WO2018029892A1 - ヘッドアップディスプレイ装置およびその映像表示装置 - Google Patents

ヘッドアップディスプレイ装置およびその映像表示装置 Download PDF

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WO2018029892A1
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display device
light
video display
optical system
image
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杉山　寿紀
平田　浩二
康彦 國井
谷津　雅彦
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マクセル株式会社
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    • G09G3/20—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes for presentation of an assembly of a number of characters, e.g. a page, by composing the assembly by combination of individual elements arranged in a matrix no fixed position being assigned to or needed to be assigned to the individual characters or partial characters
    • G09G3/34—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes for presentation of an assembly of a number of characters, e.g. a page, by composing the assembly by combination of individual elements arranged in a matrix no fixed position being assigned to or needed to be assigned to the individual characters or partial characters by control of light from an independent source
    • G09G3/3406—Control of illumination source
    • G09G3/342—Control of illumination source using several illumination sources separately controlled corresponding to different display panel areas, e.g. along one dimension such as lines
    • G09G3/3426—Control of illumination source using several illumination sources separately controlled corresponding to different display panel areas, e.g. along one dimension such as lines the different display panel areas being distributed in two dimensions, e.g. matrix

Definitions

  • the present invention provides a head-up display (Head Up display) that projects an image on a windshield of a vehicle or a combiner that is a transparent or translucent plate-like display member provided immediately before the vehicle and displays information to the driver by a virtual image.
  • the present invention relates to the technology of an apparatus, and more particularly, to a small and highly efficient image display apparatus that can be used as a light source module that generates planar image light in the HUD apparatus.
  • a video display device for generating image light projected on a windshield or combiner of a vehicle to generate a virtual image is generally incorporated in a narrow space called a vehicle dashboard. Therefore, a small and highly efficient apparatus is desired.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laying-Open No. 2015-90442
  • Patent Document 1 includes a device that displays an image and a projection optical system that projects the image displayed on the display device.
  • a display device that reduces screen distortion and realizes downsizing in the entire viewpoint area of the observer is described.
  • the projection optical system has a first mirror and a second mirror in the order of the optical path of the observer from the display device.
  • the incident angle in the image major axis direction of the first mirror, the incident angle in the image minor axis direction of the first mirror, the interval between the image display surface of the display device and the first mirror, and the virtual image visually recognized by the observer It is described that the size of the HUD device can be reduced by configuring so that the relationship with the width in the horizontal direction satisfies a predetermined relationship.
  • Patent Document 1 the shape of the optical system disclosed in the above-described prior art (Patent Document 1) using an LED and an LED collimator that converts the light into substantially parallel light is still insufficient for downsizing and modularization of the device. It was a thing.
  • the present invention provides a small and highly efficient image display device that can be suitably used as a light source module that generates planar image light constituting a HUD device, and further uses the image display device to It is an object of the present invention to provide a HUD device that is suitable for installation and maintenance in a narrow space called a dashboard.
  • image light is projected on a windshield of a vehicle or a combiner provided immediately before the vehicle, and a virtual image obtained by the reflected light is used.
  • a head-up display device that provides an image to a driver, an image display device that generates projected image light, an optical system that performs predetermined correction on the image light from the image display device, and the optical system
  • a concave mirror that reflects the corrected image light and projects it onto the windshield or the combiner, and the image display device converts the light from the solid light source into substantially parallel light.
  • a collimating optical system to be converted, an illumination optical system and a display device composed of an optical member that deflects the direction of the light beam produced by the collimating optical system and simultaneously widens the light beam width. Becomes, and, on the optical axis of said concave mirror, it said across the optical system, a head-up display apparatus comprising a structure arranged to face are provided.
  • a video display device that is small, highly efficient, and can be manufactured at low cost is realized, and by using the video display device, a narrow space such as a dashboard can be obtained. It is possible to provide a HUD device that can be easily mounted and maintained.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an internal configuration of a light source device in a video display apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating details of a collimator in the video display apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a perspective view, a cross-sectional view, and an enlarged cross-sectional view showing a detailed shape of a light guide in the video display apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an operation of an internal optical system in the video display apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure explaining the detail of the light guide in the video display apparatus concerning Example 1.
  • FIG. It is a figure which shows the comparative example for demonstrating the light guide in the video display apparatus concerning Example 1.
  • FIG. It is a figure which shows the detailed shape of the light guide in the video display apparatus which is a modification of Example 1.
  • FIG. It is a figure which shows the detailed shape of the light guide in the video display apparatus which is a modification of Example 1.
  • FIG. It is a figure explaining the processing method of the metal mold
  • FIG. 6 is a plan view showing the shape of the light guide surface in a video display device that is a modification of the first embodiment. It is a figure explaining the detail of the collimator and synthetic
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an optical system of a video display apparatus according to Embodiment 2.
  • FIG. It is the upper surface and side view explaining the detail of the light guide in the video display apparatus concerning Example 2.
  • FIG. 1A is a diagram showing an outline of an example of an operation concept of a head-up display (HUD) device using a video display device according to an embodiment of the present invention.
  • the image light emitted by the image display device 30 disposed in the housing is reflected by the concave mirror 41 via the optical system 43 such as a correction lens, and the vehicle 2 Is projected onto a windshield 3 or a combiner (not shown) provided immediately before.
  • the image light reflected by the windshield 3 is incident on the viewpoint of the driver 5 as shown in FIG.
  • the driver 5 views the image light as a virtual image in front of the image light projected and reflected by the windshield 3.
  • the video display device 30 generally has an internal configuration as shown in FIG. 1B.
  • the video display device 30 is a projector.
  • the video display device 30 includes various units such as a light source 301, an illumination optical system 302, and a display element 303, for example. More specifically, the illumination light generated by the light source 301 is condensed and uniformed by the illumination optical system 302 and irradiates the display element 303.
  • This light includes a display element 303 which is an element that generates a projected light by forming a projected image on its display surface.
  • the light emitted from the video display device 30 is further projected onto the windshield 3 of the vehicle 2 via the display distance adjusting mechanism 400 and the mirror driving unit 500.
  • the display position of the virtual image seen by the driver 5 may be adjusted in the vertical direction by adjusting the position of the image projected onto the windshield 3 by adjusting the angle of the concave mirror 41.
  • the content displayed as a virtual image is not specifically limited, For example, vehicle information, navigation information, the image
  • FIG. 2 (a) is a perspective view showing the appearance of the HUD device 1
  • FIG. 2 (b) is an exploded perspective view showing the parts disassembled.
  • the video display device 30 constituting the HUD device 1 is generally provided inside the exterior case 55 that is the casing thereof, and the video display device 30, the concave mirror 41, and the distortion described above. It is housed together with the correction lens 43.
  • An opening for projecting image light toward the windshield is formed on the upper surface of the exterior case 55, and the opening is covered with an antiglare plate 54 (glare trap).
  • reference numeral 42 in FIG. 2 indicates a concave mirror driving unit constituted by an electric motor or the like for adjusting the position of the concave mirror 41.
  • the video display device 30 constituting the above-described HUD device 1 will be described in detail with reference to FIG.
  • the video display device 30 is configured by accommodating, for example, an LED, a collimator, a synthetic diffusion block, and a light guide, which will be described in detail later, inside a light source device case 11 formed of plastic or the like.
  • a liquid crystal display element 50 (corresponding to the display element 303 in FIG. 1) is attached to the upper surface, and an LED (Light Emitting Diode) element that is a semiconductor light source and its control circuit are mounted on one side thereof.
  • An LED substrate 12 is attached.
  • a heat sink 13 for cooling the heat generated by the LED elements and the control circuit is attached to the outer surface of the LED board 12.
  • the video display device 30 in the HUD device 1 is particularly modularized because the HUD device is incorporated into a narrow space called a vehicle dashboard. It will be apparent that there is a demand for being small and highly efficient. (Example 1)
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing an overview of the video display device constituting the HUD device according to the first embodiment of the present invention.
  • the video display device (main body) 30 is formed of, for example, plastic, and houses therein an LED, a collimator, a synthetic diffusion block, a light guide, and the like, which will be described in detail later.
  • a light source device case 11 Further, a liquid crystal display element 50 is attached to the upper surface, and further, an LED substrate 12 on which a semiconductor LED (Light Emitting Diode) element that is a solid light source and its control circuit are mounted is attached to one side face thereof.
  • a heat sink 13 for cooling heat generated by the LED element and the control circuit is attached to the outer surface of the LED substrate 12.
  • the liquid crystal display element 50 attached to the upper surface of the light source device case 11 includes a liquid crystal display panel frame 51, a liquid crystal display panel 52 attached to the frame, and an FPC (electrically connected to the panel). Flexible wiring board) 53. That is, as will be described in detail later, the liquid crystal display panel 52 is displayed on the LED element as a fixed light source together with a control signal from a control circuit (not shown here) constituting the HUD device. Video light etc. are controlled.
  • FIG. 4 shows a configuration of an optical system which is a part of the internal configuration of the video display device 30, that is, is housed in the light source device case 11. That is, a plurality (four in this example) of LEDs 14 a and 14 b (only two are shown here) constituting the light source are attached to the LED collimator 15 at predetermined positions.
  • Each of the LED collimators 15 is formed of a translucent resin such as acrylic, for example, and as shown in FIG. 5, a conical convex outer peripheral surface obtained by rotating a substantially parabolic break. 151 and a concave portion 153 having a convex portion (that is, a convex lens surface) 152 formed at the central portion. Further, a convex lens surface (or a concave lens surface recessed inward) 154 that protrudes outward is provided at the center of the flat portion.
  • the LEDs 14a and 14b are respectively arranged at predetermined positions on the surface of the LED substrate 12, which is the circuit board.
  • the paraboloid which forms the conical outer peripheral surface of the LED collimator 15 is set within a range of angles at which the light emitted from the LED 14a in the peripheral direction can be totally reflected inside, or the reflecting surface. Is formed.
  • the material for forming the LED collimator is not limited to the acrylic material, but may be a transparent material. Particularly when the power of the LED is large, polycarbonate, cycloolefin-based polymer, Silicone polymer materials, glass and the like are preferable.
  • the LED board 12 is arranged and fixed to the LED collimator 15 so that the LEDs 14a and 14b on the surface thereof are positioned at the center of the recess 153 as shown in FIG.
  • the LED collimator 15 among the light radiated from the LED 14a, in particular, the light radiated upward from the central portion (right direction in FIG. 5) is the outer shape of the LED collimator 15.
  • the light is condensed by the two convex lens surfaces 152 and 154 forming the light and becomes parallel light, and the light emitted from the other portions toward the peripheral direction forms a parabolic outer surface of the LED collimator 15.
  • the light is reflected by the surface, and is also condensed into parallel light.
  • the LED collimator 15 having a convex lens at the center and a parabolic surface formed at the periphery thereof, almost all of the light generated by the LED 14a can be extracted as light rays close to parallel light. This makes it possible to improve the utilization efficiency of the generated light.
  • a rectangular composite diffusion block 16 is provided on the light emission side of the LED collimator 15. That is, the light emitted from the LED 14 a or 14 b is converted into parallel light by the action of the LED collimator 15 and enters the synthesis diffusion block 16.
  • a light guide 17 having a substantially triangular cross section is provided on the exit surface side of the composite diffusion block 16 via a first diffusion plate 18a.
  • the second diffusion plate 18b is attached. Accordingly, the horizontal light of the LED collimator 15 is reflected upward in FIG. 4 by the action of the light guide 17, and the vertical light flux width of the horizontal light is widened by the action of the light guide 17. Then, it is guided to the incident surface of the liquid crystal display element 50.
  • a thin and small video display device can be realized by the function of the light guide.
  • the first and second diffusion plates 18a and 18b make the strength uniform.
  • FIG. 6A is a perspective view showing the entirety of the light guide 17, FIG. 6B is a cross section, and FIGS. 6C and 6D are details of the cross section.
  • FIG. 6A is a perspective view showing the entirety of the light guide 17, FIG. 6B is a cross section, and FIGS. 6C and 6D are details of the cross section.
  • FIG. 6A is a perspective view showing the entirety of the light guide 17, FIG. 6B is a cross section, and FIGS. 6C and 6D are details of the cross section.
  • FIG. 6A is a perspective view showing the entirety of the light guide 17
  • FIG. 6B is a cross section
  • FIGS. 6C and 6D are details of the cross section.
  • the light guide 17 is a member formed in a substantially triangular cross section (see FIG. 6B), for example, with a translucent resin such as acrylic, and as is apparent from FIG. 6A, A light guide light incident portion (surface) 171 that faces the exit surface of the composite diffusion block 16 via the first diffusion plate 18a, a light guide light reflecting portion (surface) 172 that forms a slope, and a second The light guide body light emission part (surface) 173 which opposes the liquid crystal display panel 52 of the said liquid crystal display element 50 through the diffuser plate 18b is provided.
  • a translucent resin such as acrylic
  • the light guide light reflecting portion (surface) 172 of the light guide 17 has a large number of reflecting surfaces 172a and connecting surfaces. 172b are alternately formed in a sawtooth shape. Then, the reflection surface 172a (in FIG. 6, the line segment rising to the right) forms ⁇ n (n: a natural number, for example, 1 to 130 in this example) with respect to the horizontal plane indicated by the alternate long and short dash line in FIG. As an example, ⁇ n is set to 43 degrees or less (however, 0 degrees or more).
  • the connecting surface 172b (in FIG. 6, a downward-sloping line segment) forms ⁇ n (n: a natural number, for example, 1 to 130 in this example) with respect to the horizontal plane. That is, the connecting surface 172b of the reflecting portion is inclined with respect to the incident light at an angle that becomes a shadow in the range of the half-value angle of the scatterer described later.
  • ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, ⁇ 4,... Form the reflection surface elevation angle
  • ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, ⁇ 4,... Form the relative angle between the reflection surface and the connecting surface.
  • it is set to 90 degrees or more (however, 180 degrees or less).
  • FIG. 7 and 8 are schematic diagrams in which the sizes of the reflecting surface 172a and the connecting surface 172b are relatively increased with respect to the light guide 17, for the sake of explanation.
  • the main light beam is deflected by ⁇ in the direction in which the incident angle increases with respect to the reflection surface 172a (see FIG. 8B). That is, the light guide light incident part (surface) 171 is formed in a curved convex shape inclined toward the light source. According to this, the parallel light from the exit surface of the composite diffusion block 16 is diffused and incident through the first diffusion plate 18a, and as is clear from FIG.
  • the light guide body light reflection portion (surface) 172 is reached while being slightly bent (deflected) upward by the portion (surface) 171 (see the comparative example in FIG. 9).
  • this light guide light reflecting portion (surface) 172 a large number of reflecting surfaces 172a and connecting surfaces 172b are alternately formed in a sawtooth shape, and diffused light is totally reflected on each reflecting surface 172a. Then, it goes upward, and further enters the liquid crystal display panel 52 as parallel diffused light via the light guide light emitting portion (surface) 173 and the second diffusion plate 18b. Therefore, the reflection surface elevation angles ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, ⁇ 4,... Are set so that each reflection surface 172a has an angle greater than the critical angle with respect to the diffused light, and is connected to the reflection surface 172a.
  • the relative angles ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, ⁇ 4... With the surface 172b are constant angles as described above, and the reason for this will be described later, but more preferably an angle of 90 degrees or more ( ⁇ n ⁇ 90 °). Is set.
  • each reflecting surface 172a is configured to always have an angle greater than the critical angle with respect to the diffused light. Therefore, a reflective film such as a metal is provided on the light guide light reflecting portion (surface) 172. Even if it is not formed, total reflection is possible, and a low-cost video display device 30 can be realized.
  • FIG. 9 as a comparative example, when there is no main light beam bending (polarization) at the light guide incident portion of the light guide 17, a part of the diffused light is reflected with respect to the reflection surface 172a. Since the angle becomes below the critical angle and sufficient reflectivity cannot be secured, a light source device with good characteristics (bright), that is, an image display device cannot be realized.
  • the reflection surface elevation angles ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, ⁇ 4... are values that slightly increase as the light guide body light reflection portion (surface) 172 moves from the lower portion to the upper portion. This is because the light transmitted through the liquid crystal display panel 52 of the liquid crystal display element 50 has a certain divergence angle, and in particular, a part of the light transmitted through the peripheral portion of the liquid crystal display panel 52 is arranged downstream. This is to realize a configuration in which the light rays in the peripheral part are slightly deflected in the direction of the central axis, as shown by the light ray L30 in FIG. 7, for the purpose of preventing the so-called peripheral dimming that occurs at the periphery of the mirror.
  • this is a mold for producing the light guide 17 by injection molding as shown in FIG.
  • the reflecting surface 172a and the connecting surface 172b can be processed simultaneously by an end mill whose relative angle between the bottom surface and the side surface is ⁇ .
  • the reflecting surface 172a and the connecting surface 172b can be processed with a relatively thick tool, the processing time can be greatly shortened, and the processing cost can be greatly reduced.
  • the boundary edge between the reflective surface 172a and the connecting surface 172b can be processed with high accuracy, and the light guide characteristics of the light guide 17 can be improved.
  • Lr1, Lr2, Lr3, Lr4,... are projection lengths of the reflecting surface 172a on the horizontal plane
  • Lc1, Lc2, Lc3, Lc4,... are projection lengths of the connecting surface 172b on the horizontal plane.
  • Lr / Lc that is, the ratio of the reflective surface 172a and the connecting surface 172b can be changed depending on the location.
  • the intensity distribution of the main light beam L30 incident on the light guide 17 does not necessarily match the intensity distribution desired on the liquid crystal display panel incident surface. Therefore, a configuration is adopted in which the intensity distribution is adjusted by the ratio Lr / Lc between the reflecting surface 172a and the connecting surface 172b.
  • strength of the reflected light of the part can be raised, so that this ratio is raised.
  • the central portion of the light beam L30 incident on the light guide tends to be strong.
  • the ratio Lr / Lc is different depending on the location, and in particular, the central portion is small. I made it. Since the ratio Lr / Lc differs depending on the location and the reflection surface elevation angles ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, ⁇ 4,... Differ depending on the location, the approximate shape of the light guide light reflecting portion (surface) 172 is represented.
  • the envelope 172c shows a curved shape as shown in FIG.
  • the repetitive pitches of the reflecting surfaces viewed from the light guide light emitting portion (surface) 173 of the light guide 17 can be made the same.
  • the pitch is 0.6 mm or less, coupled with the action and effect of the diffusion plates 18a and 18b, when viewed through the liquid crystal display panel 52, the individual emission surfaces are not separated and appear as continuous surfaces. For this reason, the spatial luminance over the liquid crystal display panel 52 can be made uniform, thereby improving the display characteristics. That is, this configuration makes it possible to make the incident light intensity distribution on the liquid crystal display panel 52 uniform.
  • the value of Lr + Lc is smaller than 0.2 mm, not only processing time is required, but it is difficult to process each reflecting surface 172a with high accuracy.
  • each relative angle ⁇ is set to an angle such that the connecting surface 172b becomes a shadow with respect to the light beam L30 mainly diffused by the composite diffusion block 16 and the diffusion plate 18a.
  • the light guide 17 described above in particular, by appropriately setting the reflection surface elevation angles ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, ⁇ 4... And the ratio Lr / Lc between the reflection surface and the connecting surface, Since the length of the light guide light emitting portion (surface) 173 can be freely changed, the size of the light guide light emitting portion (surface) 173 with respect to the light guide light incident portion (surface) 171 is large. It is possible to realize a video display device that can be appropriately changed to a necessary size (surface size) that is suitable for the device such as the liquid crystal display panel 52. This also means that the light guide light emitting part (surface) 173 can be formed in a desired shape without depending on the arrangement shape of the LEDs 14a and 14b constituting the light source. A planar light emitting source is obtained. Furthermore, this configuration can reduce the thickness of the LED collimator 15 and the composite diffusion block 16 with respect to the size of the liquid crystal display panel 52, which is advantageous for downsizing the entire apparatus.
  • the connecting surface 172b constituting the light guide light reflecting portion (surface) 172 is appropriately set (in this example, one of the central portions thereof is set).
  • the ratio Lr / Lc between the reflection surface 172a and the connecting surface 172b is set to a location. It is also possible to change greatly depending on. Thereby, in the example of FIG. 10, a mode that the light radiate
  • Such a configuration may be suitable, for example, when the illumination light from the HUD device is separated vertically or horizontally without loss. Further, by appropriately adjusting the ratio Lr / Lc, the reflected light can be partially increased or decreased.
  • a plurality (two in this example) of light source devices including the LEDs 14a and 14b and the light guide 17 described above are combined so as to face each other in the same plane. Further, according to the present invention, it is possible to realize a video display device including a light guide light emitting portion (surface) 173 with more types of surface sizes and light amounts.
  • the inclination of the main light beam incident on the liquid crystal display panel is generally desirable to be close to vertical, however, depending on the characteristics of the liquid crystal display panel, as shown in FIG. It is also possible. That is, some commercially available liquid crystal panels have better characteristics when the incident angle is tilted by about 5 to 10 °. In this case, ⁇ is 5 ° to 5 ° depending on the characteristics. It is desirable that the angle be 10 °.
  • the panel instead of tilting the panel by ⁇ , it is possible to tilt the main light beam to the liquid crystal panel by adjusting the angle of the reflection surface 172a. Furthermore, when it is necessary to incline the light beam in the direction of the side surface of the light guide, the inclination of the inclined surface of the triangular texture 161 formed on the exit surface of the composite diffusion block 16, which will be described in detail below, is asymmetrical. Alternatively, it can be realized by changing the direction of formation of the texture formed by the reflecting surface 172a and the connecting surface 172b.
  • the diffusion plates 18a and 18b can be omitted.
  • the diffusion plates 18a and 18b are not necessary, and the cost of the video display device can be realized.
  • This functional scattering surface is intended to reduce unnecessary divergent components by reducing the surface roughness of high spatial frequency components (fine components).
  • FIG. 14B shows a surface roughness spatial frequency component of a normal scattering surface
  • FIG. 14A shows a surface roughness spatial frequency component of a scattering surface having preferable scattering characteristics.
  • the surface roughness spatial frequency distribution of the normal scattering surface shows a distribution along the reciprocal (1 / f) of the spatial frequency, as shown in FIG.
  • the spatial frequency distribution of a more preferable surface roughness has a low value in a low frequency with a spatial frequency of 10 / mm or less and a high frequency region with a frequency of 100 / mm or more.
  • the low frequency component of the surface roughness spatial frequency is small and the medium frequency component is moderate, a light source with little scattering unevenness can be realized. Further, since the high frequency component of the surface roughness spatial frequency is small, the scattering angle of the scattered light does not increase, and the direction of the light scattered on the surface can be used as a light source as shown in FIG. The light source having a bright and uniform luminance distribution can be realized. On the other hand, as shown in FIG. 15B, the normal scattering surface scatters light out of the direction that can be used as a light source, and thus a bright light source cannot be realized.
  • FIG. 16 is a partially enlarged view showing a specific example of the above-described texture 161 formed on the entrance surface or the exit surface of the light guide 17.
  • FIG. 16 (a) an example in which the boundary between the reflecting surface (or the emitting surface) and the connecting surface is arranged and formed in a straight line is shown in FIG. 16 (a), and FIG.
  • FIG. 16 (a) an example in which the boundary between the reflecting surface (or the emitting surface) and the connecting surface is arranged and formed in a straight line is shown in FIG. 16 (a), and FIG.
  • the degree of freedom of control of light incident / exit on the incident surface and the light exit surface of the light guide 17 is increased, and the brightness of light from the light source device is increased. Unevenness can be reduced, and fine control according to the characteristics of the optical system device (in this example, the liquid crystal display element 50) arranged on the downstream side of the device can be achieved, and further, the cost of the device can be reduced. .
  • FIG. 17 shows the synthetic diffusion block 16 integrated with the LED collimator 15, and FIGS. 18A and 18B show partially enlarged cross sections of the synthetic diffusion block 16.
  • FIG. 18A and 18B show partially enlarged cross sections of the synthetic diffusion block 16.
  • a large number of textures 161 having a substantially triangular cross section are formed on the exit surface of the synthetic diffusion block 16 formed in a prismatic shape with a light-transmitting resin such as acrylic.
  • a light-transmitting resin such as acrylic.
  • the light emitted from the LED collimator 15 is diffused in the vertical direction of the illustrated paper surface of the light guide light incident portion (surface) 171 of the light guide 17 by the action of the texture 161.
  • the substantially triangular texture 161 and the diffusion plates 18a and 18b the light is emitted from the light guide light emitting portion (surface) 173 of the light guide 17, even if the LED collimators 15 are discretely arranged. It is possible to make the individual intensity distribution of the light to be uniform.
  • the diffusion direction can be limited to the side surface direction of the light guide, and further, the diffusibility in the side surface direction can be controlled. Therefore, the first and second diffusion plates 18a described above. , 18b can be weakened, and as a result, the light utilization efficiency is improved, and a video display device with good characteristics can be realized.
  • this texture 161 may utilize the functional scattering surfaces shown above in FIGS.
  • the texture formed on the diffusion block is not limited to a substantially triangular shape, and may be, for example, a concentric shape matching the central axis of each LED collimator in accordance with the discrete arrangement of the LED collimators 15.
  • the synthetic diffusion block 16 may be a so-called wedge-shaped refracting member 16 ′ having a triangular prism shape as shown in FIG. 19 instead of the prism shape described above.
  • the light from the LED collimator 15 including the LEDs 14a and 14b as the light sources is refracted in a desired direction (upward in FIG. 19), so that the flat incident surface of the light guide 17 is also refracted. It becomes possible to incline by a desired angle.
  • the light guide body light incident portion (surface) 171 of the light guide body 17 is reflected without being formed into a curved convex shape inclined toward the light source side. Since it is possible to ensure total reflection at the surface 172a, the structure is easier to manufacture.
  • the total reflection at the reflecting surface 172a is achieved by making the arrangement angle of the LED collimator 15 including the LEDs 14a and 14b as the light sources oblique without providing the above-described combined diffusion block 16. It is possible to secure a bright light source. Since the light beam L30 emitted from the LED is refracted by the light guide light incident portion (surface) 171 of the light guide 17, the inclination angle ⁇ ′ of the LED collimator 15 is the inclination of the light inside the light guide 17. It should be noted that the angle ⁇ does not necessarily match ( ⁇ ′ ⁇ ⁇ ).
  • the light use efficiency of the light from the LED light source and the uniform illumination characteristics thereof are further improved and modularized.
  • As a video display device it is possible to manufacture it at a small size and at a low cost.
  • FIGS. 21 and 22 show a perspective view of the entire appearance of an image display apparatus 300 according to another embodiment of the present invention and an internal configuration thereof. In this other embodiment, a substantially trapezoidal cross section is shown.
  • the LED collimator 15 having a plurality of conical convex shapes to which the LEDs are attached is attached at an inclined position below the apparatus.
  • symbol 13b of FIG. 21 is a heat sink for cooling the heat which generate
  • FIG. 23 is a perspective view showing the overall appearance of an image display apparatus 300 according to still another embodiment of the present invention.
  • the heat generated in the LED substrate 12 is It is structured to cool by a heat sink 13c disposed at the lower part of the apparatus through the heat transfer plate 13d. With this configuration, a light source device with a short overall length can be realized. (Example 2)
  • the second embodiment is a video display device that emits light from the light source device as S-polarized light or P-polarized light.
  • the module is small in size and has high efficiency. Realizing a video display device that can be used as a planar light source is the same as described above.
  • FIGS. 24 to 26 show the configuration of the optical system that is a feature of the image display apparatus according to the second embodiment, in particular. That is, in the second embodiment, in the configuration of the first embodiment described above, the number of LEDs 14a and 14b constituting the light source is, for example, two half of the first embodiment, and each LED collimator 15 and A polarization conversion element 21 is provided between the combined diffusion block 16.
  • the other structure in a figure it is the same as that of the said Example 1, and attaches
  • the polarization conversion element 21 has a columnar shape (hereinafter referred to as a parallelogram) whose cross section extends along a direction perpendicular to the drawing sheet.
  • a light-transmissive member having a parallelogram prism) and a light-transmissive member having a triangular cross section (hereinafter referred to as a triangular pillar) are combined, and this is orthogonal to the optical axis of the parallel light from the LED collimator 15.
  • a plurality are arranged in an array.
  • a polarizing beam splitter (hereinafter abbreviated as “PBS”) film 211 and a reflective film 212 are alternately provided at the interface between adjacent light-transmitting members arranged in an array.
  • a 1 / 2 ⁇ phase plate 213 is provided on the exit surface from which the light incident on the polarization conversion element 21 and transmitted through the PBS film 211 exits.
  • the polarization conversion element 21 is a surface formed by the optical axis of the parallel light from the LED collimator 15 and the extending direction of the translucent member of the parallelogram pillar (extends vertically on the paper surface of the figure). (Vertical plane), which is configured symmetrically with respect to the optical axis plane of so-called parallel light, and the inclination of the parallelogram column or the triangular column of the translucent member which is a component thereof is the optical axis plane. It is 45 degrees. And this polarization conversion element 21 comprises each polarization conversion element divided into two sets in the perpendicular direction of the figure to the parallel light from two LED collimators 15.
  • the polarization conversion element 21 configured as described above, as is clear from FIG. 26A, for example, of the incident light emitted from the LED 14 a and converted into parallel light by the LED collimator 15, S-polarized light.
  • the wave (see the symbol (x) in FIG. 26) is reflected by the PBS film 211 and then further reflected by the reflecting film 212 and reaches the incident surface of the synthetic diffusion block 16.
  • the P-polarized wave passes through the PBS film 211 and then becomes an S-polarized wave by the 1 / 2 ⁇ phase plate 213 and reaches the incident surface of the composite diffusion block 16. It becomes.
  • the polarization conversion element 21 all of the light emitted from the LED (s) and converted into parallel light by the LED collimator 15 becomes an S-polarized wave and is incident on the incident surface of the composite diffusion block 16. Will be. Thereafter, the light emitted from the emission surface of the composite diffusion block 16 is incident on the light guide 17 already described in detail above via the first diffusion plate 18a, and further the function of the light guide 17 As shown in FIG. 26 (b), the light is reflected to the incident surface of the liquid crystal display element 50 in the same manner as in the first embodiment.
  • the function of the light guide body 17 has already been described in detail above, and the description thereof is omitted here to avoid duplication.
  • FIG. 27 is a perspective view showing a state in which the two LED collimators 15 described above are attached to the polarization conversion element 21.
  • FIG. 29 is a diagram showing an external configuration of the synthetic diffusion block 16 attached to the exit surface side of the polarization conversion element
  • FIG. 30 is a side view showing the detailed structure of the synthetic diffusion block 16 and one of the side views.
  • FIG. As is clear from these figures, also in the second embodiment, a large number of textures 161 having a substantially triangular cross section are formed on the exit surface of the composite diffusion block 16. However, the details have already been described above, and are omitted here.
  • the same effect may be achieved by using the functional scattering surface shown in FIGS. 13 to 16 as the texture 161 formed on the surface thereof. This will be apparent to those skilled in the art.
  • the polarization conversion element 21 As described above, according to the video display apparatus according to the second embodiment described above, light incident on the liquid crystal display panel 52 constituting the liquid crystal display element 50 is converted into a desired polarized wave (in this example, by the polarization conversion element 21). , S-polarized wave), it is possible to achieve an effect based on the polarization characteristics of the emitted image light, such as improving the transmittance of the light in the liquid crystal display panel, and thus less.
  • a light emitting source (LED) makes it possible to realize a more compact and highly efficient modularized video display device at a lower cost.
  • the polarization conversion element 21 is attached after the LED collimator 15.
  • the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained by providing it in the optical path leading to the liquid crystal display element. It will be apparent to those skilled in the art that the following actions and effects can be obtained.
  • FIG. 28 shows that the number of LEDs 14a, 14b, and 14c constituting the light source is three in the video display device described above, and the polarization conversion element 21 is provided between each LED collimator 15 and the composite diffusion block 16.
  • a configuration in which an orientation control plate 16c is arranged instead of the synthetic diffusion block 16 constituting the orientation control plate is shown.
  • this configuration features a configuration using a relatively large LED 14 with respect to the shape of the LED collimator 15. Accordingly, the shape of the light incident portion 155 of the LED collimator 15 is larger than that of the other embodiments. Referring to FIG.
  • the light beam L30 emitted from the central portion of the LED 14a has a light incident portion 155 of the LED collimator having a convex shape, so that it is converted into substantially parallel light therethrough, passes through the polarization conversion element 21, and then the diffusion plate 18a and the light guide 17 Then, the light enters the liquid crystal display panel 52 through the diffusion plate 18b.
  • the light beam L3001 and the light beam L3002 that are emitted from the end of the LED 14a and intersect at the central axis, the light beam is incident on the surface of the light incident portion 155 of the LED collimator at an angle close to vertical.
  • the refraction angle is small, and as a result, as shown in FIG. 28, the light is emitted in an oblique direction from the LED collimator 15, and as a result, the light is also emitted in an oblique direction from the polarization conversion element.
  • the light beam L3001c and the light beam L3002c indicated by the wavy lines deviate from the light incident portion of the light guide 17, so that the light beam cannot be used effectively.
  • the alignment control plate 16c having a substantially cylindrical convex shape between the polarization conversion element 21 and the light guide 17, the light beams L3001 and L3002 are respectively expressed as light beams L3001b and L3002b. And then enters the liquid crystal display panel 52 through the diffusion plate 18a, the light guide 17, and the diffusion plate 18b, so that a highly efficient light source can be realized.
  • this configuration is suitable when a relatively large LED is used with respect to the width of the light incident portion of the polarization conversion element.
  • this structure is not limited to the structure with the polarization conversion element 21, What is necessary is just to arrange
  • the diffusion plates 18a and 18b provided on the incident surface and the exit surface of the light guide 17 are omitted, and instead, the above-described functional scattering surfaces (see FIG. 13 to 16) can be given (formed).
  • a polarization conversion element 21 ′ In this configuration, as is apparent from FIG. 29, a triangular prismatic translucent member 211 ′ and a parallelogram prism translucent member 212 ′ are combined, and the boundary surface thereof emits light from the LED 14a. Then, the S-polarized wave (see symbol (x) in FIG. 29) of the incident light that has become parallel light by the LED collimator 15 is reflected, while the P-polarized wave (see the up and down arrows in FIG. 29) is transmitted. PBS film 211 is formed, and a 1 / 2 ⁇ phase plate 213 is formed on the upper surface of the translucent member 212 ′ having a parallelogram prism shape, and a reflection film 212 is formed on the side surface thereof. .
  • the incident light emitted from the LED 14 a and converted into parallel light by the LED collimator 15 has a polarization component S by the polarization conversion element 21 ′ that replaces the light guide 17.
  • the light is polarized and emitted upward from the upper surface of the element. That is, in the above-described configuration, by removing the light guide body 17 in particular, it is possible to realize a significant downsizing of the device and a reduction in the manufacturing cost of the device.
  • FIG. 30 shows a configuration in which a plurality of sets of LEDs 14 and LED collimators 15 as light sources are arranged not only in the horizontal direction as described above, but also in the vertical direction. That is, in this example, in addition to the three sets of LEDs 14 and the LED collimator 15 being spaced apart from each other in the horizontal direction (see FIG. 30A), the three sets of LEDs 14 and the LED collimator are also arranged in the vertical direction. 15 are arranged adjacent to each other (see FIG. 30B). In addition, about the other structure in a figure, it is the same as that of the said Example 2, and in order to avoid duplication here, the detailed description is abbreviate
  • the light emission surface is divided into a plurality of display areas corresponding to the plurality of LEDs 14, and the light emission output (lighting) of the LEDs 14 is independently controlled. Dimming can be realized, and further, the contrast of the display image can be increased and the power consumption can be reduced.
  • the multistage arrangement of the light sources is not limited to the video display device having the polarization function of the second embodiment, and the same effect can be obtained by applying the configuration to the video display device of the first embodiment. It goes without saying that it is done.
  • control circuit for example, mounted on the flexible wiring board 53 of FIG. 3
  • the liquid crystal display panel 52 is combined with the individual control of the LEDs. According to the control, it is possible to realize a video display device that is more suitable and consumes less power, and further a HUD device using the same.
  • the LEDs In local dimming, it is preferable to arrange the LEDs in the vertical direction, rather than the staggered arrangement. In the arrangement arrangement, it is easier to control the illumination brightness in each place. Even when a polarization conversion element is used, the arrangement in the LED vertical direction is preferably the aligned arrangement. When the vertical arrangement is a staggered arrangement, it is necessary to arrange separate elements for the polarization conversion prism depending on the position in each vertical direction, but in the aligned arrangement, the vertical thickness is set to the LED arrangement with a single element. All you need to do is adjust it.
  • the liquid crystal display panel has been described as having excellent transmittance with respect to S-polarized waves.
  • the transmittance with respect to P-polarized waves is excellent, the polarization conversion element having the same configuration as described above. It will be apparent to those skilled in the art that the same action / effect can be obtained.
  • the small-sized and high-efficiency video display device that is modularized as described above particularly reflects the video light to reflect the windshield or combiner.
  • the concave mirror projecting upward is arranged opposite to the optical axis (although a correction lens constituting the correction optical system is interposed between them)
  • the volume of the entire HUD device is further reduced. It is possible to do.
  • the HUD device can be easily incorporated even in a narrow space called a dashboard, and further, the excellent effect that the mounting and maintenance work can be easily performed is exhibited.

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Abstract

小型でかつ低コストで製造可能な、ＨＵＤシステムおよびＨＵＤ用光源装置を提供する。ヘッドアップディスプレイ装置は、投射される映像光を生成する映像表示装置と、前記映像表示装置からの映像光に所定の補正を行う光学系と、前記光学系により補正された映像光を反射してフロントガラス、または、コンバイナ上に投射する凹面ミラーと、を備えており、前記映像表示装置は、固体光源、前記固体光源からの光を略平行光に変換するコリメート光学系、前記コリメート光学系で作製された光束の方向を偏向すると同時に光束幅を広げる光学部材で構成される照明光学系と表示装置からなり、かつ、前記凹面ミラーの光学軸上において、前記光学系を挟んで対向して配置される構成からなる。

Description

ヘッドアップディスプレイ装置およびその映像表示装置
　本発明は、車両のフロントガラスやその直前に設けられた透明または半透明な板状の表示部材であるコンバイナ上に画像を投影して虚像により運転者に情報を表示するヘッドアップディスプレイ（Ｈｅａｄ　Ｕｐ　Ｄｉｓｐｌａｙ：以下、「ＨＵＤ」）装置の技術に関し、特に、ＨＵＤ装置において面状の映像光を発生する光源モジュールとして利用可能な小型で高効率の映像表示装置に関する。
　ＨＵＤ装置においては、虚像を発生するため車両のフロントガラスやコンバイナ上に投影される画像光を生成するための映像表示装置は、一般には、車両のダッシュボードと言う狭小な空間内に組み込まれることから、小型で、かつ、高効率の装置が望まれている。
　なお、かかるＨＵＤに関連する技術として、例えば、特開２０１５－９０４４２号公報（特許文献１）には、画像を表示するデバイスと、表示デバイスに表示された画像を投射する投射光学系とを備え、観察者の視点領域全域で画面歪みを小さくすると共に小型化を実現する表示装置が記載されている。なお、この従来技術では、投射光学系は、表示デバイスから観察者の光路の順に、第１ミラーと第２ミラーを有する。そして、第１ミラーにおける画像長軸方向の入射角と、第１ミラーにおける画像短軸方向の入射角、および表示デバイスの画像表示面と第１ミラーとの間隔と、観察者によって視認される虚像の水平方向の幅との関係が、所定の関係性を満たすように構成することで、ＨＵＤ装置の小型化を実現する旨が記載されている。
特開２０１５－９０４４２号公報
　近年、固体光源であるＬＥＤの発光効率の向上に伴い、発光源としてＬＥＤを用いることが有効である。しかしながら、ＬＥＤおよびその光を略平行光に変換するＬＥＤコリメータを用いた、上述した従来技術（特許文献１）に開示された光学系の形状では、装置の小型化やモジュール化において未だ不十分なものであった。
　そこで、本発明は、ＨＵＤ装置を構成する面状の映像光を発生する光源モジュールとして好適に利用可能な、小型かつ高効率の映像表示装置を提供し、更には、それを利用して、車両のダッシュボードと言う狭小な空間内への組み込みやメンテナンスにも適したＨＵＤ装置を提供することをその目的とするものである。
　上記の目的を達成するための一実施の態様として、本発明によれば、車両のフロントガラス、または、その直前に設けられたコンバイナ上に映像光を投射し、その反射光により得られる虚像によって画像を運転者に提供するヘッドアップディスプレイ装置であって、投射される映像光を生成する映像表示装置と、前記映像表示装置からの映像光に所定の補正を行う光学系と、前記光学系により補正された映像光を反射して前記フロントガラス、または、前記コンバイナ上に投射する凹面ミラーと、を備えており、前記映像表示装置は、固体光源、前記固体光源からの光を略平行光に変換するコリメート光学系、前記コリメート光学系で作製された光束の方向を偏向すると同時に光束幅を広げる光学部材で構成される照明光学系と表示装置からなり、かつ、前記凹面ミラーの光学軸上において、前記光学系を挟んで、対向して配置される構成からなるヘッドアップディスプレイ装置が提供される。
　本発明によれば、小型で高効率であり、かつ、低コストで製造可能な映像表示装置が実現されると共に、当該映像表示装置を利用することによって、ダッシュボードのような狭小な空間内への取り付けやメンテナンスも容易に可能なＨＵＤ装置を提供することが可能となる。
本発明の実施例１に係るヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置の全体概観を示す図である。 実施例１に係るＨＵＤ装置における映像表示装置の概観とその内部構成を示す図である。 実施例１に係る映像表示装置における光源装置の概観を示す図である。 実施例１に係る映像表示装置における光源装置の内部構成を説明する図である。 実施例１に係る映像表示装置におけるコリメータの詳細を説明する図である。 実施例１に係る映像表示装置における導光体の詳細形状を示す斜視図、断面図、断面拡大図である。 実施例１に係る映像表示装置における内部光学系の動作を示す図である。 実施例１に係る映像表示装置における導光体の詳細について説明する図である。 実施例１に係る映像表示装置における導光体を説明するための比較例を示す図である。 実施例１の変形例である映像表示装置における導光体の詳細形状を示す図である。 実施例１の変形例である映像表示装置における導光体の詳細形状を示す図である。 実施例１に係る映像表示装置の光学系の構成部品である導光体を成形するために用いる金型の加工方法を説明する図である。 実施例１の変形例である映像表示装置における導光体の詳細形状を示す図である。 図１３に示す映像表示装置における導光体の表面粗さ空間周波数分布を示す特性図である。 図１３に示す映像表示装置における導光体表面の光散乱を模式的に示す図である。 実施例１の変形例である映像表示装置における導光体表面の形状を示す平面図である。 光源装置におけるコリメータや合成拡散ブロックの詳細について説明する図である。 光源装置における合成拡散ブロックの詳細について説明する一部拡大断面図である。 実施例１の変形例である映像表示装置の構成を示す図である。 実施例１の変形例である映像表示装置の構成を示す図である。 本発明の他の実施例に係る映像表示装置の全体概観を示す図である。 本発明の他の実施例に係る映像表示装置の光学系の内部構成の概観を示す図である。 本発明の他の実施例に係る映像表示装置の全体概観を示す図である。 本発明の実施例２に係る映像表示装置の光学系の構造の一例を示す図である。 実施例２に係る映像表示装置の光学系を説明する図である。 実施例２に係る映像表示装置における導光体の詳細について説明する上面および側面図である。 実施例２に係る映像表示装置の光学系の構成部品であるＬＥＤコリメータと偏光変換プリズムの構造の一例を示す図である。 実施例２の変形例である映像表示装置における導光体の詳細について説明する上面および側面図である。 実施例２の変形例である映像表示装置における導光体の詳細について説明する上面および側面図である。 実施例２の変形例である映像表示装置における導光体の詳細について説明する上面および側面図である。
　以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一部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。一方で、ある図において符号を付して説明した部位について、他の図の説明の際に再度の図示はしないが同一の符号を付して言及する場合がある。
　図１（ａ）は、本発明の実施例に係る映像表示装置を利用したヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置の動作概念の例について概要を示した図である。本発明の実施例に係るＨＵＤ装置１では、その筐体内に配置された映像表示装置３０によって出射された映像光を、補正レンズ等の光学系４３を介して凹面ミラー４１により反射させ、車両２のウィンドシールド３またはその直前に設けられたコンバイナ（図示せず）に投射する。このウィンドシールド３により反射された映像光は、図１（ａ）に示すように、運転者５の視点に入射する。これにより、運転者５は、ウィンドシールド３に投射されて反射された映像光を見ることで、その前方に映像を虚像として視認する。
　なお、かかるＨＵＤ装置１では、特に、その映像表示装置３０は、一般的に、図１（ｂ）にも示すような内部構成を有しており、ここでは、映像表示装置３０がプロジェクタである場合を示しており、映像表示装置３０は、例えば、光源３０１、照明光学系３０２、および表示素子３０３などの各部を有する。より詳細には、光源３０１で発生した照明光は、照明光学系３０２によって集光・均一化されて表示素子３０３に照射する。この光は、投射される映像をその表示面に形成して投射光を生成する素子である表示素子３０３を含んでいる。
　上記の映像表示装置３０から出射した光は、更に、表示距離調整機構４００やミラー駆動部５００を介して車両２のウィンドシールド３に投射されることは、当業者であれば明らかであろう。また、凹面ミラー４１の角度を調整することで、映像をウィンドシールド３に投射する位置を調整することにより、運転者５が見る虚像の表示位置を上下方向に調整可能としても良い。なお、虚像として表示する内容は特に限定されず、例えば、車両情報やナビゲーション情報、図示しないカメラ映像（監視カメラやアラウンドビュアー等）で撮影した前方の風景の映像などを適宜表示することができる。
　図２（ａ）は、ＨＵＤ装置１の外観を示す斜視図であり、図２（ｂ）は、その各部品を分解した状態で示した展開斜視図である。これらの図からも明らかなように、ＨＵＤ装置１を構成する映像表示装置３０は、一般的に、その筐体である外装ケース５５の内部に、上述した映像表示装置３０、凹面ミラー４１および歪み補正レンズ４３と共に収納されている。そして、外装ケース５５の上面には、映像光がウィンドシールドに向かって投射される開口部が形成されており、当該開口部は防眩板５４（グレアトラップ）によって覆われている。また、図２の符号４２は、上記凹面ミラー４１の位置を調整するための電動モータ等により構成される凹面ミラー駆動部を示している。
　続いて、上述したＨＵＤ装置１を構成する映像表示装置３０について、図３を用いて以下に詳細に説明する。映像表示装置３０は、例えば、プラスチックなどにより形成された光源装置ケース１１の内部に、後にも詳述するＬＥＤ、コリメータ、合成拡散ブロック、導光体等を収納して構成されている。その上面には、液晶表示素子５０（図１の表示素子３０３に対応）が取り付けられており、その１つの側面には、半導体光源であるＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）素子やその制御回路を実装したＬＥＤ基板１２が取り付けられている。更に、当該ＬＥＤ基板１２の外側面には、上記ＬＥＤ素子および制御回路で発生する熱を冷却するためのヒートシンク１３が取り付けられている。
　なお、以上の説明からも明らかなように、ＨＵＤ装置が車両のダッシュボードと言う狭小な空間内へ組み込まれるという事情から、ＨＵＤ装置１内における映像表示装置３０に対しては、特に、モジュール化して好適に利用可能であり、小型でかつ高効率であることが求められることが明らかであろう。
　（実施例１）
　図３は、本発明の実施例１に係るＨＵＤ装置を構成する映像表示装置の概観を示す展開斜視図である。図３からも明らかなように、映像表示装置（本体）３０は、例えば、プラスチックなどにより形成され、その内部に、後にも詳述するＬＥＤ、コリメータ、合成拡散ブロック、導光体等を収納してなる光源装置ケース１１から構成されている。また、その上面には、液晶表示素子５０が取り付けられており、更に、その１つの側面には、固体光源である半導体ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）素子やその制御回路を実装したＬＥＤ基板１２が取り付けられていると共に、当該ＬＥＤ基板１２の外側面には、上記ＬＥＤ素子および制御回路で発生する熱を冷却するためのヒートシンク１３が取り付けられている。
　更に、光源装置ケース１１の上面に取り付けられた液晶表示素子５０は、液晶表示パネルフレーム５１と、当該フレームに取り付けられた液晶表示パネル５２と、更に、当該パネルに電気的に接続されたＦＰＣ（フレキシブル配線基板）５３とから構成されている。即ち、液晶表示パネル５２は、後にも詳細に説明するが、固定光源であるＬＥＤ素子と共に、ＨＵＤ装置を構成する制御回路（ここでは図示せず）からの制御信号によって、その上に表示される映像光などが制御される。
　図４には、上記映像表示装置３０の内部構成の一部である、即ち、光源装置ケース１１内に収納されている光学系の構成を示す。即ち、光源を構成する複数（本例では、４個）のＬＥＤ１４ａ、１４ｂ（ここでは、２個のみを示す）が、ＬＥＤコリメータ１５に対して所定の位置に取り付けられている。
　＜ＬＥＤコリメータ＞
　なお、このＬＥＤコリメータ１５は、各々、例えば、アクリル等の透光性の樹脂により形成されており、図５にも示すように、略放物断線を回転して得られる円錐凸形状の外周面１５１を有すると共に、その頂部には、中央部に凸部（即ち、凸レンズ面）１５２を形成した凹部１５３を有する。また、その平面部の中央部には、外側に突出した凸レンズ面（あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でも良い）１５４を有している。他方、ＬＥＤ１４ａ、１４ｂは、その回路基板である、いわゆる、ＬＥＤ基板１２の表面上の所定の位置に、それぞれ配置されている。なお、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面を形成する放物面は、ＬＥＤ１４ａから周辺方向に出射する光をその内部で全反射することが可能な角度の範囲内において設定され、あるいは、反射面が形成されている。なお、ＬＥＤコリメータを形成する材料は、前記アクリルに限定されるものではなく、透明な材料であれば良く、特にＬＥＤのパワーが大きい場合は、より耐熱性の高い、ポリカーボネートやシクロオレフィン系ポリマーや、シリコーン系ポリマー材料、ガラス等が好ましい。
　上記のＬＥＤ基板１２は、ＬＥＤコリメータ１５に対して、その表面上のＬＥＤ１４ａ、１４ｂが、図５にも示すように、それぞれその凹部１５３の中央部に位置するように配置されて固定される。かかる構成により、上述したＬＥＤコリメータ１５によれば、ＬＥＤ１４ａから放射される光のうち、特に、その中央部分から上方（図５の右方向）に向かって放射される光は、ＬＥＤコリメータ１５の外形を形成する２つの凸レンズ面１５２、１５４により集光されて平行光となり、また、その他の部分から周辺方向に向かって放射される光は、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面を形成する放物面によって反射され、同様に、集光されて平行光となる。換言すれば、その中央部に凸レンズを構成すると共に、その周辺部に放物面を形成したＬＥＤコリメータ１５によれば、ＬＥＤ１４ａにより発生された光のほぼ全てを平行光に近い光線として取り出すことが可能となり、発生した光の利用効率を向上することが可能となる。
　なお、当該ＬＥＤコリメータ１５の光の出射側には、矩形状の合成拡散ブロック１６が設けられている。即ち、ＬＥＤ１４ａまたは１４ｂから射出された光は、ＬＥＤコリメータ１５の働きにより平行光となって合成拡散ブロック１６へ入射する。
　ここで、再び図４に戻り、更に、上記合成拡散ブロック１６の出射面側には、第１の拡散板１８ａを介して、断面略三角形の導光体１７が設けられており、その上面には、第２の拡散板１８ｂが取り付けられている。これにより、上記ＬＥＤコリメータ１５の水平光は、当該導光体１７の働きにより図４の上方に反射されると共に、水平光の縦方向の光束幅は、当該導光体１７の働きにより、広げられて、上記液晶表示素子５０の入射面に導かれる。この導光体の働きにより、薄型、小型の映像表示装置が実現できる。なお、その際、上記第１および第２の拡散板１８ａ、１８ｂによって、その強度が均一化される。
　＜導光体の詳細構造＞
　続いて、上記光源装置を構成する導光体１７の詳細について、以下に、図６を参照しながら説明する。なお、図６（ａ）は、当該導光体１７の全体を示す斜視図を、図６（ｂ）はその断面を、そして、図６（ｃ）および図６（ｄ）は、断面の詳細を示す一部拡大断面図である。
　導光体１７は、例えば、アクリル等の透光性の樹脂により断面略三角形（図６（ｂ）参照）に形成された部材であり、そして、図６（ａ）からも明らかなように、上記合成拡散ブロック１６の出射面に第１の拡散板１８ａを介して対向する導光体光入射部（面）１７１と、斜面を形成する導光体光反射部（面）１７２と、第２の拡散板１８ｂを介して上記液晶表示素子５０の液晶表示パネル５２と対向する導光体光出射部（面）１７３とを備えている。
　この導光体１７の導光体光反射部（面）１７２には、その一部拡大図である図６（ｃ）および図６（ｄ）に示すように、多数の反射面１７２ａと連接面１７２ｂとが交互に鋸歯状に形成されている。そして、反射面１７２ａ（図６では右上がりの線分）は、図６において一点鎖線で示す水平面に対してαｎ（ｎ：自然数であり、本例では、例えば、１～１３０である）を形成しており、その一例として、ここでは、αｎを４３度以下（但し、０度以上）に設定している。
　他方、連接面１７２ｂ（図６では右下がりの線分）は、水平面に対してβｎ（ｎ：自然数であり、本例では、例えば、１～１３０である）を形成している。即ち、反射部の連接面１７２ｂは、入射光に対して、後に述べる散乱体の半値角の範囲で影になる角度に傾斜されている。後にも詳述するが、α１、α２、α３、α４・・・は反射面仰角を形成し、β１、β２、β３、β４・・・は反射面と連接面との相対角度を形成しており、その一例として、９０度以上（但し、１８０度以下）に設定されている。なお、本例では、β１＝β２＝β３＝β４＝・・・＝β２０＝・・・β１３０である。
　図７および図８には、説明のために、導光体１７に対して反射面１７２ａと連接面１７２ｂの大きさを相対的に大きくした模式図を示す。導光体１７の導光体光入射部（面）１７１では、主たる光線が、反射面１７２ａに対して入射角が大きくなる方向にδだけ偏向されている（図８（ｂ）参照）。即ち、導光体光入射部（面）１７１は、光源側に傾斜した湾曲の凸形状に形成されている。これによれば、合成拡散ブロック１６の出射面からの平行光は、第１の拡散板１８ａを介して拡散されて入射し、図８（ｂ）からも明らかなように、導光体光入射部（面）１７１により上方に僅かに屈曲（偏向）しながら導光体光反射部（面）１７２に達する（図９の比較例を参照）。
　なお、この導光体光反射部（面）１７２には、多数の反射面１７２ａと連接面１７２ｂとが交互に鋸歯状に形成されており、拡散光は、各々の反射面１７２ａ上で全反射されて上方に向かい、更には、導光体光出射部（面）１７３や第２の拡散板１８ｂを介して、平行な拡散光として液晶表示パネル５２へ入射する。そのため、反射面仰角α１、α２、α３、α４・・・は、各々の反射面１７２ａが前記拡散光に対して臨界角以上の角度となるように設定されており、他方、反射面１７２ａと連接面１７２ｂとの相対角度β１、β２、β３、β４・・・は、上述したように一定の角度、その理由は後にも述べるが、より好ましくは、９０度以上の角度（βｎ≧９０°）に設定されている。
　上述した構成により、各反射面１７２ａが前記拡散光に対して常に臨界角以上の角度となるような構成になっているので、導光体光反射部（面）１７２に金属等の反射膜を形成しなくても、全反射が可能となり、低コストの映像表示装置３０を実現できる。一方、比較例となる図９に示したように、導光体１７の導光体入射部で、主たる光線の屈曲（偏光）が無い場合は、拡散光の一部が反射面１７２ａに対して、臨界角以下になってしまい、十分な反射率が確保できないので、特性の良い（明るい）光源装置、即ち、映像表示装置が実現できない。
　また、反射面仰角α１、α２、α３、α４・・・は、導光体光反射部（面）１７２の下部から上部に移動するに従って僅かに増加する値となっている。これは、液晶表示素子５０の液晶表示パネル５２を透過した光はある程度の発散角を有しているため、特に液晶表示パネル５２の周辺部を透過した光の一部が、下流に配置されたミラーの周縁でけられる、いわゆる周辺減光の発生を防止する目的で、図７の光線Ｌ３０に示すように、周辺部の光線がやや中心軸方向に偏向された構成を実現するためである。
　上記でも述べたように、β１＝β２＝β３＝β４・・・βｎ≧９０°としたが、これは、図１２にも示すように、導光体１７を射出成形で作製するための金型４０の加工において、底面と側面の相対角度がβのエンドミルによって、反射面１７２ａと連接面１７２ｂとが、同時に、加工できるためである。また、反射面１７２ａと連接面１７２ｂに対し、相対的に太い工具で加工が可能であることから、加工時間が大幅に短縮でき加工費の大幅な低減が可能となる。また、反射面１７２ａと連接面１７２ｂとの境界エッジが精度良く加工でき、導光体１７の導光特性の向上を図ることができる。
　また、図７のＬｒ１、Ｌｒ２、Ｌｒ３、Ｌｒ４・・・は反射面１７２ａの水平面に対する投影長さを、そして、Ｌｃ１、Ｌｃ２、Ｌｃ３、Ｌｃ４・・・は、連接面１７２ｂの水平面に対する投影長さをそれぞれ表しており、Ｌｒ／Ｌｃ、即ち反射面１７２ａと連接面１７２ｂとの比率は、場所により変更可能な構成とした。導光体１７に入射する主たる光線Ｌ３０の強度分布は、必ずしも液晶表示パネル入射面で望まれる強度分布と一致しない。そこで、反射面１７２ａと連接面１７２ｂとの比率Ｌｒ／Ｌｃにより、強度分布を調整する構成を採用した。なお、この比率を高めるほど、その部分の反射光の平均的な強度を高めることができる。一般的に、導光体に入射する光線Ｌ３０は、中央部が強くなりがちなので、それを補正するのに、前記比率Ｌｒ／Ｌｃは、場所により異なる構成とし、特に、中央部が小さくなるようにした。前記比率Ｌｒ／Ｌｃが場所により異なる構成および前述した反射面仰角α１、α２、α３、α４・・・が場所により異なる構成であるため、導光体光反射部（面）１７２の概形状を表す包絡線１７２ｃは、図７に示すように曲線形状を示す。
　更に、Ｌｒ１＋Ｌｃ１＝Ｌｒ２＋Ｌｃ２＝Ｌｒ３＋Ｌｃ３＝Ｌｒ４＋Ｌｃ４・・・＝Ｌｒ＋Ｌｃ≦０．６ｍｍとした。かかる構成を採用することによれば、導光体１７の導光体光出射部（面）１７３から見た反射面の繰り返しピッチを同一とすることができる。また、そのピッチは、０．６ｍｍ以下であることから、拡散板１８ａ、１８ｂの作用・効果と相まって、液晶表示パネル５２越しで見た場合、個々の出射面が分離せず、連続面として見えることから、液晶表示パネル５２越しの空間輝度の均一化が図れ、もって、表示特性が向上する。即ち、本構成により、液晶表示パネル５２上での入射光強度分布を均一化することが可能となる。他方、Ｌｒ＋Ｌｃの値が０．２ｍｍより小さいと、加工時間がかかるばかりではなく、各反射面１７２ａを精度良く加工するのが困難となるので０．２ｍｍ以上が望ましい。
　上述した導光体１７の導光体光反射部（面）１７２の形状によれば、主たる光の全反射条件を満たすことができ、導光体光反射部（面）１７２にアルミ等の反射膜を設ける必要がなく、光を効率的に反射することが可能となり、製造コストの上昇を伴うアルミニウム薄膜の蒸着作業なども必要なく、より低コストで、明るい光源が実現できる。また、各相対角βは、連接面１７２ｂが主たる光線Ｌ３０が合成拡散ブロック１６および拡散板１８ａで拡散した光に対して影になるような角度に設定した。これにより、連接面１７２ｂへの不要な光の入射を抑制することで、不要な光の反射を低減でき、特性が良好な映像表示装置を実現することが可能となる。
　また、上述した導光体１７によれば、特に、反射面仰角α１、α２、α３、α４・・・、前記反射面と連接面の比率Ｌｒ／Ｌｃを適宜設定することにより、光軸方向における導光体光出射部（面）１７３の長さを自由に変更することができることから、導光体光入射部（面）１７１に対して、導光体光出射部（面）１７３の大きさ（面サイズ）を、上記液晶表示パネル５２などの装置に対して適合した、適宜、必要な大きさ（面サイズ）に変更可能な映像表示装置を実現することが可能となる。このことは、また、光源を構成するＬＥＤ１４ａ、１４ｂの配置形状に依存することなく、導光体光出射部（面）１７３を所望の形状にすることが可能となることにより、所望の形状の面状の発光源が得られることとなる。更には、本構成により液晶表示パネル５２の大きさに対して、ＬＥＤコリメータ１５や合成拡散ブロック１６の厚みを薄くすることができるので装置全体の小型化にも有利であろう。
　また、上述した導光体１７によれば、図１０にも示すように、導光体光反射部（面）１７２を構成する連接面１７２ｂを適宜設定する（この例では、その中央部の一部の反射面１７２ａでは光が反射しないようにする）ことによれば、導光体１７の導光体光出射部（面）１７３において、反射面１７２ａと連接面１７２ｂの比率Ｌｒ／Ｌｃを場所によって大きく変更することも可能となる。これにより、図１０の例では、導光体１７の導光体光出射部（面）１７３から出射される光は、光軸の方向において左右に分けられている様子が示される。かかる構成は、例えば、ＨＵＤ装置からの照明光をロス無く上下または左右に分離する場合等において好適であろう。また、前記比率Ｌｒ／Ｌｃを適宜調整することにより、部分的に反射光を強くしまたは弱くすることも可能となる。
　加えて、図１１にも示すように、上述したＬＥＤ１４ａ、１４ｂや導光体１７等を含む光源装置を、複数個（本例では、２個）、同一面内で互いに対向するように組み合わせることによれば、更に、より多くの種類の面サイズと光量の導光体光出射部（面）１７３を備えた映像表示装置を実現することが可能となる。
　ここで、液晶表示パネルに入射する主たる光線の傾きは、一般的には、垂直に近い方が望ましいが、しかしながら、液晶表示パネルの特性によっては、図１０に示したように、角度ηだけ傾けることも可能である。即ち、市販されている液晶パネルの中には、入射角を５～１０°程度傾けた方が、特性が良いものがあるが、その場合には、上記ηをその特性に応じて５°～１０°とすることが望ましい。
　また、パネルをη傾ける代わりに、反射面１７２ａの角度を調整することにより、液晶パネルへの主たる光線の傾きを傾けることも可能である。更に、前記光線の傾きを導光体の側面方向に傾ける必要がある場合には、以下にも詳述する合成拡散ブロック１６の出射面に形成された三角形状のテクスチャー１６１の斜面傾きを左右非対称にするか、反射面１７２ａ、連接面１７２ｂで構成されるテクスチャーの形成方向を変更することにより、実現可能であろう。
　加えて、上述した導光体１７では、図１３にも示すように、その入射面と出射面に、それぞれ、以下の機能性散乱面１７５を付与（形成）することにより、上記図６にも示した拡散板１８ａ、１８ｂを省略することも可能である。この構成を採用することにより、拡散板１８ａ、１８ｂが不要となり、映像表示装置の低コストが実現できる。
　この機能性散乱面は、空間周波数の高い成分（細かい成分）の面粗さを低減することにより、不要な発散構成分の低減を図るものである。図１４（ｂ）に通常の散乱面の面粗さ空間周波数成分を、図１４（ａ）により好ましい散乱特性を有する散乱面の面粗さ空間周波数成分を示す。通常の散乱面の面粗さ空間周波数分布は、図１４に示すように、空間周波数の逆数（１／ｆ）に沿った分布を示す。それに対して、より好ましい面粗さの空間周波数分布は、空間周波数１０／ｍｍ以下の低周波および１００／ｍｍ以上の高周波領域で、低い値となっている。面粗さ空間周波数の低周波成分が少なく、中周波成分が適度にあるので、散乱むらが少ない光源が実現できる。また、面粗さ空間周波数の高周波成分が少ないので、散乱光の散乱角が大きくならず、図１５（ａ）に示すように、その面で散乱される光の方位を光源として利用可能な方向に限定することができ、明るくかつ均一な輝度分布を有する光源が実現できる。それに対して通常の散乱面は、図１５（ｂ）に示すように、光源として利用可能な方向外にも光が散乱されるので、明るい光源を実現できない。
　図１６は、導光体１７の入射面または出射面に形成した上述したテクスチャー１６１の具体例を示す一部拡大図である。この模式図では、その反射面（または出射面）と連接面の境界が直線状に配置・形成された一例を図１６（ａ）に、そして、図１６（ｂ）には、例えば、光源であるＬＥＤ１４ａ、１４ｂが互いに離隔されて分散されて配置されている等、その必要性に応じて、曲線状に配置・形成された他の例をそれぞれ示している。
　即ち、上述した機能性散乱面を採用することによれば、導光体１７の入射面と出射面での光の入射・出射の制御自由度が増加することとなり、光源装置からの光の輝度むらを低減し、その下流側に配置される光学系の装置（本例では、液晶表示素子５０）の特性に応じたきめ細かい制御が可能となり、更には、装置の低コスト化に有利であろう。
　＜合成拡散ブロックの詳細＞
　続いて、映像表示装置３０の他の構成要素である、合成拡散ブロック１６について、図１７および図１８を参照しながら説明する。なお、図１７は、上記ＬＥＤコリメータ１５と一体化された合成拡散ブロック１６を示しており、図１８（ａ）および図１８（ｂ）は、合成拡散ブロック１６の一部拡大断面を示している。
　図１８（ａ）からも明らかなように、アクリル等の透光性の樹脂により角柱状に形成された合成拡散ブロック１６の出射面には、多数の断面略三角形状のテクスチャー１６１が形成されており、当該テクスチャー１６１の働きにより、ＬＥＤコリメータ１５から出射する光が、上記導光体１７の導光体光入射部（面）１７１の図示紙面の鉛直方向に拡散される。そして、上記略三角形状のテクスチャー１６１と拡散板１８ａ、１８ｂの相互作用により、ＬＥＤコリメータ１５が離散的に配置されていても、導光体１７の導光体光出射部（面）１７３から出射する光の個強度分布を均一化することが可能となる。
　特に、上述したテクスチャー１６１によれば、拡散方向を導光体側面方向に限定すること、更には、側面方向の拡散性の制御が可能となることから、上記第１および第２の拡散板１８ａ、１８ｂの等方拡散性を弱くすることが可能となり、その結果、光利用効率が向上し、特性の良い映像表示装置が実現できることとなる。なお、本例では、略三角形状のテクスチャー１６１の一例として、角度γ＝３０度、その形成ピッチａ＝０．５ｍｍとした例を示す。しかしながら、このテクスチャー１６１は、上記において図１３～図１６に示した機能性散乱面を利用して良いことは、当業者にとって明らかであろう。なお拡散ブロックに形成したテクスチャーは、略三角形状に限定されるものではなく、例えば前記ＬＥＤコリメータ１５の離散配置に合わせ、各ＬＥＤコリメータの中心軸に合わせた同心円状の形状でも良い。
　また、この合成拡散ブロック１６は、上述した角柱形状に代えて、図１９に示すように、三角柱の形状の、いわゆる、くさび形の屈折部材１６’とすることも可能である。これによれば、光源であるＬＥＤ１４ａ、１４ｂを含むＬＥＤコリメータ１５からの光を、所望の方向（図１９の上方）に屈折させることにより、導光体１７の平坦な入射面に対しても、所望の角度だけ傾斜して入射することが可能となる。これによれば、導光体１７の導光体光入射部（面）１７１を、上記図５～図７に示すように、光源側に傾斜した湾曲の凸形状に形成することなく、その反射面１７２ａでの全反射を確保することが可能であることから、より製造しやすい構造となっている。
　加えて、図２０にも示すように、上述した合成拡散ブロック１６を設けることなく、光源であるＬＥＤ１４ａ、１４ｂを含むＬＥＤコリメータ１５の配置角度を斜めにすることにより、反射面１７２ａでの全反射を確保して明るい光源を実現することも可能であろう。なお、ＬＥＤから出射した光線Ｌ３０は、導光体１７の導光体光入射部（面）１７１で屈折するので、ＬＥＤコリメータ１５の傾斜角度δ’は、導光体１７の内部における光の傾斜角度δとは必ずしも一致しない（δ’≠δ）ことから、留意が必要であろう。
　以上にも詳述したように、本発明の実施例１に係る映像表示装置３０によれば、ＬＥＤ光源からの光の光利用効率やその均一な照明特性をより向上すると同時に、モジュール化された映像表示装置として、小型かつ低コストで製造することが可能となる。
　＜その他の実施例＞
　また、図２１および図２２には、本発明の他の実施例に係る映像表示装置３００の全体の外観斜視図とその内部構成が示されており、この他の実施例では、断面略台形状の合成拡散ブロック１６ｂを利用することにより、ＬＥＤが取り付けられる複数の円錐凸形状を有するＬＥＤコリメータ１５が、装置下方の傾斜した位置に取り付けられている。なお、図２１の符号１３ｂは、ＬＥＤ素子および制御回路で発生する熱を冷却するためのヒートシンクである。
　更に、図２３は、本発明の更に他の実施例に係る映像表示装置３００の全体外観斜視図が示されており、この実施例では、詳細は示さないが、ＬＥＤ基板１２で発生した熱は伝熱プレート１３ｄを通じて装置下部に配置されたヒートシンク１３ｃで冷却する構造となっている。本構成により、全長の短い光源装置が実現できる。
　（実施例２）
　＜偏光機能を備えた光源装置＞
　続いて、以下には、本発明の実施例２について、図２４～図３０を参照しながら詳細に説明する。なお、この実施例２では、上記実施例１とは異なり、光源装置からの光を、Ｓ偏光またはＰ偏光の偏光として出射する映像表示装置であるが、しかしながら、モジュール化された小型で高効率の面状の光源として利用可能な映像表示装置を実現することは上記と同様である。
　図２４～図２６には、実施例２に係る映像表示装置の、特に、その特徴となる光学系の構成を示す。即ち、この実施例２では、上述した実施例１の構成において、光源を構成するＬＥＤ１４ａ、１４ｂの数を、一例として、実施例１の半分の２個で構成すると共に、各々のＬＥＤコリメータ１５と合成拡散ブロック１６との間には、偏光変換素子２１を設けている。なお、図中のその他の構成については、上記実施例１のそれと同様であり、同じ参照符号を付して示されており、ここでは、重複を避けるため、その詳細な説明は省略する。
　また、これらの図の、特に、図２６（ａ）にも明らかなように、偏光変換素子２１が、図の紙面に垂直な方向に沿って伸びた断面が平行四辺形である柱状（以下、平行四辺形柱）の透光性部材と、断面が三角形である柱状（以下、三角形柱）の透光性部材とを組み合わせ、これをＬＥＤコリメータ１５からの平行光の光軸に対して直交する面に平行に（本例では、図の紙面上の垂直方向）、複数、アレイ状に配列して形成されている。更に、これらアレイ状に配列された隣接する透光性部材間の界面には、交互に、偏光ビームスプリッタ（以下、「ＰＢＳ」と省略する）膜２１１と反射膜２１２とが設けられている。また、偏光変換素子２１へ入射してＰＢＳ膜２１１を透過した光が出射する出射面には、１／２λ位相板２１３が備えられている。
　このように、上記偏光変換素子２１は、ＬＥＤコリメータ１５からの平行光の光軸と平行四辺形柱の透光性部材の延伸方向とで形成される面（図の紙面上、垂直に伸びた垂直面）、いわゆる、平行光の光軸面に対して、対称に構成されており、また、その構成要素である透光性部材の平行四辺形柱や三角形柱の傾きは、当該光軸面に対して４５度となっている。そして、この偏光変換素子２１は、２個のＬＥＤコリメータ１５からの平行光に対して、図の垂直方向に２組に分かれた、それぞれの偏光変換素子を構成している。
　以上のように構成された偏光変換素子２１によれば、図２６（ａ）からも明らかなように、例えば、ＬＥＤ１４ａから出射してＬＥＤコリメータ１５で平行光となった入射光のうち、Ｓ偏光波（図２６の記号（×）を参照）は、ＰＢＳ膜２１１により反射され、その後、更に、反射膜２１２により反射されて合成拡散ブロック１６の入射面に到る。他方、Ｐ偏光波（図２６の上下の矢印を参照）は、ＰＢＳ膜２１１を透過した後、１／２λ位相板２１３によりＳ偏光波となって、合成拡散ブロック１６の入射面に到ることとなる。
　このように、偏光変換素子２１によれば、（複数の）ＬＥＤから出射してＬＥＤコリメータ１５により平行光となった光は、その全てがＳ偏光波となり、合成拡散ブロック１６の入射面に入射することとなる。その後、当該合成拡散ブロック１６の出射面から射出した光は、上記第１の拡散板１８ａを介して、既に上記に詳述した導光体１７に入射し、更に、当該導光体１７の働きにより図２６（ｂ）の上方に反射されて、上記液晶表示素子５０の入射面に導かれることは、上記実施例１における場合と同様である。なお、当該導光体１７の働きについては、上記でも既に詳述しており、ここではその重複を避けるため、その説明を省略する。
　なお、図２７は、上述した２個のＬＥＤコリメータ１５を上記偏光変換素子２１に取り付けた様子を示す斜視図である。また、図２９は、偏光変換素子の出射面側に取り付けられる合成拡散ブロック１６の外観構成を示す図であり、更に、図３０は、上記合成拡散ブロック１６の詳細構造を示す側面図とその一部拡大断面図である。これらの図からも明らかなように、この実施例２においても、同様に、合成拡散ブロック１６の出射面には、多数の断面略三角形状のテクスチャー１６１が形成されている。しかしながら、その詳細については既に上述しており、ここでは省略する。加えて、この合成拡散ブロック１６においても、その表面に形成されるテクスチャー１６１として、上記図１３～図１６にも示した機能性散乱面を利用することにより、同様の効果を達成しても良いことは、当業者にとって明らかであろう。
　このように、上述した実施例２に係る映像表示装置によれば、液晶表示素子５０を構成する液晶表示パネル５２に入射する光を、上記の偏光変換素子２１によって所望の偏光波（本例では、Ｓ偏光波）にすることから、当該光の液晶表示パネルでの透過率を向上するなど、出射される映像光の偏光特性に基づいた効果を達成することが可能となることから、より少ない発光源（ＬＥＤ）によって、より小型でかつ高効率のモジュール化された映像表示装置を、より安価に実現することが可能となる。なお、上記では、偏光変換素子２１をＬＥＤコリメータ１５の後に取り付けるものとして説明したが、しかしながら、本発明はそれに限定されることなく、液晶表示素子に到る光路中に設けることによっても同様な同様の作用・効果が得られることは、当業者であれば明らかであろう。
　図２８は、上述した映像表示装置において、光源を構成するＬＥＤ１４ａ、１４ｂ、１４ｃの数を３個で構成し、各々のＬＥＤコリメータ１５と合成拡散ブロック１６との間には、偏光変換素子２１を設けているが、しかしながら、配向制御板を構成する上記合成拡散ブロック１６の代わりに配向制御板１６ｃを配置した構成を示す。また、本構成では、ＬＥＤコリメータ１５の形状に対して、比較的大きなＬＥＤ１４を用いた構成を特色とする。それに合わせ、ＬＥＤコリメータ１５の光入射部１５５の形状は、他の実施例と比較して大きめの形状となっている。図２８（ａ）を用いて説明すると、ＬＥＤ１４ａから斜め方向に出射した光Ｌ３０１とＬ３０２は、ＬＥＤコリメータの光入射部１５５から入射しその側面１５６でやや収束光ぎみに反射され、ＬＥＤコリメータの出射面１５７に達する。ＬＥＤコリメータの出射面１５７の特に外周部は凹面形状になっているので、この部分で光Ｌ３０１，Ｌ３０２は屈折しほぼ平行に変換され、偏光変換素子の光入射部２１ｗに入射する。本構成を採用することにより、図２８（ａ）に示す様な偏光変換素子の光入射部２１ｗの幅が狭い場合でも効率よく偏光変換素子にＬＥＤからの光を入射させることができ、高効率の光源が実現できる。
　続いて、ＬＥＤ１４ａから出射し、ＬＥＤコリメータの光入射部１５５で屈折する光線に対して、図２８（ｂ）を用いて説明する。ＬＥＤ１４ａの中心部から出射した光線Ｌ３０は、ＬＥＤコリメータの光入射部１５５が凸形状になっているので、そこで略平行光に変換され、偏光変換素子２１を経て、拡散板１８ａ、導光体１７、拡散板１８ｂを経て、液晶表示パネル５２に入射する。一方、ＬＥＤ１４ａの端部から出射し、特に中心軸で交差する光線Ｌ３００１，光線Ｌ３００２を考えると、その光線はＬＥＤコリメータの光入射部１５５の面に対して、垂直に近い角度で入射するので、その屈折角は小さく、その結果図２８に示すようにＬＥＤコリメータ１５から斜め方向に出射し、結果的に偏光変換素子からも斜め方向に出射するので、偏光変換素子２１と導光体１７間に、光の方向を制御する部材が無い場合は、波線で示した光線Ｌ３００１ｃ、光線Ｌ３００２ｃのように導光体１７の光入射部からそれてしまうので、有効にその光線を活用することができない。それに対して、本発明では、偏光変換素子２１と導光体１７間に、略シリンドリカル凸形状を有した配向制御板１６ｃを配置することにより、それぞれ光線Ｌ３００１、Ｌ３００２は、光線Ｌ３００１ｂ、Ｌ３００２ｂのように屈折され、その後、拡散板１８ａ、導光体１７、拡散板１８ｂを経て、液晶表示パネル５２に入射するので、高効率光源が実現できる。特に本構成は、偏光変換素子の光入射部の幅に対して、比較的大きなＬＥＤを用いた場合、好適である。なお、本構成は、偏光変換素子２１がある構成に限定されず、ＬＥＤコリメータ１５と導光体１７間に配向制御板１６ｃを配置すれば良い。更に、かかる構成において、導光体１７の入射面と出射面に設けられる拡散板１８ａ、１８ｂを省略すると共に、それに代え、その入射面と出射面に、それぞれ、上述した機能性散乱面（図１３～図１６を参照）を付与（形成）することも可能である。
　更には、特に、光源出射面が比較的小さい小型の映像表示装置に適してはいるが、図２９にも示すように、合成拡散ブロック１６後方に配置される導光体１７に代えて、直接、偏光変換素子２１’を設けることも可能である。なお、この構成では、図２９からも明らかなように、三角形柱の透光性部材２１１’と平行四辺形柱の透光性部材２１２’とを組み合わせ、それらの境界面には、ＬＥＤ１４ａから出射してＬＥＤコリメータ１５で平行光となった入射光のＳ偏光波（図２９の記号（×）を参照）を反射するが、他方、Ｐ偏光波（図２９の上下の矢印を参照）を透過するＰＢＳ膜２１１が形成されると共に、平行四辺形柱の透光性部材２１２’の上面には、１／２λ位相板２１３が、そして、その側面には、反射膜２１２がそれぞれ形成されている。
　上述した構成によれば、図２９からも明らかなように、ＬＥＤ１４ａから出射してＬＥＤコリメータ１５で平行光となった入射光は、導光体１７に替える偏光変換素子２１’により偏光成分がＳ偏光に偏光されて、当該素子の上面から上方に向かって出射されることとなる。即ち、上記した構成では、特に、導光体１７を取り除くことにより、装置の大幅な小型化や装置の製造コストの低減を実現することが可能となる。
　更に、図３０には、光源であるＬＥＤ１４とＬＥＤコリメータ１５とを、複数組、上述したように水平方向に配置するだけではなく、更に、垂直方向においても複数組を配置した構成を示す。即ち、本例では、３組のＬＥＤ１４とＬＥＤコリメータ１５を横方向に互いに離間して配置する（図３０（ａ）を参照）ことに加えて、縦方向にも、３組のＬＥＤ１４とＬＥＤコリメータ１５を隣接して配置している（図３０（ｂ）を参照）。なお、図中のその他の構成については、上記実施例２のそれと同様であり、ここでは、重複を避けるため、その詳細な説明は省略する。
　なお、かかる構成によれば、光源であるＬＥＤ１４の個数を多く配置することができることから、より明るい映像表示装置を実現することが可能となり、また、光の出射面をより拡大することもでき、表示エリアが広い光出射面を備えた映像表示装置として、あるいは、表示エリアが広い液晶表示パネル５２と組み合わせて使用する場合に好適である。また、かかる構成によれば、光の出射面を、複数個のＬＥＤ１４に対応する複数の表示エリアに分割して、当該ＬＥＤ１４の発光出力（点灯）を独立して制御する等により、いわゆる、ローカルディミングを実現し、更には、表示画像の高コントラスト化や消費電力の低減が可能となる。また、かかる光源の多段配列構成は、実施例２の偏光機能を備えた映像表示装置にのみ限定されるものではなく、上記実施例１の映像表示装置に適用することによっても同様の効果が得られることは言うまでもなかろう。
　また、上述した個別のＬＥＤの制御によるローカルディミングに加えて、上述した制御回路（例えば、図３のフレキシブル配線基板５３に搭載される）により、ＬＥＤの個別制御と共に、液晶表示パネル５２と組み合わせて制御することによれば、より好適で低消費電力の映像表示装置、更には、それを用いたＨＵＤ装置を実現することも可能となる。
　なお、ローカルディミングでは、ＬＥＤの縦方向の配置は、千鳥配置より整列配置の方が好ましい。整列配置の方が、場所毎での照明明るさの制御が容易である。また、偏光変換素子を用いた場合でも、ＬＥＤ縦方向の配置は、整列配置の方が好ましい。縦方向の配置を千鳥配置にした場合、偏光変換プリズムは、各縦方向の位置により別個の素子を配置する必要があるが、整列配置では単一の素子で縦方向の厚みをＬＥＤの配置に合わせて調整するだけで良い。
　更に、上記では、液晶表示パネルはＳ偏光波に対する透過率が優れているとして説明したが、しかしながら、Ｐ偏光波に対する透過率が優れている場合にも、上記と同様の構成を有する偏光変換素子によれば、やはり同様の作用・効果が得られることは、当業者であれば明らかであろう。
　なお、以上の詳細な説明からも明らかなように、上述したようにしてモジュール化された、小型でかつ高効率である映像表示装置は、特に、映像光を反射してフロントガラス、または、コンバイナ上に投射する凹面ミラーの光学軸上において対向して配置する（但し、その間には、補正光学系を構成する補正レンズを介在するが）構成によれば、ＨＵＤ装置全体の容積をより小型化することを可能とする。そのため、ダッシュボードと言う狭小な空間内でも、ＨＵＤ装置を容易に組み込むことができ、更には、その取り付けやメンテナンス作業をも容易に行うことができるという優れた効果を発揮する。
　以上、本発明の種々の実施例に係るＨＵＤ装置に用いるのに適した映像表示装置について述べた。しかしながら、本発明は、上述した実施例のみに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するためにシステム全体を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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例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。
１…ＨＵＤ装置、２…車両、３…ウィンドシールド、５…運転者、３０…映像表示装置、４１…凹面ミラー、４３…歪み補正レンズ、５５…外装ケース、５４…防眩板、１１…光源装置ケース、１２…ＬＥＤ基板、１３…ヒートシンク、５０…液晶表示素子、５１…液晶表示パネルフレーム、５２…液晶表示パネル、５３…ＦＰＣ（フレキシブル配線基板）、１４ａ、１４ｂ…ＬＥＤ、１５…ＬＥＤコリメータ、１７…導光体、１８ａ、１８ｂ…拡散板、１７２ａ…反射面、１７２ｂ…連接面、１６…合成拡散ブロック、１６１…テクスチャー、２１…偏光変換素子、２１１…ＰＢＳ膜、２１２…反射膜。
 
 

Claims (25)

  1. 　車両のフロントガラス、または、その直前に設けられたコンバイナ上に映像光を投射し、その反射光により得られる虚像によって画像を運転者に提供するヘッドアップディスプレイ装置であって、
    　投射される映像光を生成する映像表示装置と、
    　前記映像表示装置からの映像光に所定の補正を行う光学系と、
    　前記光学系により補正された映像光を反射して前記フロントガラス、または、前記コンバイナ上に投射する凹面ミラーと、を備えており、
    　前記映像表示装置は、固体光源、前記固体光源からの光を略平行光に変換するコリメート光学系、前記コリメート光学系で作製された光束の方向を偏向すると同時に光束幅を広げる光学部材からなる照明光学系と表示装置からなり、かつ、前記凹面ミラーの光学軸上において、前記光学系を挟んで、対向して配置されている、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において、
    　前記表示装置は液晶を用いた表示装置であり、かつ前記照明光学系は、前記表示装置の透過率が高くなる方向の偏光照明を行う構成である、ヘッドアップディスプレイ装置。
  3. 　車両のフロントガラス、または、その直前に設けられたコンバイナ上に映像光を投射し、その反射光により得られる虚像によって画像を運転者に提供するヘッドアップディスプレイ装置において使用される映像表示装置であって、少なくとも、
    　固体光源と、
    　前記固体光源から出射された光を略平行光に変換するコリメート光学系と、
    　前記コリメート光学系から出射した光を入射して所定の方向へ出射する導光体と、
    　前記導光体の出射面に設けられた液晶表示素子と、を備えており、
    　前記導光体は、入射光を、その光軸とは異なる所望の光軸方向へ出射し、かつ、その内部を伝搬する光の強度を所望の分布にするように構成されている、映像表示装置。
  4. 　請求項３に記載の映像表示装置において、
    　前記導光体は、光を入射する入射部、入射した光を反射する反射部、前記反射部で反射した光を出射する出射部を有しており、前記反射部は、入射した光を反射する複数の反射面と前記複数の反射面間を連接する複数の連接面からなり、かつ、前記入射部は、前記反射部の反射面に入射する光の入射角がより大きくなる方向に、光を偏向させる構造を有している、映像表示装置。
  5. 　請求項４に記載の映像表示装置において、
    　前記コリメート光学系と前記導光体の間に、散乱体を具備しており、
    　前記反射部の前記連接面は、入射光に対して、前記散乱体の半値角の範囲で影になる角度に傾斜している、映像表示装置。
  6. 　請求項４に記載の映像表示装置において、
    　前記導光体の入射面の偏向構造は、入射光に対して斜めに配置した斜面である、映像表示装置。
  7. 　請求項６に記載の映像表示装置において、
    　前記斜めに配置した斜面は、少なくとも一部が曲面である、映像表示装置。
  8. 　請求項５に記載の映像表示装置において、
    　前記導光体の反射部に形成された反射面の仰角は、場所により異なり、かつ隣接する前記反射面と前記連接面の相対角度は、９０度以上である、映像表示装置。
  9. 　請求項８に記載の映像表示装置において、
    　隣接する前記反射面と前記連接面の相対角度は、場所によらず一定値である、映像表示装置。
  10. 　請求項８に記載の映像表示装置において、
    　前記連接面の仰角の絶対値は、場所によらず一定値である、映像表示装置。
  11. 　請求項８に記載の映像表示装置において、
    　前記反射部の複数の反射面の出射方向に対して法線方向に投影した斜面の長さＬｒと、前記反射面に連接する連接面の出射方向に対して法線方向に投影した斜面の長さＬｃとの比率Ｌｒ／Ｌｃは、場所により異なる、映像表示装置。
  12. 　請求項１１に記載の映像表示装置において、
    　前記比率Ｌｒ／Ｌｃは、反射部中央近傍に最小となる、映像表示装置。
  13. 　請求項１１に記載の映像表示装置において、
    　前記比率Ｌｒ／Ｌｃを部分的に低くするより、導光体からの出射光を部分的に少なくするか遮断する構成にした、映像表示装置。
  14. 　請求項１１に記載の映像表示装置において、
    　前記長さの和Ｌｒ＋Ｌｃは、ほぼ一定である、映像表示装置。
  15. 　請求項１１に記載の映像表示装置において、
    　前記長さの和Ｌｒ＋Ｌｃは、０．６ｍｍ以下であり、かつ、０．２ｍｍ以上である、映像表示装置。
  16. 　請求項３に記載の映像表示装置において、
    　前記導光体は、偏光変換素子により構成されている、映像表示装置。
  17. 　請求項３に記載の映像表示装置において、
    　前記コリメート光学系は、前記固体光源の光の出射面側に配置されると共に、その外周を放物面により形成し、かつ、その中心部にレンズ面を形成した透光性の部材からなるコリメータを備えている、映像表示装置。
  18. 　請求項１７に記載の映像表示装置において、
    　前記コリメート光学系は、更に、前記コリメータの出射面側に設けられた矩形状の合成拡散ブロックを備えている、映像表示装置。
  19. 　請求項１８に記載の映像表示装置において、
    　前記コリメート光学系の前記合成拡散ブロックの出射面には、光を拡散するテクスチャー構造が形成されている、映像表示装置。
  20. 　請求項１８に記載の映像表示装置において、
    　前記コリメート光学系の前記合成拡散ブロックの出射面には、前記コリメータの中心軸に合わせ同心円状のテクスチャー構造が形成されている、映像表示装置。
  21. 　請求項１７に記載の映像表示装置において、
    　前記コリメータと導光体の間に、シリンドリカル凸状の配向制御板を配置した、映像表示装置。
  22. 　請求項１７に記載の映像表示装置において、
    　前記固体光源および前記コリメータを横方向に複数配置すると共に、縦方向に複数配置し、その配置方法が整列配置であり、表示する映像に応じて、それぞれ固体光源の出力を制御するローカルディミングを行う、映像表示装置。
  23. 　請求項１７に記載の映像表示装置において、
    　前記コリメート光学系と前記導光体間に偏光変換素子を配置した構成となっている、映像表示装置。
  24. 　請求項２２に記載の映像表示装置において、
    　前記コリメータの出射面の少なくとも一部は凹面になっている、映像表示装置。
  25. 　請求項２３に記載の映像表示装置において、
    　前記固体光源および前記コリメータを横方向に複数配置すると共に、縦方向に複数配置し、その配置方法が整列配置している、映像表示装置。
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