(57)【要約】【課題】複数の投影距離に虚像を実質的に同時に表示する虚像表示装置、およびこれを備えたヘッドアップディスプレイ装置を提供する。【解決手段】虚像表示装置２０は、表示素子２１と、投影光学系２２と、回転体２３と、虚像形成光学系２４と、を有する。投影光学系２２は、表示素子２１に形成された像を拡大する。回転体２３は、回転軸２３ａ回りに回転し、投影光学系２２からの結像された光を拡散する拡散スクリーン２９を備える。虚像形成光学系２４は、拡散スクリーン２９上の像を変換し、投影光学系２２からの光の光軸方向における拡散スクリーン２９の位置に対応した投影距離で、虚像を形成する。拡散スクリーン２９は、回転軸２３ａを挟んで一方の側でかつ回転軸２３ａに平行に配置され、回転体２３が回転することにより、拡散スクリーン２９の光軸方向の位置が変更される。【選択図】図４
2019107225.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、
回転軸回りに回転し、前記投影光学系からの結像された光を拡散する拡散スクリーンを備えた回転体と、
前記拡散スクリーン上の像を変換し、前記投影光学系からの光の光軸方向における前記拡散スクリーンの位置に対応した投影距離で、虚像を形成する虚像形成光学系と、
を備え、
前記拡散スクリーンは、前記回転軸を挟んで一方の側でかつ前記回転軸に平行に配置され、前記回転体が回転することにより、前記拡散スクリーンの前記光軸方向の位置が変更される、虚像表示装置。
【請求項２】
前記回転体は、
前記光軸方向から視て重ならないように設置された複数の前記拡散スクリーンを備え、当該複数の拡散スクリーンのうち、少なくとも１つの拡散スクリーンは、前記回転軸からの距離が他の拡散スクリーンと異なる請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記回転体は、
前記光軸方向から視て重ならないように設置された複数の前記拡散スクリーンを備え、
前記回転体の回転によって、複数の前記拡散スクリーンを、前記投影光学系の焦点深度内で前記光軸方向の異なる位置に配置させ、
前記虚像形成光学系で、前記拡散スクリーン上で結像した像を変換し、虚像を形成することで、前記投影距離を変化させる、請求項１または２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記回転体は、
前記回転軸から視た場合に、矩形、多角形、円形、楕円形、またはそれらが組み合わされた形状を有する基部を有し、
前記拡散スクリーンは、前記基部上に形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記回転体は、
前記基部の周縁に沿って前記回転軸の周囲に形成された壁部を有し、
前記回転軸を挟んで一方の前記壁部に前記拡散スクリーンが形成され、他方の前記壁部に開口部が形成されている、請求項４に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記回転体は、
前記光軸方向から視て重ならないように設置された複数の前記拡散スクリーンを備え、
前記回転体の回転による、前記投影光学系の結像位置への複数の前記拡散スクリーンの配置に同期させて、前記表示素子に形成する像の形成タイミングを制御する表示制御部をさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記回転体は、
カウンターウェイトが取り付けられており、前記カウンターウェイトにより、重心が前記回転軸上に設定されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記回転体の回転速度を制御する回転駆動部をさらに有し、
前記回転駆動部は、前記回転体を前記回転軸回りに所定の速度で回転させる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
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、
幾何学的な中心位置が、回転軸から離れている回転多面体であって、側面の複数の表面に拡散スクリーンを配置し、回転することで前記投影光学系の結像位置に、光軸方向の位置が異なる複数の前記拡散スクリーンを順次配置させる回転多面体と、
前記拡散スクリーン上の像を変換し、前記拡散スクリーンの前記光軸方向の位置に対応した投影距離で、虚像を形成する虚像形成光学系と、
を備える、虚像表示装置。
【請求項１０】
前記回転多面体の回転によって、複数の前記拡散スクリーンを、前記投影光学系の焦点深度内で光軸方向の異なる位置に配置させ、
前記虚像形成光学系で、前記拡散スクリーン上で反射した像を変換し、虚像を形成することで、前記投影距離を変化させる、請求項９に記載の虚像表示装置。
【請求項１１】
前記回転多面体の回転による、前記投影光学系の前記結像位置への複数の前記拡散スクリーンの配置に同期させて、前記表示素子に形成する像の形成タイミングを制御する表示制御部をさらに備える、請求項９または１０に記載の虚像表示装置。
【請求項１２】
前記回転多面体は、カウンターウェイトが取り付けられており、前記カウンターウェイトにより、重心が前記回転軸上に設定されている、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項１３】
前記回転多面体は、所定の速度で定速回転する、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の虚像表示装置と、
検出領域内に存在するオブジェクトを検出するとともに、前記オブジェクトまでの距離を判定するオブジェクト検出部と、
オブジェクト検出部が判定した前記オブジェクトまでの距離に対応した前記投影距離で、前記虚像表示装置に虚像を形成させる、主制御部と、
を備えた、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、虚像表示装置、および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（以下、単に「ＨＵＤ」ともいう）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のが一般的であり、ＨＵＤによる表示内容は、車速、カーナビゲーション情報等に限られていた。そもそもＨＵＤを車両に搭載する目的は、運転者の視線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、安全運転支援という意味においては、車速等の表示内容だけでは不十分である。例えば前方の車、歩行者、障害物等をカメラやセンサーで検知し、ＨＵＤを通じて運転者に事前に危険を察知させて事故を未然に防ぐようなシステムの方がより好ましい。こういったシステムを実現するには、例えば車、人、障害物等の危険を察知させる対象となるシースルー像に対して虚像としての危険信号を重畳させて表示させることが考えられる。【０００３】
このような虚像を表示させる際に、危険を察知させる対象となる物との距離は一定ではない。例えば５０ｍ先の危険に対して２ｍ先に見える虚像に危険信号を表示して重畳させると焦点位置の違いが生じるため、人間の目には、違和感が生じるという課題がある。このような問題を解決する手法としては、実物に対して虚像を奥行き方向も含めて重畳させることが考えられる。このように、虚像に奥行きを持たせる手法として、下記特許文献１に開示された方法がある。この特許文献１では、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーのような走査型の像形成手段、拡散スクリーン、投影手段、および拡散スクリーン位置を変える可動手段を備え、拡散スクリーン位置を変化させることで虚像の位置を変化させている。特許文献１の主たる目的としては、車の速度に伴って人間が注視する距離が変わることを鑑み、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している。
【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】
【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のように運転時の速度に伴って、虚像位置を一律に遠ざけたり近づけたりした場合には、運転者が顔を横方向に動かして目の位置をずらした場合に実物の位置と危険信号等の虚像の位置がずれてしまい、運転者が危険信号を誤認してしまうという課題がある。【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、複数の投影距離に虚像を実質的に同時に表示させることができる虚像表示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、回転軸回りに回転し、前記投影光学系からの結像された光を拡散する拡散スクリーンを備えた回転体と、前記拡散スクリーン上の像を変換し、前記投影光学系からの光の光軸方向における前記拡散スクリーンの位置に対応した投影距離で、虚像を形成する虚像形成光学系と、を備え、前記拡散スクリーンは、前記回転軸を挟んで一方の側でかつ前記回転軸に平行に配置され、前記回転体が回転することにより、前記拡散スクリーンの前記光軸方向の位置が変更される、虚像表示装置。【０００９】
（２）前記回転体は、前記光軸方向から視て重ならないように設置された複数の前記拡散スクリーンを備え、当該複数の拡散スクリーンのうち、少なくとも１つの拡散スクリーンは、前記回転軸からの距離が他の拡散スクリーンと異なる上記（１）に記載の虚像表示装置。【００１０】
（３）前記回転体は、前記光軸方向から視て重ならないように設置された複数の前記拡散スクリーンを備え、前記回転体の回転によって、複数の前記拡散スクリーンを、前記投影光学系の焦点深度内で前記光軸方向の異なる位置に配置させ、前記虚像形成光学系で、前記拡散スクリーン上で結像した像を変換し、虚像を形成することで、前記投影距離を変化させる、上記（１）または（２）に記載の虚像表示装置。【００１１】
（４）前記回転体は、前記回転軸から視た場合に、矩形、多角形、円形、楕円形、またはそれらが組み合わされた形状を有する基部を有し、前記拡散スクリーンは、前記基部上に形成されている、上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の虚像表示装置。【００１２】
（５）前記回転体は、前記基部の周縁に沿って前記回転軸の周囲に形成された壁部を有し、前記回転軸を挟んで一方の前記壁部に前記拡散スクリーンが形成され、他方の前記壁部に開口部が形成されている、上記（４）に記載の虚像表示装置。【００１３】
（６）前記回転体は、前記光軸方向から視て重ならないように設置された複数の前記拡散スクリーンを備え、前記回転体の回転による、前記投影光学系の結像位置への複数の前記拡散スクリーンの配置に同期させて、前記表示素子に形成する像の形成タイミングを制御する表示制御部をさらに備える、上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の虚像表示装置。【００１４】
（７）前記回転体は、カウンターウェイトが取り付けられており、前記カウンターウェイトにより、重心が前記回転軸上に設定されている、上記（１）〜（６）のいずれか１つに記載の虚像表示装置。【００１５】
（８）前記回転体の回転速度を制御する回転駆動部をさらに有し、前記回転駆動部は、前記回転体を前記回転軸回りに所定の速度で回転させる、上記（１）〜（７）のいずれか１つに記載の虚像表示装置。【００１６】
（９）上記（１）〜（８）のいずれか１つに記載の虚像表示装置と、検出領域内に存在するオブジェクトを検出するとともに、前記オブジェクトまでの距離を判定するオブジェクト検出部と、オブジェクト検出部が判定した前記オブジェクトまでの距離に対応した前記投影距離で、前記虚像表示装置に虚像を形成させる、主制御部と、を備えた、ヘッドアップディスプレイ装置。【００１７】
（１０）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、幾何学的な中心位置が、回転軸から離れている回転多面体であって、側面の複数の表面に拡散スクリーンを配置し、回転することで前記投影光学系の結像位置に、光軸方向の位置が異なる複数の前記拡散スクリーンを順次配置させる回転多面体と、前記拡散スクリーン上の像を変換し、前記拡散スクリーンの前記光軸方向の位置に対応した投影距離で、虚像を形成する虚像形成光学系と、を備える、虚像表示装置。【００１８】
（１１）前記回転多面体の回転によって、複数の前記拡散スクリーンを、前記投影光学系の焦点深度内で光軸方向の異なる位置に配置させ、虚像形成光学系で、前記拡散スクリーン上で反射した像を変換し、虚像を形成することで、前記投影距離を変化させる、上記（１０）に記載の虚像表示装置。【００１９】
（１２）前記回転多面体の回転による、前記投影光学系の前記結像位置への複数の前記拡散スクリーンの配置に同期させて、前記表示素子に形成する像の形成タイミングを制御する表示制御部を備える、上記（１０）または上記（１１）に記載の虚像表示装置。【００２０】
（１３）前記回転多面体は、カウンターウェイトが取り付けられており、前記カウンターウェイトにより、重心が前記回転軸上に設定されている、上記（１０）から上記（１２）のいずれか１つに記載の虚像表示装置。【００２１】
（１４）前記回転多面体は、所定の速度で定速回転する、上記（１０）から上記（１３）のいずれか１つに記載の虚像表示装置。【００２２】
（１５）上記（１０）から上記（１４）のいずれか１つに記載の虚像表示装置と、検出領域内に存在するオブジェクトを検出するとともに、前記オブジェクトまでの距離を判定するオブジェクト検出部と、オブジェクト検出部が判定した前記オブジェクトまでの距離に対応した前記投影距離で、前記虚像表示装置に虚像を形成させる、主制御部と、を備えた、ヘッドアップディスプレイ装置。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る虚像表示装置によれば、回転軸を挟んで一方の側に配置され、投影光学系からの光を結像する少なくとも１つの拡散スクリーンを回転させることにより、光軸方向の拡散スクリーンの位置を変更し、投影光学系の結像位置に配置させる。したがって、虚像形成光学系により、この拡散スクリーン上の像を変換し、拡散スクリーンの光軸方向の位置に対応した投影距離で、虚像を形成することにより、複数の投影距離に虚像を実質的に同時に表示させることができる。【００２４】
また、本発明に係る虚像形成装置によれば、回転軸から視た場合に、幾何学的な中心位置が、回転軸から離れている回転多面体であって、側面の複数の表面に拡散スクリーンを配置し、回転することで投影光学系の結像位置に、光軸方向の位置が異なる複数の拡散スクリーンを順次配置させる回転多面体を備え、虚像形成光学系により、この拡散スクリーン上の像を変換し、拡散スクリーンの光軸方向の位置に対応した投影距離で、虚像を形成する。このようにすることで、複数の投影距離に虚像を実質的に同時に表示させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ヘッドアップディスプレイ装置を車両に搭載した状態を示す側方断面図である。
【図２】ヘッドアップディスプレイ装置を搭載した車両を内側から見た概略図である。
【図３】第１の実施形態に係る虚像表示装置の構成を示す上面模式図である。
【図４】第１の実施形態に係る虚像表示装置の構成を示す側面模式図である。
【図５】第１の実施形態に係る虚像距離変更部による拡散スクリーンの移動動作を例示する断面模式図である。
【図６】図５に後続する断面模式図である。
【図７】カウンターウェイトの配置位置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のハードウェア構成を示すブロック図である。
【図９】ヘッドアップディスプレイ装置による具体的な表示状態を示す斜視図である。
【図１０】第２の実施形態に係る虚像距離変更部による拡散スクリーンの移動動作を例示する断面模式図である。
【図１１】図１０に後続する断面模式図である。
【図１２】第２の実施形態において中間像の位置の変化を具体的に例示する図である。
【図１３】第３の実施形態に係る虚像距離変更部の概略構成を例示する斜視図である。
【図１４】第３の実施形態に係る虚像距離変更部による拡散スクリーンの移動動作を例示する断面模式図である。
【図１５】第４の実施形態に係る虚像表示装置の構成を示す上面模式図である。
【図１６】第４の実施形態に係る虚像表示装置の構成を示す側面模式図である。
【図１７】ポリゴンミラーによる拡散スクリーンの位置の変更を示す上面模式図である。
【図１８】周期的な中間像の位置の変化を説明する図である。
【図１９】カウンターウェイトの配置位置を説明する図である。
【図２０】第１の変形例で用いるポリゴンミラーを示す図である。
【図２１】第２の変形例で用いるポリゴンミラーを示す図である。
【図２２】第３の変形例に係る虚像表示装置の一部の構成を示す上面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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、上下方向をＺ方向、虚像表示装置を車両に搭載した状態において、車両の進行方向に平行な方向をＹ方向、これらのＺ、Ｙ方向に直交する方向をＸ方向とする。
【００２７】
（第１の実施形態）
図１、図２は、第１の実施形態に係る虚像表示装置２０、およびこれを含むヘッドアップディスプレイ装置１０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。ユーザー（運転者）９００は、ハンドル８１３を握りながら運転席８１６に座っている。図１、図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０の虚像表示装置２０は、後述する表示素子２１に表示されている画像情報を、表示スクリーン２４３を介してユーザー（運転者）９００に向けて虚像として表示する。
【００２８】
虚像表示装置２０の表示スクリーン２４３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の背後に埋め込むように設置されている。虚像表示装置２０は、運転関連情報等を含む虚像に対応する表示光Ｄ１を表示スクリーン２４３に向けて射出する。表示スクリーン２４３は、コンバイナーとも呼ばれ、半透過性を有する凹面鏡、または平面鏡である。また、表示スクリーン２４３は、このようなコンバイナータイプの他、車のウインドーシールド（フロントウィンドウ８１２）をそのまま投射用の鏡として利用するウインドーシールドタイプであってもよい。表示スクリーン２４３は、下端の支持によってダッシュボード８１４上に立設され、虚像表示装置２０からの表示光Ｄ１を車体８１１の後方側（Ｙ方向）に向けて反射する。すなわち、図示の場合、表示スクリーン２４３は、フロントウィンドウ８１２とは別体で設置される独立型のものとなっている。表示スクリーン２４３で反射された表示光Ｄ１は、運転席８１６に座ったユーザー９００の瞳９１０、およびその周辺位置に対応するアイボックス（不図示）に導かれる。ユーザー９００は、表示スクリーン２４３で反射された表示光Ｄ１、つまり、あたかも車体８１１の前方にあるように、所定距離（虚像距離）離れた表示像としての虚像ｉ２を観察することができる。一方、ユーザー９００は、表示スクリーン２４３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、ユーザー９００は、表示スクリーン２４３を透過した背後の外界像、すなわちシースルー像に重ねて、表示スクリーン２４３での表示光Ｄ１の反射によって形成される運転関連情報等を含む虚像ｉ２を観察できる。
【００２９】
図３、図４は、それぞれ第１の実施形態に係る虚像表示装置２０の構成を示す上面模式図、および側面模式図である。
【００３０】
図３、図４に示すように、虚像表示装置２０は、表示素子２１、投影光学系２２、回転体としての虚像距離変更部２３、虚像形成光学系２４、回転駆動部２５、ハウジング２６、拡散スクリーン２９、および表示制御部３０を備える。ハウジング２６内には、表示スクリーン２４３以外の虚像表示装置２０の各構成要素が収納される。また、図３、図４に示す例では、表示素子２１、投影光学系２２、および虚像距離変更部２３を通り、虚像形成光学系２４のミラー２４１に至るまでの光軸ＡＸは、Ｚ方向で同じ高さに設定されている。なお、以下においては、虚像距離変更部２３前後での光軸ＡＸを区別する場合には、上流側の光軸を光軸ＡＸ０、下流側を光軸ＡＸ１と表記し、これらを総称する場合には単に光軸ＡＸと表記する。
【００３１】
表示素子２１は、２次元的な表示面２１ａを有する。表示面２１ａに形成された像は、投影光学系２２で拡大されて拡散スクリーン２９へ投影される。この際、２次元表示が可能な表示素子２１を用いることで、拡散スクリーン２９への投影像の切換えを比較的高速で行える。表示素子２１は、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）やＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）等の反射型の素子であっても、液晶等の透過型の素子であってもよい。特に、表示素子２１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り替えることが容易になり、投影距離（以下、虚像距離という）を変化させる表示に有利である。なお、表示素子２１は、３０ｆｐｓ以上、好ましくは９０ｆｐｓのフレームレートで動作する。これにより、異なる虚像距離に複数の虚像ｉ２が同時に表示されているように見せることが容易になる。
【００３２】
投影光学系２２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２２は、表示素子２１の表示面２１ａに形成された画像を中間像ｉ１として拡散スクリーン２９上に適当な倍率で拡大投影する（中間像ｉ１自体は、表示素子２１の表示動作が前提となる）。なお、投影光学系２２は、この投影光学系２２の最も拡散スクリーン２９側に配置された絞り２２１を有する。このように絞り２２１を配置することで、投影光学系２２の拡散スクリーン２９側のＦナンバーの設定や調整が比較的容易になる。
【００３３】
虚像距離変更部２３は、回転駆動部２５により、回転軸２３ａを回転中心として回転し、拡散スクリーン２９の位置を変更する。回転軸２３ａは、光軸ＡＸに直交する方向に設定される。本実施形態では、回転軸２３ａは、たとえばＺ方向に設定される。虚像距離変更部２３は、上部が開放された六角柱状の回転体であり、上面視した場合（回転軸から視た場合）、互いに平行に向かい合う２辺を３対有し、そのうちの１対の辺の長さが、他の２対の辺の長さよりも短い六角形状を有する。
【００３４】
図４に示すように、虚像距離変更部２３は、回転軸２３ａ上に形成された基部２３２と、基部２３２の周縁に形成された第１〜第６壁部２３３〜２３８とを有する。基部２３２は、ＸＹ平面と平行に配置された板状の部材を有する。第１〜第６壁部２３３〜２３８は、基部２３２の各々の辺に対応する位置においてＺ方向に延伸するように形成される。第１〜第６壁部２３３〜２３８によって囲まれた部分は、空洞になっているか、または光を透過する媒質で満たされている。
【００３５】
回転駆動部２５は、駆動基板（図示せず）および駆動モーター２５１を有する。回転駆動部２５により、虚像距離変更部２３は所定の速度で定速回転する。また、回転駆動部２５の駆動基板は、駆動モーター２５１を一定速度で回転するようにフィードバック制御するとともに、回転位置に応じた位相信号を表示制御部３０に出力する。回転駆動部２５は、たとえば、虚像距離変更部２３の側面部（第１〜第６壁部２３３〜２３８）のある決まった領域を一定時間内に何度通過したかを計測し、計測値に基づいて虚像距離変更部２３の回転速度を算出する。回転駆動部２５は、算出された回転速度と設定された回転速度との差に基づいてフィードバック制御を実施する。
【００３６】
なお、本実施形態では、虚像距離変更部２３の回転方向は、たとえば時計回りに設定されうる。しかし、虚像距離変更部２３の回転方向は、時計回りに限定されず、反時計回りに設定されてもよい。
【００３７】
拡散スクリーン２９は、投影光学系２２からの光を結像し、配光角を所望の角度に制御するための拡散板であり、結像位置（つまり中間像ｉ１の結像予定位置、またはその近傍の焦点深度内）において中間像ｉ１を形成する。この結果、拡散スクリーン２９を光軸ＡＸ１方向に移動させることにより、中間像ｉ１の位置も光軸ＡＸ１方向に移動させることができる。なお、表示素子２１の表示が動作していなければ、必ずしも表示画像としての中間像ｉ１は形成されないが、以下においては、実際に形成されていなくても中間像ｉ１が形成されると想定される位置も中間像の位置と呼ぶ場合がある。拡散スクリーン２９としては、例えば摺りガラス、レンズ拡散板、マイクロレンズアレイ等を用いることができる。
【００３８】
拡散スクリーン２９は、複数設置される場合、光軸ＡＸ０方向から視て重ならないように設置される。本実施形態では、拡散スクリーン２９は、たとえば、第１〜第６壁部２３３〜２３８の少なくともいずれかに形成されうる。また、拡散スクリーン２９が形成された壁部の回転軸２３ａを挟んだ向かい側の壁部には開口部２３９が形成されうる（図５を参照）。したがって、拡散スクリーン２９は回転軸２３ａに対して軸対称の関係にある２つの位置の一方の壁部に回転軸２３ａに対して平行に形成され、開口部２３９は他方の壁部に形成されうる。拡散スクリーン２９および開口部２３９の位置関係をこのように設定することにより、拡散スクリーン２９に結像された中間像ｉ１から光軸ＡＸ１方向に照射される光を遮るものが存在しない。したがって、拡散スクリーン２９の中間像ｉ１は、ミラー２４１にそのまま投影される。あるいは、拡散スクリーン２９に対して、回転軸２３ａを挟んだ他側には壁部を形成しないことにより、拡散スクリーン２９からの光を遮るものが存在しないように構成してもよい。
【００３９】
拡散スクリーン２９は、たとえば、第１〜第６壁部２３３〜２３８の少なくともいずれかに嵌め込まれるように形成されうる。図３および図４に示す例では、第１壁部２３３、第２壁部２３４および第３壁部２３５に拡散スクリーン２９が嵌め込まれている。また、基部２３２上に壁部を形成せずに、拡散スクリーン２９を基部２３２上に直接形成してもよい。また、基部２３２、第１〜第６壁部２３３〜２３８、および拡散スクリーン２９は、一体として形成されてもよいし、別体として形成されてもよい。
【００４０】
虚像距離変更部２３を回転させることで、光軸ＡＸ１方向の位置が異なる複数の拡散スクリーン２９が、光軸ＡＸ１上に順次配置させられることになる（以下、「拡散スクリーンの移動」ともいう）。この拡散スクリーン２９の光軸方向の移動についての詳細は後述する。
【００４１】
虚像形成光学系２４は、拡散スクリーン２９に形成された中間像ｉ１を表示スクリーン２４３と協働して拡大し、ユーザー９００の前方に虚像ｉ２を形成する。虚像形成光学系２４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２４１、２４２を含む。
【００４２】
表示制御部３０は、表示素子２１および回転駆動部２５を制御する。これにより後述するように、拡散スクリーン２９上への中間像ｉ１の形成タイミングを制御し、表示スクリーン２４３の背後に虚像距離（投影距離）が変化する３次元的な虚像ｉ２を表示させる。具体的には、中間像ｉ１の位置、すなわち拡散スクリーン２９の位置を光軸ＡＸ１上で虚像形成光学系２４に近い側に移動させることで、虚像ｉ２までの虚像距離が減少する。また、反対に、拡散スクリーン２９の位置を光軸ＡＸ１上で虚像形成光学系２４から遠い側に移動させることで、虚像ｉ２までの虚像距離が増加する。
【００４３】
以上の虚像表示装置２０において、光軸ＡＸ１上に拡散スクリーン２９を配置することにより、光軸ＡＸ１方向に移動可能な中間像ｉ１を形成できるだけでなく、視野角とアイボックスサイズとを確保しつつ、光学系の光利用効率を高くすることができる。なお、拡散スクリーン２９による拡散の配光角が狭すぎると、アイボックスサイズが小さくなってしまう。逆に、拡散スクリーン２９による拡散の配光角を大きくしすぎると、光利用効率を高くするために虚像形成光学系２４のＦ値を小さくする必要があるため、焦点深度が浅くなり表示可能な距離範囲が狭まってしまう。
【００４４】
（拡散スクリーン２９の光軸方向の移動）
ここで、上述した虚像距離変更部２３を回転させることによる、光軸ＡＸ１方向での拡散スクリーン２９の移動動作ついて具体的に説明する。
【００４５】
図５は虚像距離変更部２３による拡散スクリーン２９の移動動作を例示する断面模式図であり、図６は図５に後続する断面模式図である。図５、図６では、虚像距離変更部２３の３つの拡散スクリーン２９を符号２９１〜２９３により区別している。
【００４６】
図５（Ａ）は、基準（光軸ＡＸ０に対する回転角度θ＝０）となる虚像距離変更部２３の状態を示しており、この状態では、拡散スクリーン２９１は、その外側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図５（Ａ）での拡散スクリーン２９１の光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ１である。
【００４７】
投影光学系２２からの光は、拡散スクリーン２９１で結像し、中間像ｉ１が形成される。中間像ｉ１は、回転軸２３ａを挟んで拡散スクリーン２９１の向かい側に形成された開口部２３９を通じてミラー２４１に投影される。
【００４８】
図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の状態からθ１度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９３は、その内側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図５（Ｂ）での拡散スクリーン２９３の光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ３であり、位置Ｐ１から距離Ｌ２だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
【００４９】
投影光学系２２からの光は、開口部２３９を通じて照射され、回転軸２３ａを挟んで開口部２３９の向かい側に形成された拡散スクリーン２９３で結像し、中間像ｉ１が形成される。中間像ｉ１は、ミラー２４１に投影される。
【００５０】
図５（Ｃ）は、図５（Ａ）の状態からθ２度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９２は、その内側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図５（Ｃ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ３であり、位置Ｐ１から距離Ｌ２だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
【００５１】
投影光学系２２からの光は、開口部２３９を通じて照射され、回転軸２３ａを挟んで開口部２３９の向かい側に形成された拡散スクリーン２９２で結像し、中間像ｉ１が形成される。中間像ｉ１は、ミラー２４１に投影される。
【００５２】
図５（Ｄ）は、図５（Ａ）の状態からθ３（＝１８０）度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９１は、その内側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図５（Ｄ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ４であり、位置Ｐ１から距離Ｌ３だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
【００５３】
投影光学系２２からの光は、開口部２３９を通じて照射され、回転軸２３ａを挟んで開口部２３９の向かい側に形成された拡散スクリーン２９１で結像し、中間像ｉ１が形成される。中間像ｉ１は、ミラー２４１に投影される。
【００５４】
また、図６（Ａ）は、図５（Ａ）の状態からθ４（＝θ１＋１８０）度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９３は、その外側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図６（Ａ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ２であり、位置Ｐ１から距離Ｌ１だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
【００５５】
投影光学系２２からの光は、拡散スクリーン２９３で結像し、中間像ｉ１が形成される。中間像ｉ１は、回転軸２３ａを挟んで拡散スクリーン２９３の向かい側に形成された開口部２３９を通じてミラー２４１に投影される。
【００５６】
図６（Ｂ）は、図５（Ａ）の状態からθ５（＝θ２＋１８０）度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９２は、その外側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図６（Ｂ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ２であり、位置Ｐ１から距離Ｌ１だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
【００５７】
投影光学系２２からの光は、拡散スクリーン２９２で結像し、中間像ｉ１が形成される。中間像ｉ１は、回転軸２３ａを挟んで拡散スクリーン２９２の向かい側に形成された開口部２３９を通じてミラー２４１に投影される。
【００５８】
図６（Ｃ）は、図５（Ａ）の状態から３６０度回転した元の状態を示している。図５（Ａ）〜（Ｄ）、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、本実施形態の虚像表示装置２０では、拡散スクリーン２９１〜２９３が光軸ＡＸ０に正対したタイミングで、中間像ｉ１を形成することで、４段階の異なる虚像距離に対応した虚像ｉ２を形成する。回転角度θと中間像ｉ１の位置との関係は下記の表のとおりである。
【００５９】
【表１】
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【００６０】
表１に示すように、回転角度θ＝０〜θ５の各角度で、拡散スクリーン２９１〜１９３の外側または内側の面のいずれかが光軸ＡＸ０に正対する。表示制御部３０は、虚像距離変更部２３の回転に同期させて、すなわち、回転角度θ＝０〜θ５の各タイミングで表示素子２１の表示面２１ａに像を形成する。このようにすることで、光軸ＡＸ０に拡散スクリーン２９１〜２９３の外側または内側の面のいずれかが正対したタイミングで中間像ｉ１が形成される。
【００６１】
この結果、図示を省略するが、投影像、すなわち虚像ｉ２の位置も、スケールは異なるが、虚像形成光学系２４の拡大率に応じた距離で、中間像ｉ１の位置と同様に光軸ＡＸ１方向に沿って離散的に移動し、虚像距離を多段階で変化させることができる。ここで、表示素子２１は、連続表示を行うものでなく、表示内容を、中間像ｉ１の位置に対応して、順次切り換えつつ間欠的な表示を行うものである。中間像ｉ１は、光軸ＡＸ上の位置のうち、基準となる位置Ｐ１に加え、位置Ｐ２の近距離、位置Ｐ３の中間距離、および位置Ｐ４の遠距離の４水準で変化する。すなわち、虚像距離変更部２３の１回転周期で、４つの距離に対応した６回の表示が行われる。より具体的には、虚像距離変更部２３の１回転分で、位置Ｐ１および位置Ｐ４について各々１回表示が行われ、位置Ｐ２および位置Ｐ３について各々２回表示が行われる。
【００６２】
なお、距離Ｌ１，Ｌ２の長さは、虚像距離変更部２３の拡散スクリーン２９２，２９３と回転軸２３ａからＺ方向に延びる中心線との間の距離に応じて適宜設定できる。また、距離Ｌ３の長さは、虚像距離変更部２３の拡散スクリーン２９１と中心線との間の距離に応じて適宜設定できる。なお、表示制御部３０の下、虚像距離変更部２３の回転数、および表示素子２１のフレームレートの少なくとも一方は、他方に対応させてタイミングが制御される。例えば、フレームレートが９０ｆｐｓであれば、虚像距離変更部２３の所定の回転速度としては、１５ｒｐｓ（９００ｒｐｍ）またはその整数倍である。
【００６３】
このように、本実施形態に係る虚像表示装置２０によれば、第１〜第６壁部２３３〜２３８に拡散スクリーン２９１〜２９３を配置した虚像距離変更部２３を回転させることで、拡散スクリーン２９１〜２９３を光軸方向の異なる位置に順次配置させる。そして拡散スクリーン２９１〜２９３に投影光学系２２から投影した像を表示し、これを虚像形成光学系２４で虚像に変換することで、簡素な構成でありながら複数の投影距離に虚像を実質的に同時に表示することができる。
【００６４】
図７は、カウンターウェイト４０の配置位置を説明する図である。図７（Ａ）は虚像距離変更部２３の概略的な側面図であり、図７（Ｂ）は虚像距離変更部２３の概略的な上面図である。虚像距離変更部２３は内側が中空に構成されており、その内周面２３ｃにカウンターウェイト４０が取り付けられている。
【００６５】
上述のように、第１〜第３壁部２３３，２３４，２３５には拡散スクリーン２９１〜２９３がそれぞれ形成され、第４〜第６壁部２３６，２３７，２３８には、それぞれ開口部２３９が形成されている。カウンターウェイト４０が設置されていない状態では、壁の厚み等の違いがない場合、拡散スクリーン２９１〜２９３を含む第１〜第３壁部２３３，２３４，２３５側は、第４〜第６壁部２３６，２３７，２３８側よりも重い。そのため、偏心しないようにカウンターウェイト４０を配置している。虚像距離変更部２３は、カウンターウェイト４０を回転軸２３ａに対して、拡散スクリーン２９１〜２９３がある側と反対側に配置することで、ＸＹ平面における虚像距離変更部２３全体の重心が回転軸２３ａ上に位置するようになる。このようにカウンターウェイト４０を設けることで、虚像距離変更部２３を安定して所定の速度で定速回転できる。
【００６６】
（ヘッドアップディスプレイ装置１０）
図８は、ヘッドアップディスプレイ装置１０のハードウェア構成を説明するブロック図である。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、上述した虚像表示装置２０の他に、運転者検出部７１、環境監視部７２、および主制御部６０を備える。主制御部６０は、ヘッドアップディスプレイ装置１０全体を制御することで、対向車両、通行者等のオブジェクトに対応させた虚像を３次元的に表示する。虚像の表示例については後述する。
【００６７】
運転者検出部７１は、車両８００内のユーザー９００の存在や視点位置を検出する部分であり、運転席８１６に向けた内部用カメラ７１ａ、運転席８１６用の画像処理部７１ｂ、および判断部７１ｃ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に、運転席８１６に対向して設置されており（図２参照）、運転席８１６に座るユーザー９００の頭部、およびその周辺の画像を撮影する。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い、判断部７１ｃでの処理を容易にする。判断部７１ｃは、画像処理部７１ｂで処理し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ユーザー９００の頭部や目（瞳９１０）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内におけるユーザー９００の頭部の存否とともにユーザー９００の目の空間的な位置（結果的に視線の方向）を算出する。
【００６８】
環境監視部７２は、オブジェクト検出部として機能する。環境監視部７２は、前方に近接する自動車、自転車、歩行者等のオブジェクトを識別するとともに、オブジェクトまでの距離を判定する。環境監視部７２は、外部用カメラ７２ａ、外部用の画像処理部７２ｂ、および判断部７２ｃ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、ユーザー９００または車両８００の前方、側方等の外部画像を撮影する。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い、判断部７２ｃでの処理を容易にする。判断部７２ｃは、画像処理部７２ｂで処理し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、歩行者等のオブジェクト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両８００前方におけるオブジェクトの空間的な位置を算出する。
【００６９】
なお、内部用カメラ７１ａや外部用カメラ７２ａは、例えば複眼型の３次元カメラを含む。つまり、両カメラ７１ａ、７２ａは、結像用のレンズと、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、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する。
【００７０】
なお、上述したような複眼型のカメラ７１ａ、７２ａに代えて、またはこれとともに、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よい。これにより、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。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てもよい。
【００７１】
さらに、複眼型の外部用カメラ７２ａに代えて、ＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  Ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ）技術を用いてもよい。これにより検出領域内の各部（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。ＬＩＤＡＲ技術により、パルス状のレーザー照射に対する散乱光を測定し、遠距離にあるオブジェクトまでの距離や拡がり計測して視野内のオブジェクトまでの距離情報やオブジェクトの拡がりに関する情報を取得できる。このＬＩＤＡＲ技術のようなレーダーセンシング技術と画像情報からオブジェクトの距離等を検出する技術とを組み合わせることによって、オブジェクトの検出精度を高めることができる。
【００７２】
表示制御部３０は、主制御部６０の制御下で虚像表示装置２０を動作させて、表示スクリーン２４３の背後に虚像距離（投影距離ともいう）が変化する３次元的な虚像ｉ２を表示させる。表示制御部３０は、主制御部６０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、虚像表示装置２０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２４３の背後に存在する自動車、自転車、歩行者その他のオブジェクトＯＢ（後述の図９参照）に対してその奥行き位置方向に関して周辺に位置するフレームＦ（図９参照）のような標識になる。
【００７３】
表示制御部３０は、主制御部６０を介して運転者検出部７１からユーザー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、虚像表示装置２０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、ユーザー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、ユーザー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。
【００７４】
図９は、ヘッドアップディスプレイ装置による具体的な表示状態を説明する斜視図である。運転者（観察者）であるユーザー９００の前方は観察視野に相当する検出領域ＤＦとなっている。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、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。この場合、ヘッドアップディスプレイ装置１０の主制御部６０は、虚像表示装置２０によって３次元的な虚像ｉ２（ｉ２１〜ｉ２３）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フレームＦ１、Ｆ２、Ｆ３を付加する。この際、ユーザー９００から各オブジェクトＯＢ１、ＯＢ２、ＯＢ３までの距離が異なるので、フレームＦ（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３）を表示させる虚像ｉ２１、ｉ２２、ｉ２３までの投影距離は、環境監視部７２が判定したユーザー９００または車両８００から各オブジェクトＯＢ１、ＯＢ２、ＯＢ３までの距離に相当させている。
【００７５】
例えば、近距離の虚像ｉ２１は、図５、６に示した位置Ｐ２、Ｐ３にある拡散スクリーン２９に投影された中間像ｉ１に対応する。同様に、遠距離の虚像ｉ２３は位置Ｐ５、Ｐ６に、中距離の虚像ｉ２２は、位置Ｐ１、Ｐ４にある拡散スクリーン２９に投影された中間像ｉ１に対応する。
【００７６】
なお、虚像ｉ２１、ｉ２２、ｉ２３の投影距離は、図５、図６で示したように離散的であり、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しない場合がある。しかしながら、虚像ｉ２１、ｉ２２、ｉ２３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、ユーザー９００の視点が（Ｘ方向で）動いても視差が生じにくく、オブジェクトＯＢ１、ＯＢ２、ＯＢ３とフレームＦ１、Ｆ２、Ｆ３との配置関係を略維持できる。
【００７７】
以上で説明した第１実施形態に係る虚像表示装置２０、およびこれを備えたヘッドアップディスプレイ装置１０によれば、回転することにより光軸方向の拡散スクリーン２９の位置を変更し、投影光学系２２の結像位置に配置させる虚像距離変更部２３を備え、虚像形成光学系２４により、この拡散スクリーン上の像を変換し、拡散スクリーンの光軸方向の位置に対応した投影距離で、虚像を形成する。このようにすることで、複数の投影距離に虚像を実質的に同時に表示させることができる。
【００７８】
また、拡散スクリーン２９の位置を光軸ＡＸ１に沿って、例えば投影光学系２２の拡散スクリーン２９側の焦点深度の範囲内で、数十Ｈｚの高速で変化させることにより、虚像を複数距離において離散的に表示できる。これにより、危険警告信号その他の虚像（例えばフレームＦ）を奥行き方向も含めて透視されるオブジェクトＯＢつまり実物、またはシースルー像に重畳させることが可能となる。結果的に、遠方から近傍まで目の位置が変わっても虚像と実物との間のズレ発生を抑制でき、かかる虚像表示装置２０をヘッドアップディスプレイ装置１０のような運転支援システムに適用した場合、システムの安全性をより高めることができる。
【００７９】
（第２の実施形態）
上述の第１の実施形態では、拡散スクリーン２９１〜２９３が、それぞれ第１壁部２３３、第２壁部２３４、および第３壁部２３５に形成されている場合について説明した。第２の実施形態では、拡散スクリーン２９１〜２９３が、それぞれ第１壁部２３３、第２壁部２３４、および第６壁部２３８に形成される場合について説明する。
【００８０】
図１０は第２の実施形態に係る虚像距離変更部２３による拡散スクリーン２９の移動動作を例示する断面模式図であり、図１１は図１０に後続する断面模式図である。なお、図１０、図１１では、拡散スクリーン２９の移動動作にかかる虚像距離変更部２３の構成を中心に示している。虚像距離変更部２３および表示制御部３０以外の構成は、第１の実施形態と同じである。したがって、図１０、図１１では、表示素子２１、投影光学系２２、および虚像距離変更部２３以外の構成の表示を省略している。
【００８１】
図１０（Ａ）は、基準（光軸ＡＸ０に対する回転角度θ＝０）となる虚像距離変更部２３の状態を示しており、この状態では、拡散スクリーン２９１は、その外側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図１０（Ａ）での拡散スクリーン２９１の光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ１である。
【００８２】
図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の状態からθ１度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９３は、その外側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図１０（Ｂ）での拡散スクリーン２９３の光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ２であり、位置Ｐ１から距離Ｌ１だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
【００８３】
図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）の状態からθ２度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９２は、その内側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図１０（Ｃ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ３であり、位置Ｐ１から距離Ｌ２だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
【００８４】
図１０（Ｄ）は、図１０（Ａ）の状態からθ３（＝１８０）度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９１は、その内側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図１０（Ｄ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ４であり、位置Ｐ１から距離Ｌ３だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
【００８５】
また、図１１（Ａ）は、図１０（Ａ）の状態からθ４（＝θ１＋１８０）度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９３は、その内側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図１０（Ａ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ３であり、位置Ｐ１から距離Ｌ２だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
【００８６】
図１１（Ｂ）は、図１０（Ａ）の状態からθ５（＝θ２＋１８０）度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９２は、その外側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図１１（Ｂ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ２であり、位置Ｐ１から距離Ｌ１だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
【００８７】
また、図１１（Ｃ）は、図１０（Ａ）の状態から３６０度回転した元の状態を示している。
【００８８】
図１２は、図１０（Ａ）〜（Ｄ）、図１１（Ａ）〜（Ｃ）のように虚像距離変更部２３を回転させたときの、中間像ｉ１の位置の変化を具体的に例示する図である。回転角度θ＝０〜θ５の各角度で、拡散スクリーン２９１〜２９３の外側または内側の面のいずれかが光軸ＡＸ０に正対する。表示制御部３０は、虚像距離変更部２３の回転に同期させて、すなわち、回転角度θ＝０〜θ５の各タイミングで表示素子２１の表示面２１ａに像を形成する。このようにすることで、光軸ＡＸ０に拡散スクリーン２９１〜２９３の外側または内側の面のいずれかが正対したタイミングで中間像ｉ１が形成される。
【００８９】
この結果、図示を省略するが、投影像、すなわち虚像ｉ２の位置も、スケールは異なるが、虚像形成光学系２４の拡大率に応じた距離で、中間像ｉ１の位置と同様に光軸ＡＸ１方向に沿って離散的に移動し、虚像距離を多段階で変化させることができる。ここで、表示素子２１は、連続表示を行うものでなく、表示内容を、中間像ｉ１の位置に対応して、順次切り換えつつ間欠的な表示を行うものである。同図に示すように中間像ｉ１は、光軸ＡＸ１上の位置のうち、基準となる位置Ｐ１に加え、位置Ｐ２の近距離、位置Ｐ３の中間距離、および位置Ｐ４の遠距離の４水準で変化する。すなわち、虚像距離変更部２３の１回転周期で、４つの距離に対応した６回の表示が行われる。より具体的には、虚像距離変更部２３の１回転分で、位置Ｐ１および位置Ｐ４について各々１回表示が行われ、位置Ｐ２および位置Ｐ３について各々２回表示が行われる（図１２において、中間像ｉ１の表示タイミングが「〇」で示されている）。
【００９０】
このように、第２の実施形態においても上述の第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００９１】
（第３の実施形態）
上述の第１および第２の実施形態では、虚像距離変更部２３が六角形状の基部２３２を有する場合について説明した。しかしながら、本発明は虚像距離変更部２３が六角形状の基部２３２を有する場合に限定されず、他の形状、例えば、矩形、多角形、円形、楕円形、またはそれらが組み合わされた形状の基部を有する場合についても適用できる。すなわち、虚像距離変更部２３は、四角柱、多角柱、円柱、楕円柱またはそれらが組み合わされた形状でありうる。
【００９２】
以下、図１３および図１４を参照し、虚像距離変更部の基部が楕円形である場合を例示して、拡散スクリーン２９の移動動作について説明する。図１３は第３の実施形態に係る虚像距離変更部２７の概略構成を例示する斜視図であり、図１４は第３の実施形態に係る虚像距離変更部２７による拡散スクリーン２９の移動動作を例示する断面模式図である。
【００９３】
なお、図１３では、拡散スクリーン２９の移動動作にかかる虚像距離変更部２７の構成を中心に示している。虚像距離変更部２７および表示制御部３０以外の構成は、第１の実施形態と同じであるので、虚像距離変更部２７以外の構成の表示を省略している。
【００９４】
虚像距離変更部２７は、回転軸２７１を回転中心として回転し、拡散スクリーン２９４の位置を変更する。図１３に示すように、虚像距離変更部２７は、回転軸２７１上に形成された基部２７２と、基部２７２の周縁に形成された拡散スクリーン２９４とを有する。基部２７２は、回転軸から視た場合、楕円形状を有する。拡散スクリーン２９４は、上述の第１および第２の実施形態の拡散スクリーン２９１〜２９３とは異なり、楕円状の基部２７２の周縁形状に沿うように形成された曲面を備える。
【００９５】
図１４（Ａ）は、基準（光軸ＡＸ０に対する回転角度θ＝０）となる虚像距離変更部２７の状態を示しており、この状態では、拡散スクリーン２９４は、その端部Ｅの外側の面が光軸ＡＸ０に対して正対する位置にある。図１４（Ａ）での拡散スクリーン２９４の光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ１である。
【００９６】
図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）の状態から９０度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９４は、その中間部Ｍの内側の面が光軸ＡＸ０に対して正対している。図１０（Ｂ）での拡散スクリーン２９４の光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ３であり、位置Ｐ１から距離Ｌ２だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
【００９７】
図１４（Ｃ）は、図１４（Ａ）の状態から１８０度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９４は、その端部Ｅの内側の面が光軸ＡＸ０に対して正対している。図１４（Ｃ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ４であり、位置Ｐ１から距離Ｌ３だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
【００９８】
図１４（Ｄ）は、図１４（Ａ）の状態から２７０度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９４は、その中間部Ｍの外側の面が光軸ＡＸ０に対して正対している。図１４（Ｄ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ２であり、位置Ｐ１から距離Ｌ１だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
【００９９】
このように、回転角度θ＝０，９０，１８０，２７０度の各角度で、拡散スクリーン２９４が光軸ＡＸ０に正対する。表示制御部３０は、虚像距離変更部２７の回転に同期させて、すなわち、回転角度θ＝０〜２７０度の各タイミングで表示素子２１の表示面２１ａに像を形成する。このようにすることで、光軸ＡＸに拡散スクリーン２９４が正対するタイミングで中間像ｉ１が形成される。
【０１００】
なお、拡散スクリーン２９４は曲面であるため、中間像ｉ１への影響を考慮して、曲面の影響を相殺するように画像が補正された上で表示面２１ａに形成されうる。
【０１０１】
このように、第３の実施形態においても上述の第１および第２の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【０１０２】
上述の第１〜第３の実施形態では、基部２３２，２７２上に拡散スクリーン２９を形成する場合について説明したが、本発明はこのような場合に限定されず、基部を設けず、回転軸２３ａ，２７１の回転にしたがって拡散スクリーン２９のみ回転するように構成してもよい。
【０１０３】
また、上述の第１〜第３の実施形態では、虚像距離変更部２３よりも上流側の光軸ＡＸ０と、虚像距離変更部２３の直下流側のミラー２４１に至るまでの光軸ＡＸ１をともに、Ｚ方向で同じ高さ、すなわち、同じＸＹ平面上になるように水平に並べて構成した。しかしながら、これに限られず、縦に並べてもよい。すなわち、これらの光軸ＡＸ０，ＡＸ１を同じＹＺ平面上になるように構成してもよい。
【０１０４】
また、上述の第１〜第３の実施形態では、回転軸２３ａ，２７１をＺ方向に設定したが、回転軸２３ａ，２７１の方向はＺ方向に限定されず、光軸ＡＸ方向と直交する方向、たとえばＸ方向に設定してもよい。
【０１０５】
（第４の実施形態）
上述の第１〜第３の実施形態では、透過型の虚像表示装置２０を例示して説明したが、第４の実施形態では、反射型の虚像表示装置２０を例示して説明する。なお、説明の重複を避けるため、第１〜第３の実施形態と同じ構成については説明を省略する。
【０１０６】
図１５、図１６は、それぞれ第４の実施形態に係る虚像表示装置２０の構成を示す上面模式図、および側面模式図である。
【０１０７】
図１５、図１６に示すように、虚像表示装置２０は、表示素子２１、投影光学系２２、回転多面体としてのポリゴンミラー２８、虚像形成光学系２４、ミラー駆動部２５、ハウジング２６、拡散スクリーン２９、および表示制御部３０を備える。ハウジング２６内には、表示スクリーン２４３以外の虚像表示装置２０の各構成要素が収納される。また、図１５、図１６に示す例では、表示素子２１、投影光学系２２、およびポリゴンミラー２８を通り、虚像形成光学系２４のミラー２４１に至るまでの光軸ＡＸは、Ｚ方向で同じ高さに設定されている。なお、以下においては、ポリゴンミラー２８前後での光軸ＡＸを区別する場合には、上流側の光軸を光軸ＡＸ０、下流側を光軸ＡＸ１と表記し、これらを総称する場合には単に光軸ＡＸと表記する。
【０１０８】
ポリゴンミラー２８は、ミラー駆動部２５により、回転軸２３ａを回転中心として回転する。図１５に示す例では、ポリゴンミラー２８は、上面視（回転軸から視た場合）で正六角形の外形形状を有し、その幾何学的な中心位置ｃ１は、回転軸２３ａから離れており、両者はずれている。ミラー駆動部２５は、駆動基板（図示せず）と駆動モーター２５１、および軸受け２５２を含む。ミラー駆動部２５により、ポリゴンミラー２８は所定の速度で定速回転する。また、ミラー駆動部２５の駆動基板は、駆動モーター２５１を一定速度で回転するようにフィードバック制御するとともに、回転位置に応じた位相信号を表示制御部３０に出力する。
【０１０９】
拡散スクリーン２９は、配光角を所望の角度に制御するための拡散板であり、結像位置（つまり中間像ｉ１の結像予定位置、またはその近傍の焦点深度内）において中間像ｉ１を形成する。この結果、拡散スクリーン２９を光軸ＡＸ１方向に移動させることにより、中間像ｉ１の位置も光軸ＡＸ１方向に移動させることができる。なお、表示素子２１の表示が動作していなければ、必ずしも表示画像としての中間像ｉ１は形成されないが、以下においては、実際に形成されていなくても中間像ｉ１が形成されると想定される位置も中間像の位置と呼ぶ場合がある。拡散スクリーン２９としては、例えば摺りガラス、レンズ拡散板、マイクロレンズアレイ等を用いることができる。
【０１１０】
図１５に示すように、拡散スクリーン２９は、ポリゴンミラー２８側面の平らな表面２３ｂと同等のサイズであり、６個の全ての面にそれぞれ貼り付けられている。なお、必ずしも全ての面に貼り付ける必要はなく、少なくとも２つ以上の表面２３ｂに貼り付ければよい。さらに、拡散スクリーン２９は、貼付部材ではなく、ポリゴンミラー２８の表面２３ｂをサンドブラスト等で表面処理することで、表面２３ｂ自体に拡散機能を持たせ、拡散スクリーンとして用いてもよい。
【０１１１】
ポリゴンミラー２８は、幾何学的な中心位置ｃ１とは異なる位置に回転軸２３ａを設けているので、各表面２３ｂは、回転軸２３ａからの距離が異なっている。また、このポリゴンミラー２８を回転させることで、光軸ＡＸ１方向の位置が異なる複数の拡散スクリーン２９が、光軸ＡＸ１上に順次配置させられることになる（以下、「拡散スクリーンの移動」ともいう）。この拡散スクリーン２９の光軸方向の移動についての詳細は後述する。
【０１１２】
虚像形成光学系２４は、拡散スクリーン２９に形成された中間像ｉ１を表示スクリーン２４３と協働して拡大し、ユーザー９００の前方に虚像ｉ２を形成する。虚像形成光学系２４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２４１、２４２を含む。
【０１１３】
表示制御部３０は、表示素子２１、およびミラー駆動部２５を制御する。これにより後述するように、拡散スクリーン２９上への中間像ｉ１の形成タイミングを制御し、表示スクリーン２４３の背後に虚像距離（投影距離）が変化する３次元的な虚像ｉ２を表示させる。具体的には、中間像ｉ１の位置、すなわち拡散スクリーン２９の位置を光軸ＡＸ１上で虚像形成光学系２４に近い側に移動させることで、虚像ｉ２までの虚像距離が減少する。また、反対に、拡散スクリーン２９の位置を光軸ＡＸ１上で虚像形成光学系２４から遠い側に移動させることで、虚像ｉ２までの虚像距離が増加する。
【０１１４】
以上の虚像表示装置２０において、光軸ＡＸ１上に拡散スクリーン２９を配置することにより、光軸ＡＸ１方向に移動可能な中間像ｉ１を形成できるだけでなく、視野角とアイボックスサイズとを確保しつつ、光学系の光利用効率を高くすることができる。なお、拡散スクリーン２９による拡散の配光角が狭すぎると、アイボックスサイズが小さくなってしまう。逆に、拡散スクリーン２９による拡散の配光角を大きくしすぎると、光利用効率を高くするために虚像形成光学系２４のＦ値を小さくする必要があるため、焦点深度が浅くなり表示可能な距離範囲が狭まってしまう。
【０１１５】
（拡散スクリーン２９の光軸方向の移動）
ここで、上述したポリゴンミラー２８を回転させることによる、光軸ＡＸ１方向での拡散スクリーン２９の移動動作ついて具体的に説明する。
【０１１６】
図１７は、ポリゴンミラー２８による拡散スクリーン２９の位置の変更を示す上面模式図である。同図では、ポリゴンミラー２８の表面２３ｂの各面を区別するために、２３ｂ１〜２３ｂ６のように末尾に１〜６の数字を付している。図１７（ａ）ではある位置（角度０度）におけるポリゴンミラー２８の状態を示しており、この位置では、表面２３ｂ１が光軸ＡＸ１に対して正対、すなわち光軸ＡＸ１と表面２３ｂ１とは直交している。図１７（ａ）での拡散スクリーン２９の光軸ＡＸ１方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ１である。
【０１１７】
図１７（ｂ）は、図１７（ａ）から１面分、すなわち６０度回転した状態を示している。なお、図１７（ｂ）では、図１７（ａ）でのポリゴンミラー２８の位置（角度０度）を破線で示している（図１７（ｃ）も同様）。この位置では、表面２３ｂ２が光軸ＡＸ１に対して正対している。同図では、図１７（ｂ）での拡散スクリーン２９の光軸ＡＸ１方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ２であり、位置Ｐ１から距離Ｌ１だけ左側（虚像形成光学系２４に近い側）に移動している。
【０１１８】
図１７（ｃ）は、図１７（ｂ）からさらに４面分、すなわち２４０度回転した状態を示している。この位置では、表面２３ｂ６が光軸ＡＸ１に対して正対している。図１７（ｃ）での光軸ＡＸ１方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ６であり、位置Ｐ１から距離Ｌ１だけ右側（虚像形成光学系２４から遠い側）に移動している。同図では、表面２３ｂ１〜２３ｂ６が光軸ＡＸ１に正体した場合の拡散スクリーン２９の位置をそれぞれ位置Ｐ１〜Ｐ６で示している。
【０１１９】
図１８は、図１７のようにポリゴンミラー２８を回転させたときの、中間像ｉ１の位置の変化を具体的に例示する図である。時間ｔ０〜ｔ６がポリゴンミラー２８の１回転分に相当する。時間ｔ１〜ｔ６の各時刻で、表面２３ｂ１〜２３ｂ６がそれぞれ光軸ＡＸ１に正対する。ポリゴンミラー２８の回転に同期させて、すなわち、時間ｔ１〜ｔ６の各タイミングで表示素子２１の表示面２１ａに像を形成する。このようにすることで、光軸ＡＸ１に各表面２３ｂ上の拡散スクリーン２９が正対したタイミングで中間像ｉ１が形成される。
【０１２０】
この結果、図示を省略するが、投影像、すなわち虚像ｉ２の位置も、スケールは異なるが、虚像形成光学系２４の拡大率に応じた距離で、中間像ｉ１の位置と同様に光軸ＡＸ１方向に沿って離散的に移動し、虚像距離を多段階で変化させることができる。ここで、表示素子２１は、連続表示を行うものでなく、表示内容を、中間像ｉ１の位置に対応して、順次切り換えつつ間欠的な表示を行うものである。同図に示すように中間像ｉ１は、光軸ＡＸ１上の位置のうち、位置Ｐ５、Ｐ６の遠距離、位置Ｐ１、Ｐ４の中間距離、位置Ｐ２、Ｐ３の近距離の３水準で変化する。すなわち、ポリゴンミラー２８の１回転周期で、３つの距離に対応した６回の表示が行われる。なお、距離Ｌ１の長さは、ポリゴンミラー２８の外径や、幾何学的な中心位置ｃ１と回転軸２３ａとの距離に応じて適宜設定できる。なお、表示制御部３０の下、ポリゴンミラー２８の回転数、および表示素子２１のフレームレートの少なくとも一方は、他方に対応させてタイミングが制御される。例えば、フレームレートが９０ｆｐｓであれば、６面体のポリゴンミラー２８の所定の回転速度としては、１５ｒｐｓ（９００ｒｐｍ）またはその整数倍である。
【０１２１】
また図１５に示すように、ポリゴンミラー２８よりも下流側の虚像形成光学系２４の光軸ＡＸ１と、上流側の投影光学系２２の光軸ＡＸ０とは同じ直線上に位置せず、ある傾斜角度（例えば１０〜３０度の範囲内のある角度）で交差する。そのため、拡散スクリーン２９を光軸ＡＸ１方向に移動させることで、同じ像を拡散スクリーン２９上に結像したとしても、その像幅方向の中心位置は傾斜角と光軸ＡＸ１方向での移動量に応じて、光軸ＡＸ１に垂直なＸ方向にシフトすることになる。そのため、拡散スクリーン２９のＹ方向の位置に応じて、表示素子２１の表示面２１ａに表示する像位置をシフトさせるようにしてもよい。例えば、遠距離（位置Ｐ５、Ｐ６）の拡散スクリーン２９に投影する像は、近距離（位置Ｐ２、Ｐ３）での像に比べて、Ｘ方向にシフトさせる（図１５の下側）ように制御する。さらに、この傾斜角に応じて、傾きをキャンセルするように投影する像を歪ませることが好ましい。
【０１２２】
このように、本実施形態に係る虚像表示装置２０によれば、回転軸方向から視た場合（上面視）に、幾何学的な中心位置が、回転軸から離れているポリゴンミラー２８であって、側面の複数の表面２３ｂに拡散スクリーン２９を配置したポリゴンミラー２８を回転させることで、複数の拡散スクリーン２９を光軸方向の異なる位置に順次配置させる。そして拡散スクリーン２９に投影光学系２２から投影した像を表示し、これを虚像形成光学系２４で虚像に変換することで、簡素な構成でありながら複数の投影距離に虚像を実質的に同時に表示することができる。
【０１２３】
図１９は、カウンターウェイト４０の配置位置を説明する図である。図１９（ａ）は側面図であり、図１９（ｂ）は下面図である。ポリゴンミラー２８は内側が中空に構成されており、その内周面２３ｃにカウンターウェイト４０を取り付けている。上述のようにポリゴンミラー２８は、上面視（ＸＹ平面）における幾何学的中心位置ｃ１から離れた位置に回転軸２３ａを設けている。そのため、偏心しないようにカウンターウェイト４０を配置している。ポリゴンミラー２８は、カウンターウェイト４０を回転軸２３ａに対して、中心位置ｃ１と反対側に配置することで、ＸＹ平面におけるポリゴンミラー２８全体の重心が回転軸上２３ａ上に位置するようになる。このようにカウンターウェイト４０を設けることで、ポリゴンミラー２８を安定して所定の速度で定速回転できる。
【０１２４】
以上で説明した第１実施形態に係る虚像表示装置２０、およびこれを備えたヘッドアップディスプレイ装置１０によれば、拡散スクリーン２９の位置を光軸ＡＸ１に沿って、例えば投影光学系２２の拡散スクリーン２９側の焦点深度の範囲内で、数十Ｈｚの高速で変化させることにより、虚像を複数距離において離散的に表示できる。これにより、危険警告信号その他の虚像（例えばフレームＦ）を奥行き方向も含めて透視されるオブジェクトＯＢつまり実物、またはシースルー像に重畳させることが可能となる。結果的に、遠方から近傍まで目の位置が変わっても虚像と実物との間のズレ発生を抑制でき、かかる虚像表示装置２０をヘッドアップディスプレイ装置１０のような運転支援システムに適用した場合、システムの安全性をより高めることができる。
【０１２５】
（第１、第２の変形例）
第４の実施形態においては、ポリゴンミラー２８が六角形の例を示したが、これに限れず、他の変数の多角形でもよい。例えば、以下の変形例に示すように四角形や五角形であってもよい。
【０１２６】
図２０、図２１はそれぞれ、第１、第２の変形例に係る虚像表示装置２０で用いるポリゴンミラー２８１、２８２を示す図である。なお、同図では、ポリゴンミラー２８１、２８２の構成のみ示している。これ以外の構成は、第４の実施形態と同じであることから表示を省略している。
【０１２７】
図２０に示すように第１の変形例に係る虚像表示装置２０では、四角形のポリゴンミラー２８１を用いて、光軸ＡＸ１方向での拡散スクリーン２９の移動を行う。同図に示す例では、拡散スクリーン２９が光軸ＡＸ１に正対したタイミングで、中間像ｉ１を形成することで、３段階の異なる虚像距離に対応した虚像ｉ２を形成する。
【０１２８】
同様に図２１に示すように第２の変形例に係る虚像表示装置２０では、五角形のポリゴンミラー２８２を用いて、光軸ＡＸ１方向で拡散スクリーン２９の移動を行う。同図に示す例では、拡散スクリーン２９が光軸ＡＸ１に正対したタイミングで、中間像ｉ１を形成することで、５段階の異なる虚像距離に対応した虚像ｉ２を形成する。
【０１２９】
このように第１、第２の変形例においても第４の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【０１３０】
（第３の変形例）
第４の実施形態においては、図１７等で説明したように、光軸ＡＸ１に対してポリゴンミラー２８の表面２３ｂ（拡散スクリーン２９）が正対（直交）したタイミングで、表示素子２１に像を形成し、これを拡散スクリーン２９に投影した。これに限られず、以下に示す第３の変形例に示すように異なる位相で中間像ｉ１、および虚像ｉ２を形成してもよい。
【０１３１】
図２２は、第３の変形例に係る虚像表示装置２０の構成を示す模式図である。図２２（ａ）は、上面模式図であり、図２２（ｂ）は、中間像ｉ１、および虚像ｉ２の形成タイミングを説明する模式図である。
【０１３２】
図２２（ａ）に示すように、第３の変形例では、拡散スクリーン２９が仮想線ａ１に正対したタイミングで、中間像ｉ１、および虚像ｉ２を形成する。このタイミングは、図１８で説明したタイミングに対して、光軸ＡＸ１と仮想線ａ１との間の角度分だけ位相をシフトしたタイミングに相当する。すなわち、図２２（ｂ）に示すように、拡散スクリーン２９が仮想線ａ１に正対したタイミングで、拡散スクリーン２９上に中間像ｉ１を形成する。これにより３段階の異なる虚像距離に対応した虚像ｉ２を形成できる。
【０１３３】
なお、仮想線ａ１は、仮想線ａ１と光軸ＡＸ１のなす角度、および仮想線ａ１と光軸ＡＸ０のなす角度が同じになるように設定した線である。すなわち、仮想線ａ１にポリゴンミラー２８の表面２３ｂが正対した状態では、表面２３ｂに対して、光軸ＡＸ０での入射角と、光軸ＡＸ１への反射角が等しく、全反射する。
【０１３４】
このような第３の変形例でも、第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第３の変形例において、ポリゴンミラー２８の表面２３ｂを鏡面状態にし、その表面に半透明の拡散スクリーン２９を配置することで、全反射方向の角度、すなわち光軸ＡＸ１方向により多くの光を導くことができる。この場合、第４の実施形態に比べて、より明るく、より彩度が高い虚像ｉ２を形成できる。
【０１３５】
（他の変形例）
以上に説明した虚像表示装置、およびこれを備えたヘッドアップディスプレイ装置の構成は、上記の実施形態の特徴を説明するにあたって主要構成を説明したのであって、上記の構成に限られず、特許請求の範囲内において、種々改変することができる。また、一般的な虚像表示装置、またはヘッドアップディスプレイ装置が備える構成を排除するものではない。
【０１３６】
図１７等に示す第４の実施形態においては、上面視において、ポリゴンミラー２８の頂点と幾何学的な中心位置ｃ１とを結ぶ線上に回転軸２３ａを配置していた。このようにすることで、ポリゴンミラー２８の６個の面のうち、対となる２つの面で光軸ＡＸ上の位置を同じにすることで、３水準での中間像ｉ１の位置を変化させた。これにより、ポリゴンミラー２８の１回転で、各距離に対して２回、中間像ｉ１および虚像ｉ２を形成するので、十分な輝度を確保できる。しかしながら、これに限られず、線上以外に適当な位置に回転軸２３ａを配置することで、ポリゴンミラー２８の面の数に対応した６段階で中間像ｉ１、および虚像ｉ２の位置を変化させてもよい。
【０１３７】
また、第４の実施形態においては、ポリゴンミラー２８よりも上流側の光軸ＡＸ０と、ポリゴンミラー２８の直下流側のミラー２４１に至るまでの光軸ＡＸ１をともに、Ｚ方向で同じ高さ、すなわち、同じＸＹ平面上になるように水平に並べて構成した。しかしながら、これに限られず、縦に並べてもよい。すなわち、これらの光軸ＡＸ０、ＡＸ１を同じＹＺ平面上になるように構成してもよい。
【０１３８】
本出願は、２０１７年１１月３０日に出願された日本特許出願（特願２０１７−２３０４８１号）、および２０１７年１２月２６日に出願された日本特許出願（特願２０１７−２４９５０６号）に基づいており、その開示内容は、参照され、全体として組み入れられている。
【符号の説明】
【０１３９】
１０  ヘッドアップディスプレイ装置、
２０  虚像表示装置、
２１  表示素子、
２１ａ  表示面、
２２  投影光学系、
２３  虚像距離変更部、
２３２  基部、
２３ａ  回転軸、
２３３〜２３８  第１壁部〜第６壁部、
２３９  開口部、
２３ｂ、２３ｂ１〜２３ｂ６  表面、
２３ｃ  内周面、
ｃ１  中心位置、
２４  虚像形成光学系、
２４１，２４２  ミラー、
２４３  表示スクリーン、
２５  回転駆動部、
２６  ハウジング、
２８、２８１、２８２  ポリゴンミラー、
２９，２９１〜２９２  拡散スクリーン、
３０  表示制御部、
４０  カウンターウェイト、
６０  主制御部、
７１  運転者検出部、
７２  環境監視部、
８００  車両、
８１１  車体、
８１２  フロントウィンドウ、
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  ユーザー、
９１０  瞳、
ＡＸ，ＡＸ０，ＡＸ１  光軸、
Ｄ１  表示光、
ＤＦ  検出領域、
Ｆ，Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３  フレーム、
ＯＢ  対象物、
ｉ１  中間像、
ｉ２，ｉ２１，ｉ２２，ｉ２３  虚像。
【図１】
2019107225.tif 000004
【図２】
2019107225.tif 000005
【図３】
2019107225.tif 000006
【図４】
2019107225.tif 000007
【図５】
2019107225.tif 000008
【図６】
2019107225.tif 000009
【図７】
2019107225.tif 000010
【図８】
2019107225.tif 000011
【図９】
2019107225.tif 000012
【図１０】
2019107225.tif 000013
【図１１】
2019107225.tif 000014
【図１２】
2019107225.tif 000015
【図１３】
2019107225.tif 000016
【図１４】
2019107225.tif 000017
【図１５】
2019107225.tif 000018
【図１６】
2019107225.tif 000019
【図１７】
2019107225.tif 000020
【図１８】
2019107225.tif 000021
【図１９】
2019107225.tif 000022
【図２０】
2019107225.tif 000023
【図２１】
2019107225.tif 000024
【図２２】
2019107225.tif 000025
【国際調査報告】
2019107225.tif 000026
2019107225.tif 000027
2019107225.tif 000028