JP2011022210A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像の視認性を確保するとともに画像のコントラスト低下を抑える。
【解決手段】液晶表示パネル２５、無機位相差板２６、偏光板２７、ミラー２８、２９は、この順番で光軸ＡＯＬ上に配置され、液晶表示パネル２５からの表示光をフロントガラス１５に拡大投影し、フロントガラス１５で運転手１４の方向へ反射させる。液晶表示パネル２５は、光軸ＡＯＬに対して垂直な向きから水平軸中心に傾斜角αだけ回転させた向きに配置されている。無機位相差板２６の基材表面に形成された無機位相差膜は、屈折率異方性を有した屈折率楕円体が基材に対して平行または、傾斜して配置されており、透過する表示光の位相差を補償する。無機位相差板２６は、光軸ＡＯＬに対して垂直な向きから水平軸中心に傾斜角βだけ回転させた向きに配置されている。傾斜角βは、液晶表示パネル２５の傾斜角αや液晶表示パネル２５の液晶分子の傾き角を考慮して、適宜調整される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガラス板などの反射板に画像表示光を投影し、その反射板越しに虚像を観察させる表示装置に関し、特に、自動車や航空機などのフロントガラスを利用したヘッドアップディスプレイ装置に関する。

画像表示光（以下、単に表示光と称す。）を運転手に向かってフロントガラスで反射させ、スピードメータなどの計器類の画像を観察できるようにしたヘッドアップディスプレイ（Head-Up Display；ＨＵＤ）装置が知られている（特許文献１〜３参照）。ＨＵＤ装置では、フロントガラス越しに、計器類の画像が虚像として表示される。したがって、運転手は通常の前方視野とともに、視線方向や視度をほとんど変えることなく計器類の画像を観察できる。

ＨＵＤ装置に用いられる光学ユニットは、液晶表示パネル、光源、投影光学系などから構成される。液晶表示パネルには透過型のものが用いられる。液晶表示パネルの背後に設けられたバックライトが光源となり、液晶表示パネルを透過した光が表示光として投影光学系に入射する。投影光学系には凹面ミラーなどが用いられ、凹面ミラーで反射した表示光がフロントガラスでさらに反射し、運転手に向けられるようになっている。

このようなＨＵＤ装置では、太陽光や対向車のヘッドライトなどの外光が、フロントガラスから進入して表示光の経路を逆向きに進み、液晶表示パネルで反射することがある。液晶表示パネルが光軸に対して垂直に配置されている場合には、液晶表示パネルで反射した外光が表示光の経路を進んで運転手の視界に入り、画像の視認性に影響が及んでしまう。

そこで、液晶表示パネルを、光軸に対して垂直な向きから傾けて配置するなどし、液晶表示パネルで反射した外光が表示光の経路を進まないようにする必要がある。しかし、液晶表示パネルを傾けた場合、光源からの光が液晶表示パネルを斜めに透過するので、表示光に基づく画像のコントラストが低下してしまう。この場合、画像のコントラスト低下を抑える必要がある。

また、そもそもＨＵＤ装置は晴天時の明るい状況下で使用された場合に画像が視認できることが要求されており、画像のコントラストを高め、黒い部分（低輝度の部分）をより黒くする（低輝度にする）必要もある。

そこで、画像のコントラスト低下を抑えるには、例えば、液晶表示パネルの駆動方式がＴＮ（Twisted Nematic）方式の場合、液晶表示パネルにＷＶ（Wide View）フィルムを貼付することが考えられる（非特許文献１参照）。

特開平０３−２３９６３９号公報 特開平０５−２５４３６０号公報 特開２００２−２８７０７６号公報

森 裕行、外３名、「富士フイルムＷＶ film ワイドビューＳＡの開発」、［online］、富士フイルム株式会社、研究報告 No.46 2001年 研究報告書、［平成２１年６月４日検索］、インターネット（ＵＲＬ：http://www.fujifilm.co.jp/rd/report/rd046/pack/pdf/ff_rd046_009.pdf）

しかしながら、ＷＶフィルムで画像のコントラスト低下を抑える場合、ＷＶフィルムが液晶表示パネルに貼付されているので、最適調整を行うことができず、輝度などのバラツキを抑えることができない。また、ＷＶフィルムは、熱や紫外線に弱く劣化し易い。このように、ＷＶフィルムを貼付して画像のコントラスト低下を抑える場合には、様々な問題がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、画像の視認性を確保するとともに画像のコントラスト低下を抑えたヘッドアップディスプレイ装置（表示装置）を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の表示装置は、液晶表示パネルを透過した光源からの光が、観察者に対面するように配置された反射板で前記観察者に向けて反射され、前記液晶表示パネルに表示された画像が虚像として前記観察者に視認される表示装置であり、傾きの調整が可能に配置され、前記液晶表示パネルを透過した光を前記反射板に向けて透過させて前記光の位相差を補償する無機材料で形成された光学補償板を備え、前記液晶表示パネルは、光軸に対して垂直な向きから傾けて配置されていることを特徴とする。

なお、前記液晶表示パネルは、電圧が印加されていないときに液晶分子が基板面に対して略垂直に配向するＶＡ方式のものであることが好ましい。また、ヘッドアップディスプレイ装置であることが好ましい。

本発明の表示装置によれば、液晶表示パネルが光軸に対して垂直な向きから傾けて配置されているから、反射板を透過した太陽光などの外光が、表示光の経路を逆向きに進み、液晶表示パネルで反射した場合であっても、液晶表示パネルで反射した外光が表示光の経路に戻ることはない。つまり、液晶表示パネルで反射した外光によって画像の視認性に影響が及ぶことが防止される。

また、前記液晶表示パネルを透過した光を透過させて前記光の位相差を補償する光学補償板を備えているから、液晶表示パネルが傾けて配置されていることに起因する画像のコントラスト低下を抑えることができる。さらに、光学補償板が無機材料で形成されているから、有機材料で形成されている場合と比較して劣化し難い。

また、前記液晶表示パネルが、電圧が印加されていないときに液晶分子が基板面に対して略垂直に配向するＶＡ方式のものである場合、ＴＮ方式のものを用いた場合と比較して、高いコントラストを実現できる。さらに、液晶表示パネルの基板に、熱伝導率が高く放熱性の高いものを用いることで、液晶表示パネルが高温になることが防止される。つまり、使用環境に影響されず、高画質を実現できる。

ヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の概略図である。 ヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す概略図である。

図１に示すヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置と略す。）１１は、自動車１２のダッシュボード１３に内蔵され、スピードメータの値などの計器類を運転手（観察者）１４の前方に表示する。

ＨＵＤ装置１１は、内蔵する小型の液晶表示パネル２５（図２参照）からの表示光をフロントガラス（反射板）１５に拡大投影し、フロントガラス１５で運転手１４の方向へ反射させる。ＨＵＤ装置１１によれば、フロントガラス１５上に画像が結像して実像が表示されるのではなく、運転手１４から見てフロントガラス１５越しとなる位置に虚像１６が表示される。虚像１６が表示される位置は、例えば運転手１４から２ｍ以上離れており、運転手１４は、運転中に視線をほとんど動かさずに、且つ、目のピント調節を行わずに虚像１６を見ることができる。

図２に示すように、ＨＵＤ装置１１は、表示光を生成する表示光生成ユニット２１と、表示光生成ユニット２１が取り付けられる筐体２２とから構成される。表示光生成ユニット２１は、筒状のユニット本体２３の中に、光源２４、液晶表示パネル２５、無機位相差板２６、及び偏光板２７を備えている。これら２４〜２７は、符号の順番で、光源２４から照射される照明光の光軸（axis of lens）ＡＯＬ上に配置され、液晶表示パネル２５からの表示光を筐体２２内に導く。筐体２２内には、凹面ミラー２８及び平面ミラー２９が設けられている。これらミラー２８、２９は、液晶表示パネル２５からの表示光をフロントガラス１５に導く。

光源２４は、例えば白色のＬＥＤからなり、液晶表示パネル２５をその背後から一様に照射する。なお、光源２４は、白色のＬＥＤにより白色の照明光を照射するものに限らず、所望の色の照明光を照射するようにしてもよい。例えば、赤色、緑色、青色などの単色ＬＥＤから構成してもよく、これらの単色ＬＥＤをいくつか組み合せて所望の色で像を表示させるようにしてもよい。また、光源２４は、ＬＥＤに限らず、他の周知のランプなどを用いてもよい。

液晶表示パネル２５は、ＶＡ（Vertical Alignment；垂直配向）方式の透過型液晶表示パネルであり、背面から照射された照明光を透過して、画像の情報を有した表示光を生成する。

ＶＡ方式の液晶表示パネルは、垂直配向膜間にネマティック液晶が封入されており、液晶層に電圧が印加されていない状態では、液晶分子が基板に対して略垂直に配向する。液晶分子が基板に対して略垂直に配向していると、この液晶分子の影響をほとんど受けずに光が液晶層を通過するから、この状態で表示する黒色は、液晶層を挟み込むようにクロスニコル配置で設けられた偏光板の特性と略一致し、非常に高いコントラストが実現される。このように、ＶＡ方式のものは、高いコントラストが実現される点で、ＴＮ方式のものと比較して有利である。

液晶表示パネル２５には、スピードメータやタコメータ、水温計、燃料計など各種計器類の値が表示される。液晶表示パネル２５に表示される画像は、フロントガラス１５の前方に虚像として拡大投影される。

液晶表示パネル２５は、ユニット本体２３に設けられた固定用ゴム３０によって、下端部が揺動自在に片持ち支持されるとともに、ユニット本体２３の外側に設けられた傾き調整機構３１によって傾きが調整される。

傾き調整機構３１は、光軸ＡＯＬと平行に設けられたガイドポール３２と、ガイドポール３２の両端を固定する金具３３、３４と、ガイドポール３２に嵌めこまれたコイルスプリング３５と、液晶表示パネル２５の傾きを調整するための調整ネジ３６とを備えている。傾き調整機構３１は、液晶表示パネル２５の上端部に形成され、ユニット本体２３に形成された開口部を介してユニット本体２３の外部に突出した調整片２５ａに作用して、液晶表示パネル２５の傾きを調整する。

ガイドポール３２は、調整片２５ａに形成された貫通孔に挿通し、調整片２５ａが移動する方向を二次元に制限する。コイルスプリング３５は、調整片２５ａと金具３３との間に配置され、調整片２５ａを金具３４側へ付勢する。調整ネジ３６は、先端部が調整片２５ａに当接するように、金具３４に形成されたネジ孔に取り付けられ、回転により進退する。調整ネジ３６が前進した場合、調整片２５ａは、コイルスプリング３５が縮む方向に移動する。一方、調整ネジ３６が後退した場合、調整片２５ａは、コイルスプリング３５が伸びる方向に移動する。すなわち、調整ネジ３６の回転により、液晶表示パネル２５の傾きが調整される。

液晶表示パネル２５は、傾き調整機構３１によって傾きが調整され、光軸ＡＯＬに対して垂直な向きから水平軸中心に傾斜角α（例えば、４〜５°）だけ回転させた向きに配置されている。液晶表示パネル２５に表示される画像は、傾斜角αに対応させて、液晶表示パネル２５を直視する場合に表示すべき画像を変形したものとなっている。

無機位相差板２６は、平板状の基材（図示省略）の表面に、蒸着又はスパッタリングすることによって無機位相差膜（図示省略）が形成されており、液晶表示パネル２５を斜めに透過した表示光を透過する。無機位相差膜は、屈折率異方性を有した屈折率楕円体（図示省略）が基材に対して傾斜して配置されており、透過する表示光の位相差を補償する。これにより、運転手１４の前方に表示される画像のコントラストや視野角特性が高められる。

無機位相差板２６は、水平軸中心に回転自在に設けられ、光軸ＡＯＬに対して垂直な向きから傾斜角βだけ回転させた向きに配置されている。傾斜角βは、液晶表示パネル２５の傾斜角αや、液晶表示パネル２５の液晶分子の傾き角を考慮して、適宜調整される。

偏光板２７は、液晶表示パネル２５からの表示光を透過して、表示光の光量を調節する。偏光板２７は、光軸ＡＯＬに対して垂直な向きから水平軸中心に傾斜角γだけ回転させた向きに配置されている。傾斜角γは、液晶表示パネル２５の傾斜角αと略同一であり、表示光の光量などに基づいて適宜調整される。なお、偏光板２７の傾き調整は、偏光板２７を支持する枠体の四隅に突起（図示省略）を設け、各突起を削るなどしてその高さを変更することで実現される。

凹面ミラー２８は、反射面になる凹面を液晶表示パネル２５側に向けて配置され、液晶表示パネル２５からの表示光を、平面ミラー２９に向けて発散させるように反射させる。平面ミラー２９は、凹面ミラー２８で反射された表示光を、フロントガラス１５に向けて反射させる。凹面ミラー２８の面形状は、非回転対称の非球面形状となっており、表示光が凹面ミラー２８で反射することで画像の歪み補正が行われる。

凹面ミラー２８で発散するように反射した表示光は、筐体２２に形成された開口２２ａ、及びダッシュボード１３に形成された開口部１３ａを通過して、フロントガラス１５に拡大投影される。なお、光軸ＡＯＬは、凹面ミラー２８によって平面ミラー２９に向けて折り返されるとともに、平面ミラー２９によってフロントガラス１５に向けて折り返される。さらに、フロントガラス１５によって運転手１４に向けて折り返される。

なお、凹面ミラー２８を用いて表示光を拡大投影するようにしたが、拡大投影することができればよく、凹面ミラーを用いずにレンズを用いるようにしてもよい。

また、液晶表示パネル２５、無機位相差板２６、及び偏光板２７は、光軸ＡＯＬに対して垂直な向きから水平軸中心に回転させた向きに配置させたが、鉛直軸中心に回転させた向きに配置させる等、傾ける向きは任意である。

また、無機位相差板２６として、いわゆるＯ−プレートを用いた場合を例に説明したが、透過する表示光の位相差を補償できれば、Ｏ−プレートを用いることに限定されることはない。例えば、基材の入射面内方向の屈折率が、基材の厚さ方向の屈折率と異なる特性を有する、いわゆるＣ−プレートを用いてもよい。

１１ ヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ装置）
１４ 運転手（観察者）
１５ フロントガラス（反射板）
１６ 虚像
２１ 表示光生成ユニット
２４ 光源
２５ 液晶表示パネル
２６ 無機位相差板
３１ 傾き調整機構
ＡＯＬ 光軸

Claims (3)

1. 液晶表示パネルを透過した光源からの光が、観察者に対面するように配置された反射板で前記観察者に向けて反射され、前記液晶表示パネルに表示された画像が虚像として前記観察者に視認される表示装置において、
   傾きの調整が可能に配置され、前記液晶表示パネルを透過した光を前記反射板に向けて透過させて前記光の位相差を補償する無機材料で形成された光学補償板を備え、
   前記液晶表示パネルは、光軸に対して垂直な向きから傾けて配置されていることを特徴とする表示装置。
2. 前記液晶表示パネルは、電圧が印加されていないときに液晶分子が基板面に対して略垂直に配向するＶＡ方式のものであることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. ヘッドアップディスプレイであることを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。

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