JP6831900B2 - ヘッドアップディスプレイシステム - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ（Head Up Display：以下、「ＨＵＤ」）装置の技術に関し、特に、車両のウインドシールド（フロントガラス）、または、その直前に設けられた透明または半透明な板状の表示部材であるコンバイナー上に映像を投影するＨＵＤ装置に適用して有効な技術に関するものである。

自動車等の車両においては、通常、車速やエンジン回転数等の情報は、ダッシュボード内の計器盤（インパネ）に表示される。また、カーナビゲーション等の画面は、ダッシュボードに組み込まれ、もしくはダッシュボード上に設置されたディスプレイに表示される。運転者がこれらの情報を視認する場合に視線を大きく移動させることが必要となることから、視線の移動量を低減させる技術として、車速等の情報やカーナビゲーションにかかる指示等の情報をウインドシールド（フロントガラス）またはコンバイナー等に投射して表示するＨＵＤ装置が知られている。

なお、かかるＨＵＤに関連する技術として、例えば、特開２０１５−１９４７０７号公報（特許文献１）には、映像を表示するデバイスと、表示デバイスに表示された映像を投射する投射光学系とを備え、観察者の視点領域全域で画面歪みを小さくすると共に小型化を実現する表示装置が記載されている。なお、この従来技術では、投射光学系は、表示デバイスから観察者の光路の順に、第１ミラーと第２ミラーを有する。そして、第１ミラーにおける映像長軸方向での入射角と、第１ミラーにおける映像短軸方向の入射角、および表示デバイスの映像表示面と第１ミラーとの間隔と、観察者によって視認される虚像の水平方向の幅との関係が、所定の関係性を満たすように構成することで、ＨＵＤ装置の小型化を実現する旨が記載されている。

特開２０１５−１９４７０７号公報

従来のＨＵＤ装置では、一般的に、虚像を表示するための光線としては、反射などの特性を考慮に入れて、例えば、反射面に対してＳ偏光波などの直線偏光光が多く利用されている。

一方、車両の運転者は、しばしば、路面のまぶしい反射を選択的に低減するため、偏光作用を有するサングラスを用いることがある。しかしながら、偏光作用を有するサングラスを装着すると、このような直線偏光光により虚像を表示する従来のＨＵＤ装置では、後にも詳細に説明するが、ＨＵＤ映像が見えなくなるという不具合があった。

そこで、本発明では、偏光作用を有するサングラスを装着してもＨＵＤ映像を見ることが可能であると共に、更には、上述した従来技術と比較して、モジュール化されて小型で光利用効率の高いＨＵＤ装置とそのための映像表示装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための一実施の態様として、本発明によれば、車両用のヘッドアップディスプレイ装置であって、前記ウインドシールドまたは前記コンバイナー上に、映像を偏光光によって投射する映像表示装置と、前記映像表示装置から前記ウインドシールドまたは前記コンバイナーに至る光路の一部に、前記映像表示装置から投射される前記映像の偏光光の偏光を変換する手段を設けたヘッドアップディスプレイ装置が提供される。

また、本発明によれば、車両用のヘッドアップディスプレイ装置のための映像表示装置であって、光源と、前記光源から出射された光を略平行光に変換するコリメート光学系と、前記コリメート光学系から出射した光を入射し、その光を入射方向とは別方向に出射する導光体を備えており、更に、前記光の偏光方向を一方向にそろえる偏光変換素子を具備した映像表示装置が提供される。

上述した本発明によれば、上述した従来技術における課題を解消すると共に、低コストで製造可能であり、かつ、小型で高効率のモジュール化されたＨＵＤ装置とそのための映像表示装置が実現できる。

本発明に係るＨＵＤ装置の基本的な構成とその映像表示装置の内部構成の一例を示す図である。 本発明において従来技術における不具合を解消する原理を説明する図である。 本発明の実施例１に係る映像表示装置の光源装置の概観を示す展開斜視図である。 本発明の実施例１の形態に係る映像表示装置の光源装置の光学系概観を示す斜視図である。 実施例１に係る映像表示装置におけるコリメータの詳細を説明する断面図である。 実施例１に係る映像表示装置におけるコリメータと偏光変換素子の配置構造を示す斜視図である。 実施例１に係る映像表示装置において偏光変換素子の出射面に配置される合成拡散ブロックを示す斜視図である。 実施例１に係る映像表示装置における導光体の詳細を示す斜視図、断面図、および、一部拡大断面図である。 実施例１に係る映像表示装置における導光体を構成する反射面と連接面と光線の反射の詳細を示した拡大断面図である。 実施例１に係る映像表示装置における構成と光線の状態を示した上面図と側面断面図である。 実施例１に係る映像表示装置における導光体の作用を説明するための比較例を示す図である。 実施例１に係る映像表示装置の導光体を成形するために用いる金型の加工方法を説明する図である。 実施例１に係る映像表示装置における導光体を構成する反射面と連接面と光線の反射の設定の一例を示した拡大断面図である。 本発明の他の実施例に係る映像表示装置における構成と光線の状態を示した上面図と側面断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜ＨＵＤの基本構成と本発明の原理＞
図１（ａ）は、本発明に係るＨＵＤ装置の基本的な構成を示している。この図からも明らかなように、ＨＵＤ装置１００は、基本的に、プロジェクタやＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等から構成された光源装置を含む映像表示装置３００と、当該映像表示装置からの光（この場合、映像光）を、ミラー１５１（例えば、自由曲面ミラーや光軸非対称の形状を有するミラー等）やその他のミラー１５２により反射させて、車両１０２のウインドシールド１０３またはその直前に配置されたコンバイナー２００上に投射する。一方、運転者１０５は、ウインドシールド１０３またはコンバイナー２００上に投射された映像を見ることで、透明のウインドシールド１０３を通してその前方に虚像として上記映像を視認する。このとき、ミラー１５１は凹面ミラーに、その他のミラー１５２はコールドミラーに置き換えてもよい。なお、ここでは、説明の重複を避けるため、コンバイナー２００上に映像光を投射する例について示す。

図１（ｂ）は、上記ＨＵＤ装置１００、特に、その映像表示装置３００の内部構成の一例を示している。この図からも明らかなように、映像表示装置３００がプロジェクタを構成している場合を示しており、映像表示装置３００は、例えば、光源３０１、照明光学系３０２、および表示素子３０３などの各部を有する。なお、当該光源３０１として、以下に詳述する本発明の光源装置を採用することによれば、投射用の良好な照明光を生成することが可能となる。

なお、この例では、光源３０１で生成した照明光を集光し、より均一化して表示素子３０３に照射する光学系である照明光学系３０２と、投射する映像を生成する素子である表示素子３０３とを、含んでいる。しかしながら、これらの構成要素は、以下に述べる実施例においては、既に、図４に示すように、合成拡散ブロック１６、第１の拡散板１８ａ、導光体１７、第２の拡散板１８ｂとして、更には、液晶表示パネル５２として、本発明の光源装置（図３の光源装置ケース１１を参照）内に含まれている。そのため、本発明の光源装置１０（図３を参照）は、そのまま、ＨＤＵ装置１００の映像表示装置３００とすることも可能である。このことによれば、特に、自動車内のダッシュボードのような狭い空間へ容易に取り付けることが可能なＨＵＤ装置１００を実現することが可能となる。なお、上記の映像表示装置３００から出射した光は、更に、表示距離調整機構４００やミラー駆動部５００を介して車両１０２のウインドシールド１０３またはコンバイナー２００に投射されることは、当業者であれば明らかであろう。

続いて、図２を参照しながら、本発明において、上述した課題、即ち、偏光作用を有するサングラス（以下、「偏光サングラス」とも言う）を運転者が装着すると、ＨＵＤ装置１００からの直線偏光により車両１０２のウインドシールド１０３またはコンバイナー２００上に表示される虚像が見えなくなるという不具合を、解消する原理について説明する。なお、この図には、ＨＵＤ装置１００からの映像光を、ウインドシールド１０３に代えて、コンバイナー２００上に表示する例を示すが、しかしながら、ＨＵＤ装置１００からの映像光をウインドシールド１０３上に投射する場合にも同様であることは、当業者にとっては当然であろう。

コンバイナー２００は、例えば、ポリカーボネート板やガラス板のような透明な板状部材からなる基板２１０の表面（運転者側に対向する面であり、図では右側面）に高分子膜２２０を形成したものである。なお、この高分子膜２２０は、図に破線の楕円で示すように、高分子によって形成される複屈折楕円体が所定の方向に並んで配列された膜である。また、図中の符号２３０は、基板２１０の裏面に取り付けられたハーフミラーを、そして、符号２４０は、高分子膜２２０の表面、即ち、コンバイナー２００の最表面側に形成された反射防止（ＡＲ）膜をそれぞれ示している。

このようなコンバイナー２００に対して、図中の実線の矢印で示すように、ＨＵＤ装置１００からのＳ偏光の映像光が入射する場合の当該入射光に対する法線断面での高分子膜２２０の複屈折楕円体の主軸と偏光面との関係が、図の左下に示されている。即ち、高分子膜２２０は、その光学主軸である複屈折楕円体の主軸の向きが、コンバイナー２００に入射する光の偏光面と一致するように取り付けられる構成となっている。

このような構成によれば、コンバイナー２００に入射した光は、高分子膜２２０の主軸に沿って、直線偏光のまま伝搬する。結果的には、ハーフミラー２３０面に対してＳ偏光の直線偏光で入射するため、ハーフミラーでは、ＨＵＤの画像を構成する光線を高反射率で反射することが可能となる。

その後、光線は、基板２１０裏面のハーフミラー２３０により反射され、再び、高分子膜２２０に入射する。一方、この高分子膜２２０は、コンバイナー２００からの反射光に対しては、光の進行方向が変わることにより、反射光の法線断面での高分子膜２２０の主軸と偏光面の関係が、図の右下に示すように互いに角度が異なることとなる。このことから、ハーフミラー２３０で反射された直線偏光は、高分子膜２２０内を伝搬するに従い、高分子膜のリターデーションの影響を受け、楕円偏光となる。

即ち、ＨＵＤ装置１００からのＳ偏光の映像光は、コンバイナー２００を構成する高分子膜２２０の働きにより、運転者の目に到達する際には楕円偏光となって入射する。一般的な偏光サングラスは、路面のぎらつきや、ウインドシールドの反射光を遮断するため、路面やウインドシールドに対してＳ偏光の偏光を遮断する特性を有する。そのため、従来の一般的なＨＵＤ光学系では、偏光サングラスを装着することにより、ＨＵＤ映像を認識することができなくなるが、本発明では、ウインドシールドもしくはコンバイナーを反射するＨＵＤ映像の光は楕円偏光に変換されるので、偏光サングラスをかけた状態でもＨＵＤ映像を認識することが可能となる。

なお、上記の例では、Ｓ偏光の映像光を楕円偏光に変換するための一手段として、高分子によって形成される複屈折楕円体が所定の方向に並んで配列された高分子膜２２０について述べたが、本発明はこれに限定されることなく、その他の上記と同様な効果を有する手段を利用することも可能である。また、かかる偏光変換手段の位置は、上記の説明では、この高分子膜２２０は、コンバイナー２００の基板２１０の表面（運転者側に対向する面）に形成したものとした。しかしながら、本発明はこれにのみ限定されることなく、ウインドシールドやコンバイナーでの反射率が多少低下するものの、かかる偏光変換手段は、映像表示装置３００からの偏光の映像光が伝搬する光路、より具体的には、液晶表示パネル５２の映像光出射面からコンバイナー２００（または、ウインドシールド１０３）の内側表面に至る光路の一部に配置することも可能である。

なお、上記高分子膜の製造方法は、ポリカーボネート等の比較的光弾性の大きなフィルムを、耐熱性が高い、例えば金属板等ではさみ、ｔ℃に加熱しながら、剪断応力を印加することにより作製される。前記ｔ℃は、高分子膜の熱軟化点温度以上であることが好ましく、かつ溶融温度より低いことが望ましい。ここでは、高分子膜をポリカーボネートとし、加熱温度を１２７℃とした。なお、高分子膜の製造方法は、上記に限定されるものではなく、材料や特性に応じて適宜選択可能である。

また、ＨＵＤ装置においては、太陽光自体によるＨＵＤ装置へのダメージを配慮する必要がある。図２の太い破線の光線４０１に示すように、特定の方向（図２では、コンバイナー２００の反射面に対してθの方向）に太陽があると、その光線は光線４０１ｐに示すように、ＨＵＤ映像光の光路を逆行し、映像表示装置３００に到達するため、映像表示装置がダメージを受ける可能性がある。

本発明では、上記ダメージを回避するために、上記のようにコンバイナーに対して入射角θで外部より入射する光に対しては、ハーフミラー２３０のＳ偏光の反射率を５０％以上となるようにした。本構成を採用することにより、太陽光のコンバイナー面に対するＳ偏光の５０％以上は、光線４０１ｓに示すように外部に反射され、残りが光線４０１ｐとなり、ＨＵＤ映像光の光路を逆行する。光線４０１ｓのＳ偏光、Ｐ偏光成分は、ＨＵＤ映像光と同様に、上記高分子膜の複屈折楕円体の主軸に対して、平行あるいは直交しているので、偏光状態は保存され伝搬する。その後、図１に示すミラー１５１で反射され、更にその他のミラー１５２で反射されたのち、映像表示装置３００に入射する。ここで、その他のミラー１５２は、可視光に対しては反射率が高く、赤外光には反射率が低い、いわゆるコールドミラーの構成になっているが、更に可視光域のＳ偏光に対する反射率が９０％以上と高く、かつ、Ｐ偏光に対する反射率が３０％以下となる偏光特性を有する構成となっている。本構成により、光線４０１ｐのＰ偏光成分の大部分は、図に示したようにその他のミラー１５２を透過してしまい、映像表示装置３００には到達しない。なお、前記のような偏光特性を持たせるためには、その他のミラー１５２に対して主光線の入射角ψは、３０度以上とすることが望ましい。主光線の入射角度を３０度より小さくなると、偏光方向による十分な反射率特性変化を発現するのが困難となる。本構成を採用することにより、コンバイナー面に対してＰ偏光成分の大部分がカットされ、残りのＳ偏光成分が主体となる。従って、映像表示装置３００に到達する太陽光は、コンバイナー２００に入射する可視光域の太陽光に対して、Ｐ偏光成分３０％以下、Ｓ偏光成分５０％以下、即ち平均で４０％以下となる。更に赤外光は、前記その他のミラー１５２により、ほとんどの赤外光がカットされ、映像表示装置３００が受ける太陽光のダメージを大幅に低減できる。

一方、ＨＵＤ映像光は、上記表示素子３０３よりコンバイナー２００に対してＳ偏光で出射されるので、前記その他のミラー１５２では、９０％以上の可視光線を反射し、前記その他のミラー１５２の映像光に対する影響は小さい。また、図示はしないが、前記その他のミラー１５２に前述したような偏光特性を持たせる代わりに、コンバイナー２００と映像表示装置３００間に、コンバイナー２００に対してＰ偏光となる偏光を遮断する偏光フィルターを設置することにより、同様の効果を得ることができる。更に、ハーフミラー２３０は、誘電体多層膜を所定の層数積層することにより、上記特性を実現できる。なお、上記にはコンバイナーの場合についての太陽光によるＨＵＤ装置へのダメージからの保護対策について述べたが、コンバイナーに替え、ウインドシールドにより映像光を反射する場合には、当該ウインドシールドの外部表面に上記と同様の対策を実施すればよいことは、当業者であれば明らかであろう。

＜映像表示装置の詳細構造＞
続いて、以下には、ＨＵＤ装置１００内においてＳ偏光の映像光を出射する映像表示装置３００の構成について、特に、モジュール化に適しており、小型で光利用効率の高いＨＵＤ装置を実現するための構成について、以下に詳細に説明する。

図３は、本発明の一実施の形態に係る映像表示装置３００の概観を示す展開斜視図である。図からも明らかなように、映像表示装置（本体）３００は、例えば、プラスチックなどにより形成され、その内部に、後にも詳述するＬＥＤ、コリメータ、合成拡散ブロック、導光体等を収納してなる光源装置ケース１１から構成されている。その上面には、液晶表示素子５０が取り付けられている。また、光源装置ケース１１のひとつの側面には、半導体光源であるＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子やその制御回路を実装したＬＥＤ基板１２が取り付けられていると共に、当該ＬＥＤ基板１２の外側面には、上記ＬＥＤ素子および制御回路で発生する熱を冷却するためのヒートシンク１３が取り付けられている。

更に、光源装置ケース１１の上面に取り付けられた液晶表示素子５０は、液晶表示パネルフレーム５１と、当該フレームに取り付けられた液晶表示パネル５２と、更に、当該パネルに電気的に接続されたＦＰＣ（Flexible Printed Circuits：フレキシブル配線基板）５３とから構成されている。即ち、液晶表示パネル５２は、後にも詳細に説明するが、固体光源であるＬＥＤ素子と共に、電子装置を構成する制御回路（ここでは図示せず）からの制御信号によって表示される映像が生成され、制御される。

以下、上記映像表示装置３００の内部、即ち、光源装置ケース１１内に収納されている光学系の構成について、添付の図４〜図１３を参照しながら詳細に説明する。

図４において、光源を構成する複数（本例では、２個）のＬＥＤ１４ａ、１４ｂ（ここでは、図示せず）が、ＬＥＤコリメータ１５に対して所定の位置に取り付けられている。なお、このＬＥＤコリメータ１５は、各々、例えば、ポリカーボネート等の透光性の樹脂により形成されている。そして、このＬＥＤコリメータ１５は、図５にも示すように、略放物断面を回転して得られる円錐凸形状の外周面１５６を有すると共に、その頂部では、その中央部に凸部（即ち、凸レンズ面）１５７を形成した凹部１５３を有する。また、その平面部の中央部には、外側に突出した凸レンズ面（あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でもよい）１５４を有している。なお、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面を形成する放物面（外周面）１５６は、ＬＥＤ１４ａまたは１４ｂから周辺方向に出射する光をその内部で全反射することが可能な角度の範囲内において設定され、あるいは、反射面が形成されている。

他方、ＬＥＤ１４ａ、１４ｂは、その回路基板である、いわゆる、ＬＥＤ基板１２の表面上の所定の位置にそれぞれ配置されている。このＬＥＤ基板１２は、図５からも明らかなように、ＬＥＤコリメータ１５に対して、その表面上のＬＥＤ１４ａまたは１４ｂが、それぞれ、その凹部１５３の中央部に位置するように配置されて固定される。

かかる構成によれば、上述したＬＥＤコリメータ１５によって、ＬＥＤ１４ａまたは１４ｂから放射される光のうち、特に、その中央部分から上方（図の右方向）に向かって放射される光は、図に矢印で示すように、ＬＥＤコリメータ１５の外形を形成する２つの凸レンズ面１５７、１５４により集光されて平行光となり、また、その他の部分から周辺方向に向かって出射される光は、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面を形成する放物面（外周面）１５６によって反射され、もって、同様に、集光されて平行光となる。換言すれば、その中央部に凸レンズを構成すると共に、その周辺部に放物面（外周面）１５６を形成したＬＥＤコリメータ１５によれば、ＬＥＤ１４ａまたは１４ｂにより発生した光のほぼ全てを平行光として取り出すことが可能となり、発生した光の利用効率を向上することが可能となる。

なお、当該ＬＥＤコリメータ１５の光の出射側には、以下にも詳述する偏光変換素子２１が設けられている。この偏光変換素子２１は、図６にも示すように、断面が平行四辺形である柱状（以下、平行四辺形柱）の透光性部材と、断面が三角形である柱状（以下、三角形柱）の透光性部材とを組み合わせ、ＬＥＤコリメータ１５からの平行光の光軸に対して直交する面に平行に、複数、アレイ状に配列して構成されている。更に、これらアレイ状に配列された隣接する透光性部材間の界面には、交互に、偏光ビームスプリッタ（以下、「ＰＢＳ」と省略する）膜２１１と反射膜２１２とが設けられており、また、偏光変換素子２１へ入射してＰＢＳ膜２１１を透過した光が出射する出射面には、１／２λ位相板２１３が備えられている。

この偏光変換素子２１の出射面には、更に、図７にも示す矩形状の合成拡散ブロック１６が設けられている。即ち、ＬＥＤ１４ａまたは１４ｂから出射された光は、ＬＥＤコリメータ１５の働きにより平行光となって合成拡散ブロック１６へ入射し、出射側のテクスチャー１６１により拡散された後、以下に述べる導光体１７に至る。

ここで、上記図４に戻り、上記合成拡散ブロック１６の出射面側には、第１の拡散板１８ａを介して、断面略三角形の角柱状の導光体１７が設けられており、その上面には、第２の拡散板１８ｂが取り付けられている。これにより、上記ＬＥＤコリメータ１５の水平光は、当該導光体１７の働きにより図の上方に反射されて、上記液晶表示素子５０の入射面に導かれる。なお、その際、上記第１および第２の拡散板１８ａ、１８ｂによって、入射光の強度が均一化される。

上記映像表示装置３００を構成する導光体１７の詳細について、以下に、図面を参照しながら説明する。なお、図８（ａ）は、当該導光体１７の全体を示す斜視図を、図８（ｂ）はその断面を、そして、図８（ｃ）および（ｄ）は、断面の詳細を示す一部拡大断面図である。

導光体１７は、例えば、アクリル等の透光性の樹脂により断面が略三角形（図８（ｂ）参照）の棒状に形成された部材であり、そして、図４や図８（ａ）からも明らかなように、上記合成拡散ブロック１６の出射面に第１の拡散板１８ａを介して対向する導光体光入射部（面）１７１と、斜面を形成する導光体光反射部（面）１７２と、第２の拡散板１８ｂを介して上記液晶表示素子５０の液晶表示パネル５２と対向する導光体光出射部（面）１７３とを備えている。

この導光体１７の導光体光反射部（面）１７２には、その一部拡大図である図８（ｃ）および（ｄ）に示すように、多数の反射面１７２ａと連接面１７２ｂとが交互に鋸歯状に形成されている。そして、反射面１７２ａ（図では右上がりの線分）は、図において一点鎖線で示す水平面に対してαｎ（ｎ：自然数であり、本例では、例えば、１〜１３０である）を形成しており、その一例として、ここでは、αｎを４３度以下（但し、０度以上）に設定している。

他方、連接面１７２ｂ（図では右下がりの線分）は、反射面に対してβｎ（ｎ：自然数であり、本例では、例えば、１〜１３０である）を形成している。即ち、反射部の連接面１７２ｂは、入射光に対して、後に述べる散乱体の半値角の範囲で影になる角度に傾斜されている。後にも詳述するが、α１、α２、α３、α４…は反射面仰角を形成し、β１、β２、β３、β４…は反射面と連接面との相対角度を形成しており、その一例として、９０度以上（但し、１８０度以下）に設定されている。なお、本例では、β１＝β２＝β３＝β４＝…＝β１２２＝…β１３０である。

図９および図１０は、説明のために、導光体１７に対して反射面１７２ａと連接面１７２ｂの大きさを相対的に大きくした模式図を示す。導光体１７の導光体光入射部（面）１７１では、主たる光線が、反射面１７２ａに対して入射角が大きくなる方向にδだけ偏向されている（図１０（ｂ）参照）。即ち、導光体光入射部（面）１７１は、光源側に傾斜した湾曲の凸形状に形成されている。これによれば、合成拡散ブロック１６の出射面からの平行光は、第１の拡散板１８ａを介して拡散されて入射し、図からも明らかなように、導光体光入射部（面）１７１により上方にわずかに屈曲（偏向）しながら導光体光反射部（面）１７２に達する（図１１の比較例を参照）。

なお、この導光体光反射部（面）１７２には、多数の反射面１７２ａと連接面１７２ｂとが交互に鋸歯状に形成されており、拡散光は、各々の反射面１７２ａ上で全反射されて上方に向かい、更には、導光体光出射部（面）１７３や図４に示すように第２の拡散板１８ｂを介して、平行な拡散光として液晶表示素子５０の液晶表示パネル５２へ入射する。そのため、反射面仰角α１、α２、α３、α４…は、各々の反射面１７２ａが前記拡散光に対して臨界角以上の角度となるように設定されており、他方、反射面１７２ａと連接面１７２ｂとの相対角度β１、β２、β３、β４…は、上述したように一定の角度、その理由は後にも述べるが、より好ましくは、９０度以上の角度（βn≧90度）に設定されている。

上述した構成により、各反射面１７２ａが前記拡散光に対して常に臨界角以上の角度となるような構成になっているので、導光体光反射部（面）１７２に金属等の反射膜を形成しなくても、全反射が可能となり、低コストな光源装置を実現できる。一方、比較例となる図１１に示したように、導光体１７の導光体入射部で、主たる光線の屈曲（偏光）が無い場合は、拡散光の一部が反射面１７２ａに対して、臨界角以下になってしまい、十分な反射率が確保できないので、特性の良い（明るい）光源装置が実現できない。

また、反射面仰角α１、α２、α３、α４…は、導光体光反射部（面）１７２の下部から上部に移動するに従ってわずかずつ増加する値となっている。これは、液晶表示素子５０の液晶表示パネル５２を透過した光はある程度の発散角を有しているため、特に液晶表示パネル５２の周辺部を透過した光の一部が、下流に配置されたミラーの周縁でけられる、いわゆる周辺減光の発生を防止する目的で、図９の光線３０に示すように、周辺部の光線がやや中心軸方向に偏向させた構成を実現するためである。

上記でも述べたように、β１=β２=β３=β４…βn≧90度としたが、これは、図１２にも示すように、導光体１７を射出成形で作製するための金型４０の加工において、底面と側面の相対角度がβのエンドミル３５によって、反射面１７２ａと連接面１７２ｂとが、同時に、加工できるためである。また、反射面１７２ａと連接面１７２ｂに対し、相対的に太い工具で加工が可能であることから、加工時間が大幅に短縮でき加工費の大幅な低減が可能となる。また、反射面１７２ａと連接面１７２ｂとの境界エッジが精度良く加工でき、導光体１７の導光特性の向上を図ることができる。

また、図９中のＬr１、Ｌr２、Ｌr３、Ｌr４…は反射面１７２ａの水平面に対する投影長さを、そして、Ｌc１、Ｌc２、Ｌc３、Ｌc４…は、連接面１７２ｂの水平面に対する投影長さをそれぞれ表しており、Ｌr/Ｌc、即ち反射面１７２ａと連接面１７２ｂとの比率は、場所により変更可能な構成とした。導光体１７に入射する主たる光線３０の強度分布は、必ずしも液晶表示パネル５２の入射面で望まれる強度分布と一致しない。そこで、反射面１７２ａと連接面１７２ｂとの比率Ｌr/Ｌcにより、強度分布を調整する構成を採用した。なお、この比率を高めるほど、その部分の反射光の平均的な強度を高めることができる。一般的に、導光体に入射する光線３０は、中央部が強くなりがちなので、それを補正するのに、前記比率Ｌr/Ｌcは、場所により異なる構成とし、特に、中央部が小さくなるようにした。前記比率Ｌr/Ｌcが場所により異なる構成および前述した反射面仰角α１、α２、α３、α４…が場所により異なる構成であるため、導光体光反射部（面）１７２の概形状を表す包絡線１７２ｃは、図９に示すように曲線形状を示す。

更に、Lr1+Lc1=Lr2+Lc2= Lr3+Lc3= Lr4+Lc4…=Lr+Lc≦0.6mmとした。かかる構成を採用することによれば、導光体１７の導光体光出射部（面）１７３から見た反射面の繰り返しピッチを同一とすることができる。また、そのピッチは、0.6mm以下であることから、拡散板１８ａ，１８ｂの作用・効果と相まって、液晶表示パネル５２越しで見た場合、個々の出射面が分離せず、連続面として見えることから、液晶表示パネル５２越しの空間輝度の均一化が図れ、もって、表示特性が向上する。即ち、本構成により、液晶表示パネル５２上での入射光強度分布を均一化することが可能となる。他方、Ｌr＋Ｌcの値が0.2mmより小さいと、加工時間がかかるばかりではなく、各反射面１７２ａを精度良く加工するのが困難となるので0.2mm以上が望ましい。

上述した導光体１７の導光体光反射部（面）１７２の形状によれば、主たる光の全反射条件を満たすことができ、上記導光体光反射部（面）１７２にアルミ等の反射膜を設ける必要がなく、光を効率的に反射することが可能となり、製造コストの上昇を伴うアルミニウム薄膜の蒸着作業なども必要なく、より低コストで、明るい光源が実現できる。また、各相対角βを、連接面１７２ｂが主たる光線３０が合成拡散ブロック１６および拡散板１８aで拡散した光に対して影になるような角度に設定した。これにより、連接面１７２ｂへの不要な光の入射を抑制することで、不要な光の反射を低減でき、特性が良好な光源装置を実現することが可能となる。

また、上述した導光体１７によれば、特に、反射面仰角α１、α２、α３、α４…を適宜設定することにより、光軸方向における導光体光出射部（面）１７３の長さを自由に変更することができることから、導光体光入射部（面）１７１に対して、導光体光出射部（面）１７３の大きさ（面サイズ）を、上記液晶表示パネル５２などの装置に対して適合した、適宜、必要な大きさ（面サイズ）に変更可能な光源装置を実現することが可能となる。このことは、また、光源を構成するＬＥＤ１４ａ、１４ｂの配置形状に依存することなく、導光体光出射部（面）１７３を所望の大きさにすることが可能となることにより、所望の大きさの面状の発光源が得られることとなる。更には、光源を構成するＬＥＤ１４ａ、１４ｂの配置を含む設計における自由度の確保にもつながり、装置全体の小型化にも有利であろう。

加えて、上述した導光体１７によれば、図１３にも示すように、導光体光反射部（面）１７２を構成する連接面１７２ｂを適宜設定する（この例では、その中央部の一部の反射面１７２ａでは光が反射しないようにする）ことによれば、導光体１７の導光体光出射部（面）１７３において、反射面１７２ａと連接面１７２ｂの比率Ｌr/Ｌcを場所によって変更することも可能となる。なお、図示の例では、導光体１７の導光体光出射部（面）１７３における光表示が、光軸の方向において、左右に分けられている様子を示す。この場合、特に、ＨＵＤ装置において、虚像画面を上下や左右に分離して表示する場合等において好適であろう。

ここで、液晶表示パネル５２に入射する主たる光線の傾きは、一般的には、垂直に近い方が望ましいが、しかしながら、液晶表示パネルの特性によっては、図１０（ｂ）に示したように、角度ηだけ傾けることも可能である。即ち、市販されている液晶表示パネルの中には、入射角を５〜１５度程度傾けた方が特性が良いものがあるが、その場合には、上記ηをその特性に応じて５〜１５度とすることが望ましい。

また、液晶表示素子５０をη傾ける代わりに、反射面１７２ａの角度を調整することにより、液晶表示パネル５２への主たる光線の傾きを傾けることも可能である。更に、前記光線の傾きを導光体の側面方向に傾ける必要がある場合には、合成拡散ブロック１６の出射面に形成された三角形状のテクスチャー１６１の斜面傾きを左右非対称にするか、反射面１７２ａ、１７２ｂで構成されるテクスチャーの形成方向を変更することにより、実現可能であろう。

以上にも詳述したように、本発明に係る映像表示装置３００によれば、光源からの光の光利用効率やその均一な照明特性をより向上すると同時に、モジュール化された光源装置として、小型かつ低コストで製造することが可能となる。

即ち、上述した映像表示装置３００によれば、液晶表示素子５０を構成する液晶表示パネル５２に入射する光を、上記の偏光変換素子２１によってＳ偏光波にすることから、当該光の液晶表示パネル５２での透過率を向上することが可能となる。このことから、より少ない発光源（ＬＥＤ）によって、より小型かつ高効率のモジュール化された光源装置を、より安価に実現することが可能となる。なお、上記では、偏光変換素子２１をＬＥＤコリメータ１５の後に取り付けるものとして説明したが、しかしながら、本発明はそれに限定されることなく、液晶表示素子に到る光路中に設けることによっても同様の作用・効果が得られることは、当業者であれば明らかであろう。

＜その他の実施例＞
図１４にも示すように、合成拡散ブロック１６後方に配置される導光体１７を、通常の透光性の樹脂に代えて、偏光変換素子により構成する（導光体１７’）ことも可能である。なお、この構成では、図からも明らかなように、三角形柱の透光性部材２１１’と平行四辺形柱の透光性部材２１２’とを組み合わせ、それらの境界面には、ＬＥＤ１４ａまたは１４ｂから出射してＬＥＤコリメータ１５で平行光となった入射光のＳ偏光波（図中の記号（×）を参照）を反射するが、他方、Ｐ偏光波（図中の上下の矢印を参照）は透過するＰＢＳ膜２１１が形成されると共に、行四辺形柱の透光性部材２１２’の上面には、１／２λ位相板２１３が、そして、その側面には、反射膜２１２がそれぞれ形成されている。

上述した構成によれば、図からも明らかなように、ＬＥＤ１４ａまたは１４ｂから出射してＬＥＤコリメータ１５で平行光となった入射光は、導光体１７に代わる偏光変換素子からなる導光体１７’により、Ｓ偏光波に偏光されて当該素子の上面から上方に向かって出射されることとなる。即ち、上記した構成では、特に、通常の透光性の樹脂からなる導光体１７を取り除くことにより、装置の大幅な小型化や装置の製造コストの低減を実現することが可能となる。

以上、本発明の実施例に係るモジュール化に適し、小型で光利用効率の高いＨＵＤ装置を実現するための映像表示装置の構成について種々述べた。しかしながら、かかる映像表示装置からのウインドシールドまたはコンバイナーに対してＳ偏光の映像光が、ウインドシールドまたはコンバイナーを構成する高分子膜２２０の働きにより、運転者の目に到達する映像光が楕円偏光に変換されることにより、偏光サングラスをかけた状態でもＨＵＤ映像を認識することが可能となることは上記と同様である。

以上、種々の実施例について詳述したが、しかしながら、本発明は、上述した実施例のみに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために装置全体を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００…ＨＵＤ装置、３００…映像表示装置、１０２…車両、１０３…ウインドシールド、２００…コンバイナー、２１０…基板、２２０…高分子膜、２３０…ハーフミラー、５０…液晶表示素子、１０…光源装置、１１…光源装置ケース、１２…ＬＥＤ基板、１３…ヒートシンク、５０…液晶表示素子、５１…液晶表示パネルフレーム、５２…液晶表示パネル、５３…ＦＰＣ（フレキシブル配線基板）、１４ａ、１４ｂ、…ＬＥＤ、１５…ＬＥＤコリメータ、１７…導光体、１８ａ、ｂ…拡散板、１７２ａ…反射面、１７２ｂ…連接面、１６…合成拡散ブロック、１６１…テクスチャー、２１…偏光変換素子、２１１…ＰＢＳ膜、２１２…反射膜、１５１…ミラー、１５２…その他のミラー。

Claims (10)

1. 車両のウインドシールド、または、その直前に設けられた透明または半透明な板状の表示部材からなるコンバイナー上に画像を投射し、その反射光により得られる虚像によって前記画像を運転者に提供するヘッドアップディスプレイシステムであって、
   前記ウインドシールドまたは前記コンバイナー上に、提供される前記画像を偏光光によって投射する映像表示装置と、
   前記映像表示装置から前記ウインドシールドまたは前記コンバイナーの表面から入射し、前記ウインドシールドまたは前記コンバイナーの裏面に達する第１の光路および、前記ウインドシールドまたは前記コンバイナーの前記裏面で反射した後、再び前記表面に至る第２の光路の一部に、共通部材として、前記映像表示装置から投射される前記画像の偏光光の偏光を楕円偏光に変換する偏光変換手段と、を備え、
   前記偏光変換手段は、前記第１の光路の向きと複屈折楕円体の主軸の向きとがほぼ一致しており、前記第２の光路の向きに対しては、前記複屈折楕円体の主軸の向きが異なる、ヘッドアップディスプレイシステム。
2. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイシステムにおいて、
   前記映像表示装置は、
   固体光源と、
   前記固体光源からの光を略平行光に変換するコリメート光学系と、
   表示装置と、を備えており、
   前記表示装置は液晶を用いた表示装置であり、かつ、前記コリメート光学系は前記表示装置の透過率が高くなる方向の偏光照明を行う構成である、ヘッドアップディスプレイシステム。
3. 請求項２に記載のヘッドアップディスプレイシステムにおいて、
   前記映像表示装置は、前記ウインドシールドまたは前記コンバイナーに対してＳ偏光によって前記画像を前記ウインドシールドまたは前記コンバイナー上に投射し、
   前記偏光変換手段は、前記固体光源からの前記Ｓ偏光を楕円偏光に変換する、ヘッドアップディスプレイシステム。
4. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイシステムにおいて、
   前記偏光変換手段は、選択的に前記第２の光路にて複屈折が生じる複屈折楕円体を有する高分子膜である、ヘッドアップディスプレイシステム。
5. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイシステムにおいて、
   前記ウインドシールドまたは前記コンバイナー上に、ハーフミラーが形成されており、
   前記ハーフミラーは、太陽光が前記ヘッドアップディスプレイシステムの映像光の光路を逆行する角度に入射した時に、Ｓ偏光の反射率を５０％以上とした、ヘッドアップディスプレイシステム。
6. 請求項５に記載のヘッドアップディスプレイシステムにおいて、
   前記ウインドシールドまたは前記コンバイナーと前記映像表示装置との間には、前記ウインドシールドまたは前記コンバイナーに対してＰ偏光の成分を選択的に低減する光学素子が設けられている、ヘッドアップディスプレイシステム。
7. 請求項６に記載のヘッドアップディスプレイシステムにおいて、
   前記光学素子は、Ｓ偏光の反射率が９０％以上かつＰ偏光の反射率が３０％以下のミラーである、ヘッドアップディスプレイシステム。
8. 請求項７に記載のヘッドアップディスプレイシステムにおいて、
   前記光学素子は、コールドミラーを兼ねている、ヘッドアップディスプレイシステム。
9. 請求項７に記載のヘッドアップディスプレイシステムにおいて、
   前記光学素子を構成するミラーに対して、前記映像表示装置より出射される主光線の入射角度は３０度以上である、ヘッドアップディスプレイシステム。
10. 請求項７に記載のヘッドアップディスプレイシステムにおいて、
    前記光学素子は、偏光フィルターである、ヘッドアップディスプレイシステム。

Images