JPWO2016092724A1 - ヘッドアップディスプレイ、照明装置およびそれを備えた移動体 - Google Patents

ヘッドアップディスプレイ、照明装置およびそれを備えた移動体 Download PDF

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Abstract

照明装置（１１０）と、照明装置（１１０）の光を反射する反射光学ユニットと、を備える。照明装置（１１０）は、第１の方向に配列される複数の光源（１１１）と、複数の光源（１１１）の出射方向であって、複数の光源に対応して複数配置され、第１の入射面（１１２ａ）および第１の出射面（１１２ｂ）を有し、第１の入射面（１１２ａ）または第１の出射面（１１２ｂ）のうち少なくとも一方が凸面である第１レンズ（１１２）と、を有する。また、照明装置（１１０）は、第１レンズ（１１２）の出射方向に配置され、第２の入射面（１１３ａ）および第２の出射面（１１３ｂ）を有し、第１の方向において第２の入射面（１１３ａ）または第２の出射面（１１３ｂ）のうち少なくとも一方が凹形状を有する第２レンズ（１１３）と、第２レンズ（１１３）の出射方向に配置される拡散板（１１４）と、を有する。

Description

本開示は、観察者のアイボックスに対して虚像を視認させるヘッドアップディスプレイに関する。
従来から、液晶パネルの背後の光源から出る光を均一化して、液晶パネルを透過照明するヘッドアップディスプレイが提案されていた（例えば、特許文献１参照）。このヘッドアップディスプレイは、光源と、第１の集光レンズと拡散板と第２の集光レンズとを備える。これにより、表示器を透過する照明光の輝度の低下を抑えつつ、その輝度ムラを低減させることができる。
本開示は、表示する虚像において中央部と周辺部での輝度差の少ないヘッドアップディスプレイを提供する。
特開２００７−１０８４２９号公報
本開示におけるヘッドアップディスプレイは、照明装置と、照明装置の光を反射する反射光学ユニットとを備える。照明装置は、第１の方向に配列される複数の光源と、複数の光源の出射方向であって、複数の光源に対応して複数配置され、第１の入射面および第１の出射面を有し、第１の入射面または第１の出射面のうち少なくとも一方が凸面である第１レンズとを備える。また、照明装置は、第１レンズの出射方向に配置され、第２の入射面および第２の出射面を有し、第１の方向において第２の入射面または第２の出射面のうち少なくとも一方の断面形状が凹形状を有する第２レンズと、第２レンズの出射方向に配置される拡散部材と、を有する。
本開示におけるヘッドアップディスプレイは、表示する虚像において、中央部と周辺部の輝度差を低減できる。
図１は、第１の実施の形態にかかるヘッドアップディスプレイを搭載した車両を示す模式図である。 図２Ａは、第１の実施の形態におけるヘッドアップディスプレイの光路の一部を示す模式図である。 図２Ｂは、第１の実施の形態におけるヘッドアップディスプレイの光路の一部を示す模式図である。 図３は、第１の実施の形態におけるヘッドアップディスプレイの表示ユニットを説明するための模式図である。 図４は、第１の実施の形態における照明装置の構成を説明するための模式図である。 図５は、第１の実施の形態における照明装置の構成を説明するための模式図である。 図６Ａは、第１の実施の形態における表示ユニットの光の分布を示すグラフである。 図６Ｂは、第１の実施の形態における表示ユニットの光の分布を示すグラフである。 図７は、第２の実施の形態における照明装置の構成を説明するための模式図である。
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
また、図面を参照する際、各図面中にＸ、Ｙ、Ｚ直交座標系を設定している。すなわち、液晶パネルにおける上面、または、下面の２つの辺に沿ってＸ軸及びＹ軸を設定し、出射面の法線方向にＺ軸を設定している。また、Ｘ軸方向を第１の方向、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向を第２の方向とする。
（第１の実施の形態）
以下、図１〜５を用いて、第１の実施の形態を説明する。
［１−１．構成］
［１−１−１．全体構成］
図１は、第１の実施の形態にかかるヘッドアップディスプレイ１００を搭載した車両２００における全体の構成を示した模式図である。本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、ウインドシールド２３０を備える車両２００に搭載される。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示ユニット１２０、反射光学ユニット１３０及び筐体１４０から構成される。表示ユニット１２０は、図３に示すように照明装置１１０および液晶パネル１２１から構成される。
ヘッドアップディスプレイ１００は、照明装置１１０によって照明される液晶パネル１２１（図３参照）の透過光が、反射光学ユニット１３０、ウインドシールド２３０を介して、観察者３００のアイボックス６００内に導かれ、観察者３００に虚像４００を視認させる。ここで、アイボックスとは、観察者が虚像を欠けることなく視認できる領域のことである。
反射光学ユニット１３０は、第１ミラー１３１および第２ミラー１３２からなる。第１ミラー１３１は、液晶パネル１２１から出射された光を第２ミラー１３２に向けて反射する。第２ミラー１３２は、第１ミラー１３１からの光をウインドシールド２３０に向けて反射する。第２ミラー１３２の反射面は、凹面形状を有している。反射光学ユニット１３０は、ミラー２枚でなく、１枚であっても、３枚以上であっても良い。また、反射光学ユニット１３０には、レンズなどの屈折光学系を用いても良い。
筐体１４０は、開口１４１を有しており、開口１４１に透明のカバーを備えていてもよい。
図２Ａおよび図２Ｂは、観察者３００が視認するヘッドアップディスプレイ１００の光線を示した模式図である。図２ＡはＸ軸とＺ軸で形成される面で見た光線を示す模式図であり、図２ＢはＹ軸とＺ軸で形成される面で見た光線を示す模式図である。観察者３００は液晶パネル１２１の透過光を、虚像光学系５００を介して視認する。虚像光学系５００は、図１で示す反射光学ユニット１３０とウインドシールド２３０を合わせたものである。
液晶パネル１２１が照明装置１１０（図３参照）に対して平行に配置される場合、液晶パネル１２１のアイボックス６００の中央に向かう出射光は、中央部と端部とで、異なる出射角を有する（α１＞α２）。すなわち、液晶パネル１２１の面から９０°の角度を基準とすると、液晶パネル１２１の中央部の出射光は角度を有さない。他方、端部の出射光は、中央部の出射光に対して外向きの角度を有する。液晶パネル１２１が照明装置１１０に対して平行に配置されない場合はこの限りではなく、中央部の出射光は傾きを持つ。
また、アイボックス６００は一般的にＸ軸方向のほうがＹ軸方向より大きいため、Ｘ軸方向の配光角β１のほうがＹ軸方向の配光角β２より大きい。
［１−１−２．照明装置の構成］
図３は、表示ユニット１２０の構成を示す分解斜視図である。表示ユニット１２０は、照明装置１１０と液晶パネル１２１とを含む。
図３に示すように、照明装置１１０は、複数個の光源１１１と、複数の光源１１１に対応して複数配置される第１レンズ１１２と、第１レンズ１１２の出射方向に配置される第２レンズ１１３と、第２レンズ１１３の出射方向に配置される拡散部材である拡散板１１４を含む。液晶パネル１２１は、照明装置１１０の出射方向に配置される透過型表示装置である。
光源１１１は、例えばチップ型発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、液晶パネル１２１に照明光を供給する発光体である。本実施の形態では、複数の光源１１１は短辺方向（図３のＹ軸方向）から見て長辺方向（図３のＸ軸方向）へ１列に配置されている。ここで複数の光源１１１の配列方向を第１の方向と称す。
第１レンズ１１２は、光源１１１が出射した光を第１の入射面１１２ａから取り込み、略平行光に偏向して出射する機能を有している。また、第１レンズ１１２は、複数の光源１１１に一対一で対応するようにアレイ状に配置される。なお、図３に示す第１レンズ１１２の第１の入射面１１２ａおよび第１の出射面１１２ｂはいずれも凸面形状を有しているが、第１の入射面１１２ａまたは第１の出射面１１２ｂは少なくともいずれかに凸面形状を有していればよい。なお、第１レンズ１１２の第１の入射面１１２ａおよび第１の出射面１１２ｂの凸面形状は光軸に対して回転対称である必要はなく、長辺方向と短辺方向で曲率の異なるトロイダル形状であってもよい。本実施の形態における第１の入射面１１２ａは、第１の方向であるＸ軸方向のみに凸形状を有している。言い換えると、第１の入射面１１２ａはシリンドリカル形状である。他方、第１の出射面１１２ｂは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の両方から見て凸形状であるとともに、第１の方向であるＸ軸方向と第２の方向であるＹ軸方向の面の曲率が異なる、いわゆるトロイダル形状を有している。なお、本実施の形態では、第１の出射面１１２ｂの曲率は、Ｘ軸方向に比べてＹ軸方向の方が小さい。
本実施の形態では、光源１１１と第１レンズ１１２の各々の中心が一致しているが、必ずしも一致している必要はない。
第２レンズ１１３は、第１レンズ１１２の出射光を所望の方向に偏向する機能を有している。すなわち、複数の第１レンズ１１２のそれぞれの出射光は、第２レンズ１１３によって、拡散板１１４の領域毎に入射するように偏向される。
第２レンズ１１３の第２の入射面１１３ａは、平面形状を有している。第２レンズ１１３の第２の出射面１１３ｂは、Ｘ軸方向の形状が凹形状をしている。本実施の形態では、第２レンズ１１３は、第１の方向であるＸ軸方向は凹形状、第２の方向であるＹ軸方向は凸形状のいわゆるトロイダル形状である。第２レンズ１１３は、第１レンズ１１２の出射光を拡散板１１４の領域毎に入射するように偏向させればよく、Ｘ軸方向において、第２の入射面１１３ａと第２の出射面１１３ｂの少なくとも一方が凹形状であればよい。
第１レンズ１１２および第２レンズ１１３は、所定の屈折率を有する透明材料で構成される。透明材料の屈折率は、例えば１．４から１．６程度である。このような透明材料としては、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネイト等の樹脂を用いることができる。本実施の形態では、耐熱性を考慮してポリカーボネイトを用いている。
拡散板１１４は第２レンズ１１３の出射面側であって液晶パネル１２１の入射面側に配置される。また、拡散板１１４は、拡散板１１４の領域毎に入射する第２レンズ１１３からの光を拡散させ、液晶パネル１２１に出射する。これにより、複数の光源１１１からの光を面としての光源にして、アイボックス６００内での輝度ムラを低減する。拡散板１１４は、光を拡散させる機能がある光学シートであれば良く、例えばその表面がビーズ部材や微細な凹凸構造、粗面で構成される。また、ドットシートや透過性の乳白色のシートでも良い。
［１−１−３．構成の詳細説明］
図４は、本実施の形態における照明装置１１０の模式図であり、Ｘ軸方向の断面を示す。第１の入射面１１２ａおよび第１の出射面１１２ｂを有する第１レンズ１１２は、複数の光源１１１の出射光を略平行光に偏向する。第２の入射面１１３ａおよび第２の出射面１１３ｂを有する第２レンズ１１３は、複数の第１レンズの出射光を所定の角度傾けた方向に偏向する。拡散部材である拡散板１１４は、第２レンズ１１３の出射光をアイボックス６００に対応する程度で広げることができる。
本実施の形態において、第１レンズ１１２は、複数のレンズをＸ軸方向にアレイ状に配置している。しかしながら、第１レンズ１１２は、光源１１１に対応して配置していればよく、各レンズ同士に間隔を開けても当接して配置しても良い。また、複数の第１レンズ１１２は一体で形成されていても良い。
図５は、本実施の形態の照明装置１１０の模式図であり、Ｙ軸方向の断面を示す。
光源１１１の出射光を、第１の入射面１１２ａおよび第１の出射面１１２ｂを有する第１レンズ１１２で取り込み、第２の入射面１１３ａおよび第２の出射面１１３ｂを有する第２レンズ１１３で外向きの光線となる程度に偏向する。拡散板１１４は、アイボックス６００の幅に対応する程度に広げることで、所望の配光特性を実現する。
なお、アイボックス６００の長さが上下方向と左右方向で異なる場合、要求される配光角が長辺方向と短辺方向で異なる。このような場合、拡散板１１４は、第１の方向であるＸ軸方向と第２の方向であるＹ軸方向とでその拡散性（拡散角）が異なる、すなわち異方性のある部材を用いることが望ましい。本実施の形態の拡散板１１４は、Ｘ軸方向における拡散性に比べてＹ軸の方向における拡散性を抑えて、アイボックス６００の長辺方向と短辺方向に対応している。
［１−３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、ヘッドアップディスプレイ１００は、照明装置１１０と、液晶パネル１２１と、反射光学ユニット１３０と、筐体１４０を備える。照明装置１１０は、第１の方向（図３および図４におけるＸ軸方向）に配列される複数の光源１１１と、複数の光源１１１の出射方向であって、複数の光源１１１に対応して複数配置され、第１の入射面１１２ａおよび第１の出射面１１２ｂを有し、第１の入射面１１２ａまたは第１の出射面１１２ｂのうち少なくとも一方が凸面である、第１レンズ１１２と、を備える。また、照明装置１１０は、第１レンズ１１２の出射方向に配置され、第２の入射面１１３ａおよび第２の出射面１１３ｂを有し、第１の方向において第２の入射面１１３ａまたは第２の出射面１１３ｂの少なくとも一方の断面形状が凹形状を有する第２レンズ１１３と、第２レンズ１１３の出射方向に配置される拡散板１１４とを備える。
第１レンズ１１２は、複数の光源１１１に対応して複数配置され、第１の入射面１１２ａまたは第１の出射面１１２ｂのうち少なくとも一方が凸面である。そのため、第１レンズ１１２から出射される光は、集光される。第２レンズ１１３は、第２の入射面１１３ａおよび第２の出射面１１３ｂを有し、第１の方向において第２の入射面１１３ａまたは第２の出射面１１３ｂの少なくとも一方の断面形状が凹形状を有する。そのため、第２レンズ１１３から出射される光は、端部に向かうにつれて、より外向きの角度を有するように偏向される。第２レンズ１１３から出射された光は、拡散部材である拡散板１１４、液晶パネル１２１および虚像光学系５００を介して、アイボックス６００の全域に広がる。従って、アイボックス６００のどの位置でも輝度ムラの低減された虚像４００を視認することができる。
ここで、図６Ａ、図６Ｂは、本実施の形態における液晶パネル１２１のＸ軸方向の出射光の配光特性を示す図である。図６Ａは、液晶パネル１２１における中央部の配光特性である。また、図６Ｂは、液晶パネル１２１における、端部の配光特性である。図６Ｂに示すとおり、本実施の形態において、液晶パネル１２１の端部における出射光の強度は、パネル中央から離れる方向にピークを有する。これにより、液晶パネル１２１の表示面積よりも拡大された虚像４００を視認するヘッドアップディスプレイ１００において、虚像４００の中央と周辺のとの輝度差を抑えることができる。
（第２の実施の形態）
以下、図７を用いて、以下、第２の実施の形態を説明する。
第２の実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ１００は、第１の実施の形態と同様の基本的な構成を有しているため、異なる点について以下説明する。
［２−１．構成］
図７は、第２の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００の照明装置１１０の模式図であり、Ｘ軸方向の断面を示す。
第１の実施の形態では、第１レンズ１１２の各々の頂点にそれぞれの光源１１１の中心が位置するように配置した。第２の実施の形態では、第１レンズ１１２の各々の頂点に対してそれぞれの光源１１１をＸ軸方向にずらして配置している。
第２の実施の形態では、第１レンズ１１２の各々の頂点ピッチに対して、光源１１１の配置ピッチを狭くして配置している。すなわち、それぞれの光源１１１の配置位置は、Ｘ軸方向に、中心から端部に向かうにつれて、第１レンズ１１２に対して中心方向にずれるように配置される。この際、それぞれの光源１１１は、その出射光を対応する第１レンズに入射する光量が、隣接する第１レンズに入射する光量よりも低くならない程度にずらすことが望ましい。
［２−２．効果等］
以上のように、光源１１１と第１レンズ１１２の中心をずらして配置することで、第１レンズ１１２から出射される光の主光線は、中心から端部に向かうにつれて、外向きの角度が大きくなる。これにより、第２レンズ１１３の凹面の屈折力を抑えることができ、凹面の曲率を低くすることができる。これにより、第２レンズの厚みを小さくすることができる。また、第２レンズ１１３の成型コストや材料コストを抑えることが可能となる。
（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、第１の実施の形態および第２の実施の形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、第１の実施の形態および第２の実施の形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
第１の実施の形態および第２の実施の形態では、映像表示装置として、液晶パネル１２１は透過型表示装置であれば良い。
また、液晶パネルは光源の主光線に対して直交するように配置した例を示したが、傾いて配置することもできる。
第１レンズ１１２の第１の入射面１１２ａ、第１の出射面１１２ｂおよび第２レンズ１１３の第２の入射面１１３ａ、第２の出射面１１３ｂは、不連続な面形状であるフレネル形状を用いることで、表示ユニット１２０の小型化を実現することもできる。この場合、フレネル形状は、Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれで曲率を変更することもできるし、一方の軸方向のみをフレネル形状とすることもできる。
第１レンズ１１２は、凸レンズを用いたが、ＴＩＲ（Ｔｏｔａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）レンズを用いることもできる。これにより、光源１１１からの光を効率良く第２レンズ１１３に出射することができ、光利用効率が向上する。
照明装置１１０において、短辺方向であるＹ軸方向から見て、光源１１１と第１レンズ１１２が複数列に配置されていてもよい。この場合、第２レンズ１１３の出射面は、長辺方向であるＸ軸方向と同じく、凹形状とする。これにより、液晶パネル１２１よりも拡大された虚像４００を視認するヘッドアップディスプレイ１００において、虚像４００の中央と周辺のとの輝度差を抑えることができる。
ヘッドアップディスプレイ１００の出射光を反射させる部材として、ウインドシールド２３０を例示したが、これに限られず、コンバイナ（Ｃｏｍｂｉｎｅｒ）を用いることもできる。
光源として、ＬＥＤを例示したが、レーザーダイオードや有機発光ダイオードなどを用いることもできる。
本開示は、虚像を視認させる投映装置に適用可能である。具体的には、ヘッドアップディスプレイ、などに、本開示は適用可能である。
１００ ヘッドアップディスプレイ
１１０ 照明装置
１１１ 光源
１１２ 第１レンズ
１１２ａ 第１の入射面
１１２ｂ 第１の出射面
１１３ 第２レンズ
１１３ａ 第２の入射面
１１３ｂ 第２の出射面
１１４ 拡散板（拡散部材）
１２０ 表示ユニット
１２１ 液晶パネル
１３０ 反射光学ユニット
１３１ 第１ミラー
１３２ 第２ミラー
１４０ 筐体
１４１ 開口
２００ 車両
２３０ ウインドシールド
３００ 観察者
４００ 虚像
５００ 虚像光学系
６００ アイボックス
本開示は、観察者のアイボックスに対して虚像を視認させるヘッドアップディスプレイに関する。
従来から、液晶パネルの背後の光源から出る光を均一化して、液晶パネルを透過照明するヘッドアップディスプレイが提案されていた（例えば、特許文献１参照）。このヘッドアップディスプレイは、光源と、第１の集光レンズと拡散板と第２の集光レンズとを備える。これにより、表示器を透過する照明光の輝度の低下を抑えつつ、その輝度ムラを低減させることができる。
本開示は、表示する虚像において中央部と周辺部での輝度差の少ないヘッドアップディスプレイ、照明装置およびそれを備えた移動体を提供する。
特開２００７−１０８４２９号公報
本開示におけるヘッドアップディスプレイは、照明装置と、照明装置の光を反射する反射光学ユニットとを備える。照明装置は、第１の方向に配列される複数の光源と、複数の光源の出射方向であって、複数の光源に対応して複数配置され、第１の入射面および第１の出射面を有し、第１の入射面または第１の出射面のうち少なくとも一方が凸面である第１レンズとを備える。また、照明装置は、第１レンズの出射方向に配置され、第２の入射面および第２の出射面を有し、第１の方向において第２の入射面または第２の出射面のうち少なくとも一方の断面形状が凹形状を有する第２レンズと、第２レンズの出射方向に配置される拡散部材と、を有する。
本開示におけるヘッドアップディスプレイは、表示する虚像において、中央部と周辺部の輝度差を低減できる。
本開示における照明装置は、光源からの光を反射する反射光学ユニットを有するヘッドアップディスプレイに用いられる照明装置である。照明装置は、第１の方向に配列される複数の光源と、複数の光源の出射方向であって、複数の光源に対応して複数配置され、第１の入射面および第１の出射面を有し、第１の入射面または第１の出射面のうち少なくとも一方が凸面である第１レンズとを備える。また、照明装置は、第１レンズの出射方向に配置され、第２の入射面および第２の出射面を有し、第１の方向において第２の入射面または第２の出射面のうち少なくとも一方の断面形状が凹形状を有する第２レンズと、第２レンズの出射方向に配置される拡散部材と、を備える。
図１は、第１の実施の形態にかかるヘッドアップディスプレイを搭載した車両を示す模式図である。 図２Ａは、第１の実施の形態におけるヘッドアップディスプレイの光路の一部を示す模式図である。 図２Ｂは、第１の実施の形態におけるヘッドアップディスプレイの光路の一部を示す模式図である。 図３は、第１の実施の形態におけるヘッドアップディスプレイの表示ユニットを説明するための模式図である。 図４は、第１の実施の形態における照明装置の構成を説明するための模式図である。 図５は、第１の実施の形態における照明装置の構成を説明するための模式図である。 図６Ａは、第１の実施の形態における表示ユニットの光の分布を示すグラフである。 図６Ｂは、第１の実施の形態における表示ユニットの光の分布を示すグラフである。 図７は、第２の実施の形態における照明装置の構成を説明するための模式図である。
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
また、図面を参照する際、各図面中にＸ、Ｙ、Ｚ直交座標系を設定している。すなわち、液晶パネルにおける上面、または、下面の２つの辺に沿ってＸ軸及びＹ軸を設定し、出射面の法線方向にＺ軸を設定している。また、Ｘ軸方向を第１の方向、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向を第２の方向とする。
（第１の実施の形態）
以下、図１〜５を用いて、第１の実施の形態を説明する。
［１−１．構成］
［１−１−１．全体構成］
図１は、第１の実施の形態にかかるヘッドアップディスプレイ１００を搭載した車両２００における全体の構成を示した模式図である。本開示のヘッドアップディスプレイ１００は、ウインドシールド２３０を備える車両２００に搭載される。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示ユニット１２０、反射光学ユニット１３０及び筐体１４０から構成される。表示ユニット１２０は、図３に示すように照明装置１１０および液晶パネル１２１から構成される。
ヘッドアップディスプレイ１００は、照明装置１１０によって照明される液晶パネル１２１（図３参照）の透過光が、反射光学ユニット１３０、ウインドシールド２３０を介して、観察者３００のアイボックス６００内に導かれ、観察者３００に虚像４００を視認させる。ここで、アイボックスとは、観察者が虚像を欠けることなく視認できる領域のことである。
反射光学ユニット１３０は、第１ミラー１３１および第２ミラー１３２からなる。第１ミラー１３１は、液晶パネル１２１から出射された光を第２ミラー１３２に向けて反射する。第２ミラー１３２は、第１ミラー１３１からの光をウインドシールド２３０に向けて反射する。第２ミラー１３２の反射面は、凹面形状を有している。反射光学ユニット１３０は、ミラー２枚でなく、１枚であっても、３枚以上であっても良い。また、反射光学ユニット１３０には、レンズなどの屈折光学系を用いても良い。
筐体１４０は、開口１４１を有しており、開口１４１に透明のカバーを備えていてもよい。
図２Ａおよび図２Ｂは、観察者３００が視認するヘッドアップディスプレイ１００の光線を示した模式図である。図２ＡはＸ軸とＺ軸で形成される面で見た光線を示す模式図であり、図２ＢはＹ軸とＺ軸で形成される面で見た光線を示す模式図である。観察者３００は液晶パネル１２１の透過光を、虚像光学系５００を介して視認する。虚像光学系５００は、図１で示す反射光学ユニット１３０とウインドシールド２３０を合わせたものである。
液晶パネル１２１が照明装置１１０（図３参照）に対して平行に配置される場合、液晶パネル１２１のアイボックス６００の中央に向かう出射光は、中央部と端部とで、異なる出射角を有する（α１＞α２）。すなわち、液晶パネル１２１の面から９０°の角度を基準とすると、液晶パネル１２１の中央部の出射光は角度を有さない。他方、端部の出射光は、中央部の出射光に対して外向きの角度を有する。液晶パネル１２１が照明装置１１０に対して平行に配置されない場合はこの限りではなく、中央部の出射光は傾きを持つ。
また、アイボックス６００は一般的にＸ軸方向のほうがＹ軸方向より大きいため、Ｘ軸方向の配光角β１のほうがＹ軸方向の配光角β２より大きい。
［１−１−２．照明装置の構成］
図３は、表示ユニット１２０の構成を示す分解斜視図である。表示ユニット１２０は、照明装置１１０と液晶パネル１２１とを含む。
図３に示すように、照明装置１１０は、複数個の光源１１１と、複数の光源１１１に対応して複数配置される第１レンズ１１２と、第１レンズ１１２の出射方向に配置される第２レンズ１１３と、第２レンズ１１３の出射方向に配置される拡散部材である拡散板１１４を含む。液晶パネル１２１は、照明装置１１０の出射方向に配置される透過型表示装置である。
光源１１１は、例えばチップ型発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、液晶パネル１２１に照明光を供給する発光体である。本実施の形態では、複数の光源１１１は短辺方向（図３のＹ軸方向）から見て長辺方向（図３のＸ軸方向）へ１列に配置されている。ここで複数の光源１１１の配列方向を第１の方向と称す。
第１レンズ１１２は、光源１１１が出射した光を第１の入射面１１２ａから取り込み、略平行光に偏向して出射する機能を有している。また、第１レンズ１１２は、複数の光源１１１に一対一で対応するようにアレイ状に配置される。なお、図３に示す第１レンズ１１２の第１の入射面１１２ａおよび第１の出射面１１２ｂはいずれも凸面形状を有しているが、第１の入射面１１２ａまたは第１の出射面１１２ｂは少なくともいずれかに凸面形状を有していればよい。なお、第１レンズ１１２の第１の入射面１１２ａおよび第１の出射面１１２ｂの凸面形状は光軸に対して回転対称である必要はなく、長辺方向と短辺方向で曲率の異なるトロイダル形状であってもよい。本実施の形態における第１の入射面１１２ａは、第１の方向であるＸ軸方向のみに凸形状を有している。言い換えると、第１の入射面１１２ａはシリンドリカル形状である。他方、第１の出射面１１２ｂは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の両方から見て凸形状であるとともに、第１の方向であるＸ軸方向と第２の方向であるＹ軸方向の面の曲率が異なる、いわゆるトロイダル形状を有している。なお、本実施の形態では、第１の出射面１１２ｂの曲率は、Ｘ軸方向に比べてＹ軸方向の方が小さい。
本実施の形態では、光源１１１と第１レンズ１１２の各々の中心が一致しているが、必ずしも一致している必要はない。
第２レンズ１１３は、第１レンズ１１２の出射光を所望の方向に偏向する機能を有している。すなわち、複数の第１レンズ１１２のそれぞれの出射光は、第２レンズ１１３によって、拡散板１１４の領域毎に入射するように偏向される。
第２レンズ１１３の第２の入射面１１３ａは、平面形状を有している。第２レンズ１１３の第２の出射面１１３ｂは、Ｘ軸方向の形状が凹形状をしている。本実施の形態では、第２レンズ１１３は、第１の方向であるＸ軸方向は凹形状、第２の方向であるＹ軸方向は凸形状のいわゆるトロイダル形状である。第２レンズ１１３は、第１レンズ１１２の出射光を拡散板１１４の領域毎に入射するように偏向させればよく、Ｘ軸方向において、第２の入射面１１３ａと第２の出射面１１３ｂの少なくとも一方が凹形状であればよい。
第１レンズ１１２および第２レンズ１１３は、所定の屈折率を有する透明材料で構成される。透明材料の屈折率は、例えば１．４から１．６程度である。このような透明材料としては、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネイト等の樹脂を用いることができる。本実施の形態では、耐熱性を考慮してポリカーボネイトを用いている。
拡散板１１４は第２レンズ１１３の出射面側であって液晶パネル１２１の入射面側に配置される。また、拡散板１１４は、拡散板１１４の領域毎に入射する第２レンズ１１３からの光を拡散させ、液晶パネル１２１に出射する。これにより、複数の光源１１１からの光を面としての光源にして、アイボックス６００内での輝度ムラを低減する。拡散板１１４は、光を拡散させる機能がある光学シートであれば良く、例えばその表面がビーズ部材や微細な凹凸構造、粗面で構成される。また、ドットシートや透過性の乳白色のシートでも良い。
［１−１−３．構成の詳細説明］
図４は、本実施の形態における照明装置１１０の模式図であり、Ｘ軸方向の断面を示す。第１の入射面１１２ａおよび第１の出射面１１２ｂを有する第１レンズ１１２は、複数の光源１１１の出射光を略平行光に偏向する。第２の入射面１１３ａおよび第２の出射面１１３ｂを有する第２レンズ１１３は、複数の第１レンズの出射光を所定の角度傾けた方向に偏向する。拡散部材である拡散板１１４は、第２レンズ１１３の出射光をアイボックス６００に対応する程度で広げることができる。
本実施の形態において、第１レンズ１１２は、複数のレンズをＸ軸方向にアレイ状に配置している。しかしながら、第１レンズ１１２は、光源１１１に対応して配置していればよく、各レンズ同士に間隔を開けても当接して配置しても良い。また、複数の第１レンズ１１２は一体で形成されていても良い。
図５は、本実施の形態の照明装置１１０の模式図であり、Ｙ軸方向の断面を示す。
光源１１１の出射光を、第１の入射面１１２ａおよび第１の出射面１１２ｂを有する第１レンズ１１２で取り込み、第２の入射面１１３ａおよび第２の出射面１１３ｂを有する第２レンズ１１３で外向きの光線となる程度に偏向する。拡散板１１４は、アイボックス６００の幅に対応する程度に広げることで、所望の配光特性を実現する。
なお、アイボックス６００の長さが上下方向と左右方向で異なる場合、要求される配光角が長辺方向と短辺方向で異なる。このような場合、拡散板１１４は、第１の方向であるＸ軸方向と第２の方向であるＹ軸方向とでその拡散性（拡散角）が異なる、すなわち異方性のある部材を用いることが望ましい。本実施の形態の拡散板１１４は、Ｘ軸方向における拡散性に比べてＹ軸の方向における拡散性を抑えて、アイボックス６００の長辺方向と短辺方向に対応している。
［１−３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、ヘッドアップディスプレイ１００は、照明装置１１０と、液晶パネル１２１と、反射光学ユニット１３０と、筐体１４０を備える。照明装置１１０は、第１の方向（図３および図４におけるＸ軸方向）に配列される複数の光源１１１と、複数の光源１１１の出射方向であって、複数の光源１１１に対応して複数配置され、第１の入射面１１２ａおよび第１の出射面１１２ｂを有し、第１の入射面１１２ａまたは第１の出射面１１２ｂのうち少なくとも一方が凸面である、第１レンズ１１２と、を備える。また、照明装置１１０は、第１レンズ１１２の出射方向に配置され、第２の入射面１１３ａおよび第２の出射面１１３ｂを有し、第１の方向において第２の入射面１１３ａまたは第２の出射面１１３ｂの少なくとも一方の断面形状が凹形状を有する第２レンズ１１３と、第２レンズ１１３の出射方向に配置される拡散板１１４とを備える。
第１レンズ１１２は、複数の光源１１１に対応して複数配置され、第１の入射面１１２ａまたは第１の出射面１１２ｂのうち少なくとも一方が凸面である。そのため、第１レンズ１１２から出射される光は、集光される。第２レンズ１１３は、第２の入射面１１３ａおよび第２の出射面１１３ｂを有し、第１の方向において第２の入射面１１３ａまたは第２の出射面１１３ｂの少なくとも一方の断面形状が凹形状を有する。そのため、第２レンズ１１３から出射される光は、端部に向かうにつれて、より外向きの角度を有するように偏向される。第２レンズ１１３から出射された光は、拡散部材である拡散板１１４、液晶パネル１２１および虚像光学系５００を介して、アイボックス６００の全域に広がる。従って、アイボックス６００のどの位置でも輝度ムラの低減された虚像４００を視認することができる。
ここで、図６Ａ、図６Ｂは、本実施の形態における液晶パネル１２１のＸ軸方向の出射光の配光特性を示す図である。図６Ａは、液晶パネル１２１における中央部の配光特性である。また、図６Ｂは、液晶パネル１２１における、端部の配光特性である。図６Ｂに示すとおり、本実施の形態において、液晶パネル１２１の端部における出射光の強度は、パネル中央から離れる方向にピークを有する。これにより、液晶パネル１２１の表示面積よりも拡大された虚像４００を視認するヘッドアップディスプレイ１００において、虚像４００の中央と周辺のとの輝度差を抑えることができる。
（第２の実施の形態）
以下、図７を用いて、以下、第２の実施の形態を説明する。
第２の実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ１００は、第１の実施の形態と同様の基本的な構成を有しているため、異なる点について以下説明する。
［２−１．構成］
図７は、第２の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００の照明装置１１０の模式図であり、Ｘ軸方向の断面を示す。
第１の実施の形態では、第１レンズ１１２の各々の頂点にそれぞれの光源１１１の中心が位置するように配置した。第２の実施の形態では、第１レンズ１１２の各々の頂点に対してそれぞれの光源１１１をＸ軸方向にずらして配置している。
第２の実施の形態では、第１レンズ１１２の各々の頂点ピッチに対して、光源１１１の配置ピッチを狭くして配置している。すなわち、それぞれの光源１１１の配置位置は、Ｘ軸方向に、中心から端部に向かうにつれて、第１レンズ１１２に対して中心方向にずれるように配置される。この際、それぞれの光源１１１は、その出射光を対応する第１レンズに入射する光量が、隣接する第１レンズに入射する光量よりも低くならない程度にずらすことが望ましい。
［２−２．効果等］
以上のように、光源１１１と第１レンズ１１２の中心をずらして配置することで、第１レンズ１１２から出射される光の主光線は、中心から端部に向かうにつれて、外向きの角度が大きくなる。これにより、第２レンズ１１３の凹面の屈折力を抑えることができ、凹面の曲率を低くすることができる。これにより、第２レンズの厚みを小さくすることができる。また、第２レンズ１１３の成型コストや材料コストを抑えることが可能となる。
（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、第１の実施の形態および第２の実施の形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、第１の実施の形態および第２の実施の形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
第１の実施の形態および第２の実施の形態では、映像表示装置として、液晶パネル１２１は透過型表示装置であれば良い。
また、液晶パネルは光源の主光線に対して直交するように配置した例を示したが、傾いて配置することもできる。
第１レンズ１１２の第１の入射面１１２ａ、第１の出射面１１２ｂおよび第２レンズ１１３の第２の入射面１１３ａ、第２の出射面１１３ｂは、不連続な面形状であるフレネル形状を用いることで、表示ユニット１２０の小型化を実現することもできる。この場合、フレネル形状は、Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれで曲率を変更することもできるし、一方の軸方向のみをフレネル形状とすることもできる。
第１レンズ１１２は、凸レンズを用いたが、ＴＩＲ（Ｔｏｔａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）レンズを用いることもできる。これにより、光源１１１からの光を効率良く第２レンズ１１３に出射することができ、光利用効率が向上する。
照明装置１１０において、短辺方向であるＹ軸方向から見て、光源１１１と第１レンズ１１２が複数列に配置されていてもよい。この場合、第２レンズ１１３の出射面は、長辺方向であるＸ軸方向と同じく、凹形状とする。これにより、液晶パネル１２１よりも拡大された虚像４００を視認するヘッドアップディスプレイ１００において、虚像４００の中央と周辺のとの輝度差を抑えることができる。
ヘッドアップディスプレイ１００の出射光を反射させる部材として、ウインドシールド２３０を例示したが、これに限られず、コンバイナ（Ｃｏｍｂｉｎｅｒ）を用いることもできる。
光源として、ＬＥＤを例示したが、レーザーダイオードや有機発光ダイオードなどを用いることもできる。
本開示は、虚像を視認させる投映装置に適用可能である。具体的には、ヘッドアップディスプレイ、などに、本開示は適用可能である。
１００ ヘッドアップディスプレイ
１１０ 照明装置
１１１ 光源
１１２ 第１レンズ
１１２ａ 第１の入射面
１１２ｂ 第１の出射面
１１３ 第２レンズ
１１３ａ 第２の入射面
１１３ｂ 第２の出射面
１１４ 拡散板（拡散部材）
１２０ 表示ユニット
１２１ 液晶パネル
１３０ 反射光学ユニット
１３１ 第１ミラー
１３２ 第２ミラー
１４０ 筐体
１４１ 開口
２００ 車両
２３０ ウインドシールド
３００ 観察者
４００ 虚像
５００ 虚像光学系
６００ アイボックス
本開示におけるヘッドアップディスプレイは、表示ユニットと、表示ユニットの光を反射する反射光学ユニットとを備える。表示ユニットは、第１の方向に配列される複数の光源と、複数の光源の出射方向であって、複数の光源に対応して複数配置され、第１の入射面および第１の出射面を有し、第１の入射面または第１の出射面のうち少なくとも一方が凸面である第１レンズとを備える。また、表示ユニットは、第１レンズの出射方向に配置され、第２の入射面および第２の出射面を有し、第１の方向において第２の入射面または第２の出射面のうち少なくとも一方の断面形状が凹形状を有する第２レンズと、第２レンズの出射方向に配置される拡散部材と、拡散部材を透過した光を入射し、画像情報により変調して出射する空間光変調素子と、を有する。
本開示における表示ユニットは、反射光学ユニットを有するヘッドアップディスプレイに用いられる表示ユニットである。表示ユニットは、第１の方向に配列される複数の光源と、複数の光源の出射方向であって、複数の光源に対応して複数配置され、第１の入射面および第１の出射面を有し、第１の入射面または第１の出射面のうち少なくとも一方が凸面である第１レンズとを備える。また、表示ユニットは、第１レンズの出射方向に配置され、第２の入射面および第２の出射面を有し、第１の方向において第２の入射面または第２の出射面のうち少なくとも一方の断面形状が凹形状を有する第２レンズと、第２レンズの出射方向に配置される拡散部材と、拡散部材を透過した光を入射し、画像情報により変調して出射する空間光変調素子と、を備える。

Claims (8)

  1. 第１の方向に配列される複数の光源と、
    前記複数の光源の出射方向であって、前記複数の光源に対応して複数配置され、第１の入射面および第１の出射面を有し、前記第１の入射面または前記第１の出射面のうち少なくとも一方が凸面である、第１レンズと、
    前記第１レンズの出射方向に配置され、第２の入射面および第２の出射面を有し、前記第１の方向において前記第２の入射面または前記第２の出射面の少なくとも一方の断面形状が凹形状を有する第２レンズと、
    前記第２レンズの出射方向に配置される拡散部材と、を有する照明装置と、
    前記照明装置の光を反射する反射光学ユニットと、を備える、
    ヘッドアップディスプレイ。
  2. 前記第１の出射面は、前記第１の方向と前記第１の方向に直交する前記第２の方向とで、その曲率が異なる、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  3. 前記第２の入射面または前記第２の出射面は、前記第２の方向において凸形状を有する、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  4. 前記第２の入射面または前記第２の出射面は、前記第２の方向において凸形状を有する、請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
  5. 前記第１の入射面は、前記第１の方向において凸形状を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
  6. 前記拡散部材は、前記第１の方向と前記第２の方向とで、異なる拡散角を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
  7. ウインドシールドを有する移動体に搭載される、請求項１から４のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
  8. 請求項１から４のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイを搭載した移動体。
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