JP2011085700A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の光源を用いながら、出射される光に、縞として認識される輝度ムラが含まれることが抑制された照明装置を提供する。
【解決手段】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、を備える照明装置であって、レンズアレイから、各レンズの頂点から各レンズの境界に向かうに従って輝度が低下する輝度分布を有する光が出射される。当該輝度分布を有する光が透過する位置にブラスト板が設けられており、このブラスト板は、光の透過率を低減する複数のブラスト領域が、レンズアレイから出射される光が入射される一面、若しくはその裏面の全面に渡って均一な頻度で形成された透明基板によって構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、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、を備える照明装置に関するものである。

従来、例えば特許文献１には、ハロゲンランプを光源としたヘッドアップディスプレイが提案されている。また、特許文献２には、ヘッドアップディスプレイの光源としてＬＥＤを採用した照明装置が提案されている。

特許文献１に記載のヘッドアップディスプレイは、ハロゲンランプから照射された光が、インテグレータレンズによって集光され、その集光された光が受光型表示素子を介してフロントパネルに照射され、フロントパネルにて反射された光が観視者（観測者）に照射されるようになっている。

特許文献２に記載のヘッドアップディスプレイは、複数のＬＥＤが配設された光源体から出射された光が、レンズアレイによって集光され、その集光された光が液晶表示パネルを介してフロントパネルに照射され、フロントパネルにて反射された光が利用者（観測者）に照射されるようになっている。

特開平５−１０４９７９号公報 特開２００５−２２８６０６号公報

ところで、上記したように、特許文献１に記載のヘッドアップディスプレイは、光源としてハロゲンランプを採用している。ハロゲンランプは、熱輻射によって発光するものなので、その光には、可視光の他に赤外線（熱線）も含まれる。したがって、赤外線が可視光とともに受光型表示素子に照射され、これによって受光型表示素子が発熱して損傷する虞がある。

上記した問題を解消するべく、特許文献２では、光源としてＬＥＤを採用している。ＬＥＤは、半導体のエネルギーギャップ（半導体固有の値）に対応した波長の光を発光するものなので、ＬＥＤの光として可視光を選んだ場合、ＬＥＤから照射される光に赤外線は含まれない。したがって、光源から照射された光による、液晶表示パネル（受光型表示素子）の発熱が抑制される。

ところで、ヘッドアップディスプレイの光源としてＬＥＤを採用した場合、ＬＥＤの方がハロゲンランプよりも輝度が低いために、複数のＬＥＤを用意する必要がある。そして、この場合、各ＬＥＤから照射される光を一方向に集光する光学系が必要となる。特許文献２では、そのような機能を果たす光学系として、上記したレンズアレイを採用している。

特許文献２に示されるレンズアレイは、１つのＬＥＤから照射された光を集光する凸レンズを複数備えるものである。レンズアレイにおけるＬＥＤとの対向面は平面形状となっており、その対向面の裏面は、裏面側に凸となる曲面（凸レンズ）が複数連結された形状となっている（特許文献２の図３及び図４参照）。ＬＥＤの光軸と、そのＬＥＤと対応する凸レンズの頂点とは一致しており、凸レンズで集光された光は、凸レンズの頂点をピークとする輝度分布を形成する。このような輝度分布を有する光が各凸レンズから出射され、液晶表示パネルとフロントパネルを介して観測者に照射される。

光の輝度分布は観測者の観測方向によって異なるが、以下では、ＬＥＤの発光面に対して垂直な方向を観測方向とした場合の光の輝度分布を説明する。

１つの凸レンズから出射された光の輝度分布は、凸レンズの頂点で最も輝度が高く、その頂点から、１つの凸レンズ（曲面）とそれと隣接する凸レンズ（曲面）との間に形成される境界線に向かうに従って輝度が低くなる。このように、１つの凸レンズの頂点と、上記した境界線との間で輝度が急激に変化すると、光の輝度差が顕著となる。更に、特許文献２に示されるレンズアレイでは、上記した境界線の形状が直線形状となっているので、輝度が最も低い領域の形状も直線形状となる。以上示したような、光の輝度差が顕著であり、輝度が最も低い領域の形状が直線形状の輝度ムラを含む光が観測者に照射されると、観測者は、輝度が最も低い領域を縞として認識する可能性がある。

観測者が縞として認識する輝度ムラを含む光（以下、このような光を、便宜上、縞を含む光と示す）が、液晶表示パネルとフロントパネルを介して、観測者に照射されると、観測者は、フロントパネルに表示された光情報を視認し難たくなる、という問題が生じる。

なお、観測者に照射される光の輝度分布は、観測者の観測方向（視線方向）に依存するので、ある観測方向では、縞を含む光が観測者に照射され難いこともある。しかしながら、観測者の観測方向は一定ではないので、結局のところ、観測者は縞を含む光を観測することとなり、観測者が、フロントパネルに表示された光情報を視認し難たくなる、という問題が生じる。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、複数の光源を用いながら、出射される光に、縞として認識される輝度ムラが含まれることが抑制された照明装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、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、を備える照明装置であって、レンズアレイから、各レンズの頂点から各レンズの境界に向かうに従って輝度が低下する輝度分布を有する光が出射され、当該輝度分布を有する光が透過する位置に設けられたブラスト板を有し、当該ブラスト板は、光の透過率を低減する複数のブラスト領域が、レンズアレイから出射される光が入射される一面、若しくはその裏面の全面に渡って均一な頻度で形成された透明基板によって構成されていることを特徴とする。

このように本発明によれば、レンズアレイから出射された光が、ブラスト板を通過する。ブラスト板を通過した光の一部は、透明基板の一面若しくはその裏面の全面に渡って均一な頻度で形成されたブラスト領域によって透過率が低減されるので、ブラスト板から出射された光には、均一な頻度で低輝度領域が含まれる。その結果、レンズアレイから出射される光に含まれる縞として認識される可能性がある局所的な低輝度領域と、均一な頻度で発生する低輝度領域とが重なり合い、局所的な低輝度領域の形状が不明瞭となる。

また、上記したように、複数のブラスト領域が、透明基板の一面若しくはその裏面の全面に渡って均一な頻度で形成されているので、ブラスト板からは、均一な頻度で発生する低輝度領域を含む光が出射される。人間は、均一な頻度で発生する低輝度領域を含む輝度分布を有する光よりも、局所的な低輝度領域を含む輝度分布を有する光のほうが認識し易い、という性質を有しているので、ブラスト板によって形成された低輝度領域を、人間が認識することが抑制される。

請求項２に記載のように、ブラスト領域は、一面若しくは裏面に千鳥状に配置されており、一面若しくは裏面に沿う方向における、ブラスト領域の最大長さ、及び、隣接するブラスト領域間の最大長さは、０．３ｍｍ以下の構成が好ましい。

例えば、テレビ画面を構成するピクセルの大きさは０．３ｍｍ程度となっている。これは、人間と観測物（テレビ）との距離が１ｍ離れた状態における、人間の解像限界（近接する２つの物体を分解して見ることができる能力の限界）が、０．３ｍｍ程度のためである。

ブラスト板からは、ブラスト領域によって輝度が低減された光が出射される。そのブラスト領域によって輝度が低減された領域の大きさは、ブラスト領域と同程度の大きさを有する。すなわち、人間の解像限界を超えた大きさである、０．３ｍｍ以下の大きさを有する。これにより、観測者が、光学系によって拡大された、ブラスト板から出射された光を観測した際に、ブラスト領域によって形成された低輝度領域を認識することが抑制される。

なお、ブラスト領域の平面形状としては、例えば請求項３及び請求項４に記載のように、多角形、若しくは円形を採用することができる。

請求項５に記載のように、ブラスト板から出射される光を拡散する拡散板を有する構成が好ましい。これによれば、ブラスト板から出射される光に含まれる輝度差を拡散板によって低減することができる。すなわち、拡散板から出射される光に、縞として認識される輝度ムラが含まれることを抑制することができる。

なお、照明装置としては、請求項６に記載のように、画素毎若しくはセグメント毎に光の透過率を制御する液晶表示パネルを有するヘッドアップディスプレイを採用することができる。上記したヘッドアップディスプレイは、ブラスト板から出射された光が、液晶表示パネルを介して車両のフロントパネルに照射され、フロントパネルにて反射された光が、車両に乗車した観測者の瞳に照射されるように、車両に搭載される。

第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイの概略構成を示す断面図である。 バックライトの概略構成を示す断面図である。 ブラスト領域を説明するための平面図である。 ブラスト領域の変形例を示す平面図である。 ブラスト領域の変形例を示す平面図である。 バックライトの変形例を示す断面図である。

以下、本発明に係る照明装置を、車両用ヘッドアップディスプレイに適用した場合の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイの概略構成を示す断面図である。図２は、バックライトの概略構成を示す断面図である。図３は、ブラスト領域を説明するための平面図である。なお、以下においては、ＬＥＤ１２の発光面に沿い、複数のＬＥＤ１２が並んで配置される方向をｘ方向、ＬＥＤ１２の発光面に沿い、ｘ方向に垂直な方向をｙ方向、ＬＥＤ１２の発光面に対して垂直な方向を、ｚ方向と示す。

図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、要部として、バックライト１０と、シリンドリカルレンズ３０と、液晶表示パネル５０と、を有する。ヘッドアップディスプレイ１００の主要な構成要素１０，３０，５０は、ｚ方向に並んで配置されており、ヘッドアップディスプレイ１００は、バックライト１０から照射された光がシリンドリカルレンズ３０と液晶表示パネル５０を介してフロントガラスに設けられたフロントパネル７０に照射され、フロントパネル７０で反射された光が観測者の瞳に入射するように、車両に搭載される。なお、バックライト１０は、シリンドリカルレンズ３０のバックライト１０側の焦点３０ｆから、シリンドリカルレンズ３０側に配置されている。

バックライト１０は、図２に示すように、回路基板１１に実装された複数のＬＥＤ１２と、該ＬＥＤ１２から照射された光を一方向に集束するレンズ１３を複数有するレンズアレイ１４と、該レンズアレイ１４から出射される光に均一な頻度で低輝度領域を形成するブラスト板１５と、該ブラスト板１５から出射された光を拡散する拡散板１６と、を有する。回路基板１１には、外部電源が電気的に接続されており、ＬＥＤ１２は、回路基板１１から供給される電気によって発光する。複数のＬＥＤ１２は、所定の間隔を置いてｘ方向に並んで配置され、レンズアレイ１４を構成する複数のレンズ１３も、ＬＥＤ１２と対応してｘ方向に並んで配置されている。そして、レンズアレイ１４における光が出射される面の直上に、ブラスト板１５と、拡散板１６とが、順次ｚ方向に並んで配置されている。なお、ＬＥＤ１２が、特許請求の範囲に記載の光源に相当し、回路基板１１とＬＥＤ１２とによって、特許請求の範囲に記載の光源体が構成されている。

レンズアレイ１４は、溶融したアクリル等の透光性樹脂材料を金型内に注入して、溶融した樹脂を冷却固化することで形成される。レンズアレイ１４における、ＬＥＤ１２との対向面が平面形状となっており、その裏面が、液晶表示パネル５０側に凸となる凸面が複数連結された形状となっている。そして、１つのレンズ１３が、裏面側に形成された１つの凸面によって構成され、その凸面（レンズ１３）の頂点と、ＬＥＤ１２の光軸とが一致している。レンズ１３で集光された光は、レンズ１３の頂点をピークとし、隣接するレンズ１３の間に形成される境界に向かうに従って輝度が低下する輝度分布を形成する。このように、レンズアレイ１４から出射される光には、レンズ１３の頂点と、隣接するレンズ１３間の境界との間で輝度が急激に変化し、且つ、輝度の低い領域（以下、低輝度領域と示す）の形状が、隣接するレンズ１３間の境界の形状に依存する輝度ムラが含まれる。このような輝度ムラを含む光が観測者に照射された場合、観測者は、低輝度領域を縞として認識する可能性がある。本実施形態では、この縞として認識する可能性がある輝度ムラを含む光が、ブラスト板１５に照射される。ブラスト板１５は、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ１００の特徴点なので、後で詳説する。

拡散板１６は、ガラスビーズなどの微粒子を、透明基板の一面の全てに吹き付けることで、透明基板の一面の全てにランダムな凹凸形状が形成されたものである。拡散板１６を透過する光は、上記した凹凸形状によってランダムに拡散されるので、その光に含まれる輝度ムラが低減される。上記したように、ブラスト板１５と、拡散板１６とが、順次ｚ方向に並んで配置されているので、ブラスト板１５から出射される光に含まれる輝度ムラが、拡散板１６によって低減される。

シリンドリカルレンズ３０は、光を一方向に集光する機能を果たす光学系である。シリンドリカルレンズ３０は、円柱を半分に割った蒲鉾状をなし、バックライト１０との対向面が平面形状となっており、その裏面が、液晶表示パネル５０側に凸となる曲面形状となっている。シリンドリカルレンズ３０は、長手方向がｘ方向に沿うように配置されており、バックライト１０から出射された光が、シリンドリカルレンズ３０によってｙ方向に集光される。

液晶表示パネル５０は、一対の透明基板（図示略）と、一対の透明基板の間に封入された液晶層（図示略）と、を有する。透明基板には、液晶層に電圧を印加するための透明電極（図示略）が形成されており、透明基板に印加される電圧を制御することで、液晶層に照射される光の透過率が、画素毎若しくはセグメント毎に制御される。したがって、液晶表示パネル５０を透過した光には画素毎若しくはセグメント毎に輝度差が形成され、その結果、液晶表示パネル５０を透過した光に車両速度などの車両情報が含まれる。この車両情報を含む光が、フロントパネル７０に出射される。

次に、ヘッドアップディスプレイ１００の動作について説明する。ＬＥＤ１２に回路基板１１から電気が供給されると、ＬＥＤ１２が発光して、ＬＥＤ１２から光が照射される。ＬＥＤ１２から照射された光は、レンズ１３によってｚ方向に集光され、集光された光に、ブラスト板１５によって均一な頻度で低輝度領域が形成される。均一な頻度で低輝度領域が形成された光は、拡散板１６によって拡散され、拡散された光は、シリンドリカルレンズ３０によってｙ方向に集光される。ｙ方向に集光された光は、液晶表示パネル５０を介してフロントパネル７０に入射され、フロントパネル７０に入射した光の一部が、フロントパネル７０によって反射される。この反射された光が、観測者の瞳に入射する。上記したように、液晶表示パネル５０を透過した光には車両情報が含まれている。したがって、この車両情報を含む光が、フロントパネル７０を介して、乗車している観測者に照射されることで、観測者は、車両情報を視認する。

なお、本実施形態では、上記したように、バックライト１０が、焦点３０ｆよりもシリンドリカルレンズ３０側に配置されている。したがって、観測者には、バックライト１０よりも見かけ上の大きさが拡大された虚像１０ａが発する光が入射されることとなる。このように、見かけ上の発光面積が拡大されると、観測者に入射する光に含まれる輝度ムラが低減される。

次に、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ１００の特徴点であるブラスト板１５を説明する。ブラスト板１５は、複数のブラスト領域１７が、レンズアレイ１４との対向面に、全面に渡って均一な頻度で形成された透明基板１８によって構成される。このブラスト板１５は、例えば、ブラスト領域１７の形成予定領域のみを開口したマスクを透明基板１８の一面に形成し、マスクから露出した部位にガラスビーズなどの微粒子を吹き付けて、透明基板１８の一面にランダムな凹凸形状を形成することで、光の透過率が低減されたブラスト領域１７を形成した後、マスクを除去することで形成される。又は、内壁面の一部に上記したマスクを形成した後、マスクから露出した部位にガラスビーズなどの微粒子を吹き付けて、内壁面の一部にランダムな凹凸形状が形成された金型の中に、溶融したアクリル等の透光性樹脂材料を注入して、溶融した樹脂を冷却固化することで、ブラスト板１５を形成しても良い。このように、ブラスト領域１７は、ランダムな凹凸形状が形成された領域に相当し、ブラスト領域１７に入射した光は、ブラスト領域１７にてランダムに乱反射されるので、ブラスト領域１７に入射する光の透過率が低減される。

図３に示すように、透明基板１８の表面に沿うブラスト領域１７の平面形状は円形となっており、その直径が０．３ｍｍ以下に設定されている。また、複数のブラスト領域１７は、千鳥状に配置されることで透明基板１８の一面に均一な頻度で形成され、自身と最も近くで隣接する４つのブラスト領域１７間の距離も、０．３ｍｍ以下に設定されている。この０．３ｍｍという大きさは、人間と観測物との距離が１ｍ離れた状態における、人間の解像限界（近接する２つの物体を分解して見ることができる能力の限界）に相当する。

次に、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ１００の作用効果を説明する。上記したように、レンズアレイ１４からは、低輝度領域を縞として認識する可能性がある光が出射され、この光がブラスト板１５に照射される。ブラスト板１５に照射された光の一部は、ブラスト領域１７によって透過率が低減されるので、ブラスト板１５から出射される光には、レンズアレイ１４から出射される光に含まれる縞として認識される可能性がある局所的な低輝度領域の他に、ブラスト領域１７によって透過率が低減された均一な頻度の低輝度領域が含まれる。このように、ブラスト板１５から出射される光では、局所的な低輝度領域の周囲に、ブラスト領域１７の形状や配置に依存する低輝度領域が形成される。その結果、局所的な低輝度領域の付近に明暗が形成され、局所的な低輝度領域の形状が不明瞭となる。

また、上記したように、複数のブラスト領域１７が、透明基板１８の対向面の全面に均一な頻度で形成されているので、ブラスト板１５からは、均一な頻度で低輝度領域を含む光が出射される。人間は、均一な頻度の低輝度領域を含む光よりも、局所的な低輝度領域を含む光のほうが、低輝度領域を認識し易い、という性質を有しているので、ブラスト領域１７によって形成された低輝度領域を、人間が認識することが抑制される。

以上により、観測者が縞として認識する可能性がある輝度ムラを含む光が、液晶表示パネル５０とフロントパネル７０を介して観測者に照射され、観測者が、フロントパネル７０に表示された光情報を視認し難たくなる、という不具合が生じることが抑制される。

ところで、ブラスト板１５からは、複数のブラスト領域１７によって輝度が均一な頻度で低減された光が出射される。そのブラスト領域１７によって輝度が低減された領域の大きさは、ブラスト領域１７と同程度の大きさを有する。すなわち、人間の解像限界を超えた大きさである、０．３ｍｍ以下の大きさを有する。この光は、シリンドリカルレンズ３０によって拡大されるので、観測者がブラスト板１５から出射された光を観測する場合、観測者には、０．３ｍｍ程度の大きさを有する低輝度領域が均一な頻度で形成された光が入射される。このように、ブラスト領域１７の大きさを０．３ｍｍ以下とすることで、観測者が、ブラスト板１５によって形成された低輝度領域を認識することが抑制される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、ブラスト領域１７の平面形状が円形である例を示した。しかしながら、ブラスト領域１７の平面形状としては上記例に限定されず、例えば図４及び図５に示すように、菱形や、六角形などの多角形状を採用することができる。なお、この場合においても、ブラスト領域１７における透明基板１８の表面に沿う最大長さ、及び自身と最も近くで隣接するブラスト領域１７間の距離は、０．３ｍｍ以下に設定される。図４及び図５は、ブラスト領域の変形例を示す平面図である。

また、本実施形態では、図２に示すように、ブラスト板１５と拡散板１６とが、別々に構成される例を示した。しかしながら、例えば図６に示すように、１枚の透明基板１９を用意して、透明基板１９におけるレンズアレイ１４との対向面に、均一な頻度でランダムな凹凸形状（ブラスト領域）を形成し、その裏面全面にランダムな凹凸形状を形成しても良い。これによれば、部品点数が低減されるので、コストが低減される。図６は、バックライトの変形例を示す断面図である。

１０・・・バックライト
１２・・・ＬＥＤ
１３・・・レンズ
１４・・・レンズアレイ
１５・・・ブラスト板
１６・・・拡散板
３０・・・シリンドリカルレンズ
５０・・・液晶表示パネル
１００・・・ヘッドアップディスプレイ

Claims (6)

1. 複数の光源からなる光源体と、個々の前記光源に対応するレンズを複数有するレンズアレイと、を備える照明装置であって、
   前記レンズアレイから、各レンズの頂点から各レンズの境界に向かうに従って輝度が低下する輝度分布を有する光が出射され、当該輝度分布を有する光が透過する位置に設けられたブラスト板を有し、
   当該ブラスト板は、光の透過率を低減する複数のブラスト領域が、前記レンズアレイから出射される光が入射される一面、若しくはその裏面の全面に渡って均一な頻度で形成された透明基板によって構成されていることを特徴とする照明装置。
2. 前記ブラスト領域は、前記一面若しくは前記裏面に千鳥状に配置されており、
   前記一面若しくは前記裏面に沿う方向における、前記ブラスト領域の最大長さ、及び、隣接するブラスト領域間の最大長さは、０．３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記ブラスト領域の平面形状が、多角形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。
4. 前記ブラスト領域の平面形状が、円形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。
5. 前記ブラスト板から出射される光を拡散する拡散板を有することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の照明装置。
6. 前記照明装置は、画素毎若しくはセグメント毎に光の透過率を制御する液晶表示パネルを有するヘッドアップディスプレイであって、
   前記ヘッドアップディスプレイは、前記ブラスト板から出射された光が、前記液晶表示パネルを介して車両のフロントパネルに照射され、前記フロントパネルにて反射された光が、前記車両に乗車した観測者の瞳に照射されるように、前記車両に搭載されていることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の照明装置。

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