JPH03236017A - ホログラフィックヘッドアップディスプレイ - 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、ホログラム素子を有し、このホログラム素子
により表示手段の表示する各種情報を車両等の操作者の
視線上に投影するホログラフィックヘッドアップディス
プレイ（ＨＵ　Ｄ）に関する。

従来技術 ヘッドアップデイスプレィは、車両等の操作者の視線上
に表示手段の表示する各種情報を投影するのに用いられ
ている。

たとえば、航空機では、パイロットは外界、すなわち無
限遠を注視したままパイロットが計器の情報を読み取れ
るようにするものであり、計器の虚像をパイロットの正
面の無限遠の距離に表示するのである。

また、自動車の場合も同様に運転者に前方の景色に計器
の情報を重ねてこの情報を読み取らせるようになってい
る。自動車ではフロントガラスのような窓ガラスに計器
の虚像を表示する。

従来のヘッドアップデイスプレィには次のようなものが
ある。

■　ハーフミラ−式のヘッドアップデイスプレィにおい
ては、ハーフミラ−を、 ａ、平面ハーフミラ−のみで構成したもの、ｂ、平面ハ
ーフミラ−およびコリメータレンズで構成したもの、 Ｃ６凹面ハーフミラ−にしたもの。

■　ホログラフィックヘッドアップディスプレイにおい
ては、 ａ、凹面形状で屈折力のないホログラム素子をホログラ
ムを用いたもの、 ｂ、平面形状で屈折力のないホログラム素子を用いたも
の、 Ｃ０平面形状で屈折力のないホログラム素子およびコリ
メータレンズを用いたもの、ｄ、平面形状で屈折力のあ
るホログラム素子を用いたもの。

本発明が解決しようとする課題 従来技術の■のハーフミラ−式ヘッドアップデイスプレ
ィでは、窓ガラスの透過率を高めると反射率が低下して
明るい像が得られず、像の遠方表示を行うために、コリ
メータレンズを補うかコンバイナを凹面形状にする必要
が生じる。

■のホログラフィックヘッドアップデイスプレィで屈折
力のないホログラム素子では、コリメータレンズを補う
かあるいはコンバイナを凹面形状にする必要が生じてし
まう。

また、屈折力のあるホログラム素子をコンバイナとして
用いると上記問題点はすべて克服されるが、各種光学的
収差が発生してしまう。

発明の目的 そこで、本発明は、上記の課題を解決して屈折力のある
ホログラム素子をコンバイナとして用いたホログラフィ
ックヘッドアップディスプレイにおいて発生する像面の
倒れや像の歪みを補正し、表示を明瞭にして視認性を高
めることができるホログラフィックへラドアップデイス
プレィを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 そこで、本発明では、第３図の実施例１で示すように、
ホログラム素子２０は表示装置２１からの表示光を反射
し対象物からの像を透過するように操作者の視線上に斜
めに設ける。そしてホログラム素子２０は表示装置２１
に表示された内容と対象物の像とを重ね合わせて操作者
２２に視認させる。上記表示装置２１の表示面を表示光
の光軸２５に対し操作者側に所定角度ＳＤ傾斜して配置
させる。

第５図の実施例２では、表示装置２１の表示面を表示光
の光軸２５に対して操作者とは反対の側に所定角度（−
Ｓ　Ｄ）傾斜して配置する。

また第８図の実施例３で示すように、ホログラム素子２
００を収束波Ｌ７と発散波Ｌ５とを所定角度で干渉させ
ることで作製する。

第８図ではホログラム素子２００の中央部において９０
°で干渉している。

作　　用 第３図の実施例１では、表示装置２１から表示光が発光
され、その表示光はホログラム素子２０により反射され
て操作者２２に投影される。ホログラム素子２０により
、表示装置２１の表示内容と操作者の見る対象物の像を
重ねて視認できる。表示装置２１の法線２４を光軸２５
に対して所定角度ＳＤ傾けることにより、表示装置２１
の表示内容の虚像３０の倒れを補正する。この面倒れの
補正とは、虚像３０に関する距離ＤＩＳＴＩとＤＩＳＴ
２がほぼ等しくなるように訂正することである。つまり
、ホログラム素子２０の中心Ｃから虚像３０の上端部３
１　（ＵＰＰＥＲ）までの距離ＤＩＳＴＩと、中心Ｃか
ら下端部３２（ＬＯＷＥＲ）までの距離Ｄ　Ｉ　Ｓｒ１
を一致させるのである。このようにすることで、虚像３
０の面倒れを補正する。第３図の虚像３０は湾曲してい
る。

第５図の実施例２では、第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）で示
すように操作者２２の視線Ｐを水平方向に移動した場合
の虚像３０の上端部３１での移動距離ｘ１と下端部３２
での移動距離Ｘ２とをほぼ等しくし、視点の水平方向の
移動に伴う像の歪みを小さくする。つまり、視点Ｐが水
平方向に移動したときに虚像３０を平行に移動させるこ
とで像の歪みを補正している。

第８図の実施例３では、発散波Ｌ５と収束波Ｌ７を用い
る。発散波Ｌ５と収束波Ｌ７はホログラム素子の作製光
である。発散波Ｌ５と収束波Ｌ７の異なる焦点距離の組
合せにより作られたホログラム素子２００を用いて、第
９図の表示装置２２１を示す表示内容を示す虚像３０の
倒れ補正をする。

実施例　１ 第１図を参照する。実施例１のホログラフィックヘッド
アップデイスプレィのホログラム素子２０は、発散波Ｌ
５と平面波Ｌ６を入射して干渉させることにより作製す
る。

ホログラム素子はホログラム光学素子 （ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｅｌｅｍ
ｅｎｔ：ＨＯＥ）ともいう。

第２図はホログラム素子２０を作製する作製光学系を示
している。

Ａｒイオンレーザ２はたとえば４８８　ｎｍのレーザ光
りを射出する。反射ミラー３とＡｒイオンレーザ２の間
にはシャッタ４が設けられている。反射ミラー３により
反射されたレーザ光りはハーフミラ−５により反射され
てミラー６に達する。またレーザ光りはハーフミラ−５
を通ってミラー７に達する。ミラー６で反射したレーザ
光Ｌ１は顕微鏡対物レンズ８、ピンホール付プレート８
ａとコリメータレンズ９を介して平面波Ｌ６　（ｆ６＝
−■（０，０ｍ’）となり、重クロム酸ゼラチン乾板（
ＤＣＧ乾板）１０に達する。

この乾板１０は特開昭６３−７５７８１号公報に記載さ
れているように、その内部に感光層である重クロム酸ゼ
ラチン層１１が形成されている。

発散波Ｌ５と平面波Ｌ６が所定角度で干渉するようにゼ
ラチン層１１に入射し、第３図のホログラム素子２０が
作製される。以下この作製された乾板１０がホログラム
素子２０である。

ホログラム素子２０は次に述べるように景色と表示装置
の表示内容を重ねるためのコンバイナである。

第３図に示すホログラフィックヘッドアップデイスプレ
ィは、正反射型のデイスプレィである。すなわち、ホロ
グラム素子２０から操作者２２に達する回折光は、ホロ
グラム素子２０の正反射光と同方向である。第５図と第
９図に示すデイスプレィも正反射型のものである。

ホログラム素子２０は、たとえば自動車のフロントガラ
スに配置する。表示装置２１はたとえば車両の速度をデ
ジタル表示している。

発散波Ｌ５の焦点距離ｆ５を４００ｍｍ（２゜５　ｍ　
’）とし、平面波Ｌ６の焦点距離ｆ６を”　（０，Ｏｍ
”）とした時に、ホログラム素子２０と表示装置２１間
の距離Ｄ１を３４４．８ｍｍ　（２，９ｍ’）とする。

近軸的にホログラム素子２０と表示装置２１の表示内容
の虚像３０との間の距離ＤＩＳＴは、次式％式％） （） また、ホログラム素子２０から操作者２２間の距離Ｄ２
は５００　ｍｍとする。表示装置２１の法線２４は、ホ
ログラム素子２０と表示装置２１間の光軸２５に対して
所定角度ＳＤで傾いている。

この角度は好ましくは１７°である。それは次の理由に
よる。表示装置２１の法線２４と光軸２５の成す角度Ｓ
Ｄを変化させると第４図のような結果を得る。横軸に表
示装置２１の法線２４と光軸２５の成す角度（Ｓ　Ｄ）
をとる。縦軸にホログラム素子２０と虚像３０の間の距
離をとる。この場合ホログラム素子２０の基板は１００
ｍｍ角、表示装置２１上の表示像は３０ＩＩＩＩｎ角、
操作者２２の瞳径は７閣で計算されている。

第４図のＤＩＳＴ２は、第３図のホログラム素子２０の
中心Ｃを通る表示装置２１の光軸２５から虚像３０の下
端部３２までの距離である。ここで、虚像３０の下端部
３２は表示装置２１の左端部に相当する位置である。

第４図のＤＩＳＴは、第３図のホログラム素子２０の中
心Ｃから虚像の中央部Ｏまでの距離である。第４図のＤ
ＩＳＴＩは第３図の虚像３０の上端部３１までの距離で
ある。ここで、虚像３０の上端部３１は表示装置２１の
右端部に相当する位置である。ＳＤは表示装置２１の法
線２４と光軸２５の成す角で、横軸の＋は表示装置２１
の表示面が操作者２２側へ倒れていることを示している
。

ホログラム素子２０の中心Ｃから虚像３０の上端部３１
までの距離ＤＩＳＴＩと、中心Ｃから虚像３０の下端部
３２までの距離ＤＩＳＴ２とが一致した時が虚像３０の
像面の倒れが操作者２２側に対して最小になる時である
。前述の条件で作製されたホログラム素子をコンバイナ
として用いたホログラフィックヘッドアップディスプレ
イにおいては、表示装置２１の法線２４と光軸２５が成
す角、５Ｄ＝１７°が最も像面の倒れが少ないことにな
る。

なお、この時には、第４図に示すように、ＤＩＳＴＩと
Ｄ　Ｉ　Ｓｒ１との交点である５Ｄ−１７°のときのホ
ログラム素子２０と虚像間距離の値と、ホログラム素子
２０の中心Ｃから虚像３０の中央部Ｏまでの距離ＤＩＳ
Ｔとの差は、Ｓ　＝　４０　ｍｍ程度あり、虚像３０の
上端部３１と下端部３２が操作者２２側に出ていること
がわかる。つまり虚像３０は、凹面になっていることが
分かる。

しかし第４図に示すように、表示装置２１の表示面を水
平に配置した場合、すなわち、５Ｄ＝０°の場合のＤＩ
ＳＴＩとＤ　Ｉ　Ｓｒ１の値の差がほぼ５００　ｍｍ程
度あり、ホログラム素子２０の中心Ｃから虚像３０の中
央部Ｏまでの距離ＤＩＳＴ＝２５００ｍｍと比較してほ
ぼ１１５で虚像３０の像面の倒れが無視できない大きさ
を有していることに比べ、５Ｄ＝１７°の場合の像面の
倒れは最も少ない値をもつことがわかる。

また、ホログラム素子２０の中心Ｃから虚像３０の中央
部０までの距離Ｄ　Ｉ　５Ｔ＝２５００ｍｍあることか
ら、Ｓ　＝　４０　ｍｍ程度の虚像３０の凹面状の撓み
は無視できる程度の大きさである。

実施例　２ 上述のように第４図では表示装置２１の表示面が操作者
２２側に倒れていた場合の関係を示している。一方策５
図では第３図とは逆に表示装置２１の表示面が操作者２
２と反対の側に倒れている。つまり表示装置２１の法線
２４は光軸２５に対して一８Ｄに傾いている。

第７図では表示装置２１の表示面が虚像３０側に倒れて
いる場合の関係を示している。

このため横軸の数値にマイナス（−）を付けている。

第６図（ａ）は第５図のホログラム素子２０の使用配置
図を上から見た概略図を示している。

第６図（ａ）において、ホログラム素子２０上に表示さ
れた虚像３０は虚像面１３０に投影されたように視認さ
れる。

その状態で操作者２２の視点Ｐを中央位置からＸ軸の正
の方向に３０ｍｍ移動させると、虚像３０の映出された
虚像面１３０上において、第６図（ｂ）に表されたよう
に、例えば田の字の図形■が図形■のように歪みを生じ
て視認されてしまう。

そこで、第６図（ｂ）の図形■の中心線ＡＢに着目して
、図形■の中心線Ａ’　Ｂ’　との歪みの変化量、すな
わち、虚像の上端部および下端部での移動距離を第６図
（ｃ）に表す。

ここで、Ａ→Ａ′およびＢ−４−Ｂ’の変化量を、それ
ぞれｘｌおよびＸ２とする。この虚像の上端部および下
端部での移動距離Ｘ１およびＸ２と、表示装置２１の法
線２４と光軸２５の角度（−Ｓ　Ｄ）との関係を調べ、
ＸｌとＸ２が一致するときの角度（−Ｓ　Ｄ）で表示装
置２１を配置することで、虚像の歪みを補正することが
可能になる。

上述した、移動距離Ｘ１およびＸ２と角度（−Ｓ　Ｄ）
との関係は第７図に示されている。

角度（−Ｓ　Ｄ）を例えば第７図で示す交点に対応する
一１６°〜−１７°で表示装置２１を配置することが好
適であることがわかる。

このように、表示装置２１の表示面を所定角度操作者と
反対方向に傾斜することで、虚像の像面の歪みを補正で
きる。

実施例　３ 第８図を参照する。実施例３のホログラム素子２００は
発散波Ｌ５と収束波Ｌ７を入射して干渉させることによ
り作製する。ホログラム素子２００は、実施例１の第２
図で示した光学系に似た光学系で作製する。ホログラム
素子２００の焦点距離を４００ｍｍ（２，５ｍ−１）と
して、発散波Ｌ５の焦点距離ｆ５として、収束波Ｌ７の
焦点距離ｆ７とすると、１／ｆ７＝２．５−１／ｆ５　
　・・・（Ｉ［）この条件のもとて発散波Ｌ５と収束波
Ｌ７を干渉させてホログラム素子２００を作製する。

発散波Ｌ５の焦点距離ｆ５はたとえば４３８．６ｍｍで
ある。収束波Ｌ７の焦点距離ｆ７はたとえば４５４５　
＋ｎｎ＋である。

第９図は作製されたホログラム素子２００を使用してい
る。ホログラム素子２００と表示装置２２１の距離Ｄ４
を３４４．８ｍｍとして、ホログラム素子２００の中心
Ｃと虚像３０間の中心部ＭＩＤの距離ＤＩＳＴを２５０
０　ｍｍとする。ただし表示装置２２１の法線と光軸と
の成す角度（ＳＤ）は０°である。

第１０図において、縦軸にホログラム素子２００と虚像
３０間の距離ＤＩＳＴをとり、横軸にＦ　５　＝　１／
　ｆ　５　（ｍ−’）をとる。発散波Ｌ５の焦点距離ｆ
５を変化させると第１０図のようになる。ホログラム素
子２００の基板は１００　ｍｍ角、表示装置２２１上の
表示像は３０ｍｍ角、操作者２２の瞳径は７　＋ｎｍで
計算されている。第９図のホログラム素子２００の中心
Ｃと虚像３０の上端部３１までの距離ＤＩＳＴＩと、中
心Ｃと虚像３０の下端部３２までの距離Ｄ　Ｉ　Ｓｒ１
が一致した時が虚像３０の像面の倒れが最小になる時で
ある。この場合は、Ｆ５＝１／ｆ５＝２．２８ｍ−’ｆ
５＝４３８．６ｍｍ（発散波）の時で、（ＩＩ）式から
、１／ｆ７＝２．５−２．２８＝Ｏ１２２（ｍ’）、ｆ
　７＝４１０．２２＝４５４５　（ｍｍ）　、　　ｆ　
７＝４５４５ｍｍ　（収束波）が最も像面の倒れが最小
になる。なお、この時には、第１０図に示すように、Ｄ
ＩＳＴＩとＤＩ　Ｓｒ１が一致したホログラム素子２０
０と虚像３０の間の距離の値と、ホログラム素子２００
の中心Ｃと虚像３０の中央部Ｏとの距離ＤＩＳＴ＝２５
００＋ｎｍとの差Ｓは５０ｍｍ程度あり、操作者２２側
に出ており、虚像３０が凹面状になっていることが分か
る。

しかし、Ｆ５＝２．５０ｍ−’（ｆ５＝４００ｍｍ）の
場合、すなわち（Ｉ［）式において、１／ｆ　７＝２．
５−１／ｆ　５＝０　（ｍ−’）であることから収束波
Ｌ７の焦点距離ｆ７が一〇〇（符号（−）は波の進行方
向による）である場合、収束波として用いていたし７は
平面波となる。ホログラム素子２００と虚像３０の間の
距離ＤＩＳＴＩは２２７２　ｍｍで、ＤＩＳＴ２は２７
６３　ｍｍである。この差、すなわち虚像面の倒れの大
きさはほぼ５００胴程度となり虚像３０の像面の倒れが
無視できない程度になることと比べ、上述した間隔Ｓの
値は、より小さいことが分かる。しかもホログラム素子
２００の中心Ｃと虚像３０の中央部Ｏとの距離ＤＩＳＴ
−２５００＋ｎｎ＋と比較しても、間隔Ｓは極めて微小
である。このため虚像３０の凹面状の撓みは無視できる
程度の大きさである。

上述したように、実施例１．３ではホログラム素子と虚
像との間の距離が２５００　ｍで、投影された表示装置
の虚像の像面の撓みである間隔Ｓが４０〜５０ｍｍの程
度なので、より高精度で像面の倒れを補正することがで
きる。

ところでこの発明は上述の実施例に限定されない。

たとえば、ホログラム素子の形状は平面のものに限定さ
れない。表示装置とホログラム素子の間の光路中に別の
光学素子を挿入することもできる。たとえば光路を折り
曲げるミラーを挿入することができる。

ホログラム素子の回折像を正反射方向とずらして回折像
が正反射像と重ならないようにする場合、すなわち非正
反射型のホログラフィックヘッドアップディスプレイの
場合には、表示装置とホログラム素子の方向に色収差を
補正する補正用ホログラム素子を入れることができる。

発明の効果 請求項１の発明によれば、表示手段の表示面を表示光の
光軸に対して操作者側に傾けるという簡易な構成により
ホログラムヘッドアップデイスプレィの投影される表示
虚像の像面に倒れを補正できる。このため表示虚像の視
認性を向上できる。

請求項２の発明によれば、表示手段の表示面を表示光の
光軸に対して操作者と反対側に傾けることにより視点を
左右に移動した時の表示虚像の歪みを補正できる。この
ため、表示虚像の視認性を向上できる。

請求項３の発明によれば、従来のホログラフィックヘッ
ドアップデイスプレィの作製法にはない収束波と発散波
とを干渉させることにより表示虚像の像面の倒れを補正
できる。

このため表示虚像の視認性を向上できる。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明のホログラフィックヘッドアップデイ
スプレィの実施例１のホログラム素子を作製する時の作
製配置を示す概略図、第２図は作製用の光学系を示す図
、第３図は作製したホログラム素子の使用配置を示す図
、第４図は表示装置の法線と光軸の成す角度（ＳＤ）と
、ホログラム素子と虚像間の距離（ＤＩＳＴＩ、ＤＩＳ
Ｔ２）との関係を示し、表示装置の表示面が操作者側に
傾いた場合を示す図、第５図は実施例２のホログラム素
子の使用配置を示す図、第６図（ａ）はホログラム素子
の使用配置を示す第５図を上から見て操作者の視点の位
置の変化に応じて虚像が変化することを示した図、第６
図（ｂ）は視点のＸ軸の正の方向の変化によって生じる
歪みを示した図、第６図（Ｃ）は実施例・２で形成され
た虚像の歪みを直すことを示した図、第７図は表示装置
の法線と光軸の成す角度（−Ｓ　Ｄ）と、操作者の視点
移動に伴う虚像の移動距離との関係を示し、表示装置の
表示面が虚像側に傾いた場合を示す図、第８図は実施例
３のホログラム素子を作製する時の配置を示す概略図、
第９図は実施例３のホログラム素子の使用状態を示す配
置図、第１０図は発散波の焦点距離の逆数Ｆ５と、ホロ
グラム素子−虚像間の距離（ＤＩＳＴＩ、ＤＩＳＴ２）
の関係を示す図である。 ２０・・・・・・・・・ホログラム素子２１・・・・・
・・・・表示装置 ２２・・・・・・・・・操作者 ３０・・・・・・・・・虚　像 Ｆｉｇ、２ ９ １ ＋１７゜ 表示装置の法線と光軸の成す角度 （゛） Ｆｉｇ、５ ｆ５：５Ｉｌの焦点距電

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）表示手段からの表示光を反射し対象物からの像を
   透過するようにホログラム素子を操作者の視線上に斜め
   に設けかつこのホログラム素子により表示手段に表示さ
   れた内容と対象物の像とを重ね合わせて操作者に視認さ
   せる構成となるホログラフィックヘッドアップディスプ
   レイにおいて、 上記表示手段の表示面を表示光の光軸に対し操作者側に
   所定角度傾斜して配置させたことを特徴とするホログラ
   フィックヘッドアップディスプレイ。
2. （２）表示手段からの表示光を反射し対象物からの像を
   透過するようにホログラム素子を操作者の視線上に斜め
   に設けかつこのホログラム素子により表示手段に表示さ
   れた内容と対象物の像とを重ね合わせて操作者に視認さ
   せる構成となるホログラフィックヘッドアップディスプ
   レイにおいて、 上記表示手段の表示面を表示光の光軸に対し操作者と反
   対側に所定角度傾斜して配置させたことを特徴とするホ
   ログラフィックヘッドアップディスプレイ。
3. （３）表示手段からの表示光を反射し対象物からの像を
   透過するようにホログラム素子を操作者の視線上に斜め
   に設けかつこのホログラム素子により表示手段に表示さ
   れた内容と対象物の像とを重ね合わせて操作者に視認さ
   せる構成となるホログラフィックヘッドアップディスプ
   レイにおいて、 上記ホログラム素子を収束波と発散波とを所定角度で干
   渉させることで作製することを特徴とするホログラフィ
   ックヘッドアップディスプレイ。