JPH0192718A - 回折格子光学素子で発生する色収差を補正し、回折格子光学素子により画像表示を行なう表示方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明はホログラム素子等の回折格子光学素子を利用し
て画像表示を行なう表示方法に関し、特に回折格子光学
素子で発生する色収差を補正し、良好なる画像表示を行
なう為の表示方法に関する。

〔従来技術〕

従来から航空機や車両等の操縦者が前方視野に視線を向
けたまま視野内に情報を表示し、前方の物体と表示情報
とを重畳させた状態で観察可能なζ所謂ヘッドアップデ
イスプレィ装置（以下、ＨＯＤと称す。）に関する技術
が種々提案されている。

米国特許３．７３７．２１２及び４．２１８．１１１に
開示されているＨＵＤは、画像情報を直接供給する表示
装置として特殊な蛍光管を用い、数ｎｍの狭い波長幅を
有する結像光束をホログラム反射素子で結像して画像を
形成するものである。

上記各特許に示すＨＵＤの如く、使用光束の波長幅が狭
い場合には、ホログラム反射素子等の回折格子光学素子
で発生する色収差は極めて微小であり、実用上問題はな
い。

しかしながら、回折格子光学素子を利用して画像表示を
行なう場合、表示を多色化したり、或いは前述の表示装
置として通常の安価な蛍光管を使用すると、回折格子光
学素子で発生する色収差の為に表示画像の色かにじんだ
り、表示画像がぼけたりする。

この問題を解決する一つの手法が特開昭６１−３５４１
６号公報に開示されている。

第５図は上記公開公報が示すＨＵＤを示す説明図である
。

同図において、１は蛍光管等の表示面であり、青、緑、
赤に対応する波長λ３．λ６．λ８の光を発生する。２
は表示用のホログラム素子で、表示面１に表示された情
報を虚像１０として形成する。又、３は表示面１からの
光を受けて表示用ホログラム素子２に指向する色収差補
正用のホログラム素子である。９は観察者の眼を示すも
のであり、第５図に示す光学系の入射瞳に一致する。

表示面１上の所定の物点から発した波長λ８゜λ０．λ
、の光は補正用ホログラム素子３に入射し、波長の違い
により互いに異なる方向に回折された後、夫々表示用ホ
ログラム２に入射する。

そして、表示用ホログラムにより反射回折されて入射瞳
９に入射する。この時表示用ホログラム２においても波
長の違いにより波長λ８．λ６゜λ８の光が異なる方向
へ回折される為、波長λ。、λ。、λ３の夫々の光が形
成する虚像の位置は図示される瞳９−の位置か、ら観察
してほぼ一致して見える。（虚像１０の位置） しかしながら、第５図に示す様な色収差の補正方法では
、瞳９の位置が光軸（第５図においては波長λ６の光の
光路に相当する。）に対し光軸と直交する方向に移動す
ると、細土色収差の為に光軸方向に各波長λゎ、λ０．
λ□の光による表示画像がずれて観察される。従って、
自動車の運転手の様に左右に最大２５０ｍｍに及ぶ範囲
で観察位置を移動させる必要がある場合には、上記公開
公報のＨＵＤでは常に鮮明な画像表示を行なえないこと
になる。

以上説明した様に、従来のホログラム素子等の回折格子
光学素子を用いたＨＵＤによる表示方法では、瞳位置を
限定しない限り鮮明な画像を観察することは困難であっ
た。

〔発明の概要〕

本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり
、本発明の目的は回折格子光学素子で発生する細土色収
差を良好に補正し、瞳位置が光軸と直交する方向に移動
した場合でも鮮明な画像を観察することが可能な、回折
格子光学素子により画像表示を行なう表示方法を提供す
ることにある。

上記目的を達成する為に、本発明の表示方法は、表示す
べき画像情報を含む所定の波長幅の光束を回折格子光学
素子に入射させ、前記回折格子光学素子により前記画像
を所定像面に形成して表示する際、前記光束の前記回折
格子光学素子に至るまでの光路中に所定の分散特性を有
する屈折光学素子を配設し、前記屈折光学素子で生ずる
分散により、前記光束中の各波長成分の光に対して光路
長差と前記回折格子光学素子への入射角度差を与え、前
記回折格子光学素子で発生する色収差を補正して画像表
示を行なうことを特徴とする。

本発明の更なる特徴、作用効果は下記実施例に具体的に
記載されている。

〔実施例〕

第１図は本発明に係る表示方法の一実施例を示す、ＨＵ
Ｄの概略構成図である。

同図において、１０は画像表示用の回折格子光学素子で
あり、ＰＶＣ（ポリビニルカルバゾール）などの感材を
使用して作成した体積位相型ホログラム２と体積位相型
ホログラム２をその上に担持する透明基板５から成る。

そして、この回折格子光学素子１０は光軸Ｘに対して所
定角度傾けて配設されている。１は画像を形成する蛍光
管等の表示面であり、この表示面１は液晶デイスプレィ
等の他の表示手段の表示面、若しくは所定の表示パター
ンが描かれたマスクでも良い。４１は光入出射面に反射
防止膜を形成した透明光学部材から成る三角柱プリズム
であり、表示面１からの光束の回折格子光学素子に至る
までの光路中に置かれている。

又、三角柱プリズム４１を構成する光学部材は、ガラス
やアクリル樹脂等から成すものであり、三角柱プリズム
４１の代わりに、後述する別の実施例の如く他の形態の
プリズムやレンズ素子も使用可能である。

回折格子光学素子１０の反射（回折）効率は１５〜３０
％程度であり、表示面１からの結像光束を＠９の方向へ
反射回折させると共に、矢印Ａ方向に存在する前方の物
体からの光を透過させ、瞳９方向へ指向する。又、その
光学的機能は正レンズ若しくは凹面鏡と等価である。

従って、瞳９に一致する観察者は、回折格子光学素子１
０か矢印Ａ方向に形成する表示面１の表示情報の拡大さ
れた虚像と矢印Ａ方向に存する物体を重畳した状態で観
察する。

尚、第１図に示す光２０，２１，２２．２３は表示面１
の同一位置から出射した波長λ□（２０，２２）　、λ
９とは異なる波長λ、（２１゜２３）の光の主光線を示
すものであり、第１図の光学系における軸上結像光束の
主光線のみを便宜上描いている。

表示面１からの表示情報を有する光束は所定の波長幅、
例えば半値幅で１１００ｎを有しており、回折格子光学
素子１０のより狭い半値幅で例えば１０〜４０ｎｍに制
限される。上述の通り表示面１からの互いに波長が異な
る波長λ８゜λ、なる光２２．２３が第１図に示されて
いる。

又、ここではλ、〉λ、なる関係を有するものである。

表示面１から発した波長λ８．λ８の光２２゜２３は夫
々三角柱プリズム４１の光入射側斜面に斜入射し、該斜
面で夫々屈折されて三角柱プリズム４１中を伝播する。

そして、波長λ、、λ、の光２２．２３は三角柱プリズ
ム４１の光出射側斜面で再度屈折されて、三角柱プリズ
ム４１から光２０．２１として射出する。

この時、波長λ８の光２３は波長λ６の光２２−　より
波長が短い為、波長λ、の光２３が波長λ。

の光２２の偏向角より大きな偏向角で三角柱プリズム４
１により偏向される。従って、波長λ８の光２１の回折
格子光学素子１０の光入射面に対する入射角θ、は、波
長λ６の光２００回折回折格子光学部材の光入射面に対
する入射角θ６よりも小さくなる。（θ、〈θＡ） 三角柱プリズム４１から射出し、互いに異なる入射角度
θい、θ８で回折格子光学素子１０に入射する光２０．
２１は、夫々回折格子光学素子１０で反射回折されて瞳
９へ向う。波長λ８の光２０は回折格子光学素子１０に
より角度１８０−（θあ＋θ２）だけ偏向され、波長λ
、の光２１は回折格子光学素子１０により角度１８〇−
（θ３＋θ２）だけ偏向される為、夫々の光２０．２１
の光路が一致した状態で瞳９に向い、夫々の光２０．２
１が回折格子光学素子１０に対して瞳９と反対側に形成
する表示面１の虚像の位置は一致している。第１図にお
いて、回折格子光学素子１０で反射回折された光２０．
２１の光路は光軸と一致している。

即ち、第１図に示す表示方法では、三角柱プリズム４１
を構成する光学部材の屈折率が、波長が長い程小さくな
る為に波長が長い先程偏向角が小さくなるのに対し、回
折格子光学部材４１の回折作用が波長が長い程回折角が
大きくなる為に偏向角が大きくなるという、相異なる２
つの作用を利用して、回折格子光学素子１０で生ずる色
分散による軸上色収差を、三角柱プリズム４１で生ずる
逆方向の傾向にある色分散の効果で打ち消している。

又、三角柱プリズム４１などの透明屈折光学素子の作用
は、第１図に示す通り、短波長λ８の光の方が長波長λ
、の光より、より長い光路（長）を経て、回折格子光学
素子１０に到達させることにある。従って、三角柱プリ
ズム４１から射出した波長λえの光２０が形成する虚像
の位置より三角柱プリズム４１から射出した波長λ、の
光２１が形成する虚像の位置の方が、光軸Ｘに沿って瞳
９に遠い方が存することになる。

これに対し、回折格子光学素子１０では、をもつ。従っ
て、第１図に示す回折格子光学素子１０を介して２つの
異なる波長λ８．λ８の光２０．２１の虚像が同一位置
に形成される為には、より短い波長λ、の光の物点を、
波長λ９の光の物点より遠い方に形成する必要がある。

本実施例ではこの効果を上述の三角柱プリズム４１によ
り得ている。

依って、第１図に示す表示方法によれば、回折格子光学
素子１０で生じる波長λ８の光２０と波長λ、の光２１
が形成する虚像の光軸方向の位置ずれを、三角柱プリズ
ム４１中で生じた波長λ、の光・２０と波長λ、の光２
１との屈折率差及び光路長差による、回折格子光学素子
１０とは逆傾向の虚像形成位置の位置ずれにより補正し
ていることになる。

本実施例によれば、上記２つの作用により回折格子光学
素子１０で発生する軸上色収差をほぼ良好に補正してい
る。従って、瞳９の位置が光軸Ｘに直交する方向へ変化
しても、波長λえの光２０が形成する虚像と波長λ、の
光２１が形成する虚像とがずれて観察されることはない
。

又、本実施例では表示用の回折格子光学素子１０の色収
差補正の為に、三角柱プリズム４１の様な透明屈折光学
素子を使用しており、容易に９５％以上の透過率を得る
ことができる為、表示面１からの光を有効に利用して、
明るい画像表示を行なえる。

第５図に示した従来の色収差補正用のホログラム素子で
は、各波長（例えば波長λ８．λ０゜λＲ）の光に対し
て均等に回折効率を上げることが困難であり、素子の性
能上光利用効率が悪い。

又、画像表示の際の色の再現性にも問題が生じ易い。

しかしながら、透明屈折光学素子を利用して色収差補正
を行なう本発明によれば、上述の通り光利用効率が向上
する為、従来より明るい画像表示が行なえ、しかも色再
現も良好な鮮明な画像を表示出来る。

又、第１図に示す三角柱プリズム４１の如く、メリジオ
ナル方向とサジタル方向で屈折力が相異なる屈折光学素
子を光路中に配設すると、この２方向の屈折力の違いに
より非点収差が発生する。従って、本実施例の回折格子
光学素子１０は三角柱プリズム４１で発生する非点収差
を補正する様に、メリジオナル方向とサジタル方向の屈
折力を変えて製作しである。この為、色収差補正を極め
て簡単な方法で行なえると共に、他の収差への悪影響も
殆ど回避できる。尚、回折格子光学素子１０の焦点距離
（屈折力）はメリジオナル方向とサジタル方向とで独立
に制御出来るので、この非点収差補正の実施には特別な
労力は必要とされない。

以下、第１図に示すＨＵＤの具体的な数値実施例を述べ
る。

三角柱プリズム４１の頂角８２°とし、説明を容易にす
る為、波長λ９の光２０．２２と波長λ８の光２１．２
３の三角柱プリズム４１に対する入射角と出射角が等し
いと仮定する。これにより夫々の光２０．２２と２１．
２３の組に対しては最小偏角を満たす配置が設定される
。

ここでλＡ　＝　０　、５８７５６　ｐ　ｍ　（ｄ線）
。

λｍ　＝０．５４６０７μｍ　（ｅ線）とし、三角柱プ
リズム４１の材質をＢＫ７のガラスとした場合、ＢＫ７
の波長λえに対する屈折率はＮ、＝１．５１６３３．Ｂ
Ｋ７の波長λ８に対する屈折率はＮ、＝１．５１８２５
となる。

従って、第１図に示す波長λ９の光２０と波長λ８の光
２１との成す角及び波長λ６の光２２と波長λ８の光２
３との成す角は０．７６°となる。

この時、回折格子光学素子１０の光入射面の面内格子ピ
ッチを４．４１μｍとすれば、回折格子光学素子１０に
対して入射角θ４＝４５゜で入射する波長λ、の光２２
と入射角θ、＝４４．２４°で入射する波長λ８の光２
３は、回折格子光学素子１０の光入射面の法線に対して
夫々θ２＝３５°の角度を成す方向へ回折される。

同様に、三角柱プリズム４１の頂角を７６゜とし、その
材質にポリスチレンを選ぶ場合、Ｎ、＝１．５９１６０
．Ｎ、＝１．５９６１５となり、θ９＝４５°、θ、＝
４４．１６６として、回折格子光学素子１０の光入射面
の面内格子ピッチを４．００μｍとすれば、波長λ、、
λ８の光２２．２３が回折格子光学素子１０から射出す
る角度θ２はθ、＝３４．１°になる。

第２図は本発明の表示方法の第１変形例を示す、ＨＵＤ
の概略構成図である。

同図において、４２は回転対称な球面凸レンズを部分的
に切断して成る屈折光学素子であり、通常の球面レンズ
の軸外の部分のみを光通過域に設定し、光入出射面に反
射防止膜が形成しである。又、図中の他の符号は第１図
の実施例で示す符号と同一部材を示している。

本実施例では、第１図の実施例の三角柱プリズム４１の
代わりにレンズの一部から成る光学素子４２を使用し、
前述した補正原理に基づいて回折格子光学素子１０で発
生する色収差、特に細土色収差を補正している。

又、本実施例のＨＵＤによれば、表示面１の像は一旦光
学素子４２で拡大された後、更に回折格子光学素子１０
で拡大されて、回折格子光学素子１０の遠方矢印Ａ方向
に十分拡大された虚像が形成される。そして、これと同
時に、光学素子４２の分散作用と色に対す屈折力差（波
長λ８とλＢの光２０．２１の間に生じる光路長差）に
より、回折格子光学素子１０で発生−する細土色収差が
補正される。

特に光学素子４２のレンズ作用によれば、細土色収差、
即ち光軸Ｘ方向に沿った波長λ８の光２０による虚像の
形成位置と波長λ６の光２１による虚像の形成位置とを
良好に一致させ、瞳９の光軸に直交する方向への位置変
動に依らず常に鮮明な画像を観察することが出来る。

例えば、光学素子４２の材質として屈折率ｎａ　＝１．
４９＋　　ｎ＠　＝１．４９２０５のアクリルを用い、
ｄ線に対する焦点距離ｆ、をｆａ　＝５０ｍｍ、ｅ線に
対する焦点距離ｆ、をｆ、＝４９．７９１９９ｍｍ、回
折格子光学素子１０の焦点距離ｆをｆ＝１３００ｍｍと
し、回折格子光学素子１０と光学素子４２の主点間隔ｅ
をｅ＝４６．０ｍｍに設定して２つの光学素子１０．４
２の合成焦点距離ＦをＦ＝１５０ｍｍとすると、ｄ線及
びｅ線により形成される虚像は完全に一致する。

第２図の実施例では、光学素子４２を球面レンズの一部
で構成しているが、非球面レンズの一部にて光学素子４
２を構成しても良い。

第３図は本発明の表示方法の第２変形例を示すＨＵＤの
概略構成図である。

同図において、５０は両面球面のメニスカスレンズを部
分的に切断した光学部材４３の凹面に光反射層４４を形
成した屈折光学素子であり、光学部材４３の凸面に反射
防止膜が形成されて、この面が光入射出面の双方を兼ね
ている。

又、図中の他の符号は第１図及び第２図の実施例で示す
符号と同一部材を示している。

第３図において、表示面１からの波長λ６゜λ、の光２
２．２３は光学素子５０に光学部材４３の凸面から入射
し、屈折を受け、夫々光反射層４４により反射されて再
度光学部材４３の凸面で屈折し射出する。この時、λ８
〉λ６なる短波長λ８の光２３は光学部材４３の凸面に
おける屈折角が、波長λえの光２２より大きくなり、又
、光学素子５０中を伝播する波長λ８．λ８の光２２．
２３の間に光路長差が付与される為、前記実施例同様の
色収差補正原理に基づいて、光学素子５０から射出した
波長λ６の光２ｏと波長λ、の光２１が回折格子光学素
子１０を介して形成する虚・像位置は一致する。

従って、瞳９の光軸Ｘに直交する方向への位置変動に依
らず、観察者は常に鮮明で明るい画像を観察出来る。

本実施例のＨＵＤによれば、光学部材４３の凹面を反射
としている為、レンズの一部である光学部材４３を光路
中で２回使用することになる。従って、例えば第２図の
光学素子４２に比べて光学素子５０を薄型化、軽量化す
ることが可能である。又、第３図から明らかな様に、反
射層４４は光路を折り曲げる折り曲げミラーの機能を備
えており、これにより全体として小型のＨＵＤを構成す
ることが可能なだけでなく、表示面１に表示する文字等
を特別な裏返し文字で表示する必要がないという利点を
もつ。

又、本実施例の光学素子５０は、反射層４４が光学部材
４３の凹面に形成され、この凹面が凸面鏡の機能を果し
ているが、この凸面鏡の反射特性は反射の法則により波
長に依存するものではない。従つて、この凸面鏡は波長
依存性のない発散レンズとして働き、例えば第２図の光
学素子４２と同一焦点距離の素子を光学素子５０で構成
する時、光学部材４３の凸面の曲率が自ずから光学素子
４２の凸面の曲率より大きくなる。

この為に、前述した様に光学素子５０の屈折力の波長依
存性を利用して回折格子光学素子１０の色収差を補正す
る場合に、波長による焦点距離の変化、即ち屈折力の変
化が増大し、色収差補正に対する作用が強まる。

第４図は本発明の表示方法の第３の変形例を示すＨＵＤ
の概略構成図である。

同図において、６０は直角プリズム４５と反射層４６か
ら成す屈折光学素子であり、直角プリズム４５の互いに
直交する２つの面の内、面積が大きい方の面に反射層４
６を形成して反射面とし、残りの一面を光入射面として
いる。そして光入射面には反射防止膜が形成されている
。一方、直角プリズム４５の斜面には先出−射面と全反
射面の双方の機能を与えており、夫々斜面の異なる部分
にてその機能を分担している。又、図中の他の符号は第
１図乃至第３図の実施例で示す符号と同一部材を示す。

表示面１からの波長λ、の光２５と波長λ　８（λ＾〉
λ８）の光２４は、直角プリズム４５の光入射面にほぼ
垂直入射し、直角プリズム４５中を伝播して、「角プリ
ズム４５の斜面（全反射面）で全反射される。そして、
再度直角プリズム４５中を伝播して次に反射層４６によ
り反射され・　　て、再び直角プリズム４５の斜面に向
かう（光２２．２３）ここで、互いに異なる波長λ８゜
λ８の光２２．２３は直角プリズム４５の斜面で双方共
互いに異なる角度で屈折され、光学素子６０から射出す
る。

光学素子６０から射出した波長λ、の光２０と波長λ、
の光２１は、互いに異なる入射角で回折格子光学素子１
０の光入射面に入射すると共に、゛　　夫々の光２０．
２１には所定の光路長差が与えられている。従って、前
述迄の実施例同様、光学素子６０の構成配置を適宜設定
することにより１、　回折格子光学素子１０で発生゛す
る色収差を補正して、波長λ６の光２０と波長λ８の光
２１が回折格子光学素子を介して形成する虚像の位置を
一致させることが出来る。

依って、本実施例においても、瞳９の位置が光軸と直交
する方向に変動した場合でも、常に鮮明で明るい画像を
観察することが可能になる。

又、本実施例のＨＵＤによれば、直角プリズム４５の斜
面における全反射と反射層４５による反射により入射光
を多重反射させている為、例えば第１図に示すプリズム
と同一の機能（光学的作用）を小型のプリズムで果たす
ことが出来る。更に光学素子６０と表示面１を近接又は
密着させた構成を採ることが可能である。従って、本実
施例のＨＵＤによれば全体の小型化を図ることが容易で
ある。

以上、第２図乃至第４図で示した各変形例においても、
回折格子光学素子１０の色収差補正用素子として透明屈
折光学素子４２，５０．６０を使用している為、極めて
高い光利用効率で表示面１からの光により鮮明な画像を
形成出来る。

又、上記各実施例で示すＨＵＤを車両等の情報表示素子
として使用する場合、回折格子光学素子１０を車両のフ
ロントガラスに埋め込んだ形態として使用する。

そして、表示面１に形成する表示は不図示の画像情報発
生手段からの画像信号に応じて行なわれる。

又、上記各実施例では基板上に体積位相型ホログラムを
形成した回折格子光学素子を用いているが、基板上にレ
リーフを形成した位相型ホログラムの使用も可能であり
、このレリーフ位相型ホログラムは量産性が良＜ＨＵＤ
の低価格化に寄与する。

〔発明の効果〕

以上、本発明の表示方法によれば、透明屈折光学素子の
分散作用を利用して所定の波長幅を有する光束の各波長
の光に対し回折格子光学素子への入射角度差と光路長差
とを与え、回折格子光学素子で発生する色収差を抑える
ことが出来る。

従って、各波長の光は回折格子光学素子を介して同一位
置に表示面の像を形成する為、瞳の位置が変化した場合
でも常に鮮明な画像を観察出来る。

又、従来のホログラム素子等を利用した色収差補正法に
比べ、光の利用効率が格段に向上し、又、表示色の再現
性も良好である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の表示方法の一実施例を示すヘッドアッ
プデイスプレィの概略構成図。 第２図乃至第４図は本発明の表示方法の第１変形例乃至
第２変形例を示すヘッドアップデイスプレィの概略構成
図。 第５図は従来のヘッドアップデイスプレィを示す概略構
成図。 １・・・表示面 ９・・・瞳（観察者） １０・・・回折格子光学素子 ４１．４２，５０．６０・・・色収差補正用の屈折光学
素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 表示すべき画像情報を含む所定の波長幅の光束を回折格
   子光学素子に入射させ、前記回折格子光学素子により前
   記画像を所定像面に形成して表示する際、前記光束の前
   記回折格子光学素子に至るまでの光路中に所定の分散特
   性を有する屈折光学素子を配設し、前記屈折光学素子で
   生ずる分散により、前記光束中の各波長成分の光に対し
   て光路長差と前記回折格子光学素子への入射角度差を与
   え、前記回折格子光学素子で発生する色収差を補正して
   画像表示を行なうことを特徴とする回折格子光学素子に
   より画像表示を行なう表示方法。