JP7447162B2

JP7447162B2 - 車両用表示装置

Info

Publication number: JP7447162B2
Application number: JP2022008367A
Authority: JP
Inventors: 直久村田; 貴之水島
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2021-04-07
Filing date: 2022-01-24
Publication date: 2024-03-11
Anticipated expiration: 2042-01-24
Also published as: JP2022160993A

Description

本発明は、車両用表示装置に関する。

車両には、車室内のドライバに提供する情報を虚像表示させる車両用表示装置を搭載するものがある。この車両用表示装置は、所謂ヘッドアップディスプレイ装置であり、基板に実装され、間隔をあけて配置された複数の発光素子と、ウインドシールドやコンバイナ等の被投影部材に投影させる表示画像を表示光として出射する表示デバイスとを備えるものがある（例えば、特許文献１参照）。

従来の車両用表示装置では、表示デバイスの表示エリアの全域に光源の光を照射するため、当該表示エリアの大きさに合わせて偏光レンズが配置されている。偏光レンズは、機能上、当該偏光レンズの出射面が凸状に湾曲して形成されているが、複数の発光素子に合わせて複数の凸部（山部）が形成され、複数の山部の間、すなわち山部の境界に凹部（谷部）も形成される。

特開２０１８－１２０８０７号公報

ところで、従来の車両用表示装置では、光源から偏光レンズに入射した光が、当該偏光レンズの谷部で反射することで、偏光レンズを透過する光にロスが発生する場合がある。そのため、偏光レンズの山部を通過する光量に対して谷部を透過する光量が減少し明るさが変化するので、ドライバにとって虚像の視認性の点で改善の余地がある。

本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、運転者の前方に表示される虚像の視認性を向上させることができる車両用表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る車両用表示装置は、１つの光源と、車両に設けられた被投影部材に投影される表示画像を、前記光源から入射する光により表示光として出射する表示デバイスと、前記光源と前記表示デバイスとの間の光路上に配置され、前記光源から入射する光を前記表示デバイスに向けて偏向する第１レンズと、前記光路上において、前記第１レンズと前記表示デバイスとの間に配置され、前記第１レンズにより偏向される光を前記表示デバイスに向けて配光する第２レンズと、を備え、前記第１レンズは、前記表示デバイスに向けて光を出射する出射面を有し、前記第１レンズの出射面は、１つの前記光源に応じた１つの凸状の湾曲面で形成され、前記第２レンズは、前記第１レンズにより偏向された光が入射する入射面と、前記表示デバイス側に凸状に湾曲して形成され、かつ前記入射面から入射し透過する光を出射する出射面と、を有し、前記第２レンズの出射面は、複数配置された微小レンズ曲面を有する、ことを特徴とする。

本発明に係る車両用表示装置によれば、運転者の前方に表示される虚像の視認性を向上させることができる、という効果を奏する。

図１は、実施形態に係る車両用表示装置を搭載した車両の概略構成を示す模式図である。図２は、実施形態に係る車両用表示装置の概略構成を示す模式図である。図３は、実施形態に係るバックライトユニットの概略構成を示す模式図である。図４（Ａ）は、バックライトユニットを構成する光源及び第１レンズの概略構成を示す模式図、図４（Ｂ）は、光軸方向から見た光源の配置例を示す模式図である。図５（Ａ）は、バックライトユニットを構成する第２レンズにおける微小レンズ曲面の部分斜視図、図５（Ｂ）は、微小レンズ曲面の部分正面図である。図６（Ａ）は、第２レンズの端面により反射する反射光の光路を示す模式図、図６（Ｂ）は、従来の拡散レンズの端面により反射する反射光の光路を示す模式図である。図７（Ａ）は、従来の車両用表示装置の概略構成例を示す模式図、図７（Ｂ）は、従来の車両用表示装置と本発明が適用された車両用表示装置との比較例を示す模式図である。図８は、実施形態の変形例に係る微小レンズ曲面に適用された非球面の一例を示す部分側面図である。図９は、実施形態の変形例に係る微小レンズによる照度分布を示す図である。

以下に、本発明に係る車両用表示装置の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。また、下記実施形態における構成要素は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

［実施形態］
車両用表示装置１は、図１に示すように、例えば自動車等の車両１００に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置である。車両用表示装置１は、車両１００において、インストルメントパネル１０２の内側に配置され、被投影部材であるウインドシールド１０３に表示画像を投影する。ウインドシールド１０３は、入射する光の一部を反射し、残りを透過させる半透過性を有することから、車両１００の前景を透過させながら、車両用表示装置１から出射された表示光Ｌを表示画像としてドライバＤのアイポイントＥＰに向けて反射する。ドライバＤは、ウインドシールド１０３によって反射された表示画像を虚像Ｓとして認識する。虚像Ｓは、ドライバＤに対してウインドシールド１０３よりも前方に認識される。本実施形態の車両用表示装置１は、図２に示すように、筐体２と、２つの反射ミラー３と、バックライトユニット５と、制御部７とを含んで構成される。

筐体２は、例えば、合成樹脂等で成形され、車体（不図示）に固定される。筐体２は、図２に示すように、内部空間２ｂに、バックライトユニット５、２つの反射ミラー３、及び制御部７を収容し、これらを支持している。筐体２は、外部と内部空間２ｂとを連通する開口２ａを有する。開口２ａは、筐体２において、ウインドシールド１０３に対向する位置に設けられ、透明カバー６で閉塞されている。透明カバー６は、バックライトユニット５から出射し、２つの反射ミラー３を反射した表示光Ｌを透過する。透明カバー６を透過した表示光Ｌは、ウインドシールド１０３に向かう。

２つの反射ミラー３は、図２に示すように、バックライトユニット５からウインドシールド１０３までの表示光Ｌの光路上に配置され、バックライトユニット５から出射された表示光Ｌをウインドシールド１０３に向けて反射する。２つの反射ミラー３は、平面ミラー８と、凹面ミラー９とで構成される。

平面ミラー８は、反射面が平面で形成され、バックライトユニット５と対向する位置に配置される。平面ミラー８は、バックライトユニット５から出射された表示光Ｌを反射面で凹面ミラー９に向けて全反射させる。

凹面ミラー９は、反射面が凹状曲面で形成され、平面ミラー８と対向する位置に配置される。凹面ミラー９は、平面ミラー８で反射した表示光Ｌを、透明カバー６を介してウインドシールド１０３に向けて全反射させる。凹面ミラー９は、例えば、拡大ミラーとしての機能を有する。凹面ミラー９は、当該凹面ミラー９にて反射する前の表示光Ｌが表す表示画像と比較して当該凹面ミラー９にて反射した後の表示光Ｌが表す表示画像が相対的に大きくなるように当該表示画像を拡大して反射する。

バックライトユニット５は、ウインドシールド１０３に投影される表示画像を表示光Ｌとして出射するものである。バックライトユニット５は、筒状筐体１０と、表示デバイス１１と、光源１２と、光源基板１３と、第１レンズ１４と、第２レンズ１５とを含んで構成される。

筒状筐体１０は、例えば、合成樹脂等により箱形状に成形され、光軸方向に沿って表示デバイス１１、第２レンズ１５をそれぞれ支持している。筒状筐体１０は、光軸方向の両端が開口しており、一方の開口が光源基板１３で閉塞され、他方の開口が表示デバイス１１で閉塞されている。

表示デバイス１１は、ウインドシールド１０３に投影される表示画像を、光源１２から入射する光により表示光Ｌとして出射する。表示デバイス１１は、いわゆる液晶パネルであり、例えば光透過型または光半透過型のＴＦＴ液晶（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）等から成る。表示デバイス１１は、複数の画素を含む表示エリア１１ａを有する。表示エリア１１ａにおいて、複数の画素は、マトリクス状に配列されている。表示デバイス１１は、例えば制御部７の制御信号に応じて数字や文字、図形等を含む表示画像を表示する。表示エリア１１ａは、表示画像が表示される領域である。表示デバイス１１は、光源１２から出射された光の光路上に配置され、光源１２側から照明されることで、光軸方向における光源１２と反対側の表示面が発光する。

光源１２は、表示デバイス１１を照明するものである。光源１２は、例えば、光源基板１３に実装された１つの発光素子で構成される。発光素子は、例えばＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）である。また、光源１２には、第１レンズ１４の光軸方向から見た光源基板１３の当該第１レンズ１４の光軸が通る位置に複数の発光素子が集中実装されているものが含まれる。この場合、１つの光源１２は、例えば、図３、図４の（Ａ）、図４の（Ｂ）に示すよう、光源基板１３において、第１レンズ１４の光軸が通る位置に集中実装された３つのＬＥＤ１６で構成される。３つのＬＥＤ１６は、光源基板１３に対して、光源方向と直交する方向に一列に配置される。光源１２は、例えば、車両１００に搭載された電源、例えばバッテリー（不図示）等から得られる電力により点灯する。なお、ＬＥＤ１６の数は、３つに限定されるものではない。また、複数のＬＥＤ１６の配列は、一列に限定されるものではなく、１つの光源と認識可能な範囲であれば、円環状に配置されても、多角形状に配置されていてもよい。

光源基板１３は、光源方向から見て矩形状に形成される。光源基板１３は、いわゆる実装面に光源１２である複数のＬＥＤ１６、複数の電子部品が実装されている。一方、光源基板１３の実装面の反対側の面には、例えば、ヒートシンク（不図示）が固定されている。光源１２から発生した熱は、光源基板１３に蓄積される。ヒートシンクは、光源基板１３に蓄積された熱をバックライトユニット５の外部に放出するものである。

第１レンズ１４は、光源１２と表示デバイス１１との間の光路上に配置され、光源１２から入射する光を表示デバイス１１に向けて偏向する。第１レンズ１４は、図３に示すように、光源１２と表示デバイス１１との間の光路上において、光源１２と第２レンズ１５との間に配置されている。第１レンズ１４は、例えばガラスや透明樹脂等の高屈折率材料で成形され、外側に向かおうとする光を内側に屈折させて第２レンズ１５に偏向するように機能する。第１レンズ１４は、図４の（Ｂ）の示すように、光軸方向から見て楕円形状に形成されている。第１レンズ１４は、図３、図４の（Ａ）に示すように、光源１２から出射された光が入射する入射面１４ａと、入射面１４ａから入射した光を表示デバイス１１に向けて出射する出射面１４ｂとを有する。

第１レンズ１４の入射面１４ａは、光源１２と対向しており、平坦面である。出射面１４ｂは、入射面１４ａとは反対側の面であり、第２レンズ１５に対向している。

第１レンズ１４の出射面１４ｂは、１つの光源１２に応じた１つの凸状の湾曲面で形成される。出射面１４ｂは、光軸方向と直交する方向から見た場合、従来の第１レンズ４０の出射面に形成される１つまたは複数の谷部が形成されておらず、１つの山部で構成される。従来の第１レンズ４０の出射面は、図４の（Ａ）、図４の（Ｂ）に示すように、複数の光源であるＬＥＤ６０に対して複数の山部を有するが、第１レンズ１４の出射面１４ｂは、１つの光源１２に対して１つの山部を有する。

第２レンズ１５は、光源１２と表示デバイス１１との間の光路上において、第１レンズ１４と表示デバイス１１との間に配置され、第１レンズ１４により偏向される光を表示デバイス１１に向けて配光する。第２レンズ１５は、例えばガラスや透明樹脂等の材料で成形され、表示デバイス１１の表示エリア１１ａに向かうように光を屈折して集光する。第２レンズ１５は、ネジ等によって筒状筐体１０に固定される。第２レンズ１５は、図４の（Ｂ）に示すように、光軸方向から見て矩形状に形成されている。第２レンズ１５は、第１レンズ１４により偏向された光が入射する入射面１５ａと、表示デバイス１１側に凸状に湾曲して形成され、かつ入射面１５ａから入射し透過する光を出射する出射面１５ｂとを有する。

第２レンズ１５の入射面１５ａは、第１レンズ１４と対向しており、第１レンズ１４側に凸状に形成された湾曲面である。

第２レンズ１５の出射面１５ｂは、図５の（Ａ）、図５の（Ｂ）に示すように、複数の微小レンズ曲面２０を有する。微小レンズ曲面２０は、いわゆるマイクロレンズの曲面であり、例えばフライアイ状のレンズ面である。複数の微小レンズ曲面２０は、凸状に湾曲した出射面１５ｂに沿って、例えば格子状に複数配列されている。複数の微小レンズ曲面２０は、図５の（Ａ）、図５の（Ｂ）に示すように、出射面１５ｂにおけるＸ方向およびＸ方向に直交するＹ方向に複数配列されている。各微小レンズ曲面２０は、正面視において、例えば長方形状をしている。微小レンズ曲面２０は、Ｘ方向に長さｘの長辺を有し、Ｙ方向に長さｘと異なる長さｙ（≠ｘ）の短辺を有する。複数の微小レンズ曲面２０は、例えば、Ｘ方向において同一の長さｘを有し、かつＹ方向において同一の長さｙ（≠ｘ）を有する。

制御部７は、図２に示すように、バックライトユニット５に接続され、当該バックライトユニット５を制御する。制御部７は、例えば、基板に実装されたＩＣチップ等で構成され、車両１００に搭載されたバッテリーから得られる電力により駆動する。

次に、車両用表示装置１における虚像表示動作について図２、図３を参照して説明する。まず、光源１２から出射した光は、第１レンズ１４の入射面１４ａから入射し、内部を透過して出射面１４ｂから出射する。出射面１４ｂから出射する光は、第１レンズ１４により屈折して第２レンズ１５の入射面１５ａに向けて偏光される。第２レンズ１５の入射面１５ａに入射した光は、内部を透過して出射面１５ｂから出射する。出射面１５ｂから出射する光は、第２レンズ１５により屈折し、出射面１５ｂに形成された複数の微小レンズ曲面２０により拡散して、表示デバイス１１の表示エリア１１ａに向けて照射される。表示デバイス１１は、表示エリア１１ａに表示された表示画像を、内部を透過した光により表示光Ｌとして出射する。

バックライトユニット５の表示デバイス１１から出射された表示光Ｌは、平面ミラー８に向かう。平面ミラー８は、バックライトユニット５から入射した表示光Ｌを凹面ミラー９に向けて反射する。凹面ミラー９は、平面ミラー８から入射する表示光Ｌを、凹状の反射面により、透明カバー６を介してウインドシールド１０３に向けて反射させる。これにより、ウインドシールド１０３に表示光Ｌに対応する表示画像が投影され、ドライバＤのアイポイントＥＰの前方に虚像Ｓが表示される。

本実施形態の車両用表示装置１は、第１レンズ１４の出射面１４ｂが、１つの光源１２に応じた１つの凸状の湾曲面で形成される。これにより、表示デバイス１１の表示エリア１１ａ全域への光の照射を確保しつつ、光源１２を第１レンズ１４の光軸または光軸側に配置させることが可能となる。この結果、１つの光源として、例えば１つの発光素子を用いた場合では、従来の基板サイズに対して光源基板１３を約５０％程度に小型化することができ、ひいてはバックライトユニット５及び車両用表示装置１の小型化を図ることができる。また、従来、１つの第１レンズに対して複数の光源を光源基板に均等に配置し、表示エリアの拡大化を行いつつ輝度の均一化を図っていることから、１つの光源と呼ばれる範囲外に光源が配置され、第１レンズの出射面に複数の山部が必要となる。しかしながら、１つの光源に対して１つの発光素子に限らず、例えば複数の発光素子を用いた場合、１つの光源と呼ばれる範囲に複数の発光素子を集中実装することで、１つの発光素子を用いた場合と同様に、第１レンズに複数の山部が不要となり、併せて谷部が無くなることで、虚像Ｓの明るさの変化が減少し視認性を向上させることができる。

また、車両用表示装置１は、第２レンズ１５が、出射面１５ｂに複数の微小レンズ曲面２０を有する。従来、光源１２の光を表示デバイス１１の表示エリア１１ａに照射するために、光路上に拡散レンズを配置して光を拡散しているが、拡散レンズを透過させることで光の損失が生じるおそれがある。そこで、第２レンズ１５の出射面１５ｂに複数の微小レンズ曲面２０を形成することで、拡散レンズが不要となり、拡散レンズを透過させることで生じる明るさの低下を抑制することができる。その結果、少なくとも１０％以上の視認性の向上を図ることができる。また、従来の拡散レンズが追加部品であることから、追加部品の組付けを削減し、装置の組み付け性を向上させることができる。

また、車両用表示装置１は、図６の（Ａ）に示すように、第２レンズ１５の出射面１５ｂが表示デバイス１１側に凸状に湾曲して形成され、かつ第２レンズ１５の入射面１５ａが、光源１２側に凸状に湾曲して形成される。一方、図６の（Ｂ）に示す従来の拡散レンズ５０は、入射面及び出射面の両面が凹状に湾曲して形成される。そのため、第２レンズ１５の光軸方向と直交する方向の両端面１５ｃの面積は、従来の拡散レンズ５０の両端面５０ａよりも減らすことができる。この結果、第２レンズ１５の両端面１５ｃで反射する反射光Ｌａを削減し、２つの遮光壁３０の間に形成される正規光路を通ってウインドシールド１０３に向かう反射光Ｌａを抑制することができ、虚像Ｓの視認性を向上させることができる。また、第２レンズ１５の端面１５ｃの傾き１５ｄを、外側から内側に向けて傾くように形成することにより、端面１５ｃで反射した反射光Ｌａを遮光壁３０に当てて遮光し、正規光路以外を通る光を減らして虚像Ｓの視認性を向上させることができる。

また、図７の（Ａ）に示す従来のバックライトユニット２０２は、表示光Ｌ以外の反射光Ｌａを出射するので、バックライトユニット２０２と凹面ミラー９との距離を短くすると、反射光Ｌａの一部が透明カバー６に反射して迷光となり、凹面ミラー９を介して表示光Ｌに混じって虚像Ｓを視認性が低下するおそれがある。上記構成により、反射光Ｌａを減らすことでバックライトユニット２０２と凹面ミラー９との距離を短くすることができる（図７（Ｂ））。この結果、筐体２を従来の車両用表示装置２００の筐体２０１よりも小型化することができる。

上記実施形態では、微小レンズ曲面２０は、フライアイ状のレンズ面であると説明した。一般的に、フライアイ状のレンズには、球面レンズからなるものと、シリンドリカルレンズからなるものがあるが、微小レンズ曲面２０が球面に限定されるものではなく、例えば非球面であってもよい。図８は、実施形態の変形例に係る微小レンズ曲面に適用された非球面の部分側面図、図９は、非球面の微小レンズによる照度分布を示す図である。実施形態の変形例に係る微小レンズ曲面２０Ａは、輝度ムラが抑制されるように略均一に光を拡散させる非球面である（図８、図９）。当該非球面の形状は、装置の光学系の幾何学的な配置や形状に応じて設計される。上記を満たす形状であれば、微小レンズ曲面２０Ａを光軸方向と直交する方向からみた形状が、対称形状、非対称形状、いずれでもよい。また、上記を満たす形状であれば、微小レンズ曲面２０が球面の場合のレンズ高さに対して微小レンズ曲面２０が非球面の場合のレンズ高さが高くてもよいし、低くてもよい。また、第２レンズ１５全体で輝度ムラが抑制されるように均一に光を拡散させることが可能であれば、複数の微小レンズ曲面２０Ａの全てが同一形状の非球面であってもよいし、互いに異なる形状の非球面であってもよい。このように微小レンズ曲面２０Ａは、非球面であることにより、第２レンズ１５の出射面１５ｂから表示デバイス１１に向けて出射される光を効率よく拡散することができ、光の局所的な集光が抑制されるので、表示画像の輝度ムラを抑制することが可能となる。この結果、本実施形態の変形例に係る車両用表示装置１は、ドライバＤの前方に表示される虚像Ｓの視認性を向上させることができる。

なお、上記実施形態では、バックライトユニット５は、液晶方式であるが、他の方式、例えばレーザ方式やＤＬＰ（ＤｉｇｉｔａｌＬｉｇｈｔＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）方式、プロジェクタ方式であってもよい。

また、上記実施形態では、制御部７は、車両１００に搭載されたＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ：電子制御ユニット）（不図示）に接続され、当該ＥＣＵとの間で信号の送受信を行っていてもよい。

また、上記実施形態では、車両用表示装置１は、２つの反射ミラー３を有しているが、これに限定されない。例えば、図７の（Ｂ）に示す車両用表示装置１Ａのように、１つの反射ミラー３（凹面ミラー９）を有していてもよい。また、３つ以上の反射ミラー３を有していてもよい。平面ミラー８は、凹面ミラーであってもよいし、例えば、凸面ミラー、非球面ミラー、球面ミラー、自由曲面ミラー等であってもよい。凹面ミラー９は、例えば、凸面ミラー、非球面ミラー、球面ミラー、自由曲面ミラー等であってもよい。また、凹面ミラー９は、拡大ミラーとしての機能を有するが、これに限定されず、補正ミラーとしての機能を有してもよい。

また、上記実施形態では、車両用表示装置１，１Ａは、表示画像を車両１００のウインドシールド１０３に投影しているが、これに限定されず、例えばコンバイナ等に投影してもよい。

また、上記実施形態では、車両用表示装置１，１Ａは、自動車等の車両１００に適用されているが、これに限定されず、例えば車両１００以外の船舶や航空機等に適用してもよい。

１車両用表示装置
５バックライトユニット
１１表示デバイス
１２光源
１３光源基板
１４第１レンズ
１４ａ，１５ａ入射面
１４ｂ，１５ｂ出射面
１５第２レンズ
２０微小レンズ曲面
１００車両
１０３ウインドシールド
Ｌ表示光
Ｓ虚像

Claims

１つの光源と、
車両に設けられた被投影部材に投影される表示画像を、前記光源から入射する光により表示光として出射する表示デバイスと、
前記光源と前記表示デバイスとの間の光路上に配置され、前記光源から入射する光を前記表示デバイスに向けて偏向する第１レンズと、
前記光路上において、前記第１レンズと前記表示デバイスとの間に配置され、前記第１レンズにより偏向される光を前記表示デバイスに向けて配光する第２レンズと、を備え、
前記第１レンズは、
前記表示デバイスに向けて光を出射する出射面を有し、
前記第１レンズの出射面は、
１つの前記光源に応じた１つの凸状の湾曲面で形成され、
前記第２レンズは、
前記第１レンズにより偏向された光が入射する入射面と、
前記表示デバイス側に向けて凸状に湾曲して形成され、かつ前記入射面から入射し透過する光を出射する出射面と、を有し、
前記第２レンズの出射面は、
複数配置された微小レンズ曲面を有する、
ことを特徴とする車両用表示装置。
前記第２レンズの入射面は、
前記光源側に凸状に湾曲して形成される、
請求項１に記載の車両用表示装置。
前記微小レンズ曲面は、
非球面である、
請求項１または２に記載の車両用表示装置。