JP4955967B2 - ヘッドアップディスプレイシステム - Google Patents

Description

本発明は、自動車のウィンドシールドガラスなどの透明板に液晶表示部を利用して投射表示するヘッドアップディスプレイシステムに関する。

従来より、自動車のウィンドシールドガラスなどに各種表示を投射するヘッドアップディスプレイシステムが知られている。このヘッドアップディスプレイシステムによれば、ウィンドシールドガラスに投射表示される虚像はそこに至る光路長分だけ前方に位置する。従って、ドライバーなどが前方を注視しつつ、表示を視認することができる。

なお、このようなヘッドアップディスプレイシステムは、例えば特許文献１に示されている。

特開２００３−２９５１０５号公報

ここで、ヘッドアップディスプレイシステムでは、フロントウィンドシールドなどのガラス板に表示を行う。従って、ここに照射する光は、その多くの部分が透過してしまう。従って、見やすい表示のためには、投射表示における反射効率を上昇したいという要求がある。

本発明は、映像信号に応じて光学特性が変化する液晶表示部と、前記液晶表示部によって変調された光が投射される透明板とを備え、前記投射された光を前記透明板で反射させて表示を行うヘッドアップディスプレイシステムであって、前記液晶表示部の光出射側に、偏光板と、該偏光板上に配置された２枚の２分の１波長板が配置され、前記２枚の２分の１波長板は、前記偏光板から出射される光を、前記透明板に入射する光と反射する光とが形成する面に直交する方向に偏光軸を持つ光にするように、それぞれの遅相軸の方向が設定されている。

そして、前記偏光板は、前記透明板に入射する光と反射する光とが形成する面に直交する方向に対して４５°方向の透過軸を有し、前記２枚の２分の１波長板は、前記偏光板上の第１の２分の１波長板の遅相軸が７９°方向を向いており、前記第１の２分の１波長板上の第２の２分の１波長板の遅相軸が１４６°方向を向いていることを特徴とする。

また、前記偏光板は、前記透明板に入射する光と反射する光とが形成する面に直交する方向に対して４５°方向の透過軸を有し、前記２枚の２分の１波長板は、前記偏光板上の第１の２分の１波長板の遅相軸が３３．５°方向を向いており、前記第１の２分の１波長板上の第２の２分の１波長板の遅相軸が１１．５°方向を向いていることを特徴とする。

このように、本発明では、透明板に照射する映像信号によって変調された光の偏光の透過軸方向が反射における中心線の方向に設定されている。従って、透明板における反射率が高くなり、効率のよい表示が行える。

特に、２枚の２分の１波長板を用いて、液晶を透過した直線偏光の透過軸方向を２度にわたって偏光すれば、ＲＧＢ各色についての透過軸の方向をそろえることが可能になり、適切なカラー表示を行うことができる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。図１は、実施形態に係るヘッドアップディスプレイシステムの概念的な構成を示す図である。

バックライト１０は、前方に向けて白色光を射出する。なお、ＲＧＢを個別に発光する素子を配列してもよい。このバックライト１０には、ＬＥＤや、冷陰極線管、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子等が利用される。

バックライト１０の前方には、透過型の液晶表示装置１２が配置される。液晶表示装置１２は、表示画素がマトリクス状に配置され、各画素に印加する電圧を制御することで表示を行う。この液晶表示装置１２の表示を映像信号により制御することで、映像信号によって変調された光が得られ、これが透過光として液晶表示装置１２から射出される。なお、液晶表示装置１２として、反射型を用いることも可能であり、その場合には反射光が映像信号によって変調された光として得られる。また、ＲＧＢのカラーフィルタを配置することで、カラーの映像を得ることができる。

液晶表示装置１２により変調された光は、ミラー１４に入射されて、ウィンドシールドガラス１６に投射される。

これによって、液晶表示装置１２の表示がウィンドシールドガラス１６に映り、観察者（例えば、車両のドライバー）がウィンドシールドガラス１６を見ることによって、液晶表示装置１２に表示された映像を見ることができる。また、ウィンドシールドガラス１６に映る映像は、液晶表示装置１２の虚像であり、ウィンドシールドガラス１６から液晶表示装置１２までの光路長分だけ、ウィンドシールドガラス１６の前方に位置する。従って、車両のドライバーにとって、見やすい表示になる。

なお、実際の装置では、光路長を稼ぐために複数のミラーを用い、装置全体をコンパクトにするためにレンズや凹面鏡などの光学系を用い映像を拡大するとともに、像の焦点あわせを行っている。

「構成例１」
図２には、構成例１に係る液晶表示装置１２の要部構成が示されている。本実施形態では、透過型液晶表示装置であり、液晶セル２０は、表示画素がマトリクス状に配置されたものであり、画素毎に液晶への印加電圧を制御することで、表示が制御される。すなわち、画素基板上に複数の画素電極がマトリクス状に配置されるとともに、この画素電極への電圧供給を制御する画素回路が画素毎に個別に設けられている。そして、この画素基板に対向して、共通電極が設けられた封止基板を設け、両者の間に液晶を封入する。従って、映像信号に応じて各画素電極の電位を制御することで、液晶に画素毎に異なる電位を印加してその光学特性を変化させて表示がなされる。

また、液晶セル２０の液晶はＴＮ（ツイスト・ネマティック）タイプであって、ラビングした配向膜によって液晶の配向が制御されている。そして、電圧の印加によって液晶のねじれを制御して表示を行うが、このとき偏光板２２は、方形の画面に対し、４５°方向の透過軸を有するものにする。すなわち、画面の縦方向や、横方向の偏光を用いて表示を行うと、縦方向と横方向とで見た目が異なって視野角依存性が大きくなり、均質な表示が行えないからである。

従って、液晶セル２０の上には、４５°方向の偏光板２２が配置される。次に、この偏光板２２の上には、第１の２分の１波長板２４と、第２の２分の１波長板２６が配置される。この２分の１波長板２４，２６において、それぞれ遅相軸上の光が進相軸上の光に対し、１８０°遅れる。ここで、第１の２分の１波長板２４では、遅相軸が７９°方向を向いたものを利用する。従って、４５°方向の偏光について、７９°方向の成分の位相が１６９°方向の成分に比べ１８０°遅れ、１１３°方向の直線偏光となる。さらに、１１３°方向の直線偏光は、遅相軸が１４６°の第２の２分の１波長板２６によって、１７９°方向（ほぼ１８０°方向）の偏光に変換される。

従って、ウィンドシールドガラス１６に投射される光線は、ほぼ１８０°方向の偏光となる。ウィンドシールドガラス１６に投射される光は、下方向からであって、これがウィンドシールドガラス１６によって水平方向に反射される。このような反射の場合、偏光軸が水平方向の偏光が反射率が高く、偏光軸が垂直方向の偏光は透過してしまう。従って、本実施形態のように１８０°方向の偏光をウィンドシールドガラス１６に投射することで、反射率を上昇して効率的な表示が行える。

さらに、本実施形態では、第１および第２の２分の１波長板２４，２６を利用して偏光板２２から放出される偏光軸４５°方向の偏光の偏光軸を１８０°に変換する。ここで、本実施形態においては、第１および第２の２分の１波長板２４，２６は、５４０ｎｍの光線に対し、遅相軸と進相軸とで２７０ｎｍ位相差を与えるように製作されている。このような第１および第２の２分の１波長板２４，２６では、ＲＧＢ各色に対し、付与する位相差が完全に同一なわけではない。しかし、第１および第２の２分の１波長板２４，２６により２度の位相シフトを行うことによって、ＲＧＢ各色の位相シフトをほぼ同一にして、きれいな表示を維持することができる。

例えば、入射する直線偏光の偏光軸に対し４５°の方向に遅相軸を有する２分の１波長板を２枚利用して、偏光軸を１８０°回転する場合には、２つの２分の１波長板の遅相軸同士が９０°異なっており、２枚の２分の１波長板を通過した後の光はＲＧＢについても位相がそろい直線偏光に戻るはずである。本実施形態では、第１の２分の１波長板２４の遅相軸は、入射光の偏光軸と３４°ずれており、また第２の２分の１波長板２６の遅相軸は、第１の２分の１波長板２４を通過して得られる偏光軸１１３°の直線偏光に対し３３°ずれた（１４６°の）遅相軸を有するこのような２枚の第１および第２の２分の１波長板２４，２６を用いることで、第１および第２の２分の１波長板２４，２６を通過したＲＧＢそれぞれの光においても直線偏光に近くなる。従って、Ｒ、Ｂの光が楕円偏光となり、ウィンドシールドガラス１６によって反射された光におけるＲＧＢのバランスが崩れることを防止することができる。

「構成例２」
図３には、構成例２に係る液晶表示装置１２の要部構成が示されている。この例では、第１の２分の１波長板２４の遅相軸が３３．５°、第２の２分の１波長板２６の遅相軸が１１．５°に設定されている。この構成によっても、４５°方向の偏光軸を持つ直線偏光が０°方向の偏光軸の直線偏光に変換され、上述の構成例１と同様にウィンドシールドガラス１６における高効率の反射が得られる。なお、この構成例２における第２の２分の１波長板２６の透過光は、構成例１と比べると、Ｒ、Ｂについて、楕円偏光に近い。

「参考構成例３」
図４には、参考構成例３に係る液晶表示装置１２の要部構成が示されている。この例では、１つの２分の１波長板３０が設けられており、この２分の１波長板３０の遅相軸が２２．５°に設定されている。この構成によっても、４５°方向の偏光軸を持つ直線偏光が０°方向の偏光軸の直線偏光に変換され、上述の構成例１、２と同様にウィンドシールドガラス１６における高効率の反射が得られる。なお、この参考構成例３における２分の１波長板３０の透過光は、構成例１、２と比べると、Ｒ、Ｂについて、楕円偏光に近い。

「構成例４」
図５には、構成例４に係る液晶表示装置１２の要部構成が示されている。この例では、液晶セル２０は、ＥＣＢ（電界制御複屈折：Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）方式のものが採用されている。

この方式は、液晶層に印加する電圧を変化させることによって、液晶分子の傾きを変え、その結果生じる液晶層の複屈折性の変化を一対の偏光板で検出し、カラー表示に応用する。このＥＣＢ方式の液晶セル２０を用いた場合、液晶セル２０における配向膜におけるラビング軸を９０°とした場合に、観察側表面に配置する偏光板２２の透過軸を１７３°に設定することで、視野角が左右均一になる。そこで、偏光板２２の透過軸は１７３°に設定される。

この場合において、第１の２分の１波長板２４の遅相軸を４０°、第２の２分の１波長板２６の遅相軸を１３４°に設定する。これによって、偏光板２２を透過した偏光軸１７３°の偏光は、第１の２分の１波長板２４において、８７°の偏光になり、第２の２分の１波長板２６において、１８１°の偏光に変換される。この構成によっても、２度の偏光軸のシフトによって、所望の角度（１８０°：水平方向）の偏光軸を有する偏光が得られる。これによって、ＲＧＢ各色の直線偏光性のよい光をウィンドシールドガラス１６に照射することができる。

なお、波長板３２は、２分の１波長板と、４分の１波長板の組み合わせからなり、円偏光を所定の方向の直線偏光に変換するものである。入射側にも同様の波長板が設けられ、直線偏光を円偏光に変換して液晶セル２０に円偏光を入射させている。

「構成例５」
図６には、構成例５に係る液晶表示装置１２の要部構成が示されている。この例では、液晶セル２０は、ＶＡ（垂直配向：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式のものが採用されている。

ＶＡ方式の液晶セル２０では、画素電極の端部および配向用突起により液晶の配向方向が制御され、従って配向方向は一方向ではない。従って、液晶の配向方向は、０°方向、９０°方向の両方がある。このため、使用する偏光の偏光軸は、０°方向または９０°方向ではない方がよく、偏光板２２の透過軸は４５°方向に設定される。

そこで、第１および第２の２分の１波長板２４、２６は、構成例１と同様に、遅相軸の角度がそれぞれ、７９°、１４６°のものを採用することが好適である。

このように、各種の液晶を用いた場合においても、所定の角度の遅相軸を有する２分の１波長板２４を用いて、偏光板２２を通過した直線偏光の偏光軸をシフトして、ウィンドシールドガラス１６に投射される光の偏光軸を１８０°（水平方向）にすることによって、下方から照射する光の反射率を上昇して好適な表示が達成できる。

「参考構成例６」
図７には、参考構成例６に係る液晶表示装置１２の要部構成が示されている。この例も図６と同じで、液晶セル２０は、ＶＡ方式のものが採用されている。

液晶表示セル２０の上には、９０°方向の吸収軸を有する偏光板２２が配置されている。従って、０°または１８０°方向の偏光軸を有する光が、ウィンドシールドガラス６に照射されることになる。

ここで、液晶セル２０における各画素に形成される配向制御部４０として機能する突起またはスリットは、図８（ａ）〜（ｄ）に示すように、４５°方向および３１５°方向を向いている。従って、液晶の倒れる方向は、１３５°方向および２２５°方向となる。従って、この液晶層を透過する偏光として、偏光軸が０°（または１８０°）の偏光を用いることで、適切な液晶表示が行える。配向制御部４０が、１３５°方向および２２５°方向に向いており、液晶の倒れる方向が４５°方向および３１５°方向を向いていても同様である。

従って、この液晶表示装置１２においては、射出される光（変調された光）の偏光軸は０°または１８０°となり、これを反射させてウィンドシールドガラスに投射した場合に、ウィンドシールドガラス１６に投射される光の偏光軸を０°または１８０°（水平方向）にすることができ、照射する光の反射率を上昇して好適な表示が達成できる。

なお、ウィンドシールドガラス１６以外の透明板に液晶からの映像信号によって変調された光を照射する場合において、透明板に入射する光線と、反射する光線とが形成する面に直交する方向の偏光軸を持つ光を透明板に投射することが好ましい。そこで、液晶表示装置から射出される偏光の偏光軸をその方向に制御することが好適である。なお、一般的に表示は、映像が水平方向に向くように行うため、ウィンドシールドガラス１６ではなくても、透明板に対し表示を行う場合、下方向または上方向から投射する場合が多い。従って、偏光軸が１８０°方向（水平方向）の偏光を用いることが好適である。

ヘッドアップディスプレイシステムの概念的な構成を示す図である。 構成例１の液晶表示装置の構成を示す図である。 構成例２の液晶表示装置の構成を示す図である。 参考構成例３の液晶表示装置の構成を示す図である。 構成例４の液晶表示装置の構成を示す図である。 構成例５の液晶表示装置の構成を示す図である。 参考構成例６の液晶表示装置の構成を示す図である。 参考構成例６の液晶表示装置における配向制御部材の構成を示す図である。

符号の説明

１０ バックライト、１２ 液晶表示装置、１４ ミラー、１６ ウィンドシールドガラス、２０ 液晶セル、２２ 偏光板、２４，２６，３０ ２分の１波長板、４０ 配向制御部。

Claims (2)

1. 映像信号に応じて光学特性が変化する液晶表示部と、前記液晶表示部によって変調された光が投射される透明板とを備え、前記投射された光を前記透明板で反射させて表示を行うヘッドアップディスプレイシステムであって、
   前記液晶表示部の光出射側に、偏光板と、該偏光板上に配置された２枚の２分の１波長板が配置され、
   前記２枚の２分の１波長板は、前記偏光板から出射される光を、前記透明板に入射する光と反射する光とが形成する面に直交する方向に偏光軸を持つ光にするように、それぞれの遅相軸の方向が設定されており、
   前記偏光板は、前記透明板に入射する光と反射する光とが形成する面に直交する方向に対して４５°方向の透過軸を有し、
   前記２枚の２分の１波長板は、前記偏光板上の第１の２分の１波長板の遅相軸が７９°方向を向いており、前記第１の２分の１波長板上の第２の２分の１波長板の遅相軸が１４６°方向を向いていることを特徴とするヘッドアップディスプレイシステム。
2. 映像信号に応じて光学特性が変化する液晶表示部と、前記液晶表示部によって変調された光が投射される透明板とを備え、前記投射された光を前記透明板で反射させて表示を行うヘッドアップディスプレイシステムであって、
   前記液晶表示部の光出射側に、偏光板と、該偏光板上に配置された２枚の２分の１波長板が配置され、
   前記２枚の２分の１波長板は、前記偏光板から出射される光を、前記透明板に入射する光と反射する光とが形成する面に直交する方向に偏光軸を持つ光にするように、それぞれの遅相軸の方向が設定されており、
   前記偏光板は、前記透明板に入射する光と反射する光とが形成する面に直交する方向に対して４５°方向の透過軸を有し、
   前記２枚の２分の１波長板は、前記偏光板上の第１の２分の１波長板の遅相軸が３３．５°方向を向いており、前記第１の２分の１波長板上の第２の２分の１波長板の遅相軸が１１．５°方向を向いていることを特徴とするヘッドアップディスプレイシステム。