(57)【要約】  分割射出瞳（または、分割アイボックス）ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）システムおよびその方法を開示している。開示のＨＵＤシステム方法は分割射出瞳設計方法を利用しているが、これによりモジュール式ＨＵＤシステムを誂えることができるうえにＨＵＤシステム観察アイボックスのサイズも誂えることができると同時に、ＨＵＤの容積測定上の諸局面の全てを緩和することができる。ＨＵＤモジュールは高輝度の小型マイクロ画素結像器を利用して、所与の観察アイボックス区分サイズのＨＵＤ虚像を生成する。ＨＵＤシステムと一体化させると、同じ画像を表示する、上記のような多数のＨＵＤモジュールにより、一体化したＨＵＤシステムのアイボックスのサイズはＨＵＤモジュールのアイボックスサイズよりも相当に大きくなる。その結果である、一体化したＨＵＤシステムの容積は、１個の大型の結像器を使用しているＨＵＤシステムの容積よりも相当に小さくなる。更に、一体化したＨＵＤシステムは多数のＨＵＤモジュールから構成されるようにすることで、意図した適用例に合うようにアイボックスのサイズを調整すると一方で、所与の望ましいＨＵＤシステム全体の明るさを保つことができる。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両用のヘッドアップディスプレイは多数のモジュールを備えており、
該多数のモジュールは各々が、固相発光画素アレイ結像器と、前記固相発光画素アレイ結像器により生成された画像を視準し、拡大し、反射させて車両のフロントガラスに当てることでアイボックス区分の内側で見ることができる虚像を形成するように配置された凹面鏡とを有しており、
前記多数のモジュールは、前記アイボックス区分を組合わせて、前記多数のモジュールの各々のどの１つの前記アイボックス区分よりも大きい集合アイボックスを有している前記ヘッドアップディスプレイをもたらすように配置され、前記集合アイボックスは車両運転者の正常な頭部位置に置かれることを特徴とする、ヘッドアップディスプレイ。
【請求項２】
前記多数のモジュールは各々が前記車両のフロントガラスから同じ位置に前記虚像を形成するよう構成されて位置決めされ、前記多数のモジュールの各々はそのアイボックス区分がその射出瞳の位置に置かれ、前記多数のモジュールの互いに隣接するアイボックス区分が重なり合うとともに組み合わさって分割射出瞳アイボックスを形成するようにし、それにより、前記集合アイボックスの内側で車両運転者に供与される画像情報は、集合した視野角度に亘って広がっている、前記虚像の角度多重化された光景となることを特徴とする、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項３】
前記多数のモジュールの前記アイボックス区分の重なりは分割射出瞳の集合アイボックスを形成していることを特徴とする、請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項４】
前記ヘッドアップディスプレイにおける前記多数のモジュールの各々の前記アイボックス区分のサイズおよび前記多数のモジュールの個数は、運転者の頭部位置の範囲に適合するような集合アイボックスサイズをもたらすように選択されることを特徴とする、請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項５】
前記ヘッドアップディスプレイの前記分割射出瞳アイボックスにより、同じ前記ヘッドアップディスプレイモジュールを用いながらも、車両の広範な要件に合うようにアイボックスサイズ面と容積測定面で誂えることができるようにしたヘッドアップディスプレイが得られることを特徴とする、請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項６】
前記集合アイボックスは、１個またはそれ以上の付加的モジュールを組み入れることにより幅、高さ、または、その両方を拡張することができるサイズを有していることを特徴とする、請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項７】
前記集合アイボックスの限界は前記アイボックス区分の前記重なりの領域であり、該領域内では、前記虚像の明るさが前記集合アイボックスに亘って所与の閾値の範囲内にあって均一であることを特徴とする、請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項８】
前記アイボックス区分相互の間の前記重なりにより、前記虚像におけるいずれか一点を運転者が知覚すれば前記多数のモジュールのうちの２個以上からの光学的分担が合併し、それにより、前記多数のモジュールの個々の凹面鏡の収差により誘発される光学歪曲または光線偏向は前記虚像のどの一点においても平均化され、運転者によって知覚されるスイミング効果を低減することを特徴とする、請求項７に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項９】
前記凹面鏡は非球面形状の反射面または自由形状の反射面のいずれかを有しており、それにより、前記反射面の非球面係数または自由形状係数は反射面の光学収差を最小に抑えるように選択されることを特徴とする、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項１０】
前記固相発光画素アレイ結像器は各々が付随する光学系を備えており、該光学系は前記凹面鏡から生じる軸外歪曲と傾斜収差のバランス調整をし、前記付随する光学系は、別個のレンズ光学素子であるか、または、前記固相発光画素アレイ結像器のそれぞれに直接取り付けられているかいずれかであることを特徴とする、請求項９に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項１１】
多数の前記凹面鏡の各々の開口サイズと、前記凹面鏡の前記非球面係数または前記自由形状係数と、前記固相発光画素アレイ結像器に付随している光学系による軸外歪曲と傾斜収差のバランス調整効果とにより実現される前記収差は、前記凹面鏡により引き起こされる光学歪曲を総体的に最小に抑え、それにより、前記ヘッドアップディスプレイに付随しているスイミング効果を最小に抑えることを特徴とする、請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項１２】
前記多数のモジュールは各々が、人間の視覚系が虚像位置で解像することができるよりも高い分解能をもたらす光学開口サイズと画素分解能を備えており、この付加的分解能は、前記凹面鏡から生じる収差により引き起こされる残留光学歪曲を事前補正するためのデジタル画像ワーピング処理にのみ充当され、それにより、前記ヘッドアップディスプレイの運転者により知覚されるスイミング効果を低減することを特徴とする、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項１３】
前記ヘッドアップディスプレイの容積寸法は、前記ヘッドアップディスプレイを構成している前記モジュールの個数を選択することにより、車両のダッシュボード領域で利用できる容積に合うようにされることを特徴とする、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項１４】
前記多数のモジュールと、
多数の光検出器と、
制御器とを有しているアセンブリを更に備えており、
前記多数の光検出器は各々が前記アセンブリの内側に設置されて、前記多数のモジュールの個々のものの前記固相発光画素アレイ結像器から投射された光を検出し、
前記制御器は、前記虚像が表示されるように画像データ源に接続され、前記光検出器の前記出力に接続され、更に、前記固相発光画素アレイ結像器への入力に接続されており、前記制御器は、前記光検出器の前記出力に応答する電子ハードウエア、ソフトウエア、または、その両方における制御の諸機能を実装して前記固相発光画素アレイ結像器を制御し、前記集合アイボックスの多数の前記アイボックス区分に亘って色と明るさの均一性を確保するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項１５】
前記制御器は、車両ダッシュボードの明るさを制御するのに使用されるような、車両の周辺光の光検出器の出力に接続する接続部を更に有していることを特徴とする、請求項１４に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項１６】
前記画像データ源は運転者支援システムであり、前記制御器の電子ハードウエア、ソフトウエア、または、その両方に実装されている前記制御の諸機能は、
前記光検出器の前記出力に応答して、色補正および明るさ補正のそれぞれを算出するとともに、前記ヘッドアップディスプレイの前記集合アイボックスに亘って色および明るさの均一性をもたらすのに要する多数の前記固相発光画素アレイ結像器の各々に接続して補正値を供与する均一性ループ機能と、
前記均一性ループ機能により算出された色補正および明るさ補正を、車両ダッシュボードの明るさを制御するのに使用されるような、車両の周辺光の光検出器センサから受け取る入力と組み合わせる第１制御機能と、
前記車両の運転者支援システムからの画像データを受け取り、前記固相発光画素アレイ結像器の各々に与える画像データに前記第１制御機能により供与される特定の色補正および明るさ補正を組み入れるインターフェース機能と、
多数の前記固相発光画素アレイ結像器の各々を制御するにあたり、前記固相発光画素アレイ結像器の各々に補正済みとして画像データを供与することにより実施する第２制御機能とを有していることを特徴とする、請求項１４に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項１７】
前記制御器は外部の色および明るさの調整入力に接続するための外部の色および明るさ接続部を備えており、前記インターフェース機能は、外部の色および明るさ調整を受け取って多数の前記固相発行画素アレイ結像器の各々の画像データに前記制御機能により供与される特定の色補正および明るさ補正を組み入れる能力を更に有しており、
前記第２制御機能は、多数の前記固相発光画素アレイ結像器を制御するにあたり、前記固相発光画素アレイ結像器の各々に補正済みとして、尚且つ、外部の色および明るさ調整に応じて調整済みとして画像データを供与することにより実施する構成であることを特徴とする、請求項１６に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項１８】
前記インターフェース機能は、前記凹面鏡から生じる収差により引き起こされる残留光学歪曲を事前補正するためのデジタル画像ワーピング処理を施す構成にし、それにより、運転者により知覚されるスイミング効果を低減するようにしたことを特徴とする、請求項１６に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項１９】
前記制御器は、周辺光の光検出器の出力に接続するための接続部を更に備えており、前記周辺光の光検出器の出力は前記制御器によって使用されて、前記周辺光の光検出器によって検出されるような周辺光の明るさに関連して多数の前記固相発光画素アレイ結像器の投射の明るさを制御することにより前記ヘッドアップディスプレイの前記虚像の明るさを制御するようにしたことを特徴とする、請求項１４に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項２０】
光学インターフェースウインドウを形成しているガラスカバーを更に備えており、太陽光赤外線放射を減衰するように前記ガラスカバーを選択して、多数の前記固相発光画素アレイ結像器の各々における太陽光熱負荷を低減するまたは防ぐようにしたことを特徴とする、請求項１４に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項２１】
車両用のヘッドアップディスプレイは多数のモジュールを備えており、
該多数のモジュールは各々が、固相発光画素アレイ結像器と、非球面形状の反射面または自由形状の反射面が設けられた凹面鏡とを有しており、前記凹面鏡は該固相発光画素アレイ結像器により生成された画像を視準し、拡大し、反射させて車両のフロントガラスに当てることでアイボックス区分の内側で見ることができる虚像を形成するように配置されており、
前記多数のモジュールは、前記多数のモジュールの各々のアイボックス区分よりも大きい集合アイボックスを有しているヘッドアップディスプレイをもたらすように配置され、前記集合アイボックスは車両運転者の正常な頭部位置に置かれており、
前記多数のモジュールは各々が前記車両のフロントガラスから同じ位置に前記虚像を形成するよう構成されて位置決めされ、前記多数のモジュールの各々は前記アイボックス区分がその射出瞳の位置に置かれ、前記多数のモジュールのいくつかの前記アイボックス区分が重なり合うとともに組み合わさって分割射出瞳アイボックスを形成するようにし、それにより、前記集合アイボックスの内側で車両運転者に供与される画像情報は、集合した視野角度に亘って広がっている、虚像の角度多重化された光景となることを特徴とする、ヘッドアップディスプレイ。
【請求項２２】
前記集合アイボックスの限界は前記アイボックス区分の前記重なりの領域であり、前記領域内では、前記虚像の明るさが前記集合アイボックスに亘って所与の閾値の範囲内にあって均一であることを特徴とする、請求項２１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項２３】
前記集合アイボックスは、１個またはそれ以上の付加的モジュールを組み入れることにより幅、高さ、または、その両方を拡張することができるサイズを有していることを特徴とする、請求項２１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項２４】
前記固相発光画素アレイ結像器は各々が付随する光学系を備えており、前記光学系は前記凹面鏡から生じる軸外歪曲と傾斜収差のバランス調整をし、前記付随する光学系は、別個のレンズ光学素子であるか、または、前記固相発光画素アレイ結像器のそれぞれに直接取り付けられているかいずれかであることを特徴とする、請求項２１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項２５】
前記多数のモジュールと、
多数の光検出器と、
制御器とを有しているアセンブリを更に備えており、
前記多数の光検出器は各々が前記アセンブリの内側に設置されて、前記多数のモジュールの個々のものの前記固相発光画素アレイ結像器から投射された光を検出し、
前記制御器は、前記虚像が表示されるように画像データ源に接続され、前記光検出器の出力に接続され、更に、前記固相発光画素アレイ結像器への入力に接続されており、
前記制御器は、前記光検出器の前記出力に応答する電子ハードウエア、ソフトウエア、または、その両方における制御の諸機能を実装して前記固相発光画素アレイ結像器を制御し、前記集合アイボックスの多数の前記アイボックス区分に亘って色と明るさの均一性を確保するようにしたことを特徴とする、請求項２１に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項２６】
前記制御器は、車両ダッシュボードの明るさを制御するのに使用されるような、車両の周辺光の光検出器の出力に接続する接続部を更に有していることを特徴とする、請求項２５に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項２７】
前記画像データ源は運転者支援システムであり、前記制御器の電子ハードウエア、ソフトウエア、または、その両方に実装されている前記制御の諸機能は、
前記光検出器の前記出力に応答して、色補正および明るさ補正のそれぞれを算出するとともに、前記ヘッドアップディスプレイの前記集合アイボックスに亘って色および明るさの均一性をもたらすのに要する多数の前記固相発光画素アレイ結像器の各々に接続して補正値を供与する均一性ループ機能と、
前記均一性ループ機能により算出された色補正および明るさ補正を、車両ダッシュボードの明るさを制御するのに使用されるような、車両の周辺光の光検出器センサから受け取る入力と組み合わせる制御機能と、
車両の運転者支援システムからの画像データを受け取り、前記固相発光画素アレイ結像器の各々に与える画像データに該制御機能により供与される特定の色補正および明るさ補正を組み入れるインターフェース機能と、
多数の前記固相発光画素アレイ結像器の各々を制御するにあたり、前記固相発光画素アレイ結像器の各々に補正済みとして画像データを供与することにより実施する制御機能とを有していることを特徴とする、
請求項２５に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項２８】
前記制御器は外部の色および明るさの調整入力に接続するための外部の色および明るさ接続部を備えており、前記インターフェース機能は、外部の色および明るさ調整を受け取って多数の前記固相発行画素アレイ結像器の各々の画像データに前記制御機能により供与される特定の色補正および明るさ補正を組み入れる能力を更に有しており、
前記制御機能は、多数の前記固相発光画素アレイ結像器を制御するにあたり、前記固相発光画素アレイ結像器の各々に補正済みとして、尚且つ、外部の色および明るさ調整に応じて調整済みとして画像データを供与することにより実施する構成であることを特徴とする、請求項２７に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項２９】
前記インターフェース機能は、前記凹面鏡から生じる収差により引き起こされる残留光学歪曲を事前補正するためのデジタル画像ワーピング処理を施す構成にし、それにより、運転者により知覚されるスイミング効果を低減するようにしたことを特徴とする、請求項２７に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項３０】
前記制御器は、周辺光の光検出器の出力に接続するための接続部を更に備えており、前記周辺光の光検出器の出力は前記制御器によって使用されて、前記周辺光の光検出器によって検出されるような周辺光の明るさに関連して多数の前記固相発光画素アレイ結像器の投射の明るさを制御することにより前記ヘッドアップディスプレイの前記虚像の明るさを制御するようにしたことを特徴とする、請求項２５に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項３１】
光学インターフェースウインドウを形成しているガラスカバーを更に備えており、太陽光赤外線放射を減衰するように前記ガラスカバーを選択して、多数の前記固相発光画素アレイ結像器の各々における太陽光熱負荷を低減するまたは防ぐようにしたことを特徴とする、請求項２５に記載のヘッドアップディスプレイ。
【請求項３２】
車両用のヘッドアップディスプレイを形成する方法は、
多数のモジュールを使用すること、および、該モジュールの各々の固相発光画素アレイ結像器によって投射される画像を方向づけて、画像を視準し、拡大し、反射させる反射凹面鏡に当てることを前記モジュールの各々において実施すること、
車両に前記多数のモジュールを取り付けて、前記モジュールの各々の前記凹面鏡からの画像を車両のフロントガラスから反射させて車両運転者の両目に当てることで、車両の前面の或る位置にそれぞれの同じ虚像を出現させ、前記虚像の位置は全てのモジュールについて同じであるようにすること、および、
前記モジュールの各々の前記固相発光画素アレイ結像器にいつでも同じ画像を投射させることを含んでおり、
車両運転者が見ることができる集合アイボックスは前記モジュールのどの１つのアイボックス区分よりも大きくなるようにした、方法。
【請求項３３】
前記多数のモジュールは各々が、その射出瞳の位置に置かれた前記アイボックス区分を用いてそれぞれの前記虚像を形成するように設置され、前記多数のモジュールの前記アイボックス区分は重なり合い結合して分割射出瞳の集合アイボックスを形成し、それにより、前記集合アイボックスの内側で車両運転者に供与される画像情報は、集合した視野角度に亘って広がっている、前記虚像の角度多重化された光景となり、前記多数のモジュールの前記アイボックス区分の前記重なりは分割射出瞳の集合アイボックスを形成することを特徴とする、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記虚像の歪みと傾斜が引き起こす収差は、前記固相発光画素アレイ結像器によって供与される画像データと前記固相発光画素アレイ結像器によって投射される画像において対応させながら調整することにより補正されることを特徴とする、請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
前記凹面鏡は、光学収差を最小に抑えるように選択された、自由形状の反射面であることを特徴とする、請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
前記凹面鏡は、湾曲したフロントガラスが原因である光学収差などのような光学収差を最小に抑えるように選択された、自由形状の反射面であることを特徴とする、請求項３２に記載の方法。
【請求項３７】
前記固相発光画素アレイ結像器の各々に付随する光学系を更に備えており、前記光学系は前記凹面鏡から生じる軸外歪曲と傾斜収差のバランス調整をし、前記付随する光学系は、別個のレンズ光学素子であるか、または、前記固相発光画素アレイ結像器のそれぞれに直接取り付けられているか、いずれかであることを特徴とする、請求項３２に記載の方法。
【請求項３８】
前記固相発光画素アレイ結像器は各々が、人間の視覚系が虚像位置で解像することができるよりも高い画素分解能をもたらすように選択されており、この付加的分解能をデジタル画像ワーピング処理のために利用して、前記凹面鏡から生じた収差により引き起こされる残留光学歪曲を事前補正し、それにより、前記ヘッドアップディスプレイの操作者により知覚されるスイミング効果を低減することを特徴とする、請求項３２に記載の方法。
【請求項３９】
多数の光検出器と制御器とを設けること、
前記多数のモジュールの１つごとの前記固相発光画素アレイ結像器から投射された光を検出するように前記光検出器を位置決めすること、
前記虚像を表示させるための画像データ源と、前記光検出器の出力と、前記固相発光画素アレイ結像器への入力とに前記制御器を接続すること、
前記光検出器の前記出力に応答する電子ハードウエア、ソフトウエア、または、その両方における制御の諸機能を前記制御器に実装して前記固相発光画素アレイ結像器を制御し、前記集合アイボックスの多数の前記アイボックス区分に亘って色と明るさの均一性を確保するようにしたことを更に含んでいる、請求項３２に記載の方法。
【請求項４０】
車両ダッシュボードの明るさを制御するのに使用されるような、車両の周辺光の光検出器の出力に前記制御器を接続することを更に含んでいる、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記制御器に画像データを供与するために前記制御器を運転者支援システムに接続することを更に含んでおり、
前記制御器の電子ハードウエア、ソフトウエア、または、その両方に実装されている前記制御の諸機能は、
前記光検出器の前記出力に応答して、色補正および明るさ補正のそれぞれを算出するとともに、前記ヘッドアップディスプレイの前記集合アイボックスに亘って色および明るさの均一性をもたらすのに要する多数の前記固相発光画素アレイ結像器の各々に接続して補正値を供与する均一性ループ機能と、
前記均一性ループ機能により算出された色補正および明るさ補正を、車両ダッシュボードの明るさを制御するのに使用されるような、車両の周辺光の光検出器センサから受け取る入力と組み合わせる制御機能と、
前記車両の運転者支援システムからの画像データを受け取り、前記固相発光画素アレイ結像器の各々の画像データに該制御機能により供与される特定の色補正および明るさ補正を組み入れるインターフェース機能と、
多数の前記固相発光画素アレイ結像器の各々を制御するにあたり、前記固相発光画素アレイ結像器の各々に補正済みとして画像データを供与することにより実施する制御機能とを有していることを特徴とする、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
周辺光の光検出器の出力を前記制御器に接続することと、前記出力を利用して前記ヘッドアップディスプレイの前記虚像の明るさを制御するにあたり、前記周辺光の光検出器によって検出されるような周辺光の明るさに関連して多数の前記固相発光画素アレイ結像器の投射の明るさを制御することによって実施することを更に含んでいる、請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
ガラスカバーが光学インターフェースウインドウを形成していることを更に含んでおり、太陽光赤外線放射を減衰するように前記ガラスカバーを選択して、多数の前記固相発光画素アレイ結像器の各々における太陽光熱負荷を低減するまたは防ぐようにしたことを特徴とする、請求項４０に記載の方法。
【請求項４４】
外部の色および明るさの調整入力に前記制御器を接続することと、外部の色および明るさ調整を受け取って多数の前記固相発行画素アレイ結像器の各々の画像データに前記制御機能により供与される特定の色補正および明るさ補正を組み入れる能力を更に設けること、および、
多数の前記固相発光画素アレイ結像器を制御するにあたり、前記固相発光画素アレイ結像器の各々に補正済みとして、尚且つ、外部の色および明るさ調整に応じて調整済みとして画像データを供与することにより実施することを更に含んでいる、請求項４０に記載の方法。
【請求項４５】
前記制御器は、前記凹面鏡から生じる収差により引き起こされた残留光学歪曲を事前補正するためのデジタル画像ワーピング処理を実施し、それにより、運転者により知覚されるスイミング効果を低減するような構成であることを特徴とする、請求項４４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願の相互参照＞
本願は、２０１４年９月２日に出願された米国仮特許出願第６２／０４４，８３１号の優先権を主張するものである。
本発明は、広義にはヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）に関するものであり、特に、虚像を生成するＨＵＤシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘッドアップディスプレイは、自動車のダッシュボード情報を自動車の運転者に視覚的により良好に認識させ報知するにあたり運転者の視覚と注意を路上から逸らすことの無いようにすることによって、自動車の安全性に寄与することができる視覚的補助技術として追求されている。しかしながら、現在利用可能なヘッドアップディスプレイは容積的に大きいうえに高額すぎて自動車に使用するには実行可能な選択肢になり得ない。同様の難点は、程度は低いものの経費要因にあって、小型航空機およびヘリコプターにおけるヘッドアップディスプレイの適用例でも直面する。ヘッドアップディスプレイの自動車適用例の場合、容積および経費の制約は、車両のサイズ、タイプ、および、価格帯が広範囲に亘ることによって更に悪化する。従って、自動車などの小型車両、小型航空機、および、ヘリコプターに使用するのであれば好適である、低い経費で嵩張らないヘッドアップディスプレイが必要とされている。
【０００３】
先行技術のＨＵＤシステムは２つのタイプに分類することができ、すなわち、瞳結像ＨＵＤおよび非瞳結像ＨＵＤに分類される。瞳結像ＨＵＤは通例は、中間画像送達および瞳形成を担う中継モジュールと、画像視準および観察者の眼の位置における瞳結像を担う視準モジュール（本明細書ではアイボックスと称する）から構成されている。瞳結像ＨＵＤの視準モジュールは、通例は、傾斜し湾曲した、または、傾斜し平坦な反射器またはホログラフィー光学素子（ＨＯＥ）として実現され、中継モジュールは、通例は、光路を曲げることで光学収差を補正するように傾けられている。非瞳結像ＨＵＤはディスプレイ位置の光円錐角または光拡散による中間画像位置の光円錐角によってシステム開口を画定する。中間画像ＨＵＤシステムについては、中継モジュールも必要であるが、ＨＵＤ開口は視準光学系のみによって決まる。視準光学系は、通常、容積上の制約を満たすための曲面鏡についてのみ、軸線対称となる。これは、収差補正の必要性およびシステム容積上の諸局面によって決まる。
【０００４】
図１−１に示す特許文献８に記載の先行技術は、視準光学系を最小化してＨＵＤシステムを容積面で減少させるためのコンバイナおよび視準器として、凹面ＨＯＥ反射器（図１−１中の符合１１）を使用する。結果として得られるＨＵＤシステムは、収差を補正したうえで中間像を送達するための、複雑な傾斜した中継光学系（図１−１中の符合１０）を必要とする。さらに、このＨＵＤシステムは、狭いスペクトルについてのみうまく作用する。
【０００５】
図１−２に示す特許文献９に記載の先行技術は、収束コンバイナ（ＣＭＢ）ミラー（図１−２中の符合ＣＭＢ）の焦点面に中間画像を送達するのに中継光学系（ＲＥＬ）モジュールを使用し、システム瞳を画定する。ＣＭＢミラーは中間画像を視準し、システム瞳の画像を観察者の目に結像させることで観察を容易にする。この瞳結像ＨＵＤのアプローチでは、包装および収差補正のゆえにＲＥＬモジュールが常に複雑になってしまう。
【０００６】
図１−３に示す特許文献１０に記載の先行技術は、投射レンズ３を用いて、像源としての拡散面（図１−３中の符合５１）および半透明の視準ミラー（図１−３の符合７）上に中間像を投射する。視準ミラーは無限遠に像を形成し、視準光学系の開口は、拡散器の角度幅によって画定される。
【０００７】
図１−４に示す特許文献１１に記載の先行技術は、２つの液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル（図１−４中の符合２３）で構成された画像形成源を使用して、視準光学系モジュール（図１−４中の符合１）の焦点面に配置した拡散スクリーン（図１−４中の符合５）上に中間画像を形成する。画像形成源における２つのＬＣＤパネルの主な目的は、形成された画像が見えるようにするのに十分な明るさを達成することである。この目的を達成するために、画像形成源の２つのＬＣＤパネルは、拡散スクリーンに２つの連続した横並びの画像を形成するか、または、拡散スクリーンに２つの画像を重ね合わせて相互に水平方向および垂直方向に半画素分だけずれた状態にするか、いずれかの構成である。
【０００８】
特許文献１２に記載の先行技術は１対の反射ホログラフィー光学素子（ＨＯＥ）を使用して、ホログラフィー分散補正を達成し、尚かつ、観察者の視野内に広帯域表示源の虚像を投射する。特許文献１３に記載の先行技術もまた１対のホログラフィー光学素子（ＨＯＥ）を使用するが、一方は透光性であり、もう一方は反射性があって画像を車両のフロントガラスに投射する。
【０００９】
図１−５に示した特許文献１４に記載の先行技術は、車両フロントガラスの上端側に取付けて、切子の反射面（図１−５中の符合１８）を装備した車両ダッシュボード上に画像を投射する構成の画像プロジェクタ（図１−５中の符合１４）を使用し、切子の反射面は画像プロジェクタからの画像を反射して車両のフロントガラスに当てる構成である。車両フロントガラスの表面は、ダッシュボードの切子の反射面からの画像を観察者に向けて反射する配向になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第７，６２３，５６０号  エルゴラリー（Ｅｌ−Ｇｈｏｒｏｕｒｙ）ほか「量子光結像器およびその製造方法」  ２００９年１１月２４日
【特許文献２】米国特許第７，７６７，４７９号  エルゴラリーほか「量子光結像器およびその製造方法」
【特許文献３】米国特許第７，８２９，９０２号  エルゴラリーほか「量子光結像器およびその製造方法」
【特許文献４】米国特許第８，０４９，２３１号  エルゴラリーほか「量子光結像器およびその製造方法」
【特許文献５】米国特許第８，０９８，２６５号  エルゴラリーほか「量子光結像器およびその製造方法」
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１０／００６６９２１号  エルゴラリーほか「量子光結像器およびその製造方法」
【特許文献７】米国特許出願公開第２０１２／００３３１１３号  エルゴラリーほか「量子光結像器およびその製造方法」
【特許文献８】米国特許第４，２１８，１１１号  ウイスリントン（Ｗｉｔｈｒｉｎｇｔｏｎ）ほか「ホログラフーヘッドアップディスプレイ」  １９８０年８月１９日
【特許文献９】米国特許第６，８１３，０８６号  ビノレス（Ｂｉｇｎｏｌｌｅｓ）ほか「所与のタイプの装備に適合自在なヘッドアップディスプレイ」  ２００４年１１月２日
【特許文献１０】米国特許第７，３９１，５７４号  フレドリクソン（Ｆｒｅｄｒｉｋｓｓｏｎ）「ヘッドアップディスプレイ」  ２００８年６月２４日
【特許文献１１】米国特許第７，９８２，９５９号  ルボフスキー（Ｌｖｏｖｓｋｉｙ）ほか「ヘッドアップディスプレイ」  ２０１１年７月１９日
【特許文献１２】米国特許第４，６１３，２００号  ハルトマン（Ｈａｒｔｍａｎ）「ホログラフィー分散補正機能を有するヘッドアップディスプレイシステム」  １９８６年９月２３日
【特許文献１３】米国特許第５，７２９，３６６号  ヤン（Ｙａｎｇ）「ホログラフィー光学素子を使用した車両用のヘッドアップディスプレイ」  １９９８年３月１７日
【特許文献１４】米国特許第８，５５３，３３４号  ランバート（Ｌａｍｂｅｒｔ）ほか「ダッシュボード表面からの制御反射を利用したヘッドアップディスプレイシステム」  ２０１３年１０月８日
【特許文献１５】米国特許第８，６２９，９０３号  シーダー（Ｓｅｄｅｒ）ほか「強化型視覚システムのフロントガラス全面式ＨＵＤ」  ２０１４年１月１４日
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】ビー・エイチ・ウォーカー（Ｂ．Ｈ．  Ｗａｌｋｅｒ）著  「視覚システムの光学設計−光学エンジニアリングの個別指導テスト」  光学エンジニアリング国際学会（ＳＰＩＥ）  １３９頁〜１５０頁  ＩＳＢＮ  ０−８１９４−３８８６−３  ２０００年刊
【非特許文献２】セ・ギルウー（Ｃ．  Ｇｕｉｌｌｏｕｘ）ほか著「限界を破るバリラックスＳシリーズ」
【非特許文献３】エム・ボーン（Ｍ．  Ｂｏｒｎ）著「光学の諸原理」第７版  ケンブリッジ大学出版１９９９年刊  第５部の３  ２３６頁〜２４４頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
簡潔に記載した先行技術のＨＵＤシステムは元より、引例に挙げた先行技術に記載されている多数の他のシステムとの間でも共通しているのは、システムの経費が高く容積寸法が大きいことである。これに加えて、既に見てきた先行技術のＨＵＤシステムのどれも、自動車およびそれ以外の車両の広範囲のサイズおよび価格帯に合うようにサイズおよび経費を調整することができない。従って、本発明の目的は、単一の画像形成源を使用するＨＵＤシステムよりも容積が相当に小さいＨＵＤシステムを実現するために、多数の発光マイクロスケール画素アレイ結像器を使用するヘッドアップディスプレイ法を導入することである。更に本発明の目的は、多数の発光マイクロスケール画素アレイ結像器を利用して、自動車および小型車両の広範なサイズおよび価格帯に合うように容積面および経費面を調整することができるようにしたモジュール式ＨＵＤシステムの実現を可能にする、新規な分割射出瞳ＨＵＤシステム設計方法を導入することである。本発明の更なる目的および利点は、本発明の好ましい実施例について添付の図面を参照しながら進む以下の詳細な説明から明らかになる。
【００１３】
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じ参照番号が使用されている。詳細な構成要素および設計要素など、以下の説明で定義される事項は、具体的な実施例の包括的な理解を助けるために提供されている。しかしながら、本発明は、特に定義された事項が無くとも実施することができる。また、不必要に詳細であると本発明を不明瞭にすることもあるため、周知の機能または構成は詳細には説明していない。本発明を理解し、実際にどのように実施することができるかを見るために、ここで本発明のいくつかの実施例を添付の図面を参照しながら非限定的な例にすぎないとして説明してゆく。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１−１】図１−１は、コンバイナおよび視準器として凹面ＨＯＥ反射器を使用することで視準光学系を最小化するとともにＨＵＤシステムを容積面で縮小した、先行技術のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）システムを例示した図である。
【図１−２】図１−２は、中継光学系（ＲＥＬ）モジュールを使用することで収束コンバイナ（ＣＭＢ）ミラーの焦点面に中間画像を送達するとともにシステム瞳を画定するようにした、先行技術のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）システムを例示した図である。
【図１−３】図１−３は、投射レンズ３を使用することで像原として拡散面および半透明視準ミラーに中間画像を投射するようにした先行技術のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）システムを例示した図である。
【図１−４】図１−４は、２つの液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルで構成された画像形成源を使用することで視準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ようにした、先行技術のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）モジュールを例示した図である。
【図１−５】図１−５は、車両フロントガラスの上端側に取付けて、切子の反射面を装備した車両ダッシュボード上に画像を投射する構成の画像プロジェクタを使用し、切子の反射面は画像プロジェクタからの画像を反射させて車両のフロントガラスに当てる構成である、先行技術のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）システムを例示した図である。
【図２】図２は、本発明の具体的なモジュール式ＨＵＤ（ＭＨＵＤ）システムを例示した図である。
【図３】図３は、図２のＭＨＵＤシステムの各種設計パラメータと諸制約との間の関係を例示した図である。
【図４】図４は、図２の実施例のＭＨＵＤアセンブリを構成しているＨＵＤモジュールの光学設計上の諸局面および光線のトレース線を例示した図である。
【図５】図５は、図２の実施例のＭＨＵＤアセンブリを構成しているＨＵＤモジュールの光学性能を例示した図である。
【図６】図６は、図２の実施例のＭＨＵＤシステムのＭＨＵＤアセンブリ設計例を示した多視点透視図である。
【図７】図７は、図２の実施例のＭＨＵＤシステムのインタフェース・制御エレクトロニクス設計回路（基板）を例示した機能ブロック図である。
【図８】図８は、図２の実施例のＭＨＵＤシステム２００の新規な分割アイボックス設計法を例示した図である。
【図９】図９は、図６に例示したＭＨＵＤアセンブリ設計例を超小型自動車のダッシュボードに設置した場合の実際の容積を例示した図である。
【図１０】図１０は、本発明のＭＨＵＤシステム２００の光路が太陽光負荷を含んでいるのを例示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の以下の詳細な説明における「一実施例」または「実施例」との言及は、実施例に関連して説明した特定の特徴、構造、または、特性が本発明の少なくとも1つの実施例に含まれることを意味する。この詳細な説明の随所で「一実施例では」という句が散見されても、必ずしもすべて同じ実施例に言及しているわけではない。
【００１６】
近年、新しい種類の発光マイクロスケール画素アレイ結像器デバイスが導入されている。これらのデバイスは、必要な画像処理駆動回路を全部備えていても非常に小さな単一デバイスサイズながら、高輝度、超高速の多色光強度変調、および、超高速空間変調という能力を特徴としている。そのようなデバイスの固相光（ＳＳＬ）発光画素は発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザダイオード（ＬＤ）のいずれであってもよいが、そのダイオードのオン・オフ状態は結像器の発光マイクロスケール画素アレイを接着したＣＭＯＳチップ（またはデバイス）内に保有されている駆動回路によって制御される。このような結像器デバイスの発光アレイを構成する画素のサイズは、デバイスの典型的な発光表面積が約１５〜１５０平方ミリメートルの場合で、通例は約５〜２０ミクロンの範囲にある。発光マイクロスケール画素アレイデバイス内の画素は、通例はそのＣＭＯＳチップの駆動回路により、空間的にも、色的にも、時間的にも個別にアドレス指定可能である。このような結像器デバイスによって生成される光の明るさは、適度に低い電力消費で数十万ｃｄ／ｍ2に達することがある。そのようなデバイスの一例がＱＰＩ結像器（特許文献１〜特許文献７を参照のこと）であり、以下に説明する具体的な実施例で言及する。しかしながら、ＱＰＩ結像器は、本発明で使用することができる多種のデバイスの一例にすぎないものと理解するべきである。（ＱＰＩは、オステンド・テクノロジーズ（Ｏｓｔｅｎｄｏ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．）の商標である）。従って、以下の説明では、ＱＰＩ結像器への言及はいずれも、使用することができる固相発光画素アレイ結像器の特定の一例として開示された実施例において明細にするためであって、本発明を何ら限定するためではないと理解するべきである。
【００１７】
本発明は、このような結像器の発光マイクロ画素アレイデバイスのユニークな諸能力を新規な分割射出瞳ＨＵＤシステムアーキテクチャと組み合わせて、例えば自動車のＨＵＤのような経費上の制約および容積上の制約が最も重要である適用例でも容易に使用することができる、低コストで小容積のモジュール式ＨＵＤ（ＭＨＵＤ）システムを実現することを企図している。ＱＰＩ結像器などの結像器の発光型の高輝度マイクロエミッタ画素アレイと本発明の分割射出瞳ＨＵＤアーキテクチャの組み合わせは、ＨＵＤシステムを高輝度周辺太陽光中で効果的に作動させ尚その上に、広範なサイズおよび種類の車両のダッシュボードや計器パネルの背後に収めるのに容積的に十分に小さいものにすることができる。（本明細書で使用される車両という用語は最も一般的な意味で使用され、人が移動するのに乗込んだり使ったりする全ての手段を含むが、陸上、水上、水中、空中を通る移動に必ずしも限定されない。）そのような結像器によって可能にされる分割射出瞳ＨＵＤアーキテクチャの低コストとモジュール化は、広範囲の車両の容積上の諸制約に適合するように誂えることができる。分割射出瞳ＨＵＤシステムの利点は、後段に記載された実施例の文脈に則して本明細書に提示された詳細な説明から一層明らかとなる。
【００１８】
図２は、本発明の一実施例のモジュール式ＨＵＤ（ＭＨＵＤ）システム２００の設計概念を例示している。図２に例示されているように、好ましい実施例では、本発明のＭＨＵＤシステム２００はＭＨＵＤアセンブリ２１０から構成されており、ＭＨＵＤ２１０は多数のモジュール２１５を一緒に集成して形成されており、各モジュール２１５は、光学系２２０および凹面鏡２３０が付随している１つの結合器（例えば、ＱＰＩ結像器）を含んでいる。図２に示すように、光学系２２０が付随している結像器の各一体ごとが投射した画像は視準され、拡大され、結像器に付随する凹面鏡２３０により反射され、次いで、その一部が車両フロントガラス２４０から離れる方向に反射されて虚像２６０を形成するが、この虚像は車両運転者（操作者）の名目上の頭部位置に置かれたアイボックス区分２５５の内側で観察できる。図２に示すように、ＭＨＵＤアセンブリ２１０のモジュール２１５は各々が、どんな時でも車両フロントガラス２４０から同じ位置に同じ虚像２６０を形成するように、但し、各モジュールの対応するアイボックス区分２５５ごとにも該虚像を形成するように配置され、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の多数のモジュール２１５が集合的にＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０を形成するよう図っている。すなわち、個々のアイボックス区分２５５からであれば虚像２６０の一部しか見ることができないが、集合アイボックス２５０では全部を見ることができる。従って、ＭＨＵＤシステム２００のアイボックス区分２５５の全体サイズは、 ＭＨＵＤアセンブリ２１０を構成しているモジュール２１５を適切な数に選択することによって誂えることができる。ＭＨＵＤアセンブリ２１０のモジュール２１５の各々はいつでも同じ虚像２６０を形成するように配置されるが、それらの像は勿論、例えば燃料ゲージ像ならそうなると予期されるとおり経時的に変化することになるしゆっくりと変化しそうであり、或いは、ＧＰＳナビゲーションシステムディスプレイ画像の表示装置でなら起こるようにもっと迅速に変化する場合もあるが、本発明のＭＨＵＤシステム２００は少なくとも通常のビデオ速度までの周波数で動作することもでき、但しこれは画像データがそのような速度で利用できるという条件下のことである。
【００１９】
ＭＨＵＤシステム２００の好ましい実施例では、ＭＨＵＤアセンブリ２１０のモジュール２１５のアイボックス区分２５５は各々が、個々の対応する凹面鏡２３０によって反射された光線束の射出瞳の位置に置かれる。ＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０は、実際には、ＭＨＵＤアセンブリ２１０のモジュール２１５の複数のアイボックス区分２５５の重なりによって形成される分割射出瞳アイボックスである。本発明のＭＨＵＤシステム２００のこのような分割射出瞳設計方法は、更に後段でより詳細に説明する。
【００２０】
本発明のＭＨＵＤシステム２００の好ましい実施例では、ＭＨＵＤアセンブリ２１０は多数のモジュール２１５を一緒に集成することでＭＨＵＤアセンブリ２１０を形成した構成であることから、モジュール２１５は各々が、光学系２２０および凹面鏡２３０が付随しているＱＰＩ結像器を含んでいる。本発明のこの実施例のＭＨＵＤシステム２００のＭＨＵＤアセンブリ２１０およびそのそれぞれのモジュール２１５の設計方法は、本発明のＭＨＵＤシステム２００の関連する利点と関連する設計パラメータとの妥協点を先に説明してから、その後段でより詳細に説明する。
【００２１】
＜ＭＨＵＤシステム２００の光学設計パラメータとの妥協点 ＞ 
本発明のＭＨＵＤシステム２００の利点を正しく評価するために、典型的なＨＵＤシステムの基礎となる設計とその関連する設計パラメータとの妥協点およびそれらパラメータ間の関係を説明することが重要であるように思える。ＨＵＤシステムによって生成された画像は、通例は、自然な光景に重畳されて、車両を操作する観察者に車両操作パラメータを視覚的に認識させるとともに、運転者にその視野と注意を路上または車両の外周辺から逸れさせることなく、例えばナビゲーションなどの重要な情報の提供も行う。 ＨＵＤシステムの設計において考慮すべき重要なパラメータには、次のものがある。すなわち、集合アイボックスの目標サイズ、望ましい視野（ＦОＶ）、形成された画像のサイズ、画像分解能、および、システム容積上の諸制約である。これら設計パラメータおよび制約相互の関係を図３に例示している。
【００２２】
＜本発明のモジュール式ＨＵＤ（ＭＨＵＤ）は容積低減をいかにして実現するか＞
図３を参照すると、ＭＨＵＤシステム２００の結像器２２０のサイズの縮小により、システムの特徴的な光学トラック長である有効焦点距離（ＥＦＬ）が短くなり、一般にシステム容積の低減に寄与する。しかしながら、アイボックスサイズを維持するという条件では、結像器の開口サイズの縮小によりシステムＦナンバーが小さくなることに付随して光学的複雑さが増大する。この結果として一般にシステム容積が増大する。図２に示したＭＨＵＤシステム２００の設計概念に言及すると、モジュール２１５ごとのアイボックス区分２５５のサイズは、光学的複雑さの増大を回避するのに合わせて結像器２２０のサイズと共に調整される。これにより、結像器２２０のサイズ比によりモジュール２１５の各々の容積が調整されることになる。多数のモジュール２１５を組み合わせてＭＨＵＤアセンブリ２１０を形成するのであれば、任意のサイズの集合アイボックス２５０を提供することができる。本発明のＭＨＵＤシステム２００のこの新規な多数区分からなるアイボックス設計概念を実現するにあたり、システムの、観察者のアイボックスの位置に形成された射出瞳を多数の区分に分割し、個々の区分をアイボックス区分２５５のうちの１つと対応させて、本発明のＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０を構成する方法を取っている。同じサイズのアイボックスを提供する先行技術のＨＵＤシステムとの比較であれば、この分割射出瞳設計方法は本発明のＭＨＵＤシステム２００を総容積の面でより小さくすることができる。これにより、ＨＵＤの総容積、複雑さ、および、経費が削減される。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は以下に説明してゆく。勿論、各モジュールはいつでも同じ画像を投射しているので、車両操作者は当人が見ているのがどの１つのまたはどの複数のアイボックス区分２５５であるかとは無関係に同じ虚像を同じ位置で見ることになる。
【００２３】
鏡面反射体を使用している、特許文献８〜特許文献１０に記載の先行技術のＨＵＤシステムの容積を決める主因が凹面鏡であることは認識済みである。鏡自体のサイズが大きいだけでなく像源のサイズも比例して大きくなり、そのせいでＬＣＤパネルなどの大型結像器を使用するか、または、拡散スクリーン上に投射される中間画像を大きなサイズに形成するかのいずれかに決まるが、それがまたプロジェクタ結像器とそれに付随する投射光学系を組み入れるために余計な容積を追加しさえする。先に説明したように、主反射体として１個の凹面鏡を使用している先行技術のＨＵＤシステムに比べて、本発明のＭＨＵＤシステム２００は容積面で相当な縮小を達成しており、そのために、個々に小型の凹面鏡２３０を用いた多数のモジュール２１５を一緒に集成することでＭＨＵＤアセンブリ２１０の総反射体２３５を形成するという手段を取っているが、かかる反射体はサイズがはるかに小さいうえにはるかに短い光学トラック長を達成している。開口のサイズがより小さい結像器２２０を使用したＭＨＵＤアセンブリ２１０により、光学トラック長が短いより小型の凹面鏡２３０を使用することができるようになり、その結果として、本発明のＭＨＵＤシステム２００は相当に容積が小さくなって容積上の効率がよくなっている。
【００２４】
本発明のＭＨＵＤシステム２００の設計は、通例ならば１つの大きな鏡によって生成される大径の視準ビームをサイズの均等な３本の視準サブビームに分割することによりうまく作用する。サブビームは各々がモジュール２１５の光学サブシステムによって生成される。その結果として、Ｆナンバー、光学的複雑さ、および、有効焦点距離（ＥＦＬ）（または、光学トラック長）が低減し、結果的にシステムの物理的容積包絡線は縮小する。図４は、ＭＨＵＤアセンブリ２１０を構成しているモジュール２１５の光学設計の諸局面および光線のトレース線を例示している。図４に示すように、好ましい実施例のモジュール２１５は、１つのＱＰＩ結像器とそれに付随する光学系２２０および凹面鏡２３０を含んでいる。図４に例示した実施例では、ＱＰＩ結像器４１０に付随している光学系４２０は別個のレンズ光学素子として示されているが、本発明の代替の実施例では、ＱＰＩ結像器に付随する光学系４２０がＱＰＩ結像器４１０の発光面の上面に直接取り付けられて、 ＱＰＩ結像器センブリ２２０を形成している。図４に示すように、個々のモジュール２１５において反射凹面鏡２３０はその対応するＱＰＩ結像器（または、他の結像器）２２０によって生成された像を拡大して視準することで集合アイボックス２５０の１つのアイボックス区分２５５を形成しているが、図４のＱＰＩ結像器４１０に付随している光学素子４２０は、反射性凹面鏡２３０から生じる軸外歪曲と傾斜収差のバランス調整をする。
【００２５】
図５は、ＭＨＵＤアセンブリ２１０のモジュール２１５の光学性能を例示している。図５に示すように、ＱＰＩデバイス４１０に付随している光学素子４２０の役割は、変調伝達関数（ＭＦＴ）を十分に高く保ちながら像のスイミング効果を最小に抑えるために、反射凹面鏡２３０から生じる軸外歪曲と傾斜収差のバランス調整を行うことである。万全を持するために言うと、像のスイミング効果は、通例は、鏡面収差によって引き起こされる光歪曲のせいである、観察者の瞳孔に入る光の方向の変化によって引き起こされ、その結果として、ＨＵＤシステムのアイボックスにおいて観察者の頭部が旋回移動する（または、見回す動きをする）と、虚像の知覚される誤った動き（「スイミング効果」として周知である）が生じることがあると、非特許文献１にある。極端な場合には、虚像における過度のスイミング効果が乗り物酔い、眩暈、または、吐き気を引き起こすに至る可能性があるので、ＨＵＤなどの双眼光学系におけるスイミング効果を最小に抑えることは非常に重要である。これらの悪影響は、人間の視覚系および知覚系の前庭神経と動眼神経の両面間の拮抗によって生じると、非特許文献１および非特許文献２にある。
【００２６】
本発明のＭＨＵＤシステム２００の分割射出瞳法のもう１つの利点は、より大きな光学開口を有する単一の鏡を使用している先行技術のＨＵＤシステムと比較して、スイミング効果の相当な低減を達成することである。より小さい光学開口を有する反射凹面鏡２３０の収差は、通例ならば、先行技術の単一ミラーＨＵＤシステムで使用される比較的大きな光学開口の反射鏡の収差よりもずっと小さい。スイミング効果はＨＵＤ反射鏡から生じる収差によって引き起こされる光学歪曲（または、光線偏向）の大きさに正比例するので、本発明のＭＨＵＤシステム２００のより小さい光学開口の多数の凹面鏡２３０であれば、先行技術のＨＵＤシステムと比較してスイミング効果の相当な低減を達成する傾向にある。これに加えて、多数のＭＨＵＤモジュール２１５のアイボックス区分２５５の角度の重なり（これ以上の詳細については、図８の説明を参照されたい）により、通例ならば、虚像２６０におけるいずれか一点を知覚すれば多数のＭＨＵＤモジュール２１５からの光学的分担が合併する。その結果、多数のＭＨＵＤモジュール２１５の個々の凹面鏡２３０の収差によって引き起こされる光学歪曲（または、光線偏向）は、虚像２６０のどの一点においても平均化される傾向があり、結果的に、ＭＨＵＤシステム２００の観察者によって知覚される全スイミング効果を低減する。
【００２７】
本発明の別な実施例では、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の結像器２２０は、人間の視覚システム（ＨＶＳ）が解像できるものより高い分解能を有し、この付加的分解能は、凹面鏡２３０から生じる収差により引き起こされる残留光学歪曲の事前補正のためのデジタル画像ワーピング処理にのみ充当される。通常のＨＵＤ観察体験では、虚像は約２．５ｍの距離に形成される。ＨＶＳの横視感覚は約２００マイクロラジアンである。その距離でＨＶＳは凡そ２５００×０．０００２＝０．５ｍｍ画素を解像することができ、これは対角線が１０インチである虚像２６０についての約４５０×２５０画素分解能に等しい。ＭＨＵＤアセンブリ２１０で使用されるＱＰＩ結像器２２０はこの限界よりもはるかに高い分解能、例えば６４０×３６０の分解能を提供することができ、その同じサイズの光学開口を用いて１２８０×７２０の分解能を提供することすらできる。同じサイズの光学開口でより高い分解能を提供するＱＰＩ結像器２２０により、同じサイズの光学開口を有する凹面鏡２３０を使用することができるようになり、従って、ＭＨＵＤアセンブリ２００の容積上の利点を保つことができる。ＱＰＩ結像器２２０の付加的分解能により、凹面鏡２３０の収差から生じる光学歪曲とその結果であるスイミング効果を事実上排除するデジタル画像ワーピング処理による事前補正が利用できるようになる一方で、虚像２６０における達成可能な最大分解能および同じ容積上の利点を保つことができる。
【００２８】
反射凹面鏡２３０は各々が非球面形状または自由形状のいずれであってもよいが、凹面鏡の非球面係数または自由形状係数は、凹面鏡２３０の光学収差を最小に抑えるように選択されるとともに、必要ならばフロントガラスの曲率を最小に抑えるように選択される。ＱＰＩ結像器２２０の各々の位置をそれらに付随している凹面鏡２３０に対する光軸線対称とすることで、どの２つの凹面鏡２３０であれそれらの隣接端縁においては収差のバランスが取れている（幾分か等しくなる）ことを確保できる点に注目するべきである。これは、本発明のＭＨＵＤシステム２００の重要な設計上の局面であり、というのも、これによりＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０の多数のアイボックス区分２５５の各々において観察している虚像２６０相互間のつなぎが均一になるのを確保しているからである。
【００２９】
図６は、ＭＨＵＤアセンブリ２１０を例示した多視点透視図である。図６に示すように、ＭＨＵＤアセンブリ２１０は囲い６００の内部で３つの反射凹面鏡２３０が一緒に集成された状態で構成されている。３つの凹面鏡２３０は別々に製造してから囲い６００の内部に一緒にして嵌めるか、または、単体部品として製造されてから囲い６００の内部に嵌めるか、いずれでもよい。別個のものを集成するのであれ単体光学部品として集成するのであれ、３つの凹面鏡２３０がエンボス加工されたポリカーボネートプラスチックを使用して製造されてから、スパッタリング技術を用いて銀またはアルミニウムなどの反射金属の薄層で光学面を被膜する。図６に示すように、囲いの後側壁は３つの別個の区画６１０が個々に光学窓６１５を組み入れた状態で構成されており、後側壁区画６１０が個々にそれぞれの凹面鏡２３０を伴って３つ一緒に集成されると、光学窓は区画それぞれの凹面鏡２３０の光軸と整列する。図６の側面斜視図に示すように、後側壁区画６１０の各々の上端縁６１７を凹面鏡２３０に向けて傾斜させ、後側壁区画６１０の傾斜端面６１７に取り付けられている結像器２２０をそれぞれの凹面鏡２３０の光軸と整列させることができるよう図っている。
【００３０】
図６の後側面斜視図に示すように、複数の後側壁区画６１０は一緒に背面プレート６３０の一方面側に集成され、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の制御・インターフェース電子回路（印刷回路基板）６２０が背面プレート６３０の反対面側に取り付けられている。これに加えて、背面プレート６３０はまた、結像器２２０およびＭＨＵＤアセンブリ２１０のインタフェース電子回路６２０が発生した熱を放散するための熱冷却フィンを組み入れている。図６の後側面斜視図に示すように、結像器２２０は各々が、通例は、結像器２２０を制御・インタフェース電子回路６２０に接続している可撓性電気基板６１８上に取り付けられている。
【００３１】
図６の後側面斜視図に示すように、各対の凹面鏡２３０と背側壁区画６１０の界面端縁の中心に光検出器（ＰＤ）６４０を組み入れており、これは通例は光ダイオードであって、その各々は結像器２２０から放射されてそれぞれの凹面鏡２３０に当たる光を検出するように配置および配向されている。通例は、３つの光ダイオードが１つのモジュールごとに使用され、放射される光の１色ごとに１つの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・インタフェース電子回路６２０に接続されており、インターフェース電子回路６２０のハードウェア設計要素およびソフトウェア設計要素の内部に実装されている均一性制御ループ（後段で説明する）への入力として使用される。また、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の制御・インタフェース電子回路６２０に入力として供与されるのは周囲光の光検出器センサ６６０の出力であるが、このセンサは大半の車両のダッシュボード明るさ制御の必須部分であるのが通例である。
【００３２】
ＭＨＵＤアセンブリ２１０の制御・インターフェース電子回路６２０は、図７のブロック図に示されるハードウェア設計機能要素およびソフトウェア設計機能要素を組み入れており、これはＭＨＵＤインターフェース機能７１０、制御機能７２０、および、均一性ループ機能７３０が含んでいる。ＭＨＵＤアセンブリ２１０の制御・インターフェース電子回路６２０のＭＨＵＤインターフェース機能７１０は、通例は、ハードウェアとソフトウェアを組合わせて実装され、車両の運転者支援システム（ＤＡＳ）から画像入力７１５を受け取り、制御機能７２０によって供与された色補正および明るさ補正７３５を画像に組み入れてから、画像入力７４４、画像入力７４５、および、画像入力７４６をＭＨＵＤアセンブリ２１０の複数の結像器２２０に供与する。同じ画像入力７１５のデータがＭＨＵＤアセンブリ２１０の３つの結像器２２０に供与されることになるが、ＭＨＵＤインターフェース機能７１０は、制御機能７２０から受け取った色補正および明るさ補正７３５に基づいて結像器２２０ごとの特定色補正と特定明るさ補正を結像器それぞれの画像入力７４４、画像入力７４５、および、画像入力７４６に組み入れる。
【００３３】
集合アイボックス２５０の多数の区分２５５に亘って色と輝度の均一性を確保するために、制御・インターフェース電子回路６２０の均一性ループ機能７３０はＭＨＵＤアセンブリ２１０のモジュール２１５の各々の光検出器（ＰＤ）６４０から入力信号７５４、入力信号７５５、および、入力信号７５６を受け、ＭＨＵＤアセンブリ２１０のモジュール２１５の各々に関連する色と明るさを算出し、次いで、集合アイボックス２５０の多数の区分２５５に亘って色と輝度をより均一にするのに要する色補正および明るさ補正を算出する。これは、ＭＨＵＤアセンブリ２１０が原初に集成された時に実行されて制御・インターフェース電子回路６２０のメモリに格納されることになる初期較正ルックアップテーブルの助けを借りて達成される。均一性ループ機能７３０によって算出された色補正および明るさ補正は次に制御機能７２０に供与され、該制御機能はこれら補正値を周囲光センサ６５０から受け取った入力と組合わせるとともに色補正および明るさ補正７３５を生成するようにとの外部からの色・明るさ調整入力コマンド７２５と組み合わせて、それを今度はＭＨＵＤインターフェース機能７１０によって画像データに組み入れた後に、補正済み画像データを画像入力７４４、７４５、および、７４６として結像器２２０に供与する。周囲光センサ６５０から受け取った入力を色補正および明るさ補正に組み入れる際に、制御機能７２０は、車両外部の光の明るさに比例して、または、それに関連して、ヘッドアップディスプレイの虚像の明るさを調整する。本明細書で使用されるような画像データは、ヘッドアップディスプレイへの入力として受け取られるようなものであろうと、結像器に供与されるようなものであろうと、或いは、これら以外のどのような態様であろうと、いかなるものであれ何らかの形式の画像情報を意味することに留意されたい。
【００３４】
先に説明したように、ＭＨＵＤシステム２００の一実施例は、虚像２６０においてＨＶＳが解像できる最大分解能よりも高い分解能を有している結像器２２０を使用し、光学歪曲と、この光学歪曲が原因となって、結像器２２０への画像入力にデジタルワーピングを施すことにより起こるスイミング効果とを除去または相当に低減する手段を組み入れている。その実施例の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はまた多数のルックアップテーブルを組み入れており、ルックアップテーブルの各々は凹面鏡２３０の各々の残留光学歪曲を事前補正するのに要するデジタル画像ワーピングパラメータを同定するデータを組み入れている。これらのパラメータは結像器２２０の各々のデジタル画像入力にワーピングを施すためにＭＨＵＤインターフェース機能７１０によって使用されるが、該ワーピングは個々の結像器２２０への画像データ入力が結像器に対応している凹面鏡２３０の残留歪曲を事前補正するような態様で施される。ＭＨＵＤインターフェース機能７１０のルックアップテーブルに組み入れられる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から予備的に生成されてから光学テストデータで増補されるが、このテストデータは、デジタル画像ワーピング事前補正がＭＨＵＤインターフェース機能７１０によって適用された後の、モジュール２１５ごとの残留光学歪曲の測定値に基づいている。その結果として得られるデジタルワーピング処理された画像データは制御機能７２０により供与される色補正および明るさ補正７３５と組み合わされてから、色と明るさが補正済みで尚且つ歪曲が事前補正された画像データが画像入力７４４、画像入力７４５、および、画像入力７４６としてＭＨＵＤアセンブリ２１０の結像器２２０に供与される。ＭＨＵＤシステム２００のこの設計方法を用いれば、凹面鏡２３０によって引き起こされる残留光学歪曲およびその結果として生じるスイミング効果は相当に低減され、または、完全に除去され、歪曲の無いＭＨＵＤシステム２００を実現することが可能になる。
【００３５】
図６の斜視図に示すように、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の上面はガラスカバー４３０であり、車両ダッシュボードの上面でＭＨＵＤアセンブリ２１０の光学インタフェースウィンドウとして機能し、また、太陽光の赤外線放射を減衰させるフィルタとしても機能して、結像器２２０における太陽光の熱負荷を防止している。使用されるガラスは、考慮すべき光の波長に対して相当に透明であるようにも選択するべきである。
【００３６】
ＭＨＵＤアセンブリ２１０の設計方法は、人間の視覚システム（ＨＶＳ）の特性を強化して、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の設計実現および集成公差を簡略化している。第１に、直径が約５ｍｍ（日中で３〜５ｍｍ、夜間帯で４〜９ｍｍ）である眼の瞳孔と、それによって生じる、虚像２６０の観察時の横視感覚とが、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の複数の凹面鏡２３０相互の間に識別できないほどに小さな隙間を生じさせるが、その幅は1ｍｍにも達することがある。第２に、約0.5度の眼角度差調節限界も、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の複数の凹面鏡２３０相互の間に僅かな角度傾斜を生じさせるが、これは約0.15度に達することがある。これらの傾きおよび隙間の許容値とは、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の凹面鏡２３０について著しく緩和された機械的整列公差要件を示したものであり、従って、ＭＨＵＤアセンブリ２１０についての非常に費用効果が高い製造および集成のアプローチを行えるようにする。更なる傾斜要件、整列要件、または、これらの組合わせ要件は何であれ、通常はソフトウェアで容易に適合させることができる。
【００３７】
図８は、本発明のＭＨＵＤシステム２００の新規な分割アイボックス設計方法を例示している。図８の説明図とは、ＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０と虚像２６０との間の関係を示していることを意味する。図８はまた、ＭＨＵＤシステム２００により表示されるオブジェクト８１０の一例である、虚像２６０に現れた矢印を例示している。ＭＨＵＤシステム２００の設計では、アイボックス区分２５５の各々は、通例、該システムの個々のモジュール２１５の射出瞳の位置に置かれることになる。その結果として、アイボックス区分２５５の各々の内部で観察者の両眼に供与される画像情報は、開口角空間内に存在することになる。従って、アイボックス区分２５５の各々の内部で観察者に別々に提示されている虚像２６０の矢印オブジェクト８１０は、通例は、観察者の頭部が個々のアイボックス区分２５５の中央領域内に位置しているときには、観察者には全部が見えているが、観察者の頭部がアイボックス区分２５５の右側または左側のいずれに動いても、虚像２６０の矢印オブジェクト８１０の先端または後端は徐々にケラレを生じる（または、次第に薄れて消える）。ＭＨＵＤシステム２００の設計では、図６の斜視図に示したように多数のモジュール２１５がＭＨＵＤアセンブリ２１０に一体化されると、モジュール２１５のアイボックス区分２５５は図８に示すように一部が重なり合うようにされて、 ＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０をもたらすことになる。このように、多数の射出瞳領域の重なり合いが多数のモジュール２１５のアイボックス区分２５５を形成することにより、ＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０は形成され、従って、集合アイボックス２５０の内部で観察者の両眼に供与されている画像情報はＭＨＵＤモジュール２１５の組み合わされた視野角度に亘って広がっている、虚像２６０の角度多重化された光景となる。図８に示すように、虚像２６０の矢印オブジェクト８１０は、ＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０を画定しているアイボックス区分２５５の重なり領域内では全部が見える（または、観察可能である）が、観察者の頭部が集合アイボックス２５０の辺縁領域の右側または左側のいずれに動いても、徐々にケラレを生じる（または、次第に薄れて消える）。
【００３８】
モジュール２１５のアイボックス区分２５５の間の重なりのサイズは、それらのケラレ角プロファイルに依存しており（図８の符合８２０）、ＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０の極限サイズを決定する。後者のサイズは、集合アイボックス２５０の面積の限界または寸法であってその内側では望ましい均一な明るさで虚像２６０が全部見える（観察可能である）、と定義される。図８はまた、その結果として生じるケラレ角プロファイルが、モジュール２１５の一部が重なり合う多数のアイボックス区分２５５の全体領域に亘ってＭＨＵＤアセンブリ２１０をカバーしていることを例示している。図８に示すように、観察者に知覚される虚像２６０の明るさは、モジュール２１５の各々から明るさの分担、それぞれ、ΛR、ΛC、および、ΛL（左、中央、および、右）を含んでいる。集合アイボックス２５０の限界を規定する基準はアイボックス区分２５５の重なりの面積Ａであり、この面積の内側では虚像２６０の明るさは選択領域に亘って所与の閾値λの範囲内（例えば、２５％未満）にあって均一であり、すなわち、望ましい均一性閾値はＶａｒA（ΛR＋ΛC＋ΛL）≦λで表される。集合アイボックス２５０の限界と図８に例示されたモジュール２１５のアイボックス区分２５５の重なりとを規定するこの基準を用いた場合、虚像２６０に亘って知覚される明るさは、通例、モジュール２１５のうちの１つからの少なくとも５０％の分担を含んでいる。つまり、前述の基準によって規定される集合アイボックス２５０の限界内であればどの位置であれ、モジュール２１５は各々が虚像２６０の知覚される明るさの少なくとも５０％を担っていることになる。ＭＨＵＤシステム２００のこの設計アプローチを利用する場合、虚像２６０の望ましい明るさの均一性が集合アイボックス２５０のサイズを規定する基準となる。この設計基準は、幅が１２０ｍｍの集合アイボックス２５０を得るのに均一性閾値λ＝２５％を採用している図８の設計例に例示されている。図８に示すように、均一性閾値λ＝３７．５％が採用される場合は、約２５％増しの幅の、約１５０ｍｍと測定される集合アイボックス２５０を画定することになる。
【００３９】
図８に示すように、ＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０の左右両辺を越えて広がっているアイボックス区分領域において、観察者の頭が動いてこれらの領域のいずれの内に入っても、虚像の矢印オブジェクト８１０は徐々にケラレが生じ、すなわち、次第に薄くなって消える。ＭＨＵＤシステム２００の設計アプローチを利用した場合、図６に示すＭＨＵＤアセンブリ２１０の左右両辺のいずれかにモジュール２１５を追加することにより、既に規定した設計基準によって規定されるとおり、ＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０の横幅を右側または左側に拡張することになるが、その場合、虚像２６０の矢印オブジェクト８１０は、望ましい均一な明るさで全部を見ることができる。ＭＨＵＤアセンブリ２０１に更にもう１列のモジュール２１５を付加すると、集合アイボックス２５０の高さを拡張するという同様の効果が垂直方向に生じることになる。従って、本発明のＭＨＵＤシステム２００のこのモジュール式設計方法を利用する場合、ＭＨＵＤアセンブリ２１０に更に多くのモジュール２１５を付加することにより、設計により選択されたのであればどんな幅寸法および高さ寸法にもし得る、任意のサイズの集合アイボックス２５０を実現することができる。
【００４０】
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は多数のＱＰＩ結像器２２０および多数の凹面鏡２３０の使用を可能にしており、凹面鏡は各々の開口が比較的小さいうえに光学トラック長も短くできるせいで、先行技術のＨＵＤシステムで採用されている大型像源の遥かに長い光学長や単一ミラーに取って代わることができる。従って、同じサイズのアイボックスを成すにしても、より大きな単一像源および単一ミラーを採用している先行技術のＨＵＤシステムが達成できるものに比較して、ＭＨＵＤモジュール２１０のより小さい開口の多数の結像器２２０および多数の凹面鏡２３０を集合させても、容積面では相当に小さくすることができる。さらに、ＭＨＵＤシステム２００の、こうして達成された集合アイボックス２５０のサイズは、基本設計要素であるモジュール２１５を適切な個数だけ使用することによって誂えることができる。逆に、ＭＨＵＤシステム２００の容積上の諸局面は、車両ダッシュボード領域内で利用可能な容積に合わせることができる一方で、同じ利用可能な容積に収めるにしても、先行技術のＨＵＤシステムによって達成されるよりも大きなサイズの集合アイボックス２５０を達成している。
【００４１】
本発明のＭＨＵＤシステム２００の容積的利点を説明するために、図６の斜視図は、λ＝２５％の均一な明るさの閾値に基づいて３つのＱＰＩ撮像装置２２０であって各々の光学開口サイズが６．４×３．６ｍｍであるものと、３つの凹面鏡であって各々の光学開口サイズが６０×１００ｍｍであるものとを使用して１２０×６０ｍｍという集合アイボックス２５０のサイズ達成しているのを例示している。図６に示した設計寸法に基づけば、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の総容積は約１３５０ｃｃ（１．３５リットル）になる。比較のために言うと、開口がより大きい単一のミラーおよび単一のより大きな像源を使用して同一サイズのアイボックスを達成している先行技術のＨＵＤシステムの総容積は５０００ｃｃ（５リットル）を超えることになる。従って、本発明のＭＨＵＤシステム２００の設計方法では、先行技術のＨＵＤシステムに比べて、ＨＵＤシステムの容積効率比を3.7倍高くすることができる。この容積的利点を視覚化するために、図９は、この容積の図６のＭＨＵＤアセンブリ２１０の設計例が超小型自動車のダッシュボードに取付けられているのを例示している。図９に示すように、本発明のＭＨＵＤシステム２００の容積効率のよい設計により、先行技術のＨＵＤシステムであればひとえにサイズが合わない非常に限られたダッシュボード容積の自動車にでも、ＨＵＤ能力を追加することができるようになる。
【００４２】
図１０はＭＨＵＤシステム２００の光線経路を示している。図１０に示すように、また、既に説明して図２にも例示しているように、ＭＨＵＤアセンブリ２１０を構成している３つのＱＰＩ結像器２２０は各々が同じ画像を生成し、３つの画像とも同じ分解能（例えば、６４０×３６０画素）であるが、結像器の３つの反射凹面鏡２３０で反射された後、角度的には、先に説明した設計例の総面積１２０×６０ｍｍの集合アイボックス２５０に向けられたうえに、総体的には、先に説明した設計例の１２５×２２５ｍｍの虚像２６０に亘って６４０×３６０の空間分解能を示す。図１０は、虚像２６０で１０，０００ｃｄ／ｍ2の明るさを生じるための設計要件を例示している。典型的なフロントガラスの反射率が約２０％で、尚且つ、先に説明した集合アイボックス２５０の限界規定基準を用いる場合、３つのＱＰＩ結像器２２０は各々が約２５，０００ｃｄ／ｍ2の明るさを生じる。控えめに見積もると、３つのＱＰＩ結像器２２０にＭＨＵＤアセンブリ２１０の制御・インターフェース電子回路６２０を加えたものは、総計で約２Ｗを消費して２５，０００ｃｄ／ｍ2の明るさを生じるが、これは先行技術のＨＵＤシステムの電力消費の約２５％である。
【００４３】
図５に示すＭＨＵＤシステム２００の性能を見てゆくと、図５のエンサークルドエネルギーの区画は、サイズが１８０ミクロンである凹面鏡２３０の光学開口からの視準された光ビームの幾何学的ぼけ半径を示している。図６に示した設計例のモジュール２１５の各々の有効焦点距離が７２ｍｍである場合、図５のエンサークルドエネルギー区画に示された１８０ミクロンのぼけサイズにより、結像器２２０の画素を光源として結像器の対応する凹面鏡２３０によって視準された光ビームについては、モジュール２１５の各々の角度拡がりが０．１４３度となる。スイミング効果は１画素からのビーム全幅に亘って０．１４３度の角度拡がりに関連しているが、分解能（ＭＴＦ）は目の瞳孔サイズによって見本に取った有効ビーム幅によって決定される。図５のＭＴＦ区画は、直径４ｍｍの典型的な目の瞳開口について算出された個々のモジュール２１５のＭＴＦを示している。ＭＨＵＤシステム２００の集合アイボックス２５０から２．５ｍ先に見える虚像２６０については、これに対応する、ＭＨＵＤシステム２００の設計例のスイミング効果は６．２ｍｍとなる。ＭＨＵＤアセンブリ２１０設計例の開口の最大サイズに等しい光学開口サイズを有している単一ミラーを使用した先行技術のＨＵＤシステムは、光学開口がモジュール２１５の光学開口よりも約２．４倍大きくなる。非特許文献３にあるように、収差ぼけサイズは開口サイズの三乗に正比例するので、ＭＨＵＤアセンブリ２１０の設計例の開口の最大サイズに等しい光学開口サイズを有している先行技術の単一ミラーＨＵＤシステムはこれに対応する約１４．３ｍｍのスイミング半径を有することになるが、但し、５次の収差が３次の大規模な収差を偶然に補正してしまうという条件下のことであり、これは設計によって意図的に達成することはできず、そうでなければ、先行技術の単一ミラーＨＵＤシステムは、通例、これに対応する約３９．７ｍｍの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より６．２倍大きい。また、先に説明した収差の事前補正方法を利用する場合、ＭＨＵＤシステム２００のスイミング半径は、この設計例の既述の値より相当に低くなるか、または、完全に除去されてしまうことさえあることにも言及しておくべきであろう。
【００４４】
図１０はまた、太陽光負荷を含んでいるＭＨＵＤシステム２００の光路を例示している。図１０に示すように、車両のフロントガラスに当たる太陽光の逆光路は集合アイボックス２５０領域に達し、虚像２６０にグレアを生じる恐れがある。本発明のＭＨＵＤシステム２００の設計では、集合アイボックス２５０に到達することができる太陽光線の量は、先行技術のＨＵＤシステムと比較してずっと少ない。第１に、フロントガラス２４０の光透過率が８０％であると仮定すると、太陽からの光線はフロントガラス２４０によってその明るさの最大８０％まで減衰される。第２に、フロントガラス２４０を透過し凹面鏡２３０のうちの１つによって反射させられて該凹面鏡の対応する結像器２２０に向かう太陽光線は、再反射により凹面鏡２３０の集成体に向けて戻ってくる前に、結像器２２０の光学開口上の反射防止（ＡＲ）被膜によってその明るさの最大５％まで更に減衰される。第３に、この逆経路の太陽光がフロントガラス２４０によって反射されて集合アイボックス２５０に向かう場合は、その明るさの最大２０％までさらに減衰される。前述したように、個々のモジュール２１５の結像器２２０および凹面鏡２３０は虚像２６０の明るさを最大５０％は担っているため、太陽光が当たったモジュール２１５から反射した太陽光グレアは、虚像２６０では５０％だけ更に減衰して見える。従って、この経路減衰分析に基づけば、集合アイボックス２５０に到達する太陽光はその明るさのせいぜい０．４％（１％よりずっと小さい）まで減衰されることになる。ＭＨＵＤシステム２００が虚像２６０において１０，０００ｃｄ／ｍ2を超える明るさと０．４％の太陽光グレアを生じることができる場合は、ＭＨＵＤシステム２００は、２５０，０００ｃｄ／ｍ2を超える太陽光の明るさに耐えられるが、この値は約２８ｄＢの統一グレア等級（ＵＧＲ）（または、グレア対画像強度比）に等しい。ガラスカバー４３０は赤外線吸収性であるが、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明であり、太陽負荷熱が凹面鏡２３０の集成体によって逆戻りして結像器２２０に集中するのを防いでいることも言及するに値する。
【００４５】
上述の実施例では、多数のモジュールを横並びに配置することで一部が重なった複数のアイボックス区分を設け、アイボックス区分２５５自体よりも幅が広い集合アイボックス２５０を提供している。しかし所望されるならば、上記の代わりに、または、上記に加えて、モジュールの配置は、モジュール２１５の複数のアイボックス区分を縦に積み重ねてより丈の高い集合アイボックス２５０を提供するようにしてもよく、ここでも再び、全てのモジュールは車両の前面の同じ位置に同じ虚像を表示することができる。積み重ねてより丈の高い集合アイボックス２５０を設けることは、一般には、複数のモジュールを縦に積み上げるのではなく、むしろ、通常のフロントガラスが傾斜しているがゆえに、追加のモジュールについてはダッシュボードのより広くほぼ水平な領域を利用するだけでアイボックス区分の積み重ねを達成することができる点に注目するべきである。また、「図２に例示されているように、光学系２２０が付随している結像器の各一体ごとが投射した画像は視準され、拡大され、結像器に付随する凹面鏡２３０により反射され、次いで、その一部が車両フロントガラス２４０から離れる方向に反射されて虚像２６０を形成するが、この虚像は車両運転者（操作者）の名目上の頭部位置に置かれたアイボックス区分２５５の内側で観察できる」と先に述べたが、いずれの実施例であれ、凹面鏡によって達成される視準の程度は必然的に完璧より劣ることになり、車両からいかほど前方に虚像が形成されるかを意図的に制限するよう定めてもよい。いくつかの例では、凹面鏡は、実際には、視準を歪ませるように意図的に設計することで以下に述べる収差の発生源の全てを相殺することができ、フロントガラスの曲率は、どの程度であれ存在するならば、収差発生源の最も明白な例である。
【００４６】
軸外歪曲収差や傾き収差、それに、色補正および明るさ補正は図２のＭＨＵＤアセンブリ２１０の制御・インターフェース電子回路６２０において行うことができることは既に述べた（図６も参照のこと）。もちろん、各モジュール２１５に発する個々の画像または画像区分の横方向の位置補正も、制御・インターフェース電子回路６２０で（または、機械的に）行うことができるため、二重画像または二重画像部分は表示されない。更に、「明るさ補正」は少なくとも２つの主要な局面を有することに注目するべきである。何よりもまず最も明白なことは、モジュール間の明るさの差を補正することであり、そのため、異なるモジュールに由来するからといって画像の明るさ（および、色）が異なることは無い。しかし、それに関連している事実として、画像ワーピング処理およびその他の要因が個々のモジュール内の画像部分の明るさの変動を生じる原因となる恐れがあり、具体的にはワーピング処理のせいである画素間隔の変化が可視の明るさの収差を生じる可能性がある。このような事態に直面しても、各々のモジュール内の個々の画素ごとの明るさは個別に制御することができるので、必要であれば、画素分離が増大している領域では局所的に画素の明るさを増大させればよいし、画素分離が減少している領域では画素の明るさを低減させるとよい。最後に、通常の固相発光画素アレイ結像器は正方形結像器ではなく、縦横寸法不均等の矩形であるのが通例である点に注目すべきである。その結果、結像器の配向の選択によっては、本発明のヘッドアップディスプレイの設計において有用となり得る更に別な変数を得ることになるであろう。
【００４７】
以下の表１は、本発明の或る複数の実施例のＭＨＵＤシステム２００に基づくＱＰＩ結像器の顕著な性能特性を提示しており、より大きな単一ミラーおよびより大きな単一像源を用いている先行技術のＨＵＤシステムと対比させて、性能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、全ての性能範疇の多数の要因によって、先行技術のＨＵＤシステムの性能より勝っている。加えて、本発明のＭＨＵＤシステム２００は、既に説明した緩和された製造公差およびより小さいサイズのミラーのおかげで、同等のアイボックスサイズを有している先行技術よりもはるかに経費効果が高いことが予測される。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
従って、本発明は多数の態様を含んでおり、それら態様は、所望に応じて単独で実施してもよいし、または、様々な組合わせもしくは副次的組合わせで実施してもよい。本発明の特定の好ましい実施例を例示を目的として本明細書に開示および説明してきたが、限定する意図はなく、それらに形態および細部の多様な変更を施しても本発明の真髄および範囲から逸脱することなく添付の特許請求の範囲の全範囲によって規定されるとおりであることを当業者であれば理解するであろう。
【図１−１】
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【図１−２】
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【図１−３】
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【図１−４】
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【図１−５】
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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９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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