JP2001004953A - 乗り物用表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】拡散性ホログラムがフロントガラス内部に配さ
れた乗り物用表示装置の、光利用率を高めて明るい表示
像を得る。 【解決手段】表示体２からの直線偏光である情報を含む
光のフロントガラス１での入射時の反射効率、拡散性ホ
ログラム４での回折効率、回折光のフロントガラス１で
の出射時の反射効率により表わされる、偏光方向に依存
する効率の式（１）に対する条件の合否に応じ、表示体
２からの出射光をＰ偏光かＳ偏光とする。 【数１】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両、船舶、航空
機などの乗り物用表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】車両内の運転者などに情報を表示する手
段として、ヘッドアップディスプレイ（以下ＨＵＤとす
る）が最近用いられている。これは、蛍光表示管などの
発光表示手段から投射された情報を含む光を、フロント
ガラスに備えられたハーフミラーやホログラムなどから
なるコンバイナによって反射させ、この光を表示虚像と
して運転者に視認させるものである。このＨＵＤによれ
ば、運転者が運転状態からほとんど視線を動かすことな
く情報が読み取れる。特に、コンバイナとしてホログラ
ムを用いたものは、運転者に向かって情報を含む光を回
折させて、任意の位置に前景輝度を損なわずに虚像表示
できる特徴があり、ＨＵＤのコンバイナとしては有効で
ある。

【０００３】しかし、この方法では運転者が観察するの
は虚像であるため、目の位置を動かすと虚像の位置が変
化し、しかも虚像の歪み方も変化する。その結果、運転
中に表示虚像の形状が様々に変化し、運転者に不快感を
与えるだけでなく表示の視認性を著しく低下させる。

【０００４】図３は従来の拡散性ホログラムを用いた車
両用表示装置の断面図である。特開平２−２４２２１８
には図３に示すように、フロントガラス１の内部に備え
られたコンバイナとして反射型の拡散性ホログラム４を
用い、表示体２からの情報を含む光を、反射型の拡散性
ホログラム４の面上にレンズなどの結像光学部材３を用
いて結像させ、その像を反射型の拡散性ホログラム４に
より回折させ、観察者５に視認させる表示装置が提案さ
れている。ここで表示体２からの情報を含む光は、全て
が回折光とならずフロントガラスの表面反射光１４とホ
ログラムの透過光１５となる部分もある。ここで、発光
表示手段は表示体とレンズなどの結合光学部材からな
り、表示体は表示部分とバックライトから構成されてい
るとする。バックライトとしては熱陰極管やハロゲンラ
ンプなどがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】表示部分として液晶表
示素子が用いられることもあり、液晶表示素子には偏光
板が使用されているため、情報を含む光は直線偏光とな
る。上記の特開平２−２４２２１８においても表示体の
中に液晶表示素子が用いられているが、情報を含む光が
拡散性ホログラムへ入出射時に、フロントガラス面での
反射効率やホログラム回折効率の偏光特性については考
慮されておらず、必ずしも光の利用率の高い光となって
いなかった。したがって、その表示像も必ずしも明るく
はなかった。本発明の目的は、従来技術が有していた前
述の課題を解決することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、発光表示手段
からの情報を含む光をフロントガラスの内部に備えられ
た反射型の拡散性ホログラムに向けて出射し、前記ホロ
グラム上に前記光を表示像として結像させ、前記ホログ
ラムによって前記表示像を観察者に向けて回折して視認
させる乗り物用表示装置において、前記光が特定方向に
偏光した直線偏光であり、前記光がフロントガラスへ入
射するときのフロントガラス表面における前記光の反射
効率Ｒ₁、フロントガラスへ入射したのち前記ホログラ
ムにおける前記光の回折効率Ｒ₂および前記光が前記ホ
ログラムにより回折されフロントガラスを透過して出射
するときのフロントガラス面における前記光の反射効率
Ｒ₃、の３つの効率により表わされる（１−Ｒ₁）・Ｒ₂
・（１−Ｒ₃）の値が、Ｓ偏光またはＰ偏光のいずれか
で大きい方の値となる偏光方向に、前記特定方向が合わ
されていることを特徴とする乗り物用表示装置を提供す
る。

【０００７】また、前記発光表示手段が偏光板を有する
液晶表示素子を備えている上記の乗り物用表示装置を提
供する。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明を詳
細に説明する。本発明で対象としている乗り物は、自動
車や電車などの車両、航空機、船舶などであるが、ここ
では車両、特に自動車を対象として説明する。図１は、
本発明の拡散性ホログラムを用いた乗り物用表示装置の
断面図であり、（ａ）は後述の式（１）を満足するとき
の図、（ｂ）は式（１）を満足しないときの図である。

【０００９】発光表示手段は、バックライトから発した
光が偏光板が設置された表示部分を通過して表示すべき
情報を光として発する表示体２と、レンズなどの結像光
学部材３とからなり、車両のフロントガラス１の下方の
ダッシュボード上に備えられている。

【００１０】結像光学部材３は、表示体２とフロントガ
ラス１との間に配置されていて、表示体２からの光をフ
ロントガラス１の内部に備えられた反射型の拡散性ホロ
グラム４上に表示像を実像として結像する。結像光学部
材３としては、例えば光の屈折を用いるレンズなどや、
反射を用いる凹面鏡や、回折を用いるホログラムなどを
使用できる。さらに、これらを組み合わせて使用しても
よいし、表示体に一体化させてもよい。

【００１１】表示体２からの情報を含む光は直線偏光で
あり、フロントガラス１へ入射するときのフロントガラ
ス表面における反射効率Ｒ₁は、フロントガラス１への
入射角度と偏光方向に依存する。また、フロントガラス
へ入射したこの光はフロントガラスの内部に備えられた
（ここでは、合わせガラスの間に積層された意味であ
る）ホログラムによって回折されるとき、ホログラムの
回折効率Ｒ₂もこの光の入射角度と偏光方向に依存して
変化する。

【００１２】さらに、回折光（ここでは、ホログラム面
上で結像して表示像となり、回折された光）が、フロン
トガラス１を透過して観察者へ向けて出射するときフロ
ントガラス１面における反射効率Ｒ₃もフロントガラス
１への入射角度と偏光方向に依存する。ここで、入射角
度は入射する情報を含む光の光軸と考えている面（フロ
ントガラス面またはホログラム面）に立てた法線とのな
す角度である。また、法線から入射する光の方向に測っ
た角度を正に、法線からこれとは反対の方向に測った角
度を負にとる。

【００１３】したがって、これら３つの効率を含む（１
−Ｒ₁）・Ｒ₂・（１−Ｒ₃）の値（これをＸと置く）
は、上述のように発光表示手段の表示体２からの情報を
含む光がフロントガラスなどへ入射するときの入射角度
などと直線偏光の偏光方向に応じて種々の値をとる。そ
こで、情報を含む光の特定方向の入射角度などに対し
て、この光のＳ偏光の場合とＰ偏光の場合にＸがとる値
の大きい方の偏光方向に情報を含む光の偏光方向を調整
する。これにより、観察者は明るい表示像を視認でき
る。

【００１４】また、本発明における表示像の結像位置は
拡散性ホログラムの面上としているが、厳密にホログラ
ム面上でなくともよく、ホログラム面の多少手前や後方
にずれていてもよい。ここで光の表示像を、虚像ではな
く、ホログラム面上またはホログラム面近傍に実像とし
て結像させることが、本発明において重要である。

【００１５】次に、本発明における発光表示手段は、光
を発して表示像を結像する機能を持つものであり、セグ
メントタイプの蛍光表示管、ＬＥＤを特定のパターンに
並べたものや、液晶表示素子に熱陰極管、冷陰極管など
からなるバックライトとレンズなどの結像光学部材とを
組み合わせたものであればよい。この液晶表示素子とし
ては、透過型のツイステッドネマティック型液晶表示素
子、スーパーツイステッドネマティック型液晶表示素子
などが好ましく使用できる。

【００１６】また、発光表示手段に液晶表示素子を使用
することが、偏光機能を有していてかつ輝度が高いため
に好ましい。さらに、ドットマトリックスで自由な表示
もでき好ましい。液晶表示素子は表面に偏光板が備えら
れており、表面からの情報を含む光は常に特定の方向に
直線偏光している。したがって、本発明における表示体
の最適な偏光方向を自由に選択できる。以下、上述の表
示体からの情報を含む光のフロントガラスなどへの入射
角、反射効率Ｒ₁、Ｒ₃などについて数式を用いてより定
量的に説明する。

【００１７】表示体からの情報を含む光は、フロントガ
ラスへ入射角度θ₁で入射し、ホログラムで回折され、
フロントガラス外へ出射角度θ₄で出射し観察者５に表
示像として視認される。ここで、入射角度θ₁、出射角
度θ₄が、下記の式（１）を満たすときは表示体からの
情報を含む光を、Ｐ偏光（光の入射面に平行）に選び、
満たさない場合は、Ｓ偏光（光の入射面に垂直）に選
ぶ。なお、Ｘと式（１）の関係は後述する。

【００１８】

【数１】

【００１９】ここで、θ₂、θ₃はそれぞれ、空気中での
角度θ₁、θ₄に対応するフロントガラス内での角度であ
り、ガラスの屈折率をｎとすると、これらの角度の間に
スネルの公式ｓｉｎθ₁＝ｎ・ｓｉｎθ₂、ｎ・ｓｉｎθ
₃＝ｓｉｎθ₄が成立する。ここで、式（１）の導出を詳
しく説明する。まず表示体からの情報を含む光は、フロ
ントガラスへ入射角度θ₁で入射する。このとき、フロ
ントガラス面（空気／ガラス界面）で一部の光は反射さ
れ、ホログラムへは到達しない。この反射効率には偏光
依存性があり、Ｓ偏光の反射効率は｛ｓｉｎ（θ₂−
θ₁）／ｓｉｎ（θ₂＋θ₁）｝²、Ｐ偏光の反射効率は
｛ｔａｎ（θ₂−θ₁）／ｔａｎ（θ₂＋θ ₁）｝²であ
る。これらをまとめてＲ₁とおいた。

【００２０】したがって、フロントガラス内のホログラ
ムへ到達し利用される光の割合は、（１−Ｒ₁）であ
り、Ｓ偏光およびＰ偏光の場合、式（２）のようにな
る。

【００２１】

【数２】

【００２２】次に、ホログラムへ到達した光は、ホログ
ラムで回折されるが、この回折にも偏光特性があり、Ｓ
偏光の回折効率はａ、Ｐ偏光の回折効率は、ａ・ｃｏｓ
（θ ₂＋θ₃）である。ａは単なる比例係数なので１と
し、Ｓ偏光とＰ偏光の回折効率をまとめてＲ₂とおい
た。

【００２３】最後に、ホログラムから出射時のフロント
ガラス面（ガラス／空気界面）で一部の光はガラス内部
へ反射され、観察者の目には届かない。この反射にも偏
光特性があり、Ｓ偏光の反射効率は｛ｓｉｎ（θ₄−
θ₃）／ｓｉｎ（θ₄＋θ₃）｝²、Ｐ偏光の反射効率は
｛ｔａｎ（θ₄−θ₃）／ｔａｎ（θ₄＋θ₃）｝²であ
る。これらをまとめてＲ₃とおいた。したがって、観察
者へ到達する光の割合は、（１−Ｒ₃）であり式（３）
で与えられる。

【００２４】

【数３】

【００２５】したがって、最終的に観察者へ届く光の割
合は、式（２）、式（３）およびホログラムのＳ、Ｐ偏
光における回折効率をそれぞれの偏光に対して掛け合わ
せたものになり、Ｓ、Ｐ偏光に対してそれぞれ式（４）
のようになる。

【００２６】

【数４】

【００２７】上記Ｓ偏光とＰ偏光に対する式を不等式、
すなわちＳ偏光＜Ｐ偏光としたものが式（１）である。
このようにして、式（１）は導出される。式（４）を、
偏光方向まで含めて、Ｒ₁、Ｒ₂およびＲ₃で表現したも
のが、Ｘ＝（１−Ｒ₁）・Ｒ₂・（１−Ｒ₃）である。す
なわち、このＸはＳ偏光とＰ偏光の２つの場合を含み、
２つの偏光方向に対し、それぞれの値を有する。

【００２８】ここで、Ｘと式（１）の関係を説明する。
例えばＳ偏光のときのＸの値が、Ｐ偏光のときのＸより
大きい場合、式（１）を満足せず、Ｓ偏光の光利用率の
ほうがＰ偏光のそれよりも大きいため、光源にはＳ偏光
を用いるとより明るい表示が得られる。すなわち、式
（１）が不成立のとき情報を含む光はＳ偏光とするのが
よい。

【００２９】一方、左辺＜右辺の場合（式（１）を満足
する場合）には、Ｘの値はＰ偏光の方がＳ偏光のときよ
り大きくなり、光源にＰ偏光を用いるとより明るい表示
が得られる。すなわち、式（１）が成立のとき情報を含
む光はＰ偏光とするのがよい。

【００３０】ここで、情報を含む光のフロントガラスへ
の入射角θ₁がブリュースタの角（５６°）とすると、
フロントガラスからの出射角θ₄は−４°＜θ₄＜９０°
の範囲においてＳ偏光の方がＰ偏光より光の利用効率が
大きく（明るく）なる。ブリュースタの角はＰ偏光の表
面反射がゼロであることが知られているが、ホログラム
をフロントガラス内に設置した構成ではＰ偏光は必ずし
も光の利用効率が大きくない。

【００３１】本発明における表示すべき情報は、その表
示用途により適宜選択され、スピードメータ、タコメー
タ、さらには種々の警告ランプや、ナビゲーションなど
の情報、夜間走行補助映像情報などの運転関連情報が例
として挙げられるが、その他の情報でもよい。観察者と
は、主に車両の運転者であるが、その他、助手席その他
の同乗者やこれら全てのものを含めることができる。

【００３２】図２は、本発明において使用する拡散性ホ
ログラムの作製方法の一例を示す平面図である。レーザ
発振器１２からのレーザ光はビームスプリッタ１３によ
り２つのレーザ光に分岐される。２つの分岐光のうち、
一方のレーザ光はミラーで反射後スペーシャルフィルタ
１１を透過して参照光６となり、他方はミラーで反射後
スペーシャルフィルタ１１を透過してコリメートレンズ
および拡散物体７を透過して物体光８となる。参照光６
と物体光８は基板ガラス９に貼り付けられたホログラム
記録材料１０上に干渉縞を形成しホログラムが記録され
る。

【００３３】図２による記録の場合、参照光６と物体光
８の入射角度は、それぞれ図１における表示体２からコ
ンバイナへの入射角度θ₁、コンバイナから観察者５へ
の出射角度θ₄に相当する。ここで、参照光の入射角度
と物体光の入射角度が異なる方が、フロントガラスの車
内面での表面反射と重ならず好ましい。

【００３４】上記ホログラム記録材料としては、アクリ
ル系、ポリビニルカルバゾー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
記録材料を使用できる。また、ホログラムの種類として
は、体積位相型のホログラムが、高い回折効率を得られ
るので望ましいが、エンボスタイプ、レインボウタイプ
などのものも、広く使用できる。また、上記拡散物体光
としては、すりガラスなどを透過した光の他に、アルミ
ニウムなどの金属を梨地処理した面で拡散反射された光
も使用できる。

【００３５】

【実施例】拡散性ホログラムを内部に封入したフロント
ガラスへの入射角度θ₁が８０°、フロントガラスから
の運転者へ向かう出射角度θ₄が０°の車両用表示装置
を作製した。コンバイナに用いた反射型の拡散性ホログ
ラムは、ホログラム記録材料（デュポン社製の商標名
「オムニデックス７０６Ｍ」、厚さ２０μｍ）をガラス
基板に貼り付け、図２の光学系を用いて、以下の露光条
件で記録した。

【００３６】使用レーザ波長：５４５ｎｍ（色素レー
ザ）、 参照光：ホログラム記録材料の法線と８０°の角度をな
す方向から入射、かつホログラム記録材料の中心から６
００ｍｍ離れた位置で発散する球面波、 物体光：ホログラム記録材料の法線と０°の角度をなす
方向（垂直入射）から入射、かつすりガラスを透過した
散乱光、 参照光と物体光との強度比：１：１、 露光量：１００ｍＪ／ｃｍ²（露光強度：１ｍＷ／ｃ
ｍ²、露光時間：１００秒）。

【００３７】得られた拡散性ホログラムに１００ｍＪ／
ｃｍ²の紫外線を照射し、１２０℃で２時間加熱処理し
て、反射型の拡散性ホログラムを得た。得られたホログ
ラムを図１のように合わせガラスよりなるフロントガラ
ス１に封入し、表示体２をホログラムの中心から約６０
０ｍｍ離れた位置に配置した。

【００３８】表示体２から約１００ｍｍの位置に、焦点
距離が約９０ｍｍの凸レンズからなる結像光学部材３を
配した。ここで、フロントガラス１の傾き角度は水平方
向に対し約６０°であり、表示体２からフロントガラス
への出射光の入射角度θ₁は８０°であり、フロントガ
ラスから、観察者への表示光の出射角度θ₄は０°であ
った。また、このときのθ₂とθ₃はそれぞれ４１°およ
び０°であった。

【００３９】ここで、情報を含む光のフロントガラス面
への入射角度θ₁が８０°と非常に大きいため、ホログ
ラム面内での結像位置が面内位置により異なる。そこ
で、表示体２内の液晶表示素子の表示面を約５０°傾け
ることにより、ホログラム面内での結像位置を揃えるよ
うにした。このときの倍率は約５倍であった。

【００４０】上記θ₁、θ₂、θ₃およびθ₄の角度は式
（１）を満足するため、表示体２からの情報を含む光の
偏光方向は、入射面に平行のＰ偏光とした。偏光方向
は、液晶表示素子の偏光板の透過軸の向きを変えること
で実現できる。観察者は、結像した表示像をはっきりと
読み取ることができた。Ｘ＝（１−Ｒ ₁）・Ｒ₂・（１−
Ｒ₃）の値は、Ｓ偏光の場合０．４４３、Ｐ偏光の場合
０．５５３と、Ｐ偏光のＸの方が大きく、表示体２から
の出射光をＳ偏光として用いた場合に比べ、表示輝度が
約１．２倍となり明るい表示ができた。

【００４１】

【発明の効果】本発明による乗り物用表示装置を用いれ
ば、発光表示手段を含むシステム構成に対して、最も光
利用率の高い偏光方向の光を選択でき、その結果、この
システムに対して最も明るい表示ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の拡散性ホログラムを用いた乗り物用表
示装置の断面図であり、（ａ）は式（１）を満足すると
きの図、（ｂ）は式（１）を満足しないときの図であ
る。

【図２】本発明において使用する拡散性ホログラムの作
製方法の一例を示す平面図である。

【図３】従来の拡散性ホログラムを用いた車両用表示装
置の断面図である。

【符号の説明】

１：フロントガラス ２：表示体 ３：結像光学部材 ４：反射型の拡散性ホログラム ５：観察者 ６：参照光 ７：拡散物体 ８：物体光 ９：基板ガラス １０：ホログラム記録材料 １１：スペーシャルフィルタ １２：レーザ発振器 １３：ビームスプリッタ １４：表面反射光 １５：ホログラムの透過光

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発光表示手段からの情報を含む光をフロン
   トガラスの内部に備えられた反射型の拡散性ホログラム
   に向けて出射し、前記ホログラム上に前記光を表示像と
   して結像させ、前記ホログラムによって前記表示像を観
   察者に向けて回折して視認させる乗り物用表示装置にお
   いて、 前記光が特定方向に偏光した直線偏光であり、前記光が
   フロントガラスへ入射するときのフロントガラス表面に
   おける前記光の反射効率Ｒ₁、フロントガラスへ入射し
   たのち前記ホログラムにおける前記光の回折効率Ｒ₂お
   よび前記光が前記ホログラムにより回折されフロントガ
   ラスを透過して出射するときのフロントガラス面におけ
   る前記光の反射効率Ｒ₃、 の３つの効率により表わされる（１−Ｒ₁）・Ｒ₂・（１
   −Ｒ₃）の値が、Ｓ偏光またはＰ偏光のいずれかで大き
   い方の値となる偏光方向に、前記特定方向が合わされて
   いることを特徴とする乗り物用表示装置。
2. 【請求項２】前記発光表示手段が偏光板を有する液晶表
   示素子を備えている請求項１に記載の乗り物用表示装
   置。