JP5379228B2 - 小型ヘッドアップディスプレイの光リレー - Google Patents

Description

（背景）ヘッドアップディスプレイ（頭部搭載型の表示装置、ＨＵＤ）は、典型的には自動車や航空機のような乗物の中で利用され、運転手またはパイロットに対して外部環境から目を逸らすことなくディスプレイによって投影された情報を観察させる。このようなＨＵＤのための光リレー（光学式の中継手段）は、典型的には、走査ディスプレイ（スキャニングディスプレイ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等によって形成された発生画像を拡大し、見かけ上の拡大された画像を、ＨＵＤが利用されている乗物の外部のある程度離れた位置に配置するように設計されている。例えば乗物が自動車である場合には、自動車の外側の操作者（運転者）から例えば１．５メートル程度離れた位置に見かけ上の拡大された画像が配置される。

典型的には、光リレーは、十分な拡大率と、アイボックスサイズ（ｅｙｅｂｏｘ ｓｉｚｅ、眼のための囲いの大きさ）、有効視野、及び／又は離れた見かけ上の画像位置のような他の光学的な特性と、を提供するために、ＨＵＤの物理的な大きさに対して設計的な制約を課す可能性のある光学部品の倍率のための充分な光の経路の長さ量を伴っている。

（図面の説明）請求項に記載の対象は、明細書の結論部分を特異的に請求の範囲としており、且つ明確に述べられているものである。しかしながら、そのような記載の対象は、下記の添付された図面と共に解釈されるとき、以下に記載の詳細な説明を参照することによって理解されるであろう。

図１は、一以上の実施形態に従った、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を利用した走査ビームディスプレイの概略図である。 図２は、一以上の実施形態に従った、小型のヘッドアップディスプレイの光リレーの概略図である。 図３は、一以上の実施形態に従った、代替的な小型のヘッドアップディスプレイの光リレーの概略図である。 図４は、一以上の実施形態に従った、代替的な小型ヘッドアップディスプレイの光リレーのための反射捕捉手段の概略図である。

単純化、及び／又は図示の明確化のために、これらの図の中で示された要素は、必ずしも縮尺通りに描かれていないことを留意していただきたい。例えば、いくつかの要素の寸法は、明確化のために、他の要素と比較すると拡大されている。更に、適切であると見なされた場合には、図の中で関連する及び／又は類似する要素を示すための参照番号は繰り返し使用されている。

（詳細な説明）
以下の詳細な説明において、多数の特定の詳細な内容は、請求項に記載の内容の完全な理解を提供するために記載されている。しかしながら、これらの特定の詳細な内容がなくとも、請求項に記載の内容が当業者によって実施可能であることは理解されるであろう。他の例では、周知の方法、手順、構成要素及び／又は回路は、ここでは詳細に記載していない。

以下の説明及び／又は請求項において、連結される及び／又は接続されるとの用語は、それらの派生語と同様に使用されている。特定の実施態様において、接続されるとは、二つ以上の要素が直接互いに物理的及び／又は電気的に接触することを示すために用いられる。連結されるとは、二つ以上の要素が直接物理的及び／又は電気的に接触していることを意味する。しかしながら、連結されるとは、二つ以上の要素が必ずしも直接互いに接触してはいないが、しかしなお協同し及び／又は互いに相互作用することを意味する場合がある。例えば、「連結される」とは、二つ以上の要素が互いに接触してはいないが、しかし他の要素又は中間の要素を介在させて間接的につながれていることを意味する場合がある。最後に、「の上に」、「を覆っている」、「の上方に」との用語は、以下の記載と特許請求の範囲に使用される。「の上に」、「を覆っている」、「の上方に」とは、二以上の要素が、直接、互いに物理的に接触していることを指し示すために使用される。しかし「の上方に」の用語は、２又はそれ以上の要素が、互いに直接接触してはいない状態を示すためにもまた使用される場合がある。例えば、「の上方に」とは、一つの要素がもう一つの要素の上にあるがしかし互いに接触していない場合であり、そしてもう一つの要素又は複数の要素が二つの要素の間にある場合を意味することがある。更にまた、特許請求の範囲の記載がこの点で限定されるものではないが、「及び／又は」とは、「および」を意味する場合と、「または」を意味する場合と、「エクスクルーシブ＝オア（排他的なまたは、二つの内いずれか一方のみ）」を意味する場合と、「一つ」を意味する場合と、「いくらか、しかし全てではない」を意味する場合と、「どちらでもない」を意味する場合と、「両方」を意味する場合とがある。以下の明細書の記載及び／又は特許請求の範囲において、「構成される」と「含まれる」との用語は、その派生語と共に、互いに同義語と見なして（同義語を意図して）、使用される場合がある。

図１を参照すると、一以上の実施形態に従った、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を利用した走査ビームディスプレイ（スキャンビームディスプレイ、光線が走査されることで表示を行う表示装置）の概略図が論じられている。図１は、説明のために走査ビームディスプレイのシステムを例示しているが、一以上の実施形態によっては、走査線結像システムと、その他の種類の結像システムが利用でき、及び／又はバーコードスキャナあるいはデジタルカメラ等のような代替的な結像システムも同様に、一以上の実施形態によっては、利用が可能である。しかしながら特許請求の範囲の内容はこの点に限定されない。走査ビームディスプレイ１００は、以下で説明するように図２及び／又は図３で示すヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）の光リレーで利用できる。走査ビームディスプレイ１００はここで解説するようにＨＵＤのための例示的なディスプレイモジュールとして図１で図示されているが、ディスプレイ１００は、例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、反射型液晶ディスプレイ（シリコン基板上に液晶を載せたディスプレイ、ＬＣＯＳ）、デジタルライトプロセシングディスプレイ（ＤＬＰディスプレイ）、等の他の種類のディスプレイを備えることができることに留意すべきである。しかし特許請求の範囲の内容はこの点に限定されない。

図１に示すように、走査ビームディスプレイ１００はレーザ等のレーザ光源である光源１１０を備えている。これはレーザ光線もしくはそのような光線である光線１１２を放射することができる。実施形態によっては、光源は複数の光源を備えることができる。例えば赤色光源、緑色光源および青色光源を有するカラーシステム（多色系）であり、それら光源からの光線は１つの光線に組み合わせることが可能である。光線１１２は微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を活用したスキャナ、等々で構成されることが可能な走査プラットホーム１１４（スキャニングプラットフォーム１１４）にあたり、走査ミラー１１６（スキャンミラー１１６）で反射されて制御された出力光線１２４を発生させる。一以上の代替的な実施形態では、走査プラットホーム１１４は回折光学グレーティング、移動式光学グレーティング、光弁（ライトバルブ）、回転ミラー、スピン回転するシリコン素子、デジタル光線プロジェクタ装置、飛点投影装置または反射型液晶ディスプレイ、等で構成することができる。水平駆動回路１１８及び／又は垂直駆動回路１２０は、走査ミラー１１６が出力光線１２４にラスタースキャン１２６を発生させるように屈折を起こさせて、表示される画像１２８を例えば投影面及び／又は画像面に作り出すように方向を調整する。ディスプレイ制御手段１２２（ディスプレイコントローラ１２２）は、表示画像の画素情報（ピクセル情報）をレーザ変調に変換することで、水平駆動回路１１８と垂直駆動回路１２０を制御する。このレーザ変調は走査プラットホーム１１４に同期しており、ラスタパターン１２６の出力光線１２４の位置と、画像の対応する画素における対応する強度及び／又は色度情報に基づいた画像情報とを、表示画像１２８に書き込む。ディスプレイ制御手段１２２は走査ビームディスプレイ１００の他の様々な機能をも制御することができる。

一以上の実施形態における二次元画像を発生または取り込むための二次元走査のための、高速の走査軸はラスタースキャン１２６の水平方向であり、低速の走査軸はラスタースキャン１２６の垂直方向である。走査ミラー１１６は比較的に高い周波数で水平に出力光線１２４を走査し、比較的に低い周波数で垂直に出力光線１２４を走査することができる。その結果、レーザ光線１２４の走査経路はラスタースキャン１２６を提供する。しかしながら特許請求の範囲の内容はこの点に限定されない。

図２を参照すると、一以上の実施形態による小型のヘッドアップディスプレイの光リレーが示されている。実施形態では、光リレー２００は筐体（容器）２１０を備えている。筐体２１０の中では走査ビームディスプレイのようなディスプレイ１００が収容されている。あるいはディスプレイ１００は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、反射型液晶ディスプレイ（シリコン基板上に液晶を載せたディスプレイ、ＬＣＯＳ）、デジタルライトプロセシングディスプレイ（ＤＬＰディスプレイ）、等で構成されることができるが、特許請求の範囲の内容はこの点に限定されない。実施形態ではディスプレイ１００から発光する光または光線１２４は、単レンズ２１２（シングルレンズ）及び／又はくさび形の光学部品２１４を通過する。実施形態では単レンズ２１２は平坦な視野を提供するために使用が可能であり、及び／又はアイボックス（眼のための囲い）が光リレー２００全体に対して適正に配置されるために使用可能である。くさび形の光学部品２１４は樽型歪み（スマイルディストーション、二次元の光学的な歪みの一種）及び／又は色収差の歪みの調整（補正）のために使用できる。しかし、一以上の実施形態によれば、単レンズ２１２及び／又はくさび形の光学部品２１４は取捨選択が自由なものであり、使用されない場合もある。実施形態によっては、光または光線１２４は単色光で構成され、あるいは多色光、例えば赤色光（Ｒ）と、緑色光（Ｇ）と青色光（Ｂ）とからなる光（ＲＧＢ）で構成され、ディスプレイ１００によって投影されるフルカラー画像を提供するが、特許請求の範囲の内容はこの点に限定されない。

一以上の実施形態では、光線１２４は、ぎらつき防止手段（ぎらつきや映り込みを捕捉して反射を防止する手段、グレアトラップ）２１６にあたる。ぎらつき防止手段２１６はガラス板、プラスチック板または他の透明な材料の板で構成されている。ぎらつき防止手段２１６は実施形態によっては比較的に平坦あるいは平面であり、代替的な実施形態では曲面である。以下において図４を参照して詳細に解説するように、ぎらつき防止手段２１６は、入射する光の角度について選択的な特性を有する（角度選択性とも言う）被膜またはフィルタとして機能するために、その上に配置される光学的な被膜（表面処理層）を備えることが可能である。これに適した光学的な被膜は、複数層からなる誘電体の被膜で構成することが可能であり、角度選択性を提供する。これは米国カルフォルニア州サンタアナ市のカスケードオプティカル社または米国カルフォルニア州サンタロサ市のデポジションサイエンス社のような光学機器製造業者から入手可能である。一以上の実施形態によれば、ぎらつき防止手段２１６の表面２５０上に配置された被膜は、ぎらつき防止手段２１６を光リレー２００の光学面として複数回、例えば図２に示すように３回利用させる。ぎらつき防止手段２１６の被膜は第一の角度よりも大きな入射角度であって、例えば約３７°よりも大きな角度で、ぎらつき防止手段２１６の表面２５０上に入射する光を反射する。ここで、ぎらつき防止手段２１６の表面２５０に対する法線の角度を０°としている。ぎらつき防止手段２１６の被膜は、第二の角度よりも小さな角度であって、例えば約１０°よりも小さな角度で、ぎらつき防止手段表面２１６の表面２５０に入射する光を効率的に伝える（透過させる）ことができる。一以上の実施形態においては、第一の角度と第二の角度とは互いに少なくとも約２０°以上の差を有する。被膜の作用による反射光と透過光とをもたらす第一の角度と第二の角度との間の比較的大きな角度の相違は、光線が例えばＲＧＢの光で構成されているような光線１２４の中の複数の波長要素に適合するために、比較的に広範囲な波長に対して運用できることを目的として設計されることが可能である。しかしながら特許請求の範囲の内容はこの点に限定されない。

図２で示すように、ディスプレイ１００から発せられる光線１２４は、位置２１８にてぎらつき防止手段２１６の表面２５０上に、第一の角度であって、実施形態では例えば３７°である角度よりも大きな角度であたる。その結果、光線１２４は反射光線２２０としてぎらつき防止手段２１６の表面２５０で反射し、第二の光学部品２２２に向かう。第二の光学部品２２２は曲面を有しており、湾曲した鏡面を備えていることができ、投影画像の焦点処理及び／又は拡大を提供する。第二の光学部品２２２は鏡やレンズのような好適な任意の光学的要素によって構成することが可能であるが、特許請求の範囲の内容はこの点に限定されない。反射光線２２０は、第二の光学部品２２２に位置２２４であたり、反射光線２２６としてぎらつき防止手段２１６の方向に転送される。反射光線２２６は、第一の角度よりも大きな角度で位置２２８でぎらつき防止手段２１６の表面２５０にあたり、被膜によって反射されて反射光線２３０となる。続いて反射光線２３０は、第一の光学部品２３２の位置２３４にあたり、光線２３６としてぎらつき防止手段２１６の方向に転送される。第一の光学部品２３２も湾曲した形状を有することが可能であり、湾曲した鏡面を備えることで投影画像の焦点処理及び／又は拡大機能を提供する。第一の光学部品２３２は鏡またはレンズのような好適な任意の光学的要素によって構成することが可能であるが、特許請求の範囲の内容はこの点に限定されない。光線２３６はぎらつき防止手段２１６の表面２５０の位置２３８に、第二の角度であって、一以上の実施形態では１０°と等しいかあるいはより小さい角度であたるので、光線２３６はぎらつき防止手段２１６と表面２５０の被膜を効率的に通過し、筐体２１０から外に出る。

光線２３６が筐体２１０から出た後、光線２３６は位置２４２にて結合器２４０にあたり、光線２４６としてＨＵＤのアイボックスの中の操作者の目に転送される。結合器２４０は、光リレー２００で中継された画像を、乗物外部から乗物の中に入る光などのような、周囲環境から操作者の目に入る光とを組み合わせる。本発明の実施形態では、結合器２４２は蝶番２４８（ヒンジ２４８）を介して光リレー２００の筐体２１０に連結可能であり、蝶番２４８は結合器２４０の角度を操作者に従って最良の角度または最良に近い角度に調整することを許容する。同様に結合器２４２と、筐体２１０と、蝶番２４８のこのような配置は、ＨＵＤの光リレー２００を、市場に設置後、あるいはＨＵＤの使用後に適している、小型形状の要素とすることが許容される。例えば筐体２１０は乗物の内側の空間のダッシュボード上に設置される。しかし特許請求の範囲の内容はこの点に限定されない。乗物に組み込まれたＨＵＤの光リレーの代替的な構成は以下で図３に図示され、解説されている。

図３を参照すると、一以上の実施形態による代替的な小型のヘッドアップディスプレイの光リレーの概要が示される。一以上の実施形態に於いて、図３の光リレー３００は、図２に示した光リレー２００と実質的に類似している。但し、光リレー３００の構成要素は乗物のダッシュボード３１０の内部又は類似した位置の内部に配置され、及び／又は乗物のフロントガラス３１２は図２の結合器２４０として機能することができる。代替的には、結合器２４０はフロントガラス３１２の中に埋め込むことも、表面上に設置することも可能である。更に、図３は、図３の光リレー３００が、フロントガラス３１２の外側の位置で、例えば操作者／観察者から約１．５ｍの距離に光リレー３００を介してディスプレイ１００により投影された見かけ上の画像３１４を配置するように機能できる様子を示している。図３に示された光リレー３００によって示されるように、同様に、図２の光リレー２００もまた、見かけ上の画像を操作者／観察者から選択された距離に配置することができることを知るべきである。

図４を参照すると、一以上の実施形態に従った小型ヘッドアップディスプレイの光リレーのためのぎらつき防止手段の図が示される。図４で図示するように、ぎらつき防止手段２１６は、入射光線に関して角度の選択性を提供するように表面２５０上に配置された好適な光学的な被膜を備えることができる。ここでぎらつき防止手段２１６の表面２５０に関する法線４１０が角度０°となるように定義（指定）されている。第一の角度（β）よりも大きなぎらつき防止手段２１６の表面２５０への入射光線は、被膜によって効率的に反射され、ぎらつき防止手段２１６を透過することは許容されない。一以上の実施形態においては、第一の角度（β）は約３７°である。その結果、円錐領域４１４の外側の入射角を有する入射光線が被膜によって反射されるような円錐領域４１４が定義される。同様に第二の角度（α）より小さなぎらつき防止手段２１６の入射角で表面２５０に入射する光線は効率的に被膜を透過し、ぎらつき防止手段２１６を介して送られる。その結果、円錐領域４１２の内側の入射角を有する入射光線が全て被膜を透過するような円錐領域４１２が定義される。一以上の実施形態においては、第一の角度と第二の角度は約２０℃以上の相違を有する。しかし、特許請求の範囲の内容はこの点に限定されない。このような角度選択性を有する光学的な被膜は、好適な材料及び／又は化合物を使用して光学機器供給会社により調整される。更に被膜のこのような角度選択性は、単体の光学要素が、本実施形態ではぎらつき防止手段２１６であるが、光リレー２００または光リレー３００の中の光学的な光の経路の中で、同一の光リレーによって複数の機能を提供するために、複数回利用される。例えば図２と図３で図示するように光線は光リレー２００または光リレー３００の単一の光の経路のなかで、ぎらつき防止手段２１６に３回あたる。代替的には、ＨＵＤディスプレイの光リレーの他の実施形態においては、光の経路の中で２回、ぎらつき防止手段２１６に入射光があたるように構成されている。あるいは更に代替的な実施形態では４回以上、ぎらつき防止手段２１６に入射光があたるように構成されている。しかし、特許請求の範囲の内容はこの点に限定されない。更に代替的な実施形態ではぎらつき防止手段２１６は追加的な被膜を有するように設計される。または角度選択性の被膜が追加的に施され、極性を有する被膜及び／又はフィルタ等の他の光学特性または光学機能が提供されるが、特許請求の範囲の内容はこれらに限定されない。

請求項に記載された発明の内容についてある程度詳細に解説したが、本発明で利用されている要素は、専門家であれば本発明の精神及び／又は範囲から逸脱することなく変更が可能であることを理解するであろう。小型のヘッドアップディスプレイの光リレー及び／又はその付随する利用に関する本発明の対象は、前述の説明により理解されるであろうが、本発明の範囲及び／又は精神から逸脱せずに、あるいはその使用材料の特性を犠牲にすることなく、使用部材の形態、構造及び／又は配置において種々の変更を施すことが可能であることは明らかであり、解説した本発明の実施形態はそれについての単なる例示的な態様、及び／又は更なる実質的な変化が提供されることない例示的な態様である。特許請求の範囲はこれら全ての変更を包含するものである。

１００ 走査ビームディスプレイ
１１０ 光源
１２４ 光線
２００，３００ 光リレー
２１０ 筐体
２１２ 単レンズ
２１４ くさび形の光学部品
２１６ ぎらつき防止手段
２２２ 第二の光学部品
２３２ 第一の光学部品

Claims (15)

1. ヘッドアップディスプレイの光リレーであって、
   第一の角度よりも大きな入射角で入射する光を反射し、第二の角度よりも小さな入射角で入射する光を通過させる角度選択性を有しているぎらつき防止手段と、
   前記第一の角度よりも大きな入射角で前記ぎらつき防止手段にて反射された光を受け取り、前記ぎらつき防止手段から出るための前記第二の角度よりも小さな入射角で、光を前記ぎらつき防止手段を通過するように方向付けるために配置された第一の光学部品と、
   一回目に前記第一の角度よりも大きな入射角で前記ぎらつき防止手段にて反射された光線を受け取り、二回目に前記第一の角度よりも大きな入射角で前記ぎらつき防止手段にて反射された光を前記第一の光学部品へ転送するために配置された第二の光学部品と、
   を備えていることを特徴とする光リレー。
2. 相対的に平坦な視野を提供するために、若しくはアイボックスを設置するために、またはそれらを組み合わせるために、ディスプレイと前記ぎらつき防止手段との間に配置された単レンズを更に備えていることを特徴とする請求項１記載の光リレー。
3. ディスプレイによって投影された画像の光学的な歪みを調整するために、ディスプレイと前記ぎらつき防止手段との間に配置されたくさび形の光学部品を更に備えていることを特徴とする請求項１記載の光リレー。
4. 光は、前記ぎらつき防止手段を通過する前に、二回又はそれ以上前記ぎらつき防止手段に入射することを特徴とする請求項１記載の光リレー。
5. 前記ぎらつき防止手段は、前記ぎらつき防止手段の角度選択性を提供するためにその表面に配置された光学的な被膜を有していることを特徴とする請求項１記載の光リレー。
6. 前記ぎらつき防止手段から出る光と、観察者の眼に入る周囲環境からの光とを組み合わせる結合器を更に備えていることを特徴とする請求項１記載の光リレー。
7. 前記第一の光学部品は、第一のレンズ若しくは第一の鏡又はそれらの組み合わせを備えており、前記第二の光学部品は、第二のレンズ若しくは第二の鏡又はそれらの組み合わせを備えていることを特徴とする請求項１記載の光リレー。
8. 前記第一の光学部品は、観察者から選択された距離で配置される見かけ上の拡大された画像を提供するように稼働することを特徴とする請求項１記載の光リレー。
9. 前記第一の角度と前記第二の角度とは略２０°以上異なることを特徴とする請求項１記載の光リレー。
10. ヘッドアップディスプレイであって、
    筐体と、
    前記筐体の中に配置されたディスプレイモジュールと、
    前記筐体の中に配置された光リレーと、
    を備えており、前記光リレーは、
    第一の角度よりも大きな入射角で入射する光を反射し、第二の角度よりも小さな入射角で入射する光を通過させる角度選択性を有したぎらつき防止手段と、
    前記第一の角度よりも大きな入射角で前記ぎらつき防止手段にて反射した光を受け取り、前記ぎらつき防止手段から出るための前記第二の角度よりも小さな入射角で、光を前記ぎらつき防止手段を通過するように方向付けるために配置された第一の光学部品と、
    一回目に前記第一の角度よりも大きな入射角で前記ぎらつき防止手段にて反射された光を受け取り、二回目に前記第一の角度よりも大きな入射角で前記ぎらつき防止手段にて反射された光を前記第一の光学部品へ転送するために配置された第二の光学部品と、
    を備えていることを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
11. 相対的に平坦な視野を提供するために、若しくはアイボックスを設置するために、又はそれらを組み合わせるために、ディスプレイと前記ぎらつき防止手段との間に配置された単レンズを更に備えており、
    又はディスプレイによって投影された画像の光学的な歪みを調整するためにディスプレイと前記ぎらつき防止手段との間に配置されたくさび形の光学部品を更に備えており、
    又はそれらの組み合わせを更に備えていることを特徴とする請求項１０記載のヘッドアップディスプレイ。
12. 前記ぎらつき防止手段は、前記ぎらつき防止手段の角度選択性を提供するためにその表面に配置された光学的な被膜を有していることを特徴とする請求項１０記載のヘッドアップディスプレイ。
13. 前記第一の光学部品は、観察者から選択された距離で配置される見かけ上の拡大された画像を提供するように稼働することを特徴とする請求項１０記載のヘッドアップディスプレイ。
14. 第一の角度と第二の角度とは略２０°以上相違することを特徴とする請求項１０記載のヘッドアップディスプレイ。
15. 前記ディスプレイは、３種の別々の波長で光を放出し、前記ぎらつき防止手段の角度選択性はこれら全ての３種の別々の波長で機能することを特徴とする請求項１０記載のヘッドアップディスプレイ。

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