JPH10278630A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 観者の視線位置の変化に柔軟に対応可能であ
ると共に，表示輝度と色調とを一定に保持することので
きるヘッドアップディスプレイ装置の提供。 【解決手段】 表示器１１から放射された信号光３１を
ホログラム素子を用いたコンバイナ２１に投射し，その
ホログラム回折光３２を視認するヘッドアップディスプ
レイ装置１０である。表示器とコンバイナとからなるセ
ットは，観者の視認可能な領域に信号光を回折させる角
度調整機構２５を有しており，表示器から放射される信
号光の半値幅は１０ｎｍ以下であり，かつホログラム素
子の回折特性は，角度調整機構２５により信号光の入射
角度が変化した場合においても，回折特性の選択波長帯
域の中に信号光の帯域を含むよう設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，ヘッドアップディスプレイ装置
に関するものであり，特に視認者の目の位置が変化して
も表示像の輝度が変化しないヘッドアップディスプレイ
装置に関する。

【０００２】

【従来技術】通常の自動車の運転においては，速度表示
などを確認するためには，視線を外の光景から一旦イン
スツルパネル上の計器類に移さなければならない。この
動作は，運転においては必要不可欠であるが，非常に煩
わしい行為である。また，頻繁な視線の移動は，運転者
にかなりの疲労をもたらすとも言われている。そこで，
近年ホログラフィック光学素子を用いて，速度などの運
転に必要な情報と外界の光景とを重ねて同時に視認でき
るヘッドアップディスプレイが提案されている。

【０００３】例えば，ヘッドアップディスプレイ装置９
０は，図６に示すように，ＣＲＴ等の表示器９２により
作り出される表示情報をホログラムやミラーなどの光学
部材９３によりウインドウシールド９１に投影する。そ
して，運転者８５の視界内に表示像８２を表示し，運転
者８５の視線移動や焦点調節の時間を短縮することがで
きる。上記において，ウインドウシールド９１は，外部
の光景８３と表示像８２を重畳させるオプティカルコン
バイナの機能を果たしている。

【０００４】なお，上記コンバイナの機能を有するもの
として波長選択性のないハ−フミラーを用いた場合に
は，ハーフミラーの反射率を上げると前景の輝度が低下
し，運転する上において危険であり，また逆に，ハ−フ
ミラーの反射率を下げると表示像の輝度が低下し，ヘッ
ドアップディスプレイの利点である視界内への表示が不
完全なものとなる。また，表示像の輝度を高くするため
に表示器から発せられる信号光の輝度を高くすると，表
示器が高価になったり，発熱量の増加によって表示器に
用いられる部品（特に液晶表示素子）の耐熱性の向上が
必要となってくるという問題がある。

【０００５】上記のように，ハーフミラーを用いたコン
バイナでは，前景８３の輝度と表示像８２の輝度とを両
立させることが困難である。そこで，上記ヘッドアップ
ディスプレイ装置において，上記複数の光学的情報を重
ね合せるコンバイナとして，反射型ホログラムを使用し
たホログラムコンバイナが用いられている。上記ホログ
ラムコンバイナには，特定の選択波長帯域の光のみを効
率よく反射する回折特性を持たせている（図７参照）。
その結果，ホログラムコンバイナは表示器（情報光源）
から発せられた光を高い効率で反射し，一方，上記特定
の波長域以外の光に対しては高い透過率を持つため，背
景から来る光のほとんどを透過させることができる。

【０００６】これにより，ホログラムコンバイナを通し
て見える外の光景８３と，ホログラムコンバイナにより
反射されて見える速度などの表示像８２とは，ともに明
るさが損なわれることがない。一方，ホログラムを用い
た場合には，入射光の波長により回折光の反射方向が変
化する，所謂色収差が発生し，表示像の輪郭がボケルと
いう問題があるが，それについては，表示器から放出さ
れる信号光を半値幅の狭い輝線スペクトルとすることに
より対処することができる。

【０００７】そして，図６に示すヘッドアップディスプ
レイ装置の構成では，車両内のスペースの制約により，
配置が容易でないという問題がある。そのため，車両用
のヘッドアップディスプレイでは，表示器２からコンバ
イナに至るすべての光学部材をケースに収納しシステム
全体を小型にすることにより，車両のダッシュボードの
近傍に配置するものが提案されている（実開平２−１１
７３０号公報参照）。このような独立型のヘッドアップ
ディスプレイ装置は，車両から取り外して点検，調整，
修理が可能であり，保守性にすぐれており，また，オプ
ションとして随時装着することができるという利点があ
る。

【０００８】

【解決しようとする課題】しかしながら，上記独立設置
型のヘッドアップディスプレイ装置においては，装置の
車両への取付け位置，車両の座席構造，運転者の体格・
運転姿勢などが異なるため，運転者の視線位置が変化
し，任意の運転者の視界内に表示像を投影できるよう
に，ホログラムコンバイナの上下方向に対する角度を自
由に調整できる機構を備える必要がある。

【０００９】ところが，ホログラムコバイナの上下方向
の角度を変化させると，ホログラムコンバイナへの信号
光の入射角が変化し，表示像の輝度が低下してしまうと
いう不具合があった。そこで，その解決の一手投とし
て，上記実開平２−１１７３０号公報では，ホログラム
コンバイナへの信号光の入射角を−定とし，装置全体を
上下方向に可動にするという方法が提案されている。

【００１０】しかしながら，全体が上下方向に動く可動
機構は構成が複雑となり，装置自体が大型になってしま
うという大きな問題がある。すなわち，独立設置型のヘ
ッドアップディスプレイは，装置の小型化が必須の条件
であるにもかかわらず，その実現の障害となっている。
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので
あり，観者の視線位置の変化に柔軟に対応可能であると
共に，表示輝度と色調とを一定に保持することのできる
ヘッドアップディスプレイ装置を提供しようとするもの
である。

【００１１】

【課題の解決手段】本願の請求項１の発明は，表示器と
コンバイナとを一体化してなるセットにおいて観者の視
認可能な領域に信号光を回折させる角度調整機構を有し
ており，そして，表示器から放射される信号光の発光特
性の半値幅（発光効率が最大値の半分になる大小の波長
間の波長差）は１０ｎｍ以下であり，かつ上記ホログラ
ム素子の回折特性は，上記角度調整機構により信号光の
入射角度が変化した場合においても，回折特性の選択波
長帯域の中に上記信号光の発光特性の帯域を含むよう設
定されていることを特徴とする。

【００１２】上記角度調整機構を操作することにより，
観者の目の位置が変化しても，信号光（回折光）が確実
に観者の目に入り観者が楽に表示像を視認することがで
きるようにすることができる。一方，信号光の半値幅は
１０ｎｍ以下と狭帯域であるから，観者が視認する像の
色が変化することがない。即ち，半値幅が広い場合に
は，ホログラムの回折特性との相乗効果により観者の視
認する光の波長が変化しうるが，信号光の発信源での波
長帯域が狭いから，色調が変化することはあり得ない。

【００１３】そして，ホログラムの回折特性は，以下に
述べるようになっているから，観者が視認する信号光
（回折光）の強度もほぼ一定となる。即ち，ホログラム
素子の回折特性は，上記角度調整機構を操作し信号光の
入射角度が変化し，これによりホログラムの選択波長帯
域がシフトした場合においても，その回折の選択波長帯
域の中に上記信号光の帯域を含むよう設定されている。
従って，回折光の強度の変化は殆ど無く，観者は一定の
強度を持った像を常に視認することができる。

【００１４】上記のように，本発明によれば，観者の視
域の変化に柔軟に対応可能であると共に，表示輝度と色
調とを一定に保持することのできるヘッドアップディス
プレイ装置を提供することができる。そして，請求項２
に記載のように，上記ホログラム素子の回折特性の半値
幅（回折反射率が最大値の１／２になる上下の波長の
幅）は，２５ｎｍ以上であることが好ましい。車両用の
ヘッドアップディスプレイ装置など，近くに表示装置を
置いて座って使用するものにおいては，信号光の角度調
整範囲は±６度程度であり，ホログラムコンバイナの回
転角度範囲はその半分の±３度程度であるから，通常２
５ｎｍ以上の半値幅があれば，表示像の輝度の変化は極
めて少なくなるからである。

【００１５】更に，請求項３に記載のように，上記ホロ
グラム素子の選択波長帯域の半値幅は，３５ｎｍ以下で
あることが好ましい。ホログラムコンバイナを通して見
る外の光景の明るさは，ホログラム素子の半値幅によっ
て変化し，半値幅が広いほど透過光の強度が減少する。
そして，外光を明瞭に視認するためには，通常３５ｎｍ
以下の半値幅とすることが好ましい。

【００１６】実施形態例 本例は，図１に示すように，表示器１１から放射された
信号光３１をホログラム素子を用いたコンバイナ２１に
投射し，コンバイナ２１のホログラム回折光３２を視認
するよう構成したヘッドアップディスプレイ装置１０で
ある。そして，表示器１１とコンバイナ２１とからなる
セットには，観者８５の視認可能な領域に信号光（回折
光３２）を回折させる角度調整機構２５を有している。
そして，表示器１１から放射される信号光３１の発光特
性３５（図３）の半値幅は１０ｎｍ以下である。そし
て，ホログラム素子の回折特性は，図１に示すように，
角度調整機構２５により信号光３１の入射角度が変化し
た場合においても，図３に示すように，符合６１〜６３
の間で変化する回折特性の選択波長帯域の中に上記信号
光３１の帯域を含むよう設定されている。また，上記ホ
ログラム素子の選択波長帯域の半値幅は，２５ｎｍ以上
で且つ３５ｎｍ以下である。

【００１７】以下それぞれについて説明を補足する。本
例のヘッドアップディスプレイ装置１０は，図１に示す
ように，表示器１１から放射された信号光３１をミラー
１５で反射させ，ホログラム素子を用いたコンバイナ２
１に投射し，コンバイナ２１にて反射された回折光３２
により，運転者８５が虚像８２を視認する独立設置型の
ヘッドアップディスプレイ装置１０である。

【００１８】ヘッドアップディスプレイ１は，表示器１
１からホログラムコンパイナ２１に至るすべての光学部
材をケース４１に−体に収納し，車両のダッシュボード
近務の運転者８５の視認しやすい位置に配置されてい
る。そして，任意の車両において，いかなる車両，いか
なる運転者に対しても，運転者の視界内に表示像８２を
表示できるように，ホログラムコンバイナ２１の角度が
調整できるようになっている。ホログラムコンバイナ２
１は，回動可能なホルダー４２に取り付けられており，
ケース４１の上面において回動できる機構となってい
る。そして，運転者８５が表示像８２を確認しながら，
手動またはモーター等の駆動手段によりコンバイナ２１
の角度を調整する。

【００１９】なお，独立設置型のヘッドアップディスプ
レイ装置１０は，安価かつ小型化が要求されているた
め，手動にてコンバイナ２１の角度を調整する方が望ま
しい。表示器１１は，図２に示すように，液晶表示素子
１１１と，バックライトとなる発光波長が５４３ｎｍの
冷陰極管１１２及び光の拡散板１１３とからなる。

【００２０】冷陰極管１１２の発光スペクトルは，輝線
スペクトルであり，そのため表示器１１から放出される
信号光３１も輝線スペクトルである。従って，ホログラ
ムの色収差による表示像のボケは発生しない。拡散板１
１３及び液晶表示素子１１１は，それぞれ信号光３１の
指向方向の拡大と，表示像の形成機能がある。なお，本
例の液晶表示素子１１１はドット式のＤＳＴＮ型のもの
である。

【００２１】コンバイナ２１に用いるホログラム素子
は，体積型ホログラムであり，感光材料としてフォトポ
リマを用い，アルゴンレーザ（５１４ｎｍ）により，予
め作成したマスタホログラムの回折光を物体光とし，入
射光（参照光）との間で干渉縞を形成することにより，
焦点距離１６５ｍｍの凹面鏡を記録した。また，露光
は，再生時の回折効率最大の波長が５４３ｎｍになるよ
うに，参照光の撮影角度を調整し撮影した。

【００２２】次に，半値幅を拡大するために熱処理を行
ない，紫外線を照射して現像を実施し，ホログラム素子
２１を作製した。また，ホログラム素子の両面には，不
要なゴースト像の発生を防止するため反射防止コート膜
を形成した。なお，表示器１１からホログラムコンバイ
ナ２１までの光路長は１２０ｍｍ，ホログラムコンバイ
ナ２１ヘの信号光３１の入射角（中心値）は２５度であ
る。

【００２３】そして，本実施例のヘッドアップディスプ
レイ装置１０の半値幅は以下のようにして決定した。始
めに，装置１０の取付け位置，車両の座席構造，運転者
の体格・運転姿勢等による運転者の視線位置の変化に対
応して，ホログラムコンバイナ２１の回転により表示像
８２の反射方向を調整するためには，回転角度は，約±
３度の範囲が必要である。そこで，回折特性の半値幅の
異なるホログラムを予め準備し，表示像８２の輝度の低
下に関する官能評価を実施した。

【００２４】図４は，その結果を示すものである。同図
において，符合×は，５名の被験者全員が輝度の変化
（低下）により表示像に対して違和感を感じた場合を示
し，符合△は，少なくとも１名の被験者が輝度低下によ
る違和感を感じた場合，符合は，被験者全員が輝度の変
化（低下）による違和感を全く感じない場合を示す。上
記結果が示すように，ホログラムの半値幅を拡大すれば
表示像８２の輝度の低下は目立たなくなり，表示像８２
の輝度の低下の違和感をなくすためには，半債幅が２５
ｎｍ以上あることが望ましい。

【００２５】図３にホログラムコンバイナ２１の上下方
向の入射角度変化による白色光に対する回折特性の変化
と，輝線光源のスペクトルの関係図を示す。ホログラム
コンバイナ２１ヘの入射角が変化すると，ホログラムの
回折ピーク波長が変化するが，半値幅が大きいと輝線光
輝の波長での反射率の低下が小さいため，輝度低下によ
る違和感が生じないようになる。

【００２６】また，半値幅の変化に伴うホログラムコン
バイナ２１の透過率の変化を，下紀の計算式にて，シミ
ュレーション計算を実施した。 ホログラムの透過率＝［∫｛１−h （λ）｝×i （λ）
d λ］／［∫i （λ）d λ］ 但し，h （λ）はホログラムの分光回折反射率，i
（λ）は比視感度であり，積分計算は，λ＝３８０〜７
８０ｎｍの可視光線の範囲で実施した。その結果を図５
に示す。但し，回折反射率が最大となるピーク時の波長
は５４３ｎｍであり，同図の丸印は，最大の回折反射率
が７０％の場合，四角印は，回折反射率が８０％である
ホログラムに対するものである。

【００２７】なお，車両用のヘッドアップディスプレイ
１０のコンバイナ２１の必要最低限の透過率は，車両の
フロントガラスの安全基準より７０％以上と定められて
おり，上記透過率７０％以上を確保するためには，同図
が示すように，ホログラムコンバイナ２１の半値幅は３
５ｎｍ以下であることが必要である。

【００２８】なお，本例では，ホログラム素子の感光材
料としてフォトポリマを用いたが，銀塩，重クロム酸ゼ
ラチン，フォトレジスト等を用いても良い。また，輝線
光源は，冷陰極管の外に，熱陰極管，蛍光表示管等の発
光スペクトルが輝線であるものでもよく，その他に，キ
セノンやハロゲン等の白色光源と狭帯域のバンドパスフ
ィルタを組み合わせて輝線光線を得るものでもよい。

【００２９】また，本例では，単一の輝線による単色の
表示について説明したが，複数の輝線からなる複色の場
合でも同様である。なお，この場合には，ホログラムの
回折特性は，上記複数の色をカバーするものとする必要
がある（多重ホログラムや複数のホログラムを用いても
良い）。

【００３０】

【発明の効果】上記のように，本発明によれば，観者の
視域の変化に柔軟に対応可能であると共に，表示輝度と
色調とを一定に保持することのできるヘッドアップディ
スプレイ装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例のヘッドアップディスプレイ装置の
システム構成図。

【図２】実施形態例の表示器の構成要素の配置図。

【図３】実施形態例のヘッドアップディスプレイ装置に
おいて，ホログラムコンバイナの角度を上下方向に最大
限変化させた場合のホログラムの回折特性の変化と，信
号光源の発光特性（輝線スペクトル）を示す図。

【図４】実施形態例のホログラムコンバイナの入射角度
を変化させた場合における，表示像の輝度の変化に対す
る違和感の官能検査を，ホログラムの回折特性の半値幅
を変えて実施した結果を示す図。

【図５】ホログラムの回折特性の半値幅とホログラムの
透過率との関係を示す図。

【図６】従来のヘッドアップディスプレイ装置のシステ
ム構成の１例を示す図。

【図７】ホログラムの回折特性の典型的な例と半値幅を
示す図。

【符号の説明】

１０．．．ヘッドアップディスプレイ装置， １１．．．表示器， ２１．．．ホログラムコンバイナ， ２５．．．角度調整機構， ３１．．．信号光， ３２．．．回折光，

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表示器から放射された信号光をホログラ
   ム素子を用いたコンバイナに投射し，上記コンバイナの
   ホログラム回折光を視認するよう構成したヘッドアップ
   ディスプレイ装置であって，上記表示器とコンバイナと
   を一体化してなるセットには，観者の視認可能な領域に
   上記信号光を回折させる角度調整機構を有しており，上
   記表示器から放射される信号光の発光特性の半値幅は１
   ０ｎｍ以下であり，かつ上記ホログラム素子の回折特性
   は，上記角度調整機構により信号光の入射角度が変化し
   た場合においても，回折特性の選択波長帯域の中に上記
   信号光の発光特性の帯域を含むよう設定されていること
   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】 請求項１において，前記ホログラム素子
   の回折特性の半値幅は，２５ｎｍ以上であることを特徴
   とするヘッドアップディスプレイ装置。
3. 【請求項３】 請求項２において，前記ホログラム素子
   の回折特性の半値幅は，３５ｎｍ以下であることを特徴
   とするヘッドアップディスプレイ装置。