JP3146286B2 - 透明ガラス板を通して見得る第２画像内に第１画像を表示するための装置 - Google Patents

透明ガラス板を通して見得る第２画像内に第１画像を表示するための装置

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JP3146286B2 JP51701197A JP51701197A JP3146286B2 JP 3146286 B2 JP3146286 B2 JP 3146286B2 JP 51701197 A JP51701197 A JP 51701197A JP 51701197 A JP51701197 A JP 51701197A JP 3146286 B2 JP3146286 B2 JP 3146286B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、第２画像が透明ガラス板を通して見られ、
第１画像がそのガラス板で反射され、第１画像及び第２
画像が観測者の同一の視角で観測者によって認識可能と
なるように装置が配置され、第２画像内に第１画像を表
示するための装置に関する。
この種の装置は、例えば航空機及び車両に搭載可能で
ある。その際、第２画像は、例えばフロントガラスを通
して見得る車外の状況である。例えば航空機の操縦にお
いて、第１画像としてパイロットの視野内の文字、符号
及び図形がフロントガラスを介して虚像として表示さ
れ、それらの虚像を用いて離陸及び着陸のための案内補
助手段が提供され得る。同様に、自動車のような他の車
両に対しても、この種の装置を使用することによる利点
が挙げられる。第１の画像を利用して、安全車間距離に
関する文字、符号及び図形の眼による確認が可能とな
り、操縦者はその画像から前方を走行する車両に接近し
ているかどうか推測できる。見かけ上の距離を速度を表
示する文字、符号及び図形に関連づけることを可能にす
ることによって、操縦者は前方を走行する車両が、十分
に安全車間距離を確保しているかどうかその都度チェッ
クできる。
操縦者が車外の状況及び車両の計器板を常に交互に見
る必要が生じる場合に、操縦者の視野内に表示装置の基
本的な情報を挿入可能にすることによって、操縦者は車
両をより良く制御できるため、操縦性及び安全性が更に
高まる。
この種の装置に関して、多くのシステム提案があり、
頭上画像表示装置（HUD）として周知である。これらに
おいて、虚像としての第１画像による情報は、疲労の発
生を軽減するために、遠方に焦点が合っている眼に適応
するように投影されることが重要であるということが明
らかにされた。遠方に虚像として投影するために、第１
画像を表示する装置は、例えば液晶表示装置（LCD）で
あり得、投影システムのレンズの焦点及びレンズ第１頂
点との間に配置される。
過去20年間に、世界中で車両に用いるHUDに関する多
数の特許権が取得された。このシステムは、欧州ではま
だ開発段階又は試験段階である。この装置においては、
ホログラフィーレンズを有する基本システム及びホログ
ラフィーレンズを有しない基本システムに区別される。
前者に関しては、例えばウッドコック及びキルクハムの
“航空機搭載用HUDにおけるホログラフィーの応用”に
関する記事が、軍事技術 ミルテック（1985年）シリー
ズ６に記載されており、一つの展望を見ることができ
る。
ホログラフィー表示を用いないシステムにおいては、
例えば欧州特許出願公開EP−A 0 202 460号又は米国特
許第4 740 780号に開示されているように、投影レンズ
の使用が全く放棄されるか、又は英国特許出願公開第20
3 855 A号に開示されるように、虚像が従来のガラスレ
ンズを使用し、画像生成装置を利用して生成される。最
も簡単なシステムにおいては、情報は第１画像として隠
れた場所に配置されるLCDに表示され、単に車両のフロ
ントガラス上に投影される。このHUDの場合には、操縦
者が表示される情報を認識するために注視する方向を変
更する必要がないという利点が生じる。しかし、操縦者
は情報を読み取るために、フロントガラスまでの短い距
離に眼の焦点を合わせる必要がある。車外の状況を把握
するために、遠方及びフロントガラスに眼を交互に順応
させることは、特に老人の操縦者に疲労の発生及びそれ
に伴う反応動作の低下をもたらす。
フロントガラスの前方2m〜3mの位置に画像を表示する
システムの場合に、眼は緊張することなく常に情報を読
み取ることが可能である。即ち、不必要な疲労の発生は
回避される。しかし、特に、虚像の投影不具合が球面状
に曲がったフロントガラスに基づく光の反射によって発
生する。これは特別に計算されたレンズによって補正さ
れ得る。ドイツ特許第26 33 067 C2号に開示されるよう
に、その製造及び計算は極めて繁雑であり、製造規格を
考慮して、製造は困難である。従来のレンズシステムは
大きな空間を必要とするため、搭載に際して問題が発生
する。
特に、車両にHUDを使用するに際して、以下の問題を
明確にすることが必要である。即ち、システムが必要と
する空間はどのくらいか、システムは車両に収まるか、
光源及び画像生成装置に対して十分な機能が車両から提
供され得るか、製造コストはどのくらいか、等の問題が
明らかにされなければならない。
これらの問題は、既に着想の段階において考慮される
必要がある。次に着想の極端に異なる２つのHUDについ
て記載する。
第１のシステムの場合、これはミュンヘン所在のBMW
との協力によりオッテルスベルク所在のホルトロニック
ゲーエムベーハーによって開発された。これはフロン
トガラス上に第１画像及び第２画像を組み合わせること
によって車外へ視界を妨げるため、所謂セパレート コ
ンバイナー（Combiner）を放棄した。このシステムは、
例えばドイツ特許DE 37 12 663 A1号に開示されてい
る。これに基づく投影するための要素は、透過を行うホ
ログラフィーレンズ要素（HOE）（Transmission−HOE、
Ｔ−HOE）であり得る。これは車両の計器板に組み込ま
れる。
この解決手段における本質的な構成要素は、光源、画
像生成装置及び多数の機能を実施するＴ−HOEである。
即ち、これは光線をフロントガラス上で任意の方向に偏
向し、フロントガラスより2m〜3m前方の位置に表示対象
の拡大された虚像を生成するとともに、フロントガラス
にて発生する光の反射による画像の不具合を補正する。
その際、視覚的に情報を提供するための種々可能性が
ある。例えば、電子回路を用いて車両の不具合を示めす
計器板又はシンボルを虚像として表示する場合、投影平
面は場所を固定すれば十分である。例えば、上記した安
全車間距離のような場所に依存する対象の表示を行う場
合、表示位置を可変できる遠方表示が有効である。それ
は種々の方法で実現される。
ホログラムによる方法の場合、固定シンボルは、所謂
マルチホログラムによって３次元画像として異なる位置
に表示され得る。この種のホログラムは複数の個々のホ
ログラムから成り、これらのホログラムは同じ表示対象
を異なる位置に復元する。しかし、それぞれのホログラ
ムに均一な照明を行うための調整装置が必要である。こ
れに対して、ステレオスコープを利用した投影画像は、
画像生成が任意に変更可能であるため、よりエレガント
である。この方法は上記したHUDにおいて実現されてい
る。
ステレオスコープの方法の場合、左眼及び右眼のそれ
ぞれの物体に対する視点が僅かに異なって与えられると
き、３次元画像は両眼の視差によって生成される。立体
感は両眼の有する視角における表示対象に基づく２つの
画像を通してその画像に焦点を合わせること又は対象の
大きさを考慮して得られる。投影平面（画像平面）は、
この場合固定される。HUDもそれぞれ画像を生成する装
置を有する２つの光学経路を有する。それぞれ個々の画
像の情報はそれぞれの眼に達する。脳は両成分画像を１
つの総合画像に融合する。
原理的に情報を可変できる位置に表示すること及び表
示装置を使用することが可能な限り望まれている。これ
らを用いて第１画像内に表示されるシンボルを電気的に
生成し得る。これに対して、ブラウン管及びLCDが適す
る。しかし、ブラウン管は高価であること及び高電圧を
生成する電圧供給装置のために車両には実用的でない。
これに対して、LCDは簡素化された構成を有し、殆ど問
題なく制御される。これに対する電圧供給装置も同様に
問題がない。しかし、不十分な輝度、外部からの光の波
長及び偏光に依存する僅少なコントラスト、温度特性の
悪さ及び僅少な解像度において問題点を有する。
最近、車両への使用において重要な問題が提起されて
いる。現在、適合するLCDは0.3mmの画素の大きさを有す
る。操縦者は拡大計数を50に設定して15mmの大きさを有
する画素を見ることが可能である。ピクセル間の距離は
ピクセル自身の大きさより約10％大きい。従って、この
画素マトリックスによる粗い画像は、10mから15m離れて
も認識され得る。シンボルの大きさは正確に生成され、
且つ生成すべきシンボルの間隔は画素の大きさによって
非常に長く取れるため、この画素の大きさを用いて相当
長い距離を有する位置に、シンボルは表示され得る。画
像は、それが生成される位置において正確な寸法を有す
るが、低い解像度のため、各点の間隔は一定の画像位置
に対してのみ正しく調整され得るという妥協を受け入れ
る必要がある。要約すると、このシステムにおけるLCD
の車両への使用に関して、解像度、コントラスト、温度
に対する安定性は、改善される必要性があると言える。
冒頭に記載したＴ−HOEは、白色光をスペクトル成分
に分解する特性を有する。白色光を放射し、Ｔ−HOEを
介して投影することは、この種の特性に基づき、色の不
具合としての画像のにじみを発生する。この色の不具合
は100nmの領域の波長においては、複数のHOEを組み合わ
せることにより補償できるが、１個のHOEのみを使用す
る場合は、Δλ＜10nmという実現不可能な要求がされる
狭帯域光源が必要ようとなる。更に、光源は可能な限り
高い輝度を有する必要がある。それによって、観測者は
実際の明るい背景のもとでも表示を認識できる。光源に
要求される輝度は、観測者の場所及び光学システムの効
率により決定され得る。
この光源に対する更なる要素は、自身の大きさ及び消
費電力である。100W以上の消費電力を有する光源は、そ
の高い消費電力だけでなく、大きな熱を発生するため実
用的でない。更に、この光源は立ち上がり段階から定常
動作段階に至るまでの遅延時間（ｔ＜10s）を小さくす
る必要がある。それによって、警告信号が、直接表示さ
れ得る。
W.ヴィンデルン及びM.Aベークによる“頭上画像表示
装置のためのホログラフ鏡を有するフロントガラス”に
関する記事において、別のシステムがオートモービル
テクニッシェ ツァイトシュリフト91、S.538−342、に
記載されている。これによると、フォルクスワーゲン
アーゲー、ウォルフスブルク所在はグラスベルク ゲー
エムベーハーグループ、アーヘン所在と協力してその装
置を開発した。このシステムにおいて、フロントガラス
に組み込まれたホログラフ コンバイナーが用いられ
る。所望の情報はLCD上に生成され、その情報が投影レ
ンズを利用して固定された表示平面に現れる。コンバイ
ナーを使用することによって、システム全体の高い効率
が達成される。冒頭に記載したように、コンバイナーに
求められる要求（高い伝達性、効率及び反射率、狭いス
ペクトル幅及び投影品質）は、ホログラフ コンバイナ
ー自身によってのみ満足され得る。ホログラムの記憶媒
体として、目下長い間航空機に使用されているディクロ
マート ゲラーテン（DCG）皮膜のみが適する。この目
的に適合すると考えられる他の物質は、フォトポリマー
である。特に、オッフェンバッハ所在のポラロイド（湿
性現像を行っている）及びUSA所在のドュポン ウィル
ミントン、の物は言及に値する。有毒な化学物質を用い
る危険な湿性現像行程は必要ない。簡単な散乱光の照射
及び熱処理によって、ホログラムは現像され、固定され
る。特に、フォトポリマーはまだ開発段階であり、購入
することが不可能である。
開発努力の大部分はコンバイナーの工業生産及びフロ
ントガラスへの組み込みに向けられている。
虚像としての光学画像の歪みは、同様にコンバイナー
によって補正される。狭い帯域を有する緑色のフォスフ
ァーは表示装置の光源として機能し、コンバイナーと結
合したフォスファーによって、色の投影歪みは抑制され
る。
上記した周知の解決方法は、技術の観点から以下に記
載する問題点を有する。即ち、LCD表示装置又はバック
アップ照明を有する表示装置又は陰極線管によって、操
縦者の視界内に要求される輝度は達成されない。これ
は、これらの装置が輝度の高い太陽光線に反応して駆動
される必要があることに基づく。特に、表示要素を映す
ために使用されるホログラムは、可視光領域の照明のも
とで虹色が現れるという不適切な特性を有する。
ドイツ特許出願公開DE 38 22 222 A1号に輝度を向上
させるために、フロントガラスの内側面に偏光フィルタ
を設けること及び第１画像を直接レンズを介して虚像と
してフロントガラスに映し出すことが開示されている。
従って、例えば輝度の高い太陽光は減衰され得るため、
第１画像はより良く認識され得る。更に、偏光フィルタ
はフロントガラス上に発生する２重画像及び障害となる
反射を回避するか、又は少なくとも減少させるという利
点を有する。しかし、実際はこの解決方法も日中の明る
さを有する第２画像のもとでは十分な輝度を提供しない
ことを示した。
本発明の課題は第２画像に対して第２画像に十分な輝
度を与える能力を有する効果的な装置を発明することで
ある。その際、この装置は単純であり、コスト高になら
ない構造を有することが必要である。
この課題は冒頭に記載した技術に基づく少なくとも１
つの平行光を放射する光源が設けられ、第１画像に起因
する光が、この光源を用いて殆ど発散しないように生成
され得るということによって解決される。
本発明においては、障害となる虹色及び低い解像度の
原因となるホログラフコンバイナーを放棄した。第１画
像及び第２画像は、単純にガラス板上に、例えばフロン
トガラス上に合成される。これは単純であり、第１画像
の明瞭な表示を行う。
ドイツ特許出願公開DE 38 22 222 A1号に開示される
ように、類似の装置が存在する。しかし、本発明の装置
が有する平行光を放射する光源によって、その装置は本
質的に本発明から区別される。その光源は生成される全
体の光がガラス板を介して操縦者に反射されることを保
証する。その際、偏光フィルタは、特に必要でない。
本発明に基づく第１画像に起因する光の僅少な発散に
より、その光束は操縦者が頭部を移動する領域内にて操
縦者により認識される。即ち、他の道路使用者及び同乗
者に障害となる反射及び光の発生はない。
この考察から光束の発散が、万一１つの又は複数の光
学システムを透過した後に、操縦者の位置する領域内に
て最大30cmから50cmの領域に存在する場合に、それによ
って第１画像は操縦者の頭部の位置に関係なく認識可能
である。又、光束の発散は十分小さく、従って光束は適
切な輝度を有して操縦者に達する。実際、±７゜以内の
発散により良い結果が現れる。
本発明の効果的な形態において、殆ど発散しない光束
を放射するセグメント又は少なくとも１つの光源からの
光を反射又は透過するセグメントが設けられており、こ
れらのセグメントは第１画像を形成するために、放射、
透過又は反射に関して制御可能である。
これらのセグメントを利用して、第１画像を生成する
ために情報は殆ど発散しない光束に組み込まれる。これ
に対して、複数の可能性が記載可能である。第１に、そ
のセグメント自身が光束を放射するという効果的な可能
性が挙げられる。これに関して、そのセグメントはダイ
オードレーザとして構成され得る。本発明に基づくこの
光束は、適切な大きさの輝度を有するため、第１画像は
第２画像から浮かび上がるように投影される。別の効果
的な可能性は光源の平行光に第１画像の情報を反射又は
透過によって組み込むことを、第２画像と同等の輝度を
有する第１画像の輝度を用いて行うことであり、その際
そのセグメントを制御することによって種々の画像情報
が表示可能である。
そのセグメントは、例えば数字を用いた情報を表示す
る場合に、７セグメント表示装置を構成し得る。特に、
本発明の効果的な形態に基づき、そのセグメントがマト
リックスの形状に配置される場合に有効である。これは
大きな情報量を扱うことが可能であり、例えば第１画像
に図形を表示することに使用される。
特に、本発明に基づく効果的な形態において、そのマ
トリックスがLCDマトリックスである場合、光束を透過
することは有効に行われ得る。
１つの又は複数の鏡が設けられる場合に、この鏡は第
１画像を形成するために、少なくとも１つの光源から生
成される光束を反射する。特に、これは反射を利用し
て、少なくとも１つの光源から生成される光束が、完全
にガラス板上に指向して進行するとき、例えばLCDマト
リックス内にて偏光に基づく光の損失が回避されるとい
う利点を有する。従って、輝度は簡単に上昇する。
２つの鏡が設けられる場合、これによって光束は２つ
の方向に偏向される。本発明の効果的な形態に基づき、
鏡に掛かる費用は僅少に保てる。
その画像生成における費用は、鏡から構成されるピク
セルマトリックスよりも極端に少ない。更に、第１画像
は鏡によって偏向されて生成されるため、全体の光束の
輝度は十分に供給される。
特に、本発明の効果的な形態に基づき、鏡がベクトル
グラフィックスとして第１画像を表示できる偏向装置に
よって、互いに独立してその角度を変更され得る場合
に、この利点は顕著である。ベクトルグラフィックスの
場合、走査された各点は、輝度を有する点として認識さ
れる。走査において、ブランキング期間は最小になるよ
うに設定されるため、もとの光源の十分な輝度が第１画
像の表示に利用される。
本発明の他の効果的な形態において、偏向装置が設け
られ、これを用いて少なくとも１つの光源に起因する光
束は、２つの方向に走査される。また、制御装置が設け
られ、これを用いて光束の輝度が制御可能である。
その際、例えばテレビ画像の表示に周知なように、投
影は均一な走査を利用して行う。これによって、特に高
品質な画像が表示され、乗り心地及び安全性が向上す
る。
この偏向は、例えば音響光学における変調器を利用し
て実現できる。２つの鏡を介して光束を偏向する手段に
よって、本発明に基づく上記の形態の利点を利用でき
る。それ故、本発明の効果的な形態において、これらの
鏡の１つは均一の回転速度を有する回転多角形状鏡であ
り、非常に速く偏向を実現するとともに、画像のフリッ
カーを回避するということを提供する。更に、回転鏡の
慣性に基づき、同期誤差が殆ど発生せず、特に車両内で
の駆動において、装置に振動及び揺れが生じる場合に、
これは本質的な利点をもたらす。
本発明の効果的な形態に基づき、少なくとも１つの光
源が平行レンズ及びコリメータレンズを有するLEDであ
る場合に、本発明の上記した利点及びその形態は安価な
コストで得ることが可能である。車両の空間内におい
て、LEDは基本的に点状に観測されるため、これを拡大
させることに対する要求は、レンズを利用して簡単に満
足され得る。その際、コリメータによる光の損失は輝度
を減衰させない。
少なくとも１つの光源がレーザである場合、推測され
るコリメータによる損失は十分に回避できる。レーザ
は、元々高品質の平行光を生成し、これは発散に関する
要求を十分に満足する。
本発明の効果的な形態において、レーザはダイオード
レーザ又はポンプ光源としてのダイオードレーザを含
む。ダイオードレーザは自動車用のバッテリーのような
低い電圧において高い発光エネルギーを生成する。従っ
て、ガスレーザに使用される高電圧供給装置のような高
価な電子回路は必要ない。特に、レーザがレーザダイオ
ードを用いてポンピングされる個体レーザである場合
は、本発明の効果的な形態に基づき、高い輝度が達成さ
れ得る。本発明の更らに効果的な形態に基づき、レーザ
ダイオードを用いてポンピングされる個体レーザにおい
て、周波数変換のための装置が設けられる。この周波数
変換のための装置を用いて、例えば眼が高い感度を有す
る緑の波長領域に、又は人間が常に注意を促される赤色
の領域に波長は選択されるため、レーザダイオードを用
いてポンピングされる高い輝度を有する個体レーザのみ
を選択することの制限は無くなる。この形態に基づき、
光源においても、高い輝度は安価な費用にて達成可能で
ある。
本発明に基づく他の効果的な形態に基づいて、第１画
像に起因する光は、偏光を有する。それに対して本発明
の更に別の形態において、少なくとも１個の偏光フィル
タが設けられるか、又は偏光を有する光を放射するレー
ザが使用される。偏光を有する光を使用する利点は、既
に記載したようにドイツ特許出願公開DE 38 22 222 A1
に開示されている。本発明はその発明と異なって、光源
自身が偏光を有する光を放射するため、更に偏光を行う
ことによって生じる反射による減衰における光の損失又
は第１画像に対して第２画像の光を低下させるために行
う偏光方向の調整による光の損失が発生しない。
特に、本発明の形態において、偏光を有する光を使用
する利点は注目に値する。即ち、光源は、第１画像に起
因する光がフロントガラスにブリュースター角にて入射
するように配置される。偏光を有する光は、ブリュース
ター角において完全に反射するために、第１画像を観測
する操縦者は、基本的に平行光束の十分な輝度を供給さ
れる。従って、輝度は、偏光器が、例えばガラス板に設
けられなくても理想的な数値となる。
本発明の効果的な形態に基づいて、第１画像がガラス
板にて完全に反射するガラス板が皮膜と共に用いらせる
場合は、偏光器と類似の利点が生じる。これは第１画像
に起因する全体の輝度が第１画像を認識する操縦者のい
る場所にて利用できることに基づく。
特に、本発明の効果的な形態に基づいて、皮膜が誘電
体膜であるか、又はこれを含み、第１画像を十分に反射
する場合に、上記した事項は容易に実現され得る。完全
反射を行うための誘電体膜は、現在の技術では、例えば
レンズのコーティングにおいて良く知られている。しか
し、レンズのコーティングにおいて、高い透過が達成さ
れる必要がある一方、皮膜材質の光学パラメータに基づ
いて、皮膜厚が最大の反射を得るように設計されるとい
うことに注意する必要がある。特に、例えばレーザによ
る第１画像からの光の単一波長において、単一の誘電体
膜が設けられる必要があり、この誘電体膜の厚みは入射
する光の角度で透過する光が干渉によって打ち消し合う
ように設計する。
本発明の効果的な形態に基づいて、第１画像からの光
が偏光を有しており、ガラス板上に配置される皮膜が、
偏光される皮膜又は偏光させる皮膜を含む場合に、この
反射皮膜の利点は、特に簡単に実現可能なことである。
本発明の他の効果的な形態において、その被膜は第２
画像に対して反対側に取り付けられる。従って、ガラス
板の前面及び後面にて、異なる反射によって、皮膜が第
１画像の反対側に配置される場合に発生するような２重
画像は効果的に回避される。それによって、明瞭な画像
表示が行われるため、観測者の見る第１画像の輝度は、
この形態において理想的になる。また、この明確な画像
表示は操縦者に負担を掛けないため、疲労を発生させず
安全性を高める。
本発明の効果的な形態に基づいて、その皮膜は複数の
個々の皮膜の合成である。負数の個々の皮膜が設けられ
る場合に、反射における光の状態は光源の広帯域の波長
スペクトルを有する。その皮膜の合成において、例えば
フロントガラスに使用される合わせ板ガラスに関する製
造技術は、全く問題が無い。
本発明の他の効果的な形態において、皮膜は第２画像
の光を妨害せず透過させるように設計される。従って、
操縦者の車外への視界は妨害されない。これは、特に見
にくく危険な夜間の走行に効果的である。従って、この
目的を達成するために、更に皮膜を追加することによる
車外から入射する光を減衰させることは行われない。
前記したガラス板は、例えばフロントガラス自身であ
り得る。その湾曲はデザイン上の決定事項及び走行時の
空気抵抗をできる限り小さくすることに基づいているた
め、第１画像は、一般にこの湾曲から生じる歪みを補正
される必要がある。この歪みは、例えば適切な第１画像
の表示によって除去することができる。
しかし、本発明の効果的な形態において、フロントガ
ラス及び操縦者との間に配置される特別なガラス板が設
けられる。これによって、第１画像を投影するためのガ
ラス板の形状は、適正に設計され得る。特に、特別な製
造行程が必要ないため、平らなガラス板がコストの面か
ら有利である。
フロントガラスと運転席との間に配置されることは、
フロントガスにて偶発する反射及び光の損失が回避され
る利点がある。更に、ガラス板は車両内に配置される。
これは天候が皮膜に影響を与えないという利点を与え
る。結露又は雨の水滴は、ガラス板が車両の外部に配置
される場合に第１画像を極度に見えにくくする。
本発明の他の効果的な形態において、光源は３つの異
なる波長の光を放射する。これによって、カラー画像が
第１画像として表示され得ることにより、情報量を増や
すことが可能となるため、第１画像に表示される情報
は、特に綺麗に表示され得る。これは車両の乗り心地を
高め、且つ精神的負担がないことにより、走行に関する
より多くの情報を得ることができるため安全に寄与す
る。更に、画像のカラー表示は、例えば赤色を用いた警
告信号の表示及び操縦者に心地よい緑色を用いて物理的
な量を表示することを可能にする。また、ヘッドライト
の点灯表示はドイツ国内において、青色と規定されてい
るが、この形態に基づき、これらは問題なく第１画像内
に表示可能である。
本発明の他の効果的な形態において、ガラス板及び第
１画像との間に投影光学システムが設けられる。この種
の光学システムを利用して、虚像は遥か遠方に表示され
得り、これにより、特に操縦者の眼は、効果的に順応す
る。特に、第１画像が表示対象側の焦点距離内に投影さ
れる場合に、遠方に表示される虚像は、効果的に目的を
達成する。
以下に、図示して本発明を詳しく説明する。
図１は本発明に基づく本質的な実施例を説明するため
の各要素の配置図である。
図２は分散板上にマトリックスを有する実施例におけ
る各要素の配置図である。
図３はカラー第１画像を生成する実施例における各要
素の配置図である。
図４はダイオードレーザから成るマトリックスを有す
る実施例の斜視図である。
図５はLED配列及び偏光フィルタを有する実施例の斜
視図である。
図６はカラー第１画像を表示するためのマトリックス
の原理的な配置図である。
図７は２個の回転可能な鏡を有して画像を生成する実
施例における各要素の配置図である。
図８は内部に反射皮膜を有するフロントガラスの図。
図１に示す装置は、制御装置１を有し、シンボル表示
に必要なデータを生成する。制御装置１の出力端子は制
御装置２の入力端子に接続され、光源３は制御装置２に
よって平行光束４を生成するために制御される。光源
は、例えば眼が感知する最大波長の光を生成するため
に、ダイオードレーザによりポンピングされ、周波数変
換できる個体レーザであった。
実質的に平行光束４は、鏡５に入射し、そこから分散
板６の方向に反射される。鏡５は光束を偏向するために
２つの軸方向に回転する。相当する回転角は図１におい
てω，ψにて示す。
角度ω，ψの量だけ行う回転動作は、制御装置１によ
って制御される。制御装置１の動作モードによって、分
散板６上の画像はその配置によって異なる方法で生成さ
れる。鏡５が放射光を分散板６上に均一に走査し、及び
放射光４の輝度が制御装置２を介して制御されるように
制御装置１が構成される場合に、例えばテレビ受像管の
管面上に電子ビームを用いるテレビ技術と同様に走査さ
れることにより、画像が表示される。
図１に示す実施例において、鏡５の動作を利用して第
１画像が分散板６上へ投影される場合に、光束４の輝度
は一定に保持される。光束の輝度は１つの画像から他の
画像への変わり目においてブランキングされる。画像は
ベクトルグラフィックスの形態を用いて分散板６上に投
影される。
車両の操縦者の視野内に分散板６上の表示画像を虚像
として投影するために、表示対象側に焦点７を有する光
学システム８が設けられており、その焦点距離内に分散
板６が配置される。この光学システム８から出発する光
は、続く反射皮膜９に入射するため、生成される画像は
虚像として位置10にて見ることが可能である。反射皮膜
９は車両のフロントガラス11内側面に配置される。眼12
で示される観測者は、フロントガラスの後方に視野内に
存在する車外の状況及び虚像を見る。反射皮膜９は光源
３の波長のみを実質反射するように構成されるため、観
測者は位置12にて車外の状況を妨害されずに見ることが
でき、虚像は位置10にて表示される。
光源３の平行放射光に基づいて、位置10にて虚像を明
瞭に認識できる車内の領域は、分散板６の分散特性によ
って与えられる。これはもとの光束４が発散において、
操縦者の典型的な頭部の動作範囲内にて画像が位置10に
て光学的に明瞭に認識可能となるように配置される。平
行光束の実質的なの発散は分散板６及びそれに続くレン
ズ８に基づいて、推奨する値として最大30cmから50cmの
範囲内であるべきであるということが明らかとなった。
それによって、全体の光束４は十分な輝度を有して操縦
者に達する。大きな角度に基づく光の損失は、最小限に
される。実際に、±７゜以内の光束の発散により、良好
な結果がもたらされる。
操縦者の眼12の付近で高い輝度を必要とする場合に、
分散板６は更に角度を狭めて発散するように設計され得
るが、本装置が配置位置について可変となるように構成
すること又は鏡５の傾斜角度は直流電圧を用いる制御装
置１を介して制御されることが望ましい。これによっ
て、位置12に位置する操縦者は、虚像10を理想的な頭部
の位置にて認識できるように移動することができる。こ
れにより異なる大きさの車体及び座席位置においても虚
像を理想的な輝度で見ることが可能である。
提示した発散の大きさの観点から光束４の平行性は厳
密さを必要としない。従って、レーザに代わって光源３
として高い輝度を有する発光ダイオードも使用できる。
光はその種の構成要素の場合に、その接合部から放射さ
れるため、点状の光源として観測され、その出力光束は
レンズ、凹面鏡又はコリメータのいずれか１つを用いる
適切な方法により平行にされ得る。
光源３に対してレーザを選択することは、フロントガ
ラス11における反射において、利点を有する。実施例に
おいて、レーザを用いて直線偏光された光束４が生成さ
れた。反射皮膜９は、この場合偏光器として構成されて
おり、分散板６から生成される全体の光が、操縦者の頭
部の領域に反射されるように、その直線偏光の方向が選
ばれる。反射皮膜９の偏光特性は理想的な輝度を達成す
るために、更に利点を有する。即ち、フロントガラスで
の反射が除去されることにより、その虚像が明瞭に認識
できる。
コストを軽減すべく、高い輝度を達成するための反射
皮膜９が放棄される場合、光学システムから放射される
光束が、ほぼブリュースター角を有してフロントガラス
11に入射するように本装置が配置され得る。偏光を有す
る光束の反射は、周知のように適合する偏光方向にて最
大となる。よって、皮膜は不必要となる。
図１に示すように、フロントガラス11は平らな面とし
て描かれている。これによって、画像６は位置10にて歪
み無く投影される。一般に、フロントガラスは湾曲して
いる。これによって生じる歪みは、画像の歪みがフロン
トガラス11で反射を通して除去されるように、制御装置
１によって分散板６上の画像が歪んで表示されることに
よって補正される。これにより、位置10における虚像の
画像領域内の異なる位置において、解像度は異なる。
これに代わり、フロントガラス11及び操縦者との間に
平らなガラス板を設け、これを用いて同様の効果的な投
影特性が図示した平らなフロントガラス11の場合と同様
に発生する。
しかし、反射皮膜９は、それがフロントガラス11上に
取り付けられるか、又は別のガラス板上に取り付けられ
るかに関係なく、操縦者側に配置されることにより、ガ
ラス板内の複数の反射による極端な妨害として知覚され
るガラス板自身の虚像は生成されない。
反射皮膜はレンズへの他の応用によって周知である誘
電体膜鏡と呼ばれる薄い層として構成される。皮膜にて
反射する波長が、複数存在する場合、光源３の波長に適
合する複数の個々の皮膜を合成して用いることが有効で
ある。
図２に図１に示すような同様の実施例を示す。しか
し、分散板６上への表示は図１とは異なる。前に記載し
たように、画像は走査されて、マトリックスとして生成
される。
しかし、図２に基づいて更なる実施例を説明する。光
束４が適切に発散する場合に、例えば光源３が平行光に
変換するレンズを有するLEDであると、分散板６に代え
てLCDマトリックスを設けることが可能である。特に、
光束４が既に偏光を有する場合に、LCDマトリックスを
用いるその画像表示は、周知のようにマトリックス内の
各セグメントに印加される電圧に依存するため、同じ偏
光を有する各点において、光束４のような同じ偏光を有
する光は、すべて通過させられる。
図３に図１に示すような同様の実施例を示す。しか
し、光源３は光源13によって置き換えられている。光源
13内に赤色用、緑色用及び青色用に３個のレーザが設け
られる。このレーザから放射される光束は、放射光合成
装置14のよって１つの光束に合成される。画像生成は、
既に図１及び図２を用いて説明した実施例と同様に行わ
れる。放射光合成装置14において、例えば異なる光束を
合成するためにレーザテレビ技術にて周知である２色性
の鏡が設けられる。
図４に示す実施例において、１つの光束４又は光束14
及び偏向を行う鏡５が削除されている。分散板６に代わ
り図４に基づいて、ダイオードレーザマトリックス18が
光学システム８及びその焦点７との間に設けられる。そ
の際、画像生成は各ダイオードレーザを電気的に励起す
ることによってマトリックスの対応する各点で行われ
る。
図４に示す実施例において、電子制御装置17がマトリ
ックス装置と共に同じ構成要素の中に設けられており、
これを用いてマトリックス内の個々のダイオードレーザ
は輝度を制御され得る。
図５に同様の実施例を示す。レーザマトリックス18に
代えて、ここでは電子制御装置16を有するLEDマトリッ
クス15が設けられる。実施例において、マトリックス内
の個々のLEDから最大輝度を得るために要求される光の
発散が、その構成に基づいて与えられるようにLEDマト
リックスは選択された。しかし、この種のLEDマトリッ
クス15上に薄い膜が敷かれる場合に、原理的にその膜の
上にLEDに適合するレンズとしての小さい凸部が構成さ
れる。この凸部は放射される光束の発散が、十分に小さ
いこと及びレンズ８に基づく放射光横断面の変更によっ
て、光が操縦者の頭部の移動領域内に達するように設計
される。LEDマトリックス15を使用する場合、図５に示
すように偏光フィルタ19がLEDから放射される光束の光
路に設けられる場合、偏光を有する光が提供する利点を
放棄する必要はない。図５に示す実施例において、この
偏光フィルタ19は光学システム19及びLEDマトリックス1
5との間に配置される。
LEDマトリックス15及びダイオードレーザマトリック
ス18は原理的に光源マトリックスとして示すことができ
る。図６に示す実施例に、如何に光源マトリックスが構
成されるが、また如何にそれを用いてカラー画像を可能
にするかを示す。光源マトリックス20は電子制御装置21
と共に組み込まれ、異なる波長を有する異なるダイオー
ドレーザ又はLEDから構成されており、前記異なる波長
はR,G,Bを用いて表現され、これらはカラーテレビにお
ける赤色、緑色及び青色の画素を示す。図６において、
LEDはその対応する波長に応じて異なる濃淡を用いて示
される。図６から異なるダイオードレーザ又はLEDの具
体的な配置が分かる。これによって、カラー画像が表示
可能である。
図１に示す実施例に基づいて、２つの独立した鏡23及
び22が、鏡５に代わって２つの軸のまわりに全体の傾斜
に対する補正のために設けられる。図７に、この種の実
施例を示す。多角形状鏡は走査線による均一な走査を行
うために、鏡23及び22に代えて使用される。一般に、多
角形状鏡は自身が有する慣性に基づく極めて均一な走査
を保証する。
図８において、更に別の形態が示される。反射皮膜９
はフロントガラス11上に取り付けられるのでなく、フロ
ントガラス11内部に組み込まれる。上記の反射皮膜の場
合、非常に薄い皮膜が扱われるため、フロントガラスと
して用いられる合わせ板から成るガラス板11へ組み込み
むことは、同時に図８に示す薄い皮膜24を保護する。同
様に、薄い皮膜としての皮膜24は光束３を全反射するた
めに使用される。更に、偏光に依存する反射皮膜も使用
され得る。
上記した実施例において、本発明は複数の方法を実施
し得る。本質的な要点は、光の最大輝度が平行光束を利
用することによって、その光束の僅少な発散に基づいて
操縦者の視野内に生じるということである。

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１画像に起因する光（4,15）を反射する
    透明ガラス板（11）を通して見ることが可能な第２画像
    内に第１画像を表示し、第１画像及び第２画像を観測者
    が同一の視角にて認識し得るように配置した装置におい
    て、平行光束を放射するための少なくとも１つの光源
    （3;13）が設けられ、第１画像に起因する光は、前記光
    源（3;13）を用いて僅少な発散を有する光束として生成
    され、少なくとも１つの光源（3,13）によって生成され
    る僅少な発散を有する光束を画像生成のために反射する
    １つ又は複数の鏡（5;22,23）が設けられ、１つ又は複
    数の鏡によって反射された僅少な発散を有する光束を放
    射するための分散板（６）が設けられていることを特徴
    とする装置。
  2. 【請求項２】２つの鏡（22,23）が設けられ、光束は前
    記鏡（22,23）を用いて２つの方向に偏向される請求項
    １に記載の装置。
  3. 【請求項３】少なくとも１つの鏡（5;22,23）は偏向装
    置にて２つの傾斜方向に互いに独立して角度を変更で
    き、これにより第１画像はベクトルグラフィックス表示
    を可能とする請求項１又は２に記載の装置。
  4. 【請求項４】少なくとも１つの光源に起因する光束は、
    偏向装置を用いて２つの方向に走査されるとともに、制
    御装置（１）が設けられ、前記光束の輝度は前記制御装
    置（１）によって制御される請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】鏡（22,23）の１つは均一の回転速度を有
    する多角形状鏡である請求項２又は４に記載の装置。
  6. 【請求項６】少なくとも１つの光源（3;15）は平行レン
    ズ及びコリメータのいずれか１つを有するLEDである請
    求項１乃至５のいずれか１つに記載の装置。
  7. 【請求項７】少なくとも１つの光源（3;13）はレーザで
    あるか、又はレーザを含む請求項１乃至６のいずれか１
    つに記載の装置。
  8. 【請求項８】レーザ（３）はダイオードレーザである
    か、又はポンピング光源としてダイオードレーザを含む
    請求項７に記載の装置。
  9. 【請求項９】レーザ（３）はダイオードレーザによりポ
    ンピングされる個体レーザである請求項７又は８に記載
    の装置。
  10. 【請求項１０】ダイオードレーザによりポンピングされ
    る個体レーザに周波数変換のための装置が設けられる請
    求項９に記載の装置。
  11. 【請求項１１】皮膜（9;24）を有するガラス板（11）が
    設けられ、第１画像は前記皮膜（9;24）にて完全に反射
    される請求項１乃至10のいずれか１つに記載の装置。
  12. 【請求項１２】皮膜（9;24）は誘電体膜から成る皮膜又
    は前記皮膜（9;24）を含み、第１画像を完全に反射する
    請求項11に記載の装置。
  13. 【請求項１３】皮膜（9;24）は偏光膜であるか、又は偏
    光膜を皮膜（9;24）の１部に含む請求項12に記載の装
    置。
  14. 【請求項１４】皮膜（9;24）は第２画像に対して反対側
    のガラス板（11）上に取り付けられる請求項11乃至13の
    いずれか１つに記載の装置。
  15. 【請求項１５】皮膜（9;24）は複数の個々の皮膜から合
    成される請求項11乃至14のいずれか１つに記載の装置。
  16. 【請求項１６】皮膜（9;24）は第２画像を妨げず通過さ
    せるように設計される請求項11乃至15のいずれか１つに
    記載の装置。
  17. 【請求項１７】車両のガラス板（11）はフロントガラス
    及び操縦者の座席との間に配置される請求項１乃至16の
    いずれか１つに記載の装置。
  18. 【請求項１８】光源（13;20）は３個の異なる波長の光
    束を放射する請求項１乃至17のいずれか１つに記載の装
    置。
  19. 【請求項１９】ガラス板（11）及び第１画像との間に投
    影するための光学システム（８）が設けられる請求項１
    乃至18のいずれか１つに記載の装置。
  20. 【請求項２０】光学システム（８）の表示対象側の焦点
    距離内に実像が生成され、前記実像は第１画像としてガ
    ラス板（11）にて反射される請求項19に記載の装置。
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