JP2015511724A - レンズ配備装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ヘッドアップディスプレイ(ＨＵＤ)に使用する、特に、ＨＵＤのための配備手段を備える、改善されたレンズ装置に関する。配備デバイスは、キャリアを動かすために、サーボモータとコードアセンブリとを具備する。キャリアがバイアスをかけられると、第１の動作は、レンズを配備し、次に、弧状部を通じてレンズのその後の動きをもたらす。【選択図】 図１

Description

以下の発明は、レンズ、特に、乗り物のヘッドアップディスプレイデバイス（head up display device）において使用するための部分反射結合器（partially reflective combiner）、の配備及び調節を行なうためのレンズ配備装置（lens deployment apparatus）に関する。

以下の発明は、特に、ＨＵＤに被写界深度を提供する、より詳しくは、警告メッセージを提供するように対照的な又は異なる色で二次バーチャル画像（secondary virtual image）を提供する、ヘッドアップディスプレイにおいて使用するための改善されたレンズ装置に関する。

本発明を更に詳しく説明する前に、本発明は、記載されている特定の実施形態に制限されず、従って当然に変化し得ると理解されるべきである。更に、本発明の範囲は請求項のみによって制限されるので、ここで使用される用語は、特定の実施形態を記載することのみを目的としており、制限することを意図したものではないと理解されるべきである。

本発明の第１の態様によると、レンズ配備デバイスであって、前記レンズ配備デバイスは、ハウジングと、マウントに配置されている少なくとも１つのレンズと、を具備し、前記レンズは、実質的に前記ハウジング内における第１の収容構成と、第２のアクティブ構成と、をとることができ、前記マウントは、ピボット固定点(pivotal fixing point)を具備しており、前記ピボット固定点は、キャリア（carrier）に旋回可能に(pivotally)取り付けられ、使用時に、前記レンズがその中心線に関して旋回可能であるように、前記キャリアが、前記ハウジングにおける少なくとも１本の走行溝（running groove）内に配置されている、レンズ配備デバイスが提供される。

非常に好ましい構成では、マウントとピボット固定点がレンズの基部に配置され、レンズの側部は実質的に固定されていない。

レンズ及び関連するマウントは、レンズの基部において動かされ及び旋回させられ、これは、レンズがその第２のアクティブ構成になると、ユーザ及び／又はディスプレイから実質的に一定の距離にレンズの中心を有することを可能にする。

ディスプレイは、ユーザに表示されるシステム情報を提供する視覚出力手段（visual output means）であり、ユーザは、人間であるか、或いはより明確には、人間の視線又は目線である。

好ましくは、走行溝は弧状（arcuate）であり、その結果、キャリアは弧を描き、これは、レンズをその中心線において旋回可能にマウントする必要なしに、レンズの中心がユーザからの固定点に留まることを可能にする。走行溝は微小物（a minima）を有し得る。好ましくは、微小物は、弧の実質的に中間点（midpoint）にあり、その結果、使用中に、アクティブ構成において、キャリアは微小物で静止する。

キャリアと走行溝は、ハウジングの走行溝との接触を失うとキャリアが動かないようにするために、スライダ、ホイール、又は更にラックアンドピニオン構成（rack and pinion arrangement）のような、走行溝内でキャリアの迅速な可動係合を提供する、相補的な低摩擦ランニングギア（low friction running gear）を有し得る。好ましくは、キャリア上の前記ランニングギアは、内側走行溝（internal running groove）内を走っている。走行溝は、ハウジングの切除又はエッチングされた部分であり得る。キャリア上のランニングギアは、切除又はエッチングされた部分内を走っている。

キャリアは電気モータに動作可能にリンクされる。リンク(link)は、剛体（rigid）、エラスティック（elastic）、又は可撓性(flexible)の連結部品(linkage)であってもよく、コード又はベルトのような形態をとってもよい。

キャリアは、前記レンズの実質的に垂直方向の直立を可能にするために、少なくとも１つのエンドストップ（end stop）を具備し得る。使用時において、動作可能なリンクを介してのプーリに対する電気モータの作用が、実質的に前記ハウジング内の前記第１の収容構成から、前記第２のアクティブ構成へ、レンズを動かすように、マウントは、取り付けられた少なくとも１つのプーリを具備する。

プーリに対するモータの作用がレンズの配備を可能にし、レンズが再現可能なアクティブな位置に到達することをエンドストップが保証し、プーリに対する更なる作用がキャリアを溝の中で動かす。この一連の状況を提供するために、プーリは、第１のバイアス手段を具備し、プーリ、従ってマウントの回転を抑制する（retard）。キャリアは、第２のバイアス手段を具備する。この第２のバイアス手段は、キャリアと、ハウジング又はマウントと、の間に取り付けられる。使用時に、プーリに加えられる力が、実質的に前記ハウジング内の前記第１の収容構成から、前記第２のアクティブ構成へ、前記レンズを動かすように、第２のバイアス手段の剛性（stiffness）は、第１のバイアス手段よりも大きい。バイアス手段は、ばね、エラスティック又はゴムコード（rubber cord）のような、任意の弾性手段から選択され得る。好ましい構成では、第１のバイアス手段は捩じりばねであり、第２のバイアス手段は引っ張りばねである。

乗り物のためのディスプレイデバイスは、
ユーザに表示されるシステム情報を提供するディスプレイと、本発明のレンズ配備デバイスと、を具備し、レンズは、部分反射結合器であって、部分反射結合器は、ディスプレイからのシステム情報を拡大し、前記ディスプレイのバーチャル画像を前記乗り物の外部に提供する。

部分反射結合器の使用は、画像をウィンドスクリーン（wind screen）上に直接に投影する必要を排除する。この後者の方法は、バーチャル画像がユーザの目線に確実に現れるようにするために、一般に、ディスプレイの特定の位置合わせ（alignment）を必要とする。

非常に好ましい構成では、部分反射結合器は、ディスプレイの最も近くに配置された第１の湾曲表面Ｓ_１と、ディスプレイから最も遠くに配置された第２の湾曲表面Ｓ_２と、を有する。２つの一致しないバーチャル画像を提供するように、表面の曲率半径はＳ_１＞Ｓ_２である。表面Ｓ_１によって生成される一次バーチャル画像（primary virtual image）の前に現れる二次バーチャル画像(secondary primary image)を生成するために、表面Ｓ_２の曲率半径Ｒ_２を調節することが、更に一層好ましい。

ディスプレイは、例えば、乗り物の最初から搭載されているディスプレイパネル（即ち、ダッシュボード）、ＯＥＭ又はアドオンエンタテインメントシステム、ナビゲーションシステム、或いは通信システムのような、少なくとも１つのシステム情報からの出力を提供し得る。ビデオカメラを使用して、乗り物のダッシュボードからリアルタイムの出力を取り込み、ディスプレイパネル上に画像を提供し、従って、部分反射結合器を介してバーチャル画像を提供することによって、既存の乗り物のダッシュボードのバーチャル画像を提供することが、後付け（retro fit）のオプションとして望ましいかもしれない。外部の源からの更なる情報、即ち、少なくとも２つのシステム情報源からのトラフィック情報又はシステム情報を提供することが望ましいかもしれない。次に、システム情報は、２つのディスクリートなメッセージ、一般に警告二次バーチャル画像として重ねられ又は提供され得る。

好ましくは、レンズの表面Ｓ_１及びＳ_２は、円又は楕円の一部分のような、滑らかな弧状曲線である曲率を有する。表面の曲率Ｓ_１＞Ｓ_２の、半径Ｒ_１及びＲ_２は、２つの一致しないバーチャル画像を提供する。好ましくは、部分反射結合器は、負メニスカスレンズ（negative meniscus lens）である。

ユーザは、人間であるか、或いはより明確には、人間の目線又は視線である。

結合器は、２ｍｍ乃至６ｍｍの範囲、好ましくは３ｍｍ乃至５ｍｍの範囲に厚さ（ΔＵ）を有し得る。結合器は、可視領域において一般に４００乃至８００ｎｍの高い光透過率を有する任意の材料、例えば、ガラス、ポリカーボネート、又はＰＭＭＡ(ポリメタクリル酸メチル)から選択され得る。好ましくは、屈折率（ｎ）は、１．３０乃至１．８０、より好ましくは１．４５乃至１．６５の範囲にある。

表面は、テクスチャー（texture）と、コーティングと、染料と、発光層と、マット仕上げ(matte finish)と、乱反射仕上げ(diffuse finish)と、鏡面仕上げ(specular finish)と、光学的に滑らかな仕上げ（optically smooth finish）と、のうちの１つ以上を含み得る。

結合器の表面Ｓ_１は第１の一次バーチャル画像を提供し、表面Ｓ_２は二次バーチャル画像を提供する。二次バーチャル画像を向上させるために、曲率半径の操作を使用してもよい。二次反射によって二次バーチャル画像が生成され、第１の表面Ｓ_１によって生成された一次バーチャル画像のすぐ近くに、二次バーチャル画像が現れる場合に、バーチャル画像は３Ｄ効果を有するように見えるであろう。例えば、乗り物の速度が表示される場合に、その数字は深さを有し、より実質的な外見をもたらすように見えるであろう。

１つの構成では、２つのバーチャル画像間の間隔ΔＶは、３Ｄの視野を提供する間隔を有し、その結果、ΔＶは、１ｍｍ乃至２０ｍｍ、より好ましくは３ｍｍ乃至１０ｍｍの範囲において選択され得る。ΔＶが小さい場合に、レンズの表面Ｓ_２及びＳ_２の半径Ｒ_２及びＲ_１の差は、小さく、例えば、それぞれ４１０ｍｍ及び４００ｍｍである。

警告二次バーチャル画像を提供するように、２つのバーチャル画像間の間隔ΔＶが選択される場合に、警告二次バーチャル画像と一次バーチャル画像とを視覚的に区別するのは難しいかもしれない。色において一次バーチャル画像と視覚的に対照をなす警告二次バーチャル画像を提供することが、望ましいかもしれない。

非常に好ましい構成では、表面Ｓ_１に対する少なくとも１つの反射防止コーティングと、表面Ｓ_２に対する少なくとも１つの反射防止コーティングとがあり得る。非常に好ましい構成では、Ｓ_１がディスプレイのスペクトル出力にスペクトル的に整合し、特定の波長において高い反射度を提供し、更に、第１の狭い周波数帯において反射率の最小値を有するように、Ｓ_１及びＳ_２に対する少なくとも１つの反射防止コーティングが選択される。実質的に同じ第１の狭い周波帯において反射率の最大値を有し、残りの可視周波帯にわたって反射率の最小値を有するように、表面Ｓ_２に対する反射防止コーティングが選択されると、表面Ｓ_２から投影される前記二次バーチャル画像が、第１の狭い周波数帯によって定められる色で提示され、更に、表面Ｓ_１からの一次バーチャル画像の前に提示される。

単に一例として、第２の表面のみが、色の付いた警告二次バーチャル画像として赤色を表示でき、表面Ｓ_１からの一次バーチャル画像の前に警告又は危険情報を提供できるように、第１の狭い周波数帯を選択するように、表面Ｓ_１及びＳ_２に対するコーティングを選択してもよい。

反射防止コーティングは、何等かのスペクトル的にアクティブなコーティング又は複数の薄膜から選択されてもよく、例えば広帯域又は狭帯域フィルタを具備してもよく、技術的に知られている、染料、反射ノッチ膜（reflective notch film）、例えばひだのある薄膜（rugate thin film）、回析格子を具備する。一般的な反射防止コーティングは、誘電材料の交互の高屈折率層（２．０−２．５）と低屈折率層（１．３８−１．４６）から構成され得る。一般的な高屈折率材料は、Ｔａ_２Ｏ_５と、ＴｉＯ_２と、Ｎｂ_２Ｏ_５と、ＺｒＯ_２と、ＳｉＮを含み、低屈折率材料は、主にＳｉＯ_２と、ＭｇＦ_２である。４分の１波長（quarter-wave, QW）の厚さの層を提供するように、コーティングが付着させられ得る。カバーする帯域がより広くなるほど、一般に、表面に加えられるコーティングに、より多くの層が必要とされる。

ディスプレイは、例えば、ＣＲＴ、ＬＣＤ、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、投影、レーザ、リキッドクリスタルオンシリコン（liquid crystal on silicon, LCOS）デバイス、のような任意の出力手段から選択され得る。このようなＬＣＯＳデバイスは、狭帯域の赤と、緑と、青とのＬＥＤ源によって照らされる。

好ましい構成では、例えばＬＣＯＳデバイスからの赤色ＬＥＤのような、狭い帯域幅の赤色光が、Ｓ_２に対する表面コーティングによって部分的に反射され、赤色の警告又は危険システム情報を、一次バーチャル画像の前景に現れる二次バーチャル画像として、ユーザに提供するように、Ｓ_１及びＳ_２に対する反射防止コーティングを選択してもよい。好ましくは、表面Ｓ_１に対する反射防止コーティングが、前記狭い帯域幅のみの反射を選択的に可能にせず、別の波長の赤い光を部分的に反射させ、先行技術の一般的なモノクロームカラーの出力ではなく、視覚的に許容可能なＲＧＢカラーの出力を用いた一次バーチャル画像を、ユーザに対して可能にしてもよい。

ここで、添付の図面を参照して、単に例示的に、本発明の実施形態を記載する。

乗り物のためのレンズ配備装置を示している。 レンズの向きの概略図を示している。 レンズの向きの概略図を示している。 レンズの向きの概略図を示している。 レンズのキャリアの概略側面図を示している。 捩じり弾性手段のクローズアップした側面図を示している。 引っ張り弾性手段のクローズアップした側面図を示している。 部分反射結合器の光路図を示している。

図１を参照すると、レンズ、特に部分反射結合器２を具備するＨＵＤシステム１が提供されている。結合器のレンズは、使用時に、示されているアクティブな位置へ配備され得る。その結果、ユーザ４はバーチャル画像５を見ることができる。バーチャル画像５は、乗り物情報システム８からのデータのバーチャル画像を投影するディスプレイ３によってもたらされる。

レンズ２は、マウント１３に配置されている。このマウントは、ピボット固定点１１を介して、キャリア１４に旋回可能に取り付けられている。レンズは、第１の非アクティブな収容状態であるときに、ハウジング６内に位置する。キャリア１４は複数のローラ１２を有し、これが、走行溝１０における自由な動きを可能にする。走行溝１０は、弧状の形状である。走行溝１０は、溝１０内の実質的に中間点に配置されている、微小物１１０を有する。その結果、キャリアは、配備構成中において、最低点（minimum point）に位置する。キャリアが弧状部を通じて動くときに、レンズ２の中心線９は、ユーザ４（及びディスプレイ３）から一定の距離に留まる。弧状部内におけるキャリアの動きは、乗り物の何等かの動きの影響を小さくすることを可能にする。その結果、視線１５がレンズ９の中心を実質的に通るときに、バーチャル画像５が視界に留まる。

キャリア１４を回転（rotate）及び回動(traverse)させ、従って、結合器２を直立及び旋回させるように、サーボモータ（示されていない）によって、引き出しコード７が動作させられ得る。引き出しコードは、ピボット固定部の周りに配置されているプーリに取り付けられ(図４)、その結果、プーリは、(収容されている)水平な位置から、（アクティブな）実質的に垂直な位置へ、マウント１３を動かす。

図２ａ、ｂ、及びｃは、レンズ２２の単純化された概略図を示しており、２ａ）の非アクティブな収容状態では、ピボット固定点２１は、レンズ２２の底部に位置する。図２ｂは、レンズが、ほぼ直角Θ°、一般に８０乃至１００°の範囲内、一般に８５°に到達していることを示している。図２ｃは、弧状部を通じてのマウント（示されていない）の動きによって、レンズ２９の中心点を、空間中において、従ってユーザ／ディスプレイ（示されていない）に対して、実質的に固定されたままに留めることができることを明らかに示している。

図３は、キャリア３８の側面図を示している。溝３０内におけるローラ３９の動作によって、キャリア３８を摺動させることができる。プーリに力Ｆが加えられない又は加えられる力Ｆが不十分である場合に、レンズを水平な位置に保持するように、捩じりばね３５が、プーリ(示されていない)に取り付けられている。力Ｆが加えられていない又は加えられている力Ｆが不十分である場合に、引っ張りばね３４は、キャリア３８を保持された位置（示されている）に保持する。コード３７に対して力Ｆを加えると、プーリ（示されていない）を介してキャリア３８に作用する。捩じりばね３５の剛性は、（キャリア３６に取り付けられている）引っ張りばね３４の剛性よりも小さい。従って、プーリに力が加えられると、先ず、捩じりばねが打ち負かされ、レンズ３２を実質的に垂直なアクティブな位置に直立させることになり、レンズの更なる動きを防ぐ。アクティブな位置は、エンドストップ３１の使用によって範囲を定められている。更なる力がコード３７（従って、プーリ）に加えられ、引っ張りばね３４に打ち勝つと、キャリアは、弧状に、即ち走行溝３０内を動く。従って、引っ張りばね３４とサーボモータとの力のバランスをとることによって、キャリアは動かされる。

キャリアから力が取り除かれると、キャリアは、その収容構成に戻り、レンズ３２は非直立位置をとる。

図４は、ピボット固定部４６の一体部分を形成しているプーリ４９を備えた、キャリア４８のクローズアップを示している。エラスティックのような、弾性手段４５が、プーリと接触し、リンクコード４７からの力がないときに、プーリがバイアス状態に留まって、レンズ（示されていない）を非アクティブ又は収容状態に保つ。コード４７に対する十分な力が、プーリ４９を回転させ、エラスティック４５に打ち勝ち、プーリ、従ってマウントを回転させ、レンズをアクティブな位置に動かす。

図５は、ハウジング５６の溝５７内のキャリア５８をクローズアップした概略図を示している。弾性手段５５（エラスティックコード、ゴムコード、又はばね）は、アンカーポイント（anchor point）５９においてキャリア５８に取り付けられ、コードの末端部においてマウント５５ａに取り付けられている（又は、実際には単にハウジング５６に接続されている）。弾性手段５５は、連結コード５７に力が加えられていない場合に、キャリアが収容位置に戻ることを保証する。エラスティック、ゴム、ばね、等であるかにかかわらず、弾性手段の使用は、１つのサーボモータを使用して、キャリア、従ってレンズの配備及び動きを制御することを可能にする。

図６には、ユーザ６４の視線６７に表示されるバーチャル画像を与えるディスプレイ６３を具備するディスプレイデバイス６９が提供されている。ディスプレイ６３は、例えば、車のダッシュボード、衛星ナビゲーション、又はエンタテインメントシステムのような、乗り物の情報システム６８からのビジュアルデータを出力する。

ディスプレイ６３は、画像を部分反射結合器６１に投影する。部分反射結合器６１は、ユーザ６４から遠く離れた、乗り物のウィンドスクリーン６２の外部に、バーチャル画像６５を提供する。結合器６１の使用は、部分反射表面として乗り物のウィンドスクリーン６２を使用する必要を排除し、従って、乗り物のウィンドスクリーンの光学特性を事前に考慮することなく、ディスプレイデバイス６９を任意の乗り物に容易に後付けすることを可能にする。

Claims (13)

1. レンズ配備デバイスであって、
   前記レンズ配備デバイスは、
   ハウジングと、
   マウントに配置されている少なくとも１つのレンズと、
   を具備し、
   前記レンズは、
   実質的に前記ハウジング内における第１の収容構成と、
   第２のアクティブ構成と、
   をとることができ、
   前記マウントは、ピボット固定点を具備しており、
   前記ピボット固定点は、キャリアに旋回可能に取り付けられ、
   使用時に、前記レンズがその中心線に関して旋回可能であるように、前記キャリアが、前記ハウジングにおける少なくとも１本の走行溝内に配置されている、レンズ配備デバイス。
2. 前記キャリアと、マウントと、１つ以上のピボット固定点は、前記レンズの基部に配置されている、請求項１に記載のレンズ配備デバイス。
3. 前記走行溝は、弧状である、請求項１又は２に記載のレンズ配備デバイス。
4. 前記走行溝は、弧状であって、弧状部の実質的に中間点において微小物を有する、請求項３に記載のレンズ配備デバイス。
5. 前記キャリアは、前記走行溝との迅速な可動係合を提供する低摩擦ランニングギアを具備する、請求項１乃至４の何れか１項に記載のレンズ配備デバイス。
6. 前記低摩擦ランニングギアは、スライダ、ホイール、又はラックアンドピニオン構成から選択される、請求項５に記載のレンズ配備デバイス。
7. 前記走行溝は、内側走行溝であり、
   前記キャリア上の前記走行溝は、前記内側走行溝内を走っている、請求項５又は６に記載のレンズ配備デバイス。
8. 前記キャリアは、電気モータに動作可能にリンクされる、請求項１乃至７の何れか１項に記載のレンズ配備デバイス。
9. キャリアは、前記レンズの実質的に垂直方向の直立を提供するために、少なくとも１つのエンドストップを具備する、請求項１乃至８の何れか１項に記載のレンズ配備デバイス。
10. 前記マウントは、少なくとも１つのプーリを具備しており、その結果、使用時において、動作可能なリンクを介しての前記プーリに対する電気モータの作用は、
    ｉ）実質的に前記ハウジング内の前記第１の収容構成から、前記第２のアクティブ構成へ、前記レンズを動かし、
    ｉｉ）前記走行溝内において前記キャリアを動かす、請求項８又は９に記載のレンズ配備デバイス。
11. 前記プーリは、前記マウントの回転を抑制する第１のバイアス手段を具備し、
    前記キャリアは、前記キャリアと、ハウジング又はマウントと、の間に取り付けられた第２のバイアス手段を具備し、
    前記第２のバイアス手段の剛性は、前記第１のバイアス手段よりも大きい、請求項１０に記載のレンズ配備デバイス。
12. 前記第１のバイアス手段は、捩じり弾性手段であり、
    前記第２のバイアス手段は、引っ張り弾性手段である、請求項１１に記載のレンズ配備デバイス。
13. 乗り物のためのディスプレイデバイスであって、
    前記ディスプレイデバイスは、
    ユーザに表示されるシステム情報を提供するディスプレイと、
    請求項１乃至１２の何れか１項に記載のレンズ配備デバイスと、
    を具備し、
    前記レンズは、部分反射結合器であって、
    前記部分反射結合器は、前記ディスプレイからの前記システム情報を拡大し、前記ディスプレイのバーチャル画像を前記乗り物の外部に提供する、ディスプレイデバイス。

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