车辆用显示装置的制作方法

1.本发明涉及安装于汽车等的车辆的显示装置，特别是涉及平视显示器装置(以下，hud装置)。


背景技术：

2.作为hud装置，提出了向汽车的前挡风玻璃投射构成图像的光，通过其反射光，驾驶员等乘员能够目视确认该图像的虚像。另外，以下也将能够目视确认虚像的情况称为显示图像。此外，还提出了在一个hud装置能够显示多个图像的hud装置。例如，在专利文献1中提出了通过光学元件将显示于包括液晶显示器(以下，液晶装置)的图像显示部的多个图像的光(以下，图像光)分别朝向不同的方向射出，由此分别独立地显示各图像的结构的hud装置。
3.即，在专利文献1的技术中，在图像显示部的显示面配置由导光体构成的光学元件，通过使从该光学元件射出图像光的射出面倾斜，使从图像显示部的显示面射出的图像光折射。并且，通过使多个图像光各自的折射的角度、即偏转的方向不同，来显示各图像。
4.专利文献1：日本专利公开公报特开2018－173589


技术实现要素：

5.在专利文献1的技术中，构成光学元件的导光体的射出面形成为与图像对应的一个连续的倾斜面。因此，在使用这样的光学元件显示多个图像时，能够使所显示的各图像向纵深方向倾斜、移位。但是，在产生多个图像光的棱镜的边界，在从图像显示部扩展不少的图像光空间成为无法控制的光，容易产生使虚像的品质降低的不良情况。
6.在显示图像彼此接近时特别容易产生所述不良情况。但是，如果想要增大所显示的多个图像的间隔，则需要较大的图像显示部，不仅导致成本升高，而且增大偏转图像光的角度，与此相伴，射出面的倾斜的角度也变大。因此，光学元件的光轴方向的尺寸变大，光学元件的厚度尺寸变大，具备该光学元件的图像显示部的厚度尺寸也变大。
7.本发明的目的在于提供一种车辆用显示装置，能够不倾斜地显示多个图像，并且能够将图像显示部构成为薄型而实现小型化。
8.本发明的车辆用显示装置具备：图像显示部，具备用于在图像显示面上显示图像的多个像素；以及光学系统，将所显示的图像的图像光投射到车辆的挡风玻璃，所述车辆用显示装置能够通过由所述挡风玻璃反射的光目视确认所述图像的虚像，所述图像显示部具备配设于所述图像显示面的棱镜片，所述棱镜片具备多个微棱镜，多个所述微棱镜与构成一个图像的多个像素分别对置配置，使从所述像素射出的图像光分别单独地偏转。
9.在本发明中，光学系统具备凹面镜，该凹面镜将从图像显示部射出的图像光朝向挡风玻璃反射。此外，图像显示部能够在图像显示面上显示多个图像，微棱镜构成为对于相同的图像使图像光分别以相同的角度偏转，对于不同的图像以不同的角度偏转。优选为，处于相同的图像区域内的各个微棱镜使图像光以某一相同的角度偏转，处于与该图像区域不
同的图像区域内的微棱镜使图像光以与某一相同的角度不同但在图像区域内相同的角度偏转。
10.作为本发明的优选方式，图像显示面的多个像素呈矩阵状行列配置，多个微棱镜以1列像素为单位或以多列像素为单位对置配置。或者，图像显示面的像素由多个子像素构成，微棱镜以子像素为单位分别对置配置。进而，配设于远离光学系统的光轴的区域上的微棱镜的偏转角大于配设于接近所述光轴的区域的微棱镜的偏转角。
11.在本发明中，优选为，多个微棱镜一体地形成于相同棱镜片。此外，优选为，微棱镜具备光学层，该光学层将光发散或扩散到图像光射出的射出面。
12.根据本发明，通过构成为利用配设于图像显示面的棱镜片的微棱镜使从多个像素射出的图像光分别单独地偏转，能够控制向挡风玻璃投射的图像光的方向并控制所显示的图像。由此，提供将多个图像分别以适当的状态显示并且实现了图像显示部的小型化的车辆用显示装置。
附图说明
13.图1是hud装置的概念结构图。
14.图2是从侧面观察hud装置的示意图。
15.图3是图像显示部的简要结构的分解立体图。
16.图4是图像显示部的简要结构的剖视图。
17.图5是说明图像显示的方式的示意性俯视图。
18.图6是图像显示部的变形例1的简要结构的剖视图。
19.图7是图像显示部的变形例2的简要结构的剖视图。
20.图8是图像显示部的变形例3的简要结构的剖视图。
21.图9是图像显示部的实施方式2的简要结构的剖视图。
22.图10是说明实施方式2的作用的示意性光路图。
具体实施方式
23.接下来，参照附图说明本发明的实施方式。图1是应用于汽车的hud装置的概念结构图。在汽车的仪表板db内配设有hud装置1，使从该hud装置1射出的图像光l通过该仪表板的上表面开口ho投射到汽车的前挡风玻璃(称为挡风玻璃)ws上。所投射的图像光l被挡风玻璃ws反射而射向汽车的驾驶员等乘员m。该图像光l进入乘员m的眼睛，由此，该乘员m能够透过挡风玻璃ws在汽车的前方位置目视确认由图像光形成的虚像i，进行该图像的显示。
24.所述hud装置1具备图像显示部2以及将显示于该图像显示部2的图像向挡风玻璃ws投射的光学系统3。图像显示部2能够显示多个图像、此处为两个图像。此外，光学系统3将由图像显示部2显示的两个图像的图像光分别以不同的角度投射到挡风玻璃ws。由此，在挡风玻璃被反射的多个图像光l进入乘员m的眼睛，乘员m能够目视确认多个虚像ia、ib。
25.即，构成为显示于图像显示部2的两个独立的图像的图像光la、lb分别以在水平方向上排列的光路投射到挡风玻璃ws上，这些图像光la、lb被光学系统3的凸面镜31和凹面镜32反射，进而被挡风玻璃ws反射，从而受到各种影响，通过进入乘员m的眼睛，能够以期望的状态目视确认各图像的虚像ia、ib的位置和倾斜。在该例子中，进行显示，以使得透过挡风
玻璃ws在左侧能够目视确认速度计的虚像ia，在右侧在比虚像ia靠里侧的位置能够目视确认导航的虚像ib。
26.图2表示从侧面方向观察所述hud装置1的示意图。所述光学系统3具备反射由图像显示部2显示的图像的图像光l的第一反射部31、以及将由所述第一反射部31反射后的光进一步反射而向挡风玻璃ws投射的第二反射部32。第一反射部31由凸面镜构成，第二反射部32由凹面镜构成。此处，凸面镜31由反射面的曲率半径不同的两个凸面镜31a、31b构成，图像光la被规定的曲率半径的凸面镜31a反射，图像光lb被比上述曲率半径大的凸面镜31b反射。此外，即使在凸面镜31a、凸面镜31b的曲率相同的情况下，也可以通过将凸面镜31a配置在比凸面镜31b接近图像显示部2的位置，将虚像ib显示在比虚像ia靠里侧的位置。
27.所述凹面镜32由成为所需的焦点距离的曲率的球面、非球面或自由曲面构成，通过凸面镜31改善在凹面镜32的像差，且凹面镜32的焦点距离实质上被延长。并且，通过以在图像显示部2中显示的图像配置在凹面镜32的焦点距离内的方式构成hud装置1，乘员m能够目视确认所显示的图像的虚像i。
28.(实施方式1)
29.图3是表示实施方式1的图像显示部2的简要结构的分解立体图，图像显示部2具备液晶装置21和棱镜片22。液晶装置21能够在图像显示面23上显示所期望的图像，能够使用现有的装置。此外，对于该液晶装置21，虽然在图3中简略图示，但图像显示面23由在行列方向上矩阵配置的多个像素24(pixel)构成。并且，将该图像显示面23在行方向上划分为两个区域，在一方的a区域23a中显示a图像oa，在另一方的b区域23b中显示b图像ob。此处，a图像oa与所述速度计图像对应，b图像ob与所述导航图像对应。
30.此外，所述液晶装置21构成为各像素24分别具备rgb的3个子像素(sub pixel)25(25r、25g、25b)的彩色液晶装置，能够进行彩色图像的显示。这些子像素25在行方向上排列配置。此外，对于在列方向上排列配置的多个像素24，设为与各个rgb的各子像素25(25r、25g、25b)相同的排列。另外，实际的像素24是极为微小的尺寸，以该微小的像素24显示a图像oa和b图像ob，但在图3中为了说明与棱镜片22的对应而以大的尺寸图示。
31.所述棱镜片22是具有透光性且具有折射率的材料，没有特别限定，由树脂这样的转印性良好的材料制作成的薄片体构成，多个楔形(三角形)的微棱镜26在平面上排列且一体地形成。这些微棱镜26由具备向行方向倾斜的射出面的两个种类的、分别为多个的a微棱镜26a和b微棱镜26b构成。这些a微棱镜26a和b微棱镜26b与液晶装置21的像素24对应地配置。此处，以行列配置的像素24的1列像素为单位配设，形成所谓的柱状透镜(lenticular lens)的结构。此外，a微棱镜26a和b微棱镜26b的各射出面为相同的倾斜角度，但构成为对于倾斜方向在行方向朝相反的方向倾斜的倾斜面。各微棱镜26a和26b各自的高度尺寸、即厚度尺寸相同。
32.如图4所示的图像显示部2的截面结构那样，所述棱镜片22的背面平坦，在该背面以与所述液晶装置21的图像显示面23密接的状态且以规定的位置关系安装。即，多个a微棱镜26a和b微棱镜26b分别在相对于液晶装置21的各列的像素24定位的状态下安装。因此，从a区域21a的像素组射出的图像光la被a微棱镜26a相对于中央朝向外侧方向(图4的左方)折射而从射出面射出。从b区域21b的像素组射出的图像光lb被b微棱镜26b相对于中央朝向外侧方向(图4的右方)折射而从射出面射出。但是，在随着图像光la和图像光lb从微棱镜向凸
面前进而距离拉开的情况下，也可以仅一方的图像光朝向外侧。
33.图5是说明hud装置1中的图像显示的方式的示意性俯视图。当在图像显示部2中显示a图像和b图像时，如图4所示，a图像oa的图像光(以下，a图像光)la被a微棱镜26a相对于光轴朝左方向偏转，b图像ob的图像光(以下，b图像光)lb被b微棱镜26b相对于光轴朝右方向偏转。另外，将从液晶显示面23的中心垂直地射出的光通过的光路设为光轴lx。
34.分别向相反方向偏转的a图像光la和b图像光lb被凸面镜31a、31b反射，接着被凹面镜32反射，之后向挡风玻璃ws投射。因此，通过这些图像光la、lb被挡风玻璃ws反射而进入乘员的眼睛，乘员能够分别目视确认a图像oa和b图像ob、此处为速度计图像和导航图像的各虚像即a虚像ia和b虚像ib，进行各图像的显示。此时，b虚像ib显示在比a虚像ia靠里侧的位置。
35.以往，在由液晶装置21构成的图像显示部2中，如果所显示的a图像oa和b图像ob的各图像光在接近的状态下显示在图像显示面23上，则a虚像ia和b虚像ib也在接近的状态下显示，有时无法将两图像分开而目视确认。在该hud装置1中，由于在液晶装置21的图像显示面23配置有棱镜片22，所以能够通过所述棱镜片22使各图像oa、ob的图像光la、lb偏转而形成期望的角度差。
36.由此，能够使a虚像ia和b虚像ib分开期望的间隔而被目视确认，实现优选的显示。该角度差能够通过调整a微棱镜26a和b微棱镜26b的射出面的角度而变化。因此，能够构成为乘员在任意的方向观察a虚像ia和b虚像ib。例如，也能够通过使a微棱镜26a和b微棱镜26b的射出面的角度不同，单独地设定a虚像ia和b虚像ib各自的方向。
37.微棱镜26构成为一个棱镜片22，因此、即使安装于液晶装置21的图像显示面23，液晶装置21的厚度尺寸、即图像显示部2的厚度尺寸的增加也仅为棱镜片22的厚度尺寸。此外，微棱镜26以1个与液晶装置21的1列的像素24对应的方式形成，因此，行方向的尺寸极小。因此、即使为了增大图像光的偏转角度而增大微棱镜26的射出面的倾斜角，各微棱镜26中的厚度尺寸的增加也极小。由此，能够减小棱镜片22的厚度尺寸，图像显示部2的厚度尺寸也不会显著地增大，构成小型的hud装置。
38.进而，由a微棱镜26a和b微棱镜26b构成的微棱镜26能够作为棱镜片22而通过透光性树脂等一体成形来制造，因此，容易将微棱镜26制造为像素24或子像素25的尺寸。而且，如果将棱镜片22相对于液晶装置21定位，则能够将微棱镜26相对于对应的像素24准确地定位，从这点来看，图像显示部2的制造容易。
39.(变形例1)
40.图6是图像显示部2的变形例1的剖视图。对与实施方式1等价的部分标注相同的附图标记。在该变形例1中，一个棱镜片22的微棱镜26c以液晶装置21的2列的像素24为单位配置。即，构成为一个微棱镜26c与2列的像素24对置配置，一个微棱镜26c使对置的2列的像素24的像素光偏转。
41.在该变形例1中也与所述实施方式1相同，能够以所需的间隔目视确认a图像和b图像的各虚像。此外，每隔2列的像素24使图像光偏转，因此，与专利文献1的技术相比，能够抑制目视确认的虚像的倾斜。进而，在变形例1中，在应用于相同规格的液晶装置的情况下，能够减少形成于棱镜片22的微棱镜26c的个数，因此，棱镜片22的制造变得容易。另一方面，在该变形例1中，当微棱镜26c的射出面的倾斜角变大时，微棱镜26c的高度尺寸、即棱镜片22
的厚度尺寸也变大，因此，适合应用于偏转图像光的角度相对小的hud装置。
42.(变形例2)
43.图7是图像显示部2的变形例2的剖视图。在该变形例中，棱镜片22形成有与构成液晶装置21的一个像素24的3个rgb的各子像素25(25r、25g、25b)对应的微棱镜26d。即，在一个像素24中，使3个子像素25r、25g、25b的图像光分别独立地通过微棱镜26d偏转。
44.在该变形例2中，也能够以期望的间隔观察a图像和b图像的各虚像。此外，由于按每个子像素使图像光偏转，因此，能够抑制目视确认的虚像的倾斜。进而，在变形例2中，微棱镜26d的行方向的尺寸能够与子像素25的尺寸对应地缩短，因此、即使射出面的倾斜角大，也能够抑制该微棱镜26d的高度尺寸、即棱镜片22的厚度尺寸变大。因此、即使应用于a图像和b图像的各虚像的间隔尺寸要求更大的hud装置，也能够防止图像显示部2的厚度尺寸的增加。
45.(变形例3)
46.图8是图像显示部的变形例3的剖视图。在该变形例3中，在实施方式1的a微棱镜26a和b微棱镜26b的射出面上层叠使射出的图像光发散或扩散的光学层27。或者，该光学层27构成为使光发散的凹透镜微棱镜。
47.在变形例3中，从各微棱镜26a、26b射出的图像光在光学层27中光束(光的束)被扩展。因此、即使在各像素24中仅从rgb的子像素25的一部分射出图像光的情况下，也能够得到与从1像素24、即3个子像素25r、25g、25b射出图像光的情况大致相等的光束，能够目视确认明亮均匀的虚像。
48.(变形例4)
49.虽然省略图示，但作为变形例4，如果能够实施棱镜片的精细加工和制造，则也可以针对行列配置的像素的每一个像素配置一个微棱镜。或者，也可以针对全部子像素配置一个微棱镜。反之，在棱镜片的精细加工、制造严格的情况下，也可以针对在行方向和/或列方向上汇总多个的像素配置一个微棱镜。
50.(变形例5)
51.此外，虽然省略图示，但作为变形例5，也可以仅与构成图像显示面的全部像素中的一部分像素对置配设微棱镜。在该情况下，其他像素的图像光不偏转而向图像显示面的垂直方向射出。
52.(变形例6)
53.进而，虽然省略图示，但作为变形例6，液晶装置构成为在图像显示面上显示3个不同的图像，棱镜片也可以由倾斜角分别不同的a微棱镜、b微棱镜、c微棱镜这样的、3个不同的微棱镜构成。例如，构成为利用a微棱镜使a图像光向左方向偏转，利用b微棱镜使b图像光向右方向偏转，c微棱镜不使c图像光偏转。这样一来，能够在水平方向上排列显示3个不同的图像。也可以构成为显示4个以上的图像。
54.(实施方式2)
55.但是，在使用本发明这样的液晶装置21的hud装置中，要求从液晶装置21的图像显示面23射出的图像光从所述图像显示面23作为大致垂直方向的大体平行的光束射出。因此，所显示的图像中的对比度有时会降低。即，作为液晶装置21的特性，在光倾斜入射到液晶装置21的情况下，由于液晶装置21内的要素位置关系远离适合的关系，所以在大致遮挡
光时或者在大致透射光时产生漏光。如果产生该漏光，则液晶装置能够显示的白与黑的亮度比、即对比度降低。
56.在实施方式1的hud装置1中，从图像显示部2射出的光如果在同一显示区域则向相同方向偏转，但在小型且显示较大的虚像的hud装置中，在图像显示面23的中心部，图像光垂直，在端部的图像光中，成为相对于光轴lx向外侧扩展的图像光。因此，在端部，通过在液晶中倾斜前进的光显示虚像，根据上述的液晶特性，对比度降低。
57.在实施方式2中，如在图10中示意性表示从液晶装置21射出的光的光路那样，在将液晶装置21的图像显示面23的中心设定为光轴lx的情况下，在图像显示面23的中心部，图像光lc垂直。通过对从远离光轴lx的区域、即远离图像显示面23的中心的周边区域射出的图像光ls的偏转进行控制，改善了上述对比度。即，对于形成于棱镜片的微棱镜，使与图像显示面23的周边区域对应的微棱镜的射出面的倾斜角与比该图像显示面23的周边区域靠中央侧的微棱镜的射出面的倾斜角相对大。
58.图9的(a)是实施方式2的图像显示部2的第一例的剖视图。在所述第一例中，与实施方式1相同，相对于液晶装置的1列的像素24配设一个微棱镜26，但使远离该光轴的区域的微棱镜26e的射出面的倾斜角大于接近图像显示面23的光轴的区域的微棱镜26d的射出面的倾斜角。这样一来，从远离的区域的微棱镜26e射出的图像光的偏转角度变大，但由于利用了在液晶内以接近垂直的状态前进的光，所以能够不产生对比度的降低而提供优质的显示。
59.在实施方式2中，如图9的(b)的剖视图所示，也可以在接近光轴的区域中配设与一个像素24对应的微棱镜26f，在远离光轴的区域中配设与子像素25(25r、25g、25b)对应的微棱镜26g。这样，与如图9的(a)所示的相对于1个像素配设的微棱镜26e那样增大倾斜角的情况相比，能够防止微棱镜26g的高度尺寸增加，能够防止棱镜片22的厚度尺寸增加。
60.在以上说明的实施方式和变形例中示出了将多个图像在水平方向上排列显示的例子，但在将虚像在垂直方向、即上下方向上排列显示的情况下，也能够同样地应用本发明。在该情况下，只要利用形成于棱镜片的微棱镜使图像光向列方向偏转即可。
61.在本发明中，图像显示部只要是射出图像光的结构即可，因此，也可以构成为使用了dmd装置的光学系统的中间像，该dmd装置将微型反射镜配置成矩阵，选择性反射光源的光，并射出图像光。或者，也可以由有机el构成。此外，光学系统的第一反射部并不限定于凸面镜，也可以是平面鏡。进而，在hud装置不发生与汽车的其他装置干涉等不良情况的情况下，也可以省略凹面镜以外的光学构件。此外，也可以将光学系统3中的至少一个分割为2个以上，而构成为相对于多个图像分别专用的光学系统。
62.本发明中的挡风玻璃并不限定于实施方式所记载的汽车的前挡风玻璃，也可以是车辆所具备的具有透光性的车窗等的车身的一部分。
63.本国际申请基于2020年04月24日提出的日本专利申请即特愿第2020-077022号主张优先权，将该日本专利申请即特愿2020-077022号的全部内容援引于本国际申请。
64.针对本发明的特定实施方式的上述说明是以例示为目的而提示的。这些说明并非旨在穷举或将本发明限制为记载的实施方式本身。对于本领域技术人员而言，显然可以参照上述的记载内容而进行大量的变形和变更。
65.附图标记说明
66.1 hud装置
67.2 图像显示部
68.3 光学系统
69.21 液晶装置
70.22 棱镜片
71.23 图像显示面
72.24 像素
73.25(25r、25g、25b) 子像素
74.26(26a、26b、26c、26d、26e、26f、26g) 微棱镜
75.27 光学层
76.31(31a、31b) 第一反射部(凸面镜)
77.32 第二反射部(凹面镜)
78.ws 挡风玻璃
79.oa、ob 图像
80.i、ia、ib 虚像
81.l、la、lb 图像光
82.lx 光轴