JPH0685027B2 - Ｌｅｄアレイ偏光画像源および０度ホログラム虚像ヘッド・アップ表示システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、ヘッド・アップホログラフ虚像表示装置に
関するものであり、特に乗物用のダイナミック虚像表示
装置に関するものである。

［従来の技術］ 乗物用のヘッド・アップホログラフ表示装置は乗物の前
方の風防の前方の位置に現れる虚像を提供し、運転者は
外部を見ることから注意を大きく逸らす必要がないため
安全性を増加させ、表示装置による故障の監視において
容易に注意を集中できる。

従来のヘッド・アップ表示装置は“静的”表示装置であ
り、それにおいては例えば自動車の風防における予め定
められたメッセージホログラム （例えば“低燃料”）
が適当な光源によって選択的に照明される。このような
静的表示装置では自動車の速度やエンジン速度のような
変化するパラメータを表示する能力がない。

従来のヘッド・アップ表示装置または“ダイナミック”
表示装置を含み、それにおいては可視画像は変化可能で
ある。一例を挙げれば、例えば変化する数値情報を表示
するために個々の可視セグメントの可視性を制御するよ
うに各ビームにより選択的に照明される自動車の風防に
おける個々のホログラムセグメントが使用される。しか
しながホログラムセグメントの使用は画像の解像度を低
下させ、周囲の散乱光を受け、周囲光の影響によるオン
への切替え（周囲光による生じるホログラム画像の意図
しないオンへの切替え）を生じる。この周囲光の影響に
よるオンへの切替えは誤った読取りを生じることから特
に重要であると考えられ、それは表示情報に異存するこ
とを潜在的に危険なものとする。さらに照明光源は注意
ぶかく整列され、整列状態が維持されなければならない
から、ダイナミック表示装置は複雑で、高価で、しかも
潜在的に信頼性に問題がある。

［発明の解決すべき課題］ それ故この発明の目的は、ダイナミックに変化し、明る
く、シャープな虚像を与える乗物用のヘッド・アップホ
ログラフ表示装置を提供することである。

この発明の別の目的は、ダイナミックに変化し、明る
く、シャープな虚像を与え、信頼性があり、複雑でない
乗物用のヘッド・アップホログラフ表示装置を提供する
ことである。

この発明のさらに別の目的は、ダイナミックに変化し、
明るく、シャープな虚像を与え、複雑な整列を必要とし
ない乗物用のヘッド・アップホログラフ表示装置を提供
することである。

［課題解決のための手段］ 上記の目的は、約50ナノメータより狭いスペクトル帯域
幅を有するダイナミックに変化する照明光像を生成する
手段と、観察可能な虚像を生成するように前記狭いスペ
クトル帯域幅の照明光像を反射させるために前記照明を
提供する手段のスペクトル帯域幅にわたって反射される
ように同調された特定の軸以外の入射角度範囲の入射光
を反射する傾斜しない０度反射鏡ホログラムとを具備
し、さらに前記照明光像を生成する手段はＰ偏光子を具
備している虚像表示システムによって達成される。

傾斜しない０度ホログラムはリップマンホログラム、或
いはリップマン・ブラッグ・ホログラムとも呼ばれてい
るホログラムであり、傾斜ホログラムに比較してフレア
のない鮮明な画像を得ることができ、視野も大きくする
ことができる。しかしながらガラスと空気の境界面にお
ける反射に基づくゴースト像を生成する欠点がある。こ
れは照明光像を生成する手段中に偏光子を設けて、ガラ
ス・空気境界面における反射の少ないＰ偏光を投射する
ことによって解決される。

この発明の目的および効果は添付図面を参照にした以下
の実施例の説明により当業者には明白であろう。

［実施例］ 第１図を参照すると、ダイナミック画像源20と反射鏡ホ
ログラム11を含むヘッド・アップダイナミックホログラ
フ表示システムが示されてる。実施例ではホログラフ表
示システムは第１図に示すように自動車中に設置され
る。画像源20はダッシュボード上またはダッシュボード
の凹部にあり、一方反射鏡ホログラム11は風防の内側と
外側のガラスの間に積層されている。

第２図を参照すると、ダイナミック画像源20が分解され
た形で示されており、それは表示されるべき記号または
文字を定める開口を有する有孔マスク13を備えている。
特定の例で説明すると、有孔マスク13はセグメント形状
の開口15を有し、それは自動車の速度を表示する（すな
わちデジタル速度計）ために使用される３桁の数字を決
定することができる。

画像源20はさらにマスクの下方に偏光子17を備え、それ
は偏光子17の下に配置されて選択的に付勢されたときダ
イナミックに変化する照明を与える発光ダイオード（以
下LEDという）19より照明されてＰ偏光を出力する。LED
19は例えば回路板21により支持され、その回路板21には
LED19用の適当な駆動回路（図示せず）が備えられてい
る。

第３図に示すようにLED19は有孔マスク13の開口15を照
射するように配置されている。LED19のレンズは所定の
セグメント形状の開口15用のLEDが連続的な光源で与え
られるように互いに近接して配置されるような形態であ
る。例えば２個の密接して取付けられたLEDが各セグメ
ント形状の開口15に対して設けられている。LED19のレ
ンズの形状は注文によって、或いは市販のLEDのレンズ
をカットして得ることができる。例えば自動車の速度を
表示するためのLEDの選択的付勢は反射鏡ホログラム11
にダイナミックな画像を与える。

LED19はフイルタおおび付随的な減衰を伴うことなく約5
0ナノメータより狭いスペクトル帯域幅の狭い照明コー
ンを与えることが好ましい。照明はスペクトル的に狭い
帯域であるから、反射鏡ホログラム11もまた狭帯域にす
ることができる。それはその帯域幅は適切な照明の広さ
だけが必要であるからである。狭帯域の反射鏡反射ホロ
グラム11によって、自動車の外部から来る光は顕著な反
射を示すことがなく、実質上背景の暗さおよび“ぼけ”
（広帯域の光源または広帯域のホログラムによって生じ
る）を避けることができる。

効率および画像の輝度のために、各LEDによって生成さ
れた照明コーンは観察する光学的距離において適当な大
きさのアイボックス領域内に実質上限定されるように充
分狭いことが好ましい。さらに説明すると、第４図に示
すようにLED19により出力されたビームを形成するため
に適当な球面または非球面光学素子を使用して虚像の大
きさを制御し、駆動装置に対する虚像の位置を制御し、
および、または適当なアイボックス領域内に実質上限定
することができる。

LED19により与えられた照明は予期される最も明るい状
態、例えば太陽光にさらされている状態で明瞭に見るこ
とができるような充分の輝度でなければならない。照明
コーン、帯域幅、および輝度特性はLED19の特定の製造
方法により得られ、或いは市販のLEDを適当に選択する
ことにより得られる。

特定の例で説明すると、市販のスタンレー社のＨ−3000
型LEDが使用できる。このLEDは約9.7度の全体幅の角度
の円錐にわたって光を出力し、25ナノメータ（nm）のス
ペクトル帯域幅を有する。9.7度の円錐の光は約36イン
チの典型的な光学的距離で観察するとき約６インチの直
径を有するアイボックスを生成する。

スタンレー社のＨ−1000型LEDは同様の照明コーンとス
ペクトル特性を有するが、任意の所定の電圧に対して照
射強度が低く、コストは低い。用途によっては照射強度
を低くすることが満足すべき結果を与える。それは必要
な明るさは明るい太陽光中の可視性により決められるか
らである。

必要ならばアイボックスヲ広げるために、および、また
は画像の均一性を改善するために高利得の拡散素子22が
LED19と偏光子19との間に配置されることもできる。可
能な高利得スクリーンは市販されており（オハイオ州の
シンシナティにあるDa−Lite Screens社のPolacoat15、
カリフォルニア州のパロ・アルトにあるProtolite社の
高利得レンティキュラースクリーン）、また微粉末ガラ
ス、フロスティ・スコッチブランドテープ、或いは電気
的に制御される可変散乱液晶層も使用できる。２個の空
間的に分離した高利得スクリーンの使用は画像の均一性
をさらに改善する。

拡散素子22を含む画像源20の画像強度をさらに増加する
ために3M社より市販されている光制御フィルムがマスク
13と偏光子17との間に配置されることができ、それは狭
い角度範囲内の光のみを通過させ、拡散素子22から反射
される周囲光を阻止することを助ける。

潜在的な眩しい反射を避けるために画像源20は、マスク
13を構成する前方部分、偏光子17、および拡散素子22が
傾斜されて放射光に垂直にならないように構成されてい
る。特に第１図に示されるように、画像源20の前面は時
計方向、すなわち前橋が高くなるように傾斜されてい
る。特定の例で示すとLEDが垂直方向の照明を与えるた
めに整列されるならば、画像源20の前面は水平でないよ
うに傾斜される。その結果生じる虚像の上部は運転者か
ら離れるように傾斜して現れる。

反射ホログラムは高い回折効率、傾斜しない干渉縞（０
度）の、適当なスペクトル帯域幅および画像源20の入射
角度にわたって反射されるように同調された狭帯域反射
鏡ホログラムである。例えば前記のＨ−3000型LEDに対
しては、ホログラムは特定の軸を外れた角度（すなわち
垂直に対してある角度）で入射する光に対して660ナノ
メータに中心を有する25ナノメータの公称スペクトル帯
域幅全体にわたって反射するように同調される。ホログ
ラムの干渉縞は次の理由で表面に対して傾斜しない。色
分散による画像のぼやけはホログラムのフレアーの問題
であり、入来するヘッドライトのような光源から視界中
に妨害する虹を発生するのは全て傾斜ホログラムに特有
の透過回折についての問題であるので避けることができ
る。

傾斜しない干渉縞ホログラムは上記のようにある種の問
題を避けることができるが、ホログラム反射と同じ方向
にある外面と内側のガラスと空気の境界面における反射
から生じる２重ゴースト像の問題を生じる。入射平面に
平行な偏光を与えるＰ偏光子17はこのゴースト画像を減
少させる。これは67度のような大きい入射角度のガラス
と空気の境界面における反射ではＳ偏光は高いけれど
も、Ｐ偏光は非常に低く、ガラスと空気の境界面に対す
る入射角度が約56度であるブリュースター角ではゼロ％
に低下することによるものである。

しかしながらＰ偏光照明の帯域幅に対するホログラム11
の帯域幅の同調についての透過性の問題がある。ホログ
ラムのピーク効率と、67度のような大きい入射角度での
スペクトル帯域幅はＳ偏光よりもＰ偏光のほうがずっと
少ない。例えば重クロム酸ゼラチンボリュームホログラ
ムによれば、660ナノメータおよび67度の入射角度にお
けるＰ偏光の帯域幅は39ナノメータであり、ピーク効率
は95％である。Ｓ偏光では、対応するスペクトル帯域幅
は約70ナノメータである。これはある透過に対する変色
が生じるが、妨害となるものではない。それはピーク波
長は可視スペクトル帯域の赤部分中にあるからである。
その効率および帯域幅により上記のスタンレー社のLED
の特性を有するLEDの大部分は反射される。２乃至３％
だけが外部のガラスと空気の境界面から観察者に反射さ
れ、この量の95％がホロクラムによって反射される。そ
れ故もしもホログラムが効率的であり、十分な帯域幅を
有しているならば、外部のガラスと空気の境界面からの
ゴースト像は実質上消去される。内部のガラスと空気の
境界面からのゴースト像はホロクラム反射の輝度の２乃
至３％に過ぎない。

使用において、観察者は背景周囲光輝度の約50％に主画
像輝度を低下させると考えられる。その場合に前面ガラ
スと空気の境界面からのゴースト像は周囲光輝度の約１
％にすぎず、妨害とはならず、恐らく目立たないであろ
う。さらに風防の１層は典型的には70乃至90ミルの厚さ
であり、ゴースト像は主像に対してほんの少し変位する
だけであるから、ゴースト像の認識性はさらに減少され
る。

以上説明した反射鏡ホログラムは11は自動車中で使用さ
れるのに有効な物性を具備している。67度の入射角度に
おける660nmの波長におけるピーク反射性により、公称
のピーク発射性は803nmの波長であるから現在の公的機
関の透過性基準を満足させる。ホログラムは風防内に設
置されるから、公的基準による風防磨耗に対する条件に
も合致する。風防の眩惑させるような反射は問題になら
ない。それはホログラムは高いピーク波長を有し、狭帯
域であり、風防全体にわたるものではない小部分である
からである。ホログラムを風防内に設置する結果とし
て、透過歪みは最小であり、ホログラムの縁部は目立た
ない。またホログラム11は画像ホログラムにより生じる
周囲光によるオンへの切替えや周囲光散乱に影響されな
い。さらに道路からの眩しい反射がある厳しい観察状態
下でも、表示装置は高度に可視性がある。道路からの眩
しい反射は主としてＳ偏光であり、通常偏光眼鏡はＳ偏
光を素子するように設計されている。それ故表示装置か
らのＰ偏光された光はサングラスで阻止されことがな
く、背景に対するコントラストの改善された画像が得ら
れる。

前述のように適当な球面またき非球面光学素子（例えば
レンズまたは反射鏡）がLEDにより出力されたビームを
成形するため、或いは画像の大きさを制御するため、お
よび、または運転者に対する虚像の位置を制御するため
に使用されることができる。第４図を参照すると、風防
のさらに前方（すなわち運転者からさらに遠い位置）に
位置する虚像を与える光学装置が示されている。この光
学装置は容器115を備え、それに画像源20が固定されて
いる。容器115に固定された折曲げ反射鏡111は画像源20
からの照射光を、同様に容器115に固定された球面反射
鏡113に反射し、この球面反射鏡113によって反射された
光は透明なカバー117を通って風防内の反射鏡ホログラ
ムに照射される。

画像源として広いスペクトル範囲の真空蛍光表示管を利
用するヘッド・アップ表示装置は、上記の反射鏡ホログ
ラムおよび狭帯域狭ビームのLED画像源を利用するよう
に容易に変更することができることを認識すべきであ
る。

［発明の効果］ 以上自動車のような乗物用のヘッド・アップ反射鏡ホロ
グラム表示装置について説明され、それは風防の後方に
ダイナミックに変化し、輝度、均一性、シャープさがす
ぐれ、フレアーのない虚像を高い透過性で生成し、周囲
光によるオンへの切替えや散乱がなく、透視における変
色が最小であり、ゴーストが最小であり、透視における
歪みが最小であり、ダッシュボードの眩しい反射が最小
であり、ホログラムの縁部の可視性も小さく、偏光サン
グラスとも両立する効果を有する。小型で、効率的で、
低価格のLEDの使用はコンパクトで、低価格で、エネル
ギ効率がよく狭いビームの画像源を供給し、それは約50
ナノメータより狭い帯域幅を得るのにフィルタを利用す
る必要が無い。ゼロ度ホログラムはレーザ走査のような
低価格の生産に適応し易く、厳密な整列は必要ない。

以上、この発明の特定の実施例に関連して説明された
が、この説明は単なる例示のためのものであり、当業者
には添付された特許請求の範囲の記載により定められる
この発明の技術的範囲を逸脱することなく多くの変形、
変更が可能であることは明瞭であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明によるヘッド・アップホログラフ表
示システムの１実施例の主要部品の概略図である。 第２図は、第１図のホログラフ表示システムの画像源の
分解図である。 第３図は、第２図の画像源の発光ダイオードの形状を示
す詳細図である。 第４図は、虚像の大きさおよび位置を制御するために開
示されたヘッド・アップホログラフ表示システムと共に
使用される光学システムの分解図である。 11……反射鏡反射ホログラム、13……マスク、15……開
口、17……偏光子、20……画像源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーク・マクドナルド アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90230，カルバー・シテイー、アパートメ ント 312，グリーン・バレイ 6575 (56)参考文献 特開 昭62−64638（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−147092（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−238015（ＪＰ，Ａ)

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】約50ナノメータより狭いスペクトル帯域幅
   を有するダイナミックに変化する照明光像を生成する手
   段と、 観察可能な虚像を生成するように前記狭いスペクトル帯
   域幅の照明光像を反射させるために前記照明を提供する
   手段のスペクトル帯域幅にわたって反射されるように同
   調された特定の軸以外の入射角度範囲の入射光を反射す
   る傾斜しない０度反射鏡ホログラムとを具備し、 さらに前記照明光像を生成する手段はＰ偏光子を具備し
   ていることを特徴とする虚像表示システム。
2. 【請求項２】前記照明光像を生成する手段は発光ダイオ
   ードを具備している特許請求の範囲第１項記載の虚像表
   示システム。
3. 【請求項３】前記傾斜しない０度ホログラムは、前記照
   明光像を生成する手段のスペクトル帯域幅に同調されて
   いる特許請求の範囲第１項記載の虚像表示システム。
4. 【請求項４】前記傾斜しない０度ホログラムは前記照明
   光像を生成する手段のＰ偏光スペクトル帯域幅に同調さ
   れている特許請求の範囲第１項記載の虚像表示システ
   ム。
5. 【請求項５】約50ナノメータより狭いスペクトル帯域幅
   を有するダイナミックに変化する照明を生成する手段
   と、 観察可能な虚像を生成するために前記狭いスペクトル帯
   域幅の照明を反射させるために前記照明を提供する手段
   のスペクトル帯域幅にわたって反射されるように同調さ
   れた特定の軸以外の入射角度範囲の入射光を反射する傾
   斜しない０度反射鏡ホログラムとを具備し、 さらに前記照明を提供する手段はＰ偏光子を具備し、 前記狭いスペクトル帯域幅の照明は実質上アイボックス
   空間領域に限定されていることを特徴とする虚像表示シ
   ステム。
6. 【請求項６】前記照明を生成する手段は発光ダイオード
   を具備している特許請求の範囲第５項記載の虚像表示シ
   ステム。
7. 【請求項７】前記照明を生成する手段は光学素子を具備
   している特許請求の範囲第６項記載の虚像表示システ
   ム。