JP2017207607A - 多層画像表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】装置の小型化が可能な２レイヤー画像表示装置を提供する。
【解決手段】表示画面に画像を表示する後方ＬＣＤ１２、該画像表示装置の前記表示画面１２ａの前方に配置された透明スクリーン１５と、該透明スクリーン１５の下方位置から画像を投影する下方ＬＣＤ１７と、を有する２レイヤー画像表示装置１１であって、透明スクリーン１５は、所定角度による入射光に対してのみ指向性を持って反射すると共に、所定入射角度以外の入射光を透過させる異方性光学フィルムから成り、下方ＬＣＤ１７は、透明スクリーン１５に対して画像を所定角度で入射させて投影反射させる位置に配置され、後方ＬＣＤ１２は、表示画面１２ａに表示された画像からの入射光が透明スクリーン１５を透過させる位置に配置される構成となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、画像表示装置、画像投影装置及び透明スクリーンを有する多層画像表示装置に関する。
画像表現の飛躍的向上により、最近の車両ではフルグラフィック式のクラスターパネル（ディスプレイ）の採用が増加している。しかしながら、フルグラフィック式のクラスターパネルは、従来のメータークラスターパネルよりも動的かつ多彩な情報表示が可能になるものの、メーター表現はその都度影響を受けるため、ドライバーによっては走行に必要なメーター表現の変形を望まない場合がある。
このような場合には、メーター等のコンテンツを標準的な仕様に固定し、自由度の高い領域について限定した上で多彩な表現をする対応が考えられるが、フルグラフィック式のメリットが部分的にしか生かされないことになる。一方、クラスターパネルを大型化することで、メーター類を標準仕様、他の部分を多彩な表現とすることができるが、もともと、クラスターパネルの設置環境である、「外光反射のためのバイザーを必要とする点」と「手前側にはステアリングが存在する点」から不用意に大きくすることは有用ではない。
このような場合、クラスターパネルを２レイヤー画像表示とすることで、上記設置環境を踏まえた上で多彩表現の自由度を下げずに、メーター類の標準的な仕様という上記要望を解決することができる。２レイヤーを構成するには、前後に配置した２個のディスプレイのうち、手前側に透明なディスプレイ（例えば、透明ＯＬＥＤ）を設置すれば実現可能だが、現在廉価に調達できるＬＣＤと比べると高額になってしまうため、廉価な２レイヤー画像表示装置として２個のＬＣＤとハーフミラーで構成することが考えられる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３５１４６７号公報
しかしながら、上記特許文献１に記載の２レイヤー画像表示装置の概略図である図４に示すように、２レイヤー画像表示装置１０１のハーフミラー１０２を４５度傾斜させて設置するための奥行長さが必要で、このためバイザー（不図示）の奥行の長さ１０３も長大化となり、外径サイズの大型化と共に視界域が狭くなるという問題が生じる。また、ハーフミラー１０２での反射によって虚像１０５を実現するため結像視認範囲が限定されることから、ドライバー１０６の頭部可動範囲に合せてハーフミラー１０２を大きく設計する必要が生じる。さらに、ハーフミラー１０２の透過率が５０％程度であることから、ドライバー１０６の視認性を向上させるためには後方ＬＣＤ１０７のバックライトの輝度を上げる必要がある。また、特定方向以外の反射光、例えば下方ＬＣＤ１０８周辺の反射光を抑制する必要もある。
このように、ハーフミラー１０２を使用した２レイヤー方式では制約条件が多く、表示装置の小型化を実現することが困難である。ちなみに透明ディスプレイ（透明ＯＬＥＤ）でも、元々透明性は高くないうえに、表面には外光反射抑制のためのＡＲコーティングが必要になるため、高い透過率を確保するのは容易ではない。また、少なくとも３辺には配線用の表示不可エリアが存在する。
本発明は、装置の小型化、及び、視認性の向上が可能な多層レイヤー方式による多層画像表示装置の提供を目的とするものである。
上記課題を解決するために、本発明に係る多層画像表示装置は、表示画面に画像を表示する画像表示装置と、該画像表示装置の前記表示画面の前方に配置された透明スクリーンと、該透明スクリーンの下方位置から画像を投影する画像投影装置と、を有し、前記透明スクリーンは、所定角度による入射光に対してのみ指向性を持って反射すると共に、前記所定入射角度以外の入射光を透過させる異方性光学フィルムから成り、前記画像投影装置は、前記透明スクリーンに対して前記画像を前記所定角度で入射させて投影反射させる位置に配置され、前記画像表示装置は、前記表示画面に表示された画像からの入射光が前記透明スクリーンを透過させる位置に配置される構成である。
このような構成によれば、従来の傾斜した配置のハーフミラーに替えて、所定角度による入射光に対してのみ指向性を持って反射すると共に、前記所定入射角度以外の入射光を透過させる異方性光学フィルムから成る透明スクリーンを透過する画像表示装置に表示された画像に、画像投影装置によって投影された画像からなる実像を重畳表示させて多層画像表示を行うので、装置の奥行サイズをコンパクトにすると共に、透明スクリーンを透過する画像表示装置の画像の輝度を上げることを要しない。更に、実像を視認することから、視認性の高い多層画像表示装置を提供できる。
本発明に係る多層画像表示装置において、前記画像投影装置は、前記透明スクリーンへの入射角を前記所定角度に調整可能な角度調整機構を有する構成とすることができる。
このような構成によれば、異方性光学フィルムから成る透明スクリーンでは、所定角度による入射光に対してのみ指向性を持って反射するので、画像投影装置からの入射光を所定角度に調整することで、透明スクリーンの前方に位置する視認者に対して、透明スクリーンの後方に位置する画像表示装置からの表示画像に投影画像を重畳表示して多層表示が可能となる。角度調整機構としては、例えばネジ式等の機械的調整機構が相当する。
本発明に係る多層画像表示装置において、前記画像投影装置の光源は、特定方向へ集光させる特定方向集光光源である構成とすることができる。
このような構成によれば、透明スクリーンに対する投影画像表示装置による投影画像は、全反射される光束が限定されて、反射像の輝度が不足するおそれが生じるが、特定方向集光光源によるので、投影画像表示装置から透明スクリーンへの特定方向（所定角度）への光束量を増量させることで補償することが可能となる。
本発明に係る多層画像表示装置において、前記画像投影装置は、前記特定方向集光光源の集光角度を調整する集光角度調整手段を有する構成とすることができる。
このような構成によれば、集光効率の高い角度に調整することが可能となり、反射像の輝度が不足を効率良く解消することができる。集光角度調整手段としては、例えば特定方向集光光源自体を移動させる機械的機構、集光の角度を変更させる光学的機構（レンズ等）が相当する。
本発明に係る多層画像表示装置において、前記画像表示装置及び前記画像投影装置は、バックライトを光源として画像を表示するＬＣＤパネルを有する構成とすることができる。
このような構成によれば、透明ＯＬＥＤを使用する場合と異なり、ＬＣＤパネルを使用することでコスト増を抑制することができる。
本発明に係る多層画像表示装置において、前記画像表示装置及び前記画像投影装置の表示画面は、ＡＲコーティング処理が施されている構成とすることができる。
このような構成によれば、外部から画像表示装置及び画像投影装置に入射した光の反射を抑制することができるので、多層表示の画像への影響を抑えることができる。
本発明に係る多層画像表示装置によれば、従来の傾斜配置したハーフミラーを使用する多層画像表示装置に比べて、バイザーを含めた装置本体の奥行を短くしてコンパクト化することができる。さらに、従来の多層画像表示装置における傾斜配置したハーフミラーでの虚像方式と比べて、本発明に係る多層画像表示装置の画像投影装置による透明フィルム反射像は実像のため、視認者のある程度の頭部可動範囲では視認性に大きな影響を受けることがない。また、従来のハーフミラーと比べて、透明フィルムの光透過率が高いため、フィルム後方に位置する画像表示装置の輝度を上げることを要しない。
図１は、本発明の実施の形態に係る多層画像表示装置の概略説明図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る多層画像表示装置を車両に配置した概略説明図である。 図３Ａは、透明フィルムにおける投影画像の入射光の全反射角度の調整の概略図である。 図３Ｂは、画像投影装置の特定方向集光バックライトの集光角度調整範囲の説明図である。 図４は、ハーフミラーを使用した従来の多層画像表示装置の概略図である。
本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る多層表示画像装置である２レイヤー画像表示装置１１を構成する概略説明図である。
図１において、２レイヤー画像表示装置１１は、画像表示装置である後方ＬＣＤ（液晶ディスプレイ：Liquid Crystal Display）１２と、後方ＬＣＤ１２の表示画面１２ａの前方に配置された、異方性光学フィルムの透明スクリーン１５と、透明スクリーン１５に対して後方ＬＣＤ１２と反対側の位置で、かつ透明スクリーン１５の下方に位置する画像投影装置としての下方ＬＣＤ１７と、後方ＬＣＤ１２及び透明スクリーン１５の上方に位置し、これらに対する外部からの光線入射を防ぐために奥行方向１９（紙面上の左右方向）に伸長するバイザー１８と、を有する。なお、後方ＬＣＤ１２の表示画面１２ａ、下方ＬＣＤ１７の表示画面１７ａの表面にＡＲコーティングすることで、外部からの不要な反射光線を抑制することができる。さらに、バイザー１８をその奥行方向１９に向けてより長くすることでも外部からの不要な反射光線を抑制することができる。
２レイヤー画像表示装置１１の透明スクリーン１５の前方に位置する視認者２０は、透明スクリーン１５の後方に配置された後方ＬＣＤ１２の表示画像と、透明スクリーン１５上で反射される下方ＬＣＤの投影画像と、が重畳された２レイヤー（２層）画像を視認することができる。
後方ＬＣＤ１２は、前方の透明スクリーン１５側に表示画面１２ａ、背面にバックライト１２ｂを有する液晶ディスプレイである。表示画面１２ａ上に表示される表示画像が透明スクリーン１５を透過する透過率（８０％程度）が、従来のハーフミラー仕様の透過率（５０％程度）より高いことから、バックライト１２ｂは通常の仕様のものを使用することができる。
透明スクリーン１５は、異方性光学フィルム（特開２０１５−２２２４４１号公報参照）から成り、その特性は、所定入射角度の入射光のみ（例えば下方ＬＣＤ１７の表示画像の入射光）を全反射し、それ以外の入射光（例えば後方に位置する後方ＬＣＤ１２の表示画像の入射光）を透過させる点である。このような異方性光学フィルムから成る透明スクリーン１５に対して、後方側に後方ＬＣＤ１２と、前方の下方位置から所定角度で入射可能な位置に下方ＬＣＤ１７を配置することで、透明スクリーン１５上でこれらの重畳画像を形成して表示することができ、２レイヤー画像を実現することができる。下方ＬＣＤ１７は、透明スクリーン１５への入射角を調整可能な角度調整機構（不図示）、例えばネジ式調整可能な機械的調整機構を備えているので、上記した所定角度に調整することができる。また、異方性光学フィルムの光学設計によっては、透明スクリーンの後方側の下方位置が所定角度とされる場合もある。その場合は、反射画像を視認するのではなく、透過画像を視認することとなる。さらに、
透明スクリーン１５の前方側の下方に配置される下方ＬＣＤ１７は、透明スクリーン１５側に表示画面１７ａ、背面側に特定方向集光型のバックライト１７ｂを有している。特定方向集光型のバックライト１７ｂは、バックライト１７ｂ内の反射光を制御するために、導光材の表面を精密加工し、特定方向に光が照射できるように最適化されたものである。後述するように、下方ＬＣＤ１７の表示画面１７ａ上の表示画像による透明スクリーン１５における投影画像は、所定入射角度の場合に全反射されて視認者２０により視認されるものであり、全反射される光束１６が限定されることから、通常のバックライトを使用すると反射像（投影画像）の輝度が不足することになる。そこで、特定方向集光技術を適用したバックライト１７ｂ（例えば、レーザアレイや特表２０１４−５０４４２７号公報に開示された平行光出光手段、等）を使用し、ＬＣＤ１７から透明フィルム１５方向への光束量を増加させることで不足を補償することとしたものである。なお、下方ＬＣＤ１７には、特定方向集光技術を適用したバックライト１７ｂの集光角度を調整する集光角度調整手段、例えば、バックライト１７ｂを所定位置に移動させる機械的機構、集光の角度を変更させる光学的機構（レンズ等）を設けることが好ましい。
２レイヤー画像表示装置１１では、上記した異方性光学フィルムから成る透明スクリーン１５の特性により、後方ＬＣＤ１２の表示画像を透過させて視認者２０に視認させ、下方ＬＣＤ１７の投影画像を全反射させて視認者２０に視認させることができ、従来のハーフミラー方式に替えて異方性光学フィルムの透明スクリーン１５による２レイヤー画像表示を可能とした。
次に、車両（不図示）に配置した２レイヤー画像表示装置１１について、図２を参照して説明する。図１と同様の構成であるから、符号及び名称を共通にして説明する。
図２において、２レイヤー画像表示装置１１は、クラスターパネルとして、車両の運転席前方部にある計器類等を配置したインスツルメントパネル（不図示）内に設けられており、２レイヤー画像表示された重畳画像がステアリング２３の空洞部分を通して視認者（運転者）２０に視認される。ステアリング２３の空洞部分は、主にステアリング外周枠２３ａとステアリング中央部２３ｂとの間であり、この空洞部分を通じて視認できるように後方ＬＣＤ１２、透明スクリーン１５、下方ＬＣＤ１７及びバイザー１８が位置調整されて配置されている。
後方ＬＣＤ１２の表示画面１２ａは、本来視認者２０の視線に対して正対角度に設置されることが望ましいが、運転者である視認者２０の頭部位置が個人毎で異なるため、ある角度以内での傾斜位置で設置することが好ましい。後方ＬＣＤ１２の表示画像が透明スクリーン１５を透過して視認者２０に視認されるように、後方ＬＣＤ１２の表示画面１２ａと透明スクリーン１５は略平行な位置関係に配置されている。
下方ＬＣＤ１７の設置位置は、表示画面１７ａ上の表示画像が所定角度で透明スクリーン１５に入射した場合にのみ全反射するという透明スクリーン１５の特性を考慮して決定される。図３Ａ、図２に示すように、表示画面１７ａ上の表示画像からの入射角度が透明スクリーン１５で全反射し、かつ全反射後の光線がステアリング２３の空洞部分を効率良く通過するように相互の配置が決定される。図２に示すように、透明フィルム１５の中央部分での全反射によるパターン２５に示すように、ステアリング２３の空洞部分を効率よく通過するようにして視認性を向上させる。透明スクリーン１５上端部分での全反射パターン２６ａ、透明スクリーン１５下端部分での全反射パターン２６ｂの場合には、ステアリング外周枠２３ａ等により遮蔽されるので、ステアリング２３の空洞部分での通過光が制限されるからである。さらに、図３Ｂに示すように、特定方向集光型のバックライト１７ｂには集光限界角度があることから、この点も考慮して下方ＬＣＤ１７と透明フィルム１５との配置関係を決定する。例えば、図２に示すように、下方ＬＣＤ１７自体が有効視界内に入らないように集光効率の高い角度に設置する。なお、上記した下方ＬＣＤ１７の設置位置により、下方ＬＣＤ１７と透明スクリーン１５との距離が縮小するので、全反射した光線の輝度が十分であれば、特定方向集光型のバックライト１７ｂを使用せずに通常のバックライトを使用することができる。
上記した条件に適合するように、２レイヤー画像表示装置１１の後方ＬＣＤ１２、異方性光学フィルムの透明スクリーン１５、下方ＬＣＤ１７及びバイザー１８は、図２に示すように、好適な配置関係に設定されて、インスツルメントパネル（不図示）に設けられている。そして、後方ＬＣＤ１２の表示画面１２ａの表示画像は、透明スクリーン１５を透過して視認者（運転者）２０に視認される。さらに、透明スクリーン１５への入射角が全反射される位置で、かつ透明フィルム１５の中央部分での全反射によるパターン２５となるように設定された下方ＬＣＤ１７では、その表示画面１７ａの表示画像は、透明スクリーン１５により全反射され、かつステアリング２３の空洞部分を通過して視認者（運転者）２０に視認される。これにより、後方ＬＣＤ１２の表示画像と下方ＬＣＤ１７の表示画像とが重畳された２レイヤー画像表示となる。
本実施形態に係る２レイヤー画像表示装置（多層画像表示装置）１１によれば、装置本体の小型化を図ると共に、透明化光効率を上げ、視認性の高いクラスターパネルを提供することができる。具体的には、従来の４５度傾斜配置のハーフミラーに替えて、異方性光学フィルムの透明スクリーンを使用したので、４５度傾斜配置が不要となり、バイザーの奥行の長さを短くすることが可能となった。バイザーの長さが短くなると、外形が小さくなることの他に、上方視域制限が緩和されることになる。さらに、従来のハーフミラー式では反射像は虚像のため運転者の頭部可動範囲に対応するにはハーフミラーのサイズを大きくする必要があったが、本実施形態では、透明スクリーンでの反射像は実像のため、ある程度の頭部可動範囲では視認性に影響を受けることがない。さらに、従来のハーフミラー方式では後方ＬＣＤの表示画像の光の透過率は５０％程度であったが、本実施形態の透明スクリーンでは光の透過率が高く（８０％程度）、後方ＬＣＤ１２の輝度を上げる必要がない、という利点がある。
下方ＬＣＤ１７から透明スクリーン１５への投影画像の入射角は、全反射となる所定角度に設定されるため、反射像の輝度が不足する場合には、特定方向集光のバックライトの使用により光束量の不足を補うことができる。よって、上記した各利点を備えている本実施形態に係る２レイヤー画像表示装置のクラスターパネルは、従来のハーフミラー式の２レイヤー画像表示装置のクラスターパネルの上述した問題点を解消することができるものである。なお、後方ＬＣＤ１２及び下方ＬＣＤ１７を同時使用することなく、それぞれ単独で使用することもできる。
以上、説明したように、本発明によれば、従来の傾斜配置したハーフミラーを使用する多層画像表示装置に比べて、バイザーを含めた装置本体の奥行を短くしてコンパクト化することができ、さらに透明フィルム反射像は実像のため、視認者のある程度の頭部可動範囲では視認影響を受けることがなく、透明フィルムの光透過率が高いため、フィルム後方に位置する画像表示装置の輝度を上げることを要しないという効果を奏するので、多層画像表示装置として有用である。
１１ ２レイヤー画像表示装置（多層画像表示装置）
１２ 後方ＬＣＤ
１２ａ 表示画面
１２ｂ バックライト
１５ 透明スクリーン（異方性光学フィルム）
１７ 下方ＬＣＤ
１７ａ 表示画面
１７ｂ バックライト（特定方向集光型）
１８ バイザー
２０ 視認者（車両の運転者）
２３ ステアリング
２３ａ ステアリング外周枠
２３ｂ ステアリング中央部
２５ 透明フィルム１５の中央部分での全反射によるパターン
２６ａ 透明スクリーン１５上端部分での全反射パターン２６ａ
２６ｂ 透明スクリーン１５下端部分での全反射パターン２６ａ

Claims (6)

  1. 表示画面に画像を表示する画像表示装置と、
    該画像表示装置の前記表示画面の前方に配置された透明スクリーンと、
    該透明スクリーンの下方位置から画像を投影する画像投影装置と、を有する多層画像表示装置であって、
    前記透明スクリーンは、所定角度による入射光に対してのみ指向性を持って反射すると共に、前記所定入射角度以外の入射光を透過させる異方性光学フィルムから成り、
    前記画像投影装置は、前記透明スクリーンに対して前記画像を前記所定角度で入射させて投影反射させる位置に配置され、
    前記画像表示装置は、前記表示画面に表示された画像からの入射光が前記透明スクリーンを透過させる位置に配置される多層画像表示装置。
  2. 前記画像投影装置は、前記透明スクリーンへの入射角を前記所定角度に調整可能な角度調整機構を有する請求項１に記載の多層画像表示装置。
  3. 前記画像投影装置の光源は、特定方向へ集光させる特定方向集光光源である請求項１又は２に記載の多層画像表示装置。
  4. 前記画像投影装置は、前記特定方向集光光源の集光角度を調整する集光角度調整手段を有する請求項３に記載の多層画像表示装置。
  5. 前記画像表示装置及び前記画像投影装置は、バックライトを光源として画像を表示するＬＣＤパネルと、を有する請求項１乃至４のいずれかに記載の多層画像表示装置。
  6. 前記画像表示装置及び前記画像投影装置の表示画面は、ＡＲコーティング処理が施されている請求項１乃至５のいずれかに記載の多層画像表示装置。
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