(57)【要約】【課題】簡素な構成かつ小型でありながら良好な光学性能を有するヘッドアップディスプレイ装置を提供する。【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置１００は、表示素子１１によって形成された画像を投影光学系１５によって投影して中間スクリーン１６ｍ上に中間像ｉ１を形成し、中間像ｉ１を虚像生成光学系１７によって虚像を表示させ、虚像生成光学系１７は、少なくとも１枚の自由曲面ミラー１７ａを有し、中間スクリーン１６ｍは、拡散特性を有する反射面であり、虚像が水平面に対して垂直となる場合（虚像ｉ２’）の中間スクリーン１６ｍ’の位置での共役な面に対して傾いて配置される。【選択図】図２
2020129056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示素子によって形成された画像を投影光学系によって投影して中間スクリーン上に中間像を形成し、前記中間像を虚像生成光学系によって虚像を表示させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記虚像生成光学系は、少なくとも１枚の自由曲面ミラーを有し、
前記中間スクリーンは、拡散特性を有する反射面であり、前記虚像が水平面に対して垂直となる場合の前記中間スクリーンの位置での共役な面に対して傾いて配置されるヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項２】
さらに、前記虚像の表示される距離が変化するよう、光軸方向において前記中間スクリーンの位置を変更する駆動装置を備える、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】
前記駆動装置は、前記中間スクリーンを前記投影光学系の前記中間像の形成位置の近傍における焦点深度内で移動させる、請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項４】
前記投影光学系は、変倍光学系であり、前記駆動装置により前記中間スクリーンの位置の変更と同期して、前記投影光学系のピント位置を前記中間スクリーン位置に追従させる、請求項２または請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項５】
前記中間スクリーンの虚像が水平面に対して垂直となる場合の前記中間スクリーン位置での共役な面に対する傾きの向きは、表示される前記虚像の距離が、虚像において上方で遠く、下方で近くなる向きである、請求項１〜請求項４のいずれか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位置での共役な面に対する傾きを変更する角度変更機構を備える、請求項１〜請求項５のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項７】
前記角度変更機構を制御する制御部であって、
前記虚像の表示される距離に応じて、または使用者による虚像の傾き量の設定に応じて、前記中間スクリーン位置での共役な面に対する傾きを制御する制御部を備える請求項６に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項８】
前記中間スクリーンは、自由曲面形状を有する、請求項１〜請求項７のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項９】
前記中間スクリーンは、シリンドリカル形状を有する、請求項１〜請求項７のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１０】
前記中間スクリーンは、アナモフィック非球面形状を有する、請求項１〜請求項７のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１１】
前記共役な面に対して傾いて配置される前記中間スクリーンの傾き量に応じた傾き量で、前記表示素子は光軸と垂直な面より傾けて配置される、請求項１〜請求項１０のいずれか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、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置は、例えば自動車に搭載され、係るＨＵＤ装置では、虚像を運転者からある一定の距離離れた位置に生成するのが一般的である。そもそもＨＵＤを自動車に搭載する目的は、運転者の視線やピント移動を最小限に抑えることで、より安全な運転を支援するものであるが、車速の低速時、および高速時でドライバーの眼のピント位置が異なるため、虚像の距離が固定されたままであると、ピント合わせの時間が必要となり、わずかな時間ではあるが前方に注意が向かない時間が生じる。高速走行時にはわずかな時間でも移動距離としては大きいため危険な状況に陥りかねない。また、従来はスピードメーター、ナビ等の簡素な表示に限られていたＨＵＤであるが、昨今は拡張現実（ＡＲ）を利用したＡＲ  ＨＵＤが注目を集めつつある。これは例えばナビ情報を走行中の路上に重畳して表示したり、前方の対向車、歩行者等の危険因子に対して虚像のマーキングを表示したりすることで、ドライバーに事前に危険を察知させるようなシステムである。これにより迅速かつ安全にドライバーに必要な情報を伝える手段として注目されている。しかし、これまでのＨＵＤ装置のような、ある一定の距離に虚像を２次元的に表示する場合は、ＡＲ表示を行った際の実際の表示対象となるターゲットと表示する虚像の距離差が、運転するシーンによっては大きくなってしまう。これによってドライバーが長距離で運転した際の疲労感等の問題が発生してしまい、望ましい表示方法とは言えない。
【０００３】
特許文献１には、車両の進行方向を示す矢印に関する虚像については、路面に対し、出来る限り平行に生成する一方で、車速や地図画像等の虚像については、路面に対して垂直に生成することを目的とした虚像表示装置が開示されている。この虚像表示装置では、コンバイナーの直上流側の凹面鏡と、映像を表示するスクリーンを結ぶ光路長を、その光路中にある光軸に対してそれぞれ４５度傾いた状態で対向した２枚の平面ミラーを光軸方向に一体で移動させることにより、虚像までの距離を変更する。また、スクリーンを光路に対して傾斜して配置することで、平面ミラーを移動させて虚像までの距離を変更する際に、距離とともに、虚像の地表面に対する傾斜角度を変更する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１０２９６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された虚像表示装置では、１対の平面ミラーの位置を変更することで虚像距離、および虚像の傾斜角度を変化させているため、光学部材の部品点数が多く、装置の大型化を生じさせてしまう。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、少ない部品点数で、傾斜した虚像を表示させることが可能な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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【０００８】
（１）表示素子によって形成された画像を投影光学系によって投影して中間スクリーン上に中間像を形成し、前記中間像を虚像生成光学系によって虚像を表示させるヘッドアップディスプレイ装置であって、
前記虚像生成光学系は、少なくとも１枚の自由曲面ミラーを有し、
前記中間スクリーンは、拡散特性を有する反射面であり、前記虚像が水平面に対して垂直となる場合の前記中間スクリーンの位置での共役な面に対して傾いて配置されるヘッドアップディスプレイ装置。
【０００９】
（２）さらに、前記虚像の表示される距離が変化するよう、光軸方向において前記中間スクリーンの位置を変更する駆動装置を備える、上記（１）に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【００１０】
（３）前記駆動装置は、前記中間スクリーンを前記投影光学系の前記中間像の形成位置の近傍における焦点深度内で移動させる、上記（２）に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【００１１】
（４）前記投影光学系は、変倍光学系であり、前記駆動装置により前記中間スクリーンの位置の変更と同期して、前記投影光学系のピント位置を前記中間スクリーン位置に追従させる、上記（２）または上記（３）に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【００１２】
（５）前記中間スクリーンの虚像が水平面に対して垂直となる場合の前記中間スクリーン位置での共役な面に対する傾きの向きは、表示される前記虚像の距離が、虚像において上方で遠く、下方で近くなる向きである、上記（１）〜上記（４）のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【００１３】
（６）前記中間スクリーン位置での共役な面に対する傾きを変更する角度変更機構を備える、上記（１）〜上記（５）のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【００１４】
（７）前記角度変更機構を制御する制御部であって、
前記虚像の表示される距離に応じて、または使用者による虚像の傾き量の設定に応じて、前記中間スクリーン位置での共役な面に対する傾きを制御する制御部を備える上記（６）に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【００１５】
（８）前記中間スクリーンは、自由曲面形状を有する、上記（１）〜上記（７）のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【００１６】
（９）前記中間スクリーンは、シリンドリカル形状を有する、上記（１）〜上記（７）のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【００１７】
（１０）前記中間スクリーンは、アナモフィック非球面形状を有する、上記（１）〜上記（７）のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【００１８】
（１１）前記共役な面に対して傾いて配置される前記中間スクリーンの傾き量に応じた傾き量で、前記表示素子は光軸と垂直な面より傾けて配置される、上記（１）〜上記（１０）のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置では、表示素子によって形成された画像を投影光学系によって投影して中間スクリーン上に中間像を形成し、中間像を虚像生成光学系によって虚像を表示させ、虚像生成光学系は、少なくとも１枚の自由曲面ミラーを有し、中間スクリーンは、拡散特性を有する反射面であり、虚像が水平面に対して垂直となる場合の中間スクリーンの位置での共役な面に対して傾いて配置される。これにより、簡素な構成かつ小型でありながら良好な光学性能を有し、観察者が認識しやすいヘッドアップディスプレイ装置を提供できる。また、ヘッドアップディスプレイを車両に搭載した場合には、虚像の傾きを道路の見え方に適応させることで、運転者にとっては違和感のない表示にできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】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る。
【図１Ｂ】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拡大側方断面図である。
【図３】中間スクリーンの湾曲量に関する条件式中のパラメーターを説明する概念的断面図である。
【図４Ａ】中間スクリーンに入射する光線と中間スクリーンから射出される光線との具体例を説明する図である。
【図４Ｂ】中間スクリーンに入射する光線と中間スクリーンから射出される光線との具体例を説明する図である。
【図５Ａ】具体的実施例の光学系を説明する側断面図である。
【図５Ｂ】具体的実施例の光学系を説明する側断面図である。
【図６Ａ】具体的実施例の光学系を説明する側断面図である。
【図６Ｂ】具体的実施例の光学系を説明する側断面図である。
【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を説明する図である。
【図１０】第３実施形態のヘッドアップディスプレイ装置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。また図面においては、Ｅｙｅｂｏｘ（アイボックス）の横方向をＸ方向、縦方向をＹ方向とし、ＸＹ平面に垂直な方向をＺ方向とする。またヘッドアップディスプレイ装置１００を車両に搭載した状態において、車両の進行方向は、Ｚ方向に平行である。
【００２２】
（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１００の第１実施形態について説明する。
【００２３】
図１Ａ、図１Ｂは、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１００を車両８００の車体８１１内に搭載した使用状態を説明する模式図である。運転者（使用者）９００は、ハンドル８１３を握りながら運転席８１６に座っている。ヘッドアップディスプレイ装置１００（以下「ＨＵＤ装置１００」という（ＨＵＤ：Ｈｅａｄ−Ｕｐ  Ｄｉｓｐｌａｙ））は、描画ユニット１０、および表示スクリーン２０を備える。ＨＵＤ装置１００は、描画ユニット１０中の後述する表示素子１１（図２参照）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９００向けに虚像表示する。
【００２４】
ＨＵＤ装置１００のうち表示スクリーン２０以外の構成は、車体８１１のダッシュボード８１４内に、カーナビゲーション等のディスプレイ８１５（タッチスクリーン）の背後に埋め込むように設置されている。ＨＵＤ装置１００は、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Ｄ１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または平面鏡である。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８１４上に立設され、描画ユニット１０からの表示光Ｄ１を車体８１１の後方に向けて反射する。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）８１２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。
【００２５】
図１Ａ、および図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Ｄ１は、運転席８１６に座った運転者９００の瞳９１０、およびその周辺位置に対応するＥｙｅｂｏｘに導かれる。運転者９００は、表示スクリーン２０で反射された表示光Ｄ１、つまり車体８１１の前方にある虚像としての表示像ｉ２（以下、「虚像ｉ２」と表記する）を観察することができる。一方、運転者９００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９００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Ｄ１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虚像ｉ２を観察することができる。
【００２６】
なお、図１Ａ、図２において、虚像ｉ２’は、水平面に対して垂直である（傾きゼロ）。虚像ｉ２は、この垂直な状態の虚像ｉ２’に対して傾いている。虚像ｉ２に対しては、中間スクリーン１６ｍ、および中間像ｉ１が対応する。虚像ｉ２’には、中間スクリーン１６ｍ’、および中間像ｉ１’が対応する。虚像ｉ２’およびこれに対応する中間スクリーン１６ｍ’等は、図１Ａ、図２においては破線で示している。中間スクリーン１６ｍの位置は、虚像が水平面に対して垂直となる場合、すなわち虚像ｉ２’の中間スクリーン１６ｍ’の位置での共役な面に対して、傾いて配置された位置である。中間スクリーン１６ｍを傾けて配置する構成については後述する。
【００２７】
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。虚像表示光学系３０は、横方向の視野角が７°以上となっている。なお、図２等において座標軸ＸＹＺは、一般的な運転者９００の瞳９１０間の位置に対応するＥｙｅｂｏｘ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。
【００２８】
本体光学系１３は、表示素子（表示デバイス）１１と、表示素子１１に形成された画像を拡大した中間像ｉ１を形成可能な投影光学系１５と、中間像ｉ１の結像位置に近接して光路後段に配置される反射型拡散部材１６と、中間像ｉ１を虚像に変換する虚像生成光学系１７とを備える。詳細は後述するが、本体光学系１３によって、虚像投影距離が可変となっている。本体光学系１３のうち虚像生成光学系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、射出側合成光学系３０ｂを構成する。
【００２９】
本体光学系１３において、表示素子１１は、２次元的な表示面１１ａを有する描画デバイス（表示部）である。表示素子１１の表示面１１ａに形成された像は、本体光学系１３のうち投影光学系１５で拡大されて中間像ｉ１を反射型拡散部材１６上に形成し、虚像生成光学系１７等へ導かれる。この際、２次元表示が可能な表示素子１１を用いることで、中間像ｉ１または虚像ｉ２の切り替えを比較的高速に行える。表示素子１１には、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）や反射型液晶デバイス（ＬＣＯＳ：Ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ）を用いることができる。表示素子１１としてＤＭＤやＬＣＯＳを用いると、明るさを維持しつつ画像を高速で切り替えること（高速の間欠表示を含む）が容易になり、虚像距離（または「投影距離」ともいう）を変化させる表示に有利である。応用例として、表示素子１１は、虚像を複数距離に同時投影する場合には、１つの距離の虚像あたり、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虚像ｉ２を運転者９００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。なお、図２では図示していないが、表示素子１１を照明するための光源（例えばＲＧＢ各色に対応したＬＥＤ光源）と、照明光学系も別途配置される（後述の図９等で示す他の実施形態においても同様）。
【００３０】
投影光学系１５は、本体レンズ１５ａと、折曲げミラー１５ｂとを有する。本体レンズ１５ａは、固定焦点のレンズ系であり、図示を省略するが、複数のレンズを有する。投影光学系１５のＦ値は、１．８以上となっている。投影光学系１５は、表示素子１１の表示面１１ａに形成された画像を適当な倍率に拡大投影し、反射型拡散部材１６の表面に設けた中間スクリーン１６ｍに近接した位置に中間像ｉ１（または中間スクリーン１６ｍの位置に強制中間像ｉ１０）を形成する。強制中間像ｉ１０は、中間像ｉ１そのものの他、中間像ｉ１から位置ズレして僅かにピントがボケたものも含み、広義に中間像ｉ１と呼ぶこともある。なお、折曲げミラー１５ｂは、平面ミラーであり、光学的パワーを有しない。
【００３１】
なお、投影光学系１５としては、変倍光学系や中間スクリーン１６ｍの傾きに最適化した非軸対称光学系等で構成してもよい。また、投影光学系１５のピント位置を、中間スクリーン１６ｍの位置に追随する構成としてもよい。その場合は中間像のボケを低減させることが可能となり、虚像の画質向上が図れる。
【００３２】
反射型拡散部材１６は、表面に中間スクリーン１６ｍを設けた反射型の拡散部材である。中間スクリーン１６ｍは、拡散特性を有する反射面である。中間スクリーン１６ｍは、全体に亘って反射率９０％以上を確保することが望ましい。中間スクリーン１６ｍは、結像位置（つまり中間像ｉ１の結像予定位置またはその近傍）において強制中間像ｉ１０を形成する。中間スクリーン１６ｍは、反射拡散角を所望の角度に制御することができる。後述するように反射型拡散部材１６または中間スクリーン１６ｍを光軸ＡＸ方向に移動させることにより、強制中間像ｉ１０の位置も光軸ＡＸ方向に移動させることができる。中間スクリーン１６ｍに強制中間像ｉ１０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、虚像生成光学系１７で拡大投影してもＥｙｅｂｏｘを広く確保することができる。反射型拡散部材１６または中間スクリーン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。
【００３３】
反射型拡散部材１６は、配置変更用の駆動装置６２に駆動されて例えば一定速度または周期的な運動で光軸ＡＸに沿って移動する。本例の場合、光軸ＡＸとは、表示デバイス（描画デバイス）である表示素子１１の中心と、Ｅｙｅｂｏｘの中心と、ＨＵＤ装置１００によって作られる表示素子１１の中心に対応する像点（虚像）とを通るものである。ただし、反射型拡散部材１６または中間スクリーン１６ｍの移動は、Ｅｙｅｂｏｘの確保等を考慮して、中間スクリーン１６ｍの光入射側ではなく光射出側において光軸ＡＸに沿ったものとする。駆動装置６２によって反射型拡散部材１６または中間スクリーン１６ｍを光軸ＡＸに沿って移動させることで、虚像生成光学系１７によって、コンバイナーとしての表示スクリーン２０の背後に形成される虚像としての虚像ｉ２と観察者である運転者９００との距離を長く、または短くすることができる。つまり、駆動装置６２は、本体光学系１３の構成配置を変化させて投影距離を変化させる。このように、投影される虚像ｉ２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、虚像ｉ２までの虚像距離（または投影距離）を変化させつつ虚像ｉ２を変化させることになり、一連の投影像としての虚像ｉ２を３次元的なものとすることができる。
【００３４】
反射型拡散部材１６または中間スクリーン１６ｍの光軸ＡＸに沿った移動範囲は、中間像ｉ１の結像予定位置またはその近傍に相当するものであるが、投影光学系１５の反射型拡散部材１６側の焦点深度内とすることが望ましい。これにより、強制中間像ｉ１０の状態と虚像としての虚像ｉ２の結像状態とを、いずれもほぼピントが合った良好な状態とすることができる。反射型拡散部材１６（中間スクリーン１６ｍ）の光軸ＡＸ方向の移動量は、例えば２０ｍｍ以下となっている。これにより、反射型拡散部材１６の移動を効率良く行うことができ、反射型拡散部材１６の応答性を向上させることができる。反射型拡散部材１６の移動速度は、虚像としての虚像ｉ２が複数個所または複数虚像距離に同時に表示されているかのように見せることができる速度であることが望ましい。駆動装置６２は、例えば１５Ｈｚ以上の速度で反射型拡散部材１６を移動させる。この場合、観察者（運転者９００）の知覚を超える速さのため、あたかも運転者は投影距離の異なる虚像をほぼ同時に認識することができる。
【００３５】
図２の右側拡大図に示すように反射型拡散部材１６は、支持部材６２ａに支持されている。支持部材６２ａは、駆動装置６２の台座６２ｂに光軸ＡＸ方向に沿った所定の範囲内で移動可能に取り付けられている。また、駆動装置６２には、角度変更機構が含まれ、中間スクリーン１６ｍの傾きを変更する機能を有する。駆動装置６２は、支持部材６２ａをチルトさせることで、これに支持された中間スクリーン１６ｍの光軸ＡＸに対する傾き（角度）を変更する。この傾きを変更させることについては後述する。反射型拡散部材１６または中間スクリーン１６ｍが移動範囲の最も上流側（つまり、自由曲面ミラー１７ａに最も近い左下側）に配置されたタイミングでは、この時点で中間スクリーン１６ｍに表示されている画像が、ハーフミラーである表示スクリーン２０の背後の最も近くに虚像として表示される。また、反射型拡散部材１６または中間スクリーン１６ｍが移動範囲の最も下流側（つまり、自由曲面ミラー１７ａから最も遠い右上側）に配置されたタイミングでは、この時点で中間スクリーン１６ｍに表示されている画像が、ハーフミラーである表示スクリーン２０の背後の最も遠くに虚像として表示される。
【００３６】
虚像生成光学系１７は、反射型拡散部材１６の中間スクリーン１６ｍに形成された強制中間像ｉ１０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９００の前方に虚像としての虚像ｉ２を形成する。虚像生成光学系１７は、図２に示すように単一の自由曲面ミラー１７ａのみで構成されていてもよく、あるいは、少なくとも２枚以上の複数の自由曲面ミラーで構成してもよい。ここで、自由曲面ミラー１７ａは、全体として凹形状を有し、光学的なパワーを有している。自由曲面ミラー１７ａは、Ｅｙｅｂｏｘの縦方向に関して、射出方向を入射方向に対して傾けた偏芯タイプまたは非正面反射型の光学素子となっている。
【００３７】
射出側合成光学系３０ｂにおいて、反射型拡散部材１６の中間スクリーン１６ｍは、画角に対応して矩形の輪郭を有する。中間スクリーン１６ｍは、例えば自由曲面形状、シリンドリカル形状、またはアナモフィック非球面形状を有し、短辺方向及び長辺方向で湾曲形状が異なるものとなっている。これにより、短辺方向及び長辺方向で光学倍率が異なる構成である場合に光学性能を効率良く改善することができる。ここで、自由曲面形状は、非球面も含むものである。また、短辺方向及び長辺方向は、中間スクリーン１６ｍ上の中間像ｉ１の形から定義され、例えば横長の虚像を表示させるケースを考えると、短辺方向は、虚像の垂直方向（Ｙ方向）に対応し、長辺方向は、虚像の水平方向（Ｘ方向）に対応する。中間スクリーン１６ｍをシリンドリカル形状とする場合、中間像ｉ１の長辺方向におおよそ沿った凸形状を有する。中間スクリーン１６ｍをアナモフィック非球面形状とする場合、中間像ｉ１の長辺方向、および短辺方向で断面形状が異なる。
【００３８】
広い視野角を有するＨＵＤ装置１００を小型化するためには、虚像生成光学系１７を構成する自由曲面ミラー１７ａは、１枚であることが好ましく、また高い光学倍率を有することが望ましい。しかしながら、倍率が高くなればなるほど、像面湾曲が大きくなり、原理的に１枚の自由曲面ミラー１７ａでは補正が困難になくなる。そのため中間スクリーン１６ｍを湾曲させることで小型かつ良好に収差の補正された虚像表示光学系３０を実現できる。一方、中間スクリーン１６ｍの最適な湾曲量は、虚像生成光学系１７の光学倍率により決定されるが、光学系全体を所定のパッケージ形状に収める都合上、投影光学系１５の焦点距離には設計の自由度がほとんど無いと言ってよい状態であるため、虚像生成光学系１７と投影光学系１５の光線角度がマッチングできず、特に長辺方向に大きな輝度分布が生じる可能性がある。このため、中間スクリーン１６ｍの長辺方向の湾曲量は、虚像ｉ２の像品質と輝度分布の両性能を鑑みたうえで設定することが望ましい。
【００３９】
なお、以上の説明では、中間スクリーン１６ｍが短辺方向に平坦性を有する拡散性の反射面である場合を基本として説明したが、中間スクリーン１６ｍは、短辺方向にも凸形状に湾曲した拡散性の反射面とすることができる。一般的に、横方向（長辺方向に対応）の視野角に対して縦方向（短辺方向に対応）の視野角は半分近く小さく設定されるため、中間スクリーン１６ｍの短辺方向の像面湾曲量はそれほど目立つものではないが、中間スクリーン１６ｍにおいて短辺方向にも曲率を持たせることで光学性能を向上させることができる。さらに、中間スクリーン１６ｍの湾曲率または湾曲形状を長辺方向と短辺方向とで異なるものにすることで、虚像生成光学系１７の光学倍率が横方向と縦方向とで異なる場合に光学性能を全体で向上させることができる。
【００４０】
中間スクリーン１６ｍの湾曲量は下記条件式を満たす。
0.5×h/sin[|θH-θP|/2]＜R＜1.5×h/sin[|θH-θP|/2]    …    （１）
ただし、
Ｒ：中間スクリーン１６ｍの湾曲半径
ｈ：中間スクリーン１６ｍ上の中間像ｉ１の長辺方向長さの半値
θＨ：虚像生成光学系１７の中間像ｉ１の横端における光線角度
θＰ：投影光学系１５の中間像ｉ１の横端における光線角度
である。
【００４１】
条件式（１）の範囲を満たすことにより、光学性能を担保しつつ、虚像の輝度分布を小さくすることができる。条件式（１）の値Ｒが上限値を下回ることで、中間スクリーン１６ｍの湾曲量が適切なものとなり虚像に生じうる像面湾曲を低減することができる。一方、条件式（１）の値Ｒが下限値を上回ることで、長辺方向の輝度分布が適切なものとなる。
【００４２】
図３は、光線角度θＨ，θＰを説明する図である。光線角度θＰは、投影光学系１５から中間スクリーン１６ｍに入射する表示光Ｄ１の正面方向またはＺ方向を基準とする光線角度であり、光線角度θＨは、中間スクリーン１６ｍから虚像生成光学系１７へ射出される表示光Ｄ１の正面方向またはＺ方向を基準とする光線角度である。なお、正反射の場合、虚像生成光学系１７側の光線角度θＨと投影光学系１５側の光線角度θＰとの間には、以下の関係
θＰ＝θ１
θＨ＝θ１＋２θ０
が成り立つので、
Ｒ＝ｈ／ｓｉｎ［｜θＨ−θＰ｜／２］
となる。
【００４３】
なお、中間スクリーン１６ｍの左右両端で光線角度θＨ，θＰが異なる場合、中間スクリーン１６ｍの左右両端で条件式（１）が満たされることが望ましい。
【００４４】
中間スクリーン１６ｍは、短辺方向に対応する縦方向と長辺方向に対応する横方向とで拡散特性が異なるものとなっている。ここでも、短辺方向、および長辺方向は、中間スクリーン１６ｍ上の中間像ｉ１の形から定義され、例えば横長の虚像を表示させるケースを考えると、短辺方向は、虚像の垂直方向または縦方向に対応し、長辺方向は、虚像の水平方向または横方向に対応する。中間スクリーン１６ｍは、Ｅｙｅｂｏｘの横方向またはＸ方向に対応し中間スクリーン１６ｍ上での第１方向である長辺方向と、それに直交するＥｙｅｂｏｘの縦方向またはＹ方向に対応し中間スクリーン１６ｍ上での第２方向である短辺方向とで、拡散度が異なるものとなっている。また、中間スクリーン１６ｍは、非正反射型の拡散特性を有する。この結果、虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ２と投影光学系１５の光軸ＡＸ１とは、中間スクリーン１６ｍとの交差点において正反射の関係を満たさない非正反射の関係にあり、入射した表示光Ｄ１を正反射の方向に対してずれた方向に拡散しつつ反射する偏向特性を有する。中間スクリーン１６ｍは、短辺方向に対応する縦方向だけでなく長辺方向に対応する横方向にも偏向特性を有していてもよい。これにより、投影光学系１５の配置自由度をより増やすことができる。また、虚像ｉ２の輝度分布を改善することができる。中間スクリーン１６ｍの拡散度については、虚像生成光学系１７の入射ＮＡに対する投影光学系１５の射出ＮＡの相対差または不足を補う観点で基本的拡散度を設定する。しかしながら、本実施形態の光学系のように、虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ２と投影光学系１５の光軸ＡＸ１とが中間スクリーン１６ｍにおいて非正反射の関係にある場合、光量ロスを低減して光利用効率を高める観点で、中間スクリーン１６ｍは、拡散度を単純に大きくするのではなく、拡散度に偏向特性を持たせたものとなっている。中間スクリーン１６ｍが反射や拡散に関して偏向特性を有する場合、基本的拡散度に対して光軸ＡＸ１，ＡＸ２の対称性のズレに相当する偏角または角度ズレを加味して方向性を持たせた拡散度を設定する。
【００４５】
なお、中間スクリーン１６ｍの拡散度については、本来必要な拡散度に加え、中間スクリーン１６ｍ前後の光学系における光軸角度ズレを見込んで広げてもよい。
【００４６】
図２に示すように、駆動装置６２により、中間スクリーン１６ｍの傾きを変更する。中間スクリーン１６ｍを傾けることで、中間スクリーン１６ｍを虚像が水平面に対して垂直となる場合（すなわち虚像ｉ２’）の中間スクリーン位置での共役な面に対して傾けて配置する。虚像ｉ２の角度は、傾きが０ｄｅｇでは水平面に対して垂直となり、９０ｄｅｇでは、水平面に平行となる。
【００４７】
ここで、「虚像が水平面に対して垂直となる場合」とは、ＨＵＤ装置１００が車両等に取り付けられている場合に、この車両が水平面（道路上）を走行、または停止している状態において、虚像ｉ２を投影した場合に、この虚像ｉ２が水平面に対して垂直となる場合をいう。
【００４８】
図２の最右側の拡大図では、中間スクリーン１６ｍ’（破線）は、水平面に垂直な虚像ｉ２’に対応する共役な面に正対した位置を示している。上述のように、中間スクリーン１６ｍは、傾けて配置した位置を示している。傾けた状態の中間スクリーン１６ｍ、およびこの中間像ｉ１は、図１、図２の虚像ｉ２に対応し、傾けていない中間スクリーン１６ｍ’、およびこの中間像ｉ１’は、虚像ｉ２’に対応する。虚像ｉ２’は水平面に対して垂直であり、そのときの中間スクリーン１６ｍ’は、中間スクリーン位置での共役な面に対して正対しており、本実施形態では、中間スクリーン１６ｍ’は、光軸ＡＸに垂直な面に対して平行、または略平行である。ここで略平行とは、縦方向の視野角において、縦方向の上端を水平にして、見下ろし角を視野角の半分に設定する場合、この中間スクリーン１６ｍ’の向きは、この視野角の半分に対応する向きに設定する。例えば、縦方向の視野角４度であれば、見下ろし角はその半分の２度になり、中間スクリーン１６ｍ’は、この見下ろし角に対応した角度になる。すなわち「垂直な面に対して略平行」とは、この見下ろし角を考慮した、例えば０〜５度の範囲が含まれる。なお、図２等に示す例では、駆動装置６２により、中間スクリーン１６ｍを中間スクリーン１６ｍ’の位置との間で、２水準の位置で、傾きを変更する構成としている。しかしながら、これに限られず、３段階以上の多段階で中間スクリーン１６ｍの位置を変更するようにしてもよい。また、駆動装置６２は、中間スクリーン１６ｍの位置を光軸ＡＸ方向の移動、およびチルト方向の移動の両方を可能な構成としたが、チルト方向の移動を省略してもよい。すなわち、虚像ｉ２のように虚像が傾く中間スクリーン１６ｍの位置で固定とし、光軸ＡＸ方向の移動のみを行うようにしてもよい。
【００４９】
ここで傾きの向きについて説明する。図２に示すように、中間スクリーン１６ｍは、共役な面に対して正対する中間スクリーン１６ｍ’に対して、左向き（反時計方向）に回転した状態で配置する。このような向きにすることで、中間スクリーン１６ｍ上の中間像ｉ１を変換して、形成される虚像ｉ２においては、上方で虚像距離が遠く、下方で距離が近くなる。換言すると、ＨＵＤ装置１００が、車両に取り付けられた状態において、水平な道路面（水平面）に対して、形成される虚像ｉ２おいて、上方で虚像距離が遠く、下方で虚像距離が近くなるような向きに、中間スクリーン１６ｍを傾けて配置する。
【００５０】
極端な坂道を除いて、通常の平坦な道路上を走行する車両を運転する運転者の目（瞳）の位置は、道路よりも上になる。この場合、この運転者の瞳９１０の位置に応じて、フロントウィンドウを通して見える道路は、上方が遠く、下方が近くに見える。上述のように、中間スクリーン１６ｍを傾けることで、虚像ｉ２を傾けることができる。これにより虚像ｉ２の上下方向における各部分の虚像距離を、この道路の見え方に適応させることで、運転者にとっては違和感のない表示にできる。また、中間スクリーン１６ｍを入射光軸ＡＸに対して垂直な方向から傾ける事で、例えば太陽光などの外乱光が中間スクリーン１６ｍに入射して、そこで反射する事により発生するゴースト光を運転者の眼の位置と違う方向に向ける事も可能となる。これにより迷光の対策も行えることになり、この面からも望ましい構成と言える。
【００５１】
さらに望ましい構成として、虚像ｉ２が垂直となる場合の中間スクリーン位置での共役な面に対して、中間スクリーン１６ｍが傾いた状態で配置される場合、すなわち、虚像生成光学系の光軸ＡＸ（後述の光軸ＡＸ２）に垂直な面に対して傾いた状態で設定される場合、この傾き量に応じた傾き量で、表示素子１１も傾いて配置するようにしてもよい。具体的には、投影光学系１５の光軸ＡＸ（後述の光軸ＡＸ１）に垂直な面に対して、中間スクリーン１６ｍの傾き量に応じた所望の傾きを持って、表示素子１１を配置させる。この傾きは、固定でもよく、あるいは、角度変更機構（図示せず）により、中間スクリーン１６ｍの傾きの変更に同期して変更するようにしてもよい。具体的には、上述のように虚像距離に応じて変更する中間スクリーン１６ｍの傾き量に応じた傾き量になるように変更する。このような構成は、表示素子１１としてＤＭＤを適用する場合に特に好ましい。このように、表示素子１１を傾けて構成する事で、中間スクリーン１６ｍと表示素子１１の画面内の共役関係を良好に保つことが可能となり、光学系の性能を確保するのに望ましい構成となる。
【００５２】
再び、中間スクリーン１６ｍの光学特性について説明する。図４Ａは、中間スクリーン１６ｍの縦断面に関する拡散特性を説明する図である。この場合、光軸ＡＸ１上の表示光Ｄ１の中間スクリーン１６ｍへの入射角はα１０であり、表示光Ｄ１の中間スクリーン１６ｍからの光軸ＡＸ２に沿った射出角はα２０であり、α１０≠α２０となっている。また、光軸ＡＸ１外の表示光Ｄ１の中間スクリーン１６ｍへの入射角はα１１，α１２であり、表示光Ｄ１の中間スクリーン１６ｍからの光軸ＡＸ２に沿った射出角はα２１，α２２であり、α１１≠α２１、かつ、α１２≠α２２となっている。このように、中間スクリーン１６ｍは、位置に応じて偏向特性が異なっている。これにより、虚像ｉ２（および虚像ｉ２’）の輝度分布を最適化することができる。つまり、中間スクリーン１６ｍは、短辺方向に対応する縦断面において偏向特性を有するだけでなく、中間スクリーン１６ｍ上の各点で偏向特性が異なっており、短辺方向に偏向特性の線形または非線形的な分布を有する。具体的実施例に則して説明すると、入射角α１０，α１１，α１２は、例えば１８°、２１°、および１５°に設定される。この場合、射出角α２０，α２１，α２２は、光線の結合効率を確保する観点で、例えば−６°、−１３°、および０°に設定される。つまり、偏角は、＋１２°、＋８°、および＋１５°となっており、全体として正の値であるが光軸ＡＸ２から外れるほど大きくなっている。
【００５３】
図４Ｂは、中間スクリーン１６ｍの横断面に関する拡散特性を説明する図である。この場合、光軸ＡＸ１上の表示光Ｄ１の中間スクリーン１６ｍへの入射角はβ１０であり、表示光Ｄ１の中間スクリーン１６ｍからの光軸ＡＸ２に沿った射出角はβ２０であり、β１０＝β２０となっている。また、光軸ＡＸ１外の表示光Ｄ１の中間スクリーン１６ｍへの入射角はβ１１，β１２であり、表示光Ｄ１の中間スクリーン１６ｍからの光軸ＡＸ２に沿った射出角はβ２１，β２２であり、β１１≠β２１、かつ、β１２≠β２２となっている。このように、中間スクリーン１６ｍは、位置に応じて偏向特性が異なっている。つまり、中間スクリーン１６ｍは、長辺方向に対応する横断面において偏向特性を有するだけでなく、中間スクリーン１６ｍ上の各点で偏向特性が異なっており、長辺方向に偏向特性の線形または非線形的な分布を有する。具体的実施例に則して説明すると、入射角β１０，β１１，β１２は、例えば６°、１１．５°、および０．５°に設定される。この場合、射出角β２０，β２１，β２２は、光線の結合効率を確保する観点で、例えば−６°、２３°、および１１°に設定される。
【００５４】
反射型拡散部材１６の拡散特性は、公知の手法で調整することができる。基板の表面に偏向特性に合わせて傾斜した微小な斜面を設けるとともに、この斜面上に使用波長以下のサイズを有する微少凹凸を形成したり、使用波長以下の幅を有するライン状の凹凸を形成したりすることにより、反射型拡散部材１６の拡散特性に所望の方向性を持たせるよう調整することができる。
【００５５】
以上のように、中間スクリーン１６ｍは、短辺方向に対応する縦方向と長辺方向に対応する横方向とで拡散特性が異なるものとなっており、短辺方向の位置と長辺方向の位置とに応じて偏向特性が変化するといった偏向特性の分布を有するものとなっている。この結果、縦横の拡散度を光学仕様に合わせて最適化することができ、光量ロスを減らすことができるため、さらなる光利用効率の向上が可能となっている。
【００５６】
また、太陽光ゴーストの発生回避という観点から、投影光学系１５の光軸ＡＸ１と虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ２との中間スクリーン１６ｍにおけるズレを敢えて大きく設定することで、正規光と同じルート（表示光Ｄ１が通るルート）でウインドシールド（表示スクリーン２０）を通過してＨＵＤ装置１００の内部に入ってきた太陽光のうち中間スクリーン１６ｍで反射・拡散した光が、Ｅｙｅｂｏｘに到達するのを防止することができる。好ましくは中間スクリーン１６ｍにおける短辺方向の偏光角を短辺方向の拡散度よりも大きく設定することが望ましい。
【００５７】
以上の説明では、中間スクリーン１６ｍ上の各点で、最大拡散度の方向（例えば射出角α２０，α２１，α２２の方向）に関して表示光Ｄ１の反射率が同じであることを前提として説明を行ったが、反射率に分布を持たせることもできる。つまり、中間スクリーン１６ｍは、位置に応じて反射率の分布が異なる。これにより、虚像生成光学系１７等に起因する虚像ｉ２の輝度分布の偏りを低減することができ、輝度分布を改善することができる。
【００５８】
図５Ａは、具体的実施例の光学系を説明する側断面図であり、中間スクリーン１６ｍから射出側合成光学系３０ｂにかけての光学面および光線を示している。図５Ｂは、具体的実施例の光学系を説明する拡大側断面であり、表示素子１１から虚像生成光学系１７にかけての光学面および光線を示している。
【００５９】
図６Ａは、具体的実施例の光学系を説明する平面図であって、図５Ａに対応し、中間スクリーン１６ｍから射出側合成光学系３０ｂにかけての光学面および光線を示している。図６Ｂは、具体的実施例の光学系を説明する拡大平面図であって、図５Ｂに対応し、表示素子１１から虚像生成光学系１７にかけての光学面および光線を示している。
【００６０】
図２に戻って、ハウジング１４は、表示光Ｄ１を通過させる開口１４ａを有し、この開口１４ａには、フィルムまたは薄板状の光透過部材１４ｂを配置することができる。
【００６１】
図７は、移動体用表示システム５００を説明するブロック図であり、移動体用表示システム５００は、その一部としてＨＵＤ装置１００を含む。このＨＵＤ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５００は、移動体である自動車等に組み込まれるものである。
【００６２】
移動体用表示システム５００は、ＨＵＤ装置１００のほかに、運転者検出部７１と、環境監視部７２と、主制御装置９０とを備える。
【００６３】
運転者検出部７１は、運転者９００の存在や視点位置を検出する部分であり、運転席用の内部用カメラ７１ａと、運転席用画像処理部７１ｂと、判断部７１ｃとを備える。内部用カメラ７１ａは、車体８１１内のダッシュボード８１４の運転席正面に設置されており（図１（Ｂ）参照）、運転者９００の頭部、およびその周辺の画像を撮影する。運転席用画像処理部７１ｂは、内部用カメラ７１ａ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判断部７１ｃでの処理を容易にする。判断部７１ｃは、運転席用画像処理部７１ｂを経た運転席画像からオブジェクトの抽出または切り出しを行うことによって運転者９００の頭部や目を検出するとともに、運転席画像に付随する奥行情報から車体８１１内における運転者９００の頭部の存否とともに運転者９００の目の空間的な位置（結果的に視線の方向）を算出する。
【００６４】
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、判断部７２ｃとを備える。外部用カメラ７２ａは、車体８１１内外の適所に設置されており、運転者９００またはフロントガラス８１２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判断部７２ｃでの処理を容易にする。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また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８１１前方における対象物の空間的な位置を算出する。
【００６５】
なお、内部用カメラ７１ａや外部用カメラ７２ａ、特に外部用カメラ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、両カメラ７１ａ，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。各カメラ７１ａ，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、画像内の各領域またはオブジェクトまでの距離を判定できる。
【００６６】
なお、上記のような複眼型のカメラ７１ａ，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（領域またはオブジェクト）に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。また、複眼型のカメラ７１ａ，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（領域またはオブジェクト）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に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。
【００６７】
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の背後に虚像距離または投影距離が変化する３次元的な虚像ｉ２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に表示させる虚像ｉ２を生成する。虚像ｉ２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のような標識とすることができる。
【００６８】
表示制御部１８は、主制御装置９０を介して運転者検出部７１から運転者９００の存在や目の位置に関する検出出力を受け取る。これにより、虚像表示光学系３０による虚像ｉ２の投影の自動的な開始や停止が可能になる。また、運転者９００の視線の方向のみに虚像ｉ２の投影を行うこともできる。さらに、運転者９００の視線の方向の虚像ｉ２のみを明るくする、点滅する等の強調を行った投影を行うこともできる。
【００６９】
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。
【００７０】
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９００の前方は観察視野に相当する検出領域ＤＦとなる。検出領域ＤＦ内、つまり道路、およびその周辺に、歩行者等である人のオブジェクトＯＢ１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）ｉ２を投影させ、各オブジェクトＯＢ１〜ＯＢ３に対して関連情報像としての表示枠Ｆ１〜Ｆ３をそれぞれ付加する。この際、運転者９００から各オブジェクトＯＢ１〜ＯＢ３までの距離が異なるので、表示枠Ｆ１〜Ｆ３を表示させる虚像ｉ２１〜ｉ２３までの投影距離は、運転者９００から各オブジェクトＯＢ１〜ＯＢ３それぞれまでの距離に相当するものとなる。なお、同図では、中間スクリーン１６ｍを傾けたときの虚像ｉ２（虚像ｉ２１、ｉ２２、ｉ２３）に加えて、参考として、傾けないときの虚像ｉ２’（虚像ｉ２１’〜ｉ２３’）を示している。表示枠Ｆ１〜Ｆ３に対する表示枠Ｆ１’〜Ｆ３’も同様である。なお、虚像ｉ２１〜ｉ２３の投影距離は、離散的であり、オブジェクトＯＢ１〜ＯＢ３それぞれ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、虚像ｉ２１〜ｉ２３の投影距離と、オブジェクトＯＢ１〜ＯＢ３それぞれまでの現実の距離との差が大きくなければ、運転者９００の視点が動いても視差が生じにくく、オブジェクトＯＢ１〜ＯＢ３と表示枠Ｆ１〜Ｆ３それぞれとの配置関係をほぼ維持することができる。
【００７１】
また、表示制御部１８は、駆動装置６２を制御することで、虚像ｉ２の表示される距離（投影距離）に応じて、予め設定された傾き量で中間スクリーン１６ｍの傾きを制御する。具体的には、図８に示すように、投影距離が長くなるほど、虚像ｉ２の傾きが大きくなるように、中間スクリーン１６ｍの傾きを制御する。図８に示す例では、虚像ｉ２１、ｉ２２、ｉ２３の順で傾きが徐々に大きくなり、最も遠い虚像ｉ２３で、傾きが最も大きく、地面（水平面）に近くなる。
【００７２】
なお、表示制御部１８は、運転者９００（使用者）から、タッチスクリーン等の入力デバイスから入力された虚像の傾き量の設定に応じて、その設定の傾き量になるように、中間スクリーン１６ｍの傾き量を変更するようにしてもよい。
【００７３】
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を反射面とすることで、虚像生成光学系１７の自由曲面ミラー１７ａと中間スクリーン１６ｍとを結ぶ方向に対応する前後方向またはＺ方向に関する光学系サイズの増加を抑えることができる。結果的に、投影光学系１５の配置の自由度が増え、所定のパッケージ形状に収めることが容易になる。なお、中間スクリーン１６ｍを反射面とした場合、投影光学系１５が虚像生成光学系１７の光路に干渉しないように配置する必要があるため、投影光学系１５の光軸ＡＸ１と虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ２とが中間スクリーン１６ｍにおいて正反射の関係になるとは限らない。そのため、通常の拡散板では正反射方向が最も強度が強くなるため、虚像の短辺方向に輝度分布の偏りが生じるおそれがある。しかしながら、少なくとも短辺方向に偏向特性を有する中間スクリーン１６ｍを用いることで、投影光学系１５の光軸ＡＸ１と虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ２とが中間スクリーン１６ｍにおいて正反射の関係でない場合でも、短辺方向の輝度分布の偏りを抑えることができる。また、中間スクリーン１６ｍの拡散度については、中間スクリーン１６ｍ前後の光学系における光軸角度ズレを見込んで広げる必要がなく最適な拡散度に設定できるため、光量のロスが少なく光利用効率の良い装置を実現することができる。
【００７４】
（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、駆動装置６２で中間スクリーン１６ｍを傾ける構成等は、第１実施形態と同様である。
【００７５】
図９に示すように、投影光学系１５の本体レンズ１５ａを構成する一部の光学素子１５ｄを本体レンズ１５ａ内で変位させることにより、投影光学系１５の結像状態を結像駆動部６５によって調整することができる。これにより、中間スクリーン１６ｍの移動に同期させて本体レンズ１５ａまたは投影光学系１５のフォーカス状態を調整でき、投影光学系１５の焦点深度を狭くしながら中間像ｉ１の結像状態を良好に保つことができる。
【００７６】
（第３実施形態）
以下、第３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３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、駆動装置６２で中間スクリーン１６ｍを傾ける構成等は、第１実施形態と同様である。
【００７７】
図１０に示すように、結像駆動部１６５によって投影光学系１５の折曲げミラー（平面ミラー）１５ｂを光軸ＡＸに沿って変位させることにより、投影光学系１５の結像状態を調整することができる。これにより、中間スクリーン１６ｍの移動に同期させて本体レンズ１５ａまたは投影光学系１５のフォーカス状態を調整でき、投影光学系１５の焦点深度を狭くしながら中間像ｉ１の結像状態を良好に保つことができる。
【００７８】
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８１２の上部また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。上記実施形態では表示スクリーン２０を平面または凹面としたが、対称性をもたない自由曲面であってもよい。
【００７９】
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。
【００８０】
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、虚像生成光学系１７または投影光学系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。
【００８１】
また、上記実施形態において、描画デバイスである表示素子１１として、ＤＭＤやＬＣＯＳ等を用いたが、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｄｉｓｐｌａｙ）や、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、表示素子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。
【００８２】
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）８１２に設けてもよい（図２参照）。具体的には、例えばフロントウィンドウを形成するフロントガラス（ウインドシールド）８１２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８１２内に埋め込むこともできる。
【００８３】
また、上記実施形態では、反射型拡散部材１６を光軸ＡＸに沿って移動させる構成としたが、反射型拡散部材１６を光軸ＡＸ方向に移動させないで固定することもできる。また、上述したように、中間スクリーン１６ｍ（反射型拡散部材１６）の角度も、垂直な状態の虚像ｉ２’に対応する中間スクリーン１６ｍ’に対して傾けた状態（中間スクリーン１６ｍの位置）で固定することもできる。
【００８４】
また、上記実施形態において、中間スクリーン１６ｍの構成は、ＨＵＤ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は、縦方向のみ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、横方向に凸形状に湾曲していなくてもよい。また、中間スクリーン１６ｍの位置に応じて反射率の分布や偏向特性が異なっていなくてもよい。
【００８５】
また、上記実施形態において、中間スクリーン１６ｍは、短辺に長辺と異なる凸の湾曲形状を有してもよい、つまり、縦方向に横方向と異なる凸の湾曲形状を有してもよいとしたが、例えば球面のように縦方向に横方向と同じ凸の湾曲形状を有してもよい。
【００８６】
以上で説明したＨＵＤ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】
【００８７】
１００  ＨＵＤ装置（ヘッドアップディスプレイ装置）
１０  描画ユニット
１１  表示素子
１１ａ  表示面
１３  本体光学系
１４  ハウジング
１５  投影光学系
１６  反射型拡散部材
１６ｍ  中間スクリーン
１７  虚像生成光学系
１７ａ  自由曲面ミラー
１８  表示制御部
２０  表示スクリーン
３０  虚像表示光学系
３０ｂ  射出側合成光学系
６２  駆動装置
６２ａ  支持部材
６２ｂ  台座
６５  結像駆動部
７１  運転者検出部
９０  主制御装置
５００  移動体用表示システム
８００  車両
８１１  車体
８１２  フロントガラス
８１３  ハンドル
８１４  ダッシュボード
８１５  ディスプレイ
８１６  運転席
９００  運転者（使用者）
９１０  瞳
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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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