ヘッドアップディスプレイ装置
【課題】アイボックスへの光照射効率を向上することができ、視点移動に伴う表示像の輝度変化量を抑制することが可能であり、また望ましい配光角度特性を実現可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供する。
【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置の照明光学系１１１は、光線Ｌ０を放出する光源１１１ａと、光線Ｌ０を分割し光源１１１ａの像を複数生成するレンズアレイ１１１ｃと、レンズアレイ１１１ｃにより生成される光源１１１ａの像から発せられる光線Ｌ０を所定の角度で表示部材１１３に入射させるフィールドレンズ１１１ｄと、を有し、レンズアレイ１１１ｃは、レンズアレイ１１１ｃにより生成される光源１１１ａの像面が、フィールドレンズ１１１ｄの物体側焦点に対してフィールドレンズ１１１ｄの主点側に位置するように配設されてなる。
【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置の照明光学系１１１は、光線Ｌ０を放出する光源１１１ａと、光線Ｌ０を分割し光源１１１ａの像を複数生成するレンズアレイ１１１ｃと、レンズアレイ１１１ｃにより生成される光源１１１ａの像から発せられる光線Ｌ０を所定の角度で表示部材１１３に入射させるフィールドレンズ１１１ｄと、を有し、レンズアレイ１１１ｃは、レンズアレイ１１１ｃにより生成される光源１１１ａの像面が、フィールドレンズ１１１ｄの物体側焦点に対してフィールドレンズ１１１ｄの主点側に位置するように配設されてなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より種々提案されているヘッドアップディスプレイ装置は、光源を含む照明光学系と液晶表示パネルとを備える液晶表示器から発せられる表示光を車両のフロントガラスや専用のコンバイナからなる投射部材を介して観察者（車両用ヘッドアップディスプレイ装置においては主に運転者）の視点範囲（以下、アイボックスとも称する）に投影して虚像を表示するものである。従来のヘッドアップディスプレイ装置として例えば特許文献１に開示されるものがある。かかるヘッドアップディスプレイ装置は、照明光学系として、発光素子が発した照明光を集光するコンデンサレンズと、コンデンサレンズによって集光された照明光を少なくとも横方向に広げるレンチキュラレンズと、トロイダル面を有する集光レンズと、を備えるものである。
【０００３】
上述のような照明光学系を用いたヘッドアップディスプレイ装置によれば、観察者のアイボックスに対応するように表示部材を透過照明することが可能となり、高輝度で虚像を表示することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１６９３９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、レンチキュラレンズを用いたヘッドアップディスプレイ装置においては、光軸に対して斜め方向の大部分（特に、いわゆる斜め横、斜め縦方向以外の、縦横方向で同時に斜めになって進む光）で配光制御が困難であり光軸に対する上下左右方向の配光強度に比べて光軸に対する斜め方向の配光強度が低くなることから、観察者の視点移動に伴う表示像の輝度変化量が大きくなるという問題点があった。また、ヘッドアップディスプレイ装置にはプロジェクターなどとは異なる配光角度特性が求められており、望ましい配光角度特性を実現する必要があった。
【０００６】
そこで本発明は、アイボックスへの光照射効率を向上することができ、視点移動に伴う表示像の輝度変化量を抑制することが可能であり、また望ましい配光角度特性を実現可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するために、照明光学系と表示部材とを備える表示器から発せられる表示光を投射部材を介して観察者の視点領域に導いて虚像を表示させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記照明光学系は、
光線を放出する光源と、
前記光線を分割し前記光源の像を複数生成するレンズアレイと、
前記レンズアレイにより生成される前記光源の像から発せられる前記光線を所定の角度で前記表示部材に入射させるフィールドレンズと、を有し、
前記レンズアレイは、前記レンズアレイにより生成される前記光源の像面が、前記フィールドレンズの物体側焦点に対して前記フィールドレンズの主点側に位置するように配設されてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、アイボックスへの光照射効率を向上することができ、視点移動に伴う表示像の輝度変化量を抑制することが可能であり、また望ましい配光角度特性を実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態であるヘッドアップディスプレイ装置の概観図。
【図２】同上ヘッドアップディスプレイ装置の断面図。
【図３】同上ヘッドアップディスプレイ装置における光路を説明する図。
【図４】同上ヘッドアップディスプレイ装置の第１のケース体の固定方法を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図１から図４に基づいて、本発明を車両用のヘッドアップディスプレイ装置に適用した一実施形態を説明する。
【００１１】
ヘッドアップディスプレイ装置１００は、図１に示すように車両２００のインパネ２１０内部に配設され、後述する液晶表示器１１０が発する表示光Ｌをフロントガラス（投射部材）２２０を介して反射させ、車両２００の運転者（観察者）Ｄのアイボックスに導いて虚像（表示像）Ｖを表示するものである。運転者Ｄは表示光Ｌによる虚像Ｖを風景を重畳させて視認することができる。
【００１２】
ヘッドアップディスプレイ装置１００は、図２に示すように液晶表示器（表示器）１１０と、凹面鏡１２０と、ハウジング１３０と、放熱部材１４０と、から主に構成されている。
【００１３】
液晶表示器１１０は、照明光学系１１１と、光拡散部材１１２と、液晶表示パネル（表示部材）１１３と、第１のケース体１１４と、第２のケース体１１５と、第３のケース体１１６と、を備えるものである。
【００１４】
照明光学系１１１は、いわゆるケーラー照明光学系であり、図３に示すように、光源１１１ａと、コンデンサレンズ１１１ｂと、レンズアレイ１１１ｃと、フィールドレンズ１１１ｄと、で構成される。また、照明光学系１１１は、光源１１１ａから発せられる光線Ｌ０を液晶表示パネル１１３の有効領域に均等に照射させつつ、同光線を凹面鏡１２０とフロントガラス２２０とで構成される投射光学系を介して運転者Ｄのアイボックスへ導くように液晶表示パネル１１３面から射出される表示光Ｌの角度を制御するものである。
【００１５】
光源１１１ａは、ＬＥＤなどの発光素子からなり、光線Ｌ０を発する。光源１１１ａは、回路基板（光源基板）１１７に実装されている。
【００１６】
コンデンサレンズ１１１ｂは、波長５８７．５６ｎｍにおける屈折率Ｎｄが１．４〜１．７である光学樹脂により作製される凸レンズからなり、光源１１１ａから射出される光線Ｌ０を集光し、ヘッドアップディスプレイ装置１００の光軸Ａに対して平行化する機能を有する。コンデンサレンズ１１１ｂは、１個の光源１１１ａに対して１つのレンズが対応し、本実施形態のように光源１１１ａが複数使用される場合は、凸レンズ部が複数配置された集合レンズの形態を取る。コンデンサレンズ１１１ｂの有効焦点距離は５〜９ｍｍであり、レンズ製造上の都合からレンズ曲面頂点間距離（レンズ厚さ）を一定以下に抑えたい場合など、仕様によっては２枚のレンズで構成してもよい。光源１１１ａはその射出面がコンデンサレンズ１１１ｂの焦点に位置し、光源１１１ａから射出される近軸光線がコンデンサレンズ１１１ｂ透過後に光軸Ａと平行になる。なお、コンデンサレンズ１１１ｂの入射側曲面頂点と光源１１１ａの射出面との間隔は光源１１１ａからの光取り込み量及び寸法制約などを条件として規定される。光源１１１ａがランバシアン配光に近い特性を持つ場合、コンデンサレンズ１１１ｂの射出側曲面形状は球面を基本とするが、光源１１１ａの配光特性に応じて非球面形状としてもよい。
【００１７】
レンズアレイ１１１ｃは、波長５８７．５６ｍｍにおける屈折率Ｎｄが１．４〜１．７である光学樹脂により作製される両凸レンズがヘッドアップディスプレイ装置１００の光軸Ａに対して垂直な平面に規則的に複数配置されてなる光学部材であり、コンデンサレンズ１１１ｂによって平行化された光線Ｌ０をアレイ数に応じて分割して中間像を結ぶ役割を有する。この中間像は、コンデンサレンズ１１１ｂによって生成される光源１１１ａの拡大像をアレイ数で分割した像である。レンズアレイ１１１ｃは、各レンズの縦横幅を調整することにより、中間像面から射出される光線Ｌ０の配光角度（開口数）を、縦方向と横方向（液晶表示パネル１１３の短辺方向と長辺方向）とでそれぞれ異ならせて最適化することができる。各レンズの縦横幅の比（縦幅：横幅）は、液晶表示パネル１１３のアスペクト比（表示画面の縦横サイズ比）に略等しくなるように設定される。これにより、レンズアレイ１１１ｃで生成される中間像の形状が液晶表示パネル１１３の表示画面と相似となり、この中間像が後述するフィールドレンズ１１１ｄの作用で液晶表示パネル１１３に拡大照射されるため、液晶表示パネル１１３入射時の照明効率を向上させることができる。レンズアレイ１１１ｃにおいて、各レンズの曲面形状は球面（球面の一部を矩形で切り取った曲面）を基本とするが、曲面形状をトロイダル面のような非球面とすれば、各レンズの縦横幅を同等として縦方向、横方向の配光角度をそれぞれ最適化することも可能である。また、レンズアレイ１１１ｃの厚さ、すなわち曲面頂点間距離は、レンズの入射側曲面を基準として、レンズアレイ１１１ｃに入射した近軸平行光が屈折して集光する位置（設計上、この位置が前記中間像面と等しい）を出射側曲面とするように規定される。なお、レンズアレイ１１ｃの入射側曲面と出射側曲面とは、互いに向きが逆の同じ曲率半径を有する、主平面対称の組み合わせとなる。また、レンズアレイ１１１ｃ全体の縦横幅は、液晶表示パネル１１３面における出射光線の配光角度に合わせて規定される。例えば、フィールドレンズ１１１ｄの焦点距離が固定される場合、レンズアレイ１１１ｃ全体の縦横幅が大きくなるに伴って液晶表示パネル１１３における射出光線の配光角度が広くなる。そのため、レンズアレイ１１１ｃ全体の縦横幅が決定された後、コンデンサレンズ１１１ｂの有効曲面サイズが規定され、コンデンサレンズ１１１ｂの詳細設計が行われる。コンデンサレンズ１１１ｂとレンズアレイ１１１ｃの間隔は光学的な観点からは不問として良いが、製品寸法の小型化などを考慮すると極力短くすることが望ましい場合がある。
【００１８】
フィールドレンズ１１１ｄは、波長５８７．５６ｎｍにおける屈折率Ｎｄが１．４〜１．７である光学樹脂により作製される凸レンズからなり、本実施形態においては少なくとも２つの凸レンズからなる。フィールドレンズ１１１ｄは、レンズアレイ１１１ｃが生成した中間像から発せられる光線Ｌ０を、所定の配光角度で液晶表示パネル１１３へ導く役割を有する。すなわち、照明光学系１１１は、レンズアレイ１１１ｃによって光源１１１ａからの平行化された光線Ｌ０を分割して各中間像を生成し、生成される各中間像から発せられる光線Ｌ０をフィールドレンズ１１１ｄによってそれぞれ液晶表示パネル１１３面（液晶層の厚さ方向の中心線を通る平面）全体を照射するように拡大し、また、個々の物点を１つの面である液晶表示パネル１１３面に重ねるものである。これにより、アイボックスＢへの光照射効率を向上することができ、また、集光後に横方向及び縦方向にのみ広げるレンチキュラレンズを用いた従来の方法と比べて虚像Ｖの輝度均斉度を改善して視点移動に伴う虚像Ｖの輝度変化量を抑制することができる。液晶表示パネル１１３面における配光角度は、運転者ＤのアイボックスＢと予め位置が定められる虚像Ｖを結ぶ光線群を、ヘッドアップディスプレイ装置１００の投射光学系（本実施形態ではフロントガラス２２０及び凹面鏡１２０で構成される）を介して逆光線追跡することにより求められるものである。フィールドレンズ１１１ｄを構成する２つの凸レンズの間隔（空気層）は、フィールドレンズ１１１ｄの有効焦点距離の１／２以上の長さとすることが望ましい。これは、液晶表示パネル１１３面における配光角度（像側開口数）が大きい場合、２つの凸レンズ間距離が短くなるに応じて、フィールドレンズ１１１ｄによる集光度が劣化し、液晶表示パネル１１３面における光照射効率及び輝度均斉度が低下するため、この性能悪化を回避するべく２つの凸レンズ間にある程度の間隔が必要なためである。また、現在量産されている多くのヘッドアップディスプレイ装置における液晶表示パネル１１３面での望ましい配光角度特性は、面中央の点ではヘッドアップディスプレイ装置１００の光軸Ａを軸として同心円状に広がり、面中央から離れた任意の点においては面中央からの距離に比例してヘッドアップディスプレイ装置１００の光軸Ａに対して外側に広がる傾斜角を有するものである。かかる配光角度特性を実現するべく、本実施形態においては、レンズアレイ１１１ｃの中間像面Ｆ１が、フィールドレンズ１１１ｄの物体側焦点Ｐ１よりフィールドレンズ１１１ｄの主点Ｐ２側に位置するようにレンズアレイ１１１ｃ及びフィールドレンズ１１１ｄを配置している。物理法則として、レンズの焦点を通過して斜め方向からレンズに入射する光線は、レンズ透過後に光軸と平行となって進む。また、斜め入射する光線と光軸との交点がレンズの主点と焦点の間に位置する場合、レンズ透過後の光線は光軸から離れる方向に（発散方向に広がって）進む。したがって、レンズアレイ１１１ｃの中間像面Ｆ１とフィールドレンズ１１１ｄの物体側焦点Ｐ１とを上記のような位置関係とすると、上述のヘッドアップディスプレイ装置に望ましい配光角度を達成できることが理論上確認できる。ところで、一般的なプロジェクターなどに使用されるケーラー照明光学系は、液晶表示パネルなどの照明対象にテレセントリックな光線を導くため、レンズアレイの中間像面をフィールドレンズの物体側焦点に一致させるような設計が基本となる。この違いにより、本願発明における照明光学系１１１は独特な光学系と言える。また、レンズアレイ１１１ｃの中間像面Ｆ１は、レンズアレイ１１１ｃの主点に対して像側（虚像Ｖ側）に位置する。したがって、凹面レンチキュラレンズなど、中間像がその主点に対して物体側（光源側）に位置する場合のように中間像とフィールドレンズ１１１ｄの物体側焦点Ｐ１を極力接近させる仕様において中間像を生成するレンズ自身の厚みによって光学設計に障害が発生することがない。また、フィールドレンズ１１１ｄは、その像側焦点Ｐ３が液晶表示パネル１１３面と略一致するように配置される。これは、レンズアレイ１１１ｃによって生成される各中間像から同じ角度で出射される光線群を、フィールドレンズ１１１ｄによって液晶表示パネル１１３面に結像させるための配置であり、液晶表示パネル１１３面における均斉度向上に寄与することができる。フィールドレンズ１１１ｄの射出側曲面頂点と液晶表示パネル１１３面との間隔は光学設計上は規定しない。ただし、後述する光拡散部材１１２を配置することから、両者の間隔を１０ｍｍ程度設けることが望ましい。フィールドレンズ１１１ｄを構成する曲面は球面形状を有するが、液晶表示パネル１１３面における集光度を改善するために非球面形状としてもよい。
【００１９】
光拡散部材１１２は、透明樹脂材料を基材としたフィルム状あるいは板状の部材であり、照明光学系１１１のフィールドレンズ１１１ｄと液晶表示パネル１１３との間に、全光路を覆う大きさで配置される。光拡散部材１１２は、第３のケース体１１６内に外装部品での挟み込みや接着等によって固定される。光拡散部材１１２は、フィールドレンズ１１１ｄの射出側曲面で反射される外光を拡散し、また、照明光学系１１１のレンズアレイ１１１ｃにより生成される中間像の境界部分を運転者Ｄから直視できないようにする機能を有する。
【００２０】
液晶表示パネル１１３は、透明電極膜が形成された一対の透光性基板に液晶層を封入した液晶セルの前後両面に偏光板を貼着してなるものであり、第３のケース体１１６内に収納される。フィールドレンズ１１１ｄによって所定の配光角度で液晶表示パネル１１３面へ導かれた光線Ｌ０は液晶表示パネル１１３を透過して表示光Ｌとなり投射光学系を構成する凹面鏡１２０に照射される。
【００２１】
第１のケース体１１４は、液晶表示器１１０の後方側に設けられ、非透光性樹脂材料からなる断面略矩形状の筒状部材であり、コンデンサレンズ１１１ｂを収納する収納空間を形成する壁部１１４ａと、壁部１１４ａの一方の端部（後方側の端部）から延設され壁部１１４ａに対して垂直な鍔部１１４ｂと、壁部１１４ａの他方の端部（前方側の端部）に形成される切り欠き部１１４ｃと、を備える。図４は第１のケース体１１４の固定方法を示す図である。なお、図４においては第１のケース体１１４は鍔部１１４ｂのみを図示している。第１のケース体１１４は、鍔部１１４ｂの後面側に高精度に位置出しされた２つの位置決めピン１１４ｄが設けられている。第１のケース体１１４の配設に際し、まず、この位置決めピン１１４ｄをコンデンサレンズ１１１ｂ及び回路基板１１７にそれぞれ２個所形成される位置決め孔１１１ｅ、１１７ａに貫通させ、さらに、放熱部材１４０に２個所形成される位置決め孔１４１に挿入し、これらの部材の位置決めを行う。コンデンサレンズ１１１ｂの位置決め孔１１１ｅはコンデンサレンズ１１１ｂのレンズ曲面頂点に対して高精度に位置出しされ、回路基板１１７の位置決め孔１１７ａは光源１１１ａの実装領域に対して高精度に位置出しされている。また、位置決め孔１１１ｅ、１１７ａ、１４１はそれぞれ同一の孔間ピッチ及び孔径を有し、位置決めピン１１４ｄが各位置決め孔１１１ｅ、１１７ａ、１４１に挿入されることにより、コンデンサレンズ１１１ｂのレンズ曲面頂点と光源１１１ａの発光領域中心が同軸上に位置する状態となる。また、第１のケース体１１４は、鍔部１１４ｂにネジＳが挿通される２個所の貫通孔１１４ｅが設けられている。同様にコンデンサレンズ１１１ｂ及び回路基板１１７にはそれぞれ２個所にネジＳが挿通される貫通孔１１１ｆ、１１７ｂが形成されている。ネジＳは貫通孔１１４ｅ、１１１ｆ、１１７ｂに挿通された後放熱部材１４０に２個所形成されるネジ孔１４２に螺着され、第１のケース体１１４は放熱部材１４０にネジ止めされる。その際、第１のケース体１１４は、放熱部材１４０との間に回路基板１１７及びコンデンサレンズ１１１ｂを狭持してこれらを固定する。図２に戻って、第１のケース体１１４の壁部１１４ａの他方の端部（前方側の端部）に設けられる切り欠き部１１４ｃには、レンズアレイ１１１ｃの周辺に形成される平面部１１１ｇが突き当てられ、レンズアレイ１１１ｃが位置決めされる。レンズアレイ１１１ｃはさらに、この平面部１１１ｇを第１のケース体１１４と第２のケース体１１５とで狭持されることで任意の位置に固定される。
【００２２】
第２のケース体１１５は、非透光性樹脂材料からなる断面略矩形状の筒状部材であり、第１のケース体１１４と第３のケース体１１６との間に設けられ、照明光学系１１１を構成する各部材を収納、保持する。第２のケース体１１５は、前方側が後方側に対して幅狭となる段差形状を有する壁部１１５ａと、壁部１１５ａの一方の端部（後方側の端部）に延設される鍔部１１５ｂと、を備える。鍔部１１５ｂにはネジ貫通孔（図示しない）が設けられており、第２のケース体１１５は放熱部材１４０にネジ止めされる。また、第２のケース体１１５は、壁部１１５ａの段差部分の内面側に放熱部材１４０へのネジ止めに際してレンズアレイ１１１ｃの平面部１１１ｇに突き当てられる突出面１１５ｃを有し、この突出面１１５ｃと第１のケース体１１４の切り欠き部１１４ｃとで平面部１１１ｇを狭持することでレンズアレイ１１４が固定される。また、第２のケース体１１５は、フィールドレンズ１１１ｄを保持する役割を有し、フィールドレンズ１１１ｄを構成する２つの凸レンズは、それぞれ第２のケース体１１５の壁部１１５ａの内面に固定され、両者の間隔は精度良く保持される。
【００２３】
第３のケース体１１６は、液晶表示器１００の前方側（射出側）に設けられ、非透光性樹脂材料からなり、光拡散部材１１２及び液晶表示パネル１１３を収納するものである。第３のケース体１２０は液晶表示パネル１１３の表示面を露出する窓部１１６ａが設けられる。
【００２４】
凹面鏡１２０は、例えばポリカーボネートなどの樹脂材料に例えばアルミニウムなどの金属を蒸着させて凹面状の反射面を形成してなるものである。凹面鏡１２０によって液晶表示器１１０が発した表示光Ｌが拡大されてフロントガラス２２０に照射される。
【００２５】
ハウジング１３０は、非透光性樹脂材料からなり、液晶表示器１１０及び凹面鏡１２０を収納する。ハウジング１３０には、表示光を出射する窓部１３１が設けられている。この窓部１３１は例えばアクリルなどの透光性樹脂材料からなり、湾曲形成となっている。また、ハウジング１３０には、後方側に放熱部材１４０を配設するための開口部１３２が設けられている。
【００２６】
放熱部材１４０は、ハウジング１３０の開口部１３２に設けられる。放熱部材１４０は、例えばアルミニウムなどの金属材料で作成されるフィン型の構造体であり、光源１１７が発する熱を外部に放出する役割を有する。放熱部材１４０には、ネジ止めにより第１，第２のケース体１１４，１１５が固定される。また、放熱部材１４０はハウジング１３０にネジ止めされる。
【００２７】
以上の各部によってヘッドアップディスプレイ装置１００が構成されている。
【００２８】
本実施形態によれば、照明光学系１１１に光線Ｌ０を分割し光源１１１ａの中間像を複数生成するレンズアレイ１１１ｃと、レンズアレイ１１１ｃにより生成される中間像から発せられる光線Ｌ０を所定の角度で液晶表示パネル１１３に入射させるフィールドレンズ１１１ｄと、を備えることによって、アイボックスＢへの光照射効率を向上することができ、また、虚像Ｖの輝度均斉度を改善して視点移動に伴う虚像Ｖの輝度変化量を抑制することができる。さらに、レンズアレイ１１１ｃを、レンズアレイ１１１ｃにより生成される中間像面Ｆ１が、フィールドレンズ１１１ｄの物体側焦点Ｐ１に対してフィールドレンズ１１１ｄの主点Ｐ２側に位置するように配設することにより、ヘッドアップディスプレイ装置１００における液晶表示パネル１１３面での望ましい配光角度特性を得ることができる。
【００２９】
また、本実施形態は、フィールドレンズ１１１ｄを、その像側焦点Ｐ３が液晶表示パネル１１３面に略一致するように配設することにより、液晶表示パネル１１３面における均斉度を向上させることができる。
【００３０】
また、本実施形態は、光源１１１ａとレンズアレイ１１１ｃとの間に、光線Ｌ０を集光するコンデンサレンズ１１１ｂを配設することにより、レンズアレイ１１１ｃに効率良く光源１１１ａからの光線Ｌ０を集光することができる。なお、光源１１１ａが平行光を発し、所定の幅を有するものであれば、コンデンサレンズ１１１ｂを設けない仕様も可能である。
【００３１】
また、本実施形態において、レンズアレイ１１１ｄは、生成する中間像の開口数を液晶表示パネル１１３の短辺方向と長辺方向とで異ならせることでそれぞれ最適化することができる。具体的方法の１つとして、レンズアレイ１１１ｄは、両凸レンズが一体的に複数配置されてなり、前記両凸レンズは、その曲面有効領域の長辺幅と短辺幅の比が液晶表示パネル１１３の表示領域のアスペクト比と略等しく形成することで縦方向と横方向の開口数をそれぞれ最適化することができる。
【００３２】
また、本実施形態において、フィールドレンズ１１１ｄは、少なくとも２つの凸レンズからなり、前記凸レンズ間にフィールドレンズ１１１ｄの有効焦点距離に対して２分の１以上の長さの空気層を設けることによって、容易に集光度の高いフィールドレンズ１１１ｄを設けることができる。なお、製造の容易性を考慮しなければ１つの凸レンズでフィールドレンズ１１１ｄを構成することも可能である。
【００３３】
また、本実施形態は、フィールドレンズ１１１ｄと液晶表示パネル１１３との間に光拡散部材１１２が配設されることにより、フィールドレンズ１１１ｄの射出側曲面で反射される外光を拡散し、また、照明光学系１１１のレンズアレイ１１１ｃにより生成される中間像の境界部分を運転者Ｄから直視できないようにしてヘッドアップディスプレイ装置１００の表示品位を向上させることができる。
【００３４】
また、本実施形態は、光源１１１ａを実装する回路基板１１７と位置決めピン１１４ｄが形成された第１のケース体１１４とを備え、光源基板１１７とコンデンサレンズ１１１ｂとは互いに対向する位置に貫通孔１１７ａ，１１１ｅを備え、光源基板１１７とコンデンサレンズ１１１ｂとは、貫通孔１１７ａ，１１１ｅに位置決めピン１１４ｄが挿通され、第１のケース体１１４と光源基板１１７の背面側に配設される放熱部材１４０とによって狭持されてなる。これにより、容易に光源１１１ａとコンデンサレンズ１１１ｂとを精度良く位置決めすることができる。さらに、本実施形態は、フィールドレンズ１１１ｄを保持する第２のケース体１１５を備え、レンズアレイ１１１ｃは、端部に平面部１１１ｇを有し、第１のケース体１１４と第二のケース体１１５とで平面部１１１ｇが狭持されることによって、容易にレンズアレイ１１１ｃを配設固定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に好適である。
【符号の説明】
【００３６】
１００ ヘッドアップディスプレイ装置
１１０ 液晶表示器
１１１ 照明光学系
１１１ａ 光源
１１１ｂ コンデンサレンズ
１１１ｃ レンズアレイ
１１１ｄ フィールドレンズ
１１２ 光拡散部材
１１３ 液晶表示パネル（表示部材）
１１４ 第１のケース体
１１５ 第２のケース体
１１６ 第３のケース体
１１７ 回路基板（光源基板）
１２０ 凹面鏡
１３０ ハウジング
１４０ 放熱部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より種々提案されているヘッドアップディスプレイ装置は、光源を含む照明光学系と液晶表示パネルとを備える液晶表示器から発せられる表示光を車両のフロントガラスや専用のコンバイナからなる投射部材を介して観察者（車両用ヘッドアップディスプレイ装置においては主に運転者）の視点範囲（以下、アイボックスとも称する）に投影して虚像を表示するものである。従来のヘッドアップディスプレイ装置として例えば特許文献１に開示されるものがある。かかるヘッドアップディスプレイ装置は、照明光学系として、発光素子が発した照明光を集光するコンデンサレンズと、コンデンサレンズによって集光された照明光を少なくとも横方向に広げるレンチキュラレンズと、トロイダル面を有する集光レンズと、を備えるものである。
【０００３】
上述のような照明光学系を用いたヘッドアップディスプレイ装置によれば、観察者のアイボックスに対応するように表示部材を透過照明することが可能となり、高輝度で虚像を表示することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１６９３９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、レンチキュラレンズを用いたヘッドアップディスプレイ装置においては、光軸に対して斜め方向の大部分（特に、いわゆる斜め横、斜め縦方向以外の、縦横方向で同時に斜めになって進む光）で配光制御が困難であり光軸に対する上下左右方向の配光強度に比べて光軸に対する斜め方向の配光強度が低くなることから、観察者の視点移動に伴う表示像の輝度変化量が大きくなるという問題点があった。また、ヘッドアップディスプレイ装置にはプロジェクターなどとは異なる配光角度特性が求められており、望ましい配光角度特性を実現する必要があった。
【０００６】
そこで本発明は、アイボックスへの光照射効率を向上することができ、視点移動に伴う表示像の輝度変化量を抑制することが可能であり、また望ましい配光角度特性を実現可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するために、照明光学系と表示部材とを備える表示器から発せられる表示光を投射部材を介して観察者の視点領域に導いて虚像を表示させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記照明光学系は、
光線を放出する光源と、
前記光線を分割し前記光源の像を複数生成するレンズアレイと、
前記レンズアレイにより生成される前記光源の像から発せられる前記光線を所定の角度で前記表示部材に入射させるフィールドレンズと、を有し、
前記レンズアレイは、前記レンズアレイにより生成される前記光源の像面が、前記フィールドレンズの物体側焦点に対して前記フィールドレンズの主点側に位置するように配設されてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、アイボックスへの光照射効率を向上することができ、視点移動に伴う表示像の輝度変化量を抑制することが可能であり、また望ましい配光角度特性を実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態であるヘッドアップディスプレイ装置の概観図。
【図２】同上ヘッドアップディスプレイ装置の断面図。
【図３】同上ヘッドアップディスプレイ装置における光路を説明する図。
【図４】同上ヘッドアップディスプレイ装置の第１のケース体の固定方法を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図１から図４に基づいて、本発明を車両用のヘッドアップディスプレイ装置に適用した一実施形態を説明する。
【００１１】
ヘッドアップディスプレイ装置１００は、図１に示すように車両２００のインパネ２１０内部に配設され、後述する液晶表示器１１０が発する表示光Ｌをフロントガラス（投射部材）２２０を介して反射させ、車両２００の運転者（観察者）Ｄのアイボックスに導いて虚像（表示像）Ｖを表示するものである。運転者Ｄは表示光Ｌによる虚像Ｖを風景を重畳させて視認することができる。
【００１２】
ヘッドアップディスプレイ装置１００は、図２に示すように液晶表示器（表示器）１１０と、凹面鏡１２０と、ハウジング１３０と、放熱部材１４０と、から主に構成されている。
【００１３】
液晶表示器１１０は、照明光学系１１１と、光拡散部材１１２と、液晶表示パネル（表示部材）１１３と、第１のケース体１１４と、第２のケース体１１５と、第３のケース体１１６と、を備えるものである。
【００１４】
照明光学系１１１は、いわゆるケーラー照明光学系であり、図３に示すように、光源１１１ａと、コンデンサレンズ１１１ｂと、レンズアレイ１１１ｃと、フィールドレンズ１１１ｄと、で構成される。また、照明光学系１１１は、光源１１１ａから発せられる光線Ｌ０を液晶表示パネル１１３の有効領域に均等に照射させつつ、同光線を凹面鏡１２０とフロントガラス２２０とで構成される投射光学系を介して運転者Ｄのアイボックスへ導くように液晶表示パネル１１３面から射出される表示光Ｌの角度を制御するものである。
【００１５】
光源１１１ａは、ＬＥＤなどの発光素子からなり、光線Ｌ０を発する。光源１１１ａは、回路基板（光源基板）１１７に実装されている。
【００１６】
コンデンサレンズ１１１ｂは、波長５８７．５６ｎｍにおける屈折率Ｎｄが１．４〜１．７である光学樹脂により作製される凸レンズからなり、光源１１１ａから射出される光線Ｌ０を集光し、ヘッドアップディスプレイ装置１００の光軸Ａに対して平行化する機能を有する。コンデンサレンズ１１１ｂは、１個の光源１１１ａに対して１つのレンズが対応し、本実施形態のように光源１１１ａが複数使用される場合は、凸レンズ部が複数配置された集合レンズの形態を取る。コンデンサレンズ１１１ｂの有効焦点距離は５〜９ｍｍであり、レンズ製造上の都合からレンズ曲面頂点間距離（レンズ厚さ）を一定以下に抑えたい場合など、仕様によっては２枚のレンズで構成してもよい。光源１１１ａはその射出面がコンデンサレンズ１１１ｂの焦点に位置し、光源１１１ａから射出される近軸光線がコンデンサレンズ１１１ｂ透過後に光軸Ａと平行になる。なお、コンデンサレンズ１１１ｂの入射側曲面頂点と光源１１１ａの射出面との間隔は光源１１１ａからの光取り込み量及び寸法制約などを条件として規定される。光源１１１ａがランバシアン配光に近い特性を持つ場合、コンデンサレンズ１１１ｂの射出側曲面形状は球面を基本とするが、光源１１１ａの配光特性に応じて非球面形状としてもよい。
【００１７】
レンズアレイ１１１ｃは、波長５８７．５６ｍｍにおける屈折率Ｎｄが１．４〜１．７である光学樹脂により作製される両凸レンズがヘッドアップディスプレイ装置１００の光軸Ａに対して垂直な平面に規則的に複数配置されてなる光学部材であり、コンデンサレンズ１１１ｂによって平行化された光線Ｌ０をアレイ数に応じて分割して中間像を結ぶ役割を有する。この中間像は、コンデンサレンズ１１１ｂによって生成される光源１１１ａの拡大像をアレイ数で分割した像である。レンズアレイ１１１ｃは、各レンズの縦横幅を調整することにより、中間像面から射出される光線Ｌ０の配光角度（開口数）を、縦方向と横方向（液晶表示パネル１１３の短辺方向と長辺方向）とでそれぞれ異ならせて最適化することができる。各レンズの縦横幅の比（縦幅：横幅）は、液晶表示パネル１１３のアスペクト比（表示画面の縦横サイズ比）に略等しくなるように設定される。これにより、レンズアレイ１１１ｃで生成される中間像の形状が液晶表示パネル１１３の表示画面と相似となり、この中間像が後述するフィールドレンズ１１１ｄの作用で液晶表示パネル１１３に拡大照射されるため、液晶表示パネル１１３入射時の照明効率を向上させることができる。レンズアレイ１１１ｃにおいて、各レンズの曲面形状は球面（球面の一部を矩形で切り取った曲面）を基本とするが、曲面形状をトロイダル面のような非球面とすれば、各レンズの縦横幅を同等として縦方向、横方向の配光角度をそれぞれ最適化することも可能である。また、レンズアレイ１１１ｃの厚さ、すなわち曲面頂点間距離は、レンズの入射側曲面を基準として、レンズアレイ１１１ｃに入射した近軸平行光が屈折して集光する位置（設計上、この位置が前記中間像面と等しい）を出射側曲面とするように規定される。なお、レンズアレイ１１ｃの入射側曲面と出射側曲面とは、互いに向きが逆の同じ曲率半径を有する、主平面対称の組み合わせとなる。また、レンズアレイ１１１ｃ全体の縦横幅は、液晶表示パネル１１３面における出射光線の配光角度に合わせて規定される。例えば、フィールドレンズ１１１ｄの焦点距離が固定される場合、レンズアレイ１１１ｃ全体の縦横幅が大きくなるに伴って液晶表示パネル１１３における射出光線の配光角度が広くなる。そのため、レンズアレイ１１１ｃ全体の縦横幅が決定された後、コンデンサレンズ１１１ｂの有効曲面サイズが規定され、コンデンサレンズ１１１ｂの詳細設計が行われる。コンデンサレンズ１１１ｂとレンズアレイ１１１ｃの間隔は光学的な観点からは不問として良いが、製品寸法の小型化などを考慮すると極力短くすることが望ましい場合がある。
【００１８】
フィールドレンズ１１１ｄは、波長５８７．５６ｎｍにおける屈折率Ｎｄが１．４〜１．７である光学樹脂により作製される凸レンズからなり、本実施形態においては少なくとも２つの凸レンズからなる。フィールドレンズ１１１ｄは、レンズアレイ１１１ｃが生成した中間像から発せられる光線Ｌ０を、所定の配光角度で液晶表示パネル１１３へ導く役割を有する。すなわち、照明光学系１１１は、レンズアレイ１１１ｃによって光源１１１ａからの平行化された光線Ｌ０を分割して各中間像を生成し、生成される各中間像から発せられる光線Ｌ０をフィールドレンズ１１１ｄによってそれぞれ液晶表示パネル１１３面（液晶層の厚さ方向の中心線を通る平面）全体を照射するように拡大し、また、個々の物点を１つの面である液晶表示パネル１１３面に重ねるものである。これにより、アイボックスＢへの光照射効率を向上することができ、また、集光後に横方向及び縦方向にのみ広げるレンチキュラレンズを用いた従来の方法と比べて虚像Ｖの輝度均斉度を改善して視点移動に伴う虚像Ｖの輝度変化量を抑制することができる。液晶表示パネル１１３面における配光角度は、運転者ＤのアイボックスＢと予め位置が定められる虚像Ｖを結ぶ光線群を、ヘッドアップディスプレイ装置１００の投射光学系（本実施形態ではフロントガラス２２０及び凹面鏡１２０で構成される）を介して逆光線追跡することにより求められるものである。フィールドレンズ１１１ｄを構成する２つの凸レンズの間隔（空気層）は、フィールドレンズ１１１ｄの有効焦点距離の１／２以上の長さとすることが望ましい。これは、液晶表示パネル１１３面における配光角度（像側開口数）が大きい場合、２つの凸レンズ間距離が短くなるに応じて、フィールドレンズ１１１ｄによる集光度が劣化し、液晶表示パネル１１３面における光照射効率及び輝度均斉度が低下するため、この性能悪化を回避するべく２つの凸レンズ間にある程度の間隔が必要なためである。また、現在量産されている多くのヘッドアップディスプレイ装置における液晶表示パネル１１３面での望ましい配光角度特性は、面中央の点ではヘッドアップディスプレイ装置１００の光軸Ａを軸として同心円状に広がり、面中央から離れた任意の点においては面中央からの距離に比例してヘッドアップディスプレイ装置１００の光軸Ａに対して外側に広がる傾斜角を有するものである。かかる配光角度特性を実現するべく、本実施形態においては、レンズアレイ１１１ｃの中間像面Ｆ１が、フィールドレンズ１１１ｄの物体側焦点Ｐ１よりフィールドレンズ１１１ｄの主点Ｐ２側に位置するようにレンズアレイ１１１ｃ及びフィールドレンズ１１１ｄを配置している。物理法則として、レンズの焦点を通過して斜め方向からレンズに入射する光線は、レンズ透過後に光軸と平行となって進む。また、斜め入射する光線と光軸との交点がレンズの主点と焦点の間に位置する場合、レンズ透過後の光線は光軸から離れる方向に（発散方向に広がって）進む。したがって、レンズアレイ１１１ｃの中間像面Ｆ１とフィールドレンズ１１１ｄの物体側焦点Ｐ１とを上記のような位置関係とすると、上述のヘッドアップディスプレイ装置に望ましい配光角度を達成できることが理論上確認できる。ところで、一般的なプロジェクターなどに使用されるケーラー照明光学系は、液晶表示パネルなどの照明対象にテレセントリックな光線を導くため、レンズアレイの中間像面をフィールドレンズの物体側焦点に一致させるような設計が基本となる。この違いにより、本願発明における照明光学系１１１は独特な光学系と言える。また、レンズアレイ１１１ｃの中間像面Ｆ１は、レンズアレイ１１１ｃの主点に対して像側（虚像Ｖ側）に位置する。したがって、凹面レンチキュラレンズなど、中間像がその主点に対して物体側（光源側）に位置する場合のように中間像とフィールドレンズ１１１ｄの物体側焦点Ｐ１を極力接近させる仕様において中間像を生成するレンズ自身の厚みによって光学設計に障害が発生することがない。また、フィールドレンズ１１１ｄは、その像側焦点Ｐ３が液晶表示パネル１１３面と略一致するように配置される。これは、レンズアレイ１１１ｃによって生成される各中間像から同じ角度で出射される光線群を、フィールドレンズ１１１ｄによって液晶表示パネル１１３面に結像させるための配置であり、液晶表示パネル１１３面における均斉度向上に寄与することができる。フィールドレンズ１１１ｄの射出側曲面頂点と液晶表示パネル１１３面との間隔は光学設計上は規定しない。ただし、後述する光拡散部材１１２を配置することから、両者の間隔を１０ｍｍ程度設けることが望ましい。フィールドレンズ１１１ｄを構成する曲面は球面形状を有するが、液晶表示パネル１１３面における集光度を改善するために非球面形状としてもよい。
【００１９】
光拡散部材１１２は、透明樹脂材料を基材としたフィルム状あるいは板状の部材であり、照明光学系１１１のフィールドレンズ１１１ｄと液晶表示パネル１１３との間に、全光路を覆う大きさで配置される。光拡散部材１１２は、第３のケース体１１６内に外装部品での挟み込みや接着等によって固定される。光拡散部材１１２は、フィールドレンズ１１１ｄの射出側曲面で反射される外光を拡散し、また、照明光学系１１１のレンズアレイ１１１ｃにより生成される中間像の境界部分を運転者Ｄから直視できないようにする機能を有する。
【００２０】
液晶表示パネル１１３は、透明電極膜が形成された一対の透光性基板に液晶層を封入した液晶セルの前後両面に偏光板を貼着してなるものであり、第３のケース体１１６内に収納される。フィールドレンズ１１１ｄによって所定の配光角度で液晶表示パネル１１３面へ導かれた光線Ｌ０は液晶表示パネル１１３を透過して表示光Ｌとなり投射光学系を構成する凹面鏡１２０に照射される。
【００２１】
第１のケース体１１４は、液晶表示器１１０の後方側に設けられ、非透光性樹脂材料からなる断面略矩形状の筒状部材であり、コンデンサレンズ１１１ｂを収納する収納空間を形成する壁部１１４ａと、壁部１１４ａの一方の端部（後方側の端部）から延設され壁部１１４ａに対して垂直な鍔部１１４ｂと、壁部１１４ａの他方の端部（前方側の端部）に形成される切り欠き部１１４ｃと、を備える。図４は第１のケース体１１４の固定方法を示す図である。なお、図４においては第１のケース体１１４は鍔部１１４ｂのみを図示している。第１のケース体１１４は、鍔部１１４ｂの後面側に高精度に位置出しされた２つの位置決めピン１１４ｄが設けられている。第１のケース体１１４の配設に際し、まず、この位置決めピン１１４ｄをコンデンサレンズ１１１ｂ及び回路基板１１７にそれぞれ２個所形成される位置決め孔１１１ｅ、１１７ａに貫通させ、さらに、放熱部材１４０に２個所形成される位置決め孔１４１に挿入し、これらの部材の位置決めを行う。コンデンサレンズ１１１ｂの位置決め孔１１１ｅはコンデンサレンズ１１１ｂのレンズ曲面頂点に対して高精度に位置出しされ、回路基板１１７の位置決め孔１１７ａは光源１１１ａの実装領域に対して高精度に位置出しされている。また、位置決め孔１１１ｅ、１１７ａ、１４１はそれぞれ同一の孔間ピッチ及び孔径を有し、位置決めピン１１４ｄが各位置決め孔１１１ｅ、１１７ａ、１４１に挿入されることにより、コンデンサレンズ１１１ｂのレンズ曲面頂点と光源１１１ａの発光領域中心が同軸上に位置する状態となる。また、第１のケース体１１４は、鍔部１１４ｂにネジＳが挿通される２個所の貫通孔１１４ｅが設けられている。同様にコンデンサレンズ１１１ｂ及び回路基板１１７にはそれぞれ２個所にネジＳが挿通される貫通孔１１１ｆ、１１７ｂが形成されている。ネジＳは貫通孔１１４ｅ、１１１ｆ、１１７ｂに挿通された後放熱部材１４０に２個所形成されるネジ孔１４２に螺着され、第１のケース体１１４は放熱部材１４０にネジ止めされる。その際、第１のケース体１１４は、放熱部材１４０との間に回路基板１１７及びコンデンサレンズ１１１ｂを狭持してこれらを固定する。図２に戻って、第１のケース体１１４の壁部１１４ａの他方の端部（前方側の端部）に設けられる切り欠き部１１４ｃには、レンズアレイ１１１ｃの周辺に形成される平面部１１１ｇが突き当てられ、レンズアレイ１１１ｃが位置決めされる。レンズアレイ１１１ｃはさらに、この平面部１１１ｇを第１のケース体１１４と第２のケース体１１５とで狭持されることで任意の位置に固定される。
【００２２】
第２のケース体１１５は、非透光性樹脂材料からなる断面略矩形状の筒状部材であり、第１のケース体１１４と第３のケース体１１６との間に設けられ、照明光学系１１１を構成する各部材を収納、保持する。第２のケース体１１５は、前方側が後方側に対して幅狭となる段差形状を有する壁部１１５ａと、壁部１１５ａの一方の端部（後方側の端部）に延設される鍔部１１５ｂと、を備える。鍔部１１５ｂにはネジ貫通孔（図示しない）が設けられており、第２のケース体１１５は放熱部材１４０にネジ止めされる。また、第２のケース体１１５は、壁部１１５ａの段差部分の内面側に放熱部材１４０へのネジ止めに際してレンズアレイ１１１ｃの平面部１１１ｇに突き当てられる突出面１１５ｃを有し、この突出面１１５ｃと第１のケース体１１４の切り欠き部１１４ｃとで平面部１１１ｇを狭持することでレンズアレイ１１４が固定される。また、第２のケース体１１５は、フィールドレンズ１１１ｄを保持する役割を有し、フィールドレンズ１１１ｄを構成する２つの凸レンズは、それぞれ第２のケース体１１５の壁部１１５ａの内面に固定され、両者の間隔は精度良く保持される。
【００２３】
第３のケース体１１６は、液晶表示器１００の前方側（射出側）に設けられ、非透光性樹脂材料からなり、光拡散部材１１２及び液晶表示パネル１１３を収納するものである。第３のケース体１２０は液晶表示パネル１１３の表示面を露出する窓部１１６ａが設けられる。
【００２４】
凹面鏡１２０は、例えばポリカーボネートなどの樹脂材料に例えばアルミニウムなどの金属を蒸着させて凹面状の反射面を形成してなるものである。凹面鏡１２０によって液晶表示器１１０が発した表示光Ｌが拡大されてフロントガラス２２０に照射される。
【００２５】
ハウジング１３０は、非透光性樹脂材料からなり、液晶表示器１１０及び凹面鏡１２０を収納する。ハウジング１３０には、表示光を出射する窓部１３１が設けられている。この窓部１３１は例えばアクリルなどの透光性樹脂材料からなり、湾曲形成となっている。また、ハウジング１３０には、後方側に放熱部材１４０を配設するための開口部１３２が設けられている。
【００２６】
放熱部材１４０は、ハウジング１３０の開口部１３２に設けられる。放熱部材１４０は、例えばアルミニウムなどの金属材料で作成されるフィン型の構造体であり、光源１１７が発する熱を外部に放出する役割を有する。放熱部材１４０には、ネジ止めにより第１，第２のケース体１１４，１１５が固定される。また、放熱部材１４０はハウジング１３０にネジ止めされる。
【００２７】
以上の各部によってヘッドアップディスプレイ装置１００が構成されている。
【００２８】
本実施形態によれば、照明光学系１１１に光線Ｌ０を分割し光源１１１ａの中間像を複数生成するレンズアレイ１１１ｃと、レンズアレイ１１１ｃにより生成される中間像から発せられる光線Ｌ０を所定の角度で液晶表示パネル１１３に入射させるフィールドレンズ１１１ｄと、を備えることによって、アイボックスＢへの光照射効率を向上することができ、また、虚像Ｖの輝度均斉度を改善して視点移動に伴う虚像Ｖの輝度変化量を抑制することができる。さらに、レンズアレイ１１１ｃを、レンズアレイ１１１ｃにより生成される中間像面Ｆ１が、フィールドレンズ１１１ｄの物体側焦点Ｐ１に対してフィールドレンズ１１１ｄの主点Ｐ２側に位置するように配設することにより、ヘッドアップディスプレイ装置１００における液晶表示パネル１１３面での望ましい配光角度特性を得ることができる。
【００２９】
また、本実施形態は、フィールドレンズ１１１ｄを、その像側焦点Ｐ３が液晶表示パネル１１３面に略一致するように配設することにより、液晶表示パネル１１３面における均斉度を向上させることができる。
【００３０】
また、本実施形態は、光源１１１ａとレンズアレイ１１１ｃとの間に、光線Ｌ０を集光するコンデンサレンズ１１１ｂを配設することにより、レンズアレイ１１１ｃに効率良く光源１１１ａからの光線Ｌ０を集光することができる。なお、光源１１１ａが平行光を発し、所定の幅を有するものであれば、コンデンサレンズ１１１ｂを設けない仕様も可能である。
【００３１】
また、本実施形態において、レンズアレイ１１１ｄは、生成する中間像の開口数を液晶表示パネル１１３の短辺方向と長辺方向とで異ならせることでそれぞれ最適化することができる。具体的方法の１つとして、レンズアレイ１１１ｄは、両凸レンズが一体的に複数配置されてなり、前記両凸レンズは、その曲面有効領域の長辺幅と短辺幅の比が液晶表示パネル１１３の表示領域のアスペクト比と略等しく形成することで縦方向と横方向の開口数をそれぞれ最適化することができる。
【００３２】
また、本実施形態において、フィールドレンズ１１１ｄは、少なくとも２つの凸レンズからなり、前記凸レンズ間にフィールドレンズ１１１ｄの有効焦点距離に対して２分の１以上の長さの空気層を設けることによって、容易に集光度の高いフィールドレンズ１１１ｄを設けることができる。なお、製造の容易性を考慮しなければ１つの凸レンズでフィールドレンズ１１１ｄを構成することも可能である。
【００３３】
また、本実施形態は、フィールドレンズ１１１ｄと液晶表示パネル１１３との間に光拡散部材１１２が配設されることにより、フィールドレンズ１１１ｄの射出側曲面で反射される外光を拡散し、また、照明光学系１１１のレンズアレイ１１１ｃにより生成される中間像の境界部分を運転者Ｄから直視できないようにしてヘッドアップディスプレイ装置１００の表示品位を向上させることができる。
【００３４】
また、本実施形態は、光源１１１ａを実装する回路基板１１７と位置決めピン１１４ｄが形成された第１のケース体１１４とを備え、光源基板１１７とコンデンサレンズ１１１ｂとは互いに対向する位置に貫通孔１１７ａ，１１１ｅを備え、光源基板１１７とコンデンサレンズ１１１ｂとは、貫通孔１１７ａ，１１１ｅに位置決めピン１１４ｄが挿通され、第１のケース体１１４と光源基板１１７の背面側に配設される放熱部材１４０とによって狭持されてなる。これにより、容易に光源１１１ａとコンデンサレンズ１１１ｂとを精度良く位置決めすることができる。さらに、本実施形態は、フィールドレンズ１１１ｄを保持する第２のケース体１１５を備え、レンズアレイ１１１ｃは、端部に平面部１１１ｇを有し、第１のケース体１１４と第二のケース体１１５とで平面部１１１ｇが狭持されることによって、容易にレンズアレイ１１１ｃを配設固定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に好適である。
【符号の説明】
【００３６】
１００ ヘッドアップディスプレイ装置
１１０ 液晶表示器
１１１ 照明光学系
１１１ａ 光源
１１１ｂ コンデンサレンズ
１１１ｃ レンズアレイ
１１１ｄ フィールドレンズ
１１２ 光拡散部材
１１３ 液晶表示パネル（表示部材）
１１４ 第１のケース体
１１５ 第２のケース体
１１６ 第３のケース体
１１７ 回路基板（光源基板）
１２０ 凹面鏡
１３０ ハウジング
１４０ 放熱部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光学系と表示部材とを備える表示器から発せられる表示光を投射部材を介して観察者の視点領域に導いて虚像を表示させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記照明光学系は、
光線を放出する光源と、
前記光線を分割し前記光源の像を複数生成するレンズアレイと、
前記レンズアレイにより生成される前記光源の像から発せられる前記光線を所定の角度で前記表示部材に入射させるフィールドレンズと、を有し、
前記レンズアレイは、前記レンズアレイにより生成される前記光源の像面が、前記フィールドレンズの物体側焦点に対して前記フィールドレンズの主点側に位置するように配設されてなることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項２】
前記フィールドレンズは、その像側焦点が前記表示部材の面に略一致するように配設されてなることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項３】
前記光源と前記レンズアレイとの間に、前記光線を集光するコンデンサレンズを配設してなることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項４】
前記レンズアレイは、生成する前記光源の像の開口数が前記表示部材の短辺方向と長辺方向とで異なることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項５】
前記レンズアレイは、両凸レンズが一体的に複数配置されてなり、前記両凸レンズは、その曲面有効領域の長辺幅と短辺幅の比が前記表示部材の表示領域のアスペクト比と略等しく形成されてなることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項６】
前記フィールドレンズは、少なくとも２つの凸レンズからなり、前記凸レンズ間に前記フィールドレンズの有効焦点距離に対して２分の１以上の長さの空気層が設けられてなることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項７】
前記フィールドレンズと前記表示部材との間に光拡散部材が配設されてなることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項８】
前記光源を実装する光源基板と位置決めピンが形成された第１のケース体とを備え、
前記光源基板と前記コンデンサレンズとは互いに対向する位置に貫通孔を備え、
前記光源基板と前記コンデンサレンズとは、前記貫通孔に前記位置決めピンが挿通され、前記第１のケース体と前記光源基板の背面側に配設される放熱部材とによって狭持されてなることを特徴とする請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項９】
前記フィールドレンズを保持する第２のケース体を備え、
前記レンズアレイは、端部に平面部を有し、
前記第１のケース体と前記第二のケース体とで前記平面部が狭持されてなることを特徴とする請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１】
照明光学系と表示部材とを備える表示器から発せられる表示光を投射部材を介して観察者の視点領域に導いて虚像を表示させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記照明光学系は、
光線を放出する光源と、
前記光線を分割し前記光源の像を複数生成するレンズアレイと、
前記レンズアレイにより生成される前記光源の像から発せられる前記光線を所定の角度で前記表示部材に入射させるフィールドレンズと、を有し、
前記レンズアレイは、前記レンズアレイにより生成される前記光源の像面が、前記フィールドレンズの物体側焦点に対して前記フィールドレンズの主点側に位置するように配設されてなることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項２】
前記フィールドレンズは、その像側焦点が前記表示部材の面に略一致するように配設されてなることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項３】
前記光源と前記レンズアレイとの間に、前記光線を集光するコンデンサレンズを配設してなることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項４】
前記レンズアレイは、生成する前記光源の像の開口数が前記表示部材の短辺方向と長辺方向とで異なることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項５】
前記レンズアレイは、両凸レンズが一体的に複数配置されてなり、前記両凸レンズは、その曲面有効領域の長辺幅と短辺幅の比が前記表示部材の表示領域のアスペクト比と略等しく形成されてなることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項６】
前記フィールドレンズは、少なくとも２つの凸レンズからなり、前記凸レンズ間に前記フィールドレンズの有効焦点距離に対して２分の１以上の長さの空気層が設けられてなることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項７】
前記フィールドレンズと前記表示部材との間に光拡散部材が配設されてなることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項８】
前記光源を実装する光源基板と位置決めピンが形成された第１のケース体とを備え、
前記光源基板と前記コンデンサレンズとは互いに対向する位置に貫通孔を備え、
前記光源基板と前記コンデンサレンズとは、前記貫通孔に前記位置決めピンが挿通され、前記第１のケース体と前記光源基板の背面側に配設される放熱部材とによって狭持されてなることを特徴とする請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項９】
前記フィールドレンズを保持する第２のケース体を備え、
前記レンズアレイは、端部に平面部を有し、
前記第１のケース体と前記第二のケース体とで前記平面部が狭持されてなることを特徴とする請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２０３１７６（Ｐ２０１２−２０３１７６Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６７４２６（Ｐ２０１１−６７４２６）
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００２３１５１２）日本精機株式会社 (1,561)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００２３１５１２）日本精機株式会社 (1,561)
【Ｆターム（参考）】
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