JPH0192718A - Display method for correcting chromatic aberration generated by diffraction grating optical element, and executing image display by diffraction grating optical element - Google Patents

Display method for correcting chromatic aberration generated by diffraction grating optical element, and executing image display by diffraction grating optical element

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JPH0192718A
JPH0192718A JP25044787A JP25044787A JPH0192718A JP H0192718 A JPH0192718 A JP H0192718A JP 25044787 A JP25044787 A JP 25044787A JP 25044787 A JP25044787 A JP 25044787A JP H0192718 A JPH0192718 A JP H0192718A
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optical element
diffraction grating
wavelength
grating optical
light
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JP25044787A
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Japanese (ja)
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Tetsuo Kuwayama
桑山 哲郎
Naosato Taniguchi
尚郷 谷口
Nobuo Kushibiki
信男 櫛引
Yoko Yoshinaga
吉永 曜子
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Original Assignee
Canon Inc
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    • G02B27/0025Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration

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Abstract

PURPOSE:To always observe a distinct image even when a position of a pupil is varied by utilizing a dispersing action of a transparent refractive optical element, giving an incident angle difference and an optical path length difference to a diffraction grating optical element with respect to light beams of each wavelength of a luminous flux having prescribed wavelength width and suppressing a chromatic aberration generated by the diffraction grating optical element. CONSTITUTION:An axial chromatic aberration caused by a color dispersion generated by a diffraction grating optical element 10 is negated by an effect of a color dispersion tending in the reverse direction generated by a triangular prism 41. Also, there is a misalignment in the optical axis direction of aberration formed by a light beam 20 of wavelength lambdaB generated by the diffraction grating optical element 10. It is correct by a misalignment of a virtual image formed position in the tendency reverse to the diffraction grating optical element 10, caused by a refractive index difference and an optical path length difference between the light beam 20 of wavelength lambdaA and the light beam 21 of wavelength lambdaB generated in the triangular prism 41. In such a way, the axial chromatic aberration generated by the diffraction grating optical element 10 is corrected roughly satisfactorily. Therefore, even when a pupil position has moved in the direction being orthogonal to the optical axis, a distinct image can be observed.

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明はホログラム素子等の回折格子光学素子を利用し
て画像表示を行なう表示方法に関し、特に回折格子光学
素子で発生する色収差を補正し、良好なる画像表示を行
なう為の表示方法に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Technical Field] The present invention relates to a display method for displaying images using a diffraction grating optical element such as a hologram element, and in particular, to correct chromatic aberration occurring in the diffraction grating optical element to obtain a good image. This invention relates to a display method for displaying information.

〔従来技術〕[Prior art]

従来から航空機や車両等の操縦者が前方視野に視線を向
けたまま視野内に情報を表示し、前方の物体と表示情報
とを重畳させた状態で観察可能なζ所謂ヘッドアップデ
イスプレィ装置(以下、HODと称す。)に関する技術
が種々提案されている。
Conventionally, so-called head-up display devices (ζ) have been used to display information within the field of view while the operator of an aircraft or vehicle directs his or her eyes forward, allowing the operator to observe objects in front of him and the displayed information in a superimposed state. Hereinafter referred to as HOD), various technologies have been proposed.

米国特許3.737.212及び4.218.111に
開示されているHUDは、画像情報を直接供給する表示
装置として特殊な蛍光管を用い、数nmの狭い波長幅を
有する結像光束をホログラム反射素子で結像して画像を
形成するものである。
The HUD disclosed in U.S. Pat. An image is formed by focusing with a reflective element.

上記各特許に示すHUDの如く、使用光束の波長幅が狭
い場合には、ホログラム反射素子等の回折格子光学素子
で発生する色収差は極めて微小であり、実用上問題はな
い。
When the wavelength width of the used light beam is narrow as in the HUD shown in each of the above patents, the chromatic aberration generated in a diffraction grating optical element such as a hologram reflection element is extremely small and poses no problem in practice.

しかしながら、回折格子光学素子を利用して画像表示を
行なう場合、表示を多色化したり、或いは前述の表示装
置として通常の安価な蛍光管を使用すると、回折格子光
学素子で発生する色収差の為に表示画像の色かにじんだ
り、表示画像がぼけたりする。
However, when displaying images using a diffraction grating optical element, if the display is made multi-colored, or if ordinary inexpensive fluorescent tubes are used as the display device, chromatic aberrations caused by the diffraction grating optical element may cause problems. The colors of the displayed image are blurred or the displayed image is blurred.

この問題を解決する一つの手法が特開昭61−3541
6号公報に開示されている。
One method to solve this problem is published in Japanese Patent Application Laid-open No. 61-3541.
It is disclosed in Publication No. 6.

第5図は上記公開公報が示すHUDを示す説明図である
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the HUD disclosed in the above-mentioned publication.

同図において、1は蛍光管等の表示面であり、青、緑、
赤に対応する波長λ3.λ6.λ8の光を発生する。2
は表示用のホログラム素子で、表示面1に表示された情
報を虚像10として形成する。又、3は表示面1からの
光を受けて表示用ホログラム素子2に指向する色収差補
正用のホログラム素子である。9は観察者の眼を示すも
のであり、第5図に示す光学系の入射瞳に一致する。
In the figure, 1 is the display surface of a fluorescent tube, etc., and it shows blue, green,
Wavelength λ3 corresponding to red. λ6. Generates light of λ8. 2
is a display hologram element which forms information displayed on the display surface 1 as a virtual image 10. Reference numeral 3 denotes a chromatic aberration correcting hologram element that receives light from the display surface 1 and directs it toward the display hologram element 2. 9 indicates the observer's eye, which corresponds to the entrance pupil of the optical system shown in FIG.

表示面1上の所定の物点から発した波長λ8゜λ0.λ
、の光は補正用ホログラム素子3に入射し、波長の違い
により互いに異なる方向に回折された後、夫々表示用ホ
ログラム2に入射する。
The wavelength λ8°λ0. emitted from a predetermined object point on the display surface 1. λ
The lights enter the correction hologram element 3, are diffracted in different directions due to the difference in wavelength, and then enter the display hologram 2, respectively.

そして、表示用ホログラムにより反射回折されて入射瞳
9に入射する。この時表示用ホログラム2においても波
長の違いにより波長λ8.λ6゜λ8の光が異なる方向
へ回折される為、波長λ。、λ。、λ3の夫々の光が形
成する虚像の位置は図示される瞳9−の位置か、ら観察
してほぼ一致して見える。(虚像10の位置) しかしながら、第5図に示す様な色収差の補正方法では
、瞳9の位置が光軸(第5図においては波長λ6の光の
光路に相当する。)に対し光軸と直交する方向に移動す
ると、細土色収差の為に光軸方向に各波長λゎ、λ0.
λ□の光による表示画像がずれて観察される。従って、
自動車の運転手の様に左右に最大250mmに及ぶ範囲
で観察位置を移動させる必要がある場合には、上記公開
公報のHUDでは常に鮮明な画像表示を行なえないこと
になる。
Then, it is reflected and diffracted by the display hologram and enters the entrance pupil 9. At this time, the display hologram 2 also has a wavelength of λ8 due to the difference in wavelength. Since the light of λ6°λ8 is diffracted in different directions, the wavelength λ. ,λ. , λ3 appear to be approximately the same when observed from the position of the pupil 9- shown in the figure. (Position of virtual image 10) However, in the chromatic aberration correction method as shown in FIG. When moving in the orthogonal direction, each wavelength λゎ, λ0 .
The displayed image due to the light of λ□ is observed to be shifted. Therefore,
If the observation position needs to be moved left and right over a range of up to 250 mm, such as a car driver, the HUD disclosed in the above-mentioned publication cannot always display a clear image.

以上説明した様に、従来のホログラム素子等の回折格子
光学素子を用いたHUDによる表示方法では、瞳位置を
限定しない限り鮮明な画像を観察することは困難であっ
た。
As explained above, in the conventional HUD display method using a diffraction grating optical element such as a hologram element, it is difficult to observe a clear image unless the pupil position is limited.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり
、本発明の目的は回折格子光学素子で発生する細土色収
差を良好に補正し、瞳位置が光軸と直交する方向に移動
した場合でも鮮明な画像を観察することが可能な、回折
格子光学素子により画像表示を行なう表示方法を提供す
ることにある。
The present invention has been made in view of the above conventional problems, and an object of the present invention is to satisfactorily correct the Hosotchi chromatic aberration occurring in the diffraction grating optical element, and to move the pupil position in a direction perpendicular to the optical axis. An object of the present invention is to provide a display method for displaying an image using a diffraction grating optical element, which allows a clear image to be observed even when the image is displayed.

上記目的を達成する為に、本発明の表示方法は、表示す
べき画像情報を含む所定の波長幅の光束を回折格子光学
素子に入射させ、前記回折格子光学素子により前記画像
を所定像面に形成して表示する際、前記光束の前記回折
格子光学素子に至るまでの光路中に所定の分散特性を有
する屈折光学素子を配設し、前記屈折光学素子で生ずる
分散により、前記光束中の各波長成分の光に対して光路
長差と前記回折格子光学素子への入射角度差を与え、前
記回折格子光学素子で発生する色収差を補正して画像表
示を行なうことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the display method of the present invention makes a light beam of a predetermined wavelength width containing image information to be displayed incident on a diffraction grating optical element, and the image is projected onto a predetermined image plane by the diffraction grating optical element. When forming and displaying, a refractive optical element having a predetermined dispersion characteristic is disposed in the optical path of the light beam up to the diffraction grating optical element, and each of the light beams is The present invention is characterized in that an optical path length difference and an incident angle difference to the diffraction grating optical element are given to the light of the wavelength components, and chromatic aberration occurring in the diffraction grating optical element is corrected to display an image.

本発明の更なる特徴、作用効果は下記実施例に具体的に
記載されている。
Further features and effects of the present invention are specifically described in the Examples below.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は本発明に係る表示方法の一実施例を示す、HU
Dの概略構成図である。
FIG. 1 shows an embodiment of the display method according to the present invention.
It is a schematic block diagram of D.

同図において、10は画像表示用の回折格子光学素子で
あり、PVC(ポリビニルカルバゾール)などの感材を
使用して作成した体積位相型ホログラム2と体積位相型
ホログラム2をその上に担持する透明基板5から成る。
In the figure, reference numeral 10 is a diffraction grating optical element for image display, and a transparent transparent element on which a volume phase hologram 2 and a volume phase hologram 2 made using a sensitive material such as PVC (polyvinylcarbazole) are supported. It consists of a substrate 5.

そして、この回折格子光学素子10は光軸Xに対して所
定角度傾けて配設されている。1は画像を形成する蛍光
管等の表示面であり、この表示面1は液晶デイスプレィ
等の他の表示手段の表示面、若しくは所定の表示パター
ンが描かれたマスクでも良い。41は光入出射面に反射
防止膜を形成した透明光学部材から成る三角柱プリズム
であり、表示面1からの光束の回折格子光学素子に至る
までの光路中に置かれている。
The diffraction grating optical element 10 is arranged at a predetermined angle with respect to the optical axis X. Reference numeral 1 denotes a display surface of a fluorescent tube or the like that forms an image, and this display surface 1 may be a display surface of another display means such as a liquid crystal display, or a mask on which a predetermined display pattern is drawn. Reference numeral 41 denotes a triangular prism made of a transparent optical member with an antireflection film formed on the light input/output surface, and is placed in the optical path of the light beam from the display surface 1 to the diffraction grating optical element.

又、三角柱プリズム41を構成する光学部材は、ガラス
やアクリル樹脂等から成すものであり、三角柱プリズム
41の代わりに、後述する別の実施例の如く他の形態の
プリズムやレンズ素子も使用可能である。
Further, the optical member constituting the triangular prism 41 is made of glass, acrylic resin, etc. Instead of the triangular prism 41, other forms of prisms or lens elements can be used as in other embodiments to be described later. be.

回折格子光学素子10の反射(回折)効率は15〜30
%程度であり、表示面1からの結像光束を@9の方向へ
反射回折させると共に、矢印A方向に存在する前方の物
体からの光を透過させ、瞳9方向へ指向する。又、その
光学的機能は正レンズ若しくは凹面鏡と等価である。
The reflection (diffraction) efficiency of the diffraction grating optical element 10 is 15 to 30
%, the imaging light flux from the display surface 1 is reflected and diffracted in the direction @9, and the light from the object in front existing in the direction of arrow A is transmitted and directed toward the pupil 9. Moreover, its optical function is equivalent to a positive lens or a concave mirror.

従って、瞳9に一致する観察者は、回折格子光学素子1
0か矢印A方向に形成する表示面1の表示情報の拡大さ
れた虚像と矢印A方向に存する物体を重畳した状態で観
察する。
Therefore, an observer coincident with the pupil 9 will see the diffraction grating optical element 1
The enlarged virtual image of display information on the display surface 1 formed in the direction of arrow A and the object existing in the direction of arrow A are observed in a superimposed state.

尚、第1図に示す光20,21,22.23は表示面1
の同一位置から出射した波長λ□(20,22) 、λ
9とは異なる波長λ、(21゜23)の光の主光線を示
すものであり、第1図の光学系における軸上結像光束の
主光線のみを便宜上描いている。
Note that the lights 20, 21, 22, and 23 shown in FIG.
The wavelengths λ□(20,22), λ emitted from the same position of
This figure shows the chief ray of light with a wavelength λ (21°23) different from 9, and only the chief ray of the axial imaging light beam in the optical system of FIG. 1 is depicted for convenience.

表示面1からの表示情報を有する光束は所定の波長幅、
例えば半値幅で1100nを有しており、回折格子光学
素子10のより狭い半値幅で例えば10〜40nmに制
限される。上述の通り表示面1からの互いに波長が異な
る波長λ8゜λ、なる光22.23が第1図に示されて
いる。
The light beam containing display information from the display surface 1 has a predetermined wavelength width,
For example, it has a half-value width of 1100 nm, and the narrower half-value width of the diffraction grating optical element 10 is limited to, for example, 10 to 40 nm. As mentioned above, light 22 and 23 having different wavelengths λ8°λ from the display surface 1 are shown in FIG.

又、ここではλ、〉λ、なる関係を有するものである。In addition, here, the relationship λ, >λ is established.

表示面1から発した波長λ8.λ8の光22゜23は夫
々三角柱プリズム41の光入射側斜面に斜入射し、該斜
面で夫々屈折されて三角柱プリズム41中を伝播する。
Wavelength λ8 emitted from display surface 1. The light beams 22 and 23 of λ8 are obliquely incident on the light incident side slope of the triangular prism 41, respectively, and are respectively refracted by the slope and propagate through the triangular prism 41.

そして、波長λ、、λ、の光22.23は三角柱プリズ
ム41の光出射側斜面で再度屈折されて、三角柱プリズ
ム41から光20.21として射出する。
The light 22.23 with wavelengths λ, , λ is refracted again at the light exit side slope of the triangular prism 41 and exits from the triangular prism 41 as light 20.21.

この時、波長λ8の光23は波長λ6の光22− より
波長が短い為、波長λ、の光23が波長λ。
At this time, the light 23 with the wavelength λ8 has a shorter wavelength than the light 22- with the wavelength λ6, so the light 23 with the wavelength λ has the wavelength λ.

の光22の偏向角より大きな偏向角で三角柱プリズム4
1により偏向される。従って、波長λ8の光21の回折
格子光学素子10の光入射面に対する入射角θ、は、波
長λ6の光200回折回折格子光学部材の光入射面に対
する入射角θ6よりも小さくなる。(θ、〈θA) 三角柱プリズム41から射出し、互いに異なる入射角度
θい、θ8で回折格子光学素子10に入射する光20.
21は、夫々回折格子光学素子10で反射回折されて瞳
9へ向う。波長λ8の光20は回折格子光学素子10に
より角度180−(θあ+θ2)だけ偏向され、波長λ
、の光21は回折格子光学素子10により角度18〇−
(θ3+θ2)だけ偏向される為、夫々の光20.21
の光路が一致した状態で瞳9に向い、夫々の光20.2
1が回折格子光学素子10に対して瞳9と反対側に形成
する表示面1の虚像の位置は一致している。第1図にお
いて、回折格子光学素子10で反射回折された光20.
21の光路は光軸と一致している。
The triangular prism 4 has a larger deflection angle than the deflection angle of the light 22.
1. Therefore, the incident angle θ of the light 21 of wavelength λ8 with respect to the light incidence surface of the diffraction grating optical element 10 is smaller than the incidence angle θ6 of the light 21 with wavelength λ6 with respect to the light incidence surface of the diffraction grating optical member 10. (θ, <θA) Light 20. which exits from the triangular prism 41 and enters the diffraction grating optical element 10 at different incident angles θ8.
21 are each reflected and diffracted by the diffraction grating optical element 10 and go toward the pupil 9. The light 20 with a wavelength λ8 is deflected by an angle 180−(θa+θ2) by the diffraction grating optical element 10, and the light 20 with a wavelength λ
The light 21 of , is transmitted at an angle of 180-
Since it is deflected by (θ3 + θ2), each light 20.21
The light paths of the light beams 20.2 and 20.2 face toward the pupil 9 with their optical paths matching.
The positions of the virtual images of the display surface 1 formed on the opposite side of the pupil 9 with respect to the diffraction grating optical element 10 coincide with each other. In FIG. 1, light 20. reflected and diffracted by a diffraction grating optical element 10.
The optical path 21 coincides with the optical axis.

即ち、第1図に示す表示方法では、三角柱プリズム41
を構成する光学部材の屈折率が、波長が長い程小さくな
る為に波長が長い先程偏向角が小さくなるのに対し、回
折格子光学部材41の回折作用が波長が長い程回折角が
大きくなる為に偏向角が大きくなるという、相異なる2
つの作用を利用して、回折格子光学素子10で生ずる色
分散による軸上色収差を、三角柱プリズム41で生ずる
逆方向の傾向にある色分散の効果で打ち消している。
That is, in the display method shown in FIG.
The longer the wavelength, the smaller the refractive index of the optical member constituting the optical member, and the longer the wavelength, the smaller the deflection angle. On the other hand, the diffraction effect of the diffraction grating optical member 41 increases the diffraction angle as the wavelength becomes longer. There are two different cases in which the deflection angle becomes larger.
Using these functions, the axial chromatic aberration due to chromatic dispersion occurring in the diffraction grating optical element 10 is canceled out by the effect of chromatic dispersion occurring in the triangular prism 41 that tends in the opposite direction.

又、三角柱プリズム41などの透明屈折光学素子の作用
は、第1図に示す通り、短波長λ8の光の方が長波長λ
、の光より、より長い光路(長)を経て、回折格子光学
素子10に到達させることにある。従って、三角柱プリ
ズム41から射出した波長λえの光20が形成する虚像
の位置より三角柱プリズム41から射出した波長λ、の
光21が形成する虚像の位置の方が、光軸Xに沿って瞳
9に遠い方が存することになる。
Furthermore, as shown in FIG. 1, the action of the transparent refractive optical element such as the triangular prism 41 is such that light with a short wavelength λ8 has a longer wavelength λ8.
The objective is to have the light reach the diffraction grating optical element 10 through a longer optical path (length) than the light of . Therefore, the position of the virtual image formed by the light 21 of wavelength λ emitted from the triangular prism 41 is closer to the pupil along the optical axis X than the position of the virtual image formed by the light 20 of wavelength λ emitted from the triangular prism 41. There will be one further away from 9.

これに対し、回折格子光学素子10では、をもつ。従っ
て、第1図に示す回折格子光学素子10を介して2つの
異なる波長λ8.λ8の光20.21の虚像が同一位置
に形成される為には、より短い波長λ、の光の物点を、
波長λ9の光の物点より遠い方に形成する必要がある。
On the other hand, the diffraction grating optical element 10 has . Therefore, two different wavelengths λ8. In order to form a virtual image of light 20.21 with wavelength λ8 at the same position, the object point of light with shorter wavelength λ must be
It is necessary to form it farther from the object point of the light of wavelength λ9.

本実施例ではこの効果を上述の三角柱プリズム41によ
り得ている。
In this embodiment, this effect is obtained by the above-mentioned triangular prism 41.

依って、第1図に示す表示方法によれば、回折格子光学
素子10で生じる波長λ8の光20と波長λ、の光21
が形成する虚像の光軸方向の位置ずれを、三角柱プリズ
ム41中で生じた波長λ、の光・20と波長λ、の光2
1との屈折率差及び光路長差による、回折格子光学素子
10とは逆傾向の虚像形成位置の位置ずれにより補正し
ていることになる。
Therefore, according to the display method shown in FIG.
The positional shift in the optical axis direction of the virtual image formed by
This means that the correction is made by the positional shift of the virtual image forming position, which has a tendency opposite to that of the diffraction grating optical element 10, due to the difference in refractive index and the difference in optical path length with respect to the diffraction grating optical element 10.

本実施例によれば、上記2つの作用により回折格子光学
素子10で発生する軸上色収差をほぼ良好に補正してい
る。従って、瞳9の位置が光軸Xに直交する方向へ変化
しても、波長λえの光20が形成する虚像と波長λ、の
光21が形成する虚像とがずれて観察されることはない
According to this embodiment, the longitudinal chromatic aberration generated in the diffraction grating optical element 10 is almost well corrected by the above two effects. Therefore, even if the position of the pupil 9 changes in the direction perpendicular to the optical axis do not have.

又、本実施例では表示用の回折格子光学素子10の色収
差補正の為に、三角柱プリズム41の様な透明屈折光学
素子を使用しており、容易に95%以上の透過率を得る
ことができる為、表示面1からの光を有効に利用して、
明るい画像表示を行なえる。
Furthermore, in this embodiment, a transparent refractive optical element such as the triangular prism 41 is used to correct the chromatic aberration of the display diffraction grating optical element 10, and a transmittance of 95% or more can be easily obtained. Therefore, by effectively using the light from display surface 1,
Able to display bright images.

第5図に示した従来の色収差補正用のホログラム素子で
は、各波長(例えば波長λ8.λ0゜λR)の光に対し
て均等に回折効率を上げることが困難であり、素子の性
能上光利用効率が悪い。
In the conventional hologram element for correcting chromatic aberration shown in Fig. 5, it is difficult to increase the diffraction efficiency evenly for light of each wavelength (for example, wavelengths λ8, λ0°, λR), and due to the performance of the element, the light utilization ineffective.

又、画像表示の際の色の再現性にも問題が生じ易い。Furthermore, problems tend to occur in color reproducibility when displaying images.

しかしながら、透明屈折光学素子を利用して色収差補正
を行なう本発明によれば、上述の通り光利用効率が向上
する為、従来より明るい画像表示が行なえ、しかも色再
現も良好な鮮明な画像を表示出来る。
However, according to the present invention, which corrects chromatic aberration using a transparent refractive optical element, as described above, the light utilization efficiency is improved, so images can be displayed brighter than before, and clear images with good color reproduction can be displayed. I can do it.

又、第1図に示す三角柱プリズム41の如く、メリジオ
ナル方向とサジタル方向で屈折力が相異なる屈折光学素
子を光路中に配設すると、この2方向の屈折力の違いに
より非点収差が発生する。従って、本実施例の回折格子
光学素子10は三角柱プリズム41で発生する非点収差
を補正する様に、メリジオナル方向とサジタル方向の屈
折力を変えて製作しである。この為、色収差補正を極め
て簡単な方法で行なえると共に、他の収差への悪影響も
殆ど回避できる。尚、回折格子光学素子10の焦点距離
(屈折力)はメリジオナル方向とサジタル方向とで独立
に制御出来るので、この非点収差補正の実施には特別な
労力は必要とされない。
Furthermore, when a refractive optical element such as the triangular prism 41 shown in FIG. 1, which has different refractive powers in the meridional and sagittal directions, is disposed in the optical path, astigmatism occurs due to the difference in refractive power in the two directions. . Therefore, the diffraction grating optical element 10 of this embodiment is manufactured with different refractive powers in the meridional direction and sagittal direction so as to correct the astigmatism generated in the triangular prism 41. Therefore, chromatic aberration correction can be performed in an extremely simple manner, and adverse effects on other aberrations can be largely avoided. Note that since the focal length (refracting power) of the diffraction grating optical element 10 can be controlled independently in the meridional direction and the sagittal direction, no special effort is required to implement this astigmatism correction.

以下、第1図に示すHUDの具体的な数値実施例を述べ
る。
A specific numerical example of the HUD shown in FIG. 1 will be described below.

三角柱プリズム41の頂角82°とし、説明を容易にす
る為、波長λ9の光20.22と波長λ8の光21.2
3の三角柱プリズム41に対する入射角と出射角が等し
いと仮定する。これにより夫々の光20.22と21.
23の組に対しては最小偏角を満たす配置が設定される
The apex angle of the triangular prism 41 is 82°, and for ease of explanation, light 20.22 with wavelength λ9 and light 21.2 with wavelength λ8 are used.
It is assumed that the incident angle and the outgoing angle with respect to the triangular prism 41 of No. 3 are equal. This causes the respective lights 20, 22 and 21.
For the 23 sets, an arrangement that satisfies the minimum deflection angle is set.

ここでλA = 0 、58756 p m (d線)
Here λA = 0, 58756 p m (d line)
.

λm =0.54607μm (e線)とし、三角柱プ
リズム41の材質をBK7のガラスとした場合、BK7
の波長λえに対する屈折率はN、=1.51633.B
K7の波長λ8に対する屈折率はN、=1.51825
となる。
When λm = 0.54607 μm (e-line) and the material of the triangular prism 41 is BK7 glass, BK7
The refractive index for the wavelength λ is N, = 1.51633. B
The refractive index of K7 for wavelength λ8 is N, = 1.51825
becomes.

従って、第1図に示す波長λ9の光20と波長λ8の光
21との成す角及び波長λ6の光22と波長λ8の光2
3との成す角は0.76°となる。
Therefore, the angle formed by the light 20 with wavelength λ9 and the light 21 with wavelength λ8 shown in FIG. 1, and the angle formed by the light 22 with wavelength λ6 and the light 2 with wavelength λ8
The angle formed with 3 is 0.76°.

この時、回折格子光学素子10の光入射面の面内格子ピ
ッチを4.41μmとすれば、回折格子光学素子10に
対して入射角θ4=45゜で入射する波長λ、の光22
と入射角θ、=44.24°で入射する波長λ8の光2
3は、回折格子光学素子10の光入射面の法線に対して
夫々θ2=35°の角度を成す方向へ回折される。
At this time, if the in-plane grating pitch of the light incidence surface of the diffraction grating optical element 10 is 4.41 μm, then the light 22 with the wavelength λ is incident on the diffraction grating optical element 10 at an incident angle θ4=45°.
and light 2 of wavelength λ8 incident at an incident angle θ, = 44.24°
3 are diffracted in directions forming an angle of θ2=35° with respect to the normal to the light incident surface of the diffraction grating optical element 10.

同様に、三角柱プリズム41の頂角を76゜とし、その
材質にポリスチレンを選ぶ場合、N、=1.59160
.N、=1.59615となり、θ9=45°、θ、=
44.166として、回折格子光学素子10の光入射面
の面内格子ピッチを4.00μmとすれば、波長λ、、
λ8の光22.23が回折格子光学素子10から射出す
る角度θ2はθ、=34.1°になる。
Similarly, if the apex angle of the triangular prism 41 is 76° and polystyrene is selected as the material, N = 1.59160
.. N,=1.59615, θ9=45°, θ,=
44.166, if the in-plane grating pitch of the light incident surface of the diffraction grating optical element 10 is 4.00 μm, the wavelength λ,
The angle θ2 at which the light 22.23 of λ8 exits from the diffraction grating optical element 10 is θ=34.1°.

第2図は本発明の表示方法の第1変形例を示す、HUD
の概略構成図である。
FIG. 2 is a HUD showing a first modification of the display method of the present invention.
FIG.

同図において、42は回転対称な球面凸レンズを部分的
に切断して成る屈折光学素子であり、通常の球面レンズ
の軸外の部分のみを光通過域に設定し、光入出射面に反
射防止膜が形成しである。又、図中の他の符号は第1図
の実施例で示す符号と同一部材を示している。
In the figure, 42 is a refractive optical element made by partially cutting a rotationally symmetrical spherical convex lens, and only the off-axis part of a normal spherical lens is set as a light passing region, and the light input/output surface is anti-reflective. A film is formed. Further, other symbols in the drawings indicate the same members as those shown in the embodiment of FIG.

本実施例では、第1図の実施例の三角柱プリズム41の
代わりにレンズの一部から成る光学素子42を使用し、
前述した補正原理に基づいて回折格子光学素子10で発
生する色収差、特に細土色収差を補正している。
In this embodiment, an optical element 42 consisting of a part of a lens is used in place of the triangular prism 41 of the embodiment shown in FIG.
Based on the correction principle described above, chromatic aberration, especially Hosochi chromatic aberration, generated in the diffraction grating optical element 10 is corrected.

又、本実施例のHUDによれば、表示面1の像は一旦光
学素子42で拡大された後、更に回折格子光学素子10
で拡大されて、回折格子光学素子10の遠方矢印A方向
に十分拡大された虚像が形成される。そして、これと同
時に、光学素子42の分散作用と色に対す屈折力差(波
長λ8とλBの光20.21の間に生じる光路長差)に
より、回折格子光学素子10で発生−する細土色収差が
補正される。
Further, according to the HUD of this embodiment, the image on the display surface 1 is once enlarged by the optical element 42 and then further enlarged by the diffraction grating optical element 10.
A virtual image sufficiently enlarged in the direction of the far arrow A of the diffraction grating optical element 10 is formed. At the same time, due to the dispersion effect of the optical element 42 and the difference in refractive power for the color (the optical path length difference that occurs between the wavelengths λ8 and λB of light 20.21), fine particles are generated in the diffraction grating optical element 10. Chromatic aberration is corrected.

特に光学素子42のレンズ作用によれば、細土色収差、
即ち光軸X方向に沿った波長λ8の光20による虚像の
形成位置と波長λ6の光21による虚像の形成位置とを
良好に一致させ、瞳9の光軸に直交する方向への位置変
動に依らず常に鮮明な画像を観察することが出来る。
In particular, according to the lens action of the optical element 42, Hosochi chromatic aberration,
That is, the position where the virtual image is formed by the light 20 having the wavelength λ8 along the optical axis X direction is made to match the position where the virtual image is formed by the light 21 having the wavelength λ6, and the positional variation in the direction perpendicular to the optical axis of the pupil 9 is prevented. You can always observe clear images regardless of the situation.

例えば、光学素子42の材質として屈折率na =1.
49+  n@ =1.49205のアクリルを用い、
d線に対する焦点距離f、をfa =50mm、e線に
対する焦点距離f、をf、=49.79199mm、回
折格子光学素子10の焦点距離fをf=1300mmと
し、回折格子光学素子10と光学素子42の主点間隔e
をe=46.0mmに設定して2つの光学素子10.4
2の合成焦点距離FをF=150mmとすると、d線及
びe線により形成される虚像は完全に一致する。
For example, the material of the optical element 42 has a refractive index na=1.
Using acrylic with 49+ n@ = 1.49205,
The focal length f for the d-line is fa = 50 mm, the focal length f for the e-line is f = 49.79199 mm, the focal length f of the diffraction grating optical element 10 is f = 1300 mm, and the diffraction grating optical element 10 and the optical element 42 principal point spacing e
with e=46.0mm and two optical elements 10.4
If the combined focal length F of 2 is F=150 mm, the virtual images formed by the d-line and the e-line perfectly match.

第2図の実施例では、光学素子42を球面レンズの一部
で構成しているが、非球面レンズの一部にて光学素子4
2を構成しても良い。
In the embodiment shown in FIG. 2, the optical element 42 is made up of a part of a spherical lens, but the optical element 42 is made up of a part of an aspherical lens.
2 may be configured.

第3図は本発明の表示方法の第2変形例を示すHUDの
概略構成図である。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a HUD showing a second modification of the display method of the present invention.

同図において、50は両面球面のメニスカスレンズを部
分的に切断した光学部材43の凹面に光反射層44を形
成した屈折光学素子であり、光学部材43の凸面に反射
防止膜が形成されて、この面が光入射出面の双方を兼ね
ている。
In the figure, 50 is a refractive optical element in which a light reflecting layer 44 is formed on the concave surface of an optical member 43 which is a partially cut meniscus lens with spherical surfaces on both sides, and an antireflection film is formed on the convex surface of the optical member 43. This surface serves as both the light input and exit surface.

又、図中の他の符号は第1図及び第2図の実施例で示す
符号と同一部材を示している。
Further, other symbols in the drawings indicate the same members as those shown in the embodiments of FIGS. 1 and 2.

第3図において、表示面1からの波長λ6゜λ、の光2
2.23は光学素子50に光学部材43の凸面から入射
し、屈折を受け、夫々光反射層44により反射されて再
度光学部材43の凸面で屈折し射出する。この時、λ8
〉λ6なる短波長λ8の光23は光学部材43の凸面に
おける屈折角が、波長λえの光22より大きくなり、又
、光学素子50中を伝播する波長λ8.λ8の光22.
23の間に光路長差が付与される為、前記実施例同様の
色収差補正原理に基づいて、光学素子50から射出した
波長λ6の光2oと波長λ、の光21が回折格子光学素
子10を介して形成する虚・像位置は一致する。
In FIG. 3, light 2 with a wavelength λ6°λ from the display surface 1
2.23 enters the optical element 50 from the convex surface of the optical member 43, is refracted, is reflected by the light reflecting layer 44, is refracted again by the convex surface of the optical member 43, and exits. At this time, λ8
>The refraction angle of the light 23 with a short wavelength λ8 of λ6 on the convex surface of the optical member 43 is larger than that of the light 22 with a short wavelength λ8, and the light 23 with a short wavelength λ8. Light of λ8 22.
Since an optical path length difference is given between 23 and 23, the light 2o of wavelength λ6 emitted from the optical element 50 and the light 21 of wavelength λ pass through the diffraction grating optical element 10 based on the same chromatic aberration correction principle as in the previous embodiment. The imaginary and image positions formed through the image coincide.

従って、瞳9の光軸Xに直交する方向への位置変動に依
らず、観察者は常に鮮明で明るい画像を観察出来る。
Therefore, the viewer can always observe a clear and bright image regardless of the positional change of the pupil 9 in the direction perpendicular to the optical axis X.

本実施例のHUDによれば、光学部材43の凹面を反射
としている為、レンズの一部である光学部材43を光路
中で2回使用することになる。従って、例えば第2図の
光学素子42に比べて光学素子50を薄型化、軽量化す
ることが可能である。又、第3図から明らかな様に、反
射層44は光路を折り曲げる折り曲げミラーの機能を備
えており、これにより全体として小型のHUDを構成す
ることが可能なだけでなく、表示面1に表示する文字等
を特別な裏返し文字で表示する必要がないという利点を
もつ。
According to the HUD of this embodiment, since the concave surface of the optical member 43 is reflective, the optical member 43, which is a part of the lens, is used twice in the optical path. Therefore, it is possible to make the optical element 50 thinner and lighter than, for example, the optical element 42 in FIG. 2. Furthermore, as is clear from FIG. 3, the reflective layer 44 has the function of a bending mirror that bends the optical path, and as a result, not only can a small HUD be constructed as a whole, but also the display surface 1 can be This has the advantage that there is no need to display characters etc. with special reversed characters.

又、本実施例の光学素子50は、反射層44が光学部材
43の凹面に形成され、この凹面が凸面鏡の機能を果し
ているが、この凸面鏡の反射特性は反射の法則により波
長に依存するものではない。従つて、この凸面鏡は波長
依存性のない発散レンズとして働き、例えば第2図の光
学素子42と同一焦点距離の素子を光学素子50で構成
する時、光学部材43の凸面の曲率が自ずから光学素子
42の凸面の曲率より大きくなる。
Further, in the optical element 50 of this embodiment, the reflective layer 44 is formed on the concave surface of the optical member 43, and this concave surface functions as a convex mirror, but the reflection characteristics of this convex mirror depend on the wavelength according to the law of reflection. isn't it. Therefore, this convex mirror works as a diverging lens with no wavelength dependence. For example, when the optical element 50 is used as an element having the same focal length as the optical element 42 in FIG. It becomes larger than the curvature of the convex surface of 42.

この為に、前述した様に光学素子50の屈折力の波長依
存性を利用して回折格子光学素子10の色収差を補正す
る場合に、波長による焦点距離の変化、即ち屈折力の変
化が増大し、色収差補正に対する作用が強まる。
For this reason, as described above, when the wavelength dependence of the refractive power of the optical element 50 is used to correct the chromatic aberration of the diffraction grating optical element 10, the change in focal length due to wavelength, that is, the change in refractive power increases. , the effect on chromatic aberration correction becomes stronger.

第4図は本発明の表示方法の第3の変形例を示すHUD
の概略構成図である。
FIG. 4 is a HUD showing a third modification of the display method of the present invention.
FIG.

同図において、60は直角プリズム45と反射層46か
ら成す屈折光学素子であり、直角プリズム45の互いに
直交する2つの面の内、面積が大きい方の面に反射層4
6を形成して反射面とし、残りの一面を光入射面として
いる。そして光入射面には反射防止膜が形成されている
。一方、直角プリズム45の斜面には先出−射面と全反
射面の双方の機能を与えており、夫々斜面の異なる部分
にてその機能を分担している。又、図中の他の符号は第
1図乃至第3図の実施例で示す符号と同一部材を示す。
In the figure, reference numeral 60 denotes a refractive optical element composed of a right-angle prism 45 and a reflective layer 46. Of the two mutually orthogonal surfaces of the right-angle prism 45, a reflective layer 4 is formed on the larger surface.
6 is formed as a reflective surface, and the remaining surface is used as a light incident surface. An antireflection film is formed on the light incident surface. On the other hand, the slope of the right-angle prism 45 has the functions of both a front-emission surface and a total reflection surface, and the functions are shared by different parts of the slope. Further, other symbols in the drawings indicate the same members as those shown in the embodiments of FIGS. 1 to 3.

表示面1からの波長λ、の光25と波長λ 8(λ^〉
λ8)の光24は、直角プリズム45の光入射面にほぼ
垂直入射し、直角プリズム45中を伝播して、「角プリ
ズム45の斜面(全反射面)で全反射される。そして、
再度直角プリズム45中を伝播して次に反射層46によ
り反射され・  て、再び直角プリズム45の斜面に向
かう(光22.23)ここで、互いに異なる波長λ8゜
λ8の光22.23は直角プリズム45の斜面で双方共
互いに異なる角度で屈折され、光学素子60から射出す
る。
Light 25 with wavelength λ from display surface 1 and wavelength λ 8 (λ^〉
The light 24 of λ8) is almost perpendicularly incident on the light incident surface of the rectangular prism 45, propagates through the rectangular prism 45, and is totally reflected on the slope (total reflection surface) of the rectangular prism 45.
The light propagates through the right-angle prism 45 again, is reflected by the reflective layer 46, and heads again toward the slope of the right-angle prism 45 (light 22.23). Here, the light 22.23 with mutually different wavelengths λ8°λ8 Both light beams are refracted at different angles by the slope of the prism 45 and exit from the optical element 60 .

光学素子60から射出した波長λ、の光20と波長λ、
の光21は、互いに異なる入射角で回折格子光学素子1
0の光入射面に入射すると共に、゛  夫々の光20.
21には所定の光路長差が与えられている。従って、前
述迄の実施例同様、光学素子60の構成配置を適宜設定
することにより1、 回折格子光学素子10で発生゛す
る色収差を補正して、波長λ6の光20と波長λ8の光
21が回折格子光学素子を介して形成する虚像の位置を
一致させることが出来る。
The light 20 of wavelength λ emitted from the optical element 60 and the wavelength λ,
The light 21 enters the diffraction grating optical element 1 at different incident angles.
At the same time, each light 20.
21 is given a predetermined optical path length difference. Therefore, as in the previous embodiments, by appropriately setting the configuration and arrangement of the optical element 60, the chromatic aberration generated in the diffraction grating optical element 10 can be corrected, and the light 20 with the wavelength λ6 and the light 21 with the wavelength λ8 can be The positions of virtual images formed through the diffraction grating optical element can be matched.

依って、本実施例においても、瞳9の位置が光軸と直交
する方向に変動した場合でも、常に鮮明で明るい画像を
観察することが可能になる。
Therefore, in this embodiment as well, even if the position of the pupil 9 changes in the direction perpendicular to the optical axis, it is possible to always observe a clear and bright image.

又、本実施例のHUDによれば、直角プリズム45の斜
面における全反射と反射層45による反射により入射光
を多重反射させている為、例えば第1図に示すプリズム
と同一の機能(光学的作用)を小型のプリズムで果たす
ことが出来る。更に光学素子60と表示面1を近接又は
密着させた構成を採ることが可能である。従って、本実
施例のHUDによれば全体の小型化を図ることが容易で
ある。
Further, according to the HUD of this embodiment, since the incident light is multiple-reflected by total reflection on the slope of the right-angle prism 45 and reflection by the reflection layer 45, it has the same function as the prism shown in FIG. function) can be achieved with a small prism. Furthermore, it is possible to adopt a configuration in which the optical element 60 and the display surface 1 are placed close to each other or in close contact with each other. Therefore, according to the HUD of this embodiment, it is easy to reduce the overall size.

以上、第2図乃至第4図で示した各変形例においても、
回折格子光学素子10の色収差補正用素子として透明屈
折光学素子42,50.60を使用している為、極めて
高い光利用効率で表示面1からの光により鮮明な画像を
形成出来る。
As mentioned above, in each of the modified examples shown in FIGS. 2 to 4,
Since the transparent refractive optical elements 42, 50, and 60 are used as the chromatic aberration correcting elements of the diffraction grating optical element 10, a clear image can be formed using the light from the display surface 1 with extremely high light utilization efficiency.

又、上記各実施例で示すHUDを車両等の情報表示素子
として使用する場合、回折格子光学素子10を車両のフ
ロントガラスに埋め込んだ形態として使用する。
Further, when the HUD shown in each of the above embodiments is used as an information display element for a vehicle, etc., the diffraction grating optical element 10 is used as embedded in the windshield of the vehicle.

そして、表示面1に形成する表示は不図示の画像情報発
生手段からの画像信号に応じて行なわれる。
The display formed on the display surface 1 is performed in response to an image signal from an image information generating means (not shown).

又、上記各実施例では基板上に体積位相型ホログラムを
形成した回折格子光学素子を用いているが、基板上にレ
リーフを形成した位相型ホログラムの使用も可能であり
、このレリーフ位相型ホログラムは量産性が良<HUD
の低価格化に寄与する。
Furthermore, although each of the above embodiments uses a diffraction grating optical element in which a volume phase hologram is formed on a substrate, it is also possible to use a phase hologram in which a relief is formed on a substrate, and this relief phase hologram is Good mass production <HUD
Contributes to lower prices.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上、本発明の表示方法によれば、透明屈折光学素子の
分散作用を利用して所定の波長幅を有する光束の各波長
の光に対し回折格子光学素子への入射角度差と光路長差
とを与え、回折格子光学素子で発生する色収差を抑える
ことが出来る。
As described above, according to the display method of the present invention, the difference in incidence angle and the difference in optical path length to the diffraction grating optical element are determined for each wavelength of the light beam having a predetermined wavelength width by utilizing the dispersion effect of the transparent refractive optical element. It is possible to suppress the chromatic aberration that occurs in the diffraction grating optical element.

従って、各波長の光は回折格子光学素子を介して同一位
置に表示面の像を形成する為、瞳の位置が変化した場合
でも常に鮮明な画像を観察出来る。
Therefore, since the light of each wavelength forms an image on the display surface at the same position via the diffraction grating optical element, a clear image can always be observed even if the position of the pupil changes.

又、従来のホログラム素子等を利用した色収差補正法に
比べ、光の利用効率が格段に向上し、又、表示色の再現
性も良好である。
Furthermore, compared to conventional chromatic aberration correction methods using hologram elements, etc., the efficiency of light utilization is significantly improved, and the reproducibility of displayed colors is also good.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の表示方法の一実施例を示すヘッドアッ
プデイスプレィの概略構成図。 第2図乃至第4図は本発明の表示方法の第1変形例乃至
第2変形例を示すヘッドアップデイスプレィの概略構成
図。 第5図は従来のヘッドアップデイスプレィを示す概略構
成図。 1・・・表示面 9・・・瞳(観察者) 10・・・回折格子光学素子 41.42,50.60・・・色収差補正用の屈折光学
素子。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a head-up display showing an embodiment of the display method of the present invention. 2 to 4 are schematic configuration diagrams of a head-up display showing first and second modified examples of the display method of the present invention. FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a conventional head-up display. 1... Display surface 9... Pupil (observer) 10... Diffraction grating optical element 41.42, 50.60... Refractive optical element for chromatic aberration correction.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 表示すべき画像情報を含む所定の波長幅の光束を回折格
子光学素子に入射させ、前記回折格子光学素子により前
記画像を所定像面に形成して表示する際、前記光束の前
記回折格子光学素子に至るまでの光路中に所定の分散特
性を有する屈折光学素子を配設し、前記屈折光学素子で
生ずる分散により、前記光束中の各波長成分の光に対し
て光路長差と前記回折格子光学素子への入射角度差を与
え、前記回折格子光学素子で発生する色収差を補正して
画像表示を行なうことを特徴とする回折格子光学素子に
より画像表示を行なう表示方法。
When a light beam with a predetermined wavelength width containing image information to be displayed is made incident on a diffraction grating optical element and the image is formed on a predetermined image plane by the diffraction grating optical element and displayed, the diffraction grating optical element of the light beam A refractive optical element having predetermined dispersion characteristics is disposed in the optical path leading to the refractive optical element, and the dispersion generated by the refractive optical element causes the optical path length difference and the diffraction grating optical A display method for displaying an image using a diffraction grating optical element, characterized in that an image is displayed by giving a difference in the angle of incidence to the element and correcting chromatic aberration occurring in the diffraction grating optical element.
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