JP2011022210A - Display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガラス板などの反射板に画像表示光を投影し、その反射板越しに虚像を観察させる表示装置に関し、特に、自動車や航空機などのフロントガラスを利用したヘッドアップディスプレイ装置に関する。 The present invention relates to a display device that projects image display light onto a reflecting plate such as a glass plate and observes a virtual image through the reflecting plate, and more particularly to a head-up display device using a windshield of an automobile or an aircraft.
画像表示光(以下、単に表示光と称す。)を運転手に向かってフロントガラスで反射させ、スピードメータなどの計器類の画像を観察できるようにしたヘッドアップディスプレイ(Head-Up Display;HUD)装置が知られている(特許文献1〜3参照)。HUD装置では、フロントガラス越しに、計器類の画像が虚像として表示される。したがって、運転手は通常の前方視野とともに、視線方向や視度をほとんど変えることなく計器類の画像を観察できる。 A head-up display (HUD) that allows image display light (hereinafter simply referred to as display light) to be reflected by the windshield toward the driver so that images of instruments such as speedometers can be observed. An apparatus is known (see Patent Documents 1 to 3). In the HUD device, the instrument image is displayed as a virtual image through the windshield. Therefore, the driver can observe the images of the instruments together with the normal forward visual field with almost no change in the line-of-sight direction or diopter.
HUD装置に用いられる光学ユニットは、液晶表示パネル、光源、投影光学系などから構成される。液晶表示パネルには透過型のものが用いられる。液晶表示パネルの背後に設けられたバックライトが光源となり、液晶表示パネルを透過した光が表示光として投影光学系に入射する。投影光学系には凹面ミラーなどが用いられ、凹面ミラーで反射した表示光がフロントガラスでさらに反射し、運転手に向けられるようになっている。 The optical unit used in the HUD device is composed of a liquid crystal display panel, a light source, a projection optical system, and the like. A transmissive liquid crystal display panel is used. A backlight provided behind the liquid crystal display panel serves as a light source, and light transmitted through the liquid crystal display panel enters the projection optical system as display light. A concave mirror or the like is used for the projection optical system, and the display light reflected by the concave mirror is further reflected by the windshield and directed to the driver.
このようなHUD装置では、太陽光や対向車のヘッドライトなどの外光が、フロントガラスから進入して表示光の経路を逆向きに進み、液晶表示パネルで反射することがある。液晶表示パネルが光軸に対して垂直に配置されている場合には、液晶表示パネルで反射した外光が表示光の経路を進んで運転手の視界に入り、画像の視認性に影響が及んでしまう。 In such a HUD device, external light such as sunlight or headlights of an oncoming vehicle may enter the windshield, travel in the reverse direction of the display light, and be reflected by the liquid crystal display panel. When the liquid crystal display panel is arranged perpendicular to the optical axis, external light reflected by the liquid crystal display panel travels along the display light path and enters the driver's field of view, affecting the image visibility. I'll be stuck.
そこで、液晶表示パネルを、光軸に対して垂直な向きから傾けて配置するなどし、液晶表示パネルで反射した外光が表示光の経路を進まないようにする必要がある。しかし、液晶表示パネルを傾けた場合、光源からの光が液晶表示パネルを斜めに透過するので、表示光に基づく画像のコントラストが低下してしまう。この場合、画像のコントラスト低下を抑える必要がある。 Therefore, it is necessary to arrange the liquid crystal display panel so as to be inclined from the direction perpendicular to the optical axis so that the external light reflected by the liquid crystal display panel does not travel the path of the display light. However, when the liquid crystal display panel is tilted, the light from the light source is transmitted obliquely through the liquid crystal display panel, so that the contrast of the image based on the display light is lowered. In this case, it is necessary to suppress a decrease in contrast of the image.
また、そもそもHUD装置は晴天時の明るい状況下で使用された場合に画像が視認できることが要求されており、画像のコントラストを高め、黒い部分(低輝度の部分)をより黒くする(低輝度にする)必要もある。 In the first place, the HUD device is required to be able to visually recognize an image when it is used in a bright condition on a clear day. The contrast of the image is increased, and a black portion (low luminance portion) is made black (low luminance). There is also a need.
そこで、画像のコントラスト低下を抑えるには、例えば、液晶表示パネルの駆動方式がTN(Twisted Nematic)方式の場合、液晶表示パネルにWV(Wide View)フィルムを貼付することが考えられる(非特許文献1参照)。 Therefore, in order to suppress a decrease in image contrast, for example, when the driving method of the liquid crystal display panel is a TN (Twisted Nematic) method, it is conceivable to attach a WV (Wide View) film to the liquid crystal display panel (non-patent document). 1).
しかしながら、WVフィルムで画像のコントラスト低下を抑える場合、WVフィルムが液晶表示パネルに貼付されているので、最適調整を行うことができず、輝度などのバラツキを抑えることができない。また、WVフィルムは、熱や紫外線に弱く劣化し易い。このように、WVフィルムを貼付して画像のコントラスト低下を抑える場合には、様々な問題がある。 However, when suppressing the contrast reduction of an image with a WV film, since the WV film is stuck on the liquid crystal display panel, optimal adjustment cannot be performed, and variations such as luminance cannot be suppressed. Further, the WV film is weak to heat and ultraviolet rays and easily deteriorates. As described above, there are various problems when a WV film is applied to suppress a reduction in contrast of an image.
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、画像の視認性を確保するとともに画像のコントラスト低下を抑えたヘッドアップディスプレイ装置(表示装置)を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a head-up display device (display device) that secures image visibility and suppresses a decrease in image contrast.
上記目的を達成するために、本発明の表示装置は、液晶表示パネルを透過した光源からの光が、観察者に対面するように配置された反射板で前記観察者に向けて反射され、前記液晶表示パネルに表示された画像が虚像として前記観察者に視認される表示装置であり、傾きの調整が可能に配置され、前記液晶表示パネルを透過した光を前記反射板に向けて透過させて前記光の位相差を補償する無機材料で形成された光学補償板を備え、前記液晶表示パネルは、光軸に対して垂直な向きから傾けて配置されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, in the display device of the present invention, light from a light source transmitted through a liquid crystal display panel is reflected toward the observer by a reflector arranged so as to face the observer, An image displayed on the liquid crystal display panel is a display device that is visually recognized by the observer as a virtual image. The display device is arranged so that the tilt can be adjusted, and transmits the light transmitted through the liquid crystal display panel toward the reflector. An optical compensation plate made of an inorganic material that compensates for the phase difference of the light is provided, and the liquid crystal display panel is arranged to be inclined from a direction perpendicular to the optical axis.
なお、前記液晶表示パネルは、電圧が印加されていないときに液晶分子が基板面に対して略垂直に配向するVA方式のものであることが好ましい。また、ヘッドアップディスプレイ装置であることが好ましい。 The liquid crystal display panel is preferably a VA type in which liquid crystal molecules are aligned substantially perpendicular to the substrate surface when no voltage is applied. Moreover, it is preferable that it is a head-up display apparatus.
本発明の表示装置によれば、液晶表示パネルが光軸に対して垂直な向きから傾けて配置されているから、反射板を透過した太陽光などの外光が、表示光の経路を逆向きに進み、液晶表示パネルで反射した場合であっても、液晶表示パネルで反射した外光が表示光の経路に戻ることはない。つまり、液晶表示パネルで反射した外光によって画像の視認性に影響が及ぶことが防止される。 According to the display device of the present invention, since the liquid crystal display panel is disposed so as to be tilted from the direction perpendicular to the optical axis, external light such as sunlight transmitted through the reflecting plate reverses the path of the display light. Even when the light is reflected by the liquid crystal display panel, the external light reflected by the liquid crystal display panel does not return to the path of the display light. That is, it is possible to prevent the visibility of the image from being affected by the external light reflected by the liquid crystal display panel.
また、前記液晶表示パネルを透過した光を透過させて前記光の位相差を補償する光学補償板を備えているから、液晶表示パネルが傾けて配置されていることに起因する画像のコントラスト低下を抑えることができる。さらに、光学補償板が無機材料で形成されているから、有機材料で形成されている場合と比較して劣化し難い。 In addition, since an optical compensator is provided that transmits the light transmitted through the liquid crystal display panel and compensates for the phase difference of the light, the contrast of the image due to the liquid crystal display panel being inclined is reduced. Can be suppressed. Furthermore, since the optical compensation plate is made of an inorganic material, it is less likely to deteriorate than when it is made of an organic material.
また、前記液晶表示パネルが、電圧が印加されていないときに液晶分子が基板面に対して略垂直に配向するVA方式のものである場合、TN方式のものを用いた場合と比較して、高いコントラストを実現できる。さらに、液晶表示パネルの基板に、熱伝導率が高く放熱性の高いものを用いることで、液晶表示パネルが高温になることが防止される。つまり、使用環境に影響されず、高画質を実現できる。 Further, when the liquid crystal display panel is of a VA method in which liquid crystal molecules are aligned substantially perpendicular to the substrate surface when no voltage is applied, compared to the case of using a TN method, High contrast can be achieved. Furthermore, by using a substrate having a high thermal conductivity and high heat dissipation as the substrate of the liquid crystal display panel, the liquid crystal display panel can be prevented from reaching a high temperature. That is, high image quality can be realized without being influenced by the use environment.
図1に示すヘッドアップディスプレイ装置(以下、HUD装置と略す。)11は、自動車12のダッシュボード13に内蔵され、スピードメータの値などの計器類を運転手(観察者)14の前方に表示する。
A head-up display device (hereinafter abbreviated as a HUD device) 11 shown in FIG. 1 is built in a
HUD装置11は、内蔵する小型の液晶表示パネル25(図2参照)からの表示光をフロントガラス(反射板)15に拡大投影し、フロントガラス15で運転手14の方向へ反射させる。HUD装置11によれば、フロントガラス15上に画像が結像して実像が表示されるのではなく、運転手14から見てフロントガラス15越しとなる位置に虚像16が表示される。虚像16が表示される位置は、例えば運転手14から2m以上離れており、運転手14は、運転中に視線をほとんど動かさずに、且つ、目のピント調節を行わずに虚像16を見ることができる。
The
図2に示すように、HUD装置11は、表示光を生成する表示光生成ユニット21と、表示光生成ユニット21が取り付けられる筐体22とから構成される。表示光生成ユニット21は、筒状のユニット本体23の中に、光源24、液晶表示パネル25、無機位相差板26、及び偏光板27を備えている。これら24〜27は、符号の順番で、光源24から照射される照明光の光軸(axis of lens)AOL上に配置され、液晶表示パネル25からの表示光を筐体22内に導く。筐体22内には、凹面ミラー28及び平面ミラー29が設けられている。これらミラー28、29は、液晶表示パネル25からの表示光をフロントガラス15に導く。
As shown in FIG. 2, the
光源24は、例えば白色のLEDからなり、液晶表示パネル25をその背後から一様に照射する。なお、光源24は、白色のLEDにより白色の照明光を照射するものに限らず、所望の色の照明光を照射するようにしてもよい。例えば、赤色、緑色、青色などの単色LEDから構成してもよく、これらの単色LEDをいくつか組み合せて所望の色で像を表示させるようにしてもよい。また、光源24は、LEDに限らず、他の周知のランプなどを用いてもよい。 The light source 24 is made of, for example, a white LED, and uniformly irradiates the liquid crystal display panel 25 from behind. The light source 24 is not limited to the white LED that emits the white illumination light, but may emit the illumination light of a desired color. For example, it may be composed of single-color LEDs such as red, green, and blue, and some of these single-color LEDs may be combined to display an image in a desired color. Further, the light source 24 is not limited to an LED, and other known lamps may be used.
液晶表示パネル25は、VA(Vertical Alignment;垂直配向)方式の透過型液晶表示パネルであり、背面から照射された照明光を透過して、画像の情報を有した表示光を生成する。 The liquid crystal display panel 25 is a VA (Vertical Alignment) type transmissive liquid crystal display panel, and transmits illumination light irradiated from the back surface to generate display light having image information.
VA方式の液晶表示パネルは、垂直配向膜間にネマティック液晶が封入されており、液晶層に電圧が印加されていない状態では、液晶分子が基板に対して略垂直に配向する。液晶分子が基板に対して略垂直に配向していると、この液晶分子の影響をほとんど受けずに光が液晶層を通過するから、この状態で表示する黒色は、液晶層を挟み込むようにクロスニコル配置で設けられた偏光板の特性と略一致し、非常に高いコントラストが実現される。このように、VA方式のものは、高いコントラストが実現される点で、TN方式のものと比較して有利である。 In a VA liquid crystal display panel, nematic liquid crystal is sealed between vertical alignment films, and liquid crystal molecules are aligned substantially perpendicularly to the substrate when no voltage is applied to the liquid crystal layer. If the liquid crystal molecules are aligned substantially perpendicular to the substrate, light passes through the liquid crystal layer almost without being affected by the liquid crystal molecules, so the black color displayed in this state is crossed so as to sandwich the liquid crystal layer. The characteristics of the polarizing plate provided in the Nicol arrangement are substantially the same, and a very high contrast is realized. As described above, the VA system is advantageous in comparison with the TN system in that high contrast is realized.
液晶表示パネル25には、スピードメータやタコメータ、水温計、燃料計など各種計器類の値が表示される。液晶表示パネル25に表示される画像は、フロントガラス15の前方に虚像として拡大投影される。 The liquid crystal display panel 25 displays values of various instruments such as a speedometer, a tachometer, a water temperature gauge, and a fuel gauge. The image displayed on the liquid crystal display panel 25 is enlarged and projected as a virtual image in front of the windshield 15.
液晶表示パネル25は、ユニット本体23に設けられた固定用ゴム30によって、下端部が揺動自在に片持ち支持されるとともに、ユニット本体23の外側に設けられた傾き調整機構31によって傾きが調整される。
The liquid crystal display panel 25 is cantilevered at its lower end by a
傾き調整機構31は、光軸AOLと平行に設けられたガイドポール32と、ガイドポール32の両端を固定する金具33、34と、ガイドポール32に嵌めこまれたコイルスプリング35と、液晶表示パネル25の傾きを調整するための調整ネジ36とを備えている。傾き調整機構31は、液晶表示パネル25の上端部に形成され、ユニット本体23に形成された開口部を介してユニット本体23の外部に突出した調整片25aに作用して、液晶表示パネル25の傾きを調整する。
The
ガイドポール32は、調整片25aに形成された貫通孔に挿通し、調整片25aが移動する方向を二次元に制限する。コイルスプリング35は、調整片25aと金具33との間に配置され、調整片25aを金具34側へ付勢する。調整ネジ36は、先端部が調整片25aに当接するように、金具34に形成されたネジ孔に取り付けられ、回転により進退する。調整ネジ36が前進した場合、調整片25aは、コイルスプリング35が縮む方向に移動する。一方、調整ネジ36が後退した場合、調整片25aは、コイルスプリング35が伸びる方向に移動する。すなわち、調整ネジ36の回転により、液晶表示パネル25の傾きが調整される。
The
液晶表示パネル25は、傾き調整機構31によって傾きが調整され、光軸AOLに対して垂直な向きから水平軸中心に傾斜角α(例えば、4〜5°)だけ回転させた向きに配置されている。液晶表示パネル25に表示される画像は、傾斜角αに対応させて、液晶表示パネル25を直視する場合に表示すべき画像を変形したものとなっている。
The liquid crystal display panel 25 is adjusted in inclination by the
無機位相差板26は、平板状の基材(図示省略)の表面に、蒸着又はスパッタリングすることによって無機位相差膜(図示省略)が形成されており、液晶表示パネル25を斜めに透過した表示光を透過する。無機位相差膜は、屈折率異方性を有した屈折率楕円体(図示省略)が基材に対して傾斜して配置されており、透過する表示光の位相差を補償する。これにより、運転手14の前方に表示される画像のコントラストや視野角特性が高められる。 The inorganic retardation film 26 is formed by forming an inorganic retardation film (not shown) on the surface of a flat substrate (not shown) by vapor deposition or sputtering, and transmitting the liquid crystal display panel 25 obliquely. Transmits light. In the inorganic retardation film, a refractive index ellipsoid (not shown) having refractive index anisotropy is arranged to be inclined with respect to the base material, and compensates for a phase difference of transmitted display light. Thereby, the contrast and viewing angle characteristics of the image displayed in front of the driver 14 are enhanced.
無機位相差板26は、水平軸中心に回転自在に設けられ、光軸AOLに対して垂直な向きから傾斜角βだけ回転させた向きに配置されている。傾斜角βは、液晶表示パネル25の傾斜角αや、液晶表示パネル25の液晶分子の傾き角を考慮して、適宜調整される。 The inorganic phase difference plate 26 is rotatably provided around the horizontal axis, and is arranged in a direction rotated by an inclination angle β from a direction perpendicular to the optical axis AOL. The tilt angle β is appropriately adjusted in consideration of the tilt angle α of the liquid crystal display panel 25 and the tilt angle of the liquid crystal molecules of the liquid crystal display panel 25.
偏光板27は、液晶表示パネル25からの表示光を透過して、表示光の光量を調節する。偏光板27は、光軸AOLに対して垂直な向きから水平軸中心に傾斜角γだけ回転させた向きに配置されている。傾斜角γは、液晶表示パネル25の傾斜角αと略同一であり、表示光の光量などに基づいて適宜調整される。なお、偏光板27の傾き調整は、偏光板27を支持する枠体の四隅に突起(図示省略)を設け、各突起を削るなどしてその高さを変更することで実現される。 The polarizing plate 27 transmits the display light from the liquid crystal display panel 25 and adjusts the amount of display light. The polarizing plate 27 is arranged in a direction rotated by an inclination angle γ from the direction perpendicular to the optical axis AOL to the center of the horizontal axis. The tilt angle γ is substantially the same as the tilt angle α of the liquid crystal display panel 25, and is appropriately adjusted based on the amount of display light. The tilt adjustment of the polarizing plate 27 is realized by providing projections (not shown) at the four corners of the frame that supports the polarizing plate 27, and changing the height of each projection by shaving.
凹面ミラー28は、反射面になる凹面を液晶表示パネル25側に向けて配置され、液晶表示パネル25からの表示光を、平面ミラー29に向けて発散させるように反射させる。平面ミラー29は、凹面ミラー28で反射された表示光を、フロントガラス15に向けて反射させる。凹面ミラー28の面形状は、非回転対称の非球面形状となっており、表示光が凹面ミラー28で反射することで画像の歪み補正が行われる。
The
凹面ミラー28で発散するように反射した表示光は、筐体22に形成された開口22a、及びダッシュボード13に形成された開口部13aを通過して、フロントガラス15に拡大投影される。なお、光軸AOLは、凹面ミラー28によって平面ミラー29に向けて折り返されるとともに、平面ミラー29によってフロントガラス15に向けて折り返される。さらに、フロントガラス15によって運転手14に向けて折り返される。
The display light reflected so as to diverge by the
なお、凹面ミラー28を用いて表示光を拡大投影するようにしたが、拡大投影することができればよく、凹面ミラーを用いずにレンズを用いるようにしてもよい。
Although the display light is enlarged and projected using the
また、液晶表示パネル25、無機位相差板26、及び偏光板27は、光軸AOLに対して垂直な向きから水平軸中心に回転させた向きに配置させたが、鉛直軸中心に回転させた向きに配置させる等、傾ける向きは任意である。 In addition, the liquid crystal display panel 25, the inorganic retardation plate 26, and the polarizing plate 27 are arranged in a direction rotated about the horizontal axis from the direction perpendicular to the optical axis AOL, but rotated about the vertical axis. The tilting direction is arbitrary, for example, it is arranged in the direction.
また、無機位相差板26として、いわゆるO−プレートを用いた場合を例に説明したが、透過する表示光の位相差を補償できれば、O−プレートを用いることに限定されることはない。例えば、基材の入射面内方向の屈折率が、基材の厚さ方向の屈折率と異なる特性を有する、いわゆるC−プレートを用いてもよい。 Further, the case where a so-called O-plate is used as the inorganic phase difference plate 26 has been described as an example. However, as long as the phase difference of transmitted display light can be compensated, the O-plate is not limited. For example, a so-called C-plate in which the refractive index in the in-plane direction of the substrate has a different characteristic from the refractive index in the thickness direction of the substrate may be used.
11 ヘッドアップディスプレイ装置(HUD装置)
14 運転手(観察者)
15 フロントガラス(反射板)
16 虚像
21 表示光生成ユニット
24 光源
25 液晶表示パネル
26 無機位相差板
31 傾き調整機構
AOL 光軸
11 Head-up display device (HUD device)
14 Driver (observer)
15 Windshield (reflector)
16 Virtual Image 21 Display Light Generation Unit 24 Light Source 25 Liquid Crystal Display Panel 26
Claims (3)
傾きの調整が可能に配置され、前記液晶表示パネルを透過した光を前記反射板に向けて透過させて前記光の位相差を補償する無機材料で形成された光学補償板を備え、
前記液晶表示パネルは、光軸に対して垂直な向きから傾けて配置されていることを特徴とする表示装置。 The light from the light source that has passed through the liquid crystal display panel is reflected toward the observer by a reflector arranged so as to face the observer, and the image displayed on the liquid crystal display panel is displayed as a virtual image to the observer. In a display device that is visually recognized,
An optical compensator formed of an inorganic material that is arranged so as to be capable of adjusting the tilt and transmits the light transmitted through the liquid crystal display panel toward the reflector and compensates for the phase difference of the light,
The liquid crystal display panel is arranged to be inclined from a direction perpendicular to the optical axis.
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