JPH04128816A - 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】 〔概　要〕 ヘッドアップディスプレイ装置に係わり、特に表示光を
ウィンドシールドに向けて投射し、ウィン、ドシールド
の形状に従った反射により運転者に表示像を見せる小型
化された表示光学系を有するヘッドアップディスプレイ
装置に関し、太陽光等の外来光が、表示光の伝播経路を
逆行し、表示器の管面を照明して疑似発光させ、正しい
表示がおこなえなくなる現象を防止することを目的とし
、 表示器から発する光を、表示器の近傍に表示器面と略対
向するように配置したオフアクシス反射型ホログラムで
反射させ、更に拡大光学系により表示像を拡大するよう
に光学系をユニット状に一体構成し、同投射光学系ユニ
ットを自動車等のダラシ二ボード内に埋め込んで設置し
、ダツシュボード上に設けた表示光出射用の開口窓を通
して表示光をウィンドシールドに投射し、同投射光のウ
ィンドシールドで反射された成分が運転者の目の位置に
達するように構成する。或いは同投射光学系ユニットを
ダツシュボード内に埋め込む代わりにダツシュボード上
に設置し、同様に表示を行う。

〔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係わり、特
に表示光をウィンドシールドに投射し、ウィンドシール
ドの形状に従った反射により運転者に表示像を見せるた
約の小型化された表示光学系を有するヘッドアップディ
スプレイ装置に関する。

〔従来の技術〕

ヘッドアップディスプレイ装置は、視野内の景色に第二
の映像情報を重畳表示するもので、太きな動作、視線の
移動を伴うことなく、より多くの情報をほぼ同時に認識
できるとい点で利用価値が高い。既に、戦闘機や航空機
のコックピット用として実用化されている。また、最近
では、自動車への適用が検討されている。

ヘッドアップディスプレイ装置を自動車に適用するに際
し、背景光を透過させ、表示光を反射させるコンバイナ
の形態として以下の３つが考えられる。第１は反射型ホ
ログラムを用い、ウィンドシールドに一体形成する方式
で、第１２図（ａ）に示すように表示器を含む投射光学
系ユニット１９を例えばダツシュボード１フ内に装着し
て、表示光りをウィンドシールド１５に形成された反射
型ホログラム５で反射させることにより、運転者の目の
位置６に導くものである。第２は、ダツシュボード上に
別置きのホログラムコンバイナを設ける方式で、第１２
図（ｂ）　に示すように表示器を含む投射光学系ユニッ
ト１９を例えばダツシュボード１７内に装着して、表示
光りをホログラムコンバイナ５’７：−反射させること
により、運転者の目の位置６に向けて表示光を導くもの
である。第３は、ホログラムを形成していないウィンド
シールドそのもの、または反射率を増加させる加工を施
したウィンドシールドをコンバイナとして用いる方式で
第１２図（Ｃ）に示すように、例えば表示器を含む投射
光学系ユニット１９を例えばダツシュボード１７内に装
着して、表示光りをウィンドシールド１５で反射させ、
運転者の目の位置６に導くものである。

第１の方式は、ウィンドシールド製造工程で反射型ホロ
グラムを形成する必要があり、コスト高となる点、ホロ
グラムが周辺からの光を反射して自動車の外部から見た
時に、ホログラムが色味付き、高級感を損ねる等の問題
があった。第２の方式は、コンバイナの輪郭が視界の連
続性を断ち切る点、ダツシュボード上に構造物を設ける
ことの安全性等が問題であった。これに対して、第３の
方式は、表示光の光利用率が低い点が問題であるが、低
価格にできる可能性があり、安全性上の問題もない。従
って、自動車用のヘッドアップディスプレイとしては、
第３の方式が有力である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した第３の方式において、第１３図に示すように、
太陽光１が表示光りの伝播経路を逆行する方向でダツシ
ュボード１７上の開口部１６から表示光学系１９に入射
した時に表示器１を照らし、特に蛍光表示管を表示器と
して用いた時には、蛍光体が白色であるため光が強く散
乱され、表示の有無にかかわらず表示セグメントが装備
的に発光した状態になり、正しい表示ができなくなって
しまう。

第１４図は疑似発光状態を説明するための図である。

第１４図（ａ）　は表示が正常な場合で、ｒ８０」と表
示されている。斜線を施した表示セグメントは発光して
いない。第１４図（ｂ）　は疑似発光状態を示しており
、表示セグメント全体に強い光（太陽光）が当たり、白
色の蛍光体が光を散乱し、あたかも発光しているかのよ
うに見える。この散乱光強度が表示光に比べて強い場合
（晴天時の太陽光は充分に強い）は、表示の有無を見分
けることが困難になる。蛍光表示管は他の表示器に比べ
て輝度が高く、しかも低価格で、ヘッドアップディスプ
レイ用の表示器としては最も有力なデバイスである。

従って、蛍光表示管の疑似発光の問題の解決が必要とさ
れていた。

本発明は上記従来の欠点に鑑み創作されたもので、太陽
光が表示光学系に入射しても蛍光表示管の表示面で異常
発光が強く生じないような表示光学系を有するヘッドア
ップディスプレイを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では、投射光学系ユニット１９を表示器１と像拡
大用光学系３からなる簡素な構成とし、且つ太陽光１入
射時の表示器１の異常発光を防止する手段として、光を
非正反射方向に反射させる素子を光路中に設置する。具
体的には、表示器の近傍にオフアクシス反射型ホログラ
ム２を設置し、表示光ｆを同ホログラムで反射させ、そ
の反射光ｇを拡大光学系３に導き、表示像の拡大を行う
構成にする。一般に、オフアクシス反射型ホログラムに
よる光の反射においては、反射方向が波長によって異な
り、色収差が発生するが、表示器１の近傍に配置するこ
とにより、実質上色収差は無視できる。

〔作　用〕

投射光学系ユニット１９に表示光とは逆向きに入射する
太陽光】が、オフアクシス反射型ホログラム２に入射す
ると、同ホログラム２の反射波長帯域以外の光は透過又
は表面で正反射し、表示器１には至らないため、表示器
１の異常発光を大幅に低減することができる。同ホログ
ラムの反射波長帯域の光は表示器１に入射するが、その
光による表示器１の異常発光量は表示光ｆに比べて弱い
ため、実用上問題とならない。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面によって詳述する。

なお、構成、動作の説明を理解し易くするために企図を
通じて同一部分には同一符号を付してその重複説明を省
略する。

第１図は本発明の第１の実施例の要部を示す図である。

図において１は表示器（蛍光表示管）で自動車走行時の
速度、計器類の表示を行う。２はオフアクシス反射型ホ
ログラムで、表示器１から発する光ｆを反射させる際に
、その反射角が入射角と異なるように作成されたもので
ある。ここで入射角、反射角はホログラム２に関して表
示器１側の空間において、ホログラム２の法線とそれぞ
れ入射ビーム、反射ビームの光線が成す角度で定義する
。オフアクシス反射型ホログラム２により反射された光
ｇは虚像１１を生成し、更に拡大光学系３として設けた
凹面鏡３０で反射される。これにより、遠方に拡大され
た虚像１２が形成される。凹面鏡３０で反射された光り
は、投射光学系ユニット１９を密閉するために設けられ
た開口窓１８を透過し、ユニット外部に出射される。第
２図は本発明の投射光学系ユニット１９を自動車に設置
した様子を示す。ダツシュボード１７の内部に投射光学
系ユニット１９を埋め込み、表示光を出射させる開口部
１６が設けられている。投射光学系ユニット１９から出
射する表示光りが、ウィンドシールド１５で一部反射さ
れ、運転者の目の位置６に向かうように投射光学系ユニ
ット１９からの表示光りの出射角度を設計する。またウ
ィンドシールド（反射率と透過率が所定の値に設定され
た板状部材）１５は表示光を反射する面を何の処理も行
なわずガラスと空気の界面を反射面としても良く、又は
反射率を増加するため金属薄膜、誘電体多層膜、正反射
型ホログラム膜等を設けても良い。以上により、運転者
は視野内に表示映像を虚像１３の位置に見ることができ
る。

第３図は投射光学系ユニット１９内の表示器ｌとオフア
クシス反射型ホログラム２の部分の斜視図である。オフ
アクシス反射型ホログラム２はほぼ垂直に近い角度で入
射する表示光ｆを大きな反射角θ（例えば４５度）で矢
印ｇで示す方向に反射させるように作成されたものを用
いる。例えば２つの平面波を、それぞれホログラム乾板
の互いに異なる面から、異なる入射角で照射し干渉させ
て作成することのできる反射型ホログラムを用いればよ
い。オフアクシス反射型ホログラムの反射波長帯域は第
４図に示すように表示器１の発光スペクトルのピーク値
付近になるようにする。オフアクシス反射型ホログラム
２の有効面積は、表示器１の表示面積とほぼ同等か大き
めにとる。必要な面積の詳細は、拡大光学系３　（ここ
では凹面鏡３０）を構成する素子の大きさと、運転者が
表示を見ることのできる目の位置の範囲（視認範囲）の
大きさにより変わるため、設計により定まる。

このように構成された本実施例は、第１図において投射
光学系ユニット１９からの表示光りとは逆向きに入射す
る太陽光ｉがオフアクシス反射型ホログラム２に入射す
ると、同ホログラムの反射波長帯域以外の光は透過又は
表面で正反射し、表示器１には入らない。従って表示器
１の異常発光を大幅に低減することができる。なお同ホ
ログラム２の反射波長帯域の光は表示器１に入射するが
、その光による表示器１の異常発生量は表示光ｆに比べ
て弱いため実用上問題とはならない。

第５図はオフアクシス反射型ホログラム２によって発生
する色収差が、同ホログラムを表示器１の近傍に設置す
ることで実質的に無視できることを説明するための図で
ある。表示面上の各点から光は球面波的に発散するが、
ここでは中心光線で表すこととする。表示面上の点Ｐか
らオフアクシス反射型ホログラム２へ向かう光は種々の
波長成分をもっている。その波長成分の中から最長、最
短の２波長を選び、それぞれλ１．λ２とする。オフア
クシス反射型ホログラム２により反射される方向は波長
によって異なるため、点Ｐの虚像は波長によって異なる
位置Ｐ１．Ｐ２に形成される。

λ１と２２の間の波長の光による虚像は点Ｐ１と点Ｐ２
の間に形成される。即ち、本来−点であった点Ｐが、お
よそ点Ｐ１と点Ｐ２を両端とする線状にぼやけてしまう
ことになる。これが色収差であるが、ぼやけ具合は、表
示器１とオフアクシス反射型ホログラム２の間隔ｄに大
きく依存する。

反射される方向の違い（Δθ）は波長が決まれば一定で
あるが、点Ｐ１　と点Ｐ２の距離はｄを小さくすること
により縮小可能である。オファクシス反射型ホログラム
の波長選択幅が２０〜３０ｎｍであることを考えると、
ｄ＜２０ｍｍであれば実質的に像のぼけは無視できる。

第６図は本発明の第２の実施例の要部を示す図である。

本実施例は拡大光学系３として、２つの凹面鏡３Ｌ３２
を用いて表示の拡大率の向上を図ったものである。拡大
率を上げるためには、第１図の実施例において、凹面鏡
３０として焦点距離の短いものを用いればよいが、像の
歪みが大きくなり、広い視Ｓ忍範囲を確保することが難
しくなる。具体的には、運転者の目の位置が変化した時
に表示像の形が大きく歪んでしまう。そこで焦点距離が
比較的長い凹面鏡を２つ使うことにより、無理なく像の
拡大率をあげることができる。第６図においては光軸が
平面内にあるが、表示光りの出射方向は任意に変えるこ
とが可能である。

通常、自動車の運転者は自動車の右側または左側に着席
して運転を行うように運転席が設けられている。従って
、表示光りがウィンドシールド１５で反射される様子は
、第１２図に示したように、平面図で書けるような単純
なものではない。即ち第７図に示すように、ダツシュボ
ード１７上の開口部１６から出射する表示光りを、ウィ
ンドシールド１５で斜めにすべるように反射させ、運転
者の目の位置６に導く必要がある。

このように構成された本実施は、表示光と逆向きに入射
する太陽光による異常発光を大幅に低減できることは第
１の実施例と同様であり、さらに像の歪みを第１の実施
例に比し減少することができる。

第８図は、第２の実施例の変形例で、上述した状況に適
用可能な投射光学系ユニット１９の一例を示す。第８図
（ａ）　は上面図、第８図（ｂ）は側面図である。構成
要素は第６図の場合と同様で、表示器１、オフアクシス
反射型ホログラム２、凹面鏡３１．３２であるが、配置
の仕方、オフアクシス反射型ホログラムによる反射方向
が異なる。第８図（ｂ）において、表示器１とオフアク
シス反射型ホログラム２の相対位置関係は第６図とほぼ
同じでよいが、光を反射する方向は斜め方向になるよう
にする。第９図は表示器１とオフアクシス反射型ホログ
ラム２の位置関係を示す図であるが、ホログラム面に対
して略垂直に入射する表示光ｆは、光線ｇに示すように
斜め方向に反射させる。ホログラムの作成法は第３図の
場合と同様である。但し、使用時に光が斜めに反射され
るよう、ホログラム乾板を面内回転して設置する必要が
ある。表示器１、オフアクシス反射型ホログラム２と凹
面鏡系の位置関係もねじれている。更に２つの凹面鏡３
１３２の位置関係も非対象にしてあり、表示光りがウィ
ンドシールド１５で反射された後に水平な文字表示、適
当な視認範囲が得られるようにしである。

表示器１、オフアクシス反射型ホログラム２、凹面鏡３
１、凹面鏡３２の位置の決定は、光線追跡により行う。

光線追跡法自体は公知の技術であるため説明は省略する
。

第１０図は本発明の第３の実施例の要部を示す図である
。本実施例は拡大光学系３として、光学レンズ系３４を
用いたものである。図では単一の凸レンズで表している
が、群レンズであってもよいことは言うまでもない。但
し低価格化を図るためには、できるだけ単純なレンズ構
成にすることが望ましい。このように構成された本実施
例は第２の実施例と同様な効果が得られる。

第１１図は本発明の第４の実施例の要部を示す図である
。本実施例は拡大光学系３として、光学レンズ３５と凹
面鏡３６を用いたものである。このように構成された本
実施例も第２の実施例と同様な効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、オフ
アクシス反射型ホログラムを表示器の近傍に配置し、表
示光を同ホログラムで反射させた後に拡大光学系で像拡
大を行うように光学系を構成し、同光学系による表示光
をウィンドシールドで反射させ、運転者の目の位置に導
くようにヘッドアップディスプレイを構成することによ
り、太陽光が表示光と逆向きに入射しても表示器を強く
照射して表示の認識を不可能にするような異常発光現象
を防ぐことができる効果がある。また、上記投射光学系
をユニット状に一体化することにより、ダツシュボード
内への設置を容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の要部を示す図、第２図
は本発明の投射光学系ユニットを自動車に搭載した場合
の一例を示す図、 第３図は本発明の投射光学系ユニットを構成する表示器
とオフアクシス反射型ホログラムおよび表示光の伝播方
向の関係を示す図、 第４図は表示器およびオフアクシス反射型ホログラムの
特性を示す図、 第５図は本発明の投射光学系ユニットにおいて、オフア
クシス反射型ホログラムの色収差が無視できることを説
明するための図、 第６図は本発明の第２の実施例の要部を示す図、第７図
は本発明の投射光学系ユニットを自動車に搭載した場合
の別な一例を示す図、 第８図は本発明の第２の実施例の変形例を示す図、 第９図は本発明の第２の実施例の変形例における表示器
とオフアクシス反射型ホログラムおよび表示光の伝播方
向の関係を示す図、 第１０図は本発明の第３の実施例の要部を示す図、第１
１図は本発明の第４の実施例の要部を示す図、第１２図
は従来のヘッドアップディスプレイの３例の構成を示す
図、 第１３図および第１４図は発明が解決しようとする課題
を説明するための図である。 図において、 １は表示器（蛍光表示管）、 ２はオフアクシス反射型ホログラム、 ３は拡大光学系、 ５．５′は反射型ホログラム、 ６は運転者の目の位置、 １１・１２．１３は虚像、 １５はウィンドシールド（反射率と透過率が適当に設定
された板状部材）、 １６はダツシュボードの開口部、 １７ダツシユボード、 １８は投射光学系ユニットの開口窓、 １９は投射光学系ユニット、 ２０はハウジング、 ２１は透明な板状部材、 ３０・３１・３２・３６は凹面鏡、 ３４．３５はレンズ系、 ｆは表示器からオフアクシス反射型ホログラムへ向かう
光、 ｇはオフアクシス反射型ホログラムから拡大光学系へ向
かう光、 ｈは拡大光学系からウィンドシールドへ向かう光、１は
太陽光 を示す。 本発明の第１の実施例の要部を示す図 第　１　図 ３・・・拡大光学系 ３０・・・凹面鏡 本発明の投射光学系ユニットを自動車に搭載した場合の
一例を示す図 第２図 ６・・・運転者の目の位置 １８・・・開口窓 ９・・・投射光学系ユ ・リド の伝播方向の関係を示す図 第３図 表示器の発光 スペクトル （Ｇ） オフアクシス反射型ホログラム の反射波長帯域 表示器およびオフアクシス反射型ホログラムの特性を示
す区 第４図 無視できることを説明するための図 第５図 本発明の第２の実施例の要部を示す図 第６　因 本発明の投射光学系ユニットを自動車 に搭載した場合の別な一例を示す２ 第７因 ６・・・運転者の目の位置 １５・・・ウィンドシールド １６・・・開口部 １７・・・ダッシュボード 本発明の第２の実施例の変形例１こあける表示器のオフ
アクシス反射型ホログラムト・・表示器 ２・・・オフアクシス反射型ホログラム本発明の第３の
実施例の要部を示す２ 第１０図 本発明の第４の実施例の要部を示す同 第１１図 ３５・・・レンズ ３６・・・凹面鏡 ］９ （ａ） （ｂ） （Ｃ） 従来の・＼ツドアップディヌプレイの３例の構成を示す
図 第１２図 発明が解決しようとする課題を説明するための２第 図 正常な表示 （Ｑ） 発明が解シ 異状発光状態 （ｂ） 山ようとする課題を説明するための図 第１４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも表示器（１）を有する投射光学系ユニッ
   ト（１９）と、該投射光学系ユニット（１９）から発す
   る光（ｆ）を反射して使用者の目の位置（６）に向ける
   ための板状部材（１５）とを具備し、該板状部材（１５
   ）による反射がその形状に従った正反射であり、使用者
   が視野内に外界風景と前記板状部材（１５）で反射され
   た表示像とを重畳して視認することを可能にしたヘッド
   アップディスプレイ装置において、 上記投射光学系ユニット（１９）は少なくとも表示器（
   １）と、該表示器（１）の近傍に配置され、且つ該表示
   器（１）からの光を反射するオフアクシス反射型ホログ
   ラム（２）と、該ホログラム（２）で反射された表示像
   を拡大する拡大光学系（３）とを具備し、該拡大光学系
   （３）からの光を反射率と透過率が適当に設定された板
   状部材（１５）で反射して運転者の目の位置（６）に向
   けることにより、表示像を外界風景と重ねて視認できる
   ようにしたことを特徴とするヘッドアップディスプレイ
   装置。 ２、前記拡大光学系（３）が１枚の凹面鏡（３０）であ
   ることを特徴とする請求項１記載のヘッドアップディス
   プレイ装置。 ３、前記拡大光学系（３）が２枚の凹面鏡（３１、３２
   ）であることを特徴とする請求項１記載のヘッドアップ
   ディスプレイ装置。 ４、前記拡大光学系（３）がレンズ系（３４）であるこ
   とを特徴とする請求項１記載のヘッドアップディスプレ
   イ装置。 ５、前記拡大光学系（３）が少なくとも１つのレンズ（
   ３５）と少なくとも１つの凹面鏡（３６）で構成されて
   いることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。 ６、前記表示器（１）、前記オフアクシス反射型ホログ
   ラム（２）、前記拡大光学系（３）を一つのハウジング
   （２０）内に収納し、表示光出射用開口窓（１８）に透
   明な板状部材（２１）を設けてハウジング（２０）を密
   閉構造にしたことを特徴とする請求項１乃至４又は５記
   載のヘッドアップディスプレイ装置。 ７、前記反射率と透過率が所定の値に設定された板状部
   材（１５）の反射率が、同部材と空気の界面での反射に
   基づき設定したことを特徴とする請求項１乃至５又は６
   記載のヘッドアップディスプレイ装置。 ８、前記反射率と透過率が所定の値に設定された板状部
   材（１５）の反射率を反射率を増大させる構造を設けて
   設定したことを特徴とする請求項１乃至５又は６記載の
   ヘッドアップディスプレイ装置。 ９、前記反射率を増大させる構造が、金属薄膜、誘電体
   多層膜、または正反射型ホログラム膜であることを特徴
   とする請求項８記載のヘッドアップディスプレイ装置。 １０、前記投射光学系ユニット（１９）を自動車に取り
   つけ、該投射光学系ユニット（１９）から出射する表示
   光を反射率と透過率を所定の値に設定したウインドシー
   ルド（１５）で反射させることにより、運転者の前方視
   野内に表示を重畳させたことを特徴とする請求項１乃至
   ８又は９項記載のヘッドアップディスプレイ装置。