JPH036515A - ヘッドアップディスプレイ装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は回折格子からの反射回折光を利用した所謂反射
型回折格子を利用したヘッドアップディスプレイ装置に
関し、特に車両や航空機等においてフロントガラスの前
方に運航に関する表示情報を前方視野の風景等の画像情
報に空間的に重畳させて双方の情報を同一視野で観察す
るようにした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） 従来より多層膜反射面や体積型位相回折格子、そしてホ
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
いて表示情報を外界の自然風景等の画像情報に空間的に
重畳して同一視野で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。

例えば自動車や航空機等の車両の操縦席をはじめとし、
種々の車両に適用したものが提案されている。

このうち反射型の回折格子、特にホログラフィックな回
折格子を用いたホログラフィックヘットアップディスプ
レイ装置は表示素子と前方視野の画像情報の双方を共に
明るい状態で観察することができるという特長を有して
いる。

このようなホログラフィックヘッドアップデイスプレィ
装置に用いられるホログラフィック回折格子（以下「回
折格子」と総称する。）は種々の方法で製作されている
。

このうち格子面に対して傾いた格子を有した回折格子を
焼付光学系（ホログラム焼付光学系）により製作する場
合に記録材料と透明基板の境界面の反射防止が不十分で
あると記録材料に目標とする反射型の回折格子の他に不
要回折光を発生させる原因となる透過型の回折格子も同
時に記録されてしまう。

このときの透過型の回折格子の透過回折効率がある程度
高くなると前方視野から強度の強い光、例えば太陽や街
路灯、対向車のヘッドライト等の光源体からの光が入射
したときに不要な透過回折光が生じて前方視野の画像情
報に重畳して該光源体の回折像が同時に観察されてしま
うという問題点が生じてくる。

従来の焼付光学系ではこのような不要の透過型の回折格
子が記録材料層に記録されないように記録材料近傍に配
設された境界面の反射率が小さくなるように種々の手段
をとっている。

例えば米国特許第４，４５８，９７４号では透明基板と
して記録材料となるべく屈折率が等しい透明基板を用い
、かつ透明基板及び記録材料を双方の屈折率と略等しい
屈折率のインデックスマツチング液中に配置して記録材
料への露光を行っている。

この他、透明基板と空気との境界面に反射防止コーティ
ングを行ない、かつ反射防止コーティングを行ったカバ
ーガラスを記録材料面に対向して保持し、インデックス
マツチング液を記録材料とカバーガラス間に注入して露
光を行った方法も提案されている。（橋本礼耳他、光学
、第１６巻（１９８７）、４４２〜４４３）。

（発明が解決しようとする問題点） これらの焼付光学系はインデックスマツチング液が記録
材料に接触することから、液体の流れによる干渉縞のコ
ントラストの低下、液体を次の工程で除去する必要性、
記録材料の感度の低下、表面の荒れ、膨潤による悪影響
等の種々の問題点があった。

又、一般に液体は固体に対較して屈折率の温度依存性が
大きい。この為−１良好なる回折格子を得るには少なく
とも０．０８、好ましくは０．０４以内の屈折率の一致
度を達成する必要があり、この為液体の温度及び組成の
厳密なる制御が必要となってくる等の問題点があった。

本発明は回折格子の製作時にインデックスマツチング液
の使用を不要とし、又記録材料に回折格子を焼付は形成
する際の各光学要素の屈折率の合致度が低い場合であっ
ても透過回折光の生じる方位角が所定方向の範囲内とな
るように各要素を設定することにより、良好なる機能を
発揮することのできる回折格子を利用したヘッドアップ
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、表示素子か
らの光束を回折格子で反射回折させると共に該回折格子
の背後の画像情報からの光束を該回折格子を通過させる
ようにして、該表示素子の表示情報を該画像情報に空間
的に重畳させて該表示情報と該画像情報を同一視野で観
察するようにしたヘッドアップディスプレイ装置におい
て、該回折格子は波長０．４５〜０．６６μｍの波長域
の光に対して０．４％以上の１次透過回折効率を有して
おり、該１次透過回折光の生じる方位角が観察方向の真
上を基準として３０度〜１８０度の範囲内となるように
各要素を設定したことを特徴としている。

（実施例） 第１図は本発明の第１実施例の要部概略図であり、例え
ば自動車搭載用のヘッドアップディスプレイ装置を示し
ている。

同図において１０１は光束結合素子であり、所定の格子
ピッチＰの反射型の体積位相型の回折格子３５が形成さ
れている。回折格子３５は２つの透明基板３３．３４で
挟持され接着剤３６で格子線が水平方向に対して３０度
傾くようにして固着されこれらの部材３．３，３４．３
５は一体化されている。

３１は表示素子であり、例えばＣＲＴ等から成り、駆動
回路３０により駆動され所定の情報が表示されている。

１０２は光束結合素子１０１の前方視野の景色等の画像
情報である。

本実施例では表示素子３１からの光束を角度γで光束結
合素子１０１に入射させ回折格子３５で反射回折させて
観察者５１方向に導光している。

これにより該表示素子３１面上の表示情報９９を回折格
子３５の前方遠方に画像情報１０２に空間的に重畳させ
て双方の情報を観察者の瞳５１で同視野で観察している
。

９０は強い光を放射する太陽光、街路光、対向車のヘッ
トライト等の所定の高さに位置する光源体であり、光束
結合素子１０１に角度γで入射している。９８は光源体
９０からの光束が回折格子３５により透過回折されて生
じる回折像である。

即ち、回折格子３５が形成されている記録材料層内に反
射型回折格子の他に後述するように反射型回折格子の面
内格子ピッチと同一のピッチを有した不要な透過型回折
格子が形成されているときに、該透過型回折格子で透過
回折された光に基づいて形成されるヘッドアップディス
プレイ装置として不要な回折像である。

透過型回折格子に基づく不要な回折像９８は透過回折効
率がある程度、例えば０．４％程度以上あると観察され
るようになってくる。このような回折像９８は前方視野
の画像情報１０２や表示素子３１に基づく表示情報９９
の観察の妨げとなってくる。

そこで本実施例では前述の如く回折格子３５をその格子
線が水平方向に対して３０度傾けて配置し、不要な回折
像９８が観察視野より外れて形成されるようにし、表示
情報９９の観察の際には見えないようにしている。

第２図は種々の光源の輝度（ｃｄ／Ｉ！＋２、又はｍＬ
）とこれに対して人間の眼で観察したときの眼の限界の
輝度を示した説明図である。

同図より明らかのように、例えば真昼の太陽の輝度は２
　ｘ　１０’　ｃｄ／ｍ２であり、これは眼の限界１　
ｘ　１０　’　ｃｄ／ｍ２の約２００倍である。従って
透過回折効率が０．４％以上ある回折格子を用いた場合
には太陽光が透過回折して運転者の眼に入射すると単に
眩しくて運転上の妨げとなるばかりか眼に障害を与える
場合も生じてくる。

この為、本実施例では前述したように回折格子の大きさ
、面内格子ピッチの方向、配置等の各要素を適切に設定
することにより、太陽光等の強い光源体からの透過回折
に基づく回折像が観察視野内に現われないようにしてい
る。

第３図は透過回折効率が０．４％以上ある本発明に係る
回折格子を用いたとき透過回折光の生じる好ましい方位
角を示した説明図である。

本実施例では回折格子３５をその格子線が水平方向から
３０度傾けて配置することにより、観察方向の真上方向
を基準として波長４５０〜６６０ｎｍの光に対して３０
度〜１８０度の範囲内に透過回折光が生じるようにして
いる。これにより正面から明るい光が当たっている場合
でも観察に不都合がないようにしている。

第４図は本発明の如く回折格子の格子線を傾けないで水
平方向となるように配置したときの従来のヘッドアップ
デイスプレィ装置の概略図である。同図において第１図
に示した要素と同一要素には同符番を付している。

同図では太陽等の光源体９０からの光が回折格子３５で
透過回折し表示素子３１に基づく表示情報９９の表示方
向と同一方向に不要な回折像９８となって現われている
状態を示している。

次に焼付光学系を用いて記録材料層に反射型回折格子を
形成する際に、反射型回折格子の他に透過型回折格子が
形成される機構について第５図を用いて説明する。

第５図は本発明に係る回折格子を記録材料層に形成する
一実施例の光学系の要部概略図である。

同図において波長４８８ｎｍあるいは波長５１４．５ｎ
ｍの不図示のレーザーから分割された複数の光束のうち
一方の光束は偏光調整素子２０２を通り、顕微鏡対物レ
ンズ４で発散光束１０３となり記録材料５１に入射する
。

感光材料５１は透明基板５０上に塗布されていて、透明
基板５０とプリズム４５はインデックスマツチング液４
７を介して接合されている。

光束１０３は記録材料５１を通過した後、透明基板５０
、インデックスマツチング液４７、プリズム４５を通り
空気中に射出する。今、各々の光学要素の屈折率が略等
しいか、又は境界面に良好なる反射防止膜が施されてい
るときは光束１０３に関しては境界面より有害な反射光
は生じず記録材料５１には単一の光束が入射する。

又、プリズム４５の射出面が光束１０３の進行方向に対
して適当な角度類いている場合には、たとえ反射光が生
じても、該反射光は記録材料５１の焼付有効面の外にな
り、やはり有害な反射光とはならない。

又、分割された複数の光束のうち他方の光束は偏光調整
素子２０１を通り、顕微鏡対物レンズ７、コリメーター
レンズ９により略平行光束となってプリズム４５に入射
し光束１０６となる。

光束１０６はインデックスマツチング液４７と透明基板
５０を通過し記録材料５１に入射する。

記録材料５１に入射した光束１０６のうち一部は境界面
４９を透過し他は空気との境界面４９で反射又は全反射
して光束１０７となり記録材料５１、透明基板５０、イ
ンデックスマツチング液４７、そしてプリズム４５を通
り空気中に射出する。

同図に示す焼付光学系においては光束１０３と光束１０
６とは互いに干渉し、この結果記録材料５１に第６図（
Ａ）に示すような面内格子ピッチＰの反射型回折格子３
５が形成される。

又、第５図において光束１０６のうち記録材料５１の空
気と接触している境界面４９で比較的強く反射した反射
光１０７は光束１０６と干渉し、記録材料５１中に表面
に平行な回折格子を形成する。更に反射光１０７は光束
１０３とも干渉し、記録材料５１中に第６図（Ｂ）に示
すような面内格子ピッチＰの透過型回折格子３５ａを形
成する。

これらの２種類の回折格子のうち前者の表面に平行な回
折格子は使用の際に透明基板５０の表面反射と同一の位
置純反射像を生じるのでヘッドアップデイスプレィ装置
としての表示情報には悪影響を及ぼさない。

又、この回折格子は偏光調整素子２０１により光束１０
５の偏光状態を調整することにより干渉縞の強度を十分
低下させることができるのであまり問題とならない。

例えば第５図において光束１０６と光束１０７との進行
方向は略直交している為、光束１０５を面内で振動する
直線偏光とすることにより干渉縞の発生を防止すること
ができる。

これに対し光束１０３と光束１０６との干渉により形成
される本発明の対象とする反射型回折格子３５からの回
折光の強度を低下させずに光束１０６と光束１０７との
干渉により形成される。

本発明では不要な透過型回折格子３５ａからの強度のみ
を減少させることは大変能しい。

この結果、第・６図（Ａ）　、　（Ｂ）に示す如く、ど
うしても記録材料５１内に反射型回折格子３５を形成す
る際、反射型回折格子の面内格子ピッチＰと等しい面内
格子ピッチＰの透過型回折格子３５ａが形成されてしま
う。

これに対して本実施例では透過型回折格子による回折像
の生じる方位角が前述の範囲内となるように各要素を設
定して有害となる回折像が観察視野内に入らないように
している。

第７．第８図は本発明を自動車のフロントガラスに適用
したときの第２．第３実施例の要部概略図である。

第７図においてはフロントガラス５２面上に回折格子３
５を一体化して設けている。表示素子３１からの光束は
回折格子３５で反射回折し、運転者５１方向へ向かう。

今、回折格子３５の面内に水平方向にＸ軸、上下方向に
Ｙ軸をとる。表示素子３１からの光の中心波長を０．５
４５μｍ、回折格子３５への入射角を４５度、方位角（
Ｙ軸止方向となす角）を５０度とすると回折格子３５か
らの反射回折光の回折角は６０度、方位角は１５度とな
る。このときの回折格子３５の面内格子ピッチはＸ方向
が１．７１６μｍ、Ｙ方向が１．４２μｍ、格子垂直方
向の面内格子ピッチは１．０９７μｍ、格子はＸ軸と３
９．７度となっている。

このような構成の回折格子を用いたとき透過回折光は真
上方向に対して方位角で約４０度の方向に生じる。この
為、例えば太陽からの光が回折格子３５で透過回折する
場合、前方視野は太陽の方向から外れており、視線を左
方にそらすことにより容易にまぶしさを防止することが
できる。

一方、回折格子を同一位置に配置しても透過回折光が真
上に生じるように設定するとサンシェード１００で朝日
又は夕日の太陽からの光を隠して運転している状態に加
えて回折格子３５が大変眩しく観察される。

第８図においてはフロントガラス５２に反射型の回折格
子３５が設けられ、表示素子３１からの光を回折格子３
５で反射回折させて表示を行うことは第５図の実施例と
同様である。

本実ｈ’ｔｓ例では表示素子３１からの光の中心波長を
５９０ｎｍのオレンジ色とし、回折格子３５への入射角
を６０度、方位角を１３５度とすると回折格子３５から
の反射回折光の回折角は４５度、方位角は１６０度とな
る。

このときの回折格子３５の面内格子ピッチはＸ方向が１
．３７μｍ、Ｙ方向が８．３５μｍ、格子垂直方向の面
内格子ピッチは１．３６μｍ、格子はＸ軸と８０．７度
となっている。

このような回折格子を用いたときの透過回折光は略水平
方向に生じる。従って略水平方向から回折格子が照明さ
れている場合にのみ透過回折光に基づく有害な回折像が
生じることになる。例えば太陽光においては長時間水平
方向から回折格子３５を照明している場合は少なく、又
たとえ水平方向から太陽光が当ったとしても、その光源
輝度は低い為はとんど問題とならない。

（発明の効果） 本発明によれば回折格子からの反射回折光を利用して表
示素子の情報表示を行う場合、該回折格子による透過回
折効率が約０．４％以上あっても回折格子を面内で所定
量回転させ適切に設定することにより、透過回折光によ
る不要な回折像が視野内（該回折格子内）に発生するの
を防止し、良好なる観察を可能としたヘッドアップディ
スプレイ装置を達成することができる。

又、回折格子を製作する際、従来は記録材料を決定する
と、それに伴いインデックスマツチング液や透明基板の
屈折率等が定められたが、本発明によれば透明基板と記
録材料そしてインデックスマツチング液との屈折率差が
あまり問題とならない為、これらの選択の自由度を増す
ことができる等の特長を有している。これにより例えば
透明基板として光学ガラスであるＢＫ７に換えて白板や
青板等の一般ガラスの他にアクリル、ポリカーポ、ポリ
エチレン等のプラスチック基板等を使用することが可能
となる。

又、記録材料として重クロム酸ゼラチンやポリビニルカ
ルバゾールをはしめ焼付けときの記録材料の屈折率やイ
ンデックスマツチング液の屈折率を自由に選択すること
ができるという特長を有している。

特に本発明は記録材料表面に液体を接触させずに焼付光
学系を構成することができ、この場合には該記録材料に
対する化学的影響が全く無く、量産性に優れ、しかも良
好なる光学性能を有した回折格子を容易に得ることがで
きる等の特長を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の要部概略図、第２図は種
々の光源の輝度と眼の限界を示した説明図、第３図は本
発明に係る回折格子による透過回折光の生じる範囲を示
した説明図、第４図は本発明に係る回折格子を従来のヘ
ッドアップディスプレイ装置に適用したときの概略図、
第５図は本発明に係る回折格子の製作方法の一実施例の
概略図、第６図（Ａ）　、　（Ｂ）は本発明に係る回折
格子が形成されている記録材料断面内における面内格子
ピッチの説明図、第７図、第８図は本発明を自動車のフ
ロントガラスに適用したときの第２．第３実施例の要部
概略図である。 図中、１０１は光束結合素子、３５は回折格子、３３．
３４は透明基板、３６は接着剤、３１は表示素子、３０
は駆動回路、９０は光源灯、１０２は前方視野の画像情
報、９９は反射回折光による表示情報、９８は透過回折
光による回折像である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）表示素子からの光束を回折格子で反射回折させる
   と共に該回折格子の背後の画像情報からの光束を該回折
   格子を通過させるようにして、該表示素子の表示情報を
   該画像情報に空間的に重畳させて該表示情報と該画像情
   報を同一視野で観察するようにしたヘッドアップディス
   プレイ装置において、該回折格子は波長０．４５〜０．
   ６６μｍの波長域の光に対して０．４％以上の１次透過
   回折効率を有しており、該１次透過回折光の生じる方位
   角が観察方向の真上を基準として３０度〜１８０度の範
   囲内となるように各要素を設定したことを特徴とするヘ
   ッドアップディスプレイ装置。