JP2867423B2 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

ヘッドアップディスプレイ装置

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JP2867423B2 JP1132191A JP13219189A JP2867423B2 JP 2867423 B2 JP2867423 B2 JP 2867423B2 JP 1132191 A JP1132191 A JP 1132191A JP 13219189 A JP13219189 A JP 13219189A JP 2867423 B2 JP2867423 B2 JP 2867423B2
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尚郷 谷口
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はヘッドアップディスプレイ装置に関し、特に
透明性を有するホログラム光学素子を介して、前方の例
えば自然風景等の画像情報と人為的に作成された表示情
報の双方の情報を同時に観察する際に好適なヘッドアッ
プディスプレイ装置に関するものである。
(従来の技術) 多層膜反射面やホログラム光学素子等の光学的に透明
な光束結合素子を用いて、表示装置からの表示情報と、
外界の自然風景等の画像情報とを同一視野内で空間的に
重畳して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。
従来より、このヘッドアップディスプレイ装置を航空
機の操縦席をはじめとし、種々の車輌などに使用した表
示装置が種々提案されている。
このようなヘッドアップディスプレイ装置を種々の体
格の人が用いる場合には種々な位置(方向)より良好な
る状態で観察ができることが要望されている。
例えば光束結合素子としてハーフミラーやダイクロイ
ックミラーを用いた場合の自動車の運転席における座
高、シートポジション等の変化に対応して表示光学系を
調整する際、実開昭61−31931号公報ではハーフミラー
の位置を調整して行った方法が提案されている。
又特開昭61−188236号公報では光路中に配設する折曲
げミラーの角度を調整して行った方法が提案されてい
る。
又実開昭62−46228号公報では表示光学系全体を回動
して行った方法が提案されている。
(発明が解決しようとする問題点) 光束結合素子としてハーフミラーの代わりにホログラ
ム回折格子素子を用いると、外の景色が明るく観察され
ること、同時に単色性に優れた光束から成る表示素子の
画像情報を高い回折効率で反射させて明るく観察するこ
とができる等の特長を有するか、これに観察位置に対す
る調整を行なうには前述の各方法ではいずれも種々の不
都合が生じてくる。
次に第5,第6図を用いて、例として反射体積位相型の
回折格子を用い観察位置(観察方向)が変動した場合に
生じる問題点を説明する。
第5図では反射体積位相型の回折格子35を用い反射回
折角度θ=50(実線)と角度θ′=45゜(破線)の
方向から観察している状態を示している。
ハーフミラーと異なり回折格子35ではブラック条件を
満足する回折方向に回折光が多く生じ、しかも同時に中
心波長にシフトが生じる。
同図の回折格子は例えば感光材としてポリ(N−ビニ
ルカルバゾール)を主体として構成されており、その平
均屈折率は1.67、面内格子ピッチ1.92μm、格子傾き角
4.94゜である。
この回折格子35に光束が入射角θ=30゜で入射する
波長510nmの光は反射回折されて反射回折角度θ=50
゜の方向に進む。又入射角θ′=25.9゜で入射する波
長518nmの光は反射回折されて反射回折角度θ′=45
゜の方向に進む。
第6図はこのときの観察方向により中心波長が変化す
る表示装置と組合せるのに好適な螢光表示管(ZnO,Zn
主組成とするP15−G1螢光体)の分光エネルギー分布を
示したものである。螢光体の分光エネルギー分布のピー
ク波長近傍に回折格子の中心波長(回折光量が最大とな
る波長)を設定することにより観察位置が上下及び前後
に変動しても明るく表示体を観察することが可能とな
る。
このような構成の表示装置は利用される光の波長幅が
回折格子35の波長特性より10nm〜50nmにわたり、この結
果波長分散による表示画像のボケが生じてくる。このよ
うな波長分散を補正する手段の一例として米国特許第46
13200号では回折格子35と相似の回折格子の2つの回折
格子を互いに平行に配置して行った方法が提案されてい
る。
しかしながらこの方法は収差補正を達成することはで
きるが表示体から回折格子までの光路長を長くとる必要
があり、装置全体が大型化してくるという問題点があ
り、机上に置く事務機や自動車の運転席のダッシュボー
ドでは、できる限り小さな容積であることが望まれるの
であまり好ましくない。
本発明は小さな容積内に効率的に収納することがで
き、しかも回折格子の波長分散により生じる表示画像の
ボケが少なく、かつ観察位置(観察方向)を種々の位置
(方向)に容易に調整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を目的とする。
(問題点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、所定の波
長幅を有する光束で情報表示をする表示器、該表示器か
らの光束を回折偏向する第1の回折格子、該第1の回折
格子からの光束を反射回折し、かつ光透過性を有する第
2の回折格子より構成されるヘッドアップディスプレイ
装置において、前記第1の回折格子の角度を変化可能と
し且つ該角度変化に対応して前記第1の回折格子を移動
させることで光路長を変化させる機構を有する調整手段
を設けたことを特徴とする。
又、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、所定
の波長幅を有する光束で情報表示をする表示器、該表示
器からの光束を回折偏向する第1の回折格子、該第1の
回折格子からの光束を反射回折し、かつ光透過性を有す
る第2の回折格子より構成されるヘッドアップディスプ
レイ装置において、前記第1の回折格子を移動させるこ
とで光路長を変化させ且つ該光路長変化に対応して前記
第1の回折格子の角度を変化させる機構を有する調整手
段を設けたことを特徴とする。
(実施例) 第1図は本発明の一実施例の光学系の要部概略図であ
る。同図においてCRTや螢光管等の表示器31面上から放
射された光束32は基板11面上に設けられた反射型の第1
の回折格子11により反射回折されて光束33となり透明基
板34,37の中間に配設された反射体積位相型の第2の回
折格子35に入射する。第2の回折格子35により反射回折
された光束36は観察者の瞳51に入射し、表示器31面上の
表示が背景と共に観察される。
本実施例において第1の回折格子11は反射型の回折格
子で機械加工による表面レリーフ格子、透明基板の裏面
にレリーフ格子を形成したもの、反射体積位相型の回折
格子等が使用できる。又、その格子の配列も直線等間隔
格子の外にゾーンプレートの一部のような集光性を有す
るもの或いは円筒レンズ等の働きを持たせることがで
き、その作り方も機械加工によるもの、マスクによるパ
ターン焼付けによるもの、レーザーからの二光束干渉に
よるホログラフィックなパターン形成によるもの等々が
使用できる。又その基板も平面以外に凸面、凹面、円筒
面が使用できる。
本実施例においては直線等間隔の格子を用いて十分な
機能を達成できるので、以下の説明は第1の回折格子と
して平面上の直線等間隔格子を用いた場合について説明
を行う。
本実施例において第1の回折格子11に必要な格子ピッ
チP1は0.82μmである。光束33は第2の回折格子35に入
射角θ=25゜で入射し、角度θ=45゜で反射回折さ
れる。ここで、回折格子35に面内ピッチP2は1.91μmで
あり、回折格子を構成する材料としてはポリ(N−ビニ
ルカルバゾール)を主体とするもの、重クロム酸ゼラチ
ン、アラビアゴム等種々のものが用い得る。本発明にお
いては、観察される表示内容の色分散によるボケが防止
されている構成となっている。
次にその技術内容について簡単に説明する。
今、表示器31は有限、例えば半値幅10nm乃至300nm程
度の波長広がりを有し、これに対応した反射型の回折格
子35も半値幅10nm乃至100nm程度の波長特性を有してい
る。
このような光源と回折格子とを組合せて表示される表
示内容を観察して最も目につく画質の低下は、画像の上
下方向の画像ボケである。
この上下方向のボケの補正は以下のように行われる。
今、中心波長より僅かに長い波長光(例えば510nmに対
し515nm)を考える。この波長光を光路36に沿って逆光
線追跡をして仮想的な光束を算出できる。これらの仮想
的な光束が中心波長の光線追跡した結果と表示器31で交
わうようにすると観察位置51からは上下方向の色ズレが
補正された画像が観察される。このときの色ズレが補正
できる条件は表示器31から第1の回折格子11までの距離
をl1、第1の回折格子11から第2の回折格子35までの距
離をl2、表示器31からの光束の第1の回折格子11への入
射角及び回折角をθ1とし、第2の回折格子35への
入射角及び回折角をθ3とすると で与えられる。ここで回折格子のピッチP1,P2は P1=λ0/|sinθ−sinθ2| P2=λ0/|sinθ−sinθ4| で与えられる。
この結果、表示器31を固定とし、第1の回折格子11を
例えば以下の条件 式を満足するように変動させれば良い。
(イ)基準位置 入射角θ=45゜、回折角θ=5゜、 入射角θ=30゜、回折角θ=50゜、 中心波長 510nm、l2/l1=2 (ロ)観察位置が下方に移動したとき 入射角θ=41゜、回折角θ=1.7゜、 入射角θ=25.9゜、回折角θ=45゜、 中心波長518nm、l2/l1=1.92 (ハ)観察位置が上方に移動したとき 入射角θ=49゜、回折角θ=8.3゜、 入射角θ=33.9゜、回折角θ=55゜、 中心波長 502nm、l2/l1=2.17 第2図は本発明において観察方向の変化に応じて第1
の回折格子11を変動させて光路長及び反射回折角度を調
整する調整手段の一実施例の説明図である。
同図において回折格子11の基板10にはピン22及びピン
23が植設されている。このうちピン22はガイド板20に設
けられた長溝21に嵌入されており、該長溝21内を移動し
ている。一方、ピン23は不図示の押圧機構によりガイド
板20のカム面19に押し付けられ該カム面19に沿って摺動
している。
今、ピン22がピン221の位置に移動するとピン23はピ
ン231の位置に移動する。又ピン22がピン222の位置に移
動するとピン23はピン232の位置に移動する。
本実施例ではカム面19の形状を適切に関数形で構成す
ることにより、回折格子11の移動量に対する任意の関数
として回転角を設定している。尚、本実施例において回
折格子11を大きな角度で回転させる場合には、一般に用
いられる鏡の回動機構を用いても良い。
第3図は本発明に係る回折格子11を回動させる調整手
段としての他の実施例の概略図である。同図では基板10
の表面には反射型の回折格子11が形成されている。又基
板10の他端には不図示の支持部材にピン18が取着され、
該ピン18を回転軸として基板10を回転している。これに
より回折格子11を位置111、又は位置112に移動してい
る。
本実施例では簡易な構成で回折格子の角度を高い信頼
性をもって良好に調整することができるといった特長を
有している。
又、本実施例ではピン18の位置を回折格子11の面より
上下方向に外すことにより光路長と回転角の関係を微調
整することができる。
第4図は本発明に係る回折格子11を調整する調整手段
としての他の実施例の概略図である。
同図では基板10上に反射型の回折格子11が形成されて
おり、かつリンクの構成要素62に取着されている。部材
60,61,62,63により非平行リンクを構成している。部材6
1が部材611の位置に移動すると部材62は部材621の位置
に移動し、回折格子11は回折格子111の位置に移動す
る。これにより回折格子11の中心位置移動と回転角調整
を行っている。
(発明の効果) 本発明によれば所定形状の回折格子と体積位相型の回
折格子の2つの回折格子を介して表示器面上の画像情報
からの光束を回折させて背景となる景色と空間的に重畳
して双方を観察する際、観察者の観察位置(観察方向)
が変動したときに生ずる中心波長の変化による色収差変
動を回折格子に設けた調整手段により光路長と回転角を
対応させて補正することにより、波長分散による表示画
像のボケがなく良好なる状態で表示器面上の画像情報を
観察することのできるヘッドアップディスプレイ装置を
達成することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の光学系の要部概略図、第2,
第3,第4図は各々第1図の回折格子を調整する調整手段
の一実施例の概略図、第5図は体積位相型の回折格子の
回折状態を示す説明図、第6図は本発明に係る表示器の
分光エネルギー分布の説明図である。 図中、31は表示器、11は第1の回折格子、10,34は基
板、35は第2の回折格子、35,37は透明基板、51は観察
者、35は体積位相型の回折格子である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 櫛引 信男 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−194222(JP,A) 特開 昭64−18120(JP,A) 実開 昭64−6131(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02B 27/02

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】所定の波長幅を有する光束で情報表示をす
    る表示器、該表示器からの光束を回折偏向する第1の回
    折格子、該第1の回折格子からの光束を反射回折し、か
    つ光透過性を有する第2の回折格子より構成されるヘッ
    ドアップディスプレイ装置において、前記第1の回折格
    子の角度を変化可能とし且つ該角度変化に対応して前記
    第1の回折格子を移動させることで光路長を変化させる
    機構を有する調整手段を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。
  2. 【請求項2】所定の波長幅を有する光束で情報表示をす
    る表示器、該表示器からの光束を回折偏向する第1の回
    折格子、該第1の回折格子からの光束を反射回折し、か
    つ光透過性を有する第2の回折格子より構成されるヘッ
    ドアップディスプレイ装置において、前記第1の回折格
    子を移動させることで光路長を変化させ且つ該光路長変
    化に対応して前記第1の回折格子の角度を変化させる機
    構を有する調整手段を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。
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