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公開番号2021085913
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210603
出願番号2019212593
出願日20191125
発明の名称光学部材
出願人京セラ株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類G02B 5/08 20060101AFI20210507BHJP(光学)
要約【課題】虚像における光量ムラを低減する。
【解決手段】光学部材10は複数の反射部15と光透過性の基板14とを有する。複数の反射部15は入射光の少なくとも一部を反射する。基板14は少なくとも一つの単位領域uaを有する。複数の反射部15の中の一部である3つ以上の反射部15を単位領域uaに非周期に配置する。単位領域uaの大きさは有効光束径に相当する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
入射光の少なくとも一部を反射する複数の反射部と、
前記複数の反射部の中の一部である3つ以上の反射部が非周期的に配置されており且つ大きさが有効光束径に相当する、少なくとも一つの単位領域を有する、光透過性の基板と、を備える
光学部材。
続きを表示(約 1,700 文字)【請求項2】
請求項1に記載の光学部材において、
前記単位領域に配置されている前記3つ以上の反射部の二次元画像をフーリエ変換した直流成分以外の周波数成分が、当該直流成分を100%として、1%以下である
光学部材。
【請求項3】
請求項1または2に記載の光学部材において、
前記単位領域に対する、前記3つ以上の反射部の総面積の比率が0%より大きく、30%以下である
光学部材。
【請求項4】
請求項3に記載の光学部材において、
前記総面積の比率が前記基板の表面反射率で規定される4%より大きく、30%以下である
光学部材。
【請求項5】
請求項1から4のいずれか1項に記載の光学部材において、
前記単位領域は、有効光束径を直径とする円に外接する形状である
光学部材。
【請求項6】
請求項1から4のいずれか1項に記載の光学部材において、
前記単位領域は、有効光束径を直径とする円に内接する形状である
光学部材。
【請求項7】
請求項1から6のいずれか1項に記載の光学部材において、
前記単位領域の形状は多角形である
光学部材。
【請求項8】
請求項1から7のいずれか1項に記載の光学部材において、
前記有効光束径は、1.4mm以上、4.5mm以下である
光学部材。
【請求項9】
請求項1から8のいずれか1項に記載の光学部材において、
前記反射部の最大径は100μm以下である
光学部材。
【請求項10】
請求項1から9のいずれか1項に記載の光学部材において、
前記複数の反射部の中で、互いに隣接する二つの反射部の間隔は、前記光学部材から1m離れた距離における視認者が30秒角度の視認分解能を与える長さである
光学部材。
【請求項11】
請求項10に記載の光学部材において、
前記互いに隣接する二つの反射部の間隔は、150μm以上である
光学部材。
【請求項12】
請求項1から11のいずれか1項に記載の光学部材において、
前記反射部の反射面が、前記基板の主面に平行である
光学部材。
【請求項13】
請求項1から11のいずれか1項に記載の光学部材において、
前記反射部の反射面が、前記基板の主面に対して傾斜している
光学部材。
【請求項14】
請求項13に記載の光学部材において、
前記反射面の前記主面に対する傾斜角度が、前記主面における基準点から離れるほど、大きい
光学部材。
【請求項15】
請求項1から14のいずれか1項に記載の光学部材において、
前記反射部は、前記基板の表面または内部に配置されている
光学部材。
【請求項16】
請求項1から15のいずれか1項に記載の光学部材において、
前記基板は、複数の単位領域が連続して並ぶように、当該複数の単位領域を有する
光学部材。
【請求項17】
請求項16に記載の光学部材において、
前記複数の単位領域は同じ形状を有する
光学部材。
【請求項18】
請求項16または17に記載の光学部材において、
前記複数の単位領域が、前記基板の主面に沿って二次元状に繰返し配置されている
光学部材。
【請求項19】
請求項16から18のいずれか1項に記載の光学部材において、
前記複数の単位領域それぞれにおける前記3つ以上の反射部の密度を標本とする、標本分散が0.002以下である
光学部材。
【請求項20】
請求項16から19のいずれか1項に記載の光学部材において、
前記複数の単位領域それぞれにおける前記3つ以上の反射部の配置は同じである
光学部材。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、光学部材に関するものである。
続きを表示(約 6,000 文字)【背景技術】
【0002】
車両のフロントウィンドウを用いたヘッドアップディスプレイのように、板面の裏側の背景の光学像を透過させながら、視認させる虚像に相当する画像を反射させる半透過型の光学部材が求められている。半透過型の光学部材として、透過型の基板に、主面全体の面積に対して小さい複数の反射面を分散させて配置する構成が提案されている(特許文献1参照)。
【0003】
反射材料を基板に不規則に配置して回折を防ぐために、複数の反射面を不規則または非周期的に配置することが提案されている(特許文献2、3参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
国際公開第2018/043210号パンフレット
特開2002−090513号公報
特開2012−123147号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、複数の反射面を非周期的に配置する構成であっても、視認する虚像において光量のムラが生じることがある。
【0006】
従って、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされた本開示の目的は、視認させる虚像における光量のムラを低減する光学部材の提供をすることにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上述した諸課題を解決すべく、第1の観点による光学部材は、
入射光の少なくとも一部を反射する複数の反射部と、
前記複数の反射部の中の一部である3つ以上の反射部が非周期的に配置されており且つ大きさが有効光束径に相当する、少なくとも一つの単位領域を有する、光透過性の基板と、を備える。
【発明の効果】
【0008】
上記のように構成された本開示によれば、視認させる虚像における光量のムラが低減され得る。
【図面の簡単な説明】
【0009】
本実施形態に係る光学部材を含む表示システムの概略構成を示す構成図である。
図1の光学部材の外観斜視図である。
有効光束径を説明するための、表示システム、虚像、および瞳の位置関係における光束を示す光路図である。
図1の光学部材を製造するための、第1材料基板の厚み方向に沿った断面図である。
図4の第1材料基板をフレネル面から見た上面図である。
図4の第1材料基板に反射部を設けて、第2材料基板を一体化させることにより形成された光学部材の厚み方向に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本開示を適用した光学部材の実施形態について、図面を参照して説明する。以下の説明で用いられる図は模式的なものである。図面上の寸法及び比率等は、現実のものとは必ずしも一致しない。
【0011】
本開示の一実施形態に係る光学部材10を含む表示システム11は、図1に示すように、表示装置12および光学部材10を有する。本実施形態において、表示システム11は、ヘッドアップディスプレイ(HUD:Head Up Display)システムである。
【0012】
本実施形態において、表示システム11は、移動体13に搭載されてよい。移動体13は、車両、船舶、および航空機を含む。車両は自動車および産業車両を含むが、これらに限定されず、鉄道車両および生活車両、ならびに滑走路を走行する固定翼機を含んでよい。自動車は、乗用車、トラック、バス、二輪車、およびトロリーバスなどを含むが、これらに限定されず、道路上を走行する他の車両を含んでよい。産業車両は、農業および建設向けの産業車両を含む。産業車両はフォークリフトおよびゴルフカートを含むが、これらに限定されない。農業向けの産業車両は、トラクター、耕耘機、移植機、バインダー、コンバイン、および芝刈り機を含むが、これらに限定されない。建設向けの産業車両は、ブルドーザー、スクレーバー、ショベルカー、クレーン車、ダンプカー、およびロードローラを含むが、これらに限定されない。車両は、人力で走行するものを含む。車両の分類は、上述の記載に限定されない。例えば、自動車は、道路を走行可能な産業車両を含んでよく、複数の分類に同じ車両が含まれてよい。本開示における船舶は、マリンジェット、ボート、およびタンカーを含む。本開示における航空機は、固定翼機および回転翼機を含む。
【0013】
表示装置12は、例えば、液晶ディスプレイであって、視認者psに視認させる虚像に相当する画像を表示する。表示装置12は、表示する画像の光束を光学部材10に放射する。表示装置12は、例えば、移動体13のダッシュボード内に、表示面が移動体13の上方を向くように配置されている。
【0014】
光学部材10は、例えば、移動体13のウインドシールドに設けられていてよい。光学部材10は、ウインドシールドの全面に設けられていてよいし、ウインドシールドの一部に設けられていてよい。光学部材10は、ウインドシールドの表面に貼付されていてもよく、2枚のガラスを重ねる構成を有するウインドシールドにおいて当該2枚のガラスの間に挟持されていてもよい。
【0015】
光学部材10は、上述のように、ウインドシールドに設けられることにより表示装置12が移動体13の上方に射出する画像の光束の一部を、移動体13の内部に向けて反射する。光学部材10は、反射により、画像の光束を、移動体13内に仮想的に位置するアイボックスebに到達させ得る。アイボックスebは、表示システム11が虚像im
vrt
を視認させ得る視認者psの瞳の位置を示す仮想的な空間領域である。例えば、アイボックスebは、移動体13内で着座した視認者psの瞳が位置する頻度が高い領域となるように、設計されている。
【0016】
図2に示すように、光学部材10は、基板14および複数の反射部15を有している。図2において、説明のために、反射部15が基板14に対して大きく描画されているが、実際には、後述するように、反射部15それぞれは、微小な大きさである。
【0017】
基板14は、光透過性を有する。基板14は硬質であってよく、または可撓性を有していてよい。基板14は、平坦であってよく、または湾曲していてよい。基板14は、透明な樹脂またはガラス材料によって形成されていてよい。
【0018】
基板14は、少なくとも一つの単位領域uaを有する。単位領域uaは、基板14の主面に垂直な方向から見て、有効光束径に相当する大きさを有する仮想の領域である。図3に示すように、有効光束径は、画像の光束lf
img
の中で視認者psの瞳plに入射する光束lf
ppl
の、光学部材10の主面において描く直径である。
【0019】
有効光束径dm
el
は、光学部材10および視認者psの瞳plの間の間隔L1と、光学部材10および視認される虚像im
vrt
の仮想の位置の間の間隔L2と、瞳plの瞳孔径dm
ppl
とを用いて、dm
el
=dm
ppl
×L2/(L1+L2)を計算することにより算出される。したがって、有効光束径dm
el
は、表示システム11が用いられる環境において範囲が定められる、視認者psの光学部材10からの距離、および視認させる虚像im
vrt
の位置から光学部材10までの距離に基づいて、一般的な人の瞳孔径dm
ppl
を用いて定められてよい。
【0020】
例えば、本実施形態のように、車両である移動体13内の運転者に対して虚像im
vrt
を視認させる表示システム11においては、視認者psから光学部材10までの距離、および虚像im
vrt
を視認させる位置から光学部材10までの距離は、事前に設計され得る。車両においては、運転席に着座している視認者psから光学部材10までの距離の仕様は、例えば、700〜1,000mmである。車両においては、速度および道案内表示などの虚像im
vrt
を運転者に視認させる位置からウインドシールドすなわち光学部材10までの距離の一般的な仕様は、2,000〜3,000mmである。運転中の人間の瞳孔径dm
ppl
は一般的に2〜6mmである。したがって、本実施形態のように、車両である移動体13に適用される表示システム11では、有効光束径dm
el
は1.4mm以上4.5mm以下の範囲の中から定められてよい。
【0021】
有効光束径dm
el
は、表示システム11が移動体13に適用される構成においては前述のように2mmに算出されているが、他の装置、例えば、デジタルサイネージの表示パネル、およびショーウィンドウなどに適用される場合は、想定される距離などに基づいて算出される。
【0022】
有効光束径dm
el
に相当する大きさは、有効光束径dm
el
を直径とする円の大きさだけでなく、当該円の大きさと同等とみなせる大きさも含む。有効光束径dm
el
に相当する大きさは、例えば、当該円に外接する多角形の大きさ、または当該円に内接する多角形の大きさも含んでよい。
【0023】
単位領域uaの形状は、有効光束径dm
el
を直径とする円に外接する形状であってよい。または、単位領域uaの形状は、有効光束径dm
el
を直径とする円に内接する形状であってよい。単位領域uaの形状は、例えば、正三角形、正方形、および正六角形などの多角形であってよい。光学部材10において単位領域uaは必ずしも視認されるわけではない。ただし、反射部15が設けられている任意の一点を中心などの基準点として、上述の形状の単位領域uaを定めると、本実施形態に記載の単位領域uaに関する特性が満たされている。また、例えば、単位領域ua内の反射部15の配置パターンが設計により定められ、光学部材10の製造時に基板14における仮想の単位領域uaを定め、設計による配置パターンで反射部15を設けるために単位領域uaは用いられている。
【0024】
単位領域uaの内部には、光学部材10全体が有する複数の反射部15の中の一部である3つ以上の反射部15が非周期的に配置されている。反射部15の配置が非周期的であるか否かは、本実施形態においては以下のようにして判別されてよい。
【0025】
単位領域uaが、基板14の主面から垂直な方向から、反射部15が判別可能となるように拡大して、撮像される。拡大して撮像した画像を二値化して、反射部15の有無が二値化画像によってあらわされる。二値化された画像がフーリエ変換される。互いに垂直な任意の二方向の少なくとも一方における、フーリエ変換による直流成分以外の周波数成分が、当該直流成分を100%として、1%以下である場合、当該単位領域uaが非周期的であると判別される。本実施形態においては、任意の二方向の両方における、フーリエ変換による直流成分以外の周波数成分が、当該直流成分を100%として、1%以下である場合、当該単位領域uaが非周期的であると判別される。当該周波数成分が1%を超える場合、当該単位領域uaは周期的と判別される。
【0026】
本実施形態においては、基板14は、基板14の主面に沿って連続して並ぶように、複数の単位領域uaを有する。複数の単位領域uaが連続して並ぶとは、互いに隣接する二つの単位領域uaが、離れずに互いの境界が重なることを意味する。本実施形態においては、複数の単位領域uaが基板14の主面に沿って二次元状に繰返し配置されている。本実施形態において、複数の単位領域uaは同じ形状を有している。
【0027】
単位領域uaにおける3つ以上の反射部15の密度の、複数の単位領域ua間のばらつきは、比較的低くてよい。単位領域uaにおける3つ以上の反射部15の密度は、例えば、単位領域uaあたりの全反射部15の数である。または、単位領域uaにおける3つ以上の反射部15の密度は、単位領域uaの面積に対する反射部15の総面積である。本実施形態において、複数の単位領域ua間の密度のばらつきが低いとは、単位領域uaにおける3つ以上の反射部15の密度を標本とした、複数の単位領域uaの当該密度の標本分散が0.002以下であることであってよい。
【0028】
標本分散の上限値は、以下の方法により定められている。単位領域uaを面内で変位させた場合の、単位領域ua内の反射部15の全面積の割合(%)の変位前後の差の最大値および最小値の差PVが小さくなるほど、視認者psに視認させる虚像im
vrt
における光量ムラが低減する。PVが20%以下であると、光量ムラを十分に抑制し得る。それゆえ、標本分散の値が既知である複数のドットパターン(反射部15の配置パターン)データを用いてPVを算出し、PVを20%以下にする標本分散の値を算出した。標本分散の計算は、有効光束径Φ6mmとする単位領域ua内の反射部15の面積変化を、単位領域uaの位置を面内で変位させながら、各位置における単位領域uaに対して行われた。算出の結果、分散値が0.002以下で、PVは20%以下になることを確認し、標本分散の上限値を0.002に定めた。
【0029】
複数の単位領域uaそれぞれにおける3つ以上の反射部15の配置は、単位領域ua毎に異なっていてよい。または、複数の単位領域uaそれぞれにおける3つ以上の反射部15の配置は同じであってよい。
【0030】
反射部15は、入射光の少なくとも一部を反射する。反射部15は、アルミニウム、銀、またはクロムなどの金属材料によって形成されていてよい。
(【0031】以降は省略されています)

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