CN107615135A - 平视显示器装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种平视显示器装置。HUD装置具备：具有发光元件(14)的光源部(10)；与光源部对置，对光源光进行聚光的聚光透镜(20)；进一步对来自聚光透镜侧的光源光进行聚光，以规定的角度进行投射的物镜(30)；以及通过来自物镜侧的光源光入射而形成图像，向挡风玻璃侧射出图像的光的图像形成元件(40)。物镜在聚光透镜侧以及图像形成元件侧中的至少一方的面具有多个光学面连接而成的复合面(34)。聚光透镜具有对光源光进行扩散的扩散部(26)。

Description

平视显示器装置

技术领域

本申请基于2015年6月5日申请的日本专利申请2015-114904号，并在此通过参照引用该公开的内容。

本发明涉及被搭载于移动体，由乘客能够辨认地对图像进行虚像显示的平视显示器装置(以下，简称HUD装置)。

背景技术

公知有被搭载于移动体，由乘客能够辨认地对图像进行虚像显示的HUD装置。在专利文献1记载的HUD装置中具备：具有产生光源光的发光元件的光源部；与光源部对置，将光源光聚光的聚光透镜；进一步对来自聚光透镜侧的光源光进行聚光，以规定的角度投射的物镜。然后HUD装置具备通过来自物镜侧的光源光入射而形成图像，朝向投影部件侧射出图像的光的图像形成元件。

这里，物镜在聚光透镜侧以及图像形成元件侧两个面中，分别形成由单一的光学面构成的单一面。而且，在聚光透镜与物镜之间作为将光源光扩散的扩散部，配置有扩散板。

专利文献1：JP2007-108429A。

于是，在这样的HUD装置中，从光源部的发光元件发出的光往往因发光位置或者方向而成为不同的颜色，担忧产生因此导致的虚像显示的颜色不均。因此本申请发明者考虑了在物镜中，在聚光透镜侧以及图像形成元件侧中至少一方的面采用多个光学面连接的复合面，从而利用多个光学面，使因方向不同的颜色的光源光相互混合，抑制颜色不均。

利用这样的物镜虽能够得到颜色不均的抑制效果，但另一方面，在专利文献1那样的扩散板的配置中，透过聚光透镜后的光源光以单位面积对应的光量变低的状态向扩散板入射。因此，由于扩散光的密度降低，所以无法使向投影部件投影的虚像显示的亮度充分地提高。

发明内容

鉴于以上情况，本发明的目的之一在于提供一种实现兼得抑制颜色不均及高亮度、虚像显示的可视性良好的HUD装置。

本发明的一方面的平视显示器装置是被搭载于移动体，通过向投影部件投影图像，以乘客能够辨认的方式对图像进行虚像显示的平视显示器装置，其具备：光源部，其具备产生光源光的发光元件；聚光透镜，其与光源部对置，对光源光进行聚光；物镜，其进一步对来自聚光透镜侧的光源光进行聚光，以规定的角度进行投射；以及图像形成元件，通过来自物镜侧的光源光入射而形成图像，向投影部件侧射出图像的光。物镜，在聚光透镜侧以及图像形成元件侧中的至少一方的面具有多个光学面连接而成的复合面，聚光透镜具有对光源光进行扩散的扩散部。

根据这样的平视显示器装置，若光源部的发光元件例如通过发光位置或者方向而产生不同的颜色的光源光，则光源光首先最初向与光源部对置的聚光透镜入射。这里，具有扩散部的聚光透镜对单位面积对应的光量高的状态的光源光进行扩散并且进行聚光。这样地扩散的光源光，不同的颜色被混合并且光的密度的降低被抑制。

透过聚光透镜后，利用物镜的多个光学面连接而成的复合面，不同的颜色的光源光被进一步地相互混合。由这样的光源光形成的图像向投影部件投影，所以能够提供兼得兼得抑制颜色不均及高亮度、虚像显示的可视性良好的HUD装置。

附图说明

关于本发明的上述以及其它目的、特征、优点通过参照附图的下述详细的说明变得更加明确。在附图中，

图1是表示第一实施方式的HUD装置搭载于车辆的搭载状态的示意图。

图2是表示第一实施方式的光源部、聚光透镜、物镜以及液晶面板的简要结构的示意图。

图3是从聚光透镜侧观察第一实施方式的发光元件的图。

图4是用于说明第一实施方式的发光元件产生的光源光的颜色的色度图。

图5是对第一实施方式的物镜进行局部放大表示的图，是用于说明光源部以及聚光透镜的位置关系的示意图。

图6是表示从比较例的视点区域上端部观察到的虚像的实验图像。

图7是与第一实施方式的图6对应的图。

图8是与第二实施方式的图2对应的图。

图9是表示从比较例的视点区域右端部观察到的虚像的模拟图像。

图10是与第二实施方式的图9对应的图。

图11是与变形例3的图5对应的图。

图12是表示变形例4的物镜的示意图。

具体实施方式

以下，结合附图来说明本发明的多个实施方式。此外，在各实施方式中通过对对应的构成要素标注相同的符号，往往省略重复的说明。在各实施方式中仅说明构成的一部分的情况下，关于该结构的其它部分能够适用前面已说明的其它实施方式的结构。另外，并不限于在各实施方式的说明中明示了的构成的组合，只要是没有特别地对组合造成妨碍的话，即使没有明示也能够部分地组合的多个实施方式的结构彼此。

(第一实施方式)

如图1所示，第一实施方式的HUD装置100被搭载于作为移动体的一种的车辆1，被收纳在仪表盘2内。HUD装置100向作为车辆1的投影部件的挡风玻璃3投影图像。图像的光被挡风玻璃3反射，从而HUD装置100以车辆1的乘客能够辨认的方式对图像进行虚像显示。即被挡风玻璃3反射的图像的光，到达在车辆1的室内的乘客的眼睛，该乘客将图像的光作为虚像VI感知。而且，乘客能够通过虚像VI来识别各种信息。作为图像而被虚像显示的各种信息例如可举出车速、燃料余量等车辆状态值、或者道路信息、视野辅助信息等导航信息。

车辆1的挡风玻璃3由透光性的玻璃或合成树脂等形成为板状。在挡风玻璃3中，室内侧的面被形成为使供图像投影的投影面3a弯曲的凹面状或者平坦的平面状。此外，作为投影部件，也可代替挡风玻璃3，在车辆1内设置独立于车辆1的组合器(combiner)，向该组合器投影图像。

下面结合图1、2对这样的HUD装置100的具体的结构进行说明。HUD装置100具备光源部10、聚光透镜20、物镜30、图像形成元件40、平面镜50以及凹面镜52，这些被收纳、并保持于外壳60。

光源部10具有光源用电路基板12以及多个发光元件14。光源用电路基板12通过该基板12上的布线图案与电源及各发光元件14电连接。各发光元件14是发热少的发光二极管元件，通过通电以与电流量对应的发光量产生光源光。特别是本实施方式的发光元件14是具有蓝色发光二极管元件14a、及覆盖该蓝色发光二极管元件的黄色荧光体14b的白色发光二极管元件。

详细而言，如图3所示，各发光元件14通过由在具有透光性的合成树脂中混合了黄色荧光剂的黄色荧光体14b密封被配置于中央部15的芯片状的蓝色发光二极管元件14a而被形成。利用来自蓝色发光二极管元件14a的蓝色光，黄色荧光体14b被激发并发出黄色光，通过蓝色光与黄色光的合成来实现近似白色的光源光。

然而，根据本申请发明者们进行的发光分布实验，在图4的色度图中，从各发光元件的中央部15发出的光源光L1成为黑体轨迹BL中从色温6500K以上起偏差小的蓝白光。另一方面，在图4的色度图中，从各发光元件的周边部16发出的光源光L2成为从黑体轨迹BL起偏差大的黄色光。因此，因发光位置或者方向而颜色不同的光源光被从各发光元件14发出。

如图2所示，在光源部10中，各发光元件14在沿着光源用电路基板12的排列方向Da被排列成一列。这样，来自各发光元件14的光源光向聚光透镜20入射。

聚光透镜20由透光性的合成树脂或玻璃等构成，被配置于光源部10与物镜30之间。因此，与光源部10对置地配置聚光透镜20。

详细而言，聚光透镜20成为排列与发光元件14数目相同的多个透镜元件21而形成的透镜阵列。各透镜元件21在排列方向Da排列，从而分别与对应的各发光元件14对置。各透镜元件21在光源部10侧将第一折射面22形成为遍及各透镜元件21的共用的单一平面状，并且在该第一折射面22设置有扩散部26。具体地说，第一折射面22被宏观地形成为平面状，并且作为遍及各透镜元件21的扩散部26形成碎玻璃状的微小且随机的凹凸。这里扩散部26的雾(haze)值优选是30％以上，在本实施方式中，是50％。

而且各透镜元件21在物镜30侧将第二折射面24形成为光滑的凸面状。基于各透镜元件21的聚光透镜20的焦距被设定为比该聚光透镜20与各发光元件14之间的距离大。

在这样的聚光透镜20中，来自各发光元件14的光源光分别入射到对应的各透镜元件21，被扩散部26扩散并且通过折射作用而被聚光。而且，光源光向物镜30入射。

物镜30由透光性的合成树脂或玻璃等构成，被配置于聚光透镜20与图像形成元件40之间。因此，物镜30与图像形成元件40对置地配置。物镜30是进一步对来自聚光透镜20侧的光源光进行聚光，并以规定的角度朝向图像形成元件40投射的透镜。

本实施方式的物镜30是复合型菲涅耳透镜。具体地说，物镜30在聚光透镜20侧形成光滑的单一平面状的入射光学面32。另外，物镜30在图像形成元件40侧形成多个光学面35、36连接而成的复合面34。

这里，使用图5更详细地说明复合面34。复合面34遍及物镜30中、与各发光元件14以及各透镜元件21对应的整个面地被形成。换言之，来自各发光元件14以及各透镜元件21的光源光必定通过复合面34。

本实施方式的复合面34在发光元件14的排列方向Da，形成聚光光学面35与偏转光学面36交替地连接的交替排列构造。

聚光光学面35作为在排列方向Da以规定宽度Ws对假想聚光面Sic进行了区域分割的一个分割区域而被形成。这里，假想聚光面Sic是排列了与各发光元件14以及各透镜元件21数目相同的假想透镜元件面Sie的假想透镜阵列面。假想聚光面Sic的各假想透镜元件面Sie成为向图像形成元件40侧凸起的凸面状，另外，该排列间距Paf实质上与聚光透镜20的各透镜元件21的排列间距Pac相同。

偏转光学面36作为在发光元件14的排列方向Da以规定宽度Ws对假想偏转面Sid进行了区域分割的部分分割区域而形成。假想偏转面Sid由每隔假想透镜元件面Sie的排列间距Paf的半值则变为相反的梯度的多个斜面Sis构成，各斜面Sis是平面状。这里，在发光元件14的排列方向Da，各斜面Sis的梯度被设定为与对应的位置的假想聚光面Sic的梯度相反的梯度。

这里，聚光光学面35以及偏转光学面36的区域分割的规定宽度Ws虽被设定为各种宽度，但以在各光学面35、36间凹陷量大致恒定的方式被设定，从而使物镜30整体的厚度恒定化。另外，各规定宽度Ws被设定为比邻接的发光元件间的间距Ps小。这些聚光光学面35与偏转光学面36被交替地排列，从而假想聚光面Sic中一部分的形状以及假想偏转面Sid中一部分的形状被抽出，在复合面34上被再现。此外，在图5中，仅对规定宽度Ws中一部分示出了其尺寸。

在聚光光学面35中、包含基于各假想透镜元件面Sie的面顶点35a的各聚光光学面35被配置于连结各发光元件14的中央部15与各透镜元件21的第二折射面24的面顶点21a的直线Lt上。在本实施方式中，直线Lt与发光元件14的排列方向Da实质正交。

这样，通过复合面34中聚光光学面35的光源光被聚光。详细而言，以通过聚光光学面35后的光源光的行进方向比通过前更接近直线Lt的方向的方式来进行聚光。

另一方面，通过复合面34中偏转光学面36的光源光通过棱镜作用向与由聚光光学面35进行的聚光相反的一侧偏转。这里向该相反的一侧的偏转是指光源光越向图像形成元件40侧接近、越远离最接近的直线Lt(即发出该光源光的发光元件14的直线Lt)。

图2所示的图像形成元件40是使用了薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)的液晶面板，例如是由在二维方向排列的多个液晶像素形成的有源矩阵型的液晶面板。在图像形成元件40中，一对偏光板以及夹着该一对偏光板的液晶层等被层叠。偏光板具有电场向量使规定方向的光透过，电场向量将实质上与规定方向垂直的方向的光遮光的性质，一对偏光板实质上与该规定方向正交地被配置。液晶层能够通过针对每个液晶像素的电压施加，根据施加电压使向液晶层入射的光的偏振光方向旋转。

因此，利用光源光的入射图像形成元件40能够通过来自物镜30侧的光源光的入射，控制针对每个液晶像素的该光源光的透过率而形成图像。在相邻的液晶像素设置有相互不同的颜色(例如红、绿以及蓝)的滤光器，通过上述组合，实现各种颜色。而且，图像形成元件40在图1所示的光路OP中向挡风玻璃3侧的平面镜50射出图像的光。

平面镜50通过在由合成树脂或玻璃等构成的基材的表面蒸镀铝等作为反射面51而形成。反射面51被形成为光滑的平面状。而且，平面镜50将来自图像形成元件40的图像的光朝向凹面镜52反射。

凹面镜52通过在由合成树脂或玻璃等构成的基材的表面蒸镀铝等作为反射面53而形成。反射面53作为凹面镜52的中心凹陷的凹面被形成为光滑的曲面状。而且，凹面镜52将来自平面镜50的图像的光朝向挡风玻璃3反射。

这样，从光源部10的各发光元件14发出的光源光通过聚光透镜20的扩散部26以及物镜30的复合面34，向图像形成元件40入射。而且光源光作为来自图像形成元件40的图像的光，被挡风玻璃3反射，并到达视点区域EB。这里视点区域(eye box)EB作为乘客能够视认图像的虚像显示的区域，基于就座于座席4的乘客的眼点(eye point)EP可能存在的空间区域亦即视野范围而被设定。

这里，基于本申请发明者们的实验，说明如何看到图像的虚像显示。图6、7是从视点区域EB上端部观察了虚像显示的拍摄图像，特别是图6表示了作为比较例未对聚光透镜设置扩散部而将第一折射面作为镜面的情况(其它与本实施方式相的)，图7表示了本实施方式的情况。此外，从各发光元件14到第一折射面22的距离被设定为0.5mm。

如图6所示，可知在比较例中，虚像显示的上下端部没有成为白色而黄变(参照由虚线的包围而表示的黄变部分YP)。即为了提高光源光的利用效率，以将发光元件与视点区域设为相互共轭为目标而进行了设计的结果，视点区域位置的色分布反映了发光元件的发光分布。另一方面，在图7所示的在本实施方式中，上下端部的黄变被抑制。此外，图6、7的矩形框表示了比较两图像时的基准位置。

(作用效果)

下面说明以上说明的第一实施方式的作用效果。

根据第一实施方式，若光源部10的发光元件14例如通过发光位置或者方向而发出不同的颜色的光源光，则光源光首先最初向与光源部10对置的聚光透镜20入射。这里，具有扩散部26的聚光透镜20将单位面积对应的光量高的状态的光源光边扩散边聚光。关于被这样地扩散的光源光，被与不同的颜色混合并且光的密度的降低被抑制。

透过聚光透镜20后，利用物镜30的多个光学面35、36连接的复合面34，不同的颜色的光源光被进一步相互混合。由这样的光源光形成的图像被向作为投影部件的挡风玻璃3投影，所以能够提供一种兼得抑制颜色不均和高亮度、虚像显示的可视性良好的HUD装置100。

另外，根据第一实施方式，聚光透镜20具有在光源部10侧设置了扩散部26的第一折射面22、及在物镜30侧为凸面状的第二折射面24。这样，扩散部26扩散单位面积对应的光量高的状态的光源光，并且将该光源光向物镜30施加，利用第二折射面24，能够得到扩散部26的放大效果。因此，能够抑制颜色不均并且能够提高虚像显示的亮度。

另外，根据第一实施方式，若光源部10的各发光元件14例如通过发光位置或者方向而发出不同的颜色的光源光，则光源光首先最初向与各发光元件14对置的透镜元件21入射。扩散部26遍及各透镜元件21而形成，所以各透镜元件21对来自对应的各发光元件14的单位面积对应的光量高的状态的光源光边扩散边聚光。关于这样地被扩散的光源光，不同的颜色被混合并且光的密度的降低被抑制。

并且，物镜30的多个光学面35、36连接而成的复合面34遍及与各透镜元件21对应的整个面而形成，由此不仅一个发光元件14内的不同的颜色的光源光被相互混合，各发光元件14间的光源光也被相互混合。由这样的光源光形成的图像被向挡风玻璃3投影，所以即使使用多个排列的发光元件14也能够可靠地抑制颜色不均并且能够提高虚像显示的亮度。

另外，根据第一实施方式，复合面34在至少发光元件14的排列方向Da上，是多个光学面35、36连接而成的复合面，在排列方向Da上，各光学面35、36的宽度Ws比邻接的发光元件14间的间距Ps小。通过这样地设定，在排列方向Da排列的各发光元件14间的光源光利用复合面34被可靠地混合，所以颜色不均的抑制效果进一步地提高。

另外，根据第一实施方式，向物镜30入射的光源光，一部分被聚光光学面35聚光，其他的部分被偏转光学面36向与该聚光相反的一侧偏转。因此，不同的颜色的光源光被相互混合，所以颜色不均的抑制效果被进一步地提高。

另外，根据第一实施方式，发光元件14具有蓝色发光二极管元件14a、及包围该蓝色发光二极管元件14a的黄色荧光体14b。在这样的发光元件14中，虽在中央部15产生白色的光源光，在周边部16产生带有黄色的光源光，但利用扩散部26以及复合面34能够抑制颜色不均。另外，由于发光元件14的发热少，所以能够使扩散部26靠近发光元件14，能够使扩散部26扩散单位面积对应的光量高的状态的光源光。因此，能够提高虚像显示的亮度。

另外，根据第一实施方式，扩散部26的雾值是30％以上。通过设定这样雾值，能够充分地得到基于扩散的颜色不均抑制效果。

(第二实施方式)

如图8所示，第二实施方式是第一实施方式的变形例。关于第二实施方式，以与第一实施方式不同的点为中心进行说明。

第二实施方式的聚光透镜220与第一实施方式相同，由透光性的合成树脂或玻璃等构成，被配置于光源部10与物镜30之间。因此，聚光透镜220与光源部10对置地被配置。另外，聚光透镜220是排列多个与发光元件14数目相同的透镜元件221而形成的透镜阵列。

这里，第二实施方式的各透镜元件221在光源部10侧具有第一折射面222，该第一折射面222被形成为遍及各透镜元件221的共用的光滑的单一平面状。另外，各透镜元件221在物镜30侧具有凸面状的第二折射面224，并且在该第二折射面224设置有扩散部226。具体地说，第二折射面224被宏观地形成为凸面状，并且作为遍及各透镜元件221的扩散部226形成碎玻璃状的微小且随机的凹凸。优选扩散部226的雾值是30％以上，在本实施方式中是30％。

这里，根据本申请发明者们的模拟来说明如何能够看到图像的虚像显示。图9、10是从视点区域EB右端部观察虚像显示的条件下的模拟图像，特别地图9作为比较例表示了将第二折射面设为光滑的凸面状的情况(其它与本实施方式相同)，图10表示了本实施方式的情况。此外，从各发光元件14到第一折射面22的距离被设定为0.5mm。

如图9所示，可知在比较例中，即使虚像显示的中央部分也没有成为白色，而存在变黄的部分(参照由虚线的包围所表示的黄变部分YP)。即为了提高光源光的利用效率，以将发光元件与视点区域设为相互共轭作为目标而进行了设计的结果，视点区域位置的色分布反映了发光元件的发光分布。另一方面，在图10所示的本实施方式中，遍及虚像显示整体地变黄被抑制。

根据这样的第二实施方式，聚光透镜220具有光源部10侧的第一折射面222、及物镜30侧的是凸面状、且设置有扩散部226的第二折射面224。这样，扩散部226能够扩散单位面积对应的光量高的状态的光源光。因此，能够抑制颜色不均并且能够提高虚像显示的亮度。

(其它实施方式)

以上，虽例示了多个实施方式，但实施方式并不限定于上述实施方式。

具体地说，作为与第一实施方式相关的变形例1，也可是将板状或者薄片状的扩散板贴付在聚光透镜20的光源部10侧，从而在第一折射面22设置扩散部26的结构。

作为变形例2扩散部26也可被设置于第一折射面22以及第二折射面24双方。

作为变形例3对于复合面34的偏转光学面36而言，也可将斜面Sis形成为平面状以外的凸面状、或者形成为凹面状等。图11示出了凸面状的情况的例子。

作为变形例4物镜30也可以是菲涅耳透镜。在图12所示的例子中，对于复合面934而言，聚光光学面935与分割面936交替相连。这里聚光光学面935作为在排列方向Da以规定宽度Ws对单一的假想聚光面Sic进行了区域分割的一个分割区域而被形成。另外，分割面936被形成为补充假想聚光面Sic的分割部分的平面状，考虑到成型中的脱模以与邻接的聚光光学面935相反的梯度稍微地倾斜。

作为变形例5，只要复合面34被设置于聚光透镜20侧以及图像形成元件40侧中的至少一方的面即可，也可仅被设置于聚光透镜20侧的面，另外，也可被设置于两方的面。

作为变形例6各发光元件14也可在多个排列方向Da以二维的方式被排列。

作为变形例7发光元件14也可以是一个。在该情况下，作为物镜30，更优选使用变形例4所示的菲涅耳透镜。

作为变形例8也可在车辆1以外的船舶或飞机等各种移动体(运输设备)应用平视显示器装置。

此外，关于图11、12也与图5相同，仅对规定宽度Ws中一部分示出了尺寸。

Claims (8)

1.一种平视显示器装置，其被搭载于移动体(1)，通过向投影部件(3)投影图像，以乘客能够辨认的方式对上述图像进行虚像显示，所述平视显示器装置具备：

光源部(10)，其具备产生光源光的发光元件(14)；

聚光透镜(20、220)，其与上述光源部对置，对上述光源光进行聚光；

物镜(30)，其进一步对来自上述聚光透镜侧的上述光源光进行聚光，以规定的角度进行投射；以及

图像形成元件(40)，通过来自上述物镜侧的上述光源光入射而形成图像，向上述投影部件侧射出上述图像的光，

上述物镜，在上述聚光透镜侧以及上述图像形成元件侧中的至少一方的面具有多个光学面(35、36)连接而成的复合面(34)，

上述聚光透镜具有对上述光源光进行扩散的扩散部(26、226)。

2.根据权利要求1所述的平视显示器装置，其中，上述聚光透镜(20)具有：在上述光源部侧设置有上述扩散部(26)的第一折射面(22)；以及在上述物镜侧是凸面状的第二折射面(24)。

3.根据权利要求1所述的平视显示器装置，其中，上述聚光透镜(220)具有：上述光源部侧的第一折射面(222)；以及在上述物镜侧是凸面状并设置有上述扩散部(226)的第二折射面(224)。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的平视显示器装置，其中，

上述光源部由排列多个上述发光元件而成，

上述聚光透镜由排列多个分别与对应的各上述发光元件对置，对来自对置的上述发光元件的上述光源光进行聚光的透镜元件(21、221)而成，

上述扩散部遍及各上述透镜元件而被形成，

上述复合面遍及与各上述透镜元件对应的整个面而被形成。

5.根据权利要求4所述的平视显示器装置，其中，

上述复合面是在上述发光元件的排列方向(Da)，上述多个光学面连接而成的复合面，

在上述排列方向，各上述光学面的宽度(Ws)比邻接的上述发光元件间的间距(Ps)小。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的平视显示器装置，其中，

上述复合面作为上述光学面，形成对上述光源光进行聚光的聚光光学面(35)、与使上述光源光向与邻接的上述聚光光学面的聚光相反的一侧偏转的偏转光学面(36)交替地连接的交替排列构造。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的平视显示器装置，其中，

上述发光元件具有：

蓝色发光二极管元件(14a)；以及

覆盖上述蓝色发光二极管元件的黄色荧光体(14b)。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的平视显示器装置，其中，

上述扩散部的雾值是30％以上。