JP2023043819A - 虚像表示装置及び虚像表示方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光を回折する空間位相変調器を用いて表示画像を生成する構成において、０次光の影響を適切に低減する。
【解決手段】レーザ光源（１１）と、レーザ光を回折する空間位相変調器（１３）と、空間位相変調器（１３）の回折光出射面側に設けられた回折光学素子（１４）と、空間位相変調器（１３）を制御する制御部（３）と、を備え、回折光学素子（１４）は規則性を持つ段差によって位相差を生じさせ、制御部（３）は、表示像に対応した位相分布から規則性に基づく位相差を減算して得られた位相画像を空間位相変調器（１３）に表示させる虚像表示装置（Ｈ）が開示される。
【選択図】図１

Description

本開示は、虚像表示装置及び虚像表示方法に関する。

イメージを投影する装置であって、入射波面の異なる領域のそれぞれに位相シフトをもたらすための装置において、０次光を再生領域と装置との間に焦点が合わさるようにするブロック手段を設ける技術が知られている。

特表２００９－５３６７４７号公報

ところで、レーザ光を回折する空間位相変調器を用いて表示画像を生成する構成では、空間位相変調器で回折しない０次光が発生するという課題がある。

しかしながら、上記のような従来技術では、０次光をブロックするブロック手段を光学系に対して適切に位置付ける必要があり、製造上の課題がある。また、０次光をブロックするブロック手段が、再生領域における表示画像に像として現れ、表示画像の品質に影響するという課題がある。

そこで、本開示は、レーザ光を回折する空間位相変調器を用いて表示画像を生成する構成において、０次光の影響を適切に低減することを目的とする。

１つの側面では、表示像を虚像として表示する虚像表示装置（Ｈ）であって、
レーザ光を出射するレーザ光源（１１）と、
前記レーザ光を回折する空間位相変調器（１３）と、
前記空間位相変調器（１３）の回折光出射面側に設けられた回折光学素子（１４）と、
前記空間位相変調器（１３）を制御する制御部（３）と、を備え、
前記回折光学素子（１４）は規則性を持つ段差によって位相差を生じさせ、
前記制御部（３）は、前記表示像に対応した位相分布から前記規則性に基づく位相差を減算して得られた位相画像を前記空間位相変調器（１３）に表示させる、
ことを特徴とする虚像表示装置が提供される。

また、他の側面では、表示像を虚像として表示する虚像表示装置（Ｈ）であって、
レーザ光を出射するレーザ光源（１１）と、
前記レーザ光を回折する空間位相変調器（１３）と、
前記空間位相変調器（１３）の回折光出射面側に設けられた回折光学素子（１４）と、
前記空間位相変調器（１３）を制御する制御部（３）と、を備え、
前記回折光学素子（１４）は、所定の方向に不連続に並ぶ段差によって位相差を生じさせ、
予め測定された前記段差に基づく位相差を記憶する記憶部をさらに備え、
前記制御部（３）は、前記表示像に対応した位相分布から、前記記憶部に記憶された位相差を減算して得られた位相画像を前記空間位相変調器（１３）に表示させる、
ことを特徴とする虚像表示装置が提供される。

さらに、他の側面では、表示像を虚像として表示する虚像表示方法であって、
レーザ光を出射するレーザ光源（１１）と、前記レーザ光を回折する空間位相変調器（１３）と、前記空間位相変調器（１３）の回折光出射面側に設けられ、所定の方向に不連続に並ぶ段差によって位相差を生じさせる回折光学素子（１４）と、前記空間位相変調器（１３）を制御する制御部（３）と、前記制御部（３）が読み出し可能なデータを記憶する記憶部と、を配置するステップと、
前記段差に基づく位相差を測定して前記記憶部に記憶させるステップと、
前記制御部（３）が、前記表示像に対応した位相分布から、前記記憶部に記憶された位相差を減算して得られた位相画像を前記空間位相変調器（１３）に表示させるステップと、を含む、
ことを特徴とする虚像表示方法が提供される。

本開示によれば、レーザ光を回折する空間位相変調器を用いて表示画像を生成する構成において、０次光の影響を適切に低減することが可能となる。

本実施例によるヘッドアップディスプレイ装置が搭載された車両の側面視による概略図である。 本実施例によるヘッドアップディスプレイ装置の概略的な断面図である。 表示器の構成を側方からの断面視で示す概略図である。 空間位相変調器側とは逆側から視た回折光学素子の平面図である。 図３のラインＡ－Ａに沿った断面図である。 段差の深さに関する好ましい関係式の説明図である。 空間位相変調器から生じうる０次光の影響の説明図であり、比較例の場合を説明する図である。 空間位相変調器の異常時に空間位相変調器から生じうる０次光の影響の説明図であり、比較例の場合を説明する図である。 空間位相変調器から生じうる０次光の影響の説明図であり、本実施例の場合を説明する図である。 空間位相変調器の異常時に空間位相変調器から生じうる０次光の影響の説明図であり、本実施例の場合を説明する図である。 位相差と輝度レベルの関係の説明図である。 ＣＧＨに基づくパターンから求めた輝度レベルの一例を示す説明図である。 本実施例における空間位相変調器で表示させる画像の位相の調整方法の一例を示す説明図である。 第１変形例による回折光学素子を説明する説明図である。 空間位相変調器から生じうる０次光の影響の説明図であり、第１変形例による回折光学素子を用いた場合を説明する図である。 第１変形例における空間位相変調器で表示させる画像の位相の調整方法の一例を示す説明図である。 第２変形例による回折光学素子を説明する説明図である。 回折光学素子のピッチと、空間位相変調器のピクセルピッチとの関係の、１次光の位置に対する影響の説明図である。 第３変形例（第４変形例）による回折光学素子を説明する説明図である。 空間位相変調器から生じうる０次光の影響の説明図であり、第３変形例（第４変形例）による回折光学素子を用いた場合を説明する図である。 空間位相変調器の異常時に空間位相変調器から生じうる０次光の影響の説明図であり、第３変形例（第４変形例）の場合を説明する図である。 第３変形例（第４変形例）における空間位相変調器で表示させる画像の位相の調整方法の一例を示す説明図である。

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。なお、図面では、見やすさのために、複数存在する同一属性の部位には、一部のみしか参照符号が付されていない場合がある。

［ヘッドアップディスプレイ装置の構成］
図１は、本実施例によるヘッドアップディスプレイ装置Ｈが搭載された車両１０の側面視による概略図である。図１Ａは、本実施例によるヘッドアップディスプレイ装置Ｈの概略的な断面図である。図１及び図１Ａには、右手座標系で直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸）が定義されている。ここでは、Ｘ軸は、車両１０の左右方向（幅方向）に対応し、Ｚ軸は、車両１０の前後方向に対応し、Ｙ軸は、車両１０の上下方向に対応する。

ヘッドアップディスプレイ装置Ｈは、図１に示すように、車両１０のインストルメントパネル７内部に配設される。ヘッドアップディスプレイ装置Ｈは、投射する表示光ＰＬを車両１０のウインドシールドＷＳで車両１０の搭乗者Ｐ（例えば運転者）の方向に反射させ、虚像Ｖの表示を行う。すなわち、ヘッドアップディスプレイ装置Ｈは、後述する液晶表示器２０から発せられる表示光ＰＬをウインドシールドＷＳ（投影部材）に出射（投射）し、この出射によって得られた表示像（虚像）Ｖを搭乗者Ｐに視認させる。これにより、搭乗者Ｐは、虚像Ｖを風景と重畳させて視認できる。

ヘッドアップディスプレイ装置Ｈは、ケース４内に、表示器１、反射鏡２、制御部３等が収容される。ケース４は、インストルメントパネル７の上面側に出射口４１を有し、出射口４１を介して表示光ＰＬがケース４内からウインドシールドＷＳに向けて出射される。なお、出射口４１は、透明性の防塵カバーでカバーされてよい。

表示器１は、表示光ＰＬを出射する。本実施例では、表示器１は、後述するように、計算機生成ホログラム（ＣＧＨ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）を構成する干渉縞を含む表示光ＰＬを出射する。この場合、表示光ＰＬが搭乗者Ｐの網膜（スクリーン）で結像して、虚像ＶがウインドシールドＷＳの前方に見える。表示器１の詳細は、図２以降を参照して後述する。

反射鏡２は、例えば凹面鏡の形態であり、表示器１からの表示光ＰＬを拡大しつつ表示光ＰＬを反射して表示光ＰＬをウインドシールドＷＳに向かうように方向付ける。すなわち、反射鏡２は、表示光ＰＬを折り返しつつ拡大する。

制御部３は、例えば制御回路基板の形態であり、表示器１を制御する。例えば、制御部３は、搭乗者Ｐに各種車両情報が虚像Ｖを介して伝達されるように、各種車両情報に応じた表示光ＰＬを適切なタイミングで生成する。虚像Ｖを介して伝達される車両情報の種類や表示器１の制御方法は任意であってよい。

なお、図１及び図１Ａに示す例では、ヘッドアップディスプレイ装置Ｈは、反射鏡２を有するが、反射鏡２は省略されてもよい。また、ケース４内には、他の光学系が追加的に配置されてもよい。例えば、表示光ＰＬは、スクリーンを介してウインドシールドＷＳに投影されてもよい。

［表示器の構成］
図２は、表示器１の構成を側方からの（Ｘ方向に沿った側方からの）断面視で示す概略図である。

表示器１は、レーザ光源１１と、コリメート部１２と、空間位相変調器１３（ＳＬＭ： Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）と、回折光学素子１４（ＤＯＥ ： Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）とを含む。

レーザ光源１１は、例えば、緑色のレーザ光を出射するレーザダイオードを含んでなる。なお、本実施例では、一例として、レーザ光源１１は、単一（１色）で設けられるが、複数設けられてもよい。例えば、ＲＧＢ用の３つの光源が利用されてもよい。

コリメート部１２は、レーザ光源１１の光を平行光にし、空間位相変調器１３に向けて出射する。コリメート部１２は、レーザ光源１１の光を実質的に平面波の形態で空間位相変調器１３に入射させてよい。

空間位相変調器１３は、ＣＧＨに基づく干渉縞を表示する反射型の変調器（空間光変調器）である。空間位相変調器１３は、上述した制御部３による制御下で動作する。空間位相変調器１３は、例えば、ＬＣＯＳ－ＳＬＭ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ-Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）が用いられる。なお、空間位相変調器１３が反射させるレーザ光には、搭乗者Ｐに向かう車両情報の伝達用の光だけでなく、車両情報の伝達に使用されない０次光が含まれうる。

回折光学素子１４は、空間位相変調器１３の反射面側（回折光出射面側）を覆うように設けられる。回折光学素子１４は、断面形状が矩形の規則性を持つ段差（凹凸）を有するラミナー型回折格子であり、この段差によって位相差を生じさせる。回折光学素子１４は、空間位相変調器１３からの０次光に対して機能し、０次光に基づいて１次光を形成する。すなわち、回折光学素子１４は、空間位相変調器１３からの０次光の影響であって、搭乗者Ｐに視認される虚像Ｖに対する０次光の影響を低減する機能を有する。

図３は、空間位相変調器１３側とは逆側から視た回折光学素子１４の平面図であり、図４は、図３のラインＡ－Ａに沿った断面図である。図３では、理解しやすさを考慮して、回折光学素子１４のうちの、凹部１４ａの範囲がハッチングで示されている。図４Ａは、回折光学素子１４における光路差の説明図である。

本実施例では、一例として、回折光学素子１４は、図３に示すように、Ｙ方向に交互に凹凸が形成される形態である。具体的には、回折光学素子１４は、Ｘ方向に延在する凹条部の形態である凹部１４ａと、Ｘ方向に延在する凸条部の形態である凸部１４ｂとを、Ｙ方向に交互に有する。

図４に示すように、凹部１４ａ及び凸部１４ｂは、空間位相変調器１３のピクセル１３ｐに対応して設けられる。すなわち、回折光学素子１４のピッチＰｔ１は、空間位相変調器１３のピクセルピッチＰｔ２に対応する。なお、この場合、回折光学素子１４のピッチＰｔ１は、Ｙ方向のピッチである。本実施例では、凹部１４ａ及び凸部１４ｂのそれぞれのＹ方向の幅は同じであり、回折光学素子１４のピッチＰｔ１は、凹部１４ａ及び凸部１４ｂのそれぞれのＹ方向の幅と実質的に同じである。

また、本実施例では、凹部１４ａ及び凸部１４ｂのそれぞれは、Ｙ方向の中心が、対応する空間位相変調器１３の一のピクセル１３ｐの中心に一致するように配置される。

なお、図４に示す例では、回折光学素子１４は、空間位相変調器１３のＺ方向正側（反射面側）の表面に、接着層１５を介して固定されている。接着層１５は、例えば、透光性を有する光硬化樹脂などの接着剤により形成されてよい。

本実施例では、凹部１４ａ及び凸部１４ｂは、Ｚ方向で深さΔｄの段差を形成する。なお、深さΔｄは、凹部１４ａのＺ方向の寸法ｄ１と、凸部１４ｂのＺ方向の寸法ｄ２との間の差である。すなわちΔｄ＝ｄ２－ｄ１である。この場合、図４Ａに示すように、レーザ光源１１（図４Ａでは図示せず）からのレーザ光が回折光学素子１４を通過して空間位相変調器１３で反射する際に、光路差が生まれる。具体的には、凹部１４ａを通るレーザ光（図４ＡのＬａ参照）と、凸部１４ｂを通るレーザ光（図４ＡのＬｂ参照）との間には、回折光学素子１４における屈折率ｎ１、及び、ケース４内の媒体（すなわち空気）の屈折率ｎ２を用いて、（ｎ２－ｎ１）×Δｄの光路差が生まれる。本実施例では、レーザ光源１１からのレーザ光は空間位相変調器１３で反射する際に回折光学素子１４を２度通過するため、反射の際の光路差ΔＬｄは、その２倍であり、ΔＬｄ＝（ｎ２－ｎ１）×Δｄ×２となる。

このようにレーザ光源１１からのレーザ光が回折光学素子１４を通過して空間位相変調器１３で反射する場合、凹部１４ａを通るレーザ光と、凸部１４ｂを通るレーザ光との間に生じる位相差（すなわち段差の深さΔｄに起因して生じる位相差）が、π／２のＮ倍（Ｎは奇数）になるとき、０次光の光量の最小化（及びそれに伴う一次光の光量の最大化）が生じる。

従って、凹部１４ａのＺ方向の寸法ｄ１及び凸部１４ｂのＺ方向の寸法ｄ２は、好ましくは、Δｄが、以下の関係になるように設定される。
（ｎ２－ｎ１）×Δｄ×２＝Ｎ×λ／２
すなわちΔｄ＝０．２５Ｎλ／（ｎ２－ｎ１） 式（１）

ここで、Ｎは、奇数であり、ｎ１は、上述したように、回折光学素子１４における屈折率であり、ｎ２は、ケース４内の媒体（すなわち空気）の屈折率である。また、λは、レーザ光源１１からのレーザ光の波長である。なお、以下の実施例では、一例として、Ｎ＝１として、説明を続けるが、Ｎは、Ｎ＝３やＮ＝５等の他の奇数であってもよい。なお、Ｎ＝１の場合が最良の形態である。

このような式（１）を満たす深さΔｄを有する回折光学素子１４を用いる場合、空間位相変調器１３から生じうる０次光は、回折光学素子１４により回折して１次光として、回折光学素子１４から出射される。

このようにして本実施例によれば、空間位相変調器１３の反射面側に回折光学素子１４を設けることで、空間位相変調器１３から生じうる０次光の影響を低減できる。

次に、図５から図８を参照し、比較例と対比して本実施例の効果を説明する。図５から図８の説明において、Ｙ方向を上下方向と称し、Ｙ方向正側を上側とする場合がある。なお、図５から図８では、虚像Ｖ（虚像Ｖ１等）は、ＸＹ平面内で示されているが、これは、説明の都合上で、厳密な位置関係を示すものでない。実際には、虚像Ｖ（虚像Ｖ１等）は、ＸＹ平面に対して傾斜してもよい。

図５は、空間位相変調器１３から生じうる０次光の影響の説明図であり、比較例の場合を説明する図である。図５では、比較例によるヘッドアップディスプレイ装置により表示される文字“ＣＧＨ”を含む虚像Ｖ１が模式的に示されている。図５では、見やすさを考慮して、右側に、白黒（ネガポジ）を反転させた虚像Ｖ１（Ｒ）も併せて模式的に示されている。

比較例は、本実施例とは異なり、空間位相変調器１３に回折光学素子１４が設けられない構成である。すなわち、比較例は、本実施例に対して、空間位相変調器１３に回折光学素子１４が設けられない点だけが異なる。この場合、空間位相変調器１３から生じる０次光は、図５の丸領域Ｌ０内に模式的に示すように、虚像視認可能領域ＦＶの中央に集中する。これは、０次光が搭乗者Ｐの網膜（スクリーン）で結像するためである。このような０次光は、搭乗者Ｐに伝達されるべき文字情報“ＣＧＨ”の近傍に結像すると、虚像Ｖ１の品質を低下させてしまう虞がある。

図６は、空間位相変調器１３の異常時に空間位相変調器１３から生じうる０次光の影響の説明図であり、比較例の場合を説明する図である。

空間位相変調器１３になんらかの異常が発生すると、空間位相変調器１３の反射面において全反射が生じうる。この場合、全反射による０次光は、図６の丸領域Ｌ０内に模式的に示すように、虚像視認可能領域ＦＶの中央に集中する。その結果、虚像Ｖ２の虚像視認可能領域ＦＶの中央に集中する０次光の強度が増す。この場合、比較的強度の高い０次光が搭乗者Ｐの網膜で結像すると、搭乗者Ｐの目にとっても好ましくない。

図７は、空間位相変調器１３から生じうる０次光の影響の説明図であり、本実施例の場合を説明する図である。図７には、本実施例によるヘッドアップディスプレイ装置Ｈにより表示される文字“ＣＧＨ”を含む虚像Ｖ３が模式的に示されている。図５の場合と同様、図７では、見やすさを考慮して、右側に、白黒（ネガポジ）を反転させた虚像Ｖ３（Ｒ）も併せて模式的に示されている。

本実施例によれば、上述したように、空間位相変調器１３に回折光学素子１４が設けられるので、上述した比較例で生じる不都合を低減できる。具体的には、空間位相変調器１３から生じる０次光は、回折光学素子１４により１次光として出射され、当該１次光は、図７の丸領域Ｌ１内に模式的に示すように、虚像Ｖ３の虚像視認可能領域ＦＶの中央から離れた上下位置（例えば虚像視認可能領域ＦＶの外側の上下位置）で結像される。従って、このような１次光は、上述した０次光とは異なり、搭乗者Ｐに伝達されるべき文字情報“ＣＧＨ”の近傍に結像することがない。従って、本実施例によれば、０次光に起因して生じうる虚像Ｖ３の品質の低下を低減できる。特に図７に示す例では、回折光学素子１４により形成される１次光の像は、虚像視認可能領域ＦＶの外側で結像されるので、０次光に起因して生じうる虚像Ｖ３の品質の低下を効果的に低減できる。

図８は、空間位相変調器１３の異常時に空間位相変調器１３から生じうる０次光の影響の説明図であり、本実施例の場合を説明する図である。

比較例の場合と同様、本実施例の場合も、空間位相変調器１３になんらかの異常が発生すると、空間位相変調器１３の反射面において全反射が生じうる。しかしながら、本実施例によれば、比較例とは異なり、空間位相変調器１３に回折光学素子１４が設けられるので、上述した比較例で生じる不都合を低減できる。具体的には、異常時の空間位相変調器１３から生じる０次光は、回折光学素子１４により１次光として出射される。そして、当該１次光は、図８の丸領域Ｌ１内に模式的に示すように、虚像Ｖ４の虚像視認可能領域ＦＶの中央から離れた上下位置（例えば虚像視認可能領域ＦＶの外側の上下位置）で結像される。このようにして、図８に示す例では、回折光学素子１４により形成される１次光の像は、虚像視認可能領域ＦＶの外側で結像される。すなわち、図８に示す例では、回折光学素子１４により形成される１次光の像が、搭乗者Ｐの網膜で結像することを防止できる。また、このような１次光の像は、上下に分散されるので、そのそれぞれの像に係る強度も比較例に比べて低減される（理論上は比較例に比べて１／２になる）。従って、回折光学素子１４により形成される１次光が搭乗者Ｐの網膜で結像した場合でも比較例に比べて搭乗者Ｐの目に対する影響を低減できる。

このようにして本実施例によれば、空間位相変調器１３に回折光学素子１４を設けることで、０次光の影響を低減でき、搭乗者Ｐに視認される虚像Ｖの品質を効果的に高めることができる。また、空間位相変調器１３の異常時においても０次光の影響を低減できる。

次に、図９から図１１を参照して、空間位相変調器１３で表示させる画像（位相画像）の生成方法について説明する。

本実施例では、上述したように、空間位相変調器１３に回折光学素子１４が設けられるので、回折光学素子１４で生じる位相差分だけ、空間位相変調器１３で表示させる画像の位相を調整する。

図９は、位相差と輝度レベルの関係の説明図であり、図１０は、ＣＧＨに基づくパターン（以下、「ＣＧＨパターン」とも称する）から求めた輝度レベルの一例を示す説明図である。図１１は、空間位相変調器１３で表示させる画像の位相の調整方法の一例を示す説明図である。

位相型のＣＧＨでは、ＣＧＨパターン（位相分布）が位相情報として算出される。空間位相変調器１３においてＣＧＨパターンを表示する際には、与える位相差を画素の輝度レベルに変換して入力する。例えば空間位相変調器１３の輝度レベルが８ビットの分解能を有するとき、図９に模式的に示すように、０－２５５までの各輝度レベルｌ（エル）に、０から２πの各位相差Δθが対応付けられる。

図１０には、説明用に、表示像（虚像）Ｖに対応したＣＧＨパターンＰＴ１（位相分布）の一部の位相情報１００が抜き出して示されている。図１０では、５×４のピクセル１３ｐの範囲における位相情報１００が示されている。

本実施例では、空間位相変調器１３に回折光学素子１４が設けられ、回折光学素子１４において位相差が発生するので、空間位相変調器１３と回折光学素子１４の組み合わせを一体としてＣＧＨとみなすことができる。すなわち、回折光学素子１４は固定の位相情報を有し、空間位相変調器１３のＣＧＨパターンも位相情報であるので、両者を画素レベルで位置を合わせることにより、１つの位相情報を持つＣＧＨとみなすことができる。

この場合、空間位相変調器１３に出力されるＣＧＨパターンは、出力画像のＣＧＨパターンから、回折光学素子１４の位相差に基づくパターン（固定の位相情報）を減算することで、生成されてもよい。例えば、図１０に示す５×４のピクセル１３ｐの範囲では、図１１に模式的に示すように、出力画像のＣＧＨパターンＰＴ１から、回折光学素子１４の位相差に基づくパターンＰＴ２を減算することで、空間位相変調器１３に出力されるＣＧＨパターンＰＴ３（位相画像）が得られる。なお、回折光学素子１４の位相差に基づくパターンＰＴ２は、図１１に示すように、凹部１４ａ及び凸部１４ｂにそれぞれ対応してπ／２の位相差（すなわち輝度レベル“６４”の差）を有する。

これにより、ＣＧＨ再生の際はこの逆の操作が行われ、元画像のＣＧＨパターン（出力画像のＣＧＨパターンＰＴ１）を用いて所望の画像（虚像Ｖ）を得ることができる。

次に、図１２以降を参照して、上述した実施例に対して好適に実現可能な各種変形例について説明する。

図１２は、第１変形例による回折光学素子１４Ａを説明する説明図である。図１２は、前出の図３と同様、空間位相変調器１３側とは逆側から視た回折光学素子１４Ａの平面図である。

第１変形例による回折光学素子１４Ａは、上述した実施例による回折光学素子１４に対して、凹部１４ａ及び凸部１４ｂの配置パターンが異なる。具体的には、上述した実施例による回折光学素子１４では、規則性を持つ段差（凹部１４ａ及び凸部１４ｂによる段差）は、Ｙ方向（第１の方向の一例）に対し位相差π／２を有するのに対して、第１変形例による回折光学素子１４Ａは、規則性を持つ段差（凹部１４ａ及び凸部１４ｂによる段差）は、Ｙ方向のみならず、Ｘ方向（第２の方向の一例）に対しても位相差π／２を有する。

第１変形例による回折光学素子１４Ａでは、凹部１４ａ及び凸部１４ｂのそれぞれは、空間位相変調器１３の各ピクセル１３ｐに対応して位置付けられる。すなわち、一のピクセルには、凹部１４ａ及び凸部１４ｂのうちの一方が対応付けられる。この場合、平面視で（Ｚ方向に視て）、一のピクセルの中心に、凹部１４ａ及び凸部１４ｂのうちの一方の中心が一致するように、凹部１４ａ及び凸部１４ｂのそれぞれは、空間位相変調器１３の各ピクセル１３ｐに対応して位置付けられる。

図１３は、空間位相変調器１３から生じうる０次光の影響の説明図であり、第１変形例による回折光学素子１４Ａを用いた場合を説明する図である。図１３には、第１変形例による回折光学素子１４Ａを用いて表示される文字“ＣＧＨ”を含む虚像Ｖ５が模式的に示されている。図５の場合と同様、図１３では、見やすさを考慮して、右側に、白黒（ネガポジ）を反転させた虚像Ｖ５（Ｒ）も併せて模式的に示されている。

第１変形例によれば、上述したように、空間位相変調器１３に回折光学素子１４が設けられるので、上述した比較例で生じる不都合を低減できる。具体的には、空間位相変調器１３から生じる０次光は、回折光学素子１４により１次光として出射され、当該１次光は、図１３の丸領域Ｌ１内に模式的に示すように、虚像Ｖ５の虚像視認可能領域ＦＶの中央から離れた４隅の位置（例えば虚像視認可能領域ＦＶの外側の上下位置）で結像される。すなわち、Ｙ方向に対応する上下方向のみならず、Ｘ方向にも離れた４つに分散される。従って、このような１次光は、上述した０次光とは異なり、搭乗者Ｐに伝達されるべき文字情報“ＣＧＨ”の近傍に結像することがない。従って、本実施例によれば、０次光に起因して生じうる虚像Ｖ５の品質の低下を低減できる。同様に、図１３に示す例では、回折光学素子１４により形成される１次光の像は、虚像視認可能領域ＦＶの外側で結像されるので、０次光に起因して生じうる虚像Ｖ５の品質の低下を効果的に低減できる。

また、第１変形例によれば、空間位相変調器１３の異常時に回折光学素子１４により形成される１次光の像は、同様に、４隅の位置に分散されるので、そのそれぞれの像に係る強度も、図５及び図６に示した比較例に比べて低減される（理論上は、比較例に比べて１／４になる）。従って、回折光学素子１４により形成される１次光が搭乗者Ｐの網膜で結像した場合でも比較例に比べて搭乗者Ｐの目に対する影響を低減できる。

図１４は、第１変形例における空間位相変調器１３で表示させる画像の位相の調整方法の一例を示す説明図である。図１４には、前出の図１１と同様、図１０に示した５×４のピクセル１３ｐの範囲の位相情報を用いた例が示されている。第１変形例では、図１４に模式的に示すように、出力画像のＣＧＨパターンＰＴ１から、回折光学素子１４Ａの位相差に基づくパターンＰＴ２Ａを減算することで、空間位相変調器１３に出力されるＣＧＨパターンＰＴ３Ａが得られる。なお、回折光学素子１４の位相差に基づくパターンＰＴ２Ａは、図１４に示すように、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれで隣り合う凹部１４ａ及び凸部１４ｂにそれぞれ対応してπ／２の位相差（すなわち輝度レベル“６４”の差）を有する。この場合も、ＣＧＨ再生の際はこの逆の操作が行われ、元画像のＣＧＨパターン（出力画像のＣＧＨパターンＰＴ１）を用いて所望の画像（虚像Ｖ５）を得ることができる。

図１５は、第２変形例による回折光学素子１４Ｂを説明する説明図である。図１５は、前出の図４と同様、ＹＺ平面で切断した際の回折光学素子１４Ｂ及び空間位相変調器１３の断面図である。

第２変形例による回折光学素子１４Ｂは、上述した実施例による回折光学素子１４に対して、凹部１４ａ及び凸部１４ｂの配置パターンが異なる。具体的には、上述した実施例による回折光学素子１４では、規則性を持つ段差（凹部１４ａ及び凸部１４ｂによる段差）は、Ｙ方向のピッチＰｔ１が空間位相変調器１３のピクセル１３ｐのピクセルピッチＰｔ２と同じであるのに対して、第２変形例による回折光学素子１４Ｂでは、規則性を持つ段差（凹部１４ａ及び凸部１４ｂによる段差）は、Ｙ方向のピッチＰｔ１が空間位相変調器１３のピクセル１３ｐのピクセルピッチＰｔ２と異なる。第２変形例による回折光学素子１４Ｂでは、規則性を持つ段差（凹部１４ａ及び凸部１４ｂによる段差）は、Ｙ方向のピッチＰｔ１が空間位相変調器１３のピクセル１３ｐのピクセルピッチＰｔ２の２倍である。

図１６は、回折光学素子１４ＢのＹ方向のピッチＰｔ１と、空間位相変調器１３のピクセル１３ｐのピクセルピッチＰｔ２との関係の、１次光の位置に対する影響の説明図である。

図１６には、第２変形例による回折光学素子１４Ｂにより形成される１次光の像の位置（虚像Ｖ６での位置）が、丸範囲Ｅｇ３に示されている。図１６には、対比として、上述した実施例による回折光学素子１４により形成される１次光の像の位置（虚像Ｖ６での位置）が、丸範囲Ｅｇ１に示され、比較例による０次光の像の位置（虚像Ｖ６での位置）が、丸範囲Ｅｇ０に示されている。

このように、回折光学素子１４ＢのＹ方向のピッチＰｔ１が大きいほど、１次光の結像位置が虚像Ｖ６の虚像視認可能領域ＦＶの中央に近づく傾向となる。従って、回折光学素子１４ＢのＹ方向のピッチＰｔ１は、好ましくは、上述した実施例のように、空間位相変調器１３のピクセルピッチＰｔ２と一致する。ただし、丸範囲Ｅｇ３に示されるような結像位置が許容されるような構成であれば、第２変形例による回折光学素子１４Ｂのように、回折光学素子１４ＢのＹ方向のピッチＰｔ１を比較的大きくしてもよい。この場合、回折光学素子１４ＢのＹ方向のピッチＰｔ１が増加することにより、回折光学素子１４Ｂの製造コストの低減を図ることができる。

なお、図示しないが、上述した第１変形例による回折光学素子１４Ａについても、Ｘ方向のピッチ及び／又はＹ方向のピッチが、空間位相変調器１３のピクセルピッチＰｔ２の２倍等に変更されてもよい。

このようにして回折光学素子１４、１４Ａ、１４Ｂのように、凹部１４ａ及び凸部１４ｂの配置パターンのバリエーションは多様であり、ピッチＰｔ１についても多様に変更できる。また、一の回折光学素子において、領域ごとにピッチが異なってもよい。ただし、一般的に、一の回折光学素子において、凹部１４ａ及び凸部１４ｂの数が少ないほうが、組付け性や生産性の観点から有利である。従って、回折光学素子１４、１４Ａ、１４Ｂを比べると、回折光学素子１４Ａの製造難易度が最も高く、回折光学素子１４Ｂの製造難易度が最も低いことになる。

図１７は、第３変形例による回折光学素子１４Ｃを説明する説明図である。図１７は、前出の図３と同様、空間位相変調器１３側とは逆側から視た回折光学素子１４Ｃの平面図である。図１７において、斜線によりハッチングされた領域として図示されたものが凹部１４ａであり、ハッチングされていない領域として図示されたものが凸部１４ｂである。

第３変形例による回折光学素子１４Ｃは、上述した実施例による回折光学素子１４、１４Ａ、１４Ｂに対して、凹部１４ａ及び凸部１４ｂの配置パターンが異なる。具体的には、上述した実施例による回折光学素子１４、１４Ａ、１４Ｂでは、規則性を持つ段差（凹部１４ａ及び凸部１４ｂによる段差）は、Ｙ方向（第１の方向の一例）、又はＹ方向及びＸ方向（第２の方向の一例）に連続して並んでいる。これに対して、第３変形例による回折光学素子１４Ｃでは、規則性を持つ段差（凹部１４ａ及び凸部１４ｂによる段差）は、Ｙ方向及びＸ方向（第２の方向の一例）に不連続に並んでいる。この並びは、再現性のある不連続な配列であり、例えば疑似乱数（疑似乱数列）に基づいて並んでいる。この疑似乱数は、疑似乱数アルゴリズム（疑似乱数生成法）を用いて算出されたものである。この疑似乱数は、同一条件（疑似乱数アルゴリズム及び初期シード値が同一）であれば同じ疑似乱数が得られるため、再現性がある。擬似乱数アルゴリズムは、例えば、線形合同法、線形帰還シフトレジスタ、メルセンヌ・ツイスタ、などの種々の疑似乱数アルゴリズムを用いてよい。

第３変形例による回折光学素子１４Ｃでは、Ｚ方向の深さが異なる２パターンの段差（凹部１４ａ及び凸部１４ｂによる段差）がＹ方向及びＸ方向に不連続に並んでいる。ただし、Ｚ方向の深さが異なる段差は、３パターン以上であってもよい。この場合には、Ｚ方向の深さが異なる３パターン以上の段差がＹ方向及びＸ方向に不連続に並ぶこととなる。あるいは、回折光学素子１４Ｃの各領域のＺ方向の寸法を疑似乱数に基づいて不連続に定めてもよい。

第３変形例による回折光学素子１４Ｃでは、凹部１４ａ及び凸部１４ｂのそれぞれは、空間位相変調器１３の各ピクセル１３ｐに対応して位置付けられる。すなわち、一のピクセルには、凹部１４ａ及び凸部１４ｂのうちの一方が対応付けられる。この場合、平面視で（Ｚ方向に視て）、一のピクセルの中心に、凹部１４ａ及び凸部１４ｂのうちの一方の中心が一致するように、凹部１４ａ及び凸部１４ｂのそれぞれは、空間位相変調器１３の各ピクセル１３ｐに対応して位置付けられる。

図１８は、空間位相変調器１３から生じうる０次光の影響の説明図であり、第３変形例による回折光学素子１４Ｃを用いた場合を説明する図である。図１８には、第３変形例による回折光学素子１４Ｃを用いて表示される文字“ＣＧＨ”を含む虚像Ｖ８が模式的に示されている。図５の場合と同様、図１８では、見やすさを考慮して、右側に、白黒（ネガポジ）を反転させた虚像Ｖ８（Ｒ）も併せて模式的に示されている。

第３変形例によれば、上述したように、空間位相変調器１３に回折光学素子１４Ｃが設けられるので、上述した比較例で生じる不都合を低減できる。具体的には、空間位相変調器１３から生じる０次光は、回折光学素子１４Ｃにより１次光として出射され、当該１次光は、図１８に模式的に示すように、虚像Ｖ８の虚像視認可能領域ＦＶ内又は虚像視認可能領域ＦＶ外に拡散して結像される。このような１次光は、上述した０次光とは異なり、搭乗者Ｐに伝達されるべき文字情報“ＣＧＨ”の近傍に結像されたとしても、搭乗者Ｐは不快に感じることがない。従って、第３変形例によれば、０次光に起因して生じうる虚像Ｖ８の品質の低下を低減できる。

図１９は、空間位相変調器１３の異常時に空間位相変調器１３から生じうる０次光の影響の説明図であり、第３変形例の場合を説明する図である。

比較例の場合と同様、第３変形例の場合も、空間位相変調器１３になんらかの異常が発生すると、空間位相変調器１３の反射面において全反射が生じうる。しかしながら、第３変形例によれば、比較例とは異なり、空間位相変調器１３に回折光学素子１４Ｃが設けられるので、上述した比較例で生じる不都合を低減できる。具体的には、異常時の空間位相変調器１３から生じる０次光は、回折光学素子１４Ｃにより１次光として出射される。そして、当該１次光は、図１９に模式的に示すように、虚像Ｖ９の虚像視認可能領域ＦＶ内又は虚像視認可能領域ＦＶ外に拡散して結像される。すなわち、図１９に示す例では、回折光学素子１４Ｃにより形成される１次光の像が、搭乗者Ｐの網膜で結像されたとしても、その１次光の像は、拡散されているので、そのそれぞれの像に係る強度も比較例に比べて大幅に低減される。従って、回折光学素子１４により形成される１次光の搭乗者Ｐの目に対する影響を低減できる。

図２０は、第３変形例における空間位相変調器１３で表示させる画像の位相の調整方法の一例を示す説明図である。図２０には、前出の図１１と同様、図１０に示した５×４のピクセル１３ｐの範囲の位相情報を用いた例が示されている。第３変形例では、図２０に模式的に示すように、出力画像のＣＧＨパターンＰＴ１から、回折光学素子１４Ｃの位相差に基づくパターンＰＴ２Ｃを減算することで、空間位相変調器１３に出力されるＣＧＨパターンＰＴ３Ｃが得られる。なお、回折光学素子１４Ｃの位相差に基づくパターンＰＴ２Ｃは、図２０に示すように、Ｘ方向及びＹ方向に不連続に並ぶ凹部１４ａ及び凸部１４ｂにそれぞれ対応して所定の位相差（例えば輝度レベル“１２８”の差）を有する。この場合も、ＣＧＨ再生の際はこの逆の操作が行われ、元画像のＣＧＨパターン（出力画像のＣＧＨパターンＰＴ１）を用いて所望の画像（虚像Ｖ８）を得ることができる。

つぎに、第４変形例について説明する。ただし、第４変形例による回折光学素子１４Ｄは、第３変形例による回折光学素子１４Ｃと構成が類似するため、第３変形例と共通する部分については、第３変形例の説明及び図面（図１７～図２０）を援用する場合がある。

図１７に示すように、第４変形例による回折光学素子１４Ｄでは、第３変形例による回折光学素子１４Ｃと同様に、凹部１４ａ及び凸部１４ｂによる段差がＹ方向及びＸ方向に不連続に並んでいる。従って、第３変形例による回折光学素子１４Ｃと同様に、０次光に起因して生じうる虚像Ｖ８の品質の低下を低減できる。ただし、第３変形例による回折光学素子１４Ｃでは、凹部１４ａ及び凸部１４ｂの並びが再現性のある不連続な配列であったのに対し、第４変形例による回折光学素子１４Ｄでは、凹部１４ａ及び凸部１４ｂの並びが再現性のない不連続な配列となっている。つまり、第４変形例では、回折光学素子１４Ｄの位相差に基づくパターンＰＴ２Ｄを算出するためのアルゴリズムが存在しない。

そこで、第４変形例では、回折光学素子１４Ｄの段差（凹部１４ａ及び凸部１４ｂによる段差）に基づく位相差のパターンＰＴ２Ｄを予め測定し、これを記憶部（不図示）に記憶させる。この記憶部は、制御部３に内蔵されたものであってもよいし、制御部３の外部に設けられるものであってもよい。

第４変形例の制御部３は、出力画像のＣＧＨパターンＰＴ１から、記憶部に記憶されたパターンＰＴ２Ｄを減算することで、空間位相変調器１３に出力されるＣＧＨパターンＰＴ３Ｄを得る。このような第４変形例によれば、回折光学素子１４Ｄの段差（凹部１４ａ及び凸部１４ｂによる段差）の並びが再現性のない不連続な配列であっても、第３変形例と同様の効果を得ることが可能になる。

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、回折光学素子１４において、凹部１４ａ及び凸部１４ｂは、Ｙ方向に交互に配置されるが、凹部１４ａ及び凸部１４ｂは、Ｘ方向に交互に配置されてもよい。すなわち、凹部１４ａ及び凸部１４ｂは、Ｙ方向に延在する凹条部及び凸条部の形態であり、Ｘ方向に交互に配置されてもよい。これは、図３に示すような構成を、９０度回転させた構成に対応する。この場合も、Ｙ方向とＸ方向の関係が逆になるだけであり、上述した実施例と同様の効果を得ることができる。

また、上述した実施例では、凹部１４ａ及び凸部１４ｂは、Ｘ方向に平行に延在するが、Ｘ方向に対して傾斜する方向に延在してもよい。

また、上述した実施例では、回折光学素子１４は、０次光が有意に発生しないように、式（１）を満たすような深さΔｄを有するように構成されているが、これに限られない。例えば、深さΔｄが式（１）を満たさない場合でも、ずれ量が比較的小さい場合は、図５及び図６に示した比較例に比べて有意な効果が得られる。具体的には、例えば、回折光学素子１４において生じる位相差がπ／２に対して、±π／４の程度ずれであれば、図５及び図６に示した比較例に比べて有意な効果が得られる。従って、回折光学素子１４において生じる位相差は、π／２に対して若干のずれを有してもよい。

また、上述した実施例では、空間位相変調器１３は、ＬＣＯＳ－ＳＬＭ等であり、干渉縞画像を表示することで位相差を生じさせるものであるが、同様の位相差を有する画像（位相画像）を表示できる構成であれば、その構成の詳細は任意である。例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーの各ミラーを、面と直交する垂直方向（奥行方向）に物理的に可動することにより、各ミラーで反射するレーザ光の光路長を可変する方式が利用されてもよい。

また、上述した実施例では、単色のレーザ光により虚像Ｖが生成されるが、複数の色のレーザ光を利用して複数色の虚像Ｖ又はフルカラーの虚像Ｖを生成する構成にも適用できる。例えば、フルカラーの虚像Ｖを生成する構成としては、例えば、図示しないが、Ｒ／Ｇ／Ｂの３原色を切り替え可能に構成されたレーザ光源１１を利用して、３原色を時分割に切り替え表示（フィールドシーケンシャル駆動）する構成であってもよい。この場合、回折光学素子１４は、Ｒ／Ｇ／Ｂの３原色に対して共通に用いられる。この際、式（１）のλの値を、３原色に係る３種類の波長のうちのどの波長に設定するかは、任意であり、例えば、３つの光の波長の平均波長を用いてもよいし、視感度の高い波長（緑）を用いてもよい。

また、フルカラーの虚像Ｖを生成する構成としては、図示しないが、Ｒ／Ｇ／Ｂの各色用の３つの表示器１を備え、これら３つの光をダイクロイックプリズムなどで合成する構成であってもよい。この場合、回折光学素子１４は、空間位相変調器１３とともに、Ｒ／Ｇ／Ｂのそれぞれに対して別々に設けられるので、それぞれの波長を式（１）のλとして、各回折光学素子１４の深さΔｄが設定されてもよい。

また、上述した実施例では、回折光学素子１４は、空間位相変調器１３に接着剤により貼付される構成であるが、これに限られない。例えば、回折光学素子１４と空間位相変調器１３は、僅かな隙間を介して離間してもよい。

また、上述した実施例は、虚像表示装置の一例として、ヘッドアップディスプレイ装置Ｈに関するものであるが、例えば、ヘッドマウントディスプレイのような他の虚像表示装置にも適用できる。

また、上述した実施例では、空間位相変調器１３が反射型の場合を説明したが、空間位相変調器１３が透過型であってもよい。空間位相変調器１３が透過型の場合は、回折光学素子１４は空間位相変調器１３の出射面に貼付される。また、レーザ光源１１からのレーザ光は空間位相変調器１３を通過した後に回折光学素子１４を１度通過するため、段差の深さΔｄに起因して生じる位相差がπ／２のＮ倍（Ｎは奇数）になるとき、０次光の光量の最小化（及びそれに伴う一次光の光量の最大化）が生じる。従って、凹部１４ａのＺ方向の寸法ｄ１及び凸部１４ｂのＺ方向の寸法ｄ２は、好ましくは、Δｄが、以下の関係になるように設定される。
（ｎ２－ｎ１）×Δｄ＝Ｎ×λ／２
すなわちΔｄ＝０．５Ｎλ／（ｎ２－ｎ１） 式（２）

１ 表示器
２ 反射鏡
３ 制御部
４ ケース
７ インストルメントパネル
１０ 車両
１１ レーザ光源
１２ コリメート部
１３ 空間位相変調器
１３ｐ ピクセル
１４ 回折光学素子
１４Ａ 回折光学素子
１４Ｂ 回折光学素子
１４Ｃ 回折光学素子
１４Ｄ 回折光学素子
１４ａ 凹部
１４ｂ 凸部
１５ 接着層
２０ 液晶表示器
４１ 出射口
Ｈ ヘッドアップディスプレイ装置

Claims (8)

1. 表示像を虚像として表示する虚像表示装置（Ｈ）であって、
   レーザ光を出射するレーザ光源（１１）と、
   前記レーザ光を回折する空間位相変調器（１３）と、
   前記空間位相変調器（１３）の回折光出射面側に設けられた回折光学素子（１４）と、
   前記空間位相変調器（１３）を制御する制御部（３）と、を備え、
   前記回折光学素子（１４）は規則性を持つ段差によって位相差を生じさせ、
   前記制御部（３）は、前記表示像に対応した位相分布から前記規則性に基づく位相差を減算して得られた位相画像を前記空間位相変調器（１３）に表示させる、
   ことを特徴とする虚像表示装置。
2. 前記回折光学素子（１４）のピッチは、前記空間位相変調器（１３）のピクセルピッチに対応する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記回折光学素子（１４）の規則性を持つ段差は、前記レーザ光源（１１）の波長λの位相差を、π／２の奇数倍、生じさせる、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の虚像表示装置。
4. 前記回折光学素子（１４）の規則性を持つ段差は、第１の方向に対し前記レーザ光源（１１）の波長λの位相差を、π／２の奇数倍、生じさせる、
   ことを特徴とする請求項３に記載の虚像表示装置。
5. 前記回折光学素子（１４）の規則性を持つ段差は、
   前記第１の方向と直交する第２の方向に対しても前記レーザ光源（１１）の波長λの位相差を、π／２の奇数倍、生じさせる、
   ことを特徴とする請求項４に記載の虚像表示装置。
6. 前記規則性は、所定の方向の前記段差のパターンが疑似乱数アルゴリズムに基づいて不連続に並ぶものであり、
   前記制御部（３）は、前記規則性に基づく位相差を、前記疑似乱数アルゴリズムに基づいて算出し、前記表示像に対応した位相分布から前記規則性に基づく位相差を減算して得られた位相画像を前記空間位相変調器（１３）に表示させる、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の虚像表示装置。
7. 表示像を虚像として表示する虚像表示装置（Ｈ）であって、
   レーザ光を出射するレーザ光源（１１）と、
   前記レーザ光を回折する空間位相変調器（１３）と、
   前記空間位相変調器（１３）の回折光出射面側に設けられた回折光学素子（１４）と、
   前記空間位相変調器（１３）を制御する制御部（３）と、を備え、
   前記回折光学素子（１４）は、所定の方向に不連続に並ぶ段差によって位相差を生じさせ、
   予め測定された前記段差に基づく位相差を記憶する記憶部をさらに備え、
   前記制御部（３）は、前記表示像に対応した位相分布から、前記記憶部に記憶された位相差を減算して得られた位相画像を前記空間位相変調器（１３）に表示させる、
   ことを特徴とする虚像表示装置。
8. 表示像を虚像として表示する虚像表示方法であって、
   レーザ光を出射するレーザ光源（１１）と、前記レーザ光を回折する空間位相変調器（１３）と、前記空間位相変調器（１３）の回折光出射面側に設けられ、所定の方向に不連続に並ぶ段差によって位相差を生じさせる回折光学素子（１４）と、前記空間位相変調器（１３）を制御する制御部（３）と、前記制御部（３）が読み出し可能なデータを記憶する記憶部と、を配置するステップと、
   前記段差に基づく位相差を測定して前記記憶部に記憶させるステップと、
   前記制御部（３）が、前記表示像に対応した位相分布から、前記記憶部に記憶された位相差を減算して得られた位相画像を前記空間位相変調器（１３）に表示させるステップと、を含む、
   ことを特徴とする虚像表示方法。

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