JPH03113413A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は回折格子を利用した所謂ヘラドア・ンプディス
プレイ装匠に関し、特に車両や航空機等においてフロン
トガラスの前方に運航等に関する表示器からの波長幅を
有する光束に基づく表示情報を前方視野の画像情報に空
間的に重畳させて双方のｆｌｔ報を同一視野で観察する
ようにしたヘッドアップデイスプレィ装置に関するもの
である。

（従来の技術） 従来より多ＮＭ反射面や体積型位相回折格子、そしてホ
ログラム光学素子等の光学的に透明な光束結合素子を用
いて表示器からの表示情報を外界の自然風景等の画像情
報に空間的に重畳して同一視野で観察するようにした表
示装置は、一般にヘッドアップデイスプレィ装置と呼ば
れ、各分野で多用されている。

例えば自動車の運転席や航空嶺の操縦席等、種々の車両
に適用したものが提案されている。

このうち回折格子として特にホログラムを用いたホログ
ラフィックヘッドアップデイスプレィ装置は表示情報と
前方視野の画像情報の双方を共に明るい状態で観察する
ことができること、そして遠方表示が容易にできること
等の特長を有してぃる。

このようなホログラフィックヘッドアップデイスプレィ
装置は例えば米国特許第４２１８１１１号に提案されて
いる。

（発明が解決しようとする問題点） 従来のヘッドアップデイスプレィ装置は、例えば車両等
では運転者の座席の正面に左右対称の配置で光束結合素
子が配置されていた。この為表示光学系の収差補正を行
う際には光束結合素子の中心対称面に関して設計を行い
、次に左右の適当な点に関して収差補正を行っていた。

これにより２次元の広がりを有した画像に対して良好な
る画像の表示を行っていた。

方近年自動車のフロントガラスと一体化した体積位相型
ホログラムがヘッドアップデイスプレィ装置として用い
られるようになりこのような装置においては従来の設計
手法では良好なる画像の表示が困難になってきた。

例えば通常の自動車は外観上は左右対称であるが左ハン
ドル又は右ハンドルかに応じて運転席は左右対称面に関
して各々左方又は右方に配置されている。又フロントガ
ラスは球面、円筒面等の曲面である。この為運転席の正
面に表示を行なう場合においてもガラス面は左右非対称
な面の配置となっている。

この他フロントガラス上の種々の位置に表示を行なう場
合には観察位置中心と表示位置中心とを結ぶ垂直な面に
対して表示に用いる表示面が対称である場合は大変少な
くなっている。

自動車用の六ログラフイックデイスプレィ装置の多くは
、全んど左右対称の光学配置を前提として光学設計がな
されており、実際の自動車のフロントガラスの形状と組
合せて高画質の表示を行うとするものではなかった。

例えば見込み角０．２度程度の画像のボケを許容するよ
うな比較的低解像力の表示系を対象としており、左右対
称に設計された光学系をそのまま左右非対称の装置に配
置するようにしていた。

本発明は表示光学系の収差補正を良好に行ない左右非対
称のガラス基板面上に適用した場合でも良好なる状態で
表示情報を観察することができるヘッドアップデイスプ
レィ装置の提供を目的とする。

Ｃ問題点を解決するための手段） 本発明のヘッドアップデイスプレィ装置は波長幅を有す
る光束を用いて表示を行なう表示器と該表示器からの光
束を波長により偏向角が異なる第１光偏向部材に導光し
、該第１光偏向部材からの光束を波長により偏向角が異
なる第２光偏向部材に導光し、該第２光偏向部材を介し
て該表示器の画像情報を観察するようにしたヘッドアッ
プデイスプレィ装置において、該表示器の中心と該第１
光偏向部材の中心、そして第２光偏向部材の中心で形成
される平面に対し、該第２光偏向部材は重力方向に対し
て左右非対称な面内に配置されていることを特徴として
いる。

（実施例） 第１図は本発明の第１実施例の要部概略図である。

同図において９は表示器であり、所定の波長幅を有する
光束を用いて情報表示を行う自己発光型の蛍光管、ＣＲ
Ｔ等である。１１は第１光偏向部材であり、波長の違い
により偏向角が異なる反射型の回折格子より成り、基板
ｌＯ上に設置されている。３５は第２光偏向部材であり
、第１光偏向部材１１と同様に波長の違いにより偏向角
が異なる回折格子より成り、透明基板３４面上に固着さ
れている。

ここで表示器９の中心と第１光偏向部材１１の中心、そ
して第２光偏向部材３５の中心で形成される平面に対し
第２光偏向部材３５は重力方向に対して左右非対称な面
内に配置されている。

本実施例では表示器９からの波長λ。の光束ｌは第１光
偏向部材１１に角度θｌで入射し、角度θ２で反射回折
され光束２となる。光束２は第２光偏向部材３５に角度
θ３で入射し、角度θ４で反射回折されて観察者５１方
向に導光される。

これにより表示器９に表示された表示情報の虚像４９を
第２光偏向部材３５の前方に例えば景色１０１等の画像
情報と重畳させて双方の情報を観察している。

次に本実施例において表示情報を観察する際に観察上下
方向に対して表示情報の色ズレが良好に補正される理由
について説明する。

本実施例では表示器９からの波長λ。＋Δλの光束１ａ
が第１光偏向部材１１に角度θ１ａで入射し、角度θ２
ａで反射回折された後、第２光偏向部材３５面上の点５
０に入射するように設定されている。

ここで光の回折の法則に従い１回折角は光の波長に応じ
て変化する為、波長入。＋Δλの光束と波長入。の光束
とは同一の光路３を通って観察者５１に達する。この結
果空中に生じる虚像４９は同図の上下方向の色ズレが補
正される。

今１表示器９から第１光偏向部材１１までの長さな見３
．第１光偏向部材１１から第２光偏向部材３５までの長
さを文、とすると ・・・・・・・・・・・・（１） なる関係が成立する。

ここでＰｌ、Ｐ２は各々第１、第２光偏向部材１１．３
５を構成する回折格子の格子ピッチであり Ｐｌ　−人。／　　ｌ５ｉｎ　　θ　、　　−５ｉｎθ
　、１　　”・・””（ｚ）Ｐ２　　”入０／　　１ｓ
ｉｎ　　θ、−５ｉｎθａｔ　　””””（３）である
。

次に本実施例の具体的数値例について示す。

第１光偏向部材１１の回折格子は直線等間隔の表面レリ
ーフ、又は裏面レリーフ、又は体積位相型の回折格子で
あり、１ｍｍに１２００本程度０格子を有している。こ
のときのピッチＰ、はＰ　＋　＝　０　、８３３　＃Ｌ
ｍである。

ここで波長λ。＝　５１０　ｎ　ｍ　、角度θ、＝５５
”　、角度θ、＝１２＠である。

一方第２光偏向部材３５はポリ（Ｎ−ビニルカルバゾー
ル）を主体とする反射体積型位相型の回折格子であり、
その面内ピッチＰ、は点４８において１．５１Ｌｍ、入
射角θ、＝３４．５’　、回折角θ４＝６５°である。

以上の諸数値を（１）式に代入すると （ｉｔ　／ｌ、）＝１．５ となる１例えばｆｆｉ、＝１４０ｍｍ、Ｒ，＝２１０ｍ
ｍとすれば表示情報に関する色収差の補正が良好に達成
される。

第２図は第１図の第１実施例を右ハンドル用の自動車に
適用したときの一実施例の要部概略図である。同図にお
いては前述のようにフロントガラス３４に固着された第
２光偏向部材３５としての体積位相型の回折格子の中心
位置５０と第１光偏向部材１１としての回折格子の中心
位置４８、そして表示器９の中心とが平面８上に配設さ
れ、観察位置５１ａも略この面内に存在している。そし
て平面８は重力方向に対して傾いた配置、具体的には５
°傾いている。

本実施例において広い表示領域にわたり収差補正を良好
に行なうことが可能となった。

即ち第１図において表示情報を観察する際の色ズレが特
に良好に補正されているのは表示情報の中心部５０であ
る。これに対して本実施例では平面８に対して左右対称
の光学配置を採用することにより、このときの収差補正
が紙面の手前から奥の方向に向けて、紙面上の点と全く
同様に有効となり、この線上で鮮明なる表示情報が観察
されるようにしている。

次に本実施例において色ズレの補正を２次元的に広い領
域にわたり行う為の手法について説明する。

第３図は第１図の第１実施例を改良し観察上下方向の広
い領域にわたり色ズレが補正されているヘッドアップデ
イスプレィ装置の要部概略図である。同図において観察
位置５１が透明基板（フロントガラス）３４上の回折格
子３５の中心位置５０から８００ｍｍの距離にあり、か
つ回折格子３５の焦点距離が８００ｍｍであるとする。

又回折格子１１は平面上の直線等間隔格子であるとする
。

このとき表示器９の中心から発した光束ｌは回折格子１
１で反射回折されて光束２となり、次いで回折格子３５
で回折されて光束３となり観察者５１に導光される。−
力表示器９の上ヘリからの光束１ｂは光束１と略平行で
あり、光束２ａ、光束３ａと順次回折されて観察者５１
に導光される。この光束に関する色ズレによる表示情報
のボケを補正する方法は種々とある０例えば最も単純な
方法として表示器９を適当な角度だけ傾けて配置すれば
良く、このときは波長λ。＋Δλの光束の光路はｌａ＋
、２ａ＋　となって光束３ａに重ねられる。

表示器９の下ヘリからの光束１ｃも同様に光束２ｂ、３
ｂとなって観察者５１に導光される。

重連のように対称面を有している光学系において対称面
内で良好に色ズレの収差が補正されているときには、こ
れと直交する方向に対しても収差補正の効果が大きい、
この結果、表示器９上の表示に関し、二次元的に良好な
る収差補正が可能となる。

第４図は、本実施例において種々の収差補正法に従って
設計されたヘッドアップデイスプレィ用の光学系による
、二次元的な表示面上の収差補正の様子をあられした説
明図である。

図中領域Ａは収差補正が良好になされている領域で、た
とえばボケ量で０１°　（６分）以下の領域をあられし
ており、図中領域Ｂは許容できるボケ量たとえば０８°
　（４８分）以内のボケ量の領域を示し、そして領域Ｃ
は許容できない程度の大きなボケ量を有する領域を各々
あられしている。

第４図（Ａ）は、第３図で示した設計に従って構成した
ヘッドアップデイスプレィ装置の表示器９の表示面にお
ける画質の分布をあられしもので、画面全体にわたり良
好な収差補正が達成されている。

また、第４図（Ｂ）は、第１図で示した光学系において
、中心部にのみ収差補正を行なった場合の画質分布を示
しており第４図（Ａ）と比較して、画質の良い領域Ａは
やや少なくなっている。

第４図（Ｃ）は従来の左右対称の光学配置で用いていた
光学部品を自動車のフロントガラスと組合せて軸外して
配置した例である。この場合５表示情報の全面にわたり
画質か低下している。

第５図は本発明の第２実施例の光学系の要部概略図であ
る。

同図において表示器９は、平面状の入射面３７、球面あ
るいは円筒面上にレリーフ回折格子を形成した格子面３
８と球面あるいは回転対称、あるいは左右対称の非球面
３９より構成された光学部材３６と組合されて構成され
ている。これら各面の光学要素と、透明基板３４上の回
折格子３５との組合せにより前述した色ズレと共に遠方
表示機能、そして非点収差、コマ収差等の諸収差を同時
に良好に補正することを可能としている。

本実施例のように非球面光学部材を用いる場合には、左
右対称面を有していることは大きな利点である。左右対
称面を持たずにこのような非球面光学系を設計すると、
必然的に用いられる非球面も左右非対称となり、設計た
けてはなく、加工や検査、そして正しい位置に光学部キ
イを西己設することが大変困難となってくる。

これに対し１本実施例のように、左右交を称性を有する
光学系を斜設して構成すること番こより、第１に画面中
心における色ズレと非点収差の補正、次に上下方向およ
び左右方向への収差補正領域の拡大という形で、設計、
検査、加工にわたり確立された技術で安定した製造を可
能としてし）る。

（発明の効果） 本発明によれば以上のような構成を採用することにより
、特に観察者に対して左右非対称配置の基板上に配設さ
れた回折格子を用しする際、傾し）たフロントガラス等
の対称面を設定し、この面（こ対する対称性を持たせた
光学系を採用すること番こより、従来全く指針の無かっ
たこの様な光学系番こ対して、設計上も、また光部材配
置上も明確な基準面を設定することが可能となり、また
この対称面に沿った上下方向での収差補正を行なうこと
により、上下、左右の二次元的広がりを有する表示画面
全面に対し、収差、特に色ズレの収差を補正し、良好な
る観察を可能としたヘッドアップデイスプレィ装置を達
成することができる・

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の要部概略図、第２図は第
１図の第１実施例を自動車のフロントガラスに適用した
ときの概略図、第３図は第１図の第１実施例の改良例の
説明図、第４図（Ａ）〜（Ｃ）は本発明と従来のヘッド
アップデイスプレィ装置の収差補正効果の比較を表わす
説明図、第５図は本発明の第２実施例の要部概略図であ
る。 図中９は表示器、１１は第１光偏向部材、３５は第２先
偏向部材、３４は透明基板（フロントガラス）、５１は
観察者、である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）波長幅を有する光束を用いて表示を行なう表示器
   と該表示器からの光束を波長により偏向角が異なる第１
   光偏向部材に導光し、該第１光偏向部材からの光束を波
   長により偏向角が異なる第２光偏向部材に導光し、該第
   ２光偏向部材を介して該表示器の画像情報を観察するよ
   うにしたヘッドアップディスプレイ装置において、該表
   示器の中心と該第１光偏向部材の中心、そして第２光偏
   向部材の中心で形成される平面に対し、該第２光偏向部
   材は重力方向に対して左右非対称な面内に配置されてい
   ることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。