JP2020510236A - Split exit pupil head-up display system and method - Google Patents

Split exit pupil head-up display system and method Download PDF

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Abstract

分割射出瞳(または分割アイボックス)ヘッドアップディスプレイ(HUD)システムおよび方法。本発明のHUDシステム方法は、モジュラー式HUDシステムを可能にする分割射出瞳設計方法を利用し、HUDシステムの視野サイズを、全体的なHUD体積態様を低減しながら調整することを可能にする。HUDモジュールは、高輝度小サイズの微小ピクセル撮像装置を利用して、(1つ)または複数の所与の視野ボックスセグメントサイズを有する(1つ)または複数のHUD仮想画像を生成する。HUDシステムに一体化された場合、同じ画像を表示する多数のこのようなHUDモジュールは、このような表示を可能にするHUDモジュールのアイボックスサイズよりも実質的に大きいアイボックスサイズを有する統合HUDシステムを提供する。結果として得られる統合HUDシステムの体積は、単一のより大きな撮像装置を使用するHUDシステムよりも実質的に体積が小さくなる。さらに、統合HUDシステムは、所与の所望の全HUDシステムの明るさを維持しながら、意図されるアプリケーションに適合するようにアイボックスサイズをスケーリングするために、多数のHUDモジュールから構成することができる。Split exit pupil (or split eyebox) head-up display (HUD) systems and methods. The HUD system method of the present invention utilizes a split exit pupil design method that allows for a modular HUD system, allowing the field size of the HUD system to be adjusted while reducing the overall HUD volume aspect. The HUD module utilizes a high brightness, small size, micropixel imager to generate (one) or multiple HUD virtual images with one (1) or multiple given view box segment sizes. A number of such HUD modules that display the same image when integrated into a HUD system have an integrated HUD that has an eyebox size that is substantially larger than the eyebox size of the HUD module that enables such display. Provide the system. The volume of the resulting integrated HUD system is substantially smaller than that of a HUD system using a single larger imager. In addition, the integrated HUD system may consist of multiple HUD modules to scale the eyebox size to fit the intended application while maintaining the brightness of a given desired total HUD system. it can.

Description

本発明は、技術分野本発明は、一般にヘッドアップディスプレイ(HUD)に関し、より詳細には、1つ以上の仮想画像を生成するHUDシステムに関する画像形成装置に関する。   The present invention relates generally to a head-up display (HUD), and more particularly, to an image forming apparatus for a HUD system that generates one or more virtual images.

米国特許第7,623,560号US Patent No. 7,623,560 米国特許第7,767,479号US Patent No. 7,767,479 米国特許第7,829,902号US Patent No. 7,829,902 米国特許第4,049,231号U.S. Pat. No. 4,049,231 米国特許第4,098,265号U.S. Pat. No. 4,098,265 米国特許出願公開番号2010/0066921US Patent Application Publication No. 2010/0066921 米国特許出願公開番号2012/003313US Patent Application Publication No. 2012/003313 米国特許第4,218,1号U.S. Pat. No. 4,218,1 米国特許第6,813,086号U.S. Patent No. 6,813,086 米国特許第7,391,574号U.S. Pat. No. 7,391,574 米国特許第7,391,574号U.S. Pat. No. 7,391,574 米国特許第4,613,200号U.S. Pat. No. 4,613,200 米国特許第5,729,366号U.S. Pat. No. 5,729,366 米国特許第5,553,334号U.S. Pat. No. 5,553,334 米国特許第4,629,903号U.S. Pat. No. 4,629,903

B. H. Walker, Optical Design of Visual Systems, Tutorial tests in optical engineering, published by The international Society of Optical Engineering (SPIE), pp. 139−150, ISBN 0−8194−3886−3, 2000,B. H. Walker, Optical Design of Visual Systems, Tutorial tests in optical engineering, published by the International Society of Optical Engineering, Optical Society. 139-150, ISBN 0-8194-3886-3, 2000, C. Guilloux et al, Varilux S Series Braking the LimitsC. Guillaux et al, Varilux S Series Breaking the Limits [18] M. Born, Principles of Optics, 7th Edition, Cambridge University Press 1999, Section 5.3, pp. 236−244,[18] Born, Principles of Optics, 7th Edition, Cambridge University Press 1999, Section 5.3, pp. 236-244,

自動車の運転者をより視覚的に認識させ、運転者の視線を取らずに、道路を注意することなく自動車のダッシュボード情報を知らせることにより、自動車の安全に寄与する視覚的なaide技術として、ヘッドアップディスプレイが求められている。しかしながら、現在利用可能なヘッドアップディスプレイは、大部分の自動車で使用するための実行可能なオプションであるように容積的に大きく且つ高すぎる 航空機およびヘリコプタにおけるヘッドアップディスプレイのための用途において、コスト係数がより小さいが、これらの同じ障害物は遭遇する。ヘッドアップディスプレイ自動車用途の場合、体積およびコスト制約は、広範囲の車両サイズ、タイプおよびコスト要件によってさらに悪化する。発明の開示発明が解決しようとする課題したがって、自動車、小型航空機、およびヘリコプタのような小型車両に使用するのに適した、低コストで非嵩のヘッドアップディスプレイが必要とされている   As a visual aide technology that contributes to vehicle safety by making the driver of the vehicle more visually aware, notifying the driver's gaze and notifying the dashboard information of the vehicle without paying attention to the road, There is a need for a head-up display. However, currently available heads-up displays are bulky and too expensive to be a viable option for use in most vehicles, and in applications for heads-up displays in aircraft and helicopters, cost factors Are smaller, but these same obstacles are encountered. For head-up display automotive applications, volume and cost constraints are further exacerbated by a wide range of vehicle sizes, types and cost requirements. Accordingly, there is a need for a low cost, non-bulk head-up display suitable for use in small vehicles such as automobiles, small aircraft, and helicopters.

従来技術のHUDシステムは、一般に、2種類にグループ化することができ、瞳撮像HUDおよび非瞳撮像HUD。典型的には、瞳撮像HUDは、リレーモジュールから構成される、中間像の送出及び瞳形成の原因となる光学系と、視準モジュールとを備えている、観察者の目の位置(本明細書ではアイボックスと呼ぶ)における画像のコリメーション及び瞳孔撮像に関与する 瞳結像HUDの視準モジュールは、典型的には、傾斜した曲面または平面反射体またはホログラフィック光学素子(HOE)として実現される)リレーモジュールは、典型的には、光路を曲げるために傾斜され、光学収差を補償する。非瞳撮像HUDは、ディスプレイにおける光円錐角または拡散による中間像位置によってシステム開口を画定する中間画像HUDシステムでは、中継モジュールも必要であるが、HUD開口は、コリメート光学素子のみによって決定される。コリメート光学系は、通常、軸対称性を有するが、必要な体積制約を満たすために折り返しミラーを有する。これは、収差補正の必要性およびシステムの体積態様によって決定される。   Prior art HUD systems can generally be grouped into two types: pupil imaging HUDs and non-pupil imaging HUDs. Typically, the pupil imaging HUD includes an optical system configured of a relay module, which causes transmission of an intermediate image and pupil formation, and a collimation module. The collimation module of the pupil imaging HUD is typically implemented as a slanted curved or planar reflector or holographic optical element (HOE). The relay module is typically tilted to bend the optical path to compensate for optical aberrations. Non-pupil imaging HUD defines the system aperture by the light cone angle or the intermediate image position in the display. In an intermediate image HUD system, a relay module is also required, but the HUD aperture is determined only by the collimating optics. Collimating optics typically have axial symmetry, but have folding mirrors to meet the required volume constraints. This is determined by the need for aberration correction and the volume aspect of the system.

図1−1に示したRef[8]に記載されている従来技術は、凹型hoe反射体(図(1−1)の(1)を使用している)コンバイナ及びコリメータとして、視準光学系を最小化し、HUDシステムの体積アスペクトを低減する。得られるHUDシステムは、収差を補正し、中間画像を送出するために、複雑な傾斜リレー光学系(図(1−1)では(10)を必要とする。さらに、このHUDシステムは狭いスペクトルに対してのみ機能する。   The prior art described in Ref [8] shown in FIG. 1-1 uses a collimating optical system as a concave hoe reflector (using (1) in FIG. 1-1) and a collimator. And reduce the volume aspect of the HUD system. The resulting HUD system requires complex tilt relay optics ((10) in Figure 1-1) to correct aberrations and deliver intermediate images. In addition, the HUD system has a narrow spectrum. Only works for

図1−2に示されているref[9]に記載されている従来技術は、リレー光学系(REL)を使用する)モジュールは、収束結合器(CMB)ミラー(図1−2のcmb)の焦点面に中間像を供給する)システム瞳を規定する。cmbミラーは、中間像を平行にし、観察を容易にするために、システム瞳を観察者の目に結像する。この瞳孔撮像HUDアプローチは、パッケージングおよび収差補正のための複雑なrelモジュールを必然的に含む。   The prior art described in ref [9] shown in FIG. 1-2 uses a relay optics (REL) module, and a converging coupler (CMB) mirror (cmb in FIG. 1-2). (Providing an intermediate image at the focal plane of the lens). The cmb mirror focuses the system pupil on the observer's eye to collimate the intermediate image and facilitate observation. This pupil imaging HUD approach necessarily involves complex rel modules for packaging and aberration correction.

図1−3に示したRef[10]に記載された従来技術では、投影レンズ(3)を用いて、中間像を拡散面(図1−3の拡散面(51)に投影する)と、半透明のコリメートレンズ(図1−3の(7))と、を備えている。コリメートレンズは無限遠に像を形成し、視準光学系の開口は、拡散器の角度幅によって規定される。   In the prior art described in Ref [10] shown in FIG. 1-3, an intermediate image is projected using a projection lens (3) on a diffusion surface (projected on the diffusion surface (51) in FIG. 1-3); And a translucent collimating lens ((7) in FIG. 1-3). The collimating lens forms an image at infinity, and the aperture of the collimating optics is defined by the angular width of the diffuser.

図1−4に示す従来技術は、2つの液晶ディスプレイ(LCD)からなる画像形成源を用いたものである)パネル(図1−4の23)は、中間画像を拡散スクリーン(図1−4の(5)に形成する)は、視準光学モジュール(図(1−4)の1)の焦点面に配置されている。画像形成源における2つのLCDパネルの主な目的は、形成された画像の視認性に十分な明るさを達成することである この目的を達成するために、画像形成源の2つのLCDパネルは、2つの連続する側面tを形成するように構成されるすることを特徴とする側画像は、拡散スクリーンの半画素によって水平方向および垂直方向に互いに重なり合ってシフトするように構成されていることを特徴とする   The prior art shown in FIGS. 1-4 uses an image forming source consisting of two liquid crystal displays (LCDs). A panel (23 in FIG. 1-4) displays an intermediate image on a diffusion screen (FIG. 1-4). (5) is disposed on the focal plane of the collimating optical module (1 in FIG. (1-4)). The main purpose of the two LCD panels in the imaging source is to achieve sufficient brightness for the visibility of the formed image. To this end, the two LCD panels of the imaging source are: Side images, characterized in that they are configured to form two consecutive side faces t, are characterized in that they are arranged to be shifted one above the other in the horizontal and vertical directions by half a pixel of the diffusing screen. To be

Ref[12]に記載された従来技術は、一対の反射型ホログラム光学素子(HOE)を使用する)ホログラフィック分散補正を実現し、観察者の視野内に広帯域表示源の虚像を投影する。Ref[13]に記載された従来技術はまた、1対のホログラフィック光学素子(HOE)を使用し、一方の透過性を有し、他方は反射性であり、車両のフロントガラス上に画像を投射する   The prior art described in Ref [12] implements holographic dispersion correction (using a pair of reflective holographic optics (HOE)) and projects a virtual image of a broadband display source within the field of view of the observer. The prior art described in Ref [13] also uses a pair of holographic optical elements (HOE), one of which is transmissive and the other is reflective, which renders an image on a vehicle windshield. Project

図1−図5に示されるref[14]に記載された従来技術は、画像プロジェクタ(図1−図5に示す)を使用する)は、画像を投影するように構成された車両フロントガラスの上面に、ファセット反射面(図(1−5)のファセット反射面(18)を備えた車両用ダッシュボードに取り付けられている)画像プロジェクタからの画像を車両のフロントガラス上に反射させるように構成されている。車両フロントガラス表面は、ダッシュボードファセット反射面から観察者に向かって画像を反射するように配向される   The prior art described in ref [14] shown in FIGS. 1 to 5 uses an image projector (shown in FIGS. 1 to 5) for a vehicle windshield configured to project an image. On the top surface, a facet-reflecting surface (attached to a vehicle dashboard with facet-reflecting surface (18) in figure (1-5)) configured to reflect an image from an image projector onto the windshield of the vehicle Have been. The vehicle windshield surface is oriented to reflect the image from the dashboard facet reflective surface toward the viewer

簡潔に記載された従来技術のHUDシステムと、引用された先行技術に記載されている多くの他のものとは、システムの高コストで大きな体積サイズである。加えて、発見された従来技術のHUDシステムのいずれも、広範囲の自動車および他の車両のサイズおよび価格範囲を一致させるために、サイズおよびコストを拡大することができない。したがって、本発明の目的は、単一の画像形成源を使用するHUDシステムよりも体積が実質的に小さいHUDシステムを実現するために、多数の発光マイクロスケール画素アレイ撮像装置を使用するヘッドアップディスプレイ方法を導入することである。本発明の目的は、広範囲の自動車及び小型の車両サイズ及び価格範囲に適合するようにスケーリングすることができる容積及びコストの態様を有するモジュール式HUDシステムを実現することを可能にするために、多数の発光マイクロスケールピクセルアレイイメージャを利用する新規な分割射出瞳HUDシステム設計方法を導入することである。本発明のさらなる目的および利点は、添付の図面を参照しながら、以下の好ましい実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう   The briefly described prior art HUD system and many others described in the cited prior art are the high cost and large volume size of the system. In addition, none of the discovered prior art HUD systems can increase size and cost in order to match the size and price range of a wide range of vehicles and other vehicles. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a head-up display using multiple light-emitting microscale pixel array imagers to achieve a HUD system having a substantially smaller volume than a HUD system using a single imaging source. Is to introduce a method. It is an object of the present invention to provide a modular HUD system with volume and cost aspects that can be scaled to fit a wide range of vehicles and small vehicle sizes and price ranges. And a new split exit pupil HUD system design method utilizing the light emitting microscale pixel array imager. Further objects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of preferred embodiments, with reference to the accompanying drawings.

図面の簡単な説明
以下の説明において、同様の参照番号は、異なる図面においても同様の要素に使用される。詳細な構造および設計要素などの説明において定義された事項は、例示的な実施形態の包括的な理解を助けるために提供される。しかし、本発明は特に限定されないが、本発明を実施することができる。また、周知の機能または構成は、本発明を不必要な詳細で不明瞭にするので、詳細には説明されない。本発明を理解し、どのように実施することができるかを理解するために、本発明のいくつかの実施形態について説明する、非限定的な例として、添付の図面を参照して説明する。
BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
In the following description, similar reference numbers are used for similar elements in different drawings. Matters defined in the description, such as detailed structures and design elements, are provided to aid a comprehensive understanding of the exemplary embodiments. However, the present invention is not particularly limited, but the present invention can be implemented. In other instances, well-known functions or constructions are not described in detail as they may obscure the present invention in unnecessary detail. For a better understanding of the invention and how it may be implemented, certain embodiments of the invention are described by way of non-limiting example with reference to the accompanying drawings.

従来技術のヘッドアップディスプレイ(HUD)システムを示す。HUDシステムは、コンバイナおよびコリメータとして凹型hoe反射器を使用し、コリメーションオプティクスを最小化し、HUDシステムの体積アスペクトを低減する。1 shows a prior art head-up display (HUD) system. The HUD system uses concave hoe reflectors as combiners and collimators to minimize collimation optics and reduce the volume aspect of the HUD system. リレー光学(REL)を使用する従来技術のヘッドアップディスプレイ(HUD)システムを示す)モジュールは、収束結合器(CMB)ミラーの焦点面に中間像を供給し、システム瞳を規定する。A prior art head-up display (HUD) system using relay optics (REL)) module provides an intermediate image at the focal plane of a converging combiner (CMB) mirror and defines the system pupil. 投影レンズを使用する従来技術のヘッドアップディスプレイ(HUD)システムを示す(3)拡散面上に中間像を像源として投影する。FIG. 3 shows a prior art head-up display (HUD) system using a projection lens. (3) Project an intermediate image as an image source on a diffusing surface. 液晶ディスプレイ(LCD)から構成される画像形成源を使用する、従来技術のヘッドアップディスプレイ(HUD)システムを示す)パネルは、視準光学モジュールの焦点面に配置された拡散スクリーン上に中間像を形成する。A prior art head-up display (HUD) system that uses an imaging source composed of a liquid crystal display (LCD) (shown in a panel) displays an intermediate image on a diffusing screen located at the focal plane of a collimating optics module. Form. 従来技術のヘッドアップディスプレイ(HUD)を示す)スクリーンの上面に取り付けられた画像プロジェクタを使用して、ファセット反射面を備えた車両ダッシュボード上に画像を投影するように構成された画像プロジェクタを使用するシステムであって、後者は、画像プロジェクタからの画像を車両のフロントガラス上に反射させるように構成されているシステム。Using an image projector configured to project an image onto a vehicle dashboard with faceted reflective surfaces using an image projector mounted on top of a screen (showing a prior art head-up display (HUD)) A system configured to reflect an image from an image projector onto a windshield of a vehicle. 本発明の例示的なモジュラHUD(MHUD)システムを示す図である。FIG. 1 illustrates an exemplary modular HUD (MHUD) system of the present invention. 図2のMHUDシステムの設計パラメータと制約の間の関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between design parameters and constraints of the MHUD system of FIG. 2. 図2の実施形態のMHUDアセンブリを含むHUDモジュールの光学設計面および光線トレース図を示す図である。FIG. 3 illustrates an optical design surface and a ray trace diagram of a HUD module including the MHUD assembly of the embodiment of FIG. 2. 図2の実施形態のMHUDアセンブリを含むHUDモジュールの光学性能を示す図である。FIG. 3 illustrates the optical performance of a HUD module including the MHUD assembly of the embodiment of FIG. 図2の実施形態のMHUDシステムのMHUDアセンブリ設計例の断面斜視図である。FIG. 3 is a cross-sectional perspective view of an MHUD assembly design example of the MHUD system of the embodiment in FIG. 2. 図2の実施形態のMHUDシステムのインタフェースおよび制御電子回路設計要素(ボード)の機能ブロック図を示す。3 shows a functional block diagram of the interface and control electronics design elements (boards) of the MHUD system of the embodiment of FIG. 2; 図2のの実施形態のMHUDシステムの新規な分割アイボックス設計方法を示す。FIG. 3 illustrates a novel split eyebox design method for the MHUD system of the embodiment of FIG. サブコンパクト自動車のダッシュボードに設置された図に示されたMHUDアセンブリ設計例の実際の体積を示す図である。FIG. 3 shows the actual volume of the MHUD assembly design example shown in the figure installed on the dashboard of the subcompact vehicle. 太陽光負荷を含む本発明のMHUDシステムの光線経路を示す。Fig. 3 shows the ray paths of the MHUD system of the present invention including the solar load 本発明のマルチ画像HUDシステムの実施形態における固体発光ピクセルアレイ撮像装置すなわち、表示要素)の正面図および側面図を示す、第1の画像を生成する出力を有するピクセルの奇数の行を描くステップと、第1の画像に対してほぼ下向きに投影される第2の画像を生成する出力を有する偶数行のピクセルを描写するステップとを含む。Drawing an odd number of rows of pixels having an output that produces a first image, showing a front view and a side view of a solid state light emitting pixel array imager (ie, display element) in an embodiment of the multi-image HUD system of the present invention; Depicting the even rows of pixels having an output that produces a second image that is projected substantially downwardly with respect to the first image. 本発明のマルチ画像HUDシステムの実施形態における固体発光画素アレイ撮像装置の正面図および側面図を示す、固体発光画素アレイ撮像装置(すなわち、表示素子の上側領域の画素を示す)上記のように第2の画像を生成する出力と、上記のように第1の画像を生成する出力を有する固体発光画素アレイ撮像装置の下側領域の画素とを有する。The front and side views of the solid state pixel array imager in an embodiment of the multi-image HUD system of the present invention show a solid state pixel array imager (ie, showing pixels in the upper region of the display element) as described above. 2 has an output for generating the second image, and a pixel in a lower region of the solid-state light emitting pixel array imaging device having an output for generating the first image as described above. 本発明のマルチイメージHUDシステムの実施形態の複数の光線経路を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a plurality of ray paths of an embodiment of the multi-image HUD system of the present invention. サブコンパクト自動車のダッシュボードに設置された本発明のマルチイメージHUDシステムの実施形態における低体積パッケージデザインにおける近視野仮想画像および遠視野仮想画像の公称位置を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating the nominal positions of a near-field virtual image and a far-field virtual image in a low-volume package design in an embodiment of the multi-image HUD system of the present invention installed on a dashboard of a subcompact vehicle. 複数の非テレセントリック屈折性微小光学素子を含む本発明の表示素子の側面図である。1 is a side view of a display element of the present invention including a plurality of non-telecentric refractive micro-optical elements. 複数の傾斜した屈折性微小光学素子を含む本発明の表示素子の側面図である。FIG. 2 is a side view of a display element of the present invention including a plurality of tilted refractive micro-optical elements.

本発明の以下の詳細な説明における”一実施形態”または”一実施形態”の参照は、特定の特徴があることを意味する、本発明の少なくとも(1つ)の実施形態には、実施形態に関連して説明された構造または特性が含まれる。この詳細な説明における様々な場所における”一実施形態における”という語句の出現は、必ずしも同一の実施形態を参照するものではない。   Reference to "one embodiment" or "an embodiment" in the following detailed description of the invention means that there is a particular feature in at least one embodiment of the invention. Structures or characteristics described in connection with are included. The appearances of the phrase "in one embodiment" in various places in this detailed description are not necessarily referring to the same embodiment.

最近、新しいクラスの発光マイクロスケールピクセルアレイ撮像装置が導入されてきた。これらの装置は、全ての必要な画像処理駆動回路を含む非常に小さな単一の装置サイズにおいて、高輝度、非常に高速な多色光強度及び空間変調能力を特徴とする。1つのそのようなデバイスの固体状態光(SSL)は、発光ダイオード(LED)またはレーザダイオード(LD)のいずれであってもよい)そのオン。オフ状態は、撮像装置の発光マイクロスケール。ピクセル。アレイが結合されたcmosチップ(または装置)内に含まれる駆動回路によって制御される。そのような撮像装置の発光アレイを構成するピクセルのサイズは、典型的には、約5−20ミクロンの範囲であり、デバイスの典型的な発光表面積は、約15−150平方ミリメートルの範囲にある。発光マイクロスケール。ピクセル。アレイ。デバイス内のピクセルは、典型的にはそのcmosチップの駆動回路を介して、個別に空間的、色的及び時間的にアドレス可能である。このような撮像装置によって生成される光の輝度は、適度に低い消費電力で複数の100、000cd/m2に達することができる。そのような装置の一例は、以下で説明する例示的な実施形態において参照されるQPI(登録商標)イメージャ(Ref[1−7]参照)である。しかし、QPI(登録商標)イメージャは、本発明で使用することができるデバイスのタイプの単なる例であることを理解すべきである。”QPI”はostedotechnologies、Inc.の登録商標である。以下の説明では、QPI(登録商標)撮像装置に対する任意の参考文献は、本発明における特定性のためのものであると理解されるべきである。本発明を限定する目的ではなく、使用することができる固体発光画素アレイ撮像装置(以下、単に”撮像装置”という)の特定の一例として開示された実施形態を開示する   Recently, a new class of emissive microscale pixel array imagers has been introduced. These devices feature high brightness, very fast polychromatic light intensity and spatial modulation capabilities in a very small single device size that includes all the necessary image processing drive circuits. The solid state light (SSL) of one such device may be either a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD)). The off state is the light emitting microscale of the imaging device. pixel. The array is controlled by a drive circuit contained within the cmos chip (or device) to which it is coupled. The size of the pixels that make up the light emitting array of such an imager is typically in the range of about 5-20 microns, and the typical light emitting surface area of the device is in the range of about 15-150 square millimeters. . Luminescent microscale. pixel. array. Pixels within the device are individually spatially, chromatically and temporally addressable, typically via the driver circuitry of the cmos chip. The brightness of light generated by such an imaging device can reach a plurality of 100,000 cd / m2 with moderately low power consumption. One example of such a device is the QPI imager (see Ref [1-7]) referenced in the exemplary embodiment described below. However, it should be understood that a QPI® imager is merely an example of the type of device that can be used with the present invention. “QPI” is a trademark of Ostedo Technologies, Inc. Is a registered trademark of Microsoft Corporation. In the following description, any reference to a QPI® imager should be understood to be for specificity in the present invention. For purposes of limiting the present invention, the disclosed embodiments are disclosed as a specific example of a solid state light emitting pixel array imaging device (hereinafter simply referred to as an "imaging device") that can be used.

本発明は、低コストで小型のモジュラHUD(MHUDを実現するために、このような撮像装置の発光マイクロピクセルアレイ装置固有の能力を、新規な分割射出瞳HUDシステムアーキテクチャと組み合わせる)例えば自動車のHUDのような、コスト及び体積の制約がパラ量である用途に容易に使用することができるシステムを提供する。QPI(登録商標)イメージャのようなイメージャの発光高輝度マイクロエミッタピクセルアレイと本発明の分割射出瞳HUDアーキテクチャとの組み合わせは、高輝度周囲日光で効果的に動作するHUDシステムを可能にし、しかも、広範囲の車両サイズおよびタイプのダッシュボードまたはインストルメントパネルの後ろに適合するのに十分な程度に体積測定的に小さい。本明細書で使用される用語”車両”は、最も一般的な意味で使用され、誰かが走行する任意の手段を含む、これらに限定されるものではないが、陸上、水、水中および空気中の移動を含む。このようなイメージャによって可能にされる分割射出瞳HUDアーキテクチャの低コスト及びモジュール性は、広範囲の車両の体積制約に適合するように調整され得るモジュール式HUDシステムを可能にする。分割射出瞳HUDシステムの仮想化は、以下の段落で説明される実施形態の文脈内で本明細書に提供される詳細な説明からより明らかになるであろう。   The present invention relates to a low cost, compact modular HUD (which combines the inherent capabilities of such a light emitting micro-pixel array device of an imaging device with a novel split exit pupil HUD system architecture to achieve MHUD), such as a vehicle HUD. And a system that can be easily used for applications where cost and volume constraints are parametric. The combination of a light emitting high brightness micro-emitter pixel array of an imager, such as a QPI® imager, with the split exit pupil HUD architecture of the present invention enables a HUD system to operate effectively in high brightness ambient sunlight, and Volumetrically small enough to fit behind dashboards or instrument panels in a wide range of vehicle sizes and types. As used herein, the term "vehicle" is used in its most general sense and includes, but is not limited to, any means by which someone travels, on land, in water, in water and in air. Including moving. The low cost and modularity of the split exit pupil HUD architecture enabled by such an imager allows for a modular HUD system that can be tailored to accommodate a wide range of vehicle volume constraints. The virtualization of the split exit pupil HUD system will become more apparent from the detailed description provided herein within the context of the embodiments described in the following paragraphs.

図2は、本発明の一実施形態のモジュラHUD(MHUD)システムの設計概念を示す。好ましい実施形態では、図に示すように、本発明のMHUDシステム(200)は、MHUDアセンブリ(210)から構成され、MHUDアセンブリ(210)は、MHUD210を形成するように一緒に組み立てられた多数のモジュール(215)から構成され、各モジュール(215)は、関連する光学系(220)と凹面鏡(230)とを有する単一の撮像器から構成され、図2に示すように、関連する光学系(220)を有する各単一の撮像装置から射出された画像は、その関連する凹面鏡(230)によってコリメートされ、拡大され、反射される、車両フロントガラス(240)から部分的に反射されて表示可能な仮想画像(260)を形成するの範囲内である車両の運転者の公称頭部位置に位置するアイボックスセグメント(255)を含む)に示されるように、MHUD組立体(210)の各モジュール(215)は、車両フロントガラス(240)と同じ仮想画像(260)を一度にかつ同じ位置に形成するように配置される、MHUD組立体(210)の多数のモジュール(215)がMHUDシステム(200)の集合的アイボックス(250)を集合的に形成するように、それぞれの対応するアイボックスセグメント(255)の各々に対応する。すなわち、仮想画像(260)は、アイボックスセグメント(255)の各々から部分的に見ることができるが、集合アイボックス(250)において完全に見ることができる、MHUDシステム(200)のアイボックスセグメント(255)の全体的なサイズは、MHUDアセンブリ(210)を構成するモジュール(215)の適切な数を選択することによって調整することができる、複数のアイボックスセグメントおよびモジュールがユーザ定義可能であることを特徴とする。各モジュール(215)は、MHUDアセンブリの各モジュール(215)を含む210は、任意の一度に同一の仮想画像(260)を形成するように配置され、もちろん、これらの画像は、経時的に変化する、例えば、燃料ゲージ画像のようにゆっくりと変化してもよく、またはより迅速に変化してもよい、gpsナビゲーションシステムの表示画像の表示におけるように、画像を表示するように構成されていることを特徴とする、本発明のMHUDシステムは、画像データがそのようなレートで利用可能である場合、少なくとも典型的なビデオレートまでの周波数で動作することができる。   FIG. 2 illustrates a design concept of a modular HUD (MHUD) system according to an embodiment of the present invention. In a preferred embodiment, as shown, the MHUD system (200) of the present invention is comprised of an MHUD assembly (210), wherein the MHUD assembly (210) is assembled together to form an MHUD 210. Each module (215) is composed of a single imager having an associated optical system (220) and a concave mirror (230), and as shown in FIG. Images emitted from each single imager having (220) are collimated, magnified and reflected by its associated concave mirror (230), partially reflected from the vehicle windshield (240) and displayed. Eyebox segment located at the nominal head position of the driver of the vehicle that is within the range of forming a possible virtual image (260) 255)), each module (215) of the MHUD assembly (210) is arranged to form the same virtual image (260) at once and at the same location as the vehicle windshield (240). Of each corresponding eyebox segment (255) such that multiple modules (215) of the MHUD assembly (210) collectively form the collective eyebox (250) of the MHUD system (200). Corresponding to each. That is, the virtual image (260) is partially visible from each of the eyebox segments (255), but is fully visible in the aggregated eyebox (250), and the eyebox segment of the MHUD system (200). The overall size of (255) can be adjusted by selecting an appropriate number of modules (215) that make up the MHUD assembly (210), multiple eyebox segments and modules are user definable. It is characterized by the following. Each module (215), including each module (215) of the MHUD assembly, 210 is arranged to form the same virtual image (260) at any one time, and of course, these images may change over time. Configured to display the image, such as in the display of a display image of a gps navigation system, which may change slowly, such as a fuel gauge image, or may change more rapidly. The MHUD system of the present invention is capable of operating at frequencies up to at least typical video rates when image data is available at such rates.

MHUDシステム(200)の好ましい実施形態では、MHUDアセンブリ(210)のモジュール(215)のアイボックスセグメント(255)は、対応する凹面鏡(230)によって反射された光線束の射出瞳にそれぞれ配置されているMHUDシステム(200)の集合アイボックス(250)は、MHUDアセンブリ(210)のモジュール(215)のアイボックスセグメント(255)の重なりによって形成される分割射出瞳アイボックスである。本発明のMHUDシステムの分割射出瞳設計方法は、以下の段落でさらに詳細に説明される。   In a preferred embodiment of the MHUD system (200), the eyebox segments (255) of the module (215) of the MHUD assembly (210) are respectively located at the exit pupils of the light bundle reflected by the corresponding concave mirror (230). The collective eyebox (250) of the existing MHUD system (200) is a split exit pupil eyebox formed by the overlap of the eyebox segments (255) of the module (215) of the MHUD assembly (210). The split exit pupil design method of the MHUD system of the present invention is described in further detail in the following paragraphs.

好ましい実施形態では、本発明のMHUDシステムおよび本発明のMHUDシステムは、MHUDアセンブリは、MHUDアセンブリを形成するように一緒に組み立てられた多数のモジュールから構成され、各モジュールは、QPI(登録商標)イメージャなどの撮像装置、または関連する光学系および凹面鏡を有するoledデバイスのような他の適切な発光構造から構成される。本発明のこの実施形態のMHUDシステムのMHUDアセンブリの設計方法およびそのそれぞれのモジュールは、本発明のMHUDシステムの関連する利点および関連する設計パラメータのトレードオフの説明によって先行する以下の段落でより詳細に説明される。   In a preferred embodiment, the MHUD system of the present invention and the MHUD system of the present invention comprise a MHUD assembly comprising a number of modules assembled together to form an MHUD assembly, each module comprising a QPI® Consisting of an imaging device, such as an imager, or other suitable light emitting structure, such as an oled device having associated optics and a concave mirror. The method of designing the MHUD assembly of the MHUD system of this embodiment of the present invention and its respective modules are described in more detail in the following paragraphs, preceded by a description of the relevant advantages of the MHUD system of the present invention and the trade-offs of the relevant design parameters. It is explained in.

MHUDシステム200光学設計パラメータのトレードオフ
本発明のMHUDシステムの利点を理解するために、典型的なHUDシステムの基本的な設計トレードオフ、およびその関連する設計の間の関係を説明することが重要であると考えられるパラメータ。仮想画像生成部tで生成された仮想画像を生成するすることを特徴とするHUDシステムは、典型的には、車両を操作する視聴者が、車両の動作パラメータを視覚的に認識し、例えばナビゲーション情報などの重要な情報を提供するように、自然なシーンに重畳される、を必要とせず、かつ、車両の道路や外部の周囲から注意を喚起することができるようにすることを目的とするHUDシステムの設計において考慮すべき重要なパラメータは、集合アイボックスの目標サイズ、所望の視野(FOV)を含む)と、形成された仮想画像サイズと、仮想画像解像度と、システム体積制約と、を含む。これらの設計パラメータと制約の間の関係を図3に示す。
MHUD System 200 Optical Design Parameter Tradeoffs
Parameters that are considered important to explain the basic design trade-offs of a typical HUD system, and the relationship between its associated designs, in order to understand the advantages of the MHUD system of the present invention. A HUD system that generates a virtual image generated by the virtual image generation unit t typically has a viewer operating a vehicle visually recognizing an operation parameter of the vehicle, such as a navigation system. It is intended to provide important information such as information without being superimposed on natural scenes, and to be able to draw attention from around the road and outside of the vehicle Important parameters to consider in the design of the HUD system include the target size of the collective eye box, the desired field of view (FOV), the formed virtual image size, the virtual image resolution, and the system volume constraints. Including. FIG. 3 shows the relationship between these design parameters and constraints.

本発明のモジュラHUD(MHUD)が低減されたボリュームを実現する方法
図3を参照すると、MHUDシステム200イメージャ220のサイズの縮小は、より小さな有効焦点距離(EFL)につながる)は、システムの特性的な光学的なトラック長であり、一般にシステム体積の減少に寄与する。しかしながら、アイボックスサイズが維持されている場合には、イメージャ開口サイズの縮小は、光学的複雑さの増大を伴う、より低いシステムf/#をもたらす。これは、一般に、より大きなシステム容量をもたらす図2に示されたMHUDシステムの設計概念を参照する、各モジュール215用のアイボックスセグメント(255)のサイズは、光学的複雑さの増大を避けるために、イメージャ(220)のサイズと共に縮小される。これは、イメージャ(220)のサイズ比によってモジュール(215)の各々の体積のスケーリングをもたらす。多数のモジュール(215)が組み合わされて、任意のサイズの集合アイボックス(250)を提供することができるMHUDアセンブリ(210)を形成する。本発明のMHUDシステム(200)の新規なマルチ分割アイボックス設計概念は、視聴者のアイボックスに形成されたシステムの射出瞳を複数のセグメントに分割することによって実現される、本発明のMHUDシステム(200)の集合アイボックス(250)を構成するアイボックスセグメント(255)の(1つ)に対応する。このように、本発明のMHUDシステム(200)の分割射出瞳設計方法は、同じサイズのアイボックスを提供する従来技術のHUDシステムよりも、より小さな全体的な体積面を達成する。このことは、全体的なHUD体積、複雑さ及びコストの低減につながる。本発明のMHUDシステム(200)の開示された分割射出瞳設計方法の他の利点は、以下の説明で説明される。もちろん、各モジュールは、任意の一度に同じ画像を発光するので、車両オペレータは、同じ位置で同じ仮想画像を見ることになる、各アイボックスセグメント(255)又はアイボックスセグメント(255)とは独立して、オペレータが見ることができるように構成されている。
Method for implementing modular HUD (MHUD) reduced volume of the present invention
Referring to FIG. 3, reducing the size of the MHUD system 200 imager 220 leads to a smaller effective focal length (EFL)), which is a characteristic optical track length of the system and generally contributes to a reduction in system volume. I do. However, if the eyebox size is maintained, reducing the imager aperture size will result in a lower system f / # with increased optical complexity. This generally refers to the design concept of the MHUD system shown in FIG. 2, which results in greater system capacity. The size of the eyebox segment (255) for each module 215 is to avoid increasing optical complexity. The size of the imager (220). This results in a scaling of the volume of each of the modules (215) by the size ratio of the imager (220). A number of modules (215) combine to form an MHUD assembly (210) that can provide a collection eyebox (250) of any size. The novel multi-segment eyebox design concept of the MHUD system (200) of the present invention is realized by dividing the exit pupil of the system formed in the viewer's eyebox into multiple segments. This corresponds to (one) of the eyebox segments (255) that constitute the collection eyebox (250) of (200). Thus, the split exit pupil design method of the MHUD system (200) of the present invention achieves a smaller overall volume surface than prior art HUD systems that provide the same size eyebox. This leads to a reduction in overall HUD volume, complexity and cost. Other advantages of the disclosed split exit pupil design method of the MHUD system (200) of the present invention are described in the following description. Of course, each module emits the same image at any one time, so that the vehicle operator will see the same virtual image at the same location, independent of each eyebox segment (255) or eyebox segment (255). Then, it is configured so that the operator can see it.

ミラー反射器ref[8−10]を使用する従来技術のHUDシステムの体積に対する主要な要因は、凹面鏡として同定されている。ミラー自体の大きなサイズの他に、画像ソースのサイズも比例的に大きく、これは、大型の撮像装置の使用を指示する、または拡散スクリーン上に投影される大きなサイズの中間画像を形成することができる。プロジェクタ。イメージャおよびその関連する投影光学系を組み込むためのより多くのボリュームを追加する。前述の説明で説明したように、本発明のMHUDシステムは、主反射器として単一の凹面鏡を使用する従来技術のHUDシステムよりも実質的に小さい容積面を達成することを特徴とする複数のモジュール(215)から構成されるMHUD組立体(210)を使用して、全体的な反射体を形成するように一緒に組み立てられた小型の凹面鏡(230)を使用する235、MHUDアセンブリ(210)のうち、サイズがはるかに小さく、はるかに小さい光学的トラック長さを達成する。より小さい開口サイズのイメージャを使用するMHUDアセンブリは、より小さい開口サイズの凹面鏡を使用することを可能にし、これにより、より小さい光学的トラック長さを有し、
本発明の実質的に小さい体積及び体積効率的なMHUDシステム
A major factor for the volume of prior art HUD systems that use a mirror reflector ref [8-10] has been identified as a concave mirror. In addition to the large size of the mirror itself, the size of the image source is proportionately large, which may dictate the use of a large imager or form a large intermediate image projected on a diffusing screen. it can. projector. Add more volume to incorporate the imager and its associated projection optics. As explained in the preceding description, the MHUD system of the present invention achieves a plurality of features that achieve substantially smaller volumetric surfaces than prior art HUD systems that use a single concave mirror as the main reflector. Using an MHUD assembly (210) composed of modules (215), 235 using a small concave mirror (230) assembled together to form an overall reflector, the MHUD assembly (210) Among them, the size is much smaller and achieves much smaller optical track length. An MHUD assembly using a smaller aperture size imager allows the use of smaller aperture size concave mirrors, thereby having a smaller optical track length,
Substantially small volume and volume efficient MHUD system of the present invention

本発明のMHUDシステムの設計は、単一の大きなミラーによって典型的に生成されるであろう大きなコリメートされたビームを分割することによって作用する、例示的な実施形態では、3つの等しいサイズのコリメートされたサブビームを含む。各サブビームは、モジュール(215)の光学サブシステムによって生成され、その結果、F#、光学的複雑性及び焦点距離(EFL)が生成される)(又は光トラック長)が低減され、その結果、システムの物理的な体積包絡線が低減される。図4に示すように、MHUDアセンブリを含むモジュールの光学設計面および光線トレース図を示す、好適な実施形態のモジュール(215)は、関連する光学部品(220)および凹面鏡(230)と共に(1つ)の撮像装置で構成されている図4に示された実施形態では、撮像装置(410)に関連する光学系(420)は、別個のレンズ光学素子として示されている、本発明の別の実施形態では、撮像装置関連光学系は、図に示すように、一体化された撮像装置アセンブリを形成するために、撮像装置の発光面の上部に直接取り付けられてもよい、各モジュール(215)において、反射凹面鏡(230)は、対応するイメージャ(または他のイメージャ)(220)によって生成された画像は、集合アイボックス(250)の(1つ)のアイボックスセグメント(255)を形成する、図(4)の撮像装置(410)に関連する光学素子(420)は、反射凹面鏡(230)から生じる軸外歪み及び傾斜収差をバランスさせる。   The design of the MHUD system of the present invention works by splitting a large collimated beam that would typically be created by a single large mirror, in an exemplary embodiment three equal sized collimators Sub beam. Each sub-beam is generated by the optical subsystem of module (215), which results in reduced F #, optical complexity and focal length (EFL) (or optical track length), so that: The physical volume envelope of the system is reduced. As shown in FIG. 4, the module (215) of the preferred embodiment, showing the optical design surface and ray tracing of the module including the MHUD assembly, includes (one) with associated optics (220) and concave mirror (230). In the embodiment shown in FIG. 4 comprising an imager of the present invention, the optical system (420) associated with the imager (410) is shown as a separate lens optic, another embodiment of the present invention. In embodiments, the imager-related optics may be mounted directly on top of the light-emitting surface of the imager, as shown, to form an integrated imager assembly, each module (215) In the reflective concave mirror (230), the image generated by the corresponding imager (or other imager) (220) is Forming a eyeboxes segment (255), FIG. (4) optical element (420) associated with the imaging device (410) of the balance the off-axis distortion and tilt aberration resulting from the reflection concave mirror (230).

図5は、図5に示すように、MHUDアセンブリのモジュールの光学性能を示す、撮像装置(410)に関連する光学素子(420)の役割は、レンズtから生じる軸外の歪曲及び傾斜収差をバランスさせることである反射凹面鏡(230)は、変調伝達関数(MTF)を十分に高いレベルに維持しながら、画像のスイミング効果を最小化する完全性のために、画像のスイミング効果は、典型的には、tによって観察者の瞳孔に入射する光の方向の変化によって引き起こされるミラー収差に起因する光学的な歪みを防止し、仮想画像(”スイミング効果”として知られる)の知覚された偽の動きをもたらす)を、HUDシステムアイボックス[Ref6]内で観察者の頭部が移動(又は注視)するようにする
HUDのような両眼光学システムにおける水泳効果を最小化することは非常に重要であり、極端な場合には、虚像における過剰なスイミング効果は、運動酔いをもたらす可能性がある、人間の視覚システム、知覚システム、Ref[16、17]の前庭と八重モータの態様との間の競合によって引き起こされるvertigoまたは悪心である。
FIG. 5 illustrates the optical performance of the module of the MHUD assembly, as shown in FIG. The reflective concave mirror (230), which is to balance, is such that the image swimming effect is typically reduced to a minimum, while maintaining the modulation transfer function (MTF) at a sufficiently high level. Prevents optical distortion due to mirror aberrations caused by a change in the direction of light incident on the observer's pupil due to t, and allows perceived spurious perception of virtual images (known as "swimming effects"). Movement), causing the observer's head to move (or gaze) within the HUD system eye box [Ref6].
It is very important to minimize swimming effects in binocular optical systems such as HUDs, and in extreme cases, excessive swimming effects in virtual images can lead to motion sickness in the human visual system. Vertigo or nausea caused by competition between the vestibular and perceptual systems, the vestibular and octuple motor aspects of Ref [16, 17].

本発明のMHUDシステムの分割射出瞳方法の別の利点は、より大きな光学開口を有する単一のミラーを使用する従来技術のHUDシステムと比較して、実質的に低減されたスイミング効果を達成することである。反射凹面鏡(230)のより小さな光学開口の収差は、従来技術の単一ミラーHUDシステムで使用される比較的大きな光学開口反射ミラーの収差よりもはるかに小さいスイミング効果は光の大きさに直接比例するHUD反射鏡から生じる収差に起因する歪み(または光線方向偏差)、本発明のMHUDシステム(200)の多数の小型光学開口凹面鏡(230)は、従来技術のHUDシステムと比較して、実質的に小さなスイミング効果を達成する。さらに、MHUDモジュール(215)のアイボックスセグメント(255)の間の角度的重なりは、図8の説明でより詳細に説明される仮想画像260内の任意の点の知覚を、複数のMHUDモジュール(215)からの光学的寄与を組み込むようにする結果として、光学的な歪み(または光線方向のずれ)複数のMHUDモジュール(215)の個々の凹面鏡(230)の収差が虚像260内の任意の点で平均化される傾向がある、その結果、MHUDシステム(200)の視聴者によって知覚される全体のスイミング効果の低下を引き起こす。   Another advantage of the split exit pupil method of the MHUD system of the present invention is that it achieves a substantially reduced swimming effect compared to prior art HUD systems that use a single mirror with a larger optical aperture. That is. The aberration of the smaller optical aperture of the reflective concave mirror (230) is much smaller than the aberration of the relatively large optical aperture reflective mirror used in prior art single mirror HUD systems, and the swimming effect is directly proportional to the size of the light. The distortion (or ray direction deviation) due to aberrations arising from the reflecting HUD mirror, the large number of miniature optical aperture concave mirrors (230) of the MHUD system (200) of the present invention is substantially less than prior art HUD systems. To achieve a small swimming effect. In addition, the angular overlap between the eyebox segments (255) of the MHUD module (215) can be used to determine the perception of any point in the virtual image 260 described in more detail in the description of FIG. As a result of incorporating the optical contribution from 215), the optical distortion (or ray direction shift) aberrations of the individual concave mirrors (230) of the plurality of MHUD modules (215) can be adjusted at any point in the virtual image 260. , Resulting in a reduction in the overall swimming effect perceived by a viewer of the MHUD system (200).

本発明の別の実施形態では、MHUDアセンブリのイメージャは、人間の視覚システム(HVS)よりも高い解像度を有する)典型的なHUDの視経験において、凹面鏡(230)から発生する収差に起因する残留光学歪の事前補償のためのデジタル画像ワーピングに専用の追加の解像度で解決することができる、仮想画像は、約25mの距離で形成されるHvsの横視力は約200マイクロラジアンである。このような距離で、hvsは、約2500x0.0002=0.5mmピクセルを分解することができ、これは、10”対角線を有する仮想画像(260)に対して約450x250ピクセル解像度に相当する。標本MHUD組立体(210)で使用されるイメージャ(220)は、この限界よりもはるかに高い解像度を提供することができ、例えば、同じサイズの光学開口を有する640x360解像度または偶数(1280x720)を提供することができる。同じサイズの光学開口を有するより高い解像度を提供するイメージャ(220)は、同じサイズの光学開口を有する凹面鏡(230)の使用を可能にする、これにより、MHUDアセンブリ(200)の体積的な利点を維持することができるイメージャ(220)の追加された解像度は、達成可能な最大値を維持しながら、凹面鏡(230)および結果として得られるスイミング効果に起因する光学的歪みを事実上排除するデジタル画像ワーピング前補償の使用を可能にする仮想画像(260)における解像度および同じ体積上の利点。   In another embodiment of the present invention, the imager of the MHUD assembly has a higher residual resolution than the human visual system (HVS) in a typical HUD viewing experience due to aberrations arising from the concave mirror (230). A virtual image can be solved at an additional resolution dedicated to digital image warping for optical distortion pre-compensation, with a Hvs lateral vision of about 200 microradians formed at a distance of about 25 m. At such a distance, hvs can resolve approximately 2500 x 0.0002 = 0.5 mm pixels, which corresponds to a resolution of approximately 450 x 250 pixels for a virtual image (260) with a 10 "diagonal. The imager (220) used in the MHUD assembly (210) can provide a much higher resolution than this limit, for example, providing a 640x360 resolution or an even (1280x720) with the same size optical aperture. An imager (220) that provides a higher resolution with the same size optical aperture allows the use of a concave mirror (230) with the same size optical aperture, thereby allowing the MHUD assembly (200) to be used. Added imager (220) that can maintain volumetric advantages The image resolution enables the use of a digital image pre-warping compensation that virtually eliminates the optical distortion due to the concave mirror (230) and the resulting swimming effect while maintaining the maximum achievable virtual image (230). 260) resolution and same volume advantages.

反射凹面鏡(230)の各々は、非球面であっても自由形状であってもよく、これにより、非球面または非球面係数が、レンズtの非球面または自由形状因子となる凹面鏡(230)は、凹面鏡(230)の光学収差を最小化するように選択され、必要に応じて、風防ガラスの曲率を最小化するように選択される各イメージャ(220)の位置は、その関連する凹面鏡(230)に対して軸対称であることが好ましく、最適にバランスされた(幾分等しい)ことを保証することに留意されたい)本発明のMHUDシステム(200)の重要な設計面であるこれは、MHUDシステム(200)の集合アイボックス(250)の複数のアイボックスセグメント(255)の間で仮想画像(260)の均一な視野遷移を保証するので、本発明のMHUDシステム(200)の重要な設計面である   Each of the reflective concave mirrors (230) may be aspherical or free-shaped, such that the concave mirror (230) whose aspherical surface or aspherical coefficient is the aspherical or free-form factor of the lens t is The position of each imager (220) selected to minimize the optical aberrations of the concave mirror (230) and, if necessary, to minimize the curvature of the windshield is determined by its associated concave mirror (230). Note that this is preferably axially symmetrical to ensure optimal balance (somewhat equal).) An important design aspect of the MHUD system (200) of the present invention is The MH of the present invention assures a uniform view transition of the virtual image (260) between the plurality of eyebox segments (255) of the collection eyebox (250) of the MHUD system (200). An important design aspects of the UD system (200)

図6は、図6に示されるように、MHUDアセンブリの多面的な斜視図を示す、MHUDアセンブリ(210)は、エンクロージャ600内で一緒に組み立てられた3つの反射凹面鏡(230)から構成され、3つの凹面鏡(230)は、別個に作製され、筐体600内に一緒に取り付けられてもよく、または筐体600内に取り付けられた単一部品として製造されてもよい。3つの凹面鏡(230)は、別個に又は単一の光学部品として組み立てられているか否かを問わない、光学面が反射金属の薄層で被覆されたエンボスポリカーボネートプラスチックを用いて製造することができる、スパッタ技術を用いて銀またはアルミニウムのようなものを使用することができる。図6に示すように、筐体の背面側壁は、3つの別個の区画(610)から構成され、各区画(610)は、それぞれ、背面側壁部(610)がそれぞれの凹面鏡(230)と一緒に組み立てられたときに、光学窓(615)を含む、(230)の光軸と一致するように配置されており、図6の側面図に示すように、各凹面ミラー(230)の光軸と一致するように配置されている 6, 各背面側壁部(610)の上縁(617)は、凹面ミラー(230)に向かって傾斜して、イメージャ(220)を可能にする、バックサイドウォール部(610)の傾斜端面(617)に実装され、それぞれの凹面鏡(230)の光軸と一致するように構成されている   FIG. 6 shows a multi-faceted perspective view of the MHUD assembly, as shown in FIG. 6, wherein the MHUD assembly (210) is comprised of three reflective concave mirrors (230) assembled together in an enclosure 600; The three concave mirrors (230) may be made separately and mounted together within the housing 600, or may be manufactured as a single piece mounted within the housing 600. The three concave mirrors (230), whether assembled separately or as a single optical component, can be manufactured using an embossed polycarbonate plastic whose optical surface is coated with a thin layer of reflective metal. A material such as silver or aluminum can be used by using a sputtering technique. As shown in FIG. 6, the rear side wall of the housing is composed of three separate sections (610), each section (610) having a rear side wall (610) with a respective concave mirror (230). When assembled, they are positioned to coincide with the optical axis of (230), including the optical window (615), and as shown in the side view of FIG. 6, the optical axis of each concave mirror (230). 6, the upper edge (617) of each back side wall (610) is inclined toward the concave mirror (230) to enable the imager (220). It is mounted on the inclined end surface (617) of the section (610) and is configured to coincide with the optical axis of each concave mirror (230).

図6の後側面図に示されているように、背面側壁部分は、制御及びインタフェース電子機器(プリント回路基板を備えた背面板の一方の側に一緒に組み立てられる)(620)と、バックプレート(63030)の反対側に取り付けられたMHUDアセンブリ(210)と、を備えている、バックプレート(630)はまた、熱冷却フィンを組み込んで、イメージャ(220)およびMHUDアセンブリ(210)のインターフェースエレクトロニクス素子(620)によって生成された熱を放散する図6の後側面図に示すように、各イメージャは、典型的には、イメージャを制御及びインタフェースエレクトロニクスに接続するフレキシブル電気ボードに実装される。   As shown in the rear side view of FIG. 6, the back side wall portion includes control and interface electronics (assembled together on one side of the back plate with printed circuit board) (620) and the back plate. The back plate (630) also incorporates thermal cooling fins to interface the imager (220) and the MHUD assembly (210) with the MHUD assembly (210) mounted on the opposite side of the (63030). Each imager is typically mounted on a flexible electrical board that connects the imager to control and interface electronics, as shown in the rear view of FIG. 6, which dissipates the heat generated by the element (620).

図6の後側面図に示すように、凹面鏡(230)および背面側壁部(610)の各対の界面端部の中心は、光検出器(PD)(640)を組み込んでもよいは、典型的にはフォトダイオードであり、それぞれが、撮像装置(220)から放射された光を(1つ)のt上に検出するように位置決めされ、配向されているそれぞれの凹状ミラー(230)を含み、典型的には、3つのフォトダイオードが各モジュールに用いられ、光の各色毎に(1つ)が使用される光検出器(PD)(640)の出力は、MHUDアセンブリ(210)の制御及びインタフェース電子機器(620)に接続され、(以下で説明する)均一性制御ループへの入力として使用されるインタフェース電子素子(620)のハードウェア及びソフトウェア設計要素内に実装されている入力としてMHUDアセンブリ(210)の制御およびインタフェース電子機器(620)にも提供される、は、周囲光光検出器センサ(660)の出力であり、これは、典型的には、ほとんどの車両のダッシュボードの輝度制御の不可欠な部分である。   As shown in the rear side view of FIG. 6, the center of the interface end of each pair of concave mirror (230) and back side wall (610) may incorporate a photodetector (PD) (640), typically. Are photodiodes, each including a respective concave mirror (230) positioned and oriented to detect light emitted from the imager (220) on t (s); Typically, three photodiodes are used in each module, one for each color of light (one) is used to control the output of the photodetector (PD) (640) and the MHUD assembly (210). Realized in the hardware and software design elements of the interface electronics (620) that are connected to the interface electronics (620) and used as inputs to the uniformity control loop (described below). Also provided as input to the control and interface electronics (620) of the MHUD assembly (210) is the output of the ambient light detector sensor (660), which is typically Is an integral part of the vehicle dashboard brightness control.

MHUDアセンブリの制御およびインタフェース電子機器は、図のブロック図に示されるハードウェアおよびソフトウェア設計機能要素を組み込んでいる、MHUDインタフェース機能(710)と、制御機能(720)と、均一性ループ機能(730)とを含むMHUDアセンブリ(210)の制御およびインタフェース電子機器(620)のMHUDインタフェース機能(710)、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせで典型的に実施されるものは、車両の運転者支援システム(DAS)から画像入力(715)を受信する)制御機能(720)によって提供された色および明るさ補正(735)を画像に組み込んで、画像入力(744)、(745)、(746)をMHUDアセンブリ(210)のイメージャ(220)に提供する同じ画像入力715データをMHUDアセンブリ(210)の3つのイメージャ(220)に提供することができる、MHUDインタフェース機能(710)は、各撮像器(220)を、制御機能(720)から受信した色及び輝度補正(735)に基づいて、それぞれの画像入力(744)、(745)、(746)における特定の色及び輝度補正を含む。   The control and interface electronics of the MHUD assembly incorporates the hardware and software design functional elements shown in the block diagram of the MHUD interface function (710), the control function (720), and the uniformity loop function (730). The control and interface of the MHUD assembly (210) including the MHUD interface function (710) of the electronics (620), typically implemented in a combination of hardware and software, includes a vehicle driver assistance system (DAS). ) Receives the image input (715) from the control unit (720) and incorporates the color and brightness correction (735) provided by the control function (720) into the image to convert the image input (744), (745), (746) into the MHUD assembly. Provided to (210) imager (220) The same image input 715 data can be provided to the three imagers (220) of the MHUD assembly (210). The MHUD interface function (710) receives each imager (220) from the control function (720). Based on the color and brightness corrections (735), include specific color and brightness corrections in the respective image inputs (744), (745), and (746).

集合アイボックス(250)の複数のセグメント(255)にわたる色および輝度の均一性を保証するために、制御およびインタフェース電子機器(620)の均一性ループ機能(730)は、入力信号(754)を受信する、MHUD組立体(210)の各モジュール(215)の光検出器(PD)(640)からの色及び輝度を計算し、各MHUDアセンブリのモジュールは、次に、カラーおよび明るさが、集合アイボックスの複数のセグメントを横切ってより均一になるように必要な色および輝度の補正を計算する。これは、以下のとおりである。MHUDアセンブリ(210)が最初に組み立てられたときに、制御およびインタフェース電子機器(620)のメモリに実行され記憶される初期較正ルックアップテーブルを使用して達成される。均一性ループ関数によって計算された色および明るさの補正は、次に、制御機能に提供され、制御機能は、これらの補正を、周囲光センサおよび外色および明るさ調整入力コマンドから受信された入力と結合する補正された画像データが画像入力(744)として提供される前に、MHUDインタフェース機能(710)によって画像データに組み込まれる色および輝度補正(735)を生成する、と、周囲光センサ(650)から受け取られた入力を色および明るさの補正に組み込むステップとを含むでは、制御機能(720)は、ヘッドアップディスプレイの虚像の明るさを、車両の外光の明るさに比例して又はそれに関連して調整する。本明細書で使用される画像データは、撮像装置に提供されるような、ヘッドアップディスプレイへの入力として受信されるか、または他のいずれかの形態で受信されるかのいずれかのいずれかの形態の画像情報を意味することに留意されたい。   The uniformity loop function (730) of the control and interface electronics (620) converts the input signal (754) to ensure color and brightness uniformity over multiple segments (255) of the collective eye box (250). Calculating the color and brightness from the photodetector (PD) (640) of each module (215) of the MHUD assembly (210) to receive, the module of each MHUD assembly then calculates the color and brightness Calculate the necessary color and luminance corrections to be more uniform across multiple segments of the collective eyebox. This is as follows. This is accomplished when the MHUD assembly (210) is first assembled using an initial calibration look-up table that is executed and stored in the memory of the control and interface electronics (620). The color and brightness corrections calculated by the uniformity loop function are then provided to the control function, which receives these corrections from the ambient light sensor and the external color and brightness adjustment input commands. Generating a color and brightness correction (735) to be incorporated into the image data by the MHUD interface function (710) before the corrected image data associated with the input is provided as an image input (744); Incorporating the input received from (650) into the color and brightness corrections, the control function (720) determines the brightness of the virtual image of the heads-up display in proportion to the brightness of the ambient light of the vehicle. Or in relation to it. As used herein, image data is either received as input to a heads-up display, such as provided to an imaging device, or is received in any other form. Note that the image information has the following form.

先に説明したように、MHUDシステムの一実施形態は、仮想画像における最大hvs分解可能解像度よりも高い解像度を有するイメージャを使用し、光学歪みを除去または実質的に低減するための手段を組み込んでいるMHUDシステム(200)のMHUDアセンブリ(210)のMHUDインタフェース機能(710)は、MHUDシステム(200)のMHUDアセンブリ(210)のMHUDインタフェース機能(710)にも組み込まれ、MHUDシステム(200)のMHUDインタフェース機能(710)は、複数のルックアップテーブルは、各凹面鏡(230)の残留光学歪を事前補償するのに必要なデジタル画像ワーピングパラメータを識別するデータを含み、これらのパラメータは、tで使用されるすることを特徴とするMHUDインタフェース機能(710)は、各イメージャ(220)に入力された画像データが、対応する凹面鏡(230)の残留歪みを事前補償するように、各イメージャ(220)のデジタル画像入力をワープするように機能するMHUDインタフェース機能(710)のルックアップテーブルに組み込まれたデジタル画像ワーピングパラメータは、MHUDアセンブリ(210)の光学設計シミュレーションから予め生成される、デジタル画像ワーピング前補償がMHUDインタフェース機能(710)によって適用された後の各モジュール(215)の残留光学歪みの測定値に基づく光学テストデータで拡張される。得られたデジタル的に歪曲された画像データは、次に、制御機能によって提供される色および明るさの補正と組み合わされる、画像入力(744)、(745)、(746)として画像入力(744)、(745)、(746)としてMHUD組立体(210)の撮像装置(220)に提供される。MHUDシステム(200)の設計方法では、凹面鏡(230)に起因する残留光学歪み及びその結果得られるスイミング効果は、実質的に低減されるか又は完全に排除され得る、歪みを含まないMHUDシステム(200)を可能にする   As described above, one embodiment of the MHUD system uses an imager having a resolution higher than the maximum hvs resolvable resolution in the virtual image and incorporates means for removing or substantially reducing optical distortion. The MHUD interface function (710) of the MHUD assembly (210) of the existing MHUD system (200) is also incorporated into the MHUD interface function (710) of the MHUD assembly (210) of the MHUD system (200). The MHUD interface function (710) includes a plurality of look-up tables that include data identifying digital image warping parameters needed to pre-compensate for residual optical distortion of each concave mirror (230), where these parameters are t Featured to be used The MHUD interface function (710) warps the digital image input of each imager (220) such that the image data input to each imager (220) pre-compensates for the residual distortion of the corresponding concave mirror (230). The digital image warping parameters incorporated in the look-up table of the MHUD interface function (710) functioning in advance are generated in advance from an optical design simulation of the MHUD assembly (210), and the digital image pre-warping compensation is performed by the MHUD interface function (710). ) Is extended with optical test data based on measurements of the residual optical distortion of each module (215) after being applied. The resulting digitally distorted image data is then combined with the color and brightness corrections provided by the control function as image inputs (744), (745), (746) as image inputs (744). ), (745), and (746) are provided to the imaging device (220) of the MHUD assembly (210). In the design method of the MHUD system (200), the residual optical distortion and the resulting swimming effect due to the concave mirror (230) can be substantially reduced or completely eliminated, and the distortion-free MHUD system (200) can be used. 200)

図6の斜視図に示されるように、MHUDアセンブリの上側は、ガラスカバー430である、車両用ダッシュボードの上面でMHUD組立体(210)の光学インタフェース。ウィンドウとして機能し、太陽光赤外光を減衰させて、イメージャ(220)における日光の熱負荷を防止するフィルタとして機能する、使用されるガラスは、関心のある光の波長に対して実質的に透明になるように選択されるべきである。   As shown in the perspective view of FIG. 6, on the upper side of the MHUD assembly is a glass cover 430, the optical interface of the MHUD assembly (210) at the top of the vehicle dashboard. The glass used, which acts as a window and attenuates sunlight infrared light and prevents the heat load of sunlight in the imager (220), is substantially used for the wavelength of light of interest. Should be selected to be transparent.

MHUDアセンブリ(210)の設計方法は、人間の視覚システム(HVS)の特性を利用する)MHUD組立体(210)の設計の実施及び組立公差を単純化するために、最初に、眼の瞳孔は、直径が約5mm(昼間は(3−5mm、)夜間は4−9mmである)仮想画像(260)を観察する際の結果として得られる横視力は、MHUDアセンブリ(210)と幅1mm程度に達することができる凹面鏡(230)との間の非識別的に小さなギャップを可能にする。第2に、約0.5度の目の角度差の収容限度は、MHUDアセンブリと、約0.15度に達することができる凹面鏡との間の小さな角度傾斜を可能にする。これらの傾斜およびギャップの許容差は、MHUDアセンブリ210凹面鏡230に対する顕著に緩和された機械的アライメント許容要件を示し、したがって、MHUD組立体(210)に対する非常にコストの高い製造および組立方法を可能にする。任意のさらなる傾斜および/または位置合わせ要件を、通常はソフトウェアで容易に収容することができる。   The method of designing the MHUD assembly (210) takes advantage of the characteristics of the human visual system (HVS). To simplify the design implementation and assembly tolerances of the MHUD assembly (210), first the pupil of the eye is Observing the virtual image (260) with a diameter of about 5 mm ((3-5 mm during the day, 4-9 mm at night)), the resulting lateral vision is about 1 mm wide with the MHUD assembly (210). It allows for a non-discriminatingly small gap between the concave mirror (230) that can be reached. Second, the accommodation limit for an eye angle difference of about 0.5 degrees allows for a small angular tilt between the MHUD assembly and the concave mirror, which can reach about 0.15 degrees. These tilt and gap tolerances show significantly relaxed mechanical alignment tolerances for the MHUD assembly 210 concave mirror 230, thus enabling a very costly manufacturing and assembly method for the MHUD assembly (210). I do. Any additional tilt and / or alignment requirements can usually be easily accommodated in software.

図8は、本発明のMHUDシステムの新規な分割アイボックス設計方法を示す。図8は、MHUDシステム(200)の集合アイボックス(250)と仮想画像(260)との間の関係を示すことを意味する。図(8)は、例示的なオブジェクト(810)を示す、仮想画像(260)に示される矢印は、MHUDシステム(200)によって表示される。MHUDシステムの設計において、アイボックスセグメントの各々は、典型的には、そのそれぞれのモジュールの射出瞳に配置される、各アイボックスセグメント255内の視聴者の目に提示される画像情報は、角度空間内にある。したがって、各アイボックスセグメント255内の視聴者に提示された仮想画像260矢印オブジェクトは、典型的には、視聴者の頭部が各アイボックスセグメントの中央領域内に位置するときに、視聴者に完全に見えるようになる、仮想画像(260)の矢印オブジェクト(810)の先端または後端が徐々にケラレ(フェードアウト)することになる)観察者の頭部をアイボックスセグメント(255)の右側又は左側に移動させると、それぞれMHUDシステム(200)の設計である、モジュール(215)は、図6の斜視図に示すように、MHUDアセンブリ(210)に一体化されている、図8に示すように、モジュール(215)のアイボックスセグメント(255)を重ねて、MHUDシステム(200)の集合アイボックス(250)を製造する。したがって、MHUDシステム(200)の集合アイボックス(250)は、複数のモジュール(215)のアイボックスセグメント(255)を形成する射出瞳領域の重なりによって形成される、全体のアイボックス250内の視聴者の目に提示される画像情報を、MHUDモジュール(215)の視野の合成された角度視野に渡って延在する仮想画像(260)の角度多重化されたビューとする図8に示すように、仮想画像(260)の矢印オブジェクト(810)は、完全に見える(または見ることができる)仮想画像(260)の矢印オブジェクト(810)が徐々にケラレ(またはフェーディング)するように、MHUDシステム(200)の集合アイボックス(250)を規定するアイボックスセグメント(255)の重複領域内にある観察者の頭部を集合アイボックス(250)の周辺領域の右側または左側に移動させる際に、観察者の頭部を、集合アイボックス(250)の周辺領域の右側または左側に移動させることを特徴とする。   FIG. 8 shows a novel divided eyebox design method of the MHUD system of the present invention. FIG. 8 is meant to show the relationship between the collective eye box (250) and the virtual image (260) of the MHUD system (200). FIG. (8) shows an exemplary object (810), and the arrow shown in the virtual image (260) is displayed by the MHUD system (200). In the design of the MHUD system, each of the eyebox segments is typically located at the exit pupil of its respective module, and the image information presented to the viewer's eyes in each eyebox segment 255 is represented by an angle In space. Thus, the virtual image 260 arrow object presented to the viewer in each eyebox segment 255 typically shows to the viewer when the viewer's head is located in the central region of each eyebox segment. The leading or trailing edge of the arrow object (810) of the virtual image (260) will be gradually vignetted (fade out) so that it becomes completely visible. Moving to the left, the module (215), each of the designs of the MHUD system (200), is integrated into the MHUD assembly (210), as shown in the perspective view of FIG. 6, as shown in FIG. , The eye box segment (255) of the module (215) is overlapped, and the collective ivoc of the MHUD system (200) The production of (250). Thus, the collective eyebox (250) of the MHUD system (200) is viewed in the entire eyebox 250, formed by the overlap of the exit pupil areas forming the eyebox segments (255) of the plurality of modules (215). As shown in FIG. 8, the image information presented to the human eye is an angle multiplexed view of a virtual image (260) extending over the combined angular field of view of the MHUD module (215). , The arrow object (810) of the virtual image (260) is such that the arrow object (810) of the fully visible (or visible) virtual image (260) gradually becomes vignetting (or fading). Overlap area of eyebox segment (255) defining aggregate eyebox (250) of (200) Is moved to the right or left of the peripheral area of the collective eye box (250), the observer's head is moved to the right or left of the peripheral area of the collective eye box (250). It is characterized by the following.

モジュールのアイボックスセグメント255間の重なりの大きさは、図におけるそれらの角度的なケラレプロファイルに依存する、MHUDシステム(200)の集合アイボックス(250)の極限サイズを決定し、後者は、仮想画像(260)が完全に見える(又は見ることができる)集合アイボックス(250)の領域境界又は寸法として定義される)所望の輝度均一性が得られるように構成されている。また、図8に示されるように、モジュールのオーバーラップするアイボックスセグメントの全体的な領域にわたってMHUDアセンブリの結果として得られる角度的なケラレプロフィールシールドを示す、観察者によって知覚される仮想画像(260)の輝度は、各モジュール(215)からのar、acおよびal(左、中央および右)の輝度寄与をそれぞれ含む。集合アイボックス(250)の境界を定義するための基準は、アイボックスセグメント(255)及び255tの重複の面積aであるの範囲内である仮想画像(260)の輝度が所定の閾値λ(例えば25%未満)内で均一であることを特徴とする)は、選択された領域にわたって、すなわち、VarA(AR+Ac+AL)≦λであり、所望の均一性閾値である。集合アイボックス(250)の境界を規定するための基準と、図8に示されたモジュール(215)のアイボックスセグメント(255)との重なりとを有す、仮想画像を横切る知覚される輝度は、モジュールのうちのから少なくとも50%の寄与を含む。これは、規定された基準によって定義される集合的アイボックスの境界内のどこかにあることを意味する、各モジュール(215)は、仮想画像(260)の知覚される明るさの少なくとも50%に寄与する。MHUDシステム(200)のこの設計手法では、仮想画像(260)の所望の輝度均一性は、集合アイボックス(250)のサイズを規定する基準となり、この設計基準は、図tに示されている図(8)に示すように、均一性閾値λ=25%を使用して120mm幅の集合アイボックス(250)を製造することを示す、均一性閾値λ=37.5%とするを使用し、約150mmを測定する約25%の幅広の集合アイボックス(250)を定義する。   The size of the overlap between the module's eyebox segments 255 determines the ultimate size of the collective eyebox (250) of the MHUD system (200), depending on their angular vignetting profile in the figure, the latter being a virtual The image (260) is configured to provide the desired brightness uniformity (defined as the area boundaries or dimensions of the collective eyebox (250)) that is fully visible (or visible). Also, as shown in FIG. 8, a virtual image perceived by an observer (260) showing the angular vignetting profile shield resulting from the MHUD assembly over the entire area of the overlapping eyebox segments of the module. ) Includes the ar, ac, and al (left, center, and right) luminance contributions from each module (215), respectively. The criterion for defining the boundary of the set eye box (250) is that the luminance of the virtual image (260) within the area a of the overlap a of the eye box segments (255) and 255t is a predetermined threshold value λ (for example, (Less than 25%) is the desired uniformity threshold over a selected area, ie, VarA (AR + Ac + AL) ≦ λ. The perceived brightness across the virtual image, with the criterion for defining the boundary of the set eye box (250) and the overlap of the eye box segment (255) of the module (215) shown in FIG. , At least 50% of the modules. This means that somewhere within the boundaries of the collective eyebox defined by the defined criteria, each module (215) has at least 50% of the perceived brightness of the virtual image (260). To contribute. In this design approach for the MHUD system (200), the desired luminance uniformity of the virtual image (260) is a criterion that defines the size of the aggregate eye box (250), and this design criterion is shown in FIG. As shown in FIG. (8), a uniformity threshold λ = 37.5% is used to indicate that a 120 mm wide aggregate eye box (250) is manufactured using the uniformity threshold λ = 25%. , Define an approximately 25% wide collective eye box (250) measuring approximately 150 mm.

図8に示すように、MHUDシステムの集合アイボックスの左右を超えて延在するアイボックスセグメント領域である、仮想画像の矢印オブジェクト(810)は、観察者の頭部がこれらの領域に移動する際に、徐々にケラレまたはフェードアウトする。MHUDシステム(200)の設計手法では、MHUDアセンブリ(210)の右側または左側のいずれかにモジュール(215)を追加することが、図6に示されている。先に定義された設計基準によって定義されるように、MHUDシステム(200)の集合アイボックス(250)の横幅を拡張する、仮想画像(260)の矢印オブジェクト(810)が所望の輝度均一性で完全に見えるようになる場合に、仮想画像(260)の矢印オブジェクト(810)が所望の輝度均一性で完全に見えるようにする。別の列のモジュール(215)がMHUDアセンブリ(210)に追加されるとき、集合アイボックス(250)の高さを拡張する同様の効果は、直交方向において生じる。このように、本発明のMHUDシステム(200)のモジュラー設計方法では、本発明、任意のデザインの選択された幅及び高さ寸法を有する任意のサイズの集合アイボックス(250)を、より多くのモジュール(215)をMHUDアセンブリ(210)に追加することによって実現することができる。 As shown in FIG. 8, the arrow object (810) of the virtual image, which is an eye box segment area extending beyond the left and right of the collective eye box of the MHUD system, moves the observer's head to these areas. At that time, gradually vignetting or fading out. In the design approach of the MHUD system (200), adding a module (215) to either the right or left side of the MHUD assembly (210) is shown in FIG. The arrow object (810) of the virtual image (260), which extends the width of the collective eye box (250) of the MHUD system (200), as defined by the design criteria defined earlier, has the desired brightness uniformity. When it becomes completely visible, the arrow object (810) of the virtual image (260) is made completely visible with the desired brightness uniformity. When another row of modules (215) is added to the MHUD assembly (210), a similar effect of extending the height of the collective eye box (250) occurs in the orthogonal direction. Thus, in the modular design method of the MHUD system (200) of the present invention, the present invention allows the collection eyebox (250) of any size with the selected width and height dimensions of any design to be more This can be achieved by adding a module (215) to the MHUD assembly (210).

本質的に、本発明のMHUDシステムの分割射出瞳モジュール設計方法は、多数のイメージャ及び凹面鏡の使用を可能にする、比較的小さい開口部を有し、それぞれが短い光学的トラック長を達成して、より大きな画像源のはるかに長い光学長さと、従来技術のHUDシステムで使用される単一のミラーとを置き換えることができる。したがって、MHUDモジュールのより小さい開口イメージャおよび凹面鏡は、同じサイズのアイボックスを達成するために、より大きな単一の画像源および単一のミラーを使用する従来技術のHUDシステムによって達成され得るよりも、実質的に小さな体積アスペクトを集合的に可能にする。さらに、MHUDシステム(200)の達成される集合アイボックス(250)のサイズは、適切な数のモジュール(215)の基本設計要素を使用することによって調整することができる。逆に、MHUDシステム(200)の体積形態は、tを達成しながら、車両のダッシュボード領域で利用可能なボリュームと一致させるように作ることができる同じ利用可能なボリュームに適合することができる従来技術のHUDシステムによって達成され得るより大きなサイズの集合アイボックス(250)を提供する。   In essence, the split exit pupil module design method of the MHUD system of the present invention has relatively small apertures, each achieving a short optical track length, allowing the use of multiple imagers and concave mirrors. Can replace the much longer optical length of the larger image source and the single mirror used in prior art HUD systems. Thus, the smaller aperture imager and concave mirror of the MHUD module can be achieved by prior art HUD systems that use a larger single image source and a single mirror to achieve the same size eyebox. , Collectively allowing substantially smaller volumetric aspects. Further, the achieved size of the collective eyebox (250) of the MHUD system (200) can be adjusted by using an appropriate number of basic design elements of the modules (215). Conversely, the volume configuration of the MHUD system (200) can fit the same available volume that can be made to match the available volume in the dashboard area of the vehicle while achieving t. It provides a larger sized collective eyebox (250) that can be achieved by a state-of-the-art HUD system.

本発明のMHUDシステムの体積上の利点を説明するために、図6の斜視図は、図のtを示す3つのイメージャ(220)を使用し、各々が6.4x3.6mmの光学開口サイズを有するMHUDアセンブリ(210)の設計寸法を決定する、3つの凹面鏡で構成され、各々が(60100mm)の光学開口サイズを有する3つの凹面鏡と、を備えている、λ=25%の輝度均一性閾値に基づいて120×60mmの集合アイボックス250サイズを実現する。図6に示す設計寸法に基づいて、MHUDアセンブリの全体積は、以下の通りである、約1350cc(1.35リットル)。比較のために、単一の大きな開口ミラーを使用する従来技術のHUDシステムの全体積は、(1つ)のtを有する同じアイボックスサイズを達成するための単一のより大きな画像ソースは、5000cc(5リットル)を超える。したがって、本発明のMHUDシステム(200)の設計方法は、従来技術のHUDシステムよりもより体積効率(または小さい)のファクタであるHUDシステム。この立体的な利点を視覚化するために、図9は、MHUDアセンブリの設計例tの体積を示すサブコンパクト自動車のダッシュボードに設置された図6に示されている。図9に示すように、本発明のMHUDシステムの容積的に効率的な設計は、従来技術のHUDシステムが単に適合しない非常に制約されたダッシュボード容積を有する自動車においてHUD機能を追加することを可能にする。   To illustrate the volume advantages of the MHUD system of the present invention, the perspective view of FIG. 6 uses three imagers (220), shown at t in the figure, each with an optical aperture size of 6.4 × 3.6 mm. Brightness uniformity threshold of λ = 25%, comprising three concave mirrors, each having an optical aperture size of (60100 mm), which determines the design dimensions of the MHUD assembly (210) having Based on the above, a collective eye box 250 size of 120 × 60 mm is realized. Based on the design dimensions shown in FIG. 6, the total volume of the MHUD assembly is approximately 1.350 cc (1.35 liters) as follows: For comparison, the overall volume of a prior art HUD system using a single large aperture mirror is that a single larger image source to achieve the same eyebox size with (one) t is: Over 5000cc (5 liters). Therefore, the design method of the MHUD system (200) of the present invention is a HUD system that is a factor of volumetric efficiency (or smaller) than the prior art HUD system. To visualize this three-dimensional advantage, FIG. 9 is shown in FIG. 6 installed on the dashboard of a subcompact vehicle showing the volume of the design example t of the MHUD assembly. As shown in FIG. 9, the volumetrically efficient design of the MHUD system of the present invention makes it possible to add HUD functionality in vehicles with very constrained dashboard volumes where prior art HUD systems simply do not fit. to enable.

図10は、図に示されるようなMHUDシステムの光線経路を示し、図2に既に説明され且つ図示されている、MHUDアセンブリ(210)を備える3つのイメージャ(220)は、各々が同じ解像度(例えば640×360画素)で同じ画像を生成する3つの各凹面鏡(230)で反射された後に、3つの画像で反射された後に、3つの凹面鏡(230)で反射された後に、3つの凹面ミラー(230)で反射された後には、先に説明した設計例の120×60mm集合アイボックス(250)の全体を角度的にアドレスすることになり、先に説明した設計例の125×225mm仮想画像(260)にわたって640x360空間解像度を集合的に提供する。   FIG. 10 shows the ray paths of the MHUD system as shown, and the three imagers (220) with the MHUD assembly (210), already described and shown in FIG. 2, each have the same resolution ( Three concave mirrors after being reflected by three concave mirrors (230), after being reflected by three images, after being reflected by three concave mirrors (230) that generate the same image at 640 × 360 pixels) After being reflected at (230), the entire 120 × 60 mm set eye box (250) of the previously described design example will be angularly addressed, and the 125 × 225 mm virtual image of the previously described design example will be addressed. Collectively provide 640x360 spatial resolution over (260).

図10は、仮想画像に10、000cd/m2の輝度を生成するための設計要件を示しており、これは、約20%の典型的な風防ガラス反射率と、先に説明した集合的アイボックス250境界定義基準とを有する、3つのイメージャ(220)の各々は、約25、000cd/m2の輝度を生成する。3つのイメージャ(220)とMHUD組立体(210)の制御及びインタフェース電子機器(620)とは集合的に約2wを消費し、25、000cd/m2の明るさを生成する、従来技術のHUDシステムの消費電力の約25%である。   FIG. 10 shows the design requirements for producing 10,000 cd / m 2 brightness in a virtual image, which is typical of a windshield reflectivity of about 20% and the collective eyebox described above. Each of the three imagers (220), with 250 boundary definition criteria, produces a luminance of about 25,000 cd / m2. A prior art HUD system in which the three imagers (220) and the control and interface electronics (620) of the MHUD assembly (210) collectively consume about 2w and produce a brightness of 25,000 cd / m2. Power consumption is about 25%.

図5に示すMHUDシステムの性能を参照する、図5の囲まれたエネルギープロットは、サイズが180ミクロンの凹面鏡(230)の光学的開口からのコリメートされた光ビームの幾何学的なぼけ半径を示す。各モジュール(215)は、有効焦点距離が72mmである図6に示す例を設計する、図5の囲まれたエネルギープロットで示された180ミクロンのボケの大きさは、各モジュールがの角度の広がりを与えるイメージャ(220)の画素で発生する光ビームのための0.143deg及びその光ビームによってコリメートされた光ビーム、対応する凹面鏡(230)は、ピクセルからの全ビーム幅に対して0.143°の角度広がりに関連するスイミング効果であり、解像度(MTF)は、眼瞳孔サイズによってサンプリングされた有効ビーム幅によって決定される。図5のMTFプロットは、直径の典型的な目の瞳孔口径に対して計算された各モジュールのMTFを示す。この角度広がり角が小さいほど、仮想画像(260)の仮想画像(260)におけるスイミング半径が小さくなる。MHUDシステムの集合的アイボックスからのmの場合、MHUDシステムの設計例の対応するスイミング半径は62mmである。単一のミラー及び2tを使用する従来技術のHUDシステムMHUDアセンブリ(210)の全開口サイズに等しい光学開口サイズを有することは、設計例は、モジュール(215)の光学的開口より約2/4x大きい光学開口を有することになる。収差ぼけの大きさは、第3のパワーRef[18]に上昇した開口サイズに正比例する、MHUDアセンブリ(210)の設計例の全開口サイズに等しい光学開口サイズを有する従来技術の単一ミラーHUDシステムは、対応するスイミング半径約14.3mmを有する。設計によって意図的に達成され得ない大きな3次収差を補償するために5次収差が発生した場合、そうでなければ、従来技術の単一ミラーHUDシステムは典型的にはaを有する。対応するスイミング半径は約390.7mmであり、これは設計例(50t)によって達成されるスイミング半径よりも1.2x大きいは、先に説明した収差前補正方法を用いても言及されるべきである、MHUDシステム(200)のスイミング半径は、この設計例の記述された値よりも実質的に減少させることができ、または完全に排除することさえできる。   Referring to the performance of the MHUD system shown in FIG. 5, the enclosed energy plot of FIG. 5 shows the geometric blur radius of the collimated light beam from the optical aperture of the concave mirror (230) of size 180 microns. Show. Each module (215) designs the example shown in FIG. 6 with an effective focal length of 72 mm. The magnitude of the 180 micron blur shown in the enclosed energy plot of FIG. The 0.143 deg for the light beam generated at the pixel of the imager (220) that provides the spread and the light beam collimated by that light beam, the corresponding concave mirror (230) is 0.1 mm for the total beam width from the pixel. A swimming effect associated with an angular spread of 143 °, where the resolution (MTF) is determined by the effective beam width sampled by the eye pupil size. The MTF plot of FIG. 5 shows the MTF of each module calculated for a typical eye pupil diameter of diameter. The smaller the angle spread angle, the smaller the swimming radius of the virtual image (260) in the virtual image (260). For m from the collective eyebox of the MHUD system, the corresponding swimming radius of the MHUD system design example is 62 mm. Having an optical aperture size equal to the full aperture size of the prior art HUD system MHUD assembly (210) using a single mirror and 2t, the design example is about 2 / 4x larger than the optical aperture of the module (215). It will have a large optical aperture. Prior art single mirror HUD having an optical aperture size equal to the full aperture size of the MHUD assembly (210) design example, wherein the magnitude of the aberration blur is directly proportional to the aperture size raised to the third power Ref [18]. The system has a corresponding swimming radius of about 14.3 mm. If fifth order aberrations occur to compensate for large third order aberrations that cannot be intentionally achieved by design, otherwise prior art single mirror HUD systems typically have a. The corresponding swimming radius is about 390.7 mm, which is 1.2 × larger than the swimming radius achieved by the design example (50t), but should also be mentioned using the previously described pre-aberration correction method. Certain, the swimming radius of the MHUD system (200) can be substantially reduced or even entirely eliminated from the stated values of this design example.

図10はまた、太陽光負荷が含まれるMHUDシステムの光線経路を示す。図10に示すように、車両のフロントガラスに衝突する太陽光の逆方向の光路は、時刻tに到達する本発明のMHUDシステム(200)の設計において、仮想画像(260)にグレアを引き起こす可能性のある集合アイボックス(250)領域を含む、集合アイボックス(250)に到達することができる日光の量は、従来技術のHUDシステムに比べてはるかに少ない。第1に、フロントガラス240光透過率が80%であると仮定すると、太陽からの光線は、フロントガラス(240)によってその輝度の最大80%まで減衰される。第2に、フロントガラス(240)を透過し、一方で反射された太陽光が、対応する撮像装置220側への凹面鏡は、反射防止(AR)によってさらに減衰される)画像化装置(220)の光学的開口部上のコーティングは、凹型ミラー230アセンブリに向かって反射される前に、その輝度の最大5%までの範囲である。第3に、この逆方向経路日光は、それが風防ガラス(240)によって集合的アイボックス(250)に向けて反射されるとき、その輝度の少なくとも20%までさらに減衰される。先に説明したように、各モジュールの撮像器および凹面鏡は、仮想画像の明るさに対して最大50%に寄与する、太陽光によって区画されたモジュール(215)から反射された太陽光のグレアは、虚像(260)で50%減衰することになる。   FIG. 10 also shows the ray path of the MHUD system including the solar load. As shown in FIG. 10, the reverse optical path of sunlight colliding with the windshield of the vehicle can cause glare in the virtual image (260) in the design of the MHUD system (200) of the present invention reaching time t. The amount of sunlight that can reach the collective eyebox (250), including the potential collective eyebox (250) area, is much less than in prior art HUD systems. First, assuming that the windshield 240 light transmission is 80%, light rays from the sun are attenuated by the windshield (240) to a maximum of 80% of its brightness. Secondly, the transmitted sunlight through the windshield (240), while the reflected sunlight is further attenuated by the anti-reflection (AR) concave mirror to the corresponding imaging device 220) imaging device (220) The coating on the optical aperture of the lens ranges up to 5% of its brightness before being reflected towards the concave mirror 230 assembly. Third, this reverse path sunlight is further attenuated to at least 20% of its brightness as it is reflected by the windshield (240) toward the collective eye box (250). As described earlier, the imager and concave mirror of each module contributes up to 50% to the brightness of the virtual image, the glare of sunlight reflected from the module (215) defined by sunlight, , Is attenuated by 50% in the virtual image (260).

したがって、この経路減衰分析に基づいて、集合アイボックスに到達する日光は、その明るさの最大で0.4%(1%未満)まで減衰される。MHUDシステム(200)が、仮想画像(260)において10、000cd/m2の明るさおよび0.4%の日光のグレアを生成することができるようにすることにより、MHUDシステム(200)は、より多くの日光の明るさを許容することができる250,約28dbの統一グレア評価(UGR)(またはグレア対画像強度比)に相当する000cd/m2である。ガラスカバー(430)は赤外線吸収性であることに留意すべきである、本発明のヘッドアップディスプレイで使用される波長の光に対して透明であり、太陽負荷熱が凹型ミラー(230)によってイメージャ(220)に戻ることによって集中することを防止する。   Thus, based on this path attenuation analysis, sunlight arriving at the collective eye box is attenuated to a maximum of 0.4% (less than 1%) of its brightness. By enabling the MHUD system (200) to generate 10,000 cd / m2 brightness and 0.4% sunlight glare in the virtual image (260), the MHUD system (200) becomes more 000 cd / m 2, which corresponds to a unified glare rating (UGR) (or glare-to-image intensity ratio) of 250, about 28 db, which can tolerate much sunlight brightness. It should be noted that the glass cover (430) is infrared-absorbing, transparent to light of the wavelength used in the head-up display of the present invention, and the solar load heat is reduced by the concave mirror (230) to the imager. Returning to (220) prevents concentration.

上述の実施形態では、複数のモジュールを横並びに配置して、重なり合うアイボックスセグメントを提供して、アイボックスセグメント255自体よりも広い集合アイボックスを提供する。しかし、所望であれば、代わりに、または加えて、モジュールのアイボックスセグメントもまた積み重ねられて、より高い集合的アイボックスを提供するように、モジュールを配置することができる、同一の虚像を表示する全てのモジュールは、車両前方の同じ位置にある。より高い集合的アイボックスを提供するための積み重ねは、一般に、モジュールの積み重ねではなく、むしろ典型的な風防ガラスの傾斜のためであることに留意されたい、アイボックスセグメントの積み重ねは、追加のモジュール用のダッシュボードのより大きな実質的に水平な領域を単に使用することによって達成することができる。   In the embodiments described above, a plurality of modules are arranged side by side to provide overlapping eyebox segments to provide a collective eyebox that is wider than eyebox segment 255 itself. However, if desired, alternatively or additionally, the module's eyebox segments can also be stacked to display the same virtual image, where the modules can be arranged to provide a higher collective eyebox. All of the modules are in the same position in front of the vehicle. Note that the stacking to provide a higher collective eyebox is generally not due to the stacking of modules, but rather to the inclination of the typical windshield. This can be achieved by simply using a larger, substantially horizontal area of the dashboard for the application.

また、先に述べたように、
“図2に示されるように、関連する光学系を有する各単一の撮像装置から射出された画像は、コリメートされる、その関連する凹面鏡(230)によって拡大反射され、次いで、車両風防ガラス(240)から部分的に反射されて虚像260を形成する、車両の運転者(オペレータ)の公称ヘッド位置に位置するアイボックスセグメント255内で見ることができる。”
Also, as mentioned earlier,
"As shown in FIG. 2, the image emitted from each single imager with associated optics is magnified and reflected by its associated concave mirror (230) and then the vehicle windshield ( 240) can be seen in the eyebox segment 255 located at the nominal head position of the driver of the vehicle, forming a virtual image 260 that is partially reflected. "

いずれの実施形態においても、凹面鏡によって達成される視準の程度は、必ずしも完全ではなく、意図的に設定されて、仮想画像が形成される車両の前方を制限するように意図的に設定されてもよい。いくつかの例では、凹型ミラーは、実際には、実際には、視準を歪ませて、収差の次の原因を相殺するように意図的に設計されてもよく、もしあれば、最も明白な例であるフロントガラスの曲率であってもよい 。   In either embodiment, the degree of collimation achieved by the concave mirror is not necessarily perfect, but is intentionally set and intentionally set to limit the front of the vehicle where the virtual image is formed. Is also good. In some examples, the concave mirror may, in fact, be intentionally designed to actually distort the collimation and offset the next source of aberrations, if any. Another example is the curvature of the windshield.

図2のMHUD組立体(210)の制御及びインタフェース電子機器(620)において、軸外の歪曲及び傾斜収差及び色及び輝度の補正を行うことができることが以前に示されている(図6も参照)。もちろん、各モジュールからの各画像または画像セグメントの横方向位置補正は、制御およびインタフェース電子機器620(機械的にも行うことができる)二重画像又は二重画像部分が表示されないようにする。さらに、”輝度補正”は、少なくともの主要な態様を有することに留意されたい。第1及び最も明白なものは、異なるモジュールからの画像の明るさ(及び色)が異なることがないように、輝度変化、モジュール及びモジュールの補正である。しかし、それに関連して、画像ワーピングおよび他の要因が、おそらく、個々のモジュール内の画像部分の明るさの変動を引き起こす可能性があるという事実が関連する、反りによる画素間隔の変化が可視の明るさ収差を生じさせる可能性がある。これに遭遇すると、各モジュール内の各個々のピクセルの輝度は個別に制御可能である、画素分離が増加する領域では局所的に必要な画素輝度を大きくすることができ、画素分離が減少した領域では減少する。最後に、典型的な固体発光ピクセルアレイ撮像装置は、正方形の撮像装置ではなく、典型的には、不均一な寸法の長方形であることに留意すべきである。その結果、撮像装置の向きの選択はまた、本発明のヘッドアップディスプレイの設計において有用であることができる追加の変数を提供することができる。   It has previously been shown that control and interface electronics (620) of the MHUD assembly (210) of FIG. 2 can provide for off-axis distortion and tilt aberrations and color and brightness correction (see also FIG. 6). ). Of course, the lateral position correction of each image or image segment from each module ensures that control and interface electronics 620 (which can also be performed mechanically) double images or double image portions are not displayed. Furthermore, it should be noted that "brightness correction" has at least the main aspects. The first and most obvious are brightness changes, module and module corrections so that the brightness (and color) of images from different modules does not differ. However, in connection therewith, the change in pixel spacing due to warpage is visible, which is related to the fact that image warping and other factors may possibly cause variations in the brightness of image parts within individual modules. Brightness aberration may occur. When this is encountered, the brightness of each individual pixel in each module is individually controllable, and in areas where pixel separation increases, the locally required pixel brightness can be increased and areas where pixel separation decreases Then it decreases. Finally, it should be noted that typical solid state light emitting pixel array imagers are typically rectangular with non-uniform dimensions, rather than square imagers. As a result, selection of the orientation of the imaging device can also provide additional variables that can be useful in designing the heads-up display of the present invention.

以下の表1は、本発明の特定の実施形態の画像化装置ベースMHUDシステムの顕著な性能特性を示し、単一のより大きなミラーおよび単一のより大きな画像ソースを使用する従来技術のHUDシステムと比較して、それらの性能上の利点を示す。表1に示されるように、本発明の分割射出瞳MHUDシステムは、従来技術のHUDシステムを、あらゆる性能カテゴリ内の複数の要因によって性能向上させる。また、緩和されている。前述したように、本発明のMHUDシステムは、同程度のアイボックスサイズを有する従来技術よりもはるかにコスト効果が高いことが予想される。   Table 1 below shows the salient performance characteristics of the imager-based MHUD system of certain embodiments of the present invention, a prior art HUD system using a single larger mirror and a single larger image source. Demonstrate their performance advantages as compared to. As shown in Table 1, the split exit pupil MHUD system of the present invention enhances the prior art HUD system by a number of factors in all performance categories. It has also been eased. As mentioned above, the MHUD system of the present invention is expected to be much more cost effective than the prior art with comparable eyebox sizes.

近視野および遠視野虚像を有するマルチ画像ヘッドアップディスプレイシステム
多くのHUDシステムアプリケーションでは、HUDシステムは、複数の仮想画像を視聴者に表示することが望ましい、好ましくは観察者の前方に直接的に配置され、同時に、同時に駆動から視聴者の注意を気にしないようにする付加的な情報の安全な視認性を提供する。この文脈では、例えば、HUDシステムによって複数の仮想画像を表示することができる、従来のHUDシステムでは一般的に採用されている遠距離場距離で第1の虚像を表示し、近距離場距離で第2の虚像を表示する。好ましくは、両方の仮想画像は、視聴者が道路から離れることを必要とせずにHUDシステム視聴者に見ることができ、運転者が運転状態に注意を払い続けることを可能にする。
Multi-image head-up display system with near-field and far-field virtual images
In many HUD system applications, it is desirable for the HUD system to display a plurality of virtual images to the viewer, preferably placed directly in front of the viewer, while simultaneously taking care of the viewer's attention from driving Provide secure visibility of additional information to avoid. In this context, for example, a first virtual image can be displayed at a far-field distance generally used in a conventional HUD system, and a plurality of virtual images can be displayed by a HUD system. A second virtual image is displayed. Preferably, both virtual images are visible to the HUD system viewer without requiring the viewer to leave the road, allowing the driver to continue to pay attention to driving conditions.

本開示の本発明の別の好ましい実施形態では、先に説明した分割射出瞳設計アーキテクチャは、多数の表示素子すなわち、撮像装置および関連する光学装置と組み合わせて使用することができる(220)、図2に示すように、各表示素子(220)は、異なる出力角度で複数の画像を変調するように構成されている。   In another preferred embodiment of the present invention of the present disclosure, the split exit pupil design architecture described above can be used in combination with multiple display elements, i.e., an imager and associated optics (220). As shown in FIG. 2, each display element (220) is configured to modulate a plurality of images at different output angles.

本発明のマルチ画像ヘッドアップディスプレイシステムの一態様では、システムは、各々が固体発光画素アレイ撮像装置(すなわち、表示素子を有する複数のモジュール(215)を備えることができる)(220)と、固体発光画素アレイ撮像装置(220)によって生成された第1および第2の画像を(50t)に向かって拡大および反射するように構成された凹面鏡(230)とを含むアイボックスセグメント内で見ることができる第1及び第2の仮想画像を形成するように構成されている。複数のモジュールは、アイボックスセグメント(255)が結合して、各モジュール(215)のアイボックスセグメント(255)よりも大きい集合アイボックス(250)を有するようにヘッドアップディスプレイを提供するように配置され、集合アイボックス(250)は、車両のドライバの公称ヘッド位置に位置するように配置される。本発明のマルチ画像ヘッドアップディスプレイシステムの実施形態の第1の態様では、固体発光画素アレイ撮像装置(220)は、微小光学素子のそれぞれの第1のセットに関連する第1の組の画素と、微小光学素子のそれぞれの第2のセットに関連する第2の組の画素とを備える。第1の組の微小光学素子は、上述した第1の画像を生成するために、それぞれの第1の組の画素からの出力を導くように構成される、これにより、集合アイボックス(250)から第1の距離で見ることができる第1の仮想画像が生成される。第2の組の微小光学素子は、上述した第2の画像を生成するために、各第2の組の画素からの出力を導くように構成される、第2の仮想画像が生成され、それによって第2の仮想画像が生成され、第2の仮想画像は、第1の仮想画像から第2の距離で見ることができ、マイクロ光学素子は、固体発光画素アレイ撮像装置の表面に対するほぼ傾斜した画素出力を可能にするように構成された非テレセントリックレンズまたは非テレセントリック光学素子を含むことができる。   In one aspect of the multi-image head-up display system of the present invention, the system comprises a solid state light emitting pixel array imager (i.e., can include a plurality of modules (215) with display elements) (220); Viewing the first and second images generated by the emissive pixel array imager (220) in an eyebox segment including a concave mirror (230) configured to expand and reflect toward (50t). It is configured to form possible first and second virtual images. The plurality of modules are arranged such that the eyebox segments (255) combine to provide a heads-up display such that each module (215) has a larger aggregated eyebox (250) than the eyebox segment (255). The collective eye box (250) is positioned to be at the nominal head position of the driver of the vehicle. In a first aspect of an embodiment of the multi-image head-up display system of the present invention, a solid state light emitting pixel array imager (220) includes a first set of pixels associated with a respective first set of micro-optical elements. , A second set of pixels associated with each second set of micro-optical elements. A first set of micro-optics is configured to direct output from each first set of pixels to generate the first image described above, thereby providing a collection eye box (250). A first virtual image is generated that can be viewed at a first distance from. The second set of micro-optics generates a second virtual image configured to direct the output from each second set of pixels to generate the second image described above, wherein the second virtual image is generated. Generates a second virtual image, the second virtual image is visible at a second distance from the first virtual image, and the micro-optics are substantially tilted with respect to the surface of the solid state light emitting pixel array imager. Non-telecentric lenses or non-telecentric optics configured to allow pixel output may be included.

本発明のマルチ画像ヘッドアップディスプレイシステムの実施形態の第1の態様では、第1の距離は遠距離場距離であり、第2の距離は近距離場距離であってよい。第1の組の画素は、固体発光画素アレイ撮像装置のユーザ定義の第1の組の画素とすることができ、第2の組の画素は、固体発光画素アレイ撮像装置の画素のユーザ定義の第2の組とすることができる。第1の組の画素は、固体発光画素アレイ撮像装置の画素の奇数行とすることができ、第2の組の画素は、固体発光画素アレイ撮像装置の偶数番目の行とすることができ、第2の組の画素は、固体発光画素アレイ撮像装置の偶数番目の行であってもよい第1の組の画素は、固体発光画素アレイ撮像装置(22)の偶数番目の行であってもよく、第2の組の画素は、固体発光画素アレイ撮像装置(220)の奇数行であってもよい。第1組の画素は、固体発光画素アレイ撮像装置(22)の画素領域の少なくとも50%を構成する画素であってもよく、第2組の画素は、固体発光画素アレイ撮像装置(220)の残りの画素領域のバランスであってもよい第1の組の画素は、固体発光画素アレイ撮像装置(220)の上側領域又は部分であってもよく、第2の組の画素は、固体発光画素アレイ撮像装置(220)の下側領域又は部分であってもよい。   In a first aspect of the embodiment of the multi-image head-up display system of the present invention, the first distance may be a far-field distance and the second distance may be a near-field distance. The first set of pixels may be a user-defined first set of pixels of the solid-state pixel array imager, and the second set of pixels may be a user-defined set of pixels of the solid-state pixel array imager. It can be a second set. The first set of pixels can be an odd row of pixels of the solid state pixel array imager, the second set of pixels can be an even row of the solid state pixel array imager, The second set of pixels may be an even-numbered row of the solid state pixel array imager, and the first set of pixels may be an even-numbered row of the solid state pixel array imager. Preferably, the second set of pixels may be an odd row of the solid state light emitting pixel array imager (220). The first set of pixels may be pixels that make up at least 50% of the pixel area of the solid state pixel array imager (22), and the second set of pixels may be pixels of the solid state pixel array imager (220). The first set of pixels, which may be a balance of the remaining pixel area, may be an upper region or portion of the solid state light emitting pixel array imager (220), and the second set of pixels may be solid state light emitting pixels. It may be a lower area or part of the array imaging device (220).

図11A−B、図11C−Dは、所定の組の個々のピクセルを構成するように構成されたこのような複数画像光変調表示素子の非限定的な例を示す、所定の組の画素行または画素列のような複数の画素列を含む、表示素子220上の画素の2dアレイにおいて、それぞれが、それぞれの画素から放射された光を所定の固有方向に指向し、または方向的に変調する微小光学素子を個別に組み込んでいる。   FIGS. 11A-B and 11C-D show non-limiting examples of such multi-image light modulation display elements configured to constitute a predetermined set of individual pixels. Or in a 2d array of pixels on the display element 220, including a plurality of pixel columns, such as pixel columns, each of which directs or directionally modulates the light emitted from each pixel in a predetermined unique direction. Micro optical elements are individually incorporated.

図11A−B、図11C−Dは、マルチ画像表示素子が、の画像を同時に変調するように設計された例を示す、各第1および第2の画像が表示素子220表面から異なる方向に放出されるように構成されている。そのような表示要素(220)が、図2の分割射出瞳HUD設計アーキテクチャの文脈内で使用される場合、第1の画像(上で説明した)は、遠距離場距離(例えば、遠視野距離)で見ることができる第1の仮想画像を生成するがHUDシステムアイボックス(250)から約2.5mであるように構成されている、変調された第2の画像は、近距離場距離(例えば、約0.5m)で見ることができる第2の虚像を生成する。これら2つの視認可能な仮想画像は、マルチ画像分割射出瞳HUDシステムによって同時に変調され、HUDシステム。ビューアは、垂直軸の平面内の視線を角度だけ方向転換することによって、第1または第2の仮想画像のいずれかを選択的に見ることができる。分割射出瞳HUDシステムの複数の表示素子(220)によって変調された2つの仮想画像の変調方向の角度傾斜(または分離)に比例する。   FIGS. 11A-B and 11C-D show examples in which a multi-image display element is designed to simultaneously modulate an image of each, where each first and second image is emitted in a different direction from the surface of the display element 220. It is configured to be. If such a display element (220) is used within the context of the split exit pupil HUD design architecture of FIG. 2, the first image (described above) will be a far-field distance (eg, far-field distance) ) Produces a first virtual image that can be viewed at about 2.5 m from the HUD system eye box (250). For example, a second virtual image that can be seen at about 0.5 m) is generated. These two viewable virtual images are simultaneously modulated by the multi-image split exit pupil HUD system and the HUD system. The viewer can selectively view either the first or the second virtual image by turning the line of sight in the plane of the vertical axis by an angle. It is proportional to the angle inclination (or separation) of the modulation direction of two virtual images modulated by the plurality of display elements (220) of the split exit pupil HUD system.

図11Aおよび図11Bは、本発明の一実施形態における表示素子(220)の上面図および側面図であり、分割射出瞳HUDシステムの複数の表示素子(220)は、第1および第2の画像を、それらの光学的開口部が2つの表示画素群に分割されることによって変調するように構成されている、表示画素の奇数番目の行と偶数番目の行とを比較することにより、1つの画素群を生成する。画素の奇数番目の行は、第1の画像を変調し、第2の画素群は、偶数番目の画素の行を変調する。第2の画像を変調する。このようなHUD方式の表示素子(220)の指向性変調能力は、微小光学素子やtftを設計することにより実現することができる各画像変調画素群に関連付けられ、所定の画像方向においてそれらの関連する画素から放出された光を方向的に変調するマイクロレンズ素子と、を備える。例えば、図図11Aおよび図11Bに示した場合には、画素の奇数行に関連する微小光学素子は、関連する画素群から放出された光を直接に変換して、1つのtを形成する第1の画像を生成するステップと、偶数番目の画素の行に関連する微小光学要素が、第2の画像を形成するために、そのグループの画素から放出された光を導く。光線は、図中の各画像に対して平行であるものとして図示されていることに留意されたい図 1 1A−11Dは、実際には、必要に応じて、画像サイズを拡大または拡大するために、一般に、撮像装置からファンアウトする。以下でより詳細に説明するように、非テレセントリックなQPI(登録商標)撮像装置の形態で非テレセントリックな微小光学レンズ素子を使用することによって、画素の放出角を可能にすることができる。 11A and 11B are a top view and a side view of a display element (220) according to an embodiment of the present invention, in which a plurality of display elements (220) of a split exit pupil HUD system display first and second images. By comparing the odd and even rows of display pixels, which are configured to modulate by dividing their optical apertures into two display pixel groups. Generate a pixel group. The odd-numbered rows of pixels modulate the first image, and the second group of pixels modulates the even-numbered rows of pixels. Modulate the second image. The directional modulation capability of such a HUD type display element (220) is associated with each image modulation pixel group which can be realized by designing a micro optical element or tft, and the relation between them in a predetermined image direction. A microlens element that modulates the light emitted from the pixel to be emitted in a directional manner. For example, in the case shown in FIGS. 11A and 11B, the micro-optical element associated with the odd row of pixels directly converts the light emitted from the associated pixel group to form one t. The step of generating one image and the micro-optical elements associated with the even-numbered pixel rows direct light emitted from the pixels of the group to form a second image. Note that the rays are shown as being parallel to each image in the figure. FIGS. 11A-11D may actually be used to enlarge or enlarge the image size as needed. , Generally fan out from the imaging device. As will be described in more detail below, the use of non-telecentric micro-optical lens elements in the form of non-telecentric QPI® imagers can enable pixel emission angles.

先に説明した単一の画像分割射出瞳HUD設計アーキテクチャを利用する際に、複数のイメージャは、それぞれ異なる方向に同じの画像を変調することに留意されたい、分割射出瞳HUDシステムの集合アイボックス(250)に存在するために、両方の仮想画像を提供する、各変調された2つの仮想画像は、集合的なアイボックス(250)にわたって見ることができるが、異なる垂直(または方位)方向で見ることができる   In utilizing the single image split exit pupil HUD design architecture described above, note that multiple imagers each modulate the same image in different directions, the collective eye box of the split exit pupil HUD system. Each modulated two virtual images, which provide both virtual images to reside at (250), can be viewed over the collective eyebox (250) but in different vertical (or azimuthal) directions. Can see

図11C及び図11Dに示される更なるマルチイメージHUDシステムの好ましい実施形態である、分割射出瞳マルチ画像HUDシステムの複数の表示素子(220)は、それぞれ、2つの領域または画素の領域に分割された光学開口を有する、すなわち、図示例では、画素の上部領域と、画素の下部領域とが形成されている。本実施形態では、異なる方向に変調された2つの画像は、それぞれ単一の専用画素領域によって変調される。例えば、図および図に示されるように、表示素子220光学的開口上部領域(これは、撮像画素セットの任意のユーザ定義部分であり得る)である)画素の各々から放出された光を画素の上側領域を構成する画素に導くように設計されたマイクロ光学素子を有し、上記のように第1の画像を形成するように構成されている。表示素子(220)は、画素の下側領域を構成する画素の各々から出射された光を、上記のように第2の画像を形成するように画素の下側領域を構成する画素から導くように設計された微小光学素子を有する。以下でより詳細に説明するように、非テレセントリック。イメージャの形で非テレセントリック。マイクロ光学素子を使用することによって、ピクセル。エミッション。アングルを提供することができる。 The multiple display elements (220) of the split exit pupil multi-image HUD system, which is a preferred embodiment of the further multi-image HUD system shown in FIGS. 11C and 11D, are each divided into two regions or regions of pixels. That is, in the illustrated example, an upper region of the pixel and a lower region of the pixel are formed. In this embodiment, the two images modulated in different directions are each modulated by a single dedicated pixel area. For example, as shown in the figures and figures, the light emitted from each of the display element 220 optical aperture upper regions (which may be any user-defined portion of the imaging pixel set) pixels It has a micro-optical element designed to guide the pixels that make up the upper region, and is configured to form a first image as described above. The display element (220) directs light emitted from each of the pixels forming the lower region of the pixel from the pixels forming the lower region of the pixel so as to form the second image as described above. It has a micro-optical element designed in. Non-telecentric, as described in more detail below. Non-telecentric in the form of an imager. Pixel by using micro optics. Emissions. Angle can be provided.

図12は、本発明のマルチイメージ分割射出瞳HUDシステムの好ましい実施形態を示す。図12に示すように、複数の表示素子(イメージャ))(220)は、2つの仮想画像をそれぞれ変調することができ、第1の画像は、第2の画像が下方向に変調されている間に、上側方向に変調される。   FIG. 12 shows a preferred embodiment of the multi-image split exit pupil HUD system of the present invention. As shown in FIG. 12, the plurality of display elements (imagers) (220) can modulate two virtual images, respectively, and the first image has the second image modulated downward. In the meantime, it is modulated upward.

複数の表示素子は、凹状ミラーによってコリメートされ、フロントガラスによってアイボックスに反射された後に、図8に示されるように、マルチイメージ分割射出瞳HUDシステムアイボックスを角度的に埋めるために、第1及び第2の画像の両方を同時に変調するされた2つの第1および第2の画像を含むコリメートされた光線束を生成する(生成される)複数の表示素子(220)をアイボックス250内の2つの異なる傾斜角度で見ることができ、マルチ画像分割射出瞳HUDシステム視聴者は、遠距離場(260−1)で見ることができる第1の仮想画像と近視野(260−2)で見ることができる第2の虚像とを有する2つの独立して同時に変調された仮想画像に焦点を合わせることができるは、2つの仮想画像が垂直方向(方位角)で角度的に分離されることを特徴とする)方向分離角度(220 ̄4)に比例する角度(220−3)によって、複数の表示素子(220)によって変調された2つの画像間の方向分離角度(220−4)に比例する。   After the plurality of display elements are collimated by the concave mirror and reflected by the windshield to the eye box, as shown in FIG. 8, the first is to angularly fill the multi-image split exit pupil HUD system eye box. And a plurality of display elements (220) for generating (generating) a collimated light beam comprising two first and second images modulated simultaneously of both the second image and the second image. The multi-image split exit pupil HUD system viewer, which can be seen at two different tilt angles, sees the first virtual image, which can be seen in the far field (260-1), and the near field (260-2) Can focus on two independently simultaneously modulated virtual images with a second virtual image and the two virtual images can be Angle (220-3), which is proportional to the direction separation angle (220 ̄4), between two images modulated by the plurality of display elements (220). It is proportional to the direction separation angle (220-4).

2つの仮想画像は異なる第1および第2の仮想距離である。なぜなら、それらの光線束は異なるレベル(異なる範囲)でコリメートされるからである。凹面鏡(230)は、アイボックス(250)から遠視野虚像距離を達成するように設計されている。特定の実施形態の特定の例として後述する非テレセントリックQPI(登録商標)イメージャの微小光学要素、非テレセントリックQPI(r)要素に関連する各ピクセルから放射された光のさらなるコリメーションを導入するように設計されている。このように、凹面鏡と協働して非テレセントリックな微小光学素子によって達成される結合されたコリメーションは、アイボックスから遠距離場および近距離場の仮想画像距離を達成し、遠視野と近距離場虚像の両方を同時に表示するマルチ画像HUDを可能にする。   The two virtual images are at different first and second virtual distances. This is because those rays are collimated at different levels (different ranges). The concave mirror (230) is designed to achieve a far-field virtual image distance from the eye box (250). Designed to introduce additional collimation of light emitted from each pixel associated with the non-telecentric QPI (r) element associated with the non-telecentric QPI (R) imager described below as a specific example of a specific embodiment. Have been. Thus, the combined collimation achieved by the non-telecentric micro-optics in cooperation with the concave mirror achieves the far-field and near-field virtual image distances from the eyebox, and the far-field and near-field Enables a multi-image HUD that displays both virtual images simultaneously.

図13に示されているように、マルチイメージ分割射出瞳HUDシステムの観察者は、(または焦点を合わせて)見ることができる)前記HUDシステムによって変調された2つの第1または第2の仮想画像のいずれか一方は、その視線を垂直方向(方位方向)にリダイレクトするだけで、前記HUDシステムによって変調された2つの第1または第2の仮想画像のいずれか一方を、)方向に角度220−3(図12参照)。2つの仮想画像は独立して変調され、表示素子(イメージャ)を構成する画素の2つの別個のグループによって別々に変調される)前記視聴者に表示された前記第1および第2の画像の各々は、前記視聴者に関心のあることがある異なる情報を含むことができる   As shown in FIG. 13, the observer of the multi-image split exit pupil HUD system (or can see in focus) has two first or second virtual modulated by the HUD system. Either one of the images can simply redirect its line of sight vertically (azimuthally), causing either one of the two first or second virtual images modulated by the HUD system to have an angle 220 degrees in the direction. -3 (see FIG. 12). Each of the first and second images displayed to the viewer (the two virtual images are independently modulated and separately modulated by two separate groups of pixels making up a display element (imager)) May include different information that may be of interest to the viewer

図13はまた、マルチイメージ分割射出瞳HUDシステムによって変調されたの仮想的な第1および第2の画像の公称位置を示しており、遠視野虚像は、非限定的な図示された例(車両のフロントフードのほぼ端部)において約2.5mの距離で観察者によって合焦可能である)の約0.5mの距離(車両のフロントガラスの外側下縁部)で、近視野虚像が観察者によって合焦可能であることを特徴とする。   FIG. 13 also shows the nominal positions of the virtual first and second images modulated by the multi-image split exit pupil HUD system, wherein the far-field virtual image is a non-limiting illustrated example (vehicle Near-field virtual image can be observed at a distance of about 0.5 m (outer lower edge of the windshield of the vehicle) at a distance of about 2.5 m (approximately at the end of the front hood). Focusing by a person.

記載されたHUDマルチイメージ機能は、図6に概説されたマルチイメージ分割射出瞳HUDシステム容積面の増大をもたらすことはできないことに留意されたい。ディスプレイ素子’(イメージャ)(220)、制御機能、および均一性ループも、図に示されるように変更されないままである。   Note that the described HUD multi-image function cannot provide an increase in the volume of the multi-image split exit pupil HUD system outlined in FIG. The display element '(imager) (220), control functions, and uniformity loop also remain unchanged as shown.

マルチ画像分割射出瞳HUDシステムの実施及び設計方法の主な相違は、記載された単一画像分割射出瞳HUDシステムと比較して、以下の通りである
1 . 複数の表示素子(イメージャ)(220)は、前の実施形態で説明したように、異なる方向に複数の画像を変調する機能を有し、
2. 2つの角度的に分離された画像を同時に変調することを可能にするために、マルチ画像分割射出瞳HUDシステムは、の方向性領域に角度分割され、
3. 画像入力(715)は、複数の表示画像(イメージャ)(220)に、それぞれが(デジタル的に)アドレス指定される2つの画像から構成される、前の実施形態に記載された対応する画素群
The main differences in the implementation and design method of the multi-image split exit pupil HUD system are as follows compared with the described single image split exit pupil HUD system:
1. The plurality of display elements (imagers) (220) have a function of modulating a plurality of images in different directions as described in the previous embodiment,
2. To enable simultaneous modulation of two angularly separated images, the multi-image splitting exit pupil HUD system is angle-divided into directional regions of
3. The image input (715) is a corresponding group of pixels as described in the previous embodiment, consisting of two images (digitally) addressed to a plurality of display images (imagers) (220).

図14は、非テレセントリックなマイクロ光学素子が屈折光学素子(ROE)として実現され得る、上で参照された非テレセントリックQP撮像装置の例示的なインスタンス化を示す選択された画素光出力を、表示素子220表面に対して略傾斜した角度で直接出力し、近接場虚像を提供するように構成されている。   FIG. 14 shows a selected pixel light output showing an exemplary instantiation of the non-telecentric QP imager referred to above, where the non-telecentric micro-optics can be implemented as a refractive optical element (ROE). 220 is configured to output directly at an approximately oblique angle to the surface to provide a near-field virtual image.

図14のこの実施形態では、ピクセルレベルの屈折非テレセントリックマイクロ光学素子および1250−1の方向性変調態様は、tを使用して実現することができる異なる屈折率を有する誘電体材料(1310)、(1320)の連続した層によって形成された非中心のマイクロレンズ(1250−1)を含む。図14は、複数の非テレセントリック屈折性微小光学素子(1250−1)を含む表示素子(220)の概略断面図である。この実施形態では、ピクセルレベル非テレセントリックマイクロ光学素子のアレイは、半導体誘電材料の複数の層としてウエハレベルでモノリシックに製造することができる、低屈折率層(1310)のための酸化ケイ素および高屈折率層(1320)のための窒化ケイ素、半導体リソグラフィ、エッチングおよび堆積技術を使用すること。図14に示すように、アレイ画素レベルの微小光学素子(1250−1)は、複数の層を用いて実現され、誘電体材料(1310)、(1320)は、屈折率が異なる(順次)誘電体材料(1310)、(1320)を含む画素レベル微小光学素子(1250−1)の屈折面を形成する、所望の非テレセントリック特性及び画像投影方向を得るために必要に応じて、マイクロレンズアレイ全体にわたって屈折性マイクロレンズ素子の中心位置を累進的に変化させる。   In this embodiment of FIG. 14, the pixel-level refractive non-telecentric micro-optical element and the directional modulation aspect of 1250-1 are dielectric materials with different refractive indices (1310), which can be realized using t, (1320) including non-centered microlenses (1250-1) formed by successive layers. FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a display element (220) including a plurality of non-telecentric refractive micro-optical elements (1250-1). In this embodiment, an array of pixel-level non-telecentric micro-optical elements can be fabricated monolithically at the wafer level as multiple layers of semiconductor dielectric material, with silicon oxide and high refractive index for the low index layer (1310). Using silicon nitride, semiconductor lithography, etching and deposition techniques for the rate layer (1320). As shown in FIG. 14, a micro-optical element (1250-1) at the array pixel level is realized using a plurality of layers, and dielectric materials (1310) and (1320) have different refractive indices (sequential). The entire microlens array, as needed to obtain the desired non-telecentric characteristics and image projection direction, forming the refractive surface of the pixel-level micro-optical element (1250-1) including body materials (1310) and (1320) Over time, the central position of the refractive microlens element is progressively changed.

図15は、上述した非テレセントリックQPI(登録商標)撮像装置の代替的な例示的な例を示し、非テレセントリックマイクロ光学素子は、傾斜屈折光学素子(ROEとして実現される)所望の非テレセントリック特性および画像投影方向を得るために必要に応じて、マイクロレンズアレイ全体にわたって徐々に変化することを特徴とするは、近接場または第2の画像を提供するために、選択された画素光出力を、撮像器220表面に対してほぼ傾斜した角度で直接選択するために使用することができる。本実施形態では、画素レベルの屈折性非テレセントリックマイクロ光学素子(1250−2)の方向性変調態様を使用して実現する異なる屈折率を有する誘電体材料(1410)、(1420)の連続層によって形成された傾斜マイクロレンズ(1250−2)を含む。   FIG. 15 shows an alternative exemplary example of the non-telecentric QPI® imager described above, wherein the non-telecentric micro-optics has the desired non-telecentric properties and tilted refractive optics (implemented as a ROE). Imaging a selected pixel light output to provide a near field or a second image, characterized by a gradual change across the microlens array as needed to obtain an image projection direction. Can be used to select directly at an approximately oblique angle to the surface of the vessel 220. In this embodiment, a continuous layer of dielectric materials (1410), (1420) having different refractive indices realized using the directional modulation aspect of the pixel-level refractive non-telecentric micro-optical element (1250-2). Includes the formed tilt microlens (1250-2).

図15は、本実施形態における複数の傾斜屈折微小光学素子を含む表示素子の側面図である、ピクセルレベル非テレセントリックマイクロ光学素子(1250)のアレイは、半導体誘電体材料の複数の層としてウエハレベルでモノリシックに製造することができる、低屈折率層(1410)のためのシリコン酸化物および高屈折率層(1420)のための窒化シリコンなどのシリコン酸化物を、半導体リソグラフィ、エッチングおよび堆積技術を用いて形成する。図15に示すように、ピクセルレベル非テレセントリックマイクロ光学素子のアレイは、複数の層誘電体材料および1420を用いて実現することができる。異なる屈折率を連続的に(連続的に)堆積させて、ピクセルレベル非テレセントリックマイクロ光学素子の屈折面を形成する   FIG. 15 is a side view of a display element including a plurality of tilted refraction micro-optical elements according to the present embodiment. An array of pixel-level non-telecentric micro-optical elements (1250) has a wafer level as a plurality of layers of semiconductor dielectric material. Silicon oxides such as silicon oxide for the low refractive index layer (1410) and silicon nitride for the high refractive index layer (1420) can be manufactured monolithically with semiconductor lithography, etching and deposition techniques. It is formed by using. As shown in FIG. 15, an array of pixel-level non-telecentric micro-optics can be implemented using multiple layers of dielectric material and 1420. Different refractive indices are deposited successively (continuously) to form the refractive surface of a pixel-level non-telecentric micro-optical element

したがって、本発明は、いくつかの態様を有し、これらの態様は、所望に応じて、単独で、または様々な組み合わせまたはサブコンビネーションで実施され得る。本発明の特定の好ましい実施形態は、説明のために本明細書に開示され、説明されてきたが、限定のためのものではない。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および細部における様々な変更を行うことができることは当業者には理解されよう。   Thus, the present invention has several aspects, which may be implemented alone or in various combinations or sub-combinations, as desired. Certain preferred embodiments of the present invention have been disclosed and described herein by way of explanation, but not by way of limitation. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail can be made without departing from the spirit and scope of the invention.

本発明は一般にヘッドアップディスプレイ(heads−up display:HUD)に関し、より詳細には、1つ以上の仮想画像を生成するHUDシステムに関する。   The present invention relates generally to a heads-up display (HUD), and more particularly, to a HUD system that generates one or more virtual images.

ヘッドアップディスプレイは、自動車のドライバーに、該ドライバーの視界及び注意を道路から外すことなく、自動車のダッシュボード情報をより視覚的に認識させ、通知することによって、自動車の安全性に寄与する、視覚的補助技術として求められている。しかしながら、現在入手可能なヘッドアップディスプレイは体積が大きく、大半の自動車での使用のために実現可能なオプションとなるには高価すぎる。航空機及びヘリコプターのヘッドアップディスプレイのための用途においても、コスト要因としての程度は低いものの、これらの同一の障害が発生する。ヘッドアップディスプレイの自動車での用途の場合、体積及びコスト面での制約は、車両のサイズ、タイプ及びコスト要件が様々であることにより、更に悪化する。従って、自動車、小型航空機、及びヘリコプターといった小型車両での使用に好適な、低コストでかさばらないヘッドアップディスプレイに対する需要が存在する。   A head-up display is a visual aid that contributes to vehicle safety by allowing a driver of the vehicle to more visually recognize and notify the dashboard information of the vehicle without distracting the driver's view and attention from the road. It is required as an assistive technology. However, currently available head-up displays are bulky and too expensive to be a viable option for use in most vehicles. These same obstacles also occur, albeit to a lesser extent, in applications for aircraft and helicopter head-up displays. For automotive applications of head-up displays, volume and cost constraints are further exacerbated by varying vehicle size, type and cost requirements. Accordingly, there is a need for a low cost, low bulk head-up display suitable for use in small vehicles such as automobiles, small aircraft, and helicopters.

従来技術のHUDシステムは一般に、瞳孔イメージングHUD及び非瞳孔イメージングHUDの2タイプに分類できる。瞳孔イメージングHUDは典型的には、中間画像の配信及び瞳孔の形成を担当するリレーモジュールと、画像のコリメーション及び視聴者の目の位置(本明細書中では「アイボックス(eye−box)」と呼ばれる)での瞳孔のイメージングを担当するコリメーションモジュールとで構成される。瞳孔イメージングHUDのコリメーションモジュールは典型的には、傾斜曲面若しくは平面リフレクタ、又はホログラフィック光学素子(holographic optical element:HOE)として実現され、リレーモジュールは典型的には、光路を曲げるため及び光収差を補償するために傾斜している。非瞳孔イメージングHUDは、システムのアパーチャを、ディスプレイにおける又は拡散による中間画像の位置における光円錐角によって定義する。中間画像HUDシステムに関しても、リレーモジュールが必要であるが、HUDアパーチャはコリメーション光学系のみによって決定される。コリメーション光学系は通常、軸対称性を有するが、体積に関して要求される制約を満たすために、折り畳みミラーを備える。これは、収差補正の必要、及びシステムの体積に関する側面によって決定される。   Prior art HUD systems can be generally categorized into two types: pupil imaging HUDs and non-pupil imaging HUDs. The pupil imaging HUD typically includes a relay module that is responsible for the distribution of intermediate images and pupil formation, image collimation and viewer eye position (here, an "eye-box"). And a collimation module that is responsible for imaging the pupil. The collimation module of the pupil imaging HUD is typically implemented as an inclined curved or planar reflector, or a holographic optical element (HOE), and the relay module is typically used to bend the optical path and reduce optical aberrations. Inclined to compensate. Non-pupil imaging HUD defines the aperture of the system by the light cone angle at the display or at the location of the intermediate image due to diffusion. Also for the intermediate image HUD system, a relay module is required, but the HUD aperture is determined only by the collimation optics. Collimation optics typically have axial symmetry, but are equipped with folding mirrors to meet the required constraints on volume. This is determined by the need for aberration correction and the volume aspects of the system.

特許文献8に記載され、図1−1に図示されている従来技術は、凹面HOEリフレクタ(図1−1の11)をコンバイナ及びコリメータとして使用することにより、コリメーション光学系を最小化し、HUDシステムの体積に関する側面を低減する。得られるHUDシステムは、収差を補償して中間画像を配信するために、複雑な傾斜リレー光学系(図1−1の10)を必要とする。更にこのHUDシステムは、狭いスペクトルでしか動作しない。   The prior art described in Patent Document 8 and illustrated in FIG. 1-1 minimizes the collimation optics by using a concave HOE reflector (11 in FIG. 1-1) as a combiner and a collimator, and reduces the HUD system. The aspect related to the volume. The resulting HUD system requires complex tilt relay optics (10 in FIG. 1-1) to compensate for aberrations and deliver intermediate images. Further, this HUD system operates only in a narrow spectrum.

特許文献9に記載され、図1−2に図示されている従来技術は、リレー光学系(relay optics:REL)モジュールを用いて、収束コンバイナ(convergent combiner:CMB)ミラー(図1−2のCMB)の焦点面に中間画像を配信し、システムの瞳孔を定義する。CMBミラーは上記中間画像をコリメートし、システムの瞳孔を視聴者の眼に結像して、視聴を促進する。この瞳孔イメージングHUDによるアプローチは、パッケージング及び収差補正のために、複雑なRELモジュールを必然的に伴う。   The prior art described in Patent Document 9 and illustrated in FIG. 1-2 uses a relay optics (REL) module and uses a convergent combiner (CMB) mirror (CMB in FIG. 1-2). B) deliver an intermediate image to the focal plane and define the pupil of the system. The CMB mirror collimates the intermediate image and images the pupil of the system to the viewer's eye to facilitate viewing. This pupil imaging HUD approach entails complex REL modules for packaging and aberration correction.

特許文献10に記載され、図1−3に図示されている従来技術は、拡散表面(図1−3の51)上に投影するための投影レンズ(3)を画像ソースとして使用し、また半透明コリメートミラー(図1−3の7)を使用する。コリメートミラーは、無限遠点に画像を形成し、コリメーション光学系のアパーチャは、拡散器の角度幅によって定義される。   The prior art, described in US Pat. No. 6,037,045 and illustrated in FIGS. 1-3, uses a projection lens (3) as an image source for projecting onto a diffusing surface (51 in FIGS. A transparent collimating mirror (7 in FIGS. 1-3) is used. The collimating mirror forms an image at infinity, and the aperture of the collimating optics is defined by the angular width of the diffuser.

特許文献11に記載され、図1−4に図示されている従来技術は、2つの液晶ディスプレイ(liquid crystal display:LCD)パネル(図1−4の23)からなる画像形成ソースを用いて、コリメーション光学系モジュール(図1−4の1)の焦点面に配置された拡散スクリーン(図1−4の5)上に中間画像を形成する。画像形成ソースの2つのLCDパネルの主要な目的は、形成された画像の視認性のために十分な輝度を達成することである。この目的を達成するために、画像形成ソースの2つのLCDパネルは、拡散スクリーンにおいて2つの連続した横並びの画像を形成するよう、又は重なっており、拡散スクリーンにおいて水平方向及び垂直方向に1/2ピクセルだけシフトされる2つの画像を形成するよう、構成される。   The prior art described in Patent Literature 11 and illustrated in FIGS. 1 to 4 employs an image forming source including two liquid crystal display (LCD) panels (23 in FIGS. 1-4) to perform collimation. An intermediate image is formed on a diffusion screen (5 in FIGS. 1-4) arranged at the focal plane of the optical system module (1 in FIGS. 1-4). The main purpose of the two LCD panels of the imaging source is to achieve sufficient brightness for the visibility of the formed image. To this end, the two LCD panels of the imaging source are configured to form, or overlap, two consecutive side-by-side images on the diffuser screen, and halve the horizontal and vertical directions on the diffuser screen. It is configured to form two images that are shifted by pixels.

特許文献12に記載されている従来技術は、1対の反射性ホログラフィック光学素子(HOE)を用いて、ホログラフィック分散補正を達成し、また観察者の視野内に広帯域表示ソースの仮想画像を投影する。特許文献13に記載されている従来技術もまた、一方が透過性であり他方が反射性である1対のホログラフィック光学素子(HOE)を用いて、車両のフロントガラスに画像を投影する。   The prior art described in U.S. Pat. No. 6,037,056 uses a pair of reflective holographic optical elements (HOEs) to achieve holographic dispersion correction and to place a virtual image of a broadband display source within the observer's field of view. Project. The prior art described in U.S. Pat. No. 6,037,064 also projects an image onto a vehicle windshield using a pair of holographic optical elements (HOE), one transmissive and the other reflective.

特許文献14に記載され、図1−5に図示されている従来技術は、ファセット反射表面を備えた車両のダッシュボード(図1−5の18)に画像を投影するよう構成された、車両のフロントガラスの上側に設置された画像プロジェクタ(図1−5の14)を使用し、ここで上記ファセット反射表面は、画像プロジェクタからの画像を車両のフロントガラスに反射するよう構成される。車両のフロントガラスの表面は、ダッシュボードのファセット表面それぞれからの画像を視聴者に向かって反射するように配向される。   The prior art described in U.S. Pat. No. 6,047,045 and illustrated in FIGS. 1-5, discloses a vehicle that is configured to project an image onto a vehicle dashboard (18 in FIGS. 1-5) with a faceted reflective surface. An image projector (14 in FIGS. 1-5) is used located above the windshield, wherein the faceted reflective surface is configured to reflect the image from the image projector to the vehicle windshield. The surface of the vehicle windshield is oriented to reflect images from each of the dashboard facet surfaces toward the viewer.

米国特許第7,623,560号、El−Ghoroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof, Nov. 24, 2009.U.S. Patent No. 7,623,560, El-Gouroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof, Nov. 24, 2009. 米国特許第7,767,479号、El−Ghoroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication ThereofU.S. Patent No. 7,767,479, El-Gouroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof. 米国特許第7,829,902号、El−Ghoroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication ThereofU.S. Patent No. 7,829,902, El-Gouroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof. 米国特許第8,049,231号、El−Ghoroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication ThereofU.S. Patent No. 8,049,231, El-Gouroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof. 米国特許第8,098,265号、El−Ghoroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication ThereofU.S. Patent No. 8,098,265, El-Gouroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof. 米国公開特許第2010/0066921号、El−Ghoroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication ThereofU.S. Patent Publication No. 2010/0066921, El-Gouroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabric Thereof. 米国公開特許第2012/0033113号、El−Ghoroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication ThereofU.S. Patent Publication 2012/0033113, El-Gouroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof. 米国特許第4,218,111号、Withrington eta al, Holographic Heads−up Displays, Aug. 19, 1980U.S. Pat. No. 4,218,111, Withrington et al, Holographic Heads-up Displays, August. 19, 1980 米国特許第6,813,086号、Bignolles et al, Head Up Display Adaptable to Given Type of Equipment, Nov. 2, 2004U.S. Patent No. 6,813,086, Bignoles et al, Head Up Display Adaptable to Given Type of Equipment, Nov. 2, 2004 米国特許第7,391,574号、Fredriksson, Heads−up Displays, June 24, 2008U.S. Patent No. 7,391,574, Fredriksson, Heads-up Displays, June 24, 2008. 米国特許第7,982,959号、Lvovskiy et al, Heads−up Displays, Jul. 19, 2011U.S. Patent No. 7,982,959, Lvovskiy et al, Heads-up Displays, Jul. 19, 2011 米国特許第4,613,200号、Hartman, Heads−Up Display System with Holographic Dispersion Correcting, Sep. 23, 1986U.S. Pat. No. 4,613,200, Hartman, Heads-Up Display System with Holographic Dispersion Correcting, Sep. 23, 1986 米国特許第5,729,366号、Yang, Heads−Up Display for Vehicle Using Holographic Optical Elements, Mar. 17, 1998U.S. Patent No. 5,729,366, Yang, Heads-Up Display for Vehicle Using Holographic Optical Elements, Mar. 17, 1998 米国特許第8,553,334号、Lambert et al, Heads−Up Display System Utilizing Controlled Reflection from Dashboard Surface, Oct. 8, 2013U.S. Patent No. 8,553,334, Lambert et al, Heads-Up Display System Utilizing Controlled Reflection from Dashboard Surface Surface, Oct. 8, 2013 米国特許第8,629,903号、Seder et al, Enhanced Vision System Full−Windshield HUD, Jan. 14, 2014U.S. Pat. No. 8,629,903, Seder et al, Enhanced Vision System Full-Windshield HUD, Jan. 14, 2014

B. H. Walker, Optical Design of Visual System, Tutorial tests in optical engineering, published by The international Society of Optical Engineering (SPIE), pp. 139−150, ISBN 0−8194−3886−3, 2000B. H. Walker, Optical Design of Visual System, Tutorial tests in optical engineering, published by The International Society of Optical Engineering. 139-150, ISBN 0-8194-3886-3, 2000 C. Guilloux et al, Varilux S Series Braking the LimitsC. Guillaux et al, Varilux S Series Breaking the Limits M. Born, Principles of Optics, 7th Edition, Cambridge University Press 1999, Section 5.3, pp. 236−244M. Born, Principles of Optics, 7th Edition, Cambridge University Press 1999, Section 5.3, pp. 236-244

簡単に説明した従来技術のHUDシステム、及び引用されている従来技術に記載されている複数の他のHUDシステムにおいて共通しているのは、システムの高いコスト及び大きな体積サイズである。更に、従来技術のHUDシステムはいずれも、様々な自動車及び他の車両のサイズ及び価格帯に適合させるために、サイズ及びコストに関して拡大縮小することができない。従って本発明の目的は、単一の画像形成ソースを用いるHUDシステムよりも体積が大幅に小さなHUDシステムを実現するために、複数の発光性マイクロスケールピクセルアレイイメージャを使用する、ヘッドアップディスプレイに関する方法を紹介することである。更に本発明の目的は、様々な自動車及び小型車両のサイズ及び価格帯に適合させるために拡大縮小できる体積及びコスト的側面を有するモジュール式HUDシステムを実現できるようにするために、複数の発光性マイクロスケールピクセルアレイイメージャを利用する、新規の分割射出瞳HUDシステムの設計方法を紹介することである。本発明の更なる目的及び利点は、添付の図面を参照して進行する、本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明から明らかになるだろう。   Common to the briefly described prior art HUD system, and several other HUD systems described in the cited prior art, are the high cost and large volume size of the system. Further, none of the prior art HUD systems can be scaled in size and cost to accommodate various automobile and other vehicle sizes and price points. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for a head-up display that uses a plurality of emissive microscale pixel array imagers to achieve a HUD system that is significantly smaller in volume than a HUD system using a single imaging source. Is to introduce. It is a further object of the present invention to provide a modular HUD system having a volume and cost aspect that can be scaled to accommodate various automobile and light vehicle sizes and price points. The purpose of the present invention is to introduce a method of designing a novel split exit pupil HUD system using a micro-scale pixel array imager. Further objects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.

以下の説明では、異なる図面においても、同様の要素には同様の図面参照符号を使用する。詳述される構造及び設計要素等の、本説明中で定義される事物は、例示的実施形態の包括的な理解を助けるために提供される。しかしながら本発明は、これらの具体的に定義された事物を用いることなく実践できる。また、公知の機能又は構造については、これらが不要な詳細により本発明を不明瞭にすることになるため、詳述しない。本発明を理解するために、及び本発明をどのように実地で実施できるのかを確認するために、本発明のいくつかの実施形態を、添付の図面を参照して、単なる非限定的な例として以下で説明する。   In the following description, the same reference numerals are used for similar elements in different drawings. The matters defined in this description, such as the detailed structures and design elements, are provided to aid a comprehensive understanding of the exemplary embodiments. However, the invention can be practiced without these specifically defined things. In other instances, well-known functions or constructions are not described in detail as these would obscure the present invention with unnecessary detail. To understand the present invention and to see how it can be carried out in practice, some embodiments of the present invention will be described, by way of example only, with reference to the accompanying drawings, in which: This will be described below.

図1−1は、凹面HOEリフレクタをコンバイナ及びコリメータとして使用することにより、コリメーション光学系を最小化し、HUDシステムの体積に関する側面を低減する、従来技術のヘッドアップディスプレイ(HUD)システムを示す。FIG. 1-1 illustrates a prior art head-up display (HUD) system that uses a concave HOE reflector as a combiner and collimator to minimize collimation optics and reduce the volumetric aspects of the HUD system. 図1−2は、リレー光学系(REL)モジュールを用いて、収束コンバイナ(CMB)ミラーの焦点面に中間画像を配信し、システムの瞳孔を定義する、従来技術のヘッドアップディスプレイ(HUD)システムを示す。FIG. 1-2 illustrates a prior art head-up display (HUD) system that uses a relay optics (REL) module to deliver an intermediate image to the focal plane of a converging combiner (CMB) mirror and define the pupil of the system. Is shown. 図1−3は、拡散表面上に投影するための投影レンズ(3)を画像ソースとして使用し、また半透明コリメートミラーを使用する、従来技術のヘッドアップディスプレイ(HUD)システムを示す。FIGS. 1-3 show a prior art head-up display (HUD) system using a projection lens (3) as an image source for projecting onto a diffusing surface and using a translucent collimating mirror. 図1−4は、2つの液晶ディスプレイ(LCD)パネルからなる画像形成ソースを用いて、コリメーション光学系モジュールの焦点面に配置された拡散スクリーン上に中間画像を形成する、従来技術のヘッドアップディスプレイ(HUD)システムを示す。FIGS. 1-4 are prior art head-up displays that use an imaging source consisting of two liquid crystal display (LCD) panels to form an intermediate image on a diffusing screen located at the focal plane of a collimation optics module. 1 shows a (HUD) system. 図1−5は、ファセット反射表面を備えた車両のダッシュボードに画像を投影するよう構成された、車両のフロントガラスの上側に設置された画像プロジェクタを使用し、ここで上記ファセット反射表面は、画像プロジェクタからの画像を車両のフロントガラスに反射するよう構成される、従来技術のヘッドアップディスプレイ(HUD)システムを示す。FIGS. 1-5 use an image projector mounted above a windshield of a vehicle configured to project an image onto a dashboard of the vehicle having a faceted reflective surface, wherein the faceted reflective surface comprises: 1 illustrates a prior art head-up display (HUD) system configured to reflect an image from an image projector to a vehicle windshield. 図2は、本発明の例示的なモジュール式HUD(modular HUD:MHUD)システムを示す。FIG. 2 illustrates an exemplary modular HUD (MHUD) system of the present invention. 図3は、図2のMHUDシステムの設計パラメータと制約との間の関係を示す。FIG. 3 shows the relationship between design parameters and constraints for the MHUD system of FIG. 図4は、図2の実施形態のMHUDアセンブリを備えるHUDモジュールの光学的設計態様及び光線トレースダイアグラムを示す。FIG. 4 shows an optical design and a ray trace diagram of a HUD module comprising the MHUD assembly of the embodiment of FIG. 図5は、図2の実施形態のMHUDアセンブリを備えるHUDモジュールの光学性能を示す。FIG. 5 shows the optical performance of a HUD module comprising the MHUD assembly of the embodiment of FIG. 図6は、図2の実施形態のMHUDシステムのMHUDアセンブリ設計例の多視点斜視図を示す。FIG. 6 shows a multi-view perspective view of an example MHUD assembly design of the MHUD system of the embodiment of FIG. 図7は、図2の実施形態のMHUDシステムのインタフェース及び制御用電子部品設計要素(基板)の機能ブロック図を示す。FIG. 7 is a functional block diagram of an interface and control electronic component design element (substrate) of the MHUD system of the embodiment of FIG. 図8は、図2の実施形態のMHUDシステム200の、新規の分割アイボックス設計方法を示す。FIG. 8 illustrates a new split eyebox design method for the MHUD system 200 of the embodiment of FIG. 図9は、準小型自動車のダッシュボードに設置される、図6に示されているMHUDアセンブリ設計例の実際の体積を示す。FIG. 9 shows the actual volume of the example MHUD assembly design shown in FIG. 6 installed on the dashboard of a subminiature vehicle. 図10は、太陽光の負荷を含む、本発明のMHUDシステムの光線経路を示す。FIG. 10 shows the ray paths of the MHUD system of the present invention, including the solar load. 図11A、11Bはそれぞれ、本発明の多画像HUDシステムの実施形態のソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ(即ちディスプレイ要素)の正面図及び側面図を示し、これらは、奇数行のピクセルが、一般にイメージャの表面から外向きに投影される第1の画像を生成することになる出力を有することを示し、また偶数行のピクセルが、一般に第1の画像に対してある程度下方に投影される第2の画像を生成することになる出力を有することを示す。 図11C、11Dはそれぞれ、本発明の多画像HUDシステムの実施形態のソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャの正面図及び側面図を示し、これらは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ(即ちディスプレイ要素)の上側領域のピクセルが、上述の第2の画像を生成することになる出力を有し、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャの下側領域のピクセルが、上述の第1の画像を生成することになる出力を有することを示す。11A and 11B show front and side views, respectively, of a solid state emissive pixel array imager (ie, display element) of an embodiment of the multi-image HUD system of the present invention, wherein the odd rows of pixels are generally Has an output that will produce a first image that is projected outwardly from the surface of the second image, and an even number of rows of pixels are generally projected to some extent below the first image. Indicates that it has an output that will produce an image. 11C and 11D show front and side views, respectively, of a solid state emissive pixel array imager (ie, a display element) of an embodiment of the multi-image HUD system of the present invention. The pixels in the upper region have an output that will produce the second image described above, and the pixels in the lower region of the solid state emissive pixel array imager will produce the first image described above. Indicates that it has an output. 図12は、本発明の多画像HUDシステムの実施形態の複数の光線経路を示す。FIG. 12 illustrates multiple ray paths for an embodiment of the multi-image HUD system of the present invention. 図13は、準小型自動車のダッシュボードに設置される本発明の多画像HUDシステムの実施形態の低体積パッケージ設計における、近視野仮想画像及び遠視野仮想画像の公称位置を示す。FIG. 13 shows the nominal positions of the near-field virtual image and the far-field virtual image in the low volume package design of the embodiment of the multi-image HUD system of the present invention installed on the dashboard of a subminiature vehicle. 図14は、複数の非テレセントリック屈折マイクロ光学素子を備える本発明のディスプレイ要素の側面図を示す。FIG. 14 shows a side view of a display element of the present invention comprising a plurality of non-telecentric refractive micro-optics. 図15は、複数の傾斜屈折マイクロ光学素子を備える本発明のディスプレイ要素の側面図を示す。FIG. 15 shows a side view of a display element of the invention comprising a plurality of tilted refractive micro-optical elements.

本発明の以下の詳細な説明における「一実施形態(one embodiment)」又は「ある実施形態(an embodiment)」に関する言及は、該実施形態に関連して説明されるある特定の特徴部分、構造又は特徴が、本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれていることを意味する。この詳細な説明中の様々な箇所に「一実施形態では(in one embodiment)」という句が出現するが、これら全てが必ずしも同一の実施形態を指すわけではない。   References to “one embodiment” or “an embodiment” in the following detailed description of the invention refer to certain features, structures, or structures described in connection with that embodiment. A feature is meant to be included in at least one embodiment of the present invention. The appearances of the phrase "in one embodiment" in various places in the detailed description are not necessarily all referring to the same embodiment.

近年、発光性マイクロスケールピクセルアレイイメージャデバイスの新たな分類が紹介されている。これらのデバイスは、必要な全ての画像処理駆動回路を含む極めて小さなデバイスサイズで、高い輝度、極めて迅速な多色光強度、及び空間変調機能を備える。1つのこのようなデバイスのソリッドステート光(solid state light:SSL)放出ピクセルは、発光ダイオード(LED)又はレーザダイオード(LD)であってよく、これらのオン/オフ状態は、上記イメージャの発光性マイクロスケールピクセルアレイが結合されたCMOSチップ(又はデバイス)に内包されている、駆動回路によって制御される。このようなイメージャデバイスの発光性アレイを構成するピクセルのサイズは典型的には、およそ5〜20マイクロメートルの範囲内であり、上記デバイスの典型的な発光表面積はおよそ15〜150平方ミリメートルとなる。発光性マイクロスケールピクセルアレイデバイス内のピクセルは、典型的にはそのCMOSチップの上記駆動回路によって、空間的、色的及び時間的に個別にアドレス指定できる。このようなイメージャデバイスによって生成される光の輝度は、かなり低い消費電力において、数百万cd/mに到達できる。このようなデバイスの一例は、以下に記載される例示的実施形態において言及されるQPI(登録商標)イメージャ(特許文献1〜7を参照)である。しかしながら、QPI(登録商標)イメージャは、本発明で使用できるデバイスのタイプの単なる一例であることを理解されたい。(「QPI」は、Ostendo Technologies, Inc.の登録商標である。)よって以下の説明では、QPI(登録商標)イメージャに関するいずれの言及は、使用可能なソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ(これ以降、単に「イメージャ」)の1つの具体例として開示される実施形態の特定を目的としたものであり、本発明のいずれの限定を目的としたものではないことを理解されたい。 Recently, a new class of emissive microscale pixel array imager devices has been introduced. These devices have high brightness, very fast polychromatic light intensity, and spatial modulation capabilities in a very small device size that includes all the necessary image processing drive circuits. The solid state light (SSL) emitting pixels of one such device may be light emitting diodes (LEDs) or laser diodes (LDs), whose on / off state depends on the light emission of the imager. It is controlled by a drive circuit contained in a CMOS chip (or device) to which the microscale pixel array is coupled. The size of the pixels that make up the emissive array of such an imager device is typically in the range of approximately 5 to 20 micrometers, and the typical emissive surface area of the device is approximately 15 to 150 square millimeters . Pixels in a luminescent microscale pixel array device are typically individually addressable in space, color, and time by the drive circuitry of the CMOS chip. The brightness of the light generated by such an imager device can reach millions of cd / m 2 at significantly lower power consumption. One example of such a device is the QPI® imager referred to in the exemplary embodiments described below. However, it should be understood that a QPI® imager is merely one example of a type of device that can be used with the present invention. (“QPI” is a registered trademark of Ostend Technologies, Inc.) Thus, in the following description, any reference to a QPI® imager will refer to any available solid state emissive pixel array imager (hereafter referred to as “QPI®”). It is to be understood that the present invention is for the purpose of identifying embodiments disclosed as merely one specific example of an "imager" and is not intended to limit the invention in any way.

本発明は、上述のようなイメージャの発光性マイクロピクセルアレイデバイス固有の能力を、新規の分割射出瞳HUDシステムアーキテクチャと組み合わせることによって、例えば自動車用HUDといったコスト及び体積に関する制約が重要な用途において容易に使用できる、低コストで体積が小さなモジュール式HUD(MHUD)システムを実現する。QPI(登録商標)イメージャ等のイメージャの発光性高輝度マイクロエミッタピクセルアレイと、本発明の分割射出瞳HUDアーキテクチャとの組み合わせにより、高輝度の周囲の日光の中であっても効果的に動作するHUDシステムを、様々な車両サイズ及びタイプのダッシュボード又は機器パネルの背後にフィットさせるために十分に小さな体積とすることができる。(本明細書中で使用される場合、用語「車両(vehicle)」は、最も一般的な意味で使用されており、陸上、水上、水中、及び空中での移動を含むがこれらに限定されない、移動を行ういずれの手段を含む。)このようなイメージャによって実現可能な分割射出瞳HUDアーキテクチャのコストの低さ及びモジュール性により、様々な車両の体積に関する制約にフィットするよう調整可能なモジュール式HUDシステムを実現できる。HUDシステムの長所は、以下の複数の段落に記載される実施形態の文脈における、本明細書中で提供される詳細な説明から、更に明らかになるだろう。   The present invention combines the inherent capabilities of an imager's emissive micropixel array device, as described above, with a novel split exit pupil HUD system architecture to facilitate cost and volume constrained applications such as automotive HUDs. A low-cost, small-volume modular HUD (MHUD) system can be used. The combination of the luminous high-brightness micro-emitter pixel array of an imager such as the QPI® imager and the split exit pupil HUD architecture of the present invention operates effectively even in high-brightness ambient sunlight. The HUD system can be of sufficiently small volume to fit behind dashboards or instrument panels of various vehicle sizes and types. (As used herein, the term "vehicle" is used in its most general sense, including, but not limited to, land, water, underwater, and air travel. The low cost and modularity of the split exit pupil HUD architecture achievable by such an imager allows for a modular HUD that can be adjusted to fit various vehicle volume constraints. The system can be realized. The advantages of the HUD system will become more apparent from the detailed description provided herein in the context of the embodiments described in the following paragraphs.

図2は、本発明の一実施形態のモジュール式HUD(MHUD)システム200の設計コンセプトを示す。図2に示すように、この好ましい実施形態では、本発明のMHUDシステム200は、複数のモジュール215で構成されたMHUDアセンブリ210で構成され、上記モジュール215は一体に組み立てられてMHUDアセンブリ210を形成し、これにより各モジュール215は、単一のイメージャと、関連する光学系220及び凹面ミラー230とで構成される。図2に示すように、関連する光学系220を備えた単一のイメージャそれぞれから放出された光は、これに関連する凹面ミラー230によってコリメート、拡大及び反射された後、一部が車両のフロントガラス240から離れるように反射されて仮想画像260を形成し、これは、車両のドライバー(操縦者)の公称頭部位置にあるアイボックスセグメント255内において視認可能である。図2に示すように、MHUDアセンブリ210の各モジュール215は、いずれのある時点において、車両のフロントガラス240から同一の位置に、ただしそれぞれの対応するアイボックスセグメント255に、同一の仮想画像260を形成するように配置され、これにより、MHUDアセンブリ210の複数のモジュール215が全体として、MHUDシステム200の集合アイボックス250を形成する。即ち、仮想画像260は、各アイボックスセグメント255からはその一部が視認可能であり、集合アイボックス250においてその全体が視認可能である。従って、MHUDシステム200のアイボックスセグメント255の全体のサイズは、MHUDアセンブリ210を構成するモジュール215の適切な個数を選択することによって調整でき、このアイボックスセグメント及びモジュールの個数は、ユーザ定義可能なものである。MHUDアセンブリ210の各モジュール215は、いずれのある時点において同一の仮想画像260を形成するよう配置されるものの、これらの画像は当然のことながら時間と共に変化することになり、例えば燃料ゲージ画像のようにゆっくりと変化してもよく、又はGPSナビゲーションシステムの表示画像のディスプレイにおけるように迅速に変化してもよいが、本発明のMHUDシステム200は、画像データが典型的なビデオレートで利用可能である場合、少なくともそのようなレートまでの周波数で動作してよい。   FIG. 2 illustrates the design concept of a modular HUD (MHUD) system 200 according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, in this preferred embodiment, the MHUD system 200 of the present invention comprises an MHUD assembly 210 composed of a plurality of modules 215, which are assembled together to form the MHUD assembly 210. Thus, each module 215 is comprised of a single imager and associated optics 220 and concave mirror 230. As shown in FIG. 2, light emitted from each of the single imagers with associated optics 220 is partially collimated, magnified and reflected by the associated concave mirror 230 and then partially to the front of the vehicle. Reflected away from the glass 240 to form a virtual image 260 that is visible within the eyebox segment 255 at the nominal head position of the vehicle driver. As shown in FIG. 2, each module 215 of the MHUD assembly 210 at any one time places the same virtual image 260 at the same location from the vehicle's windshield 240, but in each corresponding eyebox segment 255. The plurality of modules 215 of the MHUD assembly 210 together form a collective eye box 250 of the MHUD system 200. That is, the virtual image 260 is partially visible from each eye box segment 255 and is entirely visible in the collective eye box 250. Accordingly, the overall size of the eyebox segment 255 of the MHUD system 200 can be adjusted by selecting an appropriate number of modules 215 that make up the MHUD assembly 210, and the number of eyebox segments and modules can be user-defined. Things. Although each module 215 of the MHUD assembly 210 is arranged to form the same virtual image 260 at any one time, these images will of course change over time, such as a fuel gauge image. The MHUD system 200 of the present invention allows the image data to be available at a typical video rate, although it may change slowly or quickly as in the display of the displayed images of a GPS navigation system. In some cases, it may operate at frequencies up to at least such a rate.

MHUDシステム200のこの好ましい実施形態では、MHUDアセンブリ210のモジュール215の各アイボックスセグメント255は、対応する凹面ミラー230が反射した光線束の射出瞳に位置する。MHUDシステム200の集合アイボックス250は事実上、MHUDアセンブリ210のモジュール215のアイボックスセグメント255の重複によって形成された、1つの分割射出瞳アイボックスである。本発明のMHUDシステム200の、この分割射出瞳の設計方法について、以下の複数の段落で更に詳細に説明する。   In this preferred embodiment of MHUD system 200, each eyebox segment 255 of module 215 of MHUD assembly 210 is located at the exit pupil of the bundle of rays reflected by corresponding concave mirror 230. The collective eyebox 250 of the MHUD system 200 is effectively a single split exit pupil eyebox formed by the overlap of the eyebox segments 255 of the module 215 of the MHUD assembly 210. The method of designing the split exit pupil of the MHUD system 200 of the present invention will be described in more detail in the following paragraphs.

本発明のMHUDシステム200のこの好ましい実施形態では、MHUDアセンブリ210は複数のモジュール215で構成され、上記モジュール215は一体に組み立てられてMHUDアセンブリ210を形成し、これにより各モジュール215は、QPI(登録商標)イメージャ等のイメージャ又はOLEDデバイス等の他の好適な発光構造体と、関連する光学系220及び凹面ミラー230とで構成される。本発明のこの実施形態のMHUDシステム200のMHUDアセンブリ210及びその各モジュール215の設計方法について、以下の段落で更に詳細に説明するが、その前に、本発明のMHUDシステム200の関連する利点及び関連する設計パラメータのトレードオフについて説明する。   In this preferred embodiment of the MHUD system 200 of the present invention, the MHUD assembly 210 is comprised of a plurality of modules 215, which are assembled together to form the MHUD assembly 210, whereby each module 215 has a QPI ( An imager such as a registered trademark imager or other suitable light emitting structure such as an OLED device, and associated optics 220 and concave mirror 230. The method of designing the MHUD assembly 210 and its respective modules 215 of the MHUD system 200 of this embodiment of the present invention will be described in more detail in the following paragraphs, but before that, the related advantages of the MHUD system 200 of the present invention and A trade-off between related design parameters will be described.

MHUDシステム200の光学設計パラメータのトレードオフ
本発明のMHUDシステム200の利点を理解するために、典型的なHUDシステムの基礎となる設計のトレードオフ、及びこれに関連する設計パラメータ間の関係について説明することが重要であると考えられる。HUDシステムが生成した仮想画像は、典型的には自然のシーンの上に重畳され、これにより、ドライバーがその視界及び注意を道路又は車両の外部環境から外す必要なしに、車両を操縦する視聴者に車両の動作パラメータを視覚的に認識させ、また例えばナビゲーション情報等の重要な情報を提供する。HUDシステムの設計において考慮するべき重要なパラメータとしては:集合アイボックスの目標サイズ;望ましい視野(FOV);形成される仮想画像のサイズ;仮想画像の解像度;及びシステムの体積に関する要件が挙げられる。これらの設計パラメータ及び制約の間の関係を図3に示す。
Optical Design Parameter Trade-Offs of MHUD System 200 To understand the advantages of the MHUD system 200 of the present invention, the underlying design trade-offs of a typical HUD system and the relationships between the related design parameters are described. Is considered important. The virtual image generated by the HUD system is typically superimposed on a natural scene, which allows the viewer to steer the vehicle without having to remove his view and attention from the road or the outside environment of the vehicle. To visually recognize the operating parameters of the vehicle and provide important information such as, for example, navigation information. Important parameters to consider in the design of the HUD system include: target size of the assembled eye box; desired field of view (FOV); size of the virtual image to be formed; resolution of the virtual image; The relationship between these design parameters and constraints is shown in FIG.

本発明のモジュール式HUD(MHUD)が体積の削減を実現する方法
図3を参照すると、MHUDシステム200のイメージャ220のサイズの削減は、より小さな有効焦点距離(effective focal length:EFL)につながり、これは上記システムの特徴的な光トラック長であり、一般にシステムの体積の削減に寄与する。しかしながら、アイボックスのサイズが維持されている場合、イメージャのアパーチャのサイズの削減は、より低いシステムのF/#につながり、これは光学的な複雑性の上昇を伴う。これは一般に、より大きなシステムの体積をもたらす。図2に示すMHUDシステム200の設計コンセプトに関しては、各モジュール215に関するアイボックスセグメント255のサイズを、イメージャ220のサイズと共に拡大縮小することにより、光学的な複雑性の上昇を回避する。これは、イメージャ220のサイズ比による各モジュール215の体積の拡大縮小につながる。複数のモジュール215を組み合わせて、任意にサイズ設定された集合アイボックス250を提供できるMHUDアセンブリ210を形成する。本発明のMHUDシステム200の、複数のセグメントに分割されたアイボックスの新規の設計コンセプトは、視聴者のアイボックスに形成されるシステムの射出瞳を複数のセグメントに分割することによって実現され、上記セグメントはそれぞれ、本発明のMHUDシステム200の集合アイボックス250を構成するアイボックスセグメント255のうちの1つに対応する。よって、本発明のMHUDシステム200の、このような分割射出瞳設計方法は、同一サイズのアイボックスを提供する従来技術のHUDシステムに比べて小さな、全体の体積に関する側面を達成する。これは望ましいことに、HUDの全体の体積、複雑性及びコストの削減につながる。ここで開示される本発明のMHUDシステム200の分割射出瞳設計方法の他の利点について、以下の記載において説明する。当然のことながら、各モジュールはいずれのある時点において同一の画像を発するため、車両の操縦者は、操縦者がどの1つ以上のアイボックスセグメント255を見ているかとは無関係に、同一の位置に同一の仮想画像を見ることになる。
How the Modular HUD (MHUD) of the Present Invention Implements Volume Reduction Referring to FIG. 3, reducing the size of the imager 220 of the MHUD system 200 leads to a smaller effective focal length (EFL); This is the characteristic optical track length of the system and generally contributes to a reduction in system volume. However, if the size of the eyebox is maintained, reducing the size of the aperture of the imager leads to a lower system F / #, which is accompanied by an increase in optical complexity. This generally results in a larger system volume. With respect to the design concept of the MHUD system 200 shown in FIG. 2, scaling the size of the eyebox segment 255 for each module 215 with the size of the imager 220 avoids increasing optical complexity. This leads to expansion and contraction of the volume of each module 215 depending on the size ratio of the imager 220. The plurality of modules 215 combine to form an MHUD assembly 210 that can provide an arbitrarily sized aggregate eye box 250. The novel design concept of the segmented eyebox of the MHUD system 200 of the present invention is realized by dividing the exit pupil of the system formed in the viewer's eyebox into segments. Each segment corresponds to one of the eyebox segments 255 that make up the collective eyebox 250 of the MHUD system 200 of the present invention. Thus, such a split exit pupil design method of the MHUD system 200 of the present invention achieves a smaller overall volume aspect compared to prior art HUD systems that provide the same size eyebox. This desirably leads to a reduction in the overall volume, complexity and cost of the HUD. Other advantages of the disclosed split exit pupil design method of the MHUD system 200 of the present invention disclosed herein will be described in the following description. Of course, since each module emits the same image at any one time, the driver of the vehicle will have the same position regardless of which one or more eyebox segments 255 he is viewing. Will see the same virtual image.

ミラーリフレクタを使用する従来技術のHUDシステム(特許文献8〜10)の体積の主要な寄与因子は、凹面ミラーとして識別されている。ミラー自体のサイズが大きいことに加えて、画像ソースのサイズもそれに比例して大きくなり、これは、LCDパネルといった大きなサイズのイメージャの使用、又は拡散スクリーンに投影される大きなサイズの中間画像の形成を要求し、後者は、プロジェクタイメージャ及びこれに関連する投影光学系を組み込むために、更に大きな体積を追加する。上記の記載において説明したように、本発明のMHUDシステム200は、一体に組み立てられてMHUDアセンブリ210の全体としてのリフレクタ235(これはサイズが極めて小さく、極めて小さな光トラック長を達成する)を形成する比較的小さなサイズの凹面ミラー230をそれぞれ用いる複数のモジュール215で構成されたMHUDアセンブリ210を使用することによって、メインリフレクタとして単一の凹面ミラーを使用する従来技術のHUDシステムに比べて、大幅に小さな体積に関する態様を達成する。アパーチャのサイズが小さなイメージャ220を用いたMHUDアセンブリ210により、アパーチャのサイズが小さな凹面ミラー230の使用が可能となり、上記凹面ミラー230は光トラック長が小さく、これは、本発明の、体積が大幅に小さく、かつ体積に関して効率が良いMHUDシステム200をもたらす。   A major contributor to the volume of prior art HUD systems using mirror reflectors (U.S. Patent Nos. 6,059,009 to 6,087,059) has been identified as concave mirrors. In addition to the large size of the mirror itself, the size of the image source also grows proportionately, either by using a large size imager, such as an LCD panel, or by forming a large size intermediate image that is projected onto a diffusing screen. The latter adds a larger volume to incorporate a projector imager and associated projection optics. As explained in the above description, the MHUD system 200 of the present invention is assembled together to form an overall reflector 235 (which is very small in size and achieves a very small optical track length) of the MHUD assembly 210. By using the MHUD assembly 210 composed of a plurality of modules 215 each using a relatively small sized concave mirror 230, a significant improvement over prior art HUD systems using a single concave mirror as the main reflector. A small volume aspect is achieved. The MHUD assembly 210 using the imager 220 having a small aperture allows the use of a concave mirror 230 having a small aperture, and the concave mirror 230 has a small optical track length. Resulting in a MHUD system 200 that is very small and volume efficient.

本発明のMHUDシステム200の設計は、典型的には単一の大きなミラーによって生成される大きなコリメート済みビームを、例示的実施形態では3つの等しいサイズのコリメート済みサブビームへと分割することによって機能する。各サブビームは、モジュール215の光学サブシステムによって生成される。その結果、F/#、光学的複雑性、及び焦点距離(EFL)(又は光トラック長)が低減され、結果としてシステムの物理的な体積エンベロープが削減される。図4は、MHUDアセンブリ210を構成するモジュール215の光学的設計態様及び光線トレース図を示す。図4に示すように、ある好ましい実施形態のモジュール215は、1つのイメージャと、これに関連する光学系220及び凹面ミラー230とで構成される。図4に示す実施形態では、イメージャ410に関連する光学系420は別個のレンズ光学素子として示されているが、本発明のある代替実施形態では、イメージャに関連する光学系420を、イメージャ410の発光表面の上部に直接取り付けることにより、一体型のイメージャアセンブリ220を形成してよい。図4に示すように、各モジュール215において、反射凹面ミラー230は、これに対応するイメージャ(又は他のイメージャ)220が生成した画像を拡大及びコリメートして、集合アイボックス250の1つのアイボックスセグメント255を形成するが、図4のイメージャ410に関連する光学素子420は、反射凹面ミラー230に起因する軸外歪み及び傾斜収差のバランスを取る。   The design of the MHUD system 200 of the present invention works by splitting a large collimated beam, typically created by a single large mirror, into three equal sized collimated sub-beams in the exemplary embodiment. . Each sub-beam is generated by the optical subsystem of module 215. As a result, F / #, optical complexity, and focal length (EFL) (or optical track length) are reduced, resulting in a reduction in the physical volume envelope of the system. FIG. 4 shows an optical design and a ray trace diagram of the module 215 constituting the MHUD assembly 210. As shown in FIG. 4, the module 215 of one preferred embodiment comprises one imager and its associated optics 220 and concave mirror 230. In the embodiment shown in FIG. 4, the optical system 420 associated with the imager 410 is shown as a separate lens optic, but in an alternative embodiment of the invention, the optical system 420 associated with the imager is replaced by the imager 410. The integrated imager assembly 220 may be formed by mounting directly on top of the light emitting surface. As shown in FIG. 4, in each module 215, the reflective concave mirror 230 magnifies and collimates the image generated by the corresponding imager (or other imager) 220 to form one eyebox of the collection eyebox 250. The optical element 420 associated with the imager 410 of FIG. 4, which forms the segment 255, balances off-axis distortion and tilt aberration due to the reflective concave mirror 230.

図5は、MHUDアセンブリ210のモジュール215の光学性能を示す。図5に示すように、イメージャ410に関連する光学素子420の役割は、反射凹面ミラー230に起因する軸外歪み及び傾斜収差のバランスを取ることによって、変調伝達関数(modulation transfer function:MTF)を十分に高いレベルに維持したまま画像のスイミング効果(swimming effect)を最小化することである。完全を期すために、画像のスイミング効果は典型的には、ミラーの収差によって引き起こされる光学歪みによる、視聴者の瞳に入る光の方向の変動によって引き起こされ、またこれは、視聴者の頭がHUDシステムのアイボックス内を動き回る(又はアイボックスを注視する)際に、仮想画像の知覚可能な誤った運動(「スイミング効果」として知られる)をもたらす(特許文献6)。極端な場合には、仮想画像の過度のスイミング効果は、人間の視覚及び知覚システムの前庭に関する側面と眼球運動に関する側面との間の衝突によって引き起こされる、乗り物酔いのような感覚、めまい又は吐き気につながる場合がある(非特許文献1、2)ため、HUD等の両眼用光学系におけるスイミング効果を最小化することは極めて重要である。   FIG. 5 shows the optical performance of the module 215 of the MHUD assembly 210. As shown in FIG. 5, the role of the optical element 420 associated with the imager 410 is to balance off-axis distortion and tilt aberration caused by the reflective concave mirror 230, thereby reducing the modulation transfer function (MTF). The goal is to minimize the swimming effect of the image while maintaining it at a sufficiently high level. For completeness, the swimming effect of an image is typically caused by fluctuations in the direction of light entering the viewer's pupil, due to optical distortions caused by mirror aberrations, and this is caused by the viewer's head Moving around (or staring at) the eye box of a HUD system results in perceivable erroneous movement of the virtual image (known as the "swimming effect") (US Pat. No. 6,037,037). In extreme cases, the excessive swimming effects of virtual images can lead to motion sickness-like sensations, dizziness or nausea caused by collisions between the vestibular and eye movement aspects of the human visual and perceptual system. In some cases, it is extremely important to minimize the swimming effect in a binocular optical system such as a HUD, since the connection may be made (Non-Patent Documents 1 and 2).

本発明のMHUDシステム200の分割射出瞳法の別の利点は、上記方法が、大型の光アパーチャを備えた単一のミラーを使用する従来技術のHUDシステムに比べて、スイミング効果の大幅な低減を達成することである。反射凹面ミラー230の小さな光アパーチャの収差は、従来の単一ミラーHUDシステムにおいて使用される、光アパーチャが比較的大きなミラーの収差に比べて、はるかに小さい。スイミング効果は、HUD反射ミラーに起因する収差によって引き起こされる光学歪み(又は光線方向の偏向)の大きさに正比例するため、本発明のMHUDシステム200の光アパーチャが小さな複数の凹面ミラー230は、従来技術のHUDシステムに比べて、大幅に小さなスイミング効果を達成する。更に、MHUDモジュール215のアイボックスセグメント255間の角度重複(図8の説明において更に詳細に説明する)により、仮想画像260のいずれの点の知覚が、複数のMHUDモジュール215からの光学的寄与を組み込んだものとなる。結果として、複数のMHUDモジュール215の個々の凹面ミラー230の収差によって引き起こされる光学歪み(又は光線方向の偏向)は、仮想画像260のいずれの点において平均化される傾向を有し、結果として、MHUDシステム200の視聴者が知覚する全体的なスイミング効果が低減される。   Another advantage of the split exit pupil method of the MHUD system 200 of the present invention is that the method described above significantly reduces the swimming effect compared to prior art HUD systems that use a single mirror with a large optical aperture. Is to achieve. The aberration of the small optical aperture of the reflective concave mirror 230 is much smaller than the aberration of a relatively large optical aperture mirror used in conventional single mirror HUD systems. Since the swimming effect is directly proportional to the magnitude of the optical distortion (or beam direction deflection) caused by the aberrations caused by the HUD reflecting mirror, the multiple light concave mirrors 230 of the MHUD system 200 of the present invention have a small optical aperture. Achieves a significantly smaller swimming effect compared to technology HUD systems. In addition, due to the angular overlap between the eyebox segments 255 of the MHUD module 215 (described in more detail in the description of FIG. 8), the perception of any point in the virtual image 260 causes the optical contribution from the plurality of MHUD modules 215 to increase. Incorporated. As a result, optical distortions (or ray direction deflections) caused by aberrations of the individual concave mirrors 230 of the plurality of MHUD modules 215 have a tendency to average out at any point in the virtual image 260, The overall swimming effect perceived by the viewer of the MHUD system 200 is reduced.

本発明の別の実施形態では、MHUDアセンブリ210のイメージャ220は、ヒト視覚システム(human visual system:HVS)に可能な解像度よりも高い解像度を有し、この追加の解像度は、凹面ミラー230に起因する収差によって引き起こされる残留光学歪みのデジタル画像ワーピング事前補償に専用のものである。典型的なHUD視聴体験では、仮想画像はおよそ2.5mの距離に形成される。HVSの側方視力は、およそ200マイクロラジアンである。このような距離において、HVSは、およそ2500×0.0002=0.5mmピクセルの解像度を有することができ、これは10インチの対角線を有する仮想画像260に関する、およそ450×250ピクセルの解像度に相当する。例示的なMHUDアセンブリ210で使用されるイメージャ220は、同一サイズの光アパーチャによって、この限界よりはるかに高い解像度、例えば640×360ピクセルの解像度、又は更に1280×720ピクセルの解像度を提供できる。同一サイズの光アパーチャによってより高い解像度を提供するイメージャ220により、同一サイズの光アパーチャを有する凹面ミラー230の使用が可能となり、従ってMHUDアセンブリ200の体積に関する利点が維持される。イメージャ220の追加の解像度により、デジタル画像ワーピング事前補償の使用が可能となるが、これは、仮想画像260における達成可能な最大解像度、及び体積に関する上述のものと同一の利点を維持したまま、凹面ミラー230の収差に起因する光学歪み、及びその結果としてのスイミング効果を実質的に排除する。   In another embodiment of the present invention, the imager 220 of the MHUD assembly 210 has a higher resolution than is possible with the human visual system (HVS), and this additional resolution is due to the concave mirror 230. It is dedicated to digital image warping pre-compensation for residual optical distortion caused by aberrations. In a typical HUD viewing experience, virtual images are formed at a distance of approximately 2.5 m. The lateral vision of HVS is approximately 200 microradians. At such a distance, the HVS may have a resolution of approximately 2500 × 0.0002 = 0.5 mm pixels, which corresponds to a resolution of approximately 450 × 250 pixels for a virtual image 260 having a 10 inch diagonal. I do. The imager 220 used in the exemplary MHUD assembly 210 can provide a much higher resolution than this limit, eg, 640 × 360 pixels, or even 1280 × 720 pixels, with the same size optical aperture. The imager 220, which provides higher resolution with the same size optical aperture, allows the use of a concave mirror 230 having the same size optical aperture, thus maintaining the volume advantages of the MHUD assembly 200. The additional resolution of the imager 220 allows for the use of digital image warping pre-compensation, but this allows for the maximum achievable resolution in the virtual image 260, and the concave surface, while maintaining the same advantages as described above for volume. Optical distortion due to the aberration of the mirror 230 and the resulting swimming effect are substantially eliminated.

各反射凹面ミラー230は、非球面又は自由形状とすることができ、これにより、凹面ミラー230の非球面又は自由形状因子は、凹面ミラー230の光学収差、及び必要な場合はフロントガラスの曲率が最小となるように選択される。なお、各イメージャ220の位置は好ましくは、これらに関連する凹面ミラー230に関して軸対称であり、これにより、凹面ミラー230のうちのいずれの2つの隣接する縁部における収差のバランスが最適となる(ある程度等しくなる)ことが保証される。これにより、MHUDシステム200の集合アイボックス250の複数のアイボックスセグメント255間の、仮想画像260の均一な視聴遷移が保証されるため、これは本発明のMHUDシステム200の設計の重要な側面である。   Each reflective concave mirror 230 may be aspheric or free-form, whereby the aspherical or free-form factor of the concave mirror 230 is dependent on the optical aberrations of the concave mirror 230 and, if necessary, the curvature of the windshield. It is chosen to be minimal. It should be noted that the position of each imager 220 is preferably axially symmetric with respect to the concave mirror 230 associated therewith, thereby optimizing the balance of aberrations at any two adjacent edges of the concave mirror 230 ( To some extent). This is an important aspect of the design of the MHUD system 200 of the present invention because it guarantees a uniform viewing transition of the virtual image 260 between the plurality of eyebox segments 255 of the collective eyebox 250 of the MHUD system 200. is there.

図6は、MHUDアセンブリ210の多視点斜視図を示す。図6に示すように、MHUDアセンブリ210は、エンクロージャ600内で一体に組み立てられた3つの反射凹面ミラー230で構成される。3つの凹面ミラー230は、別個に製作した後でエンクロージャ600内に一体として組み付けることも、単一の部品として製作した後でエンクロージャ600内に組み付けることもできる。3つの凹面ミラー230は、別個に組み付けられるか又は単一の光学部品として組み付けられるかにかかわらず、エンボス加工されたポリカーボネートプラスチックを用いて製作してよく、光学表面はその後、スパッタリング技法を用いて、銀又はアルミニウム等の反射性金属の薄層でコーティングされる。図6に示すように、エンクロージャの後部側壁は3つの別個のセクション610で構成され、これらにはそれぞれ光学窓615が組み込まれ、この光学窓615は、後部側壁セクション610を、それぞれが凹面ミラー230を有した状態で一体に組み立てる際に、それぞれの凹面ミラー230の光軸と整列される。図6の側方斜視図に示すように、各後部側壁セクション610の上縁部617は、凹面ミラー230に向かって角度をつけられており、これにより、後部側壁セクション610の角度付き縁部表面617上に設置されるイメージャ220を、各凹面ミラー230の光軸と整列させることができる。   FIG. 6 shows a multi-view perspective view of the MHUD assembly 210. As shown in FIG. 6, the MHUD assembly 210 is composed of three reflective concave mirrors 230 assembled together in an enclosure 600. The three concave mirrors 230 can be fabricated separately and then assembled together in the enclosure 600, or they can be fabricated as a single part and assembled into the enclosure 600. The three concave mirrors 230, whether assembled separately or as a single optical component, may be fabricated using embossed polycarbonate plastic, and the optical surface may then be fabricated using a sputtering technique. , Coated with a thin layer of a reflective metal such as silver or aluminum. As shown in FIG. 6, the rear side wall of the enclosure is composed of three separate sections 610, each incorporating an optical window 615, which incorporates the rear side wall section 610 and each of the concave mirror 230. Are assembled with the optical axis of each concave mirror 230 when assembled together. As shown in the side perspective view of FIG. 6, the upper edge 617 of each rear sidewall section 610 is angled toward the concave mirror 230, thereby providing the angled edge surface of the rear sidewall section 610. The imager 220 mounted on 617 can be aligned with the optical axis of each concave mirror 230.

図6の後方斜視図に示すように、後部側壁セクション610は、背面プレート630の片側上において一体に組み付けられ、MHUDアセンブリ210の制御用及びインタフェース電子機器(プリント回路基板)620が、背面プレート630の反対側に設置される。更に、背面プレート630には、MHUDアセンブリ210のイメージャ220及びインタフェース電子機器素子620が生成した熱を放散するための温度冷却フィンも組み込まれる。図6の後方斜視図に示すように、各イメージャ220は、イメージャ220を制御用及びインタフェース電子機器620に接続する柔軟な電子基板618上に設置される。   As shown in the rear perspective view of FIG. 6, the rear side wall section 610 is assembled together on one side of the back plate 630, and the control and interface electronics (printed circuit board) 620 of the MHUD assembly 210 is attached to the back plate 630. Installed on the opposite side of In addition, the back plate 630 also incorporates temperature cooling fins to dissipate the heat generated by the imager 220 and interface electronics 620 of the MHUD assembly 210. As shown in the rear perspective view of FIG. 6, each imager 220 is mounted on a flexible electronic board 618 that connects the imager 220 to control and interface electronics 620.

図6の後方斜視図に示すように、凹面ミラー230及び後部側壁セクション610のペアそれぞれの境界縁部の中央には、典型的にはフォトダイオードである光検出器(photo detector:PD)640を組み込んでよく、各光検出器640は、イメージャ220から各凹面ミラー230へと放出された光を検出するために位置決め及び配向される。典型的には、各モジュール内に、放出される光の各色に対して1つずつ、3つのフォトダイオードが使用される。光検出器(PD)640の出力は、MHUDアセンブリ210の制御用及びインタフェース電子機器620に接続され、インタフェース電子機器素子620のハードウェア及びソフトウェア設計要素内に実装される(以下で説明される)均一性制御ループへの入力として使用される。MHUDアセンブリ210の制御用及びインタフェース電子機器620に入力として提供されるのは、典型的にはほとんどの車両のダッシュボードの輝度制御の集積部品である、環境光検出器センサ660の出力もである。   As shown in the rear perspective view of FIG. 6, a photodetector (PD) 640, typically a photodiode, is centrally located at the boundary edge of each pair of concave mirror 230 and rear sidewall section 610. Each photodetector 640 may be incorporated and positioned and oriented to detect light emitted from imager 220 to each concave mirror 230. Typically, three photodiodes are used in each module, one for each color of emitted light. The output of the photodetector (PD) 640 is connected to the control and interface electronics 620 of the MHUD assembly 210 and is implemented in the hardware and software design elements of the interface electronics 620 (described below). Used as input to the uniformity control loop. Also provided as input to the control and interface electronics 620 of the MHUD assembly 210 is the output of an ambient light detector sensor 660, which is typically an integrated component of the brightness control of the dashboard of most vehicles. .

MHUDアセンブリ210の制御用及びインタフェース電子機器620には、図7のブロック図に示されているハードウェア及びソフトウェア設計機能要素が組み込まれ、これらは、MHUDインタフェース機能710、制御機能720、及び均一性ループ機能730を含む。MHUDアセンブリ210の制御用及びインタフェース電子機器620のMHUDインタフェース機能710は、典型的にはハードウェアとソフトウェアとの組み合わせで実装され、車両のドライバー支援システム(Driver Assistance System:DAS)からの画像入力715を受信して、この画像に、制御機能720によって提供される色及び輝度補正735を組み込んだ後、画像入力744、745、746をMHUDアセンブリ210のイメージャ220に提供する。MHUDアセンブリ210の3つのイメージャ220に同一の画像入力715を提供してよいが、MHUDインタフェース機能710は、制御機能720から受信した色及び輝度補正735に基づいて、各イメージャ220に固有の色及び輝度補正をそれぞれの画像入力744、745、746に組み込む。   The control and interface electronics 620 of the MHUD assembly 210 incorporates the hardware and software design functional elements shown in the block diagram of FIG. 7, which include an MHUD interface function 710, a control function 720, and uniformity. Includes a loop function 730. The MHUD interface function 710 of the control and interface electronics 620 of the MHUD assembly 210 is typically implemented in a combination of hardware and software, and provides an image input 715 from a vehicle driver assistance system (DAS). And incorporating the color and brightness correction 735 provided by the control function 720 into this image, and then providing the image inputs 744, 745, 746 to the imager 220 of the MHUD assembly 210. Although the same image input 715 may be provided to the three imagers 220 of the MHUD assembly 210, the MHUD interface function 710 uses the color and brightness correction 735 received from the control function 720 to determine the color and brightness specific to each imager 220. Brightness correction is incorporated into each image input 744, 745, 746.

集合アイボックス250の複数のセグメント255にわたって、色及び輝度の均一性を保証するために、制御用及びインタフェース電子機器620の均一性ループ機能730は、MHUDアセンブリ210の各モジュール215の光検出器(PD)640から入力信号754、755、756を受信し、MHUDアセンブリ210の各モジュール215に関連する色及び輝度を計算した後、集合アイボックス250の複数のセグメント255にわたって色及び輝度をより均一にするために必要な色及び輝度補正を計算する。これは、MHUDアセンブリ210を最初に組み立てる際に制御用及びインタフェース電子機器620のメモリにおいて実施及び保存される、初期較正ルックアップテーブルの支援によって達成される。次に、均一性ループ機能730によって計算された色及び輝度補正を制御機能720に提供し、制御機能720はこれらの補正を、環境光センサ650から受信した入力、並びに外部色及び輝度調整入力コマンド725と組み合わせて、色及び輝度補正735を生成し、続いてこれを、MHUDインタフェース機能710によって画像データに組み込み、その後、補正された画像データが、画像入力744、745、746として、イメージャ220に提供される。環境光センサ650から受信した入力を色及び輝度補正に組み込むにあたって、制御機能720は、車両の外部光の輝度に比例して、又は車両の外部光の輝度に関連して、ヘッドアップディスプレイの仮想画像の輝度を調整する。なお、本明細書中で使用される「画像データ(image data)」は、ヘッドアップディスプレイへの入力として受信されるか、イメージャに提供されるか、又は他のいずれの形態であるかにかかわらず、いずれの形式の画像情報を意味する。   The uniformity loop function 730 of the control and interface electronics 620 includes a photodetector () of each module 215 of the MHUD assembly 210 to ensure color and brightness uniformity over the plurality of segments 255 of the collective eyebox 250. After receiving the input signals 754, 755, 756 from the PD 640 and calculating the color and luminance associated with each module 215 of the MHUD assembly 210, the color and luminance can be made more uniform across the multiple segments 255 of the collective eyebox 250. Calculate the color and brightness corrections needed to do so. This is achieved with the aid of an initial calibration look-up table that is implemented and stored in the memory of the control and interface electronics 620 when the MHUD assembly 210 is first assembled. Next, the color and brightness corrections calculated by the uniformity loop function 730 are provided to the control function 720, which applies these corrections to the input received from the ambient light sensor 650, and to the external color and brightness adjustment input commands. In combination with 725, a color and brightness correction 735 is generated, which is then incorporated into the image data by the MHUD interface function 710, and the corrected image data is then provided to the imager 220 as image inputs 744, 745, 746. Provided. In incorporating the input received from the ambient light sensor 650 into color and brightness correction, the control function 720 may control the virtualization of the heads-up display in proportion to, or in relation to, the brightness of the vehicle's external light. Adjust the brightness of the image. It should be noted that “image data” as used herein may be received as an input to a heads-up display, provided to an imager, or in any other form. Means any type of image information.

上述のように、MHUDシステム200の一実施形態は、仮想画像260においてHVSが有することができる最大の解像度よりも高い解像度を有するイメージャ220を使用し、また、イメージャ220への画像入力のデジタルワーピングによって引き起こされる光学歪み及びスイミング効果を排除する又は大幅に低減するための手段を組み込む。該実施形態のMHUDシステム200のMHUDアセンブリ210のMHUDインタフェース機能710には、各凹面ミラー230の残留光学歪みを事前補償するために必要なデジタル画像ワーピングパラメータを識別するデータがそれぞれ組み込まれた複数のルックアップテーブルも、組み込まれていてよい。これらのパラメータをMHUDインタフェース機能710が使用して、各イメージャ220への画像データが、対応する凹面ミラー230の残留歪みを事前補償するように、各イメージャ220のデジタル画像入力をワーピングさせる。MHUDインタフェース機能710のルックアップテーブルに組み込まれたデジタル画像ワーピングパラメータは、MHUDアセンブリ210の光学設計シミュレーションによって事前に生成された後、デジタル画像ワーピング事前補償がMHUDインタフェース機能710によって適用された後の各モジュール215の残留光学歪みの測定に基づく光学試験データによって補強される。次に、結果として得られたデジタルワーピングされたデータを、制御機能720によって提供された色及び輝度補正735と組み合わせて、色及び輝度が補正され、歪みが事前補償された画像データを、MHUDアセンブリ210のイメージャ220への画像入力744、745、746として提供する。MHUDシステム200のこのような設計方法により、凹面ミラー230によって引き起こされる残留光学歪み及びその結果としてのスイミング効果を大幅に低減又は完全に排除でき、これにより、歪みのないMHUDシステム200を実現できる。   As described above, one embodiment of the MHUD system 200 uses an imager 220 that has a higher resolution than the maximum resolution that the HVS can have in the virtual image 260 and digitally warps the image input to the imager 220. Incorporate means to eliminate or significantly reduce optical distortions and swimming effects caused by. The MHUD interface function 710 of the MHUD assembly 210 of the MHUD system 200 of the embodiment includes a plurality of data each incorporating data identifying digital image warping parameters required to pre-compensate for residual optical distortion of each concave mirror 230. A look-up table may also be incorporated. These parameters are used by the MHUD interface function 710 to warp the digital image input of each imager 220 such that the image data to each imager 220 pre-compensates for the residual distortion of the corresponding concave mirror 230. The digital image warping parameters embedded in the look-up table of the MHUD interface function 710 are generated in advance by the optical design simulation of the MHUD assembly 210, and then the digital image warping pre-compensation after the MHUD interface function 710 applies the digital image warping pre-compensation. Augmented by optical test data based on measurement of residual optical distortion of module 215. The resulting digitally warped data is then combined with the color and luminance correction 735 provided by the control function 720 to provide color and luminance corrected and distortion pre-compensated image data into the MHUD assembly. Provided as image inputs 744, 745, 746 to the imager 220 at 210. With this design method of the MHUD system 200, the residual optical distortion caused by the concave mirror 230 and the resulting swimming effect can be greatly reduced or completely eliminated, and thus the MHUD system 200 without distortion can be realized.

図6の斜視図に示すように、MHUDアセンブリ210の上側はガラスカバー430であり、これは、車両のダッシュボードの上部表面におけるMHUDアセンブリ210の光学インタフェース窓として機能し、またイメージャ220における日光による熱負荷を防止するために日光の赤外線放出を減衰させるフィルタとして機能する。使用されるガラスは、関心対象の光の波長に対する有意な透過性も有するように選択するべきである。   As shown in the perspective view of FIG. 6, above the MHUD assembly 210 is a glass cover 430, which serves as an optical interface window for the MHUD assembly 210 on the top surface of the vehicle dashboard and is exposed to sunlight by the imager 220. Acts as a filter to attenuate the infrared emission of sunlight to prevent thermal loading. The glass used should be selected to also have significant transmission for the wavelength of light of interest.

MHUDアセンブリ210の上記設計方法は、ヒト視覚システム(HVS)の特徴を活用して、MHUDアセンブリ210の設計実装及び組み立て許容誤差を簡略化する。まず、眼の瞳の直径がおおよそ5mm(日中は3〜5mm、夜間は4〜9mm)であること、及びその結果としての、仮想画像260を視聴する際の側方視力により、MHUDアセンブリ210の凹面ミラー230間に、識別できないほど小さな間隙が許容され、これは幅1mmにも達する場合がある。第2に、眼の角度差調節限界がおよそ0.5°であることにより、MHUDアセンブリ210の凹面ミラー230間に、小さな角度傾斜が許容され、これはおよそ0.15°に達する場合がある。このように傾斜及び間隙が許容されることにより、MHUDアセンブリ210の凹面ミラー230に関する機械的整列の許容誤差の要件が大幅に緩和され、従ってMHUDアセンブリ210のための、コスト効率が極めて高い製造及び組み立てアプローチを実現できる。いずれの更なる傾斜及び/又は整列要件にも、通常はソフトウェアによって容易に対応できる。   The above design method of the MHUD assembly 210 utilizes features of the human visual system (HVS) to simplify the design implementation and assembly tolerances of the MHUD assembly 210. First, the MHUD assembly 210 has a pupil diameter of approximately 5 mm (3-5 mm during the day and 4-9 mm at night) and the resulting lateral vision when viewing the virtual image 260. An indistinguishably small gap is allowed between the concave mirrors 230, which may be as wide as 1 mm. Second, the eye difference adjustment limit of approximately 0.5 ° allows for a small angular tilt between the concave mirrors 230 of the MHUD assembly 210, which can reach approximately 0.15 °. . This allowance for tilt and gap greatly relaxes the mechanical alignment tolerance requirements for the concave mirror 230 of the MHUD assembly 210, and thus provides a very cost-effective manufacturing and fabrication for the MHUD assembly 210. An assembly approach can be realized. Any additional tilt and / or alignment requirements can usually be easily accommodated by software.

図8は、本発明のMHUDシステム200の新規の分割アイボックス設計を示す。図8の図は、MHUDシステム200の集合アイボックス250と仮想画像260との間の関係を示すことを意図したものである。図8はまた、MHUDシステム200によって表示される、例示的なオブジェクト810(仮想画像260上に示された矢印)も示す。MHUDシステム200の設計において、各アイボックスセグメント255は典型的には、そのそれぞれのモジュール215の射出瞳に位置決めされることになる。その結果、各アイボックスセグメント255内において視聴者の眼に対して提示される画像情報は、その角度空間内となる。よって、各アイボックスセグメント255内において分割されて視聴者に提示される仮想画像260の矢印型オブジェクト810は、典型的には、視聴者の頭部が各アイボックスセグメント255の中央領域内に位置決めされているときには、視聴者にとって完全に視認可能となるが、視聴者の頭部がアイボックスセグメント255の右側又は左側に移動すると、それぞれ仮想画像260の矢印型オブジェクト810の先端部又は尾部が次第にぼやける(又は消えてゆく)ことになる。MHUDシステム200の設計において、図6の斜視図に示すように、モジュール215を一体としてMHUDアセンブリ210内に統合する際、モジュール215のアイボックスセグメント255は、図8に示すように重複させられ、これにより、MHUDシステム200の集合アイボックス250が生成される。よって、MHUDシステム200の集合アイボックス250は、複数のモジュール215のアイボックスセグメント255を形成する射出瞳エリアの重複によって形成され、従って、集合アイボックス250内において視聴者の眼に対して提示される画像情報は、MHUDモジュール215の複合角度視野全体にわたって延在する、仮想画像260の角度多重化ビューとなる。図8に示すように、仮想画像260の矢印型オブジェクト810は、MHUDシステム200の集合アイボックス250を画定するアイボックスセグメント255の重複エリア内で完全に視認可能(又は視聴可能)となり、ここで仮想画像260の矢印型オブジェクト810は、視聴者の頭部が集合アイボックス250の周縁領域の右側又は左側それぞれへと移動すると、次第にぼやける(又は消えてゆく)。   FIG. 8 shows the novel split eyebox design of the MHUD system 200 of the present invention. The diagram of FIG. 8 is intended to show the relationship between the aggregate eyebox 250 and the virtual image 260 of the MHUD system 200. FIG. 8 also shows an exemplary object 810 (arrows shown on virtual image 260) displayed by MHUD system 200. In the design of the MHUD system 200, each eyebox segment 255 will typically be positioned at the exit pupil of its respective module 215. As a result, the image information presented to the viewer's eyes within each eyebox segment 255 is in that angular space. Thus, the arrow-shaped object 810 of the virtual image 260 that is divided and presented to the viewer within each eyebox segment 255 typically has the viewer's head positioned within the central region of each eyebox segment 255. When the viewer's head is moved to the right or left of the eyebox segment 255, the tip or tail of the arrow-shaped object 810 of the virtual image 260 is gradually increased. It will blur (or fade away). In the design of the MHUD system 200, as shown in the perspective view of FIG. 6, when the module 215 is integrated into the MHUD assembly 210, the eyebox segments 255 of the module 215 are overlapped as shown in FIG. Thereby, the collective eye box 250 of the MHUD system 200 is generated. Thus, the collective eyebox 250 of the MHUD system 200 is formed by the overlap of the exit pupil areas forming the eyebox segments 255 of the plurality of modules 215, and is therefore presented to the viewer's eyes within the collective eyebox 250. The resulting image information results in an angular multiplexed view of the virtual image 260 that extends across the combined angular field of view of the MHUD module 215. As shown in FIG. 8, the arrow-shaped object 810 of the virtual image 260 is completely visible (or viewable) within the overlap area of the eyebox segment 255 that defines the collective eyebox 250 of the MHUD system 200. The arrow-shaped object 810 of the virtual image 260 gradually becomes blurred (or disappears) as the viewer's head moves to the right or left of the peripheral area of the collection eyebox 250, respectively.

モジュール215のアイボックスセグメント255間の重複のサイズは、それらの角度的ぼやけプロファイル(図8の820)に左右され、MHUDシステム200の集合アイボックス250の最終的なサイズを決定する。後者は、その中において仮想画像260を所望の輝度均一性で完全に視認可能(又は視聴可能)な、集合アイボックス250のエリア境界又は寸法として定義される。図8はまた、モジュール215の重複したアイボックスセグメント255の全面積にわたる、MHUDアセンブリ210の結果的な角度ぼやけプロファイルのシールドを示す。図8に示すように、視聴者に知覚される仮想画像260の輝度は、各モジュール215からの輝度寄与成分Λ、Λ、Λ(左、中央、右)を含む。集合アイボックス250の境界を画定するための基準は、その中において仮想画像260の輝度が選択された領域にわたって所与の閾値λ(例えば25%未満)以内で均一となる、アイボックスセグメント255の重複のエリアAであり、即ちVar(Λ+Λ+Λ)≦λ(所望の均一性閾値)である。図8に示す集合アイボックス250の境界を画定する上記基準、及びモジュール215のアイボックスセグメント255の重複により、仮想画像260にわたる、知覚される輝度は、モジュール215のうちの1つからの少なくとも50%の寄与成分を含む。これは、上述の基準で定義された集合アイボックス250の境界内のいずれの場所においても、各モジュール215が仮想画像260の知覚される輝度の少なくとも50%を与えることを意味する。MHUDシステム200のこの設計アプローチを用いる場合、仮想画像260の所望の輝度均一性は、集合アイボックス250のサイズを画定する基準となる。この設計基準は、120mm幅の集合アイボックス250を形成するための、均一性閾値λ=25%を用いる図8の設計例に示されている。図8に示すように、均一性閾値λ=37.5%を用いると、およそ150mmと測定される、およそ25%幅広の集合アイボックス250が画定される。 The size of the overlap between the eyebox segments 255 of the module 215 depends on their angular blur profile (820 in FIG. 8) and determines the final size of the aggregate eyebox 250 of the MHUD system 200. The latter is defined as the area boundaries or dimensions of the collective eyebox 250 within which the virtual image 260 is fully visible (or viewable) with the desired brightness uniformity. FIG. 8 also shows the shielding of the resulting angular blur profile of the MHUD assembly 210 over the entire area of the overlapping eyebox segment 255 of the module 215. As shown in FIG. 8, the brightness of the virtual image 260 perceived by the viewer includes the brightness contribution components Λ R , Λ C , Λ L (left, center, right) from each module 215. The criterion for defining the boundaries of the aggregate eyebox 250 is that of the eyebox segment 255 in which the brightness of the virtual image 260 is uniform within a given threshold λ (eg, less than 25%) over a selected area. Area of overlap A, ie Var AR + Λ C + Λ L ) ≦ λ (desired uniformity threshold). Due to the above criteria defining the boundaries of the collective eyebox 250 shown in FIG. 8 and the overlap of the eyebox segments 255 of the module 215, the perceived brightness over the virtual image 260 will be at least 50 from one of the modules 215. Includes% contributing components. This means that anywhere within the bounds of the aggregate eyebox 250 defined by the above criteria, each module 215 provides at least 50% of the perceived brightness of the virtual image 260. When using this design approach of the MHUD system 200, the desired luminance uniformity of the virtual image 260 is a criterion that defines the size of the aggregate eye box 250. This design criterion is illustrated in the design example of FIG. 8 using a uniformity threshold λ = 25% to form a collective eye box 250 having a width of 120 mm. As shown in FIG. 8, using a uniformity threshold λ = 37.5% defines an aggregate eyebox 250 that is approximately 25% wide, measuring approximately 150 mm.

図8に示すように、MHUDシステム200の集合アイボックス250の右側及び左側を超えて延在するアイボックスセグメントのエリアでは、仮想画像の矢印型オブジェクト810は、視聴者の頭部がこれらの各領域内へと移動すると、次第にぼやけるか又は消えてゆく。MHUDシステム200の上記設計アプローチを用いると、図6に示すMHUDアセンブリ210の右側又は左側にモジュール215を追加することによって、上で定義した設計基準によって画定されるMHUDシステム200の集合アイボックス250の横方向幅がそれぞれ右側又は左側へと延長され、これにより、仮想画像260の矢印型オブジェクト810が、所望の輝度均一性で完全に視認可能となる。別のモジュール215の列をMHUDアセンブリ210に追加した場合、集合アイボックス250の高さの延長による同様の効果が、直交方向に発生する。よって、本発明のMHUDシステム200のこのようなモジュール式設計方法を用いると、更なるモジュール215をMHUDアセンブリ210に追加することによって、設計によって選択されたいずれの幅及び高さ寸法を有する、いずれの任意のサイズの集合アイボックス250を実現できる。   As shown in FIG. 8, in the area of the eyebox segment extending beyond the right and left sides of the collective eyebox 250 of the MHUD system 200, the arrow-shaped object 810 of the virtual image indicates that the viewer's head is As you move into the area, it gradually fades or disappears. Using the above design approach of the MHUD system 200, the addition of a module 215 to the right or left side of the MHUD assembly 210 shown in FIG. 6 allows the collection eye box 250 of the MHUD system 200 to be defined by the design criteria defined above. The lateral width is extended to the right or left, respectively, so that the arrow-shaped object 810 of the virtual image 260 is completely visible with the desired brightness uniformity. If another row of modules 215 is added to the MHUD assembly 210, a similar effect of extending the height of the collective eyebox 250 occurs in the orthogonal direction. Thus, using such a modular design method of the MHUD system 200 of the present invention, by adding additional modules 215 to the MHUD assembly 210, having any width and height dimensions selected by design Can be realized.

本質的に、本発明のMHUDシステム200の分割射出瞳モジュール式設計方法により、複数のイメージャ220及び凹面ミラー230の使用が可能となり、これらはそれぞれ比較的小さなアパーチャを有し、またそれぞれ短い光トラック長を達成することにより、従来技術のHUDシステムで使用されている、長い画像ソースの極めて長い光トラック長及び単一のミラーに取って代わる。よって、MHUDモジュール215の、アパーチャが小さいイメージャ220及び凹面ミラー230を合わせると、同一サイズのアイボックスを得るためにより大きな単一の画像ソース及び単一のミラーを使用する従来技術のHUDシステムが達成できるものよりも大幅に小さな、体積に関する側面を実現できる。更に、達成されるMHUDシステム200の集合アイボックス250のサイズは、適切な個数のモジュール215(基本設計要素)を使用することによって調整できる。反対に、MHUDシステム200の体積に関する側面を、車両のダッシュボードエリアで利用可能な体積に適合させながら、同一の利用可能な体積にフィットできる従来技術のHUDシステムが達成可能なものよりも大きなサイズの集合アイボックス250を達成できる。   In essence, the split exit pupil modular design method of the MHUD system 200 of the present invention allows the use of multiple imagers 220 and concave mirrors 230, each having a relatively small aperture and each having a short optical track. Achieving the length replaces the very long optical track length of a long image source and the single mirror used in prior art HUD systems. Thus, combining the small aperture imager 220 and concave mirror 230 of the MHUD module 215 achieves a prior art HUD system that uses a larger single image source and a single mirror to obtain the same size eyebox. Volumetric aspects can be realized that are significantly smaller than can be achieved. Further, the size of the collective eyebox 250 of the MHUD system 200 achieved can be adjusted by using an appropriate number of modules 215 (basic design elements). Conversely, the volume aspect of the MHUD system 200 is larger than what can be achieved with prior art HUD systems that can fit the same available volume while matching the volume available in the dashboard area of the vehicle. Can be achieved.

本発明のMHUDシステム200の体積に関する上記利点を例示するために、図6の斜視図は、光アパーチャサイズがそれぞれ6.4×3.6mmである3つのイメージャ220と、光アパーチャサイズがそれぞれ60×100mmの3つの凹面ミラーとを用いて、輝度均一性閾値λ=25%に基づく120×60mmの集合アイボックス250のサイズを達成する、MHUDアセンブリ210の設計寸法を示す。図6に示す設計寸法に基づくと、MHUDアセンブリ210の総体積はおよそ1350cc(1.35リットル)となる。比較を目的として、同一のアイボックスサイズを達成するために、より大きなアパーチャを有する単一のミラー、及び単一のより大きな画像ソースを使用する、従来技術のHUDシステムの総体積は、5000cc(5リットル)を超える。よって、本発明のMHUDシステム200の上記設計方法により、従来技術のHUDシステムに比べて容積に関する効率が3.7倍高い(即ち3.7倍小さな)HUDシステムを実現できる。体積に関するこの利点を可視化するために、図9は、準小型自動車のダッシュボードに設置された、図6に示すMHUDアセンブリ210の設計例の体積を示す。図9に示すように、本発明のMHUDシステム200の、体積に関する効率が高い設計により、従来技術のHUDシステムを簡単にフィットさせられない、極めて制限されたダッシュボード体積に、HUDの機能を追加できる。   To illustrate the above advantages with respect to the volume of the MHUD system 200 of the present invention, the perspective view of FIG. 6 shows three imagers 220 with an optical aperture size of 6.4 × 3.6 mm each and an optical aperture size of 60 mm each. FIG. 4 shows the design dimensions of the MHUD assembly 210 using three concave mirrors of 100 mm to achieve a size of the aggregate eye box 250 of 120 × 60 mm based on the brightness uniformity threshold λ = 25%. Based on the design dimensions shown in FIG. 6, the total volume of MHUD assembly 210 is approximately 1350 cc (1.35 liters). For comparison purposes, the total volume of a prior art HUD system using a single mirror with a larger aperture and a single larger image source to achieve the same eyebox size is 5000 cc ( 5 liters). Therefore, the above-described design method of the MHUD system 200 of the present invention can realize a HUD system having 3.7 times higher volumetric efficiency (that is, 3.7 times smaller) than the prior art HUD system. To visualize this advantage in terms of volume, FIG. 9 shows the volume of the example design of the MHUD assembly 210 shown in FIG. 6 installed on the dashboard of a subminiature vehicle. As shown in FIG. 9, the volume efficient design of the MHUD system 200 of the present invention adds the functionality of the HUD to a very limited dashboard volume that cannot be easily fitted to prior art HUD systems. it can.

図10は、MHUDシステム200の光線経路を示す。図10に示すように、また図2において既に説明及び図示したように、MHUDアセンブリ210を構成する3つのイメージャ220はそれぞれ、同一解像度(例えば640×360ピクセル)の同一の画像を、3つの画像で生成し、それぞれ3つの凹面ミラー230による反射後、上述の設計例の120×60mmの集合アイボックス250全体を角度的にアドレス指定して、上述の設計例の125×225mmの仮想画像260にわたって、640×360ピクセルの空間解像度を提供する。   FIG. 10 shows the ray paths of the MHUD system 200. As shown in FIG. 10 and as already described and illustrated in FIG. 2, each of the three imagers 220 constituting the MHUD assembly 210 has the same image of the same resolution (for example, 640 × 360 pixels). After each reflection by three concave mirrors 230, the entire 120 × 60 mm collective eyebox 250 of the above design example is angularly addressed to span the 125 × 225 mm virtual image 260 of the above design example. , 640 × 360 pixels.

図10は、仮想画像260において10,000cd/m2の輝度を生成するための設計要件を示す。およそ20%である典型的なフロントガラスの反射率、及び上述の集合アイボックス250の境界の画定基準により、3つのイメージャ220はそれぞれ、およそ25,000cd/m2の輝度を生成することになる。控え目に見積もっても、MHUDアセンブリ210の3つのイメージャ220と、制御用及びインタフェース電子機器620とは、25,000cd/m2の輝度を生成するために合わせておよそ2Wを消費するが、これは、従来技術のHUDシステムの電力消費のおよそ25%である。   FIG. 10 shows design requirements for generating a luminance of 10,000 cd / m 2 in the virtual image 260. With a typical windshield reflectivity of approximately 20%, and the criteria for defining the boundaries of the collective eyebox 250 described above, each of the three imagers 220 will produce a luminance of approximately 25,000 cd / m2. To conservatively estimate, the three imagers 220 of the MHUD assembly 210 and the control and interface electronics 620 consume approximately 2W in total to produce 25,000 cd / m2 of brightness, which That is approximately 25% of the power consumption of the prior art HUD system.

図5に示されているMHUDシステム200の性能を参照すると、図5の包囲されたエネルギのプロットは、凹面ミラー230の光アパーチャ(サイズ180マイクロメートル)からのコリメートされた光ビームの、幾何学的ぼかし半径を示す。有効焦点距離が72mmである、図6に示す各モジュール215の設計例を用いると、図5の包囲されたエネルギのプロットに示されている180マイクロメートルにおけるぼかしサイズは、各モジュール215に、イメージャ220のあるピクセルから発されて対応する凹面ミラー230によってコリメートされた光ビームに関して、0.143°の角度的広がりを与える。スイミング効果は、あるピクセルからビーム幅全体にわたる0.143°の角度的広がりに関連し、その一方で解像度(MTF)は、眼の瞳のサイズによってサンプリングされた有効ビーム幅によって決定される。図5のMTFプロットは、直径4mmの典型的な眼の瞳のアパーチャに関して計算された、各モジュール215のMTFを示す。この角度的広がりの角度が小さくなるほど、仮想画像260におけるスイミング半径が小さくなる。MHUDシステム200の集合アイボックス250から2.5mにおいて視聴される仮想画像260に関して、MHUDシステム200の設計例に関する対応するスイミング半径は、6.2mmとなる。単一のミラーを使用し、またMHUDアセンブリ210の設計例のアパーチャ全体のサイズに等しい光アパーチャサイズを有する、従来技術のHUDシステムは、モジュール215の光アパーチャのおよそ2.4倍大きな光アパーチャを有する。収差ぼやけサイズは、アパーチャサイズの3乗に正比例する(非特許文献3)ため、MHUDアセンブリ210の設計例のアパーチャ全体のサイズに等しい光アパーチャサイズを有する従来技術の単一ミラーHUDシステムは、5次収差が偶然にも大きな3次収差を補償した場合(これは設計によって意図的に達成できないものである)には、およそ14.3mmの対応するスイミング半径を有し、そうでない場合、従来技術の単一ミラーHUDシステムは典型的には、およそ39.7mmの対応するスイミング半径を有し、これは、MHUDシステム200の設計例によって達成されるスイミング半径の6.2倍大きい。また、上述の収差の事前補償方法を用いると、MHUDシステム200のスイミング半径は、この設計例に関して明記されている値よりも大きく低下させることができ、又は完全に排除することさえできる。   Referring to the performance of the MHUD system 200 shown in FIG. 5, the enclosed energy plot of FIG. 5 shows the geometry of the collimated light beam from the optical aperture (size 180 micrometers) of the concave mirror 230. Indicates the target blur radius. Using the design example of each module 215 shown in FIG. 6 with an effective focal length of 72 mm, the blur size at 180 micrometers shown in the enclosed energy plot of FIG. For a light beam emitted from one pixel at 220 and collimated by a corresponding concave mirror 230, it gives an angular spread of 0.143 °. The swimming effect relates to an angular spread of 0.143 ° from one pixel to the entire beam width, while the resolution (MTF) is determined by the effective beam width sampled by the size of the pupil of the eye. The MTF plot of FIG. 5 shows the MTF of each module 215 calculated for a typical eye pupil aperture of 4 mm in diameter. The smaller the angle of the angular spread, the smaller the swimming radius in the virtual image 260. For a virtual image 260 viewed 2.5 m from the collective eyebox 250 of the MHUD system 200, the corresponding swimming radius for the MHUD system 200 design example would be 6.2 mm. A prior art HUD system that uses a single mirror and has an optical aperture size equal to the overall aperture size of the example design of the MHUD assembly 210 provides an optical aperture that is approximately 2.4 times larger than the optical aperture of the module 215. Have. Since the aberration blur size is directly proportional to the cube of the aperture size (Non-Patent Document 3), the prior art single-mirror HUD system having an optical aperture size equal to the size of the entire aperture in the MHUD assembly 210 design example has a If the second order accidentally compensated for a large third order aberration (which is intentionally not achievable by design), then it has a corresponding swimming radius of approximately 14.3 mm; Single mirror HUD systems typically have a corresponding swimming radius of approximately 39.7 mm, which is 6.2 times larger than the swimming radius achieved by the MHUD system 200 design example. Also, using the above-described aberration pre-compensation method, the swimming radius of the MHUD system 200 can be significantly reduced, or even completely eliminated, than specified for this design example.

図10はまた、日光の負荷を含む、MHUDシステム200の光線経路も示している。図10に示すように、車両のフロントガラスに当たる日光の逆方向光経路は、集合アイボックス250のエリアに到達し、場合によっては仮想画像260内にグレアを引き起こす。本発明のMHUDシステム200の設計では、集合アイボックス250に到達できる日光の量は、従来のHUDシステムに比べて大幅に小さい。第1に、フロントガラス240の光透過率が80%であるものと仮定すると、太陽からの光線は、フロントガラス240によって、その輝度の最大80%まで減衰させられる。第2に、フロントガラス240を透過して、凹面ミラー230のうちの1つによって対応するイメージャ220に向かって反射された太陽光線は、イメージャ220の光アパーチャの反射防止(anti−reflective:AR)コーティングによって、その輝度の最大5%まで減衰させられ、その後、凹面ミラー230のアセンブリに向かって戻るように反射される。第3に、この逆方向経路の日光は、フロントガラス240によって集合アイボックス250に向かって反射される際に、その輝度の最大20%まで減衰させられる。上述のように、各モジュール215のイメージャ220及び凹面ミラー230は、仮想画像260の輝度に最大50%寄与しているため、日光があたったモジュール215から反射された日光グレアは、仮想画像260において更に50%だけ減衰させられたように見えることになる。   FIG. 10 also shows the ray path of the MHUD system 200, including the sunlight load. As shown in FIG. 10, the reverse light path of sunlight impinging on the windshield of the vehicle reaches the area of the collection eyebox 250, possibly causing glare in the virtual image 260. In the design of the MHUD system 200 of the present invention, the amount of sunlight that can reach the collective eyebox 250 is significantly smaller than in a conventional HUD system. First, assuming that the light transmittance of the windshield 240 is 80%, light rays from the sun are attenuated by the windshield 240 to a maximum of 80% of its brightness. Second, the sun rays transmitted through the windshield 240 and reflected by one of the concave mirrors 230 toward the corresponding imager 220 are anti-reflective (AR) of the optical aperture of the imager 220. The coating attenuates up to 5% of its brightness and is then reflected back toward the concave mirror 230 assembly. Third, sunlight in this reverse path is attenuated to a maximum of 20% of its brightness as it is reflected by windshield 240 toward collective eye box 250. As described above, the image glare 220 and concave mirror 230 of each module 215 contribute up to 50% to the brightness of the virtual image 260, so that sunlight glare reflected from the module 215 exposed to sunlight will It will appear to have been further attenuated by 50%.

従って、この経路減衰分析に基づいて、集合アイボックス250に到達する日光は、その輝度の最大0.4%(1%よりはるかに小さい値)まで減衰させられる。MHUDシステム200が10,000cd/m2の輝度及び0.4%の日光グレアを仮想画像260において生成できることにより、MHUDシステム200は、250,000cd/m2を超える日光の輝度を許容でき、これは、およそ28dBの統一グレア評価(unified glare rating:UGR)(又はグレア対画像強度比)に等しい。言及しておくべきこととしては、ガラスカバー430は赤外線吸収性であるものの、本発明のヘッドアップディスプレイに使用される波長の光に対して透過性であり、これにより、日光の負荷による熱が凹面ミラー230アセンブリによってイメージャ220へと戻されて集中するのが防止される。   Thus, based on this path attenuation analysis, sunlight arriving at the collection eye box 250 is attenuated to a maximum of 0.4% (much less than 1%) of its brightness. The ability of the MHUD system 200 to generate 10,000 cd / m2 brightness and 0.4% daylight glare in the virtual image 260 allows the MHUD system 200 to tolerate daylight brightness in excess of 250,000 cd / m2, Equivalent to a unified glare rating (UGR) (or glare-to-image intensity ratio) of approximately 28 dB. It should be noted that while the glass cover 430 is infrared-absorbing, it is transparent to light of the wavelengths used in the head-up display of the present invention, so that heat from sunlight loading can be reduced. The concave mirror 230 assembly prevents concentration back into the imager 220.

上述の実施形態では、複数のモジュールを横並びに配置して、アイボックスセグメントの重複を提供することにより、アイボックスセグメント255自体よりも幅が広い集合アイボックス250を提供した。しかしながら所望に応じて、上記の代わりに又は上記に加えて、より高さの高い集合アイボックス250を提供するために、モジュール215のアイボックスセグメントが積層されるようにも、モジュールを配置してよく、ここでも全てのモジュールが、車両の前方の同一の位置に同一の仮想画像を表示する。なお、より高さの高い集合アイボックス250を提供するための積層は一般に、モジュールの積層ではなく、典型的なフロントガラスの傾斜を理由として、アイボックスセグメントの積層は単に、追加のモジュールのための、ダッシュボードの大きく略水平なエリアを用いることによって、達成してよい。   In the embodiments described above, a plurality of modules are arranged side by side to provide overlapping eyebox segments, thereby providing a collective eyebox 250 that is wider than the eyebox segment 255 itself. However, if desired, instead of or in addition to the above, the modules may be arranged such that the eyebox segments of module 215 are stacked to provide a higher collective eyebox 250. Again, again, all modules display the same virtual image at the same location in front of the vehicle. It should be noted that the lamination to provide the higher collective eyebox 250 is generally not a module lamination, but because of the typical windshield slope, the lamination of the eyebox segments is merely for additional modules. May be achieved by using a large, generally horizontal area of the dashboard.

また、「図2に示すように、関連する光学系220を備えた単一のイメージャそれぞれから放出された光は、これに関連する凹面ミラー230によってコリメート、拡大及び反射された後、一部が車両のフロントガラス240から離れるように反射されて仮想画像260を形成し、これは、車両のドライバー(操縦者)の公称頭部位置にあるアイボックスセグメント255内において視認可能である」と上述されているが、いずれの実施形態において、凹面ミラーによって達成されるコリメーションの程度は必ず完璧なものではなく、仮想画像が車両のどの程度前方に形成されることになるかを制限するために意図的に設定してよい。いくつかの例では、凹面ミラーを実際に、コリメーションを歪めるように意図的に設計することにより、後続のいずれの収差のソース(フロントガラスの曲率が存在する場合は、これが最も顕著な例である)を相殺してよい。   Also, as shown in FIG. 2, the light emitted from each of the single imagers with associated optics 220 is partially collimated, magnified, and reflected by the associated concave mirror 230 before being partially reflected. Reflected away from the vehicle windshield 240 to form a virtual image 260 that is visible within the eyebox segment 255 at the nominal head position of the vehicle driver. " However, in any of the embodiments, the degree of collimation achieved by the concave mirror is not always perfect and is intended to limit how far in front of the vehicle the virtual image will be formed. May be set to In some cases, by designing the concave mirror indeed to intentionally distort the collimation, this is the most prominent example of any subsequent source of aberration (if windshield curvature is present). ) May be offset.

軸外歪み及び傾斜収差、並びに色及び輝度の補正は、図2のMHUDアセンブリ210の制御用及びインタフェース電子機器620において実施できる(図6も参照)ことを既に示した。当然のことながら、各モジュール215からの各画像又は画像セグメントの横方向位置補正もまた、制御用及びインタフェース電子機器620において(又は機械的に)行ってよく、これにより、二重画像又は二重画像部分が表示されなくなる。更に、「輝度補正(brightness correction)」には少なくとも2つの主要な態様があることに留意されたい。第1の最も顕著な態様は、モジュール間の輝度のばらつきの補正であり、これにより、異なる複数のモジュールからの画像の輝度(及び色)が異なるものとならなくなる。しかしながらこれと関連するのは、画像のワーピング及び他の因子が場合によっては個々のモジュール内の複数の画像部分の輝度のばらつきを引き起こし得るという事実であり、ここで、ワーピングによるピクセル間隔の変化が、視認可能な輝度の収差を引き起こし得る。これが発生した場合、各モジュール内の個々のピクセルの輝度は個別に制御可能であるため、必要に応じて、ピクセルの分離が増大するエリアではピクセルの輝度を局所的に上昇させ、ピクセルの分離が減少するエリアではピクセルの輝度を局所的に低下させることができる。最後に、典型的なソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャは正方形イメージャではなく、典型的には寸法が等しくない長方形であることに留意されたい。その結果、イメージャの配向の選択によって、本発明のヘッドアップディスプレイの設計において利用できる更なる変数を提供することもできる。   It has already been shown that off-axis distortion and tilt aberration, as well as color and brightness correction, can be implemented in the control and interface electronics 620 of the MHUD assembly 210 of FIG. Of course, the lateral position correction of each image or image segment from each module 215 may also be performed (or mechanically) in the control and interface electronics 620, thereby providing a double image or double image. The image part disappears. Further, it should be noted that "brightness correction" has at least two main aspects. The first and most prominent aspect is the correction of variations in brightness between modules, so that the brightness (and color) of images from different modules will not be different. Associated with this, however, is the fact that image warping and other factors can potentially cause variations in the brightness of multiple image portions within an individual module, where the change in pixel spacing due to warping is significant. Can cause visible brightness aberrations. When this occurs, the brightness of the individual pixels in each module can be individually controlled, so if necessary, locally increase the brightness of the pixels in areas where pixel separation increases, and In the decreasing area, the brightness of the pixel can be reduced locally. Finally, it is noted that typical solid-state emissive pixel array imagers are not square imagers, but are typically unequal-sized rectangles. Consequently, the choice of imager orientation can also provide additional variables that can be utilized in the design of the head-up display of the present invention.

以下の表1は、本発明の特定の実施形態の、イメージャをベースとしたMHUDシステム200の顕著な性能特性を示し、これは、単一のより大きなミラー及び単一のより大きな画像ソースを使用する従来技術のHUDシステムと比較した、本発明の特定の実施形態の性能上の利点を例示している。表1に示すように、本発明の分割射出瞳MHUDシステムは、あらゆる性能カテゴリにおいて、従来のHUDシステムの何倍も優れている。更に、製造許容誤差が緩和されたこと、及びミラーのサイズがより小さいことにより、上述のように、本発明のMHUDシステム200は、同等のアイボックスサイズを有する従来技術よりもはるかにコスト効率が高くなると予想される。   Table 1 below shows the salient performance characteristics of an imager-based MHUD system 200 for a particular embodiment of the present invention, which uses a single larger mirror and a single larger image source. 3 illustrates the performance advantages of certain embodiments of the present invention over prior art HUD systems. As shown in Table 1, the split exit pupil MHUD system of the present invention is many times better than the conventional HUD system in all performance categories. Further, due to reduced manufacturing tolerances and smaller mirror sizes, as described above, the MHUD system 200 of the present invention is much more cost-effective than prior art with comparable eyebox sizes. Expected to be higher.

近視野及び遠視野の仮想画像を用いた、多画像ヘッドアップディスプレイシステム
多数のHUDシステムの応用例において、HUDシステムが視聴者に対して複数の仮想画像を、好ましくは追加の情報の安全な視聴可能性を提供しながらも視聴者の注意を運転から逸らすことのないよう、視聴者の正面に、表示することが望ましい。この文脈において、複数の仮想画像をHUDシステムによって表示してよく、ここで例えば、第1の仮想画像を、従来のHUDシステムが典型的に採用している遠視野の距離に表示し、第2の仮想画像を近視野の距離に表示する。好ましくは、これら両方の仮想画像は、HUDシステムの視聴者にとって、頭部を道路から遠ざける必要なしに、及び運転条件に注意を払い続けることができるように、視聴可能である。
Multi-image head-up display system using near-field and far-field virtual images In a number of HUD system applications, the HUD system allows the viewer to view multiple virtual images, preferably additional information, securely for the viewer. It is desirable to display in front of the viewer so as to provide the possibility but not divert the viewer's attention from driving. In this context, a plurality of virtual images may be displayed by the HUD system, for example, wherein a first virtual image is displayed at a far-field distance typically employed by conventional HUD systems, and a second virtual image is displayed at a second distance. Is displayed at a near-field distance. Preferably, both these virtual images are viewable for the viewer of the HUD system without having to keep his head away from the road and so that he can keep his attention on driving conditions.

本開示の発明のある好ましい代替実施形態では、上述の分割射出瞳設計アーキテクチャを、図2に示すように、複数のディスプレイ要素220(即ちイメージャ及び関連する光学系220)と共に用いてよく、これにより、各ディスプレイ要素220は、異なる出力角度の複数の画像を変調するように構成される。   In certain preferred alternative embodiments of the disclosed invention, the split exit pupil design architecture described above may be used with a plurality of display elements 220 (ie, an imager and associated optics 220), as shown in FIG. , Each display element 220 is configured to modulate a plurality of images at different output angles.

本発明の多画像ヘッドアップディスプレイシステムの一態様では、上記システムは、複数のモジュール215を備えてよく、各モジュール215は:ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ(即ちディスプレイ要素)220と;ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ220によって生成された第1及び第2の画像をコリメートし、拡大し、車両のフロントガラスに向かって反射することによって、アイボックスセグメント内に視聴可能な第1及び第2の仮想画像を形成するよう構成された、凹面ミラー230とを有する。複数のモジュールは、アイボックスセグメント255を組み合わせることで、ヘッドアップディスプレイが、各モジュール215のアイボックスセグメント255よりも大きな集合アイボックス250を有するものとして提供されるよう、及び集合アイボックス250が車両のドライバーの公称頭部位置にあるように、配置される。本発明の多画像ヘッドアップディスプレイシステムの、この第1の態様では、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ220は、第1のマイクロ光学素子のセットそれぞれに関連する第1のピクセルのセットと、第2のマイクロ光学素子のセットそれぞれに関連する第2のピクセルのセットとを備える。第1のマイクロ光学素子のセットは、第1のピクセルのセットそれぞれからの出力を配向して、上述の第1の画像を生成するよう構成され、これにより、集合アイボックス250から第1の距離において視聴可能な第1の仮想画像が生成される。第2のマイクロ光学素子のセットは、第2のピクセルのセットそれぞれからの出力を配向して、上述の第2の画像を生成するよう構成され、これにより、集合アイボックス250から第2の距離において視聴可能な第2の仮想画像が生成される。マイクロ光学素子は、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ220の表面に対して全体的に傾斜したピクセル出力を実現できるよう構成された、非テレセントリックレンズ又は非テレセントリック光学素子を含んでよい。   In one aspect of the multi-image head-up display system of the present invention, the system may include a plurality of modules 215, each module 215: a solid state emissive pixel array imager (ie, display element) 220; First and second virtual images viewable in the eyebox segment by collimating, magnifying, and reflecting toward the windshield of the vehicle, the first and second images generated by the neutral pixel array imager 220. A concave mirror 230 configured to form an image. The plurality of modules combine the eyebox segments 255 so that the heads-up display is provided as having a larger aggregate eyebox 250 than the eyebox segments 255 of each module 215, and the multiple eyebox 250 Is located at the nominal head position of the driver. In this first aspect of the multi-image head-up display system of the present invention, the solid state emissive pixel array imager 220 includes a first set of pixels associated with each of a first set of micro-optics, and a second set of pixels. A second set of pixels associated with each set of micro-optical elements. The first set of micro-optics is configured to orient the output from each of the first set of pixels to produce the first image described above, thereby providing a first distance from the collective eye box 250. A first virtual image that can be viewed at is generated. The second set of micro optics is configured to direct the output from each of the second set of pixels to produce the second image described above, thereby providing a second distance from the collective eye box 250 A second virtual image that can be viewed at is generated. The micro optics may include a non-telecentric lens or non-telecentric optics configured to provide a pixel output that is totally inclined with respect to the surface of the solid state emissive pixel array imager 220.

本発明の多画像ヘッドアップディスプレイシステムの実施形態の、上記第1の態様では、上記第1の距離は遠視野の距離であってよく、上記第2の距離は近視野の距離であってよい。第1のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ220の、ユーザ定義型の第1のピクセルのセットであってよく、第2のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ220の、ユーザ定義型の第2のピクセルのセットであってよい。第1のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ220の奇数行のピクセルであってよく、第2のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ220の偶数行のピクセルであってよい。第1のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ22の偶数行のピクセルであってよく、第2のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ220の奇数行のピクセルであってよい。第1のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ22のピクセル面積の少なくとも50%を構成するピクセルであってよく、第2のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ220の上記ピクセル面積の残部であってよい。第1のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ220の上側領域又は上側部分であってよく、第2のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ220の下側領域又は下側部分であってよい。   In the first aspect of the embodiment of the multi-image head-up display system of the present invention, the first distance may be a far-field distance, and the second distance may be a near-field distance. . The first set of pixels may be a user-defined first set of pixels of the solid state emissive pixel array imager 220, and the second set of pixels may be a solid state emissive pixel array imager 220. , A second set of pixels of a user-defined type. The first set of pixels may be odd rows of pixels of the solid state emissive pixel array imager 220, and the second set of pixels may be even rows of pixels of the solid state emissive pixel array imager 220. Good. The first set of pixels may be the even rows of pixels of the solid state emissive pixel array imager 22, and the second set of pixels may be the odd rows of the solid state emissive pixel array imager 220. Good. The first set of pixels may be pixels that make up at least 50% of the pixel area of the solid state emissive pixel array imager 22, and the second set of pixels may be those of the solid state emissive pixel array imager 220. It may be the remainder of the pixel area. The first set of pixels may be an upper region or upper portion of the solid state emissive pixel array imager 220, and the second set of pixels may be a lower region or lower portion of the solid state emissive pixel array imager 220. May be a part.

図11A〜B、11C〜Dは、このような多画像光変調ディスプレイ要素220の非限定的な例を示し、これは、ディスプレイ要素220上のピクセルの2Dアレイ内の、所定のピクセル行又はピクセル列のセットといった個々のピクセルの所定のセットに、各ピクセルから発された光を所定の固有の方向に配向するか又は方向に関して変調するマイクロ光学素子を組み込むことによって構成される。   11A-B, 11C-D show a non-limiting example of such a multi-image light-modulating display element 220, which includes a predetermined pixel row or pixel in a 2D array of pixels on the display element 220. A predetermined set of individual pixels, such as a set of columns, is constructed by incorporating micro-optical elements that direct or modulate the light emitted from each pixel in a predetermined unique direction.

図11A〜B、11C〜Dは、多画像ディスプレイ要素220が2つの画像を同時に変調するよう設計され、第1及び第2の画像がそれぞれディスプレイ要素220の表面から異なる方向に発される例を示す。このようなディスプレイ要素220を、図2の分割射出瞳HUD設計アーキテクチャの文脈で使用する場合、変調された(上述の)第1の画像は、HUDシステムのアイボックス250から遠視野の距離(例えばおよそ2.5m)において視聴可能な第1の仮想画像を生成し、その一方で、変調された第2の画像は、近視野の距離(例えばおよそ0.5m)において視聴可能な第2の仮想画像を生成する。これら2つの視聴可能な仮想画像は、多画像分割射出瞳HUDシステムによって同時に変調でき、またこのHUDシステムの視聴者は、垂直軸の平面内において、視線を、分割射出瞳HUDシステムの複数のディスプレイ要素220が変調した上記2つの仮想画像の変調方向の角度傾斜(又は分離)に比例した角度だけ再配向するだけで、第1の仮想画像又は第2の仮想画像を選択的に視聴できる。   FIGS. 11A-B, 11C-D show examples in which a multi-image display element 220 is designed to modulate two images simultaneously, with the first and second images being emitted in different directions from the surface of the display element 220, respectively. Show. If such a display element 220 is used in the context of the split exit pupil HUD design architecture of FIG. 2, the modulated (described above) first image will be in a far field distance (eg, from the eye box 250 of the HUD system) (eg, Generating a first virtual image viewable at approximately 2.5 m), while the second modulated image is a second virtual image viewable at near field distance (eg, approximately 0.5 m). Generate an image. These two viewable virtual images can be modulated simultaneously by the multi-image split exit pupil HUD system, and the viewer of the HUD system can view in the plane of the vertical axis the line of sight of the multiple exit pupil HUD system displays. By simply re-orienting the two virtual images modulated by the element 220 by an angle proportional to the angular inclination (or separation) of the modulation direction of the two virtual images, the first virtual image or the second virtual image can be selectively viewed.

図11A、11Bは、本発明の一実施形態におけるディスプレイ要素220の上面図及び側面図を示し、この実施形態では、分割射出瞳HUDシステムの複数のディスプレイ要素220は、その光アパーチャを、2つのグループのディスプレイピクセル、例えば奇数行及び偶数行のディスプレイピクセルに区分する(これにより、一方のピクセルのグループ、即ち奇数行のピクセルが第1の画像を変調し、第2のピクセルのグループ、即ち偶数行のピクセルが第2の画像を変調する)ことによって、第1及び第2の画像を変調するよう構成される。HUDシステムのディスプレイ要素220のこのような方向変調能力は、各画像変調ピクセルグループに関連するマイクロ光学素子又はマイクロレンズ素子を、関連するピクセルから発された光を所定の画像方向に方向変調するように設計することによって、実現できる。例えば、図11A、11Bに示されている場合においては、奇数行のピクセルに関連するマイクロ光学素子は、関連するピクセルのグループから発された光を配向することによって第1の画像を形成し、その一方で、偶数行のピクセルに関連するマイクロ光学素子は、関連するピクセルのグループから発された光を配向することによって第2の画像を形成する。なお、図11A〜11D中の各画像に関して、光線は平行なものとして図示されているが、実際には光線はイメージャ220から全体として扇形に広がり、これにより、画像のサイズが必要に応じて拡張又は拡大される。ピクセルの放射角度は、以下で更に詳細に説明されるように、非テレセントリックQPI(登録商標)イメージャの形態の非テレセントリックマイクロ光学レンズ素子の使用によって実現できる。   11A and 11B show top and side views of a display element 220 in one embodiment of the present invention, in which multiple display elements 220 of a split exit pupil HUD system have their light apertures divided by two. Partitioning the display pixels of a group, for example, odd and even rows (where one group of pixels, ie, the odd rows of pixels, modulates the first image and the second group of pixels, ie, the even number of pixels, The rows of pixels modulate the second image) to thereby modulate the first and second images. Such directional modulation capabilities of the display elements 220 of the HUD system cause the micro-optical or micro-lens elements associated with each image modulation pixel group to directionally modulate the light emitted from the associated pixels in a predetermined image direction. This can be achieved by designing For example, in the case shown in FIGS. 11A and 11B, the micro-optics associated with the odd rows of pixels form a first image by directing light emitted from the associated group of pixels; On the other hand, the micro-optical elements associated with the even rows of pixels form a second image by directing light emitted from the group of associated pixels. Note that, for each image in FIGS. 11A-11D, the light rays are shown as being parallel, but in practice the light rays generally fan out from the imager 220, thereby expanding the image size as needed. Or enlarged. Pixel emission angles can be achieved through the use of non-telecentric micro-optical lens elements in the form of non-telecentric QPI® imagers, as described in further detail below.

なお、上述した単一画像の分割射出瞳HUD設計アーキテクチャを利用する際、複数のイメージャ220は、同一の2つの画像をそれぞれ異なる方向に変調して、分割射出瞳HUDシステムの集合アイボックス250内に両方の仮想画像を提示し、ここで、結果として得られる変調された2つの仮想画像はそれぞれ、集合アイボックス250にわたって、ただし異なる垂直(又は方位)方向において視聴可能となる。   When using the above-described single-image split exit pupil HUD design architecture, the plurality of imagers 220 modulate the same two images in different directions, respectively, and collectively modulate the same in the collective eye box 250 of the split exit pupil HUD system. Presents both virtual images, where each of the resulting two modulated virtual images is viewable over the collective eyebox 250, but in a different vertical (or azimuthal) direction.

図11C、11Dに示されている更なる多画像HUDシステムでは、分割射出瞳多画像HUDシステムの複数のディスプレイ要素220はそれぞれ、ピクセルの2つの領域又はエリア、即ち図示されている例ではピクセルの上側領域及びピクセルの下側領域に分割される、光アパーチャを有する。この実施形態では、異なる方向に変調される2つの画像はそれぞれ、単一の専用のピクセル領域によって変調される。例えば図11C、11Dに示すように、ディスプレイ要素220の光アパーチャのピクセルの上側領域(これは、イメージャのピクセルのセットのいずれのユーザ定義部分であってよい)は、ピクセルの上記上側領域を構成するディスプレイ要素220の各ピクセルから発された光を配向して、上で定義されているような第1の画像を形成するよう設計された、マイクロ光学素子を有し、その一方で、ディスプレイ要素220の光アパーチャのピクセルの下側領域は、ピクセルの上記下側領域を構成するディスプレイ要素220の各ピクセルから発された光を配向して、上で定義されているような第2の画像を形成するよう設計された、マイクロ光学素子を有する。ピクセルの放射角度は、以下で更に詳細に説明されるように、非テレセントリックイメージャ220の形態の非テレセントリックマイクロ光学素子の使用によって提供できる。   In a further multi-image HUD system shown in FIGS. 11C and 11D, the plurality of display elements 220 of the split exit pupil multi-image HUD system each include two regions or areas of pixels, i.e., pixels in the illustrated example. It has a light aperture that is divided into an upper region and a lower region of the pixel. In this embodiment, the two images that are modulated in different directions are each modulated by a single dedicated pixel area. For example, as shown in FIGS. 11C and 11D, the upper region of the pixels of the light aperture of the display element 220 (which may be any user-defined portion of the set of pixels of the imager) constitutes the upper region of the pixels. A micro-optical element designed to direct the light emitted from each pixel of the display element 220 to form a first image as defined above, while the display element The lower region of the pixel of the light aperture of 220 directs the light emitted from each pixel of the display element 220 that constitutes the lower region of the pixel to form a second image as defined above. It has a micro-optical element designed to form. Pixel emission angles can be provided by the use of non-telecentric micro-optics in the form of non-telecentric imagers 220, as described in more detail below.

図12は、本発明の多画像分割射出瞳HUDシステムのある好ましい実施形態を示す。図12に示すように、複数のディスプレイ要素(又はイメージャ)220はそれぞれ2つの仮想画像を変調してよく、ここで第1の画像は上方向に変調され、第2の画像は下方向に変調される。   FIG. 12 illustrates one preferred embodiment of the multiple image split exit pupil HUD system of the present invention. As shown in FIG. 12, a plurality of display elements (or imagers) 220 may each modulate two virtual images, where a first image is modulated upward and a second image is modulated downward. Is done.

複数のディスプレイ要素220は、第1及び第2の画像の両方を同時に変調して、図8に示すように、多画像分割射出瞳HUDシステムアイボックス250を角度的に埋める。凹面ミラー230によってコリメートされ、フロントガラスによってアイボックス250へと反射された後、複数のディスプレイ要素220によって変調(生成)された第1及び第2の2つの画像を構成するコリメートされた光線束は、アイボックス250内の2つの異なる傾斜角度において視聴可能となり、これにより、多画像分割射出瞳HUDシステムの視聴者は、2つの個別かつ同時に変調された仮想画像に焦点を合わせることができ、ここで第1の仮想画像は遠視野260−1において視聴可能であり、第2の仮想画像は近視野260−2において視聴可能であり、これにより上記2つの仮想画像は、複数のディスプレイ要素220によって変調された上記2つの画像間の方向分離角度220−4に比例する角度220−3だけ、垂直(方位)方向において角度的に分離される。   The plurality of display elements 220 simultaneously modulate both the first and second images to angularly fill the multi-image split exit pupil HUD system eyebox 250 as shown in FIG. After being collimated by the concave mirror 230 and reflected by the windshield to the eyebox 250, the collimated light beams constituting the first and second two images modulated (generated) by the plurality of display elements 220 are , At two different tilt angles in the eyebox 250, which allows the viewer of the multi-image split exit pupil HUD system to focus on two separate and simultaneously modulated virtual images, where The first virtual image is viewable in the far field 260-1 and the second virtual image is viewable in the near field 260-2, so that the two virtual images can be viewed by the plurality of display elements 220. By an angle 220-3 proportional to the direction separation angle 220-4 between the two modulated images. (Azimuth) are angularly separated in the direction.

これら2つの仮想画像は、その光線束が異なるレベルで(異なる程度まで)コリメートされるため、異なる第1及び第2の仮想距離にある。凹面ミラー230のコリメーションは、アイボックス250からの遠視野仮想画像の距離を達成するよう設計される。以下で具体的実施形態の具体例として説明される非テレセントリックQPI(登録商標)イメージャのマイクロ光学素子は、非テレセントリックQPI(登録商標)素子に関連する各ピクセルから発される光の更なるコリメーションを導入するよう設計される。よって、凹面ミラー230と協働する非テレセントリックマイクロ光学素子によって達成される複合的なコリメーションは、アイボックス250からの遠視野仮想画像距離及び近視野仮想画像距離を達成し、これにより、多画像HUDは、遠視野仮想画像及び近視野仮想画像の両方を同時に表示できる。   These two virtual images are at different first and second virtual distances because their ray bundles are collimated at different levels (to different degrees). The collimation of the concave mirror 230 is designed to achieve a distance of the far-field virtual image from the eyebox 250. The micro-optics of the non-telecentric QPI® imager, described below as an example of a specific embodiment, provides additional collimation of the light emitted from each pixel associated with the non-telecentric QPI® element. Designed to be introduced. Thus, the complex collimation achieved by the non-telecentric micro-optics in cooperation with the concave mirror 230 achieves a far-field virtual image distance and a near-field virtual image distance from the eyebox 250, thereby providing a multi-image HUD Can simultaneously display both the far-field virtual image and the near-field virtual image.

図13に示すように、多画像分割射出瞳HUDシステムの視聴者は、視線を垂直(方位)方向において角度220−3だけ再配向するだけで、HUDシステムによって変調された第1及び第2の2つの仮想画像のうちの一方を視聴できる(又はこれらに焦点を合わせることができる)(図12も参照)。これら2つの仮想画像は、ディスプレイ要素(イメージャ)220を構成するピクセルの2つの別個のグループによって、独立して別個に変調されるため、視聴者に表示される第1及び第2の画像はそれぞれ、視聴者の関心の対象となり得る異なる情報を含むことができる。   As shown in FIG. 13, the viewer of the multi-image split exit pupil HUD system simply reorients the line of sight by angle 220-3 in the vertical (azimuth) direction, and the first and second modulated by the HUD system. One of the two virtual images can be viewed (or focused on) (see also FIG. 12). Since these two virtual images are independently and separately modulated by two separate groups of pixels that make up the display element (imager) 220, the first and second images displayed to the viewer, respectively, , Different information that may be of interest to the viewer.

図13はまた、多画像分割射出瞳HUDシステムによって変調された第1及び第2の2つの仮想画像の公称位置を示し、ここで、遠視野仮想画像には、視聴者は、図示されている非限定的な例において、およそ2.5mの距離において(おおよそ車両のフロントフードの端部において)焦点を合わせることができ、近視野仮想画像には、視聴者は、およそ0.5mの距離において(おおよそ車両のフロントガラスの外側下縁部において)焦点を合わせることができる。   FIG. 13 also shows the nominal position of the first and second two virtual images modulated by the multi-image split exit pupil HUD system, where the far-field virtual image shows the viewer. In a non-limiting example, focus can be achieved at a distance of approximately 2.5 m (approximately at the end of the front hood of the vehicle), and the near-field virtual image shows the viewer at a distance of approximately 0.5 m Focus can be achieved (approximately at the outer lower edge of the vehicle windshield).

なお、上述のHUDの多画像を扱う能力は、有益なことに、図6に概要を示した多画像分割射出瞳HUDシステムの体積に関する側面の増大をもたらさない。ディスプレイ要素(イメージャ)220のインタフェース710、制御機能720及び均一性ループ730もまた、図7に示すように不変のままである。   It should be noted that the multi-image handling capability of the HUD described above advantageously does not result in an increase in volume aspects of the multi-image split exit pupil HUD system outlined in FIG. The interface 710, control functions 720, and uniformity loop 730 of the display element (imager) 220 also remain unchanged, as shown in FIG.

記載されている単一画像分割射出瞳HUDシステムと比較した、多画像分割射出瞳HUDシステムの実装及び設計方法の主な差異は、以下の通りである:
1.上の実施形態で説明したように、複数のディスプレイ要素(イメージャ)220が、複数の画像を異なる方向に変調する能力を有する。
2.多画像分割射出瞳HUDシステムの垂直視野(FOV)が、2つの方向領域に角度的に分割されることにより、2つの角度的に分離された画像を同時に変調できる。
3.複数のディスプレイ要素(イメージャ)220への画像入力715が、上の実施形態で説明されている対応するピクセルグループへとそれぞれ(デジタル的に)アドレス指定された2つの画像で構成される。
The main differences in the implementation and design method of the multiple image split exit pupil HUD system compared to the described single image split exit pupil HUD system are as follows:
1. As described in the above embodiments, multiple display elements (imagers) 220 have the ability to modulate multiple images in different directions.
2. The vertical field of view (FOV) of the multi-image split exit pupil HUD system is angularly divided into two directional regions so that two angularly separated images can be modulated simultaneously.
3. An image input 715 to a plurality of display elements (imagers) 220 consists of two images, each (digitally) addressed to a corresponding pixel group described in the above embodiment.

図14は、上で参照した非テレセントリックQPイメージャの例示的な具体化を示し、ここで非テレセントリックマイクロ光学素子1250−1は、屈折光学素子(refractive optical element:ROE)として実現でき、これを用いて、選択されたピクセルの光出力を、ディスプレイ要素220の表面に対して全体的に傾斜した角度に配向することによって、近視野仮想画像を提供できる。   FIG. 14 illustrates an exemplary implementation of the non-telecentric QP imager referred to above, wherein the non-telecentric micro-optics 1250-1 can be implemented as a refractive optical element (ROE) and used therewith. Thus, a near-field virtual image can be provided by orienting the light output of selected pixels at a generally oblique angle with respect to the surface of the display element 220.

この図14の実施形態では、ピクセルレベル屈折型非テレセントリックマイクロ光学素子1250−1の方向変調に関する側面は、異なる屈折率を有する誘電材料1310、1320の連続した層で形成された、偏心マイクロレンズ1250−1を用いて実現できる。図14は、複数の非テレセントリック屈折マイクロ光学素子1250−1を備えるディスプレイ要素220の概略断面図である。この実施形態では、ピクセルレベル非テレセントリックマイクロ光学素子1250−1のアレイは、半導体リソグラフィ、エッチング、及び堆積技法を用いて、低屈折率層1310のための酸化ケイ素、及び高屈折率層1320のための窒化ケイ素といった半導体誘電材料の複数の層としてウェハレベルでモノリシックに製作してよい。図14に示すように、ピクセルレベルマイクロ光学素子1250−1のアレイは、複数の層、即ち、ピクセルレベルマイクロ光学素子1250−1の屈折表面を形成するために連続的に(順次)堆積された、異なる屈折率を有する誘電材料1310、1320を用いて実現され、上記光学素子は、所望の非テレセントリック性及び画像投影方向が得られるよう、必要に応じて、上記マイクロレンズアレイにわたって、屈折型マイクロレンズ素子の中心位置が漸進的に変化する。   In this embodiment of FIG. 14, the directional modulation aspect of the pixel-level refractive non-telecentric micro-optical element 1250-1 is a decentered microlens 1250 formed of a continuous layer of dielectric materials 1310, 1320 having different refractive indices. -1 can be realized. FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a display element 220 including a plurality of non-telecentric refractive micro-optical elements 1250-1. In this embodiment, the array of pixel-level non-telecentric micro-optics 1250-1 is formed using silicon lithography, etching, and deposition techniques, silicon oxide for the low index layer 1310 and silicon oxide for the high index layer 1320. May be monolithically fabricated at the wafer level as multiple layers of a semiconductor dielectric material such as silicon nitride. As shown in FIG. 14, an array of pixel-level micro-optics 1250-1 is sequentially (sequentially) deposited to form a plurality of layers, ie, refractive surfaces of pixel-level micro-optics 1250-1. The optical element is implemented using dielectric materials 1310, 1320 having different refractive indices, and the optical element can be refracted microscopically over the microlens array as needed to achieve the desired non-telecentricity and image projection direction. The center position of the lens element changes gradually.

図15は、上で参照した非テレセントリックQPI(登録商標)イメージャの別の例示的な具体化を示し、ここで非テレセントリックマイクロ光学素子1250−2は、傾斜した屈折光学素子(ROE)として実現され、これもまた、所望の非テレセントリック性及び画像投影方向が得られるよう、必要に応じて、マイクロレンズアレイにわたって漸進的に変化し、また、これを用いて、選択されたピクセルの光出力を、イメージャ220の表面に対して全体的に傾斜した角度に配向することによって、近視野画像又は第2の画像を提供できる。この実施形態では、ピクセルレベル屈折型非テレセントリックマイクロ光学素子1250−2の方向変調に関する側面は、異なる屈折率を有する誘電材料1410、1420の連続した層で形成された、傾斜したマイクロレンズ1250−2を用いて実現できる。   FIG. 15 shows another exemplary implementation of the non-telecentric QPI® imager referred to above, wherein the non-telecentric micro-optics 1250-2 is implemented as a tilted refractive optic (ROE). , Again, as needed, progressively across the microlens array to achieve the desired non-telecentricity and image projection direction, and use this to reduce the light output of the selected pixel. By orienting at a generally oblique angle with respect to the surface of the imager 220, a near-field image or a second image can be provided. In this embodiment, the directional modulation aspect of the pixel-level refractive non-telecentric micro-optical element 1250-2 is a tilted microlens 1250-2 formed of a continuous layer of dielectric materials 1410, 1420 having different refractive indices. It can be realized by using

図15は、複数の傾斜した屈折マイクロ光学素子1250−2を備えるディスプレイ要素220の側面図である。この実施形態では、ピクセルレベル非テレセントリックマイクロ光学素子1250−2のアレイは、半導体リソグラフィ、エッチング、及び堆積技法を用いて、低屈折率層1410のための酸化ケイ素、高屈折率層1420のための窒化ケイ素といった半導体誘電材料の複数の層としてウェハレベルでモノリシックに製作してよい。図15に示すように、ピクセルレベル非テレセントリックマイクロ光学素子1250−2のアレイは、複数の層、即ち、ピクセルレベル非テレセントリックマイクロ光学素子1250−2の屈折表面を形成するために連続的に(順次)堆積された、異なる屈折率を有する誘電材料1410、1420を用いて実現できる。   FIG. 15 is a side view of a display element 220 comprising a plurality of tilted refractive micro-optical elements 1250-2. In this embodiment, an array of pixel-level non-telecentric micro-optics 1250-2 is fabricated using semiconductor lithography, etching, and deposition techniques, using silicon oxide for the low index layer 1410 and silicon oxide for the high index layer 1420. It may be fabricated monolithically at the wafer level as multiple layers of a semiconductor dielectric material such as silicon nitride. As shown in FIG. 15, an array of pixel-level non-telecentric micro-optics 1250-2 is sequentially (sequentially) formed to form a plurality of layers, ie, refractive surfaces of pixel-level non-telecentric micro-optics 1250-2. ) Can be achieved using deposited dielectric materials 1410, 1420 having different indices of refraction.

このように本発明は多数の態様を有し、これらの態様は、所望に応じて単独で又は様々な組み合わせ若しくは部分的組み合わせで実施してよい。限定目的ではなく例示目的で、本発明の特定の好ましい実施形態を開示及び説明したが、当業者には、以下の特許請求の範囲全体によって定義される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、上記実施形態に対して形式及び細部の様々な変更を行うことができることが、理解されるだろう。   Thus, the present invention has a number of aspects, which may be implemented alone or in various combinations or sub-combinations as desired. While certain preferred embodiments of the invention have been disclosed and described by way of example, and not by way of limitation, those skilled in the art will appreciate that they do not depart from the spirit and scope of the invention as defined by the following claims. It will be understood that various changes in form and detail can be made to the above embodiments.

Claims (9)

モジュールの電気的性、各モジュールは、それぞれを有する、
固体発光画素アレイ撮像装置、
固体発光画素アレイ撮像装置によって生成された第1および第2の画像を平行化、拡大および反射するように配置された凹面鏡を含むアイボックスセグメント内で見ることができる第1及び第2の仮想画像を形成するための車両フロントガラスと、
各モジュールのアイボックスセグメントよりも大きい集合アイボックスを有するヘッドアップディスプレイを提供するように、アイボックスセグメントが結合するように、複数のモジュールが配置される、前記集合アイボックスは、車両の運転者の名目上の頭部位置に位置しており、前記集合アイボックスは、車両の運転者の公称頭部位置に位置し、
固体発光画素アレイ撮像装置は、微小光学素子のそれぞれの第1のセットに関連する第1の組の画素と、微小光学素子のそれぞれの第2のセットに関連する第2の組の画素とを含み、
第1の組の微小光学素子は、固体発光画素アレイ撮像装置の表面から外方に、それぞれの第1の組の画素から画像を投影するように構成され、これにより、集合的アイボックスから第1の距離で見ることができる第1の仮想画像が生成され、
第1の画像に対して下向きに傾いた方向にそれぞれの第2の組の画素から画像を投影するように構成された第2の組の微小光学素子であって、第2の仮想画像が生成され、集合的なアイボックスから第2の距離で見ることができるように構成されている、車両用ヘッドアップディスプレイ。
Module electrical properties, each module has its own,
Solid-state light-emitting pixel array imaging device,
First and second virtual images viewable within an eyebox segment including a concave mirror arranged to collimate, magnify, and reflect the first and second images generated by the solid state pixel array imager. A vehicle windshield for forming a
A plurality of modules are arranged such that the eyebox segments combine to provide a head-up display having an aggregate eyebox that is larger than the eyebox segment of each module. The collective eyebox is located at the nominal head position of the driver of the vehicle,
The solid state light emitting pixel array imager includes a first set of pixels associated with a respective first set of micro-optical elements and a second set of pixels associated with a respective second set of micro-optical elements. Including
The first set of micro-optics is configured to project an image from a respective first set of pixels outwardly from a surface of the solid state light emitting pixel array imager, thereby providing a second image from the collective eyebox. A first virtual image that can be viewed at a distance of 1 is generated,
A second set of micro-optics configured to project the image from each second set of pixels in a direction tilted downward with respect to the first image, wherein a second virtual image is generated. And a vehicle head-up display configured to be viewed at a second distance from the collective eye box.
前記第1の距離は遠距離場距離であり、前記第2の距離は近距離場距離である、請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ。   The head-up display according to claim 1, wherein the first distance is a far-field distance and the second distance is a near-field distance. 前記第1組の画素は、前記固体発光画素アレイ撮像装置のユーザ定義の第1組の画素から構成され、前記第2組の画素は、前記固体発光画素アレイ撮像装置のユーザ定義の第2組の画素から構成されることを特徴とする、請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ。   The first set of pixels comprises a user-defined first set of pixels of the solid state pixel array imaging device, and the second set of pixels comprises a user-defined second set of the solid state pixel array imaging device. The head-up display according to claim 1, wherein the head-up display is constituted by the following pixels. 前記第1の組のピクセルは、前記固体発光ピクセルアレイ撮像装置のピクセルの奇数番目の行から構成され、前記第2のピクセルセットは、前記固体発光ピクセルアレイ撮像装置の偶数番目の行から構成されることを特徴とする、請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ。   The first set of pixels is composed of odd-numbered rows of pixels of the solid-state pixel array imager, and the second set of pixels is composed of even-numbered rows of the solid-state pixel array imager. The head-up display according to claim 1, wherein: 前記第1の組の画素は、前記固体発光画素アレイ撮像装置の偶数番目の行から構成され、前記第2の組の画素は、前記固体発光画素アレイ撮像装置の奇数番目の行から構成されることを特徴とする、請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ。   The first set of pixels is comprised of even-numbered rows of the solid-state pixel array imaging device, and the second set of pixels is comprised of odd-numbered rows of the solid-state pixel array imaging device. The head-up display according to claim 1, wherein: 前記第1組の画素は、前記固体発光画素アレイ撮像装置の前記画素領域の少なくとも50%を構成する画素から構成され、前記第2組の画素は、前記固体発光画素アレイ撮像装置の残りの画素領域から構成されることを特徴とする、請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ。   The first set of pixels comprises pixels that make up at least 50% of the pixel area of the solid state light emitting pixel array imager, and the second set of pixels comprises the remaining pixels of the solid state light emitting pixel array imager. 2. The head-up display according to claim 1, wherein the head-up display is constituted by an area. 前記第1組の画素は、前記固体発光画素アレイ撮像素子の上側領域から構成され、前記第2組の画素は、前記固体発光画素アレイ撮像素子の下側領域から構成されることを特徴とする、請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ。   The first set of pixels is configured from an upper region of the solid-state light-emitting pixel array imaging device, and the second set of pixels is configured from a lower region of the solid-state light-emitting pixel array imaging device. The head-up display according to claim 1. アイボックスセグメントおよびモジュールの数が、ユーザが定義した数のアイボックスセグメントおよびモジュールである、請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ。   The head-up display of claim 1, wherein the number of eyebox segments and modules is a user defined number of eyebox segments and modules. 前記第1の組のピクセルは、前記固体発光ピクセルアレイ撮像装置のユーザー定義の第1のピクセルセットから構成され、第2の組のピクセルは、固体発光ピクセルアレイ撮像装置のピクセルのユーザ定義された第2のセットから構成され、アイボックスセグメントおよびモジュールの数は、ユーザによって規定された数のアイボックスセグメントおよびモジュールである、請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ。   The first set of pixels is comprised of a first set of user-defined pixels of the solid state pixel array imager, and the second set of pixels is a user-defined set of pixels of the solid state pixel array imager. 2. The head-up display according to claim 1, wherein the head-up display is composed of a second set, wherein the number of eye box segments and modules is a user defined number of eye box segments and modules.
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