JP3453837B2 - 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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JP3453837B2
JP3453837B2 JP04502194A JP4502194A JP3453837B2 JP 3453837 B2 JP3453837 B2 JP 3453837B2 JP 04502194 A JP04502194 A JP 04502194A JP 4502194 A JP4502194 A JP 4502194A JP 3453837 B2 JP3453837 B2 JP 3453837B2
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禎祐 木村
浩 安藤
美奈子 杉浦
理 小池
透 水野
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は,ホログラムを用いたヘ
ッドアップディスプレイに関し,例えば,車両用のヘッ
ドアップディスプレイに関するものである。
【0002】
【従来技術】近年,自動車のウインドシールドの前方に
スピード,警報等を表示させるヘッドアップディスプレ
イが注目されている。そして,このヘッドアップディス
プレイに用いるディスプレイ装置として,ホログラムの
波長選択性のある回折・反射特性を利用したものが提案
されている。
【0003】このホログラム反射式ヘッドアップディス
プレイ9は,図6に示すように,表示器90から発せら
れた被表示像に関する入射光30を,反射用の光学素子
931を介して,あるいは直接に,ウインドシールド9
1の中に保持したホログラム94に入射する。
【0004】そして運転者92は,このホログラム94
で回折・反射した再生光31を知覚し,ウインドシール
ド91の前方に表示された虚像として,被表示像93を
視認する。なお,上記反射用の光学素子931をホログ
ラムとするディスプレイ装置が提案されている。これに
よって,ホログラム94の色収差を補正し,あるいはホ
ログラム94の表面反射光を回避するなどの改善を図る
ことができる(特開昭63−194222号公報参
照)。
【0005】
【解決しようとする課題】しかしながら,従来のヘッド
アップディスプレイには,次のような問題がある。それ
は,図7に示すように,ウインドシールド91に外部か
ら入射する外部光35が,ウインドシールド91の室内
側界面911で反射し,その反射光351がウインドシ
ールドの内部に保持したホログラム94で再反射し,そ
の再反射光352が運転者92の目に入ることである。
【0006】即ち,室内側界面911で反射した上記反
射光351のホログラム94への入射角が表示器90か
らの入射光30の入射角α1と一致するとき,運転者9
2は前記被表示像93(図6)と重ね合わせに外部光3
5を視認する。そして,その外部光35による像354
(反射像)は,直接入射する直視像353の方向F(上
方)とは全く異なった方向E(下方)に生じ,方向Eは
通常時に目が向けられる方向であり運転者92を眩惑す
る。なお,図7において,符号931は,表示器90の
放射光の方向を回転させるための反射鏡である。
【0007】これらの外部光35の光源には,例えば太
陽や街灯などがあり,これらを異なった方向F,Eに二
重に視認することは,外部光が目に入り易くなることで
あり安全運転を阻害する。そして,外部光35による像
354の強さは,運転者92の目の位置がホログラム9
4の焦点に近いほど大きくなる。なぜならば,外部光3
5のウインドシールド91での再反射光352は,ホロ
グラムの焦点距離fの位置に集光するからである。
【0008】本発明は,かかる従来の問題点に鑑みて,
太陽光などの外部光によるウインドシールドにおける反
射像を観者が視認し,これによって眩惑されることを抑
制する安全なホログラム反射式ヘッドアップディスプレ
イを提供しようとするものである。
【0009】
【課題の解決手段】本願の第1発明は,被表示像に関す
る入射光を,ウインドシールド内に設けたホログラムに
より回折・反射させて,その再生光を視認するヘッドア
ップディスプレイであって,上記ホログラムへの入射光
は,P偏光された光であると共に,上記ホログラムに対
する入射角は,空気とウインドシールドとの間のブリュ
ースタ角にほぼ等しく,一方,上記ホログラムの再生光
は,入射角にほぼ等しい反射角を有していることを特徴
とするヘッドアップディスプレイにある。
【0010】第1発明において最も注目すべきことの第
1点は,上記ホログラムは入射角α1 と反射角β1 とが
ほぼ等しい回折・反射特性を有することである。即ち,
反射型ホログラムの再生光の反射角β1 は,ホログラム
の入射光の入射角α1 とほぼ等しい。
【0011】第1発明において最も注目すべきことの第
2点は,上記ホログラムへ入射させる入射光は,P偏光
された光であり,その入射角α1 は,空気とウインドシ
ールドとの間のブリュースタ角θB にほぼ等しいことで
ある(α1 ≒θB )。
【0012】なお,上記ホログラムの前段には,該ホロ
グラム(メインホログラム)の色収差を打消す回折・反
射特性を有する補正用ホログラムを配設すると好適であ
る。メインホログラムの入射角α1 と反射角β1 とが,
ほぼ等しいから色収差の発生は少ないが,上記補正用ホ
ログラムによりメインホログラムの色収差を補正するこ
とにより,表示像は,一段と色収差のない鮮明な像とな
るからである。
【0013】一方,本願の第2発明は,被表示像に関す
る入射光を,ウインドシールドの内部に保持するホログ
ラムにより回折・反射させて,その再生光を観者に視認
させるヘッドアップディスプレイであって,車外からウ
インドシールドに対して入射する外部光は,該外部光が
水平面に対してなす角度がプラス5°以下の場合にの
み,上記ウインドシールドの室内側界面で反射した後,
上記ホログラムに於いて再反射されて観者の目に入るよ
うに,ウインドシールドの対水平面角度と上記ホログラ
ムの反射特性との間の関係を設定してあることを特徴と
する車両用のヘッドアップディスプレイにある。
【0014】第2発明において最も注目すべきことは,
車両の外部からウインドシールドの外部界面に入射して
ウインドシールドの内部に進入し,その後ウインドシー
ルドの室内側界面で反射してホログラムで反射される光
は,上記外部光が水平面となす角がプラス5°以下の場
合にのみ観者の視界に入るようウインドシールドの取付
角度とホログラムの回折特性との関係を設定しているこ
とである。
【0015】即ち,図1に示すように,ホログラム12
で反射して観者の目に入る入射光30のホログラム12
への入射角α1 としたとき,本発明ではウインドシール
ドの室内側界面111で反射する外部光35が,ホログ
ラム12に対して上記入射角α1 となるためには,外部
光35の水平面となす角θ2 がプラス5°以下(水平面
より上方5°以下)であるように,ウインドシールド1
1の水平面81となす角θ1 とホログラムの上記入射角
α1 との関係を設定してある。
【0016】たとえば,図1において,ウインドシール
ドの界面111,112とホログラム12の入射面とが
完全に平行であるとし,ウインドシールド内における外
部光35の曲がり(屈折)を無視できる値の場合には,
上記ウインドシールドが水平面となす角θ1 とホログラ
ムの上記入射角α1 との和を85°以上とする。なお,
この角度条件は,ウインドシールド11の界面111,
112とホログラム12の入射面とが完全平行でないと
き又は外部光35のウインドシールド11内における曲
がりが無視できない場合には,それに応じて若干補正さ
せるものとする。
【0017】なお,ホログラムに入射する被表示像に関
する入射光は,P偏光された光とし,ホログラムに対す
る入射角を空気とウインドシールドとの間のブリュース
タ角θB にほぼ等しくすることが好ましい。即ち,入射
光は,電界が入射面に対して平行な方向に直線偏光され
ており(P偏光),入射角はウインドシールドに対する
ブリュースタ角に等しいからウインドシールドの表面に
おける反射が生じない。
【0018】それ故,ウインドシールドでの表面反射に
よるノイズ像が生じず,観者は表面反射のないクリアな
表示像を視認することができるからである。たとえば,
ウインドシールドがガラスである場合には,空気とガラ
スとの間のブリュースタ角θB は約57°である。そし
て図5に示す空気82からガラス83への入射角α2
上記θB に近い57°近傍では,P偏光した入射光30
に対する表面反射光36は,図4に示すようにほとんど
ゼロとなる。図4において,カーブ801はP偏光に対
する反射率のカーブであり,カーブ802はS偏光(入
射面に対して垂直な電界を有する直線偏光)に対する反
射率のカーブである。
【0019】また,上記ホログラムの前段に,該ホログ
ラム(メインホログラム)の色収差を打消す回折・反射
を有する補正用ホログラムを配設することが好ましい。
上記補正用ホログラムによりメインホログラムの色収差
が補正されるから,表示像は色収差のない鮮明な像とな
るからである。
【0020】
【0021】
【0022】
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【作用及び効果】第1発明の作用効果について述べる。
本発明においては,図2に示すように,入射光30のホ
ログラム12に対する入射角α1 と再生光31のホログ
ラム12に対する反射角β1 とはほぼ等しい。それ故,
図8に示す観者92が外部光35(例えば太陽)を視認
する方向Eと,外部光がウインドシールドに入射する方
向Fとは略平行となる。
【0027】なぜならば,同図から知られるように,角
δはホログラムへの上記入射角α1と反射角β1 との差
(α1 −β1 )となるからである(なぜならば外部光3
5のウインドシールド91への入射角はα1 であり,方
向Eがウインドシールド91の法線となす角はβ1 であ
るからである)。
【0028】そして,本発明においては,上記入射角α
1 と反射角β1 とはほぼ等しいから,上記方向Eと方向
Fとがなす角γはほぼゼロであり,両者E,Fは略平行
である。それ故,外部光35による直視像353とウイ
ンドシールドでの反射像354とが重なり合い,運転者
92が,外部光35の光源像を二重に見ることがない。
従って,上方にある太陽の光がウインドシールドの前方
から入射し,被表示像93に重なって運転者92を眩惑
するようなことが起こらない。
【0029】なお,上記入射角αと反射角βの差が
大きければ大きいほど,図8に示すように,外部光35
による直視像353と上記反射像354とは,矢印Gの
方向に分離され,反射像354は相対的により下方に視
認される(なお,ヘッドアップディスプレイにおいて
は,ホログラムは,一般に像を拡大するから,α≦β
であり,反射像354を直射像353の上方に見るこ
とはない)。
【0030】上記のように,本発明によれば,観者は,
外部光35によるウインドシールドの反射像354をそ
の直視像353と異なった角度から別個に見ることがな
い。従って,ウインドシールドでの反射像353を視認
する外部光35の位置は狭められ,外部光35による眩
惑を回避することができる。
【0031】一方,上記のようにホログラムへの入射角
αと反射角βとが近接する(α≒β)と,こん
どは表示像に関するウインドシールドでの表面反射光に
よる表面反射像が正規像と重なって観者の目に入り易い
という別個の問題が生ずる。即ち,図9に示すように,
ホログラムの入射角αと反射角βの角度差(α
β)だけ,正規像を造る再生光31と表面反射光31
1との間には角度差が生ずる。
【0032】そして上記角度差(α1 −β1 )が大きい
と,正規像と表面反射像とは完全に分離され,その結果
表面反射像は,観者の目に入らない。しかし,角度差
(α1−β1 )が小さくなると表面反射像が観者の目に
入るようになり表示像にぼやけを生ずることとなる。
【0033】しかしながら,本願の第1発明において
は,入射光30をP偏光された光とすると共に,入射角
α1 をウインドシールド(例えばガラス)に対するブリ
ュースタ角θB (ガラスでは約57°)とほぼ等しくし
てある。それ故,本発明のヘッドアップディスプレイで
はウインドシールドでの表面反射はほとんど生じない
(α1 =θB なら理論的にはゼロ)。従って,表面反対
像による,表示像のぼやけは回避することができる。
【0034】そして,これらの好ましい効果は,ホログ
ラムの入射角α1 と反射角β1 とをほぼ等しくすること
と,入射光をP偏光としブリュースタ角とすることによ
り実現しているが,これらの技術的手段は安価かつ容易
に実現することのできる技術的手段である。
【0035】上記のように,本願の第1発明によれば,
太陽光などの外部光によるウインドシールドの室内側界
面における反射像を観者が視認,眩惑されることがな
く,また表示像に関してはウインドシールドでの表面反
射像や色収差による表示像のぼやけが少ない,安価なホ
ログラム反射式のヘッドアップディスプレイを提供する
ことができる。
【0036】次に,第2発明の作用効果について述べ
る。本発明においては,外部光が水平面よりも上方5°
以下から放射されてウインドシールドに入射しなけれ
ば,ウインドシールドの室内側界面で反射された光は観
者の目に入らないよう,ウインドシールドと水平面との
角度θ1 とホログラムの入射角α1 との関係を定めてい
る。
【0037】例えば,図1において,ウインドシールド
11の界面111,112とホログラム12の入射面と
が平行である場合には,室内側界面内における外部光3
5のウインドシールド11での曲がり(屈折)を無視す
れば,外部光35がウインドシールド11の室内側界面
111で反射して観者8の目に入る条件は,次式で示す
ことができる(図3参照)。 θ2 =90°−α1 −θ1 ・・・・・(1) ここでθ2 は,外部光35が水平面81との間になす
角,θ1 は,ウインドシールド11が水平面81となす
角,α1 はホログラムに対する入射光30の入射角であ
る。
【0038】従って,外部光35が水平面より時計まわ
りにプラス5°以下のときその反射光を視認する条件
は,θ2 ≦5°であるから,次のような条件(2)を満
足させればよい。そしてこの条件式(2)は,前項にお
いて,本発明の解決手段として提示した通りである。 α1 +θ1 ≧85°・・・・・(2)
【0039】上記のように,第2発明のヘッドアップデ
ィスプレイにおいては,外部光によるウインドシールド
の反射像は,外部光が水平面より上方5°以下から放射
されなければ,観者の目に入らない。そして,外部光が
このような位置から放射されることは極めて稀である。
【0040】従って,本発明によれば実質的に外部光の
ウインドシールド反射像による視認妨害は生じない。ま
た,上記条件式(2)を満足させることによって,コス
トが上昇することはないから,このような効果を有する
ヘッドアップディスプレイを極めて安価に実現すること
ができる。
【0041】上記のように,第2発明によれば,太陽光
などの外部光によるウインドシールドにおける反射像に
よって観者が眩惑されることのない安価なホログラム反
射式ヘッドアップディスプレイを提供することができ
る。
【0042】
【0043】
【0044】
【0045】
【0046】
【0047】
【実施例】
実施例1 第1発明の実施例にかかるヘッドアップディスプレイに
ついて,図1を用いて説明する。本発明は,図1に示す
ように,被表示像に関する入射光30を,ウインドシー
ルド11に設けたホログラム12により回折・反射させ
て,その再生光31を観者8が視認する車両用のヘッド
アップディスプレイ10である。
【0048】そしてホログラム12の入射光30は,P
偏光された光であると共に,上記ホログラム12に対す
る入射角α1 は,空気とウインドシールド11との間の
ブリュースタ角θB にほぼ等しい。一方,ホログラム1
2の再生光31は,上記入射角α1 にほぼ等しい反射角
β1 を有している(β1 ≒α1 )。
【0049】本例のヘッドアップディスプレイ10にお
いては,表示器13から発せられた被表示像(図7,符
号93参照)を示す入射光30は,ホログラム12で反
射して観者8の目に入る。ホログラム12は,ウインド
シールド11の内部に保持されており,ウインドシール
ド11は透明な板状のガラスである。ホログラム12
は,ウインドシールド11の界面111,112と平行
な板状体である。
【0050】表示器13から発せられたホログラム12
の入射光30は,ホログラム12の入射面に対して入射
角α1 で入射する。そして,上記入射光30は,ホログ
ラム12に於いて回折・反射し,反射角β1 で出射し,
観者8の目に入る。上記反射角β1 は,入射角α1 にほ
ぼ等しい価値である。
【0051】次に,本例のヘッドアップディスプレイ1
0の作用効果ついて述べる。本例においては,ホログラ
ム12に対する入射角α1 と反射角β1 とは,ほぼ等し
いから,前記のようにホログラム12における色収差
は,ほとんど生じない。
【0052】一方,外部からウインドシールド11へ入
射する外部光35は,ウインドシールド11及びホログ
ラム12を透過して直接観者8の目に入る直視光(図8
のF方向)と,ウインドシールド11に入射した後,室
内側界面111で反射した後ホログラム12で再反射し
て観者8の目に入る再反射光352とがある。
【0053】そして,ホログラム12の入射角α1 と反
射角β1 とがほぼ等しいから,前記のように本例におい
ては,上記直視光と再反射光352とは,ほぼ平行とな
り重なり合う。それ故,観者8は,外部光35によって
派生した再反射光352によって眩惑されることがな
い。そして,ホログラム12の入射角α1 と反射角β1
とをほぼ等しくすることは,ホログラム製作上極めて容
易に実現することのできる条件である。
【0054】また,本例におけるホログラム12への入
射光30は,P偏光された光であり,その入射角は,ウ
インドシールド11に対するブリュースタ角にほぼ等し
いから,前記のようにウインドシールド11の室内側界
面111において反射はほとんど起こらない。従って,
表面反射光による表示像のぼやけは生じない。
【0055】そして,入射光30に上記条件(P偏光,
ブリュースタ角による入射)を与えることは,容易であ
り,コストの上昇もほとんど発生しない。上記のよう
に,本例によれば,太陽光などの外部光35によるウイ
ンドシールド11の室内側界面111における反射像を
観者が視認,眩惑されることがなく,また表示像に関し
てはウインドシールド11での表面反射像や色収差によ
るぼやけのない,安価なヘッドアップディスプレイを提
供することができる。
【0056】実施例2 本例は,図2に示すように,実施例1において,ホログ
ラム12の前段に,中継ミラー14を設けたもう1つの
実施例である。即ち,表示器13から発せられた入射光
30は,中継ミラー14において反射されてホログラム
12に入射する。
【0057】中継ミラー14を設けることにより,光路
の自由度が増大し,表示器13の取付け位置の自由度が
増大する。また,ホログラム12に対する光路長を長く
することができる。その他は,実施例1と同様である。
なお,上記中継ミラーをホログラムによって置換するこ
とにより,これに様々な回折特性を付与することもでき
る。
【0058】実施例3 第2発明の実施例にかかるヘッドアップディスプレイに
つき,図3を用いて説明する。本例は,図3に示すよう
に,被表示像に関する入射光30をウインドシールド1
1の内部に保持するメインホログラム15により回折・
反射させて,その再生光31を観者8に視認させる車両
用のヘッドアップディスプレイ1である。
【0059】そして,車外からウインドシールド11に
対して入射する外部光35は,該外部光35が水平面8
1に対してなす角θ2 が時計方向に+5°以下の場合
(θ2≦+5°)にのみ,上記ウインドシールド11の
室内側界面111で反射した後,メインホログラム15
に於いて再反射されて観者8の目に入るように,ウイン
ドシールド11の対水平面角度θ1 と上記ホログラム1
2の反射特性との間の関係を設定してある。
【0060】そして,メインホログラム15に入射する
被表示像に関する入射光30は,P偏光された光であ
り,その入射角α1 は,空気とウインドシールドとの間
のブリュースタ角にほぼ等しい。また,メインホログラ
ム15の前段には,メインホログラム15の色収差を打
消す回折・反射特性を有する補正用ホログラム16を配
設してある。
【0061】ウインドシールド11は,板状のガラスで
あり,メインホログラム15はウインドシールド11の
界面111,112と平行に,ウインドシールド11内
に保持されている。そして,ウインドシールド11(ホ
ログラム15)が水平面81となす角θ1とメインホロ
グラム15の上記入射角α1 との和(θ1 +α1 )は,
85°以上である。
【0062】次に,本例のヘッドアップディスプレイ1
の作用効果について述べる。ウインドシールド11の室
内側界面111で反射されて観者の目に入る外部光35
は,図8に示すようにウインドシールド11の室内側界
面111に対する法線に対してα1 の角度を有するか
ら,水平面81に対する角度θ2 は,次式で示される。 θ2 =90°−θ1 −α1 ・・・・・(3) そして,上記(θ1 +α1 )は,85°以上であるから θ2 ≧85°・・・・・(4)
【0063】即ち,水平面81に対して,時計方向に測
った角度では,上記θ2 は,+5°以下となり,それ以
外の角度の外部光35は,ウインドシールドでの反射像
が観者8に視認されることがない。そして,上記条件を
満たす外部光35は,極めて稀であり,観者8は,外部
光35によるウインドシールド11での反射像によって
眩惑されることは,殆どなく,本例のヘッドアップディ
スプレイ1においては,外部光35による眩惑は,殆ど
生じない。そして,このような条件(θ1 +α1 ≧85
°)を満たすためにコストの上昇は,ほとんど生じな
い。
【0064】また,メインホログラム15に対する入射
光30は,P偏光であり,ウインドシールド11(ホロ
グラム15)に対する入射角α1 は,ウインドシールド
11のガラスに対するブリュースタ角θB であるから,
ウインドシールド11での表面反射は生じない。そし
て,メインホログラム15の前段には,メインホログラ
ム15の色収差を打消す回折・反射特性を有する補正用
ホログラム16が配置されているから,観者8の視認す
る表示像には色収差がない。
【0065】上記ように,観者8の視認する表示像は,
表面反射によるノイズや色収差のない明瞭な像である。
上記のように,本例によれば,太陽光などの外部光35
によるウインドシールドでの反射像によって観者が眩惑
されることがなく,また色収差や表面反射のない明瞭な
表示像を提示するヘッドアップディスプレイ1を提供す
ることができる。
【0066】
【0067】
【0068】
【0069】
【0070】
【0071】
【0072】
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1のヘッドアップディスプレイの光学的
構成図。
【図2】実施例2のヘッドアップディスプレイの光学的
構成図。
【図3】実施例3のヘッドアップディスプレイの光学的
構成図。
【図4】P偏光とS偏光による反射特性図。
【図5】ブリュースタ角θBの説明図。
【図6】 従来のヘッドアップディスプレイの光学的構成
図。
【図7】 従来のヘッドアップディスプレイにおける外部
光による直視像と反射像の説明図。
【図8】 図7の直視像と反射像との関係図。
【図9】 従来のヘッドアップディスプレイの表面反射光
の説明図。
【符号の説明】
1,10・・・ヘッドアップディスプレイ 11・・・ウィンドシールド 12,15・・・ホログラム 30・・・入射光
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小池 理 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 日本 電装株式会社内 (72)発明者 水野 透 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 日本 電装株式会社内 (56)参考文献 特開 平3−118234(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 27/02

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被表示像に関する入射光を,ウインドシ
    ールド内に設けたホログラムにより回折・反射させて,
    その再生光を視認するヘッドアップディスプレイであっ
    て,上記ホログラムへの入射光は,P偏光された光であ
    ると共に,上記ホログラムに対する入射角は,空気とウ
    インドシールドとの間のブリュースタ角にほぼ等しく,
    一方,上記ホログラムの再生光は,入射角にほぼ等しい
    反射角を有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】 被表示像に関する入射光を,ウインドシ
    ールドの内部に保持するホログラムにより回折・反射さ
    せて,その再生光を観者に視認させるヘッドアップディ
    スプレイであって,車外からウインドシールドに対して
    入射する外部光は,該外部光が水平面に対してなす角度
    がプラス5°以下の場合にのみ,上記ウインドシールド
    の室内側界面で反射した後,上記ホログラムに於いて再
    反射されて観者の目に入るように,ウインドシールドの
    対水平面角度と上記ホログラムの反射特性との間の関係
    を設定してあることを特徴とするヘッドアップディスプ
    レイ。
  3. 【請求項3】 請求項2において,ホログラムに入射す
    る被表示像に関する入射光は,P偏光された光であると
    共に,その入射角は,空気とウインドシールドとの間の
    ブリュースタ角にほぼ等しいことを特徴とするヘッドア
    ップディスプレイ。
  4. 【請求項4】 請求項2又は請求項3において,上記ホ
    ログラムの前段には,該ホログラムの色収差を打消す回
    折・反射特性を有する補正用ホログラムを配設してある
    ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
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