JPH0331811A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は回折格子からの反射回折光を利用した所謂反射
型の回折格子を利用したヘッドアップディスプレイ装置
に関し、特に車両や航空機等においてフロントガラスの
前方に運航に関する表示情報を前方視野の画像情報に空
間的に重畳させて双方の情報を同一視野で観察するよう
にした゛ヘッドアップディスプレイ装置に関するもので
ある。

（従来の技術） 従来より多層膜反射面や体積型位相回折路ｒ、そしてホ
ログラム光学素子等の光学的に透明な光束結合素子を用
いて表示情報を外界の自然風景等の画像情報に空間的に
重畳して同一視野で観察するようにした表示装置は、一
般にヘッドアップディスプレイ装置と呼ばれ各分野で多
用されている。

例えば自動車や航空機の操縦席をはじめとし、種々の車
両に適用したものが提案されている。

このうち回折格子として、特にホログラムを用いたホロ
グラフィックヘッドアップディスプレイ装置は表示素子
と前方視野の画像情報の双方を共に明るい状態で観察す
ることができること、ガラス表面反射による２重像の発
生を防止することができること、そして遠方表示が容易
にできること等の特長を有している。このようなホログ
ラフィックヘッドアップディスプレイ装置は例えば米国
特許第４２１８１１１号に提案されている。

（発明が解決しようとする問題点） 一般にホログラフィックヘッドアップディスプレイ装置
において観察方向を変化させると、それに伴い回折効率
がピークとなる中心波長が変化し、観察工種々の問題点
が生じてくる。

例えば表示器として鋭い輝線スペクトルを有するＣＲＴ
を用い、ホログラムとしてそれに対応して狭い半値幅を
有するものを用いた場合、観察者の観察位置を上下方向
に変動すると反射回折光の光量が極度に低下する場合が
あり、この結果、視域（観察可能領域）が狭くなフてく
るという問題点が生じてくる。

又、このときの視域を拡大させる為に回折格子の半値波
長幅を拡大すると回折格子の直進透過率が低下してきて
前方視野の画像情報の観察が暗くなってくるという問題
点が生じてくる。

本発明はホログラフィックな回折格子を用いてｍ察する
際、観察方向が種々と変化した場合でもピーク回折波長
の変動が少なく回折による表示素子の観察が広範囲で良
好に行なえる広い視域を有し、かつ直進透過光に基づく
前方視野を明るい状態で観察することができるヘッドア
ップディスプレイ装置の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、表示素子か
らの光束を体積位相型の回折格子で反射回折させると共
に該回折格子の背後の画像情報からの光束を該回折格子
を通過させるようにして、該表示素子を該画像情報に空
間的に重畳させて該表示素子と該画像情報を同一視野で
観察するようにしたヘッドアップディスプレイ装置にお
いて、該回折格子におけるピーク回折波長をλ、該回折
格子の観察方向を角度Δθ変化させたときの該ど−り回
折波長の変化量をΔλとし、波長移動係数ＶをＶ＝Δλ
／（λ・Δθ）とおいたときＶ＜０．２ となるように各要素を設定したことを特徴としている。

〈実施例） 第１図は本発明の第１実施例の要部概略図である。同図
はＪＩＳ　ＤＯＯ２１ｒ自動車の運転者アイレンジ」　
（対応ｒｓ０４５１３）に示された自動車の運転者の要
部断面図に従って作図したものである。

同図において１０１は光束結合素子であり、所定の格子
どツチＰの反射型の体積位相型の回折格子３５が形成さ
れている。回折格子３５はフロントガラスに相当する２
つの透明基板３３．３４で挟持され接着剤で固着され一
体化されている。

この他の形感としては回折格子３５はフロントガラスの
内側に貼付され適当なカバーガラスで保持するように構
成されている場合もある。

３１は表示素子であり、例えば高輝度の緑色光を発する
ＣＲＴ等から成り、駆動回路３０により駆動され所定の
情報が表示されている。

ＣＲＴは例えばＰ５３等の螢光体が用いられ、この螢光
体は中心波長５４６ｎｍに対し±２ｎｍの非常に狭い波
長域に発光エネルギーの大半が集中している。１０２は
光束結合素子１０１の前方視野の景色等の画像情報であ
る。

本実施例では表示素子３１からの光束を光学系３２を介
して回折格子３５に導光し、回折格子３５で反射回折さ
せて観察者５１方向に導光している。これにより該表示
素子３１面上の表示情報を回折格子３５の前方遠方に画
像情報１０２に空間的に重畳させて双方の情報を同一視
野で観察している。

一般に自動車の運転者には種々の体格の人がいる為、座
席は高さや背もたれ等の位置が調整可能となっている。

この為運転者が運転席に座ってフロントガラス面上の回
折格子を介して表示素子を観察する場合、その方向は運
転者により種々と異なってくる。

これに対して自動車のスピードメータ表示や燃料計等の
表示は運転者が視認できるようにＪＩＳ、ＩＳＯ等で配
置等が規格されており、例えば９４バーセンタイルのア
イリブス（空間中で眼の置かれる位置）より観察するこ
とが望ましいとされている。

一方、自動車のフロントガラスは前方視野の視認性を向
上させ事故防止を図る為に、可視光に対して高い透過率
を有していることが要望されている。このようなことに
関してはＪＩＳ、Ｒ３２１１において「自動車のフロン
トガラスは７０％以上の視感度透過率を有していること
が必要」である旨が規定されている。

次に以上のような諸規格を考慮し、本実施例において自
動車のフロントガラスにホログラフィックな回折格子を
設けてヘッドアップディスプレイ装置を構成する場合の
一構成要件について第２図を用いて説明する。

第２図はポリ−Ｎ−ビニルカルバゾールを−１一体とす
る感材を用いて製作した回折格子の観察方向の変化に対
するピーク回折波長く中心波長）の変化を示したもので
ある。

同図では光束の入射方向βを３０度、観察方向を６０度
とし、中心波長をＣＲＴ３１からの光束に合わせて５４
５ｎｍとしている。

本実施例における回折格子の波長変動係数ＶはＶ＝０．
１４である。このときＣＲ７面上の画像情報を最も明る
く観察するには次のように芥要素を設定するのが良い。

今、回折格子３５の面法線と観察方向とのなす角度αを
α＝６０度とし、第１図の観察方向５２．５３をアイリ
ンス９４バーセンタイルに従ってＦ下幅２００ｍｍに設
定する。このとき観察方向はフロントガラスに対して６
００±７０変化する。ＣＲＴ３１の分光エネルギー分布
の幅を５０ｍとしたとき必要最小限の半値幅は２４ｍｍ
となる。このときの分光特性を第３図に示す。即ち、波
長変動係数Ｖ＝０．１４のとき半値波長幅を２４　ｎｍ
程度確保すれば良いことになる。

これに対して例えば波長変動係数Ｖ＝０．３０では観察
方向がフロントガラスに対して６０゜±７°変化したと
き中心波長は±２０ｎｍ２０ｍ動し、半値幅は４４ｍｍ
必要となり、同一の明るさの表示を行なってもＶ＝０．
１４の場合よりもＨ１失光量は１．８３倍に増大してし
まう。

一般にホログラムの視感度透過率は許容し得る限り低く
、即ち規格が７０％であれば７０．５〜７２．５％程度
に、又規格が８０％であれば８０．５〜８２．５％程度
に設定している。この為、半値幅２４ｎｍと４４ｍｍと
では設計上、とり得るピーク回折効率の値が異ってくる
。

今、フロントガラスに垂直方向に測定したとき中心波長
５６０ｎｍに対して半値幅２４ｎｍで透過率７５％がピ
ーク回折効率５５％で得られるのに対し、同じ中心波長
５６０ｎｍ、透過率７５％で半値波長幅が４４ｍｍでは
許容し得るピーク回折効率は３０％となり、表示素子の
画像の明るさは０，５５倍に低−ドしてしまう。

本実施例では波長移動係数Ｖがｖ＜０．２となるように
ホログラムを構成する材料を選択し、回折格子の観察方
向が多少変動しても表示素ｆ−の画像が明るく観察され
るような半値幅の選定と、前方視野が明るく観察される
ことを両立している。

第４図は本発明の第２実施例の要部概略図である。同図
において螢光表示管等の表示素子３１は不図示の駆動回
路により駆動されている。表示素子３１からの光は透明
基板３４面上に設けられた回折格子３５により反射回折
される。このうち光束５０Ｌと５ＯＲは各々観察者の左
眼５　ｆ　Ｌ　＆　ＩＴ眼５１Ｒに入射する。ヘッドア
ップディスプレイ装置を自動車に用いるときは、むハン
ドル及び左ハンドルのときでもホログラムをフロントガ
ラスと一体化したときにフロントガラスが曲率な有して
いる為、運転者に対して非対称に配置される。

又、航空機やラップトツブコンピュータ等の機器におい
ても全体の配置上、左右非対称の配置になる場合が生じ
てくる。

いずれの場合でも観察者の左眼に向かう光束５０Ｌと右
眼に向かう光束５０Ｒの中心波長は回折格子に対する観
察高の差より異ってくる。この為、左右両眼で観察され
る表示色が異なり、表示の明るさの違いにより、ちらつ
きを生じたりして良好なる観察が難しくなってくる。

この為、本実施例では前述の値の波長の移動係数を有す
る体積位相型の回折格子を用いることにより左右両眼に
対する表示色の差を減少させている。

第５図（Ａ）は本実施例において観察者の左右両眼に対
する表示色の中心波長を示したものである。

同図では回折格子（ホログラム）に対する表示素子３１
からの入射角を４０度、反射回折角を６０度とし、観察
者は視線方向に対して４５度回転し、ホログラムから観
察位置までの距離を７００ｍｍ、左右両眼の瞳間隔を６
５ｍｍとじて計算している。

同図に示すように本実施例によれば波長移動係数Ｖ＝０
．１６の回折格子を用いれば左右両眼に入射する中心波
長の差は６ｎｍとなる。

本実施例においては表示素子としての螢光表示管は十分
広い半値波長幅を有しており、表示素子からの光の波長
は回折格子の波長特性でのみ決定される。これは螢光表
示管からの光路中に拡大系や色分散補正系を配置した場
合も同様である。

これに対して波長移動係数Ｖ＝０．２１の回折格子を用
いた場合は第５図（Ｂ）に示すように左右両眼に入射す
る中心波長の差は８．３ｎｍとなる。この両眼に対する
光の波長差より、両眼視をしたときの視力低下を招いて
しまう。

本実施例によれば左右両眼に入射する光束の中心波長の
差を８．３ｎｍから６ｎｍへと減少させることができ、
良好なる観察を可能としている。

特に第５図（Ａ）、第５図（Ｂ）では半値波長幅をとも
に１４ｎｍとしているが、右眼と左眼とに対する表示光
の共通部分が、本実施例の第５図（Ａ）では大きく、比
較例である第５図（Ｂ）では第５図（Ａ）の約１／２に
減っていることからも両眼視を行なったときに生じる左
右眼の画像のくい違いが防止されていることは明らかで
あろう。

第６図は表面に平行な体積位相型の回折格子に対し空気
中から光束を種々の角度で入射させたときの反射回折光
のピーク波長の変化を表わした説明図である。図中の破
線６２は、従来の重クロム酸ゼラチンホログラムの実測
値であり、Ｅ＋ｗｉｌ冑ｊ、Ｐ、Ｓｃｈｗｅｉｃｈｅｒ
ｉ　”Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　１ｎｄｕｓｔｒｉａｌａｐ
ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｌｌ０Ｅｓ　ｉｎ　ｄｉ
ｓｐｌａｙ　ｓｙｓｔｅｍ”、５ＰＩＥＶｏ１．６００
（１９８５）　７３ページに記載のものである。

垂直入射時に６５５ｎｍであった中心波長は、入射角６
０°では５３５ｎｍにまで減少してあり、又入射角を１
０増加させて入射角６１０としたとき、中心波長は３ｎ
ｍ減少して５３２ｎｍとなる。この結果、波長移動係数
Ｖは Ｘ１８０ ””５３５　ＸＩ　ｘｙｒ＝　’・３２となる。

一方、実線６１は本発明に係るポリ−Ｎ−ビニルカルバ
ゾールを主体とし、増感材としてＣＩ。

を用いたホログラム記録材料に記録された回折格子を用
いたときの値である。入射角６０’に対して中心波長が
５６６ｎｍであるのに対し、入射角が６１°に増加する
と中心波長は１．９ｎｍ減少し、この結果波長移動係数
Ｖは と、従来例に対して０．５９倍に減少している。

このポリ−Ｎ−ビニルカルバゾールを主体とするホログ
ラム記録材料を用いて作製した反射体積型の位相格子は
、例えば平均屈折率が１．６５以上と高いことに加え、
波長分散、即ち光の波長が短くなるに従い屈折率が増加
する量が他の光学材料と比較して大きい為、波長移動係
数を小さくするのに有効である。

この為、本実施例においては回折格子の見かけの屈折率
が１．５９〜１．８の範囲内に設定し、これにより曲線
６１に示すような特性の回折格子を得ている。

ここで見かけの屈折率とは回折光の中心波長がブラック
条件で定まると仮定したときに平均屈折率ｎとして用い
られる値である。

即ち、回折格子への入射角をθ、波長をλ、格子面間隔
なｄ、平均屈折率をｎとしたとき、λ＝２ｎｄ−ｃｏｓ
　θ より求められる値である。

このように本実施例ではｉｉ察角の大きい領域でピーク
回折波長λはブラック波長λ８を与える式 ％式％ （但し、ｎ（λ）は屈折率、ｄは格子面間隔φ′は光束
が格子面法線となす角である。）よりも長くなり、波長
の変化量が少なくなり波長移動係数■を小さくしている
。

（発明の効果） 本発明によればホログラフィックな回折格子を用いて反
射回折に基づく表示素子からの画像情報と該回折格子を
通過した光束に基づく前方視野の画像情報双方を観察方
向が変化した場合であっても、波長移動係数を前述の如
く小さくなるように各要素を設定することにより、広い
視域を有しつつ、明るい状態で良好に観察することので
きるヘッドアップディスプレイ装置を達成することがで
きる。

特に本発明によれば従来の重クロム酸ゼラチン記録材料
を用いては防止することが難しかった観察位置の変動に
よるピーク回折波長の変動を少なくシ、又左右非対称な
光学配置による左む両眼に対する表示波長の差を少なく
し、両眼の明るさのバランスを良好に保つことができる
といった特長を有している。

この結果、単色性の良いＣＲＴ等の表示素子を用いた場
合でも広い視域を確保しつつ前方視野を明るく観察する
ことができるといった特長を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の要部概略図、第２図は本
発明に係る回折格子の観察方向に対するピーク回折波長
との関係を示す説明図、第３図は本発明に係る回折格子
の分光特性の説明図、第４図は本発明の第２実施例の要
部概略図、第５図（＾）、（Ｂ）は本発明の第２実施例
に係る回折格子の表示波長を示す説明図、第６図は本発
明に係る回折格子の反射回折光のピーク波長の変化を示
す説明図である。 図中、１０１は光束結合素子、３５は回折格子、３４．
３６は透明基板、３１は表示素子、３２は光学系、３０
は駆動回路、５１は観察者、１０２は前方視野、５１Ｌ
、５１Ｒは各々観察者の左眼と右眼である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）表示素子からの光束を体積位相型の回折格子で反
   射回折させると共に該回折格子の背後の画像情報からの
   光束を該回折格子を通過させるようにして、該表示素子
   を該画像情報に空間的に重畳させて該表示素子と該画像
   情報を同一視野で観察するようにしたヘッドアップディ
   スプレイ装置において、該回折格子におけるピーク回折
   波長をλ、該回折格子の観察方向を角度Δθ変化させた
   ときの該ピーク回折波長の変化量をΔλとし、波長移動
   係数ＶをＶ：Δλ／（λ・Δθ）とおいたとき Ｖ＜０．２ となるように各要素を設定したことを特徴とするヘッド
   アップディスプレイ装置。
2. （２）前記体積位相型の回折格子はその材質の見かけの
   屈折率が１．５９〜１．８の範囲内であることを特徴と
   する請求項１記載のヘッドアップディスプレイ装置。