JPH036514A - 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風景等の画像情
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イスプレィ装置に関するも
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格子、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イスプレィ装置と呼ばれ各分野で多
用されてぃる。

例えば自動車や航空機等の車両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。

このうち反射型の回折格子、特にホログラフィックな回
折格子を用いたホログラフィックヘッドアップデイスプ
レィ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という特長を有して
いる。

このようなホログラフィックヘッドアップデイスプレィ
装置に用いられるホログラフィック回折格子（以下「回
折格子」と総称する。）は種々の方法で製作されている
。

このうち格子面に対して傾いた格子を有した回折格子を
焼付光学系（ホログラム焼付光学系）により製作する場
合に記録材料と透明基板の境界面の反射防止が不十分で
あると記録材料に目標とする反射型の回折格子の他に不
要回折光を発生させる原因となる透過型の回折格子も同
時に記録されてしまう。

このときの透過型の回折格子の透過回折効率がある程度
高くなると前方視野から強度の強い光、例えば太陽や街
路灯、対向車のヘッドライト等の光源体からの光が入射
したときに不要な透過回折光が生じて前方視野の画像情
報に重畳して該光源体の回折像が同時に観察されてしま
うという問題点が生じてくる。

従来の焼付光学系ではこのような不要の透過型の回折格
子が記録材料層に記録されないように記録材料近傍に配
設された境界面の反射率が小さくなるように種々の手段
をとっている。

例えば米国特許第４，４５８，９７４号では透明基板と
して記録材料となるべく屈折率が等しい透明基板を用い
、かつ透明基板及び記録材料を双方の屈折率と略等しい
屈折率のインデックスマツチング液中に配置して記録材
料への露光を行っている。

この他、透明基板と空気との境界面に反射防止コーティ
ングを行ない、かつ反射防止コーティングを行ったカバ
ーガラスを記録材料面に対向して保持し、インデックス
マツチング液を記録材料とカバーガラス間に注入して露
光を行った方法も提案されている。（橋本礼耳他、光学
、第１６巻（１９８７）、４４２〜４４３）。

（発明が解決しようとする問題点） これらの焼付光学系はインデックスマツチング液が記録
材料に接触することから、液体の流れによる干渉縞のコ
ントラストの低下、液体を次の工程で除去する必要性、
記録材料の感度の低下、表面の荒れ、膨潤による悪影響
等の種々の問題点があった。

又、一般に液体は固体に比較して屈折率の温度依存性が
大きい。この為、良好なる回折格子を得るには少なくと
も０．０８、好ましくは０．０４以内の屈折率の一致度
を達成する必要があり、この為液体の温度及び組成の厳
密なる制御が必要となってくる等の問題点があった。

本発明は回折格子の製作時にインデックスマツチング液
の使用を不要とし、又記録材料に回折格子を焼付は形成
する際の各光学要素の屈折率の合致度が低い場合であっ
ても透過回折光の回折偏向角が２０度以上となるように
各要素を設定することにより、良好なる機能を発揮する
ことのできる回折格子を利用した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、該表示素子の表示情報を該画像情報に空間
的に重畳させて該表示情報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イスプレィ装置におい
て、該回折格子は波長０．４５〜０．６６μｍの波長域
の光に対して０．４％以上の１次透過回折効率を有して
おり、かつ面内格子ピッチをＰ、観察方向と該回折格子
の取付面法線とのなす角をφ、該波長域の任意の波長λ
の光に対して Ｐ≦λ／（ｓｉｎφ−ｓｉｎ　（φ−２０’））Ｐ≧λ
／（１＋ｓｉｎφ） なる条件を満足する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り、例え
ば自動車搭載用のヘッドアップデイスプレィ装置を示し
ている。

同図において１０１は光束結合素子であり、所定の格子
ピッチ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２つの透明基板３３．３４で
挟持され接着剤３６で固着されこれらの部材３３，３４
．３５は一体化されている。

３１は表示素子であり、例えば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。

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９９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
の情報を観察者の瞳５１で同一視野で観察している。

９０は強い光を放射する太陽光、街路光、対向車のヘッ
トライト等の所定の高さに位置する光源体である。９８
は光源体９０からの光束が回折格子３５により透過回折
されて生じる回折像である。即ち、回折格子３５が形成
されている記録材料層内に反射型回折格子の他に後述す
るように反射型回折格子の面内格子ピッチと同一のピッ
チを有した不要な透過型回折格子が形成されているとき
に、該透過型回折格子で透過回折された光に基ついて形
成されるヘッドアップディスプレイ装置として不要な回
折像である。

透過型回折格子に基づく不要な回折像９８は透過回折効
率がある程度、例えば０．４％程度以上あると反射型回
折格子に基づく表示情報９９と共に同一視野で観察され
るようになってくる。このような回折像９８は前方視野
の画像情報１０２や表示素子３１に基づく表示情報９９
の観察の妨げとなってくる。

そこで本実施例においては航述の如く回折格子の面内格
子ピッチを設定することにより不要な回折像９８が表示
情報９９の観察の際には見えないようにしている。

具体的数値として、この回折格子が面内ピッチ０．７７
８μｍで、格子線が左上から右下に４５°の方向に走っ
ているとする。今、表示素子３１から波長０．６μｍの
光８４が発せられている。この光束８４はホログラム面
３５に入射角３３．１°で水平面から３２．６°下方よ
り入射し、観察者の瞳５１に向かう。

一方、太陽９０は外景１０２の上方３００からホログラ
ムを照明している。ここでホログラム面３５は垂直面に
対して３０°傾いているものとする。この結果、太陽９
０からの波長０．５５μｍの光束８０は垂直方向からホ
ログラム面３５に入射し、回折光８１はホログラム面３
５と４５０の方向に水平面内で３０°観察方向となす方
向に回折光を生じる。この結果、太陽９０の透過回折像
９８は外景１０２と大幅に異なる位置にその回折像を生
じる。回折像９８の生じる位置は水平方向に３０°と大
きく外れているので通常の大きさのホログラム３５の外
に外れてしまい、有害とはならない。

第５図は本発明の如く面内格子ピッチＰを有しない回折
格子を用いたときの従来のヘッドアップデイスプレィ装
置の概略図である。

同図において第１図に示した要素と同一要素には同符番
な付している。

同図では水平面と１８°をなす太陽等の光源体９０から
の光か回折格子３５で透過回折し表示素子３１に基づく
表示情報９９の表示方向と同一方向に不要な回折像９８
となって現われている状態を示している。

ここで回折格子３５の面内ピッチＰは２．８μｍで水平
面と３０°の角度に配置され、波長０．５５μｍの光源
９０からの光８０は水平方向に回折され、表示情報９９
と重なる。

方、表示素子３１からの波長０．５４６μｍの光束は入
射角４２．１°でホログラム３５に入射し回折角φ＝６
０°で射光する。角度１８０の位置に置かれた光源９０
は自動車の走行時に移動速度が低く、このため回折像９
８は長時間にわたり前方視野の妨げとなる。

第３図は本発明に係る回折格子を記録材料層に形成する
一実施例の光学系の要部概略図である。

同図に右いて波長４８８ｎｍあるいは波長５１４．５ｎ
ｍの不図示のレーザーから分割された複数の光束のうち
一方の光束は偏光調整素子２０２を通り、顕微鏡対物レ
ンズ４で発散光束１０３となり記録材料５１に入射する
。

感光材料５１は透明基板５０上に塗布されていて、透明
基板５０とプリズム４５はインデックスマツチング液４
７を介して接合されている。

光束１０３は記録材料５１を通過した後、透明基板５０
、インデックスマツチング液４７、プリズム４５を通り
空気中に射出する。今、各々の光学要素の屈折率が略等
しいか、又は境界面に良好なる反射防止膜が施されてい
るときは光束１０３に関しては境界面より有害な反射光
は生じず記録材料５１には単一の光束が射する。

又、プリズム４５の射出面が光束１０３の進行方向に対
して適当な角度傾いている場合には、たとえ反射光が生
じても、該反射光は記録材料５１の焼付有効面の外にな
り、やはり有害な反射光とはならない。

又、分割された複数の光束のうち他方の光束は偏光調整
素子２０１を通り、顕微鏡対物レンズ７、コリメーター
レンズ９により略平行光束となってプリズム４５に入射
し光束１０６となる。

光束１０６はインデックスマツチング液４７と透明基板
５０を通過し記録材料５１に入射する。

記録材料５１に入射した光束１０６のうち一部は境界面
４９を透過し、他は空気との境界面４９で反射して光束
１０７となり記録材料５１、透明基板５０、インデック
スマツチング液４７、そしてプリズム４５を通り空気中
に射出する。

同図に示す焼付光学系においては光束１０３と光束１０
６とは互いに干渉し、この結果記録材料５１に第４図（
Ａ）に示すような面内格子ピッチＰの反射型回折格子３
５が形成される。

又、第３図において光束１０６のうち記録材料５１の空
気と接触している境界面４９で比較的強く反射した反射
光１０７は光束１０６と干渉し、記録材料５１中に表面
に平行な回折格子を形成する。更に反射光１０７は光束
１０３とも干渉し、記録材料５１中に第４図（Ｂ）に示
すような面内格子どツチＰの透過型回折格子３５ａを形
成する。

これらの２種類の回折格子のうち前者の表面に平行な回
折格子は使用の際に透明基板５０の表面反射と同一の位
置に反射像を生じるのでヘッドアップディスプレイ装置
としての表示情報には悪影響を及ぼさない。

又、この回折格子は偏光調整素子２０１により光束１０
５の偏光状態を調整することにより干渉縞の強度を十分
低下させることができるのであまり問題とならない。

例えば第３図において光束１０６と光束１０７との進行
方向は略直交している為、光束１０５を面内で振動する
直線偏光とすることにより干渉縞の発生を防止すること
ができる。

これに対し光束１０３と光束１０６との干渉により形成
される本発明の対象とする反射型回折格子３５からの回
折光の強度を低下させずに光束１０６と光束１０７との
干渉により形成される。

本発明では不要な透過型回折格子３５ａから−の回折光
の強度のみを減少させることは大変能しい。

この結果、第４図（Ａ）　、　（Ｂ）に示す如く、どう
しても記録材料５１内に反射型回折格子３５を形成する
際、反射型回折格子の面内格子ピッチＰと等しい面内格
子ピッチＰの透過型回折格子３５ａが形成されてしまう
。

従来のヘッドアップディスプレイ装置で用いている回折
格子はその面内格子ピッチが比較的大きく、例えば１０
μｍ以上である。この為、前方視野の光源体９０のすぐ
近くに透過回折による回折像が生じてくる。この結果、
例えば夜間の対向車のヘットライトによる透過回折によ
る回折像が前方視野に重なってくる為、透過型回折格子
の回折効率を極度に低下させるようにしている。例えば
透過回折効率を１％以下、好ましくは０．４％以下とな
るようにしている。

これに対して本実施例では面内格子ピッチを小さくし、
表示面内に不要な回折像が形成されないようにしている
為、透過型回折格子による回折像の存在の影響は少ない
。即ち、第１図において外部より入射し回折格子３５で
透過回折し観察者５１に向かう光の偏向角度θが大きい
と、例えば走行している車両に対して光源体９０は高速
度で移動し、回折像９８は一瞬にしか生じない為、前方
視野の画像情報に対する障害はあまり生じない。

本実施例において種々と検討した結果、偏向角度θは少
なくとも２０度以上、望ましくは２５度以上あれば車両
の運転の支障とならないことがわかった。又透過型回折
格子は可視領域の光の中でも波長４５０ｎｍ〜６５０ｎ
ｍの光に対する回折光が主に有害となってくる。それ以
外の波長の回折光は眼の視感度が比較的低い為あまり問
題となってこない。

本実施例において回折格子３５の面内格子どツチＰ、光
の波長λ、観察方向が格子面（回折格子３５）の法線方
向となす角φ、偏向角度θとしたとき ｓｉｎφ−ｓｉｎ　（φ−θ）＝λ／Ｐなる式が成立す
る。この為、本実施例においては前述の理由により偏向
角度θが２０度よりも大きい為の条件として Ｐ≦λ／（ｓｉｎφ−ｓｉｎ　（φ−２０’））を満足
するように各要素を設定している。

−例としてλ＝０．５μｍ、φ＝６００であると Ｐ≦２．２４μｍ となる。

方、面内格子ピッチの値には空気中から回折格子３５に
入射する光か反射回折されて観察者５１に到達する為、
小さい側にも限界がある。

これは次式の条件で与えられる。即ち、Ｐ≧λ／　（１
＋　ｓ　ｉ　ｎφ） 例えばλ＝０゜５μｍ、φ＝６００とするとＰ２Ｏ，２
７μｍ となる。

本実施例では面内格子とッチＰが０．２７μｍ〜２．２
４μｍの範囲に設定し、これにより透過回折効率が０．
４％以上ある回折格子を用いても良好なる観察が可能な
ヘッドアップデイスプレィ装置を達成している。

第２図（Ａ）は本発明を自動車のフロントガラスに適用
したときの第２実施例の要部概略図である。本実施例で
は表示素子からの光束を光束結合素子に対して斜方向か
ら入射させて表示を行う場合を示している。

本実施例では回折格子の面内格子ピッチＰを前述の条件
式を満足するように設定し、これにより例えば対向車の
ヘッドライト３０．３１からの光束の透過回折光に基づ
く回折像４０Ｂ、４１Ｂか回折による偏向角度が２０度
以上となるようにして図示したように回折格子３５の外
に生じ表示素子３１に基づく表示情報と重ならないよう
にしている。

例えば今、回折格子３５が略左右方向に光を回折する場
合には、観察方向が格子面（回折格子３５）の法線方向
となす角度φをφ＝０度とおいて次式の範囲内に回折格
子の面内格子ピッチＰを設定している。

Ｐ≦０．５／ｓ　ｉ　ｎ２０’　＝１．４６　（μｍ）
Ｐ２Ｏ，５（μｍ） 尚、第２図（Ｂ）は回折格子の面内格子ピッチＰを本発
明の如く設定しない従来のヘッドアップディスプレイ装
置において対向車のヘットライト３０．３１からの光が
回折格子３５で透過回折して不要の回折像４０Ｒ，４０
Ｇ、４０Ｂ。

４１Ｒ，４１Ｇ、４１Ｂが回折格子３５内の表示素子３
１に基つく表示情報と重なって、運転者の障害となって
いる場合を参考例として示している。

（発明の効果） 本発明によれば回折格子からの反射回折光を利用して表
示素子の情報表示を行う場合、該回折格子による透過回
折効率が約０．４％以上あフても前述の如く面内格子ピ
ッチを適切に設定することにより、透過回折光による不
要な回折像が視野内（該回折格子内）に発生するのを防
止し、良好なる観察を可能とした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。

例えば上下方向の回折に対して面内格子ピッチを０．２
７〜２．２４μｍ、左右方向の回折に対して面内格子ピ
ッチを０．５〜１．４６μｍとすることにより各々良好
なるヘッドアップディスプレイ装置を達成している。

又、回折格子を製作する際、従来は記録材料を決定する
と、それに伴いインデックスマツチング液や透明基板の
屈折率等が定められたが、本発明によれば透明基板と記
録材料そしてインデックスマツチング液との屈折率差が
あまり問題とならない為、これらの選択の自由度を増す
ことができる等の特長を有している。これにより例えば
透明基板として光学ガラスであるＢＫ７に換えて白板や
青板等の一般ガラスの他にアクリル、ポリカーポ、ポリ
エチレン等のプラスチック基板等を使用することが可能
となる。

又、記録材料として重クロム酸ゼラチンやポリビニルカ
ルバゾールをはじめ焼付けときの記録材料の屈折率やイ
ンデックスマツチング液の屈折率を自由に選択すること
ができるという特長を有している。

特に本発明は記録材料表面に液体を接触させずに焼付光
学系を構成することができ、この場合には該記録材料に
対する化学的影響が全く無く、量産性に優れ、しかも良
好なる光学性能を有した回折格子を容易に得ることがで
きる等の特長を有している。

【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（Ａ
）は本発明を自動車のフロントガラスに適用したときの
第２実施例の要部概略図、第２図（Ｂ）は同図（Ａ）と
比較する為の従来のヘッドアップディスプレイ装置の概
略図、第３図は本発明に係る回折格子の製作方法の一実
施例の概略図、第４図（Ａ）　、　（Ｂ）は本発明に係
る回折格子が形成されている記録材料断面内における面
内格子ピッチの説明図、第５図は従来のベツドアップデ
イスプレィ装置の概略図である。 図中、１０１は光束結合素子、３５は回折格子、３３．
３４は透明基板、３６は接着剤、３１は表示素子、３０
は駆動回路、９０は光源灯、１０２は前方視野の画像情
報、９９は反射回折光による表示情報、９８は透過回折
光による回折像である。 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）表示素子からの光束を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、該表示素子の表示情報を
   該画像情報に空間的に重畳させて該表示情報と該画像情
   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、該回折格子は波長０．４５〜０．
   ６６μｍの波長域の光に対して０．４％以上の１次透過
   回折効率を有しており、かつ面内格子ピッチをＰ、観察
   方向と該回折格子の取付面法線とのなす角をφ、該波長
   域の任意の波長λの光に対して Ｐ≦λ／（ｓｉｎφ−ｓｉｎ（φ−２０°））Ｐ≧λ／
   （１＋ｓｉｎφ） なる条件を満足することを特徴とするヘッドアップディ
   スプレイ装置。 （２）前記回折格子の面内格子ピッチＰは ０．２７μ≦Ｐ≦２．２４μ なる条件を満足す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。