JPH1082969A - 二重ｐｄｌｃ投影ヘッドアップ表示装置 - Google Patents

二重ｐｄｌｃ投影ヘッドアップ表示装置

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JPH1082969A
JPH1082969A JP9118501A JP11850197A JPH1082969A JP H1082969 A JPH1082969 A JP H1082969A JP 9118501 A JP9118501 A JP 9118501A JP 11850197 A JP11850197 A JP 11850197A JP H1082969 A JPH1082969 A JP H1082969A
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light
pdlc
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light beam
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JP9118501A
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English (en)
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J David Margerum
ジェイ・デイビッド・マージラム
John H Erdmann
ジョン・エイチ・アードマン
Khoon-Cheng Lim
− チェン・リム クーン
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Raytheon Co
Original Assignee
Hughes Aircraft Co
HE Holdings Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、周辺光の影響を受けずに明るく高
いコントラストの可視虚像を提供するヘッドアップ表示
装置の光学系を得ることを目的とする。 【解決手段】 焦点を結ぶ光ビーム14を生成する光源シ
ステム12と、その光ビーム14が投影されるセグメント化
されポリマー分散された液晶型の薄膜を含み、光ビーム
の一部分を透過し、光ビームの残りを散乱し、それによ
って透過される光24および散乱される光に光ビーム14を
分割し、透過された光24が実像を構成しているイメージ
源16と、散乱された光を遮断し、実像の光28を透過する
光遮断システム22と、透過された実像が投影される均一
なセグメント化されていないポリマー分散された液晶型
の薄膜を含んでいるイメージスクリーン30と、実像を虚
像として投影するための投影装置34とを具備しているこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に光学的に投
影するヘッドアップ表示イメージの技術分野に関するも
のであり、特にヘッドアップ表示イメージを投影するた
めに２つのポリマー分散された液晶（ＰＤＬＣ）型の薄
膜を使用する光学系の使用法に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車産業界において、選択された自動
車に配備されるいわゆる“ヘッドアップ表示装置”が特
徴の１つとなっている。典型的に、ヘッドアップ表示投
影システムは、自動車用電子システムによって中継され
るような自動車の操作および位置に関する情報を与える
虚像をドライバーに提供する。一般に、虚像は自動車の
フロントバンパーを越えてドライバーの頭部からほぼ２
ｍの場所に焦点を結ばれる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】市販のヘッドアップ投
影表示装置は、システム中のイメージ源として真空蛍光
表示装置（“ＶＦＤ”）を使用する（例えば、T.C.Goes
ch氏による"Head-up Displays Hit the Road",Informat
ion Display,7 & 8/1990,pp.10-13 を参照されたい）。
ツイストネマチック液晶表示装置（“ＴＮ−ＬＣＤ”）
（例えばK.Horikiri氏他による"A Head-up Display for
Automotive Use",Proceedings of the SID,28,1987,p
p.287-290を参照されたい）、薄膜電気ルミネセンス
（“ＴＦＥＬ”）表示装置（例えばD.E.Flechsig氏他に
よる"Edge-emitter TFEL Head-up Display for Automot
ive Use",SID 95 Applications Digest,1995,pp.73-74
を参照されたい）、および発光ダイオード（“ＬＥ
Ｄ”）表示装置を含む他のいくつかのイメージ源が提案
されている。一般に航空機パイロット用のヘッドアップ
表示装置は光結合器からの反射を使用するが、自動車用
のものは通常ドライバーによって観察される虚像のため
に風防からの反射を使用する。これらの自動車用表示装
置において、風防の低い反射効率は光結合器として作用
し、また高い強度の周辺光の存在によってドラスバーは
比較的低い輝度で低いコントラストのイメージを観察す
る。虚像の周辺に太陽光が存在することにより、情報は
色あせて見えかつ“色落ちする(washes out)”。この問
題を改善するためにより明るい虚像が風防上に必要とさ
れる。別の問題は、イメージ素子がオンに切替えられる
か否かにかかわらず、太陽光がある角度でヘッドアップ
表示光学系に入射し、かつＶＦＤにおけるような発光源
のイメージ素子から風防上に反射することができること
である。このために、ドライバーは誤った情報を観察す
るか、或は真の情報を認識することが困難になる可能性
が高い。
【０００４】したがって、光学系の外側および内側の両
方に高い強度の周辺光が存在する場合に、信頼性の高い
情報を含む明るく高いコントラストのヘッドアップ表示
イメージを生成することのできる光学系が依然として必
要とされている。新しい光学系は、廉価で製造し易く、
自動車設計中に取り込み易いことが必要とされる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明によると、光学系
のイメージ源を照射した太陽光によって劣化されず、か
つ明るい周辺光が存在している状態で虚像として容易に
観察される明るく高いコントラストのヘッドアップ表示
イメージを生成する光学系が提供される。さらに、この
ようなヘッドアップ表示イメージを生成する方法が提供
される。本発明は、一方が中間調による可変的な主要イ
メージ源として、また他方がヘッドアップイメージ源の
ような可変的な拡散スクリーンとして使用される２つの
電子的に可変的なポリマー分散された液晶（“ＰＤＬ
Ｃ”）型の薄膜の使用法を組合わせたものである。それ
らの光散乱状態において、これらのＰＤＬＣ型の薄膜は
それぞれ入射光を主として前方方向（すなわち、入射光
のおよそ共通した方向）に散乱する。それらの透明状態
において、これらの薄膜は容易に感知できる程入射光を
散乱しない。特に本発明の光学系は、（ａ）明るく、焦
点を結ぶことのできる光ビームを放射することができる
光源システムと、（ｂ）焦点を結んだ光ビームが投影さ
れるＰＤＬＣ型の薄膜用の電子的にアドレス可能なセグ
メントすなわち画像素子（画素）を含んでおり、焦点を
結んだ光ビームの一部分を透過し、かつ焦点を結んだ光
ビームの残りのものを散乱し、透過された光が実像を構
成しているイメージ源と、（ｃ）散乱された光を遮断
し、また実像を透過することのできる光遮断手段と、
（ｄ）透過された実像が投影され、この投影されたイメ
ージが別の実像のために投影されるセグメント化されて
いない、または均質なＰＤＬＣ型の薄膜を含むイメージ
スクリーンと、（ｅ）虚像として実像を投影する投影手
段とを具備している。
【０００６】ＰＤＬＣ型のイメージ源は、多重化するこ
とによって、或は活性マトリクストランジスタ素子によ
ってアドレスされる基体透明電極（例えばＩＴＯ）によ
って光散乱状態と透過状態との間で電子的に切替えられ
ることができる多様な種類の液晶／ポリマー合成薄膜か
ら選択される。適切に使用されるＰＤＬＣ薄膜のタイプ
には、例えば正常モードのＰＤＬＣのようなオフ状態散
乱薄膜、正常モードのポリマー安体化されたコレステリ
ック構造（“ＰＳＣＴ”）、ネマチック曲線整列された
位相（“ＮＣＡＰ”）、およびリバースモードのＰＳＣ
Ｔのようなオフ状態透明薄膜が含まれている。それらが
完全に散乱した状態より散乱度の低い中間調のイメージ
を実現するためにこれらのＰＤＬＣ型の薄膜に対して中
間電圧が印加されることができる。
【０００７】ＰＤＬＣ型のイメージ源によって透過され
た光は、開口迷光遮断システムによって透過され、投影
レンズによってＰＤＬＣイメージスクリーン上に実像と
して投影される。ＰＤＬＣ型のイメージスクリーンは、
スクリーン全体の光散乱度が電子的に調節されることの
できる種々の液晶／ポリマー混合薄膜から選択される。
これは、虚像投影手段によって虚像として風防上に投影
されたヘッドアップ表示実像の輝度を微同調するために
使用される。
【０００８】ＰＤＬＣ型のイメージ源によって散乱され
た光は、光遮断システムによって光学系から除去され
る。光遮断システムは、実像を投影するためにランプの
イメージ位置に配置された開口および少くとも１つの集
束レンズを含んでいる。その代わりとして、さらに複雑
なシュリーレン型の光学系もまた光遮断システムに対し
て選択されることができる（例えば、J.Eschler 氏他に
よる"Liquid Crystal Light Valves for Schlieren Opt
ical Projection",Displays,16,35-38(1995)を参照され
たい）。
【０００９】したがって、正常モードのＰＤＬＣ薄膜に
より本発明の実施形態において、光源から穏やかにコリ
メートされた、或は焦点を結ばれた光がＰＤＬＣイメー
ジ源の付勢されたセグメントを通過する一方で、イメー
ジ源の付勢されていないセグメントに入射した光が光遮
断システムによって散乱されて除去される。ＰＤＬＣイ
メージ源を透過された光は、ヘッドアップ表示イメージ
源として機能するＰＤＬＣイメージスクリーン上に投影
される。ミラーまたはレンズの形態の投影手段は、虚像
として観察するための所望の位置に、自動車の場合は典
型的に風防であるＰＤＬＣイメージスクリーンによって
提供されたイメージを伝達する。
【００１０】上述された透過タイプのＰＤＬＣイメージ
源に加えて、別の反射性ＰＤＬＣイメージ源もまた使用
されることができる。電気的にアドレス可能なセグメン
トを備えたＰＤＬＣ薄膜は、反射ミラーの前方に配置さ
れている。ＰＤＬＣ薄膜は、その正常モードにおいて入
射した光ビームを前方および後方に強く散乱し、ミラー
はその光にほとんど影響されない。セグメントがアドレ
スされている時、それはアドレスされたセグメントを通
って光ビームを透過し、その後光ビームはミラーによっ
て反射されて再びセグメントを通って戻る。アドレスさ
れたセグメントを通った反射された光ビームは、投影レ
ンズ用のイメージ源（アドレスされたセグメントのパタ
ーンでの実像）を形成する。残りの光学系は、上述され
た透過性のタイプに類似している。この光学系は、さら
にコンパクトな光学系を実現するために光路を折り返す
という付加的な利点を有している。
【００１１】本発明は、ＶＦＤベースおよびＬＥＤベー
スのヘッドアップ表示システムにまさるいくつかの利点
を提供する。第１に最も重要なのが、ＰＤＬＣ型のイメ
ージ源とＰＤＬＣ型のイメージスクリーンとの組合わせ
が、太陽光のヘッドアップ表示源への入射により知覚で
きる悪影響を受けないヘッドアップ表示システムを生成
することである。これは、表示素子が太陽光への露出時
に誤った情報を提供する表示素子がないようにセグメン
ト化されていないＰＤＬＣ型のイメージスクリーンを提
供することによって達成される。さらに、ＰＤＬＣ型の
イメージスクリーンは高度に前方散乱し、どの入射した
太陽光でもヘッドアップ表示イメージの方向と逆方向に
前方散乱され、それによって強い迷光が観察者の目の中
に反射することを防止する。最後に、本発明の実施形態
において実現されたヘッドアップ表示虚像は、非常に強
い太陽光の下でも明るく観察可能である。
【００１２】この光学系は、その素子が一般的で入手可
能であるため容易に組立てられることができることが重
要である。また、その設計は簡単であるため、特定の車
両設計に容易に修正可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下の詳細な説明および添付図面
から本発明のこれらおよび別の特徴および利点が当業者
に明らかになるであろう。なお、同じ参照符号は同じ素
子を示すものである。本発明の光学系は、ヘッドアップ
表示可視イメージまたはＰＤＬＣ型のスクリーンを太陽
光線に直接露出することによる悪影響を受けない高い輝
度およびコントラストのヘッドアップ表示装置を生成す
るために高度に前方散乱しているＰＤＬＣ型のスクリー
ンとＰＤＬＣ型のイメージ源を組合せる。
【００１４】図１は、本発明の光学系10の１実施形態を
示す。一般に、光源12からの光はレンズ18によって焦点
を結ばれ、焦点を結ばれたビーム14を形成し、これは迷
光遮断開口22に焦点を結ばれる。ＰＤＬＣイメージ源16
は、レンズ18と開口22との間に配置されている。ＰＤＬ
Ｃイメージ源16は、電子的にアドレス可能なセグメント
または画像素子（画素）から構成された平坦なＰＤＬＣ
パネルであり、それはアドレスされた時に実像源として
動作する。その後迷光遮断開口22を通過したビーム24
は、その前方透過強度を変えるために、パネル全体にわ
たって均一に電子的にアドレス可能な第２のＰＤＬＣ薄
膜平坦パネルイメージスクリーン30上にレンズ26によっ
て実像を含むビーム28として投影される。実像から前方
散乱された光は、イメージスクリーン30上にイメージを
形成し、その後それは凹面鏡34によってここからビーム
32として投影され、虚像を形成する。凹面鏡34から投影
された光は、ガラス板38（実際に自動車の風防である）
によって観察者40の視線の中に部分的に反射され、虚像
36が観察者の前方にその視線に沿って外側の情景に重な
った状態で形成される。
【００１５】図２は、図１を少し変更した図であり、光
学系10' の別の実施形態を示している。これは、（ａ）
もっと多くの光を投影凹面鏡34に集め、したがって凹面
鏡の収光率を高めるホログラフビーム成形装置46と、
（ｂ）光を均質化する光拡散装置45との組合わせを使用
する。
【００１６】図３は、光学系10''のさらに別の実施形態
を示す。図３に示された光学系は、さらに精巧なシュリ
ーレン光遮断光学系を含んでいる。図３は、シュリーレ
ン光遮断光学系の修正された形態を示す。ＰＤＬＣがそ
の透過状態の時にイメージを伝送するために開口が使用
されている。しかしながら、ここには示されていないも
っと一般的なシュリーレン光学系もまた使用されること
ができる。イメージ品質をさらに改良するために、必要
ならば、ホログラフビーム成形装置またはマイクロレン
ズアレイのいずれかであるビーム成形装置15が光学系に
おいて使用されることができる。
【００１７】レンズ、開口直径およびＰＤＬＣ薄膜特性
の適切な組合わせは、望ましくない光学系の光を除去
し、高いコントラストおよび高い光スループットを生成
する。以下、この光学系の各素子を続けて詳細に説明
し、次にＰＤＬＣ型のイメージ源20およびイメージスク
リーン30において使用されるＰＤＬＣ材料を説明する。
【００１８】光源12は、点光源に類似するように小さい
フィラメントを有するランプによって表されることがで
きる。適切に使用される光源の例には、（１）Ｇilway
社製のモデル番号Ｌ１０５１のような１０Ｗ乃至７５Ｗ
の、それ自身の集光レンズを有する小さいフィラメント
ハロゲンランプ、（２）Ｇeneral Ｅlectric 社製の高
い強度の放電灯、および（３）キセノンランプが含まれ
る。キセノンランプは、本発明の実施において使用され
ることが好ましい。
【００１９】集光レンズ18は、ランプ12から光エネルギ
を収集して焦点を結び、ＰＤＬＣ型のイメージ源16の付
勢されたセグメントを通過する（“正常モード”で動作
された時）集束ビーム14にする。集光レンズ18は、約１
乃至２のＦストップおよび約４ｃｍの典型的な焦点距離
を有していることが好ましい。光源12および集光レンズ
18は一緒に図１に示された光学系10の“焦点を結ばれた
光ビーム源”を表している。焦点を結ばれた光ビーム源
は、図３に示されているような素子の別のもっと複雑な
装置を含んでいてもよいことに注目すべきである。
【００２０】集束ビーム14がＰＤＬＣ型のイメージ源16
を通過した後、それはランプのイメージ位置に配置され
た開口22を通過する。典型的に１ｃｍ以下の開口の穴の
寸法は、ほぼランプイメージの寸法である。開口は、焦
点を結ばれたビーム14を全て透過し、散乱されたビーム
（示されていない）のほとんど全てを遮断し、投影され
たイメージのコントラスト比を高める。
【００２１】第２の集束レンズ26は、典型的に３ｃｍ×
６ｃｍの寸法を有するＰＤＬＣ型のオブジェクトを投影
して、ＰＤＬＣイメージ源16のように正常モードＰで動
作されることのできるＰＤＬＣ型のイメージスクリーン
30上に実像を形成する。集束レンズ26により達成される
実像の拡大率は、ほぼ１：１乃至２：１である。集光レ
ンズ26は、１．５乃至２．５の範囲のＦストップおよび
約８ｃｍの焦点距離を有する。
【００２２】集束レンズ18、開口22の直径およびレンズ
26（ここではまとめて“光遮断手段”と呼ぶ）に関する
選択は、高い光スループットおよび高いコントラストを
実現するために重要である。レンズ／開口の組合わせは
主としてイメージ源20から生じない光を排除するように
機能する。等しく重要なのは、イメージ源16によって透
過された光を排除または散乱することを回避し、その後
イメージスクリーン30上にこのような光をきれいに投影
するレンズ／開口の組合わせの性能である。ＰＤＬＣ型
のイメージ源とＰＤＬＣ型のイメージスクリーンとの間
の距離並びにこれら２つの素子の方向のような要因は適
用ごとに変動するため、レンズ／開口の組合わせの設計
は、実験によって補足される既知の光学計算を使用して
調整されなければならない。
【００２３】特に、本発明の実施形態において選択され
たレンズと開口直径との組合せは、輝度とコントラスト
との間で妥協を行なうために変化されることができる。
理想的には、非常に小さい穴の寸法の開口22（約０．０
１ｃｍの回折制限された寸法に近い）と組合わせられた
強力な点光源ランプ12が高いコントラストおよび高い輝
度の投影イメージを生成する。しかしながら、ランプ光
源の限定された寸法のために、コントラスト比と強度と
の間で妥協が為され、大きい開口の穴の寸法は投影され
たイメージの強度を増加させるが、コントラスト比は低
下し、かつ逆の場合も可能である。さらに精巧なシュリ
ーレン光学系は、光学的な複雑性の増加によるコストの
増加はあるがコントラスト比および強度の両方を増加す
るために使用されることができる。図１に示されたこの
投影システムは、コントラスト比ＣＲ〜１０乃至５０を
有する。そのＣＲ性能は、ＴＮネマチック投影システム
に匹敵する。特定の用途に適したレンズおよび開口直径
の組合わせを決定するための実験は、当業者の有する能
力の範囲内で十分な慣例的な試みであり、無理なく行な
うことのできるものと考えられる。
【００２４】ＰＤＬＣ型のイメージスクリーン30は、ヘ
ッドアップ表示装置可視イメージ源として機能し、ＶＦ
ＤベースおよびＬＥＤベースのシステムにおいて認めら
れるような通常のヘッドアップ表示装置の他の発光源を
置換する。したがって、イメージスクリーン30上の実像
は、さらに投影される実像オブジェクトとして機能す
る。イメージスクリーン30は、高度に前方散乱し、典型
的に投影手段34を満たす散乱された光の錐体として高い
パーセンテージ（約８０％）の入射光を透過するように
設計される。このヘッドアップ投影システムに入って来
る迷光の太陽光は、イメージ源と逆方向にＰＤＬＣ型の
イメージスクリーン30を通って前方散乱され、それによ
って太陽光が観察者の目40の中に反射することを防止す
る。さらに、ＰＤＬＣ型のイメージスクリーン30は、Ｖ
ＦＤおよびＬＥＤベースのヘッドアップシステムにおい
て発生する可能性のある太陽光への露出時に誤った情報
を与える表示要素のない均一なスクリーンである。この
二重ＰＤＬＣ型の光学系において偏光装置は使用されて
いないため、イメージスクリーン30を通過した光度は、
典型的な同じ光源を使用するＴＮ−ＬＣＤからのイメー
ジ源よりはるかに（２倍以上）明るい。
【００２５】投影手段34は風防38上に虚像を投影し、こ
の風防38は観察者40の視線中に虚像36を反射する光学結
合器として機能する。したがって、投影手段34の主要な
目的は、ＰＤＬＣ型のイメージスクリーン30から生じた
光32を反射して、適切な観察位置に虚像36を形成するこ
とである。観察者40は、投影された虚像36が投影システ
ムの光路長によって決定された距離の地点に風防38を通
って投影されたかのように知覚し、その距離は約２ｍ乃
至１０ｍの範囲である。したがって、虚像は自動車の前
方において観察者の視線に沿って情景上に重畳され、ま
た自動車の速度の数値としてこのような情報を含んでも
よい。風防38は多重反射からの二重イメージ効果を取除
くためにくさび形にされることができることに注目すべ
きである。
【００２６】観察者によるクリアな観察ができる虚像を
投影するために、投影手段34は本発明の特定の適用に対
して選択されなければならない。投影手段34の焦点距離
ｆは、対物距離ｄ（ほぼダッシュボードの内側の利用可
能な寸法に限定される）、および要求される虚像距離ｉ
との関連で決定される。対物距離ｄは、イメージスクリ
ーン30と投影手段34との間の距離であり、一方虚像距離
ｉはイメージ36から観察者40までの合計距離である。３
つの量は、よく知られた式１／ｄ＋１／ｉ＝１／ｆで関
連している。実際的な例として、ある者にとって５ｍの
虚像距離が快適である場合、ダッシュボードの寸法は約
０．２ｍであり、対物距離ｄ（ダッシュボードの寸法に
よって制限される）もまた０．２ｍであると仮定する
と、上記の式は焦点距離ｆ＝０．１９ｍを有する凹面鏡
を生成する。投影手段34は、典型的に約１乃至２の範囲
のＦストップおよび約１０乃至５０ｃｍの焦点距離を有
する凹面鏡を含んでいる。
【００２７】上記の素子の量的仕様および寸法は、ラン
プ12と凹面鏡34との間の全体のビーム通路距離が約５０
ｃｍであり、したがって完全なシステムがダッシュボー
ドの内側に取付けられるように十分にコンパクトである
ように選択されることに注目すべきである。
【００２８】ＰＤＬＣ型のイメージ源16およびＰＤＬＣ
型のイメージスクリーン30の両者は、電圧制御される散
乱レベルを有している。イメージ源20の非散乱セグメン
トまたは画素は、主要イメージを十分なコントラストで
形成するために使用され、一方中間電圧でイメージ源20
のセグメントまたは画素は中間調の主要イメージに対し
て使用されることができる。イメージスクリーン30の電
圧制御された散乱レベルは、虚像36の強度を微同調する
ために使用されることができ、これはもっと低い光の強
度が夜間の動作に対して要求された場合に有効である。
【００２９】定義すると、本発明のイメージ源16および
イメージスクリーン30を含むＰＤＬＣ型の薄膜は液晶材
料を含んでいる。一般に液晶は、方向性配列で存在する
特定の構造のロッド状の分子を含み、多数の分子が互い
に関して整列されている。表示装置において使用される
基本的な液晶セルにおいて、液晶は、それが選択された
方法で方向付けられるように透明な導電性材料の２つの
シート間に配置される。電界を与えた時、液晶分子は別
の状態に方向性を変えられる。この方向性の変化は、典
型的にセルを通過させられた偏光された光の偏光方向ま
たは位相を制御するために使用される。このような方法
において、液晶の連続した薄膜は電極の間に挟まれてい
る。
【００３０】ＰＤＬＣ型の薄膜は、導電性材料の２つの
シートの間において使用されることのできる別の液晶成
分を表している。ＰＤＬＣ型の薄膜において、液晶材料
は、複合材料を形成するポリマーと共に分散される。Ｐ
ＤＬＣ型の薄膜は、使用される材料および形成方法に応
じて種々のタイプの形態を有することができる。ネマチ
ック曲線整列された位相（ＮＣＡＰ）の薄膜は、ポリマ
ーマトリクスによって包囲された液晶小滴から構成さ
れ、液晶小滴およびポリマーを含む乳濁液からの溶媒の
蒸発によって形成される（例えば、Ｊ．Ｌ．Ｆergason
氏による米国特許第 4,435,047号明細書を参照された
い）。これらは、オフ状態で散乱しており、また印加さ
れた電圧により透明にされる正常モードのＰＤＬＣ型の
薄膜である。本発明の実施形態において適切に使用され
たＰＤＬＣ薄膜のサンプルは、Ｅdmund Ｓcientific 社
（Barrington,NJ.）から入手できる。正常モードのＰＤ
ＬＣ薄膜は、熱的に誘起された重合中の液晶小滴の重合
誘起位相の重合可能な溶液からの分離によって、或は紫
外線露光によって形成される（例えば、J.W.Doane 氏他
による米国特許第 4,688,900号明細書およびN.A.Vaz 氏
他による米国特許第 4,728,547号明細書を参照された
い）。
【００３１】リバースモードのＰＤＬＣは、オフ状態で
透明であり、印加された電圧により散乱され、また液晶
および二管能モノマー混合物を含む溶液の紫外線硬化に
よって形成される（例えば、J.Wang氏による米国特許第
5,270,843号明細書を参照されたい）。ポリマー安定化
されたコレステリック構造（ＰＳＣＴ）は、少量のチラ
ルネマチック添加物を含むネマチックから構成された液
晶混合物（９０−９８％）の存在において少量の二管能
モノマー（２−１０％）の紫外線重合によって形成され
る。成分および硬化条件を変化することによって、ＰＳ
ＣＴネットワーク混合物は、正常モード（オフ状態で散
乱し、オン状態で透明）および電圧が印加された後自発
的にリバーシブルであるリバースモード（オフ状態で透
明であり、オン状態で散乱する）の両方で形成されてい
る（例えば、M.Pfeiffer氏他による1994 International
Symposium of the SID,pp837-840 を参照されたい）。
【００３２】本発明の実施形態において、前方散乱状態
と透明状態との間で電子的に切替え可能であり、また電
圧が除去された時にその最初に状態に戻る任意の通常の
処理をされたＰＤＬＣ型の薄膜が使用されてもよい。こ
れは、ＰＤＬＣ、ＮＣＡＰ、ゲルまたはネットワークＰ
ＤＬＣ、ＰＳＣＴ等と呼ばれている薄膜を含む。しかし
ながら、本発明のこの実施形態では使用される最適なＰ
ＤＬＣ型の薄膜は、投影光に対する光安定性、動作およ
び貯蔵温度範囲、セグメント化されたまたは活性マトリ
クス基体をアドレスするために必要とされる動作電圧、
透明状態の透明度、散乱状態の光散乱特性、付勢された
状態と付勢されていない状態との間を切替える応答時
間、および電子基体上の薄膜を処理する費用のような要
因の組合わせによって決定される。
【００３３】主要イメージ源16に対して、セグメントア
ドレスされたシンボル、文字および数により基体を使用
した場合には、正常モードのＰＤＬＣまたは正常モード
のＰＳＣＴが好ましい。それは大きい電圧の使用は通常
高度に散乱するＰＤＬＣ型の薄膜をアドレスするのにこ
のタイプの基体で実行可能なためである。しかしなが
ら、リバースモードのＰＳＣＴは、低い付勢電圧と共に
透明状態で高い光透過率という利点を有し、これは制限
された電圧を有する活性マトリクス基体にとって好まし
い。長期間の光安定性もまた非常に重要であるため、紫
外線硬化によって形成された薄膜と共重合可能なイニシ
エーターを使用することが好ましい（例えば、J.D.Marg
erum氏他による文献“Liquid Crystals ”14,pp.345-35
0(1993) を参照されたい）。以下、イメージ源20に対し
て適切に使用された好ましいＰＤＬＣ型の薄膜の３つの
限定的でない例を示す。
【００３４】例１−市販の素子による正常モードのＰＤ
ＬＣ ポリマー分散された液晶薄膜は、ＴＬ−２０５液晶混合
物の８０重量％に対して２０重量％のＰＮ−３９３モノ
マーシステムの割合で２つの市販の素子（Merck Ltd.社
製）の混合物から室温で処理された。等方性の液晶／モ
ノマー混合物は、表面整列層なしで、５０μｍの厚さの
マイラースペーサシートによって分離された２つの透明
な酸化錫インジウム（ＩＴＯ）被覆されたガラス板の間
に配置された。液晶小滴の位相分離は、３００乃至４０
０ｎｍの波長範囲の１７ｍＷ／ｃｍ2 の光強度で全体で
１５分のＵＶ露光により、光重合の最初の６秒内に始ま
った。このＰＤＬＣ薄膜により最大透過率を達成するた
めに必要とされる動作電圧は≧５０Ｖｒｍｓである。
【００３５】例２−共重合可能なイニシエーターによる
正常モードのＰＤＬＣ ３５％の液晶ＨＲＬ−ＰＤ５０、６３％のモノマーシス
テムＨＲＬ−ＵＲＣ、および２％の共重合可能なイニシ
エーターＺＬＩ−３３３１からなる光重合可能な溶液の
露光（３分間の３００乃至５００ｎｍの波長範囲におけ
る６０ｍＷ／ｃｍ2 ）で透明な電極（１つの電極がアド
レス可能なセグメントのパターンを含んでいるガラス上
の酸化錫インジウム）の間に１３μｍの厚さのＰＤＬＣ
薄膜が形成された。ＨＲＬ−ＰＤ５０は、シアノビフェ
ニール、シアノフェニルシクロヘキサンおよびシアノト
リフェニル成分を含む特許登録された液晶混合物であ
る。ＨＲＬ−ＵＲＣは、１．６のＳＨ／Ｃ＝Ｃ比を生じ
るように混合されたトリ−３−メルカプトプロピオネー
ト（Ａldrich Ｃhemical 社製）および多機能ビニルウ
レタン（市販されていない）の特許登録されたモノマー
混合物である。ＺＬＩ−３３３１は、Ｍerck社製の４
（２−アクリルオキシエトキシ）フェニル２−ハイドロ
キシ−２−プロピルケトンであり、市販されていない。
【００３６】例３−市販の成分によるリバースモードの
ＰＳＣＴ リバースモードのポリマー安定化されたコレステリック
構造（ＰＳＣＴ）のサンプルは、活性マトリクスアドレ
スされたＰＤＬＣ（ＡＭ−ＰＤＬＣ）のために開発され
た高い抵抗率の液晶混合物を使用する活性マトリクス投
影表示装置において使用するために製造された。ＰＳＣ
Ｔ混合物は、９３．１％のＴＬ−２０３液晶母体、１．
９％のＳ−２０１１コレステリック添加物、４．７％の
ＲＭ−６０反応性モノマー、および０．３％のＢＭＥ
（ベンゾインメチルエーテル）光イニシエーターから処
理された。最初の３つの成分はＭerck社製であり、ＢＭ
ＥはＡldrich Ｃhemical 社またはＰolyscience社から
入手可能である。１６μｍの厚さの予め封止された試験
セル（ポリマー球状スペーサによって制御された）がＩ
ＴＯ被覆された透明電極の間において処理され、ポリイ
ミド層で被覆され、液晶混合物の平行な表面の整列を生
じるように一方向に研磨された。液晶混合物は、真空充
填方法で試験セル中に導入された。ＰＳＣＴサンプル
は、３００乃至４００ｎｍの波長範囲における０．０６
ｍＷ／ｃｍ2 の光強度で１１時間露光された。このＰＳ
ＣＴセルは、１８Ｖｒｍｓで十分に使用可能であった。
【００３７】ＰＤＬＣ型のスクリーン30に対して、前方
散乱された光の高い透過率を有する正常モードのＰＤＬ
Ｃが好ましい。この条件は、ＰＤＬＣセルの厚さ、小滴
の寸法（例えばJ.D.Margerum氏他による米国特許第 4,9
38,568号明細書を参照されたい）、および、または組成
中の小滴の予備整列（例えば、A.M.Lackner 氏他による
米国特許第 4,944,476号明細書を参照されたい）を制御
することによって最もよく達成されることができる。以
下の内容は、スクリーン30に対して適切に使用された好
ましいＰＤＬＣ型の薄膜の３つの限定的でない例であ
る。
【００３８】例４−市販の成分による正常モードのＰＤ
ＬＣ ポリマー分散された液晶薄膜は、８０重量％のＴＬ−２
０５液晶混合物に対して２０重量％のＰＮ−３９３モノ
マーシステムの比で２つのＭerck社製の成分の混合物か
ら室温で処理された。等方性液晶／モノマー混合物は、
表面整列層なしで、１３μｍの厚さのマイラースペーサ
シートによって分離された２つの透明なＩＴＯ被覆され
たガラス板の間に含まれた。液晶小滴の位相分離は、３
００乃至４００ｎｍの波長範囲の１７ｍＷ／ｃｍ2 の光
強度でＵＶ露光を全体で１５分間行なうことより、光重
合の最初の６秒内に始まった。このＰＤＬＣ薄膜により
最大透過率を達成するために必要とされる動作電圧は≧
２０Ｖｒｍｓである。
【００３９】例５−共重合可能なイニシエーターによる
正常モードのＰＤＬＣ 例２で与えられた成分および条件により透明な電極（ガ
ラス上の酸化錫インジウム）の間に１０μｍの厚さのＰ
ＤＬＣ薄膜が形成された。
【００４０】例６−予備整列による正常モードのＰＤＬ
Ｃ ５０％の液晶ＢＬ０２４および５０％のモノマーＮＯＡ
−６５（Norland 社製）からなる光重合可能な溶液を２
００Ｗの水銀ランプにより露光（３分間３６５ｎｍの２
０ｍＷ／ｃｍ2 で）し、一方においてＰＤＬＣ薄膜にお
いて液晶小滴の部分的なオフ状態の予備整列を生じさせ
るように電極間に５Ｖ印加することよって、透明な電極
（ガラス上の酸化錫インジウム）の間に１３μｍの厚さ
のＰＤＬＣ薄膜が形成された。
【００４１】イメージ源およびイメージスクリーンを含
むＰＤＬＣ型の薄膜の材料の選択は、光源およびレンズ
／開口構造の選択がこのような品質に影響を及ぼす程で
はないが、本発明の実施形態において最終的に達成され
る輝度およびコントラストに影響を与えることに留意す
ることが重要である。
【００４２】投影されたイメージへのカラーの付加は、
特に高い情報内容を有するイメージにとって重要なオプ
ションである。カラーは、いくつかの既知の方法の１つ
によって投影されたイメージ36に含めることができる。
例えば、カラーは所望に応じてＰＤＬＣイメージ源16の
領域（セグメントまたは画素）上にカラーフィルタを配
置することによって投影されたイメージに付加されても
よい。その代わりに、ＰＤＬＣイメージ源16は、ＰＤＬ
Ｃ型の散乱状態で強く吸収し、かつ透明状態で弱く吸収
している多色ダイを含ませて製造されることができる。
カラーはまた、イメージスクリーン30の前方でカラーフ
ィルタ領域を使用することによって与えられてもよい。
太陽光がシステム10に入射し、イメージスクリーン30を
照明した場合、着色欠陥は生じない。これは、それが投
影光とは逆方向にカラーフィルタ上に太陽光を前方散乱
するためである。さらに、カラーフィルタは、イメージ
スクリーンの選択された位置に要求されたカラーを生成
するように第２の投影レンズ26とイメージスクリーン30
との間に戦略的に配置されることができ、したがって実
像の異なる部分が異なるカラーを帯びることができる。
【００４３】すでに開発された技術の変形は、二重ＰＤ
ＬＣ型の素子に加えて光学系10に含まれることができ
る。例えば、図２に示されているように、Ｐhysical Ｏ
ptics社（Torrance,California ）から入手可能な高度
に透過性のホログラフ光学素子45は、焦点を結ばれた光
ビーム光源12におけるフィラメントランプの出力を均質
化するためにランプとイメージ源20との間に位置される
ことができる。さらに図２に示されているように、ホロ
グラフビーム成形装置46は、ヘッドアップ表示イメージ
源の最適な使用を実現するためにＰＤＬＣ型のスクリー
ン30と投影手段34との間に含まれてもよい。本発明のさ
らに別の実施形態は、ヘッドアップ表示イメージ源の最
適な使用を実現するために投影ミラー34上に楕円散乱ビ
ームを形成するためにイメージスクリーン30として剪断
されたＰＤＬＣ薄膜を使用する（例えば、J.D.Margerum
氏他による"Addressing Factors For Polymer Disperse
d Liquid Crystal Displays",SPIE Proc.,1455,27-38(1
991)を参照されたい）。最後に、図３は修正された高い
コントラストのシュリーレン光学系がマイクロレンズ薄
膜および開口（注：開口はここでは一般的な光遮断バー
の代わりに使用されている）を使用する光遮断システム
（例えば、W.Glenn 氏他による"Efficient Liquid-Crys
tal Light Valves",SPIE Proc.2407,198-213(1995)を参
照されたい）として使用されている本発明の別の実施形
態を示している。
【００４４】以上、輝度およびコントラストの高いヘッ
ドアップ表示イメージを投影する一方で、従来技術にお
いて生じたような太陽光による悪影響を最小にするＰＤ
ＬＣ型のイメージ源およびＰＤＬＣ型のイメージスクリ
ーンを含む光学系を説明してきた。当業者が種々の変更
および修正を行なうことができることは明らかであり、
そのような変更および修正が全て添付された特許請求の
範囲によって限定された本発明の技術的範囲内にあると
みなされることを容易に理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるヘッドアップ表示装置イメージを
生成するために使用される光学系の素子を示す概略図。
【図２】本発明の光学系の別の実施形態を示した概略
図。
【図３】本発明の光学系の別の実施形態を示した概略
図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・エイチ・アードマン アメリカ合衆国、アリゾナ州 85044、フ ェニックス、エス・フォーティーシックス ス・ストリート 10024 (72)発明者 クーン − チェン・リム アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90034、ロサンゼルス、ナンバー112、ロー ズ・アベニュー 10711

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）焦点を結ぶことのできる光ビーム
    を生成することができる光源システムと、 （ｂ）前記焦点を結んだ光ビームが投影されるセグメン
    ト化されポリマー分散された液晶（ＰＤＬＣ）型の薄膜
    を含み、前記焦点を結んだ光ビームの一部分を透過し、
    前記焦点を結んだ光ビームの残りを散乱し、それによっ
    て透過される光および散乱される光に前記焦点を結んだ
    光ビームを分割し、前記透過された光が実像を構成して
    いるイメージ源と、 （ｃ）前記散乱された光を遮断し、前記実像を透過する
    ことができる光遮断システムと、 （ｄ）前記透過された実像が投影される均一なセグメン
    ト化されていないポリマー分散された液晶型の薄膜を含
    んでいるイメージスクリーンと、 （ｅ）前記実像を虚像として投影するための投影装置と
    を具備しているヘッドアップ表示装置可視虚像イメージ
    を提供する光学系。
  2. 【請求項２】 前記光源システムは、小さいフィラメン
    トのハロゲンランプと、高い強度の放電灯と、およびキ
    セノンランプとから成るグループから選択されたランプ
    を含み、さらに前記焦点を結んだ光ビームを集束して前
    記イメージ源にそれを投影する集光レンズを含んでいる
    請求項１記載の光学系。
  3. 【請求項３】 さらに、前記イメージスクリーンを通っ
    て透過された後に前記実像を受取るホログラフビーム成
    形装置を含んでいる請求項１記載の光学系。
  4. 【請求項４】 前記イメージ源は、ネマチック曲線整列
    された位相（ＮＣＡＰ）の薄膜と、ポリマー安定化され
    たコレステリック構造（ＰＳＣＴ）と、およびポリマー
    分散された液晶薄膜（ＰＤＬＣ）とから成るグループか
    ら選択された電子的にアドレス可能なセグメント化され
    または画素に分割されたポリマー分散された液晶型の薄
    膜を含んでいる請求項１記載の光学系。
  5. 【請求項５】 前記イメージスクリーンは、ネマチック
    曲線整列された位相（ＮＣＡＰ）の薄膜と、ポリマー安
    定化されたコレステリック構造（ＰＳＣＴ）と、および
    ポリマー分散された液晶薄膜（ＰＤＬＣ）とから成るグ
    ループから選択されたセグメント化されていない前方散
    乱するポリマー分散された液晶型の薄膜を含んでいる請
    求項１記載の光学系。
  6. 【請求項６】 前記光遮断システムは開口を含み、さら
    に少くとも１つの集束レンズを含んでいる請求項１記載
    の光学系。
  7. 【請求項７】 前記投影装置は、凹面鏡およびレンズか
    ら成るグループから選択されている請求項１記載の光学
    系。
  8. 【請求項８】 （ａ）焦点を結んだ光ビームを生成し、 （ｂ）セグメント化されたポリマー分散された液晶型の
    薄膜を含む電子的にアドレスされたイメージ源に前記焦
    点を結んだ光ビームを投影し、 （ｃ）前記電子的にアドレスされたイメージ源のセグメ
    ントに電圧を印加し、それによって透過性セグメントお
    よび光遮断セグメントに前記セグメントを分割し、前記
    透過性セグメントがそこに入射した前記焦点を結んだ光
    ビームを透過し、それによって実像を形成し、前記光遮
    断セグメントがそこに入射した前記焦点を結んだ光ビー
    ムを散乱し、 （ｄ）前記光遮断システムにより前記散乱された光を遮
    断し、前記光遮断システムが前記実像を透過して、セグ
    メント化されていない前方散乱するポリマー分散された
    液晶型の薄膜を含む電子的にアドレスされたイメージス
    クリーンに前記実像を投影し、 （ｅ）前記電子的にアドレスされたイメージスクリーン
    に電圧を印加し、それによって前記投影システムに前記
    実像を透過するように前記電子的にアドレスされたイメ
    ージスクリーンを付勢し、 （ｆ）前記投影システムを使用して前記イメージスクリ
    ーンによって透過された前記実像を投影し、それによっ
    て前記ヘッドアップ表示虚像を形成するステップを含ん
    でいる請求項１記載の前記光学系を使用する前記ヘッド
    アップ表示イメージを生成する方法。
JP9118501A 1996-05-08 1997-05-08 二重ｐｄｌｃ投影ヘッドアップ表示装置 Pending JPH1082969A (ja)

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