JP7366156B2 - 小型ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Description

本明細書のいくつかの態様では、反射偏光子と、反射偏光子の同じ側に配置されたディスプレイ、第１のミラー、及び第２のミラーとを含む光学システムが提供されている。垂直入射光について、及び約４５０ｎｍ～約６００ｎｍの範囲内の少なくとも１つの波長について、反射偏光子は、第１の偏光状態を有する入射光の少なくとも８０％を透過し、直交する第２の偏光状態を有する入射光の少なくとも８０％を反射し、第１のミラー及び第２のミラーのそれぞれは、第１の偏光状態及び第２の偏光状態のうちの少なくとも一方について入射光の少なくとも８０％を反射する。ディスプレイは、観察者によって見られるための画像を発出するように適合されており、発出される画像は、第１のミラー及び第２のミラーのそれぞれによって１回反射された後に、反射偏光子によって透過される。光学システムは光軸を有し、ディスプレイによって発出され光軸に沿って伝搬する画像光線は、反射偏光子及び第２のミラーによって反射された後に第１のミラーに実質的に垂直入射する。中央平面は、光軸と、ディスプレイ、反射偏光子、及び第２のミラーとの間の交点によって画定される。中央平面は、それぞれのエリアＡ１～Ａ４を有する１パス領域～４パス領域を有する。ディスプレイから発出され中央平面に沿って及び中央平面内を伝搬する画像光線であって、反射偏光子に２回目に入射する前の画像光線について、１パス領域は、１パス領域を横断して少なくとも１回通過する発出画像光線の部分を含み、２パス領域は、２パス領域を横断して少なくとも２回通過する発出画像光線の部分を含み、３パス領域は、３パス領域を横断して少なくとも３回通過する発出画像光線の部分を含み、４パス領域は、４パス領域を横断して４回通過する発出画像光線の部分を含み、比Ａ４／Ａ３は、約０．１５～約０．４０である。

本明細書のいくつかの態様では、正直角プリズムの異なる側面上及び対向する平行な端面間に概ね配置されており、正直角プリズムの内部空間に面するディスプレイ、反射偏光子、第１のミラー、及び第２のミラーを含む光学システムが提供されている。ディスプレイによって発出される画像が反射偏光子、第１のミラー、及び第２のミラーのそれぞれによって反射された後に、発出される画像は、観察者によって見られるために反射偏光子によって透過されてもよい。

本明細書のいくつかの態様では、反射偏光子と、反射偏光子の同じ側に配置されたディスプレイ、第１のミラー、及び第２のミラーとを含む光学システムが提供されている。垂直入射光について、及び約４５０ｎｍ～約６００ｎｍの範囲内の少なくとも１つの波長について、反射偏光子は、第１の偏光状態を有する入射光の少なくとも８０％を透過し、直交する第２の偏光状態を有する入射光の少なくとも８０％を反射し、第１のミラー及び第２のミラーのそれぞれは、第１の偏光状態及び第２の偏光状態のうちの少なくとも一方について入射光の少なくとも８０％を反射する。ディスプレイは、中央平面に沿って及び中央平面内を伝搬する中心画像光線であって、第１のミラー及び第２のミラーのそれぞれによって１回反射された後に、観察者によって見られるために前記反射偏光子によって透過される中心画像光線を発出するように適合されている。中央平面は、それぞれのエリアＡ３及びＡ４を有する３パス領域及び４パス領域を含む。ディスプレイから発出され中央平面に沿って及び中央平面内を伝搬する発出画像光線であって、反射偏光子に２回目に入射する前の発出画像光線について、３パス領域は、３パス領域を横断して少なくとも３回通過する発出画像光線の部分を含み、４パス領域は、４パス領域を横断して４回通過する発出画像光線の部分を含み、比Ａ４／Ａ３は、約０．１５～約０．４０である。

本明細書に記載の一実施形態による小型ヘッドアップディスプレイの断面図である。 本明細書に記載の一実施形態による、光軸を示す小型ヘッドアップディスプレイの断面図である。 本明細書に記載の一実施形態による小型ヘッドアップディスプレイについて画定される例示的な断面積を示す図である。 本明細書に記載の一実施形態による小型ヘッドアップディスプレイについて画定される例示的な断面積を示す図である。 本明細書に記載の一実施形態による小型ヘッドアップディスプレイについて画定される例示的な断面積を示す図である。 本明細書に記載の一実施形態による小型ヘッドアップディスプレイについて画定される例示的な断面積を示す図である。 本明細書に記載の一実施形態による小型ヘッドアップディスプレイについて画定される様々な例示的な断面積の関係を示す図である。 本明細書に記載の一実施形態による小型ヘッドアップディスプレイについて画定される個々の例示的な断面積を示す図である。 本明細書に記載の一実施形態による小型ヘッドアップディスプレイについて画定される個々の例示的な断面積を示す図である。 本明細書に記載の一実施形態による小型ヘッドアップディスプレイについて画定される個々の例示的な断面積を示す図である。 本明細書に記載の一実施形態による小型ヘッドアップディスプレイについて画定される個々の例示的な断面積を示す図である。 本明細書に記載の代替実施形態による小型ヘッドアップディスプレイの断面図である。 本明細書に記載の一実施形態による小型ヘッドアップディスプレイの断面図である。

以下の説明では、本明細書の一部を構成し様々な実施形態が例示として示されている添付図面が参照される。図面は、必ずしも縮尺通りではない。他の実施形態が想到され、本開示の範囲又は趣旨から逸脱することなく実施されてもよい点を理解されたい。したがって、以下の発明を実施するための形態は、限定的な意味では解釈されない。

本明細書のいくつかの態様によれば、光学システム（例えば、小型ヘッドアップディスプレイ）は、反射偏光子と、反射偏光子の同じ側に配置されたディスプレイ、第１のミラー、及び第２のミラーとを含み得る。垂直入射光について、及び約４５０ナノメートル（ｎｍ）～約６００ｎｍの範囲内の少なくとも１つの波長について、反射偏光子は、第１の偏光状態を有する入射光の少なくとも８０％を透過することができ、直交する第２の偏光状態を有する入射光の少なくとも８０％を反射することができる。例えば、反射偏光子は、ｓ型直線偏光を有する光の少なくとも８０％を通過させ（すなわち、透過する）、ｐ型直線偏光を有する光の少なくとも８０％を反射することができる。別の例では、反射偏光子は、ｐ偏光を実質的に透過してもよく、ｓ偏光を実質的に反射してもよい。いくつかの例示的な実施形態では、反射偏光子は、多層光学フィルムであってよい。

第１のミラー及び第２のミラーのそれぞれは、第１の偏光状態及び第２の偏光状態のうちの少なくとも一方について入射光の少なくとも８０％を反射してもよい。いくつかの実施形態では、第１のミラー及び第２のミラーのうちの一方又は両方は、光の偏光にかかわらず、全ての入射光を実質的に反射してもよい。いくつかの実施形態では、第１のミラー及び第２のミラーのうちの一方又は両方は、第１の偏光状態での全ての入射光を実質的に反射し、第２の偏光状態での入射光を実質的に透過してもよい。いくつかの実施形態では、第１のミラー及び第２のミラーのうちの一方又は両方は、第２の偏光状態での全ての入射光を実質的に反射してもよく、第１の偏光状態での入射光を透過してもよい。

いくつかの実施形態では、反射偏光子、第１のミラー、及び第２のミラーのうちの少なくとも１つは、ある量の光学的パワーを投影される画像に提供するように湾曲してもよい。いくつかの実施形態では、湾曲する面は、球面、非球面、自由形状（すなわち、最良適合球面からの逸脱を特徴とする非回転対称面）、又はこれらの任意の適切な組み合わせであってもよい。いくつかの実施形態では、自由形状面の使用は、光学システムによって投影される画像における収差の場所、数、及びサイズに対するより大きな制御（例えば、表示される画像から投影される画像への改善された光学伝達関数）を提供することができる。

いくつかの実施形態では、ディスプレイ、第１のミラー、及び第２のミラーは、反射偏光子に概ね面するように配置されてもよい。いくつかの実施形態では、反射偏光子、ディスプレイ、第１のミラー、及び第２のミラーは、それらの間に内部空間を概ね画定し、第１のミラー及び第２のミラーのうちの一方は、内部空間に向かって凸状であり、第１のミラー及び第２のミラーのうちの他方は、内部空間に向かって凹状である。いくつかの実施形態では、第１のミラー及び第２のミラーのうちの少なくとも一方は、反射偏光子であってもよい。

いくつかの実施形態では、ディスプレイは、観察者によって見られるための画像を発出するように適合されていてもよい。ディスプレイは、観察者（例えば、ＨＵＤを含む乗物の運転手）に最終的に表示するための画像を生成する画像生成ユニット又はＰＧＵ（picture generating unit）（例えば、液晶ディスプレイ又はＬＥＤディスプレイ）であってもよい。いくつかの実施形態では、発出される画像は、第１のミラー及び第２のミラーのそれぞれによって１回反射された後に、反射偏光子によって透過されてもよい。

いくつかの実施形態では、光学システムはまた、１つ以上の１／４波長板を含んでもよく、１／４波長板は、発出及び反射される画像の偏光が反射偏光子による透過又は反射のいずれかの必要に応じて１つの状態から別の状態に変化するように、システム内に配置されている。いくつかの実施形態では、各構成要素のチルト角を含むディスプレイ、反射偏光子、第１のミラー、及び第２のミラーの配置は、光学システムによって必要とされる容積の量が最小化されるような配置であってもよい。換言すれば、システムの構成要素は、発出される画像を画定する反射される光線が、同じ画像光線が反射の前に通過した空間又は容積を実質的に通過する（すなわち、画像光線が以前に通過した共通エリア又は容積を可能な程度で再使用する）ように配置されてもよい。

いくつかの実施形態では、光学システムは光軸を有し、ディスプレイによって発出され光軸に沿って伝搬する画像光線は、反射偏光子及び第２のミラーによって反射された後に第１のミラーに実質的に垂直入射し得る。いくつかの実施形態では、光軸は、ディスプレイと第１の傾斜角度をなしてもよく、反射偏光子と第２の傾斜角度をなしてもよい。いくつかの実施形態では、光軸は、第１のミラー及び第２のミラーのうちの一方のみに実質的に垂直入射する。いくつかの実施形態では、反射偏光子は、光軸との角度θ_Ｒをなしてもよく、θ_Ｒが少なくとも５度変化するとき、Ａ４／Ａ３の比は約３０％未満変化する。

いくつかの実施形態では、中央平面は、光軸と、ディスプレイ、反射偏光子、及び第２のミラーのそれぞれとの間の交点によって画定されてもよい。いくつかの実施形態では、中央平面は、それぞれのエリアＡ１～Ａ４を有する１パス領域～４パス領域を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ディスプレイから発出され中央平面に沿って及び中央平面内を伝搬する画像光線であって、反射偏光子に２回目に入射する前の画像光線について、１パス領域は、１パス領域を横断して少なくとも１回通過する発出画像光線の部分を含み、２パス領域は、２パス領域を横断して少なくとも２回通過する発出画像光線の部分を含み、３パス領域は、３パス領域を横断して少なくとも３回通過する発出画像光線の部分を含み、４パス領域は、４パス領域を横断して４回通過する発出画像光線の部分を含み、比Ａ４／Ａ３は、約０．１５～約０．４０である。

本明細書のいくつかの態様によれば、光学システム（例えば、ヘッドアップディスプレイ）は、正直角プリズムの異なる側面上及び対向する平行な端面間に概ね配置されており、正直角プリズムの内部空間に実質的に面するディスプレイ（すなわち、画像生成ユニット又はＰＧＵ）、反射偏光子、第１のミラー、及び第２のミラーを含み得る。いくつかの実施形態では、ディスプレイ及び反射偏光子は、正直角プリズムの２つの隣接する側面に沿って配置されてもよい。いくつかの実施形態では、ディスプレイと第２のミラーとは、実質的に互いに向かい合ってもよく、ディスプレイ及び第２のミラーはそれぞれ、反対側の端面上に配置されており、反射偏光子と第１のミラーとは、実質的に互いに向かい合ってもよく、反射偏光子と第１のミラーはそれぞれ、反対側の側面上に配置されている。いくつかの実施形態では、ディスプレイ、反射偏光子、第１のミラー、及び第２のミラーは、これらが隣接する直角プリズムの対応する端面又は側面に対してある角度をなすが該端面又は側面に概ね面するように配置されてもよい。

いくつかの実施形態では、ディスプレイによって発出される画像は、反射偏光子、第１のミラー及び第２のミラーのそれぞれによって反射された後に、該発出される画像は、観察者によって見られるために反射偏光子によって透過されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、ディスプレイによって発出される画像光線は、最初に第２のミラーに衝突し第２のミラーによって反射されてもよく、第２のミラーにおいて、画像光線は、反射されて、第２の偏光子に衝突し第２の偏光子によって反射され、第２の偏光子において、画像光線は、反射されて、第１のミラーに衝突し第１のミラーによって反射され、最後に、観察者への提示のために反射偏光子を通過する（例えば、乗物の運転手によって見られるためにウィンドシールド上に投影される）。他の実施形態及び他の構成が可能であり得る。いくつかの実施形態では、光学システムはまた、１つ以上の１／４波長板を含んでもよく、１／４波長板は、発出及び反射される画像の偏光が、反射偏光子による透過又は反射のいずれかの必要に応じて１つの状態から別の状態に変化するように、システム内に配置されている。

本明細書のいくつかの態様によれば、光学システムは、反射偏光子と、反射偏光子の同じ側に配置されたディスプレイ、第１のミラー、及び第２のミラーとを含み得る。垂直入射光について、及び約４５０ｎｍ～約６００ｎｍの範囲内の少なくとも１つの波長について、反射偏光子は、第１の偏光状態を有する入射光の少なくとも８０％を透過し、直交する第２の偏光状態を有する入射光の少なくとも８０％を反射し、第１のミラー及び第２のミラーのそれぞれは、第１の偏光状態及び第２の偏光状態のうちの少なくとも一方について入射光の少なくとも８０％を反射する。ディスプレイは、中央平面に沿って及び中央平面内を伝搬する中心画像光線であって、第１のミラー及び第２のミラーのそれぞれによって１回反射された後に、観察者によって見られるために反射偏光子によって透過される中心画像光線を発出するように適合されている。中央平面は、それぞれのエリアＡ３及びＡ４を有する３パス領域及び４パス領域を含む。ディスプレイから発出され中央平面に沿って及び中央平面内を伝搬する発出画像光線であって、反射偏光子に２回目に入射する前の発出画像光線について、３パス領域は、３パス領域を横断して少なくとも３回通過する発出画像光線の部分を含み、４パス領域は、４パス領域を横断して４回通過する発出画像光線の部分を含み、比Ａ４／Ａ３は、約０．１５～約０．４０である。

いくつかの実施形態では、垂直入射光について、及び約４５０ｎｍ～約６００ｎｍの範囲内の少なくとも１つの波長について、第１のミラー及び第２のミラーのうちの少なくとも一方は、第１の偏光状態及び第２の偏光状態のうちの一方について入射光の少なくとも８０％を透過してもよい。

いくつかの実施形態では、垂直入射光について、及び約４５０ｎｍ～約６００ｎｍの少なくとも２０ｎｍ幅波長範囲内（つまり、少なくとも２０ｎｍ幅の波長帯域）の各波長について、第１のミラー及び第２のミラーのうちの少なくとも一方は、第１の偏光状態及び第２の偏光状態のうちの一方について入射光の少なくとも８０％を透過してもよい。

いくつかの実施形態では、第１のミラー及び第２のミラーのうちの一方又は両方は、光の偏光にかかわらず、全ての入射光を実質的に反射してもよい。いくつかの実施形態では、第１のミラー及び第２のミラーのうちの少なくとも一方は、反射偏光子であってもよい。すなわち、いくつかの実施形態では、第１のミラー及び第２のミラーのうちの一方又は両方は、第１の偏光状態での入射光を実質的に反射し、第２の偏光状態での入射光を実質的に透過してもよい。他の実施形態では、第１のミラー及び第２のミラーのうちの一方又は両方は、第２の偏光状態での入射光を実質的に反射し、第１の偏光状態での入射光を実質的に透過してもよい。いくつかの実施形態では、第１のミラー及び第２のミラーのうちの少なくとも一方は、第１の偏光状態及び第２の偏光状態についてそれぞれの約７００ｎｍ～約２５００ｎｍの範囲内の少なくとも１つの波長にかかる垂直入射光の少なくとも４０％を透過してもよい。例えば、第１のミラー及び第２のミラーのうちの少なくとも一方は、「コールドミラー」（すなわち、少なくともいくつかの赤外波長を透過しながら、人間の可視波長の光を反射し、可能であれば該光の焦点を合わせるために使用されるミラー技術）であってもよい。いくつかの光学システム（例えば、ヘッドアップディスプレイ又はＨＵＤ（heads-up display））では、太陽光はウィンドシールドを通り抜け得、ＨＵＤシステムに入り得る。地表における太陽光スペクトルは、人間の可視光エネルギーとほぼ等しい積算エネルギーの赤外線（約７００ｎｍ～２５００ｎｍ波長）を含む。この人間の可視放射プラス赤外線放射は、ＨＵＤ内の構成要素の望ましくない加熱及び物理的損傷さえ引き起こし得る。いくつかの好ましいＨＵＤ設計では、コールドミラーの使用は、放射の赤外線成分が、敏感な構成要素を危うくすることなく好ましい場所に吸収されることを確実にすることができる。いくつかの実施形態では、コールドミラーは、無機層の真空蒸着によって、又はポリマー層の精密形成によって、又は任意の他の適切な製造プロセスによって製造される多層物品又はフィルムであってもよい。

ここで図を参照すると、図１は、本明細書に記載の一実施形態による小型ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）などの光学システムの断面図である。いくつかの実施形態では、ＨＵＤ１００は、ディスプレイ１０、第１のミラー３０ａ、第２のミラー３０ｂ、及び反射偏光子２０を含む。いくつかの実施形態では、ディスプレイ１０は、液晶ディスプレイ（liquid crystal display、ＬＣＤ）、又は発光ダイオード（light-emitting diode、ＬＥＤ）ディスプレイ、又は画像を表示することができる任意の他の適切な画像生成ユニット（ＰＧＵ）であってもよい。画像は、発出画像光線１５（例えば、光線１５ａ、１５ｂ、及び１５ｃを含む）の形態でディスプレイ１０から発出される。いくつかの実施形態では、投影される画像の適切な焦点距離を生成するために必要とされる容積の量を最小化しながら、ディスプレイ１０から発出される画像が観察者によって見られ得る点（例えば、乗物の操作者によって見られウィンドシールド上に投影される点）に該画像を向けるために、発出画像光線１５は、最初に第２のミラー３０ｂに向けられてもよく、第２のミラー３０ｂにおいて、画像光線１５のうちの少なくともいくつかは反射され、反射偏光子２０に再度向けられる。次いで、画像光線１５は、反射されてもよく、第１のミラー３０ａに再度向けられてもよい。いくつかの実施形態では、ＨＵＤ１００は、ディスプレイ１０によって発出される画像光線（例えば、画像光線１５ｂ）が光軸に沿って伝搬し、第１のミラー３０ａと実質的に垂直な角度θ_Ｎで第１のミラー３０ａに衝突するように、光軸を画定してもよい。次いで、画像光線１５は、反射偏光子２０に向かって反射されて戻り、反射偏光子２０において、画像光線１５は、反射偏光子２０を通過することができ、観察者／操作者への表示のためにウィンドシールド又は同様な表面上に投影され得る。いくつかの実施形態では、反射偏光子２０は、光軸と角度θ_Ｒをなし、角度θ_Ｒは、ＨＵＤ１００内の空間の使用を最適化するための設計上の考慮事項に基づいて変化してもよい。

いくつかの実施形態では、第１の１／４波長板２５ａ及び第２の１／４波長板２５ｂは、発出画像光線１５の偏光状態を回転又は変化させるために使用されてもよく、これにより、画像光線１５は、第１の偏光状態にあるとき反射偏光子２０を通過する（反射偏光子２０によって透過される）ことができ、第２の異なる偏光状態で反射偏光子２０に衝突するとき反射される。図６の実施形態などのいくつかの実施形態では、単一の１／４波長板は、発出画像光線１５の偏光状態を変化させるのに十分であり得る。図６の代替実施形態について、本明細書に更に詳細に説明する。

いくつかの実施形態では、反射偏光子２０は、第１の偏光状態の入射画像光線１５の少なくとも８０％を反射し第２の偏光状態の入射画像光線１５の少なくとも８０％を透過する（通過させる）ように設計されてもよい。換言すれば、反射偏光子２０は、入射画像光線１５の偏光に基づいて実質的に反射性又は実質的に透過性のいずれかであってもよい。

反射偏光子２０は、他の偏光（例えば、ｐ偏光）の選択的反射及び透過を提供しながら、光の１つの偏光（例えば、ｓ偏光）の実質的に完全な透過を提供することができる。いくつかの実施形態では、反射偏光子２０は、多層光学フィルム（multilayer optical film、ＭＯＦ）であってもよい。そのような実施形態では、ＭＯＦは、参照により本明細書に組み込まれている米国特許第５，８８２，７７４号（Ｊｏｎｚａら）に記載されているような、交互の材料の多層積層体であってもよい。偏光固有の反射特性は、反射偏光子２０が、選択された波長を除く全ての波長について実質的に透明であるように、適切な層厚さを選択することによって波長固有にさせることであり得る。選択された波長は、単一の狭帯域、複数の狭帯域、又は広帯域であってもよい。選択された波長帯域に好適な任意の大きさの反射率は、層間屈折率差及び反射偏光子２０内の層の総数の制御によって達成され得る。反射偏光子２０は、可視波長及び近赤外波長において実質的に非吸収性である数十又は数百の共押出ポリマー層から作製され得、それにより、偏光子の反射率と透過率の合計は、１００％である。

図２は、本明細書に記載のいくつかの実施形態による小型ヘッドアップディスプレイ１００の断面図であり、１／４波長板が画像光線の偏光を変化させるためにどのように使用され得るかを示す。図２の要素の多くは、図１の同一の参照番号の要素と共通であり、図１に関連するこれらの構成要素の前述の説明から理解され得る。簡潔にするために、単一の発出画像光線１５が示されている。しかしながら、実際には、ディスプレイ１０によって発出される画像を画定する複数の画像光線が存在してもよい。

いくつかの実施形態では、画像光線１５は、ディスプレイ１０から第１の偏光型（例えば、Ｐ型直線偏光、又はＰ偏光）で発出されてもよい。画像光線１５が第１の１／４波長パネル２５ａを通過した際、偏光状態は中間偏光状態（例えば、円偏光）に変化する。次いで、画像光線１５は、第２のミラー３０ｂに衝突し、第２のミラー３０ｂから反射され、反射偏光子２０に再度向けられる。反射偏光子２０に衝突する前に、画像光線１５は第２の１／４波長板２５ｂを通過し、第２の１／４波長板２５ｂにおいて、画像光線１５は第２の偏光型（例えば、Ｓ型直線偏光、又はＳ偏光）に変化する。画像光線１５は、第２の偏光型の光を実質的に反射する反射偏光子２０から反射され、第２の１／４波長板２５ｂを２回目に通過し、第２の１／４波長板２５ｂにおいて、偏光型は中間型（例えば、円偏光）に変化して戻る。最後に、画像光線１５は、第１のミラー３０ａに実質的に垂直な角度で第１のミラー３０ａに衝突し、反射されて反射偏光子２０に向かって戻る。いくつかの実施形態では、画像光線１５は、最後に第２の１／４波長板２５ｂを通過し、偏光状態が第１の偏光状態（例えば、Ｐ偏光）に変化して戻り、画像光線１５は、第１の偏光型を実質的に透過する反射偏光子２０を通過することができる。

図２に示す偏光状態は単なる例であり、本明細書に記載の概念から逸脱することなく変更されてもよいことに留意されたい。例えば、第１の偏光型はＳ偏光であってもよく、第２の偏光型はＰ偏光であってもよい。いくつかの実施形態では、異なる数又は種類の偏光変換装置（例えば、１／４波長板）が、同様の結果を達成するために使用されてもよい。例えば、図６は、単一の１／４波長板が偏光状態を変化させるために使用される一実施形態を示す。また、図１及び図２に示す光学構成要素の角度及び構成は、単なる例であり、用途に適合する結果を達成するために必要に応じて修正されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、ディスプレイ１０及び第２のミラー３０ｂの相対位置は、交換されてもよい。他の構成及び実施形態が可能であり得る。

図３Ａ～図３Ｄは、ＨＵＤを通る画像光線のサブセットによって画定されるいくつかの断面領域を画定する、図１及び図２のＨＵＤ１００の簡略化した断面図を示す。図３Ａは、外形が破線によって示されている例示的な領域Ｒ１を示し、該領域は、Ｒ１領域を横断して少なくとも１回通過する発出画像光線１５の部分によって画定される。「１パス」領域Ｒ１は、実際のＨＵＤ１００への画像光線１５の第１の通過によって画定されるより大きい三次元容積の二次元断面を表すことに留意されたい。

図３Ｂは、外形が破線によって示されている例示的な領域Ｒ２を示し、領域Ｒ２は、Ｒ２領域を横断して少なくとも２回通過する発出画像光線１５の部分によって画定される。換言すれば、領域Ｒ２は、画像光線が少なくとも２回通過した領域のみを画定する、領域Ｒ１のサブ領域である。同様に、図３Ｃは、外形が破線によって示されている例示的な領域Ｒ３を示し、領域Ｒ３は、Ｒ３領域を横断して少なくとも３回通過する発出画像光線１５の部分によって画定される。換言すれば、領域Ｒ３は、画像光線が３回通過した領域のみを画定する、領域Ｒ１及びＲ２の両方のサブ領域である。最後に、図３Ｄは、外形が破線によって示されている例示的な領域Ｒ４を示し、領域Ｒ４は、Ｒ４領域を横断して少なくとも４回通過する発出画像光線１５の部分によって画定される。換言すれば、領域Ｒ４は、画像光線が４回通過した領域のみを画定する、領域Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３のサブ領域である。

領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、及びＲ４は、それぞれのエリアＡ１、Ａ２、Ａ３、及びＡ４を有する。図４は、図１の例示的なＨＵＤ１００について画定されるようなエリアＡ１、Ａ２、Ａ３、及びＡ４の関係を示し、エリアＡ１、Ａ２、Ａ３、及びＡ４は、単一の図面に含まれて組み込まれている。図５Ａ～図５Ｄは、３つのエリアを分離し、これらを比較の目的で並べて示す。エリアの比を比較することにより、システムによって定義される「エリア共有」の相対量の定量的尺度を作ることができる。すなわち、エリアＡ２のサイズは、第１の通過画像光線及び第２の通過画像光線によって共有されるエリアＡ１の部分を表し、エリアＡ３のサイズは、第１の通過画像光線、第２の通過画像光線、及び第３の通過画像光線によって共有されるエリアＡ１の部分を表し、エリアＡ４のサイズは、第１の通過光線画像、第２の通過光線画像、第３の通過画像光線、及び第４の通過光線画像によって共有されるエリアＡ１の部分を表す。

エリアＡ４がエリアＡ３、エリアＡ２、及びエリアＡ１に対してより大きいほど、反射される画像光線によって使用されるエリア共有の度合いがより高い。重要なことに、エリア共有の量は、直角プリズムによって画定される容積空間の共有の量に換算されることと、直角プリズムの側は、ディスプレイ、第１のミラー、第２のミラー、及び反射偏光子の位置によって概ね画定されることとに留意されたい。使用される容積空間がより少ないということは、より小さいより小型なＨＵＤを意味する。ＨＵＤ構成要素（例えば、ディスプレイ、反射偏光子、及びミラー）の相対位置及び向きは、Ａ４とＡ３との比（並びにＡ４／Ａ２及びＡ４／Ａ１の比）を最大化するように選択されてもよく、容積空間の使用を最適化する。いくつかの実施形態では、比Ａ４／Ａ３は、約０．１５～約０．４０であってもよい。いくつかの実施形態では、反射偏光子は、ＨＵＤの光軸と角度θ_Ｒをなしてもよく、角度θ_Ｒが少なくとも５度変化するとき、Ａ４／Ａ３は約３０％未満変化する。

図６は、小型光学システムの代替実施形態の断面図である。図６の要素の多くは、図１及び図２に示す同一の参照番号の要素と共通であり、これらの図に関連するこれらの構成要素の前述の説明から理解され得る。図６の実施形態では、単一の１／４波長板２５が、図１及び図２の例示的実施形態に示すような２つの別々の１／４波長板の代わりに使用される。この例では、画像光線１５は、ディスプレイ１０から第１の偏光型（例えば、Ｓ型直線偏光、又はＳ偏光）で発出される。画像光線１５は、第２のミラー３０ｂに衝突し、反射偏光子２０に再度向けられる。第１の偏光型の画像光線１５を実質的に反射する反射偏光子２０は、画像光線１５を第１のミラー３０ａに向けて反射する。画像光線１５は、１／４波長板２５を通過し、偏光を第１の偏光型（例えばＳ偏光）から中間偏光型（例えば、円偏光）に変化させる。画像光線１５は、第１のミラー３０ａに衝突し、反射されて１／４波長板２５を通って戻り、１／４波長板２５は再び、画像光線１５の偏光を第２の偏光型（例えば、Ｐ型直線偏光、又はＰ偏光）に変化させる。次いで、画像光線は、２回目に、今回は第２の偏光型で反射偏光子２０に入射し、反射偏光子２０を実質的に透過して、観察者／操作者によって見られるために表面（例えば、ウィンドシールドの表面）上に投影される。

前述のように、図６に示す偏光状態は単なる例であり、本明細書に記載の概念から逸脱することなく変更されてもよい。例えば、第１の偏光型はＰ偏光であってもよく、第２の偏光型はＳ偏光であってもよい。いくつかの実施形態では、異なる数又は種類の偏光変換装置（例えば、１／４波長板）が、同様の結果を達成する（すなわち、用途に応じて偏光型を変化させる）ために使用されてもよい。

図７は、小型ヘッドアップディスプレイ１００の代替図であり、光学システムが光軸をどのように画定し得るかを示す。いくつかの実施形態では、ＨＵＤ１００は、容積空間の正直角プリズム５０の異なる側面５２上及び対向する平行な端面５４ａ／５４ｂ間に概ね配置されたディスプレイ１０、反射偏光子２０、第１のミラー３０ａ、及び第２のミラー３０ｂを含んでもよく、ディスプレイ１０、反射偏光子２０、第１のミラー３０ａ、及び第２のミラー３０ｂのそれぞれは、正直角プリズム５０の内部空間５６に面する。ディスプレイ１０によって発出される画像を画定する画像光線は、内部空間５６を通って光軸４０ａをたどり、発出される画像が、反射偏光子２０、第１のミラー３０ａ及び第２のミラー３０ｂのそれぞれによって反射された後に、該画像は、観察者によって表面４５（例えば、ウィンドシールド）上に投影される画像４０ｂとして見られるために反射偏光子２０によって透過される。いくつかの実施形態では、光軸４０ａは、第１のミラー３０ａに実質的に垂直な角度θ_Ｎで第１のミラー３０ａに入射する。反射偏光子は、光軸４０ａとの角度θ_Ｒで配置されている。

直角プリズム５０の各面は、側面５２及び端面５４と考えられることに留意されたい。側面という用語は、図７に示すような直角プリズム５０の４つの側のうちのいずれかを概ね指すために使用される。用語「端面」は、１組の対向する平行な端面（すなわち、第１の側面に対応する１つの端面と、第１の側面と正反対側の側面に対応する第２の端面とを有する１組）として存在する面を指すために使用される。２組の対向する平行な端面５４ａ及び５４ｂが存在する。

いくつかの実施形態では、ディスプレイ１０及び反射偏光子２０は、正直角プリズムの２つの隣接する側面５２に沿って配置されている。いくつかの実施形態では、ディスプレイ１０と第２のミラー３０ｂとは、対向する平行な端面５４ａ上で実質的に互いに向かい合っており、反射偏光子２０と第１のミラー３０ａとは、対向する平行な端面５４ｂ上で実質的に互いに向かい合っている。

「約、ほぼ（about）」などの用語は、これらが本明細書に使用及び記載されている文脈において、当業者によって理解されよう。特徴部のサイズ、量、及び物理的特性を表す量に適用される際の「約」の使用が、これが本明細書に使用及び記載されている文脈において、当業者にとって明らかではない場合、「約」は、指定の値の１０パーセント以内を意味すると理解されよう。約指定の値として与えられる量は、正確に指定の値であり得る。例えば、それが本明細書に使用及び記載されている文脈において、当業者にとって明らかではない場合、該量が０．９～１．１の値を有することを意味し、該値が１であり得ることを意味する。

「実質的に（substantially）」などの用語は、これらが本明細書に使用及び記載されている文脈において、当業者によって理解されよう。「実質的に等しい（substantially equal）」の使用が、これが本明細書に使用及び記載されている文脈において本、当業者にとって明らかではない場合、「実質的に等しい」は、ほぼ等しいことを意味し、ほぼは上記のとおりである。「実質的に平行（substantially parallel）」の使用が、これが本明細書に使用及び記載されている文脈において、当業者にとって明らかではない場合、「実質的に平行」は、平行の３０度以内を意味する。互いに実質的に平行として記載されている方向又は表面は、いくつかの実施形態では、平行の２０度以内、若しくは１０度以内であり得る、又は平行若しくは名目上平行であり得る。「実質的に位置合わせされている（substantially aligned）」の使用が、これが本明細書に使用及び記載されている文脈において、当業者にとって明らかではない場合、「実質的に位置合わせされている」は、位置合わせされている対象の幅の２０％以内で位置合わせされていることを意味する。実質的に位置合わせされていると記載されている対象は、いくつかの実施形態では、位置合わせされている対象の幅の１０％以内又は５％以内で位置合わせされてもよい。

前述の全ての参照文献、特許、又は特許出願は、それらの全体が参照により本明細書に一貫して組み込まれている。組み込まれている参照文献の部分と本出願との間に不一致又は矛盾がある場合、前述の記載における情報が優先される。

図内の要素についての記載は、別段の指示がない限り、他の図内の対応する要素に等しく適用されると理解されたい。具体的な実施形態が本明細書に図示及び記載されているが、図示及び記載されている具体的な実施形態は、本開示の範囲を逸脱することなく様々な代替形態及び／又は同等の実施態様によって置き換えられ得ることが当業者には理解されよう。本出願は、本明細書において説明されている具体的な実施形態のいずれの適合例又は変形例も包含することが意図されている。したがって、本開示は、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定されることが意図されている。以下、例示的実施形態を示す。
［項目１］
反射偏光子と、
前記反射偏光子の同じ側に配置されたディスプレイ、第１のミラー、及び第２のミラーと
を備える光学システムであって、垂直入射光について、及び約４５０ｎｍ～約６００ｎｍの範囲内の少なくとも１つの波長について、
前記反射偏光子は、第１の偏光状態を有する前記入射光の少なくとも８０％を透過し、直交する第２の偏光状態を有する前記入射光の少なくとも８０％を反射し、
前記第１のミラー及び前記第２のミラーのそれぞれは、前記第１の偏光状態及び前記第２の偏光状態のうちの少なくとも一方について前記入射光の少なくとも８０％を反射し、
前記ディスプレイは、観察者によって見られるための画像を発出するように適合されており、発出される前記画像は、前記第１のミラー及び前記第２のミラーのそれぞれによって１回反射された後に、前記反射偏光子によって透過され、
前記光学システムは光軸を有し、前記ディスプレイによって発出され前記光軸に沿って伝搬する画像光線は、前記反射偏光子及び前記第２のミラーによって反射された後に前記第１のミラーに実質的に垂直入射し、中央平面は、前記光軸と、前記ディスプレイ、前記反射偏光子、及び前記第２のミラーとの間の交点によって画定され、前記中央平面は、それぞれのエリアＡ１～Ａ４を有する１パス領域～４パス領域を含み、前記ディスプレイから発出され前記中央平面に沿って及び前記中央平面内を伝搬する発出画像光線であって、前記反射偏光子に２回目に入射する前の発出画像光線について、
前記１パス領域は、前記１パス領域を横断して少なくとも１回通過する前記発出画像光線の部分を含み、
前記２パス領域は、前記２パス領域を横断して少なくとも２回通過する前記発出画像光線の部分を含み、
前記３パス領域は、前記３パス領域を横断して少なくとも３回通過する前記発出画像光線の部分を含み、
前記４パス領域は、前記４パス領域を横断して４回通過する前記発出画像光線の部分を含み、０．１５≦Ａ４／Ａ３≦０．４０である、
光学システム。
［項目２］
前記ディスプレイ、前記第１のミラー、及び前記第２のミラーのそれぞれは、前記反射偏光子に概ね面する、項目１に記載の光学システム。
［項目３］
前記反射偏光子は、前記光軸と角度θ _Ｒ をなし、θ _Ｒ が少なくとも５度変化するとき、Ａ４／Ａ３は約３０％未満変化する、項目１に記載の光学システム。
［項目４］
前記反射偏光子、前記第１のミラー、及び前記第２のミラーのうちの少なくとも１つは湾曲する、項目１に記載の光学システム。
［項目５］
前記反射偏光子、前記ディスプレイ、前記第１のミラー、及び前記第２のミラーは、それらの間に内部空間を概ね画定し、前記第１のミラー及び前記第２のミラーのうちの一方は、前記内部空間に向かって凸状であり、前記第１のミラー及び前記第２のミラーのうちの他方は、前記内部空間に向かって凹状である、項目１に記載の光学システム。
［項目６］
前記光軸は、前記ディスプレイと第１の傾斜角度をなし、前記反射偏光子と第２の傾斜角度をなす、項目１に記載の光学システム。
［項目７］
前記光軸は、前記第１のミラー及び前記第２のミラーのうちの一方のみに実質的に垂直入射する、項目１に記載の光学システム。
［項目８］
正直角プリズムの異なる側面上及び対向する平行な端面間に概ね配置されており、前記正直角プリズムの内部空間に面するディスプレイ、反射偏光子、第１のミラー、及び第２のミラーを備える光学システムであって、前記ディスプレイによって発出される画像が前記反射偏光子、前記第１のミラー、及び前記第２のミラーのそれぞれによって反射された後に、発出される前記画像は、観察者によって見られるために前記反射偏光子によって透過される、光学システム。
［項目９］
前記ディスプレイ及び前記反射偏光子は、前記正直角プリズムの２つの隣接する側面に沿って配置されている、項目８に記載の光学システム。
［項目１０］
前記ディスプレイと前記第２のミラーとは実質的に互いに向かい合っており、前記反射偏光子と前記第１のミラーとは実質的に互いに向かい合っている、項目８に記載の光学システム。
［項目１１］
反射偏光子と、
前記反射偏光子の同じ側に配置されたディスプレイ、第１のミラー、及び第２のミラーと
を備える光学システムであって、垂直入射光について、及び約４５０ｎｍ～約６００ｎｍの範囲内の少なくとも１つの波長について、
前記反射偏光子は、第１の偏光状態を有する前記入射光の少なくとも８０％を透過し、直交する第２の偏光状態を有する前記入射光の少なくとも８０％を反射し、
前記第１のミラー及び前記第２のミラーのそれぞれは、前記第１の偏光状態及び前記第２の偏光状態のうちの少なくとも一方について前記入射光の少なくとも８０％を反射し、
前記ディスプレイは、中央平面に沿って及び前記中央平面内を伝搬する中心画像光線であって、前記第１のミラー及び前記第２のミラーのそれぞれによって１回反射された後に、観察者によって見られるために前記反射偏光子によって透過される中心画像光線を発出するように適合されており、前記中央平面は、それぞれのエリアＡ３及びＡ４を有する３パス領域及び４パス領域を含み、前記ディスプレイから発出され前記中央平面に沿って及び前記中央平面内を伝搬する発出画像光線であって、前記反射偏光子に２回目に入射する前の発出画像光線について、
前記３パス領域は、前記３パス領域を横断して少なくとも３回通過する前記発出画像光線の部分を含み、
前記４パス領域は、前記４パス領域を横断して４回通過する前記発出画像光線の部分を含み、０．１５≦Ａ４／Ａ３≦０．４０である、
光学システム。
［項目１２］
前記第１のミラー及び前記第２のミラーのうちの少なくとも一方は反射偏光子である、項目１１に記載の光学システム。
［項目１３］
垂直入射光について、及び約４５０ｎｍ～約６００ｎｍの範囲内の少なくとも１つの波長について、前記第１のミラー及び前記第２のミラーのうちの少なくとも一方は、前記第１の偏光状態及び前記第２の偏光状態のうちの一方について前記入射光の少なくとも８０％を透過する、項目１１に記載の光学システム。
［項目１４］
前記第１のミラー及び前記第２のミラーのうちの前記少なくとも一方はまた、前記第１の偏光状態及び前記第２の偏光状態についてそれぞれの約７００ｎｍ～約２５００ｎｍの範囲内の少なくとも１つの波長にかかる垂直入射光の少なくとも４０％を透過する、項目１３に記載の光学システム。
［項目１５］
垂直入射光について、及び約４５０ｎｍ～約６００ｎｍの範囲内の少なくとも１つの波長について、前記第１のミラー及び前記第２のミラーのそれぞれは、前記第１の偏光状態及び前記第２の偏光状態のそれぞれについて前記入射光の少なくとも８０％を反射し、前記第１のミラー及び前記第２のミラーのうちの少なくとも一方はまた、前記第１の偏光状態及び前記第２の偏光状態のそれぞれについて約７００ｎｍ～約２５００ｎｍの範囲内の少なくとも１つの波長にかかる垂直入射光の少なくとも４０％を透過する、項目１１に記載の光学システム。
［項目１６］
垂直入射光について、及び約４５０ｎｍ～約６００ｎｍの少なくとも２０ｎｍ幅波長範囲内の各波長について、前記第１のミラー及び前記第２のミラーのうちの少なくとも一方は、前記第１の偏光状態及び前記第２の偏光状態のうちの一方について前記入射光の少なくとも８０％を透過する、項目１１に記載の光学システム。
［項目１７］
前記第１のミラー及び前記第２のミラーのうちの前記少なくとも一方はまた、前記第１の偏光状態及び前記第２の偏光状態についてそれぞれの約７００ｎｍ～約２５００ｎｍの範囲内の少なくとも１つの波長にかかる垂直入射光の少なくとも４０％を透過する、項目１６に記載の光学システム。
［項目１８］
垂直入射光について、及び４５０ｎｍ～約６００ｎｍの少なくとも２０ｎｍ幅波長範囲内の各波長について、前記第１のミラー及び前記第２のミラーのそれぞれは、前記第１の偏光状態及び前記第２の偏光状態についてそれぞれの前記入射光の少なくとも８０％を反射し、前記第１のミラー及び前記第２のミラーのうちの少なくとも一方はまた、前記第１の偏光状態及び前記第２の偏光状態のそれぞれについて約７００ｎｍ～約２５００ｎｍの範囲内の少なくとも１つの波長にかかる垂直入射光の少なくとも４０％を透過する、項目１１に記載の光学システム。

Claims (3)

1. 反射偏光子と、
   前記反射偏光子の同じ側に配置されたディスプレイ、第１のミラー、及び第２のミラーと
   を備える光学システムであって、垂直入射光について、及び４５０ｎｍ～６００ｎｍの範囲内の少なくとも１つの波長について、
   前記反射偏光子は、第１の偏光状態を有する前記垂直入射光の少なくとも８０％を透過し、直交する第２の偏光状態を有する前記垂直入射光の少なくとも８０％を反射し、
   前記第１のミラー及び前記第２のミラーのそれぞれは、前記第１の偏光状態及び前記第２の偏光状態のうちの少なくとも一方について前記垂直入射光の少なくとも８０％を反射し、
   前記ディスプレイは、観察者によって見られるための画像を発出するように適合されており、発出される前記画像は、前記第１のミラー及び前記第２のミラーのそれぞれによって１回反射された後に、前記反射偏光子によって透過され、
   前記光学システムは光軸を有し、前記ディスプレイによって発出され前記光軸に沿って伝搬する画像光線は、前記反射偏光子及び前記第２のミラーによって反射された後に前記第１のミラーに実質的に垂直入射し、中央平面は、前記光軸と、前記ディスプレイ、前記反射偏光子、及び前記第２のミラーとの間の交点によって画定され、前記中央平面は、それぞれ面積Ａ１、Ａ２、Ａ３、及びＡ４を有する１パス領域、２パス領域、３パス領域、及び４パス領域を含み、前記ディスプレイから発出され前記中央平面に沿って及び前記中央平面内を伝搬する発出画像光線であって、前記反射偏光子に２回目に入射する前の発出画像光線について、
   前記１パス領域は、前記１パス領域を横断して少なくとも１回通過する前記発出画像光線の部分を含み、
   前記２パス領域は、前記２パス領域を横断して少なくとも２回通過する前記発出画像光線の部分を含み、
   前記３パス領域は、前記３パス領域を横断して少なくとも３回通過する前記発出画像光線の部分を含み、
   前記４パス領域は、前記４パス領域を横断して４回通過する前記発出画像光線の部分を含み、０．１５≦Ａ４／Ａ３≦０．４０である、
   光学システム。
2. 前記反射偏光子、前記ディスプレイ、前記第１のミラー、及び前記第２のミラーは、それらの間に内部空間を概ね画定し、前記第１のミラー及び前記第２のミラーのうちの一方は、前記内部空間に向かって凸状であり、前記第１のミラー及び前記第２のミラーのうちの他方は、前記内部空間に向かって凹状である、請求項１に記載の光学システム。
3. 反射偏光子と、
   前記反射偏光子の同じ側に配置されたディスプレイ、第１のミラー、及び第２のミラーと
   を備える光学システムであって、垂直入射光について、及び４５０ｎｍ～６００ｎｍの範囲内の少なくとも１つの波長について、
   前記反射偏光子は、第１の偏光状態を有する前記垂直入射光の少なくとも８０％を透過し、直交する第２の偏光状態を有する前記垂直入射光の少なくとも８０％を反射し、
   前記第１のミラー及び前記第２のミラーのそれぞれは、前記第１の偏光状態及び前記第２の偏光状態のうちの少なくとも一方について前記垂直入射光の少なくとも８０％を反射し、
   前記ディスプレイは、中央平面に沿って及び前記中央平面内を伝搬する中心画像光線であって、前記第１のミラー及び前記第２のミラーのそれぞれによって１回反射された後に、観察者によって見られるために前記反射偏光子によって透過される中心画像光線を発出するように適合されており、前記中央平面は、それぞれ面積Ａ３及びＡ４を有する３パス領域及び４パス領域を含み、前記ディスプレイから発出され前記中央平面に沿って及び前記中央平面内を伝搬する発出画像光線であって、前記反射偏光子に２回目に入射する前の発出画像光線について、
   前記３パス領域は、前記３パス領域を横断して少なくとも３回通過する前記発出画像光線の部分を含み、
   前記４パス領域は、前記４パス領域を横断して４回通過する前記発出画像光線の部分を含み、０．１５≦Ａ４／Ａ３≦０．４０である、
   光学システム。