(57)【要約】  ヘッドアップカラー表示装置（１８）用の回折型コンバイナ（１０）は、ある入射方向の第１の光回折格子（１４）で第１の入射波長の光をある回折方向に回折するように構成される第１の光回折格子（１４）と、前記入射方向の第２の光回折格子（１６）で第２の入射波長の光を前記同じ回折方向に回折するように構成される第２の光回折格子（１６）とを備える。第１および第２の光回折格子は、コンバイナの第１および第２の反対面上にレリーフ状に形成される。第１および／または第２の格子は、波長多重化光回折格子として形成され、第３の入射波長の光を前記入射方向の第１および／または第２の光回折格子で前記回折方向に回折するように構成される。【選択図】図２
2013522667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光回折格子（１４）と第２の光回折格子（１６）とを備える、ヘッドアップ表示装置（１８）用の回折型コンバイナ（１０）であって、前記第１の光回折格子（１４）は、所定の入射方向で前記第１の光回折格子（１４）に入射する第１の入射波長の光を、所定の回折方向に回折するように構成され、前記第２の光回折格子（１６）は、前記入射方向で前記第２の光回折格子（１６）に入射する第２の入射波長の光を、前記回折方向に回折するように構成され、前記回折型コンバイナ（１０）は、
前記第１の光回折格子（１４）と前記第２の光回折格子（１６）がそれぞれレリーフ状に形成された、互いに対向する第１および第２の面を有する、透明な材料から形成された支持体（１２）を備えており、
前記第１および第２の光回折格子の少なくとも一方は、前記入射方向で前記第１および第２の光回折格子の前記少なくとも一方に入射する第３の入射波長の光を、前記回折方向に回折するように構成される、波長多重光回折格子である、
回折型コンバイナ（１０）。
【請求項２】
前記第１の波長の光は、緑色光であり、前記第２の波長の光は、赤色光であり、前記第３の波長の光は、青色光である、請求項１に記載の回折型コンバイナ（１０）。
【請求項３】
前記支持体（１２）は、ガラス、またはＰＥＴ、ＰＭＭＡ、ＰＣ、ＰＶＢなどの透明なプラスチック材料から形成される、請求項１または２に記載の回折型コンバイナ（１０）。
【請求項４】
前記第１の光回折格子（１４）および前記第２の光回折格子（１６）は、前記回折方向が前記第１、第２、および第３の波長の各々に関する１次回折に対応するように構成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の回折型コンバイナ（１０）。
【請求項５】
前記第１の光回折格子（１４）および前記第２の光回折格子（１６）は、前記第１、第２、および第３の波長の光に関して同じ焦点距離のレンズ機能を実行するように構成される、請求項１から４のいずれか１項に記載の回折型コンバイナ（１０）。
【請求項６】
投射ユニット（２０）と回折型コンバイナ（１０）とを備えるヘッドアップ表示装置（１８）であって、
前記投射ユニット（２０）は、異なる色の単色像の重畳により生成されるカラー像からの第１の波長の光、第２の波長の光、および第３の波長の光を含む光線を投射することができ、前記単色像の各々は、前記第１、第２、および第３の波長の１つにそれぞれ対応し、
前記回折型コンバイナ（１０）は、前記投射ユニットにより前記入射方向に投射される光線を受け取り、前記光線の前記第１、第２、および第３の波長の光の少なくとも一部分を前記回折方向に回折し、これにより、前記投射ユニットにより生成される像（２８）のカラー虚像（２６）を使用者（２４）の視野内に作成するように、前記投射ユニット（２０）に対して配置される、請求項１から５のいずれか１項に記載の回折型コンバイナ（１０）である、
ヘッドアップ表示装置（１８）。
【請求項７】
前記回折型コンバイナ（１０）の前記第１の光回折格子（１４）および前記第２の光回折格子（１６）は、前記回折型コンバイナ（１０）から１〜３ｍの範囲内の距離に前記虚像（２６）を配置するように構成される、請求項６に記載のヘッドアップ表示装置（１８）。
【請求項８】
前記回折型コンバイナの前記第１の光回折格子（１４）および前記第２の光回折格子（１６）は、寄生虚像（３０）を前記使用者（２４）の視野外に配置するように、前記回折型コンバイナ（１０）の配置に対して調整される、請求項４に記載の回折型コンバイナ（１０）と組み合わせた、請求項６または７に記載のヘッドアップ表示装置（１８）。
【請求項９】
前記入射方向および前記回折方向は、前記入射方向および前記回折方向間で３０°を超える角度、好ましくは４０°を超える角度を形成し、これにより、前記寄生虚像（３０）を前記使用者（２４）の視野外に配置する、請求項８に記載のヘッドアップ表示装置（１８）。
【請求項１０】
前記回折型コンバイナ（１０）は、透過型で機能するように構成される、請求項６から９のいずれか１項に記載のヘッドアップ表示装置（１８）。
【請求項１１】
前記回折型コンバイナ（１０）は、反射型で機能するように構成される、請求項６から１０のいずれか１項に記載のヘッドアップ表示装置（１８）。
【請求項１２】
前記回折型コンバイナは、前記投射ユニットに使用される波長に適した、部分的に反射するまたは２色性の層などの、１つまたは複数の光反射層を備える、請求項１１に記載のヘッドアップ表示装置（１８）。
【請求項１３】
前記第１、第２、および第３の波長に関する前記回折型コンバイナ（１０）の回折効率は、前記カラー虚像（２６）の輝度レベルの関数、および／または前記虚像（２６）の前記第１、第２、および第３の波長に対応するカラーバランスの関数として選択される、請求項６から９のいずれか１項に記載のヘッドアップ表示装置（１８）。
【請求項１４】
前記回折型コンバイナ（１０）の前記回折効率は、前記回折型コンバイナ（１０）の前記第１の光回折格子（１４）および前記第２の光回折格子（１６）のレリーフの深さを制御することにより調整される、請求項１３の記載のヘッドアップ表示装置（１８）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に自動車用のヘッドアップ表示装置に関する。具体的には、本発明は、特に情報をカラー表示するための、そうした装置用の回折型コンバイナに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘッドアップ表示装置は、通常、像、特に運転者の視野内にある虚像の形態の自動車の操作情報または運転情報が投射されるコンバイナに向けられることを意図される光線を生成する投射ユニットを含む。この種の装置は、最初、航空用途に由来する技術に基づいて作成された。したがって、それらの製造コストは、しばしば、それらの商用利用、および小型または中型領域の自動車内へのそれらの大規模な設置を妨げるほど高価である。
【０００３】
そのような製造コストは、具体的には、実施するには複雑であり、さらに光学特性の安定性が十分に保証されるコンバイナの大量生産が常には可能でない使用技術に由来する。例えば、これは、屈折率変調ホログラムの分野に含まれるシステムを説明する文献特開平１０−０４８５６２に開示された装置の場合であり、この装置の作成は、機械的支持体として作用する基板上に堆積するゼラチンベースを有する感光層から形成される感光板の使用に基づいている。そうした部品は、個々のベース上で実行される記録を含み、妥当な工業コストでの大量生産に適していないとき、個別のユニットでのみ作成することができる。それに加えて、このタイプの感光板上に形成されるホログラフィ部品は、保護被膜を追加しなければ、このホログラフィ部品を損傷する可能性があるＵＶ光に対して感度が高い。これは、また、ゼラチンに基づいて作成される容積光学処理コンバイナを示し、複数の波長と相互作用する複数のホログラフィ層を必要とする、文献ＥＰ０４６７３２８に開示されたシステムにも当てはまり、これは、このシステムの光学特性の再現信頼性をさらにより不確かにする。さらに、このシステムは、反射時にのみ働く。
【０００４】
複数の波長を反射するときに作用するシステムは、上述の制限を有するゼラチンタイプの感光材料に基づき、毎回異なる幾何配置および波長を使用して記録処理する、文献米国特許第４９３０８４７号にも説明されている。
【０００５】
少なくとも２つの層を有する別の構造は、米国特許第６００５７１４号に説明されているが、積層により、大量生産中に、もたらされる光学機能の妥当な安定性を維持する難しさが増大する。文献米国特許第６００５７１４号の回折構造体は、透過基板を備え、透過基板の両面には回折レリーフが形成される。レリーフは、基板を通過する光に対する正味の回折効果がほぼ無効にされる一方、反射光に対する回折効果を得るように、相互に結合される。
【０００６】
自動車の運転者に対して表示される可能性がある大量の情報を考慮して、現在は、カラー像を投射する必要がある。本明細書では、「カラー」像または「フルカラー」像は、特に、原色（通常、赤色、緑色、および青色）の単色像の合成により得られる像を意味する。単色像の重畳は、２次色（シアン、マゼンタ、イエロー）または色空間の他の任意の色（白など）を表示することを可能にする。光回折格子を透過し、またはそれにより反射される光の偏角が光の波長に依存するとすれば、回折型コンバイナによるカラー像の表示は些細な問題ではない。その結果、カラー像を形成する単色像の虚像が運転者の視野内で正しく重畳され、寄生像が観測者の視野外に位置することを確かめることが必要である。
【０００７】
既に上述した文献ＥＰ０４６７３２８に開示されるコンバイナは、入射方向の光回折格子で、第１の入射波長の光および第２の入射波長の光を同じ方向に回折する、多重ホログラフィ光回折格子を備える。あるいは、ＥＰ０４６７３２８は、「多層光回折格子」、すなわち、互いに積層および固着された複数のホログラフィ光回折格子を提供し、これらの層のそれぞれは、特定の波長に関連する。２つの選択肢は、第一に、実際には保護層の追加を必要とする感光板（ＵＶ光に対して感度が高い）上に光回折格子が形成されるという、大きい欠点を有する。ここで、互いに固着または積層された複数の層を使用しなければならないことは、コンバイナの作成を複雑にする。具体的には、組立てのときに、異なる層の適当な位置合せを保証する方策を利用する必要がある。別の極めて大きい問題は、主に異なる層の老朽化における異なる層の均一性である。層が分離し、または、ある層もしくは他の層の光学特性が劣化する虞がある。したがって、文献ＥＰ０４６７３２８に説明されるコンバイナの実装は難しく、その結果は常に、最適化されるいくつかのパラメータ間の多少の良好な妥協点ということになる。それに加えて、開示されたコンバイナは、２つの波長の選択性を有することに留意されたい。「フルカラー」モードで機能することができるためには、光回折格子の少なくとも３つの層または少なくとも３段の格子が必要となる。したがって、そうした調整は、さらに大きい複雑性をもたらす。さらに、以上に引用された文献では、回折効率の制御は、経験的なもので、極めて限定され、得られる虚像の輝度レベルの標準化の問題を含む。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、これらの欠点を改善し、「フルカラー」ヘッドアップ表示装置に適合する回折型コンバイナの大量生産を可能にする方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ある入射方向で第１の光回折格子に入射する第１の入射波長の光をある回折方向に回折するように構成される第１の光回折格子と、前記入射方向で第２の光回折格子に入射する第２の入射波長の光を同じ回折方向に回折するように構成される第２の光回折格子とを備える、ヘッドアップ表示装置用の回折型コンバイナが提供される。本コンバイナは、第１および第２の光回折格子がそれぞれレリーフ状に形成された、互いに対向する第１および第２の面を有する、透明な材料から形成された支持体を備える。第１および第２の光回折格子の少なくとも１つは、入射方向の第１および第２の光回折格子の少なくとも一方で第３の入射波長の光を前記回折方向に回折するように構成される、波長多重光回折格子として形成される。
【００１０】
換言すれば、第１および第２の光回折格子は、回折型コンバイナを出る第１、第２、および第３の波長の１次回折光の伝播方向が、所与の入射方向に関して等しくなるように構成される。波長、すなわち格子に関連する波長に対する格子の調整は、第一に、格子ピッチの調整または実際の変調（modulation）により行われる。多重化格子は、本明細書における意味の範囲内では、２つの格子と理解することができ、それぞれの格子は、変調されたピッチを有する単一の格子を使用して行われる、（所与の入射角度に対する）要求された方向への波長の回折に適合している。したがって、本明細書では、多重化格子は、代わりに、２重格子と示される場合がある。
【００１１】
したがって、本発明によるコンバイナは、一体で形成される単一の支持体上で、３つの単一の（多重化されていない）光回折格子の効果が得られるようにする。したがって、コンバイナの複雑性は、特に、出願ＥＰ０４６７３２８に説明されるコンバイナと比較して大幅に低減される。格子が互いに対向する面上でレリーフ状に形成されることにより、効果的に保護されなければならない感光材料をコンバイナ内に分配することができる。したがって、単一の層コンバイナ（すなわち、単一の支持体上に）を作成し、このようにして、技術の現状である、材料の互換性および時間差のある老朽化の問題を克服することができる。他方、レリーフは、回折効率を極めて正確に制御することを可能にする。
【００１２】
第１の波長の光は、緑色光（５０６から５７０ｎｍの範囲内の波長）であり、第２の波長の光は、赤色光（６３０から７００ｎｍの範囲内の波長）であり、第３の波長の光は、青色光（４３０から４９０ｎｍの範囲内の波長）であるのが好ましい。具体的には、有利な波長選択は、それぞれ、５３２ｎｍ、６３３ｎｍ、および４４５ｎｍ、または５３２ｎｍ、６３３ｎｍ、および４３２ｎｍである。
【００１３】
本発明による回折型コンバイナの支持体は、ガラス、またはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）、もしくは他のものなどの透明なプラスチック材料から形成されるのが好ましい。第１および第２の光回折格子は、前記回折方向が第１、第２、および第３の波長に関する１次回折に対応するように構成されるのが好ましい。
【００１４】
コンバイナの有利な実施形態によれば、第１および第２の光回折格子は、第１、第２、および第３の波長に関して同じ焦点距離のレンズ機能を実行するように構成される。
コンバイナの格子の作成プロセスは、レーザ干渉ナノリソグラフィの作成プロセスを含むのが好ましい。この技法により、レーザ源を用いて、得ることが望まれる格子に対応する感光層内に、干渉縞が生成される。次いで、感光層内のレリーフの変形形態を得るために、蝕刻ステップが行われる。次いで、これらのレリーフの変形形態は、型に転写される。本発明によるコンバイナでは、このプロセスは、両面で行われる。次いで、コンバイナは、２つの型を使用して、例えば射出または押出しにより大量生産することができる。それぞれの型は一つの面に対応する。
【００１５】
別のプロセスでは、作成される格子のレリーフは、デジタルで制御される型彫りまたは機械加工により生成され、デジタルで保存され、対応する型に転写することができる。以下に、レーザ干渉ナノリソグラフィによる、単一光回折格子または多重化光回折格子の作成プロセスをより詳細に説明する。光線は、波長λｉ、ｉ＝１〜ｎ（ｎ、ｎ≧１）と仮定され、入射角度θｐでコンバイナに向けて送られる。ｎ＝１の場合は、単一の格子、すなわち多重化されていないものに相当する。このプロセスは、以下のステップ、
ａ）固体基板（ガラスまたは水晶など）の平面上に均一な厚さの感光層を堆積するステップと、
ｂ）レーザ源からの２つの光線Ｒ１およびＲ２の干渉による干渉縞に感光層を露光するステップと、
ｃ）干渉縞に対応する光に露光した領域を感光層内のレリーフの変形形態に変化させ、これらの変形形態を複製する型を作成するステップと、
ｄ）前記型を使用して、回折型レリーフ構造を基板から、回折型コンバイナを形成する均一な透明プラスチック要素上に転写するステップと
を含む。
【００１６】
ステップｂ）は、ステップｃ）の前にｎ回行われるが、毎回、
【００１７】
【数１】
2013522667.tif 000003
【００１８】
に等しい、光線Ｒ１と光線Ｒ２との間の角度θｉ（ｉ＝１〜ｎ）を有する、波長λｅの同じレーザ源からの２つの光線Ｒ１およびＲ２により行われる。
ｎ＞１回の露光ステップが終了すると、光線の干渉は、異なる単一格子の重畳に相当する、異なるピッチの格子を生成することとなる。
【００１９】
以上の式１は、波長λｉの光の回折が共通の入射角度に関して同じ方向で起こることを保証する。換言すれば、ピッチは、３つの波長の１次光に関連する像を重畳するように選択される。入射角度θｐおよび回折角度の賢明な選択により、１次回折光と、１次以外の次数の回折光および透過光または反射光（次数０）との間に角度差を作ることが可能になる。回折型コンバイナの使用において、３つの単一格子（これらのうち少なくとも２つは多重化格子内に組み合わされる）のそれぞれは、投射ユニットにより放射される光線中に存在する、すべての波長と相互作用することに留意されたい。したがって、１次以外の次数の回折光、または格子とその格子が最適化されていない波長との相互作用のいずれかにより、寄生（parasitic）虚像が観測される。しかし、１次回折光と、１次以外の次数の回折光との間の角度差をもたらすことにより、寄生虚像を使用者の視野外に移動させることができる。
【００２０】
各ステップｂ）において、レンズ効果を得る（虚像を回折型コンバイナからの所定の距離に配置する）ために、干渉用光線の一方は、発散するように選択され、球状波面を有し、他方は、平面波として選択される。このようにして得られる干渉縞は、曲面を形成する。
【００２１】
プロセスのステップａ）〜ｃ）は、コンバイナの大量生産を可能にする型の作成に関して、マトリクスの形成を可能にする。これらのマトリクスは、剛性材料から作成された基板から形成され、基板上には、常に同じである使用されるレーザ源の波長に対して感度が高い感光層が堆積される。２つの光線間の角度だけが、ステップｂ）ごとに変更される。
【００２２】
同じ供給源からの２つの光線は、感光層の平面上に送られ、表面全体にわたって干渉縞を露光する。これらの干渉縞の存在は、感光層の表面の異なる露光をもたらし、次いで、感光層は、その露光の程度に応じて感光材料を溶解する特性を有する化学物質に曝露される。その結果、曝露された感光材料の層のいくつかの部分の溶解後、干渉縞がレリーフの変形形態に転写される程度に、蝕刻が起こる。マトリクスの表面上のレリーフの深さの制御は、記録露光時間および蝕刻の時間に依存することに留意されたい。長時間の蝕刻の間に、干渉縞のレリーフは、実質的に正弦波形状になるが、短い適用の場合には、外側波頭部は、むしろ浸食された形状を有することに留意されたい。
【００２３】
この場合には、（２つの光線の一方に関して）複数の角度での露光は、多重化表面格子を有するコンバイナを作成する可能性をもたらす。
蝕刻後、レリーフ表面は、薄い導電層の堆積にさらされ、（例えばニッケルから形成された）型を得るために、続いて電気鋳造プロセスの適用を可能にする。本発明によるコンバイナの作成のために、２つの型部分、すなわちコンバイナの第１の面上に回折格子を複製する第１の部分と、第２の面上の回折格子用の第２の部分とが必要であるが、２つの格子の少なくとも一方は、多重化格子である。次いで、得られた型は、押出しまたは射出などの大量生産手段により、レリーフの回折構造を、透明なプラスチック材料から形成された要素上に転写するのに使用される。したがって、透明なプラスチック材料から形成された、単一の支持体を有するコンバイナを得ることができ、コンバイナの回折構造は、両面に刻印される。
【００２４】
異なるステップｂ）における２つの書込用光線の一方などの球状面を有する波の使用は、レンズ機能の実行を可能にする。各ステップｂ）において、波面の中心と感光層との間の距離は、対象のすべての異なる波長に関して、等しい焦点距離が得られるように選択される。
【００２５】
本発明の一態様は、「フルカラー」ヘッドアップ表示装置に関する。そうした装置は、異なる色の単色像の付加合成により生成されるカラー像からの第１の波長の光、第２の波長の光、および第３の波長の光を含む光線を投射することができる投射ユニットを備えるが、単色像のそれぞれは、前記波長の１つにそれぞれ対応する。ヘッドアップ表示装置は、投射ユニットにより入射方向に投射される光線を受け取り、光線の第１、第２、および第３の波長の光の少なくとも一部分を回折方向に回折し、これにより、３つの波長に対応する単色像の重畳により投射ユニットを用いて生成される像のカラー虚像を使用者の視野内に作成するように、投射ユニットに対して配置される、上述の回折型コンバイナも備える。
【００２６】
投射ユニットの輝度、および異なる色のそれぞれに関するコンバイナの回折効率は、虚像のよく調和した色混合、および適用例の需要に適した虚像の輝度を保証するように互いに調整することができることに留意されたい。
【００２７】
有利なことに、多重化光回折格子は、緑色光および青色光を使用者の方向に曲げるように構成される。他方の光回折格子は、赤色光を前記方向に曲げるように構成される単一の（多重化されていない）格子であるのが好ましい。多重化は、対象の波長に関する回折効率に影響を及ぼすことに留意されたい。２つの波長λ１およびλ２に関して多重化された格子の波長λ１における回折効率は、通常、λ１のみに関して最適化された格子の回折効率よりも小さい。多重化格子に関する青色および緑色の選択は、以下の理由により、有利と考えられる。
【００２８】
緑色に対する人間の目の感度は、弱光状態（暗所視）および昼光状態（明所視）のどちらにおいても、赤色および青色に対するその感度よりも高い。
青色は、自然界にほとんど存在しない色である。その結果、通常、青色の弱い輝度でも、虚像とその背景との間の良好なコントラストを可能にする。
【００２９】
したがって、赤色のより高い輝度は、有利と考えられることになる。したがって、多重化されていない格子は、赤色用に選択され、多重化格子は、緑色光および青色光の回折に適している。この構成は、同じ強度の赤色、青色、および緑色の光源の使用も可能にする。しかし、格子の分配のこの選択は、一意的なものでなく、外部環境に関する要求、および各色に必要な輝度レベルにより様々である可能性があることに留意されたい。したがって、第１の面上に青色および赤色用の多重化格子、コンバイナの第２の面上に緑色用の単一格子を作成することを想定することができる。必要により、緑色および赤色用の多重化格子、青色用の単一格子を選択することもできる。
【００３０】
回折型コンバイナの第１および第２の光回折格子は、回折型コンバイナから１〜５ｍの範囲内の距離に虚像を配置するように構成されるのが好ましい。コンバイナと投射ユニットとの間の所与の距離において、この特性は、回折型コンバイナのレンズ機能により生成される焦点距離の適当な選択により得られる。
【００３１】
有利なことに、回折型コンバイナの第１および第２の光回折格子は、寄生虚像を使用者の視野から除去するように、回折型コンバイナの配置を調整される。入射方向および回折方向は、両方向間で３０°を超える角度、例えば４０°を超える角度を形成し、こうして、寄生虚像を使用者の視野外に配置するのが好ましい。
【００３２】
ヘッドアップ表示装置の好ましい実施形態によれば、回折型コンバイナは、透過型で機能するように構成される。あるいは、回折型コンバイナは、反射型で機能するように構成することもできる。その際、回折型コンバイナは、投射ユニットに使用される波長に適した、部分的に反射するまたは２色性の層などの、１つまたは複数の光反射層を含むことができる。コンバイナは、反射構成では、前面ガラスのプラスチック層に組み込むことができる。この場合、反射特徴部は、コンバイナではなく、前面ガラスにより支持される。
【００３３】
反射特徴部が前面ガラスによっては支持されないとき、使用者から最も離れたコンバイナの面上に堆積する反射層をコンバイナに設けることができる。
第１、第２、および第３の波長に関する回折型コンバイナの回折効率は、カラー虚像の輝度レベルの関数、および／または虚像の第１、第２、および第３の波長に対応するカラーバランスの関数として選択されるのが好ましい。回折型コンバイナの回折効率は、具体的には、第１および第２の光回折格子のレリーフの深さを制御することにより調整することができる。
【００３４】
本発明の他の特徴および特性は、添付の図面を参照した図示を通して、以下に示すいくつかの有利な実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による回折型コンバイナの断面図である。
【図２】図１のコンバイナを使用したヘッドアップ表示装置の基本図である。
【図３】レーザ干渉フォトリソグラフィによる回折型コンバイナの作成原理を示す図である。
【図４】透過型で構成された回折型コンバイナを有するヘッドアップ表示装置の図である。
【図５】反射型で構成された回折型コンバイナを有するヘッドアップ表示装置の図である。
【図６】前面ガラス内に組み込まれた回折型コンバイナを有するヘッドアップ表示装置の図である。
【図７】レーザ干渉フォトリソグラフィによる記録の幾何配置の図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図１は、「フルカラー」ヘッドアップ表示装置用の回折型コンバイナ１０の断面を模式的に示す。コンバイナ１０は、ＰＭＭＡ、ＰＣ、ＰＥＴ、またはＰＶＢなどのプラスチック材料から形成される支持体１２を備える。コンバイナ１０は、支持体１２の第１および第２の面上にそれぞれレリーフ状に形成される第１の光回折格子１４および第２の光回折格子１６を備える。図１では、コンバイナ１０の寸法は正確な縮尺ではなく、特に支持体１２の厚さおよびレリーフの振幅（すなわち深さ）は、誇張されていることに留意されたい。コンバイナの厚さは、０．２５から３ｍｍの範囲内であることが好ましい。レリーフ格子の深さは、１００から６００ｎｍの範囲内であることが好ましい。
【００３７】
第１の光回折格子１４は、多重化格子であるが、第２の光回折格子１６は、単一の（多重化されていない）格子である。
光回折格子１４、１６の構成および回折型コンバイナ１０の作用を説明するために、図２が参照される。この図は、投射ユニット２０と、コンバイナ１０と、投射ユニット２０によりコンバイナ１０上に放射される光線を導く、任意選択の１つまたは複数の光学素子（鏡２２で示される）とを備える、ヘッドアップ表示装置１８を模式的に示す。
【００３８】
投射ユニット２０は、干渉性の光源、好ましくはレーザダイオードにより背面照射される「フルカラー」液晶スクリーンなどを備える。像供給源は、画素により生成される赤色、緑色、および青色の単色像の付加合成により表示部（光拡散層）上に形成される。
【００３９】
投射ユニット２０により生成される光線は、直接または光学システムによりコンバイナ上に導かれる。光線は、入射角度θｐ（光線の中心線が基準とみなされる）でコンバイナに当たる。投射ユニット２０の光拡散層は、投射ユニット２０の開口角度（光線の発散角度）が、回折型コンバイナ１０が張る（subtend）角度に幾分対応するように選択されるのが好ましい。
【００４０】
したがって、投射ユニットにより放射される光線は、赤色に対応する第１の波長の光（例えば６３３ｎｍ）、緑色に対応する第２の波長の光（例えば５３２ｎｍ）、および青色に対応する第３の波長の光（例えば４３２または４４５ｎｍ）を含む。したがって、入射角度θｐは、含まれる３つの波長に関して同じである。
【００４１】
１つの単一光回折格子のみを設けられた従来の回折型コンバイナは、波長に依存する角度だけ光線を曲げる。したがって、観測者は、赤色、緑色、および青色の虚像が互いにずれていることがわかるであろう。このため、コンバイナ１０は、赤色、緑色、および青色の１次回折がそれぞれ同じ方向に起こるように構成される、赤色用の第１の光回折格子と、緑色および青色用の多重化光回折格子とを備える。したがって、使用者２４（ヘッドアップ表示装置を設けられた自動車の運転者など）は、供給源像２８のカラー虚像２６を見る。回折型コンバイナ１０からのカラー虚像２６の距離は、供給源像２８の経路、および回折型コンバイナにより形成される可能なレンズの焦点距離に依存する。ヘッドアップ表示装置１８は、虚像が回折型コンバイナ１０より１から５ｍの間の距離に位置するように構成されるのが好ましい。
【００４２】
実際に、回折型コンバイナ１０は、３つの単一格子の機能を担い、格子のそれぞれは、特定の色を所望の方向に曲げるように構成される。コンバイナ１０では、これらの単一格子の２つは、支持体の第１の面上に多重化されて形成されるが、第３の格子は、反対面（第２の面）上に位置する。当然、これらの格子のそれぞれは、投射ユニット２０により放射される光線中に存在するすべての波長と相互作用する。したがって、寄生虚像３０が（赤色、緑色、および青色がそれぞれ）、カラー虚像２６のいずれかの側で観測される。したがって、入射角度θｐ、偏角(angle of deviation)、光回折格子のピッチ、コンバイナのサイズなどは、寄生虚像３０を使用者２４の視野外に移動させるように選択される。図２では、使用者の視野の限界は、破線３２および３４により示される。
【００４３】
図１および２の回折型コンバイナでは、多重化光回折格子１４は、緑色光および青色光を使用者２４の方向に曲げる格子であることに留意されたい。他方の光回折格子１６は、赤色光を前記方向に曲げる単一の（多重化されていない）格子である。回折型コンバイナ１０のこの構成は、緑色光および青色光よりも赤色光に関して（使用者の方向に）より良い回折効率をもたらす。具体的には、緑色または青色の輝度の２倍となる、赤色の輝度を、虚像において容易に得ることができる。人間の目の緑色に対する感度が、弱光状態（暗所視）および昼光状態（明所視）のどちらのもとでも、赤色および青色に対するその感度よりも高く、青色が自然界に最も存在しない色であれば、その結果、同じ光強度の青色、緑色、および赤色の光源により、調和した配合が得られる。当然、使用される投射ユニットの光源が不均一な出力となるとき、回折型コンバイナの異なる構成を選択することができる。
【００４４】
図３は、レーザ干渉ナノリソグラフィによる回折型コンバイナ１０の作成プロセスを示す。格子のそれぞれについて、第一に、マトリクスが記録される。図３では、光線Ｒ１およびＲ２は、それぞれ、目的光線および参照光線を表す。２つの光線は、（水晶、シリコン、ガラス、または他のものの）基板３８に施される感光樹脂層３６内に干渉縞を生成する。感光層３６内のＲ１およびＲ２の干渉は、正確な領域の光に対する露光を可能にし、この露光は、これらの領域内の樹脂の溶解性を変化させる。したがって、感光樹脂の露光領域は、他の領域よりもわずかに溶解しやすくなる。次いで、回折表面構造を得るために、蝕刻が、露光していない（または、感光樹脂のタイプ（陰性か陽性か）によっては露光される）領域の除去を可能にする。
【００４５】
Ｒ１とＲ２との間の角度θｉは、式
【００４６】
【数２】
2013522667.tif 000004
【００４７】
により、調整される。ここで、θｐは投射ユニットからの光線の入射角度に相当し、λｅは記録に使用される光線の波長であり、λｉは回折される光の波長である。
３２°の入射角度θｐの場合、光が回折型コンバイナに垂直な軸に沿って曲げられる必要があり、書込用波長λｅ＝４０６ｎｍであると仮定すると、例えば以下を得る。
【００４８】
【表１】
2013522667.tif 000005
【００４９】
したがって、多重化されていない光回折格子１６を記録するために、感光層に垂直である光線Ｒ１および光線Ｒ２（λｅ＝４０６ｎｍ）を１９．８°の角度で干渉させることによりマトリクスが生成される。次いで、蝕刻が行われ、得られたレリーフは、型の第１の部分内に転写される。
【００５０】
多重化光回折格子１４を記録するために、感光層に垂直である光線Ｒ１および光線Ｒ２（λｅ＝４０６ｎｍ）を２３．８°の角度で干渉させることにより別のマトリクスが生成される。次いで、２８．９°の角度に移る（Ｒ１は感光層に垂直のままである）。蝕刻の後、得られたレリーフは、型の第２の部分内に転写される。
【００５１】
回折型コンバイナは、最終的に、射出成形、または型の第１および第２の部分による型押しにより、透明なプラスチック材料から形成される。
図３の設定では、光線Ｒ１は、感光層の表面に垂直である。その結果、回折光は、回折型コンバイナに垂直に出る。コンバイナの法線に対して角度θ’に傾いた観測者カラー虚像軸を得ることが好ましいとき、光線Ｒ１が感光層３６の法線に対して角度θ’だけ傾いた記録設定を行うことだけが必要である。この場合、θｉは、Ｒ２と感光層３６の法線との間の角度に相当する。Ｒ１とＲ２との間の角度は、θｉ−θ’となる。
【００５２】
図７は、記録構成のより一般的な場合を示し、２つの書込用光線Ｒ１およびＲ２は、感光層の法線に対して、それぞれ角度θ０、θｒを形成する。この構成では、形成される（単一の）格子のピッチｄは、式
【００５３】
【数３】
2013522667.tif 000006
【００５４】
により与えられる。
多重化格子の記録に関して、θｒの複数の値が使用されるので、単一の格子の重畳は、可変（変調された）格子ピッチをもたらす。しかし、以下の説明では、単一の格子を考えることにする。
【００５５】
コンバイナが使用されるとき、投射ユニットからの光線の入射角度θｐは、式１により与えられる（θｉの代わりにθｒを代入）。回折角度θｄは、
【００５６】
【数４】
2013522667.tif 000007
【００５７】
により与えられる。ここで、λｉは、投射ユニットからの光の新しい波長を示す。
以下の表は、異なる色の回折光線間の間隔の図示を可能にする幾何学的構成の２つの例を与える。
【００５８】
【表２】
2013522667.tif 000008
【００５９】
角度θｐ＝２０°の事例１では、青色像と緑色像との間の角度間隔は５°であり、緑色像と赤色像との間の角度は４．８度である。
角度θｐ＝５４．２°では、青色像と緑色像との間の角度間隔は９．８°となり、緑色像と赤色像との間の角度間隔は９．９°となる。格子のピッチｄが低減されるとき、異なる色の像間の角度間隔は増加することに留意されたい。
【００６０】
したがって、寄生虚像間の角度間隔の制御は、参照光線と目的光線との間の角度の選択を含む、θｐの選択により、もたらされる。この角度は、格子のピッチ、ひいては回折角度を決定する。
【００６１】
回折型コンバイナがレンズ機能を実行しなければならない場合に、感光層３６と光線Ｒ２の球状波面の中心との間の距離は、式
【００６２】
【数５】
2013522667.tif 000009
【００６３】
に応じて調整しなければならない。ここでｆｉは、必要なレンズの焦点距離を示し、
ｆｅは、球面波Ｒ２に対応する焦点距離を示し、
λｅは、レンズを記録するのに使用されるレーザの波長を示し、
λｉ（ｉ＝１、２、３）は、投射器からの光の波長を示す。
【００６４】
図４は、例えば図２に示されるヘッドアップ表示装置を設けられた自動車のダッシュボード４０を簡略的に示す。回折型コンバイナ１０は、透過型で機能するように構成される。使用者２４の視点から見れば、前面ガラス４２の前に位置する回折型コンバイナ１０は、投射ユニット２０により背面照射される。
【００６５】
図５は、回折型コンバイナが反射型で構成される、ヘッドアップ表示装置の別の実施形態を示す。投射ユニット２０は、計器パネル群の後ろ側に位置し、（使用者から見て）前方から回折型コンバイナを照明する。投射ユニットから来る光を使用者の方に反射するために、回折型コンバイナの（使用者の視点から見て）後面上に、１つまたは複数の光反射層が形成される。これらの反射層は、投射器に使用される波長に適合する、部分的に反射する層または２色性の層とすることができる。
【００６６】
別の代替例が、図６に示される。ここで、回折型コンバイナ１０は、前面ガラス４２の一部分を形成する。より具体的には、多重化された、または多重化されていない光回折格子は、前面ガラス４２のプラスチック材料の層の表面内にレリーフ状に形成される。
【符号の説明】
【００６７】
１０  回折型コンバイナ
１２  支持体
１４  第１の光回折格子
１６  第２の光回折格子
１８  ヘッドアップ表示装置
２０  投射ユニット
２２  鏡
２４  使用者
２６  カラー虚像
２８  供給源像
３０  寄生虚像
３２  使用者の視野の限界
３４  使用者の視野の限界
３６  感光樹脂層
３８  基板
４０  ダッシュボード
４２  前面ガラス
【図１】
2013522667.tif 000010
【図３】
2013522667.tif 000011
【図４】
2013522667.tif 000012
【図５】
2013522667.tif 000013
【図６】
2013522667.tif 000014
【図７】
2013522667.tif 000015
【図２】
2013522667.tif 000016
【国際調査報告】
2013522667.tif 000017
2013522667.tif 000018
2013522667.tif 000019
2013522667.tif 000020