JP6741089B2 - Head up display device - Google Patents
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Description
本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。 The present invention relates to a head-up display device.
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として、特許文献1に開示されるものがある。このヘッドアップディスプレイ装置は、光線を放出する光源と、光線を分割し光源の像を複数生成するレンズアレイと、レンズアレイにより生成される光源の像から発せられる光線を所定角度で表示部材に入射させるフィールドレンズと、を有し、レンズアレイは、レンズアレイにより生成される光源の像面が、フィールドレンズの物体側焦点に対してフィールドレンズの主点側に位置するように配設されるものである。 As various head-up display devices that have been proposed in the past, there is one disclosed in Patent Document 1. In this head-up display device, a light source that emits a light beam, a lens array that divides the light beam to generate a plurality of images of the light source, and a light beam emitted from the image of the light source generated by the lens array is incident on a display member at a predetermined angle. And a field lens for making the lens array arranged such that the image plane of the light source generated by the lens array is located on the principal point side of the field lens with respect to the object-side focal point of the field lens. Is.
上述のようなヘッドアップディスプレイ装置によれば、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される。
According to the head-up display device as described above, it is possible to improve the efficiency of light irradiation to the eye box, it is possible to suppress the amount of change in the brightness of the display image due to the movement of the viewpoint, and the desired light distribution angle. The characteristics can be realized.
しかしながら、レンズアレイのように中間像を結ぶレンズを備えたヘッドアップディスプレイ装置においては、高温環境下で高輝度の光線を光源が発した場合に、当該レンズを通過する光線の集光点がレンズ内で1点に集まると、レンズの材質によってはレンズが変質して表示品位が低下してしまう虞があった。 However, in the head-up display apparatus having a lens connecting the intermediate image as a lens array, when the light beam of high intensity light source emitted by a high-temperature environment, the focal point of the light beam passing through the lens is the lens When gather at one point on the inner, lens display quality was deteriorated there is a risk that degraded depending on the material of the lens.
本発明は、上述した課題を鑑みてなされたものであり、光源が発する光線の集光によって中間像を結ぶレンズが変質する虞を低減した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。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a head-up display device that reduces the risk that a lens forming an intermediate image will be deteriorated due to the collection of light rays emitted from a light source.
本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、
矩形の表示領域を有する表示部材113と、光線L0を放出する光源111aと、前記光源111a像としての中間像を結ぶ第1レンズ111cと、前記中間像から発せられる前記光線L0を所定の角度で前記表示部材113に入射させる第2レンズ111dと、を備え、前記表示部材113から発せられる表示光Lを投射部材120,220に投射して前記表示光Lの虚像Vを表示させるヘッドアップディスプレイ装置100であって、
前記光源111aと前記第1レンズ111cと前記第2レンズ111dによりケーラー照明光学系111を構成し、
前記第1レンズ111cは、レンズアレイであり、
前記レンズアレイの各レンズは、前記表示領域の短手方向に対応する第1方向における第1集光点P1と、前記表示領域の長手方向に対応する第2方向における第2集光点P2はレンズ111c内に位置し、前記第2集光点P2が前記第1集光点P1よりも入射曲面側に位置する。
The head-up display device of the present invention is
A
A Koehler illumination optical system 111 is configured by the
The
In each lens of the lens array, a first focus point P1 in a first direction corresponding to the lateral direction of the display area and a second focus point P2 in a second direction corresponding to the longitudinal direction of the display area are provided. It is located inside the
本発明によれば、光源が発する光線の集光によって中間像を結ぶレンズが変質する虞を低減したヘッドアップディスプレイ装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a head-up display device that reduces the risk that the lens that forms an intermediate image will deteriorate due to the collection of light rays emitted from a light source.
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。 An embodiment in which the present invention is applied to a vehicle head-up display device will be described below with reference to FIGS. 1 to 4.
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(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Bに導いて、虚像(表示像)Vを表示する。これにより、運転者Dは表示光Lによる虚像Vを風景に重畳させて視認できる。
As shown in FIG. 1, the head-up
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、から主に構成される。
As shown in FIG. 2, the head-up
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。
The liquid crystal display 110 includes an illumination optical system 111, a
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の横長矩形の有効領域に均等に照射させつつ、同光線L0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Bへ導くように液晶表示パネル113面から出射される表示光Lの角度を制御する。
The illumination optical system 111 is a so-called Koehler illumination optical system, and includes a
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。
The
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から出射される光線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を透過後に光軸Aと平行な平行光となる。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のトロイダル形状としてもよい。
The
レンズアレイ111c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た光学部材である。レンズアレイ111cは、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機能を有する。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の各レンズは、レンズの縦方向と横方向が液晶表示パネル113の縦方向と横方向に対応しており、液晶表示パネル113の横長矩形の有効領域を均一に照明するように最適化される。
In the
レンズアレイ111cの各レンズの縦横におけるレンズ同士のピッチ間隔と、各レンズの形状によって、中間像面から出射される光線L0の配光角度(開口数)を調整できる。しかしながら、各レンズのピッチ間隔や形状を調整するが、各レンズのピッチ間隔を広げると、レンズアレイ11cにより生成される中間像の境界部分を運転者Dに視認されて表示品位が低下する虞が高まり好ましくない。
The light distribution angle (numerical aperture) of the light ray L0 emitted from the intermediate image plane can be adjusted by the pitch interval between the lenses in the vertical and horizontal directions of each lens of the
また、レンズアレイ111cが光線L0の集光によって変質しないようにレンズアレイ111cに入射した光線L0が集光する位置をレンズアレイ111c外とすることが好ましい。しかしながら、液晶表示パネル113を適切に照明するために必要な中間像面から出射される光線L0の配光角度と、レンズアレイ111cの剛性を保つために必要な厚さから、レンズアレイ111cに入射した光線L0が集光する位置をレンズアレイ111c外とすることは難しい。
Further, it is preferable that the position where the light ray L0 incident on the
よって、レンズアレイ111cの各レンズの形状を、図4に示すように、レンズアレイ111c上で集光する集光点Pの縦方向における集光位置P1と横方向における集光位置P2同士が1点で交わらず、中間像面から出射される横方向の光線L0の配光角度を縦方向の光線L0の配光角度に比べ広くなるように、集光位置P1よりも集光位置P2をレンズアレイ111cの近軸平行光が入射した側に位置するように規定した非球面のトロイダル形状とする。
Therefore, as shown in FIG. 4, the shape of each lens of the
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へ導く機能を有する。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。これにより、アイボックスBへの光照射効率が向上し、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に比べて虚像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できる。
The
光拡散部材112は、透明樹脂材料を基材として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11cにより生成される中間像の境界部分を運転者Dに視認されないようにする機能を有する。
The
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た表示パネルであり、例えばQVGA(Quarter Video Graphics Array)規格の横長矩形の有効領域を有し、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となって投射光学系を構成する凹面鏡120に照射される。
The liquid
第1のケース体114は、液晶表示器110の後方側に設けられ、非透過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を収容する。
The
第2のケース体115は、非透過性樹脂材料からなる断面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容、保持する。
The
第3のケース体116は、液晶表示器110の前方側(射出側)に設けられ、非透過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。また、第3のケース体120には液晶表示パネル113の表示面を露出する窓部116aが設けられており、窓部116aから表示光Lが射出される。
The
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た反射鏡である。凹面鏡120は、液晶表示器110が発した表示光Lを拡大してフロントガラス220に照射する機能と、フロントガラス2の曲面による表示光Lの歪みを凹面状の曲面にて補正する機能を有する。
The
ハウジング130は、非透過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、湾曲形成されている。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。
The
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、螺子止めにより第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に螺子止めされる。
The
以上の各部によってヘッドアップディスプレイ装置100が構成される。
The head-up
本実施形態によれば、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Pを、縦方向(第1方向)と横方向(第2方向)における集光位置P1,P2が互いにレンズアレイ111c上で重ならないように規定することで、光線L0がレンズアレイ111cの1点に集光しないため、レンズアレイ111cが光線L0の集光によってレンズアレイが変質して表示品位が低下してしまう虞を低減できる。
According to the present embodiment, the position P at which paraxial parallel light incident on the
また、本実施形態は、液晶表示パネル(表示部材)113の横長矩形の有効領域に均等に光線L0を照射するにあたって、横方向(第2方向)における集光位置P2を縦方向(第1方向)における集光位置P1よりもレンズアレイ111cの入射側曲面側に配置することで、レンズアレイ111cの各レンズの横方向(第2方向)のピッチを広げて配光角度を広げるのに比べて、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に視認されにくくなり、表示品位が低下する虞を低減できる。
Further, in the present embodiment, when the light beam L0 is uniformly applied to the horizontally long rectangular effective area of the liquid crystal display panel (display member) 113, the light collecting position P2 in the horizontal direction (second direction) is set to the vertical direction (first direction). By arranging the
また、本実施形態は、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Pを、縦方向(第1方向)と横方向(第2方向)における集光位置P1,P2が互いにレンズアレイ111c上で重ならないように規定することで、光線L0がレンズアレイ111cの1点に集光せず、レンズアレイ111cが光線L0の集光による変質の虞を低減できるため、例えば無機ガラスからなるレンズアレイ111cに比べ、耐熱性は低いが安価で成形が容易な光学樹脂からなるレンズアレイ111cを採用できた。
Further, in the present embodiment, the position P where paraxial parallel light incident on the
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施ができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various forms.
例えば、本実施形態においては、LEDなどの発光素子からなる点光源の光源111aが発する光線L0を、コンデンサレンズ111bによって集光し、ヘッドアップディスプレイ装置100の光軸Aに対して平行化して、レンズアレイ111cに出射したが、光源111aが平行光を発する面光源であれば、コンデンサレンズ111bを廃してもよい。
For example, in the present embodiment, the light ray L0 emitted from the
本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に好適である。 The present invention is suitable for a head-up display device.
100 :ヘッドアップディスプレイ装置
110 :液晶表示器(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
100: Head-up display device 110: Liquid crystal display (display)
111: Illumination
114: first case body 115: second case body 116: third case body 117: circuit board (light source board)
120: concave mirror 130: housing 140: heat dissipation member
Claims (3)
前記光源と前記第1レンズと前記第2レンズによりケーラー照明光学系を構成し、
前記第1レンズは、レンズアレイであり、
前記レンズアレイの各レンズは、前記表示領域の短手方向に対応する第1方向における第1集光点と前記表示領域の長手方向に対応する第2方向における第2集光点がレンズ内に位置し、前記第2集光点が前記第1集光点よりも入射曲面側に位置する、
ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。 A display member having a rectangular display area, a light source that emits a light beam, a first lens that connects an intermediate image as an image of the light source, and the light beam emitted from the intermediate image is incident on the display member at a predetermined angle. A head-up display device for displaying a virtual image of the display light by projecting display light emitted from the display member onto a projection member.
A Koehler illumination optical system is configured by the light source, the first lens, and the second lens,
The first lens is a lens array,
In each lens of the lens array, a first focus point in a first direction corresponding to the lateral direction of the display area and a second focus point in a second direction corresponding to the longitudinal direction of the display area are inside the lens. The second converging point is located on the incident curved surface side with respect to the first converging point,
A head-up display device characterized by the above.
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。 The first condensing point of the first lens is located at the apex of the emission curved surface,
The head-up display device according to claim 1, wherein:
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装置。
The second lens includes a plurality of lenses arranged in series ,
The head-up display device according to claim 1 or 2, wherein.
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