以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において同一部には原則として同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、ある図において符号を付して説明した部位について、他の図の説明の際に再度の図示をせずに同一の符号で言及する場合がある。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In principle, the same parts are designated by the same reference numerals in all the drawings for explaining the embodiments, and the repeated description thereof will be omitted. Further, the parts described with reference numerals in one figure may be referred to by the same reference numerals without being shown again in the explanation of other figures.
(実施の形態1)
図1~図25を用いて、本発明の一実施の形態(実施の形態1とする)の光源装置等について説明する。
(Embodiment 1)
A light source device and the like according to an embodiment of the present invention (referred to as the first embodiment) will be described with reference to FIGS. 1 to 25.
[1-1:HUD装置]
図1は、以下に詳述する本発明の実施例(実施の形態1)に係る光源装置を、一例としてHUD装置1に適用した例を示す展開斜視図である。本発明の実施例に係る光源装置を含む映像表示装置30は、その筐体である外装ケース155の一部に取り付けられ、当該ケースの内部には、凹面ミラー141および歪み補正レンズ143等が収納されている。そして、上部外装ケース151の上面には、映像光がウィンドシールド(図示せず)に向かって投射される開口部が形成されており、当該開口部は防眩板152(グレアトラップ)によって覆われている。また、凹面ミラー駆動部142は、上記凹面ミラー141の位置を調整するための電動モータ等により構成される。
[1-1: HUD device]
FIG. 1 is a developed perspective view showing an example in which the light source device according to the embodiment (Embodiment 1) of the present invention described in detail below is applied to the HUD device 1 as an example. The image display device 30 including the light source device according to the embodiment of the present invention is attached to a part of the outer case 155 which is the housing thereof, and the concave mirror 141, the distortion correction lens 143, and the like are housed inside the case. Has been done. An opening is formed on the upper surface of the upper exterior case 151 to project the image light toward the windshield (not shown), and the opening is covered with the antiglare plate 152 (glare trap). ing. Further, the concave mirror drive unit 142 is configured by an electric motor or the like for adjusting the position of the concave mirror 141.
かかる構成のHUD装置1では、上記映像表示装置30から出射した映像光は、表示距離調整機構やミラー駆動部を介して車両のウィンドシールドに投射されることは、当業者であれば明らかであろう。また、凹面ミラー141の角度を調整することで、映像をウィンドシールドに投射する位置を調整することにより、運転者が見る虚像の表示位置を上下方向に調整可能としてもよい。なお、虚像として表示する内容は特に限定されず、例えば、車両情報やナビゲーション情報、図示しないカメラ映像(監視カメラやアラウンドビュアー等)で撮影した前方の風景の映像等を適宜表示することができる。
It is obvious to those skilled in the art that in the HUD device 1 having such a configuration, the image light emitted from the image display device 30 is projected onto the windshield of the vehicle via the display distance adjusting mechanism and the mirror drive unit. Let's do it. Further, by adjusting the angle of the concave mirror 141, the position of projecting the image onto the windshield may be adjusted so that the display position of the virtual image seen by the driver can be adjusted in the vertical direction. The content to be displayed as a virtual image is not particularly limited, and for example, vehicle information, navigation information, an image of a landscape in front taken by a camera image (surveillance camera, around viewer, etc.) not shown can be appropriately displayed.
[1-2:映像表示装置]
続いて、上述した映像表示装置30について、図2を用いて以下に詳細に説明する。映像表示装置30は、例えば、プラスチック等により形成された光源装置ケース11の内部に、後にも詳述するLED素子、コリメータ、合成拡散ブロック、導光体等を収納して構成されている。また、映像表示装置30の上面には、液晶表示素子(LCD)50が取り付けられており、その一の側面には、半導体光源であるLED素子やその制御回路を実装したLED基板12が取り付けられている。更に、当該LED基板12の外側面には、上記LED素子および制御回路で発生する熱を冷却するためのヒートシンク(放熱フィン)13が取り付けられている。
[1-2: Video display device]
Subsequently, the above-mentioned video display device 30 will be described in detail below with reference to FIG. The image display device 30 is configured by, for example, accommodating an LED element, a collimator, a synthetic diffusion block, a light guide body, and the like, which will be described in detail later, inside a light source device case 11 made of plastic or the like. A liquid crystal display element (LCD) 50 is attached to the upper surface of the image display device 30, and an LED element which is a semiconductor light source and an LED substrate 12 on which a control circuit thereof is mounted are attached to one side surface thereof. ing. Further, a heat sink (radiating fin) 13 for cooling the heat generated by the LED element and the control circuit is attached to the outer surface of the LED substrate 12.
また、上述した映像表示装置30では、光源装置ケース11の上面に取り付けられた液晶表示素子50は、液晶表示パネルフレーム51と、当該液晶表示パネルフレーム51に取り付けられた液晶表示パネル52と、更に、当該液晶表示パネル52に電気的に接続されたフレキシブル配線基板(FPC)53とから構成されている。
Further, in the above-mentioned video display device 30, the liquid crystal display element 50 attached to the upper surface of the light source device case 11 includes a liquid crystal display panel frame 51, a liquid crystal display panel 52 attached to the liquid crystal display panel frame 51, and further. It is composed of a flexible wiring board (FPC) 53 electrically connected to the liquid crystal display panel 52.
なお、以上の説明からも明らかなように、例えば、HUD装置の場合には、車両のダッシュボードと言う狭小な空間内へ組み込まれるという事情から、HUD装置1を構成する本発明の実施例に係る光源装置を含む映像表示装置30に対しては、特に、モジュール化により小型でかつ高効率であり、好適に利用可能であることが好ましい。
As is clear from the above description, for example, in the case of a HUD device, since it is incorporated in a narrow space called a dashboard of a vehicle, the embodiment of the present invention constituting the HUD device 1 is used. For the image display device 30 including the light source device, it is particularly preferable that the image display device 30 is small in size and highly efficient due to modularization, and can be suitably used.
[1-3:光学系]
図3には、上記映像表示装置30の内部、すなわち、光源装置のケース11内に収納されている光学系の一例として、偏光機能を備えた光学系の構成を示す。すなわち、本発明の実施例に係る光源を構成する複数(本例では2個)のLED素子14a,14bが、LEDコリメータ15に対して所定の位置に取り付けられている。
[1-3: Optical system]
FIG. 3 shows the configuration of an optical system having a polarization function as an example of an optical system housed inside the image display device 30, that is, in the case 11 of the light source device. That is, a plurality of (two in this example) LED elements 14a and 14b constituting the light source according to the embodiment of the present invention are attached to the LED collimator 15 at a predetermined position.
なお、当該LEDコリメータ15の光の出射側には、詳細は後述するが、LEDコリメータ15の中心軸に対して、左右対称に配置された偏光ビームスプリッタ(Polarizing Beam Splitter:PBS)、および位相板等の光学部材からなる偏光変換素子21が設けられている。更に、当該偏光変換素子21の出射側には、矩形状の合成拡散ブロック16が設けられている。すなわち、LED素子14aまたはLED素子14bから射出された光は、LEDコリメータ15の働きにより平行光となって偏光変換素子21へ入射し、偏光変換素子21により所望の偏光光に変換された後、合成拡散ブロック16へ入射する。
Although details will be described later, the light emitting side of the LED collimator 15 has a polarization beam splitter (PBS) and a phase plate arranged symmetrically with respect to the central axis of the LED collimator 15. A polarization conversion element 21 made of an optical member such as the above is provided. Further, a rectangular synthetic diffusion block 16 is provided on the emission side of the polarization conversion element 21. That is, the light emitted from the LED element 14a or the LED element 14b becomes parallel light by the action of the LED collimator 15 and enters the polarization conversion element 21, and after being converted into the desired polarized light by the polarization conversion element 21, the light is converted into the desired polarized light. It is incident on the synthetic diffusion block 16.
更に、上記合成拡散ブロック16の出射面側には、一例を示すと、図3にも示すように、第1の拡散板18aを介して、断面略三角形の導光体17が設けられており、その上面には、第2の拡散板18bが取り付けられている。これにより、上記LEDコリメータ15の水平光は、当該導光体17の働きにより図面の上方に反射され、上記液晶表示素子50の入射面に導かれる。なお、その際、上記第1の拡散板18aおよび第2の拡散板18bによって、その強度が均一化される。
Further, as shown in FIG. 3, a light guide body 17 having a substantially triangular cross section is provided on the emission surface side of the synthetic diffusion block 16 via the first diffusion plate 18a, as shown in FIG. 3, for example. A second diffuser plate 18b is attached to the upper surface thereof. As a result, the horizontal light of the LED collimator 15 is reflected upward in the drawing by the action of the light guide body 17 and is guided to the incident surface of the liquid crystal display element 50. At that time, the strength is made uniform by the first diffusion plate 18a and the second diffusion plate 18b.
続いて、上述した本発明の実施例に係る光源装置を構成する主要な部品について、その各部の詳細を含めて以下に説明する。
Subsequently, the main parts constituting the light source device according to the embodiment of the present invention described above will be described below including the details of each part.
[1-4:LED素子、LEDコリメータ]
図4にも示すように、本発明の実施例に係る光源装置は、LED基板12上に形成された、単数または複数の半導体発光素子であるLED素子14(14a,14b)と、当該LED素子14の発光面に対向して配置されたLEDコリメータ15とから構成されている。なお、LEDコリメータ15は、例えば、ポリカーボネート等の耐熱性が優れ、かつ透光性の樹脂により形成されており、図4にも示すように、LED基板12上において、LED素子14を中心としてその周囲を取り囲むように形成されている。より具体的には、LEDコリメータ15は、略放物断面を回転して得られる円錐形状の外周面156を有すると共に、光の入射側であるその頂部には、所定の湾曲面を有する凹部153が形成されており、その略中央部にLED素子14(14a,14b)が配置される。なお、LEDコリメータ15の円錐形状の外周面156を形成する放物面(リフレクター部)は、凹部153の湾曲面と共に、LED素子14(14a,14b)から周辺方向に出射して凹部153内の空気を通って当該LEDコリメータ15の内部に入射する光が、当該放物面において全反射する角度の範囲内で入射するように設定されている。このように、放物面における全反射を利用することによれば、LEDコリメータ15の外周面156に金属の反射膜を形成する等の工程を必要としないことから、装置をより安価に製造することが可能となる。
[1-4: LED element, LED collimator]
As shown in FIG. 4, the light source device according to the embodiment of the present invention includes an LED element 14 (14a, 14b) formed on the LED substrate 12, which is a single or a plurality of semiconductor light emitting elements, and the LED element. It is composed of an LED collimator 15 arranged so as to face the light emitting surface of 14. The LED collimator 15 is made of a translucent resin having excellent heat resistance such as polycarbonate, and as shown in FIG. 4, the LED collimator 15 is centered on the LED element 14 on the LED substrate 12. It is formed so as to surround the surroundings. More specifically, the LED collimator 15 has a conical outer peripheral surface 156 obtained by rotating a substantially parabolic cross section, and a recess 153 having a predetermined curved surface at the top thereof on the incident side of light. Is formed, and the LED elements 14 (14a, 14b) are arranged in a substantially central portion thereof. The parabolic surface (reflector portion) forming the conical outer peripheral surface 156 of the LED collimator 15 is emitted from the LED element 14 (14a, 14b) in the peripheral direction together with the curved surface of the concave portion 153, and is inside the concave portion 153. The light that passes through the air and enters the inside of the LED collimator 15 is set to be incident within the range of the angle that is totally reflected on the paraboloid. As described above, by utilizing the total reflection on the paraboloid, the apparatus is manufactured at a lower cost because a step such as forming a metal reflection film on the outer peripheral surface 156 of the LED collimator 15 is not required. It becomes possible.
また、LEDコリメータ15の凹部153の中央部には、所定の湾曲面を有する入射面(レンズ面)157が形成されており、対向する面(出射面)154に形成された凸状部(レンズ面)158と共に、いわゆる、集光作用を有する凸レンズを形成している。なお、この凸状部158は、平面または内側に凹んだ凹状のレンズ面として形成してもよい。すなわち、LEDコリメータ15は、その円錐形状の外形の中央部には、LEDコリメータ15からの発光を出射面側に集める集光レンズの機能を有すると共に、その外周面156(リフレクター部)においても、同様に、LED素子14(14a,14b)から周辺方向に出射する光を集光して出射面側に導く機能を有している。
Further, an incident surface (lens surface) 157 having a predetermined curved surface is formed in the central portion of the concave portion 153 of the LED collimator 15, and a convex portion (lens) formed on the facing surface (exit surface) 154. Surface) Together with 158, a so-called convex lens having a light-collecting action is formed. The convex portion 158 may be formed as a flat surface or a concave lens surface recessed inward. That is, the LED collimator 15 has a function of a condenser lens that collects light emitted from the LED collimator 15 on the emission surface side in the central portion of the outer shape of the cone, and also has an outer peripheral surface 156 (reflector portion) thereof. Similarly, it has a function of condensing the light emitted from the LED element 14 (14a, 14b) in the peripheral direction and guiding it to the emission surface side.
なお、上記LED基板12は、図4にも示すように、LEDコリメータ15に対して、その表面上のLED素子14(14a,14b)が、それぞれ、その凹部153の中央部に位置するように配置されて固定される。
As shown in FIG. 4, the LED substrate 12 has the LED elements 14 (14a, 14b) on the surface of the LED collimator 15 located at the center of the recess 153, respectively. Placed and fixed.
かかる構成によれば、LED素子14(14a,14b)から放射される光のうち、特に、その中央部分から出射光軸(図面の右方向)に向かって放射される光は、上述したLEDコリメータ15により、図面に矢印で示すように、LEDコリメータ15の外形を形成する2つの凸レンズ面157,158により集光されて平行光となり、また、その他の部分から周辺方向に向かって放射される光は、LEDコリメータ15の円錐形状の外周面(リフレクター部)156を形成する放物面によって反射され、同様に、集光されて平行光となる。換言すれば、その中央部に凸レンズを構成すると共に、その周辺部に放物面を形成したLEDコリメータ15によれば、LED素子14(14a,14b)により発生された光のほぼ全てを平行光として取り出すことが可能となり、発生した光の利用効率を向上することが可能となる。
According to this configuration, among the light radiated from the LED element 14 (14a, 14b), the light radiated from the central portion thereof toward the emission optical axis (to the right in the drawing) is the above-mentioned LED collimator. 15 causes parallel light to be condensed by the two convex lens surfaces 157 and 158 forming the outer shape of the LED collimator 15, as shown by an arrow in the drawing, and light radiated from other parts toward the periphery. Is reflected by the radial surface forming the conical outer peripheral surface (reflector portion) 156 of the LED collimator 15, and is similarly condensed into parallel light. In other words, according to the LED collimator 15 in which a convex lens is formed in the central portion thereof and a paraboloid is formed in the peripheral portion thereof, almost all of the light generated by the LED element 14 (14a, 14b) is parallel light. It is possible to take out the light as an LED, and it is possible to improve the utilization efficiency of the generated light.
また、本実施例では、当該LEDコリメータ15の光の出射側には、偏光ビームスプリッタ、および位相板等の光学部材からなる偏光変換素子21が設けられており、これらの素子は、図面からも明らかなように、LEDコリメータ15の中心軸(図面の一点鎖線を参照)に対して、左右対称に配置されている。更に、偏光変換素子21の出射側には、矩形状の合成拡散ブロック16が設けられている。すなわち、LED素子14aまたはLED素子14bから射出された光は、LEDコリメータ15の働きにより平行光となって合成拡散ブロック16へ入射する。
Further, in this embodiment, a polarization conversion element 21 composed of a polarizing beam splitter and an optical member such as a phase plate is provided on the light emitting side of the LED collimator 15, and these elements are also shown in the drawings. As is clear, they are arranged symmetrically with respect to the central axis of the LED collimator 15 (see the alternate long and short dash line in the drawing). Further, a rectangular synthetic diffusion block 16 is provided on the emission side of the polarization conversion element 21. That is, the light emitted from the LED element 14a or the LED element 14b becomes parallel light by the action of the LED collimator 15 and is incident on the synthetic diffusion block 16.
[1-5:比較例]
このように、本構成によれば、図5の比較例との比較からも明らかなように、より薄型で、かつ、材料使用量の低減により低コスト化を実現し、光源装置の小型化を可能にする。偏光変換素子の薄型化は、PBS膜で反射した光束と透過した光束の光路長差の増大を防止することから、光路長差による両者の光束形状の差が発生し難いため、特に、複数の光源およびLEDコリメータを用いた系においては、光束形状の違いを要因とする輝度分布の不均一性の解消に有効である。
[1-5: Comparative example]
As described above, according to this configuration, as is clear from the comparison with the comparative example of FIG. 5, it is thinner and the cost is reduced by reducing the amount of material used, and the light source device is downsized. to enable. Since the thinning of the polarization conversion element prevents an increase in the optical path length difference between the light flux reflected by the PBS film and the light flux transmitted, it is difficult for the difference in the luminous flux shape between the two due to the difference in the optical path length to occur. In a system using a light source and an LED collimator, it is effective in eliminating the non-uniformity of the luminance distribution caused by the difference in the shape of the luminous flux.
[1-6:光学系]
更に、図6は、上記映像表示装置30の内部、すなわち、光源装置のケース11内に収納されている光学系の他の構成例を示す。すなわち、本発明の実施例に係る光源を構成する複数(本例では4個)のLED素子14a,14b,14c,14dが、LEDコリメータ15に対して所定の位置に取り付けられている。
[1-6: Optical system]
Further, FIG. 6 shows another configuration example of the optical system housed inside the image display device 30, that is, in the case 11 of the light source device. That is, a plurality of (four in this example) LED elements 14a, 14b, 14c, 14d constituting the light source according to the embodiment of the present invention are attached to the LED collimator 15 at a predetermined position.
なお、本実施例では、当該LEDコリメータ15の光の出射側には、矩形状の合成拡散ブロック16が設けられているが、上述した偏光変換素子21は設けられておらず、そのため、LED素子14(14a,14b,14c,14d)から射出された光は、偏光されずに、LEDコリメータ15の働きにより平行光となって合成拡散ブロック16へ入射する構成となっている。
In this embodiment, the rectangular synthetic diffusion block 16 is provided on the light emitting side of the LED collimator 15, but the above-mentioned polarization conversion element 21 is not provided, and therefore the LED element is not provided. The light emitted from 14 (14a, 14b, 14c, 14d) is not polarized, but becomes parallel light by the action of the LED collimator 15 and is incident on the synthetic diffusion block 16.
更に、上記合成拡散ブロック16の出射面側には、一例を示すと図6に示すように、第1の拡散板18aを介して、断面略三角形の導光体17が設けられており、その上面には、第2の拡散板18bが取り付けられている。これにより、上記LEDコリメータ15の水平光は、当該導光体17の働きにより図面の上方に反射されて、上記液晶表示素子50の入射面に導かれる。なお、その際、上記第1の拡散板18aおよび第2の拡散板18bによって、その強度が均一化されることは上述の例と同様である。
Further, on the emission surface side of the synthetic diffusion block 16, as shown in FIG. 6, for example, a light guide body 17 having a substantially triangular cross section is provided via a first diffusion plate 18a. A second diffuser plate 18b is attached to the upper surface. As a result, the horizontal light of the LED collimator 15 is reflected upward in the drawing by the action of the light guide body 17 and is guided to the incident surface of the liquid crystal display element 50. At that time, it is the same as the above-mentioned example that the strength is made uniform by the first diffusion plate 18a and the second diffusion plate 18b.
[1-7:合成拡散ブロック]
続いて、上記映像表示装置30の他の構成要素である、合成拡散ブロック16について、図7を参照しながら説明する。なお、図7の(a)は、合成拡散ブロック16の側面を示しており、図7の(b)は、上記合成拡散ブロック16の一部を拡大した一部拡大断面を示している。
[1-7: Synthetic diffusion block]
Subsequently, the synthetic diffusion block 16, which is another component of the video display device 30, will be described with reference to FIG. 7. Note that FIG. 7A shows the side surface of the synthetic diffusion block 16, and FIG. 7B shows a partially enlarged cross section of the synthetic diffusion block 16 which is partially enlarged.
アクリル等の透光性の樹脂により形成された合成拡散ブロック16では、図7からも明らかなように、その出射面には、多数の断面略三角形状のテクスチャー161がピッチSで形成されており、当該テクスチャー161の働きにより、LEDコリメータ15から出射する光が、以下に述べる導光体17の導光体光入射部(面)171の鉛直方向において拡散される。そして、上記略三角形状のテクスチャー161と、以下に述べる拡散板18a,18bの相互作用により、LEDコリメータ15が離散的に配置されていても、導光体17の導光体光出射部173から出射する光の強度分布を均一化することが可能となる。また、HUD装置において、運転者が見る虚像の表示位置は、前述したように、凹面ミラー141の角度を調整することが可能であるが、左右位置の調整機能は一般的に無く、かつ虚像の確認は両眼視が前提になるので、虚像が視認できるエリアは、上下方向に対して左右方向が広いことが望まれる。上記のような構成を実現するためには、光源装置の配光角の虚像の左右方向に相当する方向を、その前後方向に比べて広くすることが有効である。本構成では、上記合成拡散ブロックのテクスチャー161で拡散され、配向角が広くなる方向を、虚像表示の左右方向とすることにより、虚像が認識できるエリアを左右方向に広くした。
As is clear from FIG. 7, in the synthetic diffusion block 16 formed of a translucent resin such as acrylic, a large number of textures 161 having a substantially triangular cross section are formed at a pitch S on the exit surface thereof. By the action of the texture 161 the light emitted from the LED collimator 15 is diffused in the vertical direction of the light incident portion (plane) 171 of the light guide body 17 described below. Then, due to the interaction between the substantially triangular texture 161 and the diffusers 18a and 18b described below, even if the LED collimators 15 are arranged discretely, the light emitting portion 173 of the light guide body 17 can be used. It is possible to make the intensity distribution of the emitted light uniform. Further, in the HUD device, the display position of the virtual image seen by the driver can adjust the angle of the concave mirror 141 as described above, but the left / right position adjustment function is generally not provided, and the virtual image is displayed. Since confirmation is premised on binocular vision, it is desirable that the area where the virtual image can be visually recognized is wider in the left-right direction than in the up-down direction. In order to realize the above configuration, it is effective to widen the direction corresponding to the left-right direction of the virtual image of the light distribution angle of the light source device as compared with the front-back direction thereof. In this configuration, the area where the virtual image can be recognized is widened in the left-right direction by setting the direction in which the texture 161 of the synthetic diffusion block is diffused and the orientation angle is widened to the left-right direction of the virtual image display.
特に、上述したテクスチャー161によれば、光の拡散方向を導光体側面方向に限定すること、更には、側面方向の拡散性の制御が可能となることから、上記第1および第2の拡散板18a,18bの等方拡散性を弱くすることが可能となり、その結果、光利用効率が向上し、特性の良い光源装置が実現できることとなる。なお、本例では、略三角形状のテクスチャー161の一例として、角度γ=30度、その形成ピッチS=0.5mmとした例を示す。
In particular, according to the texture 161 described above, the diffusion direction of light can be limited to the side surface direction of the light guide body, and the diffusivity in the side surface direction can be controlled. It is possible to weaken the isotropic diffusivity of the plates 18a and 18b, and as a result, the light utilization efficiency is improved and a light source device having good characteristics can be realized. In this example, as an example of the substantially triangular texture 161, an example in which the angle γ = 30 degrees and the formation pitch S = 0.5 mm is shown.
[1-8:導光体]
続いて、上記映像表示装置30を構成する導光体17の詳細について、以下に、図8を参照しながら説明する。なお、この導光体17は、上述した光源装置から平行光として入射面から取り入れた光を内部で反射・屈折して所望の方向に導くと共に、所望の面積を有する面状の光として取り出す機能を有する。
[1-8: Light guide body]
Subsequently, the details of the light guide body 17 constituting the image display device 30 will be described below with reference to FIG. The light guide 17 has a function of internally reflecting and refracting light taken from an incident surface as parallel light from the above-mentioned light source device to guide it in a desired direction and extracting it as planar light having a desired area. Has.
図8の(a)は、当該導光体17の全体を示す斜視図、図8の(b)はその断面、そして、図8の(c)および(d)は、断面の詳細を示す一部拡大断面図である。導光体17は、例えば、アクリル等の透光性の樹脂により断面略三角形(図8の(b))に形成された部材であり、そして、図8の(a)からも明らかなように、上記合成拡散ブロック16の出射面に第1の拡散板18aを介して対向する導光体光入射部(面)171と、斜面を形成する導光体光反射部(面)172と、第2の拡散板18bを介して上記液晶表示素子50の液晶表示パネル52と対向する導光体光出射部(面)173とを備えている。なお、それぞれ、入射部171(入射面)、反射部172(反射面)、出射部173(出射面)等と記載する場合がある。
8 (a) is a perspective view showing the entire light guide body 17, FIG. 8 (b) is a cross section thereof, and FIGS. 8 (c) and 8 (d) show details of the cross section. It is a part enlarged sectional view. The light guide body 17 is a member formed of a translucent resin such as acrylic into a substantially triangular cross section ((b) in FIG. 8), and as is clear from (a) in FIG. , A light guide body light incident portion (plane) 171 facing the emission surface of the synthetic diffusion block 16 via the first diffuser plate 18a, a light guide body light reflection portion (plane) 172 forming a slope, and a second. The light guide body light emitting portion (plane) 173 facing the liquid crystal display panel 52 of the liquid crystal display element 50 is provided via the diffuser plate 18b of 2. In addition, it may be described as an incident part 171 (incident surface), a reflecting part 172 (reflecting surface), an emitting part 173 (exiting surface), etc., respectively.
この導光体17の反射部172には、その一部拡大図である図8の(c)および(d)に詳細に示すように、多数の反射面172aと連接面172bとが交互に鋸歯状に形成されている。そして、反射面172a(図面では右上がりの線分)は、図面において一点鎖線で示す水平面に対して角度αn(n:自然数であり、本例では1~130である)を形成しており、その一例として、ここでは、角度αnを43度以下(但し、0度以上)に設定している。
As shown in detail in FIGS. 8 (c) and 8 (d), which are partially enlarged views thereof, a large number of reflecting surfaces 172a and connecting surfaces 172b are alternately serrated on the reflecting portion 172 of the light guide body 17. It is formed in a shape. The reflective surface 172a (a line segment rising to the right in the drawing) forms an angle αn (n: a natural number, 1 to 130 in this example) with respect to the horizontal plane indicated by the alternate long and short dash line in the drawing. As an example, here, the angle αn is set to 43 degrees or less (however, 0 degrees or more).
他方、連接面172b(図面では右下がりの線分)は、反射面172aに対して角度βn(n:自然数であり、本例では1~130である)を形成している。すなわち、反射部172の連接面172bは、入射光に対して、後に述べる散乱体の半値角の範囲で影になる角度に傾斜されている。後にも詳述するが、角度αn(α1,α2,α3,α4……)は、反射面仰角を形成し、角度βn(β1,β2,β3,β4……)は、反射面172aと連接面172bとの相対角度を形成しており、その一例として、90度以上(但し、180度以下)に設定されている。なお、本例では、角度β1=β2=β3=β4= …=β22=…β130である。
On the other hand, the connecting surface 172b (a line segment descending to the right in the drawing) forms an angle βn (n: a natural number, 1 to 130 in this example) with respect to the reflecting surface 172a. That is, the connecting surface 172b of the reflecting portion 172 is inclined at an angle that becomes a shadow in the range of the half-value angle of the scatterer described later with respect to the incident light. As will be described in detail later, the angle αn (α1, α2, α3, α4 ...) forms the elevation angle of the reflecting surface, and the angle βn (β1, β2, β3, β4 ...) is connected to the reflecting surface 172a. It forms a relative angle with 172b, and as an example, it is set to 90 degrees or more (however, 180 degrees or less). In this example, the angle β1 = β2 = β3 = β4 = ... = β22 = ... β130.
[1-9:導光体(2)]
図9および図10には、説明のために、導光体17に対して反射面172aと連接面172bの大きさを相対的に拡大した模式図を示す。導光体17の入射部171では、主たる光線が、反射面172aに対して入射角が大きくなる方向に角度δだけ偏向されている(図10の(b))。すなわち、入射部171は、光源側に傾斜した湾曲の凸形状に形成されている。これによれば、合成拡散ブロック16の出射面からの平行光は、第1の拡散板18aを介して拡散されて入射し、図面からも明らかなように、入射部171により上方に僅かに屈曲(偏向)しながら反射部172に達する(図11の例と比較)。
[1-9: Light guide body (2)]
9 and 10 show a schematic diagram in which the sizes of the reflecting surface 172a and the connecting surface 172b are relatively enlarged with respect to the light guide body 17 for the sake of explanation. In the incident portion 171 of the light guide body 17, the main light ray is deflected by an angle δ in the direction in which the incident angle increases with respect to the reflecting surface 172a ((b) in FIG. 10). That is, the incident portion 171 is formed in a curved convex shape inclined toward the light source side. According to this, the parallel light from the emission surface of the synthetic diffusion block 16 is diffused and incident through the first diffusion plate 18a, and as is clear from the drawing, it is slightly bent upward by the incident portion 171. It reaches the reflecting portion 172 while (deflating) (compared to the example of FIG. 11).
なお、この反射部172には、多数の反射面172aと連接面172bとが交互に鋸歯状に形成されており、拡散光は、各々の反射面172a上で全反射されて上方に向かい、更には、出射部173や第2の拡散板18bを介して、平行な拡散光として液晶表示パネル52へ入射する。そのため、反射面仰角である角度αn(α1,α2,……)は、各々の反射面172aが上記拡散光に対して臨界角以上の角度となるように設定されており、他方、反射面172aと連接面172bとの相対角度である角度βn(β1,β2,……)は、上述したように一定の角度、その理由は後にも述べるが、より好ましくは、90度以上の角度(βn≧90°)に設定されている。
In the reflecting portion 172, a large number of reflecting surfaces 172a and connecting surfaces 172b are alternately formed in a sawtooth shape, and the diffused light is totally reflected on each reflecting surface 172a and heads upward, and further. Is incident on the liquid crystal display panel 52 as parallel diffused light via the emitting portion 173 and the second diffuser plate 18b. Therefore, the angle αn (α1, α2, ...) Which is the elevation angle of the reflecting surface is set so that each reflecting surface 172a has an angle equal to or higher than the critical angle with respect to the diffused light, while the reflecting surface 172a is set. The angle βn (β1, β2, ...), Which is a relative angle between the and the connecting surface 172b, is a constant angle as described above, and the reason will be described later, but more preferably an angle of 90 degrees or more (βn ≧). It is set to 90 °).
[1-10:比較例]
上述した構成により、各反射面172aが上記拡散光に対して常に臨界角以上の角度となるような構成になっているので、反射部172に金属等の反射膜を形成しなくても、全反射が可能となり、低コストで、所望の方向に導くと共に、所望の面積を有する面状の光として取り出す機能を有する、導光体を備えた光源装置を実現できる。一方、比較例となる図11に示したように、導光体17の入射部で、主たる光線の屈曲(偏光)が無い場合は、拡散光の一部が反射面172aに対して、臨界角以下になってしまい、十分な反射率が確保できないので、特性の良い(明るい)光源装置、すなわち、映像表示装置が実現できない。
[1-10: Comparative example]
With the above-mentioned configuration, each reflecting surface 172a is configured so that the angle is always equal to or higher than the critical angle with respect to the diffused light. It is possible to realize a light source device provided with a light guide body, which enables reflection, guides the light in a desired direction at low cost, and has a function of extracting as planar light having a desired area. On the other hand, as shown in FIG. 11 as a comparative example, when there is no bending (polarization) of the main light beam at the incident portion of the light guide body 17, a part of the diffused light has a critical angle with respect to the reflecting surface 172a. Since it becomes the following and a sufficient reflectance cannot be secured, a light source device having good characteristics (bright), that is, an image display device cannot be realized.
しかるに上述した導光体17の反射部172の形状によれば、主たる光の全反射条件を満たすことができ、反射部172にアルミ等の反射膜を設ける必要がなく、光を効率的に反射することが可能となり、製造コストの上昇を伴うアルミニウム薄膜の蒸着作業等も必要なく、より低コストで、明るい光源が実現できる。また、各相対角である角度βnは、連接面172bが、主たる光線L30が合成拡散ブロック16および拡散板18aで拡散した光に対して影になるような角度に設定した。これにより、連接面172bへの不要な光の入射を抑制することで、不要な光の反射を低減でき、特性が良好な光源装置を実現することが可能となる。
However, according to the shape of the reflecting portion 172 of the light guide body 17 described above, it is possible to satisfy the total reflection condition of the main light, it is not necessary to provide a reflecting film such as aluminum on the reflecting portion 172, and the light is efficiently reflected. It is possible to realize a bright light source at a lower cost without the need for vapor deposition work of an aluminum thin film that accompanies an increase in manufacturing cost. Further, the angle βn, which is each relative angle, is set so that the connecting surface 172b becomes a shadow with respect to the light diffused by the synthetic diffusion block 16 and the diffusion plate 18a by the main light beam L30. As a result, by suppressing the incident of unnecessary light on the connecting surface 172b, the reflection of unnecessary light can be reduced, and a light source device having good characteristics can be realized.
また、上述した導光体17によれば、図9に示すように、連接面172b(Lc1,Lc2,Lc3,……)と反射面172a(Lr1,Lr2,Lr3,……)の長さおよび比率を適宜設定することにより、光軸方向における出射部173の長さを自由に変更することができることから、入射部171に対して、出射部173の大きさ(面サイズ)を、上記液晶表示パネル52等の装置に対して適合した、適宜必要な大きさ(面サイズ)に変更可能な光源装置を実現することが可能となる。このことは、また、光源を構成するLED素子14(14a,14b)の配置形状に依存することなく、出射部173を所望の形状にすることか可能となることを意味し、すなわち、所望の形状の面状の発光源が得られることとなる。更には、光源を構成するLED素子14(14a,14b)の配置を含む設計における自由度の確保にもつながり、装置全体の小型化にも有利である。
Further, according to the light guide body 17 described above, as shown in FIG. 9, the lengths of the connecting surface 172b (Lc1, Lc2, Lc3, ...) And the reflecting surface 172a (Lr1, Lr2, Lr3, ...) And Since the length of the exiting portion 173 in the optical axis direction can be freely changed by appropriately setting the ratio, the size (plane size) of the emitting portion 173 is displayed on the liquid crystal display with respect to the incident portion 171. It is possible to realize a light source device that is suitable for a device such as a panel 52 and can be appropriately changed to a required size (plane size). This also means that it is possible or possible to shape the emitting unit 173 to a desired shape without depending on the arrangement shape of the LED elements 14 (14a, 14b) constituting the light source, that is, a desired shape. A planar light source having a shape can be obtained. Further, it leads to securing the degree of freedom in the design including the arrangement of the LED elements 14 (14a, 14b) constituting the light source, which is advantageous for the miniaturization of the entire device.
[1-11:変形例]
図12には、上記の変形例を示す。図面からも明らかなように、この変形例では、導光体17の入射部171を、上述した湾曲面とは異なり、上記LEDコリメータ15から出射する光に対して垂直な平面とすると共に、当該入射面には、入射する光を上方に僅かに屈曲(偏向)させるための断面垂直三角形状の補助の導光体17aを設けている。
[1-11: Modification example]
FIG. 12 shows an example of the above modification. As is clear from the drawings, in this modification, the incident portion 171 of the light guide body 17 is a flat surface perpendicular to the light emitted from the LED collimator 15, unlike the curved surface described above. The incident surface is provided with an auxiliary light guide body 17a having a vertical triangular cross section for slightly bending (deflecting) the incident light upward.
更に、図13には、他の変形例として、導光体17の入射部171を垂直な平面とすると共に、上記LEDコリメータ15を僅かに傾斜させ、もって、入射する光が上方に僅かに屈曲(偏向)させる構成が示されている。すなわち、これらの変形例によっても、上記と同様の効果が得られる。
Further, in FIG. 13, as another modification, the incident portion 171 of the light guide body 17 is made a vertical plane, and the LED collimator 15 is slightly tilted so that the incident light is slightly bent upward. The configuration to be (biased) is shown. That is, the same effect as described above can be obtained by these modified examples.
[1-12:変形例]
また、図14にも示すように、反射部172を構成する連接面172bを適宜設定する(この例では、その中央部の一部の反射面172aでは光が反射しないようにする)ことによれば、導光体17の出射部173において、反射面172aと連接面172bの比率(Lr/Lc)を場所によって大きく変更することも可能となる。これにより、図示の例では、導光体17の出射部173から出射される光は、光軸の方向において左右に分けられている様子が示される。かかる構成は、例えば、HUD装置からの照明光をロス無く上下または左右に分離する場合等において好適であろう。また、上記比率(Lr/Lc)を適宜調整することにより、部分的に反射光を強くしまたは弱くすることも可能となる。
[1-12: Modification example]
Further, as shown in FIG. 14, by appropriately setting the connecting surface 172b constituting the reflecting portion 172 (in this example, light is not reflected by a part of the reflecting surface 172a in the central portion thereof). For example, in the emission portion 173 of the light guide body 17, the ratio (Lr / Lc) of the reflecting surface 172a and the connecting surface 172b can be significantly changed depending on the location. Thereby, in the illustrated example, it is shown that the light emitted from the emitting portion 173 of the light guide body 17 is divided into left and right in the direction of the optical axis. Such a configuration may be suitable, for example, when the illumination light from the HUD device is separated vertically or horizontally without loss. Further, by appropriately adjusting the above ratio (Lr / Lc), it is possible to partially strengthen or weaken the reflected light.
[1-13:変形例]
加えて、上述した導光体17では、図15にも示すように、その入射部171と出射部173の少なくとも一方に、それぞれ、以下に述べる機能性散乱面を付与、形成することにより、上記図6にも示した拡散板18a,18bのいずれかあるいは両方を省略することも可能である。
[1-13: Modification example]
In addition, in the above-mentioned light guide body 17, as shown in FIG. 15, the above-mentioned functional scattering surface is provided and formed on at least one of the incident portion 171 and the exit portion 173, respectively. It is also possible to omit either or both of the diffuser plates 18a and 18b shown in FIG.
この機能性散乱面は、空間周波数の高い成分(細かい成分)の面粗さを低減することにより、不要な発散光成分の低減を図るものである。図16の(b)に、通常の散乱面の面粗さ空間周波数成分を、図16の(a)に、より好ましい散乱特性を有する散乱面の面粗さ空間周波数成分を示す。同図面で、実線は、図15における導光体の入射面あるいは出射面の図面に対する鉛直方向に測定した場合の面粗さ空間周波数成分を、破線は、図15における導光体の入射面あるいは出射面の図面に対する平行方向に測定した場合の面粗さ空間周波数成分を示す。
This functional scattering surface is intended to reduce unnecessary divergent light components by reducing the surface roughness of components (fine components) having a high spatial frequency. FIG. 16B shows a surface roughness spatial frequency component of a normal scattering surface, and FIG. 16A shows a surface roughness spatial frequency component of a scattering surface having more preferable scattering characteristics. In the same drawing, the solid line is the surface roughness spatial frequency component measured in the vertical direction with respect to the drawing of the entrance surface or the exit surface of the light guide in FIG. 15, and the broken line is the entrance surface or the entrance surface of the light guide in FIG. The surface roughness spatial frequency component when measured in the direction parallel to the drawing of the emission surface is shown.
通常の散乱面の面粗さ空間周波数分布は、図16の(b)に示すように、空間周波数の逆数(1/f)に沿った分布を示す。それに対して、より好ましい面粗さの空間周波数分布は、図16の(a)で示すように、空間周波数10/mm以下の低周波および100/mm以上の高周波領域で、低い値となっており、面粗さ空間周波数の低周波成分が少なく、中周波成分が適度にあるので、散乱むらが少ない光源が実現できる。また、面粗さ空間周波数の高周波成分が少ないので、散乱光の散乱角が大きくならず、不要光成分が減ることから、明るくかつ均一な輝度分布を有する光源が実現できる。このような特性を実現するためには、更に、上記機能性散乱面は、特に100/mm以上の高周波領域での空間周波数成分を10nm以下にすると、可視光の範囲(波長400nm以上)で、不要な散乱成分の発生を防止できることが、実験により確認された。それに対して、通常の散乱面は、図16の(b)に示すように、光源として利用可能な方向外にも光が散乱されるので、明るい光源を実現できない。
The surface roughness spatial frequency distribution of a normal scattering surface shows a distribution along the reciprocal of the spatial frequency (1 / f) as shown in FIG. 16 (b). On the other hand, the spatial frequency distribution of the more preferable surface roughness becomes a low value in the low frequency region of the spatial frequency of 10 / mm or less and the high frequency region of 100 / mm or more, as shown in FIG. 16 (a). Since the low frequency component of the surface roughness spatial frequency is small and the medium frequency component is moderately present, a light source with less uneven scattering can be realized. Further, since the high frequency component of the surface roughness spatial frequency is small, the scattering angle of the scattered light is not large and the unnecessary light component is reduced, so that a light source having a bright and uniform luminance distribution can be realized. In order to realize such characteristics, further, the functional scattering surface has a spatial frequency component of 10 nm or less, especially in a high frequency region of 100 / mm or more, in the range of visible light (wavelength 400 nm or more). It was confirmed by experiments that the generation of unnecessary scattering components can be prevented. On the other hand, as shown in FIG. 16B, a normal scattering surface scatters light outside the direction in which it can be used as a light source, so that a bright light source cannot be realized.
また、上記範囲内で、図16の(a)に実線および破線で示すように、空間周波数の成分を調整することにより、散乱角を調整できる。HUD装置は、前述したように虚像が視認できるエリアは、上下方向に対して左右方向が広いことが望まれるので、光源装置の配向角は、それに対応した方向が広くなるように、散乱角を調整した。具体的には、図15で示した導光体の入射面および出射面の図面に対して鉛直方向に測定した面粗さの空間周波数分布は、図16の(a)の実線で示す分布とし、それに直交する図面に沿った方向で測定した面粗さの空間周波数分布は、同図面の破線で示すように、実線に対して、相対的に高周波成分が更に少ない分布とした。
Further, within the above range, the scattering angle can be adjusted by adjusting the spatial frequency component as shown by the solid line and the broken line in FIG. 16 (a). As described above, in the HUD device, it is desired that the area where the virtual image can be visually recognized is wide in the horizontal direction with respect to the vertical direction. Therefore, the orientation angle of the light source device is set to the scattering angle so that the corresponding direction is wide. It was adjusted. Specifically, the spatial frequency distribution of the surface roughness measured in the vertical direction with respect to the drawings of the entrance surface and the emission surface of the light guide body shown in FIG. 15 is the distribution shown by the solid line in FIG. 16 (a). As shown by the broken line in the drawing, the spatial frequency distribution of the surface roughness measured in the direction perpendicular to the drawing has a distribution in which the high frequency component is relatively smaller than the solid line.
上述した機能性散乱面を採用することによれば、導光体17の入射面と出射面での光の入射・出射の制御自由度が増加することとなり、光源装置からの光の輝度むらを低減し、その下流側に配置される光学系の装置(本例では一例として液晶表示素子50)の特性に応じたきめ細かい制御が可能となり、更には、装置の低コスト化に有利であろう。
By adopting the above-mentioned functional scattering surface, the degree of freedom in controlling the incidence and emission of light on the entrance surface and the emission surface of the light guide 17 is increased, and the brightness unevenness of the light from the light source device is increased. It will be possible to reduce the number of fine-grained controls according to the characteristics of the optical system device (in this example, the liquid crystal display element 50 as an example) arranged on the downstream side thereof, and further, it will be advantageous in reducing the cost of the device.
また、導光体17の入射面は、図15に示したように、導光体への入射光、出射光に対して平行となる面での断面において、中心部171cに対して、上端部171a、下端部171bの曲率を大きい形状とした。これは図15に示したように比較的発光部のサイズが大きいLED素子14を用いる場合に有効である。すなわち、LED素子14の中央部から出射される光は、実線で示す光線L30c,L30a,L30bのようにLEDコリメータ15により平行光に変換されるが、LED素子14の上端、下端から出射した光は、一点鎖線で示す光線L30d,L30eのように平行光ではなく拡散光になるので、その光を平行光に変換するためには、導光体17の入射面を、上端部171a、下端部171bに示すように、中心部171cに対して曲率を大きくすることが必要となる。以上の構成を採用することにより、比較的サイズが大きいLEDを用いた場合でも、特性の良い光源装置が実現できる。
Further, as shown in FIG. 15, the incident surface of the light guide body 17 has an upper end portion with respect to the central portion 171c in the cross section of the plane parallel to the incident light and the emitted light to the light guide body. The curvatures of 171a and the lower end 171b are made large. This is effective when the LED element 14 having a relatively large size of the light emitting portion is used as shown in FIG. That is, the light emitted from the central portion of the LED element 14 is converted into parallel light by the LED collimator 15 like the light rays L30c, L30a, L30b shown by the solid line, but the light emitted from the upper end and the lower end of the LED element 14. Is not parallel light but diffused light like the light rays L30d and L30e shown by the one-point chain line. Therefore, in order to convert the light into parallel light, the incident surface of the light guide body 17 is set to the upper end portion 171a and the lower end portion. As shown in 171b, it is necessary to increase the curvature with respect to the central portion 171c. By adopting the above configuration, it is possible to realize a light source device having good characteristics even when an LED having a relatively large size is used.
[1-14:導光体の製造方法]
また、上記でも述べたように、角度β1=β2=β3=β4……βn≧90°としたが、これは、図18にも示すように、導光体17を射出成形で作製するための金型178の加工において、底面と側面の相対角度が角度βのエンドミルによって、反射面172bに対応する反射面178aと連接面172bに対応する連接面178bとが、同時に、加工できるためである。また、反射面178aと連接面178bに対し、相対的に太い工具で加工が可能であることから、加工時間が大幅に短縮でき加工費の大幅な低減が可能となる。また、反射面178aと連接面178bとの境界エッジが精度良く加工でき、導光体17の導光特性の向上を図ることができる。
[1-14: Method for manufacturing a light guide body]
Further, as described above, the angle β1 = β2 = β3 = β4 …… βn ≧ 90 °, which is for manufacturing the light guide body 17 by injection molding as shown in FIG. This is because, in the processing of the mold 178, the reflecting surface 178a corresponding to the reflecting surface 172b and the connecting surface 178b corresponding to the connecting surface 172b can be simultaneously processed by the end mill having a relative angle β between the bottom surface and the side surface. Further, since the reflective surface 178a and the connecting surface 178b can be machined with a relatively thick tool, the machining time can be significantly shortened and the machining cost can be significantly reduced. Further, the boundary edge between the reflecting surface 178a and the connecting surface 178b can be processed with high accuracy, and the light guide characteristics of the light guide body 17 can be improved.
[1-15:映像表示装置(他の実施例)]
図19は、上述した光源装置を適用した映像表示装置30の他の例を示す映像表示装置30の全体外観斜視図である。この実施例では、詳細は示さないが、LED基板12で発生した熱は、伝熱プレート13dを通じて装置下部に配置されたヒートシンク13cで冷却する構造となっている。本構成によれば、全長の短い光源装置が実現される。
[1-15: Video Display Device (Other Examples)]
FIG. 19 is an overall external perspective view of the image display device 30 showing another example of the image display device 30 to which the above-mentioned light source device is applied. In this embodiment, although details are not shown, the heat generated in the LED substrate 12 is cooled by the heat sink 13c arranged at the lower part of the device through the heat transfer plate 13d. According to this configuration, a light source device having a short overall length is realized.
[1-16:光源装置(他の実施例)]
更に、以下には、上述した本発明の実施例に係る光源装置の更に他の実施例を示す。図20は、上述した実施例と比較し、固体光源であるLED素子14の配置が3個×2列となった、より大きな液晶表示装置向けの光源装置を示している。この実施例に係る光源装置では、導光体17を射出成形で作製するときに、入射部171が厚くなることにより、成形型内での冷却時間が増加し、成形タクトが長くなりコスト増になることを防止するため、当該入射部171の一部(図面の上部)を削除したものである。
[1-16: Light Source Device (Other Examples)]
Further, further examples of the light source device according to the above-described embodiment of the present invention are shown below. FIG. 20 shows a light source device for a larger liquid crystal display device in which the arrangement of the LED elements 14 which are solid light sources is 3 × 2 rows as compared with the above-described embodiment. In the light source device according to this embodiment, when the light guide body 17 is manufactured by injection molding, the incident portion 171 becomes thicker, so that the cooling time in the molding mold increases, the molding tact becomes longer, and the cost increases. In order to prevent this from happening, a part of the incident portion 171 (upper part of the drawing) is deleted.
また、図21は、上記実施例の光源装置と同様に、固体光源であるLED素子14の配置が3個×2列となったより大きな液晶表示装置向け光源装置を示している。この例では、入射部171の一部を削除すると共に、導光体17の先端部(図面の右側部分)を厚くすることにより、成型時の冷却速度の均一化を図ることにより、より高精度な成形を可能としたものである。なお、この例では、導光体17は、その先端部を厚くすることにより、主たる光線を、液晶表示パネルへの入射角を所定の角度ηだけ傾けて入射するように構成されている。これは、一般的に、液晶表示パネルに入射する主たる光線の傾きは、垂直に近い方が望ましい。しかしながら、市販されている液晶表示パネルの中には、その特性によっては入射角を5~15°程度傾けた方がその特性が良い物があり、その特性に応じて液晶表示パネルへの入射光を角度η=5°~15°だけ傾けて入射する。
Further, FIG. 21 shows a larger light source device for a liquid crystal display device in which the arrangement of the LED elements 14 which are solid light sources is 3 × 2 rows, similar to the light source device of the above embodiment. In this example, by deleting a part of the incident portion 171 and thickening the tip portion (right side portion in the drawing) of the light guide body 17, the cooling rate at the time of molding is made uniform, so that the accuracy is higher. It enables various molding. In this example, the light guide body 17 is configured so that the main light ray is incident at an angle of incidence on the liquid crystal display panel by a predetermined angle η by thickening the tip portion thereof. This is because, in general, it is desirable that the inclination of the main light beam incident on the liquid crystal display panel is close to vertical. However, some commercially available liquid crystal display panels have better characteristics when the incident angle is tilted by about 5 to 15 ° depending on the characteristics, and the incident light to the liquid crystal display panel according to the characteristics. Is tilted by an angle η = 5 ° to 15 ° to enter.
[1-17:導光体のテクスチャー]
更に、図22は、上記図15にも示した導光体17の反射面に形成した上述したテクスチャーの具体例を示す上面図である。この模式図では、その反射面と連接面の境界が直線状に配置・形成された一例を図22の(a)に、そして、図22の(b)には、例えば、光源であるLED素子14(14a,14b)が互いに離隔されて分散されて配置されている等、その必要性に応じて、曲線状に配置・形成された他の例をそれぞれ示している。
[1-17: Texture of light guide body]
Further, FIG. 22 is a top view showing a specific example of the above-mentioned texture formed on the reflective surface of the light guide body 17 also shown in FIG. 15. In this schematic diagram, an example in which the boundary between the reflecting surface and the connecting surface is linearly arranged and formed is shown in FIG. 22 (a), and in FIG. 22 (b), for example, an LED element which is a light source. Other examples are shown in which 14 (14a, 14b) are arranged and formed in a curved line according to the necessity, such as being arranged so as to be separated from each other and dispersed.
[1-18:映像表示装置(他の実施例)]
以上には、本発明の実施例に係る光源装置を、特に、HUD装置1に適用した光源装置の例を示したが、以下には、当該光源装置の更に他の構成を含めた例について示す。
[1-18: Video Display Device (Other Examples)]
The above shows an example of a light source device according to an embodiment of the present invention, in particular, an example of a light source device applied to the HUD device 1, but the following shows an example including further configurations of the light source device. ..
図23には、上述したLED素子14(14a,14b)や導光体17等を含む光源装置を、複数個(本例では2個)、その出射部173が同一面内となるように組み合わせ、より大型の液晶表示パネル52に対応した例を示している。なお、かかる組み合わせ構造によれば、更に、より多くの種類の面サイズと光量の出射部173を備えた映像表示装置を実現することが可能となる。
In FIG. 23, a plurality of light source devices (two in this example) including the above-mentioned LED elements 14 (14a, 14b), a light guide body 17, and the like are combined so that their emission portions 173 are in the same plane. , An example corresponding to a larger liquid crystal display panel 52 is shown. In addition, according to such a combination structure, it is possible to further realize a video display device provided with more types of surface sizes and light emission emitting units 173.
[1-19:映像表示装置(他の実施例)]
図24は、更に、複数(本例では2個)の入射部171A,171Bを備えた導光体17’から構成された光源装置を示しており、図面からも明らかなように、当該導光体17’の両側側面には、LED素子14(14a,14b)やLEDコリメータ15等から構成される光源からの光を入射する入射部171A,171Bが形成されており、当該入射部171A,171Bから入射した平行な光は、屈折して、本例では導光体17’の底部に形成された反射部172に導かれる。この反射部172の表面には、断面が波状の凹凸が形成されており、更に、光を反射する反射膜(アルミ膜)が形成されている。これによれば、入射部171A,171Bから入射した平行光は、かかる反射部172により図面に矢印で示すように反射されて導光体17’の上方に向かい、その出射部173から、例えば上記液晶表示パネル52等の装置に向けて出射される。
[1-19: Video Display Device (Other Examples)]
FIG. 24 further shows a light source device composed of a light guide body 17'with a plurality of (two in this example) incident portions 171A and 171B, and as is clear from the drawings, the light guide. On both side surfaces of the body 17', incident portions 171A and 171B that incident light from a light source composed of LED elements 14 (14a and 14b), an LED collimator 15 and the like are formed, and the incident portions 171A and 171B are formed. The parallel light incident from the light source is refracted and guided to the reflecting portion 172 formed at the bottom of the light guide body 17'in this example. The surface of the reflective portion 172 is formed with irregularities having a wavy cross section, and a reflective film (aluminum film) that reflects light is further formed. According to this, the parallel light incident from the incident portions 171A and 171B is reflected by the reflecting portion 172 as shown by an arrow in the drawing and directed toward the upper side of the light guide body 17'. It is emitted toward a device such as a liquid crystal display panel 52.
かかる構成の光源装置によれば、光を照射する液晶表示装置が大型化しても、比較的容易に対応して、すなわち、その出射面を大型化した光源装置を実現することが可能となる。なお、上記からも明らかなように、比較的薄い導光体17’により光源装置が実現できるので、装置のより薄型化が可能となる。また、導光体17’の厚みがほぼ均一であり、その成形性は良好である。
According to the light source device having such a configuration, even if the size of the liquid crystal display device that irradiates light is increased, it is possible to relatively easily cope with it, that is, to realize a light source device having an enlarged emission surface. As is clear from the above, since the light source device can be realized by the relatively thin light guide body 17', the device can be made thinner. Further, the thickness of the light guide body 17'is almost uniform, and its formability is good.
また、その入射部171A,171Bから入射した光をその内部において反射・屈折して、その出射部173から外部装置(本例では後段の光学装置である液晶表示パネル52)に出射する導光体17’では、光入射面の面積SINは、一般的に、光出射面の面積SOUTよりも大きく設定され(SIN>SOUT)、更に、導光体17’の形状は、発光素子であるLED素子14の大きさや形状に適合した形状に形成することが可能であろう。
Further, a light guide body that reflects and refracts the light incident from the incident portions 171A and 171B inside the incident portion and emits the light from the emitting portion 173 to an external device (in this example, the liquid crystal display panel 52 which is an optical device in the subsequent stage). In 17', the area SIN of the light incident surface is generally set to be larger than the area SOUT of the light emitting surface (SIN> SOUT), and the shape of the light guide body 17'is an LED element which is a light emitting element. It will be possible to form a shape suitable for the size and shape of 14.
[1-20:光源装置(他の実施例)]
更に、図25にも示すように、合成拡散ブロック16の後方に配置される導光体17”を偏光変換素子21’によって構成することも可能である。なお、この構成では、図面からも明らかなように、偏光変換素子21’を構成する三角形柱の透光性部材211’と平行四辺形柱の透光性部材212’とを組み合わせる。それらの境界面には、LED素子14(14a,14b)から出射してLEDコリメータ15で平行光となった入射光のS偏光波(図中の記号(×)を参照)を反射するが、他方、P偏光(図中の上下の矢印を参照)を透過するPBS膜211が形成される。それと共に、平行四辺形柱の透光性部材212’の上面には、1/2λ位相板213が、そして、その側面には、反射膜212がそれぞれ形成されている。
[1-20: Light Source Device (Other Examples)]
Further, as shown in FIG. 25, it is also possible to configure the light guide body 17 "arranged behind the synthetic diffusion block 16 by the polarization conversion element 21'. In this configuration, it is clear from the drawings. As described above, the translucent member 211'of the triangular column constituting the polarization conversion element 21'and the translucent member 212' of the parallel quadrilateral column are combined. The LED element 14 (14a, 14a, The S-polarized wave of the incident light emitted from 14b) and turned into parallel light by the LED collimator 15 (see the symbol (x) in the figure) is reflected, while the P-polarized light (see the upper and lower arrows in the figure). ) Is formed. Along with this, a 1 / 2λ phase plate 213 is formed on the upper surface of the translucent member 212'of the parallel quadrilateral column, and a reflective film 212 is formed on the side surface thereof. Each is formed.
上述した構成によれば、図面からも明らかなように、LED素子14から出射してLEDコリメータ15で平行光となった入射光は、導光体17”を構成する偏光変換素子21’の働きによりS偏光に偏光されて、当該素子の上面から上方に向かって出射されることとなる。即ち、上記構成では、特に、導光体17”を偏光変換素子21’によって構成することにより、装置の大幅な小型化や装置の製造コストの大幅な低減を実現することが可能となる。
According to the above-described configuration, as is clear from the drawings, the incident light emitted from the LED element 14 and turned into parallel light by the LED collimator 15 works as a polarization conversion element 21'constituting the light guide body 17 ". It is polarized to S polarization and emitted upward from the upper surface of the element. That is, in the above configuration, in particular, the light guide body 17 "is configured by the polarization conversion element 21'to be an apparatus. It is possible to realize a significant reduction in the size of the LED and a significant reduction in the manufacturing cost of the device.
(実施の形態2)
図26~図51を用いて、本発明の他の実施の形態(実施の形態2とする)の光源装置等について説明する。実施の形態2の光源装置は、特有の導光体の構成を有し、以下の構成点を含む。実施の形態2の光源装置は、実施の形態1とは異なる特有の導光体を含む配置構成を有する(後述の図30等)。この導光体は、入射面または出射面の少なくとも一方に自由曲面形状を有する。その自由曲面形状は、導光体での所定の配光制御の特性を実現する。また、導光体からの出射光の光軸に対し、液晶表示素子50および屈折素子43の軸(法線傾き)が斜めになるように所定の角度を有する。導光体の配向制御の特性は、入射面の配置角度や面形状による屈折角度等と、反射面の反射角度等と、出射面の配置角度や自由曲面形状による屈折角度等とから構成される。実施の形態2の光源装置の配光制御の特性は、上記導光体の配光制御の特性と、光源部や照明光学系の他の光学素子の配光制御の特性との組み合わせで構成される。
(Embodiment 2)
A light source device and the like according to another embodiment of the present invention (referred to as a second embodiment) will be described with reference to FIGS. 26 to 51. The light source device of the second embodiment has a unique light guide structure, and includes the following components. The light source device of the second embodiment has an arrangement configuration including a unique light guide body different from that of the first embodiment (FIG. 30 described later). This light guide has a free curved surface shape on at least one of an incident surface and an emitted surface. The free curved surface shape realizes the characteristics of predetermined light distribution control in the light guide body. Further, the liquid crystal display element 50 and the refraction element 43 have a predetermined angle so as to be oblique to the optical axis of the light emitted from the light guide. The characteristics of the orientation control of the light guide are composed of the arrangement angle of the incident surface, the refraction angle depending on the surface shape, the reflection angle of the reflection surface, the arrangement angle of the emission surface, the refraction angle due to the free curved surface shape, and the like. .. The light distribution control characteristic of the light source device of the second embodiment is composed of a combination of the light distribution control characteristic of the light guide body and the light distribution control characteristic of the light source unit and other optical elements of the illumination optical system. The light source.
[2-1:HUD装置]
図26は、実施の形態2の光源装置10を含む映像表示装置30を利用して構成される車載のHUD装置1の概念構成として、HUD装置1を搭載した車両2の運転座席付近を横から見た概略構成を示す。運転座席に座った運転者の目5(視点とも記載する)から、前方のウィンドシールド3の表示領域4を通じて、透過される実像(例えば道路等の風景)や、HUD装置1によって実像に対し重畳表示される虚像7(例えば矢印画像)を見る様子を示している。図26で、説明上の方向として、X方向、Y方向、Z方向を示す。X方向(図面に垂直な方向)は、第1水平方向、車両2の左右方向、表示領域4の横方向に対応する。Y方向(図面内の横方向)は、第2水平方向、車両2の前後方向、表示領域4の前後方向に対応する。Z方向(図面内の縦方向)は、鉛直方向、車両2の上下方向、表示領域4の縦方向に対応する。
[2-1: HUD device]
FIG. 26 shows the vicinity of the driver's seat of the vehicle 2 equipped with the HUD device 1 from the side as a conceptual configuration of the in-vehicle HUD device 1 configured by using the image display device 30 including the light source device 10 of the second embodiment. The schematic configuration seen is shown. A real image (for example, a landscape such as a road) transmitted from the driver's eyes 5 (also referred to as a viewpoint) sitting in the driver's seat through the display area 4 of the windshield 3 in front, or superimposed on the real image by the HUD device 1. It shows how to see the displayed virtual image 7 (for example, an arrow image). In FIG. 26, the X direction, the Y direction, and the Z direction are shown as explanatory directions. The X direction (direction perpendicular to the drawing) corresponds to the first horizontal direction, the left-right direction of the vehicle 2, and the lateral direction of the display area 4. The Y direction (horizontal direction in the drawing) corresponds to the second horizontal direction, the front-rear direction of the vehicle 2, and the front-rear direction of the display area 4. The Z direction (vertical direction in the drawing) corresponds to the vertical direction, the vertical direction of the vehicle 2, and the vertical direction of the display area 4.
ウィンドシールド3は、ガラス等で構成され、光透過性の視認領域を有する。視認領域は、運転者から見て像が視認できる領域である。ウィンドシールド3の視認領域内に、HUD装置1の表示領域4が構成される。表示領域4は、HUD装置1によって映像光が投射される領域であり、虚像7が表示可能な範囲に対応する。
The windshield 3 is made of glass or the like and has a light-transmitting visible region. The visible area is an area where the image can be visually recognized from the driver's point of view. The display area 4 of the HUD device 1 is configured in the visible area of the windshield 3. The display area 4 is an area on which the image light is projected by the HUD device 1, and corresponds to a range in which the virtual image 7 can be displayed.
HUD装置1は、車両2に搭載されており、例えば車載システムの一部として設けられる。HUD装置1は、例えば車両2のダッシュボードの一部に設置されている。HUD装置1は、映像表示装置30や光学系を含んで構成される。HUD装置1は、筐体である外装ケース内に、映像表示装置30の構成部品や光学系の構成部品が配置、収容されている。筐体の一部、例えば上面の一部には、開口部を有する。開口部は、防眩板(グレアトラップ)等で覆われている。光学系の部品は、後述する反射ミラー41,42、屈折素子43等を有する。
The HUD device 1 is mounted on the vehicle 2 and is provided, for example, as a part of an in-vehicle system. The HUD device 1 is installed, for example, in a part of the dashboard of the vehicle 2. The HUD device 1 includes a video display device 30 and an optical system. In the HUD device 1, components of the image display device 30 and components of an optical system are arranged and housed in an outer case which is a housing. A part of the housing, for example a part of the upper surface, has an opening. The opening is covered with an antiglare plate (glare trap) or the like. The optical system components include reflection mirrors 41 and 42, a refraction element 43, and the like, which will be described later.
映像表示装置30は、光源装置(光源モジュール)10と、表示素子である液晶表示素子50とを含んで構成される。映像表示装置30は、映像データに基づいて映像光を生成し出射して、ウィンドシールド3(または図示しないコンバイナ等)に対する投射表示を行うプロジェクタである。コンバイナは、ウィンドシールド3の直前に設けられる専用の表示板である。光源装置10は、前述の実施の形態1でも示したようなLED素子や照明光学系を含み、液晶表示素子50に対する照明光を生成し照射する。
The image display device 30 includes a light source device (light source module) 10 and a liquid crystal display element 50 which is a display element. The video display device 30 is a projector that generates and emits video light based on video data to display a projection on a windshield 3 (or a combiner or the like (not shown)). The combiner is a dedicated display board provided immediately before the windshield 3. The light source device 10 includes an LED element and an illumination optical system as shown in the first embodiment described above, and generates and irradiates the illumination light for the liquid crystal display element 50.
液晶表示素子50は、表示信号および光源装置10からの照明光に基づいて映像光を生成し、光学系(特に調整光学系と記載する)へ出射する。調整光学系は、光学部品として、屈折素子43や反射ミラー42,41を有する。これらの光学部品は、ウィンドシールド3に対する映像光の投射位置や表示距離等を調整する機能(表示距離調整機構)を実現する。HUD装置1は、映像表示装置30の液晶表示素子50から出射された映像光を、屈折素子43等の光学素子を介して、反射ミラー41および反射ミラー42によって反射および拡大させて、ウィンドシールド3の一部の領域に投射する。
The liquid crystal display element 50 generates image light based on the display signal and the illumination light from the light source device 10, and emits the image light to an optical system (particularly referred to as an adjustment optical system). The adjusting optical system includes a refracting element 43 and reflection mirrors 42 and 41 as optical components. These optical components realize a function (display distance adjustment mechanism) for adjusting the projection position, display distance, and the like of video light with respect to the windshield 3. The HUD device 1 reflects and enlarges the image light emitted from the liquid crystal display element 50 of the image display device 30 by the reflection mirror 41 and the reflection mirror 42 via an optical element such as a refraction element 43, and windshield 3 Project to a part of the area.
屈折素子43は、映像光を屈折させるレンズ等で構成される。屈折素子43には、光軸、屈折の方向を調整可能とするように、配置角度等を変更するためのモータ等の駆動部が接続されていてもよい。反射ミラー42は、例えば平面ミラーであり、液晶表示素子50から例えば概略的に鉛直方向(Z方向)に出射された光を、概略的に前方(Y方向で左)にある反射ミラー41の方へ反射させる。反射ミラー41は、例えば凹面ミラーであり、概略的にY方向から入射された映像光を、概略的に鉛直方向(Z方向)の上方にあるウィンドシールド3の方へ反射させる。反射ミラー41,42には、光軸の方向を調整可能とするように、配置角度等を調整するためのモータ等の駆動部が接続されていてもよい。
The refracting element 43 is composed of a lens or the like that refracts image light. A drive unit such as a motor for changing the arrangement angle or the like may be connected to the refraction element 43 so that the optical axis and the direction of refraction can be adjusted. The reflection mirror 42 is, for example, a plane mirror, and the light emitted from the liquid crystal display element 50, for example, substantially in the vertical direction (Z direction) is directed toward the reflection mirror 41 substantially forward (left in the Y direction). Reflect to. The reflection mirror 41 is, for example, a concave mirror, and reflects the image light substantially incident from the Y direction toward the windshield 3 which is substantially above the vertical direction (Z direction). A drive unit such as a motor for adjusting the arrangement angle or the like may be connected to the reflection mirrors 41 and 42 so that the direction of the optical axis can be adjusted.
HUD装置1(反射ミラー42)から出射した映像光は、ウィンドシールド3の一部の領域(表示領域4)の面によって概略的にY方向の右に反射されて、運転者の目5に入射し、網膜に結像する。これにより、運転者は、その映像光を見ることで、視界の前方のウィンドシールド3の表示領域4において、透過されている実像上に重畳表示される映像や画像を虚像7として視認する。
The image light emitted from the HUD device 1 (reflection mirror 42) is substantially reflected to the right in the Y direction by the surface of a part of the windshield 3 (display area 4), and is incident on the driver's eyes 5. And image on the retina. As a result, the driver sees the image light and visually recognizes the image or image superimposed on the transmitted real image as a virtual image 7 in the display area 4 of the windshield 3 in front of the field of view.
映像光の光軸や、運転者の目5から虚像7を見る場合の視線6を、一点鎖線で示す。また、車両2の外部、例えば上方からウィンドシールド3およびHUD装置1内部に対して入射する太陽光等の外光の光軸を二点鎖線で示す。
The optical axis of the image light and the line-of-sight 6 when the virtual image 7 is viewed from the driver's eyes 5 are shown by a alternate long and short dash line. Further, the optical axis of external light such as sunlight incident on the windshield 3 and the inside of the HUD device 1 from the outside of the vehicle 2, for example, from above is indicated by a two-dot chain line.
[2-2:HUD装置-機能ブロック]
図27は、図26のHUD装置1の内部の機能ブロック構成を示す。HUD装置1は、制御部1A、映像表示装置30、調整光学系40を含む。映像表示装置30は、表示制御部30A、光源装置10、表示素子である液晶表示素子50を含む。液晶表示素子50は、透過型または反射型液晶表示装置である。
[2-2: HUD device-functional block]
FIG. 27 shows the internal functional block configuration of the HUD device 1 of FIG. The HUD device 1 includes a control unit 1A, an image display device 30, and an adjustment optical system 40. The image display device 30 includes a display control unit 30A, a light source device 10, and a liquid crystal display element 50 which is a display element. The liquid crystal display element 50 is a transmissive or reflective liquid crystal display device.
光源装置10は、前述のような光源部301、照明光学系302を含む。光源部301は、前述の実施の形態1でも示したようにLED素子14等で構成される。照明光学系302は、前述の実施の形態1でも示したようにLEDコリメータ15、偏光変換素子21、導光体17等で構成される。偏光変換素子21は、前述のように、透光性部材(プリズム)、PBS膜、位相板等で構成される。調整光学系40は、屈折素子43、反射ミラー42,41等で構成される。少なくとも反射ミラー43には、配置角度を可変に調整するための駆動部44が接続されている。
The light source device 10 includes the light source unit 301 and the illumination optical system 302 as described above. The light source unit 301 is composed of the LED element 14 and the like as shown in the first embodiment described above. As shown in the first embodiment, the illumination optical system 302 includes an LED collimator 15, a polarization conversion element 21, a light guide body 17, and the like. As described above, the polarization conversion element 21 is composed of a translucent member (prism), a PBS film, a phase plate, and the like. The adjusting optical system 40 includes a refracting element 43, reflection mirrors 42, 41 and the like. At least the reflection mirror 43 is connected to a drive unit 44 for variably adjusting the arrangement angle.
HUD装置1は、車載システムに接続されている場合、図示しないエンジン制御部(ECU)等からの制御に従って動作可能である。HUD装置1の制御部1Aは、映像表示装置30の表示制御部30Aや、調整光学系40の駆動部44等を制御することで、表示領域4への虚像7の表示を制御する。表示制御部31は、制御部1Aからの制御に従って、虚像7の表示のための映像データを生成し、光源装置10や液晶表示素子50に駆動制御信号や表示信号を与える。光源装置10は、駆動制御信号に従ってLED素子14の発光のオン/オフ等を制御することで照明光を生成し出射する。光源部301から発生した光は、照明光学系302によって集光および均一化されて、面状の照明光として、液晶表示素子50の面に照射される。液晶表示素子50は、表示駆動回路を含み、表示信号および照明光に従って映像光を生成し出射する。照明光学系302では、光学部品によって、液晶表示素子50およびHUD装置1に好適な照明光を生成するための所定の特性の配向制御が行われる。
When the HUD device 1 is connected to an in-vehicle system, the HUD device 1 can operate according to control from an engine control unit (ECU) or the like (not shown). The control unit 1A of the HUD device 1 controls the display of the virtual image 7 in the display area 4 by controlling the display control unit 30A of the image display device 30, the drive unit 44 of the adjustment optical system 40, and the like. The display control unit 31 generates video data for displaying the virtual image 7 according to the control from the control unit 1A, and gives a drive control signal and a display signal to the light source device 10 and the liquid crystal display element 50. The light source device 10 generates and emits illumination light by controlling on / off of light emission of the LED element 14 according to a drive control signal. The light generated from the light source unit 301 is condensed and uniformized by the illumination optical system 302, and is applied to the surface of the liquid crystal display element 50 as planar illumination light. The liquid crystal display element 50 includes a display drive circuit, and generates and emits image light according to a display signal and illumination light. In the illumination optical system 302, the orientation control of predetermined characteristics for generating illumination light suitable for the liquid crystal display element 50 and the HUD device 1 is performed by the optical component.
なお、表示素子としては、液晶表示素子50に限らず、他の種類の素子も適用可能である。その場合、その表示素子の特性に合わせるように、調整光学系40や光源装置10の配光制御を含む特性が実装される。
The display element is not limited to the liquid crystal display element 50, and other types of elements can also be applied. In that case, characteristics including light distribution control of the adjusting optical system 40 and the light source device 10 are implemented so as to match the characteristics of the display element.
[2-3:比較例、課題等]
図28は、実施の形態2に対する比較例のHUD装置280の概略構成、および外光の影響の課題等に関する説明図を示す。図28のHUD装置280の部品配置概略は図26と同様である。比較例のHUD装置280は、前述の実施例と同様の構成要素を有する。光源装置10は、Y方向において前(図面の左)から後(図面の右)へ順に、ヒートシンク13、LED基板12、LED素子14、LEDコリメータ15、偏光変換素子21、合成拡散ブロック16、拡散板18a、導光体17が配置されている。LED素子14の発光軸はY方向であり、光軸a1で示す。導光体17は、断面が三角形の柱状である。導光体17からZ方向の上方へ順に、拡散板18b、液晶表示素子50、屈折素子43、反射ミラー42が配置されている。反射ミラー42からY方向の前方(左)に反射ミラー41が配置されている。反射ミラー41のZ方向の上方に筐体80の開口部81がある。
[2-3: Comparative examples, problems, etc.]
FIG. 28 shows a schematic configuration of the HUD device 280 of the comparative example with respect to the second embodiment, and an explanatory diagram regarding a problem of the influence of external light and the like. The outline of the component arrangement of the HUD device 280 of FIG. 28 is the same as that of FIG. 26. The HUD device 280 of the comparative example has the same components as those of the above-mentioned embodiment. The light source device 10 includes a heat sink 13, an LED substrate 12, an LED element 14, an LED collimator 15, a polarization conversion element 21, a synthetic diffusion block 16, and diffusion in this order from front (left in the drawing) to rear (right in the drawing) in the Y direction. The plate 18a and the light guide body 17 are arranged. The light emitting axis of the LED element 14 is in the Y direction, and is indicated by the optical axis a1. The light guide body 17 has a columnar cross section having a triangular cross section. A diffusion plate 18b, a liquid crystal display element 50, a refraction element 43, and a reflection mirror 42 are arranged in this order from the light guide body 17 in the Z direction. The reflection mirror 41 is arranged in front (left) in the Y direction from the reflection mirror 42. The opening 81 of the housing 80 is located above the reflection mirror 41 in the Z direction.
LED素子14の発光点からのY方向に延在する発光軸を光軸a1で示す。光軸a1は、導光体17の反射部によって、Z方向の光軸a2に変換されている。導光体17の入射面および出射面は平面である。導光体17の出射面および拡散板18bは、水平のX-Y平面に配置されている。Z方向において、導光体17の出射面および拡散板18bの上方に、液晶表示素子50のパネル面が、水平のX-Y平面にある程度傾いた状態で配置されている。光軸a2上で、液晶表示素子50の上方に、屈折素子43が同様に傾いた状態で配置されている。
The light axis extending in the Y direction from the light emitting point of the LED element 14 is indicated by the optical axis a1. The optical axis a1 is converted into the optical axis a2 in the Z direction by the reflecting portion of the light guide body 17. The entrance surface and the exit surface of the light guide body 17 are flat surfaces. The emission surface of the light guide body 17 and the diffuser plate 18b are arranged on a horizontal XY plane. In the Z direction, the panel surface of the liquid crystal display element 50 is arranged above the emission surface of the light guide body 17 and the diffusion plate 18b in a state of being tilted to some extent on a horizontal XY plane. On the optical axis a2, the refraction element 43 is similarly tilted above the liquid crystal display element 50.
光軸a2上で、液晶表示素子50からの出射光である映像光は、屈折素子43を経由して、反射ミラー42の点Q2に入射する。光軸a2は、反射ミラー42の点Q2で反射によって概略的にY方向の左への光軸a3となる。光軸a3は、反射ミラー41の点Q1に入射する。光軸a3は、反射ミラー41の点Q1で反射によって概略的にZ方向の上方への光軸a4となる。光軸a4は、ウィンドシールド3の表示領域4の点Q3に入射して反射され、概略的にY方向の右への光軸a5となり、運転者の目5に入射する。
On the optical axis a2, the image light emitted from the liquid crystal display element 50 passes through the refraction element 43 and is incident on the point Q2 of the reflection mirror 42. The optical axis a2 becomes the optical axis a3 substantially to the left in the Y direction due to reflection at the point Q2 of the reflection mirror 42. The optical axis a3 is incident on the point Q1 of the reflection mirror 41. The optical axis a3 becomes the optical axis a4 substantially upward in the Z direction by reflection at the point Q1 of the reflection mirror 41. The optical axis a4 is incident on and reflected at the point Q3 in the display region 4 of the windshield 3, becomes an optical axis a5 substantially to the right in the Y direction, and is incident on the driver's eyes 5.
反射ミラー41の角度を角度θ1で示す。この角度θ1は、例えば、X方向の回転軸を中心とした回転角度(本例では水平面を基準の0度とした角度)に対応し、駆動部44を通じて変更可能である。
The angle of the reflection mirror 41 is indicated by an angle θ1. This angle θ1 corresponds to, for example, a rotation angle centered on the rotation axis in the X direction (in this example, an angle with the horizontal plane as a reference of 0 degrees), and can be changed through the drive unit 44.
HUD装置280の高さ方向(Z方向)のサイズを小さくしたい場合、本比較例のように、導光体17を用いて、光軸をY方向とZ方向とで曲げる形態とし、Y方向においてヒートシンク13、LED基板12、LEDコリメータ15、偏光変換素子21等の部品を配置する。これにより、Z方向のサイズが小さく抑えられるが、Y方向のサイズは比較的大きくなる。特に、光量を大きくするために複数のLED素子14を用いる場合や、放熱性能を高くするために大きなヒートシンク13等を用いる場合、Y方向のサイズが増大する。これにより、HUD装置1の小型化には不利となる。
When it is desired to reduce the size of the HUD device 280 in the height direction (Z direction), the optical axis is bent in the Y direction and the Z direction by using the light guide body 17 as in this comparative example, and in the Y direction. Parts such as a heat sink 13, an LED substrate 12, an LED collimator 15, and a polarization conversion element 21 are arranged. As a result, the size in the Z direction can be kept small, but the size in the Y direction becomes relatively large. In particular, when a plurality of LED elements 14 are used to increase the amount of light, or when a large heat sink 13 or the like is used to increase heat dissipation performance, the size in the Y direction increases. This is disadvantageous for downsizing the HUD device 1.
HUD装置は、例えば車両内のダッシュボード等の限られた空間に設置されるので、より小型で高効率な装置が要求されている。映像表示装置30や光源装置10は、HUD装置等の実装に好適なように、より小型かつ高効率なモジュールとして実現されることが望ましい。また、HUD装置を小型化しつつ、虚像のための好適な映像光の生成等が要求される。好適な映像光の生成のためには、光源装置10からの好適な照明光が要求される。また、光源部の冷却性能等も要求されている。光源装置10は、HUD装置280および液晶表示素子50等の特性に合わせた、好適な面状の照明光を発生させる必要がある。その照明光は、例えば所定の光量、面サイズ、面内の光強度の分布の均一性等が要求される。それらの特性を確保しつつ、装置の小型化等も要求される。
Since the HUD device is installed in a limited space such as a dashboard in a vehicle, a smaller and more efficient device is required. It is desirable that the image display device 30 and the light source device 10 be realized as a smaller and more efficient module so as to be suitable for mounting a HUD device or the like. Further, it is required to generate suitable image light for a virtual image while downsizing the HUD device. Suitable illumination light from the light source device 10 is required for the generation of suitable video light. Further, the cooling performance of the light source unit is also required. The light source device 10 needs to generate suitable planar illumination light that matches the characteristics of the HUD device 280, the liquid crystal display element 50, and the like. The illumination light is required to have, for example, a predetermined amount of light, a surface size, a uniform distribution of light intensity in the surface, and the like. While ensuring these characteristics, miniaturization of the device is also required.
映像表示装置30からの映像光は、調整光学系40を経由して屈折や反射や拡大等の作用を受けて、ウィンドシールド3の表示領域4に投射され、所定の収束角度で運転者の目5に入射する。運転者からみると、所定の収束角度に対応した虚像7が、表示領域4越しに観察される。所定の収束角度は、HUD光学系で様々であるが、概ね運転者に対して水平方向(水平光)で4°から10°程度、垂直方向(垂直光)で1.5°~5°程度がある。HUDの映像光として好適な所定の収束角度を得るためには、反射ミラー41に入射する前に、映像光を充分拡大する必要がある。特に、水平光の収束角度として4°から10°を実現するためには、概ね映像光を200mm以上に拡大する必要がある。そのためには、光源装置10で出射光を拡大する、調整光学系40の屈折素子43や反射ミラー42で出射光を拡大する等の方策が必要になる。
The image light from the image display device 30 is subjected to actions such as refraction, reflection, and enlargement via the adjustment optical system 40, and is projected onto the display area 4 of the windshield 3, and is projected by the driver's eyes at a predetermined convergence angle. It is incident on 5. From the driver's point of view, the virtual image 7 corresponding to the predetermined convergence angle is observed through the display area 4. The predetermined convergence angle varies depending on the HUD optical system, but is generally about 4 ° to 10 ° in the horizontal direction (horizontal light) and about 1.5 ° to 5 ° in the vertical direction (vertical light) with respect to the driver. There is. In order to obtain a predetermined convergence angle suitable for the image light of the HUD, it is necessary to sufficiently magnify the image light before it is incident on the reflection mirror 41. In particular, in order to realize a convergence angle of horizontal light from 4 ° to 10 °, it is necessary to expand the image light to 200 mm or more. For that purpose, it is necessary to take measures such as expanding the emitted light by the light source device 10 and expanding the emitted light by the refracting element 43 and the reflecting mirror 42 of the adjusting optical system 40.
また、図28の比較例の光学系を含む構成では、光源装置10(導光体17)からの出射光のZ方向の光軸a2と、液晶表示素子50および屈折素子43の軸(法線方向)が所定の角度で配置されている。このような構成では、以下のように外光の影響の課題もある。図28で、外光がHUD装置280内に入射する場合の光路を、二点鎖線の光軸b1~b4等で示す。光軸b1~b4は、映像光の出射の光路(光軸a1~a5)に対して逆方向を進む。なお、光軸b2等は光軸a4等と重なっているので、少しずらして図示している。
Further, in the configuration including the optical system of the comparative example of FIG. 28, the optical axis a2 in the Z direction of the light emitted from the light source device 10 (light guide body 17) and the axes (normal lines) of the liquid crystal display element 50 and the refraction element 43. Direction) is arranged at a predetermined angle. In such a configuration, there is also a problem of the influence of external light as follows. In FIG. 28, the optical path when the external light enters the HUD device 280 is shown by the optical axes b1 to b4 of the alternate long and short dash line. The optical axes b1 to b4 travel in the opposite direction to the optical path (optical axes a1 to a5) at which the image light is emitted. Since the optical axis b2 and the like overlap with the optical axis a4 and the like, they are shown with a slight shift.
HUD装置280内に外光が入射した場合、外光が調整光学系40の反射ミラー41,42を通じて屈折素子43や液晶表示素子50に入射する。更に、その外光が屈折素子43等で反射され、光路を逆方向に戻り、外光の一部がHUD装置280外に出る。そして、その外光がウィンドシールド3で反射されて運転者の目5に入射する場合がある。これにより、運転者は、表示領域4の虚像7の映像光に外光がノイズとして反映された状態で虚像7を視認する。そのため、運転者は、虚像7が視認しにくい場合がある。すなわち、虚像の表示品質が低下する。
When external light is incident on the HUD device 280, the external light is incident on the refraction element 43 and the liquid crystal display element 50 through the reflection mirrors 41 and 42 of the adjustment optical system 40. Further, the external light is reflected by the refraction element 43 or the like, returns to the optical path in the opposite direction, and a part of the external light goes out of the HUD device 280. Then, the external light may be reflected by the windshield 3 and incident on the driver's eyes 5. As a result, the driver visually recognizes the virtual image 7 in a state where the external light is reflected as noise in the video light of the virtual image 7 in the display area 4. Therefore, it may be difficult for the driver to visually recognize the virtual image 7. That is, the display quality of the virtual image is deteriorated.
まず、車両2の上方からの外光の光軸b1がウィンドシールド3の表示領域4の点Q3に入射する。外光の一部は、ウィンドシールド3の面で反射等される。ウィンドシールド3内に入射した外光の光軸b2は、開口部81を経由して反射ミラー41の点Q1に入射する。点Q1で反射された外光の光軸b3は、反射ミラー42の点Q2に入射する。点Q2で反射された外光の光軸b4は、屈折素子43や液晶表示素子50に入射する。屈折素子43等で反射された外光は、光軸b5,b6,b7のように、入射時と逆方向に戻る。それらの外光は、HUD装置280内から外に出て、ウィンドシールド3の表示領域4の点Q3で反射され、光軸b8のように運転者の目5に入射する。
First, the optical axis b1 of the external light from above the vehicle 2 is incident on the point Q3 of the display region 4 of the windshield 3. A part of the outside light is reflected by the surface of the windshield 3. The optical axis b2 of the external light incident on the windshield 3 is incident on the point Q1 of the reflection mirror 41 via the opening 81. The optical axis b3 of the external light reflected at the point Q1 is incident on the point Q2 of the reflection mirror 42. The optical axis b4 of the external light reflected at the point Q2 is incident on the refraction element 43 and the liquid crystal display element 50. The external light reflected by the refracting element 43 or the like returns in the direction opposite to that at the time of incident, as in the optical axes b5, b6, and b7. The external light goes out from the inside of the HUD device 280, is reflected at the point Q3 of the display area 4 of the windshield 3, and is incident on the driver's eye 5 like the optical axis b8.
HUD装置280の光源装置10および調整光学系40では、好適な表示領域4の虚像7を形成するための好適な映像光のために、所定の収束角度を実現する配光制御が必要である。その配光制御のために、例えば図28のような構成をとる。この構成では、上記のように、HUD装置280内に入射した外光の反射等によってHUD装置280外に戻る外光成分(戻り外光と記載する場合がある)が生じる。すなわち、入射する外光は、屈折素子43や液晶表示素子50をある程度傾けることでウィンドシールド3やHUD装置1の開口部81の機能によってある程度までは反射や吸収等によって排除されるが、特に屈折素子43の表面が凹面になっているので、一部の反射光が入射光路を逆行し、完全には排除できない。そのため、その戻り外光が運転者の目5に入射した場合に、虚像7の表示品質を低下させる。
In the light source device 10 and the adjustment optical system 40 of the HUD device 280, a light distribution control that realizes a predetermined convergence angle is required for suitable image light for forming a virtual image 7 of a suitable display area 4. For the light distribution control, for example, the configuration shown in FIG. 28 is adopted. In this configuration, as described above, an external light component (sometimes referred to as return external light) that returns to the outside of the HUD device 280 is generated due to reflection of external light incident on the HUD device 280 or the like. That is, the incident external light is eliminated by reflection or absorption to some extent by the function of the windshield 3 or the opening 81 of the HUD device 1 by tilting the refraction element 43 or the liquid crystal display element 50 to some extent, but particularly refraction. Since the surface of the element 43 is concave, a part of the reflected light reverses the incident optical path and cannot be completely excluded. Therefore, when the return external light is incident on the driver's eyes 5, the display quality of the virtual image 7 is deteriorated.
そこで、実施の形態2の光源装置等では、HUDの表示品質を高めるために、上記のような外光の影響を防止または低減できる機能を提供する。実施の形態2の光源装置等では、光源部301および照明光学系302の構造の工夫によって、液晶表示素子50および屈折素子43等に対する光軸の方向が、比較例の構成とは異なる(後述の図29等)。検討によれば、照明光および映像光の光軸に対して、屈折素子43等の有効面(映像光が透過や反射する面)の法線傾き角度を、少なくとも10°以上とすることが有効であるとわかった。この工夫によって、実施の形態2の光源装置等では、好適な映像光の生成と、戻り外光防止等との両方を満たすように、所定の配光制御の特性を実現する。光源装置での所定の配光制御に基づいて生成された照明光が、液晶表示素子に供給される。そして、HUD装置の表示領域のための所定の好適な特性を持つ映像光が生成され出射される。その映像光が、屈折素子43等を含む調整光学系を経由して、ウィンドシールドの表示領域へ投射される。ここで、前述のように光源装置で所定の配光制御がなされるので、屈折素子43内での屈折角の分布は、比較例ほど広く取る必要がなくなる。すなわち屈折素子43の表面形状は、比較例ほど凹面の傾斜(曲率)をきつくする必要が無い。これにより、実施の形態2の光源装置等では、HUD装置内に外光が入射した場合に、屈折素子43や液晶表示素子50をある程度傾けることで、その外光が調整光学系や液晶表示素子で反射しても、HUD装置外には殆ど戻らず、すなわち戻り外光が殆ど生じない。そのため、戻り外光が運転者の目に入射することで虚像の表示品質が低下することが防止または低減される。すなわち、実施の形態2では、好適な映像光を確保しつつ、戻り外光を防止または低減し、外光の影響による虚像の視認性の低下を抑制する効果が得られる。
Therefore, the light source device or the like of the second embodiment provides a function capable of preventing or reducing the influence of external light as described above in order to improve the display quality of the HUD. In the light source device and the like of the second embodiment, the direction of the optical axis with respect to the liquid crystal display element 50, the refraction element 43, and the like is different from the configuration of the comparative example by devising the structure of the light source unit 301 and the illumination optical system 302 (described later). (Fig. 29, etc.). According to the study, it is effective to set the normal inclination angle of the effective surface (the surface through which the image light is transmitted or reflected) of the refracting element 43 or the like to at least 10 ° with respect to the optical axis of the illumination light and the image light. It turned out to be. By this ingenuity, in the light source device or the like of the second embodiment, a predetermined light distribution control characteristic is realized so as to satisfy both the generation of suitable image light and the prevention of return external light. The illumination light generated based on the predetermined light distribution control in the light source device is supplied to the liquid crystal display element. Then, video light having predetermined suitable characteristics for the display area of the HUD device is generated and emitted. The image light is projected onto the display area of the windshield via the adjusting optical system including the refracting element 43 and the like. Here, since the predetermined light distribution control is performed by the light source device as described above, the distribution of the refraction angle in the refraction element 43 does not need to be as wide as in the comparative example. That is, the surface shape of the refracting element 43 does not need to have a concave inclination (curvature) as tight as in the comparative example. As a result, in the light source device or the like of the second embodiment, when the external light is incident on the HUD device, the refraction element 43 or the liquid crystal display element 50 is tilted to some extent so that the external light is adjusted by the adjusting optical system or the liquid crystal display element. Even if it is reflected by the HUD device, it hardly returns to the outside of the HUD device, that is, almost no return external light is generated. Therefore, it is possible to prevent or reduce the deterioration of the display quality of the virtual image due to the return external light incident on the driver's eyes. That is, in the second embodiment, it is possible to obtain the effect of preventing or reducing the return external light and suppressing the deterioration of the visibility of the virtual image due to the influence of the external light while ensuring suitable image light.
なお、比較例において、外光の影響を減らすために、HUD装置280内の調整光学系40で外光をそらして表示領域4へ反射しないように光学素子等を設置した場合(例えば図28のように液晶表示素子50や屈折素子43を水平面に対して傾けて配置した場合)、必然的に、映像光の特性に影響してしまう。そのため、戻り外光の影響を減らしつつ所定の好適な映像光の特性が確保されるように、光源装置10、液晶表示素子50、屈折素子43等の全体で配光制御の特性を工夫、制御する必要がある。
In the comparative example, in order to reduce the influence of external light, an optical element or the like is installed in the adjustment optical system 40 in the HUD device 280 so as to divert the external light and not reflect it to the display region 4 (for example, FIG. 28). When the liquid crystal display element 50 and the refraction element 43 are arranged at an angle with respect to the horizontal plane), the characteristics of the image light are inevitably affected. Therefore, the light distribution control characteristics of the light source device 10, the liquid crystal display element 50, the refraction element 43, etc. are devised and controlled so as to secure predetermined suitable characteristics of the image light while reducing the influence of the return external light. There is a need to.
実施の形態2の法線傾き角度を設ける構成の採用により、映像光の光路を逆行して入射する外光における、屈折素子43等で反射した光は、入射光に対して少なくとも上記法線傾き角度(例えば10°)の2倍である例えば20°を持って方向がずれる。そのため、その反射光が、HUD装置1(開口部81)から外に出て戻り外光として再びウィンドシールド3で反射されて運転者の目5に入射することが防止または低減できる。ただし、このような外光回避の条件を満足するためには、屈折素子43や反射ミラー41,42等の調整光学系40の構造が自ずと制限される。
By adopting the configuration in which the normal tilt angle is provided in the second embodiment, the light reflected by the refracting element 43 or the like in the external light incident in the reverse direction of the optical path of the video light has at least the above-mentioned normal tilt with respect to the incident light. The direction shifts with, for example, 20 °, which is twice the angle (for example, 10 °). Therefore, it is possible to prevent or reduce the reflected light that goes out from the HUD device 1 (opening 81), returns, is reflected by the windshield 3 again as external light, and is incident on the driver's eyes 5. However, in order to satisfy such a condition for avoiding external light, the structure of the adjusting optical system 40 such as the refracting element 43 and the reflecting mirrors 41 and 42 is naturally limited.
上記制限があるため、前述の屈折素子43等の調整光学系40で光を拡大する方策のみでは、好適な映像光(表示領域4のために十分に拡大した光)が実現できない。したがって、好適な映像光の実現のためには、調整光学系40で出射光を拡大する構成と、光源装置10で照明光を拡大する構成との併用での工夫が必要になる。種々の検討の結果、光源装置の小型化、薄型化、高効率化と、照明光の拡大制御とが同時に実現可能な構成として、導光体の入射面または出射面の少なくとも一方を自由曲面形状として配向制御を行う構成が有効であるとわかった。
Due to the above limitations, suitable image light (light sufficiently magnified for the display region 4) cannot be realized only by the measures for enlarging the light by the adjustment optical system 40 such as the refraction element 43 described above. Therefore, in order to realize a suitable image light, it is necessary to devise a combination of a configuration in which the emission light is expanded by the adjusting optical system 40 and a configuration in which the illumination light is expanded by the light source device 10. As a result of various studies, as a configuration that can simultaneously realize miniaturization, thinning, and high efficiency of the light source device and expansion control of the illumination light, at least one of the entrance surface and the emission surface of the light guide has a free curved shape. It was found that the configuration that controls the orientation is effective.
[2-4:HUD装置-配光制御]
図29は、図28の比較例に対し、実施の形態2の光源装置10および映像表示装置30を含むHUD装置1の概略構成、配向制御等を示す。HUD装置1内に外光が入射する場合の光路等も示す。実施の形態2の光源装置10および映像表示装置30は、比較例とは異なる配光制御の特性を有する。なお、図29等は概略構成であって、実装のサイズ等は図29等に限定されない。
[2-4: HUD device-light distribution control]
FIG. 29 shows a schematic configuration, orientation control, and the like of the HUD device 1 including the light source device 10 and the image display device 30 of the second embodiment with respect to the comparative example of FIG. 28. An optical path or the like when external light is incident on the HUD device 1 is also shown. The light source device 10 and the image display device 30 of the second embodiment have different light distribution control characteristics from those of the comparative example. Note that FIG. 29 and the like are schematic configurations, and the size and the like of the mounting are not limited to those of FIG. 29 and the like.
図29で、光源部301は、複数のLED素子14や制御回路を実装したLED基板12を含む。LED基板12の背面側にはヒートシンク13が設けられている。照明光学系302は、Y方向に配置されているLEDコリメータ15、偏光変換素子21、導光体17、Z方向に配置されている拡散板18b等を含む。LEDコリメータ15は、LED素子14からのY方向の光軸a1の光を集光し平行光に変換する。偏光変換素子21は、LEDコリメータ15からの入射光について、光束方向を偏光し光束幅を拡げるように光学変換を行って出射する。導光体17は、LED素子14からのY方向の光軸a1の方向を、液晶表示素子50へ照射するZ方向の光軸a2の方向へ変換するように導光する。実施の形態2では、導光体17は、断面が概略的に台形の柱状を有し、光の方向を概略的にY方向(水平方向)からZ方向(鉛直方向)へ変換する。詳しくは、導光体17からの出射光は、導光体17の出射面(水平面に対して所定の角度を持つ斜面)の自由曲面形状を通じて、Z方向に対し所定の角度で傾いた光軸となる。
In FIG. 29, the light source unit 301 includes an LED substrate 12 on which a plurality of LED elements 14 and control circuits are mounted. A heat sink 13 is provided on the back side of the LED substrate 12. The illumination optical system 302 includes an LED collimator 15 arranged in the Y direction, a polarization conversion element 21, a light guide body 17, a diffuser plate 18b arranged in the Z direction, and the like. The LED collimator 15 collects the light from the LED element 14 on the optical axis a1 in the Y direction and converts it into parallel light. The polarization conversion element 21 performs optical conversion on the incident light from the LED collimator 15 so as to polarize the light flux direction and widen the light flux width, and then emits the light. The light guide body 17 guides the light axis 17 so as to convert the direction of the optical axis a1 in the Y direction from the LED element 14 into the direction of the optical axis a2 in the Z direction that irradiates the liquid crystal display element 50. In the second embodiment, the light guide body 17 has a columnar shape having a substantially trapezoidal cross section, and the direction of light is substantially converted from the Y direction (horizontal direction) to the Z direction (vertical direction). Specifically, the light emitted from the light guide body 17 is an optical axis tilted at a predetermined angle with respect to the Z direction through the free curved surface shape of the light emitting surface (slope having a predetermined angle with respect to the horizontal plane) of the light guide body 17. It becomes.
照明光および映像光の光軸と、液晶表示素子50および屈折素子43の軸(法線傾き角度)とが、前述のように所定の角度(例えば10°)を有する。導光体17からの出射光である照明光が、水平面(X-Y平面)に所定の角度で配置されている液晶表示素子50に入射し、映像光が生成される。液晶表示素子50からの映像光は、Z方向に対し所定の角度で傾いた光軸を有する。その映像光が、水平面(X-Y平面)に所定の角度で配置されている屈折素子43に入射する。その映像光が、屈折素子43を通じて屈折した後、反射ミラー42の点Q2に入射して反射される。反射後の光軸a3の光は、反射ミラー41の点Q1に入射して反射される。反射光の光軸a4は、開口部81を経由して、ウィンドシールド3の表示領域4の点Q3に入射して反射される。その反射光の光軸a5は、運転者の目5に入射する。
The optical axis of the illumination light and the image light and the axis (normal inclination angle) of the liquid crystal display element 50 and the refraction element 43 have a predetermined angle (for example, 10 °) as described above. Illumination light, which is light emitted from the light guide body 17, enters the liquid crystal display element 50 arranged at a predetermined angle on a horizontal plane (XY plane), and image light is generated. The image light from the liquid crystal display element 50 has an optical axis tilted at a predetermined angle with respect to the Z direction. The image light is incident on the refracting element 43 arranged at a predetermined angle on the horizontal plane (XY plane). The image light is refracted through the refracting element 43, and then is incident on the point Q2 of the reflection mirror 42 and reflected. The light on the optical axis a3 after reflection is incident on the point Q1 of the reflection mirror 41 and reflected. The optical axis a4 of the reflected light is incident on and reflected at the point Q3 of the display region 4 of the windshield 3 via the opening 81. The optical axis a5 of the reflected light is incident on the driver's eyes 5.
調整光学系40には、例えば反射ミラー42の角度を変更するための駆動部44が接続されている。駆動部44は、モータ等の駆動によって、反射ミラー41の角度θ1(光軸方向と所定の対応関係を持つ)を変更する。駆動部44は、HUD装置1の制御部1Aからの制御、あるいは運転者の手動入力操作に基づいて、反射ミラー41の角度θ1を変更する。反射ミラー41の角度θ1の変更によって、HUD装置1からの映像光の投射方向(光軸a4)が変更される。これにより、ウィンドシールド3への映像光の投射位置が変更され、表示領域4の位置が変更される。そのため、運転者から見てウィンドシールド3における表示領域4の位置を例えばZ方向の上下に移動するように調整できる。運転者の目5の位置等に応じて表示領域4の位置を好適に調整可能である。
For example, a drive unit 44 for changing the angle of the reflection mirror 42 is connected to the adjustment optical system 40. The drive unit 44 changes the angle θ1 (having a predetermined correspondence with the optical axis direction) of the reflection mirror 41 by driving a motor or the like. The drive unit 44 changes the angle θ1 of the reflection mirror 41 based on the control from the control unit 1A of the HUD device 1 or the manual input operation of the driver. By changing the angle θ1 of the reflection mirror 41, the projection direction (optical axis a4) of the image light from the HUD device 1 is changed. As a result, the projection position of the image light on the windshield 3 is changed, and the position of the display area 4 is changed. Therefore, the position of the display area 4 in the windshield 3 can be adjusted so as to move up and down in the Z direction, for example, when viewed from the driver. The position of the display area 4 can be suitably adjusted according to the position of the driver's eyes 5 and the like.
実施の形態2の光源装置10では、LED基板12、LEDコリメータ15、偏光変換素子21等の工夫によって、光利用効率の確保と共に装置小型化を図り、Y方向のサイズをより小さくする。実施の形態2のHUD装置1の光源装置10や調整光学系40では、好適な映像光の生成のために、所定の収束角度を実現する配光制御が必要である。そして、実施の形態2のHUD装置1では、戻り外光防止機能のための所定の配光制御も必要である。それらの両方を満たす配光制御の実現のために、実施の形態2のHUD装置1では、特有の導光体17を含む図29のような構成をとる。この構成では、光源装置10からの照明光、および液晶表示素子50からの映像光の光軸に対して、屈折素子43等の光学素子の光軸(法線傾き角度)が、所定の角度(10°以上)を持つように異なっている(後述の図30の角度φ2等を参照)。
In the light source device 10 of the second embodiment, the LED substrate 12, the LED collimator 15, the polarization conversion element 21, and the like are devised to secure the light utilization efficiency, reduce the size of the device, and reduce the size in the Y direction. In the light source device 10 and the adjusting optical system 40 of the HUD device 1 of the second embodiment, light distribution control that realizes a predetermined convergence angle is required in order to generate suitable video light. Further, in the HUD device 1 of the second embodiment, a predetermined light distribution control for the return external light prevention function is also required. In order to realize the light distribution control that satisfies both of them, the HUD device 1 of the second embodiment has a configuration as shown in FIG. 29 including a unique light guide body 17. In this configuration, the optical axis (normal tilt angle) of the optical element such as the refraction element 43 is at a predetermined angle (normal line tilt angle) with respect to the optical axis of the illumination light from the light source device 10 and the image light from the liquid crystal display element 50. It is different so that it has (10 ° or more) (see the angle φ2 and the like in FIG. 30 described later).
図29で、外光がHUD装置1内に入射した場合の光路は以下である。比較例と同様に、外光の入射時の光軸b1~b4を示す。光軸b4は、反射ミラー42の点Q2で反射されて屈折素子43等へ入射する光を示す。この光軸b4は、屈折素子43や液晶表示素子50の軸(法線傾き角度)に対して角度を持って異なっている。そのため、光軸b4の光が屈折素子43や液晶表示素子50で反射された光は、前述の光軸b5とは異なる方向に進む。その反射外光は、筐体80に当たって減衰等するので、開口部81から外に出ることが防止または低減される。これにより、戻り外光が運転者の目5に入射することが防止または低減される。
In FIG. 29, the optical path when external light enters the HUD device 1 is as follows. Similar to the comparative example, the optical axes b1 to b4 when the external light is incident are shown. The optical axis b4 indicates light reflected by the point Q2 of the reflection mirror 42 and incident on the refracting element 43 or the like. The optical axis b4 is different from the axis (normal tilt angle) of the refraction element 43 and the liquid crystal display element 50 with an angle. Therefore, the light reflected by the refraction element 43 and the liquid crystal display element 50 from the optical axis b4 travels in a direction different from that of the above-mentioned optical axis b5. Since the reflected external light hits the housing 80 and is attenuated or the like, it is prevented or reduced from going out through the opening 81. This prevents or reduces the incident of return external light on the driver's eyes 5.
[2-5:HUD装置-配光制御(2)]
図30は、実施の形態2の光源装置10、映像表示装置30、調整光学系40等の構成概要を示す。図30では、図29よりも詳細構成例を示す。図30で、光源装置10は、Y方向で左から右へ順に、ヒートシンク13、LED基板12(LED素子14)、LEDコリメータ15、偏光変換素子21、配光制御板16b、導光体17が配置されている。LED基板14のX方向に複数のLED素子14が配列されている(後述の図32等)。LED素子14の発光面は、LEDコリメータ15の凹部の頂面に接して外に出るように配置されている(後述の図33等)。LEDコリメータ15のX方向には複数のLED素子14の位置に対応付けられて複数のコリメータ素子15Aが配列されている。偏光変換素子21は、PBS膜等の部材の延在方向がX方向となっており、複数の部材の配置方向がZ方向となっている(後述の図35等)。LED素子14からのY方向の光軸a1に対し、Z方向で上下対称の位置および形状で複数の部材が配置されている。配光制御板16bの出射側には、導光体17の入射部171(入射面s1)が配置されている。
[2-5: HUD device-light distribution control (2)]
FIG. 30 shows an outline of the configuration of the light source device 10, the image display device 30, the adjusting optical system 40, and the like according to the second embodiment. FIG. 30 shows a more detailed configuration example than that of FIG. 29. In FIG. 30, the light source device 10 includes a heat sink 13, an LED substrate 12 (LED element 14), an LED collimator 15, a polarization conversion element 21, a light distribution control plate 16b, and a light guide 17 in this order from left to right in the Y direction. Have been placed. A plurality of LED elements 14 are arranged in the X direction of the LED substrate 14 (FIG. 32, etc. described later). The light emitting surface of the LED element 14 is arranged so as to come out in contact with the top surface of the recess of the LED collimator 15 (FIG. 33, etc. described later). A plurality of collimator elements 15A are arranged in association with the positions of the plurality of LED elements 14 in the X direction of the LED collimator 15. In the polarization conversion element 21, the extending direction of the member such as the PBS film is the X direction, and the arrangement direction of the plurality of members is the Z direction (FIG. 35, etc. described later). A plurality of members are arranged at positions and shapes that are vertically symmetrical in the Z direction with respect to the optical axis a1 in the Y direction from the LED element 14. An incident portion 171 (incident surface s1) of the light guide body 17 is arranged on the emission side of the light distribution control plate 16b.
これにより、X方向で複数のLED素子14等の部品を並列に配置する形態の場合に、X方向で複数の部品をコンパクトに配置でき、装置のX方向のサイズが低減でき、小型化等に寄与できる。あるいは、装置のX方向の所定のサイズ内に、より多くの部品を配置でき、例えば多数のLED素子14の配置によってより大きい光量を確保できる。また、X方向における部品の配置の自由度が高くなるため、HUD装置1の多様な実装に対応しやすくなる。例えば、各種の表示領域4のサイズに合わせた実装が容易になる。
As a result, when a plurality of parts such as LED elements 14 are arranged in parallel in the X direction, a plurality of parts can be compactly arranged in the X direction, the size of the device in the X direction can be reduced, and the size can be reduced. Can contribute. Alternatively, more components can be placed within a predetermined size in the X direction of the device, for example, a larger amount of light can be secured by arranging a large number of LED elements 14. Further, since the degree of freedom in arranging the parts in the X direction is increased, it becomes easy to support various mountings of the HUD device 1. For example, mounting according to the size of various display areas 4 becomes easy.
導光体17は、図示のY-Z断面において概略台形状である。導光体17は、入射部171(入射面s1を含む)、反射部172(反射面s2を含む)、出射部173(出射面s3を含む)、頭頂部175(頭頂面s5を含む)を有する。入射部171の入射面s1は、本例では、鉛直のZ方向に対して所定の角度を持って配置されているが、Z方向の平面としてもよい。反射部172の反射面s2は、実施の形態1と同様に、複数の反射面および連接面の交互の繰り返しの構造を有する。Y方向で入射面s1の反対側には、頭頂面s5を有する。頭頂部175を設けたことで、出射部173の出射面s3は、基本的に、水平のY方向に対して所定の角度φ1を持つ斜面として構成されている。更に、出射面s3は、自由曲面形状を有する。この自由曲面形状は、所定の配光制御を実現するための形状である。なお、出射面s3の自由曲面形状を凸状として示しているが、これに限るものではなく、詳細は後述する。
The light guide body 17 has a substantially trapezoidal shape in the illustrated YY cross section. The light guide body 17 includes an incident portion 171 (including the incident surface s1), a reflecting portion 172 (including the reflecting surface s2), an emitting portion 173 (including the emitting surface s3), and a parietal portion 175 (including the parietal surface s5). Have. In this example, the incident surface s1 of the incident portion 171 is arranged at a predetermined angle with respect to the vertical Z direction, but may be a plane in the Z direction. The reflection surface s2 of the reflection unit 172 has a structure in which a plurality of reflection surfaces and connecting surfaces are alternately repeated, as in the first embodiment. On the opposite side of the incident surface s1 in the Y direction, there is a parietal surface s5. By providing the crown portion 175, the exit surface s3 of the emission portion 173 is basically configured as a slope having a predetermined angle φ1 with respect to the horizontal Y direction. Further, the exit surface s3 has a free curved surface shape. This free curved surface shape is a shape for realizing a predetermined light distribution control. The shape of the free curved surface of the exit surface s3 is shown as a convex shape, but the present invention is not limited to this, and details will be described later.
屈折素子43は、所定の屈折率を持つレンズ等の光学素子で構成され、詳細な形状としては例えば図30のように、入射側および出射側で凹面の形状を有する。この屈折素子43の凹面の傾斜は、比較例の屈折素子43の凹面の傾斜よりも緩やかである。言い換えると、凹面の中心と周辺とで高さ(曲率)の差が比較的小さい。これに限らず、屈折素子43は、図1のように、入射側が凹面、出射側が凸面の形状としてもよい。
The refraction element 43 is composed of an optical element such as a lens having a predetermined refractive index, and has a concave shape on the incident side and the exit side as shown in FIG. 30 as a detailed shape. The inclination of the concave surface of the refracting element 43 is gentler than the inclination of the concave surface of the refracting element 43 of the comparative example. In other words, the difference in height (curvature) between the center and the periphery of the concave surface is relatively small. Not limited to this, the refracting element 43 may have a concave surface on the incident side and a convex surface on the exit side as shown in FIG.
映像光の光路等については以下である。概略的には、LED素子14からのY方向の光軸a1は、導光体17での反射を通じて、概略的にZ方向の光軸a2となる。導光体17からの出射光の光軸a2は、出射面s3の作用を通じて、Z方向に対して所定の角度φ3を持つ方向(光軸a22,a23)に変換されている。その光軸に対し、液晶表示素子50および屈折素子43の軸は、所定の角度φ2を成している。液晶表示素子50のパネル面および屈折素子43は、本例ではX-Y平面に対して所定の角度(後述の図42の角度φ5)で配置されている。上記のように、液晶表示素子50および屈折素子43の軸に対して光軸a23,a24,a25が非直交であり、角度φ2を有する。
The optical path of the image light is as follows. Generally, the optical axis a1 in the Y direction from the LED element 14 becomes the optical axis a2 in the Z direction through reflection by the light guide body 17. The optical axis a2 of the light emitted from the light guide 17 is converted into a direction (optical axes a22, a23) having a predetermined angle φ3 with respect to the Z direction through the action of the emission surface s3. The axes of the liquid crystal display element 50 and the refraction element 43 form a predetermined angle φ2 with respect to the optical axis. In this example, the panel surface of the liquid crystal display element 50 and the refraction element 43 are arranged at a predetermined angle (angle φ5 in FIG. 42 described later) with respect to the XY plane. As described above, the optical axes a23, a24, and a25 are non-orthogonal with respect to the axes of the liquid crystal display element 50 and the refraction element 43, and have an angle φ2.
LED素子14の発光点を点p1で示す。点p1からのY方向の光軸a1を示す。導光体17の入射面s1で光軸a1が通る点p2を示す。導光体17の反射面s2で光軸a1が当たる点p3を示す。点p3で反射されることで、光軸a1からZ方向の光軸a21に変換されている。出射面s3で光軸a21が通る点p4を示す。出射面s3の点p4を通じて屈折後の光軸a22を示す。光軸a22は、拡散板18bを経由して液晶表示素子50の点p5に入射する。液晶表示素子50の点p5からの映像光の光軸a23を示す。光軸a22および光軸a23は、Z方向に対する角度φ3を有する。光軸a23の映像光は、屈折素子43の点p6に入射し、屈折の作用を受けて、光軸a24となる。光軸a24は、Z方向に対する所定の角度φ3を有し、液晶表示素子50および屈折素子43の軸に対する所定の角度φ2を有する。光軸a24の映像光は、反射ミラー42の点Q2に入射して反射され、前述の光軸a3となる。
The light emitting point of the LED element 14 is indicated by point p1. The optical axis a1 in the Y direction from the point p1 is shown. The point p2 through which the optical axis a1 passes on the incident surface s1 of the light guide body 17 is shown. The point p3 where the optical axis a1 hits on the reflection surface s2 of the light guide body 17 is shown. By being reflected at the point p3, it is converted from the optical axis a1 to the optical axis a21 in the Z direction. The point p4 through which the optical axis a21 passes on the exit surface s3 is shown. The optical axis a22 after refraction is shown through the point p4 of the emission surface s3. The optical axis a22 is incident on the point p5 of the liquid crystal display element 50 via the diffuser plate 18b. The optical axis a23 of the image light from the point p5 of the liquid crystal display element 50 is shown. The optical axis a22 and the optical axis a23 have an angle φ3 with respect to the Z direction. The video light of the optical axis a23 is incident on the point p6 of the refraction element 43 and is subjected to the action of refraction to become the optical axis a24. The optical axis a24 has a predetermined angle φ3 with respect to the Z direction, and has a predetermined angle φ2 with respect to the axes of the liquid crystal display element 50 and the refraction element 43. The video light of the optical axis a24 is incident on the point Q2 of the reflection mirror 42 and reflected, and becomes the above-mentioned optical axis a3.
また、前述の外光がHUD装置1内に入射した場合、反射ミラー41からの外光の光軸b3は、反射ミラー42の点Q2で反射されて光軸b4(光軸a24の逆方向)となる。光軸b4の外光は、屈折素子43の点p6に入射する。実施の形態2では、光軸に角度φ2を有する構成によって、戻り外光が生じにくい特性となっている。光軸b4の外光のうち、屈折素子43で反射された外光は、比較例とは異なる方向に進む。光軸b4の外光における、表示領域4に対応する範囲の最外部に対応する反射外光の光線を光線b9で示す。光軸b4に対し、光線b9は、角度φ2の2倍に対応する角度でずれる。反射外光の光線b9は、筐体80等に当たって減衰することで、開口部81から外に戻りにくい。同様に、光軸b4の外光のうち、屈折素子43を通過して液晶表示素子50に入射した場合の反射外光の光線を光線b10で示す。光線b10は、同様に、映像光とは異なる光軸で進み、減衰等によって、開口部81から外に戻りにくい。視線6の光軸a5上には戻り外光成分が殆ど無い。このようにして、戻り外光が運転者の目5に入射することが防止および低減される。これにより、運転者が視線6で表示領域4の点Q3を通じて虚像7を見る場合に、虚像7を好適に視認できる。
Further, when the above-mentioned external light is incident on the HUD device 1, the optical axis b3 of the external light from the reflection mirror 41 is reflected by the point Q2 of the reflection mirror 42 and is reflected by the optical axis b4 (in the opposite direction of the optical axis a24). It becomes. The external light of the optical axis b4 is incident on the point p6 of the refracting element 43. In the second embodiment, the optical axis has an angle of φ2, so that the return external light is unlikely to be generated. Of the external light of the optical axis b4, the external light reflected by the refracting element 43 travels in a direction different from that of the comparative example. The light beam of the reflected external light corresponding to the outermost part of the range corresponding to the display region 4 in the external light of the optical axis b4 is shown by the light beam b9. The light ray b9 is displaced with respect to the optical axis b4 at an angle corresponding to twice the angle φ2. The light ray b9 of the reflected external light hits the housing 80 or the like and is attenuated, so that it is difficult for the light beam b9 to return to the outside through the opening 81. Similarly, among the external light of the optical axis b4, the light beam of the reflected external light when it passes through the refraction element 43 and is incident on the liquid crystal display element 50 is shown by the light ray b10. Similarly, the light ray b10 travels on an optical axis different from that of the image light, and is difficult to return to the outside from the opening 81 due to attenuation or the like. There is almost no return external light component on the optical axis a5 of the line of sight 6. In this way, the return external light is prevented and reduced from entering the driver's eyes 5. As a result, when the driver sees the virtual image 7 through the point Q3 in the display area 4 with the line of sight 6, the virtual image 7 can be preferably visually recognized.
上記のように、実施の形態2によれば、装置小型化と共に、HUDの好適な映像光を確保しつつ、戻り外光も防止または低減し、外光による虚像7の品質低下を抑制できる。なお、図30の光軸等の構成に限らず可能であり、入射面s1または出射面s3に自由曲面形状を持つ構成、および光軸に所定の角度φ2を持つ構成であればよい。他の実施例の構成としては、導光体17からの出射光の光軸a22を、Z方向に対してY方向で左に傾くように所定の角度φ2を持つ構成としてもよい。導光体17の入射面s1または出射面s3に自由曲面形状を設けることで、液晶表示素子50のパネル面に対応する面内の位置や領域毎に配光の特性を異ならせる設計も可能である。これにより、効率的に戻り外光を抑制する特性を実現できる。
As described above, according to the second embodiment, it is possible to reduce the size of the device, secure the suitable image light of the HUD, prevent or reduce the return external light, and suppress the deterioration of the quality of the virtual image 7 due to the external light. The configuration is not limited to the optical axis shown in FIG. 30, and any configuration may be used as long as the incident surface s1 or the exit surface s3 has a free curved surface shape and the optical axis has a predetermined angle φ2. As another configuration of the embodiment, the optical axis a22 of the light emitted from the light guide body 17 may have a predetermined angle φ2 so as to be tilted to the left in the Y direction with respect to the Z direction. By providing a free curved surface shape on the entrance surface s1 or the emission surface s3 of the light guide body 17, it is possible to design the light distribution characteristics to be different for each position or region in the surface corresponding to the panel surface of the liquid crystal display element 50. be. As a result, it is possible to realize the characteristic of efficiently suppressing the return external light.
[2-6:光源モジュール]
図31は、実施の形態2の光源装置10の光源モジュールとしての実装構成例の外観を示す斜視図である。この実装構成例では、LED素子14等が設けられたLED基板12は、LEDモジュール120として実装されている。LEDモジュール120のY方向の背面側にはヒートシンク13が固定されている。ヒートシンク13は、複数の放熱フィンが光源装置ケース11から外に出る状態で配置される。LEDモジュール120のY方向の前面側には、前述の光源装置ケース11が固定されており、その内部にLEDコリメータ15や偏光変換素子21や導光体17等が収容されている。光源装置ケース11のZ方向の上面には、液晶表示素子50が取り付けられている。液晶表示素子50は、液晶表示パネルフレーム51、液晶表示パネル52、FPC53を有する。これにより、映像表示装置30がモジュールとして構成されている。なお、液晶表示素子50のパネル面、およびHUD装置1の表示領域4は、本例では相対的にX方向に長くZ方向に短い横長の画面を構成している。そのため、光源装置10は、その形状に対応した実装を有している。
[2-6: Light source module]
FIG. 31 is a perspective view showing the appearance of a mounting configuration example of the light source device 10 of the second embodiment as a light source module. In this mounting configuration example, the LED substrate 12 provided with the LED element 14 and the like is mounted as the LED module 120. A heat sink 13 is fixed to the back side of the LED module 120 in the Y direction. The heat sink 13 is arranged so that a plurality of heat radiation fins come out of the light source device case 11. The above-mentioned light source device case 11 is fixed to the front side of the LED module 120 in the Y direction, and the LED collimator 15, the polarization conversion element 21, the light guide body 17, and the like are housed therein. A liquid crystal display element 50 is attached to the upper surface of the light source device case 11 in the Z direction. The liquid crystal display element 50 includes a liquid crystal display panel frame 51, a liquid crystal display panel 52, and an FPC 53. As a result, the video display device 30 is configured as a module. The panel surface of the liquid crystal display element 50 and the display area 4 of the HUD device 1 constitute a horizontally long screen that is relatively long in the X direction and short in the Z direction in this example. Therefore, the light source device 10 has a mounting corresponding to its shape.
光源装置10において、LED基板12、LEDコリメータ15等の各部品は、外周等の位置で、ねじ、位置決めピン、凹凸形状等の手段によって位置決めおよび相互に固定されることで、モジュールとして構成されている。LED基板12とLEDコリメータ15は、例えば位置決めピンと位置決め穴との嵌合、および前後の部品によって挟み込まれて固定されることで、高い精度で位置決めおよび固定されている。上記光源装置10および映像表示装置30の各部は、HUD装置1の筐体80に固定される。
In the light source device 10, each component such as the LED substrate 12 and the LED collimator 15 is configured as a module by positioning and fixing to each other by means such as a screw, a positioning pin, and an uneven shape at a position such as an outer periphery. There is. The LED substrate 12 and the LED collimator 15 are positioned and fixed with high accuracy by, for example, fitting the positioning pin and the positioning hole, and being sandwiched and fixed by front and rear parts. Each part of the light source device 10 and the image display device 30 is fixed to the housing 80 of the HUD device 1.
[2-7:光源モジュール-筐体内部]
図32は、上記光源装置10の光源装置ケース11内部の構成を示す。LED基板12を図示省略し、X方向に複数(本例では6個)のLED素子14(14a,14b,14c,14d,14e,14f)を有し、所定のピッチで配置されている。複数のLED素子14のY方向の後段には、対応する複数(6個)のコリメータ素子15Aを持つLEDコリメータ15が配置されている。前述の凹部153や外周面156を持つ個々のコリメータ部を、コリメータ素子15Aとする。個々のコリメータ素子15Aの頂面の中央部にLED素子14が配置されている。複数のコリメータ素子15Aは、例えば透光性の樹脂により、共通基板部分に対して一体に形成されている。LEDコリメータ15の後段に、偏光変換素子21が配置されている。
[2-7: Light source module-inside the housing]
FIG. 32 shows the configuration inside the light source device case 11 of the light source device 10. The LED substrate 12 is not shown, and a plurality of (6 in this example) LED elements 14 (14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f) are provided in the X direction and arranged at a predetermined pitch. An LED collimator 15 having a plurality of (six) collimator elements 15A corresponding to the rear stage of the plurality of LED elements 14 in the Y direction is arranged. Each collimator portion having the recessed portion 153 and the outer peripheral surface 156 is referred to as a collimator element 15A. The LED element 14 is arranged at the center of the top surface of each collimator element 15A. The plurality of collimator elements 15A are integrally formed with the common substrate portion, for example, by a translucent resin. A polarization conversion element 21 is arranged after the LED collimator 15.
偏光変換素子21は、全体では相対的にX方向に長くZ方向に短い板形状を有する。偏光変換素子21は、前述のPBS膜211、透光性部材214等の部品がX方向に延在しており、複数の部品がZ方向に対称形状で配列されている。偏光変換素子21は、図示しない偏光変換素子ホルダー内に収容されてもよい。偏光変換素子21の位相板の後段に、配向制御板16bが配置されている。配向制御板16bの後段には、導光体17の入射部171が配置されている。導光体171のX方向の側面部174や、頭頂部175には、筐体80への取り付け部が設けられている。導光体171の上面である出射部173の出射面s3には、図示するように自由曲面形状を有する。出射部173のZ方向の上方に拡散板18bが配置されている。なお、配光制御板16bや拡散板18bを設けない形態も可能である。本実施例では、合成拡散ブロック16を設けておらず、その分、Y方向のサイズを小さくできる。
The polarization conversion element 21 as a whole has a plate shape that is relatively long in the X direction and short in the Z direction. In the polarization conversion element 21, parts such as the PBS film 211 and the translucent member 214 described above extend in the X direction, and a plurality of parts are arranged symmetrically in the Z direction. The polarization conversion element 21 may be housed in a polarization conversion element holder (not shown). The orientation control plate 16b is arranged after the phase plate of the polarization conversion element 21. An incident portion 171 of the light guide body 17 is arranged at the rear stage of the orientation control plate 16b. The side surface portion 174 in the X direction of the light guide body 171 and the crown portion 175 are provided with attachment portions to the housing 80. The emission surface s3 of the emission portion 173, which is the upper surface of the light guide body 171, has a free curved surface shape as shown in the figure. A diffusion plate 18b is arranged above the emission portion 173 in the Z direction. A form in which the light distribution control plate 16b and the diffusion plate 18b are not provided is also possible. In this embodiment, the synthetic diffusion block 16 is not provided, and the size in the Y direction can be reduced accordingly.
[2-8:光源部、LEDコリメータ、偏光変換素子]
図33は、光源部301のLED基板12、LED素子14、LEDコリメータ15、および偏光変換素子21の部分の構造や光線等を拡大で概略的に示す、装置側面方向(X方向)から見たY-Z断面図である。LED基板12の主面(LED素子14がマウントされる基板面)からY方向に出たLED素子14の点p1を含む発光面に対し、対向する位置に、LEDコリメータ15の凹部153が配置されている。凹部153の頂面が、LED素子14の発光面に接するように配置されている。コリメータ素子15Aは、前述のように、入射側のレンズ部である凹部153と、リフレクター部である外周面156と、出射側のレンズ部である出射面154とを含む。凹部153は、Y方向の底面側に、入射面157を有し、入射側に凸状の湾曲面を有する。出射面154には、凹部153の入射面157に対向する部分に、出射側に凸状である凸状部155が形成されている。入射面157と凸状部155とで、集光作用を有する凸レンズ機能が構成されている。
[2-8: Light source unit, LED collimator, polarization conversion element]
FIG. 33 is viewed from the side surface direction (X direction) of the device, which schematically shows the structure, light rays, and the like of the LED substrate 12, the LED element 14, the LED collimator 15, and the polarization conversion element 21 of the light source unit 301. It is a cross-sectional view of YY. The recess 153 of the LED collimator 15 is arranged at a position facing the light emitting surface including the point p1 of the LED element 14 protruding in the Y direction from the main surface of the LED substrate 12 (the surface of the substrate on which the LED element 14 is mounted). ing. The top surface of the recess 153 is arranged so as to be in contact with the light emitting surface of the LED element 14. As described above, the collimator element 15A includes a recess 153 which is a lens portion on the incident side, an outer peripheral surface 156 which is a reflector portion, and an exit surface 154 which is a lens portion on the exit side. The recess 153 has an incident surface 157 on the bottom surface side in the Y direction and a convex curved surface on the incident side. On the emission surface 154, a convex portion 155 that is convex on the emission side is formed at a portion of the recess 153 facing the entrance surface 157. The incident surface 157 and the convex portion 155 form a convex lens function having a light-collecting action.
LED素子14の点p1からの発光は、コリメータ素子15Aの凹部153内の空気を通って、図示する光線の例のように進み、凹部153の外に出射する。凹部153から出た光線は、一部の光線が概略円錐形状の外周面156(リフレクター部)で反射されつつ、集光される。光軸a1の周辺方向に進む光は、外周面156の放物面で全反射される。それらの光線は、出射面154を通ってY方向に平行光として出射される。出射面154に、偏光変換素子21の入射面が接するように配置されている。
The light emitted from the point p1 of the LED element 14 passes through the air in the recess 153 of the collimator element 15A, travels as in the example of the illustrated light beam, and exits the recess 153. The light rays emitted from the recess 153 are focused while some of the light rays are reflected by the outer peripheral surface 156 (reflector portion) having a substantially conical shape. The light traveling in the peripheral direction of the optical axis a1 is totally reflected by the paraboloid surface of the outer peripheral surface 156. These light rays are emitted as parallel light in the Y direction through the emission surface 154. The entrance surface of the polarization conversion element 21 is arranged so as to be in contact with the emission surface 154.
偏光変換素子21は、X方向で複数(6個)のLED素子14およびコリメータ素子15Aからの平行光が入射される。それらの個々のLED素子14の光軸a1の断面は、図33のように同じである。偏光変換素子21は、前述と同様に、平行四辺形柱の透光性部材214、三角形柱の透光性部材215、PBS膜211、反射膜212、1/2λ位相板213等で構成されている。透光性部材214は、Y-Z断面で平行四辺形であり、透光性部材215は、Y-Z断面で三角形である。Y方向の光軸a1に対し、各部品が上下対称に配置されている。光軸a1上に配置されている透光性部材215と、その上下に配置されている透光性部材214との界面に、PBS膜211が設けられている。透光性部材214と、更にその外側に配置されている透光性部材215との界面に、反射膜212が設けられている。透光性部材214のY方向の出射側の面に、1/2λ位相板213が設けられている。
The polarization conversion element 21 is incident with parallel light from a plurality (six) LED elements 14 and the collimator element 15A in the X direction. The cross section of the optical axis a1 of each of these LED elements 14 is the same as shown in FIG. 33. The polarization conversion element 21 is composed of a translucent member 214 of a parallelogram column, a translucent member 215 of a triangular column, a PBS film 211, a reflective film 212, a 1 / 2λ phase plate 213, and the like, as described above. There is. The translucent member 214 is a parallelogram in the YZ cross section, and the translucent member 215 is a triangle in the YZ cross section. Each component is arranged vertically symmetrically with respect to the optical axis a1 in the Y direction. A PBS film 211 is provided at the interface between the translucent member 215 arranged on the optical axis a1 and the translucent member 214 arranged above and below the translucent member 215. A reflective film 212 is provided at the interface between the translucent member 214 and the translucent member 215 arranged outside the translucent member 214. A 1 / 2λ phase plate 213 is provided on the surface of the translucent member 214 on the emission side in the Y direction.
偏光変換素子21へ入射した光のうち、透光性部材214を通ってPBS膜211を透過した光(P偏光波)は、透光性部材215を通って出射面から出射する。偏光変換素子21へ入射した光のうち、透光性部材214を通ってPBS膜211でZ方向に反射された光(S偏光波)は、反射膜212でY方向へ反射される。その反射光は、透光性部材214の出射面から1/2λ位相板213を通って位相調整された光(P偏光波)として出射される。すなわち、偏光変換素子21では、複数のLED素子14からの全ての光がP偏光波となって出射する。これにより、光路長差が小さいので、輝度分布の面均一性が高い。
Of the light incident on the polarization conversion element 21, the light transmitted through the PBS film 211 through the translucent member 214 (P polarized wave) is emitted from the exit surface through the translucent member 215. Of the light incident on the polarization conversion element 21, the light (S polarized wave) reflected in the Z direction by the PBS film 211 through the translucent member 214 is reflected in the Y direction by the reflecting film 212. The reflected light is emitted as phase-adjusted light (P-polarized wave) from the emission surface of the translucent member 214 through the 1 / 2λ phase plate 213. That is, in the polarization conversion element 21, all the light from the plurality of LED elements 14 is emitted as a P-polarized wave. As a result, the difference in optical path length is small, and the surface uniformity of the luminance distribution is high.
上記のように、実施の形態2では、偏光変換素子21は、実施の形態1の偏光変換素子21の配置に対してX-Z面内で90度回転した状態(縦横を転置した状態)で配置されている。これにより、実施の形態2では、実施の形態1に比べ、偏光変換素子21に対する複数のLED素子14およびコリメータ素子15Aの配置位置の許容度および自由度が高くなる(後述)。そのため、光源装置10は、HUD装置1の仕様等に応じた各種の設計および実装が容易になり、製造の歩留まりが向上する。
As described above, in the second embodiment, the polarization conversion element 21 is rotated 90 degrees in the XZ plane with respect to the arrangement of the polarization conversion element 21 of the first embodiment (transposed vertically and horizontally). Have been placed. As a result, in the second embodiment, the tolerance and the degree of freedom of the arrangement positions of the plurality of LED elements 14 and the collimator element 15A with respect to the polarization conversion element 21 are higher than those in the first embodiment (described later). Therefore, the light source device 10 can be easily designed and mounted in various ways according to the specifications of the HUD device 1, and the manufacturing yield is improved.
偏光変換素子21の入射面において、透光性部材214等に対応した入射光束の制限幅21wを有する。コリメータ素子15Aは、実施の形態1と同様に、偏光変換素子21の入射光束の制限幅21wに合わせて設計されている。コリメータ素子15Aの外周面156や出射面154の径(後述の図36の距離D2)は、制限幅21wよりも大きくしている。制限幅21wよりも内側に凸状部155を設けている。
On the incident surface of the polarization conversion element 21, the incident light beam has a limited width 21w corresponding to the translucent member 214 and the like. The collimator element 15A is designed according to the limiting width 21w of the incident luminous flux of the polarization conversion element 21 as in the first embodiment. The diameters of the outer peripheral surface 156 and the exit surface 154 of the collimator element 15A (distance D2 in FIG. 36 described later) are larger than the limit width 21w. A convex portion 155 is provided inside the limited width 21w.
実施の形態2の光源装置10、および液晶表示素子50を用いた映像表示装置30、HUD装置1では、所定の高出力や高効率のLED光源の実現のために、単位面積あたりに配置するLED素子14等の個数をなるべく多くして、大きな光量や輝度、高い光利用効率、面内の光強度の均一性を実現する。もしくは、従来と同じLED素子14の個数とする場合でも、装置に必要な面積やサイズ等の小型化を実現する。
In the light source device 10 of the second embodiment, the image display device 30 using the liquid crystal display element 50, and the HUD device 1, LEDs arranged per unit area in order to realize a predetermined high output and high efficiency LED light source. By increasing the number of elements 14 and the like as much as possible, a large amount of light, brightness, high light utilization efficiency, and in-plane light intensity uniformity are realized. Alternatively, even if the number of LED elements 14 is the same as in the conventional case, the area and size required for the device can be reduced.
[2-9:偏光変換素子]
図34の(a)は、偏光変換素子21の1組の偏光変換素子部の部品配置等の構成を示す斜視図である。偏光変換素子21に対応して配置される複数のLED素子14および複数のコリメータ素子15Aの概略的な位置も破線で示す。X方向に配列されるLED素子14等の個数をNとする。ここではN=3個の場合を示す。偏光変換素子21のY方向の前側のX-Z平面において、複数の各々の点qは、各々のLED素子14の点p1からの光軸a1が通る点を示す。点qの周りの円形は、外周面156の端部に対応する。概略円錐形状の外周面156を破線で示している。
[2-9: Polarization conversion element]
FIG. 34A is a perspective view showing a configuration such as component arrangement of a set of polarization conversion element portions of the polarization conversion element 21. The approximate positions of the plurality of LED elements 14 and the plurality of collimator elements 15A arranged corresponding to the polarization conversion element 21 are also shown by broken lines. Let N be the number of LED elements 14 and the like arranged in the X direction. Here, the case of N = 3 is shown. In the XZ plane on the front side in the Y direction of the polarization conversion element 21, each of the plurality of points q indicates a point through which the optical axis a1 from the point p1 of each LED element 14 passes. The circle around the point q corresponds to the end of the outer peripheral surface 156. The outer peripheral surface 156 having a substantially conical shape is shown by a broken line.
偏光変換素子21を構成する部品である、PBS膜211、反射膜212、1/2λ位相板213、透光性部材214、および透光性部材215は、X方向に延在している。これらの各部品は、光軸a1に対して直交する面(X-Z平面)に平行に配列されている。これらの各部品は、光軸a1およびコリメータ素子15Aの中心軸に対応するY方向とX方向とが成すX-Y平面である仮想平面に対して、Z方向で上下対称の位置および形状で配置されている。Z方向で光軸a1の位置に配置されている透光性部材215は、三角柱形状である。透光性部材215に対して上下対称に配置されている2つの透光性部材214は、四角柱形状である。更にそれらの外側に配置されている2つの透光性部材215bは、断面が直角三角形の三角柱形状である。PBS膜211および反射膜212は、Y方向の光軸a1に対して所定の正負の角度εを持つ斜面として配置されている。なお、図25の(b)で示したように、偏光変換素子21は、貼り合わせ面216で、上側構成部品21uと下側構成部品21dとを貼り合わせる構成でもよい。また、貼り合わせ面216は、貼り合わせ後、光学的に透明な構成が望ましい。この構成では、それぞれ上側構成部品21uと下側構成部品21dは、同一の部品で構成可能である。すなわち、上側構成部品を図示したZ軸まわりに180°回転させ、さらにY軸まわりに180°回転させれば、下側構成部品の配置となる。この構成による部品の共通化および構成の単純化が達成でき、より低コスト化が可能となる。
The PBS film 211, the reflective film 212, the 1 / 2λ phase plate 213, the translucent member 214, and the translucent member 215, which are the components constituting the polarization conversion element 21, extend in the X direction. Each of these parts is arranged parallel to a plane (XZ plane) orthogonal to the optical axis a1. Each of these parts is arranged in a position and shape vertically symmetrical in the Z direction with respect to a virtual plane which is an XY plane formed by the Y direction and the X direction corresponding to the optical axis a1 and the central axis of the collimator element 15A. Has been done. The translucent member 215 arranged at the position of the optical axis a1 in the Z direction has a triangular prism shape. The two translucent members 214 arranged vertically symmetrically with respect to the translucent member 215 have a quadrangular prism shape. Further, the two translucent members 215b arranged outside them have a triangular prism shape having a right triangle in cross section. The PBS film 211 and the reflective film 212 are arranged as slopes having a predetermined positive / negative angle ε with respect to the optical axis a1 in the Y direction. As shown in FIG. 25B, the polarization conversion element 21 may have a configuration in which the upper component 21u and the lower component 21d are bonded on the bonding surface 216. Further, it is desirable that the bonding surface 216 has an optically transparent structure after bonding. In this configuration, the upper component 21u and the lower component 21d can be configured by the same component, respectively. That is, if the upper component is rotated by 180 ° around the Z axis shown in the figure and further rotated by 180 ° around the Y axis, the lower component is arranged. With this configuration, common parts and simplification of the configuration can be achieved, and the cost can be further reduced.
[2-10:複数のLED素子、コリメータ、偏向変換素子]
図35は、偏光変換素子21に対してX方向に複数(N)のLED素子14および複数のコリメータ素子15Aを配列する構成例に関するY方向から見たX-Z平面を示す。また、図35では、特に、変形例として、Z方向に2組の偏光変換素子21を配列する場合の構成例を示す。図35の(a)は、Z方向の上側に第1の偏光変換素子部21-1、下側に第2の偏光変換素子部21-2が配置されている。各偏光変換素子部の構造は、図34のように同じである。
[2-10: Multiple LED elements, collimators, deflection conversion elements]
FIG. 35 shows an XZ plane seen from the Y direction with respect to a configuration example in which a plurality of (N) LED elements 14 and a plurality of collimator elements 15A are arranged in the X direction with respect to the polarization conversion element 21. Further, FIG. 35 shows, as a modification, a configuration example in which two sets of polarization conversion elements 21 are arranged in the Z direction. In FIG. 35A, the first polarization conversion element portion 21-1 is arranged on the upper side in the Z direction, and the second polarization conversion element portion 21-2 is arranged on the lower side. The structure of each polarization conversion element unit is the same as shown in FIG. 34.
X方向において、複数のLED素子14および複数のコリメータ素子15Aに対応する点qが、所定のピッチの距離D1で配置されている。(a)では、上下の偏光変換素子部において、各点pの位置が同じである。X-Z平面において、複数のLED素子14の発光軸に対応する点qは、矩形に配置されている。また、コリメータ素子15Aの外周面156に対応する円形領域の径を、距離D2で示す。本例では、X方向に複数のコリメータ素子15Aが、個々の距離D2を確保しつつ、なるべく詰めて配置されている。各凹部153の頂面内にLED素子14の面が収まるように配置されている。
In the X direction, points q corresponding to the plurality of LED elements 14 and the plurality of collimator elements 15A are arranged at a distance D1 having a predetermined pitch. In (a), the positions of the points p are the same in the upper and lower polarization conversion element units. In the XX plane, the points q corresponding to the light emitting axes of the plurality of LED elements 14 are arranged in a rectangular shape. Further, the diameter of the circular region corresponding to the outer peripheral surface 156 of the collimator element 15A is indicated by the distance D2. In this example, a plurality of collimator elements 15A are arranged in the X direction as close as possible while ensuring individual distances D2. The surface of the LED element 14 is arranged so as to fit in the top surface of each recess 153.
図35の(b)は、他の構成例として、Z方向の上下の偏光変換素子部21-1,21-2において、複数のLED素子14等の点qの配置位置をずらした場合である。上側の偏光変換素子部21-1に対し、下側の偏光変換素子部21-2のLED素子14等の位置は、ピッチ(距離D2)の半分の距離でずれている。X-Z平面において、複数のLED素子14等の発光軸に対応する点qは、三角形に配置されている。同様に、必要に応じて、Z方向で、2列に限らず、複数組の偏光変換素子部を配列する形態が可能である。
(B) of FIG. 35 is a case where, as another configuration example, the arrangement positions of the points q of the plurality of LED elements 14 and the like are shifted in the upper and lower polarization conversion element units 21-1 and 21-2 in the Z direction. .. The positions of the LED elements 14 and the like of the lower polarization conversion element 21-2 are deviated from the upper polarization conversion element portion 21-1 by half the pitch (distance D2). In the XX plane, the points q corresponding to the light emitting axes of the plurality of LED elements 14 and the like are arranged in a triangle. Similarly, if necessary, it is possible to arrange not only two rows but also a plurality of sets of polarization conversion element units in the Z direction.
上記のように、実施の形態2では、偏光変換素子21の配置構成に対し、X方向では、複数のLED素子14等を配置する際の制約が小さく、配置の自由度が高い。前述の実施の形態1では、例えば図4のように、偏光変換素子21は、複数の部品がZ方向に延在し、X方向に配列されている。そのため、偏光変換素子21は、X方向では、複数(2個)の組の偏光変換素子部として分かれて構成されており、それぞれの組に対応して、X方向での光軸15cの位置や制約幅21wを有する。そのような偏光変換素子21の構成に対応させて、所定の位置にLED素子14およびコリメータ部が配置される必要がある。そのため、例えばX方向の所定のサイズ内において多数のLED素子14等を配置しようとしても、制約から、所定の距離以上でしか配置できない。
As described above, in the second embodiment, there are few restrictions on the arrangement of the plurality of LED elements 14 and the like in the X direction with respect to the arrangement configuration of the polarization conversion element 21, and the degree of freedom of arrangement is high. In the above-described first embodiment, for example, as shown in FIG. 4, a plurality of components of the polarization conversion element 21 extend in the Z direction and are arranged in the X direction. Therefore, the polarization conversion element 21 is separately configured as a plurality (two) sets of polarization conversion element units in the X direction, and the position of the optical axis 15c in the X direction and the position corresponding to each set It has a constraint width of 21w. Corresponding to the configuration of such a polarization conversion element 21, the LED element 14 and the collimator unit need to be arranged at a predetermined position. Therefore, for example, even if a large number of LED elements 14 and the like are to be arranged within a predetermined size in the X direction, they can be arranged only at a predetermined distance or more due to restrictions.
一方、実施の形態2では、図34や図35のように、実施の形態1に対し、X方向におけるLED素子14等の部品の配置に関する制約が小さく、配置の自由度が高い。偏光変換素子21は、X方向では、複数の部位(組)には分けられておらず、連続的に部品が延在している。そのため、X方向では、ある程度自由な位置にLED素子14等を配置できる。例えば、図35の(a)のように、X方向で複数(N)のLED素子14等をなるべく短いピッチ(距離D1)で詰めて配列することも可能である。X方向の所定のサイズ内に多数のLED素子14等を配列することで、光源の光量を大きくできると共に、装置の小型化に寄与できる。
On the other hand, in the second embodiment, as shown in FIGS. 34 and 35, there are few restrictions on the arrangement of parts such as the LED element 14 in the X direction as compared with the first embodiment, and the degree of freedom of arrangement is high. The polarization conversion element 21 is not divided into a plurality of parts (sets) in the X direction, and the parts are continuously extended. Therefore, in the X direction, the LED element 14 and the like can be arranged at a position that is free to some extent. For example, as shown in FIG. 35A, it is possible to arrange a plurality of (N) LED elements 14 and the like in the X direction at a pitch (distance D1) as short as possible. By arranging a large number of LED elements 14 and the like within a predetermined size in the X direction, the amount of light from the light source can be increased and the size of the device can be contributed.
[2-11:複数のLED素子(N=5)]
図36は、実施の形態2で、複数のLED素子14および複数のコリメータ素子15A、偏光変換素子21の配置構成等に関する説明図を示す。本実施例では、X方向に配列するLED素子14等の数としてN=5個とした場合を示す。図35の(a)は、X-Y平面の構成を示し、(b)は、対応する偏光変換素子21のX-Z平面の構成を示し、(c)は、対応する偏光変換素子21のY-Z平面の構成を示す。本例では、LED素子14(14a~14e)に対応させて、コリメータ素子15Aとして、コリメータ素子15a~15eを有する。
[2-11: Multiple LED elements (N = 5)]
FIG. 36 shows an explanatory diagram regarding an arrangement configuration of a plurality of LED elements 14, a plurality of collimator elements 15A, a polarization conversion element 21, and the like in the second embodiment. In this embodiment, a case where N = 5 is shown as the number of LED elements 14 and the like arranged in the X direction. 35 (a) shows the configuration of the XY plane, (b) shows the configuration of the XY plane of the corresponding polarization conversion element 21, and (c) shows the configuration of the corresponding polarization conversion element 21. The configuration of the YY plane is shown. In this example, the collimator elements 15a to 15e are provided as the collimator elements 15A in correspondence with the LED elements 14 (14a to 14e).
LEDコリメータ15および偏光変換素子21のX方向の幅を距離DAで示す。偏光変換素子21のZ方向の高さを距離DBで示す。距離DBのうち、その半分である、光軸a1に対する上下対称の部分の幅を距離DCで示す。偏光変換素子21(1/2λ位相板213を除く)のY方向の厚さを距離DDで示す。
The width of the LED collimator 15 and the polarization conversion element 21 in the X direction is shown by the distance DA. The height of the polarization conversion element 21 in the Z direction is shown in the distance DB. The width of a portion of the distance DB that is vertically symmetrical with respect to the optical axis a1, which is half of the distance DB, is indicated by the distance DC. The thickness of the polarization conversion element 21 (excluding the 1 / 2λ phase plate 213) in the Y direction is shown by the distance DD.
本実施例では、偏光変換素子21の距離DBが例えば17.6±0.2mm、距離DCが8.8±0.1mm、距離DDが4.4±0.1mmである。PBS膜211および反射膜212の斜面の角度εは、単位を度(°)、分(´)とすると、(45°±20´)である。1/2λ位相板213(Half wave plate)は、境界からはみ出さない形状であり、X方向の長さが透光性部材214等の長さと同じであり、Z方向の幅が透光性部材214の出射面の幅と同じである。偏光変換素子21の距離DAは、例えば比較的小型とする第1タイプの実施例では44±0.2mm、比較的大型とする第2タイプの実施例では74±0.2mmとする。
In this embodiment, the distance DB of the polarization conversion element 21 is, for example, 17.6 ± 0.2 mm, the distance DC is 8.8 ± 0.1 mm, and the distance DD is 4.4 ± 0.1 mm. The angle ε of the slopes of the PBS film 211 and the reflective film 212 is (45 ° ± 20') when the units are degrees (°) and minutes ('). The 1 / 2λ phase plate 213 (Half wave plate) has a shape that does not protrude from the boundary, the length in the X direction is the same as the length of the translucent member 214, etc., and the width in the Z direction is the translucent member. It is the same as the width of the exit surface of 214. The distance DA of the polarization conversion element 21 is, for example, 44 ± 0.2 mm in the first type example having a relatively small size, and 74 ± 0.2 mm in the second type example having a relatively large size.
[2-12:比較例]
図37は、図36のN=5個の構成に対する比較例の構成を同様に示す。この比較例では、同じくX方向にN=5個のLED素子14及びコリメータ素子15Aが配列されている。この比較例では、偏光変換素子21は、X方向で5組の偏光変換素子部を用いて構成されている。1組の偏光変換素子部の幅の距離DBは図36の幅と同じとする。この比較例では、偏光変換素子21の構成に対応した制約から、LED素子14およびコリメータ素子15Aの配置のピッチ(距離D1b)が図36のピッチ(距離D1)よりも大きく、装置全体のX方向のサイズ(距離DAb)が図36のサイズ(距離DA)よりも大きい。
[2-12: Comparative example]
FIG. 37 also shows the configuration of the comparative example with respect to the configuration of N = 5 in FIG. 36. In this comparative example, N = 5 LED elements 14 and collimator elements 15A are also arranged in the X direction. In this comparative example, the polarization conversion element 21 is configured by using five sets of polarization conversion element units in the X direction. The distance DB of the width of one set of polarization conversion element units is the same as the width of FIG. 36. In this comparative example, the pitch (distance D1b) of the arrangement of the LED element 14 and the collimator element 15A is larger than the pitch (distance D1) of FIG. 36 due to the limitation corresponding to the configuration of the polarization conversion element 21, and the X direction of the entire device. The size of (distance DAb) is larger than the size of FIG. 36 (distance DA).
上記のように、実施の形態2によれば、比較例よりも装置の小型化等が実現できる。あるいは、実施の形態2によれば、比較例と同じ所定のサイズ(距離DAb)とした場合に、その範囲内でより多数のLED素子14等を配置して光量を大きくできる。実施の形態2の光源装置10では、X方向の所定の幅内に配置できるLED素子14の個数(N)を増加でき、より明るい照明光を生成できる。あるいは、所定の個数のLED素子14を設ける光源部301等において、X方向の幅をより小さくできる。
As described above, according to the second embodiment, the device can be made smaller than the comparative example. Alternatively, according to the second embodiment, when the predetermined size (distance DAb) is the same as that of the comparative example, a larger number of LED elements 14 and the like can be arranged within the range to increase the amount of light. In the light source device 10 of the second embodiment, the number (N) of the LED elements 14 that can be arranged within a predetermined width in the X direction can be increased, and brighter illumination light can be generated. Alternatively, the width in the X direction can be made smaller in the light source unit 301 or the like provided with a predetermined number of LED elements 14.
実施の形態2によれば、偏光変換素子21に対してX方向で複数のLED素子14等を所定の条件内で比較的自由に配置できる。そのため、HUD装置1の仕様等(例えば表示領域4のサイズ等)に応じて、光源装置10の実装として、LED素子14等の配列の数や位置等を変更する実装が容易に可能である。各種の実装において、偏光変換素子21の構成を共通化でき、部品が共通に使用できるため、低コストで製造可能である。
According to the second embodiment, a plurality of LED elements 14 and the like can be arranged relatively freely within a predetermined condition with respect to the polarization conversion element 21 in the X direction. Therefore, according to the specifications of the HUD device 1 (for example, the size of the display area 4 and the like), it is possible to easily mount the light source device 10 by changing the number and positions of the arrangements of the LED elements 14 and the like. In various mountings, the configuration of the polarization conversion element 21 can be made common, and the parts can be used in common, so that it can be manufactured at low cost.
[2-13:複数のLED素子の実装例(N=5)]
図38は、実施の形態2の光源装置10における、複数のLED素子14等の配列を含む実装例として、図36に対応するN=5個の場合を示す。図38の(a)はX-Y平面での上面図を示し、(b)は対応するY-Z平面での側面図を示す。X方向において、LED基板12、LEDコリメータ15、偏光変換素子21、偏光制御板16b、導光体17等の概略的な幅を、距離DA1で示す。距離DA1の幅内において、X方向で5個のLED素子14および対応する5個のコリメータ素子15A(15a~15e)が、所定のピッチの距離D11で配置されている。例えば、光源装置10として、小サイズ、低コスト、低消費電力等を優先する実装の場合、図38の実装例のように、所定の距離DA1内において、N=5個のLED素子14等が配置される。
[2-13: Implementation example of a plurality of LED elements (N = 5)]
FIG. 38 shows the case of N = 5 corresponding to FIG. 36 as an implementation example including an arrangement of a plurality of LED elements 14 and the like in the light source device 10 of the second embodiment. (A) of FIG. 38 shows a top view in the XY plane, and (b) shows a side view in the corresponding YY plane. In the X direction, the approximate width of the LED substrate 12, the LED collimator 15, the polarization conversion element 21, the polarization control plate 16b, the light guide body 17, etc. is shown by the distance DA1. Within the width of the distance DA1, the five LED elements 14 and the corresponding five collimator elements 15A (15a to 15e) in the X direction are arranged at a distance D11 at a predetermined pitch. For example, in the case of mounting the light source device 10 with priority on small size, low cost, low power consumption, etc., N = 5 LED elements 14 and the like are provided within a predetermined distance DA1 as in the mounting example of FIG. 38. Be placed.
[2-14:複数のLED素子の実装例(N=6)]
図39は、変形例の光源装置10として、複数のLED素子14等の配列を含む実装例として、N=6個の場合を図38と同様に示す。X方向において、LED基板12等の概略的なサイズを距離DA2で示す。距離DA2の幅内において、X方向で6個のLED素子14(14a~14f)および対応する6個のコリメータ素子15A(15a~15f)が、所定のピッチ(距離D12)で配置されている。例えば、X方向のLED数をなるべく多くして光源光量を大きくしたい実装の場合、図39のように、所定の距離DA2内において、N=6個のLED素子14等がなるべく短い所定のピッチの距離D12で配置される。
[2-14: Implementation example of a plurality of LED elements (N = 6)]
FIG. 39 shows the case where N = 6 as the light source device 10 of the modified example and includes the arrangement of a plurality of LED elements 14 and the like in the same manner as in FIG. 38. In the X direction, the approximate size of the LED substrate 12 and the like is indicated by the distance DA2. Within the width of the distance DA2, six LED elements 14 (14a to 14f) and six corresponding collimator elements 15A (15a to 15f) in the X direction are arranged at a predetermined pitch (distance D12). For example, in the case of mounting in which the number of LEDs in the X direction is to be increased as much as possible to increase the amount of light source light, as shown in FIG. 39, N = 6 LED elements 14 and the like have a predetermined pitch as short as possible within a predetermined distance DA2. Arranged at a distance D12.
前述のように、実施の形態2では、偏光変換素子21の構成に対して、X方向の複数のLED素子14等の配置の自由度が高いため、図38や図39の実施例のいずれも容易に実現できる。すなわち、HUD装置1の仕様等に応じて、LED素子14の数(N)を変更する実装が比較的容易に実現できる。例えば、図39の構成からLEDの数(N)を減らして図38の構成に変更することが容易である。
As described above, in the second embodiment, since the degree of freedom in arranging the plurality of LED elements 14 and the like in the X direction is high with respect to the configuration of the polarization conversion element 21, any of the embodiments of FIGS. 38 and 39. It can be easily realized. That is, mounting in which the number (N) of the LED elements 14 is changed according to the specifications of the HUD device 1 and the like can be realized relatively easily. For example, it is easy to reduce the number of LEDs (N) from the configuration of FIG. 39 and change to the configuration of FIG. 38.
[2-15:導光体]
図40は、導光体17の出射部173の出射面s3の自由曲面形状等について示す斜視図である。図40の(a)は斜視図、(b)は側面部174をみたY-Z平面の構成を示す。(a)で、出射部173の出射面s3において、外周の平面部173bの内側に、自由曲面部173aを有する。(b)で、入射部171の入射面s1は、鉛直であるZ方向に対する傾きの角度φ4を有する斜面となっている。頭頂部175の頭頂面s5には筐体への取り付け部も有する。出射面s3は、水平面に対する角度φ1を有する斜面となっている。その斜面において、自由曲面部173aを有する。
[2-15: Light guide body]
FIG. 40 is a perspective view showing a free curved surface shape and the like of the emission surface s3 of the emission portion 173 of the light guide body 17. 40 (a) is a perspective view, and (b) is a configuration of a YY plane with a side surface portion 174 as seen. In (a), on the exit surface s3 of the exit portion 173, the free curved surface portion 173a is provided inside the flat surface portion 173b on the outer circumference. In (b), the incident surface s1 of the incident portion 171 is a slope having an inclination angle φ4 with respect to the vertical Z direction. The crown surface s5 of the crown 175 also has a mounting portion for the housing. The exit surface s3 is a slope having an angle φ1 with respect to the horizontal plane. On the slope, it has a free curved surface portion 173a.
導光体17の出射部173の出射面s3は、後に配置される液晶表示素子50のパネル面に対応させた形状を有する。出射面s3と入射面s1は、形状や面積が異なっている。入射面s1の面積よりも出射面s3の面積が大きい。入射部171において、一方向(例えばZ方向)の配光角度は、その一方向に直交する他の一方向(例えばX方向)の配光角度よりも広くしてもよい。出射部173において、一方向(例えばY方向)の配光角度は、その一方向に直交する他の一方向(例えばX方向)の配光角度よりも広くしてもよい。入射面s1や出射面s3において、面内で曲率が異なっていてもよい。例えば、面内の中央部よりも周辺部で曲率が大きくてもよい。
The emission surface s3 of the emission unit 173 of the light guide body 17 has a shape corresponding to the panel surface of the liquid crystal display element 50 arranged later. The exit surface s3 and the incident surface s1 are different in shape and area. The area of the exit surface s3 is larger than the area of the incident surface s1. In the incident portion 171 the light distribution angle in one direction (for example, the Z direction) may be wider than the light distribution angle in the other direction (for example, the X direction) orthogonal to the one direction. In the emitting unit 173, the light distribution angle in one direction (for example, the Y direction) may be wider than the light distribution angle in the other direction (for example, the X direction) orthogonal to the one direction. The incident surface s1 and the exit surface s3 may have different curvatures in the plane. For example, the curvature may be larger at the peripheral portion than at the central portion in the plane.
図41は、導光体17の反射部172等の構造を示す。図41の(a)はY-Z平面の構成、(b)は反射面s2の一部拡大を示す。(a)で、出射面s3と反射面s2との距離を、面間距離Dtとして示す。面間距離Dtは、入射面s1の近くでは、最大の距離Dtmaxを有し、頭頂面s5の近くでは、最小の距離Dtminを有する(Dtmax>Dtmin)。距離Dtminに対応する頭頂面s5の高さは、距離Dtmaxに対応する入射面s1の高さよりも低い。本実施例では、Dtmax/Dtmin≒2としている。
FIG. 41 shows the structure of the reflective portion 172 and the like of the light guide body 17. FIG. 41 (a) shows the configuration of the YY plane, and FIG. 41 (b) shows a partial enlargement of the reflective surface s2. In (a), the distance between the exit surface s3 and the reflection surface s2 is shown as the inter-plane distance Dt. The interplane distance Dt has a maximum distance Dtmax near the incident surface s1 and a minimum distance Dtmin near the parietal surface s5 (Dtmax> Dtmin). The height of the crown surface s5 corresponding to the distance Dtmin is lower than the height of the incident surface s1 corresponding to the distance Dtmax. In this embodiment, Dtmax / Dtmin≈2.
反射面s2は、基本的に水平面に対して所定の角度を持つ斜面として配置されている。反射面s2は、詳しくは実施の形態1と同様に、反射面172aと連接面172bとが交互に繰り返される鋸歯形状(階段形状)を有する。(b)は、入射面s1に近い、n=1~9程度の反射面172aおよび連接面172bの部分を示す。(c)は、頭頂面s5に近い、n=64~75程度の反射面172aおよび連接面172bの部分を示す。なお、前述と同様に、複数の反射面172aのY方向のピッチをP1等で示し、反射面172aの水平面に対する角度を角度αnで示し、連接面172bの反射面172aに対する角度を角度βnで示す。
The reflection surface s2 is basically arranged as a slope having a predetermined angle with respect to the horizontal plane. The reflective surface s2 has a sawtooth shape (staircase shape) in which the reflective surface 172a and the connecting surface 172b are alternately repeated, as in the first embodiment in detail. (B) shows a portion of the reflecting surface 172a and the connecting surface 172b having n = 1 to 9 near the incident surface s1. (C) shows a portion of the reflecting surface 172a and the connecting surface 172b having n = 64 to 75, which is close to the crown surface s5. In the same manner as described above, the pitch of the plurality of reflecting surfaces 172a in the Y direction is indicated by P1 or the like, the angle of the reflecting surface 172a with respect to the horizontal plane is indicated by an angle αn, and the angle of the connecting surface 172b with respect to the reflecting surface 172a is indicated by an angle βn. ..
このように入射部171、反射部172、出射部173、および頭頂部175を含む導光体17の構造によって、所定の配向制御が実現され、出射光においてZ方向に対する傾きの角度φ2を持つ光軸a22が構成される(図30の構成と対応する)。
As described above, the structure of the light guide body 17 including the incident portion 171, the reflecting portion 172, the emitting portion 173, and the crown portion 175 realizes a predetermined orientation control, and the emitted light has a tilt angle φ2 with respect to the Z direction. Axis a22 is configured (corresponding to the configuration in FIG. 30).
また、このような導光体17の形状は、製造時に作製が容易である利点もある。導光体17を大量に低コストで生産する場合、例えば射出成形等の製造方法を用いて作製することが有効である。その製造方法を用いる場合、比較例として図8のような断面が概略三角形の導光体17の場合には、三角形の鋭角の頂点に対応する辺部において、射出成形の精度を確保することが比較的難しく、高コストになるという課題がある。詳しくは、射出成形時の型内の溶融樹脂の冷却速度に関して、導光体17の部位(入射面とその反対側の辺部)の違いに応じた不均一性があるため、高精度の成形が比較的難しい。導光体17の形状は、所定の配向制御の特性を持つように設計されているので、導光体17の射出成形後の形状が設計の形状に対してずれが大きい場合、配光制御の特性の品質が低下する。
Further, such a shape of the light guide body 17 also has an advantage that it can be easily manufactured at the time of manufacturing. When the light guide body 17 is produced in large quantities at low cost, it is effective to produce the light guide body 17 by using a manufacturing method such as injection molding. When the manufacturing method is used, as a comparative example, in the case of the light guide body 17 having a substantially triangular cross section as shown in FIG. 8, it is possible to ensure the accuracy of injection molding at the side portion corresponding to the apex of the acute angle of the triangle. There is a problem that it is relatively difficult and expensive. Specifically, regarding the cooling rate of the molten resin in the mold at the time of injection molding, there is non-uniformity according to the difference in the portion of the light guide body 17 (the incident surface and the side portion on the opposite side thereof), so that the molding is highly accurate. Is relatively difficult. Since the shape of the light guide body 17 is designed to have a predetermined orientation control characteristic, when the shape of the light guide body 17 after injection molding has a large deviation from the design shape, the light distribution control is performed. The quality of the property is reduced.
一方、実施の形態2では、図41のように、導光体17の断面が概略台形であり、頭頂部175を有する。実施の形態2では、比較例よりも、入射部171と頭頂部175とで形状の違いが小さくなっている。そのため、この導光体17の射出成形の製造方法による作製時には、射出成形時の金型内の溶融樹脂の冷却速度に関して、部位(入射面171と頭頂部175)の違いに応じた不均一性が抑制される。よって、この導光体17は、より高精度の成形が実現でき、配光制御の特性の品質を高くでき、大量で低コストの生産が可能となる利点がある。実施の形態2の導光体17の特に反射部172の作製時の金型の加工例は、前述の図18と同様である。
On the other hand, in the second embodiment, as shown in FIG. 41, the cross section of the light guide body 17 is substantially trapezoidal and has a crown portion 175. In the second embodiment, the difference in shape between the incident portion 171 and the crown portion 175 is smaller than that in the comparative example. Therefore, when the light guide body 17 is manufactured by the injection molding manufacturing method, the cooling rate of the molten resin in the mold at the time of injection molding is non-uniform according to the difference between the portions (incident surface 171 and the crown 175). Is suppressed. Therefore, the light guide body 17 has an advantage that more accurate molding can be realized, the quality of the characteristics of the light distribution control can be improved, and mass production can be performed at low cost. The processing example of the mold at the time of manufacturing the light guide body 17 of the second embodiment, particularly the reflecting portion 172, is the same as that of FIG. 18 described above.
[2-16:配向制御]
図42は、実施の形態2の光源装置10および映像表示装置30の配向制御の構成を示し、光源装置10の照明光や映像表示装置30の映像光の光軸および各光線を、X方向から見たY-Z断面で示す。なお、導光体17の反射面172aと連接面172bを実際より拡大して模式的に示す。本実施例では、導光体17の入射面s1は、Z方向に対する角度φ4を持って斜めに配置された平面となっている。LED素子14の点p1からのY方向の光軸a11は、導光体17の入射面s1の点p2に入射して所定の屈折が生じ、光軸a12となる。光軸a12は、反射面s2の点p3で反射され、Z方向の光軸a21となる。出射面s3は、Y方向に対する角度φ1を持って斜めに配置された自由曲面形状を有し、所定の屈折特性を有する。反射面s3からのZ方向の光軸a21は、出射面s3の自由曲面の点p4を通って屈折し、Z方向に対する角度φ3を持つ光軸a22となる。光軸a22の照明光が液晶表示素子50のパネル面の点p5に入射する。液晶表示素子50で生成された映像光が、同様に角度φ3を持つ光軸a23となる。光軸a23の映像光の光線L30は、前述の屈折素子43に入射される。
[2-16: Orientation control]
FIG. 42 shows the configuration of the orientation control of the light source device 10 and the image display device 30 of the second embodiment, and the optical axis of the illumination light of the light source device 10 and the image light of the image display device 30 and each light ray are viewed from the X direction. It is shown by the seen YZ cross section. The reflecting surface 172a and the connecting surface 172b of the light guide body 17 are shown schematically by enlarging them from the actual state. In this embodiment, the incident surface s1 of the light guide body 17 is a plane arranged diagonally with an angle φ4 with respect to the Z direction. The optical axis a11 in the Y direction from the point p1 of the LED element 14 is incident on the point p2 of the incident surface s1 of the light guide body 17 to cause a predetermined refraction, and becomes the optical axis a12. The optical axis a12 is reflected by the point p3 of the reflecting surface s2 and becomes the optical axis a21 in the Z direction. The emission surface s3 has a free curved surface shape that is diagonally arranged with an angle φ1 with respect to the Y direction, and has a predetermined refraction characteristic. The optical axis a21 in the Z direction from the reflection surface s3 is refracted through the point p4 on the free curved surface of the emission surface s3, and becomes the optical axis a22 having an angle φ3 with respect to the Z direction. The illumination light of the optical axis a22 is incident on the point p5 on the panel surface of the liquid crystal display element 50. The image light generated by the liquid crystal display element 50 becomes the optical axis a23 also having an angle φ3. The light ray L30 of the image light of the optical axis a23 is incident on the above-mentioned refraction element 43.
また、本実施例では、導光体17の出射部173のZ方向の上方で、液晶表示素子50の背面の近くに、拡散板18aが配置されている。拡散板18aおよび液晶表示素子50は、概略的に水平面に配置されている。詳しくは、拡散板18aおよび液晶表示素子50は、水平面に対して角度φ5を持つ面に配置されている。
Further, in this embodiment, the diffuser plate 18a is arranged above the exit portion 173 of the light guide body 17 in the Z direction and near the back surface of the liquid crystal display element 50. The diffuser plate 18a and the liquid crystal display element 50 are arranged substantially on a horizontal plane. Specifically, the diffusion plate 18a and the liquid crystal display element 50 are arranged on a surface having an angle φ5 with respect to a horizontal plane.
照明光学系302では、前述の好適な照明光のために、かつ、戻り外光防止を実現するために、複雑な配光制御が要求される。この配光制御は、図42の配向制御で実現されている。図42のY-Z平面に沿った配光制御は、光軸a11,a12,a21,a22,a23等で表される。この配向制御は、導光体17の入射面s1の屈折角度、反射面s2の反射角度、および出射面s3の自由曲面形状による屈折角度等によって実現される。また、X方向の配光制御は、出射面s3の自由曲面形状による屈折角度等によって実現される。また、配光制御板16bは、Z方向の光拡散等を制御する。また、拡散板18bは、X方向およびY方向の光拡散等を制御する。このような実施の形態2の光源装置10の配向制御の特性によって、照明光の配向角に対応する自由度を、従来技術よりも向上でき、HUD装置1に要求される好適な映像光の特性を向上できる。HUD装置1の調整光学系40や液晶表示素子50の特性に合わせて、所定の配向制御の特性を持つ光源装置10の実装が容易になる。例えば、導光体17の出射部173の自由曲面形状の設計によって、照明光の特性を調整できる。また、好適な映像光、かつ戻り外光防止のための配光制御の特性を調整できる。
In the illumination optical system 302, complicated light distribution control is required for the above-mentioned suitable illumination light and in order to realize prevention of return external light. This light distribution control is realized by the orientation control shown in FIG. 42. The light distribution control along the YZ plane of FIG. 42 is represented by the optical axes a11, a12, a21, a22, a23 and the like. This orientation control is realized by the refraction angle of the incident surface s1 of the light guide body 17, the reflection angle of the reflecting surface s2, the refraction angle of the emitting surface s3 due to the shape of the free curved surface, and the like. Further, the light distribution control in the X direction is realized by the refraction angle or the like due to the free curved surface shape of the emission surface s3. Further, the light distribution control plate 16b controls light diffusion in the Z direction and the like. Further, the diffuser plate 18b controls light diffusion in the X direction and the Y direction. Due to the characteristics of the orientation control of the light source device 10 of the second embodiment, the degree of freedom corresponding to the orientation angle of the illumination light can be improved as compared with the conventional technique, and the characteristics of the suitable video light required for the HUD device 1 can be improved. Can be improved. It becomes easy to mount the light source device 10 having a predetermined orientation control characteristic according to the characteristics of the adjustment optical system 40 and the liquid crystal display element 50 of the HUD device 1. For example, the characteristics of the illumination light can be adjusted by designing the free curved surface shape of the emission portion 173 of the light guide body 17. In addition, it is possible to adjust the characteristics of suitable image light and light distribution control for preventing return external light.
[2-17:配光制御板]
図43は、実施の形態2の光源装置10における配光制御板16bの断面構成を示す。図43の(a)は、配光制御板16bのX-Y断面を示す。配光制御板16bは、Y方向で入射側が平面、出射側が鋸歯状の面となっている。図43の(b)は、配光制御板16bの出射面の一部拡大を示す。出射面には、Z方向において複数の三角形断面が繰り返してテクスチャーとして形成されている。複数の三角形の斜面は、X方向に対する正の角度γを持つ第1斜面と、X方向に対する負の角度γを持つ第2斜面とが、交互に繰り返されている。X方向の三角形の配置のピッチを距離D43で示す。本実施例では、角度γ=30度、ピッチの距離D43=0.5mmとした。出射面のテクスチャーの働きにより、偏光変換素子21からの光が、入射部171のX方向に拡散される。配光制御板16bは、例えば拡散角が楕円分布となる拡散板としてもよい。
[2-17: Light distribution control plate]
FIG. 43 shows a cross-sectional configuration of the light distribution control plate 16b in the light source device 10 of the second embodiment. FIG. 43A shows an XY cross section of the light distribution control plate 16b. The light distribution control plate 16b has a flat surface on the incident side and a serrated surface on the emitted side in the Y direction. FIG. 43 (b) shows a partial enlargement of the emission surface of the light distribution control plate 16b. On the exit surface, a plurality of triangular cross sections are repeatedly formed as a texture in the Z direction. As for the slopes of the plurality of triangles, the first slope having a positive angle γ with respect to the X direction and the second slope having a negative angle γ with respect to the X direction are alternately repeated. The pitch of the arrangement of the triangles in the X direction is shown by the distance D43. In this embodiment, the angle γ = 30 degrees and the pitch distance D43 = 0.5 mm. The light from the polarization conversion element 21 is diffused in the X direction of the incident portion 171 by the action of the texture of the emitting surface. The light distribution control plate 16b may be, for example, a diffusion plate having an elliptical diffusion angle.
配向制御板16bは、X方向の光拡散性を持つ。拡散板18bは、Y方向の光拡散性を持つ。配向制御板16bおよび拡散板18bの作用によって、導光体17からの出射光の面内の強度分布が均一化され、好適な面状の照明光が得られる。なお、実施の形態2では、実施の形態1に比べ、X方向で複数のLED素子14等が近い位置に配置できるため、配向制御板16bの拡散性と相まって、X方向の均一性がより向上する。なお、Z方向の均一性は、実施の形態1の図10で説明したように、導光体17の反射部172に形成された反射面172aと連接部172bの比率を制御することにより実現可能である。その結果、必要最小限の拡散性が実現でき、光利用効率が向上し、好適な面状の照明光を生成できる。
The orientation control plate 16b has light diffusivity in the X direction. The diffuser plate 18b has light diffusivity in the Y direction. By the action of the orientation control plate 16b and the diffusion plate 18b, the intensity distribution of the emitted light from the light guide 17 in the plane is made uniform, and a suitable planar illumination light is obtained. In the second embodiment, as compared with the first embodiment, since the plurality of LED elements 14 and the like can be arranged at close positions in the X direction, the uniformity in the X direction is further improved in combination with the diffusivity of the orientation control plate 16b. do. Note that the uniformity in the Z direction can be realized by controlling the ratio of the reflecting surface 172a formed on the reflecting portion 172 of the light guide body 17 to the connecting portion 172b, as described with reference to FIG. 10 of the first embodiment. Is. As a result, the minimum necessary diffusivity can be realized, the light utilization efficiency is improved, and a suitable planar illumination light can be generated.
[2-18:機能性散乱面]
実施の形態2の変形例として、光源装置10の配向制御板16b、拡散板18b、導光体17の入射面s1または出射面s3の少なくとも1つに、所定の機能性散乱面を設けてもよい。その場合、機能性散乱面の特性は、前述の図16と同様である。
[2-18: Functional scattering surface]
As a modification of the second embodiment, a predetermined functional scattering surface may be provided on at least one of the orientation control plate 16b, the diffusion plate 18b, and the entrance surface s1 or the emission surface s3 of the light guide body 17. good. In that case, the characteristics of the functional scattering surface are the same as those in FIG. 16 described above.
[2-19:導光体-光拡散性]
実施の形態2で、導光体17の入射部171の入射面s1に、Z方向の光拡散の特性を設けてもよい。その場合、入射面s1の特性は、前述の図17と同様である。
[2-19: Light guide body-light diffusivity]
In the second embodiment, the incident surface s1 of the incident portion 171 of the light guide body 17 may be provided with the characteristic of light diffusion in the Z direction. In that case, the characteristics of the incident surface s1 are the same as those in FIG. 17 described above.
[2-20:導光体-自由曲面形状]
図40や図44を用いて、実施の形態2における導光体17の出射部173の自由曲面形状の詳細について説明する。なお、自由曲面は、CAD等の3次元オブジェクトとして扱うことができる曲面の1つであり、空間内にいくつかの交点と曲率を設定し、高次方程式で表現できる曲面である。
[2-20: Light guide-free curved surface shape]
The details of the free curved surface shape of the exit portion 173 of the light guide body 17 in the second embodiment will be described with reference to FIGS. 40 and 44. The free curved surface is one of the curved surfaces that can be treated as a three-dimensional object such as CAD, and is a curved surface that can be expressed by a high-order equation by setting some intersections and curvatures in space.
まず、前述の図40の(a)で、出射部173の出射面s3のうち、外枠の平面部173bの内側に自由曲面部173aを有する。この自由曲面における基準座標系の取り方の例を(x,y,z)で示す。自由曲面の中心の点K2(点p4と対応する)を通り直交するx軸およびy軸を有する。x軸はX方向、y軸はY方向と対応関係を持つ。導光体17の出射部173の基準位置を破線で示す。基準位置は、本例では入射面s1側に近い斜面の始まりの位置としている。図40の(b)で、導光体17の出射部173の基準位置から、自由曲面の基準座標系のx軸(点K2)までの距離を、距離Dy0で示す。本例ではDy0=18mmとした。y軸の中心は、導光体17の中心とした。また、水平面とy軸との成す角度を角度θyとし、本例ではθy=17°とした。基準座標系のz軸は、点K2から、x軸およびy軸に垂直で、出射面s3内側向きを正として示す。
First, in FIG. 40A described above, the free curved surface portion 173a is provided inside the flat surface portion 173b of the outer frame in the emission surface s3 of the emission portion 173. An example of how to take the reference coordinate system on this free-form surface is shown by (x, y, z). It has an x-axis and a y-axis that are orthogonal to each other through the point K2 (corresponding to the point p4) at the center of the free-form surface. The x-axis has a correspondence with the X direction, and the y-axis has a correspondence with the Y direction. The reference position of the exit portion 173 of the light guide body 17 is shown by a broken line. In this example, the reference position is the starting position of the slope near the incident surface s1 side. In FIG. 40 (b), the distance from the reference position of the exit portion 173 of the light guide body 17 to the x-axis (point K2) of the reference coordinate system of the free curved surface is shown by the distance Dy0. In this example, Dy0 = 18 mm. The center of the y-axis was the center of the light guide body 17. Further, the angle formed by the horizontal plane and the y-axis is set to the angle θy, and in this example, θy = 17 °. The z-axis of the reference coordinate system is perpendicular to the x-axis and the y-axis from the point K2, and the inward direction of the exit surface s3 is shown as positive.
自由曲面の範囲は、-21mm≦x≦21mm、-15mm≦y≦16mmとした。概略的に、X方向の幅が42mm、Y方向の幅が31mmである。また、本実施例では、z(x,y)の値が負の場合には強制的に0とした。言い換えると、図40の(b)に示すように、出射面s3において、外側は平面としてカットされており、その平面から内側に点線で示すように自由曲面の凹部分が存在する。なお、他の実施例としては、出射面から外側(出射方向)に自由曲面の凸部分が存在する構造としてもよい。
The range of the free curved surface was -21 mm ≤ x ≤ 21 mm and -15 mm ≤ y ≤ 16 mm. Generally, the width in the X direction is 42 mm and the width in the Y direction is 31 mm. Further, in this embodiment, when the value of z (x, y) is negative, it is forcibly set to 0. In other words, as shown in FIG. 40 (b), on the exit surface s3, the outside is cut as a flat surface, and a concave portion of a free curved surface exists inward from the plane as shown by a dotted line. As another embodiment, a structure in which a convex portion of a free curved surface exists from the exit surface to the outside (emission direction) may be used.
図44は、実施の形態2における導光体17の出射部173の自由曲面形状を規定する式およびその係数を示す。図44の(a)は、一般的な表現の自由曲面式である式1を示す。自由曲面は、式1に示すように、z(x,y)=Σ{ai・bi(x,y)}で表される。Σは、添え字i=0から14までの加算である。ai・biは、係数、変数を示す。z(x,y)は、(x,y)の位置座標の値に応じたz値を表している。単位はmmとする。
FIG. 44 shows an equation and a coefficient thereof that define the free curved surface shape of the emitting portion 173 of the light guide body 17 in the second embodiment. FIG. 44A shows Equation 1, which is a general expression of a free-form surface equation. The free curved surface is represented by z (x, y) = Σ {ai · bi (x, y)} as shown in Equation 1. Σ is an addition from subscript i = 0 to 14. ai and bi indicate coefficients and variables. z (x, y) represents a z value corresponding to the value of the position coordinate of (x, y). The unit is mm.
図44の(b)は、式1の係数、変数を表形式で示す。例えば、i=0では、b0=1、a0≒1.0269である。i=1では、b1=x、a1≒-0.0015である。i=2では、b2=y、a2≒-0.0032である。i=3では、b3=x^2、a3≒-0.0052である。i=14では、b14=y^4、a14=5.3049E-06である。Eは指数であり例えばE-06は1/10の6乗を示す。その他同様に表の通りである。z(x,y)=a1・b1(x,y)+a2・b2(x,y)+……+a14・b14(x,y)≒1.0269-0.0015x-0.0032y-0.0052x^2+……+5.3049/(10^6)×y^4である。
FIG. 44 (b) shows the coefficients and variables of Equation 1 in tabular form. For example, when i = 0, b0 = 1 and a0≈1.0269. At i = 1, b1 = x and a1≈−0.0015. At i = 2, b2 = y and a2≈−0.0032. At i = 3, b3 = x ^ 2, a3≈−0.0052. At i = 14, b14 = y ^ 4 and a14 = 5.3049E-06. E is an exponent, for example E-06 indicates 1/10 to the 6th power. Others are as shown in the table. z (x, y) = a1 ・ b1 (x, y) + a2 ・ b2 (x, y) + …… + a14 ・ b14 (x, y) ≈1.0269-0.0015x-0.0032y-0.0052x ^ 2 + …… + 5.3049 / (10 ^ 6) × y ^ 4.
[2-21:効果等]
上記のように、実施の形態2の光源装置10の主な構成によれば、実施の形態1と同様に、小型・軽量で、光利用効率が高く、モジュール化されて面状の光源として容易に利用可能な光源装置を提供できる。より具体的には、LED光源からの光利用効率や均一な照明特性をより向上できる。加えて、低コストで製造可能な照明用光源として好適な光源装置を提供できる。また、HUD装置1や液晶表示素子50の特性に合わせて、好適な映像光を生成する映像表示装置30、好適な照明光を生成する光源装置10を提供できる。また、戻り外光を防止でき、虚像の表示特性が良好なHUD装置1を提供できる。光源装置10での配光制御によって、照明光に対して映像光の面積を拡大する実装も容易である。
[2-21: Effect, etc.]
As described above, according to the main configuration of the light source device 10 of the second embodiment, as in the first embodiment, it is compact and lightweight, has high light utilization efficiency, and is easily modularized as a planar light source. Can provide a light source device that can be used for. More specifically, it is possible to further improve the light utilization efficiency from the LED light source and uniform lighting characteristics. In addition, it is possible to provide a light source device suitable as a light source for lighting that can be manufactured at low cost. Further, it is possible to provide an image display device 30 that generates suitable image light and a light source device 10 that generates suitable illumination light according to the characteristics of the HUD device 1 and the liquid crystal display element 50. Further, it is possible to provide the HUD device 1 which can prevent return external light and has good display characteristics of a virtual image. By controlling the light distribution in the light source device 10, it is easy to mount the image light by expanding the area of the image light with respect to the illumination light.
(1)実施の形態2の光源装置10では、導光体17は、入射面s1または出射面s3の少なくとも一方に、所定の配光制御を実現するための自由曲面形状を有する。これにより、好適な照明光、かつ戻り外光防止機能を実現する配光制御の特性が実現される。
(1) In the light source device 10 of the second embodiment, the light guide body 17 has a free curved surface shape on at least one of the entrance surface s1 and the emission surface s3 to realize a predetermined light distribution control. As a result, the characteristics of the light distribution control that realizes a suitable illumination light and a return external light prevention function are realized.
(2)本光源装置10、映像表示装置30、HUD装置1では、導光体17からの出射光の光軸に対し、液晶表示素子50および屈折素子43の軸(法線傾き)が所定の角度で斜めになっている。導光体14は、断面が台形形状であり、出射面s3が水平に対し斜面として配置されている。これにより、好適な映像光、かつ戻り外光防止機能を実現する配光制御の特性が実現される。
(2) In the light source device 10, the image display device 30, and the HUD device 1, the axes (normal slopes) of the liquid crystal display element 50 and the refraction element 43 are predetermined with respect to the optical axis of the light emitted from the light guide body 17. It is slanted at an angle. The light guide body 14 has a trapezoidal cross section, and the emission surface s3 is arranged as a slope with respect to the horizontal. As a result, the characteristics of the light distribution control that realizes a suitable image light and a return external light prevention function are realized.
(3)本光源装置10では、導光体17は、実施の形態1と同様の反射部172の構造を有し、これにより、光利用効率が高く、好適な照明光が実現される。
(3) In the present light source device 10, the light guide body 17 has the same structure of the reflecting portion 172 as that of the first embodiment, whereby the light utilization efficiency is high and suitable illumination light is realized.
(4)本光源装置10では、上記導光体17の構成に加え、LED素子14、LEDコリメータ15、偏光変換素子21等を組み合わせた構成を有し、その構成によって光源装置10の配向制御の特性を実現している。例えば、偏光変換素子21は、部品がX方向に延在しており、それに対応させて、複数のLED素子14等がX方向に配列されている。これにより、光源装置10での所定の配光制御によって、液晶表示素子50と調整光学系40(屈折素子43等)で要求される配光制御の負担を低減でき、外光フレア対策が容易になる。
(4) The light source device 10 has a structure in which an LED element 14, an LED collimator 15, a polarization conversion element 21, and the like are combined in addition to the structure of the light guide body 17, and the orientation of the light source device 10 is controlled by the structure. Realizes the characteristics. For example, in the polarization conversion element 21, the parts extend in the X direction, and a plurality of LED elements 14 and the like are arranged in the X direction correspondingly. As a result, the burden of light distribution control required by the liquid crystal display element 50 and the adjusting optical system 40 (refractive element 43, etc.) can be reduced by the predetermined light distribution control in the light source device 10, and measures against external light flare can be easily taken. Become.
[2-22:第1変形例]
図45は、実施の形態2の第1変形例の光源装置10の構成をY-Z平面で示す。この第1変形例では、導光体17の入射部171の入射面s1を自由曲面形状とし、出射部173の出射面s3を平面形状としている。入射面s1の自由曲面形状を含む構造によって、所定の配光制御の特性が実現される。入射部171の入射面s1は、基準平面としてはZ方向に対する傾きの角度φ4を有する。その入射面s1の基準平面に、自由曲面形状を有する。また、図45の構成例では、反射部172からの光軸、出射面s3からの光軸は、Z方向に対してY方向の左側に角度φ3で傾いており、液晶表示素子50の軸に対して角度φ2で傾いている。
[2-22: First modification example]
FIG. 45 shows the configuration of the light source device 10 of the first modification of the second embodiment in the YY plane. In this first modification, the incident surface s1 of the incident portion 171 of the light guide body 17 has a free curved surface shape, and the emitted surface s3 of the emitted portion 173 has a planar shape. A predetermined light distribution control characteristic is realized by the structure including the free curved surface shape of the incident surface s1. The incident surface s1 of the incident portion 171 has an inclination angle φ4 with respect to the Z direction as a reference plane. The reference plane of the incident surface s1 has a free curved surface shape. Further, in the configuration example of FIG. 45, the optical axis from the reflecting portion 172 and the optical axis from the emitting surface s3 are inclined to the left side in the Y direction with respect to the Z direction at an angle φ3, and are inclined to the axis of the liquid crystal display element 50. On the other hand, it is tilted at an angle of φ2.
[2-23:第2変形例]
図46は、実施の形態2の第2変形例の光源装置10および映像表示装置30の構成をY-Z平面で示す。この第2変形例では、前述の実施例に対して異なる構成点としては、導光体17の出射部173だけでなく入射部171の入射面s1にも自由曲面形状を有する。入射部171の入射面s1は、同様に基準平面としてはZ方向に対する傾きの角度φ4を有する。入射面s1の基準平面に対し、入射側に凸状である自由曲面形状を有する。入射面s1の自由曲面の特性と、出射面s3の自由曲面の特性とを合わせて、導光体17の所定の配光制御の特性を持つように設計されている。このように、入射部171と出射部173との両方を自由曲面形状とすることで、配光制御の自由度が大きくなり、より精密でより複雑な配光制御が実現できる。これにより、好適な映像光、かつ戻り外光防止等の特性をより精密に実現できる。
[2-23: Second modified example]
FIG. 46 shows the configurations of the light source device 10 and the image display device 30 of the second modification of the second embodiment in the YZ plane. In this second modification, as a configuration point different from the above-described embodiment, not only the exit portion 173 of the light guide body 17 but also the incident surface s1 of the incident portion 171 has a free curved surface shape. Similarly, the incident surface s1 of the incident portion 171 has an inclination angle φ4 with respect to the Z direction as a reference plane. It has a free curved surface shape that is convex on the incident side with respect to the reference plane of the incident surface s1. It is designed to have a predetermined light distribution control characteristic of the light guide body 17 by combining the characteristic of the free curved surface of the incident surface s1 and the characteristic of the free curved surface of the emitting surface s3. As described above, by forming both the incident portion 171 and the emitting portion 173 into a free curved surface shape, the degree of freedom of light distribution control is increased, and more precise and more complicated light distribution control can be realized. As a result, it is possible to realize more precise characteristics such as suitable image light and prevention of return external light.
[2-24:第3変形例]
図47は、実施の形態2の第3変形例の光源装置10および映像表示装置30として、大面積用光源を実現する比較的大型の光源装置10の実施例の斜視図を示す。この第3変形例では、鉛直に対応するZ方向での直線的な光軸を有する。それに対応して、この第3変形例では、Z方向に導光する導光体19を有する。この導光体19は、所定の配光制御の特性を実現する配光制御部材である。
[2-24: Third modified example]
FIG. 47 shows a perspective view of an embodiment of a relatively large light source device 10 that realizes a light source for a large area as the light source device 10 and the image display device 30 of the third modification of the second embodiment. This third modification has a linear optical axis in the Z direction corresponding to the vertical. Correspondingly, in this third modification, the light guide body 19 that guides light in the Z direction is provided. The light guide body 19 is a light distribution control member that realizes predetermined light distribution control characteristics.
図47の(a)では、ケース内の部品配置を示し、LED基板12等の図示を省略している。Z方向で下から上へ順に、複数のLED素子14、LEDコリメータ15、偏光変換素子21、配向制御板16b、導光体19、液晶表示素子50が配置されている。これらの部品は、それぞれ、概略的にX-Y平面での平板状であり、X方向の辺がY方向の辺よりも長い。X方向の辺は、液晶表示素子50およびHUD装置1の表示領域4の横長の辺に対応している。
In FIG. 47 (a), the arrangement of parts in the case is shown, and the LED board 12 and the like are not shown. A plurality of LED elements 14, an LED collimator 15, a polarization conversion element 21, an orientation control plate 16b, a light guide body 19, and a liquid crystal display element 50 are arranged in order from bottom to top in the Z direction. Each of these parts is substantially flat in the XY plane, and the side in the X direction is longer than the side in the Y direction. The side in the X direction corresponds to the horizontally long side of the liquid crystal display element 50 and the display area 4 of the HUD device 1.
偏光変換素子21は、Y方向に配列された2組の偏光変換素子部21a,21bを用いて構成されている。Y方向で図示の左側に第1の偏光変換素子部21a、右側に第2の偏光変換素子部21bを有し、隣接して配置されている。各組の偏光変換素子部は、同じ構造であり、部品がX方向に延在している。
The polarization conversion element 21 is configured by using two sets of polarization conversion element units 21a and 21b arranged in the Y direction. The first polarization conversion element portion 21a is provided on the left side in the drawing in the Y direction, and the second polarization conversion element portion 21b is provided on the right side, and they are arranged adjacent to each other. The polarization conversion element portions of each set have the same structure, and the parts extend in the X direction.
偏光変換素子21の構成に対応させて、複数のLED素子14およびコリメータ素子15AがX方向に配列されている。一方の偏光変換素子部21aに対し、X方向で例えばN=9個のLED素子14(14-1,14-2,……,14-9)が所定のピッチで配置されている。それらのLED素子14に対応して、X方向で9個のコリメータ素子15Aが配置されている。同様に、他方の偏光変換素子部21bに対し、X方向でN=9個のLED素子14(14-10,14-11,……,14-18)および対応するコリメータ素子15Aが所定のピッチで配置されている。すなわち、本実施例では、X方向の9個で1列、Y方向で2列、X-Y平面では合計で18個のLED素子14およびコリメータ素子15Aが配列されている。これにより、比較的大面積の面状の光源が構成されている。
A plurality of LED elements 14 and collimator elements 15A are arranged in the X direction corresponding to the configuration of the polarization conversion element 21. For example, N = 9 LED elements 14 (14-1, 14-2, ..., 14-9) are arranged at a predetermined pitch with respect to the polarization conversion element unit 21a in the X direction. Nine collimator elements 15A are arranged in the X direction corresponding to those LED elements 14. Similarly, with respect to the other polarization conversion element unit 21b, N = 9 LED elements 14 (14-10, 14-11, ..., 14-18) and the corresponding collimator element 15A have a predetermined pitch in the X direction. It is arranged in. That is, in this embodiment, nine LED elements 14 in the X direction, two rows in the Y direction, and a total of 18 LED elements 14 and collimator elements 15A are arranged in the XY plane. As a result, a planar light source having a relatively large area is configured.
Z方向において、配光制御板16bと液晶表示素子50との間の空間に、導光体19が配置されている。導光体19は、図示のように概略的には鞍形状を有する。導光体19の上方に、液晶表示素子50のパネル面が概略的に水平面に配置されている。
In the Z direction, the light guide body 19 is arranged in the space between the light distribution control plate 16b and the liquid crystal display element 50. The light guide body 19 generally has a saddle shape as shown in the figure. Above the light guide body 19, the panel surface of the liquid crystal display element 50 is substantially arranged on a horizontal plane.
図47の(b)は、(a)のうちの一部断面図を示し、X方向で中央付近のLED素子14-5の位置でのY-Z断面を示す。導光体19は、Z方向の下側に入射部191(入射面を含む)を有し、Z方向の上側に出射部192(出射面を含む)を有する。入射面および出射面は、それぞれ自由曲面形状を有する。入射面および出射面の自由曲面は、Y-Z断面でみると、Z方向の上(出射側)に凸状の曲線を有する。入射面および出射面の自由曲面は、X-Z断面でみると、Z方向で凹状の曲線を有する。偏光変換素子21および導光体19を経由する光軸a31,a32を示す。光軸a31,a32は、自由曲面によって所定の屈折、光拡散等が生じる。このような導光体19の自由曲面形状によって、所定の配光制御の特性が設計されている。これにより、この第3変形例の光源装置10によれば、好適な映像光、かつ戻り外光防止等の特性が実現される。
FIG. 47 (b) shows a partial cross-sectional view of (a), and shows a YY cross section at a position of the LED element 14-5 near the center in the X direction. The light guide body 19 has an incident portion 191 (including an incident surface) on the lower side in the Z direction and an emitting unit 192 (including an emitting surface) on the upper side in the Z direction. The entrance surface and the exit surface each have a free curved surface shape. The free-form surfaces of the incident surface and the exit surface have a convex curve in the Z direction (exit side) when viewed in the YZ cross section. The free-form surfaces of the entrance surface and the exit surface have a concave curve in the Z direction when viewed in the XX cross section. The optical axes a31 and a32 passing through the polarization conversion element 21 and the light guide body 19 are shown. The optical axes a31 and a32 are subjected to predetermined refraction, light diffusion, and the like due to the free curved surface. A predetermined light distribution control characteristic is designed by the free curved surface shape of the light guide body 19. As a result, according to the light source device 10 of the third modification, characteristics such as suitable image light and prevention of return external light are realized.
図48,図49を用いて、図47の導光体19の自由曲面形状について説明する。図48は、導光体19の斜視図を示し、自由曲面の基準座標系(x,y,z)の取り方の例を示す。出射部192の出射面の基準座標は、一点鎖線で示す水平面の方向に対して角度θy(例えばθy=1°)で傾けた座標とする。y軸は、導光体19の中央の位置に対して所定の距離(例えば-1.2mm)でオフセットさせた位置(点K4)の座標を基準とする。入射面の基準座標のオフセットは、角度θyおよびy軸ともに無しとする。
The free curved surface shape of the light guide body 19 of FIG. 47 will be described with reference to FIGS. 48 and 49. FIG. 48 shows a perspective view of the light guide body 19 and shows an example of how to take a reference coordinate system (x, y, z) of a free curved surface. The reference coordinates of the emission surface of the emission unit 192 are coordinates tilted at an angle θy (for example, θy = 1 °) with respect to the direction of the horizontal plane indicated by the alternate long and short dash line. The y-axis is based on the coordinates of a position (point K4) offset by a predetermined distance (for example, −1.2 mm) from the center position of the light guide body 19. There is no offset of the reference coordinates of the incident surface on both the angle θy and the y-axis.
図49は、自由曲面式および係数を示す。図49の(a)は、前述と同様の自由曲面式を示し、(b)は、出射部192の出射面の係数、変数の一例を示し、(c)は、入射部191の入射面の係数、変数の一例を示す。導光体19の自由曲面の範囲は、-40mm≦x≦40mm,-22mm≦y≦2mmとした。概略的にX方向の幅が80mm、Y方向の幅が24mmである。また、入射面において、z(x,y)の値が-8mmより小さくなった場合には、その値を強制的に-8mmとした。言い換えると、Z方向の下側に大きく凸となる部分(図示のY方向の両端付近)については-8mmの位置でカットして平面とした。
FIG. 49 shows a free-form surface equation and coefficients. (A) of FIG. 49 shows the same free-form surface equation as described above, (b) shows an example of the coefficient and the variable of the exit surface of the exit portion 192, and (c) shows the incident surface of the incident portion 191. An example of coefficients and variables is shown. The range of the free curved surface of the light guide body 19 was −40 mm ≦ x ≦ 40 mm and −22 mm ≦ y ≦ 2 mm. Approximately, the width in the X direction is 80 mm and the width in the Y direction is 24 mm. When the value of z (x, y) was smaller than −8 mm on the incident surface, the value was forcibly set to −8 mm. In other words, the portion that is largely convex downward in the Z direction (near both ends in the Y direction in the figure) is cut at a position of −8 mm to form a flat surface.
[2-25:第4変形例]
図50は、実施の形態2の第4変形例の光源装置10および映像表示装置30として、比較的小面積で小型の光源を実現する場合の実施例を示す。図50の(a)は、光源装置10のケース内部の構成で、液晶表示素子50を取り付けた状態の斜視図を示し、(b)は、液晶表示素子50を取り外した状態の一部断面を含む斜視図および配光等を示す。この光源装置10では、LED素子14の光軸a1がY方向である。Y方向において、LED基板12、複数のLED素子14、LEDコリメータ15、偏光変換素子21、配光制御板16bが順に配置されている。配光制御板16bの後には、導光体19bが配置されている。この導光体19bは、言い換えると配光制御板であり、概略的にY方向に導光する所定の配光制御の特性を有する。導光体19bは、入射部19b1、出射部19b2を有する。導光体19bは、その特性のために、入射面および出射面の両方に自由曲面形状を有する。導光体19bのY-Z断面では、入射面および出射面は、Y方向の入射側に凸状の曲線を含む自由曲面となっている。
[2-25: Fourth modified example]
FIG. 50 shows an example in which a small light source is realized in a relatively small area as the light source device 10 and the image display device 30 of the fourth modification of the second embodiment. FIG. 50A shows a perspective view of the inside of the case of the light source device 10 with the liquid crystal display element 50 attached, and FIG. 50B shows a partial cross section with the liquid crystal display element 50 removed. The perspective view including the light distribution and the light distribution are shown. In this light source device 10, the optical axis a1 of the LED element 14 is in the Y direction. In the Y direction, the LED substrate 12, the plurality of LED elements 14, the LED collimator 15, the polarization conversion element 21, and the light distribution control plate 16b are arranged in this order. A light guide body 19b is arranged after the light distribution control plate 16b. In other words, the light guide body 19b is a light distribution control plate, and has a predetermined light distribution control characteristic of guiding light in the Y direction substantially. The light guide body 19b has an incident portion 19b1 and an emitting portion 19b2. Due to its characteristics, the light guide body 19b has a free curved surface shape on both the entrance surface and the exit surface. In the YZ cross section of the light guide body 19b, the entrance surface and the exit surface are free curved surfaces including a convex curve on the entrance side in the Y direction.
Y方向で導光体19bの出射側には、更に反射ミラー500が水平面に対し斜めに傾きの角度を持つ状態で配置されている。Y方向の光軸は、反射ミラー500で反射を通じて概略的にZ方向の光軸に変換される。反射ミラー500のZ方向の上方には、拡散板18bおよび液晶表示素子50がX-Y平面に配置されている。
A reflection mirror 500 is further arranged on the emission side of the light guide body 19b in the Y direction in a state of having an angle of inclination with respect to the horizontal plane. The optical axis in the Y direction is substantially converted into an optical axis in the Z direction through reflection by the reflection mirror 500. A diffuser plate 18b and a liquid crystal display element 50 are arranged on an XY plane above the reflection mirror 500 in the Z direction.
複数のLED素子14は、X方向でN=5個のLED素子14(14a~14e)が所定のピッチでなるべく詰めて配列されている。LEDコリメータ15は、同様に複数のコリメータ素子15AがX方向に配列されている。これにより、比較的小面積の面状の光源部301が構成されている。LED素子14からのY方向の光は、配光制御板16bを通過した後、導光体19bの入射部19b1の入射面に入射する。入射部19b1の入射面に入射した光は、自由曲面形状に沿って屈折しながら導光され、出射部19b2の出射面から出射する。具体的には、(b)に示す光線の例のように、出射光は、反射ミラー500へ向かって集光され、Z方向での光線の範囲が狭くなる。例えば、Z方向で中央の光軸よりも上側の位置を通る光線は、斜め下に向く光線に変換され、Z方向で下側の位置を通る光線は、斜め上に向く光線に変換されている。
In the plurality of LED elements 14, N = 5 LED elements 14 (14a to 14e) are arranged as close as possible at a predetermined pitch in the X direction. Similarly, in the LED collimator 15, a plurality of collimator elements 15A are arranged in the X direction. As a result, a planar light source unit 301 having a relatively small area is configured. The light from the LED element 14 in the Y direction passes through the light distribution control plate 16b and then is incident on the incident surface of the incident portion 19b1 of the light guide body 19b. The light incident on the incident surface of the incident portion 19b1 is guided while being refracted along the shape of the free curved surface, and is emitted from the emitting surface of the emitting portion 19b2. Specifically, as in the example of the light ray shown in (b), the emitted light is focused toward the reflection mirror 500, and the range of the light ray in the Z direction is narrowed. For example, a ray passing through a position above the central optical axis in the Z direction is converted into a ray pointing diagonally downward, and a ray passing through a position below the center in the Z direction is converted into a ray pointing diagonally upward. ..
導光体19bを通過した光は、反射ミラー500でZ方向の上方に反射される。反射光は、拡散板18bを通過して拡散されながら、液晶表示素子50のパネル面に照明光として入射される。この照明光は、導光体19bおよび反射ミラー500を通じて集光されて、比較的小面積の照明光に変換されている。拡散板18bの平面において、集光による照明エリア501を点線で示している。照明光はこの照明エリア501を通過する。照明エリア501は、液晶表示素子50のパネル面の面積よりも小面積である。本実施例は、液晶表示素子50への照明光として、この照明エリア501で示すように小面積の面状の照明光でよい場合であり、例えばHUD装置1の表示領域4が比較的小面積である場合に対応する。このような用途の場合、この第4変形例のような光源装置10の構成が好適である。
The light that has passed through the light guide body 19b is reflected upward in the Z direction by the reflection mirror 500. The reflected light passes through the diffuser plate 18b and is diffused, and is incident on the panel surface of the liquid crystal display element 50 as illumination light. This illumination light is collected through the light guide body 19b and the reflection mirror 500, and is converted into illumination light having a relatively small area. In the plane of the diffuser plate 18b, the illumination area 501 by condensing light is shown by a dotted line. Illumination light passes through this illumination area 501. The illumination area 501 is smaller than the area of the panel surface of the liquid crystal display element 50. In this embodiment, as the illumination light for the liquid crystal display element 50, as shown in the illumination area 501, a surface-like illumination light having a small area may be used. For example, the display area 4 of the HUD device 1 has a relatively small area. Corresponds to the case of. For such applications, the configuration of the light source device 10 as in this fourth modification is suitable.
[2-26:第5変形例]
図51は、実施の形態2の第5変形例の光源装置10および映像表示装置30の構成を示す斜視図である。図51で、Z方向の破線511よりもY方向で右側の部分の構成は、前述の図42等の構成と同様であり、反射部173、出射部172、頭頂部175を有する。破線511よりもY方向で左側の部分の構成が異なっている。この構成では、LED素子14の光軸a51が概略的に鉛直のZ方向に沿っており、上から下へ進む。ヒートシンク13、LED基板12、LED素子14、LEDコリメータ15、偏光変換素子21、および配光制御板16bの構造は前述と同様であり、配置方向が異なっている。
[2-26: Fifth variant example]
FIG. 51 is a perspective view showing the configuration of the light source device 10 and the image display device 30 of the fifth modification of the second embodiment. In FIG. 51, the configuration of the portion on the right side in the Y direction from the broken line 511 in the Z direction is the same as the configuration of FIG. 42 and the like described above, and has a reflection portion 173, an emission portion 172, and a crown portion 175. The configuration of the portion on the left side in the Y direction from the broken line 511 is different. In this configuration, the optical axis a51 of the LED element 14 is substantially along the vertical Z direction and proceeds from top to bottom. The structures of the heat sink 13, the LED substrate 12, the LED element 14, the LED collimator 15, the polarization conversion element 21, and the light distribution control plate 16b are the same as described above, but the arrangement directions are different.
導光体17は、入射側に更に入射部176(入射面s6を含む)および反射部177(反射面s7を含む)が追加された構造である。導光体17の破線511よりもY方向で左側の部分の形状としては、概略的に三角柱形状を有し、X方向に延在しており、Y-Z断面が概略三角形である。入射部176の入射面s6は、概略的に水平面(X-Y平面)に配置されている。反射部177の反射面s7は、水平面に対して所定の角度を持つ斜面になっている。反射部177の反射面s7は、右側の反射部173と同様に反射面と連接面との繰り返しとして形成されてもよいし、それに限らず、反射膜等で構成されてもよい。
The light guide body 17 has a structure in which an incident portion 176 (including an incident surface s6) and a reflecting portion 177 (including a reflecting surface s7) are further added to the incident side. The shape of the portion on the left side of the broken line 511 of the light guide 17 in the Y direction is substantially a triangular prism shape, extending in the X direction, and the YZ cross section is a substantially triangular shape. The incident surface s6 of the incident portion 176 is substantially arranged on a horizontal plane (XY plane). The reflection surface s7 of the reflection portion 177 is a slope having a predetermined angle with respect to the horizontal plane. The reflective surface s7 of the reflective portion 177 may be formed as a repetition of the reflective surface and the connecting surface like the reflective portion 173 on the right side, and may be not limited to this and may be composed of a reflective film or the like.
LED素子14等からの光軸a51は、配向制御板16bを通過後に、入射面s6の点p51に入射する。その光軸a56は、反射部177の反射面s7の点p52で反射されて、概略的にY方向の右に進む光軸a52となる。その光軸a52は、前述の光軸a1と同様に、反射部173の反射面s3の点p3で反射されて概略的にZ方向の上方への光軸a2(a21,a22,a23等)となる。
The optical axis a51 from the LED element 14 or the like is incident on the point p51 of the incident surface s6 after passing through the orientation control plate 16b. The optical axis a56 is reflected at the point p52 of the reflecting surface s7 of the reflecting portion 177, and becomes the optical axis a52 substantially traveling to the right in the Y direction. The optical axis a52 is reflected by the point p3 of the reflecting surface s3 of the reflecting portion 173 and is substantially upward with the optical axis a2 (a21, a22, a23, etc.) in the Z direction, similarly to the above-mentioned optical axis a1. Become.
この第5変形例の構成では、導光体17の入射部176および反射部177を用いて、光源部301等の部品をZ方向に配置しているので、実施の形態1,2の構成に比べて、Y方向(奥行き方向)の寸法を比較的小さく抑えることができる。この構成は、例えば車両のダッシュボードの配置スペースの奥行き方向が限られている場合等に好適である。第5変形例の構成では、入射部176の入射面s6を平面としているが、これに限らず、所定の配光制御の特性を実現するための自由曲面形状としてもよい。
In the configuration of the fifth modification, the incident portion 176 and the reflection portion 177 of the light guide body 17 are used to arrange the parts such as the light source unit 301 in the Z direction. In comparison, the dimensions in the Y direction (depth direction) can be kept relatively small. This configuration is suitable, for example, when the depth direction of the arrangement space of the dashboard of the vehicle is limited. In the configuration of the fifth modification, the incident surface s6 of the incident portion 176 is a flat surface, but the present invention is not limited to this, and a free curved surface shape for realizing predetermined light distribution control characteristics may be used.
[2-27:第6変形例]
実施の形態2の第6変形例の光源装置10として、導光体17の入射部171の入射面s1または出射部173の出射面s3または反射部172の反射面s2に、前述の図22と同様に、機能性散乱面を構成するテクスチャーを設けてもよい。例えば、前述の実施の形態2や各変形例の導光体17の反射部172の反射面s2において、図22のようなテクスチャーを設けてもよい。機能性散乱面の面粗さの空間周波数成分は、例えば100/mm以上の高周波領域で10nm以下とする。
[2-27: 6th modification]
As the light source device 10 of the sixth modification of the second embodiment, the incident surface s1 of the incident portion 171 of the light guide body 17, the emission surface s3 of the emission portion 173, or the reflection surface s2 of the reflection portion 172 is formed on the above-mentioned FIG. Similarly, a texture constituting the functional scattering surface may be provided. For example, the texture as shown in FIG. 22 may be provided on the reflecting surface s2 of the reflecting portion 172 of the light guide body 17 of the above-described second embodiment or each modification. The spatial frequency component of the surface roughness of the functional scattering surface is, for example, 10 nm or less in a high frequency region of 100 / mm or more.
図22の(a)では、対象面(反射面s2)のテクスチャーの第1例を模式的に示している。図22の(b)では、対象面のテクスチャーの第2例を模式的に示している。(a)のテクスチャーでは、複数の反射面と連接面の境界が直線状に配置、形成されている。直線の延在方向は、複数のLED素子14等が配列されるX方向と対応している。このようなテクスチャーによって、複数の境界が配置される方向(階段状の斜面の方向。対応する出射面s3でのY方向。)における光拡散等の配光制御が行われる。(b)のテクスチャーでは、複数の反射面と連接面の境界が曲線状に配置、形成されている。この曲線形状は、例えば複数のLED素子14やコリメータ素子15Aが配置されている位置等に対応させて形成されている。これにより、より精密な配光制御が可能である。
In FIG. 22A, the first example of the texture of the target surface (reflection surface s2) is schematically shown. In FIG. 22B, a second example of the texture of the target surface is schematically shown. In the texture of (a), the boundaries between the plurality of reflecting surfaces and the connecting surfaces are arranged and formed in a straight line. The extending direction of the straight line corresponds to the X direction in which a plurality of LED elements 14 and the like are arranged. With such a texture, light distribution control such as light diffusion is performed in the direction in which the plurality of boundaries are arranged (the direction of the stepped slope; the Y direction on the corresponding exit surface s3). In the texture of (b), the boundaries between the plurality of reflecting surfaces and the connecting surfaces are arranged and formed in a curved shape. This curved shape is formed, for example, corresponding to a position where a plurality of LED elements 14 and collimator elements 15A are arranged. This enables more precise light distribution control.
以上、本発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。実施の形態の構成要素の追加や削除、分離や併合、置換、組合せ等が可能である。
Although the present invention has been specifically described above based on the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments and can be variously modified without departing from the gist thereof. It is possible to add or delete components of the embodiment, separate or merge, replace, combine, and the like.