JP2015045735A - バックライトユニット、及び表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】搭載される装置の設計自由度を高めることが可能なバックライトユニット、及び、これを備える表示装置を提供する。【解決手段】バックライトユニット１は、液晶表示素子２を照明する光を出射する光源１０と、光源１０が出射した光を液晶表示素子２の表示領域Ａに対応するように集光する集光手段と、光源１０が出射した光を液晶表示素子２に向けて反射させる反射面６１を有する反射部６０と、を備える。バックライトユニット１は、反射面６１が光源１０の光軸ＡＸに対して傾斜していることで、光源１０から液晶表示素子２に至る光の光路が反射部６０で折り曲がるように構成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、バックライトユニット、及びこれを備える表示装置に関する。

所定の画像を表示する表示器として、液晶表示素子をバックライトで透過照明する構成のものが知られている。特許文献１には、このような構成の表示器を備えた、いわゆるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置と呼ばれる表示装置が開示されている。ＨＵＤ装置は、表示器からの表示光を車両のフロントガラスに投射することで、所定の画像を虚像としてユーザ（主に運転者）に視認させる。

特許文献１に係る表示器では、バックライト用の光源から液晶表示素子に至る光路が一直線になっており、その光路上に調光部材、拡散板が積層状態で配置されることで、液晶表示素子の背後にバックライトユニットが構成されている。

特開２００７−８６３８７号公報

特許文献１に係る構造のように、バックライト用の光源から液晶表示素子に至る光路が一直線になっていると、光源と液晶表示素子の間にレンズ等の光学素子を配置したい場合、バックライトユニットが液晶表示素子の背後方向に延びる形状となってしまう。そのため、バックライトユニットが搭載される装置の設計自由度が低くなってしまう場合があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、搭載される装置の設計自由度を高めることが可能なバックライトユニット、及び、これを備える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、本発明の第１の観点に係るバックライトユニットは、
液晶表示素子を照明する光を出射する光源と、
前記光源が出射した光を前記液晶表示素子の表示領域に対応するように集光する集光手段と、
前記光源が出射した光を前記液晶表示素子に向けて反射させる反射面を有する反射部と、を備え、
前記反射面が前記光源の光軸に対して傾斜していることで、前記光源から前記液晶表示素子に至る光の光路が前記反射部で折り曲がるように構成されている、
ことを特徴とする。

上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係る表示装置は、
前記バックライトユニットと前記液晶表示素子とを備え、前記液晶表示素子が前記光源からの光で照明されることで発する表示光を装置外部に出射し、前記装置外部の所定位置で前記表示光が表す画像を視認させる、
ことを特徴とする。

本発明によれば、搭載される装置の設計自由度を高めることが可能なバックライトユニット、及び、これを備える表示装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置の搭載態様を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態に係るＨＵＤ装置の概略断面図である。 図２に示すＨＵＤ装置の表示器近傍の拡大図である。 本発明の一実施形態に係るバックライトユニットの概略分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係るバックライトユニットの機能を説明するための模式図である。

本発明の一実施形態に係るバックライトユニットを、図面を参照して説明する。

本実施形態に係るバックライトユニットは、図１に示すヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置１００に組み込まれるものである。
ＨＵＤ装置１００は、車両Ｃのダッシュボードに埋め込まれるようにして設けられ、図２に示すように、バックライトユニット１及び液晶表示素子２から構成される表示器３と、平面鏡４と、凹面鏡５と、筐体６と、保護部材７と、を備える。

ＨＵＤ装置１００は、表示器３から出射される表示光Ｌを車両ＣのウインドシールドＳ（フロントガラス）に投射することで、表示光Ｌが表す画像を虚像ＶとしてユーザＵ（主に運転者）に視認させる。表示器３から出射される表示光Ｌは、液晶表示素子２がバックライトユニット１からの光で透過照明されることで得られ、所定の画像を表す。

バックライトユニット１は、図３に示すように、光源１０と、平行光生成手段２０と、照度均一化手段３０と、レンズアレイ４０と、第１のフォーカスレンズ５１と、第２のフォーカスレンズ５２と、反射部６０と、拡散板７０と、ケース体８０と、カバー部材９０と、を備える。

平行光生成手段２０、照度均一化手段３０、レンズアレイ４０、第１のフォーカスレンズ５１、第２のフォーカスレンズ５２、反射部６０、及び拡散板７０は、光源１０が出射する光の光路上に配置されている。これらは、光源１０から液晶表示素子２に向かって、平行光生成手段２０、照度均一化手段３０、レンズアレイ４０、第１のフォーカスレンズ５１、反射部６０、第２のフォーカスレンズ５２、拡散板７０の順で配置されている。

光源１０は、液晶表示素子２を透過照明する光（以下、照明光Ｉとも呼ぶ）を発する。光源１０は、例えば、２つのＬＥＤ（Light Emitting Diode）から構成されている。なお、光源１０は、１又は３以上のＬＥＤから構成されていてもよい。光源１０は、ケース体８０に固定された回路基板１１（図４参照）に実装されている。回路基板１１は、アルミ、樹脂等からなる基材に回路パターンが形成されてなるものであり、後述の制御部（図示せず）と公知の手法で導通接続されている。

平行光生成手段２０は、光源１０からの照明光Ｉを受け、平行光として出射する。ここでいう平行光は、光源１０の光軸ＡＸ（図３参照）と略平行（丁度平行も含む）に進む光である。平行光生成手段２０は、例えばコンデンサレンズからなる。平行光生成手段２０として、コリメートレンズ等の他の公知の光学素子を採用してもよい。

照度均一化手段３０は、平行光生成手段２０によって平行光とされた照明光Ｉが入射し、出射側の光の照度分布の均一化を図るものである。照度均一化手段３０は、例えば、ライトボックスからなる。このライトボックスは、光軸ＡＸを取り囲む角筒状の部材であり、内面（光軸ＡＸ側の面）が鏡面となっているものである。照度均一化手段３０は、光拡散板、光反射板等を備えた他の公知のライトボックス等であってもよい。

レンズアレイ４０は、単レンズを縦横に複数配列してなるレンズ体であり、いわゆるフライアイレンズと呼ばれるものである。レンズアレイ４０は、例えば、光源１０側と液晶表示素子２側との両面が凸となる、いわゆる両凸レンズである。
レンズアレイ４０には、照度均一化手段３０によって照度が略均一化された照明光Ｉが入射する。レンズアレイ４０は、自身を構成するレンズの数だけ多重像を生じさせるため、１つの光源１０の像が、レンズアレイ４０のレンズの数だけの多重像となる。これにより、少ない光源１０でも均質な光強度分布で液晶表示素子２を照明することができる。

第１のフォーカスレンズ５１及び第２のフォーカスレンズ５２は、液晶表示素子２の表示領域Ａ（図５参照）に対応するように集光する集光手段として機能する。具体的には、第１のフォーカスレンズ５１と第２のフォーカスレンズ５２とは、協働して、液晶表示素子２の前面（図２及び図３において紙面上方向に向く面）に表示される画像の表示可能範囲（表示領域Ａ）に対応する背面の全面に渡って、レンズアレイ４０からの照明光Ｉを照射させる。これにより、レンズアレイ４０で生成された多重像を表す照明光Ｉを液晶表示素子２の背面の必要な範囲に効率良く照射することができる。

第１のフォーカスレンズ５１及び第２のフォーカスレンズ５２は、例えば、アクリルレンズからなり、両者の少なくとも一方は、トロイダルレンズとして構成されている。つまり、第１のフォーカスレンズ５１の両面と第２のフォーカスレンズ５２の両面との４面のうち、少なくとも１面は、トロイダル面として構成されている。これにより、第１のフォーカスレンズ５１及び第２のフォーカスレンズ５２を通過した照明光Ｉは、長方形形状に配光されるため、一般的に長方形状に形成されることの多い液晶表示素子２の表示領域Ａの形状に合わせて、効率良く液晶表示素子２に照射される。

反射部６０は、第１のフォーカスレンズ５１と第２のフォーカスレンズ５２の間に配置されている。反射部６０は、例えば、樹脂、ガラス等からなる基材にアルミニウム等の金属を蒸着させ反射面６１を形成した平面鏡から構成されている。反射部６０は、光源１０の光軸ＡＸに対して反射面６１が傾斜するように配置されている。第１のフォーカスレンズ５１からの照明光Ｉは、この反射面６１で反射し、第２のフォーカスレンズ５２に入射する。
この実施形態では、図３に示すように、反射部６０から液晶表示素子２に至る照明光Ｉの光路が、光源１０の光軸ＡＸに対して略直交となるように反射部６０が配置されている。このようにして、反射部６０は、照明光Ｉの光路を変更する。

拡散板７０は、例えば、少なくとも一方の面に凹凸加工がなされた合成樹脂材からなり、透光性を有する。第２のフォーカスレンズ５２からの照明光Ｉは、拡散板７０を通過することで、拡散されて液晶表示素子２の背面に到達する。このように、拡散板７０が設けられることで、液晶表示素子２の照明のムラが極力低減される。

ケース体８０は、樹脂等から箱状に形成され、内部に、光源１０、平行光生成手段２０、照度均一化手段３０、レンズアレイ４０、第１のフォーカスレンズ５１、及び反射部６０を収容する。ケース体８０は、図４に示すように、上部開口部８１と側部開口部８２とを有している。上部開口部８１は、液晶表示素子２側に向かって開口している。側部開口部８２は、光源１０側に向かって開口している。上部開口部８１と側部開口部８２とは連通している。側部開口部８２を塞ぐように、回路基板１１が設けられている。回路基板１１は、ビス等の固定手段（図示せず）でケース体８０に固定されている。これにより、光源１０はケース体８０内部に向かって光を出射するように配置される。上部開口部８１のうち、光源１０とは反対側の端部を覆うようにして、第２のフォーカスレンズ５２が設けられている。上部開口部８１を塞ぐようにして、カバー部材９０が設けられている。

カバー部材９０は、図４に示すように、樹脂等から板状に形成され、ケース体８０の上部開口部８１を覆う。カバー部材９０は、ビス９０ｂ等の固定手段でケース体８０に固定されている。カバー部材９０には、第２のフォーカスレンズ５２を覗かせる開口部９１が形成されている。開口部９１は、第２のフォーカスレンズ５２のレンズ面形状に対応する形状となっている。

ケース体８０とカバー部材９０とで、バックライトユニット１の筐体が構成されている。
以上で説明したように、１つのケース体８０内に、照度均一化手段３０、第１のフォーカスレンズ５１、反射部６０等の光学部品を設置する構成としているため、バックライトユニット１の組立も容易となっている。また、カバー部材９０が、必要な箇所以外（つまり、第２のフォーカスレンズ５２を覗かせる開口部９１以外）の箇所を覆っているため、バックライトユニット１外部に照明光Ｉが不必要に漏れることを防止できる。

液晶表示素子２は、例えば、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）型の液晶パネルの前面及び背面に偏光板を設けることで構成されている。なお、液晶表示素子２を構成する液晶パネルは、パッシブ駆動型のものであってもよい。また、液晶パネルとして、ＴＮ（Twisted Nematic）型、ＶＡ（Vertical Alignment）型、ＳＴＮ（Super-Twisted Nematic）型、強誘電性型等の様々な型のものが適用可能である。

液晶表示素子２は、制御部（図示せず）の制御のもと、各画素を、透過、不透過のいずれかの状態に切り替えることで所定の画像を表示する。例えば、制御部は、車両ＣのＥＣＵ（Electronic Control Unit）から通信ラインにより伝送される各種の車両情報を取得し、車両速度や燃費等を示す画像を液晶表示素子２に表示させる。同時に、制御部は、光源１０を発光させる。これにより、液晶表示素子２は、バックライトユニット１で生成された照明光Ｉによって透過照明され、表示画像を表す表示光Ｌが液晶表示素子２から出射される。
このようにして、バックライトユニット１と液晶表示素子２とから構成される表示器３から表示光Ｌが出射される。

図２に戻って、平面鏡４は、樹脂、ガラス等からなる基材にアルミニウム等の金属を蒸着させ反射面を形成して成る。平面鏡４は、表示器３が発した表示光Ｌを凹面鏡５に向け反射させる。

凹面鏡５は、樹脂、ガラス等からなる基材にアルミニウム等の金属を蒸着させ反射面を形成して成る。凹面鏡５の反射面は、凹面になっており、表示器３からの表示光Ｌは拡大されてウインドシールドＳに投射される。これにより、ユーザＵに視認される虚像Ｖは、表示器３に表示されている画像が拡大された大きさになる。

筐体６は、樹脂等から箱状に形成され、内部に、平面鏡４及び凹面鏡５を収容する。平面鏡４及び凹面鏡５は、筐体６の内部に公知の手法により固定されている。

筐体６は、図２に示すように、上部開口部６ａと下部開口部６ｂとを有している。上部開口部６ａは、ウインドシールドＳに向かって開口しており、表示光ＬをＨＵＤ装置１００外部に通過させる出射口として機能する。下部開口部６ｂは、筐体６の上部開口部６ａとは反対側に位置し、その下端部（図２の紙面下方向の端部）に液晶表示素子２が配置されている。このようにして、下部開口部６ｂは、液晶表示素子２の表示面を筐体６内部に向かって覗かせるように形成されている。
このように、筐体６は、液晶表示素子２から出射口として機能する上部開口部６ａまでの表示光Ｌの光路を取り囲むように形成されている。

図２に示すように、バックライトユニット１は、筐体６の外側であって下部開口部６ｂ側から、筐体６に取り付けられている。例えば、ビス８等の固定手段でケース体８０が筐体６に固定されることにより、バックライトユニット１は、筐体６に取り付けられている。この際、ケース体８０を覆うカバー部材９０の開口部９１（図４参照）が、筐体６の下部開口部６ｂ（図２参照）と通じるようにして、バックライトユニット１は取り付けられている。

保護部材７は、樹脂等からなり、筐体６に取り付けられたバックライトユニット１を下側（図２の紙面下側）から覆うようにして、筐体６に所定の方法で固定されている。このように設けられた保護部材７は、バックライトユニット１を、塵、振動等から保護する。

ＨＵＤ装置１００がユーザＵに所定の画像を虚像Ｖとして視認可能とする機構を簡潔に述べれば、次の（１）、（２）のようになる。
（１）表示器３が画像を表示することで表示光Ｌが出射される。表示器３からの表示光Ｌは平面鏡４及び凹面鏡５で反射し、ウインドシールドＳに向かう。このようにして、ＨＵＤ装置１００は表示光ＬをウインドシールドＳに向けて出射する。
（２）ＨＵＤ装置１００からの表示光ＬがウインドシールドＳで反射することで、ユーザＵから見てウインドシールドＳの前方に表示画像の虚像Ｖが結ばれる。

以上に説明したバックライトユニット１は、液晶表示素子２を照明する光を出射する光源１０と、光源１０が出射した光を液晶表示素子２の表示領域Ａに対応するように集光する集光手段（第１のフォーカスレンズ５１及び／又は第２のフォーカスレンズ５２）と、光源１０が出射した光を液晶表示素子２に向けて反射させる反射面６１を有する反射部６０と、を備え、反射面６１が光源１０の光軸ＡＸに対して傾斜していることで、光源１０から液晶表示素子２に至る光の光路が反射部６０で折り曲がるように構成されている。
この構成により、反射部６０が光源１０から液晶表示素子２に至る光の光路を折り曲げることができるため、液晶表示素子２の背面側に一直線上に光学部品を配置せずに済む。これにより、バックライトユニット１が液晶表示素子２の背面側に必要以上に突出する構造を避けることができる。よって、バックライトユニット１が搭載される装置（表示器３やＨＵＤ装置１００（表示装置の一例））の設計自由度を高めることができる。

また、バックライトユニット１において、前記集光手段は、第１のフォーカスレンズ５１と第２のフォーカスレンズ５２から構成され、反射部６０は、第１のフォーカスレンズ５１と第２のフォーカスレンズ５２との間に位置する。
液晶表示素子２を照明する光を効率的に配光するには、フォーカスレンズ間の距離をある程度確保する必要がある。このように、光学部品間の距離が長くなる箇所に反射部６０を設けて、光源１０から液晶表示素子２に至る光の光路を折り曲げることで、バックライトユニット１が液晶表示素子２の背面側に必要以上に突出する構造を、より良好に避けることができる。また、この構成により、集光手段を照度均一化手段３０に接近させることが可能であり、効率良く、液晶表示素子２を照明しつつも、集光手段を構成するフォーカスレンズを小型化することができる。

また、バックライトユニット１は、光源１０からの光が入射し、入射した光の照度を略均一化して出射する照度均一化手段３０をさらに備え、照度均一化手段３０は、光源１０と前記集光手段の間に位置し、反射部６０は、照度均一化手段３０よりも液晶表示素子２側に位置する。
これにより、構成上、光路に沿って延在する形状となる場合が多い照度均一化手段３０（ライトボックス）を、液晶表示素子２の背面に一直線上に配置せずに済むため、バックライトユニット１が液晶表示素子２の背面側に必要以上に突出する構造を、より良好に避けることができる。

また、ＨＵＤ装置１００（表示装置の一例）は、バックライトユニット１と液晶表示素子２とを備え、液晶表示素子２が光源１０からの光（照明光Ｉ）で照明されることで発する表示光Ｌを装置外部に出射し、装置外部の所定位置で表示光Ｌが表す画像を視認させる。このＨＵＤ装置１００は、表示光Ｌを装置外部に通過させる出射口として機能する上部開口部６ａを有し、液晶表示素子２から上部開口部６ａまでの表示光Ｌの光路を取り囲むように形成された筐体６をさらに備え、バックライトユニット１は、筐体６の外側に設けられている。
筐体６内は、表示光Ｌの光路を確保しなければならないため、その内部にバックライトユニット１を自由にレイアウトすることは困難である。しかし、このように、筐体６の外部にバックライトユニット１を配置することで、設計自由度を高めることが可能である。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。以下に変形の一例を示す。

（変形例）
以上では、集光手段が２枚のフォーカスレンズで構成される例を説明したが、集光手段は、１枚又は３枚以上のフォーカスレンズで構成されていてもよい。
集光手段をフォーカスレンズ１枚で構成する場合、反射部６０は、フォーカスレンズよりも光源１０側に配置するほうが、液晶表示素子２への照明光を効率的に配光する観点から好ましい。
集光手段をフォーカスレンズ３枚以上で構成する場合、それらのうち、最も光源１０側に位置するフォーカスレンズと、最も液晶表示素子２側に位置するフォーカスレンズとの間に反射部６０を設けることが好ましい。これは、前述のように、光学部品間の距離が長くなる箇所に反射部６０を設けたほうが、バックライトユニット１が液晶表示素子２の背面側に必要以上に突出する構造を、より良好に避けることができるためである。

以上では、反射部６０を平面鏡で構成した例を説明したが、これに限られない。反射部６０の反射面６１を曲面形状、例えば、球面、トロイダル面、コーニック面、自由曲面に形成してもよい。
このようにすれば、反射部６０がレンズ効果を発揮し、液晶表示素子２への配光を制御する機能を有することができるため、例えば、集光手段をフォーカスレンズ１枚で構成した場合であっても、精度良く配光を制御できる。また、集光手段をフォーカスレンズ２枚以上で構成した場合は、同様の効果により、フォーカスレンズの枚数を削減することが可能になるため、省スペース化とコスト低減を図ることができる。

以上の実施形態では、反射部６０から液晶表示素子２に至る照明光Ｉの光路が、光源１０の光軸ＡＸに対して略直交となるように反射部６０が配置する例を示したが、これに限られない。所望のレイアウトに応じて、光源１０の光軸ＡＸに対して、反射部６０の反射面６１を傾けて設置することが可能である。

また、液晶表示素子２の照明性能を満足する限りにおいては、バックライトユニット１において、レンズ、反射部６０以外のリフレクタ等の光学部品を適宜、追加、削除することもできる。

また、ＨＵＤ装置１００を、平面鏡４と凹面鏡５とのいずれか一方を用いないで構成することも可能であるし、いずれも用いずに構成することも可能である。

また、以上の説明では、表示光Ｌを車両ＣのウインドシールドＳで反射させることで、表示画像をユーザＵに視認させる例を示したが、これに限られない。ＨＵＤ装置１００が専用のコンバイナを備え、コンバイナで表示光Ｌを反射させることで表示画像を視認させてもよい。

また、以上の説明では、表示装置の一例をＨＵＤ装置１００として説明したが、これに限られない。表示器３からの表示光Ｌを装置外部に出射し、装置外部の所定位置で表示光Ｌが表す画像を視認させる表示装置であれば、ＨＵＤ装置１００以外の表示装置であってもよい。

また、以上の説明では、ＨＵＤ装置１００が搭載される乗り物の一例を車両Ｃとしたが、これに限られない。ＨＵＤ装置１００は、オートバイ等の他の車両、建設機械、農耕機械、船舶、航空機等に搭載されるものであってもよい。

なお、本発明は以上の実施形態及び図面によって限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜、実施形態及び図面に変更（構成要素の削除も含む）を加えることが可能である。

１００ ＨＵＤ装置
１ バックライトユニット
１０ 光源
ＡＸ 光軸
２０ 平行光生成手段
３０ 照度均一化手段
４０ レンズアレイ
５１ 第１のフォーカスレンズ
５２ 第２のフォーカスレンズ
６０ 反射部
７０ 拡散板
８０ ケース体
９０ カバー部材
Ｉ 照明光
２ 液晶表示素子
３ 表示器
６ 筐体
６ａ上部開口部（出射口）
Ｌ 表示光
Ｖ 虚像
Ｕ ユーザ

Claims (5)

1. 液晶表示素子を照明する光を出射する光源と、
   前記光源が出射した光を前記液晶表示素子の表示領域に対応するように集光する集光手段と、
   前記光源が出射した光を前記液晶表示素子に向けて反射させる反射面を有する反射部と、を備え、
   前記反射面が前記光源の光軸に対して傾斜していることで、前記光源から前記液晶表示素子に至る光の光路が前記反射部で折り曲がるように構成されている、
   ことを特徴とするバックライトユニット。
2. 前記集光手段は、複数のフォーカスレンズから構成され、
   前記反射部は、前記複数のフォーカスレンズのうち第１のフォーカスレンズと第２のフォーカスレンズとの間に位置する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のバックライトユニット。
3. 前記光源からの光が入射し、入射した光の照度を略均一化して出射する照度均一化手段をさらに備え、
   前記照度均一化手段は、前記光源と前記集光手段の間に位置し、
   前記反射部は、前記照度均一化手段よりも前記液晶表示素子側に位置する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のバックライトユニット。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のバックライトユニットと前記液晶表示素子とを備え、前記液晶表示素子が前記光源からの光で照明されることで発する表示光を装置外部に出射し、前記装置外部の所定位置で前記表示光が表す画像を視認させる、
   ことを特徴とする表示装置。
5. 前記表示光を前記装置外部に通過させる出射口を有し、前記液晶表示素子から前記出射口までの前記表示光の光路を取り囲むように形成された筐体をさらに備え、
   前記バックライトユニットは、前記筐体の外側に設けられている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の表示装置。