(57)【要約】  スキャナ（４６）および投影アセンブリ（５４）を含むヘッドアップ表示装置。スキャナは、電磁エネルギーのビームを掃引することによって像を生成し、投影アセンブリは、強度プロファイルが実質的に均一な領域を有する所定の視空間に像を向ける。装置はさらに射出瞳拡大器（５２）を含む。そのようなヘッドアップ表示装置は、従来のヘッドアップ表示装置よりも小さくすることができる場合が多く、また、従来の表示装置によって生成される像よりも高品質の像を生成できる場合が多い。さらに、そのような表示装置は、表示装置または表示装置を組み込む車両の構成要素を物理的に修正または交換することなく、校正および再校正できる場合が多い。  【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一次元で電磁エネルギーのビームを掃引することによって像を生成するように動作可能なスキャナアセンブリと、
視野次元に対して実質的に垂直な領域を有する断面において実質的に均一な強度プロファイルを有する所定の視空間に前記像を向けるように動作可能な投影アセンブリと、
を有するヘッドアップ表示装置。
【請求項２】
約８ミリメートル以下の第１の測定開口を横切る前記断面におけるプロファイルの最も明るい領域が、約８ミリメートル以下の第２の測定開口を横切る断面におけるプロファイルの最も暗い領域と、約±１１％以下だけ異なる、請求項１記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項３】
前記第１および第２の測定開口がそれぞれ約１ミリメートル以下である、請求項２記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項４】
前記投影アセンブリが射出瞳拡大器を有し、
前記スキャナが前記射出瞳拡大器上に二次元で前記ビームを掃引することによって前記像を生成するように動作可能である、
請求項１のヘッドアップ表示装置。
【請求項５】
前記視空間の前記断面の平坦な突出部が六角形の形状を有する、請求項１記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項６】
前記視空間の前記断面の平坦な突出部が細長い六角形の形状を有する、請求項１記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項７】
前記視空間の前記断面が平坦な断面である、請求項１記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項８】
前記視空間の前記断面の平坦な突出部が少なくとも１００ミリメートルの一次元を有する、請求項１記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項９】
前記投影アセンブリが前記視空間内のビームレットを生成するようにさらに動作可能であり、
前記視空間の少なくとも一部分の測定開口上の強度プロファイルにおける差が約±２％以下であり、前記測定開口は約８ミリメートル以下である、
請求項１記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項１０】
前記測定開口が約１ミリメートル以下である、請求項９記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項１１】
少なくとも一次元で光線を掃引して像を生成すること、
視野次元に実質的に垂直な領域を有する断面において実質的に均一な強度エンベロープを有する所定の視空間に前記像を向けること、
を有する方法。
【請求項１２】
前記像を向けることが前記視空間内に複数のビームレットを生成することを有する、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記断面の平坦な突出部が所定の形状を有し、
前記像を向けることが、前記視空間内に実質的に所定の形状の平坦な断面をそれぞれ有する複数のビームレットを生成することを有する、
請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
出力ビームが伝搬する方向に垂直な平坦な断面において実質的に均一強度プロファイルを有する電磁エネルギーの出力ビームを生成するように動作可能なビーム発生器と、
少なくとも一次元で前記出力ビームを掃引することによって像を生成するように動作可能なビームスキャナと、
を有する走査ビーム表示装置。
【請求項１５】
前記ビーム発生器が、
入力ビームが伝搬する方向に垂直な平坦な断面において均一でない強度プロファイルを有する入力ビームを生成するように動作可能なビーム源と、
前記入力ビームを出力ビームに変換するように動作可能なビームコンディショナとを有する、
請求項１４記載の走査ビーム表示装置。
【請求項１６】
前記ビーム発生器が、
入力ビームが伝搬する方向に垂直な平坦な断面において均一でない強度プロファイルを有する入力ビームを生成するように動作可能なビーム源と、
前記入力ビームを出力ビームに変換するように動作可能なトップハットコンバータとを有する、
請求項１４記載の走査ビーム表示装置。
【請求項１７】
前記ビーム発生器が、
入力ビームが伝搬する方向に垂直な平坦な断面において均一でない強度プロファイルを有する入力ビームを生成するように動作可能なビーム源と、
前記入力ビームの外側部分を遮断し、かつ前記入力ビームの通過した内側部分から出力ビームを生成するように動作可能なクリッピング開口とを有する、
請求項１４記載の走査ビーム表示装置。
【請求項１８】
前記ビーム発生器が、
入力ビームが伝搬する方向に垂直な平坦な断面において実質的にガウス形の強度プロファイルを有する入力ビームを生成するように動作可能なビーム源と、
前記実質的にガウス形の強度プロファイルを実質的に均一な強度プロファイルに変換することによって前記入力ビームを前記出力ビームに変換するように動作可能なビームコンディショナとを有する、
請求項１４記載の走査ビーム表示装置。
【請求項１９】
前記断面における前記出力ビームの最も明るい領域が、前記断面における前記出力ビームの最も暗い領域と±１０％以下だけ異なる、請求項１４記載の走査ビーム表示装置。
【請求項２０】
前記出力ビームが可視光線を有する、請求項１４記載の走査ビーム表示装置。
【請求項２１】
出力ビームが伝搬する方向に垂直な平坦な断面において実質的に均一な強度プロファイルを有する電磁エネルギーの出力ビームを生成すること、
少なくとも一次元で前記出力ビームを掃引して像を生成すること、
を有する方法。
【請求項２２】
前記出力ビームを生成することが、
入力ビームが伝搬する方向に垂直な平坦な断面において均一でない強度プロファイルを有する入力ビームを生成すること、
前記入力ビームをトップハットコンバータに通して前記出力ビームを生成することを有する、
請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記出力ビームを生成することが、
入力ビームが伝搬する方向に垂直な平坦な断面において実質的にガウス形の強度プロファイルを有する入力ビームを生成すること、
前記入力ビームの外側部分を切り取ること、
前記入力ビームの切り取られていない内側部分から前記出力ビームを生成することを有する、
請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
電磁エネルギーのビームを生成するように動作可能なビーム発生器と、
少なくとも一次元で前記ビームを掃引することによって像を生成するように動作可能な微小電子機械スキャナと、
を有するヘッドアップ表示装置。
【請求項２５】
前記スキャナが第１の次元で前記ビームを共振的に掃引することによって、および前記第１の次元に実質的に垂直な第２の次元で前記ビームを直線的に掃引することによって、像を生成するように動作可能な、請求項２４記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項２６】
電磁エネルギーのビームを生成するように動作可能なビーム発生器と、
少なくとも一次元で前記ビームを共振的に掃引することによって像を生成するように動作可能なスキャナと、
を有するヘッドアップ表示装置。
【請求項２７】
電磁エネルギーのビームを生成すること、
一次元で前記ビームを共振的に掃引して車両の風防から反射される虚像を生成すること、
を有する方法。
【請求項２８】
共振的に前記ビームを掃引することが、次元の両方の方向に前記ビームを共振的に掃引しながら前記像を生成することを有する、請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
少なくとも一次元で電磁エネルギーのビームを掃引することによって像を生成するのに動作可能なスキャナと、
所定の視空間内に前記像を向けるように動作可能な第１のマイクロレンズアレイを含む投影アセンブリと、
を有するヘッドアップ表示装置。
【請求項３０】
前記第１のマイクロレンズアレイは、位相が変わるマイクロレンズアレイを有する、請求項２９記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項３１】
前記第１のマイクロレンズアレイが小型レンズを有し、前記小型レンズの１つが小型レンズ特性に対する第１の値を有し、前記小型レンズの別のものが前記小型レンズ特性に対する第２の値を有する、請求項２９記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項３２】
前記投影アセンブリが、前記第１のマイクロレンズアレイに隣接して配置された第２のマイクロレンズアレイを有し、前記第１および第２のマイクロレンズアレイが前記所定の視空間内に前記像を向けるように共に動作可能である、請求項２９記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項３３】
前記第１のマイクロレンズアレイが焦点面および前記焦点面からの焦点距離を有し、
前記投影アセンブリが、焦点面および前記焦点面からの焦点距離を有する第２のマイクロレンズアレイをさらに含み、前記第２のマイクロレンズアレイの前記焦点面が、前記第１のマイクロレンズアレイの前記焦点面に実質的に平行かつそこから離れている、
請求項２９記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項３４】
前記第１のマイクロレンズアレイが、パターンに配置された小型レンズを有し、前記視空間の前記断面の平坦な突出部に前記パターンを持たせるように動作可能な、請求項２９記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項３５】
前記第１のマイクロレンズアレイが、細長い六角形のパターンに配置された小型レンズを有し、前記視空間の前記断面の平坦な突出部に前記細長い六角形のパターンを持たせるように動作可能な、請求項２９記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項３６】
断面にプロファイルを有するビームを掃引すること、
前記ビームの前記プロファイルを実質的に空間ｓｉｎｃ関数に変換すること、
像を生成する空間ｓｉｎｃ関数上で空間フーリエ変換を行うこと、
車両の風防を備えた所定の視空間に前記像を向けること、
を有する方法。
【請求項３７】
前記ビームの前記プロファイルを変換することが、二重マイクロレンズアレイを使用して前記ビームの前記プロファイルを実質的に空間ｓｉｎｃ関数に変換することを有する、請求項３６記載の方法。
【請求項３８】
出力ビームが伝搬する方向に垂直な実質的に六角形の平坦な断面を有する電磁エネルギーの出力ビームを生成するように動作可能なビーム発生器と、
少なくとも一次元で前記出力ビームを掃引することによって像を生成するように動作可能なビームスキャナと、
を有する走査ビーム表示装置。
【請求項３９】
前記ビーム発生器が、
入力ビームが伝搬する方向に垂直な非六角形の平坦な断面を有する入力ビームを生成するように動作可能なビーム源と、
前記入力ビームを前記出力ビームに変換するように動作可能なクリッピング開口とを有する、
請求項３８記載の走査ビーム表示装置。
【請求項４０】
前記ビーム発生器が、
入力ビームが伝搬する方向に垂直な実質的に円形の平坦な断面を有する入力ビームを生成するように動作可能なビーム源と、
前記実質的に円形の断面を前記実質的に六角形の断面に変換することによって前記入力ビームを前記出力ビームに変換するように動作可能なクリッピング開口とを有する、
請求項３８記載の走査ビーム表示装置。
【請求項４１】
前記出力ビームの前記断面が実質的に細長い六角形の形状を有する、請求項３８記載の走査ビーム表示装置。
【請求項４２】
出力ビームが伝搬する方向に垂直な実質的に六角形に成形された平坦な断面を有する電磁エネルギーの出力ビームを生成すること、
少なくとも一次元で前記出力ビームを掃引して像を生成すること、
を有する方法。
【請求項４３】
ビームレットが伝搬する方向に垂直な実質的に六角形に成形された平坦な断面をそれぞれ有する、前記像のビームレットを形成すること、
前記ビームレットを所定の視空間に向けること、
をさらに有する請求項４２記載の方法。
【請求項４４】
少なくとも一次元で電磁エネルギーのビームを掃引することによって像を生成するように動作可能なスキャナと、
前記像を風防から離れてかつ断面を有する所定の視空間内に反射するように動作可能なミラーを有し、前記ミラーが、前記風防の所定の領域から前記像を離して反射するために、実質的に一定の寸法で前記断面の次元を維持するように動作可能な投影アセンブリと、
を有するヘッドアップ表示装置。
【請求項４５】
前記ミラーが前記断面と実質的に平行な次元で前記視空間を移動させるように動作可能な、請求項４４記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項４６】
前記ミラーが前記断面に実質的に垂直な次元で前記視空間を移動させるように動作可能な、請求項４４記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項４７】
少なくとも一次元で電磁エネルギーのビームを掃引することによって像を生成するように動作可能なスキャナと、
前記像を風防から離れてかつ断面を有する所定の視空間内に反射するように動作可能なミラーを有し、前記ミラーが、前記断面に実質的に垂直な次元で前記視空間を移動させるように動作可能な投影アセンブリと、
を有するヘッドアップ表示装置。
【請求項４８】
少なくとも一次元で電磁エネルギーのビームを掃引して像を生成すること、
前記像を風防から離れてかつ断面を有する所定の視空間内に反射して、前記風防の所定の領域から前記像を離して反射するために実質的に一定の寸法で前記断面の次元を維持すること、
を有する方法。
【請求項４９】
少なくとも一次元で電磁エネルギーのビームを掃引することによって像を生成するように動作可能なスキャナと、
視野次元に実質的に垂直な領域を有する視空間の断面において前記像が実質的に均一な強度プロファイルを有するように、前記像を所定の前記視空間内に向けるように動作可能な投影アセンブリと、
を有するヘッドアップ表示装置。
【請求項５０】
前記ビームが伝搬する方向に垂直な平坦な断面において実質的に均一な強度プロファイルを有する前記電磁エネルギーのビームを生成するように動作可能なビーム発生器をさらに有する、請求項４９記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項５１】
前記ヘッドアップ表示装置は、前記ビームが伝搬する方向に垂直な平坦な断面において六角形の開口および実質的に均一な強度プロファイルを有する前記電磁エネルギーのビームを生成するように動作可能なビーム発生器をさらに有し、
前記視空間の前記断面が六角形の形状を有する、
請求項４９記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項５２】
前記ヘッドアップ表示装置は、前記ビームが伝搬する方向に垂直な平坦な断面において六角形の開口および実質的に均一な強度プロファイルを有する前記電磁エネルギーのビームを生成するように動作可能なビーム発生器をさらに有し、
前記視空間の前記断面が六角形の形状を有し、
前記視空間が、前記視空間の前記平坦な断面と実質的に平行な平坦な断面において六角形の開口および実質的に均一な強度プロファイルをそれぞれ有するビームレットを有する、
請求項４９記載のヘッドアップ表示装置。
【請求項５３】
少なくとも一次元で電磁エネルギーのビームを掃引することによって像を生成すること、
視野次元に実質的に垂直な領域を有する視空間の断面において前記像が実質的に均一な強度プロファイルを有するように、前記像を所定の前記視空間内に向けること、
を有する方法。
【請求項５４】
前記ビームが伝搬する方向に垂直な平坦な断面において実質的に均一な強度プロファイルを有する前記電磁エネルギーのビームを生成することをさらに有する、請求項５３記載の方法。
【請求項５５】
前記方法は、前記ビームが伝搬する方向に垂直な平坦な断面において六角形の開口および実質的に均一強度プロファイルを有する前記電磁エネルギーのビームの生成することをさらに有し、
前記視空間の前記断面が六角形の形状を有する、
請求項５３記載の方法。
【請求項５６】
前記方法は、ビームが伝搬する方向に垂直な平坦な断面において六角形の開口および実質的に均一な強度プロファイルを有する前記電磁エネルギーのビームを生成することをさらに有し、
前記視空間の前記断面が六角形の形状を有し、
前記視空間が、前記視空間の前記平坦な断面と実質的に平行な平坦な断面において六角形の開口および実質的に均一な強度プロファイルをそれぞれ有するビームレットを有する、
請求項５３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権主張）
本願は、２００４年２月４日出願の米国仮出願６０／５４１，６１９、および２００４年４月２３日出願の米国仮出願６０／５６５，０５９に対する優先権を主張し、それらの両方を参照として組み込んでいる。
【背景技術】
【０００２】
図１を参照して、ヘッドアップ表示装置１０は、典型的には、１以上の計器、例えば自動車１４などの車両の操作者１２が見るための速度計および走行記録計（図示なし）の虚像を生成する。用語「ヘッドアップ」は、計器を見るために操作者１２がダッシュボード１６に視線を下げる必要がないことを示す。すなわち、操作者１２は、計器を見る間、頭を上げて「路上に目をやった」状態を保持できる。したがって、表示装置１０は、操作者１２が車両１４を操作することができる安全性のレベルを、さらに向上させる追加設備である。
【０００３】
動作において、ヘッドアップ表示装置１０は、１以上の計器（図示なし）の虚像を生成して、風よけ、すなわち風防１８の上にそれを投影し、風防は、その像が操作者の視野（ＦＯＶ）内に現れるように、場合によっては見かけ上風防の向こうに少し離れて現れるように、像を操作者１２の目２０の中に反射させる。例えば、表示装置１０は、像を生成するための発光ダイオード（ＬＥＤ）、液晶（ＬＣＤ）、真空蛍光灯、または他の表示技術（図示なし）、および風防１８上に像を投影するための光学縦列（図１には図示なし）を含んでもよい。
【０００４】
典型的には、操作者１２は、自身の目２０が、アイボックス（ｅｙｅ  ｂｏｘ）と呼ばれることもある三次元の視空間２２内にある間、虚像を最も良好に見ることができる。しかしながら、視空間２２の寸法（例えば、高さ、幅、および／または奥行き）は典型的には固定されており、それらは典型的には、操作者が自動車１４を操作している間、操作者の頭２０の上下、横、および前後の動きの予測される範囲に十分に適合する。さらに、操作者の身長の範囲は比較的大きいので（例えば、５フィート〜７フィート）、表示装置１０は、視空間が操作者の目２０と一列に並ぶように、視空間２２の垂直位置を操作者１２が調節できるようにしてもよい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
残念なことに、典型的なヘッドアップ表示装置１０はいくつかの欠点を有することがある。例えば、表示装置１０は比較的かさばる場合があり、また比較的大量の電力を消費する場合がある。さらに、視空間２２内の虚像は質が悪い場合がある。また、同じモデルの車であっても、それぞれの風防１８が他の風防とわずかに異なる場合があるため、新しい車両それぞれの表示装置１０を校正する手順は、比較的複雑なことがあり、また、表示装置の１以上の部分を物理的に修正または交換する、あるいは場合によってはヘッドアップ表示装置または風防全体を交換することを含む場合がある。さらに、風防を修理するか交換する必要がある場合、表示装置の一部分またはすべてを修正または交換することによって、表示装置１０を再校正する必要があり、このことは、別の方法では通常の修理に必要な時間および費用を著しく増加させる場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明の１つの態様は、スキャナアセンブリおよび投影アセンブリを含むヘッドアップ表示装置である。スキャナアセンブリは、電磁エネルギーのビームを掃引することによって像を生成し、投影アセンブリは、強度プロファイルが実質的に均一な領域を有する所定の視空間に像を向ける。
【０００７】
そのようなヘッドアップ表示装置は、従来のヘッドアップ表示装置よりも小さくできる場合が多く、また、従来の表示装置によって生成される像よりも高品質の像を生成できる場合が多い。さらに、そのような表示装置は、表示装置または表示装置を組み込む車両の構成要素を物理的に修正または交換することなく、校正および再校正できる場合が多い。
【０００８】
上述の態様、および本発明に付随する利点の多くは、以下の非限定的な詳細な説明を添付の図面と共に参照することでより一層理解されれば、より容易に認識されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下の説明は、当業者が発明を行いまた使用することを可能にするために示される。本明細書に記載される全体的な原理は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、以下に詳述されるもの以外の実施形態および応用例に適用されてもよい。したがって、本発明は、示される実施形態に限定することを意図しないが、本明細書に開示または示唆される原理および特徴と一致する最も広い範囲が許容されるべきである。
【００１０】
＜視空間＞
図２は、本発明の一実施形態による視空間３０の等角図である。一般に、図３〜２２と関連して以下に説明される操作ビームヘッドアップ表示装置などのヘッドアップ表示装置は、視空間内における操作者の目の位置に関わらず、視空間のパラメータが、虚像が許容可能かつ実質的に均一な質を有することができるようにする各所定範囲内にあるように、視空間３０を生成することが望ましい。したがって、それらパラメータの所望の値だけでなく、これらの視空間パラメータのいくつかを、図２と関連して以下に説明する。視空間パラメータの説明に続いて、所望のパラメータ値を達成することができるヘッドアップ表示装置を、図３〜２２に関連して説明する。
【００１１】
やはり図２を参照して、視空間３０は、高さｈ（ｙ方向）、幅ｗ（ｘ方向）、および奥行きｄ（ｚ方向）を有し、目が視空間３０内にあるときに知覚される虚像は、任意の時点でそれぞれが虚像の同じピクセルを持つ回折次数、すなわちビームレット３２で形成され、明瞭にするため４つのビームレット３２ａ〜３２ｄのみを示す。したがって、操作者の目（図２には図示なし）が、ビームレット３２の少なくとも１つの光エネルギーを捕捉している限り、操作者は像のピクセルを知覚することになる。像の中心ピクセルを生成している間、ビームレット３２は、図２に示すようにｚ軸にほぼ平行に位置する。他のピクセルを生成している間、ビームレット３２は、ｚ軸に対してわずかな角度で傾けられる（傾きは図２には図示なし）。すなわち、ヘッドアップ表示装置（図２には図示なし）がピクセルごとおよびラインごとに像を走査するにしたがって、ビームレット３２は、ＦＯＶ内で、中心ピクセル位置の名目上のビームレット角度から上下および左右に有効に「枢動」する。この「枢動」によって、ビームレット３２の１以上が操作者の目の網膜（図示なし）上に走査される。ビームレット３２が「枢動」する位置は、ｘ−ｙ平面と共面の断面３４であり、これは、視空間３０のｚ方向における中間（ｄ／２）に位置する。したがって、この「枢動」の結果、視空間３０の高さｈおよび幅ｗ（それらはＦＯＶ内のすべてのピクセルからのビームレットを含む）は、断面３４からｚ方向のどちらかの方向に外れると、実際にはわずかに変化する。しかし、この展開はわずかなので、視空間３０は、奥行きｄ全体に沿ってｈおよびｗの一定の値を有するものとして、十分近似的に説明される。
【００１２】
虚像の質および均一性に影響する視空間３０のパラメータは、開口、拡張ビーム強度プロファイル、およびフィルファクタなどである。視空間３０の開口は断面３４と同じ形状である。図３および７〜１２と関連して後述する拡張ビーム強度プロファイルは、視空間内の各位置での相対的な拡張ビーム強度のプロットであり、フィルファクタは、隣接したビームレット３２間の間隔Ｓの寸法である。理想的には、視空間３０の開口は、操作者がその中で頭を移動させる傾向があるｘ−ｙ面積と一致するべきであり、拡張ビーム強度プロファイルは、視空間全体にわたって均一であるべきであり、また、フィルファクタは、隣接したビームレット３２間に目に見える間隙がないようなものであるべきである。
【００１３】
視空間３０の開口は、操作者が車両を操作しながらその中で目を動かす典型的なｘ−ｙ面積に非常に近似することが分かっている、細長い六角形を有する（操作者、目、および車両のいずれも図２に図示なし）。図７〜８と関連してさらに後述するビームレット３２のパターンは、視空間３０の開口を定義する。この例において、ビームレット３２は、対称な六角形と比較して、圧縮した高さｈおよび細長い幅ｗを有する六角形パターンを有し、ｈは、ｗよりも小さく、すなわちｗに比べて圧縮されており、これは、代表的な応用例では、操作者が車両を操作しながらその中で目を動かすかも知れない水平方向の範囲が、操作者が典型的にその中で目を動かす垂直方向の範囲よりも大きいためである。したがって、視空間３０の開口は、比較的大きな水平移動および比較的少ない垂直移動に適合する形状を有する。一実施例では、視空間３０は、約１５０ミリメートルの高さｈ、約２００ミリメートルの幅ｗ、および約４００ミリメートルの奥行きｄを有する。他の応用例は、異なる形状を有する操作者の視点の範囲によって特徴付けられてもよい。視空間３０の開口は、そのような異なる形状に適合するために同様に修正されてもよい。
【００１４】
やはり図２を参照して、視空間３０内の拡張ビーム強度（すなわち輝度）プロファイルは、実質的に均一である。すなわち、像の輝度は、視空間３０内での操作者の目（図２には図示なし）の位置に関わらず、実質的に同じである。比較的均一な拡張ビーム強度プロファイルにより、像の強度の顕著な変化を知覚することなく、したがってそれに気をとられることなく、操作者が視空間３０内で目を動かすことができる。視空間３０内の拡張ビーム強度のプロファイルを決定する、ビームエンベロープ（図２には図示なし）の強度プロファイルおよびビームレット３２の強度プロファイルという２つの主な要因がある。多くの実施形態では、ビームレットはそれぞれ実質的に同じ強度プロファイルを有する。図９Ａ〜１２と関連してさらに後述するように、ビームエンベロープの強度プロファイルおよびビームレット３２の強度プロファイルが両方とも実質的に均一である限り、視空間３０内の拡張ビーム強度プロファイルも実質的に均一である。一実施例では、視空間３０内の拡張ビーム強度プロファイルの最も明るい領域は、視空間内のビーム強度プロファイルの最も暗い領域よりも約１１％明るい。すなわち、（Ｉｂｒｉｇｈｔｅｓｔ−Ｉｄｉｍｍｅｓｔ）／（Ｉｂｒｉｇｈｔｅｓｔ＋Ｉｄｉｍｍｅｓｔ）≦〜１１％である。
【００１５】
視空間３０のフィルファクタは、操作者の目（図２に図示なし）が、視空間内にあると同時に少なくとも１つのビームレット３２を確実に捕捉し、したがって視空間内の目の位置に関わらず虚像を知覚するように、十分高い。すなわち、視空間３０には操作者が像を「失い」得る「穴」がない。フィルファクタは、ビームレット３２が存在しない場合、すなわちゼロ直径の開口を有する０％から、ビームレット間に「空の」空間がないようにビームレット３２がそれぞれの周囲のすべての点で接触する１００％まで、またビームレット３２が重なり合う１００％超過までの範囲であることができる。ビームレットは重なり合うことができるが、本記載の目的のため、そのような重なり合いは生じないものとする。ビームレット３２の開口は、視空間３０の最大フィルファクタを制御する。例えば、ビームレットが円形の開口を有する場合、ビームレットの直径が互いに接して密集している際の最大フィルファクタは、その円の間の隙間があるため１００％未満である。ビームレット３２が六角形の形状を有していれば、ビームレットは視空間３０内で緊密に密集し、重なり合うことなく１００％のフィルファクタを有することができる。同様に、扁平な六角形、正方形、長方形、平行四辺形などのビームレットの形状は、重なり合うことなく緊密に密集することができる。操作者の目が少なくとも１つのビームレット３２を確実に受け取るように、隣接したビームレットの側面間の間隔Ｓは、目の瞳孔（図２に図示なし）の最も小さな直径よりも小さい。明るい周囲条件では、瞳孔の直径は約２ミリメートル（ｍｍ）しかない。したがって、間隔Ｓが２ｍｍ未満の場合、フィルファクタは、視空間３０内に確実に「穴」がなくなるように十分高い。
【００１６】
やはり図２を参照して、視空間３０の代替の実施形態が考慮される。例えば、視空間３０およびビームレット３２は六角形以外の開口を有してもよい。さらに、ビームレット３２の開口は、視空間３０の開口を縮小したものでなくてもよい。例えば、視空間３０は細長い六角形の開口を有していてもよく、ビームレット３２は図２に示されるような対称的な六角形の開口を有していてもよい。さらに、視空間３０内の拡張ビーム強度プロファイルは実質的に均一でなくてもよく、それでもなお視空間内の少なくともいくつかの位置で許容可能な質の像をもたらしてもよい。さらに、断面３４は平面ではなく湾曲していてもよい。例えば、断面３４は、ｘおよびｙ方向の１つまたは両方に操作者の目によって掃引された円弧に対応する曲率を有してもよい。さらに、図２には１つの断面３４のみが示されるが、視空間３０は、断面３４と平行な無数の断面を含むことが理解される。また、ビームレット３２が「枢動」する断面は、視空間３０の中間（ｄ／２）以外に位置してもよい。さらに、可視光線を含むと記載したが、ビームレット３２は可視スペクトル外の電磁エネルギーを含んでいてもよい。例えば、操作者（図２には図示なし）が、視空間３０内の虚像を見るために赤外線ゴーグル（図示なし）を着用するように、ビームレット３２は赤外線エネルギーを含んでいてもよい。
【００１７】
＜図２の視空間を生成するためのヘッドアップ表示装置＞
図３は、走査ビームヘッドアップ表示装置４０の図であり、これは、本発明の一実施形態にしたがって図２の視空間３０を生成するために動作可能である。さらに、虚像を視空間３０に向けるために、表示装置がリフレクタとして使用する風防４２が示される。虚像を生成するために走査ビームを使用することによって、表示装置４０は、従来のヘッドアップ表示装置よりも、より小さく、より高い性能（例えば、優れたコントラスト、鮮鋭度および輝度）を有し、よりエネルギー効率がよく、および／または校正がより容易であってもよい。さらに、表示装置４０が分散表面を実質的に含んでおらず、走査ビームがレーザー光線などの干渉性の電磁エネルギーを含む場合、虚像中の可視の斑点は低減または除去され得る。また、表示装置４０を使用して車両情報の虚像を生成することにより、車両内の物理的な車両情報表示装置を単純化することが可能になり得る。例えば、表示装置４０が燃料計の虚像を生成する場合、車両のダッシュボードから物理的な燃料計を省略することができる。
【００１８】
やはり図３を参照して、ヘッドアップ表示装置４０は、ビーム発生器４４、スキャナ４６、レンズ５０を含む走査ビーム調整アセンブリ４８、射出瞳拡大器５２、および、レンズ５６およびリフレクタ５８またはレンズとリフレクタの組合せを含むビーム投影アセンブリ５４を含む。ビーム調整アセンブリ４８およびビーム投影アセンブリ５４の両方は、それぞれ光学縦列であってもよいし光学縦列を含んでいてもよい。
【００１９】
ビーム発生器４４は、カラー出力ビーム６０を生成し、像エレクトロニクス６２、Ｒ、Ｇ、およびＢのビーム７０、７２、および７４をそれぞれ生成するための赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、および青（Ｂ）ビーム源６４、６６、および６８、および、ビームコンバイナおよびコンディショナアセンブリ７６を含む。ヘッドアップ表示装置によっては、あるいは単一色またはＲ、ＧおよびＢのサブセットを使用してもよい。ビーム発生器はまた、例えば色域、輝度などを改善するために、光の他の波長を含んでいてもよい。
【００２０】
エレクトロニクス６２は、エレクトロニクスが現在生成している像のピクセル用の所望の強度および色量を出力ビーム６０が有するように、Ｒ、Ｇ、およびＢビーム源６４、６６、および６８を、したがってビーム７０、７２、および７４を変調する。エレクトロニクス６２は、ビームがピクセル生成時間の所定の部分において完全に「オン」でありピクセル生成時間の別の部分において完全に「オフ」である場合には時変調を使用して、または、ピクセル生成時間全体においてビームの強度が所定レベルに変調される場合には強度変調を使用して、ビーム源を変調してもよい。
【００２１】
ビーム源６４、６６、および６８は、従来のＲ、Ｇ、およびＢレーザーまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）であってもよく、ビーム７０、７２、および７４は、空気（または他の媒体）を通して、あるいは光ファイバー（または他の光学通路）を介してビームコンバイナおよびコンディショナアセンブリ７６まで伝搬してもよい。例えば、レーザービームを、ビーム源６４、６６、または６８の１つから単一モード型光ファイバーを介してアセンブリ７６に結合することで、空気などの媒体を通してアセンブリに伝搬するビームと比較して、アセンブリにおけるビームの質を改善することができる。さらに、レーザービームを、光ファイバーを介してアセンブリ７６に結合することで、自動車（図３には図示なし）のトランクの中など、表示装置４０の残りから離れて対応するビーム源を位置させることができる。ビーム源６４、６６、または６８を離れて位置させることは、ビーム源がガスレーザーであるか、そうでなければ比較的大きい場合、あるいは比較的大きな熱量を放散する場合に有利であり得る。あるいは、ビーム源６４、６６、または６８が半導体レーザーまたはＬＥＤの場合、アセンブリ７６の近くにあってもよい。さらに、ビーム源６４、６６、および６８のいくつかは、アセンブリ７６から離れた位置に配置されてもよく、ビーム源の他のものはアセンブリに近い位置に配置されてもよい。
【００２２】
図４〜６と関連してさらに後述するビームコンバイナおよびコンディショナアセンブリ７６は、Ｒ、Ｇ、およびＢビーム７０、７２、および７４を組み合わせて出力ビーム６０とし、出力ビームにトップハット強度プロファイルおよび図２のビームレット３２と同じ六角形の形状（またはそれを拡大縮小したもの）を付与する。
【００２３】
スキャナ４６は、出力ビーム６０を二次元（例えば、垂直および水平）で掃引して、視空間３０で操作者（図３には図示なし）が見る虚像を生成する。掃引された出力ビームの２つの位置が、スキャナから出る点線で示される。スキャナ４６は、従来の微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スキャナまたは他のタイプのスキャナであってもよい。ＭＥＭＳスキャナは、典型的には出力ビーム６０を水平次元で正弦的に、すなわち共振的に、また垂直次元で直線的に掃引するが、ＭＥＭＳスキャナはビームを垂直方向にも共振的に掃引してもよい。共振動作により、ＭＥＭＳスキャナが電力をほとんど消費しないことが可能になり、比較的小さなサイズのＭＥＭＳスキャナは、ヘッドアップ表示装置４０を、従来のヘッドアップ表示装置よりもコンパクトかつ軽量にすることができる。スキャナ４６として使用するのに好適なＭＥＭＳスキャナの例は、２００４年１１月９日にスプレーグ（Ｒａｎｄａｌｌ  Ｂ．Ｓｐｒａｇｕｅ）らによって出願された、簡便な駆動装置を有するＭＥＭＳ装置（ＭＥＭＳ  ＤＥＶＩＣＥ  ＨＡＶＩＮＧ  ＳＩＭＰＬＩＦＩＥＤ  ＤＲＩＶＥ）という名称の米国特許出願１０／９８４，３２７にさらに記載されており、これを参照として本明細書に組み込んでいる。
【００２４】
走査ビーム調整アセンブリ４８は、射出瞳拡大器５２に入力するために、掃引された出力ビーム６０を調整する。例えば、レンズ５０は、ビームの角度位置に関わらず、掃引された出力ビーム６０を拡大器の焦点面（図示なし）に垂直に射出瞳拡大器５２に入力させる、従来のテレセントリックレンズである。さらに、下記により詳細に記載するように、拡大器５２の入力面におけるビーム６０の強度プロファイルが、位相および振幅の両方でビーム発生器４４の出力側におけるビームの強度プロファイルの空間フーリエ変換となるように、アセンブリ４８は他の従来の構成要素を含んでいてもよい。
【００２５】
図７〜１８と関連してさらに後述するように、射出瞳拡大器５２は、拡大器の入力面で掃引されたビーム６０を拡張ビーム７８に変換し、これは、ビームエンベロープ７９内のビームレット３２（図２）を含む。ビームエンベロープの２つの位置が点線で示される。拡張ビーム７８は、ビーム６０を大きくした、すなわち拡張したものであり、最終的に視空間３０を形成する。すなわち、拡張ビーム７８は有効に視空間３０を「一掃する」。より具体的には、スキャナ４６がビーム６０を掃引すると、ビームエンベロープ７９内のビームレット３２は、操作者の目（図３には図示なし）の網膜全体にわたって掃引することにより、視空間３０の像を生成する。さらに後述するように、拡大器５２は、回折型、屈折型、反射型、または組合せの光学素子であってもよい。
【００２６】
ビーム投影アセンブリ５４は、風防４２によって視空間３０の中に向けるために、射出瞳拡大器５２からの拡張ビーム７８を調整する。例えば、レンズ５６は従来の集束レンズであり、図２０と関連してさらに後述するリフレクタ５８は、風防４２の曲率と光学的に「一致する」ように設計された曲率を有する非球面のミラーである。アセンブリ５４はさらに、レンズ５６に伝搬する前にビーム７８をさらに拡張するために、射出瞳拡大器５２の出力側に負パワーレンズ（図３には図示なし）を含んでいてもよい。さらに、より詳細に後述するように、視空間３０の断面３４（図２）におけるビームエンベロープ７９の強度プロファイルが、位相および振幅の両方で射出瞳拡大器５２の出力面（図３には図示なし）におけるビームエンベロープの強度プロファイルの空間フーリエ変換となり、またビームレット３２の強度プロファイルが位相および振幅の両方で射出瞳拡大器の入力面（図３には図示せず）の走査出力ビーム６０の空間フーリエ変換となるように、アセンブリ５４は他の従来の構成要素を含んでいてもよい。
【００２７】
風防４２は、ヘッドアップ表示装置４０の一部でなくてもよいが、典型的には、拡張ビーム７８をリフレクタ５８から視空間３０に向ける最終的な光学部品である。例えば、拡張ビーム７８を方向付ける風防４２の領域８０は、通常は、風防の下３分の１に位置するが、風防の他の部分が使用されてもよい。この領域は、風防が拡張ビームをより良好に反射するように、１以上の光学コーティングで任意に処理されてもよい。例えば、領域８０は、拡張ビーム７８を構成するＲ、Ｇ、およびＢ波長を反射するが他の波長を通過させる、狭帯域光学コーティングで処理されてもよい。そのようなコーティングは、風防の透明度のレベルに対して無視できる影響しか有さず、したがって、風防４２の領域８０を通して見る操作者の能力に対してほとんど悪影響を有さないことが分かっている。
【００２８】
やはり図３を参照して、本発明の一実施形態によるヘッドアップ表示装置４０の動作が説明される。
【００２９】
像エレクトロニクス６２は、走査される像のピクセルを生成するために、ビーム７０、７２、および７４を変調する。ある範囲の像のアスペクト比が使用されてもよい。いくつかの実施例において、像は、約２：１〜３：１のアスペクト比、例えば幅６００ピクセル（水平（ｘ）方向）×高さ２００ピクセル（垂直（ｙ）方向）を有する。車両のヘッドアップ表示装置の画角が６×２度である典型的な自動車の応用例の場合、これは、視空間３０において１度当たり約１００ピクセルの分解能となり、これは、１度当たり約６０ピクセルの人間の目の分解能よりも大きい。そのような高い１度当たりのピクセル数は、解像度の低い表示装置と比較して、文字および画像が操作者に対して高い鮮明度および鮮鋭度を有して見えるようにするために使用されてもよい。いくつかの応用例では、比較的高い名目上の１度当たりのピクセル数は、目に見える有効な分解能を実質的に損失させることなく、像の形状を調節または補償する（例えば、風防の曲率許容差を補償する）ために使用することができる。
【００３０】
ビーム発生器４４は、変調されたビーム７０、７２、および７４から、実質的なトップハット（すなわち実質的に均一な）強度プロファイルと、ビームレット３２（図２）の六角形の開口と実質的に形状が同じ六角形の開口とを有する出力ビーム６０を生成する。
【００３１】
スキャナ４６は、垂直および水平にビーム６０を掃引し、それは走査ビーム調整アセンブリ４８を介して射出瞳拡大器５２に伝搬する。
【００３２】
ビーム組合せおよび調整アセンブリ７６および走査ビーム調整アセンブリ４８の光学部品は、共に射出瞳拡大器５２の入力面におけるビーム６０のトップハット強度プロファイルおよび六角形の開口を、位相および振幅の両方で、射出瞳拡大器５２の入力側におけるトップハットプロファイルおよび六角形の開口の空間フーリエ変換に転換する。トップハットプロファイルの空間フーリエ変換は、空間ｓｉｎｃ（ｓｉｎ（ｘ）／ｘ）関数なので、ビーム６０は、射出瞳拡大器５２の入力面で二次元のｓｉｎｃ状の強度プロファイルを有する。
【００３３】
射出瞳拡大器５２は、ビーム６０のｓｉｎｃ状の強度プロファイルをその入力面で、やはり拡大器の出力面でｓｉｎｃ状の強度プロファイルを有するビームエンベロープ７９に有効に変換する。さらに、図７と関連して後述するように、拡大器５２の近距離場における隣接するｓｉｎｃ状の出力の重なりは、拡大器の実質的に均一な遠距離場におけるビームレット３２を形成し、これもそれぞれ、開口外のプロファイルに類似した強度プロファイルを有する。拡張ビームのプロファイルは回折の結果なので、ビームエンベロープ７９は回折エンベロープと呼ばれることがある。ビームレット３２は、近隣のピクセルからの回折エンベロープの干渉からこの回折エンベロープ内に導入される。
【００３４】
拡張ビーム投影アセンブリ５４は、拡張ビーム７８を風防４２上に投影し、これは拡張ビームを視空間３０に向ける。
【００３５】
風防４２とビーム投影アセンブリ５４の光学部品とは、共にビーム６０およびビームエンベロープ７８のｓｉｎｃ状の強度プロファイルを、位相および振幅の両方で視空間３０のこれらのｓｉｎｃ状の強度プロファイルの空間フーリエ変換に転換する。ｓｉｎｃ関数の空間フーリエ変換はトップハットプロファイルなので、ビームエンベロープ７９は、視空間３０内で、実質的に均一な強度プロファイルおよび図２に示される六角形の開口を有する。図２と関連して上述したように、ビームエンベロープ７９は、視空間３０のｘ−ｙの範囲を画定し、したがって視空間の断面３４と同じ開口を有する。さらに、図８と関連してさらに後述するように、ビームエンベロープ７９の六角形の開口は射出瞳拡大器５２の構造のみによって決まり、したがってビーム６０の開口とは無関係である。さらに、ビームレットのｓｉｎｃ関数の空間フーリエ変換が六角形の開口を備えたトップハットプロファイルなので、ビームレット３２（図２）はそれぞれ、実質的に均一な強度プロファイル、およびビーム６０の開口と実質的に同じ六角形の形状を有する開口を有する。
【００３６】
さらに、操作者（図３には図示なし）は、図３のページに垂直な軸８２の周りでリフレクタ５８を回転させて、視空間３０の垂直（ｙ）方向の位置を調節してもよい。
【００３７】
やはり図３を参照して、ヘッドアップ表示装置４０の代替の実施形態が考慮される。例えば、表示装置４０は、カラー画像の代わりにモノクロ画像を生成してもよく、したがって、３つのビーム源６４、６６、および６８の２つはビーム発生器４４から省略されてもよく、またビーム組合せ機能はアセンブリ７６から省略されてもよい。さらに、テレセントリックレンズ５０は、図１３および１７と関連してさらに後述するような走査ビーム調整アセンブリ４８から省略されてもよい。また、車両の操作者が見るための虚像を生成するものとして記載したが、表示装置４０は、車両の別の乗員が見るための像を生成するように構築され配置されてもよい。例えば、表示装置４０は、１以上の乗客のための映画を再生してもよい。表示装置４０は、操作者から、または風防以外の車両内の表面から離れた風防４２の一部分に映画を反射させてもよく、この表面は、透明、不透明、または部分的に透明であってもよい。そのような映画は連続する虚像を含むので、映画を見る乗客は、従来の映画プレーヤーで映画を見ていた場合よりも乗り物酔いを経験しにくい。さらに、表示装置４０は、車両以外のシステムで使用されてもよい。さらに、テレセントリックレンズ５０、射出瞳拡大器５２、およびビーム７８をさらに拡張するための拡大器の出力側の負パワーレンズ（図示なし）は、単一のユニットに一体化されてもよい。さらに、テレセントリックレンズ５０を、射出瞳拡大器５２と共に単一のユニットに一体化することができる屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズと置き換えてもよい。さらに、ビームエンベロープ７９の開口は、ビームエンベロープがその中に「穴」を有するように、環状であってもよい。さらに、表示装置４０は、地図または電話帳などの他のタイプの像を生成してもよい。
【００３８】
図４は、本発明の一実施形態による図３のビーム組合せおよび調整アセンブリ７６の図である。
【００３９】
アセンブリ７６は、Ｒビーム７０、Ｇビーム７２、およびＢビーム７４のそれぞれ１つを調整するための、３つの光学縦列９０、９２、および９４を含み、また、３つの光学縦列からの調整したビームを組み合わせて出力ビーム６０にする、従来のビーム組合せＸキューブ９６も含む。
【００４０】
光学縦列９０は、コリメータレンズ９８、トップハットコンバータ１００、六角形のクリッピング開口１０２、および任意の集束レンズ１０４を含み、これらはすべてＲビーム７０の波長用に設計されている。一実施例では、Ｒビーム７０の波長は６３５〜６６０ナノメートル（ｎｍ）である。
【００４１】
同様に、光学縦列９２は、コリメータレンズ１０６、トップハットコンバータ１０８、六角形のクリッピング開口１１０、および任意の集束レンズ１１２を含み、これらはすべてＧビーム７２の波長用に設計されており、光学縦列９４は、コリメータレンズ１１４、トップハットコンバータ１１６、六角形のクリッピング開口１１８、および任意の集束レンズ１２０を含み、これらはすべてＢビーム７４の波長用に設計されている。一実施例では、Ｇビーム７２およびＢビーム７４の波長は、それぞれ４４０〜４９０ｎｍおよび５００〜５５０ｎｍである。
【００４２】
Ｘキューブ９６は、調整されたＧおよびＢビームは通すが調整されたＲビームは反射する光学コーティングで処理された第１の内側表面１２２を含み、また、調整されたＲおよびＧビームは通すが調整されたＢビームは反射する光学コーティングで処理された第２の内側表面１２４を含む。
【００４３】
本発明の一実施形態によるビーム組合せおよび調整アセンブリ７６の動作は、図４および５と関連して後述される。しかし、最初に図５を説明する。
【００４４】
図５は、本発明の一実施形態にしたがって、図４のビーム７０、７２、および７４の１つなどの入力ビームのガウス強度プロファイル１２６のプロットを、図４のコンバータ１００、１０８、および１１６の１つなどのトップハットコンバータに入力ビームを通すことによって生成された、出力ビームのトップハット強度プロファイル１２８のプロットに重ねたものである。このプロットは二次元であるが、入出力ビームが対称なので、プロットは、ビームの中心軸１３０と共面であるこれらのビームの任意の「薄片」を表す。すなわち、ビームの中心軸１３０の周りでこの二次元のプロットを回転させることにより、入出力ビームの強度プロファイルの三次元のプロットを形成することができる。
【００４５】
入力ビーム（強度プロファイル１２６を有するビーム）は、その中心軸１３０において約１の最大相対強度を有し、中心軸から離れるにしたがって、強度は、ガウス関数によって対称的に徐々に下がる。理論上、ガウス関数は０に近づくが決して０にはならないので、入力ビームは理論上無限の開口を有する。したがって、説明を助けるため、ビームがその最大強度の１／２を有する点におけるビーム幅として、ビームの半値全幅（ＦＷＨＭ）を定義する。この実施例では、入力ビームが強度＝１／２×１＝５０％を有する点では、相対幅１を有するので、入力ビームは相対ＦＷＨＭ１を有する。
【００４６】
対照的に、出力ビーム（強度プロファイル１２８を有するビーム）は、入力ガウスのＦＷＨＭ幅の約２倍であるその全幅ほぼ全体にわたって、約３５％の均一な（平坦な）強度を有する。したがって、ガウス強度プロファイル１２６を有する入力ビームがそこを通って伝搬するトップハットコンバータは、トップハット強度プロファイル１２８を有する出力ビームを形成するために入力ビームの強度を再分布させる。当然ながら、トップハットコンバータの寸法および他の特性を調節して、出力ビームの幅および強度を変えることができる。したがって、一般に、ガウス強度プロファイルを有する入力ビームにおいて、トップハット出力ビームの幅が小さくなれば出力ビームの強度が高くなり、またその逆である。
【００４７】
図４を再び参照して、ビーム７０、７２、および７４それぞれが図５のガウス強度プロファイル１２６などのガウス強度プロファイルを有する場合の、ビーム組合せおよび調整アセンブリ７６の動作が説明される。さらに、明瞭にするため、光学縦列９０の動作のみが詳細に説明され、光学縦列９２および９４は同様のやり方で動作するものと理解される。
【００４８】
最初に、コリメータレンズ９８は、Ｒビーム７０の開口を平行にする。
【００４９】
次に、トップハットコンバータ１００は、ガウス強度プロファイル（図５）を有する平行Ｒビーム７０を、従来のやり方でトップハット強度プロファイル（図５）を有するＲビームに変換する。
【００５０】
その後、開口１０２は、トップハットコンバータ１００からのビーム出力を切り取って、図２のビームレット３２の開口とほぼ同じ形状である六角形の開口をビームに付与する。
【００５１】
次に、集束レンズ１０４は、Ｒビーム７０を開口１０２からＸキューブ表面１２２に通過させ、これがビームを反射して出力ビーム６０のＲ成分を形成する。集束レンズ１０４の１つの機能は、出力ビーム６０のＲ成分を調整して、射出瞳拡大器５２（図３）の入力面（図４には図示なし）における出力ビームの強度プロファイルが、位相および振幅の両方でＸキューブ９６を出るときの出力ビームの強度プロファイルの空間フーリエ変換となるようにすることである。したがって、このフーリエ変換関係を得るために他の技術が使用される場合、集束レンズ１０４（および集束レンズ１１２および１２０）は省略されてもよい。例えば、テレセントリックレンズ５０が走査ビーム調整アセンブリ４８（図３）から省略される場合、集束レンズ１０４（および集束レンズ１１２および１２０）は省略されてもよい。
【００５２】
光学縦列９２および９４はそれぞれ、ＧおよびＢビームに対して同様のやり方で動作し、また、Ｘキューブ９６はＧビームを通し、表面１２４はＢビームを反射して、反射したＲおよびＢビームおよび通過したＧビームを「重ね合わせる」ことによってカラー出力ビーム６０を形成する。出力ビーム６０は、Ｒ、Ｇ、およびＢビームの強度の和と実質的に等しい強度レベルを備えたトップハット強度プロファイルを有し、またＲ、Ｇ、およびＢビームそれぞれと実質的に同じ六角形の開口を有する。
【００５３】
図６は、本発明の別の実施形態によるビーム組合せおよび調整アセンブリ７６の図である。図４および６のアセンブリ７６間の１つの違いは、図６のアセンブリが低減された数の構成要素を含み、したがって、図４のアセンブリよりも小さく、製造がより容易で、またより安価であってもよい点である。
【００５４】
アセンブリ７６は、Ｒビーム７０、Ｇビーム７２およびＢビーム７４のそれぞれ１つを平行にするコリメータレンズ１４０、１４２、および１４４、３つの光学縦列からの平行ビームを組み合わせて中間ビーム１４６とするビーム組合せＸキューブ９６、および中間ビームを出力ビーム６０に変換する光学縦列１４８を含む。
【００５５】
光学縦列１４８は無彩（すなわち多波長の）トップハットコンバータ１５０、無彩の六角形開口１５２、および任意の無彩の集束レンズ１５４を含み、これらは、従来のやり方でＲ、Ｇ、およびＢビーム７０、７２、および７４の波長用に設計されている。一実施例では、Ｒ、Ｇ、およびＢビームは、図４と関連して上述されたのと同じ波長をそれぞれ有する。
【００５６】
やはり図６を参照して、本発明の一実施形態によるビーム組合せおよび調整アセンブリ７６の動作が説明され、入力Ｒ、Ｇ、およびＢビーム７０、７２、および７４のそれぞれは、図５のプロファイル１２６などの、実質的に同じガウス強度プロファイルを有する。
【００５７】
最初に、コリメータレンズ１４０、１４２、および１４４はそれぞれ、Ｒ、Ｇ、およびＢビーム７０、７２、および７４を平行にする。
【００５８】
次に、Ｘキューブ９６はＧビームを通過させ、表面１２２および１２４はそれぞれＲとＢを反射して、反射したＲおよびＢビームがＧビームと「重なり合って」、入力Ｒ、Ｇ、およびＢビーム７０、７２、および７４と実質的に同じガウス強度プロファイルを有するカラーの中間ビーム１４６を形成するようにする。
【００５９】
その後、トップハットコンバータ１５０は、従来のように、中間ビーム１４６を図５のプロファイル１２８などのトップハット強度プロファイルを有するビームに変換する。
【００６０】
次に、開口１５２は、トップハットコンバータ１５０からのビームを切り取って、ビームレット３２（図２）の開口とほぼ同じ形状である六角形の開口をビームに付与する。
【００６１】
その後、集束レンズ１５４は開口１５２からビームを受取り、トップハット強度プロファイルおよび六角形の開口を有する出力ビーム６０を生成する。図４および５と関連して上述したのと同様の理由で、集束レンズ１５４は省略されてもよい。
【００６２】
図４〜６を再び参照して、ビーム組合せおよび調整アセンブリ７６の代替の実施形態が考慮される。例えば、それぞれ単一の光学部品として示されているが、トップハットコンバータ１００、１０８、１１６、および１５０の１以上は、多数の光学部品を含んでいてもよい。さらに、Ｘキューブ９６を、参考として組み込まれる２００４年４月２３日出願の米国特許出願１０／８２８，８７６に開示されているようなスラブビームコンバイナと置き換えることができる。さらに、トップハットコンバータの１以上を省略し、対応するＲ、Ｇ、またはＢビームおよび中間ビーム１４６のＦＷＨＭと等しいかほぼ等しいクリッピング幅を有する、対応するクリッピング開口１０２、１１０、１１８、および１５２の１以上を設計することができる。例えば、ビームがガウス強度プロファイル１２６（図５）を有する場合、このクリッピング技術がビーム６０に、プロファイル１２６の頂部部分、すなわち、中心軸１３０からの相対幅±０．５を越えるビームのすべての部分が遮断されたプロファイル１２６を付与する。これからガウスプロファイル１２６の部分までは、トップハットプロファイルにほぼ近似する。しかし、そのような実施形態はアセンブリ７６における光学部品の数を低減するが、図４および６の実施形態などのトップハットコンバータを使用する実施形態よりも多くのビームエネルギーを廃棄するので、効率がより低い。さらに、この実施形態は、出力ビーム６０に真のトップハット強度プロファイルを付与しないので、ビームレット３２（図２）、および、したがって拡張ビーム７８は、視空間３０内で均一ではない強度プロファイルを有する場合がある。
【００６３】
図７は、本発明の一実施形態による図３の射出瞳拡大器５２の側面図である。この実施形態では、拡大器５２は、二重マイクロレンズアレイ（ＤＭＬＡ）であり、その構造および動作は、パウエル（Ｋａｒｌｔｏｎ  Ｐｏｗｅｌｌ）らの「着用可能な表示装置における射出瞳拡大のための新規な方策（Ａ  Ｎｏｖｅｌ  Ａｐｐｒｏａｃｈ  ｆｏｒ  Ｅｘｉｔ  Ｐｕｐｉｌ  Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ  ｉｎ  Ｗｅａｒａｂｌｅ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ）」、２００４年２月４日にパウエル（Ｋａｒｌｔｏｎ  Ｐｏｗｅｌｌ）らによって出願された、射出瞳拡大器：画質性能強化および環境試験結果（Ｅｘｉｔ  Ｐｕｐｉｌ  Ｅｘｐａｎｄｅｒ：Ｉｍａｇｅ  Ｑｕａｌｉｔｙ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｒｅｓｕｌｔｓ）」という名称の米国仮出願６０／５４１，６１９に十分に説明されており、これらを参照として組み込んでいる。したがって、簡潔にするため、ＤＭＬＡの概観のみを以下に示す。
【００６４】
ＤＭＬＡ射出瞳拡大器５２は、第１および第２のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）１６０および１６２を含み、これらは、プラスチックまたはガラスなどの透明な光学材料から作られ、多数の小型レンズ１６４および１６６をそれぞれ含む。ＭＬＡ１６０は、焦点面１６８および焦点面からの焦点距離ｆを有し、同様に、ＭＬＡ１６２は、焦点面１７０および焦点面１７０からの同じ焦点距離ｆを有する。ＭＬＡ１６０および１６２は、それらの焦点面１６８および１７０が焦点距離ｆによって分離されるように位置付けられ、ＭＬＡの間の間隙は空気で満たされる。小型レンズ１６４および１６６はそれぞれ、ＭＬＡ１６０および１６２のピッチである幅Ｄを有し、また、小型レンズ１６４はそれぞれ対応する小型レンズ１６６と一列に並ぶ。
【００６５】
図８は、本発明の一実施形態による図７のＭＬＡ１６０の平面図であり、ＭＬＡ１６２は類似しているものと理解される。小型レンズ１６４は六角形のフットプリントを有し、「ハニカム」パターンで配列され、小型レンズがＭＬＡ１６０の背面に接合する場合、隣接した小型レンズの間の空隙がないように連続する。
【００６６】
走査ビーム６０がビーム発生器４４（図３）を出るときにその幅がほぼＤであり、小型レンズ１６４および１６６それぞれのフットプリントが出力ビームの開口と同じ六角形の形状を有し、出力ビームの開口が小型レンズのフットプリントと同じ配向を有する場合の、本発明の一実施形態によるＤＭＬＡ射出瞳拡大器５２の動作が、図７〜８と関連して説明される。
【００６７】
図３と関連して上述したように、走査ビーム調整アセンブリ４８は、ＤＭＬＡ射出瞳拡大器５２の入力側で走査ビーム６０の強度プロファイルをｓｉｎｃ状にさせる。
【００６８】
ビーム６０が小型レンズ１６４ａに集中すると、対応する小型レンズ１６６ａは、やはりｓｉｎｃ状の強度プロファイルを有する拡張中心ビーム１７２を出力する。
【００６９】
図３と関連して上述したように、拡張ビーム投影アセンブリ５４は、視空間３０内の拡張中心ビーム１７２に対して、位相および振幅の空間フーリエ変換を行う。
【００７０】
したがって、視空間３０内のサイドビーム（後述）を差しあたって無視して、中心ビーム１７２は、六角形のビームエンベロープ７９によって制限され、均一な強度プロファイルを有し、またビームレット３２は有さない。すなわち、エンベロープ７９は、視空間３０（図２）内のトップハット強度プロファイルを有する単一のビームレット、つまり中心ビーム１７２を有効に制限する。さらに、ビームエンベロープ７９および中心ビーム１７２の六角形の開口は、ＭＬＡ１６０（図８）および１６２のハニカム配置、および、小型レンズ１６４および１６６の六角形の開口によるが、ビーム６０の開口には依存しない。すなわち、ビーム６０の開口が六角形以外のものでも、ビームエンベロープ７９および中心ビーム１７２は依然として六角形の開口を有する。さらに、中心ビーム１７２は屈折によって生成されるので、ビームエンベロープ７９は波長に依存しない。すなわち、ビームエンベロープ７９は、走査ビーム６０を構成する光の波長（単数または複数）に関わらず、同じ開口を有する。
【００７１】
しかし、ビーム６０の強度プロファイルがＤＭＬＡ射出瞳拡大器５２の入力側においてｓｉｎｃ状なので（さらにガウスビームあるいは切り詰められたガウスビームの場合も）、ビームエネルギーのいくらかは隣接する小型レンズ１６４ｂおよび１６４ｃに入射し、したがって対応する小型レンズ１６６ｂおよび１６６ｃがサイドビーム１７４および１７６を出力する。図７は二次元の側面図なので、図７の平面外に他のサイドビームが存在してもよい。さらに、ビーム６０が小型レンズ１６４ａに集中する場合にビームエネルギーが隣接した小型レンズ１６４ｂおよび１６４ｃに入射しなくても、スキャナ４６（図３）が１つの小型レンズから別の小型レンズまでビームを掃引するので、ビーム６０は依然として多数の小型レンズに重なり合い、またこの重なり合いがサイドビーム１７４および１７６の出力を生じさせる。
【００７２】
やはり図７〜８を参照して、サイドビーム１７４および１７６は、遠距離場の拡張中心ビーム１７２と干渉し、この回折現象は、ビームレット３２を有する拡張ビーム７８を生じさせ、これは回折次数と呼ばれる場合がある。図３と関連して上述したように、視空間３０内のビームレット３２の六角形の開口およびトップハット強度プロファイルは、出力ビーム６０がビーム発生器４４を出るときの開口とおよび強度プロファイルと同じであるが、ビームレットの開口および強度プロファイルは、小型レンズ１６４および１６６の配置パターンおよび開口に依存しない。さらに、ビームレット３２は重なり合う回折エンベロープの干渉によって生成されるので、ビームレットの開口のサイズは波長に依存する。したがって、走査ビーム６０の中心波長、例えばＧ成分の波長用にＤＭＬＡ射出瞳拡大器５２を設計してもよい。
【００７３】
要約すると、ビームエンベロープ７９の強度プロファイルは、ＤＭＬＡ射出瞳拡大器５２の光学的特性のみに依存し、ビームエンベロープ７９の開口は、小型レンズ１６４および１６６の配置パターンおよび開口のみに依存し、ビームレット３２の強度プロファイルは、走査ビーム６０の強度プロファイルのみに依存し、また、ビームレットの開口は、走査ビームの開口のみに依存する。
【００７４】
やはり図７および８を参照して、射出瞳拡大器５２の代替の実施形態が考慮される。例えば、ＭＬＡ１６０および１６２の間の間隙は空気以外の伝達媒体で満たされてもよい。例えば、充填媒体は、ＤＭＬＡ拡大器５２の光学的特性を変える可能性がある間隙の圧縮または拡張に抵抗する固体であってもよく、また、充填媒体の異なる屈折率（空気の屈折率に対する）を補償する従来のやり方で、ＭＬＡ１６０および１６２の特性（例えば、ピッチ、小型レンズの曲率、屈折率）を変えることができる。追加の実施形態は、図１３〜１８と関連して後述する。
【００７５】
図９Ａ〜１１Ｂは、視空間３０内の拡張ビーム７８（図３および７）の強度プロファイルが、ビームエンベロープ７９（図２および７）とビームレット３２（図２）の強度プロファイル、および均一でない強度プロファイルを有する拡張ビームによるアーティファクトに依存することを示す。後述するように、「バンディング」などのアーティファクトは、操作者の目が視空間３０の断面３４外にある場合に、より深刻なことがある。
【００７６】
図９Ａは、均一（平坦）な強度プロファイルを有するビームエンベロープ７９を示し、図９Ｂは、それぞれ均一でないガウス様の強度プロファイルを有するビームレット３２が組み合わさって、ビームエンベロープ７９内に均一でないビームレット強度プロファイルを生じることを示す。
【００７７】
図９Ｃは、図９Ａおよび９Ｂのビームエンベロープおよび組み合わされたビームレット強度プロファイルに起因する、視空間３０内の拡張ビーム７８の均一でない強度プロファイルを示す。ｓｉｎｃ状のビーム出力１７２、１７４および１７６はそれぞれ、射出瞳拡大器５２において、遠距離場のトップハット強度プロファイルに転換する。これらのビーム出力１７２、１７４、および１７６の重なり合いによる干渉が、小型レンズの配列ピッチおよび配置によって定義された間隔でビームレット３２を形成する。入力ビーム６０のエンベロープは位相および振幅が転換して、拡張ビーム７８内の遠距離場における各ビームレット３２の強度プロファイルを形成する。したがって、結果として得られる拡張ビーム７８の強度プロファイルは、図９Ａの拡張ビームエンベロープ、ビームレットエンベロープ、および図９Ｂのビームレット間隔および配置の位相および振幅におけるたたみこみと見なすことができる。したがって、ビームエンベロープ強度プロファイル（図９Ａ）が均一でも、組み合わせたビームレット強度プロファイル（図９Ｂ）の非均一性により、拡張ビーム７８の強度プロファイルが均一でなくなる。また、図示しないが、均一でないビームエンベロープ強度プロファイルと組み合わされた均一な組合せビームレット強度プロファイルもまた、結果として均一でない強度プロファイルを生じさせる。
【００７８】
図１０Ａおよび１０Ｂは、図９Ｃのものに類似した均一でない拡張ビーム強度プロファイルに対して、視空間３０内の異なる視点において操作者（図１０Ａおよび１０Ｂには図示なし）が知覚した強度パターンを示す。また、拡張ビーム強度プロファイルが視空間全体にわたって均一でない場合に生じ得るアーティファクトについて後述する。
【００７９】
図１０Ａは、虚像の頂部で第１のピクセルを生成する第１の拡張ビーム７８ａ、および像の底部で第２のピクセルを生成する第２の拡張ビーム７８ｂを示し、各拡張ビームは同じ均一でない強度プロファイルを有する。第１および第２のピクセル、および、したがって第１および第２の拡張ビーム７８ａおよび７８ｂは、異なるときに生成され、それら両方を説明目的のため図１０Ａに示す。さらに、他の拡張ビームが拡張ビーム７８ａおよび７８ｂの間で生成されて、第１および第２のピクセル間で対応するピクセルを生成するが、これら他の拡張ビームは明瞭にするため省略される。
【００８０】
単一の拡張ビーム７８については、視空間３０内のどの断面も拡張ビームの強度プロファイルを有する。例えば、断面１８０および１８２では、同じ均一でない強度プロファイルは各拡張ビーム７８ａおよび７８ｂ内に存在する。
【００８１】
視空間３０の断面３４では、拡張ビーム７８ａおよび７８ｂは、すべての点で重なり合うので、断面３４に沿った各点において、拡張ビーム強度プロファイルは各ピクセルに対して同じレベルを有する。例えば、位置１８４または１８６では、強度プロファイルレベルは各拡張ビーム７８に対してそれぞれ同じであり、したがって像の各ピクセルに対して同じである。
【００８２】
しかし、断面３４外の位置では、拡張ビーム７８ａおよび７８ｂはすべての点では重なり合わず、したがって強度プロファイルレベルはピクセルごとに変わってもよい。例えば、位置１８８（図１０Ｂ）では、さらに後述するように強度プロファイルレベルはピクセルごとに変わる。
【００８３】
したがって、操作者の瞳孔（図１０Ａおよび１０Ｂには図示なし）が断面３４と一列に並ぶと、操作者が目を移動させなければ、典型的には均一な像強度を知覚するが、断面３４のある位置から断面３４の別の位置に目を移動させた場合、およびその間、均一でない強度を知覚することがある。例えば、瞳孔が位置１８４にあると仮定する。位置１８４では、拡張ビーム強度プロファイルのレベルが各ピクセルに対して同じであるので、位置１８４から目を移動させない限り、操作者は像に対して均一な強度プロファイルを知覚する。すなわち、像の異なる位置での絶対強度は像のコンテンツと共に変化することがあるが、操作者は、像の１つの領域が別の領域よりも高い平均輝度を有する「バンディング」を知覚しない。しかし、操作者が位置１８４から位置１８６に目を移動させると、目が位置１８４と１８６の間の均一でない拡張ビーム強度プロファイルの部分を有効に横断している間に、像輝度が変わることに気づくことがある。
【００８４】
しかし、操作者の目（図１０Ａおよび１０Ｂには図示なし）が、断面３４外にある場合、目を移動させなくても、像が均一でない強度プロファイルを有することを知覚することがある。例えば、瞳孔が位置１８８にあると仮定する。位置１８８では、拡張ビーム７８ａおよび７８ｂがすべての点では重なり合わないので、拡張ビーム強度プロファイルのレベルは各ピクセルに対して異なる。拡張ビーム７８ａによって運ばれたピクセルについては、操作者は、拡張ビーム強度プロファイル上の点１９０で強度プロファイルの端部を知覚し、また、ビーム７８ｂによって運ばれたピクセルについては、操作者は拡張ビーム強度プロファイル上の点１９２で強度プロファイルのレベルを知覚する。すなわち、スキャナ４６（図３）がビーム６０（図３）を掃引すると、拡張ビーム７８は、ビーム７８ａの位置からビーム７８ｂの位置へ有効に「枢動」する。この「枢動」の間、点１９０および１９２の間の拡張ビーム強度プロファイルの部分は、位置１８８を越えて、および、したがって操作者の目を越えて有効に移動する。したがって、目を移動させることさえなく、操作者は、点１９０および１９２の間の拡張ビーム強度プロファイルの部分と等しい強度プロファイルを有するものとして像を知覚する。拡張ビーム強度プロファイルのこの部分は均一ではないので、操作者は、目を移動させなくても、非均一性の大きさによって強度の「バンディング」を知覚することがあり、また、任意の方向に目を移動させると、「バンディング」パターンがずれることを知覚することがある。当然ながら、操作者が、視空間３０の断面３４の位置と一列に並ぶように目を移動させれば、この「バンディング」パターンは消滅することがある。
【００８５】
図１１Ａ〜１２Ｂは、ヘッドアップ表示装置４０がどのようにして、本発明の一実施形態にしたがって、図１０Ａおよび１０Ｂと関連して上述したアーティファクトの重大性を低減させるか、またはすべて除去するかを示す。具体的には、表示装置４０は、図４〜８と関連して上述したような均一な強度プロファイルを有する拡張ビーム７８を生成する。
【００８６】
図９Ａは、上述したような均一な強度プロファイルを有する拡張ビームエンベロープ７８を示し、図１１Ａは、ビームレット３２もそれぞれ均一な強度プロファイルを有することを示す。
【００８７】
図１１Ｂは、図９Ａおよび１１Ｂのビームエンベロープおよび組み合わされたビームレットの均一な強度に起因する、拡張ビーム７８の均一な強度プロファイルを示す。具体的には、拡張ビーム強度プロファイルは、図９Ａのビームエンベロープの強度プロファイルを図１１Ｂの組み合わされたビームレットの強度プロファイルと組み合わせたものである。すなわち、均一なビームエンベロープおよび組み合わされたビームレットの強度プロファイルのたたみこみは、均一な拡張ビーム強度プロファイルを生じさせる。
【００８８】
図１２は、視空間３０内の異なる視点について、本発明の一実施形態による図１１Ｂの均一な拡張ビーム強度プロファイルに対して操作者（ここでは図１２に示される）が知覚した強度パターンを示す。
【００８９】
より具体的には、図１２は、虚像の頂部で第１のピクセルを生成する第１の拡張ビーム７８ｃを示し、また、像の底部で第２のピクセルを生成する第２の拡張ビーム７８ｄを示す。
【００９０】
単一の拡張ビーム７８に対して、視空間３０内の任意の断面は、図１１Ｂの拡張ビーム強度プロファイルを有する。例えば、断面２００および２０２では、同じ均一な拡張ビーム強度プロファイルが各拡張ビーム７８ｃおよび７８ｄ内に存在する。
【００９１】
視空間３０の断面３４では、拡張ビーム７８ｃおよび７８ｄは、すべての点で重なり合うので、断面３４に沿ったどの点でも拡張ビーム強度プロファイルは各ピクセルに対して同じである。したがって、断面３４のある位置から断面３４の別の位置に目を移動させても、操作者（図１２には図示なし）は、像輝度の変化をほとんどまたはまったく感知しない。
【００９２】
さらに、断面３４外の位置では、拡張ビーム７８ｃおよび７８ｄがすべての点では重なり合わなくても、拡張ビーム強度プロファイルのレベルは、操作者が知覚した像内の各ピクセルに対して同じである。例えば、位置２０４では、点２０６および２０８（図１２の同じ点）の間の強度プロファイルの部分が平坦なので、強度プロファイルレベルはピクセルごとに変わらない。すなわち、拡張ビーム７８がビーム７８ｃの位置からビーム７８ｄの位置へ枢動しても、拡張ビーム強度プロファイルのレベルは点２０４では変わらない。したがって、目が断面３４外にある場合、操作者は像中の「バンディング」を知覚しない。
【００９３】
したがって、操作者は、視空間３０内における瞳孔の位置に関わらず、また目を移動させているか否かに関わらず、実質的に均一な像強度を知覚する。すなわち、拡張ビーム強度プロファイル（図１１Ｂ）は実質的に平坦なので、操作者は、像が視空間３０内のどの位置でも実質的に同じ均一な強度プロファイルを有することを知覚する。
【００９４】
図１１Ａ〜１２を参照して、本発明の代替の実施形態が考慮される。例えば、ビームエンベロープ７９およびビームレット３２に対して均一な強度プロファイルを生成することによって、均一な拡張ビーム強度プロファイル（図１１Ｂ）を生成する代わりに、ヘッドアップ表示装置４０（図３）は、均一でない強度プロファイルを有するビームエンベロープ７９およびビームレット３２を生成してもよいので、これらの均一でないの強度プロファイルのたたみこみは、図１１Ｂに示されるような均一な拡張ビーム強度プロファイルを生じさせる。
【００９５】
図１３は、本発明の別の実施形態によるＤＭＬＡ射出瞳拡大器５２（図３）に属するＭＬＡ２１０の平面図であり、代替ＤＭＬＡは、ＭＬＡ２１０に類似しているが明瞭さのため図１３から省略される、第２のＭＬＡを含むものと理解される。ＭＬＡ２１０は、ＭＬＡの背面で小型レンズ２１２が互いに完全に隣接しておらず、したがってＭＬＡ２１０が隣接する小型レンズ２１２との間に空間２１４を有する点で、図８のＭＬＡ１６０と異なる。空間２１４は、多くの場合、完全に接触する小型レンズ２１２を形成しない、または形成することができない、従来の製造工程によるものである。しかし、不透明なコーティングで空間２１４を処理することによって、空間は、代替ＤＭＬＡの動作にほとんど、またはまったく悪影響を有さない。したがって、ＭＬＡ２１０および同様の第２のＭＬＡを有するＤＭＬＡを含む場合、ヘッドアップ表示装置４０（図３）は、図３〜１２と関連して上述したように、実質的に同じ特性（例えば、均一な拡張ビーム強度プロファイル、六角形の開口）を有する視空間３０（図２）を生成することができる、関連する実施形態では、ＭＬＡおよびＤＭＬＡ拡大器５２の入力側などのＭＬＡのうち１つのみの上の空間２１４は、不透明なコーティングで処理される。
【００９６】
図１４は、本発明の別の実施形態によるＤＭＬＡ射出瞳拡大器５２の側面図である。図１４のＤＭＬＡは、小型レンズ２２４および２２６をそれぞれ含む湾曲したＭＬＡ２２０および２２２を含むという点で、図７〜８のＤＭＬＡと異なる。小型レンズ２２４および２２６の対応する対は、走査ビーム６０（図３）が、これらの小型レンズの対それぞれの両方の中心軸と同時に一致する、半径方向経路２２８に追随するように、一列に並ぶ。したがって、湾曲したＤＭＬＡにより、走査ビーム調整アセンブリ４８（図３）からテレセントリックレンズ５０を省略できるようになる。ＭＬＡ２２０および２２２は、それぞれ半径方向寸法に同じ焦点距離ｆを有しており、ｆによって半径方向に離間したそれぞれの焦点のカーブ２３０および２３２を有する。さらに、小型レンズ２２４および２２６は、図８および１３のハニカムパターンに配置され、ＭＬＡ２２０および２２２は、図１３と関連して上述したような小型レンズの間に、不透明にコーティングした空間を含んでいてもよい。したがって、図１４のＤＭＬＡを含んでいる場合、ヘッドアップ表示装置４０（図３）は、図３〜１２に関連して上述したように、実質的に同じ特性（例えば、均一な拡張ビーム強度プロファイル、六角形の開口）を有する視空間３０（図２）を生成することができる。
【００９７】
図１５は、本発明の別の実施形態によるスラブＤＭＬＡ射出瞳拡大器５２の等角図である。このＤＭＬＡは、それぞれ同じピッチを有する半円筒状レンズのスラブの対２４４と２４６、および２４８と２５０からそれぞれ形成された、２つのＭＬＡ２４０および２４２を含む。スラブ２４４はスラブ２４６に直角であり、スラブ２４８はスラブ２５０に直角である。ＭＬＡ２４０および２４２は、それぞれ同じ焦点距離ｆを有し、ｆによって離間した焦点面２５２および２５４をそれぞれ有する。ＭＬＡ２４０および２４２それぞれから結果として得られる小型レンズは、六角形パターンではなく正方形パターンで有効に配置されるので、結果として得られる小型レンズがビームエンベロープ７９（図３）に四角形状を有するようにさせる。したがって、フィルファクタを改善するために、ビーム発生器４４（図３）を修正して、出力ビーム６０、および、したがってビームレット３２（図２）に正方形開口を付与することができる。
【００９８】
やはり図１５を参照して、スラブＤＭＬＡ射出瞳拡大器５２の他の実施形態が考慮される。例えば、結果として得られる小型レンズが矩形形状を持つように、ＭＬＡ２４０および２４２それぞれの１つのスラブは他のスラブとは異なるピッチを有することができる。そのような実施形態のためのフィルファクタを改善するために、ビーム発生器４４（図３）を修正して、出力ビーム６０、および、したがってビームレット３２（図２）に長方形開口を付与することができる。さらに、互いに面する水平に並んだスラブ２４６および２４８を備えて示されるが、２つの垂直に並んだスラブ２４４および２５０、または水平に並んだスラブと向かい合う１つの垂直に並んだスラブを備えたスラブＤＭＬＡ拡大器５２を収縮することができる。さらに、スラブの背面においてレンズ間に空間がある場合、図１３と関連して上述したような不透明なコーティングでそれらを処理することができる。
【００９９】
図１６は、本発明の別の実施形態によるＤＭＬＡ射出瞳拡大器５２の等角図である。このＤＭＬＡ拡大器５２は、２つの小型レンズ配列２５６および２５８を含む。配列２５６は、同じピッチを有し、ガラスまたはプラスチックなどの光学材料の２つのスラブ２６２および２６４の間に取り付けられた円筒形レンズ２６０を含む。例えば、円筒形レンズ２６０は光ファイバーであってもよい。配列２５８は配列２５６と類似しており、同じピッチを有し、レンズ２６５がレンズ２６０に直交するように、ガラスまたはプラスチックなどの光学材料の２つのスラブ２６６および２６７の間に取り付けられた円筒形レンズ２６５を含む。結果として得られる小型レンズは、正方形パターンで配列され、拡張ビームエンベロープ７９（図３）に四角形状を持たせる。したがって、ビーム発生器４４（図３）を修正して、出力ビーム６０、および、したがってビームレット３２（図２）に正方形開口を付与することができる。さらに、レンズ２６０および２６５の間の空間を覆うために、図１３と関連して上述したような不透明なコーティングで、スラブ２６２、２６４、２６６、および２６７の対応する領域を処理することができる。
【０１００】
図１７は、本発明の別の実施形態による反射ＤＭＬＡ射出瞳拡大器５２の側面図である。図７〜８のＤＭＬＡ拡大器５２のように、反射ＤＭＬＡ拡大器はＭＬＡ１６０を含む。しかし、反射ＤＭＬＡ拡大器５２は、ＭＬＡ１６２の代わりにリフレクタ２７０を含む点で、図７〜８のＤＭＬＡ拡大器と異なる。リフレクタ２７０は、ＭＬＡ１６０の焦点面１６８からｆ／２に位置する平面の反射表面２７２を含む。したがって、拡張ビーム７８は、ＭＬＡ１６０の前面２７４（すなわち、走査ビーム６０が伝搬するのと同じ側）から、視空間３０（図２）に伝搬する。したがって、図１７の反射ＤＭＬＡ拡大器５２を組み込む場合、ヘッドアップ表示装置４０（図３）は、図３〜１２と関連して上述したのと実質的に同じ特性（例えば、均一な拡張ビーム強度プロファイル、六角形の開口）を有する視空間３０（図２）を生成することができる。さらに、反射ＤＭＬＡ拡大器５２は、２つのＭＬＡを一列に並べる必要がないので、図７〜８のＤＭＬＡ拡大器５２よりも製造が容易な場合がある。
【０１０１】
図１８は、本発明の別の実施形態による多重ピッチＤＭＬＡ射出瞳拡大器５２の側面図である。図７〜８のＤＭＬＡ拡大器５２と同様、多重ピッチＤＭＬＡ拡大器は、小型レンズのピッチＤを有するＭＬＡ１６０を含む。しかし、多重ピッチＤＭＬＡ拡大器５２は、異なる小型レンズのピッチＤ’＞Ｄを有する第２のＭＬＡ２８０を含む点で、図７〜８のＤＭＬＡ拡大器と異なり、これにより、走査ビーム調整アセンブリ４８（図３）からテレセントリックレンズ５０を省略することが可能になる。ＭＬＡ２８０は、焦点距離ｆ、ＭＬＡ１６０の焦点面１６８から距離ｆのところに配置される焦点面２８２、および図８に示されるようなＭＬＡ１６０のパターンに類似したハニカムパターンで配列された小型レンズ２８４を有する。したがって、多重ピッチＤＭＬＡ拡大器５２を組み込む場合、ヘッドアップ表示装置４０（図３）は、図３〜１２と関連して上述したのと実質的に同じ特性（例えば、均一な拡張ビーム強度プロファイル、六角形の開口）を有するし空間３０（図２）を生成することができる。多重ピッチＤＭＬＡ拡大器５２の代替の実施形態では、Ｄ’はＤ未満である。
【０１０２】
図１９は、本発明の別の実施形態による単一マイクロレンズアレイ（ＳＭＬＡ）射出瞳拡大器５２の等角図である。その名前が意味するように、ＳＭＬＡ拡大器５２は単一のＭＬＡ２９０を含む。ＭＬＡ１６０（図７および８）の小型レンズ１６４と同様、ＭＬＡ２９０の小型レンズ２９２は、図８についてハニカムパターンで配列される。しかし、図７〜８のＭＬＡ１６０と異なり、ＭＬＡ２９０は、異なる特性、例えば高さ、曲率半径、ピッチ、および屈折率を有する小型レンズ２９２を含む。さらに、異なる小型レンズ２９０の配置は、一群の小型レンズが同じ特性を共有してもよいように、偽似ランダムであるか、または規則正しいものであってよい。ＳＭＬＡ拡大器５２は、図７〜８のＤＭＬＡ拡大器５２よりも製造するのが容易かつ安価であってもよいが、図７〜８のＤＭＬＡ拡大器５２がパラメータを生成できるので、ＳＭＬＡは、視空間３０のこれらのパラメータ（例えば、拡張ビーム強度プロファイル）を所望のレベルに近づけて生成することができなくてもよい。
【０１０３】
図７〜８および１３〜１９を再び参照して、射出瞳拡大器５２（図３）の追加の実施形態が考慮される。例えば、図７〜８および１３〜１９のいずれかに示される選択された特徴を組み合わせることによって、射出瞳拡大器５２を設計してもよい。１つのそのような実施例では、図１７に示されるのと類似したやり方で、湾曲したＭＬＡ２２２を湾曲したリフレクタと交換することによって、図１４の湾曲したＤＭＬＡ拡大器５２を修正することができる。さらに、回折格子などの、規則正しいまたは不規則に配列されたディフューザを、射出瞳拡大器５２に使用することができる。適切な回折格子の一例は、２００２年７月２６日出願の米国特許出願１０／２０５，８５８、２００４年７月１２日出願の米国特許出願１０／８８９，９６３、２００４年７月１２日出願の米国特許出願１０／８９０，５０１、および２００４年７月２７日発行の米国特許第６，７６８，５８８号において説明されており、これらを参照として組み込んでいる。
【０１０４】
図２０は、本発明の一実施形態による拡張ビームの投影アセンブリ５４（図３）の部分およびダッシュボードシールド３００の等角図である。非球面のミラー５８に加えて、アセンブリ５４は、ミラー３０２、ミラー３０４および円筒形のミラー３０６を含む。
【０１０５】
拡張ビーム投影アセンブリ５４の図示された部分の動作は、本発明の一実施形態にしたがって説明される。ミラー３０２は、拡張ビーム７８（ビームエンベロープ７９（図３）内のビームレット３２（図２）を含む）を、ミラー３０２上に向け、これが拡張ビーム７８をミラー３０６上に向ける。ミラー５８と離れるように湾曲したミラー３０６は、さらに拡張ビーム７８を拡張し、拡張ビームを非球面のミラー５８上に向け、これが拡張ビームを、シールド３００を通して風防４２（図３）上に向ける。
【０１０６】
図３と関連して上述したように、操作者（図２０には図示なし）は、ミラー５８またはヘッドアップ表示装置アセンブリ全体を軸３０８の周りで回転して、視空間３０を垂直（ｙ）方向に動かすことによって、自身の特定の高さに対して視空間３０（図２）の位置を調節してもよい。あるいは、自動システム（図２０には図示なし）が、ミラー５８またはヘッドアップ表示装置アセンブリ全体をそのように回転することによって、視空間３０の垂直位置を調節することができる。さらに、図３と関連して上述したように、ミラー５８の曲率は、操作者が視空間内で目を動かしたときに拡張ビーム７８および表示された像が著しく伸長、歪曲、または位置を変更しないように、風防４２の曲率を光学的に補償するように設計される。
【０１０７】
やはり図２０を参照して、グレアを低減するために任意に形成されてもよいシールド３００は、車両のダッシュボード（図２０には図示なし）内またはヘッドアップ表示装置パッケージの頂部に形成された開口内に取り付けられて、ミラー５８およびヘッドアップ表示装置４０（図３）の他の構成要素を保護し、さらに拡張ビーム７８（図３）がミラー５８から風防４２（図３）まで伝搬することを可能にする。シールドはまた、ヘッドアップ表示装置から離れて操作者の目に反射するかも知れない、太陽または他の照明源からのグレアを最小限に抑えるのに使用されてもよい。シールド３００の露出した（頂部）および露出しない（底部）表面３１０および３１２は、反射防止膜で処理され、露光面はテフロン（登録商標）などの指紋防止膜でも処理される。さらに、シールド３００は、ガラスまたはプラスチックなどの任意の透明材料から作られてもよい。
【０１０８】
拡張ビーム投影アセンブリ５４の代替の実施形態が考慮される。例えば、アセンブリ５４は、図２０に示されたのよりも多いまたは少ないミラーを含んでもよく、また、レンズ５６（図３）に加えてまたはその代わりに、屈折型、反射屈折型、および／または回折型の光学エレメントを含んでもよい。
【０１０９】
図２１および２２は、本発明の一実施形態にしたがって、風防４２または他の要因によって引き起こされた像の歪曲を補償するために、ヘッドアップ表示装置４０（図３）をどのように電子的に校正することができるかを示す。校正は電子的に行われるので、非球面のミラー５８（図３および２０）などのヘッドアップ表示装置４０の構成要素の修正または交換を必要とする校正技術よりも、複雑ではなく安価な場合が多い。
【０１１０】
図２１は、本発明の一実施形態による、射出瞳拡大器５２（図３）の利用可能な走査エリア３２０の重なり合い、ビーム６０（図３）がエリア３２０上で走査する像３２２、および視空間３０（図２）内に目がある操作者（図２０には図示なし）が知覚するような歪曲された像３２４であり、エリア３２０、および、像３２２および３２４は、縮尺どおりに描画されていない場合がある。像３２２は長方形で、幅ｐを有し、射出瞳拡大器５２の走査エリア３２０内で中央に置かれる。
【０１１１】
歪曲がなければ、知覚された像３２４は、典型的には走査された像３２２と同じ形状、配向、および相対位置を有する。拡張ビーム７８およびビームレット３２（図２）の開口は、走査された像３２２の形状に影響しないことに留意されたい。したがって、ヘッドアップ表示装置４０は、六角形の開口を有する拡張ビームおよびビームレット、および、矩形形状を有する像３２２を同時に生成することができる。しかし、知覚された像３２４の形状は、後述するように、拡張ビーム７８およびビームレット３２の開口に対する歪曲に影響される。
【０１１２】
しかしながら、この実施例では、歪曲は、形状（幅ｐの先細りβによって生じる、台形対長方形）、配向（走査された像に対してα＝４５°反時計方向に回転）、および相対位置（知覚された像の中心が、走査された像の中心からの相対距離ｑだけ左にずれる）において、知覚された像３２４を走査された像３２２とは異ならせる。より具体的には、この歪曲は、望ましくない先細りβを拡張ビーム７８の開口にもたらし（歪曲のこの成分は「台形像効果」と呼ばれることが多い）、拡張ビームの開口をその所望の配向から４５°反統計方向に回転し、拡張ビームの開口を相対距離ｑだけ所望の位置から左にずらす。このような歪曲は、風防４２（図３）と非球面のミラー５８（図３および２０）との間の光学的な不適合によって引き起こされることが多いが、この歪曲は他の原因を有することがある。典型的には、風防４２（図３）を組み込む車両（図２１には図示なし）が最初に組み立てられるとき、または風防が交換されるときに、そのような歪曲が存在する場合がある。
【０１１３】
やはり図２１を参照して、知覚された像３２４中の歪曲が、風防４２（図３）と非球面のミラー５８（図３および２０）との光学的な不適合によって引き起こされる場合、従来の解決策は、風防または非球面のミラーのいずれかを交換するか、あるいはミラーの曲率を修正して風防とのより良好な光学的な適合を得ることである。しかし、この解決策は、構成要素を交換または修正し、また風防４２およびミラー５８の少なくとも１つの曲率を計算することを必要とするので、比較的時間がかかり、かつ高価な場合が多い。
【０１１４】
しかし、後述するように、本発明の一実施形態にしたがって、ヘッドアップ表示装置４０（図３）を電子的に校正または再校正して、そのような歪曲を補償することができる。したがって、構成要素を交換または修正せず、そうでなければ表示装置４０の物理構造を変更せずに、歪曲を低減または除去することができる。
【０１１５】
図２２は、本発明の一実施形態による、射出瞳拡大器５２（図３）の利用可能な走査エリア３２０の重なり合い、ビーム６０（図３）がエリア３２０上に走査し、かつ歪曲を打ち消すように動作可能な像３３０、および、視空間３０（図２）内に目がある操作者（図２２には示されていない）が、実質的に歪曲がないものとして知覚する、歪曲を補償した像３３２であり、エリア３２０、および、像３３０および３３２は、縮尺どおりに描画されていない場合がある。さらに後述するように、歪曲を打ち消す像３３０の形状、配向、および先細りは、図２１の歪曲された像３２４の形状、配向、および先細りそれぞれの反対である。
【０１１６】
図２１および２２を参照して、本発明の一実施形態によって、射出瞳拡大器５２（図３）上に歪曲を打ち消す像３３０を走査するように表示装置をプログラムすることにより、ヘッドアップ表示装置４０（図３）を校正して歪曲された像３２４を修正することができる。より具体的には、表示装置４０のビーム発生器４４（図３）をプログラムして、元の像を距離ｑだけ右に（すなわち距離−ｑだけ左に）ずらし、ずらした元の像を角度−αだけ回転し、ずらして回転した元の画像の側部を角度−βだけ先細りにして、元の走査された像３２２から歪曲を打ち消す像３３２を有効に生成する。プログラムされた像エレクトロニクス６２（図３）は、適切なやり方でビーム源６４、６６、および６８（図３）を変調することによって、このシフティング、回転、および先細りを行う。このシフティング、回転移動、および先細りを可能にするために、射出瞳拡大器５２のエリア３２０は、元の像３２２の面積よりも、例えば１５％大きい。
【０１１７】
したがって、元の走査された像３２２を歪曲された像３２４に転換したのと同じ歪曲が、今度は歪曲を打ち消す像３３０を、歪曲していないと操作者が知覚する、すなわち元の走査された像３２２と同じ相対位置、配向、および形状を有するものと操作者が知覚する、歪曲が補正された像３３２に転換する。
【０１１８】
物理的な修正の代わりにプログラムすることによってヘッドアップ表示装置４０を校正することができるので、従来の校正を行うことができるのよりも、迅速かつ安価にそのような校正を行うことができる。さらに、試験校正機（図２１および２２には図示なし）をプログラムして、歪曲した像３２４を捕捉し、捕捉した像から歪曲を打ち消す像３３０のパラメータ（例えば、形状、配向、相対位置）を計算し、また、スキャナ４４が歪曲を打ち消す像を射出瞳拡大器５２の利用可能なエリア３２０上に走査するように、出力ビーム６０を修正するためにビーム発生器４４をプログラムすることにより、校正を自動化することができる（ビーム発生器、出力ビーム、および射出瞳拡大器は図３に示される）。
【０１１９】
やはり図２１および２２を参照して、上述の歪曲校正技術の他の実施形態が考慮される。例えば、ビーム発生器４４（図３）をプログラムして、シフト、回転、および先細り歪曲以外の歪曲を修正することができる。例えば、先細りしていない歪曲を修正して像の形状にするように、発生器４４をプログラムすることができる。さらに、出力ビーム６０の強度を修正して拡張ビーム７８の強度プロファイルにおける歪曲を修正するように、ビーム発生器４４をプログラムすることができる。
【０１２０】
上述のことから、本発明の特定の実施形態を説明目的のために本明細書に記載してきたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な変更がなされてもよいことが理解されるだろう。例えば、図３、２１、および２２を参照して、ヘッドアップ表示装置４０は、タイリング技術を使用して射出瞳拡大器５２上に像を走査してもよい。すなわち、表示装置４０は、スキャナ４６が多数のビームを掃引するように、多数のビーム６０を生成することができ、各ビームは射出瞳拡大器５７上の像の異なる部分を走査する。タイリングは、２００１年５月１５日出願の米国特許出願０９／８５８，２８７，２００１年５月１５日出願の米国特許出願０９／８５８，６８８、２００４年６月２９日発行の米国特許第６，７５５，５３６号、および２００３年１０月２８日発行の米国特許第６，６３９，７１９号に説明されており、これらを参照として組み込んでいる。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】従来のヘッドアップ表示装置を含む車両内の操作者の一部を切断した側面図である。
【図２】本発明の一実施形態によるヘッドアップ表示装置の視空間（アイボックス）の等角図である。
【図３】本発明の一実施形態による図２の視空間に像を投影することができるヘッドアップ表示装置システムの図である。
【図４】本発明の一実施形態による図３の三色のビーム発生器の図である。
【図５】本発明の一実施形態による図４のビーム発生器によって生成された走査ビームのトップハット（均一な）強度プロファイルのプロットに重ねられた図４のビーム発生器内のビームのガウス強度プロファイルのプロットである。
【図６】本発明の別の実施形態による図３の三色のビーム発生器の図である。
【図７】本発明の一実施形態による図３の射出瞳拡大器の側面図である。
【図８】本発明の一実施形態による図７の六角形に配置されたマイクロレンズアレイの平面図である。
【図９Ａ】本発明の一実施形態による図７の射出瞳拡大器によって生成されたビームエンベロープ強度プロファイルの二次元のプロットである。
【図９Ｂ】本発明の一実施形態によるガウス強度プロファイルを有する走査ビームのための、図３のヘッドアップ表示装置４０によって生成されたビームレット強度プロファイルの二次元のプロットである。
【図９Ｃ】本発明の一実施形態による図９Ａのビームエンベロープ強度プロファイルおよび図９Ｂのビームレットｔ強度プロファイルの組合せから得られるビーム強度プロファイルの二次元のプロットである。
【図１０Ａ】本発明の一実施形態による、図９Ｃの結果として得られるビーム強度プロファイルによって生じる図２の視空間内における強度の非均一性を示す。
【図１０Ｂ】本発明の一実施形態による、図９Ｃの結果として得られるビーム強度プロファイルによって生じる図２の視空間内における強度の非均一性を示す。
【図１１Ａ】本発明の一実施形態によるトップハット強度プロファイルを有する走査ビームのための、図３のヘッドアップ表示装置４０によって生成されたビームレット強度プロファイルの二次元のプロットである。
【図１１Ｂ】本発明の一実施形態による図９Ａのビームエンベロープ強度エンベロープおよび図１１Ｂのビームレット強度プロファイルの組合せから得られる均一なビーム強度プロファイルの二次元のプロットである。
【図１２】本発明の一実施形態による図１１Ｂの均一なビーム強度プロファイルによって引き起こされる図２の視空間内の単純化されたまたは理想的な強度の均一性を示す。
【図１３】本発明の別の実施形態による図７のマイクロレンズアレイの１つの平面図である。
【図１４】本発明の別の実施形態による図３の射出瞳拡大器の側面図である。
【図１５】本発明の別の実施形態による図３の射出瞳拡大器の等角図である。
【図１６】本発明の別の実施形態による図３の射出瞳拡大器の等角図である。
【図１７】本発明の別の実施形態による図３の射出瞳拡大器の側面図である。
【図１８】本発明の別の実施形態による図３の射出瞳拡大器の側面図である。
【図１９】本発明の別の実施形態による図３の射出瞳拡大器の表面トポグラフィの等角図である。
【図２０】本発明の実施形態による図３の投影アセンブリの一部分の等角図である。
【図２１】表示装置が風防に対して校正されていないときの図３のヘッドアップ表示装置によって生成された歪曲された虚像の図である。
【図２２】本発明の一実施形態による、表示装置が風防に対して校正された後の図３のヘッドアップ表示装置によって生成された歪曲していない虚像の図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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