JP7793210B2 - 車両用ヘッドアップディスプレイ（ｈｕｄ） - Google Patents

Description

発明の分野及び背景
本発明は、ディスプレイに関し、具体的には、自動車などの車両用のヘッドアップディスプレイに関する。

運転ナビゲーション、道路から視線をそらすことなくダッシュボード情報を入手できること、又は視界不良の条件下で運転者の目に熱画像を投影することを含むがこれらに限定されない、様々な視覚機能を提供することによって支援するために、車の運転者の前にＨＵＤを設置するための多くの提案及び設計があった。

画像をフロントガラスに投影することに基づいた現在の解決策は、比較的限定されたアイモーションボックス（ＥＭＢ）及び視野（ＦＯＶ）を有するか、又はより広いＥＭＢ及びＦＯＶを支援するために比較的大きな投影光学系を必要とする。

本発明は、車両のユーザに画像を表示するための車両用ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）である。

前置きとして、導光光学素子（ＬＯＥ）は、開口拡張に使用される導波路である。ＬＯＥ及びの動作原理は、「Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ－ｇｕｉｄｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｂｅａｍ ｅｘｐａｎｄｅｒ」と題された米国特許第６８２９０９５Ｂ２号に提示されている。ＬＯＥベースのＨＵＤは、狭い空間に容易に設置できる、非常にコンパクトで自己完結型のＨＵＤの実現を可能にする。これらは、視野（ＦＯＶ）又はアイモーションボックス（画像を見ることができる領域に対応するＥＭＢ）について妥協する必要なく、非常に小さなコリメート光学系の使用を可能にする。したがって、ＬＯＥベースの開口拡張配置は、ＨＵＤに関連する光学系の構築及び製造を簡素化し、したがって、自動車産業に適した、コンパクトで、安価で、消費者版のＨＵＤに適している。

本発明の実施形態の教示によれば、フロントガラスを有する車両のユーザに画像を表示するための、車両用ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）であって、ＨＵＤは、（ａ）画像生成器及びコリメート光学系を備える画像プロジェクタであって、コリメート画像に対応する画像照明を出力する、画像プロジェクタと、（ｂ）少なくとも第１の導光光学素子（ＬＯＥ）を備える光学開口拡張器であって、ＬＯＥが、一対の相互に平行な主外部表面を有し、画像照明が、主外部表面での内部反射によりＬＯＥ内を伝搬するように、画像プロジェクタが、光学開口拡張器に光学的に結合され、ＬＯＥは、ＬＯＥの内部にあり、かつ主外部表面に対して傾斜した、少なくとも１つのセットの相互に平行な部分反射面を更に含み、セットの部分反射面が、ＬＯＥから画像照明を徐々に結合出力する、光学開口拡張器と、を備え、光学開口拡張器が、ＬＯＥから結合出力された画像照明が、ユーザがフロントガラスの向こうの光景を見ている間にユーザに可視的であるように、車両のフロントガラスに関連付けられた表面からの反射を含む、光経路を辿るように配備された、車両用ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）を提供する。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、光学開口拡張器は、第１のセットの部分反射面に非平行に配備された、第２のセットの相互に平行な部分反射面を更に含み、第２のセットの部分反射面は、画像照明を画像プロジェクタから第１のセットの部分反射面に向かって徐々に再指向するように配備される。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、第２のセットの部分反射面は、一対の主外部表面間のＬＯＥ内に位置する。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、第２のセットの部分反射面は、第２の対の主外部表面によって境界付けられた第２のＬＯＥ内に位置する。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、第２のＬＯＥは、車両のフロントガラスから離れている、第１のＬＯＥの主外部表面のうちの１つに隣接して配備される。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、セットの部分反射面は、フロントガラスに背を向けている一対の主外部表面のうちの１つから、画像照明を結合出力するように配備され、ＨＵＤは、屈折力を有する反射光学素子を更に備え、反射光学素子は、フロントガラスに関連付けられた表面からの反射によって画像に導入された光学収差を少なくとも部分的に補償するように構成される。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、反射光学素子は、フロントガラスに関連付けられた表面からの反射の後、ユーザによって見られる画像の見かけの距離を画定するように更に構成される。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、反射光学素子から反射された光は、フロントガラスに関連付けられた表面からの反射の前に、ＬＯＥを通して透過される。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、ＬＯＥから結合出力された画像照明は、ユーザがフロントガラスの向こうの光景を見ている間にユーザに可視的であるように、車両のフロントガラスに関連付けられた表面からの高入射角での第１の反射と、追加の反射面からの中間反射と、フロントガラスに関連付けられた表面からの第２の反射と、を含む光経路を辿る。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、フロントガラスに関連付けられた表面は、表面に垂直に入射した光に対する第１の反射率、及び４５度を超える入射角での光に対する第１の反射率未満の第２の反射率を有するように構成された、角度選択的反射器である。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、追加の反射面は、偏光ビームスプリッタであり、１／４波長板が、フロントガラスに関連付けられた表面と追加の反射面との間の光経路に介在される。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、フロントガラスに関連付けられた表面及び１／４波長板は、ともにフロントガラスに組み込まれる。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、フロントガラスと一体化され、表面のユーザから遠い側に位置する、第２の１／４波長板も提供する。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、偏光ビームスプリッタは、フロントガラスに関連付けられた表面からの反射によって画像に導入された光学収差を少なくとも部分的に補償するための屈折力を提供するように成形される。

本発明の実施形態の教示によれば、第１のＨＵＤと、第２のＨＵＤとを備える、システムであって、第１のＨＵＤ及び第２のＨＵＤの各々が、前述のように実装され、第１のＨＵＤ及び第２のＨＵＤの各々が、ユーザに可視的である異なる視野領域を提供し、及び／又は視野をアイモーションボックスの異なる領域から可視的にする、システムも提供する。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、第１のＨＵＤ及び第２のＨＵＤは、並んだ関係で配備される。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、第１のＨＵＤ及び第２のＨＵＤは、部分的に重複する関係で配備される。

本発明の実施形態の教示によれば、ウィンドウ一体型ディスプレイを備えた車両用ドアであって、車両用ドアは、（ａ）ドアパネルと、（ｂ）ドアパネルによって支持されたウィンドウであって、ウィンドウは、ウィンドウの向こうの光景の視界を提供する可視部分と、ドアパネルの内側に延在する隠し部分と、を含み、ウィンドウは、導光光学素子（ＬＯＥ）を備え、ＬＯＥは、一対の相互に平行な主外部表面と、ＬＯＥの内部にあり、かつ主外部表面に対して傾斜した、少なくとも第１のセットの相互に平行な部分反射面と、を有する、ウィンドウと、（ｃ）画像生成器及びコリメート光学系を備える画像プロジェクタであって、画像プロジェクタが、ドアパネル内に位置し、コリメート画像に対応する画像照明をＬＯＥに導入するために、ウィンドウの隠し部分内のＬＯＥの領域に光学的に結合され、画像照明が、主外部表面での内部反射によりＬＯＥ内を伝播し、セットの部分反射面により、ウィンドウの可視部分からのＬＯＥから徐々に結合出力される、画像プロジェクタと、を備える、車両用ドアも提供する。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、画像プロジェクタのＬＯＥへの光学結合は、エアギャップを介し、車両用ドアが、ウィンドウを昇降させるための機構を更に備え、画像プロジェクタが、ウィンドウが上昇位置にあるときに、エアギャップを介して画像照明をＬＯＥ内に結合入力するために整合するように配備される。

本発明の実施形態の更なる特徴によれば、ＬＯＥはウィンドウ材料内に封止され、ＬＯＥに隣接した封止の少なくとも１つの層は、ＬＯＥの主外部表面での内部反射を支援するために、ＬＯＥの材料よりも低い屈折率を有する材料から形成される。

発明を、添付の図面を参照して、実施例としてのみ本明細書に記載する。

車両のユーザに画像を表示するための車両用ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）の概略側面図である。 図１ＡのＨＵＤの概略正面図である。 図１ＡのＨＵＤの変形実装例の概略側面図である。 図１ＡのＨＵＤの更なる変形実装例の概略側面図である。 図３ＡでＩＩＩとマークされた領域の拡大図である。 図１Ａによる複数のＨＵＤユニットを採用するシステムの概略正面図である。 拡張視野を提供するために積み重ねられた、図１Ａと同様の複数のＨＵＤユニットを採用するシステムの概略側面図である。 拡張アイモーションボックスを提供するために積み重ねられた、図１Ａと同様の複数のＨＵＤユニットを採用するシステムの概略側面図である。 図５Ａ及び図５Ｂのシステムの概略正面図である。 それぞれ、特にドアパネルと関連付けられた、縦型ウィンドウにおける実装例に適している本発明の更なる態様によるＨＵＤの概略側面図及び概略正面図である。 それぞれ、特にドアパネルと関連付けられた、縦型ウィンドウにおける実装例に適している本発明の更なる態様によるＨＵＤの概略側面図及び概略正面図である。

本発明は、車両のユーザに画像を表示するための車両用ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）である。

本発明によるヘッドアップディスプレイの原理及び動作は、図面及び添付の説明を参照すると、より良く理解され得る。

ここで図面を参照すると、図１Ａ～図５Ｃは、本発明の第１の態様の様々な非限定的な実施形態を図示する。本発明の本態様は、フロントガラス１５を有する車両（全ては図示せず）のユーザに画像を表示するための車両用ＨＵＤを提供する。ユーザは、ディスプレイが設計される位置の範囲に対応する「アイモーションボックス」（ＥＭＢ）と称される領域に位置する、ユーザの目５０の画像によって図面に表される。「ユーザ」は、典型的には、車両の運転者又は操作者であるが、場合によっては、運転者以外の車両内の乗車者であってもよい。

一般的に言えば、本発明の本態様によるＨＵＤは、コリメート画像に対応する画像照明を出力するために、画像生成器及びコリメート光学系を含む、画像プロジェクタ又は「ＰＯＤ」１４を含む。比較的小さい出力光学開口を有する画像プロジェクタの使用を容易にするために、ＨＵＤは、少なくとも第１の導光光学素子（ＬＯＥ）１０を含む、光学開口拡張器を更に含む。ＬＯＥ１０は、一対の相互に平行な主外部表面３０ａ、３０ｂを有する。画像プロジェクタ１４は、主外部表面３０ａ、３０ｂでの内部反射によって、画像照明がＬＯＥ１０内を伝播するように、光学開口拡張器に光学的に結合されている。ＬＯＥ１０はまた、ＬＯＥの内部にあり、かつ主外部表面３０ａ、３０ｂに傾斜した、少なくとも１つのセットの相互に平行な部分反射面（又は「ファセット」）１２も含む。本セットの部分反射面１２は、画像照明をＬＯＥ１０から徐々に結合する。

本発明の本態様によれば、光学開口拡張器の配備は、ＬＯＥから結合出力された画像照明が、ユーザがフロントガラスの向こうの光景を見ている間にユーザ５０に可視的であるように、車両のフロントガラス１５に関連付けられた表面からの反射を含む、光経路を辿るようにする。

本発明が、非常に有利なＨＵＤ構成を提供することが、すぐに理解されよう。具体的には、１つ以上のＬＯＥを使用してＰＯＤの光学開口を拡張することにより、コンパクトで軽量なＰＯＤの使用を可能にする一方、ＬＯＥは、必要な視野寸法及びＥＭＢ寸法に従って、必要な寸法まで光学開口を拡大する。ＬＯＥ（正確な縮尺では図示せず）は、体積及び重量が小さい薄い平板として実装できる。フロントガラスをコンバイナとして使用することにより、ユーザの現実世界の視界はほとんど妨げられない。

特定の実施形態では、光学開口拡張器はまた、画像照明を画像プロジェクタ１４から第１のセットの部分反射面１２に向かって徐々に再指向するように、第１のセットの部分反射面１２に非平行に配備された、第２のセットの相互に平行な部分反射面２２も含む。部分反射面２２は、それによって第１の寸法の光学開口拡張を達成し、一方、部分反射面１２は第２の寸法の光学開口拡張を達成する。図１Ａ及び図１Ｂに示す実施例では、第２のセットの部分反射面２２が、第２の対の主外部表面３２ａ、３２ｂによって境界付けられた第２のＬＯＥ内に位置する。ここに図示される好ましいが非限定的な実装例では、第２のＬＯＥ２０は、第１のＬＯＥ１０の主外部表面３０ｂに隣接して、すなわち、車両のフロントガラス１５から離れた側に配備される。このようにして、２つのＬＯＥは、特にコンパクトな構成で、一方を他方の上に効果的に積み重ねられる。各ＬＯＥ内の全内部反射条件は、それらの間の小さなエアギャップを確保すること、又はより簡便には、ＬＯＥ自体の材料よりも比較的低い屈折率を有する材料の「絶縁層」を介在させることのいずれかによって、維持することができる。絶縁層の材料は、低屈折率光学接着剤、又は好適な機械的特性を有する、任意の他の透明な低屈折率材料であってもよい。（これは、２つのＬＯＥが、表面が互いに隣接した状態で示されている場合は、以下に論じる様々な実施形態全体を通して真実である。）

本発明のデバイスで採用されるＰＯＤは、好ましくは、コリメート画像、すなわち、各画像画素の光が、画素位置に対応する角方向で、無限遠にコリメートされた平行ビームである画像を生成するように構成される。したがって、画像照明は、二次元の視野角に対応する角範囲に及ぶ。

画像プロジェクタ１４は、典型的にはＬＣＯＳチップなどの空間光変調器を照明するために配備された、少なくとも１つの光源を含む。空間光変調器は、画像の各画素の投影強度を変調し、それによって、画像を生成する。代替的に、画像プロジェクタは、プロジェクタの画像平面を横切ってレーザ光源からの照明を走査しながら、ビームの強度が動きと同期して画素単位で変化し、それによって各画素に所望の強度を投影する、典型的には高速走査ミラーを使用して実装される走査構成を含み得る。どちらの場合も、無限遠にコリメートされる出力投影画像を生成するために、コリメート光学系が設けられる。任意選択的に、上記構成要素のうちの一部又は全ては、当技術分野で周知であるように、１つ以上の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）キューブ、又は他のプリズム構成の表面上に配列され得る。

光経路の最初にあるＬＯＥ（ここでは、ＬＯＥ２０）への画像プロジェクタ１４の光学結合は、例えば、傾斜した角度の入力面を有する結合プリズムを介して、若しくは反射結合構成を介して、ＬＯＥの側縁部及び／又は主外部表面のうちの１つを介してなど、任意の好適な光学結合によって達成され得る。結合入力構成の詳細は、一般に、本発明にとって重要ではなく、特定の実装例のための好ましい形状要因に従って選択される。本例示的な実施形態では、図１Ｂに最もよく見られるように、画像プロジェクタ１４からＬＯＥ２０内への画像照明の結合入力は、画像照明をＬＯＥ１０に向けて徐々に結合出力する部分反射面２２に到達するまで、表面３２ａ、３２ｂからの内部反射によってＬＯＥ２０に沿って伝搬するように、画像照明を偏向する内部反射器２３によって達成される。これは、画像プロジェクタの光学開口に対する、開口拡大の第１の寸法を達成する。次いで、図１Ａに最もよく見られるように、ＬＯＥ２０からＬＯＥ１０内への光の結合入力は、アイモーションボックス内に位置するユーザ５０の目に向けて反射するために、画像照明をフロントガラス１５に向けて徐々に結合出力する部分反射面１２に到達するまで、表面３０ａ、３０ｂからの内部反射によってＬＯＥ１０に沿って伝搬するように、画像照明を偏向する内部反射器１３によって達成される。この形状の結合入力は、前述のＨＵＤのコンパクトな積み重ね構成を容易にする。結合入力のための他の選択肢も適用可能であり、典型的には、カップリングインプリズムを採用する。そのような選択肢は、共譲渡されているＰＣＴ特許出願公開第２０１５／１６２６１１Ａ１号で詳細に論じられており、簡潔な提示のために、ここでは詳細には説明しない。

多くの追加の実施形態が、本発明の追加の態様を例示するために、以下に提示される。提示を簡単にするために、これらの実施形態は、単一のＬＯＥ１０を用いて図示される。しかしながら、各実施形態はまた、当業者には明らかであるように、図１Ａ及び図１Ｂのものと同様の、２つのＬＯＥ構成でも実装され得ることを理解されたい。

特定の実装例では、フロントガラスから反射された光が（ＹＺ平面内で）Ｐ偏光されることは有利であり、ＬＯＥ内に誘導された光は、典型的に、有利にＳ偏光される。偏光を切り替えるために、ＨＷＰ（１／２波長板）１７が、示されるように有利に導入される。加えて、ここに図示されているように、直交する２つのＬＯＥが、光学開口の２つの直交する拡張のために採用される場合、偏光を回転させ、ＬＯＥ２０を出るＳ偏光を、ＬＯＥ１０の表面の配向に従って、Ｓ偏光に変換させるために、ＬＯＥ同士の間にＨＷＰ２７が有利に導入される。

本明細書では、部分反射面１２とは別のＬＯＥ内の部分反射面２２を用いて例示されているが、代替の実装例は、単一のＬＯＥ内、すなわち、主外部表面３０ａ、３０ｂの間に実装された部分反射面の非平行な２つのセットを採用し得る。この場合、内部反射によって部分反射面１２に向かって伝搬するように、画像照明をＬＯＥ内で徐々に偏向させるために、１つのセットの部分反射面２２が配備される。そのようなＬＯＥ構造は、共譲渡されているＰＣＴ特許出願公開第２０２０／０４９５４２Ａ１号に詳細に論じられている。

本明細書に記載の各実施例では、ＬＯＥに沿って伝搬する画像照明の内部反射は、例えば、全内部反射（ＴＩＲ）又はフレネル反射であり得る。加えて、透明のニアアイディスプレイとは異なり、本明細書に提示される光学開口拡張器は、透明なＬＯＥの使用を必要としない。したがって、導波路（３０ｂ）の裏面（下面）は不透明であり得、鏡面反射コーティングの使用を可能にする。このことは、鏡面被覆表面がＴＩＲ条件に従う必要がないため、ＨＵＤに更なる設計の柔軟性を提供し、したがって、導波路は、導波路とダッシュボードとの間のエアバリアなしで、車両ダッシュボード上又は車両ダッシュボード内に取り付けることを可能にする。

いくつかの実施形態では、観察者の目とＬＯＥとの間の比較的大きな距離は、表示輝度の局所的な不均一性に対するビューワの感度を増加させる。場合によっては、そのような影響は、ＬＯＥ１０の上面３０ａに施された部分反射コーティングと、開口部の異なる部分の混合、及び、出力の均一性の向上をもたらす効果を有する、下面３０ｂに施されたミラーコーティングと、を提供することによって、軽減される。

ここで、特に図２を参照すると、本発明のＨＵＤの特定の特徴は、プロジェクタ１４によって出力され、光学開口拡張器を通して伝搬する画像照明が、コリメート画像であることである。この光がユーザの目に光学的に変化なく送達される場合、無限遠に位置する画像の効果を提供する。場合によっては、以下の機能のうちの１つ以上を提供するために、（屈折又は回折）レンズなどの、追加の光学素子（又は、複数の光学素子）を、追加の屈折力を導入する導波路とフロントガラスとの間の光路に、導入することが望ましい。
１．乗員が観察した焦点面の、無限遠から中間焦点面へのシフト。したがって、いくつかのダッシュボード要素は、他の要素よりも近くに見えるように、又は全ての要素が、いくつかの好ましい見かけの距離で見えるようにすることができる。
２．フロントガラスの非平面性に起因する非点収差、焦点ぼけ、樽型の歪み、糸巻き型の歪み、又は任意の他の画像の歪みの補償。（特定の種類の歪みは、フロントガラス、又は他の誘起された画像の歪みを補償するために、デジタル画像の合成調整によって代替的に補正され得る。）
３．アイボックス及び／又は視野の位置決めの横方向（Ｘ及び／又はＹ）シフト。（そのようなシフトはまた、光学エンジンの機械的シフト及び／又は方向転換によっても可能になり得る。）

そのような実装例の１つは、ＬＯＥ１０とフロントガラス１５との間に光学素子１９９（破線によって示される）を導入することによって、図２に概略的に示される。しかしながら、そのような要素を追加することは、実装のコンパクト性に影響を及ぼし得る。特に有利であり得る代替の実装例が図２に図示されており（破線要素１９９を度外視）、図２によれば、光は、ＬＯＥ１０から下向きに結合出力され、次いで、反射光学素子１９からフロントガラスに向かって上向きに反射される。光学素子１９は、素子１９９について上述したものと同様の機能を提供する。場合によっては、要素１９は、偏光回転素子、具体的には、１／４波長板（ＱＷＰ）１８と一体化され得、表面１２の反射特性を提供するコーティングは、偏光依存性コーティングとして実装され得る。したがって、Ｓ偏光がファセット１２によって結合出力される場合、表面１９での反射の前後にＱＷＰ１８を通る照明のダブルパスは、Ｓ偏光をＰ偏光に変換し、次いで、Ｐ偏光は最小限の中断でファセット１２を通過する。図２に示すように、ＬＯＥ１０内のファセット１２の配向は、ここで反転され、そのため、部分反射面１２のセットは、（フロントガラスに背を向けている）主外部表面３０ｂから画像照明を結合出力し、そこで、自身の屈折力に従って画像照明を修正する反射光学要素１９から、画像照明が反射される。要素１９は、フロントガラスに関連付けられた表面からの反射によって画像に導入された光学収差を、少なくとも部分的に補償し得る。追加的又は代替的に、要素１９は、フロントガラスに関連付けられた表面からの反射の後、ユーザによって見られる画像の見かけの距離を画定するように構成され得る。

ここに示される好ましい実装例では、反射光学素子１９から反射された光は、フロントガラスに関連付けられた表面からの反射の前に、ＬＯＥを通して透過される。代替の実装例では、ＬＯＥ及び要素１９の配向を変化させることによって、要素１９からフロントガラス１５への復路光路に、ＬＯＥを回避させることが可能である。

ここで図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、特定の実装例では、フロントガラスに関連付けられた表面からの２つの反射を含む光経路を採用することが、有用であり得る。ここに示される実施例では、ＬＯＥ１０から結合出力された画像照明は、ユーザがフロントガラスの向こうの光景を見ている間にユーザの目５０に可視的であるように、車両のフロントガラスに関連付けられた反射器表面からの第１の入射角での第１の反射と、追加の反射面１８からの中間反射と、フロントガラスに関連付けられた表面からの第２の反射と、を含む光経路を辿る。このような二重反射アーキテクチャは、フロントガラスの下端付近へのＨＵＤシステムの目立たない設置という点で、特に有利であり得る。特徴は組み合わされて示されていないが、このような選択肢は、図１Ａ及び図１Ｂの二次元光学開口拡張、及び／又は図２のような反射光学素子１９の使用と有利に組み合わされる。

このようなアプローチは、フロントガラスに関連付けられた角度選択的反射器表面２１であって、表面に垂直に入射した光に対する第１の反射率、及び４５度を超える入射角での光に対する第１の反射率未満の第２の反射率を有する、角度選択的反射器面２１を採用することによって強化することができる。これは、第１の反射が比較的高い割合の反射であることを確実にし、それによって、容易に可視的なディスプレイを提供するために、第２のフロントガラス反射の後に、十分な表示強度が残ることを確実にしやすくする。そのような角度選択的反射特性は、当技術分野で知られているように、多層誘電体コーティングを使用して実装することができる。

このようなアプローチの、特に最適化された特定の実装例では、様々な構成要素が、偏光を管理するため、及び／又は十分な画像輝度を確保するために使用される。１つの非限定的な特定の実施例として、追加の反射面１８は、偏光ビームスプリッタとして有利に実装され、１／４波長板１７は、フロントガラス１５に関連付けられた反射面と、追加の反射面１８との間の光経路に介在される。第２の１／４波長板１６は、フロントガラスに有利に含まれ、表面のユーザから遠い（外）側に位置する。最も好ましくは、第１のＱＷＰ１６及び第２のＱＷＰ１７、並びに部分反射器表面２１は全てフロントガラス１５に、例えば、図３Ｂの拡大部分図に示すように、組み込まれている。

次いで、本構成の動作は以下の通りである。表面１８は、好ましくは、ＨＷＰ（１／２波長板）と、Ｓ偏光のみを反射する偏光ビームスプリッタ（偏光依存ミラー）とを組み合わせる。ＨＷＰは、ＬＯＥから結合出力されたＳ偏光をＰ偏光に変換し、Ｐ偏光は、次いで、反射器１８を通過する。フロントガラス内部では、部分反射層２１から反射された光が、ＱＷＰ１７を２回通過し、１／２波長板の機能を果たし、Ｐ偏光を変換してＳ偏光に戻し、Ｓ偏光は、次いで、表面１８によって反射される。表面１８から反射された光は、Ｓ偏光として、より大きな入射角（すなわち、より浅い角）でフロントガラスに入射し、Ｓ偏光は、観察者の目５０に送達される前に、部分反射器２１での反射の前後に、ＱＷＰ１７を２回通過することによって再びＰ偏光に変換される。

加えて、ＱＷＰ１６の存在は、第２の反射で部分反射器２１を通過する光もまた、Ｐ偏光に変換され、ブリュースタ角に近い角度でフロントガラスの外面に入射され、大きく反射せず、それによって、ゴースト画像の形成を回避することを確実にする。そのような高効率のシステムでは、角度の関数としての表面２１の反射率の依存性が顕著であり、第１の反射については低入射角（ＡＯＩ）での高反射、第２の反射についてはより高いＡＯＩでの低反射を有する。

任意選択的に、表面１８の偏光ビームスプリッタは、上述の要素１９と同様の方法で、フロントガラスに関連付けられた表面からの反射によって画像に導入された光学収差を少なくとも部分的に補償するための屈折力を提供するように、及び／又は、ディスプレイの所望の見かけの範囲を提供するように成形される。

ここで図４及び図５Ａ～図５Ｃを参照すると、特定の場合では、２つ以上のＨＵＤを、組み合わせシステムに統合ことが有利であり得、各ＨＵＤは、ユーザに可視的な異なる視野領域を提供し、及び／又は視野をアイモーションボックスの異なる領域から可視的にする。これら複数のＨＵＤは、並んだ関係で配備され、例えば、図４に示すように、Ｘ方向に沿って配列され得る。代替的に、特定の場合では、図５Ａ～図５Ｃを参照して示されるように、複数のＨＵＤが少なくとも部分的に重複する関係で配備される。

したがって、場合によっては、各々がＬＯＥ及びＰＯＤを含む、２つ以上の光学エンジンは、各々がそれぞれのアイモーションボックス、及び運転者又は乗車者の視野部を有する、複数の画像を反射するために、自動車のフロントガラスの下に設置される。これらの画像の各々の高さ、縮尺、及び知覚される焦点面は、以下に詳述されるように、独立して制御され得る。図４は、画像スティッチングなしで画像の独立した部分を投影する、複数の光学エンジン（ＯＥ）を概略的に示す。「画像スティッチング」とは、投影及び／又は結合出力された２つ以上の画像が、一部を互いに重ねている画像データを含むことを意味する。

いくつかの実施形態では（単一のＨＵＤについても）、ＨＵＤシステムは、ＨＵＤの１つ以上の要素を制御するように構成された、コントローラを含むことができる。例えば、コントローラは、上述の目的のうちの１つを達成するために、電気的に制御可能な光学素子として実装された、上述の追加の光学素子を制御するために使用され得る。コントローラは、互いに独立して、又は互いに連携及び協力して、様々なＨＵＤシステム要素を制御し得る。例えば、コントローラを使用して、画像の焦点深度を別々に、かつ互いに独立して調整することができる。好ましくは、コントローラはまた、当技術分野で全て周知であるように、画像プロジェクタを駆動するための、少なくとも１つのプロセッサ又は処理回路などの全ての必要な電子部品も含む。

更なる選択肢によれば、そのような調整／補償は、三軸のうちのいずれかの軸において、複数の光学エンジンの各々に対して独立して実行され得る。最適な実施形態では、そのような調整は、電子的チューニング可能なレンズ、ＰＺＴアクチュエータ、又は任意の他の種類の電気的に可変の光学素子の使用によって実行され得る。

本発明の特定の好ましい実装例は、以下の利点のうちの１つ以上を提供し得る。
１．拡張及び調節可能な、アイモーションボックス及び視野。
２．異なる画像要素のための、静的又は動的に調整可能な焦点面。
３．車両のダッシュボードに一体化するためのコンパクトな形状要因。
４．コンパクトな光学部品は、費用対効果及び高い光学性能を可能にする。

図５Ａ～図５Ｃは、２つの光学開口拡張器が少なくとも部分的に重複する関係で交互に配列された、更なる実装例を図示する。第１のＨＵＤ構成は、図１Ａ及び図１Ｂの対応する要素と同一の方法で、画像プロジェクタ１４、ＬＯＥ２０及びＬＯＥ１０を含む。第２のＨＵＤ構成は、それぞれ１４’、２０’、及び１０’と表示された、同様の構成要素を採用する。これらの要素は、図面に示すように、ＴＩＲ条件を維持するために、隣接するＬＯＥ同士の間の好適な光学的絶縁層で、整然とネスト状にすることができる。互いに重なった領域内の２つのＨＵＤ間の相互作用を最小限に抑えるために、様々な偏光スキームを使用し得る。１つの非限定的な実施例として、ＬＯＥ１０’は、Ｐ偏光を部分的に反射する構造偏光子ビームスプリッタ（例えば、ワイヤグリッドビームスプリッタ）を使用して実装される、部分反射表面で動作してよく、Ｐ偏光は、次いで、ＬＯＥ１０の部分反射面によって透過される。他の全ての態様では、ＬＯＥ１０’の構造及び動作は、ＬＯＥ１０に準用して理解されるであろう。

図５Ａは、２つのＨＵＤサブシステムによって、垂直視野（ＦＯＶ）の異なる領域が投影される場合を図示する。画像コンテンツに応じて、これらの画像は、所与の寸法の単一のＨＵＤシステムによって提供されるよりも大きい、単一の連続した拡大された視野を提供するようにともに「スティッチング」された、連続画像のサブ領域であり得る。図５Ｂは、図５Ｂの垂直方向の矢印ＥＭＢによって表される、より大きなアイモーションボックス領域にわたって必要なＦＯＶを提供するために、同じＦＯＶが両方のシステムによって提供されるが互いに補完する、代替の用途を図示する。

本明細書に開示される様々な実施形態では、ＨＵＤ構成要素の、光学面の所望の平行度、及び他の光学特性は、極端な温度勾配によって影響を受け得る。極端な温度勾配を回避するために、場合によっては、ＨＵＤシステムの少なくとも一部の熱制御を実施することが好ましいことがある。これは、様々なＨＵＤ構成要素（ＰＯＤ及び／又はＬＯＥ）を、構成要素にわたって均一な温度を維持する傾向がある、熱板に取り付けることによって、実装され得る。最も好ましくは、熱電温度制御構成要素は、光学構成要素を目標温度範囲内に維持するために、熱板に関連付けられる。

特定の実装例では、ＨＵＤの光学構成要素をＵＶ劣化から保護するために、フロントガラス１５に組み込まれたＵＶ遮断層を提供することが好ましい場合がある。追加的又は代替的に、ＨＷＰ１７、ＰＢＳ１８又は上部ＬＯＥ表面３０ａなどのＨＵＤ光学系の最上面には、ＵＶ遮断層を設けてもよい。

特定の場合では、外部放射線、及び特に直射日光が、ユーザの目に到達する可能性のある「ゴースト」反射を引き起こす可能性のある角度で、ＬＯＥなどのＨＵＤ光学構成要素の表面に反射することを防止するために、追加の予防措置が必要であり得る。そのような予防措置は、（上述の偏光スキームのうちの１つによる）ユーザの目に伝達されていない偏光のみを認めるように、フロントガラスの下縁部にわたって偏光ストリップを使用することを含み得る。このことは、太陽光のグレアの表面反射を最小限に抑えるために、ＬＯＥの露出した任意の表面に反射防止コーティングを提供することによって、更に強化することができる。追加的又は代替的に、場合によっては、ゴースト反射のリスクを伴う関連角度で、入射する太陽のグレアから光学素子を守る、慎重に配置された機械的バッフルによって、潜在的な入射グレアの特定の方向を遮断することが可能であり得る。

いくつかの実施形態では、ＨＵＤシステムは、運転者の瞳孔の位置を検出するように構成された、目追跡センサを含むことができる。目追跡センサに結合されたコントローラを使用して、眼球の位置又は視野方向に基づいて、導波路とフロントガラスとの間に配置された光学素子を制御することができる。例えば、ドライバが遠くを見ている場合、光学素子は、１つ以上の画像の焦点深度を増加させるように、調整され得る。同様に、運転者の目が、比較的近い点に焦点を合わせている場合、光学素子は、１つ以上の画像の焦点深度を減少させるように調整され得る。同様に、コントローラは、眼球追跡センサによって検出されるように、運転者の視野方向に基づいて、１つ以上の画像の横方向の位置を調整できる。

本発明の更なる態様は、図６Ａ及び図６Ｂに概略的に示される。この場合、導波路（ＬＯＥ）は、車のサイドウィンドウの内部又は隣接して導入され、典型的には、ほぼ垂直に配列される。本構成のための１つの好ましい技術は、（例えば、「ＬＯＥ ｗｉｔｈ Ｔｗｏ－Ａｘｉｓ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ」に記載されているような）複合ＬＯＥ構造である。したがって、画像は、垂直方向及び水平方向に拡張され得、撮像ポッドのサイズ及び複雑さを更に低減する、画像の二次元拡張を提供する。

図６Ａに示すように、ＥＭＢを表す観察者の目５０は、ＬＯＥ１０が隣接又は統合されるウィンドウ１５ａの手前に示される。ＬＯＥ（「導波路」）は、光学開口部（「瞳孔」）を一次元で、この場合、Ｙ方向に沿って拡大する、相互に平行な部分反射内面１２のセットと、光学開口部を直交方向に、ここではＺ方向に沿って拡大する、相互に平行な部分反射内面１１の別のセットと、を含む。ここに図示された非限定的な実施例では、結合プリズム１３を介して、ＰＯＤ１４からＬＯＥに光が投入される。内部反射による伝播の支援を容易にする、エアギャップ、又は低屈折率接着剤、又は別の低屈折率絶縁層を、任意選択的に使用することによって、本構造を異なる封止方法でサイドウィンドウ１５内に実装することができる。したがって、ＬＯＥは、好ましくは、ウィンドウ材料内に封止され、ＬＯＥに隣接した封止の少なくとも１つの層が、ＬＯＥの主外部表面での内部反射を支援するために、ＬＯＥの材料よりも低い屈折率を有する材料から形成される。代替的に、角度選択的な反射コーティングを使用して、ＴＩＲ特性を模倣し得る。図６Ｂでは、導波路及びＰＯＤは、Ｘ方向に沿った別の視点から示される。

本発明の一態様によれば、このＨＵＤウィンドウ構成は、車両用ドア１５５のウィンドウに組み込まれる。この場合、本発明の教示によるシステムは、ドアパネル１５５、及び、ドアパネルによって支持されたウィンドウ１５ａを含む。ウィンドウ１５ａは、ウィンドウの向こうの光景の視界を提供する可視部分３４ａと、ドアパネル１５５の内側に延在する隠し部分３４ｂと、を含む。ウィンドウ１５ａと一体化されたＬＯＥ１０は、一対の相互に平行な主外部表面３０ａ、３０ｂと、ＬＯＥの内部にあり、かつ主外部表面に対して傾斜した、少なくとも第１のセットの相互に平行な部分反射面１２と、を有する。画像生成器及びコリメート光学系を含む画像プロジェクタ１４は、ドアパネル１５５内に位置し、コリメート画像に対応する画像照明をＬＯＥに導入するために、ウィンドウの隠し部分内３４ｂのＬＯＥ１０の領域に光学的に結合されており、画像照明は、主外部表面での内部反射によりＬＯＥ内を伝播し、セットの部分反射面により、ウィンドウの可視部分からのＬＯＥから徐々に結合出力される。特定の特に好ましい場合では、二次元拡大は、ＰＣＴ特許出願公開第２０２０／０４９５４２Ａ１号に記載されている構成に類似した、相互に平行な内部部分反射面１１の追加のセットを組み込むことによって達成される。画像プロジェクタ１４、及び、存在する場合、ファセット１１は、ドアパネル１５５内に位置し、画像プロジェクタ及び関連付けられた構成要素に物理的保護を提供し、ファセット１１が、空及び他の光源、又は明るい物体からの周囲光の、問題のある「ゴースト」反射を生成することを防止することは、特に有利である。

車両用ドアウィンドウは、図６Ａ及び図６Ｂの矢印４０によって表される、ドアパネルに対してウィンドウを昇降させるための機構を含むのが一般的であり、これは、ＨＵＤの実装に複雑さを加え得る。特定の場合では、画像プロジェクタが、ウィンドウと一緒に移動しないことが好ましいことがある。この場合、画像プロジェクタ１４のＬＯＥ１０への光学結合は、エアギャップ３６を介して有利に達成され得る。ここで説明した実装例は、ＬＯＥと一体化されたカップリングインプリズム１３とともにエアギャップを採用している。次いで、画像プロジェクタ１４は、ウィンドウが上昇位置にあるが、ウィンドウの下降を妨げることなく、エアギャップ３６及びプリズム１３を介して、画像照明をＬＯＥ１００内に結合入力するために整合するように配備される。

本発明の様々なＨＵＤは、車両の動作に関する広範囲の情報を表示するために、有利に使用され得ることが理解されよう。例えば、特定の特に好ましい実施態様では、ＨＵＤシステムは、速度計、方向指示器、燃料計、及び温度計からなる群から選択される２つ以上を含むダッシュボード要素を表示する。追加的又は代替的に、本システムは、複数のセンサからデータを受信し、かつ、ユーザが見るためにＨＵＤによって投影するための複数のセンサから受信されたデータに対応する複数の画像を生成するように構成された、コントローラを含み得る。

上記の説明は、実施例としてのみ役立つことが意図されること、及び添付の特許請求の範囲で定義されるような本発明の範囲内で、多くの他の実施形態が可能であることが理解されよう。

Claims (14)

1. フロントガラスを有する車両のユーザに画像を表示するための車両用ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）であって、
   （ａ）画像生成器及びコリメート光学系を備える画像プロジェクタであって、コリメート画像に対応する画像照明を出力する、画像プロジェクタと、
   （ｂ）少なくとも第１の導光光学素子（ＬＯＥ）を備える光学開口拡張器であって、前記ＬＯＥが、一対の相互に平行な主外部表面を有し、前記画像照明が、前記主外部表面での内部反射により前記ＬＯＥ内を伝搬するように、前記画像プロジェクタが、前記光学開口拡張器に光学的に結合され、前記ＬＯＥが、前記ＬＯＥの内部にあり、かつ前記主外部表面に対して傾斜した、少なくとも１つのセットの相互に平行な部分反射面を更に含み、前記セットの部分反射面が、前記ＬＯＥから前記画像照明を徐々に結合出力する、光学開口拡張器と、を備え、
   前記光学開口拡張器が、前記ＬＯＥから結合出力された前記画像照明が、前記ユーザが前記フロントガラスの向こうの光景を見ている間に前記ユーザに可視的であるように、前記フロントガラスに背を向けている前記一対の相互に平行な主外部表面の１つを介して前記ＬＯＥから退出し、屈折力を有する反射光学素子によって反射され、前記ＬＯＥに戻って前記ＬＯＥを透過し、前記車両の前記フロントガラスに関連付けられた表面から反射される光経路を辿るように配備され、
   前記フロントガラスに関連付けられた前記表面が非平面であり、前記反射光学素子の屈折力が、前記フロントガラスに関連付けられた前記表面からの反射によって前記画像に導入された光学収差を少なくとも部分的に補償するように設定され、
   前記光経路が、前記ユーザが前記フロントガラスの向こうの光景を見ている間に前記ユーザに可視的であるように、前記車両の前記フロントガラスに関連付けられた前記表面からの高入射角での第１の反射と、追加の反射面からの中間反射と、前記フロントガラスに関連付けられた前記表面からの第２の反射と、を含む、車両用ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）。
2. 前記光学開口拡張器が、第１のセットの部分反射面に非平行に配備された、第２のセットの相互に平行な部分反射面を更に含み、前記第２のセットの部分反射面が、画像照明を前記画像プロジェクタから前記第１のセットの部分反射面に向かって徐々に再指向するように配備される、請求項１に記載のＨＵＤ。
3. 前記第２のセットの部分反射面が、前記一対の主外部表面間の前記ＬＯＥ内に位置する、請求項２に記載のＨＵＤ。
4. 前記第２のセットの部分反射面が、第２の対の主外部表面によって境界付けられた第２のＬＯＥ内に位置する、請求項２に記載のＨＵＤ。
5. 前記第２のＬＯＥが、前記車両の前記フロントガラスから離れている、前記第１のＬＯＥの前記主外部表面のうちの１つに隣接して配備される、請求項４に記載のＨＵＤ。
6. 前記反射光学素子が、前記フロントガラスに関連付けられた前記表面からの反射の後、前記ユーザによって見られる前記画像の見かけの距離を画定するように更に構成される、請求項１に記載のＨＵＤ。
7. 前記フロントガラスに関連付けられた前記表面が、前記表面に垂直に入射した光に対する第１の反射率、及び４５度を超える入射角での光に対する第１の反射率未満の第２の反射率を有するように構成された、角度選択的反射器である、請求項１に記載のＨＵＤ。
8. 前記追加の反射面が、偏光ビームスプリッタであり、１／４波長板が、前記フロントガラスに関連付けられた前記表面と前記追加の反射面との間の前記光経路に介在される、請求項１に記載のＨＵＤ。
9. 前記フロントガラスに関連付けられた前記表面及び前記１／４波長板が、ともに前記フロントガラスに組み込まれる、請求項８に記載のＨＵＤ。
10. 前記フロントガラスと一体化され、前記表面の前記ユーザから遠い側に位置する、第２の１／４波長板を更に備える、請求項９に記載のＨＵＤ。
11. 前記偏光ビームスプリッタが、前記フロントガラスに関連付けられた前記表面からの反射によって前記画像に導入された光学収差を少なくとも部分的に補償するための屈折力を提供するように成形される、請求項８に記載のＨＵＤ。
12. 第１のＨＵＤと、第２のＨＵＤとを備える、システムであって、前記第１のＨＵＤ及び前記第２のＨＵＤの各々が、請求項１に従って実装され、前記第１のＨＵＤ及び前記第２のＨＵＤの各々が、前記ユーザに可視的である異なる視野領域を提供し、及び／又は前記視野をアイモーションボックスの異なる領域から可視的にする、システム。
13. 前記第１のＨＵＤ及び前記第２のＨＵＤが、並んだ関係で配備される、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記第１のＨＵＤ及び前記第２のＨＵＤが、少なくとも部分的に重複する関係で配備される、請求項１２に記載のシステム。