JP6096911B2 - 車両のための視野ディスプレイ - Google Patents

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Description

本発明は、車両のための視野ディスプレイに関する。
視野ディスプレイは、車両の乗員の視界に情報を挿入することが可能な表示装置である。例えば、運転者支援システムの情報を運転者の視野に挿入することが可能である。視野ディスプレイは、ヘッドアップディスプレイ(Head−up Display)として、又は略してHUDとしても知られている。視野ディスプレイは、情報としての画像を透明な面又は窓の面に照射し、従って、当該情報の結像する光が、透明な面を通じて視認する観察者の目の中に映される。計器板を介した従来のディスプレイに比べて、視野ディスプレイには、当該視野ディスプレイによって伝達される情報を視認するために、観察者が現実の交通状況から目を離さなくてもよいという利点がある。更なる利点は、運転者が、交通状況とHUD画像内容との間で焦点を定め直す必要がないということである。運転者の1つ1つの目の焦点距離は、画像情報を読み取る際にはほぼ無限遠のままである。上記の利点によって、視野ディスプレイの普及がますます進んでいる。視野ディスプレイにおいてコンタクトアナログな機能を実行するためには、従来の視野ディスプレイに比べてより大きな視野(例えば8°×5°)と、より大きな像距離(例えば>10m)と、を実現する結像光学系が必要となる。このことによって、光学素子と光路の数が増えることになる。光路が拡張され光学素子の数が増えることによって、視野ディスプレイは、より多くの設置空間を必要とする。
独国特許出願公開第102007047232号明細書には、虚像を生成する映像装置と、虚像を観察するためのコンバイナ(Combiner)と、を有する投影ユニットを備えた、車両のための視野ディスプレイが記載されている。
独国特許第3879044号明細書は、例えば、ブラウン管のスクリーンに表示された情報のような、対象物のコリメート調整された画像を、例えば飛行機のパイロットの外の視野に投影する視野ディスプレイのための光学系について記載し、コリメートレンズ又はコリメートミラーの焦点面に対象物の中間像を生成するために光学的伝送を利用するシステムにおいて特に適用可能である。
このような背景から、本発明によって、独立請求項に係る車両のための視野ディスプレイが提示される。有利な構成は、従属請求項及び以下の明細書の記載から明らかとなろう。
視野ディスプレイの2つの光学素子間の中間焦点によって、当該視野ディスプレイが必要とする設置空間を縮小することが可能である。2つの空間方向に有効な中間焦点が収差に繋がる場合には、この収差は、更なる別の光学素子によって補正されうる。中間焦点が1つの空間方向にのみ有効な場合には、光学素子に対する需要が下がる。特に、収差の数が減ると同時に、1つの方向、特に垂直方向において最大の設置空間が得られる。コンタクトアナログな(kontaktanalog)視野ディスプレイは、従来の視野ディスプレイに比べてより大きな視野を有する可能性があり、これにより、光学素子の数が増え、設置空間がより大きくなりうる。本明細書では、設置空間を縮小するために中間焦点が提案される。
乗員の注視方向に画像情報を提示するための車両のための視野ディスプレイであって、以下の特徴、即ち、画像情報を運ぶビーム量であって、1つの空間方向に有効な中間焦点が設けられた上記ビーム量を発生させるよう構成された光学素子を有する、上記視野ディスプレイが提示される。
車両は、視野ディスプレイを有しうる。車両は、原動機付き車両、特に、乗用車、有用車両、又はレール車両であってもよい。視野ディスプレイは、ヘッドアップディスプレイ(Head−up Display)又はHUDとも呼ばれる。視野ディスプレイは、視野表示、又は代替的に、注視方向ディスプレイとも理解されうる。視野ディスプレイとは、車両内で、画像情報の形態による情報、例えば運転者支援システムの情報を乗員の注視方向に挿入することが可能な表示装置として理解されうる。視野ディスプレイは、少なくとも2つの光学素子を有しうる。視野ディスプレイは投影面を有しうる。投影面は、コンバイナと呼ばれてもよい。車両の透明な素子、例えばフロントガラスを、投影面として利用することが可能である。投影面は、情報の結合器とも呼ばれてもよい。投影面は、光透過性を有する反射する素子であってもよい。投影面は、外界の情報に、画像情報、即ち人工的に生成された情報を重畳し、又は、外界の情報と画像情報とを組み合わせることが可能である。視野ディスプレイは、虚像としての画像情報を生成する映像装置を有する投影ユニットと、虚像を観察するための投影面と、を有してもよく、その際に、少なくとも2つの光学素子が、映像装置と投影面との間の光路内に配置される。車両の乗員は、車両の運転者、及び/又は、車両の同乗者であってもよい。光学素子とは、光を案内する手段として理解されうる。光学素子は、例えばレンズ、鏡、又は屈折素子として光を通し又は光を反射するように実現されうる。映像装置によって、光線は光学素子を通って投影面へと案内されうる。光学素子は、光学モジュールと総称されてもよい。光学素子の特性は、コリメータの特性、及び/又は、屈折(Umlenkung)の特性であってもよい。光学素子は、画像情報を運ぶビーム量(Strahlvolumen)を、映像装置から投影面へと案内しうる。光学素子を通って案内される光束の最大空間伝播量(maximale rauemliche Ausbreitung)がビーム量と呼ばれうる。中間焦点(Zwischenfokus)は、2つの光学素子間でのビーム量の集束(Fokussierung)として理解されうる。
本発明の一実施形態に対応して、中間焦点は、当該中間焦点の範囲内の視野ディスプレイの光軸に対して直交してもよい。個々の光学素子の軸により形成され個々の光学素子の対称軸と一致する直線が、光軸と呼ばれうる。厳密に言えば、投影面としてフロントガラスが利用される場合は、光学系は実際には対称的ではない。その際に、利用されるミラーは、折り畳みミラーに至るまで、大抵は自由形式の光学系である。投影面として別のコンバイナを利用する際には、システムは大抵、軸に対して対称的である。
一実施形態において、視野ディスプレイがコンタクトアナログな視野ディスプレイとして実現される場合も好都合である。まるで外界の固定的な構成要素であるかのように、乗員の現在の視野に挿入されるコンタクトアナログな視野ディスプレイの表示要素が、コンタクトアナログな情報として理解されうる。例えば、ナビゲーションの矢印は、路面に直に存在しているかのように現れる。
一実施形態において、中間焦点は縦長に形成されてもよい。従って中間焦点は、横幅よりも縦幅が長い平面であってもよい。このことは、適切に成形された光学素子によって実現されうる。例えば、中間焦点の平面は、楕円形又は長方形であってもよい。
その際に、縦長に形成された中間焦点は、画像情報の主伸長方向に対して平行に方向付けられた主伸長方向を有してもよい。画像情報は、基本的に長方形の外形を有しうる。
光学素子は、反射型に実現されてもよい。光学素子は、屈折型に実現されてもよい。光学素子は、回折型に実現されてもよい。光学素子は、反射型、及び/又は、屈折型、及び/又は、回折型に実現されてもよい。光学素子は、光学系と総称されうる。
中間焦点は、1つの空間方向にのみ形成されてもよい。空間方向は、光軸に対して直交して方向付けられてもよい。このことは、画像情報が中間焦点に基づき線対称(Achsenspiegelung)にされることと理解されうる。その際に、線対称の対称軸(Spiegelachse)は、空間方向に対して直交して、及び光軸に対して直交して方向付けられうる。このような中間焦点は、例えば、円筒形状の光学素子によって生じうる。
さらに、一実施形態によれば、中間焦点はサジタル平面にのみ形成されてもよい。代替的に、中間焦点はメリジオナル平面にのみ形成されてもよい。
さらに、視野ディスプレイは、画像情報を生成する映像装置と、虚像を観察するための投影面と、を有してもよく、その際に、少なくとも2つの光学素子が、映像装置と投影面との間の光路内に配置される。映像装置及び投影面は、表示手段と呼ばれてもよい。映像装置は、投影ユニットとして構成されてもよい。映像装置により生成される画像情報は、光学系及び投影面を介して観察されて虚像となる。その意味において、映像装置が虚像を「生成する」のではなく、映像装置は光学系と共に生成する。
視野ディスプレイは、少なくとも1つの更なる別の光学素子を有してもよい。その際に、この少なくとも1つの更なる別の光学素子は、反射型に実現されてもよい。反射型の光学素子は、視野ディスプレイの光路の方向を変えることが可能であり、よりコンパクトな構造形態を可能にする。更なる別の実施形態において、視野ディスプレイは少なくとも1つの第3の光学素子を有してもよく、その際に、この少なくとも1つの追加的な光学素子は、反射型に実現される。第4の反射型の光学素子を含む実施形態も、安価及び/又はコンパクトな構造形態を実現しうる。
コンパクトアナログな情報の提示には、従来の視野ディスプレイに比べてより大きな視野と、これに伴い、より多数の光学素子と、が必要となる。この理由から、コンタクトアナログな視野ディスプレイの結像光学系(コンタクトアナログなヘッドアップディスプレイ又はkaHUD)は、従来の視野ディスプレイよりも明らかにより大きな容積を必要としうる。ダッシュボード内の他のアセンブリ、特にステアリングコラム、空調装置、通気管等との衝突を回避するために、倍率を上げこれにより光路を短縮することで、コンタクトアナログな視野ディスプレイの設置空間を縮小することが可能である。しかしながら、光学素子の数が同じままだと、画質が下がる可能性がある。さらに、倍率(>20)が高いと、表面の品質及び許容差に対する要求が高くなる可能性がある。
このようなことを回避し、複数の要素から成る結像光学系のビーム量を最小に抑えるために、中間焦点の利用が提案される。中間焦点が画質に影響することを避けるために、中間焦点の実現のために必要な、比較的強い表面の湾曲(Oberflaechenkruemmung)を再び補正することが可能である。その際に、視野ディスプレイの画像及びアイボックス(Eyebox)の長方形のアスペクト比によって、画像の長辺に沿った、中間焦点を実現する表面の湾曲が、より短い軸に沿った湾曲よりも強くなることを考慮することが可能である。このことにより収差が生じる限り、上記の事象は更なる別の光学素子によって補正することが可能である。
一実施形態によれば、1つの空間方向にのみ有効な中間焦点であって、光の伝播方向に直交する上記中間焦点が利用される。その際に、中間焦点は、縦長に形成されてもよく、その縦軸について、視野ディスプレイの画像の長辺と平行に方向付けられてもよい。従って、中間焦点は、サジタル平面又はメリジオナル平面に実現されるが、同時に2つの平面には実現されえない。
即ち、中間焦点の実現のために必要な追加的な表面の湾曲は、光学素子のより短い伸長に沿ってのみ生じ、これにより、上述した追加的に発生する収差を少なく抑えることが可能である。さらに、垂直方向において最大の設置空間が得られ、これにより、ステアリングコラムとの衝突が回避される。本方法によって、非常にコンパクトで、コンタクトアナログな視野ディスプレイが実現される。
以下では、本発明が添付の図面を例に詳細に解説される。
本発明の一実施形態に係る車両内の視野ディスプレイの概略図を示す。 本発明の一実施例に係る視野ディスプレイの概略図を示す。 視野ディスプレイの光学素子の概略図を示す。 本発明の一実施例に係る視野ディスプレイの光学素子の概略図を示す。 本発明の一実施例に係る視野ディスプレイの光学素子の概略図を示す。 本発明の一実施例に係る視野ディスプレイの光学素子の概略図を示す。 本発明の一実施例に係るコンタクトアナログな視野ディスプレイの光学系を示す。 本発明の一実施例に係るコンタクトアナログな視野ディスプレイを示す。 本発明の一実施例に係るコンタクトアナログな視野ディスプレイを示す。 本発明の一実施例に係るコンタクトアナログな視野ディスプレイを示す。
本発明の好適な実施例についての以下の明細書の記載においては、様々な図に示された同様に作用する構成要素について同一又は類似した符号が使用され、その際、当該構成要素についての記載は繰り返されない。
図1は、本発明の一実施例に係る車両110内の視野ディスプレイ100の概略図を示す。視野ディスプレイ100は、ヘッドアップディスプレイ(Head−up Display)として車両110内に配置されている。示される視野ディスプレイ100は、映像装置120と、第1の光学素子130と、第2の光学素子132と、第3の光学素子134と、を備え、車両110のフロントガラス140を投影面として利用する。フロントガラス140は、反射し光を通すガラスである。
視野ディスプレイ100は、光軸150を有する。映像装置120は、画像情報を提供するよう構成され、画像情報は、ビーム量153の枠156によって制限されるビーム量153において、乗員170の注視方向160に投影される。第1の光学素子130と第2の光学素子132との間に、視野ディスプレイは中間焦点180を有する。画像情報は、乗員170のアイボックス190の範囲内で見える。乗員170は、フロントガラス140で反射された、イメージングユニット(bildgebende Einheit)としての映像装置(Bildgeber)の情報と同時に、フロントガラス140の奥の現実世界を見る。
図2は、本発明の一実施例に係る視野ディスプレイ100の一部の概略図を示す。視野ディスプレイ100は、2つの光学素子130、132を有する。この光学素子130、132は、図1で示した第1の光学素子130、第2の光学素子132であってもよい。光学素子130、132は、光軸150を形成する。ビーム量153は画像情報を運んでいる。このビーム量153は、枠156によって制限されている。光学素子130、132は、1つの空間方向に有効な中間焦点180が設けられたビーム量153を発生させるよう構成される。中間焦点180は、光学素子130、132の光軸150上に存在し、又は、中間焦点180は、視野ディスプレイ100の光軸150上に存在する。
図3は、ビーム量153を発生させる視野ディスプレイ100の光学素子330、332、334の概略図を示している。3つの光学素子330、332、334は、ビーム量153を発生させる。映像装置120は、投影面に投影すべき画像を提供するよう構成される。この投影すべき画像は、視野ディスプレイ100の光学素子によって結像される。光学素子330、332、334によって、光軸150が形成される。光軸150は、z軸に相当し又はz軸に平行している。映像装置120により放出された光は、負のz軸方向に伝播する。x軸及びy軸は、z軸と直交する平面を形成する。光学系の両側面の図が一致するため、x軸及びy軸は、重ねて示されている。このビーム量153には、中間焦点が無い。換言すれば、図3は、従来の視野ディスプレイの光学素子330、332、334により発生させられる中間焦点が無いビーム量153を示している。その際に、光学素子330、332、334は、反射型、屈折型、又は回折型に実現されてもよい。映像装置120は、実像を生成する表示部であり、実像は、視野ディスプレイの光学系によって結像される。z軸は光軸150に相当し、光は、負のz軸方向に伝播する。x軸及びy軸は、このz軸に直交する面を形成する。従来の視野ディスプレイ100の結像機能は、中間焦点無しで実現される。ビーム量153の示された枠156は、互いに交わらない。
図4は、本発明の一実施例に係る視野ディスプレイ100の光学素子130、132、330の概略図を示しており、この光学素子130、132、330は、2つの空間方向に有効な中間焦点180が設けられたビーム量153を発生させる。図4は図3とほぼ一致しているが、第3の光学素子132と第2の光学素子130との間に、x方向及びy方向にも有効な中間焦点180が実現され示されているという点で異なっている。これにより、光学素子130、132の間で伝送される画像情報は、少なくとも近似的に点対称(Punktspiegelung)にされる。ビーム量153は、枠156によって制限される。映像装置120と第1の光学素子330との間のビーム量153は、広がっている。第1の光学素子330と第2の光学素子130の間では、ビーム量153の枠156は平行に伸びている。第2の光学素子130と第3の光学素子132との間には、中間焦点180が形成されている。第2の光学素子130と第3の光学素子132の間では、ビーム量153の枠156は中間焦点180で交わっている。理想的な場合には、ビーム量153の枠156は、中間焦点180内の一点で交わる。中間焦点180内でビーム量153の枠156が交わる点は、光学素子130、132、330の光軸150上に存在する。他の実施例において、ビーム量153の横断面は、中間焦点180内では環形状に形成される。換言すれば、図4は、例えば第3の光学素子132と第2の光学素子130との間に実現された中間焦点180が設けられた、視野ディスプレイ光学系の光線の経路を示している。中間焦点180は、x方向にもy方向にも実現される。理想的には、ビーム量153の横断面は、中間焦点180のところでは点形状から環形状に見えるであろう。
図5a及び図5bは、本発明の一実施例に係る、1つの空間方向に有効な中間焦点180が設けられたビーム量153を発生させる視野ディスプレイ100の光学素子130、132、330の概略図を示している。図5aは、z軸の他に、当該z軸に直交して方向づけられたx軸を示している。図5bは、z軸の他に、当該z軸に直交して方向付けられたy軸を示している。図5bは、図5aで示された視野ディスプレイの側面図を示しうる。3つの光学素子130、132、330は、ビーム量153を発生させる。このビーム量153は、枠156によって制限されている。光軸素子130、132、330によって、光軸150が形成される。光軸150は、示されるz軸に相当し、又はz軸と平行に伸びている。映像装置120は、投影面に投影すべき画像を提供するよう構成される。この投影すべき画像は、視野ディスプレイ100の光学素子130、132、330によって結像される。映像装置120により放出された光は、負のz軸方向に伝播する。x軸及びy軸によって、z軸と直交する面が形成され、即ち、図5aで示されるx軸は、図5bで示されるy軸と直交している。図5aでは、光学素子の間の中間焦点180は見えない。図5bでは、第2の光学素子130と第3の光学素子との間に中間焦点180が見える。図5aと図5bとを組み合わせると、第2の光学素子130と第3の光学素子132との間に、1つの空間方向にのみ有効な中間焦点180が示される。換言すれば、図5aと図5bとは、一方向、例えばy方向にのみ中間焦点180が実現された光学系を示している。その際に、中間焦点180でのビーム量153の横断面は、この場合長方形に見える。1つの空間方向にのみ有効な中間焦点によって、光学素子130、132の間を伝送される画像情報、又は投影すべき画像は線対称にされる。
図4、図5a、図5bで示された中間焦点は、例えば、図1によって記載された視野ディスプレイ100で使用することが可能である。
図6は、本発明の一実施例に係るコンタクトアナログな視野ディスプレイ100の光学系の一実施例を示す。映像装置120は、3つの光学素子130、132、330によってアイボックス190の方向に示される画像を提示する。光学素子130、132、330は、光学素子130、132、330の間でビーム量を発生させる。本実施例では、光学素子130、132、330は、反射型の光学素子130、132、330として実現される。第1の光学素子330と第2の光学素子130との間には、1つの空間方向に有効な中間焦点180が形成される。光線は、第3の光学素子132によって、本実施例ではフロントガラス140である投影面140へと向けられる。そこから、光線はアイボックス190内に向けられる。「向ける」とは、ここでは、屈折及び/又は反射として理解されたい。中間焦点は、図5a及び図5bに示した実施例の場合のように、y軸の空間方向でのみ作用するよう構成される。換言すれば、図6は、以下の図7のように、このような中間焦点180が一方向に実現されたコンタクトアナログな光学設計の実際の実現例、又は、コンタクトアナログな視野ディスプレイの光学設計を示している。
図7は、本発明の一実施例に係るコンタクトアナログな視野ディスプレイ100の一実施例を示す。その際に、視野ディスプレイ100は、光学素子330、130、132を有する。映像装置により提供される画像情報は、投影面として機能するフロントガラス140を介してアイボックス190内で見られる。一実施例において、アイボックス190は、乗員の乗車位置に対して調整されてもよい。
図8及び図9は、本発明の一実施例に係るコンタクトアナログな視野ディスプレイ100を示している。図8は、同じコンタクトアナログな視野ディスプレイ100の側面図を示し、図9は、同じコンタクトアナログな視野ディスプレイ100の下から見た図を示している。視野ディスプレイ100は、映像装置120と、3つの光学素子130、132、330を有する。フロントガラスが、投影面140として機能する。ビーム量153において映像装置120により提供される画像情報は、乗員のためのアイボックス190内で見られる。換言すれば、図8及び図9は、一方向への中間焦点180が設けられた光学設計の更なる別の実施例を示している。その際に、光学素子130、132、330の数は変更されてもよい。図8及び図9は、y方向への中間焦点180が設けられた視野ディスプレイ光学系の更なる別の実施例を示している。その際に、図8は側面図を示し、図9は下から見た図を示す。
記載され図に示された実施例は、単に例示的なものとして選択されている。様々な実施例が、完全に又は個々の特徴に関して互いに組み合わされる。さらに、或る実施例を、更なる別の実施例の特徴によって補足することが可能である。

Claims (9)

  1. 乗員(170)の注視方向(160)に画像情報を提示するための、車両(110)のための視野ディスプレイ(100)であって、前記視野ディスプレイ(100)は、以下の特徴、即ち、前記画像情報を運ぶビーム量(153)であって、1つの空間方向に有効な中間焦点(180)が設けられた前記ビーム量(153)を発生させるよう構成された光学素子(130、132)を有し、
    前記中間焦点(180)は、主伸長方向を有し、前記主伸長方向は、前記画像情報の主伸長方向に対して平行に方向付けられる、視野ディスプレイ(100)。
  2. 前記中間焦点(180)は、当該中間焦点(180)の範囲内の前記視野ディスプレイ(100)の光軸(150)に対して直交する、請求項1に記載の視野ディスプレイ(100)。
  3. 前記視野ディスプレイ(100)は、表示要素があたかも外界の固定的な要素であるかのように乗員の視野に挿入されるコンタクトアナログな視野ディスプレイ(100)として実現される、請求項1又は2に記載の視野ディスプレイ(100)。
  4. 前記中間焦点(180)は縦長に形成される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の視野ディスプレイ(100)。
  5. 前記光学素子(130、132)は、反射型、屈折型、及び/又は、回折型に実現される、請求項1〜のいずれか1項に記載の視野ディスプレイ(100)。
  6. 前記中間焦点(180)は1つの空間方向にのみ形成される、請求項1〜のいずれか1項に記載の視野ディスプレイ(100)。
  7. 前記中間焦点(180)は、サジタル平面にのみ形成され、又は代替的に、前記中間焦点(180)は、メリジオナル平面にのみ形成される、請求項1〜のいずれか1項に記載の視野ディスプレイ(100)。
  8. 前記視野ディスプレイ(100)は、前記画像情報を生成する映像装置(120)と、虚像を観察するための投影面(140)と、を有し、少なくとも2つの前記光学素子(130、132)は、前記映像装置(120)と前記投影面(140)との間の光路内に配置される、請求項1〜のいずれか1項に記載の視野ディスプレイ(100)。
  9. 前記視野ディスプレイ(100)は、少なくとも1つの更なる別の光学素子(134;330)を有し、前記少なくとも1つの更なる別の光学素子(134;330)は、反射型に実現される、請求項1〜のいずれか1項に記載の視野ディスプレイ(100)。
JP2015536042A 2012-10-09 2013-09-20 車両のための視野ディスプレイ Expired - Fee Related JP6096911B2 (ja)

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