JPH06227284A

JPH06227284A - ヘッドアップディスプレイ

Info

Publication number: JPH06227284A
Application number: JP5044561A
Authority: JP
Inventors: Norito Nakazawa; 伯人中沢; Shoichi Takeuchi; 彰一竹内
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1993-02-09
Filing date: 1993-02-09
Publication date: 1994-08-16
Also published as: US5475512A

Abstract

(57)【要約】【目的】運転者に対しては補色のない透明な視界を与え
安全性を高めることができるとともに、外部の観察者に
対しては観察する角度による色変化が少なくかつ無色に
近い色調のＨＵＤを得る。【構成】風防ガラス７に備えられていて、情報表示源か
らの情報光を観測者に向けて回折するコンバイナー２
が、回折光の波長選択域が広域化されたホログラムを用
いたヘッドアップディスプレイ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヘッドアップディスプ
レイ（以下ＨＵＤとする）に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車内等の運転者に情報を表示する方
法として、ＨＵＤが最近用いられるようになっている。
これは、液晶表示装置等の情報投射手段から投射された
光学的情報を、自動車の風防ガラス等に組み込まれたホ
ログラムやハーフミラー等からなるコンバイナーに映
し、運転者が運転状態からほとんど視点を動かすことな
く情報を読み取れるようにしたものである。

【０００３】特に、コンバイナーとしてホログラムを用
いたものは、運転者に向かって光学的情報を回折する機
能とともにレンズ機能等を併せ持つことができるので、
光学的情報を運転者の視野方向に回折したり、あるい
は、他にレンズ等の光学系を使用せず、任意の位置に結
像したりすることが可能であり、また、前景輝度を損な
わずに高輝度の表示像が得られるという特徴があるた
め、ＨＵＤのコンバイナーとしては有効である。

【０００４】図１４は、従来のＨＵＤの一例を示す概念
図である。光源４６から発し、レンズ系４４を介して透
過型液晶表示素子４５を通過した表示すべき情報を含む
光線４３は、車体の風防ガラス４７に備えられたホログ
ラム４２に照射され、回折されて運転者に観察位置４１
で視認される。

【０００５】上記レンズ系４４はコリメーターとしての
機能を持つものであり、また、この機能はホログラム４
２に持たせレンズ系４４を省略することもできる。ホロ
グラム４２にレンズ機能を持たせれば、速度表示４８、
警告表示４９の表示像を遠方に結像させることも可能に
なる。

【０００６】また、従来のホログラム４２はその回折ス
ペクトルの半値幅が約５〜２０ｎｍと狭く特定の波長選
択機能を持つので、希望する波長の色の像が表示可能と
なる。通常その色は単一であることが多いが、複数色の
表示も可能であり、表示情報の量と質を向上できる。例
えば、速度表示４８を緑色、警告表示４９を赤色とする
ことにより、運転者に対してより的確に情報を伝達する
ことが可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
ＨＵＤに用いられていたホログラムの回折スペクトルの
半値幅が約５〜２０ｎｍと狭く特定の波長を回折するた
め、運転者がホログラムを通して外部を見た場合、その
透過光の色はホログラムの回折波長に対応する色（表示
色）の補色となる。すなわち、図８に示すように表示色
が緑のみである場合は、外部からの白色光２２はホログ
ラム２１を透過する際に、ホログラム内部の回折格子に
一部反射回折され、反射光２３は緑色となる。したがっ
て、透過光２４はその補色であるマゼンダ（ピンクから
赤）となり運転者２５に対して刺激的で不快な色と感ぜ
られる。またその結果背景の色調が影響を受けるため、
運転中における道路等の車外状況の視認性が損なわれ安
全上も問題があった。

【０００８】一方、図９に示すように、車両外の観察者
３５（歩行者や対向車の運転者等）に対しては外光３２
の反射色はホログラム３１内部の回折格子の回折波長の
角度依存性により、観察する角度によって赤色３３（正
面付近）から緑色３４（斜め観察）と大きく変化し、や
はり不快な印象を与えるという問題があった。

【０００９】図１２はこの反射色の色変化を表した色度
図である。色度図はＪＩＳＺ８７０１で規定された色
度座標ｘ、ｙによって色を定量的に表現するものであ
る。光源として示す×点は白色を表す（標準光源
Ｄ₆₅）。ホログラムの色はこの点に近いほど白色に近く
観察者にとって好ましい色となる。ところが、従来のＨ
ＵＤに用いられる回折スペクトルの半値幅が狭い単色の
ホログラムの反射光の色は、例えば図１３で示すような
波長５４５ｎｍ、半値幅１５ｎｍ、回折効率６０％の場
合には、図１２の黒菱形印のように変化する。観察角度
の範囲は±７０゜である。正面付近では赤色となり、斜
めになるにしたがい橙色、黄色、緑色と大きく変化する
ことがわかる。特に、正面付近から見た場合は刺激色で
ある赤色となり観察者に不快な印象を与える。

【００１０】このような透過光および反射光の色調を改
善するため、従来は回折スペクトルの半値幅の狭い複数
のホログラムを多重露光したり、積層することが行われ
ていた。例えば、補色関係にある２つの波長の光によっ
て露光されたホログラムを用いたり、３原色に対応する
３波長の光によって露光されたホログラムを用いたりし
て色調の改善を図っていた。ところが、これらの方法で
は回折光のスペクトルの半値幅が狭いホログラムを用い
るため、色調の改善の程度には限界があった。すなわ
ち、ある程度改善はされるが白色とは言い難いものであ
った。

【００１１】人間が違いを見分け得る色の範囲を色弁別
閾といい、マッカダムが測定したものがよく知られてい
る（ジャーナルオブザオプティカルソサエティ
ーオブアメリカ、３２巻、５号、ｐ２４７〜２７４、
１９４２年）。この色弁別閾はｘｙ色度図上では楕円状
になるためマッカダムの楕円などと呼ばれる。マッカダ
ムの楕円の大きさは色度図上では一定ではないので、標
準光源Ｄ₆₅（ｘ＝０．３１２７，ｙ＝０．３２９０）に
近いものを一例として示すと、ｘ＝０．３０５，ｙ＝
０．３２３の付近では、δｘ＝±０．００１５、δｙ＝
±０．００２であり、非常に小さな違いを弁別できるこ
とが分かる。しかし、実際にはここまでは必要なく、許
容できる色変化の範囲としては経験上δｘ、δｙ＝±
０．０５以内程度であればよく、より望ましくは±０．
０２以内程度であればよい。

【００１２】ところが、従来の狭い半値幅の回折スペク
トルを有するホログラムを複数用いた方法では、その回
折波長を最適化しても許容範囲を満足するものは得られ
ない。例えば、２色露光では波長５４５ｎｍ、半値幅１
５ｎｍ、回折効率６０％のホログラムと、波長４３０ｎ
ｍ、半値幅１５ｎｍ、回折効率６０％のホログラムとを
用いた場合、その反射色の変化の様子は図１０のように
なる。この場合δｘ＝±０．１１、δｙ＝±０．１３程
度である。また３色露光の場合でも波長６５０ｎｍ、半
値幅１５ｎｍ、回折効率３０％のホログラムと、波長５
４５ｎｍ、半値幅１５ｎｍ、回折効率６０％のホログラ
ムと、波長４３０ｎｍ、半値幅１５ｎｍ、回折効率６０
％のホログラムとを用いた場合、その反射色の変化の様
子は図１１のようになる。この場合δｘ＝±０．０７、
δｙ＝±０．１３程度である。いずれの場合も色変化の
程度は、図１２の単色の場合に比べれば格段に改善され
ているが、許容範囲を大きく超え満足することはできな
い。

【００１３】以上は主に反射色に付いて述べたが、ホロ
グラム材料自体に着色がなければ透過色は反射色と補色
関係になるので、その色変化量δｘ、δｙは反射色の色
変化量とほぼ同じになる。

【００１４】一方、コンバイナーとしてホログラムでは
なく波長選択性のないハーフミラーを用いれば、当然の
ことながらその反射色、透過色を無色に近づけることは
可能である。しかし、ハーフミラーではレンズ機能を持
たせることは困難であり、また情報を含む光線のコンバ
イナーに対する入射角と出射角とは同一になってしまう
ため、自動車等に搭載する際の配置等の構成が著しく制
約を受けることとなる。

【００１５】本発明の目的は、従来技術が有していた前
述の欠点を解決しようとするものであり、従来知られて
いなかったＨＵＤを得ることにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題を
解決すべくなされたものであり、光源と表示すべき情報
を表示する表示体とを少なくとも備えて表示すべき情報
を光線として発生する情報表示源と、車両等の風防ガラ
スに備えられていて前記光線を観測者に向けて回折する
コンバイナーとを少なくとも備えてなるヘッドアップデ
ィスプレイにおいて、前記コンバイナーは回折スペクト
ルの半値幅が車両外からの白色光をほぼ白色光として回
折できる広さを有したホログラムであることを特徴とす
るヘッドアップディスプレイを提供するものである。

【００１７】

【作用】本発明による回折スペクトルの半値幅が広く回
折できる光の波長選択域が広域化されているホログラム
をコンバイナーとするＨＵＤを用いれば、透過光が回折
光の補色となっても、その透過光の色調を白色に近づけ
ることができ、また反射光の色調も従来のホログラムに
比べ白色に近づけることができる。その結果、運転者に
対しては補色のない透明な視界を与え安全性を高めるこ
とができるとともに、外部の観察者に対しては観察する
角度による色変化が少なくかつ無色に近い色調のＨＵＤ
を得ることができる。

【００１８】さらに、このホログラムは回折できる光の
波長選択域が広域化されていて、可視光領域のほとんど
の波長の光が回折されるものの、その回折効率がある程
度小さいため、例えば車両外からの光は車両内に十分透
過し、かつ回折光の色調も白色に近づけられる。

【００１９】また同時に、情報表示源からの構成を複数
色使い分けて照射することによって、このコンバイナー
はカラー表示のコンバイナーとしても利用することが可
能であるので、外光の透過色および反射色が無色に近い
カラーＨＵＤを得ることができる。

【００２０】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明における実施例
を説明する。図１は、本発明におけるＨＵＤの一例を示
す概念図である。風防ガラス７の下方には情報表示源が
備えられており、この情報表示源は光源６から発した光
線がコリメーターであるレンズ系４を介し、透過型液晶
表示素子からなる表示体５を通過した表示すべき情報を
光線３として発するものである。この光線は、車体の風
防ガラス７に備えられたホログラムからなるコンバイナ
ー２に照射されて、回折され、運転者に観察位置１で視
認される。上記レンズ系４はコリメーターとしての機能
を持つものであり、また、この機能はホログラム２に持
たせレンズ系４を省略することもできる。ホログラム２
にレンズの機能を持たせれば速度表示８、警告表示９の
表示像を遠方に結像させることも可能になる。

【００２１】ホログラム２の回折スペクトルは広い半値
幅を持つため、光源の色をほぼ再現する色の像を得るこ
とができる。したがって、光源から発せられる光線の色
を変えることにより、希望する色の像が表示可能とな
る。その色を複数とすることにより多色表示が可能であ
り、表示情報の量と質を向上できる。例えば、速度表示
８を緑色、警告表示９を赤色とすることにより、運転者
に対してより的確に情報を伝達することが可能となる。
なお、光源からの光線のスペクトルの半値幅が広くなる
とホログラムによる色収差が顕著となるので、熱陰極管
のような光のスペクトルの半値幅の狭い光源を用いる
か、必要に応じて表示体５とコンバイナーであるホログ
ラム２との間に収差補正用の第２のホログラムを設置す
ればよい。

【００２２】本発明において、ホログラムの回折スペク
トルの半値幅が広くホログラムによる回折光の波長選択
域が広域化されているということは、ホログラムによっ
て回折することができる光線のスペクトルの半値幅が広
いことを表すものであり、一つの中心ピーク波長を有す
るスペクトルであっても、あるいは一つのピーク波長を
有するスペクトルの重ね合わせによって複数のピークを
持つようにしてもよい（図２参照）。

【００２３】このように、ホログラムによる回折光の波
長選択域を広域化するためには、あらかじめ露光された
ホログラムに化学的なチャーピング処理を施すことによ
って半値幅を広げることができ、この際、複数枚の感光
材料がそれぞれ異なる波長の光線によって露光された複
数枚のホログラムを積層したり、一枚の感光材料に複数
の異なる波長の光を照射して多重露光することによっ
て、複数の回折波長を持つホログラムが得られ、その得
られたホログラムに対してチャーピング処理をすること
によって、より広域化された波長選択性を持つホログラ
ムを得ることができる。なお、上記した複数の回折波長
を持つホログラムは、多重露光によるものの方が、積層
による各色の像のズレや、コンバイナーの透過率の低下
などが少ないという点でさらに好ましい。

【００２４】本発明におけるホログラムは、上記のよう
にして回折スペクトルの半値幅が広げられたものである
が、その幅としては、車両外からの白色光がこのホログ
ラムによって回折された際に、その回折光がほぼ白色に
なるような幅であれば十分であり、中心波長が約４９０
ｎｍ程度である場合は半値幅は２００ｎｍ以上が好まし
く、回折光がほぼ白色光であるためには３００ｎｍ以上
であることが特に好ましい。

【００２５】さらに、車両外から車両内に向かって透過
してくる外光は上記回折光の補色となっているため、そ
の透過光には特定の刺激色となることもなく、回折光の
色調の改善はすなわち透過光の色調の改善となる。ま
た、本発明におけるホログラムは上記のような回折スペ
クトルの半値幅を有するものであるため、運転者等の観
測者の車両外への視野の確保のため、ホログラムの回折
効率は３０％以下が好ましいが、それに限定されず、各
種の視野を確保する方法を用いて車両の安全が確保され
るものである。

【００２６】ここで、ホログラムに対する光線の入射角
はすべての色についてほぼ同一とし、またホログラムか
らの出射角もすべての色について同一となることが好ま
しい。これらの角度が異なると、各色によって回折され
る光線の方向が異なってしまうため、本来白色となるべ
きものが複数色に分かれてしまい、かえって観測者には
不快な色と視認されてしまう。

【００２７】このように各ホログラムに対する入射角お
よび出射角がすべての色において同一となる反射型のホ
ログラムを作製するためには、ホログラム感光材料の両
側から照射する光線のホログラムに対する入射角を、感
光材料のそれぞれの側において、すべての色に対応する
波長について同一であるようにすればよい。また、同一
としない場合でも、ホログラム感光材料の両側へ入射す
る２つの角度の関係を適当に調整すれば、入射角および
出射角がすべての色において同一とすることができる。

【００２８】ホログラムは、通常数１０ｍｍから数１０
０ｍｍ角程度の面積で、数μｍから数１０μｍ程度の厚
みであり、光回折機能を持つ。このホログラムとして
は、リップマンタイプ等の体積・位相型のホログラムが
高い回折効率を得られるという点で望ましいが、エンボ
スタイプ、レインボータイプ等のホログラムと呼ばれる
ものを広く用いることができる。また、ホログラム材料
としては、ポリビニルカルバゾールやアクリル系などの
フォトポリマー、重クロム酸ゼラチン、光レジスト、銀
塩など種々の感光材料を用いることができる。

【００２９】かかるホログラムは風防ガラスに備えられ
るものであり、例えば風防ガラスの表面（車両外表面）
や車両内側表面に備えられてもよいが、特にホログラム
の保護の点に鑑みて、合わせガラスである風防ガラスの
内部に封入して用いることが好ましい。

【００３０】本発明における情報表示源は光を発して表
示する機能を持つものであり、液晶表示素子等のいわゆ
る受光型表示素子からなる表示体に熱陰極管（ＨＣ
Ｔ）、冷陰極管、蛍光表示管（ＶＦ）、ハロゲンラン
プ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザー（Ｌ
Ｄ）などからなる光源から発した光を照射するものであ
り、また、これらの機能を併せ持つものであってもよ
い。

【００３１】本発明におけるコンバイナーをカラー表示
に用いる場合、この液晶表示素子としては、カラーフィ
ルターと透過型のツイストネマチック型液晶素子や、ス
ーパーツイストネマチック型液晶表示素子等からなるカ
ラー液晶表示素子等が好ましく使用でき、一つの光源か
ら発せられた光を所望の色の光として照射することがで
きる。

【００３２】このようにして複数の色の光線は、同一の
情報表示源から発することができ、これら複数の色の光
線が同時に表示される場合には表示像が重なって表示さ
れ、逆にこの表示像の重なりを防ぐためには、必要に応
じてカラーフィルターと光源の組み合わせによって、あ
るいはカラー液晶表示素子を制御することによって、複
数の色の光が同時に照射されないようにしてもよい。

【００３３】また、それとは別に、受光型表示素子を用
いず、上記の光源自体をパターン化して配列し、特定の
情報を光として発生するものであってもよい。受光型表
示素子に上記光源を併用したものの場合は、この受光型
表示素子と光源との間にレンズ系や曲面反射鏡等の適当
な光線平行化手段、導光板等の適当な導光手段を配置し
てもよい。さらに、ホログラムに光が投射されるまでの
光径路内に、必要に応じ、光偏光手段、あるいは、ＫＮ
Ｏ₃ 等の非線形光学素子を配置してもよい。

【００３４】また本発明のＨＵＤをカラー表示とする場
合、コンバイナーから表示像までの距離は各色で同一と
すれば同一平面内にカラー表示ができ、また、色によっ
て変えた場合には表示色によって距離の異なる立体的な
像を得ることができる。また、本発明におけるホログラ
ムは、上記のような反射型ホログラムに限らず、透過型
ホログラムを用いたＨＵＤでもよい。

【００３５】以下、図１に基づいた本発明のＨＵＤを具
体的に説明する。

【００３６】（実施例１）図２は、本発明におけるＨＵ
Ｄのコンバイナーであるホログラムの回折できる光のス
ペクトル図である。この例においては、半値幅１００ｎ
ｍ、回折効率３０％のホログラムを３層重ね合わせたも
のを例示した。１１は中心波長が４１０ｎｍであり、１
２は中心波長が５２０ｎｍであり、１３は中心波長が６
３０ｎｍである。１４はそれらを合成して得られる全体
のスペクトルである。

【００３７】図３はこのようにして作製した半値幅の広
い回折スペクトルを有するホログラムの外光反射色の色
変化を示す色度図である。図３で黒菱形印は観察角度±
７０゜における色変化の値であり、×印は標準光源Ｄ₆₅
である。観察角度による色変化はほとんどなく、δｘ、
δｙ＜０．０２となり許容範囲を満足することが分か
る。また、この場合の透過色は近似的には反射色と補色
関係にあり、その色変化は反射色とほぼ同じであり、そ
の色調は白色に近いものとなる。

【００３８】こうして、本発明におけるホログラムは外
光の反射色、透過色ともに色調を改善することができ、
車両等の風防合わせガラスの内部にこのホログラムを封
入し、外光反射色および透過色の色調の改善されたＨＵ
Ｄが得られる。

【００３９】（実施例２）本実施例では、多重露光によ
る回折スペクトルの半値幅の広いホログラムを用いる例
を示す。中心波長は４９０ｎｍ、半値幅４００ｎｍ、回
折効率３０％である。図４は本実施例におけるホログラ
ムの回折スペクトル図である。図５はそのホログラムの
外光反射色の変化を示す色度図である。観察角度による
色変化は少なく、δｘ、δｙ≒０．０２５となり許容範
囲を満足するホログラムが得られることが分かる。

【００４０】また、この場合の透過色は近似的には反射
色と補色関係にあり、その色変化は反射色とほぼ同じで
あり、その色調は白色に近いものとなる。こうして、本
発明におけるホログラムは外光の反射色、透過色ともに
色調を改善することができ、車両等の風防合わせガラス
の内部にこのホログラムを封入し、外光反射色および透
過色の色調の改善されたＨＵＤが得られる。

【００４１】（実施例３）本実施例では、台形状の回折
スペクトルを持つ半値幅の広い単一のホログラムを用い
る例を示す。中心波長は４９０ｎｍ、半値幅４００ｎ
ｍ、回折効率３０％である。図６は本実施例におけるホ
ログラムの回折できる光のスペクトル図である。図７は
そのホログラムの外光反射色の変化を示す色度図であ
る。観察角度による色変化は少なく、δｘ、δｙ＜０．
０２となり許容範囲を満足するホログラムが得られるこ
とが分かる。また、この場合の透過色は近似的には反射
色と補色関係にあり、その色変化は反射色とほぼ同じで
あり、その色調は白色に近いものとなる。

【００４２】こうして、本発明におけるホログラムは外
光の反射色、透過色ともに色調を改善することができ、
車両等の風防合わせガラスの内部にこのホログラムを封
入し、外光反射色および透過色の色調の改善されたＨＵ
Ｄが得られる。

【００４３】

【発明の効果】本発明のＨＵＤによれば、コンバイナー
として用いられているホログラムによって得られる回折
スペクトルの半値幅が広く、回折光の波長選択域が広域
化されているので、透過光が回折光の補色となっても、
その透過光の色調を無色に近づけることができ、また反
射光の色調も従来のホログラムに比べ無色に近づけるこ
とができる。その結果、運転者に対しては補色のない透
明な視界を与え安全性を高めることができるとともに、
外部の観察者に対しては観察する角度による色変化が少
なくかつ無色に近い色調のＨＵＤを得ることができる。

【００４４】また同時に、情報表示源からの光として複
数色使い分けて照射することによって、このコンバイナ
ーはカラー表示のコンバイナーとしても利用することが
可能であるので、外光の透過色および反射色が無色に近
いカラーＨＵＤを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明におけるＨＵＤの一例を示す概念図

【図２】本発明の第１実施例に係るホログラムの回折ス
ペクトル図

【図３】本発明の第１実施例に係るホログラムの外光反
射色変化を示す色度図

【図４】本発明の第２実施例に係るホログラムの回折ス
ペクトル図

【図５】本発明の第２実施例に係るホログラムの外光反
射色変化を示す色度図

【図６】本発明の第３実施例に係るホログラムの回折ス
ペクトル図

【図７】本発明の第３実施例に係るホログラムの外光反
射色変化を示す色度図

【図８】従来のホログラムの透過色を説明する概念図

【図９】従来のホログラムの反射色を説明する概念図

【図１０】従来のホログラムの外光反射色変化を示す色
度図

【図１１】従来のホログラムの外光反射色変化を示す色
度図

【図１２】従来のホログラムの外光反射色変化を示す色
度図

【図１３】従来のホログラムの回折スペクトル図

【図１４】従来のＨＵＤの一例を示す概念図

【符号の説明】

１：運転者の観察位置２：コンバイナー３：情報を含む光線４：レンズ系５：表示素子６：光源７：風防ガラス８：速度表示９：警告表示

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と表示すべき情報を表示する表示体と
を少なくとも備えて表示すべき情報を光線として発生す
る情報表示源と、車両等の風防ガラスに備えられていて
前記光線を観測者に向けて回折するコンバイナーとを少
なくとも備えてなるヘッドアップディスプレイにおい
て、前記コンバイナーは回折スペクトルの半値幅が車両
外からの白色光をほぼ白色光として回折できる広さを有
したホログラムであることを特徴とするヘッドアップデ
ィスプレイ。
【請求項２】コンバイナーが、複数の色に対応する波長
の光によって多重露光されて、回折スペクトルの半値幅
が車両外からの白色光をほぼ白色光として回折できる広
さを有したホログラムであることを特徴とする請求項１
のヘッドアップディスプレイ。
【請求項３】コンバイナーが、それぞれが異なる色に対
応する波長の光によって露光された複数枚のホログラム
が積層されていて、回折スペクトルの半値幅が車両外か
らの白色光をほぼ白色光として回折できる広さを有した
ホログラムであることを特徴とする請求項１のヘッドア
ップディスプレイ。
【請求項４】コンバイナーが、コンバイナーによって回
折されるすべての光線について、コンバイナーに向かっ
て入射する入射角がそれぞれ略同一であって、コンバイ
ナーから回折される回折角がそれぞれ略同一とするホロ
グラムであることを特徴とする請求項１のヘッドアップ
ディスプレイ。