(57)【要約】【課題】光源波長幅によって、表面反射に対する対策方法を変更する必要がある。【解決手段】光源の波長幅が小さい場合にはコンバイナの入射角、出射角の差を大きくし、波長幅が大きい場合には円偏光を利用した表面反射対策を行う。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出力する光源と、
光源からの出射光を受けて画像を形成する表示手段と、
前記表示手段から射出された表示光に含まれる波長の光をユーザに向けて反射し、それ以外の波長の光を透過する透過反射手段とを有し、
前記光源の出力する光の波長幅である光源波長幅に応じて、
前記表示光が前記透過反射手段に入射する入射角と、前記透過反射手段から表示光が出射される回折角との角度差が異なることを特徴とする透過型表示装置。
【請求項２】
前記光源の前記光源波長幅が、一定値以上の場合には、
前記表示光が前記透過反射手段に入射する入射角と、前記透過反射手段から表示光が出射される回折角との角度差が５度以下であることを特徴とする請求項１に記載の透過型表示装置。
【請求項３】
前記光源波長幅の一定値は、0.5nm以上であることを特徴とする請求項２に記載の透過型表示装置。
【請求項４】
前記表示手段は、表示光を円偏光に変換する偏光手段を備え、
前記透過反射手段は、表示光の向きを偏向する回折素子と、
前記回折素子を保持する透明部材であって、前記表示光が前記透過反射手段に入射する側に配置される前側透明部材と、
前記回折素子を保持する透明部材であって、前記透明部材とは前記回折素子を挟んだ反対方向に配置される後側透明部材と、保持する前側透明部材、後側透明部材と、
前記回折手段と前記前側透明部材の間に、円偏光を前記回折素子に対するＳ偏光に変換するＳ偏光変換手段と、
前記回折手段と前記後側透明部材の間に、前記回折素子に対するＳ偏光を前記回折素子に対するＰ偏光に変換するＰ偏光変換手段とを
備えることを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記透過反射手段への入射角と、前記後側透明部材のブリュースター角との差が５度以内であることを特徴とする請求項４に記載の透過型表示装置。
【請求項６】
前記前側透明部材の空気との界面は、表面反射を防止する無反射コートが施されていることを特徴とする請求項５に記載の透過型表示装置。
【請求項７】
前記後側透明部材は楔形形状を有し、
前記後側透明部材から透過する透過光の、前記後側透明部材への入射角が前記後側透明部材のブリュースター角になるように楔の傾斜角が設定されていることを特徴とする請求項６に記載の透過型表示装置。
【請求項８】
前記透過反射手段への入射角が、前記後側透明部材のブリュースター角から外れないように、前記表示手段によって表示される表示像の高さが制限されている特徴とする請求項７に記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記透過反射手段への入射角が前記後側透明部材のブリュースター角になるように、前記透過反射手段の傾きに応じて前記後側透明部材の屈折率が決定されていることを特徴とする請求項７に記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記光源の前記光源波長幅が、一定値以下の場合には、
前記表示光が前記透過反射手段に入射する入射角と、前記透過反射手段から表示光が出射される回折角との角度差が１０度以上であることを特徴とする請求項１に記載の透過型表示装置。
【請求項１１】
前記光源波長幅の一定値は、0.5nm以下であることを特徴とする請求項１０に記載の透過型表示装置。
【請求項１２】
前記光源は、波長幅の小さい波長変換素子（ＳＨＧ）によって構成されることを特徴とする請求項１１に記載の透過型表示装置。
【請求項１３】
前記表示素子は、空間変調素子および中間スクリーンから構成され、前記中間スクリーンを振動させる振動手段を備えることを特徴とする請求項１１に記載の透過型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透過型の表示部から見える外界の景色に映像を重ねて表示し、外界の景色に含まれる所定の外界の物体に照準映像を重ねて操作することにより、予め登録されている自律動作をさせるように指示することができる透過型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
動車などの車両を運転するドライバーは、運転中に車外の状況の把握、車両の表示装置の情報の読み取りおよび運転操作等を、安全かつ迅速に行うことが要求されるので、ドライバーの視点移動の範囲が運転中の車外の状況の把握に必要な範囲内で車両の表示装置の情報が読み取れることが望ましい。したがって、例えば車両のフロントガラスなどの透明板の一部に光を照射することなどにより文字または画像を表示する画像表示装置の実現などが期待されている。
【０００３】
このような透過型の表示装置として、自動車のフロントガラスに運転情報を表示するヘッドアップディスプレイ（Head-UP Display。以下、HUD）、眼鏡のレンズ部分に情報を表示するヘッドマウントディスプレイ（Head-Mounted Display。以下、HMD）などが上げられる。このような透過型の装置を用いると、ドライバーは外界を視認しながら同時に、運転に関する情報（例えば地図やスピードメータ）を見ることができるため、ドライバーがより安全に運転を行うことができると期待されている。
【０００４】
従来のＨＵＤとしては、フロントガラスに虚像を投影するものがあった（例えば、特許文献１）。図１は、前記特許文献１に記載された従来のＨＵＤを示すものである。この例ではフロントガラス部分に、透過性の高いホログラムコンバイナを用いることで外界の透過率を高め、かつ、表示像の輝度を上げることが出来るとしている。
【０００５】
図１において、１０１はＨＵＤが搭載されている車体である。１０２はダッシュボード内部に格納されたＨＵＤ光学ユニットであり、内部に表示素子１０３、偏向手段１０４を含む。表示素子１０３は、例えば液晶素子および光源からなり、ドライバー１０８に表示すべき情報を表示する。表示素子１０３で表示される表示光は、偏向手段１０４に向かって投影される。偏向手段１０４はミラーなどで構成され、表示素子１０３からの表示光を、フロントガラス１０７に備え付けられたコンバイナ１０６に向けて偏向する。偏向手段１０４によって偏向された表示光は、ＨＵＤ光学ユニット１０２の開口部１０５を通過して、フロントガラス１０７の表面に形成されたコンバイナ１０６に投影される。コンバイナ１０６は、ＨＵＤ光学ユニット１０２からの表示光をドライバー１０８に向けて偏向する。ドライバー１０８は、コンバイナ１０６によって反射された表示光をみることで、運転に関する情報を視認することが可能になる。アイボックス１０９はドライバー１０８が頭を動かしたときに映像が見える範囲を示し、ドライバー１０８の眼がアイボックス１０９内にある場合に、表示光はドライバー１０８の網膜に届き、ドライバー１０８は映像を視認することができる。また、コンバイナ１０６は、ＨＵＤ光学ユニット１０２からの表示光を反射すると同時に、フロントガラスの外部（外界）からの光を透過する性能を持つ。このコンバイナの性能によって、ドライバー１０８は、表示素子１０３が表示する情報と一緒に、フロントガラス外の外界の光景を見ることができる。このようにＨＵＤでは、ドライバー１０８が外界から視線を逸らさずに表示素子からの情報を見ることができるため、ドライバーは視線を動かす必要が少なくなり、運転時の安全性が向上するとされている。また従来例１では、コンバイナ１０６にホログラムコンバイナが用いられている。ホログラムコンバイナは高い波長選択性をもち、例えば表示素子で用いられている波長のみを反射し、それ以外の波長の光を透過させることで、表示素子からの光を高い輝度で反射させ、外界からの光を高い透過率で透過することが可能になるとされている。また特許文献１においては、偏向手段１０４を凹面ミラーとすることで、コンバイナ１０６の曲率によって発生する画像の歪みを補正することが提案されている。
【０００６】
しかしながら、このようなフロントガラスにホログラムコンバイナを取り付けることでドライバーに対して表示を行うHUDにおいては、表示手段からの表示光がホログラムコンバイナの他に、フロントガラス自身でも反射してしまい、その結果、ドライバーはホログラムコンバイナによって回折された表示光と、フロントガラス自身によって反射された表示光の二つの像を見ることになる。この例を図２に示す。図２では、フロントガラスを構成する二枚のガラス２０２と２０３の間に、ホログラムコンバイナ２０１が設置されている。このホログラムコンバイナ２０１に対して入射する表示光２０４は、図２において図示されるように、前ガラス２０２および後ガラス２０３によっても反射され、二つの反射光２０６、２０７を発生させる。その結果、表示光２０４の光はドライバーに対して、ホログラムによる回折光２０５、ガラスによる反射光２０６、２０７の三種類に分かれて視認されることになり、その結果、表示素子が表示する表示光は二重、三重にぼやけてドライバーに視認されてしまうことになる。以後、本明細書においては、ホログラムコンバイナによる回折光と、ガラスによる反射光が同時にドライバーに視認されてしまう問題を表面反射問題と呼ぶ。
【０００７】
この表面反射問題に対処するために、偏光の特性を利用することが提案されている（例えば、特許文献２）。偏光を利用した表面反射問題に対する対策の例を図３に示す。図３の例では、ホログラムコンバイナ２０１とフロントガラスを構成する二枚のガラス２０２、２０３の間に、１／２波長板３０１、３０２が配置されている。また表示光３０３はP偏光成分で構成され、ホログラムコンバイナ２０１に対して入射される。この時、表示光３０３が前ガラス３０２に入射する角度３０６は、Ｐ偏光の反射率が低くなるようにガラスのブリュースター角に等しくなるように設定されている。そのためＰ偏光された表示光３０３は、前ガラス３０２で反射光を発生させない。また、表示光３０３はホログラムコンバイナ２０１に入射する前に１／２波長板３０２を通過することで、Ｓ偏光された光に変換され、ホログラムコンバイナ２０１に対してはＳ偏光で入射する。一般に体積ホログラムなどで構成されるホログラムコンバイナでは、Ｐ偏光よりもＳ偏光の光に対して高い回折効率を持つため、ホログラムコンバイナ２０１は、表示光３０３を高い回折効率で回折し、回折光３０５を発生させる。回折光３０５は、再度１／２波長板３０２を通過し、Ｐ偏光に偏光された後に、前ガラス２０２を通過して、ドライバーに視認される。また入射光３０３のうち、ホログラムコンバイナ２０１で回折されず、ホログラムコンバイナ２０１を通過した光は、１／２波長板３０１を通過し、再度Ｐ偏光されてから裏ガラス２０３に入射する。この時、Ｐ偏光された表示光が、裏ガラスに入射する角度は、前ガラス２０２に表示光３０３が入射した際の入射角３０６と同じく、ブリュースター角に近い角度に設定されているため、表示光３０３は裏ガラス２０３で反射を起すことなく、透過光３０４として、裏ガラス２０３を透過し、ドライバーには視認されない。このように表示光に偏光を利用することで、ガラスでの反射光の発生を防ぎ、ドライバーに対してホログラムコンバイナによる回折光のみを視認させることが可能になる。
【０００８】
また、表面反射問題に対する別の方法として、ホログラムコンバイナによる回折光の方向と、ガラスによる表面反射光の方向を異なる値に設定する方法が挙げられる。この例を図８に示す。
【０００９】
図８の例では、ホログラムコンバイナ２０１は入射角３０６で入射された光に対して、回折光８０２が回折角８０４で出射するように光学性能が設計されている。この時、裏ガラス２０３によって発生する反射光８０３は入射角３０６と大きさの等しい出射角８０５でフロントガラスから出射される。この時、回折角８０４が出射角８０５に対して充分に大きい値をもつように設計されていると、図８に示されるようにドライバーが表示像を視認するアイボックス内には、ホログラムコンバイナによる回折光８０２のみが入射し、ガラスによる反射光８０３をドライバーに視認させないようにすることができる。ガラスによる反射光の方向と、ホログラムコンバイナによる回折光の方向を変更する方法は、既に提案されている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３４１８９８５号公報
【特許文献２】特許第２５０７７００号公報
【特許文献３】特許第２７５１４３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、ホログラムコンバイナへの入射角・出射角を定める際には、表示に使用する光源の波長幅を考慮することが必要になる。
【００１２】
表面反射問題に対策するために、回折角と出射角に大きく差をつける場合、ホログラムコンバイナによって像ボケ（色収差）が大きく発生する。ここで像ボケとは、ホログラムコンバイナの設計波長とことなる波長の光がホログラムコンバイナに入射した場合に、設計波長とは異なる方向に入射光が回折してしまう現象を指す。ホログラムコンバイナが光源の中心波長で設計されていた場合、光源の波長幅が大きいほど、ホログラムコンバイナに対しては設計波長から外れた波長の光が入射することになり、結果として設計した回折角度からは異なる方向に光源からの光が回折してしまうことになる。ホログラムコンバイナの入射角と回折角の差が大きいほど、このホログラムコンバイナによる像ボケの影響は大きくなる。従って、光源波長幅が大きい場合には、表面反射問題への対策のために、ホログラムコンバイナの入射角と回折角の差を大きくしてしまうと、ドライバーに対して表示される映像の解像度は大きく低下する。特許文献２では、光源の波長幅に対する考慮が成されていない。
【００１３】
偏光を用いて、表面反射問題に対応する方法では、ホログラムコンバイナの入射角と回折角の差を小さくすることが可能なため、前述の像ボケの問題は生じない。しかしながら、図３に示したような偏光を用いる方法では、ドライバーに対して直線偏光を表示することになる。回折光がＰ偏光であった場合、ドライバーがＰ偏光を遮断する眼鏡をかけていた場合に、一切の表示が見えなくなるという課題が生じる。またＳ偏光を遮断するサングラスをかけていた場合にも、ドライバーが首を傾けてしまった拍子に、表示光が偏光眼鏡によって遮断され、ドライバーに表示光が見えなくなる可能性が生じる。特許文献１では、この問題に対する考慮がなされていない。
【００１４】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、光源の波長幅に応じてホログラムコンバイナの適切な入射角、出射角が適切に設定された透過型表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記従来の課題を解決するために、本発明の透過型表示装置は、光を出力する光源と、光源からの出射光を受けて画像を形成する表示手段と、前記表示手段から射出された表示光に含まれる波長の光をユーザに向けて反射し、それ以外の波長の光を透過する透過反射手段とを有し、前記光源の出力する光の波長幅である光源波長幅に応じて、前記表示光が前記透過反射手段に入射する入射角と、前記透過反射手段から表示光が出射される回折角との角度差が異なることを特徴とする。
【００１６】
本構成によって使用する光源の波長幅に応じた表面反射問題への対応を行うことが可能になる。
【００１７】
また本発明の透過型表示装置は、前記光源の前記光源波長幅が、一定値以上の場合には、前記表示光が前記透過反射手段に入射する入射角と、前記透過反射手段から表示光が出射される回折角との角度差が５度以下であることを特徴とする。
【００１８】
本構成によって光源波長幅が大きい場合に、ドライバーに表示される画像の画質が低下することを防ぐことが可能になる。
【００１９】
また本発明の透過型表示装置は、前記光源波長幅の一定値は、0.5nm以上であることを特徴とする。
【００２０】
本構成によって、レーザによるスペックルを防止するために光源波長幅を広くしている光源を使用している場合においても、ドライバーに表示される画像の画質が低下することを防ぐことが出来る。
【００２１】
また本発明の表示手段は、表示手段は、表示光を円偏光に変換する偏光手段を備え、前記透過反射手段は、表示光の向きを偏向する回折素子と、前記回折素子を保持する透明部材であって、前記表示光が前記透過反射手段に入射する側に配置される前側透明部材と、前記回折素子を保持する透明部材であって、前記透明部材とは前記回折素子を挟んだ反対方向に配置される後側透明部材と、保持する前側透明部材、後側透明部材と、前記回折手段と前記前側透明部材の間に、円偏光を前記回折素子に対するＳ偏光に変換するＳ偏光変換手段と、前記回折手段と前記後側透明部材の間に、前記回折素子に対するＳ偏光を前記回折素子に対するＰ偏光に変換するＰ偏光変換手段とを備えることを特徴とする。
【００２２】
本構成によって、ドライバーが直線偏光を遮断する偏光眼鏡をつけている場合においても、表示画像を視認することが可能になる。
【００２３】
また本発明の透過型表示装置は、前記透過反射手段への入射角と、前記後側透明部材のブリュースター角との差が５度以内であることを特徴とする。
【００２４】
本構成によって、フロントガラスによってガラス反射光が発生することを防止することが可能になる。
【００２５】
また本発明の透過型表示装置は、前記前側透明部材の空気との界面は、表面反射を防止する無反射コートが施されていることを特徴とする。
【００２６】
本構成によって、フロントガラスの車内側の面でガラスによる反射光が発生することを防止することが可能になる。
【００２７】
また本発明の後側透明部材は楔形形状を有し、前記後側透明部材から透過する透過光の、前記後側透明部材への入射角が前記後側透明部材のブリュースター角になるように楔の傾斜角が設定されていることを特徴とする。
【００２８】
本構成によって、フロントガラスの傾斜角度によって表示光がフロントガラスに入射する角度がガラスのブリュースター角と異なる場合においても、ガラス反射光の発生を防ぐことが可能になる。
【００２９】
また本発明の透過型表示装置は、前記透過反射手段への入射角が、前記後側透明部材のブリュースター角から外れないように、前記表示手段によって表示される表示像の高さが制限されている特徴とする。
【００３０】
本構成によって、表示像の上端・下端の部分でガラスによる反射光が発生してしまうことを防止することが可能になる。
【００３１】
また本発明の透過型表示装置は、前記透過反射手段への入射角が前記後側透明部材のブリュースター角になるように、前記透過反射手段の傾きに応じて前記後側透明部材の屈折率が決定されていることを特徴とする。
【００３２】
本構成によってフロントガラスへの入射角とガラスのブリュースター角の違いを削減し、ガラスによる反射光の発生を防止することが可能になる。
【００３３】
また本発明の透過型表示装置は、前記光源の前記光源波長幅が、一定値以下の場合には、前記表示光が前記透過反射手段に入射する入射角と、前記透過反射手段から表示光が出射される回折角との角度差が１０度以上であることを特徴とする。
【００３４】
本構成によって、フロントガラスに波長板などを追加すること無しに表面反射問題を解決することが可能になる。
【００３５】
また本発明の透過型表示装置は、前記光源波長幅の一定値は、0.5nm以下であることを特徴とする。
【００３６】
本発明によって線幅の小さいレーザ光源などを使用する際に、表面反射問題の発生を防ぐこと可能になる。
【００３７】
また本発明の前記光源は、波長幅の小さい波長変換素子（ＳＨＧ）によって構成されることを特徴とする。
【００３８】
本構成によって光源の波長幅を小さく抑えることが可能になり、ドライバーに表示する画像の画質が低下することを防ぐことが可能になる。
【００３９】
また本発明の表示素子は、空間変調素子および中間スクリーンから構成され、前記中間スクリーンを振動させる振動手段を備えることを特徴とする。
【００４０】
本構成によって、波長幅の小さい光源を使用する場合においても、スペックルノイズの発生を防止することが可能になる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明の透過型表示装置によれば、光源の波長幅に応じてホログラムコンバイナの適切な入射角、出射角を適切に設定し、高画質の画像を表示することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態１および２におけるＨＵＤの構成図
【図２】従来の表面反射問題の例を示す図
【図３】従来のホログラムコンバイナの構成図
【図４】本発明の実施の形態１におけるホログラムコンバイナの構成図
【図５】本発明の実施の形態１における表示手段の構成図
【図６】本発明の実施の形態１における走査手段の動作の例を示す図
【図７】本発明の実施の形態１における表示素子の別構成を示す図
【図８】本発明の実施の形態２におけるホログラムコンバイナの構成図
【図９】本発明の実施の形態１における表示素子の別構成を示す図
【図１０】ガラスの偏光反射率の例を示す図
【図１１】本発明の実施の形態２における表示素子の構造を示す図
【図１２】本発明の実施の形態１における後側ガラスの構造の例を示す図
【図１３】本発明の実施の形態１における後側ガラスの構造の例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４４】
（実施の形態１）
本実施の形態では、光源の波長幅が大きい場合に表面反射問題に対策するための光学系の構成について示す。
【００４５】
図１に、本発明の実施の形態１における、ＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）の構成図を示す。
【００４６】
図１において、１０１はＨＵＤが搭載される車体を示し、ダッシュボード内部にＨＵＤ光学ユニット１０２を備える。ＨＵＤ光学ユニット１０２は、表示手段１０３、偏向手段１０４、開口部１０５より構成される。
【００４７】
表示手段１０３は、ドライバー１０８に対して運転情報（スピードメータや地図情報）などを表示する。本実施の形態において表示手段１０３は、レーザ光源からの出力ビームを表示スクリーン上で二次元走査にすることでドライバー１０８に表示する像を形成する。本実施の形態における表示手段１０３の構成図を図５に示す。
【００４８】
図５に示すように、本実施の形態においては表示手段の光源はレーザ光源であり、赤色レーザ光源５０１と青色レーザ光源５０２と緑色レーザ光源５０３からの出力レーザ光をコリメータ５０４を通過させ、ダイクロイックミラー５０５でレーザ光Ｌとして合波している。各色レーザ光源からの出力を適切に変調することで、任意の色のレーザ光を出力できる。なお、図５では５０１は赤色（Ｒ）の半導体レーザ光源、５０２は青色（Ｂ）の半導体レーザ光源、５０３は緑色（Ｇ）の半導体レーザ光源としているが、５０３は赤外線の半導体レーザ光源と、赤外線を緑色に変換するＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：第２次高調波発生）素子の組合せであってもよいし、各光源が固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ、発光ダイオードでもよい。
【００４９】
なお、図５では各レーザ光源でレーザ光の変調を行っているが、レーザ光源から出力された光を変調する手段を、レーザ光源と組み合わせて用いることで、レーザ光を変調してもよい。
【００５０】
なお本実施の形態においては、レーザ光源５０１〜５０３の内、少なくとも一つ以上の光源は、０．５ｎｍ以上の波長幅を有する光源である。
【００５１】
偏光手段５０９は、光源５０１〜５０３からのビームＬを偏光する機能を備える。本実施の形態では、ビームＬは偏光手段５０９によって円偏光に変換される。また本実施の形態における偏光手段５０９は、直線偏光子と１／４波長板から構成される。偏光手段５０９に入射したビームＬは、まず直線偏光子によって直線偏光に変換される。この際、ビームＬがコンバイナ１０６に入射する際に、コンバイナ１０６に対してＰ偏光になるように偏光される。その後ビームＬは更に１／４波長板を通過することで円偏光に変換された後に、偏光手段５０９から出射される。
【００５２】
なお偏向手段５０９は、他の偏光子による組み合わせによって実現されていてもよい。また偏光手段５０９は、光源５０１〜５０３と走査手段５０６の間に配置される必要は無く、走査手段５０６とスクリーン５０７の間に配置されていてもよい。
【００５３】
走査手段５０６は、光源５０１〜５０３からのビームＬを、表示スクリーン５０７上で２次元走査する。走査手段５０６は角度を２次元的に偏向できる単板小型ミラーで、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍ）マイクロミラーである。この例を図６に示す。走査手段５０６は単板小型ミラーを回転軸６０１および回転軸６０２の二軸の方向に振動させることにより、ミラーに入射するレーザ光Ｌを二次元方向に走査する。
【００５４】
なお本実施の形態では、走査手段５０６は一枚のミラーを二次元方向に振動させる方法をとっているが、それぞれが異なる一次元方向に振動する二枚のミラーを組み合わせてレーザ光Ｌを二次元方向に走査する方法をとっても良い。この場合、それぞれのミラーは一次元方向にのみ振動するため各ミラーの角度の制御が簡単になる効果がある。
【００５５】
走査手段５０６からの光は表示スクリーン５０７の背面で二次元走査され、表示像が形成される。表示スクリーン５０７上に結像された映像が、表示スクリーン５０７の表面から、表示手段１０３からの映像として、偏向手段１０４に対して出力される。
【００５６】
なお本実施の形態では、表示手段１０３は表示スクリーン５０７に対しては背面投影を行う形態をとったが、表示スクリーン５０７に対して前面投影を行う方法であってもよい。このときの表示手段１０３の別の構成例を図７に示す。この場合、表示スクリーン５０７に拡散効率の高いフライアイミラーやビーズスクリーンなどを用いることでユーザに表示する映像の輝度を向上させる効果がある。
【００５７】
なお表示手段１０３は、表示スクリーン５０７を持たずに、後述のコンバイナ１０６上に直接レーザ光を投影する方式であってもよい。この場合、ドライバーの網膜に直接光を投影することが可能になり、より鮮明な映像をドライバーに表示することなどが可能になる。
【００５８】
なお表示手段１０３は、レーザ光を走査する方式ではなく、液晶素子およびバックライト光源からなる表示素子であってもよい。例えば、走査手段５０６の代わりに液晶素子を配置し、液晶素子とダイクロイックミラー５０５の間に、液晶素子を照明するための光学系を配置する構成をとってもよい。またこのときバックライト光源はレーザ光源を使用してもよいし、ＬＥＤなどの他の光源を用いても良い。この時の表示手段１０３の構成図を図９に例示する。図９においては図５とは異なり、走査手段５０６の代わりに液晶素子９０２および折り返しミラーが配置される。光源５０１〜５０３からの光は、照明光学素子９０１によって拡散された後に、液晶素子９０２を照射し、表示光Ｌを形成する。
【００５９】
液晶素子９０２によって形成された表示光Ｌは偏光素子５０９によって、円偏光に変換された後、折り返しミラー９０３を経由してスクリーン５０７上に像を形成する。なお液晶素子から出力された光は、通常、直線偏光となっている。そのため、液晶素子からの出力光がコンバイナ１０６に対してＳ偏光である場合には、偏光素子５０９の構成は１／２波長板および１／４波長板で形成され、液晶素子からの光を１／２波長板でコンバイナ１０６に対するＰ偏光に偏光した後で、１／４波長板で円偏光へと変換する。また、液晶素子からの出力光がコンバイナ１０６に対するＰ偏光である場合には、偏光素子５０９は１／４波長板によってのみ構成され、直線偏光を円偏光へと変換する。
【００６０】
なお走査手段ではなく液晶素子によって表示像を形成する場合には、図９に示した折り返しミラー９０３、スクリーン５０７を使用することなく、偏光素子５０９からの出射光を直接、表示手段１０３からの出力とする構成をとってもよい。この場合、表示素子１０３をより小型化することが可能になる。
【００６１】
偏向手段１０４は表示手段１０３からの表示光Ｌの向きを変え、ホログラムコンバイナ１０６に入射させる。本実施の形態では偏向手段１０４は平面ミラーによって構成されるが、拡大性能をもつ凹面ミラーやホログラムミラーなどから構成されていてもよい。この場合、光学系の光路長を短くし、ＨＵＤ筐体１０２の大きさを小型化できるなどの効果がある。
【００６２】
コンバイナ１０６は、前記偏向手段１０４から入射される表示光の向きをユーザの眼に向かう方向へ反射する透過反射手段である。本実施の形態におけるコンバイナ１０６では、フロントガラスの内側（車体１０１の室内側）に、例えばフォトポリマー層が形成され、フォトポリマー層にはリップマン体積ホログラムが形成されて、偏向手段１０４から入射角１１０で入射された表示光を、回折角１１１の角度でユーザ１０８に向かって反射するように製作されている。
【００６３】
また本実施の形態では、フォトポリマー層には赤色、緑色、青色、それぞれの光源からの光を反射する３つのホログラムを多重に形成されている。
【００６４】
なお、本実施の形態においては一層のホログラムにＲＧＢの三色を多重露光する方法を用いたが、それぞれの色の光に対応した３層のホログラムを積層してもよい。この場合、ホログラム材料における屈折率変調の数値をＲＧＢの三色に振り分けるのではなく、それぞれの色に全て振り分けることが可能になるため、それぞれの色の回折効率を高めることが可能になる。
【００６５】
なおコンバイナにホログラムを用いる場合、光源５０１〜５０３の光源波長幅によって、色収差（像ボケ）の影響が生じる。ホログラムコンバイナへの入射角とホログラムコンバイナからの出射角の角度差が大きく、また光源波長幅が大きいほどホログラムによる像ボケは大きくなり、その結果、ドライバーに表示する画像の画質は悪化する。本実施の形態では光源波長幅による像ボケの影響を低減するため、ホログラムコンバイナ１０６への表示光の入射角１１０と、ホログラムコンバイナによる回折光１１１の角度の差が少なくとも５度以下になるようにホログラムコンバイナの光学性能が設計されている。
【００６６】
また表面反射問題に対処するため、本実施の形態ではホログラムコンバイナ１０６はフロントガラス１０７に対して、図４に示される構造で取り付けられる。図４においてホログラムコンバイナ１０６は、ホログラム２０１として示されている。またフロントガラス１０７は二枚のガラス２０２、２０３で構成され、内部にホログラム２０１および１／２波長板３０１、１／４波長板４０１を含む。
【００６７】
図４では、表示素子１０３からの光は、円偏光された表示光４０２として示されており、ホログラムコンバイナ２０１に対して、入射角１１０で入射する。この時、表ガラス２０２の表面で表面反射光が発生しないよう、本実施の形態においては表ガラス２０２の表面（ガラスと空気の界面）において無反射コート４０５（ＡＲコート）が施されている。表ガラス２０２とホログラム２０１の間には、円偏光である表示光４０２をＳ偏光に変換するように設計された１／４波長板４０１が配置される。１／４波長板４０１によってＳ偏光に偏光された表示光４０２は、ホログラム２０１によって回折光４０３として出射される。ホログラム２０１からの回折光は再度１／４波長板４０１を通過することによって円偏光へと変換され、前ガラス２０２を通過した後、ドライバーへと表示される。ドライバーに視認される回折光４０３は前述のように円偏光となっているため、ドライバーが直線偏光を遮断する偏光眼鏡をつけている場合においても、遮断されることなく、ドライバーに対して表示を行うことが可能になる。
【００６８】
ホログラム２０１に入射した表示光４０２のうち、回折されずにホログラムを通過した分の光は、ホログラム２０１と後ガラス２０３の間に配置された１／２波長板３０１を通過することでＰ偏光へと変換される。本実施の形態においては、Ｐ偏光に偏光された表示光が後ガラス２０３に入射する角度４０４は、ガラスのブリュースター角になるように設定されている。そのため、Ｐ偏光は裏ガラス２０３で反射せずに、透過光３０４として車外へと透過される。なお図１０にガラスへの入射角とＰ偏光、Ｓ偏光の反射率の関係の例を示す。図の１００１に示される範囲が、Ｐ偏光に対する反射率が０．１％以下になる入射角の範囲であり、本実施の形態においても後ガラスへの入射角４０４が入射角範囲１００１の中に納まるように光学系が設計されている。
【００６９】
なお、前述のように、本実施の形態においては、光源波長幅によるホログラムコンバイナでの像ボケの影響を抑えるために、ホログラムコンバイナへの入射角１１０と回折角１１１はほぼ等しい値になるように設計されている。ホログラムコンバイナからの回折角１１１の値は、フロントガラスの傾斜角度およびドライバーがＨＵＤの画面を見下ろす角度によって定められるため、ＨＵＤが搭載される車種に応じては必ずしもホログラムコンバイナへの入射角１１０が図１０に示される入射角範囲１００１に存在しない可能性がある。前ガラス２０２と、後ガラス２０３が共に平面形状を持つ場合、後ガラス２０３への入射角４０４は、入射角１１０と等しい値を持つため、入射角１１０がブリュースター角から大きく外れた値を持つ場合には、裏ガラス２０３に対する入射角もまたブリュースター角を外れるため、裏ガラス２０３で反射光が発生する。これを防止するために、裏ガラス２０３の形状を楔形にし、透過光３０４が裏ガラスを透過する面を、表ガラス２０２に対して傾ける方法をとることができる。この例を図１２、図１３に示す。図１２は入射角１１０がブリュースター角よりも大きい場合の例であり、裏ガラス２０３の背面１２０２を前ガラス２０２に対して角度１２０１だけ傾けている。この時、裏ガラス２０３への入射角は、入射角１１０から角度１２０１を引いた値となるため、裏ガラス２０３への入射角をブリュースター角に近づけることが可能になる。また、図１３は入射角１１０がブリュースター角よりも小さい場合の例であり、裏ガラス２０３の背面１２０２を前ガラス２０２に対して角度１３０１だけ傾けている。この時、裏ガラス２０３への入射角は、入射角１１０から角度１２０１を足した値となるため、裏ガラス２０３への入射角をブリュースター角に近づけることが可能になり、裏ガラス２０３による反射光の発生を防止することが可能になる。
【００７０】
本構成をとることで、ガラスによる反射光の発生を防止し、かつ、ドライバーが偏光眼鏡などを装着している場合においても表示を妨げられることのない情報表示を実現することが可能になる。
【００７１】
（実施の形態２）
本実施の形態では、光源の波長幅が小さい場合に表面反射問題に対策するための光学系の構成について示す。
【００７２】
本実施の形態における表示装置は、実施の形態１と同様に図１に示す構成をとる。なお実施の形態１と同様の部分については説明を省略する。図１１に本実施の形態における表示素子１０３の構成を示す。本実施の形態では、光源５０１〜５０３からの光は、偏光されることなく走査手段５０６によって走査され、スクリーン１１０１上に投影される。本実施の形態では、光源５０１〜５０３は、０．５ｎｍ以下の小さい波長幅を持つ。そのため、ホログラムコンバイナ１０６によって生じる色収差（像ボケ）の影響を小さく抑えることが可能になる。
【００７３】
しかしながら、一般に光源波長幅が小さい場合、レーザを用いる表示装置においてはスペックルノイズが問題となる。本実施の形態においては、スクリーン５０７を振動させるための振動装置１１０１を備え、表示に際してはスクリーン５０７を振動させることでスペックルノイズの発生を防止する。なお振動装置１１０１は、スクリーン５０７の周辺部分に取り付けられ、電流などにより自身が微小振動することでスクリーン５０７を振動させる構成をとってもよいし、バネなどで構成され、車からの振動をスクリーン５０７に伝えることでスクリーン５０７を振動させる構成をとってもよい。後者の構成を用いる場合、スクリーン５０７を振動させるために可動部分を設ける必要がなくなるためＨＵＤ筐体の構造が簡単になり、コストの削減が可能になる。
【００７４】
なお、本実施の形態では表示素子１０３は、レーザを走査することで画像を形成する構成を示したが、実施の形態１と同様に液晶素子を用いる形態としてもよい。
【００７５】
図８に本実施の形態におけるホログラムコンバイナ１０６の構成を示す。ホログラムコンバイナ１０６はホログラム２０１およびホログラムを保持するガラス２０２、２０３で構成される。ホログラム２０１は、入射角３０６で入射された表示光を回折角８０４で回折光８０２として出射するように設計されている。またこの時、ガラスによって生じる反射光８０３は、出射角８０５の角度で出射される。この時、回折光がホログラムコンバイナから出射される回折角８０４が、出射角８０５よりも充分大きい、もしくは充分小さい場合には、図８に示されるように、回折光８０２と反射光８０３は分離され、反射光８０３がアイボックスに侵入することを防止することが可能になる。フロントガラスからドライバーまでの距離が１ｍ、アイボックスの大きさが上下方向に１０ｃｍの場合、回折光の回折角８０４が反射光の出射角８０５と少なくとも１０度以上異なるようにホログラム２０１の光学性能を設計することで、アイボックス１０９への反射光８０３の侵入を防止することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明にかかる透過型表示装置は、ホログラムからなる透過反射手段を有し、表示装置、表示システム、表示方法、表示プログラム、などの用途にも応用できる。
【符号の説明】
【００７７】
１０１    透過型表示装置が設置される機器
１０５    光学系開口部
１０７    フロントガラス
１０８    ユーザ
１０２    光学ユニット
１０３    表示手段
１０４    偏向手段
１０６    透過反射手段（コンバイナ）
１１０    コンバイナへの入射角
１１１    コンバイナからの回折角
５０１    赤色レーザ光源
５０２    青色レーザ光源
５０３    緑色レーザ光源
５０４    コリメータ
５０６    走査手段
５０７    表示スクリーン
５０９    偏光手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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