特許 7025439 分割射出瞳ヘッドアップディスプレイシステム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-02-15

(45)【発行日】2022-02-24

(54)【発明の名称】分割射出瞳ヘッドアップディスプレイシステム及び方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/01 20060101AFI20220216BHJP

   B60K 35/00 20060101ALI20220216BHJP

【ＦＩ】

G02B27/01

B60K35/00 A

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2019547678

(86)(22)【出願日】2018-02-28

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-04-02

(86)【国際出願番号】 US2018020324

(87)【国際公開番号】W WO2018160765

(87)【国際公開日】2018-09-07

【審査請求日】2021-03-01

(31)【優先権主張番号】15/449,679

(32)【優先日】2017-03-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】507349503

【氏名又は名称】オステンド・テクノロジーズ・インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(72)【発明者】

【氏名】エル－ゴロウリー，フセイン・エス

(72)【発明者】

【氏名】カイ，ジンボ

(72)【発明者】

【氏名】チュアン，チー－リ

(72)【発明者】

【氏名】メイヤーズ，マーティ

【審査官】井亀 諭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－６８６９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２１４００８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－８３６７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平７－２５７２２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／６２１１３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／０１

Ｂ６０Ｋ ３５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

車両用のヘッドアップディスプレイであって、
前記ヘッドアップディスプレイは：
複数のモジュール
を備え、各前記モジュールは：
ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ；
前記ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャが生成した第１の画像及び第２の画像をコリメートし、拡大し、車両のフロントガラスに向かって反射して、アイボックスセグメント内で視聴可能な第１の仮想画像及び第２の仮想画像を形成するために配置された、凹面ミラー
を有し、
前記複数のモジュールは、前記アイボックスセグメントを組み合わせることによって、各前記モジュールの前記アイボックスセグメントより大きな集合アイボックスを有する前記ヘッドアップディスプレイを提供するよう配設され、前記集合アイボックスは、車両のドライバーの公称頭部位置にあり；
前記ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャは、第１のマイクロ光学素子のセットそれぞれに関連する第１のピクセルのセットと、第２のマイクロ光学素子のセットそれぞれに関連する第２のピクセルのセットとを備え；
前記第１のマイクロ光学素子のセットは、各前記第１のピクセルのセットからの画像を、前記ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャの表面から外向きの方向に投影するよう構成され、これにより、前記集合アイボックスから第１の距離において視聴可能な前記第１の仮想画像が生成され；
前記第２のマイクロ光学素子のセットは、各前記第２のピクセルのセットからの画像を、前記第１の画像に対して下向きに傾斜した方向に投影するよう構成され、これにより、前記集合アイボックスから第２の距離において視聴可能な前記第２の仮想画像が生成される、ヘッドアップディスプレイ。

【請求項2】

前記第１の距離は遠視野の距離であり、
前記第２の距離は近視野の距離である、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。

【請求項3】

前記第１のピクセルのセットは、前記ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャのユーザ定義型の第１のピクセルのセットで構成され、
前記第２のピクセルのセットは、前記ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャのユーザ定義型の第２のピクセルのセットで構成される、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。

【請求項4】

前記第１のピクセルのセットは、前記ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャの奇数行のピクセルで構成され、
前記第２のピクセルのセットは、前記ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャの偶数行のピクセルで構成される、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。

【請求項5】

前記第１のピクセルのセットは、前記ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャの偶数行のピクセルで構成され、前記第２のピクセルのセットは、前記ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャの奇数行のピクセルで構成される、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。

【請求項6】

前記第１のピクセルのセットは、前記ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャのピクセル面積の少なくとも５０％を構成する前記ピクセルで構成され、
前記第２のピクセルのセットは、前記ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャの残りのピクセル面積で構成される、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。

【請求項7】

前記第１のピクセルのセットは、前記ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャの上側領域で構成され、
前記第２のピクセルのセットは、前記ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャの下側領域で構成される、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。

【請求項8】

前記アイボックスセグメント及び前記モジュールの個数は、前記アイボックスセグメント及び前記モジュールの、ユーザによって定義される個数である、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。

【請求項9】

前記第１のピクセルのセットは、前記ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャのユーザ定義型の第１のピクセルのセットで構成され、
前記第２のピクセルのセットは、前記ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャのユーザ定義型の第２のピクセルのセットで構成され、
前記アイボックスセグメント及び前記モジュールの個数は、前記アイボックスセグメント及び前記モジュールの、ユーザによって定義される個数である、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は一般にヘッドアップディスプレイ（ｈｅａｄｓ－ｕｐ ｄｉｓｐｌａｙ：ＨＵＤ）に関し、より詳細には、１つ以上の仮想画像を生成するＨＵＤシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

ヘッドアップディスプレイは、自動車のドライバーに、該ドライバーの視界及び注意を道路から外すことなく、自動車のダッシュボード情報をより視覚的に認識させ、通知することによって、自動車の安全性に寄与する、視覚的補助技術として求められている。しかしながら、現在入手可能なヘッドアップディスプレイは体積が大きく、大半の自動車での使用のために実現可能なオプションとなるには高価すぎる。航空機及びヘリコプターのヘッドアップディスプレイのための用途においても、コスト要因としての程度は低いものの、これらの同一の障害が発生する。ヘッドアップディスプレイの自動車での用途の場合、体積及びコスト面での制約は、車両のサイズ、タイプ及びコスト要件が様々であることにより、更に悪化する。従って、自動車、小型航空機、及びヘリコプターといった小型車両での使用に好適な、低コストでかさばらないヘッドアップディスプレイに対する需要が存在する。

【0003】

従来技術のＨＵＤシステムは一般に、瞳孔イメージングＨＵＤ及び非瞳孔イメージングＨＵＤの２タイプに分類できる。瞳孔イメージングＨＵＤは典型的には、中間画像の配信及び瞳孔の形成を担当するリレーモジュールと、画像のコリメーション及び視聴者の目の位置（本明細書中では「アイボックス（ｅｙｅ－ｂｏｘ）」と呼ばれる）での瞳孔のイメージングを担当するコリメーションモジュールとで構成される。瞳孔イメージングＨＵＤのコリメーションモジュールは典型的には、傾斜曲面若しくは平面リフレクタ、又はホログラフィック光学素子（ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ：ＨＯＥ）として実現され、リレーモジュールは典型的には、光路を曲げるため及び光収差を補償するために傾斜している。非瞳孔イメージングＨＵＤは、システムのアパーチャを、ディスプレイにおける又は拡散による中間画像の位置における光円錐角によって定義する。中間画像ＨＵＤシステムに関しても、リレーモジュールが必要であるが、ＨＵＤアパーチャはコリメーション光学系のみによって決定される。コリメーション光学系は通常、軸対称性を有するが、体積に関して要求される制約を満たすために、折り畳みミラーを備える。これは、収差補正の必要、及びシステムの体積に関する側面によって決定される。

【0004】

特許文献８に記載され、図１－１に図示されている従来技術は、凹面ＨＯＥリフレクタ（図１－１の１１）をコンバイナ及びコリメータとして使用することにより、コリメーション光学系を最小化し、ＨＵＤシステムの体積に関する側面を低減する。得られるＨＵＤシステムは、収差を補償して中間画像を配信するために、複雑な傾斜リレー光学系（図１－１の１０）を必要とする。更にこのＨＵＤシステムは、狭いスペクトルでしか動作しない。

【0005】

特許文献９に記載され、図１－２に図示されている従来技術は、リレー光学系（ｒｅｌａｙ ｏｐｔｉｃｓ：ＲＥＬ）モジュールを用いて、収束コンバイナ（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ ｃｏｍｂｉｎｅｒ：ＣＭＢ）ミラー（図１－２のＣＭＢ）の焦点面に中間画像を配信し、システムの瞳孔を定義する。ＣＭＢミラーは上記中間画像をコリメートし、システムの瞳孔を視聴者の眼に結像して、視聴を促進する。この瞳孔イメージングＨＵＤによるアプローチは、パッケージング及び収差補正のために、複雑なＲＥＬモジュールを必然的に伴う。

【0006】

特許文献１０に記載され、図１－３に図示されている従来技術は、拡散表面（図１－３の５１）上に投影するための投影レンズ（３）を画像ソースとして使用し、また半透明コリメートミラー（図１－３の７）を使用する。コリメートミラーは、無限遠点に画像を形成し、コリメーション光学系のアパーチャは、拡散器の角度幅によって定義される。

【0007】

特許文献１１に記載され、図１－４に図示されている従来技術は、２つの液晶ディスプレイ（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ：ＬＣＤ）パネル（図１－４の２３）からなる画像形成ソースを用いて、コリメーション光学系モジュール（図１－４の１）の焦点面に配置された拡散スクリーン（図１－４の５）上に中間画像を形成する。画像形成ソースの２つのＬＣＤパネルの主要な目的は、形成された画像の視認性のために十分な輝度を達成することである。この目的を達成するために、画像形成ソースの２つのＬＣＤパネルは、拡散スクリーンにおいて２つの連続した横並びの画像を形成するよう、又は重なっており、拡散スクリーンにおいて水平方向及び垂直方向に１／２ピクセルだけシフトされる２つの画像を形成するよう、構成される。

【0008】

特許文献１２に記載されている従来技術は、１対の反射性ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）を用いて、ホログラフィック分散補正を達成し、また観察者の視野内に広帯域表示ソースの仮想画像を投影する。特許文献１３に記載されている従来技術もまた、一方が透過性であり他方が反射性である１対のホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）を用いて、車両のフロントガラスに画像を投影する。

【0009】

特許文献１４に記載され、図１－５に図示されている従来技術は、ファセット反射表面を備えた車両のダッシュボード（図１－５の１８）に画像を投影するよう構成された、車両のフロントガラスの上側に設置された画像プロジェクタ（図１－５の１４）を使用し、ここで上記ファセット反射表面は、画像プロジェクタからの画像を車両のフロントガラスに反射するよう構成される。車両のフロントガラスの表面は、ダッシュボードのファセット表面それぞれからの画像を視聴者に向かって反射するように配向される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【文献】米国特許第７，６２３，５６０号、Ｅｌ－Ｇｈｏｒｏｕｒｙ ｅｔ ａｌ， Ｑｕａｎｔｕｍ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｍａｇｅｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒｅｏｆ， Ｎｏｖ． ２４， ２００９．

【文献】米国特許第７，７６７，４７９号、Ｅｌ－Ｇｈｏｒｏｕｒｙ ｅｔ ａｌ， Ｑｕａｎｔｕｍ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｍａｇｅｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒｅｏｆ

【文献】米国特許第７，８２９，９０２号、Ｅｌ－Ｇｈｏｒｏｕｒｙ ｅｔ ａｌ， Ｑｕａｎｔｕｍ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｍａｇｅｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒｅｏｆ

【文献】米国特許第８，０４９，２３１号、Ｅｌ－Ｇｈｏｒｏｕｒｙ ｅｔ ａｌ， Ｑｕａｎｔｕｍ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｍａｇｅｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒｅｏｆ

【文献】米国特許第８，０９８，２６５号、Ｅｌ－Ｇｈｏｒｏｕｒｙ ｅｔ ａｌ， Ｑｕａｎｔｕｍ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｍａｇｅｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒｅｏｆ

【文献】米国公開特許第２０１０／００６６９２１号、Ｅｌ－Ｇｈｏｒｏｕｒｙ ｅｔ ａｌ， Ｑｕａｎｔｕｍ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｍａｇｅｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒｅｏｆ

【文献】米国公開特許第２０１２／００３３１１３号、Ｅｌ－Ｇｈｏｒｏｕｒｙ ｅｔ ａｌ， Ｑｕａｎｔｕｍ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｍａｇｅｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒｅｏｆ

【文献】米国特許第４，２１８，１１１号、Ｗｉｔｈｒｉｎｇｔｏｎ ｅｔａ ａｌ， Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｈｅａｄｓ－ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙｓ， Ａｕｇ． １９， １９８０

【文献】米国特許第６，８１３，０８６号、Ｂｉｇｎｏｌｌｅｓ ｅｔ ａｌ， Ｈｅａｄ Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ Ａｄａｐｔａｂｌｅ ｔｏ Ｇｉｖｅｎ Ｔｙｐｅ ｏｆ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ， Ｎｏｖ． ２， ２００４

【文献】米国特許第７，３９１，５７４号、Ｆｒｅｄｒｉｋｓｓｏｎ， Ｈｅａｄｓ－ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙｓ， Ｊｕｎｅ ２４， ２００８

【文献】米国特許第７，９８２，９５９号、Ｌｖｏｖｓｋｉｙ ｅｔ ａｌ， Ｈｅａｄｓ－ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙｓ， Ｊｕｌ． １９， ２０１１

【文献】米国特許第４，６１３，２００号、Ｈａｒｔｍａｎ， Ｈｅａｄｓ－Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ， Ｓｅｐ． ２３， １９８６

【文献】米国特許第５，７２９，３６６号、Ｙａｎｇ， Ｈｅａｄｓ－Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ ｆｏｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｕｓｉｎｇ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ， Ｍａｒ． １７， １９９８

【文献】米国特許第８，５５３，３３４号、Ｌａｍｂｅｒｔ ｅｔ ａｌ， Ｈｅａｄｓ－Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｄａｓｈｂｏａｒｄ Ｓｕｒｆａｃｅ， Ｏｃｔ． ８， ２０１３

【文献】米国特許第８，６２９，９０３号、Ｓｅｄｅｒ ｅｔ ａｌ， Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｖｉｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｆｕｌｌ－Ｗｉｎｄｓｈｉｅｌｄ ＨＵＤ， Ｊａｎ． １４， ２０１４

【非特許文献】

【0011】

【文献】Ｂ． Ｈ． Ｗａｌｋｅｒ， Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｖｉｓｕａｌ Ｓｙｓｔｅｍ， Ｔｕｔｏｒｉａｌ ｔｅｓｔｓ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ （ＳＰＩＥ）， ｐｐ． １３９－１５０， ＩＳＢＮ ０－８１９４－３８８６－３， ２０００

【文献】Ｃ． Ｇｕｉｌｌｏｕｘ ｅｔ ａｌ， Ｖａｒｉｌｕｘ Ｓ Ｓｅｒｉｅｓ Ｂｒａｋｉｎｇ ｔｈｅ Ｌｉｍｉｔｓ

【文献】Ｍ． Ｂｏｒｎ， Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ， ７ｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ， Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ １９９９， Ｓｅｃｔｉｏｎ ５．３， ｐｐ． ２３６－２４４

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0012】

簡単に説明した従来技術のＨＵＤシステム、及び引用されている従来技術に記載されている複数の他のＨＵＤシステムにおいて共通しているのは、システムの高いコスト及び大きな体積サイズである。更に、従来技術のＨＵＤシステムはいずれも、様々な自動車及び他の車両のサイズ及び価格帯に適合させるために、サイズ及びコストに関して拡大縮小することができない。従って本発明の目的は、単一の画像形成ソースを用いるＨＵＤシステムよりも体積が大幅に小さなＨＵＤシステムを実現するために、複数の発光性マイクロスケールピクセルアレイイメージャを使用する、ヘッドアップディスプレイに関する方法を紹介することである。更に本発明の目的は、様々な自動車及び小型車両のサイズ及び価格帯に適合させるために拡大縮小できる体積及びコスト的側面を有するモジュール式ＨＵＤシステムを実現できるようにするために、複数の発光性マイクロスケールピクセルアレイイメージャを利用する、新規の分割射出瞳ＨＵＤシステムの設計方法を紹介することである。本発明の更なる目的及び利点は、添付の図面を参照して進行する、本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明から明らかになるだろう。

【0013】

以下の説明では、異なる図面においても、同様の要素には同様の図面参照符号を使用する。詳述される構造及び設計要素等の、本説明中で定義される事物は、例示的実施形態の包括的な理解を助けるために提供される。しかしながら本発明は、これらの具体的に定義された事物を用いることなく実践できる。また、公知の機能又は構造については、これらが不要な詳細により本発明を不明瞭にすることになるため、詳述しない。本発明を理解するために、及び本発明をどのように実地で実施できるのかを確認するために、本発明のいくつかの実施形態を、添付の図面を参照して、単なる非限定的な例として以下で説明する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1-1】図１－１は、凹面ＨＯＥリフレクタをコンバイナ及びコリメータとして使用することにより、コリメーション光学系を最小化し、ＨＵＤシステムの体積に関する側面を低減する、従来技術のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）システムを示す。

【図1-2】図１－２は、リレー光学系（ＲＥＬ）モジュールを用いて、収束コンバイナ（ＣＭＢ）ミラーの焦点面に中間画像を配信し、システムの瞳孔を定義する、従来技術のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）システムを示す。

【図1-3】図１－３は、拡散表面上に投影するための投影レンズ（３）を画像ソースとして使用し、また半透明コリメートミラーを使用する、従来技術のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）システムを示す。

【図1-4】図１－４は、２つの液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルからなる画像形成ソースを用いて、コリメーション光学系モジュールの焦点面に配置された拡散スクリーン上に中間画像を形成する、従来技術のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）システムを示す。

【図1-5】図１－５は、ファセット反射表面を備えた車両のダッシュボードに画像を投影するよう構成された、車両のフロントガラスの上側に設置された画像プロジェクタを使用し、ここで上記ファセット反射表面は、画像プロジェクタからの画像を車両のフロントガラスに反射するよう構成される、従来技術のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）システムを示す。

【図2】図２は、本発明の例示的なモジュール式ＨＵＤ（ｍｏｄｕｌａｒ ＨＵＤ：ＭＨＵＤ）システムを示す。

【図3】図３は、図２のＭＨＵＤシステムの設計パラメータと制約との間の関係を示す。

【図4】図４は、図２の実施形態のＭＨＵＤアセンブリを備えるＨＵＤモジュールの光学的設計態様及び光線トレースダイアグラムを示す。

【図5】図５は、図２の実施形態のＭＨＵＤアセンブリを備えるＨＵＤモジュールの光学性能を示す。

【図6】図６は、図２の実施形態のＭＨＵＤシステムのＭＨＵＤアセンブリ設計例の多視点斜視図を示す。

【図7】図７は、図２の実施形態のＭＨＵＤシステムのインタフェース及び制御用電子部品設計要素（基板）の機能ブロック図を示す。

【図8】図８は、図２の実施形態のＭＨＵＤシステム２００の、新規の分割アイボックス設計方法を示す。

【図9】図９は、準小型自動車のダッシュボードに設置される、図６に示されているＭＨＵＤアセンブリ設計例の実際の体積を示す。

【図10】図１０は、太陽光の負荷を含む、本発明のＭＨＵＤシステムの光線経路を示す。

【図11A-11D】図１１Ａ、１１Ｂはそれぞれ、本発明の多画像ＨＵＤシステムの実施形態のソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ（即ちディスプレイ要素）の正面図及び側面図を示し、これらは、奇数行のピクセルが、一般にイメージャの表面から外向きに投影される第１の画像を生成することになる出力を有することを示し、また偶数行のピクセルが、一般に第１の画像に対してある程度下方に投影される第２の画像を生成することになる出力を有することを示す。 図１１Ｃ、１１Ｄはそれぞれ、本発明の多画像ＨＵＤシステムの実施形態のソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャの正面図及び側面図を示し、これらは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ（即ちディスプレイ要素）の上側領域のピクセルが、上述の第２の画像を生成することになる出力を有し、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャの下側領域のピクセルが、上述の第１の画像を生成することになる出力を有することを示す。

【図12】図１２は、本発明の多画像ＨＵＤシステムの実施形態の複数の光線経路を示す。

【図13】図１３は、準小型自動車のダッシュボードに設置される本発明の多画像ＨＵＤシステムの実施形態の低体積パッケージ設計における、近視野仮想画像及び遠視野仮想画像の公称位置を示す。

【図14】図１４は、複数の非テレセントリック屈折マイクロ光学素子を備える本発明のディスプレイ要素の側面図を示す。

【図15】図１５は、複数の傾斜屈折マイクロ光学素子を備える本発明のディスプレイ要素の側面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明の以下の詳細な説明における「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」又は「ある実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」に関する言及は、該実施形態に関連して説明されるある特定の特徴部分、構造又は特徴が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。この詳細な説明中の様々な箇所に「一実施形態では（ｉｎ ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」という句が出現するが、これら全てが必ずしも同一の実施形態を指すわけではない。

【0016】

近年、発光性マイクロスケールピクセルアレイイメージャデバイスの新たな分類が紹介されている。これらのデバイスは、必要な全ての画像処理駆動回路を含む極めて小さなデバイスサイズで、高い輝度、極めて迅速な多色光強度、及び空間変調機能を備える。１つのこのようなデバイスのソリッドステート光（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｌｉｇｈｔ：ＳＳＬ）放出ピクセルは、発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザダイオード（ＬＤ）であってよく、これらのオン／オフ状態は、上記イメージャの発光性マイクロスケールピクセルアレイが結合されたＣＭＯＳチップ（又はデバイス）に内包されている、駆動回路によって制御される。このようなイメージャデバイスの発光性アレイを構成するピクセルのサイズは典型的には、およそ５～２０マイクロメートルの範囲内であり、上記デバイスの典型的な発光表面積はおよそ１５～１５０平方ミリメートルとなる。発光性マイクロスケールピクセルアレイデバイス内のピクセルは、典型的にはそのＣＭＯＳチップの上記駆動回路によって、空間的、色的及び時間的に個別にアドレス指定できる。このようなイメージャデバイスによって生成される光の輝度は、かなり低い消費電力において、数百万ｃｄ／ｍ^２に到達できる。このようなデバイスの一例は、以下に記載される例示的実施形態において言及されるＱＰＩ（登録商標）イメージャ（特許文献１～７を参照）である。しかしながら、ＱＰＩ（登録商標）イメージャは、本発明で使用できるデバイスのタイプの単なる一例であることを理解されたい。（「ＱＰＩ」は、Ｏｓｔｅｎｄｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ．の登録商標である。）よって以下の説明では、ＱＰＩ（登録商標）イメージャに関するいずれの言及は、使用可能なソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ（これ以降、単に「イメージャ」）の１つの具体例として開示される実施形態の特定を目的としたものであり、本発明のいずれの限定を目的としたものではないことを理解されたい。

【0017】

本発明は、上述のようなイメージャの発光性マイクロピクセルアレイデバイス固有の能力を、新規の分割射出瞳ＨＵＤシステムアーキテクチャと組み合わせることによって、例えば自動車用ＨＵＤといったコスト及び体積に関する制約が重要な用途において容易に使用できる、低コストで体積が小さなモジュール式ＨＵＤ（ＭＨＵＤ）システムを実現する。ＱＰＩ（登録商標）イメージャ等のイメージャの発光性高輝度マイクロエミッタピクセルアレイと、本発明の分割射出瞳ＨＵＤアーキテクチャとの組み合わせにより、高輝度の周囲の日光の中であっても効果的に動作するＨＵＤシステムを、様々な車両サイズ及びタイプのダッシュボード又は機器パネルの背後にフィットさせるために十分に小さな体積とすることができる。（本明細書中で使用される場合、用語「車両（ｖｅｈｉｃｌｅ）」は、最も一般的な意味で使用されており、陸上、水上、水中、及び空中での移動を含むがこれらに限定されない、移動を行ういずれの手段を含む。）このようなイメージャによって実現可能な分割射出瞳ＨＵＤアーキテクチャのコストの低さ及びモジュール性により、様々な車両の体積に関する制約にフィットするよう調整可能なモジュール式ＨＵＤシステムを実現できる。ＨＵＤシステムの長所は、以下の複数の段落に記載される実施形態の文脈における、本明細書中で提供される詳細な説明から、更に明らかになるだろう。

【0018】

図２は、本発明の一実施形態のモジュール式ＨＵＤ（ＭＨＵＤ）システム２００の設計コンセプトを示す。図２に示すように、この好ましい実施形態では、本発明のＭＨＵＤシステム２００は、複数のモジュール２１５で構成されたＭＨＵＤアセンブリ２１０で構成され、上記モジュール２１５は一体に組み立てられてＭＨＵＤアセンブリ２１０を形成し、これにより各モジュール２１５は、単一のイメージャと、関連する光学系２２０及び凹面ミラー２３０とで構成される。図２に示すように、関連する光学系２２０を備えた単一のイメージャそれぞれから放出された光は、これに関連する凹面ミラー２３０によってコリメート、拡大及び反射された後、一部が車両のフロントガラス２４０から離れるように反射されて仮想画像２６０を形成し、これは、車両のドライバー（操縦者）の公称頭部位置にあるアイボックスセグメント２５５内において視認可能である。図２に示すように、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の各モジュール２１５は、いずれのある時点において、車両のフロントガラス２４０から同一の位置に、ただしそれぞれの対応するアイボックスセグメント２５５に、同一の仮想画像２６０を形成するように配置され、これにより、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の複数のモジュール２１５が全体として、ＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０を形成する。即ち、仮想画像２６０は、各アイボックスセグメント２５５からはその一部が視認可能であり、集合アイボックス２５０においてその全体が視認可能である。従って、ＭＨＵＤシステム２００のアイボックスセグメント２５５の全体のサイズは、ＭＨＵＤアセンブリ２１０を構成するモジュール２１５の適切な個数を選択することによって調整でき、このアイボックスセグメント及びモジュールの個数は、ユーザ定義可能なものである。ＭＨＵＤアセンブリ２１０の各モジュール２１５は、いずれのある時点において同一の仮想画像２６０を形成するよう配置されるものの、これらの画像は当然のことながら時間と共に変化することになり、例えば燃料ゲージ画像のようにゆっくりと変化してもよく、又はＧＰＳナビゲーションシステムの表示画像のディスプレイにおけるように迅速に変化してもよいが、本発明のＭＨＵＤシステム２００は、画像データが典型的なビデオレートで利用可能である場合、少なくともそのようなレートまでの周波数で動作してよい。

【0019】

ＭＨＵＤシステム２００のこの好ましい実施形態では、ＭＨＵＤアセンブリ２１０のモジュール２１５の各アイボックスセグメント２５５は、対応する凹面ミラー２３０が反射した光線束の射出瞳に位置する。ＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０は事実上、ＭＨＵＤアセンブリ２１０のモジュール２１５のアイボックスセグメント２５５の重複によって形成された、１つの分割射出瞳アイボックスである。本発明のＭＨＵＤシステム２００の、この分割射出瞳の設計方法について、以下の複数の段落で更に詳細に説明する。

【0020】

本発明のＭＨＵＤシステム２００のこの好ましい実施形態では、ＭＨＵＤアセンブリ２１０は複数のモジュール２１５で構成され、上記モジュール２１５は一体に組み立てられてＭＨＵＤアセンブリ２１０を形成し、これにより各モジュール２１５は、ＱＰＩ（登録商標）イメージャ等のイメージャ又はＯＬＥＤデバイス等の他の好適な発光構造体と、関連する光学系２２０及び凹面ミラー２３０とで構成される。本発明のこの実施形態のＭＨＵＤシステム２００のＭＨＵＤアセンブリ２１０及びその各モジュール２１５の設計方法について、以下の段落で更に詳細に説明するが、その前に、本発明のＭＨＵＤシステム２００の関連する利点及び関連する設計パラメータのトレードオフについて説明する。

【0021】

ＭＨＵＤシステム２００の光学設計パラメータのトレードオフ
本発明のＭＨＵＤシステム２００の利点を理解するために、典型的なＨＵＤシステムの基礎となる設計のトレードオフ、及びこれに関連する設計パラメータ間の関係について説明することが重要であると考えられる。ＨＵＤシステムが生成した仮想画像は、典型的には自然のシーンの上に重畳され、これにより、ドライバーがその視界及び注意を道路又は車両の外部環境から外す必要なしに、車両を操縦する視聴者に車両の動作パラメータを視覚的に認識させ、また例えばナビゲーション情報等の重要な情報を提供する。ＨＵＤシステムの設計において考慮するべき重要なパラメータとしては：集合アイボックスの目標サイズ；望ましい視野（ＦＯＶ）；形成される仮想画像のサイズ；仮想画像の解像度；及びシステムの体積に関する要件が挙げられる。これらの設計パラメータ及び制約の間の関係を図３に示す。

【0022】

本発明のモジュール式ＨＵＤ（ＭＨＵＤ）が体積の削減を実現する方法
図３を参照すると、ＭＨＵＤシステム２００のイメージャ２２０のサイズの削減は、より小さな有効焦点距離（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ：ＥＦＬ）につながり、これは上記システムの特徴的な光トラック長であり、一般にシステムの体積の削減に寄与する。しかしながら、アイボックスのサイズが維持されている場合、イメージャのアパーチャのサイズの削減は、より低いシステムのＦ／＃につながり、これは光学的な複雑性の上昇を伴う。これは一般に、より大きなシステムの体積をもたらす。図２に示すＭＨＵＤシステム２００の設計コンセプトに関しては、各モジュール２１５に関するアイボックスセグメント２５５のサイズを、イメージャ２２０のサイズと共に拡大縮小することにより、光学的な複雑性の上昇を回避する。これは、イメージャ２２０のサイズ比による各モジュール２１５の体積の拡大縮小につながる。複数のモジュール２１５を組み合わせて、任意にサイズ設定された集合アイボックス２５０を提供できるＭＨＵＤアセンブリ２１０を形成する。本発明のＭＨＵＤシステム２００の、複数のセグメントに分割されたアイボックスの新規の設計コンセプトは、視聴者のアイボックスに形成されるシステムの射出瞳を複数のセグメントに分割することによって実現され、上記セグメントはそれぞれ、本発明のＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０を構成するアイボックスセグメント２５５のうちの１つに対応する。よって、本発明のＭＨＵＤシステム２００の、このような分割射出瞳設計方法は、同一サイズのアイボックスを提供する従来技術のＨＵＤシステムに比べて小さな、全体の体積に関する側面を達成する。これは望ましいことに、ＨＵＤの全体の体積、複雑性及びコストの削減につながる。ここで開示される本発明のＭＨＵＤシステム２００の分割射出瞳設計方法の他の利点について、以下の記載において説明する。当然のことながら、各モジュールはいずれのある時点において同一の画像を発するため、車両の操縦者は、操縦者がどの１つ以上のアイボックスセグメント２５５を見ているかとは無関係に、同一の位置に同一の仮想画像を見ることになる。

【0023】

ミラーリフレクタを使用する従来技術のＨＵＤシステム（特許文献８～１０）の体積の主要な寄与因子は、凹面ミラーとして識別されている。ミラー自体のサイズが大きいことに加えて、画像ソースのサイズもそれに比例して大きくなり、これは、ＬＣＤパネルといった大きなサイズのイメージャの使用、又は拡散スクリーンに投影される大きなサイズの中間画像の形成を要求し、後者は、プロジェクタイメージャ及びこれに関連する投影光学系を組み込むために、更に大きな体積を追加する。上記の記載において説明したように、本発明のＭＨＵＤシステム２００は、一体に組み立てられてＭＨＵＤアセンブリ２１０の全体としてのリフレクタ２３５（これはサイズが極めて小さく、極めて小さな光トラック長を達成する）を形成する比較的小さなサイズの凹面ミラー２３０をそれぞれ用いる複数のモジュール２１５で構成されたＭＨＵＤアセンブリ２１０を使用することによって、メインリフレクタとして単一の凹面ミラーを使用する従来技術のＨＵＤシステムに比べて、大幅に小さな体積に関する態様を達成する。アパーチャのサイズが小さなイメージャ２２０を用いたＭＨＵＤアセンブリ２１０により、アパーチャのサイズが小さな凹面ミラー２３０の使用が可能となり、上記凹面ミラー２３０は光トラック長が小さく、これは、本発明の、体積が大幅に小さく、かつ体積に関して効率が良いＭＨＵＤシステム２００をもたらす。

【0024】

本発明のＭＨＵＤシステム２００の設計は、典型的には単一の大きなミラーによって生成される大きなコリメート済みビームを、例示的実施形態では３つの等しいサイズのコリメート済みサブビームへと分割することによって機能する。各サブビームは、モジュール２１５の光学サブシステムによって生成される。その結果、Ｆ／＃、光学的複雑性、及び焦点距離（ＥＦＬ）（又は光トラック長）が低減され、結果としてシステムの物理的な体積エンベロープが削減される。図４は、ＭＨＵＤアセンブリ２１０を構成するモジュール２１５の光学的設計態様及び光線トレース図を示す。図４に示すように、ある好ましい実施形態のモジュール２１５は、１つのイメージャと、これに関連する光学系２２０及び凹面ミラー２３０とで構成される。図４に示す実施形態では、イメージャ４１０に関連する光学系４２０は別個のレンズ光学素子として示されているが、本発明のある代替実施形態では、イメージャに関連する光学系４２０を、イメージャ４１０の発光表面の上部に直接取り付けることにより、一体型のイメージャアセンブリ２２０を形成してよい。図４に示すように、各モジュール２１５において、反射凹面ミラー２３０は、これに対応するイメージャ（又は他のイメージャ）２２０が生成した画像を拡大及びコリメートして、集合アイボックス２５０の１つのアイボックスセグメント２５５を形成するが、図４のイメージャ４１０に関連する光学素子４２０は、反射凹面ミラー２３０に起因する軸外歪み及び傾斜収差のバランスを取る。

【0025】

図５は、ＭＨＵＤアセンブリ２１０のモジュール２１５の光学性能を示す。図５に示すように、イメージャ４１０に関連する光学素子４２０の役割は、反射凹面ミラー２３０に起因する軸外歪み及び傾斜収差のバランスを取ることによって、変調伝達関数（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＴＦ）を十分に高いレベルに維持したまま画像のスイミング効果（ｓｗｉｍｍｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）を最小化することである。完全を期すために、画像のスイミング効果は典型的には、ミラーの収差によって引き起こされる光学歪みによる、視聴者の瞳に入る光の方向の変動によって引き起こされ、またこれは、視聴者の頭がＨＵＤシステムのアイボックス内を動き回る（又はアイボックスを注視する）際に、仮想画像の知覚可能な誤った運動（「スイミング効果」として知られる）をもたらす（特許文献６）。極端な場合には、仮想画像の過度のスイミング効果は、人間の視覚及び知覚システムの前庭に関する側面と眼球運動に関する側面との間の衝突によって引き起こされる、乗り物酔いのような感覚、めまい又は吐き気につながる場合がある（非特許文献１、２）ため、ＨＵＤ等の両眼用光学系におけるスイミング効果を最小化することは極めて重要である。

【0026】

本発明のＭＨＵＤシステム２００の分割射出瞳法の別の利点は、上記方法が、大型の光アパーチャを備えた単一のミラーを使用する従来技術のＨＵＤシステムに比べて、スイミング効果の大幅な低減を達成することである。反射凹面ミラー２３０の小さな光アパーチャの収差は、従来の単一ミラーＨＵＤシステムにおいて使用される、光アパーチャが比較的大きなミラーの収差に比べて、はるかに小さい。スイミング効果は、ＨＵＤ反射ミラーに起因する収差によって引き起こされる光学歪み（又は光線方向の偏向）の大きさに正比例するため、本発明のＭＨＵＤシステム２００の光アパーチャが小さな複数の凹面ミラー２３０は、従来技術のＨＵＤシステムに比べて、大幅に小さなスイミング効果を達成する。更に、ＭＨＵＤモジュール２１５のアイボックスセグメント２５５間の角度重複（図８の説明において更に詳細に説明する）により、仮想画像２６０のいずれの点の知覚が、複数のＭＨＵＤモジュール２１５からの光学的寄与を組み込んだものとなる。結果として、複数のＭＨＵＤモジュール２１５の個々の凹面ミラー２３０の収差によって引き起こされる光学歪み（又は光線方向の偏向）は、仮想画像２６０のいずれの点において平均化される傾向を有し、結果として、ＭＨＵＤシステム２００の視聴者が知覚する全体的なスイミング効果が低減される。

【0027】

本発明の別の実施形態では、ＭＨＵＤアセンブリ２１０のイメージャ２２０は、ヒト視覚システム（ｈｕｍａｎ ｖｉｓｕａｌ ｓｙｓｔｅｍ：ＨＶＳ）に可能な解像度よりも高い解像度を有し、この追加の解像度は、凹面ミラー２３０に起因する収差によって引き起こされる残留光学歪みのデジタル画像ワーピング事前補償に専用のものである。典型的なＨＵＤ視聴体験では、仮想画像はおよそ２．５ｍの距離に形成される。ＨＶＳの側方視力は、およそ２００マイクロラジアンである。このような距離において、ＨＶＳは、およそ２５００×０．０００２＝０．５ｍｍピクセルの解像度を有することができ、これは１０インチの対角線を有する仮想画像２６０に関する、およそ４５０×２５０ピクセルの解像度に相当する。例示的なＭＨＵＤアセンブリ２１０で使用されるイメージャ２２０は、同一サイズの光アパーチャによって、この限界よりはるかに高い解像度、例えば６４０×３６０ピクセルの解像度、又は更に１２８０×７２０ピクセルの解像度を提供できる。同一サイズの光アパーチャによってより高い解像度を提供するイメージャ２２０により、同一サイズの光アパーチャを有する凹面ミラー２３０の使用が可能となり、従ってＭＨＵＤアセンブリ２００の体積に関する利点が維持される。イメージャ２２０の追加の解像度により、デジタル画像ワーピング事前補償の使用が可能となるが、これは、仮想画像２６０における達成可能な最大解像度、及び体積に関する上述のものと同一の利点を維持したまま、凹面ミラー２３０の収差に起因する光学歪み、及びその結果としてのスイミング効果を実質的に排除する。

【0028】

各反射凹面ミラー２３０は、非球面又は自由形状とすることができ、これにより、凹面ミラー２３０の非球面又は自由形状因子は、凹面ミラー２３０の光学収差、及び必要な場合はフロントガラスの曲率が最小となるように選択される。なお、各イメージャ２２０の位置は好ましくは、これらに関連する凹面ミラー２３０に関して軸対称であり、これにより、凹面ミラー２３０のうちのいずれの２つの隣接する縁部における収差のバランスが最適となる（ある程度等しくなる）ことが保証される。これにより、ＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０の複数のアイボックスセグメント２５５間の、仮想画像２６０の均一な視聴遷移が保証されるため、これは本発明のＭＨＵＤシステム２００の設計の重要な側面である。

【0029】

図６は、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の多視点斜視図を示す。図６に示すように、ＭＨＵＤアセンブリ２１０は、エンクロージャ６００内で一体に組み立てられた３つの反射凹面ミラー２３０で構成される。３つの凹面ミラー２３０は、別個に製作した後でエンクロージャ６００内に一体として組み付けることも、単一の部品として製作した後でエンクロージャ６００内に組み付けることもできる。３つの凹面ミラー２３０は、別個に組み付けられるか又は単一の光学部品として組み付けられるかにかかわらず、エンボス加工されたポリカーボネートプラスチックを用いて製作してよく、光学表面はその後、スパッタリング技法を用いて、銀又はアルミニウム等の反射性金属の薄層でコーティングされる。図６に示すように、エンクロージャの後部側壁は３つの別個のセクション６１０で構成され、これらにはそれぞれ光学窓６１５が組み込まれ、この光学窓６１５は、後部側壁セクション６１０を、それぞれが凹面ミラー２３０を有した状態で一体に組み立てる際に、それぞれの凹面ミラー２３０の光軸と整列される。図６の側方斜視図に示すように、各後部側壁セクション６１０の上縁部６１７は、凹面ミラー２３０に向かって角度をつけられており、これにより、後部側壁セクション６１０の角度付き縁部表面６１７上に設置されるイメージャ２２０を、各凹面ミラー２３０の光軸と整列させることができる。

【0030】

図６の後方斜視図に示すように、後部側壁セクション６１０は、背面プレート６３０の片側上において一体に組み付けられ、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の制御用及びインタフェース電子機器（プリント回路基板）６２０が、背面プレート６３０の反対側に設置される。更に、背面プレート６３０には、ＭＨＵＤアセンブリ２１０のイメージャ２２０及びインタフェース電子機器素子６２０が生成した熱を放散するための温度冷却フィンも組み込まれる。図６の後方斜視図に示すように、各イメージャ２２０は、イメージャ２２０を制御用及びインタフェース電子機器６２０に接続する柔軟な電子基板６１８上に設置される。

【0031】

図６の後方斜視図に示すように、凹面ミラー２３０及び後部側壁セクション６１０のペアそれぞれの境界縁部の中央には、典型的にはフォトダイオードである光検出器（ｐｈｏｔｏ ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＰＤ）６４０を組み込んでよく、各光検出器６４０は、イメージャ２２０から各凹面ミラー２３０へと放出された光を検出するために位置決め及び配向される。典型的には、各モジュール内に、放出される光の各色に対して１つずつ、３つのフォトダイオードが使用される。光検出器（ＰＤ）６４０の出力は、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の制御用及びインタフェース電子機器６２０に接続され、インタフェース電子機器素子６２０のハードウェア及びソフトウェア設計要素内に実装される（以下で説明される）均一性制御ループへの入力として使用される。ＭＨＵＤアセンブリ２１０の制御用及びインタフェース電子機器６２０に入力として提供されるのは、典型的にはほとんどの車両のダッシュボードの輝度制御の集積部品である、環境光検出器センサ６６０の出力もである。

【0032】

ＭＨＵＤアセンブリ２１０の制御用及びインタフェース電子機器６２０には、図７のブロック図に示されているハードウェア及びソフトウェア設計機能要素が組み込まれ、これらは、ＭＨＵＤインタフェース機能７１０、制御機能７２０、及び均一性ループ機能７３０を含む。ＭＨＵＤアセンブリ２１０の制御用及びインタフェース電子機器６２０のＭＨＵＤインタフェース機能７１０は、典型的にはハードウェアとソフトウェアとの組み合わせで実装され、車両のドライバー支援システム（Ｄｒｉｖｅｒ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ：ＤＡＳ）からの画像入力７１５を受信して、この画像に、制御機能７２０によって提供される色及び輝度補正７３５を組み込んだ後、画像入力７４４、７４５、７４６をＭＨＵＤアセンブリ２１０のイメージャ２２０に提供する。ＭＨＵＤアセンブリ２１０の３つのイメージャ２２０に同一の画像入力７１５を提供してよいが、ＭＨＵＤインタフェース機能７１０は、制御機能７２０から受信した色及び輝度補正７３５に基づいて、各イメージャ２２０に固有の色及び輝度補正をそれぞれの画像入力７４４、７４５、７４６に組み込む。

【0033】

集合アイボックス２５０の複数のセグメント２５５にわたって、色及び輝度の均一性を保証するために、制御用及びインタフェース電子機器６２０の均一性ループ機能７３０は、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の各モジュール２１５の光検出器（ＰＤ）６４０から入力信号７５４、７５５、７５６を受信し、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の各モジュール２１５に関連する色及び輝度を計算した後、集合アイボックス２５０の複数のセグメント２５５にわたって色及び輝度をより均一にするために必要な色及び輝度補正を計算する。これは、ＭＨＵＤアセンブリ２１０を最初に組み立てる際に制御用及びインタフェース電子機器６２０のメモリにおいて実施及び保存される、初期較正ルックアップテーブルの支援によって達成される。次に、均一性ループ機能７３０によって計算された色及び輝度補正を制御機能７２０に提供し、制御機能７２０はこれらの補正を、環境光センサ６５０から受信した入力、並びに外部色及び輝度調整入力コマンド７２５と組み合わせて、色及び輝度補正７３５を生成し、続いてこれを、ＭＨＵＤインタフェース機能７１０によって画像データに組み込み、その後、補正された画像データが、画像入力７４４、７４５、７４６として、イメージャ２２０に提供される。環境光センサ６５０から受信した入力を色及び輝度補正に組み込むにあたって、制御機能７２０は、車両の外部光の輝度に比例して、又は車両の外部光の輝度に関連して、ヘッドアップディスプレイの仮想画像の輝度を調整する。なお、本明細書中で使用される「画像データ（ｉｍａｇｅ ｄａｔａ）」は、ヘッドアップディスプレイへの入力として受信されるか、イメージャに提供されるか、又は他のいずれの形態であるかにかかわらず、いずれの形式の画像情報を意味する。

【0034】

上述のように、ＭＨＵＤシステム２００の一実施形態は、仮想画像２６０においてＨＶＳが有することができる最大の解像度よりも高い解像度を有するイメージャ２２０を使用し、また、イメージャ２２０への画像入力のデジタルワーピングによって引き起こされる光学歪み及びスイミング効果を排除する又は大幅に低減するための手段を組み込む。該実施形態のＭＨＵＤシステム２００のＭＨＵＤアセンブリ２１０のＭＨＵＤインタフェース機能７１０には、各凹面ミラー２３０の残留光学歪みを事前補償するために必要なデジタル画像ワーピングパラメータを識別するデータがそれぞれ組み込まれた複数のルックアップテーブルも、組み込まれていてよい。これらのパラメータをＭＨＵＤインタフェース機能７１０が使用して、各イメージャ２２０への画像データが、対応する凹面ミラー２３０の残留歪みを事前補償するように、各イメージャ２２０のデジタル画像入力をワーピングさせる。ＭＨＵＤインタフェース機能７１０のルックアップテーブルに組み込まれたデジタル画像ワーピングパラメータは、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の光学設計シミュレーションによって事前に生成された後、デジタル画像ワーピング事前補償がＭＨＵＤインタフェース機能７１０によって適用された後の各モジュール２１５の残留光学歪みの測定に基づく光学試験データによって補強される。次に、結果として得られたデジタルワーピングされたデータを、制御機能７２０によって提供された色及び輝度補正７３５と組み合わせて、色及び輝度が補正され、歪みが事前補償された画像データを、ＭＨＵＤアセンブリ２１０のイメージャ２２０への画像入力７４４、７４５、７４６として提供する。ＭＨＵＤシステム２００のこのような設計方法により、凹面ミラー２３０によって引き起こされる残留光学歪み及びその結果としてのスイミング効果を大幅に低減又は完全に排除でき、これにより、歪みのないＭＨＵＤシステム２００を実現できる。

【0035】

図６の斜視図に示すように、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の上側はガラスカバー４３０であり、これは、車両のダッシュボードの上部表面におけるＭＨＵＤアセンブリ２１０の光学インタフェース窓として機能し、またイメージャ２２０における日光による熱負荷を防止するために日光の赤外線放出を減衰させるフィルタとして機能する。使用されるガラスは、関心対象の光の波長に対する有意な透過性も有するように選択するべきである。

【0036】

ＭＨＵＤアセンブリ２１０の上記設計方法は、ヒト視覚システム（ＨＶＳ）の特徴を活用して、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の設計実装及び組み立て許容誤差を簡略化する。まず、眼の瞳の直径がおおよそ５ｍｍ（日中は３～５ｍｍ、夜間は４～９ｍｍ）であること、及びその結果としての、仮想画像２６０を視聴する際の側方視力により、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の凹面ミラー２３０間に、識別できないほど小さな間隙が許容され、これは幅１ｍｍにも達する場合がある。第２に、眼の角度差調節限界がおよそ０．５°であることにより、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の凹面ミラー２３０間に、小さな角度傾斜が許容され、これはおよそ０．１５°に達する場合がある。このように傾斜及び間隙が許容されることにより、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の凹面ミラー２３０に関する機械的整列の許容誤差の要件が大幅に緩和され、従ってＭＨＵＤアセンブリ２１０のための、コスト効率が極めて高い製造及び組み立てアプローチを実現できる。いずれの更なる傾斜及び／又は整列要件にも、通常はソフトウェアによって容易に対応できる。

【0037】

図８は、本発明のＭＨＵＤシステム２００の新規の分割アイボックス設計を示す。図８の図は、ＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０と仮想画像２６０との間の関係を示すことを意図したものである。図８はまた、ＭＨＵＤシステム２００によって表示される、例示的なオブジェクト８１０（仮想画像２６０上に示された矢印）も示す。ＭＨＵＤシステム２００の設計において、各アイボックスセグメント２５５は典型的には、そのそれぞれのモジュール２１５の射出瞳に位置決めされることになる。その結果、各アイボックスセグメント２５５内において視聴者の眼に対して提示される画像情報は、その角度空間内となる。よって、各アイボックスセグメント２５５内において分割されて視聴者に提示される仮想画像２６０の矢印型オブジェクト８１０は、典型的には、視聴者の頭部が各アイボックスセグメント２５５の中央領域内に位置決めされているときには、視聴者にとって完全に視認可能となるが、視聴者の頭部がアイボックスセグメント２５５の右側又は左側に移動すると、それぞれ仮想画像２６０の矢印型オブジェクト８１０の先端部又は尾部が次第にぼやける（又は消えてゆく）ことになる。ＭＨＵＤシステム２００の設計において、図６の斜視図に示すように、モジュール２１５を一体としてＭＨＵＤアセンブリ２１０内に統合する際、モジュール２１５のアイボックスセグメント２５５は、図８に示すように重複させられ、これにより、ＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０が生成される。よって、ＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０は、複数のモジュール２１５のアイボックスセグメント２５５を形成する射出瞳エリアの重複によって形成され、従って、集合アイボックス２５０内において視聴者の眼に対して提示される画像情報は、ＭＨＵＤモジュール２１５の複合角度視野全体にわたって延在する、仮想画像２６０の角度多重化ビューとなる。図８に示すように、仮想画像２６０の矢印型オブジェクト８１０は、ＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０を画定するアイボックスセグメント２５５の重複エリア内で完全に視認可能（又は視聴可能）となり、ここで仮想画像２６０の矢印型オブジェクト８１０は、視聴者の頭部が集合アイボックス２５０の周縁領域の右側又は左側それぞれへと移動すると、次第にぼやける（又は消えてゆく）。

【0038】

モジュール２１５のアイボックスセグメント２５５間の重複のサイズは、それらの角度的ぼやけプロファイル（図８の８２０）に左右され、ＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０の最終的なサイズを決定する。後者は、その中において仮想画像２６０を所望の輝度均一性で完全に視認可能（又は視聴可能）な、集合アイボックス２５０のエリア境界又は寸法として定義される。図８はまた、モジュール２１５の重複したアイボックスセグメント２５５の全面積にわたる、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の結果的な角度ぼやけプロファイルのシールドを示す。図８に示すように、視聴者に知覚される仮想画像２６０の輝度は、各モジュール２１５からの輝度寄与成分Λ_Ｒ、Λ_Ｃ、Λ_Ｌ（左、中央、右）を含む。集合アイボックス２５０の境界を画定するための基準は、その中において仮想画像２６０の輝度が選択された領域にわたって所与の閾値λ（例えば２５％未満）以内で均一となる、アイボックスセグメント２５５の重複のエリアＡであり、即ちＶａｒ_Ａ（Λ_Ｒ＋Λ_Ｃ＋Λ_Ｌ）≦λ（所望の均一性閾値）である。図８に示す集合アイボックス２５０の境界を画定する上記基準、及びモジュール２１５のアイボックスセグメント２５５の重複により、仮想画像２６０にわたる、知覚される輝度は、モジュール２１５のうちの１つからの少なくとも５０％の寄与成分を含む。これは、上述の基準で定義された集合アイボックス２５０の境界内のいずれの場所においても、各モジュール２１５が仮想画像２６０の知覚される輝度の少なくとも５０％を与えることを意味する。ＭＨＵＤシステム２００のこの設計アプローチを用いる場合、仮想画像２６０の所望の輝度均一性は、集合アイボックス２５０のサイズを画定する基準となる。この設計基準は、１２０ｍｍ幅の集合アイボックス２５０を形成するための、均一性閾値λ＝２５％を用いる図８の設計例に示されている。図８に示すように、均一性閾値λ＝３７．５％を用いると、およそ１５０ｍｍと測定される、およそ２５％幅広の集合アイボックス２５０が画定される。

【0039】

図８に示すように、ＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０の右側及び左側を超えて延在するアイボックスセグメントのエリアでは、仮想画像の矢印型オブジェクト８１０は、視聴者の頭部がこれらの各領域内へと移動すると、次第にぼやけるか又は消えてゆく。ＭＨＵＤシステム２００の上記設計アプローチを用いると、図６に示すＭＨＵＤアセンブリ２１０の右側又は左側にモジュール２１５を追加することによって、上で定義した設計基準によって画定されるＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０の横方向幅がそれぞれ右側又は左側へと延長され、これにより、仮想画像２６０の矢印型オブジェクト８１０が、所望の輝度均一性で完全に視認可能となる。別のモジュール２１５の列をＭＨＵＤアセンブリ２１０に追加した場合、集合アイボックス２５０の高さの延長による同様の効果が、直交方向に発生する。よって、本発明のＭＨＵＤシステム２００のこのようなモジュール式設計方法を用いると、更なるモジュール２１５をＭＨＵＤアセンブリ２１０に追加することによって、設計によって選択されたいずれの幅及び高さ寸法を有する、いずれの任意のサイズの集合アイボックス２５０を実現できる。

【0040】

本質的に、本発明のＭＨＵＤシステム２００の分割射出瞳モジュール式設計方法により、複数のイメージャ２２０及び凹面ミラー２３０の使用が可能となり、これらはそれぞれ比較的小さなアパーチャを有し、またそれぞれ短い光トラック長を達成することにより、従来技術のＨＵＤシステムで使用されている、長い画像ソースの極めて長い光トラック長及び単一のミラーに取って代わる。よって、ＭＨＵＤモジュール２１５の、アパーチャが小さいイメージャ２２０及び凹面ミラー２３０を合わせると、同一サイズのアイボックスを得るためにより大きな単一の画像ソース及び単一のミラーを使用する従来技術のＨＵＤシステムが達成できるものよりも大幅に小さな、体積に関する側面を実現できる。更に、達成されるＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０のサイズは、適切な個数のモジュール２１５（基本設計要素）を使用することによって調整できる。反対に、ＭＨＵＤシステム２００の体積に関する側面を、車両のダッシュボードエリアで利用可能な体積に適合させながら、同一の利用可能な体積にフィットできる従来技術のＨＵＤシステムが達成可能なものよりも大きなサイズの集合アイボックス２５０を達成できる。

【0041】

本発明のＭＨＵＤシステム２００の体積に関する上記利点を例示するために、図６の斜視図は、光アパーチャサイズがそれぞれ６．４×３．６ｍｍである３つのイメージャ２２０と、光アパーチャサイズがそれぞれ６０×１００ｍｍの３つの凹面ミラーとを用いて、輝度均一性閾値λ＝２５％に基づく１２０×６０ｍｍの集合アイボックス２５０のサイズを達成する、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の設計寸法を示す。図６に示す設計寸法に基づくと、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の総体積はおよそ１３５０ｃｃ（１．３５リットル）となる。比較を目的として、同一のアイボックスサイズを達成するために、より大きなアパーチャを有する単一のミラー、及び単一のより大きな画像ソースを使用する、従来技術のＨＵＤシステムの総体積は、５０００ｃｃ（５リットル）を超える。よって、本発明のＭＨＵＤシステム２００の上記設計方法により、従来技術のＨＵＤシステムに比べて容積に関する効率が３．７倍高い（即ち３．７倍小さな）ＨＵＤシステムを実現できる。体積に関するこの利点を可視化するために、図９は、準小型自動車のダッシュボードに設置された、図６に示すＭＨＵＤアセンブリ２１０の設計例の体積を示す。図９に示すように、本発明のＭＨＵＤシステム２００の、体積に関する効率が高い設計により、従来技術のＨＵＤシステムを簡単にフィットさせられない、極めて制限されたダッシュボード体積に、ＨＵＤの機能を追加できる。

【0042】

図１０は、ＭＨＵＤシステム２００の光線経路を示す。図１０に示すように、また図２において既に説明及び図示したように、ＭＨＵＤアセンブリ２１０を構成する３つのイメージャ２２０はそれぞれ、同一解像度（例えば６４０×３６０ピクセル）の同一の画像を、３つの画像で生成し、それぞれ３つの凹面ミラー２３０による反射後、上述の設計例の１２０×６０ｍｍの集合アイボックス２５０全体を角度的にアドレス指定して、上述の設計例の１２５×２２５ｍｍの仮想画像２６０にわたって、６４０×３６０ピクセルの空間解像度を提供する。

【0043】

図１０は、仮想画像２６０において１０，０００ｃｄ／ｍ２の輝度を生成するための設計要件を示す。およそ２０％である典型的なフロントガラスの反射率、及び上述の集合アイボックス２５０の境界の画定基準により、３つのイメージャ２２０はそれぞれ、およそ２５，０００ｃｄ／ｍ２の輝度を生成することになる。控え目に見積もっても、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の３つのイメージャ２２０と、制御用及びインタフェース電子機器６２０とは、２５，０００ｃｄ／ｍ２の輝度を生成するために合わせておよそ２Ｗを消費するが、これは、従来技術のＨＵＤシステムの電力消費のおよそ２５％である。

【0044】

図５に示されているＭＨＵＤシステム２００の性能を参照すると、図５の包囲されたエネルギのプロットは、凹面ミラー２３０の光アパーチャ（サイズ１８０マイクロメートル）からのコリメートされた光ビームの、幾何学的ぼかし半径を示す。有効焦点距離が７２ｍｍである、図６に示す各モジュール２１５の設計例を用いると、図５の包囲されたエネルギのプロットに示されている１８０マイクロメートルにおけるぼかしサイズは、各モジュール２１５に、イメージャ２２０のあるピクセルから発されて対応する凹面ミラー２３０によってコリメートされた光ビームに関して、０．１４３°の角度的広がりを与える。スイミング効果は、あるピクセルからビーム幅全体にわたる０．１４３°の角度的広がりに関連し、その一方で解像度（ＭＴＦ）は、眼の瞳のサイズによってサンプリングされた有効ビーム幅によって決定される。図５のＭＴＦプロットは、直径４ｍｍの典型的な眼の瞳のアパーチャに関して計算された、各モジュール２１５のＭＴＦを示す。この角度的広がりの角度が小さくなるほど、仮想画像２６０におけるスイミング半径が小さくなる。ＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０から２．５ｍにおいて視聴される仮想画像２６０に関して、ＭＨＵＤシステム２００の設計例に関する対応するスイミング半径は、６．２ｍｍとなる。単一のミラーを使用し、またＭＨＵＤアセンブリ２１０の設計例のアパーチャ全体のサイズに等しい光アパーチャサイズを有する、従来技術のＨＵＤシステムは、モジュール２１５の光アパーチャのおよそ２．４倍大きな光アパーチャを有する。収差ぼやけサイズは、アパーチャサイズの３乗に正比例する（非特許文献３）ため、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の設計例のアパーチャ全体のサイズに等しい光アパーチャサイズを有する従来技術の単一ミラーＨＵＤシステムは、５次収差が偶然にも大きな３次収差を補償した場合（これは設計によって意図的に達成できないものである）には、およそ１４．３ｍｍの対応するスイミング半径を有し、そうでない場合、従来技術の単一ミラーＨＵＤシステムは典型的には、およそ３９．７ｍｍの対応するスイミング半径を有し、これは、ＭＨＵＤシステム２００の設計例によって達成されるスイミング半径の６．２倍大きい。また、上述の収差の事前補償方法を用いると、ＭＨＵＤシステム２００のスイミング半径は、この設計例に関して明記されている値よりも大きく低下させることができ、又は完全に排除することさえできる。

【0045】

図１０はまた、日光の負荷を含む、ＭＨＵＤシステム２００の光線経路も示している。図１０に示すように、車両のフロントガラスに当たる日光の逆方向光経路は、集合アイボックス２５０のエリアに到達し、場合によっては仮想画像２６０内にグレアを引き起こす。本発明のＭＨＵＤシステム２００の設計では、集合アイボックス２５０に到達できる日光の量は、従来のＨＵＤシステムに比べて大幅に小さい。第１に、フロントガラス２４０の光透過率が８０％であるものと仮定すると、太陽からの光線は、フロントガラス２４０によって、その輝度の最大８０％まで減衰させられる。第２に、フロントガラス２４０を透過して、凹面ミラー２３０のうちの１つによって対応するイメージャ２２０に向かって反射された太陽光線は、イメージャ２２０の光アパーチャの反射防止（ａｎｔｉ－ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ：ＡＲ）コーティングによって、その輝度の最大５％まで減衰させられ、その後、凹面ミラー２３０のアセンブリに向かって戻るように反射される。第３に、この逆方向経路の日光は、フロントガラス２４０によって集合アイボックス２５０に向かって反射される際に、その輝度の最大２０％まで減衰させられる。上述のように、各モジュール２１５のイメージャ２２０及び凹面ミラー２３０は、仮想画像２６０の輝度に最大５０％寄与しているため、日光があたったモジュール２１５から反射された日光グレアは、仮想画像２６０において更に５０％だけ減衰させられたように見えることになる。

【0046】

従って、この経路減衰分析に基づいて、集合アイボックス２５０に到達する日光は、その輝度の最大０．４％（１％よりはるかに小さい値）まで減衰させられる。ＭＨＵＤシステム２００が１０，０００ｃｄ／ｍ２の輝度及び０．４％の日光グレアを仮想画像２６０において生成できることにより、ＭＨＵＤシステム２００は、２５０，０００ｃｄ／ｍ２を超える日光の輝度を許容でき、これは、およそ２８ｄＢの統一グレア評価（ｕｎｉｆｉｅｄ ｇｌａｒｅ ｒａｔｉｎｇ：ＵＧＲ）（又はグレア対画像強度比）に等しい。言及しておくべきこととしては、ガラスカバー４３０は赤外線吸収性であるものの、本発明のヘッドアップディスプレイに使用される波長の光に対して透過性であり、これにより、日光の負荷による熱が凹面ミラー２３０アセンブリによってイメージャ２２０へと戻されて集中するのが防止される。

【0047】

上述の実施形態では、複数のモジュールを横並びに配置して、アイボックスセグメントの重複を提供することにより、アイボックスセグメント２５５自体よりも幅が広い集合アイボックス２５０を提供した。しかしながら所望に応じて、上記の代わりに又は上記に加えて、より高さの高い集合アイボックス２５０を提供するために、モジュール２１５のアイボックスセグメントが積層されるようにも、モジュールを配置してよく、ここでも全てのモジュールが、車両の前方の同一の位置に同一の仮想画像を表示する。なお、より高さの高い集合アイボックス２５０を提供するための積層は一般に、モジュールの積層ではなく、典型的なフロントガラスの傾斜を理由として、アイボックスセグメントの積層は単に、追加のモジュールのための、ダッシュボードの大きく略水平なエリアを用いることによって、達成してよい。

【0048】

また、「図２に示すように、関連する光学系２２０を備えた単一のイメージャそれぞれから放出された光は、これに関連する凹面ミラー２３０によってコリメート、拡大及び反射された後、一部が車両のフロントガラス２４０から離れるように反射されて仮想画像２６０を形成し、これは、車両のドライバー（操縦者）の公称頭部位置にあるアイボックスセグメント２５５内において視認可能である」と上述されているが、いずれの実施形態において、凹面ミラーによって達成されるコリメーションの程度は必ず完璧なものではなく、仮想画像が車両のどの程度前方に形成されることになるかを制限するために意図的に設定してよい。いくつかの例では、凹面ミラーを実際に、コリメーションを歪めるように意図的に設計することにより、後続のいずれの収差のソース（フロントガラスの曲率が存在する場合は、これが最も顕著な例である）を相殺してよい。

【0049】

軸外歪み及び傾斜収差、並びに色及び輝度の補正は、図２のＭＨＵＤアセンブリ２１０の制御用及びインタフェース電子機器６２０において実施できる（図６も参照）ことを既に示した。当然のことながら、各モジュール２１５からの各画像又は画像セグメントの横方向位置補正もまた、制御用及びインタフェース電子機器６２０において（又は機械的に）行ってよく、これにより、二重画像又は二重画像部分が表示されなくなる。更に、「輝度補正（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）」には少なくとも２つの主要な態様があることに留意されたい。第１の最も顕著な態様は、モジュール間の輝度のばらつきの補正であり、これにより、異なる複数のモジュールからの画像の輝度（及び色）が異なるものとならなくなる。しかしながらこれと関連するのは、画像のワーピング及び他の因子が場合によっては個々のモジュール内の複数の画像部分の輝度のばらつきを引き起こし得るという事実であり、ここで、ワーピングによるピクセル間隔の変化が、視認可能な輝度の収差を引き起こし得る。これが発生した場合、各モジュール内の個々のピクセルの輝度は個別に制御可能であるため、必要に応じて、ピクセルの分離が増大するエリアではピクセルの輝度を局所的に上昇させ、ピクセルの分離が減少するエリアではピクセルの輝度を局所的に低下させることができる。最後に、典型的なソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャは正方形イメージャではなく、典型的には寸法が等しくない長方形であることに留意されたい。その結果、イメージャの配向の選択によって、本発明のヘッドアップディスプレイの設計において利用できる更なる変数を提供することもできる。

【0050】

以下の表１は、本発明の特定の実施形態の、イメージャをベースとしたＭＨＵＤシステム２００の顕著な性能特性を示し、これは、単一のより大きなミラー及び単一のより大きな画像ソースを使用する従来技術のＨＵＤシステムと比較した、本発明の特定の実施形態の性能上の利点を例示している。表１に示すように、本発明の分割射出瞳ＭＨＵＤシステムは、あらゆる性能カテゴリにおいて、従来のＨＵＤシステムの何倍も優れている。更に、製造許容誤差が緩和されたこと、及びミラーのサイズがより小さいことにより、上述のように、本発明のＭＨＵＤシステム２００は、同等のアイボックスサイズを有する従来技術よりもはるかにコスト効率が高くなると予想される。

【0051】

【表1】

【0052】

近視野及び遠視野の仮想画像を用いた、多画像ヘッドアップディスプレイシステム
多数のＨＵＤシステムの応用例において、ＨＵＤシステムが視聴者に対して複数の仮想画像を、好ましくは追加の情報の安全な視聴可能性を提供しながらも視聴者の注意を運転から逸らすことのないよう、視聴者の正面に、表示することが望ましい。この文脈において、複数の仮想画像をＨＵＤシステムによって表示してよく、ここで例えば、第１の仮想画像を、従来のＨＵＤシステムが典型的に採用している遠視野の距離に表示し、第２の仮想画像を近視野の距離に表示する。好ましくは、これら両方の仮想画像は、ＨＵＤシステムの視聴者にとって、頭部を道路から遠ざける必要なしに、及び運転条件に注意を払い続けることができるように、視聴可能である。

【0053】

本開示の発明のある好ましい代替実施形態では、上述の分割射出瞳設計アーキテクチャを、図２に示すように、複数のディスプレイ要素２２０（即ちイメージャ及び関連する光学系２２０）と共に用いてよく、これにより、各ディスプレイ要素２２０は、異なる出力角度の複数の画像を変調するように構成される。

【0054】

本発明の多画像ヘッドアップディスプレイシステムの一態様では、上記システムは、複数のモジュール２１５を備えてよく、各モジュール２１５は：ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ（即ちディスプレイ要素）２２０と；ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ２２０によって生成された第１及び第２の画像をコリメートし、拡大し、車両のフロントガラスに向かって反射することによって、アイボックスセグメント内に視聴可能な第１及び第２の仮想画像を形成するよう構成された、凹面ミラー２３０とを有する。複数のモジュールは、アイボックスセグメント２５５を組み合わせることで、ヘッドアップディスプレイが、各モジュール２１５のアイボックスセグメント２５５よりも大きな集合アイボックス２５０を有するものとして提供されるよう、及び集合アイボックス２５０が車両のドライバーの公称頭部位置にあるように、配置される。本発明の多画像ヘッドアップディスプレイシステムの、この第１の態様では、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ２２０は、第１のマイクロ光学素子のセットそれぞれに関連する第１のピクセルのセットと、第２のマイクロ光学素子のセットそれぞれに関連する第２のピクセルのセットとを備える。第１のマイクロ光学素子のセットは、第１のピクセルのセットそれぞれからの出力を配向して、上述の第１の画像を生成するよう構成され、これにより、集合アイボックス２５０から第１の距離において視聴可能な第１の仮想画像が生成される。第２のマイクロ光学素子のセットは、第２のピクセルのセットそれぞれからの出力を配向して、上述の第２の画像を生成するよう構成され、これにより、集合アイボックス２５０から第２の距離において視聴可能な第２の仮想画像が生成される。マイクロ光学素子は、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ２２０の表面に対して全体的に傾斜したピクセル出力を実現できるよう構成された、非テレセントリックレンズ又は非テレセントリック光学素子を含んでよい。

【0055】

本発明の多画像ヘッドアップディスプレイシステムの実施形態の、上記第１の態様では、上記第１の距離は遠視野の距離であってよく、上記第２の距離は近視野の距離であってよい。第１のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ２２０の、ユーザ定義型の第１のピクセルのセットであってよく、第２のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ２２０の、ユーザ定義型の第２のピクセルのセットであってよい。第１のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ２２０の奇数行のピクセルであってよく、第２のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ２２０の偶数行のピクセルであってよい。第１のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ２２の偶数行のピクセルであってよく、第２のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ２２０の奇数行のピクセルであってよい。第１のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ２２のピクセル面積の少なくとも５０％を構成するピクセルであってよく、第２のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ２２０の上記ピクセル面積の残部であってよい。第１のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ２２０の上側領域又は上側部分であってよく、第２のピクセルのセットは、ソリッドステート発光性ピクセルアレイイメージャ２２０の下側領域又は下側部分であってよい。

【0056】

図１１Ａ～Ｂ、１１Ｃ～Ｄは、このような多画像光変調ディスプレイ要素２２０の非限定的な例を示し、これは、ディスプレイ要素２２０上のピクセルの２Ｄアレイ内の、所定のピクセル行又はピクセル列のセットといった個々のピクセルの所定のセットに、各ピクセルから発された光を所定の固有の方向に配向するか又は方向に関して変調するマイクロ光学素子を組み込むことによって構成される。

【0057】

図１１Ａ～Ｂ、１１Ｃ～Ｄは、多画像ディスプレイ要素２２０が２つの画像を同時に変調するよう設計され、第１及び第２の画像がそれぞれディスプレイ要素２２０の表面から異なる方向に発される例を示す。このようなディスプレイ要素２２０を、図２の分割射出瞳ＨＵＤ設計アーキテクチャの文脈で使用する場合、変調された（上述の）第１の画像は、ＨＵＤシステムのアイボックス２５０から遠視野の距離（例えばおよそ２．５ｍ）において視聴可能な第１の仮想画像を生成し、その一方で、変調された第２の画像は、近視野の距離（例えばおよそ０．５ｍ）において視聴可能な第２の仮想画像を生成する。これら２つの視聴可能な仮想画像は、多画像分割射出瞳ＨＵＤシステムによって同時に変調でき、またこのＨＵＤシステムの視聴者は、垂直軸の平面内において、視線を、分割射出瞳ＨＵＤシステムの複数のディスプレイ要素２２０が変調した上記２つの仮想画像の変調方向の角度傾斜（又は分離）に比例した角度だけ再配向するだけで、第１の仮想画像又は第２の仮想画像を選択的に視聴できる。

【0058】

図１１Ａ、１１Ｂは、本発明の一実施形態におけるディスプレイ要素２２０の上面図及び側面図を示し、この実施形態では、分割射出瞳ＨＵＤシステムの複数のディスプレイ要素２２０は、その光アパーチャを、２つのグループのディスプレイピクセル、例えば奇数行及び偶数行のディスプレイピクセルに区分する（これにより、一方のピクセルのグループ、即ち奇数行のピクセルが第１の画像を変調し、第２のピクセルのグループ、即ち偶数行のピクセルが第２の画像を変調する）ことによって、第１及び第２の画像を変調するよう構成される。ＨＵＤシステムのディスプレイ要素２２０のこのような方向変調能力は、各画像変調ピクセルグループに関連するマイクロ光学素子又はマイクロレンズ素子を、関連するピクセルから発された光を所定の画像方向に方向変調するように設計することによって、実現できる。例えば、図１１Ａ、１１Ｂに示されている場合においては、奇数行のピクセルに関連するマイクロ光学素子は、関連するピクセルのグループから発された光を配向することによって第１の画像を形成し、その一方で、偶数行のピクセルに関連するマイクロ光学素子は、関連するピクセルのグループから発された光を配向することによって第２の画像を形成する。なお、図１１Ａ～１１Ｄ中の各画像に関して、光線は平行なものとして図示されているが、実際には光線はイメージャ２２０から全体として扇形に広がり、これにより、画像のサイズが必要に応じて拡張又は拡大される。ピクセルの放射角度は、以下で更に詳細に説明されるように、非テレセントリックＱＰＩ（登録商標）イメージャの形態の非テレセントリックマイクロ光学レンズ素子の使用によって実現できる。

【0059】

なお、上述した単一画像の分割射出瞳ＨＵＤ設計アーキテクチャを利用する際、複数のイメージャ２２０は、同一の２つの画像をそれぞれ異なる方向に変調して、分割射出瞳ＨＵＤシステムの集合アイボックス２５０内に両方の仮想画像を提示し、ここで、結果として得られる変調された２つの仮想画像はそれぞれ、集合アイボックス２５０にわたって、ただし異なる垂直（又は方位）方向において視聴可能となる。

【0060】

図１１Ｃ、１１Ｄに示されている更なる多画像ＨＵＤシステムでは、分割射出瞳多画像ＨＵＤシステムの複数のディスプレイ要素２２０はそれぞれ、ピクセルの２つの領域又はエリア、即ち図示されている例ではピクセルの上側領域及びピクセルの下側領域に分割される、光アパーチャを有する。この実施形態では、異なる方向に変調される２つの画像はそれぞれ、単一の専用のピクセル領域によって変調される。例えば図１１Ｃ、１１Ｄに示すように、ディスプレイ要素２２０の光アパーチャのピクセルの上側領域（これは、イメージャのピクセルのセットのいずれのユーザ定義部分であってよい）は、ピクセルの上記上側領域を構成するディスプレイ要素２２０の各ピクセルから発された光を配向して、上で定義されているような第１の画像を形成するよう設計された、マイクロ光学素子を有し、その一方で、ディスプレイ要素２２０の光アパーチャのピクセルの下側領域は、ピクセルの上記下側領域を構成するディスプレイ要素２２０の各ピクセルから発された光を配向して、上で定義されているような第２の画像を形成するよう設計された、マイクロ光学素子を有する。ピクセルの放射角度は、以下で更に詳細に説明されるように、非テレセントリックイメージャ２２０の形態の非テレセントリックマイクロ光学素子の使用によって提供できる。

【0061】

図１２は、本発明の多画像分割射出瞳ＨＵＤシステムのある好ましい実施形態を示す。図１２に示すように、複数のディスプレイ要素（又はイメージャ）２２０はそれぞれ２つの仮想画像を変調してよく、ここで第１の画像は上方向に変調され、第２の画像は下方向に変調される。

【0062】

複数のディスプレイ要素２２０は、第１及び第２の画像の両方を同時に変調して、図８に示すように、多画像分割射出瞳ＨＵＤシステムアイボックス２５０を角度的に埋める。凹面ミラー２３０によってコリメートされ、フロントガラスによってアイボックス２５０へと反射された後、複数のディスプレイ要素２２０によって変調（生成）された第１及び第２の２つの画像を構成するコリメートされた光線束は、アイボックス２５０内の２つの異なる傾斜角度において視聴可能となり、これにより、多画像分割射出瞳ＨＵＤシステムの視聴者は、２つの個別かつ同時に変調された仮想画像に焦点を合わせることができ、ここで第１の仮想画像は遠視野２６０－１において視聴可能であり、第２の仮想画像は近視野２６０－２において視聴可能であり、これにより上記２つの仮想画像は、複数のディスプレイ要素２２０によって変調された上記２つの画像間の方向分離角度２２０－４に比例する角度２２０－３だけ、垂直（方位）方向において角度的に分離される。

【0063】

これら２つの仮想画像は、その光線束が異なるレベルで（異なる程度まで）コリメートされるため、異なる第１及び第２の仮想距離にある。凹面ミラー２３０のコリメーションは、アイボックス２５０からの遠視野仮想画像の距離を達成するよう設計される。以下で具体的実施形態の具体例として説明される非テレセントリックＱＰＩ（登録商標）イメージャのマイクロ光学素子は、非テレセントリックＱＰＩ（登録商標）素子に関連する各ピクセルから発される光の更なるコリメーションを導入するよう設計される。よって、凹面ミラー２３０と協働する非テレセントリックマイクロ光学素子によって達成される複合的なコリメーションは、アイボックス２５０からの遠視野仮想画像距離及び近視野仮想画像距離を達成し、これにより、多画像ＨＵＤは、遠視野仮想画像及び近視野仮想画像の両方を同時に表示できる。

【0064】

図１３に示すように、多画像分割射出瞳ＨＵＤシステムの視聴者は、視線を垂直（方位）方向において角度２２０－３だけ再配向するだけで、ＨＵＤシステムによって変調された第１及び第２の２つの仮想画像のうちの一方を視聴できる（又はこれらに焦点を合わせることができる）（図１２も参照）。これら２つの仮想画像は、ディスプレイ要素（イメージャ）２２０を構成するピクセルの２つの別個のグループによって、独立して別個に変調されるため、視聴者に表示される第１及び第２の画像はそれぞれ、視聴者の関心の対象となり得る異なる情報を含むことができる。

【0065】

図１３はまた、多画像分割射出瞳ＨＵＤシステムによって変調された第１及び第２の２つの仮想画像の公称位置を示し、ここで、遠視野仮想画像には、視聴者は、図示されている非限定的な例において、およそ２．５ｍの距離において（おおよそ車両のフロントフードの端部において）焦点を合わせることができ、近視野仮想画像には、視聴者は、およそ０．５ｍの距離において（おおよそ車両のフロントガラスの外側下縁部において）焦点を合わせることができる。

【0066】

なお、上述のＨＵＤの多画像を扱う能力は、有益なことに、図６に概要を示した多画像分割射出瞳ＨＵＤシステムの体積に関する側面の増大をもたらさない。ディスプレイ要素（イメージャ）２２０のインタフェース７１０、制御機能７２０及び均一性ループ７３０もまた、図７に示すように不変のままである。

【0067】

記載されている単一画像分割射出瞳ＨＵＤシステムと比較した、多画像分割射出瞳ＨＵＤシステムの実装及び設計方法の主な差異は、以下の通りである：
１．上の実施形態で説明したように、複数のディスプレイ要素（イメージャ）２２０が、複数の画像を異なる方向に変調する能力を有する。
２．多画像分割射出瞳ＨＵＤシステムの垂直視野（ＦＯＶ）が、２つの方向領域に角度的に分割されることにより、２つの角度的に分離された画像を同時に変調できる。
３．複数のディスプレイ要素（イメージャ）２２０への画像入力７１５が、上の実施形態で説明されている対応するピクセルグループへとそれぞれ（デジタル的に）アドレス指定された２つの画像で構成される。

【0068】

図１４は、上で参照した非テレセントリックＱＰイメージャの例示的な具体化を示し、ここで非テレセントリックマイクロ光学素子１２５０－１は、屈折光学素子（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ：ＲＯＥ）として実現でき、これを用いて、選択されたピクセルの光出力を、ディスプレイ要素２２０の表面に対して全体的に傾斜した角度に配向することによって、近視野仮想画像を提供できる。

【0069】

この図１４の実施形態では、ピクセルレベル屈折型非テレセントリックマイクロ光学素子１２５０－１の方向変調に関する側面は、異なる屈折率を有する誘電材料１３１０、１３２０の連続した層で形成された、偏心マイクロレンズ１２５０－１を用いて実現できる。図１４は、複数の非テレセントリック屈折マイクロ光学素子１２５０－１を備えるディスプレイ要素２２０の概略断面図である。この実施形態では、ピクセルレベル非テレセントリックマイクロ光学素子１２５０－１のアレイは、半導体リソグラフィ、エッチング、及び堆積技法を用いて、低屈折率層１３１０のための酸化ケイ素、及び高屈折率層１３２０のための窒化ケイ素といった半導体誘電材料の複数の層としてウェハレベルでモノリシックに製作してよい。図１４に示すように、ピクセルレベルマイクロ光学素子１２５０－１のアレイは、複数の層、即ち、ピクセルレベルマイクロ光学素子１２５０－１の屈折表面を形成するために連続的に（順次）堆積された、異なる屈折率を有する誘電材料１３１０、１３２０を用いて実現され、上記光学素子は、所望の非テレセントリック性及び画像投影方向が得られるよう、必要に応じて、上記マイクロレンズアレイにわたって、屈折型マイクロレンズ素子の中心位置が漸進的に変化する。

【0070】

図１５は、上で参照した非テレセントリックＱＰＩ（登録商標）イメージャの別の例示的な具体化を示し、ここで非テレセントリックマイクロ光学素子１２５０－２は、傾斜した屈折光学素子（ＲＯＥ）として実現され、これもまた、所望の非テレセントリック性及び画像投影方向が得られるよう、必要に応じて、マイクロレンズアレイにわたって漸進的に変化し、また、これを用いて、選択されたピクセルの光出力を、イメージャ２２０の表面に対して全体的に傾斜した角度に配向することによって、近視野画像又は第２の画像を提供できる。この実施形態では、ピクセルレベル屈折型非テレセントリックマイクロ光学素子１２５０－２の方向変調に関する側面は、異なる屈折率を有する誘電材料１４１０、１４２０の連続した層で形成された、傾斜したマイクロレンズ１２５０－２を用いて実現できる。

【0071】

図１５は、複数の傾斜した屈折マイクロ光学素子１２５０－２を備えるディスプレイ要素２２０の側面図である。この実施形態では、ピクセルレベル非テレセントリックマイクロ光学素子１２５０－２のアレイは、半導体リソグラフィ、エッチング、及び堆積技法を用いて、低屈折率層１４１０のための酸化ケイ素、高屈折率層１４２０のための窒化ケイ素といった半導体誘電材料の複数の層としてウェハレベルでモノリシックに製作してよい。図１５に示すように、ピクセルレベル非テレセントリックマイクロ光学素子１２５０－２のアレイは、複数の層、即ち、ピクセルレベル非テレセントリックマイクロ光学素子１２５０－２の屈折表面を形成するために連続的に（順次）堆積された、異なる屈折率を有する誘電材料１４１０、１４２０を用いて実現できる。

【0072】

このように本発明は多数の態様を有し、これらの態様は、所望に応じて単独で又は様々な組み合わせ若しくは部分的組み合わせで実施してよい。限定目的ではなく例示目的で、本発明の特定の好ましい実施形態を開示及び説明したが、当業者には、以下の特許請求の範囲全体によって定義される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、上記実施形態に対して形式及び細部の様々な変更を行うことができることが、理解されるだろう。

【図1-1】

【図1-2】

【図1-3】

【図1-4】

【図1-5】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A-11D】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】