CN109564349A - 平视显示装置及其影像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种小型且能够低成本制造的HUD系统以及HUD用光源装置。平视显示装置包括：用于生成要投射的影像光的影像显示装置；对来自所述影像显示装置的影像光进行规定的修正的光学系统；和反射被所述光学系统修正后的影像光并将其投射在所述挡风玻璃或者所述组合器上的凹面反射镜，所述影像显示装置包括照明光学系统和显示装置，其中所述照明光学系统包括固体光源、将来自所述固体光源的光转换成大致平行光的准直光学系统、以及使已被所述准直光学系统转换的光束的方向偏转并同时进行扩束的光学部件，所述影像显示装置在所述凹面反射镜的光轴上以隔着所述光学系统的方式与所述凹面反射镜相对地配置。

Description

平视显示装置及其影像显示装置
技术领域
本发明涉及一种将图像投影在车辆的挡风玻璃或者设置于其前方的作为透明或半透明的板状显示部件的组合器上，利用虚像向驾驶员显示信息的平视显示装置(Head UpDisplay：以下称作“HUD”)，特别是涉及一种能够用作在HUD装置中产生面状影像光的光源模块的小型高效的影像显示装置。
背景技术
在HUD装置中，为了生成虚像而将图像光投影到车辆的挡风玻璃和组合器上，用于生成这样的图像光的影像显示装置一般组装在车辆的仪表盘这样狭窄的空间内，因此，期待小型且高效的装置。
此外，作为该HUD的相关技术，例如，在日本特开2015－90442号公报(专利文献1)中记载了一种显示装置，其包括用于显示图像的设备和投射显示于设备的图像的投射光学系统，能够在观察者的整个视角区域减少画面畸变同时实现小型化。此外，在该现有技术中，投射光学系统从显示设备至观察者的光路依次具有第1反射镜与第2反射镜。第1反射镜中的图像长轴方向的入射角与第1反射镜中的图像短轴方向的入射角、以及显示设备的图像显示面与第1反射镜的间隔、以及观察者所看到的虚像的水平方向宽度的关系满足规定的关系，由此实现HUD装置的小型化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015－90442号公报
发明内容
发明所要解决的课题
最近几年，随着作为固体光源的LED的发光效率的提高，使用LED作为发光源很有效。但在使用LED以及将其光转换成大致平行光的LED准直仪的上述现有技术(专利文献1)中所公开的光学系统的形状中，装置的小型化和模块化方面仍存在不足之处。
因此，本发明的目的在于提供一种能够适用于产生构成HUD装置的面状影像光的光源模块的、小型且高效的影像显示装置，另外，还提供一种利用该影像显示装置的、适合在车辆的仪表盘这样狭窄的空间内组装以及维修的HUD装置。
用于解决课题的技术方案
作为用来实现上述目的的一个实施方式，本发明提供一种平视显示装置，将影像光投射于车辆的挡风玻璃或设置在其前方的组合器，利用由其反射光形成的虚像向驾驶员提供图像，所述平视显示装置包括：用于生成要投射的影像光的影像显示装置；对来自所述影像显示装置的影像光进行规定的修正的光学系统；和反射被所述光学系统修正后的影像光并将其投射在所述挡风玻璃或者所述组合器上的凹面反射镜，所述影像显示装置包括照明光学系统和显示装置，其中所述照明光学系统包括固体光源、将来自所述固体光源的光转换成大致平行光的准直光学系统、以及使已被所述准直光学系统转换的光束的方向偏转并同时进行扩束的光学部件，所述影像显示装置在所述凹面反射镜的光轴上以隔着所述光学系统的方式与所述凹面反射镜相对地配置。
发明效果
根据本发明，能够实现小型、高效且制造成本低的影像显示装置，同时，提供一种HUD装置，其利用该影像显示装置而能够容易地在仪表盘这样狭窄的空间内进行安装和维修。
附图说明
图1是表示本发明的实施例1的平视显示器(HUD)装置的整体外观的图。
图2是表示实施例1的HUD装置中的影像显示装置的外观及其内部结构的图。
图3是表示实施例1的影像显示装置中的光源装置的外观的图。
图4是说明实施例1的影像显示装置中的光源装置的内部结构的图。
图5是说明实施例1的影像显示装置中的准直仪的详细情况的图。
图6是表示实施例1的影像显示装置中的导光体的详细形状的立体图、截面图、截面放大图。
图7是表示实施例1的影像显示装置中的内部光学系统的动作的图。
图8是对实施例1的影像显示装置中的导光体的详细情况进行说明的图。
图9是用来说明实施例1的影像显示装置中的导光体的比较例的图。
图10是表示作为实施例1的变形例的影像显示装置中的导光体的详细形状的图。
图11是表示作为实施例1的变形例的影像显示装置中的导光体的详细形状的图。
图12是说明成形作为实施例1的影像显示装置的光学系统的构成部件的导光体所使用的模具的加工方法的图。
图13是表示作为实施例1的变形例的影像显示装置中的导光体的详细形状的图。
图14是表示图13所示的影像显示装置中的导光体的表面粗糙度空间频率分布的特性图。
图15是表示图13所示的影像显示装置中的导光体表面的光散射的模式图。
图16是表示作为实施例1的变形例的影像显示装置中的导光体表面的形状的平面图。
图17是对光源装置中的准直仪和合成扩散块的详细情况进行说明的图。
图18是对光源装置中的合成扩散块的详细情况进行说明的局部放大截面图。
图19是表示作为实施例1的变形例的影像显示装置的结构的图。
图20是表示作为实施例1的变形例的影像显示装置的结构的图。
图21是表示本发明的其他实施例的影像显示装置的整体外观的图。
图22是表示本发明的其他实施例的影像显示装置的光学系统的内部结构的外观的图。
图23是表示本发明的其他实施例的影像显示装置的整体外观的图。
图24是表示本发明的实施例2的影像显示装置的光学系统的结构之一例的图。
图25是说明实施例2的影像显示装置的光学系统的图。
图26是对实施例2的影像显示装置中的导光体的详细情况进行说明的俯视图以及侧面图。
图27是表示作为实施例2的影像显示装置的光学系统的构成部件的LED准直仪与偏振转换棱镜的一例结构的图。
图28是对作为实施例2的变形例的影像显示装置中的导光体的详细情况进行说明的俯视图以及侧面图。
图29是对作为实施例2的变形例的影像显示装置中的导光体的详细情况进行说明的俯视图以及侧面图。
图30是对作为实施例2的变形例的影像显示装置中的导光体的详细情况进行说明的俯视图以及侧面图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施例进行详细的说明。其中，在用来说明实施例的所有附图中，相同的部分原则上标注相同的附图标记，并省略其重复性的说明。另一方面，对于在某个图中标注附图标记进行说明的位置，在说明其他附图时不再进行图示，但有时标注相同的附图标记来提及。
图1(a)是表示利用本发明的实施例的影像显示装置的平视显示器(HUD)装置的动作概念例子的概要的图。在本发明的实施例的HUD装置1中，配置在其壳体内的影像显示装置30所出射的影像光通过修正透镜等光学系统43后被凹面反射镜41反射，投射至车辆2的挡风玻璃(Windshield)3或者设置于前方的组合器(未图示)上。由该挡风玻璃3所反射的影像光如图1(a)所示入射至驾驶人5的视野中。由此，驾驶人5看到投射至挡风玻璃3并反射的影像光，从而以虚像的形式看到其前方的影像。
此外，在该HUD装置1中，特别是其影像显示装置30一般具有如图1(b)所示的内部结构，此处，表示影像显示装置30为投影仪的情况，影像显示装置30例如具有光源301、照明光学系统302以及显示元件303等。更为详细的来讲，在光源301中产生的照明光被照明光学系统302聚集并均匀化，然后向显示元件303照射。该光包括作为在其显示面上形成所投射的影像而生成投射光的元件的显示元件303。
从上述影像显示装置30出射的光还通过显示距离调节机构400和反射镜驱动部500向车辆2的挡风玻璃3投射，这一点对于本领域技术人员而言是显而易见的。另外，通过调节凹面反射镜41的角度，调节将影像投射在挡风玻璃3上的位置，由此，能够上下调节驾驶人5所看到的虚像的显示位置。此外，作为虚像而显示的内容并没有特别的限制，例如，能够适当显示车辆信息和导航信息、未图示的摄相机影像(监视摄相机和全车监视等)所拍摄到的前方的状况影像等。
图2(a)是表示HUD装置1的外观的立体图。图2(b)是在将其各个部分分解的状态下的展开立体图。通过这些附图可知，构成HUD装置1的影像显示装置30一般在作为其壳体的外装壳55的内部，收纳有上述影像显示装置30、凹面反射镜41以及畸变修正透镜43。在外装壳55的上表面形成有朝向挡风玻璃投射影像光的开口部，该开口部被防眩板54(防眩光板)所覆盖。另外，图2中的附图标记42表示用来调节上述凹面反射镜41的位置的由电动机等构成的凹面反射镜驱动部。
接下来，使用图3对构成上述HUD装置1的影像显示装置30进行详细的说明。影像显示装置30例如通过在由树脂等形成的光源装置外壳11的内部收纳的LED、准直仪、合成扩散块、导光体等，将在后面进行详细说明。在其上表面安装有液晶显示元件50(与图1的显示元件303对应)，在其一个侧面安装有作为半导体光源的LED(Light Emitting Diode)元件和安装了其控制电路的LED电路板12。另外，在该LED电路板12的外侧面安装有用来冷却在上述LED元件以及控制电路中所产生的热的散热片13。
此外，由以上的说明可知，由于将HUD装置组装在车辆的仪表盘这样狭窄的空间内，因此，特别适合用作对HUD装置1内的影像显示装置30进行模块化，显然也期待装置的小型且高效化。
(实施例1)
图3是表示构成本发明的实施例1的HUD装置的影像显示装置的外观的展开立体图。从图3可知，影像显示装置(本体)30例如采用树脂等形成，由在其内部收纳LED、准直仪、合成扩散块、导光体等的光源装置外壳11构成，将在后面进行详细说明。另外，在其上表面安装有液晶显示元件50，另外在其一个侧面安装有作为固体光源的半导体LED(LightEmitting Diode)元件和封装了其控制电路的LED电路板12，同时，在该LED电路板12的外侧面安装有用来冷却在上述LED元件以及控制电路中产生的热量的散热片13。
另外，安装在光源装置外壳11的上表面的液晶显示装置50由以下几部分构成：液晶显示面板框架51、安装在该框架上的液晶显示面板52、以及与该面板电连接的FPC(柔性配线电路板53)。即，后面会详细说明，液晶显示面板52与作为固定光源的LED元件一起，基于来自构成HUD装置的控制电路(此处省略图示)的控制信号，控制在其上显示的影像光等。
图4中表示作为上述影像显示装置30的内部结构的一部分、即收纳在光源装置外壳11内的光学系统的结构。即，将构成光源的多个(在本例中为4个)LED14a、14b(此处仅表示两个)相对于LED准直仪15安装在规定位置。
＜LED准直仪＞
此外，该LED准直仪15例如分别由丙烯等透光性的树脂形成，如图5所示，具有将大致抛物线旋转而获得的圆锥凸形的外周面151，同时在其顶部具有在中央部形成有凸部(即凸透镜面)152的凹部153。另外，在其平面部的中央部具有向外侧突出的凸透镜面(或者也可以是向内侧凹入的凹透镜面)154。另一方面，LED14a、14b分别配置于作为其电路电路板的所谓LED电路板12表面上的规定位置。此外，将形成LED准直仪15的圆锥形状的外周面的抛物面设定在能够在其内部完全反射从LED14a向周边方向出射的光的角度范围内，或者形成反射面。此外，形成LED准直仪的材料并非局限于前述的丙烯，只要是透明的材料即可，特别是在LED的功率大的情况下，优选耐热性更高的聚碳酸酯、环烯烃聚合物、硅聚合物材料、玻璃等。
如图5所示，按照其表面上的LED14a、14b分别位于其凹部153的中央部的方式，将上述LED电路板12相对于LED准直仪15配置并固定。根据该结构，根据上述LED准直仪15，在从LED14a出射的光中，特别是从其中央部分朝着上方(图5的右方向)出射的光被形成LED准直仪15外形的两个凸透镜面152、154聚集并变成平行光，另外，从其他部分朝着周边方向出射的光被形成LED准直仪15的圆锥形状的外周面的抛物面反射，同样被聚集并变成平行光。换言之，在其中央部构成凸透镜，同时在其周边部形成抛物面的LED准直仪15，由此从LED14a产生的光基本上全部被作为接近平行光的光线而被获取，能够提高所产生的光的利用效率。
此外，在该LED准直仪15的光出射一侧设置有矩形的合成扩散块16。即，从LED14a或者14b出射的光因LED准直仪15的作用而变成平行光，入射至合成扩散块16。
此处，再返回图4，在上述合成扩散块16的出射面一侧，隔着第1扩散板18a设置有截面大致三角形的导光体17，在其上表面安装有第2扩散板18b。由此，上述LED准直仪15的水平光因该导光体17的作用而向图4的上方反射，同时，水平光的纵向光束宽度因该导光体17的作用而变宽，被导入上述液晶显示元件50的入射面。根据该导光体的作用，能够实现薄型小型的影像显示装置。此时，其强度被上述第1以及第2扩散板18a、18b均匀化。
＜导光体的详细结构＞
接下来，参照图6对构成上述光源装置的导光体17的详细情况进行说明。其中，图6(a)是表示该导光体17的整体的立体图，图6(b)是其截面图，图6(c)以及图6(d)是表示截面的详细情况的局部放大截面图。
导光体17例如是由丙烯等透光性树脂形成截面大致三角形(参照图6(b))的部件，由图6(a)可知，它包括：在上述合成扩散块16的出射面上隔着第1扩散板18a而相对的导光体光入射部(面)171、形成斜面的导光体反射部(面)172、以及隔着第2扩散板18b与上述液晶显示元件50的液晶显示面板52相对的导光体出射部(面)173。
在该导光体17的导光体光反射部(面)172上，如作为其局部放大图的图6(c)和图6(d)所示，多个反射面172a与连接面172b交替地形成锯齿状。反射面172a(图6中右上的线段)相对于图6中点划线所示的水平面形成αn(n：自然数，在本例中例如是1～130)的角度，作为其一个例子，此处将αn设定在43度以下(但是0度以上)。
另一方面，连接面172b(在图6中的右下线段)相对于水平面形成βn(n：自然数，在本例中例如是1～130)的角度。即，反射部的连接面172b相对于入射光倾斜成在后述的散射体的半值角范围内成为阴影的角度。将在后面对其进行详细的说明，α1、α2、α3、α4…形成反射面仰角，β1、β2、β3、β4…形成反射面与连接面的相对角度，作为其一个例子，将其设定成90度以上(但是180度以下)。此外，在本例中，β1＝β2＝β3＝β4＝…＝β20＝…β130。
为了方便说明，图7和图8中表示针对导光体17而相对增大发射面172a与连接面172b的大小的模式图。在导光体17的导光体光入射部(面)171中，主要的光线相对于反射面172a在入射角增大的方向上偏转δ(参照图8(b))。即，导光体光入射部(面)171形成相对于光源一侧倾斜的弯曲的凸形。这样，来自合成扩散块16的出射面的平行光通过第1扩散板18a扩散并入射，由图8(b)可知，导光体光入射部(面)171向上方稍微弯曲(偏转)并到达导光体光反射部(面)172(参照图9的比较例)。
此外，在该导光体光反射部(面)172上，多个反射面172a与连接面172b交替地形成锯齿状，扩散光在各个反射面172a上被完全反射并朝向上方，而且通过导光体光出射部(面)173和第2扩散板18b，作为平行的扩散光入射至液晶显示面板52。因此，反射面仰角α1、α2、α3、α4…按照各个反射面172a与所述扩散光成临界角以上的角度的方式设定，另一方面，将反射面172a与连接面172b的相对角度β1、β2、β3、β4…如上述那样设定成一定的角度，其原因将在后面进行说明，更优选将其设定在90度以上的角度(βn≥90度)。
根据上述的结构，各个反射面172a相对于所述扩散光始终保持临界角度以上的角度，所以，即使不在导光体光反射部(面)172上形成金属等反射膜，也能完全反射，能够实现低成本的影像显示装置30。另一方面，作为比较例，如图9所示，在导光体17的导光体入射部中，在没有主要的光线的弯曲(偏振)的情况下，扩散光的一部分与反射面172a成临界角以下的角度，无法确保足够的反射率，所以无法实现特性良好(明亮)的光源装置、即影像显示装置。
另外，反射面仰角α1、α2、α3、α4…是随着从导光体光反射部(面)172的下部向上部移动而稍微增加的值。这是因为，透过液晶显示元件50的液晶显示面板52的光具有一定程度的发散角，因此，尤其是为了防止发生透过液晶显示面板52周边部的光的一部分在配置于下游的反射镜的周缘减少的所谓的周边减光现象，如图7的光线L30所示，实现周边部的光线略微偏转中心轴方向的结构。
如上所述，β1＝β2＝β3＝β4…βn≥90度，其原因在于，如图12所示，在通过出射成型来制作导光体17的模具40的加工中，利用底面与侧面的相对角度为β的铣刀，能够同时加工反射面172a与连接面172b。另外，对于反射面172a与连接面172b，能够使用相对粗的工具进行加工，因此，能够大幅缩短加工时间并大幅降低加工费用。另外，还能高精度地加工反射面172a与连接面172b的交界处，提高导光体17的导光特性。
另外，图7的Lr1、Lr2、Lr3、Lr4…表示反射面172a在水平面上的投影长度，Lc1、Lc2、Lc3、Lc4…表示连接面172b在水平面上的投影长度，Lr/Lc即反射面172a与连接面172b的比例能够根据位置来更改。入射到导光体17的主要的光线L30的强度分布未必与在液晶显示面板入射面中所期待的强度分布一致。因此，采用根据反射面172a与连接面172b的比例Lr/Lc来调节强度分布的结构。此外，该比例越高，其部分反射光的平均强度也能越高。一般来讲，入射到导光体的光线L30的中央部有增强的趋势，所以，为了对其进行修正，前述比例Lr/Lc因位置不同而各异，特别减小中央部的强度。前述比例Lr/Lc以及前述反射面仰角α1、α2、α3、α4…采用因位置不同而各异的结构，因此，表示导光体光反射部(面)172的大概形状的轮廓线172c如图7所示表示曲线形状。
另外，Lr1+Lc1＝Lr2+Lc2＝Lr3+Lc3＝Lr4+Lc4…＝Lr+Lc≤0.6mm。通过采用该结构，能够将从导光体17的导光体光出射部(面)173一侧所看到的反射面的重复间距相同。另外，由于该间距是0.6mm以下，因此，加上扩散板18a、18b的作用、效果，在透过液晶显示面板52进行观察的情况下，各个出射面并未分离而是呈现为一个连续面，因此，透过液晶显示面板52的空间亮度变得均匀，于是，显示特性提高。即，根据本结构，能够使液晶显示面板52上的入射光强度分布变得均匀。另一方面，如果Lr+Lc的值小于0.2mm，则不仅花费加工时间，而且也难以高精度地加工各个反射面172a，所以，优选是0.2mm以上。
根据上述导光体17的导光体光反射部(面)172的形状，能够满足主要的光的完全反射条件，无需在导光体光反射部(面)172上设置铝等反射膜，能够有效地反射光，也无需导致制造成本增加的铝薄膜的蒸镀作业等，能够以更低的成本实现明亮的光源。另外，将各个相对角度β设定成连接面172b相对于主要的光线L30在合成扩散块16以及扩散板18a中扩散后的光形成阴影的角度。由此来抑制多余的光入射至连接面172b，能够降低多余的光的反射，实现特性良好的影像显示装置。
另外，根据上述的导光体17，能够实现以下的影像显示装置，即，通过适当设定反射面仰角α1、α2、α3、α4…、以及所述反射面与连接面的比例Lr/Lc，能够自由地更改光轴方向上的导光体光出射部(面)173的长度，因此，对于导光体光入射部(面)171，能够将导光体光出射部(面)173的大小(面尺寸)适当更改成适合上述液晶显示面板52等装置的大小(面尺寸)。另外，不受构成光源的LED14a、14b的配置形状的影响，能够将导光体光出射部(面)173形成所需要的形状，由此，能够获得所需形状的面状发光源。另外，根据本结构，对于液晶显示面板52的尺寸，能够将LED准直仪15和合成扩散块16的厚度做薄，所以，也将有利于整个装置的小型化。
另外，根据上述导光体17，也如图10所示，适当设定构成导光体光反射部(面)172的连接面172b(在本例中，光在其中央部的一部分反射面172a中不反射)，由此，在导光体17的导光体光出射部(面)173中，也能根据位置大幅更改反射面172a与连接面172b的比例Lr/Lc。在图10的例子中，表示了从导光体17的导光体光出射部(面)173出射的光在光轴方向上被分成左右两束的情况。例如在将来自HUD装置的照明光无损失地上下或左右分离等情况下该结构非常适合。另外，通过适当调节上述比例Lr/Lc，也能部分地增强或者减弱反射光。
除此之外，也如图11所示，如果将包括上述LED14a、14b和导光体17等的多个(在本例中是2个)光源装置按照在同一个面内彼此相对的方式进行组合，则能够实现配备了更多种类的面尺寸与光量的导光体光出射部(面)173的影像显示装置。
此处，入射至液晶显示面板的主要的光线的倾斜一般优选接近垂直，但是，根据液晶显示面板的特性，如图10所示，也能仅倾斜角度η。即，在市面上所售的液晶面板中，将入射角倾斜5～10度左右的面板的特性优良，在此情况下，根据其特性优选将上述η设定为5～10度。
另外，也可以不将面板倾斜η角度而是调节反射面172a的角度，这样也能将主要光线向液晶面板倾斜。另外，在必须将所述光线向导光体的侧面方向倾斜的情况下，将以下详细说明的形成于合成扩散块16的出射面上的三角形状的纹理结构161的斜面倾斜成左右非对称，或者更改由反射面172a、连接面172b所构成的纹理的形成方向，由此能够实现。
除此之外，在上述导光体17中，也如图13所示，在其入射面与出射面上分别赋予(形成)以下的功能性散射面175，由此，也能省略上述图6所示的扩散板18a、18b。采用该结构，则不需要扩散板18a、18b，能够实现影像显示装置的低成本。
该功能性散射面通过降低空间频率高的成分(细微的成分)的表面粗糙度，能够降低多余的辐射结构部分。图14(b)中表示通常的散射面的表面粗糙度空间频率成分，图14(a)中表示具有更优选的散射特性的散射面的表面粗糙度空间频率成分。通常的散射面的表面粗糙度空间频率分布如图14所示，表示沿着空间频率的倒数(1/f)的分布。与此相反，对于更优选的表面粗糙度的空间频率分布，在空间频率10/mm以下的低频以及100/mm以上的高频区域中为较低的值。表面粗糙度空间频率的低频成分少，中频成分适度，所以，能够实现散射不均少的光源。另外，由于表面粗糙度空间频率的高频成分少，所以散射光的散射角不会变大，如图15(a)所示，能够将在该面上散射的光的方位限定在能够用作光源的方向，能够实现明亮且具有均匀的亮度分布的光源。与此相反，通常的散射面如图15(b)所示，光也在能够用作光源的方向以外散射，所以，无法实现明亮的光源。
图16是表示形成于导光体17的入射面或出射面上的上述纹理结构161的具体例子的局部放大图。在该模式图中，图16(a)中表示其反射面(或者出射面)与连接面的边界成直线状配置和形成的一个例子，图16(b)中表示例如作为光源的LED14a、14b彼此分开而分散地配置等根据其必要性成曲线状配置和形成的其他例子。
即，如果采用上述功能性散射面，则导光体17的入射面与出射面中的光入射、出射的控制自由度就会增加，能够减少来自光源装置的光的亮度不均，并且能够根据配置于其下游一侧的光学系统的装置(在本例中是液晶显示装置50)的特性进行细致的控制，另外也将有利于装置的低成本化。
＜合成扩散块的详细情况＞
接下来，参照图17以及图18对作为影像显示装置30的其他构成要素的合成扩散块16进行说明。其中，图17表示与上述LED准直仪15一体化的合成扩散块16，图18(a)以及图18(b)表示合成扩散块16的局部放大截面。
由图18(a)也可知，在采用丙烯等透光性的树脂形成为方柱状的合成扩散块16的出射面上，形成多个截面呈大致三角形的纹理结构161，根据该纹理结构161的作用，从LED准直仪15出射的光沿着上述导光体17的导光体光入射部(面)171的图中的垂直方向扩散。根据上述呈大致三角形状的纹理结构161与扩散板18a、18b的相互作用，即使将LED准直仪15分散地配置，也能使从导光体17的导光体光出射部(面)173出射的光的强度分布均匀。
特别是根据上述的纹理结构161，由于将扩散方向限定在导光体侧面方向，而且能够控制侧面方向的扩散性，因此，能够弱化上述第1以及第2扩散板18a、18b的等方扩散性，其结果是，光利用效率提高，能够实现特性良好的影像显示装置。此外，在本例中，作为呈大致三角形状的纹理结构161的一个例子，表示角度γ＝30度、其形成间距α＝0.5mm的例子。但是，该纹理结构161也可以利用在上述说明中图13～图16所示的功能性散射面，这一点对于本领域技术人员而言是显而易见的。此外，形成于扩散块上的纹理结构并非局限于呈大致三角形，例如，也可以根据所述LED准直仪15的分散配置，采用与各个LED准直仪的中心轴一致的同心圆状的形状。
另外，该合成扩散块16也可以取代上述方柱形状，如图19所示采用三角柱形状的所谓楔形的弯曲部件16’。这样，使来自包括作为光源的LED14a、14b的LED准直仪15的光向所需要的方向(图19的上方)折射，由此，面对导光体17的平坦的入射面，也能够倾斜所需的角度入射。这样，如上述图5～图7所示，导光体17的导光体光入射部(面171)并未形成向光源一侧倾斜的弯曲的凸形状，能够确保在该反射面172a中的完全反射，因此，是更容易制造的结构。
除此之外，也如图20所示，不设置上述合成扩散块16，而是将包括作为光源的LED14a、14b的LED准直仪15的配置角度倾斜，由此能够确保反射面172a中的完全反射，获得明亮的光源。此外，从LED出射的光线L30在导光体17的导光体光入射部(面)171中发生折射，所以，LED准直仪15的倾斜角度δ’未必与导光体17内部的光的倾斜角度δ一致(δ’≠δ)，因此，这一点要格外留意。
也如以上所详细说明的那样，根据本发明实施例1的影像显示装置30，能够进一步提高来自LED光源的光的利用效率以及其均匀的照明特性，同时，能够制造小型且低成本的模块化影像显示装置。
＜其他实施例＞
另外，图21以及图22表示本发明的其他实施例的影像显示装置300的整体外观立体图及其内部结构，在该其他实施例中，利用截面大致梯形的合成扩散块16b，由此将具有安装有LED的多个圆锥凸形状的LED准直仪15安装在装置下方的倾斜位置。其中，图21的附图标记13b是用来冷却在LED元件以及控制电路中所产生的热量的散热片。
另外，图23表示本发明的其他实施例的影像显示装置300的整体外观立体图，在该实施例中并未进行详细的描述，在LED电路板12中所产生的热量通过传热板13d在配置于装置下部的散热片13c中进行冷却。根据本结构，能够实现全长短的光源装置。
(实施例2)
＜具有偏振功能的光源装置＞
接下来，参照图24～图30对本发明的实施例2进行详细的说明。其中，在该实施例2中，与上述实施例1不同，它是将来自光源装置的光作为S偏振光或者P偏振光的偏振光而出射的影像显示装置，但是，实现能够用作模块化的小型高效的面状光源这一点与上述同样。
图24～图26表示实施例2的影像显示装置的尤其是作为其特征的光学系统的结构。即，在该实施例2中，在上述实施例1的结构中，作为一例，对于构成光源的LED14a、14b的数量，采用实施例1中的一半即两个来构成，同时，在各个LED准直仪15与合成扩散块16之间设置有偏振转换元件21。此外，对于图中的其他结构，与上述实施例1同样，标注相同的附图标记，此处，为了避免重复，省略其详细的说明。
另外，由这些附图中的尤其是图26(a)可知，将沿着垂直于附图纸面的方向延伸的截面为平行四边形的柱状(以下称作平行四边形柱)的透光性部件、以及截面为三角形的柱状(以下称作三角形柱)的透光性部件进行组合，使其按照与来自LED准直仪15的平行光的光轴正交的面平行(在本例中，附图纸面上的垂直方向)的方式成矩阵状排列多个而形成偏振转换元件21。另外，在这些成矩阵状排列的相邻的透光性部件之间的界面交互地设置有偏振分束镜(以下省略称作“PBS”)膜211与反射膜212。另外，在入射至偏振转换元件21并透过PBS膜211的光所出射的出射面上配备1/2λ相位片213。
像这样，上述偏振转换元件21相对于由来自LED准直仪15的平行光的光轴与平行四边形柱的透光性部件的延伸方向上所形成的面(在附图的纸面上，垂直延伸的垂直面)、所谓的平行光的光轴面对称地构成，另外，作为其构成要素的透光性部件的平行四边形柱和三角形柱与该光轴面的倾斜角度为45度。对于来自两个LED准直仪15的平行光，该偏振转转元件21构成在附图的垂直方向上被分成两组的各个偏振转换元件。
根据采用上述方式构成的偏振转换元件21，由图26(a)也可知，例如，从LED14a出射后在LED准直仪15中变成平行光的入射光中的S偏振波(参照图26的记号(×))被PBS膜211所反射，然后，进一步被反射膜212反射并到达合成扩散块16的入射面。另一方面，P偏振波(参照图26的上下的箭头)透过PBS膜211后，通过1/2λ相位片213变成S偏振波，到达合成扩散块16的入射面。
像这样，根据偏振转换元件21，从(多个)LED出射后被LED准直仪15变成平行光的光全部变成S偏振波，并入射至合成扩散块16的入射面。然后，从该合成扩散块16的出射面出射的光经由上述第1扩散板18a入射以上已经详细阐述的导光体17，并且由于该导光体17的作用而向图26(b)的上方反射，导入上述液晶显示元件50的入射面，这一点与上述实施例1中的情况相同。此外，对于该导光体17的作用，以上已经进行了详细的阐述，此处为了避免重复，省略其说明。
此外，图27是表示将上述两个LED准直仪15安装在上述偏振转换元件21上时的立体图。另外，图29是表示安装在偏振转换元件的出射面一侧的合成扩散块16的外观结构的图，图30是表示上述合成扩散块16的详细结构的侧面图及其局部放大截面图。由这些图可知，在该实施例2中也同样如此，在合成扩散块16的出射面上形成有多个截面呈大致三角形的纹理结构161。但是，其详细情况已经在前面进行了阐述，此处将其省略。除此之外，在该合成扩散块16中，利用上述图13～图16所示的功能性散射面作为形成于其表面的纹理结构161，也可以获得同样的效果，这一点对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
像这样，根据上述实施例2的影像显示装置，利用上述偏振转换元件21将入射至构成液晶显示元件50的液晶显示面板52的光转换成所期望的偏振波(在本例中是S偏振波)，由此，能够获得提高该光在液晶显示面板中的透射率等基于所出射的影像光的偏振特性的效果，因此，能够使用更少的发光源(LED)，以更低的成本实现更小型高效的模块化影像显示装置。此外，在上述说明中，对将偏振转换元件21安装在LED准直仪15后面的情况进行了说明，但是，本发明并非局限于此，通过将其设置于到达液晶显示元件的光路中，也能获得同样的作用和效果，这对于本领域技术人员而言是显而易见的。
图28表示在上述影像显示装置中，构成光源的LED14a、14b、14c的数量为3个，在各个LED准直仪15与合成扩散块16之间设置有偏振转换元件21，但取代构成取向控制板的上述合成扩散块16而配置取向控制板16c。另外，在本结构中，其特色在于，相对于LED准直仪15的形状，使用尺寸较大的LED14。据此，LED准直仪15的光入射部155的形状是与其他实施例相比较大的形状。使用图28(a)进行说明，从LED14a向斜方向出射的光L301与L302从LED准直仪的光入射部155入射并在其侧面156形成大致收敛光而被反射，到达LED准直仪的出射面157。特别是LED准直仪的出射面157的外周部形成凹面形状，所以在该部分，光L301、L302发生折射被转换成基本平行的光，入射至偏振转换元件的光入射部21w。通过采用该结构，即使在图28(a)所示的偏振转换元件的光入射部21w的宽度较窄的情况下，也能有效地使来自LED的光入射至偏振转换元件，并且能够实现高效的光源。
接下来，使用图28(b)对从LED14a出射并在LED准直仪的光入射部155中发生折射的光线进行说明。由于LED准直仪的光入射部155形成凸形状，所以从LED14a的中心部出射的光线L30在此处被转换成大致平行光，经过偏振转换元件21，并且经过扩散板18a、导光体17、扩散板18b后入射至液晶显示面板52。另一方面，如果考虑从LED14a的端部出射尤其是在中心轴交叉的光线L3001、光线L3002，则该光线按照与LED准直仪的光入射部155的面接近垂直的角度入射，所以，其折射角小，其结果如图28所示，从LED准直仪15向斜方向出射，结果也从偏振转换元件向斜方向出射，所以，如果在偏振转换元件21与导光体17之间没有控制光的方向的部件，则如虚线所示的光线L3001c、光线L3002c的那样，从导光体17的光入射部偏离，所以无法有效地利用该光线。与此相反，在本发明中，在偏振转换元件21与导光体17之间配置具有呈大致圆柱凸状的取向控制板16c，由此，各个光线L3001、L3002就会像光线L3001b、L3002b那样发生折射，然后，经过扩散板18a、导光体17、扩散板18b入射至液晶显示面板52，所以能够实现高效的光源。相对于偏振转换元件的光入射部的宽度，在使用较大尺寸的LED的情况下，本结构尤其适合。此外，本结构并非局限于具有偏振转换元件21的结构，也可以在LED准直仪15与导光体17之间配置取向控制板16c。另外，在该结构中，将省略设置于导光体17的入射面与出射面上的扩散板18a、18b，同时取而代之在该入射面与出射面上分别追加(形成)上述的功能性散射面(参照图13～图16)。
另外，虽然特别适合光源出射面较小的小型的影像显示装置，但也可以如图29所示，取代配置于合成扩散块16后方的导光体17，直接设置偏振转换元件21’。此外，在该结构中，由图29可知，组合三角形柱的透光性部件211’与平行四边形柱的透光性部件212’，在它们的边界处形成反射从LED14a出射并且在LED准直仪15中变成平行光的入射光的S偏振波(参照图29的记号(×))并透射P偏振波(参照图29上下的箭头)的PBS膜211，同时，在平行四边形柱的透光性部件212’的上表面形成1/2λ相位片213，在其侧面形成反射膜212。
根据上述结构，由图29也可知，从LED14a出射且在LED准直仪15中变成平行光的入射光的偏振成分被代替导光体17的偏振转换元件21’变成S偏振，从该元件的上表面朝着上方出射。即，在上述结构中，尤其是通过去掉导光体17，能够实现装置的大幅小型化并减低装置的制造成本。
另外，图30中表示将多组作为光源的LED14与LED准直仪15按照上述方式不仅沿着水平方向也在垂直方向配置的结构。即，在本例中，除了在横向上彼此分开地配置三组LED14与LED准直仪15(参照图30(a))之外，也在纵向上相邻地配置三组LED14与LED准直仪15(参照图30(b))。此外，对于图中的其他结构，与上述实施例2的结构相同，此处为了避免重复，省略其详细的说明。
此外，根据该结构，能够增加作为光源的LED14的个数，因此，能够实现更加明亮的影像显示装置，另外，也能进一步扩大光的出射面，另外，在作为配备显示区域大的光出射面的影像显示装置的情况下，或者在与显示区域大的液晶显示面板52组合使用的情况下非常适合。另外，根据该结构，将光的出射面分割成与多个LED14对应的多个显示区域，通过独立控制该LED14的发光输出(点亮)等，能够实现所谓的Local Dimming(区域调光)，另外，还能够实现显示图像的高对比度以及低耗电。另外，该光源的多层排列结构并非仅局限于实施例2的具有偏振功能的影像显示装置，也适用于上述实施例1的影像显示装置，当然也能获得同样的效果。
另外，除了上述的通过单独控制LED来进行区域调光之外，根据上述控制电路(例如搭载在图3的柔性配线电路板53上)，在单独控制LED的同时，与液晶显示面板52组合进行控制，由此，能够实现更适合且耗电低的影像显示装置，而且也能实现使用该影像显示装置的HUD装置。
此外，在区域调光中，对于LED的纵向配置，与交错配置相比优选整齐配置。整齐配置容易控制每个场所的照明亮度。另外，即使在使用偏振转换元件的情况下，LED的纵向配置也优选整齐配置。在纵向配置采用交错配置的情况下，偏振转转棱镜必须根据各个纵向的位置配置单独的元件，但是在整齐配置中，根据LED的配置调节在单一的元件中纵向上的厚度即可。
另外，在上述说明中，对液晶显示面板对于S偏振波的透射率好这一点进行了说明，但是，在对于P偏振波的透射率好的情况下，根据具有与上述同样结构的偏振转换元件，仍然能够获得同样的作用和效果，这一点对于本领域技术人员而言是显而易见的。
此外，通过以上详细的说明可知，如上所述，模块化的小型高效的影像显示装置采用特别是在反射影像光后投射在挡风玻璃或者组合器上的凹面反射镜的光轴上相对配置(但是，构成修正光学系统的修正透镜介于其之间)的结构，能够进一步缩小整个HUD装置的体积。因此，发挥以下的效果：即使在仪表盘这样狭窄的空间内，也能很容易地组装HUD装置，而且，安装和维护操作也很容易进行。
以上，对适用于本发明的各种实施例中的HUD装置的影像显示装置进行了说有。但是，本发明并非仅局限于上述实施例，也包含各种各样的变形例。例如，上述实施例是为了便于说明本发明而详细说明整个系统的例子，并非局限于包括所说明的全部结构。另外，能够将某个实施例的一部分结构置换成其他实施例的结构，也能在某个实施例的结构中添加其他实施例子的结构。另外，对于各个实施例的一部分结构，还能够追加、删除以及置换其他的结构。
附图标记说明
1…HUD装置、2…车辆、3…挡风玻璃、5…驾驶员、30…影像显示装置、41…凹面反射镜、43…畸变修正透镜、55…外装壳、54…防眩板、11…光源装置外壳、12…LED电路板、13…散热片、50…液晶显示装置、51…液晶显示面板框架、52…液晶显示面板、53…FPC(柔性配线电路板)、14a、14b…LED、15…LED准直仪、17…导光体、18a、18b…扩散板、172a…反射面、172b…连接面、16…合成扩散块、161…纹理结构、21…偏振转换元件、211…PBS膜、212…反射膜。

Claims (25)

1.一种平视显示装置，将影像光投射于车辆的挡风玻璃或设置在其前方的组合器，利用由其反射光形成的虚像向驾驶员提供图像，所述平视显示装置的特征在于，包括：
用于生成要投射的影像光的影像显示装置；
对来自所述影像显示装置的影像光进行规定的修正的光学系统；和
反射被所述光学系统修正后的影像光并将其投射在所述挡风玻璃或者所述组合器上的凹面反射镜，
所述影像显示装置包括照明光学系统和显示装置，其中所述照明光学系统包括固体光源、将来自所述固体光源的光转换成大致平行光的准直光学系统、以及使已被所述准直光学系统转换的光束的方向偏转并同时进行扩束的光学部件，
所述影像显示装置在所述凹面反射镜的光轴上以隔着所述光学系统的方式与所述凹面反射镜相对地配置。
2.如权利要求1所述的平视显示装置，其特征在于：
所述显示装置是使用液晶的显示装置，并且所述照明光学系统进行所述显示装置的透射率增大的方向的偏振照明。
3.一种用于平视显示装置的影像显示装置，其中所述平视显示装置将影像光投射于车辆的挡风玻璃或设置在其前方的组合器，利用由其反射光形成的虚像向驾驶员提供图像，所述影像显示装置的特征在于，至少包括：
固体光源；
将从所述固体光源出射的光转换成大致平行光的准直光学系统；
入射从所述准直光学系统出射的光并使其向规定的方向出射的导光体；和
设置于所述导光体的出射面的液晶显示元件，
所述导光体使入射光向不同于其光轴的要求的光轴方向出射，并使得将在所述导光体的内部传播的光的强度成为所要求的分布。
4.如权利要求3所述的影像显示装置，其特征在于：
所述导光体具有供光入射的入射部、对入射了的光进行反射的反射部和供被所述反射部反射的光出射的出射部，所述反射部由对入射了的光进行反射的多个反射面和连接在所述多个反射面之间的多个连接面构成，并且所述入射部具有使光偏转至使入射至所述反射部的反射面的光的入射角变大的方向的结构。
5.如权利要求4所述的影像显示装置，其特征在于：
在所述准直光学系统与所述导光体之间具有散射体，
所述反射部的所述连接面相对于入射光倾斜成在所述散射体的半值角的范围内成为阴影的角度。
6.如权利要求4所述的影像显示装置，其特征在于：
所述导光体的入射面的偏转结构为相对于入射光倾斜地配置的斜面。
7.如权利要求6所述的影像显示装置，其特征在于：
所述倾斜地配置的斜面的至少一部分为曲面。
8.如权利要求5所述的影像显示装置，其特征在于：
形成在所述导光体的反射部上的反射面的仰角根据位置而不同，且相邻的所述反射面与所述连接面的相对角度为90度以上。
9.如权利要求8所述的影像显示装置，其特征在于：
相邻的所述反射面与所述连接面的相对角度不随位置而变化，为定值。
10.如权利要求8所述的影像显示装置，其特征在于：
所述连接面的仰角的绝对值不随位置而变化，为定值。
11.如权利要求8所述的影像显示装置，其特征在于：
所述反射部的多个反射面的斜面相对于出射方向在法线方向上投影的长度Lr与连接所述反射面的连接面的斜面相对于出射方向在法线方向上投影的长度Lc的比例Lr/Lc根据位置而不同。
12.如权利要求11所述的影像显示装置，其特征在于：
所述比例Lr/Lc在反射部中央附近最小。
13.如权利要求11所述的影像显示装置，其特征在于：
通过部分地降低所述比例Lr/Lc能够部分地减少或者遮断来自导光体的出射光。
14.如权利要求11所述的影像显示装置，其特征在于：
所述长度之和Lr+Lc大致一定。
15.如权利要求11所述的影像显示装置，其特征在于：
所述长度之和Lr+Lc为0.6mm以下且为0.2mm以上。
16.如权利要求3所述的影像显示装置，其特征在于：
所述导光体由偏振转换元件构成。
17.如权利要求3所述的影像显示装置，其特征在于：
所述准直光学系统具有配置在所述固体光源的光的出射面一侧的准直仪，该准直仪由外周由抛物面形成且在其中心部形成有透镜面的透光性部件构成。
18.如权利要求17所述的影像显示装置，其特征在于：
所述准直光学系统还包括设置在所述准直仪的出射面一侧的矩形的合成扩散块。
19.如权利要求18所述的影像显示装置，其特征在于：
在所述准直光学系统的所述合成扩散块的出射面上形成有使光扩散的纹理结构。
20.如权利要求18所述的影像显示装置，其特征在于：
在所述准直光学系统的所述合成扩散块的出射面上形成有与所述准直仪的中心轴一致的同心圆状的纹理结构。
21.如权利要求17所述的影像显示装置，其特征在于：
在所述准直仪与导光体之间配置有圆柱凸状的取向控制板。
22.如权利要求17所述的影像显示装置，其特征在于：
在横向和纵向上均配置有多个所述固体光源和所述准直仪，其配置方法为整齐配置，根据要显示的影像进行控制各固体光源的输出的区域调光。
23.如权利要求17所述的影像显示装置，其特征在于：
在所述准直光学系统与所述导光体之间配置有偏振转换元件。
24.如权利要求22所述的影像显示装置，其特征在于：
所述准直仪的出射面的至少一部分是凹面。
25.如权利要求23所述的影像显示装置，其特征在于：
在横向和纵向上均配置有多个所述固体光源和所述准直仪，其配置方法为整齐配置。
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