(57)【要約】【課題】中間スクリーンの移動量の増大を抑えつつ虚像の投影距離の広がり範囲を広くできる表示装置を提供すること。【解決手段】表示装置は、投影する像を表示する表示素子１１と、表示素子１１に形成された像を拡大する投影光学系１５と、拡散機能を有し投影光学系１５の光射出側に配置される中間スクリーン１６と、中間スクリーン１６に形成された中間像を拡大する拡大光学系１７と、中間スクリーン１６を横断面において光軸ＡＸに対して傾斜して配置しつつ、中間スクリーン１６の位置を投影光学系１５の光軸ＡＸ方向に移動させて虚像投影位置を変化させる回転駆動部６４とを備え、中間スクリーン１６は、横断面において中間像ＴＩの下部が拡大光学系１７側に、中間像ＴＩの上部が投影光学系１５側に配置されるように傾斜する。【選択図】図２
2020064235.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影する像を表示する表示素子と、
前記表示素子に形成された像を拡大する投影光学系と、
拡散機能を有し前記投影光学系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する拡大光学系と、
前記中間スクリーンを横断面において光軸に対して傾斜して配置しつつ、前記中間スクリーンの位置を前記投影光学系の前記光軸方向に移動させて虚像投影位置を変化させる配置変更装置と、を備え、
前記中間スクリーンは、横断面において前記中間像の下部が前記拡大光学系側に、前記中間像の上部が前記投影光学系側に配置されるように傾斜することを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記表示素子は、前記中間スクリーンの傾斜角度に応じて傾斜角度を調整されることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記配置変更装置は、前記中間スクリーンを一定の傾斜角度で移動させ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表示装置。
【請求項４】
前記配置変更装置は、横断面において前記中間スクリーンの下部を支点として前記中間スクリーンを傾斜させて前記中間スクリーンを移動させ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表示装置。
【請求項５】
前記中間スクリーンは、回転軸を中心として回転する回転体に設けられ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表示装置。
【請求項６】
投影距離を変化させる複数の表示ゾーンのうち隣り合う表示ゾーンにおいて前記投影距離が部分的に重複するように前記表示素子に前記像を表示させる表示制御部を備え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表示装置。
【請求項７】
前記複数の表示ゾーンは、近距離から遠距離になるに従って表示する距離幅が広がることを特徴とする請求項６に記載の表示装置。
【請求項８】
前記投影光学系は、前記光軸に対して傾斜した前記中間スクリーンの傾き角に最適化した設計とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項９】
前記中間スクリーンの傾き角に最適化した設計とした前記投影光学系は、前記表示素子を前記光軸に対して傾けて構成することを特徴とする請求項８に記載の表示装置。
【請求項１０】
前記中間スクリーンの傾き角に最適化した設計とした前記投影光学系は、前記表示素子を前記光軸と垂直な面内で前記表示素子の中心位置が前記光軸からシフトした位置になるように配置することを特徴とする請求項８に記載の表示装置。
【請求項１１】
前記中間スクリーンの傾き角に最適化した設計とした前記投影光学系は、前記投影光学系を構成する各レンズの少なくとも１枚を前記光軸に対してシフト又はチルトさせて構成することを特徴とする請求項８に記載の表示装置。
【請求項１２】
前記拡大光学系は、前記光軸に対して傾斜した前記中間スクリーンの傾き角に最適化した設計とすることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の表示装置。
【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し、かつ虚像の投影位置を可変とした表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表示装置として、表示素子に表示した画像を虚像投影するための投影系と、虚像を表示するためのウインドシールドやコンバイナー等の表示スクリーンとを備えるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置が存在する。ＨＵＤ装置は、運転中の運転者が視線や視点を大きく動かすことなく表示を確認することができる点で、従来の速度メーター等のインパネに情報表示する装置に比べて危険性を減らせるメリットがある。今後運転者の安全運転を支援するための表示を行う装置としてＨＵＤ装置が積極的に用いられることが予想され、その際、伝えるべき危険情報や注意すべき情報を運転者に確実に伝える必要がある。運転者により確実に情報を伝えるには、例えば運転中の前方で運転者が注意すべき対象（ターゲット）に対して、そのターゲットから大きく目線や視点をずらすことなく見ることでより自然に違和感なく、かつより速く、危険等の情報を認識することが必要となる。そういった機能を達成するために、ＨＵＤ装置としては、表示する虚像の投影距離をターゲットの存在する距離で、その距離面内での縦横座標も合わせて表示させることが求められる。そのため、ＨＵＤ装置としては、虚像投影する距離を可変とした光学系が必要となる。その際、虚像の投影距離を、例えば１／６０ｓｅｃ以内で近側から遠側（又はその逆）に変えることができれば、運転者からは全ての距離の投影像が同時性を持って３Ｄ映像として観察することができ、同時に複数の距離に投影した画像の表示が可能となる。
【０００３】
ＨＵＤ装置で虚像の投影距離を変化させる場合の手段として、ＤＭＤ、ＬＣＯＳといった表示素子を中間スクリーンに投影し、その中間スクリーンを移動させて虚像距離を変える方法がある。しかし、中間スクリーンを移動させる場合、近側から遠側までの虚像表示に対して光学性能を確保しようとすると、光学系の光学倍率を比較的低くする必要があり、それによって中間スクリーンの移動量が増大してしまう。特に、虚像距離を変化させるために中間スクリーンの光軸上の位置を移動させる際に、中間スクリーンに画像投影する投影光学系のフォーカス位置を変化させずに固定焦点として中間スクリーンを投影光学系の焦点深度内で移動させる構成とした場合には、中間スクリーンの移動量が大きいと深度を深くするために投影光学系のＦ値を大きく設定する必要があり、表示輝度の確保が困難となり問題となる。
【０００４】
特許文献１は、ＭＥＭＳミラーを用いて像を走査して虚像表示を行うＨＵＤ装置用の光学系を開示し、可動スクリーンを、その移動方向に対して傾斜した姿勢で往復運動させることで、虚像の表示距離を可変としている。特許文献１の光学系は、２次元的表示像について投影像を形成するものではなく、表示速度を速くすることが容易でない。
【０００５】
特許文献２には、運転者から虚像までの距離とともに虚像の傾斜角も変位可能とした虚像表示装置が示されている。２枚のミラーを用いて光路長可変として虚像距離を変化させる構成が示されているが、虚像の傾きを変化させる手段については開示されていない。
【０００６】
特許文献３は、２つの虚像を表示するプロジェクターを有し２つの虚像距離に表示可能なＨＵＤ装置を開示し、距離が遠い側の虚像の想定的な傾きを、中間スクリーン又は光路中に配置するミラーの回転により変化させる。この場合、２つのプロジェクターによる虚像の相対的角度を調整できるが、単一のプロジェクターによって３次元的表示を行うものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2017-15954号公報
【特許文献２】特開2016-102966号公報
【特許文献３】特開2016-212338号公報
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、中間スクリーンの移動量の増大を抑えつつ虚像の投影距離の広がり範囲を広くできる表示装置を提供することを目的とする。
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明に係る表示装置は、投影する像を表示する表示素子と、表示素子に形成された像を拡大する投影光学系と、拡散機能を有し投影光学系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する拡大光学系と、中間スクリーンを横断面において光軸に対して傾斜して配置しつつ、中間スクリーンの位置を投影光学系の光軸方向に移動させて虚像投影位置を変化させる配置変更装置とを備え、中間スクリーンは、横断面において中間像の下部が拡大光学系側に、中間像の上部が投影光学系側に配置されるように傾斜する。
【００１０】
上記表示装置によれば、配置変更装置が、中間スクリーンを横断面において光軸に対して傾斜して配置しつつ中間スクリーンの位置を投影光学系の光軸方向に移動させて虚像投影位置を変化させるので、空間的に広がる表示が可能であり、中間スクリーンを光軸方向に移動させる量を少なくしつつ虚像の投影距離の全体的な距離幅又は広がり範囲を拡大することができる。また、中間像の下部を拡大光学系側に、中間像の上部を投影光学系側に配置するように中間スクリーンを傾斜させることにより、表示像の上側を相対的に遠方側に投影しつつ表示像の下側を相対的に近辺側に投影することができ、例えば路面といった水平面に沿った表示が可能になる。
【００１１】
本発明の具体的な１つの側面では、上記表示装置において、表示素子は、中間スクリーンの傾斜角度に応じて傾斜角度を調整される。この場合、中間スクリーンにおける中間像のフォーカス状態を一様なものとしやすくなり、虚像の画質を向上させることができる。
【００１２】
本発明の別の側面では、配置変更装置は、中間スクリーンを一定の傾斜角度で移動させる。この場合、中間スクリーンの移動機構を簡潔化でき、中間スクリーンの移動に関わらず虚像の状態を維持することが容易になる。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、配置変更装置は、横断面において中間スクリーンの中間像の下部を支点として中間スクリーンを傾斜させて中間スクリーンを移動させる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、中間スクリーンは、回転軸を中心として回転する回転体に設けられる。この場合、中間スクリーンの光軸方向の移動が安定し、高速で虚像距離を変化させることが可能となるとともに、装置の信頼性も増す。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、投影距離を変化させる複数の表示ゾーンのうち隣り合う表示ゾーンにおいて投影距離が部分的に重複するように表示素子に像を表示させる表示制御部を備える。この場合、空間表示密度を高めることができる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、複数の表示ゾーンは、近距離から遠距離になるに従って表示する距離幅が広がる。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、投影光学系は、光軸に対して傾斜した中間スクリーンの傾き角に最適化した設計とする。その際に、中間スクリーンの傾き角に最適化した設計とした投影光学系は、表示素子を光軸に対して傾けて構成する。または、中間スクリーンの傾き角に最適化した設計とした投影光学系は、表示素子を光軸と垂直な面内で表示素子の中心位置が光軸からシフトした位置になるように配置する。または、中間スクリーンの傾き角に最適化した設計とした投影光学系は、投影光学系を構成する各レンズの少なくとも１枚を光軸に対してシフトまたはチルトさせて構成する。これらの構成とすることにより、投影光学系を中間スクリーンの傾きに対して最適に焦点を合わせることができ、中間スクリーン上で焦点がぼけてしまって画質が低下することを防ぐことができる。また、投影光学系に合焦機能を持たせないで、投影光学系の深度内で中間スクリーンを移動させる構成とした場合には、中間スクリーンの移動量が小さくなった分だけ投影光学系のＦ値を小さく設定することができ、表示する虚像の明るさを確保しやすくなって望ましい構成と言える。
【００１８】
本発明のさらに別の側面では、拡大光学系は、光軸に対して傾斜した中間スクリーンの傾き角に最適化した設計とする。ここで、最適化とは、傾けた中間スクリーンでピントが合うように、その中間スクリーン面を物体面として収差補正設計を行うことである。例えば、通常の傾きのない中間スクリーンで最適化した拡大光学系を、傾けた中間スクリーンを有する装置に使用した場合、像歪や像面湾曲等の収差が大きく出てしまい、性能上問題となる。この問題を防ぐには、傾けた中間スクリーンに合わせて最適化設計した拡大光学系が必要となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（Ａ）は、第１実施形態の表示装置をヘッドアップディスプレイ装置として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】虚像表示光学系等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】（Ａ）及び（Ｂ）は、中間スクリーンを組み込んだ拡散部の構造を説明する平面図及び側断面図であり、（Ｃ）は、中間スクリーンの回転に伴う機能領域の移動等を説明する図である。
【図４】中間スクリーン及び中間像の位置の変化を具体的に例示する図である。
【図５】中間像の位置の変化を具体的に例示する図である。
【図６】表示像の投影状態を説明する概念図である。
【図７】具体的な表示像の投影距離を説明する図である。
【図８】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ブロック図である。
【図９】実施例１の投影光学系、表示素子等を説明する断面図である。
【図１０】第２実施形態の表示装置を説明する図である。
【図１１】第３実施形態の表示装置を説明する図である。
【図１２】第４実施形態の表示装置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る表示装置である第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置について説明する。
【００２１】
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（観察者）ＤＲに向けて虚像表示するものである。
【００２２】
ＨＵＤ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。
【００２３】
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ＤＲ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ＤＲ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ＤＲ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ＤＲ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。
【００２４】
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ＤＲ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。
【００２５】
本体光学系１３は、表示素子１１と、表示素子１１に形成された画像を拡大した中間像ＴＩを形成可能な投影光学系１５と、中間像ＴＩの結像位置に対応して光路後段に配置される拡散部１９と、中間像ＴＩを虚像に変換する拡大光学系１７とを備える。詳細は後述するが、本体光学系１３によって、光軸ＡＸに対して傾いた状態の虚像である表示像ＩＭの投影であって投影距離を変更することが可能となっている。本体光学系１３のうち投影光学系１５と、拡散部１９と、拡大光学系１７とは、結像光学系３０ａを構成する。また、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、射出側合成光学系３０ｂを構成する。
【００２６】
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。ここで、表示面１１ａは、中間スクリーン１６の拡散面１６ｍの傾斜に対応して、光軸ＡＸに対して角度θ２で傾斜させている。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ＴＩを拡散部１９に設けた拡散部材１６ｋ上に形成し、拡大光学系１７等へ導かれる。この際、表示面１１ａを適宜傾斜させることで、拡散面１６ｍ上における中間像ＴＩのフォーカス状態を一様なものとしやすくなる。表示素子１１として、２次元表示が可能な描画デバイスを用いることで、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。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、表示素子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ＤＲ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。
【００２７】
投影光学系１５は、本体レンズ１５ａ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、複数のレンズ要素を有する。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、拡散部１９の拡散部材１６ｋの表面に設けた中間スクリーン１６に近接した位置に中間像ＴＩ（又は中間スクリーン１６の位置に強制中間像ＴＩ’）を形成する。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。
【００２８】
拡散部１９は、投影光学系１５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）に配置される部材であり、配置変更装置である回転駆動部６４に駆動されて例えば一定速度で回転軸ＳＸの周りに回転する。つまり、回転駆動部６４は、拡散部１９（具体的には、後述する回転体１９ａの中間スクリーン１６）に、光軸ＡＸ方向に沿った可動範囲内において周期運動を行わせる。また、回転駆動部６４は、表示制御部１８の制御下で動作しており、中間スクリーン１６の回転位置や回転速度を、表示素子１１の投影タイミングに合わせて調整している。
【００２９】
図３（Ａ）及び３（Ｂ）に示すように、拡散部１９は、全体として円板に近い輪郭を有する螺旋状の回転体１９ａと、回転体１９ａを収納する円筒状の中空枠体であるスクリーンカバー１９ｂとを有する。
【００３０】
回転体１９ａは、中間スクリーン１６として機能する円錐状の部材である。回転体１９ａに形成された一方の表面１９ｆは、平滑面又は光学面に形成されており、表面１９ｆ上には、略全域に亘って拡散面１６ｍが形成されている。つまり、中間スクリーン１６は、拡散スクリーンである。拡散面１６ｍは、配光角を所望の角度に制御する部分である。拡散面１６ｍは、回転体１９ａに貼り付けられるシートとできるが、回転体１９ａ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。さらに、拡散面１６ｍは、回転体１９ａ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。拡散面１６ｍは、入射した表示光ＨＫを拡散させることによって中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’を形成する。回転体１９ａに形成された他方の表面１９ｓは、平滑面又は光学面に形成されている。回転体１９ａは、光透過性を有する螺旋状の部材であり、一対の表面１９ｆ，１９ｓは、円錐側面を変形したものであって、回転軸ＳＸを螺旋軸とする螺旋変位面となっている。結果的に、一方の表面１９ｆ上に形成された拡散面１６ｍも円錐側面を変形した螺旋変位面に沿って形成されている。回転体１９ａ又は中間スクリーン１６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。拡散面１６ｍは、螺旋の一周期に対応する範囲に形成されており、拡散部１９の周に沿った一箇所には、拡散面１６ｍの切れ目として段差部１９ｊが形成されている。回転体１９ａすなわち中間スクリーン１６をこのような形状とすることで、中間スクリーン１６の拡散面１６ｍを光軸ＡＸに対して所望の角度だけ傾斜させることができるとともに、拡散面１６ｍの光軸ＡＸ方向の位置を連続的に変化させることができ、表示像ＩＭを光軸ＡＸに対して傾けつつ投影距離を変化させる投影が可能となる。
【００３１】
回転体１９ａにおいて、周方向に沿った一箇所は、投影光学系１５又は虚像表示光学系３０の光軸ＡＸが通る機能領域ＦＡとなっており、機能領域ＦＡにおける拡散面１６ｍの部分によって中間像ＴＩが形成される。この機能領域ＦＡは、回転体１９ａの回転に伴って回転体１９ａ上において一定速度で移動する。つまり、回転体１９ａ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が傾斜した姿勢を維持したままで機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩの位置が光軸ＡＸに沿って往復移動する（図４参照）。つまり、中間スクリーン１６を一定の傾斜角度で移動させることになる。図示の例では、拡散面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１９ａの１回転で拡散面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。
【００３２】
なお、図示のＹＺ面に平行な横断面において中間スクリーン１６の拡散面１６ｍ又は中間像ＴＩを光軸ＡＸに垂直な面を基準として図面上で時計方向に回転させるように角度θ１だけ傾斜させることによって、図示の拡大光学系１７の場合、表示像ＩＭの上側を相対的に遠方側に投影しつつ表示像ＩＭの下側を相対的に近辺側に投影することができ、表示像ＩＭを上側で奥に倒れるような状態とすることができる。これに対応して、中間スクリーン１６は、中間像ＴＩの下部が拡大光学系１７側に、中間像ＴＩの上部が投影光学系１５側に配置されるように傾斜している。
【００３３】
ここで、投影光学系１５は、光軸ＡＸに対して傾斜した中間スクリーン１６の傾き角θ１に最適化した設計としている。その際に、中間スクリーン１６の傾き角θ１に最適化した設計とした投影光学系１５は、表示素子１１を光軸ＡＸに対して傾けて構成するものとできる。または、中間スクリーン１６の傾き角θ１に最適化した設計とした投影光学系１５は、表示素子１１を光軸ＡＸと垂直な面内で表示素子１１の中心位置が光軸ＡＸからシフトした位置になるように配置するものとできる。または、中間スクリーン１６の傾き角θ１に最適化した設計とした投影光学系１５は、投影光学系１５を構成する各レンズの少なくとも１枚を光軸ＡＸに対してシフトまたはチルトさせて構成するものとできる。これらの構成とすることにより、投影光学系１５を中間スクリーン１６の傾きに対して最適に焦点を合わせることができ（具体的には、例えば中間スクリーン１６の機能領域ＦＡ又はその一部に近似又はフィッティングさせた平面又は曲面と、投影光学系１５のフォーカス面に近似又はフィッティングさせた平面又は曲面とを相対的角度差や光軸ＡＸ方向の位置ずれなく略一致させることができ）、中間スクリーン１６上で焦点がぼけてしまって画質が低下することを防ぐことができる。また、投影光学系１５に合焦機能を持たせないで、投影光学系１５の深度内で中間スクリーン１６を移動させる構成とした場合には、中間スクリーン１６の移動量が小さくなった分だけ投影光学系１５のＦ値を小さく設定することができ、表示する虚像の明るさを確保しやすくなって望ましい構成と言える。なお、拡大光学系１７についても、光軸ＡＸに対して傾斜した中間スクリーン１６の傾き角θ１に最適化した設計としている。
【００３４】
投影光学系１５は、拡散部１９に設けた中間スクリーン１６又は拡散面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。
【００３５】
スクリーンカバー１９ｂは、円柱状の外形輪郭を有し、円筒状の側面部１９ｅと、一対の円板状の端面部１９ｇ，１９ｈとで構成される。側面部１９ｅは、光透過性を有していなくてもよく、遮光体で形成することができる。一対の端面部１９ｇ，１９ｈは、可視波長域で高い透過性を有する材料で形成され、可視光線である表示光ＨＫを通過させる。一対の端面部１９ｇ，１９ｈは、平行平板であるが、自由曲面形状や非球面形状を有するものとできる。スクリーンカバー１９ｂ中の回転体１９ａは、一対の中心軸部６５を介してスクリーンカバー１９ｂに固定されており、スクリーンカバー１９ｂと回転体１９ａとは回転軸ＳＸの周りに一体的に回転する。このように、拡散面１６ｍを設けた回転体１９ａをスクリーンカバー１９ｂ中に配置することで、回転体１９ａに塵等が付着することを抑制でき、回転体１９ａの回転に伴う音の発生を抑制することができ、回転体１９ａの高速での回転を安定化させることが容易になる。なお、回転体１９ａは、その外周部分においてスクリーンカバー１９ｂに固定してもよい。
【００３６】
図２に戻って、拡大光学系１７は、拡散部１９に形成された中間像ＴＩを表示スクリーン２０と協働して拡大し、運転者ＤＲの前方の表示スクリーン２０越しに虚像としての表示像ＩＭを形成する。拡大光学系１７は、少なくとも１枚のミラーで構成されるが、図示の例では２枚のミラー１７ａ，１７ｂを含む。また、拡大光学系１７を構成する２枚のミラー１７ａ，１７ｂは、自由曲面形状となっており、中間スクリーン１６の傾き角に最適化した設計としている。
【００３７】
図２等に示すヘッドアップディスプレイ装置１００において、回転駆動部６４によって拡散部１９を一定速度で回転軸ＳＸの周りに回転させることで、回転体１９ａ又は中間スクリーン１６の拡散面１６ｍが光軸ＡＸと交差する位置（具体的には、図３（Ａ）等に示す機能領域ＦＡ）も光軸ＡＸ方向に移動する。つまり、図３（Ｃ）に示すように、回転体１９ａの回転に伴って、中間スクリーン１６上の機能領域ＦＡは、例えば元の機能領域ＦＡ１から等角度でずれた位置に設定された隣接する機能領域ＦＡ２，ＦＡ３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１９が回転軸ＳＸの周りに回転することで、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ＤＲとの距離を大きく、又は小さくすることができる。つまり、表示像ＩＭの虚像投影位置を変化させることになる。このように、表示制御部１８の制御下で、投影される表示像ＩＭの虚像投影位置を前後に変化させるとともに、表示素子１１による表示内容をその位置に応じたものとすることで、上側で奥に倒れた表示像ＩＭを表示しつつ表示像ＩＭの光軸ＡＸとの交点までの投影距離又は虚像距離を変化させつつ表示像ＩＭの表示内容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。
【００３８】
図５は、拡散部１９の回転に伴う中間像ＴＩの中心位置（中間像ＴＩの光軸ＡＸとの交点）の変化を具体的に例示する図である。図２に示す中間スクリーン１６の機能領域ＦＡの中心は、光軸ＡＸ方向に沿って鋸歯状の経時パターンＰＡで繰り返し周期的に移動しており、中間像ＴＩの中心位置も、表示素子１１が継続的に表示を行っている場合、図示のように光軸ＡＸ方向に沿って鋸歯状の経時パターンＰＡで繰り返し周期的に移動する。つまり、中間像ＴＩの中心位置は、境界部１６ｊに対応する箇所で不連続的ながら、拡散部１９の回転に伴って連続的かつ周期的に変化する。この結果、図示を省略するが、表示像（虚像）ＩＭの中心位置（表示像ＩＭの光軸ＡＸとの交点）も、スケールは異なるが、中間像ＴＩの中心位置と同様に光軸ＡＸ方向に沿って繰り返し周期的に移動し、投影距離を連続的に変化させることができる。表示素子１１は、厳密には連続表示を行うものでなく、表示内容を切替えつつ間欠的な表示を行うものであるから、中間像ＴＩの中心位置も鋸歯状の経時パターンＰＡ上における離散的な位置となる。経時パターンＰＡにおいて、最も近距離側又は拡大光学系１７寄りの表示位置Ｐｎと、最も遠距離側又は投影光学系１５寄りの表示位置Ｐｆとは、経時パターンＰＡの両端に設定される。また、経時パターンＰＡの途切れ目ＰＤは、拡散部１９の回転体１９ａに設けた境界部１６ｊに対応する。さらに、図３（Ｃ）に示す機能領域ＦＡ１，ＦＡ２，ＦＡ３の中心位置は、経時パターンＰＡ上の離散的な表示位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に対応する。
【００３９】
図６は、表示像ＩＭの投影状態を説明する概念図である。表示像ＩＭは、水平方向に近い０°の方向から伏角４°程度の方向に広がっており、垂直方向の画角は４°程度となっている。表示像ＩＭによって実現される空間表示ＳＩは、経時的に移動する複数の表示ゾーンＩＭ１〜ＩＭ５からなり、表示ゾーンＩＭ１〜ＩＭ５を高速度で順次表示させることで３Ｄ表示を可能としている。ここでは、表示像ＩＭ又は空間表示ＳＩを５つの表示ゾーンＩＭ１〜ＩＭ５で構成しているが、表示ゾーンの分割数は５つに限らず、例えば３、４、又は６以上とすることができる。図からも明らかなように、表示像ＩＭ又は表示ゾーンＩＭ１〜ＩＭ５を傾けることで、比較的狭い画角αにおいて中間像ＴＩの中心位置の移動量を抑えつつ路面ＲＳから瞳ＨＴを通る水平面ＨＰまでの空間をカバーすることができ、路上走行を前提とする場合、小画角で効率的な表示が可能になる。表示ゾーンＩＭ１〜ＩＭ５は、近距離から遠距離になるに従って表示する距離幅が広がっている。
【００４０】
図６の場合、表示像ＩＭ又は表示ゾーンＩＭ１〜ＩＭ５を、鉛直のＹＺ断面において上に凸となる曲面上に形成しているが、拡散面１６ｍを湾曲させることや拡大光学系１７に像面湾曲を生じさせることにより、２点鎖線で示すように下に凸となる曲面上に形成することもでき、図示を省略するが、直線的な面上に形成することもができる。図６の場合、隣り合う表示ゾーン、例えば表示ゾーンＩＭ２，ＩＭ３が投影距離に関して部分的に重複する領域ＡＲ１を有しているが、隣り合う表示ゾーン（例えば表示ゾーンＩＭ２，ＩＭ３）間に投影距離の重複がなくてもよい。ただし、重なり合う表示ゾーンの数が多い程、或いは表示ゾーンの密度が高い程、表示像ＩＭによる空間表示密度が高まって、光軸ＡＸに垂直な縦方向に関して表示の自由度を高めることができる。奥行き方向の領域ＡＲ２については、例えば光軸ＡＸに沿った表示ゾーンＩＭ１〜ＩＭ５の対応領域ＡＰ１〜ＡＰ５で異なる表示を行う。これにより、奥行き方向に関して投影距離ごとに異なる表示が可能になる。ただし、対応領域ＡＰ１〜ＡＰ５の全体又は一部において、共通の表示を行うことができる。例えば対応領域ＡＰ１〜ＡＰ３で共通の表示（例えば前方移動物を囲む枠）を行った場合、表示の切替えが高速で画像の重複が正確ならば、視覚的な認識としては中央の対応領域ＡＰ２付近に表示が行われたと知覚される。同様に、対応領域ＡＰ２〜ＡＰ４で共通の表示（例えば前方移動物を囲む枠）を行った場合、表示の切替えが高速で画像の重複が正確ならば、視覚的な認識としては中央の対応領域ＡＰ３付近に表示が行われたと知覚される。このように、奥行き方向に重複した表示を行う場合、輝度のバランスを保つ観点で、各表示ゾーンＩＭ１〜ＩＭ５について略同一の表示時間で表示素子１１に表示動作を行わせることが望ましい。
【００４１】
図７は、具体的な表示像ＩＭの投影距離を説明する図である。縦軸は中間スクリーン１６の拡散面１６ｍ又は中間像ＴＩの上下方向又はＺ’方向の位置を示し、横軸は投影距離を示す。ここで、拡大光学系１７の拡大倍率は、虚像距離４ｍの場合に１１倍とし、虚像距離２４ｍの場合に７７倍としている。また、拡散面１６ｍ又は機能領域ＦＡの上下方向又はＺ’方向の幅は２６ｍｍとして、中間像ＴＩの光軸ＡＸ方向に関する最大の位置差Δを４．６ｍｍとしている。以下の表１は、図７に対応する具体的な数値を説明するものである。表１において、縦に図７のグラフ中の曲線に対応する配置例１〜６が列挙され、各配置例１〜６において左側が近距離投影を示し、右側が遠距離投影を示す。表１中の光軸方向の位置は、中間像ＴＩの上下の各位置における中間スクリーン１６の光軸ＡＸ方向の移動量を示す。
〔表１〕
2020064235.tif 000003
【００４２】
図８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。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。
【００４３】
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。
【００４４】
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２内外の適所に設置されており、運転者ＤＲ又はフロントウインドウ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。
【００４５】
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、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。
【００４６】
なお、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。
【００４７】
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の背後に虚像距離が変化する３次元的な表示像ＩＭを表示させる。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、その奥行き方向等に関して周辺に位置するフレーム枠のような標識とすることができる。
【００４８】
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フレーム枠その他の標識の虚像投影位置又は空間的な配置を調整する。
【００４９】
以上で説明した第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置（表示装置）１００によれば、配置変更装置である回転駆動部６４が、中間スクリーン１６を横断面において光軸ＡＸに対して傾斜して配置しつつ中間スクリーン１６の位置を投影光学系１５の光軸ＡＸ方向に移動させて虚像投影位置を変化させるので、空間的に広がる表示が可能であり、中間スクリーン１６を光軸ＡＸ方向に移動させる量を少なくしつつ虚像の投影距離の全体的な距離幅又は広がり範囲を拡大することができる。また、中間像ＴＩの下部を拡大光学系１７側に、中間像ＴＩの上部を投影光学系１５側に配置するように中間スクリーン１６を傾斜させることにより、表示像ＩＭの上側を相対的に遠方側に投影しつつ表示像ＩＭの下側を相対的に近辺側に投影することができ、例えば路面といった水平面に沿った表示が可能になる。
【００５０】
〔実施例１〕
以下、本発明の表示装置の投影光学系、表示素子等の実施例を示す。投影光学系は、光軸に対して傾斜した中間スクリーンの傾き角に最適化した設計となっている。実施例１の投影光学系、表示素子等の全体諸元を以下に示す。
有効焦点距離：27.342（mm）
Ｆナンバー：4.000
倍率：6.046
表示素子（ＤＭＤ）の傾き：2.400（°）
物体（中間像）の傾き：15.000（°）
【００５１】
実施例１の投影光学系、表示素子等のレンズ面のデータを以下の表１に示す。なお、以下の表１において、面番号を「Surf. N」で表し、物体を「OBJ」で表し、開口絞りを「ST」で表し、無限大を「INF」で表し、全反射プリズムを「TIR」で表し、表示素子を「DMD」で表している。また、曲率半径を「R」で表し、軸上面間隔を「D」で表し、レンズ材料を「N」で表す。
〔表１〕
Surf. N  R(mm)     D(mm)   N
OBJ      INF      142.97
1       110.00      2.62   SLAL18_OHARA
2      -110.00      8.86
3         9.63      4.00   SNPH3_OHARA
4         5.56      3.92
5(ST)    INF        5.80
6       -16.00      4.72   SLAL18_OHARA
7       -10.00     13.22
8        25.00      2.00   SNPH3_OHARA
9        16.00      1.96
10       19.00      4.61   SLAL18_OHARA
11      -70.00      8.02
12(TIR)  INF       15.00   BSC7_HOYA
13(TIR)  INF        2.00
14(DMD)  INF        0.65   B270_SCHOTT
15(DMD)  INF        0.30
【００５２】
図９は、実施例１の投影光学系１５等の断面図である。投影光学系１５は、物体側から順に、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３と、第４レンズＬ４と、第５レンズＬ５とを備える。第２レンズＬ２と第３レンズＬ３との間には、開口絞りＳＴが配置されている。なお、本実施例は投影光学系１５を構成する各レンズＬ１〜Ｌ５をシフト、チルトさせることなく、表示素子１１を傾けた状態で最適化した設計となっているが、投影光学系１５内のレンズＬ１〜Ｌ５の少なくとも１枚をシフトしたり、チルトさせたりすることで最低化する構成としても構わない。
【００５３】
〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第２実施形態の表示装置は第１実施形態の表示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。
【００５４】
図１０を参照して、表示装置であるヘッドアップディスプレイ装置１００において、拡散部１９は、平板状の中間スクリーン２１６を有し、配置変更装置である往復駆動部２６４に駆動されて光軸ＡＸ方向に移動する。ただし、中間スクリーン２１６の拡散面１６ｍ又は中間像ＴＩを光軸ＡＸに垂直な面を基準として図面上で時計方向に回転させるように傾斜させることによって、表示像ＩＭを上側で奥に倒れるような状態とすることができる。
【００５５】
〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第３実施形態の表示装置は第２実施形態の表示装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第２実施形態と同様である。
【００５６】
図１１に示すように、拡散部１９の中間スクリーン２１６は、紙面に垂直な基準軸ＴＸのまわり回転可能になっている。配置変更装置である回転駆動部３６４により中間スクリーン２１６を基準軸ＴＸの周りに回転させることで、中間スクリーン２１６を全体として光軸ＡＸ方向に移動させることができる。ただし、中間スクリーン２１６は、光軸ＡＸ方向に移動する際に光軸ＡＸに対する角度が変化し、表示像ＩＭの傾斜状態も変化する。
【００５７】
なお、第３実施形態において、第１実施形態の拡散部１９を用いてもよい。この場合、拡散部１９において、例えば回転体１９ａの円錐側面の傾斜角度を回転角に伴い変化する構造とする。
【００５８】
〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第４実施形態の表示装置は第１実施形態の表示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。
【００５９】
図１２を参照して、表示装置であるヘッドアップディスプレイ装置１００において、表示素子１１は、素子変位部４６４を有している。配置変更装置である素子変位部４６４は、中間スクリーン１６の変位に同期して表示素子１１を光軸ＡＸ方向に移動させる。これにより、中間スクリーン１６又は拡散面１６ｍ上に中間像ＴＩを正確にフォーカスさせることができ、投影光学系１５のＦ値を明るくすることができる。
【００６０】
以上では、具体的な実施形態としての表示装置について説明したが、本発明に係る表示装置は、上記のものには限られない。例えば、ヘッドアップディスプレイ装置１００は、車体２以外の装置に搭載することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１０…描画ユニット、  １１…表示素子、  １３…本体光学系、  １５…投影光学系、  １６，２１６…中間スクリーン、  １７…拡大光学系、  １８…表示制御部、  １９…拡散部、  １９ａ…回転体、  １９ｂ…スクリーンカバー、  ２０…表示スクリーン、  ３０…虚像表示光学系、  ６４…回転駆動部、  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、  ２００…移動体用表示システム、  ２６４…往復駆動部、  ３６４…回転駆動部、  ４６４…素子変位部、  ＡＸ…光軸、  ＤＲ…運転者、  ＥＢ…アイボックス、  ＦＡ，ＦＡ１，ＦＡ２，ＦＡ３…機能領域、  ＨＫ…表示光、  ＨＴ…瞳、  ＩＭ…表示像、  ＩＭ１〜ＩＭ５…表示ゾーン、  ＳＸ…回転軸、  ＴＩ…中間像
【図１】
2020064235.tif 000004
【図２】
2020064235.tif 000005
【図３】
2020064235.tif 000006
【図４】
2020064235.tif 000007
【図５】
2020064235.tif 000008
【図６】
2020064235.tif 000009
【図７】
2020064235.tif 000010
【図８】
2020064235.tif 000011
【図９】
2020064235.tif 000012
【図１０】
2020064235.tif 000013
【図１１】
2020064235.tif 000014
【図１２】
2020064235.tif 000015