JPH07257226A - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】光源６と表示すべき情報を表示する表示体５と
を備えて情報を含む光３を発生する発光表示手段と、車
両の風防ガラス７に設けられ光３を車両内の観察者に向
けて回折するホログラムよりなるコンバイナー２とを備
えたヘッドアップディスプレイにおいて、コンバイナー
２と重ねてハーフミラー１０を設ける。 【効果】外部の観察者に対して観察する角度による色変
化が少なくかつ無色に近い外観色調のＨＵＤが得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヘッドアップディスプ
レイ（以下ＨＵＤとする）装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車内等の運転者に情報を表示する方
法として、ＨＵＤが最近用いられるようになっている。
これは、液晶表示装置等の情報投射手段から投射された
光学的情報を、自動車の風防ガラス等に組み込まれたホ
ログラムやハーフミラー等からなるコンバイナーに映
し、運転者が運転状態からほとんど視点を動かすことな
く情報を読み取れるようにしたものである。

【０００３】特に、コンバイナーとしてホログラムを用
いたものは、運転者に向かって光学的情報を回折する機
能とともにレンズ機能等を併せ持つことができるので、
光学的情報を運転者の視野方向に回折したり、あるい
は、他にレンズ等の光学系を使用せず、任意の位置に結
像したりすることが可能であり、また、前景輝度を損な
わずに高輝度の表示像が得られるという特徴があるた
め、ＨＵＤのコンバイナーとしては有効である。

【０００４】図１１は、従来のＨＵＤの一例を示す概念
的断面図である。光源４６から発し、レンズ系４４を介
して透過型液晶表示素子４５を通過した表示すべき情報
を含む光４３は、車体の風防ガラス４７に備えられたホ
ログラム４２に照射され、回折されて運転者に観察位置
４１で視認される。

【０００５】上記レンズ系４４はコリメーターとしての
機能を持つものであり、また、この機能はホログラム４
２に持たせることもでき、速度表示４８、警告表示４９
の表示像を遠方に結像させることも可能になる。

【０００６】また、ホログラム４２は波長選択機能を持
つので、希望する色の像が表示可能となる。通常その色
は単一であることが多いが、多重露光による多色表示も
可能であり、表示情報の量と質を向上できる。例えば、
速度表示４８を緑色、警告表示４９を赤色とすることに
よって、運転者に対してより的確に情報を伝達すること
が可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
ホログラフィックＨＵＤは特定の波長の光を回折するた
め、運転者がホログラムを通して外部を見た場合、その
透過光の色はホログラムの回折波長に対応する色（表示
色）の補色となる。すなわち、図７に示すように表示色
が緑のみである場合は、外部からの無色光２２（白色光
とも呼ばれるが、以下総称して白色光のことを無色光と
呼ぶこととし、白色も無色と呼ぶこととする）はホログ
ラム２１を透過する際に、ホログラム内部の回折格子に
一部反射回折され、反射光２３は緑色となる。したがっ
て、透過光２４はその補色であるマゼンダ（ピンクから
赤）となり運転者２５に対して刺激的で不快な色と感ぜ
られる。またその結果背景の色調が影響を受けるため、
運転中における道路等の車外状況の視認性が損なわれ安
全上も問題があった。

【０００８】一方、図８に示すように、車両外の観察者
３５（歩行者や対向車の運転者等）に対しては外光３２
の反射色はホログラム３１内部の回折格子の回折波長の
角度依存性により、観察する角度によって赤色（正面付
近観察）３３から緑色（斜め観察）３４と大きく変化
し、やはり不快な印象を与え、コンバイナーひいてはそ
れを搭載する車両そのものの意匠性、商品性を損なうと
いう問題があった。

【０００９】図１０はこの反射色の色変化を表した色度
図である。色度図はＪＩＳ−Ｚ８７０１で規定された色
度座標ｘ、ｙによって色を定量的に表現するものであ
る。図１０で光源として示す×点は無色を表す。ホログ
ラムの色はこの点に近いほど無色に近く観察者にとって
好ましい色となる。

【００１０】ところが、従来のＨＵＤに用いられる単色
のホログラムの反射光の色は、例えば図９の反射スペク
トルで示すような波長５４５ｎｍ、回折効率６０％、半
値幅１５ｎｍのホログラムの場合は、図１０の黒菱型印
のように変化する。すなわち、正面付近では赤色とな
り、斜めになるにしたがい橙色、黄色、緑色と大きく変
化することがわかる。正面から見た場合には刺激色であ
る赤色となり、斜めから見た場合は視感度の高いぎらぎ
らした緑色となり観察者に不快な印象を与える。

【００１１】そこで、特開平４−１１０９８４号公報に
は、車両外の観察者に対する反射光の色調を改善すべ
く、表示に用いる第１のホログラムによる反射色の色調
を改善するため、第１のホログラムの反射色の補色に近
い色を反射する第２のホログラムを積層または多重露光
するＨＵＤが開示されているが、２色のホログラムで構
成されているため、完全には色調を改善できない場合が
あった。特に表示色として頻繁に用いられる５００〜５
６０ｎｍの緑色光については、補色に対応する波長の光
が存在しないため実際には反射色の色調を改善すること
は困難であるという欠点を有しており、また反射色の色
調のみの改善手段でしかなかった。

【００１２】また、特開平３−１７９４１８号公報には
コンバイナーを通しての透過光の色調を改善するため、
表示用のホログラムの反射波長λ１の補色となる波長λ
２の光を反射または減衰させる光学素子を組み合わせる
ＨＵＤが開示されているが、上記の公知例と同様に２色
の構成で色補正しているため、緑色光に対しては完全に
は改善できないという同様の欠点を有しており、また透
過光の色調のみの改善手段でしかなかった。

【００１３】また、特開平４−２９１２２１号公報に
は、緑色光に対してもコンバイナーの透過光の色調が改
善できるように、表示用のホログラムの反射波長λ１の
補色となる波長域の光を合成できる複数の波長域を反射
または減衰させる光学素子を組み合わせるＨＵＤが開示
されているが、透過光の色調に対してのみの改善である
ため、ホログラムと観察者を結ぶ特定の角度でしか効果
がなく、車両外の観察者に対してはホログラムの反射光
の色調は必ずしも改善されていなかった。例えば開示さ
れている実施例では、５３０ｎｍの光を回折するホログ
ラムの透過光の色調を改善するため、５３０ｎｍの光の
補色を合成可能な４６０ｎｍ，６３０ｎｍの光を回折す
るホログラムを用いており、回折効率約９０％、半値幅
約１０ｎｍである透過特性図を示している。このホログ
ラムコンバイナーの反射色の色変化は図１２のようにな
り、斜め観察では比較的無色に近いものの正面観察では
黄緑色に色づいてしまうことがわかる。

【００１４】以上のように、ホログラフィックコンバイ
ナーの反射光および透過光の色調を改善するため、複数
のホログラムを用いることは提案されているが、ホログ
ラムは原理的に回折現象を利用しており、再生波長の角
度依存性があるため十分な色調改善効果が得られないと
いう問題点があった。

【００１５】一方、コンバイナーとして反射率が可視光
領域でほぼ一定のハーフミラーを用いれば、その透過光
および反射光の色調をほとんど無色にすることができ
る。しかしながら、ハーフミラーを用いる場合には風防
ガラスの表裏面での反射光とハーフミラーによる反射光
が重なる。それらの反射光は風防ガラスの持つ有限な厚
みのためわずかにずれて重なるため、２重像あるいはそ
れ以上の多重像が発生し表示の視認性を著しく劣化させ
てしまうことになる。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の問題点
を解決すべくなされたものであり、光源と表示すべき情
報を表示する表示体とを少なくとも備えて表示すべき情
報を光として発生する発光表示手段と、車両の風防ガラ
スに備えられていて前記光を車両内の観察者の観察位置
に向けて回折するホログラムよりなるコンバイナーとを
少なくとも備えたヘッドアップディスプレイにおいて、
前記ホログラムコンバイナーと重ねてハーフミラーを備
えるていることを特徴とするヘッドアップディスプレイ
を提供するものである。

【００１７】図１は、本発明のＨＵＤの一例を示す概念
的断面図である。風防ガラス７の下方には発光表示手段
が備えられており、この発光表示手段は熱陰極管を用い
た光源６から発した光がコリメーターであるレンズ系４
を介し、透過型カラー液晶表示素子からなる表示体５を
通過した表示すべき情報を光３として発するものであ
る。この光３は、車体の風防ガラス７に備えられたホロ
グラムからなるコンバイナー２に照射されて、回折さ
れ、運転者に観察位置１で視認される。また、ホログラ
ムコンバイナー２と重なる領域にハーフミラー１０が備
えられている。

【００１８】上記レンズ系４はコリメーターとしての機
能を持つものであり、また、この機能はホログラムに持
たせることもでき、速度表示８、警告表示９の表示像を
遠方に結像させることも可能となる。

【００１９】また、必要に応じて表示体５とコンバイナ
ー２との間に収差補正用の別のホログラムやレンズ等を
配してもよい。

【００２０】また、ホログラムは波長選択機能を持つの
で、希望する色の像が表示可能であり、さらに、多重露
光や複数枚のホログラムの積層を行えば多色表示が可能
となり、表示情報の量と質の向上ができる。例えば、速
度表示８を緑色、警告表示９を赤色、または緑色と赤色
とを混合しアンバー色（橙色）等とすることによって、
運転者に対してより的確に情報を伝達することが可能と
なる。

【００２１】図２（ａ）および（ｂ）は図１にかかるＨ
ＵＤの具体的な構造の例を示す概略拡大断面図である。
風防ガラスは合わせガラス構造であり、車内側ガラス１
１と車外側ガラス１２の間にポリビニルブチラール（Ｐ
ＶＢ）よりなる中間膜１３が封入されている。車内側ガ
ラス１１の内側にはハーフミラー１５がコーティングさ
れており、その上にホログラムコンバイナー１４が備え
られている。ハーフミラー１５はホログラムと同じ大き
さであっても良いが、取り付けによる誤差に備えいかな
る角度からみてもホログラムコンバイナーとハーフミラ
ーが重なって見えるようにするため、ハーフミラーをわ
ずかに大きくすることが望ましい。また、ハーフミラー
の施す位置は図２（ｂ）に示すように車内側ガラスの車
内側であってもよく、ハーフミラー１５’とコンバイナ
ー１４が直接重ならず空間的に離れていても両者の反射
光が重なり合えば同様の効果が得られる。図には示さな
いがハーフミラーが車外側ガラスの表面または裏面に施
されていてもその効果はもちろん同じである。

【００２２】本発明のホログラムコンバイナーはコンバ
イナーを通して車両外から車両内に透過する外光の色
調、および車両外で観察されるコンバイナーによる外光
の反射光の色調を、いかなる角度から観察しても無色に
近づけるように選択した複数の色に対応する複数の波長
の光によって露光されたホログラムであることが好まし
い。こうすることにより、運転者に対しては補色の無い
透明な視界を与え安全性を高めることができる。

【００２３】また本発明のＨＵＤのコンバイナーとして
用いられるホログラムとしては図２（ａ）、（ｂ）に示
したような、１枚のホログラム材料に、３原色に対応す
る３波長の光によって多重露光した単層の多重露光型ホ
ログラムでもよいが、単一の波長で露光したホログラム
を積層して用いてもよい。一般的には多重露光によるホ
ログラムを用いた方が、コストの点や積層による各波長
の像のズレ、また全体の厚さが増加することによる透過
率の低下などを防ぐ点で好ましい。

【００２４】ここで、各ホログラムはその内部に作製さ
れる回折格子の傾きがすべて同一となるように露光され
たものであり、したがってこのようなホログラムからな
るコンバイナーに入射する光の入射角をすべての色の光
について同一とすることによって、ホログラムによって
回折される回折角もすべての色の光について同一となっ
ているのが好ましい。これらの角度が異なると、それぞ
れの色の光によって回折される方向が異なってしまうた
め、本来無色となるべきものが３色に分かれてしまい、
かえって観察者には不快な色と視認されてしまう。

【００２５】かかる複数の色に対応する波長は、赤につ
いては５８０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下、緑については５
００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下、青については４２０ｎｍ
以上４９０ｎｍ以下とするのが好ましい。

【００２６】このように各ホログラム内部の回折格子の
傾きがすべて同一となる反射型のホログラムを作製する
ためには、ホログラム感光材料の両側の面に照射される
レーザー光のホログラム感光材料に対する入射角を、感
光材料のそれぞれの面側において、すべての光について
同一であるようにすればよい。また、露光時のレーザー
光の入射角を同一としない場合でも、１つの波長のレー
ザー光がホログラム感光材料の両側へ入射する２つの角
度の関係を調整すれば、内部に形成される回折格子の傾
きを同一とすることができる。

【００２７】また、ハーフミラーは、反射率が可視光線
の波長領域でほぼ一定であり、その平均反射率は高けれ
ば高いほど反射光の色調改善の効果が大きいが、逆に透
過率が減少し前方視界が遮られてしまうので、可視光線
透過率が法規で定める７０％以上になるよう、反射率は
５％以上２５％以下であることが好ましい。

【００２８】また、ハーフミラーはの材質としては、屈
折率や耐久性等の点から金属酸化物の薄膜を好適に使用
でき、チタン、タンタル、シリコン等のアルコキシドな
どの有機金属材料を印刷し焼成するのが好ましい。ハー
フミラーの材質は金属酸化物だけでなく金属の薄膜など
でもよいし、また作製法については上記の湿式法に限ら
ず、蒸着法やスパッタ法、ＣＶＤ法等を用いてもよい。

【００２９】なお、ホログラムとしては、通常数１０ｍ
ｍから数１００ｍｍ角程度の面積で、数μｍから数１０
μｍ程度の厚みであり、光回折機能を持つ。このような
ホログラムは、リップマンタイプ等の体積・位相型のホ
ログラムが高い回折効率を得られるという点で望ましい
が、エンボスタイプ、レインボータイプ等のホログラム
と呼ばれるものを広く用いることができる。また、ホロ
グラム材料としては、ポリビニルカルバゾールやアクリ
ル系などのフォトポリマー、重クロム酸ゼラチン、光レ
ジスト、銀塩など種々の感光材料を用いることができ
る。

【００３０】かかるホログラムは風防ガラスに備えられ
るものであり、例えば風防ガラスの表面（車両外表面）
や車両内側表面に備えられてもよいが、特にホログラム
の保護の点に鑑みて、合わせガラスである風防ガラスの
内部に封入して用いることが好ましい。

【００３１】本発明における発光表示手段は光を発して
表示する機能を持つものであり、液晶表示素子等のいわ
ゆる受光型表示素子からなる表示体に熱陰極管（ＨＣ
Ｔ）、冷陰極管、蛍光表示管（ＶＦ）、ハロゲンラン
プ、ＬＥＤなどからなる光源から発した光を照射するも
のであり、また、これらの機能を併せ持つものであって
もよい。

【００３２】本発明におけるコンバイナーをカラー表示
に用いる場合、この液晶表示素子としては、カラーフィ
ルターと透過型のツイストネマチック型液晶素子や、ス
ーパーツイストネマチック型液晶表示素子等からなるカ
ラー液晶表示素子等が好ましく使用でき、一つの光源か
ら発せられた光を所望の色の光として照射することがで
きる。

【００３３】このようにして複数の色の光は、同一の発
光表示手段から発することができ、これら複数の色の光
が同時に表示される場合には表示像が重なって表示さ
れ、逆にこの表示像の重なりを防ぐためには、必要に応
じてカラーフィルターと光源の組み合わせによって、あ
るいはカラー液晶表示素子を制御することによって、複
数の色の光が同時に照射されないようにしてもよい。

【００３４】また、それとは別に、受光型表示素子を用
いず、上記の光源自体をパターン化して配列し特定の情
報を光として発生するものであってもよい。受光型表示
素子に上記光源を併用したものの場合は、この受光型表
示素子と光源との間にレンズ系や曲面反射鏡等の適当な
光平行化手段、導光板等の適当な導光手段を配置しても
よい。さらに、ホログラムに光が投射されるまでの光径
路内に、必要に応じて、光偏光手段、あるいは、ＫＮＯ
₃ 等の非線形光学素子を配置してもよい。

【００３５】また本発明のＨＵＤをカラー表示とする場
合、コンバイナーから表示像までの距離は各色で同一と
すれば同一平面内にカラー表示ができ、また、色によっ
て変えた場合には表示色によって表示像の観察される距
離の異なる立体的な像を得ることができる。

【００３６】

【実施例】

［実施例１］本実施例のホログラムは３波長の多重露光
型であり、１枚のホログラム材料に、３原色に対応する
３波長の光によって多重露光した単層のホログラムであ
る。各々の回折波長は光源として用いる熱陰極管の発光
波長に合わせてあり、波長６１２ｎｍ（赤色）、波長５
４５ｎｍ（緑色）および波長４３３ｎｍ（青色）の光を
反射回折するように露光されたものである。半値幅は各
１０ｎｍである。回折効率についてはホログラム単独で
もできるだけその反射光および透過光の色調を無色に近
づけるように最適化した。その結果、（赤色：緑色：青
色）＝（４０％、６０％、４０％）程度が好ましいこと
が分かった。また、ハーフミラーの平均反射率は１０％
とした。

【００３７】ここで、ホログラムはその内部に作製され
る回折格子の傾きがすべて同一となるように露光された
ものであり、したがってこのようなホログラムからなる
コンバイナーに入射する光の入射角をすべての色の光に
ついて同一とすることによって、ホログラムによって回
折される回折角もすべての色の光について同一となって
いるものである。

【００３８】図３はこのようにして作製した３色露光ホ
ログラムおよびハーフミラーの反射スペクトルである。
図４はそれらを角度を変えて観察した場合の外光反射色
の色変化を示す色度図である。図１０の単色ホログラム
の場合、あるいは図１２の３色ホログラムの場合と比較
して格段に色変化が少なく、いずれの観察角度でも色度
図の周辺部から離れ光源に近づき、その色調は無色に近
づいている。

【００３９】また、この場合の透過色は近似的に反射色
と補色関係にあると考えられるので、ホログラムや風防
ガラスに色付きがない場合は、図３の光源×印に対する
点対称の位置に近い色調となる。すなわち、反射色の色
調が無色に近づけば透過色の色調も無色に近いものとな
る。以上のように、本発明によるホログラムは従来のホ
ログラムに比べ、反射色、透過色ともに色調を改善する
ことができた。

【００４０】また、本実施例のホログラムを車両の風防
合わせガラスの内部に封入しコンバイナーとすることに
よって、外光反射色および透過色の色調の改善されたＨ
ＵＤを実現することができた。また、本実施例では３色
表示のホログラムについて説明したが、４色以上の表示
のできるホログラムでも同様の効果を得ることができ
る。また、本発明におけるホログラムは、上記のような
反射型ホログラムに限らず、透過型ホログラムを用いた
ＨＵＤでもよい。

【００４１】［実施例２］第２の実施例として、従来の
ＨＵＤでは反射色の色調が刺激的で図１０のように大き
く変化する、単色のホログラムを用いる場合を示す。そ
の回折波長は波長５４５ｎｍ、回折効率は６０％、半値
幅は１５ｎｍである。また、ハーフミラーの平均反射率
は２０％とした。

【００４２】図５は本実施例のホログラムおよびハーフ
ミラーの反射スペクトルである。図６はその外光反射色
の変化を示す色度図である。本実施例の外光反射色の変
化は、図１０の従来のホログラムコンバイナーの反射色
変化と比べ格段に無色に近づいていることが分かる。

【００４３】本実施例の場合、単色のホログラムを用い
ているためコンバイナーの透過光の色調は表示色の補色
となってしまい、実施例１ほどには改善されない。しか
し、ハーフミラーにより透過する外光強度が弱められて
いるので、その色付きは若干改善される。

【００４４】また、本実施例のホログラムを車両の風防
合わせガラスの内部に封入しコンバイナーとすることに
よって、先の実施例同様外光反射色および透過色の色調
の改善されたＨＵＤを実現することができた。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、コンバイナーとして用
いているホログラムに重ねてハーフミラーを備えている
ため、ホログラムコンバイナーの反射光はハーフミラー
によって反射された無色光と重なるため淡色化され、車
両外における外光の反射回折光の色調が従来のコンバイ
ナーに比べ格段に淡色化され無色に近づき、外部の観察
者に対しては観察する角度による色変化が少なくかつ無
色に近い外観色調のＨＵＤが得られる。

【００４６】また、車両外からコンバイナーを透過する
光の色調を無色に近づけるように、複数の波長で露光し
たホログラムを用いれば、運転者に対しては補色の無い
透明な視界を与え安全性を高めることができる。

【００４７】さらに、本発明ではコンバイナーとしてハ
ーフミラーではなくホログラムを用いているため、２重
像の無いクリアーな表示像を提供することができる。

【００４８】また複数の波長で露光したコンバイナーは
カラー表示のコンバイナーとしても利用することが可能
であるので、透過色および反射色が無色に近く２重像の
無いカラーＨＵＤを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＨＵＤの一例を示す概念的断面図

【図２】本発明おけるＨＵＤの具体的な構造の例を示す
概略拡大断面図

【図３】実施例１におけるホログラムとハーフミラーの
反射スペクトル図

【図４】実施例１におけるホログラムとハーフミラーの
外光反射色の色変化を示す色度図

【図５】実施例２におけるホログラムとハーフミラーの
反射スペクトル図

【図６】実施例２におけるホログラムとハーフミラーの
外光反射色の色変化を示す色度図

【図７】従来のホログラムの透過色を説明する概念図

【図８】従来のホログラムの反射色を説明する概念図

【図９】従来のホログラムの反射スペクトル図

【図１０】従来のホログラムの外光反射色変化を示す色
度図

【図１１】従来のＨＵＤの一例を示す概念的断面図

【図１２】従来の３色ホログラムの外光反射色変化を示
す色度図

【符号の説明】

１：運転者の観察位置 ２：ホログラムコンバイナー ３：情報を含む光 ４：レンズ系 ５：表示体 ６：光源 ７：風防ガラス ８：速度表示 ９：警告表示 １０：ハーフミラー

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と表示すべき情報を表示する表示体と
   を少なくとも備えて表示すべき情報を光として発生する
   発光表示手段と、車両の風防ガラスに備えられていて前
   記光を車両内の観察者の観察位置に向けて回折するホロ
   グラムよりなるコンバイナーとを少なくとも備えたヘッ
   ドアップディスプレイにおいて、前記ホログラムコンバ
   イナーと重ねてハーフミラーを備えていることを特徴と
   するヘッドアップディスプレイ。
2. 【請求項２】前記ハーフミラーの反射率は可視光線の波
   長領域でほぼ一定であり、その平均反射率が５％以上２
   ５％以下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。
3. 【請求項３】前記ホログラムコンバイナーはコンバイナ
   ーを通して車両外から車両内に透過する外光の色調、お
   よび車両外で観察されるコンバイナーによる外光の反射
   光の色調を、いかなる角度から観察しても無色に近づけ
   るように選択した複数の色に対応する複数の波長の光に
   よって露光されたホログラムであることを特徴とする請
   求項１または２のヘッドアップディスプレイ。
4. 【請求項４】前記ホログラムコンバイナーは、複数の波
   長の光によって多重露光された１層のホログラムである
   か、または単一の波長または複数の波長の光によって露
   光された複数のホログラムを積層したものであることを
   特徴とする請求項３のヘッドアップディスプレイ。
5. 【請求項５】前記コンバイナーへ入射する複数の色の光
   の入射角がすべて略同一であり、かつコンバイナーから
   回折される複数の色の光の回折角がすべて略同一である
   ことを特徴とする請求項３または４のヘッドアップディ
   スプレイ。
6. 【請求項６】前記複数の色に対応する波長が、赤につい
   ては５８０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下、緑については５０
   ０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下、青については４２０ｎｍ以
   上４９０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３から
   ５いずれか１項のヘッドアップディスプレイ。