(57)【要約】表示装置である画像表示装置（１００）は、描画デバイス（１１）と、描画デバイス（１１）に形成された像を拡大する投影光学系（１５）と、拡散機能を有し、投影光学系（１５）の光射出側に配置される中間スクリーン（１９）と、中間スクリーン（１９）上の像を虚像に変換する拡大投射光学系（１７）と、中間スクリーン（１９）の位置を光軸ＡＸ方向に沿って変化させる配置変更装置である回転駆動部（６４）と、中間スクリーン（１９）の位置を検出する位置検出素子６５と、位置検出素子（６５）から得た中間スクリーン（１９）の位置情報と、描画デバイス（１１）の発光タイミングに関する情報とに基づいて、中間スクリーン（１９）の動作及び描画デバイス（１１）の動作の少なくとも一方を制御する表示制御部（１８）とを備え、描画デバイス（１１）は、中間スクリーン（１９）が所定の位置に配置されるタイミングでカラー画像を構成するＲ、Ｇ、及びＢの画像を描画する。
2020080007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
描画デバイスと、  前記描画デバイスに形成された像を拡大する投影光学系と、  拡散機能を有し、前記投影光学系の光射出側に配置される中間スクリーンと、  前記中間スクリーン上の像を虚像に変換する拡大投射光学系と、  前記中間スクリーンの位置を光軸方向に沿って変化させる配置変更装置と、  前記中間スクリーンの位置を検出する位置検出素子と、  前記位置検出素子から得た前記中間スクリーンの位置情報と、前記描画デバイスの発光タイミングに関する情報とに基づいて、前記中間スクリーンの動作及び前記描画デバイスの動作の少なくとも一方を制御する表示制御部と、を備え、  前記描画デバイスは、前記中間スクリーンが所定の位置に配置されるタイミングでカラー画像を構成するＲ、Ｇ、及びＢの画像を描画する表示装置。
【請求項２】
前記位置検出素子は、前記中間スクリーン又は前記中間スクリーンの検出可能位置に設けられる、請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記表示制御部は、前記位置検出素子から前記中間スクリーンの位置情報をリアルタイムで取得する、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】
前記表示制御部は、前記描画デバイスの発光タイミングに関する情報をリアルタイムで取得する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項５】
前記表示制御部は、前記中間スクリーンの位置情報及び前記描画デバイスの発光タイミングに基づいて、前記中間スクリーンの移動タイミングと前記描画デバイスの発光タイミングとが所定の同期関係になるように前記配置変更装置及び前記描画デバイスの少なくとも一方を制御する、請求項３及び４のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項６】
前記表示制御部は、前記描画デバイスの発光タイミングと前記中間スクリーンの位置情報とをフィードバックし、前記描画デバイスの発光タイミング及び発光時間を制御し、前記中間スクリーンの動作に対して前記描画デバイスの動作を調整する、請求項５に記載の表示装置。
【請求項７】
前記表示制御部は、前記描画デバイスの発光タイミングと前記中間スクリーンの位置情報とをフィードバックし、前記描画デバイスを一定の発光タイミングで制御しつつ前記配置変更装置の駆動タイミングを制御し、前記描画デバイスの動作に対して前記中間スクリーンの動作を調整する、請求項５に記載の表示装置。
【請求項８】
前記表示制御部は、前記描画デバイスの発光タイミングと前記中間スクリーンの位置情報とをフィードバックし、前記描画デバイスの発光タイミング及び発光時間を制御しつつ前記配置変更装置の駆動タイミングを制御し、前記描画デバイスの動作と前記中間スクリーンの動作とを相互に調整する、請求項５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、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表示装置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、運転者から虚像までの距離が一定だと目の位置がずれた場合に対象物の位置と危険信号（虚像）の位置とがずれてしまい、運転者が対象物を誤認してしまうという問題がある。このような問題を解決する手法としては、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。このような構成のＨＵＤ装置は、描画デバイスによってＲＧＢのカラー画像データを時間順列的に描画し、中間スクリーンが所定の位置に配置された場合、ＲＧＢの画像をパルス投影することで、結果的に目的のカラー画像（虚像）を所定の虚像距離に投影する。この際、中間スクリーンの移動と描画デバイスの発光タイミングとの同期をとる必要がある。【０００３】  ここで、虚像に奥行きを持たせる手法として、下記特許文献１に記載の方法がある。この特許文献１では、ＭＥＭＳミラーのような走査型の像形成手段と、中間スクリーンと、投影手段と、中間スクリーン位置を変える可動手段とを備え、中間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することであり、中間スクリーンの移動と描画デバイスの発光タイミングとの同期について記載していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−４５１０３号公報
【発明の概要】
【０００５】  本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、描画デバイス及び中間スクリーンの動作を調整し、複数の距離に虚像を表示させ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表示装置は、描画デバイスと、描画デバイスに形成された像を拡大する投影光学系と、拡散機能を有し、投影光学系の光射出側に配置される中間スクリーンと、中間スクリーン上の像を虚像に変換する拡大投射光学系と、中間スクリーンの位置を光軸方向に沿って変化させる配置変更装置と、中間スクリーンの位置を検出する位置検出素子と、位置検出素子から得た中間スクリーンの位置情報と、描画デバイスの発光タイミングに関する情報とに基づいて、中間スクリーンの動作及び描画デバイスの動作の少なくとも一方を制御する表示制御部とを備え、描画デバイスは、中間スクリーンが所定の位置に配置されるタイミングでカラー画像を構成するＲ、Ｇ、及びＢの画像を描画する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１Ａは、第１実施形態の画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】虚像表示光学系等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】描画デバイスの構造を説明する概念図である。
【図４】図４Ａ及び４Ｂ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平面図及び側断面図であり、図４Ｃは、中間スクリーンの回転に伴う機能領域の移動等を説明する図である。
【図５】中間像の位置の変化を具体的に例示する図である。
【図６】画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】画像表示装置の動作例を説明する図である。
【図８】図８Ａは、位置検出素子で受光する回転信号を説明する図であり、図８Ｂ及び８Ｃは、描画デバイスの発光タイミングを説明する図である。
【図９】具体的な表示状態を説明する斜視図である。
【図１０】図１０Ａは、図５に対応する図であり、図１０Ｂ〜１０Ｄは、図９中の表示像又はフレーム枠に対応する図である。
【図１１】第２実施形態の画像表示装置の動作例を説明する図である。
【図１２】第３実施形態の画像表示装置の動作例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】  〔第１実施形態〕  以下、本発明に係る表示装置の第１実施形態である画像表示装置について具体的に説明する。
【０００９】  図１Ａ及び１Ｂは、表示装置としての画像表示装置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。この画像表示装置１００は、例えばヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）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。画像表示装置１００は、描画ユニット１０中の後述する描画デバイス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ＵＮに向けて虚像表示するものである。
【００１０】  画像表示装置１００のうち描画ユニット１０は、車体２のダッシュボード４内であってディスプレイ５０の背後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、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、フロントウインドウ８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２０で反射された表示光ＨＫは、運転席３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。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、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の背後の外界像又はシースルー像に重ねて、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。
【００１１】  ここで、表示スクリーン２０をフロントウインドウ８と別体で構成しているが、フロントウインドウ８を表示スクリーンとして用い、フロントウインドウ８内に設定した表示範囲に投影を行って、運転者ＵＮが表示像ＩＭを観察できる構成としてもよい。この際、フロントウインドウ８のガラスの一部領域の反射率をコート等によって変更することで、反射領域を確保することができる。また、フロントウインドウ８での反射角度が例えば６０度程度であれば、反射率が１５％程度確保され、特にコートを設けなくても透過性を有する反射面として用いることができる。これら以外に、表示スクリーン２０をフロントウインドウ８のガラス中に挟む構成とすることもできる。
【００１２】  図２に示すように、描画ユニット１０は、描画デバイス１１を含む虚像型の拡大結像系である本体光学系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。表示制御部１８は、描画デバイス１１の発光タイミングと、ＲＧＢの発光色と、発光量とについて制御を行う。本体光学系１３と表示スクリーン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。
【００１３】  本体光学系１３は、描画デバイス１１のほかに、描画デバイス１１に形成された画像を拡大した中間像ＴＩを形成するための投影光学系１５と、中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍（以下では結像位置とも呼ぶ）に配置される拡散部１６と、拡散部１６上の像（中間像ＴＩそのものの他、中間像ＴＩから位置ズレして僅かにピントがボケたものも含み、強制中間像ＴＩ’とも呼ぶ）を拡大する拡大投射光学系１７とを備える。
【００１４】  描画デバイス１１は、２次元的な表示面１１ａを有する。描画デバイス１１の表示面１１ａに形成された像は、本体光学系１３のうち投影光学系１５で拡大されて拡散部１６へ投影される。この際、２次元表示が可能な描画デバイス１１を用いることで、投影光学系１５が描画デバイス１１の表示面１１ａに形成された像を拡大するので、表示スクリーン２０越しに虚像として表示される表示像ＩＭの切り替えを比較的高速とできる。描画デバイス１１の動作は、後述する表示制御部１８によって拡散部１６に付随する回転駆動部６４の動作と同期するように制御されている。描画デバイス１１は、例えば反射型の表示素子を含む。なお、表示素子を照明する発光体としては、例えば半導体光源が用いられる。なお、描画デバイス１１は、虚像距離を変化させる場合には、それぞれの虚像距離に対して３０ｆｐｓ以上、さらに望ましくは６０ｆｐｓ以上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表示像（虚像）ＩＭを運転者ＵＮに対して同時に表示されているように見せることが容易になる。
【００１５】  図３は、描画デバイス１１の具体的な構成を説明する図である。描画デバイス１１は、照明光を射出する照明光学系５と、照明光の２次元的な空間変調によって画像を生成する表示デバイス６とを備える。照明光学系５は、照明光を射出する３つの光源４ａ，４ｂ，４ｃと、第１ダイクロイックミラー５ａと、第２ダイクロイックミラー５ｂと、コリメーター５ｄ，５ｅ，５ｆと、リレーレンズ５ｈと、フライアイ光学系５ｊと、コンデンサーレンズ５ｍ，５ｎと、折曲げミラー５ｐと、ＴＩＲ（Total Internal Reflection）プリズム５ｑと、平板５ｒとを備える。３つの光源４ａ，４ｂ，４ｃは、ＬＥＤ（light emitting diode）その他の発光素子であり、Ｒ、Ｇ、及びＢの３色の照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃをそれぞれ射出する。光源４ａは、Ｒ光源であり、光源４ｂは、Ｇ光源であり、光源４ｃは、Ｂ光源である。第１ダイクロイックミラー５ａは、第２の光源（Ｇ光源）４ｂからのＧの照明光Ｌｂと、第３の光源（Ｂ光源）４ｃからのＢの照明光Ｌｃとを合成し、第２ダイクロイックミラー５ｂは、第１の光源（Ｒ光源）４ａからのＲの照明光Ｌａと、第１ダイクロイックミラー５ａで合成されたＧ及びＢの照明光Ｌｂ，Ｌｃとを合成する。各コリメーター５ｄ，５ｅ，５ｆは、各光源４ａ，４ｂ，４ｃからの照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを平行光束に近い状態にする。リレーレンズ５ｈは、照明光Ｌｂ，Ｌｃ側の光路差を補償する役割を有する。フライアイ光学系５ｊは、オプティカルインテグレーターとも呼ばれ、各光源４ａ，４ｂ，４ｃからの照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを均一化する。コンデンサーレンズ５ｍ，５ｎは、フライアイ光学系５ｊを経たＬａ，Ｌｂ，Ｌｃを適度の入射角範囲で表示デバイス６に入射させる。ＴＩＲプリズム５ｑは、全反射の有無を利用して照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの光路と表示光ＨＫの光路とを分離する。具体的には、ＴＩＲプリズム５ｑを構成する一方のプリズムの斜面５ｗで照明光を全反射して投影光学系１５の光軸ＡＸに対して傾いた方向から照明光を表示デバイス６に導くことができ、表示デバイス６からの光を投影光学系１５の光軸ＡＸに沿った正面方向へは透過させて、表示光ＨＫとして投影光学系１５に入射させることができる。平板５ｒは、表示デバイス６のカバーガラスであるが、フィルター機能を持たせることもできる。
【００１６】  表示デバイス６は、デジタル・ミラー・デバイス（ＤＭＤ：Digital Mirror Device）であり、ＴＩＲプリズム５ｑから入射した照明光をＴＩＲプリズム５ｑ越しに投影光学系１５に向けたり投影光学系１５から逸らしたりするオン・オフ動作が可能である。表示デバイス６の動作は、順次発光する光源４ａ，４ｂ，４ｃと同期しており、Ｒ、Ｇ、及びＢの３色の表示光ＨＫを順次又は同時に形成する。
【００１７】  図２に戻って、投影光学系１５は、固定焦点のレンズ系であり、複数のレンズ要素を有する。投影光学系１５は、描画デバイス１１の表示面１１ａに形成された画像を中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’として拡散部１６上に適当な倍率で拡大投影する。
【００１８】  拡散部１６は、投影光学系１５による投影位置又は結像位置（つまり、中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍）に配置される部材であり、配置変更装置である回転駆動部６４に駆動されて例えば一定速度で基準軸ＳＸの周りに回転する。つまり、回転駆動部６４は、拡散部１６（具体的には、後述する回転体１６ａの中間スクリーン１９）に、光軸ＡＸ方向に沿った可動範囲内において周期運動を行わせる。また、回転駆動部６４は、表示制御部１８の制御下で動作しており、位置検出素子６５による中間スクリーン１９の配置検出結果に基づいて、中間スクリーン１９の回転位置や回転速度に対する描画デバイス１１の投影タイミングを調整している。
【００１９】  図４Ａ及び４Ｂに示すように、画像表示装置１００に組み込まれる拡散部１６は、全体として円板に近い輪郭を有する螺旋状の回転体１６ａと、回転体１６ａを支持する中心軸部１６ｒとを有する。
【００２０】  回転体１６ａは、中央部１６ｃと外周光学部１６ｐとを有する。回転体１６ａの外周光学部１６ｐに形成された一方の表面１６ｆ（本実施形態では、投影光学系１５側又は＋Ｙ側の面）は、平滑面又は光学面に形成されており、表面１６ｆ上には、全域に亘って中間スクリーン１９が形成されている。
【００２１】  中間スクリーン１９は、配光角を所望の角度に制御した環状の拡散板である。中間スクリーン１９は、回転体１６ａに貼り付けられるシートとできるが、回転体１６ａの表面に形成された微細な凹凸パターンであってもよい。さらに、中間スクリーン１９は、回転体１６ａの内部に埋め込むように形成されたものであってもよい。中間スクリーン１９は、入射した表示光ＨＫを拡散させることによって中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’を形成する（図２参照）。
【００２２】  回転体１６ａの外周光学部１６ｐに形成された他方の表面１６ｓ（本実施形態では、拡大投射光学系１７側の面）は、平滑面又は光学面に形成されている。回転体１６ａは、光透過性を有する螺旋状の部材であり、一対の表面１６ｆ，１６ｓは、基準軸ＳＸを螺旋軸とする螺旋面となっている。結果的に、一方の表面１６ｆ上に形成された中間スクリーン１９は、螺旋の１ピッチ分の範囲に形成されている。拡散部１６の周に沿った１箇所に段差状の境界部１６ｊが形成され、この境界部１６ｊは、螺旋端に対応する位置で光軸ＡＸ方向又は基準軸ＳＸ方向に例えば３０ｍｍ以下の距離段差又はピッチを与えるものとなっている。拡散部１６の境界部１６ｊは、中間スクリーン１９の境界部でもある。境界部１６ｊは、螺旋端間の段差を繋ぐとともに、拡散部１６を回転させる基準軸ＳＸを含む平面に対して傾斜した帯状の接続面１６ｋを有する。上記のように、回転体１６ａの一対の表面１６ｆ，１６ｓが基準軸ＳＸを螺旋軸とする螺旋面であることから、回転体１６ａは、基準軸ＳＸ又は光軸ＡＸ方向に関して略等しい厚みｔを有する。
【００２３】  図４Ａに示すように、回転体１６ａにおいて、周方向に沿った１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における中間スクリーン１９の部分によって中間像ＴＩが形成される。この機能領域ＦＡは、回転体１６ａの回転に伴って回転体１６ａ上において一定速度で移動し回転体１６ａ上で周回する（図４Ｃ参照）。図示の例では、中間スクリーン１９が螺旋の１周期に対応する範囲に形成されているため、回転体１６ａの１回転で中間スクリーン１９が空間的に移動し、中間スクリーン１９の機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩは、光軸ＡＸ方向に段差に相当する距離Ｄだけ移動することになる（図４Ｂ参照）。
【００２４】  なお、投影光学系１５は、拡散部１６に設けた中間スクリーン１９の位置によってピントぼけが生じないように、機能領域ＦＡの移動範囲以上の所定の焦点深度を有する。
【００２５】  位置検出素子６５は、中間スクリーン１９の位置を検出するものであり、中間スクリーン１９又は中間スクリーン１９の検出可能位置に設けられる。ここで、中間スクリーン１９の検出可能位置とは、例えば中間スクリーン１９の動作を認識可能な中間スクリーン１９付近の領域を意味する。これにより、中間スクリーン１９の位置をより正確に検出することができる。位置検出素子６５としては、例えばフォトインタラプター、ホール素子、ロータリーエンコーダー等が用いられる。図２では、位置検出素子６５がフォトインタラプターの例を示している。図示は省略するが、フォトインタラプターは、発光部と受光部とで構成されている。図示の例では、回転体１６ａの外周部付近に位置検出素子６５が設けられており、回転体１６ａの外周部上の１か所に反射率が異なる反射部材６６が設けられている。反射部材６６は、回転体１６ａの１周に１度、位置検出素子６５の発光部から射出された光を位置検出素子６５の受光部に向けて反射する。位置検出素子６５での発光部での光射出のタイミングと受光部での光受光のタイミングとによって回転体１６ａの回転速度を計測することで、結果的に、中間スクリーン１９の回転角度や回転位置（機能領域ＦＡの光軸ＡＸ方向の位置を含む）といった位置情報を求めることができる。なお、位置検出の精度を上げるため、回転体１６ａに反射部材６６を複数設けてもよい。
【００２６】  図２に戻って、拡大投射光学系１７は、拡散部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、運転者ＵＮの前方の表示スクリーン２０越しに虚像としての表示像ＩＭを形成する。拡大投射光学系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。
【００２７】  図２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部６４を動作させることで、拡散部１６が基準軸ＳＸの周りに回転し、回転体１６ａ又は中間スクリーン１９が光軸ＡＸと交差する位置（つまり機能領域ＦＡ）も光軸ＡＸ方向に移動する。つまり、例えば図４Ｃに示すように、回転体１６ａの回転に伴って、中間スクリーン１９上の機能領域ＦＡは、例えば元の機能領域ＦＡ１から等角度でずれた位置に設定された隣接する機能領域ＦＡ２，ＦＡ３に順次シフトし、光軸ＡＸ方向に移動する。このような機能領域ＦＡの光軸ＡＸ方向への移動により、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。拡散部１６が基準軸ＳＸの周りに回転することで、機能領域ＦＡに対応する中間像ＴＩの位置が光軸ＡＸ方向に繰り返し周期的に移動し、拡大投射光学系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との距離を大きく、又は小さくすることができる。このように、表示制御部１８の制御下で、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、描画デバイス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、表示像ＩＭまでの投影距離又は虚像距離を変化させつつ表示像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表示像ＩＭを３次元的なものとすることができる。
【００２８】  本実施形態において、画像表示装置１００は、複数の虚像距離に表示像ＩＭを表示可能となっており、回転体１６ａの機能領域ＦＡには、表示像ＩＭに対応する各カラー画像を構成するＲ、Ｇ、及びＢの画像が投影される。画像投影時に回転体１６ａは回転しているため、Ｒ、Ｇ、及びＢの画像は、回転体１６ａの対応する領域に順に投影されることとなる。回転体１６ａ上に設けられた中間スクリーン１９の光軸ＡＸ方向の位置が略同じになる領域に１つのカラー画像に対応するＲ、Ｇ、及びＢの画像を投影すれば、所定の虚像距離に表示像ＩＭである該当するカラー画像が表示される。機能領域ＦＡは、回転体１６ａの回転に伴って回転体１６ａ上において一定速度で移動する。図示の例では、光軸ＡＸ上の位置が略同じ領域内の機能領域ＦＡにカラー画像を構成するＲ、Ｇ、及びＢの画像を順に投影すれば、結果的にＲ、Ｇ、及びＢの画像を複合させたカラー画像に対応する仮想的な複合機能領域が離散的に設けられていることとなり、離散的な距離ゾーンで虚像が表示される。
【００２９】  図５は、拡散部１６の回転に伴う中間像ＴＩの位置の変化を具体的に例示する図である。拡散部１６の機能領域ＦＡの中心は、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しており、中間像ＴＩの中心位置も、描画デバイス１１が連続表示を行っている場合、図示のように光軸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、境界部１６ｊに対応する箇所で不連続的ながら、拡散部１６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、表示像（虚像）ＩＭの位置も、スケールは異なるが、中間像ＴＩの位置と同様に光軸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。描画デバイス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の表示位置も鋸歯状の経時パターンＰＡ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、最も近距離側又は拡大投射光学系１７寄りの表示位置Ｐｎと、最も遠距離側又は投影光学系１５寄りの表示位置Ｐｆとは、経時パターンＰＡの両端に設定される。また、経時パターンＰＡの途切れ目ＰＤは、拡散部１６の回転体１６ａに設けた境界部１６ｊに対応する。さらに、図４Ｃに示す機能領域ＦＡ１，ＦＡ２，ＦＡ３の中心は、経時パターンＰＡ上の離散的な表示位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に対応する。
【００３０】  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、その一部として画像表示装置１００を含む。この画像表示装置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。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。
【００３１】  移動体用表示システム２００は、画像表示装置１００のほかに、環境監視部７２と、主制御装置９０とを備える。本実施形態の移動体用表示システム２００は、後述するＰＩＤ制御部８１等を備えることにより、画像表示装置１００の動作のフィードバック制御が可能な構成となっている。
【００３２】  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、運転者ＵＮ又はフロントウインドウ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。
【００３３】  なお、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、外部用カメラ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。外部用カメラ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、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。
【００３４】  なお、上記のような複眼型の外部用カメラ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、複眼型の外部用カメラ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（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。
【００３５】  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、表示スクリーン２０の背後に虚像距離が変化する３次元的な表示像ＩＭを表示させる。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、その奥行き方向等に関して周辺に位置するフレーム枠ＨＷ（図９参照）のような標識とすることができる。
【００３６】  表示制御部１８は、フィードバック制御を行うＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御部８１と、サーボ機構８２とを有する。ＰＩＤ制御部８１は、主制御装置９０の制御下でサーボ機構８２を動作させ、主に描画デバイス１１の動作、及び中間スクリーン１９の動作のフィードバック制御を行う。ここで、フィードバックとは、中間スクリーン１９の動作や描画デバイス１１の動作に対して、これらの動作の目標値とのずれを相殺するように駆動信号の出力タイミング等に補正をかけることを意味する。サーボ機構８２は、ＰＩＤ制御部８１を介して、描画デバイス１１の発光タイミングや、回転体１６ａの回転数又は回転速度等が設定値から外れた場合に、設定値になるようにこれらを制御する。描画デバイス１１は１秒間に数千回の描画速度で光源発光を行い、拡散部１６の中間スクリーン１９は４０ｒｐｓ〜６０ｒｐｓの周期速度で移動する。中間スクリーン１９が所定の位置に存在する際に、描画デバイス１１に対応する画像を描画させるためには、上記フィードバック制御を行い、両者の同期を高精度にする必要がある。
【００３７】  表示制御部１８は、中間スクリーン１９の位置情報及び描画デバイス１１の発光タイミングに関する情報に基づいて、中間スクリーン１９の移動タイミングと描画デバイス１１の発光タイミングとが所定の同期関係になるように配置変更装置である回転駆動部６４及び描画デバイス１１の少なくとも一方を制御する。つまり、表示制御部１８は、位置検出素子６５から得た中間スクリーン１９の位置情報と、描画デバイス１１の発光タイミングに関する情報とに基づいて、中間スクリーン１９の移動タイミング及び描画デバイス１１の発光タイミングの少なくとも一方を制御する。また、主制御装置９０は、位置検出素子６５から中間スクリーン１９の位置情報をリアルタイムで取得し、描画デバイス１１の発光タイミングをリアルタイムで取得する。描画デバイス１１の発光タイミングは、予め設定されたものを取得してもよいし、描画デバイス１１の投射光を直接検出して取得してもよい。描画デバイス１１は、中間スクリーン１９が所定の位置に配置されるタイミングでカラー画像を構成するＲ、Ｇ、及びＢの画像を描画する。
【００３８】  主制御装置９０は、画像表示装置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フレーム枠ＨＷの空間的な配置を調整する。
【００３９】  以下、中間スクリーン１９の動作と描画デバイス１１の動作との同期方法について説明する。画像表示装置１００は、回転体１６ａの回転信号のパルスをトリガーにして描画デバイス１１を制御する。これにより、回転体１６ａの回転に応じて描画デバイス１１を制御することができる。
【００４０】  図７に示すように、まず、表示制御部１８の制御下で回転体１６ａを回転駆動部６４を用いて所定の回転速度で動作させ、中間スクリーン１９を光軸ＡＸに沿って移動させる。また、表示制御部１８の制御下で描画デバイス１１を所定の発光タイミング及び発光時間で動作させる（ステップＳ１１）。
【００４１】  次に、中間スクリーン１９の位置を検出する（ステップＳ１２）。回転体１６ａの回転に伴う回転信号は、位置検出素子６５のパルス信号として得られる。図８Ａ〜８Ｃは、回転信号と描画デバイス１１の発光タイミングとの関係を説明する図である。図８Ａにおいて、符号Ｔ１，Ｔ２は、回転体１６ａの１回転目及び２回転目における、位置検出素子６５で検出された光に対応する回転信号をそれぞれ示している。また、図８Ｂ及び８Ｃにおいて、描画デバイス１１の点灯信号は、実際にはＲ、Ｇ、Ｂの複数の発光パルスを便宜上１つのパルスとして示している。ここで、回転体１６ａの回転速度を一定とし、位置検出素子６５によって回転体１６ａの回転速度又は回転角度を計測すれば、中間スクリーン１９の位置情報を得ることができる。
【００４２】  次に、表示制御部１８によって動作する描画デバイス１１の発光タイミング及び発光時間を取得する（ステップＳ１３）。描画デバイス１１の発光タイミング等の情報は、予め設定されたものを用いてもよいし、別途センサー等を用いて計測してもよい。
【００４３】  次に、表示制御部１８の制御下で、描画デバイス１１をフィードバックした所定の発光タイミング及び発光時間で動作させる（ステップＳ１４）。具体的には、表示制御部１８の制御下で、ＰＩＤ制御部８１及びサーボ機構８２によって描画デバイス１１の発光タイミングと中間スクリーン１９の位置情報とをフィードバックし、描画デバイス１１の発光タイミング及び発光時間を制御し、中間スクリーン１９の動作に対して描画デバイス１１の動作を調整する。これにより、中間スクリーン１９に作用する動作を加味して描画デバイス１１の動作を調整することができる。表示制御部１８は、フィードバックにおいて、回転体１６ａ又は中間スクリーン１９の１周期において、描画デバイス１１の点灯信号に対応する描画デバイス１１における発光が所定回数行われているか否かを判断する。中間スクリーン１９の回転速度及び回転位置の遅れについては、目標値とのずれから計算して補正する。中間スクリーン１９の回転速度等が目標値から遅れた場合、その遅延時間分だけ描画デバイス１１の発光タイミングを遅くする。また、描画デバイス１１の発光タイミングの遅れについても、目標値とのずれから計算して補正する。描画デバイスの発光タイミングが目標値から遅れた場合、その遅延時間分だけ描画デバイス１１の発光タイミングを速くする。フィードバックによる補正は、１周期目に反映されてもよいし、２周期目以降に反映されてもよい。なお、描画デバイス１１において、描画デバイス１１を駆動するドライバー回路における駆動信号と表示デバイス６での発光とに時間のずれがあれば、例えば予測した遅延時間等を加味してフィードバックする。
【００４４】  回転信号と点灯信号とのタイミングとを同期させることで、正確な位置に虚像と対象物とが重畳した表示を時間遅延なく行うことができる。中間スクリーン１９の位置を判別できるようにしておけば、回転信号のパルスをトリガーにして、適切なタイミングで描画デバイス１１の発光パルス（点灯信号）を発生させることができる。結果的に、描画デバイス１１のＲ、Ｇ、Ｂの画像を含むフレームレートが調整され、中間スクリーン１９の位置に応じたカラー画像が虚像表示される。これにより、異なる複数の虚像距離で虚像が同時に表示されるように運転者ＵＮに視認させることができる。また、１つの虚像距離のみに対応するタイミングで描画デバイス１１を発光させれば、単一虚像距離での虚像だけ運転者ＵＮに視認させることもできる。
【００４５】  主制御装置９０は、表示が継続されるか否かを確認し（ステップＳ１５）、表示が継続される場合（ステップＳ１５でＹ）、ステップＳ１１に戻りステップＳ１２等の処理を繰り返す。なお、ステップＳ１４のフィードバックは常時行うことが好ましい。また、ステップＳ１２，Ｓ１３は逆に行ってもよいし、同時に行ってもよい。
【００４６】  図９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，ＯＢ３や、自動車等である移動体のオブジェクトＯＢ２が存在すると考える。この場合、主制御装置９０は、画像表示装置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フレーム枠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、フレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を表示させる表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３までの虚像距離は、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。
【００４７】  なお、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の虚像距離は、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常に正確に一致させるということはできない。ただし、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の虚像距離と、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とフレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３との配置関係を略維持することができる。
【００４８】  図１０Ａは、図５に対応し、図１０Ｂは、図９中の表示像ＩＭ３又はフレーム枠ＨＷ３に対応し、図１０Ｃは、図９中の表示像ＩＭ２又はフレーム枠ＨＷ２に対応し、図１０Ｄは、図９中の表示像ＩＭ１又はフレーム枠ＨＷ１に対応している。図１０Ａ〜１０Ｄより明らかなように、表示像ＩＭ１は、回転体１６ａの機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩの全部又は一部が表示位置ＰＯ１を中心とする所定範囲内の位置にあるときの投影像又は表示像に対応する。同様に、表示像ＩＭ２は、回転体１６ａの機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩの全部又は一部が表示位置ＰＯ２を中心とする所定範囲内の位置にあるときの投影像又は表示像に対応し、表示像ＩＭ３は、回転体１６ａの機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩの全部又は一部が表示位置ＰＯ３を中心とする所定範囲内の位置にあるときの投影像又は表示像に対応する。中間像ＴＩの移動を基準とする１周期でみた場合、順に、表示位置ＰＯ１に対応する表示像ＩＭ１又はフレーム枠ＨＷ１が表示され、表示位置ＰＯ２に対応する表示像ＩＭ２又はフレーム枠ＨＷ２が表示され、表示位置ＰＯ３に対応する表示像ＩＭ３又はフレーム枠ＨＷ３が表示される。以上の１周期が視覚的に短ければ、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の切替えが非常に速くなり、観察者である運転者ＵＮは、フレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を奥行きがある画像として同時に観察していると認識する。
【００４９】  以上で説明した画像表示装置１００によれば、中間スクリーン１９の位置と描画デバイス１１の発光タイミングとに基づいて、中間スクリーン１９の動作及び描画デバイス１１の動作を同期制御することにより、カラー画像を描画する画像表示装置１００の動作を安定化させることができる。
【００５０】〔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。
【００５１】  本実施形態において、表示制御部１８は、描画デバイス１１の発光タイミングと中間スクリーン１９の位置情報とをフィードバックし、描画デバイス１１を一定の発光タイミングで制御しつつ配置変更装置である回転駆動部６４の駆動タイミングを制御し、描画デバイス１１の動作に対して中間スクリーン１９の動作を調整する。これにより、描画デバイス１１の動作を一定にして中間スクリーン１９の動作を制御することができる。
【００５２】  以下、本実施形態の中間スクリーン１９の動作と描画デバイス１１の動作との同期方法について説明する。まず、図１１に示すように、表示制御部１８の制御下で回転体１６ａを回転駆動部６４を用いて所定の回転速度で動作させ、中間スクリーン１９を光軸ＡＸに沿って移動させる。また、表示制御部１８の制御下で描画デバイス１１を所定の発光タイミング及び発光時間で動作させる（ステップＳ１１）。
【００５３】  次に、中間スクリーン１９の位置を検出する（ステップＳ１２）。回転体１６ａの回転に伴う回転信号は、位置検出素子６５のパルス信号として得られる。
【００５４】  次に、表示制御部１８によって動作する描画デバイス１１の発光タイミング及び発光時間を取得する（ステップＳ１３）。
【００５５】  次に、表示制御部１８の制御下で、ＰＩＤ制御部８１及びサーボ機構８２によって描画デバイス１１の発光タイミングと中間スクリーン１９の位置情報とをフィードバックし、回転駆動部６４を介して描画デバイス１１の動作に対して中間スクリーン１９の移動タイミングを調整する（ステップＳ１１４）。この際、表示制御部１８は、描画デバイス１１を所定の発光タイミング及び発光時間で動作させる。結果的に、描画デバイス１１のＲ、Ｇ、Ｂの画像を含むフレームレートが調整され、中間スクリーン１９の位置に応じたカラー画像が虚像表示される。
【００５６】  主制御装置９０は、表示が継続されるか否かを確認し（ステップＳ１５）、表示が継続される場合（ステップＳ１５でＹ）、ステップＳ１１に戻りステップＳ１２等の処理を繰り返す。
【００５７】〔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実施形態の画像表示装置は第１及び第２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実施形態等と同様である。
【００５８】  本実施形態において、表示制御部１８は、描画デバイス１１の発光タイミングと中間スクリーン１９の位置情報とをフィードバックし、描画デバイス１１の発光タイミング及び発光時間を制御しつつ配置変更装置である回転駆動部６４の駆動タイミングを制御し、描画デバイス１１の動作と中間スクリーン１９の動作とを相互に調整する。これにより、描画デバイス１１の動作と中間スクリーン１９の動作とをより正確に調整することができる。
【００５９】  以下、本実施形態の中間スクリーン１９の動作と描画デバイス１１の動作との同期方法について説明する。まず、図１２に示すように、表示制御部１８の制御下で回転体１６ａを回転駆動部６４を用いて所定の回転速度で動作させ、中間スクリーン１９を光軸ＡＸに沿って移動させる。また、表示制御部１８の制御下で描画デバイス１１を所定の発光タイミング及び発光時間で動作させる（ステップＳ１１）。
【００６０】  次に、中間スクリーン１９の位置を検出する（ステップＳ１２）。回転体１６ａの回転に伴う回転信号は、位置検出素子６５のパルス信号として得られる。
【００６１】  次に、表示制御部１８によって動作する描画デバイス１１の発光タイミング及び発光時間を取得する（ステップＳ１３）。
【００６２】  次に、表示制御部１８の制御下で、描画デバイス１１の発光タイミングと中間スクリーン１９の位置情報とをフィードバックし、描画デバイス１１をフィードバックした所定の発光タイミング及び発光時間で動作させ、かつ、回転駆動部６４を介して中間スクリーン１９の移動タイミングを調整する（ステップＳ２１４）。結果的に、描画デバイス１１のＲ、Ｇ、Ｂの画像を含むフレームレートが調整され、中間スクリーン１９の位置に応じたカラー画像が虚像表示される。
【００６３】  主制御装置９０は、表示が継続されるか否かを確認し（ステップＳ１５）、表示が継続される場合（ステップＳ１５でＹ）、ステップＳ１１に戻りステップＳ１２等の処理を繰り返す。
【００６４】  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、図２等に示す投影光学系１５や拡大投射光学系１７は、単なる例示であり、これら投影光学系１５及び拡大投射光学系１７の光学的構成については適宜変更することができる。
【００６５】  上記実施形態において、描画デバイス１１を構成する表示デバイス６としては、ＤＭＤに限らず、様々な動作原理に基づくものを用いることができる。例えば、ＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）等の反射型の素子、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：liquid crystal display）や、他の種類の表示デバイス、例えば有機ＥＬを用いてもよい。
【００６６】  上記実施形態において、中間スクリーン１９は、螺旋状のものに限らず、板状で光軸方向に往復移動するものであってもよく、厚みが異なる複数領域を有し複数領域を光路上に順次置き換えて光路長を変化させるようなものであってもよい。この場合、位置検出素子６５は、中間スクリーン１９の構成に対応した中間スクリーン１９の位置検出が可能なものを用いる。
【００６７】  上記実施形態において、画像表示装置１００の配置を上下反転させて、フロントウインドウ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を平面又は凹面としたが、対称性をもたない自由曲面であってもよい。
【００６８】  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。
【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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【国際調査報告】
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