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Abstract
Description
本発明は、主にヘッドアップディスプレイ(HUD)やヘッドマウントディスプレイ(HMD)等に用いられるシースルーディスプレイに関する。 The present invention relates to a see-through display mainly used for a head-up display (HUD), a head-mounted display (HMD) and the like.
ヘッドアップディスプレイ(HUD)とは、主に自動車や航空機のコックピットにおいて、速度や高度等の自動車や航空機の運転に必要な情報を、あたかもフロントガラスの前方の空間にあるかの様に表示する映像表示装置のことである。また、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)は、メガネの様に装着し、メガネを構成するレンズの前方の空間に、あたかも映像があるかの様に表示する映像表示装置のことである。どちらも、フロントガラスやレンズ等の透明な部材を通して見ることから、シースルーディスプレイと呼ばれており、近年活発な開発が進められている。例えばHUDを搭載した自動車においては、運転中に前方を視認しながら、少ない視線の移動で運転に必要な情報を見ることが可能になるため、安全性を確保しながら利便性を向上することができる。また、HMDを用いて映像を視聴することにより、極めて低消費電力でありながら、大サイズの画像を視聴することが可能になる。さらには、場所を問わずに視聴が可能になるため、いつでもどこでも必要な情報を入手できるようになる。 A head-up display (HUD) is an image that displays information necessary for driving an automobile or aircraft, such as speed or altitude, as if it were in the space in front of the windshield, mainly in the cockpit of an automobile or aircraft. It is a display device. The head-mounted display (HMD) is a video display device that is mounted like glasses and displays the image as if it were in the space in front of the lenses constituting the glasses. Both are called see-through displays because they are seen through transparent members such as windshields and lenses, and have been actively developed in recent years. For example, in a car equipped with a HUD, it is possible to see the information necessary for driving with a small amount of line of sight while visually checking the front while driving, so that convenience can be improved while ensuring safety. it can. In addition, by viewing the video using the HMD, it is possible to view a large-sized image with extremely low power consumption. Furthermore, since viewing is possible regardless of location, necessary information can be obtained anytime and anywhere.
シースルーディスプレイにおいては、景色等外界から入射する自然光と表示したい画像を混合する必要がある。例えば自動車においてHUDを構成する場合、表示したい画像と外界から入射する自然光とを、フロントガラス近傍でコンバイナにより混合することになる。混合する際には、外界から入射する自然光と表示したい画像それぞれの光のロスを抑えながら、混合させることが望ましい。 In a see-through display, it is necessary to mix natural light incident from the outside such as scenery and an image to be displayed. For example, when an HUD is configured in an automobile, an image to be displayed and natural light incident from the outside are mixed by a combiner near the windshield. When mixing, it is desirable to mix while suppressing loss of natural light incident from the outside and light of each image to be displayed.
それに対し、従来のシースルーディスプレイでは、例えば特許文献1の様に、コンバイナとして体積型ホログラムをもちいていた。コンバイナとしてホログラムを用いると、ホログラムのレンズ作用により、HUDにより構成される画像を拡大することが可能になり、より大サイズの画像を表示することが出来る。さらに、体積型ホログラムは、所定の入射角において、所定の波長以外では回折が発生しないため、外界から入射した自然光が体積型ホログラムで回折されてロスされる割合を低く抑えることが出来る。さらに、体積型ホログラムを用いると、所定の波長においては高い回折効率を有するため、例えば光源にレーザ光源を用いると、レーザ光の波長幅が狭いことから、光利用効率の高いHUDを構成することができる。
On the other hand, a conventional see-through display uses a volume hologram as a combiner as disclosed in
しかしながら、前記従来の構成等で用いている体積型ホログラムは、作製工程においてホログラム感材に対して干渉露光を施す必要がある。干渉露光には高精度な露光装置が必要になり、高コストになることや、メンテナンスに課題を有していた。また、感材を露光する時と画像を照明する時の入射角度差や波長差に起因する収差を緩和しようとすると、ホログラム感材を薄くする必要がある。ホログラム感材を薄くすると回折効率が低下するため、光利用効率が低く、同じ輝度のシースルーディスプレイを構成するには消費電力が高くなるという課題も有していた。 However, the volume hologram used in the conventional configuration or the like needs to be subjected to interference exposure on the hologram photosensitive material in the production process. Interference exposure requires a high-accuracy exposure apparatus, resulting in high costs and problems in maintenance. Further, in order to alleviate the aberration caused by the difference in incident angle and wavelength when the light-sensitive material is exposed and when the image is illuminated, it is necessary to make the hologram light-sensitive material thin. When the hologram photosensitive material is thinned, the diffraction efficiency is lowered, so that the light utilization efficiency is low, and there is a problem that the power consumption is high to construct a see-through display having the same luminance.
本発明は、主に上記従来の課題を解決するものであり、安価に製造が可能でかつ、光利用効率が高く消費電力の低いシースルーディスプレイを提供することを目的とする。 The present invention mainly solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a see-through display that can be manufactured at low cost, has high light utilization efficiency, and low power consumption.
上記目的を達成するために、本発明のシースルーディスプレイは、光を発する光源と、前記光の強度を空間変調することにより画像を形成する投射光学系と、前記投射光学系から出射された前記光を偏向するホログラムを有し、前記投射光学系により投射された画像を、前記ホログラムを通して視認する構成おいて、前記ホログラムは所定の材料の表面にレリーフ構造を構成したレリーフ型ホログラムを含み、前記レリーフ構造の格子面には所定波長の光を反射させるノッチフィルターをコートし、さらに、前記レリーフ型ホログラムの前記格子面は、前記所定の材料と同一の屈折率を持つ材料により、隙間無く密着した。 In order to achieve the above object, the see-through display of the present invention includes a light source that emits light, a projection optical system that forms an image by spatially modulating the intensity of the light, and the light emitted from the projection optical system. The hologram includes a relief-type hologram having a relief structure on the surface of a predetermined material, wherein the image projected by the projection optical system is viewed through the hologram. The grating surface of the structure was coated with a notch filter that reflects light of a predetermined wavelength, and the grating surface of the relief hologram was closely adhered with a material having the same refractive index as the predetermined material.
さらに、前記レリーフ構造はブレーズ構造としても構わない。 Furthermore, the relief structure may be a blaze structure.
さらに、前記レリーフ型ホログラムに入射する前記光はP偏光でかつ、前記光の少なくとも一部は、前記レリーフ型ホログラムに対してブリュースター角で入射させても構わない。 Furthermore, the light incident on the relief hologram may be P-polarized light, and at least a part of the light may be incident on the relief hologram at a Brewster angle.
さらに、前記ノッチフィルターは誘電体多層膜で構成しても構わない。 Further, the notch filter may be composed of a dielectric multilayer film.
さらに、前記誘電体多層膜は、前記格子面の平面部のみに施しても構わない。 Furthermore, the dielectric multilayer film may be applied only to the flat portion of the lattice plane.
さらに、前記ノッチフィルターはルゲートフィルタで構成しても構わない。 Furthermore, the notch filter may be a rugate filter.
さらに、前記光源にレーザ光源を用いても構わない。 Further, a laser light source may be used as the light source.
さらに、前記シースルーディスプレイを用いたヘッドアップディスプレイにおいて、前記レリーフ型ホログラムを、フロントガラスの室内側に取り付けても構わない。 Furthermore, in the head-up display using the see-through display, the relief hologram may be attached to the indoor side of the windshield.
さらに、前記レリーフ型ホログラムを、フロントガラスを構成する合わせガラスの間に挟持したヘッドアップディスプレイに関し、前記フロントガラスは内部に紫外線吸収層を狭持し、前記レリーフ型ホログラムは前記紫外線吸収層よりも室内側に配置しても構わない。 Further, the present invention relates to a head-up display in which the relief hologram is sandwiched between laminated glasses constituting a windshield, wherein the windshield sandwiches an ultraviolet absorbing layer inside, and the relief hologram is more than the ultraviolet absorbing layer. It may be arranged indoors.
さらに、前記レリーフ型ホログラムを用いたヘッドマウントディスプレイにおいて、前記レリーフ型ホログラムを、メガネレンズよりも眼に近い側に配置しても構わない。 Furthermore, in the head mounted display using the relief hologram, the relief hologram may be disposed closer to the eye than the spectacle lens.
さらに、前記光源は、それぞれ波長の異なる光を出射する二色の光源からなり、さらに、前記ホログラムは、前記各色の光を回折させる二種類のレリーフ型ホログラムで構成しても構わない。 Further, the light source may be a two-color light source that emits light having different wavelengths, and the hologram may be composed of two types of relief holograms that diffract the light of each color.
さらに、前記光源は、青色光(中心波長400nm〜490nm)を出射する青色光源と、緑色光(中心波長490nm〜570nm)を出射する緑色光源、赤色光(中心波長570nm〜680nm)を出射する赤色光源からなり、さらに、前記ホログラムは、前記各色の光を回折させる三種類のレリーフ型ホログラムで構成しても構わない。 Further, the light source includes a blue light source that emits blue light (center wavelength: 400 nm to 490 nm), a green light source that emits green light (center wavelength: 490 nm to 570 nm), and a red light that emits red light (center wavelength: 570 nm to 680 nm). The hologram may be composed of three types of relief holograms that diffract the light of each color.
さらに、前記三種類のレリーフ型ホログラムは、下から順に青色光を回折させるレリーフ型ホログラム、緑色光を回折させるレリーフ型ホログラム、赤色光を回折させるレリーフ型ホログラムの順に積層しても構わない。 Further, the three types of relief holograms may be laminated in the order of a relief hologram that diffracts blue light, a relief hologram that diffracts green light, and a relief hologram that diffracts red light.
さらに、前記レリーフ型ホログラムを用いたヘッドアップディスプレイにおいて、最も短波長の光を回折させるレリーフ型ホログラムを、最も室外側に配置しても構わない。 Further, in the head-up display using the relief type hologram, the relief type hologram that diffracts the light having the shortest wavelength may be arranged on the most outdoor side.
本発明のシースルーディスプレイでは、コンバイナとしてレリーフ型ホログラムを用いた。レリーフ型ホログラムを用いながらも、高次回折光の発生しない構造を採ることで、迷光の発生しない、視認性に優れるシースルーディスプレイを構成することができる。また、特にブレーズ構造のレリーフ型ホログラムを用いることで、光利用効率が高く、消費電力の低いシースルーディスプレイを構成することができる。さらに、光利用効率が高いことから、P偏光で回折させることが出来るため、入射角度をブリュースター角に規定することにより、表面反射がなく、二重像等の発生のない視認性に優れたシースルーディスプレイを構成することができる。また、ホログラムの製造に高精度な露光が不要で、かつ成形で製造できることから、量産適性が高く安価なシースルーディスプレイを構成することができる。 In the see-through display of the present invention, a relief hologram is used as a combiner. By using a structure that does not generate higher-order diffracted light while using a relief hologram, a see-through display that does not generate stray light and has excellent visibility can be configured. In particular, by using a relief hologram having a blazed structure, a see-through display with high light utilization efficiency and low power consumption can be configured. Furthermore, since the light utilization efficiency is high, it can be diffracted by P-polarized light. By defining the incident angle as the Brewster angle, there is no surface reflection and excellent visibility without occurrence of a double image or the like. A see-through display can be constructed. In addition, since high-precision exposure is not required for manufacturing a hologram and it can be manufactured by molding, a see-through display that is highly suitable for mass production and inexpensive can be configured.
また、レリーフ型ホログラムを赤色光用、緑色光用、青色光用の3種類を積層させることで、フルカラー表示可能なシースルーディスプレイを構成可能になる。 Further, by laminating three types of relief holograms for red light, green light, and blue light, a see-through display capable of full color display can be configured.
また、レリーフ型ホログラムの格子面に設けたノッチフィルターを、誘電体多層膜で構成し、かつ格子面の平面部のみに誘電体多層膜を施すことで、簡便に回折効率を設定することができるため、外界から入射する自然光とディスプレイ画像の混合する割合を安価かつ簡便に設定することが出来る。 In addition, the diffraction efficiency can be easily set by configuring the notch filter provided on the grating surface of the relief hologram with a dielectric multilayer film and applying the dielectric multilayer film only to the flat portion of the grating surface. Therefore, the ratio of the natural light incident from the outside and the display image to be mixed can be set inexpensively and easily.
また、光源にレーザ光源を用いることで、光利用効率が高く、さらに波長の広がりによる画像のぼけも低減することができるため、消費電量の低く、高画質なシースルーディスプレイを構成することができる。 In addition, by using a laser light source as a light source, light use efficiency is high, and further, blurring of an image due to the spread of wavelength can be reduced, so that a see-through display with low power consumption and high image quality can be configured.
また、レリーフ型ホログラムをHUDに用いる場合に、フロントガラスよりも室内側に取り付けることにより、信頼性に優れたHUDを構成することが可能になる。さらに、フロントガラスを構成する合わせガラスの内部において紫外線吸収層よりも室内側に挟み込むことで、空気中の水分を吸湿することによるレリーフ型ホログラムの膨潤を防止し、さらに信頼性に優れたHUDを構成することができる。 Moreover, when using a relief type hologram for HUD, it becomes possible to comprise HUD excellent in reliability by attaching to a room inner side rather than a windshield. Furthermore, by sandwiching the laminated glass constituting the windshield inside the room from the ultraviolet absorbing layer, the relief hologram is prevented from swelling due to moisture in the air being absorbed, and the HUD with excellent reliability can be obtained. Can be configured.
また、本シースルーディスプレイをHMDに用いる場合に、メガネレンズをレリーフ型ホログラムよりも外界側に配置することで、メガネを掛けている人に対しても同一形状のレリーフ型ホログラムを提供することが出来るため、量産適正が高く安価なHMDを構成することができる。 In addition, when the see-through display is used for an HMD, a relief hologram having the same shape can be provided to a person wearing glasses by arranging the spectacle lens on the outside of the relief hologram. Therefore, it is possible to configure an HMD that is suitable for mass production and inexpensive.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図面は、理解しやすくするために模式的に示している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings are schematically shown for easy understanding.
(実施の形態1)
本実施の形態1にかかるシースルーディスプレイの一例として、図1(a)に示すヘッドアップディスプレイ(HUD)を用いて説明する。図1(a)はHUD10の概略構成図を示しており、HUD10はレーザ光12を出射するレーザ光源11と、投射光学系18と、フロントガラス21の室内側に取り付けたレリーフ型ホログラム20からなる。さらに本実施の形態1では、投射光学系18を、レンズ13、折り返しミラー14、液晶パネル15、投射レンズ16、スクリーン17で構成している。また、レーザ光源11と液晶パネル15は、制御部19に接続されている。
(Embodiment 1)
As an example of the see-through display according to the first embodiment, a head-up display (HUD) shown in FIG. FIG. 1A shows a schematic configuration diagram of the
本実施の形態1にかかるHUD10の動作のしくみを説明する。制御部19からの信号によりレーザ光源11から出射されたレーザ光12は、液晶パネル15を二次元的に照明する。この時、図1(a)に示す様に、液晶パネル15を無駄なく照明する様に、レンズ13を使ってレーザ光12を拡大しても良い。また、折り返しミラー14でレーザ光12を折り返すことで、装置をコンパクトに構成しても構わない。もちろんHUD10の仕様や光源11の特性等に依っては、レンズ13や折り返しミラー14は使わなくても構わない。制御部19からの信号により表示したい画像パターンを液晶パネル15に表示した状態で、レーザ光12を液晶パネル15に照明することで、レーザ光12が二次元的に強度変調されて、液晶パネル15から出射する。出射したレーザ光12は、投射レンズ16によりスクリーン17上に結像され、スクリーン17上に画像を表示する。スクリーン17から出射したレーザ光12は、レリーフ型ホログラム20により回折され、運転者22側に偏向される。以上により、運転者22はレリーフ型ホログラム20により拡大された虚像23を、フロントガラス21越しに見ることになる。
A mechanism of operation of the
また、投射光学系18の構成としては、図1(b)に示す様に、レーザ光12を、MEMSミラー30等で二次元的に走査することにより、スクリーン17上に直接画像を形成しても構わない。この場合、レーザ光12は、表示したい画像のデータとMEMSミラーの向きに応じて、制御部19により直接強度変調されて、スクリーン17上に画像が形成される。
Further, as shown in FIG. 1B, the projection
尚、投射光学系18は、同一の機能を有していれば、図1(a)、(b)に示した以外でも構わず、その適用範囲を限定するものではない。
As long as the projection
次に、レリーフ型ホログラム20の動作の仕組みを、図2(a)を用いて説明する。レリーフ型ホログラム20は、可視域において略透明かつ、同じ屈折率を持つ樹脂材20a、20cから構成されており、樹脂材20aには、格子面20bとしてレリーフ構造の回折格子が樹脂材20c側に刻まれている。また、樹脂材20cにおける樹脂材20a側の面は、樹脂材20aの格子面20bに対する相補形状を取っており、樹脂材20aと20cは、隙間無く密着されている。さらに、樹脂材20aの格子面20bには、事前にレーザ光12の近傍波長のみを所定の反射率で反射させる様なノッチフィルター24をコートしてある。ノッチフィルターとは、単一波長(通常数nm〜10数nm)の光のみを所定の反射率で反射させ、残りの光は透過させる光学フィルターである。本実施の形態1のノッチフィルター24は、例えばレーザ光12の波長が532nm近傍に存在する場合、理想的には図3に示す様に、レーザ光12の波長である532nm近傍の反射率が所定の値(図3では一例として50%)で、それ以外の波長領域においては反射率が0になる様に構成する。この様な波長特性を持つノッチフィルター24は、例えばノッチフィルター24を構成する膜内の屈折率が連続的に変化するフィルター(ルゲートフィルター)等で構成することが可能である。その他、誘電体多層膜や干渉フィルター等で構成することも可能である。
Next, the operation mechanism of the
この様なレリーフ型ホログラムは、例えば次の様な工程で作製することが出来る。まず、樹脂材20aを、射出成形等で成形により作製する。この段階で、レリーフ構造は格子面20bに設けられる。次に格子面20bにノッチフィルター24を付与する。ノッチフィルターの付与は、蒸着でも構わないし、塗布でも構わないし、他の工法でも構わない。次に、樹脂材20cを樹脂材20aの上部に配置する。樹脂材20cとして例えば紫外線硬化樹脂を用いた場合、図2(b)の様に樹脂材20aの格子面20b側に、樹脂材20cを塗布して表面を均一にして紫外線を照射する。こうすることで、樹脂材20cと樹脂材20aとの間に隙間無く、樹脂材20cを硬化させることができる。ここで、上述の通り樹脂材20aと20cは同じ屈折率である必要がある。以上に工程により、レリーフ型ホログラム20を作製することが出来る。
Such a relief hologram can be produced, for example, by the following process. First, the
以上の構成により、本実施の形態のHUD10は以下の様な効果を有する。ひとつは、レリーフ型ホログラムでありながら、自然光による迷光の発生が抑えられている点である。一般に、レリーフ型ホログラムに入射した光が回折すると、高次の回折光が存在する。よって、HUDにレリーフ型ホログラムを用いると、高次の回折光による迷光が発生することになる。それに対して、本実施の形態1におけるHUD10では、樹脂材20aと樹脂材20bの間に隙間が無いことから、室外からレリーフ型ホログラム20に入射する自然光25に関して、ノッチフィルター24で反射される光(ここでは532nm近傍の光)以外は、レリーフ型ホログラム20は回折機能を持たない一枚の樹脂板として機能することになる。よって、レリーフ型ホログラムでありながら、自然光25を構成する可視域の光の内、大部分の光は、回折することなく室内に入射する。また、室外からレリーフ型ホログラム20に入射する光の内、ノッチフィルター24の反射帯域に含まれる光であっても、図2(a)の様に格子面20bをブレーズ型にすることにより、高次の回折光がほとんど生じなくなる。よって、運転者22がレリーフ型ホログラム20を通して室外を見ても、室内に高次の回折光による迷光は発生せず、運転者22の眼に迷光が入射するといった様な運転に支障をきたす現象も発生しない。即ち、迷光の発生しない、視認性に優れたHUDを構成することができる。
With the above configuration, the
また、図2(a)の様に、レリーフ型ホログラム20の格子面20bをブレーズ構造にすることで、極めて高効率なHUD10を構成することができる。図4(a)に、格子面20bの形状を波長532nmのレーザ光に対してブレーズ構造で最適化した場合の、S偏光における回折効率の波長依存性計算結果を示す。ただし、ノッチフィルター24の反射率は全帯域で50%としている。このグラフから分かる様に、波長532nm近傍において40%以上の回折効率が得られており、高次の回折光が抑えられ、極めて高い回折効率が得られることが分かる。よって、コンバイナとしてレリーフ型ホログラムを用いることで、光利用効率が高く、消費電力の低いHUDを構成することができる。尚、各レリーフのピッチPやブレーズ角φは、レリーフ毎に最適化しても構わない。
Further, as shown in FIG. 2A, an extremely high-
また、レリーフ型ホログラムの回折効率は、P偏光においても高い回折効率が得られる。図4(b)に、レリーフ型ホログラムにP偏光で入射させた場合の回折効率の波長依存性計算結果を示す。計算条件は、入射するレーザ光の偏光方向が異なる以外は図4(a)と同じであり、ノッチフィルター24の反射率も全帯域で50%として計算している。このグラフから分かる様に、P偏光においても波長532nm近傍において、25%以上と高い回折効率が得られることが分かる。体積型ホログラムでは、感材を露光する時と画像を照明する時の入射角度差や画像を照明する光の波長変動等に起因する収差を緩和させるため、ホログラム感材を出来るだけ薄くする必要があり、そのため回折効率はS偏光でも10%程度に留まり、P偏光では数%程度しか得られなかった。よって光利用効率や消費電力の観点から、通常P偏光は用いられなかった。しかし、本実施の形態の様に、コンバイナとしてレリーフ型ホログラム20を用いると、P偏光を用いても十分な回折効率が得られるため、P偏光を用いたHUDであっても、消費電力を従来よりも低減させることが出来る。さらにこのことは次の様な効果を有する。レリーフ型ホログラムに対して、図2(a)の様に入射角θでレーザ光を入射させる場合に、P偏光でかつθをブリュースター角で入射させると、樹脂材20cの室内側の面や、フロントガラスの室外側の面での表面反射が無くなり、各面に無反射コート等を施さなくても、表面反射の発生をなくすことが出来る。例えば、樹脂材20cとフロントガラス21の屈折率が1.5であった場合、入射角θを56°近傍で入射させることにより、樹脂材20cの室内側の面や、フロントガラス21の室外側の面での表面反射を防止することができる。よって、本実施の形態のレリーフ型ホログラム用いることでP偏光の光を用いることが可能になり、それによって無反射コート等をフロントガラス表面に施さなくても表面反射を防止でき、表面反射による二重像のない高画質なHUDを安価に構成することができるという効果を有する。
In addition, the diffraction efficiency of the relief hologram can be high even for P-polarized light. FIG. 4B shows the wavelength dependence calculation result of the diffraction efficiency when the light is incident on the relief hologram with P-polarized light. The calculation conditions are the same as in FIG. 4A except that the polarization direction of the incident laser light is different, and the reflectance of the
さらに、本HUD10のレリーフ型ホログラム20は、樹脂材20aと20cで構成可能であるため、上述の通り成形で作製することが可能である。よって、短時間で大量のレリーフ型ホログラム20を作製することが可能になり、さらに樹脂材料としても汎用の材料を用いることが出来るため、低コストにHUD10を構成することが可能になる。
Furthermore, since the
次に、ノッチフィルター24の別の構成例を、図5を用いて説明する。図5はフロントガラス21の室内側に取り付けたレリーフ型ホログラム20であるが、ノッチフィルターとして誘電体多層膜26が、格子面のレリーフ毎に所定のデューティで施されている点が図2(a)とは異なる。室外から入射する自然光のロスを低減するためには、ノッチフィルター24の反射率を100%より低く(例えば50%程度に)設定することが考えられる。その場合、例えば格子面20b全体に反射率50%程度のノッチフィルターを施すことが考えられるが、誘電体多層膜で反射率50%程度のノッチフィルターを作成することは、使用できる薄膜材料が限定されるため、コストが高くなる場合がある。そこで、例えば反射率50%のノッチフィルターを作成するために、図5の様にレーザ光12に対して反射率100%の誘電体多層膜26をデューティ50%で格子面20bにコートする。反射率略100%のノッチフィルターは、SiO2やTiO2といった汎用の薄膜材料で構成することが可能であり、安価に成膜することが出来る。こうすることで、格子面20bに入射するレーザ光12の内、半分は誘電体多層膜26で略100%反射され、残りは格子面20bを透過するため、巨視的には反射率50%でレーザ光12を格子面20bで反射させることが出来る。この時、可視域における格子面20bのピッチPは、数ミクロン程度であるため、目視では誘電体多層膜26の蒸着位置を認識されないため、本レリーフ型ホログラム20bを通して室外を見ても、アーチファクト等は視認されない。この様に、安価な誘電体多層膜材料を用いても、蒸着する領域のデューティを設定することで、簡便に100%以下の反射率のコートを格子面の施すことができ、安価なHUDを構成することが出来る。
Next, another configuration example of the
ここで、誘電体多層膜26は、格子面に設けられたレリーフ形状の平面部分に設けることが望ましい。誘電体多層膜は、一般に波長特性に入射角依存性があり、例えばブレーズ形状の頂点部分は所定の曲率を有するため、頂点部分に入射された誘電体多層膜に入射したレーザ光12に対しては、所望の反射特性が得られない場合がある。それに対して、例えば図5に示すようなブレーズ形状の平面の部分に誘電体多層膜26を設けることで、誘電体多層膜は、レーザ光12に対して所定の角度でのみ存在することになるため、簡便に所望の反射特性を得ることができる。以上の構成により、光の利用効率が高く、低消費電力で高画質なHUDを簡便に構成することができる。
Here, it is desirable that the
なお、本実施の形態においては、レリーフ型ホログラム20を樹脂材20a、20bで構成したが、これは例えばガラスでも構わず、屈折率が同じで、可視域において略透明であれば素材を限定するものではない。
In the present embodiment, the
また、図1で示した様に、本実施の形態では、レリーフ型ホログラム20をフロントガラスの室内側に取り付けた。このことは、特にレリーフ型ホログラム20を樹脂材で構成している場合、以下の様な効果を有する。一般に、樹脂材に光が入射すると、光により樹脂内部の分子が励起されて、樹脂材の劣化が進行することが分かっている。特に紫外線や紫外線より短波長の、エネルギーの高い光が紫外線硬化樹脂の様な樹脂材に入射すると、紫外線が吸収されて樹脂材の劣化が進行しやすい。一方で近年、フロントガラスは図6(a)の様に二枚の合わせガラス28の間に紫外線吸収層27等を含む中間層を挟んだものが広く用いられている。その場合、図6に示す様に、レリーフ型ホログラム20をフロントガラス21の室内側に取り付けることにより、フロントガラス21に入射した自然光25の内、紫外線吸収層27により紫外線が吸収されるため、レリーフ型ホログラム20には紫外線は入射しなくなる。よって、レリーフ型ホログラム20をフロントガラス21の室内側に取り付けることにより、樹脂材20a、20cは紫外線による劣化が発生しなくなり、特に樹脂材20cに紫外線硬化樹脂等の光によって劣化しやすい樹脂を用いた場合であっても、信頼性に優れたHUDを構成することが可能になる。
Moreover, as shown in FIG. 1, in this Embodiment, the
同様の効果は、図6(b)に示す様に、合わせガラス28の間において、レリーフ型ホログラム20を紫外線吸収層26よりも室内側に配置することでも達成できる。この様に配置することでも、樹脂材の劣化の原因となる紫外線がレリーフ型ホログラム20に入射することを防止できるため、特に樹脂材20cに紫外線硬化樹脂等の光によって劣化しやすい樹脂を用いた場合であっても、信頼性に優れたHUDを構成することができる。
Similar effects can also be achieved by arranging the
さらに、図6(b)の様に合わせガラス28の間にレリーフ型ホログラム20を挟みこむことで、外気が直接レリーフ型ホログラム20に接しない構成にすることができる。こうすることで、空気中の水分を吸収することで発生するレリーフ型ホログラム20の膨潤を防止することが出来る。これは、通常合わせガラス28は紫外線吸収層等の中間層を介して密着されているため、外気が合わせガラス28の内部にまで侵入しない構造になっているためである。吸湿により膨潤すると、レリーフ型ホログラム20が主に厚み方向に膨張し、ブレーズ角φが大きくなることが考えられる。即ち、吸湿等で膨潤すると、回折角度が変動することや、所定の波長の回折効率が低下するといった画質の低下が考えられる。それに対して、図6(b)の様に合わせガラスの内部に挟み込むことで、吸湿を防止できるため、膨潤による画質の低下を防止でき、信頼性に優れたHUDを構成することが出来る。
Further, as shown in FIG. 6B, the
さらに、合わせガラスの線膨張係数は9×10^(−6)/℃程度であるのに対して、樹脂材の線膨張係数は7×10^(−5)/℃程度であり、レリーフ型ホログラム20の方が線膨張係数は一桁大きく、温度変動により膨張、収縮しやすい。また、温度変動により膨張、収縮すると、回折角度の変動や回折効率の低下といった画質の低下が考えられる。それに対して、図6(b)の様に合わせガラス28の内部に挟み込むことで、温度変動によるレリーフ型ホログラム20の膨張、収縮を緩和することが出来る。これは、線膨張係数の小さい合わせガラスの内部に挟み込むことにより、樹脂材の膨張や収縮が低減されるためである。よって、図6(b)の様に合わせガラスの内部にレリーフ型ホログラム20を挟み込むことで、温度変動による画質の低下を低減でき、信頼性に優れたHUDを構成することが出来る。
Further, the linear expansion coefficient of the laminated glass is about 9 × 10 ^ (− 6) / ° C., whereas the linear expansion coefficient of the resin material is about 7 × 10 ^ (− 5) / ° C., which is a relief type. The
尚、本実施の形態においては、光源としてレーザ光源11を用いたが、LED等の別の光源を用いても構わない。ただしレーザ光源は出射するレーザ光の波長範囲がLED等と比較すると狭いため、光源にレーザ光源を用いることにより、ホログラムでの回折効率も高く、波長の広がりによる画像のぼけも抑えられ、低消費電力かつ高画質なHUDを構成することができる。
In the present embodiment, the
さらに、空間変調素子として液晶パネルを用いたが、本発明の真意、範囲を逸脱しない範囲で別の空間変調素子を用いることも可能である。例えば光源11と投射光学系18の代替として、二次元的にLEDを配列したLEDアレイ光源等を用いても構わない。
Furthermore, although the liquid crystal panel is used as the spatial modulation element, it is possible to use another spatial modulation element without departing from the spirit and scope of the present invention. For example, as an alternative to the
また、本実施の形態1においては、HUDを例としてシースルーディスプレイを説明したが、あくまで一例であって、HMD等の他のシースルーディスプレイでも当然本構成を応用することが出来る。 In the first embodiment, the see-through display has been described using the HUD as an example. However, this is merely an example, and the present configuration can naturally be applied to other see-through displays such as an HMD.
(実施の形態2)
本実施の形態2にかかるシースルーディスプレイの一例として、図7に示すHUD50を用いて説明する。HUD50は、実施の形態1のHUD10と類似であるが、光源とレリーフ型ホログラムの構成が異なる。光源として赤色レーザ光52rを出射する中心波長570nm〜680nmの赤色レーザ光源51r、緑色レーザ光52gを出射する緑色レーザ光源51g、青色レーザ光52bを出射する青色レーザ光源51bの3種類の光源を用いる。3つの光源はそれぞれ制御部19に接続されており、各レーザ光源の出力が制御される。青色レーザ光源51bから出射した青色レーザ光52bは、ダイクロイックミラー53bで赤色レーザ光源51rから出射した赤色レーザ光52rと合波され、さらにダイクロイックミラー53aで緑色レーザ光源51gから出射した緑色レーザ光52gと合波されて、レンズ13に入射する。レンズ13に入射してからスクリーン17を出射するまでは、実施の形態1のHUD10と同じである。スクリーン17を出射した各レーザ光52r、52g、52bは、フロントガラス21に取り付けられたレリーフ型ホログラム54にて回折、偏向され、運転者22は、レリーフ型ホログラム54により拡大された虚像23をフロントガラス21越しに見ることが出来る。
(Embodiment 2)
An example of the see-through display according to the second embodiment will be described using a
レリーフ型ホログラム54の構造を、図8を用いて説明する。レリーフ型ホログラム54は、実施の形態1のレリーフ型ホログラム20と類似であるが、レリーフ型ホログラム20では同一屈折率の2つの樹脂材20aと20cを密着させて構成した2層構造であったが、レリーフ型ホログラム54では、4つの同一屈折率の樹脂材54a、54c、54d、54eを、格子面54r、54g、54bを介して密着させた4層構造になっている。格子面54rには、赤色レーザ光のみが所望の入射角において反射されるように、ノッチフィルター55rが施されており、さらに赤色レーザ光52rが所望の方向に回折される様に、レリーフ構造が設けられている。同様に、格子面54gには、緑色レーザ光のみが所望の入射角において反射されるように、ノッチフィルター55gが施されており、さらに緑色レーザ光52gが所望の方向に回折される様に、レリーフ構造が設けられている。同様に、格子面54bには、青色レーザ光のみが所望の入射角において反射されるように、ノッチフィルター55bが施されており、さらに青色レーザ光52bが所望の方向に回折される様に、レリーフ構造が設けられている。例えば赤色レーザ光の中心波長を635nm、緑色レーザ光の中心波長を532nm、青色レーザ光の中心波長を445nmとして、各波長での反射率を最大50%とした場合。各ノッチフィルター55r、55g、55bは、図9(a)の様に中心波長近傍のみで反射する様に設定すれば良い。尚、図9(a)では各波長での反射率を最大50%としているが、もちろんこれより高くても低くても構わない。反射率を高くすると、HUDとしての光の利用効率は高くなる一方、反射率を低くすると、外界から入射する自然光の内、室内に入射する光量を相対的に多くできるため、室内を明るくできる。これらは達成したい仕様に従い自由に設定すればよい。
The structure of the
この様なレリーフ型ホログラム54の製造方法の一例を、図10を用いて説明する。まず、実施の形態1の樹脂材20aと同様に、樹脂材54aを射出成形等で製造し、図10(a)の様に樹脂材54aの格子面54bには、ノッチフィルター55bを付与する。次に、樹脂材54aの上に樹脂材54cを塗布する。ここで樹脂材54cの一例として、実施の形態1の樹脂材20cと同様に紫外線硬化樹脂を用いたとする。この時、図10(b)の様に、塗布した樹脂材54cの上に透明スタンパ56aを配置し、透明スタンパ56aの上から紫外線を照射することで、樹脂材54aと樹脂材54cの間に隙間なく、樹脂材54cを積層させることが出来る。次に透明スタンパ56aを取り外し、格子面54gにノッチフィルター55gを付与する。さらに、樹脂材54cの上に樹脂材54dを塗布する。ここで樹脂材54dも樹脂材54cと同様に紫外線硬化樹脂を用いたとする。この場合、図10(c)の様に、塗布した樹脂材54dの上に透明スタンパ56bを配置し、透明スタンパ56bの上から紫外線を照射することで、樹脂材54dと樹脂材54cの間に隙間なく、樹脂材54dを積層させることが出来る。最後に、格子面54rにノッチフィルター55rを付与し、その上に樹脂材54eを塗布する。樹脂材54eも樹脂材54dや54cと同様に紫外線硬化樹脂とすると、樹脂材54eの表面を均一化させた状態で図10(d)の様に紫外線を照射することで、レリーフ型ホログラム54が完成する。尚、樹脂材54a、54c、54d、54eは、上でも述べたとおり、同じ屈折率を有する。
An example of a method for manufacturing such a
以上のレリーフ型ホログラム54において、格子面54rに入射した赤色レーザ光52rは、上述の通りノッチフィルター55rにより所定の割合が反射され、かつ所定の方向に回折されてレリーフ型ホログラム54から運転者22に向けて出射し、画像として視認される。反射されずれに残った赤色レーザ光52rは、格子面54rを通過し、さらに格子面54g、54b、フロントガラス21においても反射せずに室外に出射されるため、画像形成には寄与しない。次にレリーフ型ホログラム54に入射した緑色レーザ光52gは、ノッチフィルター55rが施されている格子面54rでは反射されずに透過し、格子面54gに入射する。ノッチフィルター55gが施された格子面54gにおいて緑色レーザ光52gは所定の割合が反射され、かつ所定の方向に回折されてレリーフ型ホログラム54から運転者22に向けて出射する。そして格子面54rで反射された赤色レーザ光52rとともに画像を形成する。格子面54gで反射されずに残った緑色レーザ光52gは格子面54gを透過し、格子面54bとフロントガラス21を透過して室外に出射される。最後に、レリーフ型ホログラム54に入射した青色レーザ光52bは、ノッチフィルター55rと55gが施されている格子面54r、54gでは全く反射されず、格子面54r、54gを通過し、格子面54bに入射する。ノッチフィルター55bが施された格子面54bで、青色レーザ光52bは所定の割合が反射され、かつ所定の方向に回折されてレリーフ型ホログラム54から出射し、格子面54rで反射された赤色レーザ光52rと格子面54gで反射された緑色レーザ光52gとともに、画像形成に寄与する。格子面54bで反射しなかった青色レーザ光52bは、格子面54bを透過した後、フロントガラス21を透過して室外に出射される。
In the
以上のような構成を取ることで、虚像23は、赤色レーザ光52r、緑色レーザ光52g、青色レーザ光52gで構成されるため、フルカラー表示が可能となる。よって、レリーフ型ホログラムを用いたHUDでありながら、表示できるコンテンツに着色が可能になり、例えば黄色や赤色で表示することで、運転者22に注意を喚起するといった、運転における安全性をより向上させたHUDを構成することが可能になる。
By adopting the configuration as described above, the
また、実施の形態1と同様に、各樹脂材54a、54c、54d、54eは、格子面54b、54g、54rにおいて隙間無く密着しているため、外界からの自然光25の内、図9の各ノッチフィルター55r、55g、55bの反射帯域に含まれない光は、回折することなくレリーフ型ホログラム54を透過する。よって、フロントガラスに入射する自然光25の大部分の光は、回折することなく室内に入射するため、通常のレリーフ型ホログラムで発生するような高次の回折光による迷光も発生せず、運転者22の眼に迷光が入射するといった様な運転に支障をきたす現象も発生しない。即ち、迷光の発生しない、視認性に優れたHUDを構成することができる。
Similarly to the first embodiment, the
さらに、本レリーフ型ホログラム54を作製する際に、図10(d)では、最も下の層に、用いたレーザ光の中で最も波長の短い青色レーザ光を回折させる格子面54bを配置し、その上に次に波長の長いレーザ光である緑色レーザ光を回折させる格子面54gを配置し、その上に最も波長の長い赤色レーザ光を回折させる格子面54rを順番に配置した。一般に、回折角が同じ場合、長波長の方がホログラムのピッチ(p)が長くなるため、レリーフの凹凸(D)は大きくなる。しかし、図10の様に、樹脂材を塗布してスタンパにより成形して硬化させる場合、凹凸(D)が小さいレリーフ型ホログラムを先に作製する方が好ましい。レリーフホログラムの凹凸(D)が小さい方が、スタンパで加圧した場合に面内の圧力差が生じにくく、形状をより正確に転写できる。よって正確に形状を転写しやすい、凹凸(D)の小さい短波長側を先に作製すると、後で転写する上の層に与える形状の誤差をより小さく出来るため、全体として形状をより正確に転写できることになり、より高精度で高画質なレリーフ型ホログラムを作製することが出来る。
Further, when the
また、HUD50のレリーフ型ホログラム54の最も室外側の格子面(図8の格子面54b)で青色レーザ光51bを回折させる構成にした場合、さらに次の様な構成が可能である。格子面54bに施すノッチフィルター55bとして、図9(b)の様に、反射させたい青色レーザ光52bを含め、青色レーザ光52bよりも短波長の紫外線(波長400nm以下)を所定の反射率(図9(b)では50%)で反射させるようなコートを施すと、格子面54bにおいて、自然光25に含まれる紫外線を反射させて除去することが可能になる。特に、図10で述べた様に、樹脂材54c、54d、54eを紫外線硬化樹脂等で構成している場合、紫外線の吸収が多い紫外線硬化樹脂が紫外線を吸収して劣化することを防止することが出来るため、信頼性に優れたHUDを構成することが可能になる。ここで、青色レーザ光51bを回折させる格子面54bを最も室外側に配置するのは、ノッチフィルターの成膜が最も簡単になるからである。図9(b)に示す通り、紫外線を反射させるコートと、青色レーザ光51bを反射させるコートは、間の波長域で反射率を下げる必要がないため、単なるローパスフィルターとして構成でき、簡単にコートすることが可能になる。一方で緑色レーザ光52gを反射させるノッチフィルター55gや赤色レーザ光52rを反射させるノッチフィルター55rに、紫外線を反射させる特性を追加するためには、青色レーザ光52bの445nm付近の帯域において必ず反射率を0%に下げる必要がある。この様な膜を成膜することは非常に困難であり、コスト的にも高くなる。よって、用いる光の中で、最も波長の短い光である青色レーザ光を回折させる格子面を最も室外側に配置し、その格子面に施すノッチフィルターに、紫外線も反射させるコートを含めることで、安価に信頼性の高いHUDを構成することが可能になる。
Further, when the
尚、図9においてノッチフィルター55bの紫外線の反射率を50%としているが、勿論これよりも高い反射率に設定しても構わない。
In FIG. 9, the reflectance of the ultraviolet rays of the
また、本実施の形態においては、光源として赤色レーザ光源51r、緑色レーザ光源51g、青色レーザ光源51bを用いたが、赤色、緑色、青色の各色の光を発するLEDや、白色LED等の別の光源を用いても構わない。ただしレーザ光源は出射するレーザ光の波長範囲がLED等と比較すると狭いため、光源にレーザ光源を用いることにより、ホログラムでの回折効率も高く、画像のぼけも抑えられ、低消費電力かつ高画質なHUDを構成することができる。
Further, in the present embodiment, the red laser
さらに、空間変調素子として液晶パネルを用いたが、本発明の真意、範囲を逸脱しない範囲で別の空間変調素子を用いることも可能であり、さらには赤色レーザ光源51r、緑色レーザ光源51g、青色レーザ光源51bと投射光学系18の代替として、二次元的に赤色、緑色、青色の各色の光を発するLEDを配列したLEDアレイ光源等を用いても構わない。
Further, although the liquid crystal panel is used as the spatial modulation element, it is possible to use other spatial modulation elements within the scope of the present invention and within the scope, and further, the red laser
(実施の形態3)
本実施の形態3にかかるシースルーディスプレイの一例として、図11(a)に示すHUD70に関して説明する。HUD70は実施の形態2のHUD50等と類似であるが、光源が赤色レーザ光72rを出射する赤色レーザ光源71rと、青緑色レーザ光72bgを出射する青緑色レーザ光源71bgの二つである点と、レリーフ型ホログラム74が図11(b)に示す通り、樹脂材74a、74c、74dの三層で構成されている点が異なる。
(Embodiment 3)
As an example of the see-through display according to the third exemplary embodiment, a
赤色レーザ光源71rから出射された赤色レーザ光72rと青緑色レーザ光源71bgから出射された青緑色レーザ光72bgは、ダイクロイックミラー73aで合波され、実施の形態1や2と同様に投射光学系18を経てフロントガラス21に取り付けられたレリーフ型ホログラム74に投射される。レリーフ型ホログラム74に投射された赤色レーザ光72r、青緑色レーザ光72bgは、レリーフ型ホログラム74にて回折、偏向され、運転者22は、レリーフ型ホログラム74により拡大された虚像23をフロントガラス21越しに見ることが出来る。
The red laser light 72r emitted from the red laser
レリーフ型ホログラム74は、図11(b)に示す様に、格子面74rと格子面74bgの二つの格子面を有する。格子面74rは、赤色レーザ光72rを回折するために、ノッチフィルター75rを付与されており、格子面74bgは、青緑色レーザ光72bgを回折するために、ノッチフィルター75bgを付与している。例えば赤色レーザ光72rの中心波長を635nm、青緑色レーザ光72bgの中心波長を488nmとすると、ノッチフィルター75r、75bgは理想的には図12に示す様な特性が好ましい。この様な特性のノッチフィルターを付与することにより、実施の形態1や2と同様に、HUDとして画像を形成する光は高効率に回折し、さらに、室外から入射する自然光25は大部分を回折等のロスなく室内に入射させることが出来るため、消費電力が低く、かつ迷光のない視認性に優れたHUDを構成することができる。
As shown in FIG. 11B, the
本実施の形態3におけるレリーフ型ホログラム75は、特に作製が簡便であるという効果を有する。図13を用いて、レリーフ型ホログラム75を作製する工程の概略を説明する。まず樹脂材74a、74dを射出成形等で個別に作製しておく。この段階で格子面74r、74bgはレリーフ形状が形成されている。さらに、格子面74rにノッチフィルター75rを付与し、格子面74bgにもノッチフィルター75bgを付与する。次に、樹脂材74aに樹脂材74cを図13(a)の様に塗布する。ここで、樹脂材74cを、実施の形態2の樹脂材54c等と同様に紫外線硬化樹脂とすると、図13(b)の様に樹脂材74dを樹脂材74cの上部に配置し、紫外線を照射することで、樹脂材74cは硬化され、レリーフ型ホログラム74が完成される。以上の様に、レリーフホログラム74は極めて簡単に作製することが可能である。
The relief hologram 75 according to the third embodiment has an effect that it is particularly easy to produce. The outline of the process of producing the relief hologram 75 will be described with reference to FIG. First, the
以上の構成により、赤色レーザ光源と、その補色である青緑色レーザ光源の2種類を用いることで、白色、赤色、青緑色の3色を表示可能なHUDを構成することが可能になる。特にHUD等においては、表示するコンテンツは限られており、フルカラーの表示が必要になる場合は少ないため、実使用上3色であっても問題がない場合が多い。さらに上で説明したとおり、光源の種類を2色とすることで、レリーフ型ホログラム74の製造が簡便になる。よって、光源を2種類とすることで、実使用上の利便性を落とすことなく、安価なHUDを構成することが可能になるという効果を有する。
With the above configuration, it is possible to configure a HUD capable of displaying three colors of white, red, and blue-green by using two types of red laser light source and a blue-green laser light source that is a complementary color thereof. Particularly in HUD and the like, the content to be displayed is limited, and there are few cases where full-color display is required, so there are many cases where there is no problem even with three colors in actual use. Further, as described above, the
尚、本実施の形態においては、用いる光源は赤色レーザ光源とその補色である青緑色レーザ光源としたが、勿論他の組み合わせでも構わず、例えば青色レーザ光源とその補色の黄色レーザ光源でも構わないし、紫色レーザ光源とその補色の黄緑色レーザ光源でも構わない。補色関係にある2色の光源を用いれば混色により白色を表示することができるが、勿論表示するコンテンツによって、白色を表示する必要が無ければ、補色関係にない組み合わせでも構わない。 In this embodiment, the light source used is a red laser light source and a blue-green laser light source that is a complementary color thereof. However, other combinations may be used, for example, a blue laser light source and a complementary yellow laser light source may be used. A purple laser light source and a complementary yellow-green laser light source may be used. If two light sources having complementary colors are used, white can be displayed by mixing colors. Of course, if there is no need to display white depending on the content to be displayed, a combination not having complementary colors may be used.
(実施の形態4)
本実施の形態4にかかるシースルーディスプレイの一例として、図14(a)に示すヘッドマウントディスプレイ(HMD)100に関して説明する。HMD100は、構成要素としてはHUD50と類似であり、光源として赤色レーザ光102rを出射する中心波長570nm〜680nmの赤色レーザ光源101r、緑色レーザ光102gを出射する緑色レーザ光源101g、青色レーザ光102bを出射する青色レーザ光源101bの3色の光源と、投射光学系としてMEMSミラー105と、レリーフ型ホログラム107から成る。赤色レーザ光源101rから出射された赤色レーザ光102rは、ダイクロイックミラー103aにて緑色レーザ光源101gから出射された緑色レーザ光102gと合波され、さらにダイクロイックミラー103bにて青色レーザ光源101bから出射された青色レーザ光102bと合波され、折り返しミラー104に入射する。折り返しミラー104にて反射された赤色レーザ光102r、緑色レーザ光102g、青色レーザ光102bは、MEMSミラー105にて二次元的に偏向走査され、レリーフ型ホログラム107に入射する。ここで、赤色レーザ光源101rと緑色レーザ光源101gと青色レーザ光源101bと、MEMSミラー105は、それぞれ制御部111に接続されており、MEMSミラー105の振り角を制御し、さらに各レーザ光102r、102g、102bの走査位置と表示したい画像に応じて、各レーザ光の強度も変調される。
(Embodiment 4)
As an example of the see-through display according to the fourth embodiment, a head mounted display (HMD) 100 shown in FIG. The
次にレリーフ型ホログラム107での各レーザ光の回折の様子を図14(b)に示す。レリーフ型ホログラム107は、実施の形態2のレリーフ型ホログラム54と同様に、屈折率が同一の樹脂材107a、107c、107d、107eからなり、格子面107b、107g、107r、において隣接する樹脂材と隙間無く密着している。さらに、格子面107b、107g、107rには、それぞれ所定入射角において、図9(a)と同様な青色レーザ光102bのみを反射するノッチフィルター108b、緑色レーザ光102gのみを反射するノッチフィルター108g、赤色レーザ光102bのみを反射するノッチフィルター108rを施してある。また、各格子面107r、107g、107bは、図14(b)の様に、入射した各レーザ光が眼球109に向けて回折される様に、レリーフ型ホログラム107上の位置によってレリーフ形状を最適化している。以上の構成により、レリーフ型ホログラム107に入射した赤色レーザ光102rは、赤色レーザ光のみを反射するノッチフィルター108rを施された格子面107rにおいてのみ回折し、眼球109に向けて偏向される。同様に、レリーフ型ホログラム107に入射した緑色レーザ光102gは、緑色レーザ光のみを反射するノッチフィルター108gを施された格子面107gにおいてのみ回折し、青色レーザ光102bは、青色レーザ光のみを反射するノッチフィルター108bを施された格子面107bにおいてのみ回折し、それぞれ眼球109に向けて偏向される。尚、いずれも回折されなかった光は、そのままレリーフ型ホログラム107を透過する。眼球109に向けて偏向された赤色レーザ光102r、緑色レーザ光102g、青色レーザ光102bは、それぞれ瞳109aを透過して網膜109b上に結像されることで、画像として認識される。また、実施の形態2のHUD50と同様に、レリーフ型ホログラム107の光の入射面107fと出射面107hを平行にしておけば、レリーフ型ホログラム107に入射した自然光110は、レリーフ型ホログラム107によって回折されずに、かつ屈折により画像をゆがめられることなく、外界の景色として認識される。レリーフ型ホログラム107は、図14(b)において、入射面107fと107hの平行の関係を維持したまま湾曲させているが、勿論平面でも構わない。
Next, the state of diffraction of each laser beam by the
以上の構成により、レリーフ型ホログラムを用いながら、自然光110の内、大部分の光は回折することなくレリーフ型ホログラム107を通過するため、眼に迷光が入射するといった様な問題も発生せず、迷光の発生しない、視認性に優れたHMDを構成することができる。また、図14の様に格子面をブレーズ型にすることにより高い回折効率を得ることができるため、光利用効率が高く、消費電力の低いHMDを構成することができる。さらに、レリーフ型ホログラム107は、成形にて製造することができるため、量産性が高く安価なHMDを構成することができる。
With the above configuration, while using the relief hologram, most of the
また、メガネを掛けている人がHMDを装着する場合は、外界に対してはメガネレンズにより外界の風景のピント位置は調整される必要がある一方で、HMDで形成される画像は、視力に関係なく網膜上に結像されることになる。体積型ホログラムを用いてHMDを構成する場合は、メガネレンズに貼り付けた体積型ホログラムに直接露光してホログラムを作製することができるため、メガネレンズの位置に関わらず各人に最適なホログラムを構成することができる。しかし、本実施の形態4のレリーフ型ホログラム107は、例えば成形により量産製造した場合、体積型ホログラムの様に、市場において各人のメガネレンズの形状に合わせて最適化することができない。この場合、図14(a)の様に、メガネレンズ106よりも眼球109側にレリーフ型ホログラム107を配置することで、量産製造された同一構造のレリーフ型ホログラムを用いることが出来る。即ち、眼球109の位置に対して所定の位置にレリーフ型ホログラム107とMEMS105を配置することで、HMDで形成される画像を網膜上に適切に結像させることができ、さらにレリーフ型ホログラム107に対して外界側にメガネレンズ106を取り付けることで、外界からの景色も適切に網膜上に結像させることが出来る。この様に、メガネレンズをレリーフ型ホログラムよりも外界側に配置することで、メガネを掛けている人に対しても同一形状のレリーフ型ホログラムを提供することが出来るため、量産適正が高く安価なHMDを構成することができる。
In addition, when a person wearing glasses wears an HMD, it is necessary to adjust the focus position of the scenery of the outside world with the eyeglass lens with respect to the outside world. Regardless, the image is formed on the retina. When an HMD is constructed using a volume hologram, a hologram can be produced by directly exposing a volume hologram attached to an eyeglass lens, so that an optimum hologram for each person can be obtained regardless of the position of the eyeglass lens. Can be configured. However, when the
なお、前述した各実施例は考えられる一例であり、その適用範囲を限定するものではなく、本発明の真意および範囲を逸脱することなしに種々変形、組合せを行うことは、容易に理解されるであろう。 It should be noted that each of the above-described embodiments is a possible example, and does not limit the scope of application, and it is easily understood that various modifications and combinations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Will.
本発明のシースルーディスプレイは、光利用効率が高いため消費電力が低く、さらに視認性に優れ量産性が高く安価に構成することが可能であり、HUDやHMD等シースルーディスプレイ全般に適用することが可能である。 The see-through display of the present invention has low power consumption due to its high light utilization efficiency, and is excellent in visibility and can be constructed at low cost, and can be applied to all see-through displays such as HUD and HMD. It is.
10,50,70 ヘッドアップディスプレイ(HUD)
11 レーザ光源
12 レーザ光
13 レンズ
14,104 折り返しミラー
15 液晶パネル
16 投射レンズ
17 スクリーン
18 投射光学系
19,110 制御部
20,54,74,107 レリーフ型ホログラム
20a,20c,54a,54c,54d,54e,74a,74c,74d,107a,107c,107d,107e 樹脂材
20b,54r,54g,54b,74r,74bg,107r,107g,107b 格子面
21 フロントガラス
22 運転者
23 虚像
24,55r,55g,55b,75r,75bg,108r,108g,108b ノッチフィルター
25,109 自然光
26 誘電体多層膜
27 紫外線吸収層
28 合わせガラス
30,105 MEMSミラー
51r,71r,101r 赤色レーザ光源
51g,101g 緑色レーザ光源
51b,101b 青色レーザ光源
71bg 青緑色レーザ光源
52r,72r,102r 赤色レーザ光
52g,102g 緑色レーザ光
52b,102b 青色レーザ光
72bg 青緑色レーザ光
53a,53b,73a,103a,103b ダイクロイックミラー
56a,56b 透明スタンパ
100 ヘッドマウントディスプレイ(HMD)
106 メガネレンズ
109 眼球
109a 瞳
109b 網膜
10, 50, 70 Head-up display (HUD)
DESCRIPTION OF
106
Claims (14)
前記光の強度を空間変調することにより画像を形成する投射光学系と、
前記投射光学系から出射された前記光を偏向するホログラムを有し、
前記投射光学系により投射された画像を、前記ホログラムを通して視認するシースルーディスプレイにおいて、
前記ホログラムは所定の材料の表面にレリーフ構造を構成したレリーフ型ホログラムを含み、前記レリーフ構造の格子面には所定波長の光を反射させるノッチフィルターをコートし、さらに、前記レリーフ型ホログラムの前記格子面は、前記所定の材料と同一の屈折率を持つ材料により、隙間無く密着したことを特徴とする、シースルーディスプレイ。 A light source that emits light;
A projection optical system that forms an image by spatially modulating the intensity of the light;
Having a hologram for deflecting the light emitted from the projection optical system;
In the see-through display for visually recognizing the image projected by the projection optical system through the hologram,
The hologram includes a relief type hologram having a relief structure formed on the surface of a predetermined material, the grating surface of the relief structure is coated with a notch filter that reflects light of a predetermined wavelength, and the grating of the relief type hologram The see-through display is characterized in that the surface is in close contact with a material having the same refractive index as the predetermined material without any gap.
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