JP6569722B2 - 液晶照明装置、ヘッドアップディスプレイ、及び照明方法 - Google Patents

液晶照明装置、ヘッドアップディスプレイ、及び照明方法 Download PDF

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Description

本発明は、液晶パネルを照明する液晶照明装置、ヘッドアップディスプレイ、及び照明方法に関する。
光源から照射された光を導光部によって液晶パネル側に導光し、その光を導光部の出射側に配置した反射部材で光源に戻し、リサイクル光として利用する液晶照明装置が知られている（特許文献１参照）。導光部の入射側には、光源に対応させて開口部が形成され、リサイクル光を液晶パネル側に反射する反射板が設けられている。
特開２００９−００３４４４号公報
上記液晶照明装置において、反射部材で光源側に戻されたリサイクル光は、導光部の入射側に配置された反射板によって、再度、液晶パネル側に反射され戻される。しかし、リサイクル光の一部は、開口部に入射し、液晶パネル側に反射され戻されない。このため、リサイクル光を十分に利用できない虞がある。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、高効率で高輝度な液晶パネルを実現できる液晶照明装置、ヘッドアップディスプレイ、及び照明方法を提供することを主たる目的とする。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、
液晶パネルと、
前記液晶パネルに対し光を照射する光源と、
前記光源に隣接して設けられ、該光源から照射された光を拡散する第１拡散部と、
一端に前記第１拡散部が設けられ、前記光源側から前記液晶パネル側に行くに従って放射状に広がるように形成された反射面を有し、前記第１拡散部により拡散された光を該反射面で反射して導光する第１導光部と、
前記第１導光部の他端に設けられ、開口部が形成され、該第１導光部により導光された光の一部が反射して前記第１導光部内に戻り、その他の光が前記開口部を通過する反射ミラーと、
前記反射ミラーに隣接して設けられ、該反射ミラーの開口部を通過した光を集光する集光部と、
前記集光部に隣接して設けられ、該集光部により集光された光を、前記液晶パネルへ拡散する第２拡散部と、
を備え、
前記反射ミラーの開口部は、前記液晶パネルが表示を行う表示領域に対応して形成されており、
前記第１拡散部のヘイズ値は、前記第２拡散部のヘイズ値よりも高く設定されている、
ことを特徴とする液晶照明装置である。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、
液晶パネルと、
前記液晶パネルに対し光を照射する光源と、を備える液晶照明装置の照明方法であって、
前記光源から照射された光を第１拡散部によって拡散するステップと、
前記光源側から前記液晶パネル側に行くに従って放射状に広がるように形成された反射面を有する第１導光部によって前記第１拡散部により拡散された光を該反射面で反射して導光するステップと、
開口部が形成され反射ミラーによって、前記第１導光部により導光された光の一部が反射して前記第１導光部内に戻り、その他の光が前記開口部を通過するステップと、
前記反射ミラーの開口部を通過した光を集光するステップと、
前記集光された光を、第２拡散部によって前記液晶パネルへ拡散するステップと、
を含み、
前記反射ミラーの開口部は、前記液晶パネルが表示を行う表示領域に対応して形成されており、
前記第１拡散部のヘイズ値は、前記第２拡散部のヘイズ値よりも高く設定されている、
ことを特徴とする液晶照明装置の照明方法であってもよい。
本発明によれば、高効率で高輝度な液晶パネルを実現できる液晶照明装置、ヘッドアップディスプレイ、及び照明方法を提供することができる。
本発明の実施形態１に係る液晶照明装置の概略的な構成を示す図である。 第１拡散部の構成を示す図である。 液晶パネルを示す図である。 第１拡散部の拡散面における臨界角反射を示す図である。 本発明の実施形態１に係る液晶照明装置の照明方法のフローを示すフローチャートである。 本発明の実施形態１に係るヘッドアップディスプレイの概略的な構成を示す図である。 第２導光部を含む液晶照明装置の概略的な構成を示す図である。
実施形態１
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る液晶照明装置の概略的な構成を示す図である。本実施形態１に係る液晶照明装置１は、液晶パネルを均一な輝度で照明することができる。液晶照明装置１は、液晶パネル２と、光源３と、第１拡散部４と、第１導光部５と、反射ミラー６と、集光部７と、第２拡散部８と、を備えている。
液晶パネル２は、例えば、光源３と対向するように設けられた画面を有しており、外部からの入力信号に応じた画像を当該画面上に形成する。液晶パネル２は、例えば、略矩形状に形成されている。液晶パネル２は、例えば、対角１．８インチ、画素数４８０×２４０（ＲＧＢドット）の透過型のＴＦＴ液晶パネル２として構成されている。液晶パネル２は、光源３から光を照射されることによって透過照明される。
光源３は、液晶パネル２に対し光を照射する。光源３は、例えば、ＬＥＤ（light emitting diode）で構成されているが、これに限定されず、半導体レーザを含むレーザ光源、キセノンランプ、蛍光表示管等で構成されていてもよい。光源３は、例えば、複数のＬＥＤで構成されている。
第１拡散部４は、光源３と第１導光部５との間に設けられている。第１拡散部４は、光源３に隣接して設けられ、光源３から照射された光を拡散する。第１拡散部４は、光源３からの光を、第１導光部５の入射開口部５１に対して拡散する。第１拡散部４は、例えば、レンズ拡散板などで構成されている。
第１拡散部４は、拡散度合いが高くなるように構成されている。第１拡散部４のヘイズ値は、第２拡散部８のヘイズ値よりも高く設定されている。第１拡散部４のヘイズ値は、例えば、９０％以上に設定されている。
第１拡散部４は、例えば、図２に示す如く、基板４１と、基板４１の光源３側の側面に設けられ光を拡散する拡散面４２と、を有している。基板４１は、樹脂や硝材で構成された板状部材である。光源３からの光源光は、第１拡散部４の拡散面４２に入射し、基板４１から拡散光として出射する。この時、基板４１の反射による損出は発生するが、大部分の光源光が基板４１を透過する。
第１導光部５は、両端に矩形状の開口を有する筒状の部材である。第１導光部５の一端に形成された入射開口部５１に、第１拡散部４が設けられている。第１導光部５は、第１拡散部４により拡散された光を導光する。第１導光部５は、光源３側から液晶パネル２側に行くに従って放射状に広がるように形成された反射面５２を有している。
第１導光部５の一端の入射開口部５１から出射した光は、反射面５２で多重反射を繰り返し、他端の出射開口部５３から出射する。このような反射面５２の多重反射により、液晶パネル２における照明分布を均一化することができる。
反射ミラー６は、第１導光部５の他端の出射開口部５３に設けられている。反射ミラー６の中央部には、第１導光部５の出射開口部５３からの光を通過させる開口部６１が形成されている。反射ミラー６の開口部６１は、液晶パネル２が表示を行う表示領域（表示画素領域）２１に対応して、略矩形状に形成されている。例えば、反射ミラー６の開口部６１は、液晶パネル２の表示領域２１に正対した位置に、表示領域２１の面積と同等あるいは、表示領域２１の面積よりもやや大きな面積で形成されている。
反射ミラー６は、第１導光部５の出射開口部５３からの光の一部を反射して第１導光部５内に戻す。そして、反射ミラー６により戻された光は、第１導光部５の反射面５２で再度多重反射を繰り返し、一部分が入射開口部５１に戻る。一方、その他の光は、反射ミラー６の開口部６１を通過し、集光部７に入射する。
集光部７は、反射ミラー６の第１導光部５とは反対側の面に隣接して設けられている。集光部７は、反射ミラー６の開口部６１を通過した光を第２拡散部８側へ集光する。集光部７は、例えば、リニアフレネルレンズで構成されている。集光部７は、矩形状の液晶パネル２に対応して、矩形状に形成されている。集光部７は、液晶パネル２および反射ミラー６と平行に配置されている。この集光部７によって、液晶パネル２の大きさを超える入射角度で入射する不要な光束を削減し、光利用効率を向上させることができる。
第２拡散部８は、集光部７の反射ミラー６とは反対側の面に隣接して設けられている。第２拡散部８は、集光部７から集光された光を、液晶パネル２に対して拡散する。第２拡散部８は、第１拡散部４と同様に、例えば、レンズ拡散板などで構成されている。
例えば、第２拡散部８の拡散角は小さく設定されている。これにより、例えば、光源３点灯時に液晶パネル２表示の奥にバックライト像が重畳するのを抑制でき、液晶パネル２の表示品質を向上させることができる。
上述の如く、第１導光部５の出射開口部５３の面積は、液晶パネル２の面積に対応した面積となっているが、第１導光部５は、光源３側から液晶パネル２側に行くに従って放射状に広がるテーパ形状となっている。
これにより、液晶パネル２からの光線拡がり角度の要求仕様に合致した光線配向の設計が可能となる。例えば、このようなテーパ形状の第１導光部５においては、その入射開口部５１及び出射開口部５３の面積を調整することで、光源３の光線配向±９０°の光線を、出射開口部５３で、例えば、光線配光±１０°に調整できる。なお、光源３の光線配向とは、例えば、光源３の発光面の法線を０°としたときの光線の拡がり角度を指す。
例えば、光源３の光線配向θ、第１導光部５の入射開口部５１の面積Ｓとしたときに、第１導光部５の出射光線の光線配向θ′と、出射開口部５３の面積Ｓ′との関係は、次式（１）で表すことができる。
Ｓ×（ｓｉｎθ）２＝Ｓ′×（ｓｉｎθ′）２・・・（１）
ところで、液晶パネル２の面積を小型化するために、上記（１）式を用いて、第１導光部５の出射開口部５３の面積を最適化する。出射開口部５３の小面積化に伴い、光源３側の入射開口部５１の面積も小型化が必要になる。
更に、液晶パネル２の有効画素領域の全てが、実際に表示を行う表示画素領域２１として使用されるわけではなく、その使用領域が限定され得る。
例えば、図３に示す如く、有効画素領域２２、対角１．１２インチ、画素数３００×１６０（ＲＧＢドット）の内、表示画素領域２１、２６８×３２ドットのみが使用領域として使用されている。この場合でも、上記式（１）に則って第１導光部５の出射開口部５３の面積設計を行うが、液晶パネル２の面積に対して、光源３の出射面積（≒第１導光部５の入射開口部５１の面積）を十分に小さくできない場合、出射光線の光線配向θ′が大きくなり過ぎる。
これに対し、従来、例えば、第１導光部の出射開口部の面積を大きくすることが考えられている。しかし、この場合、液晶パネルの未使用領域にも照明光が照射されることとなる。この照明光は、液晶パネルで吸収され、液晶パネルの温度上昇、結果として液晶パネルのコントラスト低下や高温時信頼性に悪影響を与えることとなる。一方で、例えば、第１導光部の出射開口部の面積を小さくすることも考えられる。しかし、この場合、液晶パネルの出射光線の光線配向が拡がり、この拡がった配向成分が迷光となり、表示品質を低下させる。
そこで、本実施形態１に係る液晶照明装置１は、上述の如く、光源３に隣接して設けられ、該光源３から照射された光を拡散する第１拡散部４と、光源３側から液晶パネル２側に行くに従って放射状に広がるように形成された反射面５２を有し、第１拡散部４により拡散された光を該反射面５２で反射して導光する第１導光部５と、開口部６１が形成され、該第１導光部５により導光された光の一部が反射して第１導光部５内に戻り、その他の光が開口部６１を通過する反射ミラー６と、を備える。また、反射ミラー６の開口部６１は、液晶パネル２が表示を行う表示領域２１に対応して形成されている。さらに、第１拡散部４のヘイズ値は、第２拡散部８のヘイズ値よりも高く設定されている。
本実施形態１によれば、上述の如く、反射ミラー６の開口部６１は、液晶パネル２が表示を行う表示領域２１に対応して形成されている。これにより、反射ミラー６の開口部６１を通過した一部の光が、集光部７及び第２拡散部８を介して、液晶パネル２の表示領域２１のみに入射する。したがって、液晶パネル２の表示領域２１以外に光が照射されないため、液晶パネル２の温度上昇、コントラスト低下、及び高温による信頼性低下を抑制できる。
一方で、反射ミラー６の開口部６１を通過せず、反射ミラー６によって反射され第１導光部５に戻された他の光は、第１導光部５の反射面５２で再度多重反射を繰り返し、入射開口部５１に戻る。入射開口部５１に戻った光は、入射開口部５１に設けられた第１拡散部４に再度入射する。
ここで、第１拡散部４のヘイズ値は高く設定されている。したがって、例えば、図４に示す如く、その光は第１拡散部４の平坦な基板４１に入射するが、射出側の拡散面４２で更に拡散する。大部分の光は拡散面４２で臨界角反射し、再度、入射開口部５１から第１導光部５内に戻る。第１導光部５内に戻った光は、第１導光部５の反射面５２で再度多重反射を繰り返し、反射ミラー６の開口部６１を通過する。反射ミラー６の開口部６１を通過した光は、リサイクル光として、集光部７及び第２拡散部８を介して、液晶パネル２の表示領域に入射する。
このように、従来、液晶パネルの表示領域以外に入射していた光を、リサイクル光として液晶パネル２の表示領域２１に入射させ、再利用する。これにおり、高効率で高輝度な液晶パネル２を実現できる。
図５は、本実施形態１に係る液晶照明装置の照明方法のフローを示すフローチャートである。光源３は、第１導光部５に対して光を照射する（ステップＳ１０１）。
第１拡散部４は、光源３からの光を、第１導光部５の入射開口部５１に対して拡散する（ステップＳ１０２）。第１導光部５は、第１拡散部４により拡散され入射開口部５１から入射した光を、反射面５２で多重反射させ、出射開口部５３へ導光する（ステップＳ１０３）。
反射ミラー６は、第１導光部５の出射開口部５３からの光の一部を反射して第１導光部５内に戻す（ステップＳ１０４）。反射ミラー６により戻された光は、第１導光部５の反射面５２で再度多重反射を繰り返し、入射開口部５１に戻る（ステップＳ１０５）。
入射開口部５１に戻った光は、入射開口部５１に設けられた第１拡散部４に再度入射する。入射した大部分の光は、第１拡散部４の拡散面４２で臨界角反射し、再度、入射開口部５１から第１導光部５内に戻る（ステップＳ１０６）。
第１導光部５内に戻った光は、第１導光部５の反射面５２で再度多重反射を繰り返し、出射開口部５３に導光される（ステップＳ１０７）。導光された光は反射ミラー６の開口部６１を通過する。反射ミラー６の開口部６１を通過した光は、リサイクル光として、集光部７及び第２拡散部８を介して、液晶パネル２の表示領域２１に入射する（ステップＳ１０８）。
一方、その他の光は、反射ミラー６の開口部６１を通過し、集光部７に入射する（ステップＳ１０９）。集光部７は、反射ミラー６の開口部６１を通過した光を第２拡散部８側へ集光する（ステップＳ１１０）。第２拡散部８は、集光部７から集光された光を、液晶パネル２に対して拡散する（ステップＳ１１１）。
以上、本実施形態１によれば、反射ミラー６の開口部６１は、液晶パネル２が表示を行う表示領域２１に対応して形成されている。これにより、反射ミラー６の開口部６１を通過した一部の光が、集光部７及び第２拡散部８を介して、液晶パネル２の表示領域２１にのみ入射する。したがって、液晶パネル２の表示領域２１以外に光が照射されないため、液晶パネル２の温度上昇、コントラスト低下、及び高温による信頼性低下を抑制できる。
さらに、反射ミラー６の開口部６１を通過せず、反射ミラー６によって反射され第１導光部５に戻された他の光は、第１拡散部４の拡散面４２で臨界角反射する。そして、その光は反射ミラー６の開口部６１を通過し、リサイクル光として、集光部７及び第２拡散部８を介して、液晶パネル２の表示領域に入射する。このリサイクル光を再利用することで、高効率で高輝度な液晶パネル２を実現できる。
実施形態２
図６は、本発明の実施形態２に係るヘッドアップディスプレイの概略的な構成を示す図である。上記実施形態１に係る液晶照明装置１は、例えば、ヘッドアップディスプレイ１０に搭載されてもよい。ヘッドアップディスプレイ１０は、例えば、自動車の車室前方のインストルメントパネル内に配置される。
ヘッドアップディスプレイ１０は、上記実施形態１に係る液晶照明装置１の液晶パネル２上で表示される映像を光学系１１により拡大し、ウィンドシールド１２を介して運転者の前方視界に虚像として表示する。例えば、虚像は、運転者から２ｍ〜３ｍ前方に見えるように設定されている。虚像サイズをあらわすＦＯＶ（Field of View）は、水平５°、垂直２°である。このとき映像の精細さを示す指標は、上記ＦＯＶの角度に対して、６０〜８０ｄｏｔ／°となっている。
液晶照明装置１は、液晶パネル２を透過した画像光を光学系１１に出力する。光学系１１は、例えば、凹面鏡などのミラー、レンズ等で構成されている。光学系１１は、液晶照明装置１から出力された画像光を、例えば、車室前方のウィンドシールド１２まで導く。これにより、ウィンドシールド１２へ入射された画像光は、ウィンドシールド１２の車室内側表面上にて反射し、観察者の網膜上に結像され、虚像として表示される。
上記実施形態１に係る液晶照明装置１を用いて、ヘッドアップディスプレイ１０を構成することで、ヘッドアップディスプレイ１０の小型軽量化、コスト低減、及び光利用効率を向上させることができる。また、ヘッドアップディスプレイ１０の表示品質を向上させることができる。
なお、上記実施形態１に係る液晶照明装置１は、ヘッドアップディスプレイ１０に搭載されているが、これに限定されず、液晶パネル２を照明する任意の装置に搭載可能である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
上記実施形態において、例えば、図７に示す如く、光源３と第１拡散部４との間に第２導光部９を設けてもよい。第２導光部９の一端に光源３が設けられている。第２導光部９は、液晶パネル２と光源３とを結ぶ光軸に対して平行な反射面９１を有している。第２導光部９は、光源３が照射する光を反射面９１で反射して第１拡散部４に導光する。
この第２導光部９によって、光源３から出射する光の輝度分布を均一化することができる。また、第２導光部９は光軸に平行な反射面９１を有することで、配光角の大きな光も第１拡散部４側に導光でき、光源３から照射される光を高効率で第１拡散部４に導光することができる。すなわち、光利用効率をより向上させることができる。
１ 液晶照明装置、２ 液晶パネル、３ 光源、４ 第１拡散部、５ 第１導光部、６ 反射ミラー、７ 集光部、８ 第２拡散部、９ 第２導光部、１０ ヘッドアップディスプレイ、１１ 光学系、１２ ウィンドシールド、２１ 表示領域、２２ 有効画素領域、４１ 基板、４２ 拡散面、５１ 入射開口部、５２ 反射面、５３ 出射開口部、６１ 開口部、９１ 反射面

Claims (5)

  1. 液晶パネルと、
    前記液晶パネルに対し光を照射する光源と、
    前記光源に隣接して設けられ、該光源から照射された光を拡散する第１拡散部と、
    一端に前記第１拡散部が設けられ、前記光源側から前記液晶パネル側に行くに従って放射状に広がるように形成された反射面を有し、前記第１拡散部により拡散された光を該反射面で反射して導光する第１導光部と、
    前記第１導光部の他端に設けられ、開口部が形成され、該第１導光部により導光された光の一部が反射して前記第１導光部内に戻り、その他の光が前記開口部を通過する反射ミラーと、
    前記反射ミラーに隣接して設けられ、該反射ミラーの開口部を通過した光を集光する集光部と、
    前記集光部に隣接して設けられ、該集光部により集光された光を、前記液晶パネルへ拡散する第２拡散部と、
    を備え、
    前記反射ミラーの開口部は、前記液晶パネルが表示を行う表示領域に対応して形成されており、
    前記第１拡散部のヘイズ値は、前記第２拡散部のヘイズ値よりも高く設定されている、
    ことを特徴とする液晶照明装置。
  2. 請求項１記載の液晶照明装置であって、
    前記第１拡散部のヘイズ値は、９０％以上に設定されている、ことを特徴とする液晶照明装置。
  3. 請求項１又は２記載の液晶照明装置であって、
    前記光源と前記第１拡散部との間に設けられ、前記液晶パネルと前記光源とを結ぶ光軸に対して平行な反射面を有する第２導光部を更に備える、
    ことを特徴とする液晶照明装置。
  4. 請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の液晶照明装置と、
    前記液晶照明装置の液晶パネルを透過した画像光を車両のウィンドシールドまで導く光学系と、
    を備える、
    ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
  5. 液晶パネルと、
    前記液晶パネルに対し光を照射する光源と、を備える液晶照明装置の照明方法であって、
    前記光源から照射された光を第１拡散部によって拡散するステップと、
    前記光源側から前記液晶パネル側に行くに従って放射状に広がるように形成された反射面を有する第１導光部によって前記第１拡散部により拡散された光を該反射面で反射して導光するステップと、
    開口部が形成され反射ミラーによって、前記第１導光部により導光された光の一部が反射して前記第１導光部内に戻り、その他の光が前記開口部を通過するステップと、
    前記反射ミラーの開口部を通過した光を集光するステップと、
    前記集光された光を、第２拡散部によって前記液晶パネルへ拡散するステップと、
    を含み、
    前記反射ミラーの開口部は、前記液晶パネルが表示を行う表示領域に対応して形成されており、
    前記第１拡散部のヘイズ値は、前記第２拡散部のヘイズ値よりも高く設定されている、
    ことを特徴とする液晶照明装置の照明方法。
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