(57)【要約】簡素な構成でありながら、危険信号等の追加情報を適切な認識が可能な程度に対象物に重畳表示させることができる虚像表示装置を提供する。描画デバイスである像形成素子１１と、像形成素子１１の像を拡大する拡大投影光学系である本体光学系１３と、表示スクリーン２０とを備える虚像表示装置１００であって、像形成素子１１を光軸ＡＸ方向に移動させることで投影距離を変化させる配置変更装置６２と、像形成素子１１及び配置変更装置６２を連動させることにより、投影距離の異なる複数の表示像（虚像）ＩＭを表示させる表示制御部１８と、を備える。
2018199246.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
描画デバイスと、前記描画デバイスの像を拡大する拡大投影光学系と、表示スクリーンとを備える虚像表示装置であって、
前記描画デバイスを光軸方向に移動させることで投影距離を変化させる配置変更装置と、
前記描画デバイス及び前記配置変更装置を連動させることにより、前記投影距離の異なる複数の前記虚像を表示させる表示制御部と、
を備える虚像表示装置。
【請求項２】
前記表示制御部は、前記対象物の位置情報を受けた場合に、前記表示スクリーンに対応する前記対象物の画面内の位置に応じて前記虚像を表示させる、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記表示制御部は、前記対象物の位置情報を受けた場合に、前記対象物の空間的な位置に合わせて前記投影距離を調整する、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記表示制御部は、前記配置変更装置による前記描画デバイスの移動に同期して前記描画デバイスに画像を表示させる、請求項１から３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記描画デバイスは、６０ｆｐｓ以上のフレームレートで動作する、請求項１から４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記描画デバイスの光軸方向の移動量は、２０ｍｍ以下である、請求項１から５までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記配置変更装置は、１５Ｈｚ以上の速度で前記描画デバイスを移動させる、請求項１から６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記描画デバイスは、液晶ディスプレイである、請求項１から７までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記描画デバイスは、有機ＥＬである、請求項１から７までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか一項に記載の虚像表示装置と、
前記対象物の空間的な位置を検出する環境監視部と、
を備える移動体用表示システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、視線の先に虚像を表示する虚像表示装置及び当該虚像表示装置を搭載する移動体用表示システム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り、例えば前方の車、歩行者、障害物等をカメラやセンサー等で検知し、ＨＵＤを通し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、障害物等のシースルー像（対象物）に対して危険信号その他の追加情報を重畳させて表示させることが考えられる。【０００３】
上記のような危険信号を重畳させて表示するシステムにおいて、運転者から虚像までの距離が一定だと、運転者の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）の位置とがずれてしまい、運転者が危険信号を誤認（つまり、対象物の位置を誤認）してしまうという課題がある。このような問題を解決する手法としては、実物（対象物）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。【０００４】
例えば特許文献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手法が開示されている。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に記載の手法は、上記のような重畳表示が前提でないことから、危険信号と対象物との位置ずれに関するものでもない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１５０９４７号公報
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、簡素な構成でありながら、上記のような追加情報を適切な認識が可能な程度に対象物に重畳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。
【０００７】
また、本発明は、上記虚像表示装置を搭載した移動体用表示システムを提供することを目的とする。
【０００８】
上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した虚像表示装置は、描画デバイスと、描画デバイスの像を拡大する拡大投影光学系と、表示スクリーンとを備える虚像表示装置であって、描画デバイスを光軸方向に移動させることで投影距離を変化させる配置変更装置と、描画デバイス及び配置変更装置を連動させることにより、投影距離の異なる複数の虚像を表示させる表示制御部と、を備える。ここで、光軸とは、描画デバイスの中心と、アイボックスの中心と、虚像表示装置によって作られる描画デバイスの中心に対応する像点（虚像）とを通るものである。
【０００９】
上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した移動体用表示システムは、上述の虚像表示装置と、対象物の空間的な位置を検出する環境監視部と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１Ａは、実施形態の虚像表示装置を車体に搭載した状態を示す側方断面図であり、図１Ｂは、虚像表示装置を説明する車内側からの正面図である。
【図２】虚像表示装置を構成する具体的な光学系を説明する図である。
【図３】虚像表示装置の具体的な構成例を説明する概念的な拡大側方断面図である。
【図４】像形成素子の位置と虚像位置との関係等を説明するための図である。
【図５】図５Ａ及び５Ｂは、実施形態の虚像表示装置による虚像位置と対象物との配置関係を説明する図である。
【図６】図６Ａ及び６Ｂは、比較例の虚像表示装置による虚像位置と対象物との配置関係を説明する図である。
【図７】虚像表示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８】移動体用表示システムの動作を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る虚像表示装置移動体用表示システムの一実施形態について説明する。
【００１２】
図１Ａ及び１Ｂは、本実施形態の虚像表示装置１００及びその使用状態を説明する概念的な側方断面図及び正面図である。この虚像表示装置１００は、例えばヘッドアップディスプレイ装置として車体２内に搭載されるものであり、描画ユニット１０と表示スクリーン２０とを備える。虚像表示装置１００は、描画ユニット１０中の後述する像形成素子１１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。
【００１３】
虚像表示装置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に向けて射出する。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。つまり、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。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（不図示）に導かれる。図１Ａ及び図２に示すように、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。
【００１４】
図３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３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。
【００１５】
本体光学系（投影光学系）１３は、像形成素子１１と、像形成素子１１に形成された画像を虚像に変換する虚像形成光学系１７とを備える。
【００１６】
像形成素子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。像形成素子１１の表示面１１ａに形成された像は、虚像形成光学系１７等へ導かれる。この際、２次元表示が可能な像形成素子１１を用いることで、表示像（虚像）ＩＭの切換えを比較的高速とできる。像形成素子１１は、液晶表示パネル（又は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ（liquid Crystal Display）））、液晶表示パネルに表示動作を行わせる表示駆動回路、液晶表示パネルを照明するための光を射出するＬＥＤ（light emitting diode）その他の光源、かかる光源からの光を均一化する均一化光学系等を備える。描画デバイスとして液晶ディスプレイを用いることにより、装置を小型化することができる。また、ＬＣＤの配光角は広いため、視野角を広くすることができる。なお、像形成素子１１は、例えば６０ｆｐｓ以上、望ましくは２４０ｆｐｓ、さらに望ましくは１０００ｆｐｓのフレームレートで動作する。これにより、異なる投影距離に複数の表示像ＩＭ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。
【００１７】
像形成素子１１は、配置変更装置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。配置変更装置６２によって像形成素子１１を光軸ＡＸに沿って移動させることで、虚像形成光学系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、又は短くすることができる。このように、投影される表示像ＩＭの位置を前後に変化させるとともに、表示内容をその位置に応じたものとすることで、表示像ＩＭまでの虚像距離又は投影距離を変化させつつ表示像ＩＭを変化させることになり、一連の投影像としての表示像ＩＭを３次元的なものとすることができる。ここで、光軸ＡＸとは、描画デバイスである像形成素子１１の中心と、アイボックスの中心と、虚像表示装置１００によって作られる像形成素子（描画デバイス）１１の中心に対応する像点（虚像）とを通るものである。像形成素子１１の光軸ＡＸ方向の移動量は、２０ｍｍ以下となっている。これにより、像形成素子１１の移動を効率良く行うことができ、像形成素子１１の応答性を向上させることができるとともに、虚像表示装置１００の容積を少なくすることができる。また、配置変更装置６２は、例えば１５Ｈｚ以上の速度で像形成素子１１を往復移動させる。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略同時に認識することができる。
【００１８】
像形成素子１１は、支持部材６２ａに支持されている。支持部材６２ａは、配置変更装置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。図４に示すように、像形成素子１１が移動範囲の最も上流側に配置されたタイミングでは、この時点で像形成素子１１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。また、像形成素子１１が移動範囲の最も下流側に配置されたタイミングでは、この時点で像形成素子１１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。図４の例では、像形成素子１１が移動範囲の最も上流側に配置されたタイミングにおける像形成素子１１の位置（ＬＣＤ位置Ｔ１）は、虚像距離が１０ｍの場合、光軸ＡＸ方向に沿って後述する第１ミラー１７ａから相対的に遠ざかる方向に８．１ｍｍの距離を有する位置である。また、像形成素子１１が移動範囲の最も下流側に配置されたタイミングにおける像形成素子１１の位置（ＬＣＤ位置Ｔ２）は、虚像距離が３．５ｍの場合、光軸ＡＸ方向に沿って第１ミラー１７ａに相対的に近づく方向に７．７ｍｍの距離を有する位置である。また、ＬＣＤ位置Ｔ１，Ｔ２の中間のＬＣＤ位置Ｔ３は、虚像距離が５ｍの場合となっている。
【００１９】
虚像形成光学系１７は、像形成素子１１に形成された画像を表示スクリーン２０と協働して拡大する拡大投影光学系であり、運転者ＵＮの前方に虚像としての表示像ＩＭを形成する。虚像形成光学系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枚の第１及び第２ミラー１７ａ，１７ｂを含む。ここで、第１ミラー１７ａは、第１の反射体であって、光路前段にある像形成素子１１側に配置されており、光学的なパワーを有する。また、第２ミラー１７ｂは、光路後段にある表示スクリーン（コンバイナー）２０側に配置されており、光学的なパワーを有する。第１及び第２ミラー１７ａ，１７ｂは、凸面、凹面、又は平面とでき、曲面の場合、球面に限らず、非球面、自由曲面等とすることができる。
【００２０】
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。
【００２１】
図５Ａは、実施形態の虚像表示光学系３０又は虚像表示装置１００による表示を説明する概念的な平面図であり、図５Ｂは、図５Ａに対応する表示の見え方を説明する図である。図５Ａに示すように、運転者ＵＮが観察している対象物（この場合、対向車線を走行する自動車）ＫＴの位置又はその近傍に表示像ＩＭである表示枠ＨＷを形成する場合について説明する。このような表示枠ＨＷは、危険警告信号その他の虚像であり、例えば前方に近接する自動車、自転車、歩行者等を識別した結果を示す。表示枠ＨＷは、この場合、図５Ａに示すように対象物ＫＴの近傍に表示枠ＨＷを投影しているので、図５Ｂに示すように、標準位置Ｐ０に居る運転者ＵＮだけでなく、頭の位置を動かした変動位置Ｐ１に姿勢を変化させた運転者ＵＮにも、対象物ＫＴと表示枠ＨＷとが略重なって略ずれなく見える。
【００２２】
図６Ａは、比較例の虚像表示光学系又は虚像表示装置による表示を説明する概念的な平面図であり、図６Ｂは、図６Ａに対応する表示の見え方を説明する図である。図６Ａに示すように、運転者ＵＮが観察している対象物ＫＴに関係なく、固定位置に表示像ＩＭである表示枠ＨＷを形成する場合について説明する。この場合、図６Ａに示すように対象物ＫＴのかなり手前に表示枠ＨＷを投影しているので、図６Ｂに示すように、標準位置Ｐ０に居る運転者ＵＮにとって、対象物ＫＴと表示枠ＨＷとが略重なって略ずれなく見えても、変動位置Ｐ１に姿勢を変化させた運転者ＵＮにとって、表示枠ＨＷが対象物ＫＴに対して目の並ぶ横方向に大きく位置ずれして見えてしまい、表示枠ＨＷを誤認する可能性が高まる。
【００２３】
図７は、移動体用表示システム２００を説明するブロック図であり、移動体用表示システム２００は、その一部として虚像表示装置１００を含む。この虚像表示装置１００は、図３に示す構造を有するものであり、ここでは説明を省略する。図７に示す移動体用表示システム２００は、移動体である自動車等に組み込まれるものである。
【００２４】
移動体用表示システム２００は、虚像表示装置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。
【００２５】
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１Ｂ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対象物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を算出する。
【００２６】
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対象物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ＫＴ（例えば図５Ａ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ＫＴの空間的な位置を算出する。ここで、対象物ＫＴの空間的な位置とは、視野に対応する平面内の位置の他に、奥行き方向の位置を含めるものである。
【００２７】
なお、運転席用カメラ７１ａや外部用カメラ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（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、対象物の位置等）を解析することで、画像内の各領域又は対象物までの距離を判定できる。
【００２８】
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、又はレーザーセンサーを用いても、撮影した画面（死角画像）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（領域又は対象物）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。
【００２９】
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、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。つまり、表示制御部１８は、像形成素子１１及び配置変更装置６２を連動させることにより、複数の表示像（虚像）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又は位置情報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ＫＴに対して、その奥行き位置方向及びこれと直交する方向に関して周辺に位置する表示枠ＨＷ（図５Ｂ参照）のような標識とすることができる。表示制御部１８は、環境監視部７２から対象物ＫＴの位置情報を受けて、表示スクリーン２０に対応する対象物ＫＴの画面内の位置に応じて表示像（虚像）ＩＭを表示させる。これにより、運転者ＵＮの視点にかかわらず、表示像（虚像）ＩＭの位置を対象物ＫＴの位置に対応させることができる。また、表示制御部１８は、主制御装置９０の制御下で、環境監視部７２から対象物ＫＴの位置情報を受けて、対象物ＫＴの空間的な位置に合わせて投影距離を調整している。これにより、運転者ＵＮの視点がずれても、表示像（虚像）ＩＭの位置が変化する対象物ＫＴの位置からずれることを防ぐことができる。また、表示制御部１８は、配置変更装置６２による像形成素子１１の移動に同期して像形成素子１１に画像を表示させる。これにより、投影距離の異なる各虚像についてその表示内容を変えることができ、各位置に存在する可能性のある対象物ＫＴに対応する画像の表示が可能になる。
【００３０】
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の目の空間的な位置に応じて表示像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。
【００３１】
主制御装置９０は、虚像表示装置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ＫＴ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ＨＷの空間的な配置を調整する。
【００３２】
以下、図８を参照しつつ、虚像表示装置及び移動体用表示システムの動作について説明する。表示制御部１８及び配置変更装置６２等は、例えば運転者検出部７１における運転者ＵＮの目の位置に関する検出出力等を受け取ることで動作が開始される。
【００３３】
まず、虚像表示装置１００を初期化する（ステップＳ１１）。具体的には、主制御装置９０の制御下で、配置変更装置６２を動作させて、像形成素子１１の位置を初期位置に移動させる。既に説明したように、像形成素子１１は、光軸ＡＸ方向に沿って所定の範囲を移動可能となっており、移動範囲の最も下流側から最も上流側の範囲のうち、例えば最も上流側の位置を初期位置としている。また、初期位置を基準として一定周期における像形成素子１１に画像を表示するタイミングと配置変更装置６２の動作タイミングとを同期させる。
【００３４】
次に、対象物ＫＴを探索する（ステップＳ１２）。具体的には、主制御装置９０の制御下で、環境監視部７２を動作させて、対象物ＫＴの存否を検出する。
【００３５】
次に、表示スクリーン２０の表示領域（又は画面）内の対象物ＫＴを検出する（ステップＳ１３）。具体的には、主制御装置９０の制御下で、環境監視部７２を動作させて、対象物ＫＴの空間的な位置（ＸＹＺ座標の位置）を検出する。
【００３６】
次に、対象物ＫＴの空間的な位置、特に運転者ＵＮの瞳ＨＴから対象物ＫＴまでの距離から像形成素子１１に画像を表示するタイミングと虚像の表示位置とを決定する（ステップＳ１４）。具体的には、主制御装置９０において、環境監視部７２で算出された対象物ＫＴの位置データ等から画像を表示するタイミングと虚像の表示位置とを決定する。タイミングについては、Ｚ方向に関係するものであり、表示位置については、ＸＹ方向に関係するものである。つまり、対象物ＫＴがどの距離にあるかによって像形成素子１１に表示枠ＨＷ等の画像を表示させるタイミングが決定する。
【００３７】
次に、ステップＳ１４で決定したタイミング及び位置の情報に基づいて、画像を像形成素子１１に表示させる（ステップＳ１５）。具体的には、主制御装置９０の制御下で、表示制御部１８を動作させて、像形成素子１１に所定のタイミングで所定の画像を表示させる。この際、表示制御部１８は、主制御装置９０の制御下に基づく配置変更装置６２による像形成素子１１の移動に同期して像形成素子１１に画像を表示させている。表示スクリーン２０に対応する画面内であれば、複数の対象物ＫＴに対応する表示像（虚像）ＩＭとして例えば表示枠ＨＷを表示することができる。
【００３８】
ステップＳ１５の後、移動体用表示システムの動作を継続する場合（ステップＳ１６のＹｅｓ）、ステップＳ１２に戻る。
【００３９】
以上で説明した虚像表示装置及び移動体用表示システムは、描画デバイスである像形成素子１１及び配置変更装置６２を連動させることにより、運転者（観察者）ＵＮが表示像（虚像）ＩＭを３次元的に認識できるように、投影距離の異なる複数の表示像（虚像）ＩＭを表示させることができる。像形成素子１１を光軸ＡＸ方向に移動させることで、その対象物ＫＴに対して表示像（虚像）ＩＭを奥行方向も含めて重畳させることができる。これにより、対象物ＫＴが遠方から近傍までの範囲に存在する場合でも、観察者（運転者ＵＮ）の目の位置による対象物ＫＴと表示像（虚像）ＩＭとのずれが低減され、より安全な運転支援システムを実現することができる。したがって、運転者の視点がずれても危険信号等の表示像（虚像）ＩＭと実物（対象物ＫＴ）との位置関係がずれないため、運転者ＵＮの誤認を防ぐことができる。
【００４０】
〔実施例〕
以下、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置の具体的な実施例を示す。
以下に示す実施例のデータにおいて、Ｓｉ（ｉ＝０，１，２，３，…）は、表示像ＩＭを形成する虚像面側から数えてｉ番目の面（表示像ＩＭの虚像面を第０番目の面とする）を示している。虚像面に対応する第０面Ｓ０に続く第１及び第２面Ｓ１，Ｓ２は、仮想的な面であり、第３面Ｓ３は、瞳ＨＴに相当する（図４参照）。
【００４１】
各面Ｓｉの配置は、面頂点座標（ｘ，ｙ，ｚ）と回転角度（ＡＤＥ）とでそれぞれ特定される。各面Ｓｉの面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点として、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）で表されている（単位はｍｍ）。また、各面Ｓｉの傾きは、その面頂点を中心とするＸ軸回りのＡＤＥ又は回転角度（α回転）で表されている。また、各面Ｓｉの傾きは、その面頂点を中心とするＹ軸回りのＢＤＥ又は回転角度（β回転）でも表されている。なお、回転角度の単位は、°であり、Ｘ軸の正方向から見て時計回りの方向がα回転の回転角度の正方向とし、Ｙ軸の正方向から見て時計回りの方向がβ回転の回転角度の正方向とする。また、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）は、瞳ＨＴ又は瞳面（第３面Ｓ３）のローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と一致した絶対座標系になっている。すなわち、各面Ｓｉの配置データは、瞳面中心を原点としたグローバル座標系で表現される。なお、瞳面（第３面Ｓ３）では、表示スクリーン２０から瞳ＨＴに向かう方向が＋Ｚ方向又は＋ｚ方向であり、瞳ＨＴに対して上方向が＋Ｙ方向又は＋ｙ方向であり、表示スクリーン（コンバイナー）２０から瞳ＨＴに向かう方向から見て左方向が＋Ｘ方向又は＋ｘ方向である。
【００４２】
各実施例において、虚像形成光学系１７に対応する第５面Ｓ５及び第６面Ｓ６は、自由曲面であり、その自由曲面形状は、光学面の頂点を原点とし、光軸方向にＺ軸をとり、Ｚ軸に平行な面のサグ量Ｚとして以下の「数１」で表す。
〔数１〕
2018199246.tif 000003
ただし、
Ｚ  ：Ｚ軸に平行な面のサグ量
ｃ  ：頂点曲率（ｃ＝１／Ｒ）
ｋ  ：円錐定数又はコーニック定数
Ｃｊ：ＸｍＹｎの係数
Ｒ  ：Ｙ曲率半径
【００４３】
以下、本発明のヘッドアップディスプレイ装置の具体的な実施例を説明する。
【００４４】
〔実施例１〕
実施例１のヘッドアップディスプレイ装置の基本的な仕様を以下の表１に示す。
〔表１〕
2018199246.tif 000004
【００４５】
実施例１の光学面等のデータを以下の表２に示す。
〔表２〕
2018199246.tif 000005
【００４６】
実施例１のミラー部分の面データを以下の表３に示す。表中の「＊」は積を表し、「＾」はべき乗を表すものとする。
〔表３〕
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【００４７】
以上では、具体的な実施形態としての虚像表示装置について説明したが、本発明に係る虚像表示装置は、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、虚像表示装置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を平面としたが、曲面でも、曲面をさらに傾けたものでも、対称性をもたない自由曲面であってもよい。
【００４８】
上記実施形態において、表示スクリーン２０の輪郭は、矩形に限らず、様々な形状とすることができる。
【００４９】
図３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、虚像形成光学系１７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いてもよい。この場合、折り返しによる描画ユニット１０等の小型化に有利になる場合もある。
【００５０】
上記実施形態において、表示像（虚像）ＩＭの表示位置は、離散的に設定することができるし、連続的又は断続的に設定することもできる。
【００５１】
また、上記実施形態において、描画デバイスとして、ＬＣＤを用いたが、他の種類の表示素子、例えば有機ＥＬを用いてもよい。この場合、有機ＥＬの配光角は広く、視野角を広くすることができ、虚像表示装置１００を軽量化することができる。
【００５２】
また、上記実施形態において、虚像形成光学系１７には、２枚のミラーを設けたが、１枚又は３枚以上のミラーを設けてもよい。また、ミラーを省略してもよい。また、ミラーの光学面は対称性がある自由曲面としているが、これに限るものではなく、対称性をもたない自由曲面でもよい。
【００５３】
また、上記実施形態において、コンバイナーを設けずに、フロントウインドウを形成するフロントガラス８又はウインドシールド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。
【００５４】
以上で説明した虚像表示装置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、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。
【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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【国際調査報告】
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