JP3313122B2

JP3313122B2 - 表示装置

Info

Publication number: JP3313122B2
Application number: JP14467791A
Authority: JP
Inventors: 雅之加藤; 敬和有竹; 松本　　剛; 順二富田; 伸江口
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1991-06-17
Publication date: 2002-08-12
Anticipated expiration: 2017-08-12
Also published as: JPH04298710A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は表示器に表示された映像
を結像光学系を用いて透明スクリーン上に結像させる表
示装置、特に、視野内に映像を背景に重ねて重畳表示す
る、所謂、ヘッドアップディスプレイタイプの表示装置
に関する。

【０００２】各種機器類の表示を前方視野（背景）に重
ねて見ることのできるヘッドアップディスプレイは従来
から航空機、特に戦闘機で用いられ、近年では安全性向
上等の観点から自動車等への応用も盛んである。

【０００３】ところで、このようなヘッドアップディス
プレイタイプの表示装置を銀行あるいはその他のサービ
ス業の窓口業務、演説や講演などのスピーチ台、あるい
はスポーツ試合等の解説席などにおいて利用できれば疲
労軽減、能率向上等の観点から有用、便利である。即
ち、前方の視野（第１の情報）内に表示器による映像
（第２の情報）を重ねて表示できるので、窓口係員、講
演者あるいは解説者等は視線を一々動かさずに、前方の
第１情報（顧客、聴衆、試合中の現場等）を視野内に確
保したまま、必要な第２情報（口座情報、講演資料、選
手個人のデータ等）を同時に見ることが出来る。

【０００４】本発明は斯かる要請に応えるべく開発され
たものであるが、本発明は上述の用途に限定されること
なく、例えばパソコン、ワープロあるいはその他のＯＡ
機器等のディスプレイを含む表示装置全般に適用できる
ものである。

【０００５】

【従来の技術】従来、パソコンやワープロの表示装置と
しては、ＣＲＴ、液晶表示装置、プラズマ表示装置等が
用いられてきた。しかし、従来の表示装置は、全て板状
または箱状の不透明な物体であり、それを使用している
間、眼が表示面を注視しているため、他のものを見るこ
とができない。或いは、何かを見ている最中に、表示装
置に表示された情報を参照するためには、視線を表示装
置に移動させる必要があり、その間、眼を向けていたも
のから眼を離さなければならない。そこで、背景が透け
て見える透明な表示装置があれば、視線を移動させるこ
となく、背景と表示の両方を見ることができる。

【０００６】背景と表示を重畳する方法として、ヘッド
アップディスプレイ(HUD) がある。これは、視野内に表
示器の映像（虚像）を重畳し、且つこれを遠方に表示す
ることによって、視線の移動だけではなく、眼の焦点移
動も不要にしている（第29図）。第29図において、背景
の映像と、表示器105 からの映像を透過型ホログラム10
3 を介してイメージコンバイナ101 で反射させ重畳す
る。

【０００７】イメージコンバイナとしては一般に反射型
ホログラムが利用される。これは、反射型ホログラムが
もつ波長選択性により、表示光、背景光の両方に対して
光利用効率を高めるためである。尚、ヘッドアップディ
スプレイ自体は公知技術であるため、詳細な説明は省略
する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】先に述べた透明な表示
装置にヘッドアップディスプレイの技術を利用できるこ
とは言うまでもないが、そのまま適用したのでは虚像
（表示）の位置が装置面（イメージコンバイナ面）と一
致しないため、従来の表示装置（ＣＲＴや液晶ディスプ
レイ等）と同じ感覚で使用することが出来ず、違和感が
あるという問題、或いは、明視距離（30cm程度) に表示
する場合においては、イメージコンバイナ面が眼に近接
し過ぎてしまうという問題があった。

【０００９】これを上述の第29図を参照して詳述する。
ＨＵＤは表示器105 、透過型ホログラム103 、反射型ホ
ログラム（イメージコンバイナ）101 で構成される。表
示器105 に表示された映像は、２枚のホログラム103, 1
01により、眼の位置から見てイメージコンバイナの反対
側に虚像Ｉ_Vとして結像する。これにより背景Ｂと表示
像（虚像）Ｉ_Vの重畳が可能になる。

【００１０】ホログラムによる光の回折反射方向は、光
の波長に依存する（波長分散）。レーザのような単色光
ではなく、波長帯域の広い光を用いる場合には、通常、
２枚のホログラムで波長分散を補償する。本来、ホログ
ラムはイメージコンバイナの部分に用いることに意義が
あるが、色収差を補正するため、ペア（101, 103) にし
て用いられる。２枚のホログラムで結像系を構成する場
合に、大画面で且つ焦点距離が短い（虚像とイメージコ
ンバイナの距離が短い）系を得ることは難しい（開口数
が大きくなり、色収差補正が難しい）。

【００１１】従って、ヘッドアップディスプレイを使っ
た場合には従来の表示装置（発光型）のごとく、装置の
位置（表示面）と表示の位置を揃えることができない。
明視距離（30cm程度) で表示を見る場合には、イメージ
コンバイナが顔に接近した状態となり、実用に耐える表
示装置とは言えない。

【００１２】本発明の目的は、透明で且つ表示面が装置
面と実質上一致する表示装置を実現することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、小型表示器に表示される映像を、
結像系によりホログラム面上に結像させ、そのホログラ
ムは、結像系の位置から発散する球面波光を、表示装置
の使用者の眼の位置に向けて偏向する機能を持つように
作成する。また表示を見ることのできる視野範囲を拡大
するために、結像系の瞳位置から発散する球面波光を眼
の位置付近の異なる方向に偏向させるホログラムを多層
に重ねた、または多重に記録したホログラムを用いるこ
とができる。

【００１４】即ち、本発明によれば、所定の映像を投射
する表示器と、該表示器による映像の実像を所定位置に
結像する結像光学系と、該結像光学系の結像位置に配置
され、上記実像を所定方向に指向性を持って回折させる
透明ホログラムスクリーンとを有する表示装置が提供さ
れる。

【００１５】上記透明ホログラムスクリーンを構成する
ホログラムは反射型ホログラム或いは透過型ホログラム
のいずれによっても実現出来る。

【００１６】ホログラムは表示光スペクトル内の一波長
に対し結像光学系の位置から発散しながら伝播する球面
波光を、ホログラム面に関して結像光学系と同一側或い
は反対側の空間に位置する観察者の眼の位置近傍の複数
個の点に向けて回折させる複数個のホログラムを多層に
重ね合わせた、或いは同一の感光媒体内に多重記録した
ホログラムとして構成される。

【００１７】ホログラムは表示光スペクトル内の一波長
に対し結像光学系の位置から発散しながら伝播する球面
波光を、ホログラム面に関して結像光学系と同一側或い
は反対側の空間に位置する第１の点に向けて収束しなが
ら伝播する球面波光に変換する第１のホログラムと、同
じく表示光スペクトル内の上記とは異なる一波長に対し
結像光学系の位置から発散しながら伝播する球面波光
を、ホログラム面に関して結像光学系と同一側の空間に
位置する第２の点に向けて収束しながら伝播する球面波
光に変換する第２のホログラムとを多層に重ね合わせ
た、或いは同一の感光媒体層内に多重に記録したホログ
ラムであり、これら第１，２の２点は観察者の左右眼の
位置に選択される。

【００１８】反射型ホログラムと表示器との間の光路中
に反射型ホログラムの選択反射波長幅内の光を選択的に
透過させる波長バンドパスフィルタ、或いは波長選択性
を有する光路折り畳みミラーを介挿することも可能であ
る。結像光学系に可変開口絞りを付設してもよい。

【００１９】また、別の実施例によれば、透明ホログラ
ムスクリーンはホログラムを形成した透明湾曲基板によ
り形成され、この場合、結像光学系は表示器の平面的映
像をこの湾曲ホログラムスクリーン上に結像させる像面
湾曲収差を有する。その他の特徴については以下の実施
例に関する説明から明らかとなろう。尚、本発明におい
て「一波長」とは一定の幅を有する波長帯域を意味す
る。

【００２０】

【作用】ホログラムの透明性により、背景と表示の重畳
が可能で、且つイメージコンバイナ面が従来の表示装置
の表示面のように像発光面として働くので、表示装置の
表示面と、実際の表示の位置が一致した表示装置を実現
することができる。

【００２１】また、ホログラムは表示光スペクトル内の
一波長に対し結像光学系の位置から発散しながら伝播す
る球面波光を、ホログラム面に関して結像光学系と同一
側或いは反対側の空間に位置する観察者の眼の位置に向
けて収束しながら伝播する球面波光に変換する機能を有
するので、観察者はイメージコンバイナ（反射型ホログ
ラムあるいは透過型ホログラム）の表示面に表示器によ
る映像の実像を見ることが出来る。

【００２２】ホログラムによる結像位置を眼の近傍の複
数個の位置とすることにより、眼が多少の範囲で動いて
も確実に視野内に捉えることが出来る。結像位置は好ま
しくは観察者の左右の眼に選択される。

【００２３】反射型ホログラムと表示器との間の光路中
に配設される波長バンドパスフィルタ、或いは波長選択
性を有する光路折り畳みミラーは反射型ホログラムの選
択反射波長幅内の光を選択的に透過させるので、例え
ば、表示光を好みの色に設定することが出来る。また、
反射型ホログラムに入射する光の波長帯域を反射型ホロ
グラム自体の波長選択幅と同じか、小さくすることによ
って反射型ホログラムを透過する光を微弱にし、表示装
置の周囲から、もれ光が見えないようにすることができ
る。

【００２４】結像光学系に設けられる可変開口絞りの大
きさを制御することにより表示像の可視範囲を簡単に制
御することが出来る。また、本発明は湾曲したホログラ
ムスクリーンにも適用出来、その場合には、結像光学系
に表示器の平面的映像をこの湾曲ホログラムスクリーン
上に結像させる像面湾曲収差を付与するだけでよい。

【００２５】

【実施例】本発明の一実施例によれば、図１に示す表示
装置５において、表示器１の映像が表示される表示面２
を、結像手段（レンズ等）３により透明な反射型ホログ
ラム（イメージコンバイナ）４の媒体面上に結像させ、
同反射型ホログラム４からの反射回折光21を使用者の眼
の位置６に向かわせることにより、透明な表示装置を構
成する。

【００２６】反射型ホログラム４は、表示光波長帯域の
中心波長λ_c(図２）に対して、結像手段３の瞳（また
は略中心位置）位置22から発散する球面波光を、眼の位
置６に向けて収束させるように作成する（収束光線は図
１中の太線23で示す) 。尚、反射型ホログラムの作成法
は公知であるため、説明は省略する。

【００２７】表示面２中の一点Ｐから発する光は、結像
手段３により反射型ホログラム４の媒体面上に実像Ｑを
結ぶ。Ｑは点光源のごとくに振る舞うが、光の発散立体
角Ωは、点Ｑが結像手段３により形成される時の光収束
立体角Ω₀とほぼ等しい。従って、表示が見える眼の位
置６の範囲を広くとりたい場合には、結像系の開口をそ
れに応じて大きくする（後述）。

【００２８】表示面２中の全ての点から発した光は、眼
の位置６で重なるため、表示全体を見ることができる。
ここで、反射型ホログラム４をハーフミラー７で置き換
えた場合を考えると、図28に示す如く、単に鏡面反射す
るだけで表示全体（図１に矢印の図形で示す）を同時に
見ることができない。即ち、実像の各点での反射方向が
必ずしも表示装置の使用者の眼の位置６と一致しないの
で、正反射機能を有する平面光学素子（ミラー等）で
は、広視野の表示装置を実現できない。

【００２９】図３は、本発明における表示面２、結像手
段３、反射型ホログラム４、眼の位置６の相対位置関係
のバリエーションを示すものである。同図（ａ）は、表
示面２と反射型ホログラム４の中心を結ぶ方向24に対し
て、表示面２、反射型ホログラム４が垂直に設置される
場合を示し、表示装置の使用者は、反射型ホログラム４
（イメージコンバイナ）の法線に対して斜め（角度θ_o
を成す方向）から表示を見る構成である。

【００３０】本構成においては、表示の縦方向の見掛け
の寸法が実像の cosθ_o倍となるが、θ_o＝37度で0.８
倍程度であるため、実用上問題なく使用できる。

【００３１】図３(b) は、反射型ホログラム４を、方向
24に対してθ_i傾斜させ、反射方向をθ_oとした場合で
ある。図３(a) の場合に比べ、θ_oを小さくできる点で
有利であるが、反射型ホログラム４による反射回折方向
と、表面での正反射方向とが重なる可能性があるため、
表示光のスペクトルが反射型ホログラム４の波長選択範
囲より広い場合には、部分的に表示色、明るさが変わっ
た表示となる点に注意しなければならない。

【００３２】図３(c) は、表示装置の使用者が、反射型
ホログラム４を垂直に見る場合を示す。表示面２が視線
に対して垂直であることは好ましいが、反射型ホログラ
ム４が、方向24に対して大きく傾斜（角度θ_i)してい
るため、結像系に負担がかかる。以上述べた３つの位置
関係は、表示装置の形状条件、用途等に応じて決定す
る。

【００３３】図４は、本発明における結像系の構成例を
示すものである。同図（ａ）は、最も一般的なもので、
結像手段３の光軸25に対して表示面２と反射型ホログラ
ム４（像面）が垂直であり、図３(a) に対応する。図４
(b), (c)は図３(b), (c)の構成に対応するものである。

【００３４】図４(b) は図４(a) と同様に、結像手段
（レンズ系）の３の光軸25に対して表示面２と反射型ホ
ログラム４（像面）が垂直な場合であるが、像高の大き
い部分を使用する構成である。実施に際しては、視野の
広いレンズ系が必要となる。

【００３５】図４(c) は、結像手段３の光軸25に対し
て、反射型ホログラム４（像面）を傾斜させる場合で、
表示面２も傾斜させる必要がある。これに伴い、像には
台形歪みが生じる。以上の３つの構成は、表示に許容さ
れる歪み量、表示装置のコスト、用途に応じて選択す
る。

【００３６】図５は、両眼で表示を見ることを可能にす
る、あるいは表示を見ることのできる眼の位置範囲を拡
張する実施例の説明図である。表示面２上の点Ｐが反射
型ホログラム４上の点Ｑに結像し、立体角Ωで眼の位置
６に向けて発散することは、図１の説明で述べたが、明
視距離で表示を見る場合（眼とイメージコンバイナの距
離が近い場合、例えば30cm) 、発散光が形成する円錐26
の内部に両眼が入るようにするためには、結像手段３の
開口を大きくとらねばならず、広視野と両立させるため
には、高価な結像手段が必要である。比較的簡素で低価
格なレンズ系を結像手段３として用いるためには、小さ
い開口でも、両眼６ａ，６ｂに表示光が達するようにす
る必要がある。

【００３７】これは、結像手段３の瞳位置22から発散す
る球面波光を、表示装置使用者の右眼の位置６ａに向け
て収束させる反射型ホログラム４ａと、同じく結像手段
３の瞳位置22から発散する球面波光を、表示装置使用者
の左眼の位置６ｂに向けて収束させる反射型ホログラム
４ｂとを重ね合わせるか、または多重に記録したホログ
ラム４′を用いることによって容易に達成できる。多重
ホログラムの作成方法自体も周知である。尚、本文にお
いて「多重」とは同一の記録媒体層内に複数個のホログ
ラムを形成する場合、「多層」とは夫々が所望のホログ
ラムを形成した記録媒体層を重ねる場合を意味する。

【００３８】図６に、本発明の別実施例を示す。表示器
１の表示面２に表示された映像は、結像手段３（例えば
レンズ系）を透過し、正反射ミラー８で反射された後、
垂直に設置された反射型ホログラム４（イメージコンバ
イナ）上に結像し、反射型ホログラム４の法線方向の表
示装置使用者の眼６に向けて反射回折される。

【００３９】正反射ミラー８で光路を折り畳んだのは、
表示器１、結像手段３を水平に配置するためである。表
示面２は結像手段３の光軸25に対して傾斜させる。傾斜
によりイメージコンバイナ上の実像には台形歪みが生じ
るが、これは表示を逆台形状に歪ませることにより、相
殺可能である。

【００４０】反射型ホログラム４には、レンズ系３の瞳
位置22の虚像22′から発散する球面波を眼の位置６に向
けて収束させる機能を有するオフアクシス反射型ホログ
ラムを用いる。同ホログラム４の作成法は図７に示す通
りである。即ち、コヒーレントな、点６から発散する球
面波と、点22′に収束する球面波を干渉させて基板50上
に形成した感光材層（記録媒体）51内にホログラムを作
成する。以上は、ホログラム作成波長が、表示に用いる
ピーク波長と同じ場合の作成法であるが、表示に用いる
波長と、ホログラム作成波長が異なる場合には、波長の
違いを考慮して、干渉させる二光束の波面を設計する必
要があるが、その手法については公知であるため、説明
は省略する。ホログラム処理に関しては、従来の体積型
ホログラムの作成手順をそのまま用いればよい。

【００４１】図６において、反射型ホログラム４で反射
回折された光は、あたかもホログラム面が発光面である
かのごとくにふるまうが、強い指向性を有する点が従来
の発光型表示器とは大きく異なる。反射光は全て表示装
置の使用者の眼６の近傍に向けて伝播する。従って明る
い表示が可能である。

【００４２】反射型ホログラム４の表面での正反射光27
（図６中の点線）は、ホログラムをオフアクシスに作成
すれば視野から除去できる。反射型ホログラムは波長選
択性を有するため、実際の表示に使われるのは表示器１
の発光スペクトルの内、ホログラムにより選択された波
長帯域に限定される。

【００４３】一般に表示器の発光スペクトルは、ホログ
ラムの波長選択幅より広いため、波長選択幅以外の波長
はコンバイナを透過（透過光28）する。透明な表示装置
において、使用者が表示内容をコンバイナの反対側に居
る第三者に知られたくないような場合には、透過光28を
なくす必要がある。そのための一手段としては、光路折
り畳み用のミラー８を単なるアルミ蒸着ミラーではな
く、コンバイナ用ホログラムと同じ波長選択性を有する
ミラー、例えば正反射型ホログラム、多層膜ミラー等で
置き換えればよい。これによって、コンバイナで反射さ
れない波長帯域の光は事前に除去される。

【００４４】図６は装置の側面図であるため、眼は１つ
のみ描いてあるが左右両眼に表示光を導くためには、前
述（図５）したように、ホログラムの多層化または多重
記録を行えばよい。眼の位置６の制約に関しては、結像
手段３の開口が大きいほど緩くなる。従って結像手段３
の瞳の位置22の近傍に調整可能な開口絞り９を設けるこ
とにより、眼の位置６の空間的制約範囲を多少変えるこ
とができる。

【００４５】図８は、本発明による表示装置の外観の一
例を示すものである。反射型ホログラム４が形成された
透明板10（イメージコンバイナ）は、表示器１、結像手
段３、ミラー８を内蔵するユニット11（図６）に対して
垂直に設置するが、表示装置を使用しない時は、回転機
構（例えば、イメージコンバイナをピン53により回転自
在に軸支すればよい) により90度回転し、ユニット面と
平行になる位置に収納可能な構造とする。尚、56は投射
用窓、57は電源コードである。

【００４６】図８に示す実施例は、図３(c) の構成を基
にした場合であるが、図３の(a), (b)の構成をとること
も可能であることは言うまでもない。

【００４７】図９は、本発明の更に別の実施例を示すも
のである。イメージコンバイナ10が平板ではなく、曲面
10′であることが好ましい場合には、結像手段３に像面
湾曲特性、即ち、像面湾曲収差をもたせる。これにより
表示面２の実像を曲面基板10′に形成された反射型ホロ
グラム４の面にほぼ一致させることができる。

【００４８】図10は、イメージコンバイナ10として、反
射型ホログラムの代わりに透過型ホログラム４′を用い
た場合を示す。表示面２の実像を透過型ホログラム４′
の面上に結像させるまでの構成は、図１と同様である
が、実像は、イメージコンバイナに関して結像系の反対
側にある表示装置使用者の眼の位置６に向けて回折され
る。透過型ホログラム４′においても多重記録が可能で
あるため、左右両眼に映像を入射させることができる。

【００４９】イメージコンバイナ表面での正反射光27を
防止したい時には、反射防止膜を施した透明板を接着す
ればよい。また、透過型ホログラム４′で回折されない
光28は、ホログラムの偏向角βを大きくとれば、眼には
入らない。透過型ホログラム４′は波長選択性が弱いた
め、眼の位置によって、表示光の色が変わる。

【００５０】図10において、眼を上から下に移動させる
と、表示光は青色→緑色→黄色→赤色の順に変化する
（表示器が白色で表示する場合）。以上の如く、本発明
は透過型ホログラムを用いた場合にも、図１〜９の構成
を全く同様に実現できる。

【００５１】ところで、反射型ホログラムは、幅の狭い
波長帯域（20〜30nm) の光を選択反射するため、単一の
反射型ホログラムをイメージコンバイナとして用いる
と、１色の表示となる。２色以上の表示は、異なる波長
帯域の光を反射する反射型ホログラムを多層または多重
に記録した構造にすることにより達成される。

【００５２】例えば、図１に示した構成で、黄色と赤色
の２色を表示できる、透明な表示装置を実現するために
は、図11に示すような波長選択反射特性を有する多重記
録反射型ホログラムを用いればよい。但し多重記録され
た反射型ホログラムは、それぞれ585nm, 660nmの波長に
対して、結像手段３の瞳位置22から発散する球面波光を
表示装置使用者の眼の位置６に向けて収束する球面波光
に変換する機能を持つように作成する。２つの反射型ホ
ログラムは、多重記録する代わりに、別々に作成し、そ
れらを向かい合わせに貼り合わせた構造にしても同じ機
能を実現できる。

【００５３】３色表示を行う場合には、多重または多層
化するホログラムの数を３つにすればよく、例えば、図
12に示すような波長選択反射特性を有する多重記録反射
型ホログラムを用いればよい。但し多重記録された反射
型ホログラムは、それぞれ445nm(青) 、530nm(緑) 、68
0nm(赤) の波長に対して、結像手段３の瞳位置22から発
散する球面波光を表示装置使用者の眼の位置６に向けて
収束する球面波光に変換する機能を持つように作成する

【００５４】３つの反射型ホログラムは、全て多重記録
する代わりに、別々に作成し、それらを貼り合わせても
よい。例えば、２つのホログラムを多重記録したもの
と、単一に記録したホログラムとを媒体面を合わせて貼
り合わせることにより一体化が可能である。但し、３つ
のホログラムを全て別々に作成し、それらを貼り合わせ
ると、少なくとも１枚の基板がホログラム層に挟まれた
形となり、基板厚み分の大きな位置ずれ（mmオーダー）
を生じる。これにより、３層のホログラム面上に同時に
表示面の実像を形成することができなくなり、鮮明度が
低下する可能性がある点に注意を要する。

【００５５】上記図５で説明した表示装置では、その反
射型ホログラム４′（４ａ，４ｂ）は、図11, 12からも
判るように反射波長帯域が一般に20〜30nm程度と狭いた
め、発光波長帯域が70nm程度以上はある通常の表示器と
組み合わせると、光利用効率が低くなる。そのような場
合には輝度の高い表示器を使用すればよいが、輝度が高
く、特殊な蛍光体を使用した発光波長帯域の狭い表示器
は高価である。以下の幾つかの実施例（図13〜図19) は
そのような高輝度の特殊な表示器を用いることなく、既
存のスペクトル、輝度をもつ表示器を用いてしかも表示
の明るさを増大した表示装置を実現したものである。

【００５６】この表示装置は、基本的には、図５に示す
反射型ホログラム４′に対応する反射型ホログラム13が
波長λ₁を中心とする波長帯域の光を表示装置の使用者
の片方の眼６ａの位置に向けて反射し、波長λ₁とは異
なる波長λ₂を中心とする波長帯域の光を該表示装置の
使用者の他方の眼６ｂの位置に向けて反射するように作
成し、該表示装置の使用者が左眼、右眼で異なる波長帯
域の映像を見ることができるようにしたことを特徴とす
る。

【００５７】異なる２つ以上の波長帯域の光を反射する
反射型ホログラムを多重に記録、または層状に重ね合わ
せた反射型ホログラム13を設けたことにより、該反射型
ホログラム13で反射される波長帯域が拡大されるため、
表示光の利用率が向上し、明るい表示が可能になる。こ
れにより、背景が明るい状況下においても重畳された表
示映像の視認が容易になる。また２つの反射波長帯域を
大きく異ならせ、それぞれの波長帯域に合わせて視差情
報を含んだ表示を行うことにより、立体表示も可能とな
る。

【００５８】モノクロ表示を行う表示装置に向けられた
図13に示す実施例において、１は表示器、３はレンズ等
を用いた結像手段、13は表示器１に表示された映像14を
結像手段３により実像15として結像される位置に設けら
れた反射型ホログラムであり、波長λ₁をピークとする
反射波長帯域（以後単にλ₁と略称する）をもつ第１の
反射型ホログラム13ａと、波長λ₂をピークとする反射
波長帯域（以後単にλ ₂と略称する）をもつ第２の反射
型ホログラム13ｂとをホログラム面を向かい合わせに接
着して構成したものである。

【００５９】そして、波長λ₁,λ₂は図14に示すよう
に、表示器の発光スペクトル（曲線Ｃで示す）内に、反
射型ホログラムの反射波長帯域のおよそ半値幅だけ異な
るように設定する。例えば半値全幅が30nm程度である場
合には、λ₁＝515nm 、λ₂＝545nm に設定する。なお
曲線Ａ及びＢは反射型ホログラム13ａ，13ｂのスペクト
ルをそれぞれ示す。そして、図13の如く第１の反射型ホ
ログラム13ａは結像手段３の瞳位置22から発散する球面
波光を左眼６ａの位置に集束させるように作成する。ま
た反射型ホログラム13ｂは、結像手段３の瞳位置22から
発散する球面波光を右眼６ｂの位置に集束させるように
作成する。

【００６０】このように構成された本実施例は、表示器
１に表示された映像14が結像手段３により実像15として
反射型ホログラム13の面上に形成される。そして該反射
型ホログラム13で反射された表示光のうち、λ₁は主と
して表示装置使用者の左眼６ａの位置に向けて反射さ
れ、λ₂は主として右眼６ｂの位置に向けて反射され、
表示映像の視認を可能にする。

【００６１】以上の本実施例によれば、従来１波長帯域
の光を左右両眼に分配していたのに比べ、本実施例で
は、左右の眼のそれぞれに１波長帯域の光を割り当てる
ため、明るさが増大する。なおここで左右の眼で表示の
色に違いが生じる。例えば30nmの波長の違いは色として
識別可能である。例えば515nm(黄緑) と545nm(黄色に近
い黄緑) は識別できる。しかし両眼視におてい、左右の
眼で若干の色の違いは、モノクロ表示においては実質的
に問題ない。λ₁とλ₂の中間付近の波長の光は、反射
型ホログラム13ａ，13ｂの両方で反射されるが、実像が
ホログラム面上にあるため、二重像は発生しない。

【００６２】以上述べた第１の実施例では、λ₁用とλ
₂用とで別々にホログラムを作成し、接着した構造であ
ったが、１枚のホログラムに第１の反射型ホログラム13
ａと第２の反射型ホログラム13ｂを多重記録しても同様
の機能を達成できることは言うまでもない。図15は本発
明の別の実施例を示す図である。同図において図13と同
一部分は同一符号を付して示した。

【００６３】本実施例が前実施例と異なるところは、反
射型ホログラム13を構成する第１、第２の反射型ホログ
ラム13ａ，13ｂをそれぞれ多重記録ホログラム13ｃ，13
ｄとしたことである。即ち波長λ₁に対し作用する多重
（２重）記録反射型ホログラム13ｃと、波長λ₂に対し
て作用する多重（２重）記録反射型ホログラム13ｄをホ
ログラム面が向かい合うように接着して反射型ホログラ
ム13を作成した。λ₁とλ₂の選択の仕方は、上述した
第１の実施例と同様である。

【００６４】本実施例の場合は、λ₁とλ₂の混合色を
左右両眼で見るようにしたため、左眼、右眼での色違い
は生ぜず且つ明るさは第１の実施例と同様に向上する。
なお本実施例では反射型ホログラム13を13ｃ，13ｄの２
枚の反射型ホログラムで構成したが、３枚以上を用い、
３以上の波長帯域の光をそれぞれの波長につき使用者の
左眼、右眼に向けるか、又は眼の位置付近の複数方向に
向け、３以上の波長帯域の混合色で映像を見れるように
することもできる。

【００６５】図16は更に別の実施例を示す図である。同
図において、図13と同一部分は同一符号を付して示し
た。本実施例が図13で説明した第１の実施例と異なると
ころは、反射型ホログラム13を構成する第１の反射型ホ
ログラム13ａと第２の反射型ホログラム13ｂを次の如く
変更したことである。即ち、反射型ホログラム13の反射
波長帯域幅に比べて大きく異なる波長λ₁とλ₂′を選
択的に反射する第１、第２の反射型ホログラム13ｅ，13
ｆを２層に接着または１層のホログラム媒体内に多重記
録し反射型ホログラム13を構成し、表示器11から第１の
反射型ホログラム13ｅのみにより反射される映像（λ₁)
と、第２の反射型ホログラム13ｆのみにより反射される
映像（λ₂′）とを発生できるようにしたものである。

【００６６】このように構成された本実施例は、視差を
利用した立体表示が可能になる。即ち、視差情報を含む
左眼用、右眼用の映像をそれぞれλ₁とλ₂′で表示す
ると、左眼６ａではλ₁しか見えず、右眼６ｂでは
λ₂′しか見えないため視差が生じて立体視できる。図
17にλ₁とλ₂′の選択例を示す。図の如くλ₁を青色
の領域、λ₂′を赤色の領域にとれば、従来の赤青メガ
ネを掛けた立体視と同様に見えるが、本実施例では赤青
メガネを必要とせず、且つ背景を素通しで見ることがで
きる。

【００６７】以上の各実施例において、複数枚のホログ
ラムを多層に接着する場合は、ホログラムの間隔は小さ
い程よい。これはホログラムの間隔が大きいと、実像面
の位置に違いが生じ、二重像の発生につながるからであ
る。具体的な接着法は、ホログラムが２層の場合は、図
18(a) に示すように、２枚の、それぞれホログラム17が
形成された基板18を、ホログラム面が向かい合うように
して図18(b) の如く光学接着剤19等で貼り合わせること
で良い。接着層の厚さは通常数十μｍ以下に抑えること
は可能で、二重像発生には影響しない。

【００６８】ホログラムが３層以上の場合は、図19(a)
の如く両端のホログラムは基板18として例えば厚さ数mm
のガラス板を用いその上にホログラム17を形成し、中間
に挾むホログラムは薄くて透明なシート20上にホログラ
ム17が形成されたものを利用し、これらを図19(b) の如
く光学接着剤19等で接着すれば良い。これにより基板を
含めたホログラム全体の厚さを小さく保つことができ
る。

【００６９】上述の如く図５に示す方法で視域の拡張を
行うことが出来るが、ホログラム４′で反射された表示
光が空間的に分離されていると、表示を見ている状態で
頭を左右または前後（表示光の伝播方向）に動かすと、
表示が片目でしか見えない状況が生じる。この場合、結
像レンズ３の開口を大きくすることにより、左右眼に向
かう表示光束の空間的分離をなくし、表示が片目でしか
見えない状況が発生する度合いを減らすことができる。
しかしながら、この場合表示の明るさが変化する可能性
がある。

【００７０】図27(a) は、表示を見ることのできる範囲
（視域）を示すが、斜線を施した部分Ｓに眼が位置する
と、表示の明るさは他の部分のほぼ２倍に増す。従っ
て、表示を見ている状態で頭を左右に動かすと、表示の
明るさが変化し、チラチラする。眼の位置によって表示
の明るさが変化する表示器は、疲労を招き、決して使い
易いとは言えない。結像レンズ系に長方形のマスクを設
け、図27(b) に示すように視域をつなげれば、この明る
さムラの問題は解消されるが、境界線Ｌ（不連続線）を
なくすことはできない。

【００７１】以下に示す実施例（図20〜図26) は不連続
線を生じさせることなく視域の拡張を実現したものであ
る。実像を回折させるホログラフィックスクリーン61
は、入射する光波の発散立体角または収束立体角を変換
する機能を有するホログラム素子を２次元アレイ状に形
成して構成され、所定の波長帯域の光に対してブラッグ
条件を満たす前記個々のホログラム素子の光入射方向、
光出射方向がそれぞれ所定の点Ａ，Ｂまたは夫々の点を
含む２つの狭い区間を通るように作成する。

【００７２】これによれば表示映像上の点が結像レンズ
系により実像を形成する際、同レンズ系の焦点距離と開
口で決まる集束ビームの立体角が、ホログラム素子での
回折により、増大させることができる。その結果、不連
続な境界が生じずに、視域を拡張できる。

【００７３】図20(a),(b) に本発明のホログラフィック
スクリーンの構造、機能の一例を示す。同図(a) はホロ
グラフィックスクリーン61の全体図で、発散波または収
束波の立体角を変換して反射するホログラム素子が２次
元アレイ状に形成されている様子を示す。但し、模式図
であるため、格子線を示したが、実際はホログラム（ス
クリーン61）は透明である。

【００７４】１つの反射型ホログラム素子63の拡大図を
図20(b) に示す。この反射型ホログラムは所定の波長帯
域の光に対して、立体角Ωの発散光を反射し、立体角を
Ω′に変換する。Ω′＞Ωとすれば、光の発散角は増大
する。各ホログラム素子63への入射光の光軸ｌ₁と出射
光の光軸ｌ₂は、図20(a) に示したようにそれぞれＡ
点、Ｂ点を通過するように作成する。全てのホログラム
素子63について入射光軸、出射光軸がそれぞれＡ点、Ｂ
点を通過するように作成する。以上において、厳密にＡ
点、Ｂ点を通過しなくとも、Ａ点の近傍、Ｂ点の近傍で
あっても実質上問題ない場合が多い。

【００７５】図20(a) においては、発散波が反射される
場合を示したが、図21(a),(b),(c)に示すごとく、 (a)
発散波が反射後に収束する場合、 (b)収束波が反射後に
発散する場合、 (c)収束波が反射する場合についても、
図20(a) の構成は成立する。尚、図20(a) において、ホ
ログラム素子63を矩形状のエリアで示したが、形状は矩
形に限らない。また、ホログラム素子間の境界は必ずし
も明瞭でなくともよい。

【００７６】図22(a),(b) に、図20(a) に示すホログラ
フィックスクリーン61を用いて構成した表示装置の光学
系を示す。 (a)は全体図、 (b)はホログラフィックスク
リーンの拡大図である。但し、各反射型ホログラム63は
小円形の形状を呈する。図22(a) において、表示器１に
表示された映像14は、結像レンズ３によってホログラフ
ィックスクリーン61上に結像し、実像15を形成する。実
像の各点は、本表示装置を使用する人の左右眼６ａ，６
ｂの中間点に向けて発散しながら伝播する。

【００７７】ここで、図20(a) に示したＡ点、Ｂ点がそ
れぞれ結像レンズ３の射出瞳の中心、左右眼６ａ，６ｂ
の中間点に夫々一致するようにホログラフィックスクリ
ーン61を作成しておく。表示映像14の点Ｐに注目する
と、光束の包絡面は図22(a),(b) の斜線部のごとくにな
る。結像レンズ３による収束立体角Ωは、ホログラフィ
ックスクリーン61による反射の後にΩ′（＞Ω）とな
り、図５における視域（図22(a) に点線60′で示す) を
60で示す領域まで拡張することが可能である。

【００７８】図23に図22(a),(b) に示す如きホログラフ
ィックスクリーン61の作成法の一例を示す。透明な基板
71の片面にホログラム記録媒体73を形成した乾板70を準
備し、両側からコヒーレント光Ｌ₁,Ｌ₂を照射し、同乾
板を現像処理することにより反射型ホログラムを形成す
る。乾板70に照射するコヒーレント光の一方Ｌ₁は発散
球面波で、他方は収束球面波Ｌ₂であり、これらコヒー
レント光Ｌ₁,Ｌ₂は乾板の近傍に配置した屈折率分布型
レンズアレイ板75を透して照射する。屈折率分布型レン
ズアレイ板75の表面には、不要なノイズ光をカットする
ためのマスク77を形成しておくことが好ましい。２つの
屈折率分布型レンズアレイ板75の相対位置を制御するこ
とにより、乾板の両側から発散波を照射して形成される
反射型ホログラムレンズを２次元アレイ状に作成するこ
ともできる。反射型ホログラムレンズ（ホログラム素
子）のサイズは、表示の画素に対応するため、例えば数
百μｍ程度に設計する。

【００７９】図24はホログラフィックスクリーン61の作
成系をマクロに見たようすを示す。発散波の発散点の位
置は、後に構成される表示装置の結像レンズ３の射出瞳
の中心を考慮して決定する。また、収束波Ｌ₂の焦点位
置は表示装置の使用者の眼の位置を考慮して決定する。
２光束Ｌ₁,Ｌ₂の乾板70に対する入射角は、ホログラフ
ィックスクリーンに対する投射方向、表示の視認方向に
あわせて設定する。

【００８０】コヒーレント光の波長は、ホログラム記録
媒体の感度に合わせて選択するが、必ずしも表示波長帯
域とは一致しない。そのような場合には、ホログラム作
成時と使用時の波長の違いを考慮して、屈折率分布型レ
ンズアレイ板75の設置位置、２つのコヒーレント光Ｌ₁,
Ｌ₂の照射方向を決定する。

【００８１】図25は、屈折率分布型レンズアレイ板75の
例を示す。透明基板81にプロトン交換法等により、屈折
率の異なる領域83を略球状に形成して作成される。公知
技術であるため、説明を省略する。屈折率分布型レンズ
に対する光の入射方向が変わると、収差が発生するが、
画素の寸法内である限り問題とはならない。

【００８２】以上は、反射型のホログラフィックスクリ
ーン61を中心に説明したが、透過型のホログラフィック
スクリーンによっても表示装置を実現できることは言う
までもない。( 図26）但し、微小な透過型ホログラムレ
ンズのアレイを屈折率分布型レンズアレイ板を用いて作
成することは難しいため、マスク露光、ＥＢ描画等の別
方法をとる必要がある。

【００８３】また、以上の反射型のホログラフィックス
クリーンに関する説明は、単一の選択反射波長を前提に
しているが、異なる波長帯域の光を選択反射するホログ
ラフィックスクリーンを複数枚多層に重ねた構造によ
り、マルチカラーの表示が可能になる。或いは、多層で
はなく、一層の媒体内に多重に記録した構造によっても
同様のマルチカラー化が可能である。

【００８４】

【発明の効果】以上述べたごとく、表示器の映像の実像
をイメージコンバイナのホログラム面に結像させ、且
つ、同ホログラムにより、実像を表示装置使用者の眼に
向け回折させることにより、透明でかつ従来の表示装置
と同様な非虚像（実像）タイプの表示装置の実現が可能
になる。本発明による透明ディスプレイ装置を用いるこ
とにより、表示と背景を同時に見ることが可能になる。

【００８５】また、ホログラムの多重記録または多層化
を図ることにより、表示が見える眼の位置の範囲の拡
張、多色表示が可能となる。ホログラム素子は波長分散
を有するため、通常は色収差相殺用のホログラムと組み
合わせて用いられる。本発明の構成では、実像がホログ
ラム面上に存在するため、波長の違いによる偏向方向の
違いがあっても、収差は発生しないという利点もある。

【００８６】図13〜19に示す実施例に依れば、表示器に
表示された映像を結像系を用いて反射型ホログラム面上
に結像させ、その反射光を表示装置の使用者の眼の位置
に集束させることにより、表示された映像と背景を同時
に見れるようにした表示装置において、異なる２つの波
長帯域の光を反射するホログラムを二重に記録した、ま
たは層状に重ね合わせた構造にし、２つの反射型ホログ
ラムをそれぞれ表示器の使用者の左眼、右眼別々の位置
に光を集束させるように作成することにより、表示の明
るさを増大させることができる。

【００８７】また、２つの反射波長帯域を大きく異なら
せ、それぞれの波長帯域に合わせて視差情報を含んだ表
示を行うことにより、立体表示も可能になる。また、異
なる反射波長帯域を持ち、表示装置の使用者の眼の位置
付近の複数の点に表示光を集束させる反射型ホログラム
を、多重記録または多層構造にすることにより、表示の
明るさを向上させることができる。

【００８８】また、本発明によれば表示の視域を拡張す
ることができ、表示器の使用者の頭の位置が多少移動し
ても、安定に表示をみることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表示装置の基本構成を示す図である。

【図２】本発明の表示装置に内蔵する表示器の発光スペ
クトル形を示す図である。

【図３】本発明の結像系の位置関係の３つの例を示す図
である。

【図４】同じく本発明における結像系の位置関係の例を
示す図である。

【図５】本発明による表示装置の視域を拡大する手段を
説明するための図である。

【図６】本発明による表示装置の構造を示す図である。

【図７】本発明で用いる反射型ホログラムの作成法を示
す図である。

【図８】本発明による表示装置の外観を示す図である。

【図９】本発明の結像系の変形例を示す図である。

【図10】本発明の実施例で、透過型ホログラムを用いる
構成を示す図である。

【図11】本発明の実施例で、２色表示を行う際に用いる
ホログラムの特性図である。

【図12】本発明の実施例で、３色表示を行う際に用いる
ホログラムの特性図である。

【図13】本発明の別の実施例を示す図である。

【図14】図13の実施例における反射型ホログラムの反射
波長帯域の選択例を示す図である。

【図15】本発明の別の実施例を示す図である。

【図16】本発明の更に別の実施例を示す図である。

【図17】図16の実施例における反射型ホログラムの反射
波長帯域の選択例を示す図である。

【図18】本発明における２枚のホログラムを接着する方
法を示す図である。

【図19】本発明における３枚以上のホログラムを接着す
る方法を示す図である。

【図20】本発明の更に別の実施例を示す図である。

【図21】本発明において、入射光束の反射形態の３つの
例を示す図である。

【図22】図20に示すホログラムスクリーンを用いた表示
装置の実施例を示す図である。

【図23】図20に示すホログラムスクリーンの作成方法を
示す図である。

【図24】図20の作成系の全体概要を示す図である。

【図25】図24に示す作成系のレンズアイを示す図であ
る。

【図26】本発明における透過型ホログラムスクリーンを
示す図である。

【図27】表示領域を説明する図である。

【図28】ハーフミラーをイメージコンバイナに用いた場
合の問題点を説明するための図である。

【図29】従来のヘッドアップディスプレイの一例を示す
図である。

【符号の説明】

１…表示器２…表示面３…結像手段４…ホログラム５…表示装置６…眼の位置７…ハーフミラー８…ミラー９…開口絞り 10…イメージコンバイナ（基板） 11…ユニット 21…眼に向かって収束する光束 22…結像手段の瞳位置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＧ０９Ｆ 9/00 ３５９Ｇ０９Ｆ 9/00 ３５９ (72)発明者松本剛神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者富田順二神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者江口伸神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (56)参考文献特開平２−109015（ＪＰ，Ａ) 特開平２−72320（ＪＰ，Ａ) 特開平２−113218（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の映像を投射する表示器と、該表示器による映像の実像を所定位置に結像する結像光
学系と、該結像光学系の結像位置に配置され、上記実像を所定方
向に指向性を持って回折させる透明ホログラムスクリー
ンとを有し、前記ホログラムは表示光スペクトル内の一波長に対し結
像光学系位置から発散しながら伝搬する球面波光を、観
察者の右眼に対応する第一の点に向けて収束しながら伝
搬する球面波光に変換する第一のホログラムと、同じく
表示光スペクトル内の上記−波長とは異なる一波長に対
し結像光学系位置から発散しながら伝搬する球面波光
を、観察者の左眼に対応する第二の点に向けて収束しな
がら伝搬する球面波光に変換する第二のホログラムであ
ることを特徴とする表示装置。
【請求項２】上記透明ホログラムスクリーンは反射型
ホログラムにより構成され、これと表示器との間の光路
中に反射型ホログラムの選択反射波長幅内の光を選択的
に透過させる波長バンドパスフィルタを介挿したことを
特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】上記透明ホログラムスクリーンは反射型
ホログラムにより構成され、これと表示器との間の光路
中に反射型ホログラムの選択反射波長幅内の光を選択的
に反射させる波長選択性を有する光路折り畳みミラーを
介挿したことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項４】上記結像光学系に可変開口絞りを付設
し、その開口絞りを変えることにより表示像の可視範囲
を制御することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項
に記載の表示装置。
【請求項５】反射型または透過型のホログラムレンズ
を同一媒体層内にアレイ状に形成し、それぞれのホログ
ラムレンズの入射軸と出射軸の方向を徐々に変化させた
ことを特徴とするホログラフィックスクリーン。
【請求項６】少なくとも請求項５に記載のホログラフ
ィックスクリーン、表示器、投射レンズ系を備え、これ
ら各要素を表示器に表示された映像の実像を、投射レン
ズ系によって前記ホログラフィックスクリーン面上、ま
たはその近傍に形成するように配置したことを特徴とす
る表示装置。
【請求項７】ホログラフィックスクリーンを構成する
ホログラムレンズの入射軸、出射軸がそれぞれ投射レン
ズ系の主点、表示装置使用者の目の位置を通るように設
定されることを特徴とする請求項６に記載の表示装置。