JP6446259B2

JP6446259B2 - ヘッドアップディスプレイ装置

Info

Publication number: JP6446259B2
Application number: JP2014260278A
Authority: JP
Inventors: 圭祐松江; 大杉山
Original assignee: Asahi Kasei Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2018-12-26
Anticipated expiration: 2034-12-24
Also published as: JP2016122041A

Description

本発明は、映像（虚像）を表示するヘッドアップディスプレイ装置に関する。

これまでに、車両のフロントガラス等に映像を表示する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、特許文献１）。特許文献１に記載されたヘッドアップディスプレイ装置では、液晶表示パネルが発する表示光を透過させて赤外線を反射させる透過反射部材の後面に偏光部材が貼着されていて、透過反射部材は液晶表示パネルと平行ではない状態で液晶表示パネルの前側（表示光が進む方向）に離間して配置されている。そしてヘッドアップディスプレイ装置は、透明反射部材（フロントガラスやコンバイナ）を備えており、透明反射部材によって反射された表示光を映像（虚像）として表示する。

液晶表示パネルを用いるヘッドアップディスプレイ装置は、太陽光（外光）が装置内部まで入光することが多く、液晶表示パネルも暴露される。液晶表示パネルの前面には、一般的に、偏光分離性を示す物質を含んだポリビニルアルコール（ＰＶＡ）の両面にトリアセチルセルロース（ＴＡＣ）からなる保護層を有した吸収型偏光板が用いられる。しかしながら、太陽光により、前面の吸収型偏光板が溶融してしまうといった課題があった。この課題を解決するため、特許文献１では、前述の透過反射部材を配置している。

特許第４７８８８８２号公報

ところで、前記透過反射部材は、可視光を透過し、発熱因子となる赤外光を反射させるよう、誘電体を積層して作製されるが、入光方向や入光角度によって変化する偏光依存性がある。したがって、車両運転者の偏光サングラス着用を想定して、透明反射部材によって反射される表示光の偏光方向を水平以外に設定する場合、映像品位の低下を避けるためには、透過反射部材を表示光の偏光方向と平行、あるいは、直交方向に一軸回転とする必要があった。このように透過反射部材を用いた場合、設計上の制限により不要な迷光の発生といった、映像品位に係る更なる課題が発生する問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、不要な迷光の発生や映像品位の低下を招くことなく、偏光サングラスを用いた観察者が虚像を視認できるヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、反射型偏光分離性を有した偏光光学部材を用い、映像の偏光方向、及び、表示光の光路に対する透過反射部材及び偏光光学部材の偏光分離層の配置方向を適正化することで、不要な迷光の発生や映像品位の低下を招くことなく、偏光サングラスを用いた観察者が虚像を視認できるヘッドアップディスプレイ装置を提供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。

本発明は、表示光を発する液晶表示素子を有し、前記表示光を透明反射部材に投影して映像表示を行うヘッドアップディスプレイ装置であって、前記液晶表示素子から前記透明反射部材へと至る前記表示光の光路中に、可視光を透過し、赤外光を反射させる透過反射部材と、一方の偏光を反射して他方の偏光を透過する反射型偏光分離性を有した偏光光学部材と、が前記表示光を透過するように配置され、前記表示光の光路に対して、前記透過反射部材は垂直、および、前記偏光光学部材の偏光分離層は傾斜して配置され、傾斜して配置された前記偏光分離層は、入光した太陽光を偏光分離して、光路を逆に進むように反射することを防止し、前記透明反射部材が表示する映像の偏光方向が水平以外であり、前記偏光光学部材が固有の偏光軸を有した反射型偏光板からなり、前記偏光光学部材の前記偏光分離層が前記表示光の偏光方向と平行、および、直交方向に多軸回転して配置されていることを特徴とする。

また本発明では、前記偏光光学部材が平板状のガラス基板の一方の面に、１５０ｎｍ以下の間隔をもって所定の方向に延在する導電体からなるワイヤグリッド層を有していて、前記導電体間に樹脂が充填されていることが好ましい。

本発明によれば、偏光サングラスを着用した車両運転者が高品位の映像を視認でき、耐久性の高いヘッドアップディスプレイ装置を得ることできる。

本実施の形態のヘッドアップディスプレイ装置が発する表示光が視認されるまでの光路の一例を示す概念図である。本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置を示す断面模式図である。

以下、本発明の映像表示システムの一実施の形態（以下、「実施の形態」と略記する。）について、図面を参照して詳細に説明する。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。また、技術常識として「直線偏光」は、完全な直線偏光のみならず、わずかに楕円化した偏光も含むものである。本発明においては、楕円の長軸の長さに対する短軸の長さが０．３以下の楕円偏光は長軸方向を振動方向とする直線偏光であるとみなす。楕円の長軸の長さに対する短軸の長さが０．１以下の楕円偏光であることがより好ましい。同様に、複数の直線偏光が含まれる場合には、最も高強度の直線偏光を本発明の直線偏光とする。

図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１は、例えば、車両のダッシュボード２に設けられ、表示光（映像光）３をフロントガラス４に投影し、運転情報を虚像５として表示する映像表示装置である。運転者６は、虚像５を、フロントガラス４を通した風景と重畳させて視認することができる。

図２に示すように、ダッシュボードに設けられたヘッドアップディスプレイ装置１は、少なくとも、表示光を発する液晶表示素子１４と、透過反射部材４０と、偏光光学部材４１と、を有する。なお液晶表示素子１４は、液晶表示パネル２０、偏光板（図示しない）、バックライトユニット（光源２１を含む）等で構成される。

図２に示すように、液晶表示素子１４から透明反射部材（映写板）１１へと至る表示光の光路中に、透過反射部材４０と、偏光光学部材４１が配置されている。なお、透明反射部材としては、自動車のフロントガラス４以外にコンバイナを例示できる。

図２に示すように、表示光の光路に対して、透過反射部材４０は垂直に配置される。透過反射部材４０は、可視光を透過し、発熱因子となる赤外光を反射させるよう、誘電体を積層して作製される。ここで透過反射部材４０に対する光路は、液晶表示素子１４から導かれた第一の表示光Ｌ１が反射器１５にて反射されて非球面鏡１６に到達するまでの第二の表示光Ｌ２と平行な光路である。このように透過反射部材４０は、表示光の光路中に存在し、表示光を透過するよう配置される。また、表示光の光路に対して、偏光光学部材の偏光分離層は傾斜するよう配置されている。偏光光学部材４１の偏光分離層に対する光路は、図２に示す第二の表示光Ｌ２と平行な光路である。

偏光光学部材４１は、一方の偏光を反射して他方の偏光を透過する反射型偏光分離性を有するため、太陽光を吸収して熱に変換し難く、高耐久性を発揮する。また、偏光光学部材４１は、固有の偏光軸を有することが好ましく、これにより、入光方向や入光角度に伴う偏光依存性を小さくできる。

反射型偏光分離性を有する偏光分離層が、入光した太陽光等を偏光分離して、光路を逆に進むように反射してしまう場合、車両運転者が視認可能な迷光となる。このような迷光を防止するために、偏光分離層を光路に対して傾斜させる。

また、偏光サングラスを着用する車両の運転者６が虚像５を視認できるように、透明反射部材（フロントガラス４やコンバイナ等の映写板）１１が表示する映像の偏光方向を水平以外とすることが効果的である。一方で、迷光防止の観点からは、偏光分離層で反射する光の方向に係る設計自由度は広くできることが好ましい。このとき偏光分離層が固有の偏光軸を有する場合、入光方向や入光角度に伴う偏光に依存されることがないため、光路に対する偏光分離層の傾斜方向や傾斜角度の設定範囲を広くできる。したがって、偏光光学部材４１の偏光分離層が表示光の偏光方向と平行、および、直交方向に多軸回転するよう配置することができる。なお、本明細書において、「偏光軸」とは、偏光透過軸、あるいは、偏光反射軸を意味する。ここで、本明細書及び特許請求の範囲において、「偏光方向が水平以外」とは、電場の振動方向が水平面と平行な直線偏光を０°の振動方向を有する直線偏光とし、水平面と直交する直線偏光を９０°の振動方向を有する直線偏光とした際に、１〜９０°の振動方向を有する直線偏光を意味する。好ましくは、５〜９０°、より好ましくは１０〜９０°、最も好ましくは２０〜９０°の振動方向を有する直線偏光をいう。

ここで固有の偏光軸には、偏光透過軸と偏光反射軸がある。この２軸（多軸）で偏光光学部材４１の偏光分離層を回転できると、偏光分離されて反射する光の方向を自由に制御できる。ここで「回転」について説明する。例えば、偏光光学部材の偏光分離層は所定の１平面上にあり、この平面上に偏光透過軸と偏光反射軸が存在するとする。このうち、まず、偏光透過軸を回転の中心として偏光光学部材を回転（傾斜）させた場合、１軸の回転（傾斜）をしたことになる。さらに、偏光反射軸を回転の中心として回転（傾斜）させると、２軸の回転（傾斜）となる。これにより、偏光透過軸や偏光反射軸に依存することなく、偏光分離層を全方位に傾斜でき、その結果、迷光の発生を防止する設計をし易くなる。一方、誘電体を積層したような偏光分離層は、固有の偏光軸を持たないため、どのように傾斜させても一部偏光軸を含んでしまい、不要に反射光が発生し、輝度低下といった不具合を生じさせる。

偏光光学部材４１としては、例えば、ワイヤグリッド型偏光子、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等が挙げられる。中でも、偏光分離層が単層であるために入光角度変化時の偏光透過、および、偏光反射強度変化が小さく、可視光から赤外光までの広帯域の光を偏光分離可能なワイヤグリッド型偏光子が好ましい。

ワイヤグリッド型偏光子としては、平板状のガラス基板の一方の面に、１５０ｎｍ以下の間隔をもって所定の方向に延在する導電体からなるワイヤグリッド層を有しているものが好ましい。また、前記導電体間に樹脂が充填されていることが好ましい。本実施の形態は、車両に用いられるヘッドアップディスプレイ装置１であり、高耐久な偏光光学部材を提供する観点から、偏光分離層としてのワイヤグリッド層の導電体（金属ワイヤ）間に樹脂を充填し、外力等による導電体の損傷を防ぐことが好ましい。一方で、金属ワイヤが空気（屈折率１．０）と接することなく、樹脂を充填される場合、前記樹脂の屈折率の影響を考慮して、金属ワイヤの周期を、対象とする光の波長の１／４以下とすることが好ましい。このため、可視光領域の光の利用を考慮する場合、金属ワイヤの周期を１５０ｎｍ以下とすることが好ましく、さらに好ましくは金属ワイヤの周期を１３０ｎｍ以下とすることであり、最も好ましくは金属ワイヤの周期を１００ｎｍ以下とすることである。

ここで、ワイヤグリッド型偏光子の一例として、基材と、前記基材の表面に設けられた微細凹凸構造と、微細凹凸構造の少なくとも凸部に形成された金属ワイヤと、を有する構造（以下、ワイヤグリッド偏光板とする）を例示し、説明する。

ワイヤグリッド偏光板は微細凹凸構造として、基材の基準面の面内方向に連続して延在するように設けられた複数の凸部および複数の凹部を有する。

基材は、目的とする波長領域において実質的に透明であればよく、樹脂材料を用いることが好ましい。基材として樹脂基材を用いることにより、ロールプロセスが可能になる、ワイヤグリッド偏光板にフレキシブル性を持たすことができる、等のメリットがある。

基材に用いることができる樹脂としては、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や、アクリル系、エポキシ系、ウレタン系などの紫外線（ＵＶ）硬化性樹脂や熱硬化性樹脂などが挙げられる。また、紫外線硬化性樹脂や熱硬化性樹脂と上記熱可塑性樹脂や、トリアセテート樹脂とを組み合わせたり、単独で用いて基材を構成させたりすることができる他、ガラス等の無機材料（例えば、ガラスフィラー）を組み合わせることも可能である。なお、前記ＵＶ硬化性樹脂を硬化させるために、ＵＶ光を発する光源を使用したり、電子線を発する光源を利用したりすることも可能である。

基材に設けられた微細凹凸構造の凸部に金属膜を選択的に設けることにより金属ワイヤを形成することができる。このとき、１５０ｎｍ以下の間隔（周期）をもって所定の方向に延在する金属ワイヤ（導電体）からなるワイヤグリッド層を有することが好ましい。一般に、ワイヤグリッド偏光板は、金属ワイヤの周期が小さくなるほど幅広い波長帯域で良好な偏光特性を示す。金属ワイヤが空気（屈折率１．０）と接し、接着性物質で被覆されない場合には、金属ワイヤの周期を、対象とする光の波長の１／３以下とすることで、実用的に十分な偏光特性を示すことになるが、金属ワイヤを接着性物質で被覆する場合、接着性物質の屈折率の影響を考慮して、金属ワイヤの周期を、対象とする光の波長の１／４以下とすることがさらに好ましい。このため、可視光領域の光の利用を考慮する場合、金属ワイヤの周期を上記したように、１５０ｎｍ以下とすることが好ましく、さらに好ましくは金属ワイヤの周期を１３０ｎｍ以下とすることであり、最も好ましくは金属ワイヤの周期を１００ｎｍ以下とすることである。なお、金属ワイヤの周期の下限は製造工程上５０ｎｍである。

基材表面に形成する微細凹凸構造の断面形状としては、例えば、台形、矩形、方形、プリズム状や、半円状などの正弦波状などが挙げられる。ここで、正弦波状とは、凹部と凸部の繰り返しからなる曲線部を持つことを意味する。なお、曲線部は湾曲した曲線であればよく、例えば、凸部にくびれがある形状も正弦波状に含める。透過率の観点から微細凹凸構造の断面形状は矩形又は正弦波状であることが好ましい。

また、紫外線硬化性樹脂や熱硬化性樹脂等の樹脂被膜と、ガラスなどの無機基材（例えば、ガラスフィラー）、又は熱可塑性樹脂やトリアセテート樹脂等の樹脂基材とを組み合わせて基材を構成してもよい。この場合、無機基材又は樹脂基材上に形成された樹脂被膜の表面に所定の周期を有する微細凹凸構造を形成することもできる。鏡面性に優れた平滑性の高い表面が得られるという観点から、樹脂被膜の膜厚は、０．００５μｍ以上３μｍ以下とすることが好ましい。

金属ワイヤは、微細凹凸構造の少なくとも凸部に形成される。この場合、凸部の少なくとも側面に部分的に金属を被着させることにより所定の方向に連続して延在する金属ワイヤを設けることができる。

金属ワイヤは、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などの導電材料を用いて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金属ワイヤを形成することにより、可視域での吸収損失を小さくすることができる。

金属ワイヤの周期（ピッチＰ）については、上記の通りであるが、金属ワイヤが連続して延在する方向に垂直な方向における断面視において、金属ワイヤのデューティ比（金属ワイヤの幅と金属ワイヤのない部分の幅の合計に対する、金属ワイヤの幅の比）は０．２以上０．８以下であることが好ましい。また、金属ワイヤのアスペクト比（金属ワイヤの幅に対する、金属ワイヤの高さの比）は０．５以上２．０以下であることが好ましい。これにより、全光透過率を向上することができる。なお、金属ワイヤの幅は、金属ワイヤの高さ方向の中点における幅とする。

金属ワイヤの形成方法に特に制限は無い。例えば、電子線リソグラフィ法又は干渉露光法によるマスクパターニングとドライエッチングとを用いて形成する方法や、斜め蒸着法によって形成する方法などが挙げられる。金属ワイヤは非常に薄く形成する必要があるため、生産性の観点からは、斜め蒸着法を用いることが好ましい。

また、光学特性の観点から、金属ワイヤの不要な部分はエッチングにより除去しても良い。エッチング方法は、基材や後述する誘電体層に悪影響を及ぼさず、金属部分が選択的に除去できる方法であれば特に限定は無いが、生産性の観点からアルカリ性の水溶液に浸漬させる方法が好ましい。ただし、金属ワイヤは非常に薄く形成されるため上記のエッチング除去は必須ではない。

基材を構成する材料と金属ワイヤとの密着性向上のために、両者の間に両者と密着性の高い誘電体材料を介在させても良い。基材と金属ワイヤの密着性が高いと、基材からの金属ワイヤの剥離を防ぎ、偏光度の低下を抑えることができる。

好適に用いることができる誘電体としては、例えば、珪素（Ｓｉ）の酸化物、窒化物、ハロゲン化物、炭化物の単体又はその複合物（誘電体単体に他の元素、単体又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、炭化物の単体又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ることが好ましい。

誘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。

本実施の形態は、例えば、車両に用いられるヘッドアップディスプレイ装置１であり、高耐久な偏光光学部材を提供する観点から、偏光分離層としてのワイヤグリッド層の金属ワイヤ（導電体）間に樹脂を充填し、外力等による導電体の損傷を防ぐことが好ましい。なお、偏光分離層は、金属ワイヤ（導電体）を備える層である。

導電体間に充填する樹脂としては、特に制限は無いが、目的とする波長領域において実質的に透明であることが好ましい。例えば、樹脂としては、ＵＶの照射により硬化するＵＶ硬化型樹脂や、加熱処理によって硬化する熱硬化型樹脂、粘着剤をシート状にした粘着シートを、用いることができる。その他、硬化処理前は粘着シートと同様の性状を示すが、硬化処理によって架橋密度が変化し、硬化する粘接着シートといった接着性物質を用いることもできる。また、酸成分を極力含まず、また、劣化によって酸成分を発生させ難い材料を用いることが好ましい。酸成分が極力含まれていない材料を用いることにより、導電体の劣化が生じる可能性を小さくすることができる。なお、導電体間に樹脂を充填するとは、実質的に充填されていればよく、空気等の存在を否定するものではない。

本実施の形態における透過反射部材は、所定の波長の光を透過でき、不要な波長の光を反射する機能を有するよう、誘電体等の薄膜を単層積層あるいは多層積層することで作製することができる。透過反射部材の材料としては、ＩＴＯ、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＳｎＯ_２、Ａｌ、Ａｌ合金、Ａｇ、Ａｇ合金からなる群より選ばれるものを挙げることができるが、これに制限されない。

本実施の形態のヘッドアップディスプレイ装置１によれば、反射型偏光分離性を有した偏光光学部材を用い、映像の偏光方向、及び、表示光の光路に対する透過反射部材、及び、偏光光学部材の偏光分離層の配置方向を適正化することで、不要な迷光の発生や映像品位の低下を招くことなく、偏光サングラスを用いた観察者が適切に虚像を視認できる。

ヘッドアップディスプレイ装置１は、液晶表示素子１４と偏光光学部材、及び透過反射部材以外に、平面鏡や湾曲した非球面鏡等を光路中に備えることが可能である。また、ＬＥＤ等からなる光源を冷却するためにヒートシンクを設けることが可能である。

図２を用いて、本実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ装置１及びそれ用いた映像表示システム１０のより具体的な構造について説明する。

ヘッドアップディスプレイ装置１は、映像表示器として液晶表示素子１４、反射器１５、透過反射部材４０、偏光光学部材４１、及び、非球面鏡１６等をハウジング１７内に収容し、表示光（表示光）Ｌを取り出すための透光性の窓部１８をハウジング１７に設けたものである。

表示光Ｌは、液晶表示素子１４から出光されて反射器１５に入光するまでを第一の表示光Ｌ１、反射器１５で反射されてから透明反射部材（映写板）１１に入光するまでを第二の表示光、透明反射部材１１で反射されてから偏光サングラス４４に入光するまでを第三の表示光Ｌ４とする。とくに、反射器１５と透明反射部材１１との間に非球面鏡１６を有する場合には、反射器１５で反射されてから非球面鏡１６に入光するまでを第二の表示光Ｌ２、非球面鏡１６で反射されてから透明反射部材１１に入光するまでを第二の表示光Ｌ３とする。

液晶表示素子１４は、直線偏光の第一の表示光Ｌ１を出光する。液晶表示素子１４は、液晶表示パネル２０と、光源２１と、光源２１を内部に収容しつつ液晶表示パネル２０を保持する保持体２２とを有する。

液晶表示パネル２０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２４と、液晶表示パネル２０の出光側、すなわち、液晶セル２４の光源２１と反対側に貼着された第1の直線偏光板２５と、液晶セル２４の光源２１側に貼着された第２の直線偏光板２６とを備えている。

第１の直線偏光板２５は、固有の偏光軸を有することが好ましく、この偏光軸に沿って液晶セル２４で変調された光源光を偏光分離するように設けられている。

液晶セル２４に入光する光源光の偏光状態をそろえるために、固有の偏光軸を有する第２の直線偏光板２６を設けてもよい。第２の直線偏光板２６は、反射型偏光板であることが好ましい。光源光をリサイクルできるため高輝度化が可能となるばかりでなく、非球面鏡１６で集光した外光が第２の直線偏光板２６に入光した際の熱の発生を防止できる。なお、第２の直線偏光板２６は、液晶表示素子１４の液晶セル２４に貼着せずに、液晶セル２４に対して傾斜配置としたり、湾曲形状としたりすることができるが、傾斜配置、あるいは、湾曲形状とする場合には、偏光軸方向に傾斜、あるいは、湾曲させることが好ましい。これにより、前記外光等の多重反射による映像品位低下を防止できるばかりでなく、光源光の吸収によって発生した熱の放熱ができる。

光源２１としては、特に制限は無く、白色発光する発光ダイオード等を単数または複数用いることができる。なお、光源２１の周囲に光を反射する反射板を設けて光利用率を向上させることや、光源２１と液晶表示素子１４の間に拡散板やプリズムシート等を設けて液晶表示素子１４面内の照度の均一性を向上させることができる。

保持体２２は、第一の表示光Ｌ１を回転中心軸とする回転方向に液晶表示素子１４の設置方向を調整する機構を有することができる。この設置方向を調整することによって、第１の直線偏光板２５の偏光軸の向きを変えて表示光Ｌ１の偏光状態を調整することができる。なお、保持体２２が液晶表示素子１４を回転駆動する駆動手段等を備え、かかる駆動を制御することで表示光Ｌ１の偏光状態を調整可能としてもよい。

反射器１５は、支持部材２７を介してハウジング１７内面に支持されている。反射器１５は、反射面２８を備え、この反射面２８に対して液晶表示素子１４から出光する第一の表示光Ｌ１が傾斜入光するように映像表示素子１４と反射器１５とが配置されている。また、反射器１５の裏面に位置する支持部材２７に、ヒートシンク（放熱部材）２９を設けることが好ましく、例えば、前記ヒートシンク２９は複数の放熱フィンによって形成することが好ましい。

偏光光学部材４１は、一方の偏光を反射して他方の偏光を透過する反射型偏光分離性を有していて、固有の偏光軸を有することが好ましい。また、迷光を防止するために、偏光分離層が光路に対して傾斜するよう配置することが好ましく、透明反射部材１１が表示する映像の偏光方向が水平以外となるように配置することが好ましい。光学特性や形状に制限は無く、反射型偏光板や、前記反射型偏光板を平板状のガラス基板等に貼着したもの、形状を湾曲状としたもの等を好適に用いることができる。

透過反射部材４０は、前述の通り、可視光を透過し、発熱因子となる赤外光を反射させるよう、誘電体を積層して作製される。しかし、このような透過反射部材４０は、入光方向や入光角度によって変化する偏光依存性を有するため、表示光が正面入光するように配置されることが好ましい。なお、前記透過反射部材４０を反射する光は赤外光のため、表示光の光路内に留まったとしても、視認されないため、迷光とはならない。したがって映像品位の低下を招くことがない。

一方、特許文献１では、透過反射部材を表示光の光路に対して斜めに傾けているが、かかる場合、透過反射部材を表示光の偏光方向と平行に調整する等、設計上の制限により不要な迷光が発生しやすかった。これに対して本実施の形態では、透過反射部材４０を表示光の光路に対して垂直に配置すればよいので、設計上の制限がなく、不要な迷光の発生を効果的に抑制することができる。

なお本実施の形態では図２に示す透過反射部材４０と偏光光学部材４１とを逆配置することも可能である。

非球面鏡１６は、所定の波長の光を反射できれば特に制限は無く、例えば、アルミニウム、銀、銅、白金、金、またはこれらの金属を主成分とする合金を使用した金属膜ミラー等を好適に用いることができる。また、形状にも制限は無く、平板状のものを用いることも可能だが、表示光の拡大のために、凹面状や凸面状といった湾曲形状とすることが好ましい。非球面鏡１６は、必要に応じて用いられる光学部材であり、偏光光学部材４１から出光される第二の表示光Ｌ２を透明反射部材（映写板）１１に直接投影可能であれば省略してもよい。

非球面鏡１６は、角度調整部３０を介して支持されている。角度調整部３０は、ハウジング１７内面に取り付けられた支持台３１と、この支持台３１に設けられたステッピングモータ３２と、このステッピングモータ３２の回転軸に取り付けられた歯車部３４と、この歯車部３４に噛合するとともに、軸部３５を介して非球面鏡１６に取り付けられた歯車部３６とを備えている。角度調整部３０では、ステッピングモータ３２を駆動することで、各歯車部３４，３６を回転して非球面鏡１６を回転方向に可動でき、フロントガラス４への第二の表示光Ｌ３の投影方向が調整可能となっている。

ハウジング１７の窓部１８は透光性を有し、窓部１８を第二の表示光Ｌ３が透過し、透明反射部材１１によって反射されて第三の表示光Ｌ４となる。運転者（観察者）６は第三の表示光Ｌ４によって透明反射部材１１を見ることで虚像５を観察することができる。ハウジング１７内には遮光壁３８が設けられ、この遮光壁３８によって太陽光等の外光が入光して迷光となることを防止できる。ハウジング１７の外周面には、複数の放熱フィン３９が設けられている。

次に、ハウジング１７内の表示光Ｌの光路について説明する。光源２１からの光（光源光）は、液晶表示素子１４の第２の直線偏光板２６に入光し、偏光分離され、所定方向に振動する直線偏光が主として偏光透過する。第２の直線偏光板２６を透過した光源光は、液晶セル２４で変調された後、第１の直線偏光板２５で偏光分離され、第一の表示光Ｌ１となる。第一の表示光Ｌ１は、反射器１５の反射面２８に入光して、反射面２８で反射された第二の表示光Ｌ２となる。第二の表示光Ｌ２は、非球面鏡１６に入光してから反射されて第二の表示光Ｌ３となる。第二の表示光Ｌ３は、前記窓部１８を透過して透明反射部材１１で反射して第三の表示光Ｌ４となり、運転者６が透明反射部材１１を見ることで虚像５として視認することができる。

前記第一の表示光Ｌ１は、反射器１５の反射面２８に傾斜入光し、偏光反射されて第二の表示光Ｌ２となる。ここで、「傾斜入光」とは、前記反射面２８の垂直方向以外からの入射を意味するが、反射面２８の垂線Ｐ１に対する第一の表示光Ｌ１の角度θ１が１０〜８０°となる方向からが好ましく、２０〜７０°の方向からの入射がより好ましい。本実施の形態の構造では、角度θ１が４５°付近とするとよい。「偏光反射」とは、反射器１５で偏光分離された第一の表示光Ｌ１のうち、反射する偏光（本実施の形態では第二の表示光Ｌ２）を意味し、偏光分離されて透過することを偏光透過という。

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。また、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、形状、材質、数量等については、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、本発明は、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。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、車両用、またはその他の用途のヘッドアップディスプレイシステムとして、好適に使用できる。

１ヘッドアップディスプレイ装置
３Ｌ（Ｌ１〜Ｌ４）表示光
４フロントガラス
５虚像
６運転者
１０映像表示システム
１１透明反射部材
１４液晶表示素子
１５反射器
１６非球面鏡
２０液晶表示パネル
２１光源
４０透過反射部材
４１偏光光学部材
４４偏光サングラス

Claims

表示光を発する液晶表示素子を有し、前記表示光を透明反射部材に投影して映像表示を行うヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記液晶表示素子から前記透明反射部材へと至る前記表示光の光路中に、可視光を透過し、赤外光を反射させる透過反射部材と、一方の偏光を反射して他方の偏光を透過する反射型偏光分離性を有した偏光光学部材と、が前記表示光を透過するように配置され、
前記表示光の光路に対して、前記透過反射部材は垂直、および、前記偏光光学部材の偏光分離層は傾斜して配置され、
傾斜して配置された前記偏光分離層は、入光した太陽光を偏光分離して、光路を逆に進むように反射することを防止し、
前記透明反射部材が表示する映像の偏光方向が水平以外であり、
前記偏光光学部材が固有の偏光軸を有した反射型偏光板からなり、
前記偏光光学部材の前記偏光分離層が前記表示光の偏光方向と平行、および、直交方向に多軸回転して配置されていることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
前記偏光光学部材が平板状のガラス基板の一方の面に、１５０ｎｍ以下の間隔をもって所定の方向に延在する導電体からなるワイヤグリッド層を有していて、前記導電体間に樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。