JPH01306814A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光透過性を存する回折格子を介し、前方の視
野と表示装置からの表示内容とを重畳して表示する、い
わゆるヘッドアップデイスプレィ装置に関する。

（従来の技術） 前方の視野に重畳して表示素子からの内容表示を行うヘ
ッドアップデイスプレィにおいては、種々の光学系が提
案されている。その中でも広い波長法がりを有する蛍光
表示管を用いて表示を行うヘッドアップデイスプレィ装
置においては、表示光の波長法がりにより生じる画像の
上下方向のボケを防止することが必要になってくる。

この表示画像中に生じるボケは、表示画像を遠方に表示
すると特に目立ち、光透過性を有するホログラムの半値
波長幅を１０止程度としても、目で見ると品位の低下が
感じられるものであった。

この波長法がりによる画像のボケを補正する手段として
、光路中に補正光学要素を配設することが特公昭５１−
５９５６号公報に示されており、特に自動車用ヘッドア
ップデイスプレィ装置に好適な設計例は、ＵＳＰ４，６
１３，２００号明細書（特開昭６１−３５４１６号公報
）に示されている。

第７図に示す従来例は、赤、緑及び青の可視光全域にわ
たり、表示器からの光束を余り高くない効率（例えば伝
達効率２０％）で観察位置に導く場合には有効な構成で
ある。

しかし表示する内容をより単色化して半値波長幅を５０
ｎｍから１０ｎｍに設定し、前方の視野及び表示内容が
共に明るく観察できるように構成すると、従来例では問
題が生じてくる。

第８図は、第７図の従来例の第１の回折格子１１と第２
の回折格子３５との波長特性の組合せを表した図である
。自家用車の運転席においては、観察者のフロントガラ
スの位置から８００１程度の位置に観察位置５１が設定
されるが、この観察位置は運転者の座高、座席の前後方
向の移動等により大きく変動する。

第８図は観察位置が主として上下方向に大きく移動し、
この結果第１の回折格子１１と、第２の回折格子３５の
回折効率が最大となる波長に差を生じた状態を示してい
る。従来例においては、２つのホログラフィック回折格
子は同一の特性を有しているものを使用することを想定
しているため、その波長特性の半値幅も同一である。図
において、半値波長幅２０ｎｍの２つの回折格子の組合
せにおいて、中心波長が５ｎｍ異った状態を示している
。

表示において有効に使用し得る光量は、２つの回折効率
の積であり、この場合は５ｎｍの差により効率は３５％
程度も低下してしまう。この５ｎｍの差は、例えば、ｌ
！寮粒位置５１上下方向の３０ｍｍ程度の移動でも生じ
てしまい、このような中程度の半値幅を有するホログラ
ムを従来の光学系と組合せることは不適当であった。

又、この中心波長のずれは観察位置５１が前後に移動し
た場合には、表示画面内の明るさのムラとして表われ、
表示の品質を低下させるものであ（発明が解決しようと
している問題点）本発明の目的は、このような従来例の
欠点、すなわち、前方視野と表示とを同時に鮮明に見え
る様設計したヘッドアップデイスプレィ装置において、
観察位置移動により生じる光量低下を防止する手段を提
供することである。

（問題点を解決するための手段） 上記目的は以下の本発明によって達成される。

すなわち、本発明は、波長幅を有する可視光を用いて表
示を行う表示素子、前記表示素子からの光束を回折偏向
する第１の回折格子、前記第１の回折格子により回折さ
れた光束を回折偏向する第２の、光透過性を有する回折
格子より構成される表示装置において、前記第１の回折
格子の有する半値波長幅の値は、前記第２の回折格子の
半値波長幅と、想定する観察位置変動量に対応した中心
波長変動幅との和よりも大きな値に設定されていること
を特徴とする表示装置である。

（作　　用） 表示画像の波長分散によるボケを補正する第１の回折格
子を、第２の回折格子に比して広い波長幅を有する特性
を有するものを用いることにより、観察位置移動により
生じる光量低下の防止が達成される。

更に、本発明で用いるのに好適な回折格子は、入射光束
と反射回折光束とが大きな角度をなしている場合にも、
高い回折効率を有していることが望ましい。

（実施例） 以下、実施例を用いて本発明の内容を更に具体的に説明
する。

第１図は本発明の第１の実施例を説明した図である。表
示素子３１からは波長幅を有する光束が射出される。今
、中心波長の光を実１１Ａ３２で表すと、この光束は基
板１０上の第１の回折格子１１で反射回折されて光束３
３となり、基板３４上の第２の体積位相型回折格子３５
で反射回折されて光束３６となり、観察位置５１で観察
される。これに対し、中心波長光よりもやや長い光の光
路を表したのが３２′及び３３′である。

設計に当っては「逆光線追跡」の手法を用いる。今、観
察位置５１より光路３６に沿って中心波長より長い波長
の光束を定め、この光束が回折格子３５で光路３３′で
示される異なる方向に回折された後、より大きな波長分
散特性を有する回折格子１１により逆方向に分散され、
この結果、この光束３２′と光束３２とを表示素子３１
上で交わるように回折格子１１の格子ピッチ、配置角及
び光束３２及び３３の光路長を設定すればよい。このよ
うにすると実質上十分な色分散補正が実現できる。

今、観察位置が５１から上方の５２或いは下方の５３に
移動した場合を想定する。この時、体積位相型回折格子
３５の特性より、回折効率が最大となる中心波長が短波
長或いは長波長側にシフトする。

第２図は本発明における第２の回折格子３５の半値波長
幅２５ｎＩ１１の波長特性（破線）と、第１の回折格子
１１の波長特性（実線）とを同時に表示したものである
。本発明においては、第１の回折格子（ホログラフィッ
ク回折格子）の波長特性として、約４０ｒ＋Ｉ＋＋にわ
たり平坦な特性のものを用いているため、第２図示のよ
うに、中心波長が±１０ｎｍ変動しても表示の明るさ変
動が全く生じることがない。これは、第８図の従来例に
おいて、５ｎｍの中心波長変動が３５％もの光量低下を
生じるのに比して大幅な改善である。

ここで、±１０ｒｕ＋＋の中心波長変動を許容すること
により、下記のような観察領域の拡大が実現できる。今
、第２のホログラムの平均屈折率を１．６５、波長５０
５止の光が入射角２８°で入射及び５１°で反射回折さ
れるものとする。ホログラム３５内での格子傾斜角は５
．７８°、平均屈折率を１．６５として、ブラッグ波長
λ８とブラッグ角φＢの関係は次式で表わされる。

２ｎｄｃｏｓφＢ；λ８ ここでｄは、格子間隔（例えば、０．１６６μｍ）であ
る。今、中心波長５０５ｎ１１に対して、中心波長を４
９５ｎｉ、或いは５１５ｎｍと設定すると、ブラッグ角
φ８は２８°から夫々３１°、２０°に変化し、空気中
への射出角は５１°から５８°及び４５°に変化する。

今、ホログラム３５から観察位置５１までの距離が８０
０ｍｍであるとすると、観察位置５２は観察位置５１に
対して上方９０ａｍ、そして観察位置５３は観察位置５
１に対して９１ｍｍ下方に位置でき得ることとなる。こ
の結果、種々の座高の運転者に対して十分な明るさの表
示を実現できることとなる。

この観察位置の変動可能な範囲と、中心波長の変動量と
はほぼ比例関係にあり、中心波長の変動量を大きく許容
できる設計にすると、より広い観察位置を設定すること
が可能となる。

第３図は、第１図示の体積位相型回折格子を焼付ける光
学系を示した図である。アルゴンレーザー光源１からの
波長４８８ｎｍの光は、反射鏡２により反射され、ハー
フミラ−３により分割されて光束４及び光束５となる。

光束４は顕微鏡対物レンズ６により広げられて光束７と
なり、基板１０上のホログラム感材１１に入射する。一
方、ハーフミラ−３により反射された光束５は、顕微鏡
対物レンズ８により広げられて光束９となり、透明基板
ｌＯを通してホログラム感材１１に入射する。これら２
つの光束はホログラム感材１１中で干渉して干渉縞を形
成する。２つの光束の入射角は、例えば、７０°と３０
°とに選定される。

又、必要に応じて平行光束や収束光束が焼付光束として
用いられる。

本発明におけるホログラム記録材料としては、特公昭６
２−１４８３１号公報、特公昭６２−２２１５２号公報
或いは特開昭５３−１５１５４号公報に記載のものを使
用することが可能である。具体的な使用材料及び現像条
件を下記に示す。

ポリビニルカルバゾール２．０ｇ、四状化炭素０．２ｇ
及び２．６−シーｔｅｒｔ−ブチルフェノール２０ａｇ
をモノクロルベンゼン２５ｇに溶解し、暗所にて表面を
磨いた厚さ１．３Ｉｌｌ１Ｍのガラス板にスピンナー塗
工（ミカサスピンナー、ＩＩ＋−２）　Ｌ／、暗所にて
乾燥して厚さ６μｍのホログラム用感材層を作成した。

次に第３図示の光学系を用いて露光を行う。

光源１はアルゴンイオンレーザ−を用い、波長４８８ｎ
ｍの青緑色の単色光で光束７及び９は夫々５０ｍＪ／ｃ
ｒｎ”の入射光量で露光を行う。

露光後の感材は２５℃のトリクロルエチレン液に５分間
浸漬して沃素化合物成分を除去した後、第１の膨潤液と
して３６℃のキシレン液に６０秒間、そして第２浴とし
て３６℃のｎ−ヘキサン液に６０秒間浸漬した後、自然
乾燥した。この結果、第２図の実線で示した分光特性を
有する反射回折格子が得られた。

本発明に用いる第１の回折格子として、反射型の体積位
相型ホログラムを以上に示した様な広い波長幅の分光反
射回折特性が得られるような条件で現像処理したものを
用いると、観察位置変動により第２の回折格子の中心波
長が変動しても、明るい表示が得られること、光学焼付
により作製可能なため大面積の格子が容易に作製可能な
こと、凹面鏡としての働きや非点収差補正、コマ収差補
正の働きを持たせることかできること等の利点がある。

更に、体積位相型回折格子を用いることにより、略垂直
方向から入射する光束を１５°、３０°或いは８０°と
いう大きな角度に射出するように設計した場合にもＰ、
８両偏光に対して高い回折効率を持たせることができる
という利点かある。

しかし本発明においては、他の構成の回折格子を使用す
ることも可能である。

第４図は、本発明の第２の実施例として屈折率ｎ＝１．
５８のポリカーボネート樹脂を用いて、いわゆる「裏面
レリーフ格子」を構成した例を示している。

回折格子１１に入射する光束３２は、水平面に対して１
６．６°傾いた反射面２１により反射回折され、空気中
に屈折して出て６０°の方向に進行する。

第５図は通常市販されている回折格子、すなわち空気中
から光束が格子の斜面２１に略垂直方向に入射し、略垂
直方向に反射回折する場合のＰ、Ｓ夫々の偏光に対する
回折効率を表した例である。

ヘッドアップデイスプレィ装置において、その光学配置
がもしも分光器と相似であれば、市販のブレーズド回折
格子を色分散により生じる画像ボケの補正用格子に使用
できるはずである。しかし、現実のへラドアップデイス
プレィ装置ではその光学配置は分光器とは異る。

第１図において、入射光束３２と回折光３３は２０°の
角度をなしているが、表示素子３１の面積を大きくして
大画面の表示を実現し、しかも装置全体を小型にまとめ
ようとすると、この２つの光束のなす角度はより大きく
することが望ましい。しかし入射光束と回折光束のなす
角を大きくすると、通常のレリーフ型回折格子では効率
の低下が生じてしまう。

レリーフ型回折格子の回折効率低下の１つの要因として
「開口率」を用いることができる。この開口率は、階段
状の回折格子の角の部分で幾何学的に失われる幾何光学
的光量損失を表したもので、次式で与えられる。

γ＝ｃｏｓθ２　／　ｅ　Ｏ８θ１ 今、入射光が垂直方向から入射（θ１＝０°）し、６０
°方向に射出する場合を考える。空気中に置かれた表面
レリーフ回折格子では、角度θ２＝６０°であるので γ（空気）＝ｃｏｓ６０＠／ｃｏｓｏ＠；０．５ であるが、屈折率１．５８のポリカーボネートではθ２
　＝３３．２°であることから、ｙ　（ボ！Ｊカーボ＊
−ト）＝ｃｏｓ３３．２”／　ｃ　ｏ　ｓ　Ｏ°＝０．
８３６ と大幅に向上することが可能となる。

自動車用ベツドアップデイスプレィにこの裏面格子を用
いると、このように入射方向と射出方向とが大きな角度
で使用する場合にも、大きな開口率すなわち高い回折効
率が得られるという利点の他に、種々の利点がある。

利点の１つとしては、反射面の保護が容易なことである
。自動車の運転席においては、ある程度の埃の侵入を避
けることはできない。空気中に配置された表面レリーフ
回折格子では、格子面に埃が付着した時に、これをとり
除くのが困難であり、無理にこの埃を除去しようとする
と傷をつけてしまう恐れがある。裏面レリーフ回折格子
では、表面をふき取るだけで埃の除去ができる。

又、表面レリーフ回折格子ではレリーフ面の保護に５ｉ
（ｈ等の透明なコーティング材料しか使用できず、又、
その厚さも０．１μｍ以下と非常に薄いものしか使用で
きなかった。これに対し、裏面格子では不透明な保護材
を使用できることから十分な保護が可能である。又、本
発明に用い得る透明材料としては、アクリル（屈折率１
．４９）等々、種々のものが可能である。

本発明の裏面レリーフ回折格子は、種々変形して達成す
ることができる。第６図は、表面レリーフ回折格子と適
当な屈折率を有する液体を用いて、この裏面格子を構成
した例である。表面レリーフ回折格子２３の格子面２２
には、適当な屈折率を持った液体１１が満たされ、透明
な平板１０によりカバーがされている。全体はケース２
４の中に納められ、液体の流出を防いでいる。

このような構成をとることにより、設計の自由度を広げ
ることが可能となる。すなわち、液体は種々混合するこ
とが可能なため、単一物質では達成し得ない屈折率の格
子を実現することが可能となる。又、最終的な光学配置
、組合せる表示素子、回折格子に応じて液体の屈折率を
微調整し、目標とする波長に対して最大の回折効率を得
ることが可能となる。最も入手が容易な液体として水を
用いると、この屈折率は１．３３であり、大変安価にこ
の様な回折格子が構成可能となる。

（効　果） 以上本発明においては、第２のホログラムを用いた表示
装置の色分散によるボケを補正する第１の回折格子に、
第２のホログラムの回折効率の半値波長幅よりも広い半
値波長幅を持たせたため、画面全体にわたり或いは観察
位置が変動した場合にも、明るい表示を得ることができ
た。

特に、この補正用回折格子として反射型の体積位相型ホ
ログラム或いは裏面レリーフ回折格子を用いることによ
り、十分な表示視野に対して高い回折効率を実現するこ
とが可能となった。　−尚、以上の説明中、第２のホロ
グラム（回折格子）は平面上に配置されたものについて
説明を行ったが、球面、円筒面上にも配置可能なことは
明らかであろう。尚、以上の説明で表示器は蛍光表示管
（半値波長幅１５０ｎｍ）を例にとったが、表示器とし
ては十分な波長法がりを有するものであれば、どのよう
なものも使用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例である表示装置を表し
た図、 第２図は、本発明に用いられる第１の回折格子と第２の
回折格子の波長特性を表した図、第３図は、本発明に用
いるホログラムの焼付光学系を表した図、 第４図は、本発明の第２の実施例である裏面レリーフ回
折格子を表した図、 第５図は表面レリーフ回折格子の回折効率特性を表した
図、 第６図は、裏面レリーフ回折格子の変形例を表した図、 第７図は２枚の同一のホログラムを用いた表示装置の従
来例を表した図、 第８図は従来例における２つの回折格子の波長特性を表
した図である。 １０：透明基板　　　　１に反射型回折格子２１ニレリ
ーフ回折格子の格子面 ３１：表示素子　　　　３４：透明基板３５；反射型の
体積位相型ホログラム ５１．５２．５３：観察位置 特許出願人　　　キャノン株式会社 代理人　　弁理士　吉　１）勝　広 第２図 Ｓ皮表（ＰＩｎ） 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 ５良、（シー（ｎｍン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）波長幅を有する可視光を用いて表示を行う表示素
   子、前記表示素子からの光束を回折偏向する第１の回折
   格子、前記第１の回折格子により回折された光束を回折
   偏向する第２の、光透過性を有する回折格子より構成さ
   れる表示装置において、前記第１の回折格子の有する半
   値波長幅の値は、前記第２の回折格子の半値波長幅と、
   想定する観察位置変動量に対応した中心波長変動幅との
   和よりも大きな値に設定されていることを特徴とする表
   示装置。
2. （２）第１の回折格子が、体積位相型反射回折格子であ
   る請求項１に記載の表示装置。
3. （３）第１の回折格子が、屈折率１．３以上の媒質で凹
   凸の格子面を充填したレリーフ格子である請求項１に記
   載の表示装置。