CN109946838B - 平视显示器装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种平视显示器装置，其能够抑制由于驾驶员的视点移动而导致的显示图像的亮度的变化。平视显示器装置(1)具备从背面侧对液晶面板(10)进行照明的背光单元(20)。背光单元(20)包括：聚光部件(23)，其将从光源(21)出射的光向着液晶面板(10)进行汇聚；以及微透镜阵列(25)，其被设置在聚光部件(23)和液晶面板(10)之间的光路上，且将由聚光部件(23)汇聚的光进行漫射。微透镜阵列(25)被设置在与眼盒(202)成光学共轭关系的位置，且具有将从聚光部件(23)入射的光出射的出射面(25b)。聚光部件(23)被形成为在出射面(25b)的上下方向上能够调整从出射面(25b)出射的光的发光强度，以使眼盒(202)的上下方向的亮度分布成为恒定。

Description

平视显示器装置
技术领域
本发明涉及一种平视显示器装置。
背景技术
已知一种平视显示器装置，其被搭载在车辆，且通过将显示图像向挡风玻璃投影，从而在该挡风玻璃的前方显示虚像。在这样的平视显示器装置中，通过使用在相当于光学系统的入射光瞳的位置处设置有漫射片等的背光单元，从而抑制亮度不均匀。例如，在专利文献1中公开了一种平视显示器装置，其将漫射片的出射面设置在与眼盒的表面共轭的位置，以使从眼盒进行观察时的液晶面板的面内的亮度分布均匀。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-180922号公报
发明内容
发明欲解决的技术问题
在以往的平视显示器装置中，由于由挡风玻璃上的具有不同反射率的面进行了反射的光入射到眼盒，所以因驾驶员的视点的上下移动而会识别到投影到挡风玻璃的显示图像的亮度发生变化，因此存在改善的余地。
本发明的目的在于提供一种平视显示器装置，其能够抑制由于驾驶员的视点移动而导致的显示图像的亮度的变化。
用于解决问题的技术手段
为了达成上述目的，本发明所涉及的平视显示器装置，利用车辆的光学系统而将显示器所显示的显示图像向显示部件投影，使根据所述显示图像而向所述显示部件的前方显示的虚像在所述车辆内的驾驶员的能够视觉识别区域内能够被所述驾驶员视觉识别，所述平视显示器装置的特征在于，所述显示器具备：透光型的液晶显示元件；和背光单元，其从背面侧对所述液晶显示元件进行照明，所述背光单元至少具备：一个光源；聚光部件，其将从所述光源出射的光向着所述液晶显示元件进行汇聚；以及光学部件，其被设置于所述聚光部件和所述液晶显示元件之间的光路上，并将由所述聚光部件汇聚的光进行漫射，所述光学部件被设置于与所述能够视觉识别区域成光学共轭关系的位置，且具有使从所述聚光部件入射的光出射的出射面，所述聚光部件被形成为在所述出射面的上下方向上能够调整从所述出射面出射的光的发光强度，以使所述能够视觉识别区域的上下方向的亮度分布成为恒定。
优选为，在上述的平视显示器装置中，所述聚光部件具有透镜面，所述透镜面是凸状的自由曲面，且在上下方向上被非对称地形成，所述聚光部件被形成为：将与使所述出射面的发光强度变低的位置对应的所述透镜面的曲率变小，且将从所述光源到所述曲面的光学距离变短，以使与所述能够视觉识别区域的上下方向的上侧为共轭关系的一侧的所述出射面的发光强度变低。
优选为，在上述平视显示器装置中，所述聚光部件具有透镜面，该所述透镜面是凸状的自由曲面，且在上下方向上被非对称地形成，所述聚光部件被形成为：将与使所述出射面的发光强度变高的位置对应的所述透镜面的曲率变大，且将从所述光源到所述曲面的光学距离变长，以使与所述能够视觉识别区域的上下方向的下侧为共轭关系的一侧的所述出射面的发光强度变高。
优选为，在上述的平视显示器装置中，所述聚光部件是聚光透镜，所述聚光透镜具有：凹状的入射面，其形成在所述光源侧；以及出射面，其形成在所述光学部件侧，且使从所述入射面入射的光向从光轴方向离开的方向漫射以进行出射，所述入射面被形成为中心轴位于所述出射面的上下方向的下侧。
优选为，在上述的平视显示器装置中，所述光学部件的多个微小透镜被格子状地排列，各微小透镜具有凸状或凹状的曲面即透镜面。
为了达成上述目的，本发明所涉及的平视显示器装置，利用车辆的光学系统而将显示器所显示的显示图像向显示部件投影，使根据所述显示图像而向所述显示部件的前方显示的虚像在所述车辆内的驾驶员的能够视觉识别区域内能够被所述驾驶员视觉识别，所述平视显示器装置的特征在于，所述显示器具备：透光型的液晶显示元件；和背光单元，其从背面侧对所述液晶显示元件进行照明，所述背光单元至少具备：一个光源；聚光部件，其将从所述光源出射的光向着所述液晶显示元件进行汇聚；以及漫射板，其被设置于所述聚光部件和所述液晶显示元件之间的光路上，并将由所述聚光部件汇聚的光进行漫射，所述漫射板被设置于与所述能够视觉识别区域成光学共轭关系的位置，且具有使从所述聚光部件入射的光出射的出射面，所述漫射板相对于所述出射面的光轴方向倾斜地设置，以使所述能够视觉识别区域的上下方向的亮度分布成为恒定。
发明效果
根据本发明所涉及的平视显示器装置，起到能够抑制由于驾驶员的视点移动而导致的显示图像的亮度的变化的效果。
附图说明
图1是实施方式所涉及的平视显示器装置的概要构成图。
图2实施方式所涉及的背光单元的概要构成图。
图3是实施方式所涉及的聚光部件的概要构成图。
图4是示出实施方式所涉及的微透镜阵列的出射面与眼盒的共轭关系的示意图。
图5是用于说明实施方式所涉及的二次光源面发光强度分布的图。
图6是用于说明实施方式所涉及的眼盒的亮度分布的图。
图7是实施方式的变形例1所涉及的聚光部件的概要构成图。
图8是实施方式的变形例2所涉及的漫射板的概要构成图。
符号说明
1 平视显示器装置
2 放大反射镜
3 显示单元
10 液晶面板
11 光
20 背光单元
21 光源
23，24，28， 聚光部件
23a，28a 透镜面
24a，25a 入射面
24b，25b，31a 出射面
24c 全反射面
24d，30a 透镜面
25 微透镜阵列
27 微小透镜
30 聚光透镜
31 漫射板
101 挡风玻璃
110 虚像
200 司机
201 眼点
202 眼盒
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的平视显示器装置的实施方式进行详细说明。此外，本实施方式并不限定本发明。另外，下述的实施方式的构成要素中，包含本领域技术人员容易想到的或实质上相同的要素。另外，下述的实施方式的构成要素在不超出发明的要旨的范围内，能够进行种种省略、置换、变更。进一步，可以将以下所述的结构进行适当组合。
[实施方式]
图1是实施方式所涉及的平视显示器装置的概要构成图。图2是实施方式所涉及的背光单元的概要构成图。图3是实施方式所涉及的聚光部件的概要构成图。图4是示出实施方式所涉及的微透镜阵列的出射面与眼盒的共轭关系的示意图。图5是用于说明实施方式所涉及的二次光源面发光强度分布的图。图6是用于说明实施方式所涉及的眼盒的亮度分布的图。此外，图2示出从侧方观察背光单元的情况下的各要素的位置关系。此处，图1～图4(图7、图8也同样)所示的上下方向是本实施方式的平视显示器装置以及背光单元的上下方向，以上方向为上侧，下方向为下侧。
本实施方式所涉及的平视显示器装置1例如被设置在汽车等车辆(未图示)的仪表盘(未图示)的内侧。如图1所示，平视显示器装置1利用放大反射镜2将显示图像向挡风玻璃101投影，从而使根据显示图像而在挡风玻璃101的前方显示的虚像110能够在司机200的眼盒202处被司机200视觉识别。眼盒202是能够视觉识别区域，且是车辆内的司机200能够视觉识别虚像110的区域。眼盒202包含眼点201。眼点201是坐在驾驶座(未图示)的司机200的视点位置。司机200将被作为显示部件的挡风玻璃101所反射的图像识别为虚像110。虚像110根据显示图像而在挡风玻璃101的前方被显示。平视显示器装置1被构成为包含放大反射镜2和显示单元3。放大反射镜2是车辆的光学系统，其将显示单元3所显示的显示图像向着挡风玻璃101反射。挡风玻璃2例如用非球面镜构成。显示单元3是显示器，其出射与显示图像对应的显示光。显示单元3被构成为包含液晶面板10和背光单元20。
液晶面板10是液晶显示元件。液晶面板10例如由透光型或半透光型的TFT液晶(Thin Film Transistor Liquid Crystal display(薄膜晶体管液晶显示器))等构成。液晶面板10通过被从背面侧照明，从而使表面侧的显示面发光。液晶面板10根据来自车辆所搭载的控制部(未图示)的控制指示来显示包含数字、文字、图形等在内的显示图像。液晶面板10利用从车辆侧得到的交流电来驱动。
背光面板20从背面侧对液晶面板10进行照明。背光面板20利用从车辆内的电源(未图示)得到的直流电来驱动。如图2所示，背光面板20被构成为包含：光源21、聚光部件23、微透镜阵列25和两个聚光透镜30。光源21、聚光部件23、微透镜阵列25以及聚光透镜30沿着从光源21出射的光的光轴方向而被设置。
光源21由一个发光二极管(LED：Light Emitting Diode)构成。光源21利用从车辆内的电源(未图示)得到的直流电驱动。光源21根据来自控制部的ON/OFF信号来点亮/熄灭。光源21例如被固定于未图示的基板等。也可以在基板背面侧固定散热片(未图示)。散热片将积蓄在基板的热量释放到背光单元20的外部。
聚光部件23例如是将从光源21出射的光向着液晶面板10进行汇聚的聚光透镜。聚光部件23用玻璃、透明树脂等构成。如图3所示，聚光部件23具有透镜面23a，该透镜面23a是凸状的自由曲面，且上下方向被非对称地形成。聚光部件23仅将从光源21侧入射的光中的、到达透镜面23a的出射范围的光从透镜面23a出射。
微透镜阵列25是光学部件。微透镜阵列25例如用玻璃、透明树脂等构成。如图2所示，微透镜阵列25被设置在聚光部件23和液晶面板10之间的光路上，将由聚光部件23汇聚的光进行漫射。如图3所示，微透镜阵列25具有利用聚光部件23进行汇聚的光11入射的入射面25a和从入射面25a入射的光11出射的出射面25b。微透镜阵列25由多个微小透镜27构成。微透镜阵列25具有所谓复眼状的透镜面。多个微小透镜27被格子状地排列多个。各微小透镜27具有凸状的曲面。本实施方式的微小透镜27具有凸状的部分球面。
在微透镜阵列25和液晶面板10之间的光路上设置有2个聚光透镜30。聚光透镜30用玻璃或透明树脂等高折射率材料形成，且具有一对透镜面30a。透镜面30a是半球面构成的曲面，在与光轴方向垂直的方向形成。光11的入射面和出射面分别设置一个透镜面30a。聚光透镜30发挥功能以使眼盒202和微透镜阵列25的出射面25b成光学的共轭关系，并且发挥功能以将比液晶面板10更趋向外侧的光11向内侧折射，从而向液晶面板10汇聚。
接着，参照图2对本实施方式所涉及的背光单元20的作用进行说明。首先，如图2所示，从光源21出射的光11入射到聚光部件23。入射到聚光部件23的光11经内部透射而从透镜面23a出射。从透镜面23a出射的光11汇聚到微透镜阵列25上。由聚光部件23汇聚且入射到微透镜阵列25的光11可以是平行光，也可以是发散光、会聚光。入射到微透镜阵列25的入射面25a的光11经内部透射而从出射面25b向着前段的聚光透镜30出射。优选为确定微小透镜27的凸状的曲面的形状以使入射的光照射聚光透镜30。经前段的聚光透镜30透射了的光经后段的聚光透镜30透射从而照射液晶面板10的背面侧的整个表面。
接着，参照图4～图6来对本实施方式所涉及的平视显示器装置1的作用进行说明。在图4中，从微透镜阵列25的出射面25b出射的光利用背光单元20内的光学系统而汇聚到液晶面板10。汇聚到液晶面板10的光经内部透射从而射向放大反射镜2。入射到放大反射镜2的光向着挡风玻璃101反射。在挡风玻璃101反射了的光入射到眼盒202。由于本实施方式的微透镜阵列25由多个微小透镜27构成，所以由入射到各微小透镜27的光形成光源像。形成了多个光源像的出射面25b成为背光单元20的二次光源。由于该出射面25b被设置在与眼盒202具有光学的共轭关系的位置，所以眼盒202的亮度分布根据出射面25b的发光强度分布(此处也称为“二次光源面发光强度分布”)的变化而发生变化。例如，如图5所示的图表的虚线那样，由于即使二次光源面发光强度分布在Y坐标上是恒定的，眼盒202的亮度分布也如图6所示的图表的虚线那样在Y坐标上并不恒定，因此，被视觉识别为由于眼点201的上下移动而使显示图像的亮度在上下方向上发生变化。在本实施方式中，更改二次光源面发光强度分布，以使眼盒202的亮度分布如图6的图表的实线所示那样在Y坐标上是恒定的。在本实施方式中，通过将聚光部件23的透镜面23a在上下方向非对称地形成，从而如图5的图表的实线所示那样，二次光源面的发光强度分布的斜率与眼盒202的亮度分布的斜率相反。例如，将与使出射面的25b的发光强度变低的位置对应的透镜面23a的曲率变小，且将从光源21到曲面的光学距离变短，以使与眼盒202的上下方向的上侧为共轭关系的一侧的出射面25b的发光强度变低。由此，二次光源面发光强度分布成为如图5所示的实线的斜率，眼盒202的亮度分布成为如图6所示的实线的斜率。此外，也可以是，将与使出射面的25b的发光强度变高的位置对应的透镜面23a的曲率变大，且将从光源21到曲面的光学距离变长，以使与眼盒202的上下方向的下侧为共轭关系的一侧的出射面25b的发光强度变高。
如以上说明，本实施方式所涉及的平视显示器装置1利用放大反射镜2将显示单元3所显示的显示图像向挡风玻璃101投影，并能够使根据显示图像而在挡风玻璃101的前方被显示的虚像110在司机200的眼盒202处被司机200视觉识别。显示单元3具备液晶面板10和背光单元20。背光单元20具备：聚光部件23，其将从光源21出射的光向着液晶面板10进行汇聚；以及微透镜阵列25，其被设置在聚光部件23和液晶面板10之间的光路上，且使利用聚光部件23而被汇聚的光进行漫射。微透镜阵列25被设置在与眼盒202成光学共轭关系的位置，且具有使从聚光部件23入射的光出射的出射面25b。聚光部件23被形成为在出射面25b的上下方向上能够调整从出射面25b出射的光的发光强度，以使眼盒202的上下方向的亮度分布成为恒定。
具有上述结构的平视显示器装置1通过使微透镜阵列25的出射面25b(二次光源面)的发光强度分布具有与眼盒202的亮度分布相反的斜率，从而能够使眼盒202的亮度分布恒定，且能够抑制由于驾驶员的视点移动而导致的显示图像的亮度的变化。另外，由于通过聚光部件23的透镜面23a的形状变化来进行微透镜阵列25的出射面25b的发光强度分布的变更，因此能够实现等成本化。
另外，本实施方式所涉及的平视显示器装置1的聚光部件23具有透镜面23a，该透镜面23a为凸状的自由曲面且上下方向被非对称地形成。聚光部件23被形成为：将与使出射面25b的发光强度变低的位置对应的透镜面23a的曲率变小，且将从光源21到曲面的光学距离变短，以使与眼盒202的上下方向的上侧为共轭关系的一侧的出射面25b的发光强度变低。另外，聚光部件23被形成为：将与使出射面的25b的发光强度变高的位置对应的透镜面23a的曲率变大，且将从光源21到曲面的光学距离变长，以使与眼盒202的上下方向的下侧为共轭关系的一侧的出射面25b的发光强度变高。根据上述结构，能够容易地变更眼盒202的上下方向的亮度分布。
另外，本实施方式所涉及的平视显示器装置1的微透镜阵列25的多个微小透镜27被格子状地排列。各微小透镜27具有凸状的曲面即透镜面。如此，能够利用微透镜阵列25来形成多个光源像以作为二次光源，且能够利用各光源像来对液晶面板10的整个面进行照明。其结果，能够抑制液晶面板10的亮度不均匀。另外，由于形成多个光源像，所以不需要多个光源21，能够实现由于部件个数的减少而形成的低成本化以及消耗电力的减少。
[变形例1]
此外，虽然在上述实施方式中，聚光部件23为具有透镜面23a的聚光透镜，并且该透镜面23a是凸状的自由曲面且在上下方向上被非对称地形成，但是并不限定于此。图7是实施方式的变形例1所涉及的聚光部件的概要构成图。聚光部件24例如是LED用聚光透镜。聚光部件24包括：入射面24a；出射面24b；一对全反射面24c；以及透镜面24d。入射面24a被向着光源21侧形成为凹状，且是来自光源21的光入射的部分。入射面24a具有凸状曲面的透镜面24d。出射面24b被形成在微透镜阵列25侧，且是将从入射面24a入射的光向从光轴方向离开的方向漫射以进行出射的部分。全反射面24c被形成为从光源21向微透镜阵列25而在从光轴方向离开的方向上扩大，且是将经聚光部件24的内部透射而入射的光全反射的部分。聚光部件24的入射面24a被形成为中心轴位于出射面25b的上下方向的下侧。此外，图示的虚线所示的聚光部件24被形成为入射面24a的上下方向的中心轴与出射面25b的上下方向的中心轴一致。
当入射到聚光部件24的光11从入射面24a入射到内部时，一部分被全反射面24c反射，从而从出射面24b出射。本实施方式的聚光部件24的入射面24a被形成为中心轴位于出射面24b的上下方向的下侧。因此，在上下方向的上侧的全反射面24c反射从而从出射面24b出射的光的发光强度与在下侧的全反射面24c反射从而从出射面24b出射的光的发光强度不同。由此，在本实施方式的变形例1中，由于将聚光部件24的入射面24a形成为中心轴位于出射面25b的上下方向的下侧，所以能够得到与上述实施方式同样的效果，并且能够用低成本制造。
[变形例2]
另外，虽然在上述实施方式中，聚光部件23具有在上下方向上被非对称地形成的透镜面，且是将聚光部件23和微透镜阵列25组合的结构，但是并不限定于此。图8是实施方式的变形例2所涉及的漫射板的概要构成图。聚光部件28具有透镜面28a，该透镜面28a是凸状的自由曲面，且在上下方向上被对称地形成。聚光部件28将从光源21出射的光向着液晶面板10进行汇聚。漫射板31被设置在聚光部件28和液晶面板10之间的光路上，且将被聚光部件28汇聚的光进行漫射。漫射板31是将从聚光部件28入射的光11向着液晶面板10侧漫射的元件。漫射板31例如被形成为薄片状或薄板状。本实施方式的漫射板31被设置于与眼盒202成光学共轭关系的位置，且具有出射从聚光部件28入射的光的出射面31a。漫射板31被相对于出射面31a的光轴方向倾斜地设置，以使眼盒202的上下方向的亮度分布恒定。
从聚光部件28出射的光被向漫射板31照射。由于漫射板31的出射面31a被相对于光轴方向倾斜地设置，所以从光源21到漫射板31的光学距离在上下方向上为非对称，出射面31a的发光强度分布成为图5所示的实线的斜率。其结果，与出射面31a为光学共轭关系的眼盒202的亮度分布成为图6所示的实线的斜率，因此能够得到与上述实施方式同样的效果。进一步，由于通过将漫射板31倾斜，而能够改变出射面31a的发光强度分布的斜率，所以不仅部件加工费、模具费等，连制造成本，部件成本也能够压低。
此外，虽然在上述实施方式中，微透镜阵列25是用玻璃、透明树脂构成，但是并不限定于此，也可以用如液晶透镜方式、液体透镜方式、膜透镜方式、电润湿透镜方式之类的各种可变透镜方式构成。
在上述实施方式以及变形例中，光源21由一个发光二极管构成，但是并不限定于此。例如，光源21也可以是将多个发光二极管汇集构成一个光源。
另外，虽然在上述实施方式以及变形例中，微小透镜27是长方形，但是并不限定于此，也可以是正方形、圆形、六角形。另外，虽然微小透镜27是凸状的曲面，但是并不限定于此，微小透镜27也可以是凹状的曲面。
另外，虽然在上述实施方式以及变形例中，在液晶面板10的入射侧的跟前不设置漫射板，但是也可以将漫射板与液晶面板10的平面平行地设置。
另外，虽然在上述实施方式以及变形例中，放大反射镜2将显示单元3显示的显示图像向挡风玻璃101投影，但是并不限定于此，也可以利用将多个放大反射镜、平面镜组合的光学系统来投影显示图像。
另外，在上述实施方式以及变形例中，漫射板31作为将光进行漫射的结构，例如可以通过将出射面31a变成粗糙的表面来将光进行漫射，也可以在漫射板31的内部混合光漫射颗粒。
另外，虽然在上述实施方式以及变形例中，显示图像的投影对象是挡风玻璃101，但是并不限定于此，例如也可以是组合器等。
另外，虽然在上述实施方式以及变形例中，是对将平视显示器装置1运用在车辆的情况进行说明，但是并不限定于此，也可以运用于车辆以外的交通工具，例如船舶、飞机等。

Claims (3)

1.一种平视显示器装置，利用车辆的光学系统而将显示器所显示的显示图像向显示部件投影，使得根据所述显示图像而向所述显示部件的前方显示的虚像在所述车辆内的驾驶员的能够视觉识别区域内能够被所述驾驶员视觉识别，所述平视显示器装置的特征在于，
所述显示器具备：
透光型的液晶显示元件；和
背光单元，其从背面侧对所述液晶显示元件进行照明，
所述背光单元至少具备：
一个光源；
聚光部件，其将从所述光源出射的光向着所述液晶显示元件进行汇聚；以及
光学部件，其被设置在所述聚光部件和所述液晶显示元件之间的光路上，并将由所述聚光部件汇聚的光漫射，
所述光学部件被设置在与所述能够视觉识别区域成光学共轭关系的位置，且具有使从所述聚光部件入射的光出射的出射面，
所述聚光部件被形成为在所述出射面的上下方向上能够调整从所述出射面出射的光的发光强度，以使所述能够视觉识别区域的上下方向的亮度分布成为恒定，
其中，所述聚光部件具有透镜面，所述透镜面是凸状的自由曲面，且被形成为在上下方向上非对称，
所述聚光部件被形成为：将与使所述出射面的发光强度变低的位置对应的所述透镜面的曲率变小，且将从所述光源到所述曲面的光学距离变短，以使与所述能够视觉识别区域的上下方向的上侧为共轭关系的一侧的所述出射面的发光强度变低；或者
所述聚光部件被形成为：将与使所述出射面的发光强度变高的位置对应的所述透镜面的曲率变大，且将从所述光源到所述曲面的光学距离变长，以使与所述能够视觉识别区域的上下方向的下侧为共轭关系的一侧的所述出射面的发光强度变高。
2.如权利要求1所述的平视显示器装置，其中，
所述聚光部件是聚光透镜，所述聚光透镜具有：凹状的入射面，其形成在所述光源侧；以及出射面，其形成在所述光学部件侧，且使从所述入射面入射的光向从光轴方向离开的方向漫射以进行出射，
所述入射面被形成为中心轴位于所述出射面的上下方向的下侧。
3.如权利要求1或2所述的平视显示器装置，其中，
所述光学部件的多个微小透镜被格子状地排列，
各所述微小透镜具有凸状或凹状的曲面即透镜面。
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