JP6438122B2 - ヘッドアップディスプレイのための拡散板 - Google Patents

Description

本開示は、ヘッドアップディスプレイの分野に関する。本開示はまた、拡散板およびヘッドアップディスプレイ用フロントガラスを補償するための拡散板の分野に関する。

物体から散乱される光は、強度と位相の情報を含む。これらの情報は、よく知られた干渉技術、すなわち干渉縞を持つホログラフィック記録（「ホログラム」）を生成する干渉技術を用いて、例えば感光性プレート上に取り込むことができる。「ホログラム」は適切な光で照射することによって再生することができ、これにより、元の物体を表現するホログラフィック再生、すなわち再生画像が生成される。

許容できる品質のホログラフィック再生は、元の物体に関する位相情報のみを含む「ホログラム」から生成されることが知られている。このようなホログラフィック記録は、位相限定ホログラム（ｐｈａｓｅ―ｏｎｌｙ ｈｏｌｏｇｒａｍｓ）と呼ぶことができる。計算機で合成されたホログラフィは例えばフーリエ技術を用いて、干渉プロセスを数値的にシミュレートすることができ、これにより計算機合成位相限定ホログラムが生成される。計算機合成位相限定ホログラムは、物体を表現するホログラフィック再生を生成するために利用することができる。

このように「ホログラム」という用語は、物体に関する情報を含む記録であって、物体を表す再生画像を生成するために利用できる記録に関する。ホログラムは、周波数領域、すなわちフーリエ領域における物体に関する情報を含んでもよい。

ホログラフィック技術を二次元画像投影システムに使うことが提案されてきた。位相限定ホログラムを使った画像投影の利点は、計算手段により、多くの画像特性、例えば投影画像の縦横比、解像度、コントラスト、ダイナミックレンジなどを制御できるところにある。位相限定ホログラムのさらなる利点は、強度変調による光エネルギーの損失がないことである。

計算機合成位相限定ホログラムは、「ピクセル化」されてもよい。すなわち位相限定ホログラムは、分離した位相素子のアレイの上に表されてもよい。分離した素子の各々は「ピクセル」と呼ぶことができる。各ピクセルは、位相変調素子のような光変調素子として動作してもよい。従って計算機合成位相限定ホログラムは、液晶空間光変調器（ＳＬＭ）のような位相変調素子のアレイの上に表されてもよい。ＳＬＭは、変調光がＳＬＭから反射して出力される、反射手段としての意義を持つといってもよい。

各位相変調素子、すなわちピクセルは、当該位相変調素子への光入射に対して制御可能な位相遅延を与えるために、状態が変化してもよい。従って、シリコン上液晶（ＬＣＯＳ）ＳＬＭのような位相変調素子のアレイは、計算により決定された位相遅延分布を示して（すなわち「表示」して）もよい。位相変調素子アレイへの光入射がコヒーレントだった場合、その光は、ホログラフィック情報、すわわちホログラムを伴って変調されるだろう。このホログラフィック情報は、周波数領域、すなわちフーリエ領域にあってもよい。

代替的に、位相遅延分布はキノフォーム上に記録されてもよい。一般に「キノフォーム」という言葉は、位相限定ホログラフィック記録、すなわちホログラムの意味で使うことができる。

位相遅延は量子化されてもよい。すなわち各ピクセルは、位相レベルを表す離散的な数の１つにセットされてもよい。

位相遅延分布は、（例えばＬＣＯＳ ＳＬＭに照射することにより）入射光波に適用され、再生されてもよい。空間領域にホログラフィック再生、すなわち「画像」を生成するために、空間的な再生位置が光学的フーリエ変換レンズを用いて制御されてもよい。代替的に、再生が遠方に形成される場合は、フーリエ変換レンズは必須でない。

計算機合成ホログラムは、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ―Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムを含む複数の方法で計算されてもよい。Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ―Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、（２Ｄ画像のような）空間領域における強度情報から、フーリエ領域における位相情報を導出するために使われてもよい。すなわち、物体に関する位相情報は、空間領域における強度、すなわち大きさの情報のみから「回復」されてもよい。このようにして、フーリエ領域における物体の位相限定ホログラフィック表現を計算することができる。

ホログラフィック再生は、フーリエ領域ホログラムを照射し、フーリエレンズなどを用いて光学的フーリエ変換を実行することにより生成されてもよく、これにより、スクリーンのような再生領域に画像（ホログラフィック再生）が生成される。

図１に、本開示に従い、ＬＣＯＳ−ＳＬＭのような反射型ＳＬＭを使用して、再生領域にホログラフィック再生を生成する一例を示す。

例えばレーザやレーザダイオードなどの光源（１１０）が、コリメートレンズ（１１１）を介してＳＬＭ（１４０）を照射するように配置される。コリメートレンズにより、光のほぼ平面状の波面がＳＬＭ上に入射する。波面の方向は、法線方向から若干ずれている（例えば、透明層平面に対する真の垂直方向から、２度または３度外れている）。光源からの光が、ＳＬＭのミラー状の背面で反射し、位相変調層と相互作用して出射波面（１１２）を形成するように配置がされる。出射波面（１１２）は、フーリエ変換レンズ（１２０）を含むレンズに到達し、スクリーン（１２５）に焦点を結ぶ。

フーリエ変換レンズ（１２０）は、ＳＬＭからの位相変調された出射光を受け、周波数−空間変換を実行して、空間領域でスクリーン（１２５）上にホログラフィック再生を生成する。

この過程において、光源からの光（画像投影システムの場合は可視光）は、ＳＬＭ（１４０）と位相変調層（すなわち位相変調素子のアレイ）全体に配光される。位相変調層から出射した光は、再生領域全体にわたって配光されてもよい。ホログラムの各ピクセルは、画像再生に全体的に寄与する。すなわち、再生画像上の特定の一点と特定の位相変調素子との間に１対１の相関関係は存在しない。

光ビームの平面Ａ、Ｂそれぞれにおける強度断面Ｉ_Ａ（ｘ，ｙ）、Ｉ_Ｂ（ｘ，ｙ）が既知であり、Ｉ_Ａ（ｘ，ｙ）とＩ_Ｂ（ｘ，ｙ）とが単一のフーリエ変換で関係付けられているとき、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、位相回復問題を考察する。強度断面が与えられたとき、平面Ａ、Ｂそれぞれにおける位相分布φ_Ａ（ｘ，ｙ）とφ_Ｂ（ｘ，ｙ）の近似法が得られる。Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、反復的プロセスに従うことによりこの問題の解を求める。

Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムは、Ｉ_Ａ（ｘ，ｙ）とＩ_Ｂ（ｘ，ｙ）を表すデータセット（強度と位相）を、空間領域とフーリエ（スペクトル）領域との間で繰り返し変換しながら、空間およびスペクトルの拘束条件を反復的に適用する。空間およびスペクトルの拘束条件は、それぞれＩ_Ａ（ｘ，ｙ）とＩ_Ｂ（ｘ，ｙ）である。空間またはスペクトル領域における拘束条件は、データセットの強度に組み入れられる。一連の反復を通して、対応する位相情報が回復される。

このような技術を用いて、ホログラフィックプロジェクタが与えられる。このようなプロジェクタは、車両のヘッドアップディスプレイに応用できることが知られている。

ヘッドアップディスプレイを自動車に使用することは、ますます一般的になっている。ヘッドアップディスプレイは、２つの主要なカテゴリに大別することができる。すなわち、同じ目的を達成するために、コンバイナ（虚像を運転者の視線に反射するための独立型ガラススクリーン）を使うものと、自動車のフロントガラスを使うものとに大別できる。

ヘッドアップディスプレイの画像を生成するために使われる主な技術は、ＬＥＤバックライトを持つ液晶ディスプレイである。これらのディスプレイは広く普及している一方、コントラストの弱さ、色域や輝度の制限といった難点を持つ。

高い品質、極めて高い輝度、非常に広い色域を与える新しいディスプレイ技術、すなわち位相限定ホログラムの使用に基づくディスプレイ技術も提示されている。このタイプのホログラフィックディスプレイは、ヘッドアップディスプレイに理想的に適合する。

ホログラフィックに基づくシステムのようなディスプレイシステムは、固定拡散板、またはこれに類する部品、すなわち視野角を広げるための部品を必要とする。この拡散板は、画像システムのためのキーコンポーネントとして機能する。使用者の目と虚像との間の距離は、拡散板と投影光学系（通常はフリーフォームミラー）との間の距離によって決まる。

図２に、光源２０６、投影画像を表すホログラフィックデータを含む光源からの光を空間光変調するように構成された空間光変調器２０４、フーリエ変換レンズ２０５、拡散板２０３、フリーフォームミラー２０１，フロントガラス２０２、観察位置２０７を備えるヘッドアップディスプレイの一例を示す。図２はいわゆる「間接観察」システムを表し、この場合、ホログラフィック再生の実像は拡散板２０３上の再生領域に生成される。従って、ホログラフィック再生は拡散板２０３に投影され、拡散板２０３上に焦点を合わせることにより観察位置２０７から見ることができる。投影画像は、フリーフォームミラー２０１からの第１反射と、フロントガラス２０２からの第２反射とを介して観察される。拡散板は、ホログラフィックシステムの開口数を増加するよう機能し、例えば、フリーフォームミラーを完全に照射することにより、運転者が虚像を観察できるようになる。

網羅性のためだけに限れば、代替的にホログラフィック再生は直接観察することもできる点に注意してよい。「直接観察」ホログラフィを使うことにより、情報を３Ｄで表すことができる。しかしながら、その名前が示唆するように、直接観察では、観察者と光源との間に拡散板を置かずに直接ホログラムを見る必要がある。このタイプの３Ｄディスプレイにはいくつかの問題がある。第１に、現世代の位相変調器は比較的小さな回折角を持つ。従って、十分大きな視認領域（ｅｙｅ−ｂｏｘ）を作るためには、複雑で高価な光学部品を使う必要がある。第２に、より重要なことだが、このタイプの構成では、観察者がレーザ放射に直接曝される必要がある。レーザの使用には非常に厳しい規定がある。危険なレベルのレーザに目が決して曝されないことを保証するのに十分強固な安全システムを与えると、システムの複雑さは著しく増加する。観察者と投影エンジンとの間に拡散板を使用することにより、前述で強調した上記の両方の問題が軽減される。

本開示は、使用者がフロントガラスから反射した虚像を見る間接観察を使用するシステムに関する。

図３に、画像ディスプレイメディアとしてバックライト付きＬＣＤを使う、従来のヘッドアップディスプレイの構造を示す。より詳細には、図３は、画像を表示するように構成されたバックライト付きＬＣＤ５０１を示す。バックライト付きＬＣＤ５０１からの光は、光学パワーを持つミラー５０３によって集められ、光学パワーを与えられ、フロントガラス５０５の領域に向けて反射される。光のごく一部が、フロントガラス５０５から観察者５０７に向けて反射される。このようにして、虚像５０９が観察者５０７によって観察される。図３のフロントガラス５０５は平面状であり、平らで歪みのない虚像５０９が生成される。

しかしながらすべてのフロントガラスは、それぞれに応じてある程度湾曲している。この湾曲は光学パワーの形で出現し、投影画像の品質を低下させる。画質の低下は、投影虚像の変化や、画像を形成する各ピクセルにおける非点収差として観察されることもある。

図４に、画像ディスプレイメディアとしてバックライト付きＬＣＤと、湾曲したフロントガラス４０５を使う、従来のヘッドアップディスプレイの構造を示す。より詳細には、図４は、画像を表示するために配置されたバックライト付きＬＣＤ４０１を示す。バックライト付きＬＣＤ４０１からの光は、光学パワー（例えば、放物面ミラー）を有するミラー４０３によって集められ、光学パワーを与えられ、フロントガラス４０５の領域に向けて反射される。光のごく一部が、フロントガラス４０５から観察者４０７に向けて反射される。このようにして、虚像４０９が観察者４０７によって観察される。図４のフロントガラス４０５は湾曲しており、歪んだ虚像４０９が生成される。特に、虚像はフロントガラスの光学パワーによって歪められる。

通常これらの歪みは、放物面ミラーの表面特性を変えることによって可能な限り修正される。これは、ミラーの表面が、特定のフロントガラスだけのために機能するようにデザインされるフリーフォーム形状であることを意味する。フリーフォーム形状の著しい正確さと、フロントガラスごとに固有なミラーであることに伴う生産性の低さとが相まって、これらの部品の製造コストは極端に高価となる。

本開示の目的は、非平面のフロントガラスのために改良されたヘッドアップディスプレイを提供することにある。

発明の諸態様は、添付の独立請求項において定義される。

本開示は、曲面、すなわち非平面フロントガラスなど、空間的に変化する光学パワーを持つフロントガラスのためのヘッドアップディスプレイに関する。このヘッドアップディスプレイは、フリーフォーム拡散板などの、改良された、すなわち成型された拡散板を利用する。特にこの拡散板は、フロントガラスの空間的に変化する光学パワーに起因する画像の歪みを補償するように成形される。従ってこの拡散板はフロントガラスに合わせてカスタマイズされる。しかしながら、このことは、主として最近のヘッドアップディスプレイに使われるミラーをカスタマイズすることにとっては著しく有利である。

下記の図面に従って、いくつかの実施形態を説明する。

表示領域にホログラフィック再生を生成するように構成された、ＬＣＯＳなどの反射型ＳＬＭを示す概観図である。 車両のヘッドアップディスプレイのための、いわゆる「間接観察」ホログラフィックプロジェクタを示す図である。 理想的な平面フロントガラスとともに使われる、従来のヘッドアップディスプレイを示す図である。 現実的な曲面フロントガラスとともに使われる、従来のヘッドアップディスプレイを示す図である。 計算機合成位相限定ホログラムのためのアルゴリズムの一例を示す図である。 図５の例のアルゴリズムのためのランダム位相シードの一例を示す図である。 虚像の画像化を示す概観図である。 本開示の実施形態に係る、空間的に変化する光学パワーを持つ拡散板を示す図である。 本開示の実施形態に係る非平面拡散板のシミュレーション結果を示す図である。 ＬＣＯＳ ＳＬＭの概観図である。

図面において、同一の部品には同一の符号を付す。

本開示は、観察者がホログラフィック再生の虚像を観察するための、改良されたいわゆる「間接観察」システムに関する。しかしながら本開示に係る間接観察システムは、拡散板上で視認できるあらゆるタイプの画像の間接観察に対しても、同等に好適である。すなわち、以下の実施形態はホログラフィック再生の間接観察を説明するが、間接観察はホログラフィック再生に限られない。言い換えれば本開示は、より伝統的なＬＥＤバックライト付き液晶ディスプレイなど、他のディスプレイシステムにも同等に適用可能である。実施形態は、一例としてのみホログラフィを計算機合成する方法を説明する。

ホログラフィック的に生成された２Ｄ画像は、従来の投影映像に対して、特に解像度と効率の面で著しい優位性を示すことが知られている。

Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ Ｓａｘｔｏｎに基づく複数の改良アルゴリズムが開発されている。例えば、同時係属の国際特許出願公開ＷＯ２００７／１３１６５０号を参照されたい。これは参照文献として本出願に組み込まれる。

図５に、既知の強度情報Ｔ［ｘ、ｙ］３６２を生み出すデータセットのフーリエ変換に関し、位相情報Ψ［ｕ、ｖ］を回復する改良アルゴリズムを示す。強度情報Ｔ［ｘ、ｙ］３６２は、ターゲット画像（例えば写真）を表す。位相情報Ψ［ｕ、ｖ］は、画像平面におけるターゲット画像のホログラフィック表現を生成するために使われる。

強度と位相はフーリエ変換で内部的に結合しているため、変換された強度（と位相）は、算出されたデータセットの精度に関する有用な情報を含む。このように、このアルゴリズムは、強度と位相の情報のフィードバックを提供する。

図５に示すアルゴリズムは、複合波入力（強度情報３０１と位相情報３０３を有する）と複合波出力（やはり強度情報３１１と位相情報３１３を有する）であると考えることができる。強度および位相情報は、データセットを形成するために内部的に結合しているが、本明細書の目的のため、別個に考察される。強度および位相情報自身は、遠視野の空間座標（ｘ、ｙ）およびホログラムの空間座標（ｕ、ｖ）であり、いずれも強度および位相の分布であると記憶されるべきである。

図５を参照すると、処理ブロック３５０は、強度情報３０１と位相情報３０３とを有する第１データセットから、フーリエ変換を生成する。その結果が、強度情報と位相情報Φ_ｎ［ｕ、ｖ］３０５とを有する第２データセットである。処理ブロック３５０から出力された強度情報は光源を表す分布にセットされるが、位相情報Ψ_ｎ［ｕ、ｖ］３０５は保持される。位相情報３０５は、処理ブロック３５４により量子化され、位相情報Ψ［ｕ、ｖ］３０９として出力される。位相情報３０９は、処理ブロック３５６に送られ、処理ブロック３５２により新たな強度と結合される。第３データセット３０７、３０９は、逆フーリエ変換を実行する処理ブロック３５６に適用される。これにより、強度情報３１１および位相情報３１３を有する、空間領域における第４データセットＲ_ｎ［ｘ、ｙ］が生成される。

第４データセットからスタートして、その位相情報３１３は、第５データセットの位相情報を生成するが、これは次の反復３０３’における第１データセットとして適用される。その強度情報Ｒ_ｎ［ｘ、ｙ］３１１は、ターゲット画像からの強度情報Ｔ［ｘ、ｙ］から減算されることにより修正され、強度情報３１５のセットが生成される。スケールされた（αによりスケールされた）強度情報３１５は、ターゲット強度情報Ｔ［ｘ、ｙ］３６２から減算され、次の反復の第１データセットとして適用されるための第５データセットの入力強度情報η［ｘ、ｙ］３０１が生成される。これは、数学的には、以下の方程式によって表される。
Ｒ_ｎ＋１［ｘ、ｙ］＝Ｆ’｛ｅｘｐ（ｉΨ_ｎ［ｕ、ｖ］）｝
Ψ_ｎ［ｕ、ｖ］＝∠Ｆ｛η・ｅｘｐ（ｉ∠Ｒ_ｎ［ｘ、ｙ］）｝
η＝Ｔ［ｘ、ｙ］−α（｜Ｒ_ｎ［ｘ、ｙ］｜−Ｔ［ｘ、ｙ］）
ここで、
Ｆ’は逆フーリエ変換であり、
Ｆは順フーリエ変換であり、
Ｒは再生領域であり、
Ｔはターゲット画像であり、
∠は角度情報であり。
Ψは量子化された角度情報であり、
εは新たなターゲット画像で、ε≧０であり、
αは利得因子であり、〜１である。

利得因子αは、入力するターゲット画像データのサイズと速度とに基いて、あらかじめ決められていてもよい。

先行する反復からの位相情報がないため、アルゴリズムの最初の反復では、開始点としてのランダム位相情報を提供するために、ランダム位相生成器が使われる。図６に、ランダム位相シードの一例を示す。

変形例では、処理ブロック３５０から結果として得られる強度情報は廃棄されない。ターゲット強度情報３６２は強度情報から減算され、新たな強度情報が生成される。複数の強度情報が強度情報３６２から減算され、処理ブロック３５６への入力強度情報が生成される。さらに代替的には、位相は完全にはフィードバックされず、最後の２回の反復における変化に比例した部分のみがフィードバックされる。その結果、関心対象画像を表すフーリエ領域データが形成される。

図７に、本開示の一実施形態であって、虚像投影光学系７０５が物体７０３の虚像７０１を形成するものを示す。物体７０３は拡散板上に見える。虚像７０１は、観察平面７０７から観察される。

虚像距離は物体を結像光学系の焦点距離の内側に置くことにより設定され、その後実際の虚像距離が計算されてもよい。

上記の光学的概観図に関し、虚像距離（ｉ）は、以下の方程式により決定される。
物体距離の線形変化により、虚像距離の非線形変化が引き起こされる。

虚像は目から十分離れている必要がある。これは、無限遠（すなわち運転時における通常の焦点距離）から表示情報への目の再焦点合わせ時間を短縮し、無視界運転時間を低減するためである。しかしながら、虚像距離はまた十分短くなければならない。なぜなら、運転者に提示される情報は、明確で見やすくなければならないからである。これらの相反する２つの要因により、通常は結果として、運転者に必須の情報が運転者の目から１．５ｍないし３．５ｍに、選択的には２．５ｍに表示されるよう虚像距離が設定される。

本発明者らは、光学システムを逆向きにシミュレートすることにより、すなわち光学パワーを持つ通常のミラーを介して虚像から物体（画像ソース）に戻ることにより、システムが扱う必要のある歪みのレベルが得られることを見出した。

本開示に従い、フロントガラスを補償するための非平面拡散板を用いた、フロントガラスのためのヘッドアップディスプレイが与えられる。これにより、光学パワー（例えば放物型）を持つ従来のミラーを使うことができる。本開示に係る成形された拡散板は、ＬＣＤベースのシステムや、実施形態において一例としてのみ説明したホログラフィックプロジェクタなどの投影ベースのシステムにも同等に好適である。

従って、空間的に変化する光学パワーを持つフロントガラスのためのヘッドアップディスプレイであって、画像を表示するように構成された拡散板を備えるヘッドアップディスプレイが提供される。この拡散板は、フロントガラスの空間的に変化する光学パワーを補償するように成形される。

同様に、対応する方法であって、ヘッドアップディスプレイのためのフロントガラスの空間的に変化する光学パワーを補償する方法が与えられる。この方法は、拡散板上に画像を表示するステップと、フロントガラスの空間的に変化する光学パワーを補償するために拡散板を成形するステップと、フロントガラスを用いて画像の虚像を生成するステップと、を備える。

本発明者らは、空間的な画像歪みに応じて拡散板を成形することにより、通常の放物面ミラーを使って高品質の虚像を作れることを見出した。従ってこのミラーは、広範囲の車両における使用に好適であり、製造コストの著しい低下をもたらす単純な表面特性を有するだろう。拡散板はフロントガラスごとにデザインされるが、よりサイズが小さいため、システムに対するコストインパクトはそれほど大きくないだろう。

従ってある実施形態では、ヘッドアップディスプレイは、拡散板からの光を受光し、受光した光をフロントガラスの方へ偏向するように構成されたミラーをさらに備えると理解できるだろう。ある実施形態では、ミラーは通常の放物面ミラーのような光学パワーを持つ。特に、光学パワーを持つミラーは、特定のフロントガラスに合わせたカスタムメイドである必要はない。言い換えれば放物面ミラーは、通常の入手可能な放物面ミラーでよい。

ある実施形態では、フロントガラスは、拡散板により表示された画像の虚像を生成すると理解できるだろう。すなわち使用者は、拡散板の反射をフロントガラスで観察する。

ある実施形態では、ヘッドアップディスプレイは、表示画像を拡散板上に投影するように構成されたプロジェクタをさらに備える。従って、対応する方法であって、画像を拡散板上に投影するステップを備える方法が与えられる。しかしながら、前述の説明から理解できる通り、画像はいかなる方法を用いて拡散板上に投影されてもよい。

ある有利な実施形態では、プロジェクタは、入射光に位相遅延分布を与えるように構成された空間光変調器と、空間光変調器から受光した位相変調光のフーリエ変換を実行し、拡散板上に画像を生成するように構成されたフーリエ変換手段と、を備えるホログラフィックプロジェクタである。ここで、位相遅延分布は、物体を表す位相限定データを備える。従って、対応する方法であって、画像を拡散板上に投影するステップは、入射光に位相遅延分布を与えるために、空間光変調器を入射光で照射するステップと、空間光変調器から受光した位相変調光のフーリエ変換を実行し、拡散板上に画像を生成するステップと、をさらに備える方法が与えられる。ここで、位相遅延分布は、物体を表す位相限定データを備える。拡散板の複雑な表面のすべての点で完全に焦点が合った状態で各ピクセルが形成されるように計算できるため、ホログラフィックシステムは有利である。

ある実施形態では、フーリエ変換手段は、光学的フーリエ変換を実行するように構成された物理的なレンズである。さらに別の実施形態では、ホログラフィックプロジェクタに使用されるフーリエ変換手段は物理的なレンズではなく、ホログラフィック技術を使って実現された位相限定レンズである。

データ計算方法に関する技術において、位相限定プログラマブルレンズ、すなわちレンズ効果を与えるデータが知られている。この技術では、位相限定プログラマブルレンズデータが、どのように物体を表す位相限定データと結合されるべきかも知られている。ある実施形態では、データは簡単なベクトル加算によって結合される。

ある実施形態では、拡散板に表示された画像は、あらかじめ決められた物体のホログラフィック再生である。

位相遅延分布（「ホログラフィック記録」）を修正して、画像を非平面焦点に移動することは容易に実現できるため、本開示のホログラフィックプロジェクタを使う実施形態は有効である。例えば、フロントガラスの光学歪みを補償するような光学歪みを与えるための位相限定分布を、コンピュータで算出することができる。これは図８に示される。より詳細には、図８は、画像表示メディアとして非平面拡散板９０１を用いるヘッドアップディスプレイを示す。拡散板９０１は画像を表示するように構成される。この実施形態では、画像は拡散板９０１上に投影される。拡散板９０１からの光は放物面ミラー９０３によって集められ、フロントガラス９０５の領域に向けて反射される。光のごく一部が、フロントガラス９０５から観察者９０７に向けて反射される。このようにして、虚像９０９が観察者９０７によって観察される。非平面拡散板９０１によって生成された第１光学歪み９１１が、フロントガラス９０５によって生成された第２光学歪み９１５と結合し、歪みのない虚像９１９が生成されることは明らかであろう。

ある実施形態では、ヘッドアップディスプレイは、空間光変調器のための入射光を生成するように構成されたレーザをさらに備える。本開示は、レーザ投影に基づくシステムで、その大きな被写界深度が非平面拡散板の使用に伴うあらゆる焦点問題を克服する程度に深いものに対して特に好適である。

一例として、虚像を形成するために通常のレンズが使用されるとともに、Ｘ方向とＹ方向とで曲率が著しく異なるフロントガラスが使用されることに基づいて、拡散板がデザインされる。そのシミュレーション結果が下表と図９とに示される。

当該技術で知られるように、ヘッドアップディスプレイは様々な情報を表示できることが理解できるだろう。従って、あり得るすべての表示に相当するホログラムが、あらかじめ計算されて保存場所に保存されるか、またはリアルタイムに計算されてもよい。ある実施形態では、プロジェクタは、複数の２Ｄ画像を表すフーリエドメインデータの保存場所をさらに備える。

ここで説明した実施形態は、一例としてのみフーリエホログラフィに関する。本開示は、ホログラム計算時にフレネル変換が適用されるフレネルホログラフィにも同等に適用できる。

再生されたホログラムの品質は、再生の回折特性の結果であるいわゆる０次問題の影響を受ける可能性がある。このような０次光は「雑音」と考えることができ、例えば鏡面反射光その他のＳＬＭからの望まれない光を含む。

この「雑音」は一般にフーリエレンズの焦点に焦点合わせされ、再生ホログラムの中心で明るい点となる。従来０次光は単純に遮断されていたが、これは明るい点を暗い点で置き換えたことを意味するのは明らかであろう。

選択的には、平行化された０次光のみを除去するために、角度選択可能なフィルタを使うことができる。０次光を処理するために他の手法が使われてもよい。

ここで説明した実施形態は、フレーム当たり１つのホログラムを表示するものに関するが、本開示はこの態様に限られるものではなく、一度に複数のホログラムをＳＬＭ上に表示するものであってもよい。

例えば、ある実施形態は「タイリング（ｔｉｌｉｎｇ）」技術を使用する。すなわち、ＳＬＭ領域の表面はさらに複数のタイルに分割され、各タイルの位相分布は、元のタイルと似た、または同じ位相分布に設定される。従って各タイルは、ＳＬＭの全配置領域が単一の大きな位相パターンとして使われた場合と比べて、より小さな表面領域となる。タイルの周波数成分の数が少ないほど、画像が生成されるときに再生されるピクセルはより離間している。画像は０次回折内で生成される。１次以上の回折オーダは、画像に重なり合わないよう十分遠くまで移され、空間フィルタで遮断されることが好ましい。

上述の通り、この方法で生成された画像は（タイリングがあろうと、なかろうと）、画像ピクセルを形成するスポットを含む。使われるタイルの数が多いほど、これらのスポットは小さくなる。無限正弦波のフーリエ変換を例に取ると、単一の周波数が生成される。これは最適な結果である。実際には、１つのタイルのみが用いられた場合、これは正弦波の１周期分を入力したことに対応し、ゼロ値は正弦波の端点から無限遠点まで正および負方向に延在する。このときのフーリエ変換からは、単一周波数が生成される代わりに、主周波数成分が、隣接する一連の周波数成分を両側に伴って生成される。タイリングの使用により、これらの隣接する周波数成分の大きさが低減され、その直接的な結果として隣接する画像ピクセル間で発生する（建設的または破壊的）干渉が減少し、これにより画像品質が向上する。

タイルの断片を使用することもできるが、各タイルは完全なタイルであることが好ましい。

実施形態は、一例としてのみＧｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムの変形に関する。

ここで開示された改良方法は、物体の３次元再生に使われるホログラムの計算に対しても同等に好適であることが、当業者に理解できるだろう。

同様に本開示は、モノクロ画像の投影に限られるものではない。

カラーの２Ｄホログラフィック再成を生成することができ、これを実現するために主に２つの方法がある。１つは「フレーム連続カラー」（ＦＳＣ）として知られる。ＦＳＣシステムでは３つのレーザ（赤、緑、青）が用いられ、これらのレーザが順次ＳＬＭに照射されて、ビデオの各フレームが生成される。カラーは、人間である視認者が３つのレーザの組み合わせから多色画像を観察するのに十分速い速度で循環する（赤、緑、青、赤、緑、青など）。従って、各ホログラムは特定のカラーである。例えば、１秒当たり２５フレームのビデオでは、最初のフレームは、赤レーザを１秒の１／７５の間照射し、次に緑レーザを１秒の１／７５の間照射し、最後に青レーザを１秒の１／７５の間照射することで生成される。その後次のフレームが赤レーザから生成される、といった具合である。

「空間分離カラー」（ＳＳＣ）と呼ばれる別の方法では、３つのレーザすべてが同時に照射されるが、例えばそれぞれが異なるＳＬＭを用いたり、１つのＳＬＭの異なるエリアを用いたりするなど異なる光路を取り、その後合成されてカラー画像が形成される。

フレーム連続カラー（ＦＳＣ）方式の利点は、ＳＬＭ全体が各カラーのために用いられることである。これは、ＳＬＭのすべてのピクセルが各カラー画像に用いられるため、生成される３つのカラー画像の品質が損なわれないことを意味する。しかし、ＦＳＣ方式の欠点は、それぞれのレーザが３分の１の時間しか用いられないため、生成される全体的な画像がＳＳＣ方式により生成される対応する画像と比べて３分の１程度の明るさしかないことである。この欠点は、レーザをオーバドライブさせること、またはより高出力なレーザを用いることにより対処可能かもしれないが、この場合、より多くの電力が必要とされ、より高コストとなり、システムのコンパクトさが損なわれる。

ＳＳＣ（空間分離カラー）方式の利点は、３つのレーザのすべてが同時に照射されるため、画像がより明るいことである。しかしながら、空間の制約により１つのＳＬＭしか使えない場合、ＳＬＭの表面領域を３つの部分に分割し、実効的に３つの分離したＳＬＭとして動作させることができる。この欠点は、各単色画像に利用可能なＳＬＭ表面領域が減少することにより、各単色画像の品質が低下することである。これに伴い、多色画像の品質も低下する。利用可能なＳＬＭ表面領域が減少することは、ＳＬＭの使用可能なピクセルの数が減ることを意味し、このため画像の品質が低下する。画像の解像度が減少するため、画像の品質も低下する。

ある実施形態では、ＳＬＭは、シリコン上液晶（ＬＣＯＳ）デバイスである。ＬＣＯＳ ＳＬＭは、信号ライン、ゲートラインおよびトランジスタがミラー面の下方にあるという利点を有し、これにより、高いフィルファクター（典型的には９０％を超える）および高解像度がもたらされる。

ＬＣＯＳデバイスは、現在、４．５μｍから１２μｍのピクセルを有するものが入手可能である。

図１０に、ＬＣＯＳデバイスの構造を示す。

ＬＣＯＳデバイスは、単結晶シリコン基板（８０２）を用いて形成される。ＬＣＯＳデバイスは、基板の上面に、間隙（８０１ａ）で離間されて配置された正方形の平面アルミニウム電極（８０１）の２Ｄアレイを有する。電極（８０１）の各々は、基板（８０２）に埋設された回路（８０２ａ）を介してアドレス指定可能である。電極の各々は、対応する平面ミラーを形成する。電極アレイ上には配向層（８０３）が配置されており、配向層（８０３）上には液晶層（８０４）が配置されている。液晶層（８０４）上には第２の配向層（８０５）が配置されており、第２の配向層（８０５）上には例えばガラスの平面透明層（８０６）が配置されている。透明層（８０６）と第２の配向層（８０５）との間には例えばＩＴＯの単一の透明電極（８０７）が配置されている。

正方形電極（８０１）の各々は、透明電極（８０７）の上を覆う領域および介在する液晶材料とともに、制御可能な位相変調素子（８０８）を画定し、これは通常ピクセルと称される。有効ピクセル領域、すなわちフィルファクターは、光学的に活性なピクセル全体の内で、ピクセル間のスペース（８０１ａ）を考慮した割合である。透明電極（８０７）に関し、各電極（８０１）に印加される電圧を制御することにより、各位相変調素子の液晶材料の特性が変化することができ、これにより入射光に可変遅延が与えられる。この効果として、波面に位相限定変調が与えられ、すなわち強度の影響は起こらない。

反射型ＬＣＯＳ空間光変調器を用いることの主な利点は、透過型デバイスが用いられた場合に比べて、必要な液晶層の厚さを半分にできることである。これにより、液晶のスイッチング速度（動画像の投影のキーポイント）が大幅に改善する。ＬＣＯＳデバイスはまた、他に類を見ないほど小さな開口で、位相限定素子の大きなアレイを表示することができる。素子が小さい（典型的にはおよそ１０ミクロン以下）ことにより、実用的な回折角（数度）が得られるので、光学システムはさほど長い光路を必要としない。

ＬＣＯＳ ＳＬＭの小さな開口（数平方センチメートル）を適切に照明することは、より大きな液晶デバイスの開口を照明することに比べて容易に実現できる。ＬＣＯＳ ＳＬＭはまた、大きな開口率を有し、ピクセル間にデッドスペースがほとんど存在しない（ピクセルを駆動する回路がミラーの下に埋設されているため）。これは、再生フィールドにおける光学ノイズを削減するための重要な課題である。

シリコンバックプレーンを用いることは、ピクセルが光学的にフラットであるという利点を有し、これは、位相変調デバイスにとって重要である。

実施形態は反射型ＬＣＯＳ ＳＬＭに関するが、透過型ＳＬＭを含む任意のＳＬＭが使用できることが、当業者に理解できるだろう。

本発明は、記載された実施形態に限定されず、添付の請求項の全範囲に及ぶ。

Claims (7)

1. 空間的に変化する光学パワーを持つフロントガラスのためのヘッドアップディスプレイであって、
   画像を表示するように構成された拡散板であって、前記フロントガラスの空間的に変化する光学パワーを補償するように成形された曲面表面を有するものと、
   前記画像が前記曲面表面上の非平面焦点に存在するように、前記拡散板の前記曲面表面に前記画像を投影するように構成されたホログラフィックプロジェクタと、を備え、
   前記ホログラフィックプロジェクタは、
   入射光に位相遅延分布を与えるように構成された空間光変調器であって、前記位相遅延分布は、物体を表す位相限定データを備え、前記画像が前記拡散板の非平面焦点にもたらされるようにされたものと、
   前記空間光変調器から受光した位相変調光にフーリエ変換を実行し、前記拡散板の前記曲面表面上の非平面焦点に前記画像を生成するように構成されたフーリエ変換手段と、を備えるホログラフィックプロジェクタである、ヘッドアップディスプレイ。
2. 前記拡散板からの光を受光し、受光した光を前記フロントガラスの方へ偏向するように構成されたミラーをさらに備える、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
3. 前記ミラーは光学パワーを持つ、請求項１または２に記載のヘッドアップディスプレイ。
4. 前記フロントガラスは、前記拡散板により表示された実画像の虚像を生成するように構成された光学システムの一部を形成する、請求項１から３のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ。
5. 前記空間光変調器のための入射光を生成するように構成されたレーザをさらに備える、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイを生産する方法であって、
   前記フロントガラスの空間的に変化する光学パワーを補償するために前記拡散板を成形するステップ、を備える方法。
7. ヘッドアップディスプレイのためのフロントガラスの上に画像を表示する方法であって、
   前記フロントガラスは、空間的に変化する光学パワーを持っており、
   前記方法は、
   前記画像を曲面表面を有する拡散板上に投影するステップによって、前記画像を拡散板の前記曲面表面上の非平面焦点に表示するステップであって、 前記拡散板の曲面表面は、前記フロントガラスの空間的に変化する光学パワーを補償するように成形されたものであって、
   前記フロントガラスを備える光学系を用いて、前記画像の虚像を生成するステップと、を備え、
   前記画像を曲面表面を有する拡散板上に投影するステップは、
   入射光に位相遅延分布を与えるために、空間光変調器を前記入射光で照射するステップであって、前記位相遅延分布は、物体を表す位相限定データを備え、前記拡散板の前記曲面表面上の非平面焦点に前記画像をもたらすものであるステップと、
   前記空間光変調器から受光した位相変調光にフーリエ変換を実行し、前記拡散板の前記曲面表面上の非平面焦点に前記画像を生成するステップと、を備える、
   方法。