JP2018530771A - コンパクトなヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Abstract

本発明は、画像（７）を表示面（２）に表示するように構成された画像生成器（９）と、前記画像生成器（９）から距離を置いて配設された、典型的にはフロントガラスである半反射光学要素（３）であって、前記画像生成器（９）の前記画像（７）の虚像（４）を、前記光学要素（３）の第一側において形成する半反射光学要素（３）と、を備えた特に自動車両用のコンパクトなヘッドアップディスプレイ（１）であって、前記虚像（４）は、前記光学要素（３）の第２側に配置されたビューウィンドウ（５）から見ることができる、ヘッドアップディスプレイ（１）に関する。前記コンパクトなディスプレイ（１）は、典型的にはペンタプリズムである光学部品（１０）を備え、前記光学部品（１０）は、前記画像生成器（９）からこれを通過して前記光学要素（３）に向かう前記画像（７）の光路を延長し、前記光学部品（１０）は、第１反射面（１５）及び第２反射面（１６）とともに、少なくとも１つの入射面（１４）と１つの出射面（１７）とを備える。前記第１反射面（１５）は、前記入射面（１４）からの前記画像を前記第２反射面（１６）に向けて反射し、前記第２反射面（１６）は、前記第１反射面（１５）からの前記画像（７）を前記出射面（１７）に向けて反射し、前記入射面（１４）は、更に、前記画像生成器（９）の前記表示面（２）に対して実質的に接触している。前記画像生成器（９）と前記光学部品（１０）とは一体的に移動する。

Description

本発明は、特に自動車両用のコンパクトなヘッドアップディスプレイに関する。

ヘッドアップディスプレイの機能は、一般的に言えば、例えば飛行機のパイロットの視界に情報を重ね合わせて、操縦、ナビゲーション、又は任務遂行を支援することである。これにより、パイロットは、車載機器により提供された情報を読み取りつつ、同時に周囲環境を観察することができる。近年、このようなディスプレイは、自動車部門においても利用されている。

このような装置は、画像生成器と、生成器の画像の虚像を形成するように構成された半反射光学要素と、を備えている。虚像は、ドライバ又はパイロットの視界において周囲環境に重ね合される。車両のフロントガラスを、虚像を形成する半反射光学要素として使用することも可能である。特に歪に関する問題を回避するため、このような装置の技術的特性は、光学要素の道路及びドライバに対する位置に、そして光学要素に対する像の入射角に特に関わりがある。

自動車産業界において公知の画像生成器は、１以上の光源と、光源からの光線を受光するピクセル化マトリックスと、を備える。マトリックスは、光線を伝達又は反射して、画素により形成された画像を提供する。各画素は個別に制御され、入射光が画像に関与する「開放」と称される位置か、又は入射光が表示された画像に関与しない「閉鎖」と称される位置のいずれかを取り得る。このようにして、開放画素に応じて画像が構成される。レーザースキャンも画像を形成するための手段として使用され得る。

種々のタイプのマトリックスが存在するが、特に、光透過モードで動作する、換言すれば光源からの光線が、光源と光学要素との間に配設されたマトリックスを通過するＴＦＴ（薄膜トランジスタ（“Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ”））タイプのトランジスタのマトリックスが存在する。ＬＣＯＳ（液晶ｏｎシリコン（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ））タイプのマトリックスや、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラーデバイス（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ））タイプのマイクロミラーのマトリックスも知られており、これらは光学要素に向かう光線の反射により動作する。

観察者は、虚像を光学要素を介して見る。虚像は光学要素の一側に出現する一方、観察者は光学要素の他側に位置している。また、観察者の目は、通常「アイボックス」と称されるビューウィンドウ内に位置しなければならない。ビューウィンドウの位置は、光学要素に対する虚像の位置によって規定される。したがって、ビューウィンドウの外側において虚像を見ることはできない。

簡潔を期すために、一般的に言えば、ディスプレイは車両の内部に以下のようにして配設される。画像生成器は、画像を半反射光学要素に向けて反射するミラーとともにダッシュボードに配置される。光学要素は、フロントガラスの近傍において、ドライバの視界内に位置するようにしてダッシュボードに配設される。

しかしながら、マトリックスのサイズは限られている一方で、他方では虚像はドライバからおよそ２メートルおいて出現する必要があることを考慮すると、画像生成器は、虚像を十分に大きくするように光学要素から最短距離において配置されなければならない。したがって、光学要素までの画像の光路は、最小の長さを有している。このため、ディスプレイのこのようなレイアウトは、ダッシュボードの厚さにおいてかなり大きいスペースを占めることとなる。

したがって、本発明は、画像の光路の十分な長さを保ちつつ、画像生成器を拡大したり光学要素を変更したりすることを必要としないコンパクトなヘッドアップディスプレイを得ることを目的とする。

この目的のために、本発明は、画像を表示面に表示するように構成された画像生成器と、前記画像生成器から距離を置いて配設された半反射光学要素であって、前記画像生成器の前記画像の虚像を、前記光学要素の第１側において形成するように構成された半反射光学要素と、を備えた特に自動車両用のヘッドアップディスプレイであって、前記虚像は、前記光学要素の第２側に配置されたアイボックスから見ることができる、ヘッドアップディスプレイに関する。

本ディスプレイは、それ（ディスプレイ）が光学部品を備え、前記光学部品は、前記画像生成器からこれ（光学部品）を通過して前記光学要素に向かう前記画像の光路を延長するように構成され、前記光学部品は、第１反射面及び第２反射面とともに、前記画像用の少なくとも１つの入射面と１つの出射面とを備え、前記第１反射面は、前記入射面からの前記画像を前記第２反射面に向けて反射するように構成され、前記第２反射面は、前記第１反射面からの前記画像を前記出射面に向けて反射するように構成され、前記入射面は、更に、前記画像生成器の前記表示面に対して実質的に接触している、という点で注目に値する。

したがって、この光学部品によって、画像生成器と半反射光学要素との間の画像の光路は、これ（光学部品）を通過することで延長される。反射面は、光学要素の内部における光路が、光学要素をまっすぐに通過する場合に対して２倍を超えるような態様で画像を反射する。

従って、本発明は、画像生成器と半反射光学要素との間の距離がより短縮されているため、よりコンパクトなディスプレイを得ることを可能とする。この短縮は、ディスプレイが光路に必要な長さを保持することを可能にする光学部品によって補償される。

更に、光学要素とその入射面及び出射面の配置に応じて、光路は、光学部品への入口における配向に関して、出口において異なる態様で配向され得る。このため、画像生成器を半反射光学要素の軸に位置付けることは必ずしも必要でない。

組合わせて又は単独で採用され得る本発明の種々の実施形態によれば、
−面は、光学要素の外縁において、第１反射面、入射面、出射面、そして第２反射面という態様において横方向に順序付けられる、
−画像生成器と光学部品とは一体的に移動する、
−画像生成器と光学部品とは、光学接着剤により組み付けられる、
−光学部品は、追加の側面を備えるペンタプリズムである、
−追加の面は、第１及び第２反射面の間に配置される、
−ディスプレイは、ビューウィンドウを鉛直方向において調整するために、光学部品を移動させるように構成された機械的手段を備える、
−機械的手段は、ビューウィンドウを横方向において調整するために、光学部品を移動させるように構成される、
−出射面は、前記ディスプレイを閉鎖するウィンドウを形成する、
−出射面は、凸又は凹形状を有する、
−光学要素は、半反射プレートである、
−光学要素は、車両のフロントガラスの一部である、
−画像生成器は、光線を発するように設計された少なくとも１つの光源と、光線を利用して虚像を形成するように構成されたピクセル化マトリックスと、を備える、
−ピクセル化マトリックスは、薄膜トランジスタのマトリックスである、
−ピクセル化マトリックスは、マイクロミラーのマトリックスである、
−ディスプレイは、光学部品から光学要素に向けて出射される、画像生成器の画像を反射するように配設された少なくとも１つのミラーを備える。

本発明は、これを制限する意図なく例示としてのみ呈示される以下の説明を添付図面とともに参照することによってより良く理解されるであろう。

本発明によるディスプレイの一実施形態を概略的に示す図。 画像の光路とともに示されるペンタプリズムの概略断面図。 湾曲した出射面を有するペンタプリズムの概略断面図。

図１は、例えば自動車両用のヘッドアップディスプレイ１の作用を示す。ディスプレイ１は、図２により詳細に示すように、画像７を表示面２に表示するように構成された画像生成器９を備えている。画像生成器９は、例えば、光線を発するように設計された少なくとも１つの光源１１と、当該光線を利用して画像７を形成するように構成されたピクセル化マトリックス１２と、を備える。光源１１は、例えば、生成器の一部に配置された発光ダイオードである。生成器は、その出射面に、例えばＴＦＴタイプのピクセル化マトリックス１２を備える。このようにして、ダイオードは、画像７を透過モードにおいて画像生成器９の表示面２に形成するマトリックス１２に向けて発光する。画像生成器９は、例えば、実質的に矩形の像を形成するように構成される。

図１において、ディスプレイ１は、また、画像生成器から距離を置いて配設された半反射光学要素３であって、表示面２の画像７の虚像４をこの光学要素３の第１側において出現させる半反射光学要素３を備えている。虚像４は、観察者が光学要素３の他側に位置しながら光学要素３を眺めたときに、彼／彼女に見えるようになっている。図１に示すように、画像７は、光学要素３の面の一部８により観察者６の方向に反射される。画像７の経路が矢印１９、２０により表されている。このように、光学要素３は、画像７の虚像４を形成し、これ（虚像４）は第１側において光学要素３から一定の距離を置いて出現する。

観察者６は、光学要素３の第２側にいなくてはならない。そして、彼／彼女の眼が、光学要素３の第２側に配置された「アイ・ボックス」としても知られるビューウィンドウ５内にあれば、虚像４が見える。ビューウインドウ５の寸法は、画像７を反射する光学要素３の面の一部８の形状により規定される。

このようにして、光学要素３により、観察者６は、虚像４を見ることができるとともに、光学要素３を見通すことができる。光学要素３の第２側に位置する観察者にとって、虚像４は、彼／彼女の視野内において、光学要素３を通して見える周囲環境に重ね合される。ここで、光学要素３は、半反射プレートである。

車両で使用されるディスプレイの図示しない他の実施形態において、フロントガラスの一部が半反射光学要素として使用される。この目的のために、フロントガラスを半反射光学要素として使用できるように、ディスプレイの残りの部分はダッシュボード内に配設される。この場合、画像をフロントガラスの一部に向けて反射するように、ミラーが画像の光路に配設され得る。

図示しない一変形例において、光学要素は、虚像を光学要素から一定の距離を置いて出現させながら、周囲環境に適切に重ね合せて観察者の視野に出現させることを目的として、屈折力を有するように湾曲を有する。屈折力は、光を収束又は拡散させる光学システムの能力を決定する物理的特性である。これは、システムの出口において眼が像を見る角度と物体のサイズとの割合に等しい。したがって、屈折力は、虚像のサイズが調整されることを許容する。

本発明によれば、ディスプレイ１は光学部品１０を備える。光学部品１０は、画像生成器９からこれ（光学部品１０）を通過して光学要素３に向かう画像７の光路を延長するように構成されている。ここで、光学部品１０は、ペンタプリズム（五角プリズム）である。ペンタプリズムは、２つの平行な端面間に含まれる５つの側面を備える。図面において、ペンタプリズム１０は断面図において示され、この断面は端面に対して平行であり、これによりその側面１４乃至１８がセグメントにより図示されている。正規直交基準フレーム（Ｏ、ｘ、ｙ、ｚ）により、端面及び断面が平面（ｙＯｚ）にあり、側面が方向Ｏｘにおいて延在していることが示されている。

図２に示すように、ペンタプリズム１０は、第１反射面１５及び第２反射面１６とともに、画像７の入射面１４と出射面１７とを備える。ペンタプリズムの入射面１４は、光学的損失を回避するように、画像生成器９の表示面２に対して実質的に接触している。ペンタプリズム１０の側面は、その外縁において、第２反射面１６、入射面１４、出射面１７、そして第１反射面１５という態様において順序付けられている。換言すれば、これらは当該順序において隣接している。ペンタプリズムは、第１反射面１５と第２反射面１６との間に配置された追加の面１８を有する。

ペンタプリズム１０の形状、特に側面同士の互いに対する配向は、ペンタプリズムが占めるスペースを最小とするようにして更に最適化される。

ディスプレイの画像７は、入射面１４を通り、第１反射面１５により第２反射面１６に向けて反射される。ペンタプリズム１０内での画像７の経路が、画像の２つの端部を表す矢印１９及び２０により示されている。次いで、第２反射面１６は、第１反射面１５により反射された画像７を、出射面１７に向けて反射する。

ビューウィンドウ５の位置を調整するために、ディスプレイ１は、ペンタプリズム１０を移動させるように構成された機械的手段１３を備えている。矢印２１に示されるように、機械的手段１３は、例えばペンタプリズム１０を少なくとも１つの軸を中心として回転させるようにしてこれ（ペンタプリズム１０）に作用する。プリズムの移動により、半反射プレート３に受像された画像７の出射方向が修正され、且つ画像７を観察者６の方向において反射する面の一部８が変更される。したがって、機械的手段１３によりペンタプリズム１０が２方向において可動である場合、ビューウインドウ５は、例えば、垂直方向において（軸Ｏｚに沿って）、のみならず横方向においても（軸Ｏｘに沿って）調整され得る。

更に、画像生成器９の画像７がペンタプリズム１０の入射面１４に対して常に正しく配向されるように、且つ移動が画像の伝達の質に不利益をもたらさないように、画像生成器９とペンタプリズムとは一体的に移動する。画像生成器９は、例えば、好適な屈折率を有するとともにスプリアス反射が更に制限されることを可能にする光学接着剤によって、ペンタプリズム１０に固定される。

図３に示す一実施形態において、ペンタプリズムの出射面１７は、ディスプレイを閉鎖するウィンドウを形成している。閉鎖ウィンドウは、特に、ディスプレイのいくつかの要素を外部から保護するために使用される。したがって、本発明によるディスプレイが車両に配設されると、画像生成器９及びペンタプリズム１０は、ダッシュボードの内部に挿入される。ダッシュボードは穴部を有しているため、ペンタプリズム１０により伝達される画像は半反射プレートに到達する。公知の装置において、特定の閉鎖ウィンドウがこの穴部を閉鎖する。本実施形態において、ペンタプリズムが穴部を出射面１７により直接的に閉鎖する。

閉鎖ウィンドウに必要とされる機械的制約に対応するように、出射面１７は、図３に示すように凸又は凹形状を有する。実際に、閉鎖ウィンドウは大きな機械的強度を必要とする。また、このような湾曲は、必要な場合、画像の光学補正機能も有し得る。

Claims (13)

1. ‐画像（７）を表示面（２）に表示するように構成された画像生成器（９）と、
   ‐前記画像生成器（９）から距離を置いて配設された半反射光学要素（３）であって、前記画像生成器（９）の前記画像（７）の虚像（４）を、前記光学要素（３）の第１側において形成するように構成された半反射光学要素（３）と、
   を備えた、特に自動車両用のコンパクトなヘッドアップディスプレイ（１）であって、
   前記虚像（４）は、前記光学要素（３）の第２側に配置されたビューウィンドウ（５）から見ることができる、ヘッドアップディスプレイ（１）において、
   前記ディスプレイ（１）は、光学部品（１０）を備え、
   前記光学部品（１０）は、前記画像生成器（９）から前記光学部品（１０）を通過して前記光学要素（３）へ、前記画像（７）の光路を延長するように構成され、
   前記光学部品（１０）は、第１反射面（１５）及び第２反射面（１６）とともに、前記画像用の少なくとも１つの入射面（１４）と１つの出射面（１７）とを備え、
   前記第１反射面（１５）は、前記入射面（１４）からの前記画像を前記第２反射面（１６）に向けて反射するように構成され、
   前記第２反射面（１６）は、前記第１反射面（１５）からの前記画像（７）を前記出射面（１７）に向けて反射するように構成され、
   前記入射面（１４）は、更に、前記画像生成器（９）の前記表示面（２）に対して実質的に接触している、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
2. 前記光学部品（１０）は、当該光学要素の外縁において、第２反射面（１６）、入射面（１４）、出射面（１７）、そして第１反射面（１５）という態様において横方向に順序付けられるように構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ。
3. 前記画像生成器（９）と前記光学部品（１０）とは一体的に移動する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のディスプレイ。
4. 前記画像生成器（９）と前記光学部品（１０）とは、光学接着剤により組み付けられる、
   ことを特徴とする請求項３に記載のディスプレイ。
5. 前記光学部品（１０）は、追加の側面（１８）を備えるペンタプリズムである、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のディスプレイ。
6. 前記追加の面（１８）は、前記第１（１５）及び第２（１６）反射面の間に配置される、
   ことを特徴とする請求項５に記載のディスプレイ。
7. 前記ビューウィンドウ（５）を鉛直方向において調整するために、前記光学部品（１０）を移動させるように構成された機械的手段（１３）を備える、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のディスプレイ。
8. 前記機械的手段（１３）は、前記ビューウィンドウ（５）を横方向において調整するために、前記光学部品（１０）を移動させるように構成される、
   ことを特徴とする請求項７に記載のディスプレイ。
9. 前記出射面（１７）は、前記ディスプレイ（１）を閉鎖するウィンドウを形成する、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のディスプレイ。
10. 前記出射面（１７）は凸形状を有する、
    ことを特徴とする請求項９に記載のディスプレイ。
11. 前記出射面（１７）は凹形状を有する、
    ことを特徴とする請求項９に記載のディスプレイ。
12. 前記光学要素（３）は、半反射プレートである、
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のディスプレイ。
13. 前記画像生成器（９）は、光線を発するように設計された少なくとも１つの光源（１１）と、前記光線を利用して前記虚像（４）を形成するように構成されたピクセル化マトリックス（１２）と、を備える、
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のディスプレイ。

Images