WO2017086002A1 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

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WO2017086002A1
WO2017086002A1 PCT/JP2016/076884 JP2016076884W WO2017086002A1 WO 2017086002 A1 WO2017086002 A1 WO 2017086002A1 JP 2016076884 W JP2016076884 W JP 2016076884W WO 2017086002 A1 WO2017086002 A1 WO 2017086002A1
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light
light source
polarizer
crystal panel
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PCT/JP2016/076884
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優 東ヶ崎
孝啓 南原
Original Assignee
株式会社デンソー
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    • G02F1/133607Direct backlight including a specially adapted diffusing, scattering or light controlling members the light controlling member including light directing or refracting elements, e.g. prisms or lenses

Definitions

  • This disclosure relates to a head-up display device (hereinafter abbreviated as a HUD device) that is mounted on a moving body and displays a virtual image so that an image can be visually recognized by a passenger.
  • a HUD device head-up display device
  • the HUD device disclosed in Patent Document 1 includes a light source unit that emits light source light and a liquid crystal display element that forms an image by transmitting part of the light source light.
  • the liquid crystal display element has a liquid crystal layer between a pair of polarizers for liquid crystal.
  • Each liquid crystal polarizer is provided via a liquid crystal layer and a space.
  • the polarizer for liquid crystal when the polarizer for liquid crystal is provided through the space between the liquid crystal layer and the light source light blocked by the polarizer for liquid crystal is converted into heat, for example, the temperature of the liquid crystal layer is suppressed by the space. Thus, it is considered that the durability of the HUD device is improved. However, there is a concern that the quality (for example, contrast) of an image formed by the liquid crystal display element is lowered by the space.
  • An object of the present disclosure is to provide a HUD device having high durability while suppressing deterioration in image quality.
  • a head-up display device that is mounted on a moving body and projects an image on a projection member to display a virtual image so that the image can be visually recognized by an occupant includes a light source unit that emits light source light and a pair of liquid crystals A liquid crystal panel that forms an image by transmitting a part of the light source light by integrally including a polarizer for liquid crystal and a liquid crystal layer between the liquid crystal polarizers in a stacked state, and a light source unit And an additional polarizer disposed on the optical path between the liquid crystal panel.
  • the additional polarizer and the pair of liquid crystal polarizers have a property of transmitting polarized light along the transmission axis and shielding polarized light along the light shielding axis intersecting the transmission axis.
  • the additional polarizer is arranged by aligning the transmission axis and the light shielding axis with the liquid crystal polarizer on the light source unit side of the pair of liquid crystal polarizers.
  • the pair of liquid crystal polarizers and the liquid crystal layer between the liquid crystal polarizers are integrally provided in a stacked state.
  • An additional polarizer is arranged on the optical path between the light source unit and the liquid crystal panel.
  • the additional polarizer and the liquid crystal polarizer on the light source unit side are arranged so that the transmission axis and the light shielding axis are aligned with each other. Therefore, the light source transmits the additional polarizer and is polarized light along the transmission axis. The light is transmitted through the polarizer for liquid crystal on the light source part side without being blocked, and an image is formed. In this way, the temperature rise of the liquid crystal panel due to the conversion of the light source light into heat by the liquid crystal polarizer on the light source unit side is suppressed, and an image can be formed on the laminated liquid crystal panel. As described above, it is possible to provide a HUD device with high durability while suppressing deterioration in image quality.
  • FIG. 9 is a diagram corresponding to FIG. 2 in Modification 1.
  • the HUD device 100 As shown in FIG. 1, the HUD device 100 according to the first embodiment is mounted on a vehicle 1 that is a kind of moving body and is housed in an instrument panel 2.
  • the HUD device 100 projects an image on a windshield 3 as a projection member of the vehicle 1.
  • the HUD device 100 displays a virtual image so that the image can be visually recognized by the passenger of the vehicle 1. That is, the light of the image reflected by the windshield 3 reaches the occupant's eye in the vehicle 1 and the occupant perceives the light of the image as a virtual image VI.
  • a crew member can recognize various information by virtual image VI. Examples of various information displayed as a virtual image as an image include vehicle state values such as a vehicle speed and a remaining amount of fuel, or navigation information such as road information and visibility assistance information.
  • the windshield 3 of the vehicle 1 is formed in a plate shape with translucent glass or synthetic resin.
  • the surface on the indoor side is formed in a concave shape or a flat plane shape that curves the projection surface 3a on which the image is projected.
  • a combiner separate from the vehicle 1 instead of the windshield 3, may be installed in the vehicle 1, and an image may be projected onto the combiner.
  • the HUD device 100 includes a light source unit 12, a condensing unit 20, a diffusing unit 30, a polarizer 40, a reflecting unit 50, a liquid crystal panel 60, and a light guiding unit 70, which are housings. 80 is held and held. Furthermore, the light source unit 12, the condensing unit 20, the diffusing unit 30, the polarizer 40, the reflecting unit 50, and the liquid crystal panel 60 are accommodated in the projector case 10a to constitute the projector 10. The projector 10 projects an image toward the windshield 3 through the light guide unit 70 by partially transmitting the light source light from the light source unit 12 through the liquid crystal panel 60.
  • the light source unit 12 includes a light source circuit board 14 and a plurality of light emitting elements 16.
  • the light source circuit board 14 electrically connects the power source and each light emitting element 16 through a wiring pattern on the board 14.
  • Each light emitting element 16 is a light emitting diode element, and emits light source light with a light emission amount corresponding to a current amount when energized.
  • a blue light emitting diode is covered with a phosphor to realize pseudo white light emission.
  • the light source light emitted from each light emitting element 16 is randomly polarized.
  • the radiator fins 18 exposed from the projector case 10a and the housing 80 are provided on the side opposite to the light emitting elements 16 with the light source circuit board 14 interposed therebetween.
  • the light source light emitted from the light source unit 12 enters the light collecting unit 20 and is collected by the light collecting unit 20.
  • the condensing unit 20 is disposed on the optical path between the light source unit 12 and the liquid crystal panel 60 and includes a condenser lens 22 and a field lens 24.
  • the condenser lens 22 is a translucent lens made of a synthetic resin such as an acrylic resin, and is disposed in the condensing unit 20 so as to face the light source unit 12.
  • the condenser lens 22 is a lens array formed by arranging a plurality of lens elements 22 a having the same number as the light emitting elements 16.
  • the lens elements 22 a are arranged so as to face the corresponding light emitting elements 16.
  • Each lens element 22a has a first refracting surface 22b on the light source unit 12 side in a common single plane extending over each lens element 22a.
  • Each lens element 22a has a second refracting surface 22c on the liquid crystal panel 60 side in an individual smooth convex shape.
  • the light source light condensed by the refractive action of the condenser lens 22 enters the field lens 24.
  • the field lens 24 is a translucent lens made of a synthetic resin such as acrylic resin, and is disposed on the liquid crystal panel 60 side of the condenser lens 22 in the light condensing unit 20.
  • the field lens 24 is a composite Fresnel lens. Specifically, the field lens 24 forms a smooth single planar incident optical surface 24a on the condenser lens 22 side. Further, the field lens 24 forms a composite optical surface 24b in which a plurality of divided optical surfaces 24c are connected on the liquid crystal panel 60 side. In FIG. 3, only a part of the divided optical surface 24 c and the composite optical surface 24 b is denoted by reference numerals.
  • the condenser lens 22 and the field lens 24 have unintended phase difference characteristics due to residual stress generated during molding.
  • the light source light condensed by the refraction action of the condenser lens 22 and the field lens 24 enters the diffusing unit 30.
  • the diffusing unit 30 is disposed on the optical path between the light source unit 12 and the liquid crystal panel 60, particularly in the present embodiment, on the optical path between the light collecting unit 20 and the polarizer 40.
  • the diffusion portion 30 is formed in a flat plate shape made of a synthetic resin such as a polyester resin.
  • the diffusing portion 30 is formed by fixing a large number of spherical beads having a variation in particle diameter on the surface of the translucent substrate.
  • the light source light incident on the diffusing unit 30 enters the polarizer 40 while being diffused by the diffusing action of the beads.
  • the polarizer 40 is disposed on the optical path between the light source unit 12 and the liquid crystal panel 60, particularly in the present embodiment, on the optical path between the light collecting unit 20 and the diffusing unit 30 and the liquid crystal panel 60. In other words, the polarizer 40 is disposed closer to the liquid crystal panel 60 than the condensing unit 20 and the diffusing unit 30.
  • the polarizer 40 has a property of transmitting polarized light along the transmission axis 40a and shielding polarized light along the light shielding axis 40b intersecting the transmission axis 40a (see also FIG. 6).
  • the polarizer 40 of the first embodiment is a reflective polarizer having a property of reflecting polarized light along the light shielding axis 40b.
  • the polarizer 40 employs a wire grid polarizer as a reflective polarizer.
  • the polarizer 40 is formed in a film shape, and a plurality of metal wires such as aluminum are arranged in parallel to each other at a predetermined pitch in a direction along the film surface.
  • the predetermined pitch is set smaller than the wavelength of the light source light, for example, about 100 to 200 nm.
  • the extending direction of the metal wire corresponds to the transmission axis 40a
  • the arrangement direction of the metal wire corresponds to the light shielding axis 40b.
  • the polarized light component along the transmission axis 40 a of the light source light is transmitted through the polarizer 40, and the polarized light component along the light shielding axis 40 b is transmitted to the light source unit 12 side by the polarizer 40. Reflected to.
  • the reflection unit 50 is disposed on the light source unit 12 side with respect to the polarizer 40, and in particular in the first embodiment, is disposed on the light source unit 12 side with respect to the light collection unit 20 and the diffusion unit 30.
  • the reflecting portion 50 is provided by attaching a reflecting film to a portion of the surface of the light source circuit board 14 on the liquid crystal panel 60 side excluding the mounting portion of each light emitting element 16.
  • the reflection unit 50 reflects the light source light reflected by the polarizer 40 toward the light source unit 12 toward the liquid crystal panel 60 again.
  • the light source light that is reflected by the reflection unit 50 and reaches the polarizer 40 again travels back and forth between the polarizer 40 and the reflection unit 50, thereby causing the diffusion unit 30 and the light collection unit 20 to each pass twice.
  • the light source light during the reciprocation passes through the diffusing unit 30
  • the light source light is subjected to a depolarizing action simultaneously with the diffusing action.
  • the polarization state may be changed variously depending on the transmission path due to the influence of the phase difference characteristic due to the residual stress and the influence of the polarization aberration generated simultaneously with the refraction action. .
  • the light source light which has been polarized along the light shielding axis 40b when reflected by the polarizer 40, reaches the polarizer 40 again via the reflecting portion 50, it includes a component of polarized light along the transmission axis 40a. ing.
  • the polarized light component along the transmission axis 40 a is transmitted through the polarizer 40.
  • the liquid crystal panel 60 is a liquid crystal panel using thin film transistors (Thin Film Transistors, TFTs), and is formed of, for example, a plurality of liquid crystal pixels 60a arranged in a two-dimensional direction.
  • TFTs Thin Film Transistors
  • This is an active matrix type liquid crystal panel.
  • the liquid crystal panel 60 integrally includes a pair of liquid crystal polarizers 61 and 62 and a liquid crystal layer 64 between the liquid crystal polarizers 61 and 62 in a stacked state.
  • the liquid crystal polarizer 61 on the light source unit 12 side transmits polarized light along the transmission axis 61a and intersects with the transmission axis 61a. It has the property of shielding the polarized light along the axis.
  • the liquid crystal polarizer 62 on the windshield 3 side (that is, the light guide unit 70 side) transmits polarized light along the transmission axis 62a and shields polarized light along the light shielding axis 62b intersecting the transmission axis 62a. It has properties.
  • the pair of liquid crystal polarizers 61 and 62 are disposed so that the transmission axes 61a and 62a are substantially orthogonal to each other.
  • Each of the liquid crystal polarizers 61 and 62 is an absorptive polarizer having a property of absorbing polarized light along the light shielding axes 61b and 62b.
  • each of the polarizers 61 and 62 for liquid crystal is an absorptive polarizer formed by adding iodine which is a dichroic dye to polyvinyl alcohol.
  • Each of the liquid crystal polarizers 61 and 62 has transmission axes 61a and 62a and light shielding axes 61b and 62b substantially orthogonal to each other depending on the orientation direction of iodine molecules.
  • the polarizer for liquid crystal 61 on the light source unit 12 side is arranged such that the polarizer 40, the transmission axes 61a and 40a, and the light shielding axes 61b and 40b are aligned with each other.
  • the transmission axes 61a and 40a are arranged so as to overlap each other. .
  • the polarized light source light that passes through the polarizer 40 and passes along the transmission axis 40a passes through the liquid crystal polarizer 61 with a high transmittance.
  • the polarization component along the light shielding axis 61b hardly enters the liquid crystal polarizer 61.
  • the polarizer 40 is bonded to the liquid crystal panel 60 without a gap as shown in FIG.
  • the liquid crystal panel 60 has a pair of transparent electrodes 63a and 63b between the pair of liquid crystal polarizers 61 and 62 and the liquid crystal layer 64, as shown in FIG.
  • the liquid crystal layer 64 is disposed between the pair of transparent electrodes 63a and 63b.
  • the liquid crystal layer 64 is filled with a solution mainly containing liquid crystal molecules such as nematic liquid crystal.
  • the liquid crystal layer 64 has the polarization of the light source light transmitted through the liquid crystal layer 64 according to the applied voltage. It is possible to change the direction.
  • the thickness of the liquid crystal layer 64 changes by 90 degrees due to the transmission of the liquid crystal layer 64 when the polarization direction of light perpendicularly incident from the stacking direction LD of the liquid crystal panel 60 is a predetermined voltage (for example, 0 V) corresponding to the maximum transmittance. Is set to do.
  • a predetermined voltage for example, 0 V
  • each liquid crystal pixel 60 a forms a wiring part 65 that is an image non-forming part and an opening 66 that is surrounded by the wiring part 65 and can form an image.
  • the liquid crystal panel 60 is also laminated with a color filter 67 for forming a color image.
  • the transmittance of the incident light source light is controlled by controlling the applied voltage in each liquid crystal pixel 60a. Therefore, the liquid crystal panel 60 can form an image by transmitting a part of the light source light.
  • the light of the projected image is introduced into the light guide unit 70 by exposing the light guide unit 70 side of the liquid crystal panel 60 in the projector case 10 a.
  • the light guide unit 70 is an optical system that guides the image light from the projector 10 toward the windshield 3.
  • the light guide unit 70 includes a plane mirror 72 and a concave mirror 74.
  • the plane mirror 72 is formed by evaporating aluminum as the reflecting surface 72a on the surface of a base material made of synthetic resin or glass.
  • the reflective surface 72a is provided on the side facing the liquid crystal panel 60 and the concave mirror 74, and is formed in a flat planar shape.
  • the plane mirror 72 reflects the image light from the liquid crystal panel 60 toward the concave mirror 74.
  • the concave mirror 74 is formed by evaporating aluminum as a reflective surface 74a on the surface of a base material made of synthetic resin or glass.
  • the reflection surface 74a is provided on the side facing the plane mirror 72 and the windshield 3, and is formed in a smooth curved surface as a concave surface in which the center of the concave mirror 74 is recessed.
  • the concave mirror 74 reflects the image light from the plane mirror 72 toward the windshield 3 through the opening 80 a that opens in the housing 80.
  • the pair of liquid crystal polarizers 61 and 62 and the liquid crystal layer 64 between the liquid crystal polarizers 61 and 62 are integrally provided in a stacked state.
  • An additional polarizer 40 is disposed on the optical path between the light source unit 12 and the liquid crystal panel 60.
  • the additional polarizer 40 and the liquid crystal polarizer 61 on the light source unit 12 side are arranged so that the transmission axes 40a and 61a and the light shielding axes 40b and 61b are aligned with each other, the additional polarizer 40 is provided.
  • the light source light that is transmitted and polarized along the transmission axis 40a is transmitted through the liquid crystal polarizer 61 on the light source unit 12 side with almost no light shielding, and an image is formed.
  • the temperature rise of the liquid crystal panel 60 due to the conversion of the light source light into the heat by the liquid crystal polarizer 61 on the light source unit 12 side is suppressed, and an image can be formed on the laminated liquid crystal panel 60.
  • the additional polarizer 40 is disposed on the optical path between the diffusing unit 30 and the liquid crystal panel 60. Therefore, even if the polarization of the light source light diffused by the diffusing unit 30 is disturbed simultaneously with the diffusing action, the light becomes polarized along the liquid crystal polarizer 61 on the light source unit 12 side when passing through the additional polarizer 40 thereafter. Therefore, the temperature rise of the liquid crystal panel 60 due to the conversion of the light source light into heat in the liquid crystal polarizer 61 is suppressed. In this way, the durability of the HUD device 100 can be enhanced while improving the image quality using diffusion.
  • the additional polarizer 40 is disposed on the optical path between the light collecting unit 20 and the liquid crystal panel 60. Therefore, even if a polarization aberration or the like occurs at the same time as the light condensing effect on the light source light collected by the light converging unit 20, the liquid crystal polarizer 61 on the light source unit 12 side is transmitted to the additional polarizer 40 after that. Therefore, the temperature rise of the liquid crystal panel 60 due to the conversion of the light source light into heat is suppressed in the liquid crystal polarizer 61. In this way, the durability of the HUD device 100 can be enhanced while improving the image quality using the light collection.
  • the additional polarizer 40 is a reflective polarizer having a property of reflecting the polarized light along the light shielding axis 40b toward the light source unit 12 side. Such reflection on the light source unit 12 side can suppress the conversion of the light source light into heat in the vicinity of the liquid crystal panel 60.
  • the reflection unit 50 is disposed closer to the light source unit 12 than the additional polarizer 40 and reflects the light source light reflected by the additional polarizer 40 toward the liquid crystal panel 60 again. Is further provided. A part of the light source light reflected by the reflector 50 is reused by passing through the additional polarizer 40, and the brightness of the image can be increased. Thus, the quality of the image is increased.
  • the additional polarizer 40 is bonded to the liquid crystal panel 60.
  • the second embodiment is a modification of the first embodiment.
  • the second embodiment will be described with a focus on differences from the first embodiment.
  • the polarizer 240 corresponding to the polarizer 40 is disposed on the optical path between the light condensing unit 20 and the diffusing unit 230 and the liquid crystal panel 260 as in the first embodiment.
  • the polarizer 240 is disposed closer to the liquid crystal panel 260 than the condensing unit 20 and the diffusing unit 230.
  • the polarizer 240 is bonded to the diffusing unit 230 and is disposed with the liquid crystal panel 260 via the space SP.
  • the polarizer 240 is an absorption polarizer having a property of absorbing polarized light along the light shielding axis 40b.
  • the polarizer 240 is an absorptive polarizer formed by adding iodine, which is a dichroic dye, to polyvinyl alcohol, similarly to the pair of liquid crystal polarizers 61 and 62.
  • the polarizer 240 has a transmission axis 40a and a light-shielding axis 40b substantially orthogonal to each other depending on the orientation direction of iodine molecules.
  • the reflection part 50 is not provided in the HUD apparatus 200 of 2nd Embodiment.
  • the polarizer 240 is arranged such that the liquid crystal polarizer 61 on the light source unit 12 side of the pair of liquid crystal polarizers 61 and 62 is aligned with the transmission axes 40a and 61a and the light shielding axes 40b and 61b. Has been. Therefore, it is possible to achieve the operational effects according to the first embodiment.
  • the additional polarizer 240 is an absorptive polarizer having a property of absorbing polarized light along the light shielding axis 40b, and is disposed with the liquid crystal panel 260 through the space SP. Yes.
  • Such space SP makes it difficult for the heat of the light source light absorbed by the additional polarizer 240 to be transmitted to the liquid crystal panel 260, so that the durability of the HUD device 200 can be improved.
  • the light guide unit 70 may include only the concave mirror 74 without the plane mirror 72.
  • various optical elements such as a reflecting mirror, a lens, a prism, a polarizing plate, a phase difference plate, and an optical filter may be added to the light guide unit 70, for example.
  • the additional polarizer 240 of the second embodiment may be replaced with a reflective polarizer instead of the absorbing polarizer. That is, even if the additional polarizer 240 is a reflective polarizer, the additional polarizer 240 may be disposed via the liquid crystal panel 260 and the space SP by being bonded to the diffusion unit 230. In other words, even if the additional polarizer 240 is a reflection-type polarizer, it is not necessary to provide the reflecting portion 50 corresponding thereto.
  • the additional polarizer 40 may be formed in a plate shape that is not bonded to another member and may be independently held in the projector case 10a.
  • the reflection unit 50 changes the light source light reflected by the polarizer 40 to the liquid crystal panel 60 side again by making the solder resist on the surface of the circuit board for light source 14 light (for example, white). You may make it reflect toward.
  • the condensing unit 20 may be configured by one lens as long as it condenses the light source light from the light source unit 12, and is configured by three or more lens groups. May be.
  • the HUD device 100 may not include at least one of the light collecting unit 20 and the diffusion unit 30.
  • a driving method such as a VA (Vertical Alignment) method or an IPS (In-Place-Switching) method can be adopted for the liquid crystal panel in addition to the TN (Twisted Nematic) method. Further, a passive matrix type may be employed for the liquid crystal panel.
  • VA Vertical Alignment
  • IPS In-Place-Switching
  • the present disclosure may be applied to various moving bodies (transport equipment) such as a ship or an airplane other than the vehicle 1.

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Abstract

移動体(1)に搭載され、投影部材(3)に画像を投影することにより、乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置は、光源光を発する光源部(12)と、一対の液晶用偏光子(61,62)と、液晶用偏光子間の液晶層(64)とを、互いに積層した状態で一体的に有することにより、光源光のうち一部を透過させることで画像を形成する液晶パネル(60,260)と、光源部と液晶パネルとの間の光路上において配置される追加の偏光子(40,240)と、を備える。追加の偏光子及び一対の液晶用偏光子は、透過軸(40a,61a,62a)に沿った偏光を透過させ、透過軸と交差する遮光軸(40b,61b,62b)に沿った偏光を遮光する性質を有する。追加の偏光子は、一対の液晶用偏光子のうち光源部側の液晶用偏光子(61)と透過軸(40a,61a)及び遮光軸(40b,61b)をそれぞれ合わせて配置される。

Description

ヘッドアップディスプレイ装置 関連出願の相互参照
 本出願は、2015年11月19日に出願された日本特許出願2015-226956号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
 本開示は、移動体に搭載され、画像を乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置(以下、HUD装置を略称とする)に関する。
 従来、移動体に搭載され、画像を乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置が知られている。特許文献1に開示のHUD装置は、光源光を発する光源部と、光源光のうち一部を透過させることで画像を形成する液晶表示素子と、を備えている。
 液晶表示素子は、一対の液晶用偏光子との間に、液晶層を有してなる。各液晶用偏光子は、液晶層と空間を介して設けられている。
特開2007-86387号公報
 このように液晶層と空間を介して液晶用偏光子を設けると、例えば液晶用偏光子にて遮光された光源光が熱に変換されても、当該空間により液晶層の温度上昇を抑制することで、HUD装置の耐久性が向上すると考えられる。しかしその空間によって、液晶表示素子が形成する画像の質(例えばコントラスト)が低下してしまうことが懸念されている。
 本開示の目的は、画像の質の低下を抑制しつつ、耐久性が高いHUD装置を提供することにある。
 本開示の一態様において、移動体に搭載され、投影部材に画像を投影することにより、画像を乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置は、光源光を発する光源部と、一対の液晶用偏光子と、液晶用偏光子間の液晶層とを、互いに積層した状態で一体的に有することにより、光源光のうち一部を透過させることで画像を形成する液晶パネルと、光源部と液晶パネルとの間の光路上において配置される追加の偏光子と、を備える。追加の偏光子及び一対の液晶用偏光子は、透過軸に沿った偏光を透過させ、透過軸と交差する遮光軸に沿った偏光を遮光する性質を有する。追加の偏光子は、一対の液晶用偏光子のうち光源部側の液晶用偏光子と透過軸及び遮光軸をそれぞれ合わせて配置される。
 このように、液晶パネルにおいて、一対の液晶用偏光子と、液晶用偏光子間の液晶層とが、互いに積層した状態で一体的に設けられている。そして、追加の偏光子が、光源部と液晶パネルとの間の光路上において配置されている。このような配置により、光源部からの光源光のうち、追加の偏光子の遮光軸に沿った偏光の成分は、液晶パネルに到達する以前の追加の偏光子にて遮光される。すなわち、光源光のうち追加の偏光子の透過軸に沿った偏光が液晶パネルへと向かう。
 追加の偏光子と、光源部側の液晶用偏光子とは、透過軸及び遮光軸を互いに合わせて配置されているので、追加の偏光子を透過し、その透過軸に沿った偏光である光源光は、当該光源部側の液晶用偏光子にて殆ど遮光されずに透過して、画像は形成される。こうして、光源部側の液晶用偏光子での光源光の熱への変換による液晶パネルの温度上昇が抑制されると共に、積層状態の液晶パネルで画像を形成可能となる。以上により、画像の質の低下を抑制しつつ、耐久性が高いHUD装置を提供することができる。
第1実施形態におけるHUD装置の車両への搭載状態を示す模式図である。 第1実施形態におけるHUD装置の概略構成を示す模式図である。 第1実施形態における集光部を一部拡大して示す図である。 第1実施形態における液晶パネルを一部拡大して示す断面図である。 第1実施形態における液晶パネルを一部拡大して示す平面図である。 第1実施形態における追加の偏光子、及び一対の液晶用偏光子の配置を示す模式図である。 第2実施形態における図2に対応する図である。 変形例1における図2に対応する図である。
 以下、複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合せることができる。
 (第1実施形態)
 図1に示すように、第1実施形態によるHUD装置100は、移動体の一種である車両1に搭載され、インストルメントパネル2内に収容されている。HUD装置100は、車両1の投影部材としてのウインドシールド3に画像を投影する。画像の光がウインドシールド3に反射されることで、HUD装置100は、画像を車両1の乗員により視認可能に虚像表示する。すなわち、ウインドシールド3に反射された画像の光が、車両1の室内において乗員の眼に到達し、当該乗員が画像の光を虚像VIとして知覚する。そして、乗員は、虚像VIにより各種情報を認識することができる。画像として虚像表示される各種情報としては、例えば、車速、燃料残量等の車両状態値、又は道路情報、視界補助情報等のナビゲーション情報が挙げられる。
 車両1のウインドシールド3は、透光性のガラスないしは合成樹脂等により板状に形成されている。ウインドシールド3において、室内側の面は、画像が投影される投影面3aを湾曲する凹面状又は平坦な平面状に形成している。なお、投影部材として、ウインドシールド3の代わりに、車両1と別体となっているコンバイナを車両1内に設置して、当該コンバイナに画像を投影するものであってもよい。
 このようなHUD装置100の具体的構成を、図2~6に基づいて、以下に説明する。HUD装置100は、図2に示すように、光源部12、集光部20、拡散部30、偏光子40、反射部50、液晶パネル60、及び導光部70を備えており、これらはハウジング80に収容され、保持されている。さらに光源部12、集光部20、拡散部30、偏光子40、反射部50、及び液晶パネル60は、投射器ケース10aに収容されて投射器10を構成している。投射器10は、光源部12からの光源光を液晶パネル60にて一部透過させることにより、画像を導光部70を介してウインドシールド3へ向けて投射する。
 光源部12は、光源用回路基板14、及び複数の発光素子16を有している。光源用回路基板14は、当該基板14上の配線パターンを通じて、電源と各発光素子16とを電気的に接続している。各発光素子16は、発光ダイオード素子であり、通電により電流量に応じた発光量にて、光源光を発する。各発光素子16では、例えば青色発光ダイオードを蛍光体で覆うことにより、疑似白色での発光が実現されている。なお、各発光素子16が発する光源光は、ランダム偏光となっている。また、光源用回路基板14を挟んで各発光素子16とは反対側には、投射器ケース10a及びハウジング80から露出した放熱フィン18が設けられている。
 こうして光源部12により発せられた光源光は、集光部20に入射し、当該集光部20により集光される。
 集光部20は、図2に示すように、光源部12と液晶パネル60との間の光路上に配置され、コンデンサレンズ22及びフィールドレンズ24を有している。
 コンデンサレンズ22は、図3に詳細を示すように、例えばアクリル樹脂等の合成樹脂からなる透光性のレンズであり、集光部20において光源部12と対向して配置されている。コンデンサレンズ22は、発光素子16と同数のレンズ素子22aを複数配列して形成されているレンズアレイとなっている。各レンズ素子22aは、配列されていることで、それぞれ対応する発光素子16と対向している。各レンズ素子22aは、光源部12側において第1屈折面22bを、各レンズ素子22aに亘って共通の単一平面状に有している。また各レンズ素子22aは、液晶パネル60側において第2屈折面22cを、個別の滑らかな凸面状に有している。
 こうしてコンデンサレンズ22の屈折作用により集光された光源光は、フィールドレンズ24に入射する。
 フィールドレンズ24は、例えばアクリル樹脂等の合成樹脂からなる透光性のレンズであり、集光部20においてコンデンサレンズ22よりも液晶パネル60側に配置されている。フィールドレンズ24は、複合型フレネルレンズとなっている。具体的にフィールドレンズ24は、コンデンサレンズ22側において滑らかな単一平面状の入射光学面24aを形成している。また、フィールドレンズ24は、液晶パネル60側において、複数に分割された分割光学面24cが連なっている複合光学面24bを形成している。なお、図3では、分割光学面24c及び複合光学面24bの一部分にのみ符号が付されている。
 なお、コンデンサレンズ22及びフィールドレンズ24は、成形する際に生じた残留応力により、意図しない位相差特性を有している。
 こうしてコンデンサレンズ22及びフィールドレンズ24の屈折作用により集光された光源光は、拡散部30に入射する。
 拡散部30は、図2に示すように、光源部12と液晶パネル60との間の光路上、特に本実施形態では、集光部20と偏光子40との間の光路上に配置されている。拡散部30は、例えばポリエステル樹脂等の合成樹脂からなる平板状に形成されている。拡散部30は、透光性基板の表面に、粒径にばらつきがある多数の球状のビーズを定着させて形成されている。こうして、拡散部30に入射した光源光は、ビーズの拡散作用により、拡散されつつ、偏光子40に入射する。
 偏光子40は、光源部12と液晶パネル60との間の光路上、特に本実施形態では、集光部20及び拡散部30と液晶パネル60との間の光路上に配置されている。換言すると、偏光子40は、集光部20及び拡散部30よりも液晶パネル60側に配置されている。偏光子40は、透過軸40aに沿った偏光を透過させ、透過軸40aと交差する遮光軸40bに沿った偏光を遮光する性質を有している(図6も参照)。第1実施形態の偏光子40は、遮光軸40bに沿った偏光を反射する性質を有する反射型偏光子となっている。
 具体的に、偏光子40には、反射型偏光子としてのワイヤグリッド偏光子が採用されている。この偏光子40は、フィルム状に形成されており、当該フィルム表面に沿った方向に、例えばアルミニウム等の複数の金属ワイヤが所定のピッチで互いに平行に配列されている。ここで、所定のピッチは、光源光の波長よりも小さく設定され、例えば100~200nm程度に設定されている。この偏光子40において、金属ワイヤの延伸方向が透過軸40aに相当し、金属ワイヤの配列方向が遮光軸40bに相当する。
 なお、反射型偏光子として、ワイヤグリッド偏光子の代わりに、複数の光学フィルムを積層して、それらの干渉作用を用いることで、遮光軸40bに沿った偏光を反射する性質を有する偏光子が採用されてもよい。
 このような偏光子40により、光源光のうち、透過軸40aに沿った偏光の成分は当該偏光子40を透過し、遮光軸40bに沿った偏光の成分は当該偏光子40により光源部12側へ反射される。
 反射部50は、偏光子40よりも光源部12側に配置され、特に第1実施形態では集光部20及び拡散部30よりも光源部12側に配置されている。具体的に反射部50は、光源用回路基板14の液晶パネル60側表面のうち各発光素子16の実装箇所を除く箇所に、反射フィルムを貼り付けることで設けられている。反射部50は、偏光子40により光源部12側へ反射された光源光を、再び液晶パネル60側へ向けて反射する。
 ここで、反射部50に反射されて再び偏光子40に到達する光源光は、偏光子40と反射部50との間を往復することにより、拡散部30及び集光部20をそれぞれ2回ずつ透過する。当該往復中の光源光が拡散部30を透過すると、当該光源光は、拡散作用と同時に、偏光解消作用を受ける。当該往復中の光源光が集光部20を透過すると、上述の残留応力による位相差特性の影響や、屈折作用と同時に生じる偏光収差の影響により、透過経路によって様々に偏極状態が変化し得る。
 したがって、偏光子40での反射時には遮光軸40bに沿った偏光であった光源光が反射部50を経て再び偏光子40に到達する時には、透過軸40aに沿った偏光の成分を含むようになっている。こうして、再び偏光子40に到達した光源光のうち透過軸40aに沿った偏光の成分は、当該偏光子40を透過する。
 液晶パネル60は、図2,4,5に示すように、薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor、TFT)を用いた液晶パネルであって、例えば2次元方向に配列された複数の液晶画素60aから形成されるアクティブマトリクス型の液晶パネルである。液晶パネル60は、一対の液晶用偏光子61,62と、当該液晶用偏光子61,62間の液晶層64とを、互いに積層した状態で一体的に有している。
 図6に示すように、一対の液晶用偏光子61,62のうち光源部12側の液晶用偏光子61は、透過軸61aに沿った偏光を透過させ、透過軸61aと交差する遮光軸61bに沿った偏光を遮光する性質を有している。同様に、ウインドシールド3側(すなわち導光部70側)の液晶用偏光子62も、透過軸62aに沿った偏光を透過させ、透過軸62aと交差する遮光軸62bに沿った偏光を遮光する性質を有している。ここで、一対の液晶用偏光子61,62は、互いに透過軸61a,62aを実質直交して配置される。各液晶用偏光子61,62は、遮光軸61b,62bに沿った偏光を吸収する性質を有する吸収型偏光子となっている。
 具体的に、各液晶用偏光子61,62は、ポリビニルアルコールに二色性色素であるヨウ素を添加して形成された吸収型偏光子である。この各液晶用偏光子61,62は、ヨウ素分子の配向方向によって透過軸61a,62aと遮光軸61b,62bとを互いに実質直交した状態で有している。
 ここで、光源部12側の液晶用偏光子61は、偏光子40と透過軸61a,40a及び遮光軸61b,40bを互いに合わせて配置されている。特に本実施形態では、液晶パネル60の厚みをなす積層方向LDに沿って液晶用偏光子61及び偏光子40を見た場合に、互いの透過軸61a,40aが丁度重なるように配置されている。
 このようにすることで、偏光子40を透過し、かつ透過軸40aに沿った偏光の光源光は、そのまま液晶用偏光子61を高透過率にて透過する。換言すれば、液晶用偏光子61には、その遮光軸61bに沿った偏光の成分が殆ど入射しない。なお、特に本実施形態では、偏光子40は、図2に示すように、液晶パネル60と隙間なく貼り合わされている。
 また液晶パネル60は、図4に示すように、一対の液晶用偏光子61,62と液晶層64との間に、一対の透明電極63a,63bを有している。液晶層64は、一対の透明電極63a,63bの間に挟まれて配置されている。液晶層64には、例えばネマティック液晶等の液晶分子を主成分とする溶液が充填されている。液晶画素60a毎の一対の透明電極63a,63b間の電圧印加により液晶分子の配向方向が制御されることで、液晶層64では、印加電圧に応じて当該液晶層64を透過する光源光の偏光方向を変化させることが可能となっている。
 液晶層64の厚みは、最大透過率に対応する所定電圧(例えば0V)の場合に、液晶パネル60の積層方向LDから垂直に入射する光の偏光方向が当該液晶層64の透過により90度変化するように、設定されている。光源光の偏光方向が液晶用偏光子61,62間で90度変化することで、ウインドシールド3側の液晶用偏光子62を透過することが可能となる。
 また図5に示すように、各液晶画素60aは、画像非形成部である配線部65と、当該配線部65に囲まれて開口し、画像を形成可能な開口部66とを形成している。また液晶パネル60には、カラー画像を形成するためのカラーフィルタ67も積層されている。
 このような構成により、各液晶画素60aにおいて印加電圧を制御することで入射する光源光の透過率が制御される。したがって、液晶パネル60は、光源光のうち一部を透過させることで画像を形成可能となっている。
 図2に示すように、投射器ケース10aにおいて液晶パネル60の導光部70側が露出していることで、投射された画像の光は導光部70に導入される。導光部70は、投射器10からの画像の光を、ウインドシールド3へ向けて導光する光学系である。導光部70は、平面鏡72及び凹面鏡74を有している。
 平面鏡72は、合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面に、反射面72aとしてアルミニウムを蒸着させること等により形成されている。反射面72aは、液晶パネル60及び凹面鏡74と向かい合う側に設けられ、平坦な平面状に形成されている。そして、平面鏡72は、液晶パネル60からの画像の光を、凹面鏡74へ向けて反射する。
 凹面鏡74は、合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面に、反射面74aとしてアルミニウムを蒸着させること等により形成されている。反射面74aは、平面鏡72及びウインドシールド3と向かい合う側に設けられ、凹面鏡74の中心が凹む凹面として、滑らかな曲面状に形成されている。そして、凹面鏡74は、平面鏡72からの画像の光を、ハウジング80において開口する開口部80aを通じて、ウインドシールド3へ向けて反射する。
 以上説明した第1実施形態の作用効果を以下に説明する。
 第1実施形態によると、液晶パネル60において、一対の液晶用偏光子61,62と、液晶用偏光子61,62間の液晶層64とが、互いに積層した状態で一体的に設けられている。そして、追加の偏光子40が、光源部12と液晶パネル60との間の光路上において配置されている。このような配置により、光源部12からの光源光のうち、追加の偏光子40の遮光軸40bに沿った偏光の成分は、液晶パネル60に到達する以前の追加の偏光子40にて遮光される。すなわち、光源光のうち追加の偏光子40の透過軸40aに沿った偏光の成分が液晶パネル60へと向かう。
 ここで、追加の偏光子40と、光源部12側の液晶用偏光子61とは、透過軸40a,61a及び遮光軸40b,61bを互いに合わせて配置されているので、追加の偏光子40を透過し、その透過軸40aに沿った偏光である光源光は、当該光源部12側の液晶用偏光子61にて殆ど遮光されずに透過して、画像は形成される。こうして、光源部12側の液晶用偏光子61での光源光の熱への変換による液晶パネル60の温度上昇が抑制されると共に、積層状態の液晶パネル60で画像を形成可能となる。以上により、画像の質の低下を抑制しつつ、耐久性が高いHUD装置100を提供することができる。
 また、第1実施形態によると、追加の偏光子40は、拡散部30と液晶パネル60との間の光路上に配置される。したがって、拡散部30により拡散される光源光の偏光が拡散作用と同時に乱れたとしても、その後追加の偏光子40を透過する際に光源部12側の液晶用偏光子61に沿った偏光となって当該液晶用偏光子61に入射するので、当該液晶用偏光子61での光源光の熱への変換による液晶パネル60の温度上昇が抑制される。こうして、拡散を用いて画像の質を高めつつ、HUD装置100の耐久性を高めることができる。
 また、第1実施形態によると、追加の偏光子40は、集光部20と液晶パネル60との間の光路上に配置される。したがって、集光部20により集光される光源光に集光作用と同時に偏光収差等が発生したとしても、その後追加の偏光子40を透過する際に光源部12側の液晶用偏光子61に沿った偏光となって当該液晶用偏光子61に入射するので、当該液晶用偏光子61での光源光の熱への変換による液晶パネル60の温度上昇が抑制される。こうして、集光を用いて画像の質を高めつつ、HUD装置100の耐久性を高めることができる。
 また、第1実施形態によると、追加の偏光子40は、遮光軸40bに沿った偏光を光源部12側に反射する性質を有する反射型偏光子である。このような光源部12側への反射により、光源光が液晶パネル60付近で熱に変換されることを抑制できる。
 また、第1実施形態によると、追加の偏光子40よりも光源部12側に配置され、追加の偏光子40により反射された光源光を、再び液晶パネル60側へ向けて反射する反射部50をさらに備える。反射部50に反射された光源光の一部が追加の偏光子40を透過することで再利用され、画像の輝度を高めることができる。こうして、画像の質が高まる。
 また、第1実施形態によると、追加の偏光子40は、液晶パネル60と貼り合わされている。このようにすることで、偏光子40を追加しても、HUD装置100に保持される部品点数の増加を抑制することができる。
 (第2実施形態)
 図7に示すように、第2実施形態は第1実施形態の変形例である。第2実施形態について、第1実施形態とは異なる点を中心に説明する。
 第2実施形態において、偏光子40に相当する偏光子240は、第1実施形態と同様に集光部20及び拡散部230と液晶パネル260との間の光路上に配置されている。換言すると、偏光子240は、集光部20及び拡散部230よりも液晶パネル260側に配置されている。ただし、偏光子240は、拡散部230に貼り合わされており、液晶パネル260とは空間SPを介して配置されている。
 また、偏光子240は、遮光軸40bに沿った偏光を吸収する性質を有する吸収型偏光子となっている。具体的には、偏光子240は、一対の液晶用偏光子61,62と同様に、ポリビニルアルコールに二色性色素であるヨウ素を添加して形成された吸収型偏光子である。この偏光子240は、ヨウ素分子の配向方向によって透過軸40aと遮光軸40bとを互いに実質直交した状態で有している。
 なお、第2実施形態のHUD装置200には、反射部50が設けられていない。
 第2実施形態においても、偏光子240は、一対の液晶用偏光子61,62のうち光源部12側の液晶用偏光子61と透過軸40a,61a及び遮光軸40b,61bを互いに合わせて配置されている。したがって、第1実施形態に準じた作用効果を奏することが可能となる。
 また、第2実施形態によると、追加の偏光子240は、遮光軸40bに沿った偏光を吸収する性質を有する吸収型偏光子であって、液晶パネル260とは空間SPを介して配置されている。このような空間SPにより、追加の偏光子240に吸収された光源光の熱を、液晶パネル260に伝わり難くできるので、HUD装置200の耐久性を高めることができる。
 (他の実施形態)
 以上、複数の実施形態について説明したが、本開示は、それらの実施形態に限定して解釈されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。
 具体的に変形例1としては、図8に示すように、導光部70は、平面鏡72を有さずに、凹面鏡74のみにより構成されていてもよい。
 変形例2としては、導光部70に、例えば反射鏡、レンズ、プリズム、偏光板、位相差板、光学フィルタ等の各種光学素子を追加してもよい。
 変形例3としては、第2実施形態の追加の偏光子240を、吸収型偏光子に代えて、反射型偏光子に置換してもよい。すなわち、追加の偏光子240が反射型偏光子であっても、追加の偏光子240は、拡散部230と貼り合わされることで、液晶パネル260と空間SPを介して配置されていてもよい。またすなわち、追加の偏光子240が反射型偏光子であっても、これに対応する反射部50を設けなくてよい。
 変形例4としては、追加の偏光子40は、他の部材と貼り合わされていない板状に形成され、独立して投射器ケース10aに保持されていてもよい。
 変形例5としては、反射部50は、光源用回路基板14の表面におけるソルダーレジストを明色(例えば白色)にすることで、偏光子40により反射された光源光を、再び液晶パネル60側へ向けて反射するようにしてもよい。
 変形例6としては、集光部20は、光源部12からの光源光を集光するものであれば、1枚のレンズにより構成されていてもよく、3枚以上のレンズ群により構成されていてもよい。
 変形例7としては、HUD装置100は、集光部20及び拡散部30の少なくとも一方を備えていなくてもよい。
 変形例8としては、液晶パネルには、TN(Twisted Nematic)方式の他、VA(Vertical Alignment)方式、IPS(In-Place-Switching)方式等の駆動方式を採用することができる。また、液晶パネルには、パッシブマトリクス型が採用されてもよい。
 変形例9としては、車両1以外の船舶ないしは飛行機等の各種移動体(輸送機器)に、本開示を適用してもよい。

 
 

Claims (7)

  1.  移動体(1)に搭載され、投影部材(3)に画像を投影することにより、前記画像を乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
     光源光を発する光源部(12)と、
     一対の液晶用偏光子(61,62)と、前記液晶用偏光子間の液晶層(64)とを、互いに積層した状態で一体的に有することにより、前記光源光のうち一部を透過させることで前記画像を形成する液晶パネル(60,260)と、
     前記光源部と前記液晶パネルとの間の光路上において配置される追加の偏光子(40,240)と、を備え、
     前記追加の偏光子及び前記一対の液晶用偏光子は、透過軸(40a,61a,62a)に沿った偏光を透過させ、前記透過軸と交差する遮光軸(40b,61b,62b)に沿った偏光を遮光する性質を有し、
     前記追加の偏光子は、前記一対の液晶用偏光子のうち前記光源部側の液晶用偏光子(61)と前記透過軸(40a,61a)及び前記遮光軸(40b,61b)を互いに合わせて配置されるヘッドアップディスプレイ装置。
  2.  前記光源部と前記液晶パネルとの間の光路上に配置され、前記光源光を拡散する拡散部(30,230)をさらに備え、
     前記追加の偏光子は、前記拡散部と前記液晶パネルとの間の光路上に配置される請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  3.  前記光源部と前記液晶パネルとの間の光路上に配置され、前記光源光を集光する集光部(20)をさらに備え、
     前記追加の偏光子は、前記集光部と前記液晶パネルとの間の光路上に配置される請求項1又は2に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  4.  前記追加の偏光子は、前記遮光軸に沿った偏光を前記光源部側に反射する性質を有する反射型偏光子である請求項1から3のいずれか1項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  5.  前記追加の偏光子よりも前記光源部側に配置され、前記追加の偏光子により反射された前記光源光を、再び前記液晶パネル側へ向けて反射する反射部(50)をさらに備える請求項4に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  6.  前記追加の偏光子は、前記液晶パネルと貼り合わされている請求項4又は5に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  7.  前記追加の偏光子は、前記遮光軸に沿った偏光を吸収する性質を有する吸収型偏光子であって、前記液晶パネルとは空間(SP)を介して配置されている請求項1から3のいずれか1項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

     
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