JP2015059979A - 画像表示素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】高いコントラストで光を変調する画像表示素子を提供する。【解決手段】画像表示素子は、主面上に複数の画素電極282が配列される基板280と、主面上に設けられる液晶層278と、液晶層278の上に設けられる共通電極276と、を備える。画素電極282には、第1電圧と、第1電圧よりも電位の高い第2電圧の範囲内の電圧が印加され、共通電極276には、第1電圧よりも電位の低い第3電圧と、第2電圧よりも電位の高い第4電圧とが交互に印加される。画像表示素子は、共通電極276の上に設けられる位相差板239をさらに備えてもよい。位相差板239は、第1電圧を印加した画素電極282と、第3電圧を印加した共通電極276との間に設けられる液晶層278を光が透過した場合に、当該透過した光に対して与えられる位相差を低減させる位相差の値を有する。【選択図】図5
Description
本発明は、画像表示素子に関する。
ヘッドアップディスプレイと呼ばれる車両用表示装置が知られている。ヘッドアップディスプレイは、車外から入る光を透過すると共に、車内に配置された光学ユニットから投射された画像を車両のウィンドシールドなどに反射させることにより、車外の風景に重畳して情報を表示する表示装置である。ヘッドアップディスプレイは、車外の景色を視認している運転者が視線や焦点をほとんど変化させることなく光学ユニットから投射された画像の情報を認識することができるため、車両用の表示装置として近年注目を集めている。
光学ユニットから投射される画像表示光の変調に用いる光学素子として、例えば、液晶を用いた反射型の画像表示素子が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
高精細な画像表示光を生成するには、高いコントラストで投射光を変調できることが望ましい。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、高いコントラストで光を変調する画像表示素子を提供することを目的とする。
本発明の画像表示素子は、主面上に複数の画素電極が配列される基板と、主面上に設けられる液晶層と、液晶層の上に設けられる共通電極と、を備える。画素電極には、第1電圧と、第1電圧よりも電位の高い第2電圧の範囲内の電圧が印加され、共通電極には、第1電圧よりも電位の低い第3電圧と、第2電圧よりも電位の高い第4電圧とが交互に印加される。
本発明の画像表示素子によれば、変調される光のコントラストを高めることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。かかる実施の形態に示す具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
実施の形態に係る画像表示装置として、車両のダッシュボード内に設置して使用されるヘッドアップディスプレイ10を例に挙げて説明する。図1は、本発明の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ10の設置態様を模式的に示す図である。ヘッドアップディスプレイ10は、光学ユニット100と制御装置50とを含む。図1は、車両の進行方向(図1における左方向)を基準として左側のダッシュボード内に光学ユニット100を配置して使用する場合を示す図であり、以下の実施の形態は、左ハンドル車における運転者向けにヘッドアップディスプレイ10が配置されている例を示している。なお、右ハンドル車用とするためには、車両の進行方向を基準として光学ユニット100の内部構成を左右反転させればよい。以下図1を参照して、ヘッドアップディスプレイ10の概要を説明する。
制御装置50は図示しないCPU(Central Processing Unit)を備え、光学ユニット100に表示させるための画像信号を生成する。制御装置50はまた、図示しない外部入力インタフェースを備えており、ナビゲーション装置やメディア再生装置などの外部装置から出力された画像信号が入力され、その入力された信号に対して所定の処理を行った後、光学ユニット100に出力することもできる。
光学ユニット100は、制御装置50が生成した画像信号をもとに、ウィンドシールド610に虚像450として表示させる画像表示光を生成する。このため光学ユニット100は、筐体110の内部に画像投射部210、中間鏡350、中間像形成部360、および投射鏡400を備える。
画像投射部210には、光源、画像表示素子、及び各種光学レンズなどが収納される。画像投射部210は制御装置50が出力した画像信号をもとに画像表示光を生成して投射する。なお、本実施の形態では画像表示素子として反射型液晶表示パネルであるLCOS(Liquid crystal on silicon)を用いる場合を例示する。
画像投射部210が投射した画像表示光は中間鏡350で反射される。中間鏡350で反射された画像表示光は、中間像形成部360に結像される。中間像形成部360で結像した実像に係る画像表示光は、中間像形成部360を透過し、投射鏡400に投射される。
投射鏡400は凹面鏡であり、中間像形成部360を透過した画像表示光は投射鏡400によって拡大されてウィンドシールド610に投射される。ウィンドシールド610に投射された画像表示光は、ウィンドシールド610によってユーザに向かう光路へ変更される。運転者であるユーザEは、ウィンドシールド610で反射さた画像表示光を虚像450として、ウィンドシールド610よりも視線方向の前方に認識する。
図2は、本発明の実施の形態に係る光学ユニット100の内部構成を示す図である。以下、図2を参照して、光学ユニット100の内部構成を説明する。
上述したように、光学ユニット100は、筐体110の内側に画像投射部210、中間鏡350、中間像形成部360、および投射鏡400を備える。詳細は後述するが、画像投射部210は、赤色、緑色、または青色の光をそれぞれ発生する3種類の異なる光源を備える。光源はLED(Light Emitting Diode)や半導体レーザー光源を用いて実現できるが、本実施の形態では、光源としてLEDを用いる場合について説明する。
光源は使用時に熱を発生する。このため、光学ユニット100は、光源を冷却するためのヒートシンクを備える。光源は3種類あるため、それらの光源を冷やすために、光学ユニット100の筐体110の外側に、赤色の光源と接続するヒートシンク120a、緑色の光源と接続するヒートシンク120b(図示せず)、および青色の光源と接続するヒートシンク120cを備える。
筐体110はアルミ製のダイキャストである。ここで、青色の光源および緑色の光源をそれぞれ冷却するためのヒートシンク120bおよびヒートシンク120cはともに、筐体110と一体に構成されている。これに対し、赤色の光源を冷やすためのヒートシンク120aは、ヒートシンク120bおよびヒートシンク120cから空間的に離れた場所に設置されるとともに、筐体110とは分離して外付けされている。このため、赤色の光源が発生する熱は、ヒートパイプ25を介してヒートシンク120aまで運ばれる。
次に、図3および図4を参照してヘッドアップディスプレイ10の光学系について説明する。図3は、画像投射部210の内部構成を画像表示光の光路とともに模式的に示す図である。図4は、中間鏡350、中間像形成部360および投射鏡400を介してウィンドシールド610に投射される画像表示光の光路を示す図である。
まず、図3を参照して画像投射部210の内部構成を説明する。画像投射部210は、照明部230a、230b、230c(以下総称して照明部230ともいう)、ダイクロイッククロスプリズム244、反射鏡236、フィールドレンズ237、偏光ビームスプリッタ238、位相差板239、検光子241、及び投射レンズ群242を備える。なお、図3では第1照明部230a、第3照明部230cの内部構成の記載を省略し、第2照明部230bの内部構成のみを示すが、それぞれの照明部230は、同様の構成を有する。
照明部230は、光源231、コリメートレンズ232、UV−IR(UltraViolet-Infrared Ray)カットフィルタ233、偏光子234、フライアイレンズ235を備える。光源231は赤色、緑色、青色のいずれかの色の光を発する発光ダイオードからなる。第1照明部230aは、光源として赤色の光を発する発光ダイオードを有する。第2照明部230bは、光源231として緑色の光を発する発光ダイオードを有する。第3照明部230cは、光源として青色の光を発する発光ダイオードを有する。
光源231は、光源取付部243に取り付けられる。光源取付部243は、図示しないヒートシンクと熱的に結合され、光源231の発光に伴い発生する熱を放熱する。光源231が発光した光は、コリメートレンズ232によって平行光に変えられる。UV−IRカットフィルタ233は、コリメートレンズ232を通過した平行光から紫外光及び赤外光を吸収し除去する。偏光子234は、UV−IRカットフィルタ233を通過した光を乱れのないP偏光へと変える。そしてフライアイレンズ235が、偏光子234を通過した光の明るさを均一に整える。
それぞれの照明部230のフライアイレンズ235を透過した光は、ダイクロイッククロスプリズム244に異なる向きから入射される。ダイクロイッククロスプリズム244に入射した赤色、緑色、青色の光は、三色が合成された白色光となって反射鏡236へ向かう。反射鏡236は、ダイクロイッククロスプリズム244により合成された白色光の光路を90度変更する。反射鏡236で反射された光は、フィールドレンズ237によって集光される。フィールドレンズ237が集光した光は、P偏光を透過する偏光ビームスプリッタ238及び位相差板239を介して、画像表示素子240に照射される。
画像表示素子240は、画素毎に赤色、緑色、及び青色のカラーフィルタを備えている。画像表示素子240に照射された光は、各画素に対応する色となり、画像表示素子240の備える液晶組成物によって変調が施され、S偏光の画像表示光となって偏光ビームスプリッタ238に向けて出射される。出射されたS偏光の光は偏光ビームスプリッタ238で反射され、光路を変えて検光子241を通過した後に投射レンズ群242へ入射される。投射レンズ群242を透過した画像表示光は、画像投射部210を出て中間鏡350に入射する。
次に、図4を参照して中間鏡350から中間像形成部360および投射鏡400を介してウィンドシールド610に投射される画像表示光の光路について説明する。画像投射部210の投射レンズ群242から出射された画像表示光の光路は、中間鏡350によって投射鏡400に向かう光路へ変更される。その途中で、中間鏡350で反射された画像表示光に基づく実像が中間像形成部360で結像する。
中間像形成部360は、拡散スクリーン362と、凹レンズ364を有する。拡散スクリーン362は、中間像形成部360を透過する画像表示光に基づく実像を結像させるとともに、投射鏡400へと向かう画像表示光の配光角ψを制御する。凹レンズ364は、投射鏡400へと向かう画像表示光の主光線の方向を制御し、中間像形成部360を透過する前後の画像表示光がなす角度θを調整する。
中間像形成部360を透過した画像表示光は、投射鏡400により反射されウィンドシールド610に投射される。ウィンドシールド610に投射された画像表示光は、ウィンドシールド610によってユーザに向かう光路へ変更される。これにより、ユーザは上述したように、ウィンドシールド610を介して画像表示光に基づく虚像を前方に視認することができる。したがって、ウィンドシールド610は、虚像提示面としての機能を有することとなる。
以上の構成とすることで、ユーザは、制御装置50から出力された画像信号に基づく虚像を、ウィンドシールド610を介して現実の風景に重畳して視認することができる。
つづいて、図5を参照しながら、本実施の形態に係る画像表示素子240について詳述する。画像表示素子240は、反射型の光変調素子であり、画像表示素子240へ入射した光Aは、液晶層278によって変調が施されるとともに画素電極282で反射され、変調された光Bとなって出射される。本実施の形態では、それぞれの画素電極282の印加される電圧よりも電圧値の高い駆動電圧を共通電極276に印加することで、液晶層278に対する印加電圧VLCを高めて光の変調特性を向上させる。
図5は、画像表示素子240および位相差板239の構造を模式的に示す図である。画像表示素子240は、透明基板274、共通電極276、液晶層278、制御基板280、複数の画素電極282、を備える。
透明基板274は、ガラスやプラスチックなどで構成される透明な平板である。透明基板274の主面のうち、制御基板280に対向する主面には、共通電極276が設けられる。共通電極276は、酸化亜鉛(ZnO)、インジウム錫酸化物(ITO)等の透明導電性酸化物(TCO)により形成される透明電極層である。共通電極276には、図1に示した制御装置50からの制御信号をもとに、パルス波形の電圧が印加される。
制御基板280は、シリコンなどの半導体基板で構成され、それぞれの画素電極282に印加する電圧を制御するための半導体素子を含む。制御基板280は、図1に示した制御装置50からの制御信号をもとに、それぞれの画素電極282に印加する電圧を制御する。画素電極282は、制御基板280の主面上にマトリックス状に配列される。画素電極282は、アルミニウム(Al)などの可視光の反射率が高い金属材料で構成される。
液晶層278は、共通電極276と制御基板280の間に封止され、入射光の偏光を回転させる液晶分子を有する。液晶層278は、共通電極276と画素電極282との間に加わる印加電圧VLCに応じて液晶分子の配向が変化する。これにより、画素電極282に入射する光に対する偏光の回転量が印加電圧VLCに応じて変化する。例えば、印加電圧VLCをゼロとした状態の場合、入射光Aと反射光Bの偏光方向がほとんど変化しないこととなる一方で、所定の印加電圧VLCを加えた状態の場合、反射光Bは入射光Aに対して偏光が回転した光となる。
図3を用いて上述したように、本実施の形態では照明部230からの光はP偏光となって画像表示素子240に入射し、画像表示素子240において変調された後に、偏光ビームスプリッタ238に反射して投射レンズ群242へと向かう。このとき、電圧VLCが印加されない状態の場合には、偏光方向が変化しないため、画像表示素子240に反射した光はP偏光のままとなる。そのため、画像表示素子240にて反射した光は、偏光ビームスプリッタ238で反射されず透過することとなる。したがって、印加電圧VLCをゼロとした場合、画像表示光が投射レンズ群242へ出射されないことから、黒色の画像表示光を表示する状態となる。
一方、所定の電圧VLCが印加された第2状態の場合には、偏光方向が回転することとなるため、反射光にはS偏光の成分が含まれる。反射光に含まれるS偏光の成分は、偏光ビームスプリッタ238にて反射され、投射レンズ群242へ出射される。したがって、第2状態においては画像表示光が投射レンズ群242へ出射されこととなり、白色の画像表示光を表示する状態となる。このとき液晶層278にかかる印加電圧VLCを変えることで、反射光に含まれるS偏光成分の割合を変化させることができる。これにより投射レンズ群242へ出射される光の明るさが画素ごとに制御される。
位相差板239は、複屈折性を有する光学素子であり、画像表示素子240から出射される光Bの偏光の回転量を調整する位相補償板である。位相差板239は、画像表示素子240により黒色として光を変調させる場合において、液晶層278の透過によって生じるS偏光成分を除去し、S偏光の残留による光漏れを抑制する。印加電圧VLCがかからない状態においても、液晶層278を透過することにより偏光方向が少しだけ回転してS偏光成分が生じ、投射レンズ群242に向かって光が漏れてしまうためである。そこで、液晶層278の透過により発生する位相差の補償に必要な位相差板239を挿入する。
なお、本実施の形態における位相差板239は、印加電圧VLCがかからない状態において発生する位相差を補償するのではなく、所定の印加電圧VLCをかけた状態において発生する位相差を補償できるよう、与えられる位相差の量が大きい位相差板239を用いる。このような位相差板239を用いる理由については、液晶層278にかかる印加電圧VLCの制御方法を述べてから後述する。以下、図6〜図9を参照しながら、印加電圧VLCの制御方法について詳述する。
図6および図7は、比較例に係る印加電圧VLCの波形を示す図である。図6は、比較例において白色の画像表示光を表示するための印加電圧VLCの波形を示す図であり、図7は、比較例において黒色の画像表示光を表示するための印加電圧VLCの波形を示す図である。
比較例においては、共通電極276に印加されるコモン電圧Vcomとして、基準となる第1電圧である0Vと、第1電圧よりも電圧の高い第2電圧V0とが交互に繰り返されるパルス波形の電圧を印加する。また、画素電極282に印加される画素電圧VPEとして、第1電圧(0V)と第2電圧V0の間の範囲内で、共通電極276に印加される電圧Vcomと同じ周波数のパルス波形の電圧が印加される。このとき、液晶層278には、コモン電圧Vcomと画素電圧VPEの差である印加電圧VLC=Vcom−VPEがかかることとなる。
比較例においては、図6に示すようにコモン電圧Vcomと、画素電圧VPEとを逆相にすることによって、印加電圧VLCとして振幅が第2電圧V0である交流パルスを液晶層278にかける。これにより、光変調量が最も大きい白色の画像表示光を生成する。一方、図7に示すようにコモン電圧Vcomと、画素電圧VPEとを同相にすることによって、液晶層278にかかる印加電圧VLCをゼロとする。これにより、光変調量が最も小さい黒色の画像表示光を生成する。これにより、印加電圧VLCから交流成分を排除し、液晶層278の焼き付きを防止することができる。
ここで、液晶層278による光の変調量は印加電圧VLCの大小によるため、画像表示素子240により変調される光のコントラストを高めるためには、最も明るい白色光を表示するための印加電圧VLCを大きくする必要がある。つまり、上述の比較例の場合には、第2電圧V0の値を大きくとればよい。しかしながら、画素の明るさを制御する制御基板280は、一般に薄膜トランジスタ(TFT;Thin Film Transistor)などの半導体素子で構成されるため、制御基板280から出力される画素電圧VPEの電圧値は一定範囲内に限られてしまう。
そこで、本実施の形態では、画素電圧VPEの値を高めるのではなく、コモン電圧Vcomの値を高くすることにより、明るい白色光を表示するための印加電圧VLCを大きくする。共通電極276は、制御基板280からの出力ではなく、制御装置50などに含まれる電源回路と直接接続することもでき、コモン電圧Vcomとして比較的高い電圧を容易に印加できるためである。以下、図8および図9を参照しながら、本実施の形態にかかる印加電圧VLCの制御方法について説明する。
図8は、本実施の形態において白色の画像表示光を表示するための印加電圧VLCの波形を示す図であり、図9は、本実施の形態において黒色の画像表示光を表示するための印加電圧VLCの波形を示す図である。
実施の形態においては、共通電極276にかかるコモン電圧Vcomとして、基準となる第1電圧よりもΔVだけ電圧の低い第3電圧(−ΔV)と、第2電圧V0よりもΔVだけ電圧の高い第4電圧V1が交互に繰り返されるパルス波形の電圧を印加する。例えば、第2電圧V0は5Vであり、差分電圧ΔVは1Vである。一方、画素電極282にかかる画素電圧VPEは、図6および図7に示した比較例と同じである。
したがって、図8に示す白色の画像表示光を表示する場合においては、印加電圧VLCとして振幅が第4電圧V1である交流パルスを液晶層278にかけることができる。これにより、画素電圧VPEを上げることができない場合であっても、印加電圧VLCを高めて変調される画像表示光のコントラストを高めることができる。また、印加電圧VLCを高めることにより、必要な光変調量を得るために必要な液晶層278の厚さを薄くすることができる。液晶層278を薄型化することにより、液晶の応答速度を高めることができる。また、液晶層278を薄型化することにより、隣接する画素間に位置する液晶分子が意図しない方向に配向するディスクリネーションの影響を低減することができる。
その一方で、図9に示す黒色の画像表示光を表示する場合においては、印加電圧VLCがゼロにはならず、第1電圧(0V)と第3電圧(−ΔV)の差分である差分電圧ΔVの振幅の交流パルスが液晶層278に印加される。そのため、黒色を表示する場合にであっても、少なからず入射光が変調されてしまう。そこで、本実施の形態では、差分電圧ΔVが液晶層278に印加された場合に付与される位相差を補償することのできる位相差板239を用いる。これにより、差分電圧ΔVが液晶層278に印加された場合であっても、光漏れを抑えてコントラストの高い黒色を表示することができる。
また、本実施の形態では、黒色の表示を行う場合に所定の差分電圧ΔVを印加しているため、黒色の表示を行う場合においても液晶分子を配向した状態とすることができる。これにより、黒色の表示時に液晶層278への印加電圧VLCをゼロとする場合と比べて、液晶の応答速度を高めることができる。
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。
上述した実施の形態においては、画像表示素子として反射型である場合を示したが、透過型の画像表示素子に対して上述の印加電圧の制御方法を適用することとしてもよい。この場合、制御基板としてガラス等の透明基板を用いるとともに、ガラス基板上に薄膜の半導体制御層を形成することとしてもよい。
10…ヘッドアップディスプレイ、50…制御装置、100…光学ユニット、210…画像投射部、239…位相差板、240…画像表示素子、276…共通電極、278…液晶層、280…制御基板、282…画素電極、350…中間鏡、360…中間像形成部、362…拡散スクリーン、364…凹レンズ、366…ベース部材、368…マイクロレンズアレイ、370…実像、400…投射鏡、450…虚像、610…ウィンドシールド。
Claims (2)
- 主面上に複数の画素電極が配列される基板と、
前記主面上に設けられる液晶層と、
前記液晶層の上に設けられる共通電極と、
を備え、
前記画素電極には、第1電圧と、前記第1電圧よりも電位の高い第2電圧の範囲内の電圧が印加され、
前記共通電極には、前記第1電圧よりも電位の低い第3電圧と、前記第2電圧よりも電位の高い第4電圧とが交互に印加されることを特徴とする画像表示素子。 - 前記共通電極の上に設けられる位相差板をさらに備え、
前記位相差板は、前記第1電圧を印加した前記画素電極と前記第3電圧を印加した前記共通電極との間に設けられる液晶層を光が透過する場合、または、前記第2電圧を印加した前記画素電極と前記第4電圧を印加した前記共通電極との間に設けられる液晶層を光が透過する場合に、当該透過する光に対して与えられる位相差を低減させる位相差の値を有することを特徴とする請求項1に記載の画像表示素子。
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