JP2015535092A - プリズム補正レンズ - Google Patents

Abstract

以下の発明は、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）のための改良された補正レンズに関連し、特に、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）デバイスとともに使用する液晶ディスプレイモジュールに関連する。
補正レンズは、好ましくは、複合プリズムレンズから選択され、２つの光学部品が異なる分散関数を有するのであれば、レンズは、プリズムと光学的に接続されている正のレンズまたは負のレンズのいずれかであってもよい。
【選択図】 図１

Description

以下の発明は、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）のための改良された補正レンズに関連し、特に、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）デバイスとともに使用する液晶ディスプレイモジュールに関連する。

本発明をさらに詳細に説明する前に、発明はもちろん変化するかもしれないことから、発明は、記述した特定の実施形態に限定されるものではないことを理解すべきである。本発明の範囲は、添付された特許請求の範囲によってのみ限定されるので、ここで使用する専門用語は、特定の実施形態を説明するためだけのものであり、限定することを意図しているのではないことも理解すべきである。

発明の最初の態様にしたがうと、乗物のためのディスプレイデバイスが提供され、ディスプレイデバイスは、ユーザに対して表示されるシステム情報を提供する、少なくとも１つのディスプレイと、ディスプレイからのシステム情報を拡大して、ディスプレイの虚像を提供する、部分的に反射するコンバイナとを具備し、歪み補正レンズが、ディスプレイと部分的に反射するコンバイナとの間に位置付けられている。

部分的に反射するコンバイナは、独立型のデバイスであってもよく、あるいは、乗物ヴェッセルまたはクラフト中の風防であってもよい。風防上への直接的な像の投影は、虚像がユーザの目線中に確実に出現するようにするために、ディスプレイの特定のアラインメントを必要とするかもしれない。部分的に反射するコンバイナは、必要とされるときに配備される別の光学部品であることが好ましく、好ましいアレンジでは、コンバイナは負のメニスカスレンズである。

部分的に反射するコンバイナは、２ｍｍから６ｍｍの範囲における、好ましくは、３ｍｍから５ｍｍの範囲における厚さ（ΔＵ）を有していてもよい。例えば、ガラス、ポリカーボネートまたはＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）のような、可視領域、典型的に４００〜８００ｎｍにおいて高い光透過率を有する任意の材料から、コンバイナを選択してもよい。屈折率（ｎ）は、１．３０から１．８０の範囲、より好ましくは、１．４５から１．６５の範囲にある。

コンバイナの表面は、好ましくは光学的になめらかな仕上がりの、テクスチャ、コーティング、染料、発光レイヤのうちの１つ以上を含んでいてもよい。コンバイナの曲率半径は、３００ｍｍから１０００ｍｍの範囲、好ましくは４００ｍｍから７００ｍｍの範囲にあってもよい。先行技術において知られているように、コンバイナは、任意のスペクトル的にアクティブなコーティングまたは複数の薄膜から選択されるかもしれない、反射防止コーティングを備えていてもよく、そして、染料や、例えば、ひだのある薄膜や回折格子のような反射するノッチ膜を備える、例えば、広帯域または狭帯域フィルタを備えていてもよい。

ユーザは、人であってもよく、または、さらに特に、人の目線または視線であってもよい。

例えば、ＣＲＴ、ＬＣＤ、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、投影、レーザー、シリコン上の液晶（ＬＣＯＳ）デバイスのような任意の出力手段から、少なくとも１つのディスプレイを選択してもよく、このようなＬＣＯＳデバイスは、狭帯域の赤、緑および青のＬＥＤソースによって照明される。ディスプレイは典型的にバックライトによって照明される。

ユーザは、虚像を見るが、コンバイナからおよそ８００ｍｍ離れた現在の頭の位置において、ディスプレイの中心の左右に対して異なる眼位を経験するだろう。ユーザの通常の眼位は、おおよそプラスマイナス３７．５ｍｍにあり、光学部品によってもたらされる歪みは、像をかなり異なって見せるかもしれない。脳は、マイナーな歪みを補償できるが、長時間でディスプレイを使用する場合、脳は、望まれない眼の緊張を起こすかもしれない。像中の見かけ上の歪みを低減させる最も単純な方法のうちの１つは、ディスプレイをわずかに前方に傾斜させることである。ディスプレイを傾斜させることは、像中に色収差を確実にもたらさないようにする。しかしながら、収納スペースが貴重であり、よって、このようなシステムを、プラットフォーム上のダッシュボードまたは制御パネルと実質的に同じ高さにさせることが望ましい場合、ＨＵＤは典型的に乗物やヴェッセルやクラフト中に組み込まれているかもしれないので、ディスプレイを傾斜させることは、ほとんどの状況において便利ではなさそうである。さらに、ディスプレイを傾斜させることは、内部の表面からの望まれない反射を引き起こすかもしれない。

好ましいアレンジにおいて、歪み補正レンズは、傾斜されたプリズムと、傾斜された負の焦点距離レンズと、複合プリズムレンズとから、選択してもよい。

非常に好ましいアレンジにおいて、補正レンズは、レンズとプリズムを備える複合プリズムレンズである。

好ましいアレンジにおいて、レンズとプリズムは異なる分散関数を有する材料から選択され、これは色収差を低減させて、虚像の歪みの低減をもたらすことが示されている。レンズなしのプリズムだけの使用、または、プリズムなしの傾斜されたレンズだけの使用は、歪みを低減させる手段を提供するが、両方がある程度の色収差をもたらす。

例えば、２つの別の光学コンポーネントを互いに境を接するようにさせること、すなわち、別のレンズとプリズムを互いに結合させることにより、または、例えば、屈折率分布型レンズを提供するドーピンググラス／プラスチックのような、可変の屈折率または可変の分散を有する単一の光学部品を準備することによるような任意の既知の技術によって、複合プリズムレンズを製造してもよい。傾斜が入ったガラス、プラスチックおよびポリマーを準備する多くの既知の技術がある。レンズとプリズムは、光学的に接続されなければならない。

正の焦点距離レンズまたは負の焦点距離レンズのいずれかから、レンズを選択してもよい。レンズのアッベ数Ｖ_Ｌとプリズムのアッベ数Ｖ_Ｐを選択し、Ｖ_Ｌ＜Ｖ_Ｐ、レンズは高分散値を有し、プリズムは低分散値を有することが好ましい。

レンズとプリズムが異なる分散値を有するように、レンズとプリズムを選択することによって、色収差は低減され、これを達成する簡単な方法は、例えば、ガラスまたはプラスチックまたはポリマーから個々に選択される材料のような、異なる材料からレンズとプリズムを選択することである。

複合プリズムレンズの有効焦点距離は、−１００から１０００までの範囲にあることが好ましい。プリズムの頂角は、１０度から３０度までの範囲にあることが好ましい。

さらなるアレンジにおいて、アクティブな虚像を提供するために、歪み補正レンズと、部分的に反射するコンバイナとの間に位置付けられた少なくとも１つの流体レンズがあってもよい。虚像が乗物の外側に出現するように、そして、風防を通して見られる風景における実際の特徴と一致するポジションに虚像を配置できるように、アクティブな虚像は、５００ｍｍから１００ｍの範囲における距離で投影されることが好ましいかもしれない。風景は、何らかの地形、海洋または空でさえあってもよく、特徴は、風景のいくつかの認識可能な様相である。特徴は、曲り角や交差点や局所的な危険のような道路ネットワークの一部分であってもよく、または、危険を回避する好ましい経路またはルートへの案内を行うための、オフロード地形を横切るルートまたは経路であってもよい。

発明のさらなる態様にしたがうと、レンズとプリズムを備え、色収差補正を提供する複合プリズムレンズが提供され、レンズとプリズムは異なる分散関数を有する材料から選択される。

発明のさらなる態様にしたがうと、特にＨＵＤにおいて、表示される像のキーホール歪みと色収差とを低減させる方法が提供され、方法は、ディスプレイと、部分的に反射するコンバイナとの間に、レンズとプリズムを備え、色収差補正を提供する複合プリズムレンズを位置付けるステップを含み、レンズとプリズムは異なる分散関数を有する材料から選択される。

少なくとも１つのディスプレイと存在するときには第２のディスプレイは、例えば、乗物の元々のオンボードディスプレイパネル（すなわち、ダッシュボード）、ＯＥＭまたはアドオンのエンターテインメントシステム、ナビゲーションシステム、または、通信システムのような、少なくとも１つのシステムの情報からの出力を提供する。ビデオカメラを使用して乗物ダッシュボードからのリアルタイムの出力を捕捉することによって、既存の乗物ダッシュボードの虚像を提供して、ディスプレイパネル上に像を提供し、したがって、部分的に反射するコンバイナを介して虚像を提供することが、後付けのオプションとして望ましいかもしれない。外部ソースからのさらなる情報を、すなわち、少なくとも２つのシステム情報ソースからの交通情報またはシステム情報を提供することが望ましいかもしれず、システム情報はその後、２つの別個のメッセージとして、典型的に、警告２次虚像として、オーバーレイされるか、または提供されてもよい。

レンズなしでのプリズムの使用は、ディスプレイを傾斜させるのと同様な効果を達成する。１つの特定の実施形態において、プリズムは中心の厚さが２ｍｍから２０ｍｍの範囲、好ましくは、３ｍｍから７ｍｍの範囲にあり、そして、５度から２５度の範囲、好ましくは１０度から１４度の範囲にある頂角を有している。プリズムの一番上は、１０度から１７度の範囲、さらに好ましくは１３度から１５度の範囲において、コンバイナに向けて前方に傾斜していてもよい。プリズムは、Ｎ−ＢＫ７ガラスから作られていてもよい。しかしながら、プリズムは、系に色収差をもたらす。他の低分散ガラスを使用して、色収差を低減させることもできる。

プリズムなしでの、傾斜された負の焦点距離レンズの使用は、低減された色収差とともに、ディスプレイを傾斜させるのと、または、プリズムを使用するのと同様な効果を達成する。プリズムなしの傾斜されたレンズは、１ｍｍから１５ｍｍの範囲、好ましくは、１ｍｍから４ｍｍの範囲にある中心の厚さを有していてもよく、そして、−１０００ｍｍから−１００ｍｍの範囲、好ましくは−９００ｍｍから−７００ｍｍの範囲にある焦点距離を有していてもよい。傾斜されたレンズの一番上は、１０度から３０度の範囲、さらに好ましくは１８度から２２度の範囲で前方に傾斜していてもよい。

付随する図面を参照して、単なる例として、発明の実施形態をこれから説明する。
図１は、乗物のためのヘッドアップディスプレイの概略図を示している。 図２は、配備デバイス中のヘッドアップディスプレイデバイスを示している。 図３ａは、歪められた像と、複合プリズムレンズにより補正された像とを示している。 図３ｂは、歪められた像と、複合プリズムレンズにより補正された像とを示している。 図４は、バックライトモジュールとＬＣＤディスプレイとプリズムレンズとの側面図を示している。 図５は、複合プリズムレンズの例を示している。 図６は、複合プリズムレンズのさらなる例を示している。

図１に目を向けると、ユーザ４の視線７中に表示される虚像２を提供するディスプレイ３を備えているディスプレイデバイス９が提供されている。ディスプレイ３は、例えば、車のダッシュボードや衛星ナビゲージョンやエンターテインメントシステムのような、乗物情報システム８からの像６を出力する。

補正レンズを介して、好ましくは、複合プリズムレンズ５を介して、ディスプレイ３は像６を投影し、その出力はその後、部分的に反射するコンバイナ（または風防）１に向けられ、それは（示されていない）乗物の外側で、ユーザ４から遠隔に、アクティブな虚像２ａを提供する。

部分的に反射するコンバイナ１の使用は、部分的に反射する表面として乗物風防を使用する要件を取り除くかもしれず、よって、乗物風防の光学特性についての以前の考慮をすることなく、ディスプレイデバイス９を任意の乗物に容易に後付けできるようにする。

図２において、配備ハウジング１６中のコンバイナ１１を備えているＨＵＤシステム１０が提供されている。複合プリズムレンズを介してコンバイナ上に乗物情報システム１８からのデータの像を投影するディスプレイ１３によって引き起こされる虚像１２をユーザ１４が見ることができるように、使用するときに、コンバイナは示すようなアクティブポジションに配備されてもよい。コンバイナ１１を上げ下げするために、ドローコード１７がサーボモータによってアクティブ化されてもよい。非アクティブポジションにおいて、コンバイナは、示されているものと実質的に直交するポジションにある。

図３ａに目を向けると、図３ａは、ＨＵＤを通して見られるような、Ｚｅｍａｘ（光学モデリングプログラム）によって発生された二重アルファベット２０の像を示している。像のアスペクト比は２：１であり、４８０ピクセルを有する４１．１ｍｍ幅のスクリーンを表わしている。左から右に、像は、−７５ｍｍ、−３７．５ｍｍ、０ｍｍ、３７．５ｍｍおよび７５ｍｍにおける水平眼位を表わしている。像の中心は、コンバイナの一番下からおおよそ７０ｍｍになるように出現する。−３７．５ｍｍの眼位に対する最大のグリッド歪みは、−２．２％である。標準歪みメリット関数は、０．０４１の値を与える。

図３ｂの像は、歪みを補正するために複合プリズムレンズを使用している、二重アルファベット２１のＺｅｍａｘモデルにおける像である。−３７．５ｍｍの眼位に対する最大のグリッド歪みは、１．９％である。標準歪みメリット関数は、０．００８の値を与える。

図４に目を向けると、３１において一般的に示されているバックライトモジュールが提供されている。複数の照明ソース４６がある。照明ソース４６は、ヒートシンク３６から形成され、ヒートシンク３６上には、プリント回路基板３５が据え付けられている。回路３５は複数のＬＥＤ３４を含み、複数のＬＥＤ３４は、レンズ３３を使って焦点が合わさせるそれらの出力を有している。

照明ソース４６は、導光板３２のエッジのうちの３つのエッジ上に位置付けられている。導光板３２の下側の表面は、複数の光学的に散乱するドットにより形成されており、ホワイト反射器３８ａ、３８ｂの少なくとも１つのレイヤによって、カプセル化されている。下側のホワイト反射器レイヤ３８ａは、導光板３２の下側の面全体をカバーしている。ホワイト反射器３８ａ、３８ｂは、光を導光板中に戻すように反射する。上側のホワイト反射器レイヤ３８ｂは、光学的に透明な開口３９を有し、導光からの光がデバイスを離れることができるようにする。開口３９の一番上に位置付けられているものは、拡散膜４０であり、拡散膜４０はさらに、出力輝度を一様にする。４１において一般的に示されている、２つの直交して同じ場所に位置付けられている輝度向上膜は、拡散板４０上に位置付けられている。最後の光学コンポーネントは、光学的に透明な開口４３を有するディスプレイマスクレイヤ４２であり、開口４３は、照明されて投影されるＬＣＤディスプレイ４７と実質的に同一のエリアを有する。

ハウジング４５は、据え付け板３７から形成されており、据え付け板３７上にはエッジ照明ソース４６のうちの３つの側面が位置付けられている。

バックライトモジュール３１から投影される光は、ＬＣＤディスプレイ４７を通り過ぎて、プリズムレンズ４８を介して、部分的に反射するコンバイナ４９にさらに投影される。プリズムレンズ４８は、ディスプレイ４７に光学的に接続されており、これは、２つを互いに直接的に境を接するようにさせるか、または、（示されていない）接着剤を使用してもよい。

図５は、正のレンズ５２とプリズム５３から形成されている複合プリズムレンズ５１を示している。

図６は、負のレンズ６２とプリズム６３から形成されている複合プリズムレンズ６１を示している。

図６は、負のレンズ６２とプリズム６３から形成されている複合プリズムレンズ６１を示している。
以下に、本願出願時の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］乗物のためのディスプレイデバイスにおいて、
ユーザに対して表示されるシステム情報を提供する、少なくとも１つのディスプレイと、
前記ディスプレイからの前記システム情報を拡大して、前記ディスプレイの虚像を提供する、部分的に反射するコンバイナとを具備し、
歪み補正レンズが、前記ディスプレイと前記部分的に反射するコンバイナとの間に位置付けられているディスプレイデバイス。
［２］前記歪み補正レンズは、傾斜したプリズムと、傾斜した負の焦点距離レンズと、複合プリズムレンズとから選択される［１］記載のディスプレイ。
［３］前記複合プリズムレンズは、レンズとプリズムを備える［２］記載のディスプレイ。
［４］前記レンズと前記プリズムは、異なる分散関数を有する材料から選択される［３］記載のディスプレイ。
［５］独立したレンズとプリズムとを互いに境を接するようにさせることによって、前記複合プリズムレンズを製造する［３］または［４］のいずれか１項記載のディスプレイ。
［６］可変の屈折率を有する単一の光学部品を提供することによって、前記複合プリズムレンズを製造する［３］または［４］のいずれか１項記載のディスプレイ。
［７］前記レンズは、正のレンズまたは負のレンズである［２］ないし［６］のいずれか１項記載のディスプレイ。
［８］前記レンズと前記プリズムは、前記レンズＶ _Ｌ と前記プリズムＶ _Ｐ において、Ｖ _Ｌ ＜Ｖ _Ｐ であるように選択される［２］ないし［７］のいずれか１項記載のディスプレイ。
［９］前記レンズは高分散値を有し、前記プリズムは低分散値を有する［２］ないし［８］のいずれか１項記載のディスプレイ。
［１０］前記レンズと前記プリズムは、ガラスまたはプラスチックまたはポリマーから個々に選択された材料によって作られている［３］ないし［９］のいずれか１項記載のディスプレイ。
［１１］前記複合プリズムレンズの有効焦点距離は、−１００から１０００の範囲にある［２］ないし［１０］のいずれか１項記載のディスプレイ。
［１２］前記プリズムの頂角は、１０度から３０度の範囲にある［２］ないし［１１］のいずれか１項記載のディスプレイ。
［１３］前記少なくとも１つの歪み補正レンズと、前記部分的に反射するコンバイナとの間に位置付けられている少なくとも１つの流体レンズは、アクティブな１次虚像を提供する、先行する請求項のいずれか１項記載のディスプレイ。
［１４］色収差補正を提供する複合プリズムレンズにおいて、
レンズとプリズムを具備し、
前記レンズと前記プリズムは、異なる分散関数を有する材料から選択される複合プリズムレンズ。
［１５］表示される像のキーホール歪みと色収差とを低減させる方法において、
ディスプレイと、部分的に反射するコンバイナとの間に、［１４］記載のレンズを位置付けるステップを含む方法。

Claims (15)

1. 乗物のためのディスプレイデバイスにおいて、
   ユーザに対して表示されるシステム情報を提供する、少なくとも１つのディスプレイと、
   前記ディスプレイからの前記システム情報を拡大して、前記ディスプレイの虚像を提供する、部分的に反射するコンバイナとを具備し、
   歪み補正レンズが、前記ディスプレイと前記部分的に反射するコンバイナとの間に位置付けられているディスプレイデバイス。
2. 前記歪み補正レンズは、傾斜したプリズムと、傾斜した負の焦点距離レンズと、複合プリズムレンズとから選択される請求項１記載のディスプレイ。
3. 前記複合プリズムレンズは、レンズとプリズムを備える請求項２記載のディスプレイ。
4. 前記レンズと前記プリズムは、異なる分散関数を有する材料から選択される請求項３記載のディスプレイ。
5. 独立したレンズとプリズムとを互いに境を接するようにさせることによって、前記複合プリズムレンズを製造する請求項３または４のいずれか１項記載のディスプレイ。
6. 可変の屈折率を有する単一の光学部品を提供することによって、前記複合プリズムレンズを製造する請求項３または４のいずれか１項記載のディスプレイ。
7. 前記レンズは、正のレンズまたは負のレンズである請求項２ないし６のいずれか１項記載のディスプレイ。
8. 前記レンズと前記プリズムは、前記レンズＶ_Ｌと前記プリズムＶ_Ｐにおいて、Ｖ_Ｌ＜Ｖ_Ｐであるように選択される請求項２ないし７のいずれか１項記載のディスプレイ。
9. 前記レンズは高分散値を有し、前記プリズムは低分散値を有する請求項２ないし８のいずれか１項記載のディスプレイ。
10. 前記レンズと前記プリズムは、ガラスまたはプラスチックまたはポリマーから個々に選択された材料によって作られている請求項３ないし９のいずれか１項記載のディスプレイ。
11. 前記複合プリズムレンズの有効焦点距離は、−１００から１０００の範囲にある請求項２ないし１０のいずれか１項記載のディスプレイ。
12. 前記プリズムの頂角は、１０度から３０度の範囲にある請求項２ないし１１のいずれか１項記載のディスプレイ。
13. 前記少なくとも１つの歪み補正レンズと、前記部分的に反射するコンバイナとの間に位置付けられている少なくとも１つの流体レンズは、アクティブな１次虚像を提供する、先行する請求項のいずれか１項記載のディスプレイ。
14. 色収差補正を提供する複合プリズムレンズにおいて、
    レンズとプリズムを具備し、
    前記レンズと前記プリズムは、異なる分散関数を有する材料から選択される複合プリズムレンズ。
15. 表示される像のキーホール歪みと色収差とを低減させる方法において、
    ディスプレイと、部分的に反射するコンバイナとの間に、請求項１４記載のレンズを位置付けるステップを含む方法。