JP2023168334A - 光学システム、照明システム、表示システム、及び移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】光の取り出し効率の向上を図ること。
【解決手段】光学システム１００は、導光板１と、光制御体２と、プリズム３と、を備える。導光板１は、光が入射する入射面１０、及び互いに対向する第１面１１及び第２面１２を有し、第２面１２が光の出射面である。光制御体２は、入射面１０に向かう光を集光し、集光した光を入射面１０に出射する。プリズム３は、第１面１１に設けられて、導光板１の内部を通る光を第２面１２に向けて反射する。導光板１は、入射面１０から入射した光をプリズム３にて直接反射して第２面１２から出射させるダイレクト光路を含む。光制御体２は、導光板１とは反対側の面で、入射面１０に入射する光を屈折させて入射面１０に出射する。
【選択図】図１

Description

本開示は、一般に光学システム、照明システム、表示システム、及び移動体に関する。より詳細には、本開示は、入射面から入射した光を制御して出射面から出射させる光学システム、照明システム、表示システム、及び移動体に関する。

特許文献１は、対象空間に虚像を投影する画像表示装置（表示システム）を開示する。この画像表示装置は、自動車用ＨＵＤ（Head-Up Display）装置である。ダッシュボード内の自動車用ＨＵＤ装置（光学システム）から発せられる画像光である投射光がフロントガラスで反射され、視認者である運転者に向かう。これにより、ユーザ（運転者）は、ナビゲーション画像等の画像を虚像として視認することができ、路面等の背景に虚像が重畳されているように視認する。

特開２０１７－１４２４９１号公報

本開示は、光の取り出し効率の向上を図ることのできる光学システム、照明システム、表示システム、及び移動体を提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る光学システムは、導光板と、光制御体と、プリズムと、を備える。前記導光板は、光が入射する入射面、及び互いに対向する第１面及び第２面を有し、前記第２面が光の出射面である。前記光制御体は、前記入射面に向かう光を集光し、集光した光を前記入射面に出射する。前記プリズムは、前記第１面に設けられて、前記導光板の内部を通る光を前記第２面に向けて反射する。前記導光板は、前記入射面から入射した光を前記プリズムにて直接反射して前記第２面から出射させるダイレクト光路を含む。前記光制御体は、前記導光板と一体である。前記光制御体は、光源から前記光制御体に直接入射する光を集光する。前記光制御体は、前記導光板とは反対側の面で、前記入射面に入射する光を屈折させて前記入射面に出射する。

本開示の一態様に係る照明システムは、上記の光学システムと、光源と、を備える。前記光源は、前記光制御体を通して前記入射面に光を出射する。

本開示の一態様に係る表示システムは、上記の照明システムと、表示器と、を備える。前記表示器は、前記照明システムから出射される光を受けて画像を表示する。

本開示の一態様に係る移動体は、上記の表示システムと、前記表示システムを搭載する移動体本体と、を備える。

本発明は、光の取り出し効率の向上を図ることができる、という利点がある。

図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ本開示の一実施形態に係る光学システムの概要を示す断面図である。 図２は、同上の光学システムの概要を示す平面図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ同上の光学システムにおける光路の説明図である。 図４は、同上の光学システムを用いた表示システムを備える移動体の説明図である。 図５は、同上の表示システムの説明図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ比較例の光学システムの概要を示す断面図である。 図７Ａ～図７Ｃは、それぞれ本開示の一実施形態の第１変形例に係る光学システムの概要の説明図である。 図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ本開示の一実施形態の第２変形例に係る光学システムの概要を示す断面図である。 図９は、本開示の一実施形態の第３変形例に係る光学システムの概要を示す断面図である。

（１）概要
本実施形態の光学システム１００（図１Ａ及び図１Ｂ参照）は、入射面１０から入射した光を制御して出射面（第２面１２）から出射させる機能を有する。光学システム１００は、図１に示すように、導光板１と、光制御体２と、プリズム３と、を備える。光学システム１００は、光源４と共に照明システム２００を構成する。言い換えれば、照明システム２００は、光学システム１００と、光源４と、を備える。光源４は、光制御体２を通して入射面１０に光を出射する。

導光板１は、光が入射する入射面１０、及び互いに対向する第１面１１及び第２面１２を有し、第２面１２が光の出射面である。本実施形態では、導光板１は、平板状であって、導光板１の厚さ方向において対向する２面がそれぞれ第１面１１及び第２面１２である。また、導光板１の４つの側面のうちの１つの側面が入射面１０である。つまり、導光板１は、入射面１０である側面から光が入射することにより、出射面である第２面１２が面発光するように構成されている。

光制御体２は、入射面１０に向かう光を集光し、集光した光を入射面１０に出射する。本実施形態では、光源４から出射される光が、光制御体２を通して導光板１の入射面１０に入射する。そして、光制御体２に入射した光は、広がり角を狭めるように制御され、入射面１０に向けて出射する。本実施形態では、光制御体２は、入射面１０に出射する光の光路が第２面１２と平行な光路に近づくように、光制御体２に入射した光の広がり角を制御する。

プリズム３は、第１面１１に設けられて、導光板１の内部を通る光を第２面１２に向けて反射する。本実施形態では、プリズム３は、第１面１１に複数設けられている。プリズム３は、入射する光を全反射するように構成されている。もちろん、プリズム３は、入射する光を全て全反射する態様に限らず、一部の光が全反射せずにプリズム３の内部を通過する態様も含み得る。

導光板１においては、入射面１０から入射した光の大部分は、第１面１１又は第２面１２のうちプリズム３を除いた部位で反射することなく、プリズム３にて反射することで、第２面１２から出射される。つまり、導光板１は、入射面１０から入射した光をプリズム３にて直接反射して第２面１２から出射させるダイレクト光路Ｌ１を含む（図３Ｂ参照）。

上述のように、本実施形態では、光制御体２を通して広がり角を制御された光を、導光板１の第１面１１に設けられたプリズム３にて直接反射させて、第２面１２から出射させている。このため、本実施形態では、導光板１の第１面１１及び第２面１２にて全反射を繰り返しながら第２面１２から光を出射させる態様と比較して、光の取り出し効率の向上を図ることができる、という利点がある。本開示でいう「取り出し効率」とは、導光板１の入射面１０に入射する光の光量に対して、導光板１の第２面１２（出射面）から出射する光の光量が占める割合をいう。

（２）詳細
以下、本実施形態の光学システム１００、及び光学システム１００を用いた表示システム３００について説明する。

（２．１）表示システム
まず、表示システム３００について説明する。表示システム３００は、例えば自動車（移動体）Ｂ１に搭載されるヘッドアップディスプレイに用いられ、例えば、自動車Ｂ１の速度情報、コンディション情報、及び運転情報等に関連する運転支援情報をユーザＡ１の視界に表示するために用いられる。自動車Ｂ１の運転情報としては、例えば、走行経路等を表示するナビゲーション関連の情報、及び、走行速度及び車間距離を一定に保つＡＣＣ（Adaptive Cruise Control）関連の情報等がある。

表示システム３００は、図４及び図５に示すように、画像表示部３１０と、光学系３２０と、制御部３３０と、を備えている。また、表示システム３００は、画像表示部３１０、光学系３２０、及び制御部３３０を収容するハウジング３４０を更に備えている。

表示システム３００は、移動体である自動車Ｂ１の移動体本体Ｂ１１に搭載される。つまり、移動体（自動車）Ｂ１は、表示システム３００と、表示システム３００を搭載する移動体本体Ｂ１１と、を備えている。

ハウジング３４０は、例えば合成樹脂の成型品等で構成されている。ハウジング３４０には、画像表示部３１０、光学系３２０、及び制御部３３０等が収容されている。ハウジング３４０は、移動体本体Ｂ１１のダッシュボードＢ１３に取り付けられている。光学系３２０の第２ミラー３２２（後述する）によって反射された光は、ハウジング３４０の上面の開口部を通して反射部材（ウィンドシールドＢ１２）に出射され、ウィンドシールドＢ１２によって反射された光がアイボックスＣ１に集光される。なお、反射部材は、移動体本体Ｂ１１に設けられたコンバイナで実現されてもよい。

画像表示部３１０は、表示デバイス３１１と、表示デバイス３１１の表示面３１３に配置されるレンズアレイ３１２と、を備える。画像表示部３１０は、画像中の対象物から複数の方向に放出される光を再現することで対象物を立体的に見せるライトフィールド（Light Field）方式により、立体画像を表示する機能を有している。

表示デバイス３１１は、ハウジング３４０の内部に、表示面３１４を第１ミラー３２１（後述する）に向けた状態で収容されている。表示デバイス３１１の表示面３１４は、ユーザＡ１に投影する画像の範囲、つまりウィンドシールドＢ１２の形状に合わせた形状（例えば矩形状）である。表示デバイス３１１の表示面３１４には、複数の画素がアレイ状に配置されている。表示デバイス３１１の複数の画素は、制御部３３０の制御に応じて発光し、表示デバイス３１１の表示面３１４から出力される光によって、表示面３１４に表示される画像が形成される。表示デバイス３１１は、表示器５と、光学システム１００を含む照明システム２００と、によって実現される。表示器５は、例えば液晶ディスプレイ、又は有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等であって、照明システム２００から出射される光を受けて画像を表示する。つまり、表示システム３００は、照明システム２００と、表示器５と、を備えている、と言える。

表示デバイス３１１の表示面３１４には、レンズアレイ３１２が配置されている。ここで、レンズアレイ３１２の表面が画像表示部３１０の表示面３１３となる。レンズアレイ３１２は、アレイ状に配列された複数のレンズを有する。

表示デバイス３１１の表示面３１４に表示された画像は、レンズアレイ３１２と光学系３２０とを通してアイボックスＣ１内に視点があるユーザＡ１に視認される。よって、ユーザＡ１は、自動車Ｂ１の走行面Ｄ１に沿って重畳された虚像Ｅ１、及び、走行面Ｄ１と直交する平面ＰＬ１に沿って立体的に描画される虚像を視認することができる。

なお、画像表示部３１０が、立体描画の対象物の虚像を立体的に表示する方式はライトフィールド方式に限定されない。画像表示部３１０は、ユーザＡ１の左右の目に、互いに視差がある画像をそれぞれ投影することで、ユーザＡ１に立体描画の対象物の虚像を視認させる視差方式を採用してもよい。

光学系３２０は、画像表示部３１０の表示面３１３から出力される光を、アイボックスＣ１に集光する。本実施形態では、光学系３２０は、例えば、凸面鏡である第１ミラー３２１と、凹面鏡である第２ミラー３２２と、ウィンドシールドＢ１２と、を備えている。

第１ミラー３２１は、画像表示部３１０から出力される光を反射して、第２ミラー３２２に入射させる。第２ミラー３２２は、第１ミラー３２１から入射した光をウィンドシールドＢ１２に向かって反射する。ウィンドシールドＢ１２は、第２ミラー３２２から入射した光を反射してアイボックスＣ１に入射させる。

制御部３３０は、例えば、コンピュータシステムを含んでいる。コンピュータシステムは、ハードウェアとしての１以上のプロセッサ及び１以上のメモリを主構成とする。コンピュータシステムの１以上のメモリ又は記憶部３３４に記録されたプログラムを１以上のプロセッサが実行することによって、制御部３３０の機能（例えば、描画制御部３３１、画像データ作成部３３２、及び出力部３３３等の機能）が実現される。プログラムは、コンピュータシステムの１以上のメモリ又は記憶部３３４に予め記録されている。なお、プログラムは、電気通信回線を通じて提供されてもよいし、コンピュータシステムで読み取り可能なメモリカード、光学ディスク、ハードディスクドライブ等の非一時的記録媒体に記録されて提供されてもよい。

記憶部３３４は、例えば、書換可能な不揮発性の半導体メモリ等の非一時的記録媒体にて実現される。記憶部３３４は、制御部３３０が実行するプログラム等を記憶する。また、本実施形態の表示システム３００は、既に述べたように、自動車Ｂ１の速度情報、コンディション情報、及び運転情報等に関連する運転支援情報をユーザＡ１の視界に表示するために用いられる。このため、表示システム３００が表示する虚像の種類は予め決まっている。そして、記憶部３３４には、虚像（平面描画の対象物である虚像Ｅ１、及び、立体描画の対象物である虚像）を表示するための画像データが予め記憶されている。

描画制御部３３１は、自動車Ｂ１に搭載された各種のセンサ３５０から検出信号を受け取る。センサ３５０は、例えば先進運転システム（ＡＤＡＳ：Advanced Driver Assistance System）に使用される各種の情報を検出するためのセンサである。センサ３５０は、
例えば、自動車Ｂ１の車速、温度、残燃料等を測定するセンサ、自動車Ｂ１の周囲を撮影する画像センサ、及び、自動車Ｂ１の周囲に存在する物体を検出するためのミリ波レーダ、ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）等のセンサのうちの少なくとも１つを含む。

描画制御部３３１は、センサ３５０から入力される検出信号に基づいて、この検出信号に関する情報を表示するための１又は複数の画像データを記憶部３３４から取得する。ここで、画像表示部３１０に複数種類の情報を表示する場合、描画制御部３３１は、複数種類の情報を表示するための複数の画像データを取得する。また、描画制御部３３１は、センサ３５０から入力される検出信号に基づいて、虚像を表示する対象空間において虚像を表示する位置に関する位置情報を求める。そして、描画制御部３３１は、表示対象の虚像の画像データと位置情報とを、画像データ作成部３３２に出力する。

画像データ作成部３３２は、描画制御部３３１から入力される画像データ及び位置情報に基づいて、表示対象の虚像を表示するための画像データを作成する。

出力部３３３は、画像データ作成部３３２によって作成された画像データを表示デバイス３１１に出力し、表示デバイス３１１の表示面３１４に、作成された画像データに基づく画像を表示させる。表示面３１４に表示された画像は、レンズアレイ３１２と光学系３２０とを介してアイボックスＣ１に集光され、虚像がユーザＡ１によって視認される。

（２．２）光学システム
次に、光学システム１００について図１Ａ～図３Ｂを用いて説明する。光学システム１００は、導光板１と、複数の光制御体２と、複数のプリズム３と、を備えている。光学システム１００は、複数の光源４と共に照明システム２００を構成している。以下の説明では、導光板１の幅方向（図２において複数の光源４が並ぶ方向）を「Ｘ方向」、導光板１の奥行き方向（図１Ａにおいて複数のプリズム３が並ぶ方向）を「Ｙ方向」とする。また、以下の説明では、導光板１の厚さ方向（図１Ａにおいて第１面１１及び第２面１２が並ぶ方向）を「Ｚ方向」とする。

なお、図面における「Ｘ方向」、「Ｙ方向」、及び「Ｚ方向」を示す矢印は説明のために表記しているに過ぎず、実体を伴わない。また、図面における破線の矢印は、光源４から出射されて導光板１の内部を通過する光の光路を概念的に表している。

光源４は、例えば発光ダイオード（Light Emitting Diode：LED）素子又は有機ＥＬ（Organic Electro-Luminescence：OEL）素子等の固体発光素子である。本実施形態では、複数の光源４は、図２に示すように、導光板１の入射面１０と対向する形で、Ｘ方向に間隔を空けて並ぶように配置されている。複数の光源４は、それぞれ導光板１の入射面１０に設けられた複数の光制御体２と１対１に対応している。

導光板１は、例えばアクリル樹脂等の透光性を有する材料により形成されており、平板状である。導光板１のＹ方向において互いに対向する２つの側面のうちの一方の側面（図１Ａにおける左面）は、複数の光源４から出射される光が、それぞれ複数の光制御体２を通して入射する入射面１０である。導光板１のＺ方向において互いに対向する２つの面は、それぞれ第１面１１及び第２面１２である。第１面１１は、図１Ａにおける下面であり、第２面１２は、図１Ａにおける上面である。そして、第２面１２は、導光板１の内部を通る光が外部へと出射する出射面である。

本実施形態では、第２面１２は、入射面１０と直交する面、言い換えれば、ＸＹ平面と平行な面である。一方、第１面１１は、入射面１０と直交しておらず、ＸＹ平面に対して傾斜した面である。具体的には、第１面１１は、入射面１０から遠ざかるにつれて第２面１２に近づくように傾斜している。つまり、本実施形態では、第１面１１と第２面１２とは、互いに傾斜している。

光制御体２は、例えばコリメータレンズであって、入射面１０に向かう光を集光し、集光した光を入射面１０に出射する。具体的には、光制御体２は、図３Ａに示すように、屈折面２０と、全反射面２１と、を有している。屈折面２０は、光源４が出射する光の一部を屈折させて、屈折した光を入射面１０に出射する。全反射面２１は、光源４が出射する光の一部を全反射させて、全反射した光を入射面１０に出射する。このように、光制御体２は、光源４が出射する光の一部又は全部を屈折させることにより、光源４が出射する光の広がり角を狭めるように制御する。したがって、光制御体２は、光制御体２から出射する光の光路が、入射面１０に対して垂直な光路、言い換えれば、第２面１２と平行な光路に近づくように、光源４が出射する光の広がり角を制御する。

本実施形態では、図２に示すように、複数の光制御体２は、導光板１の入射面１０を構成する端部において、Ｘ方向に並ぶように形成されている。つまり、本実施形態では、光制御体２は、導光板１と一体である。また、複数の光制御体２は、既に述べたように、それぞれ複数の光源４と１対１に対応している。したがって、複数の光制御体２は、それぞれ対応する光源４が出射する光の広がり角を制御して、光を入射面１０へと出射する。

プリズム３は、導光板１の第１面１１面を構成する端部を加工することにより、Ｘ方向から見た断面が三角形状の凹部となるように、第１面１１に形成されている。プリズム３は、図１Ｂに示すように、導光板１の内部を通って入射する光を第２面１２に向けて反射する反射面３０を有している。なお、図１Ｂは、図１Ａにおいて一点鎖線で囲まれた部位の拡大図である。

反射面３０と第１面１１とがなす角度（つまり、反射面３０の傾斜角度）θ１は、反射面３０に入射する光の入射角θ０が臨界角以上となるような角度である。つまり、反射面３０は、入射する光が全反射するように、第１面１１に対して傾斜している。また、反射面３０の傾斜角度θ１は、反射面３０にて全反射した光が、第２面１２に殆ど垂直な方向を含む方向に出射するように設定されている。ここで、複数のプリズム３に入射する光の入射角θ０は、プリズム３ごとに異なっている。

本実施形態では、図２に示すように、複数のプリズム３は、それぞれＺ方向から見て、Ｘ方向に平行な直線状に形成されている。そして、複数のプリズム３は、導光板１の第１面１１を構成する端部において、Ｙ方向に間隔を空けて並ぶように形成されている。つまり、本実施形態では、プリズム３は、入射面１０に光が入射する方向（Ｙ方向）において複数並ぶように設けられている。具体的には、複数のプリズム３は、導光板１の内部を通って第１面１１へと向かう光が、複数のプリズム３のうちのいずれかのプリズム３にて反射するように、Ｙ方向に間隔を空けて設けられている。

以下、本実施形態の光学システム１００の発光原理について図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。まず、図３Ａに示すように、光源４から出射される光は、対応する光制御体２を通過することにより、広がり角を制御される。そして、光制御体２から導光板１の入射面１０に向かって、広がり角を制御された光が出射される。光制御体２から出射する光の光路は、入射面１０に対して殆ど垂直な光路、言い換えれば、第２面１２と殆ど平行な光路となる。また、既に述べたように、第１面１１は、入射面１０から遠ざかるにつれて第２面１２に近づくように傾斜している。このため、入射面１０に入射する光の大部分は、第２面１２、及び導光板１の入射面１０と対向する側面１３に到達せずに、第１面１１に到達することになる。

そして、図３Ｂに示すように、入射面１０に入射する光の大部分は、第１面１１及び第２面１２にて反射することなく、第１面１１に設けられた複数のプリズム３のうちのいずれかのプリズム３の反射面３０にて全反射する。つまり、導光板１は、入射面１０から入射した光をプリズム３にて直接反射して第２面１２から出射させるダイレクト光路Ｌ１を含んでいる。さらに、本実施形態では、ダイレクト光路Ｌ１は、プリズム３にて全反射する光の光路を含んでいる。プリズム３の反射面３０にて全反射した光は、第２面１２と殆ど直交する光路を辿り、第２面１２から出射される。これにより、第２面１２全体が面発光することになる。

ここで、入射面１０に入射する光の一部は、第１面１１及び側面１３へと向かわずに、第２面１２へと向かう。この第２面１２へと向かう光は、第２面１２にて全反射し得る。そして、第２面１２にて全反射した光は、第１面１１へと向かうので、この光が複数のプリズム３のうちのいずれかのプリズム３の反射面３０にて全反射する。プリズム３の反射面３０にて全反射した光は、ダイレクト光路Ｌ１を辿る光と同様に、第２面１２と殆ど直交する光路を辿り、第２面１２から出射される。つまり、本実施形態では、導光板１は、入射面１０から入射した光を第２面１２にて反射させた後に、プリズム３にて反射させて第２面１２から出射させるインダイレクト光路Ｌ２を更に含み得る。

以下、本実施形態の光学システム１００の利点について、比較例の光学システム４００との比較を交えて説明する。比較例の光学システム４００は、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、複数の光制御体２及び複数のプリズム３を備えていない点で、本実施形態の光学システム１００と相違する。また、比較例の光学システム４００は、導光板４０１の第１面５０１に入射した光が全反射するように、第１面５０１が第２面５０２に対して傾斜している点で、本実施形態の光学システム１００と相違する。

比較例の光学システム４００では、光源４０２から出射される光は、広がり角を制御されることなく、導光板４０１の入射面５００に入射する。したがって、比較例の光学システム４００では、入射面５００に入射する光は、第１面５０１に向かう光と、第２面５０２に向かう光とで、殆ど均等に分かれることになる。そして、比較例の光学システム４００では、一般的な導光板と同様に、入射面５００に入射した光は、第１面５０１及び第２面５０２にて全反射を繰り返しながら、第２面５０２から出射される。これにより、比較例の光学システム４００では、第２面５０２全体が面発光することになる。

しかしながら、比較例の光学システム４００は、導光板４０１の第１面５０１及び第２面５０２にて光の全反射を繰り返すことにより、第２面５０２全体を面発光させるように設計されている。このため、光の全反射の回数が増えれば増えるほど、全反射の条件（つまり、入射角≧臨界角）が崩れやすく、第１面５０１から光が漏れ出る可能性が高くなる。

特に、本実施形態の表示システム３００のように、自動車Ｂ１に搭載されるヘッドアップディスプレイに光学システムを適用する場合、光学システムとしては、一般的な導光板を含む光学システムと比較して、狭い視野角と、大きい光の強度と、が要求される。視野角を狭くするためには、導光板の出射面の面積を小さくする、つまり導光板の小型化を図る必要があるが、導光板を小さくすればする程、導光板に入射した光が到達し得る距離（導光距離）が短くなる。そして、導光距離が短くなればなる程、導光板の出射面から出射することなく入射面と対向する側面から漏れ出る光が多くなり、十分な光の強度（言い換えれば、光の取り出し効率）を確保することが困難となる。

そこで、導光距離が短い導光板においても十分な光の強度を確保するために、比較例の光学システム４００のように、導光板４０１の第１面５０１を第２面５０２に対して傾斜させることが考えられる。しかしながら、既に述べたように、比較例の光学システム４００においても、第１面５０１から光が漏れやすく、結果として十分な光の取り出し効率を確保することが難しい。

一方、本実施形態の光学システム１００では、上述のように光制御体２及びプリズム３を備えているので、導光板１の入射面１０に入射する光の大部分は、ダイレクト光路Ｌ１を辿ることになる。つまり、本実施形態では、導光板１の入射面１０に入射する光の大部分は、第１面１１及び第２面１２にて全反射を繰り返すことなく、直接、プリズム３に入射して第２面１２から出射することになる。このため、本実施形態では、比較例の光学システム４００のように、全反射の条件が崩れるということもないので、第１面１１から光が漏れ出にくく、結果として光の取り出し効率の向上を図ることができる。

なお、導光板１の入射面１０に入射する光の一部は、インダイレクト光路Ｌ２を辿ることになるが、プリズム３に到達するまでに発生する全反射は第２面１２での全反射のみであるため、比較例の光学システム４００と比較して、全反射の条件が崩れにくく、第１面１１から光が漏れ出にくい。

このように、本実施形態の光学システム１００は、比較例の光学システム４００と比較して、導光板１の内部を通る光の全反射の回数を極力避けるように設計されることで、光の取り出し効率の向上を図ることが可能である。

また、本実施形態では、第１面１１と第２面１２とが互いに傾斜している。このため、本実施形態では、第１面１１と第２面１２とが互いに平行である場合と比較して、光制御体２にて入射面１０に入射する光の広がり角を狭める度合いが小さくて済む。したがって、本実施形態では、第１面１１と第２面１２とが互いに平行である場合と比較して、光制御体２と対応する光源４との間の距離を長くする必要がないので、結果として照明システム２００の小型化を図りやすい、という利点がある。

（３）変形例
上述の実施形態は、本開示の様々な実施形態の一つに過ぎない。上述の実施形態は、本開示の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。上述の実施形態において説明した各図は模式的な図であり、図中の構成要素の大きさ及び厚さの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。

以下、上述の実施形態の変形例を列挙する。以下に説明する変形例は、上述の実施形態と適宜組み合わせて適用可能である。

（３．１）第１変形例
第１変形例の光学システム１００Ａは、図７Ａに示すように、プリズム３が複数（ここでは、３つ）の小プリズム３１に分割されている点で、上述の実施形態の光学システム１００と相違する。つまり、本変形例では、プリズム３は、互いに間隔を空けるように分割された複数の小プリズム３１を有している。図７Ａにおいては、Ｙ方向に並ぶ複数のプリズム３のうちの１つのプリズム３のみを図示している。また、図７Ａにおいては、１つのプリズム３のうち、１つの光源４及び１つの光制御体２と対応する箇所のみを図示している。

複数の小プリズム３１は、いずれもＺ方向から見て、円弧を描くように並んで配置されている。つまり、本変形例では、プリズム３の少なくとも一部（小プリズム３１）は、第１面１１及び第２面１２が並ぶ方向（Ｚ方向）から見て、入射面１０に対して傾斜している。さらに、本変形例では、複数の小プリズム３１のうち２以上の小プリズム３１は、第１面１１及び第２面１２が並ぶ方向（Ｚ方向）から見て曲線状に並ぶように配置されている。

ところで、光学システムにおいて狭い視野角を実現するためには、第２面１２から出射する光の光路は、極力、第２面１２に対して垂直であるのが好ましい。ここで、光源４が出射する光は、光制御体２により広がり角を狭められている。しかしながら、図７Ａに示すように、ＸＹ平面において、入射面１０に入射する光の全てが入射面１０に対して垂直な光路を辿るわけでなく、一部の光はＸ方向に広がる光路を辿る。したがって、上述の実施形態のように、プリズム３がＸ方向に平行な直線状である場合、入射面１０に入射した光の一部は、ＸＹ平面においてプリズム３の反射面３０に対して傾斜して入射することになる。この場合、プリズム３の反射面３０にて全反射した光は、第２面１２に対して垂直な光路ではなく、第２面１２に対して角度を持った光路を辿るため、狭い視野角を実現しにくくなる可能性がある。

一方、本変形例では、プリズム３の少なくとも一部は、Ｚ方向から見て入射面１０に対して傾斜している。つまり、本変形例では、入射面１０に入射した光は、ＸＹ平面において小プリズム３１の反射面３０に対して殆ど垂直に入射することになる。このため、本変形例では、小プリズム３１の反射面３０にて全反射した光は、第２面１２に対して殆ど垂直な光路を辿りやすく、結果として狭い視野角を実現しやすい、という利点がある。

なお、本変形例において、複数の小プリズム３１は、図７Ｂに示すように、Ｚ方向から見て、プリズム３を挟んで光制御体２側と反対側に曲線状の並びに近似する円弧の中心が位置するように配置されてもよい。

また、本変形例において、複数の小プリズム３１は、図７Ｃに示すように、Ｚ方向から見て曲線状に並ばないように配置されてもよい。この態様では、複数の小プリズム３１を形成する加工に要する時間を短くすることができる、という利点がある。また、この態様では、複数の小プリズム３１がランダムに配置されるので、第２面１２から出射される光のむらを抑制しやすい、という利点がある。

（３．２）第２変形例
第２変形例の光学システム１００Ｂは、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、導光板１の第１面１１と第２面１２とが互いに傾斜しておらず、いずれも入射面１０と直交する面である点で、上述の実施形態の光学システム１００と相違する。また、本変形例の光学システム１００Ｂは、入射面１０に対して光源４及び光制御体２が傾斜するように配置されている点で、上述の実施形態の光学システム１００と相違する。

つまり、本変形例の光学システム１００Ｂは、光源４及び光制御体２を入射面１０に対して傾斜させることで、入射面１０に入射する光の大部分が第１面１１に向かうように設計されている。このため、本変形例では、上述の実施形態と同様に、入射面１０に入射する光の大部分がダイレクト光路Ｌ１を辿ることになるので、導光板１に傾斜面を設ける加工を施すことなく、光の取り出し効率の向上を図ることができる。したがって、本変形例では、上述の実施形態と比較して、導光板１の設計が容易である、という利点がある。

なお、図８Ｂでは、導光板１はダイレクト光路Ｌ１のみを含んでいるが、インダイレクト光路Ｌ２を含んでいてもよい。

（３．３）第３変形例
第３変形例の光学システム１００Ｃは、導光板１の第１面１１と第２面１２とが互いに傾斜しておらず、いずれも入射面１０と直交する面である点で、上述の実施形態の光学システム１００と相違する。また、本変形例の光学システム１００Ｃは、図９に示すように、複数のプリズム３（ここでは、３つのプリズム３Ａ，３Ｂ，３Ｃ）の各々の深さｄ１，ｄ２，ｄ３を互いに異ならせている点で、上述の実施形態の光学システム１００と相違する。３つのプリズム３Ａ，３Ｂ，３Ｃの深さｄ１，ｄ２，ｄ３は、入射面１０に入射した光の進行方向（図９における右方）に向かうにつれて深くなっている。

つまり、本変形例の光学システム１００Ｃは、複数のプリズム３の深さを互いに異ならせることで、入射面１０に入射する光の大部分が複数のプリズム３のうちのいずれかのプリズム３にて全反射するように設計されている。このため、本変形例では、上述の実施形態と同様に、入射面１０に入射する光の大部分がダイレクト光路Ｌ１を辿ることになるので、導光板１に傾斜面を設ける加工を施すことなく、光の取り出し効率の向上を図ることができる。したがって、本変形例では、上述の実施形態と比較して、導光板１の設計が容易である、という利点がある。

なお、図９では、導光板１はダイレクト光路Ｌ１のみを含んでいるが、インダイレクト光路Ｌ２を含んでいてもよい。

（３．４）その他の変形例
上述の実施形態において、第１面１１が入射面１０と直交する面であり、第２面１２が入射面１０と直交せずにＸＹ平面に対して傾斜した面であってもよい。また、上述の実施形態において、第１面１１及び第２面１２のいずれもが、入射面１０と直交せずにＸＹ平面に対して傾斜した面であってもよい。

上述の実施形態において、第１面１１には、複数のプリズム３ではなく、１つのプリズム３のみが設けられていてもよい。この場合、プリズム３は、第１面１１の全面にわたって形成され、かつ、互いに傾斜角度が異なる複数の反射面３０を有していてもよい。

上述の実施形態において、プリズム３は、導光板１の第１面１１を構成する端部を加工することにより形成されているが、この態様に限られない。例えば、プリズム３が形成されたプリズムシートを第１面１１に貼り付けることにより、プリズム３を第１面１１に設けてもよい。この場合、プリズムシートには、１つのプリズム３が形成されていてもよいし、複数のプリズム３が形成されていてもよい。

第１変形例に限らず、上述の実施形態、第２変形例、及び第３変形例においても、プリズム３は、Ｘ方向において互いに間隔を空けるように分割されていてもよい。また、第１変形例において、プリズム３は複数の小プリズム３１に分割されずに、つながっていてもよい。

（まとめ）
以上述べたように、第１の態様に係る光学システム（１００，１００Ａ～１００Ｃ）は、導光板（１）と、光制御体（２）と、プリズム（３）と、を備える。導光板（１）は、光が入射する入射面（１０）、及び互いに対向する第１面（１１）及び第２面（１２）を有し、第２面（１２）が光の出射面である。光制御体（２）は、入射面（１０）に向かう光を集光し、集光した光を入射面（１０）に出射する。プリズム（３）は、第１面（１１）に設けられて、導光板（１）の内部を通る光を第２面（１２）に向けて反射する。導光板（１）は、入射面（１０）から入射した光をプリズム（３）にて直接反射して第２面（１２）から出射させるダイレクト光路（Ｌ１）を含む。

この態様によれば、光の取り出し効率の向上を図ることができる、という利点がある。

第２の態様に係る光学システム（１００，１００Ａ～１００Ｃ）では、第１の態様において、ダイレクト光路（Ｌ１）は、プリズム（３）にて全反射する光の光路を含む。

この態様によれば、プリズム（３）にて全反射しない場合と比較して、光の取り出し効率が向上しやすい、という利点がある。

第３の態様に係る光学システム（１００，１００Ａ～１００Ｃ）では、第１又は第２の態様において、光制御体（２）は、導光板（１）と一体である。

この態様によれば、光制御体（２）が導光板（１）と別体である場合と比較して、入射面（１０）に入射する光を制御しやすい、という利点がある。

第４の態様に係る光学システム（１００，１００Ａ）では、第１～第３のいずれかの態様において、第１面（１１）と第２面（１２）とは、互いに傾斜している。

この態様によれば、第１面（１１）と第２面（１２）とが互いに平行な場合と比較して、光の取り出し効率が向上しやすい、という利点がある。

第５の態様に係る光学システム（１００，１００Ａ～１００Ｃ）では、第１～第４のいずれかの態様において、導光板（１）は、インダイレクト光路（Ｌ２）を更に含む。インダイレクト光路（Ｌ２）は、入射面（１０）から入射した光を第２面（１２）にて反射させた後に、プリズム（３）にて反射させて第２面（１２）から出射させる光路である。

この態様によれば、第２面（１２）から出射する光の向きを制御しやすい、という利点がある。

第６の態様に係る光学システム（１００，１００Ａ～１００Ｃ）では、第１～第５のいずれかの態様において、プリズム（３）は、入射面（１０）に光が入射する方向において複数並ぶように設けられている。

この態様によれば、光の取り出し効率の向上を図ることができる、という利点がある。

第７の態様に係る光学システム（１００Ａ）では、第１～第６のいずれかの態様において、プリズム（３）の少なくとも一部は、第１面（１１）及び第２面（１２）が並ぶ方向から見て、入射面（１０）に対して傾斜している。

この態様によれば、第２面（１２）から出射する光の向きを制御しやすい、という利点がある。

第８の態様に係る光学システム（１００，１００Ａ～１００Ｃ）では、第１～第７のいずれかの態様において、プリズム（３）は、互いに間隔を空けるように分割された複数の小プリズム（３１）を有している。

この態様によれば、プリズム（３）が分割されていない場合と比較して、プリズム（３）を第１面（１１）に形成しやすい、という利点がある。

第９の態様に係る光学システム（１００Ａ）では、第８の態様において、複数の小プリズム（３１）のうち２以上の小プリズム（３１）は、第１面（１１）及び第２面（１２）が並ぶ方向から見て曲線状に並ぶように配置されている。

この態様によれば、第２面（１２）から出射する光の向きを制御しやすい、という利点がある。

第１０の態様に係る照明システム（２００）は、第１～第９のいずれかの態様の光学システム（１００，１００Ａ～１００Ｃ）と、光源（４）と、を備える。光源（４）は、光制御体（２）を通して入射面（１０）に光を出射する。

この態様によれば、光の取り出し効率の向上を図ることができる、という利点がある。

第１１の態様に係る表示システム（３００）は、第１０の態様に係る照明システム（２００）と、表示器（５）と、を備える。表示器（５）は、照明システム（２００）から出射される光を受けて画像を表示する。

この態様によれば、光の取り出し効率の向上を図ることができる、という利点がある。

第１２の態様に係る移動体（Ｂ１）は、第１１の態様に係る表示システム（３００）と、表示システム（３００）を搭載する移動体本体（Ｂ１１）と、を備える。

この態様によれば、光の取り出し効率の向上を図ることができる、という利点がある。

第２～第９の態様に係る構成については、光学システム（１００）に必須の構成ではなく、適宜省略可能である。

１ 導光板
１０ 入射面
１１ 第１面
１２ 第２面
２ 光制御体
３ プリズム
３１ 小プリズム
４ 光源
５ 表示器
１００，１００Ａ～１００Ｃ 光学システム
２００ 照明システム
３００ 表示システム
Ｂ１ 自動車（移動体）
Ｂ１１ 移動体本体
Ｌ１ ダイレクト光路
Ｌ２ インダイレクト光路

Claims (18)

1. 光が入射する入射面、及び互いに対向する第１面及び第２面を有し、前記第２面が光の出射面である導光板と、
   前記入射面に向かう光を集光し、集光した光を前記入射面に出射する光制御体と、
   前記第１面に設けられて、前記導光板の内部を通る光を前記第２面に向けて反射するプリズムと、を備え、
   前記導光板は、前記入射面から入射した光を前記プリズムにて直接反射して前記第２面から出射させるダイレクト光路を含み、
   前記光制御体は、前記導光板と一体であり、
   前記光制御体は、光源から前記光制御体に直接入射する光を集光し、
   前記光制御体は、前記導光板とは反対側の面で、前記入射面に入射する光を屈折させて前記入射面に出射する、
   光学システム。
2. 前記光制御体は、前記導光板とは反対側の前記面で、前記入射面に入射する光を屈折かつ全反射させて前記入射面に出射する、
   請求項１に記載の光学システム。
3. 前記光制御体は、
   前記導光板とは反対側の前記面に形成され、前記入射面に入射する前記光を入射する凹部と、
   前記凹部における前記第１面の側の外側面を形成する第１全反射面と、
   前記凹部における前記第２面の側の外側面を形成する第２全反射面と、を有し、
   前記第１全反射面及び前記第２全反射面は、前記入射面の側から前記凹部の開口側に沿って前記凹部の内側に湾曲している、
   請求項１又は２に記載の光学システム。
4. 前記凹部の底面は、前記凹部の開口側に凸レンズ状に突出するように湾曲している、
   請求項３に記載の光学システム。
5. 前記凹部に入射する前記光は、第１光、第２光及び第３光を含み、
   前記第１光は、前記凹部の前記底面から前記光制御体の内部に入射して前記導光板の前記入射面に出射され、
   前記第２光は、前記凹部における前記第１面の側の内側面から前記光制御体の内部に入射して前記第１全反射面の内面で全反射されて前記導光板の前記入射面に出射され、
   前記第３光は、前記凹部における前記第２面の側の内側面から前記光制御体の内部に入射して前記第２全反射面の内面で全反射されて前記導光板の前記入射面に出射される、
   請求項４に記載の光学システム。
6. 前記入射面は、前記光制御体の光入射面に対向して配置されかつ前記第２面に直交する仮想的な平面であり、
   前記導光板において前記入射面から前記第２面に向かう光よりも前記入射面から前記第１面に向かう光の方が多くなるように、前記光制御体の光軸は、前記入射面に対して前記第１面の側に傾斜している、
   請求項１～５のいずれか１項に記載の光学システム。
7. 前記プリズムを複数備え、
   複数のプリズムの深さは、前記入射面に入射する光の進行方向に向かうに連れて深くなる、
   請求項１～６のいずれか１項に記載の光学システム。
8. 前記ダイレクト光路は、前記プリズムにて全反射する光の光路を含む、
   請求項１～７のいずれか１項に記載の光学システム。
9. 前記第１面と前記第２面とは、互いに傾斜している、
   請求項１～８のいずれか１項に記載の光学システム。
10. 前記導光板は、前記入射面から入射した光を前記第２面にて反射させた後に、前記プリズムにて反射させて前記第２面から出射させるインダイレクト光路を更に含む、
    請求項１～９のいずれか１項に記載の光学システム。
11. 前記プリズムは、前記入射面に光が入射する方向において複数並ぶように設けられている、
    請求項１～１０のいずれか１項に記載の光学システム。
12. 前記プリズムの少なくとも一部は、前記導光板の厚さ方向から見て、前記入射面に対して傾斜している、
    請求項１～１１のいずれか１項に記載の光学システム。
13. 前記プリズムは、互いに間隔を空けるように分割された複数の小プリズムを有している、
    請求項１～１２のいずれか１項に記載の光学システム。
14. 前記複数の小プリズムのうち２以上の小プリズムは、前記導光板の厚さ方向から見て曲線状に並ぶように配置されている、
    請求項１３記載の光学システム。
15. 前記プリズムは、前記第１面においてランダムに配置された複数の小プリズムを有している、
    請求項１～１２のいずれか１項に記載の光学システム。
16. 請求項１～１５のいずれか１項に記載の光学システムと、
    前記光制御体を通して前記入射面に光を出射する前記光源と、を備える、
    照明システム。
17. 請求項１６記載の照明システムと、
    前記照明システムから出射される光を受けて画像を表示する表示器と、を備える、
    表示システム。
18. 請求項１７記載の表示システムと、
    前記表示システムを搭載する移動体本体と、を備える、
    移動体。

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