JP2018004673A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照明装置の消費電力を抑制できること。【解決手段】照明装置４０は、複数の光源４２と偏光変換素子４４とを含み、液晶表示装置３０の透過照明に用いられる。前記偏光変換素子４４は、光を透過する光透過部材５１と、この光透過部材５１に入射した光のなかのｐ偏光を透過するとともにｓ偏光を反射する偏光分離膜５２と、この偏光分離膜５２を透過したｐ偏光を反射する反射部５３とを含む。前記反射部５３は、反射面５３ｂと光出射面５３ｃとを有する。前記反射面５３ｂは、前記偏光分離膜５２を透過したｐ偏光を、前記光透過部材５１の光出射面５１ｂから出射されたｓ偏光と同方向へ且つ平行に反射する。前記光出射面５３ｃは、前記反射部５３によって反射されたｐ偏光を出射する。前記光透過部材５１の光射出面５１ｂと、前記反射部５３の光射出面５３ｃとの、いずれか一方には１／２波長板５４が配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、液晶表示装置の透過照明に用いられる照明装置に関する。

液晶表示装置の透過照明に用いられる照明装置に関する従来技術として、例えば特許文献１に開示される技術がある。特許文献１で知られている照明装置は、ヘッドアップディスプレイの液晶表示装置の透過照明に用いられる。この照明装置は、回路基板に実装された複数の光源（発光ダイオード）と、この光源が発した光を集めるレンズ部材とを有している。液晶表示装置の液晶パネルは、レンズ部から出射された光によって透過照明される。

しかしながら、特許文献１で知られている照明装置では、液晶パネルに表示する画像面全体を均一に照明するのに、多数の光源を回路基板に配置する必要がある。光源の数量が多いので、照明装置の消費電力を抑制する上で、不利である。

特許第４８１１７４４号公報

本発明は、照明装置の消費電力を抑制できる技術を提供することを課題とする。

請求項１による発明によれば、液晶表示装置の透過照明に用いられる照明装置は、複数の光源が発した光の照度分布を均一化するレンズアレイと、このレンズアレイから入射した光を偏光して液晶表示装置の液晶パネルへ出射する偏光変換素子とを含む。

前記偏光変換素子は、前記レンズアレイから入射した光を透過する光透過部材と、この光透過部材に入射した光のなかのｐ偏光を透過するとともにｓ偏光を反射する偏光分離膜と、この偏光分離膜を透過したｐ偏光を反射する反射部とを含む。

前記光透過部材は、プリズムによって構成されており、前記レンズアレイから光を入射する光入射面と、前記偏光分離膜によって覆われる被覆面と、前記偏光分離膜によって反射されたｓ偏光を出射する光出射面とを有する。この光出射面は、前記光入射面に対して交差する方向に面する。

前記反射部は、前記偏光分離膜を透過したｐ偏光を、前記光透過部材の光出射面から出射されたｓ偏光と同方向へ且つ平行に反射する反射面と、この反射面によって反射されたｐ偏光を出射する光出射面とを有する。

前記光透過部材の光射出面と、前記反射部の光射出面との、いずれか一方には１／２波長板が配置されている。

請求項２に記載のごとく、好ましくは、前記反射部は、断面が平行四辺形の柱状の平行四辺形プリズムを含む。この平行四辺形プリズムの一方の斜面は、前記偏光分離膜を介して前記光透過部材の被覆面に重ねられている。

請求項３に記載のごとく、好ましくは、前記反射部は、前記平行四辺形プリズムのなかの、前記一方の斜面に平行な他方の斜面に設けられた反射膜を含む。

請求項１に係る発明では、複数の光源が発した光は、レンズアレイを介して光透過部材の光入射面に入射する。光入射面から入射した光は光透過部材を通過し、偏光分離膜によってｐ偏光（ｐ偏光成分）とｓ偏光（ｓ偏光成分）とに分離される。すなわち、偏光分離膜は、光透過部材に入射した光のなかのｐ偏光を透過するとともにｓ偏光を反射する。

偏光分離膜によって反射されたｓ偏光は、光透過部材の光出射面から出射する。一方、偏光分離膜を透過したｐ偏光は、反射部によって全反射される。このｐ偏光の反射方向は、光透過部材の光出射面から出射されたｓ偏光に対し、同方向且つ平行である。光透過部材の光射出面と反射部の光射出面とのいずれか一方には、１／２波長板が配置されている。

例えば、１／２波長板が光透過部材の光射出面に位置した場合には、この光出射面から出射されたｓ偏光は、１／２波長板を通過することによってｐ偏光に変換される。このため、偏光変換素子から液晶表示装置の液晶パネルへ出射された光の成分は、全てｐ偏光である。すなわち、光源が発した光のなかのｓ偏光をも、ｐ偏光に変換して液晶表示装置へ出射することができる。液晶表示装置は、ｐ偏光をバックライトとして利用することができる。

また、１／２波長板が反射部の光射出面（反射面の近傍）に位置した場合には、反射面によって反射されたｐ偏光は、１／２波長板を通過することによってｓ偏光に変換される。このため、偏光変換素子から液晶パネルへ出射された光の成分は、全てｓ偏光成分である。すなわち、光源が発した光のなかのｐ偏光をも、ｓ偏光に変換して液晶表示装置へ出射することができる。液晶表示装置は、ｓ偏光をバックライトとして利用することができる。

このように、複数の光源が発した光の光量を十分に活用することができる。しかも、偏光分離膜によって反射されたｓ偏光の向きと、反射部によって反射されたｐ偏光の向きとは、互いに同方向且つ平行である。このため、偏光変換素子から液晶パネルへ出射される光の出射面積を倍増させることができる。その分、液晶パネルの画像面全体を照明するのに、複数の光源の数量を概ね半減することができる。従って、複数の光源の全消費電力を大幅に抑制することができる。この結果、照明装置の消費電力を抑制することができる。しかも、偏光変換素子の小型化を図ることができる。

さらには、光透過部材において、光出射面は、光入射面に対して交差する方向に面している。しかも、偏光分離膜によって反射されたｓ偏光の向きと、反射部によって反射されたｐ偏光の向きとは、互いに同方向且つ平行である。このように、偏光変換素子の入射光と出射光との向きは、互いに交差する方向になる。この交差する角度は、照明装置の設計段階において、最適な角度に設定することができる。偏光変換素子に対し、複数の光源と液晶表示装置との配置の自由度を高めることができる。しかも、交差する角度を適宜設定することによって、偏光変換素子の小型化を図ることができる。

請求項２に係る発明では、平行四辺形プリズムは４つの辺、つまり第１辺と第２辺と第３辺と第４辺とを有する。第１辺及び第２辺は斜面状である。一方の斜面（第１辺）に対して、他方の斜面（第２辺）は平行である。一方の斜面は、偏光分離膜を介して光透過部材の被覆面に重ねられており、偏光分離膜を透過したｐ偏光が入射する光入射面となる。他方の斜面は、ｐ偏光を反射する反射面となる。第３辺と第４辺とは、一方の斜面と他方の斜面とに交差している。第３辺は、反射面によって反射されたｐ偏光を出射する光出射面となる。平行四辺形プリズムは、偏光分離膜を介して光透過部材に一体化することができる。このため、偏光変換素子を簡単な構成で小型にすることができる。偏光分離膜を透過したｐ偏光は、一方の斜面から入射して平行四辺形プリズム内を透過し、他方の斜面により反射されて、光出射面から出射する。

請求項３に係る発明では、平行四辺形プリズムのなかの他方の斜面（反射面）に、反射膜が設けられている。このため、一方の斜面（光入射面）から入射して平行四辺形プリズム内を透過したｐ偏光を、より一層確実に且つ効率よく反射することができる。

本発明の実施例１によるヘッドアップディスプレイ装置を搭載した車両の説明図である。 図１に示されたヘッドアップディスプレイ装置の断面図である。 図２に示された照明装置の模式図である。 図３に示された偏光変換素子の斜視図である。 本発明の実施例２による照明装置の模式図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。本実施の形態では、液晶表示装置及びこの液晶表示装置の透過照明に用いられる照明装置を、車載のヘッドアップディスプレイ装置に採用した例について説明する。但し、液晶表示装置及び照明装置は、ヘッドアップディスプレイ装置に採用した構成に限定されるものではない。

なお、説明中、左右とは車両の乗員を基準として左右、前後とは車両の進行方向を基準として前後を指す。また、図中Ｆｒは前、Ｒｒは後、Ｕｐは上、Ｄｎは下を示している。
＜実施例１＞

実施例１について説明する。図１に示されるように、乗用車等の車両１０は、車室１１の前部にダッシュボード１２を備えている。このダッシュボード１２の上部には、ヘッドアップディスプレイ装置２０が内蔵されている。このヘッドアップディスプレイ装置２０から投射された表示光Ｌｄは、車両１０のフロントガラス１３に画像として表示される。運転者は、車両１０の前方の背景と共に、虚像Ｖｉを視認することができる。

図２に示されるように、ヘッドアップディスプレイ装置２０は、表示光Ｌｄを投射する表示器２１（投射器２１）と、投射された表示光Ｌｄを反射させる第１反射器２２及び第２反射器２３とからなる。表示器２１と第１及び第２反射器２２，２３とは、収納ボックス２４に収納されている。この収納ボックス２４は、表示器２１から投射された表示光Ｌｄを外部へ透過可能な透過部２５を備える。

表示器２１は、液晶表示装置３０と照明装置４０とからなる。液晶表示装置３０は、表示媒体（表示素子）として例えばＴＦＴ型の液晶パネル３１を採用している。この液晶表示装置３０は、液晶パネル３１の他に、ここでの詳細図示は省略するが、液晶パネル３１の表示制御を行うための制御部が実装された回路基板や液晶パネル３１と当該回路基板とを電気的に接続するためのフレキシブル配線板などを含むように構成されている。

第１反射器２２は、表示器２１から投射された表示光Ｌｄを第２反射器２３に向けて反射する。第２反射器２３は、第１反射器２２から入射した表示光Ｌｄを拡大してフロントガラス１３（図１参照）に向けて反射させる凹面鏡２６と、この凹面鏡２６の傾斜角度を調節するモータ２７とからなる。

図３に示されるように、照明装置４０は、液晶表示装置３０の透過照明に用いられる。この照明装置４０は、複数の光源４２が実装された回路基板４１と、複数の光源４２が発した光の照度分布を均一化するレンズアレイ４３と、このレンズアレイ４３から入射した光を偏光して液晶表示装置３０へ出射する偏光変換素子４４とを含む。複数の光源４２は、例えば回路基板４１に実装された発光ダイオードからなる。

ここで、周知のことではあるが、偏光の概要を説明する。境界面に対し、ある入射角で光が入射した場合に、光の一部は境界面で反射し、他は境界面を透過する。この境界面に垂直で、且つ入射光と反射光とを含む面のことを、入射面という。この入射面内で（入射面に平行に）電場が振動している光の成分ことを、ｐ偏光という。入射面に垂直に電場が振動している光の成分ことを、ｓ偏光という。

図３及び図４に示されるように、この偏光変換素子４４は、レンズアレイ４３から入射した光を透過する光透過部材５１と、この光透過部材５１に入射した光のなかのｐ偏光を透過するとともにｓ偏光を反射する偏光分離膜５２と、この偏光分離膜５２を透過したｐ偏光を反射する反射部５３と、１／２波長板５４とを含む。

光透過部材５１は、プリズムによって構成されており、光入射面（第１の光入射面）５１ａと光出射面（第１の光出射面）５１ｂと被覆面５１ｃとを有する。光入射面５１ａは、レンズアレイ４３からの光を入射する。光出射面５１ｂは、光入射面５１ａに対して交差する方向に面している。被覆面５１ｃは、偏光分離膜５２によって覆われている。前記光出射面５１ｂは、偏光分離膜５２によって反射されたｓ偏光を出射する。

より詳しく述べると、光透過部材５１は、断面が直角二等辺三角形の柱状（バー状）の三角形プリズムにより構成されている。この三角形プリズムは、３辺のなかの互いに直角な第１辺と第２辺の、いずれか一方が光入射面５１ａであり、いずれか他方が光出射面５１ｂであり、第１辺及び第２辺に対し傾斜した第３辺（斜辺）が被覆面５１ｃである。三角形プリズムの断面をみると、光出射面５１ｂは、光入射面５１ａに対して直角である。

偏光分離膜５２は、被覆面５１ｃに重ねられ且つ接合されている。この偏光分離膜５２は周知の技術であり、説明を省略する。

反射部５３は、光入射面（第２の光入射面）５３ａと反射面５３ｂと光出射面（第２の光出射面）５３ｃとを有する。光入射面５３ａは、偏光分離膜５２を透過したｐ偏光が入射する。反射面５３ｂは、偏光分離膜５２を透過して光入射面５３ａから入射したｐ偏光を、「光透過部材５１の光出射面５１ｂから出射されたｓ偏光」と同方向へ且つ平行に反射する。光出射面５３ｃは、反射面５３ｂによって反射されたｐ偏光を出射する。

より詳しく述べると、反射部５３は、断面が平行四辺形の柱状（バー状）の平行四辺形プリズム６０を含む。この平行四辺形プリズム６０は４つの辺、つまり第１辺６１と第２辺６２と第３辺６３と第４辺６４とを有する。第１辺６１及び第２辺６２は斜面状である。一方の斜面６１（第１辺６１）に対して、他方の斜面６２（第２辺６２）は平行である。

この一方の斜面６１は、偏光分離膜５２を介して光透過部材５１の被覆面５１ｃに重ねられており、偏光分離膜５２を透過したｐ偏光が入射する「反射部５３の光入射面５３ａ」となる。他方の斜面６２は、ｐ偏光を反射する「反射部５３の反射面５３ｂ」となる。第３辺６３と第４辺６４とは、一方の斜面６１と他方の斜面６２とに交差している。第３辺６３は、反射面５３ｂによって反射されたｐ偏光を出射する「反射部５３の光出射面５３ｃ」となる。偏光分離膜５２を透過したｐ偏光は、一方の斜面６１から入射して平行四辺形プリズム６０内を透過し、他方の斜面６２により反射されて、光出射面５３ｃから出射する。

より好ましくは、一方の斜面６１は、偏光分離膜５２に接合されている。従って、平行四辺形プリズム６０は、偏光分離膜５２を介して光透過部材５１に一体化することができる。このため、偏光変換素子４４を簡単な構成で小型にすることができる。

反射部５３は、他方の斜面６２（反射面５３ｂ）に設けられた反射膜７１を含むことが、より好ましい。反射膜７１を設けることによって、一方の斜面６１（光入射面５３ａ）から入射して平行四辺形プリズム６０内を透過したｐ偏光を、より一層確実に且つ効率よく反射することができる。例えば、反射膜７１は他方の斜面６２に接合されている。

前記１／２波長板５４（１／２λ板ともいう）は周知の部材であって、入射光の位相を変化させる。つまり、１／２波長板５４は、ｓ偏光を入射した場合にはｐ偏光に変換し、ｐ偏光を入射した場合にはｓ偏光に変換する。この１／２波長板５４は、光透過部材５１の光射出面５１ｂに配置されている。この１／２波長板５４は、例えば光射出面５１ｂに重ねられ且つ接合されている。

光透過部材５１の光出射面５１ｂから出射されたｓ偏光は、１／２波長板５４を通過することによってｐ偏光に変換される。このため、偏光変換素子４４から液晶表示装置３０へ出射された光の成分は、全てｐ偏光である。すなわち、光源４２が発した光のなかのｓ偏光をも、ｐ偏光に変換して液晶表示装置３０へ出射することができる。液晶表示装置３０は、ｐ偏光をバックライトとして利用することができる。

偏光変換素子４４の光出射面と液晶表示装置３０の背面との間には、２つのレンチキュラレンズ８１，８２と拡散板８３とが配置されている。偏光変換素子４４から出射された光は、レンチキュラレンズ８１，８２及び拡散板８３によって、液晶パネル３１の各画素に均一に分散される。

以上の説明をまとめると、次のとおりである。図３に示されるように、複数の光源４２が発した光は、レンズアレイ４３を介して光透過部材５１の光入射面５１ａに入射する。光入射面５１ａから入射した光は光透過部材５１を通過し、偏光分離膜５２によってｐ偏光（ｐ偏光成分）とｓ偏光（ｓ偏光成分）とに分離される。すなわち、偏光分離膜５２は、光透過部材５１に入射した光のなかのｐ偏光を透過するとともにｓ偏光を反射する。

偏光分離膜５２によって反射されたｓ偏光は、光透過部材５１の光出射面５１ｂから出射される。一方、偏光分離膜５２を透過したｐ偏光は、反射部５３によって全反射される。このｐ偏光の反射方向は、光出射面５１ｂから出射されたｓ偏光に対し、同方向且つ平行である。

光透過部材５１の光出射面５１ｂから出射されたｓ偏光は、１／２波長板５４を通過することによってｐ偏光に変換される。このため、偏光変換素子４４から液晶表示装置３０へ出射された光に成分は、全てｐ偏光である。すなわち、光源４２が発した光のなかのｓ偏光をも、ｐ偏光に変換して液晶表示装置３０へ出射することができる。液晶表示装置３０は、ｐ偏光をバックライトとして利用することができる。液晶パネル３１を透過したｐ偏光は、表示光Ｌｄとして、図２に示されるように、フロントガラス１３に照射される。

このように、複数の光源４２が発した光の光量を十分に活用することができる。しかも、偏光分離膜５２によって反射されたｓ偏光の向きと、反射部５３によって反射されたｐ偏光の向きとは、互いに同方向且つ平行である。このため、偏光変換素子４４から液晶パネル３１へ出射される光の出射面積を倍増させることができる。その分、液晶パネル３１の画像面の全体を照明するのに、複数の光源４２の数量を概ね半減することができる。従って、複数の光源４２の全消費電力を大幅に抑制することができる。この結果、照明装置４０の消費電力を抑制することができる。しかも、偏光変換素子４４の小型化を図ることができる。

さらには、光透過部材５１において、光出射面５１ｂは、光入射面５１ａに対して交差する方向に面している。しかも、偏光分離膜５２によって反射されたｓ偏光の向きと、反射部５３によって反射されたｐ偏光の向きとは、互いに同方向且つ平行である。このように、偏光変換素子４４の入射光と出射光との向きは、互いに交差する方向になる。この交差する角度は、照明装置４０の設計段階において、最適な角度に設定することができる。偏光変換素子４４に対し、複数の光源４２と液晶表示装置３０との配置の自由度を高めることができる。しかも、交差する角度を適宜設定することによって、偏光変換素子４４の小型化を図ることができる。
＜実施例２＞

本発明の実施例２の照明装置４０Ａを図５に基づいて説明する。図５は図３に対応させて表している。実施例２の照明装置４０Ａは、図３に示される偏光変換素子４４を図５に示される偏光変換素子４４Ａに変更したことを特徴とし、その他の基本的な構成については、実施例１による照明装置４０と共通する。実施例１と共通する部分については、符号を流用すると共に、詳細な説明を省略する。

実施例２の偏光変換素子４４Ａは、１／２波長板５４が反射部５３の光射出面５３ｃ（反射面５３ｂの近傍）に配置されていることを特徴とし、それ以外の構成は実施例１の偏光変換素子４４と同じである。

実施例２によれば、偏光分離膜５２によって反射されたｓ偏光は、光透過部材５１の光出射面５１ｂから、そのまま出射する。一方、偏光分離膜５２を透過したｐ偏光は、反射部５３によって全反射される。このｐ偏光の反射方向は、光透過部材５１の光出射面５１ｂから出射されたｓ偏光に対し同方向且つ平行である。

反射部５３の光射出面５３ｃから出射されたｐ偏光は、１／２波長板５４を通過することによってｓ偏光に変換される。このため、偏光変換素子４４から液晶表示装置３０へ出射された光の成分は、全てｓ偏光である。すなわち、光源４２が発した光のなかのｐ偏光をも、ｓ偏光に変換して液晶表示装置３０へ出射することができる。液晶表示装置３０は、ｓ偏光をバックライトとして利用することができる。

その他の作用、効果は実施例１と同等であり、説明を省略する。

以上の説明から明らかなように、光透過部材５１の光射出面５１ｂと、反射部５３の光射出面５３ｃとの、いずれか一方には１／２波長板５４が配置されている。偏光変換素子４４から液晶表示装置３０へ出射される光の成分は、１／２波長板５４の配置に従って、全てｓ偏光又は全てｐ偏光となる。複数の光源４２が発した光を、偏光変換素子４４から液晶パネル３１の全画素へ向かって、効率よく出射することができる。液晶パネル３１は、１／２波長板５４の配置に合わせて、配向膜や偏光板の透過軸（溝の方向）の位相を、変更すればよい。

なお、本発明によるヘッドアップディスプレイ装置２０は、車両１０を例に説明したが、その他の乗り物にも適用可能であり、これらの形式のものに限られるものではない。すなわち、本発明の作用及び効果を奏する限りにおいて、本発明は、実施例に限定されるものではない。

本発明の照明装置４０、４０Ａは、液晶式ヘッドアップディスプレイの照明に採用するのに好適である。

３０ 液晶表示装置
３１ 液晶パネル
４０ 照明装置
４０Ａ 照明装置
４２ 光源
４３ レンズアレイ
４４ 偏光変換素子
４４Ａ 偏光変換素子
５１ 光透過部材（プリズム）
５１ａ 光入射面
５１ｂ 光出射面
５１ｃ 被覆面
５２ 偏光分離膜
５３ 反射部
５３ａ 光入射面
５３ｂ 反射面
５３ｃ 光出射面
５４ １／２波長板
６０ 平行四辺形プリズム
６１ 一方の斜面（第１辺）
６２ 他方の斜面（第２辺）
６３ 第３辺
７１ 反射膜

Claims (3)

1. 複数の光源が発した光の照度分布を均一化するレンズアレイと、このレンズアレイから入射した光を偏光して液晶表示装置の液晶パネルへ出射する偏光変換素子とを含み、この液晶表示装置の透過照明に用いられる照明装置において、
   前記偏光変換素子は、
   前記レンズアレイから入射した光を透過する光透過部材と、
   この光透過部材に入射した光のなかのｐ偏光を透過するとともにｓ偏光を反射する偏光分離膜と、
   この偏光分離膜を透過したｐ偏光を反射する反射部とを含み、
   前記光透過部材は、プリズムによって構成されており、前記レンズアレイから光を入射する光入射面と、前記偏光分離膜によって覆われる被覆面と、前記偏光分離膜によって反射されたｓ偏光を出射する光出射面とを有し、
   この光出射面は、前記光入射面に対して交差する方向に面し、
   前記反射部は、前記偏光分離膜を透過したｐ偏光を、前記光透過部材の光出射面から出射されたｓ偏光と同方向へ且つ平行に反射する反射面と、この反射面によって反射されたｐ偏光を出射する光出射面とを有し、
   前記光透過部材の光射出面と、前記反射部の光射出面との、いずれか一方には１／２波長板が配置されていることを特徴とする照明装置。
2. 前記反射部は、断面が平行四辺形の柱状の平行四辺形プリズムを含み、
   この平行四辺形プリズムの一方の斜面は、前記偏光分離膜を介して前記光透過部材の被覆面に重ねられていることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
3. 前記反射部は、前記平行四辺形プリズムのなかの、前記一方の斜面に平行な他方の斜面に設けられた反射膜を含むことを特徴とする請求項２記載の照明装置。

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