JPH02501238A - 自動車装置用実像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 自動車装置用実像表示装置 発明の背景 この発明は光学表示システム、とくに自動車内の装置を表示するための新しい優 れたシステムに関する。

一般の生産ラインの自動車では通常ハンドルの背後の計器板パネルに複数の装置 、インジケータ及び計器が表示されている。これらの装置には速度計、タコメー タ、時計、走行距離計と遠距離走行距離計と、油圧、エンジン温度、燃料レベル 及びバッテリーチャージの各種補助計器、それにシステム警告光がある。古い車 では装置は電気機械装置が多く、インジケータは可動針である。新しいモデルで は背後から照明された直視型液晶表示装置あるいは自動照明真空蛍光表示装置が 用いられていることが多い。

自動車内部の有効スペースは限られているため、装置のパネルは通常運転者の目 の比較的近くに（例えば約２フイート）設けられている。直視装置を読みとるた めには、運転者が道路を観察するために用いている遠距離観察（基本的に無限大 ）から装置を見るのに用いる近距離観察に目の焦点位置を変化させる必要がある 。一般的に前記システムでこの目的は達成されているが、特に装置の読み取り性 の向上及び運転者の目の緊張を減少させることがさらに望まれている。

ある外国の自動車製造メーカでは原寸大の真空蛍光装置ディスプレイの下の計器 板上に平坦な折り畳みミラーを設けることによって、通常の計器パネル位置より 少し先に視界距離を保持する表示装置を開発した。しかしこれはいくつかの点で 問題があり、改良の余地を残しいる。

計器板の面から十分光にあり（例えば約１フイート以上）運転者の通常の視界位 置からかなり距離のある（例えば約４フイート以上）装置クラスタイメージを生 成することによる、運転者の目の緊張を最小限にし装置の読み取り性、特に年輩 者や近視の人や遠近視両方の人にとって読み取りやすい自動車装置用表示システ ムが必要である。望ましいシステムは従来の計器装置パネルが現在占有している 空間／容積の範囲内に適合するように構成され、従来の直視装置クラスタに似た 表示方式及び視界角度条件が与えられ、あらゆる周囲光条件のもとて快適な視界 及び読み取り性を保持する表示イメージが与えられ、従来の直視装置クラスタに 匹敵するコストで大量生産可能であり、構成が簡単であり、自動車電気システム と適合した電子インターフェイスを保持し、特に画像品質、差異及び色彩に関し て良好な光学特性が与えられなければならない。このようなシステムを得るには 多くの問題を解決しなければならない。

例えば通常の自動車環境で生じる幾何学的条件では光学的な複雑さの問題がある 。例えば運転者の頭及び目は通常静止しておらず、アイモーションボックス、す なわちアイリブスという楕円形の視界領域中で移動する。運転者はまた座高がそ れぞれ異なり、座席の高さ及び位置調整もそれぞれに異なっていることが望まし い。８インチ×５インチｖ×１０インチＤで中心が装置パネルから約３０．５イ ンチ離れているアイリブスならばほとんどの運転者に適合する。通常の装置パネ ル視界角度（すなわちアイリブスから装置パネルを見るのに用いる視線）は水平 より約１９度下であり、角対辺（すなわち装置ディスプレイ全体を見るのに用い る走査量）は約２４度Ｈｘ６度Ｖである。

さらに垂直差異によって別の問題も生じる。対象物の領域を光学システムを通し て見る場合、通常各々の目はいくらか異なる所を見ている。垂直差異は各々の目 が見る対象物の点の垂直軸に沿った角度差である。垂直差は運転者の視界に負担 になる。垂直差異に対する運転者の許容限度は表示光学系の複雑性に影響を与え る。表示システムは運転者の快適性に釣り合うレベルにまで垂直差異を減少させ なければならないし、またそれによって表示光学系が複雑になってもいけない。

また大抵の自動車にある周囲の光の条件が高いためにさらに複雑になる。周囲光 には直射日光や周囲の対象物からの反射光があり、これらの光は運転者の目に入 ってディスプレイの読み取り性を減少させる。約３０００フイートランバート（ ｆＬ）の通常の水平照明に適合する目の瞬間的なダイナミックレンジは約６００ ：１である。またこの目の黒のレベルは約５ｆＬであり、５ｆＬ以下の明視レベ ルにおけるあらゆる刺激はみな同じように黒く見える。また伝達ロス及びノイズ （すなわちディスプレイに落ちてまた反射する周囲光）が全くなかったとしても 、一般的に装置ディスプレイの明るい記号が視線／グラフィックイメージとして 適切だと思われる２：１のコントラストになる望ましい輝度は約１０ｆＬである 。この輝度は自動車に搭載可能な電力によって供給する必要がある。

周囲光の条件が高い場合でも装置のコントラストが均一で高く像が均一で明るい ことが望ましい。しかし視界領域を通して光を拡散する従来の２つの方法、すな わち不透明ランバーシアン拡散及び高利得の背後からの照明の拡散ではうまくい かない場合がある。ランバーシアン拡散では光があらゆる方向に同じように散乱 してしまう。光学システムがアイモーションボックスへ向けられた小さな角の円 錐の範囲内だけで拡散光を用いる場合は、この円錐の外部の放射は迷光となって 背景レベルが高くなりコントラスト比が減少する傾向がある。高利得背後照明拡 散スクリーンでは光がより狭い角度の円錐へ散乱するため光学効率は向上するが 、視界領域上のディスプレイの均一性は良好でない。アイモーションボックスの 端部の明るさが急落して望ましくない。

自動車内部の一般的なスタイルと調和しユーザに許容され魅了するようなディス プレイシステムを得ようとすることからさらに複雑な問題が生じる。すなわちシ ステムは現在は従来の直視装置ディスプレイが占めている計器板のスペースの範 囲内に納まり、許容できるコストで大量生産が可能であり、多色のイメージを与 え、またイメージの翻訳が困難でなく審美的にも受け入れられるような、安定性 、ドリフト、待ち時間及び残存性のイメージ源を提供できるものでなければなら ない。

本発明はこれらの問題点を克服し優れた装置表示システムを提供している。

発明の概要 本発明では、運転者とディスプレイの間の実際の光学パスの長さよりも実質的に 大きな視界距離で装置クラスタの拡大イメージを生成し、それによって装置の読 み取り性を向上させ、運転者の目の緊張を最小限にし、外の道路を見る時と装置 を見る時の間の移行の際の焦点合わせの問題を減少させるような、自動車用実像 表示システムが提供される。暗いトンネルでは装置のイメージを光学的により深 くシ、また周囲の光が強力であれば効果的にシールドすることによって、ディス プレイの見えやすさを向上させ、通常の周囲の背景レベルに対してコントラスト の高い、鋭いまた快適な多色装置表示を与える。このシステムは十分に小型で薄 くコンパクトであり、計器板の装置パネル部分の狭いスペースに納まり、構成が 簡単で許容できるコストで大量生産が可能な設計である。

限定する意味からではなく例として本発明の望ましい実施例をあげると、この表 示システムでは動力付き軸外しミラーのような非球面の光学部材を含む光学的イ メージ装置が用いられ、運転者の通常の目の位置から約４ないし１２フイートの 所に計器板のパネル領域の一般的な方向に装置ディスプレイの拡大実像を生成し ている。表示イメージ源及びシステム内の他の光学部品の位置が限定され、また 自動車の構成上の制限によりシステムの範囲内の光学パスの長さが限定されるに も関わらず、望ましい目と像の距離を生成することが光学パワーにより達成され ている。ミラーの非球面は収差を最小にし、運転者の目の間の垂直差異を許容で きるレベルにまで減少させ、フィールド曲率を減少させ、ミラーとイメージ源の 間の光学パスの長さを短くすることによってシステムのコンパクト性を高めるよ うにコンピュータによる計算で最適化されており、これらはすべて比較的簡単な 光学構成を提供している。

非球面ミラーは射出成形非球面プラスチック基板上に簡単な金属反射被覆を行な うことによって形成することが望ましい。非瞳孔形成形態のミラーを用いること によって光学システムの全体の長さは小さくなっており光学系も簡略化されてい る。光学システム全体に単一非球面を用いる場合、色の収差は実質的に減少する か除去され、特にシャープな色彩イメージが得られる。

本発明を具体化した表示システムでは“明瞭な大きさ”の効果が発揮されて、従 来の直視装置ディスプレイの角対辺よりも小さなディスプレイ視界を提供する。

視界が制限されることによってシステムの大きさが減少し、それによって自動車 内の限られたスペースへの設置が促進される。さらにシステムの大きさが減少す ることにより計器パネルのスペースに余裕が生じ、他の計器や制御装置を設ける ことができる。

本発明の望ましい実施例では、軸外し光学システムでの歪みを補償するために予 め歪められておりまた対象物情景の直線実像を提供する受動イメージ源が用いら れている。セグメント化された液晶ディスプレイ（“ＬＣＤ”）は比較的パネル が薄く、分解能が高く、信頼性も高くまた電力消費量が小さいので望ましい受動 イメージ源である。ＬＣＤイメージ源の色彩は適切な色フイノ：りによって生成 される。

システムでは光学パワーを用いることによって、小型化されたイメージ源で望ま しい大きさのイメージを得ることができる。小型化されたＬＣＤでは表面積が小 さいためコストは特に小さくてすむ。

ＬＣＤパネルは後方から光が当てられ陰影効果を除去している。光の照明は離れ た位置に設けられている比較的安価で耐久性に優れた小さな白熱電球によって与 えられる。光ファイバの束で光をＬＣＤパネルに導いてもよい。こうして遠隔照 明を行なうことによって故障の場合も電球の交換が容易となり、またイメージ源 が占める部分に起こる発熱も小さくすることができる。光ファイバの束はＬＣＤ パネルの後方の多数の離間した端部に分かれている。この端部は別々にパネルに 高くしている。

照明光学系及びイメージ源の間には方向性拡散スクリーンが設けられて照明光を 拡散しまた視界全体に均一で高い輝度と均一なコントラストを与えている。本発 明の望ましい実施例では、光ファイバ束の各端部からの光がＬＣＤパネルに向け られ、そこでパネル装置の後部に積層された伝達拡散ホログラムによって拡散さ れる。ホログラムの効率は高くまた角度制限があるために、ＬＣＤパネルからの 拡散光は非球面ミラーの入り口開口部に均一にまた効率的に向けられ、それによ って特に明るいイメージが表示される。夜間あるいは日中の周囲の光が強い時に 効果的なディスプレイ表示を与えるのに十分な画像輝度を与えるために光を電球 から光ファイバ束へ集め焦点を結ばせるために、適切な照準化集光光学系が用い られる。

拡散スクリーンによって視界領域の端部付近の光の強度も所望のように小さくす ることができ、それによってこの領域にある垂直差異、残留歪み、水平焦点及び イメージモーションのような任意の光学的収差による視界が受けるインパクトを 最小限にする。拡散スクリーンにより視界領域の光の強度分布を変えることによ り、このシステムに内在する限定を受けずに非瞳孔形成システムによって瞳孔形 成システムにある望ましい光学特性を得ることができる。

本発明の望ましい実施例では非球面鏡の後に曲面傾斜プラスチックグレアシール ドを加えることによってシステムの光学系とＬＣＤパネルを保護している。グレ アシールドの曲率及び角度は、モーションアイボックス内の周囲反射がグレアシ ールドの前表面から外れてイメージ源から離れ黒い表面に焦点が結ばれ、それに よって実像ディスプレイのコントラストが高く維持されるように選択される。

本発明のその他の特徴及び利点は、例として本発明の特徴を示す添付図面を参照 した以下の詳細な説明によって明らか図面の簡単な説明 第１図は本発明を具体化し自動車の計器板に備えられた実像表示システムの垂直 断面図である。

第２図は部分的に切取った第１図の線２−２に沿った断面図である。

第３図は第１図に示されたシステムによって生成される代表的な装置クラスタデ ィスプレイの正面図である。

第４図は第１図の表示システムの概略図であり、垂直面における光線の軌跡を示 す。

第５図は、第１図に示されたシステムに用いられているカラーＬＣＤイメージ源 及び拡散ホログラムの第２図の線５−５に沿った拡大断面図である。

第６図は第１図に示された一イメージ源を生成するのに用いられる歪みを示すグ ラフである。

望ましい実施例の詳細な説明 第１図乃至第４図に示されているように本発明による光学表示システムは参照番 号１０で示されており、これはハンドル１４の後方の自動車の計器板１２に設け られ、第１の装置クラスタ１８（第３図）の実像１６（第４図）を生成している 。この実像は図の光線２６で示されているように運転者２２が下を見て計器板パ ネル領域２４を走査して見ていくとアイモーションボックス２０から見ることが できる。

複数の電気機械計器、または背後照明直視液晶ディスプレイ（図示されていない ）から成る通常の直視装置２８は比較のだめに第１図に鎖線で、自動車の計器パ ネル領域２４の位置、大きさ及び形態で一般的に示されている。本発明のシステ ム１０は軽量でコンパクトであり（例えば通常大きさは１０インチＷＸ６インチ Ｈｘ８インチＤで、重さは約２−３Ｋｇである）、計器パネル領域２４での狭い 利用スペースに納められる大きさである。

第３図に示されている光学表示システム１０によって生成される典型的な装置表 示フォーマットは通常の直視装置表示フォーマットに似ており、速度計３２、タ コメータ３４、時計３６、走行距離計３８、長距離針４０、油圧計４２、エンジ ン温度計４４、燃料計４６、バッテリーチャージ計４８及び集合システム警告ラ イト５０がクラスタ状に備えられている。運転中にこれらの装置を読みとるには 運転者２２は一時的に、風防５２（第１図）を通して見ていた道路から計器パネ ル領域２４の方向に目を移して装置クラスタ１８を見る。

本発明によれば光学表示システム１０は、運転者２２の目とシステム１０の物理 的な位置の間の実際の光学バスの長さよりも実質的に大きな視界距離に装置クラ スタ１８の実像１６を生成する。このため装置の読み取り性が向上し、運転者の 目の緊張が最小限となり、運転者２２が前方の道路を見て装置クラスタ２８を見 る場合に目を移行させる際に生じる焦点合せの問題を減少させる。これは焦点合 せの能力の衰えた年輩者や遠視や遠視と近視両方があって近い物を見るときに頭 を後ろに引いたり傾けたりしなければならない人には特に重要である。装置クラ スタ１８を光学的に深い位置において暗いトンネルに入ったように見せたり、ま た周囲の強い光から守ることによって、システム１０では表示が見やすくなり、 通常の周囲の背景レベルに対してコントラストが強く鋭くまた快適な多色装置表 示が与えられる。システム１０は構成が簡単で合理的なコストで大量生産するこ とができる。

第４図には表示システム１０の望ましい実施例が示されており、所望の装置クラ スタ１８の対象物情景表示を生成する小型イメージ源５４、イメージ源５４を照 明する照明システム５６、イメージ源５４からの光を運転者のアイモーションボ ックス２０に向けさせて光の焦点を合せ、計器パネル２４を越えたかなりの距離 （例えば約１フイート以上）のアイモーションボックス２０の範囲内の運転者の 通常の視界位置からかなりの距離（例えば約４フイート以上）に、イメージ源５ ４によって表示される装置クラスタ１８の拡大実像１６を生成する動力付きの軸 外し非球面ミラー５８のような光学イメージング部材が具備されている。イメー ジ源５４やシステム１０内の他の光学部材の位置を制限し、またシステム１０内 の光学パスの長さを制限するような自動車の構成上の制限にも関わらず、光学パ ワーによって目とイメージの間の距離は望ましい長さにされる。

“明瞭な大きさ゛の効果によって、より距離の長い位置にある対象物がより近距 離の対象物と同じ視覚角度を作る場合、より遠い対象物をより大きなものとして 感じる。従って表示システム１０によって生成される実像１６に見られる計器等 の装置は、運転者の目には計器パネル２４にある物理的には全く同じ大きさの装 置と同じ角度を作るがこれよりも大きく見える。本発明では光学構成を簡単にす ることができるという利点がある。例えば約６フイートの視界距離で約３度の角 度を形成する実像は約２フイートの視界距離にある直視表示では６度を形成して ほぼ同じ大きさに見える。そのため実像表示システム１０の視野は装置表示の見 易さ及び読み取り性を実質的に減少させることな〈従来の装置２８の対辺角度に 対して減少させることができる。視野を減少させることによりシステム１０は計 器板１２の限定された有効スペースに容易に納めることができ、計器板１２の空 いたスペースを他に使用することができる。

アイモーションボックス２０を越えて約２フイート度Ｖの視野が見える実像表示 システム１０は大部分の運転者（例えば非ビネットで約３インチ×４インチ）に 適応し、装置の適切な大きさの実像１６を提供する。装置クラスタを垂直に平面 で折るのに単一連続非球面ミラー５８を用いることによって、光学バス内に障害 物や二次折曲げがない状態で所望のアイモーションボックス２０内に全視界を示 すことができる。

単一非球面５８が光学イメージングシステム全体として用いられる場合は、色収 差は実質的に減少あるいは除去され、システム１０は特にシャープなカラー画像 を提供する。

非球面ミラー５８では光学システムの構成がより自由になるため、システム１０ の画像品質及び物理的特性は自動車の計器装置ディスプレイに望ましいように促 進される。本発明の望ましい実施例ではミラー５８の非球面の形状は収差を最小 限にし、垂直差異及びフィールド曲率を減少させるようにコンピュータで最適化 され、またミラー５８の曲率半径を最小にしミラー５８とイメージ源５４の間の 光学パスの長さを短くすることによってシステムのコンパクト性を高め、比較的 簡単な光学構成となっている。

非瞳孔形成型のミラー５８を用いることによって、光学システムの全体的な長さ はさらに小さくなりまた光学系をさらに簡略化することができる。非瞳孔形成光 学システムでは一部のレンズが用いられ、装置表示システム１０の場合はイメー ジ源５４を拡大し運転者２２からのある距離に実像１６を生成するために非球面 反射ミラー５８が用いられている。実像１６はミラー５８が形成する円錐内で最 適な像として与えられるが、運転者の目が最適な視界円錐から外れると、実像１ ６はぼかされ始める（すなわち消えてしまう）。運転者２２が中心円錐から外れ れば外れるほど、実像１６は消えていき、ついには実像全体がぼかされてしまう 。瞳孔形成システムの場合は最適視界領域がさらに限定されて、運転者の目が出 口瞳を外れると実像は完全にぼかされてしまう。しかしこの付加された性能はさ らに光学部材（リレー光学部材として）及びバスの長さが付加されて得られるこ とである。非瞳孔形成システムの利点は構成が比較的簡単なことである。システ ムの全体の長さは一般的に付加的なリレー光学部材を収容するのにさらに長くな る瞳孔形成システムの長さより短い。

このようなシステムの像は実際の世界で重ねられることはないため、瞳孔形成シ ステムによって与えられる収差修正や歪みの制御はデスプレイを見おろすのに重 要ではない。従って歪みのレベルがより大きくまた精度が低くても性能は許容範 囲にある。垂直差異は非瞳孔形成システムが到達する範囲で十分望ましいレベル である。

アイモーションボックス２０のどの位置からも実像１６の全体が見えるようにす るために、非瞳孔形成システム１０のミラー５８の大きさを以下の式に従って選 択する；Ｈ−２Ｌｔａｎ（ＦＯＶ／　２　）”（Ｙ　−５）（１−Ｌ／Ｒ）ただ し、Ｈはミラー５８の大きさであり、Ｌは運転者２２からミラーまでの距離であ り、ＦＯｖはデスプレイ視野であり、Ｙは非ビネット視界に望ましいアイボック ス２０（インチによる）であり、Ｒはイメージ距離範囲（すなわち目２２から実 像１６までの）である。

自動車内部で用いるシステムのように収納される大きさが制限されている場合は 、光学システムを可能な限り観察者の近くにおいて光学システムの大きさを最小 限にするのが有利である。例えば目とパネルの距離が約３０インチである場合、 視界表示を１２度にするには約８．５インチの幅のミラー５８が用いられる。２ ４度の視界の場合は約１４．８インチの幅のミラー５８が用いられ、これは通常 の装置２８とほぼ同じ大きさである。本発明の望ましい実施例では非球面ミラー ５８の大きさは約９．０インチＷＸ５．０インチＨであり、厚みは０．２５イン チ以下である（機械的な安定性を第１義とする）。

本発明の１実施例では（第４図に中央光線６０によって示されているように）見 通し線に沿って計測すると、非球面ミラー５８の中心５７がアイモーションボッ クス２０からは約３０インチの位置に、またイメージ源５４の面５９から約５． ６インチの位置にある。ミラー５８は見通し線６０に関して約１４．４度の軸外 し角度６２の方向で配置され、イメージ源５４の面５９は約７８度の角度６１で ある。ミラー５８の非球面のベース半径は約１４インチであり、これ゛は下記の 非球面の式を満たす； ＋Ｃ５＊（Ｘ２−　Ｙ２） ＋Ｃ８＊　Ｙ　＊　（ｘ２＋Ｙ２） ただし、Ｒ−−１４ Ｃ５−−０，９３４１９７Ｘ　１０−’Ｃ８−−０，８２７９９５Ｘ　１０−’ Ｘ及びＹは非球面に接線方向に相互に直行している１組の軸によって限定される 非球面に沿った（インチによる）サンプル点であり、２はＸ、Ｙサンプル点にお ける非球面に垂直な軸の（インチによる）距離である。

非球面に沿ったサンプル点に関するデータは以下の表に示されており、ここでは “Ｚ″は球のベース曲線のデータであり、“ΔＺ１は非球面のＸＳＹの各々のサ ンプル点におけるベース曲線からの偏差である。

サンプル点（インチ） ＸＹ　ΔＺＺ 十ｏ、ｏｏｏ　−２，０００＋、ｏｏｇ７ｅｔ　−，１３４８３３＋ｏ、ｏｏｏ 　−ｔ、ｏｏｏ　＋、０Ｏ１５６２−，０３４１９８＋、００００　＋０．００ ０　＋、００００００　＋、００００００十ｏ、ｏｏｏ　＋１．０００　＋、０ ０００００ン　−，０３５４５４十ｏ、ｏｏｏ　＋２．０００　−．００１２８ ７　−．１４４８８１十ｔ、ｏｏｏ　＋ｏ、ｏｏｏ　−，０００９３４−，０３ ６６９４＋２．０００　＋０．０００　−．００３７３７　−．１４７３３０＋ ３．０００　＋０．０００　−．００８４０８　−．３３３８１３＋４．０００ 　＋ｏ、ｏｏｏ　−，０１４９４７−，５９８５３９＋４．０００　−２．００ ０　＋、０１３９０９　−．７１９５９１＋４．０００　＋２．０００　−．０ ３６３３０　−．７８９８３１望ましい実施例では非球面ミラー５８は、ポリカ ーボネートか自動車の環境に合う物性の別の光学材料から成る複製プラスチック ミラーである。プラスチック基板の第１の非球表面には金属反射被覆が施され、 基板は射出形成によって形成されることが望ましい。

本発明の望ましい実施例では望ましい輝度及びコントラストで望ましい対象物情 景を表示する受動イメージ源５４が用いられ、計器板１２の有効スペースに納め られ、望ましい分解能及び色彩を提供し、自動車の電気システムと適合する入力 電力要求を有しており、これらはすべて比較的低いコストで行なわれる。収納性 及びコストの特徴は表示システム１０の光学パワーを保持することによって部分 的に促進される。

光学パワーによってイメージ源５４が小型化され、実像１６に見られる望ましい 装置表示の大きさよりも小さくすることができる。

液晶ディスプレイは多くの消費者に用いられ産業上も広く適用されており、特に 自動車における表示には望ましいものである。パネルは比較的薄く、セグメント のストローク品質により解像度が高く、信頼性も高く、低コストであり、また消 費電力が低い。ＬＣＤパネルの厚みは比較的大きなパネルの場合（例えば５イン チ×６インチ）約０．５インチである。

駆動電圧は通常的２−１０ボルトの範囲にあってこれも好ましいものである。Ｌ ＣＤの動作温度及び貯蔵温度は約−４０℃乃至＋８５℃の範囲であるが、低温で はスイッチング速度が低下する傾向があるので寒いときには自動車を駆動させて 数秒以内に表示が良好に出るようにするために、ＬＣＤイメージ源にヒータ（図 示されていない）を取り付けるのが望ましい。

セグメント化されたＬＣＤパネルはセグメント化された数字６４と棒グラフ６６ （第３図）で構成されて従来の装置表示フォーマットと同様に見えるので、イメ ージ源５４に用いるには特に望ましい。セグメント化されたＬＣＤは静止照明源 からの光を変調して運動している像を生成する（例えば棒グラフにそって運動す る滑動するインジケータ）。

例えば速度計３２やタコメータ３４を含む棒グラフ６６で用いられるセグメント ６８の数は、ディスプレイ及びディスプレイを駆動する電気装置の複雑性を決め るので、ディスプレイのコストに影響を与える。小型イメージ源５４は表面積が 小さいので特にコストが低い。

実施例の装置クラスタ１８ではタコメータ３４が９００Ｏｒｐｍまで表示し、ま た速度計３２が２００ｋｍ／ｈｒまで表示し、主要分割（１０００ｒｐｍあるい は１０ｋｍ／ｈｒ）ごとに約３つのセグメント６８までが許容できる解像度を与 える。走行距離計３８には６デジツト、長距離針４０には４デジツト、補助計器 ４２−４８にはそれぞれ１０要素が、また時計３６の一番左の数字には１要素が 、全部で２２０のセグメントが必要であり、この分配はタコメータ３４には２８ セグメント、速度計３２には６０セグメント、補助計器４２−４８には４０セグ メント、時計３６には２２セグメント、また走行距離計３８と超距離計４０には ７０セグメントである。集積駆動回路（図示されていない）を用いた２：１の拡 大ディスプレイでは各々３２のセグメントを駆動することができ、基板上には約 １２の集積回路チップが具備されている。

表示光５０はＬＣＤの一部とする必要はなく、変化しないディスプレイはいずれ の部分もＬＣＤ要素ではなくディスプレイ表面の塗装にすることができる。実施 例のイメージ源５４は約１．２５インチ×５．０インチの大きさに納められてい る。

第５図ではイメージ源５４で有効なねじれ空気変化のセグメント化されたＬＣＤ パネル７０が示されており、１対の基板７６と７８の間にシール７４で保持され た活性液晶層７２がある。離間した電極８０のパターンは液晶分子を整列させる ように化学的にあるいは物理的に処理された対抗する層８２及び８４に沿って設 けられている。電極８０は当該分野で良く知られた方法で画素を生成するように 選択的に駆動される。この全体的な構成は偏光子８６及び８８によって挟まれて いる。

色彩は後部偏光子８８に付着した拡散スクリーン９２の後方に積層されるか、あ るいは別の実施例（図示されていない）では偏光子８８と拡散スクリーン９２の 間に設けられている色フィルタ９０によって生成される。適当なフィルタには誘 電フィルタ及び顔料透明フィルタが含まれる。後述する望ましいホログラフ拡散 スクリーン９２と共に用いられる場合は、拡散スクリーン９２によって回折され る色を通すように色フィルタ９０が選択される。多色ＬＣＤは異なる色の領域が 集まったものである。

表示システム１０に有効な別のイメージ源には、真空蛍光ディスプレイ、ＰＬＺ Ｔディスプレイ、小型電気機械的ダイアル、及び機械的ダイアルと電子光学源の 組合せがある。再配列の可能なイメージが望ましい場合はドツトマトリックスデ ィスプレイ（ＬＣＤ型かあるいはＶＦ型）が特に有効である。

本発明の別の実施例ではコンパクトなディスプレイパッケージに収差の小さい、 または広い視界が与えられ、湾曲したイメージ表面（図示されていない）及びこ の表面の前に位置した視界レンズ／プリズム（図示されていない）を具備するイ メージ源５４が用いられている。

非球面ミラー５８が軸外し構成で用いられている場合は、実像１６で見られるよ うにイメージ源５４の形が歪む。この歪みを補償し運転者２２には幾何学的に正 しい実像１６を生成するように、システムは幾何的に修正されている。通常歪み はイメージ源５４の構成によって補償される。

特にイメージ源５４の幾何学的構成は予め歪められて幾何学的な修正が施されて いる。セグメント化されたＬＣＤイメージ源の場合は、軸外し構成の歪みを補償 するように形成された歪み曲線に従ってセグメントパターンに故意に歪みを与え ることによって構成を修正する。セグメント化されたＬＣＤは顧客ごとに設計さ れるため、デスプレイに修正を施しても生産コストはほとんど増加せず、またイ メージ品質の低下もほとんどない。

第６図には上記の特定の非球面の歪み曲線が示されている。

望ましい直線で囲まれた実像１６は約２．３６４インチＷ×０．６９９インチＨ の大きさの長方形９４によって示される。

ＬＣＤイメージ源５４の面は中心点９８の周囲の長方形９４内の曲線グリッドパ ターン９６によって示されている。イメージ源５４のＬＣＤセグメント６８をグ リッドパターン９６に従って予め歪められたパターンに配列することによって、 軸外し構成で現われる歪みは補償されてイメージ源５４によって生成される実像 １６は実質的に直線で囲まれた像になる。

セグメント化されたＬＣＤパネル７０のような受動（すなわち光を発しない）イ メージ源５４では外部の照明システム５６によって照明が行なわれる。照明シス テム５６が消費する電力を最小にするために、デスプレイは可能な限り伝達性が 良く、なおかつアイモーションボックス２０全体に均一で高い輝度及び均一なコ ントラストを維持するものでなければならない。

ホログラフ拡散器は光を分散するのではなく回折する。拡散光はすべて光学シス テムの入り目障孔に均一に入るように向けることができ、また回折角度は光学構 成に適合するように調整することができるため、高い均−性及び利得を得ること ができる。通常の自動車環境でのアイリプス及び目射パネルの視界距離では照明 システム５６及びイメージ源５４の間に設けられたホログラム拡散スクリーンに よって照明光が拡散され、ディスプレイの輝度が実質的に向上する。

従って第５図を見るとＬＣＤパネル７０に付着した拡散スクリーン要素９２は伝 達ホログラム拡散スクリーンであり、さらには米国特許第４３７２６３９号（発 明の名称“定方向拡散スクリーン°、ジョンソン・シー・ケネスに譲渡され、こ の発明の全体が本願に参考文献として開示されている）に記載された一般的な方 向性拡散スクリーンであることが望ましい。ホログラムは拡散スクリーン９２の 出口開口部が反射ミラー５８の入り口開口部と一致するように記録される。従っ て伝達ホログラムの高い効率と角度特性がＬＣＤパネル７０からの拡散光を均一 で効率的な方法でミラー開口部に向ける。このように拡散光を集め方向付けるこ とによって、実像１６には望ましいアイモーションボックス２０から見る場合の 全体的な視界に均一な高い輝度と均一なコントラストが与えられる。

表示システム１０に特に有効な別の拡散スクリーンとしてはさらに原型によって 形成される非球面微小凸レンズスクリーンがある。微小凸レンズスクリーンはホ ログラム拡散スクリーンの望ましい光学特性のいくつかを有しているが、入射光 の波長及び入射角度に対する感度は低い。レンズスクリーンが用いられている場 合はイメージ源の傾斜は実質的に減少させるかあるいは除去することができる。

ホログラフ拡散スクリーン９２の方向性特性は視界領域の端部付近にある垂直差 異、残留歪み、水平焦点及びイメージモーションのようなあらゆる収差の可視イ ンパクトを最小限にするという利点がある。ミラー５８の入り口開口部への光を 集中させることによって、スクリーン９２は望ましい方法で視界領域の端部の光 の強度を減少させるため、この領域でのあらゆる収差は運転者２２にとって許容 できるものになる。

視界領域の拡散スクリーン９２の強度分布を変えることによって、このようなシ ステムにもともとある制限なしに非瞳孔形成システムが瞳孔形成システムの望ま しい光学特性のいくつかを達成することができる。

拡散スクリーン９２はイメージング要素としては用いられないため、ホログラム の品質の重要性は小さい。スクリーン９２は自動車の表示装置に適用する場合は 高歩留まり及び低コストで形成することができる。伝達ホログラム拡散スクリー ン９２を形成するのに適切な方法は上記のジョンソンの特許明細書に記載されて いる。多色イメージ源５４の場合、スクリーン９２には異なる波長で記録されそ れぞれ位置づけられる複数のホログラムが具備され、スクリーン９２が異なる領 域の異なる色に反応する。

照明システム５６は望ましい輝度、色バランス及び均一性が与えられるようにイ メージ源５４を照明する。

ホログラフ拡散スクリーン９２の場合、小さな白熱電球や光ファイバ束のような 小さな点光源を用いるのが特に望ましい。本発明の望ましい実施例では離れた位 置のランプ１０２からＬＣＤパネル７０に照明を伝えるのに光ファイバ束１００ が用いられる。この遠隔位置はランプ１０２が故障した場合に修理や交換にアク セスしやすいように選択される。

遠隔位置に設けることによってイメージ源５４が占める領域の加熱も小さくなる 。１実施例では計器盤１２の後部開口端１０３の近くにランプが設けられている 。

ランプ１０２からの光は適切な照準非球面レンズ１０４及び集光非球面レンズ１ ０６によって光ファイバ束１００の開口部に集束される。レンズ１０４と１０６ の間のフィルタ１０８は赤外線波長の光を排除して、比較的耐熱性の低いプラス チック光ファイバを用いることができるようにしている。

ランプ１０２のワット数は照明された光が光ファイバ束１００と照準集光光学系 １０４及び１０６を通る時に起こる光の損失と光強度の減少を考慮して選択され る。

照明システム５６で有効な安価で耐久性のランプ１０２は白熱電球である。イメ ージ源５４を照明するのに望ましい発光出力を生成することができ、また自動車 に通常設けられている電圧及び電力形態と適合するような照明源には多数の種類 がある。

ＬＣＤパネル７０に光を導くのに光ファイバ束１００が用いられている遠隔ラン プの場合は、光学ファイバ束１００への集光効率を上げるためにランプ１０２の フィラメントの大きさを小さくするのが望ましい。このような白熱ランプの１例 は１８７４型ランプである。このランプの公称設計電圧は約３．７ボルトであり 、公称消費電力は約１０ワツトである。ランプの発光出力は高いので、ファイバ 東構成には特に適している。第１図に示された型のｆ／１集光光学システムを用 いることによって、夜間や昼間の周囲の光強度が高い時に効果的な表示を生成す るのに十分な像輝度をランプが与えなければならない。

イメージ源５４がセグメント化されたＬＣＤパネル７０を具備している場合は、 光ファイバ束１００の出口開口部は背。

後照明を行なうように構成されている。後方から照明することによって活性液晶 層７２とＬＣＤパネル７０に付着した拡散要素９２の間に距離があることで生じ る陰影効果が実質的に排除される。

第４図では光ファイバ束１００が白熱電球１０２から延びて複数の離間した端部 １１０がＬＣＤパネル７０の後方で終端している。各端部１１０からの光はパネ ル７０を通り、そこで伝達ホログラム拡散要素９２によって拡散され、色フィル タ９０によって濾光される。このように光ファイバ束１００を分割することによ って、小さな照明距離の範囲でパネル７０にわたって均一性の高い照明が行なわ れる。光ファイバ１００を各々約１インチずつ離間した複数の端部１１０に分割 することによって、パネル７０からおおよそたった１インチ離間した所に端部１ ００があることによって望ましい均一性を達成することができる。

光を適切に選択し表示システム１０の光学表面に光を向けることによって、周囲 の光の状態によって起こる望ましくない反射は実質的には減少され、或いは最小 限に抑えられる。

表示システム１０の不所望な周囲光の第１の源は運転者２２の外部（すなわち太 陽及び空）と自動車内部の拡散反射である。表示システムのハウジング構成を適 切にすることによって、周囲外部からの直接の光は阻止することができる。

第１図の実施例では表示システム１０の前面が曲がったプラスチックシートのグ レアシールド１１２で覆われ、このシールド１１２は視線に対して約４５度傾い ている。シールド。

１１２はディスプレイ容器の側面及びグレアシールド１１２自体からの第１の面 反射を阻止する。シールド１１２はイメージ源５４の低部とミラー５８の低部の 間の平面に設けられて関係のない対象物が光学系に入り込むのを防いでいる。シ ールド１１２の曲率及び角度は、アイボックス領域２０からの周囲の反射がイメ ージ源５４から離間して光トラップ（例えば計器板１２の低い方の投影部分１１ ６の頭部上の黒い面）へ向けられて実像１６のコントラストを高く保持するよう に選択される。

グレアシールド１１２の面の品質を高くして、その残留筋または傷がシステム１ ０の光学性能に与える影響が最小限になるようにする。グレアシールド１１２と して適切なのは光学的に透明なプレートかニュートラルデンシティフィルタであ る。シールド１１２はカラーＣＲＴディスプレイ用のコントラスト増進フェイス プレートとして用いられるために開発されたジグイミアムガラスフィルタのよう なコントラスト増進フィルタ材料で製造することが望ましい。

イメージ源５４からの第１の面反射は、イメージ源５４の面をディスプレイ容器 の内部に傾け、またはそこに広帯域反射防止被覆を施すことによって最小限に抑 えられ、または除去される。デスプレイ容器の内部表面には光陽壁（図示されて いない）が設けられまた光吸収剤が塗布されており、周囲の反射をさらに小さく している。

上記により本発明によって、自動車内部の形態及び限定された有効スペースに適 合し、計器板の面を実質上越えた視線距離で、通常の自動車装置クラスタのコン トラストが高くシャープでまた快適な多色像を生成し、それによって計器装置の 読み取り性を促進し、運転者の目の緊張を最小限にする光学パワーを具備する安 価で大量生産が可能な表示システムが提供される。

本発明のいくつかの形態が図示されまた説明されているが、本発明の技術的範囲 を逸脱せずに色々な変形が可能であることは明らかである。

国際調査報告 一〇−−６＾−−−−胸・　釈ズ／ＵＳ　８８１０３０５５国際調査報告

Claims (39)

【特許請求の範囲】
1. （１）自動車に搭載され自動車計器装置用の表示を与えるためのイメージ源手段 と，この自動車内部の計器板を一般的な方向で自動車の運転者が観察することの できるこの表示の画像を与えるための光学イメージング手段とを備えた自動車用 実像表示システムにおいて、前記光学イメージング手段が、前記表示の実像を運 転者と計器板間の距離よりも大きな視界距離で生成するための非球面光学手段を 具備している実像表示装置。
2. （２）前記非球面光学手段は非球面ミラーを具備している請求の範囲第１項記載 の装置。
3. （３）前記非球面ミラーは非球面プラスチック基板上の金属反射被覆を有してい る請求の範囲第２項記載の装置。
4. （４）前記実像は前記表示の拡大像である請求の範囲第１項記載の装置。
5. （５）前記視界距離が運転者から約４乃至１２フィートである請求の範囲第１項 記載の装置。
6. （６）運転者の位置の前方に計器板が設置されている自動車用の計器装置表示シ ステムにおいて、前記表示システムは、前記自動車に設けられて自動車の計器装 置の表示を与えるためのイメージ源手段と、このイメージ源手段と前記運転者の 位置の間にあって運転者が前記運転者の位置で前記計器板を越えて見ることがで きる前記表示の実像を生成するための非球面光学イメージング手段とを具備して いる装置表示システム。
7. （７）前記非球面光学イメージング手段が非球面ミラーを具備する請求の範囲第 ６項記載の装置。
8. （８）前記非球面光学イメージング手段が前記実像の収差を減少させるような形 態の非球面光学表面を具備する請求の範囲第６項記載の装置。
9. （９）前記非球面光学イメージング手段は前記実像を見る前記運転者の目の間の 垂直差異を減少させる形態の非球面光学表面を具備している請求の範囲第６項記 載の装置。
10. （１０）前記非球面光学イメージング手段は前記実像のフィールド曲率を減少さ せる形態の非球面光学表面を具備している請求の範囲第６項記載の装置。
11. （１１）前記非球面光学イメージング手段は前記イメージ源手段と前記非球面光 学イメージング手段の間の光学パスの長さを減少させる形態の非球面光学表面を 具備している請求の範囲第６項記載の装置。
12. （１２）前記実像が前記表示の拡大像である請求の範囲第６項記載の装置。
13. （１３）前記非球面光学イメージング手段は光学パワーが供給される請求の範囲 第６項記載の装置。
14. （１４）前記実像は約４乃至１２フィートの視界距離で前記運転者が観察可能で ある請求の範囲第６項記載の装置。
15. （１５）前記イメージ源手段は予め歪めて前記非球面光学イメージング手段に元 々ある歪みを補償している請求の範囲第６項記載の装置。
16. （１６）前記イメージ源手段が小型液晶ディスプレイから成ることを特徴とする 請求の範囲第６項記載の装置。
17. （１７）前記イメージ源手段から離れて設けられこのイメージ源手段を照明する ための照明手段と、この照明手段から前記イメージ源手段へ光を伝える光ファイ バ束を具備している請求の範囲第６項記載の装置。
18. （１８）前記イメージ源手段を照明するための照明手段と、この照明手段とイメ ージ源手段との間に設けられてこのイメージ源手段を照明する照明手段からの光 を拡散するためのホログラフ拡散スクリーンをさらに具備している請求の範囲第 ６項記載の装置。
19. （１９）前記非球面光学イメージング手段と前記運転者の位置の間に設けられた 球面グレアシールドをさらに具備し、このグレアシールドが光学軸とある角度で 傾斜し前記イメージ源手段からの周囲の光の反射を方向付ける請求の範囲第６項 記載の装置。
20. （２０）対象物情景を与えるイメージ源手段と、前記イメージ源手段からの光を 軸から離れた角度でアイモーションボックスへ偏移させ、前記イメージ源手段と このアイモーションボックス源の間の光学バスの長さよりも大きな視界距離で前 記対象物の情景の拡大実像を生成する動力付き非瞳孔形成非球面ミラーを具備し ており、前記対象物の情景に前記イメージ源手段で予め歪みを持たせ前記軸から 離れた角度による歪みを補償する光学表示システム。
21. （２１）前記イメージ源手段がセグメント化された液晶ディスプレイから構成さ れている請求の範囲第２０項記載の装置。
22. （２２）前記イメージ源手段がカラー液晶ディスプレイを具備している請求の範 囲第２０項記載の装置。
23. （２３）前記イメージ源手段は受動イメージ源から成り、さらにこの受動イメー ジ源から離れて設けられ受動イメージ源を照明する照明手段と、この照明手段か ら受動イメージ源に光を伝える光ファイバ束を具備する請求の範囲第２０項記載 の装置。
24. （２４）前記受動イメージ源が液晶ディスプレイを具備し、前記照明手段が白熱 電球を具備している請求の範囲第２３項記載の装置。
25. （２５）前記受動イメージ源が液晶ディスプレイを具備し、前記光フアイバ束が 前記液晶ディスプレイに背後から照明を与えるように構成されている請求の範囲 第２３項記載の装置。
26. （２６）前記光ファイバ束は前記液晶ディスプレイの後方の複数の離間した端部 に終端し、各々が液晶ディスプレイを照明している請求の範囲第２５項記載の装 置。
27. （２７）前記照明手段と前記光ファイバ束の間に設けられて照明手段からの光を 集め前記光ファイバ束の入り口開口部に焦点を結ばせる照準および集光装置をさ らに具備している請求の範囲第２５項記載の装置。
28. （２８）前記イメージ源手段は受動イメージ源を具備し、さらにこの受動イメー ジ源を照明する照明手段と、この照明手段と前記受動イメージ源の間に設けられ て前記イメージ源手段を照明する照明手段からの光を拡散させるホログラフ拡散 手段を具備している請求の範囲第２０項記載の装置。
29. （２９）前記イメージ源からの光を前記非球面ミラーの入り口開口部に向けるた めのホログラフ方向性拡散手段を具備している請求の範囲第２０項記載の装置。
30. （３０）前記ホログラフ拡散手段が伝達ホログラムを具備している請求の範囲第 ２８項記載の装置。
31. （３１）運転者の位置の前に計器板が設けられている自動車のための実像表示シ ステムであって、前記計器板に設けられ自動車の計器装置の表示をするためのイ メージ源手段と、前記計器板の運転者の位置から見える範囲内で設けられ、前記 運転者の位置にある運転者が前記計器板より越えて見ることができる前記ディス プレイの実像を生成する動力付き光学イメージング手段を具備しているシステム 。
32. （３２）前記光学イメージング手段が非球面光学面を具備している請求の範囲第 ３１項記載の装置。
33. （３３）前記イメージ源から離れ前記計器板の開口側に近接して設けられ前記イ メージ源手段を照明する照明手段と、前記照明手段から前記イメージ源手段に光 を伝達する光ファイバ束手段を具備する請求の範囲第３１項記載の装置。
34. （３４）対象物情景を与えるための受動イメージ源手段と、この受動イメージ源 手段を照明するための照明手段と、前記対象物情景のイメージを与える光学イメ ージング手段と、前記イメージ源手段と照明手段の間に設けられて受動イメージ 源手段を照明する前記照明手段からの光を拡散するホログラフ拡散手段とを具備 している光学表示システム。
35. （３５）前記ホログラフ拡散手段が伝達ホログラムを備えている請求の範囲第３ ４項記載の装置。
36. （３６）前記ホログラフ拡散手段が前記受動イメージ源手段から前記光学イメー ジング手段の入り口開口部に光を向ける方向性拡散手段を具備している請求の範 囲第３４項記載の装置。
37. （３７）前記受動イメージ源手段が液晶ディスプレイパネルを備え、前記ホログ ラフ拡散手段がこの液晶ディスプレイパネルの後部に積層された拡散スクリーン を備えている請求の範囲第３４項記載の装置。
38. （３８）自動車に設けられて自動車の計器装置を表示するイメージ源手段と、自 動車内部の計器板を一般的な方向で自動車の運転者が観察する前記表示のイメー ジを与える光学イメージング手段とを具備した自動車用の実像表示システムにお いて、前記光学イメージング手段内に前記運転者と前記計器板の間よりも長い視 界距離で前記表示の拡大イメージを生成する動力付き光学手段を具備しているシ ステム。
39. （３９）運転者の位置の前に計器板の設けられた自動車用計器装置表示システム であって、前記自動車内に設けられて自動車用計器装置の表示を与えるイメージ 源手段と、前記イメージ源手段と前記運転者の位置の間に設けられて前記運転者 の位置にある運転者が前記計器板より先に見える前記表示の実像を生成する動力 付きの光学イメージング手段とを具備するシステム。