WO2015093294A1 - 液晶表示装置及びヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

　外光の光路に対して表示面の垂線がチルト角だけ傾いて配置された液晶表示装置（１１）であって、光源部（１２）に対向配置された基板（２０）と、基板（２０）に対向配置された基板（２１）と、基板（２０）、（２１）間に挟まれた液晶層（２２）と、基板（２０）に設けられ、三角柱からなるプリズム（４０）と、基板（２１）に設けられ、三角柱からなるプリズム（４１）とを含む。プリズム（４０）は、液晶層（２２）を透過する光が表示面に対してほぼ垂直になるように、光源部（１２）からの光を屈折させる。プリズム（４１）は、液晶層（２２）を透過した光が表示面に対してチルト角だけ傾くように、液晶層（２２）を透過した光を屈折させる。

Description

液晶表示装置及びヘッドアップディスプレイ装置

　本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置、及びそれに使用される液晶表示装置に関する。

　車両のフロントガラスなどに液晶表示装置からの表示光を投射して虚像（表示像）の表示を行うヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置が知られている。このヘッドアップディスプレイ装置では、例えば、バックライトからの照明光が液晶表示装置を透過した表示光を反射鏡（又は凹面鏡）で反射させ、この反射光をフロントガラス又はコンバイナーなどの表示部材に投射することで、運転者が表示部材に表示された虚像を視認するようになっている。これにより、運転者が運転状態からほとんど視野を動かすことなく情報を読み取ることができる。

　ヘッドアップディスプレイ装置では、その構造上、太陽光等の外部からの光（外光）の一部（特にバックライトの光路に平行で逆向きの光成分）が、ヘッドアップディスプレイ装置に用いられる液晶表示装置に照射されることがある。この場合、液晶表示装置の表示面で反射した外光により、表示されるべきでない不要な像がフロントガラスに映し出される。これにより、液晶表示装置の表示特性が著しく劣化してしまう。

特開２０１１－２４７９９７号公報

　本発明は、外光に起因して表示特性が劣化するのを抑制できるとともに、コントラストが低下するのを抑制できる液晶表示装置及びヘッドアップディスプレイ装置を提供する。

　本発明の一態様に係る液晶表示装置は、外光の光路に対して表示面の垂線がチルト角だけ傾いて配置された液晶表示装置であって、光源部に対向配置された第１基板と、前記第１基板に対向配置された第２基板と、前記第１及び第２基板間に挟まれた液晶層と、前記第１基板に設けられ、三角柱からなる第１プリズムと、前記第２基板に設けられ、三角柱からなる第２プリズムとを具備する。前記第１プリズムは、前記液晶層を透過する光が前記表示面に対してほぼ垂直になるように、前記光源部からの光を屈折させ、前記第２プリズムは、前記液晶層を透過した光が前記表示面に対して前記チルト角だけ傾くように、前記液晶層を透過した光を屈折させることを特徴とする。

　本発明の一態様に係る液晶表示装置は、外光の光路に対して表示面の垂線がチルト角だけ傾いて配置された液晶表示装置であって、前記表示面と平行に配置された光源部と、前記光源部に対向配置された第１基板と、前記第１基板に対向配置された第２基板と、前記第１及び第２基板間に挟まれた液晶層と、前記第２基板に設けられ、三角柱からなるプリズムとを具備する。前記プリズムは、前記液晶層を透過した光が前記表示面に対して前記チルト角だけ傾くように、前記液晶層を透過した光を屈折させることを特徴とする。

　本発明の一態様に係るヘッドアップディスプレイ装置は、前記一態様に係る液晶表示装置と、前記液晶表示装置を透過した光を表示部材に向けて反射する反射鏡とを具備することを特徴とする。

　本発明によれば、外光に起因して表示特性が劣化するのを抑制できるとともに、コントラストが低下するのを抑制できる液晶表示装置及びヘッドアップディスプレイ装置を提供することができる。

比較例に係るヘッドアップディスプレイ装置の断面図。 他の比較例に係るヘッドアップディスプレイ装置の断面図。 比較例に係る液晶表示装置の断面図。 液晶表示装置のコントラストを説明する図。 液晶内角度と液晶表示装置のコントラストとの関係の一例を示すグラフ。 本発明の第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の断面図。 第１実施形態に係る液晶表示装置の断面図。 液晶表示装置のより具体的な構成例を示す断面図。 三角プリズムの斜視図。 入射角θとプリズムの傾き角αとの一例を示す図。 本発明の第２実施形態に係る液晶表示装置の断面図。 プリズムシートの斜視図。 第２実施形態の変形例１に係る液晶表示装置の断面図。 第２実施形態の変形例２に係る液晶表示装置の断面図。 本発明の第３実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の断面図。 第３実施形態に係る液晶表示装置の断面図。 本発明の第４実施形態に係る液晶表示装置及び光源部の断面図。 光源部の平面図。 第４実施形態の変形例に係る液晶表示装置及び光源部の断面図。

　以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らないことに留意すべきである。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

　［比較例］
　まず、比較例について説明する。図１は、比較例に係るヘッドアップディスプレイ装置１０の断面図である。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、液晶表示装置１１、光源部１２、及び反射鏡１３を備える。

　光源部１２から出射した照明光は、液晶表示装置１１を透過するとともに光変調される。液晶表示装置１１を透過した表示光は、反射鏡１３によって反射され、表示部材１４に照射される。この表示部材１４への表示光の照射によって得られる虚像（表示像）１６が運転者１５に視認される。これにより、運転者１５は、運転席の正面前方に表示される虚像１６を風景と重畳させて観察することができる。

　一方で、外光の一部は、表示部材１４を透過して反射鏡１３によって反射され、液晶表示装置１１に照射される。外光とは、表示部材１４の外側（液晶表示装置１１が配置される側と反対側）から入射する種々の光であり、例えば太陽光等の外部からの光である。この時、図１の比較例に示すように、液晶表示装置１１の表示面と光源部１２の出射面（照明光が出射する面）とが平行である場合、液晶表示装置１１により反射された照射光は、外光と逆の光路を辿り、表示部材１４に投射される。このため、本来、表示されるべきでない不要な像が発生し、運転者１５が視認する表示像の表示品質が低下する。なお、液晶表示装置１１の表示面とは、液晶表示装置１１により光変調された画像が表示される面である。

　図２は、他の比較例に係るヘッドアップディスプレイ装置１０の断面図である。液晶表示装置１１の表示面（基板面）は、光源部１２の出射面に対して所定のチルト角θだけ傾いている。換言すると、液晶表示装置１１の表示面の垂線は、光源部１２の光路（又は外光の光路）に対して所定のチルト角θだけ傾いている。これにより、外光が液晶表示装置１１によって反射された反射光は、液晶表示装置１１の表示光と同じ方向には反射されず、図２の破線で示す光路のように、光源部１２の光路に対して角度２θの方向に反射される。この結果、液晶表示装置１１の反射光に起因して表示特性が劣化するのを抑制できる。

　図３は、比較例に係る液晶表示装置１１の断面図である。液晶表示装置１１は、一対の基板２０、２１と、液晶層２２と、液晶層２２を封止するシール材２９と、一対の偏光板３０、３１とを備える。

　光源部１２からの照明光は、入射角θで偏光板３０に入射するとともに、屈折角φで屈折する。続いて、液晶層２２を透過した光は、角度φで偏光板３１に入射すると共に、角度θで屈折する。空気の屈折率は１程度である。例えばガラスから構成される基板２０、２１の屈折率は１．５程度である。液晶層２２、偏光板３０、３１、及びカラーフィルター（図示せず）の屈折率は、基板２０、２１とほぼ同じで１．５程度である。よって、偏光板３０、３１の間を透過する光はほとんど屈折しないものと考え、偏光板３０、３１の間を透過する光の屈折は、考慮しないものとする。

　このように、液晶層２２には、基板２０の面（基板面）の垂線に対して角度φの光が入射する。基板２０、２１、液晶層２２、偏光板３０、３１、及びカラーフィルターの屈折率を全てｎとすると、スネルの法則により、角度φは、以下の式で表される。

　φ＝ｓｉｎ^－１（ｓｉｎθ／ｎ）　　　　　 ・・・式（１）

　図４は、液晶表示装置１１のコントラスト（コントラスト比）を説明する図である。図４には、偏光板３０に入射する光の入射角θと、液晶層２２を透過する光における基板面の垂線に対する角度φ（液晶内角度φ）と、液晶表示装置１１のコントラストとの関係の一例を示している。図５は、液晶内角度φと液晶表示装置１１のコントラストとの関係の一例を示すグラフである。

　図４及び図５に示すように、垂直入射（θ＝０）の場合、すなわち基板面に垂直方向の光が液晶層２２を透過する場合、コントラストは１３２５程度である。入射角θが大きくなるにつれてコントラストが低下し、例えば入射角θ＝２２．０°の場合、コントラストは１８３程度に低下し、垂直入射と比べてコントラストが８６％減になってしまう。

　以上の考察に鑑みて、以下に本発明の実施形態について説明する。

　［第１実施形態］
　図６は、本発明の第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０の断面図である。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、液晶表示装置１１、光源部１２、及び反射鏡１３を備える。

　光源部１２は、例えば面形状を持つ光源（面光源）から構成され、液晶表示装置１１に照明光を供給する。光源部１２に含まれる発光素子としては、例えば白色の発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）が用いられる。液晶表示装置１１は、光源部１２からの照明光を透過するとともに、光変調を行う。そして、液晶表示装置１１は、車速等の運転情報を示す画像を表示する。

　反射鏡１３は、平面鏡、又は凹面鏡から構成される。反射鏡１３は、液晶表示装置１１からの表示光を表示部材１４に向けて反射する。反射鏡１３として凹面鏡を用いた場合、凹面鏡は、液晶表示装置１１からの表示光を所定の拡大率で拡大する。

　鉛直線（重力方向）に対する表示部材１４の傾きをβとすると、反射鏡（例えば平面鏡）１３における反射角は（９０°－２θ）、すなわち平面鏡１３における入射光と反射光とのなす角度は（１８０°－４θ）である。また、表示部材１４における反射角はβ、すなわち表示部材１４における入射光と反射光とのなす角度は２βである。

　表示部材１４は、液晶表示装置１１から出射される表示光を投射するために使用され、表示光を運転者へ反射することで、表示光を虚像１６として表示させる。表示部材１４は、例えば車両のフロントガラスである。また、表示部材１４は、ヘッドアップディスプレイ装置１０専用に設けられた半透明なスクリーン（コンバイナー）であってもよい。コンバイナーは、例えば、車両のダッシュボード上に配置されたり、運転者１５の前方に配置されたルームミラーに装着されたり、フロントガラスの上部に設置されたサンバイザーに装着されて使用される。コンバイナーは、例えば、曲面を有する板状の合成樹脂製の基材からなり、その基材の表面には酸化チタン、酸化シリコンなどからなる蒸着膜が施され、この蒸着膜によって半透過の機能を備える。

　比較例と同様に、液晶表示装置１１の表示面（基板面）は、光源部１２の出射面（照明光が出射する面）に対して所定のチルト角θだけ傾いている。換言すると、液晶表示装置１１の基板面の垂線は、光源部１２の光路（又は外光の光路）に対して所定のチルト角θだけ傾いている。これにより、外光が液晶表示装置１１により反射された反射光は、図６の破線で示す光路を辿り、液晶表示装置１１の表示光と同じ方向には反射されない。この結果、液晶表示装置１１の反射光に起因する表示特性の劣化を低減できる。チルト角θの大きさは、表示部材１４の角度β、表示部材１４と反射鏡１３との距離、反射鏡１３と液晶表示装置１１との距離、及び反射鏡１３の拡大率などに応じて適宜設定される。本実施形態では、チルト角θは、例えば、１０°以上かつ３０°以下である。

　図７は、第１実施形態に係る液晶表示装置１１の断面図である。液晶表示装置１１は、一対の基板２０、２１と、液晶層２２と、液晶層２２を封止するシール材２９と、一対の偏光板３０、３１と、一対の三角プリズム４０、４１とを備える。三角プリズム４０、４１の構成及び機能については、後述する。

　図８は、液晶表示装置１１のより具体的な構成例を示す断面図である。なお、図８には、偏光板３０、３１間の部材、すなわちプリズム４０、４１を除く液晶表示装置１１の詳細を示している。

　液晶表示装置１１は、スイッチングトランジスタ及び画素電極等が形成されるＴＦＴ基板２０と、カラーフィルター及び共通電極が形成されかつＴＦＴ基板２０に対向配置されるカラーフィルター基板（ＣＦ基板）２１と、ＴＦＴ基板２０及びＣＦ基板２１間に挟持された液晶層２２とを備える。ＴＦＴ基板２０及びＣＦ基板２１はそれぞれ、透明基板（例えば、ガラス基板）から構成される。ＣＦ基板２１は、光源部１２に対向するように配置され、光源部１２からの照明光は、ＣＦ基板２１側から液晶表示装置１１に入射する。ＴＦＴ基板２０の光源部１２とは反対側の面が液晶表示装置１１の表示面である。

　液晶層２２は、ＴＦＴ基板２０及びＣＦ基板２１間を貼り合わせるシール材２９によって封入された液晶材料により構成される。液晶材料は、ＴＦＴ基板２０及びＣＦ基板２１間に印加された電界に応じて液晶分子の配向が操作されて光学特性が変化する。液晶モードとしては、例えばＶＡ（Vertical Alignment）モードが用いられるが、勿論、ＴＮ（Twisted Nematic）モードやホモジニアスモードなど他の液晶モードであってもよい。

　液晶層２２側のＴＦＴ基板２０上には、複数のスイッチングトランジスタ２３が設けられる。スイッチングトランジスタ２３としては、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）が用いられる。スイッチングトランジスタ２３は、走査線（図示せず）に電気的に接続されるゲート電極と、ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられた半導体層（例えばアモルファスシリコン層）と、半導体層上に離間して設けられたソース電極及びドレイン電極とを備える。ソース電極は、信号線（図示せず）に電気的に接続される。

　スイッチングトランジスタ２３上には、絶縁層２４が設けられる。絶縁層２４上には、複数の画素電極２５が設けられる。絶縁層２４内かつスイッチングトランジスタ２３のドレイン電極上には、画素電極２５に電気的に接続されたコンタクトプラグ２６が設けられる。

　液晶層２２側のＣＦ基板２１上には、カラーフィルター２７が設けられる。カラーフィルター２７は、複数の着色フィルター（着色部材）を備え、具体的には、複数の赤フィルター２７－Ｒ、複数の緑フィルター２７－Ｇ、及び複数の青フィルター２７－Ｂを備える。一般的なカラーフィルターは光の三原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）で構成される。隣接したＲ、Ｇ、Ｂの三色のセットが表示の単位（ピクセル、又は画素と呼ぶ）となっており、１つの画素中のＲ、Ｇ、Ｂのいずれか単色の部分はサブピクセル（サブ画素）と呼ばれる最小駆動単位である。スイッチングトランジスタ２３及び画素電極２５は、サブピクセルごとに設けられる。

　赤フィルター２７－Ｒ、緑フィルター２７－Ｇ、及び青フィルター２７－Ｂの境界部分、及び画素（サブピクセル）の境界部分には、遮光用のブラックマトリクス（遮光膜）ＢＭが設けられる。すなわち、ブラックマトリクスＢＭは、網目状に形成される。ブラックマトリクスＢＭは、例えば、着色部材間の不要な光を遮蔽し、コントラストを向上させるために設けられる。

　カラーフィルター２７及びブラックマトリクスＢＭ上には、共通電極２８が設けられる。共通電極２８は、液晶表示装置１１の表示領域全体に平面状に形成される。

　偏光板３０、３１は、ＴＦＴ基板２０及びＣＦ基板２１を挟むように設けられる。偏光板３０、３１は、光の進行方向に直交する平面内において、互いに直交する透過軸及び吸収軸を有する。偏光板３０、３１は、ランダムな方向の振動面を有する光のうち、透過軸に平行な振動面を有する直線偏光を透過し、吸収軸に平行な振動面を有する直線偏光を吸収する。偏光板３０、３１は、互いの透過軸が直交するように、すなわち直交ニコル状態で配置される。

　画素電極２５、コンタクトプラグ２６、及び共通電極２８は、透明電極から構成され、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いられる。絶縁層２４としては、透明な絶縁材料が用いられ、例えば、シリコン窒化物（ＳｉＮ）が用いられる。

　ここで、本実施形態では、図７に示すように、液晶表示装置１１は、三角プリズム４０、４１を備える。三角プリズム４０は、偏光板３０のＴＦＴ基板２０と反対面に設けられ、三角プリズム４１は、偏光板３１のＣＦ基板２１と反対面に設けられる。三角プリズム４０、４１は、三角柱からなる。図９は、三角プリズム４０の斜視図である。三角プリズム４１も三角プリズム４０と同じ形状を有する。三角プリズム４０、４１は、ポリカーボネート、アクリル樹脂、又はガラスなどから構成される。

　三角プリズム４０は、傾き角αを有し、三角プリズム４０の傾き角αは、偏光板３０に接する面と傾斜面４０ａとのなす角度である。同様に、三角プリズム４１の傾き角αは、偏光板３１に接する面と傾斜面４１ａとのなす角度である。三角プリズム４０、４１は、それぞれの傾斜面４０ａ、４１ａが平行になるように、点対称（１８０°回転対称）に配置される。なお、図７では、三角プリズム４０、４１は、断面形状が必ずしも直角三角形である必要はなく、偏光板に接する面と傾斜面とのなす角度がαであることを満たしていれば、直角三角形でなくてもよい。

　また、三角プリズム４０のサイズは、その傾斜面４０ａを偏光板３０に投影した領域が液晶表示装置１１の有効表示領域以上になるように設定される。同様に、三角プリズム４１のサイズは、その傾斜面４１ａを偏光板３１に投影した領域が液晶表示装置１１の有効表示領域以上になるように設定される。

　三角プリズム４０、４１の傾き角αは、光源部１２から液晶表示装置１１に入射する光が液晶層２２内で基板面に対してほぼ垂直になるように設定される。三角プリズム４０、４１の屈折率をｎ_ｐとすると、三角プリズム４０、４１の傾き角αは、以下の式で表される。

　ｓｉｎ（θ＋α）＝ｎ_ｐ・ｓｉｎα
上式より、
　α＝ｔａｎ^－１｛ｓｉｎθ／（ｎ_ｐ－ｃｏｓθ）｝　　　　　 ・・・式（２）

　液晶表示装置１１が三角プリズム４０、４１を備えることで、光源部１２から出射され基板面の垂線に対して角度θで液晶表示装置１１に入射した光は、以下のような光路を辿る。すなわち、光源部１２からの光は、三角プリズム４０の傾斜面４０ａに入射角（θ＋α）で入射するとともに、屈折角αで屈折する。このため、液晶層２２を透過する光は、基板面に対してほぼ垂直になる。続いて、液晶層２２を透過した光は、三角プリズム４１の傾斜面ａにおいて屈折角（θ＋α）で屈折するとともに、三角プリズム４１から出射される。よって、液晶表示装置１１から出射する光は、基板面の垂線に対して角度θで出射される。

　また、液晶表示装置１１から出射する光と同じ方向で向きが反対の外光は、三角プリズム４１の傾斜面４１ａにおいてその入射方向に対して角度２（θ＋α）の方向に反射される。このため、外光が運転者１５に届くことはない。

　上記説明では、液晶層２２を透過する光が基板面にほぼ垂直になるようにしている。図５に示すように、液晶層２２を透過する光が基板面に垂直である場合に、液晶表示装置１１のコントラストが最大になる。しかし、コントラストが８００以上であれば、液晶表示装置１１を視認するユーザにとって十分に高精細又は高画質な表示が可能である。すなわち、液晶内角度φが±５°の範囲内（両方を含む）で視認性許容範囲であるコントラストが８００以上になっている。なお、図５では、正側の液晶内角度φについて示しているが、負側の液晶内角度φについても図５と線対称のグラフが得られる。視認性許容範囲を考慮すると、三角プリズム４０、４１の傾き角αは、以下の式で表される範囲に設定される。

　ｎ_ｐ・ｓｉｎ（α－５°）≦ｓｉｎ（θ＋α）≦ｎ_ｐ・ｓｉｎ（α＋５°）
上式より、
　ｔａｎ^－１｛（ｓｉｎθ－ｎ_ｐ・ｓｉｎ５°）／（ｎ_ｐ・ｃｏｓ５°－ｃｏｓθ）｝≦α≦
ｔａｎ^－１｛（ｓｉｎθ＋ｎ_ｐ・ｓｉｎ５°）／（ｎ_ｐ・ｃｏｓ５°－ｃｏｓθ）｝
　　　　　　　・・・式（３）

　図１０は、入射角θとプリズムの傾き角αとの一例を示す図である。屈折率ｎ_ｐ＝１．５とする。また、図１０に示した傾き角αの最小値及び最大値は、視認性許容範囲を考慮した傾き角αの値である。

　（効果）
　以上詳述したように第１実施形態では、液晶表示装置１１の表示面（基板面）の垂線は、光源部１２の光路（又は外光の光路）に対して所定のチルト角θだけ傾いくように設定される。また、液晶表示装置１１が入射側及び出射側にそれぞれ三角プリズム４０、４１を備え、三角プリズム４０は、液晶層２２を透過する光が表示面に対してほぼ垂直になるように、光源部１２からの光を屈折させ、また、三角プリズム４１は、液晶層２２を透過した光が表示面に対してチルト角θだけ傾くように、液晶層２２を透過した光を屈折させる。

　従って第１実施形態によれば、液晶表示装置１１により反射された外光がこれと逆方向の光路を辿って運転者１５に視認されるのを防ぐことができる。これにより、外光に起因して液晶表示装置１１の表示特性が劣化するのを抑制できる。

　また、液晶層２２を透過する光は、基板面に対してほぼ垂直方向に進む。これにより、液晶表示装置１１のコントラストが低下するのを抑制できる。

　［第２実施形態］
　第１実施形態の図７に示す三角プリズムを用いた場合、三角プリズムを含む液晶表示装置の厚さが非常に大きくなってしまう。液晶表示装置の厚さ（図７の縦方向の長さ）が２ｃｍで三角プリズムの傾き角が２９°であった場合、２.２ｃｍ（＝２×２×ｔａｎ２９°）の厚さ増加になってしまう。そこで、第２実施形態では、第１実施形態の三角プリズムより厚さの小さい複数の三角プリズムを並べることにより液晶表示装置の厚さを小さくするようにしている。

　図１１は、本発明の第２実施形態に係る液晶表示装置１１の断面図である。液晶表示装置１１は、プリズムシート４０、４１を備える。図１２は、プリズムシート４０の斜視図である。プリズムシート４１もプリズムシート４０と同じ形状を有する。プリズムシート４０、４１以外の構成は、第１実施形態と同じである。

　プリズムシート４０は、基部４０ｂと、複数の三角プリズム部分４０ｃとから構成される。複数の三角プリズム部分４０ｃの各々は、第１実施形態の三角プリズムよりサイズ（厚さ）が小さい三角柱からなり、第１実施形態の三角プリズムと相似形である。三角プリズム部分４０ｃは、傾き角αを有し、三角プリズム部分４０ｃの傾き角αは、基部４０ｂに接する面と傾斜面４０ａとのなす角度である。複数の三角プリズム部分４０ｃは、同じ向き、すなわちそれぞれの傾斜面４０ａが平行になるように並んで配列される。プリズムシート４０と同様に、プリズムシート４１は、基部４１ｂと、複数の三角プリズム部分４１ｃとから構成される。プリズムシート４０、４１は、それぞれの傾斜面４０ａ、４１ａが平行になるように、点対称（１８０°回転対称）に配置される。

　以上のように構成されたプリズムシート４０、４１を用いた場合でも、第１実施形態と同じ効果が得られる。また、三角プリズム部分４０ｃの数をｎとすると、プリズムシート４０の厚さは、第１実施形態の三角プリズムと比べて１／ｎ（但し、基部４０ｂを考慮しない）にすることができる。例として、ｎ＝１００、液晶表示装置の厚さ（図１１の縦方向の長さ）が２ｃｍ、三角プリズム部分の傾き角が２９°とすれば、０．２２ｍｍの厚さ増加に抑えることができる。

　（変形例１）
　図１３は、第２実施形態の変形例１に係る液晶表示装置１１の断面図である。三角プリズム部分４０ｃのうち基板面にほぼ垂直方向の面（垂直面と呼ぶ）には、吸収層４２が設けられる。吸収層４２は、自身に入射する光を吸収する機能を有する。同様に、三角プリズム部分４１ｃの垂直面には、吸収層４２が設けられる。

　三角プリズム部分４０ｃの傾斜面４０ａに入射する有効な光（表示に利用される光）は、三角プリズム部分４０ｃで屈折して液晶層２２をほぼ垂直に進む。一方、三角プリズム部分４０ｃの垂直面に入射する不要な光は、液晶表示装置１１の表示にほとんど利用されない。吸収層４２は、この不要な光を吸収する。これにより、液晶表示装置１１の画質が劣化するのを抑制できる。なお、光源部１２からの照明光が入射されるプリズムシート４０のみに吸収層４２を設け、プリズムシート４１には吸収層４２を設けないようにしてもよい。

　（変形例２）
　図１４は、第２実施形態の変形例２に係る液晶表示装置１１の断面図である。三角プリズム部分４０ｃの垂直面と吸収層４２との間には、反射層４３が設けられる。同様に、三角プリズム部分４１ｃの垂直面と吸収層４２との間には、反射層４３が設けられる。反射層４３は、自身に入射する光を反射する機能を有する。

　三角プリズム部分４０ｃに入射した光のうち液晶層２２に向かわずに反射層４３に向かう光は、図１４の破線で示すように、反射層４３により反射されて液晶層２２を透過する。すなわち、三角プリズム部分４０ｃに入射した光のうち反射層４３に向かう光は、液晶表示装置１１の表示のために再利用される。この結果、液晶表示装置１１のより明るい表示が可能となる。なお、光源部１２からの照明光が入射されるプリズムシート４０のみに吸収層４２及び反射層４３を設け、プリズムシート４１には吸収層４２及び反射層４３を設けないようにしてもよい。

　［第３実施形態］
　図１５は、本発明の第３実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０の断面図である。液晶表示装置１１は、反射鏡１３によって反射された外光の光路に対して液晶表示装置１１の表示面（基板面）の垂線が所定のチルト角θだけ傾くように配置される。同様に、光源部１２は、反射鏡１３によって反射された外光の光路に対して光源部１２の出射面の垂線が所定のチルト角θだけ傾くように配置される。すなわち、液晶表示装置１１の基板面と光源部１２の出射面とは、平行になるように配置される。

　図１６は、第３実施形態に係る液晶表示装置１１の断面図である。第３実施形態の液晶表示装置１１の構成は、プリズムシート４０が除かれる以外は、第２実施形態の液晶表示装置と同じである。

　光源部１２からの照明光は、液晶表示装置１１の基板面にほぼ垂直に入射する。このため、液晶層２２を透過する光は、基板面に対してほぼ垂直になる。これにより、液晶表示装置１１のコントラストが低下するのを防ぐことができる。

　プリズムシート４１は、液晶層２２を透過した光を、三角プリズム部分４１ｃの傾斜面４１ａにおいて屈折角αだけ屈折させる。すなわち、液晶表示装置１１から出射する光の光路は、第１実施形態と同じである。

　また、液晶表示装置１１からの出射光と同じ方向で向きが反対の外光は、三角プリズム部分４１ｃの傾斜面４１ａにおいてその入射方向と角度２（θ＋α）の方向に反射される。このため、外光が液晶表示装置１１からの出射光と同じ光路を辿って運転者１５に届くことはない。

　以上詳述したように第３実施形態では、液晶表示装置１１の入射側のプリズムシートをなくし、さらに、光源部１２を液晶表示装置１１と平行に配置している。これにより、プリズムシートを１つに減らすことができるため、液晶表示装置１１を薄くすることができ、さらに、ヘッドアップディスプレイ装置１０のコストを低減できる。その他の効果は、第１実施形態と同じである。

　なお、プリズムシート４１は、第１実施形態の三角プリズム４１に変えてもよい。また、第２実施形態で説明した吸収層４２及び反射層４３を第３実施形態のプリズムシート４１に適用することも可能である。

　［第４実施形態］
　図１７は、本発明の第４実施形態に係る液晶表示装置１１及び光源部１２の断面図である。液晶表示装置１１及び光源部１２以外の構成は、第３実施形態と同じである。

　液晶表示装置１１において、偏光板３０のＴＦＴ基板２０と反対面には、反射型偏光板５０が設けられる。反射型偏光板５０の偏光板３０と反対面には、位相差板（λ／４板）５１が設けられる。なお、図１７の偏光板、反射型偏光板、及び位相差板の平面図は、光源部１２側から見た平面を示している。また、図１７の平面図において、水平方向に対する偏光板３０の透過軸の角度をγと表記している。角度γは、任意に設定可能である。

　反射型偏光板５０は、光の進行方向に直交する平面内において、互いに直交する透過軸及び反射軸を有する。反射型偏光板５０は、ランダムな方向の振動面を有する光のうち、透過軸に平行な振動面を有する直線偏光を透過し、反射軸に平行な振動面を有する直線偏光を反射する。反射型偏光板５０の透過軸は、偏光板３０の透過軸と平行に設定される。反射型偏光板５０としては、例えば、３Ｍ社のＤＢＥＦ（Dual Brightness Enhancement Film）、又は旭化成のワイヤグリッド偏光板などがある。

　位相差板５１は、屈折率異方性を有しており、光の進行方向に直交する平面内において、互いに直交する遅相軸及び進相軸を有する。位相差板５１は、遅相軸と進相軸とをそれぞれ透過する所定波長の光の間に所定のリタデーション（λを透過する光の波長としたとき、λ／４の位相差）を与える機能を有している。すなわち、位相差板５１は、λ／４板から構成される。位相差板５１の遅相軸は、反射型偏光板５０の透過軸に対して４５°の角度をなすように設定される。

　図１８は、液晶表示装置１１側から見た光源部１２の平面図である。光源部１２は、基板１２Ａ、複数の発光素子１２Ｂ、反射層１２Ｃ、及びケース１２Ｄを備える。基板１２Ａ上には、複数の発光素子１２Ｂが設けられる。各発光素子１２Ｂは、例えば白色のＬＥＤから構成される。図１８では、４個の発光素子１２Ｂを一例として示しているが、発光素子１２Ｂの数は任意に設計でき、発光素子１２Ｂの数は１個であってもよいし、４個以外の複数個であってもよい。基板１２Ａは、発光素子１２Ｂに電源を供給するための配線が設けられた回路基板から構成される。基板１２Ａの表面は、液晶表示装置１１のＴＦＴ基板２０又はＣＦ基板２１の表面と平行に配置される。

　基板１２Ａ上の発光素子１２Ｂが設けられていない領域には、反射層１２Ｃが設けられる。すなわち、反射層１２Ｃは、複数の発光素子１２Ｂとそれぞれほぼ同じ平面形状を有する複数の開口部を有する。反射層１２Ｃは、液晶表示装置１１側から入射する光を、再度、液晶表示装置１１側へ反射する。また、基板１２Ａ上には、複数の発光素子１２Ｂ及び反射層１２Ｃを囲むケース１２Ｄが設けられる。基板１２Ａ及びケース１２Ｄの外形は、例えば矩形である。

　このように構成されたヘッドアップディスプレイ装置１０では、まず、光源部１２から出射した照明光は、位相差板５１を透過し、反射型偏光板５０に到達する。反射型偏光板５０は、透過軸と平行な光を透過し、反射軸と平行な光を反射する。反射型偏光板５０を透過した光は、偏光板３０を透過する。

　一方、反射型偏光板５０によって反射された直線偏光は、位相差板５１を透過し、光源部１２の反射層１２Ｃで反射され、再度、位相差板５１を透過する。すなわち、反射型偏光板５０によって反射された直線偏光は、位相差板５１を２回透過するため、９０°旋光する。この結果、位相差板５１を２回透過した直線偏光は、反射型偏光板５０の透過軸と平行になるため、反射型偏光板５０及び偏光板３０を透過することができる。これにより、本来、偏光板３０で吸収されていた光を、表示として再利用することができる。

　（変形例）
　次に、第４実施形態の変形例について説明する。図１９は、第４実施形態の変形例に係る液晶表示装置１１及び光源部１２の断面図である。偏光板３０と反射型偏光板５０との間には、拡散部材５２が設けられる。

　拡散部材５２は、透過光をランダムな方向に拡散（散乱）することで、透過光を均一化する機能を有する。拡散部材５２は、拡散粘着材、拡散フィルム、又は拡散板などから構成される。拡散部材５２として拡散粘着材を用いた場合、拡散粘着材は、入射光を拡散する機能の他に、偏光板３０及び反射型偏光板５０を貼り付ける機能を有する。

　拡散部材５２は、等方的に光を拡散（散乱）することで、透過光及び反射光を均一化する機能を有する。拡散部材５２を用いることで、さらなる光の再利用が可能となる。

　（効果）
　以上詳述したように第４実施形態では、偏光板３０の吸収軸と平行の光を、偏光板３０に入射する前に、反射型偏光板５０によって光源部１２側に反射させる。さらに、この反射光が位相差板５１を２回透過するように反射層１２Ｃを配置することで、反射型偏光板５０による反射光が偏光板３０の透過軸と平行になるようにしている。

　従って第４実施形態によれば、本来、偏光板３０で吸収されていた光を、表示として再利用することができる。これにより、液晶表示装置１１のより明るい表示が実現できる。その他の効果は、第３実施形態と同じである。

　本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、１つの実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。

１０…ヘッドアップディスプレイ装置、１１…液晶表示装置、１２…光源部１２Ａ…基板、１２Ｂ…発光素子、１２Ｃ…反射層、１２Ｄ…ケース、１３…反射鏡、１４…表示部材、１５…運転者、１６…虚像、２０…ＴＦＴ基板、２１…ＣＦ基板、２２…液晶層、２３…スイッチングトランジスタ、２４…絶縁層、２５…画素電極、２６…コンタクトプラグ、２７…カラーフィルター、２８…共通電極、２９…シール材、３０，３１…偏光板、４０，４１…プリズムシート、４２…吸収層、４３…反射層、５０…反射型偏光板、５１…位相差板、５２…拡散部材。

Claims (17)

1. 　外光の光路に対して表示面の垂線がチルト角だけ傾いて配置された液晶表示装置であって、
   　光源部に対向配置された第１基板と、
   　前記第１基板に対向配置された第２基板と、
   　前記第１及び第２基板間に挟まれた液晶層と、
   　前記第１基板に設けられ、三角柱からなる第１プリズムと、
   　前記第２基板に設けられ、三角柱からなる第２プリズムと、
   　を具備し、
   　前記第１プリズムは、前記液晶層を透過する光が前記表示面に対してほぼ垂直になるように、前記光源部からの光を屈折させ、
   　前記第２プリズムは、前記液晶層を透過した光が前記表示面に対して前記チルト角だけ傾くように、前記液晶層を透過した光を屈折させることを特徴とする液晶表示装置。
2. 　前記第１プリズムにより屈折された光の光路は、前記表示面の垂線に対して５°以内の傾きが許容されることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 　前記光源部は、前記表示面に対して前記チルト角だけ傾いていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
4. 　前記第１及び第２プリズムは、点対称に配置されることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
5. 　前記チルト角をθ、前記プリズムの屈折率をｎ_ｐとすると、前記プリズムの傾斜角αは、
   　α＝ｔａｎ^－１｛ｓｉｎθ／（ｎ_ｐ－ｃｏｓθ）｝
   　を満たすことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
6. 　前記第１及び第２プリズムの各々は、それぞれの傾斜面が平行に配列された複数の三角プリズム部分を備えることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
7. 　前記複数の三角プリズム部分の各々の一面に設けられ、光を吸収する吸収層をさらに具備することを特徴とする請求項６に記載の液晶表示装置。
8. 　前記三角プリズム部分と前記吸収層との間に設けられ、光を反射する第２反射層をさらに具備することを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
9. 　外光の光路に対して表示面の垂線がチルト角だけ傾いて配置された液晶表示装置であって、
   　前記表示面と平行に配置された光源部と、
   　前記光源部に対向配置された第１基板と、
   　前記第１基板に対向配置された第２基板と、
   　前記第１及び第２基板間に挟まれた液晶層と、
   　前記第２基板に設けられ、三角柱からなるプリズムと、
   　を具備し、
   　前記プリズムは、前記液晶層を透過した光が前記表示面に対して前記チルト角だけ傾くように、前記液晶層を透過した光を屈折させることを特徴とする液晶表示装置。
10. 　前記第１基板の前記光源部側に設けられた第１偏光板と、
    　前記第１偏光板の前記光源部側に設けられ、前記光源部からの光のうち反射軸と平行な成分を反射する反射型偏光板と、
    　前記反射型偏光板の前記光源部側に設けられ、光にλ／４の位相差を与える位相差板と、
    　前記第２基板と前記プリズムとの間に設けられた第２偏光板と、
    　をさらに具備し、
    　前記反射型偏光板の透過軸は、前記第１偏光板の透過軸と平行であることを特徴とする請求項９に記載の液晶表示装置。
11. 　前記第１偏光板と前記反射型偏光板との間に設けられた拡散部材をさらに具備することを特徴とする請求項１０に記載の液晶表示装置。
12. 　前記光源部は、前記位相差板の方向に光を反射する第１反射層を備えることを特徴とする請求項１０に記載の液晶表示装置。
13. 　前記チルト角をθ、前記プリズムの屈折率をｎ_ｐとすると、前記プリズムの傾斜角αは、
    　α＝ｔａｎ^－１｛ｓｉｎθ／（ｎ_ｐ－ｃｏｓθ）｝
    　を満たすことを特徴とする請求項９に記載の液晶表示装置。
14. 　前記プリズムは、それぞれの傾斜面が平行に配列された複数の三角プリズム部分を備えることを特徴とする請求項９に記載の液晶表示装置。
15. 　前記複数の三角プリズム部分の各々の一面に設けられ、光を吸収する吸収層をさらに具備することを特徴とする請求項１４に記載の液晶表示装置。
16. 　前記三角プリズム部分と前記吸収層との間に設けられ、光を反射する第２反射層をさらに具備することを特徴とする請求項１５に記載の液晶表示装置。
17. 　前記請求項１乃至１６のいずれかに記載の液晶表示装置と、
    　前記液晶表示装置を透過した光を表示部材に向けて反射する反射鏡と、
    　を具備することを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。

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