JP2011162032A - 表示装置及び標識を認知させる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガラスに結像手段等を取り付けることなく、かつ伝達情報量を多くする表示装置の開発が望まれている。
【解決手段】 標識を認識させるべき認識者の視線で見て、ガラスに映る位置にスクリーンが配置されている。投影装置が、このスクリーンに、標識の像を投影する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガラスに画像を映すことにより表示を行う表示装置、及び標識を認知させる方法に関する。

フロントガラスに取り付けられたホログラムに、情報表示源から光を投射することにより、運転者が視線を動かすことなく情報を読み取れるようにしたヘッドアップディスプレイが提案されている（特許文献１）。ホログラムは、投射された光を運転者の方向に回折させる。これにより、前方のある位置に像が現れ、この像が運転者によって視認される。

透過型液晶表示素子を通して、フロントガラスに設けられた結像手段としてのコンバイナに光を投射することにより、運転者の前方に像を結ばせるディスプレイ装置が提案されている（特許文献２）。

特開平６−１９１３２５号公報 特開平１０−９７８０５号公報

従来の表示装置では、結像手段としてのコンバイナ、例えばホログラム等をフロントガラスに取り付けなければならない。コンバイナは、運転者の視界を遮ることはないが、コンバイナが取り付けられた領域において、他の領域のフロントガラスと全く同一の透明度が得られるわけではない。また、フロントガラスにコンバイナを取り付ける作業が必要になる。

フロントガラスにコンバイナ等の結像手段を取り付けることなく、フロントガラスを単なる反射鏡として利用するディスプレイが実用化されている。この装置では、運転者の視線で見てフロントガラスに映りこむ位置にＬＥＤ光源が配置される。ＬＥＤ光源から放射された光がフロントガラスで反射し、運転者に視認される。この装置では、光源の点滅等による単純な情報しか伝達することができない。

フロントガラスに結像手段等を取り付けることなく、かつ伝達情報量を多くする表示装置の開発が望まれている。

本発明の一観点によると、
標識を認識させるべき認識者の視線で見て、ガラスに映る位置に配置されたスクリーンと、
前記スクリーンに、標識の像を投影する投影装置と
を有する表示装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
散乱型液晶素子を含み、散乱状態と非散乱状態とを取り得るスクリーンを、ガラスに映りこむ位置に配置し、該スクリーンを散乱状態にする工程と、
前記スクリーンが散乱状態になっている期間に、該スクリーンに像を投影することにより、前記ガラスに映りこんだ像を認識者に認知させる工程と
を有する標識を認知させる方法が提供される。

ガラスに種々の光学素子を取り付けることなく、ガラスを反射鏡として利用し、標識をガラスに映すことができる。

（１Ａ）は、実施例１による車両用表示装置の概略図であり、（１Ｂ）は、その変形例を示す概略図である。 （２Ａ）は、実施例１による車両用表示装置で用いられる投影装置の概略図であり、（２Ｂ）は、マスクの平面図であり、（２Ｃ）は、スクリーンに映し出された像の平面図である。 （３Ａ）は、スクリーンとして用いられる散乱型液晶素子の散乱状態の断面図であり、（３Ｂ）その非散乱状態の断面図である。 散乱型液晶素子の液晶層のポリマ重合領域を模式的に示す図である。 （５Ａ）及び（５Ｂ）は、実施例２による車両用表示装置に用いられるスクリーンの平面図である。

図１Ａに、実施例１による車両用表示装置の概略断面図を示す。運転者の視線２０で見て、フロントガラス１０に映る位置にスクリーン１１が配置されている。一例として、スクリーン１１は、ダッシュボード１３の先端と、フロントガラス１０の下側の縁との間に配置される。ダッシュボード１３の運転者側の面に、インスツルメントパネル１４が装着されている。ダッシュボード１３の上に、投影装置１２が取り付けられている。投影装置１２は、種々の標識の像をスクリーン１１に投影する。フロントガラス１０が部分反射鏡として作用し、運転者は、スクリーン１１に投影された像を視認することができる。フロントガラス１０は、単なる部分反射鏡として作用し、結像作用や回折作用等を生じさせない。制御装置１５が、スクリーン１１及び投影装置１２を制御する。

スクリーン１１の表面をｘｙ面とし、法線方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。ｘ軸方向及びｙ軸方向は、それぞれ運転者から見て縦方向及び横方向に対応する。すなわち、ｘ軸は、フロントガラス１０の法線及びｚ軸の両方に平行な仮想平面（図１Ａの紙面）に対して平行である。ｙ軸は、この仮想平面に対して垂直である。

図１Ｂに示すように、投影装置１２をダッシュボード１３の内部に格納してもよい。

図２Ａに、投影装置１２の断面図を示す。円筒状のライトガイド２１の一方の端部（入射端）に発光ダイオード２０が取り付けられている。発光ダイオード２０のオンオフが、制御装置１５（図１Ａ）により制御される。発光ダイオード２０から放射された光が、ライトガイド２１の内面で反射しながら内部空洞２１Ａ内を伝搬し、他方の端部（出射端）まで到達する。ライトガイド２１の出射端に、マスク２２が取り付けられている。

図２Ｂに、マスク２２の平面図（図２Ａの一点鎖線２Ｂ−２Ｂの位置から見た図）を示す。マスク２２は、透光領域２２Ａと遮光領域２２Ｂとを有する。ライトガイド２１の出射端側の開口面の一部が、遮光領域２２Ｂで遮光されている。出射端側の開口面と、透光領域２２Ａとが重なっている領域から光が外部に放射される。

図２Ａに戻って説明を続ける。投影レンズ２３が、ライトガイド２１の出射端、すなわちマスク２２を、スクリーン１１に結像させる。

図２Ｃに、スクリーン１１に投影された像２５の平面図（図２Ａの一点鎖線２Ｃ−２Ｃの位置から見た図）を示す。像２５の形状は、ライトガイド２１の出射端側の開口面と、透光領域２２Ａとが重なった領域と相似である。なお、投影レンズ２３の光軸がスクリーン１１に対して傾いている場合には、像２５の形状は、ライトガイド２１の出射端側の開口面と、透光領域２２Ａとが重なった領域の形状を一方向に引き伸ばした形状と相似である。

複数の投影装置１２を配置することにより、種々の形状を持つ像をスクリーン１１上に投影することができる。

図３Ａに、スクリーン１１の断面図を示す。スクリーン１１は、散乱型液晶素子、例えば電圧無印加時に散乱状態を示す液晶素子で構成される。

一対のガラス基板３１、３２が、間隙を隔てて相互に対向している。ガラス基板３１、３２の対向面に、それぞれ透明電極膜３３、３４が形成されている。透明電極膜３３、３４には、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）が用いられる。透明電極膜３３、３４の表面に、配向膜（図示せず）が形成されている。配向膜には、配向方向がアンチパラレルになるように配向処理が施されている。なお、配向膜の配向処理は行わなくてもよいし、配向膜を形成しなくてもよい。ガラス基板３１と３２との間に、液晶材料を含む液晶層３５が配置されている。

ガラス基板３２の外側の表面に、可視光を透過させる反射防止フィルム３７が配置されている。もう一方のガラス基板３１の外側の表面に、黒色の反射防止板３６が配置されている。図１Ａにおいて、スクリーン１１は、投影装置１２からの光が反射防止フィルム３７に入射する姿勢で、ダッシュボード１３とフロントガラス１０との間に配置されている。駆動電源４０が、スイッチ４１を介して、透明電極３３と３４とに交流の駆動電圧を印加する。図３Ａは、スイッチ４１が開放されている状態を示している。

スイッチ４１が開放されているときには、スクリーン１１の液晶層３５が散乱状態になる。このため、投影装置１２（図１Ａ）からの光が液晶層３５で散乱される。これにより、スクリーン１１上に、投影装置１２から投影された像が現れる。この状態を、散乱状態ということとする。

図３Ｂに、スイッチ４１が閉じられたときの状態を示す。スクリーン１１の液晶層３５は透過状態になる。投影装置１２（図１Ａ）からの光は、液晶層３５を透過して反射防止板３６まで到達する。反射防止板３６は投影装置１２からの光を吸収するため、像を視認することはできず、スクリーン１１は黒色に見える。この状態を、黒色状態ということとする。

次に、スクリーン１１に用いられている散乱型液晶素子の製造方法について説明する。

ガラス基板３１及び３２の一方の表面に、それぞれ透明電極膜３３、３４を形成する。ガラス基板３１、３２には、例えば厚さ０．７ｍｍの青板ガラスが用いられる。透明電極膜３３、３４には、例えば厚さ２００ｎｍのＩＴＯ膜が用いられる。透明電極膜３３、３４はパターニングされておらず、べた膜（無地の膜）である。透明電極膜３３、３４の表面に配向膜を形成し、この配向膜にラビング処理を施す。

一方のガラス基板３１の対向面の外周に沿う領域にシール剤を塗布することにより、メインシールを形成する。後の工程で液晶材料等を注入するための注入口となる部分には、メインシールが形成されていない。三井化学株式会社製のシール剤ＥＳ−７５００に、ギャップコントロール剤を２〜５ｗｔ％添加してシール剤とした。シール剤の塗布には、スクリーン印刷法、またはディスペンサ塗布法が用いられる。実施例では、ギャップコントロール剤として、直径５μｍのグラスファイバを用いた。

もう一方のガラス基板３２の対向面に、ギャップコントロール剤を散布する。このギャップコントロール剤には、直径５μｍのプラスチックボールを用いた。

２枚のガラス基板３１と３２とを重ね合わせ、プレス機で均一な圧力を加えた状態で熱処理を行うことにより、シール剤を硬化させる。例えば、１３０℃で３時間の熱処理を行うことにより、シール剤を硬化させることができる。ここまでの工程で、厚さ５μｍのセル厚を有する空セルが得られる。

ホスト液晶材料に、アクリレート系モノマーと光重合反応開始剤とを添加して前駆体を作製した。ホスト液晶材料に対するモノマーの添加量は、２〜４０ｗｔ％である。モノマーに対する光重合反応開始剤の添加量は、０．１〜０．５ｗｔ％である。ホスト液晶として、例えば誘電率異方性が正、屈折率異方性が０．２３のものを用いることができる。光重合反応開始剤として、例えばチバケミカル社製のイルガキュアを用いることができる。この前駆体を空セル内に真空注入する。真空注入後、注入口にエンドシール剤を塗布して封止する。

前駆体が注入された空セルに、フォトマスクを介して紫外線を照射することにより、モノマーを重合させる。フォトマスクは、縞状の遮光領域を持つ。紫外線の光源として、高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、低圧水銀ランプ等を用いることができる。３５０ｎｍの波長域の紫外線の放射照度は、例えば８３ｍＷ／ｃｍ^２（波長３５０ｎｍ）であり、照射時間は３０秒である。すなわち、露光量は、約２．５Ｗ・ｓ／ｃｍ^２になる。液晶層３５のうち、紫外線で露光された領域で重合反応が生じ、ポリマーが形成される。

図４に液晶層３５に形成された重合領域の平面図を示す。ポリマーが形成されている重合領域３５Ａと、モノマーが残っている未重合領域３５Ｂとが交互に配置されて縞状パターン（ラインアンドスペースパターン）が形成されている。重合領域３５Ａと未重合領域３５Ｂの各々の幅は２０μｍである。重合領域３５Ａと未重合領域３５Ｂとは、図１Ａに示したｙ軸方向に延在する。なお、重合領域３５Ａと未重合領域３５Ｂとが、図１Ａのｘ軸方向に平行な方向に延在するようにしてもよい。

重合領域３５Ａの幅の好適値は、セル厚に依存する。セル厚が５μｍの場合、重合領域３５Ａの幅が３０μｍよりも広いと、高い散乱性が得られない。高い散乱性を得るために、重合領域３５Ａの各々の幅を３０μｍ以下にすることが好ましい。

紫外線の露光量が少なすぎると、高い散乱性が得られなくなる。また、露光量を２．５Ｗ・ｓ／ｃｍ^２以上にしても散乱性はほとんど変わらないことが確認された。

また、重合領域３５Ａの平面形状は、縞状パターンに限定されず、格子状パターン、同心円状パターン、ランダムパターン等の種々のパターンとしてもよい。

電圧無印加時に散乱状態になる散乱型液晶素子に、ポリマーネットワーク液晶を用いてもよい。

スクリーン１１に、電圧無印加時に散乱状態になる液晶素子に代えて、電圧印加時に散乱状態になる散乱型液晶素子を用いてもよい。この場合には、液晶層３５の前駆体として、ホスト液晶、カイラル剤、液晶性モノマー、及び光重合反応開始剤を混合したものを用いる。例えば、ホスト液晶として、誘電率異方性が正、屈折率異方性が０．２９８、相転移温度Ｔｎｉが１２８℃のものを用いる。カイラル剤としてメルク社製のＳ−８１１を用いる。カイラル剤の添加量は、ホスト液晶に対して０．１〜３ｗｔ％、典型的には０．３７６ｗｔ％である。カイラルピッチは２８μｍである。カイラル剤は電圧印加時における散乱性を高める機能を有する。カイラル剤の添加量が少なくなると、散乱性が低下し、逆に多くなると、電圧−透過率特性にヒステリシスが生じたり、電圧無印加時における透明性が低下する。液晶性モノマーとして、例えばＤＩＣ株式会社製のＵＣＬ−００１を用いることができる。

カイラル剤入り液晶に対する液晶性モノマーの添加量は、２〜１５ｗｔ％、典型的には５ｗｔ％である。モノマーの添加量が少なすぎると、十分なポリマーネットワークが形成されない。モノマー添加量が多すぎると、電圧変化に対する液晶材料の応答性が低下してしまう。モノマーに対する光重合反応開始剤の添加量は、０．１〜０．５ｗｔ％である。光重合開始剤として、例えばチバケミカル社製のイルガキュアを用いることができる。

その他の工程は、電圧無印加時に散乱状態になる散乱型液晶素子の製造工程と共通である。液晶性モノマーは、液晶分子と揃った配向状態で重合されるため、電圧無印加時に光を散乱させない。この散乱型液晶素子では、電圧無印加時に液晶層が透過状態になり、電圧を印加すると、液晶層が散乱状態になる。

電圧無印加時には、配向方向の不揃いに起因すると思われる薄いディスクリネーションラインが観察されるものの、ほぼ均一な配向が得られる。電圧を印加すると、重合領域３５Ａ及び未重合領域３５Ｂの縞状パターンの各直線状領域に対応する大きなドメインが観察される。相互に隣り合うドメインの配向状態は、相互に異なる。このドメインは、印加電圧を高めるほど、明瞭に視認される。ドメインの境界及び内部で散乱が生じていると考えられる。

特に、カイラル剤を添加している場合には、液晶分子の配列が捩れた状態を示す。電圧の印加により捩れ状態が徐々に解消されるものの、まだ捩れ状態が残っていると考えられる。捩れ状態は、液晶層内部のポリマーネットワークにより乱されるため、重合領域３５Ａ内でもポリマーネットワークの影響を受けて、細かな配向状態の相違が生じる。この配向状態の相違によって、重合領域３５Ａが強い散乱性を示すものと考えられる。

上記散乱型液晶素子は、環境温度が８５℃でも問題なく動作することが確認された。従って、上記散乱型液晶素子は、車載用の素子として十分な安定性を持っていると考えられる。

上記実施例１による車載用表示装置においては、図１Ａに示したスクリーン１１が散乱状態になっているとき、スクリーン１１からの散乱光がフロントガラス１０で反射される。これにより、運転者はスクリーン１１に投影され、さらにフロントガラス１０に映し出された像を視認することができる。スクリーン１１が黒色状態になっているときには、スクリーン１１はフロントガラス１０へ映り難い。

制御装置１５は、投影装置１２からスクリーン１１に標識の像が投影されている期間には、スクリーン１１を散乱状態にし、投影装置１２からスクリーン１１に標識の像が投影されていない期間には、スクリーン１１を黒色状態にする。これにより、標識の像がスクリーン１１に投影されていないときに、運転者の前方の良好な視界を維持することができる。

なお、標識がスクリーン１１に投影されていないときに、散乱状態のスクリーン１１がガラスに映し出されても問題が生じない用途に用いる場合には、スクリーン１１に散乱型液晶素子を用いることなく、単なる白色の散乱板を用いてもよい。

図２Ｂに示したマスク２２の透光領域２２Ａの形状を変えることにより、種々の標識を運転者に視認させることができる。警告の内容に応じた標識にすることにより、運転者は、警告の内容を直感的に把握することが可能になる。異なる形状の像を投影する複数の投影装置１２を配置することにより、種々の標識を同時にまたは選択的に表示することが可能になる。また、標識の緊急度に応じて、投影装置１２の光源の色を異ならせてもよい。例えば、緊急度の高い標識を投影する投影装置１２の光源の色を赤色にし、緊急度の低い標識を投影する投影装置１２の光源の色を黄色にすることが効果的である。

上記実施例１では、フロントガラス１０を単なる部分反射鏡として利用している。このため、フロントガラス１０に、回折作用、集光作用、結像作用等を持つ光学素子を取り付ける必要がない。

次に、図５Ａ及び図５Ｂを参照して、実施例２による表示装置について説明する。実施例１では、何らパターンが形成されていないスクリーン１１に、運転者に認知させるべき標識の像を投影した。実施例２の表示装置においては、スクリーン１１に、予め種々のパターンが形成されている。

図５Ａに、スクリーン１１に形成されているパターンの一例を示す。例えば、スクリーン１１に、三角形の枠の内側に感嘆符「！」が配置された標識６０や、四角形の枠の内側に疑問符「？」が配置された標識６１が形成されている。これらの標識は、図３Ａに示した透明電極３３、３４をパターニングすることにより形成される。標識の背景は常に黒色状態になっている。通常は、標識部分も黒色状態になっており、運転者に標識を認知させるときには、標識部分を散乱状態にする。

実施例２では、図１Ａに示した投影装置１２に代えて、単なる照明装置が用いられる。照明装置は、制御装置１５によりオンオフが制御され、オン状態のときに、スクリーン１１を照明する。スクリーン１１の標識部分を散乱状態にしたときに、照明装置をオン状態にし、その他の期間は、照明装置はオフ状態にされている。

図５Ｂに示すように、スクリーン１１にドットマトリクスパターン６２を形成しておいてもよい。この場合には、制御装置１５が、散乱状態にするドットを選択することにより、シンボルパターンや文字等の種々の標識をスクリーン１１上に表示することができる。

照明装置として、複数の色の照明光を選択的に照射することができるものを用いてもよい。運転者に認識させるべき標識の緊急度に応じて、照明光の色を変えることにより、運転者に緊急度を直感的に認知させることができる。

なお、実施例２において、照明装置を配置せず、外光を利用することも可能である。

上記実施例１、２では、車載用の表示装置について説明したが、上述の表示装置は、車載用に限らず、建設機械用の表示装置、鉄道車両用の表示装置、航空機用の表示装置、ヘルメット内の表示装置等、操作者の前方に透明なガラスが配置されている種々の機器に適用することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ フロントガラス
１１ スクリーン
１２ 投影装置
１３ ダッシュボード
１４ インスツルメントパネル
１５ 制御装置
２０ 発光ダイオード
２１ ライトガイド
２１Ａ 内部空洞
２２ マスク
２２Ａ 透光領域
２２Ｂ 遮光領域
２３ 投影レンズ
２５ 像
３１、３２ ガラス基板
３３、３４ 透明電極
３５ 液晶層
３６ 反射防止板
３７ 反射防止フィルム
４０ 駆動電源
４１ スイッチ
５０ 遮光パターン
５１ 透過パターン
６０、６１ 標識
６２ ドットマトリクス

Claims (8)

1. 標識を認識させるべき認識者の視線で見て、ガラスに映る位置に配置されたスクリーンと、
   前記スクリーンに、標識の像を投影する投影装置と
   を有する表示装置。
2. 前記スクリーンが、入射する光を散乱させる散乱状態と、入射する光を透過させる透過状態とのいずれかをとる散乱型液晶素子を含む請求項１に記載の表示装置。
3. 前記投影装置から前記スクリーンに標識の像が投影されているときには、前記散乱型液晶素子を散乱状態にし、前記スクリーンに標識の像が投影されていないときには、前記散乱型液晶素子を透過状態にする制御装置を、さらに有する請求項２に記載の表示装置。
4. 前記散乱型液晶素子は、液晶材料とポリマーとを含む液晶層を有し、重合したポリマーが形成されている領域が、第１の方向に延在する縞模様を形成し、該第１の方向が、前記液晶層の法線方向と、前記ガラスの法線方向とに平行な仮想平面と平行、または垂直である請求項３に記載の表示装置。
5. 標識を認識させるべき認識者の視線で見て、ガラスに映る位置に配置され、表示面のうち一部分が散乱状態とされて画像が表示された表示状態と、表示面の全域が透過状態とされた非表示状態とのいずれかをとる散乱型液晶素子
   を有する表示装置。
6. 前記表示面に照明光を照射する光源をさらに有する請求項５に記載の表示装置。
7. 散乱型液晶素子を含み、散乱状態と非散乱状態とを取り得るスクリーンを、ガラスに映りこむ位置に配置し、該スクリーンを散乱状態にする工程と、
   前記スクリーンが散乱状態になっている期間に、該スクリーンに像を投影することにより、前記ガラスに映りこんだ像を認識者に認知させる工程と
   を有する標識を認知させる方法。
8. さらに、前記スクリーンを非散乱状態にし、該スクリーンへの像の投影を停止する工程を含む請求項７に記載の標識を認知させる方法。

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