(57)【要約】  像を形成するスクリーン（２３ａ，２３ｂ）と、前記スクリーン（２３ａ，２３ｂ）を所定の一方向へ移動させる移動機構（２３ｔ）と、前記スクリーン（２３ａ，２３ｂ）が所定の一方向に移動している間に順次形成される像を変換して光軸上の前記スクリーン（２３ａ，２３ｂ）の位置に対応した投影距離で虚像（ｉ２）を形成する虚像形成光学系（２４）と、を有し、実物の位置ごとに複数の投影距離に虚像（ｉ２）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、及び、ヘッドアップディスプレイ装置。
2019138914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
像を形成するスクリーンと、  前記スクリーンを、所定の一方向へ移動させる移動機構と、  前記スクリーンが前記所定の一方向に移動している間に順次形成される前記像を変換して、光軸上の前記スクリーンの位置に対応した投影距離で、虚像を形成する虚像形成光学系と、  を有する虚像表示装置。
【請求項２】
前記移動機構は、少なくとも２つのローラーに無端状のベルトが掛架され、前記ローラーが回転することで前記ベルトを回転させるベルト回転機構であり、前記ベルトの表面に垂直に設置された前記スクリーンを、前記ベルトの回転により前記光軸上の前記所定の一方向に移動させる、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記スクリーンを複数有し、  前記移動機構は、互いに離隔するように前記ベルトの表面に垂直に設置された複数の前記スクリーンを前記ベルトの回転により移動させることにより、前記所定の一方向へ移動させるいずれか一つの前記スクリーンを、前記所定の一方向へ移動して前記ベルト回転機構の一端のローラー側から他端のローラー側に達した前記スクリーンから、前記所定の一方向以外の方向へ移動して前記ベルトの前記一端のローラー側に達した他の前記スクリーンに切り換える、請求項２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
表示素子と、  前記表示素子に表示された前記像を拡大して投影する投影光学系と、をさらに有し、  前記スクリーンは、投影されることで前記像を形成する拡散スクリーンである、  請求項１〜３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記移動機構は、側面を貫通しつつ前記側面に沿って螺旋状に延伸する二つの螺旋溝を有する外筒と、前記スクリーンの上端および下端に設けられ、前記二つの螺旋溝とそれぞれ掛合した状態で前記外筒が中心軸を中心に回転することで前記螺旋溝に沿って前記螺旋溝内を移動して、前記スクリーンを前記外筒内で前記所定の一方向へ平行移動させるヘリコイドピンと、を有するヘリコイド機構である、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記スクリーンの前記所定の一方向への移動速度を測定する移動速度測定部と、  前記ローラーを駆動するモーターと、  測定された前記移動速度が所定の閾値範囲内になるように、前記モーターの回転速度を制御する制御部と、  をさらに有する、請求項２または３に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項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、  判定され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制御部と、  を有する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、「ＨＵＤ」とも称する）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などに限られていた。しかし、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が、安全運転支援という意味においては、車速などの表示内容だけでは不十分である。たとえば、前方の車、歩行者、障害物など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ためには、たとえば車、人、障害物など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。たとえば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問題がある。このような問題を解決する手法として、実物に対して適切な奥行き方向の位置に虚像を重畳させることが考えられる。【０００４】  このように、虚像に奥行きを持たせる手法として、特許文献１に開示されたＨＵＤ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の位置を変える可動手段を備え、拡散スクリーンの位置を変化させることで虚像の距離を変化させている。これにより、車の速度に伴って人間が注視する距離が変わることに鑑み、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】
【０００５】
【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】
【０００６】  しかし、特許文献１のように運転時の速度に伴って、虚像の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など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可能性があるという問題がある。【０００７】  本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、実物の位置ごとに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およびヘッドアップディスプレイ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】  本発明の上記課題は、以下の手段によって解決される。【０００９】  （１）像を形成するスクリーンと、前記スクリーンを、所定の一方向へ移動させる移動機構と、前記スクリーンが前記所定の一方向に移動している間に順次形成される前記像を変換して、光軸上の前記スクリーンの位置に対応した投影距離で、虚像を形成する虚像形成光学系と、を有する虚像表示装置。【００１０】  （２）前記移動機構は、少なくとも２つのローラーに無端状のベルトが掛架され、前記ローラーが回転することで前記ベルトを回転させるベルト回転機構であり、前記ベルトの表面に垂直に設置された前記スクリーンを、前記ベルトの回転により前記光軸上の前記所定の一方向に移動させる、上記（１）に記載の虚像表示装置。【００１１】  （３）前記スクリーンを複数有し、前記移動機構は、互いに離隔するように前記ベルトの表面に垂直に設置された複数の前記スクリーンを前記ベルトの回転により移動させることにより、前記所定の一方向へ移動させるいずれか一つの前記スクリーンを、前記所定の一方向へ移動して前記ベルト回転機構の一端のローラー側から他端のローラー側に達した前記スクリーンから、前記所定の一方向以外の方向へ移動して前記ベルトの前記一端のローラー側に達した他の前記スクリーンに切り換える、上記（２）に記載の虚像表示装置。【００１２】  （４）表示素子と、前記表示素子に表示された前記像を拡大して投影する投影光学系と、をさらに有し、前記スクリーンは、投影されることで前記像を形成する拡散スクリーンである、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の虚像表示装置。【００１３】  （５）前記移動機構は、側面を貫通しつつ前記側面に沿って螺旋状に延伸する二つの螺旋溝を有する外筒と、前記スクリーンの上端および下端に設けられ、前記二つの螺旋溝とそれぞれ掛合した状態で前記外筒が中心軸を中心に回転することで前記螺旋溝に沿って前記螺旋溝内を移動して、前記スクリーンを前記外筒内で前記所定の一方向へ平行移動させるヘリコイドピンと、を有するヘリコイド機構である、上記（１）に記載の虚像表示装置。【００１４】  （６）前記スクリーンの前記所定の一方向への移動速度を測定する移動速度測定部と、前記ローラーを駆動するモーターと、測定された前記移動速度が所定の閾値範囲内になるように、前記モーターの回転速度を制御する制御部と、をさらに有する、上記（２）または（３）に記載の虚像表示装置。【００１５】  （７）上記（１）〜（６）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、判定され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制御部と、を有するヘッドアップディスプレイ装置。
【発明の効果】
【００１６】  像を形成するスクリーンを所定の一方向へ移動させる間に順次形成された像を変換して、光軸上のスクリーンの位置に対応した投影距離で虚像を形成する。これにより、実物の位置ごとに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】
【００１７】
【図１】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側方から見た概略図である。
【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概略図である。
【図３】虚像表示装置の構成を示す模式図である。
【図４】ヘッドアップディスプレイ装置の演算制御系のハードウェア構成を示すブロック図である。
【図５】虚像の表示状態を説明するための斜視図である。
【図６Ａ】ヘリコイド機構により拡散スクリーンを特定方向へ移動させる動作を説明するための模式図である。
【図６Ｂ】ヘリコイド機構により拡散スクリーンを特定方向へ移動させる動作を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】  以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る虚像表示装置およびヘッドアップディスプレイ装置について説明する。なお、図面において、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。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。図面において、上下方向をＺ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Ｙ方向、これらのＺ、Ｙ方向に直行する方向をＸ方向とする。
【００１９】  （第１実施形態）  図１は、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側方から見た概略図である。図２は、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概略図である。ユーザー（運転者）９００は、ハンドル８１３を握って運転席８１６に座っている。
【００２０】  ヘッドアップディスプレイ装置１０に含まれる虚像表示装置２０は、後述する表示素子２１に表示された画像を、表示スクリーン２４３を介してユーザー９００に向けて虚像として表示する。
【００２１】  虚像表示装置２０の表示スクリーン２４３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などのディスプレイ８１５の背後に埋め込むように配置されている。虚像表示装置２０は、運転関連情報などを含む虚像に対応する表示光Ｄ１を表示スクリーン２４３に向けて射出する。表示スクリーン２４３は、コンバイナーとも呼ばれ、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２４３は、下端の支持によってダッシュボード８１４上に立設され、入射する表示光Ｄ１を車体８１１の後方側（Ｙ方向）に向けて反射する。図示される虚像表示装置２０は、表示スクリーン２４３が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である。表示スクリーン２４３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アイボックス（図示せず）に導かれる。ユーザー９００は、表示スクリーン２４３で反射された表示光Ｄ１、すなわちあたかも車体８１１の前方にあるかのように所定距離離れた表示像としての虚像ｉ２、を観察できる。一方、ユーザー９００は、表示スクリーン２４３を透過した外界光、すなわち前方景色、自動車など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２４３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２４３での表示光Ｄ１の反射によって形成される虚像ｉ２を観察できる。
【００２２】  図３は虚像表示装置の構成を示す模式図である。
【００２３】  虚像表示装置２０は、表示素子２１、投影光学系２２、結像デバイス２３、虚像形成光学系２４、結像デバイス駆動部２５、表示制御部２６、およびハウジング２７を有する。結像デバイス２３は、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂ、およびベルト回転機構２３ｔを有する。拡散スクリーン２３ａ、２３ｂはスクリーンを構成する。ベルト回転機構２３ｔは移動機構を構成する。虚像形成光学系２４には、ミラー２４１、２４２、および表示スクリーン２４３が含まれる。ハウジング２７内には、表示スクリーン２４３以外の虚像表示装置２０の構成要素が収納される。
【００２４】  表示素子２１、投影光学系２２、および結像デバイス２３を通り、虚像形成光学系２４のミラー２４１に至るまでの光軸ＡＸは、Ｚ方向で同じ高さに設定される。
【００２５】  表示素子２１は、２次元的な表示面２１ａを有する。表示面２１ａに形成された像は、投影光学系２２で拡大されて２つの拡散スクリーン２３ａ、２３ｂのうち光軸ＡＸ上にあるいずれか一方に投影される。これにより、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂにおいて像が形成される。この際、二次元表示が可能な表示素子２１を用いることで、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂへの投影像の切換えを比較的高速に行える。表示素子２１は、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）やＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）などの反射型の素子であっても、液晶など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換えることが容易になり、虚像ｉ２が形成される、ユーザー９００からの投影距離（以下、「虚像距離」と称する）を変化させる表示に有利である。なお、表示素子２１は、表示しようとする虚像距離ごとに十分なフレームレートで表示を行えるだけのフレームレートで像を形成する。たとえば、各虚像距離において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ｉ２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。
【００２６】  投影光学系２２は、固定焦点のレンズ系であり、複数のレンズ（図示せず）を有する。投影光学系２２は、表示素子２１の表示面２１ａに形成された画像を中間像ｉ１として、光軸ＡＸ上にある拡散スクリーン２３ａ、２３ｂに適当な倍率で拡大投影する。これにより、２つの拡散スクリーン２３ａ、２３ｂのうち、光軸ＡＸ上にある拡散スクリーン（たとえば２３ａ）において、投影された中間像（像）ｉ１が形成される。拡散スクリーン２３ａ、２３ｂにおける中間像ｉ１の形成は、表示素子２１の表示動作が前提となる。なお、投影光学系２２は、この投影光学系２２の拡散スクリーン２３ａ、２３ｂ側に配置された絞り２２１を有する。このように絞り２２１を配置することで、投影光学系２２の拡散スクリーン２３ａ、２３ｂ側のＦナンバーの設定や調整が比較的容易になる。
【００２７】  結像デバイス２３のベルト回転機構２３ｔは、２つの両端側の一端、他端にそれぞれ配置した円柱状のローラーＲ１、Ｒ２およびこれらのローラーＲ１、Ｒ２に掛架された無端状のベルトＢを有する。ベルトＢの表面には２つの拡散スクリーン２３ａ、２３ｂが、それぞれベルトＢの表面に垂直で、かつ互いに離隔するように設置される。ベルトＢが回転することで２つの拡散スクリーン２３ａ、２３ｂのいずれか一方（たとえば２３ａ）が実線の矢印で示す、光軸ＡＸ上の所定の一方向（以下、「特定方向」と称する）へ平行移動し、他方（たとえば２３ｂ）が特定方向以外の方向（破線の矢印で示す方向）へ移動する。拡散スクリーン２３ａ、２３ｂのいずれか一方が、特定方向へ移動してベルトＢの一端ｅ１から他端ｅ２に達し、他方が特定方向以外の方向へ移動してベルトＢの当該一端ｅ１に達することで、特定方向へ移動する拡散スクリーン２３ａ、２３ｂが切り換わる。すなわち、光軸ＡＸ上を移動する拡散スクリーン２３ａ、２３ｂが、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂのいずれか一方から他方へ切り換わる。なお、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂがベルトＢにより特定方向へ搬送される際、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂの移動をスムーズにするために、ローラーＲ１、Ｒ２の回転軸と同一平面上に回転軸を有し、ローラーＲ１、Ｒ２に従属して回転するキャリヤローラーを使用し得る。
【００２８】  拡散スクリーン２３ａ、２３ｂは、配光角を所望の角度に制御するための拡散板であり、結像位置（すなわち中間像ｉ１の結像予定位置、またはその近傍の焦点深度内）において中間像ｉ１を形成する。この結果、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂを光軸ＡＸ方向へ移動させることにより、中間像ｉ１の位置も光軸ＡＸ方向へ移動する。拡散スクリーン２３ａ、２３ｂとしては、たとえば摺りガラス、レンズ拡散板、マイクロレンズアレイを用い得る。
【００２９】  結像デバイス駆動部２５は、モーター２５１およびエンコーダー２５２を有する。結像デバイス駆動部２５は、モーター２５１により、ローラーＲ１、Ｒ２の回転軸を回転駆動することで、ローラーＲ１、Ｒ２を所定の回転速度で定速回転させる。これにより、ベルトＢが回転することで、２つの拡散スクリーン２３ａ、２３ｂのいずれか一方が光軸ＡＸ上の特定方向へ所定の移動速度で移動し、他方が特定方向以外の方向へ移動する。エンコーダー２５２は、ローラーＲ１、Ｒ２の駆動軸に連結されたスリット円板（図示せず）と、スリット円板のスリットを通過する光を検出するフォトセンサー（図示せず）により構成され得る。単位時間当たりにスリットを通過する光は、ローラーＲ１、Ｒ２の回転速度に対応する。したがって、エンコーダー２５２からは、ローラーＲ１、Ｒ２の回転速度の情報を含む信号が出力される。エンコーダー２５２の出力は、表示制御部２６に送信され、後述するように、特定方向へ移動する拡散スクリーン２３ａ、２３ｂの移動速度の測定に用いられる。
【００３０】  結像デバイス駆動部２５により拡散スクリーン２３ａ、２３ｂを光軸ＡＸに沿って特定方向に移動させることで、虚像距離を変化させることができる。このように、投影される虚像ｉ２の位置を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、虚像距離を変化させつつ虚像ｉ２を変化させることになり、一連の投影像としての虚像ｉ２を３次元的なものとすることができる。ここで、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂの光軸ＡＸに沿った特定方向の移動範囲は、中間像ｉ１の結像予定位置またはその近傍であるが、投影光学系２２の拡散スクリーン２３ａ、２３ｂ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、虚像ｉ２を比較的ピントが合った良好な状態に形成できる。
【００３１】  拡散スクリーン２３ａ、２３ｂの特定方向への移動速度は、虚像ｉ２が複数個所または複数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に設定する。たとえば、虚像ｉ２が遠距離、中距離、および近距離の３段階で順次投影されるものとして、表示素子２１に９０ｆｐｓのフレームレートで表示を行わせると、各距離の虚像ｉ２は、３０ｆｐｓで表示の切り換えが行われることになる。これにより、人間の目では、遠距離、中距離、および近距離の虚像ｉ２が並列的に行われ、かつ切り換えが連続的なものとして認識される。なお、以上から明らかなように、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂの移動は、表示素子２１の表示動作と同期するように制御される。
【００３２】  虚像形成光学系２４は、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂに形成された中間像ｉ１を表示スクリーン２４３と協働して拡大し、ユーザー９００の前方に虚像ｉ２を形成する。虚像形成光学系２４は、少なくとも１つのミラーで構成されるが、図示の例では２つのミラー２４１、２４２を含む。
【００３３】  表示制御部２６は、表示素子２１および結像デバイス駆動部２５を制御する。これにより、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂ上への中間像ｉ１の形成タイミングを制御し、表示スクリーン２４３の背後に虚像距離が変化する３次元的な虚像ｉ２を順次表示させる。中間像ｉ１の位置、すなわち拡散スクリーン２３ａ、２３ｂの位置が光軸ＡＸ上で虚像形成光学系２４に近い位置にあるときは、虚像距離が小さくなる。逆に、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂの位置が光軸ＡＸ上で虚像形成光学系２４から遠い位置にあるときは、虚像距離が大きくなる。
【００３４】  表示制御部２６は、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂの位置に応じた像を表示素子２１に形成する。具体的には、近距離の虚像距離に対応する像は、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂの位置が光軸ＡＸ上で虚像形成光学系２４に近い位置にあるときに表示素子２１に形成する。逆に、遠距離の虚像距離に対応する像は、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂの位置が光軸ＡＸ上で虚像形成光学系２４から遠い位置にあるときに表示素子２１に形成する。拡散スクリーン２３ａ、２３ｂに形成される像は、虚像形成光学系２４により変換され、光軸ＡＸ上の拡散スクリーン２３ａ、２３ｂの位置に対応した虚像距離で、虚像ｉ２として形成される。
【００３５】  より具体的には、表示制御部２６は、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂを特定方向（所定の一方向）に移動させている間に、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂの位置に応じた像を順次表示素子２１に形成する。すなわち、たとえば拡散スクリーン２３ａ、２３ｂが特定方向に移動することで、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂと虚像形成光学系２４との距離が近距離、中距離、遠距離となるにしたがい、これらの距離に応じた像を順次表示素子２１に形成する。したがって、表示素子２１には、虚像距離に対応した像が、常に、近距離、中距離、遠距離の虚像距離に対応する像の順で形成される。これにより、表示素子２１に形成される像の、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂの位置（すなわち虚像距離）に応じた順序が一定となるため、表示素子２１に形成する像の表示順の制御を単純化できる。また、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂが特定方向に移動する間に拡散スクリーン２３ａ、２３ｂに形成される中間像ｉ１を虚像ｉ２として表示する。これにより、特定方向に移動する拡散スクリーン２３ａ、２３ｂの移動速度の変動は、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂを往復移動させる場合などと比較して小さくなるため、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂの移動速度の変動による虚像ｉ２のフレームレートの変動を抑制できる。
【００３６】  表示制御部２６は、結像デバイス駆動部２５からエンコーダー２５２の出力を受信する。エンコーダー２５２の出力には、上述したようにベルト回転機構２３ｔのローラーＲ１、Ｒ２の回転速度の情報が含まれる。表示制御部２６は、エンコーダー２５２の出力に基づいてローラーＲ１、Ｒ２の回転速度を算出し、ローラーＲ１、Ｒ２の回転速度から拡散スクリーン２３ａ、２３ｂの移動速度を算出することで、当該移動速度を測定する。表示制御部２６は、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂの移動速度が所定の閾値範囲内になるように、ローラーＲ１、Ｒ２を駆動するモーター２５１の回転速度をフィードバック制御する。所定の閾値範囲は、表示素子２１のフレームレートおよび当該フレームレートに設定された変動範囲の仕様などに基づいて決定される。
【００３７】  このように、光軸ＡＸ上で移動可能な拡散スクリーン２３ａ、２３ｂを配置することにより、光軸ＡＸ方向に移動可能な中間像ｉ１を形成できるだけでなく、視野角とアイボックスサイズを確保しつつ、光学系の光利用効率を高くできる。なお、拡散スクリーン２３ａ、２３ｂによる拡散の配光角を大きくしすぎると、光利用効率を高くするために虚像形成光学系２４のＦ値を小さくする必要があるため、焦点深度が浅くなり、表示可能な距離範囲が狭まってしまうことに注意を要する。
【００３８】  図４は、ヘッドアップディスプレイ装置の演算制御系のハードウェア構成を示すブロック図である。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のほかに、運転者検出部７１、環境監視部７２、および主制御部６０を有する。環境監視部７２はオブジェクト検出部を構成する。
【００３９】  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、通行者などのオブジェクトに対応させた虚像ｉ２を３次元的に表示する。
【００４０】  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を有する。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など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。
【００４１】  環境監視部７２は、前方に近接する自動車、自転車、歩行者など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を有する。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、側方など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など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、歩行者などのオブジェクトの存否および大きさ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。
【００４２】  なお、内部用カメラ７１ａや外部用カメラ７２ａは、たとえば複眼型の３次元カメラを含む。すなわち、両カメラ７１ａ、７２ａは、結像用のレンズと、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサー、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、たと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、ある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など）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。
【００４３】  なお、上述したような複眼型のカメラ７１ａ、７２ａに代えて、またはこれとともに、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よい。これにより、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。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、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。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。
【００４４】  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を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などを検出する技術と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。
【００４５】  表示制御部２６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２４３の背後に虚像距離が変化する３次元的な虚像ｉ２を表示させる。表示制御部２６は、主制御部６０を介して環境監視部７２から受信したオブジェクトまでの距離および大きさなどを含む情報に基づいて、虚像表示装置２０に表示させる虚像ｉ２を生成する。虚像ｉ２は、たとえば表示スクリーン２４３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５参照）に対してその奥行き位置方向に関して周辺に位置するフレームＦ（図５参照）のような標識になる。
【００４６】  表示制御部２６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ｉ２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ｉ２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ｉ２のみを明るくする、点滅するなどの強調を行った投影もできる。
【００４７】  図５は、虚像の表示状態を説明するための斜視図である。運転者であるユーザー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、すなわち、道路およびその周辺に、歩行者などである人のオブジェクトＯＢ１、ＯＢ３や、自動車など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ｉ２（ｉ２１〜ｉ２３）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、ＯＢ２、ＯＢ３までの距離が異なるので、フレームＦ（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３）を表示させる虚像ｉ２１、ｉ２２、ｉ２３の虚像距離は、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、ＯＢ２、ＯＢ３までの距離に相当させている。なお、虚像ｉ２１、ｉ２２、ｉ２３の投影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しない場合がある。しかしながら、虚像ｉ２１、ｉ２２、ｉ２３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。
【００４８】  （第２実施形態）  本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態と第１実施形態とで異なる点は、本実施形態は、結像デバイス２３を拡散スクリーン２３ｃ、およびヘリコイド機構２３ｔ’により構成する点である。その他の点については、本実施形態は第１実施形態と同様であるため、重複する説明は省略または簡略化する。
【００４９】  図６Ａおよび図６Ｂは、ヘリコイド機構により拡散スクリーンを特定方向へ移動させる動作を説明するための模式図である。図においては、拡散スクリーン２３ｃの移動動作を明確にするために、拡散スクリーン２３ｃ、ヘリコイドピンＰ１、Ｐ２、および螺旋溝Ｇ１、Ｇ２の正面（紙面手前）から見える部分のみ実線で示し、それ以外の形状は破線で示した。
【００５０】  ヘリコイド機構２３ｔ’は、外筒２３ｄ、および円板状の拡散スクリーン２３ｃの上端および下端に設けられたヘリコイドピンＰ１、Ｐ２を有する。外筒２３ｄは、側面に２つの螺旋溝Ｇ１、Ｇ２を有する。螺旋溝Ｇ１、Ｇ２は、それぞれ外筒２３ｄの側面を貫通しつつ当該側面に沿って延伸している。ヘリコイドピンＰ１、Ｐ２は、それぞれ螺旋溝Ｇ１、Ｇ２と掛合される。
【００５１】  図６Ａを参照すると、ヘリコイドピンＰ１、Ｐ２がそれぞれ螺旋溝Ｇ１、Ｇ２と掛合し、拡散スクリーン２３ｃが最も虚像形成光学系２４に近づいた状態が示されている。この状態から、外筒２３ｄを図の実線の矢印の方向（順方向）に、一点鎖線で示す中心軸を中心に回転させると、ヘリコイドピンＰ１、Ｐ２がそれぞれ螺旋溝Ｇ１、Ｇ２に沿って螺旋溝Ｇ１、Ｇ２内を移動する。その結果、拡散スクリーン２３ｃを、白抜きの矢印で示す特定方向へ平行移動させることができる。
【００５２】  図６Ｂには、拡散スクリーン２３ｃが特定方向に移動して、最も虚像形成光学系２４から遠ざかった状態が示されている。この状態で、外筒２３ｄを図の実線の矢印の方向（逆方向）に、一点鎖線で示す中心軸を中心に回転させると、ヘリコイドピンＰ１、Ｐ２がそれぞれ螺旋溝Ｇ１、Ｇ２に沿って螺旋溝Ｇ１、Ｇ２内を移動する。その結果、拡散スクリーン２３ｃを、白抜きの矢印で示す、特定方向に対し逆方向へ平行移動させることができる。拡散スクリーン２３ｃが特定方向に対し逆方向に移動して、最も虚像形成光学系２４に近づいた状態になることにより、拡散スクリーン２３ｃは、図６Ａに示す位置に戻る。
【００５３】  拡散スクリーン２３ｃを、特定方向に対し逆方向に移動させる移動速度は、中間像ｉ１の１フレーム時間未満になるように設定し得る。すなわち、当該移動速度は、拡散スクリーン２３ｃが虚像形成光学系２４に対し最も遠ざかった位置（図６Ｂの位置）から、最も近づいた位置（図６Ａの位置）に戻るまでの時間が中間像ｉ１の１フレーム時間未満になるように設定し得る。これにより、実質的に、拡散スクリーン２３ｃが特定方向に移動する間に拡散スクリーン２３ｃに形成される中間像ｉ１のみに基づいて虚像ｉ２を形成させることができる。
【００５４】  本発明に係る実施形態は、以下の効果を奏する。
【００５５】  像を形成するスクリーンを所定の一方向へ移動させる間に順次形成された像を変換して、光軸上のスクリーンの位置に対応した投影距離で虚像を形成する。これにより、実物の位置ごとに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。また、投影距離に応じた像の形成順の制御を単純化できるとともに、スクリーンの移動速度の変動が抑制されることで虚像のフレームレートの変動を抑制できる。
【００５６】  さらに、スクリーンの移動機構を、少なくとも２つのローラーに無端状のベルトが掛架され、ローラーが回転することでベルトを回転させるベルト回転機構とし、ベルトの表面に垂直に設置されたスクリーンを、ベルトの回転により特定方向へ移動させる。これにより、簡易な構成でスクリーンを特定方向へ移動できる。
【００５７】  さらに、ベルト回転機構のベルトの表面に、互いに離隔するように垂直に複数のスクリーンを設置する。そして、ベルトの回転により複数のスクリーンを移動させることで、特定方向へ移動するいずれか一つのスクリーンを、特定方向へ移動してベルトの一端から他端に達したスクリーンから、特定方向以外の方向へ移動して当該ベルトの一端に達した他のスクリーンに切り換える。これにより、光軸上にスクリーンが存在しなくなる時間を効果的に短縮し、虚像が形成されない時間を抑制できる。
【００５８】  さらに、表示素子と、表示素子に表示された像を拡大してスクリーンに投影する投影光学系と、を設け、スクリーンを拡散スクリーンとする。これにより、スクリーンの移動機構を簡素化できる。
【００５９】  さらに、スクリーンの移動機構を、スクリーンの上端および下端に設けたヘリコイドピンを、外筒の側面に設けた螺旋溝と掛合させて当該外筒を回転することでスクリーンを外筒内で特定方向に平行移動させるヘリコイド機構とする。これによりスクリーンの移動がよりスムーズとなり、虚像の画質を向上できる。
【００６０】  さらに、特定方向へ移動するスクリーンの移動速度を測定し、ベルト回転機構のローラーを駆動するモーターの回転速度を、測定されたスクリーンの移動速度に基づいて制御する。これにより、各虚像の虚像距離の精度を向上できる。
【００６１】  本発明は、上述した実施形態に限定されない。
【００６２】  たとえば、拡散スクリーンに代えて、スクリーンとして、複数の画素により像を形成するＬＥＤディスプレイ、液晶ディスプレイ、または有機ＥＬディスプレイを用いてもよい。これにより、表示素子および投影光学系を省略できるため装置を簡素化できる。
【００６３】  また、ベルト回転機構により搬送される拡散スクリーンの数は１枚であっても３枚以上であってもよい。ベルト回転機構でベルトが掛架されるローラーの数は、３つ以上であってもよい。
【００６４】  また、ヘリコイド機構の螺旋溝として、スクリーンを特定方向に移動させるための螺旋溝に加え、当該螺旋溝と連結した、スクリーンを特定方向に対し逆方向に移動させるための他の螺旋溝を設けてもよい。これにより、外筒の回転方向を変えずに、特定方向に移動したスクリーンを移動前の位置に戻すことができる。
【００６５】  また、ヘリコイド機構により特定方向に移動されるスクリーンは円板状に限定されず四角板状であってもよい。
【００６６】  本出願は、２０１８年１月１１日に出願された日本特許出願（特願２０１８−００２４４５号）に基づいており、その開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。
【符号の説明】
【００６７】    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    投影光学系、    ２３    結像デバイス、    ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ    拡散スクリーン、    ２３ｄ    外筒、    ２３ｔ    ベルト回転機構、    ２３ｔ’    ヘリコイド機構、    ２４    虚像形成光学系、    ２４１、２４２    ミラー、    ２４３    表示スクリーン、    ２５    結像デバイス駆動部、    ２６    表示制御部、    ２７    ハウジング、    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、ＡＸ０、ＡＸ１    光軸、    Ｄ１    表示光、    ＤＦ    検出領域、    Ｆ、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３    フレーム、    Ｇ１、Ｇ２    螺旋溝、    ＯＢ    対象物、    Ｐ１、Ｐ２    ヘリコイドピン、    ｉ１    中間像、    ｉ２、ｉ２１、ｉ２２、ｉ２３    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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
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