JP2023550452A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ａ．入力光学インターフェース（３０）及び出力光学インターフェース（３２）を備える透明な支持体（２０）；ｂ．入力光学インターフェース（３０）の外部面（３０Ｅ）の少なくとも一部に配置された反射要素（２２）；ｃ．入射ビーム（ＦＩ）と呼ばれる主偏光に沿って偏光された光ビームを反射要素（２２）に向かって発することを可能とする情報投影源（２４）であって、入射ビーム（ＦＩ）が、ある入射角で反射要素（２２）に到達し、反射要素（２２）とともに入射平面を画定し、主偏光が、Ｐ偏光と呼ばれる入射角に含有される偏光である、情報投影源（２４）、を備え、反射要素（２２）がＰ偏光を有する光について、上記の入射角を含む入射角の範囲にわたって、Ｓ偏光と呼ばれる入射平面に垂直な直線偏光を有する光についての反射率よりも高い反射率を有する、ヘッドアップディスプレイ装置（１０）に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。さらに、本発明は、このようなヘッドアップディスプレイ装置を備える車両に関する。

ヘッドアップディスプレイ装置は、慣例的には、透明な支持体に向かって光ビームを生成することができる情報投影源を備える。透明な支持体は、入力装置及び出力光学インターフェースを備える。光学インターフェースのそれぞれにおける光ビームの反射は、２つの仮想画像、すなわち入力光学インターフェースにおける反射によって得られる有用な画像と、出力光学インターフェースにおける反射によって得られるスプリアス（ｓｐｕｒｉｏｕｓ）画像とを生成する。スプリアス画像は、「ゴースト（ｇｈｏｓｔ）」とも呼ばれ、有用な画像の視認性に影響を与える。

スプリアス画像の影響を制限するために、及び有用な画像の明るさを向上するために、半反射処理を入力光学インターフェースに適用して、入力光学インターフェースにおける反射を増加させて、それによって出力光学インターフェースに送られる光の量を減少させることが知られている。さらに、反射防止処理を出力光学インターフェースに適用して、出力光学インターフェースにおける反射を制限することができる。しかしながら、このような技術は、透明な支持体がウィンドスクリーン（ｗｉｎｄｓｃｒｅｅｎ）であるときには適用することができない。実際に、ウィンドスクリーンの外部表面に対して適用される反射防止処理は、環境条件（天候、日射、ウィンドスクリーンワイパーブレード）に耐性がない。

１つの別の公知の変形は、反射防止処理の代わりに、透明な支持体を着色して、出力光学インターフェースに向かって送られる光を吸収させることである。しかしながら、法的な理由で、このような技術は、透明な支持体がウィンドスクリーンであるときには適用可能ではない。

１つの別の非常に広く知られた解決方法は、透明な支持体の構造にウェッジを作ることである。このようなプリズム効果は、入力光学インターフェースによって生成された反射を出力光学インターフェースによって生成された反射に重ねることを可能とする。しかしながら、ウィンドスクリーンの場合には、ウィンドスクリーン（傾きの角度、湾曲）とヘッドアップディスプレイとの組み合わせは、それぞれのモデルの車両のための特定のウィンドスクリーンの製造を必要とする。これによって、ウィンドスクリーンの製造はより複雑になってしまう。

したがって、ヘッドアップディスプレイ装置について、透明な支持体の製造をより複雑にしてしまうことのない、車両のウィンドスクリーンを含む全ての種類の透明な支持体に適合する、スプリアス画像に関連するゴースト効果を制限するための要求がある。

この目的のために、本明細書の対象は、
入力光学インターフェース及び出力光学インターフェースを備える透明な支持体であって、それぞれの光学インターフェースが、外部面と、外部面とは反対にある内部面を有する、透明な支持体；
入力光学インターフェースの外部面の少なくとも一部に配置された反射要素；
入射ビームと呼ばれる主偏光に沿って偏光された光ビームを反射要素に向かって発することを可能とする情報投影源であって、入射ビームが、ある入射角で反射要素に到達し、反射要素とともに入射平面を画定し、主偏光が、Ｐ偏光と呼ばれる入射平面に含有される偏光である、情報投影源（２４）
を備え、反射要素が、Ｐ偏光を有する光について、上記の入射角を含む入射角の範囲にわたって、Ｓ偏光と呼ばれる入射平面に垂直な直線偏光を有する光についての反射率よりも高い反射率を有する、ヘッドアップディスプレイ装置である。

他の有利な態様によれば、装置は、以下の特徴のうち１つ又は複数を、独立して、又は全ての技術的に可能な組み合わせにしたがって、含む。
反射要素が、Ｐ偏光を有する光についての前記入射角の範囲にわたって、異なる偏光を有する光についての反射率よりも高い反射率を有する。
Ｐ偏光を有する光についての反射要素の反射率が、入射角の範囲にわたって、１０パーセント以上、好ましくは１５パーセント以上、有利には２０パーセント以上、さらに有利には４０パーセント以上である。
Ｐ偏光とは異なる偏光を有する光についての反射要素の反射率が、入射角の範囲にわたって、１０パーセント以下、好ましくは５パーセント以下である。
入射角の範囲が、少なくとも２０度、好ましくは少なくとも４０度、好ましくは少なくとも６０度である。
入射角の範囲が、入力光学インターフェースに対するブリュースター角度を含む。
情報投影源が、ある入射角で入射ビームを発するために構成されていて、その入射角が、反射要素によって送られる入射ビームの一部が出力光学インターフェースに対するブリュースター角度と実質的に等しい角度で出力光学インターフェースに到達するように選択される。
反射要素が、誘電体層の積層体を含む。
透明な支持体が車両のウィンドスクリーンであり、反射要素が、有利には、入力光学インターフェースの全体の外部面の上に配置されている。

さらに、本発明は、上記のヘッドアップディスプレイ装置を備える車両に関する。

本発明の他の特徴及び利点は、限定的な例としてのみ与えられる本発明の実施態様に従う、以下の図面を参照してされる以下の説明を読むことによって明らかとなる。

ヘッドアップディスプレイ装置の例の模式図である。 図１に示されるヘッドアップディスプレイ装置を備える車両の内装の例の模式的な斜視図である。

ヘッドアップディスプレイシステム１０が図１及び２に示されている。

図２に示されているように、装置１０は、車両１２に組み込まれるために適している。車両は、例えば陸用、航空用又は船舶用の車両である。陸用の車両は、例えば自動車（図２）又は鉄道車両である。

装置１０は、車両１２の運転者１４の視野に情報を表示するために適している。情報は、例えば車両１２注の器具によって供給される。１つの例として、情報は、車両１２の速度計、車両１２のエネルギー消費、車両１２の特定の構成要素の故障に関連するアラーム、又はナビゲーション情報（地図、位置、方向）に関するものである。

装置１０は、透明な支持体２０、反射要素２２及び情報投影源２４を備える。

透明な支持体２０は、入力光学インターフェース３０及び出力光学インターフェース３２を備える。入力光学インターフェース３０は、外部面３０Ｅと、外部面３０Ｅの反対にある内部面３０Ｉとを有する。出力光学インターフェース３２は、外部面３２Ｅと，外部面とは反対にある内部面３２Ｉとを有する。それぞれの光学インターフェース３０、３２の外部面３０Ｅ、３２Ｅは、光学インターフェース３０、３２の外側に向かって、すなわち外部環境（空気）に向かって配向された面である。それぞれの光学インターフェース３０、３２の内部面３０Ｉ、３２Ｉは、光学インターフェース３０、３２の内側に向かって配向されている。

透明な支持体２０は、入力光学インターフェース３０と出力光学インターフェース３２との間に透明な材料の少なくとも１つの層を備える。透明な材料は、例えばガラス又はプラスチックである。

１つの実施態様において、透明な支持体２０は、入力光学インターフェース３０と出力光学インターフェース３２との間に、適当な場合には異なる透明材料から作られた複数の層を備える。これらの層の材料は、例えばガラス、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）又はポリビニルブチラル（ＰＶＢ）である。

特には、図１に示される例において、透明な支持体２０は、ガラスの第一の層３４、ＰＶＢの第二の層３６及びガラスの第三の層３８備える。この例において、異なる層の材料の屈折率が実質的に同じであり、界面におけるさらなるスプリアス反射を引き起こさないことが考慮される。

透明な支持体２０は、例えば「コンバイナー（ｃｏｍｂｉｎｅｒ）」とも呼ばれるパネルである。１つの変形において、透明な支持体２０は、装置１０が組み込まれたウィンドスクリーン、例えば車両１２のウィンドスクリーンである。

反射偏光器とも呼ばれる反射要素２２は、入力光学インターフェース３０の外部面３０Ｅの少なくとも一部に配置された要素である。用語「配置された（ａｒｒａｎｇｅｄ）」は、反射要素２２が入力光学インターフェース３０の外部面３０Ｅに適用されていて（したがって接触していて）、面に（適当な場合には取り付け具によって）取り付けられていることを意味する。それによって、反射要素２２は、入力光学インターフェース３０の外部面３０Ｅに強固に取り付けられている。反射要素２２は、例えば（例えば物理的な堆積若しくは化学的な堆積によって得られた）コーティング又は処理、あるいは（例えば静電効果によって積層若しくは保持された）膜である。

透明な支持体２０が車両のウィンドスクリーンであるとき、有利には、反射要素２２は、入力光学インターフェース３０の全体の外部面３０Ｅの上に配置される。それによって、反射要素２２は、ユーザーにとって見えなくなる（ノーパッチ（ｎｏ ｐａｔｃｈ）効果）。

反射要素２２は、所与の範囲の波長を有する入射光ビームＦ_ｉを、反射要素２２における入射ビームＦ_ｉの、及び入射ビームＦ_ｉの偏光の入射角θ_ｉにしたがって、反射することができる。

入射ビームＦ_ｉの波長の所与の範囲は、例えば可視範囲（３８０ナノメートル～７００ナノメートル）である。

入射ビームＦ_ｉの入射角θ_ｉは、ビームの軸と、反射要素２２における入射ビームＦ_ｉの入射点Ｐ_ｉにおける反射要素２２に対する法線Ｎとの間の角度である。入射ビームＦ_ｉの軸と入射点Ｐ_ｉにおける反射要素２２に対する法線Ｎとは、入射の面を画定する。図１に示される例において、参照線は図の平面である。特に、反射要素２２は、入射ビームＦ_ｉの少なくとも一部を反射することを可能にし、観測ウィンドウから観測することができる有用な仮想画像（有用なビームＦ_Ｕに対応）を形成し、出力光学インターフェース３２に対する入射ビームＦ_ｉの少なくとも１つの他の部分を伝えることを可能とする。適当な場合には、出力光学インターフェース３２は、反射要素２２によって送られるビームの一部を反射することを可能とし、観察ウィンドウから観察することができるスプリアス仮想画像（スプリアスビームＦ_Ｐに対応）を形成する。

以降、入射平面に含有される直線偏光はＰ偏光とも呼ばれ、入射平面に垂直な直線偏光はＳ偏光とも呼ばれる。

反射要素２２は、Ｐ偏光で光を反射するために最適化されている。それによって、反射要素２２は、Ｐ偏光について、入射角度の範囲に対して、及び所与の範囲の波長に対して、異なる偏光（Ｓ偏光、円偏光、楕円偏光）の光についてよりも高い反射率を有する。

有利には、Ｐ偏光の光についての、所与の入射角度に対する、及び所与の波長に対する反射要素２２の反射率は、自動車のウィンドスクリーンに課せられる透明性基準に適合するように（反射要素２２が透明なままであり、運転者の視界を変えてしまわないように）選択され、一方で「ゴースト」効果を無視できる適度にするために十分に高い。この目的のために、反射要素２２は、有用なビームとスプリアスビームとのシグナル対ノイズ比が３パーセント以下、好ましくは１パーセント以下、有利には０．５パーセント以下である。

好ましくは、Ｐ偏光の光についての、入射角度に対する、及び所与の波長に対する反射要素２２の反射率は、１０パーセント以上、好ましくは１５パーセント以上、有利には、２０パーセント以上、有利には４０パーセント以上である。

有利には、Ｐ偏光とは異なる偏光の光についての、入射角度に対する、及び所与の波長に対する反射要素２２の反射率は、１０パーセント以下、好ましくは５パーセント以下である。

有利には、入射角度の範囲は、少なくとも２０度以上、好ましくは少なくとも４０度以上、好ましくは少なくとも６０度以上である。

好ましくは、入射角度θ_ｉの範囲は、入力光学界面における外部環境（空気）と透明な支持体との間のブリュースター角度（Ｂｒｅｗｓｔｅｒ ａｎｇｌｅ）（典型的には空気－ガラス界面について５６度）を含む。反射要素２２は、ブリュースター角度がない効果を引き起こすように構成されていて、すなわちＰ偏光はブリュースター角度において相殺されない。ここでまた、ブリュースター角度は、光学界面における入射ビームの入射角度であり、光学界面がＰ偏光を有する場合には、ビームは光学界面において反射しない。

反射要素２２は、例えば誘電体層の積層体である。

反射要素２２は、国際公開第１９９６／１９３４７号において説明されているように、例えば偏光された光Ｐについて特定の反射率を有する偏光器である。

特に、反射要素２２は、例えば、複数層ポリマー膜であって、正の応力光学係数を有し（すなわち伸ばした際に伸びの方向に沿った屈折率が増加する）、０．５ミクロンを超えない平均厚さを有する結晶性又は半結晶性のナフタレンジカルボン酸ポリエステル（例えば２，６－ポリエチレンナフタレート（「ＰＥＮ」）、又はエチレングリコール、ナフタレンジカルボン酸、及びテレフタレート等の他の酸由来のコポリマー）の層と、０．５ミクロンを超えない平均厚さを有する第二の選択されたポリマー（例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はｃｏ－ＰＥＮ）の層と、を含む複数層ポリマー膜を含む。

１つの別の例において、反射要素２２は、０．５ミクロンを超えない平均厚さを有する結晶性又は半結晶性のポリエステル（例えばＰＥＴ）の層と、０．５ミクロンを超えない平均厚さを有する第二の選択されたポリマー（例えばポリエステル又はポリスチレン）の層とを含む複数層ポリマー膜を含み、この膜は、少なくとも１つの方向に、この方向の伸ばされていない寸法の少なくとも２倍に伸びる。

１つの実施態様において、反射要素２２は、少なくとも１つのコーティングが付与するさらなる光学及び／又は機械特性も有する。コーティングは、例えば熱保護、色中和処理又は抗スクラッチ若しくは抗くもりコーティングである。

加えて、又は１つの変形において、反射要素２２は、可視範囲（少なくとも可視に近い：７００μｍ～１μｍ）において、高い反射性で（典型的には５０％以上）、Ｐ偏光された光及びＳ偏光された光のそれぞれの間で、入射角の範囲にわたって反射するように、構成されている。特に、このようにして、さらなる日射を排除することができる。

情報投影源２４は、反射要素２２に入射する光ビームを発することができる。入射ビームＦ_ｉは、情報、例えば上記のもの、を伝える。

情報投影源２４によって発せられる入射ビームＦ_ｉは、主偏光と呼ばれる特定の偏光にしたがって偏光されたビームである。

主偏光は、入射平面に含有される直線偏光であり、Ｐ偏光と呼ばれる。したがって、主偏光は、Ｓ偏光、円偏光又は楕円偏光とは異なる。

入射ビームＦ_ｉの波長は、反射要素２２について与えられる波長範囲内にあり、典型的には可視範囲である。

情報投影源２４は、入射ビームＦ_ｉが、反射要素２２について先に画定された入射角の範囲内の入射角θ_ｉで、反射要素２２に到達するように構成される。

有利には、情報投影源２４は、入射角θ_ｉで反射要素２２に入射ビームＦ_ｉを送るために構成され、反射要素２２によって送られるビームは、透明な支持体２０の中間と外部環境（空気）との間のブリュースター角度と実質的に等しい角度（典型的には、ガラス－空気界面について３３度）で、又はそのブリュースター角度の周り１０度の角度の範囲内で出力光学インターフェース３２に到達する。入射ビームはＰ偏光を有するので、それによって、出力光学インターフェース３２におけるスプリアス反射を完全に排除することができる。

ここから、ヘッドアップディスプレイ装置１０の操作を説明する。

初めに、情報投影源２４は、主偏光に沿って偏光された入射光ビームを反射要素２２に送る。入射ビームＦ_ｉは、所与の波長範囲内に、典型的には可視範囲内にある。入射ビームＦ_ｉは、入射点Ｐ_ｉにおける反射要素２２に対する法線Ｎに関する入射角θ_ｉで反射要素２２に到達する。

次いで反射要素２２は、入射ビームＦ_ｉの少なくとも一部を反射して、観察ウィンドウから観察することができる有用な仮想画像を形成する。入射ビームＦ_ｉはＰ偏光を有し、反射要素２２におけるビームの入射角θ_ｉは入射角の範囲内に含まれるため、反射した入射ビームＦ_ｉの量は、Ｓ偏光を有する、より一般的にはＰとは異なる偏光を有する入射ビームＦ_ｉに対して最大化される。

反射要素２２は、入射ビームＦ_ｉの少なくとも１つの別の部分も、出力光学インターフェース３２に送る。

入射角θ_ｉに応じて、出力光学インターフェース３２は、反射要素２２及び入力光学インターフェース３０によって送られるビームの一部を反射するか、又は反射せず、観察ウィンドウから観察することができるスプリアス画像を形成する。

しかしながら、このような場合、出力光学インターフェース３２において反射される光の量は比較的小さい。例えばＰ型の主偏光について、出力光学インターフェース３２において反射する光の量は、典型的には、６５度の入射角θ_ｉについて１～２パーセント程度である。一方で、主偏光がＳ型である場合、出力光学インターフェース３２において光の量は、６５度の入射角θ_ｉについて２０パーセント程度である。

さらに、入射角は、反射要素２２によって伝えられるビームが、透明な支持体２０と外部環境（空気）とのブリュースター角度と実質的に等しい角度で出力光学インターフェース３２に到達するように選択され、出力光学インターフェース３２において反射される光の量は０又はほとんど０である（スプリアス反射がない）。

それによって、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、運転者の視野に、運転のために有用な情報を表示することを可能とする。

Ｐ偏光を有する、Ｐ偏光に沿って偏光された光ビームを発する情報投影源２４の光を反射するために最適化された反射要素２２の組み合わせは、反射されるスプリアス光の量と比較して、反射される有用な光の量を増加させる。

より具体的には、Ｐ偏光について、反射されるスプリアス光の割合は、反射される有用な光の割合と比較して小さく、このことはゴースト効果を比較的無視できる程度にする。さらに、具体的に選択される入射角θ_ｉについて、反射されるスプリアス光の割合はほとんど０であるか、又は０である。

さらに、Ｐ偏光は、偏光サングラスレンズに利用できる利点を有する。このようなレンズは、実際には、従来、Ｐ偏光された光のみを伝え、他の種類の偏光を排除するように構成されている。

さらに、透明な支持体２０に反射要素２２を付与することは実施しやすい。なぜなら、支持体２０の構造の変更、内部層又は支持体２０の層の変更がないからである。特に、従来技術のプリズム（ウェッジ）の解決方法の場合とは異なり、反射要素２２は、透明な支持体２０の構造（入射角、湾曲）に関わらず同じ構成を有する。それによって、透明な支持体２０の製造は、より複雑なものではなくなり、装置１０は、全ての種類の透明な支持体（コンバイナー及びウィンドスクリーンの両方）に適用可能である。

当業者は、上記の実施態様が、組み合わせが可能な場合には、互いに組み合わせられることを理解するだろう。

さらに、上記の実施態様はプリズマ構造にも適用可能である。このような補完において、出力光学インターフェース３２は、入力光学インターフェース３０に対して傾いていて（「ウェッジ」）、有用な仮想画像にスプリアス仮想画像を重ねる。このような補完はゴースト効果をさらに限定することを可能とする。なぜなら、スプリアス画像は、装置１０の特定の構成によって既に大幅に弱められていて、さらに有用なイメージに重ねられるからである。

Claims (10)

1. ａ．入力光学インターフェース（３０）及び出力光学インターフェース（３２）を備える透明な支持体（２０）であって、それぞれの光学インターフェース（３０、３２）が、外部面（３０Ｅ、３２Ｅ）と、前記外部面（３０Ｅ、３２Ｅ）とは反対にある内部面（３０Ｉ、３２Ｉ）を有する、透明な支持体（２０）；
   ｂ．前記入力光学インターフェース（３０）の前記外部面（３０Ｅ）の少なくとも一部に配置された反射要素（２２）；
   ｃ．入射ビーム（Ｆ_Ｉ）と呼ばれる主偏光に沿って偏光された光ビームを前記反射要素（２２）に向かって発することを可能とする情報投影源（２４）であって、前記入射ビーム（Ｆ_Ｉ）が、入射角（θ_ｉ）で前記反射要素（２２）に到達し、前記反射要素（２２）とともに入射平面を画定し、前記主偏光が、Ｐ偏光と呼ばれる前記入射平面に含有される偏光である、情報投影源（２４）
   を備え、前記反射要素（２２）が、Ｐ偏光を有する光について、前記入射角（θ_ｉ）を含む入射角の範囲にわたって、Ｓ偏光と呼ばれる前記入射平面に垂直な直線偏光を有する光についての反射率よりも高い反射率を有する、ヘッドアップディスプレイ装置（１０）。
2. 前記反射要素（２２）が、Ｐ偏光を有する光についての前記入射角の範囲にわたって、異なる偏光を有する光についての反射率よりも高い反射率を有する、請求項１に記載の装置（１０）。
3. Ｐ偏光を有する光についての前記反射要素（２２）の前記反射率が、前記入射角の範囲にわたって、１０パーセント以上、好ましくは１５パーセント以上、有利には２０パーセント以上、さらに有利には４０パーセント以上である、請求項１又は２に記載の装置（１０）。
4. Ｐ偏光とは異なる偏光を有する光についての前記反射要素（２２）の前記反射率が、前記入射角の範囲にわたって、１０パーセント以下、好ましくは５パーセント以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載の装置（１０）。
5. 前記入射角の範囲が、少なくとも２０度、好ましくは少なくとも４０度、好ましくは少なくとも６０度である、請求項１～４のいずれか１項に記載の装置（１０）。
6. 前記入射角の範囲が、前記入力光学インターフェース（３０）に対するブリュースター角度を含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の装置（１０）。
7. 前記情報投影源（２４）が、入射角（θ_ｉ）で前記入射ビーム（Ｆ_Ｉ）を発するために構成されていて、前記入射角（θ_ｉ）が、前記反射要素（２２）によって送られる前記入射ビームの一部が前記出力光学インターフェース（３２）に対するブリュースター角度と実質的に等しい角度で前記出力光学インターフェース（３２）に到達するように選択される、請求項１～６のいずれか１項に記載の装置（１０）。
8. 前記反射要素（２２）が、誘電体層の積層体を含む、請求項１～７のいずれか１項に記載の装置（１０）。
9. 前記透明な支持体（２０）が車両のウィンドスクリーンであり、前記反射要素（２２）が、有利には、前記入力光学インターフェース（３０）の全体の前記外部面（３０Ｅ）の上に配置されている、請求項１～８のいずれか１項に記載の装置（１０）。
10. 請求項１～９のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置（１０）を備える、車両（１２）。

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