JPH03113412A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

ヘッドアップディスプレイ装置

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JPH03113412A
JPH03113412A JP1251282A JP25128289A JPH03113412A JP H03113412 A JPH03113412 A JP H03113412A JP 1251282 A JP1251282 A JP 1251282A JP 25128289 A JP25128289 A JP 25128289A JP H03113412 A JPH03113412 A JP H03113412A
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桑山　哲郎
Toshiaki Majima
間島　敏彰
Takasato Taniguchi
尚郷 谷口
Yoko Yoshinaga
吉永　曜子
Hiroyoshi Kishi
博義 岸
Nobuo Kushibiki
信男 櫛引
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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ヘッ
ドアップディスプレイ装置に関し、例えば車両や航空機
等においてフロントガラスの一部に貼着した小面積の回
折格子を介して運航に関する表示情報を前方視野の画像
情報に空間的に重畳させて双方の情報を同一視野で種々
の観察方向から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（ビ
ームコンバイナ）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。
例えば自動車の運転席や航空機の操縦席等。
種々の車両に適用したものが提案されている。
このうち回折格子として特にホログラムを用いたホログ
ラフィックヘッド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
ことができること、ガラス表面反射による２重像の発生
を防止することができること、そして遠方表示が容易に
できること等の特長を有している。
このようなホログラフィックヘッドアップディスプレイ
装置は例えば米圓特許第４２１８１１１号に提案されて
いる。
（発明が解決しようとする問題点） 従来のベツドアップデイスプレィ装置の光束結合素子と
しては平面鏡、又は凹面鏡の作用をする反射型の回折格
子が多く用いられてきた。この光束結合素子はその大き
さが例えば正方形としたとき一辺が２００ｍｍ以上の十
分な大きさである場合には観察者の観察位置が多少変動
しても表示情報が光束結語素子のへすでケラレるような
ことはなく、表示情報全面を良好なる状態で観察するこ
とが可能となる。
しかしながらヘッドアップディスプレイ装置に要求され
る性能として種々多様なものを想定すると従来の光束結
合素子では種々と不都合な問題点が生じてくる場合があ
る。
第６図は従来のヘッドアップディスプレイ装置を自動車
の座席に適用したときの要部概略図である。
同図ではホログラム回折格子より成る光束結合ぶ□子１
０ｏを観察中心位置５１から距離８００ｍｍ離れた位置
に配置した場合の観察者の右眼及び左眼で観察できる領
域を示している。
図中２つの長円５］ａ、５１ｂは観察者の右眼及び左眼
のアイリブス、すなわち眼の置かれる統計的な基帛位置
を示している。ここで長円５１ａ、５１ｂの大きさはＪ
ＩＳ　　ＤＯＯ２１に規定されている９５バーセンタイ
ルの大きさである。
図示のアイリブスは、座席の前後方向の移動デが１４０
ｍｍの場合を想定して作図したものであるが、自動車用
の表示として最も望ましい条件は、この９５バーセンタ
イルに相当する右眼および左眼の領域全域から、表示画
面全面が観察可能なことである。
第６図において、頭の位置が９５バーセンタイルに相当
する領域中のどんな位置に置かれていても、両眼により
観察可能な領域は交差した斜線部であられされている０
図中、フロントガラス面１０３上で光束結合素子として
のホログラム面１００の大きさが１００ｍｍであるとす
ると、ホログラム面１００よりも１００ｍｒｒ＋ｙ５．
の面Ａにおける観察可能領域１０１は幅９３ｍｍと、は
とんど減少していない、この結果、Ａ面に情報が表示さ
れている場合には、たとえ左右幅が１００ｍｍという小
寸法のホログラムであっても、観察者の頭を動かしたこ
とによる表示情報のけられによる不自然さは全く生じず
、良好なる表示情報の観察が可能となる。
一方、Ｂ面は、フロントガラス１０３面から４００ｍｍ
遠方に表示を行なう場合の有効面積を示している。
同図に示すように、両眼視が可能な領域の幅は５７ｍｍ
と極端に小さくこの範囲に収めることのできる表示は、
ごくわずかな情報量、たとえば文字数にして３文字程度
になってしまう。
以上のことは左右方向の観察だけではなく、上下方向の
観察に関しても同様である。一般に運転者の座高の高さ
や、背もたれ倒れ角により、上下方向の観察位置も動く
、この結果、寸法１００ｍｍのホログラムでは、１００
ｍｍ程度フロントガラス面より奥の面Ａに表示を行なう
場合には、不自然な姿勢の必要がなく表示情報の観察が
できるが、フロントガラス１０３よりも４００ｍｍｆｉ
のＢ面に情報表示を行なうときには例えば特別に背伸び
をしたり、かがみ込んだりしなければ表示情報全面を良
好に観察することができないという問題点があった。
本発明は光束結合素子として小面積のホログラム回折格
子を用いても両眼により表示情報を良好に観察すること
ができ、しかも表示情報の全面を観察するに当り、無理
な姿勢をとる必要がない等の特徴を有したヘッドアップ
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汗手段によ
る表示情報からの光束を光透過性を有する反射型の回折
格子で反射回折させると共に該回折格子の前方視野の画
像情報からの光束を該回折格子を通過させ、該表示情報
を該画像情報に空間的に重畳させて双方の情報を観察す
るようにしたヘッドアップディスプレイ装置において、
該回拓格子は該表示手段面上の表示情報を縮少表示する
ように構成されていることを特徴としている。
（実施例） 第１図は本発明の第１実施例の光学系の要部概略図であ
る。
同図において９は表示手段であり、表示情報用としての
ＬＥＤ等の自己発光型の表示部９１と該表示部９１面上
に外光が入射しコントラストを低下するのを防止する為
の此光板９２、そして表示部９１をゴミや埃から保護す
る為の透明保護板９３とを有している。
表示部９１は複数の発光素子より成っている。
３５は光束結合素子（ビームコンバイナ）であり、光透
過性の反射型のホログラム回折格子より成り、透明基板
３４に貼着されている０回折格子３５は例えば曲率半径
４００ｍｍの凸面鏡と同様の光学的作用をするように設
定されている。
本実施例では例えば表示部９１の中心の発光素子９１０
からの光束のうち中央の光束２は透明基板３４上の回折
格子３５で反射回折され光束３となって観察者５１に導
光される。一方、発光素子９１０からの光束のうち周辺
の光束２ａ、２ｂも同様に回折格子３５で反射回折され
光束３ａ、３ｂとなり観察者５１に導光される。又、表
示部９１の周辺部からの光束２１．２２は各々回折格子
３５で反射回折されて光束３１．３２となり観察者５１
に導光される。
今、表示手段９の表示部９１が回折格子３５から距離２
５０ｍｍ＠れた位置に配置されているとすると表示部９
１の表示像６１の虚像６２は回折格子３５から略距離１
１０ｍｍｆｉれた位置に生じる。
このとき虚像６２の生じる距離１１０ｍｍはホログラム
結像光学系においては入射角と回折角の値に応じて多少
修正することが望ましいが、略幾何光学の公式を用いて
表わすことができる。
本実施例では表示部９１からの各光束に対して遮光板９
２の壁面は各々の位置で観察者５１に入射する光束と同
一方向に配設され、観察者５１の中心位置に対して十分
広い範囲で表示情報が光束のケラレがなく良好なる状態
で観察されるようにしている。
特に遮光板９２は表示部９１の各々の部分で異った方向
を向いている為表示画面全面が太陽光等の外光で一様に
照らされ表示画面全面が判読困難となることを効果的に
防止している。
本実施例においては例えば自動車のインパネ部に表示手
段９を置き、フロントガラス面上の適当な位置に回折格
子を配置する場合のように双方の間隔が車体の構造より
３５０ｍｍ程度に設定されてしまう場合においても凸面
鏡の焦点距離を一１４０ｍｍ、曲率半径で２８０ｍｍ相
当に設定することにより表示情報を回折格子から約１０
０ｍｍ離れた位置に表示することが可能である。
第２図は本発明の第２実施例の光学系の要部概略図であ
る。
同図において第１図で示した要素と同一要素には同符番
を付している。
本実施例の表示手段９は自己発光型の表示部９１と該表
示部９１の前方にハエの目レンズ又は複数のレンチキュ
ラーレンズ等から成る集光部９４を配置して構成してい
る。
表示部９１の中心の発光素子９１０からの光束のうち中
央の光束２は集光部９４を介し回折格子３５により、反
射回折され光束３となって観察者５１に導光されている
。又、発光素子９１０からの光束のうち周辺の光束２ａ
、２ｂは集光部９４で集光され、略平行若しくは収束さ
れ回折格子３５に入射し、反射回折されて光束３ａ、３
ｂとなって観察者５】に導光されている。
本実施例では回折格子３５の近傍に集光部９４の虚像９
５が形成され、又表示情報を構成する発光素子の個々の
ドツト（点）による表示像６１は回折格子３５から十分
遠方の、例えば２〜３ｍ先に虚像６２のピントが合うよ
うに設定されている。
ここで集光部９４の各レンズと発光部９１の各発光素子
との位置関係は数としては１対１に対応し、レンズ位置
が適切な量だけ中心部に寄っていても良く、又発光素子
の数が適当な数だけ多くして構成しても良い。
次に本実施例の効果を第３図を用いて説明する。
第３図（Ａ）は、観察位置５１から眼の焦点調節位置を
集光部９４の虚像９５に合わせた状態、第３図ＣＢ）は
眼の焦点調節位置を遠方の表示情報６２に合わせた状態
での眼に見える像を模式的にあられしたものである。第
３図（Ａ）では、個々の発光素子は焦点外れとなってい
て相対的に輝度が低く、明るい背景との分離が困難であ
るのに対し、遠方に焦点を合わせた場合の第３図（Ｂ）
においては、個々の点は小さくなる反面、輝度が大幅に
向上している。この結果、発光素子として通常の赤色あ
るいは緑色のＬＥＤを用いても、日中屋外の道路を背景
としても十分な明るさで表示情報を表示することが達成
された。
また、同図では省略しているが、観察者５１の頭の位置
を動かしたとき、従来の単純に遠方表示を行なっている
光学系においては表示情報の場所が大幅に移動してしま
うのに対し、本実施例では表示情報自体はフロントガラ
スの近傍にあり、あまり動かない、この結果、本実施例
によれば従来生じていた車の振動や、運転者の体の動き
に伴う不快な像の移動による所謂「船酔い」現象は良好
に防止されている。これに対して例えば２５０ｍｍ角以
下の従来の回折格子を介して遠方表示を行なうと「船酔
」現象が多く生じてきてしまう。
第４図は本発明の第３実施例の表示手段９近傍の拡大概
略図である。
同図において基板４１面上にはＬＥＤ、プラズマデイス
プレィ等の発光素子より成る表示部９１が配列されてお
り、又レンズアレイより成る集光部９４と表示部９１と
の間には複数の光学部材９５が配設されている。光学部
材９５は直方体より成りその側面は各々発光素子に対応
した反射面となっている。
そして発光素子９１０からの光束のうち中央の光束２は
レンズ９４１を介して射出し、又他の光束２ａ、２ｂは
光学部材９５の側面の反射面９５１．９５２で反射して
レンズ９４１を介して光束２８．２９として射出してい
る。そしてこれらの光束２．２８．２９は不図示の回折
格子で反射回折され観察者に導光されている０本実施例
では光学部材９５の側面の反射面の位置と角度とを適切
に設定することにより表示部９１の発光素子の実効的な
数を２〜３倍程度に増加させている。
これにより観察者が頭を動かしても１つのレンズと１つ
の発光素子との組合わせのときに観察者に向かって光束
が到達しない状態が生ずるのを効果的に防止している。
第５図（Ａ）、（Ｂ）は本発明に係る表示手段で用いら
れる集光部の一実施例の概略図である。
同図（Ａ）は正方形又は長方形の微少レンズを複数個、
規則的に配列して構成している。微少レンズは球面又は
非球面より成り、必要に応じて個々の微少レンズの上下
方向と左右方向の焦点距離を変えている。
本実施例では微少レンズの配列は平行四辺形配列や正三
角形配列等、種々の配列方法が適用可能である。
同図ＣＢ）は断面が円、楕円等の円筒レンズを透明基板
の表面と裏面に互いに直交するように配列して、全体と
して２次元レンズアレイを構成している。
従来のホログラフィックベツドアップデイスプレィ装置
ではホログラム回折格子が平面鏡又は凹面鏡の作用をす
るものを用いて遠方に表示情報を形成していたのに対し
て以上に示したように本発明ではホログラム回折格子を
凸面鏡、具体的には曲率半径１００ｍｍから２，０００
ｍｍの値を有する凸面鏡を用いて構成している。これに
より、例えば自動車のフロントガラス等に適用したとき
に表示手段と回折格子が最小で１５０ｍｍ、最大では６
００ｍｍ離して置かれる場合においても回折格子に対し
て最短３７．５ｍｍから最大３７５ｍｍ程度の距離に表
示情報を形成することを可能としている。
この結果例えば−辺が２００ｍｍ以下の正方形の小面積
の回折格子を用いた場合でも観察位置の領域として非常
に広い領域で表示情報の全面を良好なる状態でｎｅｔす
ることができるヘッドアップディスプレイ装置を実現し
ている。
（発明の効果） 本発明によれば以上のように各要素を構成することによ
り観察位置、即ち運転者の姿勢を大幅に動かしても表示
情報の全面を両眼で良好に観察することができるヘッド
アップディスプレイ装置を達成することができる。
又、本発明によれば回折格子を縮少系として用いている
為通常の製造工程で製造された表示部を用いると表示情
報が縮少された分だけ表示情報を鮮明化して観察するこ
とができる。
この他単独のフィルムとして回折格子３５を製造し、両
面テープ等でフロントガラス内側に貼付けてヘッドアッ
プディスプレイ装置を構成する場合、従来では貼付けの
面精度が悪いと表示情報にボケや歪が生じてくるが１本
発明によれば回折格子が凸面鏡の光学的作用をしている
為面積度は多少悪くてもボケや歪を小さくすることがで
き、良好なる状態で観察すること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。また、
コンバイナに凸面鏡の働きを持たせることは、従来のハ
ーフミラ−では不可能であり、ホログラム（回折格子）
を用いてはじめて達成されるものであり、ホログラム利
用の利益は非常の大きい。
【図面の簡単な説明】
第１、第２図は各々本発明の第１、第２実施例の光学系
の要部概略図、第３図は第２図における表示情報の見え
方を示す説明図、第４図は本発明の第３実施例の表示手
段の拡大説明図、第５、図は本発明に係る集光部の拡大
説明図、第６図は従来のヘッドアップディスプレイ装置
の概略図である。 図中９は表示手段、９１は表示部、９２は遮光板、９３
は透明保護板、９１０は発光素子、３５は回折格子、３
４は透明基板、６１は表示情報。 ９４は集光部、５１は観察者、である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）表示手段による表示情報からの光束を光透過性を
    有する反射型の回折格子で反射回折させると共に該回折
    格子の前方視野の画像情報からの光束を該回折格子を通
    過させ、該表示情報を該画像情報に空間的に重畳させて
    双方の情報を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、該回折格子は該表示手段面上の表示
    情報を縮少表示するように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。
  2. （２）前記回折格子は凸面鏡に換算して曲率半径１００
    ｍｍから１６００ｍｍの範囲内の光学的特性を有してい
    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。
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