JPH10510069A

JPH10510069A - 透明ガラス板を通して見得る第２画像内に第１画像を表示するための装置

Info

Publication number: JPH10510069A
Application number: JP9517011A
Authority: JP
Inventors: ディーター、クリストハルト
Original assignee: エルディティゲーエムベーハーウントシーオー．レーザー−ディスプレー−テクノロギーカーゲー
Priority date: 1995-10-27
Filing date: 1996-09-13
Publication date: 1998-09-29
Anticipated expiration: 2016-09-13
Also published as: WO1997016757A1; JP3146286B2; EP0800661A1; IL120934A0; US5864432A; IL120934A; DE19540108C2; KR987000589A; ZA968870B; CN1166878A; BR9607549A; DE19540108A1; KR100300102B1; CA2205994A1

Abstract

(57)【要約】第１画像（６；１５；１８；２０）に起因する光（４，１５）を反射する透明ガラス板（１１）を通して見ることが可能な第２画像内に第１画像（６；１５；１８；２０）を表示し、第１画像及び第２画像が観測者の同一の視角にて観測者に認識されるように配置されるとともに、少なくとも１つの平行光を生成するための光源（３；１３；１５；１８；２０）が設けられ、第１画像（６；１５；１８；２０）に起因する僅少な発散を有する光束としての光は、前記光源（３；１３；１５；１８；２０）を用いて生成されることを特徴とする装置。

Description

【発明の詳細な説明】透明ガラス板を通して見得る第２画像内に第１画像を表示するための装置本発明は、第２画像が透明ガラス板を通して見られ、第１画像がそのガラス板で反射され、第１画像及び第２画像が観測者の同一の視角で観測者によって認識可能となるように装置が配置され、第２画像内に第１画像を表示するための装置に関する。この種の装置は、例えば航空機及び車両に搭載可能である。その際、第２画像は、例えばフロントガラスを通して見得る車外の状況である。例えば航空機の操縦において、第１画像としてパイロットの視野内の文字、符号及び図形がフロントガラスを介して虚像として表示され、それらの虚像を用いて離陸及び着陸のための案内補助手段が提供され得る。同様に、自動車のような他の車両に対しても、この種の装置を使用することによる利点が挙げられる。第１の画像を利用して、安全車間距離に関する文字、符号及び図形の眼による確認が可能となり、操縦者はその画像から前方を走行する車両に接近しているがどうか推測できる。見かけ上の距離を速度を表示する文字、符号及び図形に関連づけることを可能にすることによって、操縦者は前方を走行する車両が、十分に安全車間距離を確保しているかどうかその都度チェックできる。操縦者が車外の状況及び車両の計器板を常に交互に見る必要が生じる場合に、操縦者の視野内に表示装置の基本的な情報を挿入可能にすることによって、操縦者は車両をより良く制御できるため、操縦性及び安全性が更に高まる。この種の装置に関して、多くのシステム提案があり、頭上画像表示装置(IIUD) として周知である。これらにおいて、虚像としての第１画像による情報は、疲労の発生を軽減するために、遠方に焦点が合っている眼に適応するように投影されることが重要であるということが明らかにされた。遠方に虚像として投影するために、第１画像を表示する装置は、例えば液品表示装置（LCD）であり得、投影システムのレンズの焦点及びレンズ第１頂点との間に配置される。過去２０年間に、世界中で車両に用いるHUDに関する多数の特許権が取得された。このシステムは、欧州ではまだ開発段階又は試験段階である。この装置においては、ホログラフィーレンズを有する基本システム及びホログラフィーレンズを有しない基本システムに区別される。前者に関しては、例えばウッドコック及びキルクハムの”航空機搭載用HUDにおけるホログラフィーの応用”に関する記事が、軍事技術ミルテック（1985年）シリーズ6に記載されており、一つの展望を見ることができる。ホログラフィー表示を用いないシステムにおいては、例えば欧州特許出願公開 EP-A 0 202 460号又は米国特許第4 740 780号に開示されているように、投影レンズの使用が全く放棄されるか、又は英国特許出願公開第203 855 A号に開示されるように、虚像が従来のガラスレンズを使用し、画像生成装置を利用して生成される。最も簡単なシステムにおいては、情報は第１画像として隠れた場所に配置されるLCDに表示され、単に車両のフロントガラス上に投影される。このHUD の場合には、操縦者が表示される情報を認識するために注視する方向を変更する必要がないという利点が生じる。しかし、操縦者は情報を読み取るために、フロントガラスまでの短い距離に眼の焦点を合わせる必要がある。車外の状況を把握するために、遠方及びフロントガラスに眼を交互に順応させることは、特に老人の操縦者に疲労の発生及びそれに伴う反応動作の低下をもたらす。フロントガラスの前方２ｍ〜３ｍの位置に画像を表示するシステムの場合に、眼は緊張することなく常に情報を読み取ることが可能である。即ち、不必要な疲労の発生は回避される。しかし、特に、虚像の投影不具合が球面状に曲がったフロントガラスに基づく光の反射によって発生する。これは特別に計算されたレンズによって捕正され得る。ドイツ特許第26 33 067 C2号に開示されるように、その製造及び計算は極めて繁雑であり、製造規格を考慮して、製造は困難である。従来のレンズシステムは大きな空間を必要とするため、搭載に際して問題が発生する。特に、車両にHUDを使用するに際して、以下の問題を明確にすることが必要である。即ち、システムが必要とする空間はどのくらいか、システムは車両に収まるか、光源及び画像生成装置に対して十分な機能が車両から提供され得るか、製造コストはどのくらいか、等の問題が明らかにされなければならない。これらの問題は、既に着想の段階において考慮される必要がある。次に着想の極端に異なる２つのHUDについて記載する。第１のシステムの場合、これはミュンヘン所在のBMWとの協力によりオッテルスベルク所在のホルトロニックゲーエムベーハーによって開発された。これはフロントガラス上に第１画像及び第２画像を組み合わせることによって車外へ視界を妨げるため、所謂セパレートコンバイナー（Combiner）を放棄した。このシステムは、例えばドイツ特許DE 37 12 663 A1号に開示されている。これに基づく投影するための要素は、透過を行うホログラフィーレンズ要素(HOE) （Tran smission−HOE、 T-HOE）であり得る。これは車両の計器板に組み込まれる。この解決手段における本質的な構成要素は、光源、画像生成装置及び多数の機能を実施するT-HOEである。即ち、これは光線をフロントガラス上で任意の方向に偏向し、フロントガラスより２ｍ〜３ｍ前方の位置に表示対象の拡大された虚像を生成するとともに、フロントガラスにて発生する光の反射による画像の不具合を捕正する。その際、視覚的に情報を提供するための種々可能性がある。例えば、電子回路を用いて車両の不具合を示めす計器板又はシンボルを虚像として表示する場合、投影平面は場所を固定すれば十分である。例えば、上記した安全車間距離のような場所に依存する対象の表示を行う場合、表示位置を可変できる遠方表示が有効である。それは種々の方法で実現される。ホログラムによる方法の場合、固定シンボルは、所謂マルチホログラムによって３次元画像として異なる位置に表示され得る。この種のホログラムは複数の個々のホログラムから成り、これらのホログラムは同じ表示対象を異なる位置に復元する。しかし、それぞれのホログラムに均一な照明を行うための調整装置が必要である。これに対して、ステレオスコープを利用した投影画像は、画像生成が任意に変更可能であるため、よりエレガントである。この方法は上記したHUDにおいて実現されている。ステレオスコープの方法の場合、左眼及び右眼のそれぞれの物体に対する視点が僅かに異なって与えられるとき、３次元画像は両眼の視差によって生成される。立体感は両眼の有する視角における表示対象に基づく２つの画像を通してその画像に焦点を合わせること又は対象の大きさを考慮して得られる。投影平面（画像平面）は、この場合固定される。HUDもそれぞれ画像を生成する装置を有する２つの光学経路を有する。それぞれ個々の画像の情報はそれぞれの眼に達する。脳は両成分画像を１つの総合画像に融合する。原理的に情報を可変できる位置に表示すること及び表示装置を使用することが可能な限り望まれている。これらを用いて第１画像内に表示されるシンボルを電気的に生成し得る。これに対して、ブラウン管及びLCDが適する。しかし、ブラウン管は高価であること及び高電圧を生成する電圧供給装置のために車両には実用的でない。これに対して、LCDは簡素化された構成を有し、殆ど問題なく制御される。これに対する電圧供給装置も同様に問題がない。しかし、不十分な輝度、外部からの光の波長及び偏光に依存する僅少なコントラスト、温度特性の悪さ及び僅少な解像度において問題点を有する。最近、車両への使用において重要な問題が提起されている。現在、適合するLC Dは０．３mmの画素の大きさを有する。操縦者は拡大計数を５０に設定して１５m mの大きさを有する画素を見ることが可能である。ピクセル間の距離はピクセル自身の大きさより約１０％大きい。従って、この画素マトリックスによる粗い画像は、１０ｍから１５ｍ離れても認識され得る。シンボルの大きさは正確に生成され、且つ生成すべきシンボルの間隔は画素の大きさによって非常に長く取れるため、この画素の大きさを用いて相当長い距離を有する位置に、シンボルは表示され得る。画像は、それが生成される位置において正確な寸法を有するが、低い解像度のため、各点の間隔は一定の画像位置に対してのみ正しく調整され得るという妥協を受け入れる必要がある。要約すると、このシステムにおけるLCDの車両への使用に関して、解像度、コントラスト、温度に対する安定性は、改善される必要性があると言える。冒頭に記載したT-HOEは、白色光をスペクトル成分に分解する特性を有する。白色光を放射し、T-HOEを介して投影することは、この種の特性に基づき、色の不具合としての画像のにじみを発生する。この色の不具合は１００nmの領域の波長においては、複数のHOEを組み合わせることにより補償できるが、１個のHOEのみを使用する場合には、Δλ＜１０nmという実現不可能な要求がされる狭帯域光源が必要ようとなる。更に、光源は可能な限り高い輝度を有する必要がある。それによって、観測者は実際の明るい背景のもとでも表示を認識できる。光源に要求される輝度は、観測者の場所及び光学システムの効率により決定され得る。この光源に対する更なる要素は、自身の大きさ及び消費電力である。１００W 以上の消費電力を有する光源は、その高い消費電力だけでなく、大きな熱を発生するため実用的でない。更に、この光源は立ち上がり段階から定常動作段階に至るまでの遅延時間（t＜10s）を小さくする必要がある。それによって、警告信号が、直接表示され得る。 W.ヴィンデルン及びM.Aベークによる”頭上画像表示装置のためのホログラフ鏡を有するフロントガラス”に関する記事において、別のシステムがオートモービルテクニッシェツアイトシュリフト91、S.538−342、に記載されている。これによると、フォルクスワーゲンアーゲー、ウォルフスブルク所在はグラスベルクゲーエムベーハーグループ、アーヘン所在と協力してその装置を開発した。このシステムにおいて、フロントガラスに組み込まれたホログラフコンバイナーが用いられる。所望の情報はLCD上に生成され、その情報が投影レンズを利用して固定された表示平面に現れる。コンバイナーを使用することによって、システム全体の高い効率が達成される。冒頭に記載したように、コンバイナーに求められる要求（高い伝達性、効率及び反射率、狭いスペクトル幅及び投影品質）は、ホログラフコンバイナー自身によってのみ満足され得る。ホログラムの記憶媒体として、目下長い間航空機に使用されているディクロマートゲラーテン（DC G）皮膜のみが適する。この目的に適合すると考えられる他の物質は、フォトポリマーである。特に、オッフェンバッハ所在のポラロイド（湿性現像を行っている）及びUSA所在のドュポンウィルミントン、の物は言及に値する。有毒な化学物質を用いる危険な湿性現像行程は必要ない。簡単な散乱光の照射及び熱処理によって、ホログラムは現像され、固定される。特に、フォトポリマーはまだ開発段階であり、購入することが不可能である。開発努力の大部分はコンバイナーの工業生産及びフロントガラスへの組み込みに向けられている。虚像としての光学画像の歪みは、同様にコンバイナーによって補正される。狭い帯域を有する緑色のフォスファーは表示装置の光源として機能し、コンバイナーと結合したフォスファーによって、色の投影歪みは抑制される。上記した周知の解決方法は、技術の観点から以下に記載する問題点を有する。即ち、LCD表示装置又はバックアップ照明を有する表示装置又は陰極線管によって、操縦者の視界内に要求される輝度は達成されない。これは、これらの装置が輝度の高い太陽光線に反応して駆動される必要があることに基づく。特に、表示要素を映すために使用されるホログラムは、可視光領域の照明のもとで虹色が現れるという不適切な特性を有する。ドイツ特許出願公開DE 38 22 222 A1号に輝度を向上させるために、フロントガラスの内側面に偏光フィルタを設けること及び第１画像を直接レンズを介して虚像としてフロントガラスに映し出すことが開示されている。従って、例えば輝度の高い太陽光は減衰され得るため、第１画像はより良く認識され得る。更に、偏光フィルタはフロントガラス上に発生する２重画像及び障害となる反射を回避するか、又は少なくとも減少させるという利点を有する。しかし、実際はこの解決方法も日中の明るさを有する第２画像のもとでは十分な輝度を提供しないことを示した。本発明の課題は第２画像に対して第１画像に十分な輝度を与える能力を有する効果的な装置を発明することである。その際、この装置は単純であり、コスト高にならない構造を有することが必要である。この課題は冒頭に記載した技術に基づく少なくとも１つの平行光を放射する光源が設けられ、第１画像に起因する光が、この光源を用いて殆ど発散しないように生成され得るということによって解決される。本発明においては、障害となる虹色及び低い解像度の原因となるホログラフコンバイナーを放棄した。第１両像及び第２画像は、単純にガラス板上に、例えばフロントガラス上に合成される。これは単純であり、第１画像の明瞭な表示を行う。ドイツ特許出願公開DE 38 22 222 A1号に開示されるように、類似の装置が存在する。しかし、本発明の装置が有する平行光を放射する光源によって、その装置は本質的に本発明から区別される。その光源は生成される全体の光がガラス板を介して操縦者に反射されることを保証する。その際、偏光フィルタは、特に必要でない。本発明に基づく第１画像に起因する光の僅少な発散により、その光束は操縦者が頭部を移動する領域内にて操縦者により認識される。即ち、他の道路使用者及び同乗者に障害となる反射及び光の発生はない。この考察から光束の発散が、万一１つの又は複数の光学システムを透過した後に、操縦者の位置する領域内にて最大３０cmから５０cmの領域に存在する場合に、それによって第１画像は操縦者の頭部の位置に関係なく認識可能である。又、光束の発散は十分小さく、従って光束は適切な輝度を有して操縦者に達する。実際、±７°以内の発散により良い結果が現れる。本発明の効果的な形態において、殆ど発散しない光束を放射するセグメント又は少なくとも１つの光源からの光を反射又は透過するセグメントが設けられており、これらのセグメントは第１画像を形成するために、放射、透過又は反射に関して制御可能である。これらのセグメントを利用して、第１画像を生成するために情報は殆ど発散しない光束に組み込まれる。これに対して、複数の可能性が記載可能である。第１に、そのセグメント自身が光束を放射するという効果的な可能性が挙げられる。これに関して、そのセグメントはダイオードレーザとして構成され得る。本発明に基づくこの光束は、適切な大きさの輝度を有するため、第１画像は第２画像から浮かび上がるように投影される。別の効果的な可能性は光源の平行光に第１画像の情報を反射又は透過によって組み込むことを、第２画像と同等の輝度を有する第１画像の輝度を用いて行うことであり、その際そのセグメントを制御することによって種々の画像情報が表示可能である。そのセグメントは、例えば数字を用いた情報を表示する場合に、７セグメント表示装置を構成し得る。特に、本発明の効果的な形態に基づき、そのセグメントがマトリックスの形状に配置される場合に有効である。これは大きな情報量を扱うことが可能であり、例えば第１画像に図形を表示することに使用される。特に、本発明に基づく効果的な形態において、そのマトリックスがLCDマトリックスである場合に、光束を透過することは有効に行われ得る。１つの又は複数の鏡が設けられる場合に、この鏡は第１画像を形成するために、少なくとも１つの光源から生成される光束を反射する。特に、これは反射を利用して、少なくとも１つの光源から生成される光束が、完全にガラス板上に指向して進行するとき、例えばLCDマトリックス内にて偏光に基づく光の損失が回避されるという利点を有する。従って、輝度は簡単に上昇する。２つの鏡が設けられる場合、これによって光束は２つの方向に偏向される。本発明の効果的な形態に基づき、鏡に掛かる費用は僅少に保てる。その画像生成における費用は、鏡から構成されるピクセルマトリックスよりも極端に少ない。更に、第１画像は鏡によって偏向されて生成されるため、全体の光束の輝度は十分に供給される。特に、本発明の効果的な形態に基づき、鏡がベクトルグラフィックスとして第１画像を表示できる偏向装置によって、互いに独立してその角度を変更され得る場合に、この利点は顕著である。ベクトルグラフィックスの場合、走査された各点は、輝度を有する点として認識される。走査において、ブランキング期間は最小になるように設定されるため、もとの光源の十分な輝度が第１画像の表示に利用される。本発明の他の効果的な形態において、偏向装置が設けられ、これを用いて少なくとも１つの光源に起因する光束は、２つの方向に走査される。また、制御装置が設けられ、これを用いて光束の輝度が制御可能である。その際、例えばテレビ画像の表示に周知なように、投影は均一な走査を利用して行う。これによって、特に高品質な画像が表示され、乗り心地及び安全性が向上する。この偏向は、例えば音響光学における変調器を利用して実現できる。２つの鏡を介して光束を偏向する手段によって、本発明に基づく上記の形態の利点を利用できる。それ故、本発明の効果的な形態において、これらの鏡の１つは均一の回転速度を有する回転多角形状鏡であり、非常に速く偏向を実現するとともに、画像のフリッカーを回避するということを提供する。更に、回転鏡の慣性に基づき、同期誤差が殆ど発生せず、特に車両内での駆動において、装置に振動及び揺れが生じる場合に、これは本質的な利点をもたらす。本発明の効果的な形態に基づき、少なくとも１つの光源が平行レンズ及びコリメータレンズを有するLEDである場合に、本発明の上記した利点及びその形態は安価なコストで得ることが可能である。車両の空間内において、LEDは基本的に点状に観測されるため、これを拡大させることに対する要求は、レンズを利用して簡単に満足され得る。その際、コリメータによる光の損失は輝度を減衰させない。少なくとも１つの光源がレーザである場合、推測されるコリメータによる損失は十分に回避できる。レーザは、元々高品質の平行光を生成し、これは発散に関する要求を十分に満足する。本発明の効果的な形態において、レーザはダイオードレーザ又はポンプ光源としてのダイオードレーザを含む。ダイオードレーザは自動車用バッテリーのような低い電圧において高い発光エネルギーを生成する。従って、ガスレーザに使用される高電圧供給装置のような高価な電子回路は必要ない。特に、レーザがレーザダイオードを用いてポンピングされる個体レーザである場合は、本発明の効果的な形態に基づき、高い輝度が達成され得る。本発明の更らに効果的な形態に基づき、レーザダイオードを用いてポンピングされる個体レーザにおいて、周波数変換のための装置が設けられる。この周波数変換のための装置を用いて、例えば眼が高い感度を有する緑の波長領域に、又は人間が常に注意を促される赤色の領域に波長は選択されるため、レーザダイオードを用いてポンピングされる高い輝度を有する個体レーザのみを選択することの制限は無くなる。この形態に基づき、光源においても、高い輝度は安価な費用にて達成可能である。本発明に基づく他の効果的な形態に基づいて、第１画像に起因する光は、偏光を有する。それに対して本発明の更に別の形態において、少なくとも１個の偏光フィルタが設けられるか、又は偏光を有する光を放射するレーザが使用される。偏光を有する光を使用する利点は、既に記載したようにドイツ特許出願公開DE 3 8 22 222 A1に開示されている。本発明はその発明と異なって、光源自身が偏光を有する光を放射するため、更に偏光を行うことによって生じる反射による減衰における光の損失又は第１画像に対して第２画像の光を低下させるために行う偏光方向の調整による光の損失が発生しない。特に、本発明の形態において、偏光を有する光を使用する利点は注目に値する。即ち、光源は、第１画像に起因する光がフロントガラスにブリュースター角にて入射するように配置される。偏光を有する光は、ブリュースター角において完全に反射するために、第１画像を観測する操縦者は、基本的に平行光束の十分な輝度を供給される。従って、輝度は、偏光器が、例えばガラス板に設けられなくても理想的な数値となる。本発明の効果的な形態に基づいて、第１画像がガラス板にて完全に反射するガラス板が皮膜と共に用いられる場合は、偏光器と類似の利点が生じる。これは第１画像に起因する全体の輝度が第１画像を認識する操縦者のいる場所にて利用できることに基づく。特に、本発明の効果的な形態に基づいて、皮膜が誘電体膜であるか、又はこれを含み、第１画像を十分に反射する場合に、上記した事項は容易に実現され得る。完全反射を行うための誘電体膜は、現在の技術では、例えばレンズのコーティングにおいて良く知られている。しかし、レンズのコーティングにおいて、高い透過が達成される必要がある一方、皮膜材質の光学パラメータに基づいて、皮膜厚が最大の反射を得るように設計されるということに注意する必要がある。特に、例えばレーザによる第１画像からの光の単一波長において、単一の誘電体膜が設けられる必要があり、この誘電体膜の厚みは入射する光の角度で透過する光が干渉によって打ち消し合うように設計する。本発明の効果的な形態に基づいて、第１画像からの光が偏光を有しており、ガラス板上に配置される皮膜が、偏光させる皮膜又は偏光させる皮膜を含む場合に、この反射皮膜の利点は、特に簡単に実現可能なことである。本発明の他の効果的な形態において、その被膜は第２画像に対して反対側に取り付けられる。従って、ガラス板の前面及び後面にて、異なる反射によって、皮膜が第１画像の反対側に配置される場合に発生するような２重画像は効果的に回避される。それによって、明瞭な画像表示が行われるため、観測者の見る第１画像の輝度は、この形態において理想的になる。また、この明確な画像表示は操縦者に負担を掛けないため、疲労を発生させず安全性を高める。本発明の効果的な形態に基づいて、その皮膜は複数の個々の皮膜の合成である。複数の個々の皮膜が設けられる場合に、反射における光の状態は光源の広帯域の波長スペクトルを有する。その皮膜の合成において、例えばフロントガラスに使用される合わせ板ガラスに関する製造技術は、全く問題が無い。本発明の他の効果的な形態において、皮膜は第２画像の光を妨害せず透過させるように設計される。従って、操縦者の車外への視界は妨害されない。これは、特に見にくく危険な夜間の走行に効果的である。従って、この目的を達成するために、更に皮膜を追加することによる車外から入射する光を減衰させることは行われない。前記したガラス板は、例えばフロントガラス自身であり得る。その湾曲はデザイン上の決定事項及び走行時の空気抵抗をできる限り小さくすることに基づいているため、第１画像は、一般にこの湾曲から生じる歪みを補正される必要がある。この歪みは、例えば適切な第１画像の表示によって除去することができる。しかし、本発明の効果的な形態において、フロントガラス及び操縦者との間に配置される特別なガラス板が設けられる。これによって、第１画像を投影するためのガラス板の形状は、適正に設計され得る。特に、特別な製造工程が必要ないため、平らなガラス板がコストの面から有利である。フロントガラスと運転席との間に配置されることは、フロントガスにて偶発する反射及び光の損失が回避される利点がある。更に、ガラス板は車両内に配置される。これは天候が皮膜に影響を与えないという利点を与える。結露又は雨の水滴は、ガラス板が車両の外部に配置される場合に第１画像を極度に見えにくくする。本発明の他の効果的な形態において、光源は３つの異なる波長の光を放射する。これによって、カラー画像が第１画像として表示され得ることにより、情報量を増やすことが可能となるため、第１画像に表示される情報は、特に綺麗に表示され得る。これは車両の乗り心地を高め、且つ精神的負担がないことにより、走行に関するより多くの情報を得ることができるため安全に寄与する。更に、画像のカラー表示は、例えば赤色を用いた警告信号の表示及び操縦者に心地よい緑色を用いて物理的な量を表示することを可能にする。また、ヘッドライトの点灯表示はドイツ国内において、青色と規定されているが、この形態に基づき、これらは問題なく第１画像内に表示可能である。本発明の他の効果的な形態において、ガラス板及び第１画像との間に投影光学システムが設けられる。この種の光学システムを利用して、虚像は遥か遠方に表示され得り、これにより、特に操縦者の眼は、効果的に順応する。特に、第１画像が表示対象側の焦点距離内に投影される場合に、遠方に表示される虚像は、効果的に目的を達成する。以下に、図示して本発明を詳しく説明する。図１は本発明に基づく本質的な実施例を説明するための各要素の配置図である。図２は分散板上にマトリックスを有する実施例における各要素の配置図である。図３はカラー第１画像を生成する実施例における各要素の配置図である。図４はダイオードレーザから成るマトリックスを有する実施例の斜視図である。図５はLED配列及び偏光フィルタを有する実施例の斜視図である。図６はカラー第１画像を表示するためのマトリックスの原理的な配置図である。図７は２個の回転可能な鏡を有して画像を生成する実施例における各要素の配置図である。図８は内部に反射皮膜を有するフロントガラスの図。図１に示す装置は、制御装置１を有し、シンボル表示に必要なデータを生成する。制御装置１の出力端子は制御装置２の入力端子に接続され、光源３は制御装置２によって平行光束４を生成するために制御される。光源は、例えば眼が感知する最大波長の光を生成するために、ダイオードレーザによりポンピングされ、周波数変換できる個体レーザであった。実質的に平行光束４は、鏡５に入射し、そこから分散板６の方向に反射される。鏡５は光束を偏向するために２つの軸方向に回転する。相当する回転角は図１においてω,ψにて示す。角度ω,ψの量だけ行う回転動作は、制御装置１によって制御される。制御装置１の動作モードによって、分散板６上の画像はその配置によって異なる方法で生成される。鏡５が放射光を分散板６上に均一に走査し、及び放射光４の輝度が制御装置２を介して制御されるように制御装置１が構成される場合に、例えばテレビ受像管の管面上に電子ビームを用いるテレビ技術と同様に走査されることにより、画像が表示される。図１に示す実施例において、鏡５の動作を利用して第１画像が分散板６上へ投影される場合に、光束４の輝度は一定に保持される。光束の輝度は１つの画像から他の画像への変わり目においてブランキングされる。画像はベクトルグラフィックスの形態を用いて分散板６上に投影される。車両の操縦者の視野内に分散板６上の表示画像を虚像として投影するために、表示対象側に焦点７を有する光学システム８が設けられており、その焦点距離内に分散板６が配置される。この光学システム８から出発する光は、続く反射皮膜９に入射するため、生成される画像は虚像として位置１０にて見ることが可能である。反射皮膜９は車両のフロントガラス１１内側面に配置される。眼１２で示される観測者は、フロントガラスの後方に視野内に存在する車外の状況及び虚像を見る。反射皮膜９は光源３の波長のみを実質反射するように構成されるため、観測者は位置１２にて車外の状況を妨害されずに見ることができ、虚像は位置１０にて表示される。光源３の平行放射光に基づいて、位置１０にて虚像を明瞭に認識できる車内の領域は、分散板６の分散特性によって与えられる。これはもとの光束４が発散において、操縦者の典型的な頭部の動作範囲内にて画像が位置１０にて光学的に明瞭に認識可能となるように配置される。平行光束の実質的なの発散は分散板６及びそれに続くレンズ８に基づいて、推奨する値として最大３０cmから５０cmの範囲内であるべきであるということが明らかとなった。それによって、全体の光束４は十分な輝度を有して操縦者に達する。大きな角度に基づく光の損失は、最小限にされる。実際に、±７°以内の光束の発散により、良好な結果がもたらされる。操縦者の眼１２の付近で高い輝度を必要とする場合に、分散板６は更に角度を狭めて発散するように設計され得るが、本装置が配置位置について可変となるように構成すること又は鏡５の傾斜角度は直流電圧を用いる制御装置１を介して制御されることが望ましい。これによって、位置１２に位置する操縦者は、虚像１０を理想的な頭部の位置にて認識できるように移動することができる。これにより異なる大きさの車体及び座席位置においても虚像を理想的な輝度で見ることが可能である。提示した発散の大きさの観点から光束４の平行性は厳密さを必要としない。従って、レーザに代わって光源３として高い輝度を有する発光ダイオードも使用できる。光はその種の構成要素の場合に、その接合部から放射されるため、点状の光源として観測され、その出力光束はレンズ、凹面鏡又はコリメータのいずれか１つを用いる適切な方法により平行にされ得る。光源３に対してレーザを選択することは、フロントガラス１１における反射において、利点を有する。実施例において、レーザを用いて直線偏光された光束４が生成された。反射皮膜９は、この場合偏光器として構成されており、分散板６から生成される全体の光が、操縦者の頭部の領域に反射されるように、その直線偏光の方向が選ばれる。反射皮膜９の偏光特性は理想的な輝度を達成するために、更に利点を有する。即ち、フロントガラスでの反射が除去されることにより、その虚像が明瞭に認識できる。コストを軽減すべく、高い輝度を達成するための反射皮膜９が放棄される場合、光学システムから放射される光束が、ほぼブリュースター角を有してフロントガラス１１に入射するように本装置が配置され得る。偏光を有する光束の反射は、周知のように適合する偏光方向にて最大となる。よって、皮膜は不必要となる。図１に示すように、フロントガラス１１は平らな面として描かれている。これによって、画像６は位置１０にて歪み無く投影される。一般に、フロントガラスは湾曲している。これによって生じる歪みは、画像の歪みがフロントガラス１１で反射を通して除去されるように、制御装置１によって分散板６上の画像が歪んで表示されることによって捕正される。これにより、位置１０における虚像の画像領域内の異なる位置おいて、解像度は異なる。これに代わり、フロントガラス１１及び操縦者との間に平らなガラス板を設け、これを用いて同様の効果的な投影特性が図示した平らなフロントガラス１１の場合と同様に発生する。しかし、反射皮膜９は、それがフロントガラス１１上に取り付けられるか、又は別のガラス板上に取り付けられるかに関係なく、操縦者側に配置されることにより、ガラス板内の複数の反射による極端な妨害として知覚されるガラス板自身の虚像は生成されない。反射皮膜はレンズへの他の応用によって周知である誘電体膜鏡と呼ばれる薄い層として構成される。皮膜にて反射する波長が、複数存在する場合、光源３の波長に適合する複数の個々の皮膜を合成して用いることが有効である。図２に図１に示すような同様の実施例を示す。しかし、分散板６上への表示は図１とは異なる。前に記載したように、画像は走査されて、マトリックスとして生成される。しかし、図２に基づいて更なる実施例を説明する。光束４が適切に発散する場合に、例えば光源３が平行光に変換するレンズを有するLEDであると、分散板６に代えてLCDマトリックスを設けることが可能である。特に、光束４が既に偏光を有する場合に、LCDマトリックスを用いるその画像表示は、周知のようにマトリックス内の各セグメントに印加される電圧に依存するため、同じ偏光を有する各点において、光束４のような同じ偏光を有する光は、すべて通過させられる。図３に図１に示すような同様の実施例を示す。しかし、光源３は光源１３によって置き換えられている。光源１３内に赤色用、緑色用及び青色用に３個のレーザが設けられる。このレーザから放射される光束は、放射光合成装置１４によって１つの光束に合成される。画像生成は、既に図１及び図２を用いて説明した実施例と同様に行われる。放射光合成装置１４において、例えば異なる光束を合成するためにレーザテレビ技術にて周知である２色性の鏡が設けられる。図４に示す実施例において、１つの光束４又は光束１４及び偏向を行う鏡５が削除されている。分散板６に代わり図４に基づいて、ダイオードレーザマトリックス１８が光学システム８及びその焦点７との間に設けられる。その際、画像生成は各ダイオードレーザを電気的に励起することによってマトリックスの対応する各点で行われる。図４に示す実施例において、電子制御装置１７がマトリックス装置と共に同じ構成要素の中に設けられており、これを用いてマトリックス内の個々のダイオードレーザは輝度を制御され得る。図５に同様の実施例を示す。レーザマトリックス１８に代えて、ここでは電子制御装置１６を有するLEDマトリックス１５が設けられる。実施例において、マトリックス内の個々のLEDから最大輝度を得るために要求される光の発散が、その構成に基づいて与えられようにLEDマトリックスは選択された。しかし、この種のLEDマトリックス１５上に薄い膜が敷かれる場合に、原理的にその膜の上にL EDに適合するレンズとしての小さい凸部が構成される。この凸部は放射される光束の発散が、十分に小さいこと及びレンズ８に基づく放射光横断面の変更によって、光が操縦者の頭部の移動領域内に達するように設計される。LEDマトリックス１５を使用する場合、図５に示すように偏光フィルタ１９がLEDから放射される光束の光路に設けられる場合、偏光を有する光が提供する利点を放棄する必要はない。図５に示す実施例において、この偏光フィルタ１９は光学システム１９及びLDEマトリックス１５との間に配置される。 LEDマトリックス１５及びダイオードレーザマトリックス１８は原理的に光源マトリックスとして示すことができる。図６に示す実施例に、如何に光源マトリックスが構成されるか、また如何にそれを用いてカラー画像を可能にするかを示す。光源マトリックス２０は電子制御装置２１と共に組み込まれ、異なる波長を有する異なるダイオードレーザ又はLEDから構成されており、前記異なる波長はR ,G,Bを用いて表現され、これらはカラーテレビにおける赤色、緑色及び青色の画素を示す。図６において、LEDはその対応する波長に応じて異なる濃淡を用いて示される。図６から異なるダイオードレーザ又はLEDの具体的な配置が分かる。これによって、カラー画像が表示可能である。図１に示す実施例に基づいて、２つの独立した鏡２３及び２２が、鏡５に代わって２つの軸のまわりに全体の傾斜に対する補正のために設けられる。図７に、この種の実施例を示す。多角形状鏡は走査線による均一な走査を行うために、鏡２３及び２２に代えて使用される。一般に、多角形状鏡は自身が有する慣性に基づく極めて均一な走査を保証する。図８において、更に別の形態が示される。反射皮膜９はフロントガラス１１上に取り付けられるのでなく、フロントガラス１１内部に組み込まれる。上記の反射皮膜の場合、非常に薄い皮膜が扱われるため、フロントガラスとして用いられる合わせ板から成るガラス板１１へ組み込みむことは、同時に図８に示す薄い皮膜２４を保護する。同様に、薄い皮膜としての皮膜２４は光束３を全反射するために使用される。更に、偏光に依存する反射皮膜も使用され得る。上記した実施例において、本発明は複数の方法を実施し得る。本質的な要点は、光の最大輝度が平行光束を利用することによって、その光束の僅少な発散に基づいて操縦者の視野内に生じるということである。

【手続補正書】【提出日】１９９７年７月２４日【補正内容】請求の範囲１．第１画像（６；１５；１８；２０）に起因する光（４，１５）を反射する透明ガラス板（１１）を通して見ることが可能な第２画像内に第１画像（６；１５；１８；２０）を表示し、第１画像及び第２画像を観測者が同一の視角にてに認識し得るように配置した装置において、平行光束を放射するための少なくとも１つの平行光を生成するための光源（３；１３；１５；１８；２０）が設けられ、第１画像（６；１５；１８；２０）に起因する僅少な発散を有する光束としての光は、前記光源（３；１３；１５；１８；２０）を用いて生成されることを特徴とする装置。２．僅少な発散を有する光束を放射するための、又は少なくとも１つの光源（３；１３；１５；１８；２０）の光を、反射及び透過のうちいずれかを行うためのセグメントが設けられ、前記セグメントは第１画像（６；１５；１８；２０）を生成するために、放射、透過又は反射が制御される請求項１に記載の装置。３．マトリックス（１５；１８；２０）の形態にセグメントが配置される請求項２に記載の装置。４．透過するためのセグメントが配置され、そのマトリックスはLCDマトリックスである請求項３に記載の装置。５．１つ又は複数の鏡（５；２２，２３）が設けられ、前記鏡（５；２２，２３）は少なくとも１つの光源（３,13）によって生成される僅少な発散を有する光束を画像生成のために反射する請求項１乃至３のいずれか１つに記載の装置。６．２つの鏡（２２，２３）が設けられ、光束は前記鏡（２２，２３）を用いて２つの方向に偏向される請求項５に記載の装置。７．少なくとも１つの鏡（５；２２，２３）は偏向装置にて２つの傾斜方向に互いに独立して角度を変更でき、これにより第１画像（６；１５；１８；２０）はベクトルグラフィックス表示を可能とする請求項５又は６に記載の装置。８．少なくとも１つの光源に起因する光束は、偏向装置を用いて２つの方向に走査されるとともに、制御装置（１）が設けられ、前記光束の輝度は前記制御装置（１）によって制御される請求項６に記載の装置。９．鏡（２２，２３）の１つは均一の回転速度を有する多角形状鏡である請求項６又は８に記載の装置。１０．少なくとも１つの光源（３；１５）は平行レンズ及びコリメータのいずれか１つを有するLEDである請求項１乃至９のいずれか１つに記載の装置。１１．少なくとも１つの光源（３；１３）はレーザであるが、又はレーザを含む請求項１乃至９のいずれか１つに記載の装置。１２．レーザ（３）はダイオードレーザであるが、又はポンピング光源としてダイオードレーザを含む請求項１１に記載の装置。１３．レーザ（３）はダイオードレーザによりポンピングされる個体レーザである請求項１１又は１２に記載の装置。１４．ダイオードレーザによりポンピングされる個体レーザに周波数変換のための装置が設けられる請求項１３に記載の装置。１５．第１画像（６；１５；１８；２０）に起因する光は偏光を有する請求項１乃至１４のいずれか１つに記載の装置。１６．偏光を行うために、偏光フィルタ（１９）が設けられる請求項１５に記載の装置。１７．少なくとも１つの光源（３；１３）は偏光を有する光を放射するレーザ又はレーザを含む請求項１５又は１６に記載の装置。１８．光源（３；１３）は第１画像に起因する光がガラス板（１１）にてブリュースター角のもとに入射するように配置される請求項１５乃至１７のいずれか１つに記載の装置。１９．皮膜（９；２４）を有するガラス板（１１）が設けられ、第１画像（６；１５；１８；２０）は前記皮膜（９；２４）にて完全に反射される請求項１乃至１８のいずれか１つに記載の装置。２０．皮膜（９；２４）は誘電体膜から成る皮膜又は前記皮膜（９；２４）を含み、第１画像（６；１５；１８；２０）を完全に反射する請求項１９に記載の装置。２１．皮膜（９；２４）は偏光を行う皮膜であるか、又は偏光を行う皮膜を皮膜（９；２４）の１部に含む請求項１５又は２０に記載の装置。２２．皮膜（９；２４）は第２画像に対して反対側のガラス板（１１）上に取り付けられる請求項１９乃至２１のいずれか１つに記載の装置。２３．皮膜（９；２４）は複数の個々の皮膜から合成される請求項１９乃至２２のいずれか１つに記載の装置。２４．皮膜（９；２４）は第２画像を妨げず通過させるように設計される請求項１９乃至２３のいずれか１つに記載の装置。２５．車両のガラス板（１１）はフロントガラス及び操縦者の座席との間に配置される請求項１乃至２４のいずれか１つに記載の装置。２６．光源（１３；２０）は３個の異なる波長の光束を放射する請求項１乃至２５のいずれが１つに記載の装置。２７．ガラス板（１１）及び第１画像との間に投影するための光学システム（８）が設けられる請求項１乃至２６のいずれか１つに記載の装置。２８．光学システム（８）の表示対象側の焦点距離内に実像が生成され、前記実像は第１画像（６；１５；１８；２０）としてガラス板（１１）にて反射される請求項２７に記載の装置。

Claims

【特許請求の範囲】１．第１画像（６；１５；１８；２０）に起因する光（４，１５）を反射する透明ガラス板（１１）を通して見ることが可能な第２画像内に第１画像（６；１５；１８；２０）を表示し、第１画像及び第２画像を観測者が同一の視角にてに認識し得るように配置した装置において、平行光束を放射するための少なくとも１つの平行光を生成するための光源（３；１３；１５；１８；２０）が設けられ、第１画像（６；１５；１８；２０）に起因する僅少な発散を有する光束としての光は、前記光源（３；１３；１５；１８；２０）を用いて生成されることを特徴とする装置。２．僅少な発散を有する光束を放射するための、又は少なくとも１つの光源（３；１３；１５；１８；２０）の光を、反射及び透過のうちいずれかを行うためのセグメントが設けられ、前記セグメントは第１画像（６；１５；１８；２０）を生成するために、放射、透過又は反射が制御される請求項１に記載の装置。３．マトリックス（１５；１８；２０）の形態にセグメントが配置される請求項２に記載の装置。４．透過するためのセグメントが配置され、そのマトリックスはLCDマトリックスである請求項３に記載の装置。５．１つ又は複数の鏡（５；２２，２３）が設けられ、前記鏡（５；２２，２３）は少なくとも１つの光源（３,13）によって生成される僅少な発散を有する光束を画像生成のために反射する請求項１乃至３のいずれか１つに記載の装置。６．２つの鏡（２２，２３）が設けられ、光束は前記鏡（２２，２３）を用いて２つの方向に偏向される請求項５に記載の装置。７．少なくとも１つの鏡（５；２２，２３）は偏向装置にて２つの傾斜方向に互いに独立して角度を変更でき、これにより第１画像（６；１５；１８；２０）はベクトルグラフィックス表示を可能とする請求項５又は６に記載の装置。８．少なくとも１つの光源に起因する光束は、偏向装置を用いて２つの方向に走査されるとともに、制御装置（１）が設けられ、前記光束の輝度は前記制御装置（１）によって制御される請求項６に記載の装置。９．鏡（２２，２３）の１つは均一の回転速度を有する多角形状鏡である請求項６又は８に記載の装置。１０．少なくとも１つの光源（３；１５）は平行レンズ及びコリメータのいずれか１つを有するLEDである請求項１乃至９のいずれか１つに記載の装置。１１．少なくとも１つの光源（３；１３）はレーザであるか、又はレーザを含む請求項１乃至９のいずれか１つに記載の装置。１２．レーザ（３）はダイオードレーザであるか、又はポンピング光源としてダイオードレーザを含む請求項１１に記載の装置。１３．レーザ（３）はダイオードレーザによりボンピングされる個体レーザである請求項１１又は１２に記載の装置。１４．ダイオードレーザによりポンピングされる個体レーザに周波数変換のための装置が設けられる請求項１３に記載の装置。１５．第１画像（６；１５；１８；２０）に起因する光は偏光を有する請求項１乃至１４のいずれか１つに記載の装置。１６．偏光を行うために、偏光フィルタ（１９）が設けられる請求項１５に記載の装置。１７．少なくとも１つの光源（３；１３）は偏光を有する光を放射するレーザ又はレーザを含む請求項１５又は１６に記載の装置。１８．光源（３；１３）は第１画像に起因する光がガラス板（１１）にてブリュースター角のもとに入射するように配置されろ請求項１５乃至１７のいずれか１つに記載の装置。１９．皮膜（９；２４）を有するガラス板（１１）が設けられ、第１画像（６；１５；１８；２０）は前記皮膜（９；２４）にて完全に反射される請求項１乃至１８のいずれか１つに記載の装置。２０．皮膜（９；２４）は誘電体膜から成る皮膜又は前記皮膜（９；２４）を含み、第１両像（６；１５；１８；２０）を完全に反射する請求項１９に記載の装置。２１．皮膜（９；２４）は偏光を行う皮膜であるか、又は偏光を行う皮膜を皮膜（９；２４）の１部に含む請求項１５又は２０に記載の装置。２２．皮膜（９；２４）は第２画像に対して反対側のガラス板（１１）上に取り付けられる請求項１９乃至２２のいずれか１つに記載の装置。２３．皮膜（９；２４）は複数の個々の皮膜から合成される請求項１９乃至２２のいずれか１つに記載の装置。２４．皮膜（９；２４）は第２画像を妨げず通過させるように設計される請求項１９乃至２３のいずれか１つに記載の装置。２５．車両のガラス板（１１）はフロントガラス及び操縦者の座席との間に配置される請求項１乃至２４のいずれか１つに記載の装置。２６．光源（１３；２０）は３個の異なる波長の光束を放射する請求項１乃至２５のいずれか１つに記載の装置。２７．ガラス板（１１）及び第１画像との間に投影するための光学システム（８）が設けられる請求項１乃至２６のいずれか１つに記載の装置。２８．光学システム（８）の表示対象側の焦点距離内に実像が生成され、前記実像は第１画像（６；１５；１８；２０）としてガラス板（１１）にて反射される請求項２７に記載の装置。