(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、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投射光学系１７とを備え、拡大投射光学系１７は、中間スクリーン１６ｍ側から順に第１ミラー１７ａと第２ミラー１７ｂとを有し、中間スクリーン１６ｍは、第１ミラー１７ａと第２ミラー１７ｂとの間において中間スクリーン１６ｍ側にあって光束の最も外側の光線に対して略平行に配置される。【選択図】図２
2020042154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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投影する拡大投射光学系とを備え、
前記拡大投射光学系は、前記中間スクリーン側から順に第１ミラーと第２ミラーとを有し、
前記中間スクリーンは、前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間において前記中間スクリーン側にあって光束の最も外側の光線に対して略平行に配置され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】
以下の条件式を満たす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。
−３０＜θ＜＋３０    …    （１）
ここで、
θ：前記光束の最も外側の光線と前記中間スクリーンとのなす角
【請求項３】
前記中間スクリーンは移動する平板状の部材に設けられ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はディスクに設けられており、前記中間スクリーンの回転軸は前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に配置されて前記第１ミラーの反射前後の光軸を含む面に略平行に延び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】
前記拡大投射光学系によって形成される虚像を投影する表示スクリーンを備え、
前記表示スクリーンは、コンバイナーであることを特徴とする請求項１から４まで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し、かつ虚像の投影位置を可変とした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】
従来のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）装置は、虚像を運転者からある一定の距離だけ離れた位置に生成することが一般的であり、運転者から虚像までの距離が一定だと、目の位置がずれた場合に実物（対象物）の位置と危険信号（虚像）の位置とがずれて運転者が危険信号を誤認したり、実物の位置と危険信号の位置とにずれがあると焦点位置の違いにより違和感が生じたりする問題が生じる。このような問題を解決するため、実物に対して虚像を奥行方向も含めて重畳させることが望ましい。
【０００３】
虚像の位置を変更するＨＵＤ装置として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーのような走査型の像形成手段と、スクリーンと、投影手段と、スクリーンの位置を変える可動手段とにより虚像の位置を変化させるものが開示されている（例えば特許文献１参照）。しかしながら、特許文献１の主たる目的は、車の速度に合わせて虚像位置を近づけたり、遠ざけたりして運転者の視線移動を少なくすることであり、危険信号と対象物とを重畳させて表示することを意図したものではない。また、特許文献１の装置では、光学系の配置に制限があり装置が大型化するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１５０９４７号公報
【発明の概要】
【０００５】
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。
【０００６】
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、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投影する拡大投射光学系とを備え、拡大投射光学系は、中間スクリーン側から順に第１ミラーと第２ミラーとを有し、中間スクリーンは、第１ミラーと第２ミラーとの間において中間スクリーン側にあって光束の最も外側の光線に対して略平行に配置される。ここで、光束とは中間スクリーンから出てアイボックス内に到達する光線の束を意味し、中間スクリーンが移動する場合は全ての中間スクリーン位置からアイボックス内に到達する光線の束を意味する。
【０００７】
上記ヘッドアップディスプレイ装置によれば、中間スクリーンが、第１ミラーと第２ミラーとの間において中間スクリーン側にあって光束の最も外側の光線に対して略平行に配置されることにより、中間スクリーンを次段の光路に近づけて省スペースで配置することができ、装置を小型化することができる。また、中間スクリーンと光束の最も外側の光線とを略平行に配置すると、虚像投影距離を変化させるために中間像を移動できる間隔が大きくとれる。すなわち虚像を重畳できる距離が大きくなる。中間スクリーンと光束の最も外側の光線とが略平行でない場合には、中間スクリーンを光束に近づける方向に移動させたときに、中間スクリーンが光束の一部を遮ってしまい、虚像投影距離変化範囲が狭くなってしまう。
【０００８】
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、以下の条件式を満たす。
−３０＜θ＜＋３０    …    （１）
ここで、θは光束の最も外側の光線と中間スクリーンとのなす角である。値θを条件式（１）の範囲内とすることで、光束の最も外側の光線が中間スクリーンと完全平行な場合に比べて、中間スクリーンを全体として離す必要があるが、中間スクリーンと光束の最も外側の光線との間隔を中間スクリーンサイズの半分以下にすることができる。これにより、装置を小型化することができ、かつ虚像の位置を変更できる範囲を広くとることができる。
【０００９】
本発明のさらに別の側面では、中間スクリーンは移動する平板状の部材に設けられる。上述の構成とすることで中間スクリーンを第１ミラーにより近付けることができ、装置を小型化しつつ、虚像距離変化が可能となる。
【００１０】
本発明のさらに別の側面では、中間スクリーンはディスクに設けられており、中間スクリーンの回転軸は第１ミラーと第２ミラーとの間に配置されて第１ミラーの反射前後の光軸を含む面に略平行に延びる。上述の構成とすることで中間スクリーンの外側端部を第１ミラーの内側下方に配置することができ、装置を小型化しつつ、虚像距離変化が可能となる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、拡大投射光学系によって形成される虚像を投影する表示スクリーンを備え、表示スクリーンは、コンバイナーである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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拡大側方断面図である。
【図３】ヘッドアップディスプレイ装置における中間スクリーンの配置を説明する断面図である。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）は、ヘッドアップディスプレイ装置の具体的な光学系を説明する側方斜視図及び背面側斜視図である。
【図５】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６】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７】第２実施形態の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８】（Ａ）及び（Ｂ）は、図７の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一部破断平面図及び一部破断断面図であり、（Ｃ）は、中間スクリーンの回転に伴う機能領域の移動を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
〔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。
【００１４】
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）ＵＮ向けに虚像表示するものである。
【００１５】
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）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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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ＴＩを形成可能な投影光学系１５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材１６と、中間像ＴＩを虚像に変換する拡大投射光学系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のうち投影光学系１５と、拡散部材１６と、拡大投射光学系１７とは、結像光学系３０ａを構成する。また、本体光学系１３のうち拡大投射光学系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。
【００１９】
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ＴＩを拡散部材１６上に形成し、拡大投射光学系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ＴＩ又は表示像（虚像）ＩＭの切換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。
【００２０】
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ＴＩ（又は中間スクリーン１６ｍ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ボケたものも含み、広義に中間像ＴＩと呼ぶこともある。
【００２１】
拡散部材１６は、表面に中間スクリーン１６ｍを設けた平板状の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、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材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。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、拡大投射光学系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。拡散部材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。
【００２２】
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又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、アイボックスＥＢ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。駆動装置６２によって拡散部材１６又は中間スクリーン１６ｍを光軸ＡＸに沿って移動させることで、拡大投射光学系１７によって表示スクリーン（コンバイナー）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、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。
【００２３】
中間スクリーン１６ｍを平板状の拡散部材１６に設ける構成とし、拡散部材１６を光軸ＡＸに沿って移動させることで、中間スクリーン１６ｍを後述する拡大投射光学系１７の第１ミラー１７ａ（つまり、中間スクリーン１６ｍに最も近いミラー）により近付けることができ、装置を小型化しつつ、虚像距離変化が可能となる。
【００２４】
拡散部材１６又は中間スクリーン１６ｍの光軸ＡＸに沿った移動範囲は、中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍に相当するものであるが、投影光学系１５の拡散部材１６側の焦点深度の範囲内とすることが望ましい。これにより、強制中間像ＴＩ’の状態と虚像としての表示像ＩＭ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。拡散部材１６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、拡散部材１６の移動を効率良く行うことができ、拡散部材１６の応答性を向上させることができる。拡散部材１６の移動速度は、虚像としての表示像ＩＭが複数個所又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以上の速度で拡散部材１６を移動させる。この場合、観察者（運転者ＵＮ）の知覚を超える速さのため、観察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。
【００２５】
拡散部材１６は、駆動装置６２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。拡散部材１６又は中間スクリーン１６ｍが移動範囲の最も上流側（つまり、拡大投射光学系１７に最も近い上側）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（コンバイナー）２０の背後の最も近くに虚像として表示される。また、拡散部材１６又は中間スクリーン１６ｍが移動範囲の最も下流側（つまり、拡大投射光学系１７から最も遠い下側）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（コンバイナー）２０の背後の最も遠くに虚像として表示される。
【００２６】
拡大投射光学系１７は、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。拡大投射光学系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。
【００２７】
ここで、図３に拡大して示すように、中間スクリーン１６ｍは平面状に延び、第１ミラー１７ａと第２ミラー１７ｂとの間において中間スクリーン１６ｍ側にあって最も外側の光束Ｌ１に対して略平行に配置されている。光束の最も外側の光線Ｌ１と中間スクリーン１６ｍとが略平行に配置されているため、中間スクリーン１６ｍを拡大投射光学系１７に近づけても光束の最も外側の光線Ｌ１と干渉しない。また、中間スクリーン１６ｍを拡大投射光学系１７側に近づけて配置できるため、拡大投射光学系１７の倍率を高めることができ、中間スクリーン１６ｍの移動量を小さくすることができる。
【００２８】
最も外側の光束Ｌ１と中間スクリーン１６ｍとは、以下の条件式を満たす。
−３０＜θ＜３０    …    （１）
ここで、θは光束の最も外側の光線Ｌ１と中間スクリーン１６ｍとのなす角（単位：°）である。値θを条件式（１）の範囲内とすることで、光束の最も外側の光線Ｌ１が中間スクリーン１６ｍと完全平行な場合に比べて、中間スクリーン１６ｍを全体として離す必要があるが、中間スクリーン１６ｍと光束の最も外側の光線Ｌ１との間隔を中間スクリーンサイズの半分以下にすることができる。これにより、装置を小型化することができ、かつ虚像の位置を変更できる範囲を広くとることができる。
【００２９】
図４（Ａ）は、具体的実施例の光学系を説明する側方斜視図であり、中間スクリーン１６ｍから射出側合成光学系３０ｂにかけての光学面及び光線を示している。図４（Ｂ）は、具体的実施例の光学系を説明する正面図であり、中間スクリーン１６ｍから射出側合成光学系３０ｂにかけての光学面及び光線を示している。
【００３０】
射出側合成光学系３０ｂにおいて、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の短辺方向及び長辺方向は、中間スクリーン１６ｍ上の中間像ＴＩ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、虚像の鉛直方向又は垂直方向（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。
【００３１】
図２に戻って、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。
【００３２】
図５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５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。
【００３３】
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、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。
【００３４】
運転者検出部７１は、運転者ＵＮの存在や視点位置を検出する部分であり、運転席用カメラ７１ａと、運転席用画像処理部７１ｂと、運転席画像判断部７１ｃとを備える。運転席用カメラ７１ａは、車体２内のダッシュボード４の運転席正面に設置されており（図１（Ｂ）参照）、運転者ＵＮの頭部及びその周辺の画像を撮影する。運転席用画像処理部７１ｂは、運転席用カメラ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運転席画像判断部７１ｃでの処理を容易にする。運転席画像判断部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又は切り出しを行うことによって運転者ＵＮ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２内における運転者ＵＮの頭部の存否とともに運転者ＵＮの目の空間的な位置（結果的に視線の方向）を算出する。
【００３５】
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６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。
【００３６】
なお、運転席用カメラ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、画像内の各領域又はオブジェクトまでの距離を判定できる。
【００３７】
また、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に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。
【００３８】
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のような標識とすることができる。
【００３９】
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ＵＮ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による表示像ＩＭの投影の自動的な開始や停止が可能になる。また、運転者ＵＮの視線の方向のみに表示像ＩＭの投影を行うこともできる。さらに、運転者ＵＮの視線の方向の表示像ＩＭ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。
【００４０】
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。
【００４１】
図６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。
【００４２】
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が、第１ミラー１７ａと第２ミラー１７ｂとの間において中間スクリーン１６ｍ側にあって光束の最も外側の光線Ｌ１に対して略平行に配置されることにより、中間スクリーン１６ｍを次段の光路に近づけて省スペースで配置することができ、装置を小型化することができる。また、中間スクリーン１６ｍと光束の最も外側の光線Ｌ１とを略平行に配置すると、虚像投影距離を変化させるために中間像ＴＩを移動できる間隔が大きくとれる。すなわち表示像（虚像）ＩＭを重畳できる距離が大きくなる。中間スクリーン１６ｍと光束の最も外側の光線Ｌ１とが略平行でない場合には、中間スクリーン１６ｍを光束に近づける方向に移動させたときに、中間スクリーン１６ｍが光束の一部を遮ってしまい、虚像投影距離変化範囲が狭くなってしまう。
【００４３】
〔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。本実施形態の場合、図１に示す往復型の中間スクリーン１６ｍ等に代えて回転型の中間スクリーンを含む拡散部を配置する。
【００４４】
図７、図８（Ａ）及び８（Ｂ）に示すように、拡散部材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。拡散部材１６は、図１に示す投影光学系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。なお、図８（Ａ）〜８（Ｃ）において、説明の都合上、拡散部材１６は局所的なｘｙｚ直交座標を基準に示しており、拡散部材１６は、後述するように、拡大投射光学系１７の第１ミラー１７ａと第２ミラー１７ｂとの間において中間スクリーン１６ｍ側にあって光束の最も外側の光線Ｌ１に対して略平行になるように配置される。
【００４５】
回転体１６ａは、中央部１６ｃと外周光学部１６ｐとを有する。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。中間スクリーン１６ｍは、配光角を所望の角度に制御する部分である。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。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、拡散部材１６において、回転体１６ａの周囲にカバーを設けてもよい。
【００４６】
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中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’を形成する。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、拡散部材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。
【００４７】
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（表示素子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。
【００４８】
なお、投影光学系１５は、拡散部材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。
【００４９】
駆動装置１６２によって拡散部材１６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８（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。拡散部材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、拡大投射光学系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。
【００５０】
中間スクリーン１６ｍは、第１ミラー１７ａと第２ミラー１７ｂとの間において中間スクリーン１６ｍ側にあって光束の最も外側の光線Ｌ１に対して略平行に配置されている（図３参照）。また、図７に示すように、回転体１６ａ又は中間スクリーン１６ｍの回転軸ＳＸは、拡大投射光学系１７の第１ミラー１７ａと第２ミラー１７ｂとの間に配置されて第１ミラー１７ａの反射前後の光軸ＡＸを含む面に略平行に延びている。中間スクリーン１６ｍの回転軸ＳＸを拡大投射光学系１７の２つのミラー１７ａ，１７ｂ間に配置する構成とすることで、中間スクリーン１６ｍの外側端部を第１ミラー１７ａの内側下方に配置することができ、装置を小型化しつつ、距離変化が可能となる。
【００５１】
図７に示す投影光学系１５からの表示光ＨＫは、図８（Ａ）に示す回転体１６ａの中間スクリーン１６ｍを通過して拡散度が調整され、拡大投射光学系１７を経て表示スクリーン２０で反射される。
【００５２】
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。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。
【００５３】
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。
【００５４】
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、拡大投射光学系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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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、短辺方向や長辺方向に偏向特性や拡散特性を有する構成としてもよい。
【００５９】
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】
【００６０】
２…車体、  ８…フロントガラス、  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…拡散部材、  １６ｍ…中間スクリーン、  １７…拡大投射光学系、  １７ａ，１７ｂ…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、  ６２…駆動装置、  ７１…運転者検出部、  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、  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、  ＨＫ…表示光、  ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３…表示枠、  ＩＭ，ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３…表示像、  ＯＢ，ＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３…オブジェクト、  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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