(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させることができる虚像表示装置を提供する。【解決手段】表示素子２１と、複数のレンズを含み、表示素子２１に形成された像を拡大し、虚像に変換して投影する虚像形成光学系２２と、虚像形成光学系２２の少なくとも１つのレンズ６２１の光軸方向の位置を変更することで、虚像ｆまでの投影距離を変更する移動機構３０と、移動機構３０により変更されたレンズ６２１の位置に応じて、表示素子２１に像を表示するタイミングを制御する表示制御部５０と、を備える、虚像表示装置２０。【選択図】図４
2019191368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示素子と、
複数のレンズを含み、前記表示素子に形成された像を拡大し、虚像に変換して投影する虚像形成光学系と、
前記虚像形成光学系の少なくとも１つの前記レンズの光軸方向の位置を変更することで、前記虚像までの投影距離を変更する移動機構と、
前記移動機構により変更されたレンズの位置に応じて、前記表示素子に像を表示するタイミングを制御する表示制御部と、
を備える、虚像表示装置。
【請求項２】
前記虚像形成光学系は、それぞれが光軸上の固定の異なる位置に配置される複数のレンズで構成されるレンズ群を含み、
前記移動機構は、前記レンズ群を構成する複数のレンズのいずれかを前記光軸上に配置することで、前記レンズの前記光軸方向の位置を変更する、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
表示素子と、
複数のレンズを含み、前記表示素子に形成された像を拡大し、虚像に変換して投影する虚像形成光学系と、
前記虚像形成光学系の少なくとも１つの光軸上の前記レンズを、焦点距離の異なるレンズに変更することで、前記虚像までの投影距離を変更する移動機構と、
前記移動機構によるレンズを変更するタイミングに応じて、前記表示素子に像を表示するタイミングを制御する表示制御部と、
を備え
前記虚像形成光学系は、焦点距離が互いに異なる複数のレンズで構成されるレンズ群を含み、
前記移動機構は、前記レンズ群を構成する複数のレンズのいずれかを光軸上に配置する虚像表示装置。
【請求項４】
前記移動機構は、前記光軸に平行な回転軸の回りを回転する円盤であって、前記レンズ群の各レンズを同心円状に配置した円盤を有し、
前記円盤を回転させることで、前記レンズ群の前記レンズを前記光軸上に順次、前記光軸上に配置させる、請求項３に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか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。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なく、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。このような課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、
複数のレンズを含み、前記表示素子に形成された像を拡大し、虚像に変換して投影する虚像形成光学系と、
前記虚像形成光学系の少なくとも１つの前記レンズの光軸方向の位置を変更することで、前記虚像までの投影距離を変更する移動機構と、
前記移動機構により変更されたレンズの位置に応じて、前記表示素子に像を表示するタイミングを制御する表示制御部と、
を備える、虚像表示装置。
【０００９】
（２）前記虚像形成光学系は、それぞれが光軸上の固定の異なる位置に配置される複数のレンズで構成されるレンズ群を含み、
前記移動機構は、前記レンズ群を構成する複数のレンズのいずれかを前記光軸上に配置することで、前記レンズの前記光軸方向の位置を変更する、上記（１）に記載の虚像表示装置。
【００１０】
（３）表示素子と、
複数のレンズを含み、前記表示素子に形成された像を拡大し、虚像に変換して投影する虚像形成光学系と、
前記虚像形成光学系の少なくとも１つの光軸上の前記レンズを、焦点距離の異なるレンズに変更することで、前記虚像までの投影距離を変更する移動機構と、
前記移動機構によるレンズを変更するタイミングに応じて、前記表示素子に像を表示するタイミングを制御する表示制御部と、
を備え
前記虚像形成光学系は、焦点距離が互いに異なる複数のレンズで構成されるレンズ群を含み、
前記移動機構は、前記レンズ群を構成する複数のレンズのいずれかを光軸上に配置する虚像表示装置。
【００１１】
（４）前記移動機構は、前記光軸に平行な回転軸の回りを回転する円盤であって、前記レンズ群の各レンズを同心円状に配置した円盤を有し、
前記円盤を回転させることで、前記レンズ群の前記レンズを前記光軸上に順次、前記光軸上に配置させる、上記（３）に記載の虚像表示装置。
【００１２】
（５）上記（１）から上記（４）のいずれか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】
【００１３】
本発明に係る虚像表示装置によれば、複数のレンズを含み、表示素子に形成された像を拡大し、虚像に変換して投影する虚像形成光学系と、虚像形成光学系の少なくとも１つのレンズの光軸方向の位置を変更することで、虚像までの投影距離を変更する移動機構と、移動機構により変更されたレンズの位置に応じて、表示素子に像を表示するタイミングを制御する表示制御部と、を備える。あるいは、複数のレンズを含み、表示素子に形成された像を拡大し、虚像に変換して投影する虚像形成光学系と、虚像形成光学系の少なくとも１つの光軸上のレンズを、焦点距離の異なるレンズに変更することで、虚像までの投影距離を変更する移動機構と、移動機構により変更されたレンズの位置に応じて、表示素子に像を表示するタイミングを制御する表示制御部と、を備える。これにより、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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態に係る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模式図である。
【図３】虚像表示装置の構成を示す模式図である。
【図４】第１の実施形態における光学素子群および移動機構を示す側面図である。
【図５】変形例における光学素子群および移動機構を示す図である。
【図６】第２の実施形態における光学素子群および移動機構を示す側面図である。
【図７】第３の実施形態における光学素子群および移動機構を示す図である。
【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】具体的な表示状態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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Ｙ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Ｚ方向、これらのＹ、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向とする。またＺ方向は光軸方向に、Ｘ、Ｙ方向は、表示素子の横、縦方向にそれぞれ対応している。
【００１６】
（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（描画デバイス）に表示されている画像情報を、表示スクリーン２２３を介してユーザー９００に向けて虚像ｆ（後述のｆ１、ｆ２、ｆｎ）として表示する。
【００１７】
虚像表示装置２０の表示スクリーン２２３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２２３に向けて光軸ＡＸに沿って射出する。表示スクリーン２２３は、半透過性を有する凹面鏡、または平面鏡である。表示スクリーン２２３は、コンバイナーまたはウィンドシールドとして機能してもよく、両方の機能を兼ね備えてもよい。また、これらの機能を備える部材を別々に設けてもよい。表示スクリーン２２３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（Ｚ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２２３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２２３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Ｅｙｅｂｏｘ（アイボックス）（図示せず）に導かれる。Ｅｙｅｂｏｘは、ヘッドアップディスプレイ装置１０が車両８００に搭載された状態で、運転席８１６に座ったユーザー９００の瞳９１０の位置（高さ）に対応するように設定される。ユーザー９００は、表示スクリーン２２３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（虚像距離または投影距離ともいう）離れた表示像としての虚像ｆを観察できる。一方、ユーザー９００は、表示スクリーン２２３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できる。結果的に、ユーザー９００は、表示スクリーン２２３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２２３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ｆを観察できる。
【００１８】
図３は、第１の実施形態に係る虚像表示装置２０の構成を示す模式図である。図３に示すように、虚像表示装置２０は、表示素子２１、虚像形成光学系２２、移動機構３０、および表示制御部５０を備える。虚像形成光学系２２は、光学素子群２２１、ミラー２２２、表示スクリーン２２３、およびハウジング２９を備える。ハウジング２９内には、表示スクリーン２２３以外の虚像表示装置２０の各構成要素が収納される。
【００１９】
表示素子２１は、２次元的な表示面２１ａを有する。虚像形成光学系２２の各光学素子は、表示スクリーン２２３と協働して、表示面２１ａ上に形成された像ｉ１を虚像ｆに変換し、拡大し、ユーザー９００の前方に投影する。光学素子群２２１は、１つまたは複数のレンズを含む。また、図３では、反射面が平面の１枚のミラー２２２を含む例を示しているがこれに限られず、２枚以上の反射面が平面または曲面のミラーで構成してもよい。
【００２０】
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ｆ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。
【００２１】
表示制御部５０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、および半導体や磁気ディスクで構成されるメモリを備え、メモリに記憶されているプログラムを実行することで、以下に説明する移動機構３０、および表示素子２１を制御する。これらを制御することにより表示制御部５０は、表示素子２１が表示する像ｉ１の形成タイミングを制御し、表示スクリーン２２３の背後に虚像距離（投影距離）が変化する３次元的な虚像ｆ１〜ｆｎを表示させる。具体的には、後述するように、移動機構３０により光学素子群２２１に含まれる１つ以上のレンズの位置を光軸ＡＸ上で移動する。その位置変化に同期させて表示素子２１に像を表示するタイミングを制御することで、虚像ｆまでの虚像距離を変化させる。これを短時間で行うことにより、ユーザー９００は同時に投影距離が異なる複数の虚像ｆ（ｆ１〜ｆｎ）を同時に視認できる。
【００２２】
図４は、第１の実施形態における光学素子群２２１および移動機構３０を示す側面図である。光学素子群２２１は、第１のレンズ群６１、レンズ６２１、および第２のレンズ群６３を含む。
【００２３】
以下に説明する第１の実施形態、およびその他の実施形態においては、中間スクリーンを省略しているが、第１のレンズ群６１の直下流側、すなわち第１のレンズ群６１とレンズ６２１の間に中間スクリーンを配置してもよい。中間スクリーンは、摺りガラス、レンズ拡散板、マイクロレンズアレイ等で構成され拡散機能を有し、配光角を所望の角度に制御するための拡散板である。中間スクリーンを配置した形態においては、レンズ群６１の結像位置にある中間スクリーン上に中間像を形成する。そして、中間スクリーン上に形成した中間像は、後段のレンズ６２１、第２のレンズ群６３により虚像ｆに変換され、ユーザー９００の前方に投影される。
【００２４】
図４に示す第１の実施形態においては、表示素子２１の表示面２１ａに形成された像ｉ１は、光学素子群２２１を構成する第１のレンズ群６１、レンズ６２１、および第２のレンズ群６３により、拡大され、虚像に変換され、ユーザー９００の前方に投影される。また、第１の実施形態においては、移動機構３０は、光軸ＡＸ上においてレンズ６２１を移動させる、すなわち、光軸ＡＸ方向の位置を変更する。
【００２５】
第１の実施形態における移動機構３０は、アクチュエーター３１、位置検知センサー３２を備える。アクチュエーター３１は、ステッピングモーター等の駆動源と、この駆動源の回転運動を直線運動に変換するベルト駆動ユニット等の機構を含む。表示制御部５０からの制御信号により、アクチュエーター３１が作動することで、レンズ６２１は光軸ＡＸ上をスライド移動する（図示矢印方向）。
【００２６】
位置検知センサー３２は検出部として機能し、レンズ６２１、またはこれを保持する保持部材（図示せず）の光軸ＡＸ方向での位置を検出する。位置検知センサーは、リニアエンコーダー、ホール素子、フォトセンサー、等を用いることができる。レンズ６２１の光軸ＡＸ上の位置は、位置検知センサー３２により検出され、位置データの信号（検出信号）は、表示制御部５０に送られる。
【００２７】
表示制御部５０は、アクチュエーター３１を制御することで、光軸ＡＸ上でレンズ６２１を所定の周期で往復運動させる。所定の周期としては例えば数十Ｈｚである。このとき、位置検知センサー３２からの検出信号に同期させて、表示部２１に画像データを出力し、像ｉ１および虚像ｆを形成させる。図４では、移動されたレンズ６２１（一部は破線で示す）の位置に対応して符号ｆ１、ｆ２、ｆｎを付している。これは、その位置に応じた投影距離で図３に示す虚像ｆ１、ｆ２、ｆｎが形成されることを示すものである（以下、同様）。図４においても最も投影距離が長くなるのは、符号ｆｎに対応して最も右側にレンズ６２１を移動させた場合であり、最も投影距離が短くなるのは、符号ｆ１に対応して最も左側にレンズ６２１を移動させた場合である。なお、ｆｎのｎは、３以上の整数を示し、レンズ６２１の位置は、３段階に限られず、これよりも多段階の位置に移動させ得ることを表している。
【００２８】
このように第１の実施形態に係る虚像表示装置２０では、移動機構３０のアクチュエーター３１により虚像形成光学系２２のレンズ６２１を光軸ＡＸ上でスライド移動させることで、当該レンズ６２１の光軸方向の位置を変更するとともに、移動機構３０により移動され、位置検知センサー３２により検出したレンズ６２１の位置に応じて、表示制御部５０により表示素子２１に画像データを出力し、像を表示するタイミングを制御する。これにより、複数の投影距離の虚像ｆを実質的に同時に表示することができる。
【００２９】
（変形例）
第１の実施形態では、位置検知センサー３２を設けていたが、駆動源としてステッピングモーターのように、駆動源自体で回転位置が分かる駆動源であれば、位置検知センサー３２を省略してもよい。この場合、ステッピングモーターの制御回路が検出部としても機能し、この表示制御部５０は、制御回路から直接、位置データを取得できる。図５はそのような変形例における光学素子群および移動機構を示す図である。図５に示す変形例では、アクチュエーター３３を構成するステッピングモーターの制御回路が検出部としても機能し、アクチュエーター３３からのエンコーダー信号に基づいて、制御部５０は、表示素子２１に像を表示するタイミングを制御する。
【００３０】
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態における光学素子群２２１および移動機構３０を示す側面図である。同図に示す構成以外は第１の実施形態と同じであり、説明を省略する。図６に示す、光学素子群２２１は、第１のレンズ群６１、第２のレンズ群６３、および第３のレンズ群６４を含む。第３のレンズ群６４は、３つのレンズ６４１〜６４３で構成される。この３つのレンズ６４１〜６４３は、それぞれが光軸ＡＸ上の予め設定された固定の異なる位置に配置されるように構成されている。なお、図６では３つのレンズ６４１〜６４３で構成される例を示すが、２つであっても、４つ以上であってもよい。これらのレンズ６４１〜６４３のうち択一的に１つのレンズのみが、アクチュエーター３４により光軸ＡＸ上（レンズ中心が光軸ＡＸに一致）に移動され（図示矢印方向）、その他のレンズは退避位置で保持される。図６の例では、最も左側のレンズ６４１のみが光軸ＡＸ上に移動されていることを示している。アクチュエーター３４は、第１の実施形態で用いたアクチュエーター３２と同様に、ステッピングモーター等の駆動源と、この駆動源の回転運動を直線運動に変換するベルト駆動ユニット等の機構を含む。また、各レンズ６４１〜６４３は同一構成のレンズであり、複数のレンズのいずれか択一的に光軸ＡＸ上に配置することで、図４に示した第１の実施形態と同様に、レンズの光軸方向の位置を変更する。これにより光軸ＡＸ上に配置したレンズの位置に応じた投影距離で虚像ｆ（ｆ１、ｆ２、ｆｎ）が形成される。なお、第２の実施形態においては、実質的にレンズを離散的に光軸ＡＸ方向に移動させたものと同義であり、その点で、レンズを連続的に光軸ＡＸ方向に移動させる第１の実施形態と異なる。
【００３１】
このような第２の実施形態に係る虚像表示装置２０においても、移動機構３０のアクチュエーター３４により虚像形成光学系２２のレンズ群６４を構成する複数のレンズのいずれかを光軸ＡＸ上に配置することで実質的にレンズの光軸方向の位置を変更するとともに、変更されたレンズの位置、すなわち光軸ＡＸ上に配置タイミングに同期して、表示制御部５０により表示素子２１に像を表示するタイミングを制御する。これにより、第１の実施形態と同様に複数の投影距離の虚像ｆを実質的に同時に表示することができる。
【００３２】
（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態における光学素子群２２１および移動機構３０を示す図である。図７（ａ）は、Ｚ方向（光軸ＡＸ方向）から視た正面図であり、図７（ｂ）は側面図である。同図に示す構成以外は第１の実施形態と同じであり、説明を省略する。図７に示す光学素子群２２１は、第１のレンズ群６１、第２のレンズ群６３、および第４のレンズ群６５を含む。第４のレンズ群６５は、レンズ６５１〜６５６で構成され、それぞれは焦点距離が異なる。例えばレンズ６５１〜６５６の順で焦点距離が長くなる。各レンズ６５１〜６５６は、円盤３５２上に回転軸ｓ１対して同心円状に保持される。すなわち、回転軸ｓ１からの各レンズ６５１の中心位置に至るまで距離は等しい。また、この回転軸ｓ１は光軸ＡＸに平行な軸であり、円盤３５２はＸＹ平面上で回転する、すなわち、レンズ６５１〜６５６の中心のＺ方向（光軸ＡＸ方向）の座標は同じである。
【００３３】
移動機構３０は、アクチュエーター３５および位置検知センサー３６を含む。アクチュエーター３５は駆動モーター３５１、および円盤３５２で構成される。表示制御部５０からの制御信号により、駆動モーター３５１が回転することで、光軸ＡＸ上にレンズ群６５のレンズ６５１〜６５６を順次、配置させる。これにより配置するレンズの焦点距離に応じて虚像ｆの投影距離を変更できる。円盤３５２の回転位置は、ホール素子、フォトセンサー、等で構成される位置検知センサー３６により検知される。円盤３５２は、一定の角速度で回転制御することが好ましいが、断続的に回転させてもよい。例えばレンズ６５１、６５２がそれぞれ光軸ＡＸ上に配置されたタイミングで、表示素子２１の表示面２１ａに像ｉ１を形成することで、レンズの焦点距離に応じた投影距離で虚像ｆ１、ｆ２がそれぞれ形成される。なお、図７に示す例では、６つのレンズを用いた例を示したが、これに限られず、レンズ枚数はこれよりも少なくてもよく、多くてもよい。また、複数のレンズの全てで焦点距離が異ならず、一部のレンズ同士で焦点距離が同じであってもよい。
【００３４】
このように第３の実施形態に係る虚像表示装置２０では、レンズ群６５の焦点距離が互いに異なる各レンズ６５１〜６５６を同心円状に配置した円盤３５２を回転させることで、複数のレンズ６５１〜６５６を順次、光軸ＡＸ上に配置させ、光軸上のレンズを変更する。そしてレンズを変更するタイミングに応じて表示制御部５０により表示素子２１に像を表示するタイミングを制御する。これにより、第１、第２の実施形態と同様に複数の投影距離の虚像ｆを実質的に同時に表示することができる。
【００３５】
（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。
【００３６】
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、運転席用画像処理部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。運転席用画像処理部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、運転席用画像処理部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。
【００３７】
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。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い、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、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。
【００４０】
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。
【００４１】
表示制御部５０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２２３の背後に投影距離（「虚像距離」ともいう）が変化する３次元的な虚像ｆを表示させる。表示制御部５０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ｆを生成する。虚像ｆは、例えば表示スクリーン２２３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。
【００４２】
表示制御部５０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ｆ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ｆ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ｆ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。
【００４３】
図９は、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ｆ（ｆ１〜ｆ３）を投影させ、各オブジェクトＯＢ１〜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〜ＯＢ３までの距離が異なるので、フレームＦ（Ｆ１〜Ｆ３）を表示させる虚像ｆ１、ｆ２、ｆ３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〜ＯＢ３までの距離に相当させている。
【００４４】
図４の第１の実施形態に係る虚像表示装置２０であれば、表示制御部５０は、近距離（第１の距離）の虚像ｆ１はレンズ６２１を最も左側に移動するタイミングで、表示素子２１に像ｉ１を表示させる。同様に、中距離（第２の距離）の虚像ｆ２では、レンズ６２１を所定量だけ右側に移動するタイミングで、表示素子２１に像ｉ１を表示させる。遠距離（第３の距離）の虚像ｆ３では、レンズ６２１を最も右側に移動するタイミング（図４のｆｎの位置）で表示素子２１に像ｉ１を表示させる。なお、虚像ｆ１〜ｆ３の投影距離は、第１の実施形態のようにレンズ６２１を光軸ＡＸ上で連続的にスライド移動させる形態であれば、虚像ｆの投影距離も連続的に変化させることができる。一方で、図６の第２の実施形態のように光軸ＡＸ上で離散的に配置する形態であれば、虚像ｆの投影距離も離散的に変化させることになる。この場合、オブジェクトＯＢ１〜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ｆ１、ｆ２、ｆ３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。
【００４５】
以上で説明した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、複数のレンズを含み、前記表示素子に形成された像を拡大し、虚像に変換して投影する虚像形成光学系を備え、虚像形成光学系の少なくとも１つのレンズの光軸方向の位置を変更する、または、焦点距離の異なるレンズに変更することで、虚像を複数距離において連続的または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。
【００４６】
（その他の変形例）
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。
【００４７】
例えば、上述の各実施形態では、１つのレンズを光軸ＡＸ上でスライド移動させることにより、もしく光軸上の異なる位置に配置することで、または複数の異なる焦点距離のレンズうち１つのレンズを択一的に光軸ＡＸ上に配置することで、虚像までの投影距離を変更していた。しかしながら複数のレンズから構成されるレンズセットを、スライド移動させたり、光軸上の異なる位置に配置させたりしてもよい。また、焦点距離の異なる複数のレンズから構成されるレンズセットを設け、これらのレンズセットのいずれかを択一的に光軸ＡＸ上に配置するように構成してもよい。
【符号の説明】
【００４８】
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  虚像形成光学系
２２１  光学素子群
６１  第１のレンズ群
６２１  レンズ
６３  第２のレンズ群
６４  第３のレンズ群
６４１〜６４３  レンズ
６５  第４のレンズ群
６５１〜６５６  レンズ
２２２  ミラー
２２３  表示スクリーン
２９  ハウジング
３０  移動機構
３１、３３、３４、３５  アクチュエーター
３２、３６  位置検知センサー
３５１  駆動モーター
３５２  円盤
５０  表示制御部
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  光軸
Ｄ１  表示光
ｆ  虚像
【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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【図９】
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