JP4671117B2 - 照明装置及びそれを用いた光源ユニット - Google Patents

Description

本発明は、照明装置及びそれを用いた光源ユニットに関し、特に、ヘッドアップディスプレイで好適に使用される光源ユニットに関する。

近年、航空機や車両の運転者等に対して、その前方視野内に画像情報を提供する手段としてヘッドアップディスプレイ（Ｈｅａｄ Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ：ＨＵＤ）が用いられるようになっている。図５は、車載用のＨＵＤを例として、その構成を模式的に示す図である。図５において、ＨＵＤ１００は、インストルメントパネル１０１の内部に配置された光源ユニット１１０と投射光学系１０４とを備えている。通常、光源ユニット１１０は透過型の液晶パネル１０３とその背後に配置された照明装置１０２とからなり、光源ユニット１１０により生成された画像情報Ｏは、図示の例では凹面ミラー１０４からなる投射光学系によってウインドシールド１０５に投影され、運転者Ｄは、その虚像画像Ｉを視認することで、運転状態からほとんど視線を動かすことなく情報を読み取ることができる。

図６は、このようなＨＵＤ１００における光源ユニット１１０の従来の構成例を示す断面図である（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。図６において、光源ユニット１１０は、液晶パネル１０３と、液晶パネル１０３を背後から照明するための照明装置１０２とを備えており、その光源としては、例えば超高圧水銀ランプ等の放電灯１１４が使用されている。また、放電灯１１４の背後には光反射板１１５が配置され、放電灯１１４と液晶パネル１０３との間には、放電灯１１４からの光を散乱させて面状に発光させるための拡散板１１７、および、放電灯１１４から発生する熱線を遮蔽するための熱線カットガラス１１６が配置されている。

実開平６−６８９５７号公報 特開平８−２３８９５５号公報

上述したようなＨＵＤの光源ユニットにおいて、その照明装置の光源として放電灯を使用することには次のような問題がある。すなわち、放電灯を点灯させるためには、高電圧を発生する駆動回路が必要となるため装置構成が大型化する。また、放電灯は発熱量が大きいため、多くの場合、例えば放熱ファン等を組み込む等の放熱対策を施す必要があると共に、消費電力を低減することが困難である。このような問題のため、従来、車載用のＨＵＤは、主に搭載スペースに余裕のある大型車や一部の限定車両に搭載されるに留まっている。そこで、ＨＵＤの光源ユニットにおける照明装置として、駆動回路の簡略化を図ることが可能であり、かつ、放電灯と比較して消費電力及び発熱量も少ないＬＥＤを用いた照明装置を用いることも試みられているが、一般に、ＬＥＤを用いた場合には表示画像が暗く、その視認性が不十分であるという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数のＬＥＤを用いて高輝度かつ輝度の均一性に優れた小型の照明装置を提供すると共に、その照明装置を用いてヘッドアップディスプレイでの使用に好適な光源ユニットを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明に係る照明装置は、複数のＬＥＤを二次元状に配列してなる面光源と、前記面光源からの光を略平行光に変換する集光手段とを備え、該集光手段は、それぞれの前記ＬＥＤに対応する位置に設けられたフレネルレンズからなるとともに、前記集光手段の後段に光拡散手段をさらに備え、該光拡散手段は、前記集光手段のフレネルレンズよりも口径の小さいフレネルレンズを、前記集光手段よりも高密度に配列してなることを特徴とする。

また、本発明に係る照明装置において、前記フレネルレンズは、Ｆ値が１以下であることが好ましい。

本発明に係る照明装置によれば、複数のＬＥＤを二次元状に配列してなる面光源と、前記面光源からの光を略平行光に変換する集光手段とを備えた構成とすることによって、複数のＬＥＤからの出射光を高効率に集光して照明装置の正面輝度を向上することが可能となる。また、高電圧を発生する駆動回路が不要であると共に、光源からの発熱量を低減して放熱対策を簡素化することが可能となるため、安価かつ小型の照明装置を実現することができる。

さらに、集光手段を、それぞれの前記ＬＥＤに対応する位置に設けられたフレネルレンズから構成することによって、集光手段の薄型化が可能になる。また、フレネルレンズは、そのＦ値を１以下とすることが可能であるため、バルクの凸レンズを用いた場合と比較して、集光効率が向上し、より高輝度な照明装置を得ることができる。

そして、前記集光手段のフレネルレンズよりも口径の小さいフレネルレンズを、前記集光手段よりも高密度に配列してなる光拡散手段を備えることによって、光の損失を発生させることなく、照明装置からの出射光の均一性を向上させることが可能となる。

また、フレネルレンズからなる光拡散手段は、個々のレンズの特性を自由に設計できることから、拡散による出射光の均一化と集光による正面輝度の向上とを高度にバランスさせることが可能となる点で有利であり、例えば、前記光拡散手段は、凹レンズの曲率プロファイルを備えたフレネルレンズを含むものであってもよい。

さらに、本発明の一態様では、電極を形成した一対の基板間に液晶を保持してなる液晶パネルと、該液晶パネルの背後に配置された本発明に係る照明装置とを備える光源ユニットを提供するものである。

本発明は、このように構成したので、複数のＬＥＤを用いて高輝度かつ輝度の均一性に優れた小型の照明装置を提供することが可能となる。また、液晶パネルと、液晶パネルの背後に配置された本発明に係る照明装置により、ヘッドアップディスプレイで使用可能な高輝度の光源ユニットを構成することが可能になるため、ヘッドアップディスプレイの小型化及び低消費電力化に寄与すると共に、光源ユニットに必要な放熱手段を簡素化することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態における照明装置及びそれを用いた光源ユニットの要部を示す図であり、（ａ）は光源ユニット１０の上部を省略して示す上面図、（ｂ）は（ａ）の側断面図である。また、図２は、本実施形態における集光手段を模式的に示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。同様に、図３は、本実施形態における光拡散手段を模式的に示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

図１に示す光源ユニット１０は、ハウジング１９と、その前面に配置された液晶パネル２３と、ハウジング１９の内部に収容されて液晶パネル２３の背後に配置された照明装置２０とを備えている。液晶パネル２３は、電極を形成した一対の基板間に液晶を保持してなる周知の光変調手段であり、本実施形態における光源ユニット１０は、光変調手段である液晶パネル３３で生成された画像情報を、その背後から照明装置２０で照射することによって、遮光板２１の開口窓２２を介して図示しない投射光学系に投影するものである。

本実施形態において、照明装置２０は、複数のＬＥＤ１５ａ〜１５ｊ（ただし、図１において１５ｇ〜１５ｊの図示は省略する）を二次元状に配列してなる面光源１５と、面光源１５の後段に配置された集光手段１２と、集光手段１２の後段に配置された光拡散手段１４とから構成されている。

面光源１５は、縦２行横５列のＬＥＤアレーをなす１０個のＬＥＤ１５ａ〜１５ｊからなり、各ＬＥＤ１５ａ〜１５ｊは、放熱基板１６上に実装されている。放熱基板１６は、例えばアルミニウムからなるベースと、そのベース上に図示しない絶縁層を介して形成された回路パターンとからなり、放熱基板１６のアルミニウムベースには、複数の放熱フィンを備えた放熱器１７が結合されている。

集光手段１２は、例えばアクリル樹脂等の透光性基板の一面に、図２（ａ）に示すようなフレネルレンズセル１２ａ〜１２ｊが縦２行横５列に形成されたフレネルレンズアレーからなり、アルミニウムプレート１８上に支持されたアクリル樹脂等からなる透光性基板１１に固着されて、面光源１５の後段に配置されている。集光手段１２において、各フレネルレンズセル１２ａ〜１２ｊは、図２（ｂ）に模式的に示すように、凸レンズの曲率プロファイルを有するように形成されており、各フレネルレンズセル１２ａ〜１２ｊを構成する個々のプリズムの屈折面の集合により、一枚の凸レンズを構成する曲面を実現するものである。また、各フレネルレンズセル１２ａ〜１２ｊのＦ値（すなわち焦点距離／有効口径）は１以下、好ましくは０．７程度、となるように形成されており、それぞれＬＥＤ１５ａ〜１５ｊからの出射光に対応する位置に配置されている。

光拡散手段１４は、例えばアクリル樹脂等の透光性基板の一面に、図３（ａ）に示すようなフレネルレンズセル１４ａ、１４ｂ、．．．が形成されたフレネルレンズアレーからなり、アルミニウムプレート１８上に支持されたアクリル樹脂等からなる透光性基板１３に固着されて、集光手段１２の後段に配置されている。光拡散手段１４は、集光手段１２と略同一の面積を有する基板を用いて形成されており、その基板上に、集光手段１２の各フレネルレンズセル１２ａ〜１２ｊよりも口径の小さいフレネルレンズセル１４ａ、１４ｂ、．．．が、集光手段１２よりも高密度に（図３の例では、縦４行横８列のフレネルレンズアレーとして）配列されている。また、本実施形態において、光拡散手段１４の各フレネルレンズセル１４ａ、１４ｂ、．．．．は、凹レンズの曲率プロファイルを有するように形成されており、各フレネルレンズセル１４ａ、１４ｂ、．．．．を構成する個々のプリズムの屈折面の集合により、一枚の凹レンズを構成する曲面を実現するものである。

次に、図４を参照して、本実施形態における照明装置２０の作用について説明する。ここで、図４は、本実施形態における照明装置２０の作用を説明するために、その要部を示した上面図である。なお、以下の説明において、上面図である図４に図示されない構成要素についても、図４に示す構成要素と同様の作用を有するものについては、それらの符号を含めて説明する。

本実施形態において、面光源１５と集光手段１２は、面光源の各ＬＥＤ１５ａ〜１５ｊが集光手段１２のそれぞれ対応するフレネルレンズセル１２ａ〜１２ｊの焦点近傍に位置するように配置されており、それによって、各ＬＥＤ１５ａ〜１５ｊからの出射光Ｌ１を略平行光Ｌ２に変換し、照明装置２０の正面輝度を向上させるものである。その際、各ＬＥＤ１５ａ〜１５ｊの配列ピッチ、それに対応するフレネルレンズセル１２ａ〜１２ｊの配列ピッチ、及びフレネルレンズセル１２ａ〜１２ｊの口径等の設計は、集光手段からの出射光L２が境目の無い均一な強度の光束となるように最適化することができる。この際、フレネルレンズの特性として、各フレネルレンズセル１２ａ〜１２ｊを構成するプリズム群の角度を自由に設計・加工することができるため、上述したような最適化設計において、例えばそのF値を０．７程度に小さく形成し、バルクの凸レンズからなるレンズアレーを使用する場合と比較して、集光手段１２の集光効率を向上させることができる。本発明者等は、このような面光源１５と集光手段１２との組合せによって、集光手段１２からの出射光L２が、その出射光分布の半値幅が±５°程度の良好な指向性を有する平行光となることを確認した。

さらに、本実施形態では、集光手段１２の後段に配置された光拡散手段１４によって、照明装置２０から出射させる光の均一性をさらに向上させるものである。光拡散手段１４は、上述したように、集光手段１２よりも高密度に配列された小口径の凹レンズ作用を有するフレネルレンズセル１４ａ、１４ｂ．．．からなり、集光手段１２からの平行光L２を細分割し、僅かに発散する多数の光束L３に変換するものである。これによって、光拡散手段１４からの出射光は、フレネルレンズセル１４ａ、１４ｂ．．．と同数の（すなわち、図３に示す光拡散手段１４では、４×８＝３２個の）二次光源（虚像）P’からの出射光が重畳されて出射されることになり、その均一性を一層向上させることができる。

このように、光拡散手段１４をフレネルレンズアレーとして形成することは、例えば拡散板等を用いて光の均一化を実施する場合と比較して、光の損失を発生させることがない点で有利であると共に、各フレネルレンズセル１４ａ、１４ｂ、．．．を構成するプリズム群の角度を自由に設計・加工することができるため、出射光L３の強度分布及び出射方向等を制御することが可能となり、それによって、照明装置２０からの出射光について、集光手段１２によって得られる指向性の高さと光拡散手段１４によって得られる均一性との間の高度のバランスを維持することができる。

なお、本実施形態においては、光拡散手段１４におけるフレネルレンズセル１４ａ、１４ｂ、．．．は、凹レンズの作用を有するものとしたが、本発明に係る照明装置において、フレネルレンズセル１４ａ、１４ｂ、．．．を凸レンズ作用を有するものとしてもよく、その場合、各フレネルレンズセル１４ａ、１４ｂ、．．．は、集光手段１２からの平行光Ｌ２を細分割して集光し、各フレネルレンズセル１４ａ、１４ｂ、．．．の後側焦点に形成された多数の二次光源像からの発散光を重畳することによって、本実施形態における光拡散手段と同様に機能するものである。あるいは、本発明に係る光拡散手段は、凹レンズ作用を有するフレネルレンズセルと凸レンズ作用を有するフレネルレンズセルとの両方を混合させて用いるものであってもよい。

このような照明装置２０は、図１に示す光源ユニット１０において、その出射光の高い指向特性により十分な正面輝度を備え、かつ、輝度の均一性に優れた照明装置として機能するものであり、この光源ユニット１０を、例えば車載用のヘッドアップディスプレイのための光源として好適に使用することができる。それによって、ヘッドアップディスプレイの小型化及び低消費電力化に寄与すると共に、その放熱手段は、放熱器１７による自然空冷とすることができるため、放熱手段を簡素化することができる。

ここで、図１に示す照明装置２０において、集光手段１２と光拡散手段１４とは互いに対向するように配置されているが、本発明に係る照明装置はこの形態に限定されるものではなく、集光手段１２及び光拡散手段１４は、それぞれ面光源１５側または液晶パネル２３側のいずれの方向を向くものであってもよい。また、集光手段１２と光拡散手段１４は、透光性基板１１、１３と別体に形成されたフレネルレンズアレーを、それぞれの透光性基板１１、１３に固着するものとしたが、集光手段１２及び光拡散手段１４を構成するフレネルレンズアレーは、それぞれ、透光性基板１１、１３の一面に一体に形成するものであってもよい。さらに、集光手段１２と光拡散手段１４を、１枚の透光性基板の面光源１５側の面と液晶パネル２３側の面にそれぞれ形成することもできる。

本発明の一実施形態における照明装置及びそれを用いた光源ユニットの要部を示す図であり、（ａ）は光源ユニットの上部を省略して示す上面図、（ｂ）は（ａ）の側断面図である。 本発明の一実施形態における集光手段を模式的に示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 本発明の一実施形態における光拡散手段を模式的に示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 本発明の一実施形態における照明装置の作用を説明するために、その要部を示した上面図である。 従来のヘッドアップディスプレイの構成を模式的に示す図である。 図５に示すヘッドアップディスプレイで使用される従来の光源ユニットを示す断面図である。

１０：光源ユニット、１２：集光手段、１２ａ〜１２ｊ：フレネルレンズセル（凸レンズ）、１４：光拡散手段、１４ａ，１４ｂ．．．：フレネルレンズセル（凹レンズ）、１５：面光源、１５ａ〜１５ｊ：ＬＥＤ、２０：照明装置、２３：液晶パネル

Claims (4)

1. 複数のＬＥＤを二次元状に配列してなる面光源と、前記面光源からの光を略平行光に変換する集光手段とを備え、該集光手段は、それぞれの前記ＬＥＤに対応する位置に設けられたフレネルレンズからなるとともに、前記集光手段の後段に光拡散手段をさらに備え、該光拡散手段は、前記集光手段のフレネルレンズよりも口径の小さいフレネルレンズを、前記集光手段よりも高密度に配列してなることを特徴とする照明装置。
2. 前記フレネルレンズは、Ｆ値が１以下であることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
3. 前記光拡散手段は、凹レンズの曲率プロファイルを備えたフレネルレンズを含むことを特徴する請求項１または２に記載の照明装置。
4. 電極を形成した一対の基板間に液晶を保持してなる液晶パネルと、該液晶パネルの背後に配置された請求項１から３のいずれか１項に記載の照明装置とを備えることを特徴とする光源ユニット。

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