JP6410094B2

JP6410094B2 - ヘッドアップディスプレイ

Info

Publication number: JP6410094B2
Application number: JP2014231904A
Authority: JP
Inventors: 宗也松浦; 健川合
Original assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Current assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2034-11-14
Also published as: JP2016095411A

Description

本発明は、虚像を観察者に視認させるヘッドアップディスプレイに関する。

従来のヘッドアップディスプレイは、照明光学系として、例えば、特許文献１に開示されているように、光源から光線を出射し、コンデンサレンズが光源からの光線を集光して略平行光とし、コンデンサレンズからの光をレンズアレイが受光し、光源の中間像を複数生成し、フィールドレンズにより、中間像からの光を所定の角度で表示部材に照射することで、表示部材から出射される表示画像を示す画像光をアイボックス全体に均一に配光するものである。

特開２０１２−２０３１７６号公報

しかしながら、このようなヘッドアップディスプレイに用いる表示部材の照明光学系は、光源から出射される光線の光軸に沿ってレンズ等の複数の光学部材を配置するため、光軸に沿ってサイズが大きくなってしまうおそれがあった。

また、反射部を追加して光線を折り曲げることで、光軸方向のサイズ増大を抑制することができるが、反射部を追加することでコストが増え、さらに全体的な容積が大きくなってしまうという問題がある。

本発明は上記問題を鑑みてなされたものであり、サイズを小さく抑えつつ、アイボックスに均一配光することができるヘッドアップディスプレイを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第一の発明におけるヘッドアップディスプレイは、照明光学系１０と表示素子２０とを備える表示器から発せられる表示光２００を、投射部材（凹面鏡４０，ウインドシールド２（透過反射面））を介して、アイボックス３に導いて虚像Ｗを視認させるヘッドアップディスプレイであって、照明光学系１０は、表示素子２０を照明する照明光１００を出射する光源１１と、光源１１から出射される光を分割して光源１１の像を複数生成するレンズアレイ１３と、光源１１の像から出射される照明光１００を表示素子２０の表示領域に対応するように集光する集光手段（曲面反射部１４及びフィールドレンズ１５）と、を備え、前記集光手段は、曲面反射部１４と、フィールドレンズ１５と、を含み、曲面反射部１４は、レンズアレイ１３からの照明光１００の入射光軸Ａ１と、フィールドレンズ１５への照明光１００の出射光軸Ａ２とからなる平面で対称となる自由曲面形状を有するものである。

また、第二の発明におけるヘッドアップディスプレイは、曲面反射部１４の頂点は、レンズアレイ１３側に寄った位置、かつフィールドレンズ１５側から離れた位置に偏心して配置されるものである。

また、第三の発明におけるヘッドアップディスプレイは、レンズアレイ１３を保持し、レンズアレイ１３からの入射光軸Ａ１上に開口部１８１を有する第二のケース体１８をさらに備え、曲面反射部１４は、開口部１８１を塞ぐように第二のケース体１８に係合するものである。

第一の発明によれば、レンズアレイ１３からの照明光１００を曲面反射部１４により、表示素子２０の面で集光するように反射し、フィールドレンズ１５により表示素子２０への照明光１００の入射角度を調整することができるので、表示素子２０に集光させるフィールドレンズを削減することができ、かつ照明光学系１０の光源１１の光軸方向におけるサイズを小さくすることができる。さらに、曲面反射部１４は、入射光軸Ａ１と出射光軸Ａ２とに垂直な方向において、対称となる自由曲面形状を有しているため、表示素子２０をムラなく均一に照明することができる。

また、第二の発明によれば、曲面反射部１４の頂点を、レンズアレイ１３側に寄った位置、かつフィールドレンズ１５側から離れた位置に偏心させているため、さらに表示素子２０をムラなく均一に照明することができる。

また、第三の発明によれば、曲面反射部１４をケース体に収納する構成ではなく、第二のケース体１８の開口部１８１を塞ぐように曲面反射部１４を係合させているため、通常、照明光１００の光路を塞ぐために必要とされる第二のケース体の壁の役割を曲面反射部１４に担わせることができ、第二のケース体１８のサイズを小さく抑えることができる。

本発明の実施形態におけるＨＵＤの構成を説明する概略断面図である。上記実施形態における照明光学系の概略断面図である。上記実施形態における曲面反射部の頂点の位置を説明するための図である。

本発明のヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤ）の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態におけるＨＵＤ１は、照明光学系１０と、表示素子２０と、投射光学系である平面鏡３０，凹面鏡４０と、筐体５０と、から構成される。照明光学系１０から出射された照明光１００は、表示素子２０により表示画像（図示しない）を示す表示光２００に空間光変調される。表示光２００は、投射光学系である平面鏡３０，凹面鏡４０により、ＨＵＤ１の外部にあるウインドシールド２（反射透過面）に向けられる。ウインドシールド２で反射した表示光２００は、アイボックス３に配光される。観察者の視点がアイボックス３内にあれば、表示素子２０が生成する前記表示画像の虚像を、観察者に所望の輝度で視認させることが可能である。アイボックス３は、具体的に例えば、観察者から見て水平方向が１２０ｍｍ、垂直方向が６０ｍｍの矩形状の領域である。ＨＵＤ１は、このアイボックス３内であれば、観察者に概ね一定の輝度の虚像Ｗを視認させることができるように表示光２００の配光を調整する。

表示素子２０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などの透過型の空間光変調素子であり、照明光学系１０からの照明光１００を背面で受光し、外部から入力した画像信号に基づいて照明光１００を空間光変調することで、表示画像（図示しない）を示す表示光２００を表面側から出射する。表示素子２０の表示領域は、横方向が縦方向より長い横長のアスペクト比を有し、表示素子２０から出射される表示光２００も横長のアイボックス３に配光される。なお、表示素子２０の背面から入射する照明光１００の入射角度は、表示素子２０の領域毎に異なり、このため、表示素子２０の表面側から出射される表示光２００の出射角度（配向方向）も表示素子２０の領域毎に異なる。このようにすることで、表示光２００が曲面を有する投射光学系（凹面鏡４０やウインドシールド２）を通過した後に、表示素子２０の各領域から出射される表示光２００がそれぞれアイボックス３全体に略均一に配光されるように調整することができる。
本実施形態における照明光学系１０は、表示素子２０に入射する照明光１００の角度を調整することで、表示素子２０から出射される表示光２００の出射角度（配向角度）を調整し、表示素子２０の各領域から出射される表示光２００が、投射光学系である平面鏡３０，凹面鏡４０そしてウインドシールド２を介した後、アイボックス３全体に略均等に配光されるように調整している。照明光学系１０については、後に詳述する。

次に、投射光学系である平面鏡３０及び凹面鏡４０を説明する。
平面鏡３０は、平面状の反射部材であり、表示素子２０から入射した表示光２００を凹面鏡４０に向けて反射する。
凹面鏡４０は、反射面が凹状の自由曲面を有する反射部材であり、平面鏡３０から入射した表示光２００をＨＵＤ１の外側のウインドシールド２（反射透過面）に向けて出射する。凹面鏡４０は、表示素子２０が生成する前記表示画像を拡大させ、さらに、観察者に虚像Ｗとして視認される際の虚像Ｗの歪みを抑制するように、表示光２００を補正してウインドシールド２に向ける。

筐体５０は、例えば黒色の遮光性合成樹脂から形成され、内側に表示素子２０，平面鏡３０，凹面鏡４０などを収納するケースであり、外側に照明光学系１０が取り付けられる。筐体５０は、照明光学系１０からの照明光１００を内部に取り入れるための照明光用開口５１と、表示光２００を外側に出射するための表示光用開口５２と、を有する。

以上が、本実施形態におけるＨＵＤ１の構成であり、これより、本実施形態における照明光学系１０について、図２，３を用いて説明する。図２は、照明光学系１０の概略的な断面図を示した図であり、図３は、曲面反射部１４の頂点の位置Ｐを説明するための図である。なお、図面において、光源１１から出射される照明光１００の光軸をＡ１軸（入射光軸）とし、照明光学系１０から表示素子２０に向けて出射される照明光１００の光軸をＡ２軸（出射光軸）とし、入射光軸Ａ１と入射光軸Ａ２とからなる平面の法線方向をＡ３軸として定義して図示してある。

照明光学系１０は、いわゆるケーラー照明光学系であり、図２に示すように、光源１１と、コンデンサレンズ１２と、レンズアレイ１３と、曲面反射部１４と、フィールドレンズ１５と、光源１１が発生する熱を外部へ放熱する放熱部材１６と、光源１１及び、コンデンサレンズ１２を保持する第一のケース体１７と、レンズアレイ１３，曲面反射部１４，フィールドレンズ１５を保持する第二のケース体１８と、で構成される。照明光学系１０は、光源１１から発せられる照明光１００を表示素子２０の表示領域を均等に照射しつつ、投射光学系（平面鏡３０，凹面鏡４０，ウインドシールド２）を介して、アイボックス３内で概ね均等に表示光２００が配光されるように表示光２００の配向角度を調整する。

光源１１は、回路基板１１ａに実装されるＬＥＤなどの発光素子からなり、照明光１００を発する。光源１１が実装される回路基板１１ａは、後述する放熱部材１６に熱交換しやすいように接続され、光源１１が発生した熱を、放熱部材１６を介して外部へ放出する。

コンデンサレンズ１２は、光学樹脂により作製される凸レンズからなり、光源１１から射出される照明光１００を集光し、光源１１から後述する曲面反射部１４までの照明光１００の入射光軸Ａ１に対して平行化する機能を有する。
コンデンサレンズ１２の変形例を以下に示す。コンデンサレンズ１２は、１個の光源１１に対して１つのレンズが対応しており、光源１１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。また、コンデンサレンズ１２は、照明光１００を平行化するコリメートレンズなどで代替してもよい。また、照明光１００の光路上に複数のレンズを配置した構成としてもよい。また、図面において、コンデンサレンズ１２を入射側と出射側とをともに曲面と図示してあるが、入射側または出射側が平面であってもよい。また、曲面形状は、球面や非球面であってもよく、対称レンズまたは非対称レンズなどで構成されてもよい。また、コンデンサレンズ１２は、光源１１からの熱による変質を抑制するため、耐熱性の光学ガラスで作製されてもよい。

レンズアレイ１３は、光学樹脂により作製される矩形状の微小の凸レンズが入射光軸Ａ１に対して垂直な両面（入射側及び出射側）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１２によって平行化された照明光１００をアレイ数に応じて分割して、表示素子２０の受光面付近に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１２によって生成される光源１１の拡大像を、アレイ数で分割した像である。レンズアレイ１３は、各微小レンズの縦方向の曲率と横方向の曲率とをそれぞれ異ならせて調整することにより、中間像面から射出される照明光１００の開口数（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ）を、縦方向と横方向とでそれぞれ異ならせて最適化することができる。各微小レンズの縦横幅の比（縦幅：横幅）は、表示素子２０のアスペクト比（表示領域の縦横サイズ比）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１３で生成される中間像の形状が表示素子２０の表示領域の形状と相似となり、表示素子２０入射時の照明効率を向上させることができる。また、レンズアレイ１３の厚さ、すなわち入射側の微小レンズの曲面頂点と出射側の微小レンズの曲面頂点との距離は、微小レンズの入射側の曲面を基準として、レンズアレイ１３に入射した照明光１００の近軸光線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１３の入射側の曲面と出射側の曲面とは、互いに向きが逆の同じ曲率半径を有する。
レンズアレイ１３の変形例を以下に示す。本実施形態のレンズアレイ１３において、各微小レンズの曲面形状は、縦方向の曲率と横方向の曲率とを異ならせたトロイダル面とするが、球面（球面の一部を矩形で切り取った曲面）としてもよい。また、微小レンズの形状を六角形状などの多角形状として、ハニカム配置させてもよい。また、本実施形態のレンズアレイ１３を、レンチキュラーレンズアレイ等で代替してもよい。

曲面反射部１４は、自由曲面の反射面１４１を有し、レンズアレイ１３から入射した照明光１００をフィールドレンズ１５に向けて集光して反射する。反射面１４１の曲面形状は、レンズアレイ１３から入射する照明光１００の入射光軸Ａ１と、フィールドレンズ１５へ出射する照明光１００の出射光軸Ａ２と、からなる平面を対称面とした対称曲面を有する自由曲面である。曲面反射部１４の配置は、照明光１００の入射光軸Ａ１が曲面反射部１４の頂点Ｐとずれた位置に入射する軸外しの配置となっている。具体的には、自由曲面である曲面反射部１４の基準球面の頂点Ｐ（曲面反射部１４の反射面１４１上の光軸Ｚが通る位置）は、図３に示すように、入射光軸Ａ１と出射光軸Ａ２とからなる平面上に位置するが、入射光軸Ａ１が通る反射面１４１の位置Ｑよりもレンズアレイ１３側に寄った位置かつフィールドレンズ１５側から離れた位置にずれて配置される。
また、曲面反射部１４は、後述するレンズアレイ１３などが保持される第二のケース体１８に係合するための曲面反射部１４の反射面１４１の周囲に一体的に成形された取付部１４２を有する。

曲面反射部１４の曲面形状は、曲面反射部１４の基準球面の頂点Ｐにおける反射面１４１の法線方向をＺ軸とし、入射光軸Ａ１と出射光軸Ａ２とのなす平面と直交する方向をＸ軸、このＸ軸とＺ軸とに直交する方向をＹ軸として定義したときに、次式（１）を満たすようなＸＹ多項式に基づいた自由曲面で形成される。Ｚは、曲面反射部１４の基準球面の頂点Ｐ（ｘ＝０，ｙ＝０）においてｚ＝０としたときのＺ軸方向の変位量（サグ量）を示し、ｃは、頂点Ｐでの曲率（ｃ＝１／Ｒ，Ｒ＝曲率半径）を示し、ｋは、円錐係数であるコーニック係数を示し、ｒ^２は、ｘ^２＋ｙ^２を示し、さらに、Ｃ_ｊは、非球面係数を示す。なお、Ｃ_ｊは、以下の表１のように定義される。

以上に示すように、本実施形態において、ｘの奇数次項の非球面係数Ｃ_ｊを０としているため、曲面反射部１４は、Ｘ軸方向に対称な曲面形状を有する。また、本実施形態における曲面反射部１４は、基準球面の頂点Ｐを、入射光軸Ａ１が通る反射面１４１の位置Ｑよりもレンズアレイ１３側に寄った位置かつフィールドレンズ１５側から離れた位置にずれるように軸外しをすることで、フィールドレンズ１５と協働して、表示素子２０の表示領域全体を略均一に照明することができ、さらに表示素子２０から出射される表示光２００の配光角度を適切に調整することができる。

フィールドレンズ１５は、光学樹脂により作製される球面形状の凸レンズからなる。フィールドレンズ１５は、曲面反射部１４と協働して、表示素子２０の背面に照射する照明光１００の配光角度を調整する。これにより、表示素子２０から出射される表示光２００の配光角度を調整し、アイボックス３全体に表示光２００を概ね均一に配光することができる。

放熱部材１６は、例えばアルミニウムからなり、放射率の向上を図るためその表面にはアルマイト処理が施されたヒートシンクなどで構成される。放熱部材１６は、第一のケース体１７の第一の係合部１７１と係合する図示しない係合部と、第二のケース体１８の第三の係合部１８２と係合する図示しない係合部と、を有し、放熱部材１６のそれぞれの係合部に第一のケース体１７と第二のケース体１８とが係合されることで、光源１１，コンデンサレンズ１２，レンズアレイ１３，曲面反射部１４，フィールドレンズ１５を間接的に位置決めして保持する。また、放熱部材１６は、筐体５０の外側と係合する。

第一のケース体１７は、例えば黒色の遮光性合成樹脂から形成され、光源１１が実装される１１ａ及びコンデンサレンズ１２を保持し、第一の係合部１７１を放熱部材１６に係合することで、放熱部材１６に対し、光源１１及びコンデンサレンズ１２を位置決め及び固定する。

第二のケース体１８は、例えば黒色の遮光性合成樹脂から形成され、レンズアレイ１３，曲面反射部１４，フィールドレンズ１５を保持する。第二のケース体１８は、レンズアレイ１３からの照明光１００の進行方向（入射光軸Ａ１に沿う方向）に開口部１８１を有し、この開口部１８１の周辺に設けられた第二の係合部１８２に、曲面反射部１４の取付部１４２を取付部材１４２ａで係合することで、曲面反射部１４を保持する。なお、本実施形態では、ビスなどの取付部材１４２ａにより、曲面反射部１４を、開口部１８１に押し当てるように係合させていたが、開口部１８１に概ね沿う方向からビスなどの取付部材１４２ａにより第二のケース体１８に係合させてもよい。また、第二のケース体１８は、第三の係合部１８３を有し、この第三の係合部１８３を放熱部材１６に係合することで、放熱部材１６に対し、レンズアレイ１３，曲面反射部１４及びフィールドレンズ１５を位置決め及び固定する。

すなわち、本実施形態における照明光学系１０は、レンズアレイ１３によってコンデンサレンズ１２からの平行化された照明光１００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照明光１００それぞれを、曲面反射部１４とフィールドレンズ１５とによって拡大して、表示素子２０面（液晶層の厚さ方向の中心線を通る平面）全体に照射されるようにするものである。また、照明光学系１０は、曲面反射部１４とフィールドレンズ１５とによって、表示素子２０に入射する照明光１００の配光角度を調整するものである。これにより、表示素子２０の各領域から出射される表示光２００それぞれがアイボックス３全体に概ね均一に配光されるため、アイボックス３内の視点移動に伴う虚像Ｗの均斉度を低く抑えることができる。表示素子２０面における配光角度は、アイボックス３と予め位置が定められる虚像Ｗを結ぶ光線群を、ＨＵＤ１の投射光学系（本実施形態ではフロントガラス２及び凹面鏡４０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。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

上記実施形態では、表示素子２０を透過型の空間光変調素子としたが、ＤＭＤ（ＤｉｓｉｔａｌＭｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）やＬＣｏＳ（登録商標：ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｏｎＳｉｌｉｃｏｎ）などの反射型の空間光変調素子であってもよい。

また、上記実施形態では、回路基板１１ａ，コンデンサレンズ１２，レンズアレイ１３，曲面反射部１４，フィールドレンズ１５を別々の第一のケース体１７，第二のケース体１８にそれぞれ取り付けてから、放熱部材１６に係合させていたが、１つまたは３つ以上のケース体を用いてもよい。また、一部を直接放熱部材１６に係合させてもよい。

また、上記実施形態では、表示光２００をアイボックス３に向ける透過反射部の一例としてウインドシールド２を挙げたが、これに限定されない。ＨＵＤ１は、専用のコンバイナを備え、そのコンバイナで表示光２００を反射させることで、観察者に虚像Ｗを視認させてもよい。

１ＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）
２ウインドシールド（反射透過部）
３アイボックス
１０照明光学系
１１光源
１１ａ回路基板
１２コンデンサレンズ
１３レンズアレイ
１４曲面反射部
１５フィールドレンズ
１６放熱部材
１７第一のケース体
１８第二のケース体
２０表示素子
３０平面鏡（投射光学系）
４０凹面鏡（投射光学系）
５０筐体
１００照明光
１４１反射面
１４２取付部
１７１第一の係合部
１８１開口部
１８２第二の係合部
１８３第三の係合部
２００表示光

Ａ１入射光軸
Ａ２出射光軸
Ａ３軸
Ｐ頂点
Ｗ虚像

Claims

照明光学系と表示素子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、
視点領域に導いて虚像を視認させるヘッドアップディスプレイであって、
前記照明光学系は、
前記表示素子を照明する光を出射する光源と、
前記光源から出射される光を分割して前記光源の像を複数生成するレンズアレイと、
前記光源の像から出射される光を前記表示素子の表示領域に対応するように集光する集光手段と、を備え、
前記集光手段は、曲面反射部と、フィールドレンズと、を含み、
前記曲面反射部は、前記レンズアレイからの光の入射光軸と、前記フィールドレンズへの光の出射光軸とからなる平面で対称となる自由曲面形状を有する、ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
前記曲面反射部の頂点は、前記レンズアレイ側に寄った位置、かつ前記フィールドレンズ側から離れた位置に偏心して配置される、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。
前記レンズアレイを保持し、前記レンズアレイからの前記入射光軸上に開口部を有するケース体をさらに備え、
前記曲面反射部は、前記開口部を塞ぐように前記ケース体に係合する、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。