JP2006512622A - 偏光光源および広角ｐ偏光反射偏光子を備えたヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Abstract

ヘッドアップディスプレイは、投影システムと、対象領域を有する窓と、を具備し、反射偏光子が投影システムからの光を見ている領域へ反射するように位置決めされる。投影システムからの光はｐ偏光であり、多重像または「ゴースト」像を低減または排除するために、鋭角で露光窓面に当たる。鋭角は、露光窓面のブリュースター角に厳密に整合される。反射偏光子は、鋭角を含む広い角度範囲にわたってｓ偏光より実質的に多くｐ偏光を反射するように選択される個別の層の屈折率を有する多層積層を具備する。反射偏光子はまた、太陽放射線による車内の加熱を削減するために赤外光を反射することができる。

Description

本発明は、他の情報源の一般的な方向における視覚を維持すると同時に、ユーザが表示情報を見ることができる投影ディスプレイに関する。表示情報は、窓接眼構成要素またはその一部から反射されることができ、それによってユーザは他の情報源も見ることができる。

「ヘッドアップディスプレイ」（ＨＵＤ）なる語は、本願明細書では、航空機、船舶またはランドクラフト（乗用車、トラック、オートバイなどの自動車を含む）などの乗り物の窓に用いられるか、ゴーグルレンズまたはヘルメットバイザなどのより小型のシステムに用いられるか、または他の個別の用途で用いられるかに関係なく、そのようなディスプレイシステムを指すために用いられる。

種々のＨＵＤシステムが、周知である。一般に、投影システムは、ユーザが見ることができる投影画像を形成するための最終的な光学部品として部分ミラー（部分反射体および部分窓）と結合される。同時に、ユーザは、部分ミラーを通して他の光景を見ることができる。部分ミラーは、ディスプレイの有用性に影響を及ぼす重要な構成要素である。一般に、部分ミラーの反射率は、プロジェクタから光を反射するほど十分でなければならないが、しかもそれを通して適切な視覚を提供するほど十分に透明でなければならない。

部分ミラーは一般に、本願明細書では総称的に窓と呼ばれる風防ガラス、キャノピーまたは他の透明基板上に配置される。あるいは、窓の裸の面が、部分ミラーそのものとして用いられることが時々ある。いずれの場合も、部分ミラーからの反射と窓の内面および外面の一面または両面からの反射を組み合わせて、多重像すなわち「ゴースティング」問題を形成しうる。窓の厚さが増大し、窓を通した視線が斜めになればなるほど、この問題がさらに顕著になる。一般的なシステムでは、ゴースティング問題は、窓の厚さが約１ｍｍ以上程度の場合にはさらに顕著になる。

この問題の１つの周知の解決策は、窓の内面および外面をくさび状にし、一面から反射する光（主にｓ偏光）が、部分ミラーまたは対向する面から反射する光から角度をなして分離されるようにすることである。しかし、風防ガラスにくさびを加えることはコストおよび作製の困難さを増大しうる。さらに、実際の装置に関して実現可能なくさび角は、きわめて制限される。

図１は、米国特許第５，９９９，３１４号明細書（朝倉ら）に開示される別の周知のＨＵＤシステムを示している。このシステムＳは、外側ガラス板１Ａの内面に接合される偏光方向変更層２を具備し、内側ガラス板１Ｂおよび中間膜４（ポリビニルブチラールなど）と共に、自動車のフロント風防ガラスＷ用に用いられる合わせガラス５を形成する。表示装置６からの光は、偏光子７を通過し、光がｐ偏光（入射面において偏光）されるようにする。ブリュースター角調整膜３は、ＴｉＯ₂からなり、板１Ｂの内面に形成される。表示装置６からのｐ偏光は、ブリュースター角調整膜３のブリュースター角（θ＝６３°）で合わせガラス５に入射する。ｐ偏光がブリュースター角で入射するため、板１Ｂの内面で反射は生じない。このように合わせガラス５に入射する光は次に、ｐ波がｓ波に回転される偏光方向変更層２に達する。続いて、結果として生じるｓ偏光は、板１Ａの外面で部分的に反射される（約２０％）。反射されるｓ偏光は、層２を再び通過するときにｐ偏光に再変換される。このｐ偏光は、運転者の目８によって見られるために、膜３を通過する。参考文献はまた、反射率をさらに増大するために、板１Ａの外面で光学反射膜９（Ａｌ、Ａｕ、ＡｇまたはＣｕの薄膜）を形成することについて述べている。表示装置６からの光が板１Ｂの内面から反射しないようにすることによって、および図に見られる他の境界からの無視しうる反射を形成することによって、参考文献は、二重像を形成することができないと述べている。

図１のシステムに関する１つの問題点は、外側窓面における反射に対する依存度であり、水、氷、埃などが著しく歪めるか、画質を損なう恐れがあることである。別の問題点は、偏光方向変更層に対する依存度であり、大きな入射角で可視スペクトル全体にわたってうまく機能するそのような層は、製作しにくく、一般に利用可能ではないことである。

他の周知のＨＵＤシステムは、ｓ偏光または円偏光などの見ている人に向かう他のタイプの偏光を投影する。一般に、そのようなシステムは、見ている人に対して指向される画像光の一部またはすべてが水平面において偏光され、普通の偏光サングラスには受け入れられない著しい偏光構成要素であるという事実を被る。したがって、そのようなサングラスが用いられる場合には、投影画像は実質的に見ることがより困難になるであろう。

したがって、ゴースティングを低減または排除する改良型ＨＵＤシステムが、当業界では依然として必要である。

簡単にまとめると、本願明細書は、窓部材、表示源および反射偏光子を具備するＨＵＤシステムを開示する。窓部材は、対象領域および対象領域における少なくとも第１の露光窓を有する。第１の垂直軸は、露光窓面に関連する。表示源は、たとえば出射偏光子を含む１つ以上の偏光子を含むそれ自体であってもよく、照射軸に沿って対象領域に対して実質的にｐ偏光を発する。照射軸は、第１の垂直軸に対して鋭角θ₁をなす。反射偏光子は、対象領域に隣接して配置され、表示源からのｐ偏光の少なくとも一部を見ている位置に向かって反射する。特に、反射偏光子は、角度θ₁を含む角度範囲に関してｓ偏光の場合よりｐ偏光の場合の方が高い反射率を有する。好ましい実施形態において、角度範囲は、少なくとも約２０°であることが望ましく、少なくとも約４０°、６０°またはそれ以上であればさらに望ましい。

反射偏光子は、ある程度斜めに入射する光のｓ偏光成分に関して実質的に透明であり、ｐ偏光成分に関して少なくとも部分的に反射することが望ましい。たとえば、角度範囲に関して、ｐ偏光に関する反射率は少なくとも約２０％であり、少なくとも約４０％であればさらに望ましく、ｓ偏光の反射率が約１０％未満であり、約５％未満であればさらに望ましい。

さらに、偏光子に入射する光は、電磁スペクトルの可視部分の一部またはすべてを含みうる。また、赤外波長を含みうる。あるいは、反射偏光子は、垂直に近い入射角および斜角で、ｓ偏光およびｐ偏光の両方が赤外領域できわめてよく反射されるように構成されることができる。いずれの場合もたとえば太陽放射線のさらなる排除を実現することができる。

さらなる特徴および／または別の特徴は、以下にさらに詳細に記載される。

明細書を通じて、添付図面を参照されたい。類似の参照符号は類似の要素を指す。

実例となるＨＵＤシステム１０の部分概略図が、図２に示されている。簡単に言えば、投影システム１２が、窓１８の対象領域１６に向かって光１４を向けるように提供される。対象領域１６に隣接して配置される反射偏光子２０は、投影光の少なくとも一部を所期の見ている人２２に向かって反射する。同時に、反射偏光子２０および窓１８は、外部環境から少なくとも一部の光２４を透過し、見ている人２２によって見ることができるようにする。

投影システム１２は、可視光ビームまたは画像を投影する従来のシステムであってもよく、ＬＣＤ、エレクトロルミネッセンスパネル、白熱光源または燐光光源、ＣＲＴ、ＬＥＤおよびレンズ、コリメータ、反射体および／または偏光子などの周知の素子を含みうる。放射光は、実質的に単色、多色、狭帯域または広帯域であってもよいが、約４００ｎｍ〜７００ｎｍの（可視）スペクトルの少なくとも一部に重なることが好ましい。注目すべきことは、対象領域１６に対して放射される光１４は、図示されているように、図の平面において実質的に直線偏光されることである。システム１２が有限の角度円錐にわたって光を放射することを理解すると同時に、説明しやすくするため、光１４の１つの光線のみが示されている。さらに、システム１２はまた、異なる位置または高さで見ている人に適合させるために、放射光の角度および／または位置を変更するための傾斜ミラーまたは移動手段などの機構もまた具備することができる。

光１４は、照射軸２６に沿って進み、面１８の第１の露光主面１８ａに当たる。前に示唆したように、窓１８は、種々の透明部材のいずれかを含んでもよく、一体または積層であってもよく、平坦または湾曲（単純曲率または複合曲率）していてもよく、無色透明であっても色付きであってもよく、（たとえばゴーグルまたは他のアイウェアの場合には）集光特性を有してもよく、任意の従来のガラスおよび／またはプラスチックから成っていてもよい。低コストおよび重量のために、窓は、平面に平行な面を有するガラスまたは他の透明材料のシートを含みうる。図示されているように、偏光１４は、入射点で面１８ａに垂直である軸２８に対して鋭角θ₁で面１８ａに当たる。垂直軸２８および照射軸２６は、図の平面と一致する入射平面を画定する。光１４は、入射平面で偏光されるため、「ｐ偏光」光と呼ばれる。周知であるように、ガラスおよびプラスチックなどの通常の光学材料は空気中でブリュースター角θ_Bを呈する。この角は、特定の光学材料の屈折率の関数であり、一般的な窓材料の場合には約５５°〜６０°である。厳密に言えば、θ_Bは分散のために生じる光波長の関数であるが、そのような影響は一般にきわめて小さく、大部分の場合にはθ_Bは可視スペクトルに関する定数として扱うことができる。ブリュースター角で入射する光の場合には、任意のｐ偏光成分の反射率はゼロであり、任意のｓ偏光成分（その電界ベクトルが入射平面に対して垂直である）の反射率は垂直に近い入射におけるその反射率よりさらに大きい。θ_Bに近い角度で入射するｐ偏光はゼロではないが、きわめて低い反射率である。したがって、入射角θ₁をθ_Bに等しいか、または近い状態に維持し、光１４がｓ偏光成分をほとんど持たないか、または全く持たないように確実にすることによって、投影光１４の著しい反射が面１８ａで生じることはない。これにより、面１８ａに形成される「ゴースト」像を避ける。依然として「著しい反射のない」状態を維持すると同時に、θ₁がθ_Bからずれることができる度合いは、さまざまなシステム変数および要件に左右される。一般に、少なくとも数度の弧度の偏差は一般に、差し支えないと考えられる。場合によっては、５°または１０°を超える偏差が許容可能である場合がある。ｐ偏光反射率は依然として一般に、特にθ_B未満の角度の場合には垂直に近い入射における反射率に比べて、そのような角度でははるかに低減されるためである。投影システム１２が平行光線化されず、対象領域１６が広げられ、面１８ａが平坦でない結果、θ_Bからのある程度の角度偏差は不可避であることを留意されたい。

反射偏光子２０の特性に応じて、システム１２からの一部の光は、窓１８の第２の露光主面１８ｂまで前方に伝搬する。一部の実施形態の場合には、面１８ｂは、面１８ａに実質的に平行であり、局所的な垂直軸３０は垂直軸２８に平行であり、面１８ｂに関するブリュースター角は面１８ａに関するブリュースター角と同一であるが、これらの条件は一般に満たされない。条件が満たされるか、またはほぼ満たされる場合には、光１４は、θ₁に等しい出射角θ₂で窓１８から出射し、この場合もｓ偏光が効果的に存在しないために、著しい反射がなく、ブリュースター角またはそれに近い角度で伝搬する。したがって、別の「ゴースト」像が避けられる。

一部の実施形態において、面１８ａおよび／または面１８ｂに反射防止コーティングを形成することが望ましいか、または必要である場合がある。そのようなコーティングは、高い入射角（空気中で少なくとも約４０°の角度）におけるｓ偏光に対してより、そのような角度におけるｐ偏光に対しての方が作製しやすい。さらに、朝倉らの米国特許第５，９９９，３１４号明細書に記載されているようなブリュースター角調整膜はまた、面１８ａ、１８ｂにおいて低い反射率を維持するために、θ_Bに対する適度の調整を行うように、所望であれば露光窓面に設けられてもよい。しかし、多くの実施形態の場合には、反射防止コーティングおよびブリュースター角調整膜を完全に回避することができる。

理想的なＨＵＤシステムは、画像システムからの光に関して十分な反射率を提供すると同時に、外部環境から来る光に関して高い透過率を提供する。このため、ＨＵＤシステム１０は、反射偏光子２０を組込む。偏光子２０は、光の一方の偏光（ｓ偏光）に関して実質的に完全に透過することができ、他方の偏光（ｐ偏光）に関して選択的に反射および透過を行うことができる。偏光子２０は、米国特許第５，８８２，７７４号明細書（ジョンザ（Ｊｏｎｚａ）ら）に記載されているような別の材料の多層積層を含むことが好ましい。偏光に特有の反射特性は、適切な層厚の選択によって特有の波長を形成することができ、偏光子は選択波長を除くすべての波長に関して実質的に透明であり、ｐ偏光のみに対して反射するようになっている。選択波長は１つの狭帯域、複数の狭帯域または広帯域であってもよい。波長の選択帯域に関して、層と層との間の屈折率の差および偏光子における層の総数を制御することによって、任意の適切な程度の反射率を実現することができる。偏光子２０は、可視波長および近赤外波長において実質的に吸収しない数十または数百の同時押出成形ポリマー層から作製されることができ、偏光子に関する反射率および透過率の和が１００％になるようにする。

本願明細書の目的では、特に明記しない限り、偏光膜に関して言及される反射率および透過率は、偏光膜の最外面で生じうる任意のフレネル反射を考慮しない。したがって、そのようなフレネル反射の結果、たとえば、膜がその外面に反射防止コーティングを備えていない限り、空気中における偏光膜の試料に関する測定では一般に、より高い反射率およびより低い透過率を生じる。

積層における隣接する層に関するいわゆるｚ屈折率差（すなわち、偏光子の平面に垂直である軸に沿った屈折率の差）の適切な制御により、偏光子に関するブリュースター角を低減することができ、ｐ偏光のきわめて効率的な反射を提供する。そのような反射はまた、広い角度範囲にわたって有効であり、同一の偏光膜を、異なる入射角θ₁を有する種々のＨＵＤシステムにおいて有用にすることができ、および／またはさらなる設計自在性を可能にすることができる。たとえば、偏光子２０は、面１８ａまたは１８ｂに平行である必要はない。これにより、光１４ａに関する出射角θ₃（軸２８から測定）を入射角θ₁とは異なるようにすることができる。

一般に、反射偏光子は、通常は対象領域１６に対応する窓の小さい部分のみにわたって延在するが、一部の実施形態において、反射偏光子は、窓１８全体にわたって連続ストリップに延在してもよく、または窓１８と完全に同一の広がりを有する場合もありうる。自動車の場合には、ストリップは、風防ガラスの下部分、上部分または中間部分に沿って水平に延在しうる。窓のサイズおよび用途に応じて、対象領域は、小さい部分のみ、ストリップまたは窓全体にわたって同様に延在しうる。

ＨＵＤシステム１０の１つの利点は、偏光サングラスと両立することができることである。多くの自動車用途の場合には、外部環境からのグレアは、水平軸に沿って偏光される傾向がある。このグレアは、図２では参照符号３２で表される。対照的に、偏光子２０によって見ている人２２の方に反射される投影システムからの光の一部１４ａは、垂直平面にある軸に沿って偏光される。従来の偏光サングラスは選択的に、垂直偏光を透過し、水平偏光を遮断するため、グレア３２を遮断するが、ＨＵＤの反射光１４ａを透過する。サングラスはまた、望ましい外部環境光２４の水平偏光成分を遮断することを留意されたい。この場合には、ごくわずかの所望の外部環境光２４が対象領域１６を通してサングラス着用の見ている人２２によって見られることから、反射偏光子２０は、すべての可視ｐ偏光を反射するわけではない。

ここで図３を参照すると、部分反射体４０またはその局所的に平坦な部分はｘ−ｙ−ｚ直交座標系のｘ−ｙ平面にあるように示されている。この基準系は、ＨＵＤシステム１０に関して他の種類の部分反射体に対するある種類の部分反射体の特性および特に利点について、以下の説明で用いられる。光線は、反射体に斜めに当たるように示されており、一部の光線はｘ−ｚ平面にあり、他の光線はｙ−ｚ平面にある。これらの平面のいずれにおいても、光はｓ偏光成分およびｐ偏光成分の両方を備えうる。部分反射体４０が偏光子である場合には、ｙ軸は通過軸と示され、ｘ軸は遮断軸または反射軸として示される。入射角θは、空中における入射光線の方向と部分反射体４０に直交するｚ軸との間の鋭角である。

図４〜図８は、比較のために示されている。これらの図における曲線は、一定の部分反射体に関する入射角の関数としてｓ偏光およびｐ偏光の一般の定性的な反射率特性を示しており、これらは実際から引き出されたものはなく、計算データでもない。しかし、正確な比較のためには十分であると考えられる。曲線は、上述の所望のスペクトル帯域内の光の波長と仮定する。

図４ａおよび図４ｂにおいて、簡素な半「鍍銀」ミラーの反射率特性がそれぞれ、ｘ−ｚ平面およびｙ−ｚ平面に入射する光に関して示されている。そのような部分反射体は、透明基板上に配置される銀、アルミニウム、金または他の従来の金属の１つの薄層から構成されることができる。金属の厚さは、垂直入射光の５０％が反射されるような厚さである。金属は一般に可視光を吸収するため、垂直入射における透過率は５０％未満であることを留意されたい。金属膜が等方性であるため、２つの図は同一である。θが増大するとき、ｓ偏光に関する反射率が増大する。ｐ偏光に関する反射率は、幾分低下した後、増大する。ｐ偏光反射率は、ガラスおよびプラスチックに関する一般的なブリュースター角を含め、広い角度範囲の斜入射角に関して相当高いが、そのような反射体を通して外部環境を見ることは困難であるため、そのような部分反射体がＨＵＤシステム１０では最適に作用するわけではない。これは主に、角度範囲にわたってｐ偏光反射率程度またはｐ偏光反射率より高いｓ偏光反射率が原因である。金属層の厚さを低減することにより、部分ミラーの透過率を増大することができ、外部環境の視認性を増大するが、投影画像の輝度を減少することはない。

図５ａおよび図５ｂはそれぞれ、ｘ−ｚ平面およびｙ−ｚ平面に入射する光に関して多層複屈折性反射偏光子に関する反射率特性を示している。多層積層における隣接する層の間の屈折率の関係は、
Δｎ_x≒ｌａｒｇｅ（＋）
Δｎ_y≒０
Δｎ_z≒ｌａｒｇｅ（＋）
である。これは、「ｚ不整合」偏光子と呼ばれる。Δｎ_xおよびΔｎ_yの場合の「＋」は、その差が同一の極性、すなわちより高いｘ方向の屈折率ｎ_xを有する層はまた、ｚ方向の屈折率ｎ_zもより高いか、またはその逆であることを示す。Δｎ_xに関する「ｌａｒｇｅ」は、積層において所与の層数の場合に、垂直入射光の１つの偏光を少なくとも約２０％だけ、好ましくは約５０％以上反射するのに十分な屈折率の差を表す。周知の複屈折ポリマー積層の場合には、これは一般に少なくとも約０．１または少なくとも約０．２である。Δｎ_yに関する０は、積層において所与の層数の場合に、垂直入射光の直交偏光の１０％または５％未満であることが好ましい無視しうる量を反射するほど十分に小さい屈折率の差を表す。周知の複屈折ポリマー積層の場合には、これは一般にせいぜい約０．０２または０．０１である。Δｎ_zに関する「ｌａｒｇｅ」は、Δｎ_xと類似であることを指す。

図によって示されているように、ｚ不整合偏光子は、斜角でｘ−ｚ平面およびｙ−ｚ平面の両方においてある程度のｐ偏光反射率を有する。ｙ−ｚ平面において、ｐ偏光反射率は、広い角度範囲にわたって十分であってもよい。しかし、残念なことに、ｓ偏光反射率もまた、同一の範囲にわたってきわめて大きい。ｘ−ｚ平面において、ｐ偏光反射率が多層積層自体におけるブリュースター角の影響のためにゼロとなる場合を除き、ｐ偏光反射率は、広い角度範囲にわたってｓ偏光反射率より大きい。さらに、ｐ偏光反射率は、反射率がゼロの点付近で入射角の関数として急激に変化する。ｙ−ｚ平面における高いｓ偏光反射率およびブリュースター角の影響およびｘ−ｚ平面におけるｐ偏光反射率の急激な変動は、ｚ不整合偏光子がまた、ＨＵＤシステム１０において部分反射体として最適に作用するわけではないことを意味する。

図６ａおよび図６ｂはそれぞれ、ｘ−ｚ平面およびｙ−ｚ平面に入射する光に関して異なる多層複屈折性反射偏光子に関する反射率特性を示している。多層積層における隣接する層の間の屈折率の関係は、
Δｎ_x≒ｌａｒｇｅ
Δｎ_y≒０
Δｎ_z≒０
である。これは、「ｚ整合」偏光子と呼ばれる。Δｎ_xに関する「ｌａｒｇｅ」およびΔｎ_yに関する０は、図５ａおよび図５ｂと同様の意味である。Δｎ_zに関する０は、その絶対値がΔｎ_xの少なくとも２分の１未満、さらに好ましくは、Δｎ_xの４分の１未満または１０分の１未満である屈折率の差を表す。

図６ａに示されているように、ｘ−ｚ平面における光の場合には、ｐ偏光反射率が比較的一定であり、入射角の広い範囲にわたって、実際には入射角の全範囲にわたってｓ偏光反射率より実質的に高い。ｐ偏光反射率は、Δｎ_xと同一の極性の小さなΔｎ_z値に関して、θが増大するとわずかに減少し、Δｎ_xと逆の極性の小さなΔｎ_z値に関して、θが増大するとわずかに増大する。この挙動が、破線によって示されている。ｓ偏光反射率は、入射角の全範囲にわたって、無視することができ、１０％をはるかに下回り、５％をはるかに下回る。対照的に、ｙ−ｚ平面に入射する光は、角度と共に高く、増大するｓ偏光反射率を呈し、入射角の全範囲にわたってｐ偏光反射率を無視することができる。明らかに、ｚ整合反射偏光子は、ＨＵＤシステム１０における部分反射体に十分に適している。しかし、図６ａと図６ｂとの間の差によって実証されているように、偏光子は、最適な性能のために適切な方向に向けられなければならない。ｘ−ｚ平面は、図２の平面と一致することが好ましい。自動車用途において、偏光子の通過軸（ｙ軸）は水平であることが好ましい。

図７ａおよび図７ｂはそれぞれ、ｘ−ｚ平面およびｙ−ｚ平面に入射する光に関して異なる多層複屈折性反射偏光子に関する反射率特性を示している。多層積層における隣接する層の間の屈折率の関係は、
Δｎ_x≒ｌａｒｇｅ（＋）
Δｎ_y≒０
Δｎ_z≒ｌａｒｇｅ（−）
である。これは、「ネガティブなｚ不整合」偏光子と呼ばれる。Δｎ_xに関する「ｌａｒｇｅ」およびΔｎ_yに関する０は、図６ａおよび図６ｂと同様の意味である。Δｎ_zに関する「ｌａｒｇｅ」は、Δｎ_xと同程度の大きさを有することを意味する。「＋」符号および「−」符号は、Δｎ_xおよびΔｎ_zが逆の極性、すなわちｎ_xが高めの値を有する層は、ｎ_zの値が低めであるか、またはその逆であることを指す。

ネガティブなｚ不整合偏光子の反射率挙動は、ｙ−ｚ平面における光に関する他のｚ不整合偏光子の反射率挙動と同一である（図７ｂおよび図５ｂを比較）。しかし、ｘ−ｚ平面における光の場合には、ｐ偏光反射率は維持されるだけでなく、図７ａに示されているように角度と共に増大するのに対し、ｓ偏光反射率はすべての入射角にわたって依然として無視することができる。所望であれば、図７ａにおけるｐ偏光反射率曲線を低減し、ｐ偏光反射率が飽和に達する角度を増大または排除するために、積層における層の総数の低減および／またはΔｎ_xの大きさの低減を図ることができる。これが実現されるかどうかに関係なく、ネガティブなｚ不整合反射偏光子は、広い角度範囲、実際にはｘ−ｚ平面において光が入射するすべての角度にわたって、高いｐ偏光反射率および無視しうるｓ偏光反射率を呈することから、一般に、ＨＵＤシステム１０における使用に十分に適している。しかし、θと共にp偏光が著しく増大することは、一部の用途では欠点となりうる。

図８ａおよび図８ｂはそれぞれ、ｘ−ｚ平面およびｙ−ｚ平面に入射する光に関してさらに別の多層複屈折性反射偏光子に関する反射率特性を示している。多層積層における隣接する層の間の屈折率の関係は、
Δｎ_x≒０
Δｎ_y≒０
Δｎ_z≒ｌａｒｇｅ
である。これは、「軸外」偏光子と呼ばれる。Δｎ_xおよびΔｎ_yに関する０は、たとえば約１０％未満または約５％未満のいずれかの偏光に関して、無視しうる量の軸上（θ＝０）の反射率を生成するほど十分に小さいことを意味する。Δｎ_zに関する「ｌａｒｇｅ」は、所望の相当量の軸外反射率を生成するほど十分に大きいことを意味する。Δｎ_zに関する好ましい値は、約０．１以上である。同一出願人による「Ｐ−Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ Ｗｉｔｈ Ｌａｒｇｅ Ｚ−ａｘｉｓ Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ」という名称の米国特許出願第１０／３３４，８３６号明細書および「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｆｉｌｍｓ Ｗｉｔｈ Ｄｅｓｉｇｎｅｄ Ｃｏｌｏｒ Ｓｈｉｆｔｓ」という名称の米国特許出願第１０／３３５，４６０号明細書を参照されたい。

膜の平面（ｘ−ｙ平面）において軸外偏光子が実質的に対称であるために、図８ａおよび図８ｂは同一であることを最初に留意されたい。それ以外に、ｓ偏光反射率は、広い角度範囲、実際はすべての入射角にわたって無視することができる。平面内の屈折率が正確に整合しない範囲では、θと共に増大するｓ偏光反射率は少量である。しかし、θの増大と共にｐ偏光反射率がどのように急激に増大するかを留意されたい。破線は、曲線がより大きい値のΔｎ_z（および／または積層においてより多い層）の場合には角度と共にさらに急激に上昇し、より小さい値のΔｎ_z（および／または積層においてより少ない層）の場合には角度と共にさらに緩やかに上昇しうることを示すために設けられている。当然のことながら、さらなる低減は、ｐ偏光反射率が飽和にすら達しないようにすることができる。いずれにしても、軸外偏光子は、広い角度範囲にわたって、相当量のｐ偏光反射率および微々たる量のｓ偏光反射率を提供することができる。この種の偏光子およびより少ない程度ではあるが、ネガティブなｚ不整合偏光子は、ＨＵＤ入射角θ₁である可能性が高く、垂直に近い入射で、さらに透明であるより大きな入射角で、より高いｐ偏光反射率を提供することが有利である。軸外偏光子は、垂直入射で実質的に透明である。軸外偏光子に特有の別の著しい利点は、その平面対称性のために偏光子の配向に関係なく、ＨＵＤシステムにおいて位置決めすることができることである。しかし、既に述べたように、角度と共にｐ偏光反射率が著しく増大することは、一部の用途では欠点となりうる。

ここで、読者の注視を適切な反射偏光子の望ましいスペクトル特性に向けることにする。これらの特性は、多層積層における交互層の屈折率によるほか、積層を通じた層厚の分布によっても大きく影響される。また、これらの特性は、入射角と共に変化しうる。

ＨＵＤシステム用の部分反射体によるｐ偏光の部分透過のために、種々の反射偏光子の設計を利用することができる。これらのうちの２つは、（１）ｐ偏光の選択された可視波長のみを反射するカラー偏光子および（２）ｐ偏光のすべての可視波長を一様に反射するが、２５％または５０％などの中程度の反射率である広帯域偏光子である。第１のタイプでは、帯域内の反射率は、１００％まで選択されうる。本願明細書に記載される反射帯域は、偏光子に対する光源の角度位置によって生じる任意のスペクトルシフトを考慮に入れることを理解されたい。すなわち、本願明細書に記載される反射帯域は、所期の使用角度における偏光子の反射帯域であり、特記がない限り垂直入射である必要はない。

スペクトル特性の第１のタイプの一例は、透過帯域を介在することによって分離される非常に多数の反射帯域を呈する反射偏光子である。たとえば、可視スペクトルの赤色部分、緑色部分および青色部分における３つの比較的狭い波長帯域を反射するように、コレステリック反射偏光子または薄膜反射偏光子を設計することができる。公知であるように、スペクトルの本質的に任意の色を生成するために、組合せを変化させる際に、赤色光、緑色光および青色光を加えることができる。このように、可視スペクトル全体を反射する偏光子を使用することなく、フルカラーＨＵＤを作製することができる。それぞれ約４００ｎｍ〜４８０ｎｍ、５００ｎｍ〜５７０ｎｍおよび約６００ｎｍ〜７００ｎｍのスペクトル領域において、青色反射帯域、緑色反射帯域および赤色反射帯域が反射偏光子に形成されることができる。透過効率を最大にするために、これらの領域のそれぞれの狭い部分のみが偏光子によって反射され、その幅は約５０ｎｍ以下（半値全幅）であることが好ましく、幅が約１０ｎｍ〜４０ｎｍであればさらに好ましく、幅が約１０ｎｍ〜３０ｎｍであればもっとも好ましい。高い最大反射率値を有する狭い反射帯域に関する鋭い帯域エッジを提供することができる層厚分布技術に関しては、米国特許第６，１５７，４９０号明細書（ホイットレー（Ｗｈｅａｔｌｅｙ）ら）を参照されたい。表示源が３つ（または３未満）の狭帯域幅で光を放射する場合には、所期の入射角における偏光子の狭い反射帯域は表示源の放射波長と重なる。一部の実施形態において、偏光子は、可視領域における１つのみまたは２つの反射帯域を形成することができる。さらに、偏光子はまた、１つ以上の赤外反射帯域を含むことができ、車両用途では、車内環境の太陽による加熱を低減することができる。

スペクトル特性の第１のタイプを利用する別の実施例は、反射偏光子が垂直入射で赤外領域（この領域には近赤外領域も含む）に実質的に完全に位置決めされる反射帯域を有するが、選択された入射角で入射する場合、この帯域が可視波長、一般に赤色波長にシフトされるＨＵＤシステムである。その結果、反射偏光子は、使用角度において赤色のｐ偏光を反射する（赤色の補部であるシアン色を透過する）。ＨＵＤにおけるその有用性に加えて、そのような反射偏光子の１つの利点は、見ている人から離れる少なくとも１つの偏光の赤外線を反射することによって、冷却機能を提供することができる。この実施形態に関して使用可能な反射偏光子は、コレステリック反射偏光子および薄膜反射偏光子であってもよい。コレステリック反射偏光子および薄膜反射偏光子の特性は、反射率スペクトルが入射角θの増大と共により短い波長にシフトすることである。この実施形態において、表示源は、シフトされた波長領域内の光、たとえば赤色光を提供する。信号灯などの外部の赤色物体を見ることができるようにするために、十分な量の赤色光が窓の対象領域によって透過されるように、赤色の反射率を調整することができる。見ている人もまた、直交偏光（すなわち水平偏光）される赤色光の実質的にすべてを遮断する偏光サングラスを着用中である場合に限り、このことが関係する。

コレステリック偏光子が円偏光を反射するため、直線ｓ偏光およびｐ偏光を円偏光に変更するために、４分の１波長板が用いられる。膜のｘ屈折率、ｙ屈折率およびｚ屈折率の相対値を制御することによって、４分の１波長板の角度外の特性を最適化してもよい。

任意の照明状態において反射体に着色が見られないフルカラーＨＵＤシステムの場合には、広帯域反射偏光子を用いることが好都合である。窓に関する任意の透過要件が満たされると同時に、投影光に関して高い反射率を提供するように、反射率の程度を調整することができる。たとえば、一部の自動車のフロント風防ガラスの場合には、約７０％の最小平均透過率が必要とされる。したがって、図９に示される垂直入射において１つの直線偏光に関する透過率スペクトルを備え、直交する直線偏光が本質的に１００％の透過率を有する広帯域反射偏光子を作製することができる。そのような膜は、非偏光では約７５％の平均透過率を有する。同時に、好ましい偏光子では反射率および透過率の和は実質的に１００％であるために、偏光される投影光の約５０％が見ている人に向けられる。このようなスペクトル特性を有するｚ整合薄膜偏光子は、図１０に示されるよう層厚分布を有する２２４個の個別の層を備えるように作製されることができる。点は、２つの曲線に沿って収まる。下部曲線は、１．６８の比較的高いｎ_x屈折率を有する第１の交互材料（たとえばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ））に関する。上部曲線は、１．５４の比較的低いｎ_x屈折率を有する第２の交互材料（たとえばコポリエステル）に関する。すべての層に関するｙ屈折率およびｚ屈折率は、１．５４である。この実施例は、多層積層の中の光学的反復単位が本質的に２つの隣接する層からなり、所与の光学的反復単位の全体的な光学厚さが光学反射波長の２分の１に等しい段階的４分の１波長積層設計を用いる。

他の周知の積層設計、たとえば、光学的反復単位ごとに３層以上の層を用いる積層設計もまた、考えられる。米国特許第５，３６０，６５９号明細書（アレンズ（Ａｒｅｎｄｓ）ら）に開示されるそのような１つの設計では、各光学的反復単位は６層であり、２つの交互材料が約７−１−１−７−１−１の相対的な光学厚さで配置されている。米国特許第５，１０３，３３７号明細書（シュレンク（Ｓｃｈｒｅｎｋ）ら）に開示される別の設計では、各光学的反復単位は４層であり、その屈折率が、ｎ_A＞ｎ_B＞ｎ_Cであり、ｎ_B＝√（ｎ_Aｎ_C）である３つの材料Ａ、Ｂ、Ｃがそれぞれ１／３、１／６、１／３、１／６の相対的光学厚さでＡＢＣＢとして配置される。混成膜設計は、２つ以上の４分の１波長構造を用い、７−１−１−７−１−１の構造およびＡＢＣＢの構造も考えられる。

広帯域反射を実現するための別の手法は、多層光学積層において著しく厚い層を用いることである。図１１に示される透過率スペクトルは、たとえば、図１２に示されているような１２４層のより厚い層を用いてｚ整合偏光子で実現されることができる。図１２の下部曲線は、ｎ_x≒１．８５の第１の交互材料（ＰＥＮ）に関する。上部曲線は、ｎ_x≒１．５６５の第２の交互材料（イーストマン・ケミカル・カンパニー（Ｅａｓｔｍａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手可能なＰＥＴＧ）に関する。ｙ屈折率およびｚ屈折率はすべて、１．５６５で整合され、通過偏光の場合にはすべての角度で無色の透過を形成する。膜を非延伸方向に収縮することができるような態様で一軸成形されるＰＥＮを用いて、これらの屈折率を実現することができる。この膜は、ｐ偏光に関して４００ｎｍ〜１８００ｎｍの範囲の約５０％反射率を有するため、すべての太陽放射線の約２５％を反射することを留意されたい。この程度の反射率はｚ屈折率整合のために、θの増大に関して依然として一定のままである。

本発明の種々の修正および変形は、本発明の範囲および精神を逸脱することなく、当業者には明白となるであろう。本発明は、本願明細書に記載される例示の実施形態に制限されるわけではないことを理解すべきである。

従来技術のディスプレイシステムの部分概略断面図である。 本願明細書に述べるようなＨＵＤシステムの部分概略断面図である。 部分反射体に当たる種々の斜めに入射する光線を示している。 部分ミラーとして機能するほど十分に薄い簡素な金属コーティングに関するｘ−ｚ平面における（空気中の）入射角対光の反射率の定性的な挙動を示す簡略化した理想化されたグラフである。 部分ミラーとして機能するほど十分に薄い簡素な金属コーティングに関するｙ−ｚ平面における（空気中の）入射角対光の反射率の定性的な挙動を示す簡略化した理想化されたグラフである。 多層反射偏光子を別にすれば、図４ａと類似のグラフであるが、交互層に関してΔｎ_xが大きく、Δｎ_yが実質的にゼロであり、Δｎ_zが大きく、Δｎ_xと同様の極性である。 多層反射偏光子を別にすれば、図４ｂと類似のグラフであるが、交互層に関してΔｎ_xが大きく、Δｎ_yが実質的にゼロであり、Δｎ_zが大きく、Δｎ_xと同様の極性である。 多層反射偏光子を別にすれば、図５ａと類似のグラフであるが、交互層に関してΔｎ_xが大きく、Δｎ_yが実質的にゼロであり、Δｎ_zがゼロまたはΔｎ_xに比べてきわめて小さい。 多層反射偏光子を別にすれば、図５ｂと類似のグラフであるが、交互層に関してΔｎ_xが大きく、Δｎ_yが実質的にゼロであり、Δｎ_zがゼロまたはΔｎ_xに比べてきわめて小さい。 多層反射偏光子を別にすれば、図６ａと類似のグラフであるが、交互層に関してΔｎ_xが大きく、Δｎ_yが実質的にゼロであり、Δｎ_zが大きいが、Δｎ_xと逆の極性である。 多層反射偏光子を別にすれば、図６ｂと類似のグラフであるが、交互層に関してΔｎ_xが大きく、Δｎ_yが実質的にゼロであり、Δｎ_zが大きいが、Δｎ_xと逆の極性である。 多層反射偏光子を別にすれば、図７ａと類似のグラフであるが、交互層に関してΔｎ_xおよびΔｎ_yは両方とも実質的にゼロであり、Δｎ_zは大きい。 多層反射偏光子を別にすれば、図７ｂと類似のグラフであるが、交互層に関してΔｎ_xおよびΔｎ_yは両方とも実質的にゼロであり、Δｎ_zは大きい。 垂直入射における１つの直線偏光成分に関して広帯域の反射偏光子の場合の波長対透過率の計算グラフである。 図９のグラフを作製することができる多層薄膜積層の層厚の分布を示すプロットである。 垂直入射における１つの直線偏光成分に関して別の広帯域の反射偏光子の場合の波長対透過率の計算グラフである。 図１１のグラフを作製することができる多層厚膜積層の層厚の分布を示すプロットである。

Claims (27)

1. 見ている位置に情報を表示するためのシステムであって、
   対象領域および前記対象領域における少なくとも第１の露光窓面を有し、前記第１の露光窓面が第１の垂直軸に関連している窓部材と、
   前記第１の垂直軸に対して鋭角θ₁をなす照射軸に沿って前記対象領域に向かって偏光を放射し、前記放射光が実質的にｐ偏光であり、所定の少なくとも１つの可視波長を含む表示源と、
   前記表示源から前記見ている位置まで前記ｐ偏光の少なくとも一部を反射するために、前記対象領域に隣接して配置される反射偏光子と、を具備し、
   前記反射偏光子が前記角度θ₁を含む入射角の角度範囲にわたって前記所定の少なくとも１つの可視波長で、ｓ偏光の場合よりｐ偏光の場合の方が高い反射率を有するシステム。
2. 前記窓部材が第２の露光窓面を具備し、前記反射偏光子が前記第１の露光窓面と前記第２の露光窓面との間に配置される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記窓部材が少なくとも２層の窓層を具備し、前記反射偏光子が前記少なくとも２層の窓層の間に配置される、請求項２に記載のシステム。
4. 前記角度範囲が、少なくとも２０°である、請求項１に記載のシステム。
5. 前記角度範囲が、少なくとも４０°である、請求項４に記載のシステム。
6. 前記角度範囲が、少なくとも６０°である、請求項４に記載のシステム。
7. 前記反射偏光子が、前記角度範囲にわたって前記反射偏光子に対して垂直である第１の平面において入射するｐ偏光に関して前記所定の少なくとも１つの可視波長で、少なくとも約２０％の反射率を有する、請求項１に記載のシステム。
8. 前記反射偏光子が、前記角度範囲にわたって前記第１の平面において入射するｐ偏光に関して前記所定の少なくとも１つの可視波長で、少なくとも約４０％の反射率を有する、請求項７に記載のシステム。
9. 前記反射偏光子が、前記角度範囲にわたって前記反射偏光子に対して垂直である第１の平面において入射するｓ偏光に関して前記所定の少なくとも１つの可視波長で、約１０％未満の反射率を有する、請求項１に記載のシステム。
10. 前記反射偏光子が、前記角度範囲にわたって前記第１の平面において入射するｓ偏光に関して前記所定の少なくとも１つの可視波長で、約５％未満の反射率を有する、請求項９に記載のシステム。
11. 前記第１の露光窓面が前記所定の少なくとも１つの可視波長で、それに関するブリュースター角θ_Bを有し、θ₁がθ_Bとは約１０°未満だけ異なる、請求項１に記載のシステム。
12. θ₁がθ_Bとは約５°未満だけ異なる、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記反射偏光子が、ｚ整合反射偏光子、ネガティブｚ不整合反射偏光子および軸外偏光子の群から選択される、請求項１に記載のシステム。
14. 前記反射偏光子が、垂直入射光の場合に約７００ｎｍを超える波長の少なくとも１つの反射帯域を具備する、請求項１に記載のシステム。
15. 見ている位置に情報を表示するためのシステムであって、
    対象領域および前記対象領域における少なくとも第１の露光窓面を有し、前記第１の露光窓面が第１の垂直軸に関連している窓部材と、
    前記第１の垂直軸に対して鋭角θ₁をなす照射軸に沿って前記対象領域に向かって偏光を放射し、前記放射光が実質的にｐ偏光であり、所定の少なくとも１つの可視波長を含む表示源と、
    前記表示源から前記見ている位置まで前記ｐ偏光の少なくとも一部を反射するために、前記対象領域に隣接して配置される反射偏光子と、を具備し、
    前記第１の垂直軸および前記照射軸が第１の平面を画定し、前記反射偏光子が前記照射軸を含む角度範囲にわたって前記第１の平面に入射する光に関して前記所定の少なくとも１つの可視波長で、ｓ偏光に関して実質的に透明であり、ｐ偏光に関して実質的に反射するシステム。
16. 前記第１の露光窓面が、前記所定の少なくとも１つの可視波長でそれに関連するブリュースター角θ_Bを有し、θ₁がθ_Bとは約５°未満だけ異なる、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記広い角度範囲が、少なくとも２０°である、請求項１５に記載のシステム。
18. 前記反射偏光子が、前記広い角度範囲にわたって前記所定の少なくとも１つの可視波長で、ｐ偏光に関して少なくとも約４０％の反射率を有し、ｓ偏光に関して約５％未満の反射率を有する、請求項１５に記載のシステム。
19. 見ている位置に情報を表示するためのシステムであって、
    対象領域と、前記対象領域における少なくとも第１の露光窓面と、前記第１の露光窓面に対向する第２の露光窓面と、を有し、前記第１の露光窓面がそれに関連する第１の垂直軸を有する窓部材と、
    前記第１の垂直軸に対して鋭角θ₁をなす照射軸に沿って前記対象領域に向かって偏光を放射し、前記放射光が実質的にｐ偏光であり、所定の少なくとも１つの可視波長を含む表示源と、
    前記表示源から前記見ている位置まで前記ｐ偏光の少なくとも一部を反射するために、前記対象領域に隣接して配置される反射偏光子と、を具備し、
    前記反射偏光子が前記第１の露光窓面と前記第２の露光窓面の間に配置され、前記反射偏光子が前記所定の少なくとも１つの可視波長で、前記照射軸に沿って入射する光に関して、ｓ偏光よりｐ偏光を多く反射するシステム。
20. 前記第１の露光窓面が、前記所定の少なくとも１つの可視波長でそれに関連するブリュースター角θ_Bを有し、θ₁がθ_Bとは約５°未満だけ異なる、請求項１９に記載のシステム。
21. 前記反射偏光子が、前記所定の少なくとも１つの可視波長で前記照射軸に沿って入射する光に関して、ｐ偏光に関して少なくとも約４０％の反射率を有し、ｓ偏光に関して約５％未満の反射率を有する、請求項１９に記載のシステム。
22. 前記反射偏光子が、前記所定の少なくとも１つの可視波長で角度範囲が前記照射軸を含み、少なくとも２０°の角度範囲内で入射する光に関して、ｐ偏光に関して少なくとも約４０％の反射率を有し、ｓ偏光に関して約５％未満の反射率を有する、請求項２１に記載のシステム。
23. ＨＵＤシステムにおいて用いるのに適した構成要素であって、
    対象領域および前記対象領域における少なくとも第１の露光窓面を有し、前記第１の露光窓面がそれに関連する第１の垂直軸およびブリュースター角θ_Bを有する窓部材と、
    前記対象領域に隣接して配置される反射偏光子と、を具備し、
    前記反射偏光子が前記第１の垂直軸と角度θ_Bをなす第１の入射方向を有する光に関して、前記所定の少なくとも１つの可視波長で、ｓ偏光の場合よりｐ偏光の場合の方が高い反射率を有する構成要素。
24. 前記窓部材が、前記第１の露光窓面に対向する第２の露光窓面をさらに有し、前記反射偏光子が前記第１の露光窓面と前記第２の露光窓面との間に配置される、請求項２３に記載の構成要素。
25. 前記窓部材が少なくとも２層の窓層を具備し、前記反射偏光子が前記少なくとも２層の窓層の間に配置される、請求項２４に記載の構成要素。
26. 前記反射偏光子が、ｚ整合反射偏光子、ネガティブｚ不整合反射偏光子および軸外偏光子の群から選択される、請求項２３に記載の構成要素。
27. 前記反射偏光子が、所定の少なくとも１つの可視波長に関して、少なくとも２０°の角度範囲を有し、その角度範囲が前記第１の入射方向を含む光に関して、ｓ偏光の場合よりｐ偏光の場合の方が高い反射率を有する、請求項２３に記載の構成要素。

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