(57)【要約】【課題】小型で光学系内の部材の干渉がなく、虚像を投影することができる表示装置を提供すること。【解決手段】表示装置１００は、画像を表示する表示素子である像形成素子１１と、像形成素子１１に表示された画像に対応する空中像ＡＩを形成する空中像形成装置３０と、空中像ＡＩを虚像として拡大投影する拡大投影光学系１７とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を表示する表示素子と、
前記表示素子に表示された前記画像に対応する空中像を形成する空中像形成装置と、
前記空中像を虚像として拡大投影する拡大投影光学系と、
を備えることを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記表示素子は、複数の表示距離に応じた画像を表示し、
前記表示距離の切り替えに同期して前記空中像の形成位置を変化させるように表示距離切替部を駆動する配置変更装置をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記空中像形成装置は、平面視で互いに直交する複数の反射面を有する光学プレートを有し、前記表示素子に表示された前記画像を複数の反射面で反射させて、前記光学プレートに対して光の入射側とは反対側の空中に導き、前記画像に対応する前記空中像を空中に結像させ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表示装置。
【請求項４】
前記表示素子に表示された前記画像を前記空中像形成装置に投影する画像投影光学系をさらに備えることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項５】
前記画像投影光学系は、前記表示素子に表示された前記画像を中間像として結像させる結像光学系と、前記中間像の形成位置の近傍に配置される中間スクリーンとを有することを特徴とする請求項４に記載の表示装置。
【請求項６】
前記配置変更装置は、前記表示距離切替部として前記表示素子を移動させて前記空中像の形成位置を変化させることを特徴とする請求項２から５までのいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項７】
前記配置変更装置は、前記表示距離切替部として前記中間スクリーンを移動させて前記空中像の形成位置を変化させることを特徴とする請求項５に記載の表示装置。
【請求項８】
前記表示素子は、デジタルミラーデバイスであることを特徴とする請求項５及び７のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項９】
前記表示距離における１回の前記画像の表示時間は、１／６０秒以下であることを特徴とする請求項１から８までのいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項１０】
前記拡大投影光学系は、ミラーを含むことを特徴とする請求項１から９までのいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項１１】
前記拡大投影光学系は、レンズのみで構成されることを特徴とする請求項１から９までのいずれか一項に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、虚像を投影する表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）のような虚像を表示する表示装置は、虚像のＦＯＶ（視野角、すなわち虚像の大きさ）を広くすることが要求されている（例えば、特許文献１参照）。アイボックスサイズを維持しながら虚像のＦＯＶを広くすると光学部材が大きくなってしまい、その結果、ＨＵＤ装置も大きくなるおそれがある。ＨＵＤ装置を収納する空間も限られているため、これらの事項は大きな課題となっている。
【０００３】
ＨＵＤ装置において、装置内の光学系の倍率を上げると全体の光学系を小さくすることができる。アイボックスを拡大するために、中間スクリーンを組み込む場合、倍率を上げることで中間スクリーンを含む光学系を小さくすることができる。しかしながら、光学系を小さくすると、光学系内のミラー等の設計が難しくなる。また、中間スクリーンを設ける場合、中間スクリーンがミラーの位置に近づき、中間スクリーンとミラーとが干渉するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１８０７５９号公報
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、小型で光学系内の部材の干渉がなく、虚像を投影することができる表示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、本発明にかかる表示装置は、画像を表示する表示素子と、表示素子に表示された画像に対応する空中像を形成する空中像形成装置と、空中像を虚像として拡大投影する拡大投影光学系と、を備える。
【０００７】
上記表示装置によれば、表示素子に表示された画像に対応する空中像を形成することで、当該空中像が拡大投影光学系内で干渉することなく当該空中像を拡大投影することができる。これにより、アイボックスサイズを維持しつつ、虚像の視野角を広くすることができる。また、空中像は拡大投影光学系内で他の部材と干渉せず、空中像の形成配置にほとんど制限がないため、装置自体を小型化することができる。また、拡大投影光学系の拡大倍率を上げる場合、空中像が拡大投影光学系側に入り込む設計となるが、当該空中像は、拡大投影光学系に干渉しない。
【０００８】
本発明の具体的な１つの側面では、上記表示装置において、表示素子は、複数の表示距離に応じた画像を表示し、表示距離の切り替えに同期して空中像の形成位置を変化させるように表示距離切替部を駆動する配置変更装置をさらに備える。この場合、虚像を３次元的に投影することができる。また、空中像は、表示距離を変化させても拡大投影光学系内で他の部材と干渉しない。
【０００９】
本発明の別の側面では、空中像形成装置は、平面視で互いに直交する複数の反射面を有する光学プレートを有し、表示素子に表示された画像を複数の反射面で反射させて、光学プレートに対して光の入射側とは反対側の空中に導き、画像に対応する空中像を空中に結像させる。この場合、光学プレートの下側にある表示素子に表示された画像を光学プレートの上側に等倍の実像である空中像として投影することができる。
【００１０】
本発明のさらに別の側面では、表示素子に表示された画像を空中像形成装置に投影する画像投影光学系をさらに備える。この場合、表示素子に表示される画像をより拡大することができる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、画像投影光学系は、表示素子に表示された画像を中間像として結像させる結像光学系と、中間像の形成位置の近傍に配置される中間スクリーンとを有する。この場合、中間像によって空中像のサイズを調整できるとともに、空中像形成装置に取り込める光の角度範囲を広くすることができ、アイボックスサイズを拡大することが容易になる。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、配置変更装置は、表示距離切替部として表示素子を移動させて空中像の形成位置を変化させる。この場合、空中像の形成位置を直接的に制御することができる。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、配置変更装置は、表示距離切替部として中間スクリーンを移動させて空中像の形成位置を変化させる。拡大投影光学系の倍率を上げれば、中間スクリーンの移動量を少なくすることができる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、表示素子は、デジタルミラーデバイスである。この場合、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、表示距離を変化させる表示に有利である。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、表示距離における１回の画像の表示時間は、１／６０秒以下である。この場合、異なる表示距離に複数の虚像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。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、拡大投影光学系は、ミラーを含む。この場合、光路を折り曲げることで装置を小型化することができる。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、拡大投影光学系は、レンズのみで構成される。ここで、レンズのみとは、レンズ以外のパワーを有する光学部材を有さないことを意味する。つまり、当該拡大投影光学系は、パワーを有さない折り曲げミラーを設けて光路を折り曲げる構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（Ａ）は、第１実施形態の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、（Ｂ）は、表示装置を説明する車内側からの正面図である。
【図２】表示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】光学プレートを説明する概念図である。
【図４】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５】具体的な表示状態を説明する斜視図である。
【図６】第２実施形態の表示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７】第３実施形態の表示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。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第１実施形態にかかる表示装置について説明する。
【００２０】
図１（Ａ）及び１（Ｂ）は、本実施形態の表示装置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。この表示装置（画像表示装置）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。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。
【００２１】
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１（Ａ）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。
【００２２】
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と組み合わせたものは、虚像投影光学系（又は虚像表示光学系）４０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。
【００２３】
本体光学系１３は、像形成素子（表示素子、表示デバイス、又は描画デバイス）１１と、像形成素子１１の配置を移動させる配置変更装置１２と、像形成素子１１に表示された画像に対応する空中像ＡＩを空中に結像させる空中像形成装置３０と、空中像ＡＩを虚像に変換する拡大投影光学系１７とを備える。詳細は後述するが、配置変更装置１２を用いて像形成素子１１を光軸ＡＸ方向に移動させることにより、表示像ＩＭの表示距離（虚像距離又は投影距離）が可変となっている。
【００２４】
像形成素子１１は、２次元的な表示面１１ａを有する表示部である。像形成素子１１は、複数の表示距離に応じた画像を表示することができる。像形成素子１１は、後述する空中像形成装置３０の光学プレート３３に対して傾斜した状態で配置変更装置１２に固定されている。具体的には、像形成素子１１の表示面１１ａが光学プレート３３の入射面３０ａに対して所定角度傾斜している。像形成素子１１の表示面１１ａに形成された像は、光学プレート３３内で反射されて空中像ＡＩを形成し、拡大投影光学系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、空中像ＡＩ又は表示像（虚像）ＩＭの切り替えを比較的高速とできる。図示を省略するが、像形成素子１１に付随して、像形成素子１１を照明するための光を射出するＬＥＤ（light emitting diode）、レーザーその他の光源、かかる光源からの光を均一化等する照明光学系等が設けられている。像形成素子１１は、液晶等の透過型の素子であっても、有機ＥＬ等の自発光型の素子であってもよい。なお、像形成素子１１は、３０ｆｐｓ以上、好ましくは６０ｆｐｓ以上のフレームレートで動作する。つまり、表示距離における１回の画像の表示時間は、１／３０秒以下、好ましくは１／６０秒以下となっている。これにより、異なる表示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。
【００２５】
像形成素子１１は、配置変更装置１２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。つまり、像形成素子１１の位置は可変となっている。本例の場合、光軸ＡＸとは、表示素子である像形成素子１１の中心と、アイボックスの中心と、表示装置１００によって作られる像形成素子１１の中心に対応する像点（虚像）とを通るものである。特に、光軸ＡＸは、像形成素子１１の表示面１１ａに垂直な面を通るものである。
【００２６】
配置変更装置１２は、表示距離の切り替えに同期して空中像ＡＩの形成位置を変化させるように表示距離切替部である像形成素子１１を駆動する。具体的には、配置変更装置１２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、空中像ＡＩが光軸ＡＸ方向に移動し、拡大投影光学系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、または短くすることができる。つまり、配置変更装置１２は、本体光学系１３の構成配置を変化させて表示距離を変化させる。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までの表示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。像形成素子１１の移動量は、表示距離範囲の仕様と拡大投影光学系１７の倍率とにより設定され、表示距離切替部を大型化させないためには、例えば３０ｍｍ以下となっている。
【００２７】
像形成素子１１は、配置変更装置１２に支持されている。配置変更装置１２は、像形成素子１１を光軸ＡＸ方向に沿った所定の範囲内で移動可能となっている。配置変更装置１２は、例えばピエゾ素子を用いたアクチュエーターである。配置変更装置１２は、ピエゾ素子に付随する回路の他に像形成素子１１の光軸ＡＸ方向の移動を案内するガイドを有する。像形成素子１１が移動範囲の最も上流側（つまり、光学プレート３３から最も遠い側）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（つまり、光学プレート３３に最も近い側）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２０の背後の最も近くに虚像として表示される。
【００２８】
図３は、空中像形成装置３０の具体的構造を説明する拡大図である。空中像形成装置３０は、平面視で互いに直交する複数の反射面を有する光学プレート３３を有している。光学プレート３３は、矩形状の部材であり、αβ平面に平行な基準面に沿って延びている。光学プレート３３は、例えば国際公開第２０１７／０１４２２１号明細書に記載の空中映像表示デバイスを利用したものである。光学プレート３３は、２枚の平板状の光学パネル３１，３２を貼り合わせて構成されている。一方（具体的には下側で入射側）の光学パネル３１は、両光学パネル３１，３２の積層方向（図示の例ではγ方向）に垂直な面（図示の例ではαβ平面）内で互いに垂直な２方向のうちの一方向（例えばα方向）に、複数のミラー素子３１ａを並べて接着剤で接着することによって形成されている。他方（具体的には上側で射出側）の光学パネル３２は、上記２方向のうちの他の方向（例えばβ方向）に、複数のミラー素子３２ａを並べて接着剤で接着することによって形成されている。
【００２９】
一方の光学パネル３１のミラー素子３１ａは、直方体状の透明基板８１ａを有している。透明基板８１ａは、β方向に延びており、対向する２面（例えばβγ面に沿った２面）のうちの一方の面又は双方の面に、反射膜８１ｂが蒸着等によって形成されている。他方の光学パネル３２のミラー素子３２ａは、直方体状の透明基板８２ａを有している。透明基板８２ａは、α方向に延びており、対向する２面（例えばαγ面に沿った２面）のうちの一方の面又は双方の面に、反射膜８２ｂが蒸着等によって形成されている。
【００３０】
β方向に延びる複数のミラー素子３１ａをα方向に隣接して並べることにより、複数の反射膜８１ｂが、ミラー素子３１ａのα方向の幅に応じた間隔でα方向に並んで位置する。同様に、α方向に延びる複数のミラー素子３２ａをβ方向に隣接して並べることにより、複数の反射膜８２ｂが、ミラー素子３２ａのβ方向の幅に応じた間隔でβ方向に並んで位置する。このような複数のミラー素子３１ａ，３２ａの配置により、各ミラー素子３１ａの反射膜（反射面）８１ｂと、各ミラー素子３２ａの反射膜（反射面）８２ｂとは、平面視で（γ軸方向から見て）互いに直交する位置関係となるが、ねじれの関係のようにγ軸方向にずれて配置された状態となっている。
【００３１】
図３に示す光学プレート３３により、光学プレート３３の下側にある被対象物ＯＭである像形成素子１１に表示される画像を光学プレート３３の上側に等倍の実像である空中像ＡＩとして投影することができる。つまり、光学プレート３３は、被対象物ＯＭからの光を複数のミラー素子３１ａ，３２ａの反射膜（反射面）８１ｂ，８２ｂで反射させて、光学プレート３３に対して光の入射側とは反対側の空中に導き、像形成素子１１に表示された画像に対応する被対象物ＯＭの空中像ＡＩを空中に結像させる。具体的には、被対象物ＯＭ上の点光源Ｐから発せられた複数の光線ＬＢは、γ軸に平行な反射面（反射膜８１ｂ，８２ｂ）でそれぞれ反射され、α軸に対して点光源Ｐとは反対側の位置Ｐ’（点光源Ｐとα軸に対して対称な位置）に集光する。この際、周期的に並ぶ複数の反射膜８１ｂ，８２ｂが交差する格子点状の複数箇所で同様の反射が生じ、位置Ｐ’に点光源Ｐの実像が結像される。ここで、点光源Ｐを含む被対象物ＯＭは、本実施形態の場合、像形成素子１１の表示面１１ａに表示される画像である。つまり、光学プレート３３は、像形成素子１１の表示面１１ａに表示される画像を光学プレート３３上方に傾斜した空中像ＡＩとして表示することができる。
【００３２】
ここで、図２に示すように、空中像ＡＩは、光学プレート３３を挟んで像形成素子１１の反対側に鏡像対称に形成される。つまり、空中像ＡＩは、光学プレート３３に沿って延びるαβ面に平行な対称面に関して像形成素子１１を反転させた対称な関係で配置されている。
【００３３】
拡大投影光学系１７は、光学プレート３３によって形成された空中像ＡＩ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。拡大投影光学系１７は、反射光学系を有し、少なくとも１枚のミラーで構成されるが、図示の例では３枚の第１、第２、及び第３ミラー１７ａ，１７ｂ，１７ｃ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しており、光学プレート３３からの光路を光路後段にある表示スクリーン２０側に折り曲げる役割を有する。また、第２ミラー１７ｂは、第１ミラー１７ａの光路後段、かつ表示スクリーン２０側及び後述する第３ミラー１７ｃの光路前段に配置されており、光学的なパワーを有する。また、第３ミラー１７ｃは、最も表示スクリーン２０側に配置されており、光学的なパワーを有する。第１〜第３ミラー１７ａ〜１７ｃ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。
【００３４】
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。
【００３５】
図４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、その一部として表示装置１００を含む。この表示装置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４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。
【００３６】
移動体用表示システム２００は、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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５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。
【００３９】
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。
【００４０】
なお、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。
【００４１】
表示制御部１８は、主制御装置９０の制御下で虚像投影光学系４０を動作させて、表示スクリーン２０の背後に表示距離が変化する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、虚像投影光学系４０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（図５に示す表示枠ＨＷ参照）のような標識とすることができる。
【００４２】
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、虚像投影光学系４０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。
【００４３】
主制御装置９０は、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の空間的な位置に対応するように、虚像投影光学系４０によって投影される表示枠の空間的な配置を調整する。
【００４４】
図５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、表示装置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（投影像）ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３までの表示距離は、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の表示距離は、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の表示距離と、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との配置関係を略維持することができる。
【００４５】
以上で説明した表示装置では、表示素子である像形成素子１１に表示された画像に対応する空中像ＡＩを形成することで、当該空中像ＡＩが拡大投影光学系１７内で干渉することなく当該空中像ＡＩを拡大投影することができる。これにより、アイボックスサイズを維持しつつ、虚像の視野角を広くすることができる。また、空中像ＡＩは拡大投影光学系１７内で他の部材と干渉せず、空中像ＡＩの形成配置にほとんど制限がないため、表示装置１００自体を小型化することができる。また、拡大投影光学系１７の拡大倍率を上げる場合、空中像ＡＩが拡大投影光学系１７側に入り込む設計となるが、当該空中像ＡＩは、拡大投影光学系１７に干渉しない。
【００４６】
〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第２実施形態の表示装置は第１実施形態の表示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。
【００４７】
図６に示すように、本実施形態において、本体光学系１３は、像形成素子１１と、像形成素子１１に形成された画像を拡大した中間像ＴＩを形成可能な結像光学系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中間スクリーン１６と、中間スクリーン１６の配置を移動させる配置変更装置６２と、像形成素子１１に表示された画像に対応する空中像ＡＩを空中に結像させる空中像形成装置３０と、空中像ＡＩを虚像に変換する拡大投影光学系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の表示距離が可変となっている。結像光学系１５及び中間スクリーン１６は、像形成素子１１に表示された画像を空中像形成装置３０に投影する画像投影光学系となっている。
【００４８】
像形成素子１１の表示面１１ａに形成された像は、本体光学系１３のうち結像光学系１５で拡大されて中間像ＴＩを形成し、中間スクリーン１６を通過し、拡大投影光学系１７等へ導かれる。本実施形態において、像形成素子１１は、既に説明した液晶等の透過型の素子等の他に、ＤＭＤやＬＣＯＳ等の反射型の素子を用いることができる。特に、像形成素子１１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、表示距離を変化させる表示に有利である。ＤＭＤを用いた場合、かつ、カラー画像とする場合には、カラーを合成する複数の単色レーザーやＬＥＤ等の光源を用いる。これらの光源の数だけ複数枚のＤＭＤを用いてもよいし、表示タイミング毎に各色の画像を表示してもよい。
【００４９】
結像光学系１５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。結像光学系１５は、中間スクリーン１６より像形成素子１１側に配置される。結像光学系１５のＦ値は、２．０以上となっている。結像光学系１５は、像形成素子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、中間スクリーン１６の入射面１９ｍに近接した位置に中間像ＴＩ（又は入射面１９ｍの位置に強制中間像ＴＩ’）を形成する。ここで、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む。なお、図示を省略するが、結像光学系１５は、この結像光学系１５の最も中間スクリーン１６側に配置された絞りを有する。このように、絞りを配置することで、結像光学系１５の中間スクリーン１６側のＦ値の設定や調整が比較的容易になる。なお、結像光学系１５の絞りはレンズ系のどこに配置されていてもよい。
【００５０】
中間スクリーン１６は、拡散角を所望の角度に制御した部材であり、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。この結果、後述するように中間スクリーン１６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１６には、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。中間スクリーン１６を設けることにより、中間像ＴＩによって空中像ＡＩのサイズを調整できるとともに、空中像形成装置３０に取り込める光の角度範囲を広くすることができ、アイボックスサイズを拡大することが容易になる。中間像ＴＩは、中間スクリーン１６から光路前段にかけての表示領域に結像される。中間スクリーン１６の入射面１９ｍは、拡散機能を有している。入射面１９ｍに強制中間像ＴＩ’が形成され、ここから光が拡散するので、アイボックスを広く確保することができる。中間スクリーン１６は、結像光学系１５の焦点深度内で移動する。
【００５１】
中間スクリーン１６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。つまり、中間スクリーン１６の位置は可変となっている。配置変更装置６２によって中間スクリーン１６を光軸ＡＸに沿って移動させることで、空中像ＡＩが光軸ＡＸ方向に移動し、拡大投影光学系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、または短くすることができる。つまり、配置変更装置６２は、本体光学系１３の構成配置を変化させて表示距離を変化させる。中間スクリーン１６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、結像光学系１５の中間スクリーン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、いずれも略ピントが合った良好な状態とすることができる。中間スクリーン１６の光軸ＡＸ方向の移動量は、例えば３０ｍｍ以下となっている。これにより、中間スクリーン１６の移動を効率良く行うことができ、中間スクリーン１６の応答性を向上させることができる。中間スクリーン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の表示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。配置変更装置６２は、例えば１５Ｈｚ以上の速度で中間スクリーン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、観察者は表示距離の異なる虚像を略同時に認識することができる。
【００５２】
中間スクリーン１６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。中間スクリーン１６が移動範囲の最も上流側（つまり、結像光学系１５に最も近い側）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１６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２０の背後の最も遠くに虚像として表示される。また、中間スクリーン１６が移動範囲の最も下流側（つまり、結像光学系１５から最も遠い側）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１６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２０の背後の最も近くに虚像として表示される。
【００５３】
空中像形成装置３０は、中間スクリーン１６の光路後段に配置されている。空中像形成装置３０は、光学プレート３３の下側にある中間像ＴＩを光学プレート３３の上側に等倍の実像である空中像ＡＩとして投影する。空中像ＡＩは、光学プレート３３を挟んで中間像ＴＩの反対側に鏡像対称に形成される。中間像ＴＩが光軸ＡＸ方向に移動すると、空中像ＡＩも光軸ＡＸ方向に等距離移動する。
【００５４】
拡大投影光学系１７は、中間スクリーン１６付近に形成された中間像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。拡大投影光学系１７は、第１〜第３ミラー１７ａ〜１７ｃを有する。拡大投影光学系１７は、中間スクリーン１６より虚像側に配置される。
【００５５】
〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第３実施形態の表示装置は第１実施形態の表示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。
【００５６】
図７に示すように、本実施形態において、拡大投影光学系１７は、レンズ２１３を有する。つまり、本実施形態の拡大投影光学系１７は、レンズ２１３のみで構成されており、ミラーを有していない。なお、拡大投影光学系１７において、光路の折り曲げのために、パワーを有さない折り曲げミラーを設けてもよい。
【００５７】
以上では、具体的な実施形態としての表示装置について説明したが、本発明に係る表示装置は、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、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。また、表示スクリーン２０は、車でいうとウインドシールドの運転者ＵＮ側の光学面に相当する。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。
【００５８】
また、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。
【００５９】
また、上記実施形態において、表示距離の切り替えの際に像形成素子１１又は中間スクリーン１６を移動させる構成としたが、像形成素子１１及び中間スクリーン１６をともに移動させてもよい。また、表示距離の切り替えの際に結像光学系１５を構成するレンズを移動させてもよい。
【００６０】
また、上記実施形態において、図２等では空中像ＡＩは、拡大投影光学系１７と干渉していないが、干渉してもよい。
【００６１】
図２及び図６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、結像光学系１５中に中間像ＴＩの前段としての中間像を追加で形成することができる。拡大投影光学系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。
【００６２】
また、上記実施形態において、表示像（虚像）ＩＭの表示位置は、例示した３か所に限らず、適当数に設定することができる。また、表示像ＩＭの表示は、位置を変化させて連続的又は断続的に設定することもできる。また、例えば配置変更装置１２，６２を設けない構成とし、表示像ＩＭの表示位置を固定させることもできる。
【００６３】
また、上記実施形態において、拡大投影光学系１７には、３枚のミラーを設けたが、１枚又は２枚のミラーや、４枚以上のミラーを設けてもよい。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、対称性を持たない自由曲面でもよい。
【００６４】
また、上記実施形態において、拡大投影光学系１７において、ミラーを設けずに、レンズによって空中像ＡＩを拡大投影してもよい。この場合、虚像投影光学系４０は、レンズのみで構成される。
【００６５】
また、上記実施形態において、像形成素子１１や中間スクリーン１６等の表示距離切替部の移動速度は、例示した６０ｆｐｓ程度の高速でなくてもよい。
【００６６】
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。
【００６７】
また、上記実施形態において、結像光学系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。
【００６８】
また、上記実施形態では、中間スクリーン１６を光軸ＡＸに沿って移動させることで投影される表示像ＩＭの位置を変化させたが、中間スクリーンを基準軸まわりに回転させたり、複数の厚みが異なる階段状の部分領域を有する中間スクリーンをスライドさせたりする等、他の手法を用いて表示像ＩＭの位置を変化させてもよい。
【００６９】
以上で説明した表示装置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。
【符号の説明】
【００７０】
ＡＩ…空中像、  ＡＸ…光軸、  ＨＫ…表示光、  ＨＴ…瞳、  ＨＷ…表示枠、  ＴＩ…中間像、  ＵＮ…運転者、  ２…車体、  １０…描画ユニット、  １１…像形成素子、  １２，６２…配置変更装置、  １３…本体光学系、  １５…結像光学系、  １６…中間スクリーン、  １７…拡大投影光学系、  １７ａ，１７ｂ，１７ｃ…ミラー、  １８…表示制御部、  ２０…表示スクリーン、  ３０…空中像形成装置、  ３１，３２…光学パネル、  ３１ａ，３２ａ…ミラー素子、  ３３…光学プレート、  ４０…虚像投影光学系、  ７１…運転者検出部、  ７２…環境監視部、  ９０…主制御装置、  １００…表示装置、  ２００…移動体用表示システム、  ２１３…レンズ
【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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