特開 2022-139536 表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022139536

(43)【公開日】2022-09-26

(54)【発明の名称】表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/01 20060101AFI20220915BHJP

   G09F 9/00 20060101ALI20220915BHJP

【ＦＩ】

G02B27/01

G09F9/00 362

G09F9/00 359

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021039969

(22)【出願日】2021-03-12

(71)【出願人】

【識別番号】000010098

【氏名又は名称】アルプスアルパイン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098497

【弁理士】

【氏名又は名称】片寄 恭三

(74)【代理人】

【識別番号】100099748

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 克志

(74)【代理人】

【識別番号】100103171

【弁理士】

【氏名又は名称】雨貝 正彦

(74)【代理人】

【識別番号】100105784

【弁理士】

【氏名又は名称】橘 和之

(72)【発明者】

【氏名】吉井 克昌

(72)【発明者】

【氏名】大谷 久

【テーマコード（参考）】

2H199

5G435

【Ｆターム（参考）】

2H199DA12

2H199DA18

2H199DA32

2H199DA42

5G435BB19

5G435DD02

5G435DD04

5G435DD09

5G435GG03

5G435GG08

5G435GG46

5G435LL17

(57)【要約】

【課題】 少ない容積でありかつ拡大される画像の歪みを抑制した表示装置を提供する。
【解決手段】 本発明の表示装置１００は、生成した画像を２次元状の表示領域１１２から出射する画像生成ユニット１１０と、表示領域１１２から出射された画像を側面１２２から入射し、入射した画像の水平方向を拡大した投影画像Ｐ１を側面１２４に生成する第１の透明基板１２０と、投影画像Ｐ１を側面１４４から入射し、入射した投影画像Ｐ１の垂直方向を拡大した投影画像Ｐ２を上面Ｓ１に生成する第２の透明基板１４０と、投影画像Ｐ２を観察者に向けて角度を変調する第２の角度変調器１５０とを有する。
【選択図】 図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

生成した画像を２次元状の表示領域から出射する画像生成手段と、
前記表示領域から出射された画像を入射し、入射した画像を斜め方向に投影することで入射した画像の第１の方向を拡大した第１の投影画像を生成する第１の拡大手段と、
前記第１の投影画像を入射し、入射した画像を斜め方向に投影することで前記第１の投影画像の前記第１方向と直交する第２の方向を拡大した第２の投影画像を生成する第２の拡大手段と、
前記第２の投影画像を決められた方向に出射する出射手段と、
を有する表示装置。

【請求項2】

前記第１の拡大手段は、前記表示領域からの画像を入射する第１の面と、当該第１の面から入射した画像の前記第１の投影画像を生成する第２の面とが形成された第１の透明基板を含む、請求項１に記載の表示装置。

【請求項3】

前記第１の面が、前記第２の面と直交する面と交差する角を傾斜角θ１としたとき、前記第１の拡大手段による画像の拡大率αは、θ１＝ｓｉｎ^－１（１／α）で規定される、請求項２に記載の表示装置。

【請求項4】

前記第２の拡大手段は、前記第１の投影画像を入射する第３の面と、当該第３の面から入射した前記第１の投影画像の前記第２の投影画像を生成する第４の面とが形成された第２の透明基板を含む、請求項１ないし３いずれか１つに記載の表示装置。

【請求項5】

前記第３の面が、前記第４の面と直交する面と交差する角を傾斜角θ２としたとき、前記第２の拡大手段による画像の拡大率βは、θ２＝ｓｉｎ^－１（１／β）で規定される、請求項４に記載の表示装置。

【請求項6】

前記第２の透明基板は、前記第２の面が前記第３の面に面接触するように、前記第１の透明基板に固定される、請求項４に記載の表示装置。

【請求項7】

前記第２の面には、前記第１の投影画像を前記第３の面に向かわせるための第１の角度変調器が形成される、請求項６に記載の表示装置。

【請求項8】

前記第１の角度変調器は、前記第１の投影画像を反射するための傾斜面が形成されたプリズムを含む、請求項７に記載の表示装置。

【請求項9】

前記出射手段は、前記第４の面に生成された前記第２の投影画像を前記決められた方向へ向かわせるための第２の角度変調器を含む、請求項４に記載の表示装置。

【請求項10】

前記第２の角度変調器は、前記第２の投影画像を反射するための傾斜面が形成されたプリズムを含む、請求項９に記載の表示装置。

【請求項11】

前記第２の角度変調器は、前記プリズムによって反射された画像を光学的に拡散するための拡散部材を含む、請求項９に記載の表示装置。

【請求項12】

前記拡散部材は、マイクロレンズ、散乱板、拡散フィルムあるいはルーバーフィルムのいずれかを含む、請求項１１に記載の表示装置。

【請求項13】

前記画像生成手段は、前記表示領域が前記第１の面に接触するように、前記第１の透明基板に固定される、請求項２に記載の表示装置。

【請求項14】

前記出射手段は、前記第２の透明基板を介して背景を見ることができる方向に前記第２の投影画像を出射させる、請求項４に記載の表示装置。

【請求項15】

前記第２の透明基板は、車両のフロントガラスの一部を構成し、またはフロントガラスの手前に配置される、請求項１４に記載の表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、表示装置に関し、特に、生成された画像を拡大する機能を備えた表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

車載向けディスプレイは、インスツルメンツパネル内のアナログ式のメーターの置き換えを図るものや、ＨＵＤ（Head Up Display）にみられる運転補助用途に組み込まれつつものもある。特許文献１は、明るく透明で、背景の色変化が少なく、かつ投影した映像だけでなく、透過した先の映像情報を重ねてみることができるディスプレイシートを開示する。図１は、ディスプレイシート１に光投影機２の画像を投影したＨＵＤの側面図であり、ユーザーの目４には、ディスプレイシート１に投影された画像とその延長線上にある背景とが重畳して映される。また、特許文献２は、透明性および放熱性に優れた透明有機ＥＬ表示装置を開示する。図２は、透明有機ＥＬ表示装置の断面図であり、有機ＥＬ表示装置１は、透明有機ＥＬパネル２と放熱シート３とを有し、放熱シート３は、その一面に金属細線７が形成された透明フィルム６から構成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６－１１９３６２号公報

【特許文献2】特開２０１８－４１０５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ＨＵＤは、スクリーンの透過率が高いが、表示系及び光学系を構成するため広い容積が必要となる。図１に示される投影型のディスプレイは、透明性や信頼性の観点から有利であるが、ディスプレイシート１に投影するための光投影機２の構造上の大きな容積を必要とし、映像の歪みなどが懸念される。また、透明有機ＥＬ表示装置は、透過率が高く、ＨＵＤに比べ鮮明な映像を表示可能であるが、製造の難しさがある。

【0005】

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、少ない容積でありながら拡大される画像の歪みを抑制した表示装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る表示装置は、生成した画像を２次元状の表示領域から出射する画像生成手段と、前記表示領域から出射された画像を入射し、入射した画像を斜め方向に投影することで入射した画像の第１の方向を拡大した第１の投影画像を生成する第１の拡大手段と、前記第１の投影画像を入射し、入射した画像を斜め方向に投影することで前記第１の投影画像の前記第１方向と直交する第２の方向を拡大した第２の投影画像を生成する第２の拡大手段と、前記第２の投影画像を決められた方向に出射する出射手段とを有する。

【0007】

ある態様では、前記第１の拡大手段は、前記表示領域からの画像を入射する第１の面と、当該第１の面から入射した画像の前記第１の投影画像を生成する第２の面とが形成された第１の透明基板を含む。ある態様では、前記第１の面が、前記第２の面と直交する面と交差する角を傾斜角θ１としたとき、前記第１の拡大手段による画像の拡大率αは、θ１＝ｓｉｎ^－１（１／α）で規定される。ある態様では、前記第２の拡大手段は、前記第１の投影画像を入射する第３の面と、当該第３の面から入射した前記第１の投影画像の前記第２の投影画像を生成する第４の面とが形成された第２の透明基板を含む。ある態様では、前記第３の面が、前記第４の面と直交する面と交差する角を傾斜角θ２としたとき、前記第２の拡大手段による画像の拡大率βは、θ２＝ｓｉｎ^－１（１／β）で規定される。ある態様では、前記第２の透明基板は、前記第２の面が前記第３の面に面接触するように、前記第１の透明基板に固定される。ある態様では、前記第２の面には、前記第１の投影画像を前記第３の面に向かわせるための第１の角度変調器が形成される。ある態様では、前記第１の角度変調器は、前記第１の投影画像を反射するための傾斜面が形成されたプリズムを含む。ある態様では、前記出射手段は、前記第４の面に生成された前記第２の投影画像を前記決められた方向へ向かわせるための第２の角度変調器を含む。ある態様では、前記第２の角度変調器は、前記第２の投影画像を反射するための傾斜面が形成されたプリズムを含む。ある態様では、前記第２の角度変調器は、前記プリズムによって反射された画像を光学的に拡散するための拡散部材を含む。ある態様では、前記拡散部材は、マイクロレンズ、散乱板、拡散フィルムあるいはルーバーフィルムのいずれかを含む。ある態様では、前記画像生成手段は、前記表示領域が前記第１の面に接触するように、前記第１の透明基板に固定される。ある態様では、前記出射手段は、前記第２の透明基板を介して背景を見ることができる方向に前記第２の投影画像を出射させる。ある態様では、前記第２の透明基板は、車両のフロントガラスの一部し、またはフロントガラスの手前に配置される。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、画像生成手段で生成された画像を第１の拡大手段で第１の方向に拡大し、第１の方向が拡大された画像を第２の拡大手段で第２の方向に拡大し、第１および第２の方向が拡大された画像を出射するようにしたので、プロジェクタのような投射光学系と比較して画像を拡大するための容積を小さくすることができ、かつ拡大された画像の歪みを抑制することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】従来のＨＵＤの一例を示す側面図である。

【図2】従来の透明有機ＥＬ表示装置の一例を示す断面図である。

【図3】本発明の実施例に係る表示装置の概略構成を示す斜視図である。

【図4】図３に示す表示装置の平面図である。

【図5】本発明の実施例に係る表示装置の第１の角度変調器を示し、同図（Ａ）は、部分的に拡大した断面図、同図（Ｂ）は、全体の概略斜視図である。

【図6】図６（Ａ）は、本発明の実施例に係る表示装置の第２の透明基板の側面図、図６（Ｂ）は、第２の透明基板が第１の透明基板に固定された状態を示す側面図である。

【図7】図７（Ａ）は、第２の透明基板により生成された投影画像が投影面で反射される様子を示し、図７（Ｂ）、（Ｃ）は、第２の透明基板の投影面に形成される第２の角度変調器の断面図である。

【図8】図８（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施例による第２の角度変調器の他の構成を示す断面図、図８（Ｃ）は、プリズムの背面に吸収層がないときにノイズが生じる例を示し、図８（Ｄ）は、背面に吸収層があるときに光が吸収される例を示し、図８（Ｅ）は、プリズムの背面に光吸収層を積層した例を示す。

【図9】本発明の実施例に係る第２の角度変調器の他の構成例を説明する図であり、図９（Ａ）は、散乱板がないときの出射例を示し、図９（Ｂ）は、散乱板があるときの出射例を示す。

【図10】本発明の実施例に係る第２の角度変調器の他の構成例を説明する図であり、図１０（Ａ）は、プリズム層とレンズ層が形成された断面図を示し、図１０（Ｂ）は、その拡大図である。

【図11】本発明の実施例に係る第２の角度変調器の他の構成例を説明する概略断面図である。

【図12】本発明の実施例に係る表示装置の具体的な構成例を示す図であり、同図（Ａ）は、表示装置の平面図、同図（Ｂ）は、同図（Ａ）の側面図、同図（Ｃ）ないし（Ｅ）は、具体的な生成される画像の例である。

【図13】図１３（Ａ）は、本実施例の第２の角度変調器としてプリズムを用いたときの光の反射を示す図、図１３（Ｂ）は、プリズムの傾斜面に光吸収層が形成されたときの外部光の透過を例示し、図１３（Ｂ）は、プリズムの傾斜面に光吸収層が形成されないときの外部光の透過を例示する。

【図14】図１４（Ａ）は、散乱板を評価するときのシミュレーションモデルを示す表示装置の斜視図、図１４（Ｂ）は、プリズム層の上方に内部散乱板を形成したときの断面図、図１４（Ｃ）は、プリズム層の上方に表面散乱板を形成したときの断面図、図１４（Ｄ）は、内部散乱板をＺ方向から見た平面図である。

【図15】図１５（Ａ）は、本実施例の第２の角度変調器の通過直後の投影画像Ｐ２を示し、図１５（Ｂ）は、拡散板が無い場合の観察者（アイボックス）から認識できる投影画像を示す。

【図16】図１６（Ａ）は、本実施例の表示装置を透明ディスプレイとして用いたときの斜視図、図１６（Ｂ）は、背景パターンの画像を示し、図１６（Ｃ）は、観察者の目で認識された背景パターンの画像を示す。

【図17】本発明の実施例に係る表示装置の第２の角度変調器の他の態様を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

次に、本発明の実施の形態について説明する。本発明に係る表示装置は、ＨＵＤや透過型有機ＥＬ表示装置に置換可能なディスプレイである。ある態様では、本発明の表示装置は、自動車等の移動体に搭載可能であり、さらにある態様では、表示領域の延長線上の背景を見ることができる透明なディスプレイであり、自動車のフロントガラスの一部を兼ねる。

【実施例0011】

次に、本発明の実施例に係る表示装置について図面を参照して詳細に説明する。図面は、発明を理解するために誇張されており、必ずしも実際の製品と同じスケールでないことに留意すべきである。図３は、本発明の実施例に係る表示装置の概略構成を示す斜視図、図４は、図３の表示装置の平面図である。

【0012】

本発明の実施例に係る表示装置１００は、拡大するための画像を生成し、生成した画像を出射する画像生成ユニット１１０と、画像生成ユニット１１０から出射された画像を入射し、入射した画像を斜め方向に投影することで画像の水平方向を拡大する第１の透明基板１２０と、第１の透明基板１２０で拡大された画像を第２の透明基板１４０に向かわせるように画像の出射角度を変調する第１の角度変調器１３０（図５を参照。図３、図４には非表示）と、第１の角度変調器１３０で角度変調された画像を入射し、入射した画像を斜め方向に投影することで画像の垂直方向を拡大する第２の透明基板１４０と、第２の透明基板１４０で拡大された画像を観察者方向に向かわせるように画像の出射角度を変調する第２の角度変調器１５０（図７を参照、図３、図４には非表示）とを有する。

【0013】

画像生成ユニット１１０は、２次元状の表示領域１１２（図中、ハッチング領域）に画像を生成し、生成した画像の平行光線（コリメートされた光）を表示領域１１２から出射させる。表示領域１１２は、水平方向（Ｘ方向）の長さｘ０、垂直方向（Ｙ方向）の長さｙ０の画面サイズを有する。

【0014】

画像生成ユニット１１０は、種類を問わないが、例えば、液晶表示パネル（バックライト光源を含む）、有機ＥＬ表示パネルあるいは画像を投射する投射機（またはプロジェクタ）であることができ、これらによって生成された画像は、表示領域１１２から概ねコリメートされて出射される。画像生成ユニット１１０が生成する画像は任意であるが、例えば、表示装置１００が車両に搭載された場合には、運転を支援する情報、道路交通情報、車用の走行状態に関する情報、経路案内情報などが生成される。また、画像表示ユニット１１０は、必ずしも矩形状の外観である必要はなく、任意の形状であることができる。

【0015】

第１の透明基板１２０は、画像生成ユニット１１０の表示領域１１２から出射された画像を入射し、入射した画像の水平方向（Ｘ方向）を拡大する。第１の透明基板１２０は、透過率が高ければその材質は問わず、例えば、屈折率ｎ１の透過率の高いアクリル等の樹脂やガラス等から構成される。但し、画像生成ユニット１１０が液晶表示装置の場合は、複屈折の小さい材料、あるいは画像生成ユニット１１０側でリタデーションを解消する手段が必要である。

【0016】

第１の透明基板１２０は、上面、上面と平行な底面、上面および底面との間に接続された４つの側面を含む概ね矩形状の外観を有する。第１の透明基板１２０は、４つの側面のうちの側面１２２が画像生成ユニット１１０の表示領域１１２と面で接触するように、画像生成ユニット１１０に固定される。側面１２２は、表示領域１１２から出射される画像の入射面を提供するため、表示領域１１２の画面サイズよりも幾分大きな面積を有する。また、側面１２２は、側面１２４と直交する面（Ｙ軸）から斜め方向に傾斜する。この傾斜角θ_１は、鋭角である。側面１２２は、例えば、第１の透明基板１２０の側部を切断することによって形成される。

【0017】

側面１２２から入射した画像は、第１の透明基板１２０内を通過して側面１２４に斜め方向に投影される。これにより、側面１２４には、表示領域１１２の画像を水平方向に拡大した投影画像Ｐ１が生成される。投影画像Ｐ１の水平方向の長さｘ１は、傾斜角θ_１の設定により決定される。水平方向の拡大率α（＝ｘ０／ｘ１）と傾斜角θ_１との関係は、スネルの法則より次式で求めることができる。ｘ０は、表示領域１１２の画像の水平方向の長さである。

【0018】

【数1】

【0019】

なお、第１の透明基板１２０は、画像のｘ方向のみを拡大するため、投影画像Ｐ１の垂直方向（Ｙ方向）の長さｙ１は、表示領域１１２の画像の垂直方向の長さｙ０のままである（ｙ１＝ｙ０）。

【0020】

第１の角度変調器１３０は、第１の透明基板１２０の側面１２４に生成された投影画像Ｐ１が第２の透明基板１４０の側面１４４に入射されるように、投影画像Ｐ１の出射角を変調する。本実施例では、第１の角度変調器１３０はプリズムを用いて構成される。図５（Ａ）は、プリズムの拡大断面図、図５（Ｂ）は、プリズムの全体斜視図である。

【0021】

第１の透明基板１２０の側面１２４上には、Ｚ方向に延在する三角柱状のプリズム１３２がＸ方向に複数形成される。プリズム１３２は、三角形状の断面を有し、傾斜面１３４は、第１の透明基板１２０の側面１２４と傾斜角θ_３で交差する。プリズム１３２は、第１の透明基板１１０と同じ材質、あるいは第１の透明基板１１０の屈折率ｎ１と同等な屈折率ｎ２の材料から構成される（ｎ１≒ｎ２）。

【0022】

プリズム１３２の傾斜面１３４には、第１の透明基板１１０からの光線Ｌ１を第２の透明基板１４０に向けて反射するための反射面が形成される。傾斜面１３４の傾斜角θ_３は、反射された光線Ｌ２が第２の透明基板１４０の側面１４４に平行に入射されるように（Ｙ方向に平行になるように）調整される。

【0023】

各プリズム１３２は、Ｘ方向で互いに接しており、プリズム１３２の傾斜面１３４の間隙は、第１の透明基板１２０の屈折率ｎ１と同等の屈折率の媒質１３６で埋められていることが望ましい。媒質１３６の屈折率が異なると、光線Ｌ１がプリズム１３２を通過して隣の反射面（傾斜面）１３４に到達するまでに角度が変わってしまうためである。但し、同等の屈折率の媒質１３６で埋められなかった場合は、光線Ｌ１が反射面１３４に到達するまでの角度変化を考慮した傾斜角θ_３を設計することで、光線Ｌ２を第２の透明基板１４０の側面１４４に平行に入射させることができる。プリズム１３２間に媒質１３６が形成された場合、媒質１３６の平坦な表面１３６Ａが第２の透明基板１４０の側面１４４と面で接触する。

【0024】

また、プリズム１３２のＸ方向の周期が大きいと（つまり、プリズムのＸ方向の間隔が大きくなると）、光線Ｌ２のストライプ状のムラが目立つようになる。このため、プリズム１３２のサイズ（Ｘ方向の底面の長さ）を、１００ｕｍ以下、出来れば５０ｕｍ以下にするのが望ましい。

【0025】

第２の透明基板１４０は、第１の角度変調器１３０によって出射角が変調された光線Ｌ２、つまり投影画像Ｐ１を入射し、入射した投影画像Ｐ１の垂直方向（Ｙ方向）を拡大する。第２の透明基板１４０は、透過率が高ければ材質は問わず、例えば、透過率の高いアクリル等の樹脂やガラス等から構成される。

【0026】

図６（Ａ）は、第２の透明基板１４０の側面図、図６（Ｂ）は、第２の透明基板１４０が第１の透明基板に結合された状態を示す側面図である。第２の透明基板１４０は、上面Ｓ１、上面Ｓ１と平行な底面Ｓ２、上面Ｓ１および底面Ｓ２との間に接続された４つの側面１４２、１４４、１４６、１４８を含む概ね矩形状の外観を有する。第２の透明基板１４０は、４つの側面のうちの側面１４４が第１の透明基板１２０の側面１２４と面で接触するように、第１の透明基板１２０に固定される。なお、側面１２４に複数のプリズム１３２が形成されている場合には、媒質１３６の平坦な面１３６Ａが第２の透明基板１４０の側面１４４に面接触する。側面１４４は、投影画像Ｐ１の入射面を提供するため、側面１４４の面積は、第１の透明基板１２０の側面１２４と同等かもしくはそれよりも幾分大きい。また、側面１４４は、上面Ｓ１と直交する面（Ｚ軸）から斜め方向に傾斜する。この傾斜角θ_２は、鋭角である。側面１４４は、例えば、第２の透明基板１４０の側部を切断することによって形成される。

【0027】

第１の透明基板１２０の側面１２４に生成された投影画像Ｐ１は、第１の角度変調器１３０を介して第２の透明基板１４０の側面１４４から入射し、入射した投影画像Ｐ１は、第２の透明基板１４０内を通過して上面Ｓ１に斜め方向に投影される。これにより、上面Ｓ１には、投影画像Ｐ１を垂直方向に拡大した投影画像Ｐ２が生成される。投影画像Ｐ２の垂直方向の長さｙ２は、傾斜角θ_２の設定により決定される。垂直方向の拡大率β（＝ｙ０／ｙ２）と傾斜角θ_２との関係は、スネルの法則より次式で求めることができる。ｙ０は、表示領域１１２の画像または投影画像Ｐ１の垂直方向の長さである。

【0028】

【数2】

【0029】

第２の透明基板１４０は、投影画像Ｐ１の垂直方向のみを拡大するため、投影画像Ｐ１の水平方向（Ｘ方向）の長さｘ２は、投影画像Ｐ１のｘ１のままである（ｘ２＝ｘ１）。こうして、画像生成ユニット１１０の表示画像（ｘ０、ｙ０）を拡大した投影画像Ｐ２（ｘ２、ｙ２）が第２の透明基板の上面Ｓ１に生成される。

【0030】

次に、第２の角度変調器１５０について説明する。第２の角度変調器１５０は、第２の透明基板１４０の上面Ｓ１に生成された投影画像Ｐ２の出射角を光学的手段を用いて観察者の方向に変調する。図７（Ａ）に示すように、第２の透明基板１４０の上面Ｓ１に入射する光線Ｌ２の入射角が大きくなると、第２の透明基板１４０の上面Ｓ１が接する媒質の屈折率が第２の透明基板１４０よりも小さい場合には、光線Ｌ２が投影面（上面Ｓ１）で全反射してしまい、観察者Ｕへ向けて光が出射されない。仮に、第２の透明基板１４０の上面Ｓ１から光線Ｌ２が出射されたとしても、出射角が大きいと、第２の透明基板１４０の上面Ｓ１と対向する位置に存在する観察者Ｕは、投影画像Ｐ２を見ることができない。そのため、観察者Ｕ側に光を出すための機構を第２の透明基板１４０の投影面（上面Ｓ１）上に配置する必要がある。

【0031】

第１の態様は、図７（Ｂ）に示すように、第１の角度変調器１３０と同様の反射プリズム１５２を第２の透明基板１４０の上面Ｓ１に形成することである。各プリズム１５２は、Ｘ方向に延在し、Ｙ方向において隣接する。プリズム１５２は、第２の透明基板１４０の屈折率と同等の材料から構成される。プリズム１５２の傾斜面１５４は、上面Ｓ１からの光線Ｌ２を反射するための反射面として機能し、上面Ｓ１に入射した光線Ｌ２を上面Ｓ１から概ね垂直方向に平行に出射させる。傾斜面１５４の傾斜角は、上面Ｓ１への光線Ｌ２の入射角を考慮して設定される。

【0032】

また、プリズム１５２の傾斜面１５４の間隙は、プリズム１５２と同等の屈折率の媒質１５６で埋められている必要がある。屈折率が異なると、光線Ｌ２がプリズム１５２を通過して隣の反射面１５４に到達するまでに角度が変わってしまうためである。但し、同等の屈折率の媒質１５６で埋められなかった場合は、光線Ｌ２が反射面１５４に到達するまでの角度変化を考慮した斜面角度を設計することで、上面Ｓ１から垂直方向に光線Ｌ３を出射させる。

【0033】

また、第２の透明基板１４０の後方の背景を投影画像Ｐ２と重畳して映すような透明なスクリーン（または透明ディスプレイ）として使用する場合、図７（Ｂ）に示すように、プリズム１５２を密に配置すると、第２の透明基板１４０の底面Ｓ２側からの外部光Ｌｂの透過性が低下し、第２の透明基板１４０を介して背景を見難くなる。そのため、図７（Ｃ）に示すように、プリズム１５２は、一定の間隔を持って粗く配置することが望ましい。スクリーンの開口率は、プリズム１５２のピッチと上面Ｓ１の透過部のＹ方向の幅から求められる。プリズム１５２のピッチを図７（Ｃ）に示すようにピッチを大きくした場合、観察される投影画像Ｐ２が縞模様に見えることがあるため、ピッチは１００ｕｍ以下、出来れば５０ｕｍ以下が望ましい。

【0034】

また、プリズム１５２は、第１の透明基板１２０から上面Ｓ１に入射する全ての光Ｌ２を観察者側に出射することができる最小の大きさであることが望ましい。図８（Ａ）は、プリズム１５２が大きく、傾斜面１５４の反射層が大きい場合を例示しており、図８（Ｂ）は、プリズム１５２が小さく、傾斜面１５４の反射層が小さい場合を例示している。図８（Ｂ）の方が、プリズム１５２が小さく、開口率を最大限まで拡げることができる。これにより、背景からの外部光Ｌｂの透過率を高めることができる。

【0035】

第２の透明基板１４０の上面Ｓ１には、画像生成ユニット１１０で生成された画像の光Ｌ２だけでなく、その底面Ｓ２側から背景を映す外部光Ｌｂが入射する。底面Ｓ２側から入射した外部光Ｌｂは、図８（Ｃ）に示すように、プリズム１５２の傾斜面１５４で水平方向に反射し、この反射した光が隣のプリズム１５２の傾斜面１５４で反射し、観察者側にノイズ光Ｌｃとして出射することが考えられる。これを防止するため、傾斜面１５４を、図８（Ｅ）に示すように、反射層１５２Ａと光吸収層１５２Ｂの積層にすることが望ましい。これにより、図８（Ｄ）に示すように、プリズム１５２の底面側から入射した外部光Ｌｂは光吸収層１５２Ｂによって吸収され、ノイズ光Ｌｃの発生が抑制される。別な方法として、カラーフィルターのメタルブラックマスクのようにクロムを蒸着するようにしてもよい。クロムを蒸着すると、表面にクロムの反射層、背面に酸化クロムの光吸収層が出来るため、同様の効果を得ることができる。

【0036】

プリズム１５２の傾斜面１５４で反射して出射された光Ｌ３は平行光線であるため、観察者Ｕの目には一部の光しか入らない。そのため、観察者Ｕは、投影画像Ｐ２の一部しか認識することができない。図９（Ａ）は、この様子を模式的に示しており、投影画像Ｐ２の一部の光Ｌｄが観察者Ｕの目に入射されない。

【0037】

これを回避するためには、第２の透明基板１４０の上面Ｓ１の前方に、出射した光Ｌ３の光路を変換する光路変換手段が必要となる。光路変換手段に光Ｌ３を通過させることで、第２の透明基板１４０の上面Ｓ１の全面から出射した光Ｌ３が観察者Ｕの目に入射し、観察者Ｕは投影画像Ｐ２のすべてを認識することができるようになる。光路変換手段としては、例えば、散乱板、マイクロレンズ、ルーバーなどを用いることができる。図９（Ｂ）は、第２の透明基板１４０の上面Ｓ１に散乱板１６０を配置した例である。散乱板が無いと図９（Ａ）のように投影画像Ｐ２の一部しか視認することができないが、散乱板１６０を配置すると投影面の各ポイントであらゆる角度に光線が放射されるようになるので、図９（Ｂ）に示すように一部の光線が目に入り、投影画像Ｐ２の全体を認識することができる。なお、散乱板１６０は、プリズム１５２と組み合わせることも可能である。この場合、プリズム１５２の前面に散乱板１６０が配置される。

【0038】

次に、第２の角度変調器１５０の別の態様について説明する。図１０（Ａ）は、第２の透明基板１４０の上面Ｓ１上にプリズム層１７０を形成し、さらにプリズム層１７０の表面にレンズ層１８０を形成した例である。プリズム層１７０は、先の態様で説明したように複数のプリズム１５２と、プリズム１５２の間隙を埋める媒質１５６とを含む。レンズ層１８０は、２次元状に配置されら複数のマイクロレンズ１８２と、マイクロレンズ１８２を保持する媒質１８４を含む。プリズム層１７０によって反射された平行光Ｌ３は、マイクロレンズ１８２に入射し、マイクロレンズ１８２を通して広がり、媒質１８４の最終出射面１８６を通過した光線Ｌ４の一部が観察者Ｕの目に入り、投影画像Ｐ２を認識することができる。

【0039】

プリズム層１７０からマイクロレンズ１８２に入射する光の入射角は概ね０度なので、マイクロレンズ１８２の屈折率ｎ４に制約はない。しかし、界面での反射による損失を避けるため、プリズム層１７０の屈折率ｎ３と同等であることが望ましい。マイクロレンズ１８２の屈折率ｎ４と媒質１８４の屈折率ｎ５の関係は、マイクロレンズ１８２に平行に入射した光を拡げる必要があるため、ｎ４＜ｎ５である。また、マイクロレンズ１８２によって広がった光が、隣接するマイクロレンズ１８２を通して広がった別の光線と最終出射面１８６で交差することがないよう、マイクロレンズ１８２の曲率を設計する必要がある。

【0040】

第２の角度変調器１５０のさらに別の態様について説明する。図１１は、第２の透明基板１４０の上面Ｓ１上にルーバー層１９０を配置した例である。ルーバー層１９０は、ある方向から光を見ることができる。但し、ルーバー層１９０だけでは、光は平行光線のままなので、上記した散乱機能との組み合わせが必要である。ルーバー層１９０は、観察者Ｕの方向に合わせて傾けることも可能であり、ディスプレイとしての機能を果たしながらもプライバシーフィルムの役割を果たすこともできる。

【0041】

第２の角度変調器１５０について複数の態様を例示したが、これらの態様は、単独で実施されても良いが、他の態様と組み合わせて実施することでより効果を発揮する場合がある。例えば、プリズム反射板と散乱層の組み合わせ、プリズム反射板とルーバー層の組み合わせ等である。プリズムの反射板による鏡面反射が目立つ場合は、円偏光板を組み合わせても良い。これにより鏡面反射を抑えることができる。

【0042】

次に、本実施例の表示装置の具体的な構成例について説明する。図１２（Ａ）は、表示装置１００の正面図、図１２（Ｂ）は、表示装置１００の側面図である。表示装置１００の各部の構成は、以下の通りである。また、光学シミュレーションにはLambda research社のTraceProを使用した。
画像生成ユニット１１０の表示領域１１２：２０×２０ｍｍ
第１の透明基板１２０：アクリル
第１の透明基板１２０の側面１２２の傾斜角θ_１：３．８°
第１の角度変調器１３０のプリズム１３２：アクリル
プリズム１３２の傾斜面１３４の角度：４３．１°
プリズム１３２の傾斜面１３４の鏡面：Ａｌ
第２の透明基板１４０：アクリル
第２の透明基板１４０の側面１４４の傾斜角θ₂：３．８°

【0043】

図１２（Ｃ）は、表示領域１１２に生成された画像、図１２（Ｄ）は、第１の透明基板１２０に生成された投影画像Ｐ１、図１２（Ｅ）は、第２の透明基板１４０に生成された投影画像Ｐ２を示している。表示領域１１２には、図１２（Ｃ）に示すような画像が生成される。表示領域１１２から出射された平行光線は、第１の透明基板１２０の側面１２４に入射角８６．２°で入射する。この時点で、表示領域１１２の画像は、ｘ軸方向に２０ｍｍから２５０ｍｍまで延伸され、その投影画像Ｐ１が側面１２４に生成される。この様子を図１２（（Ｄ）に示す。

【0044】

投影画像Ｐ１の光線は、第１の角度変調器１３０によってｙ軸に平行となり、ｚ軸方向に３．８°の斜めの角度で第２の透明基板１４０に入射する。第２の透明基板１４０を伝播した光線は、第２の透明基板１４０の上面Ｓ１（投影面）に入射角８６．２°で入射する。この段階で、投影画像Ｐ１がｙ軸方向に２０ｍｍから２５０ｍｍまで延伸され、投影画像Ｐ１が上面Ｓ１に生成される。こうして、本実施例では、２０ｍｍ×２０ｍｍの画像が、第１および第２の透明基板１２０、１４０を用いて２５０ｍｍ×２５０ｍｍの画像まで拡大された。

【0045】

第２の透明基板１４０の上面Ｓ１に入射する光線Ｌ２は入射角が８０°を超えているため、光線Ｌ２は界面で全反射し、投影画像Ｐ２を観察者側に出射させることができない。そこで、第１の角度変調器１３０と同様のプリズム１５２を、第２の透明基板１４０の上面Ｓ１上に間隔を空けて配置した。この様子を図１３（Ａ）に示す。本例では、プリズム１５２は、１００ｕｍピッチで配置され、１２．７ｕｍがプリズムの反射板１５４に、残り８７．３ｕｍが透過部である。

【0046】

後述するようにプリズム１５２の上部には拡散層が配置され、第２の透明基板１４０と拡散層は、屈折率がほぼ等しい粘着層などで固定される。従って、プリズム１５２の間も屈折率差はほとんど生じない。この大きさのプリズム１５２であっても全ての光線を投影面に垂直に反射させることができる。

【0047】

これにより、画像の輝度を下げることなく透過の開口率を９０％まで上げることが可能となる。透明基板の材料にアクリルやガラスを使用した場合、計算上、透過率は８０％となる。

【0048】

第２の透明基板１４０の上面Ｓ１に配置するプリズム１５２の傾斜面（反射面）１５４には、クロム（Ｃｒ）を蒸着した。クロムの裏面には、酸化クロムの光吸収層を形成した。このため、図１３（Ｂ）に示すように、第２の透明基板１４０の底面Ｓ２側から入射する透過光（外部光）Ｌｂは、プリズム１５２の傾斜面１５４で反射されることなく吸収されるためノイズが軽減される。他方、光吸収層が形成されない場合、図１３（Ｃ）に示すように、透過光Ｌｂの一部がプリズム１５２の傾斜面１５４で反射されて迷光が生じ、透過光Ｌｂにノイズが混入することになる。

【0049】

次に、上述したプリズム反射板により出射面前方に出射した光線を観察者が認識するための散乱板の条件を評価した。このシミュレーションモデルを図１４（Ａ）に示す。観察者の目線として、６０×２０ｍｍのアイボックス２００をスクリーン（表示装置１００）の前方５００ｍｍに配置し、散乱板の散乱特性により視認されるイメージの違いを検証した。

【0050】

散乱板には、内部散乱板と表面散乱板とを用意した。図１４（Ｂ）は、内部散乱板２１０のＸ方向の断面図、図１４（Ｃ）は、表面散乱板２２０のＸ方向の断面図である。内部散乱板２１０は、散乱部２１２と透明部２１４との積層構造体である。図示する例では、内部散乱板２１０は、プリズム層（第２の角度変調器）２３０上に形成される。各散乱部２１２は、全面に存在せず、プリズム２３２の上方にのみ存在し、それ以外は透明部２１４が存在する。内部散乱板２１０の出射面（Ｚ方向の平面図）は、図１４（Ｄ）に示すようにストライプ状に形成される。

【0051】

内部散乱板２２０は、表面の一部に散乱部２２２が形成され、それ以外の領域は透明部２２４である。散乱部２２２は、プリズム２３２の上方にのみ存在する。内部散乱板２２０は、例えば、透明フィルムと散乱フィルムを積層したものを薄くスライスしたようなものであり、表面の散乱部２２２は、例えば、透明部２２４をマスキングし、露出した表面を物理的、化学的手段により粗面処理した後にマスクを除去して形成される。

【0052】

第２の透明基板１４０の出射面（上面Ｓ１）からプリズム反射板（第２の角度変調器）を介して放射される投影画像Ｐ２は、図１５（Ａ）のようになる。出射面からの光が完全な平行光であれば、全ての投影画像Ｐ２がアイボックス２００に入射することはなく、図１５（Ｂ）のように一部分の画像しか認識することができない。

【0053】

散乱板２１０／２２０を配置した場合のシミュレーション結果から、内部散乱板２１０を用いた場合は、ヘイズ値が高くても正面(０°)透過率が高い傾向があるため、全ての投影画像Ｐ２を明確に認識するためには相当高いヘイズ値が必要となる。しかし、内部散乱による損失も高くなるため出射光の効率が悪くなる。他方、表面散乱板２２０を用いた場合も同様に拡散幅の狭い条件では全ての投影画像Ｐ２を認識することが難しく、拡散範囲が±２０°以上の条件で認識できるようになる。表面散乱板２２０は、最表面の粗さで規定されるので内部散乱は発生しにくい。

【0054】

以上のことから、散乱板２１０／２２０の条件を最適化することによりディスプレイとしての機能を持たせることが可能となる。最適化条件は、表示サイズや観察者との位置関係、要求仕様により決まるので、内部散乱板２１０と表面散乱板２２０の優劣は、要求仕様により異なる。

【0055】

次に、本実施例の表示装置１００を透明ディスプレイとしたとき、透明ディスプレイを通して背景がどのように見えるのかをシミュレーションで検証した結果について説明する。透明ディスプレイは、例えば、自動車等の移動体に搭載され、第２の透明基板１４０は、自動車のフロントガラスの一部を構成したり、あるいはフロントガラスの手前に配置される。

【0056】

図１６（Ａ）に示すように、透明ディスプレイ１００から２０００ｍｍ離れたところに背景パターン３００を配置し、背景から発せられる光線のうちアイボックス２００に入射する光線を捉え、目で認識される画像に変換した。図１６（Ｂ）は、背景パターン３００の画像であり、シミュレーションの結果、目で認識される画像を図１６（Ｃ）に示す。このように、透明ディスプレイのスクリーンの開口部を通して、歪みを生じさせることなく背景パターンを認識できることが示された。

【0057】

図１７（Ａ）、（Ｂ）は、本実施例の表示装置１００の第２の角度変調器の他の態様を示す図である。図１７（Ａ）に示す構造は、図１０に示したマイクロレンズを含むレンズ層１８０上に拡散フィルム４００を形成したものである。拡散フィルム４００は、レンズ層１８０によって拡散された光をさらに拡散する。図１７（Ｂ）は、拡散フィルム４００の代わりにルーバーフィルム４１０を形成したものである。この場合、ルーバーにより視角を観察者の方向に限定する効果を得ることができた。

【0058】

以上説明したように、本実施例の表示装置によれば、導波路などの複雑な光学系を用いないシンプルな構成で、ディスプレイと光学系を一体化することができ、しかも広い容積を必要としない。投影型のように全面に散乱層があるのではなく、透過部と散乱部を完全に分けているため背景とディスプレイ画像の干渉が少ない利点もある。さらに、画像を斜めに投影して拡大し、かつ、プリズムや散乱層等を組み合わせることで、高透過な透明ディスプレイを実現することができる。

【0059】

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の要旨の範囲において、種々の変形、変更が可能である。

【符号の説明】

【0060】

１００：表示装置 １１０：画像生成ユニット
１１２：表示領域 １２０：第１の透明基板
１２２、１２４、１２６：側面 １３０：第１の角度変調器
１３２：プリズム １３４：傾斜面（反射面）
１３６：媒質 １４０：第２の透明基板
１４２、１４４、１４６、１４８：側面 Ｓ１：上面（投影面）
Ｓ２：底面 １５０：第２の角度変調器
１５２：プリズム １５２Ａ：反射層
１５２Ｂ：光吸収層 １５４：傾斜面（反射面）
１５６：媒質 １６０：散乱板
１７０：プリズム層 １８０：レンズ層
１８２：マイクロレンズ １８４：媒質
１９０：ルーバー層 ２００：アイボックス
２１０：内部散乱板 ２２０：表面散乱板
３００：背景パターン ４００：拡散フィルム
４１０：ルーバーフィルム Ｐ１、Ｐ２：投影画像

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】