JP3034889B2 - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

ヘッドアップディスプレイ

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JP3034889B2
JP3034889B2 JP1511171A JP51117189A JP3034889B2 JP 3034889 B2 JP3034889 B2 JP 3034889B2 JP 1511171 A JP1511171 A JP 1511171A JP 51117189 A JP51117189 A JP 51117189A JP 3034889 B2 JP3034889 B2 JP 3034889B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、陸用もしくは海用の乗物またはヘリコプタ
ーに特に適するヘッドアップディスプレイに係わる。サ
イン及び／または計器の示度の表示をパイロットが目に
し得る外部の光景に重ねて提供するヘッドアップディス
プレイは本来高速の軍用航空機のために開発され、現在
ではそのような航空機に標準装備されている。それらの
ヘッドアップディスプレイの利点は、パイロットがその
視線の方向を変更したり、（コリメート後であれば）注
目しなおしたりしなくとも重要な情報を得ることができ
るということである。この利点は陸用及び海用の乗物並
びにヘリコプターにおいても有効であろうが、そういっ
た用途でははるかに安価なヘッドアップディスプレイが
装備されることが好ましい。
あらゆるヘッドアップディスプレイにおいて主に問題
となるのは、表示部分と背景とのコントラストを十分に
すること、及び表示サインのコントラスト及び見やすさ
を甚だしく低下させがちな、周囲光の表示ユニットから
の望ましくない反射を最小限に留めることである。軍用
航空機に適用される多くの構成では、高価な高輝度表示
管を用いて十分なコントラストが維持されている。
本発明は、表示ユニットから表示を注視する者（obse
rver）の視野内へと反射され得る周囲光の比率の著しい
低下を実現する比較的単純かつ安価な構成を用いたカラ
ーヘッドアップディスプレイを提供することを目的とす
る。
本発明は、乗物内の注視者に見える外部前方の光景に
重ねられた光学的情報表示を提供する乗物用のヘッドア
ップディスプレイであって、外部の光景を見る注視者の
視線より下方に配置された、情報を表示する表示手段及
び光を透過させる回折要素を含み、（使用時）表示手段
からの光は回折要素に該回折要素の下方かつ前方から入
射し、回折要素によって回折して部分反射面に達し、そ
こから注視者の目に至り、回折要素が乗物の後部に向か
って傾斜してい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。
回折要素に光は、該回折要素の下方かつ後方からでは
なく下方かつ前方（即ち乗物の前部により近いところ）
から入射し、それによって望ましくない周囲光がより大
幅に排除される。
部分反射面は乗物のフロントガラスか、または分離し
たコンバイナであり得る。フロントガラスと注視者との
間に配置される上記コンバイナは、該コンバイナの表面
から反射する表示光が異なる身長の注視者の視野内で適
当な位置を占め、当該注視者に見えるように調節され得
る。フロントガラスまたはコンバイナは狭波長帯フィル
タを含むコーティングを有し得、その際狭波長帯フィル
タは表示光波長での反射を実質的に外部の光景を見えに
くくせずに実現し、また迷光である周囲光の望ましくな
い作用の低減を助長する。コンバイナは、比較的薄手で
かつ平坦であり得、フロントガラスの湾曲が注視者の見
る表示像を歪める場合に用いられるべきである。更に、
コンバイナは、より見やすく、望ましくない反射がより
良く排除されるような角度に取り付けられ得る。
ほとんどの装備例において、回折要素が水平面に対し
て有する傾斜角φの最適値は５〜30゜である。回折要素
をこのように傾斜させることによって、注視者が見る表
示情報像の輪郭をぼかさずに望ましくない上方への反射
を注視者から隠し、もしくは遮ることがより容易とな
る。
回折要素の回折角θの値は、太陽光の反射を考慮すれ
ば大きいことが有利である。ほとんどの装備例で、θの
最適値は５〜45゜である。好ましくは、回折角θは、ヘ
ッドアップディスプレイの視野の中心を通る光線がフロ
ントガラスに対して平行となるかまたはフロントガラス
から離れてゆく角度で回折要素に入射するように規定さ
れている。このような条件下に、外部の太陽光の排除が
更に促進される。θ及びヘッドアップディスプレイ全体
の外形寸法は好ましくは、一次回折光のみが注視者の目
に達するように、即ち零次及び二次以上の高次回折光は
注視者の視野外へと回折するように選択されている。こ
のような選択は望ましくない迷光である反射光の減少に
寄与し、なぜなら回折要素を透過する周囲光が所与の角
度範囲にわたって分散し、表示ユニットに達した後注視
者の目へと反射し返されるのは上記周囲光の一部のみと
なるからである。
透過回折要素は３種の公知ホログラムのうちのいずれ
か、即ち振幅ホログラムか、位相ホログラムか、表面レ
リーフホログラムの形態を取ることが可能である。これ
らのホログラムの光学特性及び製造方法は諸文献に詳述
されている（例えば“Principles of Holography"by H.
M.Smith,J.Wiley,1969参照）。しかし、振幅ホログラム
はその惹起する散乱の度合と低効率とのゆえに、上記回
折要素として用いるにはきわめて不適当である。表面レ
リーフホログラムは非常に広い角度的スペクトル幅を有
し、このことはスプリアス像の抑制をより困難にする。
しかし、表面レリーフホログラムは低コストで容易に複
製できる。共通のレーザ光源から発せられた２つのコヒ
ーレント光ビームを互いに干渉させ、生じる干渉縞をホ
ロレジストで被覆したプレート上に記録することを含む
公知技術によって透過及び反射ホログラムが製造され得
る。２つのビームは、透過ホログラムの製造ではプレー
トの同じ側に当てられ、反射ホログラムの製造では互い
に反対の則に当てられる。透過または反射ホログラムに
光学的パワーを導入するべく細かい干渉縞パターンが固
定され得るが、この固定は、導入される光学的パワーに
関する焦点距離に従って位置決めされる任意の共役点対
に由来するコヒーレントビームを用いて行なわれる。
回折要素はまた、回折格子であってもよい。
表示手段は１種以上の狭いスペクトル帯の光を発生す
ることが好ましい。表示手段はダッシュボードの下方に
配置され得る。適当に照射される液晶表示装置を用いる
ことも可能であるが、表示手段は、例えば英国特許第15
36776号、同第1569973号及び同第2131225号に開示され
ているようなフラッドガンブラウン管によって構成され
ることが好ましい。そのようなフラッドガンブラウン管
は比較的安価で、しかも高輝度の多色表示を行ない得
る。このブラウン管に用いるのに最も適した蛍光体は、
狭波長帯出力を有することからP43、P44及びP53（緑
色）並びにP56（赤色）である。狭波長帯表示は、回折
要素によって惹起される分散が許容可能な限度内に留ま
るので好ましい。表示蛍光体上に配置され得る適当な狭
波長帯フィルタによって、表示画面から反射し得る太陽
光の波長範囲が狭められる。
本発明の一例によれば、赤色蛍光体、緑色蛍光体及び
（必要であれば）青色蛍光体に由来する像を重ね合わせ
ることによって多色表示を実現することが可能である。
より単純な装備例では、一色表示を実現するただ１種の
蛍光体が用いられ得る。
表示手段からの光は回折要素に直接入射し得、あるい
はまた透過回折要素に達する前に反射要素によって反射
されて、屈曲した光路を辿り得る。装備例によっては、
乗物のダッシュボード下方に存在する使用可能なスペー
スの容積及び形状次第で屈曲した光路の方が好都合であ
り得る。そのうえ、屈曲型の構成は最終的な像が注視者
のより遠方に出現することを可能にする。最終的な像の
そのような出現は当然ながら、透過回折要素及び／また
は反射要素に光学的パワーを保有させることによっても
達成できる。その場合好ましくは、結果として生じる収
差が最小限に留まるように比較的長い焦点距離が維持さ
れる。例えば赤色及び緑色蛍光体が用いられる多色表示
の場合、緑色波長帯用に赤色波長帯用に比べて小さい付
加的な光学的パワーが用いられれば有効焦点距離及び像
倍率は上記２色に関して整合され得、即ち回折要素によ
って惹起される縦分散が補償される。回折要素が惹起す
る縦分散の補償は、先に述べた公知技術で製造される反
射ホログラムによって十分に達成され得る。また、回折
要素によって（特にθの値が大きいために）惹起される
横分散は反射要素の１つが格子を具えることによって補
償され得る。横分散の補償も公知のホログラム技術によ
って達成することが可能である。ヘッドアップディスプ
レイ全体での分散を総て制御することによって、物理的
に分離した緑色蛍光体及び赤色蛍光体それぞれに由来す
る像が注視者の視野の中で重ね合わせられ得、または互
いに近付けられ得る。従って、赤色及び緑色蛍光体が用
いられた構成では赤色、オレンジ色、黄色及び緑色の像
が形成され得、また上述の分散補正手段が像の鮮鋭度を
保つ。
表示ユニットは、必要であれば選択された特定の表示
を行なうように製造され得、その際特定の表示とは、好
ましくは赤色またはオレンジ色で為される警告指示の表
示や、例えば速度、エンジンの毎分回転数、温度等の測
定値を指示する表示などであり得、測定値表示の場合表
示の色は好ましくは緑色であるが、測定値が例えば速度
限界値の超過や過熱といった望ましくない状態を示すと
黄色、オレンジ色、更には赤色へと変化し得る。
分散補正の原理は第３の（青色）チャネルを含むまで
に拡大され得、その際赤色、緑色及び青色蛍光体は互い
に物理的に分離しているが、これらの蛍光体に由来する
像は、波長が異なれば分散効果も異なるために注視者が
見る最終的な像において重ね合わせられる。赤色要素の
分散が最大であるが、この要素のためには最も狭い発光
波長帯を有する蛍光体が用いられる。
（多要素ホログラムでの収差及び分散の補正は、Applie
d Optics,Vol.11,No.8（1972）,pp.1686−1696 by L.N.
Lattaに透過要素に関して述べられている）。
場合によっては、注視者と回折要素との間に周囲光
の、回折要素から注視者の目の位置に向かう上方への反
射を遮る不透明スクリーンが配置される。このスクリー
ンは乗物のダッシュボードの一部を構成し得る。その他
のバッフル及び吸光面もダッシュボード下方において、
太陽光の表示面への到達が可能である進入角度範囲を狭
めるうえでそれらが最も有効となる場所に配置され得
る。湾曲した狭波長帯フィルタが回折要素上に配置され
得、それによって他のいかなる波長を有する望ましくな
い周囲光も（用いるフィルタの種類に従い）吸収または
反射されて注視者の目から遠ざけられるが、表示ユニッ
トの狭波長帯光は透過して注視者に到達する。
本発明の幾つかの例を、添付図面を参照しつつ以下に
説明する。添付図面の 第１図は本発明によるヘッドアップディスプレイの主要
な構成要素の配置の概略的説明図であり、 第２図〜第４図はそれぞれ本発明による一色ヘッドアッ
プディスプレイの様々な変形例を示す説明図であり、 第５図は本発明による多色ヘッドアップディスプレイを
示す説明図であり、 第６図は横分散の補償方法の説明図であり、 第７図は好ましい表示形態を示す説明図である。
第１図に、自動車、トラック、船またはヘリコプター
であり得る乗物のフロントガラス１をその断面によって
示す。フロントガラス１の僅か下方に取り付けられた透
過回折要素３の下方かつ前方に、英国特許第2131225号
に開示されているようなフラッドガンブラウン管である
表示ユニット２が取り付けられている。回折要素３は、
ホトレジスト材料を干渉縞パターンで露光することを含
む公知技術で形成したマスタの機械的コピーとして製造
された表面レリーフ透過ホログラムである。回折要素３
は、表示ユニット２からの狭波長帯光を５〜45℃である
角度θだけ回折するように設計されている。図示のよう
に、回折要素３はフロントガラス１から離れるように乗
物後部に向かって傾斜しており、その際水平面に対して
５〜30゜の角度φを成す。場合によっては起こる回折要
素３からの鏡面反射が注視者の目の位置５から直接見え
ないように、不透明スクリーン４が適当に配置されてい
る。このスクリーンの吸光面を有する部分4aも、注視者
の目に入る望ましくない反射を減少する一助となる。
矢印6a、6b、6cは、表示ユニット２からの光が回折要
素３を経てフロントガラス１に達し、そこで反射されて
注視者の目の位置５に至る光路を表す。矢印7a〜7dは様
々な角度でフロントガラス１前面に入射する周囲光光線
を表す。回折要素３は、フロントガラス１下部の僅か下
方に好ましく配置することによって最下方の光線7aから
遮蔽されている。幾分上方からの光線7b及び7cは回折要
素３に届いて鏡面反射され得るが、不透明スクリーン４
がそのような反射光、及び注視者の目に達するように光
を反射する面からの“虹の”回折反射光を遮るように配
置されている。
フロントガラスを下方へと透過する近鉛直方向からの
周囲光7dは回折要素３に届き得、その幾分かが上方へ反
射され得るが、回折要素が傾斜しているためこの迷光の
多くは乗物の屋根に向かって反射され、注視者の視野に
進入し得るのは比較的狭い角度範囲内の反射光のみであ
る。回折要素３は高透過性に設計されており、その上面
に反射防止コーティングを有し得る。従って、回折要素
３に届く近鉛直方向からの周囲光はその大部分が回折要
素３を透過するが、その際要素３の回折効果によりスペ
クトルに従って分散する。即ち、表示ユニット２のフェ
ースに達して望ましくない反射をもたらす恐れが有るの
は、この周囲光の比較的僅かな部分のみである。
フロントガラス１、回折要素３及びスクリーン４の相
対位置は、光線7a〜7cが注視者の目に単一反射として達
し得ないように決定されている。従って、広い角度範囲
内の太陽光が全体的に著しく排除されている。
表示ユニットの表示はフロントガラス下部からの反射
像として目にすることができ、この表示は自動車ではボ
ンネットに重なり得、即ち乗物の操縦者に明瞭に見えな
ければならない道路標識その他の目印を見る妨げとはな
らない。
第２図に示した本発明のヘッドアップディスプレイの
一変形例では、表示ユニット２からの光は回折要素３に
入射する前に屈曲した光路を辿る。各図に共通の構成要
素には同じ参照番号を付してある。この例において、Y2
O3:Eu（P56）赤色蛍光体を有するフラッドガンブラウン
管２からの光は、回折要素３に入射する表示光のスペク
トル帯が可能なかぎり狭くなるように適当な赤色フィル
タ８に掛けられる。このフィルタはまた、表示波長帯外
の周囲光が回折要素３へと反射し返されるのを防止し得
る。上記蛍光体を赤色フィルタと共に用いることによっ
て、回折要素３によって惹起されるいかなる分散も注視
者の注意をさして引かないであろうことが保証される。
屈曲した光路は、平面鏡９（あるいは他の場合には狭波
長帯反射鏡）を用いることによって実現される。乗物の
ダッシュボード６の、ヘッドダウンディスプレイ10が組
み込まれた部分が、望ましくない周囲光を遮るスクリー
ンとして機能する。図中、矢印線は、この変形例を通過
し、フロントガラス１での最終的な反射の後に注視者の
目（図示せず）に到達する光線の光路を表す。第２図に
は、図示したような変形例は高さ４゜の視野全体にわた
って見えるヘッドアップディスプレイであり得ることも
示してある。表示の中心線は、乗物によって規定される
水平面、即ち０゜の基本水準線との間に−7.5゜の角度
を成す。
第３図に示した別の屈曲型変形例は、緑色蛍光体（例
えばP43）を有するフラッドガンブラウン管である表示
ユニット２を含む。望ましくない反射を減少する補助手
段として、黒く着色されたバッフル11a及び11b並びに緑
色狭波長帯湾曲フィルタ12が設置されており、フィルタ
12は回折要素３上方において該要素３の近傍に配置され
ている。反射要素９は、例えば（第２図の変形例でのよ
うに）平面鏡または狭波長帯反射鏡である。ここに図示
した例は、幾つかの装備例には第２図に示した例より適
当であり得る。この変形例は、赤色蛍光体及び赤色湾曲
フィルタが用いられても同様に優れた機能を示す。
第４図に示した変形例では、最終的な像はフロントガ
ラス１から分離しているコンバイナ13からの反射像とし
て見える。一色フラッドガンブラウン管２からの光は、
格子を具えた反射要素14により回折要素３に向けて反射
される。反射要素14は入射ビームを角度ψだけ回折させ
て、回折要素３によって惹起される分散を補償し、それ
によって注視者に鮮鋭な（最終）像が見えるようにす
る。蛍光体P43が用いられる緑色表示の場合、543nm、54
5nm及び548nm前後の３つの主要な中心発光線スペクトル
が回折及び反射要素３及び14の分散効果により最終像に
おいて重ね合わせられる。二次的な赤色、オレンジ色及
び青色の幅波長帯は、蛍光体上に配置される適当な緑色
フィルタによって抑制され得る。
第５図に、多色像、即ち赤色、緑色、オレンジ色及び
黄色の像を表示し得るヘッドアップディスプレイを示
す。本発明のこの変形例には２つのフラッドガンブラウ
ン管2a及び2bが用いられ、ブラウン管2a及び2bは赤色蛍
光体及び緑色蛍光体をそれぞれ有し、かつ適当な狭波長
帯フィルタ8a及び8bをそれぞれ具備している。最終像は
注視者にフロントガラス１からの反射像として見え、こ
のフロントガラス１が水平面に対して成す角度は、先に
説明した諸例に関して図示したフロントガラスが成す角
度よりも小さい。黒く着色されたバッフル11a及び11bに
よって、望ましくない反射の排除が助長される。反射要
素15は両表示ユニット2a及び2bからの光を回折要素３に
向けて反射する。反射要素15は多層ホログラフィック要
素で、次の諸特性を有する。第１に、この要素は赤色光
のためには狭波長帯平面反射鏡として機能する。第２
に、この要素は緑色光を回折要素３が惹起する横分散の
補償に必要なだけ回折させる格子を具えている。第３
に、この要素が有する弱い正の光学的パワーは赤色光よ
り緑色光に関して大きいものであり、従って回折要素３
が惹起する縦分散も補償される。２つの表示ユニット2a
と2bとの分離、並びに回折及び反射要素３及び15によっ
て惹起される分散は、赤色像と緑色像とが注視者の視野
内で重ね合わせられるように調整されている。赤色表示
と緑色表示との相対輝度を制御すれば、中間の色、即ち
オレンジ色及び黄色を表示することも可能となる。
第４図及び第５図に示した例では回折要素３によって
惹起される横分散が補償され得た。第6a図〜第6c図に、
分散を補償する更に別の３方法を示す。第6a図に示した
構成では、要素３による回折と反対の方向への回折を実
現する付加的な回折要素16が必要である。この例は先に
挙げたLattaの論文に述べられている方法に対応する。
第6b図に示した構成では多層要素17が、赤色波長帯では
透過を、緑色波長帯では反射及び回折を実現する。第6c
図の多層要素18は緑色光を透過及び回折させ、赤色光を
反射させる。
第７図に示した、指示表示の好ましい形態では、サイ
ン、文字または数字はシルエット状に、即ち照射された
背景20内の暗い、もしくは未照射の領域19として表示さ
れる。この表示形態は最も有効であるように考えられ、
なぜならこの形態の場合表示の度に照射が最大限に行な
われるからで、またフラッドガン型表示装置または液晶
表示装置が視野内の定まった場所に所定の表示を行な
い、ユーザは個々の場所のカラー照射を関係付けること
によって総合的なメッセージを受け取ることを直ちに学
ぶからであり、更にシルエット状の表示形態を用いた場
合は分散に起因する色フリンジング効果または像二重化
効果がさほど目障りでないと考えられるからである。表
示ユニットに狭波長帯緑色蛍光体（例えばP43）が、
（例えば５〜15゜の）比較的小さい角度θと共に用いら
れた場合、本発明のディスプレイは照射された（緑色
の）背景上に暗い文字が浮かぶ特許可能な表示を提供す
る。最良の結果を得るために、蛍光体P43によって発せ
られる弱い赤色及び青色線スペクトルは、例えば表示ユ
ニットのフェース上に適当なセルロイドフィルタを配置
することによって排除されるべきである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−124020（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−64638（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−20243（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−154118（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−92718（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−296213（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G09F 9/00 G02B 27/02

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】乗物内の注視者（５）に見える外部前方の
    光景に重ねられた光学的情報表示を提供する乗物用のヘ
    ッドアップディスプレイであって、外部の光景を見る注
    視者の視線より下方に配置された、情報を表示する表示
    手段（２）及び光を透過させる回折要素（３）を含み、
    （使用時）表示手段（２）からの光は回折要素（３）に
    該回折要素（３）の下方かつ前方から入射し、回折要素
    （３）によって回折して部分反射面（１）に達し、そこ
    から注視者の目（５）に至り、回折要素（３）が乗物の
    後部に向かって傾斜していることを特徴とするヘッドア
    ップディスプレイ。
  2. 【請求項２】注視者と回折要素（３）との間に配置され
    て回折要素（３）から注視者の目の位置（５）に向かう
    周囲光の鏡面反射を遮るスクリーン（４）を含む請求項
    １に記載のヘッドアップディスプレイ。
  3. 【請求項３】透過回折要素（３）が光学的パワーを有す
    ることを特徴とする請求項１または２に記載のヘッドア
    ップディスプレイ。
  4. 【請求項４】表示手段（２）と回折要素（３）との間に
    配置された反射要素（９）を含む請求項１から３のいず
    れか一項に記載のヘッドアップディスプレイ。
  5. 【請求項５】反射要素（９）が光学的パワーを有するこ
    とを特徴とする請求項４に記載のヘッドアップディスプ
    レイ。
  6. 【請求項６】反射要素（９）が回折要素（３）によって
    惹起される一切の分散を補償するべく表示手段（２）か
    らの入射光を分散させる格子を具えていることを特徴と
    する請求項４または５に記載のヘッドアップディスプレ
    イ。
  7. 【請求項７】回折要素（３）によって惹起される一切の
    分散を補償するべく表示手段（２）からの光を分散させ
    る第２の透過回折要素（16）を含む請求項１から６のい
    ずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ。
  8. 【請求項８】表示手段（２）が１種以上の狭いスペクト
    ル帯の表示光を発生するべく構成されたフラッドガンブ
    ラウン管を含むことを特徴とする請求項１から７のいず
    れか一項に記載のヘッドアップディスプレイ。
  9. 【請求項９】表示手段（２）が、情報を照射領域（20）
    内の照射されていないアイコン、数字または文字として
    シルエット状に表示するべく構成されていることを特徴
    とする請求項１から８のいずれか一項に記載のヘッドア
    ップディスプレイ。
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