JPH05134209A - ヘツドアツプデイスプレイ装置及びそれを用いた車両 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い可視光透過率の画像情報と高い輝度の表
示情報が得られるヘッドアップディスプレイ装置を得る
こと。 【構成】 表示素子からの光束を透明板に挟んだ回折格
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、該回折格子は最大回折効
率η_P を与える波長と該最大回折効率η_P の半値を与え
る波長との幅をΔλとしたとき Δλ≦０．０１８４９η_P ²−３．０１２７η_P ＋１３
９．６７５８ を満足していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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
装置及びそれを用いた車両に関するものである。

【０００２】

【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（コンバイナ）を用いて表示素子からの表示
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。

【０００３】このうち反射型の回折格子として、特にホ
ログラフィックな回折格子（以下「回折格子」）と総称
する。）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からの表示情報と前方視野の画像
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
特徴を有している。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４２１８１
１１号に提案されている。

【０００４】又、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に用いられる回折格子は種々の方
法で製作されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般にヘッドアップデ
ィスプレイ装置においては、安全確保のため前方視野は
明るく表示情報の輝度は高いことが望ましい。ハーフミ
ラーのコンバイナを用いた場合、表示素子の表示情報の
輝度はハーフミラーの反射率に依存し、又前方視野から
の画像情報の輝度はハーフミラーの可視光透過率に依存
する。即ち上記２つの性能は相反するものであり、これ
らを両立させることは大変困難である。

【０００６】しかし、回折格子の回折効率は波長選択性
をもたせられるため、表示素子の発光スペクトル付近の
み回折効率を上げて、それ以外の波長域では高透過率を
得るように設計することができる。

【０００７】このような回折格子の波長選択性を利用し
たヘッドアップディスプレイ装置が例えば米国特許第
４，６５５，５４０号で提案されている。

【０００８】図１０は同号で提案されているヘッドアッ
プディスプレイ装置の概略図である。このヘッドアップ
ディスプレイ装置は航空機用に設計され、フロントガラ
スと別体式の２枚のコンバイナ３３，３４と表示情報を
投影するための投影光学系３２から構成している。同図
ではコンバイナを２枚使用しているのは視域拡大のため
で、その他の性質は１枚のみ使用する場合と差異がない
と考えられる。

【０００９】図１０において、３１は種々の表示情報を
コンバイナに投影するための表示素子で、高輝度のＣＲ
Ｔによって構成されている。表示素子３１の表示情報の
光束は投影用レンズ３２や反射鏡Ｍ１等によってコンバ
イナ３３，３４の方向へ導光される。コンバイナ３３と
３４はいずれも反射型の回折格子３５，３６を挟持して
おり、表示情報の光束を操縦者３０の方向に回折させる
作用がある。

【００１０】該回折格子３５，３６は前記の波長選択性
を有するため、外界の光景は十分透過し、特定波長の光
束のみ反射する性質がある。従って、操縦者３０は表示
素子３１の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ことが出来る。

【００１１】図１１は図１０に示す表示素子３１の発光
スペクトル３７とコンバイナ３３に挟持される回折格子
３５の回折効率特性３８である。表示素子３１は高輝度
のＣＲＴを用いているので分光放射輝度分布がシャープ
で半値幅が狭い。さらに発光のピークが大小２つ存在す
る。よって回折格子の回折効率特性は発光スペクトルの
それぞれのピークを含むように２つのピークを有してお
り、表示情報は高い輝度を実現している。

【００１２】このように、高性能のヘッドアップディス
プレイ装置を作製するためには、表示素子の発光スペク
トルの特性をもとに回折格子の波長選択性を適当な条件
に決定する必要がある。例えば、図１１に示す表示素子
よりも発光スペクトル分布の広がりが大きく輝度の低い
ＶＦＤ（蛍光表示管）等を用いた場合は、回折格子の回
折効率特性として発光スペクトルをすべて含むよう考慮
すると、表示情報の輝度は高くなるが可視光透過率の低
下を生じる。このために、安全性の上で問題となる。

【００１３】従って、高い可視光透過率と高い輝度を両
立させるために、個々の表示装置の発光スペクトルに対
応してうまくバランスがとれるような回折格子の条件を
探索することが必要である。さらに、コンバイナに使用
する回折格子の回折効率特性は前記波長選択性（回折効
率の波長依存性）とともに角度依存性を有し、すなわ
ち、表示素子からの光束の入射角が変わると回折波長の
ピーク値が変わり、分光透過率が変化する。このため可
視光透過率も入射角によって変化してしまい、表示素子
の位置に応じて回折格子の特性（回折効率、回折波長の
ピーク値など）を再設計し、再製作することが必要であ
った。

【００１４】本発明は回折格子の製造条件を決定するた
めの重要なパラメータである最大回折効率と半値幅を適
切に設定し、ヘッドアップディスプレイ装置の設計主要
因である表示素子からの光束の入射角によらず、高い可
視光透過率で画像情報の観察と高輝度の表示情報の観察
が可能なヘッドアップディスプレイ装置及びそれを用い
た車両の提供を目的とする。

【００１５】

【課題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透明板に挟ん
だ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
折格子は最大回折効率η_P を与える波長と該最大回折効
率η_P の半値を与える波長との幅をΔλとしたとき Δλ≦０．０１８４９η_P ²−３．０１２７η_P ＋１３９．６７５８ を満足していることを特徴としている。

【００１６】特に前記表示素子を波長５０５ｎｍ前後に
分光放射輝度分布のピーク波長を有する蛍光表示管又は
液晶表示素子より構成したことや、前記透明板の少なく
とも一方は着色ガラスであること等を特徴としている。

【００１７】この他本発明のヘッドアップディスプレイ
装置としては、表示素子からの光束を透明板に挟んだ回
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、該表示素
子は発光スペクトルが波長５０５ｎｍ近傍にピークを有
しており、該回折格子の中心に該表示素子からの光束が
略垂直に入射しており、該回折格子からの反射回折角が
略６５度であることを特徴としている。

【００１８】特に前記回折格子は最大回折効率η_P を与
える波長と該最大回折効率η_P の半値を与える波長との
幅をΔλとしたとき Δλ≦０．００１１１９η_P ²−２．３９５８η_P ＋１７９．６５５５ を満足していることを特徴としている。

【００１９】

【実施例】図１は本発明のヘッドアップディスプレイ装
置の要部概略図である。図１３は図１のヘッドアップデ
ィスプレイ装置を車両の一部に適用したときの概略図で
ある。

【００２０】図１、図１３において１０１はコンバイナ
（光束結合素子）であり、例えば、自動車電車等の車両
のフロントガラス１０４に一体化されて、水平方向に対
して所定の傾きを持って配置している。１０は所定の格
子ピッチＰの反射型の体積位相型の回折格子である。本
実施例では回折格子１０は着色ガラス１１、フロートガ
ラス（透明板）１２で挟持され、接着剤１３で固着さ
れ、これらの各部材１０，１１，１２は一体化され、こ
れによりコンバイナ１０１を構成している。コンバイナ
１０１の外側の着色ガラス１１は運転者１０３の眼１６
を保護すると同時に回折格子１０を紫外線等から保護す
る役割も有している。尚、着色ガラス１１を透明板より
構成しても良い。

【００２１】１４は表示素子で、例えばＶＦＤ（蛍光表
示管）等からなり、駆動回路１５により駆動し所定の表
示情報が表示されている。１０２はコンバイナ１０１の
前方視野の景色等の画像情報である。

【００２２】本実施例では表示素子１４からの光束を回
折格子１０で反射回折させて観察者１６の方向に導光し
ている。また、該回折格子１０はレンズ作用も有するよ
うに作製されており、これにより該表示素子１４面上の
表示情報１７を回折格子１０の前方遠方に画像情報１０
２に空間的に重畳させて双方の情報を観察者１０３の瞳
１６で同一視野で観察している。表示素子１４からの光
束はコンバイナ１０１の中心に向かって３１．５°の角
度で入射し、観察者の瞳１６の方向である６５°の方向
に回折光を生じる。ここで光束の入射角・出射角はコン
バイナ１０１の面法線からの角度である。

【００２３】図２は本実施例の回折格子１０の作製方法
の一実施例の概略図である。同図においてアルゴンイオ
ンレーザー２０１からの波長５１４．５ｎｍの光束はハ
ーフミラー２１により二分割され、ミラー２２ａ，２２
ｂによって入射角を調節した後、一方の光束Ｌａは対物
レンズ２３とコリメーターレンズ２４によって平行光束
に、変換し、もう一方の光束Ｌｂは対物レンズ２５によ
って発散光束に変換し、屈折率１．５の感光材料２０２
上に各々導光し、感光材料２０２干渉縞を形成してい
る。

【００２４】本実施例では二光束Ｌａ，Ｌｂの感光材料
２０２への入射角をそれぞれ２８．１９°と５９．７１
°として露光すれば前記所定の回折格子（ホログラム）
が得られる。この二光束の干渉縞はガラス基板等支持体
２６上に塗布された感光材料２０２に露光され、現像工
程を経て回折格子（ホログラム）を得る。ホログラム用
の感光材料としては重クロム酸ゼラチンやポリビニルカ
ルバゾール（ＰＶＣ_Z）、フォトポリマー等が使用でき
る。

【００２５】尚、本実施例では感光材料２０２の屈折率
は干渉縞記録時と再生時で不変とするが、屈折率の変化
が有る場合でも記録光束の入射角を適宜変更することに
よって同様のものが作製できる。

【００２６】図１において表示素子１４からの光束は一
般に波長５０５ｎｍ付近に発光波長の中心を持つ緑色を
有している。

【００２７】図３は本実施例に使用した表示素子１４と
して用いた蛍光表示管（ＶＦＤ）の発光スペクトルであ
る。

【００２８】一般に自動車用のフロントガラスは安全
上、垂直に入射する可視光に対する可視光透過率が７０
％以上であることが望ましく、回折格子を挟持している
コンバイナ全体においてもこの条件を満足していれば使
用上差し支えない。

【００２９】尚、可視光透過率とは可視域の任意の波長
におけるコンバイナの透過率を人間の眼の比視感度等を
考慮しながら可視域全体にわたって積分したものであ
る。任意の波長λにおける回折格子の回折効率をη
（λ）、任意の波長λにおける合わせガラスの透過率を
Ｔ_g （λ）とすると任意の波長における回折格子の透過
率Ｔ（λ）は Ｔ（λ）＝Ｔ_g （λ）＊（１−η（λ））＊１００（％） となる。よって回折格子の可視光透過率はＴ_g （λ）と
η（λ）より計算することができる。透過率Ｔ_g （λ）
は実際のガラスについて測定したデータを用いる。

【００３０】本実施例に用いた回折格子１０はブラッグ
回折を生じる体積型位相格子であるので、入射角依存性
も有している。このことは分光透過率を測定する際、回
折格子の波長に対する回折効率特性が変化することを意
味し、特に、最大回折効率を与える波長λ_P が入射角に
依存して変化することを意味する。

【００３１】図４は本実施例で用いる回折格子について
垂直に入射する光束で測定された回折効率特性（分光反
射率に相当する）である。図４は最大回折効率８０％の
例を示してある。

【００３２】本実施例の回折格子では垂直に入射する光
束で測定された波長選択性（分光反射率に相当する）は
λ＝５７０．０ｎｍの時に最大になる（図４）。よって
最大回折効率を与える波長λ_P ＝５７０．０ｎｍ、最大
回折効率η_P 、半値幅Δλという特性を持った回折格子
について最大回折効率η_P ＝０〜１００％半値幅Δλ＝
５〜１００ｎｍの範囲で変化させて可視光透過率を計算
する。図５は、本実施例で可視光透過率７０％となる時
の最大回折効率η_P と半値幅Δλの関係をグラフにした
ものである。図５のグラフ中斜線部分は可視光透過率７
０％以上となる条件の範囲である。

【００３３】こうして求めた最大回折効率η_P と半値幅
Δλの関係を最小二乗法により２次関数の形で近似する
と、 Δλ≦０．０１８４９η_P ²−３．０１２７η_P ＋１３９．６７５８ となる。回折格子が上記条件式を満足すれば、高透過率
と高輝度の表示情報を両立させるヘッドアップディスプ
レ装置が構成できる。

【００３４】そこで本実施例では最大回折効率η_P ＝８
５％、半値幅Δλ＝１８ｎｍを満足する回折格子を用い
て良好なるヘッドアップディスプレイ装置を構成してい
る。この最大回折効率η_P は、ホログラム製作時の焼付
け露光量、現像時間等を制御して実現しており、半値幅
Δλはホログラムの記録媒体層の厚みを制御することに
より実現している。

【００３５】次に本発明の実施例２について説明する。
基本構成は図１と略同じであるが本実施例では表示素子
１４からの光束の回折格子１０に入射する入射角を実施
例１の３１．５°から４５°へ変更している。ここでは
特にその差異である回折格子の光学特性について詳しく
説明する。

【００３６】本実施例では入射角４５°で使用する回折
格子について実施例１と同様の計算を行う。図６は本実
施例に用いる回折格子について垂直に入射する光束で測
定された回折効率特性（分光反射率に相当する）であ
る。図６は最大回折効率８０％の例を示してある。

【００３７】本実施例の回折格子では図６に示すように
垂直に入射する光束で測定された波長選択性（分光反射
率に相当する）は波長λ＝５９７．９０ｎｍの時に最大
になる。よって最大回折効率η_P を与える波長λ_P ＝５
９７．９０ｎｍ、最大回折効率η_P 、半値幅Δλという
特性を持った回折格子について実施例１と同じ範囲で最
大回折効率η_P と半値幅Δλを変化させて可視光透過率
を計算する。

【００３８】図７は本実施例で可視光透過率７０％とな
る時の最大回折効率η_P と半値幅Δλの関係をグラフに
したものである。グラフ中斜線部分は可視光透過率７０
％以上となる条件の範囲である。

【００３９】こうして求めた最大回折効率η_P と半値幅
Δλの関係を最小二乗法により２次関数の形で近似する
と、 Δλ≦０．０１８４０η_P ²−３．０９８１η_P ＋１５１．７４３９ となる。

【００４０】そこで本実施例ではη_P ＝８５％、Δλ＝
２２ｎｍを満足するコンバイナを用いて良好なるヘッド
アップディスプレイ装置を構成している。この条件は回
折格子の作製上、実施例１に比べてより達成しやすい条
件である。

【００４１】次に本発明の実施例３について説明する。
基本構成は図１の実施例１と略同じであるが本実施例で
は表示素子１４からの光束の回折格子１０への入射角を
０°としている。

【００４２】次に本実施例２と同様に回折格子の光学特
性について説明する。

【００４３】本実施例では入射角０°で使用する回折格
子について実施例１と同様の計算を行う。図８は本実施
例に用いる回折格子について垂直に入射する光束で測定
された回折効率特性（分光反射率に相当する）である。
図８は最大回折効率８０％の例を示してある。

【００４４】本実施例の回折格子では垂直に入射する光
束で測定された波長選択性（分光反射率に相当する）は
波長λ＝５０５．０ｎｍの時に最大になる。よって最大
回折効率η_P を与える波長λ_P ＝５０５．０ｎｍ、最大
回折効率η_P 、半値幅Δλという特性を持った回折格子
について実施例１と同じ範囲で最大回折効率η_P と半値
幅Δλを変化させて可視光透過率を計算する。

【００４５】図９は本実施例で可視光透過率７０％とな
る時の最大回折光率η_P と半値幅Δλの関係をグラフに
したものである。グラフ中斜線部分は可視光部分は可視
光透過率７０％以上となる条件の範囲である。

【００４６】こうして求めた最大回折効率η_P と半値幅
Δλの関係を最小二乗法により２次関数の形で近似する
と、 Δλ≦０．０１１１９η_P ²−２．３９５８η_P ＋１７９．６５５５ となる。

【００４７】そこで本実施例ではη_P ＝８５％、Δλ＝
５５ｎｍを満足するコンバイナを用いて良好なるヘッド
アップディスプレイ装置を構成している。本実施例の条
件の範囲は実施例１（図５）と実施例２（図７）と比べ
て明らかに範囲が最大であり、回折格子の製作の条件が
それだけ緩やかになり、回折格子の製造上最も有利な条
件となる。

【００４８】

【発明の効果】ヘッドアップディスプレイ装置において
画像情報の高い可視光透過率と表示情報の高い輝度を両
立するための条件は表示素子からコンバイナへの入射光
束の角度等に依存している。

【００４９】そこで本発明は前述の如く回折格子の性能
を決定するための重要なパラメータである最大回折効率
と半値幅の関係式を導出し、これらを適切に設定するこ
とによりヘッドアップディスプレイ装置の設計要因であ
る入射角に依存せず、高い可視光透過率の画像情報と高
輝度の表示情報が得られるヘッドアップディスプレイ装
置を達成している。

【００５０】特に、表示素子として分光放射輝度分布の
広い（発光スペクトルの広い）、ＶＦＤや液晶表示素子
を用いる場合に本発明は非常に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のヘッドアップディスプレイ装置の
要部概略図

【図２】 図１の回折格子の作製方法の概略図

【図３】 表示素子ＶＦＤの発光スペクトル

【図４】 図１の回折格子について垂直に入射する光
束で測定された回折効率特性図

【図５】 図１で回折格子の可視光透過率が７０％と
なる時のη_P とΔλの関係図

【図６】 本発明の実施例２における回折格子につい
て垂直に入射する光束で測定された回折効率特性図

【図７】 本発明の実施例２で可視光透過率が７０％
となる時のη_P とΔλの関係図

【図８】 本発明の実施例３の回折格子について垂直
に入射する光束で測定された回折効率特性図

【図９】 本発明の実施例３で可視光透過率が７０％
となる時のη_P とΔλの関係図

【図１０】 従来のヘッドアップディスプレイ装置の概
略図

【図１１】 従来の表示素子の発光スペクトルと回折格
子の回折効率特性図

【図１２】 従来の回折格子の波長選択性とパラメータ
η_P とΔλの関係図

【図１３】 本発明のヘッドアップディスプレイ装置を
車両に適用したときの要部概略図

【符号の説明】

１０１ 光束結合素子（コンバイナ） １０２ 画像情報 ２０１ 運転者（観察者） ２０２ フトントガラス １０ 回折格子 １１ 着色ガラス １２ フロートガラス １３ 接着剤 １６ 瞳

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表示素子からの光束を透明板に挟んだ回
   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
   子は最大回折効率η_P を与える波長と該最大回折効率η
   _P の半値を与える波長との幅をΔλとしたとき Δλ≦０．０１８４９η_P ²−３．０１２７η_P ＋１３９．６７５８ を満足していることを特徴とするヘッドアップディスプ
   レイ装置。
2. 【請求項２】 前記表示素子を波長５０５ｎｍ前後に分
   光放射輝度分布のピーク波長を有する蛍光表示管又は液
   晶表示素子より構成したことを特徴とする請求項１のヘ
   ッドアップディスプレイ装置。
3. 【請求項３】 前記透明板の少なくとも一方は着色ガラ
   スであることを特徴とする請求項１のヘッドアップディ
   スプレイ装置。
4. 【請求項４】 表示素子からの光束を透明板に挟んだ回
   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、該表示素
   子は発光スペクトルが波長５０５ｎｍ近傍にピークを有
   しており、該回折格子の中心に該表示素子からの光束が
   略垂直に入射しており、該回折格子からの反射回折角が
   略６５度であることを特徴とするヘッドアップディスプ
   レイ装置。
5. 【請求項５】 前記回折格子は最大回折効率η_P を与え
   る波長と該最大回折効率η_P の半値を与える波長との幅
   をΔλとしたとき Δλ≦０．００１１１９η_P ²−２．３９５８η_P ＋１７９．６５５５ を満足していることを特徴とする請求項４のヘッドアッ
   プディスプレイ装置。
6. 【請求項６】 請求項１又は４の前記ヘッドアップディ
   スプレイ装置を構成する回折格子を車両のフロントガラ
   スの一部に設け、その他の要素を車両の一部に設けたこ
   とを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置を用いた
   車両。