KR20140008425A - 헤드업 디스플레이 장치 - Google Patents

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KR20140008425A
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닛폰 세이키 가부시키가이샤
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Abstract

아이박스로의 광조사 효율을 향상시킬 수 있고, 시점 이동에 따른 표시상의 휘도 변화량을 억제하는 것이 가능하며, 또한 바람직한 배광각도특성을 실현 가능한 헤드업 디스플레이 장치를 제공한다. 헤드업 디스플레이 장치의 조명광학계(111)는 광선(L0)을 방출하는 광원(111a)과, 광선(L0)을 분할하여 광원(111a)의 상을 복수 생성하는 렌즈 어레이(111c)와, 렌즈 어레이(111c)에 의해 생성되는 광원(111a)의 상으로부터 발해지는 광선(L0)을 소정의 각도로 표시부재(113)에 입사시키는 필드 렌즈(111d)를 구비하고, 렌즈 어레이(111c)는 렌즈 어레이(111c)에 의해 생성되는 광원(111a)의 상면이, 필드 렌즈(111d)의 물체측 초점에 대하여 필드 렌즈(111d)의 주점측에 위치하도록 설치되어 이루어진다.

Description

헤드업 디스플레이 장치{HEAD-UP DISPLAY DEVICE}
본 발명은 헤드업(head-up) 디스플레이 장치에 관한 것이다.
종래부터 여러가지로 제안되고 있는 헤드업 디스플레이 장치는 광원을 포함하는 조명광학계와 액정표시패널을 구비하는 액정표시기로부터 발해지는 표시광을 차량의 프론트(front) 유리나 전용의 컴바이너(combiner)로 이루어진 투사(投射) 부재를 통하여 관찰자(차량용 헤드업 디스플레이 장치에서는 주로 운전자)의 시점(視點) 범위(이하, "아이박스"라고도 칭함)에 투영하여 허상을 표시하는 것이다. 종래의 헤드업 디스플레이 장치로서 예를 들어 특허문헌 1에 개시되는 것이 있다. 이러한 헤드업 디스플레이 장치는 조명광학계로서 발광소자가 발하는 조명광을 집광하는 컨덴서 렌즈와, 컨덴서 렌즈에 의해 집광된 조명광을 적어도 가로 방향으로 확산시키는 렌티큘러(lenticular) 렌즈와, 트로이달면(torodial surface)을 갖는 집광렌즈를 구비하는 것이다.
상술한 바와 같은 조명광학계를 사용한 헤드업 디스플레이 장치에 따르면, 관찰자의 아이박스에 대응하도록 표시부재를 투과 조명하는 것이 가능해지고, 고휘도로 허상을 표시할 수 있다.
일본 공개특허공보 제2009-169399호
그러나, 렌티큘러 렌즈를 사용한 헤드업 디스플레이 장치에서는 광축에 대하여 비스듬한 방향의 대부분(특히, 소위 비스듬한 가로, 비스듬한 세로 방향 이외의, 가로 세로 방향으로 동시에 비스듬하게 진행되는 광)에서 배광 제어가 곤란하고 광축에 대한 상하 좌우 방향의 배광 강도에 비하여 광축에 대한 비스듬한 방향의 배광 강도가 낮아지므로, 관찰자의 시점 이동에 따른 표시상(display image)의 휘도 변화량이 커진다는 문제점이 있었다. 또한, 헤드업 디스플레이 장치에는 프로젝터 등과는 다른 배광각도 특성이 요구되고 있고, 바람직한 배광각도특성을 실현할 필요가 있었다.
따라서, 본 발명은 아이박스로의 광조사 효율을 향상시킬 수 있고, 시점 이동에 따른 표시상의 휘도 변화량을 억제하는 것이 가능하며, 또한 바람직한 배광 각도 특성을 실현할 수 있는 헤드업 디스플레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해, 조명광학계와 표시부재를 구비하는 표시기로부터 발해지는 표시광을 투사부재를 통하여 관찰자의 시점 영역으로 인도하여 허상을 표시하게 하는 헤드업 디스플레이 장치로서,
상기 조명광학계는,
광선을 방출하는 광원;
상기 광선을 분할하여 상기 광원의 상을 복수 생성하는 렌즈 어레이; 및
상기 렌즈 어레이에 의해 생성되는 상기 광원의 상으로부터 발해지는 상기 광선을 소정의 각도로 상기 표시부재에 입사시키는 필드 렌즈(field lens)를 구비하고,
상기 렌즈 어레이는 상기 렌즈 어레이에 의해 생성되는 상기 광원의 상면(imaging surface)이, 상기 필드 렌즈의 물체측 초점에 대하여 상기 필드 렌즈의 주점(principal point)측에 위치하도록 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 아이박스로의 광조사 효율을 향상시킬 수 있고, 시점 이동에 따른 표시상의 휘도 변화량을 억제하는 것이 가능하며, 또한 바람직한 배광각도 특성이 실현 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시형태인 헤드업 디스플레이 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태인 헤드업 디스플레이 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태인 헤드업 디스플레이 장치에서의 광로를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시형태인 헤드업 디스플레이 장치의 제1 케이스체의 고정방법을 도시한 사시도이다.
이하, 도 1 내지 도 4에 기초하여 본 발명을 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 적용한 일 실시형태를 설명한다.
헤드업 디스플레이 장치(100)는 도 1에 도시한 바와 같이, 차량(200)의 인스트루먼트 패널(210) 내부에 설치되고, 후술하는 액정표시기(110)가 발하는 표시광(L)을 프론트 유리(투사부재)(220)를 통하여 반사시키고, 차량(200)의 운전자(관찰자)(D)의 아이박스에 인도하여 허상(표시상)(V)을 표시하는 것이다. 운전자(D)는 표시광(L)에 의한 허상(V)을 풍경을 중첩시켜 시인할 수 있다.
헤드업 디스플레이 장치(100)는 도 2에 도시한 바와 같이, 액정표시기(표시기)(110), 오목면 거울(120), 하우징(130) 및 방열부재(140)로 주로 구성되어 있다.
액정표시기(110)는 조명광학계(111), 광확산 부재(112), 액정표시패널(표시부재)(113), 제1 케이스체(114), 제2 케이스체(115) 및 제3 케이스체(116)를 구비하는 것이다.
조명광학계(111)는 소위 퀼러조명(kohler illumination) 광학계이고, 도 3에 도시한 바와 같이, 광원(111a), 컨덴서 렌즈(111b), 렌즈 어레이(111c) 및 필드 렌즈(111d)로 구성된다. 또한, 조명광학계(111)는 광원(111a)으로부터 발해지는 광선(L0)을 액정표시패널(113)의 유효 영역에 균등하게 조사하면서 동일 광선을 오목면 거울(120)과 프론트 유리(220)로 구성되는 투사광학계를 통하여 운전자(D)의 아이박스로 인도하도록 액정표시패널(113)면으로부터 사출되는 표시광(L)의 각도를 제어하는 것이다.
광원(111a)은 LED 등의 발광소자로 이루어지고 광선(L0)을 발한다. 광원(111a)은 회로기판(광원기판)(117)에 실장되어 있다.
컨덴서 렌즈(111b)는 파장 587.56㎚에서의 굴절률(Nd)이 1.4 내지 1.7인 광학 수지에 의해 제작되는 볼록 렌즈로 이루어지고, 광원(111a)으로부터 사출되는 광선(L0)을 집광하며, 헤드업 디스플레이 장치(100)의 광축(A)에 대하여 평행화하는 기능을 갖는다. 컨덴서 렌즈(111b)는 1개의 광원(111a)에 대하여 하나의 렌즈가 대응하고, 본 실시형태와 같이 광원(111a)이 복수 사용되는 경우에는 볼록렌즈부가 복수 배치된 집합 렌즈의 형태를 취한다. 컨덴서 렌즈(111b)의 유효초점거리는 5 내지 9 ㎜이고, 렌즈 제조상의 형편으로부터 렌즈 곡면 꼭대기점간 거리(렌즈 두께)를 일정 이하로 억제하고 싶은 경우 등, 사양에 따라서는 2매의 렌즈로 구성해도 좋다. 광원(111a)은 그 사출면이 컨덴서 렌즈(111b)의 초점에 위치하고, 광원(111a)으로부터 사출되는 근축 광선(paraxial ray)이 컨덴서 렌즈(111b) 투과후에 광축 A와 평행이 된다. 또한, 컨덴서 렌즈(111b)의 입사측 곡면 꼭대기점과 광원(111a)의 사출면의 간격은 광원(111a)으로부터의 광 취입량 및 치수 제약 등이 조건으로서 규정된다. 광원(111a)이 램버시안(Lambertian) 배광에 가까운 특성을 갖는 경우, 컨덴서 렌즈(111b)의 사출측 곡면 형상은 구면을 기본으로 하지만, 광원(111a)의 배광 특성에 따라서 비구면 형상으로 해도 좋다.
렌즈 어레이(111c)는 파장 587.56nm에서의 굴절률(Nd)이 1.4 내지 1.7인 광학 수지에 의해 제작되는 두 볼록렌즈가 헤드업 디스플레이 장치(100)의 광학(A)에 대하여 수직인 평면에 규칙적으로 복수 배치되어 이루어진 광학부재이고, 컨덴서 렌즈(111b)에 의해 평행화된 광선(L0)을 어레이수에 따라서 분할하여 중간상을 연결하는 역할을 갖는다. 이 중간상은 컨덴서 렌즈(111b)에 의해 생성되는 광원(111a)의 확대상을 어레이수로 분할한 상이다. 렌즈 어레이(111c)는 각 렌즈의 가로세로폭을 조정함으로써, 중간 상면(imaging surface)으로부터 사출되는 광선(L0)의 배광각도(개구수)를, 세로방향과 가로방향(액정표시패널(113)의 단변 방향과 장변 방향)에서 각각 다르게 하여 최적화할 수 있다. 각 렌즈의 가로세로폭의 비(세로폭: 가로폭)은 액정표시패널(113)의 가로세로비(표시화면의 가로세로 크기비)와 대략 동등해지도록 설정된다. 이에 의해, 렌즈 어레이(111c)에서 생성되는 중간상의 형상이 액정표시패널(113)의 표시화면과 상이해지고, 상기 중간상이 후술하는 필드 렌즈(111d)의 작용으로 액정표시패널(113)에 확대 조사되므로, 액정표시패널(113) 입사시의 조명효율을 향상시킬 수 있다. 렌즈 어레이(111c)에서 각 렌즈의 곡면 형상은 구면(구면의 일부를 직사각형으로 자른 곡면)을 기본으로 하지만, 곡면 형상을 트로이달면과 같은 비구면으로 하면 각 렌즈의 가로세로폭을 동등하게 하여 세로 방향, 가로 방향의 배광 각도를 각각 최적화하는 것도 가능하다. 또한, 렌즈 어레이(111c)의 두께, 즉 곡면 꼭대기점간 거리는 렌즈의 입사측 곡면을 기준으로 하여, 렌즈 어레이(111c)에 입사된 근축 평행광이 굴절되어 집광되는 위치(설계상, 이 위치가 상기 중간상면과 동등함)를 사출측 곡면으로 하도록 규정된다. 또한, 렌즈 어레이(111c)의 입사측 곡면과 사출측 곡면은 서로 방향이 반대인 동일한 곡률반경을 갖는, 주평면 대칭의 조합이 된다. 또한, 렌즈 어레이(111c) 전체의 가로세로폭은 액정표시패널(113)면에서의 사출광선의 배광각도에 맞추어 규정된다. 예를 들어, 필드 렌즈(111d)의 초점거리가 고정되는 경우, 렌즈 어레이(111c) 전체의 가로세로폭이 커짐에 따라서 액정표시패널(113)에서의 사출광선의 배광각도가 넓어진다. 그 때문에, 렌즈 어레이(111c) 전체의 가로세로폭이 결정된 후, 컨덴서 렌즈(111b)의 유효 곡면 사이즈가 규정되고, 컨덴서 렌즈(111b)의 상세 설계가 실시된다. 컨덴서 렌즈(111b)와 렌즈 어레이(111c)의 간격은 광학적인 관점으로부터는 크게 상관없지만, 제품 크기의 소형화 등을 고려하면 극히 짧게 하는 것이 바람직한 경우가 있다.
필드 렌즈(111d)는 파장 587.56㎚에서의 굴절률(Nd)이 1.4 내지 1.7인 광학 수지에 의해 제작되는 볼록렌즈로 이루어지고, 본 실시형태에서는 적어도 2개의 볼록렌즈로 이루어진다. 필드 렌즈(111d)는 렌즈 어레이(111c)가 생성한 중간상으로부터 발해지는 광선(L0)을, 소정의 배광각도로 액정표시패널(1113)로 인도하는 역할을 한다. 즉, 조명광학계(111)는 렌즈 어레이(111c)에 의해 광원(111a)으로부터의 평행화된 광선(L0)을 분할하여 각 중간상을 생성하고, 생성되는 각 중간상으로부터 발해지는 광선(L0)을 필드 렌즈(111d)에 의해 각각 액정표시패널(113)면(액정층의 두께 방향의 중심선을 지나는 평면) 전체를 조사하도록 확대시키고, 또한 개개의 물점(物点)을 1개의 면인 액정표시패널(113)면에 겹치는 것이다. 이에 의해 아이박스(B)로의 광조사 효율을 향상시킬 수 있고, 또한 집광 후에 가로방향 및 세로방향으로만 확산시키는 렌티큘러 렌즈를 사용한 종래의 방법과 비교하여 허상(V)의 휘도균제도(均齊度)를 개선하여, 시점 이동에 따른 허상(V)의 휘도 변화량을 억제할 수 있다. 액정표시패널(113)면에서의 배광각도는 운전자(D)의 아이박스(B)와 미리 위치가 정해지는 허상(V)을 연결하는 광선군을, 헤드업 디스플레이 장치(100)의 투사 광학계(본 실시형태에서는 프론트 유리(220) 및 오목면 거울(120)로 구성됨)를 통하여 역광선 추적함으로써 구해지는 것이다. 필드 렌즈(111d)를 구성하는 2개의 볼록 렌즈의 간격(공기층)은 필드 렌즈(111d)의 유효초점거리의 1/2 이상의 길이로 하는 것이 바람직하다. 이는 액정표시패널(113)면에서의 배광각도(상측(image side) 개구수)가 큰 경우, 2개의 볼록 렌즈간 거리가 짧아짐에 따라서 필드 렌즈(111d)에 의한 집광도가 열화되고, 액정표시패널(113)면에서의 광조사 효율 및 휘도균제도가 저하되므로, 이 성능 악화를 피하기 위한 2개의 볼록렌즈간에 어느 정도의 간격이 필요하기 때문이다. 또한, 현재 양산되고 있는 많은 헤드업 디스플레이 장치에서의 액정표시패널(113)면에서의 바람직한 배광각도 특성은 면 중앙의 점에서는 헤드업 디스플레이 장치(100)의 광축(A)을 축으로 하여 동심원 형상으로 확산되고, 면 중앙으로부터 떨어진 임의의 점에서는 면 중앙으로부터의 거리에 비례하여 헤드업 디스플레이 장치(100)의 광축(A)에 대하여 외측으로 확산되는 경사각을 갖는 것이다. 이러한 배광각도특성을 실현하기 위해, 본 실시형태에서는 렌즈 어레이(111c)의 중간상면(F1)이 필드 렌즈(111d)의 물체측 초점(P1)보다 필드 렌즈(111d)의 주점(P2)측에 위치하도록 렌즈 어레이(111c) 및 필드 렌즈(111d)를 배치하고 있다. 물리법칙으로서 렌즈의 초점을 통과하여 비스듬한 방향으로부터 렌즈에 입사되는 광선은, 렌즈 투과후에 광축과 평행이 되어 진행한다. 또한, 비스듬히 입사되는 광선과 광축의 교점이 렌즈의 주점(主點)과 초점(焦點) 사이에 위치하는 경우, 렌즈 투과후의 광선은 광축으로부터 멀어지는 방향으로(발산 방향으로 확산되어) 진행된다. 따라서, 렌즈 어레이(111c)의 중간상면(F1)과 필드 렌즈(111d)의 물체측 초점(P1)을 상기와 같은 위치관계로 하면, 전술한 헤드업 디스플레이 장치에 바람직한 배광 각도를 달성할 수 있는 것을 이론상 확인할 수 있다. 그런데, 일반적인 프로젝터 등에 사용되는 퀼러조명 광학계는 액정표시패널 등의 조명대상에 텔레센트릭한(telecentric) 광선을 인도하기 위해, 렌즈 어레이의 중간상면을 필드 렌즈의 물체측 초점에 일치시키는 설계가 기본이 된다. 이 차이에 의해, 본 발명에서의 조명광학계(111)는 독특한 광학계라고 한다. 또한, 렌즈 어레이(111c)의 중간상면(F1)은 렌즈 어레이(111c)의 주점에 대하여 상측(허상(V)측)에 위치한다. 따라서, 오목면 렌티큘러 렌즈 등, 중간상이 그 주점에 대하여 물체측(광원측)에 위치하는 경우와 같은 중간상과 필드 렌즈(111d)의 물체측 초점(P1)을 매우 근접시키는 사양에서 중간상을 생성하는 렌즈 자신의 두께에 의해 광학설계에 장해가 발생하는 일이 없다. 또한, 필드 렌즈(111d)는 그 상측 초점(P3)이 액정표시패널(113)면과 대략 일치하도록 배치된다. 이는 렌즈 어레이(111c)에 의해 생성되는 각 중간상으로부터 동일한 각도로 사출되는 광선군을, 필드 렌즈(111d)에 의해 액정표시패널(113)면에 결상시키기 위한 배치이고, 액정표시패널(113)면에서의 균제도 향상에 기여할 수 있다. 필드 렌즈(111d)의 사출측 곡면 꼭대기점과 액정표시패널(113)면의 간격은 광학설계상에서는 규정되지 않는다. 단, 후술하는 광확산 부재(112)를 배치하는 점에서, 양자의 간격을 10㎜ 정도 설정하는 것이 바람직하다. 필드 렌즈(111d)를 구성하는 곡면은 구면 형상을 갖지만, 액정표시패널(113)면에서의 집광도를 개선하기 위해 비구면 형상으로 해도 좋다.
광확산 부재(112)는 투명수지재료를 기재(基材)로 한 필름형상 또는 판형상의 부재이고, 조명광학계(111)의 필드 렌즈(111d)와 액정표시패널(113) 사이에, 전체 광로를 덮는 크기로 배치된다. 광확산 부재(112)는 제3 케이스체(116) 내에 외장부품의 삽입이나 접착 등에 의해 고정된다. 광확산 부재(112)는 필드 렌즈(111d)의 사출측 곡면에서 반사되는 외광을 확산하고, 또한 조명광학계(111)의 렌즈 어레이(111c)에 의해 생성되는 중간상의 경계부분을 운전자(D)로부터 직시할 수 없도록 하는 기능을 갖는다.
액정표시패널(113)은 투명전극막이 형성된 한쌍의 투광성 기판에 액정층을 밀봉한 액정셀의 전후 양면에 편광판을 점착하여 이루어진 것이고, 제3 케이스체(116) 내에 수납된다. 필드 렌즈(111d)에 의해 소정의 배광각도로 액정표시패널(113)면으로 인도된 광선(L0)은 액정표시패널(113)을 투과하여 표시광(L)이 되고 투사광학계를 구성하는 오목면 거울(120)에 조사된다.
제1 케이스체(114)는 액정표시기(110)의 후방측에 설치되고, 비투광성 수지재료로 이루어진 단면이 대략 직사각형 형상의 통형상 부재이고, 컨덴서 렌즈(111b)를 수납하는 수납 공간을 형성하는 벽부(114a)와, 벽부(114a)의 한쪽 단부(후방측의 단부)로부터 연이어 설치되는 벽부(114a)에 대하여 수직인 칼라부(114b)와, 벽부(114a)의 다른쪽 단부(전방측의 단부)에 형성되는 절개부(114c)를 구비한다. 도 4는 제1 케이스체(114)의 고정방법을 도시한 도면이다. 또한, 도 4에서 제1 케이스체(114)는 칼라부(114b)만을 도시하고 있다. 제1 케이스체(114)는 칼라부(114b)의 후면측에 고정밀하게 위치 설정된 2개의 위치 결정핀(114d)이 설치되어 있다. 제1 케이스체(114)의 설치시에, 우선 상기 위치 결정핀(114d)을 컨덴서 렌즈(111b) 및 회로기판(117)에 각각 두 군데에 형성되는 위치결정구멍(111e, 117a)에 관통시키고, 또한 방열부재(140)에 두 군데에 형성되는 위치결정구멍(141)에 삽입시켜, 이들 부재의 위치결정을 실시한다. 컨덴서 렌즈(111b)의 위치결정구멍(111e)은 컨덴서 렌즈(111b)의 렌즈 곡면 꼭대기점에 대하여 고정밀도로 위치 설정되고, 회로기판(117)의 위치결정구멍(117a)은 광원(111a)의 실장 영역에 대해서 고정밀도로 위치설정되어 있다. 또한, 위치결정구멍(111e, 117a, 141)은 각각 동일한 구멍간 피치 및 구멍직경을 갖고, 위치 결정핀(114d)이 각 위치결정구멍(111e, 117a, 141)에 삽입되어, 컨덴서 렌즈(111b)의 렌즈 곡면 꼭대기점과 광원(111a)의 발광영역중심이 동축상에 위치하는 상태가 된다. 또한, 제1 케이스체(114)는 칼라부(114b)에 나사(S)가 삽입 통과되는 두 군데의 관통구멍(114e)이 설치되어 있다. 동일하게, 컨덴서 렌즈(111b) 및 회로기판(117)에는 각각 두 군데에 나사(S)가 삽입 통과되는 관통구멍(111f, 117b)이 형성되어 있다. 나사(S)는 관통구멍(114e, 111f, 117b)에 삽입 통과된 후 방열부재(140)에 두 군데에 형성되는 나사구멍(142)에 끼워지고, 제1 케이스체(114)는 방열부재(140)에 나사 고정된다. 그 때, 제1 케이스체(114)는 방열부재(140)와의 사이에 회로기판(117) 및 컨덴서 렌즈(111b)를 협지하여 이를 고정한다. 도 2로 돌아가, 제1 케이스체(114)의 벽부(114a)의 다른쪽 단부(전방측의 단부)에 설치되는 절개부(114c)에는 렌즈 어레이(111c)의 주변에 형성되는 평면부(111g)가 맞닿아 렌즈 어레이(111c)가 위치 결정된다. 렌즈 어레이(111c)는 또한 상기 평면부(111g)가 제1 케이스체(114)와 제2 케이스체(115)로 협지되어 임의의 위치에 고정된다.
제2 케이스체(115)는 비투광성 수지재료로 이루어진 단면이 대략 직사각형 형상의 통형상 부재이고, 제1 케이스체(114)와 제3 케이스체(116) 사이에 설치되며, 조명광학계(111)를 구성하는 각 부재를 수납, 유지한다. 제2 케이스체(115)는 전방측이 후방측에 대해서 폭이 좁아지는 단차 형상을 갖는 벽부(115a)와, 벽부(115a)의 한쪽 단부(후방측의 단부)에 연이어 설치되는 칼라부(115b)를 구비한다. 칼라부(115b)에는 나사관통구멍(도시하지 않음)이 설치되어 있고, 제2 케이스체(115)는 방열부재(140)에 나사 고정된다. 또한, 제2 케이스체(115)는 벽부(115a)의 단차 부분의 내면측에, 방열부재(140)로의 나사 고정시에 렌즈 어레이(111c)의 평면부(111g)에 맞닿는 돌출면(115c)을 갖고, 상기 돌출면(115c)과 제1 케이스체(114)의 절개부(114c)로 평면부(111g)를 협지함으로써 렌즈 어레이(114)가 고정된다. 또한, 제2 케이스체(115)는 필드 렌즈(111d)를 유지하는 역할을 갖고, 필드 렌즈(111d)를 구성하는 2개의 볼록렌즈는 각각 제2 케이스체(115)의 벽부(115a)의 내면에 고정되고, 양자의 간격은 정밀도 좋게 유지된다.
제3 케이스체(116)는 액정표시기(100)의 전방측(사출측)에 설치되고 비투광성 수지재료로 이루어지며, 광확산 부재(112) 및 액정표시패널(113)을 수납하는 것이다. 제3 케이스체(120)는 액정표시패널(113)의 표시면을 노출시키는 창부(116a)가 설치된다.
오목면 거울(120)은 예를 들어, 폴리카보네이트 등의 수지재료에 예를 들어 알루미늄 등의 금속을 증착시켜 오목면 형상의 반사면을 형성하여 이루어진 것이다. 오목면 거울(120)에 의해 액정표시기(110)가 발한 표시광(L)이 확대되어 프론트 유리(220)에 조사된다.
하우징(130)은 비투광성 수지재료로 이루어지고 액정표시기(110) 및 오목면 거울(120)을 수납한다. 하우징(130)에는 표시광을 사출하는 창부(131)가 설치되어 있다. 상기 창부(131)는 예를 들어 아크릴 등의 투광성 수지재료로 이루어지고 만곡 형성되어 있다. 또한, 하우징(130)에는 후방측에 방열부재(140)를 설치하기 위한 개구부(132)가 설치되어 있다.
방열부재(140)는 하우징(130)의 개구부(132)에 설치된다. 방열부재(140)는 예를 들어 알루미늄 등의 금속재료로 작성되는 핀형의 구조체이고, 광원(117)이 발하는 열을 외부로 방출하는 역할을 갖는다. 방열부재(140)에는 나사 고정에 의해 제1 및 제2 케이스체(114, 115)가 고정된다. 또한, 방열부재(140)는 하우징(130)에 나사 고정된다.
이상의 각 부에 의해 헤드업 디스플레이 장치(100)가 구성되어 있다.
본 실시형태에 따르면 조명광학계(111)에, 광선(L0)을 분할하여 광원(111a)의 중간상을 복수 생성하는 렌즈 어레이(111c)와, 렌즈 어레이(111c)에 의해 생성되는 중간상으로부터 발해지는 광선(L0)을 소정의 각도로 액정표시패널(113)에 입사시키는 필드 렌즈(111d)를 구비함으로써, 아이박스(B)로의 광조사 효율을 향상시킬 수 있고, 또한 허상(V)의 휘도균제도를 개선하여 시점 이동에 따른 허상(V)의 휘도변화량을 억제할 수 있다. 또한, 렌즈 어레이(111c)를, 렌즈 어레이(111c)에 의해 생성되는 중간상면(F1)이 필드 렌즈(111d)의 물체측 초점(P1)에 대하여 필드 렌즈(111d)의 주점(P2)측에 위치하도록 설치함으로써, 헤드업 디스플레이 장치(100)에서의 액정표시패널(113)면에서의 바람직한 배광각도특성을 얻을 수 있다.
또한, 본 실시형태는 필드 렌즈(111d)를, 그 상(像)측 초점(P3)이 액정표시패널(113)면에 대략 일치하도록 설치함으로써, 액정표시패널(113)면에서의 균제도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태는 광원(111a)과 렌즈 어레이(111c) 사이에, 광선(L0)을 집광하는 컨덴서 렌즈(111b)를 설치함으로써 렌즈 어레이(111c)에 효율 좋게 광원(111a)으로부터의 광선(L0)을 집광시킬 수 있다. 또한, 광원(111a)이 평행광을 발하고, 소정의 폭을 갖는 것이면 컨덴서 렌즈(111b)를 설치하지 않는 사양도 가능하다.
또한, 본 실시형태에서 렌즈 어레이(111d)는 생성되는 중간상의 개구수를 액정표시패널(113)의 단변 방향과 장변 방향에서 다르게 함으로써 각각 최적화할 수 있다. 구체적 방법 중 하나로서, 렌즈 어레이(111d)는 양 볼록렌즈가 일체적으로 복수 배치되어 이루어지고, 상기 양 볼록렌즈는 그 곡면유효영역의 장변폭과 단변폭의 비가 액정표시패널(113)의 표시영역의 가로세로비와 대략 동등하게 형성함으로써 세로방향과 가로방향의 개구수를 각각 최적화할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서 필드 렌즈(111d)는 적어도 2개의 볼록렌즈로 이루어지고, 상기 볼록렌즈간에 필드 렌즈(111d)의 유효초점거리에 대해서 2분의 1 이상의 길이의 공기층을 설치함으로써, 용이하게 집광도가 높은 필드 렌즈(111d)를 설치할 수 있다. 또한, 제조의 용이성을 고려하지 않으면 하나의 볼록렌즈로 필드 렌즈(111d)를 구성하는 것도 가능하다.
또한, 본 실시형태는 필드 렌즈(111d)와 액정표시패널(113) 사이에 광확산 부재(112)가 설치됨으로써, 필드 렌즈(111d)의 사출측 곡면에서 반사되는 외광을 확산시키고, 또한 조명광학계(111)의 렌즈 어레이(111c)에 의해 생성되는 중간상의 경계부분을 운전자(D)로부터 직시할 수 없도록 하여 헤드업 디스플레이 장치(100)의 표시품위를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태는 광원(111a)을 실장하는 회로기판(117)과 위치결정핀(114d)이 형성된 제1 케이스체(114)를 구비하고, 광원기판(117)과 컨덴서 렌즈(111b)는 서로 대향하는 위치에 관통구멍(117a, 111e)을 구비하며, 광원기판(117)과 컨덴서 렌즈(111b)는 관통구멍(117a, 111e)에 위치 결정핀(114d)이 삽입 통과되고, 제1 케이스체(114)와 광원기판(117)의 배면측에 설치되는 방열부재(140)에 의해 협지된다. 이에 의해, 용이하게 광원(111a)와 컨덴서 렌즈(111b)를 정밀도 좋게 위치 결정할 수 있다. 또한, 본 실시형태는 필드 렌즈(111d)를 유지하는 제2 케이스체(115)를 구비하고, 렌즈 어레이(111c)는 단부에 평면부(111g)를 구비하며, 제1 케이스체(114)와 제2 케이스체(115)에서 평면부(111g)가 협지됨으로써 용이하게 렌즈 어레이(111c)를 설치 고정할 수 있다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명은 헤드업 디스플레이 장치에 바람직한 것이다.
100: 헤드업 디스플레이 장치 110: 액정표시기
111: 조명광학계 111a: 광원
111b: 컨덴서 렌즈 111c: 렌즈 어레이
111d: 필드 렌즈 112: 광확산부재
113: 액정표시패널(표시부재) 114: 제1 케이스체
115: 제2 케이스체 116: 제3 케이스체
117: 회로기판(광원기판) 120: 오목면 거울
130: 하우징 140: 방열부재

Claims (9)

  1. 조명광학계와 표시부재를 구비하는 표시기로부터 발해지는 표시광을 투사부재를 통하여 관찰자의 시점 영역으로 인도하여 허상을 표시하게 하는 헤드업 디스플레이 장치로서,
    상기 조명광학계는,
    광선을 방출하는 광원;
    상기 광선을 분할하여 상기 광원의 상을 복수 생성하는 렌즈 어레이; 및
    상기 렌즈 어레이에 의해 생성되는 상기 광원의 상으로부터 발해지는 상기 광선을 소정의 각도로 상기 표시부재에 입사시키는 필드 렌즈를 구비하고,
    상기 렌즈 어레이는 상기 렌즈 어레이에 의해 생성되는 상기 광원의 상면(imaging surface)이, 상기 필드 렌즈의 물체측 초점에 대하여 상기 필드 렌즈의 주점(principal point)측에 위치하도록 설치되는, 헤드업 디스플레이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 필드 렌즈는 그의 상측(image side) 초점이 상기 표시부재의 면에 대략 일치하도록 설치되는, 헤드업 디스플레이 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 렌즈 어레이 사이에, 상기 광선을 집광하는 컨덴서 렌즈를 설치하는, 헤드업 디스플레이 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈 어레이는, 생성되는 상기 광원의 상의 개구수가 상기 표시부재의 단변 방향과 장변 방향에서 다른, 헤드업 디스플레이 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈 어레이는 양 볼록렌즈가 일체적으로 복수 배치되어 이루어지고, 상기 양 볼록렌즈는 그의 곡면유효영역의 장변폭과 단변폭의 비가 상기 표시부재의 표시영역의 가로세로비와 대략 동등하게 형성되는, 헤드업 디스플레이 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 필드 렌즈는 적어도 2개의 볼록렌즈로 이루어지고, 상기 볼록 렌즈간에 상기 필드 렌즈의 유효초점거리에 대해서 2분의 1 이상의 길이의 공기층이 설치되는, 헤드업 디스플레이 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 필드 렌즈와 상기 표시부재 사이에 광확산 부재가 설치되는, 헤드업 디스플레이 장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 광원을 실장하는 광원 기판과 위치 결정핀이 형성된 제1 케이스체를 구비하고,
    상기 광원 기판과 상기 컨덴서 렌즈는 서로 대향하는 위치에 관통구멍을 구비하며,
    상기 광원 기판과 상기 컨덴서 렌즈는 상기 관통구멍에 상기 위치 결정핀이 삽입 통과되고, 상기 제1 케이스체와 상기 광원 기판의 배면측에 설치되는 방열부재에 의해 협지되는, 헤드업 디스플레이 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 필드 렌즈를 유지하는 제2 케이스체를 구비하고,
    상기 렌즈 어레이는 단부에 평면부를 구비하며,
    상기 제1 케이스체와 상기 제2 케이스체에서 상기 평면부가 협지되는, 헤드업 디스플레이 장치.
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