(57)【要約】  本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置（１１）、ヘッドアップディスプレイ装置を備える車両およびヘッドアップディスプレイ装置において画像を形成する方法に関する。ヘッドアップディスプレイ装置は、フロントガラスなどの画像面（１０）に画像を投影するように適合されている。装置は、表示される画像を伝送する光を導くことができる導波路（１２）と、光学補正要素とを備える。本発明によれば、導波路（１２）は、内部を伝播する光を光学補正要素（１４）に向けて結合するように構成され、光学補正要素は、前記光に対して光学機能を実行し、導波路（１２）を通る光を画像面に向けるようにさらに構成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を画像面に投影するためのヘッドアップディスプレイ装置であって、
当該装置は、表示される前記画像を伝送する光を導くことができる導波路を備え、
−前記装置（１１）は、光学補正要素（１４）を含み、
−前記導波路は、当該導波路内で伝播する前記光を前記光学補正要素に結合するように構成され、
−前記光学補正要素は、前記光に対して光学機能を実行し、前記光を前記導波路を通して前記画像面に向けるように構成されており、前記光学補正要素（１４）は、湾曲した前記画像面によって引き起こされる画像の歪みを補正する光学機能を実行するように構成された、装置。
【請求項２】
−前記導波路が２つの主表面を含み、
−前記光補正要素が前記導波路の第１の主表面に面するように配置され、
−前記導波路の前記第１の主表面と反対側にある第２の主表面が前記画像面に向けられた、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
１／４波長板を含み、当該１／４波長板は、前記光の偏光を変えることができ、前記導波路と前記光学補正要素との間に配置されることにより、前記光が前記１／４波長板を２回通過する、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記１／４波長板は、前記導波路と平行であり、前記導波路の前記第１の主表面上に、または前記第１の主表面から離れて配置される、請求項２に従属する請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記導波路と前記画像面との間に配置された、偏光板またはワイヤグリッドなどの偏光フィルタを備える、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記偏光フィルタが、前記導波路の前記第２の主表面上にまたは前記第２の主表面から離れて配置された前記導波路と平行である、請求項２に従属する請求項５に記載の装置。
【請求項７】
表示される前記画像を伝送する偏光された光を前記導波路に結合するための手段を含む、請求項１から６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記偏光フィルタが、前記光ガイドから結合された前記光の偏光方向と比較して反対に偏光された光を通過するように構成される、請求項５に従属する請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記光学補正要素が、曲面鏡、自由曲面鏡、またはフレネル鏡などの鏡である、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記光学補正要素は、前記ヘッドアップディスプレイの視野および／またはアイボックスを増加するようにさらに配置される、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記導波路が回折導波路である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
車両であって、
−ヘッドアップディスプレイ装置と、
−前記画像面として機能する湾曲したウィンドウ要素、特に湾曲したフロントガラスと、
を備え、
前記ヘッドアップディスプレイ装置は、請求項１から１２のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、前記湾曲したウィンドウ要素によって引き起こされる画像の歪みを補正するように構成される、車両。
【請求項１３】
ヘッドアップディスプレイで画像を形成する方法であって、画像を伝送する光を導波路に結合するステップを含み、該方法は、さらに、
−第１の主面に配置された光学補正要素に光を導波路から結合するステップであって、前記光学補正要素は湾曲した画像面の光学機能を補償するように適合された光学機能とを有する、前記結合するステップと、
−前記光学補正要素で前記光に対して前記光学機能を実行し、さらに前記導波路の前記第１の主面の反対側の第２の主の画像面上の前記導波路を通して前記光を向けるステップと、
を含む、方法。
【請求項１４】
−前記導波路に結合された前記光が第１の偏光方向に偏光され、
−前記第１の偏光方向と反対の第２の偏光方向を有する偏光フィルタを使用することにより、前記導波路から前記画像面への光の直接結合が防止され、
−前記光学補正要素に到達する前記光の前記偏光方向は、光学的に補正された光が前記偏光フィルタを介して前記画像面に通過できるように、前記第２の偏光方向に回転される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記光学補正要素に向けられた光の前記偏光方向が、前記光学補正要素の前後の１／４波長板において変更される、請求項１３から１４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディスプレイ技術に関する。特に、本発明は、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Ｈｅａｄ−ｕｐ  Ｄｉｓｐｌａｙ）や、少なくとも部分的に透明な画像面上に画像を提示することができる同様の光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の運転手が自然な視界に入るとき、つまり、通常はフロントガラスの上または前にあるとき、ヘッドアップディスプレイが、情報（以下、画像）を表示するために使用される。
【０００３】
韓国登録特許第１０−０８２０８９８号公報、米国特許出願公開第２０１４／０４３６８９号明細書、国際公開第２０１５／１４５１１９号、米国特許出願公開第２０１６／２７４３５６号明細書、米国特許第８８３０５８８号明細書は、ヘッドアップディスプレイおよび拡張現実ディスプレイのいくつかの既知の画像投影技術について説明している。
【０００４】
最初のタイプのＨＵＤでは、ユーザの目とフロントガラスの間にほぼ垂直に配置された、回折の導波路などの個別の画像要素が含まれており、画像要素からユーザの目に直接結合することで画像が表示される。このタイプは、画像要素がユーザに表示されるという欠点がある。
【０００５】
２番目のタイプのＨＵＤでは、フロントガラスの下に配置され、フロントガラスに画像を投影できる直接画像投影機が含まれ、そこから画像がユーザの目にさらに反映される。このＨＵＤタイプで大きな視野（ＦＯＶ）を実現するには、比較的大きなプロジェクターが必要であり、車両の計器盤に取り付けるのが困難である。
【０００６】
３番目のタイプのＨＵＤでは、ほぼ水平に配置された導波路で構成され、それ自体がユーザの視界からは隠されている。画像は適切な画像ソースを使用して導波路に結合され、さらにフロントガラスを介してユーザの目に結合された導波路の外に出る。これらのＨＵＤは、フロントガラスが一般的に湾曲しているという事実に起因して、画像に顕著な光学収差が生じる。したがって、導波路上の完全に成形された画像であっても、ユーザにとっては歪んで見える。
【０００７】
したがって、ＨＵＤを改善する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】韓国登録特許第１０−０８２０８９８号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１４／０４３６８９号明細書
【特許文献３】国際公開第２０１５／１４５１１９号
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１６／２７４３５６号明細書
【特許文献５】米国特許第８８３０５８８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、前述の問題の少なくともいくつかを克服することである。特に、前述の３番目のタイプのＨＵＤを提供することを目的としている。これにより、フロントガラスに起因する画像収差の補正が可能になる。
【００１０】
別の目的は、ディスプレイのアイボックスやＦＯＶを増やすことができるＨＵＤを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の態様では、画像を画像面に投影するためのヘッドアップディスプレイ装置が提供される。この装置は、表示される画像を伝送する光を導くことができる導波路と、光学補正要素とを含む。本発明によれば、導波路は、内部を伝播する光を光学補正要素に対して結合するように構成され、光学補正要素はさらに、前記光に対して光学機能を実行し、導波路を通して光を画像面に向けるように構成される。
【００１２】
第２の態様によれば、本明細書で説明するヘッドアップディスプレイと、非平面ウィンドウ要素、特に、ディスプレイ装置の画像面として機能する非平面ウィンドシールドとを備える車両が提供される。光学補正要素は、非平面ウィンドウ要素によって引き起こされる画像の歪みを補正するように構成される。
【００１３】
第３の態様によれば、ヘッドアップディスプレイに画像を形成する方法が提供され、この方法は、
−画像を伝送する光を導波路に結合し、
−導波路からの光を、第１の主面に配置された光学補正要素に対して結合し、
−光学補正要素で光に対して光学機能を実行し、
−光学補正要素からの光を、導波路の第１の主面とは反対の第２の主面の画像面上に導波路を通して向ける、
ことを含む。
【００１４】
特に、本発明は、独立請求項に記載されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明は顕著な効果を提供する。まず第一に、湾曲したフロントガラスなどの画像面の光学的歪みを補正することができる。画像全体の投影と補正は、小さなスペースで、ユーザにとって可視可能な機器なしで実現できる。光学補正要素は、光ガイドの非常に近くに配置することができるので装置の厚みは薄い。
【００１６】
本発明、すなわち、光学補正要素はまた、ＦＯＶおよび／またはアイボックスの増加を可能にし、同時に光学的歪みを補正し、追加の光学部品を必要としない。
【００１７】
画像面に通過できるようにＯＣＥ補正された光照射野を変換しながら、画像面に向かう未補正光の直接出力結合を防止するために偏光感応光学素子が使用される実施形態を使用して、特定の効果が達成される。
【００１８】
従属請求項は、本発明の選択された実施形態に向けられている。
【００１９】
いくつかの実施形態では、導波路は２つの主表面を含み、それにより光学補正要素は導波路の第１の主表面に面するように配置され、第１の主表面と反対の導波路の第２の主表面は画像面に向けられる。この平坦な形状により、非常に薄いディスプレイ装置を製造できる。
【００２０】
いくつかの実施形態では、光の偏光を変えることができ、導波路と光学補正要素との間に配置されて、光が１／４波長板を２回通過することができる１／４波長板が提供される。これにより、光の偏光を利用して、事実上すべての光が光学補正要素に到達し、画像面に直接漏れることがないようにすることができる。これにより、画像のゴースト等の不要な影響が防止される。
【００２１】
いくつかの実施形態では、装置は、導波路と画像面との間に配置された、偏光板またはワイヤグリッドなどの偏光フィルタを備える。偏光フィルターは、画像面に対して光が直接出力結合しないようにする。
【００２２】
偏光が利用される場合、最初に光を導波路に提供する入力結合手段は、偏光を生成するように適合されるか、または導波路自体の中または上に偏光子が提供される。いずれの場合でも、偏光フィルタは、光ガイドから結合される光の偏光方向と比較して、反対に偏光された光を通過させるように構成される。
【００２３】
光学補正要素は、曲面鏡、樹形鏡、またはフレネル鏡などの鏡であり得る。また、および光学機能を有する、プリズムのような他の種類の構成要素、または複数の光学要素の組み合わせも使用することができる。
【００２４】
いくつかの実施形態では、光学補正要素は、ユーザに可視可能なように、湾曲した画像面によって引き起こされる画像の歪みを補正する光学機能を実行するように構成される。これは、歪みの少なくとも一部、好ましくは実質的にすべてが除去されることを意味する。したがって、例えば、入力結合された画像と表示された画像との間で、画像形状が、維持される。
【００２５】
導波路は、回折導波路、すなわち、出力結合、および任意選択で入力結合が光の回折に基づく導波路であり得る。ただし、他の選択肢も利用可能である。回折格子は、一次元周期的または二次元周期的回折格子でもよい。
【００２６】
次に、本発明の選択された実施形態およびその利点を、添付の図面を参照してより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、一実施形態による本ヘッドアップディスプレイ構成の概略図を示す。
【図２】図２は、一実施形態によるヘッドアップディスプレイを備える自動車の断面図を示す。
【図３】図３は、一実施形態による本方法の概略フローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１の構成では、湾曲したフロントガラス１０と、当該フロントガラス（ｗｉｎｄｓｈｉｅｌｄ）１０の下に配置されたＨＵＤ装置１１とが設けられている。ＨＵＤ装置１１は、２つの主表面１２Ａ、１２Ｂを有する導波路１２を備える。第１（下面）表面１２Ａの側には、本実施例では曲面鏡である光学補正要素（ＯＣＥ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）１４が提供される。
【００２９】
導波路１２は、光線１９Ａを全内部反射（ＴＩＲｓ：Ｔｏｔａｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓ）を介して導波路内部で横方向に導き、光線１９ＢをＯＣＥ１４に向けて結合するように構成される。例えば、回折格子（図示せず）を片面または両面で使用する出力結合を実現できるが、他の微細構造ベースの出力結合手段または他の方法も可能である。
【００３０】
同様に、光線１９Ｂは、その内部または主表面上に配置された回折結合格子を使用し又は導波路の側面からなどの他の手段によって、導波路１２に結合することができる。
【００３１】
それに加えて、またはその代わりに、入力および／または出力結合格子、それらに関連する導波路および／または画像投影機器は、射出瞳拡大器要素、ガイド、回折格子、ミラー、プリズム、フィルター、偏光子および／またはレンズなど、導波路の前または内部の光照射野または光源特性の成形を支援する他の回折または非回折光学要素を含むか、または光学的に接続されてもよい。
【００３２】
ＯＣＥ１４は、導波路１２の外に結合された光線１９Ｂが反射光線１９Ｂとして再び導波路１２に向けられるように、導波路に対して成形および配置される。導波路は、反射光線１９Ｂをフロントガラス１０を通過させ、さらにフロントガラス１０に向けて通過させるように構成される。
【００３３】
導波路１２に対して概して傾斜しているフロントガラス１０は、さらに車両内部のユーザの目２０に向かって光線１９Ｄを反映させる。
【００３４】
ＯＣＥ１４の光学機能（例えば、従来のミラーの形状）は、フロントガラスの光学機能（形状）と一致しているので、フロントガラス１０によって引き起こされる収差は少なくともある程度まで補償される。特に、補償は、ユーザに対して本質的に歪みのない画像が生成されるようなものでもよい。
【００３５】
有利な実施形態では、光の偏光は、導波路１２からフロントガラス１０への光の直接の出力結合を防止するために利用される。図１にも示されているように、例えば、Ｔｅ偏光などの偏光を選択的に通過させるように適合された導波路１２の上部（第２の表面１２Ｂ上）に偏光フィルタ１５を設けてもよい。導波路１２の内部を伝播する光１９ＡがＴｍ偏光されている場合、それはフィルタ１５を直接通過しない。
【００３６】
偏光フィルタ１５は、ここでは導波路１２と平行である。偏光フィルタ１５は、導波路１２の第２の主表面１２Ｂ上に、または第２の主表面１２Ｂから離れて配置することができる。
【００３７】
ＯＣＥ１４に到達した光１９Ｃがフロントガラス１０に確実に通過するようにするために、１／４波長板１３が提供される。現在示されている形状では、光は１／４波長板１３を２回通過し、最初は導波路１２からＯＣＥ１４に出たとき、そして２回目はＯＣＥの後かつ導波路１２を通過する前である。毎回、偏光特性の変更が行われ、Ｔｍ偏光の全体的な影響がフィルター１５を通過できるＴｅ偏光に変更される。
【００３８】
１／４波長板１３は、ここでは導波路１２と平行である。１／４波長板１３は、導波路１２の第１の主表面１２Ａ上に直接、または第１の主表面１２Ａから離れて配置することができる。
【００３９】
したがって、光学的に補正されていない光がフロントガラス１０に通過するのを防止するという目的と、フロントガラスに通過する光照射野の補正という目的とが同時に達成される。
【００４０】
偏光フィルタ１５は、いかなる種類の偏光感応フィルタであってもよい。一つの有利な実施形態では、ワイヤーグリッド偏光子などの非吸収性フィルターが使用される。これにより、効率的にすべての光線がＯＣＥ１４に外部結合されるため、装置の効率が最大になる。１／４波長板自体も知られている。
【００４１】
１／４波長板１３および偏光フィルタ１５の特性は、ディスプレイで使用される光の波長特性および偏光特性に従って選択される。
【００４２】
ここで詳細に説明した以外の種類の偏光フィルターと波長板の配置を使用して、目的の効果を実現することもできる。
【００４３】
一部の実施形態では、ＯＣＥ１４は、画像面によって引き起こされる歪みを補償するだけでなく、（同一の形状で識別機能を有するＯＣＥと比較して）ディスプレイの視野（ＦＯＶ：Ｆｉｅｌｄ−Ｏｆ−Ｖｉｅｗ）を拡大するようにも構成されている。
【００４４】
いくつかの実施形態では、ＯＣＥ１４は、画像面によって引き起こされる歪みを補償するだけでなく、付加的にはＦＯＶを増加するように構成されるだけでなく、（同一の形状で識別機能を有するＯＣＥと比較して）ディスプレイのアイボックスを拡張するようにも構成される。
【００４５】
光ガイドの直径は、例えば１００から４５０ｍｍが使用される。
【００４６】
ＯＣＥを用いてＦＯＶおよび／またはアイボックスを拡張する可能性のために、大きな画像サイズと優れたユーザエクスペリエンスを維持することができるように、光ガイド１２の直径は、例として１００から３００ｍｍ、例えば１５０から２００ｍｍまで減少させることができる。
【００４７】
図２は、フロントガラス１０および計器盤１１０を備える自動車１００を示す。ディスプレイ装置は、フロントガラス１０を介して運転者に画像を提供するように計器盤１１０に水平に設置される。
【００４８】
図３は、本方法の一実施形態を示す。ステップ３０において、偏光が平面導波路に提供される。ステップ３１では、偏光フィルタを使用して、第１の方向への出力結合が許可され、第２の方向への出力結合が防止される。ステップ３２において、第１の方向に出力結合された光の光場および偏光は、画像面の歪みを補償し、光を「準備」して偏光フィルタを通過するように補正／変更される。ステップ３３において、補正されて偏光が変更された光は、導波路と導波路上の偏光フィルタとを通過することができる。最後に、ステップ３４で、導波路を通過した光は、湾曲した画像面からユーザの目に反映される。
【００４９】
本発明の様々な態様および実施形態は、特許請求の範囲内で自由に組み合わせることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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