JP2021173802A - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】露光波長と再生波長との間のズレに起因して生じうるホログラムの性能低下を低減する。【解決手段】乗員の前方に設けられるホログラムと、ホログラムに向けて複数の色の光を投射する画像光照射部とを備え、画像光照射部は、第１の色の光を発生する第１光源を含み、ホログラムは、第１の色に対応する第１の光により干渉縞が記録されており、画像光照射部は、第１光源からの光をホログラムへと導く光学系が、第１光源により発生される光の波長と、干渉縞の記録に用いた第１の光の波長との差異に応じた補正量だけ補正されている、ヘッドアップディスプレイが開示される。【選択図】図６

Description

本開示は、ヘッドアップディスプレイに関する。

レーザ干渉露光装置を用いてホログラムに所望の特性を付与する技術が知られている。

特開２００１−１５４１７９号公報

しかしながら、実装状態では、露光の際の波長（露光波長）と、ホログラムに入射される光の波長（再生波長）との間にズレが発生する場合がある。かかるズレが生じると、ホログラムの性能が低下する場合（例えば色の再現性が低下する場合等）がある。

そこで、本開示は、露光波長と再生波長との間のズレに起因して生じうるホログラムの性能低下を低減することを目的とする。

１つの側面では、移動体に搭載されるヘッドアップディスプレイであって、
乗員の前方に設けられるホログラムと、
前記ホログラムに向けて複数の色の光を投射する画像光照射部とを備え、
前記画像光照射部は、第１の色の光を発生する第１光源を含み、
前記ホログラムは、前記第１の色に対応する第１の光により干渉縞が記録されており、
前記画像光照射部は、前記第１光源からの光を前記ホログラムへと導く光学系が、前記第１光源により発生される光の波長と、前記干渉縞の記録に用いた前記第１の光の波長との差異に応じた補正量だけ補正されている、ヘッドアップディスプレイが開示される。

本開示によれば、露光波長と再生波長との間のズレに起因して生じうるホログラムの性能低下を低減することが可能となる。

ヘッドアップディスプレイの車両搭載状態を車両側方視で概略的に示す図である。 画像光照射装置の構成を示す概略図である。 ダイクロイックミラーユニットに対する代替例を示す説明図である。 ホログラムに係る干渉縞の記録用のレーザ光の特性の説明図である。 画像光照射装置からホログラムに入射されるレーザ光の特性の説明図である。 光学系の補正を実現するための機械的な構成の一例を説明する概略斜視図である。 図６の構成の配置例を示す図である。 光学系の補正を実現するための機械的な構成の一例を説明する概略図である。

以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。

［ヘッドアップディスプレイの構成］
図１は、ヘッドアップディスプレイ１の車両ＶＣ（移動体の一例）への搭載状態を車両側方視で概略的に示す図である。図２は、画像光照射装置２の構成を示す概略図である。なお、図２において、点線の矢印Ｒ０からＲ４は、電気信号の流れを模式的に示す。

ヘッドアップディスプレイ１では、図１に示すように、ウインドシールドＷＳに表示光が照射されると、車両ＶＣを運転する運転者にとっては、ウインドシールドＷＳよりも前方に、当該照射によって得られた表示像（虚像表示）ＶＩが見える。これにより、運転者は、前方風景と重畳させて表示像ＶＩを視認できる。したがって、運転者は、インストルメントパネル９内のメータを見る場合に比べて視線移動の少ない態様で車両情報等を把握でき、利便性及び安全性が向上する。

ヘッドアップディスプレイ１は、画像光照射装置２（画像光照射部の一例）と、ホログラム３とを含む。

画像光照射装置２は、運転者の前方に位置するウインドシールドＷＳ上のホログラム３に向けて画像に係る光を投射する。ウインドシールドＷＳ上のホログラム３は、運転者のアイボックス内に画像に係る光を反射する。この場合、アイボックスに係る視点から視て、運転者の視野前方に、画像に係る光に基づく表示像ＶＩを形成する。

本実施例では、一例として、画像光照射装置２は、図２に示すように、レーザユニット１０と、ダイクロイックミラーユニット２０と、集光レンズ２８と、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）スキャナ３０と、スクリーン４０と、制御装置５０とを含む。

レーザユニット１０は、赤、青、緑の各色のレーザ照射装置１１、１２、１３を含む。レーザ照射装置１１は、赤色の波長域のレーザ光を出射する。レーザ照射装置１２は、青色の波長域のレーザ光を出射する。レーザ照射装置１３は、緑色の波長域のレーザ光を出射する。なお、本実施例では、かかる３色のレーザ光を出射可能であるので、フルカラーの表示像ＶＩを生成可能である。ただし、変形例では、表示可能な色のバリエーションは少なくてもよい。

ダイクロイックミラーユニット２０は、レーザ照射装置１１、１２、１３のそれぞれに対応するダイクロイックミラー２１、２２、２３を有する。ダイクロイックミラー２１は、赤色の波長域のみを反射する。従って、ダイクロイックミラー２１は、レーザ照射装置１１から入射するレーザ光のみを、集光レンズ２８に向けて反射できる。ダイクロイックミラー２２は、赤色の波長域を透過し、青色の波長域を反射する。従って、ダイクロイックミラー２２は、ダイクロイックミラー２１から入射するレーザ光を透過しつつ、レーザ照射装置１２から入射するレーザ光を、集光レンズ２８に向けて反射できる。同様に、ダイクロイックミラー２３は、赤色及び青色の波長域を透過し、緑色の波長域を反射する。従って、ダイクロイックミラー２３は、ダイクロイックミラー２２から入射するレーザ光を透過しつつ、レーザ照射装置１３から入射するレーザ光を、集光レンズ２８に向けて反射できる。

集光レンズ２８は、上述したようにダイクロイックミラーユニット２０から入射するレーザ光（赤、青、緑の各色のレーザ光）を集光して、ＭＥＭＳスキャナ３０に向けて出射する。

集光レンズ２８は、ダイクロイックミラーユニット２０から入射するレーザ光が、スクリーン４０を形成する複数のマイクロレンズのそれぞれのサイズよりも小さいスポット径（直径）で、スクリーン４０上に投射されるように構成・配置される。

ＭＥＭＳスキャナ３０は、集光レンズ２８から入射するレーザ光を、スクリーン４０上に投射する。ＭＥＭＳスキャナ３０は、直交する２軸まわりに回転可能なＭＥＭＳミラーを備える。スクリーン４０上のレーザ光の投射位置は、ＭＥＭＳミラーの向きに応じて変化する。従って、ＭＥＭＳスキャナ３０は、スクリーン４０上のレーザ光の投射位置を任意に変化させることができる。

スクリーン４０は、平面内に延在する。本実施例では、一例として、スクリーン４０は、水平面内に延在するが、水平面に対して若干傾斜する向きで配置されてもよい。スクリーン４０は、平面内で規則的に配列される複数のマイクロレンズ（図示せず）を含む。すなわち、スクリーン４０は、２次元のマイクロレンズアレイを含む。

制御装置５０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）のようなコンピュータにより実現されてよい。制御装置５０は、レーザ制御部５１と、スキャナ制御部５２とを含む。

レーザ制御部５１は、表示像ＶＩを生成するための画像信号に基づいて、レーザユニット１０を制御する（図２の矢印Ｒ１からＲ３参照）。なお、画像信号は、外部のＥＣＵにより生成されて、制御装置５０に与えられてもよいし（図２の矢印Ｒ０参照）、制御装置５０が自身で生成してもよい。

画像信号は、例えば、所定のサイズ及び所定の分解能の画像の各画素の画素値（輝度や色）を表す信号である。また、第２画像信号は、例えば、所定のサイズ及び所定の分解能の画像の各画素の画素値（輝度や色）を表す信号である。なお、画像の各画素は、スクリーン４０の各位置（走査面上の各位置）と対応付けられる。例えば、画像の各画素は、スクリーン４０の各位置（走査面上の各位置）と一対一の関係で対応付けられてよい。なお、スクリーン４０の各位置は、ＭＥＭＳスキャナ３０のＭＥＭＳミラーの各向きと対応付けられる。

レーザ制御部５１は、画像信号に基づいて、レーザユニット１０を制御するときは、画像信号に含まれる各画素の画素値に基づいて、レーザユニット１０から各画素に応じたタイミングで各画素値に応じた色のレーザ光が出射されるように、レーザユニット１０を制御する。

スキャナ制御部５２は、ＭＥＭＳスキャナ３０を制御する（図２の矢印Ｒ４参照）。すなわち、スキャナ制御部５２は、ＭＥＭＳスキャナ３０のＭＥＭＳミラーの向きを制御することで、レーザ光をスクリーン４０上で走査する。ここで、「レーザ光をスクリーン４０上で走査する」とは、スクリーン４０に係る平面上のレーザ光の投射位置（スクリーン４０に係る平面に垂直に視たときの、投射位置）を変化させることを指す。また、以下で「走査パターン」とは、投射位置の軌跡（スクリーン４０に係る平面上での、レーザ光の投射位置の軌跡）を指す。また、スクリーン４０に係る平面（すなわち、複数のマイクロレンズが配列される平面）を、「走査面」とも称する。

具体的には、スキャナ制御部５２は、レーザ制御部５１と協動して、画像信号に応じたレーザ光を所定の走査パターンで走査する。すなわち、スキャナ制御部５２は、画像信号に含まれる各画素の画素値に基づいて、各画素に対応した走査面上の各位置に、レーザユニット１０からのレーザ光が投射されるように、ＭＥＭＳスキャナ３０を制御する。

なお、図２に示した画像光照射装置２は、特定の構成を有するが、画像光照射装置２の構成は、複数の色のレーザ光に係る光源を有する限り、任意である。従って、画像光照射装置２は、ダイクロイックミラーユニット２０に代えて、例えば図３に示すように、クロスプリズム２０Ａが利用されてもよい。なお、図３には、レーザ照射装置１１、１２、１３は、それぞれ、光源１１１、１２１、１３１とコリメータレンズ１１２、１２２、１３２とを含む態様で図示されている。また、図２に示した画像光照射装置２は、ウインドシールドＷＳ上のホログラム３に光を直接的に投射するが、光学部材を介して投射されてもよい。例えば、スクリーン４０からの光は、凹面鏡で反射されてからウインドシールドＷＳ上のホログラム３に投射されてもよい。また、図２に示した画像光照射装置２は、ウインドシールドＷＳ上のホログラム３だけに光を投射するが、ホログラム３とウインドシールドＷＳの双方に光を投射することで、表示像ＶＩを形成してもよい。

ホログラム３は、ウインドシールドＷＳに設けられる。ホログラム３は、ウインドシールドＷＳの室内側の表面に貼り付けられてもよいし、ウインドシールドＷＳの内層（例えば中間膜内）に設けられてもよい。

ホログラム３は、例えば、フォトポリマーにより形成されてよい。ホログラム３のタイプは、反射型、位相型、かつ体積型である。ホログラム３は、厚さ数ミクロンのホログラムフィルムにより実現されてもよい。ホログラム３には、干渉縞が例えば屈折率の変化の形で記録される。なお、ホログラム３にはＲＧＢの波長各々に係る干渉縞が記憶される。この場合、ＲＧＢの波長各々に係る干渉縞ごとホログラム層を作成し、その３つのホログラム層を積層することで積層型のホログラム３を形成してもよい。あるいは、ＲＧＢの干渉縞を重ねて記録する多重型のホログラム３が実現されてもよい。なお、このような干渉縞の記録（露光）には、任意のレーザ干渉露光装置が利用されてよい。

［色ズレ補正］
次に、図４以降を参照して、ホログラム３に関連した色ズレ補正について説明する。

図４は、ホログラム３に係る干渉縞の記録用のレーザ光の特性の説明図であり、図５は、画像光照射装置２からホログラム３に入射されるレーザ光の特性の説明図である。

図４及び図５には、それぞれ、横軸に入射角度を取り、縦軸に回折効率を取り、一例として、Ｇ（緑色）に係る干渉縞の記録用のレーザ光の特性Ｌ４００、Ｌ４０１と、Ｒ（赤色）に係る干渉縞の記録用のレーザ光の特性Ｌ５００、Ｌ５０１とが示される。図４に示すように、記録用のレーザ光の特性Ｌ４００、Ｌ５００は、ともに所定の入射角度α０で回折効率がピークとなる。なお、所定の入射角度α０は、画像光照射装置２からホログラム３に入射されるレーザ光の入射角度に対応してよく、画像光照射装置２とホログラム３との正規の位置関係（設計図での位置関係）から一意に定まる。これに対して、図５に示すように、画像光照射装置２からのレーザ光の特性Ｌ４０１は、所定の入射角度α０で回折効率がピークとなる一方、特性Ｌ５０１は、所定の入射角度α０からずれた入射角度α１で回折効率がピークとなっている。なお、図５は、ある個体の特性を例示的に示すものであり、他の個体を用いた場合は、異なる特性が示される場合もある。

ところで、一般的に、光の回折効率は、入射角度がブラックの条件を満たす角度であるときに、ピークとなる。ブラックの条件は、以下のとおりである。
２ｄｓｉｎθ＝ｎλ
ここで、ｄは干渉縞の間隔、θはホログラム３に対する光の成す角度、λは光の波長、ｎは自然数である。従って、図４及び図５に示すような特性の差は、λの差に起因していることが分かる。すなわち、干渉縞の記録用のレーザ光の波長（露光波長）と、画像光照射装置２からホログラム３に入射されるレーザ光の波長（再生波長）とが異なることで、係る特性差が生じる。

このようにして、干渉縞の記録用のレーザ光の特性と、画像光照射装置２からホログラム３に入射されるレーザ光の特性とが異なると、ホログラム３の性能が低下する場合がある。具体的には、例えば、ホログラム３で表現する表示像ＶＩにおける色の再現性が低下する場合がある。例えば図５に示すような特性の差異（露光波長と再生波長との間の差異）が生じた場合、黄色で表現されるべき像部分が、緑色と赤色とが分離したような表現（以下、このような表示像ＶＩの色表現の低下態様を「色ズレ」とも称する）で視認される場合がある。

この点、露光波長と再生波長との間の差異は、本来無いように設計される。すなわち、レーザユニット１０は、露光波長と再生波長との間の有意な差異が実質的に生じないように設計される。

しかしながら、実際には、レーザユニット１０の個体差や経年変化等に起因して、露光波長と再生波長との間の有意な差異が生じてしまう場合がありうる。

そこで、本実施例によるヘッドアップディスプレイ１は、このような、露光波長と再生波長との間の有意な差異が生じた場合に、差異に応じた補正量だけレーザユニット１０の光学系が補正される。

具体的には、本実施例では、例えば図５に示すように、Ｒ（赤色）に関して露光波長と再生波長との間の有意な差異が生じた場合、画像光照射装置２におけるＲ（赤色）に係る光学系（レーザ照射装置１１やダイクロイックミラー２１）が、差異に応じた補正量だけ補正される。光学系の補正は、例えば正規の向きや位置に対する補正により実現されてもよい。なお、正規の向きや位置とは、設計値に基づく向きや位置を表す。例えば、レーザ照射装置１１に関する補正は、光源１１１の光軸、及び、コリメータレンズ１１２の光軸のうちの少なくともいずれか一方を、正規の光軸の方向に対して、補正量に応じた角度だけ傾斜され又は補正量に応じたオフセット量だけオフセットすることで、実現されてもよい。同様に、レーザ照射装置１２に関する補正は、光源１２１の光軸、及び、コリメータレンズ１２２の光軸のうちの少なくともいずれか一方を、正規の光軸の方向に対して、補正量に応じた角度だけ傾斜され又は補正量に応じたオフセット量だけオフセットすることで、実現されてもよい。レーザ照射装置１３についても同様である。

例えば、図５に示すように、Ｒ（赤色）に関して露光波長と再生波長との間の有意な差異が生じており、特性Ｌ５０１が所定の入射角度α０からずれた入射角度α１で回折効率がピークとなる場合、レーザ照射装置１１に関する補正は、赤色に係るレーザ光の、ホログラム３に対する入射角度が入射角度α１となるように実現されてもよい。

このようにして本実施例によれば、レーザユニット１０の個体差や経年変化等に起因して、露光波長と再生波長との間の有意な差異が生じてしまう場合でも、レーザユニット１０の光学系が補正されるので、かかる有意な差異に起因して生じうる不都合（色ズレ等）を低減できる。

なお、上述した光学系の補正を実現するための機械的な構成は任意である。補正は、製造の際に固定的に実現されてもよいし、出荷後にも実現可能な態様で実現されてもよい。後者の場合、例えばアクチュエータによる可動機構を、光学系に適用し、光学系の補正をアクチュエータの駆動により実現してもよい。以下では、上述した光学系の補正を実現するための機械的な構成例について概説する。

図６は、光学系の補正を実現するための機械的な構成の一例を説明する概略斜視図である。

図６では、光源１１１は、支持台６００に取り付けられた楕円状の殻部材６０２内に収容される。殻部材６０２は、先端部に開口６０２１を有し、開口６０２１を介して光源１１１からの光を出射できる。殻部材６０２は、支持台６００に形成される開口部（図示せず）を覆うように設けられ、当該開口部を通って光源１１１が殻部材６０２内に収容される。なお、殻部材６０２は、支持台６００に一体に形成されてもよい。支持台６００は、レーザユニット１０の筐体（図示せず）に支持されてよい。

このような構成によれば、レーザユニット１０の筐体（図示せず）に対する支持台６００の向きや位置を調整することで、光源１１１の向きや位置を調整（補正）できる。

図７は、図６の構成の配置例を示す図である。

図７では、支持台６００及び殻部材６０２は、各光源１１１、１２１、１３１に対応付けて設けられる。なお、図７では、各光源１１１、１２１、１３１に係る支持台６００には、それぞれ、符号６００Ａ、６００Ｂ、６００Ｃが付されて区別されている。各支持台６００Ａ、６００Ｂ、６００Ｃは、それぞれ、独立であるので、各光源１１１、１２１、１３１は、それぞれに対して独立に、向きや位置を調整（補正）できる。なお、このような向きや位置の調整は、作業者により手動で実現されてもよい。

図８は、光学系の補正を実現するための機械的な構成の他の一例を説明する概略図である。

図８では、光源１１１は、コリメータレンズ１１２とともに共通のホルダ１４０に保持される。ホルダ１４０は、両端が開口した円筒状の形態であり、一端側の開口部には、光源１１１が嵌合され、他端にはコリメータレンズ１１２が嵌合される。このとき、ホルダ１４０は、光源１１１の光軸とコリメータレンズ１１２の光軸と一致するように、光源１１１とコリメータレンズ１１２とを保持する。ホルダ１４０は、レーザユニット１０の筐体（図示せず）に支持されてよい。

このような構成によれば、レーザユニット１０の筐体（図示せず）に対するホルダ１４０の向きや位置を調整することで、光源１１１の向きや位置を調整（補正）できる。例えば、ホルダ１４０は、正規の向きに対して、補正量に応じた角度だけ傾斜されることで、レーザユニット１０の光学系が補正されてもよい。

なお、図８では、光源１１１について示されるが、他の光源１２１、１３１についても同様のホルダ１４０によりコリメータレンズ１２２、１３２とともに保持されてもよい。

以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。

例えば、上述した実施例では、ＭＥＭＳスキャナ３０を用いるものを示したが、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）を用いた構成や、または、スクリーンとしてＴＦＴ型液晶パネルを使用し、レーザー光を拡大して一括でスクリーンに照射する光学系を適用する構成であってもよい。

１ ヘッドアップディスプレイ
２ 画像光照射装置
３ ホログラム
９ インストルメントパネル
１０ レーザユニット
１１ レーザ照射装置
１２ レーザ照射装置
１３ レーザ照射装置
２０ ダイクロイックミラーユニット
２０Ａ クロスプリズム
２１ ダイクロイックミラー
２２ ダイクロイックミラー
２３ ダイクロイックミラー
２８ 集光レンズ
３０ ＭＥＭＳスキャナ
４０ スクリーン
５０ 制御装置
５１ レーザ制御部
５２ スキャナ制御部
１１１ 光源
１１２ コリメータレンズ
１２１ 光源
１２２ コリメータレンズ
１３１ 光源
１３２ コリメータレンズ
１４０ ホルダ
６００ 支持台
６０２ 殻部材
６０２１ 開口

Claims (5)

1. 移動体に搭載されるヘッドアップディスプレイであって、
   乗員の前方に設けられるホログラムと、
   前記ホログラムに向けて複数の色の光を投射する画像光照射部とを備え、
   前記画像光照射部は、第１の色の光を発生する第１光源を含み、
   前記ホログラムは、前記第１の色に対応する第１の光により干渉縞が記録されており、
   前記画像光照射部は、前記第１光源からの光を前記ホログラムへと導く光学系が、前記第１光源により発生される光の波長と、前記干渉縞の記録に用いた前記第１の光の波長との差異に応じた補正量だけ補正されている、ヘッドアップディスプレイ。
2. 前記第１光源は、レーザ光源であり、
   前記レーザ光源の光軸は、正規の光軸の方向に対して、前記補正量に応じた角度だけ傾斜され又は前記補正量に応じたオフセット量だけオフセットされている、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
3. 前記第１光源は、レーザ光源であり、
   前記光学系は、コリメータレンズを含み、
   前記レーザ光源の光軸、及び、前記コリメータレンズの光軸のうちの少なくともいずれか一方は、正規の光軸の方向に対して、前記補正量に応じた角度だけ傾斜され又は前記補正量に応じたオフセット量だけオフセットされている、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
4. 前記第１光源は、レーザ光源であり、
   前記光学系は、コリメータレンズを含み、
   前記第１光源は、前記コリメータレンズとともに共通のホルダに保持されており、
   前記ホルダは、正規の向きに対して、前記補正量に応じた角度だけ傾斜されている、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
5. 前記画像光照射部は、第２の色の光を発生する第２光源を更に含み、
   前記ホログラムは、前記第２の色に対応する第２の光により干渉縞が更に記録されており、
   前記画像光照射部は、前記第２光源からの光を前記ホログラムへと導く光学系が、前記第２光源により発生される光の波長と、前記干渉縞の記録に用いた前記第２の光の波長との差異に応じた補正量だけ補正されている、請求項１から４のうちのいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。

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