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特表2023-502408ＨＵＤシステムの画像品質の改善方法、偏光要素、及びかかる偏光要素を備えたＨＵＤシステム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-01-24
(54)【発明の名称】ＨＵＤシステムの画像品質の改善方法、偏光要素、及びかかる偏光要素を備えたＨＵＤシステム
(51)【国際特許分類】
G02B 27/01 20060101AFI20230117BHJP
B60R 11/02 20060101ALI20230117BHJP
【ＦＩ】
G02B27/01
B60R11/02 C
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022529110
(86)(22)【出願日】2020-10-08
(85)【翻訳文提出日】2022-07-08
(86)【国際出願番号】 HU2020050046
(87)【国際公開番号】W WO2021099813
(87)【国際公開日】2021-05-27
(31)【優先権主張番号】P1900393
(32)【優先日】2019-11-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】HU
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】504111451
【氏名又は名称】ブダペスティ ミーサキ エーシュ ガズダサーグトウドマーニ エジェテム
(74)【代理人】
【識別番号】100081352
【弁理士】
【氏名又は名称】広瀬 章一
(72)【発明者】
【氏名】シュヨク，アーベル
(72)【発明者】
【氏名】コッパ，パール
【テーマコード（参考）】
2H199
3D020
【Ｆターム（参考）】
2H199DA03
2H199DA15
2H199DA20
2H199DA23
2H199DA30
2H199DA42
3D020BA04
3D020BC02
3D020BE03
(57)【要約】
本発明はHUDシステムの画像品質改善方法に関し、前記HUDシステムは、画像表示デバイス(1)と、半透過性の第1反射面(3a)とそれに実質的に平行な少なくとも一つの半透過性の第2反射面(3b)と、偏光依存性の反射層(13)及び／若しくは反射防止層(14)及び／若しくは光複屈折層(15)とを有する反射要素(3)とを含み、ここで第2反射面(3b)は第1反射面(3a)の画像表示デバイス(1)とは反対側に位置し、前記反射要素(3)は、画像表示デバイス(1)が発生させた画像の種々の地点から発して反射面(3a,3b)上に到達する入射光ビーム(11)から反射光ビーム(12a，12b)を生じて、反射光ビーム(12a,12b)の一部を或る設計検出点(23a)に向けて反射させるようになっており、下記を特徴とする：－反射要素(3)によって設計検出点(23a)の方向に反射された個々の各入射光ビーム(11)について、その入射光ビーム(11)の反射時に、最初に第１の反射面(3a)により反射された反射光ビーム(12a)と最初に第２の反射面(3b)により反射された反射光ビーム(12b)との強度比が最小となる最適偏光状態を決定し、－この予め決定した最適偏光状態に従って、反射要素(3)により設計検出点(23a)の方向に反射された入射光ビーム(11)の偏光状態を、入射光ビーム(11)の光路内に配置された偏光要素(20)を用いてセットする。本発明はまた、偏光要素及びHUDシステムにも関する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
特にＨＵＤシステムのゴースト像を低減させることによりＨＵＤシステムの画像品質を改善する方法であって、前記ＨＵＤシステムは、画像表示デバイス(１)、並びに半透過性の第１の反射面(３ａ)と、それに実質的に平行な少なくとも一つの半透過性の第２の反射面(３ｂ)と、偏光依存性の反射層(１３)、反射防止層(１４)及び光複屈折層(１５)よりなる群から選ばれた層とを有する反射要素(３)、を含み、ここで、第２の反射面(３ｂ)は、第１の反射面(３ａ)の画像表示デバイス(１)とは反対側に位置し、前記反射要素(３)は、画像表示デバイス(１)が発生させた画像の種々の異なる地点から発して反射面(３ａ、３ｂ)上に入射している各入射光ビーム(１１)から反射光ビーム(１２ａ、１２ｂ)を生じさせ、反射光ビーム(１２ａ、１２ｂ)の少なくとも一部を或る設計検出点(２３ａ)に向けて反射させるように構成されており、下記を特徴とする方法：－反射要素(３)によって設計検出点(２３ａ)の方向に反射された入射光ビーム(１１)について、その所定の入射光ビーム(１１)の反射時に、最初に第１の反射面(３ａ)により反射された反射光ビーム(１２ａ)の強度と最初に第２の反射面(３ｂ)により反射された反射光ビーム(１２ｂ)の強度の最小値をこれら２つの強度の最大値で除算することにより算出される反射光ビーム(１２ａ、１２ｂ)の強度比が最小となる最適偏光状態を決定し、そして
－この予め決定した前記最適偏光状態に従って、反射要素(３)により設計検出点(２３ａ)の方向に反射された入射光ビーム(１１)の偏光状態を、入射光ビーム(１１)の光路内に配置された偏光要素(２０)によりセットする。
【請求項2】
前記第１及び第２の反射面(３ａ、３ｂ)の少なくとも一方の反射係数を、偏光依存性の反射層(１３)及び反射防止層(１４)から選ばれた前記の層によって変化させ、そして入射光ビーム(１１)の最適偏光状態の創出を、変化した反射係数を有する反射面(３ａ、３ｂ)に到達する入射光ビーム(１１)のそれぞれが、前記の層の種類に応じてＳ偏光又はＰ偏光されるように、設計検出点(２３ａ)の方向に反射された入射光ビーム(１１)のそれぞれを偏光要素(２０)によって直線偏光させることにより行うことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
光軸(１５０)を有する少なくとも一つの光複屈折層(１５)を反射要素(３)に設け、この光複屈折層(１５)は第２の反射面(３ｂ)の前方にこれと平行に配置されており、そして入射光ビーム(１１)の最適偏光状態の創出を、前記少なくとも一つの複屈折層(１５)を通過して第２の反射面(３ｂ)に到達する入射光ビーム(１１)のそれぞれがＳ偏光されるか又はそれぞれがＰ偏光されるように、設計検出点(２３ａ)の方向に反射された入射光ビーム(１１)を偏光要素(２０)によって楕円偏光させることにより行うことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
偏光要素(２０)として、制御可能なピクセルを持つＬＣＤパネル(３４)を用意し、入射光ビーム(１１)をＬＣＤパネル(３４)のピクセルを通過させ、透過した入射光ビーム(１１)の偏光状態を、ピクセルを制御することによって、予め決定した最適偏光状態に従ってセットすることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項5】
少なくとも一つのデジタルカメラを用意し、このカメラを用いて、ＨＵＤシステムのユーザーの現在の観察位置を検出し、検出されたユーザーの現在の観察位置に従って設計検出点(２３ａ)を選択し、そして選択した設計検出点(２３ａ)を用いて最適偏光状態を決定することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項6】
請求項１～５のいずれか１項に記載の方法を実施するように構成されていることを特徴とする、偏光要素(２０)。
【請求項7】
偏光要素(２０)が複数の偏光軸を有する直線偏光フィルターであって、偏光フィルターの異なる地点で偏光軸の方向が異なることを特徴とする、請求項６に記載の偏光要素(２０)。
【請求項8】
偏光要素(２０)が複数の光軸(１５０’)を有する光複屈折要素であって、複数の光軸(１５０’)及び／又はその位相ずれが、その複屈折要素の異なる地点で異なることを特徴とする、請求項６に記載の偏光要素(２０)。
【請求項9】
偏光要素(２０)が平面又は湾曲面を有することを特徴とする、請求項６～８のいずれか１項に記載の偏光要素(２０)。
【請求項10】
偏光要素(２０)が、個別に制御可能なピクセルを有するＬＣＤパネル(３４)であることを特徴とする、請求項６に記載の偏光要素(２０)。
【請求項11】
画像表示デバイス(１)、並びに半透過性の第１の反射面(３ａ)と、それに実質的に平行な少なくとも一つの半透過性の第２の反射面(３ｂ)と、偏光依存性の反射層(１３)、反射防止層(１４)及び光複屈折層(１５)よりなる群から選ばれた一つの層とを有する反射要素(３)、を備えたＨＵＤシステムであって、ここで、第２の反射面(３ｂ)は、第１の反射面(３ａ)の画像表示デバイス(１)とは反対側に位置し、反射要素(３)は、画像表示デバイス(１)が発生させた画像の種々の異なる地点から発して反射面(３ａ、３ｂ)上に入射している入射光ビーム(１１)から反射光ビーム(１２ａ、１２ｂ)を生じさせ、反射光ビーム(１２ａ、１２ｂ)の少なくとも一部を設計検出点(２３ａ)に向けて反射させるように構成されており、前記反射要素(３)の画像表示デバイス(１)に対する配置は、設計検出点(２３ａ)に向かって反射された入射光ビーム(１１)の一部がブリュースター角で前記第１の反射面(３ａ)に到達するような配置であり、以下を特徴とするＨＵＤシステム：当該ＨＵＤシステムが、画像表示デバイス(１)と反射要素(３)との間の光路に配置された偏光要素(２０)を備え、この偏光要素(２０)が、設計検出点(２３ａ)に向かって反射要素(３)により反射された入射光ビーム(１１)の偏光状態を、ちょうど偏光要素(２０)を通過している最中のその入射光ビーム(１１)の反射時に、最初に第１反射面により反射された反射光ビームの強度と最初に第２の反射面により反射された反射光ビームの強度の最小値をこれらの２つの強度の最大値で除算することにより算出される強度比が最小となるように調整するためのものである。
【請求項12】
第１の光軸(１５０)を持つ光複屈折層(１５)を有する反射要素(３)を備え、偏光要素(２０)は第２の光軸(１５０’)を持つ複屈折要素であり、ここで前記第１及び第２の光軸(１５０、１５０’)は互いに実質的に９０度の角度にあることを特徴とする、請求項１１に記載のＨＵＤシステム。
【請求項13】
偏光要素(２０)がＬＣＤパネル(３４)であり、当該ＨＵＤシステムはＨＵＤシステムのユーザーの現在の観察位置を決定するために１又は２以上のデジタルカメラ(４０)と、さらに当該カメラに接続された中央ＩＴユニット(５０)とを備え、ここで中央ＩＴユニット(５０)はＬＣＤパネル(３４)を制御するように構成されていることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載のＨＵＤシステム。
【請求項14】
画像表示デバイス(１)がデジタルプロジェクター又はデジタルディスプレイであることを特徴とする、請求項１１～１３のいずれか１項に記載のＨＵＤシステム。
【請求項15】
反射要素(３)が車両のフロントガラスであり、第１の反射面(３ａ)がこのフロントガラスの内面であり、そして第２の反射面(３ｂ)がこのフロントガラスの外面であることを特徴とする、請求項１１～１４のいずれか１項に記載のＨＵＤシステム。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ、Head-up display）システムの画像品質を改善する方法に関する。このＨＵＤシステムは画像表示デバイスと反射要素とを備え、反射要素は半透過性（不完全透過性、partially transmissive）の第１の反射面と、これに平行な少なくとも１つの半透過性の第２の反射面とを有し、ここで第２の反射面は第１の反射面の画像表示デバイスとは反対側に配置され、反射要素は、画像表示デバイスが発生させたイメージ（画像）の複数点から出発して反射面に到達する入射光ビームから反射光ビームを生じさせ、反射光ビームの一部をある設計検出点（design detection point）の方向に反射させる。
【0002】
本発明はまた、本発明に係る方法を実施するように構成された偏光要素にも関する。
本発明はさらに、本発明に係る偏光要素を備えたＨＵＤシステムにも関する。
本発明はさらに、本発明に係る偏光要素を備えたＨＵＤシステムにも関する。
【背景技術】
【0003】
ＨＵＤは、もともとはパイロットがルートを見続けるだけでよく、他の方向を見ないですむ目的で軍事用に開発された。一方、従来のヘッドダウンディスプレイ（ＨＤＤ、head-down display）では、パイロットは計器盤をときどき見る必要があり、遠くを見た直後に突然近くに焦点を合わせなければならず、疲れを生じうる。ヘッドアップディスプレイはまた、遠方のイメージ面を作ることにより、近くに焦点を合わせなければならないという問題点を解決する。軍事技術から出発したが、ＨＵＤは今では自動車産業にも使われようになり、民間ユーザーにも利用可能になった。画像を反射要素、換言するとコンバイナー（この目的のために特別に装備した特殊なウインドスクリーン＜フロントガラス＞又は特殊なプレート）上に投影することにより、ドライバーは運転しながら、速度、ナビゲーション、ラジオの設定、エラーメッセージ及びその他の運転情報についての情報（このような情報は普通にはダッシュボード（計器盤）を見ることで見つけなければならなかった）を得ることができる。また、危険な状況（例、路上障害物、見えづらい状態での道路の曲がり、歩道から降りている歩行者等）を眼でみて予測することもできる。現在、ＨＵＤは主に高級車に搭載されているが、適用範囲は急速に拡大しつつある。
【0004】
車両に搭載されている最も一般的なＨＵＤ解決策（図１参照）は、画像表示デバイス１と非球面鏡２とから本質的に構成され、ここで反射要素３はウインドシールド（フロントガラス）である。この実施態様では、非球面鏡２は、ウインドスクリーンの設計のために湾曲している反射要素３の歪みを補正し、かつ画像表示デバイス１の分散する光ビームを集束させるためのものであり、画像表示デバイス１はデジタルプロジェクターであって、これは遠方イメージ面を形成し、ドライバーが車両の前方に「浮いている」ように快適な距離感で見える投影画像４を作り出すようになっている。図２及び図３は、画像表示デバイス１からくる入射光ビーム１１の拡大図を示す。この光ビームは反射要素３の第１の反射面３ａと第２の反射面３ｂの両方から反射され、それにより第１及び第２の反射光ビーム１２ａ、１２ｂを生起させる。反射光ビーム１２ａは第１の画像８を生じる一方、反射光ビーム１２ｂも第２の画像９を生じる。２つの画像８、９が同時に出現することで、結果は不快で、混乱すら生じることとなる。図２は２つの画像８、９の出現を示し、図３は非偏光の光についての反射光ビーム１２ａ、１２ｂの強度を示す。多重反射のため、図に示すよりさらに一層多い散乱光が出現することがあることは、当業者が知る通りである。形成される２つの画像８、９の一方を消去して、２つの光ビーム１２ａ、１２ｂの一方の強度を他方の強度に対して低下させる（即ち、コントラスト比を向上させる）ための解決策はいくつか知られている。
【0005】
各表面で反射される強度は、いわゆるフレネルの式により決まる。反射面では、入射光ビーム１１と反射光ビーム１２とが一つの面、いわゆる入射面１０を画成する。当業者には知られているように、反射光ビーム１２と入射光ビーム１１の強度の比、即ち、反射係数Ｒ＝ＩＲ／ＩＢ（ＩＢは入射ビームの強度、ＩＲは反射ビームの強度）は、入射角θ、表面の両側の材料の屈折率ｎ（空気ではｎ＝１、或るガラスではｎ＝１．５１８）、及び入射面１０と光ビームの偏光との関係に依存する。これらの関係を図４に示す。直線偏光は、入射面１０に対して垂直に偏光する場合にはＳ偏光し、入射面１０に平行に偏光する場合にはＰ偏光する。いわゆるブリュースター角θＢも知られている。これは、Ｓ偏光の反射係数ＲＳはゼロにならずにＰ偏光の反射係数ＲＰがゼロに低下する材料界面を特徴づける入射角である。（とりわけ、純粋にＳ又はＰ偏光ではない時、偏光係数はＲＳとＲＰとから構成される）。偏光の原理で動作するＨＵＤは、この効果を利用し、ブリュースター角で設計されている。しかし、図５及び図６は、Ｓ偏光及びＰ偏光でブリュースター角だけでウインドスクリーンを照射しても、まだヘッドアップディスプレイとして好適なシステムにはならないことを示している。なぜなら、Ｓ偏光の場合、投影された画像はゴースト像（二重像）が残ったままであるか（図５）、又は反射の不存在下ではＰ偏光の場合、反射光が観察者の眼に入ってこず（図６）、従って投影画像は見ることができないものとなるからである。
【0006】
図５及び図６に示した問題を解決するため、公知のＨＵＤシステムは、反射要素３の表面３ａ、３ｂの少なくとも一方の面での反射特性を、偏光に応じて変化させるという解決策を採用している。一つの公知の解決策では、反射要素３の１面又はさらに多くの面３ａ、３ｂに特殊な薄膜系を形成する。形成され高反射を付与する高反射の反射層１３、又は低反射を付与する低反射の反射防止層（抗反射層）１４の機能は、ある特定のタイプの偏光に対してその所定の表面３ａ、３ｂでの光反射を増大又は減少させることである（図７、図８を参照）。ブリュースター角及びそれに近い領域では、その所定タイプの偏光の光で照射された反射要素３の場合、反射の高いコントラスト比を達成し、こうして反射画像を享受する（心地よく受け取る）ことが可能であるが、有用な範囲は限られている。一つの可能な実施態様では、ウインドスクリーンを、例えば１２ｎｍのＡｇと６３ｎｍのＳｉＯ２でコーティングし、Ｓ偏光光ビーム１１を照射する。
【0007】
必要な薄膜系は通常はフォイル（例、３Ｍ社製のＷＣＦ＝Windshield Combiner Film、ウインドシールドコンバイナーフィルム）上に形成され、これが製造中に被覆すべき適切な表面に積層（ラミネート）される。より安価な解決策として、製造後にユーザーによっても作業できる、ウインドスクリーンに貼付可能な反射フィルムが挙げられる。反射層１３を設計する際に看過できない重要な観点はウインドシールド（フロントガラス）の透過率であり、この透過率は国によって規制されている（欧州では最低７５％、米国では最低７０％）。仮に薄膜系で被覆されたウインドスクリーンの光の反射が多すぎて、透過光が少なくなると、透過率が法定値を下回り、市場性を失うことがある。
【0008】
別の公知の解決策（図９及び図１０）では、第１の反射面３ａを通過する光ビームの偏光面を回転させることにより偏光依存性の反射を生じさせる。例えば、好ましくはフィルム形態の、光軸１５０を持つ光複屈折層１５（λ／２波長板）を、反射要素３の第１の反射面３ａに積層し、この反射要素３にブリュースター角に近い角度で偏光を照射する。適切な厚みの複屈折層１５（図の平面と同一面の入射面に対して４５°の角度の光軸をもつ）は、照射光の偏光面を９０°回転させる。即ち、Ｓ偏光からＰ偏光にし、その逆も同じである。それにより、ブリュースター角に近い角度で進んでくる入射光ビーム１１は、その偏光に応じて、一方の表面３ａ又は３ｂからの反射が、他方の表面からの反射より低い強度で反射することになる。Ｓ偏光を用いた場合（図９）、第１の反射面３ａからの反射の方が大きくなり、Ｐ偏光を用いた場合（図１０）、第２の反射面３ｂからの反射の方が大きくなる。ブリュースター角からのずれが次第に大きくなるほど、この効果もより大きく衰退し、ゴースト像が現れるので、有用な角度範囲は限られる。
【0009】
この複屈折層１５を含む解決策の別の問題点は、設計方向からのずれがあると、入射面１０と複屈折層１５の光軸１５０との間の角度が方向ごとに異なる（図１８ａ及び図１８ｂ）ことである。その結果、複屈折層の設計対象である正確な９０°偏光回転が各方向において満たされなくなる。図１８ａは、知覚された画像における異なる地点からユーザーの眼に達する３つの光ビーム１１ａ、１１ｂ、及び１１ｃを示している。表示した３本の光ビームのうち、第１の光ビーム１１ａは設計方向２１の方向に進み、この光ビームについては、光軸１５０と入射面１０との間の角度は、このＨＵＤシステムに最適なΦ０＝４５度の角度に一致する。この角度は、ユーザーが見ている画像の水平方向端部の一方により近い反射要素３上に入射する複数の光ビーム１１に対して垂直方向に沿っては変化しない。他方、水平方向で画像の垂直中心線からずれている入射光ビーム１１が見られていると、光ビーム１１ｂのように、画像の垂直中心線から右側にずれている光ビーム１１の場合、入射面１０ｂと光軸１５０とがなす角度は小さくなり、従って、光ビーム１１ｂに付随する角度Φ１は角度Φ０より小さい、即ち、Φ１＜４５度である。同様に、光ビーム１１ｃのように、画像の垂直中心線より左側にずれた角度については、この角度が大きくなり、入射面１０ｃと光軸１５０との間の角度Φ２は角度Φ０より大きい、即ち、Φ２＞４５度である。複屈折フィルムは、Φ０＝４５度の条件が満たされる場合のみに偏光を９０度回転させる。しかし、角度Φが異なると、偏光の回転はもはや正確に９０度とはならず、２つの反射面３ａ、３ｂから反射される光ビーム１２ａ、１２ｂの強度比は理想の比から離れ、従って、ゴースト像比率が増大する。図１８ｂでは、右側の曲線は投影された画像エリアにおける同一の角度値を示している。画像の垂直中心線では、この角度は画像の下端と上端との間で等しく４５度である。画像の垂直中心線から右側にずれている光ビーム１１の場合、種々の曲線が示しているのは光軸が入射面１０に対して４５度より小さい角度となる光ビーム１１である。本図では、複屈折層１５の光軸１５０が入射面１０との間で形成する角度は、中心から右に第１の曲線に沿って４０度、第２の曲線に沿って３５度、第３の曲線に沿って３０度、そして第４の曲線に沿って２５度である。画像の垂直中心線から左側にずれている光ビーム１１の場合、種々の曲線が示しているのは、光軸が入射面１０に対して４５度より大きい角度となる光ビーム１１である。本図では、複屈折層１５の光軸１５０が入射面１０との間で形成する角度は、中心から左に第１の曲線に沿って５０度、第２の曲線に沿って５５度、第３の曲線に沿って６０度、そして第４の曲線に沿って６５度である。各光ビーム１１について、理想の角度である４５度からの光軸１５０の角度のずれは、ずれの大きさに比例した画像品質の低下、即ち、ゴースト像比率の増大、につながる。
【0010】
図２１ａは、Ｓ偏光により照射された図９に係るシステムに対する垂直及び水平角度におけるずれの際のゴースト像比率を示す。個人にもよるが、３～５％を上回るゴースト像比率は不快となりうる。この図において、同一のゴースト像比率をもつ領域の境界を実線で示し、ゴースト像比率の値を各境界線に表示している。この図は、ゴースト像比率が３％、５％、１０％、２０％、３０％、４０％又は５０％である領域に属する線を示し、ここで、各線の内側では表示のゴースト像比率の値は内側に向かうにつれてより小さく又は減少し、各線の外側では、この値は外側に向かうにつれて大きく又は増大する。この図から明らかに見られるのは、３％のゴースト像比率が達成されるのは小さな領域内、即ち、垂直方向にほぼ＋９°から－９°までの範囲内で水平方向にほぼ－７°から＋７°までの範囲内、だけであることである。この図に示した角度は、観察者（ユーザー）の眼に入って、実質的に「ゴースト像なし」と考えることができる視野を画定する光ビームで囲まれる角度である。
【0011】
現在広く使用されているウインドシールド（フロントガラス）は、２層のガラスとその間に封入されたポリビニルブチラール（ＰＶＢ）の層とからなる。（ＰＶＢ層は安全性の機能を遂行する。その目的は、万一の事故の際、乗車している人にガラス破片が落ちてくるのを防ぐことである。）複屈折層１５もまた、典型的には、それを保護するために２層のガラス層の間に挟まれる（図１１及び図１２）。これはコントラストを著しく劣化させることはないが、複屈折層１５を機械的影響からよりよく保護することになる。このような解決策は、例えば、特許文献ＵＳ１０４１６４４７Ｂ２及びＥＰ０４２４９５０Ａ２から公知である。
【0012】
別の公知の解決策では、ウインドスクリーン（フロントガラス）の２層のガラス層の間に２つのλ／２波長板（フィルム）を配置し、これらのフィルムの間に空気層（図１３）（ＵＳ７８３９５７４Ｂ２）又は反射性の薄膜系（図１４）（ＵＳ７１２３４１８Ｂ２、ＵＳ６９５２３１２Ｂ２）を介在させる。図１３は、ＰＶＢ層１６中に封入された、空気層が介在する２層のλ／２複屈折層１５、１５’ を備えた平らなウインドシールドを示し、このウインドシールドはＰ偏光した光で照射される。入射面に対するフィルム光軸の角度は、一方のフィルムでは４５°、他方のフィルムでは１３５°である。図１４は、ＰＶＢ層１６中に封入された、反射層１３が介在する２層のλ／２複屈折層１５、１５’ を備えた平らなウインドスクリーンを示し、このウインドスクリーンはＰ偏光した光で照射される。入射面に対して一方の複屈折層１５の光軸１５０は４５°の角度を形成し、他方の複屈折層の光軸１５０は１３５°の角度を形成する。これら２種類の解決策の利点は、Ｐ偏光で動作する、即ち、偏光させるサングラスが画像の視認性をブロックしないことである。最初の方に述べたＰ偏光の原理に基づくシステムは普及することがなかった。その理由は、雨天時の天候では、あらゆる種類の外面汚れのために光が外面で散乱して、画像が劣化してしまうためである。これに対し、すぐ上に述べた２つの方策では、ＰＶＢ層１６内で最高強度の反射が起こるため、雨天の天候が障害にはならない。２層のガラス層の間に配置された１枚又は複数枚のフィルムの機械的保護は外層のガラス層によりもたらされる。
【0013】
米国特許第５,９９９,３１４号は、コントラスト比をさらに向上させるために、複屈折層１５を包囲する複数のガラス板の外面に反射性又は抗反射（反射防止）性の層１３、１４を設けることを開示している。この外面に設けた薄膜は、ブリュースター角を変化させ、又は調節する能力も付与する。
【0014】
上に提示したいくつかの公知解決策に採用されている偏光法の難点は、理想的角度からの逸脱（ずれ）が小さな角度範囲でしか許容されず、理想的角度からの逸脱が大きくなると（画像のはじの方に動くと）、画像はすぐに劣化し、ゴースト像が現れるようになることである。適正な動作が達成されるのは、典型的には±３～９°の範囲内、即ち、ウインドシールドの表面の手のひらの大きさほどでしかない（正確な値は、図２１ａに関して既に述べた通り、採用する方法と「適正な動作」の定義に応じて変動する）。
【0015】
上述し、図１５に略図で示した、画像表示デバイス１及び反射要素３を備えたＨＵＤシステムからは、欠陥なく作動する、即ち、ゴースト像が生じない、いわゆる設計方向２１が１方向だけであると、一般に言うことができる。従来のＨＵＤシステムは、設計方向から見た時に表示された画像がゴーストフリー（無ゴースト）になるように設計されている。即ち、設計方向２１とはＨＵＤシステムが最適化されている方向である。この方向から垂直方向及び水平方向に逸脱すればするほど、より強さが増したゴースト像が現れる。図１５に示した有用な領域２２とは、ゴースト像がまだ迷惑を生じない空間角度範囲である。個人により異なるが、ゴースト像比率が約３～５％を上回ると不都合（不快）になる。
【0016】
図１７ａに示した解決策では、画像表示デバイス１を出た光は単純な直線偏光子１９を通過する。即ち、この偏光子１９は均質な偏光を生ずる。偏光された光ビームは、第１のミラー１７及び第２のミラー１８から反射して反射要素３に向かった後、この反射要素から反射してユーザーの眼に届く。第２のミラー１８は好ましくは、投影された発散性の光ビームから集束性の光ビームを生ずる非球面ミラーである。公知の解決策では、直線偏光子１９の光軸はすべての地点で同一であって、通過する直線偏光した光ビームの偏光軸も同一方向を向くことになる。従って、ユーザーが知覚した画像の端に向かって動くと、即ち、設計方向２１から逸脱すると、入射光ビーム１１の偏光面も入射面１０に対する回転が増していく（図１６ａ及び図１６ｂ参照）。図１６ａは、同じ偏光を有し、画像表示デバイス１により発生させた画像の異なる地点からユーザーの眼に届く３つの入射光ビーム１１ａ、１１ｂ、１１ｃを示している。図示の３つの光ビームのうち、光ビーム１１ａは理想方向で、即ち設計方向２１で進み、この光ビームの偏光方向は本ＨＵＤシステムの理想の偏光方向と一致する。即ち、光ビーム１１ａの偏光軸が光ビーム１１ａの入射面１０ａとなす角度β０＝９０度である。この角度は、ユーザーが見ている画像の水平方向端部の一方により近い反射要素３上に入射する、多くの光ビーム１１について垂直方向に沿っては変化しない。他方、水平方向において画像の垂直中心線から逸脱している光ビームを見ている時は、光ビーム１１ｂの場合のように、水平方向において右側に画像の垂直中心線からずれている光ビーム１１の場合、この角度は減少し、従って、光ビーム１１ｂについての角度β１は角度β０より小さい、即ち、β１＜９０度である。また、光ビーム１１ｃのように、画像の垂直中心線の左側にある角度の場合、この角度は増大し、従って、光ビーム１１ｃの角度β２は角度β０より小さい、即ち、β２＞９０度である。ある入射面１０において入射光ビーム１１はβ０＝９０度の時しか純粋にＳ偏光していないと考えることができるので、種々の異なる角度では純粋にＳ偏光した光ビームについては何も論ずることはできない。図１６ｂでは、右側の曲線は投影された画像領域において同一の角度値βを示している。画像の垂直中心線では、画像の下端と上端との間でこの角度は９０度に等しい。水平方向に画像の垂直中心線から右側にずれている光ビーム１１について、偏光軸が入射面１０と９０度より小さい角度をなす視角が、異なる曲線に沿って示されている。光ビーム１１の偏光軸がその光ビーム１１に属する入射面１０となす角度は、（垂直中心線から右に向かって）第１の曲線に沿って８５度、第２の曲線に沿って８０度、第３の曲線に沿って７５度、第４の曲線に沿って７０度である。同様に、水平方向に画像の垂直中心線から左側にずれている光ビーム１１の場合、偏光軸が入射面１０となす角度が９０度より大きい光ビーム１１が異なる曲線に沿って示されている。光ビーム１１の偏光軸が入射面１０となす角度は、（垂直中心線から左に向かって）第１の曲線に沿って９５度、第２の曲線に沿って１００度、第３の曲線に沿って１０５度、第４の曲線に沿って１１０度である。それぞれの偏光した光ビーム１１について、理想の９０度の角度からの偏光軸の角度のずれは、逸脱の大きさに比例して画像品質の劣化につながり、即ち、ゴースト像比率が増大する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0017】
【特許文献1】米国特許第１０４１６４４７号
【特許文献2】欧州特許出願公開第０４２４９５０号
【特許文献3】米国特許第７８３９５７４号
【特許文献4】米国特許第７１２３４１８号
【特許文献5】米国特許第６９５２３１２号
【特許文献6】米国特許第５９９９３１４号
【発明の概要】
【0018】
本発明者らは、従来技術のＨＵＤシステムの場合、反射要素３に照射されるのが均質な光、即ち、各光ビーム１１について同じように偏光された光であり、従って、偏光は設計方向２１に反射された光ビームについてのみ適切なものとなることを見いだした。即ち、画像の端に向かって移動すると、入射面１０の回転のせいで、そこに到達する光ビーム１１の偏光は、設計方向に比べて最適状態から外れ、ゴースト像が現れるようになる。換言すると、現在のＨＵＤシステムでは、ゴースト像を生じないのは画像の中心だけであるので、許容できる品質の画像を表示することができる領域が制限される。
【0019】
本発明者らは、既存のＨＵＤシステムでは、見られている画像の端部からくる反射光ビーム１２に属する入射光ビーム１１の偏光軸と入射面１０とは、互いに設計角度には対応していない角度関係にあることも認めた。
【0020】
本発明はさらに、入射光ビームの光路内に配置した適切に設計された偏光要素を利用することにより、光ビーム１１の伝播方向に対応する予め決められた最適偏光状態に従って光ビーム１１の偏光状態をセット（設定）することができるという知見に基づいている。この最適偏光状態では、画像の端部であっても実質的にゴーストのない画像を達成することができる。
【0021】
本発明の目的は、前述した従来の解決策の難点が解消された方法及び装置を提供することである。本発明の別の目的は、現状のＨＵＤシステムの画像品質を改善すること、特にゴースト像比率を低減させ、実質的にゴースト像がないと考えることができる領域を増大させることである。
【0022】
従って、本発明の目標は、反射要素３上に単に均質に偏光した光を当てるのではなく、反射要素３の各点ごとにゴースト像比率を最小にするのに必要な偏光度を持つ偏光が到達するようにＨＵＤシステムを転換させることである。このためには、ＨＵＤがどのように動作するかに応じて、直線偏光又は楕円（円を含む）偏光を持つ光が適当となりうる。
【0023】
本発明によれば、上記目的は、画像表示デバイスと、半透過性の第１の反射面とそれに実質的に平行な少なくとも一つの半透過性の第２の反射面と偏光依存性の反射層、反射防止層及び光複屈折層よりなる群から選ばれた１つの層とを有する反射要素と、を含むＨＵＤシステムにより達成される。ここで、第２の反射面は、第１の反射面の画像表示デバイスとは反対側に位置し、反射要素は、画像表示デバイスが発生させた画像の各地点から発して反射面上に入射している入射光ビームから反射光ビームを生じて、反射光ビームの少なくとも一部を或る設計検出点に向けて反射させるようになっており、この反射要素の画像表示デバイスに対する配置は、前記設計検出点の方向に反射された入射光ビームの一部がブリュースター角で前記第１の反射面に到達するような配置である。画像表示デバイスと反射要素との間の光路内に、本システムは、最初に第１の反射面により反射された反射光ビームの強度と最初に第２の反射面により反射された反射光ビームの強度との最小値をこれらの２種類の強度の最大値で除算することにより算出される強度比が最小値をとる偏光状態となるように、反射要素により設計方向点に向けて反射された入射光ビームの偏光状態をセット（設定）する偏光要素をさらに備える。
【0024】
画像表示デバイス（投影ユニットとも呼ばれる）は、典型的に、は第１の方向に規定された幅と、この第１の方向に対して実質的に垂直な第２の方向に規定された高さとを持つ画像（イメージ）を作り出す。ここから発出された光ビームは、光透過性かつ反射性の反射要素（即ち、ウインドスクリーン）に到達する前に追加の偏向性の光学要素を通過してもよく、反射要素からは、反射又は透過した光がユーザーの眼に入る。１好適実施態様において、画像表示デバイスは実質的に直線偏向した光を反射要素上に投影する。例えば、画像表示デバイスは直線偏光子を含んでいてもよい。全てのウインドスクリーンと同様に、反射要素は、ある一定の偏光特性でかなりの程度まで光を反射し、別の異なる偏光特性でかなりの程度まで光を透過させる。投影された直線偏光された光ビームの光路内に配置された前記光学要素が、上述したように、設計検出点の方向に反射された入射光ビーム（即ち、投影された画像を画成する光ビーム）の偏光状態をセットする。これは、設計点の方向を向いている設計方向で包囲された垂直及び／又は水平角（αＶ、αＨ）に応じてこれらの光ビームの偏光特性を変更することとして理解されうる。
【0025】
本発明の別の目的は、ＨＵＤシステムの画像品質を向上させるための請求項１に記載れた方法である。
本発明はさらに、請求項６に記載された偏光要素にも関し、この偏光要素は本発明に係る方法を実施するように構成されている。
本発明はさらに、請求項６に記載された偏光要素にも関し、この偏光要素は本発明に係る方法を実施するように構成されている。
【0026】
本発明によれば、反射要素３に入射する光ビーム１１の偏光特性が、適切に設計された偏光要素によって、反射要素３からの反射後にゴースト像が最小となるように、それぞれの入射方向ごとに別々に（異なるように）セットされる。このような解決策により、ゴースト像のコントラスト比は、各ピクセルごとに著しく低減させることができる。即ち、ユーザーがゴースト像なしと認識する画像面積を著しく増大させることができる。
【0027】
本発明のいくつかの好適態様が従属請求項に記載されている。
本発明のさらなる詳細は、以下に添付図面を参照して説明されよう。
本発明のさらなる詳細は、以下に添付図面を参照して説明されよう。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】従来のＨＵＤシステムの概要図である。
【図2】従来のＨＵＤシステムのゴースト像を示す概要図である。
【図4】空気－ガラス媒質境界での純Ｐ偏光ビーム及び純Ｓ偏光ビームの反射係数の入射角に対する変化を示す曲線である。
【図5】純Ｓ偏光した光と単純なウインドスクリーンの使用結果を示す図である。
【図6】純Ｐ偏光した光と単純なウインドスクリーンの使用結果を示す図である。
【図7】反射要素の第１の反射面に高反射反射層を、第２の反射面に低反射反射防止層を備えた反射要素を適用した結果を示す図である。
【図8】反射要素の第２の反射面に高反射反射層を、第１の反射面に低反射反射防止層を備えた反射要素を適用した結果を示す図である。
【図9】反射要素の第１の反射面に光複屈折層とＳ偏光した光を使用した結果を示す図である。
【図10】反射要素の第１の反射面に複屈折層とＰ偏光した光を使用した結果を示す図である。
【図11】反射要素を複層ウインドスクリーンとして形成し、ＰＶＢフィルムと複屈折中間層とＳ偏光した光とを使用した結果を示す図である。
【図12】反射要素を複層ウインドスクリーンとして形成し、ＰＶＢフィルムと複屈折中間層とＰ偏光した光とを使用した結果を示す図である。
【図13】反射要素を２層ウインドスクリーンとして形成し、２層間の２つの複屈折層とそれらの間の空気層とを使用した結果を示す図である。
【図14】反射要素を２層ウインドスクリーンとして形成し、２層間の２つの複屈折層とそれらの間の反射層とを使用した結果を示す図である。
【図15】従来のＨＵＤシステムでのゴースト像のないエリアを示す概要図である。
【図16a】従来のＨＵＤシステムにおいて、入射面と入射光ビームの偏光軸との間の角度が反射光ビームの方向に応じて変化することを示す図である。
【図17a】従来のＨＵＤシステムにおいて、入射面と入射光ビームの偏光軸との間の角度が反射光ビームの方向に応じて変化することを示す図である。
【図17b】本発明に係るＨＵＤシステムにおいて、入射面と入射光ビームの偏光軸との間の角度が、反射光ビームの方向の変化に対していかに一定のままであるかを示す図である。
【図18a】従来のＨＵＤシステムにおいて、入射面と反射要素上の複屈折層の光軸との間の角度が反射光ビームの方向に応じて変化することを示す図である。
【図19a】画像表示デバイスの後に直線偏光子だけが配置された従来のＨＵＤシステムを示す図であって、反射要素上の複屈折層の光軸を示す。
【図19b】画像表示デバイスの後に配置された直線偏光子に続いて本発明に係る偏光要素を備えた本発明に係るＨＵＤシステムを示す図であって、それぞれ反射要素上と偏光要素上とに配置された複屈折層の光軸を示す。
【図19c】本発明に係る湾曲した偏光要素を示す概要図である。
【図20a】従来のＨＵＤシステムの画像表示デバイスと偏光子により形成された光ビームの概要図である。
【図20b】本発明に係るＨＵＤシステムの画像表示デバイスと第１の例示的偏光要素とにより生じた光ビームの概要図である。
【図20c】本発明に係るＨＵＤシステムの画像表示デバイスと第２の例示的偏光要素とにより生じた光ビームの概要図である。
【図20d】本発明に係るＨＵＤシステムの画像表示デバイスと第３の例示的偏光要素とにより生じた光ビームの概要図である。
【図20e】本発明に係るＨＵＤシステムの画像表示デバイスと第４の例示的偏光要素とにより生じた光ビームの概要図である。
【図22】本発明に係るＨＵＤシステムの１好適実施態様の概要図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
図１～１７ａ及び２１ａは、明細書の背景技術の表題下に既に詳述した、従来技術のＨＵＤシステムとそれらの問題点を示す。説明を簡明にするために、既に説明した図については以下では必要な程度だけの言及にとどめる。
【0030】
本発明に係る方法は、例えば、図１７ｂに示すように、画像表示デバイス１と反射要素３とを備え、反射要素３は半透過性の第１の反射面３ａと、これに実質的に平行な少なくとも１つの半透過性の第２の反射面３ｂと、偏光依存性の反射層１３及び／若しくは反射防止層１４及び／若しくは光複屈折層１５とを有する。第２の反射面３ｂは、第１の反射面３ａの画像表示デバイス１とは反対側に位置し、即ち、画像表示デバイス１により発生した光ビームはまず第１の反射面３ａに到達し、それを透過して第２の反射面３ｂに達する。本発明に関して、偏光依存性の反射層１３及び反射防止層１４とは、それぞれ、光のある偏光（例、Ｓ偏光）に対してその反射が最大又は最小である層（例、薄膜＜フィルム＞、被膜＜コーティング＞等）を意味する。即ち、これらの層は、所定タイプの偏光した光を高い効率で反射させる（反射層１３）か、又は透過させる（反射防止層１４）。反射層１３及び反射防止層１４は、既に説明したように、表面３ａ、３ｂ上にも、又はそれらの間にも配置することができる。
【0031】
１好適実施態様において、反射要素３は車両のウインドスクリーン（フロントガラス）として設けられ、その内面が第１の（反射）面３ａであり、その外面が第２の（反射）面３ｂである。反射面３ａ、３ｂは、画像表示デバイス１により発生させた画像の種々の点から発して反射面３ａ、３ｂに到達する入射光ビーム１１から反射光ビーム１２を生じさせて、反射光ビーム１２ａ、１２ｂの一部を、設計検出領域２３内に位置する或る１つの設計検出点２３ａに向けて反射させるようになっている。画像表示デバイスにより発生させた画像は、画像表示デバイスのスクリーン又は他の面上で認知可能な画像であることに留意されたい。ＨＵＤシステムのユーザーが見る画像を投影画像と称する。反射要素３は、入射光ビーム１１の少なくとも一部がブリュースター角で表面３ａ、３ｂに到達するように配置することが好ましい。本明細書に関して、設計検出領域２３とは、ＨＵＤシステムにより発生させた画像がそこから見えるだろうとユーザーが予期する空間位置を含む領域を意味し、従ってこれは設計パラメータであることに留意されたい。従って、設計検出領域２３はＨＵＤシステムの環境に依存する。例えば、ある所定タイプの車両に搭載するように設計されたＨＵＤシステムの場合、それはウインドスクリーンに対する運転席のシート位置に依存する。実際には、例えば、所定タイプの車両の運転席に運転位置で座った時（即ち、運転席のシートを正しい高さ及び快適に運転できる間隔にセットした時）に、種々の高さ（座高）のユーザー（ドライバー）の眼の位置を決定するのでよい。決定された眼の位置を包含する領域を設計検出領域２３と考えてよく、例えば、その設計検出領域２３の中心点を設計検出点２３ａと考えることができる。また、設計検出点２３ａだけを決めることも考えられる。例えば、設計検出点２３ａを、運転位置で運転席に座った平均的座高のユーザーの両眼の間の中間点に位置する点に対応するようにしてもよい。別の可能性は、或るユーザーについての設計検出点２３ａを決めることである。デフォルトでは、そのＨＵＤシステムを意図した通りに使用した時に、先に述べた設計方向２１が設計検出点２３ａの方を向いている。また、反射要素３は、画像表示デバイス１により発生させた画像の種々の点から発する光ビームの一部だけしか設計検出点２３ａの方向に反射させず、光の残りのビームは他の方向に反射されることにも留意されたい。しかし、これらの光ビームだけしか設計検出点２３ａから見ている仮説的ユーザーに到達しない（それにより、これらの光ビームが投影画像を形成する）ので、本発明に係る方法は、これらの光ビームを創出する入射光ビーム１１を扱うだけであり、本方法のそれ以降の工程では、これらの光ビームを、設計検出点２３ａの方向に反射された入射光ビーム１１と称する。
【0032】
本発明によれば、反射面３ａ、３ｂにより設計検出点２３ａの方向に反射された入射光ビーム１１に対して最適偏光状態が決定される。この最適偏光状態とは、所定の入射光ビーム１１の反射時に最初に第１の反射面３ａにより反射された反射光ビームと最初に第２の反射面３ｂにより反射された反射光ビームという２つの反射光ビーム１２ａ、１２ｂの強度比が最小となる偏光状態である。図１２に示した場合において、反射面３ａ、３ｂにより反射された光ビーム１２ａ及び１２ｂについて、この強度比はゼロである（なぜなら、ブリュースター角で入射したＰ偏光した光ビーム１１は反射面３ａを完全に通過し、従って反射がないからである）。即ち、反射した光ビーム１２ａ、１２ｂの最小強度比もゼロである。ＨＵＤシステムの観点からは、これは理想的な場合である。なぜなら、ゴースト像が全く現れないからである。ここで使用した通り、最初に第２の反射面３ｂにより反射された反射光ビーム１２ｂとは、第１の面３ａを通過して第２の面３ｂで初めて反射された光ビームを意味するのは当然である。単純化のために、第１の面と第２の面３ａ、３ｂの間で反射され、さらに第２の面３ｂにより設計検出点２３ａの方向に反射された、図５に示したような高次反射した光ビームは考慮に入れない。最適偏光状態は、２つの反射面３ａ、３ｂにより設計検出点２３ａの方向に反射された各入射光ビーム１１について決定してもよく、或いは、一部の代表的な入射光ビーム１１についてのみ決定してもよい。例えば、画像表示デバイス１により発生させた画像のある特定エリアについて一つの入射光ビーム１１だけを考慮に入れるのでもよい。例えば、１０×１０ピクセルの画像エリアから発するすべての光ビーム１１を、単一の光ビーム、例えば、その所定画像エリアの或る中心ピクセルから発する単一の光ビーム１１で代表させてもよい。
【0033】
当業者には知られているように、光ビーム１１の偏光状態は、いわゆるジョーンズベクトル（Jones vectors）、即ち、光ビーム成分の振動の振幅及びそれらの位相角により表すことができる（ジョーンズベクトルＸ及びＹの位相差が０°又は１８０°である場合を直線偏光といい、これが９０°である場合を円偏光という。他の全ての場合は楕円偏光と呼ばれる。）。
【0034】
一つの例示的実施態様において、図７及び図８に関して既に示したように、第１及び第２の反射面３ａ、３ｂの一方又は両方に特定の種類の直線偏光（Ｓ又はＰ）用に設計された反射層１３及び／又は反射防止層１４を設ける。反射層１３を設けた反射要素３の表面３ａ、３ｂの反射及び透過は次の通りである。各材料境界について、各方向ごとに、反射係数及び透過係数、即ち、いわゆるフレネル係数を求めることができる。即ち、反射要素３（例、ガラス）について、次の係数を決定することができる：第１の表面３ａについて：ｒ１２，ｔ１２，ｒ２１，ｔ２１，そして第２の表面３ｂについて：ｒ２３，ｔ２３，ｒ３２，ｔ３２。これらの係数は、入射角及びその表面の両側での材料の複素屈折率、並びにその表面に適用した薄膜の構造に依存した複素数である。さらに、これらの係数は偏光にも依存し、Ｓ偏光（ｒ１２Ｓ，ｔ１２Ｓ，ｒ２１Ｓ，ｔ２１Ｓ，ｒ２３Ｓ，ｔ２３Ｓ，ｒ３２Ｓ，ｔ３２Ｓ）及びＰ偏光（ｒ１２Ｐ，ｔ１２Ｐ，ｒ２１Ｐ，ｔ２１Ｐ，ｒ２３Ｐ，ｔ２３Ｐ，ｒ３２Ｐ，ｔ３２Ｐ）について別々に決定することができる。
【0035】
入射ビームのジョーンズベクトルが次式で示され、
【0036】
【数1】
【0037】
そして、その強度が次式で示される場合、
【0038】
【数2】
【0039】
第１（Ｅ１）及び第２（Ｅ２）の反射光ビームについて、下記のジョーンズベクトルが得られる。
【0040】
【数3】
【0041】
ここで
【0042】
【数4】
【0043】
は反射要素３における伝播の行列である。
反射光ビーム１２ａ、１２ｂの強度はそれぞれ次式の通りである。
反射光ビーム１２ａ、１２ｂの強度はそれぞれ次式の通りである。
【0044】
【数5】
【0045】
ここで、ｄは反射要素３の厚みであり、κは２つの反射面の間の空間を埋めている材料（例、ガラス）の消衰係数であり、そしてλ０は照射している光ビームの波長である。
ゴースト像比率は、次式で示される最低強度と最高強度の比に等しい。
ゴースト像比率は、次式で示される最低強度と最高強度の比に等しい。
【0046】
【数6】
【0047】
ブリュースター角付近では、Ｘ＝０である時、又はＹ＝０である時にＣＲghostが最小となろう。それぞれＰ偏光又はＳ偏光に対してどちらかがまさにその状態である。従って、この実施態様では、光ビーム１１について決定された最適偏光状態は、反射層１３（又は反射防止層１４）のタイプに応じてそれぞれＰ偏光又はＳ偏光である。このように、反射された光ビーム１２ａ、１２ｂの強度比を最小に保つため、即ち、ゴースト像比率を最小にするために、反射要素３は各点でＰ偏光又はＳ偏光の光ビーム１１で照射されなければならない。つまり、直線偏光させた光ビーム１１の偏光軸は、その所定の光ビーム１１の入射面１０の方位に相関させてセットしなければならない。これは、当業者には自明であるように、ＨＵＤシステムのパラメータ（例、反射要素３の幾何学形状、配置など）を考慮に入れて個々に決定することができる。
【0048】
別の可能な実施態様では、反射要素３に、光軸１５０を有する少なくとも一つの光複屈折層１５を設ける。この光複屈折層１５は、図９、１０、及び１８ａ、１８ｂに関して既に説明したように、第２の反射面３ｂの前方にこれと平行に配置される。複屈折層１５を使用した実施態様は、最小のゴースト像比率を達成するために楕円偏光の光ビーム１１を必要とし、その偏光は、反射要素３に斜めに近づいて複屈折層１５を通過する時に、ビーム１１がＳ偏光又はＰ偏光の状態で第２の反射面３ｂに到達するように位相ずれ（フェーズシフト）を受ける。ゴースト像の比率はこうして最小となろう。
【0049】
反射要素３がその第１面３ａ上に複屈折層１５でコーティングされている場合、前述した例における式は次のようになる。
【0050】
【数7】
【0051】
Δは複屈折層１５の位相ずれであり、これは光ビーム１１の入射角及び方向に依存する。φは入射面１０と光軸１５０との間の角度であり、これも光ビームの方向に依存する。この場合についても同様に強度を次のように算出することができる。
【0052】
【数8】
【0053】
設計方向２１においては、Δ＝π及びφ＝４５°であるので、次式のようになる。
【0054】
【数9】
【0055】
そうなると、Ｒ２は次の通りである。
【0056】
【数10】
【0057】
Ｓ偏光及びＰ偏光の反射の項は、先の場合と比べて逆転することがわかる。ゴースト像比率は次の通りである。
【0058】
【数11】
【0059】
Ｐ偏光の反射係数は常にＳ偏光の反射係数より小さく（ｒＰ＜ｒＳ）、透過については反対となる（ｔＰ＞ｔＳ）。さらに、ブリュースター角ではｒＰ＝０且つｔＰ＝１であり、ブリュースター角付近ではｒＰ≒０且つｔＰ≒１である。従って、Ｘ＝０である時又はＹ＝０である時に、ゴースト像比率ＣＲghostが最小となろう。Ｐ偏光（その場合Ｒ１＜Ｒ２）又は単にＳ偏光（その場合Ｒ１＞Ｒ２）に対してどちらかがまさにその状態である。即ち、設計方向２１では、反射要素３はゴースト像比率を最小にするためにこれらの偏光の一方で照射されなければならない。設計方向２１以外では、他の入射角１０では、Δ＝π且つφ＝４５°の条件は満たされず、ＣＲghostの表現式においては、Ｓ偏光及びＰ偏光の反射の項は単純には相互交換されず、それらの組み合わせが得られる。そうなると、最適偏光状態は、次の表現式を最小にすることにより決定することができる。
【0060】
【数12】
【0061】
上記式中、ａ及びｂは複素数である。
ゴースト像比率ＣＲghostを最小にする最適偏光状態は必ずしも直線偏光ではないことに留意されたい。従って、Ｘ及びＹの位相は必ずしも同一とはならないであろう。Ｘ及びＹの位相が同じではない場合、楕円偏光のことを言う。即ち、本発明に係る方法では、光ビーム１１の偏光状態、即ち、相対的位相Ｘ及びＹが、反射要素３に到達する前に、ＣＲghostを最小に保持するように形成される。
ゴースト像比率ＣＲghostを最小にする最適偏光状態は必ずしも直線偏光ではないことに留意されたい。従って、Ｘ及びＹの位相は必ずしも同一とはならないであろう。Ｘ及びＹの位相が同じではない場合、楕円偏光のことを言う。即ち、本発明に係る方法では、光ビーム１１の偏光状態、即ち、相対的位相Ｘ及びＹが、反射要素３に到達する前に、ＣＲghostを最小に保持するように形成される。
【0062】
本発明に係る方法の次の工程では、反射面３ａ、３ｂにより設計検出点２３ａの方向に反射された入射光ビーム１１の偏光状態が、入射光ビーム１１の光路内に配置された偏光要素２０によって、既に決定された最適偏光状態に従って設定（セット）される。ある所定の画像エリアから発する複数の光ビーム１１の代わりに単一の代表的光ビーム１１について最適偏光状態を決定した場合には、次にその所定画像エリアから発するすべての光ビームの偏光状態が、代表的光ビーム１１について決定した最適偏光状態に対応するように設定される。
【0063】
反射層１３を備えた実施態様では、設計検出点２３ａの方向に反射された入射光ビーム１１のそれぞれを、第１の反射面３ａに到達する入射光ビーム１１のそれぞれがＳ偏光されるように、偏光要素２０によって直線偏光させることにより、入射光ビーム１１の最適偏光状態が創出される。
【0064】
複屈折層１５を設けた実施態様では、入射光ビーム１１の最適偏光状態の創出は、少なくとも一つの光複屈折層１５を通過して第２の反射面３ｂに到達する入射光ビーム１１のそれぞれがＳ偏光されるか、又はそれぞれがＰ偏光されるように、設計検出点２３ａの方向に反射された入射光ビーム１１を偏光要素２０によって楕円偏光させることによって達成される。
【0065】
特に好ましい１実施態様では、制御可能なピクセルを備えたＬＣＤパネル３４が偏光要素２０として設けられ、この方法では、設計検出点２３ａの方向に反射された入射光ビーム１１はＬＣＤパネル３４のピクセルを通過する。透過した入射光ビーム１１の偏光状態は、ピクセルを制御することにより、予め決定された最適偏光状態に従ってセットされる。当業者なら知っているように、ＬＣＤパネル３４の各ピクセルは基本偏光子（elementary polarizer）として機能し、ここで光軸及び／又は位相ずれは、各ピクセルに印加された電圧を制御することにより、即ち、ＬＣＤパネル３４を制御することにより、所望の偏光特性に従ってピクセルごとに変化させることができる。
【0066】
本発明者らは、ＨＵＤシステムにより創出された画像をユーザーは常に同じ位置から見ているのではない（例えば、運転中に横方向にもたれる等）か、又はユーザーの眼の位置が他の何らかの理由で設計検出点２３ａとは実質的に異なる（例えば、設計検出点２３ａを予め平均的ユーザーについて決めており、実際のユーザーの体格がそれとは実質的に異なる）ことがあることを認めた。この場合、或る固定された設計検出点２３ａに対して最適化されているＨＵＤシステムは適正に動作しないかもしれない。なぜなら、ユーザーの眼に入ってくる光ビームの入射面１０が、それらの事前の位置から回転を受けるので、予め決定した光ビーム１１の最適偏光状態が最小のゴースト像比率を与えないことになるからである。ＬＣＤパネル３４の利点は、偏光特性を動的に変化させることができるため、ある一つのピクセルを通過する光ビーム１１の偏光状態を所望に応じてセットすることができることである。従って、特に好ましい１実施態様では、そのＨＵＤシステムを使用しているユーザーの現在の観察位置に従って設計検出点２３ａが選択される。換言すると、ユーザーの現在の観察位置に、好ましくはユーザーの両眼の中間点に位置する点に、設計検出点２３ａはリアルタイムで調整され、その時点で決定された設計検出点２３ａに向かって反射された光ビーム１１の最適偏光状態がそれに応じて決定される。ＬＣＤパネル３４を制御することにより、それを通過する光ビーム１１の偏光特性が、こうして決定された最適偏光状態に従ってセットされる。ユーザーの現在の観察位置の決定は、当業者には自明であるように、例えば、顔認識と動き追跡アルゴリズムを用いて１又は２以上のカメラでユーザーを観察することにより達成することができる。
【0067】
本発明はさらに、本発明に係る方法を実施するために設計された偏光要素２０に関する。本発明に係る偏光要素２０は、反射要素３に到達して投影画像を画成する光ビーム１１の偏光特性を、その光ビーム１１と光軸である設計方向２１との間の垂直方向及び水平方向の角度αＶ、αＨに応じて変化させるようになっている。
【0068】
反射要素３が好ましくは反射層１３及び／又は反射防止層１４を備えている一つの例示的実施態様において、偏光要素２０は、複数の偏光軸を有する直線偏光フィルターであり、ここでこの偏光フィルターの異なる地点での偏光軸の方向はそれぞれ異なっている。好ましくは、偏光要素２０は実質的に平らな表面を有する。そのような構成は、例えば、図１７ｂ及び図２０ｃに見ることができる。ここでは、画像表示デバイス１から出発して、直線偏光子１９を通過した光ビーム１１の光路内に配置された偏光要素２０は、その偏光軸が地点ごとに変動し、従って、透過した光ビーム１１の偏光軸も光ビーム１１の出口位置に応じて変動するように構成されている。こうして、この例では、偏光要素２０を通過した光ビーム１１は、異なる種々の偏光軸を持った直線偏光した光ビームとなろう。これらの光ビームは、反射要素３の設計に応じて（下記を参照）、純Ｓ偏光又は純Ｐ偏光したビームとして反射要素３の表面３ａ、３ｂの種々の地点に到達する。偏光要素２０により創出されるべき最適偏光状態は、反射要素３の設計に依存する。例えば、反射要素３の第１の表面３ａにはＰ偏光よりＳ偏光に対してより高い反射を有する反射層１３が設けられ、第２の表面３ｂにはどちらの偏光に対しても低反射の反射防止層１４が設けられている場合、反射要素３に到達する光ビーム１１は、実質的に純粋にＳ偏光したビームとなるに違いない。また、反射要素３の第２の表面３ｂにはＰ偏光よりＳ偏光に対してより高い反射を有する反射層１３がコーティングされ、第１の表面３ａにはどちらの偏光に対しても低反射の反射防止層１４がコーティングされている場合、反射要素３にくる光ビーム１１は、やはり純粋にＳ偏光したビームとなる。一方、反射要素３の第１の表面３ａがＳ偏光よりＰ偏光に対してより高い反射を有する反射層１３でコーティングされ、第２の表面３ｂはどちらの偏光に対しても低反射の反射防止層１４でコーティングされている場合、反射要素３に到達する光ビーム１１は、実質的に純粋にＰ偏光したビームとなる。最後に、反射要素３の第２の表面３ｂにはＳ偏光よりＰ偏光に対してより高い反射を有する反射層１３がコーティングされ、第１の表面３ａにはどちらの偏光に対しても低反射の反射防止層１４がコーティングされている場合、反射要素３に到達する光ビーム１１は、やはり純粋にＰ偏光したビームとなるに違いない。
【0069】
反射要素３に少なくとも一つの複屈折層１５を設けた別の例示の実施態様では、偏光要素２０は、複数の光軸を有する光複屈折要素であり、その位相ずれは複屈折要素の異なる地点では異なり、それは入射位置に応じて異なるように表面を通過する光ビームの偏光特性を、透過した光ビーム１１が所定の偏光方向を有する楕円偏光したビームとなるのを確保するように調整（変調）する。即ち、画像表示デバイス１からの、好ましくは直線偏光している光は、達成すべき最適偏光状態に従って、異なる位置で異なる角度の位相ずれを持つ偏光要素２０により変調される。生じた楕円偏光した光ビームの楕円率は、ジョーンズベクトルの公式に関して先に述べたように、直線偏光と円偏光との間で必要に応じて変動させることができる。
【0070】
反射要素３に使用する複屈折層１５及び反射要素３に入ってくる光の偏光方向（Ｓ又はＰ）に応じて、異なる形状の偏光要素２０を、本発明に係るＨＵＤシステムにおける偏光モジュレータとして、画像表示デバイス１又はその直線偏光子１９と反射要素３との間で使用することができる。即ち、図２０ｂ及び図２０ｄに示すように、偏光要素２０を平面状又は任意に湾曲した面として形成することができる。複屈折層として形成される偏光要素２０の厳密な形状は主に観察者と偏光要素２０との間の距離及び反射要素３の形状に依存する。例えば、反射要素３に入ってくる光がＰ偏光した光であるなら、偏光モジュレータとして使用される偏光要素２０は、実質的に平面状の面を形成することが好ましい。他方、反射要素３に到達する光がＳ偏光した光である場合には、偏光要素２０は非平面の湾曲面を形成することが好ましく（図１９ｂ及び２０ｂを参照）、その厳密な湾曲（円弧形状）は、例えば、数値シミュレーションにより決定することができる。湾曲面に到達した直線偏光ビームは、傾斜した入射角と傾斜した光軸と傾斜した偏光面とのために、種々の異なる楕円偏光した光ビーム１１として進む。このような１実施態様では、図１９ｃに示すように、円弧の曲率半径Ｒは、好ましくは偏光要素２０と設計検出点２３ａとの間の距離Ａ＋Ｂの半分であり、曲率半径Ｒの交点は、偏光要素２０の反射要素３の方を向いた側にある。
【0071】
図１９ｂに示した１好適実施態様において、偏光要素２０は複屈折要素であり、その光軸１５０’ は、反射要素３の複屈折層の光軸１５０と実質的に９０度の角度をなす。これら２つの光軸１５０、１５０’ を互いに対して垂直に調整する（対称の垂直軸から一方を＋４５°だけ、他方を－４５°だけ回転させる）ことにより、波長依存性を軽減することができるので、色収差のない（無彩色）挙動を達成することができる。これは、２つの複屈折層がある同じ一定波長に対して設計されているからである。波長が異なると、光ビームは異なる位相ずれを受けて、システムが色で縁取られることになる。光軸１５０、１５０’ が互いに垂直であると、複屈折層として構成された偏光要素２０を通過した後の光ビームによってもたらされる誤差の量が、反射要素３に配置された複屈折層１５により補償される。
【0072】
図２０ｅに示した特に好ましい１実施態様では、偏光要素２０は、任意の光軸の直線偏光ビームと楕円偏光ビームの両方を作り出すための、個別に制御可能なピクセルを持ったＬＣＤパネル３４であり、その偏光特性は、各ピクセルに印加される電圧を制御することにより動的に変化させることができる。図２０ｅに示した実施態様では、画像表示デバイス１により作り出された好ましくは事前直線偏光された光の光路内に配置された光学要素は、位相ずれを所望の偏光特性に従って地点ごとに変動させることができるように設計及び制御された制御可能なＬＣＤパネル３４である。偏光の変調（モジュレーション）にＬＣＤパネル３４の液晶ピクセルを使用するため、この設備では偏光フィルターを必要としない。各ピクセルを制御することにより、従来のＬＣＤディスプレイのように輝度を変化させるのではなく、点ごとに透過光の偏光を変化させる。直線偏光子１９から来る直線偏光した光は、こうしてピクセルを制御することにより各方向において変調させることができる。ＬＣＤパネル３４の複屈折性液晶の光軸は所望の程度に回転可能であるので、ＬＣＤパネル３４は本質的に図２０ｄの偏光要素２０の制御可能バージョンである。ＬＣＤのピクセルを制御するのに必要なパラメータは、測定又はモデル化により決定することができる。
【0073】
本発明はさらに、本発明に係る偏光要素２０を含むＨＵＤシステムに関する。このＨＵＤシステムは、画像表示デバイス１と、不完全半透明性（partially translucent）の第１の反射面３ａとそれに実質的に平行な少なくとも一つの不完全半透明性の第２の反射面３ｂとさらには偏光依存性の反射層１３及び／若しくは反射防止層１４及び／若しくは光複屈折層１５とを有する反射要素３と、を備える。特に好ましい１実施態様において、反射要素３は車両のウインドスクリーン（フロントガラス）であり、ここで第１の反射面３ａはウインドスクリーンの内面であって、第２の反射面３ｂはウインドスクリーンの外面である。画像表示デバイス１は、それ自体公知のデジタルプロジェクター又はデジタルスクリーンである。場合により、当業者には自明なように、図１７ｂに示されている第１のミラー１７及び／又は第２のミラー１８のような、追加の光偏向器が、画像表示デバイス１と反射要素３との間に配置される。
【0074】
１好適実施態様において、本ＨＵＤシステムは、光軸１５０を持つ第１の光複屈折層１５を有する反射要素と、光軸１５０’ を持つ第２の複屈折要素として形成された偏光要素２０とを備え、これら第１及び第２の光軸１５０、１５０’ は互いに対して実質的に９０度の角度をなす。図２２に示した特に好ましい１実施態様では、偏光要素２０はＬＣＤパネル３４であって、本ＨＵＤシステムは、ユーザーの現在の観察位置を決定するための１又は２以上のデジタルカメラ４０と、これに連動した中央ＩＴユニット５０とを備え、ここで前記中央ＩＴユニット５０はＬＣＤパネル３４を制御するように構成されている。中央ＩＴユニット５０なる用語は、ここではデジタルデータを受信し、処理し、そして好ましくは格納することができる任意のハードウェアデバイスを包含する意味で使用していると広義に解釈されたい。一つの可能な例では、中央ＩＴユニット５０は、コンピュータプログラムとデジタルカメラ４０から受信したデータとを格納するための記憶媒体と、受信したデータを処理し、コンピュータプログラムを動作させるための中央処理ユニット（プロセッサ）とを備えたコンピュータである。自体公知の顔認識及び動き追跡アルゴリズムを中央ＩＴユニット５０で動作させてもよく、これは１又は２以上のカメラ４０により提供された画像情報に基づいたユーザーの顔の現在の空間位置を同定して、それにより現在の検出点２３ａを決定する。検出点２３ａの位置がわかれば、反射要素３から反射された光ビーム１２ａ、１２ｂが通過してユーザーの眼に到達する入射面１０を決定することができる。即ち、ゴースト像比率が最小となる光ビーム１１の最適偏光状態も、中央ＩＴユニット５０によって決定することができる。光ビーム１１の光路内に配置されたＬＣＤパネルを適正に制御することにより、最適偏光状態をセットすることができる。
【0075】
図２１ａ～ｃは、従来のＨＵＤシステム及び本発明のＨＵＤシステムにより生じたゴースト像比率を示す。既に述べたように、図１９ａ又は図２０ａのＨＵＤシステムについては、ゴースト像がないと考えうる（ＣＲghost＜３％の）範囲は、図２１ａに明らかに見られる通り、非常に限られている（縦＜垂直＞方向に±９°、横＜水平＞方向に±７°）。これに対して、図２０ｂに示した本発明に係るＨＵＤシステムの場合、ゴースト像がないと考えうる（ＣＲghost＜３％の）範囲は、図２１ｂに明らかに見られる通り、実質的に拡大している（縦方向に±９°、横方向に±２５°）。図２０ｃ、図２０ｄ及び図２０ｅの実施態様が生じたＨＵＤシステムのゴースト像比率は図２１ｃに示されている。これらのＨＵＤシステムの設計では、ゴースト像のない範囲は、図２１ｃに明らかに見られうる通り、さらに改善されている（縦方向に±９°で横方向に±３０°以上）。
【0076】
上の説明から明らかなように、本発明は、偏光原理で機能するＨＵＤシステムにおけるゴースト像比率を著しく低下させ、或いはゴースト像がないと考えうる範囲を著しく増大させる。提案された解決策は既存のシステムと適合性があり、その上、著しく大きな画像サイズを持つ新しいＨＵＤデバイスでも実施することができる。場合によっては、ドライバーが見ている地平線を完全にカバーすることができるので、いわゆるＡＲ（拡張現実）経験も創出することができる。この新規な解決策は、Ｐ偏光ＨＵＤシステム（偏光サングラスにおいても動作する）とも組み合わせることができるという大きな利点もある。無論、この解決策は自動車（モータービークル）にのみ適用できるものではなく、例えば、航空機や船舶等のウインドスクリーンにも適用できる。
【0077】
添付の特許請求の範囲で規定する本発明の保護範囲から逸脱せずに、上に述べた実施態様の各種の変更が当業者には明らかであろう。
【符号の説明】
【0078】
１：画像表示デバイス
２：非球面鏡
３：反射要素、３ａ：第１の反射面、３ｂ：第２の反射面
４：投影画像
８：第１の画像、９：第２の画像
１０：入射面
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ：入射光ビーム
１２、１２ａ、１２ｂ：反射光ビーム
１３：反射層
１４：反射防止層
１５、１５’ ：光複屈折層
１６：ＰＶＢ層
１７、１８：ミラー
１９：直線偏光子
２０：偏光要素
２１：設計方向
２２：有用な領域
２３：設計検出領域
２３ａ：設計検出点
３４：ＬＣＤパネル
４０：デジタルカメラ
５０：中央ＩＴユニット
１５０、１５０’ ：複屈折層の光軸
２：非球面鏡
３：反射要素、３ａ：第１の反射面、３ｂ：第２の反射面
４：投影画像
８：第１の画像、９：第２の画像
１０：入射面
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ：入射光ビーム
１２、１２ａ、１２ｂ：反射光ビーム
１３：反射層
１４：反射防止層
１５、１５’ ：光複屈折層
１６：ＰＶＢ層
１７、１８：ミラー
１９：直線偏光子
２０：偏光要素
２１：設計方向
２２：有用な領域
２３：設計検出領域
２３ａ：設計検出点
３４：ＬＣＤパネル
４０：デジタルカメラ
５０：中央ＩＴユニット
１５０、１５０’ ：複屈折層の光軸
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16a】
【図16b】
【図17a】
【図17b】
【図18a】
【図18b】
【図19a】
【図19b】
【図19c】
【図20a】
【図20b】
【図20c】
【図20d】
【図20e】
【図21a】
【図21b】
【図21c】
【図22】
【国際調査報告】