JP2019020704A - 液晶照明装置、ヘッドアップディスプレイ、及び照明方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成でコスト低減を図りつつ、光利用効率を向上させること。【解決手段】液晶照明装置は、液晶パネルと、液晶パネルに対し光を照射する光源と、光源が照射する光を拡散する第１拡散部と、液晶パネルと光源とを結ぶ光軸に対して平行な反射面と、を有し、一端に光源が設けられ光源が照射する光を拡散および導光する第１導光部と、光源側から液晶パネル側に行くに従って広がるように形成され、一端側に設けられた第１導光部の第１拡散部により拡散された光を導光する第２導光部と、第２導光部の他端側に設けられ、該第２導光部により導光された光を集光する集光部と、集光部により集光された光を液晶パネルに対して拡散する第２拡散部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、液晶パネルを照明する液晶照明装置、ヘッドアップディスプレイ、及び照明方法に関する。

例えば、バックライトから投射レンズを介して光を液晶パネルに照射する液晶照明装置が知られている（特許文献１参照）。バックライトは、光源、及びインナーレンズを有している。

特許第４７２０６９４号

しかしながら、上記液晶照明装置においては、光利用効率を向上させるために、光軸方向に厚い投射レンズや、バックライトにインナーレンズなどを設ける必要が生じている。このため、上記液晶照明装置の構成が複雑化しコスト増加を招く虞がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、簡易な構成でコスト低減を図りつつ、光利用効率を向上させた液晶照明装置、ヘッドアップディスプレイ、及び照明方法を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
液晶パネルと、
前記液晶パネルに対し光を照射する光源と、
前記光源が照射する光を拡散する第１拡散部と、前記液晶パネルと前記光源とを結ぶ光軸に対して平行な反射面と、を有し、一端に前記光源が設けられ前記光源が照射する光を拡散および導光する第１導光部と、
前記光源側から前記液晶パネル側に行くに従って広がるように形成された反射面を有し、一端側に設けられた前記第１導光部の第１拡散部により拡散された光を導光する第２導光部と、
前記第２導光部の他端側に設けられ、前記第２導光部により導光された光を集光する集光部と、
前記集光部により集光された光を前記液晶パネルに対して拡散する第２拡散部と、
を備える、
ことを特徴とする液晶照明装置
である。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、
液晶パネルと、
前記液晶パネルに対し光を照射する光源と、を備える液晶照明装置の照明方法であって、
前記光源が照射する光を拡散する第１拡散部と、前記液晶パネルと前記光源とを結ぶ光軸に対して平行な反射面と、を有する第１導光部によって前記光源が照射する光を拡散および導光するステップと、
前記光源側から前記液晶パネル側に行くに従って広がるように形成された反射面を有する第２導光部によって、前記拡散された光を導光するステップと、
前記第２導光部により導光された光を集光するステップと、
前記集光された光を前記液晶パネルに対して拡散するステップと、
を含む、
ことを特徴とする液晶照明装置の照明方法
であってもよい。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、簡易な構成でコスト低減を図りつつ、光利用効率を向上させた液晶照明装置、ヘッドアップディスプレイ、及び照明方法を提供することができる。

（ａ）本発明の一実施形態に係る液晶照明装置を液晶パネルの縦辺に沿って切断したときの縦方向断面図である。（ｂ）本発明の一実施形態に係る液晶照明装置を液晶パネルの横辺に沿って切断したときの横方向断面図である。 本発明の一実施形態に係る液晶照明装置の照明方法のフローを示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイの概略的な構成を示す図である。 （ａ）本発明の他の実施形態に係る液晶照明装置を液晶パネルの縦辺に沿って切断したときの縦方向断面図である。（ｂ）本発明の他の実施形態に係る液晶照明装置を液晶パネルの横辺に沿って切断したときの横方向断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る液晶照明装置の概略的な構成を示す図である。図１（ａ）は、本実施形態に係る液晶照明装置を液晶パネルの縦辺に沿って切断したときの縦方向断面図である。図１（ｂ）は、本実施形態に係る液晶照明装置を液晶パネルの横辺に沿って切断したときの横方向断面図である。本実施形態に係る液晶照明装置１は、簡易に構成され、液晶パネルを均一な輝度で照明することができる。

液晶照明装置１は、例えば、図１に示す如く、液晶パネル２と、光源３と、第１導光部４と、第２導光部６と、集光部７と、遮光部８と、第２拡散部９と、を備えている。

液晶パネル２は、例えば、光源３と対向するように設けられた画面を有しており、外部からの入力信号に応じた画像を当該画面上に形成する。液晶パネル２は、例えば、縦辺の長さと横辺の長さとが異なる略矩形状に形成されている。液晶パネル２は、例えば、透過型液晶パネル２として構成されている。液晶パネル２は、光源３から光を照射されることによって透過照明される。

光源３は、液晶パネル２に対し光を照射する。光源３は、例えば、ＬＥＤ（light emitting diode）３１で構成されているが、これに限定されず、キセノンランプ、蛍光表示管等で構成されていてもよい。光源３は、例えば、複数のＬＥＤ３１で構成されている。

第１導光部４は、一端に光源３が設けられている。第１導光部４は、両端に矩形状の開口を有する筒状の部材である。

ここで、従来の液晶照明装置において、例えば、バックライトは、光利用効率を向上させるために、光源及びインナーレンズを有している。この場合、光源とインナーレンズが接していない限り、配光角の大きな光はインナーレンズに入射できず、全ての光を液晶パネル側に投射できなかった。

これに対し、本実施形態においては、第１導光部４は、光源３が照射する光を拡散する第１拡散部５と、液晶パネル２と光源３とを結ぶ光軸Ｌに対して平行に設けられた反射面４１と、を有し、光源３が照射する光を拡散および導光する。第１導光部４は、光源３が照射する光を、反射面４１で反射して第１拡散部５へ導光する。上記のように、第１導光部４は光軸Ｌに平行な反射面４１を有することで、配光角の大きな光も第１拡散部５側に導光でき、光源３から照射される光を高効率で第１拡散部５に導光することができる。すなわち、光利用効率をより向上させることができる。さらに、光源３にインナーレンズを設ける必要がないことから、液晶照明装置１の小型軽量化およびコスト低減に繋がる。

さらに、光源３から出射した光は、第１導光部４の反射面４１で多重反射を繰り返す。
従来、第１導光部がテーパー状（放射状）に形成されていた場合、多重反射の際に光線の角度が変わる。このため、第１拡散部では光源と同一性能を保持できず、輝度均一性が悪化してしまうという問題が生じ得る。

これに対し、本実施形態においては、上述の如く、第１導光部４は、液晶パネル２と光源３とを結ぶ光軸Ｌに対して平行に設けられた反射面４１を有している。これにより、光源３から出射した光は、第１導光部４の反射面４１で多重反射を繰り返し、その角度を変えずに第１拡散部５に入射する。このため、第１拡散部５を光源３と同一性能を保持した輝度均一な面光源として扱うことができ、輝度均一性を向上させることができる。

第１拡散部５は、第１導光部４の他端に設けられている。第１拡散部５は、第１導光部４により導光された光を、第２導光部６へ拡散する。第１拡散部５は、例えば、レンズ拡散板などで構成されている。

本実施形態において、例えば、拡散角の大きい第１拡散部５が設けられている。これにより、光源３による輝度不均一性を抑制し、第１拡散部５の射出面を輝度均一な面光源として機能させることが可能となる。さらに、拡散角の大きい第１拡散部５を設けることで、液晶パネル２の直前に設けられた第２拡散部９の拡散角を小さくすることが可能になる。このため、液晶パネル２に必要以上の角度で入射する不要な光束を削減でき、光利用効率を向上させることができる。

第２導光部６は、一端に第１拡散部５が設けられている。第２導光部６は、両端に矩形状の開口を有する筒状の部材である。第２導光部６は、光源３側から液晶パネル２側に行くに従って放射状に広がるように形成された反射面６１を有している。これにより、第１拡散部５から放射される光を高効率で集光部７へ入射させることができる。したがって、例えば、光軸方向に厚い投射レンズなどを設ける必要がなくなる。

第２導光部６は、第１拡散部５により拡散された光を、反射面６１で反射して集光部７へ導光する。第２導光部６の反射面６１の傾斜角を調整することで、液晶パネル２に求められる必要配光角を容易かつ正確に設定できる。液晶パネル２の必要配光角を正確に設定することで、液晶パネル２に必要以上の角度で入射する不要な光束をさらに削減でき、光利用効率を向上させることができる。

集光部７は、第２導光部６の他端側に設けられている。集光部７は、第２導光部６により導光された光を遮光部８側へ集光する。集光部７は、例えば、光軸上に配置された第１及び第２リニアフレネルレンズ７１、７２で構成されている。第１及び第２リニアフレネルレンズ７１、７２は、矩形状の液晶パネル２に対応して、矩形状に形成されている。第１及び第２リニアフレネルレンズ７１、７２は、液晶パネル２および第１拡散部５と平行に配置されている。リニアフレネルレンズ７１、７２は各々平行に配置されている。第１リニアフレネルレンズ７１は、第１拡散部５側に配置されている。第２リニアフレネルレンズ７２は、第２拡散部９側で、第１リニアフレネルレンズ７１に平行に配置されている。第１リニアフレネルレンズ７１は、液晶パネル２の縦辺に平行に延在する断面鋸歯形状の突部７１１を複数有している。第２リニアフレネルレンズ７２は、液晶パネル２の横辺に平行に延在する断面鋸歯状の突部７２１を複数有している。

第１リニアフレネルレンズ７１は、液晶パネル２に入射する光の横方向の入射角度を調整する。第１リニアフレネルレンズ７１は、液晶パネル２に求められる必要視野角の横辺に対応する焦点距離を有している。第２リニアフレネルレンズ７２は、液晶パネル２に入射する光の縦方向の入射角度を調整する。第２リニアフレネルレンズ７２は、液晶パネル２に求められる必要視野角の縦辺に対応する焦点距離を有している。

これにより、液晶パネル２に求められる必要視野角を超える入射角度で入射する不要な光束を削減し、光利用効率を向上させることができる。したがって、例えば、光軸方向に厚い投射レンズなどを設ける必要がなくなる。

なお、第１リニアフレネルレンズ７１と第２リニアフレネルレンズ７２は、上記逆の構成を有していてもよい。すなわち、第１リニアフレネルレンズ７１は、液晶パネル２の横辺に平行に延在する断面鋸歯形状の突部７１１を有し、第２リニアフレネルレンズ７２は、液晶パネル２の縦辺に平行に延在する断面鋸歯状の突部７２１を有していてもよい。第１リニアフレネルレンズ７１は、液晶パネル２に入射する光の縦方向の入射角度を調整し、第２リニアフレネルレンズ７２は、液晶パネル２に入射する光の横方向の入射角度を調整してもよい。また、集光部７は上述した構成と同様の効果を得るものであれば、フレネルレンズの組合せに限定されない。

遮光部８は、集光部７から第２拡散部９への光が外部に漏れないように遮光する。遮光部８は、一端に集光部７が設けられている。遮光部８は、両端に矩形状の開口を有する筒状の部材である。

第２拡散部９は、遮光部８の他端に設けられている。第２拡散部９は、集光部７からの光を、液晶パネル２に対して拡散する。第２拡散部９は、第１拡散部５と同様に、例えば、レンズ拡散板などで構成されている。

第２拡散部９の拡散角は、第１拡散部５の拡散角よりも小さいのが好ましい。本実施形態において、例えば、液晶パネル２直前に第１拡散部５より拡散角の小さい第２拡散部９が設けられている。これにより、光源３点灯時に液晶パネル２の表示の奥にバックライト像が重畳するのを抑制でき、液晶パネル２の表示品質を向上させることができる。

上述の如く、本実施形態において、例えば、第１導光部４の他端に拡散角の大きい第１拡散部５を設け、液晶パネル２直前に第１拡散部５より拡散角の小さい第２拡散部９を設けている。拡散角の大きい第１拡散部５を設けることで、光源３による輝度不均一性を抑制し、第１拡散部５の射出面を輝度均一な面光源として機能させることが可能となる。また、拡散角の大きい第１拡散部５を設けることで、液晶パネル２直前に設けられた第２拡散部９の拡散角を小さくすることが可能になり、液晶パネル２に必要以上の角度で入射する不要な光束を削減でき、光利用効率を向上させることができる。すなわち、本実施形態によれば、輝度均一性と光利用効率との両方を同時に向上させることができる。

図２は、本実施形態に係る液晶照明装置の照明方法のフローを示すフローチャートである。光源３は、第１導光部４に対して光を照射する（ステップＳ１０１）。

第１導光部４は、光源３が照射する光を、光軸に平行な反射面４１で反射して第１拡散部５へ導光する（ステップＳ１０２）。これにより、配光角の大きな光も第１拡散部５側に導光でき、光源３から照射される光を高効率で第１拡散部５に導光することができ、光利用効率を向上させることができる。また、反射面４１で反射角度を変えずに導光でき、輝度均一性を向上させることができる。

第１拡散部５は、第１導光部４により導光された光を、第２導光部６へ拡散する（ステップＳ１０３）。拡散角の大きい第１拡散部５を設けることで、光源３による輝度不均一性を抑制し、第１拡散部５の射出面を輝度均一な面光源として機能させることが可能となる。

第２導光部６は、第１拡散部５により拡散された光を、液晶パネル２側に行くに従って広がるように形成された反射面６１で反射して集光部７へ導光する（ステップＳ１０４）。具体的には、反射面６１は、液晶パネル２側に行くに従って放射状に広がるように形成される。これにより、第１拡散部５から放射される光を高効率で集光部７へ入射させることができる。また、第２導光部６の反射面６１の傾斜角を調整することで、液晶パネル２に求められる必要配光角を容易かつ正確に設定でき、液晶パネル２に必要以上の角度で入射する不要な光束をさらに削減でき、光利用効率を向上させることができる。

集光部７の第１及び第２リニアフレネルレンズは、第２導光部６により導光された光を第２拡散部９へ集光する（ステップＳ１０５）。第１リニアフレネルレンズ７１は、液晶パネル２に求められる必要視野角の横辺に対応する焦点距離を有し、第２リニアフレネルレンズ７２は、液晶パネル２に求められる必要視野角の縦辺に対応する焦点距離を有している。これにより、液晶パネル２に求められる必要視野角を超える入射角度で入射する不要な光束を削減し、光利用効率を向上させることができる。

第２拡散部９は、集光部７からの光を、液晶パネル２に対して拡散する（ステップＳ１０６）。上述の如く、拡散角の大きい第１拡散部５を設けることで、液晶パネル２直前に設けられた第２拡散部９の拡散角を小さくすることが可能になり、液晶パネル２に必要以上の角度で入射する不要な光束を削減でき、光利用効率を向上させることができる。

以上、本実施形態に係る液晶照明装置１は、液晶パネル２と、液晶パネル２に対し光を照射する光源３と、光源３が照射する光を拡散する第１拡散部５と液晶パネル２と光源３とを結ぶ光軸Ｌに対して平行に設けられた反射面４１とを有し、光源３が照射する光を拡散および導光する第１導光部４と、光源３側から液晶パネル２側に行くに従って放射状に広がるように形成された第２導光部６と、第２導光部６により導光された光を集光する集光部７と、集光部７により集光された光を液晶パネル２に対して拡散する第２拡散部９と、を備えている。本実施形態に係る液晶照明装置１によれば、インナーレンズや投射レンズなどを設けることなく、光利用効率を向上させることができる。すなわち、簡易な構成でコスト低減を図りつつ、光利用効率を向上させることができる。

図３は、本発明の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイの概略的な構成を示す図である。上記実施形態に係る液晶照明装置１は、例えば、ヘッドアップディスプレイ１０に搭載されてもよい。ヘッドアップディスプレイ１０は、例えば、自動車の車室前方のインストルメントパネル内に配置される。

液晶照明装置１は、液晶パネル２を透過した画像光を光学系１１に出力する。光学系１１は、例えば、ミラー、レンズ等で構成されている。光学系１１は、液晶照明装置１から出力された画像光を、例えば、車室前方のウィンドシールド１２まで導く。これにより、ウィンドシールド１２へ入射された画像光は、ウィンドシールド１２の車室内側表面上にて反射し、観察者の網膜上に結像され、虚像として表示される。

上記実施形態に係る液晶照明装置１を用いて、ヘッドアップディスプレイ１０を構成することで、ヘッドアップディスプレイ１０の小型軽量化、コスト低減、及び光利用効率を向上させることができる。また、ヘッドアップディスプレイの表示品質を向上させることができる。

なお、本実施形態に係る液晶照明装置１は、ヘッドアップディスプレイに搭載されているが、これに限定されず、液晶パネル２を照明する任意の装置に搭載可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上記実施形態において、第１拡散部５は、液晶パネル２と光源３とを結ぶ光軸Ｌに対して平行な反射面４１に、一体的に設けられていてもよい。第１拡散部５及び反射面４１は、図４（ａ）及び（ｂ）に示す如く、一体で、光源３が照射する光を反射しつつ拡散する反射拡散面４２として構成されていてもよい。

これにより、第１導光部４は内側側面に光軸Ｌに平行な拡散反射面４２を有することで輝度均一性を向上させることができる。したがって、上記実施形態の第１拡散部５を設ける必要がなくなり、この拡散角の大きい第１拡散部５を通過することで発生していた輝度の低下を抑制できる。このため、光源３から放射される光を高効率で第２導光部６へ入射することが可能となる。

さらに、第１拡散部５を設ける必要がないことから、上記実施形態では別体構造であった第１導光部４と第２導光部６を一体構造とすることが可能となり、製造コスト低減につながる。すなわち、本実施形態に係る液晶照明装置１の構成をより簡素化して製造コストを低減しつつ、輝度及び輝度均一性をより向上させることができる。

なお、拡散反射面４２は、例えば白色樹脂で構成されている。拡散反射面４２は、例えば、第１導光部４と同一材料で構成できる。これにより、第１導光部４の内側側面に拡散反射面４２を特別に設ける必要が無いため、コスト低減につながる。また、上記白色樹脂は、ＬＥＤパッケージやバックライトなどに多用されており、一般的に使用される表面状態において、９０％以上の拡散反射率を有している。このため、拡散反射面４２を白色樹脂で構成することで、低コストかつ高拡散反射率を容易に実現できる。

１ 液晶照明装置
２ 液晶パネル
３ 光源
４ 第１導光部
５ 第１拡散部
６ 第２導光部
７ 集光部
８ 遮光部
９ 第２拡散部
１０ ヘッドアップディスプレイ
１１ 光学系
１２ ウィンドシールド
４１ 反射面
４２ 拡散反射面
６１ 反射面
７１ 第１リニアフレネルレンズ
７２ 第２リニアフレネルレンズ
７１１ 突部
７２１ 突部

Claims (7)

1. 液晶パネルと、
   前記液晶パネルに対し光を照射する光源と、
   前記光源が照射する光を拡散する第１拡散部と、前記液晶パネルと前記光源とを結ぶ光軸に対して平行な反射面と、を有し、一端に前記光源が設けられ前記光源が照射する光を拡散および導光する第１導光部と、
   前記光源側から前記液晶パネル側に行くに従って広がるように形成された反射面を有し、一端側に設けられた前記第１導光部の第１拡散部により拡散された光を導光する第２導光部と、
   前記第２導光部の他端側に設けられ、前記第２導光部により導光された光を集光する集光部と、
   前記集光部により集光された光を前記液晶パネルに対して拡散する第２拡散部と、
   を備える、
   ことを特徴とする液晶照明装置。
2. 請求項１記載の液晶照明装置であって、
   前記第１拡散部は、透過する光を拡散させるように構成されており、
   前記第１導光部は、前記第１拡散部を前記光源に対向する他端に有することで、前記第１導光部により導光された光を拡散し、
   前記第２導光部は、一端側に前記第１拡散部が配置される、
   ことを特徴とする液晶照明装置。
3. 請求項１記載の液晶照明装置であって、
   前記第１拡散部は、前記液晶パネルと前記光源とを結ぶ光軸に対して平行な反射面に、一体的に設けられており、
   前記第１拡散部及び反射面は、前記光源が照射する光を反射しつつ拡散する反射拡散面として構成されている、
   ことを特徴とする液晶照明装置。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の液晶照明装置であって、
   前記集光部は、光軸上に配置された２つのリニアフレネルレンズで構成され、
   前記２つのリニアフレネルレンズは、前記液晶パネルに求められる必要視野角の縦辺及び横辺に夫々対応する焦点距離を有している、
   ことを特徴とする液晶照明装置。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の液晶照明装置であって、
   前記第２拡散部の拡散角は、前記第１拡散部の拡散角よりも小さい、ことを特徴とする液晶照明装置。
6. 請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載の液晶照明装置と、
   前記液晶照明装置の液晶パネルを透過した画像光を車両のウィンドシールドまで導く光学系と、
   を備える、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
7. 液晶パネルと、
   前記液晶パネルに対し光を照射する光源と、を備える液晶照明装置の照明方法であって、
   前記光源が照射する光を拡散する第１拡散部と、前記液晶パネルと前記光源とを結ぶ光軸に対して平行な反射面と、を有する第１導光部によって前記光源が照射する光を拡散および導光するステップと、
   前記光源側から前記液晶パネル側に行くに従って広がるように形成された反射面を有する第２導光部によって、前記拡散された光を導光するステップと、
   前記第２導光部により導光された光を集光するステップと、
   前記集光された光を前記液晶パネルに対して拡散するステップと、
   を含む、
   ことを特徴とする液晶照明装置の照明方法。

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