WO2023007862A1 - 光学系及びそれを備えたヘッドアップディスプレイシステム - Google Patents

光学系及びそれを備えたヘッドアップディスプレイシステム Download PDF

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WO2023007862A1
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light guide
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axis
region
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和博 南
聡 葛原
寛幸 庄林
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to an optical system used for displaying images and a head-up display system including the same.
  • a vehicle information projection system that displays augmented reality (AR) using a head-up display device.
  • a head-up display device projects light representing a virtual image onto the windshield of the vehicle, thereby allowing the driver to visually recognize the virtual image together with the actual scenery outside the vehicle.
  • Patent Document 1 describes an optical element provided with a waveguide (light guide) for expanding the exit pupil in two directions.
  • the optical element can utilize a diffractive optical element to expand the exit pupil.
  • Document 2 describes a head-mounted display that performs augmented reality (AR) display using a volume hologram diffraction grating.
  • AR augmented reality
  • a pupil expansion hologram used in a head-mounted display in a head-up display
  • the diffraction efficiency of the diffraction structure is low.
  • An object of the present disclosure is to provide an optical system and a head-up display system with improved diffraction efficiency.
  • An optical system includes a display unit that emits a light flux that is viewed by an observer as an image, and a light guide that replicates the light flux.
  • the light guide has an incident surface on which the light flux from the display section is incident and an exit surface from which the light flux exits from the light guide.
  • a light beam at the center of the light flux emitted from the display portion enters the incident surface of the light guide.
  • a luminous flux incident on the incident surface of the light guide has its traveling direction changed by diffraction caused by the diffractive structure of the coupling region in the light guide.
  • the luminous flux whose traveling direction has been changed is diffracted by the diffractive structure of the extended region in the light guide in a first direction corresponding to the horizontal direction of the image viewed by the observer or in a second direction corresponding to the vertical direction of the image. , or after being expanded by being duplicated in both directions, is emitted from the exit surface.
  • the normal direction to the surface of the light guide at the center or the center of gravity of the extended region is the Z-axis direction
  • the tangential plane is the XY plane.
  • the traveling direction of the central ray of the light beam incident on the extended region is the X axis
  • the direction perpendicular to the X axis is the Y axis
  • the light beam incident on the extended region is aligned with the positive direction of the Z axis in the XY plane of the extended region.
  • the viewing angle of the image viewed by the observer is ⁇ F degrees
  • the angle between the diffraction structure of the extended region in the XY plane and the traveling direction of the light flux incident on the extended region is ⁇ degrees
  • the distance between the diffraction structure and the Z axis is ⁇ degrees
  • the angle between the central ray of the luminous flux incident on the expansion region and the Z-axis is ⁇ A degrees
  • the angle between the central ray of the luminous flux diffracted and emitted from the expansion region and the Z-axis is ⁇ B degrees
  • the thickness of the diffraction structure in the Z direction is T [ ⁇ m]
  • the shorter one of the distances between the diffraction structure and the front surface and the back surface of the light guide is Ts [ ⁇ m]
  • the expansion region Let L [ ⁇ m] be the coherence length in the light guide of the light beam diffracted by and emitted from , the following relational expression is satisfied.
  • the head-up display system of the present disclosure includes the optical system described above and a translucent member that reflects the light flux emitted from the light guide, and displays an image as a virtual image in a real scene that is visible through the translucent member. Overlap display.
  • diffraction efficiency can be improved.
  • FIG. 1 Schematic perspective view showing the configuration of a light guide Explanatory diagram showing the direction of incident light and outgoing light to the light guide of the head-mounted display Explanatory drawing showing the direction of incident light and outgoing light to the light guide of the head-up display Y1Z1 plane cross-sectional view of a vehicle equipped with a head-up display system according to an embodiment
  • Explanatory diagram showing the optical path of the light flux emitted from the display unit Explanatory diagram showing the horizontal viewing area of the virtual image
  • Explanatory diagram showing the vertical viewing area of the virtual image 1 is a see-through perspective view showing the structure of a light guide according to an embodiment;
  • FIG. 1 Schematic perspective view showing the configuration of a light guide Explanatory diagram showing the direction of incident light and outgoing light to the light guide of the head-mounted display
  • Explanatory drawing showing the direction of incident light and outgoing light to the light guide of the head-up display Y1Z1 plane cross-sectional view of a vehicle equipped with a head-up display system according
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the light guide 13.
  • An optical system used in a head-mounted display (hereinafter referred to as HMD) or the like uses a so-called pupil-extending light guide 13 .
  • the pupil-expanding light guide 13 includes a coupling region 21 that receives image light from the display unit 11 and changes the direction of travel, a first expansion region 23 that expands in the first direction, and an expansion region that expands in the second direction. and a second expansion region 25 that expands.
  • the first direction and the second direction may intersect each other, eg, be orthogonal.
  • the coupling region 21, the first expansion region 23, and the second expansion region 25 each have diffraction power for diffracting image light, and are formed as embossed holograms or volume holograms.
  • An embossed hologram is, for example, a diffraction grating.
  • a volume hologram is, for example, a periodic refractive index distribution within a dielectric film.
  • the coupling region 21 changes the traveling direction of the image light incident from the outside so that it is directed toward the first expansion region 23 by diffraction power.
  • the first expansion region 23 is provided with, for example, a diffraction structure element, and divides incident image light into image light traveling in the first direction and image light traveling to the second expansion region 25 by diffraction power. to duplicate the image light.
  • a diffraction structure element For example, in FIG. 1, in the first extended region 23, the diffractive structure elements are arranged at four points 23p aligned in the direction in which the image light travels through repeated total reflection. A diffractive structure element splits the image light at each point 23 p and causes the split image light to travel to the second extension region 25 . As a result, the incident image light flux is expanded by being duplicated into four image light fluxes in the first direction.
  • the second expansion region 25 is provided with, for example, a diffraction structure element, and divides the incident image light into image light traveling in the second direction due to diffraction power and image light emitted from the second expansion region 25 to the outside.
  • the image light is duplicated by dividing into .
  • three points 25p arranged in the direction in which the image light travels by repeating total reflection are arranged in each row, and a total of 12 points 25p in four rows each have a diffraction structure. elements are placed.
  • the image light is split at each point 25p, and the split image light is emitted to the outside.
  • the light guide 13 can duplicate 12 image light beams from one incident image light beam, and duplicate the light beams in the first direction and the second direction, respectively. can be used to extend the viewing area.
  • the observer can visually recognize each of the 12 image light beams as a virtual image, and the visual recognition area in which the image light can be visually recognized by the observer can be widened.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing incident light and outgoing light of the HMD.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing incident light and outgoing light of the HUD.
  • the light guide 13 in the HMD is substantially facing the visual recognition area Ac in which the virtual image can be visually recognized by the observer.
  • the image light vertically incident from the display unit 11 is split within the light guide 13, and the split image light is emitted from the emission surface 27 of the light guide 13 perpendicularly toward the visual recognition area Ac.
  • the image light emitted from the light guide 13 is reflected by the windshield 5, for example, and enters the visual recognition area Ac, so that divided image light is guided.
  • the light is emitted obliquely from the emission surface 27 of the light body 13 .
  • the optical system for HUD will be described below.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a vehicle 3 equipped with a HUD system 1 according to the present disclosure.
  • FIG. 5A is an explanatory diagram showing optical paths of light beams emitted from the display section.
  • a HUD system 1 mounted on a vehicle 3 will be described as an example.
  • the Z1-axis direction is the direction in which the observer visually recognizes the virtual image Iv from the visual recognition area Ac in which the observer can visually recognize the virtual image Iv.
  • the X1-axis direction is a horizontal direction perpendicular to the Z1-axis.
  • the Y1-axis direction is a direction orthogonal to the X1Z1 plane formed by the X1-axis and the Z1-axis.
  • the X1-axis direction corresponds to the horizontal direction of the vehicle 3
  • the Y1-axis direction corresponds to the substantially vertical direction of the vehicle 3
  • the Z1-axis direction corresponds to the substantially forward direction of the vehicle 3 .
  • the optical system 2 is arranged inside the dashboard (not shown) below the windshield 5 of the vehicle 3 .
  • An observer D sitting in the driver's seat of the vehicle 3 recognizes the image projected from the HUD system 1 as a virtual image Iv.
  • the HUD system 1 displays the virtual image Iv superimposed on the real scene visible through the windshield 5 . Since a plurality of duplicated images are projected in the visual recognition area Ac, the virtual image Iv can be visually recognized within the visual recognition area Ac even if the eye position of the observer D is deviated in the Y1-axis direction and the X1-axis direction. can be done.
  • the angle ⁇ h indicating the horizontal viewing angle of the virtual image Iv viewed by the observer D is shown in FIG. ⁇ v is shown in FIG. 5C.
  • the observer D is a passenger riding in a moving object such as the vehicle 3, for example, a passenger sitting in a driver's seat or a passenger's seat.
  • a HUD system 1 comprises an optical system 2 and a windshield 5 .
  • the optical system 2 includes a display section 11 , a light guide 13 and a control section 15 .
  • the display unit 11 emits a luminous flux L1 that forms an image visually recognized by an observer as a virtual image Iv.
  • the light guide 13 divides and copies the light beam L1 emitted from the display unit 11 and guides the duplicated light beam L2 to the windshield 5 .
  • the luminous flux L2 reflected by the windshield 5 is superimposed on the actual scene visible through the windshield 5 and displayed as a virtual image Iv.
  • the display unit 11 displays an image based on control by an external control unit.
  • a liquid crystal display device with a backlight, an organic light-emitting diode display, a plasma display, or the like can be used.
  • an image may be generated using a screen that diffuses or reflects light, a projector, or a scanning laser.
  • the display unit 11 can display image contents including various information such as a road progress guide display, a distance to a vehicle in front, the remaining battery level of the vehicle, and the current vehicle speed. In this way, the display unit 11 emits a light flux L1 including image content that is visually recognized by the observer D as the virtual image Iv.
  • the control unit 15 can be realized by a circuit made up of a semiconductor element or the like.
  • the control unit 15 can be configured by, for example, a microcomputer, CPU, MPU, GPU, DSP, FPGA, or ASIC.
  • the control unit 15 reads data and programs stored in a built-in storage unit (not shown) and performs various arithmetic processing, thereby realizing predetermined functions.
  • the control unit 15 includes a storage device 17 .
  • the storage device 17 is a storage medium that stores programs and data necessary for realizing the functions of the control unit 15 .
  • the storage device 17 can be implemented by, for example, a hard disk (HDD), SSD, RAM, DRAM, ferroelectric memory, flash memory, magnetic disk, or a combination thereof.
  • the storage device 17 stores a plurality of image data representing the virtual image Iv.
  • the control unit 15 determines the virtual image Iv to be displayed based on vehicle-related information acquired from the outside.
  • the control unit 15 reads the image data of the determined virtual image Iv from the storage unit and outputs it to the display unit 11 .
  • FIG. 6 is a see-through perspective view showing the structure of the light guide 13. As shown in FIG. The directions for the extended area of the light guide 13 will be described below based on the X-axis, Y-axis and Z-axis shown in FIG. Let the normal direction to the surface of the light guide 13 at the center or the center of gravity of the first expansion region 23 be the Z-axis direction, and let the tangential plane be the XY plane.
  • the traveling direction of the central ray of the light flux incident on the first expansion region 23 is defined as the X-axis direction, and the direction perpendicular to the X-axis direction is defined as the Y-axis direction.
  • the normal direction to the surface of the light guide 13 at the center or the center of gravity of the second expansion region 25 be the Za-axis direction
  • the tangential plane be the XaYa plane.
  • the traveling direction of the central ray of the light flux incident on the second extended region is defined as the Xa-axis direction
  • the direction perpendicular to the Xa-axis direction is defined as the Ya-axis direction.
  • the light guide 13 has a first main surface 13a and a second main surface 13b, which are surfaces.
  • the first main surface 13a and the second main surface 13b face each other.
  • the lightguide 13 has an entrance surface 20 , a coupling area 21 , a first extension area 23 , a second extension area 25 and an exit surface 27 .
  • the entrance surface 20, the coupling region 21, the first extension region 23, and the second extension region 25 are included in the second major surface 13b, and the exit surface 27 is included in the first major surface 13a.
  • the exit surface 27 faces the second extended region 25 .
  • the coupling region 21, the first extension region 23, and the second extension region 25 may exist between the first major surface 13a and the second major surface 13b.
  • the first principal surface 13 a faces the windshield 5 .
  • incident surface 20 is included in coupling region 21 in the present embodiment, incident surface 20 may be included in first main surface 13a, which is a surface facing coupling region 21 .
  • the output surface 27 may be included in the second extended region 25
  • the coupling region 21, the first extension region 23, and the second extension region 25 have different diffraction powers, and form diffraction structure elements, respectively.
  • the coupling region 21, the first expansion region 23, and the second expansion region 25 have different diffraction angles of the image light.
  • the light guide 13 is configured such that the incident light flux is totally reflected inside.
  • the light guide 13 is made of, for example, a glass or resin plate having a mirror-finished surface.
  • the light guide 13 may have a curved shape instead of a planar shape.
  • the light guide 13 partially includes a diffractive structure element such as a volume hologram that diffracts light.
  • the combined area 21, the first extended area 23, and the second extended area 25 are three-dimensional areas when they contain volume holograms.
  • the coupling area 21 is an area where the light beam L1 emitted from the display section 11 is incident from the incident surface 20 and changes the traveling direction of the light beam L1.
  • the coupling region 21 has diffraction power, changes the propagating direction of the incident light flux L1 to the direction of the first expansion region 23, and emits the light flux L1A.
  • coupling is a state in which light propagates through light guide 13 under the condition of total reflection.
  • the first expansion area 23 expands the luminous flux L1A in a first direction corresponding to the horizontal direction of the virtual image Iv and emits it to a second expansion area in a second direction intersecting the first direction.
  • the length in the first direction is greater than the length in the second direction.
  • the light guide 13 is arranged so that the first direction is the horizontal direction (the direction of the X1 axis). They don't have to match.
  • the luminous flux L1A propagated from the coupling region 21 propagates in the first direction while repeating total reflection on the first principal surface 13a and the second principal surface 13b, and spreads through the first extended region 23 formed on the second principal surface 13b.
  • the diffractive structure duplicates the luminous flux L1 and emits it to the second expansion region 25 .
  • the second expansion area 25 expands the light flux L1B in a second direction corresponding to the vertical direction of the virtual image Iv and emits the expanded light flux L2 from the emission surface 27.
  • the second direction is, for example, perpendicular to the first direction.
  • the second direction of the light guide 13 is arranged in the Z1-axis direction.
  • the light beam L1B propagated from the first extension region 23 repeats total reflection at the first main surface 13a and the second main surface 13b, propagates in the second direction, and reaches the second main surface 13b formed on the second main surface 13b.
  • the diffractive structure of the extended region 25 duplicates the light beam L1B and emits it to the outside of the light guide 13 through the exit surface 27.
  • the light guide 13 directs the luminous flux L1, which is incident on the incident surface 20 and whose traveling direction is changed, in the horizontal direction (the direction of the X1 axis) of the virtual image Iv visually recognized by the observer D.
  • the luminous flux L2 is emitted from the exit surface 27 after being further expanded in the direction perpendicular to the virtual image Iv (in the direction of the Y1 axis).
  • duplication in the horizontal direction of an image is not limited to duplication only in the complete horizontal direction, but includes duplication in the substantially horizontal direction.
  • duplication in the vertical direction of an image is not limited to duplication only in the complete vertical direction, but includes duplication in the substantially vertical direction.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing the optical path of the center of the light flux emitted from the display section.
  • the luminous flux L1 of the image light incident on the light guide 13 is propagated to the first expansion region 23 that expands the pupil in the horizontal direction (X-axis direction) as the first direction by the diffraction structure formed in the coupling region 21. change. Therefore, after being obliquely incident on the coupling region 21, the light beam L1 propagates in the direction of the first expansion region 23 as the light beam L1A under the action of the wave vector k1 shown in FIG.
  • the light flux L1A propagating to the first expansion region 23 extending in the first direction is duplicated with the light flux L1A propagating in the first direction by the diffraction structure formed in the first expansion region 23 while repeating total reflection. and a light flux L1B that changes its propagation direction to the second extension region 25.
  • the duplicated light flux L1B propagates toward the second extension region 25 under the action of the wave vector k2 shown in FIG.
  • the light beam L1B whose propagation direction is changed to the second expansion region 25 extending along the negative direction of the Z1 axis as the second direction propagates in the second direction by the diffraction structure formed in the second expansion region 25. and a beam L2 that is duplicated and emitted from the second expansion region 25 to the outside of the light guide 13 via the exit surface 27 .
  • the duplicated light flux L2 propagates in the direction of the exit surface 27 under the action of the wave vector k3 shown in FIG.
  • FIGS. 8 and 9 are plan views of the first expansion region 23 and FIG. 9 are cross-sectional views taken along line IX-IX in FIG.
  • the first extended region 23 has interference fringes 31 formed as the diffraction structure.
  • ⁇ be the angle between the direction in which the interference fringes 31 extend in the XY plane and the traveling direction of the light beam L1A in the first expansion region 23 .
  • ⁇ be the angle of inclination of the interference fringes 31 with respect to the vertical direction in the cross-sectional view of the diffraction structure in the vertical direction, that is, in the cross-sectional view taken along arrows IX-IX in FIG.
  • the light flux L1A propagating to the first expansion region 23 extending in the first direction propagates in the first direction by the diffraction structure formed in the first expansion region 23 while repeating total reflection. It is split into a beam L1A and a beam L1B that is duplicated and redirected to the second extension region 25 .
  • FIG. 11 shows, in a spherical coordinate system, the duplicated light flux L1B when the light flux L1A is transmitted through the XY plane of the first extended region 23 from the negative direction to the positive direction of the Z axis.
  • the viewing angle of the virtual image Iv viewed by the observer D is ⁇ F degrees
  • the angle of the central ray of the light flux L1A with respect to the Z axis is ⁇ A degrees
  • the angle of the central ray of the light flux L1B with respect to the Z axis is ⁇ B degrees
  • the following (1 ) and (2) are satisfied.
  • the horizontal viewing angle of the virtual image Iv is 2 ⁇
  • ⁇ h
  • the vertical viewing angle of the virtual image Iv is 2 ⁇
  • ⁇ v (see FIGS. 5B and 5C).
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the light guide 13. As shown in FIG. In FIG. 12, among the diffracted light L1B diffracted by the first expansion region 23, the diffracted light L1B1 diffracted when passing through the diffraction structure in the positive direction from the Z-axis negative direction and the diffracted light L1B1 diffracted from the positive Z-axis direction and diffracted light L1B2 diffracted when passing through the diffractive structure in the direction.
  • T [ ⁇ m] be the thickness of the diffraction structure in the Z direction, and the shorter distance between the diffraction structure and the front surface (first main surface 13a) and back surface (second main surface 13b) of the light guide 13 is When the interval is Ts [ ⁇ m], the coherence length L and the following equation (3) are satisfied. Ts>L/2 (3) formula
  • the diffracted light L1B1 diffracted by the first extended region 23 is reflected by the first main surface 13a along the Z-axis direction toward the second main surface 13b. Although it progresses along the Z-axis direction, it may be inclined with respect to the Z-axis. The same applies to the diffracted light L1B2.
  • FIG. 13 is a table of parameters in each example and comparative example.
  • 14 to 18 show diffraction efficiencies at viewing angles in each example and comparative example.
  • 14(a) to 18(a) show the diffraction of the light beam L1B1 replicated when the light beam L1A is transmitted through the first expansion region 23 from the negative direction to the positive direction of the Z-axis under each condition.
  • 14(b) to 18(b) show the diffraction of the light beam L1B2 replicated when the light beam L1A is transmitted through the first expansion region 23 from the positive direction to the negative direction of the Z-axis under each condition. Demonstrate efficiency.
  • Example 1 to Comparative Example 2 the viewing angle F is all 3.50 degrees.
  • the viewing angle F in Example 1 to Comparative Example 2 indicates the angle of view (horizontal angle of view) in the horizontal direction (horizontal direction).
  • the angles ⁇ A and ⁇ B described in relation to formulas (1) and (2) are 50.00 degrees, and the angle ⁇ is 45.00 degrees.
  • the inclination angle ⁇ is 0.00 degrees.
  • FIG. 14(c) shows the diffraction efficiency of the light beam L1B that has made one round trip in the first extended region 23 about the Z axis. That is, FIG.
  • 14C shows a luminous flux L1B1 that is duplicated when transmitted through the first expansion region 23 from the negative direction of the Z axis to the positive direction, and a luminous flux L1B1 that is transmitted from the positive direction of the Z axis to the negative direction.
  • Diffraction efficiency in which the light flux L1B2 that is actually replicated interferes is shown. The diffraction efficiency is shown in stages from levels A1 to A6, and the diffraction efficiency increases from level A1 to A6.
  • Level A1 shows a diffraction efficiency of 3% or more and less than 4%
  • level A2 shows a diffraction efficiency of 4% or more and less than 5%
  • level A3 shows a diffraction efficiency of 5% or more and less than 6%
  • level A3a shows a diffraction efficiency of 5%. Shows a diffraction efficiency of 7% or more
  • level A4 shows a diffraction efficiency of 7% or more and less than 9%
  • level A5 shows a diffraction efficiency of 9% or more and less than 11%
  • level A6 shows a diffraction efficiency of 11% or more and less than 13% Diffraction efficiency is shown.
  • the wavelength ⁇ of the luminous flux is 520 nm and the line width ⁇ indicating the wavelength band of the light source is 5 nm, so the coherence length L is 24 ⁇ m. Accordingly, since the interval Ts is 1000 ⁇ m, the diffracted lights shown in FIGS. 14A and 14B do not interfere with each other. Therefore, the diffraction efficiency is a simple sum of the diffraction efficiency shown in FIG. 14(a) and the diffraction efficiency shown in FIG. 14(b). Although the maximum diffraction efficiency was 5% in the prior art, the first embodiment improved the maximum diffraction efficiency to 11%.
  • 15C shows a diffraction efficiency of 0% or more and less than 5%
  • level C2 shows a diffraction efficiency of 5% or more and less than 10%
  • level C3 shows a diffraction efficiency of 10% or more and less than 15%
  • level C4 indicates a diffraction efficiency of 15% or more and less than 20%.
  • Example 2 the angles ⁇ A, ⁇ B, ⁇ , and thickness T are the same conditions as in Example 1, the angle ⁇ is 1.24 degrees, the wavelength ⁇ is 450 ⁇ m, and the line width of the light source is ⁇ is 2 nm. Therefore, since the coherence length L is 45 ⁇ m and the interval Ts is 100 ⁇ m, the diffracted lights shown in FIGS. 16A and 16B do not interfere with each other. As a result, as shown in FIG. 16C, the diffraction efficiency is improved from 6% to 13% at the center of the angle of view, and from 7% to 10% at the periphery of the center of the angle of view. Level D1 shown in FIG.
  • level D 16 indicates a diffraction efficiency of 0% or more and less than 2%
  • level D2 indicates a diffraction efficiency of 2% or more and less than 4%
  • level D3 indicates a diffraction efficiency of 4% or more and less than 6%
  • level D4 shows a diffraction efficiency of 6% or more and less than 8%
  • level D5 shows a diffraction efficiency of 6% or more and less than 9%
  • level D6 shows a diffraction efficiency of 9% or more and less than 12%
  • level D7 shows a diffraction efficiency of 12% or more. It exhibits a diffraction efficiency of less than 15%.
  • Example 3 shown in FIG. 18, the angle .theta.B and wavelength .lambda. are the same conditions as in Example 1, the angle .theta.A is 49.00 degrees, the angle .alpha. 71 degrees, the thickness T is 1 ⁇ m, and the line width ⁇ of the light source is 2 nm. Therefore, since the coherence length L is 60 ⁇ m and the interval Ts is 400 ⁇ m, the diffracted lights shown in FIGS. 18A and 18B do not interfere with each other. This improves the diffraction efficiency from 10% to 19% at the center of the angle of view, as shown in FIG. 18(c). Level E1 shown in FIG.
  • level E 18 indicates a diffraction efficiency of 8% or more and less than 9%
  • level E2 indicates a diffraction efficiency of 9% or more and less than 10%
  • level E3 indicates a diffraction efficiency of 10% or more and less than 11%
  • level E4 indicates a diffraction efficiency of 7% or more and less than 8%
  • level E5 indicates a diffraction efficiency of 8% or more and less than 9%.
  • level E6 shows a diffraction efficiency of 9% or more and less than 10%
  • level E7 shows a diffraction efficiency of 10% or more and less than 11%
  • level E8 shows a diffraction efficiency of 10% or more and less than 11%
  • level E9 shows a diffraction efficiency of 10% or more and less than 11%.
  • a diffraction efficiency of 10% or more and less than 11% is shown.
  • level E10 shows a diffraction efficiency of 10% or more and less than 11%
  • level E11 shows a diffraction efficiency of 10% or more and less than 11%
  • level E12 shows a diffraction efficiency of 10% or more and less than 11%
  • level E13 shows a diffraction efficiency of 10% or more and less than 11%.
  • a diffraction efficiency of 10% or more and less than 11% is shown.
  • FIG. 19 is a graph showing an example of normalized diffraction efficiency when the thickness T in formula (4) is near the upper limit. If the thickness T becomes a value larger than the value of the right side of the formula (4), the diffraction efficiency may become zero within the range of the viewing angle. As a result, part of the image is lost and the quality deteriorates. However, since the diffraction efficiency is improved according to the present embodiment, it is possible to employ a volume hologram thickness that satisfies the relationship of formula (4).
  • FIG. 20 is a graph showing an example of normalized diffraction efficiency when the thickness T in formula (5) is near the upper limit.
  • the diffraction efficiency becomes 50% of the peak within the viewing angle range. If the diffraction efficiency is 50% or less, the virtual image becomes dark and the video quality deteriorates.
  • the diffraction efficiency is improved, so that the thickness of the volume hologram that satisfies the relationship of Equation 5 can be adopted.
  • the second expansion region 25 also has a structure similar to the diffraction structure of the first expansion region 23 . Only one of the first expansion region 23 and the second expansion region 25 may have such a structure, or the optical system 2 may have a further expansion region, and the other expansion region may have such diffractive structures. Also, the functions of the first expansion region 23 and the second expansion region 25 may be realized by one expansion region. can be replicated horizontally and vertically.
  • the optical system 2 of the present disclosure includes a display unit 11 that emits a luminous flux L1 that is visually recognized by an observer D as a virtual image Iv, and a light guide 13 that replicates the luminous flux L1.
  • the light guide 13 has an incident surface 20 on which the light flux L1 from the display section 11 is incident, and an exit surface 27 from which the light flux L2 is emitted from the light guide 13 .
  • a central ray of the light beam L1 emitted from the display unit 11 is incident on the incident surface 20 of the light guide 13 .
  • the light beam L ⁇ b>1 incident on the incident surface 20 of the light guide 13 is diffracted by the diffraction structure of the coupling region in the light guide 13 to change its traveling direction.
  • the luminous flux whose traveling direction has been changed corresponds to the first direction corresponding to the horizontal direction of the virtual image Iv visually recognized by the observer D through diffraction by the diffraction structure of the extended region in the light guide 13, or to the vertical direction of the virtual image Iv.
  • the light is emitted from the exit surface 27 after being expanded by duplication in the second direction or both directions.
  • the normal direction to the surface of the light guide 13 at the center or the center of gravity of the extended region is the Z-axis direction, and the tangential plane is the XY plane.
  • L1A be the luminous flux incident on the expansion area
  • L1B be the luminous flux diffracted by the expansion area and emitted.
  • the traveling direction of the central ray of L1A is the X-axis, and the direction perpendicular to the X-axis is the Y-axis. Then, the luminous flux L1B duplicated when the luminous flux L1A is transmitted through the XY plane of the expansion area from the positive direction of the Z axis and the luminous flux L1B duplicated when transmitted from the negative direction of the Z axis are combined.
  • the viewing angle of the virtual image Iv emitted from the extended region and seen by the observer D is ⁇ F degrees
  • the angle between the diffraction structure of the extended region and the traveling direction of the light beam L1A in the XY plane is ⁇ degrees
  • the diffraction structure and Z The angle between the center ray of the light beam L1A and the Z axis is ⁇ A degrees
  • the angle between the center ray of the light beam L1B and the Z axis is ⁇ B degrees
  • the diffraction structure Let T [ ⁇ m] be the thickness in the Z direction, and let Ts [ ⁇ m] be the shorter one of the distances between the diffraction structure and the first main surface 13a and the second main surface 13b of the light guide 13, When the coherence length of the light flux LB1 inside the light guide 13 is L [ ⁇ m], the following relational expression is satisfied.
  • the coherence length L of the luminous flux LB1 diffracted in the extended area is smaller than twice the distance Ts between the diffraction structure and the light guide 13, the light is replicated when transmitted through the XY plane of the extended area from the positive direction of the Z axis. It is possible to prevent interference between the light flux L1B that is generated and the light flux L1B that is duplicated when transmitted from the negative direction of the Z axis. As a result, a decrease in diffraction efficiency is prevented, and furthermore, the light flux L1B that is duplicated when transmitted through the XY plane of the extended region from the positive direction of the Z axis and the duplicated light flux L1B that is transmitted from the negative direction of the Z axis. Since the light beam L1B thus formed can be emitted from the expansion area together, an optical system with improved diffraction efficiency can be provided.
  • a virtual image Iv suitable for the observer D who drives the vehicle 3 can be displayed.
  • the diffraction structure of the extended region is interference fringes, but it is not limited to this.
  • a physical concave-convex structure filled with resin may be used.
  • the divided and duplicated luminous flux L2 is reflected by the windshield 5 to allow the observer D to visually recognize the virtual image Iv, but the present invention is not limited to this.
  • a combiner may be used instead of the windshield 5, and the split-copied light beam L2 may be reflected by the combiner to allow the observer D to visually recognize the virtual image Iv.
  • the first direction in which the light beam L1A is expanded in the first expansion region 23 and the second direction in which the light beam L1B is expanded in the second expansion region 25 are orthogonal to each other, but the invention is not limited to this.
  • the light beam L1A is expanded in the first direction by the first expansion region 23 if the expansion component in the horizontal direction is larger than that in the direction along the Z axis.
  • Expansion of the light flux L1B in the second direction at 25 may be achieved if the expansion component in the direction along the Z-axis is larger than that in the horizontal direction.
  • the object to which the HUD system 1 is applied is not limited to the vehicle 3 .
  • Objects to which the HUD system 1 is applied may be, for example, trains, motorcycles, ships, or aircraft, or may be amusement machines that do not involve movement.
  • the light flux from the display section 11 is reflected by a transparent curved plate as a translucent member that reflects the light flux emitted from the display section 11.
  • FIG. the actual scene that the user can visually recognize through the transparent curved plate may be an image displayed from another image display device. That is, the virtual image by the HUD system 1 may be superimposed on the video displayed from another video display device.
  • any one of the windshield 5, the combiner, and the transparent curved plate may be employed as the translucent member in the present disclosure.
  • optical system 2 is used in the HUD system 1 that displays the virtual image Iv in the above embodiment, it is not limited to this.
  • the optical system 2 may be used, for example, in an image display system in which an observer directly observes a light beam emitted from the exit surface 27 instead of viewing a virtual image through a translucent member.
  • the observer is a person who directly sees the image formed by the emitted light flux, and is not limited to the passenger of the mobile object.
  • An optical system includes a display unit that emits a light flux that is viewed by an observer as an image, and a light guide that replicates the light flux.
  • the light guide has an incident surface on which the light flux from the display section is incident and an exit surface from which the light flux exits from the light guide.
  • a light beam at the center of the light flux emitted from the display portion enters the incident surface of the light guide.
  • a luminous flux incident on the incident surface of the light guide has its traveling direction changed by diffraction caused by the diffractive structure of the coupling region in the light guide.
  • the luminous flux whose traveling direction has been changed is diffracted by the diffractive structure of the extended region in the light guide in a first direction corresponding to the horizontal direction of the image viewed by the observer or in a second direction corresponding to the vertical direction of the image. , or after being expanded by being duplicated in both directions, is emitted from the exit surface.
  • the normal direction to the surface of the light guide at the center or the center of gravity of the extended region is the Z-axis direction
  • the tangential plane is the XY plane.
  • the traveling direction of the central ray of the light beam incident on the extended region is the X axis
  • the direction perpendicular to the X axis is the Y axis
  • the light beam incident on the extended region is aligned with the positive direction of the Z axis in the XY plane of the extended region.
  • the viewing angle of the image viewed by the observer is ⁇ F degrees
  • the angle between the diffraction structure of the extended region in the XY plane and the traveling direction of the light flux incident on the extended region is ⁇ degrees
  • the distance between the diffraction structure and the Z axis is ⁇ degree
  • the angle between the central ray of the luminous flux incident on the expansion region and the Z axis is ⁇ A degrees
  • the angle between the central ray of the luminous flux diffracted and emitted from the expansion region and the Z axis is ⁇ B degree
  • the thickness of the diffraction structure in the Z direction is T [ ⁇ m]
  • the shorter one of the distances between the diffraction structure and the front surface and the back surface of the light guide is Ts [ ⁇ m]
  • the expansion region Let L [ ⁇ m] be the coherence length in the light guide of the light beam diffracted by and emitted from , the following relational expression is satisfied.
  • the duplicated light beam is transmitted through the XY plane of the extended region from the positive direction of the Z axis.
  • the duplicated luminous flux when transmitted from the negative direction of the Z-axis can be prevented from interfering with each other. This prevents a decrease in diffraction efficiency, and furthermore, the luminous flux that is duplicated when transmitted through the XY plane of the extended region from the positive direction of the Z axis and the luminous flux that is duplicated when transmitted from the negative direction of the Z axis. It is possible to provide an optical system with improved diffraction efficiency, since the light flux can be emitted from the expansion area together.
  • the optical system has two expansion regions, and one expansion region corresponds to the horizontal direction of the image visually recognized by the observer for the light flux incident on the one expansion region. It is expanded by duplicating in a first direction, and the other expansion region duplicates the light beam incident on the other expansion region in a second direction corresponding to the vertical direction of the image visually recognized by the observer. Expand.
  • the extended region includes a transmission volume hologram.
  • the Z-direction thickness T [ ⁇ m] of the volume hologram and the wavelength ⁇ [ ⁇ m] of the light beam incident on the volume hologram satisfy the following relational expression.
  • the thickness T [ ⁇ m] of the volume hologram in the Z direction and the wavelength ⁇ [ ⁇ m] of the light beam incident on the volume hologram satisfy the following relational expression. T ⁇ ( ⁇ 0.9805 ⁇ 0.0487) ⁇
  • the central ray of the light beam emitted from the display unit is incident at an angle to the normal direction of the incident surface of the light guide, and is guided.
  • a light ray at the center of the light beam emitted from the light body is emitted at an angle with respect to the normal line direction of the emission surface of the light guide.
  • a head-up display system of the present disclosure includes an optical system according to any one of (1) to (7), and a translucent member that reflects a light beam emitted from a light guide, and the translucent member is An image is superimposed as a virtual image on a real scene that can be visually recognized through the camera.
  • the translucent member is the windshield of the moving body.
  • the present disclosure is applicable to an optical system and a head-up display system that replicate and display images.

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Abstract

導光体に入射した光束は、拡張領域の回折構造による回折によって像の水平方向に対応した第１の方向、または垂直方向に対応した第２の方向に複製される。像の視野角を±Ｆ度、回折構造と光束の進行方向との間の角度をα度、回折構造の傾斜角をβ度、拡張領域に入射する光束の中心光線とＺ軸との間の角度をθＡ度、拡張領域で回折して出射する光束の中心光線とＺ軸との間の角度をθＢ度、回折構造のＺ方向の厚みをＴ［μｍ］、回折構造と導光体の表面及び裏面とのそれぞれの間隔の中で短い方の間隔をＴｓ［μｍ］、拡張領域で回折して出射する光束の導光体内におけるコヒーレンス長をＬ［μｍ］としたとき、次の関係式を満たす。｜θＡ－θＢ｜ ＜ ｜Ｆ｜／２、かつ、｜β｜×２×cos(α) ≦ ｜Ｆ｜－｜θＡ－θＢ｜、かつ、Ｔｓ ＞ Ｌ／２。

Description

光学系及びそれを備えたヘッドアップディスプレイシステム
　本開示は、像の表示に用いられる光学系及びそれを備えたヘッドアップディスプレイシステムに関する。
　従来、ヘッドアップディスプレイ装置を用いて、拡張現実（ＡＲ）表示を行う車両情報投影システムを開示している。ヘッドアップディスプレイ装置は、例えば、車両のウインドシールドに虚像を表す光を投影することで、運転者に、車両の外界の実景とともに虚像を視認させている。
　虚像を表示させる装置として、特許文献１には、出射瞳を２方向で拡張するための導波路（導光体）を備える光学要素が記載されている。光学要素は、回折光学素子を利用して、出射瞳を拡張することができる。また、文献２には、体積ホログラム回折格子を用いて拡張現実（ＡＲ）表示を行うヘッドマウントディスプレイが記載されている。
米国特許第１０４２９６４５号明細書 国際公開第２０１８／１９８５８７号
　しかしながら、例えば、ヘッドマウントディスプレイに利用される瞳拡張型ホログラムをヘッドアップディスプレイで実現する場合、例えば、透過型の回折構造を用いると、回折構造における回折効率が低い。
　本開示は、回折効率を向上した光学系及びヘッドアップディスプレイシステムを提供することを目的とする。
　本開示の光学系は、像として観察者に視認される光束を出射する表示部と、光束を複製する導光体と、を備える。導光体は、表示部からの光束が入射する入射面と、導光体から光束が出射する出射面と、を有する。表示部から出射する光束の中心の光線は、導光体の入射面に入射する。導光体の入射面に入射した光束は、導光体内の結合領域の回折構造による回折によって進行方向が変更される。進行方向が変更された光束は、導光体内の拡張領域の回折構造による回折によって観察者の視認する像の水平方向に対応した第１の方向、または像の垂直方向に対応した第２の方向、またはその両方向に複製されることで拡張された後に出射面から出射される。拡張領域の中心または重心における導光体の表面に対する法線方向をＺ軸方向、接平面をＸＹ平面とし、拡張領域の回折構造はＺ軸方向に関して導光体の内部に存在する。ＸＹ平面において、拡張領域に入射する光束の中心光線の進行方向をＸ軸、Ｘ軸に垂直の方向をＹ軸としたとき、拡張領域に入射する光束が拡張領域のＸＹ平面をＺ軸の正の方向から透過した場合に複製された光束と、Ｚ軸の負の方向から透過した場合に複製された光束とが合わさって拡張領域から出射される。観察者の見る像の視野角を±Ｆ度とし、ＸＹ平面における拡張領域の回折構造と拡張領域に入射する光束の進行方向との間の角度をα度とし、回折構造とＺ軸との間の傾斜角をβ度とし、拡張領域に入射する光束の中心光線とＺ軸との間の角度をθＡ度とし、拡張領域で回折して出射する光束の中心光線とＺ軸との間の角度をθＢ度とし、回折構造のＺ方向の厚みをＴ［μｍ］とし、回折構造と導光体の表面及び裏面とのそれぞれの間隔の中で短い方の間隔をＴｓ［μｍ］とし、拡張領域で回折して出射する光束の導光体内におけるコヒーレンス長をＬ［μｍ］としたとき、以下の関係式を満たす。
　　｜θＡ－θＢ｜ ＜ ｜Ｆ｜ ／２、かつ、
　　｜β｜×２×cos(α) ≦ ｜Ｆ｜－｜θＡ－θＢ｜、かつ、
　　Ｔｓ ＞ Ｌ／２
　また、本開示のヘッドアップディスプレイシステムは、上述の光学系と、導光体から出射した光束が反射する透光部材と、を備え、透光部材を介して視認可能な実景に虚像として像を重ねて表示する。
　本開示の光学系及びヘッドアップディスプレイシステムによれば、回折効率を向上することができる。
導光体の構成を示す概略斜視図 ヘッドマウントディスプレイの導光体への入射光と出射光の方向を示す説明図 ヘッドアップディスプレイの導光体への入射光と出射光の方向を示す説明図 実施の形態のヘッドアップディスプレイシステムを搭載した車両のＹ１Ｚ１面断面図 表示部から出射される光束の光路を示す説明図 虚像の水平方向の視野領域を示す説明図 虚像の垂直方向の視野領域を示す説明図 実施の形態における導光体の構成を示す透視斜視図 表示部から出射される光束の中心の光路を示す説明図 第１拡張領域の平面図 図８のIX－IX矢視断面図 第１拡張領域の平面図 回折構造に入射した光束と複製された光束とを示す説明図 導光体の断面図 各実施例と比較例における各数値を示す表 実施例１の虚像の視野領域を示す説明図 比較例１の虚像の視野領域を示す説明図 実施例２の虚像の視野領域を示す説明図 比較例２の虚像の視野領域を示す説明図 実施例３の虚像の視野領域を示す説明図 視野角と規格化回折効率との関係を示すグラフ 視野角と規格化回折効率との関係を示すグラフ
（本開示の概要）
　図１を参照して、本開示の概要をまず説明する。図１は、導光体１３の構成を示す概略図である。ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤと称する）などに用いられる光学系で、いわゆる瞳拡張型の導光体１３が用いられる。瞳拡張型の導光体１３は、表示部１１からの画像光を入射して進行方向を変更する結合領域２１と、第１の方向に拡張する第１拡張領域２３と、第２の方向に拡張する第２拡張領域２５とを備える。第１の方向と第２の方向とは互いに交差し、例えば、直交してもよい。
　結合領域２１、第１拡張領域２３及び第２拡張領域２５は、それぞれ、画像光を回折する回折パワーを有し、エンボス型ホログラム、または、体積型ホログラムが形成されている。エンボス型ホログラムは、例えば、回折格子である。体積型ホログラムは、例えば、誘電体膜内の周期的な屈折率分布である。結合領域２１は、外部から入射した画像光の進行方向を、回折パワーにより第１拡張領域２３へ向かうように変更する。
　第１拡張領域２３は、例えば、回折構造素子が配置されており、入射した画像光を、回折パワーにより第１の方向に進行する画像光と第２拡張領域２５へ進行する画像光とに分割することで画像光を複製する。例えば、図１では、第１拡張領域２３において、画像光が全反射を繰り返して進行する方向に並んだ４個のポイント２３ｐに回折構造素子が配置されている。それぞれのポイント２３ｐで回折構造素子が画像光を分割し、分割した画像光を第２拡張領域２５へ進行させている。これにより、入射した画像光の光束が、第１の方向に４つの画像光の光束に複製されることで拡張される。
　第２拡張領域２５は、例えば、回折構造素子が配置されており、入射した画像光を、回折パワーにより第２の方向に進行する画像光と第２拡張領域２５から外部へ出射する画像光とに分割することで画像光を複製する。例えば、図１では、第２拡張領域２５において画像光が全反射を繰り返して進行する方向に並んだポイント２５ｐが１列につき３つ配置され、４列で合計１２個のポイント２５ｐにそれぞれ回折構造素子が配置されている。それぞれのポイント２５ｐで画像光を分割し、分割した画像光を外部へ出射させている。これにより、４列で入射した画像光の光束がそれぞれ、第２の方向に３つの画像光の光束に複製されることで拡張される。このようにして、導光体１３は、入射した１つの画像光の光束から、１２個の画像光の光束を複製することができ、第１の方向及び第２の方向にそれぞれ光束を複製して視野領域を拡張することができる。観察者はこの１２個の画像光の光束からそれぞれの画像光の光束を虚像として視認することができ、観察者が画像光を視認可能な視認領域を広くすることができる。
　次に、図２及び図３を参照して瞳拡張型のＨＭＤとヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤと称する）の違いについて説明する。図２は、ＨＭＤの入射光と出射光を示す説明図である。図３は、ＨＵＤの入射光と出射光を示す説明図である。
　図２に示す様に、ＨＭＤにおける導光体１３は、観察者が虚像を視認可能な視認領域Ａｃに対してほぼ正対している。表示部１１から垂直に入射した画像光は導光体１３内で分割され、分割された画像光が導光体１３の出射面２７から垂直に視認領域Ａｃに向けて出射する。
　これに対して、図３に示す様に、ＨＵＤの場合、導光体１３から出射した画像光を例えば、ウインドシールド５に反射させて視認領域Ａｃに入射させるので、分割された映像光を導光体１３の出射面２７から斜め方向に出射させる。以下、ＨＵＤ用の光学系について説明する。
（実施の形態）
　以下、図４～図６を参照して、実施の形態を説明する。なお、上述した構成要素と共通の機能を有する構成要素に対して同じ符号を付している。また、図中におけるウインドシールドの傾斜角度は、それぞれ理解しやすいように示しているので、図によって異なる場合がある。
[１－１．構成]
[１－１－１．光学系及びヘッドアップディスプレイシステムの全体構成]
　本開示のヘッドアップディスプレイシステム１（以下、ＨＵＤシステム１と称する）の具体的な実施の形態を説明する。図４は、本開示に係るＨＵＤシステム１を搭載した車両３の断面を示す図である。図５Ａは、表示部から出射される光束の光路を示す説明図である。実施の形態において、車両３に搭載されたＨＵＤシステム１を例として説明する。
　以下において、図４に示す、Ｘ１軸、Ｙ１軸、及びＺ１軸に基づいてＨＵＤシステム１に関する方向を説明する。Ｚ１軸方向は、観察者が虚像Ｉｖを視認可能な視認領域Ａｃから観察者が虚像Ｉｖを視認する方向である。Ｘ１軸方向は、Ｚ１軸と直交した水平方向である。Ｙ１軸方向は、Ｘ１軸及びＺ１軸で形成されるＸ１Ｚ１面と直交する方向である。したがって、Ｘ１軸方向は車両３の水平方向に対応し、Ｙ１軸方向は車両３の略鉛直方向に対応し、Ｚ１軸方向は車両３の略前進方向に対応する。
　図４に示すように、車両３のウインドシールド５の下方のダッシュボード（図示省略）の内部に、光学系２が配置されている。車両３の運転席に座った観察者Ｄは、ＨＵＤシステム１から投射される画像を虚像Ｉｖとして認識する。このようにして、ＨＵＤシステム１は、ウインドシールド５を介して視認可能な実景に虚像Ｉｖを重ねて表示する。複製された複数の画像が視認領域Ａｃに投射されるので、視認領域Ａｃの中であれば、観察者Ｄの眼の位置がＹ１軸方向及びＸ１軸方向にずれても虚像Ｉｖを視認することができる。なお、観察者Ｄが視認する虚像Ｉｖの範囲について、観察者Ｄが視認する虚像Ｉｖの水平方向の視野角を示す角度θｈが図５Ｂに示され、虚像Ｉｖの垂直方向の視野角を示す角度θｖが図５Ｃに示される。なお、観察者Ｄは、車両３のように移動体内に搭乗する搭乗者であり、例えば、運転者または助手席に座る搭乗者である。
　図４を参照する。ＨＵＤシステム１は、光学系２とウインドシールド５を備える。光学系２は、表示部１１、導光体１３、及び、制御部１５を備える。表示部１１は、虚像Ｉｖとして観察者に視認される画像を形成する光束Ｌ１を出射する。導光体１３は、表示部１１から出射された光束Ｌ１を分割複製し、複製した光束Ｌ２をウインドシールド５へ導く。ウインドシールド５で反射した光束Ｌ２は虚像Ｉｖとして、ウインドシールド５を介して視認可能な実景に重ねて表示される。
　表示部１１は、外部の制御部による制御に基づき、画像を表示する。表示部１１として、例えば、バックライト付きの液晶表示装置（Liquid Crystal Display）や有機発光ダイオード（Organic Light-Emitting Diode）ディスプレイ、プラズマディスプレイなどを用いることができる。また、表示部１１として、光を拡散または反射するスクリーンと、プロジェクタや走査型レーザを用いて画像を生成してもよい。表示部１１は、道路進行案内表示や、前方車両までの距離、車のバッテリー残量、現在の車速など、各種の情報を含む画像コンテンツを表示することができる。このように、表示部１１は虚像Ｉｖとして観察者Ｄに視認される画像コンテンツを含む光束Ｌ１を出射する。
　制御部１５は、半導体素子などで構成される回路で実現可能である。制御部１５は、例えば、マイコン、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＧＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、またはＡＳＩＣで構成することができる。制御部１５は、内蔵する記憶部（図示省略）に格納されたデータやプログラムを読み出して種々の演算処理を行うことで、予め定められた機能を実現する。また、制御部１５は記憶装置１７を備える。
　記憶装置１７は、制御部１５の機能を実現するために必要なプログラム及びデータを記憶する記憶媒体である。記憶装置１７は、例えば、ハードディスク（ＨＤＤ）、ＳＳＤ、ＲＡＭ、ＤＲＡＭ、強誘電体メモリ、フラッシュメモリ、磁気ディスク、またはこれらの組み合わせによって実現できる。記憶装置１７には、虚像Ｉｖを表す複数の画像データが格納されている。制御部１５は、外部から取得する車両関連情報に基づいて、表示する虚像Ｉｖを決定する。制御部１５は、決定した虚像Ｉｖの画像データを記憶部から読み出して、表示部１１に出力する。
[１－１－２．導光体]
　図６を参照して、導光体１３の構成を説明する。図６は導光体１３の構成を示す透視斜視図である。以下において図６に示す、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に基づいて導光体１３の拡張領域に関する方向を説明する。第１拡張領域２３の中心または重心における導光体１３の表面に対する法線方向をＺ軸方向、接平面をＸＹ平面とする。ＸＹ平面において、第１拡張領域２３に入射する光束の中心光線の進行方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向に垂直の方向をＹ軸方向とする。同様に、第２拡張領域２５の中心または重心における導光体１３の表面に対する法線方向をＺａ軸方向、接平面をＸａＹａ平面とする。ＸａＹａ平面において、第２拡張領域に入射する光束の中心光線の進行方向をＸａ軸方向、Ｘａ軸方向に垂直の方向をＹａ軸方向とする。
　導光体１３は、表面である第１主面１３ａ及び第２主面１３ｂと、を有する。第１主面１３ａと第２主面１３ｂとは対向する。導光体１３は、入射面２０、結合領域２１、第１拡張領域２３、第２拡張領域２５、及び出射面２７を有する。入射面２０、結合領域２１、第１拡張領域２３、及び第２拡張領域２５は第２主面１３ｂに含まれ、出射面２７は第１主面１３ａに含まれる。出射面２７は、第２拡張領域２５と対向する。なお、結合領域２１、第１拡張領域２３、及び第２拡張領域２５は第１主面１３ａと第２主面１３ｂの間に存在してもよい。第１主面１３ａは、ウインドシールド５と対向する。本実施の形態では、入射面２０は結合領域２１に含まれるが、結合領域２１と対向する面であって第１主面１３ａに含まれてもよい。また、出射面２７は第２拡張領域２５に含まれてもよい。
　結合領域２１、第１拡張領域２３、及び第２拡張領域２５は、それぞれ異なる回折パワーを有し、それぞれ、回折構造素子が形成されている。結合領域２１、第１拡張領域２３及び第２拡張領域２５は、それぞれ、画像光の回折角度が異なる。また、導光体１３は、入射した光束が内部で全反射する構成である。導光体１３は、例えば、表面が鏡面加工されたガラスや樹脂製の板で構成されている。導光体１３は、平面形状に限らず曲面形状であってもよい。このように、導光体１３は、一部に光を回折する、例えば、体積型ホログラムなどの回折構造素子を含む。結合領域２１、第１拡張領域２３、及び第２拡張領域２５は、体積型ホログラムを含む場合、立体領域となる。
　結合領域２１は、表示部１１を出射した光束Ｌ１を入射面２０から入射し、光束Ｌ１の進行方向を変更する領域である。結合領域２１は回折パワーを有し、入射した光束Ｌ１の伝播する方向を第１拡張領域２３の方向へ変更し、光束Ｌ１Ａとして出射する。本実施の形態において、結合とは、全反射条件で導光体１３内を伝播する状態である。
　第１拡張領域２３は、虚像Ｉｖの水平方向に対応した第１の方向に光束Ｌ１Ａを拡張して、第１の方向と交差する第２の方向にある第２拡張領域に出射する。第１の方向に光束Ｌ１Ａを拡張する第１拡張領域２３において、第１の方向の長さは第２の方向の長さよりも大きい。なお、実施の形態において、導光体１３は、第１の方向が水平方向（Ｘ１軸の方向）となるように配置されているがこれに限らず、第１の方向が水平方向と完全に一致しなくてもよい。結合領域２１から伝播した光束Ｌ１Ａは、第１主面１３ａ及び第２主面１３ｂで全反射を繰り返しながら第１の方向に伝播しつつ、第２主面１３ｂに形成された第１拡張領域２３の回折構造により光束Ｌ１を複製して第２拡張領域２５に出射する。
　第２拡張領域２５は、虚像Ｉｖの垂直方向に対応した第２の方向に光束Ｌ１Ｂを拡張して出射面２７から拡張された光束Ｌ２を出射する。第２の方向は、例えば、第１の方向と垂直である。なお、導光体１３は、第２の方向がＺ１軸方向に配置されている。第１拡張領域２３から伝播した光束Ｌ１Ｂは、第１主面１３ａ及び第２主面１３ｂで全反射を繰り返しながら、第２の方向に伝播しつつ、第２主面１３ｂに形成された第２拡張領域２５の回折構造により光束Ｌ１Ｂを複製して出射面２７を介して導光体１３の外部へ出射する。
　したがって、観察者Ｄの視点からすると、導光体１３は、入射面２０に入射して進行方向が変更された光束Ｌ１を、観察者Ｄの視認する虚像Ｉｖの水平方向（Ｘ１軸の方向）に拡張した後に、さらに、虚像Ｉｖの垂直方向（Ｙ１軸の方向）に拡張して出射面２７から光束Ｌ２を出射する。ここで、像の水平方向に複製とは、完全な水平方向だけに複製することに限らず、略水平方向に複製することも含まれる。また、像の垂直方向に複製とは、完全な垂直方向だけに複製することに限らず、略垂直方向に複製することも含まれる。
[１－１－３．瞳拡張の順番]
　上述した配置の導光体１３において、ＨＵＤシステム１では、画像光の光束Ｌ１の瞳拡張の順番によって、第１拡張領域２３と第２拡張領域２５の波数ベクトルの大きさが異なる。実施の形態の瞳拡張の順番について図７を参照して説明する。図７は、表示部から出射される光束の中心の光路を示す説明図である。
　導光体１３に入射した画像光の光束Ｌ１は、結合領域２１に形成された回折構造により、第１の方向として水平方向（Ｘ軸方向）に瞳拡張する第１拡張領域２３へ伝播方向を変更する。したがって、光束Ｌ１は、結合領域２１に斜めに入射した後、図７に示す波数ベクトルｋ１の作用を受けて光束Ｌ１Ａとして第１拡張領域２３の方向へ伝播する。
　第１の方向に延びる第１拡張領域２３へ伝播する光束Ｌ１Ａは、全反射を繰り返しながら第１拡張領域２３に形成された回折構造により、第１の方向へ伝播する光束Ｌ１Ａと、複製されて第２拡張領域２５へ伝播方向を変更する光束Ｌ１Ｂとに分割される。このとき、複製された光束Ｌ１Ｂは、図７に示す波数ベクトルｋ２の作用を受けて第２拡張領域２５の方向へ伝播する。
　第２の方向としてＺ１軸の負の方向に沿って延びる第２拡張領域２５へ伝播方向を変更された光束Ｌ１Ｂは、第２拡張領域２５に形成された回折構造により、第２の方向へ伝播する光束Ｌ１Ｂと、複製されて第２拡張領域２５から出射面２７を介して導光体１３の外部へ出射する光束Ｌ２とに分割される。このとき、複製された光束Ｌ２は、図７に示す波数ベクトルｋ３の作用を受けて出射面２７の方向へ伝播する。
[１－１－４．回折構造]
　次に、図８及び図９を参照して、第１拡張領域２３の回折構造について説明する。図８は、第１拡張領域２３の平面図であり、図９は、図８のIX－IX矢視断面図である。
　第１拡張領域２３の回折構造が、例えば体積型ホログラムの場合、第１拡張領域２３は、回折構造として干渉縞３１が形成されている。第１拡張領域２３において、ＸＹ面における干渉縞３１の延びる方向と光束Ｌ１Ａの進行方向との間の角度をαとする。また、回折構造の垂直方向の断面視、すなわち、図８のIX－IX矢視断面視において、干渉縞３１の垂直方向に対する傾斜角度をβとする。
　図１０に示すように、第１の方向に延びる第１拡張領域２３へ伝播する光束Ｌ１Ａは、全反射を繰り返しながら第１拡張領域２３に形成された回折構造により、第１の方向へ伝播する光束Ｌ１Ａと、複製されて第２拡張領域２５へ伝播方向を変更する光束Ｌ１Ｂとに分割される。
　図１１は、光束Ｌ１Ａが、第１拡張領域２３のＸＹ平面をＺ軸の負の方向から正の方向へ透過した場合に複製された光束Ｌ１Ｂを球面座標系で示している。観察者Ｄの見る虚像Ｉｖの視野角を±Ｆ度とし、光束Ｌ１Ａの中心光線のＺ軸に対する角度をθＡ度とし、光束Ｌ１Ｂの中心光線のＺ軸に対する角度をθＢ度とし、以下の（１）式及び（２）式を満たす。
　　｜θＡ－θＢ｜ ＜ ｜Ｆ｜／２　・・・（１）式
　　｜β｜×２×cos(α) ≦ ｜Ｆ｜－｜θＡ－θＢ｜　・・・（２）式
　虚像Ｉｖの水平方向の視野角について２×｜Ｆ｜＝θｈであり、虚像Ｉｖの垂直方向の視野角について２×｜Ｆ｜＝θｖである（図５Ｂ、図５Ｃ参照）。以下、水平方向の視野角について説明するが、垂直方向の視野角についても同様の関係が成り立つ。
　図１２は、導光体１３の断面図である。図１２において、第１拡張領域２３で回折した回折光Ｌ１Ｂのうち、Ｚ軸負の方向から正の方向に回折構造を透過した際に回折した回折光Ｌ１Ｂ１と、Ｚ軸正の方向から負の方向に回折構造を透過した際に回折した回折光Ｌ１Ｂ２とを示している。回折構造のＺ方向の厚みをＴ［μｍ］とし、回折構造と導光体１３の表面（第１主面１３ａ）及び裏面（第２主面１３ｂ）とのそれぞれの間隔の中で短い方の間隔をＴｓ［μｍ］としたとき、コヒーレンス長Ｌと以下の（３）式を満たす。
　　Ｔｓ ＞ Ｌ／２　・・・（３）式
　なお、図１２では、理解をしやすくするために、第１拡張領域２３で回折した回折光Ｌ１Ｂ１は、Ｚ軸方向に沿って第１主面１３ａで反射して第２主面１３ｂに向けてＺ軸方向に沿って進行しているが、Ｚ軸に対して傾斜していてもよい。また、回折光Ｌ１Ｂ２についても同様である。
　（１）式における｜θＡ-θＢ｜により、Ｚ軸に沿って正の方向から負の方向へ透過した際の回折効率と、負の方向から正の方向へ透過した際の回折効率の２つのピークの中央が決められる。また、（２）式における|β|×２×cos(α)により、Ｚ軸に沿って正の方向から負の方向へ透過した際の回折効率と、負の方向から正の方向へ透過した際の回折効率の２つのピークの離間量が決められる。（３）式の関係により、光束が拡張領域を一方側から他方側へ透過する際に回折された回折光Ｌ１Ｂ１と、他方側から一方側へ透過する際に回折された回折光Ｌ１Ｂ２とが干渉しない範囲を規定している。
　次に、図１３～図１８を参照して、各実施例と比較例について説明する。図１３は、各実施例と比較例におけるそれぞれのパラメータの表である。図１４～図１８は、各実施例及び比較例における視野角における回折効率を示す。図１４（ａ）～図１８（ａ）は、それぞれの条件において、光束Ｌ１Ａが、第１拡張領域２３をＺ軸の負の方向から正の方向へ透過した際に複製される光束Ｌ１Ｂ１の回折効率を示す。図１４（ｂ）～図１８（ｂ）は、それぞれの条件において、光束Ｌ１Ａが、第１拡張領域２３をＺ軸の正の方向から負の方向へ透過した際に複製される光束Ｌ１Ｂ２の回折効率を示す。
　実施例１～比較例２において、視野角Ｆは全て３．５０度である。実施例１～比較例２における視野角Ｆは、水平方向（左右方向）の画角（横画角）を示している。なお、垂直方向の画角（縦画角）についても同様の関係が成立する。図１４に示す、実施例１の場合、（１）式及び（２）式に関連してそれぞれ説明した、角度θＡ及び角度θＢは５０．００度であり、角度αは４５．００度であり、傾斜角度βは０．００度である。図１４（ｃ）は、第１拡張領域２３をＺ軸に対して一往復した光束Ｌ１Ｂの回折効率を示す。すなわち、図１４（ｃ）は、第１拡張領域２３をＺ軸の負の方向から正の方向へ透過した際に複製される光束Ｌ１Ｂ１と、Ｚ軸の正の方向から負の方向へ透過した際に複製される光束Ｌ１Ｂ２が干渉した回折効率を示す。回折効率は、レベルＡ１～Ａ６まで段階的に示しており、レベルＡ１からＡ６に上がるにつれて回折効率が上昇している。レベルＡ１は３％以上４％未満の回折効率を示し、レベルＡ２は４％以上５％未満の回折効率を示し、レベルＡ３は５％以上６％未満の回折効率を示し、レベルＡ３ａは５％以上７％未満の回折効率を示し、レベルＡ４は７％以上９％未満の回折効率を示し、レベルＡ５は９％以上１１％未満の回折効率を示し、レベルＡ６は１１％以上１３％未満の回折効率を示す。
　実施例１によれば、光束の波長λは５２０ｎｍであり、光源の波長帯域を示す線幅Δλは５ｎｍであるので、コヒーレンス長Ｌは２４μｍとなる。これにより、間隔Ｔｓが１０００μｍなので、図１４（ａ）及び（ｂ）に示される回折光がそれぞれ干渉しない。したがって、図１４（ａ）に示す回折効率と図１４（ｂ）に示す回折効率とを単純に足し合わせるような回折効率となる。従来において最大回折効率が５％であったのが、実施例１により最大１１％まで向上した。
　これに対して、図１５に示す比較例１の場合、角度θＡ、θＢ、α、β、厚みＴ、波長λは実施例１と同じ条件であり、光源の線幅Δλは０．１ｎｍであるので、コヒーレンス長Ｌは１２０２μｍとなる。これにより、間隔Ｔｓが０．１μｍなので、図１５（ａ）及び（ｂ）に示される回折光がそれぞれ干渉する。これらの干渉により、図１５（ｃ）に示すように、もともと回折効率の得られていた画角の中心から右側の範囲にかけて回折効率がゼロ近くにまで低減する。図１５（ｃ）に示すレベルＣ１は０％以上５％未満の回折効率を示し、レベルＣ２は５％以上１０％未満の回折効率を示し、レベルＣ３は１０％以上１５％未満の回折効率を示し、レベルＣ４は１５％以上２０％未満の回折効率を示す。
　図１６に示す実施例２の場合、角度θＡ、θＢ、α、厚みＴは実施例１と同じ条件であり、角度βが１．２４度であり、波長λが４５０μｍであり、光源の線幅Δλは２ｎｍである。したがって、コヒーレンス長Ｌが４５μｍとなり、間隔Ｔｓが１００μｍなので、図１６（ａ）及び（ｂ）に示される回折光がそれぞれ干渉しない。これにより、図１６（ｃ）に示すように、回折効率が、画角の中心で６％から１３％へ向上し、画角の中心の周辺部分でも７％から１０％へ向上する。図１６に示すレベルＤ１は０％以上２％未満の回折効率を示し、レベルＤ２は２％以上４％未満の回折効率を示し、レベルＤ３は４％以上６％未満の回折効率を示し、レベルＤ４は６％以上８％未満の回折効率を示し、レベルＤ５は６％以上９％未満の回折効率を示し、レベルＤ６は９％以上１２％未満の回折効率を示し、レベルＤ７は１２％以上１５％未満の回折効率を示す。
　図１７に示す比較例２の場合、角度θＡ、θＢ、α、β、厚みＴ、波長λ及び光源の線幅Δλは実施例２と同じ条件であり、コヒーレンス長Ｌも同じ４５μｍとなる。しかしながら、間隔Ｔｓが１μｍなので、図１７（ａ）及び（ｂ）に示される回折光がそれぞれ干渉する。これらの干渉により、図１７（ｃ）に示すように、もともと回折効率の得られていた画角の中心部分の回折効率がゼロ近くにまで低減する。図１７（ｃ）に示すレベルＣ１～Ｃ４は、図１５と同様であり、レベルＣ５は２０％以上２５％未満の回折効率を示す。
　図１８に示す実施例３の場合、角度θＢ及び波長λは実施例１と同じ条件であり、角度θＡは４９．００度であり、角度αは４４．５７度であり、角度βは０．７１度であり、厚みＴは１μｍであり、光源の線幅Δλは２ｎｍである。したがって、コヒーレンス長Ｌが６０μｍとなり、間隔Ｔｓが４００μｍなので、図１８（ａ）及び（ｂ）に示される回折光がそれぞれ干渉しない。これにより、図１８（ｃ）に示すように、回折効率が、画角の中心で１０％から１９％へ向上する。図１８に示すレベルＥ１は８％以上９％未満の回折効率を示し、レベルＥ２は９％以上１０％未満の回折効率を示し、レベルＥ３は１０％以上１１％未満の回折効率を示し、レベルＥ４は７％以上８％未満の回折効率を示し、レベルＥ５は８％以上９％未満の回折効率を示す。また、レベルＥ６は９％以上１０％未満の回折効率を示し、レベルＥ７は１０％以上１１％未満の回折効率を示し、レベルＥ８は１０％以上１１％未満の回折効率を示し、レベルＥ９は１０％以上１１％未満の回折効率を示す。また、レベルＥ１０は１０％以上１１％未満の回折効率を示し、レベルＥ１１は１０％以上１１％未満の回折効率を示し、レベルＥ１２は１０％以上１１％未満の回折効率を示し、レベルＥ１３は１０％以上１１％未満の回折効率を示す。
　また、図９に示す体積ホログラムのＺ方向の厚みＴ[μｍ]と光束Ｌ１Ａの波長λ[μｍ]とが以下の関係式を満たす場合、本実施の形態により回折効率が向上する。
　　Ｔ ＜ (－２．３５７６×λ＋０．０９５２)×｜Ｆ｜＋(２２．３５４０×λ－０．９１２５)　　　・・・（４）式
　図１９は、（４）式の厚みＴが上限付近での規格化された回折効率の一例を示すグラフである。厚みＴが（４）式の右辺の値より大きい値になると、視野角の範囲内で回折効率がゼロになることもある。これにより、映像の一部が欠落し品質が悪化するが、本実施の形態により、回折効率が向上するので、（４）式の関係を満たす体積ホログラムの厚みを採用することができる。
　さらに、体積ホログラムのＺ方向の厚みＴが以下の関係式を満たす場合、本実施の形態により回折効率が向上する。
　　Ｔ ＜ (－０．９８０５×λ－０．０４８７)×｜Ｆ｜＋(９．０７７１×λ＋０．４０３２)　　　・・・（５）式
　図２０は、（５）式の厚みＴが上限付近での規格化された回折効率の一例を示すグラフである。厚みＴが（５）式の右辺の値より大きい値になると、視野角の範囲内で回折効率がピークの５０％になる。回折効率が５０％以下になると虚像が暗くなり映像品質が悪化するが、本実施の形態により、回折効率が向上するので、式５の関係を満たす体積ホログラムの厚みを採用することができる。
　なお、本実施の形態において、第１拡張領域２３の回折構造と同様の構造を、第２拡張領域２５も有する。このような構造は、第１拡張領域２３と第２拡張領域２５のいずれかの拡張領域だけが有してもよいし、光学系２が、さらに別の拡張領域を備え、この別の拡張領域がこのような回折構造を有してもよい。また、第１拡張領域２３と第２拡張領域２５の機能を１つの拡張領域で実現してもよく、この１つの拡張領域は、例えば、２次元形状の干渉縞を有することで、入射した光束を水平方向および垂直方向に複製することができる。
[１－２．効果等]
　本開示の光学系２は、虚像Ｉｖとして観察者Ｄに視認される光束Ｌ１を出射する表示部１１と、光束Ｌ１を複製する導光体１３と、を備える。導光体１３は、表示部１１からの光束Ｌ１が入射する入射面２０と、導光体１３から光束Ｌ２が出射する出射面２７と、を有する。表示部１１から出射する光束Ｌ１の中心の光線は、導光体１３の入射面２０に入射する。導光体１３の入射面２０に入射した光束Ｌ１は、導光体１３内の結合領域の回折構造による回折によって進行方向が変更される。進行方向が変更された光束は、導光体１３内の拡張領域の回折構造による回折によって観察者Ｄの視認する虚像Ｉｖの水平方向に対応した第１の方向、または虚像Ｉｖの垂直方向に対応した第２の方向、またはその両方向に複製されることで拡張された後に出射面２７から出射される。拡張領域の中心または重心における導光体１３の表面に対する法線方向をＺ軸方向、接平面をＸＹ平面とし、拡張領域の回折構造はＺ軸方向に関して導光体１３の内部に存在する。拡張領域に入射する光束を光束Ｌ１Ａ、拡張領域で回折して出射する光束を光束Ｌ１Ｂとし、ＸＹ平面において、光束Ｌ１Ａの中心光線の進行方向をＸ軸、Ｘ軸に垂直の方向をＹ軸としたとき、光束Ｌ１Ａが拡張領域のＸＹ平面をＺ軸の正の方向から透過した場合に複製された光束Ｌ１Ｂと、Ｚ軸の負の方向から透過した場合に複製された光束Ｌ１Ｂとが合わさって拡張領域から出射され、観察者Ｄの見る虚像Ｉｖの視野角を±Ｆ度とし、ＸＹ平面における拡張領域の回折構造と光束Ｌ１Ａの進行方向との間の角度をα度とし、回折構造とＺ軸との間の傾斜角をβ度とし、光束Ｌ１Ａの中心光線とＺ軸との間の角度をθＡ度とし、光束Ｌ１Ｂの中心光線とＺ軸との間の角度をθＢ度とし、回折構造のＺ方向の厚みをＴ［μｍ］とし、回折構造と導光体１３の第１主面１３ａ及び第２主面１３ｂとのそれぞれの間隔の中で短い方の間隔をＴｓ［μｍ］とし、光束ＬＢ１の導光体１３内におけるコヒーレンス長をＬ［μｍ］としたとき、以下の関係式を満たす。
　　｜θＡ－θＢ｜ ＜ ｜Ｆ｜／２、かつ、
　　｜β｜×２×cos(α) ≦ ｜Ｆ｜－｜θＡ-θＢ｜、かつ、
　　Ｔｓ ＞ Ｌ／２
　拡張領域で回折した光束ＬＢ１のコヒーレンス長Ｌが回折構造と導光体１３との間隔Ｔｓの２倍よりも小さいので、拡張領域のＸＹ平面をＺ軸の正の方向から透過した場合に複製された光束Ｌ１Ｂと、Ｚ軸の負の方向から透過した場合に複製された光束Ｌ１Ｂとがそれぞれ干渉を起こすのを防止することができる。これにより、回折効率の低下を防止し、さらには、拡張領域のＸＹ平面をＺ軸の正の方向から透過した場合に複製された光束Ｌ１Ｂと、Ｚ軸の負の方向から透過した場合に複製された光束Ｌ１Ｂとが合わせて拡張領域から出射することができるので、回折効率を向上した光学系を提供することができる。
　また、車両３のウインドシールド５に光学系２からの出射光を投射することで、車両３を運転する観察者Ｄに適した虚像Ｉｖを表示することができる。
（他の実施の形態）
　以上のように、本出願において開示する技術の例示として、上記実施の形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
　上記実施の形態では、拡張領域の回折構造は、干渉縞であったがこれに限らない。例えば、物理的な凹凸構造を樹脂で埋めたものでもよい。
　上記実施の形態では、分割複製した光束Ｌ２をウインドシールド５に反射させて観察者Ｄに虚像Ｉｖを視認させていたがこれに限らない。ウインドシールド５の代わりにコンバイナーを用いて、コンバイナーに分割複製した光束Ｌ２を反射させて観察者Ｄに虚像Ｉｖを視認させてもよい。
　上記実施の形態では、第１拡張領域２３で光束Ｌ１Ａを拡張する第１の方向と、第２拡張領域２５で光束Ｌ１Ｂを拡張する第２の方向とは互いに直交していたがこれに限らない。図６に示すように、第１拡張領域２３で第１の方向に光束Ｌ１Ａを拡張するのは、Ｚ軸に沿う方向よりも水平方向に拡張する成分が大きければよく、また、第２拡張領域２５で第２の方向に光束Ｌ１Ｂを拡張するのは、水平方向に拡張するよりもＺ軸に沿う方向に拡張する成分が大きければよい。
　上記実施の形態では、ＨＵＤシステム１を自動車などの車両３に適用した場合について説明した。しかしながら、ＨＵＤシステム１を適用する対象物は車両３に限らない。ＨＵＤシステム１を適用する対象物は、例えば、列車、オートバイ、船舶、または航空機であってもよいし、移動を伴わないアミューズメント機でもよい。アミューズメント機の場合、ウインドシールド５の代わりに表示部１１から出射された光束を反射する透光部材としての透明曲板に表示部１１からの光束が反射される。また、ユーザが透明曲板を介して視認可能な実景は、別の映像表示装置から表示される映像であってもよい。すなわち、別の映像表示装置から表示される映像にＨＵＤシステム１による虚像を重ねて表示してもよい。このように、本開示における透光部材として、ウインドシールド５、コンバイナー、及び透明曲板のいずれかを採用してもよい。
　上記実施の形態では、光学系２は虚像Ｉｖを表示するＨＵＤシステム１に用いられていたがこれに限らない。光学系２は、観察者が透光部材を介して虚像を見るのではなく、例えば、出射面２７から出射される光束を直接観察する画像表示システムに用いられてもよい。この場合、観察者は、出射される光束で形成される画像を直接視認する者となるので、移動体の搭乗者に限定されない。
（実施の形態の概要）
　（１）本開示の光学系は、像として観察者に視認される光束を出射する表示部と、光束を複製する導光体と、を備える。導光体は、表示部からの光束が入射する入射面と、導光体から光束が出射する出射面と、を有する。表示部から出射する光束の中心の光線は、導光体の入射面に入射する。導光体の入射面に入射した光束は、導光体内の結合領域の回折構造による回折によって進行方向が変更される。進行方向が変更された光束は、導光体内の拡張領域の回折構造による回折によって観察者の視認する像の水平方向に対応した第１の方向、または像の垂直方向に対応した第２の方向、またはその両方向に複製されることで拡張された後に出射面から出射される。拡張領域の中心または重心における導光体の表面に対する法線方向をＺ軸方向、接平面をＸＹ平面とし、拡張領域の回折構造はＺ軸方向に関して導光体の内部に存在する。ＸＹ平面において、拡張領域に入射する光束の中心光線の進行方向をＸ軸、Ｘ軸に垂直の方向をＹ軸としたとき、拡張領域に入射する光束が拡張領域のＸＹ平面をＺ軸の正の方向から透過した場合に複製された光束と、Ｚ軸の負の方向から透過した場合に複製された光束とが合わさって拡張領域から出射される。観察者の見る像の視野角を±Ｆ度とし、ＸＹ平面における拡張領域の回折構造と拡張領域に入射する光束の進行方向との間の角度をα度とし、回折構造とＺ軸との間の傾斜角をβ度とし、拡張領域に入射する光束の中心光線とＺ軸との間の角度をθＡ度とし、拡張領域で回折して出射する光束の中心光線とＺ軸との間の角度をθＢ度とし、回折構造のＺ方向の厚みをＴ［μｍ］とし、回折構造と導光体の表面及び裏面とのそれぞれの間隔の中で短い方の間隔をＴｓ［μｍ］とし、拡張領域で回折して出射する光束の導光体内におけるコヒーレンス長をＬ［μｍ］としたとき、以下の関係式を満たす。
　　｜θＡ－θＢ｜ ＜ ｜Ｆ｜／２、かつ、
　　｜β｜×２×cos(α) ≦ ｜Ｆ｜－｜θＡ-θＢ｜、かつ、
　　Ｔｓ ＞ Ｌ／２
　拡張領域で回折した光束のコヒーレンス長Ｌが回折構造と導光体との間隔Ｔｓの２倍よりも小さいので、拡張領域のＸＹ平面をＺ軸の正の方向から透過した場合に複製された光束と、Ｚ軸の負の方向から透過した場合に複製された光束とがそれぞれ干渉を起こすのを防止することができる。これにより、回折効率の低下を防止し、さらには、拡張領域のＸＹ平面をＺ軸の正の方向から透過した場合に複製された光束と、Ｚ軸の負の方向から透過した場合に複製された光束とが合わせて拡張領域から出射することができるので、回折効率を向上した光学系を提供することができる。
　（２）（１）の光学系において、光学系は、２つの拡張領域を有し、一方の拡張領域は、一方の拡張領域に入射した光束を観察者の視認する像の水平方向に対応した第１の方向に複製することで拡張し、他方の拡張領域は、他方の拡張領域に入射した光束を観察者の視認する像の垂直方向に対応した第２の方向に光束を複製することで拡張する。
　（３）（３）の光学系において、２つの拡張領域において、回折構造の回折ピッチが狭い方の拡張領域において、上述の関係式が満たされる。
　（４）（１）から（３）のいずれか１つの光学系において、拡張領域は透過型体積ホログラムを含む。
　（５）（４）の光学系において、体積ホログラムのＺ方向の厚みＴ［μｍ］と体積ホログラムに入射する光束の波長λ［μｍ］とは以下の関係式を満たす。
　Ｔ＜(－２．３５７６×λ＋０．０９５２)×｜Ｆ｜＋(２２．３５４０×λ－０．９１２５)　
　（６）（５）の光学系において、体積ホログラムのＺ方向の厚みＴ［μｍ］と体積ホログラムに入射する光束の波長λ［μｍ］とは以下の関係式を満たす。
　Ｔ ＜ (－０．９８０５×λ－０．０４８７)×｜Ｆ｜＋(９．０７７１×λ＋０．４０３２)　
　（７）（１）から（６）のいずれか１つの光学系において、表示部から出射する光束の中心の光線は、導光体の入射面の法線方向に対して傾いて入射し、導光体から出射する光束の中心の光線は、導光体の出射面の法線方向に対して傾いて出射する。
　（８）本開示のヘッドアップディスプレイシステムは、（１）から（７）のいずれか１つの光学系と、導光体から出射した光束が反射する透光部材と、を備え、透光部材を介して視認可能な実景に虚像として像を重ねて表示する。
　（９）（８）のヘッドアップディスプレイシステムにおいて、透光部材は、移動体のウインドシールドである。
　本開示は、像を複製して表示する光学系及びヘッドアップディスプレイシステムに適用可能である。
　　　１　　　ヘッドアップディスプレイシステム
　　　３　　　車両
　　　３ａ　　中心線
　　　５　　　ウインドシールド
　　１１　　　表示部
　　１３　導光体
　　１３ａ　　第１主面
　　１３ｂ　　第２主面
　　１５　　　制御部
　　１７　　　記憶装置
　　２０　　　入射面
　　２１　結合領域
　　２３　第１拡張領域
　　２３ａ　　ポイント
　　２５　第２拡張領域
　　２５ａ　　ポイント
　　２７　　　出射面
　　　Ａｃ　　視認領域
　　　Ｄ　　　観察者
　　　Ｉｖ　　虚像
　　　ｋ１、ｋ２、ｋ３　波数ベクトル
　　　Ｌ１、Ｌ１Ａ、Ｌ１Ｂ、Ｌ２　光束

Claims (9)

  1. 　像として観察者に視認される光束を出射する表示部と、
    　前記光束を複製する導光体と、を備え、
    　前記導光体は、前記表示部からの光束が入射する入射面と、前記導光体から光束が出射する出射面と、を有し、
    　前記表示部から出射する光束の中心の光線は、前記導光体の入射面に入射し、
    　前記導光体の前記入射面に入射した光束は、前記導光体内の結合領域の回折構造による回折によって進行方向が変更され、
    　前記進行方向が変更された光束は、前記導光体内の拡張領域の回折構造による回折によって観察者の視認する前記像の水平方向に対応した第１の方向、または前記像の垂直方向に対応した第２の方向、またはその両方向に複製されることで拡張された後に前記出射面から出射され、
    　前記拡張領域の中心または重心における前記導光体の表面に対する法線方向をＺ軸方向、接平面をＸＹ平面とし、
    　前記拡張領域の回折構造はＺ軸方向に関して前記導光体の内部に存在し、
    　前記ＸＹ平面において、前記拡張領域に入射する光束の中心光線の進行方向をＸ軸、前記Ｘ軸に垂直の方向をＹ軸としたとき、
    　前記拡張領域に入射する光束が前記拡張領域の前記ＸＹ平面を前記Ｚ軸の正の方向から透過した場合に複製された光束と、前記Ｚ軸の負の方向から透過した場合に複製された光束とが合わさって前記拡張領域から出射され、
    　前記観察者の見る前記像の視野角を±Ｆ度とし、前記ＸＹ平面における前記拡張領域の回折構造と前記拡張領域に入射する光束の進行方向との間の角度をα度とし、前記回折構造と前記Ｚ軸との間の傾斜角をβ度とし、前記拡張領域に入射する光束の中心光線と前記Ｚ軸との間の角度をθＡ度とし、前記拡張領域で回折して出射する光束の中心光線と前記Ｚ軸との間の角度をθＢ度とし、前記回折構造のＺ方向の厚みをＴ［μｍ］とし、前記回折構造と前記導光体の表面及び裏面とのそれぞれの間隔の中で短い方の間隔をＴｓ［μｍ］とし、前記拡張領域で回折して出射する光束の導光体内におけるコヒーレンス長をＬ［μｍ］としたとき、以下の関係式を満たす、
    　光学系。
    　　｜θＡ－θＢ｜ ＜ ｜Ｆ｜／２、かつ、
    　　｜β｜×２×cos(α) ≦ ｜Ｆ｜－｜θＡ－θＢ｜、かつ、
    　　Ｔｓ ＞ Ｌ／２
  2. 　前記光学系は、２つの前記拡張領域を有し、
    　一方の前記拡張領域は、前記一方の拡張領域に入射した光束を前記観察者の視認する前記像の水平方向に対応した前記第１の方向に複製することで拡張し、
    　他方の前記拡張領域は、前記他方の拡張領域に入射した光束を前記観察者の視認する前記像の垂直方向に対応した前記第２の方向に複製することで拡張する、
    　請求項１に記載の光学系。
  3. 　前記２つの拡張領域において、前記回折構造の回折ピッチが狭い方の前記拡張領域において、前記関係式が満たされる、
    　請求項２に記載の光学系。
  4. 　前記拡張領域は透過型体積ホログラムを含む、
    　請求項１から３のいずれか１つに記載の光学系。
  5. 　前記体積ホログラムのＺ方向の厚みＴ［μｍ］と前記体積ホログラムに入射する光束の波長λ［μｍ］とは以下の関係式を満たす、
    　請求項４に記載の光学系。
    　　Ｔ＜(－２．３５７６×λ＋０．０９５２)×｜Ｆ｜＋(２２．３５４０×λ－０．９１２５)
  6. 　前記体積ホログラムのＺ方向の厚みＴ［μｍ］と前記体積ホログラムに入射する光束の波長λ［μｍ］とは以下の関係式を満たす、
    　請求項５に記載の光学系。
    　　Ｔ ＜ (－０．９８０５×λ－０．０４８７)×｜Ｆ｜＋(９．０７７１×λ＋０．４０３２)
  7. 　前記表示部から出射する光束の中心の光線は、前記導光体の前記入射面の法線方向に対して傾いて入射し、前記導光体から出射する光束の中心の光線は、前記導光体の出射面の法線方向に対して傾いて出射する、
    　請求項１から６のいずれか１つに記載の光学系。
  8. 　請求項１から７のいずれか１つの前記光学系と、
    　前記導光体から出射した光束が反射する透光部材と、を備え、
    　前記透光部材を介して視認可能な実景に虚像として前記像を重ねて表示する、
    　ヘッドアップディスプレイシステム。
  9. 　前記透光部材は、移動体のウインドシールドである、
    　請求項８に記載のヘッドアップディスプレイシステム。
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