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JP5353203B2 - Head-up display device - Google Patents
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JP5353203B2 - Head-up display device - Google Patents

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Description

本発明は、液晶表示パネル及びこの液晶表示パネルを透過照明する発光ダイオード等の発光素子を有する液晶表示器が発した表示光によって虚像を表示させるヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。   The present invention relates to a liquid crystal display panel and a head-up display device that displays a virtual image by display light emitted from a liquid crystal display having a light emitting element such as a light emitting diode that transmits and illuminates the liquid crystal display panel.

従来より、液晶表示器を用いたヘッドアップディスプレイ装置が種々提案されており、例えば特許文献１に開示されている。斯かるヘッドアップディスプレイ装置１は、表示光Ｌを車両のフロントガラス或いはコンバイナと称される半透過板に投影し、虚像を表示するものである。ヘッドアップディスプレイ装置１は、透光性の窓部２を備えたハウジング３に液晶表示器４及び反射鏡５を収容したものであり、液晶表示器４が発した表示光Ｌは、反射鏡５で反射されてフロントガラス或いは半透過板に投影される。液晶表示器４は、液晶表示パネル６及びこの液晶表示パネル６を透過照明する発光ダイオード等の発光素子７を有するものである。
特開平１１−３１００５５号公報 Conventionally, various head-up display devices using a liquid crystal display have been proposed, and for example, disclosed in Patent Document 1. Such a head-up display device 1 projects display light L onto a transflective plate called a vehicle windshield or combiner to display a virtual image. The head-up display device 1 has a liquid crystal display 4 and a reflecting mirror 5 housed in a housing 3 having a translucent window 2, and the display light L emitted from the liquid crystal display 4 is reflected by the reflecting mirror 5. And projected onto the windshield or transflective plate. The liquid crystal display 4 includes a liquid crystal display panel 6 and a light emitting element 7 such as a light emitting diode that transmits and illuminates the liquid crystal display panel 6.
JP 11-310055 A

しかしながら、発光素子７が発した照明光は、液晶表示パネル６を透過して、アイボックスと称される視点範囲よりも大きい範囲に広がってしまうため、照明光の無駄が多く、表示される虚像の輝度が低いという問題を有していた。この問題を解決するため、発光輝度が高い光源を用いることが考えられるが、メタルハライドランプ等の発光輝度が高い光源は大きいため、液晶表示器４が大型化してしまう虞がある。
本発明は、この問題に鑑みなされたものであり、虚像を高輝度にて表示できるヘッドアップディスプレイ装置を提供するものである。 However, since the illumination light emitted from the light emitting element 7 is transmitted through the liquid crystal display panel 6 and spreads over a range larger than the viewpoint range called an eyebox, the illumination light is wasted and a virtual image to be displayed is displayed. Had the problem of low brightness. In order to solve this problem, it is conceivable to use a light source with high emission luminance. However, since the light source with high emission luminance such as a metal halide lamp is large, the liquid crystal display 4 may be enlarged.
The present invention has been made in view of this problem, and provides a head-up display device capable of displaying a virtual image with high luminance.

本発明は、請求項１に記載したように、液晶表示パネル１８及び前記液晶表示パネル１８を透過照明する発光ダイオード２２を備えた液晶表示器１５が発した表示光Ｌによって虚像Ｖを表示させるヘッドアップディスプレイ装置１１であって、前記液晶表示器１５は、前記発光ダイオード２２が発した照明光を縦方向及び横方向に集光するレンズ群２３，５３を備えると共に、前記レンズ群２３，５３は、前記発光ダイオード２２が発した照明光を集光するコンデンサレンズ２１と、前記コンデンサレンズ２１によって集光された前記照明光を縦方向及び横方向に広げる光学部材２０，５０と、縦方向の曲率と横方向の曲率とが異なるトロイダル面を有し前記光学部材２０，５０によって縦方向及び横方向に広げられた前記照明光を集光する集光レンズ１９と、を有するものである。 According to the present invention, the head for displaying the virtual image V by the display light L emitted from the liquid crystal display 15 including the liquid crystal display panel 18 and the light emitting diode 22 that transmits and illuminates the liquid crystal display panel 18 is described. a-up display device 11, the liquid crystal display 15, Rutotomoni includes a lens group 23 and 53 for condensing the illumination light emitting diode 22 is emitted in the vertical and horizontal direction, the lens group 23 and 53 Includes a condenser lens 21 that collects the illumination light emitted by the light emitting diode 22, optical members 20 and 50 that spread the illumination light collected by the condenser lens 21 in the vertical and horizontal directions, and a vertical direction. Condensing the illumination light having a toroidal surface with a curvature different from the curvature in the horizontal direction and spread in the vertical and horizontal directions by the optical members 20 and 50 An optical lens 19, and has a.

また、本発明は、請求項２に記載したように、前記光学部材２０，５０は、前記照明光を縦方向に広げる第一のレンズ部２０ａ，５０ａと、前記照明光を横方向に広げる第二のレンズ部２０ｂ，２０ｃ，５０ｂと、を有するものである。 Further, according to the present invention, as described in claim 2 , the optical members 20 and 50 include first lens portions 20a and 50a that spread the illumination light in the vertical direction and a first lens portion that spreads the illumination light in the lateral direction. A second lens portion 20b, 20c, 50b.

また、本発明は、請求項３に記載したように、前記第二のレンズ部２０ｂ，２０ｃは、第一のレンチキュラレンズ２０ｂと、前記第一のレンチキュラレンズの開口数に比して開口数が大きい第二のレンチキュラレンズ２０ｃと、を有するものである。 Further, according to the present invention, as described in claim 3 , the second lens portions 20b and 20c have a numerical aperture that is larger than that of the first lenticular lens 20b and the first lenticular lens. A large second lenticular lens 20c.

また、本発明は、請求項４に記載したように、前記第一のレンズ部５０ａまたは前記第二のレンズ部５０ｂは、平行光を光軸からの間隔に略比例する角度で屈折させる形状である。 The present invention, as set forth in claim 4, wherein the first lens unit 50a or the second lens portion 50b is a shape which refracts at an angle substantially proportional parallel light to the interval from the optical axis is there.

アイボックスに対応するように、発光ダイオードが発した照明光を縦方向及び横方向に集光し、液晶表示パネルを透過照明することが可能になり、高輝度で虚像を表示することができる。 Corresponding to the eye box, the illumination light emitted from the light emitting diodes can be condensed in the vertical direction and the horizontal direction to transmit and illuminate the liquid crystal display panel, and a virtual image can be displayed with high luminance.

以下、添付の図面に基づいて、本発明の一実施形態について説明する。図１乃至図３は、第一実施形態を示すものである。
ヘッドアップディスプレイ装置１１は車両のダッシュボード１２内に配設されている（図２参照）。ヘッドアップディスプレイ装置１１が投射する表示光Ｌはフロントガラス１３により車両ドライバー１４に反射される。車両ドライバー１４は虚像Ｖを風景と重畳させて視認することができる。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. 1 to 3 show a first embodiment.
The head-up display device 11 is disposed in the dashboard 12 of the vehicle (see FIG. 2). The display light L projected by the head-up display device 11 is reflected by the windshield 13 to the vehicle driver 14. The vehicle driver 14 can visually recognize the virtual image V superimposed on the landscape.

ヘッドアップディスプレイ装置１１は、液晶表示器１５，反射器１６等をハウジング１７に収容したものである。液晶表示器１５は、液晶表示パネル１８と、集光レンズ１９と、光学部材２０と、コンデンサレンズ２１と、発光ダイオード２２とからなるものである。レンズ群２３は、集光レンズ１９，光学部材２０及びコンデンサレンズ２１からなるものである。集光レンズ１９は、縦方向の曲率と横方向の曲率とが異なるトロイダル面を有する凸レンズからなるものである。   The head-up display device 11 includes a liquid crystal display 15, a reflector 16 and the like housed in a housing 17. The liquid crystal display 15 includes a liquid crystal display panel 18, a condenser lens 19, an optical member 20, a condenser lens 21, and a light emitting diode 22. The lens group 23 includes a condenser lens 19, an optical member 20, and a condenser lens 21. The condensing lens 19 is composed of a convex lens having a toroidal surface in which the curvature in the vertical direction and the curvature in the horizontal direction are different.

液晶表示パネル１８は、透明電極膜が形成された一対の透光性基板に液晶を封入した液晶セルの前後両面に偏光板を貼着したものであり、ケース体２４に固定されている。ケース体２４は略角筒形状になっており、ケース体２４の後端部は、後述する放熱部材に固定されている。ケース体２４の中間部には集光レンズ１９，光学部材２０及びコンデンサレンズ２１が保持され、前端部には液晶表示パネル１８が保持されている。発光ダイオード２２が発した照明光は、コンデンサレンズ２１によって、光線密度が均一である略平行光になり、光学部材２０及び集光レンズ１９を介して、液晶表示パネル１８を透過照明する。発光ダイオード２２は、回路基板２７に搭載されている。   The liquid crystal display panel 18 has a polarizing plate attached to both front and rear surfaces of a liquid crystal cell in which liquid crystal is sealed in a pair of translucent substrates on which a transparent electrode film is formed, and is fixed to a case body 24. The case body 24 has a substantially rectangular tube shape, and the rear end portion of the case body 24 is fixed to a heat radiating member described later. A condenser lens 19, an optical member 20, and a condenser lens 21 are held at an intermediate portion of the case body 24, and a liquid crystal display panel 18 is held at a front end portion. The illumination light emitted from the light emitting diode 22 is converted into substantially parallel light having a uniform light density by the condenser lens 21, and illuminates the liquid crystal display panel 18 through the optical member 20 and the condenser lens 19. The light emitting diode 22 is mounted on the circuit board 27.

反射器１６は、凹面鏡３０，保持部材３１及びステッピングモータ３２を有している。凹面鏡３０は、樹脂（例えばポリカーボネート）に金属（例えばアルミニウム）を蒸着させ反射面３０ａを形成したものである。反射面３０ａは凹面となっており、液晶表示器１５が発した表示光Ｌが拡大されて虚像Ｖが表示される。凹面鏡３０は保持部材３１に両面粘着テープにより接着されている。保持部材３１は樹脂（例えばＡＢＳ）からなるものであり、歯車部３４及び軸部３５が一体に形成されている。保持部材３１の軸部３５はハウジング１７に軸支されている。   The reflector 16 includes a concave mirror 30, a holding member 31, and a stepping motor 32. The concave mirror 30 is formed by depositing a metal (for example, aluminum) on a resin (for example, polycarbonate) to form a reflective surface 30a. The reflective surface 30a is a concave surface, and the display light L emitted from the liquid crystal display 15 is enlarged to display the virtual image V. The concave mirror 30 is bonded to the holding member 31 with a double-sided adhesive tape. The holding member 31 is made of resin (for example, ABS), and the gear portion 34 and the shaft portion 35 are integrally formed. The shaft portion 35 of the holding member 31 is pivotally supported by the housing 17.

ステッピングモータ３２の回動軸には歯車３７が取付けられており、この歯車３７は、保持部材３１の歯車部３４と噛合されている。凹面鏡３０は保持部材３１と共に回動可能な状態で支持されており、ステッピングモータ３２により凹面鏡３０を回動させ、表示光Ｌの投射方向を調整することができる。車両ドライバー１４は、押ボタンスイッチ（図示しない）を操作し表示光Ｌが目の位置に反射されるように（即ち、虚像Ｖを視認できるように）凹面鏡３０の角度を調整する。   A gear 37 is attached to the rotation shaft of the stepping motor 32, and the gear 37 is engaged with the gear portion 34 of the holding member 31. The concave mirror 30 is supported so as to be rotatable together with the holding member 31, and the projection direction of the display light L can be adjusted by rotating the concave mirror 30 by the stepping motor 32. The vehicle driver 14 operates a push button switch (not shown) to adjust the angle of the concave mirror 30 so that the display light L is reflected at the eye position (that is, the virtual image V can be visually recognized).

４０は放熱部材であり、この放熱部材４０は、ハウジング１７の開口部１７ａに配設されている。放熱部材４０は、図示しないビスによってフランジ部４０ａでハウジング１７に固定されている。放熱部材４０は、平板形状の多数の放熱フィン４０ｂを有しており、発光ダイオード２２が発した熱をハウジング１７の外に放出する。４２は長方形環状のパッキング部材であり、このパッキング部材４２は、放熱部材４０と、ハウジング１７の開口部１７ａの間を塞ぐことによって、ハウジング１７の中に塵埃が入ることを防いでいる。 Reference numeral 40 denotes a heat radiating member, and the heat radiating member 40 is disposed in the opening 17 a of the housing 17. The heat radiating member 40 is fixed to the housing 17 by a flange portion 40a with a screw (not shown). Radiation member 40 has a plurality of radiating fins 40b of the flat plate and emits the light emitting diode 2 2 is heat generated out of the housing 17. Reference numeral 42 denotes a rectangular annular packing member, and the packing member 42 prevents the dust from entering the housing 17 by closing the space between the heat radiating member 40 and the opening 17 a of the housing 17.

ハウジング１７には液晶表示器１５及び反射器１６が収容される。ハウジング１７には表示光Ｌが出射する窓部４４が設けられている。この窓部４４は透光性樹脂（例えばアクリル）からなるものであり、湾曲形状になっている。ハウジング１７には遮光壁１７ｃが設けられており、太陽光等の外光が液晶表示器１５に入射し虚像Ｖが見えにくくなる現象（ウォッシュアウト）を防止している。遮光壁１７ｃは平板形状になっており、ハウジング１７の上部から斜めに垂下するように形成されている。   The housing 17 accommodates the liquid crystal display 15 and the reflector 16. The housing 17 is provided with a window portion 44 from which the display light L is emitted. The window portion 44 is made of a translucent resin (for example, acrylic) and has a curved shape. The housing 17 is provided with a light shielding wall 17c, which prevents a phenomenon (washout) in which external light such as sunlight enters the liquid crystal display 15 and makes the virtual image V difficult to see. The light shielding wall 17 c has a flat plate shape and is formed so as to hang obliquely from the upper part of the housing 17.

次に、図３に基づいて、光学部材２０について詳述する。光学部材２０は、後面側（発光ダイオード２２側）に形成されたレンズ部２０ａと、前面側（液晶表示パネル１８側）に形成されたレンズ部２０ｂ，２０ｃとを有しており、発光ダイオード２２から発せられて、コンデンサレンズ２１によって集光された照明光を縦方向及び横方向に広げる。
光学部材２０のレンズ部２０ａは、横方向に伸長するレンチキュラレンズからなるものであり、コンデンサレンズ２１によって集光された照明光を縦方向に広げる。光学部材２０のレンズ部２０ｂ，２０ｃは、縦方向に伸長するレンチキュラレンズからなるものであり、コンデンサレンズ２１によって集光された照明光を横方向に広げる。 Next, the optical member 20 will be described in detail with reference to FIG. The optical member 20 includes a lens portion 20a formed on the rear surface side (light-emitting diode 22 side), the front side (the liquid crystal display panel 18 side) which is formed in the lens unit 20b, has a 20c, the light emitting diode 22 The illumination light emitted from and condensed by the condenser lens 21 is spread in the vertical direction and the horizontal direction.
The lens portion 20a of the optical member 20 is composed of a lenticular lens extending in the horizontal direction, and spreads the illumination light collected by the condenser lens 21 in the vertical direction. The lens portions 20b and 20c of the optical member 20 are lenticular lenses that extend in the vertical direction, and spread the illumination light collected by the condenser lens 21 in the horizontal direction.

レンズ部２０ｂは、光学部材２０の前面側の中央部に設けられており、レンズ部２０ｃは、レンズ部２０ｂの左右両側に設けられている。レンズ部２０ｃの開口数は、レンズ部２０ｂの開口数よりも大きくなっており、コンデンサレンズ２１によって集光された照明光が横方向に大きく広がり、アイボックスの周辺で徐々に暗くなるようになっている。   The lens part 20b is provided in the center part on the front side of the optical member 20, and the lens part 20c is provided on both the left and right sides of the lens part 20b. The numerical aperture of the lens portion 20c is larger than the numerical aperture of the lens portion 20b, and the illumination light collected by the condenser lens 21 spreads in the horizontal direction and gradually becomes dark around the eye box. ing.

図４乃至図６は、第二実施形態を示すものである。第二実施形態は、光学部材５０のみが第一実施形態と異なり、他の構成は第一実施形態と同様であるので、その詳細な説明を省略する。   4 to 6 show a second embodiment. In the second embodiment, only the optical member 50 is different from the first embodiment, and the other configuration is the same as that of the first embodiment, and thus detailed description thereof is omitted.

光学部材５０は、前面側（液晶表示パネル１８側）に形成されたレンズ部５０ａと、後面側（発光ダイオード２２側）に形成されたレンズ部５０ｂとを有しており、発光ダイオード２２から発せられて、コンデンサレンズ２１によって集光された照明光を縦方向及び横方向に広げる。
光学部材５０のレンズ部５０ａは、横方向に伸長するマイクロレンズアレイからなるものであり、コンデンサレンズ２１によって集光された照明光を横方向に広げる。光学部材５０のレンズ部５０ｂは、縦方向に伸長するマイクロレンズアレイからなるものであり、コンデンサレンズ２１によって集光された照明光を横方向に広げる。 The optical member 50 has a front side (the liquid crystal display panel 18 side) which is formed in the lens unit 50a, and a lens portion 50b which is formed on the rear surface side (light-emitting diode 22 side), emitted from the light emitting diode 22 The illumination light collected by the condenser lens 21 is spread in the vertical direction and the horizontal direction.
The lens portion 50a of the optical member 50 is composed of a microlens array extending in the horizontal direction, and spreads the illumination light collected by the condenser lens 21 in the horizontal direction. The lens portion 50b of the optical member 50 is composed of a microlens array extending in the vertical direction, and spreads the illumination light collected by the condenser lens 21 in the horizontal direction.

レンズ部５０ａ，５０ｂは、平行光を光軸からの間隔に比例する角度で屈折させる形状になっている。例えば、レンズ部５０ａ，５０ｂの光軸Ａから所定間隔Ｗを隔てた平行光Ｐ１は、レンズ部５０ａ，５０ｂにおいて、光軸Ａに対して所定角度αで屈折し、光軸Ａから所定間隔２Ｗを隔てた平行光Ｐ２は、レンズ部５０ａ，５０ｂにおいて、光軸Ａに対して所定角度２αで屈折し、光軸Ａから所定間隔３Ｗを隔てた平行光Ｐ３は、レンズ部５０ａ，５０ｂにおいて、光軸Ａに対して所定角度３αで屈折する。なお、光軸Ａ上の平行光Ｐ０は屈折しない。   The lens portions 50a and 50b are shaped to refract parallel light at an angle proportional to the interval from the optical axis. For example, the parallel light P1 that is separated from the optical axis A of the lens portions 50a and 50b by a predetermined interval W is refracted at a predetermined angle α with respect to the optical axis A in the lens portions 50a and 50b, and the predetermined interval 2W from the optical axis A The parallel light P2 separated from the optical axis A is refracted at a predetermined angle 2α with respect to the optical axis A in the lens portions 50a and 50b, and the parallel light P3 separated from the optical axis A by a predetermined interval 3W is Refraction occurs at a predetermined angle 3α with respect to the optical axis A. The parallel light P0 on the optical axis A is not refracted.

第一，第二実施形態によれば、発光ダイオード２２が発した照明光をコンデンサレンズ２１にて縦方向及び横方向に集光し、この集光された照明光を光学部材２０にて縦方向及び横方向に広げることによって、車両ドライバー１４のアイボックスに対応するように液晶表示パネル１８を透過照明することが可能になり、高輝度で虚像Ｖを表示することができる。 According to the first and second embodiments, the illumination light emitted from the light emitting diode 22 is condensed in the vertical direction and the horizontal direction by the condenser lens 21, and the collected illumination light is collected in the vertical direction by the optical member 20. Further, by spreading in the lateral direction, the liquid crystal display panel 18 can be transmitted and illuminated so as to correspond to the eye box of the vehicle driver 14, and the virtual image V can be displayed with high luminance.

本発明の第一実施形態を示す断面図。Sectional drawing which shows 1st embodiment of this invention. 同上第一実施形態を示すヘッドアップディスプレイの概観図。The outline figure of the head up display which shows 1st embodiment same as the above. 同上第一実施形態を示す光学部材の前面図及び後面図。The front view and rear view of the optical member which show 1st embodiment same as the above. 本発明の第二実施形態を示す断面図。Sectional drawing which shows 2nd embodiment of this invention. 同上第二実施形態を示す光学部材の前面図及び後面図。The front view and rear view of the optical member which show 2nd embodiment same as the above. 同上第二実施形態を示す光学部材の要部拡大図。The principal part enlarged view of the optical member which shows 2nd embodiment same as the above. 従来例を示す断面図。Sectional drawing which shows a prior art example.

１１ ヘッドアップディスプレイ装置
１５ 液晶表示器
１７ ハウジング
１８ 液晶表示パネル
２０ 光学部材
２０ａ 第一のレンズ部
２０ｂ 第一のレンチキュラレンズ（第二のレンズ部）
２０ｃ 第二のレンチキュラレンズ（第二のレンズ部）
２１ コンデンサレンズ
２２ 発光ダイオード
２３ レンズ群
５０ 光学部材
５０ａ 第一のレンズ部
５０ｂ 第二のレンズ部
Ｖ 虚像
Ｌ 表示光 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Head up display apparatus 15 Liquid crystal display device 17 Housing 18 Liquid crystal display panel 20 Optical member 20a 1st lens part 20b 1st lenticular lens (2nd lens part)
20c Second lenticular lens (second lens part)
21 condenser lens 22 light emitting diode 23 lens group 50 optical member 50a first lens part 50b second lens part V virtual image L display light

Claims (4)

液晶表示パネル及び前記液晶表示パネルを透過照明する発光ダイオードを備えた液晶表示器が発した表示光によっ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、
前記液晶表示器は、前記発光ダイオードが発した照明光を集光するレンズ群を備えると共に、
前記レンズ群は、前記発光ダイオードが発した照明光を集光するコンデンサレンズと、前記コンデンサレンズによって集光された前記照明光を縦方向及び横方向に広げる光学部材と、縦方向の曲率と横方向の曲率とが異なるトロイダル面を有し前記光学部材によって縦方向及び横方向に広げられた前記照明光を集光する集光レンズと、を有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 head-up display device that displays a virtual image by display light emitted from a liquid crystal display panel and a liquid crystal display including a light emitting diode that transmits and illuminates the liquid crystal display panel,
The liquid crystal display may Rutotomoni includes a lens group for focusing the illumination light in which the light-emitting diode is emitted,
The lens group includes a condenser lens that collects the illumination light emitted from the light emitting diode, an optical member that spreads the illumination light collected by the condenser lens in a vertical direction and a horizontal direction, a vertical curvature and a horizontal direction. A head-up display device comprising: a condensing lens that collects the illumination light having a toroidal surface having a different curvature in a direction and spread in the vertical direction and the horizontal direction by the optical member . 前記光学部材は、前記照明光を縦方向に広げる第一のレンズ部と、前記照明光を横方向に広げる第二のレンズ部と、を有す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。 2. The head-up according to claim 1 , wherein the optical member includes a first lens portion that spreads the illumination light in a vertical direction and a second lens portion that spreads the illumination light in a horizontal direction. Display device. 前記第二のレンズ部は、第一のレンチキュラレンズと、前記第一のレンチキュラレンズの開口数に比して開口数が大きい第二のレンチキュラレンズと、を有することを特徴とする請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。 The second lens unit includes a first lenticular lens, to claim 2, characterized in that it comprises a and a second lenticular lens is large numerical aperture than the numerical aperture of the first lenticular lens The head-up display device described. 前記第一のレンズ部または前記第二のレンズ部は、平行光を光軸からの間隔に略比例する角度で屈折させる形状であることを特徴とする請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
 3. The head-up display device according to claim 2 , wherein the first lens unit or the second lens unit has a shape that refracts parallel light at an angle substantially proportional to an interval from an optical axis.
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