JP2014044244A - 映像表示装置 - Google Patents

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Junji Kato
潤二 加藤
Masaru Sugiyama
大 杉山
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Abstract

【課題】明るさや色調変化の少ない高品位の映像を表示できる映像表示装置を提供すること。
【解決手段】映像表示装置(10)は映像表示器(11)と映像表示器(11)から出光した表示光(L0)を透過させる、固有の偏光軸を有した反射型偏光部材で構成された第1の反射鏡(12)と、第1の反射鏡(12)を透過した表示光(L1)を反射させる複屈折性光学部材を有した第2の反射鏡(13)と、第2の反射鏡(13)で反射され、さらに第1の反射鏡(12)で反射された表示光(L3)が通過する、第1の偏光部材(24b)を有した窓部(24)と、を具備する。
【選択図】図1

Description

本発明は、映像表示装置に関するものである。
現在、車両のフロントガラス等に表示光を投影し、虚像を表示する車両用ヘッドアップディスプレイ装置が種々提案されている。
例えば、車両用のヘッドアップディスプレイ装置は、透光性の窓部を備えたハウジングに表示器および反射鏡を収容したものであり、車両のダッシュボード内に配設される。映像表示器は、液晶表示パネルと、この液晶表示パネルを透過照明する発光ダイオード等の発光素子と、を備えたものである。液晶表示パネルを駆動する駆動回路および発光素子を駆動する駆動回路は、回路基板に搭載されている。
このような構成からなるヘッドアップディスプレイ装置では、投射する表示光Lはフロントガラスにより観察者に反射され、観察者は虚像を風景と重畳させて視認することができる。
しかしながら、映像表示器から発せられる迷光Mによってゴースト像が生ずることがある。つまり、映像表示器から発せられた表示光Lが反射鏡で反射されて窓部から出射する正規の光路以外に、映像表示器から発せられた迷光Mが窓部から出射する光路があり、迷光Mがフロントガラスに投影されてゴースト像になるという問題がある。
このような問題を解決するために、特許文献1に示されるような偏光を利用したヘッドアップディスプレイ装置が提案されている。このヘッドアップディスプレイ装置では、まず、液晶表示パネルに第1の偏光部材を設ける。これにより、液晶表示パネルから出射した表示光Lは直線偏光となる。この表示光Lは、表面に位相差板を設けた第1の反射鏡に入光する。表示光Lは、位相差板を通過し、偏光軸方向が変化した表示光L2となる。次に、表示光L2は、第2の反射鏡で反射し、窓部に向かう。窓部には、第2の偏光部材が配置されており、表示光L2は第2の偏光部材を通過して、フロントガラスに虚像を投影する。一方、液晶表示パネルから出射した迷光Mは、位相差板を通過しないため、偏光軸方向の変化が無く、第2の偏光部材で遮られ、ゴースト像の発生を防止できる。
特開2008−70504号公報
しかしながら、第2の反射鏡として単層ないし複層の誘電体膜を積層したものを使用した場合、(1)固有の偏光軸方向がなく、透過又は反射する光の偏光軸方向は、誘電体膜に入光する角度および方位に依存する、(2)入光角度の変化で、透過強度および反射強度が変化するという特徴がある。このため、入光角度によって、明るさだけでなく、色調の変化が生じる、といった問題がある。
また、第2の反射鏡を単層ないし複層の誘電体膜を積層したものとし、且つ、第2の反射鏡が凹面形状である場合、誘電体膜は湾曲し、この湾曲した誘電体膜に入光する光は、入光場所ごとに入光角度および方位が変化することになるため、映像の品位の低下が問題となる。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、明るさや色調変化の少ない高品位の映像を表示できる映像表示装置を提供することを目的とする。
本発明者は、前記単層ないし複層の誘電体膜に替えて、固有の偏光軸を有する反射型偏光板を用いることにより、入光角度の変化による透過および反射強度の変化を抑え、明るさや色調変化の少ない高品位の映像を表示できることを見出した。すなわち、本発明は、以下の通りである。
本発明の映像表示装置は、映像表示器と、前記映像表示器から出光した表示光を透過させる、固有の偏光軸を有した反射型偏光部材で構成された第1の反射鏡と、前記第1の反射鏡を透過した表示光を反射させる複屈折性光学部材を有した第2の反射鏡と、前記第2の反射鏡で反射され、さらに前記第1の反射鏡で反射された前記表示光が通過する、第1の偏光部材を有した窓部とを具備することを特徴とする。
このように、固有の偏光軸を有する反射型偏光部材で構成されることにより、透過または反射する光の偏光軸方向が入光角度および方位に依存することがない。また、入光角度の変化で、透過強度および反射強度が変化することがほとんどない。
本発明の映像表示装置において、前記映像表示器と前記第1の反射鏡の間に第2の偏光部材を有することが好ましい。
また、前記第1の反射鏡が凹形状であることが好ましい。
また、前記第1の反射鏡が、表示光の投影方向を調整できる角度調整機構を有することが好ましい。
また、前記第1の反射鏡がワイヤグリッド偏光板であることが好ましい。この場合、前記ワイヤグリッド偏光板の厚みが5mm以内であり、且つ、最薄部の厚みが最厚部の50%以上であることが好ましい。
また、前記ワイヤグリッド偏光板は外縁部をホルダによって固定され、前記ホルダは前記ワイヤグリッド偏光板の厚みよりも厚いことが好ましい。
本発明によれば、明るさや色調変化の少ない高品位の映像を表示できる映像表示装置を提供することができる。
本実施の形態に係る映像表示装置を示す断面模式図である。 本実施の形態に係る第1の反射鏡を示す正面図および側面図である。 本実施の形態に係る第1の反射鏡の凹面鏡およびホルダを示す模式図である。 本実施の形態に係る第1の反射鏡の凹面鏡およびホルダを示す模式図である。 本実施の形態に係る第1の反射鏡の凹面鏡およびホルダを示す模式図である。
以下、本発明の一実施の形態(以下、「実施の形態」と略記する。)について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
図1は、本実施の形態に係る映像表示装置を示す断面模式図である。映像表示装置10は、映像表示器11、第1の反射鏡12および第2の反射鏡13をハウジング14に収容したものである。
映像表示器11は、液晶表示パネル15と、発光素子16からなる。液晶表示パネル15は、透明電極膜が形成された一対の透光性基板に液晶を封入した液晶セル15aと、液晶セル15aの後面に貼着された偏光板15bからなり、発光素子16が後方に配置され、液晶表示パネル15を透過照明する。また、液晶セル15aの前面に偏光板15cを具備していてもよい。偏光板15cは第2の偏光板として機能する。なお、偏光板15bおよび偏光板15cは、液晶セル15aと貼着せずに配置することも可能であり、偏光板15bおよび15cの放熱(冷却)を目的に、液晶セル15a等と距離をおいて配置することも可能である。
図2Aおよび図2Bは、本実施の形態に係る第1の反射鏡を示す平面図および側面図である。第1の反射鏡12は、図2Aおよび図2Bに示すように、凹面鏡12aおよびホルダ12bで構成されている。凹面鏡12aは、固有の偏光軸を有した反射型偏光部材で構成されている。
第1の反射鏡12は、図1中に示すように、ホルダ12bの下側端部に、歯車部18および軸部19が取り付けられている。この歯車部18と噛合するように、ステッピングモータ20の回転軸21に取り付けられた歯車部22が設けられている。ステッピングモータ20は、支持部材23によりハウジング14に固定されている。このような構成により、ステッピングモータ20を用いて、第1の反射鏡12を図1中に矢印Aで示す方向に可動させることができ、表示光L3(後述)の投射方向を調整することが可能である。
第2の反射鏡13は、平面鏡17および支持部材18を有しており、平面鏡17の反射面には複屈折性光学部材17aが貼着されている。複屈折性光学部材17aは、位相差板と称される。なお、第2の反射鏡13は、正反射性に優れるものであれば制限は無く、例えば、金属からなるものや、誘電体を積層したもの等を挙げることができ、機能面から言えば、可視光のみを反射するダイクロイックミラーを用いることも可能である。
ハウジング14の上面部に形成された開口部14aには、表示光L3が出射する窓部24が設けられている。この窓部24は、例えば、ポリカーボネート樹脂やアクリル系樹脂からなる透光性樹脂部材24aのハウジング14の内側方向に向かう表面に偏光板24bを貼着したものである。偏光板24bには、反射型偏光板や吸収型偏光板を用いることができる。窓部24は、湾曲形状であることが好ましく、これにより、外光反射に伴う虚像のコントラスト低下を防止できる。偏光板24bは第1の偏光板として機能する。
さらに、ハウジング14には、遮光壁14bを設けることができ、太陽光等の外光が映像表示器11に入光し、虚像Vが見えにくくなる現象を防止することも可能である。遮光壁14bは平板形状になっており、ハウジング14の上部から斜めに垂下するように形成することが好ましい。
また、液晶表示パネル15および発光素子16には、駆動回路25および26がそれぞれ電気的に接続されている。
このような構成からなる映像表示装置10において、映像表示器11の液晶表示パネル15から射出した表示光L0の光路上には、まず、第1の反射鏡12が配置されている。第1の反射鏡12の凹面鏡12aは、固有の偏光軸方向を有する反射型偏光部材で構成されているため、表示光L0は凹面鏡12aにより直線偏光(以下、表示光L1という)となる。表示光L1は、第2の反射鏡13によって反射される。この際、複屈折性光学部材17aを透過し、平面鏡17で反射する過程で、表示光L1の偏光軸方向に変化が生じる。例えば、複屈折性光学部材17aとして1/4波長板と称される位相差板を用いる場合、表示光L1が1/4波長板に入光して出光する間に、偏光軸方向が90度回転する。反射した表示光L2は、第1の反射鏡12に入光する。表示光L2は、第2の反射鏡13で偏光軸方向が変化しているため、第1の反射鏡12の凹面鏡12aで反射される。また、反射した表示光L3は、透過窓24に入光したときに、第1の偏光部材としての偏光板24bを有する窓部24を通過することができる。
一方で、液晶表示パネル15から出射し、第1の反射鏡12を透過した表示光L1のうち、透過窓24に直接入光する迷光Mは、表示光L1と偏光軸が90度異なる偏光板24bに遮られるので、迷光Mによってゴースト像が生ずるのを防止することができる。
本実施の形態に係る映像表示装置10では、第1の反射鏡12を構成する凹面鏡12aが反射型偏光部材で構成されている。このため、透過または反射する光の偏光軸方向が入光角度および方位に依存することがない。また、入光角度の変化で、透過強度および反射強度が変化することがほとんどない。この結果、本実施の形態のように、第1の反射鏡12に角度調整機構として、歯車部18、軸部19、ステッピングモータ20、回転軸21および歯車部22を設け、第1の反射鏡12を稼働させるようにした場合においても、入光角度の変化に対する透過および反射強度の変化を小さくできるので、映像投影角度および方向変化時の映像品位の低下防止が可能となる。これにより、好ましい位置に映像投影することも可能となるため、使用者は、表示光L3が目の位置に反射されるように第1の反射鏡12の角度を調整することができるようになる。
さらに凹面鏡12aが固有の偏光軸を有する反射型偏光部材で構成されているため、液晶セル15aの前面の偏光板15cを不使用とすることも可能である。
また、本実施の形態に係る映像表示装置10において、映像表示器11と第2の反射鏡13の複屈折性光学部材17aとをほぼ平行に近い配置とすることができる。このため、複屈折性光学部材17aの入光角度依存性(入射光の入光角度変化により生じる位相差変化)を小さくでき、明るさや色調変化の少ない映像を表示できる。
さらに、本実施の形態に係る映像表示装置10において、第1の反射鏡12により表示光を透過・反射させているため、映像表示装置10を大型化せずに映像表示器11から窓部24までの光路を長くすることができる。これにより映像表示器11から観察者までの距離は長くなり、虚像を風景に近い位置(観察者の目の位置から離れた位置)に表示することができる。
以下、本実施の形態に係る映像表示装置10の各部材に適用可能な材質等について説明する。
(反射型偏光部材)
第1の反射鏡12の凹面鏡12aを構成する固有の偏光軸を有した反射型偏光部材としては、例えば、ワイヤグリッド偏光板、相互に複屈折率が異なる複屈折性フィルムを積層した積層体フィルムが挙げられる。中でも、偏光分離層が単層であるため、入光角度の変化に伴う透過ないし反射強度の変化が小さいワイヤグリッド偏光板が好ましい。
ワイヤグリッド偏光板の一例としては、格子状凸部を有する樹脂基材と、樹脂基材の格子状凸部およびその側面の少なくとも一部を覆うように設けられた導電体とから主に構成されるものを挙げることができる。以下、ワイヤグリッド偏光板に関し、説明する。
樹脂基材に用いる樹脂は、可視光領域で実質的に透明な樹脂であればよい。例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、シクロオレフィン樹脂(COP)、架橋ポリエチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂などの非晶性熱可塑性樹脂や、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、芳香族ポリエステル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂などの結晶性熱可塑性樹脂、アクリル系、エポキシ系、ウレタン系などの紫外線(UV)硬化性樹脂、および、熱硬化性樹脂が挙げられる。
また、基材として、樹脂基材である紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂と、ガラスなどの無機基板、上記熱可塑性樹脂又はトリアセテート樹脂とを組み合せた構成とすることもできる。
格子状凸部を有する樹脂基材を得る方法は特に限定されない。例えば、本出願人が出願した特許第4147247号公報に記載の方法を挙げることができる。この方法によれば、干渉露光法を用いて作製したピッチ230nmから250nmの格子状凸部がつくる凹凸形状を有する金属スタンパを用いて、凹凸形状を熱可塑性樹脂に熱転写し、凹凸形状を付与した熱可塑性樹脂を格子の長手方向と平行な方向に、延伸倍率が4倍から6倍の自由端一軸延伸加工を施す。その結果、熱可塑性樹脂に転写された凹凸形状のピッチが縮小され、ピッチが120nm以下の微細凹凸形状を有する樹脂基材(延伸済み)が得られる。続いて、得られた微細凹凸形状を有する樹脂基材(延伸済み)から、電解メッキ法などを用いて微細凹凸形状を有する金属スタンパを作製する。この金属スタンパにより、基材の表面にその微細凹凸形状を転写、形成することで、ピッチが120nm以下の格子状凸部を有する樹脂基材を得ることが可能となる。
導電体は、基材の格子状凸部の一方向側の側面に接し、上部が基材の凸部頂部より上方に伸びるように設けられた構造を有している。導電体を、格子状凸部の頂部より上方に伸びるよう設けることで、偏光特性が向上し、光の損失を減らすことができる。導電体は、所定の方向に延在する基材の格子状凸部と略平行に所定の間隔(周期)をとって直線状に形成されるが、この直線状の導電体の周期が可視光の波長よりも小さい場合、ワイヤグリッド偏光板は、導電体に対して平行に振動する偏光成分を反射し、垂直な偏光成分は透過する偏光素子となる。
導電体としては、アルミニウム、銀、銅、白金、金またはこれらの各金属を主成分とする合金を使用することができ、斜めスパッタリング法や斜め蒸着法により形成することができる。特に、アルミニウムもしくは銀を用いて導電体を形成することにより、可視域光の吸収損失を小さくすることができるため、好ましい。
基材を構成する材料と導電体との密着性向上のため、両者の間に両者と密着性が高い誘電体材料を好適に用いることができる。例えば、二酸化珪素などの珪素(Si)の酸化物、窒化物、ハロゲン化物、炭化物の単体またはその複合物(誘電体単体に他の元素、単体または化合物が混じった誘電体)や、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、イットリウム(Y)、ジルコニア(Zr)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、バリウム(Ba)、インジウム(In)、錫(Sn)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、セリウム(Ce)、銅(Cu)などの金属の酸化物、窒化物、ハロゲン化物、炭化物の単体またはそれらの複合物を用いることができる。
誘電体材料は、透過偏光性能を得ようとする波長領域において実質的に透明であればよい。電体材料の積層方法には特に限定は無く、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法などの物理的蒸着法を好適に用いることができる。
ワイヤグリッド偏光板の厚みは特に限定されないが、厚みが厚くなりすぎると、収差を生じてしまい、映像の歪みといった映像品位の低下を生じてしまうため、光学的に、厚みは5mm以下が好ましい。
また、湾曲した形状であるため、厚みの分布が大きいと、やはり収差の問題から、映像品位の低下を生じる可能性があるため、最薄部の厚みは最厚部の50%以上であることが好ましい。
(ホルダ)
第1の反射鏡12の凹面鏡12aにワイヤグリッド偏光板を用いる場合、収差の問題から、厚みは薄いことが好ましいが、厚みが薄いと剛性が不足しやすくなる。これに伴い、変形といった問題を生じてしまうため、ワイヤグリッド偏光板(凹面鏡12a)の外縁部を、図2Aおよび図2Bに示すようにホルダ12bで保持することが好ましい。この場合、ホルダ12bをワイヤグリッド偏光板より厚くすることにより、剛性不足を解消し、映像品位の低下を防止することができる。
ホルダ12bは、図2Aに示すように、凹面鏡12a(ワイヤグリッド偏光板)の四方の外縁部を保持するような構成であっても良い。しかし、これに限定されず、図3Aおよび図3Bに示すように、凹面鏡12aの左右側縁部を保持しても良いし、凹面鏡12aの左右側縁部および上下辺部のいずれか一方を保持するような構成であっても良い。
また、凹面鏡12aをホルダ12bに固定するには、例えば、接着剤を用いることができる。また、熱による体積変化や応力に対応できるように、凹面鏡12aとホルダ12bとの間にゴムのような弾性材料を介在させて固定する方法であっても良い。
図4Aに示すように、凹面鏡12aをホルダ12bに固定する固定部41は、凹面鏡12aの両側縁部の全体にわたって線状に設けても良く、図4Bに示すように、凹面鏡12aの両側縁部の複数の箇所に断続的な点状に設けても良い。また、ホルダ12bの材質としては、例えば、樹脂および金属が挙げられるが、特に限定されるものではない。
さらに、凹面鏡12aの剛性や熱による体積変化を考慮し、図5に示すように、凹面鏡12aを第1のホルダ51に上述の接着剤や弾性材料等により固定し、これを第2のホルダ52で保持しても良い。この場合、凹面鏡12aや第1のホルダ51が熱による体積変化を生じても、第1のホルダの外周部51aと第2のホルダ52の内側端部52aとの間にスペース53が存在するため、凹面鏡の歪みや応力を許容することができる。
この場合、第1のホルダ51、第2のホルダ52の材料としては、上述のホルダ12bと同様に、例えば、樹脂および金属が挙げられる。ただし、図5の示すように、第1のホルダ51、第2のホルダ52を併用する場合には、第1のホルダ51は第2のホルダ52よりも線膨張率が低い方が位置ズレ防止の観点から好ましい。
(映像表示器11の偏光板15b、偏光板15c(第2の偏光部材))
映像表示器11の偏光板15bおよび偏光板(第2の偏光部材)15cとしては、直線偏光を偏光分離できるものであれば特に制限は無く、例えば、以下のものを使用することができる。
・ヨウ素や染料といった二色性物質をポリビニルアルコール樹脂に吸着させてから延伸させた後、トリアセチルセルロース樹脂で保護した吸収型偏光板
・相互に複屈折率が異なる複屈折性フィルムを積層した積層体フィルムやワイヤグリッド偏光板などの反射型偏光板
・上述の吸収型偏光板および反射型偏光板を組み合わせたもの
(複屈折性光学部材17a)
複屈折性光学部材17aとしては、例えば、透光性のフィルムを延伸し、複屈折性を示すものを用いることができる。より具体的には、アクリル系樹脂、ポリカーボネート樹脂およびCOP等からなるフィルムを挙げることができ、波長550nmで140nm程度の位相差を示すものを、好ましく用いることができる。また、少なくとも可視光域において、光の波長が短くなるほど位相差が小さくなる波長分散性(逆波長分散性)を示す複屈折性光学部材が好ましい。その他、所定の周期で特定の方向に、平行に延在するよう微細凹凸構造を表面に有するものも、好適に使用できる。
(窓部24の偏光板24b)
第1の偏光部材としての窓部24の偏光板24bとしては、直線偏光を偏光分離できるものであれば特に制限は無く、例えば、以下のものを使用することができる。
・ヨウ素や染料といった二色性物質をポリビニルアルコール樹脂に吸着させてから延伸させた後、トリアセチルセルロース樹脂で保護した吸収型偏光板
・相互に複屈折率が異なる複屈折性フィルムを積層した積層体フィルムやワイヤグリッド偏光板などの反射型偏光板
・上述の吸収型偏光板や反射型偏光板を組み合わせたもの
これらのうち、特に反射型偏光板が好ましく、さらに好ましくは広帯域で偏光分離が可能なワイヤグリッド偏光板を用いることである。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状等については、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
例えば、上述の実施形態では、図1に示すように、第1の反射鏡12の下側端部の近傍を回転中心として可動させ、凹面鏡12aの角度を調整しているが、第1の反射鏡12のホルダ12bの両側辺部の中心近傍を回転中心とすることも可能である。
本発明は、例えば、ヘッドアップディスプレイに利用される映像表示装置を提供することに関し、特に、車両のヘッドアップディスプレイに好適に利用することができる。
10 映像表示装置
11 映像表示器
12 第1の反射鏡
12a 凹面鏡
12b ホルダ
13 第2の反射鏡
14 ハウジング
15 液晶表示パネル
15a 液晶セル
15b、15c、24b 偏光板
16 発光素子
17 平面鏡
17a 複屈折光学部材
24 窓部
51 第1のホルダ
52 第2のホルダ

Claims (7)

  1. 映像表示器と
    前記映像表示器から出光した表示光を透過させる、固有の偏光軸を有した反射型偏光部材で構成された第1の反射鏡と、
    前記第1の反射鏡を透過した表示光を反射させる複屈折性光学部材を有した第2の反射鏡と、
    前記第2の反射鏡で反射され、さらに前記第1の反射鏡で反射された前記表示光が通過する、第1の偏光部材を有した窓部と
    を具備することを特徴とする映像表示装置。
  2. 前記映像表示器と前記第1の反射鏡の間に第2の偏光部材を有することを特徴とする請求項1記載の映像表示装置。
  3. 前記第1の反射鏡が凹形状であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の映像表示装置。
  4. 前記第1の反射鏡が、表示光の投影方向を調整できる角度調整機構を有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の映像表示装置。
  5. 前記第1の反射鏡がワイヤグリッド偏光板であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の映像表示装置。
  6. 前記ワイヤグリッド偏光板の厚みが5mm以内であり、且つ、最薄部の厚みが最厚部の50%以上であることを特徴とする請求項5記載の映像表示装置。
  7. 前記ワイヤグリッド偏光板は、外縁部をホルダによって固定され、前記ホルダは前記ワイヤグリッド偏光板の厚みよりも厚いことを特徴とする請求項5または請求項6記載の映像表示装置。
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