(57)【要約】【課題】光源の熱による悪影響をできる限り排除することを可能にした虚像表示装置を提供する。【解決手段】液晶ディスプレイ５と凹面鏡７とを結ぶ光路に沿って液晶ディスプレイ５と凹面鏡７との間に、全反射ミラーからなる第１ミラー１３と、ハーフミラーからなる第２ミラー１４とを配置し、液晶ディスプレイ５は、水平方向よりも下方を向く角度で、且つ第１ミラー１３及び前記第２ミラー１４に対して上方に配置する。そして、液晶ディスプレイ５から第１ミラー１３を反射して凹面鏡７を結ぶ第１光路１９と、液晶ディスプレイ５から第２ミラー１４を反射して凹面鏡７を結ぶ第２光路２０とを形成し、第１光路１９上に第２ミラー１４が位置するとともに、第１光路１９は第２ミラー１４を透過して凹面鏡７へと到るように設計する。【選択図】図３
2018081276.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像を表示する液晶ディスプレイと、
前記液晶ディスプレイに表示された前記映像を反射させてユーザに視認させることによって前記映像の虚像を前記ユーザに視認させる凹面鏡と、
前記液晶ディスプレイと前記凹面鏡とを結ぶ光路に沿って前記液晶ディスプレイと前記凹面鏡との間に配置され、前記液晶ディスプレイから入射する前記光路を、前記凹面鏡へ向かう方向に変更する反射ミラーと、を有し、
前記反射ミラーは、全反射ミラーからなる第１ミラーと、前記第１ミラーとは別体でハーフミラーからなる第２ミラーとを含み、
前記液晶ディスプレイは、映像の表示面が水平方向よりも下方を向く角度で、且つ前記第１ミラー及び前記第２ミラーに対して上方に配置され、
前記光路は、前記液晶ディスプレイから前記第１ミラーを反射して前記凹面鏡を結ぶ第１光路と、前記液晶ディスプレイから前記第２ミラーを反射して前記凹面鏡を結ぶ第２光路とを含み、
前記第１光路上に前記第２ミラーが位置するとともに、前記第１光路は前記第２ミラーを透過して前記凹面鏡へと到る虚像表示装置。
【請求項２】
前記第１ミラー及び前記第２ミラーは、筐体の外壁に対して固定される請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記液晶ディスプレイの背面に光源の熱を放熱する為の放熱部材が配置される請求項１又は請求項２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記第１光路と前記第２光路とは、前記凹面鏡への入射方向が同一方向となる請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記第１光路の光路長と前記第２光路の光路長とが異なる距離となる請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記第１光路によってユーザに視認される虚像の位置は、前記第２光路によってユーザに視認される虚像の位置よりも遠方に位置する請求項５に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記第１ミラーと前記第２ミラーとは所定距離間隔で平行に配置される請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記第１光路は、前記液晶ディスプレイの第１領域から入射する光路であって、
前記第２光路は、前記液晶ディスプレイの前記第１領域と異なる第２領域から入射する光路であって、
前記第１領域と前記第２領域には異なる映像が表示される請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記液晶ディスプレイは、第１の偏光方向を有する光を出力することによって映像を表示し、
前記液晶ディスプレイと前記凹面鏡とを結ぶ光路に沿って前記反射ミラーと前記凹面鏡との間に配置され、前記第１の偏光方向を有する光を反射するとともに、前記第１の偏光方向と異なる第２の偏光方向を有する光は透過させる反射型偏光板と、
前記液晶ディスプレイと前記凹面鏡とを結ぶ光路に沿って前記反射型偏光板と前記凹面鏡との間に配置され、光の偏光方向を前記第１の偏光方向から前記第２の偏光方向へと変位させる偏光方向変位部材と、を有し、
前記反射型偏光板は、前記反射ミラーから第１方向で入射する光路を、前記凹面鏡へ向かう第２方向に変更し、
前記凹面鏡は、前記反射型偏光板から前記第２方向で入射する光路を、前記反射型偏光板を透過してユーザの目の位置へ向かう第３方向に変更し、
前記第２方向と前記第３方向とが逆方向となる請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の虚像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザが視認する虚像を表示する虚像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、車両等の移動体の乗員に対して経路案内や障害物の警告等の運転情報を提供する情報提供手段として、様々な手段が用いられている。例えば、移動体に設置された液晶ディスプレイによる表示や、スピーカから出力する音声等である。そして、近年、このような情報提供手段の一つとして、ヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤという）のような人間の目の錯覚を利用して実際に映像が表示された位置と異なる空間上に映像を視認させる虚像表示装置がある。
【０００３】
ここで、虚像表示装置によってより効果的な情報の提供を行う為には、虚像の位置（より具体的には虚像を視認するユーザから虚像までの距離）を適切に設定することが重要である。例えば、障害物に対する警告の虚像を表示する為には、その障害物が実際に存在する位置に虚像があることが望ましい。また、道路の右左折を案内する虚像を表示する場合には、右左折する地点に虚像があることが望ましい。一方で、車速を表示する虚像や地図画像の虚像等については環境に重畳しないようにできる限りユーザに近い位置にあることが望ましい。即ち、虚像の種類毎にその虚像に適したユーザからの距離は異なる。
【０００４】
しかしながら、ユーザから虚像までの距離は、装置内部に配置された凹面鏡から映像を表示する映像表示面（スクリーン、液晶ディスプレイ等）までの距離に依存するので、ユーザから虚像までの距離を変位させる為には、例えば、液晶表示面を移動させる等の複雑な構造が必要となっていた。しかしながら、このような虚像表示装置は移動体の空きスペースに対して設置する必要があるので、できる限り小型化するのが望ましい。そこで、特開２０１３−２１４００８号公報には、液晶ディスプレイから出力された光を反射する手段として、全反射ミラーとハーフミラーの２枚のミラーを配置することによって、長さの異なる２種類の光路を形成し、ユーザからの距離が異なる位置にそれぞれ虚像を視認させることを可能にした技術について提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２１４００８号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、上記特許文献１に記載の虚像表示装置では、液晶ディスプレイとミラーの配置構成として、液晶ディスプレイの光源（バックライト）が最も下方にあり、その上方に液晶が配置され、更に上方にミラーが配置されている。一般的に虚像表示装置の光源は視認性を確保する為に高輝度が要求されることから、光源周辺、特に光源の上方は温度が上昇することが予想される。従って、上記特許文献１のような配置構成とすると、光源の熱によって光源の上方にある液晶やミラーに悪影響を及ぼす虞があった。特に、装置の小型化を実現する場合には、装置内の空間が狭くなり、光源から他の部材までの距離が近くなるので影響がより大きくなる。
【０００７】
本発明は前記従来における問題点を解消するためになされたものであり、ユーザからの距離が異なる複数の位置に虚像を視認させることを可能にする一方で、光源の熱による悪影響をできる限り排除することを可能にした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】
【０００８】
前記目的を達成するため本発明に係る虚像表示装置は、映像を表示する液晶ディスプレイと、前記液晶ディスプレイに表示された前記映像を反射させてユーザに視認させることによって前記映像の虚像を前記ユーザに視認させる凹面鏡と、前記液晶ディスプレイと前記凹面鏡とを結ぶ光路に沿って前記液晶ディスプレイと前記凹面鏡との間に配置され、前記液晶ディスプレイから入射する前記光路を、前記凹面鏡へ向かう方向に変更する反射ミラーと、を有し、前記反射ミラーは、全反射ミラーからなる第１ミラーと、前記第１ミラーとは別体でハーフミラーからなる第２ミラーとを含み、前記液晶ディスプレイは、映像の表示面が水平方向よりも下方を向く角度で、且つ前記第１ミラー及び前記第２ミラーに対して上方に配置され、前記光路は、前記液晶ディスプレイから前記第１ミラーを反射して前記凹面鏡を結ぶ第１光路と、前記液晶ディスプレイから前記第２ミラーを反射して前記凹面鏡を結ぶ第２光路とを含み、前記第１光路上に前記第２ミラーが位置するとともに、前記第１光路は前記第２ミラーを透過して前記凹面鏡へと到る。
尚、「光路」とは、液晶ディスプレイにおける映像の表示に用いられる光源（例えばＬＥＤ等）から出力された光が通る経路をいう。例えば、液晶ディスプレイから凹面鏡までを結ぶ光路とは、光が液晶ディスプレイから凹面鏡に到達するまでの光の経路であり、基本的には液晶ディスプレイ（特に映像が表示された位置）から凹面鏡までを直線で結ぶ経路となる。但し、液晶ディスプレイと凹面鏡の間に光を屈折したり反射することによって光の進行方向を変更する手段（例えばミラーやレンズ等）が配置されている場合には、該手段で所定角度に屈折又は反射された経路が該当する。
また、「ハーフミラー」は、透過率と反射率が必ずしも同じである必要はなく、入射した光の一部を透過し、一部を反射する部材（ビームスプリッター）であれば良い。
【発明の効果】
【０００９】
前記構成を有する本発明に係る虚像表示装置によれば、全反射ミラーとハーフミラーの２つのミラーを配置することによって、液晶ディスプレイやミラーの位置を変位させることなく、ユーザからの距離が異なる複数の位置に虚像を視認させることが可能となる。その一方で、液晶ディスプレイとミラーの位置関係を適切な関係とすることによって、光源の熱による悪影響をできる限り排除することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係るＨＵＤの車両への設置態様を示した図である。
【図２】本実施形態に係るＨＵＤの内部構成を示した図である。
【図３】ＨＵＤにおいて形成される光路を示した図である。
【図４】液晶ディスプレイの映像の表示領域を示した図である。
【図５】虚像の生成される位置を説明した図である。
【図６】λ／４波長板の配置態様を示した図である。
【図７】本実施形態に係るＨＵＤの構成を示したブロック図である。
【図８】車両の乗員から視認できる虚像の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る虚像表示装置について、車両に搭載されたヘッドアップディスプレイ装置に具体化した一実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１２】
先ず、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤという）１の構成について図１を用いて説明する。図１は本実施形態に係るＨＵＤ１の車両２への設置態様を示した図である。
【００１３】
図１に示すようにＨＵＤ１は、車両２のダッシュボード３内部に設置されており、内部に映像を表示する液晶ディスプレイ５を有する。そして、液晶ディスプレイ５に表示された映像を、後述のようにＨＵＤ１が備える反射型偏光板６や凹面鏡７を介し、更に運転席の前方のフロントウィンドウ８に反射させて車両２の乗員９に視認させるように構成されている。尚、液晶ディスプレイ５に表示される映像としては、車両２に関する情報や乗員９の運転の支援の為に用いられる各種情報がある。例えば障害物（他車両や歩行者）に対する警告、ナビゲーション装置で設定された案内経路や案内経路に基づく案内情報（右左折方向を示す矢印等）、路面に表示する警告（追突注意、制限速度等）、現在車速、案内標識、地図画像、交通情報、ニュース、天気予報、時刻、接続されたスマートフォンの画面、テレビ番組等がある。
【００１４】
また、本実施形態のＨＵＤ１では、フロントウィンドウ８を反射して乗員９が液晶ディスプレイ５に表示された映像を視認した場合に、乗員９にはフロントウィンドウ８の位置ではなく、フロントウィンドウ８の先の遠方の位置に液晶ディスプレイ５に表示された映像が虚像１０として視認されるように構成される。尚、乗員９が視認できる虚像１０は液晶ディスプレイ５に表示された映像であるが、反射型偏光板６や凹面鏡７を介することによって上下方向や左右方向が反転する場合があり、それらの反転を考慮して液晶ディスプレイ５の映像の表示を行う必要がある。また、凹面鏡７を介することによってサイズも変更する。
【００１５】
ここで、虚像１０を生成する位置、より具体的には乗員９から虚像１０までの距離（以下、虚像生成距離という）Ｌについては、ＨＵＤ１が備える凹面鏡７の曲率、液晶ディスプレイ５と凹面鏡７との相対位置等によって適宜設定することが可能である。例えば、凹面鏡７の曲率が固定であれば、液晶ディスプレイ５において映像の表示された位置から凹面鏡７までの光路に沿った距離（光路長）によって虚像生成距離Ｌが決定される。
【００１６】
そして、本実施形態に係るＨＵＤ１は、後述のように液晶ディスプレイ５から入射する光路を凹面鏡７へ向かう方向に変更する反射ミラーとして、全反射ミラーからなる第１ミラー１３と、第１ミラーとは別体でハーフミラーからなる第２ミラー１４とを備える。そして、液晶ディスプレイ５に表示された映像の内、第１ミラー１３で反射された映像に基づく虚像１０（以下、第１虚像１０Ａという）と、第２ミラー１４で反射された映像に基づく虚像１０（以下、第２虚像１０Ｂという）とをそれぞれ生成する。また、液晶ディスプレイ５から第１ミラー１３を反射して凹面鏡７を結ぶ光路の光路長と、液晶ディスプレイ５から第２ミラー１４を反射して凹面鏡７を結ぶ光路の光路長は、夫々異なる長さとする。例えば第１虚像１０Ａの虚像生成距離Ｌが２０ｍ、第２虚像１０Ｂの虚像生成距離Ｌが２．５ｍとなるように各光路の光路長が設定されている。
【００１７】
また、本実施形態のＨＵＤ１は、後述のように液晶ディスプレイ５、第１ミラー１３、第２ミラー１４、反射型偏光板６及び凹面鏡７について、反射型偏光板６から凹面鏡７へと入射する光路の方向と凹面鏡７で反射してユーザの目の位置へ向かう光路の方向とを逆方向となるように位置設計しているので、虚像１０の品質を向上させることが可能となる。例えば、よりハッキリとした鮮やかな虚像１０をユーザに視認させることが可能となる。また、反射型偏光板６を用いることによって、液晶ディスプレイ５において映像の表示された位置から凹面鏡７までの光路に沿った距離（光路長）を、装置の容積に比べてより長く確保可能に構成している。
【００１８】
また、車両のフロントバンパの上方やルームミラーの裏側等にはフロントカメラ１１が設置される。フロントカメラ１１は、例えばＣＣＤ等の固体撮像素子を用いたカメラにより構成された撮像装置であり、光軸方向を車両の進行方向前方に向けて設置される。そして、フロントカメラ１１により撮像された撮像画像に対して画像処理が行われることによって、フロントウィンドウ８越しに乗員９に視認される前方環境（即ち虚像１０が重畳される環境）の状況等が検出される。尚、フロントカメラ１１の代わりにミリ波レーダ等のセンサを用いても良い。
【００１９】
次に、図２及び図３を用いてＨＵＤ１のより具体的な構成について説明する。図２は、本実施形態に係るＨＵＤ１の内部構成を示した図である。図３は、本実施形態に係るＨＵＤ１によって形成される光路を示した図である。
【００２０】
図２に示すようにＨＵＤ１は、液晶ディスプレイ５と、反射型偏光板６と、凹面鏡７と、第１ミラー１３と、第２ミラー１４と、λ／４波長板１５と、制御回路部１６と、ＣＡＮインターフェース１７と、ヒートシンク１８とから基本的に構成されている。
【００２１】
ここで、液晶ディスプレイ５は光源としてバックライトを用い、バックライトからの光の内、特定の偏光方向を有する光だけを出力することによって、前面に設けられた映像表示面に対して映像を表示する機能を有する映像表示装置である。バックライトとしては、例えばＣＣＦＬ（冷陰極管）や白色ＬＥＤが用いられる。尚、映像を表示する手段としては、液晶ディスプレイ以外に、液晶プロジェクタとスクリーンの組み合わせを用いても良い。
【００２２】
また、図３に示すように液晶ディスプレイ５において映像を表示す映像表示面は、水平方向よりも下方を向く角度で配置される。即ち、液晶ディスプレイ５の液晶層よりも光源が上方に位置する角度で配置される。
【００２３】
また、図３に示すように第１ミラー１３は、液晶ディスプレイ５と凹面鏡７とを結ぶ光路に沿って液晶ディスプレイ５と凹面鏡７との間に配置され、液晶ディスプレイ５から第１方向で入射する第１光路１９を、第１方向と異なる第２方向に変更する光の反射手段である。同じく第２ミラー１４は、液晶ディスプレイ５と凹面鏡７とを結ぶ光路に沿って液晶ディスプレイ５と凹面鏡７との間に配置され、液晶ディスプレイ５から第１方向で入射する第２光路２０を、第１方向と異なる第２方向に変更する光の反射手段である。
【００２４】
また、第１ミラー１３と第２ミラー１４は別体のミラーであり、特に第１ミラー１３は全反射ミラーとし、第２ミラー１４はハーフミラーとする。また、第１ミラー１３と第２ミラー１４は所定距離間隔で平行に配置され、第１ミラーによって反射される第１光路１９上に第２ミラー１４が位置する。その結果、図３に示すように第１ミラー１３で反射された第１光路１９は、第２ミラー１４を通過して凹面鏡７へと到達することとなる。尚、第２ミラー１４は、例えば透過率と反射率が同じハーフミラーとするが、ハーフミラーは必ずしも透過率と反射率が同じである必要はなく、入射した光の一部を透過し、一部を反射する部材（ビームスプリッター）であれば良い。例えば第２ミラー１４を透過率４０％、反射率６０％や、透過率６０％、反射率４０％となるハーフミラーとしても良い。一方、第１ミラー１３についても必ずしも全反射のミラーである必要は無く、透過率よりも反射率が高いミラーであればよい。但し、反射率の高いミラーとすることによってより鮮明な虚像を生成することが可能となる。
【００２５】
また、第１ミラー１３と第２ミラー１４は、図２及び図３に示すように液晶ディスプレイ５とは直接的に接続されず、ＨＵＤ１の外壁に対して直接固定される。それによって、液晶ディスプレイ５の熱が第１ミラー１３や第２ミラー１４に伝わり難くする。また、液晶ディスプレイ５に対して第１ミラー１３及び第２ミラー１４は、光路と液晶ディスプレイ５が重複しない範囲で、できる接近して配置される。ここで、光の範囲は液晶ディスプレイ５から離れる程広くなる。従って、液晶ディスプレイ５に対して第１ミラー１３及び第２ミラー１４を接近して配置することにより、第１ミラー１３及び第２ミラー１４のサイズをできる限り小さくすることができ、ＨＵＤ１全体の装置サイズの小型化についても実現できる。
【００２６】
また、本実施形態では、第１ミラー１３によって反射される第１光路１９と、第２ミラー１４によって反射される第２光路２０とは、重複して凹面鏡７への入射方向が同一方向となるように液晶ディスプレイ５、第１ミラー１３及び第２ミラー１４が配置されている。その結果、乗員９からは第１ミラー１３で反射された映像と第２ミラー１４で反射された映像を同時に視認可能（即ち、第１ミラー１３で反射された映像に基づく第１虚像１０Ａと第２ミラー１４で反射された映像に基づく第２虚像１０Ｂを同時に視認可能）に構成される。
【００２７】
また、第１ミラー１３によって反射される映像と、第２ミラー１４によって反射される映像は液晶ディスプレイ５の異なる領域に表示された映像となる。具体的には、図４に示すように第１光路１９は液晶ディスプレイ５の下方にある第１領域２１から入射する光路であって、第１領域２１に表示された映像の虚像が第１虚像１０Ａとして乗員９に視認される。一方、第２光路２０は液晶ディスプレイ５の上方にある第２領域２２から入射する光路であって、第２領域２２に表示された映像の虚像が第２虚像１０Ｂとして乗員９に視認される。
【００２８】
更に、第１ミラー１３によって反射される第１光路１９の光路長と、第２ミラー１４によって反射される第２光路２０の光路長は長さが異なり、第１光路１９の光路長の方がより長くなっている。その結果、図５に示すように第１光路１９によってユーザに視認される虚像である第１虚像１０Ａの位置は、第２光路２０によってユーザに視認される虚像である第２虚像１０Ｂの位置よりも遠方に位置する。例えば第１虚像１０Ａの虚像生成距離Ｌは２０ｍ、第２虚像１０Ｂの虚像生成距離Ｌが２．５ｍとなるように光路長が設定されている。また、図５に示すように乗員９から第１虚像１０Ａが視認される領域と第２虚像１０Ｂが視認される領域とは乗員９の視線方向において重複している。従って、虚像による情報を手前と奥の２レイヤで表現（複数の虚像を重ねて表現）することが可能であり、１レイヤに比べるとより見やすく分かり易い表現が可能となる。尚、第２虚像１０Ｂは半透過となるので、第１虚像１０Ａと第２虚像１０Ｂが重複して視認される場合であっても、乗員９はどちらの虚像も適切に視認することが可能となる。
【００２９】
また、第１領域２１と第２領域２２には基本的に異なる映像が表示される。第１領域２１には乗員９に対して遠方に表示するのに適した情報である『案内経路や案内経路に基づく案内情報（右左折方向を示す矢印等）』等が表示される。一方、第２領域２２には乗員９に対して近傍に表示するのに適した情報である『現在車速』、『案内標識』、『地図画像』、『交通情報』、『接続されたスマートフォンの画面』等が表示される。
【００３０】
また、反射型偏光板６は、特定の第１の偏光方向を有する光については反射（非透過）するとともに、第１の偏光方向と異なる第２の偏光方向を有する光は透過させる性質を有する部材である。そして、本実施形態の反射型偏光板６では、第１の偏光方向を液晶ディスプレイ５から出力される光の偏光方向と同一方向に設計し、第２の偏光方向は第１の偏光方向に対してλ／２（１８０度）の位相差を有する偏光方向（即ち第１の偏光方向と直交する方向）に設計する。また、反射型偏光板６は、液晶ディスプレイ５と凹面鏡７とを結ぶ第１光路１９及び第２光路２０に沿って第１ミラー１３及び第２ミラー１４と凹面鏡７との間に配置される。そして、図３に示すように第１ミラー１３及び第２ミラー１４から第２方向で入射する第１光路１９及び第２光路２０に対して、凹面鏡７へ向かう第３方向に変更する光の反射手段として機能する。一方、凹面鏡７へと反射された光は後述のようにλ／４波長板１５を２回通過することによって偏光方向が最終的に第２の偏光方向へと変更されるので、凹面鏡７から入射する第１光路１９及び第２光路２０に対しては光の透過手段として機能する。
【００３１】
一方、凹面鏡７は、液晶ディスプレイ５に表示された映像を拡大して反射させて乗員９に視認させることによって、乗員９の前方に映像の虚像を生成する投影鏡である。尚、凹面鏡７としては、球面凹面鏡や、非球面凹面鏡、若しくは投影映像の歪みを補正するための自由曲面鏡が用いられる。
【００３２】
また、図３に示すように凹面鏡７は、反射型偏光板６から第３方向で入射する光路を、反射型偏光板６を透過してユーザの目の位置へ向かう第４方向に変更する。そして、特に本実施形態では、液晶ディスプレイ５、第１ミラー１３、第２ミラー１４、反射型偏光板６及び凹面鏡７の位置や角度を、第３方向と第４方向とが逆方向となるように設計する。尚、「逆方向」とは、１８０度異なる方向のみに限られず、１８０度異なる方向を含む一定範囲の幅を持った方向とする。例えば１７５度や１８５度異なる方向についても逆方向とする。
【００３３】
以下に本実施形態に係るＨＵＤの液晶ディスプレイ５、第１ミラー１３、第２ミラー１４、反射型偏光板６及び凹面鏡７の位置や角度の設計方法について簡単に説明する。
（Ａ）先ず、虚像を視認する乗員９の目の位置を仮定する。例えば、車両を利用するユーザの統計データなどから仮定する。尚、目の位置は点ではなくエリア（アイボックス）で仮定しても良い。
（Ｂ）次に、仮定された乗員９の目の位置に基づいて、乗員９の目の位置から凹面鏡７への光路と該光路が凹面鏡７によって反射される光路とが逆方向となる凹面鏡７の位置及び角度の条件を算出する。
（Ｃ）続いて、算出された位置及び角度に凹面鏡７があると仮定した場合に、反射型偏光板６の位置及び角度を考慮して、第３方向と第４方向とが逆方向となって、且つ第１ミラー１３によって反射される第１光路１９と第２ミラー１４によって反射される第２光路２０の凹面鏡７への入射方向が同一方向となる液晶ディスプレイ５、第１ミラー１３及び第２ミラー１４の位置及び角度の条件を算出する。
【００３４】
そして、本実施形態にかかるＨＵＤ１では、上記のように各部材の位置設計を行い、反射型偏光板６から凹面鏡７へと入射する第１光路１９及び第２光路２０の方向である第３方向と、凹面鏡７で反射して乗員９の目の位置へ向かう第１光路１９及び第２光路２０の方向である第４方向とを逆方向とすることによって、虚像の品質を向上させることが可能となる。例えば、よりハッキリとした鮮やかな虚像を乗員９に視認させることが可能となる。更に、虚像の品質を向上させる虚像生成距離Ｌに幅を持たせることが可能となる。従って、本実施形態のように虚像生成距離Ｌの異なる複数の位置に虚像を視認させる場合において、特に大きな効果がある。
【００３５】
また、λ／４波長板１５は、通過する光の偏光方向に対してλ／４（９０度）の位相差を与える平板形状を有する偏光素子である。本実施形態では、液晶ディスプレイ５と凹面鏡７とを結ぶ光路に沿って反射型偏光板６と凹面鏡７との間に、凹面鏡７とは別体に配置される。従って、図３に示すように、液晶ディスプレイ５から出力された光は、反射型偏光板６から凹面鏡７へと移動する間において先ずλ／４波長板１５を通過する。そして、その後に凹面鏡７で反射されて反射型偏光板６へと移動する間においてλ／４波長板１５を再度通過する。その結果、光の偏光方向に対してλ／４ずつ計λ／２（１８０度）の位相差を与える。従って、液晶ディスプレイ５から出力された段階では光の偏光方向が反射型偏光板６において反射対象（非透過対象）となる第１の偏光方向であったのが、λ／４波長板１５を２回通過することによって最終的には反射型偏光板６において透過対象となる第２の偏光方向へと変位する。
【００３６】
また、λ／４波長板１５は、透過する第１光路１９及び第２光路２０に対して垂直となる角度で配置される。更に、反射型偏光板６から第２方向で透過する光と、凹面鏡７から第３方向で透過する光の全てを含むサイズで且つできる限り小さいサイズとする。また、λ／４波長板１５は、図６に示すように液晶ディスプレイ５と反射型偏光板６とを結ぶ光路に重複しない範囲に配置される。
【００３７】
また、制御回路部１６は、ＨＵＤ１の全体の制御を行う電子制御ユニットである。ここで、図７は本実施形態に係るＨＵＤ１の構成を示したブロック図である。
【００３８】
図７に示すように制御回路部１６は、演算装置及び制御装置としてのＣＰＵ３１、並びにＣＰＵ３１が各種の演算処理を行うにあたってワーキングメモリとして使用されるＲＡＭ３２、制御用のプログラムのほか、虚像を生成する為の制御プログラム等が記録されたＲＯＭ３３、ＲＯＭ３３から読み出したプログラムを記憶するフラッシュメモリ３４等の内部記憶装置を備えている。また、制御回路部１６は、液晶ディスプレイ５と接続され、液晶ディスプレイ５の駆動制御を行う。
【００３９】
また、ＣＡＮ（コントローラエリアネットワーク）インターフェース１７は、車両内に設置された各種車載器や車両機器の制御装置間で多重通信を行う車載ネットワーク規格であるＣＡＮに対して、データの入出力を行うインターフェースである。そして、ＨＵＤ１は、ＣＡＮを介して、各種車載器や車両機器の制御装置（例えば、ナビゲーション装置４８、ＡＶ装置４９等）と相互通信可能に接続される。それによって、ＨＵＤ１は、ナビゲーション装置４８やＡＶ装置４９等から取得した情報を表示可能に構成する。
【００４０】
また、ヒートシンク１８は、液晶ディスプレイ５の背面側に配置され、液晶ディスプレイ５の光源から発生する熱を放熱する放熱部材である。ここで、ヒートシンク１８は例えばアルミニウムや銅等から形成され、表面積が広くなるような形状（例えば剣山状や蛇腹状）に成型される。また、放熱効果をより高めるためにファンを設けても良い。また、ヒートシンク１８は液晶ディスプレイ５の背面側、即ち第１ミラー１３や第２ミラー１４とは液晶ディスプレイ５を挟んで反対側に配置される。また、ヒートシンク１８は液晶ディスプレイ５の液晶、第１ミラー１３及び第２ミラー１４よりも上方に位置する。従って、ヒートシンク１８によって放熱された熱が液晶ディスプレイ５の液晶やその他の光学部材に与える悪影響を減少させることができる。
【００４１】
尚、液晶ディスプレイ５に表示される映像としては、車両２に関する情報や乗員９の運転の支援の為に用いられる各種情報がある。例えば障害物（他車両や歩行者）に対する警告、ナビゲーション装置４８で設定された案内経路（走行予定経路）や案内経路に基づく案内情報（車両の進行方向を示す矢印等）、路面に表示する警告（追突注意、制限速度等）、現在車速、案内標識、地図画像、交通情報、ニュース、天気予報、時刻、接続されたスマートフォンの画面、テレビ画面等がある。
【００４２】
特に本実施形態では、遠方に視認される虚像を生成する為の第１領域２１には、周辺環境に重畳させて乗員９に視認させることにより案内を行う虚像を生成する為の映像を出力する。例えば、ナビゲーション装置４８で設定された案内経路に基づく案内情報である車両の進行方向を示す矢印を出力する構成とする。一方、近傍に視認される虚像を生成する為の第２領域２２には、周辺環境に重畳させずに乗員９に視認させることにより案内を行う虚像を生成する為の映像を出力する。例えば、車両の現在の車速や車両周辺の地図画像を出力する構成とする。
【００４３】
その結果、例えばナビゲーション装置４８において案内経路が設定されており、車両の進行方向前方に特に右左折の対象となる交差点が存在しない場合には、図８に示すように車両の進行方向前方に直進方向を示す矢印の第１虚像１０Ａと、車両の現在の車速を示す第２虚像１０Ｂをそれぞれ生成する。また、矢印の第１虚像１０Ａについては、地面上、より具体的には第１虚像１０Ａの下端が地面上に位置するように生成するのが望ましい。尚、車両の進行方向前方に右左折の対象となる交差点が接近した場合には、直進方向を示す矢印に替えて右左折を示す矢印の第１虚像１０Ａを生成する。その結果、乗員９から２０ｍ前方付近に車両の進行方向を示す矢印の虚像が生成されることとなり、乗員９は虚像を視認する際に視線移動を極力少なくすることが可能である。
【００４４】
また、第１虚像１０Ａが視認される領域と第２虚像１０Ｂが視認される領域とは乗員９の視線方向において重複している。従って、虚像による情報を手前と奥の２レイヤで表現（複数の虚像を重ねて表現）することが可能であり、１レイヤに比べるとより見やすく分かり易い表現が可能となる。
【００４５】
以上詳細に説明した通り、本実施形態に係るＨＵＤ１によれば、液晶ディスプレイ５と凹面鏡７とを結ぶ光路に沿って液晶ディスプレイ５と凹面鏡７との間に、全反射ミラーからなる第１ミラー１３と、ハーフミラーからなる第２ミラー１４とを配置し、液晶ディスプレイ５は、映像の表示面が水平方向よりも下方を向く角度で、且つ第１ミラー１３及び前記第２ミラー１４に対して上方に配置する。そして、液晶ディスプレイ５から第１ミラー１３を反射して凹面鏡７を結ぶ第１光路１９と、液晶ディスプレイ５から第２ミラー１４を反射して凹面鏡７を結ぶ第２光路２０とを形成し、第１光路１９上に第２ミラー１４が位置するとともに、第１光路１９は第２ミラー１４を透過して凹面鏡７へと到るように設計するので、液晶ディスプレイ５や第１ミラー１３や第２ミラー１４の位置を変位させることなく、乗員９からの距離が異なる複数の位置に虚像を視認させることが可能となる。その一方で、液晶ディスプレイ５と第１ミラー１３と第２ミラー１４との位置関係を適切な関係とすることによって、光源の熱による悪影響をできる限り排除することが可能となる。
【００４６】
尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは勿論である。
例えば、本実施形態ではＨＵＤ１によって車両２のフロントウィンドウ８の前方に虚像を生成する構成としているが、フロントウィンドウ８以外のウィンドウの前方に虚像を生成する構成としても良い。また、ＨＵＤ１により映像を反射させる対象はフロントウィンドウ８自身ではなくフロントウィンドウ８の周辺に設置されたバイザー（コンバイナー）であっても良い。
【００４７】
また、本実施形態では車両２に対してＨＵＤ１を設置する構成としているが、車両２以外の移動体に設置する構成としても良い。例えば、船舶や航空機等に対して設置することも可能である。また、アミューズメント施設に設置されるライド型アトラクションに設置しても良い。その場合には、ライドの周囲に虚像を生成し、ライドの乗員に対して虚像を視認させることが可能となる。
【００４８】
また、本発明に係る虚像表示装置を具体化した実施例について上記に説明したが、虚像表示装置は以下の構成を有することも可能であり、その場合には以下の効果を奏する。
【００４９】
例えば、第１の構成は以下のとおりである。
映像を表示する液晶ディスプレイ（５）と、前記液晶ディスプレイに表示された前記映像を反射させてユーザに視認させることによって前記映像の虚像を前記ユーザに視認させる凹面鏡（７）と、前記液晶ディスプレイと前記凹面鏡とを結ぶ光路に沿って前記液晶ディスプレイと前記凹面鏡との間に配置され、前記液晶ディスプレイから入射する前記光路を、前記凹面鏡へ向かう方向に変更する反射ミラー（１３、１４）と、を有し、前記反射ミラーは、全反射ミラーからなる第１ミラー（１３）と、前記第１ミラーとは別体でハーフミラーからなる第２ミラー（１４）とを含み、前記液晶ディスプレイは、映像の表示面が水平方向よりも下方を向く角度で、且つ前記第１ミラー及び前記第２ミラーに対して上方に配置され、前記光路は、前記液晶ディスプレイから前記第１ミラーを反射して前記凹面鏡を結ぶ第１光路（１９）と、前記液晶ディスプレイから前記第２ミラーを反射して前記凹面鏡を結ぶ第２光路（２０）とを含み、前記第１光路上に前記第２ミラーが位置するとともに、前記第１光路は前記第２ミラーを透過して前記凹面鏡へと到る。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、全反射ミラーとハーフミラーの２つのミラーを配置することによって、液晶ディスプレイやミラーの位置を変位させることなく、ユーザからの距離が異なる複数の位置に虚像を視認させることが可能となる。その一方で、液晶ディスプレイとミラーの位置関係を適切な関係とすることによって、光源の熱による悪影響をできる限り排除することが可能となる。
【００５０】
また、第２の構成は以下のとおりである。
前記第１ミラー（１３）及び前記第２ミラー（１４）は、筐体の外壁に対して固定される。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、液晶ディスプレイの光源の熱が第１ミラーや第２ミラーに伝わり難くすることが可能となる。それによって、光源の熱による悪影響をできる限り排除することが可能となる。
【００５１】
また、第３の構成は以下のとおりである。
前記液晶ディスプレイ（５）の背面に前記光源の熱を放熱する為の放熱部材（１８）が配置される。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、放熱部材を用いて光源の熱を効率よく放熱することが可能となる。また、放熱部材は第１ミラーや第２ミラーとは液晶ディスプレイを挟んで反対側に配置され、更に液晶ディスプレイの液晶、第１ミラー及び第２ミラーよりも上方に位置する。従って、放熱部材によって放熱された熱が液晶ディスプレイの液晶、第１ミラー及び第２ミラーに与える悪影響を減少させることが可能となる。
【００５２】
また、第４の構成は以下のとおりである。
前記第１光路（１９）と前記第２光路（２０）とは、前記凹面鏡（７）への入射方向が同一方向となる。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、ユーザから第１虚像が視認される領域と第２虚像が視認される領域とを、ユーザの視線方向において重複させることが可能となる。従って、虚像による情報を２レイヤで表現（複数の虚像を重ねて表現）することが可能であり、１レイヤに比べるとより見やすく分かり易い表現が可能となる。
【００５３】
また、第５の構成は以下のとおりである。
前記第１光路（１９）の光路長と前記第２光路（２０）の光路長とが異なる距離となる。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、ユーザからの距離が異なる複数の位置に同時に虚像を視認させることが可能となる。
【００５４】
また、第６の構成は以下のとおりである。
前記第１光路（１９）によってユーザに視認される虚像の位置は、前記第２光路（２０）によってユーザに視認される虚像の位置よりも遠方に位置する。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、虚像による情報を手前と奥の２レイヤで表現（複数の虚像を重ねて表現）することが可能であり、１レイヤに比べるとより見やすく分かり易い表現が可能となる。
【００５５】
また、第７の構成は以下のとおりである。
前記第１ミラー（１３）と前記第２ミラー（１４）とは所定距離間隔で平行に配置される。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、簡易な構造によって長さの異なる２つの光路を形成することが可能となる。また、第１ミラーによって反射される光路と第２ミラーによって反射される光路とを重複させることが可能となる。
【００５６】
また、第８の構成は以下のとおりである。
前記第１光路（１９）は、前記液晶ディスプレイ（５）の第１領域（２１）から入射する光路であって、前記第２光路（２０）は、前記液晶ディスプレイの前記第１領域と異なる第２領域（２２）から入射する光路であって、前記第１領域と前記第２領域には異なる映像が表示される。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、一の液晶ディスプレイによって、内容の異なる複数の虚像を同時に生成することが可能となる。
【００５７】
また、第９の構成は以下のとおりである。
前記液晶ディスプレイ（５）は、第１の偏光方向を有する光を出力することによって映像を表示し、前記液晶ディスプレイと前記凹面鏡（７）とを結ぶ光路に沿って前記反射ミラー（１３、１４）と前記凹面鏡との間に配置され、前記第１の偏光方向を有する光を反射するとともに、前記第１の偏光方向と異なる第２の偏光方向を有する光は透過させる反射型偏光板（６）と、前記液晶ディスプレイと前記凹面鏡とを結ぶ光路に沿って前記反射型偏光板と前記凹面鏡との間に配置され、光の偏光方向を前記第１の偏光方向から前記第２の偏光方向へと変位させる偏光方向変位部材（１５）と、を有し、前記反射型偏光板は、前記反射ミラーから第１方向で入射する光路を、前記凹面鏡へ向かう第２方向に変更し、前記凹面鏡は、前記反射型偏光板から前記第２方向で入射する光路を、前記反射型偏光板を透過してユーザの目の位置へ向かう第３方向に変更し、前記第２方向と前記第３方向とが逆方向となる。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、光路に沿って映像表示面と凹面鏡との間に反射型偏光板を配置し、一旦反射型偏光板で光路を反射させて凹面鏡へと向かわせた後に、凹面鏡から反射した光路は反射型偏光版を透過させてユーザに向かわせるので、映像表示面から凹面鏡までを結ぶ光路長を従来と比較して同じ容積の装置の中でより長く確保することが可能となる。その結果、装置の小型化を実現することが可能となる。また、反射型偏光板、凹面鏡及び映像表示面について、反射型偏光板から凹面鏡へと入射する光路の方向と凹面鏡で反射してユーザの目の位置へ向かう光路の方向とを逆方向となるように位置設計するので、虚像の品質を向上させることが可能となる。例えば、よりハッキリとした鮮やかな虚像をユーザに視認させることが可能となる。更に、虚像の品質を向上させるユーザから虚像までの距離に幅を持たせることが可能となる。特にユーザからの距離が異なる複数の位置に虚像を視認させる場合において、特に大きな効果がある。
【符号の説明】
【００５８】
１      ヘッドアップディスプレイ装置
２      車両
３      ダッシュボード
５      液晶ディスプレイ
６      反射型偏光板
７      凹面鏡
８      フロントウィンドウ
９      乗員
１０Ａ  第１虚像
１０Ｂ  第２虚像
１３    第１ミラー
１４    第２ミラー
１５    λ／４波長板
１８    ヒートシンク
１９    第１光路
２０    第２光路
３１    ＣＰＵ
３２    ＲＡＭ
３３    ＲＯＭ
３４    フラッシュメモリ
【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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