方式被配设于该第1扩散片的射出面侧。

第1扩散片40的HAZE值是29％。第2扩散片50使被第1扩散片40扩散后的射出光再次扩散，射出进一步减少了亮度不均的照明光L4。另外，第1扩散片40和第2扩散片50这双方无需都设置，可以仅使用其中任意一方，例如可以仅使用第2扩散片50。在本实施方式中，作为扩散体使用了上述的扩散片，也可以取代扩散片而使用复眼透镜等。

本发明不限于以上的实施方式，可以在不脱离本发明主旨的范围内进行各种的追加、变更或删除。因此，这些内容也属于本发明的范围内。这种结构也属于本发明的范围内。

例如，在上述的照明装置100的结构中，可进行以下所述的变形。如图12所示，可以取代准直透镜阵列30，使用呈阵列状交替具有凸透镜体36a(相当于准直透镜34)和凹透镜体36b的凹凸混合透镜体36。另外，在该图中，扩散片40A的HAZE值是87％。这种情况下，对于通过作为与凸透镜体36a对应的发光区域的边界的谷间而发生的明线或暗线带来的亮度不均，通过使凹透镜体36b对应于该谷间而能够使其减少。此外，如图13所示，取代聚光透镜20和多个凸透镜部22，例如还可以采用包括具有凹面28b和凸面28a的多个弯月透镜28c(相当于凸透镜部22)的聚光透镜28。进而，如图14所示，还可以采用使用2片该聚光透镜28和被配设于聚光透镜28的射出面侧且彼此隔开间隔地配设的上述的复眼透镜38的结构。在图13和图14的示例中，对于在作为发光区域的边界的谷部27发生的明线或暗线带来的亮度不均，通过在各例所述的透镜形状(结构)而能够使其减少。

如上所述，根据附图对优选实施方式进行了说明，在不脱离本发明主旨的范围内能够进行各种的追加、变更、删除。因此，这些内容也属于本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种照明装置，其具有：

多个光源，它们被排列为2维矩阵的面状，朝所述面状的一个方向分别射出照明光；

聚光透镜，其被配设于所述多个光源的射出面侧，并且具有与所述多个光源分别对应的多个凸透镜部，所述凸透镜部对由所对应的所述光源射出的所述照明光进行会聚；以及

准直透镜阵列，其被配设于所述聚光透镜的射出面侧，并且具有与所述多个凸透镜部分别对应的膨出的多个出光面，以使得来自相邻的所述凸透镜部的各照明光成为不重合的平行光的方式从所述膨出的多个出光面射出光。

2.根据权利要求1所述的照明装置，其中，

所述聚光透镜的所述凸透镜部的曲率半径小于所述准直透镜阵列的所述膨出的出光面的曲率半径。

3.根据权利要求1所述的照明装置，其中，

在所述准直透镜阵列的射出面侧配设有第1扩散体，在该第1扩散体的射出面侧以与所述第1扩散体隔开间隔的方式配设有第2扩散体。

4.根据权利要求2所述的照明装置，其中，

在所述准直透镜阵列的射出面侧配设有第1扩散体，在该第1扩散体的射出面侧以与所述第1扩散体隔开间隔的方式配设有第2扩散体。

5.根据权利要求3所述的照明装置，其中，

所述第1扩散体的雾度值小于所述第2扩散体的雾度值，该雾度值表示所述照明光的扩散程度。

6.根据权利要求4所述的照明装置，其中，

所述第1扩散体的雾度值小于所述第2扩散体的雾度值，该雾度值表示所述照明光的扩散程度。

7.一种平视显示器装置，其具有：

射出所述照明光的权利要求1至6中的任意一项所述的照明装置；

投影部件，其通过使得来自所述照明装置的照明光透过，形成显示像而将其射出；以及

光学系统，其对所射出的所述显示像进行整形，

该平视显示器装置将被整形后的所述显示像投影在显示部件上，由此将该显示像的虚像显示为可由观察者进行辨认。