特許7195454光源装置、それを利用した情報表示システムおよびヘッドアップディスプレイ装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-15
(45)【発行日】2022-12-23
(54)【発明の名称】光源装置、それを利用した情報表示システムおよびヘッドアップディスプレイ装置
(51)【国際特許分類】
G02B 27/01 20060101AFI20221216BHJP
G02F 1/13357 20060101ALI20221216BHJP
【ＦＩ】
G02B27/01
G02F1/13357
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2021554255
(86)(22)【出願日】2020-10-07
(86)【国際出願番号】 JP2020038053
(87)【国際公開番号】W WO2021079741
(87)【国際公開日】2021-04-29
【審査請求日】2022-03-29
(31)【優先権主張番号】P 2019191685
(32)【優先日】2019-10-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2020090189
(32)【優先日】2020-05-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000005810
【氏名又は名称】マクセル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002066
【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】平田 浩二
(72)【発明者】
【氏名】杉山 寿紀
(72)【発明者】
【氏名】藤田 浩司
(72)【発明者】
【氏名】梶原 浩一
(72)【発明者】
【氏名】高木 栄治
【審査官】横井 亜矢子
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１９／０４４７３２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１７／１３８２４２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－００３０８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１３／０８０４８８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１０－０７８７９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】韓国公開特許第１０－２０１９－００２０９０２（ＫＲ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ２７／００－３０／６０
Ｂ６０Ｋ ３５／００－３７／０６
Ｈ０４Ｎ ５／６４－５／６５５
Ｇ０２Ｆ １／１３３５７
Ｆ２１Ｓ ２／００
Ｆ２１Ｖ ８／００
Ｊａｐｉｏ－ＧＰＧ／ＦＸ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
映像表示装置に表示した映像を、ウィンドガラスを介して外界の景観に重畳して監視者が視認できる情報表示システムであって、前記映像表示装置に特定の偏光方向の光を挟角な発散角で供給する光源装置を備え、
前記監視者が前記映像を視認する監視角度を一定として、前記ウィンドガラスに対して前記映像表示装置の位置または角度を位置と角度を併せて変化させて配置することで前記ウィンドガラスにおける前記映像の反射位置を変化させ、前記監視者が視認する前記映像の虚像表示距離と虚像の映像の大きさを変更可能であり、
前記光源装置は、
点状または面状の光源と、
前記光源からの光の発散角を低減する光学手段と、
前記光源からの光を反射し、前記映像表示装置に伝搬する第１の反射面を有する導光体と、
前記導光体の他方の面に対向して配置される位相差板と、
前記導光体の前記第１の反射面と前記第１の反射面とをつなぐ第２の反射面と、を備え、
前記導光体に設けた前記第１の反射面は、前記光源からの光を反射させ前記導光体に対向して配置された前記映像表示装置に伝搬するように配置され、
前記導光体の前記第１の反射面と前記映像表示装置との間には反射型偏光板が配置されており、
前記反射型偏光板で反射した特定の偏光方向の光を前記導光体の前記第２の反射面で反射させ、前記位相差板を２度通過することで偏光変換を行い、前記反射型偏光板を通過させて前記映像表示装置に特定の偏光方向の光を伝搬し、
前記光源から前記映像表示装置に入射する光束の発散角の一部または全部を、前記導光体に設けた前記第１の反射面および前記第２の反射面の少なくとも一方の形状と面粗さによって調整する、情報表示システム。
【請求項2】
請求項１に記載の情報表示システムにおいて、前記映像表示装置に入射する光の発散角は、±３０度以下である、情報表示システム。
【請求項3】
請求項１に記載の情報表示システムにおいて、前記映像表示装置に入射する光の発散角は、±１０度以下である、情報表示システム。
【請求項4】
請求項１に記載の情報表示システムにおいて、前記映像表示装置に入射する光の水平拡散角と垂直拡散角とが互いに異なる、情報表示システム。
【請求項5】
請求項１に記載の情報表示システムにおいて、前記映像表示装置は、液晶表示素子を備え、光入射面および光出射面に設けられた偏光板の特性により得られるコントラストに前記反射型偏光板のクロス透過率の逆数を乗じたコントラスト性能を有する、情報表示システム。
【請求項6】
映像表示装置に表示した映像を、ウィンドガラスを介して外界の景観に重畳して監視者が視認できるヘッドアップディスプレイ装置であって、前記映像表示装置に特定の偏光方向の光を挟角な発散角で供給する光源装置を備え、
前記監視者が前記映像を視認する監視角度を一定として、前記ウィンドガラスに対して前記映像表示装置の位置または角度を位置と角度を併せて変化させて配置することで前記ウィンドガラスにおける前記映像の反射位置を変化させ、前記監視者が視認する前記映像の虚像表示距離と虚像の映像の大きさを変更可能であり、
前記光源装置は、
点状または面状の光源と、
前記光源からの光の発散角を低減する光学手段と、
前記光源からの光を反射し、前記映像表示装置に伝搬する第１の反射面を有する導光体と、
前記導光体の他方の面に対向して配置される位相差板と、
前記導光体の前記第１の反射面と前記第１の反射面とをつなぐ第２の反射面と、を備え、
前記導光体に設けた前記第１の反射面は、前記光源からの光を反射させ前記導光体に対向して配置された前記映像表示装置に伝搬するように配置され、
前記導光体の前記第１の反射面と前記映像表示装置との間には反射型偏光板が配置されており、
前記反射型偏光板で反射した特定の偏光方向の光を前記第２の反射面で反射させ、前記位相差板を２度通過することで偏光変換を行い、前記反射型偏光板を通過させて前記映像表示装置に特定の偏光方向の光を伝搬し、
前記光源から前記映像表示装置に入射する光束の発散角の一部または全部を、前記導光体に設けた前記第１の反射面および前記第２の反射面の少なくとも一方の形状と面粗さによって調整する、ヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項7】
請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、前記映像表示装置に入射する光の発散角は、±３０度以下である、ヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項8】
請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、前記映像表示装置に入射する光の発散角は、±１０度以下である、ヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項9】
請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、前記映像表示装置に入射する光の水平拡散角と垂直拡散角とが互いに異なる、ヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項10】
請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、前記映像表示装置は、液晶表示素子を備え、光入射面および光出射面に設けられた偏光板の特性により得られるコントラストに前記反射型偏光板のクロス透過率の逆数を乗じたコントラスト性能を有する、ヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項11】
請求項１に記載の情報表示システムに用いる光源装置であって、点状または面状の光源と、
前記光源からの光の発散角を低減する光学手段と、
前記光源からの光を反射し、映像表示装置に伝搬する第１の反射面を有する導光体と、
前記導光体の他方の面に対向して導光体から順に位相差板と、
前記導光体の前記第１の反射面と前記第１の反射面とをつなぐ第２の反射面と、を備え、
前記導光体に設けた前記第１の反射面は、前記光源からの光を反射させ前記導光体に対向して配置された前記映像表示装置に伝搬するように配置され、前記導光体の前記第１の反射面と前記映像表示装置との間には反射型偏光板が配置されており、
前記反射型偏光板で反射した特定の偏光方向の光を前記第２の反射面で反射させ、前記位相差板を２度通過することで偏光変換を行い、前記反射型偏光板を通過させて前記映像表示装置に特定の偏光方向の光を伝搬し、
前記光源から前記映像表示装置に入射する光束の発散角の一部または全部を、前記導光体に設けた前記第１の反射面および前記第２の反射面の少なくとも一方の形状と面粗さによって調整する、光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光源装置、それを利用した情報表示システムおよびヘッドアップディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
車載用の情報表示システムとして運転者が運転中に監視する実景に、映像表示装置に映し出された映像を、凹面ミラーの作用により虚像を形成しウィンドガラスで反射させて、運転者に拡大映像を提供する非特許文献１に示すようなＨＵＤ（Head up Display）が知られている。
【0003】
このＨＵＤの第一の課題はウィンドガラスの車内面（内面と記載）と車外面（外面と記載）の２つの面が反射面となるため、虚像は見かけ上二重像となること。また、第二の課題はセットの容積が大きく、遠方に大きな虚像を得るＡＲ（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）－ＨＵＤでは容積が１０リットルを超えるため、ステアリングとウィンドガラスの間の空間に配置することができない。更に、万が一ＨＵＤに不具合が発生した場合に簡単に交換ができないため、メンテナンスの自由度も低いなど普及の障害になっていた。また、表示映像の解像度は視野角１度あたり８０ドット程度が現状システムの最大値で、高精細な映像表示ができないなど通信環境の高度化に対応しづらいハード構成となっていた。上述した第一の課題を解決するために、特許文献１に示すような、フロントガラスに上下方向で膜厚を楔状に変化させた中間膜を設けることでこの問題を解決する技術手段が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】国際公開第２０１２／０２９９１６号
【非特許文献】
【0005】
【文献】DENSO TECHNICAL REVIEW Vol.21 2016
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、上述した従来技術の投影型情報表示システムや装置では、映像光を車内の観察者に対して効率良く（効果的に）届けて光の利用効率を向上すること、これにより光源を含む装置の消費電力を低減すること等に関しては考慮されていない。また、ＨＵＤ装置に太陽光が入射して映像表示装置である液晶パネルにダメージを与えることに対しての対応については考慮されていなかった。更に、ＨＵＤのセット容積を低減することや、簡便に取り外しができる構成や配置に関する記載や得られる映像の高解像度化に関する記載もなかった。
【0007】
そこで、本発明は、映像表示システムとして、空間の内部（車内）に対して好適な映像を表示することが可能な技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために、例えば、特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本発明は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、点状または面状の光源と、前記光源からの光の発散角を低減する光学手段と、前記光源からの光を反射し、映像表示装置に伝搬する反射面を有する導光体と、を備え、前記導光体には前記映像表示装置に対向した面を備え、前記導光体の反射面は、前記光源からの光束を前記導光体と対向して配置された前記映像表示装置に向けて反射させ、前記映像表示装置と前記反射面との間には前記映像表示装置と前記導光体の間に反射型偏光板が配置し、前記反射型偏光板で反射した特定の偏光方向の光を、前記導光体の前記反射面と反射面を繋ぐ部分で透過させ導光体の前記映像表示装置側の反対面に波長板と並行して設けた反射面で反射させ、前記波長板を前記特定の偏光方向の光が2度通過させることで
前記特定の偏光方向の光の偏光方向を変換し、前記映像表示装置に特定の偏光方向とは異なる偏波方向の光として伝搬し、前記光源から前記映像表示装置に入射する光の発散角の一部は、前記反射面の形状と面粗さによって制御する。
前記特定の偏光方向の光の偏光方向を変換し、前記映像表示装置に特定の偏光方向とは異なる偏波方向の光として伝搬し、前記光源から前記映像表示装置に入射する光の発散角の一部は、前記反射面の形状と面粗さによって制御する。
【0009】
この結果、特定偏波を出力する薄型の高輝度な直視映像表示装置が実現でき、この映像をウィンドガラスで反射させ直接運転者に映像情報を供給する。ウィンドガラスで発生する二重像と車外から入射する太陽光が映像表示装置（液晶パネル）に与えるダメージを軽減するためには、ウィンドガラスに設けた中間膜に位相差板（λ／２）を設けて対応する。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、車内に対して好適に映像を表示することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】実施例に係る情報表示システムの周辺機器構成を示す概略構成図である。
【図2】情報表示システムを搭載した車両の上面図である。
【図3】フロントガラスの曲率半径の違いを示す図である。
【図4A】両眼視による左右の眼球に入る光の像がずれて二重像になる現象を説明する説明図である。
【図4B】両眼視による左右の映像の歪を示した模式図である。
【図4C】虚像距離の違いによる両眼視による左右の映像のずれを示した模式図である。
【図5】（ａ）（ｂ）は、１つの眼球に入る光の像がずれて二重になる現象を説明するための模式図である。
【図6】フロントガラスにより二重像が発生するメカニズムを説明するための模式図である。
【図7】情報表示システムの遠方表示光学系の一実施例を示す概略構成図である。
【図8】太陽光をガードして二重像を軽減する本願の原理を説明するための断面図である。
【図9】太陽光などの自然光のＰ偏光とＳ偏光に対するガラスへの入射角度に対する反射率を示す図である。
【図10】太陽光などの自然光の波長分布を示す図である。
【図11】実施例に係わる映像表示装置がフロントガラスに表示する映像位置を説明するための説明図である。
【図12】運転者が運転中に前方を注視する場合の視点移動の範囲を求めた実験結果を纏めた特性図である。
【図13】実施例に係わる映像表示装置がフロントガラスに表示する映像位置を説明するための説明図である。
【図14】映像表示装置の具体的な構成の一例を示す図である。
【図15】実施例に係わる映像表示装置がフロントガラスに表示する映像位置を説明するための説明図である。
【図16】映像表示装置の具体的な構成の一例を示す図である。
【図17】映像表示装置の具体的な構成の一例を示す図である。
【図18】実施例の映像表示位置と運転者が監視する実景に対する相対的な映像サイズの関係を示す図である。
【図19】実施例の映像表示装置を自動車に取り付ける場合の配置を説明する概略構成図である。
【図20】従来の映像表示装置を自動車に取り付ける場合の配置を説明する概略構成図である。
【図21】映像表示装置の具体的な構成の一例を示す図である。
【図22】光源装置の具体的な構成の一例を示す断面図である。
【図23】光源装置の具体的な構成の一例を示す断面図である。
【図24】（ａ）（ｂ）は、映像表示装置の具体的な構成の一例を示す断面図である。
【図25】（ａ）（ｂ）は、映像表示装置の具体的な構成の一例を示す断面図である。
【図26】映像表示装置の具体的な構成の他の一例を示す図である。
【図27】光源装置の具体的な構成の一例を示す図である。
【図28】（ａ）（ｂ）は、光源装置の具体的な構成の一例を示す図である。
【図29】（ａ）（ｂ）は、光源装置の具体的な構成の一例を示す図である。
【図30】（ａ）（ｂ）は、映像表示装置の映像光拡散特性を示す図である。
【図31】映像表示装置の映像光拡散特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下の実施例は、例えば、大面積な映像発光源からの映像光による映像を、ショーウインドウのガラス等の空間を仕切る透明な部材を介して透過して店舗（空間）の外部に表示することが可能な情報表示システムに関する。また、かかる情報表示システムを用いて自動車や電車（以下では、総称して「車両」と言う）のフロントガラスやリアガラスやサイドガラスおよびコンバイナーを介して車内に映像を投影する車両用情報表示システムに関する。
【0013】
以下の実施例によれば、例えば、ショーウインドウのガラス面や車両のリアガラスやフロントガラス、側面のガラスまたは実施例で提案のコンバイナーなどでも高解像度な映像情報が表示可能であり、出射する映像光の発散角を小さく、即ち鋭角とし、更に、特定の偏波に揃えることで、映像光を観察者に対して効率良く届けて光の利用効率を向上することによって、光源を含む装置による消費電力を大幅に低減することが可能な、新規で利用性に優れた情報表示システムを提供することができる。また、例えば、車両のフロントガラスやリアガラスやサイドガラスを含むシールドガラスを介して、車両内において視認可能である、いわゆる、一方向性の表示が可能でウィンドガラスの両面で発生する二重像が軽減でき、太陽光に対して十分な保護機能を有する車両用情報表示システムを提供することができる。
【0014】
なお、従来から存在する車内に向かって実像の映像情報を表示する一般的な車両用情報表示システムとしては、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）チップをマトリックス状に配列し、映像情報に合わせて点灯表示するシステムがある。このようなシステムでは、（１）ＬＥＤチップの拡散角が広角であるために所望の明るさを得るため大電力が必要となる。また、（２）所望の明るさを得るＬＥＤチップは個々の寸法が大きくなり、車両に搭載できる寸法の情報表示システムとしては高い解像度が得られない。更に、（３）装置の大型化を防ごうとすると映像のカラー表示が困難である。
【0015】
一方、カラー表示可能な大型液晶パネルを用い、凹面ミラーを用いて拡大された虚像を遠方や広い範囲において表示できる映像表示装置を実現するには、大型な凹面ミラーが必要となり、映像表示装置から凹面ミラーまでの光路を確保するためには、セットサイズが大型となる。そうすると、例えば図２等に示すフロントガラス６とステアリング４３の間の空間に情報処理装置を収納することができなくなる。また、運転者の両目を含む視認空間（アイボックス）の範囲や両目と虚像を結んだ線分は成す角度の水平成分と垂直成分を広げると、更に凹面ミラーの寸法を大きくする必要が生じて上述したセットサイズの大型化を招く。
【0016】
これに対して、本願の車両用映像表示装置では、高解像度な液晶パネルを使用し光源装置の発散角を挟角とすることで高輝度化を実現する。更に、光の利用効率を高めるためにウィンドガラスやコンバイナーに対して斜め入射した映像光の反射率が高いＳ偏光を映像出力として使用する。
【0017】
更に、図７等に示す太陽が特定の角度にある時凹面ミラーを介して集光された太陽光が、映像表示パネル１１や光束方向変換手段５４に入射してダメージを与えることがないように、フロントガラスまたはコンバイナーに偏光方向を変換するフィルターを設けることで、太陽光の反射率を高め液晶パネルに入射する光量を低減する。
【0018】
また、映像光がフロントガラス６の映像反射面と車外に接する面で２回反射することで、発生する二重像についても上述のフィルターの持つ作用により大幅に軽減することができる。
【0019】
以下、図面等を用いて、本発明の実施例について詳細に説明する。なお、本発明は実施例の説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものには、同一の符号を付与し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【0020】
＜情報表示システム＞
次に、図１には、情報表示システムのより具体的な構成を示しており、映像表示装置４９を構成する映像表示パネル１１は、例えば、画面サイズが１５インチを超える比較的大型な液晶表示パネルにより構成されている。なお、歪補正によって実用上問題のないレベルの補正を行うためには、パネルの解像度は１２８０×７２０ドット以上が好ましく、外部に文字情報の他映像情報を静止画または動画を表示するには、１９８０×１０８０ドット以上の解像度が望ましい。なお、図示しないが複数のパネルを組み合わせてブレンディング機能を使用して高い解像度を実現することも可能であり、また、それぞれの映像表示装置に異なる映像を表示することも可能である。
次に、図１には、情報表示システムのより具体的な構成を示しており、映像表示装置４９を構成する映像表示パネル１１は、例えば、画面サイズが１５インチを超える比較的大型な液晶表示パネルにより構成されている。なお、歪補正によって実用上問題のないレベルの補正を行うためには、パネルの解像度は１２８０×７２０ドット以上が好ましく、外部に文字情報の他映像情報を静止画または動画を表示するには、１９８０×１０８０ドット以上の解像度が望ましい。なお、図示しないが複数のパネルを組み合わせてブレンディング機能を使用して高い解像度を実現することも可能であり、また、それぞれの映像表示装置に異なる映像を表示することも可能である。
【0021】
また、映像表示装置４９は、映像表示パネル１１と共に、その光源を構成する光源装置４８を備えており、その構成を図２１に示す。図２１では、光源装置４８を映像表示パネル１１と共に展開斜視図として示している。この液晶表示パネルは、矢印３０で示すように、バックライト装置である光源装置４８からの光により挟角な拡散特性を有する、即ち、指向性（直進性）が強く、かつ、偏光面を一方向に揃えたレーザ光に似た特性の面発光の照明光束を得て、入力される映像信号に応じて変調をかけた映像光を、図８に示したウィンドガラスの表面または内部に設けた透明シート７ｂに向かって出射する。
【0022】
また、図２１では、情報表示システムは映像表示装置４９を構成する映像表示パネル１１と、光源装置４８および必要に応じて、光源装置４８からの出射光束の指向特性を制御する光束方向変換手段５４、および、挟角拡散板（図示せず）を備えて構成される。映像表示パネル１１の両面には偏光板が設けられ、特定の偏波の映像光が映像信号により光の強度を変調して出射する（図２１の矢印３０を参照）構成となっている。これにより、所望の映像を指向性（直進性）の高い特定偏波の光として、光束方向変換手段５４を介して、フロントガラス６に向けて投写し、その表面で反射して監視者の眼に向けて反射する。上述した光束方向変換手段５４を設けずに映像表示装置４９をフロントガラス６に対して傾けることで、フロントガラス６に対する映像光の入射角度を制御することも可能である。
【0023】
本実施例では、光源装置４８からの出射光束の利用効率を向上させ、消費電力を大幅に低減するために、光源装置４８と映像表示パネル１１を含んで構成される映像表示装置４９において、光源装置４８からの光（図２１の矢印３０を参照）であって、フロントガラス６の表面に設けた透明シート５１を透過し、または拡散する映像光の輝度に対して、レンチキュラーレンズや透明パネル等の光学部品によって高い指向性を付与する。このことによれば、映像表示装置４９からの映像光は、レーザ光のようにフロントガラス６の内側にいる観察者に対して高い指向性（直進性）で効率良く届くこととなり、その結果、高品位な映像を高解像度で表示すると共に、光源装置４８のＬＥＤ素子２００を含む映像表示装置４９による消費電力を著しく低減することが可能となる。
【0024】
＜車両用情報表示システム＞
上述した実施例によれば、図１に示すように映像表示装置４９から発生し被投写部材であるフロントガラス６に向けて出射する映像光を、（１）ＬＥＤからの発散光を、以下に述べる光学系により、面発光のレーザのような作用を持つ映像源（光源装置４８）からの映像光のような、拡散角度が狭く（高い直進性）、かつ特定の偏波成分のみの映像光とし、これにより高品位な映像を高解像度な映像表示パネル１１で表示すると共に、出射光の利用効率を向上して消費電力を大幅に低減することを可能とし、同時に、（２）上述した構成部品からも明らかなように、装置の全体外形を平面（パネル）状に構成することが可能となっている。
上述した実施例によれば、図１に示すように映像表示装置４９から発生し被投写部材であるフロントガラス６に向けて出射する映像光を、（１）ＬＥＤからの発散光を、以下に述べる光学系により、面発光のレーザのような作用を持つ映像源（光源装置４８）からの映像光のような、拡散角度が狭く（高い直進性）、かつ特定の偏波成分のみの映像光とし、これにより高品位な映像を高解像度な映像表示パネル１１で表示すると共に、出射光の利用効率を向上して消費電力を大幅に低減することを可能とし、同時に、（２）上述した構成部品からも明らかなように、装置の全体外形を平面（パネル）状に構成することが可能となっている。
【0025】
このため、車体のコンソールの一部に収納スペースを設け後付けで設置することが可能となる。更に、映像表示装置４９からの映像光は拡散特性が挟角なため、高輝度な映像を低消費電力で実現できる。この時、車載用の情報表示システムとして、昼間、ウィンドガラスを介して監視者に映像を視認させるには、映像光がＳ偏波の場合、４００００（ｎｔ）以上の輝度が必要となる。一方、本実施例の映像表示装置は、高輝度であるため車載用途だけでなく屋外用途のタブレット端末としても使用できる。この時必要な輝度は２０００（ｎｔ）程度で、消費電力が１／２０程度となるため、小型のバッテリーで長時間の駆動が可能となり、スマートフォンなどの情報処理装置からの情報を無線にて伝搬し、映像として表示し、インターラクション機能により情報の選択や情報の深部まで選択的に進めることができる。
【0026】
図１９に本願の実施例である映像表示装置４９を車体コンソール部に配置した状況を示す。図２０に示した凹面ミラー１を用いた従来の映像表示装置５５に比べ映像光は通過する空間が存在しないため、コンパクト化が可能となる。
【0027】
映像表示装置４９からフロントガラス６までの間に光学部材の配置を不要とし、図２０に示した凹面ミラー１を用いた従来の映像表示装置５５に比べ、映像光束が通過する空間領域を不要とできるため、コンパクト化が可能となる。更に、映像表示装置の映像表示画面の全面を使用した場合には、図１１に示すよう運転者に正対したフロントガラス６の全領域ｄに映像表示ができるように設定し、車速や車内に設けた運転者の視点を感知するカメラ（図示せず）により運転者の視点に応じて表示領域ａ、表示領域ｂ、表示領域ｃなど、表示位置を移動または最適に選択する。更に、視点中央に対して左右に表示領域を分割し、その表示位置を車速や視点移動に応じて移動させ、または選択する機能を持たすことで、表示した映像が運転の支障とならない運転支援システムが構築できる。
【0028】
また、停止状態においては映像表示領域の全領域に映像表示することでたくさんの映像情報を同時に表示できる。
【0029】
一方、映像表示装置４９に表示する映像としてはナビゲーション情報や運転支援ＥＣＵからの速度情報、エンジンのトルク情報、電気自動車では残電力、ガソリン車やハイブリッド車両では残燃料情報などの他に、車載カメラからの車両周辺の監視情報に加え注意喚起のアラート情報などが表示される。更に、スマートフォンなどの情報処理装置からの情報も有線または無線にて伝搬され映像として表示され、インターラクション機能により情報の選択や情報の深部まで選択的に進めることができる。これらの特徴を利用して、本発明の情報表示システムを、自動車や電車や航空機等の車両に適用した、いわゆる、車両用情報表示システムの様々な例について、以下に詳細に説明する。
【0030】
図２、図３は、上記した映像表示装置４９等を商用車に搭載した例を示しており、フロントガラス６の一部（ステアリング４３の上部）や、サイドガラス６”等の一部、または全部に映像情報を表示する。図２、図３には、画像表示領域の一例を示している。
【0031】
自動車の（一部または全部の）ウィンドガラスを介して映像を表示する具体的な手段としては、例えば、図１に示したような大型の映像表示パネル１１を含む映像表示装置４９を、車体のウィンドガラスに沿って設ける。映像表示パネル１１の裏面には、図２４および図２５に示した光源装置４８を構成する複数の反射型導光体３０４を、光源装置４８として設け、面発光レーザ光源からの光のような拡散角度が狭く（高い直進性）、かつ偏光面の揃った映像光を得る。これらの光束は、映像表示パネル１１により映像信号に応じて光強度を変調され、フロントガラス６、リアガラス６’、サイドガラス６”を介して、車内または車外に表示される。映像表示パネル１１は従来のＴＶ用のパネルを流用可能であり、大型液晶パネルや高解像度な８ｋ相当のパネルも活用できる。従来のＴＶ用のパネルに高光出力に対応した液晶を封止した特殊仕様のパネルを使用しても良い。この時、大型液晶パネルや高解像度な８ｋ相当のパネルも活用できる。
【0032】
または、図２に示すような商用車や普通車への活用においては、ウィンドガラス（フロントガラスやリアガラス等）は、曲面のものが使用される場合があり、ガラスを介して車外から映像監視するとガラスの屈折作用により映像が歪む場合がある。同様にウィンドガラスの内面で映像光を反射させてもウィンドガラスの曲面形状により反射映像に歪が生じる。映像監視側から正常な形状の映像を再現できるように、元画像を補正形状に歪ませてガラス通過後の映像が正規な映像となるようにすると良い。
【0033】
また、車両用情報表示システムでは、車両自体が太陽光を含む自然光の下に晒されることから、かかる太陽光に対する対応が必要となるが、太陽光などの自然光は、図１０に示すように、紫外線から赤外線までの幅広い波長領域の光であるばかりでなく、偏光方向も光の進行方向に垂直な振動方向の光と、水平方向の光である２種類の偏光方向（以下Ｓ偏光とＰ偏光と記載）の光とが混ざった状態で存在する。特に、フロントガラス６への入射角度が５０度を超えるような領域では、図９に示すように、ガラス面上での反射率は、Ｓ偏光やＰ偏光、更には、入射角によりそれぞれ異なる。
【0034】
そこで、本実施例では、上述した発明者による知見に基づき、即ち、フロントガラス６を通して侵入する太陽光の多くはＰ偏光成分であることを考慮し、映像表示装置に照射侵入する太陽光を含む外光を抑制するためには、特に、Ｐ波成分の低減が有効であること、加えて、映像表示装置から出射され車外に出射されて監視者に認識されるべき映像光としては、Ｓ波成分を利用することが効果的であることを確認した。また、本実施例の情報表示システムでは、映像表示装置である液晶パネルにおいて太陽光が入射した領域を感知し、この領域に対応した光源装置のＬＥＤを消灯することで、映像非表示として映像表示装置の温度上昇を低減して信頼性の向上を実現する。
【0035】
上述した車両用情報表示システムの課題について以下詳細に説明する。図４Ａは第一の課題である両眼視差により発生する二重像の発生原理を説明するための模式図である。図４Ｂに示すように、監視者が右目で認識する画像と左目で認識する画像にはずれが発生する。この原因は眼球位置の違いで生じる視差により、反射面であるフロントガラス６の相対曲率が異なるため両眼のそれぞれで認識される虚像が異なって見えることになる。
【0036】
この原因は、上述した両眼視差により虚像を形成する光学系が異なるために発生するものであり、これを解決するためには、図４Ｃに示すように虚像距離を遠方に離すことで瞳間距離（平均６０ｍｍ）により生じる視差により発生する虚像を見込む角度が小さくなるため、二重像の影響が小さくなる。発明者らは実験的に虚像距離が８ｍを超すと視力１．０の監視者での識別範囲を超え、１３ｍでは視力１．２以上の監視者では識別しにくいことを明らかにした。
【0037】
図５（ａ）は、第二の課題であるフロントガラス６の２つに空気界面での反射像がずれて、監視者の瞳孔を通過して網膜に結像するため発生する縦方向二重像の発生原理を示した模式図である。これを解決するためには、虚像距離を図５（ｂ）および図６に示すように、フロントガラス６の２面の反射面により発生する虚像を見込む角度を小さくするためには、虚像距離を遠方に移動させると良い。発明者らは実験的に、この二重像が実用的に問題のないレベルとなる虚像距離を実験的に求めた。その結果、平均的な瞳径７ｍｍの監視者では、虚像距離が１２ｍを超すと視力１．０の監視者でも識別範囲を超え、１５ｍでは視力１．２以上の監視者でも識別しにくいことを明らかにした。以上述べた原理的に発生する二重像を軽減する第二の解決手段については後述する。
【0038】
本願の車両用情報表示システムを車体内に配置した状態を模式的に示した断面構造を図７に示す。映像表示装置４９は、挟角な拡散特性を有し特定の偏波を液晶表示素子に供給する光源装置を備え、映像表示パネル１１では供給された光を映像信号に合わせて出力光強度を変調することで所望の映像を得る。このため、装置の容積は小型の映像表示装置５５の映像を凹面ミラー１で拡大し虚像を得る図２０に示した従来型のＨＵＤに比べ光路となる空間が存在しないので大幅なコンパクト化が可能となる。
【0039】
この映像表示装置４９は、フロントガラス６が水平軸に対して４５度以上傾斜していれば図７中に示すように水平軸に対してウィンドガラス側に傾斜（図７中は傾斜角θ2で表記）させる必要があり、ウィンドガラスの上下方向の映像表示位置は映像表示装置からの映像の画面中心とフロントガラス６下端までの距離と前述したθ2をパラメータとすれば、任意に決定できる。ただしθ2をパラメータとして使用すると、フロントガラス６反射後の映像光の反射角度θ1が変化するため注意する必要がある。映像表示装置４９の表示領域を広くすることで、フロントガラス６のほぼ全面を反射面として使用できるので、表示領域の一部に映像を表示させ映像監視者である運転者の視点位置を感知するカメラ（図示せず）の出力に合わせて、最適位置に映像表示が可能となる。したがって、自動車の製造ラインで車体に精密取り付けする必要がなく、販売店で顧客の視点に合わせて表示位置を適宜変更できる情報表示システムが実現できる。この時、ウィンドガラスの表示位置により発生する画像歪が異なるが、顧客の視点に合わせカメラで表示映像を撮影し、得られた映像情報から映像表示装置に表示する画像を歪ませ逆補正することで、フロントガラス６で反射した映像では歪を軽減できる。
【0040】
映像表示装置４９からの映像光束は、保護カバー４１を介して射出させフロントガラス６に向け射出されフロントガラス６で反射し監視者に届く。保護カバー４１が映像表示パネル１１の汚れや水分などから保護する他、太陽光の一部である紫外線や赤外線などを遮光する作用を持たしても良い。
【0041】
本願の車載用情報表示システムの第一の実施例について、映像情報表示位置（ウィンドガラスにおける映像反射位置と虚像の結像位置）と表示領域別に適した表示内容について図１１を用いて以下説明する。図１１に示すように、映像表示装置４９をステアリングとウィンドガラスの間に配置し表面を、保護カバー４１で覆うことで埃や水分などが外部から侵入することを妨げる。また、太陽光のうち近赤外および赤外光、Ｐ偏波等カットするフィルター特性を持たせることで、映像表示装置４９に対する太陽光のストレスを軽減する。図７に示した保護カバー４１は映像表示装置４９同様に脱着可能とし、映像表示装置４９を前述した屋外用のタブレット端末として車外に持ち出す場合や将来的にパネルサイズが同一で解像度の高い映像表示装置が実現された場合に、保護カバー４１を取り外すだけで簡単に映像表示装置４１の高解像度化が実現できる。
【0042】
映像表示装置４９の表示領域は、右ハンドルの車種では前面のフロントガラス６を介して観ている外界の右半分の領域、即ち運転者が着座したシートの前面（表示領域ｄで図示）であり、必要に応じて複数の領域（表示領域ａ，表示領域ｂ，表示領域ｃ）に必要な情報を必要な時期とタイミングで表示する。表示映像としては、ナビゲーションの情報や車載カメラ１００により得られた車外の情報を、図１に示した周辺監視装置６３で解析し、障害物や人などの運転の支障となる情報を選択し、アラート情報を発生させ表示装置に重畳することで注意喚起を行う。
【0043】
図１２は発明者らが乗用車を運転する際（時速５０ｋｍの市街地走行）に、運転者の目線の異動を調査した結果をプロットしたグラフである。基準線は０度（視線はドライバーから約２０ｍ前方）に対して通常－３度から１０度（水平線）の範囲にあり、インパネ内にあるスピードメータやタコメータなどに視線を動かすと前方の景観を観ることができなくなり、安全運転の支障となる。このためインパネ部分は意識的に観る以外には視点移動が極端に少ないことが判った。
【0044】
また、水平方向の視点移動は、対向車が走る反対側車線に向くことが多いが、歩行者がいる左側も視点移動がなされ、運転者正面の２０ｍ前方から左右それぞれで１０度（特に右側の頻度が高い）の範囲に集中されている。このため、この外側に発生する事象に対してアラート表示をして注意を喚起することは、安全運転支援においては重要な要素となる。運転者の眼からフロントガラス６の映像反射位置中央までの距離を１ｍとすれば、時速５０ｋｍで一般道を走行中の運転者は、通常±１０度の範囲を視認できているため、フロントガラス上には視線の中央から±１６０ｍｍの範囲を超えた場所にアラート情報を表示すれば、運転者の気付きに繋がること、即ち、車速を感知するセンサ情報に基づき、アラート情報の表示位置を、低速走行時に比べ高速走行時には通常表示しないアラート情報を運転者の水平方向視認範囲の内側に移動させることで、車速によらず同一レベルで運転時の注意喚起情報を表示できることが判った。
【0045】
そこで、発明者らは自動車の運行上必要な速度情報やエンジンの回転数、燃料やバッテリーの残存量、冷却水の温度等をＨＵＤに表示させる最適な表示位置として運転の支障にならない位置は、表示位置ｃの領域であることを見出した。更に、ナビゲーションの情報など道路の分岐点から遠い位置で視認するには、画面上部の表示領域ａに分岐点に近づいた場合には、表示領域ｂに表示するなど道路の状況や自車の位置により表示位置を変えることが視認性と利便性の両面から優れていることを見出した。
【0046】
一方、高速運転時には運転者の視点移動範囲（図示せず）は更に狭くなり（基準線として、０度で視線はドライバーから約４０ｍ前方）、高速運転時（時速１００ｋｍ走行）の同様の評価結果では、正面に対して左右で±５度の範囲は視認でき、走行車線を走行時には右側の追い越し車両を注視する頻度が高く、追い越し車線を走行中には中央分離帯を注視する頻度が高くなるなど特徴的な結果が得られた。また、近景と遠景の注視の度合いは、視点で２度以上の遠方を観ている頻度が９０％以上となった。なお、以上で述べた運転者の視点移動の測定結果は、車両の右側に運転者が着座し左側走行の条件下での評価結果である。
【0047】
以上纏めると、高速走行時には運転者の視認範囲は±５度程度で、視角は２度以上の前方を監視しており、時速５０ｋｍでは視認範囲は左右±１０度程度で視角は±５度の範囲である。即ち、車速に応じて画像の表示位置を変化させると良く、このため時速５０ｋｍと時速１００ｋｍの走行時では必要な解像度が４倍は必要となる。また、自車が停止している場合には映像表示装置のパネル解像度を全て使用すると良い。即ち、上述したように、ウィンドガラス上の映像反射位置に応じて表示映像の解像度を変えることで監視者の視認性を向上させることができた。
【0048】
発明者らはウィンドガラス上の映像表示位置に応じて、必要な解像度を実験により求めた。結果は、ウィンドガラス上部（視度５度以上）では８０ｄｏｔ／度 以下の解像度で良く、中央部（視度０度付近）では１２０ｄｏｔ／度 以下の解像度があれば充分であることが判った。また上述した条件を満足し、停車状態でタブレット端末として十分な解像度を得るためには、ＷＱＸＧＡ（１９２０×１２００ｄｏｔ）同等の解像度が必要であった。
【0049】
車載用の映像表示装置として専用使用するには、（１２８０×７２０ｄｏｔ）の解像度があれば十分使用できることも分かった。
【0050】
次に、本願の車載用情報表示システムの第二の実施例について、映像情報表示位置（ウィンドガラスにおける映像反射位置と虚像の結像位置）と表示領域別に適した表示内容について図１３を用いて以下説明する。映像表示装置４９（図示せず）をステアリング４３とフロントガラス６の間に配置し表面を保護カバー４１で覆うことで、第一の実施例と同じように埃や水分などが外部から侵入することを妨げる。また、太陽光のうち近赤外および赤外光、Ｐ偏波等カットするフィルター特性を持たせることで、映像表示装置４９に対する太陽光のストレスを軽減する。
【0051】
映像表示装置４９の表示領域は、前面のフロントガラス６を介して観ている外界全領域、即ち運転者が着座したシートの前面全体（表示領域ｆで図示）であり、自動車の運行上必要な速度情報やエンジンの回転数、燃料やバッテリーの残存量、冷却水の温度等をＨＵＤに表示させる最適な表示位置として運転の支障にならない位置（図中表示位置ｅで表示）に情報を表示する。この結果、図１３に示す車両にインパネ部分は不要となり、ステアリングとフロントガラス６の間には大きな空間が生まれることで大型の映像表示装置４９が配置できる。この結果、図１４に示すようなフロントガラス６全面を反射面とした虚像Ｖ１が表示可能となる。
【0052】
また、助手席前方には、運転の支障にならない範囲でスマートフォンの情報や映画やＴＶ画像などのエンターティメント情報や、走行中の地域情報などを必要に応じて表示することも可能となる。この時、映像表示装置４９の画面垂直方向の高さはフロントガラス６の傾きにより若干の差異は生じるが、フロントガラス６の垂直断面での高さとほぼ等しくなる。このため図１４に示すように縦幅（画面縦寸法）が大きな液晶パネルとなる。
【0053】
一方、フロントガラス６を監視者から見た場合の縦横比は一般の乗用車では２．５：１以上となるため単独で縦横比を合わせた液晶パネルを用いても良く、縦横比が１６：９のＴＶ用の液晶パネルを複数枚使用することでも実現できる。また、フロントガラス６の室内側面には後述する透明シート７ｂ、５１を設けることで表示映像の二重像化や太陽光入射による映像表示装置４９へのダメージを大幅に軽減できる。
【0054】
本願の車載用情報表示システムの第三の実施例について、図１５を用いて説明する。映像情報はフロントガラス６とステアリング４３の間にコンバイナー３０１を設け表示する。映像表示装置４９（図示せず）は、前述した２つの実施例と同様のステアリング４３とフロントガラス６の間に配置し表面を保護カバー４１で覆うことで、埃や水分などが外部から侵入することを妨げる。また、太陽光のうち近赤外および赤外光、Ｐ偏波等カットするフィルター特性を持たせることで、映像表示装置４９に対する太陽光のストレスを軽減する。
【0055】
映像表示装置４９の表示領域は、コンバイナー３０１を介して観ている外界領域即ち運転者が着座したシートに対向したコンバイナー全面（表示領域ｇおよび表示領域ｈで図示）であり、自動車の運行上必要な速度情報やエンジンの回転数、燃料やバッテリーの残存量、冷却水の温度等をＨＵＤに表示させる最適な表示位置として、運転の支障にならない位置（図中表示位置ｈで表示、図１６の虚像Ｖ２）に情報を表示する。また、ナビゲーションなどの情報は、遠方の虚像Ｖ１に対応する位置に結像させ、コンバイナー３０１情報の上で重ねて表示させる。この結果、図１５に示す車両にインパネ部分は不要となり、ステアリングとフロントガラス６の間には大きな空間が生まれることで、コンバイナー３０１を含んだ大型の映像表示装置４９が配置できる。この結果、図１６に示すようなコンバイナー３０１全面上部を反射面とした虚像Ｖ１と全面下部を反射領域とした虚像Ｖ２の表示が可能となる。
【0056】
また、助手席前方には、運転の支障にならない範囲でスマートフォンの情報や映画やＴＶ画像などのエンターティメント情報や走行中の地域情報などを必要に応じて表示することも可能となる。この時、映像表示装置４９の画面垂直方向の高さは、フロントガラス６の傾きにより若干の差異は生じるが、フロントガラス６の垂直断面での高さとほぼ等しくなる。このため図１４に示すように縦幅（画面縦寸法）が大きな液晶パネルとなる。
【0057】
一方、コンバイナー３０１の監視者から見た場合の縦横比は、一般の乗用車では２．０：１以上となるため単独で縦横比を合わせた液晶パネルを用いても良く、縦横比が１６：９のＴＶ用の液晶パネルを複数枚使用することでも実現できる。また、フロントガラス６の室内側面には後述する透明シート７ｂ、５１を設けることで、表示映像の二重像化や太陽光入射による映像表示装置４９へのダメージを大幅に軽減できる。
【0058】
以上で述べた３つの実施例において、虚像距離Ｌ３と映像表示位置および最適な映像表示サイズの関係を図１７および図１８を用いて説明する。図１７は、本願の映像表示装置４９に表示された映像情報を、フロントガラス６越しに観察者が虚像Ｖ１を観ている状態を模式的に表した図である。虚像Ｖ１の寸法は虚像距離Ｌ３と（Ｌ１＋Ｌ２）の比で決定される。図１８に示すように、虚像の表示距離Ｌ３を２ｍとした場合を基準として考えると、図１２に示すように２０ｍ先に映像を表示した場合の角度を基準角度（０度）とし、虚像表示位置２ｍ（-２．５度相当の瞳の移動で認識）で水平寸法２０インチの虚像を表示させるのに必要な映像表示装置の水平寸法を２０インチとして選定すれば、同じ映像表示装置４９を用いて表示位置２０ｍ（基準角度０度）の位置に表示される虚像は２００インチ相当になる。同様に、虚像表示位置４０ｍ（２．４度相当の瞳の移動で認識）では、４００インチ相当の虚像を表示できることになる（図１８中●印にて表記）。即ち、本実施例では映像表示装置４９からの映像光束がフロントガラス６において反射する位置をパラメータとし、同時に映像表示装置がウィンドガラスに対して成す角度を変更することで、虚像の表示距離と映像の大きさを任意に決定できるという今までにない利点を持った情報表示システムが実現できる。
【0059】
同様に、図１８に示すように、２０ｍ先に映像を表示した場合の角度を基準角度（０度）とし、虚像表示位置２ｍ（－２．５度相当の瞳移動で認識）で水平寸法７インチの虚像を表示させるのに必要な映像表示装置の水平寸法を７インチとして選定すれば、同じ映像表示装置４９を用いて表示位置２０ｍ（基準角度０度）の位置に表示される虚像は９５インチ相当になる。同様に、虚像表示位置４０ｍ（２．４度相当の瞳の移動で認識）では、１９０インチ相当の虚像を表示できることになる（図１８中△印にて表記）。即ち、本実施例では、映像表示装置４９からの映像光束がフロントガラス６において反射する位置をパラメータとすることで、監視者が映像を観ているＦＯＶ（Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｖｉｅｗ）を一定とした情報表示システムが実現できるので、虚像の表示距離と映像の大きさを変える手段として表示高さをパラメータとして、即ち、フロントガラス６の下端とステアリングの間に配置する映像表示装置４９の取り付け位置をパラメータとすることで、任意に決定できるという今までにない利点を持つ情報表示システムが実現できる。以上述べた本願の実施例である情報表示システムが、ＦＯＶを一定として虚像表示距離をパラメータとした場合に対応してそれぞれの位置に所望の虚像が表示できる理由は、後述するように映像表示装置４９からの映像光が挟角の発散角を持ちテレセントリックな映像光を放射するためである。
【0060】
＜映像表示装置の例１＞
図２２には、映像表示装置４９の具体的な構成の一例を示す。図２２では、図２１の光源装置４８の上に映像表示パネル１１と光束方向変換手段５４を配置している。この光源装置４８は、図に示したようにケース状に、例えば、プラスチックなどにより形成され、その内部にＬＥＤ素子２００、導光体２０３を収納して構成されており、導光体２０３の端面には、図２１に示したように、それぞれのＬＥＤ素子２００からの発散光を略平行光束に変換するために、受光部に対して対面に向かって徐々に断面積が大きくなる形状を有し、内部を伝搬する際に複数回全反射することで発散角を徐々に小さくなるような作用を有するレンズ形状を設けている。その上面には、映像表示装置４９を構成する映像表示パネル１１が取り付けられている。また、光源装置４８のケースの１つの側面（本例では左側の端面）には、半導体光源であるＬＥＤ素子２００や、その制御回路を実装したＬＥＤ基板２０２が取り付けられると共に、ＬＥＤ基板２０２の外側面には、ＬＥＤ素子２００および制御回路で発生する熱を冷却するための部材であるヒートシンクを取り付けることもある。
図２２には、映像表示装置４９の具体的な構成の一例を示す。図２２では、図２１の光源装置４８の上に映像表示パネル１１と光束方向変換手段５４を配置している。この光源装置４８は、図に示したようにケース状に、例えば、プラスチックなどにより形成され、その内部にＬＥＤ素子２００、導光体２０３を収納して構成されており、導光体２０３の端面には、図２１に示したように、それぞれのＬＥＤ素子２００からの発散光を略平行光束に変換するために、受光部に対して対面に向かって徐々に断面積が大きくなる形状を有し、内部を伝搬する際に複数回全反射することで発散角を徐々に小さくなるような作用を有するレンズ形状を設けている。その上面には、映像表示装置４９を構成する映像表示パネル１１が取り付けられている。また、光源装置４８のケースの１つの側面（本例では左側の端面）には、半導体光源であるＬＥＤ素子２００や、その制御回路を実装したＬＥＤ基板２０２が取り付けられると共に、ＬＥＤ基板２０２の外側面には、ＬＥＤ素子２００および制御回路で発生する熱を冷却するための部材であるヒートシンクを取り付けることもある。
【0061】
また、光源装置４８のケースの上面に取り付けられる映像表示パネル１１のフレーム（図示せず）には、当該フレームに取り付けられた映像表示パネル１１と、更に、当該映像表示パネル１１に電気的に接続されたＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ：フレキシブル配線基板）（図示せず）などが取り付けられて構成される。即ち、液晶表示素子を備えた映像表示パネル１１は、固体光源であるＬＥＤ素子２００と共に、電子装置を構成する制御回路（図示せず）からの制御信号に基づいて、透過光の強度を変調することによって表示映像を生成する。この時、生成される映像光は拡散角度が狭く特定の偏波成分のみとなるため、映像信号により駆動された面発光レーザ映像源に近い、従来にない新しい映像表示装置が得られることとなる。なお、現状では、レーザ装置により、上述した映像表示装置４９で得られる画像と同等のサイズのレーザ光束を得ることは、技術的にも安全上からも不可能である。そこで、本実施例では、例えば、ＬＥＤ素子を備えた一般的な光源からの光束から、上述した面発光レーザ映像光に近い光を得る。
【0062】
【0063】
図２２および図２３は断面図であるため、光源を構成する複数のＬＥＤ素子２００が１つだけ示されており、これらは導光体２０３の受光端面２０３ａの形状により略コリメート光に変換される。このため導光体端面の受光部とＬＥＤ素子は所定の位置関係を保って取り付けられている。なお、この導光体２０３は、各々、例えば、アクリル等の透光性の樹脂により形成されている。そして、この導光体端部のＬＥＤ受光面は、例えば、放物断面を回転して得られる円錐凸形状の外周面有し、その頂部では、その中央部に凸部（即ち、凸レンズ面）を形成した凹部有し、その平面部の中央部には、外側に突出した凸レンズ面（あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でも良い）を有するものである（図示せず）。なお、ＬＥＤ素子２００を取り付ける導光体の受光部外形形状は、円錐形状の外周面を形成する放物面形状をなし、ＬＥＤ素子から周辺方向に出射する光をその内部で全反射することが可能な角度の範囲内において設定され、あるいは、反射面が形成されている。
【0064】
他方、ＬＥＤ素子２００は、その回路基板である、ＬＥＤ基板２０２の表面上の所定の位置にそれぞれ配置されている。このＬＥＤ基板２０２は、ＬＥＤコリメータ（受光端面２０３ａ）に対して、その表面上のＬＥＤ素子２００が、それぞれ、前述した凹部の中央部に位置するように配置されて固定される。
【0065】
かかる構成によれば、導光体２０３の受光端面２０３ａの形状によって、ＬＥＤ素子２００から放射される光は略平行光として取り出すことが可能となり、発生した光の利用効率を向上することが可能となる。
【0066】
以上述べたように、光源装置４８は、導光体２０３の端面に設けた受光部である受光端面２０３ａに、光源であるＬＥＤ素子２００を複数並べた光源ユニットを取り付けて構成され、ＬＥＤ素子２００からの発散光束を導光体端面の受光端面２０３ａのレンズ形状によって略平行光として、矢印で示すように、導光体２０３内部を導光し（図面に平行な方向）、光束方向変換手段２０４によって、導光体に対して略平行に伝搬された光源光を映像表示パネル１１に向かって反射させる(図面から手前に垂直な方向)。映像表示パネル１１により映像信号に応じて光強度が変調された映像光束は、光束方向変換手段５４によって所望の方向になる。導光体内部または表面の形状によって、この光源光束の分布（面内密度）を最適化することで、映像表示パネル１１に入射する光束の均一性を制御する。
【0067】
上述した光束方向変換手段２０４は導光体表面の形状や導光体内部に、例えば、屈折率の異なる部分を設けることで導光体内を伝搬した光束を、導光体に対して略平行に配置された映像表示パネル１１に向かって（図面から手前に垂直な方向）出射する。この時、映像表示パネル１１を画面中央に正対し、画面対角寸法と同じ位置に視点を置いた状態で、画面中央と画面周辺部の輝度を比較した場合の相対輝度比は２０％以上あれば実用上問題なく、３０％を超えていれば、更に優れた特性となる。
【0068】
なお、図２２は、上述した導光体２０３とＬＥＤ素子２００を含む光源装置４８において、偏光変換する本実施例の光源の構成とその作用を説明するための断面配置図である。図２２において、光源装置４８は、例えば、プラスチックなどにより形成される表面または内部に光束方向変換手段２０４を設けた導光体２０３、光源としてのＬＥＤ素子２００、反射シート２０５、位相差板２０６、レンチキュラーレンズなどから構成されており、その上面には、光源光入射面と映像光出射面に偏光板を備える映像表示パネル１１が取り付けられている。
【0069】
また、光源装置４８に対応した映像表示パネル１１の光源光入射面（図の下面）には、フィルムまたはシート状の反射型偏光板５２を設けており、ＬＥＤ素子２００から出射した自然光束２１０のうち片側の偏波（例えばＰ波２１２）を選択的に反射させ、導光体２０３の一方（図の下方）の面に設けた反射シート２０５で反射して、再度、映像表示パネル１１に向かうようにする。そこで、反射シート２０５と導光体２０３の間もしくは導光体２０３と反射型偏光板５２の間に位相差板（λ／４板）を設けて、反射シート２０５で反射させ、片方の偏波の反射光束を２回通過させることで反射光束をＰ偏光からＳ偏光に偏光変換し、光源光の利用効率を向上させる。映像表示パネル１１で映像信号により光強度を変調された映像光束は（図２２の矢印２１３）、図７および図８に示したように、フロントガラス６に大きな入射角で入射するため、透明シート７ｂでの反射率が大きくなり、車内で映像を監視するためには良好な特性を得ることができる。
【0070】
図２３は、図２２と同様に、導光体２０３とＬＥＤ素子２００を含む光源装置２５０において、偏光変換する本実施例の光源の構成と作用を説明するための断面配置図である。光源装置１０１も、同様に、例えばプラスチックなどにより形成される表面または内部に光束方向変換手段２０４を設けた導光体２０３、光源としてのＬＥＤ素子２００、反射シート２０５、位相差板２０６、レンチキュラーレンズなどから構成されており、その上面には、映像表示パネル１１として、光源光入射面と映像光出射面に偏光板を備える映像表示パネル１１が取り付けられている。
【0071】
また、光源装置４８に対応した映像表示パネル１１の光源光入射面（図の下面）にはフィルムまたはシート状の反射型偏光板５２を設け、ＬＥＤ素子２００から出射した自然光束２１０うち片側の偏波（例えばＳ波２１１）を選択的に反射させ、導光体２０３の一方（図の下方）の面に設けた反射シート２０５で反射して再度映像表示パネル１１に向かう。反射シート２０５と導光体２０３の間もしくは導光体２０３と反射型偏光板５２の間に位相差板（λ／４板）を設けて、反射シート２０５で反射させ、位相差板を２回通過させることで反射光束をＳ偏光からＰ偏光に偏光変換することも可能である。以上述べたように本願発明では自然光である光源光束を略平行とし、同時に特定偏波の光束に変換できるため、液晶パネル１１の特性に合わせて選択でき、結果として光源光の利用効率を向上することができる。このため、映像表示パネル１１で映像信号により光強度変調された映像光束は（図２３の矢印２１４）、図７に示したように、フロントガラス６に大きな入射角で入射するため、透明シート７ｂでの反射率が大きくなり、車内で映像を監視するためには良好な特性を得ることができる。
【0072】
図２２および図２３に示す光源装置においては、対応する映像表示パネル１１の光入射面に設けた偏光板の作用の他に、反射型偏光板で片側の偏光成分を反射するために、理論上得られるコントラスト比は、反射型偏光板のクロス透過率の逆数と液晶表示パネルに付帯した２枚の偏光板により得られるクロス透過率の逆数を乗じたものとなるため、高いコントラスト性能が得られる。実際には、表示画像のコントラスト性能が１０倍以上向上することを実験により確認した。この結果、自発光型の有機ＥＬと比較しても遜色ない高品位な映像が得られた。また光源装置４８が薄型化できるので、上述したタブレット端末と併用した映像表示装置を実現する技術手段の一つとなる。
【0073】
＜映像表示装置の例２＞
図２６には、映像表示装置４９の具体的な構成の他の一例を示す。図２６の映像表示装置４９では、図１等の光源装置４８が光源装置１０１に変更されている。この光源装置１０１は、図にも示すように、そのケース（図２６参照）内に、例えば、プラスチックなどにより形成され、その内部にＬＥＤ、コリメータ、合成拡散ブロック、導光体等を収納して構成されており、その上面には映像表示パネル１１が取り付けられている。また、光源装置１０１のケースの１つの側面には、半導体光源であるＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂや、その制御回路を実装した図２７に示すＬＥＤ基板１０２が取り付けられると共に、ＬＥＤ基板１０２の外側面には、ＬＥＤ素子および制御回路で発生する熱を冷却するための部材であるヒートシンク１０３が取り付けられている。
図２６には、映像表示装置４９の具体的な構成の他の一例を示す。図２６の映像表示装置４９では、図１等の光源装置４８が光源装置１０１に変更されている。この光源装置１０１は、図にも示すように、そのケース（図２６参照）内に、例えば、プラスチックなどにより形成され、その内部にＬＥＤ、コリメータ、合成拡散ブロック、導光体等を収納して構成されており、その上面には映像表示パネル１１が取り付けられている。また、光源装置１０１のケースの１つの側面には、半導体光源であるＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂや、その制御回路を実装した図２７に示すＬＥＤ基板１０２が取り付けられると共に、ＬＥＤ基板１０２の外側面には、ＬＥＤ素子および制御回路で発生する熱を冷却するための部材であるヒートシンク１０３が取り付けられている。
【0074】
また、ケースの上面に取り付けられた液晶表示パネルフレームには、当該フレームに取り付けられた映像表示パネル１１と、更に、映像表示パネル１１に電気的に接続されたＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ：フレキシブル配線基板）４０３（図２６参照）などが取り付けられて構成されている。即ち、液晶表示素子を備えた映像表示パネル１１は、固体光源であるＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂと共に、電子装置を構成する制御回路（ここでは図示せず）からの制御信号に基づいて、透過光の強度を変調することによって表示映像を生成する。
【0075】
＜映像表示装置の例３＞
続いて、図２４(ａ)を用いて映像表示装置４９の具体的な構成の他の一例を説明する。この映像表示装置４９の光源装置４８は、ＬＥＤからの自然光（Ｐ偏波とＳ偏波が混在）の発散光束をＬＥＤコリメータ１８により略平行光束に変換し、拡散特性を変換する光学素子３０３を通過後、反射型導光体３０４により映像表示パネル１１に向け反射する。反射光は、映像表示パネル１１と反射型導光体３０４の間に配置された波長板と反射型偏光板５２に入射する。反射型偏光板で特定の偏波（例えばＳ偏波）が反射され、波長板で位相が変換され、反射面に戻り再び位相差板を通過して反射型偏光板を透過する偏波（例えばＳ偏波）に変換される。
続いて、図２４(ａ)を用いて映像表示装置４９の具体的な構成の他の一例を説明する。この映像表示装置４９の光源装置４８は、ＬＥＤからの自然光（Ｐ偏波とＳ偏波が混在）の発散光束をＬＥＤコリメータ１８により略平行光束に変換し、拡散特性を変換する光学素子３０３を通過後、反射型導光体３０４により映像表示パネル１１に向け反射する。反射光は、映像表示パネル１１と反射型導光体３０４の間に配置された波長板と反射型偏光板５２に入射する。反射型偏光板で特定の偏波（例えばＳ偏波）が反射され、波長板で位相が変換され、反射面に戻り再び位相差板を通過して反射型偏光板を透過する偏波（例えばＳ偏波）に変換される。
【0076】
この結果、ＬＥＤからの自然光は特定の偏波（例えばＳ偏波）に揃えられ、映像表示パネル１１に入射し、映像信号に合わせて輝度変調されパネル面に映像を表示する。上述の例と同様に光源を構成する複数のＬＥＤが示されており（ただし、縦断面のため図２４(ａ)(ｂ)では１個のみ図示）、これらはＬＥＤコリメータ１８に対して所定の位置に取り付けられている。なお、このＬＥＤコリメータ１８は、各々、例えばアクリル等の透光性の樹脂またはガラスにより形成されている。そして、このＬＥＤコリメータ１８は、放物断面を回転して得られる円錐凸形状の外周面を有すると共に、その頂部では、その中央部に凸部（即ち、凸レンズ面）を形成した凹部を有する。また、その平面部の中央部には、外側に突出した凸レンズ面（あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でも良い）を有している。なお、ＬＥＤコリメータ１８の円錐形状の外周面を形成する放物面は、ＬＥＤから周辺方向に出射する光を、その内部で全反射することが可能な角度の範囲内において設定され、あるいは、反射面が形成されている。
【0077】
ＬＥＤコリメータ１８により略平行光に変換された光は、図２４(ｂ)に示すように偏光変換素子２１で片側の偏波に揃えられ（例えばＳ偏光）その後、反射型導光体３０４で反射し再度、波長板（位相差板）と反射型偏光板の作用により特定の偏波に揃えられる。この結果、偏光度が高くできるため高コントラスト化が実現できる。図２４(ｂ)の第二の実施例において、前述した反射型偏光板と波長板を除いても第一の実施例と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【0078】
続いて、図２５(ａ)を用いて映像表示装置４９の具体的な構成の他の一例を説明する。この映像表示装置４９の光源装置４８は、ＬＥＤからの自然光（Ｐ偏波とＳ偏波が混在）の発散光束をＬＥＤコリメータ１８により略平行光束に変換し、反射型導光体３０４の反射面により映像表示パネル１１に向け反射する。反射光は、映像表示パネル１１と反射型導光体３０４の間に配置された反射型偏光板２０６で特定の偏波（例えＰ偏波）が反射され、反射型導光体３０４の透過部で透過した特定の偏波の光は、反射面３１０で反射し、導光体３０４と反射面３１０の間に配置されたλ／４板（位相差板）３０９を２度通過して偏光変換（例えばＳ偏波）され反射型偏光板２０６を透過する。
【0079】
この結果、ＬＥＤからの自然光は特定の偏波（例えばＳ偏波）に揃えられ、映像表示パネル１１に入射し、映像信号に合わせて輝度変調され液晶表示パネル面に映像を表示し、映像光は、拡散特性を変換する光学素子３３０を通過後所望の指向特性が付加される。映像光束はフロントガラスで反射され監視者に視認される。フロントガラス６の反射面にはλ／２板（位相差板）を設け、Ｓ偏波の透過光を偏光変換してＰ偏波とすることで、フロントガラス６の車外に接する面での反射を大幅に低減し、映像光の二重像を実用上問題のないレベルに軽減できる。
【0080】
上述した映像表示装置４９に対して、図２５(ｂ)に示す実施例はＬＣＤコリメータ１８と反射型導光体３０４の間に偏光変換を行う第一の偏光変換部として偏光変換素子２１を設け、後段に設けた反射型偏光板２０６と位相差板３０９と反射面３１０により構成された第２の偏光変換部が併設されていることである。この結果、偏光度が高くできるため高コントラスト化が実現できる。図２５(ｂ)の第二の実施例において、前述した反射型偏光板と波長板を除いても第一の実施例と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【0081】
ここで、液晶表示パネルからの出射光は、従来のＴＶセットでは、画面水平方向（図３０（ａ）Ｘ軸で表示）と画面垂直方向（図３０（ｂ）Ｙ軸で表示）ともに、同様な拡散特性を持っている。これに対して、上述した実施例の液晶表示パネルからの出射光束の拡散特性は、例えば、図３０の例１に示すように、輝度が正面視（角度０度）の５０％になる視野角が１３度とすることで、従来の６２度に対して１／５となる。同様に垂直方向の視野角は、上下不均等として上側の視野角を下側の視野角に対して１／３程度に抑えるように反射型導光体の反射角度と反射面の面積等を最適化する。この結果、従来の液晶ＴＶに比べ監視方向に向かう映像光量が大幅に向上し、輝度は５０倍以上となる。
【0082】
更に、図３１の例２に示す視野角特性とすれば輝度が正面視（角度０度）の５０％になる視野角が５度とすることで、従来の６２度に対して１／１２となる。同様に垂直方向の視野角は上下均等として視野角を従来に対して１／１２程度に抑えるように反射型導光体の反射角度と反射面の面積等を最適化する。この結果、従来の液晶ＴＶに比べ監視方向に向かう映像光量が大幅に向上し、輝度は１００倍以上となる。以上述べたように視野角を挟角とすることで、監視方向に向かう光束量を集中できるので、光の利用効率が大幅に向上する。この結果、従来のＴＶ用の液晶表示パネルを使用しても、光源装置の光拡散特性を制御することで同様な消費電力で大幅な輝度向上が実現可能で、屋外に向けての情報表示システムに対応した映像表示装置とすることができる。
【0083】
基本構成としては、図７に示すように、光源装置４８により挟角な指向特性の光束を映像表示パネル１１に入射させ、映像信号に合わせて輝度変調することで、映像表示パネル１１の画面上に表示した映像情報を、ガラス６を介して室内の運転者や同乗者に向け表示する。この時、ガラス表面にはガラス両面での反射により映像が二重像となるので後述する透明シート５１を設けて軽減すると良い。
【0084】
【0085】
図２７および図２８には、光源を構成する複数（本例では、２個）のＬＥＤ１４ａ、１４ｂが示されており、これらはＬＥＤコリメータ１５に対して所定の位置に取り付けられている。なお、このＬＥＤコリメータ１５は、各々、例えばアクリル等の透光性の樹脂により形成されている。そして、このＬＥＤコリメータ１５は、図２８（ｂ）にも示すように、放物断面を回転して得られる円錐凸形状の外周面１５６を有すると共に、その頂部では、その中央部に凸部（即ち、凸レンズ面１５７）を形成した凹部１５３を有する。また、その平面部の中央部には、外側に突出した凸レンズ面１５４（あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でも良い）を有している。なお、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面１５６を形成する放物面は、ＬＥＤ１４ａ、１４ｂから周辺方向に出射する光をその内部で全反射することが可能な角度の範囲内において設定され、あるいは、反射面が形成されている。
【0086】
また、ＬＥＤ１４ａ、１４ｂは、その回路基板である、ＬＥＤ基板１０２の表面上の所定の位置にそれぞれ配置されている。このＬＥＤ基板１０２は、ＬＥＤコリメータ１５に対して、その表面上のＬＥＤ１４ａまたは１４ｂが、それぞれ、その凹部１５３の中央部に位置するように配置されて固定される。
【0087】
かかる構成によれば、上述したＬＥＤコリメータ１５によって、ＬＥＤ１４ａまたは１４ｂから放射される光のうち、特に、その中央部分から上方（図の右方向）に向かって放射される光は、ＬＥＤコリメータ１５の外形を形成する２つの凸レンズ面１５７、１５４により集光されて平行光となる。また、その他の部分から周辺方向に向かって出射される光は、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面を形成する放物面によって反射され、同様に、集光されて平行光となる。換言すれば、その中央部に凸レンズを構成すると共に、その周辺部に放物面を形成したＬＥＤコリメータ１５によれば、ＬＥＤ１４ａまたは１４ｂにより発生された光のほぼ全てを平行光として取り出すことが可能となり、発生した光の利用効率を向上することが可能となる。
【0088】
なお、ＬＥＤコリメータ１５の光の出射側には偏光変換素子２１が設けられている。この偏光変換素子２１は、図２８からも明らかなように、断面が平行四辺形である柱状（以下、平行四辺形柱）の透光性部材と、断面が三角形である柱状（以下、三角形柱）の透光性部材とを組み合わせ、ＬＥＤコリメータ１５からの平行光の光軸に対して直交する面に平行に、複数、アレイ状に配列して構成されている。更に、これらアレイ状に配列された隣接する透光性部材間の界面には、交互に、偏光ビームスプリッタ膜２２１と反射膜２２２とが設けられており、また、偏光変換素子２１へ入射して偏光ビームスプリッタ膜２２１を透過した光が出射する出射面には、λ／２位相板２１３が備えられている。
【0089】
この偏光変換素子２１の出射面には、更に、図２８（ａ）にも示す矩形状の合成拡散ブロック１６が設けられている。即ち、ＬＥＤ１４ａまたは１４ｂから出射された光は、ＬＥＤコリメータ１５の働きにより平行光となって合成拡散ブロック１６へ入射し、出射側のテクスチャー１６１により拡散された後、導光体１７に到る。
【0090】
導光体１７は、例えばアクリル等の透光性の樹脂により断面が略三角形（図２８（ｂ）参照）の棒状に形成された部材であり、そして、図２７からも明らかなように、合成拡散ブロック１６の出射面に第１の拡散板１８ａを介して対向する導光体光入射部（面）１７１と、斜面を形成する導光体光反射部（面）１７２と、第２の拡散板１８ｂを介して、液晶表示素子を備えた映像表示パネル１１と対向する導光体光出射部（面）１７３とを備えている。
【0091】
この導光体１７の導光体光反射部（面）１７２には、その一部拡大図である図２７にも示すように、多数の反射面１７２ａと連接面１７２ｂとが交互に鋸歯状に形成されている。そして、反射面１７２ａ（図では右上がりの線分）は、図において一点鎖線で示す水平面に対してαｎ（ｎ：自然数であり、本例では、例えば、１～１３０である）を形成しており、その一例として、ここでは、αｎを４３度以下（ただし、０度以上）に設定している。
【0092】
導光体光入射部（面）１７１は、光源側に傾斜した湾曲の凸形状に形成されている。これによれば、合成拡散ブロック１６の出射面からの平行光は、第１の拡散板１８ａを介して拡散されて入射し、図２７からも明らかなように、導光体光入射部（面）１７１により上方に僅かに屈曲（偏向）しながら導光体光反射部（面）１７２に達し、ここで反射して、図２７の上方の出射面に設けた映像表示パネル１１に到る。
【0093】
以上に詳述した映像表示装置４９によれば、光利用効率やその均一な照明特性をより向上すると同時に、モジュール化されたＳ偏光波の光源装置を含め、小型かつ低コストで製造することが可能となる。なお、上記の説明では、偏光変換素子２１をＬＥＤコリメータ１５の後に取り付けるものとして説明したが、本発明はそれに限定されることなく、液晶表示パネルに到る光路中に設けることによっても同様の作用・効果が得られる。
【0094】
図２７に示すように、導光体光反射部（面）１７２には、多数の反射面１７２ａと連接面１７２ｂとが交互に鋸歯状に形成されており、照明光束は、各々の反射面１７２ａ上で全反射されて上方に向かい、更には、導光体光出射部（面）１７３には挟角拡散板を設けて略平行な拡散光束として指向特性を制御する光束方向変換手段５４に入射し、斜め方向から映像表示パネル１１へ入射する。本実施例では、光束方向変換手段５４を導光体光出射部（面）１７３と映像表示パネル１１の間に設けたが、図２６に示すように映像表示パネル１１の出射面に設けても、同様の効果が得られる。
【0095】
＜光源装置の例２＞
光源装置４８の光学系の構成について、他の例を図２９に示す。図２８に示した例と同様に、光源を構成する複数（本例では、２個）のＬＥＤ１４ａ、１４ｂが示されており、これらはＬＥＤコリメータ１５に対して所定の位置に取り付けられている。なお、このＬＥＤコリメータ１５は、各々、例えばアクリル等の透光性の樹脂により形成されている。そして、図２８に示した例と同様に、このＬＥＤコリメータ１５は、放物断面を回転して得られる円錐凸形状の外周面１５６を有すると共に、その頂部では、その中央部に凸部（即ち、凸レンズ面１５７）を形成した凹部１５３を有する。また、その平面部の中央部には、外側に突出した凸レンズ面１５４（あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でも良い）を有している。なお、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面１５６を形成する放物面は、ＬＥＤ１４ａから周辺方向に出射する光をその内部で全反射することが可能な角度の範囲内において設定され、あるいは、反射面が形成されている。
光源装置４８の光学系の構成について、他の例を図２９に示す。図２８に示した例と同様に、光源を構成する複数（本例では、２個）のＬＥＤ１４ａ、１４ｂが示されており、これらはＬＥＤコリメータ１５に対して所定の位置に取り付けられている。なお、このＬＥＤコリメータ１５は、各々、例えばアクリル等の透光性の樹脂により形成されている。そして、図２８に示した例と同様に、このＬＥＤコリメータ１５は、放物断面を回転して得られる円錐凸形状の外周面１５６を有すると共に、その頂部では、その中央部に凸部（即ち、凸レンズ面１５７）を形成した凹部１５３を有する。また、その平面部の中央部には、外側に突出した凸レンズ面１５４（あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でも良い）を有している。なお、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面１５６を形成する放物面は、ＬＥＤ１４ａから周辺方向に出射する光をその内部で全反射することが可能な角度の範囲内において設定され、あるいは、反射面が形成されている。
【0096】
また、ＬＥＤ１４ａ、１４ｂは、その回路基板である、ＬＥＤ基板１０２の表面上の所定の位置にそれぞれ配置されている。このＬＥＤ基板１０２は、ＬＥＤコリメータ１５に対して、その表面上のＬＥＤ１４ａまたは１４ｂが、それぞれ、その凹部１５３の中央部に位置するように配置されて固定される。
【0097】
かかる構成によれば、上述したＬＥＤコリメータ１５によって、ＬＥＤ１４ａまたは１４ｂから放射される光のうち、特に、その中央部分から上方（図の右方向）に向かって放射される光は、ＬＥＤコリメータ１５の外形を形成する２つの凸レンズ面１５７、１５４により集光されて平行光となる。また、その他の部分から周辺方向に向かって出射される光は、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面を形成する放物面によって反射され、同様に、集光されて平行光となる。換言すれば、その中央部に凸レンズを構成すると共に、その周辺部に放物面を形成したＬＥＤコリメータ１５によれば、ＬＥＤ１４ａまたは１４ｂにより発生された光のほぼ全てを、平行光として取り出すことが可能となり、発生した光の利用効率を向上することが可能となる。
【0098】
なお、ＬＥＤコリメータ１５の光の出射側には第１の拡散板１８ａを介して導光体１７０が設けられている。導光体１７０は、例えばアクリル等の透光性の樹脂により断面が略三角形（図２９（ａ）参照）の棒状に形成された部材であり、そして、図２９（ａ）からも明らかなように、合成拡散ブロック１６の出射面に第１の拡散板１８ａを介して対向する導光体１７０の導光体光入射部（面）１７１と、斜面を形成する導光体光反射部（面）１７２と、反射型偏光板２５２を介して液晶表示素子を備えた映像表示パネル１１と対向する導光体光出射部（面）１７３とを備えている。
【0099】
この反射型偏光板２５２は、例えばＰ偏光を反射（Ｓ偏光は透過）させる特性を有する物を選択すれば、光源であるＬＥＤから発した自然光のうちＰ偏波を反射し、図２９（ｂ）に示した導光体光反射部（面）１７２に設けたλ／４板１７７を通過して反射面１７６で反射し、再びλ／４板１７７を通過することでＳ偏波に変換され、映像表示パネル１１に入射する光束は全てＳ偏波に統一される。
【0100】
同様に、反射型偏光板２５２としてＳ偏光を反射（Ｐ偏光は透過）させる特性を有する物を選択すれば、光源であるＬＥＤから発した自然光のうちＳ偏波を反射し、導光体光反射部（面）１７２に設けた図２９（ｂ）に示すλ／４板１７７を通過して反射面１７６で反射し、再びλ／４板１７７を通過することでＰ偏波に変換され、映像表示パネル１１に入射する光束は全てＰ偏波に統一される。以上述べた構成でも偏光変換が実現できる。
【0101】
＜光源装置の例３＞
光源装置の他の例を図２４～図２５に示す。また、本例の光源装置と映像表示パネル１１の配置も図２４～図２５に示す。光源装置はＬＥＤからの自然光（Ｐ偏波とＳ偏波が混在）の発散光束をＬＥＤコリメータ１８により略平行光束に変換し反射型導光体３０４により映像表示パネル１１に向け反射する。反射光は映像表示パネル１１と反射型導光体３０４の間に配置された波長板および/または反射型偏光板２０６で特定偏波は反射され、他方の偏波は透過し液晶パネル１１に入射する。反射型偏光板で特定の偏波（例えばＳ偏波）が反射され、波長板で位相が変換され反射面に戻り、再び位相差板を通過して反射型偏光板を透過する偏波（例えばＰ偏波）に変換される。あるいは、反射型偏光板２０６で反射した特定の偏波（例えばＳ偏波）は、反射型導光体３０４の透過部を透過して反射型導光体３０４の反対面に設けた反射板３１０で反射する。反射型導光体３０４と反射板３１０の間には位相差板が配置され位相差板３１０を２度通過して反射型偏光板を透過する偏波（例えばＰ偏波）に変換される。
光源装置の他の例を図２４～図２５に示す。また、本例の光源装置と映像表示パネル１１の配置も図２４～図２５に示す。光源装置はＬＥＤからの自然光（Ｐ偏波とＳ偏波が混在）の発散光束をＬＥＤコリメータ１８により略平行光束に変換し反射型導光体３０４により映像表示パネル１１に向け反射する。反射光は映像表示パネル１１と反射型導光体３０４の間に配置された波長板および/または反射型偏光板２０６で特定偏波は反射され、他方の偏波は透過し液晶パネル１１に入射する。反射型偏光板で特定の偏波（例えばＳ偏波）が反射され、波長板で位相が変換され反射面に戻り、再び位相差板を通過して反射型偏光板を透過する偏波（例えばＰ偏波）に変換される。あるいは、反射型偏光板２０６で反射した特定の偏波（例えばＳ偏波）は、反射型導光体３０４の透過部を透過して反射型導光体３０４の反対面に設けた反射板３１０で反射する。反射型導光体３０４と反射板３１０の間には位相差板が配置され位相差板３１０を２度通過して反射型偏光板を透過する偏波（例えばＰ偏波）に変換される。
【0102】
この結果、ＬＥＤからの自然光は特定の偏波（例えばＰ偏波）に揃えられる。上述の例と同様に光源を構成する複数のＬＥＤが示されており（ただし、横断面のため図２４～図２５では１個のみ図示）、これらはＬＥＤコリメータ１８に対して所定の位置に取り付けられている。なお、このＬＥＤコリメータ１８は、各々、例えばアクリル等の透光性の樹脂またはガラスにより形成されている。そして、このＬＥＤコリメータ１８は、放物断面を回転して得られる円錐凸形状の外周面を有すると共に、その頂部では、その中央部に凸部（即ち、凸レンズ面）を形成した凹部を有する。また、その平面部の中央部には、外側に突出した凸レンズ面（あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でも良い）を有している。なお、ＬＥＤコリメータ１８の円錐形状の外周面を形成する放物面は、ＬＥＤコリメータ１８から周辺方向に出射する光を、その内部で全反射することが可能な角度の範囲内において設定され、あるいは、反射面が形成されている。
【0103】
また、ＬＥＤは、その回路基板である、ＬＥＤ基板１０２の表面上の所定の位置にそれぞれ配置されている。このＬＥＤ基板１０２は、ＬＥＤコリメータ１８に対して、その表面上のＬＥＤが、それぞれ、その凹部の中央部に位置するように配置されて固定される。
【0104】
かかる構成によれば、ＬＥＤコリメータ１８によって、ＬＥＤから放射される光のうち、特に、その中央部分から放射される光は、ＬＥＤコリメータ１８の外形を形成する２つの凸レンズ面により集光されて平行光となる。また、その他の部分から周辺方向に向かって出射される光は、ＬＥＤコリメータ１８の円錐形状の外周面を形成する放物面によって反射され、同様に、集光されて平行光となる。換言すれば、その中央部に凸レンズを構成すると共に、その周辺部に放物面を形成したＬＥＤコリメータ１８によれば、ＬＥＤにより発生された光のほぼ全てを平行光として取り出すことが可能となり、発生した光の利用効率を向上することが可能となる。
【0105】
なお、ＬＥＤコリメータ１８の光の出射側には、図２４(ａ)、図２５(ａ)に示す断面図において、図面の垂直方向と水平方向（図の前後方向で図示せず）の拡散特性を変換する光学素子３０３を設けても良い。導光体の反射面に効率良く光を照射するために、画面垂直方向の拡散角を導光体反射面の垂直面の幅に合わせ、水平方向は映像表示パネル１１から出射する光束の面密度が均一になるようにＬＥＤの数量と光学素子３０３からの発散角を設計パラメータとして最適設計すると良い。
【0106】
前述した反射型偏光板と反射型導光体の間に配置した位相差板は、Ｓ偏光を反射（Ｐ偏光は透過）させる特性を有する物を選択すれば、光源であるＬＥＤから発した自然光のうちＳ偏波を反射し、図２４等に示した波長板を通過して反射面で反射し、再び波長板を通過することでＰ偏波に変換され映像表示パネル１１に入射する。この波長版の厚さは波長板への光線の入射角度により最適値を選ぶ必要があり、λ／１６からλ／４の範囲に最適値が存在する。この時、反射型導光体での反射角も設計パラメータとして液晶表示パネルに入射する角度が画面領域全面で一定になるように設計することで明るさの均一性を向上することができる。あるいは、前述した反射型導光体の反射角も設計パラメータとして液晶表示パネルに入射する角度が画面領域全面で一定になるように設計することで明るさの均一性を向上することができる。
【0107】
【0108】
更に、上述したように本実施例に係る光源装置を用いることで、図３１の(ａ)および（ｂ）の例１、例２に示したような挟角な拡散特性を有する映像表示装置が実現できる。映像表示装置４９を車載用として使用する場合にはフロントガラス６を介して観る映像表示装置４８と運転者の目までに距離が１〈ｍ〉相当なので、パネルサイズが７インチの場合、拡散特性は図３１に示す例１と例２の中間に近い特性がマッチしている。一方、屋外で使用するタブレット端末として使用する場合には、明視の距離が０．３（ｍ）であるので、広い拡散特性が必要で、例２の特性がマッチするなど用途に応じて導光体の光反射面の面形状と面粗さをパラメータとして最適設計することが望ましい。
【0109】
＜レンチキュラーレンズシート＞
以上述べた光源装置による出射光の制御に加えて、映像表示パネル１１からの映像光の拡散分布を制御するために、光源装置１０１と映像表示パネル１１の間、或いは、映像表示パネル１１の表面に、レンチキュラーレンズを設け、レンズ形状を最適化することで、一方向の出射特性を制御することもできる。更に、マイクロレンズアレイをマトリックス状に配置することで、映像表示装置４９からの映像光束をＸ軸およびＹ軸方向の出射特性を独立もしくは同時に制御でき、液晶パネル１１の画面中央部と周辺部で異なる指向特性を持たせることもでき、所望の拡散特性を有する映像表示装置を得ることができる。
以上述べた光源装置による出射光の制御に加えて、映像表示パネル１１からの映像光の拡散分布を制御するために、光源装置１０１と映像表示パネル１１の間、或いは、映像表示パネル１１の表面に、レンチキュラーレンズを設け、レンズ形状を最適化することで、一方向の出射特性を制御することもできる。更に、マイクロレンズアレイをマトリックス状に配置することで、映像表示装置４９からの映像光束をＸ軸およびＹ軸方向の出射特性を独立もしくは同時に制御でき、液晶パネル１１の画面中央部と周辺部で異なる指向特性を持たせることもでき、所望の拡散特性を有する映像表示装置を得ることができる。
【0110】
次に、レンチキュラーレンズによる作用について説明する。レンチキュラーレンズは、レンズ形状を最適化することで、上述した映像表示装置４９からの出射光束の指向特性を制御して、フロントガラス６の内部に設けた透明シート７ｂや表面に設けた透明シート５１上で効率良く反射または拡散させることを可能とする。即ち、映像表示装置４９からの映像光に対し、２枚のレンチキュラーレンズを組み合わせまたはマイクロレンズアレイをマトリックス状に配置して、拡散特性を制御するシートを設けて、Ｘ軸およびＹ軸方向において、映像光の輝度（相対輝度）をその反射角度（垂直方向を０度）に応じて制御することができる。本実施例では、このようなレンチキュラーレンズにより、従来に比較し、図３１（ｂ）に示すように垂直方向の輝度特性を急峻にし、更に上下（Ｙ軸の正負方向）方向の指向特性のバランスを変化させることで、反射や拡散による光の輝度（相対輝度）を高めることにより、面発光レーザ映像源からの映像光のように、拡散角度が狭く（高い直進性）、かつ特定の偏波成分のみの映像光とし、効率良く監視者の眼に届くようにしている。
【0111】
一方、上述した光源装置により、図３１の（ａ）（ｂ）に示した一般的な液晶パネルからの出射光拡散特性特性（図中では従来と表記）に対して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向ともに大幅に挟角な指向特性とすることで、特定方向に対して平行に近い映像光束を出射する特定偏波の光を出射する映像表示装置が実現できる。
【0112】
図３０には、本実施例で採用した光源装置の特性の一例を示している。上述したレンチキュラーレンズの特性を加えてピーク輝度をＸ方向（垂直方向）に３０度傾けている。具体的には、特性Ｏは、光の出射方向のピークが垂直方向（０度）から上方に３０度付近の角度であり、上下に対称な輝度特性を示している。また、図３０の特性Ａや特性Ｂは、更に、３０度付近において、ピーク輝度の上方の映像光を集光して輝度（相対輝度）を高めた特性の例を示している。このため、これらの特性ＡやＢでは、３０度を超えた角度において、特性Ｏに比較して、急激に光の輝度（相対輝度）が低減する。
【0113】
上述した本実施例で採用した光源装置を含んだ光学系によれば、図２６に示すように、映像表示装置４９からの映像光を、以下に述べるフロントガラス６の表面に設けた透明シート５１を介して、特定の方向において、その輝度を増大（強調）して反射または拡散させることができる。これにより、映像表示装置４９からの映像光を、面発光レーザ映像源からの映像光のように、拡散角度が狭く（高い直進性）かつ特定の偏波成分のみの光として効率良く室外または室内の監視者の眼に届くようにすることが可能となる。この結果映像表示装置４９からの映像光の強度（輝度）が低減しても、監視者は映像光を正確に認識して情報を得ることができる。換言すれば、映像表示装置４９の出力をより低減することにより、消費電力が低い情報表示システムを実現することができる。
【0114】
一般的なＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）液晶パネルは、光の出射方向によって液晶と偏光板相互の特性により輝度、コントラスト性能が異なる。パネル面に垂直（出射角度０度）な出射角より少しずれた角度での特性（本実施例では＋５度）が優れている。これは液晶の上下方向では光をねじる特性が印加電圧最大の時に０度とならないためである。
【0115】
他方、上下方向のコントラスト性能は、－１５度から＋１５度の範囲が優れており、輝度特性と合わせると５度を中心にして±１０度の範囲での使用が最も優れた特性を得ることとなる。
【0116】
また、パネル左右方向での輝度と視野角の特性は、パネル面に垂直（出射角度０度）な出射角での特性が優れている。これは液晶の左右方向では光をねじる特性が印加電圧最大の時に０度となるためである。
【0117】
同様に、左右方向のコントラスト性能は、－５度から－１０度の範囲が優れており、輝度特性と合わせると－５度を中心にして±５度の範囲での使用が最も優れた特性を得ることとなる。このため液晶表示パネルから出射する映像光の出射角度は、図２２、図２３の光源装置２５０の導光体２０３に設けた光束方向変換手段２０４により最も優れた特性が得られる方向から液晶表示パネルに光を入射させ、映像信号により光変調することが映像表示装置４９の画質と性能を向上させることになる。
【0118】
液晶表示素子を備えた映像表示パネルからの映像光を所望の方向に曲げるためには、液晶表示パネルの出射面にレンチキュラーレンズシートなどを用いた光束方向変換手段５４を設けると良い。
【0119】
＜透明シートの効果１＞
図７に示した自動車のフロントガラス６には、本願の実施例としての透明シート７ｂが設けられている。図８を用いてより詳細な構成とその効果について説明する。自動車の車内に注がれた太陽光はＰ偏波とＳ偏波が混在した自然光である。このうち、Ｓ偏光はフロントガラス６の反射率が高いためＰ偏波の比率が高い光となって照射される。図８には、映像光束を車内に反射させる透明シート７ｂの構成や、太陽光をガードして二重像を軽減するための原理等が示されている。透明シート７ｂは、フロントガラス６内部に設けられたガラスが損傷した場合に飛散することを防ぐ飛散防止シート７の映像光束入射面側に設けられている。透明シート７ｂは、通過したＰ偏波の比率が高い太陽光をＳ偏光に変換する位相差板（λ／２板）を備え、透過する偏光をＳ偏光に変換する。この結果、フロントガラス６の車内側面において高い反射率で反射し車外に向かう。この時、再度位相差板（λ／２板）を通過することでＰ偏光に変換されるためフロントガラス６の車外に接する面での反射が低減される。この結果、車内に入射する太陽光は大幅に低減されるため映像表示装置４９を構成する映像表示パネル１１に対するストレスが軽減される。
図７に示した自動車のフロントガラス６には、本願の実施例としての透明シート７ｂが設けられている。図８を用いてより詳細な構成とその効果について説明する。自動車の車内に注がれた太陽光はＰ偏波とＳ偏波が混在した自然光である。このうち、Ｓ偏光はフロントガラス６の反射率が高いためＰ偏波の比率が高い光となって照射される。図８には、映像光束を車内に反射させる透明シート７ｂの構成や、太陽光をガードして二重像を軽減するための原理等が示されている。透明シート７ｂは、フロントガラス６内部に設けられたガラスが損傷した場合に飛散することを防ぐ飛散防止シート７の映像光束入射面側に設けられている。透明シート７ｂは、通過したＰ偏波の比率が高い太陽光をＳ偏光に変換する位相差板（λ／２板）を備え、透過する偏光をＳ偏光に変換する。この結果、フロントガラス６の車内側面において高い反射率で反射し車外に向かう。この時、再度位相差板（λ／２板）を通過することでＰ偏光に変換されるためフロントガラス６の車外に接する面での反射が低減される。この結果、車内に入射する太陽光は大幅に低減されるため映像表示装置４９を構成する映像表示パネル１１に対するストレスが軽減される。
【0120】
＜透明シートの効果２＞
次に、上述した透明シートの第２の効果を説明する。映像表示装置４９で、Ｓ偏光を映像信号に合わせて強度変調した映像光は、フロントガラス６の映像光入射面で反射し監視者に向かう。しかし、映像光入射面を透過した光は位相差板（λ／２板）を通過して、Ｐ偏光に変換される。その結果、フロントガラス６の外界に接する面では反射率が低いため、フロントガラス６の両面での反射による二重像が実用上問題のないレベルまで軽減される。以上述べた位相差板（λ／２板）は、映像表示装置４９から映像光がフロントガラス６への入射角度と角度分布により最適な位相差板の厚さを選択すると良く、透明拡散シートの拡散特性に合わせて最適な値を選ぶと良く、入射角が大きい場合は垂直入射の場合に比べて位相差板の厚さを薄くしたほうが良好な特性を得ることができる。
次に、上述した透明シートの第２の効果を説明する。映像表示装置４９で、Ｓ偏光を映像信号に合わせて強度変調した映像光は、フロントガラス６の映像光入射面で反射し監視者に向かう。しかし、映像光入射面を透過した光は位相差板（λ／２板）を通過して、Ｐ偏光に変換される。その結果、フロントガラス６の外界に接する面では反射率が低いため、フロントガラス６の両面での反射による二重像が実用上問題のないレベルまで軽減される。以上述べた位相差板（λ／２板）は、映像表示装置４９から映像光がフロントガラス６への入射角度と角度分布により最適な位相差板の厚さを選択すると良く、透明拡散シートの拡散特性に合わせて最適な値を選ぶと良く、入射角が大きい場合は垂直入射の場合に比べて位相差板の厚さを薄くしたほうが良好な特性を得ることができる。
【0121】
また、上述した透明シート７ｂをフロントガラス６の車内側面に設け、その表面にＳ偏波に対する反射率を高めた増反射コーティングを設けることで、高輝度な映像が得られるばかりか相対的に反射映像により生じる二重像の強度も大幅に軽減できることを確認した。
【0122】
更に、上述した透明シートに代えて、リアガラス６’に例えばサンテックディスプレイ（株）のＰＤＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）を使用し、映像表示状態では電圧を印加せず映像光を分散させ、映像非表示状態では電圧を印加して透明な状態とすることで透明シートの代用とすると良い。また、発明者たちは、実験によりＰＤＬＣに印加する電圧を可変させて分散特性を可変、映像信号のＯＮ／ＯＦＦまたは強弱に同期させて印加電圧を変調させることで、映像に合わせて透過率を可変できる新たな機能を執するスクリーン機能を併せ持ったウィンドガラスが実現できる。この結果、映像表示装置からの挟角な映像光束を、自動車の内外に向け垂直・水平方向に拡散させることで所望の監視範囲を有する映像情報表示システムが実現できる。
【0123】
以上に詳述した実施例によれば、映像表示装置４９からの映像光は、面発光レーザ映像源からの映像光のように、拡散角度が狭く（高い直進性）かつ特定の偏波成分のみの光とすることができる。このことにより、例えば車内と車外を分離するそれぞれのウィンドガラスを利用して、車内または車外に対して様々な情報を表示することができ、自動車を移動する映像広告体として利用効率を著しく向上することが可能となる。また、高品位な映像を高解像度で表示すると共に、光源からの出射光の利用効率を向上して消費電力を大幅に低減することが可能な情報表示システムが実現される。また、より大きな映像を表示する場合には、光源装置１０１と共に映像表示装置４９を構成する液晶表示素子を備えた映像表示パネル１１として、複数枚液晶パネルを組み合わせることで縦横比が１６：９より横長な液晶表示装置を実現する。
【0124】
この時、光源装置もそれぞれの液晶パネルに対応して複数枚備えても良く、複数枚の液晶パネルと異なる数の光源装置を組み合わせて、接合部を連続的にして一体とした大型の映像表示パネル１１を採用することも可能である。この場合、光源装置１０１からの光束を、平行にウィンドガラスに設けられた上述の透明シート７ｂ、５１へ向け、当該透明シートによって一方向に反射・拡散させることによっても、消費電力を大幅に低減しながらも、より拡大した映像情報を表示することが可能となる。
【0125】
以上、種々の実施例について詳述したが、しかしながら、本発明は、上述した実施例のみに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するためにシステム全体を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【0126】
６…フロントガラス、６”…サイドガラス、１１…映像表示パネル、１５…ＬＥＤコリメータ、２１…偏光変換素子、４３…ステアリング、５０…太陽光、４１…保護カバー、４８…光源装置、４９…映像表示装置、７ｂ、５１…透明シート、５４…光束方向変換手段、３０１…コンバイナー、２００…ＬＥＤ素子、２０２…ＬＥＤ基板、２０３…導光体、２０５…反射シート、４２…インパネ、３０４…反射型導光体。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【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】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】