JP6671000B2 - 映像表示装置および映像表示装置を搭載したヘッドアップディスプレイ - Google Patents

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Description

本開示は、導光板を用いた映像表示装置と、この映像表示装置を搭載したヘッドアップディスプレイに関する。
特許文献1は、光源から出射した光線を、リニアフレネルレンズを用いて偏向して導光板に入射させる方法を開示している。これにより光の進行方向に対して垂直な方向に広がる配光分布が狭くなり、正面輝度が高くなる。
特開2007−73469号公報
本開示における映像表示装置は、ヘッドアップディスプレイに用いられる。映像表示装置は、照明部と、導光板と、光線制御部と、表示部と、を備える。照明部は、複数の光源が第1の方向に配列されて構成される。導光板は、照明部からの光が入射して、複数の光源とそれぞれ対向する複数の凸面を含む入射面と、入射面に交差する方向に配置されて、入射面から入射した光が出射する出射面と、出射面に対向する対向面と、を有する。光線制御部は、出射面の一部を覆うように配置され、出射面から出射した光の進行方向を制御する。表示部は、光線制御部から出射した光を透過させて映像を表示する。少なくとも対向面の一部であって、出射面のうち、光線制御部が配置されていない出射面に対向する対向面の一部には、光源からの光を出射面側へ立ち上げる複数のプリズム形状部が設けられる。出射面の一部であって、光線制御部が配置されていない出射面には、レンチキュラーレンズアレイが設けられる。レンチキュラーレンズアレイは、第1の方向と直交する第2の方向に配列される。光線制御部と表示部との間には、凹レンズを備える。
本開示におけるヘッドアップディスプレイは、映像表示装置と、映像表示装置から出射した光を反射させる反射光学ユニットと、を備える。ヘッドアップディスプレイは、反射光学ユニットから出射した光を、透明部材を介して観察者のアイボックスに導入させて、観察者に虚像を視認させる。映像表示装置は、照明部と、導光板と、光線制御部と、表示部と、を備える。照明部は、複数の光源が第1の方向に配列されて構成される。導光板は、照明部からの光が入射して、複数の光源とそれぞれ対向する複数の凸面を含む入射面と、入射面に交差する方向に配置されて、入射面から入射した光が出射する出射面と、出射面に対向する対向面と、を有する。光線制御部は、出射面の一部を覆うように配置され、出射面から出射した光の進行方向を制御する。表示部は、光線制御部から出射した光を透過させて映像を表示する。少なくとも対向面の一部であって、出射面のうち、光線制御部が配置されていない出射面に対向する対向面の一部には、光源からの光を出射面側へ立ち上げる複数のプリズム形状部が設けられる。少なくとも出射面の一部であって、光線制御部が配置されていない出射面には、レンチキュラーレンズアレイが設けられる。レンチキュラーレンズアレイは、第1の方向と直交する第2の方向に配列される。光線制御部と表示部との間には、凹レンズを備える。
本開示における映像表示装置およびヘッドアップディスプレイは、高い正面輝度を得られる。
図1は、実施の形態1におけるヘッドアップディスプレイを搭載した車両の模式図である。 図2は、実施の形態1における映像表示装置の模式図である。 図3は、実施の形態1における映像表示装置の断面の模式図である。 図4は、実施の形態1における導光板への入射光線の模式図である。 図5は、比較例における導光板への入射光線の模式図である。 図6は、実施の形態1と比較例の導光板における輝度と角度との関係を示すグラフである。 図7は、実施の形態2における映像表示装置の模式図である。 図8は、実施の形態2における映像表示装置の断面の模式図である。 図9は、実施の形態2における導光板への入射光線の模式図である。 図10は、実施の形態3における映像表示装置の模式図である。 図11Aは、ヘッドアップディスプレイの光路の一部を示す模式図である。 図11Bは、ヘッドアップディスプレイの光路の一部を示す模式図である。
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、発明者(ら)は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
(実施の形態1)
以下、図1〜図6を用いて、実施の形態1を説明する。
[1−1.概要]
図1は、実施の形態1におけるヘッドアップディスプレイ100を搭載した車両200の模式図である。車両200には、観察者300として、例えばドライバーが乗車する。車両200は、透明部材としてのウインドシールド230、すなわちフロントガラスを備える。
ヘッドアップディスプレイ100の液晶パネル(後述する透過型表示パネル115)から出射した光は、ウインドシールド230を介して、観察者300のアイボックス600内に導かれる。これにより観察者300は、虚像400を視認する。なお、アイボックス600とは、観察者300が虚像を欠けることなく視認できる領域のことである。
ヘッドアップディスプレイ100は、映像表示装置120を備える。図2は、実施の形態1における映像表示装置120の模式図である。映像表示装置120は、導光板112を有する。導光板112の入射面1121は、凸面112bを有する。
導光板112に入射する光は、凸面112bにより偏向される。これにより、導光板112へ導入される光の配光分布を狭くできる。そしてその結果、映像表示装置120の正面輝度を向上できる。
なお、導光板112に導入される光線の配光分布を狭くするために、例えば光源111と入射面1121との間にリニアフレネルレンズを配置することもできる。しかし、このようにリニアフレネルレンズを用いる場合と比べて実施の形態1では、少ない部材でも映像表示装置120の正面輝度を向上できる。
[1−2.構成]
[1−2−1.ヘッドアップディスプレイの構成]
以下、図1を用いて本実施の形態のヘッドアップディスプレイ100の構成について説明する。
ヘッドアップディスプレイ100は、映像表示装置120と、反射光学ユニット130と、を備える。ヘッドアップディスプレイ100は、筐体140内に配置されている。なお、図1では、理解を容易にするため、ヘッドアップディスプレイ100及び筐体140を拡大して示す。
映像表示装置120の構成については、後述する。
反射光学ユニット130は、第1ミラー131および第2ミラー132を備える。第1ミラー131は、後述する映像表示装置120の透過型表示パネル115から出射された光を第2ミラー132に向けて反射する。第2ミラー132は、第1ミラー131からの光をウインドシールド230に向けて反射する。第2ミラー132の反射面の形状は、凹面形状である。反射光学ユニット130は、必ずしも2枚のミラーで構成される必要はない。ミラーの数は、1枚であっても、3枚以上であっても良い。また、反射光学ユニット130は、光路上にレンズなどの屈折光学系を備えていても良い。
筐体140は、開口141を有する。開口141には、透明のカバーを備えていてもよい。
[1−2−2.映像表示装置の構成]
以下、図2を用いて本実施の形態の映像表示装置120の構成について説明する。なお、以下の説明において、(光の)出射側とは図2の上側を意味する。
映像表示装置120は、複数の光源111と、導光板112と、反射部材としての鏡面反射部材113と、光線制御部材114と、表示部としての透過型表示パネル115と、を備える。
複数の光源111は、図1に示す照明部としての照明装置110に含まれる。図2に示すように、複数の光源111は、映像表示装置120に対し第1の方向(x軸方向)に一列に配列されている。光源111は、透過型表示パネル115に照明光を供給する発光体である。光源111は、例えばチップ型発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)である。
導光板112は、複数の光源111に対して第2の方向(y軸方向)に並んで配置される。導光板112は、複数の光源111の出射光が漏れない程度に光源111に近接させて配置される。導光板112は、光を導光する透明の板である。導光板112の表面は、入射面1121と、出射面1123と、傾斜面1122aおよび傾斜面1122bと、対向面1124と、を有する。
入射面1121には、複数の光源111からの出射光が入射する。入射面1121は、各光源111にそれぞれ対向する複数の凸面112bを有する。それぞれの凸面112bは、各光源111に対向する方向に突出して湾曲する湾曲面である。そしてそれぞれの凸面112bの曲率中心の軸は、xy平面に対して垂直である。つまり、各凸面112bの曲率中心の軸は、第3の方向(z軸方向)に平行である。導光板112の、各凸面112bを有する部分を、それぞれシリンドリカル形状部112aとする。それぞれのシリンドリカル形状部112aの形状は、第3の方向に平行な直線を母軸とする半円柱形状である。なお、第3の方向とは、第1の方向と第2の方向の双方に直交する方向とする。それぞれのシリンドリカル形状部112aのyz断面およびxz断面の形状は、いずれも矩形状である。複数のシリンドリカル形状部112aは、第1の方向に配列されている。各シリンドリカル形状部112aは、導光板112と一体に形成されている。
出射面1123は、入射面1121に交差する方向に配置される。出射面1123からは、入射面1121から入射した光が出射する。出射面1123は、第1の方向と、第1の方向と直交する第2の方向とで規定される面である。
なお、出射面1123には、レンチキュラーレンズ形状部を有することが好ましい。レンチキュラーレンズ形状部は、複数のシリンドリカル形状部からなる。各シリンドリカル形状部の母軸は、第2の方向に平行であることが好ましい。これらのシリンドリカル形状部は、第1の方向に配列される事が好ましい。これらのシリンドリカル形状部により、第2の方向に平行で、第1の方向に並んだ縞状の輝度むらを軽減できる。
対向面1124は、出射面1123と対向する。対向面1124は、出射面1123に対して傾斜している。そして対向面1124と出射面1123との間隔は、入射面1121から離れる程広い。前述の、対向面1124と出射面1123との間隔とは、第3の方向の間隔を意味する。この間隔が徐々に広がるため、導光板112の、第2の方向と第3の方向で規定される断面(yz断面)の形状は、楔形である。
なお、対向面1124には、レンチキュラーレンズ形状部を有することが好ましい。レンチキュラーレンズ形状部は、複数のシリンドリカル形状部からなる。各シリンドリカル形状部の母軸は、第1の方向に平行であることが好ましい。これらのシリンドリカル形状部は、第2の方向に配列されることが好ましい。これらのシリンドリカル形状部により、第1の方向に平行で、第2の方向に並んだ縞状の輝度むらを低減できる。
傾斜面は、傾斜面1122aおよび傾斜面1122bの二面を含む。傾斜面1122aおよび傾斜面1122bは、いずれも入射面1121と対向する。傾斜面1122aおよび傾斜面1122bは、いずれも出射面1123および対向面1124の双方に対して傾斜している。傾斜面の数は、一面でもよく、二面以上であってもよい。傾斜面1122aおよび傾斜面1122bは、傾斜面1122aおよび傾斜面1122bまで導光された光線の第2の方向に対する角度を変化させる。
鏡面反射部材113は、少なくとも出射面1123の反対側、すなわち対向面1124側に配置される。実施の形態1では、導光板112の表面のうち、入射面1121および出射面1123以外の面に、導光板112に沿って配置される。鏡面反射部材113は、入射面1121から導光板112に入射した光が出射面1123以外の面から出射しようとする際に、導光板112の内方向へ再び光を反射させる。鏡面反射部材113の材料は、可能な限り反射率の高いものであることが望ましい。例えば鏡面反射部材113の材料は、金属である。鏡面反射部材113は、導光板112上に金属膜を蒸着させたり、あるいは金属膜を貼り付けたりすることで形成される。
光線制御部材114は、導光板112の出射側に配置される。すなわち光線制御部材114、導光板112と透過型表示パネル115との間に配置される。光線制御部材114は、導光板112と向かい合う面に、三角形状プリズムの列を有する。これらの三角形状プリズムの形状は、第1の方向に平行な軸を母軸とする三角柱形状である。これらの三角形状プリズムは、第2の方向に配列されている。三角形状プリズムの頂角は、約60度が好ましい。ここで、導光板112から光線制御部材114へ出射してきた光線は、第3の方向へ立ち上がる。導光板112からは全反射条件が破れた角度で光線が出射されるため、この出射光の角度は、第3の方向に対して、60〜70度の角度を有している。三角形状プリズムの頂角を、約60度とすることにより、映像表示装置120を第3の方向から見る時、最も輝度を高くできる。光線制御部材114の、三角形状プリズムが形成された面の反対側の面、つまり出射側の面には、円筒状レンズの列を有する。これらの円筒状レンズは、第1の方向に平行な軸を母軸とする半円柱形状である。これらの円筒状レンズは、第2の方向に配列されている。円筒状レンズは、三角形状プリズムにより第3の方向へ立ち上げられた光を偏向し、正面輝度を向上させる。三角形状プリズムの列と円筒状レンズの列のピッチは、それぞれ等しい。各三角形状プリズムと各円筒状レンズとは、第3の方向の位置が合うように向かい合って配置されることが好ましい。このように三角形状プリズムと円筒状レンズを配置することで、映像表示装置120の表示を第3の方向から観察する場合に、全体的に輝度分布の均一性が向上する。また、三角形状プリズムの列と円筒状レンズの列のピッチを等ピッチとし、かつ各三角形状プリズムと各円筒状レンズの第3の方向の位置をずらしてもよい。このような形態にすれば、第3の方向に対して角度をもった方向から観察する場合に、輝度を最も高くできる。なお、三角形状プリズムの列と円筒状レンズの列のピッチは視認できない程度に小さくすることが望ましい。具体的には、0.1mm以下程度にすることが望ましい。
透過型表示パネル115は、光線制御部材114の出射側に配置される。透過型表示パネル115とは、例えばドットマトリクス表示方式のThin Film Transistor(TFT)透過型液晶パネルである。
上述の導光板112および光線制御部材114の材料は、所定の屈折率を有する透明材料である。透明材料の屈折率は、例えば1.4から1.6程度である。このような透明材料としては、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネイト等の樹脂が挙げられる。本実施の形態では、耐熱性を考慮してポリカーボネイトを用いている。また本実施の形態では、映像表示装置120を、比較的アイボックス600の範囲が限定されるヘッドアップディスプレイ100に用いる。換言すると、映像表示装置120の出射する光は、指向性が比較的高い。したがって、導光板112の材料には、実質的に散乱材を含まない材料を用いる。これにより導光板112の内部では、指向性を持った光線が反射を繰り返しながら導光される。
[1−3.光路の詳細説明]
以下、光源111から出射し、透過型表示パネル115を出射するまでの、光線の光路について説明する。
図3は、本実施の形態における映像表示装置120の断面の模式図である。この断面は、第2の方向と第3の方向とで規定される面であり、すなわちyz断面である。図3の一点鎖線は、光源111からの出射光が、導光板112と光線制御部材114とを介して透過型表示パネル115から出射するまでの光路を示す。
まず、複数の光源111から光が出射する。各光源111から出射した光は導光板112の入射面1121に入射し、導光板112の内部を第2の方向に沿って進む。導光板112の第3の方向の厚みは、入射面1121から第2の方向に離れるほど厚くなっているため、光線とy軸とがなす角θは、光が第2の方向に沿って進むにしたがって小さくなる。したがって、光は、導光板112の外へ漏れることはほとんどなく、第2の方向へ導かれる。
導光板112へ導かれた光は、傾斜面1122aおよび傾斜面1122bで反射し、入射面1121側に向かって導光板112の内部を導かれる。ここで、傾斜面1122aおよび傾斜面1122bとy軸との成す角のうち小さい方の角度が大きくなるに従って、傾斜面1122aおよび傾斜面1122bから反射した反射光の角度θは大きくなる。この角度θが大きくなるほど、傾斜面1122aからの反射光は、導光板112の傾斜面1122aおよび傾斜面1122bの近くから出射面1123を介して取り出され、第3の方向へ導かれる。また、導光板112の形状は、反射光にとっては、進行方向に向かって薄くなる楔形となっている。したがって、傾斜面1122aおよび傾斜面1122bからの反射光の角度θは、反射を繰り返すうちに徐々に大きくなる。よって、この反射光は、徐々に全反射条件を破っていく。すなわち傾斜面1122aおよび傾斜面1122bからの反射光は、徐々に出射面1123から取り出される。その結果、映像表示装置の輝度分布の均一性が増す。
出射面1123から取り出された光線は、光線制御部材114により第3の方向に対する角度を変換され、透過型表示パネル115を透過する。
対向面1124から取り出される光線は、鏡面反射部材113で反射される。そしてその反射光は、出射面1123を通過する。出射面1123を通過した光は、光線制御部材114により第3の方向への角度を変換され、透過型表示パネル115を透過する。
ここで、導光板112の内部での光線の配光分布について説明する。図4は、本実施の形態における導光板112への入射光線を示す模式図である。図4は、導光板112を第3の方向から見た図である。シリンドリカル形状部112aにより、光源111から出射した光線の、第1の方向に広がる角度が偏向される。したがって、入射面1121に入射した光線は、y軸に対し、x軸方向に広がる角度がθ1である配光分布を有する。
他方、図5は、本実施の形態に対する比較例における導光板112への入射光線を示す模式図である。図5は、導光板112を第3の方向から見た図である。この比較例では、入射面1121にシリンドリカル形状部112aを有していない。比較例の場合、光源111からの出射光は光源111からそのまま入射面1121に入射する。入射面1121に入射した光線は、y軸に対し、x軸方向に広がる角度がθ2の配光分布を有する。
本実施の形態では、入射面1121のシリンドリカル形状部112aにより、入射面1121に入射した光のx軸方向に広がる角度が偏向される。したがって、角度θ1は、角度θ2よりも小さくなる。その結果本実施の形態では、第1の方向(x軸方向)に広がる配光分布を狭めることができる。
また図6は、本実施の形態と比較例における配光分布と正面輝度との関係を示すグラフである。本実施の形態において、角度θ1における正面輝度は、ピーク値の半分の値である。また比較例において、角度θ2における正面輝度は、ピーク値の半分の値である。図6に示すように、角度θ1が角度θ2よりも小さいため、本実施の形態の方が比較例よりも配光分布が狭くなる。また本実施の形態の正面輝度のピーク値は、比較例の正面輝度のピーク値よりも高くなることが分かる。
他方、図4、図5に示すように、導光板112の入射面1121付近においては、光の入射しない範囲112nおよび範囲112mが存在する。本実施の形態の範囲112nの面積は、比較例の範囲112mに比べて広い。このため、本実施の形態では、図3に示すとおり、導光板112への入射光を傾斜面1122aおよび傾斜面1122bで反射させ、この反射光を出射面1123から取り出している。導光板112の内部で光が反射を繰り返すことで、配光分布をある程度広げることができる。
[1−4.効果等]
以上のように、本実施の形態のヘッドアップディスプレイ用の映像表示装置120は、照明装置110と、導光板112と、光線制御部材114と、透過型表示パネル115と、を備えている。照明装置110は、複数の光源111を有する。導光板112は、照明装置110からの光が入射し、複数の光源111とそれぞれ対向する複数の凸面112bを含む入射面1121と、入射面1121に交差する方向に配置され、入射面1121から入射した光が出射する出射面1123と、を有する。光線制御部材114は、出射面1123から出射した光の進行方向を制御する。透過型表示パネル115は、光線制御部材114から出射した光を透過させて映像を表示する。
これにより映像表示装置120は、配光分布を狭めることができる。その結果、映像表示装置120を第3の方向から見た場合の正面輝度を向上できる。
また本実施の形態では、各凸面112bは、各光源111とそれぞれ対向する方向に突出して湾曲する。そして各凸面112bの曲率中心の軸は、xy平面に対して垂直である。これにより本実施の形態では、光源111から導光板112内に入射した光の、第2の方向(y軸方向)に対して第1の方向(x軸方向)に広がる配光分布を狭くできる。その結果、映像表示装置120を第3の方向から見た場合の正面輝度を向上できる。
また本実施の形態では、対向面1124が出射面1123に対して傾斜している。さらに対向面1124の少なくとも一部と出射面1123との間隔は、入射面1121から離れる程広い。これにより本実施の形態では、入射面1121から入射した光のy軸方向との成す角度θを徐々に大きくしながら、傾斜面1122aおよび傾斜面1122bへと導光できる。そして傾斜面1122aおよび傾斜面1122bで光を反射させ、さらに導光板112内で反射を繰り返しながら取り出すことができる。導光板112内で光が反射を繰り返すため、配光分布をある程度広げることができる。したがって、導光板112内で、光が広がる光路を十分に確保できる。その結果、映像表示装置120の正面輝度を高めつつ、輝度分布の均一性を向上できる。
また本実施の形態では、傾斜面1122aおよび傾斜面1122bの角度を調整することにより前述の角度θが大きくなるように偏向できる。したがって、傾斜面1122aおよび傾斜面1122bの近傍の出射面1123から光を取り出すことができる。その結果、輝度分布の均一性を向上できる。
また導光板112の形状は楔形であり、反射光にとっては、進行方向に向かって、すなわち傾斜面1122aおよび傾斜面1122bから入射面1121に向かって薄くなっている。したがって、傾斜面1122aおよび傾斜面1122bからの反射光の角度θは、徐々に大きくなる。したがって、この反射光を徐々に出射面1123から取り出すことができる。その結果、映像表示装置120の輝度分布の均一性を向上できる。
以上より本実施の形態では、正面輝度を高めることができ、さらに輝度分布の均一性を向上できる。また映像表示装置120の正面輝度を向上させることで、ヘッドアップディスプレイ100のウインドシールド230に投影される表示の正面輝度を向上できる。また映像表示装置120の輝度分布の均一性を向上させることで、ヘッドアップディスプレイ100のウインドシールド230に投影される表示の輝度分布の均一性を向上できる。
(実施の形態2)
以下、図7〜図9を用いて、実施の形態2を説明する。本実施の形態では、導光板116の形状が実施の形態1と異なる。実施の形態1と同様の構成及び機能を有する部材については、同様の符号を付し、その詳細な説明や同様の効果の記載を省略する場合がある。
[2−1.映像表示装置の構成]
図7は、本実施の形態における映像表示装置の構成を示す模式図である。なお、以下の説明において、(光の)出射側とは図7の上側を意味する。
映像表示装置220は、複数の光源111と、導光板116と、鏡面反射部材113と、光線制御部材114と、透過型表示パネル115と、を備える。光源111は、図1に示す照明装置110に含まれる。映像表示装置220は、図1に示すヘッドアップディスプレイ100に用いられる。
図7に示すように、複数の光源111は、第1の方向(x軸方向)に一列に配列されている。
導光板116は、複数の光源111に対して第2の方向(y軸方向)に並ぶように配置される。導光板116は、光源111からの出射光が漏れない程度に光源111に近接させて配置される。導光板116の表面は、入射面1161と、出射面1163と、対向面1164と、を有する。導光板116は、第1領域1165と、第2領域1166とを有する。第1領域1165は、入射面1161から第2の方向に所定の長さを有する領域である。第1領域1165の、第3の方向(z軸方向)の厚みは、第2の方向の位置に関わらず一定である。第2領域1166は、導光板116の、第1領域1165を除く領域であり、第1領域1165から第2の方向に所定の長さを有する領域である。第2領域1166では、第2の方向に沿って入射面1161から遠ざかるにしたがい、第3の方向の厚みが薄くなる。第2領域1166の形状は、楔形である。
入射面1161は、複数の光源111からの出射光を入射する。入射面1161は、複数の凸面116bを有する。各凸面116bは、各光源111に対向する。それぞれの凸面116bは、第2の方向に突出して湾曲する湾曲面である。それぞれの凸面116bの曲率中心となる軸は、xy平面に垂直である。導光板116の、各凸面116bを有する部分を、それぞれシリンドリカル形状部116aとする。それぞれのシリンドリカル形状部116aの形状は、第3の方向(z軸方向)に平行な軸を母軸とする半円柱形状である。それぞれのシリンドリカル形状部116aのyz断面およびxz断面の形状は、いずれも矩形状である。複数のシリンドリカル形状部116aは、第1の方向に配列されている。各シリンドリカル形状部116aは、導光板116と一体に形成されている。
出射面1163は、入射面1161に交差する方向に配置される。出射面1163からは、入射面1161から入射した光が出射する。出射面1163は、第1の方向と、第1の方向と直交する第2の方向とで規定される面である。
なお、出射面1163は、レンチキュラーレンズ形状部を有することが好ましい。レンチキュラーレンズ形状部は、複数のシリンドリカル形状部からなる。シリンドリカル形状部の配列方向は、第1領域1165と第2領域1166とで異なる事が好ましい。第1領域1165では、各シリンドリカル形状部の母軸は第1の方向に平行であることが好ましい。第1領域1165のシリンドリカル形状部は、第2の方向に配列されることが好ましい。これにより、第1の方向に平行で、第2の方向へ並んだ縞状の輝度むらを軽減できる。また、第2領域1166では、各シリンドリカル形状部の母軸は第2の方向に平行であることが好ましい。第2領域1166のシリンドリカル形状部は、第1の方向に配列されることが好ましい。これにより、第2の方向に平行で、第1の方向へ並んだ縞状の輝度むらを軽減できる。
対向面1164は、出射面1163に対向する。第1領域1165では、対向面1164と出射面1163とは平行である。第2領域1166では、対向面1164は出射面1163に対して傾斜している。対向面1164と出射面1163の第3の方向の間隔は、入射面1161から離れる程狭い。
なお、第1領域1165の対向面1164は、複数のプリズム形状部を有することが好ましい。第1領域1165のプリズム形状部の母軸は、第1の方向に平行であることが好ましい。また第1領域1165のプリズム形状部は、第2の方向に配列されることが好ましい。これにより、第2の方向に対する光線の角度(図8に示す角度θ)を大きくすることができる。したがって、光源111付近の出射面1163から光を取り出すことができる。
また、第2領域1166の対向面1164も、複数のプリズム形状部を有することが好ましい。第2領域1166のプリズム形状部の母軸は、第1の方向に平行であることが好ましい。また第2領域1166のプリズム形状部は、第2の方向に配列されることが好ましい。これにより、第2の方向に対する光線の角度(図8に示す角度θ)を大きくすることができる。したがって、導光板116の第2領域1166での光の取り出し効率を向上できる。
なお、対向面1164のプリズム形状部によって、光線が第3の方向へ立ち上げられる。したがって入射面1161の近傍では、第1の方向に平行な縞状のむらが発生することがある。しかし本実施の形態では、第1領域1165の出射面1163に第1の方向に平行なシリンドリカル形状部を有する。したがって、第1の方向に平行な縞状の輝度むらを低減できる。
鏡面反射部材113は、導光板116の、出射面1163の反対側の面、すなわち対向面1164側に配置される。
光線制御部材114は、導光板116の出射側に配置される。すなわち、導光板116と透過型表示パネル115との間に配置される。本実施の形態では、光線制御部材114は、導光板116の第2領域1166の上に配置される。光線制御部材114は、第1領域1165の上には配置されていない。光線制御部材114は、導光板116と向かい合う面に、三角形状プリズムの列を有する。これらの三角形状プリズムの形状は、第1の方向を母軸とする三角柱形状である。これらの三角形状プリズムは、第2の方向に配列される。光線制御部材114の、三角形状プリズムが形成された面の反対側の面、つまり出射側の面には、円筒状レンズの列を有する。円筒状レンズの形状は、第1の方向を母軸とする半円柱形状である。これらの円筒状レンズは、第2の方向に配列されている。円筒状レンズの列は、三角形状プリズム列と平行である。
透過型表示パネル115は、光線制御部材114の出射側に配置される。すなわち、透過型表示パネル115は、光線制御部材114を介して第2領域1166の上に配置されている。透過型表示パネル115は、第1領域1165の上には配置されていない。
[2−2.光路の詳細説明]
以下、本実施の形態の光路について説明する。図8は、本実施の形態における映像表示装置220の断面(yz断面)の模式図である。図8の一点鎖線は、光源111からの出射光が、導光板116と光線制御部材114とを介して透過型表示パネル115から出射するまでの光路を示す。
まず、複数の光源111から光が出射する。各光源111から出射した光は導光板116の入射面1161に入射し、第2の方向に沿って進む。ここで、図8に示すyz平面において、光線とy軸とがなす角のうち小さい方の角度を角度θとする。第1領域1165では、光は、対向面1164に形成されたプリズム形状部により角度θを大きくしながら導かれる。これにより、透過型表示パネル115の光源111付近から光を取り出すことができる。また、第2領域1166では、出射面1163と対向面1164との第3の方向の間隔が、入射面1161から第2の方向に離れるほど狭くなる。したがって、入射面1161から第2の方向に離れるにしたがって、徐々に角度θは大きくなる。さらに導光板116に導かれた光は、対向面1164に形成されたプリズム形状部により、角度θが大きくなるように偏向される。このように、光は、導光板116の内部で、徐々に角度θを大きくしながら第2の方向へ導かれる。これにより、光を出射面1163から徐々に取り出すことができる。その結果、映像表示装置220の輝度分布の均一性が増す。
出射面1163から取り出された光線は、光線制御部材114により第3の方向に対する角度を変換され、透過型表示パネル115を透過する。
また対向面1164から取り出される光線は、鏡面反射部材113で反射する。そしてその反射光は、出射面1163を通過する。出射面1163を通過した光は、光線制御部材114により第3の方向への角度を変換され、透過型表示パネル115を透過する。
ここで、導光板116内での光線の配光分布について説明する。図9は、本実施の形態における導光板116への入射光線を示す模式図である。図9は、導光板116を第3の方向から見た図である。
本実施の形態では、入射面1161のシリンドリカル形状部116aにより、光源111からの出射光の、第1の方向に広がる角度が偏向される。そして入射面1161に入射した光線は、角度θ1を有する配光分布となる。したがって、第1の方向に広がる光の配光分布を狭くできる。
また、導光板116の入射面1161に近い側には、第3の方向の厚みが一定である第1領域1165を有する。したがって、第1領域1165で光を十分に広げることができる。
[2−4.効果等]
本実施の形態では、入射面1161に設けたシリンドリカル形状部116aにより、第1の方向に広がる光の配光分布を狭くできる。その結果、映像表示装置220を第3の方向から見た時の正面輝度を向上できる。
また本実施の形態では、複数の凸面116bは、複数の光源111とそれぞれ対向する方向に突出して湾曲する湾曲面である。そしてそれぞれの凸面116bの曲率中心となる軸は、出射面1163に垂直である。これにより本実施の形態では、光源111から導光板116内に入射した光の、第2の方向に対して第1の方向に広がる配光分布を狭くできる。その結果、映像表示装置220を第3の方向から見た場合の正面輝度を向上できる。
また本実施の形態では、導光板116の第2領域1166では、出射面1163と対向面1164との第3の方向の間隔が、入射面1161から離れる程狭い。これにより導光板116に導入された光の、y軸に対する角度θを徐々に大きくできる。したがって、光を出射面1163から徐々に取り出すことができる。その結果、映像表示装置220の輝度分布の均一性が増す。
さらに本実施の形態では、入射面1161の近傍に、出射面1163と対向面1164とがほぼ平行な第1領域1165を有する。これにより第1領域1165で光を十分に拡散することができる。したがって、透過型表示パネル115の光源111付近においても、輝度むらを低減できる。
また本実施の形態では、光線制御部材114および透過型表示パネル115は、第2領域1166の上に設けられている。そして第2領域1166の出射面1163を透過した光を透過型表示パネル115に入射させている。すなわち、導光板116の第1領域1165の内部で十分に拡散させた光を第2領域1165の出射面1163から徐々に取り出し、透過型表示パネル115に入射させている。したがって、映像表示装置220の輝度分布の均一性を向上できる。
以上より本実施の形態では、映像表示装置220の正面輝度を高め、さらに輝度分布の均一性を向上できる。
また映像表示装置220の正面輝度を向上させることで、ヘッドアップディスプレイ100のウインドシールド230に投影される表示の正面輝度を向上できる。また映像表示装置220の輝度分布の均一性を向上させることで、ヘッドアップディスプレイ100のウインドシールド230に投影される表示の輝度分布の均一性を向上できる。
なお、本実施の形態では、第2領域1166の上に光線制御部材114および透過型表示パネル115を配置し、第1領域1165の上には配置していない。しかし、たとえば第1領域1165の一部であって、第2領域1166側(入射面1161と反対側)の領域の上にも光線制御部材114および透過型表示パネル115を配置してもよい。第1領域1165であっても、第2領域1165に近づくにつれて、光が充分に拡散していく。したがって、この領域の出射面1163から光を取り出せば、輝度分布の均一性を向上できる。
(実施の形態3)
以下、図10、図11A、図11Bを用いて、実施の形態3を説明する。実施の形態3の映像表示装置320は、実施の形態1の構成に加えて、偏光回転部材117と、偏光反射部材118と、光線偏向部材119と、を備えている。実施の形態1と同様の構成及び機能を有する部材については、同様の符号を付し、その詳細な説明や同様の効果の記載を省略する場合がある。
[3−1.映像表示装置の構成]
図10は、本実施の形態における映像表示装置320の構成を示す模式図である。なお、以下の説明において、(光の)出射側とは図10の上側を意味する。
映像表示装置320は、複数の光源111と、導光板112と、鏡面反射部材113と、偏光回転部材117と、偏光反射部材118と、光線制御部材114と、光線偏向部材119と、透過型表示パネル115と、を備える。光源111は、図1に示す照明装置110に含まれる。映像表示装置320は、図1に示すヘッドアップディスプレイ100に用いられる。
図10に示すように、複数の光源111は、第1の方向(x軸方向)に一列に配列されている。
導光板112は、複数の光源111に対して第2の方向(y軸方向)に並ぶように配置される。導光板112の表面は、入射面1121と、傾斜面1122aおよび傾斜面1122bと、出射面1123と、対向面1124と、を有する。
入射面1121は、複数の光源111からの出射光を入射する。入射面1121は、複数の凸面112bを有する。各凸面112bは、各光源111に対向する。導光板116の、各凸面112bを有する部分を、それぞれシリンドリカル形状部112aという。
出射面1123は、入射面1121に交差する方向に配置される。出射面1123からは、入射面1121から入射した光が出射する。出射面1123は、第1の方向と、第2の方向とで規定される面である。
対向面1124は、出射面1123に対向する。対向面1124と出射面1123の第3の方向の間隔は、入射面1121から離れる程広くなる。したがって、導光板112のyz断面の形状は、楔形である。
鏡面反射部材113は、対向面1124上と、傾斜面1122a上および傾斜面1122b上に配置される。
偏光回転部材117は、出射面1123に対向する。偏光回転部材117は、偏光反射部材118からの光を回転させ、第3の方向へ導く。本実施の形態では、偏光回転部材117は、偏光反射部材118からの光を90度回転させる。偏光回転部材117としては、1/4波長板が挙げられる。偏光回転部材117は、偏光を回転させることができれば、その他の材料で構成されてもよい。例えば、偏光回転部材117は、複屈折性を示す透明フィルムでもよい。
偏光反射部材118は、偏光回転部材117の出射側に配置される。すなわち偏光反射部材118は、偏光回転部材117と光線制御部材114との間に配置される。偏光反射部材118は、透過型表示パネル115を透過する偏光を透過し、透過型表示パネル115を透過する偏光と垂直な偏光を反射する。偏光反射部材118で反射された光を、前述の偏光回転部材で90度回転させれば、効率よく光線制御部材114へ光を導くことができる。偏光反射部材118は偏光回転部材117と貼り合わせてもよい。
光線偏向部材119は、光線制御部材114の出射側に配置される。
光線偏向部材119は、映像表示装置320を観察する位置に合わせて光線偏向部材119の各位置での光線の出射方向を変える機能を有する。例えば、図1のように映像表示装置320をヘッドアップディスプレイ100に適用する場合、アイボックス600に入射する光線は、図11A及び図11Bのように表される。なお、アイボックス600とは、反射光学ユニット130やウインドシールド230を含む虚像光学系500を介して虚像の見える範囲である。図11A及び図11Bに示すように、透過型表示パネル115からの出射光の出射角度は透過型表示パネル115の中央部と端部で異ならせることが求められる。透過型表示パネル115の端部では、透過型表示パネル115に対して外向きに出射することが必要である。ここで、図11Aでは、出射光の、透過型表示パネル115の中央部からの出射角度をα1とし、端部からの出射角度をα2とする。出射角度α2を出射角度α1と異ならせるように、光線偏向部材119で角度を調整できる。この場合、光線偏向部材119としては、凹レンズを用いることが望ましい。
光線制御部材114は、偏光反射部材118の出射側に配置される。すなわち光線制御部材114は、偏光反射部材118と光線偏向部材119との間に配置される。
光線制御部材114は、偏光反射部材118と向かい合う面に、三角形状プリズムの列を有する。各三角形状プリズムの母軸は、第1の方向に平行である。これらの三角形状プリズムは、第2の方向に配列されている。光線制御部材114は、出射側の面に、円筒レンズの列を有する。各円筒レンズの母軸は、第1の方向に平行である。これらの円筒レンズは、第2の方向に配列されている。円筒レンズの列と三角形状プリズムの列とは平行である。
透過型表示パネル115は、光線偏向部材119の出射側に配置される。
なお、映像表示装置320をヘッドアップディスプレイに適用した際の透過型表示パネル115からの出射光の光路を、図11Aおよび図11Bに示す。図11Aに示す光路は、透過型表示パネル115の長辺側の断面(xz断面)から見た光路である。図11Bに示す光路は、透過型表示パネルの短辺側の断面(yz断面)から見た光路である。
図11A及び図11Bに示すように、透過型表示パネル115からの出射光の配光角は異なり、長辺方向の配光角β1の方が短辺方向の配光角β2より大きい。本実施の形態においては、第2の方向(y軸方向)に広がる配光角β2の方が第1の方向(x軸方向)に広がる配光角β1より小さくすることが容易である。したがって、第1の方向に透過型表示パネル115の長辺方向が対応するように透過型表示パネル115を配置することが望ましい。
[3−2.効果等]
本実施の形態では、偏光回転部材117および偏光反射部材118を用いることで、光源111からの出射光を効率よく利用できる。
また光線制御部114と透過型表示パネル115との間に、光線偏向部材119を配置することで、アイボックス600を所望の範囲に設定できる。
(他の実施の形態)
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態1〜3を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、実施の形態1〜3で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
上記の実施の形態では、透過型表示パネル115としてTFT透過型液晶パネルを例示したが、透過型の表示装置であれば他の表示素子を用いることもできる。
上記の実施の形態では、光線偏向部材119として凹レンズを示したが、フレネルレンズを用いることも可能である。これにより、レンズの薄型化が達成できる。
上記の実施の形態では、導光板112あるいは導光板116と透過型表示パネル115とが平行になるように配置されているが、傾けて配置することもできる。
上記の実施の形態3では、偏光回転部材117を、導光板112と偏光反射部材118との間に配置したが、導光板112と鏡面反射部材113との間に配置してもよい。
上記の実施の形態では、光源111としてLEDを例示したが、レーザーダイオードや有機発光ダイオードなどを用いることもできる。
本実施の形態のヘッドアップディスプレイ100が搭載される移動体は、自動車の車両に限られず、鉄道車両、バイク、航空機、ヘリコプター、船舶、及びその他の人を搬送する各種の装置を含む。
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、前記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
本開示は、映像表示装置に適用可能である。具体的には、ヘッドアップディスプレイに本開示は適用可能である。
100 ヘッドアップディスプレイ
110 照明装置(照明部)
111 光源
112,116 導光板
112a,116a シリンドリカル形状部
112b,116b 凸面
1121,1161 入射面
1122a,1122b 傾斜面
1123,1163 出射面
1124,1164 対向面
1165 第1領域
1166 第2領域
113 鏡面反射部材(反射部材)
114 光線制御部材(光線制御部)
115 透過型表示パネル(表示部)
117 偏光回転部材
118 偏光反射部材
119 光線偏向部材
120,220,320 映像表示装置
130 反射光学ユニット
131 第1ミラー
132 第2ミラー
140 筐体
141 開口
200 車両
230 ウインドシールド
300 観察者
400 虚像
500 虚像光学系
600 アイボックス

Claims (9)

  1. ヘッドアップディスプレイに用いられる映像表示装置であって、
    複数の光源が第1の方向に配列されて構成される照明部と、
    前記照明部からの光が入射して、前記複数の光源とそれぞれ対向する複数の凸面を含む入射面と、前記入射面に交差する方向に配置されて、前記入射面から入射した光が出射する出射面と、前記出射面に対向する対向面と、を有する導光板と、
    前記出射面の一部を覆うように配置され、前記出射面から出射した光の進行方向を制御する光線制御部と、
    記光線制御部から出射した光を透過させて映像を表示する表示部と、を備え、
    少なくとも前記対向面の一部であって、前記出射面のうち、前記光線制御部が配置されていない出射面に対向する前記対向面の一部には、前記光源からの光を前記出射面側へ立ち上げる複数のプリズム形状部が設けられ、
    前記出射面の一部であって、前記光線制御部が配置されていない出射面には、レンチキュラーレンズアレイが設けられ、
    前記レンチキュラーレンズアレイは、前記第1の方向と直交する第2の方向に配列され、
    前記光線制御部と前記表示部との間には、凹レンズを備える、
    映像表示装置。
  2. 前記出射面の一部であって、前記光線制御部が配置されている出射面には、前記第1の方向に配列されたレンチキュラーレンズアレイが設けられ、
    前記光線制御部が配置されている出射面及び前記光線制御部が配置されていない出射面に設けられたレンチキュラーレンズアレイは、それぞれ複数のシリンドリカル形状部を有し、
    前記複数のシリンドリカル形状部のうち、前記光線制御部が配置されていない出射面に設けられている複数のシリンドリカル形状部のそれぞれの母軸は、前記第1の方向に平行であり、
    前記複数のシリンドリカル形状部のうち、前記光線制御部が配置されている出射面に設けられている複数のシリンドリカル形状部のそれぞれの母軸は、前記第2の方向に平行である、
    請求項1に記載の映像表示装置。
  3. 前記複数のプリズム形状部のそれぞれの母軸は、前記第1の方向に平行であり、
    前記複数のプリズム形状部は、前記第2の方向に配列される、
    請求項1又は2に記載の映像表示装置。
  4. 前記複数の凸面は、前記複数の光源とそれぞれ対向する方向に突出して湾曲し、
    それぞれの前記複数の凸面の曲率中心となる軸は、前記出射面に垂直である、
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の映像表示装置。
  5. 前記対向面の少なくとも一部は、前記出射面に対して傾斜している、
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の映像表示装置。
  6. 前記導光板は、前記対向面の側に配置された反射部材を有する、
    請求項に記載の映像表示装置。
  7. 前記対向面の少なくとも一部と前記出射面との間隔は、前記入射面から離れる程狭い、
    請求項に記載の映像表示装置。
  8. 前記対向面の一部であって、前記出射面のうち、前記光線制御部が配置されていない出射面に対向する前記対向面の一部は、前記出射面とほぼ平行であり、前記対向面の一部であって、前記出射面のうち、前記光線制御部が配置されている出射面に対向する前記対向面の一部は、前記出射面に対して傾斜している、
    請求項に記載の映像表示装置。
  9. 複数の光源が第1の方向に配列されて構成される照明部と、
    前記照明部からの光が入射して、前記複数の光源とそれぞれ対向する複数の凸面を含む入射面と、前記入射面に交差する方向に配置されて、前記入射面から入射した光が出射する出射面と、前記出射面に対向する対向面と、を有する導光板と、
    前記出射面の一部を覆うように配置され、前記出射面から出射した光の進行方向を制御する光線制御部と、
    前記光線制御部から出射した光を透過させて映像を表示する表示部と、を有し、
    少なくとも前記対向面の一部であって、前記出射面のうち、前記光線制御部が配置されていない出射面に対向する前記対向面の一部には、前記光源からの光を前記出射面側へ立ち上げる複数のプリズム形状部が設けられており、
    少なくとも前記出射面の一部であって、前記光線制御部が配置されていない出射面には、レンチキュラーレンズアレイが設けられ、
    前記レンチキュラーレンズアレイは、前記第1の方向と直交する第2の方向に配列され、
    前記光線制御部と前記表示部との間には、凹レンズを有する、映像表示装置と、
    前記映像表示装置から出射した光を反射させる反射光学ユニットと、を備え、
    前記反射光学ユニットから出射した光を、透明部材を介して観察者のアイボックスに導入させて、前記観察者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ。
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