JP2009237351A - 反射スクリーン、表示装置及び移動体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の屈折率を有する基体と、前記基体の主面の上に設けられ、第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有する材料からなる周期Λの周期膜を有する周期構造体と、を備え、前記周期膜の等価屈折率をNとしたとき、前記周期Λは、400/(N+1)nm以上680/(N−1)nm以下であることを特徴とする反射スクリーンが提供される。
【選択図】図1
Description
特許文献1に、特定の波長を反射するホログラムコンバイナーを用いる技術が開示されているが反射波長領域が広く、白色光の透過率を低下させるため、上記用途には使用できない。
また、特許文献2に、格子部材を周期的に設けた導波モード共鳴格子素子に関する技術が開示されているが、格子に隣接する部分を空気とすることで反射波長領域を広くするためのものであり、狭い反射波長領域が必要とされる、上記の用途には使用出来ない。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る反射スクリーンの構成を例示する模式図である。
図1(a)、(b)は、それぞれ、断面図、斜視図である。図1(a)、(b)に表したように、第1の実施形態の反射スクリーン10は、基体110と、基体110の主面111の上に設けられ規則性を持った凹凸121を有する周期膜120を有している。
基体110は、例えば、アクリル系の樹脂などで構成でき、基体110の屈折率(第1の屈折率)n1は、例えば、1.45とされる。なお、基体110は、別の板状、またはシート状の基体の上に、薄い膜として設けても良い。
また、例えば、Λを0.24μmとした時も、波長530nmの光(緑色光)を反射し、それ以外の波長の光を透過する。
さらに、周期Λが0.29μmまたは0.81μmの時、波長630nmの光(赤色光)を反射し、それ以外の波長の光を透過する。
さらに、周期Λが0.21μmまたは0.58μmの時、波長450nmの光(青色光)を反射し、それ以外の波長の光を透過する。
図2は、本発明の第1の実施形態に係る反射スクリーンの構成を例示する模式図である。
図2(a)に表したように、本発明の第1の実施形態の反射スクリーン10において、基体110の下方の領域の屈折率をn0、基体110の屈折率(第1の屈折率)をn1、基体110の厚さをT、周期膜120の屈折率(第2の屈折率)をn2、周期膜120の厚さをtとする。そして、周期膜120の上部領域130(凹部124も含めた領域)の屈折率をnuとする。x軸を、基体110の主面111に対して垂直方向とし、y軸を、x軸に対して垂直で、凹凸121の周期方向とも垂直な方向とする。また、Ey(x)をy方向電場成分、Hy(x)をy方向磁場成分、k0を2π/λ(λは波長)、n(x)を屈折率とする。そして、周期膜120における凸部123と凹部124の体積比をaとして、周期膜120の実効屈折率n2’=(a・n2 2+(1−a)n1 2)1/2を用いる。そして、上記のn0、n1、n2、nuの4層からなる構造について、TE偏光対して数式1の微分方程式、TM偏光に対して数式2の微分方程式の解として、固有値βが求まる。そして、等価屈折率Nは、β=k0Nより求められる。なお、TE偏光とは、入射する光の電場の振動面がy方向に平行な偏光、TM偏光とは、電場の振動面がy方向に垂直な偏光である。
すなわち、特定の波長λに対して、入射光のほぼ100%を反射し、それ以外の波長の光を透過する。
図3に表したように、上記で説明した特定の周期Λの凹凸を設けると、反射スクリーン10に特定の波長λの入射光181が入射した時、入射光181は、基体110より屈折率の高い周期膜120の中を実質上損失無く導波され、周期膜120から出射する。すなわち、波長λの光を実質上損失無く反射し、それ以外の波長の光を透過できる。
図4(a)(b)は、第1の実施形態に係わる反射スクリーン10の反射率と透過率の波長特性依存性のシミュレーション結果をそれぞれ例示している。横軸は波長λを示し、縦軸は反射率または透過率である。
なお、シミュレーションの条件は、t=200nm、Λ=350nmである。
図4(a)に表したように、第1の実施形態に係わる反射スクリーン10において、反射率は、波長λ=520nmに非常に鋭いピークを持ち、それ以外の波長では、反射率は非常に低い値となっている。なお、波長275nm付近にもピークがあるが可視光領域を外れているので問題としない。
また、図4(b)に表したように、透過率は、波長λ=520nmに非常に鋭い谷を持ち、それ以外の波長では、透過率は高くなっている。なお、同様に、波長275nm付近にも透過率の谷があるが可視光領域を外れているので問題としない。
なお、図4(a)、(b)で反射率と透過率のシミュレーション結果を示したが、吸収率は実質上、零であった。
なお、特許文献1に開示されているホログラフィック方式のスクリーンの場合、反射率のピークの幅Δλは20nm程度あり、所望の波長λ以外の光も反射し、結果として、所定の波長の光以外の透過率が低かった。このため、スクリーンの背景の像は暗く見にくい表示であった。
これに対し、本実施形態の反射スクリーン10は、所定の波長λの光のみを実質的に反射し、それ以外の光は実質的に損失無く透過する。これにより、所定の波長の光のみを高反射率で反射し、明るい映像が視認でき、また、それ以外の波長の光を高透過率で透過し、見やすい表示が実現できる。これにより、高透過率を保ったまま高反射率を実現した表示が得られる。
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。
図5は、本発明の第2の実施形態に係る反射スクリーンの構成を例示する模式断面図である。
図5に表したように、第2の実施形態に係わる反射スクリーン20は、図1の反射スクリーン10において、周期膜120(周期構造体129)の凸部123の上部に上部層140が設けられている。これにより、周期膜120の凹部124に異物が侵入することを防止できる。もし、凹部124に異物が侵入すると、所望の光学特性が得られないが、上部層140によって異物の侵入を防止でき、品質の安定した高性能の反射スクリーンが得られる。
上部層140は、例えば、第2の屈折率n2より小さい屈折率の材料で構成することができ、また、基体110と同じ材料を用いても良い。
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。
図6は、本発明の第3の実施形態に係る反射スクリーンの構成を例示する模式断面図である。
図6に表したように、第3の実施形態に係わる反射スクリーン30は、図1の反射スクリーン10において、周期膜120の上部領域130に低屈折率層150が設けられている。低屈折率層150は、周期膜120の第2の屈折率n2より小さい屈折率niを有しており、例えば、アクリル系の樹脂で構成でき、niは1.49と設定できる。
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。
図7は、本発明の第4の実施形態に係る反射スクリーンの構成を例示する模式断面図である。
図7に表したように、第4の実施形態に係わる反射スクリーン40は、周期膜を3層積層した構造を有している。すなわち、第1の周期Λ1と第1の厚みt1を有する第1の周期膜120、第2の周期Λ2と第2の厚みt2を有する第2の周期膜220、第3の周期Λ3と第3の厚みt3を有する第3の周期膜320が積層されている。そして、第1の周期膜120は第1の基体(基体110)の上に設けられている。また、第1の周期膜120と第2の周期膜220の間には第2の基体210が設けられ、第2の周期膜220と第3の周期膜320の間には第3の基体310が設けられ、そして、第3の周期膜320の上部には上部層140が設けられている。なお、上記の構造において、第1の周期膜120、第2の周期膜220、第3の周期膜320が、周期構造体129を構成する。
例えば、第1の周期Λ1は、赤色光(例えば波長630nm)を反射するように、0.29μmまたは0.81μmに設定することができる。
また、第2の周期Λ2は、緑色光(例えば波長530nm)を反射するように、0.24μmまたは、0.68nmに設定することができる。
また、第3の周期Λ3は、青色光(例えば波長450nm)を反射するように、0.21μmまたは0.58μmに設定することができる。
これにより、例えば、赤色光として波長630nm、緑色光として波長530nm、青色光として波長450nmの3つの波長を有する光源により、種々の色彩を再現できる。そして、これらの3つの波長以外の透過率が高い。従って、反射スクリーン40は、高透過率を保ったまま高反射率を実現した視認性の高いカラー表示が得られる。これにより、高透過率を保ったまま高反射率を実現したヘッドアップディスプレイ及び車両が実現できる。
図8に表したように、本発明の第4の実施形態に係る変化系の反射スクリーン41では、第1の周期膜120の上に順次、第1の低屈折率層150、第2の周期膜220、第2の低屈折率層250、第3の周期膜320、第3の低屈折率層350が積層されている。この構造の反射スクリーン41も、特定の3つの波長を反射でき、種々の色彩を表示可能となる。これにより、高透過率を保ったまま高反射率を実現した視認性の高いカラー表示が得られる。これにより、高透過率を保ったまま高反射率を実現したヘッドアップディスプレイ及び車両が実現できる。
次に、本発明の第5の実施の形態について説明する。
図9は、本発明の第5の実施形態に係る反射スクリーンの構成を例示する模式断面図である。
図9に表したように、第5の実施形態に係わる反射スクリーン50は、図7に例示した反射スクリーン10において、周期膜を2層としたものである。すなわち、第1の周期Λ1と第1の厚みt1を有する第1の周期膜120と、第2の周期Λ2と第2の厚みt2を有する第2の周期膜220とが積層されている。そして、第1の周期膜120は第1の基体(基体110)の上に設けられており、第1の周期膜120と第2の周期膜220の間には第2の基体210が設けられ、第2の周期構造体の上部には上部層140が設けられている。なお、上記の構造において、第1の周期膜120と第2の周期膜220とが周期構造体129を構成する。
そして、第1の周期Λ1と第2の周期Λ2は、混色した場合に略白色となる2つの波長の光に対して、それぞれ反射するように設定される。
例えば、2つの波長としては、第1の光として赤色光(第1の波長λ1が例えば635nm)と第2の光としてシアン色光(第2の波長λ2が例えば490nm)とすることができる。
例えば、第1の周期Λ1は、赤色光(λ1=630nm)を反射するように、0.42μmに設定することができる。
また、第2の周期Λ2は、シアン光(λ2=490nm)を反射するように、0.33μmに設定することができる。
このとき、反射スクリーン50は、これら2色の光を高反射率で反射し、また2色が補色の関係とされているので、白色(無彩色)を表示することができる。これにより、ほぼ自然な色彩のカラー表示を行うことができる。
図10は、本発明の第5の実施形態に係る反射スクリーンの特性を例示するCIE色度図である。
図10は、CIE1931XYZ系色度図に第5の実施形態に係る反射スクリーン50の特性を表したものである。図10に表したように、第1の波長λ1=635nmの第1の光186と、第2の波長λ2=490nmの第2の光187とは、補色の関係にあり、色度図上で白色(無彩色)を通る直線上に配置される。このため、第1の光186と第2の光187との混合比によって白色(無彩色)を含めた種々のカラーが表示可能となる。例えば、第1の波長λ1=635nmの第1の光186と、第2の波長λ2=490nmの第2の光187と、をそれぞれレーザで生成した場合、第1の光186を12mWで出力し、第2の光187を23mWで出力すると、白色(無彩色)の、5lmの光量が得られる。
図9に例示した2層構造を有する反射スクリーン50は、図7に例示した3層構造を有する反射スクリーン40に比べて、構造が簡単であり、実用上非常に有用である。すなわち、例えば、反射スクリーンを例えばヘッドアップディスプレイのような表示装置に用いる場合、表示映像が自然画像である場合は限られており、表示映像は例えば車両の速度等の車両情報や、周囲の地図や、標識、ナビゲーションの表示などであり、実質的には多色の表示ではあっても自然画像ではない。このため、実用的には、2つの波長の2つの光源から形成されたカラー表示で充分の場合が多い。このため、2層構造の反射スクリーン50は、構造の単純さと性能の点で優れており、信頼性も良く低コストで実現できる。
なお、上記において、白色(無彩色)とは、実質上無彩色であれば良いが、例えば、CIE1931XYZ系色度図上において、xが0.25〜0.40、yが0.25〜0.40の範囲が望ましい。
図11は、本発明の第5の実施形態に係る反射スクリーンの特性と視感度との関係を例示するグラフ図である。
図11の横軸は波長を表し、縦軸は視感度または光の強さを表す。図11の実線で表したように、視感度190は、緑色光(波長555nm)で一番高く、それより短いまたは長い波長の光に対しては視感度190は低下する。緑色光(例えば波長555nm)を反射スクリーンに投影する表示装置を考えた場合、本実施形態の反射スクリーンを用いたとしても、映像の投影光の波長555nm±5nmの光は透過しないので、この波長範囲に関しては、背景からの光が透過できない。このとき、視感度の高い555nm付近の光を透過しない反射スクリーンは、実際の使用状態において、透過光が暗い印象を受け、背景の像の視認性が劣る場合がある。
これに対して、本実施形態の反射スクリーン50のように、映像の投影光として視感度の高い緑色光を用いず、赤色光(例えば635nm)とシアン色光(例えば490nm)の2つの光を用いるようにすれば、視感度の高い緑色光の背景像は明るさを実質的に低下させずにそのまま視認できる。そして、補色関係の赤色光とシアン色光によって、白色(無彩色)を含む種々の色を表現でき、実用上非常に有用な表示を可能とする反射スクリーンが実現できる。
図12は、本発明の第5の実施形態に係る反射スクリーンの変化形の構成を例示する模式断面図である。
図12に表したように、本発明の第5の実施形態に係る変化系の反射スクリーン51では、第1の周期膜120の上に順次、第1の低屈折率層150、第2の周期膜220、第2の低屈折率層250が積層されている。この構造の反射スクリーン51も、特定の2つの波長を反射でき、種々の色彩を表示可能となる。これにより、高透過率を保ったまま高反射率を実現した視認性の高いカラー表示が得られる。これにより、高透過率を保ったまま高反射率を実現したヘッドアップディスプレイ(表示装置)及び車両(移動体)が実現できる。
次に本発明の第6の実施の形態の表示装置について説明する。
図13は、本発明の第6の実施形態に係る表示装置の構成と使用状態を例示する模式図である。
図13に表したように、第6の実施形態に係る表示装置610は、映像を含む波長λの光415を生成する光生成部410と、光415が入射角θで投影される反射スクリーン510とを備えている。光生成部410は、例えば、波長λの光412を発生する光源411と、反射ミラー420と、映像用スクリーン430と、を有している。映像用スクリーン430は、光412に対して光シャッタの機能を持つものであり、例えば、液晶表示パネル等各種のものを用いることができる。光源411は、例えば、各種の固体レーザ、ガスレーザ、半導体レーザなどで構成できる。光源411の選択により、所望の波長λを設定できる。また、光生成部410には、上記の構成の他、例えば、バックライトを有する液晶表示パネル、光源とMEMS( Micro-electro-mechanical System)スキャナとの組み合わせ、光源と走査ミラーの組み合わせ等、各種の構成を使用することができる。
光415は、光束を整えるレンズ440を経て、反射スクリーン510で反射し、観視者470に到達する。そして、観視者470は、反射スクリーン510で形成される映像(虚像)480を観視できる。例えば、反射スクリーン510は、車両等のフロントガラス(窓部)490の例えば内側(車内側)に付設されている。この時、反射スクリーン510は、反射性の他に透過性も有しており、観視者470は、反射スクリーン510を通して車外の背景像を、光415に基づく映像情報の像480と同時に観視できる。なお、レンズ440は必要に応じて設ければ良い。また、反射ミラー420を設けず、光412が映像用スクリーン430に直接入射する構成としても良く、各種の光学的配置をとることができる。
そして、本実施形態の表示装置610においては、反射スクリーン510として、図1に例示した反射スクリーン10と同等のものを用いることができる。
図14に表したように、第6の実施形態に係る表示装置610において、反射スクリーン510は、第1の屈折率n1を有する基体110を有している。そして、基体110の主面111の上には周期膜120が設けられている。周期膜120が周期構造体129となっている。周期膜120は、第1の屈折率n1より大きい第2の屈折率n2を有し、等価屈折率Nと波長λに対して、λ/(N+sinθ)、またはλ/(N−sinθ)の周期Λの規則性を持った凹凸を有している。そして、例えば、基体110の屈折率(第1の屈折率)n1を1.45、周期膜120の屈折率(第2の屈折率)n2を1.9とし、周期膜120の厚さtを180nmとすると、数式1で求められる等価屈折率Nは1.49となる。
また、光415の波長λを630nm(赤色光)とした場合は、周期Λを0.29μmまたは0.81μmとすることができる。この時、反射スクリーン510は、波長λが630nmの光を反射し、それ以外の波長の光を透過する。
また、光415の波長λを450nm(青色光)とした場合は、周期Λを0.21μmまたは0.58μmとすることができる。この時、反射スクリーン510は、波長λが450nmの光を反射し、それ以外の波長の光を透過する。
そして、上記の場合、既に説明したように、反射スクリーン510の反射特性は、波長幅Δλが10nm程度の波長選択性の非常に高い反射特性を示す。
このように、本実施形態の表示装置においては、波長λの映像情報を含む光415を反射スクリーン510に入射角θで投影し、その反射スクリーン510が、第1の屈折率n1を有する基体110と、第1の屈折率n1より大きい第2の屈折率n2を有し、等価屈折率Nと波長λに対して、λ/(N+sinθ)、またはλ/(N−sinθ)の周期Λの規則性を持った凹凸を有する周期膜120とを有しているので、波長λの入射角θの光415を実質的に損失無く反射し、その波長以外の光に対しては透過率を実質的に低下させない。これにより、高透過率を保ったまま高反射率を実現した視認性の高い表示が得られる。これにより、高透過率を保ったまま高反射率を実現し、安全な運行を可能とした車両が実現できる。
次に本発明の第7の実施の形態の表示装置について説明する。第7の実施形態の表示装置は、図12に例示した2層構造の反射スクリーンを用いた例である。
図15は、本発明の第7の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
図15に表したように、第7の実施形態に係る表示装置620は、映像を含む光415を生成する光生成部410と、光415が入射角θで投影される反射スクリーン520とを備えている。
上記の表示装置620において、光源の選択により、所望の波長λを設定できる。本実施形態では、第1の光源416と第2の光源417は、例えば、例えば、半導体レーザ等で構成できる。そして、第1の波長λ1を635nm(赤色光)、第2の波長λ2を490nm(シアン色光)とすることができる。すなわち、光の波長の数kが2であり、光生成部410は、混色した際に無彩色となる、第1の波長λ1(635nm)を有する第1の光416bと、第2の波長λ2(490nm)を有する第2の光417bの2つの光を発生する。そして、これら第1の光416bと第2の光417bとが光415となる。
そして、このような2つの周期膜120、220を積層した層を有する反射スクリーン520は、第1の波長λ1(635nm)と、第2の波長λ2(490nm)のみを反射し、それ以外の光を透過する。そして、既に説明したように、反射スクリーン520の反射特性は、波長幅Δλが10nm程度の波長選択性の非常に高い反射特性を示す。
このように、反射スクリーン520は、第1の波長λ1に対して、λ1/(N1+sinθ)、またはλ1/(N1−sinθ)の周期Λ1の規則性を持った凹凸を有する第1の周期膜120と、第2の波長λ2に対して、λ2/(N2+sinθ)、またはλ2/(N2−sinθ)の周期Λ2の規則性を持った凹凸を有する第2の周期膜220とが積層されているので、入射角θの第1の波長λ1と第2の波長λ2の光415を実質的に損失無く反射し、その波長以外の光に対しては透過率を実質的に低下させない。そして、第1の波長λ1と第2の波長λ2とが混色した際に無彩色となるように設定されているので、高透過率を保ったまま高反射率を実現した視認性の高い表示カラーが得られる。これにより、高透過率を保ったまま高反射率を実現し、安全な運行を可能とした車両が実現できる。
図16に表したように、本発明の第8の実施形態の、例えば、自動車、列車、船舶、ヘリコプター、飛行機など各種の移動体710の、例えば窓部491には、反射スクリーン530が設けられている。このスクリーンに、本発明の実施形態の反射スクリーンを用い、本発明の実施形態の表示装置を用いて、光415を入射し、反射スクリーン530に映像を投射することにより、高透過率を保ったまま高反射率を実現した視認性の高い表示が得られる。これにより、高透過率を保ったまま高反射率を実現し、安全な運行を可能とした移動体が実現できる。なお、反射スクリーン530は、移動体の、例えば窓部491となる、平板形状や曲線形状のガラスや各種樹脂板等に設けることができるが、窓部491とは別に、適切な透明な板状、シート状の基体を設けその上に反射スクリーン530を設けることもできる。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
110 基体
111 主面
120 周期膜、第1の周期膜
121 凹凸
123 凸部
124 凹部
129 周期構造体
130、230、330 上部領域
140 上部層
142 上面
150 低屈折率層、第1の低屈折率層
181 入射光
182 反射光
186 第1の光
187 第2の光
190 視感度
210 第2の基体
220 第2の周期膜
250 第2の低屈折率層
310 第3の基体
320 第3の周期膜
350 第3の低屈折率層
410 光生成部
411 光源
412、415 光
416 第1の光源
416a 第1の映像スクリーン
416b 第1の光
417 第2の光源
417a 第2の映像スクリーン
417b 第2の光
418 ハーフミラー
420 反射ミラー
421 凹面ミラー
430 映像スクリーン
440 レンズ
470 観視者
480 像
490、491 窓部、フロントガラス
610、620 表示装置
710 移動体
Claims (6)
- 第1の屈折率を有する基体と、
前記基体の主面の上に設けられ、第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有する材料からなる周期Λの周期膜を有する周期構造体と、
を備え、
前記周期膜の等価屈折率をNとしたとき、前記周期Λは、400/(N+1)nm以上680/(N−1)nm以下であることを特徴とする反射スクリーン。 - 前記周期構造体は、混色した際に無彩色となるk種類の光の波長をλkとしたとき、前記波長λkのそれぞれに対して等価屈折率Nkを有し、λk/(Nk+1)以上λk/(Nk−1)以下の周期Λkの規則性をもったk個の周期膜を積層した層を含むことを特徴とする請求項1記載の反射スクリーン。
- 映像情報を有する波長λの光を生成する光生成部と、
前記光が入射角θで投影される反射スクリーンと、
を備え、
前記反射スクリーンは、
第1の屈折率を有する基体と、前記基体の主面の上に設けられ、第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有する材料からなる周期Λの周期膜を有する周期構造体と、を有し、
前記周期膜の等価屈折率をNとしたとき、前記周期Λは、λ/(N+sinθ)、またはλ/(N−sinθ)であることを特徴とする表示装置。 - 前記光生成部は、混色した際に無彩色となるそれぞれ波長λkを有するk種類の光を発生し、
前記周期構造体は、前記波長λkのそれぞれに対して等価屈折率Nkを有し、λk/(Nk+sinθ)、またはλk/(Nk−sinθ)の周期Λkの規則性を持ったk個の周期膜を積層した層を含むことを特徴とする請求項3記載の表示装置。 - 前記kは、2であり、
波長λ1は620〜650nm、波長λ2は470〜510nmであり、
第1の周期膜の周期Λ1は810nmまたは290nm、第2の周期膜の周期Λ2は580nmまたは210nmであることを特徴とする請求項4記載の表示装置。 - 請求項3〜5のいずれか1つに記載の表示装置と、
前記反射スクリーンが付設された窓部と、
を備えたことを特徴とする移動体。
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