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JP7025439B2 - Split exit pupil head-up display system and method - Google Patents

Split exit pupil head-up display system and method Download PDF

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Description

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。 The present invention relates generally to a heads-up display (HUD), and more particularly to a HUD system that produces one or more virtual images.

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。 The head-up display contributes to the safety of the vehicle by allowing the driver of the vehicle to more visually recognize and notify the dashboard information of the vehicle without removing the driver's view and attention from the road. It is required as an auxiliary technology. However, currently available heads-up displays are bulky and too expensive to be a viable option for use in most vehicles. Applications for aircraft and helicopter head-up displays also experience these same obstacles, albeit to a lesser extent as a cost factor. For automotive applications of heads-up displays, volume and cost constraints are exacerbated by the variety of vehicle sizes, types and cost requirements. Therefore, there is a demand for low cost and low bulk head-up displays suitable for use in small vehicles such as automobiles, small aircraft, and helicopters.

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。 Conventional HUD systems can generally be classified into two types: pupillary imaging HUD and non-pupil imaging HUD. The pupil imaging HUD is typically a relay module responsible for delivering intermediate images and forming pupils, as well as image collimation and the position of the viewer's eyes (in the present specification, the "eye-box"). It consists of a collimation module that is in charge of imaging the pupil in (called). Collimation modules for pupil imaging HUDs are typically implemented as tilted curved or planar reflectors, or holographic optical elements (HOEs), and relay modules are typically for bending the optical path and for photoaberration. Inclined to compensate. The non-pupil imaging HUD defines the aperture of the system by the angle of the light cone at the position of the intermediate image on the display or due to diffusion. The intermediate image HUD system also requires a relay module, but the HUD aperture is determined only by the collimation optical system. Collimation optics usually have axial symmetry, but are equipped with folding mirrors to meet the volume requirements. This is determined by the need for aberration correction and aspects of the volume of the system.

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。 The prior art described in Patent Document 8 and illustrated in FIG. 1-1 minimizes the collimation optical system by using a concave HOE reflector (11 in FIG. 1-1) as a combiner and collimator, and is a HUD system. Reduce the volume aspect of the. The resulting HUD system requires complex tilt relay optics (10 in FIG. 1-1) to compensate for aberrations and deliver intermediate images. Moreover, this HUD system only works in a narrow spectrum.

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。 The prior art described in Patent Document 9 and illustrated in FIG. 1-2 uses a relay optical system (REL) module to convergent combiner (CMB) mirror (CMB in FIG. 1-2). ) Deliver an intermediate image to the focal plane and define the pupil of the system. The CMB mirror collimates the intermediate image and forms the pupil of the system into the viewer's eye to promote viewing. This pupil imaging HUD approach inevitably involves a complex REL module for packaging and aberration correction.

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。 The prior art described in Patent Document 10 and illustrated in FIG. 1-3 uses a projection lens (3) for projecting onto a diffused surface (51 in FIGS. 1-3) as an image source and is also half. A transparent collimated mirror (7 in Fig. 1-3) is used. The collimated mirror forms an image at point at infinity, and the aperture of the collimation optical system is defined by the angular width of the diffuser.

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。 The prior art described in Patent Document 11 and illustrated in FIG. 1-4 is collimated using an image forming source consisting of two liquid crystal display (LCD) panels (23 in FIG. 1-4). An intermediate image is formed on a diffusion screen (5 of FIG. 1-4) arranged on the focal plane of the optical system module (1 of FIG. 1-4). The main purpose of the two LCD panels of the image forming source is to achieve sufficient brightness for the visibility of the formed image. To this end, the two LCD panels of the image forming source form or overlap two consecutive side-by-side images on the diffuse screen, 1/2 horizontally and vertically on the diffuse screen. It is configured to form two images that are shifted by pixels.

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。 The prior art described in Patent Document 12 uses a pair of reflective holographic optics (HOEs) to achieve holographic dispersion correction and to provide a virtual image of a broadband display source within the field of view of the observer. Project. The prior art described in Patent Document 13 also uses a pair of holographic optics (HOEs), one transparent and the other reflective, to project an image onto the windshield of the vehicle.

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。 The prior art described in Patent Document 14 and illustrated in FIG. 1-5 is a vehicle configured to project an image onto a vehicle dashboard (18 in FIG. 1-5) having a faceted reflective surface. An image projector installed above the windshield (14 in FIGS. 1-5) is used, where the facet reflective surface is configured to reflect the image from the image projector onto the windshield of the vehicle. The surface of the vehicle windshield is oriented to reflect images from each of the dashboard facet surfaces towards the viewer.

米国特許第7,623,560号、El-Ghoroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof, Nov. 24, 2009.U.S. Pat. No. 7,623,560, El-Ghoroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof, Nov. 24, 2009. 米国特許第7,767,479号、El-Ghoroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication ThereofU.S. Pat. No. 7,767,479, El-Ghorory et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof 米国特許第7,829,902号、El-Ghoroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication ThereofU.S. Pat. No. 7,829,902, El-Ghorory et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof 米国特許第8,049,231号、El-Ghoroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication ThereofU.S. Pat. No. 8,049,231, El-Ghorory et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof 米国特許第8,098,265号、El-Ghoroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication ThereofU.S. Pat. No. 8,098,265, El-Ghorory et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof 米国公開特許第2010/0066921号、El-Ghoroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication ThereofUS Publication No. 2010/0066921, El-Ghorory et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof 米国公開特許第2012/0033113号、El-Ghoroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication ThereofUS Patent No. 2012/0033113, El-Ghoroury et al, Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof 米国特許第4,218,111号、Withrington eta al, Holographic Heads-up Displays, Aug. 19, 1980U.S. Pat. No. 4,218,111, Withrington eta al, Holographic Heads-up Displays, Aug. 19, 1980 米国特許第6,813,086号、Bignolles et al, Head Up Display Adaptable to Given Type of Equipment, Nov. 2, 2004U.S. Pat. No. 6,813,086, Signolles et al, Head Up Display Device to Given Type of Equipment, Nov. 2, 2004 米国特許第7,391,574号、Fredriksson, Heads-up Displays, June 24, 2008U.S. Pat. No. 7,391,574, Fredricksson, Heads-up Displays, June 24, 2008 米国特許第7,982,959号、Lvovskiy et al, Heads-up Displays, Jul. 19, 2011U.S. Pat. No. 7,982,959, L'vovskiy et al, Heads-up Displays, Jul. 19, 2011 米国特許第4,613,200号、Hartman, Heads-Up Display System with Holographic Dispersion Correcting, Sep. 23, 1986U.S. Pat. No. 4,613,200, Hartman, Heads-Up Display System with Holographic Dispersion Direction, Sep. 23, 1986 米国特許第5,729,366号、Yang, Heads-Up Display for Vehicle Using Holographic Optical Elements, Mar. 17, 1998U.S. Pat. No. 5,729,366, Yang, Heads-Up Display for Vehicle Using Holographic Optical Elements, Mar. 17, 1998 米国特許第8,553,334号、Lambert et al, Heads-Up Display System Utilizing Controlled Reflection from Dashboard Surface, Oct. 8, 2013U.S. Pat. No. 8,553,334, Lambert et al, Heads-Up Display System tilizing Controlled Reflection from Dashboard Surface, Oct. 8, 2013 米国特許第8,629,903号、Seder et al, Enhanced Vision System Full-Windshield HUD, Jan. 14, 2014U.S. Pat. No. 8,629,903, Seder et al, Enhanced Vision System Full-Windshided HUD, Jan. 14, 2014

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, 2000B. H. Walker, Optical Design of Visual System, Tutorial tests in optical engineering, public by The international Engineering of Optical 139-150, ISBN 0-8194-3886-3, 2000 C. Guilloux et al, Varilux S Series Braking the LimitsC. Guilloux et al, Varilux S Series Braking the Limits M. Born, Principles of Optics, 7th Edition, Cambridge University Press 1999, Section 5.3, pp. 236-244M. Born, Polypropylene of Optics, 7th Edition, Cambridge University Press 1999, Section 5.3, pp. 236-244

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。 Common to the prior art HUD system described briefly and the plurality of other HUD systems described in the cited prior art is the high cost and large volume size of the system. Moreover, none of the prior art HUD systems can be scaled in size and cost to fit the size and price range of various vehicles and other vehicles. Therefore, an object of the present invention is a method for a head-up display using a plurality of luminescent microscale pixel array imagers in order to realize a HUD system having a significantly smaller volume than a HUD system using a single image forming source. Is to introduce. Further, an object of the present invention is to enable a modular HUD system having a volumetric and cost aspect that can be scaled to fit various vehicle and small vehicle sizes and price ranges. We will introduce a method for designing a new split exit pupil HUD system using a microscale pixel array imager. Further objects and advantages of the invention will become apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the invention, which proceed with reference to the accompanying drawings.

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。 In the following description, similar drawing reference numerals are used for similar elements in different drawings. The things defined in this description, such as the structures and design elements detailed, are provided to aid in a comprehensive understanding of exemplary embodiments. However, the present invention can be practiced without the use of these specifically defined things. Further, the known functions or structures will not be described in detail because they obscure the present invention by unnecessary details. Some embodiments of the invention, with reference to the accompanying drawings, are merely non-limiting examples to understand the invention and to confirm how the invention can be practiced in practice. Will be described below.

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。FIG. 1-1 shows a prior art head-up display (HUD) system that uses concave HOE reflectors as combiners and collimators to minimize collimation optics and reduce volume aspects of the HUD system. 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。Figure 1-2 shows a prior art head-up display (HUD) system that uses a relay optical system (REL) module to deliver an intermediate image to the focal plane of a convergent combiner (CMB) mirror to define the pupil of the system. Is shown. 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。FIG. 1-3 shows a prior art head-up display (HUD) system using a projection lens (3) for projection onto a diffuse surface as an image source and also using a translucent collimating mirror. 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。Figure 1-4 shows a prior art head-up display that uses an image forming source consisting of two liquid crystal display (LCD) panels to form an intermediate image on a diffuse screen located at the focal plane of a collimation optical system module. (HUD) Indicates a system. 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。FIG. 1-5 uses an image projector installed above the windshield of a vehicle configured to project an image onto a vehicle dashboard with a facet reflective surface, wherein the facet reflective surface is: Demonstrates a prior art head-up display (HUD) system configured to reflect an image from an image projector onto the windshield of a vehicle. 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。FIG. 2 shows an exemplary modular HUD (MHUD) system of the present invention. 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。FIG. 3 shows the relationship between the design parameters and constraints of the MHUD system of FIG. 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。FIG. 4 shows an optical design aspect and a ray trace diagram of a HUD module comprising the MHUD assembly of the embodiment of FIG. 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。FIG. 5 shows the optical performance of a HUD module with the MHUD assembly of the embodiment of FIG. 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。FIG. 6 shows a multi-view perspective view of an MHUD assembly design example of the MHUD system according to the embodiment of FIG. 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。FIG. 7 shows a functional block diagram of an interface and a control electronic component design element (board) of the MHUD system according to the embodiment of FIG. 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。FIG. 8 shows a novel split eyebox design method for the MHUD system 200 of the embodiment of FIG. 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。FIG. 9 shows the actual volume of the MHUD assembly design example shown in FIG. 6 installed on the dashboard of a quasi-small vehicle. 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。FIG. 10 shows the ray path of the MHUD system of the present invention, including the load of sunlight. 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。11A and 11B show front and side views of the solid-state luminescent pixel array imager (ie, display element) of the embodiment of the multi-image HUD system of the invention, respectively, in which odd-numbered rows of pixels are generally imagers. A second image that indicates that it has an output that will produce a first image projected outward from the surface of the, and that even rows of pixels are generally projected somewhat downward with respect to the first image. Indicates that it has an output that will produce an image. 11C and 11D show front and side views of the solid-state luminescent pixel array imager of the embodiment of the multi-image HUD system of the present invention, respectively, which are the solid-state luminescent pixel array imagers (ie, display elements). The pixels in the upper region will have the output that will produce the second image described above, and the pixels in the lower region of the solid state luminescent pixel array imager will produce the first image described above. Indicates that it has an output. 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。FIG. 12 shows a plurality of ray paths according to an embodiment of the multi-image HUD system of the present invention. 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。FIG. 13 shows the nominal positions of the near-field virtual image and the far-field virtual image in the low-volume package design of the embodiment of the multi-image HUD system of the present invention installed on the dashboard of a semi-small vehicle. 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。FIG. 14 shows a side view of a display element of the present invention comprising a plurality of non-telecentric refracting micro-optical elements. 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。FIG. 15 shows a side view of a display element of the present invention comprising a plurality of tilted refraction microoptical elements.

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。 References to "one embodied" or "an embodied" in the following detailed description of the invention are specific feature portions, structures or or described in connection with the embodiment. It means that the feature is included in at least one embodiment of the present invention. The phrase "in one embodied" appears in various places in this detailed description, but not all of them necessarily refer to the same embodiment.

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。 In recent years, a new classification of luminescent microscale pixel array imager devices has been introduced. These devices are extremely small device sizes, including all required image processing drives, and are equipped with high brightness, extremely rapid multicolor light intensity, and spatial modulation capabilities. The solid state light (SSL) emission pixel of one such device may be a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD), and these on / off states are the luminescent properties of the imager described above. It is controlled by a drive circuit contained in a CMOS chip (or device) to which a microscale pixel array is coupled. The size of the pixels that make up the luminescent array of such an imager device is typically in the range of about 5-20 micrometers, and the typical luminescent surface area of the device is about 15-150 square millimeters. .. Pixels in a luminescent microscale pixel array device can be individually addressed spatially, chromatically and temporally, typically by the drive circuitry of the CMOS chip. The brightness of the light produced by such an imager device can reach millions of cd / m 2 at fairly low power consumption. An example of such a device is the QPI® imager (see Patent Documents 1-7) referred to in the exemplary embodiments described below. However, it should be understood that the QPI® imager is merely an example of the types of devices that can be used in the present invention. (“QPI” is a registered trademark of Ostendo Technologies, Inc.) Therefore, in the following description, any reference to the QPI® imager is a solid-state luminescent pixel array imager that can be used (hereafter. It should be understood that the purpose is merely to identify embodiments disclosed as one embodiment of "Imager") and not to any limitation of the present invention.

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。 The present invention combines the inherent capabilities of the imager's luminescent micropixel array device as described above with a novel split-injection pupil HUD system architecture to facilitate cost and volume constraints, such as automotive HUDs. It realizes a low-cost, small-volume modular HUD (MHUD) system that can be used for. The combination of the luminescent high-intensity micro-emitter pixel array of an imager such as the QPI® imager and the split exit pupil HUD architecture of the present invention effectively operates even in high-intensity ambient sunlight. The HUD system can be small enough to fit behind dashboards or equipment panels of various vehicle sizes and types. (As used herein, the term "vehicle" is used in the most general sense and includes, but is not limited to, movement on land, on water, underwater, and in the air. Includes any means of movement.) Due to the low cost and modularity of the split-injection pupil HUD architecture feasible with such an imager, a modular HUD that can be adjusted to fit various vehicle volume constraints. The system can be realized. The advantages of the HUD system will become even more apparent from the detailed description provided herein in the context of the embodiments described in the following paragraphs.

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。 FIG. 2 shows a design concept of a modular HUD (MHUD) system 200 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, in this preferred embodiment, the MHUD system 200 of the present invention is composed of an MHUD assembly 210 composed of a plurality of modules 215, and the modules 215 are integrally assembled to form an MHUD assembly 210. Thus, each module 215 comprises a single imager and associated optical system 220 and concave mirror 230. As shown in FIG. 2, the light emitted from each single imager with the associated optical system 220 is collimated, magnified and reflected by the associated concave mirror 230, and then partly on the front of the vehicle. Reflected away from the glass 240 to form a virtual image 260, which is visible within the eyebox segment 255 at the nominal head position of the vehicle driver. As shown in FIG. 2, each module 215 of the MHUD assembly 210 has the same virtual image 260 at any point in time from the vehicle windshield 240 in the same position, but in each corresponding eyebox segment 255. Arranged to form, the plurality of modules 215 of the MHUD assembly 210 together form the collective eyebox 250 of the MHUD system 200. That is, a part of the virtual image 260 is visible from each eyebox segment 255, and the whole is visible in the collective eyebox 250. Therefore, the overall size of the eyebox segment 255 of the MHUD system 200 can be adjusted by selecting an appropriate number of modules 215 constituting the MHUD assembly 210, the number of eyebox segments and modules being user-definable. It is a thing. Although each module 215 of the MHUD assembly 210 is arranged to form the same virtual image 260 at any point in time, these images will of course change over time, such as fuel gauge images. The MHUD system 200 of the present invention allows image data to be available at typical video rates, although it may change slowly or as quickly as in the display of the displayed image of a GPS navigation system. In some cases, it may operate at frequencies up to at least such rates.

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。 In this preferred embodiment of the MHUD system 200, each eyebox segment 255 of module 215 of the MHUD assembly 210 is located at the exit pupil of the light bundle reflected by the corresponding concave mirror 230. The collective eyebox 250 of the MHUD system 200 is effectively one split exit pupil eyebox formed by the overlap of the eyebox segments 255 of the module 215 of the MHUD assembly 210. The method of designing this split exit pupil of the MHUD system 200 of the present invention will be described in more detail in the following paragraphs.

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。 In this preferred embodiment of the MHUD system 200 of the present invention, the MHUD assembly 210 is composed of a plurality of modules 215, the modules 215 being integrally assembled to form an MHUD assembly 210, whereby each module 215 is a QPI ( A registered trademark) is composed of an imager such as an imager or another suitable light emitting structure such as an OLED device, and a related optical system 220 and a concave mirror 230. The design method of the MHUD assembly 210 of the MHUD system 200 of the present invention and each module 215 thereof will be described in more detail in the following paragraphs, but prior to that, the related advantages of the MHUD system 200 of the present invention and the related advantages. Describe the trade-offs of related design parameters.

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。
Trade-offs of Optical Design Parameters for MHUD System 200 In order to understand the advantages of the MHUD system 200 of the present invention, the trade-offs of the underlying design of a typical HUD system and the related design parameters are described. It is considered important to do so. The virtual image generated by the HUD system is typically superimposed on a natural scene, which allows the viewer to steer the vehicle without the driver having to distract his sight and attention from the road or the vehicle's external environment. Visually recognizes the operating parameters of the vehicle and also provides important information such as navigation information. Important parameters to consider in the design of the HUD system include: the target size of the collective eyebox; the desired field of view (FOV); the size of the virtual image formed; the resolution of the virtual image; and the requirements for the volume of the system. The relationship between these design parameters and constraints is shown in FIG.

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。
How the Modular HUD (MHUD) of the Invention Achieves Volume Reduction With reference to FIG. 3, the reduction in the size of the imager 220 of the MHUD system 200 leads to a smaller effective focal length (EFL), which leads to a smaller effective focal length (EFL). This is the characteristic optical track length of the system and generally contributes to the reduction of the volume of the system. However, if the size of the eyebox is maintained, reducing the size of the imager aperture leads to lower system F / #, which is accompanied by increased optical complexity. This generally results in a larger system volume. Regarding the design concept of the MHUD system 200 shown in FIG. 2, the size of the eyebox segment 255 for each module 215 is scaled with the size of the imager 220 to avoid an increase in optical complexity. This leads to the expansion and contraction of the volume of each module 215 depending on the size ratio of the imager 220. A plurality of modules 215 may be combined to form an MHUD assembly 210 capable of providing an arbitrarily sized collective eyebox 250. The novel design concept of the eye box divided into a plurality of segments of the MHUD system 200 of the present invention is realized by dividing the ejection pupil of the system formed in the viewer's eye box into a plurality of segments. Each segment corresponds to one of the eyebox segments 255 constituting the collective eyebox 250 of the MHUD system 200 of the present invention. Thus, such a split exit pupil design method of the MHUD system 200 of the present invention achieves a smaller overall volume aspect than a prior art HUD system that provides eyeboxes of the same size. This preferably leads to a reduction in the overall volume, complexity and cost of the HUD. Other advantages of the split exit pupil design method of the MHUD system 200 of the present invention disclosed herein will be described below. Not surprisingly, each module emits the same image at any point in time, so the vehicle operator is in the same position regardless of which one or more eyebox segments 255 the operator is looking at. You will see the same virtual image.

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。 A major contributor to the volume of a prior art HUD system using a mirror reflector (Patent Documents 8-10) has been identified as a concave mirror. In addition to the large size of the mirror itself, the size of the image source also grows proportionally, which can be the use of large size imagers such as LCD panels, or the formation of large size intermediate images projected onto a diffuse screen. The latter adds a larger volume to incorporate the projector imager and its associated projection optics. As described above, the MHUD system 200 of the present invention is integrally assembled to form the reflector 235 as a whole of the MHUD assembly 210, which is extremely small in size and achieves a very small optical track length. By using the MHUD assembly 210, which consists of multiple modules 215 each with a relatively small size concave mirror 230, it is significantly compared to the prior art HUD system using a single concave mirror as the main reflector. Achieve a small volume aspect. The MHUD assembly 210 using an imager 220 with a small aperture allows the use of a concave mirror 230 with a small aperture, which has a small optical track length, which is a large volume of the present invention. It provides the MHUD system 200, which is small and efficient in terms of volume.

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。 The design of the MHUD system 200 of the present invention works by splitting a large collimated beam, typically produced by a single large mirror, into three equally sized collimated subbeams in an exemplary embodiment. .. Each subbeam is generated by the optical subsystem of module 215. As a result, F / #, optical complexity, and focal length (EFL) (or optical track length) are reduced, resulting in a reduction in the physical volume envelope of the system. FIG. 4 shows an optical design aspect and a ray trace diagram of the module 215 constituting the MHUD assembly 210. As shown in FIG. 4, a module 215 of a preferred embodiment comprises one imager and associated optical system 220 and concave mirror 230. In the embodiment shown in FIG. 4, the optical system 420 associated with the imager 410 is shown as a separate lens optical element, whereas in one alternative embodiment of the invention, the optical system 420 associated with the imager is referred to as the imager 410. An integrated imager assembly 220 may be formed by mounting directly on top of the light emitting surface. As shown in FIG. 4, in each module 215, the reflective concave mirror 230 magnifies and collimates the image generated by the corresponding imager (or other imager) 220 into one eyebox of the collective eyebox 250. The optical element 420 associated with the imager 410 of FIG. 4 forms the segment 255, but balances the off-axis distortion and tilt aberration due to the reflective concave mirror 230.

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。 FIG. 5 shows the optical performance of module 215 of MHUD assembly 210. As shown in FIG. 5, the role of the optical element 420 related to the imager 410 is to balance the off-axis distortion and tilt aberration caused by the reflective concave mirror 230 to provide a modulation transfer function (MTF). It is to minimize the swimming effect of the image while maintaining it at a sufficiently high level. For perfection, the swimming effect of an image is typically caused by a shift in the direction of light entering the viewer's eyes due to optical distortion caused by mirror aberrations, which is also caused by the viewer's head. As it moves around (or gazes at) the eyebox of the HUD system, it results in perceptible false movements (known as the "swimming effect") of the virtual image (Patent Document 6). In extreme cases, the excessive swimming effect of the virtual image is a motion sickness-like sensation, dizziness or nausea caused by a collision between the vestibular and eye movement aspects of the human visual and perceptual system. Since it may be connected (Non-Patent Documents 1 and 2), it is extremely important to minimize the swimming effect in the binocular optical system such as HUD.

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。 Another advantage of the split exit pupil method of the MHUD system 200 of the present invention is that the above method significantly reduces the swimming effect as compared to the prior art HUD system using a single mirror with a large optical aperture. Is to achieve. The aberration of the small optical aperture of the reflective concave mirror 230 is much smaller than the aberration of the mirror with a relatively large optical aperture used in the conventional single mirror HUD system. Since the swimming effect is directly proportional to the magnitude of the optical distortion (or ray direction deflection) caused by the aberration caused by the HUD reflection mirror, the plurality of concave mirrors 230 having a small optical aperture of the MHUD system 200 of the present invention have conventionally been used. Achieves a significantly smaller swimming effect compared to the technology HUD system. Further, due to the angular overlap between the eyebox segments 255 of the MHUD module 215 (discussed in more detail in the description of FIG. 8), the perception of any point of the virtual image 260 provides an optical contribution from the plurality of MHUD modules 215. It will be incorporated. As a result, the optical distortion (or ray direction deflection) caused by the aberrations of the individual concave mirrors 230 of the multiple MHUD modules 215 tends to be averaged at any point in the virtual image 260, and as a result, The overall swimming effect perceived by the viewer of the MHUD system 200 is reduced.

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。 In another embodiment of the invention, the imager 220 of the MHUD assembly 210 has a higher resolution than is possible for a human visual system (HVS), and this additional resolution is due to the concave mirror 230. Dedicated to digital image warping pre-compensation for residual optical distortion caused by aberrations. In a typical HUD viewing experience, virtual images are formed at a distance of approximately 2.5 m. The lateral visual acuity of the HVS is approximately 200 microradians. At such distances, the HVS can have a resolution of approximately 2500 x 0.0002 = 0.5 mm pixels, which corresponds to a resolution of approximately 450 x 250 pixels for a virtual image 260 with a 10-inch diagonal. do. The imager 220 used in the exemplary MHUD assembly 210 can provide a resolution much higher than this limit, such as a resolution of 640 x 360 pixels, or even a resolution of 1280 x 720 pixels, with an optical aperture of the same size. The imager 220, which provides higher resolution with an optical aperture of the same size, allows the use of a concave mirror 230 with an optical aperture of the same size, thus preserving the volume advantage of the MHUD assembly 200. The additional resolution of the imager 220 allows the use of digital image warping precompensation, which is concave while retaining the same advantages as described above in terms of maximum resolution and volume achievable in virtual image 260. The optical distortion due to the aberration of the mirror 230 and the resulting swimming effect are substantially eliminated.

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。 Each reflective concave mirror 230 can be aspherical or free-form so that the aspherical or free-form factor of the concave mirror 230 has the optical aberrations of the concave mirror 230 and, if necessary, the curvature of the windshield. Selected to be the minimum. It should be noted that the position of each imager 220 is preferably axisymmetric with respect to the concave mirror 230 associated with them, thereby optimizing the balance of aberrations at any two adjacent edges of the concave mirror 230 ( It is guaranteed to be equal to some extent). This is an important aspect of the design of the MHUD system 200 of the present invention, as this guarantees a uniform viewing transition of the virtual image 260 between the plurality of eyebox segments 255 of the collective eyebox 250 of the MHUD system 200. be.

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。 FIG. 6 shows a multi-view perspective view of the MHUD assembly 210. As shown in FIG. 6, the MHUD assembly 210 is composed of three reflective concave mirrors 230 integrally assembled within the enclosure 600. The three concave mirrors 230 can be manufactured separately and then integrated into the enclosure 600, or manufactured as a single component and then assembled into the enclosure 600. The three concave mirrors 230 may be made of embossed polycarbonate plastic, whether assembled separately or as a single optical component, the optical surface then using sputtering techniques. , Coated with a thin layer of reflective metal such as silver or aluminum. As shown in FIG. 6, the rear side wall of the enclosure is composed of three separate sections 610, each of which incorporates an optical window 615, the optical window 615 having a rear side wall section 610, each of which is a concave mirror 230. When assembled integrally with the mirror, it is aligned with the optical axis of each concave mirror 230. As shown in the side perspective view of FIG. 6, the upper edge portion 617 of each rear side wall section 610 is angled toward the concave mirror 230, whereby the angled edge portion surface of the rear side wall section 610. The imager 220 installed on the 617 can be aligned with the optical axis of each concave mirror 230.

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。 As shown in the rear perspective view of FIG. 6, the rear side wall section 610 is integrally assembled on one side of the back plate 630, and the control and interface electronic device (printed circuit board) 620 of the MHUD assembly 210 is the back plate 630. It is installed on the opposite side of. Further, the back plate 630 also incorporates temperature cooling fins for dissipating the heat generated by the imager 220 of the MHUD assembly 210 and the interface electronic device element 620. As shown in the rear perspective view of FIG. 6, each imager 220 is installed on a flexible electronic board 618 that connects the imager 220 to a control and interface electronic device 620.

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。 As shown in the rear perspective view of FIG. 6, a photodetector (PD) 640, typically a photodiode, is located in the center of the boundary edge of each pair of concave mirror 230 and rear sidewall section 610. May be incorporated, each photodetector 640 is positioned and oriented to detect the light emitted from the imager 220 to each concave mirror 230. Typically, three photodiodes are used in each module, one for each color of emitted light. The output of the photodetector (PD) 640 is connected to the control and interface electronics 620 of the MHUD assembly 210 and mounted within the hardware and software design elements of the interface electronics device element 620 (discussed below). Used as an input to the uniformity control loop. Also provided as an input to the control and interface electronics 620 of the MHUD assembly 210 is the output of the ambient photodetector sensor 660, which is typically an integrated component of the brightness control of the dashboard of most vehicles. ..

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。 The control and interface device 620 of the MHUD assembly 210 incorporates the hardware and software design functional elements shown in the block diagram of FIG. 7, which include the MHUD interface function 710, control function 720, and uniformity. Includes loop function 730. Control and interface of the MHUD assembly 210 The MHUD interface function 710 of the electronic device 620 is typically implemented in a combination of hardware and software and is an image input 715 from the vehicle driver assistance system (DAS). To provide the image inputs 744, 745, 746 to the imager 220 of the MHUD assembly 210 after incorporating the color and brightness correction 735 provided by the control function 720 into this image. Although the same image input 715 may be provided for the three imagers 220 of the MHUD assembly 210, the MHUD interface function 710 may provide color and brightness specific to each imager 220 based on the color and luminance correction 735 received from the control function 720. Luminance correction is incorporated into the respective image inputs 744, 745, 746.

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。 To ensure color and luminance uniformity across multiple segments 255 of the collective eyebox 250, the uniformity loop function 730 of the control and interface electronics 620 is the light detector of each module 215 of the MHUD assembly 210. PD) After receiving the input signals 754, 755, 756 from 640 and calculating the color and brightness associated with each module 215 of the MHUD assembly 210, the color and brightness will be more uniform across multiple segments 255 of the collective eyebox 250. Calculate the color and brightness corrections required to do this. This is achieved with the help of an initial calibration look-up table, which is performed and stored in the memory of the control and interface electronics 620 when the MHUD assembly 210 is first assembled. Next, the color and luminance correction calculated by the uniformity loop function 730 is provided to the control function 720, and the control function 720 receives these corrections from the ambient light sensor 650 as well as the external color and luminance adjustment input command. Combined with 725, a color and luminance correction 735 is generated, which is subsequently incorporated into the image data by the MHUD interface function 710, and then the corrected image data is used as image inputs 744, 745, 746 in the imager 220. Provided. In incorporating the input received from the ambient light sensor 650 into the color and brightness correction, the control function 720 is a virtual heads-up display in proportion to or in relation to the brightness of the vehicle's external light. Adjust the brightness of the image. It should be noted that the "image data" used herein may be received as input to a heads-up display, provided to an imager, or in any other form. However, it means any format of image information.

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。 As mentioned above, one embodiment of the MHUD system 200 uses an imager 220 having a resolution higher than the maximum resolution the HVS can have in the virtual image 260 and also digitally warping the image input to the imager 220. Incorporate measures to eliminate or significantly reduce the optical distortion and swimming effects caused by. The MHUD interface function 710 of the MHUD assembly 210 of the MHUD system 200 of the embodiment contains a plurality of data identifying data identifying digital image warping parameters required for pre-compensating for residual optical distortion of each concave mirror 230. Look-up tables may also be built-in. These parameters are used by the MHUD interface function 710 to warp the digital image input of each imager 220 so that the image data to each imager 220 pre-compensates for the residual distortion of the corresponding concave mirror 230. The digital image warping parameters incorporated in the look-up table of the MHUD interface function 710 are pre-generated by the optical design simulation of the MHUD assembly 210, and then each after the digital image warping pre-compensation is applied by the MHUD interface function 710. It is reinforced by optical test data based on the measurement of residual optical strain in module 215. The resulting digitally warped data is then combined with the color and luminance correction 735 provided by the control function 720 to MHUD assembly the image data with color and luminance correction and distortion pre-compensation. It is provided as image inputs 744, 745, 746 to the imager 220 of 210. Such a design method of the MHUD system 200 can significantly reduce or completely eliminate the residual optical distortion caused by the concave mirror 230 and the resulting swimming effect, thereby realizing a distortion-free MHUD system 200.

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。 As shown in the perspective view of FIG. 6, the upper side of the MHUD assembly 210 is a glass cover 430, which serves as an optical interface window of the MHUD assembly 210 on the upper surface of the dashboard of the vehicle and by sunlight in the imager 220. It functions as a filter that attenuates the infrared emission of sunlight to prevent heat load. The glass used should also be selected to have significant transmission to the wavelength of the light of interest.

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。 The design method of the MHUD assembly 210 takes advantage of the features of the human vision system (HVS) to simplify the design implementation and assembly tolerance of the MHUD assembly 210. First, due to the diameter of the pupil of the eye being approximately 5 mm (3-5 mm during the day, 4-9 mm at night) and the resulting lateral visual acuity when viewing the virtual image 260, the MHUD assembly 210 Indistinguishable small gaps are allowed between the concave mirrors 230, which can reach as wide as 1 mm. Second, the eye angle difference adjustment limit of approximately 0.5 ° allows a small angular tilt between the concave mirrors 230 of the MHUD assembly 210, which can reach approximately 0.15 °. .. This allowance for tilts and gaps greatly eases the requirement for mechanical alignment tolerances for the concave mirror 230 of the MHUD assembly 210, thus making it extremely cost effective for the MHUD assembly 210. An assembly approach can be realized. Any further tilt and / or alignment requirements are usually readily addressed by software.

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)。 FIG. 8 shows a novel split eyebox design for the MHUD system 200 of the present invention. The figure of FIG. 8 is intended to show the relationship between the collective eyebox 250 of the MHUD system 200 and the virtual image 260. FIG. 8 also shows an exemplary object 810 (arrow shown on the virtual image 260) displayed by the MHUD system 200. In the design of the MHUD system 200, each eyebox segment 255 will typically be positioned at the exit pupil of its respective module 215. As a result, the image information presented to the viewer's eyes within each eyebox segment 255 is within that angular space. Thus, the arrow-shaped object 810 of the virtual image 260, which is divided within each eyebox segment 255 and presented to the viewer, typically has the viewer's head positioned within the central region of each eyebox segment 255. When it is, it becomes completely visible to the viewer, but as the viewer's head moves to the right or left of the eyebox segment 255, the tip or tail of the arrow-shaped object 810 of the virtual image 260 gradually becomes It will be blurred (or disappear). In the design of the MHUD system 200, when the modules 215 are integrated into the MHUD assembly 210 as shown in the perspective view of FIG. 6, the eyebox segments 255 of the modules 215 are overlapped as shown in FIG. As a result, the collective eyebox 250 of the MHUD system 200 is generated. Thus, the collective eyebox 250 of the MHUD system 200 is formed by overlapping exit pupil areas forming the eyebox segments 255 of the plurality of modules 215 and is therefore presented to the viewer's eye within the collective eyebox 250. The image information is an angle-multiplexed view of the virtual image 260 that extends over the composite angle field of view of the MHUD module 215. As shown in FIG. 8, the arrow-shaped object 810 of the virtual image 260 becomes completely visible (or viewable) within the overlapping area of the eyebox segments 255 defining the collective eyebox 250 of the MHUD system 200. The arrow-shaped object 810 of the virtual image 260 gradually blurs (or disappears) as the viewer's head moves to the right or left side of the peripheral region of the collective eyebox 250.

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、Λ、Λ(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(Λ+Λ+Λ)≦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。 The size of the overlap between the eyebox segments 255 of the module 215 depends on their angular blur profile (820 in FIG. 8) and determines the final size of the collective eyebox 250 of the MHUD system 200. The latter is defined therein as the area boundaries or dimensions of the collective eyebox 250 in which the virtual image 260 is fully visible (or viewable) with the desired luminance uniformity. FIG. 8 also shows the shielding of the resulting angular blur profile of the MHUD assembly 210 over the entire area of the overlapping eyebox segments 255 of the module 215. As shown in FIG. 8, the luminance of the virtual image 260 perceived by the viewer includes the luminance contributing components Λ R , Λ C , Λ L (left, center, right) from each module 215. The criterion for defining the boundaries of the aggregate eyebox 250 is that the brightness of the virtual image 260 is uniform within a given threshold λ (eg, less than 25%) over the selected region of the eyebox segment 255. Area A of overlap, i.e., Var AR + Λ C + Λ L ) ≤ λ (desired uniformity threshold). Due to the above criteria defining the boundaries of the collective eyebox 250 shown in FIG. 8 and the overlap of the eyebox segments 255 of the module 215, the perceived brightness across the virtual image 260 is at least 50 from one of the modules 215. Includes% contributing component. This means that each module 215 provides at least 50% of the perceived brightness of the virtual image 260 at any location within the boundaries of the collective eyebox 250 defined by the criteria above. When using this design approach of the MHUD system 200, the desired luminance uniformity of the virtual image 260 is the basis for defining the size of the collective eyebox 250. This design criterion is shown in the design example of FIG. 8 using a uniformity threshold λ = 25% for forming a 120 mm wide collective eyebox 250. As shown in FIG. 8, using the uniformity threshold λ = 37.5%, an approximately 25% wide collective eyebox 250, measured at approximately 150 mm, is defined.

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。 As shown in FIG. 8, in the area of the eyebox segment extending beyond the right and left sides of the collective eyebox 250 of the MHUD system 200, the arrow-shaped object 810 of the virtual image has the viewer's head in each of these. As you move into the area, it gradually blurs or disappears. Using the above design approach of the MHUD system 200, the collective eyebox 250 of the MHUD system 200 defined by the design criteria defined above by adding the module 215 to the right or left side of the MHUD assembly 210 shown in FIG. The lateral width is extended to the right or left, respectively, which makes the arrow-shaped object 810 of the virtual image 260 completely visible with the desired brightness uniformity. If a row of another module 215 is added to the MHUD assembly 210, the same effect of extending the height of the collective eyebox 250 will occur in the orthogonal direction. Thus, using such a modular design method of the MHUD system 200 of the present invention, by adding an additional module 215 to the MHUD assembly 210, any width and height dimension selected by the design will eventually be present. It is possible to realize a collective eye box 250 of any size.

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。 In essence, the split exit pupil modular design method of the MHUD system 200 of the present invention allows the use of multiple imagers 220 and concave mirrors 230, each with a relatively small aperture and each short optical track. Achieving length replaces the extremely long optical track lengths and single mirrors of long image sources used in prior art HUD systems. Thus, the combination of the MHUD module 215 with a smaller aperture 220 and a concave mirror 230 achieves a prior art HUD system using a larger single image source and a single mirror to obtain an eyebox of the same size. You can achieve a volumetric aspect that is significantly smaller than you can. Further, the size of the collective eyebox 250 of the MHUD system 200 achieved can be adjusted by using an appropriate number of modules 215 (basic design elements). Conversely, the volume aspect of the MHUD system 200 is larger than what is achievable by a prior art HUD system that can fit the same available volume while adapting to the volume available in the vehicle's dashboard area. Can achieve the collective eyebox 250 of.

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。 To illustrate the above advantages with respect to the volume of the MHUD system 200 of the present invention, the perspective view of FIG. 6 shows three imagers 220 having an optical aperture size of 6.4 × 3.6 mm and an optical aperture size of 60 each. The design dimensions of the MHUD assembly 210 are shown to achieve the size of a 120 × 60 mm collective eyebox 250 based on a luminance uniformity threshold λ = 25% with three concave mirrors of × 100 mm. Based on the design dimensions shown in FIG. 6, the total volume of the MHUD assembly 210 is approximately 1350 cc (1.35 liters). For comparison purposes, the total volume of a prior art HUD system using a single mirror with a larger aperture and a single larger image source to achieve the same eyebox size is 5000 cc ( 5 liters) or more. Therefore, by the above-mentioned design method of the MHUD system 200 of the present invention, it is possible to realize a HUD system having a volume efficiency 3.7 times higher (that is, 3.7 times smaller) than the conventional HUD system. To visualize this volume advantage, FIG. 9 shows the volume of a design example of the MHUD assembly 210 shown in FIG. 6 installed on the dashboard of a quasi-small vehicle. As shown in FIG. 9, the volume-efficient design of the MHUD system 200 of the present invention adds HUD functionality to the extremely limited dashboard volume where prior art HUD systems cannot be easily fitted. can.

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。 FIG. 10 shows the ray path of the MHUD system 200. As shown in FIG. 10, and as already described and illustrated in FIG. 2, the three imagers 220 constituting the MHUD assembly 210 each have the same image of the same resolution (eg, 640 × 360 pixels) as three images. After reflection by each of the three concave mirrors 230, the entire 120 × 60 mm collective eyebox 250 of the above design example is angularly addressed and over the 125 × 225 mm virtual image 260 of the above design example. , 640 × 360 pixels spatial resolution.

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。 FIG. 10 shows the design requirements for generating a luminance of 10,000 cd / m2 in the virtual image 260. With a typical windshield reflectance of approximately 20% and the above-mentioned boundary demarcation criteria for the collective eyebox 250, each of the three imagers 220 will produce a brightness of approximately 25,000 cd / m 2. To conservatively estimate, the three imagers 220 of the MHUD assembly 210 and the control and interface electronics 620 consume approximately 2W in total to produce a brightness of 25,000 cd / m2. It accounts for approximately 25% of the power consumption of the prior art HUD system.

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。 Referring to the performance of the MHUD system 200 shown in FIG. 5, the enclosed energy plot of FIG. 5 is a geometry of the collimated light beam from the optical aperture (size 180 micrometers) of the concave mirror 230. Indicates the target blur radius. Using the design example of each module 215 shown in FIG. 6 with an effective focal length of 72 mm, the blur size at 180 micrometers shown in the enclosed energy plot of FIG. 5 is the imager on each module 215. It provides an angular length of 0.143 ° with respect to the light beam emitted from a pixel of 220 and collimated by the corresponding concave mirror 230. The swimming effect is associated with an angular spread of 0.143 ° from one pixel to the entire beam width, while the resolution (MTF) is determined by the effective beam width sampled by the size of the pupil of the eye. The MTF plot of FIG. 5 shows the MTF of each module 215 calculated for a typical eye pupil aperture with a diameter of 4 mm. The smaller the angle of this angular spread, the smaller the swimming radius in the virtual image 260. For the virtual image 260 viewed at 2.5 m from the collective eyebox 250 of the MHUD system 200, the corresponding swimming radius for the design example of the MHUD system 200 is 6.2 mm. Using a single mirror and having an optical aperture size equal to the overall size of the aperture of the MHUD assembly 210 design example, the prior art HUD system has an optical aperture that is approximately 2.4 times larger than the optical aperture of module 215. Have. Since the aberration blur size is directly proportional to the cube of the aperture size (Non-Patent Document 3), a prior art single mirror HUD system having an optical aperture size equal to the size of the entire aperture of the design example of the MHUD assembly 210 is 5. If the order aberration accidentally compensates for a large third order aberration (which is not intentionally achieved by design), it has a corresponding swimming radius of approximately 14.3 mm, otherwise the prior art. The single mirror HUD system typically has a corresponding swimming radius of approximately 39.7 mm, which is 6.2 times larger than the swimming radius achieved by the design example of the MHUD system 200. Also, using the aberration precompensation method described above, the swimming radius of the MHUD system 200 can be significantly reduced or even eliminated altogether as specified for this design example.

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。 FIG. 10 also shows the ray path of the MHUD system 200, including the load of sunlight. As shown in FIG. 10, the reverse light path of sunlight hitting the windshield of the vehicle reaches the area of the collective eyebox 250 and in some cases causes glare in the virtual image 260. In the design of the MHUD system 200 of the present invention, the amount of sunlight that can reach the collective eyebox 250 is significantly smaller than that of the conventional HUD system. First, assuming that the windshield 240 has a light transmittance of 80%, the light rays from the sun are attenuated by the windshield 240 up to 80% of its brightness. Second, the sun's rays transmitted through the windshield 240 and reflected by one of the concave mirrors 230 towards the corresponding imager 220 are anti-reflective (AR) of the optical aperture of the imager 220. The coating attenuates up to 5% of its brightness and then reflects back towards the assembly of the concave mirror 230. Third, this reverse path of sunlight is attenuated by up to 20% of its brightness as it is reflected by the windshield 240 towards the collective eyebox 250. As described above, since the imager 220 and the concave mirror 230 of each module 215 contribute up to 50% to the brightness of the virtual image 260, the sunlight glare reflected from the module 215 exposed to sunlight is generated in the virtual image 260. It will appear to be further attenuated by 50%.

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。 Therefore, based on this path attenuation analysis, sunlight reaching the collective eyebox 250 is attenuated up to 0.4% of its brightness (much less than 1%). The MHUD system 200 is capable of producing a brightness of 10,000 cd / m2 and 0.4% sunlight glare in the virtual image 260, allowing the MHUD system 200 to tolerate a brightness of more than 250,000 cd / m2. Equal to approximately 28 dB of unified glare ratting (UGR) (or glare-to-image intensity ratio). It should be mentioned that while the glass cover 430 is infrared absorbent, it is transparent to the wavelengths of light used in the heads-up displays of the invention, which allows heat from the load of sunlight to be dissipated. The concave mirror 230 assembly prevents it from being returned to the imager 220 and concentrating.

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。 In the above-described embodiment, a plurality of modules are arranged side by side to provide overlap of eyebox segments, thereby providing an aggregate eyebox 250 that is wider than the eyebox segment 255 itself. However, if desired, the modules are also arranged so that the eyebox segments of the module 215 are laminated to provide a taller collective eyebox 250, instead of or in addition to the above. Often, again, all modules display the same virtual image in the same position in front of the vehicle. It should be noted that the stacking to provide a taller collective eyebox 250 is generally not a stacking of modules, but a stacking of eyebox segments simply because of additional modules because of the typical windshield tilt. This may be achieved by using a large, substantially horizontal area of the dashboard.

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。 Also, "as shown in FIG. 2, the light emitted from each single imager with the associated optical system 220 is partially collimated, magnified and reflected by the associated concave mirror 230 and then partially. Reflected away from the vehicle front glass 240 to form a virtual image 260, which is visible within the eyebox segment 255 at the nominal head position of the vehicle driver. " However, in any embodiment, the degree of collimation achieved by the concave mirror is not always perfect and is intentional to limit how far forward the virtual image will be formed in the vehicle. May be set to. In some examples, by deliberately designing the concave mirror to actually distort the collimation, this is the most prominent example of any subsequent source of aberration (if windshield curvature is present). ) May be offset.

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。 It has already been shown that off-axis distortion and tilt aberration, as well as color and luminance correction, can be performed in the control and interface electronics 620 of the MHUD assembly 210 of FIG. 2 (see also FIG. 6). Of course, lateral position correction of each image or image segment from each module 215 may also be performed (or mechanically) in the control and interface electronics 620, thereby double image or double. The image part disappears. Further, it should be noted that there are at least two main aspects of "brightness correction". The first and most prominent aspect is the correction of luminance variations between modules, which prevents the luminance (and color) of images from different modules from being different. However, related to this is the fact that image warping and other factors can in some cases cause brightness variations in multiple image portions within individual modules, where warping changes in pixel spacing. , Can cause visible luminance aberrations. When this happens, the brightness of the individual pixels in each module can be controlled individually, so if necessary, the pixel brightness is locally increased in areas where pixel separation increases, resulting in pixel separation. In the area of decrease, the brightness of the pixel can be reduced locally. Finally, note that a typical solid-state luminescent pixel array imager is not a square imager, but typically a rectangle with unequal dimensions. As a result, the choice of imager orientation can also provide additional variables that can be used in the design of the heads-up displays of the present invention.

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。 Table 1 below shows the salient performance characteristics of the imager-based MHUD system 200 of a particular embodiment of the invention, which uses a single larger mirror and a single larger image source. Illustrates the performance advantages of certain embodiments of the invention as compared to prior art HUD systems. As shown in Table 1, the split exit pupil MHUD system of the present invention is many times superior to the conventional HUD system in all performance categories. In addition, due to the relaxed manufacturing tolerance and the smaller size of the mirror, as mentioned above, the MHUD system 200 of the present invention is much more cost effective than prior art with comparable eyebox sizes. Expected to be higher.

Figure 0007025439000001
Figure 0007025439000001

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。
Multi-image head-up display system using near-field and far-field virtual images In many HUD system applications, the HUD system allows viewers to view multiple virtual images, preferably additional information, safely. It is desirable to display it in front of the viewer so as not to distract the viewer's attention from driving while providing the possibility. In this context, a plurality of virtual images may be displayed by the HUD system, where, for example, a first virtual image is displayed at a distance in the far field typically adopted by conventional HUD systems and a second. Display the virtual image of. Preferably, both of these virtual images are viewable to the viewer of the HUD system without having to keep his head away from the road and to keep paying attention to driving conditions.

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。 In one preferred alternative embodiment of the invention of the present disclosure, the split exit pupil design architecture described above may be used with a plurality of display elements 220 (ie, an imager and associated optical system 220), as shown in FIG. , Each display element 220 is configured to modulate multiple images with different output angles.

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。 In one aspect of the multi-image heads-up display system of the present invention, the system may include a plurality of modules 215, each module 215 being: a solid-state luminescent pixel array imager (ie, a display element) 220; and a solid-state luminescent. The first and second virtual images that can be viewed within the eyebox segment by collimating, magnifying, and reflecting the first and second images generated by the sex pixel array imager 220 toward the vehicle's windshield. It has a concave mirror 230 configured to form an image. Multiple modules are combined so that the heads-up display is provided as having a larger collective eyebox 250 than the eyebox segment 255 of each module 215, and the collective eyebox 250 is a vehicle. It is placed so that it is in the nominal head position of the driver. In this first aspect of the multi-image head-up display system of the present invention, the solid state luminescent pixel array imager 220 has a set of first pixels associated with each set of first micro optics and a second set of pixels. It comprises a second set of pixels associated with each set of micro-optics. The first set of micro optics is configured to orient the outputs from each of the first set of pixels to produce the first image described above, thereby the first distance from the collective eyebox 250. A first virtual image that can be viewed is generated in. The second set of micro optics is configured to orient the outputs from each of the second set of pixels to produce the second image described above, thereby providing a second distance from the collective eyebox 250. A second virtual image that can be viewed is generated in. The micro optics may include non-telecentric lenses or non-telecentric optics configured to provide an overall tilted pixel output with respect to the surface of the solid-state luminescent pixel array imager 220.

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。 In the first aspect of the embodiment of the multi-image head-up display system of the present invention, the first distance may be a distance in a far field of view, and the second distance may be a distance in a short field of view. .. The first set of pixels may be the set of user-defined first pixels of the solid-state luminescent pixel array imager 220, and the second set of pixels may be the set of solid-state luminescent pixel array imager 220. , May be a second set of user-defined pixels. The first set of pixels may be odd-row pixels of the solid-state luminescent pixel array imager 220, and the second set of pixels may be even-row pixels of the solid-state luminescent pixel array imager 220. good. The first set of pixels may be even rows of pixels in the solid state luminescent pixel array imager 22 and the second set of pixels may be odd rows of pixels in the solid state luminescent pixel array imager 220. good. The first set of pixels may be pixels that make up at least 50% of the pixel area of the solid-state luminescent pixel array imager 22, and the second set of pixels may be the above-mentioned solid-state luminescent pixel array imager 220. It may be the rest of the pixel area. The first set of pixels may be the upper region or upper portion of the solid state luminescent pixel array imager 220, and the second set of pixels may be the lower region or lower portion of the solid state luminescent pixel array imager 220. It may be a part.

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。 11A-B, 11C-D show a non-limiting example of such a multi-image optical modulation display element 220, which is a predetermined pixel row or pixel in a 2D array of pixels on the display element 220. A given set of individual pixels, such as a set of rows, is configured by incorporating micro-optics that orient or modulate the light emitted from each pixel in a given unique direction.

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。 11A-B and 11C-D are examples in which the multi-image display element 220 is designed to modulate two images simultaneously and the first and second images are emitted from the surface of the display element 220 in different directions, respectively. show. When such a display element 220 is used in the context of the split exit pupil HUD design architecture of FIG. 2, the first image modulated (above) is a far-field distance (eg, from the eyebox 250 of the HUD system). Generates a first virtual image that can be viewed at a distance of approximately 2.5 m), while the modulated second image is a second virtual image that can be viewed at a short field distance (eg, approximately 0.5 m). Generate an image. These two viewable virtual images can be simultaneously modulated by a multi-image split exit pupil HUD system, and the viewer of this HUD system can view the line of sight in a plane of vertical axis and multiple displays of the split exit pupil HUD system. The first virtual image or the second virtual image can be selectively viewed only by reorienting the elements 220 by an angle proportional to the angle inclination (or separation) of the modulation directions of the two modulated images.

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。 11A and 11B show a top view and a side view of the display element 220 according to an embodiment of the present invention, in which the plurality of display elements 220 of the split ejection pupil HUD system have two optical apertures thereof. Divide a group of display pixels into, for example, odd-row and even-row display pixels (so that a group of one pixel, i.e. an odd-row pixel, modulates the first image and a second group of pixels, i.e. even. The pixels in the row modulate the second image), thereby being configured to modulate the first and second images. Such directional modulation capability of the display element 220 of the HUD system is such that the micro-optical or micro-lens element associated with each image modulation pixel group is directionally modulated with light emitted from the associated pixel in a given image direction. It can be realized by designing to. For example, in the case shown in FIGS. 11A, 11B, the micro-optics associated with the pixels in the odd rows form the first image by orienting the light emitted from the group of pixels involved. On the other hand, the micro-optics associated with even rows of pixels form a second image by orienting the light emitted from a group of associated pixels. Although the light rays are shown as parallel to each of the images in FIGS. 11A to 11D, the light rays actually spread from the imager 220 in a fan shape as a whole, whereby the size of the image can be expanded as necessary. Or it will be expanded. Pixel emission angles can be achieved by using a non-telecentric micro-optical lens element in the form of a non-telecentric QPI® imager, as described in more detail below.

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。 When using the above-mentioned single image split exit pupil HUD design architecture, the plurality of imagers 220 modulate the same two images in different directions in the collective eye box 250 of the split exit pupil HUD system. Both virtual images are presented here, and the resulting two modulated virtual images are each viewable across the collective eyebox 250, but in different vertical (or orientation) directions.

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。 In the additional multi-image HUD system shown in FIGS. 11C, 11D, the plurality of display elements 220 of the split exit pupil multi-image HUD system are each in two regions or areas of pixels, i.e., in the illustrated example, of pixels. It has an optical aperture that is divided into an upper area and a lower area of the pixel. In this embodiment, each of the two images modulated in different directions is modulated by a single dedicated pixel area. For example, as shown in FIGS. 11C, 11D, the upper region of the pixels of the optical aperture of the display element 220, which may be any user-defined portion of the imager's set of pixels, constitutes the upper region of the pixels. The display element has a micro-optical element designed to orient the light emitted from each pixel of the display element 220 to form a first image as defined above, while the display element. The lower region of the pixel of the 220 optical aperture orients the light emitted from each pixel of the display element 220 that constitutes the lower region of the pixel to produce a second image as defined above. It has a micro-optical element designed to form. Pixel emission angles can be provided by the use of non-telecentric micro optics in the form of a non-telecentric imager 220, as described in more detail below.

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。 FIG. 12 shows a preferred embodiment of the multi-image segmented exit pupil HUD system of the present invention. As shown in FIG. 12, each of the plurality of display elements (or imagers) 220 may modulate two virtual images, where the first image is modulated upwards and the second image is modulated downwards. Will be done.

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。 The plurality of display elements 220 simultaneously modulate both the first and second images to angularly fill the multi-image segment exit pupil HUD system eyebox 250, as shown in FIG. After being collimated by the concave mirror 230 and reflected by the windshield to the eyebox 250, the collimated ray bundles constituting the first and second images modulated (generated) by the plurality of display elements 220 , Allows viewing at two different tilt angles within the eyebox 250, allowing viewers of the multi-image split exit pupil HUD system to focus on two individually and simultaneously modulated virtual images. The first virtual image is viewable in the far field 260-1 and the second virtual image is viewable in the near field 260-2, whereby the two virtual images are viewed by the plurality of display elements 220. Only an angle 220-3 proportional to the directional separation angle 220-4 between the two modulated images is angularly separated in the vertical (azimuth) direction.

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。 These two virtual images are at different first and second virtual distances because their ray flux is collimated at different levels (to different degrees). The collimation of the concave mirror 230 is designed to achieve the distance of the far-field virtual image from the eyebox 250. The non-telecentric QPI® imager micro-optics described below as specific examples of specific embodiments further collimate the light emitted from each pixel associated with the non-telecentric QPI® element. Designed to be introduced. Thus, the complex collimation achieved by the non-telecentric micro-optics in cooperation with the concave mirror 230 achieves a far-field virtual image distance and a near-field virtual image distance from the eyebox 250, thereby multi-image HUD. Can display both the far-field virtual image and the near-field virtual image at the same time.

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。 As shown in FIG. 13, the viewer of the multi-image split exit pupil HUD system simply reorients the line of sight by an angle 220-3 in the vertical (azimuth) direction, and the first and second are modulated by the HUD system. You can view (or focus on) one of the two virtual images (see also Figure 12). Since these two virtual images are independently and separately modulated by two separate groups of pixels that make up the display element (imager) 220, the first and second images displayed to the viewer are, respectively. , Can contain different information that may be of interest to the viewer.

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。 FIG. 13 also shows the nominal positions of the first and second virtual images modulated by the multi-image segment exit pupil HUD system, where the viewer is illustrated in the far-field virtual image. In a non-limiting example, it is possible to focus at a distance of approximately 2.5 m (approximately at the edge of the vehicle's windshield), and for near-field virtual images, the viewer is at a distance of approximately 0.5 m. Focus can be achieved (approximately at the outer lower edge of the vehicle's windshield).

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。 It should be noted that the above-mentioned ability to handle multiple images of the HUD beneficially does not result in an increase in volume aspects of the multi-image segmented exit pupil HUD system outlined in FIG. The interface 710, control function 720 and uniformity loop 730 of the display element (imager) 220 also remain invariant as shown in FIG.

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。
The main differences in the implementation and design method of the multi-image split exit pupil HUD system compared to the single image split exit pupil HUD system described are as follows:
1. 1. As described in the above embodiments, the plurality of display elements (imagers) 220 have the ability to modulate the plurality of images in different directions.
2. 2. The vertical field of view (FOV) of a multi-image split exit pupil HUD system is angularly split into two directional regions so that two angularly separated images can be modulated simultaneously.
3. 3. The image input 715 to the plurality of display elements (imagers) 220 is composed of two images, each (digitally) addressed to the corresponding pixel group described in the above embodiment.

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。 FIG. 14 shows an exemplary embodiment of the non-telecentric QP imager referenced above, wherein the non-telecentric micro-optical element 1250-1 can be realized as a refractive optical element (ROE) and is used therein. The optical output of the selected pixel can be oriented at an overall tilted angle with respect to the surface of the display element 220 to provide a near-field virtual image.

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。 In the embodiment of FIG. 14, the directional modulation aspect of the pixel-level refracting non-telecentric micro-optical element 1250-1 is an eccentric microlens 1250 formed by a continuous layer of dielectric materials 1310, 1320 with different refractive indexes. It can be realized by using -1. FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a display element 220 including a plurality of non-telecentric refraction micro-optical elements 1250-1. In this embodiment, the array of pixel-level non-telecentric microoptics 1250-1 uses semiconductor lithography, etching, and deposition techniques for silicon oxide for the low index layer 1310 and for the high index layer 1320. It may be monolithically manufactured at the wafer level as a plurality of layers of a semiconductor dielectric material such as silicon nitride. As shown in FIG. 14, the array of pixel-level micro-optics 1250-1 was continuously (sequentially) deposited to form multiple layers, i.e., the refractive surface of the pixel-level micro-optics 1250-1. Realized using dielectric materials 1310, 1320 with different refractive indexes, the optics are refracted micro over the microlens array as needed to obtain the desired non-telecentricity and image projection direction. The center position of the lens element changes gradually.

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。 FIG. 15 shows another exemplary embodiment of the non-telecentric QPI® imager referenced above, wherein the non-telecentric micro-optical element 1250-2 is implemented as an inclined dioptric element (ROE). Also, if necessary, it gradually changes across the microlens array to obtain the desired non-telecentricity and image projection direction, which can also be used to reduce the optical output of the selected pixel. A near-field image or a second image can be provided by orienting at an overall tilted angle with respect to the surface of the imager 220. In this embodiment, the directional modulation aspect of the pixel-level refracting non-telecentric micro-optical element 1250-2 is an inclined microlens 1250-2 formed by a continuous layer of dielectric materials 1410, 1420 with different refractive indexes. Can be realized using.

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。 FIG. 15 is a side view of the display element 220 including a plurality of tilted refraction micro-optical elements 1250-2. In this embodiment, the array of pixel-level non-telecentric microoptical elements 1250-2 uses semiconductor lithography, etching, and deposition techniques to make silicon oxide for the low index layer 1410 and for the high index layer 1420. It may be monolithically manufactured at the wafer level as a plurality of layers of a semiconductor dielectric material such as silicon nitride. As shown in FIG. 15, the array of pixel-level non-telecentric micro-optics 1250-2 is continuous (sequentially) to form multiple layers, i.e., the refractive surface of the pixel-level non-telecentric micro-optics 1250-2. ) It can be realized by using the deposited dielectric materials 1410 and 1420 having different refractive indexes.

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。 As described above, the present invention has a number of embodiments, which may be carried out alone or in various combinations or partial combinations as desired. Although the specific preferred embodiments of the present invention have been disclosed and described for purposes of illustration rather than limitation, those skilled in the art will not deviate from the spirit and scope of the invention as defined by the entire scope of the following claims. It will be appreciated that various changes in form and detail can be made to the above embodiments.

Claims (9)

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。
A head-up display for vehicles
The head-up display is:
It has multiple modules, each of which is:
Solid-state luminescent pixel array imager;
The first and second images generated by the solid-state luminescent pixel array imager are collimated, magnified, reflected towards the windshield of the vehicle, and viewed within the eyebox segment. It has a concave mirror arranged to form an image and a second virtual image,
The plurality of modules are arranged by combining the eyebox segments to provide the head-up display having a larger collective eyebox than the eyebox segment of each module, wherein the collective eyebox is of the vehicle. Located in the driver's nominal head position;
The solid-state luminescent pixel array imager has a set of first pixels associated with each set of first micro-optics and a set of second pixels associated with each set of second micro-optics. Preparation;
The set of first micro-optics is configured to project images from each set of first pixels outward from the surface of the solid-state luminescent pixel array imager, thereby said. The first virtual image that can be viewed at a first distance from the collective eyebox is generated;
The set of second micro-optics is configured to project an image from each set of second pixels in a direction tilted downward with respect to the first image, thereby the collective eye. A heads-up display that produces the second virtual image that can be viewed at a second distance from the box.
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。
The first distance is a distance in a distant field of view.
The head-up display according to claim 1, wherein the second distance is a short-field distance.
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。
The first set of pixels comprises a set of user-defined first pixels of the solid-state luminescent pixel array imager.
The heads-up display of claim 1, wherein the second set of pixels comprises a set of user-defined second pixels of the solid-state luminescent pixel array imager.
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。
The first set of pixels consists of odd rows of pixels in the solid-state luminescent pixel array imager.
The heads-up display of claim 1, wherein the second set of pixels comprises even rows of pixels of the solid-state luminescent pixel array imager.
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。 The first set of pixels is composed of even rows of pixels of the solid state luminescent pixel array imager, and the second set of pixels is composed of odd rows of pixels of the solid state luminescent pixel array imager. The head-up display according to claim 1. 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。
The first set of pixels is composed of the pixels that make up at least 50% of the pixel area of the solid-state luminescent pixel array imager.
The heads-up display of claim 1, wherein the second set of pixels comprises the remaining pixel area of the solid-state luminescent pixel array imager.
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。
The first set of pixels consists of the upper region of the solid-state luminescent pixel array imager.
The heads-up display of claim 1, wherein the second set of pixels comprises a lower region of the solid-state luminescent pixel array imager.
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。 The head-up display according to claim 1, wherein the number of the eyebox segment and the module is a user-defined number of the eyebox segment and the module. 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。
The first set of pixels comprises a set of user-defined first pixels of the solid-state luminescent pixel array imager.
The second set of pixels comprises a set of user-defined second pixels of the solid-state luminescent pixel array imager.
The head-up display according to claim 1, wherein the number of the eyebox segment and the module is a user-defined number of the eyebox segment and the module.
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