CN108700747B - 抬头显示器装置 - Google Patents

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Abstract

抬头显示器装置使显示光被投影部件(3)反射并到达目视区域(EB)，显示虚像(VI)。聚光部(14)通过聚光将来自光源部(10)的照明光平行化。液晶元件(30)在开口部(32)排列多个液晶像素(34)，开口部被从聚光部射出的照明光照明从而形成图像。液晶元件向与照明光的射入方向(IND)对应的射出方向(EXD)以光束状射出图像的显示光。放大导光部(40)具备具有正的屈光度的正的光学元件(44)、和具有负的屈光度的负的光学元件(42)。两光学元件配置在光路上，并以放大虚像(VI)的方式，对来自液晶元件的显示光朝向投影部件导光。负的光学元件比正的光学元件配置得靠光路上的液晶元件侧。

Description

抬头显示器装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年2月23日提交的日本申请号2016－32259、和于2016年4月13日提交的日本申请号2016－80579的优先权，并在此引用其全部内容。
技术领域
本公开涉及安装于移动体，并显示虚像的抬头显示器装置。
背景技术
以往，已知有安装于移动体，并显示虚像的抬头显示器装置(以下，简称为HUD装置)。专利文献1所公开的HUD装置具备光源部、聚光部、液晶元件、以及放大导光部。聚光部通过聚光将由光源部发出的照明光平行化。液晶元件在开口部排列液晶像素，通过开口部被照明光照明而形成图像，并向与照明光的射入方向对应的射出方向上，以光束状射出图像的显示光。放大导光部以使虚像放大的方式，朝向投影部件对来自液晶元件的显示光进行导光。
该放大导光部具有作为不具有屈光度的光学元件的平面镜、和作为具有正的屈光度的光学元件的凹面镜，在光路上配置这些光学元件。
如专利文献1那样通过进行了平行化的照明光的照明，在液晶元件形成图像，从而显示光的指向性提高。因此，可认为能够使显示光可靠地到达设在移动体的目视区域，改善虚像的亮度。
但是有由于抬头显示器装置的构成上的差异，而对虚像的可视性造成影响的担心。
专利文献1：日本特开2015－90442号公报
在专利文献1中通过放大导光部的凹面镜放大虚像。虽然通过该凹面镜的作用能够抑制HUD装置的体积增大并实现较大的虚像，但是，同时，本发明者发现了HUD装置的光学***中的入瞳的位置接近液晶元件。
若入瞳的位置接近液晶元件，则在与照明光的射入方向对应的显示光的射出方向、和实际上到达目视区域而有助于目视的显示光的方向之间可能产生错位。该错位因排列的各液晶像素而异，所以有在各液晶像素间产生亮度差，而对虚像的可视性造成负面影响的担心。
发明内容
本公开的目的在于提供抑制体积增大，且虚像的可视性良好的HUD装置。
本公开的第一方式的抬头显示器装置安装于移动体，朝向上述移动体的投影部件投影显示光，使上述显示光在上述投影部件反射并到达设于上述移动体的目视区域，从而显示能够从上述目视区域内目视的虚像。上述抬头显示器装置具备发出照明光的光源部。上述抬头显示器装置还具备通过聚光将上述照明光平行化的聚光部。上述抬头显示器装置还具备液晶元件，该液晶元件在开口部排列多个液晶像素，上述开口部被从上述聚光部射出的上述照明光照明而形成图像，并向与上述照明光的射入方向对应的射出方向上，以光束状射出上述图像的上述显示光。上述抬头显示器装置还具备放大导光部，该放大导光部具备具有正的屈光度的正的光学元件、和具有负的屈光度的负的光学元件，通过在光路上配置两个上述光学元件，以放大上述虚像的方式朝向上述投影部件对来自上述液晶元件的上述显示光进行导光。与上述正的光学元件相比，上述负的光学元件配置得靠上述光路上的上述液晶元件侧。
附图说明
通过参照附图下述的详细的记述，本公开的上述目的以及其它的目的、特征、优点变得更加明确。该附图是，
图1是表示一实施方式中的HUD装置的向车辆的安装状态的示意图，
图2是表示一实施方式中的光源部、聚光部、以及液晶元件的图，是表示沿着长边方向的剖面的剖视图，
图3是表示一实施方式中的光源部、聚光部、以及液晶元件的图，是表示沿着短边方向的剖面的剖视图，
图4是表示一实施方式中的发光元件的放射角度分布的图表，
图5是沿着开口部的法线方向观察一实施方式中的液晶元件的图，
图6是放大示出图5的VI部的图，
图7是部分地示出图6的VII－VII线剖面的剖视图，
图8是表示一实施方式中的复合透镜阵列的立体图，
图9是用于说明一实施方式中的复合透镜阵列的聚光菲涅尔面的图，
图10是用于说明一实施方式中的复合透镜阵列的复合面的图，
图11是示意地表示一实施方式的HUD装置的光学***的图，
图12是与比较例中的图11对应的图，
图13是与变形例1中的图2对应的图，
图14是与变形例9中的图3对应的图，
图15是与变形例9中的图11对应的图。
具体实施方式
以下，基于附图对本公开的一实施方式进行说明。
如图1所示，本公开的一实施方式的HUD装置100安装于作为移动体的一种的车辆1，收纳在仪表板2内。HUD装置100朝向车辆1的作为投影部件的挡风玻璃3对显示光进行投影，使该显示光被挡风玻璃3反射并到达设在车辆1的目视区域EB。由此，HUD装置100显示能够从目视区域EB进行目视的虚像VI。即，由车辆1的在车辆1的车厢内、眼睛位于目视区域EB内的乘客以虚像VI的形式感知显示光。而且，乘客能够识别作为虚像VI显示的各种信息。例如能够列举车速、燃料余量等车辆状态值，或者道路信息、视野辅助信息等车辆信息作为作为虚像VI显示的各种信息。
车辆1的挡风玻璃3通过透光性的玻璃或合成树脂等形成为板状。在挡风玻璃3中，车厢内侧的面以平滑的凹面状或者平面状形成对显示光做反射的反射面3a。一般而言，由车辆制造商基于车辆1的用途或者外观设计等设定挡风玻璃3的构成。
目视区域EB是能够目视由HUD装置100显示的虚像VI的空间区域。即，若乘客的眼睛在目视区域EB内则能够目视虚像VI，若乘客的眼睛在目视区域EB外则不能够目视虚像VI。
在本实施方式中，目视区域EB设置为与车辆1所设定的眼椭圆(eyelips)重合。基于统计地示出作为乘客的驾驶员的眼睛的位置的分布的视域设定眼椭圆(详细参照JISD0021：1998)。一般而言与车辆1的坐席4的位置对应地由车辆制造商设定眼椭圆。即HUD装置100以坐在坐席4的驾驶员容易目视的方式进行显示。
以下对这样的HUD装置100的具体的构成进行说明。HUD装置100具备光源部10、聚光部14、液晶元件30、以及放大导光部40，它们收纳并保持在壳体50。
如图2、3所示，光源部10具有相互排列的多个发光元件12。各发光元件12是发热较少的发光二极管元件。各发光元件12配置在光源用电路基板上，并通过该基板上的布线图案，与电源电连接。更详细而言，通过在具有透光性的合成树脂中混合了黄色荧光剂得到的黄色荧光体密封芯片状的蓝色发光二极管元件来形成各发光元件12。通过与电流量对应地从蓝色发光二极管元件发出的蓝色光，激发黄色荧光体发出黄色光，并通过蓝色光与黄色光的合成发出伪白色的照明光。
这里如图4所示，光源部10的各发光元件12以随着从发光强度最大的峰值方向PKD背离而发光强度相对地降低的放射角度分布发出照明光。在本实施方式中，以峰值方向PKD在各发光元件12间实质为同方向的方式配置各发光元件12。
如图2、3所示，聚光部14具有聚光透镜阵列15以及复合透镜阵列18。聚光部14通过这两个透镜阵列15、18，通过聚光将来自各发光元件12的照明光平行化，并使其射入液晶元件30的开口部32。这里本实施方式中的平行化是指与放射状地从发光元件12发出的状态相比照明光成为接***行光束的状态，照明光不需要完全地成为平行光束。
本实施方式的液晶元件30是使用了薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)的有源矩阵方式的透射式液晶面板。
具体而言，液晶元件30具有形成为能够透过照明光的开口部32。如图5所示，开口部32形成为具有长边方向LD以及短边方向SD的矩形形状。如图6放大地示出的那样，在开口部32处，沿着开口部32的切线方向在二维方向排列有上述的多个液晶像素34。
在各液晶像素34中，设置有在开口部32的法线方向贯通地设置的透过部34a、和包围透过部34a形成的布线部34b。
如图7所示，在液晶元件30的排列了液晶像素34的包含透过部34a的部分，以层叠的状态具有液晶层36a、夹着该液晶层36a的一对透明电极36b、以及夹着它们的一对偏振片36c等。
液晶层36a例如是填充了以向列型液晶等液晶分子为主成分的溶液的层。透明电极36b是以具有透光性的方式形成的电极。偏振片36c具有实质上相互正交的透光轴和遮光轴。偏振片36c具有在射入了沿着透过轴的偏振方向的光的情况下，该光的透过率最大的性质。另一方面，偏振片36c具有在射入了沿着遮光轴的偏振方向的光的情况下，该光的透过率最小的性质。这里，一对偏振片36c配置为使透过轴实质上相互正交。
通过电连接的控制部60的控制，能够对每个液晶像素34，在一对透明电极36b间施加电压。根据一对透明电极36b间的施加电压，而在液晶层36a中液晶分子的取向方向变化，从而透过液晶层36a的光的偏振方向变化。这样一来，透过液晶元件30的光的透过率能够按照每个液晶像素34独立地变化。此外，液晶层36a的厚度TLC设定为，在与最大透过率对应的规定电压(例如0V)的情况下，从液晶层36a的厚度方向(即开口部32的法线方向)射入的光的偏振方向因透过液晶层36a而改变90度那样的厚度。
因此，液晶元件30能够通过向开口部32照明光，控制每个液晶像素34的该光的透过率，来形成图像。在相邻的液晶像素34设有颜色互不相同(例如，红色、绿色、以及蓝色)的彩色滤光片36d，通过它们的组合，实现各种颜色。
另外，在液晶元件30的聚光部14侧设有漫射部38。漫射部38是沿着开口部32的切线方向设置，例如形成为薄片状的漫射板。或者，也可以通过在液晶元件30的表面设置微小的凹凸来形成漫射部38。这样的漫射部38在平行化后的照明光刚要射入开口部32之前，使其受到一些漫射作用。
这里返回到聚光部14的说明。如图2、3所示，通过相互排列由透光性的合成树脂或者玻璃等构成的多个聚光透镜元件15a来形成聚光透镜阵列15。各聚光透镜元件15a设置为与发光元件12数目相同，并分别与各发光元件12独立地对应。
各聚光透镜元件15a具有对来自对应的发光元件12的照明光进行聚光的聚光面17。特别是在本实施方式中，各聚光面17朝向液晶元件30侧(即复合透镜阵列18侧)，设置为射出照明光的射出侧表面。另一方面，照明光射入的射入侧表面16成为在各聚光透镜元件15a间呈共用的光滑的平面状的单一平面。
在各聚光透镜元件15a中，聚光面17成为形成为光滑的凸面状的变形面。聚光面17的面顶点21a配置在从对应的发光元件12起并沿着峰值方向PKD的假想的直线SL上。
这里，在与假想的直线SL正交的假想平面上，设有与开口部32的长边方向LD对应的方向(以下，称为长边对应方向RLD)，并设有与开口部32的短边方向SD对应的方向(以下，称为短边对应方向RSD)。长边对应方向RLD相当于通过将开口部32的长边方向LD沿着射入的光的光路投影到上述的假想平面而得到的方向。短边对应方向RSD相当于通过将开口部32的短边方向SD沿着射入的光的光路投影到上述的假想平面而得到的方向。
在本实施方式中，虽然详细后述，但在从发光元件12到液晶元件30这段光路上，没有使照明光中沿着峰值方向PKD发出的光的行进方向弯曲的重要因素，并且，照明光的射入方向IND大致沿着开口部32的法线方向。因此，长边方向LD与长边对应方向RLD实质为同方向，短边方向SD与短边对应方向RSD实质为同方向。
在作为变形面的聚光面17上，长边对应方向RLD的曲率与短边对应方向RSD的曲率互不相同。这里，两方向RLD、RSD的曲率的大小关系与开口部32中应该由一个发光元件12进行照明的照明范围IR对应。例如在本实施方式中，发光元件12沿着长边对应方向RLD排列，其结果，照明范围IR成为开口部32的长边方向LD为短边的矩形形状。与此对应，在聚光面17中，长边对应方向RLD的曲率比短边对应方向RSD的曲率大。总之，在照明范围IR中成为短边的方向的曲率比在照明范围IR中成为长边的方向的曲率大。
另外，各聚光透镜元件15a的聚光面17在包含长边对应方向RLD以及直线SL的截面中，形成为抛物线状(参照图2)。另一方面，聚光面17在包含短边对应方向RSD以及直线SL的截面中形成为圆弧状(特别是在本实施方式中为半圆状)(参照图3)。
这样一来射入聚光透镜阵列15的照明光使两个方向上的聚光的程度不同并通过聚光面17进行聚光，并透过各聚光透镜元件15a，之后射入复合透镜阵列18。
复合透镜阵列18设在聚光透镜阵列15与液晶元件30之间的光路上，通过相互排列由透光性的合成树脂或者玻璃等构成的多个复合透镜元件18a形成。各复合透镜元件18a设置为与发光元件12以及聚光透镜元件15a数目相同，并分别与各发光元件12以及各聚光透镜元件15a独立地对应。如图8所示，各复合透镜元件18a朝向聚光透镜阵列15侧具有聚光菲涅尔面19，作为照明光射入的射入侧表面。另一方面，各复合透镜元件18a朝向液晶元件30侧具有复合面20，作为射出照明光的射出侧表面。此外，在图8中，简化示出局部形状。
如图9所详细地所示那样，聚光菲涅尔面19形成为在短边对应方向RSD以规定的分割宽度Ws对假想的聚光假想面Sip进行区域分割后的一个分割区域。这里，聚光假想面Sip作为向聚光透镜阵列15的聚光透镜元件15a侧凸出的凸面成为光滑的曲面状。这里，聚光菲涅尔面19的分割区域的分割宽度Ws大致设定为恒定值。这样的聚光菲涅尔面19通过折射进一步对来自聚光透镜阵列15的照明光进行聚光，并使其透过到复合面20侧。
如图10所详细地示出的那样，复合面20形成交替地连接平行化面21、和偏转面22的交替排列结构。
平行化面21形成为在长边对应方向RLD以规定的分割宽度Wa对假想的平行化假想面Sic进行区域分割后的一个分割区域。这里，平行化假想面Sic作为向液晶元件30侧凸出的凸面成为光滑的曲面状。平行化假想面Sic的曲率设定为与聚光假想面Sip的曲率大致相等。
偏转面22形成为在长边对应方向RLD以规定的分割宽度Wa对假想的偏转假想面Sid进行区域分割后的一个分割区域。偏转假想面Sid由在与平行化假想面Sic的面顶点对应的位置变为相反梯度的多个斜面Sis构成，在本实施方式中各斜面Sis成为光滑的平面状。这里，各斜面Sis的角度设定为与平行化假想面Sic的对应的位置的梯度成为相反的梯度。
这里，对平行化面21以及偏转面22的分割区域的分割宽度Wa进行各种设定，但通过设定为在各面21、22垂度大致恒定，使复合透镜阵列18整体的厚度恒定化。通过交替地排列这些平行化面21和偏转面22，提取平行化假想面Sic中局部的形状、以及偏转假想面Sid中局部的形状，再现在复合面20上。
这样的平行化面21通过折射将来自聚光菲涅尔面19的照明光聚光，并进行平行化。另外偏转面22使照明光向与平行化面21的折射相反侧偏转。
在各平行化面21中包含平行化假想面Sic的面顶点的平行化面21中面顶点21a配置在上述的直线SL上(也参照图2)。上述的分割宽度Ws设定为在包含该面顶点21a的平行化面21上最大。而且，分割宽度Ws以越在长边对应方向RLD上远离该面顶点21a，偏转面22相对于平行化面21的面积的比例越大的方式变化。
这样如图2、3所示，在聚光部14中，聚光透镜元件15a与复合透镜元件18a分别单独对应，并相对地配置。将对应的一个聚光透镜元件15a和一个复合透镜元件18a进行总称，重新称为透镜元件组14a。即聚光部14成为与多个发光元件12的排列对应地排列了透镜元件组14a的形态。
在每个透镜元件组14a，能够通过聚光透镜元件15a的聚光面17、复合透镜元件18a的聚光菲涅尔面19以及平行化面21，规定合成焦点(以下，称为透镜元件组14a的合成焦点)。这里，在透镜元件组14a包含作为变形面的聚光面17，结果是透镜元件组14a的合成焦点的在包含长边对应方向RLD以及直线SL的截面上的焦点位置FPa、和透镜元件组14a的合成焦点在包含短边对应方向RSD以及直线SL的截面上的的焦点位置FPs在沿着直线SL的方向上错开。更详细而言，在本实施方式中，焦点位置FPa比焦点位置FPs靠聚光部14侧。
而且，各发光元件12对于各自对应的透镜元件组14a也配置在焦点位置FPa与焦点位置FPs之间。特别是在本实施方式中，配置在焦点位置FPa与焦点位置FPs的中间位置。
各透镜元件组14a取入处于对应关系的发光元件12的照明光中包含峰值方向PKD的光的一部分放射束。照明光的被取入的一部分放射束如上述那样能够被平行化。相反，照明光的未被取入的另一部分被与处于对应关系的透镜元件组14a邻接的透镜元件组14a取入。
在本实施方式中，例如发光元件12的发光强度相对于峰值方向PKD在90％以上的分布范围的照明光作为一部分放射束，被处于对应关系的透镜元件组14a取入。即，对于本实施方式的放射角度分布的发光元件12来说，若参照图4的相对发光强度为0.9的位置，则大约为±25度，所以透镜元件组14a取入来自作为对应关系的发光元件12的照明光中－25度～+25度的角度范围作为一部分放射束。
该一部分放射束的角度范围越大，越能够以较少的发光元件12的总数对液晶元件30的开口部32整体进行照明，另一方面，越使虚像VI的亮度不均比较容易显眼。该一部分放射束的角度范围越小，越使虚像VI的亮度不均不容易显眼，另一方面，越使为了对开口部32进行照明所需要的发光元件12的总数比较多。
通过聚光部14的聚光被平行化并从该聚光部14射出的照明光，沿着射入方向IND地液晶元件30的开口部32整体进行照明。针对照明光的射入，与各液晶像素34所设定的透过率对应地透过开口部32的光，从液晶元件30以图像的显示光的形式射出为与该开口部32的形状对应的光束状。即，液晶元件30向与该射入方向IND对应的射出方向EXD射出图像的显示光。在本实施方式中，照明光的射入方向IND大致沿着开口部32的法线方向，在开口部32内的液晶像素34基本没有使光折射的要素，所以显示光的射出方向EXD也大致沿着开口部32的法线方向。
这里，由于偏转面22以及漫射部38的作用，显示光也从各液晶像素34向射出方向EXD以外射出，但即使如此射出方向EXD也是主要的方向(即，强度最大的方向)。
这样从液晶元件30向射出方向EXD射出的显示光射入放大导光部40。
如图1所示，放大导光部40具有凸面镜42以及凹面镜44。这些凸面镜42以及凹面镜44配置在光路上，凸面镜42比凹面镜44配得靠该光路上的液晶元件30侧。因此，来自液晶元件30的显示光先射入凸面镜42。
通过使铝蒸镀到由合成树脂或者玻璃等构成的基材的表面作为反射面43等来形成凸面镜42。反射面43作为弯曲为凸状的凸面，形成为光滑的曲面状，从而具有负的面屈光度。特别是本实施方式的反射面43成为主要修正虚像VI的轴向像差的自由曲面。凸面镜42通过反射面43朝向凹面镜44反射来自液晶元件30的显示光。这样凸面镜42作为具有负的屈光度的负的光学元件发挥作用。这里屈光度以焦距的倒数表示。
通过使铝蒸镀到由合成树脂或者玻璃等构成的基材的表面作为反射面45等来形成凹面镜44。反射面45作为弯曲为凹状的凹面，形成为光滑的曲面状，从而具有正的面屈光度。特别是本实施方式的反射面45成为主要修正虚像VI的失真像差的自由曲面。凹面镜44通过反射面45朝向挡风玻璃3反射来自凸面镜42的显示光。这样凹面镜44作为具有正的屈光度的正的光学元件发挥作用。
另外，在放大导光部40设置对该放大导光部40中位于挡风玻璃3侧的凹面镜44进行摆动驱动的驱动机构46。驱动机构46根据来自电连接的控制部60的驱动信号，例如通过步进电机的驱动，使凹面镜44绕旋转轴线44a进行摆动驱动。由于凹面镜44进行摆动，而虚像VI的成像位置进行上下移动，能够调整至容易从乘客进行观察的位置。
这样的放大导光部40以放大虚像VI的方式朝向挡风玻璃3对来自液晶元件30的显示光进行导光。即，凸面镜42与凹面镜44的合成的屈光度成为正的屈光度。
在凹面镜44与挡风玻璃3之间在壳体50设置窗状的窗部。通过形成为透光性的薄板状的防尘罩52关闭窗部。因此，显示光从凹面镜44透过该防尘罩52，并被挡风玻璃3反射。这样被挡风玻璃3反射的显示光到达目视区域EB。
以下使用图11、12对通过这样的HUD装置100构成的光学***进行详细研究。此外，为了说明示意地示出图11、12所示的各要素的形状、位置关系、光线的方向等。
以下，在图11所示的该光学***的光路中，将从虚像VI到目视区域EB的间隔设为Id(其中，由于是虚像，所以Id＜0)，将从目视区域EB到挡风玻璃3的间隔设为Ed，将从挡风玻璃3到凹面镜44的反射面45的间隔设为Wd，将从凹面镜44的反射面45到凸面镜42的反射面43的间隔设为D1，并将从凸面镜42的反射面43到液晶元件30的开口部32的间隔设为D2。并且，将挡风玻璃3的反射面3a的面屈光度设为Φws，将凹面镜44的反射面45的面屈光度设为Φ1(其中，Φ1＞0)，并将凸面镜42的反射面43的面屈光度设为Φ2(其中，Φ2＜0)。除此之外，将虚像VI的尺寸的半值设为Is，将目视区域EB的尺寸的半值设为Es，并将液晶元件30的开口部32的尺寸的半值设为Os。
这里，首先对图12所示那样的、将本实施方式的凸面镜42置换为具有平面状的反射面943的平面镜942的比较例的HUD装置900进行研究。在比较例中，将D1替换为从凹面镜944的反射面945到平面镜942的反射面943的间隔，将D2替换为从平面镜942的反射面943到液晶元件930的开口部932的间隔，并将平面镜942的反射面943的面屈光度设为0。
对于这样的比较例，通过从目视区域EB向液晶元件930侧的逆光线追踪，依次求出成像光线IMR的角度以及成像光线IMR的高度。这里成像光线IMR的角度是指，相对于通过目视区域EB的中心以及开口部932的中心的光线(以下，称为主光线PRR)，沿着在目视区域EB与挡风玻璃3之间连接目视区域EB的端部与虚像VI的中心的方向的光线(以下，将其称为成像光线IMR)扩张的角度。成像光线IMR的高度是指沿着与主光线PRR垂直的方向上的主光线PRR与成像光线IMR的间隔。
在目视区域EB与挡风玻璃3之间，成像光线IMR的角度是－Es/Id。在挡风玻璃3处，成像光线IMR的高度是Es+(Es/Id)·Ed。在挡风玻璃3与凹面镜944之间，成像光线IMR的角度是－Es/Is+Φws·(Es+(Es/Id)·Wd)，将其设置为HUD常数A。在凹面镜944处，成像光线IMR的高度是Es+(Es/Id)·Ed+(Es/Id)·Wd－Φws·Ws·(Es+Es/Id·Wd)，将其设置为HUD常数B。在凹面镜944与平面镜942之间，成像光线IMR的角度为A+B·Φ1。在平面镜942处，成像光线IMR的高度为B－D1·(A+B·Φ1)。在平面镜942与液晶元件930之间，成像光线IMR的角度为A+B·Φ1。液晶元件930处的成像光线IMR的高度是0。因此，在实现液晶元件930的开口部932处成像的状态。
对于比较例，通过从目视区域EB向液晶元件930侧的逆光线追踪，依次求出光瞳成像光线PUR的角度以及光瞳成像光线PUR的高度。这里光瞳成像光线PUR的角度是指，相对于主光线PRR，沿着在目视区域EB与挡风玻璃3之间连接目视区域EB的中心与虚像VI的端部的方向的光线(以下，将其称为光瞳成像光线PUR)扩张的角度。光瞳成像光线PUR的高度是指，沿着与主光线PRR垂直的方向上的主光线PRR与光瞳成像光线PUR的间隔。
在目视区域EB与挡风玻璃3之间，光瞳成像光线PUR的角度相当于虚像VI的半视角θ，是θ＝－Is/Id。在挡风玻璃3处，光瞳成像光线PUR的高度是－θ·Ed。在挡风玻璃3与凹面镜944之间，光瞳成像光线PUR的角度是θ－θ·Ed·Φws，将其设置为HUD常数C。在凹面镜944处，光瞳成像光线PUR的高度是－θ·Ed+(θ－θ·Ed·Φws)·Wd，将其设置为HUD常数D。在凹面镜944与平面镜942之间，光瞳成像光线PUR的角度是C+D·Φ1。在平面镜942中光瞳成像光线PUR的高度是D－(C+D·Φ1)·D1。在平面镜942与液晶元件930之间，光瞳成像光线PUR的角度是C+D·Φ1。液晶元件930处的光瞳成像光线PUR的高度是Os。
根据以上说明，在比较例中，半视角θ是
θ＝(Os/Es)·(A+B·Φ1)…(式1)。
对于从液晶元件930的开口部932到入瞳ENP的瞳距Pd来说，求出光瞳成像光线PUR的高度成为0的距离即可，所以
Pd＝Os/(C+D·Φ1)…(式2)。
并且从液晶元件930的开口部932到凹面镜944的光路长Lm是，
Lm＝D1+D2＝(Os/Es)·(B/θ)…(式3)。
即，根据式1，虚像VI的半视角θ随着凹面镜944的面屈光度Φ1的增大而增大。换句话说，为了放大虚像VI需要增大面屈光度Φ1。但是另一方面，根据式2，瞳距Pd随着面屈光度Φ1的增大而变小。即，不能够同时实现虚像VI的放大和较长的瞳距Pd。此外，根据式3，光路长Lm随着面屈光度Φ1的增大而变小。
接下来，也与比较例相同地对图11所示的本实施方式的HUD装置100进行研究。
通过从目视区域EB向液晶元件30侧的逆光线追踪，依次求出成像光线IMR的角度以及成像光线IMR的高度。
在目视区域EB与挡风玻璃3之间，成像光线IMR的角度为－Es/Id。在挡风玻璃3中，成像光线IMR的高度为Es+(Es/Id)·Ed。在挡风玻璃3与凹面镜44之间，成像光线IMR的角度为－Es/Is+Φws·(Es+(Es/Id)·Wd)，与比较例相同，将其设置为HUD常数A。在凹面镜44处，成像光线IMR的高度是Es+(Es/Id)·Ed+(Es/Id)·Wd－Φws·Ws·(Es+Es/Id·Wd)，与比较例相同，将其设置为HUD常数B。在凹面镜44与凸面镜42之间，成像光线IMR的角度是A+B·Φ1。在凸面镜42处，成像光线IMR的高度是B－D1·(A+B·Φ1)。在凸面镜42与液晶元件30之间，成像光线IMR的角度是A+B·Φ1+Φ2·(B－D1·(A+B)·Φ1)。液晶元件30中的成像光线IMR的高度是0。因此，实现在液晶元件30的开口部32处成像的状态。
通过从目视区域EB向液晶元件30侧的逆光线追踪，依次求出光瞳成像光线PUR的角度以及光瞳成像光线PUR的高度。
在目视区域EB与挡风玻璃3之间，光瞳成像光线PUR的角度相当于虚像VI的半视角θ，是θ＝－Is/Id。在挡风玻璃3处，光瞳成像光线PUR的高度是－θ·Ed。在挡风玻璃3与凹面镜44之间，光瞳成像光线PUR的角度是θ－θ·Ed·Φws，与比较例相同，将其设置为HUD常数C。在凹面镜44处，光瞳成像光线PUR的高度是－θ·Ed+(θ－θ·Ed·Φws)·Wd，与比较例相同，将其设置为HUD常数D。在凹面镜44与凸面镜42之间，光瞳成像光线PUR的角度是C+D·Φ1。在凸面镜42处，光瞳成像光线PUR的高度是D－(C+D·Φ1)·D1。在凸面镜42与液晶元件30之间，光瞳成像光线PUR的角度是C+D·Φ1+Φ2·(D－D1·(C+D·Φ1))。液晶元件30处的光瞳成像光线PUR的高度是Os。
根据以上，在比较例中，半视角θ是，
θ＝(Os/Es)·(A+B·Φ1+Φ2·(B－D1·(A+B·Φ1)))
…(式4)。
对于从液晶元件30的开口部32到入瞳ENP的瞳距Pd来说，求出光瞳成像光线PUR的高度为0的距离即可，所以
Pd＝Os/((C+D·Φ1)·(1－Φ2·D1)+Φ2·D)…(式5)。
并且从液晶元件30的开口部32到凹面镜44的光路长Lm是，
Lm＝D1+D2
＝D1+(B－D1·(A+B·Φ1))/(A+B·Φ1+Φ2·(B－D1·(A+B·Φ1)))…(式6)。
即，式4、5、6是基于面屈光度Φ1、Φ2以及间隔D1三个变量的联立方程式。由此，半视角θ与瞳距Pd不是比较例那样的取决于面屈光度Φ1的简单的关系。通过适当地设定面屈光度Φ1、Φ2以及间隔D1，能够增大半视角θ，并增大瞳距Pd。具体而言，由于Φ2为负，所以以凸面镜42与液晶元件30之间的光瞳成像光线PUR的角度变小的方式进行作用。换句话说式5的分母变小，所以能够增大瞳距Pd。
通过增大瞳距Pd，能够在图像整体范围，使从液晶元件30射出的显示光的射出方向EXD与在上述的凸面镜42和液晶元件30之间的光瞳成像光线PUR的方向一致。例如优选瞳距Pd比间隔D1或者D2大。这里，在本实施方式中，对于开口部32的长边方向LD以及短边方向SD均设定为Pd＞150mm。这样一来，能够将射出方向EXD与光瞳成像光线PUR的方向的错位视为足够小。
(作用效果)
以下对以上说明的本实施方式的作用效果进行说明。
根据本实施方式，放大导光部40对来自液晶元件30的显示光朝向挡风玻璃3导光。这里放大导光部40具有作为具有正的屈光度的正的光学元件发挥作用的凹面镜44、和作为具有负的屈光度的负的光学元件发挥作用的凸面镜42。而且，凸面镜42比凹面镜44配置得靠光路上的液晶元件30侧。在光路上配置了这样的两光学元件42、44的HUD装置100的光学***中，即使使用凹面镜44放大虚像VI，通过还使用凸面镜42也能够使入瞳ENP比液晶元件30向光源部10侧远离。由于入瞳ENP远离，所以能够构成从目视区域EB内沿着显示光的射出方向EXD窥视液晶元件30的开口部32那样的光路。因此，能够抑制有助于目视的显示光的方向与从液晶元件30的射出方向EXD间的错位。该射出方向EXD与平行化后的照明光的向液晶元件30射入的射入方向IND对应，所以能够使液晶像素34间的亮度差减少，并使照明光作为图像的显示光高效地到达目视区域EB。
并且，在凸面镜42与液晶元件30之间的光路上，有助于目视的显示光的方向接近与被聚光部14进行了平行化的照明光的射入方向IND对应的射出方向EXD，从而能够抑制该凸面镜42的体积扩大，并对显示光进行导光。根据以上说明，能够提供即使放大图像，也抑制体积增大，且虚像VI的可视性良好的HUD装置100。
另外，根据本实施方式，正的光学元件是具有以凹状弯曲的曲面状的反射面45的凹面镜44，负的光学元件是具有以凸状弯曲的曲面状的反射面43的凸面镜42。通过这些反射面43、45的反射，实现放大导光部40的功能，所以能够抑制在放大导光部40处的色像差的产生，并在放大虚像VI的同时，使入瞳ENP比液晶元件30向光源部10侧远离。
另外，根据本实施方式，设在作为聚光部14的复合透镜的复合透镜阵列18的复合面20形成为：交替地连接通过折射使照明光平行化的平行化面21、和使照明光向与该平行化面21的折射相反侧偏转的偏转面22交替排列的结构。在该排列结构中，从光源部10起经由平行化面21的照明光与经由偏转面22的照明光相互混合，从而能够调整显示光的指向性。因此，与上述的放大导光部40的构成相互作用，能够使液晶像素34间的亮度差减少。
另外，根据本实施方式，设在作为聚光透镜的聚光透镜阵列15的聚光面17是，长边对应方向RLD的曲率与短边对应方向RSD的曲率不同的变形面。这样一来，能够与矩形形状的开口部32配合地，使来自光源部10的照明光均匀化，所以能够使液晶像素34间的亮度差减少。
(其它的实施方式)
以上，对本公开的一实施方式进行了说明，但本公开并不限定于该实施方式进行解释，在不脱离本公开的主旨的范围内能够应用于各种实施方式。
具体而言作为变形例1，也可以是，如图13所示，光源部10的发光元件12配置在与焦点位置FPa以及焦点位置FPs中位于聚光部14侧的焦点位置FPa重合的位置。通过这样的发光元件12的配置，透过开口部32的照明光中随着进入放大导光部40侧而从开口部32的外周侧向内周侧倾斜地前进的光的比例减少。因此，与入瞳ENP向光源部10侧远离的作用相互作用，而有助于目视的显示光的方向的亮度提高，虚像VI的可视性变得更良好。
作为变形例2，也可以是，聚光部14不具有上述的实施方式中的复合透镜阵列18那样的、设置了复合面20的复合透镜。例如，也可以代替复合透镜阵列18，而采用一般的凸透镜或者凸透镜阵列。
作为变形例3，也可以是，聚光部14不具有上述的实施方式中的聚光透镜阵列15那样的、设置了作为变形面的聚光面17的聚光透镜。例如，聚光面17也可以是球面或者中心对称非球面，另外，也可以代替聚光透镜阵列15，而采用一般的凸透镜或者凸透镜阵列。
作为变形例4，也可以是，由一个或者三个以上的光学元件构成聚光部14。
作为变形例5，也可以是，在二维方向排列发光元件12。
作为变形例6，也可以是，采用反射型的液晶元件作为液晶元件30。
作为变形例7，也可以是，采用凸透镜作为正的光学元件。
作为变形例8，也可以是，采用凹透镜作为负的光学元件。
作为变形例9，也可以是，如图14所示，以使开口部32的法线方向相对于照明光的射入方向IND以及直线SL倾斜的状态配置透射式的液晶元件30。具体而言，优选开口部32的法线方向与射入方向IND以及直线SL例如成10～25度左右的角度。在开口部32内的液晶像素34基本没有使光偏转的要素，所以显示光的射出方向EXD与射入方向IND大致一致。因此，开口部32的法线方向以也相对于射出方向EXD倾斜的状态配置。
更详细而言，图14的液晶元件30以长边方向LD为旋转轴线倾斜。因此，液晶元件30相对于短边对应方向RSD倾斜地配置。该配置的结果是，在沿着短边方向SD以及短边对应方向RSD的截面上，复合透镜阵列18与液晶元件30的间隔因位置的不同而不同。
在这样的液晶元件30中，也如图15所示，在与凸面镜42对置一侧，例如通过作为玻璃基板的表面构成的镜面，形成平面状的反射面39。例如若太阳光等外部光透过挡风玻璃3被凹面镜44以及凸面镜42反射并到达液晶元件30，则该外部光与射出方向EXD完全相反地射入液晶元件30的可能性较高。这里，由于开口部32的法线方向相对于射出方向EXD倾斜，而反射面39向与射出方向EXD不同的方向反射外光。因此，能够抑制被反射面39反射的外部光与显示光一起到达目视区域EB。
另外，如图15所示，优选考虑凸面镜42、凹面镜44、以及挡风玻璃3的配置角度，以满足沙伊姆弗勒(Scheimpflug)的条件的方式，或者接近该条件的方式，设定液晶元件30的倾斜方向或者角度。根据这样的倾斜方向以及角度，能够抑制相对于主光线PRR的虚像VI的倾斜。
作为变形例10，也可以是，在复合透镜阵列18中，平行化面21以及偏转面22的区域分割中的分割宽度Wa在各位置设定为实质相同的宽度。
作为变形例11，也可以是，复合透镜阵列18中的复合面20是将平行化面21的形状置换为倾斜的平面状的结构。
作为变形例12，也可以是，将本公开应用于车辆1以外的船舶或者飞机等各种移动体(运输设备)。
上述的抬头显示器装置安装于移动体1，朝向移动体的投影部件3投影显示光，使显示光在投影部件反射并到达设在移动体的目视区域EB，从而显示能够从目视区域内目视的虚像VI。光源部10发出照明光。聚光部14通过聚光将照明光平行化。液晶元件30在开口部32排列多个液晶像素34，开口部被从聚光部射出的照明光照明而形成图像，并向与照明光的射入方向IND对应的射出方向EXD以光束状射出图像的显示光。放大导光部40具备具有正的屈光度的正的光学元件44、和具有负的屈光度的负的光学元件42，通过在光路上配置两光学元件，以放大虚像的方式朝对来自液晶元件的显示光向投影部件导光。负的光学元件比正的光学元件配置得靠光路上的液晶元件侧。
根据这样的公开，放大导光部对来自液晶元件的显示光朝向投影部件导光。这里放大导光部具备具有正的屈光度的正的光学元件、和具有负的屈光度的负的光学元件。而且，负的光学元件比正的光学元件配置得靠光路上的液晶元件侧。在光路上配置了这样的两光学元件的HUD装置的光学***中，即使使用正的光学元件放大虚像，通过还使用负的光学元件，也能够使入瞳比液晶元件向光源部侧远离。由于入瞳远离，所以能够构成从目视区域内起沿着显示光的射出方向窥视液晶元件的开口部的光路。因此，能够抑制有助于目视的显示光的方向与从液晶元件的射出方向间的错位。该射出方向与进行了平行化的照明光的向液晶元件射入的射入方向对应，所以能够使液晶像素间的亮度差减少，并使照明光作为图像的显示光高效地到达目视区域。
并且，在负的光学元件与液晶元件之间的光路上，有助于目视的显示光的方向接近与被聚光部进行了平行化的照明光的射入方向对应的射出方向，从而能够抑制该负的光学元件的体积扩大，且能够对显示光进行导光。根据以上结构，能够提供即使放大图像，也抑制体积增大，且虚像的可视性良好的HUD装置。
本公开依照实施例进行了记述，但应该理解本公开并不限定于该实施例、结构。本公开也包含各种变形例、等同范围内的变形。除此之外，各种各样的组合、方式、以及在它们中包含仅一要素、其以上或其以下的其它组合、方式也在本公开的范畴、思想范围内。

Claims (6)

1.一种抬头显示器装置，是安装于移动体(1)，朝向上述移动体的投影部件(3)投影显示光，使上述显示光被上述投影部件(3)反射并到达设在上述移动体的目视区域(EB)，从而显示能够从上述目视区域(EB)内目视的虚像(VI)的抬头显示器装置，其中，具备：
光源部(10)，其发出照明光；
聚光部(14)，其通过聚光将上述照明光平行化；
液晶元件(30)，其在开口部(32)排列多个液晶像素(34)，通过由上述聚光部(14)射出的上述照明光对上述开口部(32)进行照明来形成图像，并向与上述照明光的射入方向(IND)对应的射出方向(EXD)以光束状射出上述图像的上述显示光；以及
放大导光部(40)，其具备具有正的屈光度的正的光学元件(44)、和具有负的屈光度的负的光学元件(42)，通过在光路上配置两个上述光学元件(44、42)，以放大上述虚像(VI)的方式，朝向上述投影部件(3)对来自上述液晶元件(30)的上述显示光进行导光，
与上述正的光学元件(44)相比，上述负的光学元件(42)配置在上述光路上的上述液晶元件(30)侧，从而使入瞳(ENP)比上述液晶元件(30)向上述光源部(10)侧远离，
从上述开口部(32)到上述入瞳(ENP)的瞳距(Pd)比从上述正的光学元件(44)的反射面(45)到上述负的光学元件(42)的反射面(43)的间隔(D1)或者从上述负的光学元件(42)的反射面(43)到上述开口部(32)的间隔(D2)大。
2.根据权利要求1所述的抬头显示器装置，其中，
上述正的光学元件(44)是具有弯曲为凹状的曲面状的反射面(45)的凹面镜，
上述负的光学元件(42)是具有弯曲为凸状的曲面状的反射面(43)的凸面镜。
3.根据权利要求1或者2所述的抬头显示器装置，其中，
上述聚光部(14)具有设置了复合面(20)的复合透镜(18)，
上述复合面(20)形成交替地连接通过折射将上述照明光平行化的平行化面(21)、和使上述照明光向与上述平行化面的折射相反侧偏转的偏转面(22)交替排列的结构。
4.根据权利要求1或者2所述的抬头显示器装置，其中，
上述开口部(32)形成为具有长边方向(LD)和短边方向(SD)的矩形形状，
上述聚光部(14)具有设置了对上述照明光进行聚光的聚光面(17)的聚光透镜(15)，
上述聚光面是与上述长边方向对应的方向(RLD)的曲率和与上述短边方向对应的方向(RSD)的曲率不同的变形面。
5.根据权利要求1或者2所述的抬头显示器装置，其中，
若将通过上述目视区域(EB)的中心和上述开口部(32)的中心的光线设为主光线(PRR)，
将在上述目视区域(EB)与上述投影部件之间沿着连接上述目视区域(EB)的中心与上述虚像(VI)的端部的方向的光线设为光瞳成像光线(PUR)，
并将沿着与上述主光线(PRR)垂直的方向上的、上述主光线(PRR)与上述光瞳成像光线(PUR)的间隔设为上述光瞳成像光线(PUR)的高度，
则上述液晶元件(30)处的上述光瞳成像光线(PUR)的高度是上述开口部(32)的尺寸的半值(Os)。
6.根据权利要求1或者2所述的抬头显示器装置，其中，
上述开口部(32)的法线方向相对于上述射入方向(IND)倾斜。
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