JP7561512B2 - 情報表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両のフロントガラス又はコンバイナに画像を投射する情報表示装置に関し、その画像をフロントガラス越しに虚像として観察するようにした投射光学系を用いた情報表示装置に関する。

自動車や電車や航空機等の車両のフロントガラスやコンバイナに映像光を投射して虚像を形成し、ルート情報や渋滞情報などの交通情報や燃料残量や冷却水温度等の車両情報を表示する、所謂、ヘッドアップディスプレイ装置が知られている。この種の情報表示装置においては、運転者が虚像を観視できる領域を拡大することが望まれる一方、虚像が高解像度で視認性が高いことも重要な性能要因である。

ヘッドアップディスプレイ装置は、映像表示装置に表示された映像を、凹面ミラー（凸レンズの作用）を含む光学系を用いて運転者に拡大像として虚像を提供するものであり、最終反射面としてフロントガラス又はコンバイナが必須となる。また、映像表示装置としては、高品位な映像が容易に得られ、安価であることから液晶表示素子が用いられることが多い。

これに関し特許文献１に開示されたヘッドアップディスプレイ装置では、画像を表示するデバイスと表示デバイスに表示された画像を投射する投射光学系を備え、投射光学系として表示デバイスから観察者の光路において第一ミラーと第二ミラーを有し、第一ミラーにおける画像長軸方向の入射角と第一ミラーにおける画像短軸方向の入射角、及び、表示デバイスの画像表示面と第一ミラーとの間隔と、観察者によって視認される虚像の水平方向の幅の関係を所定の条件を満足させる構成としている。

また特許文献２に開示されたヘッドアップディスプレイ装置では、太陽光による液晶表示パネルの損傷のおそれを低減するため、液晶表示パネルからの表示光を通過させて赤外線を反射させる透過反射部材（ホットミラー）を、平行でない状態で、液晶表示パネルの前側に離間して設ける構成としている。

特開２０１５－１９４７０７号公報 特開２００７－０６５０１１号公報

上記特許文献１に記載されたように、今後は、フロントガラスを反射面とする方式が主流となると考えられるが、昼間特に晴天時において視認性の高い映像を得ることが要求される。さらに、昼間所定の条件下で発生するフロントガラスを透過して凹面ミラーで集光された太陽光によって、液晶表示装置の光出射側に設けられた偏光板や液晶パネルそのものが、集光された太陽光の熱と光線強度によって変質して正常な機能を果たさなくなる、所謂、焼け（炭化）が発生するおそれがある。すなわち、上述した高コントラスト化の技術手段と昼間の所定条件下においては、太陽光がフロントガラスを通過して凹面ミラーで集光され液晶パネルと偏光板にダメージを与え、性能が大幅に低下すると言う新たな課題がある。

同様に、最終反射面がコンバイナである構成においても、昼間の所定条件化において太陽光がフロントガラスとコンバイナを通過して凹面ミラーで集光され、液晶パネルと偏光板にダメージを与え性能が大幅に低下することになる。

また、上記特許文献１に開示されたヘッドアップディスプレイ装置の例では、画像を表示するデバイスと、表示デバイスに表示された画像を投射する投射光学系を備え、投射光学系として表示デバイスから観察者までの光路において第一ミラーと第二ミラーを設けることで成立しており、凹面ミラーと映像表示装置である液晶パネルの間には光学素子が配置されていない。そのため、上述した課題の他に、フロントガラスを通過して凹面ミラーで集光され、液晶パネルと凹面ミラーの間に配置した光学素子の表面で反射された光が運転者の眼に戻り、映像表示装置によって得られた虚像と重なることで、運転者が視認する映像の品位、特に、コントラスト性能と見かけの解像度が大幅に低下すると言う新たな課題が発生する。

一方、上記特許文献２によれば、太陽光による液晶表示パネルの損傷のおそれを低減するため、太陽光の赤外線を選択的に反射させるための透過反射部材（ホットミラー）を光路上に配置することが提案されている。しかしながら、侵入する太陽光は赤外線だけではなく、可視領域や紫外領域の光線をも含んでおり、太陽光による液晶表示素子及び偏光板に与えるダメージを軽減するためには、赤外線の領域だけでは不十分である。さらに、可視光を含む外光の侵入による悪影響として、運転者が視認する映像の品位、特に、コントラスト性能と見かけの解像度が大幅に低下するという新たな課題が発生する。

このように、ヘッドアップディスプレイ装置に使用される映像表示装置としては、液晶表示素子を用いることが多い。しかしながらこの液晶表示素子は、外景に映像を重ねるヘッドアップディスプレイ装置の映像源として用いるにはコントラスト性能が低いことと、一方で、昼間の所定条件下において太陽光がフロントガラスを通過して凹面ミラーで集光され、液晶パネルと偏光板にダメージを与えてその性能を大幅に低下させると言う新たな二つの課題がある。

さらに、ヘッドアップディスプレイ装置を小型化するために凹面ミラーと映像表示装置の間に配置された光学素子の表面反射により、太陽光の一部が運転者の視点（目）に戻り、映像表示装置によって得られた虚像と重なることで、運転者が視認する映像の品位、特に、コントラスト性能と見かけの解像度が大幅に低下すると言う課題も明確になった。

本発明は、上述したヘッドアップディスプレイ装置の映像源として液晶表示素子を用いる場合の２つの課題を解決し、高コントラストで太陽光による液晶表示素子及び偏光板に与えるダメージを軽減する技術的手段として、凹面ミラーを含む光学系の結像性能に対する影響を最小とする技術手段に関する。

本発明は、上述した従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、より具体的には、主に太陽光の赤外成分だけでなく幅広い範囲の波長の光のＰ偏光成分を反射させることで映像表示装置に入射する光のエネルギーを低減し、その結果、液晶表示素子と偏光板が受ける悪影響も低減する情報表示装置を提供することを目的とする。

また、特定の偏波のみを遮断し、昼間又は夜間において、特定の入射角で強度が高い外光が、情報表示装置を形成する映像表示装置と凹面ミラーの間に配置した光学素子の表面で反射して運転者の目に戻り、映像表示装置によって得られた虚像と重なることで運転者が視認する映像の品位、特に、コントラスト性能と見かけの解像度が大幅に低下するという課題を解決する情報表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述した目的を達成するため、その一例として、投射面に虚像により映像情報を表示する情報表示装置であって、一部に開口部を有する筺体の内部に、映像情報を表示する映像光を生成する映像光生成手段と、前記映像光生成手段からの映像光に所定の光学的な処理を施す映像光処理手段と、前記映像光処理手段からの映像光を、前記筺体の開口部を介して前記投射面に、観視者が映像情報を前記投射面の前方に虚像として認識可能とするように投射する映像投射手段とを備える。前記筺体の内部の光路の一部には、可視光領域の光のＰ偏光成分を選択的に反射する手段として、反射型偏光板を透過性の基板に接着剤又は粘着剤により固定してなる光学素子を設け、前記反射型偏光板の表面には防湿膜を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、装置の小型化を実現しながら、太陽光を含む外光による運転者が観察する虚像の歪や収差を補正し、同時に、虚像光学系を形成する凹面ミラーにより、フロントガラスを通して入射する太陽光（ほとんどがＰ偏波成分）を含む外光が集光されて映像表示装置である液晶パネルや偏光板などにダメージを与えて性能を低下させることを軽減することが可能となる。すなわち、太陽光を含む外光に含まれる幅広い範囲の波長光による悪影響を低減し、かつコントラスト性能が向上し、外気に対する耐性が高く信頼性に優れた虚像を形成する情報表示装置を提供することが可能となる。

情報表示装置の周辺機器構成を含めた概略構成図である。 情報表示装置を搭載した乗用車の上面図である。 フロントガラスの曲率半径の違いを説明する図である。 情報表示装置と運転者の視点位置の関係を示す図である。 太陽光とフロントガラスと運転者の視点との関係を示す図である。 Ｓ偏光とＰ偏光に対するガラスの反射率を説明する図である。 光学系のレンズデータの具体例を示す図である。 ミラー面に対する自由曲面係数を表す図である。 光学系全体を示す概略構成図である。 光学系の一部を拡大して示す概略構成図である。 光学系の歪量を示す図である。 光学系の結像性能（スポット像）を示す図である。 情報表示装置の全体構成を示す拡大図である。 反射型偏光板を含む光学素子の構成を模式的に示す図である。 反射型偏光板の作用を説明する断面図である。 反射型偏光板の具体的構造を示す断面図である。 防湿膜の効果を示す図である。 太陽光の分光放射照度を示す特性図である。 映像表示装置と光源装置の配置を示す構成図である。 光源装置の構成を示す概略構成図である。 光源装置内の光の伝播を示す断面図である。 偏光変換素子の形状を示す概略構成図である。 合成拡散ブロックの構成を示す概略図である。 導光体の詳細な構成を示す図である。 導光体光反射部（面）の拡大図である。 導光体光反射部（面）の拡大図である。 導光体として偏光変換素子を用いた構成図である。 太陽光が映像表示装置に到達しないようにした構成図である。 凹面ミラーで虚像が得られる原理を説明する図である。

以下、本発明の実施例について図面等を用いて詳細に説明する。なお、本発明は以下の説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

＜情報表示装置の概要＞
図１は、本発明の一実施例に係る情報表示装置の周辺機器構成を示す概略構成図である。ここではその一例として、自動車のフロントガラス（ウィンドシールドとも呼ばれる）に画像を投射する情報表示装置１００について説明する。

図１に示すように、情報表示装置１００は、運転者（観視者）の視点（アイポイント）８において自車両の前方に虚像ＶＩを形成するため、被投射部材６（本実施例では、フロントガラスの内面）にて反射された各種情報を虚像ＶＩ（Virtual Image）として表示する装置、所謂、ヘッドアップディスプレイ装置である。なお、被投射部材６は、情報が投射される部材であればよく、前述したフロントガラスだけではなく、その他、コンバイナ（図示せず）であってもよい。すなわち情報表示装置１００は、運転者の視点８において自車両の前方に虚像を形成して運転者に視認させるものであり、虚像として表示する情報としては、例えば、車両情報や監視カメラやアラウンドビュアーなどのカメラで撮影した前景情報をも含む。

情報表示装置１００は、筐体７の内部に、光源装置１０、情報を表示する映像光を投射する映像表示装置４、当該映像表示装置４に表示された映像を被投射部材６に向けて反射させる凹面（自由曲面）ミラー１、当該凹面ミラー１で虚像を形成する際に発生する歪や収差を補正する補正用のレンズ素子２と、補正用のレンズ素子２と映像表示装置４の間には太陽光が凹面ミラー１で集光され映像表示装置４に戻ることを防ぐ光学素子（図示せず）とを備えている。

そして情報表示装置１００は、映像表示装置４を制御し光源装置１０（バックライト）を駆動する制御装置４０を備えている。なお、映像表示装置４と光源装置１０などを含む光学部品は、以下に述べる虚像光学系であり、光を反射させる凹面ミラー１を含んでいる。この光学部品において反射した光は、被投射部材６にて反射されて運転者の視点８へと向かう。上記の映像表示装置４としては、バックライトを有する液晶表示素子（ＬＣＤ）の他に、自発光の蛍光表示管（ＶＦＤ）などがある。

一方、上述した映像表示装置４の代わりに、投射装置によりスクリーンに映像を表示して、前述の凹面ミラー１で虚像とし被投射部材６であるフロントガラス又はコンバイナで反射して運転者の視点８に向かわせてもよい。このようなスクリーンとしては、例えば、マイクロレンズを２次元状に配置したマイクロレンズアレイにより構成してもよい。

ここで、虚像の歪みを低減するために凹面ミラー１の形状は、図１に示す上部（相対的に運転者の視点８との距離が短いフロントガラス６の下方で光線が反射する領域）では、拡大率が大きくなるように相対的に曲率半径が小さくなる形状とする。他方、下部（相対的に運転者の視点８との距離が長いフロントガラス６の上方で光線が反射する領域）では、拡大率が小さくなるように相対的に曲率半径が大きくなる形状とするとよい。また、映像表示装置４を凹面ミラー１の光軸に対して傾斜させることで、上述した虚像倍率の違いを補正して発生する歪みそのものを低減することによっても、さらに良好な補正が実現できる。

一方、図２、図３に示すように、乗用車のフロントガラス６は、本体垂直方向の曲率半径Ｒｖと水平方向の曲率半径Ｒｈが異なり、一般には、Ｒｈ＞Ｒｖの関係にある。このため、反射面としてフロントガラス６を捉えると、凹面ミラー１のトロイダル面となる。このため、本実施例の情報表示装置１００では、凹面ミラー１の形状はフロントガラス６の形状による虚像倍率を補正するように、すなわち、フロントガラス６の垂直方向と水平方向の曲率半径の違いを補正するように、水平方向と垂直方向で異なる平均曲率半径とすればよい。この時、凹面ミラー１の形状は、光軸に対称な球面または非球面（以下の数式２で示す）形状とすると、光軸からの距離ｒの関数であり、離れた場所の水平断面と垂直断面形状を個別に制御できない。よって、以下の数式１で示す自由曲面形状として、ミラー面の光軸からの面の座標（ｘ，ｙ）の関数として補正することが好ましい。

図１に戻り、さらに映像表示装置４と凹面ミラー１の間に透過型の光学部品として、レンズ素子２を配置し凹面ミラー１への光線の出射方向を制御する。これにより、凹面ミラー１の形状と合わせて歪曲収差の補正を行なうと同時に、前述したフロントガラス６の水平方向の曲率半径と垂直方向の曲率半径の違いによって生じる非点収差を含めた虚像の収差補正を実現する。

また、収差補正能力をさらに高めるために、上述したレンズ素子２を複数枚のレンズとしてもよい。又は、レンズ素子２の代わりに曲面（自由曲面）ミラーを配置し、光路の折り返しと同時に凹面ミラー１への光線の入射位置を制御することで、歪曲収差を低減することもできる。さらには、収差補正能力を向上させるために最適設計された光学素子を凹面ミラー１と映像表示装置４の間に設けてもよい。また、上述したレンズ素子２の光軸方向の厚さを変化させることで凹面ミラー１と映像表示装置４の光学的な距離を変え、本来の収差補正の他に、虚像の表示位置を遠方から近接位置まで連続的に変化させることもできる。

その他、映像表示装置４を凹面ミラー１の光軸法線に対して傾けて配置することで、虚像の上下方向の倍率の違いを補正してもよい。さらに、凹面ミラー１と映像表示装置４の間に、フロントガラス６を通過して凹面ミラー１で集光される太陽光のうち可視光領域のＰ偏波と紫外線領域と赤外線領域の光を反射又は吸収する光学素子（ここでは図示せず）を設けて、映像表示装置４に戻る光量を軽減することも可能である。

一方、情報表示装置１００の画質を低下させる要因として、映像表示装置４から凹面ミラー１に向かって出射する映像光線が、途中に配置されたレンズ素子２の表面で反射して映像表示装置４に戻り、再度反射して本来の映像光に重畳されて、画質を低下させることが知られている。このため本実施例では、レンズ素子２の表面に反射防止膜を成膜して反射を抑えるようにした。さらには、レンズ素子２の映像光入射面と出射面のいずれか一方、若しくは両方のレンズ面形状を、上述した反射光が映像表示装置４の一部分に集光しないような形状（例えば、映像表示装置４に凹面を向けた形状）となるよう、その面形状に制約を持たせている。

さらに、本願発明者等は、レンズ素子２の表面に設ける反射防止膜の特性について検討した。この結果、視感度が最も高い緑色波長領域の反射率を０．２％以下に、赤色波長領域の反射率を０．６％以下に、青色波長領域の反射率を１．０％以下に抑えることで、太陽光が光学素子の表面で反射しても虚像の画質に影響を与えることが無いことを実験により確認した。

また映像表示装置４として、上述したレンズ素子２からの反射光を吸収させるために、液晶パネルに近接して配置された第一の偏光板に加えて、第二の偏光板を液晶パネルと分離して配置する。そして、後述する特定方向の偏波光を発生させる本実施例の光源装置を用いることで、通常の液晶映像表示素子に付随する２枚の偏光板の場合と比較し、偏光度を１０倍程度高めることができコントラスト性能を大幅に向上できる。さらに、フロントガラス６を通過した太陽光が凹面ミラー１で集光されて液晶パネルに入射する際に、第一、第二の偏光板にて吸収又は反射してその光量を軽減することで、液晶パネルの信頼性を向上させることができる。

一方、図４に示すように、上述したレンズ素子２と凹面ミラー１の間に、Ｐ偏波成分を反射させる機能を有する光学素子３（光学手段とも呼ぶ）を配置する。光学素子３は、凹面ミラー１と映像表示装置４により成立する光軸に対して傾けて配置する。これにより、フロントガラス６から入射した太陽光のＰ偏波成分を反射して凹面ミラー１から外れた位置に集光させることで、運転者のアイポイント８に反射光が戻ることがなく、自動車の運転に支障をきたすことがない。

映像表示装置４は、特定の偏波のみが得られる光源からの光を、液晶表示素子により映像信号に合わせて輝度変調するので、この結果得られる映像光はＳ偏光である。前述した光学素子３（反射型偏光板）は、Ｓ偏光の映像光を透過し偏光度を向上させる作用もあることから、運転者が観視する映像のコントラスト性能が向上するという利点もあることが判明した。また、映像光のうち光学素子２の端面で全反射した光は、Ｓ偏光からＰ偏光に変化するため、前述した光学素子３で反射され運転者が観視する映像に悪影響を与えることがない。

次に、映像表示装置４として、上述したレンズ素子２からの反射光を吸収させるために液晶パネルに近接して配置された第一の偏光板に加えて、第二の偏光板を液晶パネルと分離して配置すれば、画質の低下を軽減できる。また、液晶パネルのバックライトを、液晶パネルに入射する光の入射方向を映像光が凹面ミラー１の入射瞳に効率良く入射するように制御する。この時、液晶パネルに入射する光束の発散角を小さくすれば、効率良く運転者のアイポイントに映像光を向けることができるばかりでなく、コントラストの高い視認性の良い映像を得ることが可能となる。映像の発散角に対するコントラスト性能は水平方向の方が顕著で、±２０度以内であれば優れた特性が得られる。さらにコントラスト性能を向上させるためには、±１０度以内の光束を利用するとよい。

一方、光源装置１０としては、製品寿命が長い固体光源を採用することが好ましい。特に、周囲温度の変動に対する光出力変化が少ない発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）と、光の発散角を低減する光学手段を設けた偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarizing Beam Splitter）を用いて偏光変換を行なうことが好ましい。

液晶パネルのバックライト側（光入射面）とレンズ素子２側（光出射面）には、ここでは図示しない偏光板が配置されており、これにより、映像光のコントラスト比を高めている。バックライト側（光入射面）に設ける偏光板には、偏光度が高いヨウ素系のものを採用することで、高いコントラスト比が得られる。一方、レンズ素子２側（光出射面）には染料系の偏光板を用いることで、外光が入射した場合や環境温度が高い場合でも、高い信頼性を得ることが可能となる。

映像表示装置４として液晶パネルを用いる場合、特に、運転者が偏光サングラスを着用している場合には、特定の偏波が遮蔽されて映像が見えないという不具合が発生する。これを防ぐために、液晶パネルのレンズ素子２側に配置した偏光板の光学素子側にλ／４板を配置し、もって、特定の偏光方向に揃った映像光を円偏光に変換するか、偏光サングラスの偏光方向と異なる偏光軸とすることが好ましい。

図１に戻り、映像投射以外の部分について説明する。制御装置４０は、ナビゲーションシステム６１から、自車両が走行している現在位置に対応する道路の制限速度や車線数、ナビゲーションシステム６１に設定された自車両の移動予定経路などの各種の情報を、前景情報（すなわち、上記虚像により自車両の前方に表示する情報）として取得する。

運転支援ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６２は、周辺監視装置６３での監視の結果として検出された障害物に従って、駆動系や制御系を制御する運転支援制御の装置である。運転支援制御としては、例えば、クルーズコントロール、アダプティブクルーズコントロール、プリクラッシュセーフティ、レーンキーピングアシストなどの周知技術を含む。

周辺監視装置６３は、自車両の周辺の状況を監視する装置である。一例としては、自車両の周辺を撮影した画像に基づいて自車両の周辺に存在する物体を検出するカメラや、探査波を送受信した結果に基づいて自車両の周辺に存在する物体を検出する探査装置などである。

制御装置４０は、このような運転支援ＥＣＵ６２からの情報（例えば、先行車両までの距離及び先行車両の方位、障害物や標識が存在する位置など）を前景情報として取得する。さらに制御装置４０には、イグニッション（ＩＧ）信号及び自車状態情報が入力される。制御装置４０は、イグニッション信号が入力されると起動する。自車状態情報とは、各種センサにより取得される車両情報であり、例えば、内燃機関の燃料の残量や冷却水の温度など、予め規定された異常状態となったことを表す警告情報を含んでいる。また、方向指示器の操作結果や自車両の走行速度、さらには、シフトポジション情報なども含まれている。以上が、本実施例の情報表示装置１００を含むシステム全体の構成である。

＜太陽光の装置内への侵入とその抑制原理＞
次に、車両の運転席における太陽光の情報表示装置内への侵入について説明する。
図４は、車両の運転席近傍の状態を示している。情報表示装置１００は、車体を構成するボンネット４４と天井板４５との間に取り付けられたフロントガラス６の下方において、例えば、速度計等の計器類を含むダッシュボード４２の裏側（後方のボンネット側）に配置されている。また、この図では、車両のハンドル４３や、運転者の視点８と共に、車両の上方には昼間の太陽５０を示している。また図５は、図４の状態において、特に太陽５０とフロントガラス６と運転者の視点８との関係を示している。

図４及び図５において、情報表示装置１００から出射される映像光は、実線の矢印で示すように、上記フロントガラス６又はコンバイナ（図示せず）において反射されて観視者の視点８に入射する。

一方、太陽５０からの強い光は、白抜きの矢印で示すように、車両のフロントガラス６に対して入射角θで入射し、その一部がフロントガラス６により反射された後、残りの光は、情報表示装置１００の上部に設けられた開口部４１を通って当該装置の内部に侵入する。ここに太陽光などの自然光は、Ｐ偏光とＳ偏光が混ざった状態で存在する。この時、特に入射角θが５０度以上では、太陽光のＳ偏光成分（Ｓ波）の多くはフロントガラス６上で反射される。その結果、情報表示装置１００内に侵入する太陽光の多くはＰ偏光成分（Ｐ波）となる。その理由は、ガラスの反射率が、図６に示すような入射角依存性を示すからである。つまり、フロントガラス６への入射角θが５０度を超える領域では、ガラス面上での反射率はＳ偏光とＰ偏光とで異なり、Ｓ偏光がＰ偏光よりも大きいからである。

本実施例は、上述した本願発明者等による知見に基づいており、フロントガラス６を通して侵入する太陽光の多くはＰ偏光成分であることを考慮している。すなわち、情報表示装置１００内に侵入する太陽光を含む外光を抑制するためには、特に、Ｐ波成分の低減が有効であること、加えて、情報表示装置１００から投射される映像光としては、Ｓ波成分を利用することが効果的であることに基づいている。

＜情報表示装置の光学系の具体的な実施例＞
図７は、情報表示装置１００を構成する光学系のレンズデータの具体例を示す。レンズデータでは、曲率半径は曲率半径の中心位置が進行方向にある場合を正の符号で表し、面間距離は、各面の頂点位置から次の面の頂点位置までの光軸上の距離を表している。なお、反射光学系においては、面間距離が負の値となる箇所では曲率半径の符号は逆になる。

偏心はＸ軸方向・Ｙ軸方向・Ｚ軸方向それぞれの値であり、倒れはＸ軸回りの回転・Ｙ軸回りの回転・Ｚ軸回りの回転であり、偏心・倒れは、該当の面で偏心と倒れの順に作用し、「普通偏心」では、偏心・倒れが作用した新しい座標系上での面間距離の位置に次の面が配置される。デセンタ・アンド・リターンの偏心及び倒れは、その面でのみ作用し、次の面に影響しない。なお、Ｘ軸回りの回転はＸ軸の正方向から見て時計回りが正、Ｙ軸回りの回転はＹ軸の正方向から見て時計回りが正、Ｚ軸回りの回転はＺ軸の正方向から見て反時計回りが正である。

硝材名「５０．３０」は屈折率１．５０でアッベ数が３０の材料を、硝材名「５２．６４９」は屈折率１．５２でアッベ数が６０の材料を表す。本実施例においては、凹面ミラーと折返しミラーを自由曲面形状とすることで、テレセントリック性を確保した上で、後述するように良好な歪性能とスポット図を実現している。

図８は、図７のレンズデータの中の、ミラー面に対する自由曲面係数を表す。ここに自由曲面係数は、数式１により求められる。

自由曲面係数Ｃｊは、それぞれの光軸（Ｚ軸）に対して回転非対称な形状であり、円錐項の成分とＸ，Ｙの多項式の項の成分で定義される形状である。例えば、Ｘが２次（ｍ＝２）でＹが３次（ｎ＝３）の場合は、ｊ＝｛(２＋３)２＋２＋３×３｝／２＋１＝１９であるＣ１９の係数が対応する。また、自由曲面のそれぞれの光軸の位置は、図７のレンズデータでの偏心・倒れの量によって定まる。

図９は、光学系全体の配置を示す図であり、（ａ）は水平方向（Ｘ軸方向）から、（ｂ）は垂直方向（Ｙ軸方向）から見た図である。さらに図１０はその要部拡大図である。図１０に示すように、接眼光学系５は液晶表示パネル４側から、偏光ユニット５１と、凹レンズ５２と、折返しミラー５３と、正の屈折力の凹面ミラー５４とが、フロントガラス６と並んで配置されることにより構成されている。偏光ユニット５１は、特定の条件（入射角度）において装置内に侵入する太陽光のＰ波成分を抑制し、液晶パネル４を保護するための偏光板を選択する。特に、偏光板が太陽光から受けるダメージを軽減するためには、反射型偏光板を選択するのがよい。本実施例においては、凹面ミラー５４と折返しミラー５３を自由曲面形状とすることで、テレセントリック性を確保した上で、良好な歪性能と結像性能（スポット像）を実現している。

以下に、本実施例の接眼光学系の諸元として、アイボックスサイズ、視野角などの値を、水平方向、垂直方向の順に示す。
アイボックスサイズ １３０×４０ｍｍ
液晶表示パネルでの映像光の有効サイズ ６８．０×２５．２ｍｍ
虚像サイズ ３５００×９４３ｍｍ
視野角（全画角） １０．０×２．７度
伏角 ２．３７６度
虚像距離 ２０．０ｍ

また、本実施例の情報表示装置１００の光学性能について説明する。図１１は、情報表示装置の歪性能を表す図である。アイボックス内の各位置における歪量を示している。図１２は、情報表示装置の結像性能をスポット像で示したものである。視野範囲内の各位置における色別のスポット像を示す。これらの結果に示されるように、良好な歪性能と結像性能（スポット像）を得ることができた。なお、本実施例では、液晶表示パネル４に対して、照明光学系を１４度傾けて配置している。従って、本実施例によれば、凹レンズ５２と凹面ミラー５４を用いた投射光学系により、虚像距離の大きい情報表示装置１００を提供できる。

＜情報表示装置の具体的な実施例＞
続いて、上述した知見に基づいて構成した情報表示装置１００の、より具体的な光学系の構成について説明する。

図１３は、情報表示装置１００の全体構成を拡大して示しており、上述したように、下流側から順に、フロントガラス６を介して虚像を形成する映像光を投射する凹面ミラー１、その際に発生する歪や収差を補正するための補正用のレンズ素子（レンズ群）２、Ｐ波成分を抑制する（反射する）ための光学素子３、映像表示装置４、バックライトを構成する光源装置１０が設けられている。なお、本構成は、折り返しミラー５３（図１０を参照）が不要な短い光路の光学系の例を示す。ここに光学素子３は、情報表示装置１００の内部に侵入する太陽光のＰ波成分を抑制するためのもので、レンズ素子２と映像表示装置４の間に反射型偏光板を設けている。これにより、映像表示装置４の液晶パネルの光入出射側両面に設けた偏光板の偏光度に加えて反射型偏光板の偏光度が加わるため、高コントラストな映像を得ることができる。また、この光学素子３（反射型偏光板）は、上述した虚像光学系の光軸に対して傾けて配置されているため、反射光がフロントガラス６を介して運転者の目に入ることはなく、運転の支障にならない。

まず、映像光を投射する凹面ミラー１には、可視光（波長：略４００～７００ｎｍ）を反射すると同時に、情報表示装置にとって不要で装置にダメージを与える光成分を除去する機能を持たせる。例えば、各種の波長スペクトルを含む太陽光から、赤外線（ＩＲ）や紫外線（ＵＶ）などを除去する機能を持たせる。この時、可視光の反射率を９５％以上とすることにより、光利用効率が高い虚像光学系が実現できる。

次に図１４は、光学素子３としての反射型偏光板の構成を模式的に示す縦断面図である。光学素子３の基板３ａには、上述した太陽光のうちで可視光領域の波長の光が基板３ａに吸収されないように、透明性が高い材料を用いる。そして、基板３ａの表面に反射型偏光板３ｂを形成する。

反射型偏光板３ｂを得る方法としては、従来のガラス基板にフォトリソグラフィーの成膜プロセスでアルミパターンを形成する方法（１）がある。他に、近年、ナノインプリントによりアルミパターンを形成することで、（１）に比べて安価な反射型偏光板を得る方法（２）が知られる。（２）の代表としては、例えば、旭化成イーマテリアルズ（株）の反射型偏光フィルムＷＧＦ（登録商標）がある。

旭化成イーマテリアルズ（株）の反射型偏光板の製造方法は、同社の技術資料によれば、ＴＡＣフィルムの表面にナノインプリント製法によりロールｔｏロールプロセスで紫外線硬化樹脂を印刷により賦形し、その表面（側面を含む）にアルミ膜を成膜することで反射型偏光板を得るものである。この時得られる偏光特性（平行光線透過率とクロス透過率）は、上述した（１）の反射型偏光板と同様に、形成された突起部の高さとピッチにより一義的に決まる。（２）の方法により、安価で価格メリットが大きい、例えば上述した反射型偏光板ＷＧＦ（登録商標）を適用する場合の課題と解決策について、以下に図面を用いて説明する。

図１４、図１５、図１６は、反射型偏光板の構成を示す断面図である。これらの図に示すように、本実施例では、太陽光が入射する側に反射型偏光板３ｂを設ける。より具体的には、基板３ａに反射型偏光板３ｂを接着剤又は粘着剤３ｈにより粘着する（図１５参照）。そして、基板３ａを含めた反射型偏光板３ｂの光線透過率を高めるために、反射型偏光板３ｂの表面及び粘着面の対面にも、増透効果を持つ防湿膜３ｄとしてＳｉＯ（酸化シリコン）を成膜するとよい。但し基板３ａがガラス素材の場合には、一般的な反射防止膜を設けるとよい。

上述した防湿膜３ｄは、膜厚を波長の１／４相当として反射防止特性を持たせるとさらによい。この時、情報表示装置１００の光源として利用するＬＥＤからの出射光は、波長が４５０ｎｍから６５０ｎｍの範囲がほとんどであるから、中心波長５５０ｎｍに対する反射防止を兼ねた防湿膜３ｄの膜厚を、１３０ｎｍから１４５ｎｍの間に設定するとよい。一方、反射型偏光板３ｂを設けた基板３ａの対面には、反射防止膜３ｃを成膜することで不要光の発生を低減できる。

図１５に示すように、映像光は、反射型偏光板３ｂの貼付面の反対側から入射するように光路中に配置するとよい。その理由は、前述したように車内に入射する太陽光のほとんどがＰ偏波であるため、反射型偏光板３ｂで反射した反射光の光路は次のようになる。（１）光路を正規に戻り、フロントガラス６で反射して運転者側に戻る正規反射光となる。（２）その他として、より斜め方向から入射した太陽光は、反射型偏光板３ｂの側面で反射して迷光となる。この光を軽減するために、基板３ａの太陽光入射面には反射防止膜３ｃを設けることで、反射型偏光板３ｂの入出射面で発生する反射光が軽減され、グレア発生が抑えられることで画質低下が軽減される。また反射型偏光板３ｂは以下に述べる構造のため、基板３ａに対し太陽光が入射する側に設けるのがよい。

図１６は、本実施例の反射型偏光板３の具体的構造を示す断面図である。ガラス基板３ａの片面に、反射型偏光板３ｂを接着剤又は粘着剤３ｈにより粘着固定する。反射型偏光板３ｂには、例えば旭化成イーマテリアルズ（株）から販売されている反射型偏光板ＷＧＦ（登録商標）を用いる。ここで反射型偏光板ＷＧＦ（登録商標）の製造方法は、その技術資料によれば、基材のＴＡＣ（トリアセチルセルロース）フィルム３ｆの表面に、ナノインプリント製法によりロールｔｏロールプロセスで紫外線硬化樹脂３ｊを印刷により賦形し、その表面（側面を含む）にアルミ膜３ｋを成膜することで反射型偏光板３ｂを得ていると記載される。

一般的にこのＴＡＣフィルムは、太陽光に含まれる紫外線により黄変し透過率が大幅に低下するという信頼性上の課題がある。そこで本願発明者等は、上記反射型偏光板３ｂの構成において、図１６に示すように、反射型偏光板３ｂの全面をアクリル系紫外線硬化樹脂３ｊで覆い、反射型偏光板３ｂを貼り付けた面を太陽光入射側に向ける配置とした。すなわち、ＴＡＣフィルム３ｆを覆うようにアクリル系紫外線硬化型樹脂３ｊを配置しているので、これにより太陽光の紫外線成分を吸収し、ＴＡＣフィルム３ｆの紫外線成分による劣化を防止できる。

また本願発明者等は、図１６における防湿膜３ｄを成膜する条件として、成膜後の安定性を考慮し、成膜時の炉内温度に着目して最適条件を見出した。防湿膜３ｄの成膜工程では、反射型偏光板３ｂの基材であるＴＡＣ（トリアセチルセルロース）フィルム３ｆの線膨張率と、アクリル系紫外線硬化樹脂３ｊの線膨張率の差によって生じる応力によって、ＴＡＣフィルム３ｆからアクリル系紫外線硬化樹脂３ｊが剥がれることが懸念される。これを防ぐため、低温での蒸着又はスパッタにより、防湿膜３ｄとしてＳｉＯ（酸化シリコン）を表面に成膜するようにした。この時の蒸着装置又はスパッタ装置の炉内温度は、基板付近では７０℃以下が望ましく、５０℃以下で蒸着又はスパッタすれば、反射型偏光板３ｂの構成を変化させることがなくより安定に性能を維持できる。

この時成膜する防湿膜３ｄの膜厚は、前述したように透過する光に含まれる波長の１／４相当として、反射防止特性を持たせるとさらによい。同様に、反射型偏光板３ｂを貼付けた基板３ａの対面には反射防止膜３ｃを成膜することで、不要光の発生を低減できる。また、上述したように、反射型偏光板３ｂを設けた面に対向する面には反射防止膜３ｃを複数層設け増透効果を得るようにすれば、界面反射が低減され表示された映像の画質が損なわれることがない。

図１７は、防湿膜３ｄの効果を示す図である。上述した防湿膜３ｄの水分に対するバリア性の評価サンプルを、８５℃８５％ＲＨの高温・高湿環境下に放置し、透過率の初期値に対する変化を相対値として評価した。その際、防湿膜３ｄの膜厚をパラメータとして評価している。その結果は、保護膜なしに比べ防湿膜３ｄの厚さを増やしてゆくほど透過率の低下（劣化）が少なく、保護膜がないサンプル（反射型偏光板単品）に対して、膜厚２０ｎｍでは１５００時間経過時点での透過率劣化を６％程度軽減した。さらに、増透効果が得られる１４０ｎｍ前後の膜厚では、初期透過率が１．５％程度改善し、１５００時間経過後の相対値劣化は４％に低減できた（図示せず）。一方、防湿膜３ｄの膜厚が５００ｎｍを超え、雰囲気が９０℃を超える高温中に長期に置かれた場合には、防湿膜３ｄとＴＡＣフィルム３ｆ、紫外線硬化樹脂３ｊの線膨張率の違いにより、３つの部材間で発生する応力が大きくなり形状を維持できなくなった。

なお、上述の反射型偏光板３ｂの基板３ａには、ガラス基板の他では透明性が高いものを選択する。また、上述した反射型偏光板３ｂを、プラスチック製の非球面レンズや自由曲面レンズに設けてもよい。この時の透明度が高い材料としては、（１）日本ゼオン株式会社のＺＥＯＮＥＸ（登録商標）、（２）ポリカーボネイト、（３）アクリル等がある。（１）のＺＥＯＮＥＸ（登録商標）は、吸水率がほぼ０％で熱変形温度が高く最適であるが価格が高い。（３）のアクリルは、成形性が最も高く、安価であるが、使用する際には吸湿を抑えるため防湿膜を設けることが必要となる。

さらに、情報表示装置１００の上部に形成される開口部４１（図１３参照）に、上述した赤外光や紫外光の少なくとも一方を抑制／除去する機能を備える透光板（図示せず）を設けてもよい。かかる透光板は、赤外光や紫外光の抑制機能に加え、外部の塵が情報表示装置１００内部に侵入することを防止する機能をも備えることができる。

このように、開口部４１から情報表示装置１００の内部に侵入する多数のスペクトル成分を含む太陽光のうち、当該情報表示装置１００では不要な成分を除去し、主に可視光成分を選択的に取り出すことが可能となる。図１８には、太陽光の分光放射照度の特性を示す。

次に図２９は、情報表示装置において凹面ミラーで虚像が得られる原理を説明する図である。凹面ミラー１’の光軸上の点Ｏに対して、焦点Ｆ（焦点距離ｆ）の内側に物点ＡＢを配置することで、凹面ミラー１’による虚像を得ることができる。ここでは説明の都合上、凹面ミラー１’を同じ正の屈折力を持つ凸レンズとみなし、物点と凸レンズ（ここでは説明の都合上、凹面ミラーで表記）と発生する虚像の関係を示している。

情報表示装置で発生する虚像を運転者が観視した場合に、フロントガラス６上部で反射して運転者に見える虚像（遠方の風景に重ねたい像）と、フロントガラス６下部で反射して運転者に見える虚像（近傍の風景に重ねたい像）とのフォーカス性能を同時に確保することが望ましい。そのため、映像表示装置（図２９ではＡＢに対応、本実施例では液晶パネル）と凹面（自由曲面）ミラー１’の光軸ＬＬ’に対して映像表示装置（ＡＢ）を傾けるとよい。これは、液晶パネルと凹面（自由曲面）ミラー１’で生じる虚像の倍率Ｍ＝ｂ／aを同時に満足するためでもある。

以上の情報表示装置１００の光学構成によれば、フロントガラス６を介して装置の内部に侵入する太陽光のうち、そのＰ波成分（ｐ偏光波）を上述した光学素子３により有効に低減することができる。つまり、光学素子３により、上部の開口部４１を通って情報表示装置１００の内部に侵入した太陽光が、当該内部に配置された映像表示装置４や周辺の偏光板等に対して炭化等の悪影響を及ぼすことを防止する。これにより、液晶表示素子や偏光板へのダメージを軽減し、太陽光による情報表示装置１００の性能の低下を抑制することができる。また、光学素子３に防湿膜を設けることにより、水分や、排気ガス等に含まれる硫化物等による映像表示装置４や周辺の偏光板等への悪影響を低減することができる。

＜映像表示装置の光源装置＞
上述したように、情報表示装置１００の光学系では、フロントガラス６を介して外部から装置内に入射する太陽光は、上記光学素子３により低減される。これと同時に、自車両の前方に表示する各種の映像情報の虚像を生成するための映像光は、前記の図４や図５に実線の矢印で示すように、映像表示装置４から出射され、レンズ素子２や凹面ミラー１を介して、フロントガラス６に到達する。その際にも、映像光は上記光学素子３を通ることとなるが、既述のように、この映像光にはＳ波成分（ｓ偏光波）が利用される。

そこで、以下には、Ｓ波成分の映像光を生成するための映像表示装置４とその光源装置１０について詳細に述べる。
図１９は、映像表示装置４と光源装置１０の配置を示す構成図である。ここには、映像表示装置４である液晶表示素子と共に、その下方には、その光源を構成する光源装置１０を展開斜視図により示している。

光源装置１０は、例えばプラスチックなどにより形成され、その内部に、後述するＬＥＤ、コリメータ、合成拡散ブロック、導光体等を収納してなる光源装置ケース１０１から構成されている。その上面には、映像表示装置４である液晶表示素子が取り付けられている。また、光源装置ケース１０１の１つの側面には、半導体光源であるＬＥＤ素子やその制御回路を実装したＬＥＤ基板１０２が取り付けられていると共に、当該ＬＥＤ基板１０２の外側面には、上記ＬＥＤ素子および制御回路で発生する熱を冷却するためのヒートシンク１０３が取り付けられている。

他方、光源装置ケース１０１の上面に取り付けられた映像表示装置４である液晶表示素子は、液晶表示パネルフレーム４０１と、当該フレームに取り付けられた液晶表示パネル４０２と、さらに、当該パネルに電気的に接続されたフレキシブル配線基板（ＦＰＣ：Flexible Printed Circuits）４０３とから構成されている。すなわち、液晶表示パネル４０２は、後述する通り、固体光源であるＬＥＤ素子と共に、電子装置を構成する制御回路（ここでは図示せず）からの制御信号によって、表示される映像が生成され、制御される。

続いて、光源装置１０の内部構成、すなわち、光源装置ケース１０１内に収納されている光学系について、以下に図面を参照しながら詳細に説明する。

図２０は、光源装置１０の構成を示す概略構成図である。また図２１は、光源装置１０内の光の伝播を示す断面図である。また図２２は、光源装置１０内の偏光変換素子を示す概略構成図である。これらの例では、光源を構成する複数（本例では２個）のＬＥＤ１４ａ、１４ｂが示しており、これらはＬＥＤコリメータ１５に対して所定の位置に取り付けられている。ＬＥＤコリメータ１５は、各々、例えば、アクリル等の透光性の樹脂により形成されている。このＬＥＤコリメータ１５は、図２１にも示すように、略放物断面を回転して得られる円錐凸形状の外周面１５６を有すると共に、その頂部では、その中央部に凸部（すなわち、凸レンズ面）１５７を形成した凹部１５３を有する。また、その平面部の中央部には、外側に突出した凸レンズ面（あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でもよい）１５４を有している。なお、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面（放物面）１５６は、ＬＥＤ１４ａ，１４ｂから周辺方向に出射する光をその内部で全反射することが可能な角度範囲内に設定され、あるいは反射面が形成されている。

他方、ＬＥＤ１４ａ、１４ｂは、その回路基板である、所謂、ＬＥＤ基板１０２の表面上の所定の位置にそれぞれ配置されている。このＬＥＤ基板１０２は、ＬＥＤコリメータ１５に対して、その表面上のＬＥＤ１４ａ又は１４ｂが、それぞれ、その凹部１５３の中央部に位置するように配置されて固定される。

かかる構成によれば、上述したＬＥＤコリメータ１５によって、ＬＥＤ１４ａまたは１４ｂから放射される光のうち、特に、その中央部分から上方（図の右方向）に向かって放射される光は、ＬＥＤコリメータ１５の外形を形成する２つの凸レンズ面１５７、１５４により集光されて平行光となる。また、その他の部分から周辺方向に向かって出射される光は、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面を形成する放物面によって反射され、同様に、集光されて平行光となる。換言すれば、その中央部に凸レンズを構成すると共に、その周辺部に放物面を形成したＬＥＤコリメータ１５によれば、ＬＥＤ１４ａまたは１４ｂにより発生された光のほぼ全てを平行光として取り出すことが可能となり、発生した光の利用効率を向上することが可能となる。

図２０、図２２に示すように、ＬＥＤコリメータ１５の光の出射側には、偏光変換素子２１が設けられている。この偏光変換素子２１は、断面が平行四辺形である柱状（以下、平行四辺形柱）の透光性部材と、断面が三角形である柱状（以下、三角形柱）の透光性部材とを組み合わせ、ＬＥＤコリメータ１５からの平行光の光軸に対して直交する面に平行に、複数、アレイ状に配列して構成されている。さらに、これらアレイ状に配列された隣接する透光性部材間の界面には、交互に、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）膜２１１と反射膜２１２とが設けられており、また、偏光変換素子２１へ入射してＰＢＳ膜２１１を透過した光が出射する出射面には、１／２λ位相板２１３が備えられている。

この偏光変換素子２１の出射面には、さらに、図２０にも示す矩形状の合成拡散ブロック１６が設けられている。すなわち、ＬＥＤ１４ａまたは１４ｂから出射された光は、ＬＥＤコリメータ１５の働きにより平行光となって合成拡散ブロック１６へ入射する。図２３は、合成拡散ブロック１６の構成を示す概略図である。合成拡散ブロック１６に入射した光は、出射側のテクスチャー１６１により拡散された後、図２０に示す導光体１７に到る。

図２０において、合成拡散ブロック１６の出射面側には、第１の拡散板１８ａを介して、断面略三角形の角柱状の導光体１７が設けられており、その上面には、第２の拡散板１８ｂが取り付けられている。これにより、上記ＬＥＤコリメータ１５の水平光は、当該導光体１７の働きにより図の上方に反射されて、液晶表示素子の入射面に導かれる。その際、上記第１及び第２の拡散板１８ａ、１８ｂによって、入射光の強度が均一化される。

図２４は、導光体１７の詳細な構成を示す図である。このうち、（ａ）は導光体１７の全体を示す斜視図を、（ｂ）はその断面図、（ｃ）及び（ｄ）は、断面の詳細を示す一部拡大図である。

導光体１７は、例えば、アクリル等の透光性の樹脂により断面が略三角形（図２４（ｂ）参照）の棒状に形成された部材である。そして、図２４（ａ）に示すように、第１の拡散板１８ａを介して合成拡散ブロック１６（図２０参照）の出射面に対向する導光体光入射部（面）１７１と、斜面を形成する導光体光反射部（面）１７２と、第２の拡散板１８ｂを介して液晶表示素子の液晶表示パネル４０２（図１９参照）と対向する導光体光出射部（面）１７３とを備えている。

また、図２４（ｃ）及び（ｄ）の一部拡大図に示すように、導光体１７の導光体光反射部（面）１７２には、多数の反射面１７２ａと連接面１７２ｂとが交互に鋸歯状に形成されている。そして、反射面１７２ａ（図では右上がりの線分）は、図において一点鎖線で示す水平面に対してαｎ（ｎ：自然数であり、本例では１～１３０）を形成しており、その一例として、ここでは、αｎを４３度以下（但し、０度以上）に設定している。

他方、連接面１７２ｂ（図では右下がりの線分）は、反射面に対してβｎ（ｎ：自然数であり、本例では１～１３０）を形成している。すなわち、反射部の連接面１７２ｂは、入射光に対して、後述する散乱体の半値角の範囲で陰になる角度に傾斜されている。後述するが、αｎは反射面仰角を、βｎは反射面と連接面との相対角度である。その一例として相対角度βｎは９０度以上（但し、１８０度以下）に設定し、本例では全て等しくしている（β１＝β２＝β３＝・・・＝β１３０）。

図２５および図２６は、導光体１７の導光体光反射部（面）１７２の拡大図である。ここでは説明のために、導光体１７の大きさに対する反射面１７２ａと連接面１７２ｂの大きさを相対的に大きくして示す。まず図２６（ｂ）に示すように、導光体１７の導光体入射部（面）１７１では、主たる光線が、反射面１７２ａに対して入射角が大きくなる方向にδだけ偏向されている。すなわち、導光体入射部（面）１７１は、光源側に傾斜した湾曲の凸形状に形成されている。これによれば、合成拡散ブロック１６の出射面からの平行光は、第１の拡散板１８ａを介して拡散されて入射し、図からも明らかなように、導光体入射部（面）１７１により上方に僅かに屈曲（偏向）しながら導光体光反射部（面）１７２に達する。

導光体光反射部（面）１７２には、多数の反射面１７２ａと連接面１７２ｂとが交互に鋸歯状に形成されている。第１の拡散板１８ａからの拡散光は、各々の反射面１７２ａ上で全反射されて上方に向かい、さらには、導光体光出射部（面）１７３や第２の拡散板１８ｂ（図２５に示す）を介して、平行な拡散光として液晶表示素子５０の液晶表示パネル４０２へ入射する。そのため、反射面仰角αｎは、各々の反射面１７２ａが前記拡散光に対して臨界角以上の角度となるように設定されている。他方、反射面１７２ａと連接面１７２ｂとの相対角度βｎは、上述したように一定の角度、より好ましくは９０度以上の角度に設定されている。

上述した構成により、各反射面１７２ａが前記拡散光に対して常に臨界角以上の角度となっているので、反射部１７２に金属等の反射膜を形成しなくても全反射が可能となり、低コストの光源装置１０を実現できる。

また、反射面仰角αｎは、導光体光反射部（面）１７２の下部から上部に移動するに従って、わずかずつ増加する値としている。これは、液晶表示素子の液晶表示パネル４０２を透過した光はある程度の発散角を有しているため、特に液晶表示パネル４０２の周辺部を透過した光の一部が、下流に配置されたミラーの周縁でけられ、いわゆる周辺減光が発生するのを防止するためである。すなわち、図２５の光線３０に示すように、周辺部の光線をやや中心軸方向に偏向させた構成とすることで、周辺減光を防止している。

また、図２５において、Ｌｒ１、Ｌｒ２、Ｌｒ３・・・は反射面１７２ａの水平面に対する投影長さを、Ｌｃ１、Ｌｃ２、Ｌｃ３・・・は連接面１７２ｂの水平面に対する投影長さを表しており、反射面１７２ａと連接面１７２ｂとの投影長さの比率Ｌｒ/Ｌｃを、場所により変更可能な構成とした。導光体１７に入射する主たる光線３０の強度分布は、必ずしも液晶表示パネル入射面で望まれる強度分布と一致しない。そこで、反射面１７２ａと連接面１７２ｂとの比率Ｌｒ/Ｌｃにより、強度分布を調整する構成を採用した。なお、この比率を高めるほど、その部分の反射光の平均的な強度を高めることができる。一般的に、導光体１７に入射する光線３０は中央部が強くなりがちである。それを補正するのに、前記比率Ｌｒ/Ｌｃを場所により異なるようにし、特に中央部において小さくなるようにした。前記比率Ｌｒ/Ｌｃが場所により異なる構成、および前述した反射面仰角αｎが場所により異なる構成としたため、反射部１７２の概形状を表す包絡線１７２ｃは、図２５に示すように曲線形状を示す。

さらに、反射面１７２ａと連接面１７２ｂの投影長さＬｒ，Ｌｃに関し、両者の和Ｌｒ＋Ｌｃを各位置において一定の値とし、かつ０．６ｍｍ以下となるようにした。すなわち、Ｌｒ１＋Ｌｃ１＝Ｌｒ２＋Ｌｃ２＝・・・≦０．６ｍｍの関係とした。かかる構成とすることで、導光体１７の光出射面１７３から見た反射面の繰り返しピッチを同一とすることができる。また、そのピッチは０．６ｍｍ以下であることから、拡散板１８a、１８ｂの作用、効果と相まって、液晶表示パネル４０２越しで見た場合、個々の出射面が分離せず、連続面として見えることになる。よって、液晶表示パネル４０２越しの空間輝度の均一化が図れ、もって、表示特性が向上する。すなわち本構成により、液晶表示パネル４０２上での入射光強度分布を均一化することが可能となる。なお、Ｌｒ＋Ｌｃの値を小さくしすぎると加工時間が増大するばかりではなく、各反射面１７２ａを精度良く加工するのが困難となるので、Ｌｒ＋Ｌｃの下限値は実用的には０．２ｍｍが望ましい。

上述した導光体１７の導光体光反射部（面）１７２の形状によれば、主たる光の全反射条件を満たすことができ、反射部１７２にアルミ等の反射膜を設ける必要がなく、光を効率的に反射することが可能となり、製造コストの上昇を伴うアルミ薄膜の蒸着作業なども必要なく、より低コストで、明るいＳ波成分（ｓ偏光波）の光源が実現できる。また、各相対角βについては、連接面１７２ｂが、合成散乱ブロック１６および拡散板１８aで拡散された光線３０に対して陰になるような角度に設定した。これにより、連接面１７２ｂへの不要な光の入射を抑制することで、不要な光の反射を低減でき、特性が良好な光源装置を実現できる。

また、上述した導光体１７によれば、反射面仰角αｎを適宜設定することにより、光軸方向における光出射面１７３の長さを自由に変更することができる。よって、導光体入射部（面）１７１に対する光出射面１７３の大きさ（面サイズ）を、液晶表示パネル４０２などの装置に適合する大きさ（面サイズ）に適宜変更可能な光源装置を実現することができる。また、これにより、光源を構成するＬＥＤ１４ａ、１４ｂの配置形状に依存せずに、光出射面１７３を所望の大きさにできることから、所望の大きさの面状の発光源が得られることになる。さらには、光源を構成するＬＥＤ１４ａ、１４ｂの配置を含む設計における自由度の確保にも繋がり、装置全体の小型化に有利になる。

図２７は、上述の導光体として偏光変換素子を用いた場合を示す。すなわち、合成拡散ブロック１６の後方に配置される導光体１７を、通常の透光性の樹脂に代えて、偏光変換素子により構成したもので、導光体１７’として示す。導光体１７’は、三角形柱の透光性部材２１１’と平行四辺形柱の透光性部材２１２’を組み合わせ、それらの境界面にはＰＢＳ膜２１１を形成している。ＰＢＳ膜２１１は、ＬＥＤ１４から出射してＬＥＤコリメータ１５で平行光となった入射光のＳ偏光波（図中の記号（×）を参照）を反射するが、Ｐ偏光波（図中の上下の矢印を参照）を透過する。平行四辺形柱の透光性部材２１２’の上面には１／２λ位相板２１３を、またその側面には反射膜２１２を形成している。

この構成によれば、ＬＥＤ１４から出射してＬＥＤコリメータ１５で平行光となった入射光は、偏光変換素子からなる導光体１７’により、Ｓ偏光波に偏光されて当該素子の上面から上方に向かって出射される。すなわち、この構成では、通常の透光性の樹脂からなる導光体１７を削除でき、装置の大幅な小型化や装置の製造コストの低減が可能となる。

以上に述べた光源装置１０を、映像表示装置４である液晶表示素子の光源装置として利用することで、より少ない発光源（ＬＥＤの数量、消費電力）で小型かつ高効率のモジュール化されたＳ偏光波の光源装置が実現できる。そして、上述した凹面ミラー１や光学素子３により、不要な赤外線（ＩＲ）や紫外線（ＵＶ）を除去すると共に、映像表示装置４や周辺の偏光板等に対して炭化等の悪影響を及ぼすＰ波成分（ｐ偏光波）を有効に低減できる。これにより、太陽光によるダメージを軽減し、かつ、Ｓ波成分（ｓ偏光波）の利用により優れた情報表示が可能な情報表示装置１００を実現することが可能となる。

以上に詳述したように、本実施例に係る情報表示装置１００によれば、光利用効率やその均一な照明特性をより向上すると同時に、モジュール化されたＳ偏光波の光源装置を含め、小型かつ低コストで製造することが可能となる。なお、上記の説明では、偏光変換素子２１をＬＥＤコリメータ１５の後に取り付けるものとして説明したが、本発明はそれに限定されることなく、液晶表示素子に至る光路中に設けることによっても同様の作用・効果が得られる。

＜その他の構成＞
上述した情報表示装置１００によれば、その動作中においては、凹面ミラー１や光学素子３により、太陽光の不要なＩＲ光やＵＶ光及びＰ偏波光の除去が可能である。しかしながら、例えば、駐車場などに車両を停止してエンジンキーを切った状態では、当該情報表示装置１００の表示動作は不要である。そこで、このような状態では、侵入する太陽光を通常の光路から排除する。すなわち、上部の開口部４１を通って情報表示装置１００の内部に侵入して、映像表示装置４やその前後に配置された偏光板等に至る光路を通らないようにする。

図２８は、太陽光が映像表示装置４に到達しないようにした構成例を示す図である。情報表示装置１００の各部品を分解した状態で、背面側から見た展開斜視図である。筐体である外装ケース４６，４７の内部において、凹面ミラー１を回動可能に取り付ける。凹面ミラー１の位置は、電動モータ等により構成される凹面ミラー駆動部４８により調整し、侵入する太陽光が映像表示装置４に至らない方向（通常の光路とは異なる方向）に反射するように、予め設定された位置に移動させる。

すなわち、情報表示装置１００を使用しない場合には、太陽光が映像表示装置４に戻らないように凹面ミラー１を所定の角度を回転させることで、凹面ミラー１により集光される太陽光が映像表示装置４に戻ることを防止する。なお、かかる凹面ミラー駆動部４８の動作は、前記図１に示した制御装置４０が備えるＣＰＵ３５により、ＲＯＭ３４内に予め格納したソフトウェアを実行することで実現する。

この構成によれば、侵入する太陽光が問題となる車両の停止状態において、特に、真夏などの強い太陽光の下において、太陽光が情報表示装置１００の光学部品である映像表示装置４や周辺の偏光板、さらには、光源装置１０等を破損・劣化させてしまう事態を、より確実に防止することが可能となる。

以上に述べた本実施例の情報表示装置の特徴をまとめると、次のようになる。凹面ミラーから映像表示装置（液晶パネル）までの虚像光学系において、
（１）昼間の所定条件下においてフロントガラスを通過した太陽光成分（コンバイナ方式ではその後コンバイナも通過）のうちＰ偏光が凹面ミラーで集光されても、光学系内に設けたＰ波成分抑制光学手段（素子）である反射型偏光板で反射させ液晶パネルと偏光板に戻らないようにする。
（２）情報表示装置を使用しない場合には、太陽光が映像表示装置に戻らないように凹面ミラーを所定の角度だけ回転させることで、凹面ミラーにより集光される太陽光が映像表示装置に戻ることを防止する。
（３）太陽光の一部が運転者の視点（目）に戻らないようにする光学素子を設けることで、太陽光を含む外光に対する耐性と画質低下を大幅に向上した情報表示装置を提供する。
（４）反射型偏光板と特定偏波の光を供給する光源を併設することで、映像光の偏光度が向上しコントラスト性能が向上する。
（５）反射型偏光板の温度・湿度・硫化物などに対する高い信頼性を得るため、表面に防湿膜（保護膜）を設けて外気の影響による構造物の変化で特性が劣化することを軽減する。

以上、種々の実施例について詳述したが、本発明は上述した実施例のみに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するためにシステム全体を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…凹面ミラー、２…レンズ素子、３…光学素子（Ｐ波成分抑制光学手段）、３ａ…基板（ガラス基板）、３ｂ…反射型偏光板、３ｄ…防湿膜、３ｈ…接着剤（粘着剤）、４…映像表示装置（液晶表示素子、液晶表示パネル）、６…被投射部材（フロントガラス）、７…筐体、８…アイポイント（観視者の視点）、１０…光源装置、１４…ＬＥＤ、１５…ＬＥＤコリメータ、１６…合成拡散ブロック、１７…導光体、１８ａ，１８ｂ…拡散板、２１…偏光変換素子、４１…開口部、４８…凹面ミラー駆動部、１００…情報表示装置、ＶＩ…虚像。

Claims (4)

1. 投射面に虚像により映像情報を表示する車両に搭載する情報表示装置であって、
   一部に開口部を有する筺体の内部に、
   映像情報を表示する映像光を生成する映像光生成手段と、
   前記映像光生成手段からの映像光に所定の光学的な処理を施す映像光処理手段と、
   前記映像光処理手段からの映像光を、前記筺体の開口部を介して前記投射面に、観視者が映像情報を前記投射面の前方に虚像として認識可能とするように投射する映像投射手段とを備え、
   前記筺体の内部の光路には、透過性樹脂からなる透過性の曲面レンズに反射型偏光板のフィルム基材を接着剤または粘着剤を介して固定してなる光学素子を設け、前記光学素子は、可視光領域の光のＰ偏光成分を選択的に反射する手段であって、
   前記映像光処理手段は、レンズ素子を含み、前記レンズ素子を前記映像光生成手段と前記光学素子との間に配置することで、前記レンズ素子は、前記映像光生成手段から前記映像投射手段への光線の出射方向を調整し虚像の収差補正を実現することを特徴とする情報表示装置。
2. 投射面に虚像により映像情報を表示する車両に搭載する情報表示装置であって、
   一部に開口部を有する筺体の内部に、
   映像情報を表示する映像光を生成する映像光生成手段と、
   前記映像光生成手段からの映像光に所定の光学的な処理を施す映像光処理手段と、
   前記映像光処理手段からの映像光を、前記筺体の開口部を介して前記投射面に、観視者が映像情報を前記投射面の前方に虚像として認識可能とするように投射する映像投射手段とを備え、
   前記筺体の内部の光路には、透過性樹脂からなる透過性の曲面レンズに反射型偏光板のフィルム基材を接着剤または粘着剤を介して固定してなる光学素子を設け、前記光学素子は、可視光領域の光のＰ偏光成分を選択的に反射する手段であって、
   前記映像光処理手段は、レンズ素子を含み、前記レンズ素子を前記映像光生成手段と前記光学素子との間に配置することで、前記レンズ素子は、前記映像光生成手段から前記映像投射手段への光線の出射方向を調整し虚像の収差補正を実現するとともに、前記反射型偏光板の表面には防湿膜を設けたことを特徴とする情報表示装置。
3. 請求項２に記載した情報表示装置において、
   前記光学素子の前記反射型偏光板の表面に、膜厚１３０ｎｍから１４５ｎｍの前記防湿膜を設けたことを特徴とする情報表示装置。
4. 請求項２又は３に記載した情報表示装置において、
   前記反射型偏光板は、可視光領域の光のＰ偏光成分を選択的に反射すると共に、Ｓ偏光成分を特定の透過率で透過することで、前記映像光生成手段からの映像光の偏光度が大きくなりコントラスト性能を向上させることを特徴とする情報表示装置。

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