JPWO2017131185A1 - 車両用ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

車両用ヘッドアップディスプレイ装置（１）は、光源装置（１１）と、表示パネル（１２）と、照明光学系（１３）と、を備える。前記表示パネル（１２）は透過型である。前記照明光学系（１３）は、前記光源装置（１１）からの照明光（Ｘ０）を前記表示パネル（１２）に導く。前記照明光学系（１２）は、レンズモジュール（１３１）を含む。前記レンズモジュール（１３１）は、前記照明光の光軸（Ｏ）上に位置する１つ以上のレンズ（１３１ａ）を含む。前記光源装置（１１）は、前記光軸（Ｏ）となす角が大きい光線ほど輝度が低い照明光（Ｘ０）を射出する。前記レンズモジュール（１３１）は、前記照明光（Ｘ０）のうち前記光軸（Ｏ）となす角度が大きい光線ほど密度を高めて透過させる光学特性を有する。

Description

関連出願へのクロスリファレンス

本出願は、日本国特許出願２０１６−１３８５１号（２０１６年１月２７日出願）の優先権を主張するものであり、当該出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。

本発明は、車両用ヘッドアップディスプレイ装置に関する。

車両用ヘッドアップディスプレイは、透過型の液晶パネル等を透過した光を車両のウインドシールド等に反射させる。反射した光は、車両の操作者に虚像を視認させる。

車両用ヘッドアップディスプレイ装置では、虚像の輝度ムラが問題となることがある。車両用ヘッドアップディスプレイ装置の輝度ムラを低減させるための技術が提案されている。例えば特開２０１１−９０２１７号公報には、虚像の輝度ムラを低減させる技術が開示されている。特開２０１１−９０２１７号公報に開示された技術では、複数の光源を配置する。複数の光源それぞれに対応する複数のレンズを配列する。外側に位置するレンズの射出光の中心軸を外側の方向に傾くように設ける。

本開示の一実施形態に係る車両用ヘッドアップディスプレイ装置は、光源装置と、表示パネルと、照明光学系と、を備える。前記表示パネルは透過型である。前記照明光学系は、前記光源装置からの照明光を前記表示パネルに導く。前記照明光学系は、レンズモジュールを含む。前記レンズモジュールは、前記照明光の光軸上に位置する１つ以上のレンズを含む。前記光源装置は、前記光軸となす角が大きい光線ほど輝度が低い照明光を射出する。前記レンズモジュールは、前記照明光のうち前記光軸となす角度が大きい光線ほど密度を高めて透過させる光学特性を有する。

本開示の一実施形態に係る車両用ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成を示す図である。 図１の表示部の概略構成を示す図である。 図１の表示部の概略構成を示す図である。 図１の表示部の一部を拡大して示す図である。 図１の表示部の一変形例の概略構成を示す図である。 図１の表示部の他の変形例の概略構成を示す図である。

以下、諸図面を参照しながら、本開示の一実施形態を詳細に説明する。

図１を参照して、本発明の一実施形態に係る車両用ヘッドアップディスプレイ装置１の概略構成について説明する。車両用ヘッドアップディスプレイ装置１は、表示部１０と、投影光学系２０とを備える。車両用ヘッドアップディスプレイ装置１は、例えば、車両Ｖのダッシュボード等に収容される。

表示部１０は、表示光Ｘを、投影光学系２０を経て車両用ヘッドアップディスプレイ装置１の外部に射出する。表示光Ｘは車両Ｖのウインドシールド等の半透過板Ｙで反射する。反射した表示光Ｘは車両Ｖの操作者Ｍ（運転手等）の眼球に入射する。このように、表示光Ｘが操作者Ｍの眼球に入射することで、操作者Ｍに視認可能な虚像Ｚが半透過板Ｙの前方の所定の位置に生成される。

表示部１０は、光源装置や透過型の表示パネル等を備える。光源装置から射出される照明光は、透過型の表示パネルを透過する。照明光は、表示パネルの透過後に、表示部１０の外部に射出される。照明光は、表示パネルを通過するときに、所望の画像に応じて照明光の各波長の強度が減衰する。照明光は、表示パネルの通過によって表示光Ｘとなる。表示部１０の詳細は後述する。

投影光学系２０は、表示部１０からの表示光Ｘを半透過板Ｙに導く。投影光学系２０は、表示光Ｘが投影される範囲を拡大しうる。投影光学系２０は、例えば凹面鏡等のミラーを有する。図１には投影光学系２０が２つのミラーを有する場合を例示したが、ミラーの個数は２つに限定されない。

半透過板Ｙは、入射した光の一部を反射する。半透過板Ｙは、入射した光の一部を透過しうる。半透過板Ｙは、車両Ｖに備えうる。半透過板Ｙは、車両Ｖのウインドシールドの他、表示光Ｘを反射させるコンバイナ等であってよい。コンバイナ等の半透過板Ｙは、車両用ヘッドアップディスプレイ装置１に含まれうる。半透過板Ｙは、車両用ヘッドアップディスプレイ装置１から照射される表示光Ｘの一部を反射させる。半透過板Ｙは、操作者Ｍの目が存在すると想定している空間に向かって表示光Ｘを反射させる。

図２を参照して、表示部１０の概略構成について説明する。表示部１０は、光源装置１１と、表示パネル１２と、照明光学系１３とを備える。

光源装置１１は、照明光Ｘ_０を射出する部材である。光源装置１１は、例えば白色光を発散して射出する１つ又は複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）等の発光素子を含む。光源装置１１は、表示パネル１２と平行な基板上に位置しうる。図２の例示では、基板上に３個の光源装置１１が位置している。各光源装置１１から射出される照明光Ｘ_０は、照明光学系１３を透過して表示パネル１２に照射される。ここで、各光源装置１１は、一つの発光素子で構成されてよい。各光源装置１１は、一つの点光源とみなせる複数の発光素子を含みうる。各光源装置１１は、複数の発光素子が近接して位置しうる。各光源装置１１から射出される照明光Ｘ_０は、輝度分布を有する。輝度分布は、光軸Ｏの方向の光線が最も輝度が高く、光軸Ｏとなす角度が大きい光線ほど輝度が低い。光源装置１１の光軸Ｏは、照明光Ｘ_０の輝度が最も高い方向と言いうる。

表示パネル１２は、透過型の表示パネルである。表示パネル１２は、液晶表示パネル及びＭＥＭＳシャッターパネルを含む。液晶パネルは、例えば、偏光フィルタ、ガラス基板、透明電極、配向膜、液晶表示素子、カラーフィルタ等を含みうる。表示パネル１２は、光源装置１１から照明光学系１３を経て照明光Ｘ_０が照射されると、その透過光を表示光Ｘとして射出する。表示光Ｘは、表示パネル１２に表示される画像に対応する光となる。表示パネル１２にカラー画像が表示されている場合、表示光Ｘは、カラー画像に対応する光となる。表示パネル１２に表示される画像が変化すると、表示光Ｘは、変化した画像に対応して変化する。

照明光学系１３は、各光源装置１１と表示パネル１２との間に位置する。照明光学系１３は、光源装置１１からの照明光Ｘ_０を表示パネル１２に導く。照明光学系１３は、レンズモジュール１３１及び拡散板１３２を含む。

レンズモジュール１３１は、光源装置１１に対向する。レンズモジュール１３１は、照明光Ｘ_０を均一な輝度分布の平行光に近づける。レンズモジュール１３１は、１つのレンズ１３１ａを含む。各レンズ１３１ａは、各光源装置１１からの照明光Ｘ_０の光軸Ｏ上に位置する。照明光Ｘ_０は、複数のレンズモジュール１３１によって平行光に近づけられる。

各レンズ１３１ａは、相互のレンズが近接する周縁部Ａでは、表示パネル１２側の表面が中央に比べて粗面である。レンズ１３１ａから射出される照明光Ｘ_０は、粗面によって散乱する。各レンズ１３１ａの粗面は、粗面加工処理によって実現しうる。粗面加工処理は、例えば、レンズ１３１ａの表面の梨地処理、又はレンズ１３１ａの表面のランダムな凹凸パターンの形成処理を含みうる。粗面加工処理によって、レンズ１３１ａに光拡散効果を持たせうる。レンズ１３１ａの周縁部Ａに粗面を有することで、レンズモジュール１３１は、モアレ縞や色ずれの発生を抑制することができる。

拡散板１３２は、表示パネル１２の光源装置１１側の表面を覆うようにして設けられる。拡散板１３２は、レンズモジュール１３１からの照明光Ｘ_０を拡散して表示パネル１２側に透過させる。

図３を参照して、表示パネル１２側から光源装置１１の方向を見たときの、表示部１０の構成について説明する。各レンズモジュール１３１は、照明光Ｘ_０の光軸Ｏに垂直な平面内において、照射面である表示パネル１２を広範囲に亘って覆うような曲率の楕円形状に形成される。このような形状に形成することで、レンズモジュール１３１は、表示パネル１２の広範囲に照明光Ｘ_０を照射することができる。

次に、図４を参照して複数のレンズモジュール１３１の各々が１つの照明光Ｘ_０を均一な輝度分布の平行光に近づける様子について説明する。図４は、一つのレンズモジュール１３１と、そのレンズモジュール１３１に対となる光源装置１１とを拡大して示す。図４に示す例では、光源装置１１を、近接した３つの発光素子で構成した例を示す。図４に示す破線は、照明光Ｘ_０の光線のうち、光源装置１１から等角度間隔で射出される９本の光線の経路である。

レンズモジュール１３１に含まれるレンズ１３１ａは、光源装置１１側に凹面を有する。レンズ１３１ａは、表示パネル１２側に凸面を有する。レンズ１３１ａは、正のレンズパワーを持つメニスカスレンズである。光源装置１１からの照明光Ｘ_０は、レンズモジュール１３１に含まれるレンズ１３１ａの凹面に入射する。照明光Ｘ_０は、レンズ１３１ａの凹面に入射するとき、光軸Ｏに対する傾斜角が大きくなる方向に屈折して、凸面の方向に進行する。照明光Ｘ_０は、光軸Ｏとなす角度が小さい光線ほどより強く屈折する。照明光Ｘ_０は、凸面を透過するとき、平行光に近づけられる。照明光Ｘ_０は、凸面の界面で屈折して平行光に近づく。平行光として射出される光線は、光軸Ｏに近い内側より光軸Ｏから遠い外側ほど密集している。すなわち、レンズモジュール１３１は、光源装置１１からの照明光Ｘ_０のうち光軸Ｏとなす角度が大きい光線ほど密度を高めて透過させる光学特性を有する。

光源装置１１からの照明光Ｘ_０は、光軸Ｏとなす角度が大きい光線ほど輝度が低いという輝度分布を有する。照明光Ｘ_０は、輝度の低い光線ほど高密度な光に変換される。照明光Ｘ_０は、光源装置１１の輝度分布及びレンズモジュール１３１の光学特性が合わさって輝度分布が均一に近づけられる。

レンズモジュール１３１は、上述の通り、照明光Ｘ_０のうち光軸Ｏとなす角度が大きい光線ほど密度を高めて透過させる光学特性を有する。レンズモジュール１３１の光学特性は、例えば、レンズモジュール１３１に含まれるレンズ１３１ａの凹面の曲率が位置に応じて連続的に変化することで実現しうる。例えば、レンズモジュール１３１に含まれるレンズ１３１ａが光軸Ｏから離れるほど高屈折率となる屈折率分布を有することで実現しうる。レンズ１３１ａに屈折率分布を持たせるには、例えばレンズ１３１ａの組成を光軸Ｏからの距離に応じて連続的に変化することで実現しうる。

図５を参照して、表示部１０の一変形例の概略構成を説明する。表示部１０は、レンズモジュール１３１が照明光Ｘ_０の光軸Ｏ上に位置する複数のレンズを含んでよい。この場合、レンズモジュール１３１は、光源装置１１側に凹面を有するレンズと、表示パネル１２側に凸面を有するレンズとをそれぞれ１つ以上含む。図５に示す例では、レンズモジュール１３１は２枚のレンズを含む。光源装置１１側に位置するレンズ１３１ａは、光源装置１１側に凹面を有し、表示パネル１２側に凸面を有する正のレンズパワーを持つメニスカスレンズである。表示パネル１２側に位置するレンズ１３１ｂは、光源装置１１側及び表示パネル１２側に凸面を有する両凸レンズである。各レンズ１３１ｂは、本実施形態に係るレンズ１３１ａと同様に、相互のレンズが近接する周縁部Ａでは、表示パネル１２側の表面に粗面加工処理が施される。レンズ１３１ｂから射出される照明光Ｘ_０は、粗面加工処理によって散乱する。

光源装置１１からの照明光Ｘ_０は、光源装置１１側に位置するレンズ１３１ｂの凹面に入射する。照明光Ｘ_０は、レンズ１３１ｂの凹面に入射するとき、光軸Ｏに対する傾斜角が大きくなる方向に屈折して、凸面の方向に進行する。照明光Ｘ_０は、凸面を透過するとき、当該凸面及び表示パネル１２側のレンズ１３１ｂによって段階的に屈折して、平行光に近づけられる。照明光Ｘ_０は、図４に示した例と同様に、レンズモジュール１３１によって輝度分布が均一に近づけられる。

図６を参照して、表示部１０の他の変形例の概略構成を説明する。表示部１０が備える照明光学系１３は、反射型偏光板１３３と、反射シート１３４とを備えてよい。

反射型偏光板１３３は、特定の偏光成分を透過し、他の偏光成分を反射する性質を有する。反射型偏光板１３３は、光源装置１１と表示パネル１２との間に位置する。図６に示す例では、反射型偏光板１３３は拡散板１３２と表示パネル１２との間に位置する。反射型偏光板１３３の向きは、透過する偏光成分の偏光方向が表示パネル１２の偏光フィルタの偏光方向と揃っている。

反射シート１３４は、光を反射する性質を有する。反射シート１３４は、照明光Ｘ_０を含む光源装置１１が発する光を反射しうる。反射シート１３４は、光源装置１１を支持する基板の、光源装置１１がある側の面上に位置する。反射シート１３４は、レンズモジュール１３１を支持する枠の内面に位置しうる。

照明光学系１３は、反射型偏光板１３３及び反射シート１３４を備える。反射型偏光板１３３は、照明光Ｘ_０のうち表示パネル１２を透過しうる偏光成分以外の偏光成分を反射される。反射型偏光板１３３で反射される偏光成分は、反射型偏光板１３３に再入射するまで、反射シート１３４で反射を繰り返す。照明光Ｘ_０は反射によって偏光状態が変化する。反射型偏光板１３３に再入射した照明光Ｘ_０は、表示パネル１２を透過しうる一部が透過し、残りが反射される。照明光Ｘ_０は、反射シート１３４で反射を繰り返すことで、徐々に反射型偏光板１３３を透過する。反射型偏光板１３３及び反射シート１３４を備える照明光学系１３では、照明光Ｘ_０の利用効率を高めることで表示光Ｘの輝度が高まる。

本発明を諸図面や実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部やステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

レンズモジュール１３１は、照明光Ｘ_０の光軸Ｏに垂直な平面内において、楕円形状に形成されるとして説明したが、このような形状には限定されず、例えば円形状であってよい。

照明光学系１３は、複数のレンズモジュール１３１を含むとして説明したが、レンズモジュール１３１の個数は複数には限定されず、１つであってよい。

レンズモジュール１３１に含まれる各レンズは、相互のレンズが近接する周縁部Ａでは、表示パネル１２側の表面に粗面を有し、射出される照明光Ｘ_０が粗面で散乱するとして説明したが、このような構成には限定されない。

１ 車両用ヘッドアップディスプレイ装置
１０ 表示部
１１ 光源装置
１２ 表示パネル
１３ 照明光学系
２０ 投影光学系
１３１ レンズモジュール
１３２ 拡散板
１３３ 反射型偏光板
１３４ 反射シート
Ａ レンズ周縁部
Ｍ 操作者
Ｏ 照明光の光軸
Ｖ 車両
Ｘ 表示光
Ｘ_０ 照明光
Ｙ 半透過板
Ｚ 虚像

Claims (6)

1. 光源装置と、透過型の表示パネルと、前記光源装置からの照明光を前記表示パネルに導く照明光学系と、を備え、
   前記照明光学系は、前記照明光の光軸上に位置する１つ以上のレンズを含むレンズモジュールを含み、
   前記光源装置は、前記光軸となす角度が大きい光線ほど輝度が低い照明光を射出し、
   前記レンズモジュールは、前記照明光のうち前記光軸となす角度が大きい光線ほど密度を高めて透過させる光学特性を有する、車両用ヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記レンズモジュールに含まれるレンズは、前記光源装置側に凹面を有し、前記表示パネル側に凸面を有する、請求項１に記載の車両用ヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記レンズモジュールに含まれるレンズは、前記光軸から離れるほど高屈折率となる屈折率分布を有する、請求項１又は２に記載の車両用ヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記レンズモジュールは、前記照明光を均一な輝度分布の平行光に近づける、
   請求項１から３の何れか一項に記載の車両用ヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記照明光学系は、前記光源装置及び前記レンズモジュールを各々複数含み、
   前記光源装置の各々は、前記レンズモジュールのいずれかに対向し、
   複数の前記レンズモジュールは、前記レンズモジュールの各々を透過した照明光を互いに平行に近づける、
   請求項１から４の何れか一項に記載の車両用ヘッドアップディスプレイ装置。
6. 前記光源装置と前記表示パネルとの間に位置する反射型偏光板と、
   前記光源装置を支持する基板の、光源装置がある側の面上に位置する反射シートと、
   を備える請求項１から５の何れか一項に記載の車両用ヘッドアップディスプレイ装置。

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