JP2585717B2 - 表示装置 - Google Patents

表示装置

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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光透過性を有する回折格子を介し、前方の
視野と表示装置からの表示内容とを重畳して表示する、
いわゆるヘッドアップディスプレイ装置に関する。
（従来の技術） 前方の視野に重畳して表示素子からの内容表示を行う
ヘッドアップディスプレイにおいては、種々の光学系が
提案されている。その中でも広い波長広がりを有する蛍
光表示管を用いて表示を行うヘッドアップディスプレイ
装置においては、表示光の波長広がりにより生じる画像
の上下方向のボケを防止することが必要になってくる。
この表示画像中に生じるボケは、表示画像を遠方に表
示すると特に目立ち、光透過性を有するホログラムの半
値波長幅を10nm程度としても、目で見ると品位の低下が
感じられるものであった。
この波長広がりによる画像のボケを補正する手段とし
て、光路中に補正光学要素を配設することが特公昭51−
5956号公報に示されており、特に自動車用ヘッドアップ
ディスプレイ装置に好適な設計例は、USP4,613,200号明
細書（特開昭61−35416号公報）に示されている。
第７図に示す従来例は、赤、緑及び青の可視光全域に
わたり、表示器からの光束を余り高くない効率（例えば
伝達効率20％）で観察位置に導く場合には有効な構成で
ある。
しかし表示する内容をより単色化して半値波長幅を50
nmから10nmに設定し、前方の視野及び表示内容が共に明
るく観察できるように構成すると、従来例では問題が生
じてくる。
第８図は、第７図の従来例の第１の回折格子11と第２
の回折格子35との波長特性の組合せを表した図である。
自家用車の運転席においては、観察者のフロントガラス
の位置から800mm程度の位置に観察位置51が設定される
が、この観察位置は運転者の座高、座席の前後方向の移
動等により大きく変動する。
第８図は観察位置が主として上下方向に大きく移動
し、この結果第１の回折格子11と、第２の回折格子35の
回折効率が最大となる波長に差を生じた状態を示してい
る。従来例においては、２つのホログラフィック回折格
子は同一の特性を有しているものを使用することを想定
しているため、その波長特性の半値幅も同一である。図
において、半値波長幅20nmの２つの回折格子の組合せに
おいて、中心波長が5nm異った状態を示している。
表示において有効に使用し得る光量は、２つの回折効
率の積であり、この場合は5nmの差により効率は35％程
度も低下してしまう。この5nmの差は、例えば、観察位
置51の上下方向の30mm程度の移動でも生じてしまい、こ
のような中程度の半値幅を有するホログラムを従来の光
学系と組合せることは不適当であった。
又、この中心波長のずれは観察位置51が前後に移動し
た場合には、表示画面内の明るさのムラとして表わさ
れ、表示の品質を低下させるものである。
（発明が解決しようとしている問題点） 本発明の目的は、このような従来例の欠点、すなわ
ち、前方視野と表示とを同時に鮮明に見える様設計した
ヘッドアップディスプレイ装置において、観察位置移動
により生じる光量低下を防止する手段を提供することで
ある。
（問題点を解決するための手段） 上記目的は以下の本発明によって達成される。
すなわち、本発明は、波長幅を有する可視光を用いて
表示を行う表示素子、前記表示素子からの光束を回折偏
向する第１の回折格子、前記第１の回折格子により回折
された光束を回折偏向する第２の、光透過性を有する回
折格子より構成される表示装置において、前記第１の回
折格子の有する半値波長幅の値は、前記第２の回折格子
の半値波長幅と、想定する観察位置変動量に対応した中
心波長変動幅との和よりも大きな値に設定されているこ
とを特徴とする表示装置である。
（作 用） 表示画像の波長分散によるボケを補正する第１の回折
格子を、第２の回折格子に比して広い波長幅を有する特
性を有するものを用いることにより、観察位置移動によ
り生じる光量低下の防止が達成される。
更に、本発明で用いるのに好適な回折格子は、入射光
束と反射回折光束とが大きな角度をなしている場合に
も、高い回折効率を有していることが望ましい。
（実施例） 以下、実施例を用いて本発明の内容を更に具体的に説
明する。
第１図は本発明の第１の実施例を説明した図である。
表示素子31からは波長幅を有する光束が射出される。
今、中心波長の光を実線32で表すと、この光束は基板10
上の第１の回折格子11で反射回折されて光束33となり、
基板34上の第２の体積位相型回折格子35で反射回折され
て光束36となり、観察位置51で観察される。これに対
し、中心波長光よりもやや長い光の光路を表したのが3
2′及び33′である。
設計に当っては「逆光線追跡」の手法を用いる。今、
観察位置51より光路36に沿って中心波長より長い光路を
定め、この光束が回折格子35で光路33′で示される異な
る方向に回折された後、より大きな波長分散特性を有す
る回折格子11により逆方向に分散され、この結果、この
光束32′と光束32とを表示素子31上で交わるように回折
格子11の格子ピッチ、配置角及び光束32及び33の光路長
を設定すればよい。このようにすると実質上十分な色分
散補正が実現できる。
今、観察位置51から上方の52或いは下方の53に移動し
た場合を想定する。この時、体積位相回折格子35の特性
により、回折効率が最大となる中心波長が短波長或いは
長波長側にシフトする。
第２図は本発明における第２の回折格子35の半値波長
幅25nmの波長特性（破線）と、第１の回折格子11の波長
特性（実線）との同時に表示したものである。本発明に
おいては、第１の回折格子（ホログラフィック回折格
子）の波長特性として、約40nmにわたり平坦な特性のも
のを用いているため、第２図示のように、中心波長が±
10nm変動しても表示の明るさ変動が全く生じることがな
い。これは、第８図の従来例において、5nmの中心波長
変動が35％もの光量低下を生じるのに比して大幅な改善
である。
ここで、±10nmの中心波長変動を許容することによ
り、下記のような観察領域の拡大が実現できる。今、第
２のホログラムの平均屈折率を1.65、波長505nmの光が
入射角28゜で入射及び51゜で反射回折されるものとす
る。ホログラム35内での格子傾斜角は5.78゜、平均屈折
率を1.65として、ブラッグ波長λＢとブラッグ角φＢの
関係は次式で表わされる。
2ndcosφＢ＝λＢ ここではｄは、格子間隔（例えば、0.166μｍ）であ
る。今、中心波長505nmに対して、中心波長を495nm、或
いは515nmと設定すると、ブラッグ角φＢは28゜から夫
々31゜、20゜に変化し、空気中への射出角は51゜から58
゜及び45゜に変化する。
今、ホログラム35から観察位置51までの距離が800mm
であるとすると、観察位置52は観察位置51に対して上方
90mm、そして観察位置53は観察位置51に対して91mm下方
に位置でき得ることとなる。この結果、種々の座高の運
転者に対して十分な明るさの表示を実現できることとな
る。
この観察位置の変動可能な範囲と、中心波長の変動量
とはほぼ比例関係にあり、中心波長の変動量を大きく許
容できる設定にすると、より広い観察位置を設定するこ
とが可能となる。
第３図は、第１図示の体積位相型回折格子を焼付ける
光学系を示した図である。アルゴンレーザー光源１から
の波長488nmの光は、反射鏡２により反射され、ハーフ
ミラー３により分割されて光束４及び光束５となる。光
束４は顕微鏡対物レンズ６より広げられて光束７とな
り、基板10上のホログラム感材11に入射する。一方、ハ
ーフミラー３により反射された光束５は、顕微鏡対物レ
ンズ８により広げられて光束９となり、透明基板10を通
してホログラム感材11に入射する。これら２つの光束は
ホログラム感材11中で干渉して干渉縞を形成する。２つ
の光束の入射角は、例えば、70゜と30゜とに選定され
る。又、必要に応じて平行光束や収束光束が焼付光束と
して用いられる。
本発明におけるホログラム記録材料としては、特公昭
62−14831号公報、特公昭62−22152号公報或いは特開昭
53−15154号公報に記載のものを使用することが可能で
ある。具体的な使用材料及び現像条件を下記に示す。
ポリビニルカルバゾール2.0g、四沃化炭素0.2g及び2,
6−ジ−tert−ブチルフェノール20mgをモノクロルベン
ゼン25gに溶解し、暗所にて表面を磨いた厚さ1.3mmのガ
ラス板にスピンナー塗工（ミカサスピンナー、1H−２）
し、暗所にて乾燥して厚さ６μｍのホログラム用感材層
を作成した。
次に第３図示の光学系を用いて露光を行う。
光源１はアルゴンイオンレーザーを用い、波長488nm
の青緑色の単色光で光束７及び９は夫々50mJ/cm2の入射
光量で露光を行う。
露光後は感材は25℃のトリクロルエチレン液に５分間
浸漬して沃素化合物成分を除去した後、第１の膨潤液と
して36℃のキシレン液に60秒間、そして第２浴として36
℃のｎ−ヘキサン液に60秒間浸漬した後、自然乾燥し
た。この結果、第２図の実線で示した分光特性を有する
反射回折格子が得られた。
本発明に用いる第１の回折格子として、反射型の体積
位相型ホログラムを以上に示した様な広い波長幅の分光
反射回折特性が得られるような条件で現像処理したもの
を用いると、観察位置変動により第２の回折格子の中心
波長が変動しても、明るい表示が得られること、光学焼
付により作製可能なため大面積の格子が容易に作製可能
なこと、凹面鏡としての働きや非点収差補正、コマ収差
補正の働きを持たせることができること等の利点があ
る。
更に、体積位相型回折格子を用いることにより、略垂
直方向から入射する光束を15゜、30゜或いは80゜という
大きな角度に射出するように設計した場合にもＰ、Ｓ両
偏光に対して高い回折効率を持たせることができるとい
う利点がある。
しかし本発明においては、他の構成の回折格子を使用
することも可能である。
第４図は、本発明の第２の実施例として屈折率ｎ＝1.
58のボリカーボネート樹脂を用いて、いわゆる「裏面レ
リーフ格子」を構成した例を示している。
回折格子11に入射する光束32は、水平面に対して16.6
゜傾いた反射面21により反射回折され、空気中に屈折し
て出て60゜の方向に進行する。
第５図は通常市販されている回折格子、すなわち空気
中から光束が格子の斜面21に略垂直方向に入射し、略垂
直方向に反射回折する場合のＰ、Ｓの夫々の偏光に対す
る回折効率を表した例である。
ヘッドアップディスプレイ装置において、その光学配
置がもしも分光器と相似であれば、市販のブレーズト回
折格子を色分散により生じる画像ボケの補正用格子に使
用できるはずである。しかし、現実のヘッドアップディ
スプレイ装置ではその光学配置は分光器とは異なる。
第１図において、入射光束32と回折光33は20゜の角度
をなしているが、表示素子31の面積を大きくして大画面
の表示を実現し、しかも装置全体を小型にまとめようと
すると、この２つの光束のなす角度はより大きくするこ
とが望ましい。しかし入射光束と回折光束のなす角を大
きくすると、通常のレリーフ型回折格子では効率の低下
が生じてしまう。
レリーフ型回折格子の回折効率低下の１つの要因とし
て「開口率」を用いることができる。この開口率は、階
段状の回折格子の角の部分で幾何学的に失われる幾何光
学的光量損失を表したもので、次式で与えられる。
γ＝cosθ2/cosθ１ 今、入射光が垂直方向から入射（θ１＝０゜）し、60
゜方向に射出する場合を考える。空気中に置かれた表面
レリーフ回折格子では角度θ２＝60゜であるので γ（空気）＝cos60゜/cos0゜＝0.5 であるが、屈折率1.58のポリカーボネートではθ２＝3
3.2゜であることから、 γ（ポリカーボネート）＝cos33.2゜/cos0゜＝0.836 と大幅に向上することが可能となる。
自動車用ヘッドアップディスプレイにこの裏面格子を
用いると、このように入射方向と射出方向とが大きな角
度で使用する場合にも、大きな開口率すなわち高い回折
効率が得られるという利点の地に、種々の利点がある。
利点の１つとしては、反射面の保護が容易なことであ
る。自動車の運転席においては、ある程度の埃の侵入を
避けることはできない。空気中に配置された表面レリー
フ回折格子では、格子面に埃が付着した時に、これをと
り除くのが困難であり、無理にこの埃を除去しようとす
ると傷をつけてしまう恐れがある。裏面レリーフ回折格
子では、表面をふき取るだけで埃の除去ができる。
又、表面レリーフ回折格子ではレリーフ面の保護にSi
O2等の透明なコーティング材料しか使用できず、又、そ
の厚さも0.1μｍ以下と非常に薄いものしか使用できな
かった。これに対し、裏面格子では不透明な保護材を使
用できることから十分な保護が可能である。又、本発明
に用い得る透明材料としては、アクリル（屈折率1.49）
等々、種々のものが可能である。
本発明の裏面レリーフ回折格子は、種々変形して達成
することができる。第６図は、表面レリーフ回折格子と
適当な屈折率を有する液体を用いて、この裏面格子を構
成した例である。表面レリーフ回折格子23の格子面22に
は、適当な屈折率を持った液体11が満たされ、透明な平
板10によりカバーがされている。全体はケース24の中に
納められ、液体の流出を防いでいる。
このような構成をとることにより、設計の自由角を広
げることが可能となる。すなわち、液体は種々混合する
ことが可能なため、単一物質では達成し得ない屈折率の
格子を実現することが可能となる。又、最終的な光学配
置、組合せる表示素子、回折格子に応じて液体の屈折率
を微調整し、目標とする波長に対して最大の回折効率を
得ることが可能となる。最も入手が容易な液体として水
を用いると、この屈折率は1.33であり、大変安価にこの
様な回折格子が構成可能となる。
（効 果） 以上本発明においては、第２のホログラムを用いた表
示装置の色分散によるボケを補正する第１の回折格子
に、第２のホログラムの回折効率の半値波長幅よりも広
い半値波長幅を持たせたため、画面全体にわたり或いは
観察位置が変動した場合にも、明るい表示を得ることが
できた。
特に、この補正用回折格子として反射型の体積位相型
ホログラム或いは裏面レリーフ回折格子を用いることに
より、十分な表示視野に対して高い回折効率を実現する
ことが可能となった。
尚、以上の説明中、第２のホログラム（回折格子）は
平面上に配置されたものについて説明を行ったが、球
面、円筒面上にも配置可能なことは明らかであろう。
尚、以上の説明で表示器は蛍光表示管（半値波長幅150n
m）を例にとったが、表示器としては十分な波長広がり
を有するものであれば、どのようなものも使用可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の第１の実施例である表示装置を表し
た図、 第２図は、本発明に用いられる第１の回折格子と第２の
回折格子の波長特性を表した図、 第３図は、本発明に用いるホログラムの焼付光学系を表
した図、 第４図は、本発明の第２の実施例である裏面レリーフ回
折格子を表した図、 第５図は表面レリーフ回折格子の回折効率特性を表した
図、 第６図は、裏面レリーフ回折格子の変形例を表した図、 第７図は２枚の同一のホログラムを用いた表示装置の従
来例を表した図、 第８図は従来例における２つの回折格子の波長特性を表
した図である。 10:透明基板、11:反射型回折格子 21:レリーフ回折格子の格子面 31:表示素子、34:透明基板 35:反射型の体積位相型ホログラム 51、52、53:観察位置

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】波長幅を有する可視光を用いて表示を行う
    表示素子、前記表示素子からの光束を回折偏向する第１
    の回折格子、前記第１の回折格子により回折された光束
    を回折偏向する第２の、光透過性を有する回折格子より
    構成される表示装置において、前記第１の回折格子の有
    する半値波長幅の値は、前記第２の回折格子の半値波長
    幅と、想定する観察位置変動量に対応した中心波長変動
    幅との和よりも大きな値に設定されていることを特徴と
    する表示装置。
  2. 【請求項２】第１の回折格子が、体積位相型反射回折格
    子である請求項１に記載の表示装置。
  3. 【請求項３】第１の回折格子が、屈折率1.3以上の媒質
    で凹凸の格子面を充填したレリーフ格子である請求項１
    に記載の表示装置。
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