JPH02257189A - 投射型ディスプレイ装置及びそれを用いた車両用ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は投射型ディスプレイ装置およびそれを用いた車
両用ヘッドアップディスプレイ装置に関するものである
。

［従来の技術］ 従来、ディス・プレイ装置としては、ディスプレイ装置
そのものを直接視認するタイプとディスプレイ装置から
発せられた、あるいはディスプレイ装置を通して背後照
明から発せられた情報を含んだ光をスクリーン等の被投
射体に投射して視認するタイプの２種類ある。このよう
な投射型ディスプレイ装置の応用例としては、例えば以
下のようなものがある。

近年、車両表示装置において、速度、走行距離、燃料残
量など運転上必要な情報を、運転者の前方視野上に表示
し、外界の情報を得ながら、これらの運転情報も同時に
認識することによって安全性の向上を図ろうとする表示
方式が提案されており、ヘッドアップディスプレイと呼
ばれている。

この種のヘッドアップディスプレイは、表示源として陰
極線管（ＣＲＴ）がよく知られている。

しかし近年、車両用であるがためにスペースの点でより
フラットなディスプレイが望まれるようになってきたた
め、これに代わり蛍光表示管や液晶表示素子あるいは発
光ダイオードなどを応用した例も多く提案されている。

その中でも液晶表示素子は、昼間の明るさに打勝つよう
な表示輝度、多色化、表示情報量の拡大に有効な手段で
あるとして注目されている。

これらの非発光透過型表示装置をヘッドアップディスプ
レイに用いた場合には蛍光ランプや白熱球等の背面照明
を設けたものが一般に使われるが、運転者の必要とする
表示の明るさの調整は、発光ダイオードや蛍光表示管等
の発光型表示装置を用いた場合にそれ自体の輝度を調整
するのと同様に、その背面照明自体の輝度を調整するこ
とにより、行っていた。このような、発光型表示装置や
背面照明自体の輝度を変化させる方法としては、蛍光ラ
ンプ等で用いるパルス幅変調方式（ＰＷＭ）や、白熱球
等で用いる電圧変化がよく用いられていた。

［発明の解決しようとする課題］ しかしながら、照明手段として蛍光ランプを用いた場合
等に用いるＰＷＭによる調光は低輝度に減光していくと
、放電状態が不安定になり、フリッカ−を生じるので、
安定な状態での動作では調光できる幅は狭（限定される
。また、電圧値の変化により調光も可能だが、９０％以
下では放電条件からはずれて不灯に至り、調光幅はＰＷ
Ｍより狭い。さらにヘッドアップディスプレイ等の投射
型ディスプレイ装置に要求される調光幅は、昼間の明る
い景色の中でも十分見える表示輝度から、夜間の暗い環
境下でも、まぶしいと感じない程度の低輝度までの広い
範囲を可能としなければならず、したがってこのような
調光のみではその要求に答えられるような調光幅ではな
い。特に高輝度を実現しようとすると、低輝度の調光が
不可能であった。

また、白色ランプを照明手段とした場合等においても、
電圧を下げて低輝度にしていくとともに、色温度が低下
し、発光色の変化を伴うという欠点を有していた。この
ためこれもやはり調光幅が限定され上記の要求を満足す
るものではない。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、前述の問題点を解決すべくなされたものであ
り、みずから発光するか、背後に照明手段を有する透過
型の表示素子を有し、その光経路内に、電気的に散乱状
態と透過状態とを制御し得る調光用液晶素子及び被投射
体が配置されてなる投射型ディスプレイ装置を提供する
ものである。

また上記投射型ディスプレイ装置を使用した車両用ヘッ
ドアップディスプレイ装置を提供するものである。

以下、本発明の構成を図面に基いて詳細に説明する。

第１図（Ａ）は、本発明の１つの構成を示す概略断面図
である。みずから発光するか、背後に照明手段を有する
透過型の表示素子１から発した情報を含んだ光は、調光
用の液晶素子３によって、光の強度の調整を受けて、被
投射体４に映され、観測者２に視認される。

１は発光ダイオード或は、蛍光表示管等からなる発光型
の表示素子、または、背面に照明手段を有する透過型の
表示素子である。この発光型の表示素子は、それ自体、
光の輝度の調整機能を有していても良い。また、照明手
段は点灯回路を含む照明手段であり、熱陰極管、冷陰極
管などの蛍光ランプ、又は白熱球ランプ等である。この
照明手段は、その光量に対する調光手段を設けたものや
、拡散板等の光の拡散手段を備えたものであってもよい
。

また、透過型の表示素子の例としては、ツィスティッド
ネマチック型（ＴＮ型）液晶、スーパーツィスティッド
ネマチック型（ＳＴＮ型）液晶、スーパーホメオトロピ
ック型液晶のほか、強誘電性液晶やエレクトロクロミッ
ク材料を利用したもの等が用いられる。特に多（の情報
量を表示したい場合には、複数の画素を共通の信号で駆
動するマルチプレックス駆動において高デユーティ−の
駆動が可能なＳＴＮ型・の液晶素子、あるいはＳＴＮ型
の液晶素子に、複屈折による色補償の液晶セルや、複屈
折膜を設けた素子でも良い。

また、表示部分を光が透過し、非表示部分は光が透過し
ない、いわゆるネガ型の透過型液晶表示素子においては
、液晶セルの外側の１対の偏光板を直交するように配置
し、通常のネガ型表示の液晶表示素子の駆動とは逆に明
るくしたい画素には電圧を印加せず、暗くしたい画素に
は電圧を印加する逆の駆動法を取る様にした素子を用い
ることができる。このような液晶表示素子は、通常のネ
ガ型表示の液晶表示素子に比して、暗い部分の遮光度が
高いため、高コントラスト比が得られるという利点があ
る。

電極に電圧を印加する駆動手段としては、通常の液晶表
示装置に使用される駆動手段が使用でき、通常、しきい
値以上の交流電圧を供給できる駆動手段が用いられる。

なお、電圧の印加の方法については、各画素を個別駆動
してもよいし、マルチプレックス駆動を用いてもよい。

調光用液晶素子３は、電圧印加により、透過光の散乱の
度合いが変化する光拡散型液晶光学素子であり、通常、
駆動回路を有している。

本発明に使用される調光用液晶素子３については、光の
透過、散乱をそれに印加する電圧により制御できるもの
であれば良い。例えば、電極を有する基板に、液晶材料
を挟み込み、液晶のダイナミックスキャッタリング効果
などを利用して、電極に印加する電圧で、光を透過する
状態と散乱する状態を選択できるようにしたものの他、
細かな孔の多数開いた樹脂のマトリックスとその孔の部
分に充填された液晶物質とからなるフィルム状液晶層を
一対の電極付きの基板間に挟持し、その電極間への電圧
の印加状態により、その液晶物質の屈折率が変化し、樹
脂のマトリックスの屈折率と液晶物質の屈折率との関係
が変化し、両者の屈折率が一致した時には透過状態とな
り、屈折率が異なった時には散乱状態となるような液晶
光学素子（以下、ＬＣＷ素子という）が考えられる。特
に後者のＬＣＷ素子は散乱性が高（、寿命が長いため本
発明に好適である。

本発明のＬＣＷ素子における細かな孔の多数開いた樹脂
のマトリックスとその孔の部分に充填された液晶物質と
からなるフィルム状液晶層は、多孔質の連通孔を有する
マトリックスに液晶物質を含浸したような構造であって
もよいし、マイクロカプセルのような独立液泡内に液晶
物質が封じ込められたような構造をしていてもよい。

具体的には、電圧を印加していない状態又は印加してい
る状態のいずれか一方で、樹脂のマトリックスを構成す
るところの硬化させられた硬化物の屈折率が、使用する
液晶物質の常光屈折率（ｎｏ）、異常光屈折率（ｎ、）
または液晶物質がランダムに配向した場合の屈折率（ｎ
、）のいずれかと一致するようにされる。

これにより、得られた硬化物の屈折率と液晶物質の屈折
率とが一致した時に光が透過し、一致しない時に光が散
乱（白濁）することになる。

４は表示素子１によって表示される像を映し出す被投射
体である。一般には像を投影できる平面状のものであれ
ば良いが、本発明の投射型ディスプレイ装置を車両用ヘ
ッドアップディスプレイ装置として使用するときは車両
内の視認者（運転者）が外界の景色を見ながらにしてフ
ロントガラスに映し出される情報を認識することができ
る機能をもつようにする。

具体的には、フロントガラスの表面に表示に使用する特
定の波長のみ反射するような薄膜を設けたものを使用し
たり、ガラスに酸化チタンの多層膜コーティングなどを
施すことにより形成されたハーフミラ−としたり、更に
そのハーフミラ−にレンズ等を組合せたものでも良い。

また、ガラスにホログラム膜を備えるようにして、レン
ズ機能を持たせる様にしたものでも良い。

本発明において、表示素子１がそれ自身、ＰＷＭ方式等
の調光手段をもつことは、散乱状態にある調光用の液晶
素子３に光を通すことによる像のコントラストの低下を
減らすことができるので非常に望ましい。

このときは、まず、表示素子１の減光を行ない、照明が
最小輝度になってから、調光用の液晶素子３による減光
を行なうようにすると表示のコントラストの低下を最小
限に押えることができるので望ましい。

本発明は従来の方法に比べ、飛躍的に大きな投射型ディ
スプレイ装置の調光幅を、簡便に得ることができるよう
になったものであるが、表示素子として背面照明を用い
た透過型表示素子を用い、調光用の液晶素子３を照明手
段と透過型表示素子との間に配置するようにしても、同
様の効果を得ることができる。この様子を示した概念的
断面図が第１図（Ｂ）である。このような構成を採ると
きは、第１図（Ａ）に示した配置によるほどは顕著な効
果を得ることはできず、その調光幅は本願発明の構成に
くらべて狭（なるが、この場合は表示のコントラストの
点で第１図（Ａ）に示した配置のものに勝り、ヘッドア
ップディスプレイとして、良好に使用可能なものである
。

このように、調光用の液晶素子３を照明手段］ａと透過
型装置１ｂとの間に配置するようにした場合は、照明手
段１ａと調光用の液晶素子３の間、又は、調光用の液晶
素子３と透過型表示装置１ａとの間に光の方向を１方向
に制御し得る装置、例えばルーバ装置などを設けること
はこの投射型ディスプレイ装置の調光幅を非常に大きく
できるので非常に望ましい。

［作用］ 本発明は、投射型ディスプレイ装置において、その調光
に、調光用の光散乱型液晶素子を用いることにより、従
来に比べ、飛躍的に大きな調光幅を得ることができるよ
うになったものであるが、特に調光用の液晶素子の位置
を、透過型表示装置と被投射体の間または、発光型表示
素子と被投射体の間に設けることにより、更に大きな調
光幅を得ることができる。その作用効果は必ずしも明ら
かではないが、大略は以下のように想定される。

光拡散型電気光学素子を調光素子として用いる場合、入
射光の垂直成分が、電気光学的作用により透過光で垂直
方向以外の他方向成分に分散されるような光拡散効果が
機能するので、入射光は直進性の高い光である程、遮光
度の高い調光が可能となる。

従って、本発明においては、特に光拡散型液晶素子を表
示素子と被投射体の間に設置することにより、表示素子
から発せられる拡散光の進む光路の距離を少しでも多（
とることが可能になること、また、透過型表示素子を使
用する際にはこれを透過した光の強度はパネル垂直方向
にある程度指向性を持つために、直進成分の多い光とな
り、調光用の液晶素子３で遮光される効果が大きい。従
って、調光用の液晶素子を、表示素子と被投射体との間
に設置することにより、−層の遮光効果が得られると考
えられる。

このため、表示素子と、調光用液晶素子との距離を適当
に調整すると、減光の効果をより顕著にし得る。この距
離は表示素子の輝度、或いは光の指向性に依存して決め
られる量であるが、通常８０ｍｍ〜１７０　ｍｍ程度が
よい。

これより小さいと、十分な遮光効果が得られにくく、大
きいと装置が大型化する上に、輝度が落ちる。

さらに、調光用の液晶素子を照明手段と透過型表示装置
との間に配置するようにした場合に、照明手段と調光用
の液晶光学素子の間にルーバ装置を設けることにより、
この投射型ディスプレイ装置の調光幅を大きくできるの
も同様の作用によるものと考えられる。すなわち、照明
手段から発せられた光がルーバ装置によって、直進性の
高い光になるため、調光用の液晶素子による遮光効果が
大きくなる。従って、調光幅はルーバ装置を設けない場
合に比べて、大きくなると考えられる。

［実施例］ 実施例１ 第２図は本発明の構成の１例を示す概念図である。

照明系には、光源として４Ｗの熱陰極３波長型蛍光ラン
プ５を７本数つめ、均一に照明されるよう拡散板と反射
板を置いてライトボックスを形成し、照明系全体で５０
０００ｃｄ／ｍ２を得た。

これを、パルス幅変調方式による調光回路のみで調光す
ると、２０：１に調光することができた。

液晶表示素子６には、マトリックスにパターニングされ
た１対の透明電極付基板間にネマティック型液晶を挟持
し、そのツイスト角が２４０６　となるようなドツトマ
トリックス液晶表示素子を用い、駆動回路にてグラフィ
ック表示を行った。

液晶表示素子６と被投射体８との間には、調光用散乱性
モールド液晶素子７として、細かな孔の多数開いた樹脂
マトリックスとその孔の頭に充填された液晶物質とから
なるフィルム状液晶層を１対の透明電極付基板間に挟持
し、電極間への印加電圧の状態によりその液晶物質の屈
折率が変化し、樹脂マトリックスの屈折率と液晶物質の
屈折率との関係が変化し、両者の屈折率が一致した時に
は透過状態、屈折率が異なった時には散乱状態となる系
を選択した。その液晶素子の光学特性は、第３図に示す
とおりである。調光制御印加電圧の波形は周波数３ＫＨ
ｚの矩形波を用い、振幅（ｖｏ−ｐ）が０■のとき３％
、５■のとき２０％、ＩＯＶのとき６０％の直進透過率
を示している。

被投射体８には、ソーダライムガラス上に酸化ヂタン及
びフッ化マグネシウムの多層薄膜を形成し、入射角４５
°に設定すると可視域において３０％の反射、７０％の
透過が得られるようなハーフミラ−を用いた。

また、遠焦点結像となるよう、非球面フレネルレンズ９
を設置した。焦点距離ｆは６０ｍｍとした。

光学系の位置関係はＳｌが１７０ｍｍ、　Ｓ２が８５ｍ
ｍ、Ｓ３が９５ｍｍとなるようにした。

以上のようにセツティングし、調光機能をもつ照明手段
と液晶素子７の組合わせにより、調光しながら、被投射
体８の面上での輝度を測定したところ、最大２３８８ｃ
ｄ／ｍ２．最小１２ｃｄ／ｍ２を得た。

したがって、調光比は　１９９：１となり、通常、昼間
でも夜間でも十分車両用ヘッドアップディスプレイに使
用できる表示であることを確認した。

実施例２ 実施例１において、調光用の液晶素子７を照明手段と液
晶素子６との間に配置し、あとは同様に調光しながら被
投射体８の面上での輝度を測定したところ最大３６５０
ｃｄ／ｍ”　、最小３６ｃｄ／ｍ２であり、調光比は１
０１：　　ｌであり、車両用ヘッドアップディスプレイ
として好適なものであった。

実施例３ 実施例２において、照明手段と調光用の液晶素子７どの
間にルーバ装置を配置し、あとは同様に調光しながら被
投射体８の面上での輝度を測定したところ最大３１００
ｃｄ／ｍ２、最小２１ｃｄ／ｍ２であり、調光比は１５
０：　　１であり、実施例２に比べてもさらに車両用ヘ
ッドアップディスプレイとして好適なものであった。

［発明の効果］ 本発明に係る投射型ディスプレイ装置、及びそれを用い
た車両用ヘッドアップディスプレイ装置によれば、従来
の照明装置のみによる調光では、不十分であった調光幅
を広（し、車両用へラドアップディスプレイ装置に十分
な調光幅を持つ、投射型ディスプレイ装置を得ることが
できる。

また、請求項２に係る発明によれば、寿命が長（信頼性
のある調光幅を持つ、投射型ディスプレイ装置を得るこ
とができる。

さらに請求項３に係る発明によれば、より調光幅の大き
い投射型ディスプレイ装置を得ることができる。

また、請求項４に係る発明によれば、よりコントラスト
の良い投射型ディスプレイ装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）　、　（Ｂ）は本発明の構成の概念図を示
している。 １は表示素子、２は観測者、３は調光用液晶素子、４は
被投射体を示す。 第２図は本発明に基き、行なった実施例の構成の概念図
を示している。５は蛍光ランプ、６は液晶表示素子、７
は調光用散乱性モード液晶素子、８はハーフミラ−であ
る。 第３図は、実施例に用いた調光用液晶光学素子の電圧−
透過率特性を示すグラフである。 佑 図 第 う 図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）みずから発光するか、背後に照明手段を有する透
   過型の表示素子を有し、その光経路内に、電気的に散乱
   状態と透過状態とを制御し得る調光用液晶素子及び被投
   射体が配置されてなる投射型ディスプレイ装置。
2. （２）調光用液晶素子は、一対の電極付の基板間に細か
   な孔の多数開いた樹脂のマトリックスとその孔の部分に
   充填された液晶物質とからなるフィルム状液晶層を挟持
   してなる液晶素子であることを特徴とする請求項１記載
   の投射型ディスプレイ装置。
3. （３）調光用液晶素子は、上記表示素子と上記被投射体
   の間に配置されてなることを特徴とする請求項１又は請
   求項２記載の投射型ディスプレイ装置。
4. （４）表示素子は、背後に照明手段を有する透過型の表
   示素子であり、調光用液晶素子は、照明手段と透過型の
   表示素子の間に配置されてなることを特徴とする請求項
   １又は請求項２記載の投射型ディスプレイ装置。
5. （５）請求項１〜請求項４いずれか１項記載の投射型デ
   ィスプレイ装置を使用した車両用ヘッドアップディスプ
   レイ装置。