JP2008233875A - ホログラフィック情報ディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】虚像表示要素を投影する、自動車内の又は自動車用のホログラフィック情報ディスプレイを提供する。
【解決手段】データ処理デバイスは、投影される虚像表示要素に対するホログラムを提供する。制御デバイスは、各場合においてホログラムの複数の断面に対し個々の制御信号を放出する。制御デバイスによって個々に調整されることが可能であり、且つ光ビームによって照明される面上に配置される複数の光位相遅延セルは、各場合に、それぞれの個々の制御信号に応じて、複数の光位相遅延セルの上に入射する光ビームの一部の位相を遅延させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両において使用されるか又は車両用に使用される、画像を投影するホログラフィック情報ディスプレイ（ＨＩＤ）に関する。さらに、本発明は、本発明によるホログラフィック情報ディスプレイを使用して虚像表示要素を投影する方法に関する。

ヘッドアップ情報ディスプレイ（ＨＵＤ）を用いて、自動車の運転手が必要とする可能性のある情報を、自動車の運転手のためにフロントガラス上に重ね合わせることができる。ヘッドアップ情報ディスプレイは、プロジェクタ並びに複数のレンズ及び／又はミラー素子、特に、フロントガラス上に仮想距離で歪みのない画像を投影する補正レンズとしての回折光学系を備える。ドイツ特許出願公開第１０３ ４４ ６８８号を参照されたい。このために必要な、補正素子を含む光学構造は、種々の異なる形状のフロントガラスに適合されなければならず、自動車においてヘッドアップ情報ディスプレイを実装且つ設置することを困難にする。

本発明の目的は、１つの自動車及び種々のタイプの自動車において容易に実装且つ設置することができる、情報のための投影システムを提供することにある。

この目的は、請求項１の特徴を有するホログラフィック情報ディスプレイと、請求項１６の特徴を有する方法とによって達成される。

この目的のために本発明は、
画像を投影する、自動車内の又は自動車用のホログラフィック情報ディスプレイであって、
投影される虚像表示要素に対するホログラムを提供するデータ処理デバイスと、
各場合においてホログラムの複数の断面に対し個々の制御信号を放出する制御デバイスと、
光ビームを放射する光源と、
制御デバイスによって個々に調整されることが可能であり、且つ光ビームによって照明される面上に配置される複数の光位相遅延セルであって、各場合に、それぞれの個々の制御信号に応じて、複数の光位相遅延セルの上に入射する光ビームの一部の位相を遅延させる、複数の光位相遅延セルと
を有する、ホログラフィック情報ディスプレイを提供する。

ホログラフィック情報ディスプレイを使用して表示要素を投影する、本発明による方法は、
データ処理デバイスを用いて２次元又は３次元の虚像表示要素に対してホログラムを提供するステップと、
制御デバイスを用いてホログラムの複数の部分に対して個々の制御信号を放出するステップと、
それぞれの個々の制御信号に応じて複数の位相遅延デバイスのそれぞれの位相遅延を調整するステップと、
光源を用いて複数の位相遅延デバイスを照明するステップであって、それにより、虚像表示要素が光源の位相遅延光ビームによって生成される、照明するステップと
によって提供される。

ホログラフィック情報ディスプレイの利点は、表示要素を歪みのない形態で表示するために補正光学系が不要であることにある。このための手段としては、関連するホログラムを提供することですでに十分である。

１つ又は複数の色の強度が、画像における空間分解能で示される。

ホログラムでは、１つ又は複数の波長を有する光波場（light wave field）の位相が、ホログラムの表面における空間分解能で示される。

ホイヘンスの原理によれば、３次元空間を通るあらゆる切断面における光波場に関して完全な知識があることが、３次元空間において光波場を完全に再現するためにすでに十分である。完全な知識には、切断面における光波場の位相に関する知識が必要である。

切断面は、ホログラムによって再現される。照明時、ホログラムによって事前に確定される開始位相を有する球面波が、ホログラムの各点から放出される。個々の小波が重ね合わさることにより、空間に光波場、いわゆる再生ホログラムが生成される。人間の眼は位相を感知しない。しかしながら、重ね合せが、明確な干渉パターンとなり、その強度分布は感知可能である。空間強度分布の再現において、ホログラムの絶対位相の代りに、より単純に実装可能な相対位相を使用してもよい。

光波場の完全な再生を、再現されるべき光波場から識別することはできない。このため、観察者の眼とそれに関連する３次元視野との両方に対し同じ投影パターンが生成される。

表示要素は、表示されるべき３次元オブジェクトであっても単に２次元画像であってもよい。

表示要素に対するホログラム、言い換えれば空間分解能位相情報が提供される。それは、その時点で計算されてもよく、又はパターンとして格納されて存在していてもよい。

これを例示するホログラムに対する単純な計算方法は、原則的に、表示要素の各点に対して、発生している球面波（ホイヘンス小波）が想定されるという事実に基づく。虚像表示要素上の各球面波の開始位相は、暗い領域に対して９０度で変位する明るい領域に対して選択される。そして、ホログラムの各点において、ホログラムのそれぞれの点に入射する個々の球面波の位相が合計される。合計された位相は、それぞれの点におけるホログラムの位相として格納される。空間を通る球面波の伝播において、すべての歪んでいる光学素子、たとえばレンズ、湾曲反射面が考慮される。しかしながら、ガラス板の正面及び背面における二重反射が考慮される。この種のホログラムを使用して空間における光波場が再生される場合、ホログラムからの光波場は、歪んでいる光学素子、二重反射等を逆方向に移動し、虚像表示要素は、ホログラムを確定するために使用された際と同様に現れる。空間及びそこに含まれる光学素子を知ることにより、虚像表示要素の歪みのない表現は、虚像表示要素に対する適当なホログラムを提供するだけで達成することができる。

ホログラムを確定するより効率的な計算方法は、空間のフーリエ変換に基づく。しかしながら、この計算方法に含まれる基本概念は、変化しないままである。

一展開において、投影される虚像表示要素は、偏向デバイスにより、自動車の運転手の視界の範囲内に向けられる。対応する偏向デバイスは、車両のフロントガラスであってもよい。ホログラムにおいて、光偏向デバイスの結像誤差が補正されるように考慮されてもよい。運転手は、運転しながらフロントガラスを通して見続けることができ、同時に、運転手のために視界の範囲内に仮想的に重ね合わされる表示要素を感知する。

ホログラムは、複数の調整可能な位相遅延セルを用いて物理的に具現化される。空間分解能を有する入射光は、定義された量だけ相対的に位相遅延する。

位相遅延セルを、透過モードで操作してもよく、又は反射モードで操作してもよい。

位相遅延セルを、行及び列で配置してもよい。位相遅延セルを、平面に配置してもよく、又は任意選択的に湾曲面にも配置してもよい。空間を通る上述した切断面は、絶対的に平面である必要はない。個々の構成において、位相遅延セルを湾曲面上に、又は互いに対して傾斜した面上に配置することは好都合な場合もある。

一実施の形態では、遅延セルに遅延手段が提供され、当該遅延手段を用いることにより、入射光ビームの位相を、少なくとも２段階で０度〜１８０度の間で遅延させることができる。最も単純な構成では、２つの位相遅延セルを、それぞれそれらから放射される光が同相であるか又は反対の位相であり得るように調整することができる。表示される虚像表示要素のコントラスト及び画像鮮鋭度は、位相遅延セルの相対位相差を調整するために用いることができる精度に相関する。したがって、１８０度に対する幾らかの割合で（in fractions of）位相を調整する遅延手段を提供することが有利であり得る。

さらなる一構成では、入射光ビームの位相を、遅延手段によって連続的に遅延させることができる。

一構成は、制御信号によって生成される電界に応じて入射光の位相を遅延させる液晶及び／又は強誘電性液晶を用いて遅延手段を提供することを可能にする。遅延手段は、任意に、光ビームの厳密に定義された偏光を保証し且つ偏光回転を回避する偏光フィルタを含む。

一展開によれば、データ処理デバイスは、投影される虚像表示要素に対するホログラムを確定するコンピューティングデバイス、及び／又は投影される虚像表示要素に対するホログラムをロードするメモリデバイスを提供する。データ処理デバイスを制御デバイスに組み込んでもよい。

一構成では、光源は、コヒーレント光ビームを放射するコヒーレント光源として構成される。光源は、レーザ光源であってもよい。好ましくは、コヒーレンス長は、数メートルであるべきである。レーザビーム源とは別個に、とりわけスペクトルランプを使用してもよく、その放射帯域幅は、放射の必要なコヒーレンス長を達成するために適当な狭帯域である。

一展開では、光源と複数の位相遅延セルを有する面との間に、面を一様に照明するために光ビーム形成デバイスが配置される。ビーム形成デバイスは、空間フィルタと１つ又は複数のレンズとを備えることが好ましい。

本発明を、有利な実施形態及び添付図面を使用して例として説明する。

図面において、同じ参照符号は同じか又は機能的に同じ要素を示す。

図１において、ホログラフィック情報ディスプレイの好ましい一構成を概略的に示す。

コヒーレント光源１が、単一波長の光を放射することが好ましい。レーザ、たとえばレーザダイオードが、適当なコヒーレンス長を有するため、光源１として使用されることが好ましい。任意選択的に光源から下流に空間フィルタが接続されることにより、望ましくない散乱光が除去される。空間フィルタを、開口板によって実装することができ、それは、その周囲に配置された２つのレンズの焦点に位置する。しかしながら、これは純粋に任意選択である。

光源１は、空間分解回折パネル２を照明する。回折パネル２は、発生光３に対して局所的に異なるように反射光４を遅延させる。回折パネル２は、制御デバイス５によって駆動される。制御デバイス５は、表面６のいずれの領域において回折パネル２が反射光４を遅延させるか、及びどれくらいの強度であるかを指定する。

空間分解位相遅延がホログラムを再現する。ホログラムは、データ処理デバイス９により制御デバイス５に対して適当な方法で提供される。ホログラムは、データ処理デバイス９により、表示要素の所定の２次元又は３次元のモデルから確定されることが好ましい。ここでは、車両の内部空間性もまた考慮されることが好ましい。さらに、ホログラムを、データ処理デバイス９のメモリからロードすることができる。重ね合わされる典型的なテキスト又はピクトグラムは、すでにメモリに格納されている。

ホログラムに従って回折パネル２によって反射される光は、表示要素の２次元又は３次元のモデルに従って再生ホログラムとなり、観察者、たとえば車両の運転手は、それをモデルとして感知することができる。

反射光ビームは、車両のフロントガラス７の方向に案内され、フロントガラス７によって運転手の眼の中へと偏向される。運転手は、再生ホログラムを、フロントガラス７の領域内に又はフロントガラスの後方にあるように感知する。フロントガラスからの再生ホログラムの感知距離は、ホログラムによって事前に確定される。感知距離を、ホログラムの適応によって変更してもよい。

図２に、回折パネル１０のあり得る構造を示す。パネル１０をセル１３に分割する複数の個々に活性化可能な電極１２が、半導体基板１１に組み込まれる。電極１２の上方に、入射光ビームを反射するミラー１４が配置される。ミラー１４の上方に、液晶材料を含む層１５が施される。液晶材料は、強誘電性液晶材料を含むことができる。

光は、方向１８から回折パネル上に入射する。この場合、光は、液晶層１５を渡り、ミラー素子１４によって反射される。この構成を、垂直の入射で使用しても、斜めの入射で使用してもよい。入射光は、液晶層１５を渡る時に位相遅延する。位相遅延は、電極１２に電位を印加することによって調整される。

単純な一変形では、第１の位相遅延と、第１の位相遅延に対して１８０度増大した位相遅延とをもたらす、厳密に異なる２つの電気信号を電極１２に印加することができる。

他の構成では、電極１２に階段状の電圧レベルを印加することができ、それにより、１８０度に対する幾らかの割合の相対位相遅延を実現することができる。

液晶層の上方且つ／又は下方に、複数の偏光フィルタを配置することが好ましい。これらは、望ましくない偏光状態をフィルタリングによって除去する。偏光フィルタの代りに、一方の偏光面を反射し他方の偏向面を透過させる偏光ビームスプリッタを使用してもよい。

ホログラムを確定する時、車両内部を通る光波場の光路もまた考慮される。特に、ホログラムは、フロントガラス７の表面輪郭に、且つ任意選択的にフロントガラス７の厚さ又はさらにはフロントガラス７の厚さプロフィールに適合される。このように、運転手は、歪みのない虚像表示要素を見る。ホログラム及び表示要素の適合は、レンズ、ミラー等の光学素子の適合なしに達成される。調整可能な回折パネル２が駆動される際に用いられる新たなホログラムにプログラムするだけで十分である。

ホログラムを、回折パネルの初期取付け中に設置することができる。この設置を、図３に示す配置で行うことができる。複数のホログラムが、テストパターンに関連して再生されることが好ましい。テストパターンを有するホログラムを、データ処理デバイス９によって提供することができ、回折パネル３及び光源を用いて再生することができる。再生ホログラム、したがって表示されるテストパターンを使用して、車両の空間的変化量、たとえばフロントガラス７の形状を測定することができる。

テストホログラムは、カメラ２０によって記録される。カメラは、さまざまな所定位置に移動されることが好ましく、その位置から再生ホログラム（複数可）が記録される。評価デバイスが、それぞれの位置における記録された再生ホログラムを事前定義された値と比較することにより、偏差を確定する。

実行された適応は、車両パラメータとして格納される。虚像表示要素に対してホログラムを計算又は提供する時、これら車両パラメータが考慮される。ホログラムは、これに従って変更される。その結果、さまざまな車両に投影システムを適応させるために補正レンズ又は補正ミラーを使用しなくてよい。

ホログラフィック投影システムの概略構造を示す図である。 調整可能な回折素子の概略の構造を示す図である。 一実施形態の装置の構成の概略図である。

Claims (18)

1. 虚像表示要素を投影する、自動車内の又は自動車用のホログラフィック情報ディスプレイであって、投影される前記虚像表示要素に対するホログラムを提供するデータ処理デバイス（９）と、各場合において前記ホログラムの複数の断面に対し個々の制御信号を放出する制御デバイス（５）と、光ビームを放射する光源（１）と、前記制御デバイス（５）によって個々に調整されることが可能であり、且つ前記光ビームによって照明される面上に配置される複数の光位相遅延セル（１３）であって、各場合に、それぞれの前記個々の制御信号に応じて、該複数の光位相遅延セル（１３）の上に入射する前記光ビームの一部の位相を遅延させる、複数の光位相遅延セル（１３）とを具備する、虚像表示要素を投影する、自動車内の又は自動車用のホログラフィック情報ディスプレイ。
2. 前記位相遅延セルは、透過モードで操作されることを特徴とする、請求項１に記載の虚像表示要素を投影する、自動車内の又は自動車用のホログラフィック情報ディスプレイ。
3. 前記位相遅延セル（１３）は、反射モードで操作されることを特徴とする、請求項１に記載の虚像表示要素を投影する、自動車内の又は自動車用のホログラフィック情報ディスプレイ。
4. 前記位相遅延セル（１３）は、行及び列で配置されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の虚像表示要素を投影する、自動車内の又は自動車用のホログラフィック情報ディスプレイ。
5. 前記位相遅延セル（１３）は、平面上に又は湾曲面上に配置されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の虚像表示要素を投影する、自動車内の又は自動車用のホログラフィック情報ディスプレイ。
6. 前記位相遅延セル（１３）に遅延手段が提供され、該遅延手段を用いて、前記入射光ビームの前記位相を、少なくとも２段階で０度〜１８０度の間で遅延させることができることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の虚像表示要素を投影する、自動車内の又は自動車用のホログラフィック情報ディスプレイ。
7. 前記位相遅延セル（１３）に前記遅延手段が提供され、該遅延手段を用いて、前記入射光ビームの前記位相を、０度〜１８０度の間で連続的に遅延させることができることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の虚像表示要素を投影する、自動車内の又は自動車用のホログラフィック情報ディスプレイ。
8. 前記遅延手段は、前記制御信号によって生成される電界に応じて、前記入射光ビームの前記位相を遅延させる液晶及び／又は強誘電性液晶によって形成されることを特徴とする、請求項６又は７に記載の虚像表示要素を投影する、自動車内の又は自動車用のホログラフィック情報ディスプレイ。
9. 前記データ処理デバイス（２８）は、投影される前記虚像表示要素に対し前記ホログラムを確定する計算デバイス、及び／又は投影される前記虚像表示要素に対し前記ホログラムをロードするメモリデバイスを有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の虚像表示要素を投影する、自動車内の又は自動車用のホログラフィック情報ディスプレイ。
10. 前記データ処理デバイス（６）は、前記制御デバイス（５）に組み込まれることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の虚像表示要素を投影する、自動車内の又は自動車用のホログラフィック情報ディスプレイ。
11. 前記光源は、コヒーレント光ビームを放射するコヒーレント光源（１）として構成されることを特徴とする、請求項１〜１０の虚像表示要素を投影する、自動車内の又は自動車用のいずれか１項に記載のホログラフィック情報ディスプレイ。
12. 前記光源は、レーザ光源であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の虚像表示要素を投影する、自動車内の又は自動車用のホログラフィック情報ディスプレイ。
13. 前記光源（１）と前記複数の位相遅延セル（１３）を有する前記面との間に光ビーム形成デバイスが配置され、それによって、前記面を一様に照明することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の虚像表示要素を投影する、自動車内の又は自動車用のホログラフィック情報ディスプレイ。
14. 前記投影される虚像表示要素は、偏向デバイスにより、前記自動車の運転手の視野の範囲内に向けられることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の虚像表示要素を投影する、自動車内の又は自動車用のホログラフィック情報ディスプレイ。
15. 前記偏向デバイス（７）は前記車両のフロントガラスである、請求項１４に記載の虚像表示要素を投影する、自動車内の又は自動車用のホログラフィック情報ディスプレイ。
16. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載のホログラフィック情報ディスプレイを使用して虚像表示要素を投影する方法であって、
    前記データ処理デバイス（９）を用いて２次元又は３次元の虚像表示要素に対してホログラムを提供するステップと、
    前記制御デバイス（５）を用いて前記ホログラムの複数の部分に対して個々の制御信号を放出するステップと、
    それぞれの前記個々の制御信号に応じて前記複数の位相遅延セル（１３）のそれぞれの位相遅延を調整するステップと、
    前記光源を用いて前記複数の位相遅延セル（１３）を照明するステップであって、それにより、前記虚像表示要素が前記光源の前記位相遅延光ビームによって生成される、照明するステップと
    を含む、虚像表示要素を投影する方法。
17. 前記ホログラムによって位相遅延される前記光ビームは、前記光偏向デバイスにより前記運転手の前記視野の範囲内に偏向される、請求項１６に記載の虚像表示要素を投影する方法。
18. 前記光偏向デバイスの結像誤差が、前記ホログラムにおいて補正されるように考慮される、請求項１７に記載の虚像表示要素を投影する方法。

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