(57)【要約】【課題】 液晶表示パネルの面内を高輝度かつ、均一的に照明することができる照明装置を提供すること。【解決手段】 本発明に係る照明装置は、液晶表示パネルを照明するための複数の光源と、前記光源から発せられた照明光を前記液晶表示パネルの側に照明するレンズアレイと、前記レンズアレイと前記液晶表示パネルの間に介在して、前記レンズアレイから照明された照明光の方向を調整するフィールドレンズとを備え、前記フィールドレンズは、少なくとも入射面側の一部の領域に拡散領域を有することを特徴とする照明装置。【選択図】  図２
2015219425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光を発する複数の光源と、
前記光源から発せられた前記照明光を集光するレンズアレイと、
前記レンズアレイから出射された照明光を液晶表示パネルの面内の各場所に応じた出射角度及び出射方向に調整するフィールドレンズとを備え、
前記フィールドレンズは、前記照明光の入射面側の一部の領域に拡散領域を有することを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記拡散領域は、隣り合う前記光源から発せられた照明光の重複領域以上の範囲を占めることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記拡散領域は、前記重複領域が並ぶ方向に曲率を持つシリンドリカルレンズ形状を、前記方向に配列した構造を持つことを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記拡散領域は、マイクロレンズ形状を周期的に配列した構造を持つことを特徴とする前記請求項１又は請求項２に記載の照明装置。
【請求項５】
前記拡散領域は、表面を粗くした凹凸形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の照明装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の照明装置を備えたヘッドアップディスプレイシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の光源を有するヘッドアップディスプレイ用の照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）光源の高寿命化及び高輝度化により、ＬＥＤ光源の普及が進んでいる。また、液晶表示パネルの小型化により、液晶表示パネルの普及も進んでいる。そして、その結果、ＬＥＤ光源又は液晶表示パネルを搭載した車載用ヘッドアップディスプレイの開発が盛んに行われている。
従来のスピードメータ又はカーナビゲーションシステムでは、走行中に運転手がナビゲーション情報を確認する際に、運転手は大きな目の位置移動を必要とした。ここで、「ナビゲーション情報」とは、例えば、車の速度、道路情報、又は目的地までの道順などの情報である。また、「ナビゲーション情報の確認の際の目の位置移動」とは、例えば、走行方向の前方から車内のスピードメータ又はナビゲーションシステムへ視線を移動させることを言う。ヘッドアップディスプレイは、虚像によって、あたかも画像が浮き出ているかのように表示させる。虚像が浮き出ているかのように表示される位置は、車内から見える景色と運転手の目線を結んだ位置であり、ウインドシールドガラスより前方の位置である。虚像を表示することは、運転手の目の位置の移動を非常に小さくすることができる。
【０００３】
ヘッドアップディスプレイでは、晴天のときなど車外の景色が非常に明るい場合でも、運転手に車の速度など走行に重要な情報を視認させる必要がある。そのために、ヘッドアップディスプレイの高輝度化又は表示画像の面内輝度の均一性の向上を目的に様々な方法が検討されている。
【０００４】
ヘッドアップディスプレイにおける高輝度化へ向けた主な取り組みを、以下に説明する。先に述べた速度情報を含むナビゲーション情報は、基本的に運転手にのみに視認されるため、ヘッドアップディスプレイで表示された映像光は、限られた範囲に投写されればよい。「映像光」とは、画像情報を有する光のことである。よって、映像光を限られた範囲に投写することで、ヘッドアップディスプレイの高輝度化は実現される。なお、運転手が最低限必要な映像を視認できる範囲を、一般的に「アイボックス」と呼ぶ。本明細書内においても上記の範囲をアイボックスとして記載する。
【０００５】
また、表示デバイスに透過型液晶表示パネルを採用した際の面内の輝度ムラの主な発生要因について説明する。透過型液晶表示パネルを使用する際には、ＬＥＤ光源は、透過型液晶表示パネルの裏面側に配置されて、透過型液晶表示パネルを照明する。「裏面側」とは、透過型液晶表示パネルに対して運転手側と反対側の位置である。この際、所望の輝度を得るため、複数のＬＥＤ光源を使用する。
ここで、「所望の輝度」とは、例えば、晴天のときなど車外の景色が非常に明るい場合でも、運転手が車の速度など走行に重要な情報を視認できる輝度である。複数のＬＥＤ光源を使用することで、透過型液晶表示パネルの輝度を向上させることができる。しかし、複数のＬＥＤ光源の配置によっては、ＬＥＤ光源から発した照明光と隣り合うＬＥＤ光源から発せられた照明光とが透過型液晶表示パネル上において重複する。このように、重複した領域が他の領域とくらべて明るくなることで、透過型液晶表示パネル上で輝度ムラが視認される。
【０００６】
特許文献１では、複数の光源からなる光源体と、個々の光源に対応するレンズを複数有するレンズアレイとを備え、レンズアレイの各レンズの境界には凹凸形状が形成されている。これにより、境界線が全体に渡って直線形状で有る場合と比べて境界線の形状が複雑となり、縞として認識される可能性が低輝度領域の形状を不明瞭とし、境界線の輝度を平均化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１―７６８３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、レンズ間の境界線を凹凸形状とすることによって、各ＬＥＤ光源が発光する光量のうち、照明光として取り込める光量が減少してしまう。また、レンズアレイの境界線を凹凸形状にすることは、その境界線でのレンズアレイの製作が難しく、レンズの機能を有さない無効領域を発生させてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る照明装置は、照明光を発する複数の光源と、前記光源から発せられた前記照明光を集光するレンズアレイと、前記レンズアレイから出射された照明光を液晶表示パネルの面内の各場所に応じた出射角度及び出射方向に調整するフィールドレンズとを備え、前記フィールドレンズは、光の入射面側の一部の領域に拡散領域を有することを特徴とする
。
【発明の効果】
【００１０】
レンズアレイから投射された複数の照明光を受けるフィールドレンズの入射面上に、隣接する照明光の重複する領域に凹凸構造を設けることにより、簡易な構成で輝度の低下を抑制できる照明装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイシステムを示した概略図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ用照明装置の概略図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る拡散領域における光学構造を示した概略図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る拡散領域を設けない場合の光学的作用を示した概略図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る光学的作用を示した概略図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る拡散領域の大きさを示した概略図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る拡散領域における光学構造を示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
【００１３】
図１は、本発明に係るヘッドアップディスプレイ用照明装置１を搭載した車載ヘッドアップディスプレイシステム７の概略図である。車載ヘッドアップディスプレイシステム７は、ヘッドアップディスプレイ用照明装置１、コンバイナ３及びアイボックス５を備える。また、車載ヘッドアップディスプレイシステム７は、凹面鏡２を備えることができる。また、図１は、車載ヘッドアップディスプレイシステム７を視認する運転手の目の位置６をさらに示す。ここで、「コンバイナ」とは、ヘッドアップディスプレイにおいて、運転手の前方の風景と映像を重ねて表示するハーフミラーのことである。
【００１４】
本発明に係る車載ヘッドアップディスプレイシステムは、例えば、ダッシュボード内にヘッドアップディスプレイ用照明装置１及び凹面鏡２を搭載し、ウインドシールドガラスの位置にコンバイナ３を搭載している。なお、車載ヘッドアップディスプレイシステムの設置場所はこれに限定されるものではない。
【００１５】
本発明に係るヘッドアップディスプレイ用照明装置１は、透過型の液晶表示パネル１４によって映像情報を表示する。透過型の液晶表示パネル１４を透過した照明光線４は、投写光学系によって、鑑賞者である運転手に、液晶表示パネル１４上で表示した映像の虚像として認識される。投写光学系は、例えば、凹面鏡２又はコンバイナ３を含む。映像は、液晶表示パネル１４上に拡大されて表示される。運転手は、この拡大された映像を、運転手の目の位置６からコンバイナ３に至る光軸上の位置に、あたかも車外の風景上に映像が浮き出ているような虚像として視認する。なお、図１では虚像を構築するための凹面鏡２を１つとして表記しているが、数量や表面形状はこれに限定されるものではなく、複数個であってもよい。また、虚像を構築する鏡を凹面鏡２としたが、平面又は凸面であってもよい。
【００１６】
虚像が視認できる目の位置の範囲をアイボックス５と呼ぶ。運転手の目の位置６がそのアイボックス５の範囲内であれば、運転手は表示された映像を視認できる。アイボックス５の大きさは凹面鏡２及びコンバイナ３の形状に加えて、液晶表示パネル１４から出射される光の発散角等によって決定される。このアイボックス５の大きさが大きくなると、液晶表示パネル１４から出射される光の発散角も大きくする必要がある。光の拡散角度が大きくなることにより、液晶表示パネル１４の面内の輝度が低下する。液晶表示パネル１４から出射され光の拡散角度は、液晶表示パネル１４の面内の輝度ムラを防止するために、コンバイナの外形サイズに対して大きく設定される。コンバイナの外形サイズは、凹面鏡２及びコンバイナ３によって決められる。よって、液晶表示パネル１４の面内の輝度ムラを防止することは、輝度の低下を招く。
【００１７】
図２は、本発明実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ用照明装置１の概略図である。ヘッドアップディスプレイ用照明装置１は、複数のＬＥＤ光源１１、レンズアレイ１２及びフィールドレンズ１３を備える。また、ヘッドアップディスプレイ用照明装置１は、さらに液晶表示パネル１４を備えることができる。以下、説明を容易にするために、図２以下の各図中にＸＹＺ直交座標の座標軸を示す。
以下の説明において、ヘッドアップディスプレイ用照明装置１の前方を＋Ｚ軸方向とし、後方を−Ｚ軸方向とする。前方を向いて右側を＋Ｙ軸方向とし、左側を−Ｙ軸方向とする。ヘッドアップディスプレイ用照明装置１の上方向（空の方向）を＋Ｘ軸方向とし、ヘッドアップディスプレイ用照明装置１の下方向（地面の方向）を−Ｘ軸方向とする。
【００１８】
ＬＥＤ光源１１は、ヘッドアップディスプレイ用照明装置１の光源として使用される。ＬＥＤ光源１１から発せられた光は、ＬＥＤ光源１１上の発光面からほぼ全方向に向けて均一に発せられる。レンズアレイ１２は、ＬＥＤ光源１１から全方向に向けて発せられた光を、液晶表示パネル１４の方向に向けることができる。レンズアレイ１２のレンズ数は、ＬＥＤ光源１１と同じ数である。また、各レンズの光軸は、ＬＥＤ光源１１の発光面の中心における法線と一致する。
【００１９】
本実施の形態１では、レンズアレイ１２を用いているが、これは小型化、部品点数の削減又は保持部品の削減を目的としている。本発明においてはレンズアレイ１２に限定されるものではなく、各ＬＥＤ光源１１によって全方向に向けられた光束を一方向に向けて照明することを目的としたレンズをそれぞれ設置してもよい。また、図２のヘッドアップディスプレイ用照明装置１は、４個のＬＥＤ光源を搭載しているが、この数量に限定されるものではない。
【００２０】
前記レンズアレイ１２によって集光された照明光は、フィールドレンズ１３に入射する。ここで、「集光」とは、全方向に向けて発せられた光が一方向に集められることである。フィールドレンズ１３は、照明光を液晶表示パネル１４の方向へ集光する。また、フィールドレンズ１３は、液晶表示パネル１４の面内の各場所に応じた出射角度及び出射方向に調整する。液晶表示パネル１４における出射角度及び出射方向の調整は、液晶表示パネル１４から出射された後の虚像を構築するための投写光学系の設計に合わせて行われる。フィールドレンズ１３は、本実施の形態１では例えば平凸形状を持つとしている。しかし、これに限定されるものではなく、他の形状であってもよい。
【００２１】
図２のフィールドレンズ１３の入射面の一部は、拡散領域を備えている。実施の形態１では、この拡散領域に微細光学構造が形成されている。図３は、フィールドレンズ１３の入射面に形成された光学構造１３１の概略図である。図３に示すように実施の形態１における各光学構造１３１の断面形状は、曲率を有する方向にシリンドリカルレンズを並べた構造となっている。実施の形態１における光学構造１３１の形状は、Ｘ方向にのみ曲率を有した凸形状のレンズが形成されたものである。その一方、実施の形態１における各光学構造１３１の形状は、Ｙ方向に曲率を持たないように形成されている。このシリンドリカルレンズ形状がＸ方向に周期的に配列及び形成されたレンチキュラーレンズ構造となる。
【００２２】
光学構造１３１は、フィールドレンズ１３と一体に形成される。フィールドレンズ１３と光学構造１３１とは、本実施の形態１ではアクリル又はポリカーボネートなどの一般的な樹脂で形成されることを想定している。なお、これらの材質に限定されるものではない。また、光学構造１３１のピッチは、この光学構造１３１の周期に合わせて液晶表示パネル１４上に輝度ムラを発生することを防止するために、数十マイクロメートルから数百マイクロメートルまでが望ましい。
【００２３】
光学構造１３１を設けることによる効果について説明する。図４は、拡散領域である光学構造１３１を設けない場合の光学的作用を示した概略図である。図４（ａ）には、光学構造１３１を有さないヘッドアップディスプレイ用照明装置が示されている。図４（ｂ）には、左側に示されたヘッドアップディスプレイ用照明装置に対応する輝度分布を示している。輝度分布は、液晶表示パネル１４上でのＸ方向の輝度変化を示している。各ＬＥＤ光源１１から発せられた照明光は、先に述べたように、レンズアレイ１２によって液晶表示パネル１４の方向へ集光される。なお、液晶表示パネル１４の方向へ集光される照明光は、レンズアレイ１２により平行光とされることが望ましい。しかし、ＬＥＤ光源１１の発光部は面積を有するために、完全に平行化することができず、拡がりを持った照明光となる。この拡がりを持った照明光は、フィールドレンズ１３においても完全に平行化されることなく、液晶表示パネル１４に到達する。そして、この照明光は、図４（ａ）の斜線部で示したように、隣り合うＬＥＤ光源１１から発した照明光と重なり合う領域を発生させる。この照明光が重なり合った領域は、図４の右図に示す照度分布のように輝度が高くなる。鑑賞者である運転手は、この領域がＸＹ平面上のＹ方向に向かった明るい線のように見える輝度ムラとして視認する。
【００２４】
光学構造１３１は、この輝度ムラを解消する目的で設けている。図５は、拡散領域１３１を設けた場合の光学的作用を示した概略図である。図５（ａ）には、光学構造１３１を有するヘッドアップディスプレイ用照明装置が示されている。図５（ｂ）には、左側に示されたヘッドアップディスプレイ用照明装置に対応する輝度分布を示している。輝度分布は、液晶表示パネル１４上でのＸ方向の輝度変化を示している。光学構造１３１は、フィールドレンズ１３上に発生する隣り合うＬＥＤ光源１１によって発せられる照明光領域の重複部分に設けられる。光学構造１３１は、レンチキュラーレンズ構造によって、Ｘ軸方向に沿って重複している照明光を拡散する。このことにより、光学構造１３１は、図５の右側に示すように輝度分布の均一を向上させることができる。また、レンチキュラーレンズ構造は、このように一方向（Ｘ軸方向）にのみ光を拡散するため、必要なアイボックス５のサイズ以上の領域に照明光が到達することを抑制できる。
【００２５】
この光学構造１３１におけるレンチキュラーレンズ構造の曲率は、液晶表示パネル１４とフィールドレンズ１３との距離、レンズアレイ後の照明光のもつ面内照度分布又は角度照度分布等により決定される。
【００２６】
図６は、フィールドレンズ１３上に設けた拡散領域の大きさに関する概略図である。図６は、−Ｚ軸方向から見たフィールドレンズ１３上の入射面を示している。図６において、円１５は入射面における各ＬＥＤ光源１１からの照明領域を示している。図６に示すように、各ＬＥＤ光源１１からの光が重複する領域よりも大きい領域に、光学構造１３１は形成されている。これによって、重複する領域での輝度ムラを抑えることができる。また、これ以外の重複していない領域においても、ＬＥＤ光源単体のもつ液晶表示パネル１４上の面内の緩やかな輝度分布ムラを緩和することができる。液晶表示パネル１４上の輝度は、１つのＬＥＤ光源１１が照明する領域の中心で最も高くなり、中心からの距離が大きくなるに連れて、緩やかに低くなる。この輝度の変化が、ＬＥＤ光源単体のもつ液晶表示パネル１４上の輝度分布ムラである。この光学構造１３１が占める領域については、本実施の形態１では一例として、照明光の重複する領域よりも大きいとしている。しかし、照明光の重複する領域は、レンズアレイ１２からフィールドレンズ１３までの距離、又はレンズアレイ１２のレンズ曲率にも影響される。そのため、本実施の形態１に限定されるものではなく、重複する領域と同等の大きさであってもよい。
【００２７】
＜変形例１＞
変形例１は、異なる形状の光学構造１３２を示す。図７は、拡散領域における光学構造１３１の概略図である。上述のレンチキュラーレンズ構造は、Ｘ方向のみに曲率を有していた。これに対し、変形例１のレンチキュラーレンズ構造は、レンズアレイ構造を持つ。つまり、変形例１のレンチキュラーレンズ構造は、Ｘ方向だけではなく、Ｙ方向にもレンズ曲率を持つことを特徴とする。この構造により、Ｘ方向だけでなく、Ｙ方向においても液晶表示パネル１４上での輝度ムラを平均化することができる。
【００２８】
レンズアレイ１２のレンズ部における曲率は、液晶表示パネル１４からフィールドレンズまでの距離によって決定される。また、レンズアレイ１２のレンズ部における曲率は、レンズアレイ１２の−Ｚ軸方向から照射される照明光が持つ面内照度分布及び角度照度分布によって決定される。なお、面内照度分布及び角度照度分布における「照度」は、液晶表示パネル１４上の表示面を照明する照度を示す。
【００２９】
＜変形例２＞
変形例２は、フィールドレンズ１３上における拡散領域の表面の形状が異なる。変形例２は、拡散領域を磨りガラス形状に表面を粗くした凹凸形状であることを特徴とする。
【００３０】
拡散領域１３１を磨りガラス形状１３３とすることで、変形例１と同様に照明光の重複領域の照明光を拡散させて、液晶表示パネル上での輝度の均一性を高めることができる。
【００３１】
また、上述の例では微細な光学構造１３１，１３２を成形等により形成していた。しかし、変形例２では表面を粗くした磨りガラス形状１３３とすることにより、フィールドレンズ１３の作りやすさを向上することができる。
【００３２】
また、上述のように、フィールドレンズ１３に光学構造１３１，１３２，１３３を設けることにより、特許文献１で別途設けられている拡散シートを省くことができる。特許文献１の照明装置は、別途設けられている拡散シートを使用する必要があり、部品点数を増加させることに加えて、ヘッドアップディスプレイの大型化が危惧される。車載環境では車の走行時の振動などの外部要因によってヘッドアップディスプレイ内の光学系などに与える影響を少なくする必要がある。このため、ヘッドアップディスプレイは部品点数の削減が求められる。また、車載用のヘッドアップディスプレイの設置できるサイズは限定されていることから、ヘッドアップディスプレイの小型化が求められている。
【００３３】
なお、上述の実施の形態においては、光源をＬＥＤ光源として説明した。しかし、ＬＥＤ光源に限るものではない。光源は、レーザー光源又は蛍光体に励起光を照射して発光させる光源等であっても良い。また、複数のランプ光源を並べて照明するような光源であっても良い。
【００３４】
また、上述の実施の形態においては、「平行」などの部品間の位置関係もしくは部品の形状を示す用語を用いている場合がある。これらは、製造上の公差や組立て上のばらつきなどを考慮した範囲を含むことを表している。このため、請求の範囲に部品間の位置関係もしくは部品の形状を示す記載をした場合には、製造上の公差又は組立て上のばらつき等を考慮した範囲を含むことを示している。
【００３５】
また、以上のように本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限るものではない。
【符号の説明】
【００３６】
１  ヘッドアップディスプレイ用照明装置、２  凹面鏡、３  コンバイナ、４  照明光線、５  アイボックス、６  運転手の目の位置、７  車載ヘッドアップディスプレイシステム、１１  ＬＥＤ光源、１２  レンズアレイ、１３  フィールドレンズ、  １４  液晶表示パネル、１３１  光学構造。
【図１】
2015219425.tif 000003
【図２】
2015219425.tif 000004
【図３】
2015219425.tif 000005
【図４】
2015219425.tif 000006
【図５】
2015219425.tif 000007
【図６】
2015219425.tif 000008
【図７】
2015219425.tif 000009