JPWO2019064691A1 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

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Abstract

太陽光による液晶表示パネルの破損を抑制しつつ、小型化及び製造原価の低減を図る。そのためにヘッドアップディスプレイ装置(1)は、バックライト(31)と、バックライトからの光が入射し、透過して映像光を出射させる液晶表示パネル(33)と、映像光Lを被投射部材で反射させることで映像光による虚像(80)を乗り物(2)の前方に表示する虚像光学系(40)と、赤外線を吸収しかつ可視光を透過させる光学特性を有し、樹脂を用いて形成された波長選択部材(92a)と、虚像光学系及び波長選択部材を収容する筐体(50)と、を備え、虚像光学系は、液晶表示パネルにおける映像光の出射面に近い位置から順に、映像光の出射方向に沿って配置されたレンズユニット(43)と自由曲面ミラー(41)と、を含み、波長選択部材は、液晶表示パネルにおける映像光の出射面から筐体の開口部に至る映像光の光路上に配置される。

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関し、特にヘッドアップディスプレイ装置に照射される太陽光の影響を抑制する技術に関する。
自動車等の車両において、通常は、車速やエンジン回転数等の情報は、ダッシュボード内の計器盤(インパネ)に表示される。また、ナビゲーション等の画面は、ダッシュボード内に組み込まれるか、もしくはダッシュボード上に設置されたディスプレイに表示される。運転手がこれらの情報を視認する場合に視線を大きく移動させることが必要となることから、視線の移動量を低減させる技術として、車速等の情報やナビゲーションに係る誘導指示等の情報をウィンドシールド(フロントガラス)等に投射して表示するヘッドアップディスプレイ(Head Up Display、以下では「HUD」と記載する)が知られている。
HUDに関連する技術として、例えば、特許文献1には、「ヘッドアップディスプレイ装置は、液晶セル及びこの液晶セルを後方から透過照明する発光素子を備えた液晶表示器が発した表示光によって虚像を表示させる。表示光を透過させ赤外線を反射させる透過反射部材と、透過反射部材の後面に貼着された偏光部材と、を液晶セルの前側に設ける。液晶セルと平行でない状態にて、透過反射部材及び偏光部材を配置する。保持部材は、熱伝導性材料からなり、透過反射部材及び偏光部材を保持する(要約抜粋)」構成が開示されている。
特開2007−65011号公報
HUDを自動車に搭載する場合、ダッシュボードに配置することを選択した場合、ダッシュボードにはスピードメータやエアコンのコントロールパネル等様々な装置が配置されるので、HUDの小型化が望まれている。一方、HUDの筐体内に太陽光が入射し、HUDを構成する液晶表示パネルの温度を上昇させ破損させることがあるので、太陽光対策も必要となる。
しかし、太陽光対策のために部品点数を増やすと小型化に反することにもなりかねない。よって、部品点数を増やすことなく、太陽光による温度上昇をより効果的に抑制したいという要望がある。更に、HUD自体の製造原価も下げたいという要望もある。この点において、特許文献1に記載のHUDでは、表示光を透過させ赤外線を反射させる透過反射部材として高価なワイヤーグリッド偏光板を用いて太陽光対策を行っているので、小型化と太陽光対策との両立、加えて製造原価の低減のためには、更なる工夫の余地がある。
本発明は上記実情に鑑みたものであり、太陽光による液晶表示パネルの破損を抑制しつつ、小型化及び製造原価の低減を図るヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、特許請求の範囲に記載の構成を有する。その一例をあげるならば、乗り物の運転手に対して虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、バックライトと、前記バックライトからの光が入射し、透過して映像光を出射させる液晶表示パネルと、前記映像光を被投射部材で反射させることで前記映像光による虚像を前記乗り物の前方に表示する虚像光学系と、赤外線を吸収しかつ可視光を透過させる光学特性を有し、樹脂を用いて形成された波長選択部材と、前記虚像光学系及び前記波長選択部材を収容する筐体と、前記筐体に設けられた前記映像光が出射する開口部と、を備え、前記虚像光学系は、前記液晶表示パネルにおける前記映像光の出射面に近い位置から順に、前記映像光の出射方向に沿って配置されたレンズユニットと自由曲面ミラーと、を含み、前記波長選択部材は、前記液晶表示パネルにおける前記映像光の出射面から前記筐体の前記開口部に至る前記映像光の光路上に配置される、ことを特徴とする。
本発明によれば、太陽光による液晶表示パネルの破損を抑制しつつ、小型化及び製造原価の低減を図るヘッドアップディスプレイ装置を提供することができる。なお、上記した以外の目的、構成、効果については下記実施形態において明らかにされる。
HUDの概略構成図 HUDの外装筐体を中心とした外観の例を示した斜視図 図2Aに示したHUDを各部品に分解した状態を示した斜視図 太陽光の進入経路を示す図 波長選択部材の光学特性を示す図 LCDを各部品に分解した状態を斜視図により示す図 LCDに含まれる液晶表示パネルの構成を示す図 太陽光エネルギー強度の分布を示す図 偏光入射における吸収軸と透過軸の透過率を示す図
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下に示す各実施形態では、ヘッドアップディスプレイ装置(HUD)が自動車等の車両に設置される場合を例として説明するが、電車や航空機等の他の乗り物にも適用可能である。また、乗り物以外の用途に用いるHUDにも適用可能である。
図1、図2A、図2B、図3を参照して本実施形態に係るHUD1の構成について説明する。図1は、本実施形態に係るHUD1の概略構成図である。図2Aは、HUD1の外装筐体50を中心とした外観の例を示した斜視図である。また、図2Bは、図2Aに示したHUD1を各部品に分解した状態を示した斜視図である。図3は、太陽光SLの進入経路を示す図である。
図1に示すように、HUD1は、車両2に備えられたダッシュボード4内に備えられる。ダッシュボード4はHUD1から出射した映像光Lを通過させるためのダッシュボード開口部7を備える。映像光Lは車両2のウィンドシールド3で反射されて運転手5の目に入射する。運転手5は、その映像光Lによる虚像80をウィンドシールド3よりも更に前方に視認する。なお、被投射部材はウィンドシールド3に限られず、映像光が投射される部材であれば、コンバイナなど他の部材とすることができる。
HUD1は、外装筐体50と、外装筐体50に装着されるLCD(Liquid Crystal Display)30と(図2A参照)、LCD30から出射される映像光Lを拡大投影する虚像光学系40とを含んで構成される。外装筐体50は、虚像光学系40を構成する各要素を収容する。
外装筐体50の上面には、映像光Lの出射口となる筐体開口部51aが形成される。筐体開口部51aは、外装筐体50に塵やほこりが進入することを防ぐための防眩板(グレアトラップ)52で覆われている。防眩板52は、可視光を透過する部材により構成される。
虚像光学系40は、LCD30に近い位置、より詳しくLCD30に備えられた液晶表示パネル33の映像光Lの出射面33a(図3参照)に近い位置から順に、映像光Lの出射方向に沿ってレンズユニット43と自由曲面ミラー41とが配置される。
レンズユニット43は、自由曲面ミラー41とLCD30の光学的な距離を調整するためのレンズの集合体である。
自由曲面ミラー41は、レンズユニット43を透過した映像光Lを筐体開口部51aに向けて反射させる部材である。自由曲面ミラー41はミラー駆動部42により回動する。ミラー駆動部42は、自由曲面ミラー41が反射した映像光Lが防眩板52を通過してウィンドシールド3に到達するように、自由曲面ミラー41の角度を調整する。
自由曲面ミラー41は、赤外線を透過し可視光は反射するフィルムを自由曲面ミラー41の反射面に備えた、所謂コールドミラーにより構成してもよい。
図2Bに示すように、HUD1は、外装ケース54に光学部品保持部材53が収容され、更に外装蓋部51により上部が覆われる構成を有する。外装ケース54及び外装蓋部51の各部材は、図1に示したHUD1における外装筐体50を構成する。そして、外装ケース54の側部開口部54aにはLCD30が装着される。
外装蓋部51は、筐体開口部51aが形成され、筐体開口部51aは防眩板52によって覆われている。
光学部品保持部材53は、自由曲面ミラー41及びレンズユニット43を保持する部材である。
外装ケース54には、後述するバックライト31(図5参照)等の動作を制御する制御装置が実装されるメイン基板70や、自由曲面ミラー41の傾斜角度を変化させるためのモータ等からなるミラー駆動部42等の他の部品が取り付けられていてもよい。本実施形態では、更に、LCD30を取り付け/取り外しすることができるように、ねじ穴等の着脱機構や、映像光Lが入射するための側部開口部54aが形成されている。
図3に示すように、液晶表示パネル33から出射した映像光Lは自由曲面ミラー41で反射され、ウィンドシールド3で更に反射され、運転手5の目に入射する。符号5aLは運転手の左目のアイレンジ、符号5aRは運転手の右目のアイレンジ、符号5bはアイボックス、符号5cはアイポイントを示す。運転手の左目に入射した映像光Lは虚像80Lを形成し、運転手の右目に入射した映像光Lは虚像80Rを形成する。
映像光Lの光路は、ウィンドシールド3を透過して太陽光SLが、HUD1に進入してLCD30に到達する光路にもなる。太陽光SLは、レンズユニット43で集光されて液晶表示パネル33に入射する。この入射した太陽光SLにより液晶表示パネル33が高温となり、破損、故障の原因となる。
そこで、本実施形態では、液晶表示パネル33から防眩板52に至る映像光Lの光路上に、太陽光SLに含まれる赤外線は吸収しかつ可視光は透過する波長選択部材92a、92b、92cを配置する。波長選択部材92a、92b、92cは、例えば赤外線を吸収する添加剤を含み、バインダーとして透過性を有する樹脂、例えばポリカーボネートを用いた材料により構成される。
波長選択部材92a、92b、92cは、液晶表示パネル33から防眩板52に至る映像光Lの光路上であればよい。図2B、図3では、防眩板52と自由曲面ミラー41との間に配置した波長選択部材92a、自由曲面ミラー41とレンズユニット43との間に配置した波長選択部材92b、及びレンズユニット43とLCD30との間に配置した波長選択部材92cを示すが、波長選択部材92a、92b、92cは、いずれか一つあればよい。
波長選択部材92aは、防眩板52における外装筐体50の内側に防眩板52を覆うようにねじ等で固定してもよい。防眩板52の近辺に波長選択部材92aを配置するので、筐体開口部51aから波長選択部材92aを取り付ける作業ができ、作業がしやすくなる。
又は波長選択部材92bを挟んでレンズユニット43を光学部品保持部材53にねじ止め(二点鎖線で図示)して取り付けてもよい。この場合、波長選択部材92bの取り付け部材が不要となり、作業性が向上する。
又は、外装ケース54の底面の内部に溝やレールからなる保持構造50aを形成し、レンズユニット43とLCD30との間に波長選択部材92cを取り付けてもよい。LCD30に近いほど映像光Lの広がりが小さいので、波長選択部材92cを小さくできる。そのため、限られた外装筐体50の内部容積を圧迫せず、波長選択部材92cの製造コストもより安くできる。
図4は、本実施形態で用いる波長選択部材92a、92b、92cの光学特性を示す図である。
添加剤を含まないポリカーボネートは380nm付近から2200nm波長までの光を透過する。太陽光SLは可視光から赤外線までの広波長の光を含むので、添加剤を含まないポリカーボネートでは、太陽光SLに含まれる多くの波長の光を透過する。なお、ウィンドシールド3にUVカット加工がされており、ウィンドシールド3を透過した太陽光SLの紫外線の多くはカットされているものとする。
これに対して、赤外線を吸収する添加剤を含むポリカーボネートの場合は、可視光域の波長は透過するものの、780nm付近よりも長い波長、即ち、近赤外線、中赤外線、遠赤外線の多くは透過していない。よって、波長選択部材92a、92b、92cを透過した太陽光SLに含まれる赤外線の多くはカットされているので、液晶表示パネル33に到達する赤外線を減らすことができる。そこで、本実施形態に係るHUD1は、LCD30から防眩板52までの間の映像光Lの光路上に波長選択部材92a、92b、92cのいずれか一つを配置する。これにより、太陽光SLによるLCD30のダメージを軽減する。
更に本実施形態では、LCD30の耐熱性を向上させることで、太陽光SLによるLCD30のダメージを更に軽減する。以下、図5及び図6を参照してLCD30の実装形態及び構成について説明する。図5は、LCD30を各部品に分解した状態を斜視図により示す図である。図6は、LCD30に含まれる液晶表示パネル33の構成を示す図である。
図5に示すように、LCD30は、液晶表示パネル33がフレキシブルケーブル34を介してメイン基板70から入力された映像信号に基づいてバックライト31からの光を変調することで映像を表示する。表示された映像は、図2における外装ケース54の側部開口部54aを通して虚像光学系40に出力され、運転手5が視認可能な虚像80が生成される。
バックライト31は、主にLED(Light Emitting Diode)光源31a、ライトファネル32a、導光体32b、及び拡散板32cを含んで構成される。本実施形態では、後述するように液晶表示パネル33に含まれる偏光板として染料系偏光板を用いるので、光学的性能を補償する観点から指向性が高いLED光源を用いた面発光型とする。図5の例ではLED基板として実装している。この場合、例えば、後述するような技術的な工夫を用いて発散光の利用効率を向上させる。
LEDの入力電力に対する発光効率は、発光色によっても異なるが、20〜30%程度であり、残りはほとんどが熱に変換される。このため、LED光源31aを取り付けるフレーム35には、熱伝導率の高い部材(例えば、アルミニウム等の金属部材)からなる放熱用のフィン(ヒートシンク31b)を設けて熱を外部に放散させる。
LED光源31aからの発散光を効率よく液晶表示パネル33に導くため、図5の例では、導光体32b及び拡散板32cを用いている。この場合、塵などの付着を防止するため、例えば、第1外装部材36a、第2外装部材36bによって導光体32bや拡散板32c、及び液晶表示パネル33等の全体を覆い、LCD30としてモジュール化する。
また、図5の例では、LED光源31aからの発散光を取り込んで平行光とするため、コリメートレンズ等からなる複数のライトファネル32aを設けている。各ライトファネル32aにおいてLED光源31aからの発散光を取り込む開口部は、例えば、平面とした上でLED光源31aとの間に媒質を挿入して光学的に接続する、もしくは、凸面形状として集光作用を持たせる。これにより、発散光を可能な限り平行光として、ライトファネル32aの界面に入射する光の入射角を小さくする。その結果、ライトファネル32aを通過後、更に発散角を小さくすることができるため、導光体32bで反射した後に液晶表示パネル33に向かう光源光の制御が容易となる。
更にLED光源31aからの発散光の利用効率を向上させるため、ライトファネル32aと導光体32bの接合部分においてPBS(Polarizing Beam Splitter)を用いて偏光変換を行い、所望の偏光方向に変換する。これにより、液晶表示パネル33への入射光の効率を向上させることができる。このように光源光の偏光方向を揃えた場合には、更に導光体32bの素材として複屈折が少ない材料を用いるのが望ましい。これにより、偏波の方向が回転して液晶表示パネル33を通過する場合において、例えば、黒表示時に色付き等の問題が発生するのを抑制することができる。
図6に示すように、液晶表示パネル33は、第1偏光板331及び第2偏光板332の間に液晶層333を挟んで構成される。第1偏光板331及び液晶層333の第1偏光板との対向面は当接し、液晶層333における第1偏光板との対向面とは反対側の面は、第2偏光板332に当接する。そして、第1偏光板331、液晶層333、第2偏光板332の各当接面はそれぞれ粘着剤を用いて固着される。
第1偏光板331及び第2偏光板332は共に染料系偏光板を用いる。そして第1偏光板331の偏光方向と、第2偏光板332の偏光方向とは略90°異なる偏光板を組み合わせて用いる。染料系偏光板はヨウ素系偏光板と比較して光学特性が劣るので、これを補償するために、上記の如く本実施形態ではバックライトとして、発散角が狭く指向性を持ち平行光を照射するバックライトを用いる。上記「略90°」とは、90°及び90°を中心に取り付け誤差や製造誤差に起因して生じる角度のずれ、若しくは第1偏光板の吸収軸と第2偏光板の吸収軸とを交差させて光の透過量が最小となる角度であって90°と見做せる角度許容範囲を含む範囲を意味する。また上記「平行光」には、完全な平行光及び後述するするコリメートレンズの性能等に起因して生じる照射角度であって、平行光と見做せる範囲内の許容照射角度を有する光を含む。
更に波長選択部材92a、92b、92cのいずれかに映像光Lが入射すると複屈折して位相差(リタデーション)が生じる。そこで、映像光LのS波がウィンドシールド3に投射されるように、第2偏光板332の偏光軸は波長選択部材92a、92b、92cに映像光Lが入射して生じる複屈折に起因する偏光方向と一致させておく。これにより、波長選択部材92a、92b、92cを透過した映像光LがS波を含み、虚像80(図1参照)の視認性を損なわないように形成することができる。
図7、図8を用いて本実施形態の作用効果について説明する。図7は太陽光エネルギー強度の分布を示す図である。図8は、偏光入射における吸収軸と透過軸の透過率を示す図である。
図7に示すように太陽光エネルギー強度は、可視光域の500nm超でピーク値となり高波長域に向けて逓減する。しかし、780nmよりも長い赤外線域のエネルギー積分値は太陽光エネルギー強度の半分近くある。
本実施形態によれば、波長選択部材92a、92b、92cによりHUD1に進入する太陽光SLの赤外線をカットするので、太陽光SLのエネルギーを凡そ半減することができる。その結果、液晶表示パネル33に到達した太陽光SLにより液晶表示パネル33の温度が上昇することを抑制することができる。
図8は透過軸透過率と吸収軸透過率との差異を示す。透過軸透過率は先行技術文献(特開2007−65011号公報)に記載されたHUDに用いられる透過反射部材に相当する。一方、吸収軸透過率は、波長選択部材92a、92b、92cに相当する。図8において、斜線領域の光量が、先行技術文献に比べて本実施形態において太陽光SLを吸収できた光量に相当する。よって、透過反射部材ではなく波長選択部材92a、92b、92cを用いることにより、より効果的に太陽光SLの光量、即ちエネルギーを吸収し、LCD30に与える太陽光SLのダメージを軽減することができる。
更に、液晶表示パネル33の第1偏光板331及び第2偏光板332は、HUD1に普及しているヨウ素系偏光板よりも耐熱性が高い染料系偏光板を用いるので、液晶表示パネル33の耐熱性を向上させることができる。これにより、液晶表示パネル33に到達した太陽光SLにより液晶表示パネル33の温度が上昇しても、ダメージを受けにくくすることができる。
加えて、染料系偏光板を用いることによる光学特性の劣化は、指向性が強く平行光を照射するバックライトを用いることにより、光学特性の補償を行い、虚像80の視認性の劣化を抑制する。
また、先行技術ではワイヤーグリッド偏光板からなる透過反射部材を用いていたが、本実施形態に係る波長選択部材92a、92b、92cの方が安価であるので、製造コストの低減が期待できる。
本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
例えば波長選択部材92a、92b、92cを配置する態様に代えて、レンズユニット43を波長選択部材92a、92b、92cと同等の材質を用いて構成してもよい。これにより、部品点数を減らし組み立て作業の簡易化が図れる。
又は防眩板52に波長選択部材92aと同等の光学特性を備えさせて一体形成してもよい。例えば、防眩板52に可視光は透過し、赤外線は吸収する遮光フィルムを密着させて形成してもよいし、波長選択部材92aと同等の部材を用いて防眩板52を形成してもよい。
1…HUD、2…車両、3…ウィンドシールド、4…ダッシュボード、5…運転手、30…LCD、31a…LED光源、31b…ヒートシンク、32a…ライトファネル、32b…導光体、32c…拡散板、33…液晶表示パネル、331…第1偏光板、332…第2偏光板、333…液晶層、34…フレキシブルケーブル、35…フレーム、36a…第1外装部材、36b…第2外装部材、41…自由曲面ミラー、42…ミラー駆動部、43…レンズユニット、50…外装筐体、51…外装蓋部、52…防眩板、53…光学部品保持部材、54…外装ケース、70…メイン基板、80…虚像

Claims (6)

  1. 乗り物の運転手に対して虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
    バックライトと、
    前記バックライトからの光が入射し、透過して映像光を出射させる液晶表示パネルと、
    前記映像光を被投射部材で反射させることで前記映像光による虚像を前記乗り物の前方に表示する虚像光学系と、
    赤外線を吸収しかつ可視光を透過させる光学特性を有し、樹脂を用いて形成された波長選択部材と、
    前記虚像光学系及び前記波長選択部材を収容する筐体と、
    前記筐体に設けられた前記映像光が出射する開口部と、
    を備え、
    前記虚像光学系は、前記液晶表示パネルにおける前記映像光の出射面に近い位置から順に、前記映像光の出射方向に沿って配置されたレンズユニットと自由曲面ミラーと、を含み、
    前記波長選択部材は、前記液晶表示パネルにおける前記映像光の出射面から前記筐体の前記開口部に至る前記映像光の光路上に配置される、
    ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  2. 請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
    前記開口部を覆う防眩板を更に備え、
    前記波長選択部材は、前記映像光の光路上における、前記防眩板と前記自由曲面ミラーとの間、前記自由曲面ミラーと前記レンズユニットの間、又は前記レンズユニットと前記液晶表示パネルとの間のいずれかに配置される、
    ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  3. 請求項1又は2に記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
    前記液晶表示パネルは、前記バックライトからの光が入射する第1偏光板と、当該第1偏光板に当接する液晶層と、当該液晶層における前記第1偏光板との当接面とは反対側の面に当接する第2偏光板とを含んで構成され、
    前記第1偏光板及び前記第2偏光板のそれぞれは、前記液晶層に対して平行に配置され、
    前記第2偏光板の偏光軸は前記第1偏光板の偏光軸に対して略90°異なる配置とし、かつ前記第2偏光板の偏光軸は、前記波長選択部材に前記映像光が入射して生じる複屈折に起因する偏光方向と一致する、
    ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  4. 請求項3に記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
    前記第1偏光板及び前記第2偏光板は、染料系偏光板を用いて形成される、
    ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  5. 請求項4に記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
    前記バックライトは、
    LED光源と、
    前記LED光源からの発散光を取り込んで略平行光に変換するコリメートレンズを含むライトファネルと、を含む、
    ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  6. 乗り物の運転手に対して虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
    バックライトと、
    前記バックライトからの光が入射し、透過して映像光が出射する液晶表示パネルと、
    前記映像光を被投射部材で反射させることで前記映像光による虚像を前記乗り物の前方に表示する虚像光学系と、
    前記虚像光学系を収容する筐体と、
    前記筐体に設けられた前記映像光が出射する開口部と、
    を備え、
    前記虚像光学系は、前記液晶表示パネルにおける前記映像光の出射面に近い位置から順に、前記映像光の出射方向に沿って配置されたレンズユニットと自由曲面ミラーと、を含み、
    前記レンズユニットは、赤外線を吸収しかつ可視光を透過させる光学特性を有する樹脂を用いて形成される、
    ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
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