(57)【要約】簡素な構成でありながら、車速等の表示内容以外に、危険信号その他の追加情報を適切な認識が可能な程度に多数の距離に表示させることができる虚像表示装置及び方法を提供する。虚像表示装置１００は、表示部である像形成素子１１と、像形成素子１１によって表示領域に形成された像を拡大する虚像表示光学系３０とを備え、表示領域から第１の反射体であるミラー１７ａまでの光路中に、光軸ＡＸ方向に厚みの異なる構造を有する光路長変化素子１６が配置されている。
2018124299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示部と、前記表示部によって表示領域に形成された像を拡大する虚像表示光学系とを備え、
前記表示領域から第１の反射体までの光路中に、光軸方向に厚みの異なる構造を有する光路長変化素子が配置されている虚像表示装置。
【請求項２】
前記光路長変化素子は、光軸方向に厚みが異なる所定の区分領域を有する、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記光路長変化素子は、前記表示部の表示領域に対応するサイズをそれぞれ有するとともに前記所定の区分領域として光軸方向に厚みが異なる複数の部分領域を含む階段状構造体である、請求項２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記光路長変化素子は、光軸方向に厚みが異なる前記複数の部分領域を中心の周りに設けた円盤状構造体である、請求項３に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記光路長変化素子は、全体として前記表示部の表示領域に対応するサイズを有し、前記所定の区分領域として光軸方向に厚みが異なる複数の部分領域を含む階段状構造体である、請求項２に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記光路長変化素子は、入射面及び射出面が平面で構成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記光路長変化素子は、前記表示領域の反対側に配置される前記射出面が複数の平面を含む階段状となっている、請求項６に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記表示部は、像形成素子の表示面に対応する中間像を前記光路長変化素子から光路前段にかけての前記表示領域に結像し、
前記光路長変化素子は、中間像の結像位置から±１ｍｍ以内に配置され、前記表示領域側の入射面が拡散機能を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記表示部は、像形成素子であり、
前記光路長変化素子のうち前記像形成素子に対向する側に配置される前記入射面は、前記表示素子の表示面から１ｃｍ以内に配置される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１０】
前記光路長変化素子は、回転により機能領域の光軸方向の厚みが連続的に変化する立体形状を有する、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項１１】
投影距離を変化させる前記光路長変化素子の移動に同期させて前記表示部に表示を行わせるとともに、投影距離を変化させる複数の表示ゾーンのうち隣り合う表示ゾーンにおいて投影距離が部分的に重複するように設定する制御部をさらに備える、請求項１０に記載の虚像表示装置。
【請求項１２】
光路長変化素子を移動させる移動部をさらに備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１３】
前記虚像表示光学系は、前記第１の反射体に対応し光学的なパワーを有する第１のミラーと、前記第１のミラーの光路後段に配置されて光学的なパワーを有するハーフミラーとを有する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１４】
前記虚像表示光学系は、前記第１の反射体に対応し光学的なパワーを有する第１のミラーと、前記第１のミラーの光路後段に配置されて光学的なパワーを有する第２のミラーと、前記第２のミラーの光路後段に配置されて光学的なパワーを有するハーフミラーとを有する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１５】
前記ハーフミラーは、コンバイナーである、請求項１３及び１４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１６】
前記ハーフミラーは、フロントガラスである、請求項１３及び１４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１７】
表示部と、前記表示部によって表示領域に形成された像を拡大する虚像表示光学系とを用いた虚像表示方法であって、
光軸方向に厚みの異なる構造を有する光路長変化素子を前記表示領域から第１の反射体までの光路中に配置し、光路長変化素子の配置によって投影距離を変化させる、虚像表示方法。
【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し、かつ虚像の投影位置を可変とした虚像表示装置及び虚像表示方法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）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の位置と危険信号の位置とがずれてしまい、運転者が危険信号を誤認してしまうという課題がある。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。【０００４】
例えば特許文献１では、ミラーを動かすことにより、投影する反射体を切り替えて運転者から虚像までの距離を変える手法が開示されているが、このような手法では、虚像位置は多くて２つであるため、運転者の誤認を防ぐには不十分である。また、特許文献２には、表示素子を複数並べることによって虚像を複数生成する手法が開示されているが、このような手法では、表示素子の厚みや配線等による物理的な制約により虚像距離の細かな調整が難しく、また表示素子を複数有することによるコストアップや、表示制御回路の複雑化が懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１４４０８２号公報
【特許文献１】特開２００４−１６８２３０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多数の距離に表示させることができる虚像表示装置及び虚像表示方法を提供することを目的とする。
【０００７】
上記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、表示部と、表示部によって表示領域に形成された像を拡大する虚像表示光学系とを備え、表示領域から第１の反射体までの光路中に、光軸方向に厚みの異なる構造を有する光路長変化素子が配置されている。
【０００８】
上記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方法は、表示部と、表示部によって表示領域に形成された像を拡大する虚像表示光学系とを用いた虚像表示方法であって、光軸方向に厚みの異なる構造を有する光路長変化素子を表示領域から第１の反射体までの光路中に配置し、光路長変化素子の配置によって投影距離を変化させる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１Ａは、第１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、画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】図３Ａ及び３Ｂは、光路長変化素子等を説明する側方断面図及び正面図である。
【図４】図４Ａ及び４Ｂは、第１実施形態の虚像表示装置による虚像位置と透視物との配置関係を説明する図である。
【図５】図５Ａ及び５Ｂは、比較例の虚像表示装置による虚像位置と透視物との配置関係を説明する図である。
【図６】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７】第２実施形態の虚像表示装置を説明する図である。
【図８】図８Ａ及び８Ｂは、光路長変化素子を説明する側方断面図及び正面図である。
【図９】第３実施形態の虚像表示装置を説明する図である。
【図１０】図１０Ａ及び１０Ｂは、光路長変化素子を説明する側方断面図及び正面図である。
【図１１】第４実施形態の虚像表示装置を説明する図である。
【図１２】第５実施形態の虚像表示装置を説明する図である。
【図１３】第６実施形態の虚像表示装置を説明する図である。
【図１４】図１４Ａ及び１４Ｂは、中間スクリーンを組み込んだ拡散部の構造を説明する一部破断側面図及び一部破断正面図である。
【図１５】図１５Ａは、機能領域の位置の変化を具体的に例示する図であり、図１５Ｂは、中間像の可動投影位置の変化を具体的に例示する図である。
【図１６】見かけの中間像の位置と投影距離との関係を示すとともに、表示ゾーン及び距離ゾーンを説明する図である。
【図１７】第６実施形態の虚像表示装置の動作例を説明する図である。
【図１８】表示ゾーンでの表示の切り替えの一例を説明する概念図である。
【図１９】第７実施形態の虚像表示装置を説明する図である。
【図２０】第８実施形態の虚像表示装置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る虚像表示装置及び方法の第１実施形態について説明する。
【００１１】
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を介してドライバーＵＮ向けに虚像表示するものである。
【００１２】
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に座ったドライバー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。ドライバー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、ドライバー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、ドライバー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等を含む表示像（虚像）ＩＭを観察することができる。
【００１３】
図２に示すように、描画ユニット１０は、像形成素子１１を含む拡大結像系又は投影光学系並びに虚像型の反射光学系から構成される本体光学系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、虚像表示光学系３０を構成する。
【００１４】
本体光学系（投影光学系）１３は、表示部である像形成素子１１のほかに、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光路長変化素子１６と、中間像ＴＩを虚像に変換する虚像形成光学系１７とを備える。
【００１５】
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、光路長変化素子１６を通過し、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、中間像ＴＩ又は表示像（虚像）ＩＭの切換えを比較的高速とできる。像形成素子１１は、ＤＭＤやＬＣＯＳ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、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、虚像距離又は投影距離を変化させる表示に有利である。なお、像形成素子１１は、３０ｆｐｓ以上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。
【００１６】
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、像形成素子（表示部）１１の表示面１１ａに形成された画像を適当な倍率で拡大投影し、光路長変化素子１６の入射面１６ｊに近接した位置に中間像ＴＩを形成する。なお、結像光学系１５は、この結像光学系１５の最も光路長変化素子１６側に配置された絞り１５ａを有する。
【００１７】
光路長変化素子１６は、樹脂やガラスで形成された回転体であり、移動部である配置変更装置６２に設けた回転駆動装置６２ａに駆動されて一定速度で回転する。光路長変化素子１６は、詳細は後述するが、複数の厚みが異なる部分領域を有し、これらの部分領域は、光路長変化素子１６の回転に伴って結像光学系１５によって形成される中間像ＴＩの位置に順次配置される。配置変更装置６２によって光路長変化素子１６を光軸ＡＸの周りに移動させることで、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と観察者であるドライバーＵＮとの距離を大きく、または小さ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。
【００１８】
図Ａは、光路長変化素子１６及び配置変更装置６２を説明する側方断面図であり、図３Ｂは、光路長変化素子１６を説明する正面図である。光路長変化素子１６は、光軸ＡＸに平行に延びる回転軸ＲＸが通る軸部１９ａと、軸部１９ａに支持されて回転軸ＲＸの周りに配置される４つの部分領域１６ａ〜１６ｄとを有する。回転駆動装置６２ａは、軸部１９ａを介して光路長変化素子１６を回転させる。回転駆動装置６２ａは、台座及び支柱を有する支持部材６２ｂ上に固定されている。
【００１９】
光路長変化素子１６は、４つの部分領域１６ａ〜１６ｄを含む階段状構造体であり、部分領域１６ａ〜１６ｄを中心の周りに設けた円盤状構造体１１６である。円盤状構造体１１６としての光路長変化素子１６は、空気換算した光路長を例えば４段階で変化させる役割を有する。光路長変化素子１６を構成する各部分領域１６ａ〜１６ｄは、表示領域に形成された中間像ＴＩに対応するサイズを有している。これらの部分領域１６ａ〜１６ｄは、光軸ＡＸ方向の厚みが互いに異なるものとなっている。具体的には、光路長変化素子１６は、虚像形成光学系１７側又は光路後段側において、光軸ＡＸが通る円周１６ｒに沿って階段状に配置された複数の射出面１６ｅ〜１６ｈを有しており、各射出面１６ｅ〜１６ｈは、平面となっている。つまり、光路長変化素子１６は、表示領域に形成された中間像ＴＩの反対側に配置される射出面１６ｅ〜１６ｈが階段状となっている。一方、光路長変化素子１６は、結像光学系１５側又は光路前段側において、単一の平面である入射面１６ｊを有している。中間像ＴＩは、光路長変化素子１６から光路前段にかけての表示領域に結像され、具体的には、光路長変化素子１６すなわち入射面１６ｊは、中間像ＴＩの結像位置から±１ｍｍ以内に配置されている。光路長変化素子１６の入射面１６ｊは、拡散機能を有している。入射面１６ｊは、例えば磨りガラス状の面に加工されている。この場合、入射面１６ｊに強制的な中間像が形成され、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。なお、拡散機能に対応する磨りガラス面の部分は、例えば別部品として光路長変化素子１６の入射面１６ｊ上に貼り付けることができる。入射面１６ｊ上に貼り付ける別部品としては、磨りガラス板、拡散板、マイクロレンズアレイ等を用いることができる。
【００２０】
回転駆動装置６２ａによって軸部１９ａを例えば一定速度で回転させることで、光路長変化素子１６も回転軸ＲＸの周りに回転する。結果的に、４つの部分領域１６ａ〜１６ｄが光軸ＡＸ上に順次移動し、各部分領域１６ａ〜１６ｄは、光軸ＡＸを横切るように移動する。この際、部分領域１６ａ〜１６ｄの中央が光軸ＡＸを横切るように配置関係が調整され位置決めがなされている。正面から見て軸部１９ａが例えば時計方向に回転する場合、部分領域１６ａ〜１６ｄの順番で光軸ＡＸ上に配置される。部分領域１６ａの中央が光軸ＡＸ上に配置されたタイミングでは、部分領域１６ａが最も厚く、この時点で表示部である像形成素子１１に表示されている画像又は中間像ＴＩ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。また、部分領域１６ｄの中央が光軸ＡＸ上に配置されたタイミングでは、部分領域１６ｄが最も薄く、この時点で像形成素子１１に表示されている画像又は中間像ＴＩ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。ここで、虚像形成光学系１７から見た中間像ＴＩの見かけ上の位置は、最も厚い部分領域１６ａが光軸ＡＸ上に位置するとき最も虚像形成光学系１７寄りとなっており、最も薄い部分領域１６ｄが光軸ＡＸ上に位置するとき最も像形成素子１１の表示面１１ａ寄りとなっている。像形成素子１１における画像の表示は、ストロボのように間欠的で部分領域１６ａ〜１６ｄの中央又は周辺が光軸ＡＸ上に配置されているタイミングとなる。なお、部分領域は４つに限られるものではなく、虚像を表示したい距離数に応じて部分領域数を変えてもよい。
【００２１】
図２に示す虚像形成光学系１７は、光路長変化素子１６に形成された中間像ＴＩを表示スクリーン２０と協働して拡大し、ドライバー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枚のミラー１７ａ，１７ｂを含む。ここで、一方のミラー１７ａは、第１の反射体であって、光路前段にある中間像ＴＩ側に配置されており、光学的なパワーを有する第１のミラーとなっている。また、他方のミラー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２のミラーとなっている。この場合、本体光学系（投影光学系）１３を高倍かつ高性能にすることができる。
【００２２】
図４Ａ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４Ｂは、図４Ａに対応する表示の見え方を説明する図である。図４Ａに示すように、ドライバー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４Ａ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４Ｂに示すように、標準位置Ｐ０に居るドライバー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ドライバーＵＮにも、対象物ＫＴと表示枠ＨＷとが略重なって略ズレなく見える。
【００２３】
図５Ａ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、ドライバー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５Ａ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５Ｂに示すように、標準位置Ｐ０に居るドライバーＵＮにとって、対象物ＫＴと表示枠ＨＷとが略重なって略ズレなく見えても、変動位置Ｐ１に姿勢を変化させたドライバー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。
【００２４】
図６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６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。
【００２５】
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。
【００２６】
運転者検出部７１は、ドライバー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、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）、ドライバー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ドライバー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内におけるドライバーＵＮの頭部の存否とともにドライバーＵＮの目の空間的な位置（結果的に視線の方向）を算出する。
【００２７】
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、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、ドライバー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ＫＴ（例えば図４Ａ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。
【００２８】
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。
【００２９】
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（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。
【００３０】
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。表示制御部１８は、主制御装置９０を介して受信した表示形状や表示距離を含む表示情報であって、環境監視部７２からの信号に基づいて得た情報から、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４Ｂ参照）のような標識とすることができる。
【００３１】
表示制御部１８は、主制御装置９０を介して運転者検出部７１からドライバー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、ドライバー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、ドライバー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。
【００３２】
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。
【００３３】
以上で説明した第１実施形態に係る虚像表示装置１００によれば、所定の区分領域である部分領域１６ａ〜１６ｄごとに光軸ＡＸ方向に厚みの異なる構造を有する光路長変化素子１６が配置されているので、ドライバーＵＮから表示像（虚像）ＩＭまでの距離を光路長変化素子１６の厚みによって細かく変えることができ、表示像ＩＭを奥行き方向も含めて実物に重畳させることが可能となる。これにより視点がずれても危険信号等の表示像ＩＭと実物との位置関係がずれないため、ドライバーＵＮの誤認を防ぐことが容易となる。
【００３４】
〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る虚像表示装置及び方法について説明する。なお、第２実施形態の虚像表示装置は第１実施形態の虚像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。
【００３５】
図７に示すように、第２実施形態の虚像表示装置１００の場合、光路長変化素子１６が矩形板状の階段状構造体２１６である。
【００３６】
光路長変化素子１６又は階段状構造体２１６に付随して設けられた移動部である配置変更装置２６２は、光路長変化素子１６を光軸ＡＸに垂直な上下方向に沿って所望の位置に移動させるためのものである。配置変更装置２６２は、階段状構造体２１６の光軸ＡＸに垂直な上下方向への移動を案内するガイド部２６２ａと、階段状構造体２１６を光軸ＡＸに垂直な上下方向に所望の速度で往復移動させる駆動部２６２ｂとを有する。
【００３７】
図８Ａ及び８Ｂに示すように、階段状構造体２１６は、光軸ＡＸに垂直な方向に配列された複数の部分領域２１６ａ〜２１６ｃを有し、各部分領域２１６ａ〜２１６ｃは、表示領域に形成された中間像ＴＩに対応するサイズ及び輪郭形状を有している。これらの部分領域２１６ａ〜２１６ｃは、光軸ＡＸ方向の厚みが互いに異なるものとなっている。具体的には、階段状構造体２１６は、虚像形成光学系１７側又は光路後段側において、階段状に配置された複数の射出面２１６ｅ〜２１６ｇを有しており、各射出面２１６ｅ〜２１６ｇは、平面となっている。一方、階段状構造体２１６は、結像光学系１５側又は光路前段側において、単一の平面である入射面１６ｊを有しており、入射面１６ｊは、拡散機能を有する。中間像ＴＩは、階段状構造体２１６から光路前段にかけての表示領域に結像され、具体的には、階段状構造体２１６すなわち入射面１６ｊは、中間像ＴＩの結像位置から±１ｍｍ以内に配置されている。
【００３８】
配置変更装置６２によって階段状構造体２１６を光軸ＡＸに垂直な方向に移動させることで、３つの部分領域２１６ａ〜２１６ｃが光軸ＡＸ上に順次移動し、虚像形成光学系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と観察者であるドライバーＵＮとの距離を大きく、または小さ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。なお、階段状構造体２１６の移動方向は光軸ＡＸに垂直な水平方向でもよいし、部分領域は３つに限られるものではない。
【００３９】
第２実施形態の虚像表示装置１００では、光路長変化素子１６をスライド移動させることで、虚像全体の生成距離を変化させることができる。光路長変化素子１６を高速でスライドさせることで、複数の距離に同時に虚像が表示されているように見せることができる。また、光路長変化素子１６又は階段状構造体２１６を構成する部分領域２１６ａ〜２１６ｃの数及び厚みを調整することで虚像距離を細かく調整することができる。
【００４０】
〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係る虚像表示装置及び方法について説明する。なお、第３実施形態の虚像表示装置は第１実施形態の虚像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。
【００４１】
図９に示すように、第３実施形態の虚像表示装置１００の場合、光路長変化素子１６は、矩形板状の階段状構造体３１６であり、光路に沿って固定的に配置されている。
【００４２】
図１０Ａ及び１０Ｂに示すように、階段状構造体３１６は、光軸ＡＸに垂直な方向に配列された複数の部分領域３１６ａ〜３１６ｃを有し、各部分領域３１６ａ〜３１６ｃは、表示領域における中間像ＴＩを上下のＺ方向に３分割したサイズ及び輪郭形状を有し、部分領域３１６ａ〜３１６ｃを合わせた全体で表示領域である中間像ＴＩに対応するサイズ及び輪郭形状を有している。これらの部分領域３１６ａ〜３１６ｃは、光軸ＡＸ方向の厚みが互いに異なるものとなっている。具体的には、階段状構造体３１６は、虚像形成光学系１７側又は光路後段側において、階段状に配置された複数の射出面３１６ｅ〜３１６ｇを有しており、各射出面３１６ｅ〜３１６ｇは、平面となっている。一方、階段状構造体３１６は、結像光学系１５側又は光路前段側において、単一の平面である入射面１６ｊを有しており、入射面１６ｊは、拡散機能を有する。中間像ＴＩは、階段状構造体３１６又は光路長変化素子１６から光路前段にかけての表示領域に結像され、具体的には、階段状構造体３１６すなわち入射面１６ｊは、中間像ＴＩの結像位置から±１ｍｍ以内に配置されている。
【００４３】
この虚像表示装置１００では、中間像ＴＩが上下のＺ方向に３分割した部分像ＴＩａ〜ＴＩｃからなる。部分像ＴＩａは、比較的近距離投影用の画像であり、部分像ＴＩｃは、比較的遠距離投影用の画像であり、部分像ＴＩｂは、中距離投影用の画像である。つまり、虚像表示装置１００による表示像（虚像）ＩＭを構成する下側の部分ＩＭａは、部分像ＴＩａに対応して比較的近距離に結像され、表示像（虚像）ＩＭを構成する上側の部分ＩＭｃは、部分像ＴＩｃに対応して比較的遠距離に結像される。さらに、表示像（虚像）ＩＭの上下に関する中間の部分ＩＭｂは、部分像ＴＩｂに対応して中間距離に結像される。この場合、表示像ＩＭａ〜ＩＭｃの奥行方向の位置は固定的であるが、表示像ＩＭが立体的なものとなる。
【００４４】
第３実施形態の虚像表示装置１００では、光路長変化素子のために可動部を設ける必要がないため、車その他の移動体に搭載する装置として好ましい。さらに各部分領域において厚みを調整することで、虚像距離を細かく調整することができる。なお、虚像の上側で遠距離表示、虚像の下側で近距離表示となるように部分領域の厚みを設定することが好ましい。
【００４５】
第３実施形態の虚像表示装置１００のように単一の像形成素子１１によって奥行き方向の異なる位置に虚像を表示する場合、階段状構造体３１６の段差の境界をまたいで光が入射し、虚像までの距離がアイボックス内の一部で所望の距離ではなくなるおそれや虚像が乱れるおそれがあるため、像形成素子１１や中間像ＴＩにおいて境界部として表示に使用しない領域を設けることが好ましい。
【００４６】
〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態に係る虚像表示装置及び方法について説明する。なお、第４実施形態の虚像表示装置は第１〜第３実施形態の虚像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実施形態等と同様である。
【００４７】
図１１に示すように、第４実施形態に係る虚像表示装置１００において、本体光学系１３は、結像光学系１５が省略されており、像形成素子１１と光路長変化素子１６と虚像形成光学系１７とで構成される。このため、図２で中間像ＴＩのあった位置付近に、つまり光路長変化素子１６の光路前段に、表示部である像形成素子１１の表示面１１ａが配置されている。光路長変化素子１６のうち像形成素子１１に対向する側に配置される入射面１６ｊは、像形成素子１１の表示面１１ａから１ｃｍ以内に配置されている。この場合、像形成素子１１の表示面１１ａがそのまま表示領域となっており、表示面１１ａに形成された像が虚像形成光学系１７等によって直接的に表示像（虚像）ＩＭとして拡大投影される。なお、光路長変化素子１６の入射面１６ｊは、拡散機能を有していない。第４実施形態の虚像表示装置１００では、光路長変化素子１６の光路前段に中間像ＴＩを形成しないため、光路長変化素子１６を小型化することができる。
【００４８】
本実施形態のように、光路長変化素子１６の入射面１６ｊに拡散機能を持たせない場合、部分領域１６ａ〜１６ｃのうち最も薄い部分領域１６ｃを厚みゼロとして省略することもできる。
【００４９】
以上は、第１実施形態の虚像表示装置１００を変形した例であるが、第２及び第３実施形態の虚像表示装置１００も同様に変更することができ、本体光学系１３から結像光学系１５を省略し、中間像ＴＩを介さないで、表示面１１ａを表示領域としてこれに形成された像を直接的に表示像（虚像）ＩＭとして拡大投影することができる。
【００５０】
〔第５実施形態〕
以下、第５実施形態に係る虚像表示装置及び方法について説明する。なお、第５実施形態の虚像表示装置は第１〜第４実施形態の虚像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実施形態等と同様である。
【００５１】
図１２に示すように、第５実施形態に係る虚像表示装置１００の場合、虚像形成光学系１７が１枚のミラー５１７ａのみからなる。ここで、ミラー５１７ａは、第１の反射体であって、光学的なパワーを有する第１のミラーとなっている。この場合、本体光学系（投影光学系）１３を簡素にできるため、虚像表示装置１００を安価なものとすることができる。
【００５２】
〔第６実施形態〕
以下、第６実施形態に係る虚像表示装置及び方法について説明する。なお、第６実施形態の虚像表示装置は第１実施形態の虚像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。
【００５３】
図１３に示すように、本体光学系１３は、結像光学系１５と虚像形成光学系１７との間に配置される光路長変化素子４１６を備える。
【００５４】
第６実施形態の場合、第１実施形態のように虚像形成光学系１７から見た中間像ＴＩの見かけ上の位置が離散的に変化するのではなく、光路長変化素子４１６によって虚像形成光学系１７から見た中間像ＴＩの見かけ上の位置を連続的に変化させる。
【００５５】
光路長変化素子４１６は、結像光学系（第１投影光学系）１５による投影位置又は結像位置の直後に配置され、回転体６ａと中空枠体６ｂとを有し、移動部である配置変更装置６２の回転駆動装置６２ａに駆動されて例えば一定速度で回転軸ＲＸの周りに回転する。
【００５６】
図１４Ａは、光路長変化素子４１６を説明する一部破断側面図であり、図１４Ｂは、光路長変化素子４１６を説明する一部破断正面図である。光路長変化素子４１６は、全体として円板に近い輪郭を有する螺旋状の回転体６ａと、回転体６ａを収納する円筒状の中空枠体６ｂとを有する。
【００５７】
回転体６ａは、中央部６ｃと外周光学部６ｐとを有する。回転体６ａは、光透過性を有する螺旋状の部材であり、回転体６ａの外周光学部６ｐは、立体形状部１０６として機能する。回転体６ａの外周光学部６ｐに形成された一方の表面６ｆ又は入射面１６ｊは、回転軸ＲＸに垂直な平面であるが、拡散機能を付したものとできる。中間像ＴＩは、光路長変化素子４１６から光路前段にかけての表示領域に結像され、具体的には、光路長変化素子４１６すなわち入射面１６ｊは、中間像ＴＩの結像位置から±１ｍｍ以内に配置されている。回転体６ａの外周光学部６ｐに形成された他方の表面６ｓは、回転軸ＲＸを螺旋軸とする螺旋面である。一方の表面６ｓが平面で他方一方の表面６ｓが螺旋面であることから、回転体６ａは、回転軸ＲＸ又は光軸ＡＸの方向に関して変化する厚みｔを有する。光路長変化素子４１６の周に沿った一箇所に段差部６ｊが形成されている。段差部６ｊは、螺旋端間の段差を繋ぐとともに、光路長変化素子４１６を回転させる回転軸ＲＸを含む平面に対して傾斜した接続面６ｋを有する。
【００５８】
回転体６ａにおいて、周方向に沿った一箇所は、本体光学系１３の光軸ＡＸが通る機能領域ＦＡとなっており、機能領域ＦＡの像形成素子１１側の近傍には中間像ＴＩが形成される。この機能領域ＦＡは、回転体６ａの回転に伴って回転体６ａ上において一定速度で移動する。つまり、回転体６ａを回転させつつその一部である機能領域ＦＡに表示光（映像光）ＨＫを入射させることで、機能領域ＦＡにおける光軸ＡＸ方向の厚みが段階的でなく連続的に変化する。結果的に、虚像形成光学系１７から見た中間像ＴＩの見かけ上の位置を光軸ＡＸ方向に連続的に変化させることができる。なお、像形成素子１１の表示が動作していなければ、必ずしも表示としての中間像は形成されないが、中間像が形成されるであろう見かけ上の位置も中間像の見かけ上の位置と呼ぶ。図示の例では、回転体６ａの１回転で中間像ＴＩの見かけ上の位置は、光軸ＡＸ方向に段差に相当する距離だけ１往復することになる。以下では、虚像形成光学系１７から見た中間像ＴＩの見かけ上の位置を、中間像ＴＩの可動投影位置とも呼ぶ。
【００５９】
中空枠体６ｂは、円柱状の外形輪郭を有し、側面部６ｅと一対の端面部６ｇ，６ｈとで構成される。側面部６ｅと一対の端面部６ｇ，６ｈとは、光透過性を有する同一の材料で形成されている。ただし、側面部６ｅは、光透過性を有していなくてもよい。中空枠体６ｂ中の回転体６ａは、一対の中心軸部６５を介して中空枠体６ｂに固定されており、中空枠体６ｂと回転体６ａとは回転軸ＲＸの周りに一体的に回転する。このように、中間スクリーン１９を設けた回転体６ａを中空枠体６ｂ中に配置することで、回転体６ａに塵等が付着することを抑制でき、回転体６ａの回転に伴う音の発生を抑制することができ、回転体６ａの高速での回転を安定化させることが容易になる。
【００６０】
図１３に戻って、スクリーン駆動部である回転駆動装置６２ａによって光路長変化素子４１６を一定速度で回転軸ＲＸの周りに回転させることで、回転体１６ａ上での機能領域ＦＡの配置が回転移動する。つまり、図１５Ａに示すように、回転体６ａの回転に伴って、中間スクリーン１９上の機能領域ＦＡは、例えば等角度でずれた位置に設定された隣接する機能領域ＦＡ'に順次シフトする。このような機能領域ＦＡの移動により、回転体６ａを通過する光路の光路長が連続的に減少するように変化し、虚像形成光学系１７から見た中間像ＴＩの見かけ上の位置又は中間像ＴＩの可動投影位置も光軸ＡＸ方向沿って像形成素子１１の表示面１１ａ側に移動させることができる。詳細は後述するが、例えば虚像形成光学系１７から見た中間像ＴＩの見かけ上の位置を像形成素子１１の表示面１１ａ側に移動させることにより、投影像ＩＭまでの投影距離又は虚像距離を増加させることができる。また、虚像形成光学系１７から見た中間像ＴＩの見かけ上の位置を虚像形成光学系１７側に移動させることにより、投影像ＩＭまでの投影距離又は虚像距離を減少させることができる。
【００６１】
虚像形成光学系（第２投影光学系）１７は、結像光学系（第１投影光学系）１５によって形成された中間像ＴＩを光路長変化素子４１６越しに拡大し、観察者であるドライバーＶＤの前方に虚像としての投影像ＩＭを形成する。虚像形成光学系１７は、光路長変化素子４１６等による結像の歪みや光線の偏向を補償するような光学特性を有するものとできる。
【００６２】
図１３等に示す画像表示装置１００において、表示制御部１８の制御下で回転駆動装置６２ａを動作させることで、光路長変化素子４１６が回転軸ＲＸの周りに回転して機能領域ＦＡに対応する中間像ＴＩの見かけ上の位置又は中間像ＴＩの可動投影位置が光軸ＡＸ方向に繰り返し周期的に移動し、虚像形成光学系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投影像ＩＭと観察者であるドライバーＶＤとの距離を大きく、又は小さくすることができる。このように、投影される投影像ＩＭの位置を前後に変化させるとともに、表示制御部１８の制御下で、像形成素子１１を中間像ＴＩの見かけ上の配置に同期させつつ、像形成素子（表示素子）１１による表示内容をその位置に応じたものとすることで、投影像ＩＭまでの投影距離又は虚像距離を変化させつつ投影像ＩＭの表示内容を変化させることになり、一連の投影像としての投影像ＩＭを３次元的なものとすることができる。
【００６３】
光路長変化素子４１６若しくは回転体６ａの回転速度又は機能領域ＦＡの移動速度は、虚像としての投影像ＩＭが奥行き方向に関して複数個所又は複数投影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。ここで、各距離ゾーン（後述するサブゾーン）の投影像ＩＭを３０ｆｐｓ以上、望ましくは６０ｆｐｓ以上で切り替えれば、表示される複数の画像が視覚的には連続的な画像として認識される。例えば、光路長変化素子４１６の動作に伴って投影像ＩＭが近距離から遠距離までに５段階で順次投影されるものとして、像形成素子１１に２００ｆｐｓで表示を行わせると、各距離（例えば近距離）の投影像ＩＭは、４０ｆｐｓで表示の切替えが行われることになり、各距離の投影像ＩＭが並列的に行われかつ切替えが略連続的なものとして認識される。
【００６４】
図１５Ｂは、光路長変化素子４１６の回転に伴う虚像形成光学系１７から見た中間像ＴＩの見かけ上の位置又は中間像ＴＩの可動投影位置の変化を具体的に例示する図である。光路長変化素子４１６の回転に伴って中間像ＴＩの可動投影位置は、像形成素子（表示素子）１１が連続表示を行っている場合、光軸ＡＸ方向に沿って鋸歯状の経時パターンＰＡで繰り返し周期的に移動する。つまり、中間像ＴＩの位置は、段差部６ｊに対応する箇所で不連続的ながら、光路長変化素子４１６の回転に伴って連続的かつ周期的に変化する。この結果、図示を省略するが、投影像（虚像）ＩＭの位置も、スケールは異なるが、中間像ＴＩの可動投影位置と同様に光軸ＡＸ方向に沿って繰り返し周期的に移動し、投影距離を連続的に変化させることができる。ここで、像形成素子１１は、連続表示を行うものでなく、表示内容を切り替りえつつ間欠的な表示を行うものであるから、中間像ＴＩの可動投影位置も鋸歯状の経時パターン上における離散的な位置となる。経時パターンＰＡにおいて、最も近距離側又は虚像形成光学系１７寄りの表示位置Ｐｎと、最も遠距離側又は反虚像形成光学系１７寄りの表示位置Ｐｆとは、マージンを確保して、経時パターンＰＡの両端から所定量だけ離れた位置に設定される。また、経時パターンＰＡの途切れ目ＰＤは、光路長変化素子４１６の回転体６ａに設けた段差部６ｊに対応する。
【００６５】
ここで、ある距離ゾーンの画像について表示を行う場合、図１５Ｂに示すように表示している時間内で見かけ上の中間像の位置が変化することで、表示している奥行き方向の距離が変化する。この際、そのように奥行き方向の距離が変化する表示ゾーンで観察者（ドライバー）に見える表示距離は、その表示時間内で変化する奥行き方向の距離の略平均位置となる。
【００６６】
図１６は、中間像の可動投影位置と投影距離との関係又は中間像の可動投影位置と表示ゾーンとの関係を説明する図である。一点鎖線で示す特性Ｃ１に従って、虚像形成光学系１７から見た中間像ＴＩの虚像を光軸ＡＸ方向に等しい速度で移動させた場合において、各距離ゾーンの切替時間の刻みδを一定値とすれば、投影距離の刻み幅は、近距離では短く、遠距離では長くなる。見かけ上の中間像又は中間像ＴＩの虚像の移動の刻み幅Δは、表示する距離ゾーンの切替時間に相当する均等なものとなっている。
【００６７】
図１５Ｂに示す中間像の可動投影位置の両端間を移動する時間を１周期と考えた場合、奥行きを持つ表示の単位を表示ゾーンとして、その１周期の時間が各表示ゾーンの表示時間と、表示ゾーン数ｎの積よりも短い時間であれば、表示ゾーンは複数の距離ゾーンに亘るものとなり、少なくとも隣り合う表示ゾーンで、各ゾーンで表示される投影距離範囲に、重なりが生じる（図１６の表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎ参照）。このように重ねた表示を行うことで、同一の投影像（虚像）を奥行方向に広がりを持たせて表示することができ、重なりを生じない表示に比較して各表示ゾーンの表示時間を長くすることが可能となり、投影像（虚像）ＩＭの輝度が向上する。
【００６８】
図１６に例示するように、特性Ｃ１に沿ってｎ個の表示ゾーンを設定することができる。ここで、説明の便宜上、最も近距離の表示ゾーンを第１表示ゾーンＤＺ１と呼び、最も遠距離の表示ゾーンを第ｎ表示ゾーンＤＺｎ（ｎは自然数）と呼ぶ。複数の表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎは、近距離から遠距離になるに従って表示する距離幅が広がっている。複数の表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎのうち隣り合う表示ゾーンは、投影距離が部分的に重複している。すなわち、第ｋ表示ゾーンＤＺｋ（ｋはｎより小さい自然数）と第ｋ＋１表示ゾーンＤＺｋ＋１とは、投影距離が部分的に重複し、例えば第２表示ゾーンＤＺ２と第３表示ゾーンＤＺ３とは、投影距離が部分的に重複している。第ｋ表示ゾーンＤＺｋは、そこに表示すべき表示対象の投影距離の本来の表示像に対して、その前、後、又は前後の双方で設定される表示ゾーンで表示する像も合せて表示した複合的な投影像となっている。図示の例では、第ｋ表示ゾーンを表示している間の全体又はある一定時間内では４区間分の距離ゾーン又はサブゾーンＬＺｋ−２〜ＬＺｋ＋１に相当するそれぞれの像が重なった状態の表示がされている。この場合、それぞれの表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎで表示される像の表示時間は、表示時間の刻みδのピッチで隣り合う表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎ間でズレがあるため、その分表示されている間の近側と遠側の両端の距離が変動してその平均距離も変動する。人の目又は脳は、その表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎの平均距離で表示像を捉えるので、同時に表示を行っている場合でも、それぞれの表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎの表示距離を異なる位置として表示している状態にできる。
【００６９】
なお、第ｋ表示ゾーンＤＺｋを重なり合う距離ゾーンが切り替わるタイミングで分割して、基準サブゾーンＬＺｋを含む一連のサブゾーンＬＺｋ−２〜ＬＺｋ＋１として考えた場合、像形成素子（表示素子）１１に適宜表示動作を行わせることにより同一の投影像（虚像）ＩＭをそれぞれのサブゾーンで表示させていることになる。つまり、距離が段階的に変化する一連の複数のサブゾーンＬＺｋ−２〜ＬＺｋ＋１の組合せによって表示ゾーンＤＺｋが構成される。この際、投影距離の変化を考慮して、隣り合う距離ゾーンＬＺｋ−２〜ＬＺｋ＋１において同一の投影像（虚像）ＩＭを位置及び角度サイズが一致するように重ねて表示させる。これにより、投影距離が変化する投影像（虚像）ＩＭをズレや滲みがない状態で表示することができる。また、この時の平均的な表示距離が、基準サブゾーンＬＺｋに相当する距離となる。なお、図１６では、表示の便宜上、各表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎが横方向に延びるように示されているが、縦軸を中間像の位置とした場合、各表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎは、特性Ｃ１に沿って延びるものとなる。
【００７０】
第１表示ゾーンＤＺ１〜第ｎ表示ゾーンＤＺｎでの表示時間は、全て等しくなっている。各表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎでの表示時間を等しくすることで、各表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎの表示輝度を一致させることができ、観察者であるドライバーＶＤが意図せず特定距離の像に偏って着目する傾向が生じることを防止できる。なお、用途によっては、各表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎでの表示輝度に差を持たせることができる。例えば遠距離投影に対応する表示ゾーンについては、表示輝度を上げるといった処理が可能である。
【００７１】
画面内の特定の奥行き方向で異なる対象を表示する場合、距離の異なる表示対象が、奥行き方向以外の２次元平面内において重なる、または略重なるような近い位置にあり、それらに対する表示間の干渉が発生してしまうことが考えられ、これを回避する必要がある。例えば表示ゾーンＤＺｋの表示対象に対して別の表示距離ＤＺｋ'に存在する表示対象が２次元平面内で近傍に位置していてそれぞれの対象に対する表示に干渉が生ずる場合には、干渉領域ではそれらを合成するような表示を行うことが考えられる。具体的には、一対の表示対象が重なる共通領域又は交わり領域では、一対の表示対象が半透過重畳表示されるような画像とし、一対の表示対象が重ならない差分領域又は独立領域では、各部分で標準的な表示を行えば足る。または、色や大きさ（線の場合は太さも含む）、明るさ、明滅といった手法で違いを出した表示とする方法も考えられ、ドライバーに伝わるような工夫がされた各種表示方法を用いることができる。
【００７２】
図１７は、第６実施形態における主制御部９０の動作を説明する概念図である。まず、主制御部９０は、環境監視部７２を利用してオブジェクトを検出した場合、オブジェクトに対応する対象物ＫＴ（図４Ａ等参照）を囲む表示枠ＨＷに対応する表示データを生成し、不図示の記憶部に保管する（ステップＳ１１）。その後、主制御部９０は、ステップＳ１１で得た表示データを、対応する表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎに振り分けるようなデータの変換を行う（ステップＳ１２）。具体的には、１つ以上の対象物ＫＴの位置に応じて、対応する１つ以上の表示枠ＨＷを表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎのいずれか１つ（図１１の例では表示ゾーンＤＺａ〜ＤＺｃ）に割り当てる。次に、主制御部９０は、１つ以上の表示枠ＨＷに対応する表示データを割り当てた表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎに適合するように加工し、不図示の記憶部に保管する（ステップＳ１３）。この適合化は、距離ゾーンＬＺｋ−２〜ＬＺｋ＋１ごとに枠画像の輪郭や配置を補正するといった画像処理を含む。その後、主制御部９０は、ステップＳ１３で適合化させた表示データを既存データと合成する（ステップＳ１４）。表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎによる表示は、時間差があるものの同時並行して行われ、短時間であるが残像を残すような表示が行われるので、新たな対象物ＫＴが出現した場合、既存の対象物と新たな対象物とを併存させるように表示内容を組み直す必要があることを考慮したものである。最後に、主制御部９０は、ステップＳ１５で得た表示データを、回転駆動装置６２ａの動作に同期して表示制御部１８に出力し、像形成素子（表示素子）１１に回転体６ａの機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩの可動投影位置に応じた表示動作を行わせる。
【００７３】
図１８は、像形成素子１１動作を説明する図である。この場合、縦方向に並ぶ第１表示領域〜第ｎ表示領域は、図１６等に示す第１〜第ｎ表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎに対応している。回転体６ａの１回転に対応する１サイクルで、第１〜第ｎ表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎに対応して、像形成素子（表示素子）１１の表示面１１ａにおいて、第１表示領域〜第ｎ表示領域での表示が繰り返される。各表示領域において、信号Ｆ１〜Ｆ４は、同一の表示像が４つのサブゾーンで繰り返されることを意味し、信号Ｆ１〜Ｆ４のそれぞれにカラー表示用のＲ，Ｇ、及びＢの信号成分が含まれている。
【００７４】
以上の第６実施形態において、回転体６ａに形成する立体形状としての螺旋形状は、一周期に限らず、方位領域を複数に分割して複数周期とすることができる。また、回転体６ａの螺旋形状は、厚みを線形的に増減させるものに限らず、厚みを非線形的に増減させるものであってもよい。
【００７５】
本実施形態の虚像表示装置又は方法によれば、光路長変化素子４１６を回転軸ＲＸの周りに回転させることで、中間像の可動投影位置を連続的に変化させており、簡素な構成で信頼性を確保しつつ奥行き方向を含めて高速で虚像の表示位置を変化させながら表示することが可能となる。
【００７６】
また、本実施形態の虚像表示装置又は方法によれば、投影距離を変化させる光路長変化素子４１６の回転に同期させて像形成素子（表示素子）１１に表示を行わせるので、奥行き方向を含めて表示位置が異なる虚像を高速で変化させながら表示することでき、複数の距離位置に各種画像を同時に投影することができる。この際、制御部９０，１８が投影距離を変化させる複数の表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎのうち隣り合う表示ゾーンにおいて投影距離が部分的に重複するように設定するので、例えば表示距離を近側の端から遠側の端、または遠側の端から近側の端に変えて表示する１周期内で設定した距離分割数の表示ゾーンで表示することを考えた場合、隣り合う表示ゾーンにおいて投影距離の重なりがない表示に比べて、同じ分割数でも重なりを持たせることで各表示ゾーンによる投影時間又は表示時間を長くすることができ、高輝度の画像を同時に投影することが容易になる。
【００７７】
〔第７実施形態〕
以下、第７実施形態に係る虚像表示装置及び方法について説明する。なお、第７実施形態の虚像表示装置は第２実施形態又は第６実施形態の虚像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２又は第６実施形態と同様である。
【００７８】
図１９に示すように、本体光学系１３は、結像光学系１５と虚像形成光学系１７との間に配置される光路長変化素子５１６を備える。この光路長変化素子５１６は、楔状に形成された立体形状部であり、先端側で薄く根元側で厚くなっている。
【００７９】
配置変更装置６２によって光路長変化素子５１６を光軸ＡＸに垂直な方向に移動させることで、光路長変化素子５１６において光軸ＡＸが横切る箇所が順次移動し、虚像形成光学系１７から見た中間像ＴＩの見かけ上の位置又は中間像ＴＩの可動投影位置が移動する。結果的に、虚像形成光学系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と観察者であるドライバーＵＮとの距離を大きく、または小さくすることができる。
【００８０】
第７実施形態の虚像表示装置でも、第６実施形態と同様に虚像形成光学系１７から見た中間像ＴＩの見かけ上の位置を連続的に変化させるので、第６実施形態と同様の表示制御を行う。この際、中間像ＴＩの可動投影位置を図１５Ｂに示すように一定速度で移動させることもできるが、正弦波のような周期的に変化する速度で移動させることもできる。この場合、表示ゾーンＤＺ１〜ＤＺｎの設定を光路長変化素子５１６の移動速度も加味したものとすれば、表示枠ＨＷ等の輝度を投影位置に関わらず一様なものとすることができる。
【００８１】
なお、光路長変化素子５１６によって色分散が顕著となる場合、像形成素子１１において予め色ズレのある表示を行うこともできる。
【００８２】
〔第８実施形態〕
以下、第８実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第８実施形態の虚像表示装置は第１〜第７実施形態の虚像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実施形態等と同様である。
【００８３】
図２０に示すように、第８実施形態に係る虚像表示装置１００の場合、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８ｄの内側に表示スクリーン２２０が貼り付けられている。つまり、ハーフミラーがフロントガラス８に形成される。なお、表示スクリーン２２０は、フロントガラス８内に埋め込むこともできる。
【００８４】
以上では、具体的な実施形態としての虚像表示装置１００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、第１〜５実施形態における光路長変化素子１６は、階段状構造体に限らず、互いに分離された区分領域又は部分領域１６ａ〜１６ｄを含むものであってもよい。この場合、区分領域又は部分領域は、枠等の連結部材によって互いに連結することができる。
【００８５】
光路長変化素子１６を構成する各部分領域１６ａ〜１６ｄは、全て異なる厚みとする場合、回転をスムースにするためのバランサーを組み込むことが望ましい。ただし、光路長変化素子１６を構成する部分領域が虚像表示距離の２倍の数だけあれば、同じ虚像表示距離に対応する部分領域を対向配置する等して、光路長変化素子１６の回転バランスを高めることができる。
【００８６】
第１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を配置することものでき、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、自動車の従来のミラーに対応する位置に配置してもよい。
【００８７】
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。
【００８８】
図２等に示す結像光学系１５や虚像形成光学系１７は、単なる例示であり、これら結像光学系１５及び虚像形成光学系１７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。また、結像光学系１５や虚像形成光学系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。
【００８９】
上記実施形態において、表示スクリーン（コンバイナー）２０が平板状であるとしたが、本体光学系１３の光学的仕様を考慮しつつ表示スクリーン２０を自由曲面その他の曲面とすることもできる。
【００９０】
第１〜５実施形態において、表示像（虚像）ＩＭの表示位置は、上記実施形態で例示した３か所又は４か所に限らず、５か所以上の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行うことができる。
【００９１】
第１〜５実施形態において、光路長変化素子１６の拡散領域１６ａ〜１６ｄを長方形で例示したが、光路長変化素子１６の拡散領域は、台形や扇形、その他の形状とすることもできる。より好ましい実施形態としては、拡散スクリーンの領域数、回転軸ＲＸと光軸ＡＸの関係性、回転速度等を考慮した形状とすることである。
【００９２】
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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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