(57)【要約】【課題】小型であり、複数の距離に虚像を投影可能であるヘッドアップディスプレイ装置を提供すること。【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置１００は、投影する像を表示する描画デバイス１１と、拡散機能を有し描画デバイス１１の光射出側に配置される中間スクリーン１６ｍと、中間スクリーン１６ｍに形成された中間像ＴＩを拡大投影する拡大光学系１７とを備え、描画デバイス１１と中間スクリーン１６ｍとの間に描画デバイス１１から投射された光を中間スクリーン１６ｍに向けて反射させる折り返しミラー１１２を有し、中間スクリーン１６ｍは、描画デバイス１１から投射された光の中間スクリーン１６ｍへの入射角と、中間スクリーン１６ｍから出射する光の出射角とが異なる偏向特性を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影する像を表示する描画デバイスと、拡散機能を有し前記描画デバイスの光射出側に配置される中間スクリーンと、前記中間スクリーンに形成された中間像を拡大投影する拡大光学系とを備え、
前記描画デバイスと前記中間スクリーンとの間に前記描画デバイスから投射された光を前記中間スクリーンに向けて反射させる折り返しミラーを有し、
前記中間スクリーンは、前記描画デバイスから投射された光の前記中間スクリーンへの入射角と、前記中間スクリーンから出射する光の出射角とが異なる偏向特性を有することを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項２】
前記中間スクリーンにおいて、光が偏向される角度は、０°以上３０°以下であ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装置。
【請求項３】
前記中間スクリーンにおいて、前記中間スクリーンから出射する光は、前記描画デバイスから投射された光に対して前記描画デバイス側に傾斜することを特徴とする請求項１及び２のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項４】
前記中間スクリーンにおいて、前記中間スクリーンから出射する光は、前記描画デバイスから投射された光に対して前記描画デバイスとは反対側に傾斜することを特徴とする請求項１及び２のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項５】
前記描画デバイスは、デジタルミラーデバイスを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項６】
前記中間スクリーンは、回転軸を中心に回転するディスク上に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項７】
前記拡大光学系は、第１ミラーと第２ミラーとを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、視線の先に虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車等に搭載されるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）装置において、設置場所に制限があるため、装置を小型化することが求められている。ヘッドアップディスプレイ装置の例として、虚像の視認性を高めるために、中間像形成部として拡散スクリーンと凹レンズとを組み合わせることにより、中間像形成部を透過した画像表示光の主光線の向きと配光角とを制御したものがある（特許文献１参照）。特許文献１のヘッドアップディスプレイ装置では、中間形成部に設けた凹レンズによって中間形成部を透過する主光線の方向を制御することにより、中間形成部と投射鏡との間の距離を短くしても大きな虚像を視認可能にしている。しかしながら、特許文献１の装置では、ユーザーの視点位置の移動を考慮する程度の角度制御を目的としているため、光学系の配置に制限があり装置の小型化が不十分となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−５９９６９号公報
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、小型であり、複数の距離に虚像を投影可能であるヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、投影する像を表示する描画デバイスと、拡散機能を有し描画デバイスの光射出側に配置される中間スクリーンと、中間スクリーンに形成された中間像を拡大投影する拡大光学系とを備え、描画デバイスと中間スクリーンとの間に描画デバイスから投射された光を中間スクリーンに向けて反射させる折り返しミラーを有し、中間スクリーンは、描画デバイスから投射された光の中間スクリーンへの入射角と、中間スクリーンから出射する光の出射角とが異なる偏向特性を有する。
【０００６】
上記ヘッドアップディスプレイ装置によれば、中間スクリーンにおいて、描画デバイスから投射された光の入射角と出射角とが異なる構成とすることで、意図的に中間スクリーンの折り返しミラー側（又は中間スクリーンの反拡大光学系側）、具体的には下方に空間を作ることができる。つまり、中間スクリーンが偏向特性を有することにより、折り返しミラー及び描画デバイス等の位置を運転者側（又はアイボックス側）に飛び出さないようにし、装置を小型化することができる。
【０００７】
本発明の具体的な側面では、上記ヘッドアップディスプレイ装置は、中間スクリーンにおいて、光が偏向される角度は、０°以上３０°以下である。ここで、光が偏向される角度とは、描画デバイスから投射された光の主光線に関して、中間スクリーンへの入射角と、中間スクリーンから出射する光の出射角との差を意味する。偏向角度を上記範囲とすることにより、折り返しミラーが他の部材と干渉することを防ぐことができる。
【０００８】
本発明の別の側面では、中間スクリーンにおいて、中間スクリーンから出射する光は、描画デバイスから投射された光に対して描画デバイス側（又はアイボックスから離れる側）に傾斜する。この場合、中間スクリーンの下方に直接的に空間を作ることができる。
【０００９】
本発明のさらに別の側面では、中間スクリーンにおいて、中間スクリーンから出射する光は、描画デバイスから投射された光に対して描画デバイスとは反対側（又はアイボックス側）に傾斜する。この場合、描画デバイスと他の部材との干渉をより低減しつつ中間スクリーンの折り返しミラー側（又は中間スクリーンの反拡大光学系側）、具体的には下方に空間を作ることができる。また、中間スクリーンを描画デバイス側によりシフトさせることができる。
【００１０】
本発明のさらに別の側面では、描画デバイスは、デジタルミラーデバイスを有する。この場合、明るさを維持しつつ画像を高速で切替えることが容易になる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では中間スクリーンは、回転軸を中心に回転するディスク上に設けられている。この場合、中間スクリーンの光軸方向の移動を安定化させることができる。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、拡大光学系は、第１ミラーと第２ミラーとを有する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（Ａ）は、第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置を車体に搭載した状態を示す側方断面図であり、（Ｂ）は、ヘッドアップディスプレイ装置を説明する車内側からの正面図である。
【図２】ヘッドアップディスプレイ装置の具体的な構成例を説明する概念図である。
【図３】描画デバイス等の構造を説明する概念図である。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）は、ヘッドアップディスプレイ装置のうち中間スクリーンを説明する平面図及び側面図であり、（Ｃ）は、中間スクリーンの回転に伴う機能領域の移動を説明する概念図である。
【図５】ヘッドアップディスプレイ装置における光線の具体例を説明する図である。
【図６】（Ａ）は、第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置のうち虚像表示光学系等を説明する図であり、（Ｂ）は、比較例の虚像表示光学系等を説明する図である。
【図７】図２に示すヘッドアップディスプレイ装置を含む移動体用表示システムを説明する概念的なブロック図である。
【図８】移動体用表示システムによる具体的な表示状態を説明する斜視図である。
【図９】第２実施形態のヘッドアップディスプレイ装置における光線の具体例を説明する図である。
【図１０】図９のヘッドアップディスプレイ装置のうち虚像表示光学系等を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置の第１実施形態について説明する。
【００１５】
図１（Ａ）及び１（Ｂ）を参照して、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１００は、車体２内に搭載される表示装置であり、描画ユニット１０と表示スクリーン２０とを備える。ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）装置１００は、描画ユニット１０中の後述する描画デバイス１１（図３参照）に表示されている画像情報を、表示スクリーン２０を介して運転者（観察者）ＵＮに向けて虚像表示するものである。
【００１６】
ヘッドアップディスプレイ装置１００のうち描画ユニット１０は、車体２のダッシュボード４内に埋め込むように設置されており、運転関連情報や危険信号等を含む画像に対応する表示光ＨＫを表示スクリーン２０に向けて出射する。表示スクリーン２０は、コンバイナーとも呼ばれるハーフミラーであり、半透過性を有する凹面鏡又は平面鏡である。表示スクリーン２０は、下端の支持によってダッシュボード４上に立設され、描画ユニット１０からの表示光ＨＫを車体２の後方に向けて反射させる。図示の場合、表示スクリーン２０は、フロントガラス（ウインドシールド）８とは別体で設置される独立型のものとなっているが、表示スクリーン２０はウインドシールドそのものであってもよい。
【００１７】
図１（Ａ）及び図２に示すように、ハーフミラーである表示スクリーン２０で反射された表示光ＨＫは、運転席６に座った運転者ＵＮの瞳ＨＴ及びその周辺位置に対応するアイボックスＥＢに導かれる。運転者ＵＮは、表示スクリーン２０で反射された表示光ＨＫ、つまり車体２の前方にある虚像としての表示像ＩＭを観察することができる。一方、運転者ＵＮは、ハーフミラーである表示スクリーン２０を透過した外界光、つまり前方景色、自動車等の実像を観察することができる。結果的に、運転者ＵＮは、表示スクリーン２０の背後の外界像に重ねて、表示スクリーン２０での表示光ＨＫの反射によって形成される運転関連情報や危険信号等を含む表示像（虚像）ＩＭを観察することができる。
【００１８】
図２に示すように、描画ユニット１０は、本体光学系１３と、本体光学系１３を動作させる表示制御部１８と、本体光学系１３等を収納するハウジング１４とを備える。これらのうち本体光学系１３と表示スクリーン（コンバイナー）２０とを組み合わせたものは、虚像表示光学系３０を構成する。なお、図２等において座標軸ＸＹＺは、一般的な運転者ＵＮの瞳ＨＴ間の位置に対応するアイボックスＥＢの中心を原点とするが、便宜上原点をシフトさせた状態で表示されている。
【００１９】
本体光学系１３は、中間像ＴＩを形成する中間像形成部１２と、折り返しミラー１１２と、中間像ＴＩの結像位置に近接して光路後段に配置される拡散部１６と、拡散部１６上に形成された中間像ＴＩからの表示光ＨＫが入射する拡大光学系１７とを備える。詳細は後述するが、本体光学系１３によって、表示像ＩＭの虚像投影距離が可変となっている。本体光学系１３のうち拡大光学系１７と、本体光学系１３の上方に配置された表示スクリーン２０とを組み合わせたものは、拡散部１６上の中間像ＴＩを虚像に変換する射出側合成光学系３０ｂを構成する。
【００２０】
図３に示すように、中間像形成部１２は、例えば、描画デバイス１１と、描画デバイス１１に形成された画像を拡大した中間像ＴＩとして形成する投影光学系１５とを備えるプロジェクターユニットである。描画デバイス１１は、２次元的な表示面１１ａを有する表示部である。描画デバイス１１の表示面１１ａに形成された像は、中間像形成部１２のうち投影光学系１５で拡大されて中間像ＴＩとして拡散部１６上に形成され、拡大光学系１７等へ導かれる。この際、２次元表示が可能な描画デバイス１１を用いることで、中間像ＴＩ又は表示像（虚像）ＩＭの切替えを比較的高速とできる。詳細は後述するが、描画デバイス１１には、例えばデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Mirror Device）を用いることができ、この場合、中間像形成部１２は、ＤＬＰ（Digital Light Processing）（登録商標）となる。描画デバイス１１としてＤＭＤを用いると、明るさを維持しつつ画像を高速で切替えること（高速の間欠表示を含む）が容易になり、虚像距離又は投影距離を変化させる表示に有利である。応用例として、描画デバイス１１は、虚像を複数距離に同時投影する場合には虚像１距離あたり例えば３０ｆｐｓ以上、好ましくは６０ｆｐｓ以上のフレームレートで表示させる。これにより、異なる投影距離に複数の表示像（虚像）ＩＭを運転者ＵＮに対して同時に表示されているように見せる際に虚像のちらつきを改善できる。
【００２１】
図３は、描画デバイス１１の具体的な構成を説明する図である。本実施形態では、描画デバイス１１として、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）を有するものを例示している。描画デバイス１１は、照明光を射出する照明光学系５と、照明光の２次元的な空間変調によって画像を生成する表示デバイス７とを備える。照明光学系５は、照明光を射出する３つの光源４ａ，４ｂ，４ｃと、第１ダイクロイックミラー５ａと、第２ダイクロイックミラー５ｂと、コリメーター５ｄ，５ｅ，５ｆと、リレーレンズ５ｈと、フライアイ光学系５ｊと、コンデンサーレンズ５ｍ，５ｎと、折曲げミラー５ｐと、ＴＩＲプリズム５ｑと、平板５ｒとを備える。３つの光源４ａ，４ｂ，４ｃは、ＬＥＤ（light emitting diode）その他の発光素子であり、Ｒ、Ｇ、及びＢの３色の照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃをそれぞれ射出する。光源４ａは、Ｒ光源であり、光源４ｂは、Ｇ光源であり、光源４ｃは、Ｂ光源である。第１ダイクロイックミラー５ａは、第２の光源（Ｇ光源）４ｂからのＧの照明光Ｌｂと、第３の光源（Ｂ光源）４ｃからのＢの照明光Ｌｃとを合成し、第２ダイクロイックミラー５ｂは、第１の光源（Ｒ光源）４ａからのＲの照明光Ｌａと、第１ダイクロイックミラー５ａで合成されたＧ及びＢの照明光Ｌｂ，Ｌｃとを合成する。各コリメーター５ｄ，５ｅ，５ｆは、各光源４ａ，４ｂ，４ｃからの照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを平行光束に近い状態にする。リレーレンズ５ｈは、照明光Ｌｂ，Ｌｃ側の光路差を補償する役割を有する。フライアイ光学系５ｊは、オプティカルインテグレーターとも呼ばれ、各光源４ａ，４ｂ，４ｃからの照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを均一化する。コンデンサーレンズ５ｍ，５ｎは、フライアイ光学系５ｊを経た照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを適度の入射角範囲で表示デバイス７に入射させる。ＴＩＲプリズム５ｑは、全反射の有無を利用して照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの光路と表示光ＨＫの光路とを分離する。具体的には、ＴＩＲプリズム５ｑを構成する一方のプリズムの斜面５ｗで照明光を全反射して投影光学系１５の光軸ＡＸに対して傾いた方向から照明光を表示デバイス７に導くことができ、表示デバイス７からの光を投影光学系１５の光軸ＡＸに沿った正面方向へは透過させて、表示光ＨＫとして投影光学系１５に入射させることができる。平板５ｒは、表示デバイス７のカバーガラスであるが、フィルター機能を持たせることもできる。
【００２２】
表示デバイス７は、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）であり、ＴＩＲプリズム５ｑから入射した照明光をＴＩＲプリズム５ｑ越しに投影光学系１５に向けたり投影光学系１５から逸らしたりするオン・オフ動作が可能である。表示デバイス７の動作は、順次発光する光源４ａ，４ｂ，４ｃと同期しており、Ｒ、Ｇ、及びＢの３色の表示光ＨＫを順次又は同時に形成する。
【００２３】
投影光学系１５は、固定焦点のレンズ系であり、複数のレンズ要素を有する。投影光学系１５は、描画デバイス１１の表示面１１ａに形成された画像を中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’として拡散部１６上（具体的には、拡散部１６の表面に設けた中間スクリーン１６ｍに近接した位置）に適当な倍率で拡大投影する。強制中間像ＴＩ’は、中間像ＴＩそのものの他、中間像ＴＩから位置ずれして僅かにピントがぼけたものも含み、広義に中間像ＴＩと呼ぶこともある。
【００２４】
図２等に示すように、折り返しミラー１１２は、平面ミラーであり、光学的パワーを有しない。折り返しミラー１１２は、中間像形成部１２と拡散部１６との間に設けられており、中間像形成部１２から射出した光を拡散部１６に向けて反射させる。具体的には、折り返しミラー１１２は、例えば、車体２前方からの光を上方に反射する。折り返しミラー１１２を設けることにより、装置の小型化を図ることができる。ただし、折り返しミラー１１２を単純に設けるだけでは装置の小型化は不十分であり、後述するように拡散部１６の中間スクリーン１６ｍに偏向特性を持たせることにより、折り返しミラー１１２を運転者ＵＮ（又はアイボックスＥＢ側）とは反対側の車体２の前方側に配置させることができる。また、本実施形態において、中間像形成部１２は、ＤＬＰであり、省スペース化の観点で折り返しミラー１１２は必須となっている。
【００２５】
拡散部１６は、表面に中間スクリーン１６ｍを設けた透過型の拡散部材である。中間スクリーン１６ｍは、拡散特性を有する。中間スクリーン１６ｍは、入射した表示光ＨＫを拡散させることによって結像位置（つまり中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍）において中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’を形成する。中間スクリーン１６ｍは、拡散角を所望の角度に制御することができる。後述するように拡散部１６又は中間スクリーン１６ｍを光軸ＡＸ方向に移動させることにより、強制中間像ＴＩ’の位置も光軸ＡＸ方向に移動させることができる。光軸ＡＸとは、描画デバイス１１の中心と、アイボックスＥＢの中心と、ヘッドアップディスプレイ装置１００によって作られる描画デバイス１１の中心に対応する像点（虚像）とを通るものである。中間スクリーン１６ｍに強制中間像ＴＩ’が形成されるため、ここが新たな２次光源となって光が拡散するので、拡大光学系１７で拡大投影してもアイボックスＥＢを広く確保することができる。中間スクリーン１６ｍは、回転体１６ａに貼り付けられるシートとできるが、回転体１６ａの表面に形成された微細な凹凸パターンであってもよい。拡散部１６又は中間スクリーン１６ｍとしては、例えば拡散板、拡散スクリーン、マイクロレンズアレイ等を用いることができる。また、中間スクリーン１６ｍは、回転体１６ａの内部に埋め込むように形成されたものであってもよい。なお、拡散部１６において、回転体１６ａの周囲にカバーを設けてもよい。
【００２６】
拡散部１６は、全体として円板に近い輪郭を有する螺旋状の回転体（回転するディスク）１６ａを有する。拡散部１６は、図１に示す中間像形成部１２による投影位置又は結像位置（つまり中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍）に配置され、駆動装置１６２に駆動されて例えば一定速度で光軸ＡＸに平行な回転軸ＳＸの周りに回転する。
【００２７】
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、回転体１６ａは、中央部１６ｃと外周光学部１６ｐとを有する。なお、図４（Ａ）〜４（Ｃ）において、説明の都合上、拡散部１６は局所的なｘｙｚ直交座標を基準に示している。回転体１６ａの外周光学部１６ｐに形成された一方の表面１６ｆは、平滑面又は光学面に形成されており、表面１６ｆ上には、全域に亘って拡散面となる中間スクリーン１６ｍが設けられている。回転体１６ａの外周光学部１６ｐに形成された他方の表面１６ｓは、平滑面又は光学面に形成されている。回転体１６ａは、光透過性を有する螺旋状の部材であり、一対の表面１６ｆ，１６ｓは、回転軸ＳＸを螺旋軸とする螺旋面となっている。結果的に、一方の表面１６ｆ上に形成された中間スクリーン１６ｍも螺旋面に沿って形成されたものとなっている。回転体１６ａは、回転軸ＳＸ又は光軸ＡＸ方向に関してほぼ等しい厚みｔを有する。中間スクリーン１６ｍは、螺旋の一周期に対応する範囲に形成されている。つまり、中間スクリーン１６ｍは、螺旋の１ピッチ分の範囲に形成されている。この結果、拡散部１６の周に沿った一箇所に段差部１６ｊが形成されている。回転体１６ａをこのような形状とすることで、回転体１６ａに設けた中間スクリーン１６ｍの光軸ＡＸ方向の位置を連続的に変化させることが可能となり、虚像投影距離を変化させる投影が可能となる。
【００２８】
回転体１６ａにおいて、周方向に沿った一箇所は、本体光学系１３の光軸ＡＸが通る機能領域ＦＡとなっており、機能領域ＦＡにおける中間スクリーン１６ｍの部分によって中間像ＴＩ（より正確には強制中間像ＴＩ’）が形成される。この機能領域ＦＡは、回転体１６ａの回転に伴って回転体１６ａ上において一定速度で移動する。つまり、回転体１６ａを回転させつつその一部である機能領域ＦＡに表示光（映像光）ＨＫを入射させることで、機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩの位置が光軸ＡＸに沿って往復移動する（描画デバイス１１の表示が動作していなければ、必ずしも表示としての中間像は形成されないが、中間像が形成されるであろう位置も中間像の位置と呼ぶ）。図示の例では、中間スクリーン１６ｍが螺旋の一周期に対応する範囲に形成されているので、回転体１６ａの１回転で中間スクリーン１６ｍの機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩは、光軸ＡＸ方向に段差に相当する距離だけ１往復することになる。
【００２９】
なお、投影光学系１５は、拡散部１６の回転体１６ａ又は中間スクリーン１６ｍの位置によってピントぼけが生じないように、機能領域ＦＡの移動範囲以上の所定の焦点深度を有する。
【００３０】
駆動装置１６２によって拡散部１６を一定速度で回転軸ＳＸの周りに回転させることで、既述のように、回転体１６ａの中間スクリーン１６ｍが光軸ＡＸと交差する位置（つまり機能領域ＦＡ）も光軸ＡＸ方向に移動する。つまり、例えば図４（Ｃ）に示すように、回転体１６ａの回転に伴って、中間スクリーン１６ｍ上の機能領域ＦＡは、例えば等角度でずれた位置に設定された隣接する機能領域ＦＡ’に順次シフトし、光軸ＡＸ方向に移動する。このような機能領域ＦＡの光軸ＡＸ方向への移動により、中間像ＴＩの位置も光軸ＡＸ方向に移動させることができる。拡散部１６が回転軸ＳＸの周りに回転して機能領域ＦＡに対応する中間像ＴＩの位置が光軸ＡＸ方向に繰り返し周期的に移動し、拡大光学系１７によって表示スクリーン２０の背後に形成される虚像としての表示像ＩＭと観察者である運転者ＵＮとの距離を長く、又は短くすることができる。このように、投影される表示像ＩＭの位置を前後に変化させるとともに、表示内容をその位置に応じたものとすることで、表示像ＩＭまでの虚像距離又は投影距離を変化させつつ表示像ＩＭを変化させることになり、一連の投影像としての表示像ＩＭを３次元的なものとすることができる。
【００３１】
図５及び図６（Ａ）に示すように、中間スクリーン１６ｍは、描画デバイス１１から投射された光の中間スクリーン１６ｍへの入射角と、中間スクリーン１６ｍから出射する光の出射角とが異なる偏向特性を有している。具体的には、中間スクリーン１６ｍ又は機能領域ＦＡの短辺方向又は横方向に関して、中間像形成部１２の光軸ＡＸ上の光に対応する光線ＩＬの中間スクリーン１６ｍへの入射角θ１が、拡大光学系１７の光軸ＡＸ上の光に対応する光線ＯＬの中間スクリーン１６ｍからの出射角θ２と異なっている。なお、図５において、符号ＨＫ１は表示像（虚像）ＩＭの下端に対応する表示光を示し、符号ＨＫ２は表示像（虚像）ＩＭの中心に対応する表示光を示し、符号ＨＫ３は表示像（虚像）ＩＭの上端に対応する表示光を示す。また、中間スクリーン１６ｍにおいて、光が偏向される角度は、０°以上３０°以下となっている。ここで、光が偏向される角度とは、描画デバイス１１から投射された光の主光線に関して、中間スクリーン１６ｍへの入射角と、中間スクリーン１６ｍから出射する光の出射角との差を意味する。偏向角度を上記範囲とすることにより、折り返しミラー１１２が他の部材と干渉することを防ぐことができる。
【００３２】
本実施形態において、中間スクリーン１６ｍから出射する光は、描画デバイス１１から投射された光に対して描画デバイス１１側（又はアイボックスＥＢから離れる側）に傾斜している。これにより、中間スクリーン１６ｍの折り返しミラー１１２側（又は中間スクリーン１６ｍの反拡大光学系１７側）、具体的には下方に直接的に空間ＳＰを作ることができる。
【００３３】
一方、図６（Ｂ）に比較例として示すように、中間スクリーン１６ｍが偏向特性を有さない場合、折り返しミラー１１２は、運転者ＵＮ側（又はアイボックスＥＢ側）により近い方に配置され、装置の小型化が不十分となる。
【００３４】
図２等に示すように、拡大光学系１７は、拡散部１６の中間スクリーン１６ｍに形成された強制中間像ＴＩ’を表示スクリーン２０と協働して拡大する拡大光学系であり、運転者ＵＮの前方に虚像としての表示像ＩＭを形成する。拡大光学系１７は、第１ミラー１７ａと第２ミラー１７ｂとで構成される。第１及び第２ミラー１７ａ，１７ｂは、全体として凹形状を有する自由曲面ミラーであり、光学的なパワーを有している。ここで、自由曲面形状は、非球面も含むものである。
【００３５】
ハウジング１４は、表示光ＨＫを通過させる開口１４ａを有し、この開口１４ａには、フィルム又は薄板状の光透過部材１４ｂを配置することができる。
【００３６】
図７は、移動体用表示システム２００を説明するブロック図であり、移動体用表示システム２００は、その一部としてヘッドアップディスプレイ装置１００を含む。このヘッドアップディスプレイ装置１００は、図２に示す構造を有するものであり、ここでは説明を省略する。図７に示す移動体用表示システム２００は、移動体である自動車等に組み込まれるものである。
【００３７】
移動体用表示システム２００は、ヘッドアップディスプレイ装置１００のほかに、環境監視部７２と、主制御装置９０とを備える。
【００３８】
環境監視部７２は、前方に近接する自動車、自転車、歩行者等を識別する部分であり、外部用カメラ７２ａと、外部用画像処理部７２ｂと、外部画像判断部７２ｃとを備える。外部用カメラ７２ａは、車体２内外の適所に設置されており、運転者ＵＮ又はフロントガラス８の前方、側方等の外部画像を撮影する。外部用画像処理部７２ｂは、外部用カメラ７２ａで撮影した画像に対して明るさ補正等の各種画像処理を行って外部画像判断部７２ｃでの処理を容易にする。外部画像判断部７２ｃは、外部用画像処理部７２ｂを経た外部画像からオブジェクトの抽出又は切り出しを行うことによって自動車、自転車、歩行者等の対象物（例えば図８に示すオブジェクトＯＢ参照）の存否を検出するとともに、外部画像に付随する奥行情報から車体２前方における対象物の空間的な位置を算出する。
【００３９】
なお、外部用カメラ７２ａは、図示を省略しているが、例えば複眼型の３次元カメラである。つまり、外部用カメラ７２ａは、結像用のレンズと、ＣＭＯＳその他の撮像素子とを一組とするカメラ素子をマトリックス状に配列したものであり、撮像素子用の駆動回路をそれぞれ有する。外部用カメラ７２ａを構成する複数のカメラ素子は、例えば奥行方向の異なる位置にピントを合わせるようになっており、或いは相対的な視差を検出できるようになっており、各カメラ素子から得た画像の状態（フォーカス状態、オブジェクトの位置等）を解析することで、画像内の各領域又はオブジェクトまでの距離を判定できる。
【００４０】
また、上記のような複眼型の外部用カメラ７２ａに代えて、２次元カメラと赤外距離センサーとを組み合わせたものを用いても、撮影した画面内の各部（領域又はオブジェクト）に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。また、複眼型の外部用カメラ７２ａに代えて、２つの２次元カメラを分離配置したステレオカメラによって、撮影した画面内の各部（領域又はオブジェクト）に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。その他、単一の２次元カメラにおいて、焦点距離を高速で変化させながら撮像を行うことによっても、撮影した画面内の各部（領域又はオブジェクト）に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。
【００４１】
表示制御部１８は、主制御装置９０の制御下で虚像表示光学系３０を動作させて、表示スクリーン２０の背後に虚像距離又は投影距離が変化する３次元的な表示像ＩＭを表示させる。表示制御部１８は、主制御装置９０を介して環境監視部７２から受信した表示形状や表示距離を含む表示情報から、虚像表示光学系３０に表示させる表示像ＩＭを生成する。表示像ＩＭは、例えば表示スクリーン２０の背後に存在する自動車、自転車、歩行者その他の対象物に対してその奥行き位置方向に関して周辺に位置する表示枠（例えば図８に示表示枠ＨＷ参照）のような標識とすることができる。
【００４２】
主制御装置９０は、ヘッドアップディスプレイ装置１００、環境監視部７２等の動作を調和させる役割を有し、環境監視部７２によって検出した対象物の空間的な位置に対応するように、虚像表示光学系３０によって投影される表示枠の空間的な配置を調整する。
【００４３】
図８は、具体的な表示状態を説明する斜視図である。観察者である運転者ＵＮの前方は観察視野に相当する検出領域ＶＦとなっている。検出領域ＶＦ内、つまり道路及びその周辺に、歩行者等である人のオブジェクトＯＢ１，ＯＢ３や、自動車等である移動体のオブジェクトＯＢ２が存在すると考える。この場合、主制御装置９０は、ヘッドアップディスプレイ装置１００によって３次元的な表示像（虚像）ＩＭを投影させ、各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３に対して関連情報像としての表示枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を付加する。この際、運転者ＵＮから各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの距離が異なるので、表示枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を表示させる表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３までの投影距離は、運転者ＵＮから各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの距離に相当するものとなっている。なお、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の投影距離は、離散的であり、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの現実の距離に対して正確に一致させることはできない。ただし、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の投影距離と、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの現実の距離との差が大きくなければ、運転者ＵＮの視点が動いても視差が生じにくく、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３と表示枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３との配置関係をほぼ維持することができる。
【００４４】
以上で説明したヘッドアップディスプレイ装置１００によれば、中間スクリーン１６ｍにおいて、描画デバイス１１から投射された光の入射角と出射角とが異なる構成とすることで、意図的に中間スクリーン１６ｍの折り返しミラー１１２側（又は中間スクリーン１６ｍの反拡大光学系１７側）、具体的には下方に空間を作ることができる。つまり、中間スクリーン１６ｍが偏向特性を有することにより、折り返しミラー１１２及び描画デバイス１１等の位置を運転者ＵＮ側（又はアイボックスＥＢ側）に飛び出さないようにし、装置を小型化することができる。
【００４５】
〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置について説明する。なお、第２実施形態のヘッドアップディスプレイ装置は第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。
【００４６】
図９及び図１０に示すように、中間スクリーン１６ｍは、中間スクリーン１６ｍから出射する光が、描画デバイス１１から投射された光に対して描画デバイス１１とは反対側（又はアイボックスＥＢ側）に傾斜する偏向特性を有している。これにより、描画デバイス１１と他の部材（具体的には、中間スクリーン１６ｍに付帯する装置等）との干渉をより低減しつつ中間スクリーン１６ｍの折り返しミラー１１２側（又は中間スクリーン１６ｍの反拡大光学系１７側）、具体的には下方に空間ＳＰを作ることができる。また、中間スクリーン１６ｍを描画デバイス１１側によりシフトさせることができる。
【００４７】
以上では、具体的な実施形態としてのヘッドアップディスプレイ装置について説明したが、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、上記のものには限られない。例えば、上記実施形態において、ヘッドアップディスプレイ装置１００の配置を上下反転させて、フロントガラス８の上部又はサンバイザー位置に表示スクリーン２０を配置することもできる。この場合、描画ユニット１０の斜め下方前方に表示スクリーン２０が配置される。また、上記ヘッドアップディスプレイ装置１００において、運転者ＵＮの頭部前方の空間を広く確保できる。上記実施形態では表示スクリーン２０を平面又は凹面としたが、対称性をもたない自由曲面であってもよい。
【００４８】
また、上記実施形態において、表示スクリーン２０の輪郭は、矩形に限らず、様々な形状とすることができる。
【００４９】
また、上記実施形態において、図２等に示す本体光学系１３は、単なる例示であり、これら本体光学系１３の光学的構成については適宜変更することができる。例えば、拡大光学系１７又は投影光学系１５の光路中において、光学的なパワーを持たない１つ以上のミラーを配置してもよい。
【００５０】
また、上記実施形態において、拡大光学系１７には、２枚のミラーを設けたが、１枚又は３枚以上のミラーを設けてもよい。また、ミラーを省略してもよい。また、ミラーの光学面は対称性がある自由曲面としているが、これに限るものではなく、対称性を持たない自由曲面でもよい。また、ミラーは、凸面又は平面とすることもでき、曲面の場合、球面、非球面等とすることができる。
【００５１】
また、上記実施形態において、描画デバイス１１として、ＤＭＤを用いたが、反射型液晶デバイス（ＬＣＯＳ：Liquid crystal on silicon）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：liquid crystal display）、他の種類の表示デバイス、例えば有機ＥＬを用いてもよい。また、描画デバイス１１は、反射型の素子の代わりに、ＭＥＭＳを利用した走査型の映像デバイスを用いてもよい。
【００５２】
また、上記実施形態において、表示スクリーン２０としてコンバイナーを設けずに、図１（Ａ）に示すフロントガラス（ウインドシールド）８に設けてもよい（図２参照）。具体的には、例えばフロントウインドウを形成するフロントガラス（ウインドシールド）８の運転席正面に設けた矩形の反射領域の内側に表示スクリーン２０を貼り付けてもよい。なお、表示スクリーン２０は、フロントガラス８内に埋め込むこともできる。
【００５３】
また、上記実施形態において、投影光学系１５は、固定焦点光学系としたが、焦点可変光学系であってもよい。
【００５４】
また、上記実施形態において、中間スクリーン１６ｍの構成は、ヘッドアップディスプレイ装置１００の仕様に応じて適宜変更することができる。例えば、中間スクリーン１６ｍの長辺方向にも偏向特性を有する構成としてもよい。また、中間スクリーン１６ｍは、短辺方向や長辺方向に拡散特性を有する構成としてもよい。
【００５５】
また、上記実施形態では、回転体１６ａを用いて中間スクリーン１６ｍを光軸ＡＸに沿って移動させる構成としたが、中間スクリーン１６ｍを光軸方向の位置が異なる複数部材で構成し、これら複数部材を回転機構その他の機構によって順次入れ替えることで中間スクリーン１６ｍの配置を変化させることもできる。
【００５６】
以上で説明したヘッドアップディスプレイ装置１００は、自動車やその他移動体に搭載される投影装置に限らず、例えばデジタルサイネージ等に組み込むことができるが、これら以外の用途に適用することもできる。
【符号の説明】
【００５７】
２…車体、  ７…表示デバイス、  ８…フロントガラス、  １０…描画ユニット、  １１…描画デバイス、  １２…中間像形成部、  １３…本体光学系、  １５…投影光学系、  １６…拡散部、  １６ａ…回転体、  １６ｍ    中間スクリーン、  １７…拡大光学系、  １７ａ…第１ミラー、  １７ｂ…第２ミラー、  １８…表示制御部、  ２０…表示スクリーン、  ３０…虚像表示光学系、  ７２…環境監視部、  ９０…主制御装置、  １００…ヘッドアップディスプレイ装置、  １１２…折り返しミラー、  １６２…駆動装置、  ２００…移動体用表示システム、  ＡＸ…光軸、  ＥＢ…アイボックス、  ＦＡ…機能領域、  ＨＫ，ＨＫ１，ＨＫ２，ＨＫ３…表示光、  ＨＴ…瞳、  ＩＭＩ，Ｍ１，ＩＭ２，ＩＭ３…表示像、  ＳＸ…回転軸、  ＴＩ…中間像、  ＵＮ…運転者
【図１】
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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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