(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＨＵＤ照明システムであって、コリメート・均一化ユニットと光強度分布調整ユニットとを備え、
前記コリメート・均一化ユニットは、入射した光源を均一コリメートビームに変換することに用いられ、
前記光強度分布調整ユニットは、異なる点に光量分布が異なるように照明を調整することに用いられ、
前記コリメート・均一化ユニットにおけるコリメートビームはビーム断面において照度が均一であり、前記光強度分布調整ユニットにおける出力ビームによる断面は前記ＨＵＤにおける結像光学システムの液晶ディスプレイパネルのサイズとマッチングし、
前記コリメート・均一化ユニットは、光の屈折又は反射によって、光源から発光されたビームをＨＵＤ結像画角に一致するコリメートビームに直接整形し、
前記コリメート・均一化ユニットは、少なくとも２つの光学素子を備え、２つの前記光学素子は第１光学素子と第２光学素子を備え、
前記第１光学素子と前記第２光学素子は、前面が自在曲面であり、後面が平面であり、
又は、前記第１光学素子と前記第２光学素子は、前面が平面であり、後面が自在曲面である
ことを特徴とするＨＵＤ照明システム。
【請求項２】
前記光強度分布調整ユニットは、光量分布がＨＵＤ結像光学システムとマッチングするように、屈折又は反射するための光学素子を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のＨＵＤ照明システム。
【請求項３】
前記光強度分布調整ユニットは、入射ビームを散乱させるための拡散素子をさらに備え、前記拡散素子は、拡散膜又はマイクロレンズアレイのうちのいずれかである、
ことを特徴とする請求項２に記載のＨＵＤ照明システム。
【請求項４】
前記ＨＵＤ照明システムをアレイに配列する、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＨＵＤ照明システム。
【請求項５】
前記コリメート・均一化ユニットにおいて、照明面が円形である場合、自在曲面が回転対称非球面であり、及び／又は、照明面が非円形面である場合、自在曲面が非回転対称曲面である、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＨＵＤ照明システム。
【請求項６】
前記コリメート・均一化ユニットにおいて、断面は円形、正方形、長方形、正多角形のうちの一つである
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＨＵＤ照明システム。
【請求項７】
均一コリメート光路の光射出面が平面であり、光強度分布調整素子の光入射面が平面である場合、照明システム全体の素子の数を減少させるために、２つの素子の平面を１つに統合することができる、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＨＵＤ照明システム。
【請求項８】
前記光強度分布調整ユニットにおいて光入射面が平面であり、射出面が球面又は曲面であり、且つ各方位角の光強度分布形態を調整することによって、アイボックスの形状を調整する、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＨＵＤ照明システム。
【請求項９】
前記コリメート・均一化ユニットにおいて、入射した光源ビームを光の屈折、反射及び／又は回折の方式によって、ビーム断面において照度が均一なコリメートビームに変換する、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＨＵＤ照明システム。
【請求項１０】
照明システム、照明ＬＣＤ、結像光学システム、アイボックス領域４及び投影虚像を備え、照明システムから発光された光源ビームが順次照明ＬＣＤ、結像光学システムを透過してアイボックス領域に到達するヘッドアップディスプレイ装置であって、照明システムは請求項１〜３のいずれか１項に記載のＨＵＤ照明システムである、
ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１１】
ＨＵＤ照明システムの実現方法であって、
光源から発光されたビームが順次コリメート・均一化ユニット、光強度分布調整ユニット、ＬＣＤ、結像光学システムを透過してアイボックス領域に送信するステップＳ１と、
前記コリメート・均一化ユニットが、入射した光源を均一コリメートビームに変換するステップＳ２と、
前記光強度分布調整ユニットが、異なる点に光量分布が異なるように照明を調整するステップＳ３と、
前記コリメート・均一化ユニットのコリメートビームがビーム断面における照度を均一にし、前記光強度分布調整ユニットにおける出力ビームによる断面は前記ＨＵＤにおける結像光学システムの液晶ディスプレイパネルのサイズとマッチングさせるステップＳ４とを含み、
前記コリメート・均一化ユニットは、光の屈折又は反射によって、光源から発光されたビームをＨＵＤ結像画角に一致するコリメートビームに直接整形し、
前記コリメート・均一化ユニットは、少なくとも２つの光学素子を備え、２つの前記光学素子は第１光学素子と第２光学素子を備え、
前記第１光学素子と前記第２光学素子は、前面が自在曲面であり、後面が平面であり、
又は、前記第１光学素子と前記第２光学素子は、前面が平面であり、後面が自在曲面である
ことを特徴とするＨＵＤ照明システムの実現方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学分野、ＬＥＤ照明分野及び車載ヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ）分野に関し、特に自動車の車載ＨＵＤヘッドアップディスプレイ装置に適用されるＨＵＤ照明システム及び実現方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
運転者が運転中に、車両情報、ナビゲーション情報などを見やすくするために、一般的にヘッドアップディスプレイ装置ＨＵＤを用いて、画像情報を光学方式で運転者の視線の近くに投影することで、頭を下げてダッシュボードを見ることを避ける。ヘッドアップディスプレイ装置に投影された画像は、運転者の眼球の近く領域（以下、アイボックス領域として呼ばれる）内に明るさが均一かつ完全に見える。
【０００３】
従来技術の一般的なＨＵＤの構造は図１に示されるように、主に、照明システム１、照明ＬＣＤ２、結像光学システム３、アイボックス領域４及び投影虚像５を備える。ＨＵＤにおける照明システムの主な問題は、均一性、効率及び体積であり、具体的には、
１）効率とは、照明ビームが結像光学システム３を介して反射された後、できるだけ多くアイボックス領域４に入り、高効率な照明を実現することであり、
２）均一性とは、アイボックス領域４において見た虚像５が、画面の各点の明るさが均一であることを満たす必要があることであり、
３）体積とは、ヘッドアップディスプレイ装置の体積構造がコンパクトであることである。
【０００４】
以上の問題を解決するために、現在主に以下の２つの方法を用いる。一方、図２に示されるように、ＬＥＤ、反射面及び照明面を備え、構造がコンパクトである反射式方法である。存在する問題は主に、照明発散角が大きく、照明面における各点の光量分布がほとんど一致し、光量分布がＨＵＤ結像光学システムとマッチングしないため、照明効率が低下してしまい、ＨＵＤの画像明るさに影響を与えることである。他方、ＬＥＤビームを非均一な略平行光にコリメートし、ケーラー照明光路を用いて、照明面の均一性を調整するレンズセット方法である。照明面の均一性と照明効率の問題を解決するが、一般的に構造体積が大きい。上記目的を実現するために、照明システムは、以下の２点を満たす必要がある。１）被照明面ＬＣＤにおける光強度分布がＨＵＤ結像光学システムとマッチングする。２）被照明面ＬＣＤにおいて、光照空間の分布が均一である。
【０００５】
また、ＨＵＤは低い消費電力、高い明るさ、小さな体積、コンパクトな構造を実現する必要があり、これらの要件の実現に対して非常に重要なのは背光照明システムであり、如何にシステムのパワーを低減させるとともに、構造がコンパクトな照明システムを提供して、ヘッドアップディスプレイ装置に適用するかというのは非常に重要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決する技術課題は、ヘッドアップディスプレイ装置の低い消費電力、高い明るさ、小さな体積、コンパクトな構造を達成するように、ＨＵＤ照明システムを提供することである。
【０００７】
本発明におけるヘッドアップディスプレイ装置は、少なくとも、液晶ディスプレイパネル（ＬＣＤ）、結像光学システム及び照明システムを備える。前記結像光学システムはＬＣＤに表示される画像を投影して、運転者の前に虚像を形成する。前記ＬＣＤが発光しないが、前記照明システムがＬＣＤに照明する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記技術課題を解決するために、本発明は、ＨＵＤ照明システムを提供しており、コリメート・均一化ユニットと光強度分布調整ユニットとを備え、
前記コリメート・均一化ユニットは、入射した光源を均一コリメートビームに変換することに用いられ、
前記光強度分布調整ユニットは、異なる点に光量分布が異なるように照明を調整することに用いられ、
前記コリメート・均一化ユニットにおけるコリメートビームビームは断面において照度が均一であり、前記光強度分布調整ユニットにおける出力ビームは前記ＨＵＤにおける結像光学システムとマッチングする。
【０００９】
更に、前記コリメート・均一化ユニットは、光の屈折又は反射によって、光源から発光されたビームを必要に応じて設定された断面に直接整形する。
【００１０】
更に、前記コリメート・均一化ユニットは、少なくとも２つの光学素子を備え、２つの前記光学素子は第１光学素子と第２光学素子を備え、
前記第１光学素子と前記第２光学素子は、前面が自在曲面であり、後面が平面であり、
又は、前記第１光学素子と前記第２光学素子は、前面が平面であり、後面が自在曲面であり、
又は、第１光学素子と第２光学素子のうちの少なくとも２つの表面が自在曲面である。
【００１１】
更に、前記光強度分布調整ユニットは、光量分布がＨＵＤ結像光学システムとマッチングするように、屈折又は反射するための光学素子を備える。
【００１２】
更に、システムは、拡散膜又はマイクロレンズアレイのうちのいずれかであり、入射ビームを散乱させるための拡散素子をさらに備える。
【００１３】
更に、照明面積を増大させる必要があると、前記ＨＵＤ照明システムをアレイに配列することを特徴とする。
【００１４】
更に、前記コリメート・均一化ユニットにおいて、照明面が円形である場合、自在曲面が回転対称非球面であってもよく、及び／又は、照明面が非円形面である場合、自在曲面が非回転対称曲面である。
【００１５】
更に、前記コリメート・均一化ユニットにおいて、断面は円形、正方形、長方形であってもよい。
【００１６】
更に、均一コリメート光路の光射出面が平面であり、光強度分布調整素子の光入射面が平面である場合、照明システム全体の素子の数を減少させるために、２つの素子の平面を１つに統合することができる。
【００１７】
更に、前記光強度分布調整ユニットにおいて光入射面が平面であり、射出面が球面又は曲面であり、且つ各方位角の光強度分布形態を調整することによって、アイボックスの形状を調整する。
【００１８】
更に、前記コリメート・均一化ユニットにおいて、入射した光源ビームを光の屈折、反射及び／又は回折の方式によって、ビーム断面において照度が均一なコリメートビームに変換する。
【００１９】
よって、本発明はヘッドアップディスプレイ装置をさらに提供しており、照明システム、照明ＬＣＤ、結像光学システム、アイボックス領域４及び投影虚像を備え、照明システムから発光された光源ビームが順次照明ＬＣＤ、結像光学システムを透過してアイボックス領域に到達し、照明システムは前記ＨＵＤ照明システムである。
【００２０】
よって、本発明はＨＵＤ照明システムの実現方法をさらに提供しており、
光源から発光されたビームが順次コリメート・均一化ユニット、光強度分布調整ユニット、ＬＣＤ、結像光学システムを透過してアイボックス領域に送信するステップＳ１と、
前記コリメート・均一化ユニットが、入射した光源を均一コリメートビームに変換するステップＳ２と、
前記光強度分布調整ユニットが、異なる点に光量分布が異なるように照明を調整するステップＳ３と、
前記コリメート・均一化ユニットのコリメートビームがビーム断面における照度を均一にし、前記光強度分布調整ユニットにおける出力ビームを前記結像光学システムとマッチングさせるステップＳ４とを含む。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の有益な効果は以下のとおりである。
１）本発明におけるＨＵＤ照明システムは、コリメート・均一化ユニットと光強度分布調整ユニットとを備えるので、前記コリメート・均一化ユニットは、入射した光源をコリメートビームに変換し、且つ前記コリメート・均一化ユニットのコリメートビームがビーム断面における照度を均一にすることに用いられる。前記光強度分布調整ユニットは、異なる点に光量分布が異なるように照明し、且つ前記光強度分布調整ユニットにおける出力ビームが前記ＨＵＤにおける結像光学システムとマッチングする。それにより、本願におけるＨＵＤ照明システムがＨＵＤ光学結像系とマッチングすることができ、照明ビームをアイボックス領域に集中させ、照明効率を向上させる。単レンズの均一コリメート照明システムに比べて、本発明における方法は、光線のレンズにおける射出角度を改善し、効率の向上に有利である。
【００２２】
２）また、コリメート・均一化ユニットと光強度分布調整ユニットが素子の数を減少させることができるので、照明システムの全体体積がコンパクトになる。単レンズの均一コリメート照明システムに比べて、均一コリメート照明システムの用いる素子の厚みが薄くなる。
【００２３】
３）本発明におけるＨＵＤ照明システムは、その照明領域が円形に限られず、長方形、正方形などの形状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来技術におけるＨＵＤの構造模式図である。
【図２】従来技術における反射式方法の模式図である。
【図３】本発明の一実施例におけるＨＵＤ照明システムの構造模式図である。
【図４】図３における組合せ構造模式図である。
【図５】本発明の一実施例における照明システムの構造模式図である。
【図６】本発明の一実施例におけるコリメート・均一化ユニットの光路模式図である。
【図７】本発明の一実施例における光強度分布調整ユニットの光路模式図である。
【図８】マイクロレンズアレイの構造模式図である。
【図９】図８における正視図角度の模式図である。
【図１０（ａ）】アレイ配列のｘｙ軸方向、ｘｚ軸方向の構造模式図である。
【図１０（ｂ）】アレイ配列のｘｙ軸方向、ｘｚ軸方向の構造模式図である。
【図１１】本発明のＨＵＤ照明システムの実現方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、いくつかの例示的な実施例を組み合わせて本開示の原理を説明する。なお、これらの実施例は当業者が本開示を理解して実施するために説明され、本開示の範囲を制限するものではない。ここで説明された本開示の内容は以下説明される形態以外の様々な形態で実施できる。
【００２６】
本明細書に記載されるどおり、用語「備える」及びその様々な変化は開放式用語として理解でき、「備えるがこれらに限られない」を意味する。用語「基づいて」は「少なくとも部分的に基づいて」として理解できる。用語「一実施例」は「少なくとも１つの実施例」として理解できる。用語「他の実施例」は「少なくとも１つの他の実施例」として理解できる。
【００２７】
図３は本発明の一実施例におけるＨＵＤ照明システムの構造模式図であり、本実施例におけるＨＵＤ照明システムは、コリメート・均一化ユニット１１１と光強度分布調整ユニット１１２とを備え、前記コリメート・均一化ユニット１１１は、入射した光源をコリメートビームに変換することに用いられ、前記光強度分布調整ユニット１１２は、異なる点に光量分布が異なるように照明を調整することに用いられ、前記コリメート・均一化ユニット１１１におけるコリメートビームはビーム断面において照度が均一であり、前記光強度分布調整ユニット１１２における出力ビームは前記ＨＵＤにおける結像光学システムとマッチングする。本実施例ではＨＵＤ照明システムにおいて用いた光源はＬＥＤ発光ダイオードであってもよく、又はＬＤ半導体レーザーであってもよい。ＬＤ光源から発光されたビームはコリメートビームに近く、均一コリメート化を達成する過程がＬＥＤ光源と異なる。異なる光源に対して、照明を達成する構想が一致する。前記コリメート・均一化ユニット１１１においては、光源の均一コリメート化方法が限定されず、屈折、又は屈折反射組合せによる均一コリメート光路であり得る。前記光強度分布調整ユニット１１２において、均一コリメート光の光強度分布調整は、球面屈折又は反射方式を用いて、光拡散素子と協力して達成されることで、照明ビームはＨＵＤ結像光学システムを透過した後、ビームの断面がアイボックス領域とほぼ一致し、又はアイボックス領域よりやや大きくてもよい。
【００２８】
いくつかの実施例では、本実施例におけるＨＵＤ照明システムは、少なくとも２つの素子からなる均一コリメート光路をさらに提供しており、光学素子による光の屈折を介して、光源から発光されたビームを要求される断面に直接整形し、前記断面は、円形、正方形、長方形などを含むがこれらに限られない。光源の伝送方向から、順次第１素子、第２素子である。前記第１素子はＬＥＤに接近するが、第２素子はＬＥＤから離れる。具体的には、前記第１素子のＬＥＤに接近する一方の表面が平面であり、他方の表面が自在曲面である。第２素子のＬＥＤに接近する一方の表面が自在曲面であり、他方の表面が平面である。
【００２９】
いくつかの実施例では、前記第１素子と前記第２素子は合計４つの表面あり、１つ以上の表面が自在曲面である。
【００３０】
いくつかの実施例では、上記照明面が円形である場合、自在曲面が回転対称非球面であってもよい。
【００３１】
いくつかの実施例では、上記照明面が正方形、長方形などの非円形面である場合、自在曲面が非回転対称曲面である。
【００３２】
好ましくは、ＬＥＤ光源光量分布は拡散型又はその他の任意の既知の光量分布形態である。
【００３３】
いくつかの実施例では、本実施例における光強度分布調整ユニット１１２は、屈折又は反射素子であり得る１つ以上の光学素子からなる。出力ビームをＨＵＤ結像光学システムとマッチングさせ、すなわちＬＣＤにおける異なる点に照明する光量分布が異なる。
【００３４】
好ましくは、ＬＣＤと光学素子との間に、拡散シートを追加することができ、それにより、更に光強度分布を調整して、照明面の光を均一かつやさしくする。
【００３５】
好ましくは、前記光強度分布調整ユニット１１２における光強度分布調整素子は、光入射面が平面であり、射出面が球面又は曲面である。
【００３６】
好ましくは、前記光強度分布調整ユニット１１２における光強度分布調整素子は、各方位角の光強度分布形態を調整することによって、アイボックスの形状を調整し、例えばアイボックスの形状を長方形、正方形、楕円形などに調整する。
【００３７】
好ましくは、コリメート・均一化ユニット１１１における均一コリメート光路の光射出面が平面であり、光強度分布調整素子の光入射面が平面である場合、照明システム全体の素子の数を減少させるために、２つの素子の平面を１つに統合することができる。
【００３８】
コリメート・均一化ユニット１１１と光強度分布調整ユニット１１２が素子の数を減少させることができるので、照明システムの全体体積がコンパクトになる。単レンズの均一コリメート照明システムに比べて、均一コリメート照明システムの用いる素子の厚みが薄くなる。
【００３９】
好ましくは、本実施例におけるＨＵＤ照明システムはアレイに配列することができ、組み立てた後に照明面積が増大する。１×２アレイ、２×２アレイなどを含むがこれらに限られず、配列形式は長方形、六角形などであってもよい。
【００４０】
図４は図３における組合せ構造模式図であり、光源１１３から発光されたビームは順次均一コリメートユニット１１１、光強度分布調整ユニット１１２、ＬＣＤ２、ＨＵＤ結像光学システム３を透過して、アイボックス領域（図示せず）に到達する。前記均一コリメートユニット１１１において入射した光源ビームを、光の屈折、反射又は回折方式によって、コリメートビームに変換し、且つビーム断面において照度が均一であることを満たす。前記光強度分布調整ユニット１１２は、屈折又は反射素子であり得る１つ以上の光学素子からなる。且つ、出力ビームがＨＵＤ結像光学システムとマッチングし、すなわちＬＣＤにおける異なる点に照明する光量分布が異なることを満たす。ＬＣＤにおける各点の出射角度がＬＣＤとの角度と異なり、従ってＨＵＤの結像光学システムにマッチングしやすく、ヘッドアップディスプレイ装置に適用しやすい。
【００４１】
本実施例では好ましくは、図５は本発明の一実施例における照明システムの構造模式図であり、照明システム１（少なくとも、光源１１３、コリメート・均一化ユニット１１１及び光強度分布調整ユニット１１２を備える）から出力されたビームがＬＣＤ２に照射する。ＬＣＤにおける中心点、上下縁の２点を例として、ＨＵＤ結像光学システムの要件に応じて、ＬＣＤにおける中心点の光量分布はこの断面内において光線６１０、６１１、６１２で示される。６１０が主光線であり、６１１と６１２がそれぞれ縁光線であり、この点における光線が光線６１１と６１２により構成された角度内に集中し、ここで角度内の光量分布がほぼ均一である。同様に、縁の２点の光線が６２０〜６２１、６３０〜６３１である。ＬＣＤにおける異なる点で、主光線６１０、６２０、６３０とＬＣＤとの角度はそれぞれＡ１、Ａ２、Ａ３であり、一般的にはＡ１≠Ａ２、Ａ３≠Ａ２。
【００４２】
図６に示すように、本発明の一実施例におけるコリメート・均一化ユニットの光路模式図であり、本実施例のコリメート・均一化ユニット１１１における均一コリメート光路は少なくとも２つの素子からなり、且つ光学素子による光の屈折を介して、光源から発光されたビームを要求される断面に直接整形し、断面は、円形、正方形、長方形などを含むがこれらに限られない。図６に示されるように、光源の伝送方向に沿って、光源１１から発光された光線は順次素子１２、素子１３を透過してＬＣＤ２に照射し、光線は１１０〜１１４に示されるように、相互に平行であり、照明スポットの断面がほぼ正方形であり、ＬＣＤに均一に分布する。素子１２、１３は材料が光学プラスチックであり、プラスチック射出成形されたものであり、曲面が複雑であっても、迅速な大量生産を実現できる。素子１２の前後面がそれぞれ１２１、１２２であり、本例では前面が平面であり、後面が自在曲面である。素子１３の前後面がそれぞれ１３１、１３２であり、本例では、前面が自在曲面であり、後面が平面であり、前面を平面に調整し、後面を自在曲面に調整するようにしてもよい。２つの素子の４つの表面のうち、少なくとも２つ表面が自在曲面である。好ましくは、照明スポットの断面形状が円形である場合、素子１２、１３における自在曲面を、回転対称の非球面にする。本実施例におけるＨＵＤ照明システムの照明領域は円形に限られず、長方形、正方形などの形状であってもよい。
【００４３】
いくつかの実施例では、コリメート・均一化ユニット１１１においてダブル非球面レンズを用いて均一コリメートを達成し、得られたビーム断面が円形である。具体的には中国特許ＣＮ  １０３１４８４４３  Ａを参照されたい。しかしながら照明面積が大きいと、ビーム断面における対応する縁光線は、レンズ射出面における屈折角度が大きく、工事応用に影響を与える。且つ照明面積が増大し、それに応じて、レンズの厚みを増大させる必要がある。従って、本願における好適な実施形態としない。
【００４４】
図７に示すように、本発明の一実施例における光強度分布調整ユニットの光路模式図であり、光強度分布調整ユニット１１２は、光強度分布調整が屈折又は反射素子であり得る１つ以上の光学素子により達成される。出力ビームがＨＵＤ結像光学システムとマッチングし、すなわちＬＣＤにおける異なる点に照明する光量分布が異なる。図７に示されるように、光強度分布調整ユニット１１２は素子１４と素子１５からなり、素子１４は屈折素子であり、光入射面が平面であり、射出面が曲面である。素子１５は入射ビームを散乱させる拡散素子である。素子１４、１５のパラメータを合理的に選択することで、均一コリメートビームが透過した後、ＬＣＤ２に照明し、断面内の光線分布が図７に示されるように、それぞれ７１０〜７１２、７２０〜７２２、７３０〜７３２を含み、光量分布がＨＵＤ結像光学システムとマッチングする。
【００４５】
本実施例において好ましくは、図８はマイクロレンズアレイの構造模式図であり、上記拡散素子１５として拡散膜を選択してもよく、又はマイクロレンズアレイを選択してもよい。下の図はマイクロレンズアレイの模式図である。素子１６の前面１６１が平面であり、後面１６２が曲面であり、曲面にマイクロレンズアレイが全面的に分布する。正視図は図９に示され、図８における正視図角度の模式図であり、陰領域がそのうちの１つのマイクロレンズであり、マイクロレンズは長さがＬ、幅がＷである。アスペクト比Ｌ／Ｗは一般的にアイボックス領域のアスペクト比と一致する。
【００４６】
図１０（ａ）、図１０（ｂ）はアレイ配列のｘ、ｙ軸方向、ｘ、ｚ軸方向の構造模式図であり、本実施例におけるＨＵＤ照明システムはアレイに配列することができ、且つ組み立てた後に照明面積が増大する。図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示されるように、２×３アレイ配列である。同一条件において、照明面積が増加し、且つＬＥＤの数が増加し、全体光束も増加する。なお、アレイ配列に対して、光線がクロストークを引き起こす可能性があり、１セットの均一コリメートＨＵＤ照明システムの光線がクロストークして隣接する他のセットに入る。構造部材を追加することで遮断することができ、さらにクロストークして隣接セットに入る光線の角度が一般的に２０〜４０°であることを配慮すると、後続の素子を透過した後、アイボックス領域に入らない。従って、最終的に人眼が見える結像への影響が限られ、本実施例では無視できる。
【００４７】
本実施例はヘッドアップディスプレイ装置をさらに開示し、主に、照明システム、照明ＬＣＤ、結像光学システム、アイボックス領域４及び投影虚像を備え、照明システムから発光された光源ビームが順次照明ＬＣＤ、結像光学システムを透過してアイボックス領域に到達し、好ましくは、前記照明システムは上記ＨＵＤ照明システムである。
【００４８】
上記ＨＵＤ照明システムにおける前記コリメート・均一化ユニットは、少なくとも２つの光学素子を備え、光の屈折によって、光源から発光されたビームを必要に応じて設定された断面に直接整形する。
【００４９】
好ましくは、上記ＨＵＤ照明システムにおける２つの前記光学素子は第１光学素子と第２光学素子とを備え、前記第１光学素子と前記第２光学素子は、前面が自在曲面であり、後面が平面であり、又は、前記第１光学素子と前記第２光学素子は、前面が平面であり、後面が自在曲面であり、又は、第１光学素子と第２光学素子のうちの少なくとも２つの表面が自在曲面である。
【００５０】
上記ＨＵＤ照明システムにおける前記光強度分布調整ユニットは、光量分布がＨＵＤ結像光学システムとマッチングするように、屈折又は反射するための光学素子を備える。
【００５１】
上記ＨＵＤ照明システムは、拡散膜又はマイクロレンズアレイのうちのいずれかであり、入射ビームを散乱させるための拡散素子をさらに備える。
【００５２】
いくつかの実施例では、照明面積を増大させる必要があると、前記ＨＵＤ照明システムをアレイに配列する。
【００５３】
いくつかの実施例では、上記ＨＵＤ照明システムであって、前記コリメート・均一化ユニットにおいて、照明面が円形である場合、自在曲面が回転対称非球面であってもよく、及び／又は、照明面が非円形面である場合、自在曲面が非回転対称曲面である。
【００５４】
いくつかの実施例では、上記ＨＵＤ照明システムであって、前記コリメート・均一化ユニットにおいて、断面は円形、正方形、長方形であってもよい。
【００５５】
いくつかの実施例では、上記ＨＵＤ照明システムであって、均一コリメート光路の光射出面が平面であり、光強度分布調整素子の光入射面が平面である場合、照明システム全体の素子の数を減少させるために、２つの素子の平面を１つに統合することができる。
【００５６】
いくつかの実施例では、上記ＨＵＤ照明システムであって、前記光強度分布調整ユニットにおいて光入射面が平面であり、射出面が球面又は曲面であり、且つ各方位角の光強度分布形態を調整することによって、アイボックスの形状を調整する。
【００５７】
いくつかの実施例では、上記ＨＵＤ照明システムであって、前記コリメート・均一化ユニットにおいて、入射した光源ビームは光の屈折、反射及び／又は回折の方式によって、ビーム断面において照度が均一なコリメートビームに変換する。
【００５８】
図１１に示すように、本発明のＨＵＤ照明システムの実現方法フローチャートであり、方法は以下のステップを含む。
ステップＳ１、光源から発光されたビームが順次コリメート・均一化ユニット、光強度分布調整ユニット、ＬＣＤ、結像光学システムを透過してアイボックス領域に送信し、
ステップＳ２、前記コリメート・均一化ユニットは、入射した光源をコリメートビームに変換し、好ましくは、前記ステップＳ２の前記コリメート・均一化ユニットは、少なくとも２つの光学素子を備え、光の屈折によって、光源から発光されたビームを必要に応じて設定された断面に直接整形する。２つの前記光学素子は第１光学素子と第２光学素子を備え、前記第１光学素子と前記第２光学素子は、前面が自在曲面であり、後面が平面であり、又は、前記第１光学素子と前記第２光学素子は、前面が平面であり、後面が自在曲面であり、又は、第１光学素子と第２光学素子のうちの少なくとも２つの表面が自在曲面である。
【００５９】
ステップＳ３、前記光強度分布調整ユニットは、異なる点に光量分布が異なるように照明し、前記ステップＳ３の前記光強度分布調整ユニットは、光量分布がＨＵＤ結像光学システムとマッチングするように、屈折又は反射するための光学素子を備え、拡散膜又はマイクロレンズアレイのうちのいずれかであり、入射ビームを散乱させるための拡散素子をさらに備える。
【００６０】
ステップＳ４、前記コリメート・均一化ユニットのコリメートビームがビーム断面における照度を均一にし、前記光強度分布調整ユニットにおける出力ビームを前記結像光学システムとマッチングさせる。
【００６１】
上記ステップでは、照明面積を増大させる必要があると、前記ＨＵＤ照明システムをアレイに配列する。
【００６２】
上記ステップでは、照明面が円形である場合、自在曲面が回転対称非球面であってもよく、及び／又は、照明面が非円形面である場合、自在曲面が非回転対称曲面である。
【００６３】
上記ステップでは、断面は円形、正方形、長方形であってもよい。
【００６４】
上記ステップでは、均一コリメート光路の光射出面が平面であり、光強度分布調整素子の光入射面が平面である場合、照明システム全体の素子の数を減少させるために、２つの素子の平面を１つに統合することができる。
【００６５】
上記ステップでは、前記光強度分布調整ユニットにおいて光入射面が平面であり、射出面が球面又は曲面であり、且つ各方位角の光強度分布形態を調整することによって、アイボックスの形状を調整する。
【００６６】
上記ステップでは、前記コリメート・均一化ユニットにおいて、入射した光源ビームを光の屈折、反射及び／又は回折の方式によって、ビーム断面において照度が均一なコリメートビームに変換する。
【００６７】
本明細書の説明において、「一実施例」、「一部の実施例」、「例」、「具体的な例」又は「一部の例」などの用語を参考した説明とは、当該実施例又は例に合わせて説明された具体的な特徴、構造、材料、又は特徴が、本発明の少なくとも一つの実施例又は例に含まれることを意味する。本明細書において、上記用語に対する例示的な説明は必ずしも同一の実施例又は例を示すことではない。また、説明された具体的な特徴、構造、材料、又は特徴は、いずれか一つ又は複数の実施例又は例において適切な形態で結合することができる。
【００６８】
全体的に、本開示の様々な実施例はハードウェア又は専用回路、ソフトウェア、ロジック又はそれらの任意の組み合わせで実施することができる。いくつかの形態では、ハードウェアで実施されてもよく、他のいくつかの形態ではファームウェア又はソフトウェアで実施されてもよく、該ファームウェア又はソフトウェアはコントローラ、マイクロプロセッサー又は他の計算装置で実行され得る。本開示の様々な形態はブロック図、フローチャートとして示して説明され、又は他の画として示されるが、本明細書に説明されたフレーム、装置、システム、技術又は方法は非限定的な方式によってハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、専用回路又はロジック、汎用ハードウェア又はコントローラ又は他の計算装置又は他の組み合わせで実施され得る。
【００６９】
また、操作は特定の順序で説明されているが、そのような操作は所望の結果を得るために、示される順序で実行され又は連続した順序で実行され、又は示されたすべての操作が実行されるとして理解してはいけない。所定の場合には、マルチタスク又は並列処理が有利な可能性がある。同様に、いくつかの具体的な実現形態の詳細は以上の検討に含まれたが、本開示の範囲に対するいかなる制限としても解釈されるべきではなく、特徴の説明は特定の実施例のみのためである。別個のいくつかの実施例に説明された所定の特徴は単一の本実施例に組合せて実行されてもよい。逆に、単一の実施例に説明された様々な特徴は複数の実施例で個別に実施されてもよく、又は適切なサブ組合せで実施されてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０（ａ）】
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【図１０（ｂ）】
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【図１１】
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