JPH09179060A - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 反射型ホログラムの色収差を抑制して薄型化
を図ったヘッドアップディスプレイユニットを提供する
ことである。 【解決手段】 ヘッドアップディスプレイは発光型の表
示源と、表示源の発した光を反射するように配置された
非球面の反射面を有する凹面鏡と、該凹面鏡で反射され
た光を移動体の運転者方向に反射するように配置された
反射型ホログラムとを含んでいる。凹面鏡は表示の横方
向の拡大に寄与する横方向の焦点距離が、表示の縦方向
の拡大に寄与する縦方向の焦点距離よりも短く形成され
ており、反射型ホログラムは表示の縦方向の拡大に寄与
する縦方向の焦点距離が、表示の横方向の拡大に寄与す
る横方向の焦点距離よりも短くなるように形成されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は車両等に使用するヘ
ッドアップディスプレイに関する。ヘッドアップディス
プレイは、情報の表示源とコンバイナと呼ばれる透明な
反射手段を用い、コンバイナで反射されて見える表示情
報を前方光景に重畳して表示するものである。

【０００２】ヘッドアップディスプレイを用いることに
よって、車両の運転者は前方の光景からほとんど視線を
移動させることなく情報を見ることができ、安全運転の
一助となっている。

【０００３】

【従来の技術】自動車用のヘッドアップディスプレイに
おいて、視認性のよい表示を行うためには、情報を表示
する位置は運転者の正面もしくは正面からわずかに左右
にそれた位置となる。従って、コンバイナや情報を表示
する表示源は運転者の正面のダッシュボード回りに一般
的に配置される。

【０００４】しかし、ダッシュボード内部には速度計や
回転計等の各種計器類が収容されているため、ヘッドア
ップディスプレイの表示源等を配置するための空間的な
余裕はほとんどない。

【０００５】様々な車種に対してヘッドアップディスプ
レイを搭載可能とするためには、ダッシュボード内にヘ
ッドアップディスプレイユニットを組み込むよりも、ダ
ッシュボード内の計器類から独立してヘッドアップディ
スプレイユニットを構成し、これを、ダッシュボードの
上に置いて使用する形態が有効である。

【０００６】但し、光学ユニットをダッシュボードの上
に置いた際に光学ユニットが運転者の前方視界を妨げな
いようにする必要がある。従って、ヘッドアップディス
プレイの光学ユニットは極力薄いことが望ましい。

【０００７】更に、ヘッドアップディスプレイでは表示
像を運転者から遠くに表示することが要求される。像を
遠方に表示することによって、運転者が表示を見る際の
目の焦点調整が少なくて済むため、表示を確認するため
に要する時間が短くなり、自動車を運転する際の安全性
が向上する。

【０００８】光学ユニットが小さいヘッドアップディス
プレイで運転者から遠い位置に像を表示するためには、
ヘッドアップディスプレイの光学系が光学的パワーを持
つことが必要である。コンバイナが結像特性を持つこと
は、光学ユニットの小型化に特に効果がある。

【０００９】一般にヘッドアップディスプレイのコンバ
イナには、ハーフミラーや反射型ホログラムが使用され
ている。反射型ホログラムは特定の波長域の光だけを反
射して他の波長域の光を透過させる特徴を有している。
表示光の波長域を反射する反射型ホログラムを使用する
ことによって、表示光は高い反射率で反射される。

【００１０】コンバイナに到達する運転者の前方光景の
光は様々な波長域の光を有しており、ホログラムの反射
波長域を除くほとんどの光がホログラムを透過する。従
って、反射型ホログラムのコンバイナでは、前方の光景
の明るさを大きく損なうことなく、高輝度の表示を行う
ことができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ヘッドアップディスプ
レイでは、表示像を運転者から遠方に表示することが要
求されている。更に、ダッシュボードの上に置いて使用
する形態のヘッドアップディスプレイは、光学ユニット
を極力小さく薄くして、光学ユニットが運転者の前方視
界を妨げないようにしなければならない。

【００１２】これらの要求を実現するためには、ヘッド
アップディスプレイの光学系が光学的パワーを持つこと
が必要である。光学的パワーは表示像を拡大して遠くに
結像させる。

【００１３】更に、光学的パワーによって光学ユニット
内の光路長が短くなり、表示源も小型となるため、光学
ユニットが小さくなる。特にコンバイナが光学的パワー
を持つことは、光学ユニットの小型化に大きな効果があ
る。

【００１４】コンバイナとしては、コンバイナを通して
見える前方光景の明るさを損なわずに明るい表示を実現
できる反射型ホログラムが有効である。反射型ホログラ
ムは光を回折して反射するため、反射型ホログラムが平
板状でも光学的パワーを持つことができる。しかし、光
学的パワーを持った反射型ホログラムはその周辺部分で
色収差を有している。

【００１５】色収差は図１に示すように、ホログラムの
中央部分では少ないが、ホログラムの端部に行くに従っ
て空間周波数が大きくなるため、色収差は大きくなる。
色収差を低減するには拡大倍率を低くしなければなら
ず、大型の表示源及び光学ユニットを収容する大きなス
ペースを必要とする。よって、反射型ホログラムをヘッ
ドアップディスプレイのコンバイナに用いた場合の光学
ユニットの小型化には限界があった。

【００１６】よって本発明の目的は、反射型ホログラム
の色収差を抑制して薄型化を図ったヘッドアップディス
プレイを提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明によると、発光型
の表示源と；前記表示源の発した光を反射するように配
置された、非球面の反射面を有する第１凹面鏡と；前記
第１凹面鏡で反射された光を移動体の運転者方向に反射
するように配置されたコンバイナとを具備し；前記第１
凹面鏡は表示の横方向の拡大に寄与する横方向の焦点距
離が、表示の縦方向の拡大に寄与する縦方向の焦点距離
よりも短く；前記コンバイナは表示の縦方向の拡大に寄
与する縦方向の焦点距離が、表示の横方向の拡大に寄与
する横方向の焦点距離よりも短いことを特徴とするヘッ
ドアップディスプレイが提供される。

【００１８】好ましくは、コンバイナは反射型ホログラ
ムから構成される。反射型ホログラムに代えて、反射面
の形状をトルイダル面等の非球面とした半透明の凹面鏡
をコンバイナとして使用してもよい。

【００１９】好ましくは、反射型ホログラムは横長の長
方形状をしており、ホログラムの左右端の空間周波数と
上下端の空間周波数とは概略同等である。好ましくは、
第１凹面鏡の反射面の面形状は円筒面かあるいはトルイ
ダル面をしている。

【００２０】

【発明の実施の形態】まず、本発明の原理について以下
に説明する。反射型ホログラムの焦点距離は、ホログラ
ムに記録されている干渉縞の空間周波数の分布によって
決定される。ここで、空間周波数とは単位長さあたりの
干渉縞の本数である。

【００２１】通常の凹面鏡と同等な反射特性を有する反
射型ホログラムでは、干渉縞は図２（Ａ）に示すホログ
ラム２のように同心円状に形成されており、空間周波数
の分布も回転対称性を持っている。

【００２２】図２（Ｂ）はＸ軸方向（横方向）の空間周
波数の分布を示しており、図２（Ｃ）はＹ軸方向（縦方
向）の空間周波数の分布を示している。色収差の大きさ
は空間周波数に対応しており、空間周波数は大きいほど
色収差も大きくなる。従って、色収差はホログラムの端
部で最も大きくなる。

【００２３】自動車用ヘッドアップディスプレイのコン
バイナは、一般的に図１に示すような横長の長方形状と
なる。これは、表示像が横方向に長いことと、運転者の
目の位置の変動範囲も左右方向に広いことによる。

【００２４】コンバイナが図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に
示すような空間周波数分布を有している場合には、コン
バイナの上下端の空間周波数は左右端の空間周波数より
も小さくなる。

【００２５】従って、コンバイナの左右端が色収差の限
界となる空間周波数であっても、コンバイナの上下端で
は色収差は十分に小さい。従って、コンバイナの上下方
向に関しては、空間周波数を更に大きくすることが可能
である。

【００２６】図２（Ａ）に示した従来のホログラム２で
は、左右の端部で色収差が余り出ない程度の空間周波数
でホログラムを作成していた。図３（Ａ）に示すように
ホログラムの左右端と上下端の空間周波数が概略等しい
ような空間周波数の分布を有するホログラム４では、縦
方向の焦点距離Ｆｙは横方向の焦点距離Ｆｘよりも短く
なる。

【００２７】図３（Ｂ）はＸ軸方向（横方向）の空間周
波数の分布を示しており、図３（Ｃ）はＹ軸方向（縦方
向）の空間周波数の分布を示している。これらの図から
明らかなように、ホログラム４では左右端と上下端の空
間周波数が概略等しくなっている。

【００２８】図４は通常であれば鏡等で折り曲げられて
いる表示源８又は１０からコンバイナ６までの光路を、
鏡等を省略して直線状に伸ばして示したものである。図
４から明らかなように、従来のホログラムでは表示源８
であったものが、本発明の原理に基づきコンバイナの縦
方向の焦点距離を短くすることによって、符号１０で示
すように表示源の縦方向の大きさが小さくなり、コンバ
イナ６までの光路の高さが低く、光路の長さも短くな
る。

【００２９】従って、本発明によるとヘッドアップディ
スプレイの光学ユニットを薄型化することができる。図
４で斜線部分のスペースだけ光学ユニットを小さくする
ことができる。

【００３０】ここで、コンバイナの縦方向の焦点距離だ
けを短くした場合には、非点収差を生じてしまい、歪ん
だ像が表示される。そこで、円筒面の反射面を持った凹
面鏡を光学系に組み込み、コンバイナで不足している横
方向の拡大倍率を補うことによって非点収差を補正する
ことが必要となる。円筒反射面の中心軸線は縦方向に向
いていることが必要である。

【００３１】図５を参照すると、ヘッドアップディスプ
レイを自動車に搭載した概略図が示されている。本発明
によると、ヘッドアップディスプレイユニット１２は自
動車の例えばダッシュボード１４上に搭載される。ヘッ
ドアップディスプレイユニット１２は光学ユニット１６
と反射型ホログラムから形成されたコンバイナ１８とか
ら構成される。

【００３２】図６及び図７を参照すると、本発明第１実
施形態の側面図及び斜視図がそれぞれ示されている。光
学ユニット１６は蛍光表示管等の発光型の表示源２０
と、ミラー２２と、円筒面凹面鏡２４とから構成され
る。表示源２０としては、上述した蛍光表示管の他に液
晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、陰極線管等を
採用可能である。

【００３３】円筒面凹面鏡２４は表示の横方向の拡大に
寄与する横方向の焦点距離が、表示の縦方向の拡大に寄
与する縦方向の焦点距離よりも短くなるように形成され
ている。

【００３４】また、反射型ホログラムから形成されたコ
ンバイナ１８は、表示の縦方向の拡大に寄与する縦方向
の焦点距離が、表示の横方向の拡大に寄与する横方向の
焦点距離よりも短くなるように形成されている。

【００３５】表示源２０から発した表示光はミラー２
２、円筒面凹面鏡２４及びコンバイナ１８でそれぞれ反
射されて運転者に至る。運転者は前方光景に重畳され
た、円筒面凹面鏡２４とコンバイナ１８で拡大された表
示像を見ることができる。

【００３６】本実施形態のヘッドアップディスプレイユ
ニットを用いることによって、運転者は前方の光景から
ほとんど視線を移動させることなく表示源２０に表示さ
れた情報を見ることができるので、本実施形態のヘッド
アップディスプレイユニットは自動車のナビゲーション
システムの表示手段として特に有効である。

【００３７】表示像の色収差は、ホログラムコンバイナ
の空間周波数、表示像からホログラムコンバイナまでの
距離及びホログラムコンバイナが反射する光の波長帯域
に依存している。

【００３８】本実施形態のヘッドアップディスプレイユ
ニット１２においては、ホログラムコンバイナ１８端部
の空間周波数は１１０本／ｍｍ、表示像からホログラム
コンバイナ１８までの距離は５００ｍｍ、波長帯域は５
２０〜５４５ｎｍである。

【００３９】このとき、ホログラムコンバイナ１８の端
部で反射された表示像の色収差は約４分であり、およそ
人の目には気にならない程度である。ホログラムコンバ
イナ１８の大きさが横１２０ｍｍ×縦６０ｍｍで、端部
の空間周波数が１１０本／ｍｍの場合、ホログラムコン
バイナ１８の焦点距離はＦｘが約１０００ｍｍでＦｙが
約５１０ｍｍとなる。

【００４０】このようなホログラムコンバイナ１８に対
して、焦点距離が３１０ｍｍの円筒面凹面鏡２４を光学
ユニット１６内に図６及び図７に示すように配置して、
表示の横方向の拡大を行う。これによって、円筒面凹面
鏡２４とホログラムコンバイナ１８で非点収差が相殺さ
れ、明瞭な像を表示することができる。

【００４１】また、ホログラムコンバイナ１８の縦方向
の焦点距離が横方向の焦点距離の約半分となっているた
め、従来のホログラムコンバイナでは縦横とも約１．５
倍であった像の拡大率が、本実施形態のホログラムコン
バイナ１８では縦方向の拡大率のみが約２．２倍とな
る。

【００４２】これによって、表示源２０の表示パターン
のサイズを従来に比較して約６８％にすることができ、
表示源２０からホログラムコンバイナ１８に至る光路の
高さも全体的に低くすることができる。

【００４３】よって、光学ユニット１６全体は従来の約
９０％に薄型化され、ヘッドアップディスプレイユニッ
ト１２をダッシュボードの上に配置した際の前方光景の
遮りを少なくすることができる。

【００４４】図８は本実施形態のホログラムコンバイナ
の作成方法の一例を示している。レーザビームを２つに
分岐し、分岐された一方のレーザビームを発散球面波２
７でホログラム乾板２６に入射させ、もう一方のレーザ
ビームはコリメートビーム２９にし、このコリメートビ
ーム２９を円筒面レンズ２８で収束させてホログラム乾
板２６に入射させる。このようにして、図３（Ａ）に示
すような干渉縞が楕円の分布を持った反射型ホログラム
を作成することができる。

【００４５】図９は本発明第２実施形態の側面図を示し
ている。本実施形態においては、上述した第１実施形態
における円筒面凹面鏡２４に代えて、トロイダル面の凹
面鏡３０を用いている。

【００４６】このトロイダル面凹面鏡３０は、図１０に
示すように縦方向の焦点距離Ｐ１に比べて横方向の焦点
距離Ｐ２が短くなるように形成されている。このような
焦点距離特性を有するトロイダル面凹面鏡３０で、ホロ
グラムコンバイナ１８で生じる非点収差を相殺する。

【００４７】トロイダル面凹面鏡３０は縦横双方に対し
て拡大機能を持っているため、更に小型の表示パターン
を持った表示源２０を使用することができる。また、本
凹面鏡３０の像拡大機能によって表示源２０からホログ
ラムコンバイナ１８までの光路長を短くすることができ
るため、ヘッドアップディスプレイの光学ユニット１６
Ａ全体を小型化することができる。

【００４８】図１１を参照すると、本発明第３実施形態
の側面図が示されている。本実施形態は第１実施形態の
光学系のミラー２２を通常の凹面鏡３２で置換すること
によって、光学ユニット１６Ｂにおける像の拡大倍率を
上げたものである。

【００４９】これによって、第２実施形態と同様に更に
小型の表示パターンを持った表示源２０を使用すること
ができる。更に、表示源２０からホログラムコンバイナ
１８までの光路長も短くなり、光学ユニット１６Ｂ全体
を小型化することができる。

【００５０】図１２を参照すると、本発明第４実施形態
のヘッドアップディスプレイの側面図が示されている。
本実施形態においては、第１乃至第３実施形態で使用さ
れた反射型ホログラム１８に代えて非球面の反射面を有
する半透明の凹面鏡３４をコンバイナとして使用する。

【００５１】図１３に示されるように、半透明のトルイ
ダル面凹面鏡のような半透明凹面鏡３４は、表示の縦方
向の拡大に寄与する縦方向の焦点距離Ｐ１′が、表示の
横方向の拡大に寄与する横方向の焦点距離Ｐ２′よりも
短くなっている。

【００５２】２枚の凹面鏡を使用して収差を補正する方
法は特願平４−１５１９４２号にも記載されている。本
実施形態では、特願平４−１５１９４２号とは異なる凹
面鏡の構成であるが、この従来例と同様の収差補正の効
果がある。そのため、本実施形態の光学系は、１枚の凹
面鏡で像を拡大する光学系に比較して大きな光学的パワ
ーを持つことができる。

【００５３】

【発明の効果】本発明によると、ホログラムコンバイナ
の縦方向の焦点距離を短くすることによって、ホログラ
ムコンバイナによる色収差を低く抑えたままで像の拡大
率を向上できる。よって、表示源からコンバイナまでの
光路が短くなり、ヘッドアップディスプレイの光学ユニ
ットを薄型化することができる。

【００５４】ヘッドアップディスプレイの光学ユニット
に円筒面凹面鏡又は横方向の曲率半径が短いトロイダル
面の凹面鏡を組み込むことによって、ホログラムコンバ
イナで生じる非点収差を補正して、像歪みのない表示を
行うヘッドアップディスプレイを実現することができ
る。

【００５５】更に、ヘッドアップディスプレイの光学ユ
ニットを薄型化できるため、ヘッドアップディスプレイ
ユニットを自動車のダッシュボード上に載置した際の光
学ユニットによる前方光景の遮りを少なくすることがで
きる。

【００５６】本発明の光学系は、１枚の凹面鏡で像を拡
大する光学系に比較して大きな光学的パワーを持つこと
ができる。大きな光学的パワーを持った光学系は表示像
を高い倍率で拡大するため、表示源を小型にすることが
でき、更に表示源からコンバイナに至る光路長も短くで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】反射型ホログラムの色収差を示す図である。

【図２】反射型ホログラムの同心円状の干渉縞を示す図
であり、図２（Ｂ）が横方向の空間周波数の分布を、図
２（Ｃ）が縦方向の空間周波数の分布をそれぞれ示して
いる。

【図３】反射型ホログラムの楕円状干渉縞を示す図であ
り、図３（Ｂ）が横方向の空間周波数の分布を、図３
（Ｃ）が縦方向の空間周波数の分布をそれぞれ示してい
る。

【図４】表示源からコンバイナまでの光路を示す図であ
る。

【図５】自動車に搭載したヘッドアップディスプレイの
説明図である。

【図６】本発明の第１実施形態側面図である。

【図７】本発明の第１実施形態斜視図である。

【図８】ホログラムコンバイナの作成方法説明図であ
る。

【図９】本発明の第２実施形態側面図である。

【図１０】第２実施形態に使用したトロイダル面凹面鏡
の斜視図である。

【図１１】本発明の第３実施形態側面図である。

【図１２】本発明の第４実施形態側面図である。

【図１３】第４実施形態に使用したハーフミラー（半透
明）コンバイナの斜視図である。

【符号の説明】

１２ ヘッドアップディスプレイユニット １６ 光学ユニット １８ ホログラムコンバイナ ２０ 表示源 ２２ ミラー ２４ 円筒面凹面鏡 ３０ トロイダル面凹面鏡 ３２ 凹面鏡

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小俣 圭一 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 (72)発明者 江口 伸 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光型の表示源と；前記表示源の発した
   光を反射するように配置された、非球面の反射面を有す
   る第１凹面鏡と；前記第１凹面鏡で反射された光を移動
   体の運転者方向に反射するように配置されたコンバイナ
   とを具備し；前記第１凹面鏡は表示の横方向の拡大に寄
   与する横方向の焦点距離が、表示の縦方向の拡大に寄与
   する縦方向の焦点距離よりも短く；前記コンバイナは表
   示の縦方向の拡大に寄与する縦方向の焦点距離が、表示
   の横方向の拡大に寄与する横方向の焦点距離よりも短い
   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】 前記コンバイナは反射型ホログラムから
   構成される請求項１記載のヘッドアップディスプレイ。
3. 【請求項３】 前記反射型ホログラムは横長形状をして
   おり、該反射型ホログラムの左右端の空間周波数と上下
   端の空間周波数が概略等しい請求項２記載のヘッドアッ
   プディスプレイ。
4. 【請求項４】 前記第１凹面鏡の反射面の面形状は円筒
   面である請求項１記載のヘッドアップディスプレイ。
5. 【請求項５】 前記第１凹面鏡の反射面の面形状はトロ
   イダル面である請求項１記載のヘッドアップディスプレ
   イ。
6. 【請求項６】 前記コンバイナは非球面の反射面を有す
   る半透明の凹面鏡から構成される請求項１記載のヘッド
   アップディスプレイ。
7. 【請求項７】 前記表示源で発した光を前記第１凹面鏡
   方向に反射するように配置された第２凹面鏡を更に具備
   した請求項１記載のヘッドアップディスプレイ。
8. 【請求項８】 前記表示源で発した光を前記第１凹面鏡
   方向に反射するように配置されたミラーを更に具備した
   請求項１記載のヘッドアップディスプレイ。
9. 【請求項９】 前記表示源はカーナビゲーションシステ
   ムのモニタスクリーンである請求項１記載のヘッドアッ
   プディスプレイ。
10. 【請求項１０】 発光型の表示源と；前記表示源の発し
    た光を集光するように配置された集光手段と；前記集光
    手段で集光された光を移動体の運転者方向に回折するよ
    うに配置された回折手段とを具備し；前記集光手段は表
    示の横方向の拡大に寄与する横方向の焦点距離が、表示
    の縦方向の拡大に寄与する縦方向の焦点距離よりも短
    く；前記回折手段は表示の縦方向の拡大に寄与する縦方
    向の焦点距離が、表示の横方向の拡大に寄与する横方向
    の焦点距離よりも短いことを特徴とする画像投影装置。
11. 【請求項１１】 前記回折手段はホログラムから構成さ
    れる請求項１０記載の画像投影装置。