KR20180112012A

KR20180112012A - 헤드업 디스플레이 장치

Info

Publication number: KR20180112012A
Application number: KR1020187026551A
Authority: KR
Inventors: 다카히로 남바라
Original assignee: 가부시키가이샤 덴소
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2017-01-13
Publication date: 2018-10-11
Also published as: CN108700747B; DE112017000945T5; JP6319354B2; US10663723B2; CN108700747A; KR102050998B1; US20190056588A1; JP2018132772A; JP6579212B2; JP2017151403A

Abstract

헤드업 디스플레이 장치는, 표시광을 투영 부재(3)에서 반사시켜 시인 영역(EB)에 도달시켜, 허상(VI)을 표시한다. 집광부(14)는 광원부(10)로부터의 조명광을 집광에 의해 평행화한다. 액정 소자(30)는 개구부(32)에 복수의 액정 화소(34)를 배열하고, 개구부가 집광부로부터 사출된 조명광에 조명됨으로써 화상을 형성한다. 액정 소자는, 조명광의 입사 방향(IND)에 따른 사출 방향(EXD)으로, 화상의 표시광을 광속상으로 사출한다. 확대 도광부(40)는 정의 굴절력을 갖는 정의 광학 소자(44)와, 부의 굴절력을 갖는 부의 광학 소자(42)를 갖는다. 양쪽 광학 소자는 광로 상에 배치되며, 허상(VI)이 확대되도록, 액정 소자로부터의 표시광을 투영 부재를 향하여 도광한다. 부의 광학 소자는, 정의 광학 소자보다도 광로 상의 액정 소자측에 배치된다.

Description

헤드업 디스플레이 장치

<관련 출원의 상호 참조>

본 출원은, 2016년 2월 23일에 출원된 일본 출원 번호 제2016-32259호와, 2016년 4월 13일에 출원된 일본 출원 번호 제2016-80579호에 기초하는 것이며, 여기에 그 기재 내용을 원용한다.

본 개시는, 이동체에 탑재되며, 허상을 표시하는 헤드업 디스플레이 장치에 관한 것이다.

종래, 이동체에 탑재되며, 허상을 표시하는 헤드업 디스플레이 장치(이하, HUD 장치를 약칭으로 함)가 알려져 있다. 특허문헌 1에 개시된 HUD 장치는, 광원부, 집광부, 액정 소자 및 확대 도광부를 구비하고 있다. 집광부는, 광원부에 의해 발해진 조명광을 집광에 의해 평행화한다. 액정 소자는, 개구부에 액정 화소를 배열하고, 개구부가 조명광에 조명됨으로써 화상을 형성하고, 조명광의 입사 방향에 따른 사출 방향으로, 화상의 표시광을 광속상으로 사출한다. 확대 도광부는, 허상이 확대되도록, 액정 소자로부터의 표시광을 투영 부재를 향하여 도광한다.

이 확대 도광부는, 굴절력을 갖지 않는 광학 소자로서의 평면경과, 정의 굴절력을 갖는 광학 소자로서의 오목면경을 갖고, 이들 광학 소자를 광로 상에 배치하고 있다.

특허문헌 1과 같이 평행화된 조명광의 조명에 의해, 액정 소자에서 화상을 형성함으로써, 표시광의 지향성이 높아진다. 이 때문에, 이동체에 설치된 시인 영역에 표시광을 확실하게 도달시킬 수 있어, 허상의 휘도가 개선된다고 생각된다.

단 헤드업 디스플레이 장치의 구성에 의해, 허상의 시인성에의 영향이 우려된다.

일본 특허 공개 제2015-90442호 공보

특허문헌 1에서는 확대 도광부의 오목면경에 의해 허상을 확대하고 있다. 이 오목면경의 작용에 의해 HUD 장치의 체격의 증대를 억제하면서 큰 허상을 실현할 수 있지만, 동시에, HUD 장치의 광학계에 있어서의 입사동의 위치가 액정 소자에 가까워져 버리는 것을, 본 발명자는 발견하였다.

입사동의 위치가 액정 소자에 가까워져 버리면, 조명광의 입사 방향에 따른 표시광의 사출 방향과, 실제로 시인 영역에 도달하여 시인에 기여하는 표시광의 방향 사이에 어긋남이 발생할 수 있다. 이 어긋남은 배열된 각 액정 화소에 따라 상이한 것으로 되기 때문에, 각 액정 화소간에 휘도차가 발생해 버려, 허상의 시인성에의 악영향이 우려되고 있다.

본 개시는, 체격 증대를 억제하면서, 허상의 시인성이 양호한 HUD 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 개시의 제1 양태에 의한 헤드업 디스플레이 장치는, 이동체에 탑재되며, 상기 이동체의 투영 부재를 향하여 표시광을 투영하고, 상기 표시광을 상기 투영 부재에서 반사시키면서 상기 이동체에 설치된 시인 영역에 도달시킴으로써, 상기 시인 영역 내로부터 시인 가능한 허상을 표시한다. 상기 헤드업 디스플레이 장치는, 조명광을 발하는 광원부를 구비한다. 상기 헤드업 디스플레이 장치는, 상기 조명광을 집광에 의해 평행화하는 집광부를 더 구비한다. 상기 헤드업 디스플레이 장치는, 개구부에 복수의 액정 화소를 배열하고, 상기 개구부가 상기 집광부로부터 사출된 상기 조명광에 조명됨으로써 화상을 형성하고, 상기 조명광의 입사 방향에 따른 사출 방향으로, 상기 화상의 상기 표시광을 광속상으로 사출하는 액정 소자를 더 구비한다. 상기 헤드업 디스플레이 장치는, 정의 굴절력을 갖는 정의 광학 소자와, 부의 굴절력을 갖는 부의 광학 소자를 갖고, 양쪽 상기 광학 소자를 광로 상에 배치함으로써, 상기 허상이 확대되도록, 상기 액정 소자로부터의 상기 표시광을 상기 투영 부재를 향하여 도광하는 확대 도광부를 더 구비한다. 상기 부의 광학 소자는, 상기 정의 광학 소자보다도 상기 광로 상의 상기 액정 소자측에 배치된다.

본 개시에 대한 상기 목적 및 그 밖의 목적, 특징이나 이점은, 첨부의 도면을 참조하면서 하기의 상세한 기술에 의해, 보다 명확해진다. 그 도면은,
도 1은 일 실시 형태에 있어서의 HUD 장치의 차량에의 탑재 상태를 도시하는 모식도이고,
도 2는 일 실시 형태에 있어서의 광원부, 집광부 및 액정 소자를 도시하는 도면이며, 긴 쪽 방향을 따른 단면을 도시하는 단면도이고,
도 3은 일 실시 형태에 있어서의 광원부, 집광부 및 액정 소자를 도시하는 도면이며, 짧은 쪽 방향을 따른 단면을 도시하는 단면도이고,
도 4는 일 실시 형태에 있어서의 발광 소자의 방사 각도 분포를 나타내는 그래프이고,
도 5는 일 실시 형태에 있어서의 액정 소자를 개구부의 법선 방향을 따라서 본 도면이고,
도 6은 도 5의 VI부를 확대하여 도시하는 도면이고,
도 7은 도 6의 VII-VII선 단면을 부분적으로 도시하는 단면도이고,
도 8은 일 실시 형태에 있어서의 복합 렌즈 어레이를 도시하는 사시도이고,
도 9는 일 실시 형태에 있어서의 복합 렌즈 어레이의 집광 프레넬면을 설명하기 위한 도면이고,
도 10은 일 실시 형태에 있어서의 복합 렌즈 어레이의 복합면을 설명하기 위한 도면이고,
도 11은 일 실시 형태의 HUD 장치에 의한 광학계를 모식적으로 도시하는 도면이고,
도 12는 비교예에 있어서의 도 11에 대응하는 도면이고,
도 13은 변형예 1에 있어서의 도 2에 대응하는 도면이고,
도 14는 변형예 9에 있어서의 도 3에 대응하는 도면이고, 또한
도 15는 변형예 9에 있어서의 도 11에 대응하는 도면이다.

이하, 본 개시의 일 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 개시의 일 실시 형태에 의한 HUD 장치(100)는 이동체의 일종인 차량(1)에 탑재되며, 인스트루먼트 패널(2) 내에 수용되어 있다. HUD 장치(100)는 차량(1)의 투영 부재로서의 윈드실드(3)를 향하여 표시광을 투영하고, 당해 표시광을 윈드실드(3)에서 반사시키면서 차량(1)에 설치된 시인 영역 EB에 도달시킨다. 이에 의해, HUD 장치(100)는 시인 영역 EB 내로부터 시인 가능한 허상 VI를 표시한다. 즉, 표시광이, 차량(1)의 실내에 있어서 시인 영역 EB 내에 눈이 위치하는 차량(1)의 탑승인에 의해 허상 VI로서 지각된다. 그리고, 탑승인은, 허상 VI로서 표시되는 각종 정보를 인식할 수 있다. 허상 VI로서 표시되는 각종 정보로서는, 예를 들어 차속, 연료 잔량 등의 차량 상태값, 또는 도로 정보, 시계 보조 정보 등의 차량 정보를 들 수 있다.

차량(1)의 윈드실드(3)는 투광성의 유리 내지는 합성 수지 등에 의해 판 형상으로 형성되어 있다. 윈드실드(3)에 있어서, 실내측의 면은 표시광을 반사하는 반사면(3a)을 매끄러운 오목면 형상 또는 평면 형상으로 형성하고 있다. 윈드실드(3)의 구성은, 일반적으로, 차량(1)의 용도 혹은 디자인 등에 기초하여 차량 메이커에 의해 설정되어 있다.

시인 영역 EB는, HUD 장치(100)에 의해 표시되는 허상 VI가 시인 가능하게 되는 공간 영역이다. 즉, 탑승인의 눈이 시인 영역 EB 내이면 허상 VI를 시인할 수 있고, 탑승인의 눈이 시인 영역 EB 외이면 허상 VI를 시인할 수 없다.

본 실시 형태에서는, 시인 영역 EB는, 차량(1)에 설정된 아이립스와 겹치도록 설치되어 있다. 아이립스는, 탑승인으로서의 운전자의 눈의 위치의 분포를 통계적으로 나타낸 아이 레인지에 기초하여, 설정되어 있다(상세는 JISD0021 : 1998 참조). 아이립스는, 일반적으로 차량(1)의 좌석(4)의 위치에 따라서, 차량 메이커에 있어서 설정된다. 즉 HUD 장치(100)는 좌석(4)에 착좌하는 운전자가 시인하기 쉽도록, 표시를 행하도록 되어 있다.

이와 같은 HUD 장치(100)의 구체적 구성을, 이하에 설명한다. HUD 장치(100)는 광원부(10), 집광부(14), 액정 소자(30) 및 확대 도광부(40)를 구비하고 있고, 이들은 하우징(50)에 수용되어, 보유 지지되어 있다.

광원부(10)는, 도 2, 도 3에 도시한 바와 같이, 서로 배열된 복수의 발광 소자(12)를 갖고 있다. 각 발광 소자(12)는 발열이 적은 발광 다이오드 소자이다. 각 발광 소자(12)는 광원용 회로 기판 상에 배치되며, 당해 기판 상의 배선 패턴을 통해, 전원과 전기적으로 접속되어 있다. 보다 상세하게, 각 발광 소자(12)는 칩 형상의 청색 발광 다이오드 소자를 투광성을 갖는 합성 수지에 황색 형광제를 혼합한 황색 형광체에 의해 밀봉함으로써 형성되어 있다. 청색 발광 다이오드 소자로부터 전류량에 따라서 발해지는 청색광에 의해, 황색 형광체가 여기되어 황색광을 발광하고, 청색광과 황색광의 합성에 의해 의사 백색의 조명광이 발해진다.

여기서 도 4에 도시한 바와 같이, 광원부(10)의 각 발광 소자(12)는 발광 강도가 최대로 되는 피크 방향 PKD로부터 괴리됨에 따라 발광 강도가 상대적으로 저하되는 방사 각도 분포로, 조명광을 발한다. 본 실시 형태에서는, 피크 방향 PKD가 각 발광 소자(12) 간에서 실질 동일 방향으로 되도록, 각 발광 소자(12)는 배치되어 있다.

집광부(14)는, 도 2, 도 3에 도시한 바와 같이, 집광 렌즈 어레이(15) 및 복합 렌즈 어레이(18)를 갖고 있다. 집광부(14)는 이들 양쪽 렌즈 어레이(15, 18)에 의해, 각 발광 소자(12)로부터의 조명광을 집광에 의해 평행화하여, 액정 소자(30)의 개구부(32)에 입사시키도록 되어 있다. 여기서 본 실시 형태에 있어서의 평행화란, 조명광이 발광 소자(12)부터 방사 형상으로 발해진 상태보다도 평행 광속에 가까워진 상태로 되는 것을 의미하고, 조명광이 완전히 평행 광속으로 되어 있을 필요는 없다.

본 실시 형태의 액정 소자(30)는 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT)를 사용한 액티브 매트릭스 방식의 투과형 액정 패널이다.

구체적으로, 액정 소자(30)는 조명광을 투과 가능하게 형성된 개구부(32)를 갖고 있다. 개구부(32)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 긴 쪽 방향 LD 및 짧은 쪽 방향 SD를 갖는 직사각형으로 형성되어 있다. 개구부(32)에는, 도 6에 확대하여 도시한 바와 같이, 상술한 복수의 액정 화소(34)가 개구부(32)의 접선 방향을 따라서 2차원 방향으로 배열되어 있다.

각 액정 화소(34)에서는, 개구부(32)의 법선 방향으로 관통하여 설치되는 투과부(34a)와, 투과부(34a)를 둘러싸서 형성된 배선부(34b)가 설치되어 있다.

도 7에 도시한 바와 같이, 액정 소자(30)의 액정 화소(34)가 배열된 투과부(34a)를 포함하는 부분에서는, 액정층(36a), 당해 액정층(36a)을 사이에 두는 한 쌍의 투명 전극(36b), 및 이들을 사이에 두는 한 쌍의 편광판(36c) 등을, 적층한 상태로 갖고 있다.

액정층(36a)은 예를 들어 네마틱 액정 등의 액정 분자를 주성분으로 하는 용액이 충전된 층이다. 투명 전극(36b)은 투광성을 갖고 형성되어 있는 전극이다. 편광판(36c)은 서로 실질 직교하는 투과축 및 차광축을 갖고 있다. 편광판(36c)은 투과축을 따른 편광 방향의 광이 입사한 경우, 당해 광의 투과율은 최대로 되는 성질을 갖고 있다. 한편, 편광판(36c)은 차광축을 따른 편광 방향의 광이 입사한 경우, 당해 광의 투과율은 최소로 되는 성질을 갖고 있다. 여기서, 한 쌍의 편광판(36c)은 투과축을 서로 실질 직교하여 배치되어 있다.

전기적으로 접속된 제어부(60)에 의한 제어에 의해, 액정 화소(34)마다, 한 쌍의 투명 전극(36b) 간에 전압을 인가하는 것이 가능하게 되어 있다. 한 쌍의 투명 전극(36b) 간의 인가 전압에 따라서, 액정층(36a)에서는 액정 분자의 배향 방향이 변화됨으로써, 액정층(36a)을 투과하는 광의 편광 방향은 변화된다. 이렇게 하여, 액정 소자(30)를 투과하는 광의 투과율이, 액정 화소(34)마다 개별로 가변으로 되어 있다. 또한, 액정층(36a)의 두께 TLC는, 최대 투과율에 대응하는 소정 전압(예를 들어 0V)의 경우에, 액정층(36a)의 두께 방향[즉 개구부(32)의 법선 방향]으로부터 입사하는 광의 편광 방향이, 액정층(36a)의 투과에 의해 90도 변화되는 두께로 설정되어 있다.

따라서, 액정 소자(30)는 개구부(32)에의 광의 조명에 의해, 액정 화소(34)마다의 당해 광의 투과율을 제어하여, 화상을 형성하는 것이 가능하게 되어 있다. 인접하는 액정 화소(34)에는, 서로 다른 색(예를 들어, 적색, 녹색 및 청색)의 컬러 필터(36d)가 설치되어 있고, 이들의 조합에 의해, 다양한 색이 실현되도록 되어 있다.

또한, 액정 소자(30)의 집광부(14)측에는, 확산부(38)가 설치되어 있다. 확산부(38)는 개구부(32)의 접선 방향을 따라서 설치되며, 예를 들어 필름 형상으로 형성된 확산판이다. 혹은, 확산부(38)는 액정 소자(30)의 표면에 미소한 요철을 형성함으로써 형성되어도 된다. 이러한 확산부(38)는 평행화된 조명광이 개구부(32)에 입사하기 직전에, 약간의 확산 작용을 미친다.

여기서 집광부(14)의 설명으로 되돌아간다. 집광 렌즈 어레이(15)는, 도 2, 도 3에 도시한 바와 같이, 투광성의 합성 수지 내지는 유리 등으로 이루어지는 복수의 집광 렌즈 소자(15a)가 서로 배열되어, 형성되어 있다. 각 집광 렌즈 소자(15a)는 발광 소자(12)와 동일수 설치되며, 각 발광 소자(12)와 각각 개별로 대응하고 있다.

각 집광 렌즈 소자(15a)는 대응하는 발광 소자(12)로부터의 조명광을 집광하는 집광면(17)을 갖고 있다. 특히 본 실시 형태에서는, 각 집광면(17)은 액정 소자(30)측[즉 복합 렌즈 어레이(18)측]을 향하여, 조명광을 사출하는 사출측 표면으로서, 설치되어 있다. 한편, 조명광이 입사하는 입사측 표면(16)은, 각 집광 렌즈 소자(15a) 간에서 공통의 매끄러운 평면 형상을 나타낸 단일 평면으로 되어 있다.

각 집광 렌즈 소자(15a)에 있어서, 집광면(17)은 매끄러운 볼록면 형상으로 형성된 애너모픽면으로 되어 있다. 집광면(17)의 면 정점(21a)은, 대응하는 발광 소자(12)로부터 피크 방향 PKD를 따르고 있는 가상의 직선 SL 상에 배치되어 있다.

여기서, 가상의 직선 SL과 직교하는 가상 평면 상에 있어서, 개구부(32)의 긴 쪽 방향 LD에 대응하는 방향(이하, 긴 쪽 대응 방향 RLD)이라 하고, 개구부(32)의 짧은 쪽 방향 SD에 대응하는 방향(이하, 짧은 쪽 대응 방향 RSD)이라 한다. 긴 쪽 대응 방향 RLD는, 개구부(32)의 긴 쪽 방향 LD를, 입사하는 광의 광로를 따라서 상술한 가상 평면에 사영함으로써 얻어지는 방향에 상당한다. 짧은 쪽 대응 방향 RSD는, 개구부(32)의 짧은 쪽 방향 SD를, 입사하는 광의 광로를 따라서 상술한 가상 평면에 사영함으로써 얻어지는 방향에 상당한다.

본 실시 형태에서는, 상세는 후술하지만, 발광 소자(12)로부터 액정 소자(30)까지의 광로 상에, 조명광 중 피크 방향 PKD를 따라서 발해진 광의 진행 방향을 굴절시키는 요인은 없고, 또한, 조명광의 입사 방향 IND가 개구부(32)의 법선 방향을 대략 따르고 있다. 이 때문에, 긴 쪽 방향 LD와 긴 쪽 대응 방향 RLD는 실질 동일 방향이며, 짧은 쪽 방향 SD와 짧은 쪽 대응 방향 RSD는 실질 동일 방향이다.

애너모픽면인 집광면(17)에 있어서, 긴 쪽 대응 방향 RLD의 곡률과 짧은 쪽 대응 방향 RSD의 곡률은 서로 다르다. 여기서, 양방향 RLD, RSD의 곡률의 대소 관계는, 개구부(32) 중 1개의 발광 소자(12)가 조명해야 할 조명 범위 IR에 따른 것으로 되어 있다. 예를 들어 본 실시 형태에서는, 발광 소자(12)가 긴 쪽 대응 방향 RLD를 따라서 배열되어 있는 결과, 조명 범위 IR은, 개구부(32)의 긴 쪽 방향 LD가 짧은 쪽이 되는 직사각형으로 되어 있다. 이것에 대응하여, 집광면(17)에서는, 긴 쪽 대응 방향 RLD의 곡률이 짧은 쪽 대응 방향 RSD의 곡률보다도 큰 것으로 되어 있다. 요컨대, 조명 범위 IR에 있어서 짧은 쪽이 되는 방향의 곡률이, 조명 범위 IR에 있어서 긴 쪽이 되는 방향의 곡률보다도 크게 되어 있다.

또한, 각 집광 렌즈 소자(15a)의 집광면(17)은, 긴 쪽 대응 방향 RLD 및 직선 SL을 포함하는 단면에 있어서, 포물선 형상으로 형성되어 있다(도 2를 참조). 한편, 집광면(17)은, 짧은 쪽 대응 방향 RSD 및 직선 SL을 포함하는 단면에 있어서 원호 형상으로(특히 본 실시 형태에서는 반원 형상으로) 형성되어 있다(도 3을 참조).

이렇게 하여 집광 렌즈 어레이(15)에 입사하는 조명광은, 양방향의 집광의 정도를 상이하게 하면서 집광면(17)에 의해 집광되고, 각 집광 렌즈 소자(15a)를 투과한 후, 복합 렌즈 어레이(18)에 입사한다.

복합 렌즈 어레이(18)는 집광 렌즈 어레이(15)와 액정 소자(30) 사이의 광로 상에 설치되며, 투광성의 합성 수지 내지는 유리 등으로 이루어지는 복수의 복합 렌즈 소자(18a)가 서로 배열되어 형성되어 있다. 각 복합 렌즈 소자(18a)는 발광 소자(12) 및 집광 렌즈 소자(15a)와 동일수 설치되고, 각 발광 소자(12) 및 각 집광 렌즈 소자(15a)와 각각 개별로 대응하고 있다. 도 8에 도시한 바와 같이, 각 복합 렌즈 소자(18a)는 집광 렌즈 어레이(15)측을 향하여, 조명광이 입사하는 입사측 표면으로서, 집광 프레넬면(19)을 갖고 있다. 한편, 각 복합 렌즈 소자(18a)는 액정 소자(30)측을 향하여, 조명광을 사출하는 사출측 표면으로서, 복합면(20)을 갖고 있다. 또한, 도 8에서는, 일부 형상이 간략화되어 도시되어 있다.

집광 프레넬면(19)은, 도 9에 상세를 도시한 바와 같이, 가상의 집광 가상면 Sip를 짧은 쪽 대응 방향 RSD로 소정의 분할 폭 Ws로 영역 분할한 1분할 영역으로서, 형성되어 있다. 여기서, 집광 가상면 Sip는, 집광 렌즈 어레이(15)의 집광 렌즈 소자(15a)측으로 볼록해지는 볼록면으로서 매끄러운 곡면 형상으로 되어 있다. 여기서, 집광 프레넬면(19)의 분할 영역에 있어서의 분할 폭 Ws는, 대략 일정 값으로 설정되어 있다. 이러한 집광 프레넬면(19)은, 집광 렌즈 어레이(15)로부터의 조명광을 굴절에 의해 더 집광하여, 복합면(20)측에 투과시킨다.

복합면(20)은, 도 10에 상세를 도시한 바와 같이, 평행화면(21)과, 편향면(22)이 교대로 이어지는 교대 배열 구조를 형성하고 있다.

평행화면(21)은 가상의 평행화 가상면 Sic를 긴 쪽 대응 방향 RLD로 소정의 분할 폭 Wa로 영역 분할한 1분할 영역으로서, 형성되어 있다. 여기서, 평행화 가상면 Sic는, 액정 소자(30)측으로 볼록해지는 볼록면으로서 매끄러운 곡면 형상으로 되어 있다. 평행화 가상면 Sic의 곡률은, 집광 가상면 Sip의 곡률과 대략 동등하게 설정되어 있다.

편향면(22)은, 가상의 편향 가상면 Sid를 긴 쪽 대응 방향 RLD로 소정의 분할 폭 Wa로 영역 분할한 1분할 영역으로서, 형성되어 있다. 편향 가상면 Sid는, 평행화 가상면 Sic의 면 정점에 대응하는 개소에서 역구배로 변화되는 복수의 경사면 Sis에 의해 구성되어 있고, 본 실시 형태에 있어서 각 경사면 Sis는, 매끄러운 평면 형상으로 되어 있다. 여기서, 각 경사면 Sis의 구배는, 평행화 가상면 Sic의 대응하는 개소의 구배와는 역의 구배로 되도록 설정되어 있다.

여기서, 평행화면(21) 및 편향면(22)의 분할 영역에 있어서의 분할 폭 Wa는 다양하게 설정되어 있지만, 각 면(21, 22)에서 새그양이 대략 일정하게 되도록 설정됨으로써, 복합 렌즈 어레이(18) 전체의 두께가 일정화되어 있다. 이들 평행화면(21)과 편향면(22)이 교대로 배열됨으로써, 평행화 가상면 Sic 중 일부의 형상, 및 편향 가상면 Sid 중 일부의 형상이 추출되어, 복합면(20) 상에 재현되어 있다.

이러한 평행화면(21)은 집광 프레넬면(19)으로부터의 조명광을 굴절에 의해 집광하여, 평행화하도록 되어 있다. 또한 편향면(22)은 조명광을 평행화면(21)에 의한 굴절과는 반대측으로 편향하도록 되어 있다.

각 평행화면(21) 중, 평행화 가상면 Sic의 면 정점을 포함하는 평행화면(21)에 있어서 면 정점(21a)은, 전술한 직선 SL 상에 배치되어 있다(도 2도 참조). 상술한 분할 폭 Ws는, 이 면 정점(21a)을 포함하는 평행화면(21)에 있어서 가장 크게 설정되어 있다. 그리고, 당해 면 정점(21a)으로부터 긴 쪽 대응 방향 RLD로 이격될수록, 평행화면(21)에 대하여 편향면(22)의 면적 비율이 커지도록, 분할 폭 Ws가 변화되어 있다.

이렇게 하여 도 2, 도 3에 도시한 바와 같이, 집광부(14)에서는, 집광 렌즈 소자(15a)와 복합 렌즈 소자(18a)가 각각 개별로 대응하여, 서로 대향하여 배치된다. 대응하는 1개의 집광 렌즈 소자(15a)와 1개의 복합 렌즈 소자(18a)를 총칭하여, 다시 렌즈 소자군(14a)이라 칭하기로 한다. 즉 집광부(14)는 복수의 발광 소자(12)의 배열에 대응하여, 렌즈 소자군(14a)이 배열된 형태로 되어 있는 것이다.

렌즈 소자군(14a)마다, 집광 렌즈 소자(15a)의 집광면(17), 복합 렌즈 소자(18a)의 집광 프레넬면(19) 및 평행화면(21)에 의해, 합성 초점[이하, 렌즈 소자군(14a)의 합성 초점이라 함]이 규정될 수 있다. 여기서, 렌즈 소자군(14a)에 애너모픽면인 집광면(17)이 포함되어 있는 결과, 긴 쪽 대응 방향 RLD 및 직선 SL을 포함하는 단면에 있어서의 렌즈 소자군(14a)의 합성 초점의 초점 위치 FPa와, 짧은 쪽 대응 방향 RSD 및 직선 SL을 포함하는 단면에 있어서의 렌즈 소자군(14a)의 합성 초점의 초점 위치 FPs는, 직선 SL을 따른 방향으로 어긋난 것으로 되어 있다. 보다 상세하게, 본 실시 형태에서는, 초점 위치 FPa쪽이 초점 위치 FPs보다도 집광부(14)측에 위치하고 있다.

그리고, 각 발광 소자(12)는 각각 대응하는 렌즈 소자군(14a)에 대해서도 초점 위치 FPa와 초점 위치 FPs 사이에 배치되어 있다. 특히 본 실시 형태에서는, 초점 위치 FPa와 초점 위치 FPs의 중간 위치에 배치되어 있다.

각 렌즈 소자군(14a)은 대응 관계에 있는 발광 소자(12)의 조명광 중 피크 방향 PKD의 광을 포함하는 일부 방사속을 포획하도록 되어 있다. 포획된 조명광의 일부 방사속은, 전술한 바와 같이 평행화될 수 있다. 반대로, 포획되지 않은 조명광의 타부는, 대응 관계에 있는 렌즈 소자군(14a)에 인접하는 렌즈 소자군(14a)에 포획되게 된다.

본 실시 형태에서는, 예를 들어 발광 소자(12)의 발광 강도가 피크 방향 PKD에 대하여 90％ 이상인 분포 범위의 조명광이, 일부 방사속으로서, 대응 관계에 있는 렌즈 소자군(14a)에 포획되도록 되어 있다. 즉, 본 실시 형태의 방사 각도 분포의 발광 소자(12)에 대하여 말하면, 도 4의 상대 발광 강도가 0.9로 되는 개소를 참조하면, 약 ±25도로 되어 있으므로, 렌즈 소자군(14a)은 대응 관계에 있는 발광 소자(12)로부터의 조명광 중 -25도 내지 +25도의 각도 범위를 일부 방사속으로서 포획하게 된다.

이 일부 방사속의 각도 범위가 넓을수록, 적은 발광 소자(12)의 총수로 액정 소자(30)의 개구부(32) 전체를 조명 가능하게 되는 한편, 허상 VI의 휘도 불균일은 비교적 눈에 띄기 쉬워진다. 이 일부 방사속의 각도 범위가 좁을수록, 허상 VI의 휘도 불균일은 눈에 띄기 어려워지는 한편, 개구부(32)를 조명하기 위해 필요한 발광 소자(12)의 총수는 비교적 많아진다.

집광부(14)의 집광에 의해 평행화되어, 당해 집광부(14)로부터 사출된 조명광은, 입사 방향 IND를 따라서 액정 소자(30)의 개구부(32) 전체를 조명한다. 조명광의 입사에 대하여, 각 액정 화소(34)에 설정된 투과율에 따라서 개구부(32)를 투과한 광이, 액정 소자(30)로부터 화상의 표시광으로서, 당해 개구부(32)의 형상에 따른 광속상으로 사출된다. 즉, 액정 소자(30)는 당해 입사 방향 IND에 따른 사출 방향 EXD로, 화상의 표시광을 사출하게 된다. 본 실시 형태에서는, 조명광의 입사 방향 IND는 개구부(32)의 법선 방향을 대략 따르고 있으며, 개구부(32) 내의 액정 화소(34)에는 광을 굴절시키는 요소가 기본적으로 없으므로, 표시광의 사출 방향 EXD도 또한 개구부(32)의 법선 방향을 대략 따르고 있다.

여기서, 편향면(22) 및 확산부(38)의 작용에 의해, 표시광은, 각 액정 화소(34)로부터 사출 방향 EXD 이외에도 사출되지만, 그렇더라도 사출 방향 EXD가 주된 방향(즉, 강도가 가장 큰 방향)이다.

이렇게 하여 액정 소자(30)로부터 사출 방향 EXD로 사출된 표시광은, 확대 도광부(40)에 입사한다.

확대 도광부(40)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 볼록면경(42) 및 오목면경(44)을 갖고 있다. 이들 볼록면경(42) 및 오목면경(44)은 광로 상에 배치되어 있고, 볼록면경(42)은 오목면경(44)보다도 당해 광로 상의 액정 소자(30)측에 배치되어 있다. 따라서, 액정 소자(30)로부터의 표시광은, 먼저 볼록면경(42)에 입사한다.

볼록면경(42)은 합성 수지 내지는 유리 등으로 이루어지는 기재의 표면에, 반사면(43)으로서 알루미늄을 증착시키는 것 등에 의해 형성되어 있다. 반사면(43)은 볼록 형상으로 만곡한 볼록면으로서, 매끄러운 곡면 형상으로 형성되어 있음으로써, 부의 면 굴절력을 갖고 있다. 특히 본 실시 형태의 반사면(43)은, 주로 허상 VI에 있어서의 축상 수차를 보정하는 자유 곡면으로 되어 있다. 볼록면경(42)은 액정 소자(30)로부터의 표시광을, 반사면(43)에 의해 오목면경(44)을 향하여 반사한다. 이렇게 하여 볼록면경(42)은 부의 굴절력을 갖는 부의 광학 소자로서 기능하고 있다. 여기서 굴절력이란, 초점 거리의 역수로 나타내어진다.

오목면경(44)은 합성 수지 내지는 유리 등으로 이루어지는 기재의 표면에, 반사면(45)으로서 알루미늄을 증착시키는 것 등에 의해 형성되어 있다. 반사면(45)은 오목 형상으로 만곡한 오목면으로서, 매끄러운 곡면 형상으로 형성되어 있음으로써, 정의 면 굴절력을 갖고 있다. 특히 본 실시 형태의 반사면(45)은, 주로 허상 VI에 있어서의 왜곡 수차를 보정하는 자유 곡면으로 되어 있다. 오목면경(44)은 볼록면경(42)으로부터의 표시광을, 반사면(45)에 의해 윈드실드(3)를 향하여 반사한다. 이렇게 하여 오목면경(44)은 정의 굴절력을 갖는 정의 광학 소자로서 기능하고 있다.

또한, 확대 도광부(40) 중 윈드실드(3)측에 위치하는 오목면경(44)을, 요동 구동하는 구동 기구(46)가 당해 확대 도광부(40)에 설치되어 있다. 구동 기구(46)는 전기적으로 접속된 제어부(60)로부터의 구동 신호에 따라서, 예를 들어 스테핑 모터의 구동에 의해, 오목면경(44)을 회전축(44a) 주위로 요동 구동한다. 오목면경(44)이 요동함으로써, 허상 VI의 결상 위치가 상하하여, 탑승인으로부터 보기 쉬운 위치로 조정할 수 있도록 되어 있다.

이러한 확대 도광부(40)는, 허상 VI가 확대되도록, 액정 소자(30)로부터의 표시광을 윈드실드(3)를 향하여 도광한다. 즉, 볼록면경(42)과 오목면경(44)의 합성의 굴절력은 정의 굴절력으로 되어 있다.

오목면경(44)과 윈드실드(3) 사이에 있어서 하우징(50)에 창 형상의 창부가 설치되어 있다. 창부는, 투광성의 박판 형상으로 형성된 방진 커버(52)에 의해 폐색되어 있다. 따라서, 오목면경(44)으로부터 표시광은, 당해 방진 커버(52)를 투과하여, 윈드실드(3)에 반사된다. 이렇게 하여 윈드실드(3)에 반사된 표시광이 시인 영역 EB에 도달하게 된다.

이와 같은 HUD 장치(100)에 의해 구성되는 광학계에 대하여, 도 11, 도 12를 사용하여 상세하게 이하에 검토한다. 또한, 도 11, 도 12에 도시한 각 요소의 형상, 위치 관계, 광선의 방향 등은, 설명을 위해 모식적으로 도시되어 있다.

이하에서는, 도 11에 도시한 당해 광학계의 광로에 있어서, 허상 VI로부터 시인 영역 EB까지의 간격을 Id(단, 허상이기 때문에 Id<0)라 하고, 시인 영역 EB로부터 윈드실드(3)까지의 간격을 Ed라 하고, 윈드실드(3)로부터 오목면경(44)의 반사면(45)까지의 간격을 Wd, 오목면경(44)의 반사면(45)으로부터 볼록면경(42)의 반사면(43)까지의 간격을 D1이라 하고, 볼록면경(42)의 반사면(43)으로부터 액정 소자(30)의 개구부(32)까지의 간격을 D2라 한다. 또한, 윈드실드(3)의 반사면(3a)의 면 굴절력을 Φws라 하고, 오목면경(44)의 반사면(45)의 면 굴절력을 Φ1(단, Φ1>0)이라 하고, 볼록면경(42)의 반사면(43)의 면 굴절력을 Φ2(단, Φ2<0)라 한다. 게다가, 허상 VI의 사이즈의 반값을 Is라 하고, 시인 영역 EB의 사이즈의 반값을 Es라 하고, 액정 소자(30)의 개구부(32)의 사이즈의 반값을 Os라 한다.

여기에서 먼저, 도 12에 도시한 바와 같은, 본 실시 형태의 볼록면경(42)을, 평면 형상의 반사면(943)을 갖는 평면경(942)으로 치환한 비교예의 HUD 장치(900)에 대하여 검토한다. 비교예에서는, D1을 오목면경(944)의 반사면(945)으로부터 평면경(942)의 반사면(943)까지의 간격으로 대체하고, D2를 평면경(942)의 반사면(943)으로부터 액정 소자(930)의 개구부(932)까지의 간격으로 대체하고, 또한 평면경(942)의 반사면(943)의 면 굴절력을 0으로 한다.

이와 같은 비교예에 대하여, 시인 영역 EB로부터 액정 소자(930)측으로의 역광선 추적에 의해, 결상 광선 IMR의 각도 및 결상 광선 IMR의 높이를 순차적으로 구한다. 여기서 결상 광선 IMR의 각도란, 시인 영역 EB의 중심 및 개구부(932)의 중심을 통과하는 광선(이하, 주광선 PRR이라 함)에 대하여, 시인 영역 EB와 윈드실드(3) 사이에서 시인 영역 EB의 단부와 허상 VI의 중심을 연결하는 방향을 따르는 광선(이하, 이것을 결상 광선 IMR이라 함)이 뻗는 각도이다. 결상 광선 IMR의 높이란, 주광선 PRR과 수직인 방향을 따른, 주광선 PRR과 결상 광선 IMR의 간격이다.

시인 영역 EB와 윈드실드(3) 사이에서는, 결상 광선 IMR의 각도는, -Es/Id이다. 윈드실드(3)에 있어서, 결상 광선 IMR의 높이는 Es+(Es/Id)·Ed이다. 윈드실드(3)와 오목면경(944) 사이에서는, 결상 광선 IMR의 각도는, -Es/Is+Φws·(Es+(Es/Id)·Wd)이며, 이것을 HUD 상수 A로 둔다. 오목면경(944)에 있어서 결상 광선 IMR의 높이는, Es+(Es/Id)·Ed+(Es/Id)·Wd-Φws·Ws·(Es+Es/Id·Wd)이며, 이것을 HUD 상수 B로 둔다. 오목면경(944)과 평면경(942) 사이에서는, 결상 광선 IMR의 각도는 A+B·Φ1이다. 평면경(942)에 있어서 결상 광선 IMR의 높이는 B-D1·(A+B·Φ1)이다. 평면경(942)과 액정 소자(930) 사이에서는, 결상 광선 IMR의 각도는 A+B·Φ1이다. 액정 소자(930)에 있어서의 결상 광선 IMR의 높이는 0이다. 따라서, 액정 소자(930)의 개구부(932)에 있어서 결상한 상태가 실현되어 있다.

비교예에 대하여, 시인 영역 EB로부터 액정 소자(930)측으로의 역광선 추적에 의해, 퓨필 결상 광선 PUR의 각도 및 퓨필 결상 광선 PUR의 높이를 순차적으로 구한다. 여기서 퓨필 결상 광선 PUR의 각도란, 주광선 PRR에 대하여, 시인 영역 EB와 윈드실드(3) 사이에서 시인 영역 EB의 중심과 허상 VI의 단부를 연결하는 방향을 따르는 광선(이하, 이것을 퓨필 결상 광선 PUR이라 함)이 뻗는 각도이다. 퓨필 결상 광선 PUR의 높이란, 주광선 PRR과 수직인 방향을 따른, 주광선 PRR과 퓨필 결상 광선 PUR의 간격이다.

시인 영역 EB와 윈드실드(3) 사이에서는, 퓨필 결상 광선 PUR의 각도는, 허상 VI의 반화각 θ에 상당하고, θ=-Is/Id이다. 윈드실드(3)에 있어서 퓨필 결상 광선 PUR의 높이는 -θ·Ed이다. 윈드실드(3)와 오목면경(944) 사이에서는, 퓨필 결상 광선 PUR의 각도는 θ-θ·Ed·Φws이며, 이것을 HUD 상수 C로 둔다. 오목면경(944)에 있어서 퓨필 결상 광선 PUR의 높이는, -θ·Ed+(θ-θ·Ed·Φws)·Wd이며, 이것을 HUD 상수 D로 둔다. 오목면경(944)과 평면경(942) 사이에서는, 퓨필 결상 광선 PUR의 각도는 C+D·Φ1이다. 평면경(942)에 있어서 퓨필 결상 광선 PUR의 높이는 D-(C+D·Φ1)·D1이다. 평면경(942)과 액정 소자(930) 사이에서는, 퓨필 결상 광선 PUR의 각도는 C+D·Φ1이다. 액정 소자(930)에 있어서의 퓨필 결상 광선 PUR의 높이는 Os이다.

이상에 의해, 비교예에 있어서, 반화각 θ는,

로 된다.

액정 소자(930)의 개구부(932)로부터 입사동 ENP까지의 퓨필 거리 Pd는, 퓨필 결상 광선 PUR의 높이가 0으로 되는 거리를 구하면 되므로,

로 된다.

또한 액정 소자(930)의 개구부(932)로부터 오목면경(944)까지의 광로 길이 Lm은,

로 된다.

즉, 수학식 1로부터, 허상 VI의 반화각 θ는, 오목면경(944)의 면 굴절력 Φ1의 증대와 함께 커진다. 바꾸어 말하면, 허상 VI를 확대하기 위해서는 면 굴절력 Φ1을 크게 할 필요가 있다. 그러나 한편, 수학식 2로부터, 퓨필 거리 Pd는, 면 굴절력 Φ1의 증대와 함께 작아진다. 즉, 허상 VI의 확대와 긴 퓨필 거리 Pd를 동시에 실현할 수 없는 것이다. 또한, 수학식 3으로부터, 광로 길이 Lm은 면 굴절력 Φ1의 증대와 함께 작아진다.

다음에, 도 11에 도시한 본 실시 형태의 HUD 장치(100)에 대해서도, 비교예와 마찬가지로 검토한다.

시인 영역 EB로부터 액정 소자(30)측으로의 역광선 추적에 의해, 결상 광선 IMR의 각도 및 결상 광선 IMR의 높이를 순차적으로 구한다.

시인 영역 EB와 윈드실드(3) 사이에서는, 결상 광선 IMR의 각도는 -Es/Id이다. 윈드실드(3)에 있어서, 결상 광선 IMR의 높이는 Es+(Es/Id)·Ed이다. 윈드실드(3)와 오목면경(44) 사이에서는, 결상 광선 IMR의 각도는 -Es/Is+Φws·(Es+(Es/Id)·Wd)이며, 이것을 비교예와 마찬가지로 HUD 상수 A로 둔다. 오목면경(44)에 있어서 결상 광선 IMR의 높이는 Es+(Es/Id)·Ed+(Es/Id)·Wd-Φws·Ws·(Es+Es/Id·Wd)이며, 이것을 비교예와 마찬가지로 HUD 상수 B로 둔다. 오목면경(44)과 볼록면경(42) 사이에서는, 결상 광선 IMR의 각도는 A+B·Φ1이다. 볼록면경(42)에 있어서 결상 광선 IMR의 높이는 B-D1·(A+B·Φ1)이다. 볼록면경(42)과 액정 소자(30) 사이에서는, 결상 광선 IMR의 각도는 A+B·Φ1+Φ2·(B-D1·(A+B)·Φ1)이다. 액정 소자(30)에 있어서의 결상 광선 IMR의 높이는 0이다. 따라서, 액정 소자(30)의 개구부(32)에 있어서 결상한 상태가 실현되어 있다.

시인 영역 EB로부터 액정 소자(30)측으로의 역광선 추적에 의해, 퓨필 결상 광선 PUR의 각도 및 퓨필 결상 광선 PUR의 높이를 순차적으로 구한다.

시인 영역 EB와 윈드실드(3) 사이에서는, 퓨필 결상 광선 PUR의 각도는 허상 VI의 반화각 θ에 상당하고, θ=-Is/Id이다. 윈드실드(3)에 있어서 퓨필 결상 광선 PUR의 높이는 -θ·Ed이다. 윈드실드(3)와 오목면경(44) 사이에서는, 퓨필 결상 광선 PUR의 각도는 θ-θ·Ed·Φws이며, 이것을 비교예와 마찬가지로 HUD 상수 C로 둔다. 오목면경(44)에 있어서 퓨필 결상 광선 PUR의 높이는 -θ·Ed+(θ-θ·Ed·Φws)·Wd이며, 이것을 비교예와 마찬가지로 HUD 상수 D로 둔다. 오목면경(44)과 볼록면경(42) 사이에서는, 퓨필 결상 광선 PUR의 각도는 C+D·Φ1이다. 볼록면경(42)에 있어서 퓨필 결상 광선 PUR의 높이는 D-(C+D·Φ1)·D1이다. 볼록면경(42)과 액정 소자(30) 사이에서는, 퓨필 결상 광선 PUR의 각도는 C+D·Φ1+Φ2·(D-D1·(C+D·Φ1))이다. 액정 소자(30)에 있어서의 퓨필 결상 광선 PUR의 높이는 Os이다.

이상에 의해, 비교예에 있어서, 반화각 θ는,

로 된다.

액정 소자(30)의 개구부(32)로부터 입사동 ENP까지의 퓨필 거리 Pd는, 퓨필 결상 광선 PUR의 높이가 0으로 되는 거리를 구하면 되므로,

로 된다.

또한 액정 소자(30)의 개구부(32)로부터 오목면경(44)까지의 광로 길이 Lm은,

로 된다.

즉, 수식 4, 5, 6은, 면 굴절력 Φ1, Φ2 및 간격 D1의 3변수에 의한 연립 방정식으로 된다. 이에 의해, 반화각 θ와 퓨필 거리 Pd는, 비교예와 같은 면 굴절력 Φ1에 의존한 단순한 관계는 아니다. 면 굴절력 Φ1, Φ2 및 간격 D1을 적절히 설정함으로써, 반화각 θ를 크게 하면서도, 퓨필 거리 Pd를 크게 하는 것이 가능하게 되는 것이다. 구체적으로, Φ2가 부인 것에 의해, 볼록면경(42)과 액정 소자(30) 사이의 퓨필 결상 광선 PUR의 각도는, 작아지도록 작용한다. 바꾸어 말하면 수학식 5의 분모가 작아지므로, 퓨필 거리 Pd를 크게 할 수 있는 것이다.

퓨필 거리 Pd를 크게 함으로써, 액정 소자(30)로부터 사출되는 표시광의 사출 방향 EXD와, 상술한 볼록면경(42)과 액정 소자(30) 사이의 퓨필 결상 광선 PUR의 방향을, 화상 전체에 걸쳐 일치시키는 것이 가능해진다. 예를 들어 퓨필 거리 Pd는, 간격 D1 또는 D2보다도 큰 것이 바람직하다. 여기서, 본 실시 형태에서는, 개구부(32)의 긴 쪽 방향 LD 및 짧은 쪽 방향 SD에 대하여 모두 Pd>150㎜로 설정되어 있다. 이와 같이 함으로써, 사출 방향 EXD와 퓨필 결상 광선 PUR의 방향의 어긋남을 충분히 작은 것으로 간주할 수 있다.

(작용 효과)

이상 설명한 본 실시 형태의 작용 효과를 이하에 설명한다.

본 실시 형태에 따르면, 확대 도광부(40)는 액정 소자(30)로부터의 표시광을 윈드실드(3)를 향하여 도광한다. 여기서 확대 도광부(40)는 정의 굴절력을 갖는 정의 광학 소자로서 기능하는 오목면경(44)과, 부의 굴절력을 갖는 부의 광학 소자로서 기능하는 볼록면경(42)을 갖는다. 그리고, 볼록면경(42)은 오목면경(44)보다도 광로 상의 액정 소자(30)측에 배치된다. 이러한 양쪽 광학 소자(42, 44)가 광로 상에 배치된 HUD 장치(100)의 광학계에서는, 오목면경(44)을 사용하여 허상 VI를 확대하면서도, 볼록면경(42)도 사용함으로써 입사동 ENP를 액정 소자(30)보다도 광원부(10)측으로 멀어지게 할 수 있다. 입사동 ENP가 멀어짐으로써, 시인 영역 EB 내로부터 표시광의 사출 방향 EXD를 따라서 액정 소자(30)의 개구부(32)를 들여다보는 광로가 구성 가능해진다. 따라서, 시인에 기여하는 표시광의 방향과, 액정 소자(30)로부터의 사출 방향 EXD의 어긋남을 억제 가능해진다. 당해 사출 방향 EXD는, 평행화된 조명광의 액정 소자(30)에의 입사 방향 IND에 따른 것이기 때문에, 액정 화소(34) 간의 휘도차를 감소시키면서, 조명광을 화상의 표시광으로서 효율적으로 시인 영역 EB에 도달시킬 수 있다.

또한, 볼록면경(42)과 액정 소자(30) 사이의 광로 상에서는, 시인에 기여하는 표시광의 방향이, 집광부(14)에 의해 평행화된 조명광의 입사 방향 IND에 따른 사출 방향 EXD에 가까워짐으로써, 당해 볼록면경(42)의 체격 확대를 억제하면서, 표시광을 도광 가능해진다. 이상에 의해, 화상을 확대해도, 체격 증대를 억제하면서, 허상 VI의 시인성이 양호한 HUD 장치(100)를 제공할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 따르면, 정의 광학 소자는, 오목 형상으로 만곡한 곡면 형상의 반사면(45)을 갖는 오목면경(44)이며, 부의 광학 소자는, 볼록 형상으로 만곡한 곡면 형상에 반사면(43)을 갖는 볼록면경(42)이다. 이들 반사면(43, 45)에 의한 반사에 의해, 확대 도광부(40)의 기능이 실현되므로, 확대 도광부(40)에서의 색수차의 발생을 억제하면서, 허상 VI를 확대함과 함께, 입사동 ENP를 액정 소자(30)보다도 광원부(10)측으로 멀어지게 할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 따르면, 집광부(14)의 복합 렌즈로서의 복합 렌즈 어레이(18)에 설치된 복합면(20)은, 조명광을 굴절에 의해 평행화하는 평행화면(21)과, 조명광을 당해 평행화면(21)의 굴절과는 반대측으로 편향하는 편향면(22)이 교대로 이어지는 교대 배열 구조를 형성하고 있다. 이 배열 구조에서는, 광원부(10)로부터 평행화면(21)을 경유하는 조명광과 편향면(22)을 경유하는 조명광을 서로 혼합함으로써, 표시광의 지향성을 조정 가능해진다. 따라서, 상술한 확대 도광부(40)의 구성과 조합되어, 액정 화소(34) 간의 휘도차를 감소시킬 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 따르면, 집광 렌즈로서의 집광 렌즈 어레이(15)에 설치된 집광면(17)은, 긴 쪽 대응 방향 RLD의 곡률과 짧은 쪽 대응 방향 RSD의 곡률이 상이한 애너모픽면이다. 이와 같이 함으로써, 직사각형의 개구부(32)에 맞추어, 광원부(10)로부터의 조명광을 균일화할 수 있으므로, 액정 화소(34) 간의 휘도차를 감소시킬 수 있다.

(다른 실시 형태)

이상, 본 개시의 일 실시 형태에 대하여 설명하였지만, 본 개시는, 당해 실시 형태에 한정하여 해석되는 것은 아니고, 본 개시의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 다양한 실시 형태에 적용할 수 있다.

구체적으로 변형예 1로서는, 도 13에 도시한 바와 같이, 광원부(10)의 발광 소자(12)는 초점 위치 FPa 및 초점 위치 FPs 중, 집광부(14)측에 위치하는 초점 위치 FPa와 겹치는 위치에 배치되어 있어도 된다. 이와 같은 발광 소자(12)의 배치에 의해, 개구부(32)를 투과하는 조명광 중, 확대 도광부(40)측으로 진행함에 따라 개구부(32)의 외주측으로부터 내주측으로 경사져 진행하는 광의 비율이 감소된다. 따라서, 입사동 ENP가 광원부(10)측으로 멀어지는 작용과 아울러, 시인에 기여하는 표시광의 방향의 휘도가 높아지게 되어, 허상 VI의 시인성이 보다 양호해진다.

변형예 2로서는, 집광부(14)는 상술한 실시 형태에 있어서의 복합 렌즈 어레이(18)와 같은, 복합면(20)이 설치된 복합 렌즈를 갖고 있지 않아도 된다. 예를 들어, 복합 렌즈 어레이(18) 대신에, 일반적인 볼록 렌즈 또는 볼록 렌즈 어레이를 채용해도 된다.

변형예 3으로서는, 집광부(14)는 상술한 실시 형태에 있어서의 집광 렌즈 어레이(15)와 같은, 애너모픽면인 집광면(17)이 설치된 집광 렌즈를 갖고 있지 않아도 된다. 예를 들어, 집광면(17)은 구면 또는 회전 대칭 비구면이어도 되고, 또한 집광 렌즈 어레이(15) 대신에 일반적인 볼록 렌즈 또는 볼록 렌즈 어레이를 채용해도 된다.

변형예 4로서는, 집광부(14)는 1개 또는 3개 이상의 광학 소자에 의해 구성되어 있어도 된다.

변형예 5로서는, 발광 소자(12)는 2차원 방향으로 배열되어 있어도 된다.

변형예 6으로서는, 액정 소자(30)로서, 반사형의 액정 소자가 채용되어 있어도 된다.

변형예 7로서는, 정의 광학 소자로서, 볼록 렌즈가 채용되어 있어도 된다.

변형예 8로서는, 부의 광학 소자로서, 오목 렌즈가 채용되어 있어도 된다.

변형예 9로서는, 도 14에 도시한 바와 같이, 투과형의 액정 소자(30)는 개구부(32)의 법선 방향을, 조명광의 입사 방향 IND 및 직선 SL에 대하여 경사지게 한 상태에서 배치되어 있어도 된다. 구체적으로, 개구부(32)의 법선 방향이 입사 방향 IND 및 직선 SL에 대하여 예를 들어 10 내지 25도 정도의 각도를 이루는 것이 바람직하다. 개구부(32) 내의 액정 화소(34)에는 광을 편향시키는 요소가 기본적으로 없기 때문에, 표시광의 사출 방향 EXD는 입사 방향 IND와 대략 일치하고 있다. 따라서, 개구부(32)의 법선 방향은, 사출 방향 EXD에 대해서도 경사지게 한 상태에서 배치되어 있다.

보다 상세하게, 도 14의 액정 소자(30)는 긴 쪽 방향 LD를 회전축으로 하여 경사져 있다. 따라서, 액정 소자(30)는 짧은 쪽 대응 방향 RSD에 대하여 경사져 배치되어 있다. 이 배치의 결과, 짧은 쪽 방향 SD 및 짧은 쪽 대응 방향 RSD를 따른 단면에 있어서, 복합 렌즈 어레이(18)와 액정 소자(30)의 간격은, 위치에 따라 상이한 것으로 되어 있다.

이러한 액정 소자(30)에서는, 도 15에도 도시한 바와 같이, 볼록면경(42)과 대향하는 측에, 예를 들어 유리 기판의 표면으로서 구성된 경면에 의해, 평면 형상의 반사면(39)이 형성되어 있다. 예를 들어 태양광 등의 외광이 윈드실드(3)를 투과하여 오목면경(44) 및 볼록면경(42)에 반사되어 액정 소자(30)에 도달하면, 당해 외광은 사출 방향 EXD와는 정반대로 액정 소자(30)에 입사할 가능성이 높다. 여기서, 개구부(32)의 법선 방향이 사출 방향 EXD에 대하여 경사져 있음으로써, 반사면(39)은 사출 방향 EXD와는 다른 방향으로 외광을 반사한다. 따라서, 반사면(39)에 반사된 외광이 표시광과 함께 시인 영역 EB에 도달하는 것을 억제할 수 있다.

또한, 도 15에 도시한 바와 같이, 액정 소자(30)의 경사 방향 또는 각도는, 볼록면경(42), 오목면경(44) 및 윈드실드(3)의 배치 각도를 고려하여, 샤임플러그의 조건을 만족시키도록, 또는 당해 조건에 가까워지도록, 설정되는 것이 바람직하다. 이러한 경사 방향 및 각도에 의하면, 주광선 PRR에 대한 허상 VI의 경사를 억제할 수 있다.

변형예 10으로서는, 복합 렌즈 어레이(18)에 있어서, 평행화면(21) 및 편향면(22)의 영역 분할에 있어서의 분할 폭 Wa는, 각 개소에 있어서 실질 동일한 폭으로 설정되어 있어도 된다.

변형예 11로서는, 복합 렌즈 어레이(18)에 있어서의 복합면(20)은, 평행화면(21)의 형상을, 경사진 평면 형상으로 치환한 구성이어도 된다.

변형예 12로서는, 차량(1) 이외의 선박 내지는 비행기 등의 각종 이동체(수송 기기)에, 본 개시를 적용해도 된다.

상술한 헤드업 디스플레이 장치는, 이동체(1)에 탑재되며, 이동체의 투영 부재(3)를 향하여 표시광을 투영하고, 표시광을 투영 부재에서 반사시키면서 이동체에 설치된 시인 영역 EB에 도달시킴으로써, 시인 영역 내로부터 시인 가능한 허상 VI를 표시한다. 광원부(10)는 조명광을 발한다. 집광부(14)는 조명광을 집광에 의해 평행화한다. 액정 소자(30)는 개구부(32)에 복수의 액정 화소(34)를 배열하고, 개구부가 집광부로부터 사출된 조명광에 조명됨으로써 화상을 형성하고, 조명광의 입사 방향 IND에 따른 사출 방향 EXD로, 화상의 표시광을 광속상으로 사출한다. 확대 도광부(40)는 정의 굴절력을 갖는 정의 광학 소자(44)와, 부의 굴절력을 갖는 부의 광학 소자(42)를 갖고, 양쪽 광학 소자를 광로 상에 배치함으로써, 허상이 확대되도록, 액정 소자로부터의 표시광을 투영 부재를 향하여 도광한다. 부의 광학 소자는, 정의 광학 소자보다도 광로 상의 액정 소자측에 배치된다.

이와 같은 개시에 따르면, 확대 도광부는, 액정 소자로부터의 표시광을 투영 부재를 향하여 도광한다. 여기서 확대 도광부는, 정의 굴절력을 갖는 정의 광학 소자와, 부의 굴절력을 갖는 부의 광학 소자를 갖는다. 그리고, 부의 광학 소자는, 정의 광학 소자보다도 광로 상의 액정 소자측에 배치된다. 이러한 양쪽 광학 소자가 광로 상에 배치된 HUD 장치의 광학계에서는, 정의 광학 소자를 사용하여 허상을 확대하면서도, 부의 광학 소자도 사용함으로써 입사동을 액정 소자보다도 광원부측으로 멀어지게 할 수 있다. 입사동이 멀어짐으로써, 시인 영역 내로부터 표시광의 사출 방향을 따라서 액정 소자의 개구부를 들여다보는 광로가 구성 가능해진다. 따라서, 시인에 기여하는 표시광의 방향과, 액정 소자로부터의 사출 방향의 어긋남을 억제 가능해진다. 당해 사출 방향은, 평행화된 조명광의 액정 소자에의 입사 방향에 따른 것이기 때문에, 액정 화소간의 휘도차를 감소시키면서, 조명광을 화상의 표시광으로서 효율적으로 시인 영역에 도달시킬 수 있다.

또한, 부의 광학 소자와 액정 소자 사이의 광로 상에서는, 시인에 기여하는 표시광의 방향이, 집광부에 의해 평행화된 조명광의 입사 방향을 따른 사출 방향에 가까워짐으로써, 당해 부의 광학 소자의 체격 확대를 억제하면서, 표시광을 도광 가능해진다. 이상에 의해, 화상을 확대해도, 체격 증대를 억제하면서, 허상의 시인성이 양호한 HUD 장치를 제공할 수 있다.

본 개시는, 실시예에 준거하여 기술되었지만, 본 개시는 당해 실시예나 구조에 한정되는 것은 아니라고 이해된다. 본 개시는, 다양한 변형예나 균등 범위 내의 변형도 포함한다. 게다가, 다양한 조합이나 형태, 나아가, 그것들에 1요소만, 그것 이상, 혹은 그것 이하를 포함하는 다른 조합이나 형태도, 본 개시의 범주나 사상 범위에 들어가는 것이다.

Claims

이동체(1)에 탑재되며, 상기 이동체의 투영 부재(3)를 향하여 표시광을 투영하고, 상기 표시광을 상기 투영 부재(3)에서 반사시키면서 상기 이동체에 설치된 시인 영역(EB)에 도달시킴으로써, 상기 시인 영역(EB) 내로부터 시인 가능한 허상(VI)을 표시하는 헤드업 디스플레이 장치이며,
조명광을 발하는 광원부(10)와,
상기 조명광을 집광에 의해 평행화하는 집광부(14)와,
개구부(32)에 복수의 액정 화소(34)를 배열하고, 상기 개구부(32)가 상기 집광부(14)로부터 사출된 상기 조명광에 조명됨으로써 화상을 형성하고, 상기 조명광의 입사 방향(IND)에 따른 사출 방향(EXD)으로, 상기 화상의 상기 표시광을 광속상으로 사출하는 액정 소자(30)와,
정의 굴절력을 갖는 정의 광학 소자(44)와, 부의 굴절력을 갖는 부의 광학 소자(42)를 갖고, 양쪽 상기 광학 소자(44, 42)를 광로 상에 배치함으로써, 상기 허상(VI)이 확대되도록, 상기 액정 소자(30)로부터의 상기 표시광을 상기 투영 부재(3)를 향하여 도광하는 확대 도광부(40)를 구비하고,
상기 부의 광학 소자(42)는, 상기 정의 광학 소자(44)보다도 상기 광로 상의 상기 액정 소자(30)측에 배치되는, 헤드업 디스플레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 정의 광학 소자(44)는, 오목 형상으로 만곡한 곡면 형상의 반사면(45)을 갖는 오목면경이며,
상기 부의 광학 소자(42)는, 볼록 형상으로 만곡한 곡면 형상의 반사면(43)을 갖는 볼록면경인, 헤드업 디스플레이 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 집광부(14)는 복합면(20)이 설치된 복합 렌즈(18)를 갖고,
상기 복합면(20)은, 상기 조명광을 굴절에 의해 평행화하는 평행화면(21)과, 상기 조명광을 상기 평행화면의 굴절과는 반대측으로 편향하는 편향면(22)이 교대로 이어지는 교대 배열 구조를 형성하고 있는, 헤드업 디스플레이 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 개구부(32)는 긴 쪽 방향(LD) 및 짧은 쪽 방향(SD)을 갖는 직사각형으로 형성되고,
상기 집광부(14)는 상기 조명광을 집광하는 집광면(17)이 설치된 집광 렌즈(15)를 갖고,
상기 집광면은, 상기 긴 쪽 방향에 대응하는 방향(RLD)의 곡률과 상기 짧은 쪽 방향에 대응하는 방향(RSD)의 곡률이 상이한 애너모픽면인, 헤드업 디스플레이 장치.