JP2015528136A - ヘッドアップディスプレイの流体レンズ - Google Patents

Abstract

以下の発明は、ヘッドアップディスプレイ(ＨＵＤ)で使用するための、特に、ユーザに対して可変で選択可能な距離を有するアクティブなバーチャルなものをＨＵＤに提供するための、改善されたレンズ装置に関する。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、少なくとも１つのディスプレイと、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アクティブな一次バーチャル画像を提供する、部分反射結合器と、アクティブな一次バーチャル画像を提供するために、少なくとも１つのディスプレイと前記部分反射結合器との間に配置されている、少なくとも１つの流体レンズと、を具備する。【選択図】 図２

Description

以下の発明は、ヘッドアップディスプレイ(head up display, HUD)において使用するための、特に、一次バーチャル画像を提供するための、改善されたレンズ装置に関し、ユーザからのその見掛け距離（apparent distance）をアクティブに変えることができる。

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、従って当然に変わり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、ここで使用されている用語は、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、乗り物のためのディスプレイデバイスであって、
ユーザに表示されるシステム情報を提供する、少なくとも１つのディスプレイと、
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アクティブな一次バーチャル画像を提供する、部分反射結合器と、
アクティブな一次バーチャル画像を提供するために、少なくとも１つのディスプレイと前記部分反射結合器との間に配置されている、少なくとも１つの流体レンズ（fluidic lens）と、
を具備する、ディスプレイデバイスが提供される。

部分反射結合器は、スタンドアロンデバイスであってもよく、又は乗り物の船又は航空機（vehicle vessel or craft）におけるフロントガラス（windscreen）であってもよい。フロントガラス上へ直接的に画像を投影すると、バーチャル画像がユーザの目線に現れることを確実にするために、ディスプレイの特定の位置合わせ（alignment）が必要であり得る。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、人であるか、或いはより明確には、人の目線又は視線である。

部分反射結合器は、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、可視領域において典型的に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、好ましくは、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。

結合器の曲率半径は、３００ｍｍ乃至１０００ｍｍ、好ましくは４００ｍｍ乃至７００ｍｍの範囲にあり得る。

ディスプレイは、流体レンズから１ｍｍ乃至１００ｍｍの範囲における距離に配置され得る。流体レンズは、結合器に対して１ｍｍ乃至５００ｍｍの範囲、より好ましくは１００乃至３００ｍｍ、更により好ましくは１５０ｍｍ乃至２５０ｍｍの範囲における距離に配置され得る。結合器は、ユーザから３００ｍｍ乃至１２００ｍの範囲、より好ましくは７００ｍｍ乃至９００ｍｍの範囲における距離に配置され得る。

少なくとも１つのディスプレイ及び更なるディスプレイは、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。

結合器は、反射防止コーティングを具備してもよく、これは、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のフィルタを具備してもよく、技術的に知られているように、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。典型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（２．０−２．５）と低屈折率（１．３８−１．４６）との層から構成され得る。典型的な高屈折率材料は、Ｔａ_２Ｏ_５と、ＴｉＯ_２と、Ｎｂ_２Ｏ_５と、ＺｒＯ_２と、ＳｉＮとを含み、低屈折率材料は、主にＳｉＯ_２とＭｇＦ_２とである。４分の１波長（quarter-wave, QW）の厚さの層を提供するように、コーティングを付着させてもよい。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。

流体レンズは、可変フォーカスレンズを提供し、これは、ユーザからのアクティブな一次バーチャル画像の見掛け距離を変更するように作用することができる。流体レンズの倍率（power）は可変であり、３乃至１０、より好ましくは４乃至７の範囲にあり得る。

流体レンズは、光学的に透明な空洞（cavity）と、光学的に透明な軟質隔膜（flexible membrane）によって空洞内に収められた透明な液体と、を具備し得る。焦点距離における前記変化を与えるようにレンズを制御可能に変形させることによって、その表面形状（profile）(従って、流体レンズの焦点距離)が変わり得る。

流体レンズは、幾つかの手段によってその焦点距離の変化を引き起こされ得る。これは、空洞内の液体に可変圧力を加えることによって達成され得る。その代わりに、流体レンズの空洞の少なくとも１つの壁を形成している光学的に透明な圧電素子を使用し、圧電素子の選択された部分にエネルギを与えることで、空洞の形状を変化させることによって、流体レンズの光学的性質が変わり得るようにすることにより、空洞の形状を変化させてもよい。

流体レンズは、機械によって動く部分（mechanical moving part）をほとんど有していない。従って、機械による動きを使用せずに、即ち、従来の鏡又はレンズを物理的に動かして、前記鏡及び／又はレンズとディスプレイとの間の、或いは結合器に対する、距離を変化させるサーボモータを使用せずに、焦点距離の変化が容易に達成される。従って、流体レンズは、機械システムと比較して、非常にコンパクトで丈夫である。

好ましくは、アクティブなバーチャル画像は、５００ｍｍ乃至１００ｍの範囲における距離（Ｖ）に投影されてもよく、その結果、そのバーチャル画像が乗り物の外部に現われ、フロントガラスを通して見える景色中の実際の特徴と一致する位置にそのバーチャル画像を置くことができる。景色は、任意の土地（terrain）、海、又は更に空であってもよく、特徴は、景色の中の何等かの認識できる外観（aspect）である。特徴は、曲がり角（turning）、ジャンクション、局部的な危険要素（local hazard）のような、道路網の一部分であり得るか、又は、これは、危険要素を回避するために、好ましい通路又はルートへの誘導を提供するように、オフロードの土地を横切る通路を定め得る。

流体レンズは、可変フォーカスレンズを提供し、これは、ユーザからのアクティブな一次バーチャル画像の見掛け距離を変更するように作用することができる。システム情報は、少なくとも１つのディスプレイから結合器を介して投影され、可変距離のアクティブな一次バーチャル画像を提供する。バーチャル画像は、提供されたシステム情報に応じて、結合器からの選択された距離を有し得る。アクティブな一次バーチャル画像が、５０又は１００メートルまでも離れた関心のある地点に実際に配置されているように見えるように、流体レンズは、アクティブな一次バーチャル画像がユーザに対して正しい距離に配置されることを可能にする。ディスプレイが、（深度（depth）の錯覚を与えるために）流体レンズなしに、より小さな一次バーチャル画像を単に提供しただけである場合は、前記画像は、ユーザから固定距離に現われ、従って、人間の両眼視は、フロントガラスを通して見たときに、実際の場面と共にバーチャル画像を処理することができないであろう。流体レンズは、リアルタイムの方向をユーザに提供するように、アクティブな一次バーチャル画像が特定の特徴、路面標示（road marking）、等をリアルタイムでアクティブに追跡することを可能にする。

非常に好ましい構成では、アクティブな一次バーチャル画像は、例えば、矢印、ポインタ、マーカ、指示キャラクタ（indicative character）のような、インジケータである。非常に好ましい構成では、インジケータは、ナビゲーションシステムの一部分であり、これは、ユーザの視界内において三次元で移動し、投影されたデータマップの範囲内ではなく、前方に向かって実際の道路を指す又は指示するために現れるインジケータを投影し提供する。オプションで、ビームスプリッタを介して第２のディスプレイによって提供される、データで生成された地図（data generated map）を提供してもよく、これは、実際の土地、道路網にオーバーレイする（overlay）第２のバーチャル画像を更に提供する。

使用時に、インジケータが、正しいジャンクション、曲がり角、又は通るべき一般に好ましい方向を指すことができるように、ユーザからのインジケータの見掛け距離は動かすことができる。更に、インジケータは、前記ジャンクション、方向、又は曲がり角に対する、乗り物、船、又は航空機の相対的な位置に応じて、例えば、サイズ、形状、透明度（transparency）、又は色のような、任意の美感の変化のような、外見を変化させてもよい。

ディスプレイデバイスは、ビームスプリッタを介して光学的にリンクされる第２のディスプレイを具備してもよく、その結果、一次及び二次ディスプレイの両者は、ビームスプリッタを介して両者とも投影する。従って、ビームスプリッタは、二次バーチャル画像を提供するために、部分反射結合器を介して第２の画像の投影を可能にする。好ましくは、二次バーチャル画像は、ユーザからの固定距離に提供される。二次バーチャル画像は、例えば、容易に見ることができる、現在の速度、制限速度、危険要素、ジャンクション情報、又は任意の補助情報を提供するために、ナビゲーション又は乗り物内の他のシステムに関係し得る、システム情報から、更なるデータを表示し得る。更なる実施形態では、二次ディスプレイは、アクティブな二次バーチャル画像を提供するために、ディスプレイとビームスプリッタとの間に配置されている流体レンズを更に有し得る。更なるディスプレイ又は情報システムが考えられる。

少なくとも１つのディスプレイと第２のディスプレイは、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又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ず、従って、システム情報は、２つのディスクリートなメッセージ、典型的には、警告二次バーチャル画像として、オーバーレイされ又は提供され得る。

好ましい構成において、２つのバーチャル画像間の間隔ΔＶは、３０ｍｍ乃至１００ｍの範囲において選択され得る。これは、アクティブな一次バーチャル画像と二次バーチャル画像とを提供する。後者は、ユーザにかなりより密接し、従って、例えば、警告メッセージ、コンポーネントの故障、危険要素の検出、道路情報、速度、ジャンクション又は曲がり角の名前、等のような、より大きな重要性を有するシステム情報を提供するのに役立ち得る。

色において、アクティブな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。

インジケータは、乗り物の連続移動と共に、景色の特徴を連続的に移動してこれにマップすることができる。これは、流体レンズの焦点距離を変化させることで、ユーザからのバーチャル画像の距離を変更するディスプレイデバイスによって達成される。

本発明の更なる態様によると、景色において乗り物のユーザにナビゲーションを提供する方法であって、前記乗り物のヘッドアップディスプレイにおいて、少なくとも１つのインジケータの、乗り物のシステム情報からの、画像を、ここに規定されているディスプレイデバイスから表示すること、を具備し、インジケータが、乗り物内から、インジケータのバーチャル画像のユーザに、景色中の特徴に存在する実際のオブジェクトであるように見えるようなやり方で、前記インジケータは、ユーザに方向を提供するために、前記景色中の前記特徴の上にバーチャル画像として重ねられ、前記ディスプレイデバイス内の流体レンズは、前記特徴と同じ距離にインジケータを提供する、方法が提供される。

乗り物のためのルートを決定し、インジケータが景色上の特徴に配置されているようにユーザに見えるようなやり方で、ヘッドアップディスプレイを制御するデータを計算し、乗り物が移動している場合でさえ、インジケータが景色中の特徴に対して実質的に静止しているように観察者に見えるようなやり方で、計算することを連続的な時間間隔で繰り返す、方法が更に提供される。

使用の好ましい方法において、乗り物が景色中の特徴に近付くのに従って、インジケータは外観を変化させる。

ここで、本発明の実施形態を、ほんの一例として、添付の図面を参照して記載する。

図１ａは、乗り物のためのヘッドアップディスプレイの概略図を示している。 図１ｂは、乗り物のためのヘッドアップディスプレイの概略図を示している。 図２は、２つのディスプレイを備えたヘッドアップディスプレイを示している。 図３は、配備デバイス（deployment device）におけるヘッドアップディスプレイを示している。 図４は、市街地の景色の上にオーバーレイされたバーチャル画像の概略図を示している。

図１ａを参照すると、ユーザ４の視線７に表示されるアクティブなバーチャル画像２ａを提供する、ディスプレイ３を具備する、ディスプレイデバイス９が提供されている。ディスプレイ３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、乗り物情報システム８からの画像６を出力する。

ディスプレイ３は、倍率（magnification）の第１のレベルに設定された流体レンズ５ａを介して、画像６を投影する。これは、その後で、部分反射結合器（フロントガラス）１に向けられる。これは、ユーザ４から離れて、乗り物（示されていない）の外部に、アクティブなバーチャル画像２ａを提供する。

部分反射結合器１の使用は、部分反射表面（partially reflective surface）のような乗り物のフロントガラスを使用する必要を排除し得るので、乗り物のフロントガラスの光学的性質を事前に考慮せずに、ディスプレイデバイス９を任意の乗り物に容易に後付けすることを可能にする。

図１ｂは、第２の倍率に変更された流体レンズ５ｂを示している。これは、画像６がアクティブなバーチャル画像２ｂとして投影されることを可能にする。これは、アクティブなバーチャル画像２ａと比較して異なる距離にあるように、ユーザ４に見える。

図２は、乗り物情報システム１８から２つのディスプレイ１３ａ、１３ｂを使用する光路図を提供している。一次ディスプレイ１３ａは、アクティブなバーチャル画像１２ａを、名目上、矢印の形状で提供する。ディスプレイ１３ａは、乗り物情報システムから画像１６ａを生成し、これは、アクティブな又は制御された倍率を提供する流体レンズ１５を介して投影され、その後で、光がビームスプリッタ２０を通過し、これは、光を乗り物(示されていない)のフロントガラス１１に向け、アクティブなバーチャル画像１２ａを形成する。アクティブなバーチャル画像１２ａは、前記ユーザ１４の目線１７ａに沿って動かされ得る。その結果、これは（図１に示されているように）ユーザ１４に対して異なる距離に現れる。情報システム８は、第２の画像１６ｂ、即ち、名目上、乗り物の速度又は道路の名前を提供してもよく、この画像は、ビームスプリッタ２０及びフロントガラス１１を通過し、固定焦点距離のバーチャル画像１２ｂを提供し、これは、ユーザ１４の目線１７ｂに固定され続けるように現れる。

図３には、配備ハウジング３６に結合器３１を具備するＨＵＤシステム３０が提供されている。結合器は、使用時に、示されているアクティブな位置に配備され得る。その結果、ユーザ３４は、バーチャル画像３２を見ることができる。これは、ディスプレイ３３が、乗り物情報システム３８からのデータの画像を、流体レンズ３５を介して、結合器上へ投影することによってもたらされる。結合器３１を上げたり下げたりするために、引き出しコード３７がサーボモータによって動かされ得る。非アクティブな位置では、結合器は、示されている位置に対して実質的に直交する位置にある。

図４は、実際の道路のレイアウト４０ａ−４０ｃの概略図の３つの時間フレームを示している。ユーザ(示されていない乗り物のドライバ)は、フロントガラスを通して、前方に向かって道路のレイアウト４０ａを見るであろう。乗り物情報システム(衛星ナビゲーション)は、図２に関連して記載されているような矢印４２ａをバーチャル画像として提供するであろう。これは、事前にプログラムされている望ましいジャンクション４１ａにオーバーレイする。同時に、情報システムは、場所情報、ジャンクションまでの距離、又はジャンクションの名前のような、二次バーチャル画像４３ａを表示し得る。

乗り物がジャンクション４１に近付くのに従って、バーチャル画像の矢印４２ｂのサイズが大きくなり、更に、ユーザにより接近し、付随的に、乗り物とジャンクションとの間の距離をドライバに伝えるために、場所情報４３ｂが更新される。流体レンズの焦点距離を絶えず変更するディスプレイデバイスによって、矢印４２ｂは、連続的に移動し、乗り物の移動にマップすることができる。

乗り物がジャンクション４１への最終接近時にあるときに、矢印４２ｃは、サイズを再び大きくし、色の変化、透明度における変化、又は他の美感の変化のような、他のインジケータがあり得る。これは、それが通るべきジャンクションであること、付随的に、乗り物とジャンクションとの間の距離をドライバに伝える、場所情報４３ｂの更新を、ドライバに知らせる。

複雑な道路のレイアウトがある場合、複数のレーン及び曲がり角がある場合、ユーザの目線から外れていることが多い、コンピュータで生成された地図（computer generated map）を見ることなく、実際の道路網上に直接にバーチャル画像を使用することによって、方向情報のオーバーレイが、明瞭で、曖昧でない方向を提供するので、このシステムが非常に有益であることが分かった。

Claims (10)

1. 乗り物のためのディスプレイデバイスであって、
   ユーザに表示されるシステム情報を提供する、少なくとも１つのディスプレイと、
   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アクティブな一次バーチャル画像を提供する、部分反射結合器と、
   前記アクティブな一次バーチャル画像を提供するために、前記少なくとも１つのディスプレイと前記部分反射結合器との間に配置されている、少なくとも１つの流体レンズと、
   を具備する、ディスプレイデバイス。
2. 前記部分反射結合器は、負メニスカスレンズである、請求項１に記載のディスプレイデバイス。
3. 前記流体レンズと前記部分反射結合器との間に配置されているビームスプリッタと、第２のディスプレイと、があり、
   前記第２のディスプレイは、二次バーチャル画像を提供する、請求項１又は２に記載のディスプレイデバイス。
4. アクティブな二次バーチャル画像を提供するために、前記第２のディスプレイと前記ビームスプリッタとの間に配置されている更なる流体レンズがある、請求項３に記載のディスプレイデバイス。
5. 前記二次バーチャル画像は、前記アクティブな一次バーチャル画像の手前に現われる警告又は危険情報を提供するために選択される、請求項１乃至４の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
6. 前記二次バーチャル画像とアクティブな一次バーチャル画像は、２００ｍｍ乃至６００ｍｍの範囲における距離によって分離される、請求項１乃至５の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
7. 前記ディスプレイは、狭帯域の赤と、緑と、青とのＬＥＤ源によって照らされる、リキッドクリスタルオンシリコン（ＬＣＯＳ）デバイスから選択される、請求項１乃至６の何れか１項に記載のディスプレイデバイス。
8. 景色において乗り物のユーザにナビゲーションを提供する方法であって、
   前記乗り物のヘッドアップディスプレイにおいて、少なくとも１つのインジケータの、前記乗り物のシステム情報からの、画像を、ここに規定されているディスプレイデバイスから表示すること、を具備し、
   前記インジケータが、前記乗り物内から、前記インジケータのバーチャル画像のユーザに、前記景色中の特徴に存在する実際のオブジェクトであるように見えるようなやり方で、前記インジケータは、前記ユーザに方向を提供するために、前記景色中の前記特徴の上にバーチャル画像として重ねられ、
   前記ディスプレイデバイス内の流体レンズは、前記特徴と同じ距離に前記インジケータを提供する、方法。
9. 前記乗り物のためのルートを決定することと、
   前記インジケータが前記景色上の特徴に配置されているように前記ユーザに見えるようなやり方で、前記ヘッドアップディスプレイを制御するデータを計算することと、
   前記乗り物が移動している場合でさえ、前記インジケータが前記景色中の前記特徴に対して実質的に静止しているように観察者に見えるようなやり方で、前記計算することを連続的な時間間隔で繰り返すことと、
   を更に具備する、請求項８に記載の方法。
10. 前記乗り物が前記景色中の前記特徴に近付くのに従って、前記インジケータは外観を変化させる、請求項９に記載の方法。

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