JP6550923B2

JP6550923B2 - 表示装置

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Publication number: JP6550923B2
Application number: JP2015106358A
Authority: JP
Inventors: 裕輝春山
Original assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Current assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2019-07-31
Anticipated expiration: 2035-05-26
Also published as: JP2016218391A

Description

本発明は、表示装置に関する。

従来から、例えば車両のフロントガラス等に情報を表示するヘッドアップディスプレイ装置が知られている。

例えば、特許文献１に係るヘッドアップディスプレイ装置は、表示光を発する表示器を備え、表示器から発せられた表示光をフロントガラス等に照射することで、ユーザに表示光が表す像を虚像として視認させる。特許文献１に記載の表示器は、光線を放射する光源と、光源からの光線を平行化するコンデンサレンズと、このコンデンサレンズを通過した光線の拡散角度を縦方向および横方向それぞれに調整するレンズアレイと、レンズアレイで生成される中間像を拡大する２枚のフィールドレンズとを備える。

特開２０１２−２０３１７６号公報

上記特許文献１に係る表示装置では、アイボックスへの光照射効率を向上させるにあたって、４つの光学素子（上述したコンデンサレンズ、レンズアレイ、２枚のフィールドレンズ）を用いる必要があり、これにより表示装置を構成する部品点数が多くなるため部品費や組付費が嵩み、コストアップ（コスト上昇）の原因となっていた。

本発明は、上記実状を鑑みてなされたものであり、アイボックスへの光照射効率を維持しながら、コスト上昇を抑制することが可能な表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る表示装置は、複数の光線を放射する光源と、前記複数の光線を略平行化する第１の光学素子と、前記略平行化された複数の光線を、前記略平行化された光線の進行方向に直交する第１の方向に拡散させる第２の光学素子と、前記略平行化された複数の光線を、前記進行方向から見て前記第１の方向に交わる第２の方向に拡散させる第３の光学素子と、前記第１の光学素子、前記第２の光学素子および前記第３の光学素子を通過した複数の光線に基づき画像に応じた表示光を射出する表示部材と、を備え、前記第２の光学素子は、レンズであって、前記複数の光線が入射する入射面と、前記第２の光学素子の内部を通過した前記複数の光線が射出する射出面とを備え、前記第２の光学素子の前記入射面および前記射出面には、それぞれ、前記第２の方向に沿って延びる凸状のシリンドリカルレンズ部が、前記第１の方向に沿って並ぶように形成される。
また、本発明に係る表示装置は、複数の光線を放射する光源と、前記複数の光線を略平行化する第１の光学素子と、前記略平行化された複数の光線を、前記略平行化された光線の進行方向に直交する第１の方向に拡散させる第２の光学素子と、前記略平行化された複数の光線を、前記進行方向から見て前記第１の方向に交わる第２の方向に拡散させる第３の光学素子と、前記第１の光学素子、前記第２の光学素子および前記第３の光学素子を通過した複数の光線に基づき画像に応じた表示光を射出する表示部材と、を備え、前記第３の光学素子は、レンズであって、前記複数の光線が入射する入射面と、前記第３の光学素子の内部を通過した前記複数の光線が射出する射出面とを備え、前記第３の光学素子の前記入射面には、前記第１の方向に沿って延びる凸状または凹状のシリンドリカルレンズ部が、前記第２の方向に沿って並ぶように形成され、前記第３の光学素子の前記射出面は、トロイダル面形状に形成される。

本発明によれば、アイボックスへの光照射効率を維持しながら、コスト上昇を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が搭載された車両の模式図である。本発明の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の断面図である。本発明の一実施形態に係る（ａ）は第２のレンズの平面図、（ｂ）は第２のレンズの側面図、（ｃ）は第２のレンズの正面図である。本発明の一実施形態に係る（ａ）は第３のレンズの平面図、（ｂ）は第３のレンズの側面図、（ｃ）は第３のレンズの正面図である。本発明の一実施形態に係る第１のレンズの斜視図である。本発明の一実施形態に係る縦方向における光線の経路を示す概略図である。本発明の一実施形態に係る横方向における光線の経路を示す概略図である。（ａ）は本発明の一実施形態に係る第２のレンズを通過する光線の経路を示す概略図であって、（ｂ）は比較例としての第２のレンズを通過する光線の経路を示す概略図である。本発明の一実施形態に係る（ａ）は縦方向の視点の位置と輝度との関係を示したグラフであって、（ｂ）は横方向の視点の位置と輝度との関係を示したグラフである。本発明の一変形例に係る第３のレンズの側面図である。

本発明に係る表示装置をヘッドアップディスプレイ装置として具体化した一実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１００は、図１に示すように、例えば、車両２００のダッシュボード内に設置される。ヘッドアップディスプレイ装置１００は、車両２００のフロントガラス２０１（投射部材の一例）に向けて画像を表す表示光Ｌｏを出射し、フロントガラス２０１で反射した表示光Ｌｏによって前記画像の虚像Ｖを表示する。このように虚像Ｖが表示されることで、視認者１（主に車両２００の運転者）は、フロントガラス２０１を通して虚像Ｖを表示画像として視認可能となる。この表示画像は、例えば、視認者１から見て縦方向および横方向に延びる長方形状をなす。

以下では、ヘッドアップディスプレイ装置１００の構成の理解を容易にするため、図１等に示したＸ、Ｙ、Ｚ座標系を用いて説明する。本実施形態では、Ｘ方向は車両の前後方向に沿い、Ｙ方向は車両の幅方向に沿い、Ｚ方向は車両の高さ方向に沿う。また、図１等において、Ｘ、Ｙ、Ｚ座標系の矢印が向く方向を＋Ｘ、＋Ｙ、＋Ｚと規定し、その反対方向を−Ｘ、−Ｙ、−Ｚと規定する。

（構成）
ヘッドアップディスプレイ装置１００は、図２に示すように、表示部１１０と、凹面鏡１２０と、ハウジング１３０と、放熱部材１４０と、を備える。

ハウジング１３０は、非透光性樹脂材料または金属材料で形成されるとともに、中空の略直方体をなす。ハウジング１３０は、Ｚ方向に互いに対面する上板１３０ａおよび下板１３０ｂを備える。上板１３０ａの−Ｘ側（本例では車両前側）には、その厚さ方向に貫通した開口部１３０ｃが形成されている。この開口部１３０ｃには、表示光Ｌｏが通過するアクリルなどの透光性樹脂材料からなる湾曲板状の窓部（透光部）１３１が嵌め込まれている。

ハウジング１３０は、上板１３０ａおよび下板１３０ｂを＋Ｘ側（本例では車両後側）で連結する側板１３０ｄを備える。側板１３０ｄには、Ｘ方向に貫通した開口部１３２が形成されている。

放熱部材１４０は、ハウジング１３０の開口部１３２内に固定されている。放熱部材１４０は、例えばアルミニウムなどの金属材料または熱伝導性樹脂材料で形成されるフィン型の構造体である。放熱部材１４０は、表示部１１０（具体的には後述する光源１１９）が発する熱を外部に放出可能に構成されている。

ハウジング１３０の上板１３０ａの内面（ハウジング１３０の内部空間に露出する面）には、その面に直交する隔壁１３０ｅが形成され、ハウジング１３０の下板１３０ｂの内面には、その面に直交する隔壁１３０ｆが形成されている。両隔壁１３０ｅ，１３０ｆは互いにＺ方向に沿って対向して位置する。

表示部１１０は、所定の画像を表す表示光Ｌｏを出射するものであり、具体的には、第１〜第３のレンズ１１１〜１１３と、光源１１９と、基板１１６と、液晶表示パネル１１８と、光拡散部材１１７と、第１のケース体１１４と、第２のケース体１１５と、を備える。

基板１１６は、放熱部材１４０の内面（ハウジング１３０の内部空間に露出する面）に設置され、基板１１６の上面（放熱部材１４０に接する面と反対側の面）には各種配線がプリントされている。図６および図７に示すように、基板１１６の上面には、複数（本例では１２個）の光源１１９が実装されている。

光源１１９は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）からなる。光源１１９は、基板１１６上に、マトリックス状に配置されている。具体的には、Ｚ方向が行方向であって、Ｙ方向が列方向である場合、ＬＥＤは２行×６列のマトリックス状に配置される。

第１のケース体１１４は、光源１１９からの光線を外部に漏らさず、その光線を第１のケース体１１４の内部に保持される第１〜第３のレンズ１１１〜１１３に通過させるものである。詳しくは、第１のケース体１１４は、図２に示すように、例えば、非透光性樹脂材料にて長方形の筒状に形成され、放熱部材１４０の内面とハウジング１３０の両隔壁１３０ｅ，１３０ｆとの間に設置されている。

第１のケース体１１４は、第１筒部１１４ａと、第２筒部１１４ｂと、つば部１１４ｃとを備える。第１筒部１１４ａは、その一端（＋Ｘ方向の端部）が基板１１６の周囲を囲みつつ放熱部材１４０の内面に接触し、その他端（−Ｘ方向の端部）が第２筒部１１４ｂに連結されている。第２筒部１１４ｂは、Ｚ方向において第１筒部１１４ａより小さく形成されている。また、第２筒部１１４ｂの他端（＋Ｘ方向の端部）が第１筒部１１４の他端（−Ｘ方向の端部）に段差を持って連結されている。つば部１１４ｃは、第１筒部１１４ａの一端から外側に延出するとともに、放熱部材１４０の内面に面接触する。つば部１１４ｃには、２つの位置決めピン（図示しない）が設けられており、これら位置決めピンを、放熱部材１４０に２個所形成される位置決め孔（図示しない）に挿入することで位置決めされる。この位置決めされた状態で、ねじ（図示しない）を利用してつば部１１４ｃが放熱部材１４０に締結される。なお、ここでの詳細図示は省略するが、第１のケース体１１４を第１筐体と第２筐体とに分割し、これら第１筐体と第２筐体とをフック固定等の適宜固定手段を用いて固定してもよい。

また、第２筒部１１４ｂの内面には、図２に示すように、第２のレンズ１１２を保持するためのＹ方向に延びる一対の凹部１１４ｄが形成されている。一対の凹部１１４ｄは、Ｚ方向において互いに対向して位置する。同様に、第２筒部１１４ｂの内面には、第３のレンズ１１３を保持するためのＹ方向に延びる一対の凹部１１４ｅが形成されている。一対の凹部１１４ｅは、上記一対の凹部１１４ｄよりも隔壁１３０ｅ，１３０ｆに近い位置において、Ｚ方向に互いに対向して位置する。

第１のケース体１１４の内部には、第１〜第３のレンズ１１１〜１１３が保持されている。光源１１９からの光線が第１のレンズ１１１、第２のレンズ１１２および第３のレンズ１１３の順でそれらの厚さ方向に通過するように、光源１１９に近い方から第１のレンズ１１１、第２のレンズ１１２および第３のレンズ１１３の順で配置されている。なお、第１〜第３のレンズ１１１〜１１３が第１のケース体１１４に保持された状態で、本実施形態では、第１〜第３のレンズ１１１〜１１３の縦方向（短手方向）はＺ方向に一致し、第１〜第３のレンズ１１１〜１１３の横方向（長手方向）はＹ方向に一致する。また、第１のレンズ１１１は第１の光学素子に相当し、第２のレンズ１１２は第２の光学素子に相当し、第３のレンズ１１１は第３の光学素子に相当する。

詳しくは、第１のレンズ１１１は、透明光学樹脂または光学ガラスにより長方形板状に形成されている。第１のレンズ１１１は、図２に示すように、複数配置された凸レンズ部１１１ａと、第１筒部１１４ａの内部に嵌め込まれる脚部１１１ｂとを備える。

脚部１１１ｂは、第１のレンズ１１１の縦方向における第１のレンズ１１１の両側部においてＬ字の柱状に形成される。脚部１１１ｂは、凸レンズ部１１１ａの側部から縦方向に沿って延出し、その先端が第１のレンズ１１１の厚さ方向（本例ではＸ方向に一致する方向）に沿うように屈曲するように形成されている。第１のレンズ１１１は、その脚部１１１ｂの先端面が基板１１６の上面に接触するように配置される。これにより、第１のレンズ１１１は、脚部１１１ｂを通じて第１筒部１１４ａ内に保持されている。このとき、第１筒部１１４ａと第２筒部１１４ｂとの段差によっても、第１のレンズ１１１は、脚部１１１ｂにおける基板１１６と離間する方向への移動が規制されている。

第１のレンズ１１１の凸レンズ部１１１ａは、図５に示すように、両凸レンズ状に形成されるとともに、上述した光源１１９と同様に２行×６列のマトリックス状に配置されている。なお、図５においては、脚部１１１ｂは省略して図示されている。各凸レンズ部１１１ａは、図２に示すように、各光源１１９からの光線を受けるように、Ｘ方向において各光源１１９に対向して位置する。第１のレンズ１１１の各凸レンズ部１１１ａは、光源１１９から射出される複数の光線を集光するとともに、複数の光線をＸ方向に沿うように略平行化する機能を有する。

第２のレンズ１１２は、図２に示すように、透明光学樹脂または光学ガラスにより長方形板状に形成される。詳しくは、第２のレンズ１１２は、複数の光線が入射する入射面１１２ｉと、第２のレンズ１１２をその厚さ方向に通過した複数の光線が射出する射出面１１２ｏと、第１のケース体１１４に保持される保持部１１２ｃとを備える。

第２のレンズ１１２の入射面１１２ｉには、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、複数（本例では１１個）のシリンドリカルレンズ部１１２ａが形成され、第２のレンズ１１２の射出面１１２ｏには、複数（本例では１１個）のシリンドリカルレンズ部１１２ｂが形成されている。各シリンドリカルレンズ部１１２ａ，１１２ｂは、第２のレンズ１１２の長手方向（第２の方向）に沿って半円柱状に延出し、第２のレンズ１１２の短手方向（第１の方向）に沿って配列されている。入射面１１２ｉのシリンドリカルレンズ部１１２ａは、第２のレンズ１１２の厚さ方向において射出面１１２ｏと離間する方向に向かって突出し、射出面１１２ｏのシリンドリカルレンズ部１１２ｂは、第２のレンズ１１２の厚さ方向において入射面１１２ｉと離間する方向に向かって突出する。入射面１１２ｉのシリンドリカルレンズ部１１２ａ及び射出面１１２ｏのシリンドリカルレンズ部１１２ｂは、第２のレンズ１１２の厚さ方向に対向する位置に設けられる。また、第２のレンズ１１２の保持部１１２ｃは、第２のレンズ１１２の短手方向の両端において、第２のレンズ１１２の長手方向に延出する四角柱状に形成される。図２に示すように、この第２のレンズ１１２の保持部１１２ｃが第２筒部１１４ｂの凹部１１４ｄに嵌合することで、第２のレンズ１１２は、第２筒部１１４ｂ内に保持される。第２のレンズ１１２の入射面１１２ｉは、そのシリンドリカルレンズ部１１２ａによって、光線を短手方向（縦方向）に拡散する機能を有する。第２のレンズ１１２のシリンドリカルレンズ部１１２ａ，１１２ｂのピッチおよび曲率半径に基づき、光線の拡散角度を調整することができる。また、第２のレンズ１１２の射出面１１２ｏは、そのシリンドリカルレンズ部１１２ｂによって、完全に平行化されていない光線の拡散角度を調整する機能を有する。

第３のレンズ１１３は、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、透明光学樹脂または光学ガラスにより長方形板状に形成される。詳しくは、第３のレンズ１１３は、複数の光線が入射する入射面１１３ｉと、第３のレンズ１１３の内部をその厚さ方向に通過した複数の光線が射出する射出面１１３ｏと、第１のケース体１１４に保持される保持部１１３ｂとを備える。

第３のレンズ１１３の入射面１１３ｉには、図４（ｃ）に示すように、複数（本例では１６個）のシリンドリカルレンズ部１１３ａが形成されている。シリンドリカルレンズ部１１３ａは、第３のレンズ１１３の短手方向（第１の方向）に沿って半円柱状で延出するとともに、第３のレンズ１１３の長手方向（第２の方向）に沿って配列されている。シリンドリカルレンズ部１１３ａは、第３のレンズ１１３の厚さ方向において、射出面１１３ｏと離間する方向に向かって突出する。第３のレンズ１１３の入射面１１３ｉは、そのシリンドリカルレンズ部１１３ａによって光線を長手方向（横方向）に拡散する機能を有する。

第３のレンズ１１３の射出面１１３ｏは、後述する液晶表示パネル１１８に合わせて光線を拡散可能に凹トロイダル面で形成されている。すなわち、第３のレンズ１１３の射出面１１３ｏには、第３のレンズ１１３の長手方向および短手方向に沿って凹状の曲面が形成されている。例えば、第３のレンズ１１３の短手方向に沿う曲面の曲率半径は、第３のレンズ１１３の長手方向に沿う曲面の曲率半径より大きく設定されている。光線の光軸方向から見て、第３のレンズ１１３は、後述する液晶表示パネル１１８を含むように、液晶表示パネル１１８より大きい面積で形成されている。第３のレンズ１１３の射出面１１３ｏは、後述する液晶表示パネル１１８全域を照明するように光線を拡散する機能を有する。なお、この場合、第３のレンズ１１３だけではなく、第１、第２のレンズ１１１、１１２も、表示光Ｌｏの光軸方向から見て、液晶表示パネル１１８を含むように、液晶表示パネル１１８より大きい面積で形成されている。

第３のレンズ１１３の保持部１１３ｂは、第３のレンズ１１３の短手方向の両端に、第３のレンズ１１３の長手方向に延出する四角柱状に形成される。図２に示すように、第３のレンズ１１３の保持部１１３ｂが第２筒部１１４ｂの凹部１１４ｅに嵌合することで、第３のレンズ１１３は第２筒部１１４ｂに保持される。

第２のケース体１１５は、図２に示すように、非透光性樹脂材料にて長方形の枠状に形成されている。第２のケース体１１５は、両隔壁１３０ｅ，１３０ｆにおける第１のケース体１１４と反対側の面に固定される。

光拡散部材１１７及び液晶表示パネル１１８は、それぞれＹＺ平面に沿って延出し、互いに対面した状態で、第２のケース体１１５の内部に保持される。例えば、光拡散部材１１７及び液晶表示パネル１１８は、第２のケース体１１５に接着剤によって接着される。光拡散部材１１７は、第１のケース体１１４に近い位置に設けられ、液晶表示パネル１１８は、ハウジング１３０の内部空間に露出する位置に設けられている。

表示部材の一例である液晶表示パネル１１８は、例えば、透明電極膜が形成された一対の透光性基板に液晶層を封入した液晶セルの両面に偏光板を貼着して長方形板状で形成される。そして、液晶表示パネル１１８の各画素が画像に応じて透過状態および不透過状態の間で切り替えられる。液晶表示パネル１１８は、第３のレンズ１１３の射出面１１３ｏからの光を受けて、画像に応じた表示光Ｌｏを射出する。

光拡散部材１１７は、透明樹脂材料を基材としたフィルム状または板状の部材である。光拡散部材１１７は、ハウジング１３０の内部に進入した外光が第３のレンズ１１３の射出面１１３ｏに反射した光を拡散可能に構成されている。

凹面鏡１２０は、例えばポリカーボネートなどの樹脂材料からなるホルダと、そのホルダに例えばアルミニウムなどの金属を蒸着させてなる鏡面とを備える。凹面鏡１２０は、ハウジング１３０内の液晶表示パネル１１８に対向して位置し、表示部１１０からの表示光Ｌｏに対して傾斜する向きで設置される。凹面鏡１２０は、表示部１１０からの表示光Ｌｏを反射させつつ表示光Ｌｏが表す像を拡大し、その拡大した像をフロントガラス２０１に照射するように構成される。

（作用）
次に、図６および図７を参照しつつ、各光源１１９から発せられる光線が第１〜第３のレンズ１１１〜１１３を通過する際の光線の作用について説明する。図６は、Ｙ方向（横方向）から見たＺ方向（縦方向）における光線の作用について模式的に示し、図７は、Ｚ方向（縦方向）から見たＹ方向（横方向）における光線の作用について模式的に示している。横方向の光線は、画像（虚像Ｖ）の横方向に対応し、縦方向の光線は、画像（虚像Ｖ）の縦方向に対応する。

ここでは、まず、Ｚ方向（縦方向）における光線の作用について説明する。図６に示すように、各光源１１９から第１のレンズ１１１の各凸レンズ部１１１ａに向けて複数の光線Ｌａが放射状に照射される。第１のレンズ１１１の凸レンズ部１１１ａは、その入射面および射出面において光線Ｌａを屈折させることで、光線ＬａはＸ方向に沿うように平行化され、凸レンズ部１１１ａの前記射出面から光線Ｌｂが出てくる。

光線Ｌｂが入射される第２のレンズ１１２の入射面１１２ｉ側の各シリンドリカルレンズ部１１２ａは、Ｚ方向（縦方向）において、当該光線Ｌｂを所定の拡散角度にて拡散する。ここで、第２のレンズ１１２内に導かれる光線Ｌｂは、第２のレンズ１１２の厚み方向に対して平行化された光線Ｐと、第２のレンズ１１２の厚み方向に対して平行化されていない光線Ｑとで構成されており、第２のレンズ１１２の射出面１１２ｏ側の各シリンドリカルレンズ部１１２ｂは、平行化されていない光線（以下、当該光線を非平行光Ｑとする）を、平行化された光線（以下、当該光線を平行光Ｐとする）と同様に拡散するように調整する。具体的には、図８（ｂ）に示すように、第２のレンズ１１２のシリンドリカルレンズ部１１２ｂが省略されて、第２のレンズの射出面２１２ｏが平面で形成されている比較例において、第２のレンズ１１２の射出面２１２ｏの形状（つまり平面形状）に起因して、スネルの法則により当該射出面２１２ｏから出る非平行光Ｑは、その傾斜状態をほぼ保って第２のレンズ１１２から射出される。よって、図８（ｂ）の構成では、非平行光Ｑは調整されない。一方、本実施形態の構成では、図８（ａ）に示すように、第２のレンズ１１２の射出面１１２ｏの形状（つまりシリンドリカルレンズ部１１２ｂを構成するシリンドリカル形状）に起因して、スネルの法則により当該射出面１１２ｏから出る非平行光Ｑは、各シリンドリカルレンズ部１１２ｂによって屈折することで、平行光Ｐが第２のレンズ１１２を通過した場合（図６参照）と同様の拡散角度になるように角度調整された上で、第２のレンズ１１２から射出される。よって、第２のレンズ１１２を通過する光線Ｌｂが所定のばらつきをもってＺ方向に拡散することが抑制される。その結果として、第２のレンズ１１２によるＺ方向における光線（後述する光線Ｌｃ）の拡散角度が制限される。

第２のレンズ１１２を通過した光線は、図６に示すように、第３のレンズ１１３の入射面１１３ｉに光線Ｌｃとして入射する。そして、第３のレンズ１１３内に進む光線Ｌｃは射出面１１３ｏから射出される。この際、第３のレンズ１１３の射出面１１３ｏは、第３のレンズ１１３の内部を通過した光線を所定の拡散角度で拡散し、その拡散した光線を光線Ｌｄとして液晶表示パネル１１８の全域に照射する。

次に、Ｙ方向（横方向）の光線の作用について説明する。

第１のレンズ１１１は、図７に示すように、上記Ｚ方向（縦方向）と同様に、Ｙ方向（横方向）において複数の光線Ｌａを平行化し、平行化された光線Ｌｂを第２のレンズ１１２に向けて照射する。第２のレンズ１１２の各シリンドリカルレンズ部１１２ａ，１１２ｂは、入射された光線ＬｂをＹ方向（横方向）にそのまま進行させる。第２のレンズ１１２を通過した光線は第３のレンズ１１３に向かって光線Ｌｃとして照射される。第３のレンズ１１３の入射面１１３ｉにおける各シリンドリカルレンズ部１１３ａは、Ｙ方向（横方向）において、入射された光線Ｌｃを所定の拡散角度にて拡散する。第３のレンズ１１３の射出面１１３ｏは、第３のレンズ１１３の内部を通過した光線Ｌｃを所定の拡散角度で拡散し、その拡散した光線Ｌｄを液晶表示パネル１１８全域に照射する。このとき、第２のレンズ１１２と異なり、第３のレンズ１１３には入射面１１３ｉにのみシリンドリカルレンズ部１１３ａが形成されている。このため、上記図８（ｂ）と同様の原理で、スネルの法則により第３のレンズ１１３から出る光線は調整されない。

ここで、視認者１は、自身の目の位置が仮想的な空間であるアイボックスＩｂ内にあるとき、フロントガラス２０１を反射する表示光Ｌｏを受けて虚像Ｖを視認可能となる。図９（ａ）に示すように、縦方向においては、上述のように第２のレンズ１１２によって完全に平行化されていない光線の調整が行われるため、アイボックスＩｂ内の輝度を効率的に高めることができる。一方、図９（ｂ）に示すように、横方向においては、上記調整が行われていないため、アイボックスＩｂに対して輝度にばらつきが生じている。具体的には、横方向におけるアイボックスＩｂの両側に緩衝領域Ａが形成される。この緩衝領域Ａにおいて、視点がアイボックスＩｂから離れるように横方向に移動するにつれて徐々に輝度が低下していく。これにより、視認者１の視点がＹ方向（横方向）に移動してアイボックスＩｂ外となったとき、光線の輝度の急激な変化によって虚像Ｖを視認する視認者１に違和感を与えることを抑制できる。なお、図９（ｂ）の緩衝領域Ａにおいて輝度は直線状に低下していたが、これは一例であって、例えば輝度が曲線状または階段状に低下してもよい。

（効果）
以上、説明した一実施形態によれば、以下の効果を奏する。

（１）表示装置の一例であるヘッドアップディスプレイ装置１００は、光源１１９から放射される複数の光線（光線Ｌａ）を平行化する第１のレンズ１１１と、平行化された複数の光線（光線Ｌｂ）を、平行化された光線（光線Ｌｂ）の進行方向に直交する縦方向（第１の方向）に拡散させる第２のレンズ１１２と、平行化された複数の光線（ＹＺ断面から見た光線Ｌｃ）を、平行化された光線（ＹＺ断面から見た光線Ｌｃ）の進行方向から見て縦方向（第１の方向）に交わる横方向（第２の方向）に拡散させる第３のレンズ１１３と、を備える。

この構成によれば、第１のレンズ１１１と第２のレンズ１１２と第３のレンズ１１３とで構成される３つのレンズを用いて、液晶表示パネル１１８の全域を照射することが可能であり、従来技術に比べてレンズの使用個数が１個少なくなるため、部品点数が削減されコスト上昇を抑制することができる。

（２）第２のレンズ１１２は、複数の光線Ｌｂが入射する入射面１１２ｉと、第２のレンズ１１２の内部を通過した複数の光線Ｌｂが射出する射出面１１２ｏとを備える。第２のレンズ１１２の入射面１１２ｉおよび射出面１１２ｏには、それぞれ、横方向（第２の方向）に沿って同一の凸状をなすシリンドリカルレンズ部１１２ａ，１１２ｂが、縦方向（第１の方向）に沿って並ぶように形成される。このように、第２のレンズ１１２の入射面１１２ｉおよび射出面１１２ｏにシリンドリカルレンズ部１１２ａ，１１２ｂが形成されることで、非平行光Ｑも平行光Ｐと同様の光路を経るように調整される。よって、縦方向においては、光線の拡散角度のばらつきが少なくなるため、アイボックスＩｂ内の輝度が効率的に高められる。

（３）第３のレンズ１１３は、複数の光線Ｌｃが入射する入射面１１３ｉと、第３のレンズ１１３の内部を通過した複数の光線Ｌｃが射出する射出面１１３ｏとを備える。第３のレンズ１１３の入射面１１３ｉには、それぞれ縦方向（第１の方向）に沿って同一の凸状をなすシリンドリカルレンズ部１１３ａが、横方向（第２の方向）に沿って並ぶように形成される。このため、スネルの法則により第３のレンズ１１３から出る光線は調整されずに、第３のレンズ１１３によって拡散される。よって、第３のレンズ１１３を通過する光線Ｌｃについては、横方向に所定のばらつきをもって拡散される。

特に、視認者１が座席に座った状態においては、例えば車載スイッチの操作のため、視点が横方向に大きく移動することは少なくない。これに対し、視点が縦方向に大きく移動することは希である。このような観点から、光線Ｌｃが第３のレンズ１１３によって所定のばらつきをもって横方向に拡散されることで、図９（ｂ）に示すように、視点が横方向にアイボックスＩｂから外れたとき、アイボックスＩｂから視点が離れるにつれて徐々に輝度が小さくなる緩衝領域Ａが形成される。この緩衝領域Ａにより、輝度が急激に変化すること、およびこれに伴って視認者１に違和感を与えることが抑制される。特に、視認者１が運転者の場合、表示画像が運転への妨げにならないことが求められるため、この効果は有益である。一方、縦方向においては、視点がアイボックスＩｂから外れることが少ないため、緩衝領域Ａを設ける必要がない。

（４）第３のレンズ１１３の射出面１１３ｏは、トロイダル面形状に形成される。この構成により、液晶表示パネル１１８に合わせて光線Ｌｄが拡散される。特許文献１では、２つの凸レンズによりこの機能が発揮されていたが、本実施形態では、第３のレンズ１１３の射出面１１３ｏによりこの機能が発揮される。よって、本実施形態では、ヘッドアップディスプレイ装置１００において、よりコンパクトな構成を実現することができる。ヘッドアップディスプレイ装置１００はスペースの限られる車両に搭載されるため、このヘッドアップディスプレイ装置１００のコンパクト化は特に有利な効果である。

（５）第２のレンズ１１２と第３のレンズ１１３とは、それぞれ独立した配光制御機能を有している。よって、両レンズ間の空気層を可能な限り小さくすることができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ装置１００をコンパクトに構成することができる。

（変形例）
なお、上記各実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。

上記実施形態では、第３のレンズ１１３の入射面１１３ｉには、複数の凸状のシリンドリカルレンズ部１１３ａが形成されていた。しかし、この凸状のシリンドリカルレンズ部１１３ａに替えて、図１０に示すように、第３のレンズ２１３の入射面２１３ｉに、複数の凹状のシリンドリカルレンズ部２１３ａが形成されてもよい。

上記実施形態における第２のレンズ１１２の出射面１１２ｏに形成されるシリンドリカルレンズ部１１２ｂを省略し、その出射面１１２ｏを平面状に形成してもよい。

上記実施形態では、第２のレンズ１１２および第３のレンズ１１３は、それぞれ自身の保持部１１２ｃおよび保持部１１３ｂを介して第１のケース体１１４に保持されていたが、これら保持部１１２ｃ，１１３ｂを省略してもよい。この場合、例えば、接着剤を通じて、第２のレンズ１１２および第３のレンズ１１３を第１のケース体１１４に接着してもよい。

上記実施形態では、第３のレンズ１１３の射出面１１３ｏは、凹トロイダル面形状を有していたが、第３のレンズ１１３の射出面は凸レンズ形状、自由曲面形状、単純球面形状、シリンドリカル面形状または非球面形状であってもよい。

上記実施形態では、光源１１９はＬＥＤであったが、その他白熱電球等の光源であってもよい。

第２のレンズ１１２のシリンドリカルレンズ部１１２ａ，１１２ｂのピッチおよび大きさ（曲率半径）は、上記実施形態に限定されず、適宜変更可能である。これらを変更することで、光線の拡散角度を調整することができる。また、第３のレンズ１１３のシリンドリカルレンズ部１１３ａのピッチおよび大きさも同様に適宜変更し、光線の拡散角度を調整することができる。

上記実施形態では、第１のレンズ１１１の凸レンズ部１１１ａは、両凸レンズ状に形成されていたが、平凸レンズ状、フレネルレンズ状で形成してもよい。また、第１のレンズ１１１に替えて第１の光学素子として光線を略平行化するリフレクタを設けてもよい。

上記実施形態における凹面鏡１２０を省略してもよい。この場合、表示部１１０からの表示光Ｌｏが直接に投射部材（例えば、フロントガラス）に照射される。

上記実施形態では、第２のレンズ１１２が光を拡散する第１の方向であるＺ方向（縦方向）と、第３のレンズ１１３が光を拡散する第２の方向であるＹ方向（横方向）とは互いに直交していたが、交わっていればよく、必ずしも直交している必要はない。

上記実施形態では、第２のレンズ１１２が光を拡散する第１の方向はＺ方向（縦方向）であって、第３のレンズ１１３が光を拡散する第２の方向はＹ方向（横方向）であったが、これに限定されない。例えば、表示部１１０を、Ｘ軸を中心に９０度回転させて設置する。これにより、第２のレンズ１１２が光を拡散する第１の方向はＹ方向（横方向）となり、第３のレンズ１１３が光を拡散する第２の方向はＺ方向（縦方向）となる。

上記実施形態では、第１〜第３のレンズ１１１〜１１３は長方形板状で形成されていたが、これに限らず、例えば、正方形、円、楕円または多角形の板状で形成されてもよい。第１〜第３のレンズ１１１〜１１３の形状変更に応じて、第１のケース体１１４の形状も変更する必要がある。

上記実施形態では、本発明に係る表示装置を車載用のヘッドアップディスプレイ装置に適用したが、車載用に限らず、飛行機、船等の乗り物に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置に適用してもよい。また、投射部材はフロントガラスに限られず、専用のコンバイナであってもよい。また、本発明に係る表示装置をヘッドアップディスプレイ装置ではなく、屋内または屋外で使用されるプロジェクタ等の表示装置に適用してもよい。また、投射部材は透光性を有するものに限られず、反射型のスクリーンなどであってもよい。また、例えば、本発明に係る表示装置をメガネ型ウェアラブル端末に搭載してもよい。

１…視認者
１００…ヘッドアップディスプレイ装置
１１０…表示部
１１１…第１のレンズ
１１１ａ…凸レンズ部
１１２…第２のレンズ
１１２ａ，１１２ｂ…シリンドリカルレンズ部
１１２ｉ…入射面
１１２ｏ…射出面
１１３，２１３…第３のレンズ
１１３ａ，２１３ａ…シリンドリカルレンズ部
１１３ｉ，２１３ｉ…入射面
１１３ｏ…射出面
１１４…第１のケース体
１１５…第２のケース体
１１７…光拡散部材
１１８…液晶表示パネル
１１９…光源
１２０…凹面鏡
１４０…放熱部材
２００…車両
２０１…フロントガラス
Ｌｏ…表示光
Ｖ…虚像

Claims

複数の光線を放射する光源と、
前記複数の光線を略平行化する第１の光学素子と、
前記略平行化された複数の光線を、前記略平行化された光線の進行方向に直交する第１の方向に拡散させる第２の光学素子と、
前記略平行化された複数の光線を、前記進行方向から見て前記第１の方向に交わる第２の方向に拡散させる第３の光学素子と、
前記第１の光学素子、前記第２の光学素子および前記第３の光学素子を通過した複数の光線に基づき画像に応じた表示光を射出する表示部材と、を備え、
前記第２の光学素子は、レンズであって、前記複数の光線が入射する入射面と、前記第２の光学素子の内部を通過した前記複数の光線が射出する射出面とを備え、
前記第２の光学素子の前記入射面および前記射出面には、それぞれ、前記第２の方向に沿って延びる凸状のシリンドリカルレンズ部が、前記第１の方向に沿って並ぶように形成される、
ことを特徴とする表示装置。
複数の光線を放射する光源と、
前記複数の光線を略平行化する第１の光学素子と、
前記略平行化された複数の光線を、前記略平行化された光線の進行方向に直交する第１の方向に拡散させる第２の光学素子と、
前記略平行化された複数の光線を、前記進行方向から見て前記第１の方向に交わる第２の方向に拡散させる第３の光学素子と、
前記第１の光学素子、前記第２の光学素子および前記第３の光学素子を通過した複数の光線に基づき画像に応じた表示光を射出する表示部材と、を備え、
前記第３の光学素子は、レンズであって、前記複数の光線が入射する入射面と、前記第３の光学素子の内部を通過した前記複数の光線が射出する射出面とを備え、
前記第３の光学素子の前記入射面には、前記第１の方向に沿って延びる凸状または凹状のシリンドリカルレンズ部が、前記第２の方向に沿って並ぶように形成され、
前記第３の光学素子の前記射出面は、トロイダル面形状に形成される、
ことを特徴とする表示装置。
前記表示部材からの表示光を投射部材に向けて反射させる凹面鏡を備え、
前記第１の方向は、車両の高さ方向に一致し、
前記第２の方向は、車両の幅方向に一致する、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表示装置。