JP2013257584A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
プロジェクタ部が投影する映像を観察させるヘッドアップディスプレイ装置において、複数の観察者に対し、同じプロジェクタ部からの映像を同時に観察させる。
【解決手段】
本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、第１の観察者の第１の観察位置、第２の観察者の第２の観察位置に対向して配設されるホログラフィック光学系と、ホログラフィック光学系に映像を投影するプロジェクタ部とを備え、ホログラフィック光学系は、観察者に近い側に位置する第１のホログラフィック光学素子と、観察者に遠い側に位置し、第１のホログラフィック光学素子より回折率が低い第２のホログラフィック光学素子とが積層され、プロジェクタ部が投影する映像を、第１の観察位置と前記第２の観察位置の方向に回折させる角度選択性を有し、第１の観察位置と第２の観察位置のそれぞれにて遠方に結像する虚像を形成することを特徴としている。
【選択図】図４

Description

本発明は、プロジェクタ装置による投影像を利用し、自動車などの操縦者に対して計器情報などの各種情報を視覚的に提供する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、自動車などの移動体において、液晶ディスプレイなどにより形成された計器情報、ナビゲーション装置における地図情報などの各種情報映像を、フロントウィンドウに投影し、操縦者に情報を伝達するヘッドアップディスプレイ装置が知られている。特許文献１から特許文献３には、車両にこのようなヘッドアップディスプレイ装置を用いることについての開示がみられる。

特許文献１には、グラフィック表示可能な透過型ドットマトリックス液晶表示パネルの背後に配置される調光用スクリーンと、該調光用スクリーンの背後に配置されたバックライト光源とを備え、フロントガラス又はフロントガラス手前に設けた透光性反射板に情報表示を反射させる表示器を備えたヘッドアップディスプレー装置が開示されている。このヘッドアップディスプレー装置によれば、表示器の表示像を運転席の前方視野内に配設された透光性反射板（コンバイナ）に投影表示する車両用ヘッドアップ装置における表示器のウォッシュアウト現象を防ぐとともに、その表示器を透過照明するのに用いられるバックライトの耐久性の向上を図ることができる。

また、特許文献２には、運転席上方に位置するルーフパネルの車室内側に、各種走行データ等の表示像を放射する放射機構を含んだ発光表示源を配し、インストルメントパネルの所定部位に、発光表示源から放射される表示像を運転席前方のフロントウインドパネルに投影するミラーを配設した車両用ヘッドアップディスプレイが開示されている。この車両用ヘッドアップディスプレイによれば、車両のインストルメントパネル内方に大きな設置スペースを必要とせずレイアウトが容易となる。

さらに、特許文献３には、ヘッドアップディスプレイ装置におけるコンバイナとして、反射回折により拡散光を再生する透明なホログラムを用いることが開示されている。このようなホログラムを用いたコンバイナを用いることで、非常に高い平面性が要求されることなく、ボケが少なく、しかも明るい再生像を観察できるコンバイナ、そして、ヘッドアップディプレイ装置を提供することが可能となる。

ここで、図１２、図１３を用いて、ヘッドアップディスプレイ装置の一実施形態を簡単に紹介する。図１２はヘッドアップディスプレイ装置の各種構成をインストルメントパネル内に組み込んだ場合の実施形態である。液晶表示パネル上には、車両の計器情報や、ナビゲーション装置からの地図情報などの映像情報が出力表示される。液晶表示パネル背面には光源としてのバックライトが設置され、液晶表示パネルを背面から照射することで、光学系拡大素子としての凹面ミラーに液晶表示パネルに形成される映像を照射する。凹面ミラーで反射、拡大された映像はフロントウィンドウ又はフロントウィンドウ上に設けた透過性反射板の内側に投影される。

操縦者は、フロントウィンドウ前方に位置する表示像（虚像）を車外の景色と同時に視認することができる。また、表示像までの距離（距離Ｌ）をできるだけ遠方にすることで、操縦者は少ない焦点位置の移動量で計器情報や地図情報などの映像情報を確認することができる。

図１３は、車両運転席背後からの様子を示した図であり、フロントウィンドウの破線で囲んだ表示範囲内に各種の映像情報が映し出され、運転者はインストルメントパネル内に配置されている各種計器類などに視線を落とさなくても、車両の運転に注意を払いながら映像による各種情報を取得することができる。

特開２０００−１３１６４２号公報 実公平６−２９０９５号公報 特開平９−１７９０５８号公報

従来、車室内にはカーナビゲーション装置が設置され、運転手に対し目的地までのルート情報の提供を行っている。通常、カーナビゲーション装置の表示装置としては、薄型の液晶モニタがコンソールパネルの中間位置に嵌め込まれ、運転席、助手席の両方から表示される情報、もしくは、ＤＶＤなどの映像を視認可能とされている。このように、車両における情報表示機器としてのカーナビゲーション装置は、運転手のみならず、助手席に乗車する同乗者に対しても情報を提供することが可能となっている。特に、カーナビゲーション装置にて現在位置、目的位置などを表示する地図情報は、同乗者も乗車の際、取得したい情報の１つである。

このように、液晶モニタを用いた情報表示機器では、その視野角の大きさから運転手と、助手席の同乗者が同じ情報を共有することは容易であった。前述のヘッドアップディスプレイ装置においても、映像を投影するプロジェクタ装置の高解像度化により、地図情報など解像度の高い情報を表示することが可能となりつつある。しかしながら、図１２を用いて説明したような従来のヘッドアップディスプレイ装置では、視野角はかなり限定されたものであって、運転席に座る運転手と助手席に座る同乗者の両方に対して、情報や映像を視認させることはできなかった。

図１は、従来のヘッドアップディスプレイ装置による映像を複数の観察者に対して視認させることを試みた例である。２人の観察者１、観察者２は、フロントウィンドウ２１に対向して位置している。２人の観察者に対して映像を視認させるため、プロジェクタ装置１０は、観察者１と観察者２の間に配置している。プロジェクタ装置１０から照射された入射光は、凹面鏡１５にて反射、拡大され、フロントウィンドウ２１の内側で表面反射する。表面反射は、入射角と反射角が等しくなるため、図に示すように運転席側の観察者１に合わせると、観察者２側ではプロジェクタ装置１０による像を確認できなくなる問題がある。

上記課題を解決するため、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、第１の観察位置、第２の観察位置に対向して配設されるホログラフィック光学系と、前記ホログラフィック光学系に映像を投影するプロジェクタ部とを備え、前記ホログラフィック光学系は、前記プロジェクタ部が投影する映像を、前記第１の観察位置と前記第２の観察位置の方向に回折させ、前記第１の観察位置と前記第２の観察位置のそれぞれに観察像を形成することを特徴としている。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、第１の観察位置、第２の観察位置に対向して配設されるホログラフィック光学系と、前記ホログラフィック光学系に映像を投影する
第１プロジェクタ部と、前記ホログラフィック光学系に映像を投影する第２プロジェクタ部とを備え、前記ホログラフィック光学系は、前記第１プロジェクタ部が投影する映像を、前記第１の観察位置の方向に回折させて前記第１の観察位置に第１の観察像を形成するとともに、前記第２プロジェクタ部が投影する映像を、前記第２の観察位置の方向に回折させて前記第２の観察位置に第２の観察像を形成することを特徴としている。

さらに、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、前記ホログラフィック光学系は、前記プロジェクタ部が投影する映像を、前記第１の観察位置の方向に回折させる第１のホログラフィック光学素子と、前記第２の観察位置の方向に回折させる第２のホログラフィック光学素子とが積層されて形成されていることを特徴としている。

さらに、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、前記ホログラフィック光学系は、前記プロジェクタ部が投影する映像を、前記第１の観察位置と前記第２の観察位置の方向に回折させる体積型のホログラフィック光学素子であることを特徴としている。

さらに、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、前記ホログラフィック光学系は、光学拡大機能を有することを特徴としている。

本発明によれば、第１の観察者が位置する第１の観察位置の方向と、第２の観察者が位置する第２の観察位置の方向に、プロジェクタ部が投影する映像を回折するホログラフィック光学系を用いたことで、第１の観察者、第２の観察者の両方に対して、観察像を提供することが可能となる。

また、第１プロジェクタ部が投影する映像を、第１の観察位置の方向に回折させるとともに、第２プロジェクタ部が投影する映像を、第２の観察位置の方向に回折させるホログラフィック光学系を採用したことで、複数の観察者に対して異なるソースの映像を提供することが可能となる。

従来の形式を採用した場合における問題を説明するための図。 本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置を示す図。 本発明の実施形態に係るプロジェクタ装置を示す図。 本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置を示す図。 ホログラフィック光学素子によるレンズ機能を説明するための図。 ヘッドアップディスプレイ装置の実装の様子を示す図。 本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の光路を示す図。 本発明の実施形態に係るホログラフィック光学系での光路を示す図。 他の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の実装の様子を示す図。 他の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の光路を示す図。 他の実施形態に係るホログラフィック光学系での光路を示す図。 従来のヘッドアップディスプレイ装置を示す図。 ヘッドアップディスプレイ装置による車室内での画像表示の様子を示す図。

図２は、本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の一部を示す図であって、自動車に採用された場合が示されている。なお、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、自動車に限らず、各種乗り物の操縦者に対する表示装置、あるいは、ゲーム機、シミュレーション装置に採用することが可能である。

観察者の観察方向には、自動車のフロントウィンドウ２１が配置されており、内側にはホログラフィック光学系２０が貼付されている。ホログラフィック光学系２０は、外界光を損なわないシースルー（透明）性を有するとともに、波長選択性と角度選択性を備えた光学部材であって、物体光と参照光の干渉パターンを記録することで作成される。本実施形態では、観察位置において、車室外の景色とプロジェクタ装置１０の映像情報を重畳して提供するコバイナとして機能する。

プロジェクタ装置１０（本発明でいう「プロジェクタ部」）は、入力される各種映像情報に基づいて映像を投影する装置であって、液晶プロジェクタ、ＤＬＰプロジェクタ、ＬＣＯＳプロジェクタなど各種の方式を用いることが可能である。プロジェクタ装置１０から投影された映像は、ホログラフィック光学系２０で回折し、観察者の観察位置にて遠方に結像する虚像として観察される。観察者、すなわち、操縦者は視線を変動することなく、車室外の景色とプロジェクタ装置１０による映像情報を視認可能となる。また、本実施形態では、プロジェクタ装置１０の焦点距離を可変することにより、結像距離を変化させることが可能となる。これにより、前方車両が近くにある場合などでは結像距離を短く、前方車両が無い、あるいは遠い場合は結像距離を長く伸ばすなど、状況により操縦者の焦点距離を大きく変動させずに映像情報を視認可能にさせる。

図３は、本発明の実施形態に係るプロジェクタ装置を示す図である。本実施形態では、光源にレーザーを用いるとともに、画像を形成する画像形成部に液晶表示素子を用いた構成としている。レーザー光源１１は、レーザー半導体１１２、発散光学系１１１などを含んで構成される光源装置であって、レーザー半導体１１２から放射された出力光を、発散光学系１１１にて所定の照射断面形状に揃えて外部に出力する。

レーザー光源１１から出力された出力光は、ビームエキスパンダ１２にて、バックライトとして必要な面積に調整された後、画像形成部１３の背後に照射される。本実施形態では、この画像形成部１３として、液晶表示素子１３１を用いた液晶表示手段が採用されている。レーザー光源１１の出力光は、拡散板１３２にて強度分布が均一となるように調整された後、液晶表示素子１３１に形成された画像を背後から照射して、プロジェクション光学系１４を介して投影像を形成する。

観察者は、この投影像をホログラフィック光学系２０を介して観察することとなる。これは、ホログラフィック光学系２０が有する偏光機能により可能となるものであるが、ホログラフィック光学系２０にレンズ機能（光学拡大機能）を持たせることで、観察者に大きな映像を提供することができるとともに、プロジェクタ装置１０内のプロジェクション光学系１４の小型化を図り、プロジェクタ装置１０自体の小型化を図ることも可能となる。

図４は、本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の光路図を示した図である。透明基材で構成されたフロントウィンドウ２１の内面には、優れたホログラフィック光学系２０が貼着されている。なお、フロントガラス２１に対するホログラフィック光学系２０の配設方法については、このように内面に貼着することの他、フロントウィンドウ２１の外面に貼着したり、２枚の透明基材に挟むなど適宜方法が採用できる。また、ホログラフィック光学系２０の配設対象についても、フロントウィンドウ２１のみならず、フロントウィンドウ２１とは別途設けられた透明基材とするものであってもよい。

本実施形態では、図に示されるように、このホログラフィック光学系２０が、観察者１の観察位置と、第２の観察者２に対して、プロジェクタ装置１０が投影する映像を視認できるものとなっている。具体的には、プロジェクタ装置１０からホログラフィック光学系
２０に入射する入射光が、観察者１に対する回折光１と、観察者２に対する回折光２のように回折することで実現されている。これは、ホログラフィック光学系の優れた角度選択性を利用したものである。

図５は、ホログラフィック光学系を説明するための図である。ホログラフィック光学系２０は、高いシースルー性を有しているため、外来光はほとんど損失のないままこのホログラフィック光学系２０を透過する。一方、プロジェクタ装置１０から発せられた入射光（再生光）は、ホログラフィック光学系２０にて所定方向に回折する（角度選択性）。回折光が集光点に向けて回折するようホログラフィック光学系２０を製作することでレンズ機能（光学拡大機能）を持たせることも可能となる。

図６は、本発明の実施形態に係るヘッドアップディプレイ装置を車室内に実装した様子を示した図である。このように、フロントウィンドウ２１に角度選択性に優れたホログラフィック光学系２０を配設することで、運転席側の観察者１と助手席側の観察者２の両方に対して、プロジェクタ装置１０による観察像を提供することが可能となる。また、ホログラフィック光学系２０が、光学拡大機能を有する場合には、観察者に大きな映像を提供できるとともに、プロジェクタ装置内のプロジェクション光学系１４の小型化を図り、プロジェクタ装置１０自体の小型化を図ることも可能となる。

では、図７、図８を用いて、本発明の実施形態に係るホログラフィック光学系２０について説明を行う。図７は、本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置を上面からみた光路図である。

本発明の実施形態に係るホログラフィック光学系は、２枚のホログラフィック光学素子２０Ｒ、２０Ｌが積層されて形成されている。積層方法は、予め出来上がった２枚のホログラフィック光学素子２０Ｒ、２０Ｌを貼り合わせて形成してもよいし、どちらか１枚のホログラフィック光学素子上に、材料を塗布して他方のホログラフィック光学素子を形成することとしてもよい。また、複数方向の回折方向を記録した１枚のホログラフィック光学系でもよい。

図７の光路図に示されるように、プロジェクタ装置１０から照射された入射光は、第１のホログラフィック光学素子２０Ｒで回折光１として回折し、第１の観察者にて視認可能な像を形成する。一方、第２のホログラフィック光学素子２０Ｌにて回折した回折光２は、第２観察者にて視認可能な像を形成する。このように、観察者１の方向に回折させる第１のホログラフィック光学素子２０Ｒと、観察者２の方向に回折させる第２のホログラフィック光学素子２０Ｌを配設したことで、プロジェクタ装置１０からの映像を観察者１、観察者２の両者に対して提供することが可能となる。

図８は、図７の光路図においてホログラフィック光学系２０を拡大した模式図となっている。図中、プロジェクタ装置１０から発せられた入射光は、第１のホログラフィック光学素子２０Ｒで観察者１の方向に回折する回折光１を生じる。一方、第１のホログラフィック光学素子２０Ｒを透過した透過光１は、第２のホログラフィック光学素子２０Ｌにて観察者２の方向に回折する回折光２と透過光２に分離される。

２つのホログラフィック光学素子２０Ｒ、２０Ｌが積層された本実施形態においては、両者の回折率、すなわち、入射した光の強度に対する回折した光の強度を考慮することで、観察者１、観察者２に対して同程度の輝度を有する映像を提供することが可能となる。具体的には、観察者に近い側に位置するホログラフィック光学素子（この場合、第１のホログラフィック光学素子２０Ｒ）の回折率（この場合、入射光に対する回折光１のパワー比）を、観察者に遠い側に位置するホログラフィック光学素子（この場合、第２のホログ
ラフィック光学素子２０Ｌ）の回折率（この場合、透過光１に対する回折光２のパワー比）よりも低く設定しておくことで実現可能となる。

以上、本実施形態では、第１の観察者が位置する第１の観察位置の方向と、第２の観察者が位置する第２の観察位置の方向に、プロジェクタ装置が投影する映像を回折するホログラフィック光学系を用いたことで、第１の観察者、第２の観察者の両方に対して、観察像を提供することが可能となる。

本実施形態では、ホログラフィック光学系に、積層された第１のホログラフィック光学素子と第２のホログラフィック光学素子を用いることとしたが、このような形態では、両者の回折率の関係に配慮することで、両観察者に対して、同程度の輝度の映像を提供することが可能となる。

なお、ホログラフィック光学系には、本実施形態のように第１、第２のホログラフィック光学素子を積層することに限らず、プロジェクタ装置が投影する映像を、第１の観察位置と第２の観察位置の方向に回折させる体積型のホログラフィック光学素子を用いることとしてもよい。

また、本実施形態では、車両におけるヘッドアップディスプレイ装置を想定して、第１、第２の観察位置に限定して説明したが、ホログラフィック光学系の回折方向を増やすことで、複数（３以上）の位置で観察可能としてもよい。

このように、本発明はホログラフィック光学素子の角度選択性を利用し、複数の方向に回折するホログラフィック光学系を用いたヘッドアップディスプレイ装置を提供することとしているが、このようなホログラフィック光学系を用いることで、優れた効果を有する他のヘッドアップディスプレイ装置も可能となる。

車両では、運転者がナビゲーション装置による誘導情報を、また、同乗者がＤＶＤなどによる映像情報を見たい、すなわち、運転者と同乗者が異なるソースの映像を見たい場合がある。本発明の実施形態に係るホログラフィック光学系を用いることで、このような状況に対応することも可能となる。

図９は、本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の実装の様子を示した図である。本実施形態では、２つのプロジェクタ装置１０Ｒ、１０Ｌを使用することで、観察者１、観察者２のそれぞれに対し、各プロジェクタ装置１０Ｒ、１０Ｌが投影する映像を提供することが可能となる。

図１０は、この実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置の光路を示した図である。図に示されるように、右側（運転席側）用プロジェクタ装置１０Ｒ、左側（助手席側）用プロジェクタ装置が設けられている。ホログラフィック光学系２０は、図７、図８で説明したものと同様であって、第１のホログラフィック光学素子１０Ｒと第２のホログラフィック光学素子１０Ｌが積層されて形成されている。

右側用プロジェクタ装置１０Ｒにて照射された入射光１は、第１のホログラフィック光学素子２０Ｒにて回折し、観察者１の観察位置に観察像を形成する。一方、左側用プロジェクタ装置１０Ｌにて照射された入射光２は、第２のホログラフィック光学素子２０Ｌにて回折し、観察者２の観察位置に観察像を形成する。このように、複数の映像ソースをホログラフィック光学系２０に投影するとともに、ホログラフィック光学系２０の各回折方向を設定しておくことで、観察者１、観察者２に対して異なる映像ソースを提供できるヘッドアップディスプレイ装置を実現できる。

また、ホログラフィック光学系２０上で、両プロジェクタ装置１０Ｒ、１０Ｌの投射面を重複（共用）させることができるので、両プロジェクタ装置１０Ｒ、１０Ｌによる映像の拡大を図ることも可能となる。

図１１は、図１０の光路図においてホログラフィック光学系２０を拡大した模式図となっている。図中、右側用プロジェクタ装置１０Ｒから発せられた入射光１は、第１のホログラフィック光学素子２０Ｒで観察者１の方向に回折する回折光１を生じる。一方、左側用プロジェクタ装置１０Ｌから発せられた入射光２は、第２のホログラフィック光学素子２０Ｌで観察者２の方向に回折する回折光２を生じる。

図中では略式図の為、両プロジェクタ装置１０Ｒ、１０Ｌの光軸が並行になるかのように配置されているが、実装に際してはホログラフィック光学系２０に対し、異なる角度で光軸が入射するように配置する。これは第１のホログラフィック光学系２０Ｒの入射角に右側用プロジェクタ装置１０Ｒのみが、第２のホログラフィック光学系２０Ｌの入射角に左側用プロジェクタ装置１０Ｌのみが入射するよう設置する必要がある為である。

以上、本実施形態は、ホログラフィック光学素子の角度選択性を利用し、複数の方向に回折するホログラフィック光学系をヘッドアップディスプレイ装置に採用することで、複数の観察者が異なるソースの映像を見たい場合に対応することが可能となっている。

なお、本実施形態では、車両におけるヘッドアップディスプレイ装置を想定して、第１、第２の観察位置に限定して説明したが、プロジェクタ装置の数を増やすとともに、その数に応じたホログラフィック光学系の回折方向を設定することで、複数（３以上）の観察位置で異なる映像を観察することも可能となる。

なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１０…プロジェクタ装置、１０Ｒ…右側（運転席側）用プロジェクタ装置、１０Ｌ…左側（助手席側）用プロジェクタ装置、 １１…レーザー光源、１１１…発散光学系、１１２
…レーザー半導体、１２…ビームエキスパンダ、１３…画像形成部、１３１…ＬＣＤ、１３２…拡散板、１４…プロジェクション光学系、１５…凹面鏡、 ２０…ホログラフィッ
ク光学系、２０Ｒ…第１のホログラフィック光学素子、２０Ｌ…第２のホログラフィック光学素子、 ２１…フロントウィンドウ

Claims (3)

1. 第１の観察者の第１の観察位置、第２の観察者の第２の観察位置に対向して配設されるホログラフィック光学系と、
   前記ホログラフィック光学系に映像を投影するプロジェクタ部とを備え、
   前記ホログラフィック光学系は、観察者に近い側に位置する第１のホログラフィック光学素子と、観察者に遠い側に位置し、前記第１のホログラフィック光学素子より回折率が低い第２のホログラフィック光学素子とが積層され、前記プロジェクタ部が投影する映像を、前記第１の観察位置と前記第２の観察位置の方向に回折させる角度選択性を有し、前記第１の観察位置と前記第２の観察位置のそれぞれにて遠方に結像する虚像を形成することを特徴とする
   ヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記ホログラフィック光学系は、体積型のホログラフィック光学素子であることを特徴とする
   請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記ホログラフィック光学系は、光学拡大機能を有することを特徴とする
   請求項１または請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

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