JP6518659B2 - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイに関する。

HUD としても知られているヘッドアップディスプレイは、観察者によって見える現実の景色に視覚情報を統合し得る拡張現実感表示システムである。実際、このようなシステムは、ヘルメットバイザ、飛行機のコックピット又は車両の内部に配置されてもよい。従って、このようなシステムは、ユーザの目の近くに、例えば数センチメートル又は数十センチメートル離れて位置する。

特開平０８−１２２７３７号公報

図１は、このようなヘッドアップディスプレイの動作を非常に概略的に示す。

ビームスプリッタ10が、ユーザの目12と観察される景色14との間に配置される。観察される景色の物体は一般に、限りなく遠いところに、つまり観察者から遠く離れて位置する。ビームスプリッタ10は、例えば景色14及び観察者12間の軸芯に対して45度の角度に配置され、景色14からの情報を変更せずに観察者12に伝える。

景色の実像のように画像を限りなく遠いところに投影してこの画像を実像に重ね合わせるために、投影システムが設けられる。この投影システムは、光学システム18の物体焦点に位置する画像表示要素16、例えばスクリーンを備えている。従って、スクリーンに表示される画像を光学システム18によって無限に平行にする。ユーザは、調節しようとする必要がなく、ユーザの眼疲労を制限する。

投影システムは例えば、景色及び観察者間の軸芯に垂直に配置されているため、光学システム18からのビームがこの軸芯に垂直にビームスプリッタ10に達する。従って、光学システム18からのビームは、ビームスプリッタ10の表面に対して45度の角度でビームスプリッタ10に達する。

ビームスプリッタ10が、景色14の画像と投影システム16, 18からの画像とを組み合わせることによって、観察者12は、景色14の画像に重ね合わされた投影画像を含む画像を視覚化する。

投影システム16, 18によって投影される画像を視覚化するために、観察者の目は、光学システム18からのビームがビームスプリッタ10に反射する領域に置かれるべきである。尊重される重要な制約は、プロジェクタの前におけるユーザの頭の起こり得る動きを考慮して、光学システム18の出口で可能な限り最大のビームを与えることである。言い換えれば、観察者の頭の動きが投影される情報の損失を引き起こさないように、大きな射出瞳、例えば数センチメートルから数十センチメートルの範囲内の射出瞳を有する光学システム18が設けられるべきである。

ヘッドアップシステムの別の制約は、ヘッドアップシステムを比較的小型にすべきであるということである。特にデバイスが限られた空間の飛行機のコックピット又は車両の内部に使用されるとき、実際には体積に関する重要な制約がこのようなデバイスに課せられる。従って、ヘッドアップディスプレイの体積を制限するために、焦点距離が減少したデバイスが設けられるべきである。

従って、デバイスの射出瞳の直径に対する光学システムの物体焦点距離の比率として定められる射出開口が非常に小さいデバイスを得ることが望ましい。光学システムの複雑さは、光学システムの射出開口によって決まることが知られている。より具体的には、デバイスの射出開口が小さいほど、デバイスがより複雑になる。光学システムが複雑になればなるほど、特に様々な幾何学的な収差を制限するために、光学システムに含まれる光学素子の数がより多くなる。基本光学素子の数がこのように増加することにより、完成したデバイスの体積及びコストが増加し、これは望ましくない。

更に、低電力消費及び投影画像の十分な鮮明度、つまり、かなりの光強度を有するデバイスを提供することが必要である。

実施形態は、特に小型であり、消費電力の少ないヘッドアップディスプレイを提供し、かなりの光強度の投影画像を提供する。

従って、実施形態は、レーザ源、可動鏡、固定鏡、拡散体及びレンズを夫々有する複数の基本ディスプレイデバイスを備えており、
前記拡散体の表面積は、前記レンズの表面積より小さく、
前記可動鏡は、前記固定鏡からのビームが前記レンズに達する前に前記拡散体の表面を走査するように、前記レーザ源からのビームを前記固定鏡の方に逸らせるべく配置されており、
隣り合う基本ディスプレイデバイスでは、前記レーザ源及び前記可動鏡は、一方の基本ディスプレイデバイスの前記拡散体と、他方の基本ディスプレイデバイスの前記拡散体との間に配置されていることを特徴とするヘッドアップディスプレイを提供する。

実施形態によれば、前記基本ディスプレイデバイスは、前記レンズ同士が隣り合うように配置されている。

実施形態によれば、各基本ディスプレイデバイスでは、前記拡散体は、前記レンズの物体焦点面に配置されている。

実施形態によれば、各基本ディスプレイデバイスでは、前記拡散体は反射型拡散体である。

実施形態によれば、各基本ディスプレイデバイスでは、前記拡散体は透過型拡散体である。

実施形態によれば、前記基本ディスプレイデバイスは夫々、回折格子を更に有しており、該回折格子は、前記基本ディスプレイデバイスの投影ビームが前記拡散体を通過する前に前記投影ビームの中心軸を前記基本ディスプレイデバイスのレンズの中心の方に向けることができる。

実施形態によれば、各基本ディスプレイデバイスでは、前記拡散体はホログラフィック拡散体である。

実施形態によれば、前記ヘッドアップディスプレイは、自身の目が前記レンズから距離ｅにあって、サイズＢのアイボックスを有する観察者によって使用されるべく構成されており、
各基本ディスプレイデバイスでは、前記レンズは直径Len 及び焦点距離ｆを有し、前記拡散体の寸法は、略ｆ×（Len ＋Ｂ）／ｅである。

実施形態によれば、前記基本ディスプレイデバイスは略同一であり、隣り合う前記拡散体の縁から縁までの距離が、Len −ｆ×Ｂ／ｅと略等しい。

実施形態によれば、少なくとも１つの固定鏡は複数の基本ディスプレイデバイスに共通である。

実施形態によれば、前記ヘッドアップディスプレイは、異なる基本ディスプレイデバイス間に光ビームのための遮蔽要素を更に備えている。

実施形態によれば、前記ヘッドアップディスプレイは、前記基本ディスプレイデバイスの上方に、前記複数の基本ディスプレイデバイスの前記レンズの全てを覆う表面積を有するレンズを更に備えている。

実施形態によれば、前記可動鏡及び前記固定鏡は平面である。

前述及び他の特徴及び利点を、添付図面を参照して本発明を限定するものではない具体的な実施形態について以下に詳細に説明する。

ヘッドアップディスプレイの動作原理を示す図である。 別のヘッドアップディスプレイを示す図である。 実施形態に係るヘッドアップディスプレイの一部を示す図である。 代替的な実施形態に係るヘッドアップディスプレイの一部を示す図である。 実施形態に係るヘッドアップディスプレイの一部を示す平面図である。 別の代替的な実施形態に係るヘッドアップディスプレイの一部を示す図である。 ヘッドアップディスプレイを設計するための幾何学的な規則の例を示す図である。 ヘッドアップディスプレイを設計するための幾何学的な規則の例を示す図である。 ヘッドアップディスプレイを設計するための幾何学的な規則の例を示す図である。

明瞭化のために、同一の要素は様々な図面において同一の参照番号で示されており、更に、光学デバイスの表示ではよくあるように様々な図面は正確な縮尺で示されていない。

小型のヘッドアップディスプレイを得るために、つまり数十センチメートルより小さな体積及びかなりの大きさの射出瞳を有する投影システムを備えたヘッドアップディスプレイを得るために、投影システムが複数の基本投影サブシステムに分離されてもよく、基本投影サブシステムは夫々同様に動作して、実像に重ね合わされる表示画像の一部を投影する。

図２は、このようなヘッドアップディスプレイを概略的に示す。

図２では、ヘッドアップディスプレイは、観察者12と観察される景色14との間に配置されるビームスプリッタ10を備えている。ビームスプリッタ10の表面は、景色及び観察者間の軸芯と、例えば45度の角度を形成し、景色から観察者への光線の到達を妨げない。ビームスプリッタは、ビームスプリッタと同一の機能を実行する干渉フィルタと置き換えられてもよいことに注目すべきである。

景色の画像に重ねられる画像を投影する投影システムが設けられている。投影システムは、光学システム26に関連した画像源24、例えばスクリーンを備えている。投影システムは本明細書では、景色及び観察者間の軸芯に垂直に配置され、光学システム26からのビームが、この軸芯に垂直にビームスプリッタ10に達する。

ビームスプリッタ10は、景色14の画像と光学システム26からの投影画像とを組み合わせる、つまり重ねることにより、観察者は、景色14の画像に重ねられた投影画像を視覚化する。このようにして、図２のヘッドアップディスプレイは図１のヘッドアップディスプレイと同様に動作する。

光学システム26は、同一の物体焦点距離の光学サブシステム26A, 26B, 26C の組立体を有している。画像源24は、光学サブシステム26A, 26B, 26C 夫々の物体焦点距離と等しい距離を隔てて光学システム26から離れて配置されている。

サブスクリーン（又は光源）と光学サブシステムとから構成された組立体が、本明細書ではサブプロジェクタと称される。従って、投影システムは複数のサブプロジェクタを備えている。

画像源24を形成するために、複数のサブスクリーンに分割されたスクリーンが使用されてもよい。図２の断面図では、３つのサブスクリーン24A, 24B, 24C が示されている。サブスクリーン24A, 24B, 24C は夫々光学サブシステム26A, 26B, 26C と関連付けられている。図示されている構成とは異なり、サブスクリーンが、関連付けられている光学サブシステムの光軸から偏移していてもよい。

各サブスクリーン24A, 24B, 24C が情報の一部を表示するようにスクリーン24が設けられ、完全な情報が、観察者の目のレベルで光学システムによって再度組み合わせられる。このために、拡張現実感での投影が望まれる画像は、異なるサブスクリーンに分散されたブロックに分割される。

複数の平行なサブプロジェクタを形成することによって、簡素で小型の光学サブシステムを形成する一方、射出瞳全体（サブプロジェクタ夫々の射出瞳のサイズの合計）が大きい完全なデバイスが得られる。

確かに、各光学サブシステムは「適度な」いわゆる基本開口を有している。光学サブシステムの基本開口は、その特定の射出瞳の寸法に対するその特定の焦点距離の比率として定められる。従って、スクリーン及び投影光学素子間の距離が同一である場合、各光学サブシステムの射出瞳の合計と等しいかなりの大きさの射出瞳全体が得られるので、サブプロジェクタが平行に関連付けられている構成により、開口が特に大きい光学システムが設けられる。このように光学システムは、（比較的大きな）適度な開口の簡素な基本光学構造から形成される一方、小さな開口を有する。従って、完成したデバイスの小型化が保証される。

現状では、有機発光ダイオード（OLED）を有するセルのアレイ、LCD 又はカソードスクリーンによって投影スクリーンを形成する。

しかしながら、このようなスクリーン構造は光強度が高い画像を形成することができないが、高い光強度はヘッドアップディスプレイにおいて重要な場合がある。確かに、自動車又は飛行機の客室で使用する場合、外の明るさが非常に高い場合があるため、投影された情報が見え続けるように、高い光強度での拡張現実感の情報の投影が強いられる。デバイスの明るさが、例えば60,000cd/m² 程度に強いられる場合がある。このような光強度は、OLED、LCD 又はカソードスクリーンによって達成され得ない。

従って、光強度が高い画像を確実に形成するために、本実施形態ではヘッドアップディスプレイは、LCD スクリーン、カソードスクリーン又はLED 若しくはOLEDスクリーンのタイプの光ディスプレイスクリーンに基づくのではなく拡散体を備えたディスプレイデバイスを走査するレーザ源によって形成されたサブプロジェクタを備えている。実施形態の詳細を以下に述べる。

図３及び図４は、２つの代替的な実施形態に係るヘッドアップディスプレイの一部を概略的に示す。より具体的には、これら２つの図面は、２つの実施形態に係るヘッドアップディスプレイの複数のサブプロジェクタを概略的に示す。

図３の変形例では、デバイスは少なくとも２つのレーザ40, 40' を備えており、これら２つのレーザは、図面においてはヘッドトゥテールに配置されている。レーザ40, 40' は逆方向に向いている。可動平面鏡42がレーザ40の経路に配置され、可動平面鏡42' がレーザ40' の経路に配置されている。固定平面鏡44がレーザ40及びレーザ40' から形成された組立体の上方に配置されており、固定平面鏡44の反射面がレーザ40, 40' に対向している。

デバイスは２つの反射型拡散体46, 46' を更に備えており、これら２つの反射型拡散体は、示された例ではレーザ40, 40' と同一の面にレーザ40, 40'の両側に配置されている。この例では、拡散体46がレーザ40の側に配置され、拡散体46' がレーザ40' の側に配置されている。レンズ48及びレンズ48' が夫々、拡散体46及び拡散体46' の上方に拡散体46及び拡散体46' に対向して配置されている。レンズ48, 48' は凸レンズであってもよい。拡散体46は、レンズ48（又は射出物体、以下参照）の焦点面にあり、拡散体46' は、レンズ48' （又は射出物体、以下参照）の焦点面にある。

可動平面鏡42, 42' は、レーザビームを図３の上方に固定平面鏡44の方に向けるために、レーザ40, 40' の投影軸に対して適切な角度、例えば45度で配置されているように図３に示されている。可動平面鏡42, 42' の中心位置で、これら可動平面鏡は、レーザ40, 40' からのビーム夫々を固定平面鏡44の半分の中央部分の方に逸らせるために設けられている。可動平面鏡42, 42' は、移動可能に、例えば２つの軸芯回りに回転可能に組み立てられているため、レーザ源40, 40' からのレーザビームが、固定平面鏡44の表面の少なくとも一部（示された例では、この表面の半分）を走査し、固定平面鏡44によって反射して拡散体46, 46' の表面を走査する。その後、レーザビームは反射して拡散体46, 46' によって関連するレンズ48, 48' の方に拡散される。

このようにして、レーザ源40, 40' からのレーザビームが反射型拡散体46, 46' の表面全体を走査するように可動平面鏡42, 42' が移動する。レーザ源40, 40' からのレーザビームは、デバイスの出力で表示される画像の少なくとも一部を画定すべく拡散体の対応する部分へのレーザの投影位置に応じて光強度を調整するように構成されている。

必要に応じて、一般的なレンズ49がデバイスの出力に、つまり、レーザビームの経路のレンズ48, 48' の後に設けられてもよい。一般的なレンズ49は、全ての光学サブシステム全体に対応する表面積を有しており、僅かに凸状の板であってもよい。一般的なレンズ49が設けられている場合、レンズ48, 48' は一般的なレンズ49と共に出口レンズを形成しているため、拡散体46, 46' はこのレンズの物体焦点面に配置されている。ビームスプリッタ（不図示）、又は実像を投影画像と組み合わせる別の光学デバイスが、ヘッドアップディスプレイの機能を確保すべく出口レンズに対向して更に配置されている。

組立体はレンズ48, 48' を備えており、デバイスの一般的な出口レンズ49は、拡散体46, 46' の観察者に限りなく遠いところで画像を与える。

図４の変形例では、デバイスは少なくとも２つのレーザ50, 50' を備えており、これら２つのレーザは、図面においてはヘッドトゥテールに配置されている。レーザ50, 50' は逆方向に向いている。可動平面鏡52がレーザ50の経路に配置され、可動平面鏡52' がレーザ50' の経路に配置されている。固定平面鏡54が、この変形例ではレーザ50, 50' から形成された組立体の下に配置され、固定平面鏡54の反射面がレーザに対向している。

デバイスは２つの透過型拡散体56, 56' を更に備えており、これら２つの透過型拡散体は、示された例ではレーザ50, 50' と同一の面にレーザ50, 50'の両側に配置されている。この例では、拡散体56がレーザ50の側に配置され、拡散体56' がレーザ50' の側に配置されている。レンズ58及びレンズ58' が夫々、拡散体56及び拡散体56' の上方に配置されている。拡散体56はレンズ58（又は出口レンズ、以下参照）の焦点面にあり、拡散体56' はレンズ58' （又は出口レンズ、以下参照）の焦点面にある。

可動平面鏡52, 52' は、レーザビームを図４の下方に固定平面鏡54の方に向けるために、レーザ50, 50' の投影軸に対して適切な角度、例えば45度で配置されているように図４に示されている。可動平面鏡52, 52' の中心位置で、これら可動平面鏡は、レーザ50, 50' からのビーム夫々を固定平面鏡54の一部の中央部分の方に逸らせるために設けられている。可動平面鏡52, 52' は、移動可能に、例えば２つの軸芯回りに回転可能に組み立てられているため、レーザ源50, 50' からのレーザビームが、固定平面鏡54の表面の少なくとも一部（示された例では、固定平面鏡54の半分）を走査し、固定平面鏡54によって反射して拡散体56, 56' の表面を走査する。その後、レーザビームは透過して拡散体56, 56' によって関連するレンズ58, 58' の方に拡散される。

このようにして、レーザ源50, 50' からのレーザビームが反射型拡散体56, 56' の表面全体を走査するように可動平面鏡52, 52' が移動する。レーザ源50, 50' からのレーザビームは、デバイスの出力で表示される画像の少なくとも一部を画定すべく、拡散体の対応する部分へのレーザの投影位置に応じて光強度を調整するように構成されている。

可動平面鏡52, 52' （又は図３の例では可動平面鏡42, 42' ）は、例えばMEMS技術（「微小電気機械システム」）で形成されている。各可動平面鏡の角度範囲、つまり可動域は、例えば水平回転軸の周りの夫々の方向に約３６度であり、垂直回転軸の周りの夫々の方向に約２７度である。これは、言うまでもなく単なる一例である。

必要に応じて、一般的なレンズ59がデバイスの出力に、つまり、レーザビームの経路のレンズ58, 58' の後に設けられてもよいことに注目すべきである。一般的なレンズ59は、全ての光学サブシステムに対応する表面積を有しており、僅かに凸状のブレードであってもよい。一般的なレンズ59が設けられている場合、レンズ58, 58' は一般的なレンズ59と共に出口レンズを形成しているため、拡散体56, 56' はこのレンズの物体焦点面に配置されている。ビームスプリッタ（不図示）、又は実像を投影画像と組み合わせる別の光学デバイスが、ヘッドアップディスプレイの機能を確保すべく出口レンズに対向して更に配置されている。

図３及び４の実施形態では、同一の面に、レーザ、可動鏡、固定鏡及びレンズの組合せが２組備えられていると説明されているが、このタイプの要素の組合せを３組以上又は２組未満備えたデバイスが設けられてもよいことは言うまでもない。このタイプの要素が関連付けられている４組のブロックが設けられているヘッドアップディスプレイが特に設けられてもよく、レーザは、例えば同一の面に規則的に分散されている。このタイプの要素の組合せを夫々複数備えた複数のブロックが更に平行に配置されて、適した寸法の射出開口を有するデバイスが形成されてもよい。

図５は、画像を確実に形成する４つの光学システムに関連付けられた４つのレーザから形成された中央光学ブロックを備えたデバイスを示す簡略化された平面図である。

平面図では、デバイスは４つのレーザ源60を備えており、レーザ源60は夫々、２つの隣り合うレーザ源に直交する方向に配置されている。レーザビームは全てのレーザ源の外側の方に向けられる。点線で正方形状に示されている固定平面鏡64へのレーザビームの反射を可能にし得る回転可能な反射鏡62が、各レーザ源の経路に設けられている。平面図では、固定平面鏡64は４つのレーザ源60に略対向するように位置決めされている。拡散体66が、平面図で固定平面鏡64の夫々の角に配置されている。（図５には示されていない）ヘッドアップディスプレイの出力に配置された個々のレンズ及び一般的なレンズが設けられてもよい。

図５の簡略化された平面図では、固定平面鏡64が（ヘッドアップディスプレイの光出口側で）レーザの上方に配置され、拡散体66が反射型拡散体である場合は、固定平面鏡64がレーザの下に配置され、拡散体66が透過型拡散体である場合と区別されていない（図３及び４の２つの変形例）ことに注目すべきである。

（拡散体及びレンズから形成された）各基本ディスプレイデバイス間に可動鏡及び固定鏡に加えてレーザ源を備えたブロックの一体化により、特に小型のデバイスが確実に形成されることが有利である。更に、変調レーザ源の使用により、電力消費を減らしながら、対象とする用途に適したディスプレイの出力で光強度が与えられる。

図６は、代替的な実施形態に係るヘッドアップディスプレイを示す。図６の変形例は透過型拡散体で示されているが、同様の構造に反射型拡散体が設けられてもよいことに注目すべきである。

図６のデバイスは、図面において図４のデバイスと同様に、ヘッドトゥテールに配置されて逆方向に照射するレーザ源50, 50' を備えている。可動鏡52がレーザ50の照射路に配置され、可動鏡52' がレーザ50' の照射路に配置されている。図面におけるレーザ50の左側に配置された可動鏡52は、レーザ源50からのレーザビームを、透過型拡散体72' の下に置かれた固定鏡70' の方に右下に逸らせる。図面におけるレーザ50' の右側に配置された可動鏡52' は、レーザ源50' からのレーザビームを、透過型拡散体72の下に配置された固定鏡70の方に左下に逸らせる。図４の場合とは逆に、固定鏡70, 70' は、拡散体72, 72' の下に傾斜して配置されている。

固定鏡70は、固定鏡70がレーザ源50' から受けるレーザビームを透過型拡散体72の方に逸らせるために設けられており、固定鏡70' は、固定鏡70' がレーザ源50から受けるレーザビームを透過型拡散体72' の方に逸らせるために設けられている。２つのレンズ74, 74' が透過型拡散体72, 72' の上方に夫々設けられている。レンズ74, 74' 及び透過型拡散体72, 72' を隔てる距離が、レンズ74, 74' の焦点距離と夫々等しい。一般的な出口レンズ79が更に設けられている。拡散体72, 72' は、レンズ74, 74' 及び一般的なレンズ79によって形成されているレンズの物体焦点面に配置されている。

従って、図６の変形例は、デバイスが、単一の固定平面鏡54ではなく可動鏡からのビームを拡散体の方に反射させるために配置された２つの平面鏡70, 70' を備えている点で図４の変形例とは異なる。更に、図６に示されているように、拡散体72, 72' は、レーザ源50, 50' 及び可動鏡52, 52' の面とは異なる面に配置されてもよい。

図６は、図３の反射型拡散体又は図４の透過型拡散体を備えたデバイスと適合する代替的な実施形態を示す。図６のデバイスは遮蔽要素76を備えており、遮蔽要素76は、デバイスに設けられた異なる拡散体及びレーザ源からのレーザビームを確実に分離する。実際には、遮蔽要素76は、レーザ源の上方であって拡散体の両側に配置されている。この解決法によって、前の拡散体より指向性の制約が少ない拡散体を使用することが可能になる。

確かに、境界決定壁76が設けられていない場合、大き過ぎる角度に応じた関連するレンズの方への拡散を避けるために、拡散体は正確に選択されるべきである。

上記の実施形態及びそれらの変形例では、本明細書に提供されているディスプレイの形成に適した拡散角を与えるべく透過型拡散体又は反射型拡散体を選択することは当業者の技能の範囲内であり、本明細書には詳細に述べられていないことに留意すべきである。拡散体はホログラフィック拡散体であってもなくてもよい。例として、拡散体は、その裏面に鏡（非ホログラフィック拡散体）が設けられたフレネルレンズから形成されてもよく、このような構造は、レンズによって所定の角度に応じて情報を確実に拡散する。変形例として、透過型拡散体は、頭字語LSD （Light Shaping Diffusers）で知られておりLuminit によって商品化されて販売されている拡散体であってもよく、又は、MLA （Multi Lens Array）として知られている複数のレンズを有するダブルアレイであってもよく、例えばMicrovision によって商品化された頭文字EPE （Exit Pupil Expander ）として知られているデバイス（ホログラフィック拡散体）であってもよい。本明細書に提供されている反射型拡散体又は透過型拡散体を形成するために、他の構造が使用されてもよい。特に、スペックルを制限する構造が、拡散体又は拡散体の表面に設けられてもよい。粒状構造が拡散体を形成するために一般に使用されてもよく、粒状度が拡散効果を制御するために適合されている。更に、体積ホログラムが設けられている拡散体、例えば板の厚さ部分に挿入されたブラッグミラーの形態の拡散体が設けられてもよい。現在の拡散体は大きな反射率又は透過率を与えるため、光信号の損失が少ないことに注目すべきである。

本明細書で提供されているデバイスは、デバイスの最大限の小型化（デバイスの射出光軸に応じた距離）を100 mm程度に維持しながら、140 mm程度の射出瞳を有してもよいことが有利である。確かに、体積が1.5 cm³ を超過しないカラーレーザが現在あるので、小さな体積での一体化が保証される。更にこのようなレーザは、特に電力消費が低い特性を有する。

数値的応用の例として、拡散体間の距離が51.8mmであってもよく、拡散体は31.3mm程度の寸法に亘って延びてもよく、デバイスの拡散体及び主な出口レンズ間の距離が、100 mm程度であってもよく、可動鏡の角度間隙は20度であってもよい。

図７，８及び９は、図３〜５に関連して述べられたタイプのデバイスの動作を更に理解することを可能にする幾何学的な規則の例を示す。

図７では、同一の面に配置されて光学サブシステム107₁, 107₂（例えば図３から６の例のレンズ48, 48', 58, 58', 74, 74' ）に夫々対向する２つのサブスクリーン105₁, 105₂（例えば図３〜６の例の拡散体46, 46', 56, 56', 66, 72, 72' ）を備えた光学構造体を考察する。この例では、サブスクリーン105₁, 105₂は、光学サブシステム107₁, 107₂の物体焦点面に配置されている。サブスクリーン105₁, 105₂及び光学サブシステム107₁, 107₂は、構造体の主光軸の両側に対称に延びている。

この図面は、目の光軸が構造体の主光軸と一致するとき、且つユーザの目が光学サブシステム107₁, 107₂から距離ｅを置いて離れているとき、ユーザによって実際に見られる各画素サブ組立体の表面を示すことを目的とする。

図７に示されているように、サブスクリーン105₁の一部202₁及びサブスクリーン105₂の一部202₂のみがユーザの目に見える。従って、図７のように観察者の目が静止している状況を考慮すると、サブスクリーン105₁, 105₂の一部202₁, 202₂のみが観察に有用である。サブスクリーンの残り部分は無効化されてもよく、又は更にサブスクリーンは情報の同一の鮮明度のために一部202₁, 202₂のみに小さくされてもよい。

サブスクリーン105₁, 105₂の有用な部分202₁, 202₂の寸法はｆ×Len/e と略等しく、Len は光学サブシステム107₁, 107₂の直径である。サブスクリーン105₁, 105₂の有用な部分202₁, 202₂の縁は、構造体の主光軸からLen/2 と略等しい距離ｄに位置する。サブスクリーン105₁, 105₂の有用な部分202₁, 202₂間の縁から縁までの距離は、光学サブシステムの直径Len と略等しい。

図８では、光学サブシステム107₁, 107₂, 107₃夫々の前方の同一の面に配置された３つのサブスクリーン105₁, 105₂, 105₃を備えた構造体を考察する。この例では、サブスクリーン105₁, 105₂, 105₃は光学サブシステム107₁, 107₂, 107₃の物体焦点面に配置されている。サブスクリーン105₂及び光学サブシステム107₂によって形成された中央のサブディスプレイは、構造体の主光軸と一致する光軸を有し、周囲のサブディスプレイは、構造体の主光軸に対して対称に中央のサブディスプレイの両側に延びている。

ユーザの目の光軸が構造体の主光軸と一致して、ユーザの目が中央の光学サブシステム107₂から距離ｅを置いて離れている場合を考察する。

図８に示されているように、サブスクリーン105₁の一部202₁、サブスクリーン105₂の一部202₂及びサブスクリーン105₃の一部202₃のみが見える。従って、図８のように観察者の目が静止している状況を考慮すると、サブスクリーン105₁, 105₂, 105₃の一部202₁, 202₂, 202₃のみが観察に有用である。サブスクリーンの残り部分は無効化されてもよく、又は更にサブスクリーン（例えば拡散体）は情報の同一の鮮明度のために一部202₁, 202₂, 202₃のみに小さくされてもよい。

サブスクリーン105₁, 105₂, 105₃の有用な部分202₁, 202₂, 202₃の寸法はｆ×Len/e と略等しく、Len は光学サブシステム107₁, 107₂, 107₃の直径である。中央のサブディスプレイの有用な部分202₂は構造体の主光軸に合わせられており、周囲のサブディスプレイの有用な部分202₁, 202₃の縁は、構造体の主光軸からLen ＋ｆ×Len/2eと略等しい距離d'に位置する。一方では有用な部分202₁, 202₂間の縁から縁までの距離と、他方では有用な部分202₂, 202₃間の縁から縁までの距離とは光学サブシステムの直径Len と略等しい。

より一般的には、偶数又は奇数のサブディスプレイを備えたディスプレイにおけるサブディスプレイの位置に関わらず、（所与の目の位置で見える）このサブディスプレイの基本画像源の有用な部分の寸法はｆ×Len/e と略等しい。

拡張現実感での表示が望まれる画像は、完成したディスプレイの主光軸に対する各サブディスプレイの位置に応じて様々なサブディスプレイ間で分散されるブロックに分割されてもよい。ディスプレイの周囲部分にあるサブディスプレイは画像の周囲部分の表示に有用であり、ディスプレイの中央部分にあるサブディスプレイは画像の中央部分の表示に有用である。

実際、動作中にサブスクリーン夫々の有用な表面を画定するために、予め定められた最大振幅に応じてユーザの目が動く可能性が高いという事実を更に考慮すべきである。横方向のみの目の動きの場合を、例として以下で考察する。しかしながら、記載された教示は垂直方向の目の動きにも適用される。

観察者の目が情報全体を受け取りながら移動することができる空間を「アイボックス」と称する。サブスクリーン105_iの位置及びサイズは、予め定められた所望のアイボックスに応じて適合されてもよい。以下、アイボックスのサイズと等しい目の動きの許容最大振幅をＢと称する。

図９は、５（Ｑ）個のサブディスプレイを備えた構造体を示しており、サブディスプレイは夫々、光学サブシステム107₁, 107₂, 107₃, 107₄, 107₅に夫々対向するサブスクリーン105₁, 105₂, 105₃, 105₄, 105₅を備えている。各サブスクリーン105_iは、この例ではLen と略等しい長さを有し、サブスクリーン105_iに関連付けられた光学サブシステム107_iの光軸に合わせられている。この例では、サブスクリーン105_iは、光学サブシステム107_iの物体焦点面に配置されている。

アイボックスのサイズＢがゼロである（観察者の頭の最小の動きが情報の損失を意味する）場合、サブスクリーン105_iの有用な部分202_iはｆ×Len/e と略等しい長さを有し、Len と略等しい縁から縁までの距離分隔てられている（従って、有用な部分202_iの中心は略Len ＋ｆ×Len/e 分離れている）ことが上記で分かっている。

アイボックスのサイズＢがゼロではない場合、目がアイボックス内で移動すると、寸法がｆ×Len/e の各サブスクリーン105_iの可視部分が移動する。図９では、実線が、目が図面の左側に距離B/2 分動くときに見える焦点面領域を画定し、点線が、目が図面の右側に距離B/2 分動くときに見える焦点面領域を画定する。アイボックスにおける目の位置に関わらず完成した画像が見えることが望まれる場合、アイボックスの両端部の可視領域の重なり面積に対応するような位置及びサイズを有するサブスクリーン105_iの部分に画像が表示されるべきである。従って、サブスクリーン105_iの「有用な」部分202_iは、アイボックスのサイズがゼロである場合に対してｆ×B/2eの長さ分左側に、ｆ×B/2eの長さ分右側に拡大すべきである。言い換えれば、サブスクリーン105_i毎にアイボックス内の所与の目の位置に関して、ユーザの目で見えるサブスクリーン105_iの部分の寸法はｆ×Len/e 程度であり、目がアイボックスの空間全体を走査するとき、目で見える（走査される）サブスクリーン105_iの有用な部分の寸法は略ｆ×Len/e ＋ｆ×B/e である。情報の同一の鮮明度のために、サブスクリーン105_iの残り部分が切り離されてもよく、又は、サブスクリーンは、ｆ×（Len ＋B ）／ｅの長さの有用な部分202_iのみに小さくされてもよい（そのため、有用な部分202_iの縁から縁までの距離はLen より小さい）。

図３〜６に関連して上述した実施形態及び変形例では、拡散体は、図７〜９に関連して上述した規則に従って決定された寸法を有する有用な部分のみに小さくされている。そのため、画像の表示を可能にするレーザ源を配置するために拡散体の有用な部分間に空いたままの空間を利用している。

より具体的には、上記の実施形態では、拡散体及びレンズを備えた各基本ディスプレイデバイスにおいて拡散体は有用な部分のみに小さくされ、従って、レンズの表面積より小さな表面積を有する（拡散体の表面積は図７〜９に関連して上述した規則に従って決定されている）。そのため、実質的に拡散体と同一の面、及び／又は拡散体及びレンズ間の中間面に、画像投影デバイスの要素、例えば画像の表示を可能にするレーザ源及び／又は画像投射デバイスの鏡を配置するために、拡散体間に空いたままの空間を利用している。このため、特に画像投影システムの主光軸の方向におけるディスプレイの体積を制限することが可能になる。

図７〜９に示されているように、複数の射出瞳の光学システムの出力で、図１に関連して述べられているタイプの単一の射出瞳の光学システムに相当する連続的な射出瞳を得るために、様々な基本ディスプレイデバイスのレンズは（観察者の側から見て）隣り合っていることが好ましい。本明細書では「隣り合っている」という文言は、観察距離におけるレンズ間の距離の比率が0.3 mrad未満であるように、レンズが並置されているか又はある距離を置いて離れていることを意味する。観察距離は、例えば0.5 〜2.5 メートルの範囲内である。

上記の実施形態では、ある基本ディスプレイデバイスにおいて、拡散体はレンズに対して偏移してもよく、つまり、拡散体の中心は（特には図７〜９に示されているように）レンズの主光軸に対して偏移してもよいことに注目すべきである。拡散体が透過型拡散体である場合、拡散体の裏面側に、つまりレーザ源側に回折格子（不図示）、例えば画像投影ビームが拡散体を通過する前に、画像投影ビームの向きをレンズの方に変えることができるブレーズド回折格子を配置することが有利である。回折格子は、例えば基本ディスプレイデバイスの投影ビームの中心軸をこのディスプレイデバイスのレンズの中心の方に変えることができる。そのため、拡散体の出口における拡散ローブの主軸はレンズの中心の方に向けられ、これはデバイスの光効率を改善する。回折格子は、例えば拡散体の裏面に追加されている。

様々な変形例を有する様々な実施形態が上述されている。当業者は、いかなる進歩性も示さずに、これらの様々な実施形態及び変形例の様々な要素を組み合わせてもよいことに留意すべきである。

特に可動平面鏡及び固定平面鏡が本明細書には記載されているが、同様のデバイスが湾曲状の鏡、例えば球面鏡を備えてもよい。従って、可動鏡の動きは本明細書に提供されている動作を得るために適合される。

任意のタイプのアクチュエータ、例えば電動機によって駆動される可動鏡が現在販売されている。可動鏡の動きを保証するアクチュエータの選択は、本明細書には更に詳細に述べられていない。

更に、レーザ源、可動鏡、固定鏡、拡散体及び凸レンズを夫々備えた複数のブロックが設けられているディスプレイが本明細書に記載されており、各ブロックは隣り合うブロックと同様である。必要に応じて、様々なブロックが同一のヘッドアップディスプレイで関連付けられてもよいことに注目すべきである。様々なブロック間に様々な焦点距離を有する出口レンズが特に設けられてもよく、特にディスプレイの中心部分及び周囲部分間に現われる効果を補うために、又は、ディスプレイの前方のユーザの目の起こり得る動きを考慮に入れるために拡散体は様々なブロック間に様々な寸法を有する。

本特許出願は、参照によって本明細書に組み込まれる仏国特許出願第13／56555 号明細書の優先権を主張している。

Claims (13)

1. レーザ源、可動鏡、固定鏡、拡散体及びレンズを夫々有する複数の基本ディスプレイデバイスを備えており、
   前記拡散体の表面積は、前記レンズの表面積より小さく、
   前記可動鏡は、前記固定鏡からのビームが前記レンズに達する前に前記拡散体の表面を走査するように、前記レーザ源からのビームを前記固定鏡の方に逸らせるべく配置されており、
   隣り合う基本ディスプレイデバイスでは、前記レーザ源及び前記可動鏡は、一方の基本ディスプレイデバイスの前記拡散体と、他方の基本ディスプレイデバイスの前記拡散体との間に配置されていることを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
2. 前記基本ディスプレイデバイスは、前記レンズ同士が隣り合うように配置されてい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。
3. 各基本ディスプレイデバイスでは、前記拡散体は、前記レンズの物体焦点面に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ。
4. 各基本ディスプレイデバイスでは、前記拡散体は反射型拡散体であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。
5. 各基本ディスプレイデバイスでは、前記拡散体は透過型拡散体であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。
6. 前記基本ディスプレイデバイスは夫々、回折格子を更に有しており、該回折格子は、前記基本ディスプレイデバイスの投影ビームが前記拡散体を通過する前に前記投影ビームの中心軸を前記基本ディスプレイデバイスのレンズの中心の方に向けることができることを特徴とする請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ。
7. 各基本ディスプレイデバイスでは、前記拡散体はホログラフィック拡散体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。
8. 自身の目が前記レンズから距離ｅにあって、サイズＢのアイボックスを有する観察者によって使用されるべく構成されており、
   各基本ディスプレイデバイスでは、前記レンズは直径Len 及び焦点距離ｆを有し、前記拡散体の寸法は、略ｆ×（Len ＋Ｂ）／ｅであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。
9. 前記基本ディスプレイデバイスは略同一であり、隣り合う前記拡散体の縁から縁までの距離が、Len −ｆ×Ｂ／ｅと略等しいことを特徴とする請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ。
10. 少なくとも１つの固定鏡は複数の基本ディスプレイデバイスに共通であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。
11. 異なる基本ディスプレイデバイス間に光ビームのための遮蔽要素を更に備えていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。
12. 前記基本ディスプレイデバイスの上方に、前記複数の基本ディスプレイデバイスの前記レンズの全てを覆う表面積を有するレンズを更に備えていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。
13. 前記可動鏡及び前記固定鏡は平面であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。

Images