JP5126051B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、透過型の表示素子を照明する照明装置に関する。

特許文献１には、従来のヘッドアップディスプレイが開示されている。このヘッドアップディスプレイでは、リフレクタを背後に備えたハロゲンランプが光源として用いられている。光源と透過型表示素子との間には、インテグレータレンズが配置されている。ハロゲンランプから射出した発散光は、リフレクタにより集光されてインテグレータレンズに入射し、強度むらのない光束として透過型表示素子を照明するようになっている。
特開平５−１０４９７９号公報

ところが、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる場合、ＬＥＤの配光特性がハロゲンランプとは異なることから、上記のようなリフレクタによる集光は困難である。また、ＬＥＤは点状光源であるため、複数のＬＥＤを用いると多点光源となる。したがって、上記のような構成で光源としてＬＥＤを用いると、表示の明るさのむらが大きくなってしまうという問題がある。

本発明の目的は、表示の明るさのむらを低減できる照明装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明は、透過型の表示素子を照明する照明装置であって、表示素子に向かって発光する発光体と、表示素子と発光体との間に配置された第１凸レンズ部とを有し、発光体は、該発光体の虚像が第１凸レンズ部によって拡大されるように、第１凸レンズ部の焦点よりも所定距離離れて第１凸レンズ部に近い側に位置していることを特徴とする照明装置である。

これにより、発光体の虚像が第１凸レンズ部によって拡大して形成されるため、表示素子による表示を見る使用者にとっては、表示素子の背後の発光体が見かけ上拡大されることになる。したがって、表示の明るさのむらを低減できる照明装置が得られる。

請求項２に記載の発明は、第１凸レンズ部は、アレイ状に配列する複数の第１単レンズを有していることを特徴としている。

これにより、発光体の虚像は、複数の第１単レンズ毎に形成されて互いに重なり合うため、全体としてむらなく発光する虚像として視認される。したがって、表示の明るさのむらをさらに低減できる。

請求項３に記載の発明は、複数の第１単レンズの焦点距離は互いに異なることを特徴としている。

第１単レンズの焦点距離を互いに異ならせることにより、第１単レンズ毎に形成される発光体の虚像の位置を互いに異ならせることができる。したがって、表示の明るさについて所望の分布を意図的に形成することができる。

請求項４に記載の発明は、発光体が発光ダイオードの発光面であることを特徴としている。

発光ダイオードの発光面そのものを発光体として用いることにより、照明装置の部品点数を抑制でき、構成を簡素化できる。したがって、照明装置の製造コストを削減できる。

請求項５に記載の発明は、第１凸レンズ部よりも反表示素子側に配置された第２凸レンズ部と、第２凸レンズ部よりも反表示素子側であって第２凸レンズ部の焦点よりもさらに反表示素子側に発光面が配置された発光ダイオードとをさらに有し、発光体は、第２凸レンズ部により形成される発光面の実像であることを特徴としている。

発光面の実像は、第２凸レンズ部と発光面との位置関係や第２凸レンズ部の焦点距離等を変えることにより比較的高い自由度で位置を調節できる。したがって、照明装置における各光学部品のレイアウトの自由度を向上できる。

請求項６に記載の発明は、第１凸レンズ部よりも反表示素子側に配置された第２凸レンズ部と、第２凸レンズ部よりも反表示素子側であって第２凸レンズ部の焦点よりもさらに反表示素子側に発光面が配置された発光ダイオードと、第２凸レンズ部により発光面の実像が形成される位置に配置され、光を拡散透過させる拡散透過部材とをさらに有し、発光体は、拡散透過部材であることを特徴としている。

これにより、発光面の実像を形成する光が拡散透過部材によって拡散透過するため、明るさのむらの少ない発光体が得られる。

請求項７に記載の発明は、第２凸レンズ部は、アレイ状に配列する複数の第２単レンズを有していることを特徴としている。

これにより、発光体の実像は、複数の第２単レンズ毎に形成されて互いに重なり合うため、全体としてむらなく発光する。したがって、表示の明るさのむらをさらに低減できる。

請求項８に記載の発明のように、上記の照明装置は、表示素子を透過した光が車両のフロントウインドシールドに投影される車両用ヘッドアップディスプレイ装置に用いることができる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１及び図２を用いて説明する。本実施形態の照明装置は、車両に搭載される車両用ヘッドアップディスプレイ装置に適用されている。図１は、本実施形態の照明装置を含むヘッドアップディスプレイ装置の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１００は、透過型の液晶表示パネル（表示素子）１０と、液晶表示パネル１０に向かって発光し、当該液晶表示パネル１０を背後から照明する照明装置（バックライト装置）１とを有している。

液晶表示パネル１０は、互いに対向して貼り合わされた一対の透明基板と、両透明基板の間に封止された液晶層とを有している。両透明基板の対向面には、透明導電膜からなる透明電極がそれぞれ形成されている。液晶表示パネル１０は、液晶層に印加される電圧を制御することによって、照明光の透過率を画素毎又はセグメント毎に制御できるようになっている。これにより、液晶表示パネル１０では、車両速度等の車両情報を表す表示像が形成される。

液晶表示パネル１０で形成された表示像は、照明装置１からの照明光によりフロントウインドシールド１１に投影され、車両の乗員（運転者）によって視認されるようになっている。

照明装置１は、例えば１つのＬＥＤ装置２０を有している。ＬＥＤ装置２０は、回路基板２１上にはんだ実装されている。ＬＥＤ装置２０の発光面２０ａからは、例えば白色光が発光されるようになっている。本実施形態において発光面２０ａは、液晶表示パネル１０に向かって発光する発光体として機能している。光路上において発光面２０ａと液晶表示パネル１０との間には、凸レンズ（第１凸レンズ部）３０が配置されている。発光面２０ａは、凸レンズ３０の焦点（光源側に位置する前側焦点）３０ｆよりも内側（凸レンズ３０寄り）に位置している。

ここで、ＬＥＤ装置２０の発光面２０ａの具体例について説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、２種類の表面実装型ＬＥＤ装置の模式的な部分断面図である。図２（ａ）に示すように、ＬＥＤ装置２０は、一対のリード端子を備えたリードフレーム２２と、リードフレーム２２の一部を内側に収容する樹脂モールド２３とを有している。樹脂モールド２３の上面からは、すり鉢状に開口されたキャビティ２４を介してリードフレーム２２が露出している。キャビティ２４内のリードフレーム２２上には、電圧印加により発光するＬＥＤチップ２５が実装されている。ＬＥＤチップ２５は、キャビティ２４を介して露出している。このような構成においては、ＬＥＤチップ２５の上面が発光していると視認されるため、ＬＥＤチップ２５の上面がＬＥＤ装置２０の発光面２０ａとなる。

一方、図２（ｂ）に示す構成では、所定色の蛍光体やガラスビーズ等を含むフィラー２６がキャビティ２４内に充填されている。このような構成では、ＬＥＤチップ２５の上面ではなくフィラー２６の上面が発光していると視認されるため、フィラー２６の上面がＬＥＤ装置２０の発光面２０ａとなる。

次に、本実施形態の動作について説明する。ＬＥＤ装置２０の発光面２０ａから発光した光は、凸レンズ３０を透過して液晶表示パネル１０に入射する。液晶表示パネル１０に入射した光は、画素毎又はセグメント毎に所定の透過率で透過し、液晶表示パネル１０から射出する。液晶表示パネル１０から射出した光は、フロントウインドシールド１１表面で反射して運転者の目９０に入射する。これにより運転者は、液晶表示パネル１０で形成された車両情報の表示像（反射虚像）を視認することができる。

換言すれば、運転者は、液晶表示パネル１０の表示像を介して発光面２０ａを見ていることになる。このため、液晶表示パネル１０と比較して発光面２０ａの発光面積が小さい場合、表示像の明るさにむらが生じ易くなってしまう。本実施形態では、発光面２０ａは凸レンズ３０の焦点３０ｆよりも内側に配置されているため、運転者側から見ると、発光面２０ａより奥側に発光面２０ａの虚像１２０が形成される。虚像１２０は、実際の発光面２０ａよりも拡大されている。したがって本実施形態によれば、運転者にとって表示像の後方に位置する発光面２０ａの発光面積が見かけ上拡大されるため、表示像の明るさのむらを低減できる。光を拡散透過させる拡散透過部材を凸レンズ３０とＬＥＤ装置２０の発光面２０ａとの間に入れ、この拡散透過部材を発光体としても良い。

また、虚像１２０の輝度は実際の発光面２０ａの輝度とほぼ同じであり、虚像１２０の発光面積は実際の発光面２０ａの発光面積よりも大きくなる。このため、発光面２０ａの虚像１２０の光度は、実際の発光面２０ａの光度よりも高くなる。したがって、本実施形態によれば、ＬＥＤ装置２０の消費電力を増加させることなく、虚像１２０によって実際の発光面２０ａよりも明るい照明装置１が得られる。

さらに本実施形態では、ＬＥＤ装置２０の発光面２０ａそのものを発光体として用いているため、照明装置１の部品点数を抑制でき、構成を簡素化できる。したがって、照明装置１の製造コストを削減できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３を用いて説明する。図３は、本実施形態における照明装置２の概略構成を示す模式図である。図３の右側は、フロントウインドシールド１１側（運転者側）を表している。図３に示すように、本実施形態は、第１実施形態と比較すると、凸レンズ３０に代えてインテグレータレンズ（フライアイレンズ）４０が第１凸レンズ部として用いられている点に特徴を有している。インテグレータレンズ４０は、焦点距離の等しい複数の単レンズ（第１単レンズ）がアレイ状に配列した構成を有している（図３では７つの単レンズ４１〜４７のみを示している）。各単レンズ４１〜４７の焦点（前側焦点）４１ｆ〜４７ｆは、概ね同一平面内に位置している。

また本実施形態では、回路基板２１上に、多点光源となる複数のＬＥＤ装置が実装されている（図３では３つのＬＥＤ装置５１、５２、５３を示している）。複数のＬＥＤ装置５１、５２、５３の各発光面（発光体）５１ａ、５２ａ、５３ａは、いずれもインテグレータレンズ４０の焦点４１ｆ〜４７ｆよりも内側に位置している。

本実施形態では、複数の発光面５１ａ、５２ａ、５３ａの虚像が複数の単レンズ４１〜４７毎に形成される。このため、運転者側から見ると、発光面５１ａ、５２ａ、５３ａの虚像同士が重なり合い、全体として均一な輝度でむらなく発光する虚像１５０として視認される。したがって本実施形態によれば、表示像の明るさのむらを低減できる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図４を用いて説明する。図４は、本実施形態における照明装置３の概略構成を示す模式図である。図４の右側は運転者側を表している。図４に示すように、本実施形態は、第２実施形態と比較すると、インテグレータレンズ４０の各単レンズ４１〜４７の焦点距離が互いに異なっている点に特徴を有している。例えば、インテグレータレンズ４０の中心部の単レンズ４４の焦点距離は比較的短く、外周側の単レンズほど焦点距離が長くなり、最外周の単レンズ４１、４７の焦点距離が最も長くなっている。発光面５１ａ、５２ａ、５３ａと各単レンズ４１〜４７との距離が同一の場合、単レンズ４１〜４７の焦点距離が短いほど、発光面５１ａ、５２ａ、５３ａの虚像が遠くに大きく結像される。このため、本実施形態のように各単レンズ４１〜４７の焦点距離を異ならせれば、運転者側から見て外周側ほど手前に湾曲した虚像１５１を形成することができる。

したがって本実施形態によれば、各単レンズ４１〜４７を同一平面上に配列させた状態で、中央部が比較的暗く外周側ほど明るくなる表示像の明るさの分布を意図的に形成することができる。また本実施形態によれば、単レンズ４１〜４７の焦点距離を適宜選択することによって、虚像１５１を部分的に近づけたり遠ざけたりすることができるため、表示像の明るさについて所望の分布を意図的に形成することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図５を用いて説明する。図５は、本実施形態における照明装置４の概略構成を示す模式図である。図５の右側は運転者側を表している。上記第１乃至第３実施形態では、ＬＥＤ装置の発光面そのものを発光体として用いているのに対し、本実施形態では、凸レンズにより形成される発光面の実像を発光体として用いている。

図５に示すように、運転者側から見て凸レンズ３０よりも奥側（反液晶表示パネル側）には、凸レンズ（第２凸レンズ部）６０が配置されている。凸レンズ６０よりもさらに奥側には、ＬＥＤ装置５１、５２、５３の発光面５１ａ、５２ａ、５３ａが配置されている。発光面５１ａ、５２ａ、５３ａは、凸レンズ６０の焦点６０ｆよりも外側に位置している。これにより、運転者側から見て凸レンズ６０よりも手前側には、発光面５１ａ、５２ａ、５３ａの実像１６０が、例えば発光面５１ａ、５２ａ、５３ａより拡大されて形成される。実像１６０は、本実施形態では発光体として機能し、凸レンズ３０よりも奥側であって凸レンズ３０の焦点３０ｆよりも内側に位置している。これにより、運転者側から見て実像１６０よりも奥側には、実像１６０の拡大虚像１６１が形成される。拡大虚像１６１は、元の発光面５１ａ、５２ａ、５３ａよりも拡大されている。

したがって本実施形態によれば、発光面５１ａ、５２ａ、５３ａの発光面積が見かけ上拡大されるため、第１実施形態と同様の効果が得られる。

また本実施形態では、凸レンズ６０により形成される実像１６０を発光体として用いている。発光体には、凸レンズ３０の焦点３０ａよりも内側に配置するという位置的な制約があるが、実像１６０は、凸レンズ６０及び発光面５１ａ、５２ａ、５３ａの位置関係や凸レンズ６０の焦点距離等を変えることにより比較的高い自由度で位置を調節できる。また、実像１６０は必ずしも元の発光面５１ａ、５２ａ、５３ａより拡大される必要はなく、元の発光面５１ａ、５２ａ、５３ａと同程度の大きさ又はそれより縮小されてもよい。したがって本実施形態によれば、照明装置４における各光学部品のレイアウトの自由度を向上できる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図６を用いて説明する。図６は、本実施形態における照明装置５の概略構成を示す模式図である。図６の右側は運転者側を表している。図６に示すように、本実施形態は、第４実施形態と比較すると、凸レンズ６０に代えてインテグレータレンズ７０が第２凸レンズ部として用いられている点に特徴を有している。インテグレータレンズ７０は、例えば焦点距離の等しい複数の単レンズ（第２単レンズ）がアレイ状に配列した構成を有している（図６では７つの単レンズ７１〜７７のみを示している）。各単レンズ７１〜７７の焦点７１ｆ〜７７ｆは、概ね同一平面内に位置している。発光面５１ａ〜５３ａは、いずれもインテグレータレンズ７０の焦点７１ｆ〜７７ｆよりも外側に位置している。

本実施形態では、発光面５１ａ、５２ａ、５３ａの実像が複数の単レンズ７１〜７７毎に形成される。これにより、発光面５１ａ、５２ａ、５３ａの実像同士が重なり合い、全体としてほぼ均一な輝度の実像１７０が形成される。このため、運転者側から見ると、実像１７０は、全体として均一な輝度でむらなく発光する拡大虚像１７１として視認される。したがって本実施形態によれば、第４実施形態と同様の効果が得られるとともに、表示像の明るさのむらをさらに低減できる。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図７を用いて説明する。図７は、本実施形態における照明装置６の概略構成を示す模式図である。図７の右側は運転者側を表している。図７に示すように、本実施形態は、第５実施形態と比較すると、凸レンズ３０に代えてインテグレータレンズ４０が第１凸レンズ部として用いられている点に特徴を有している。

本実施形態では、実像１７０の虚像が複数の単レンズ７１〜７７毎に形成される。このため、運転者側から見ると、実像１７０の虚像同士が重なり合い、全体としてさらに均一な輝度でむらなく発光する拡大虚像１７２として視認される。したがって本実施形態によれば、表示像の明るさのむらを第５実施形態よりもさらに低減できる。

（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について図８を用いて説明する。図８は、本実施形態における照明装置７の概略構成を示す模式図である。図８の右側は運転者側を表している。図８に示すように、本実施形態は、図５に示した第４実施形態と比較して、光を拡散透過させる透過型のスクリーン（拡散透過部材）８０を発光面５１ａ、５２ａ、５３ａの実像１６０が形成される位置に配置している点に特徴を有している。スクリーン８０は、凸レンズ３０の焦点３０ｆよりも内側に位置する発光体として機能する。

スクリーン８０は、実像１６０を形成する光が拡散透過することによって、運転者側から見ると明るさのむらが少ない発光体となる。このため、運転者側から見ると、スクリーン８０の発光部分は、全体として均一な輝度でむらなく発光する拡大虚像１８１として視認される。したがって本実施形態によれば、表示像の明るさのむらを第４実施形態よりもさらに低減できる。

ここで、本実施形態ではスクリーン８０が実像１６０の結像される位置に配置されているが、スクリーン８０は、凸レンズ３０の前側焦点３０ｆよりも内側であれば、実像１６０の結像される位置から前後方向にずれていてもよい。

（その他の実施形態）
上記実施形態ではヘッドアップディスプレイ装置を例に挙げたが、直視型の表示装置等の他の装置にも適用できる。

また上記実施形態では、透過型の表示素子として液晶表示パネルを例に挙げたが、他の表示素子を用いることもできる。

さらに上記実施形態では、表面実装型のＬＥＤ装置を例に挙げたが、砲弾型のＬＥＤ装置を用いることもできる。

また上記実施形態では凸レンズとして球面レンズを例に挙げたが、フレネルレンズや屈折率分布レンズ等の他のレンズを用いることもできる。

さらに上記実施形態では、複数の単レンズを有する第１凸レンズ部及び第２凸レンズ部としてインテグレータレンズを例に挙げたが、多数の微小単レンズを有するマイクロレンズアレイを第１凸レンズ部及び／又は第２凸レンズ部として用いることもできる。

さらに上記第７実施形態では、拡散透過部材として透過型のスクリーンを用いた例を挙げたが、拡散板や拡散シートを拡散透過部材として用いることもできる。

第１実施形態における照明装置を含むヘッドアップ装置の概略構成を示す模式図である。 ２種類のＬＥＤ装置の模式的な部分断面図である。 第２実施形態における照明装置の概略構成を示す模式図である。 第３実施形態における照明装置の概略構成を示す模式図である。 第４実施形態における照明装置の概略構成を示す模式図である。 第５実施形態における照明装置の概略構成を示す模式図である。 第６実施形態における照明装置の概略構成を示す模式図である。 第７実施形態における照明装置の概略構成を示す模式図である。

符号の説明

１、２、３、４、５、６、７ 照明装置
１０ 液晶表示パネル（表示素子）
２０、５１、５２、５３ ＬＥＤ装置
２０ａ、５１ａ、５２ａ、５３ａ 発光面
３０ 凸レンズ（第１凸レンズ部）
３０ｆ、４１ｆ〜４７ｆ、７１ｆ〜７７ｆ 焦点
４０ インテグレータレンズ（第１凸レンズ部）
４１〜４７ 単レンズ（第１単レンズ）
６０ 凸レンズ（第２凸レンズ部）
７０ インテグレータレンズ（第２凸レンズ部）
７１〜７７ 単レンズ（第２単レンズ）
８０ スクリーン（拡散透過部材）
１００ ヘッドアップディスプレイ装置
１２０、１５０、１５１、１６１、１７１、１７２、１８１ 虚像
１６０、１７０ 実像

Claims (8)

1. 透過型の表示素子を照明する照明装置であって、
   前記表示素子に向かって発光する発光体と、
   前記表示素子と前記発光体との間に配置された第１凸レンズ部とを有し、
   前記発光体は、該発光体の虚像が前記第１凸レンズ部によって拡大されるように、前記第１凸レンズ部の焦点よりも所定距離離れて前記第１凸レンズ部に近い側に位置していることを特徴とする照明装置。
2. 前記第１凸レンズ部は、アレイ状に配列する複数の第１単レンズを有していることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記複数の第１単レンズの焦点距離は互いに異なることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記発光体は、発光ダイオードの発光面であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明装置。
5. 前記第１凸レンズ部よりも反表示素子側に配置された第２凸レンズ部と、
   前記第２凸レンズ部よりも反表示素子側であって前記第２凸レンズ部の焦点よりもさらに反表示素子側に発光面が配置された発光ダイオードと、をさらに有し、
   前記発光体は、前記第２凸レンズ部により形成される前記発光面の実像であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
6. 前記第１凸レンズ部よりも反表示素子側に配置された第２凸レンズ部と、
   前記第２凸レンズ部よりも反表示素子側であって前記第２凸レンズ部の焦点よりもさらに反表示素子側に発光面が配置された発光ダイオードと、
   前記第２凸レンズ部により前記発光面の実像が形成される位置に配置され、光を拡散透過させる拡散透過部材と、をさらに有し、
   前記発光体は、前記拡散透過部材であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
7. 前記第２凸レンズ部は、アレイ状に配列する複数の第２単レンズを有していることを特徴とする請求項５又は６に記載の照明装置。
8. 前記表示素子を透過した光が車両のフロントウインドシールドに投影される車両用ヘッドアップディスプレイ装置に用いられることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の照明装置。

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