CN109891299A - 虚像显示光学系统及图像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供虚像显示光学系统以及使用了该虚像显示光学系统的图像显示装置，即使结构简单但也能够在多个距离上使虚像实质性地同时显示。本发明的虚像显示光学系统(30)具备显示元件(11)、将形成在显示元件(11)上的像放大的投影光学系统(15)、具有漫射功能且配置于投影光学系统(15)的光射出侧的漫射屏幕(16)、将漫射屏幕(16)上的像转换为虚像的虚像形成光学系统(17)、以及使漫射屏幕(16)的位置发生变化的配置变更装置(62)。

Description

虚像显示光学系统及图像显示装置

技术领域

本发明涉及在视线的前方显示虚像，并且使虚像的投影位置可变的虚像显示光学系统以及使用了该虚像显示光学系统的图像显示装置。

背景技术

以往的平视显示器(HUD：Head-Up Display)装置通常是在距驾驶人一定距离的位置处生成虚像，由HUD得到的显示内容限于车速、车辆导航信息等。原本将HUD搭载于车上的目的在于通过最小限度地抑制驾驶人的视线移动，从而实现更安全的驾驶辅助，但安全驾驶辅助的意义仅通过车速等显示内容来看并不充分，更优选的是以下这样的系统：例如将前方的车、行人、障碍物等利用照相机、传感器进行检测，通过HUD使驾驶人预先察觉危险从而将事故防患于未然。要想实现这样的系统，就要考虑例如对于车、人、障碍物等的透视像按照重叠危险信号的方式进行显示。

在上述那样的按照重叠危险信号的方式进行显示的系统中，如果从驾驶人到虚像的距离是固定的，则存在以下这样的课题：在眼睛的位置偏离的情况下，实物的位置与危险信号的位置会发生偏离，驾驶人会错认危险信号，并且还存在以下这样的课题：例如针对前方50m的危险，在前方2m的虚像上重叠显示危险信号，则会产生焦点位置的差异，从而产生不舒适感。作为解决这样的问题的方法，可以考虑使虚像按照还包括纵深方向的方式重叠在实物上。这样，作为使虚像带有纵深的方法，有下述专利文献1所记载的方法。在该专利文献1中，具有MEMS镜那样的扫描型的像形成单元、漫射屏幕、投影单元以及改变漫射屏幕位置的可动单元，通过使漫射屏幕位置发生变化，从而使虚像的位置发生变化。专利文献1的主要目的在于，鉴于人所注视的距离会随车的速度而产生变化，因此通过使虚像位置靠近或远离来使驾驶人的视线移动减少，但驾驶时的危险是与视线的远近无关地存在的，因此优选的是远距离和近距离可以同时显示危险信号。因此，可以考虑通过高速驱动漫射屏幕，并由像形成单元生成与漫射屏幕同步的影像，从而像在人的眼睛中被同时显示那样进行表示。然而，对于扫描型的像形成单元而言，难以对应高帧率下的显示切换，因此不适于在多个距离上使虚像同时显示的结构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-150947号公报

发明内容

本发明是鉴于上述背景技术而完成的，其目的在于提供即使结构简单但能够在多个距离上使虚像实质性地同时显示的虚像显示光学系统。

另外，本发明的目的在于提供使用了上述虚像显示光学系统的图像显示装置。

为了实现上述目的中的至少一个，反映了本发明的一个侧面的虚像显示光学系统具备：显示元件；投影光学系统，其将形成在所述显示元件上的像放大；漫射屏幕，其具有漫射功能且配置于所述投影光学系统的光射出侧；以及虚像形成光学系统，其将所述漫射屏幕上的像转换为虚像，并且该虚像显示光学系统具备配置变更装置，该配置变更装置使所述漫射屏幕的位置发生变化。

为了实现上述目的中的至少一个，反映了本发明的一个侧面的图像显示装置搭载有上述的虚像显示光学系统。

附图说明

图1中图1的A为表示将组装有第1实施方式的虚像显示光学系统的图像显示装置搭载于车体上的状态的侧方截面图，图1的B为说明图像显示装置的从车内侧观察的主视图。

图2为说明虚像显示光学系统等的具体的结构例的放大侧方截面图。

图3为说明通过虚像显示光学系统显示清晰图像的条件的放大图。

图4中图4的A和图4的B为说明实施方式的虚像显示光学系统的虚像位置与透视物之间的配置关系的图。

图5中图5的A和图5的B为说明由比较例的虚像显示光学系统形成的虚像位置与透视物的配置关系的图。

图6为说明包含图像显示装置的移动体用显示系统的框图。

图7为说明第2实施方式的虚像显示光学系统的图。

图8中图8的A和图8的B为说明图7所示的虚像显示光学系统中的漫射屏幕等的侧方截面图和主视图。

图9为说明虚像距离的位置处的虚像的显示的概念图。

图10为说明包含第2实施方式的图像显示装置的移动体用显示系统的框图。

图11为说明设置于旋转体的霍尔元件的图。

图12中图12的A为说明由霍尔元件产生的旋转信号的图，图12的B和图12的C为说明显示元件的发光定时的图，图12的D为说明由旋转编码器受光部所接收的编码器信号的图，图12的E和图12的F为说明显示元件的发光定时的图。

图13中图13的A和图13的B为说明模式1中的旋转体的转速与显示元件的发光定时的同步方法的图，图13的C和图13的D为说明模式2中的同步方法的图。

图14中图14的A为说明设置于旋转体的周围的旋转编码器的图，图14的B为说明旋转编码器用的开口部的图。

图15为说明第3实施方式的虚像显示光学系统的图。

图16中图16的A和图16的B为说明第4实施方式的虚像显示光学系统中组装的漫射屏幕等的图。

图17为说明变形例的虚像显示光学系统中的漫射屏幕的图。

图18中图18的A和图18的B为说明第2实施方式等的虚像显示光学系统中组装的漫射屏幕等的变形例的图。

具体实施方式

〔第1实施方式〕

以下，对于本发明的第1实施方式涉及的虚像显示光学系统以及组装有该虚像显示光学系统的图像显示装置进行说明。

图1的A和图1的B为说明本实施方式的图像显示装置100及其使用状态的概念性的侧方截面图和主视图。该图像显示装置100例如作为平视显示器装置被搭载于车体2内，具备描绘单元10和显示屏幕20。图像显示装置100将描绘单元10中的后述的显示元件11所显示的图像信息经由显示屏幕20向驾驶人UN进行虚像显示。

图像显示装置100中的描绘单元10被设置在车体2的仪表板4内且被设置成埋入至显示器50的背面，并且将与包含驾驶相关信息等在内的图像对应的显示光HK朝向显示屏幕20射出。显示屏幕20也被称为合成器(Combiner)，是具有半透射性的凹面镜或平面镜。显示屏幕20通过下端的支撑而竖立设置于仪表板4上，将来自描绘单元10的显示光HK朝向车体2的后方进行反射。即，在图示的情况下，显示屏幕20是与前车窗8分体地设置的独立型的显示屏幕。被显示屏幕20反射的显示光HK被导入坐在驾驶座6上的驾驶人UN的瞳孔HT以及与其周边位置所对应的视野范围(eye box)(未图示)。驾驶人UN可以观察被显示屏幕20反射的显示光HK，即可以观察作为位于车体2的前方的虚像的显示像IM。另一方面，驾驶人UN可以观察透过了显示屏幕20的外界光即前方景色、汽车等的实像。其结果是，驾驶人UN可以观察显示图像(虚像)IM，该显示图像是与显示屏幕20的背面的外界像或透视像重叠，并通过显示屏幕20的显示光HK的反射而形成的包括驾驶相关信息等在内的显示像。

如图2所示那样，描绘单元10具备：包含显示元件11的虚像型的放大成像系统即主体光学系统13、使主体光学系统13运行的显示控制部18以及容纳主体光学系统13等的外壳14。其中，主体光学系统13和显示屏幕20的组合构成虚像显示光学系统30。

主体光学系统13除了显示元件11以外，还具备：能够形成将显示元件11上形成的图像进行放大后得到的中间像TI的投影光学系统15；在中间像TI的成像预定位置或其附近(以下也称为成像位置)上配置的漫射屏幕16；以及将漫射屏幕16上的像(除了中间像TI本身以外，也包含从中间像TI发生位置偏移且只是焦点模糊了的像，以下称为强制中间像TI’)转换为虚像的虚像形成光学系统17。

显示元件11具有二维的显示面11a。显示元件11的显示面11a上形成的像被主体光学系统13中的投影光学系统15放大后被投影到漫射屏幕16上。此时，通过使用能够进行二维显示的显示元件11，投影光学系统15将在显示元件11的显示面11a上形成的像进行放大，因此能够使向漫射屏幕16的投影像的切换比较快速。显示元件11可以是DMD(DigitalMirror Device：数字镜像设备)、LCOS(Liquid crystal on silicon：硅基液晶)等的反射型的元件，也可以是液晶等透射型的元件。另外，作为对液晶等进行照明的发光体，可以使用背光源、LED(light emitting diode：发光二极管)、半导体激光器。特别是，如果使用DMD作为显示元件11，则能够容易地一边维持亮度一边将图像以高速进行切换，并且有利于使虚像距离或投影距离变化的显示。另外，显示元件11以30fps以上的帧率运行。由此，能够容易地表示为在不同的投影距离上同时显示多个显示像(虚像)IM。

投影光学系统15为固定焦点的透镜系统，虽然省略图示，但其具有多个透镜。投影光学系统15将显示元件11的显示面11a上形成的图像作为强制中间像TI’在漫射屏幕16上以适当的倍率进行放大投影。另外，投影光学系统15具有配置于该投影光学系统15的最靠漫射屏幕16侧的光阑15a。这样，通过配置光阑15a，投影光学系统15的漫射屏幕16侧的F数的设定和调整变得比较容易。

漫射屏幕16为用于将配光角控制成期望的角度的漫射板，在成像位置(即中间像TI的成像预定位置或其附近)形成强制中间像TI’。其结果是，通过使漫射屏幕16沿光轴AX方向移动，从而使强制中间像TI’的位置也沿光轴AX方向移动。作为漫射屏幕16，例如可以使用磨砂玻璃、透镜漫射板、微透镜阵列等。漫射屏幕16被支撑框部61支撑，并且被配置变更装置62驱动而沿光轴AX方向进行往复移动。在该情况下，能够将漫射屏幕16设为1块板状的漫射屏幕，因此能够实现光学系统的小型化，并且能够实现根据漫射屏幕16的位置使虚像距离连续地变化。

在虚像形成光学系统17中，将漫射屏幕16上形成的强制中间像TI’与显示屏幕20配合地进行放大，在驾驶人UN的前方形成作为虚像的显示像IM。虚像形成光学系统17由至少1块反射镜构成，在图示的例子中包含2块反射镜17a、17b。

在以上的主体光学系统13中，通过设置漫射屏幕16，不仅可以形成能够沿光轴AX方向移动的强制中间像TI’，还可以确保视角与视野范围尺寸，并且还可以提高光学系统的光利用效率。另外，如果由漫射屏幕16形成的漫射的配光角过窄，则视野范围尺寸会变小。相反地，如果使由漫射屏幕16形成的漫射的配光角过大，则为了提高光利用效率，需要减小虚像形成光学系统17的F值，因此焦深变浅从而能够显示的距离范围会变窄。

附属漫射屏幕16而设置的配置变更装置62是用于使漫射屏幕16、强制中间像TI’沿光轴AX移动到期望的位置上的装置。配置变更装置62具有对支撑框部61向光轴AX方向的可移动进行引导的引导部64，以及使支撑框部61与漫射屏幕16一起沿光轴AX方向以期望的速度往复移动的驱动部65。通过利用配置变更装置62使漫射屏幕16沿光轴AX进行移动，能够增大或减小通过虚像形成光学系统17在显示屏幕20的背面形成的作为虚像的显示像IM与观察者之间的距离。这样，通过使被投影的显示像IM的位置前后变化并且使显示内容与该位置相对应，可以使直至显示像IM的虚像距离发生变化，同时使显示像IM发生变化，由此能够使作为一系列的投影像的显示像IM作为三维图像。这里，漫射屏幕16的沿光轴AX的移动范围为与中间像TI的成像预定位置或其附近相当的范围，但理想的是在投影光学系统15的漫射屏幕16侧的焦深的范围内。由此，可以使强制中间像TI’的状态与作为虚像的显示像IM的成像状态都处于焦点大致重合的良好的状态。

理想的是，漫射屏幕16的移动速度是能够表示为作为虚像的显示像IM可以在多处或多个虚像距离上被同时显示的速度。例如，设显示像IM以远距离、中距离、以及近距离这3个阶段被依次投影，则可以认为，当使显示元件11以90fps进行显示时，各距离(例如远距离)的显示像IM以30fps进行显示的切换，中距离和近距离的显示像IM并列地进行显示并且切换是连续的。另外，由上文可以明确，漫射屏幕16的移动速度被设定成与显示元件11的显示动作同步。由此，在多个距离上可以显示与每个该距离的情况相应的多个虚像。

另外，本实施方式中的配置变更装置62使漫射屏幕16沿光轴AX往复运动，但例如由于电动机进行的往复运动会重复进行加速和减速，因此会给电动机带来相当大的负荷，易于产生热。其结果可以想到无法获得如假设那样的运动速度。作为解决这一点的方法，可以考虑在引导部64中插入弹簧，利用其弹力来辅助进行加速和减速。或者，可以考虑将利用凸轮结构、滑块-曲柄机构等使旋转运动成为往复运动作为一种方法。

虚像形成光学系统17满足下述条件式(1)

2≤FOV/(m×H)≤4……(1)。

其中，值FOV表示虚像形成光学系统17的水平方向视角[rad]，值m表示投影光学系统15的光学倍率，值H表示显示元件11的水平方向长度[m]。这里，水平方向长度是指与驾驶人UN的眼睛并列的横向或X方向。通过设为满足上述条件式(1)的范围，可以实现虽然小型但具有高倍率且高性能的虚像显示光学系统30。另外，即使不增大漫射屏幕16的移动量，也可以使作为虚像的显示像IM的移动范围变得较大。通过使值FOV/(m×H)处于条件式(1)的上限以下，能够容易避免发生光学系统变得大型、虚像或显示像IM产生变形这样的情况。另一方面，通过使值FOV/(m×H)处于条件式(1)的下限以上，可以确保充分的视角，由此使得与安全驾驶辅助的匹配变得良好。在具体的制作例中，设水平方向视角FOV为0.279[rad](16°)，设投影光学系统15的光学倍率m为9.6，设显示元件11的水平方向长度H为0.00866[m]。在这种情况下，条件式(1)的值FOV/(m×H)等于3.36。

虚像形成光学系统17满足下述条件式(2)

2≤M/L≤4……(2)。

其中，值M表示虚像形成光学系统17的光学倍率，值L表示从驾驶人UN的眼睛或瞳孔HT所在的观察位置到作为虚像的显示像IM的距离[m]。通过设为满足上述条件式(2)的范围，可以实现虽然小型但具有高倍率且高性能的虚像显示光学系统30。另外，即使不增大漫射屏幕16的移动量，也可以使虚像或显示像IM的移动范围变得较大。通过使值M/L处于条件式(2)的上限以下，能够容易避免发生光学系统变得大型、虚像或显示像IM产生变形这样的情况。另一方面，通过使值M/L处于条件式(2)的下限以上，可以确保充分的视角，由此使得与安全驾驶辅助的匹配变得良好。在具体的制作例中，设虚像形成光学系统17的光学倍率M为35.3，设从观察位置到虚像的值L为10[m]。在这种情况下，条件式(2)的值M/L等于3.53。另外，设虚像形成光学系统17的光学倍率M为16.8，设从观察位置到虚像的值L为5[m]。在这种情况下，条件式(2)的值M/L等于3.36。

投影光学系统15满足下述条件式(3)

0.8≤2×F×P×m²/δ≤1.2……(3)。

其中，值F表示投影光学系统15的显示元件11侧的F数，值P表示显示元件11的像素间距[mm]，值δ表示用于获得期望的虚像距离范围所需要的漫射屏幕移动量[mm]。通过设为满足上述条件式(3)的范围，可以在漫射屏幕16侧确保充分的焦深，因此可以在期望的虚像距离范围内成为清晰的虚像显示。

图3为说明条件式(3)的概念性的截面图，是将由投影光学系统15形成的中间像TI的成像位置进行了放大的图。为了确保用于获得期望的虚像距离范围所需要的漫射屏幕16的移动量δ[mm]，设与显示光HK相关的焦深的范围或幅度为Δ[mm]，由于可以被看作是进行分辨的容许弥散圆的直径ε[mm]是由大约m×P来获得的，因此设投影光学系统15的像侧的F数为F’，设显示光HK的收敛角或发散角为θ，则

m×F＝F’＝1/(2·sinθ)≒1/(2·tanθ)

＝Δ/2ε＝Δ/2mP。

如果将其变更为给出焦深的范围Δ的式子，则

Δ≒2×F×P×m²。

这里，如果焦深的范围Δ使用漫射屏幕16的移动量δ以α×δ(α为系数)表示，则

α≒2×F×P×m²/δ。

即，可知如果使值2×F×P×m²/δ成为接近于1的值，则可以在有效利用了投影光学系统15的焦深的范围Δ的较广的范围内使漫射屏幕16即强制中间像TI’移动。另外，可知即使将显示光HK的成像的光线束变细而使聚焦偏移，如果是可以被看作是对焦的范围，则即使使漫射屏幕16移动对于成像也几乎没有影响。

在具体的制作例中，设投影光学系统15的显示元件11侧的F数为10.7，设显示元件11的像素间距为0.0076[mm]，设漫射屏幕16的移动量δ为15[mm]。在这种情况下，条件式(3)的值2×F×P×m²/δ等于0.999。

图4的A为说明实施方式的虚像显示光学系统30的显示的概念性的俯视图，图4的B为说明图4的A所对应的显示的观察方法的图。如图4的A所示那样，对在驾驶人UN所观察的对象物(在这种情况下是在相对行车道上行驶的汽车)KT的位置或该位置的附近形成显示像IM即显示框HW的情况进行说明。这样的显示框HW为危险警告信号及其他的虚像，例如表示识别出与前方接近的汽车、自行车、行人等的结果。在该情况下，显示框HW如图4的A所示那样在对象物KT的附近投影出显示框HW，因此如图4的B所示那样，不仅位于标准位置P0处的驾驶人UN可以观察到对象物KT与显示框HW大致重叠且大致没有偏移，而且在移动了头的位置的变动位置P1处姿势发生了变化的驾驶人UN也能够观察到对象物KT与显示框HW大致重叠且大致没有偏移，。在上文中，设显示像IM为显示框HW，但显示像IM不限于显示框HW，也可以为与驾驶、前方对象物相关的各种显示。

图5的A为说明比较例的虚像显示光学系统30的显示的概念性的俯视图，图5的B为说明与图5的A对应的显示的观察方法的图。如图5的A所示那样，对与驾驶人UN所观察的对象物KT无关且在固定位置形成显示像IM即显示框HW的情况进行说明。在这种情况下，如图5的A所示那样，在对象物KT的跟前投影了显示框HW，因此如图5的B所示那样，对于位于标准位置P0的驾驶人UN而言，即使可以观察到对象物KT与显示框HW大致重叠且大致没有偏移，但对于在变动位置P1处姿势发生了变化的驾驶人UN而言，可以观察到显示框HW相对于对象物KT在与眼睛并排的横向上发生大幅位置偏移，从而对显示框HW误认的可能性提高。

图6为说明移动体用显示系统200的框图，移动体用显示系统200包含图像显示装置100作为其一部分。该图像显示装置100具有图2所示的结构，这里省略说明。图6所示的移动体用显示系统200被组装于作为移动体的汽车等中。

移动体用显示系统200除了图像显示装置100以外，还具备驾驶人检测部71、环境监视部72以及主控制装置90。

驾驶人检测部71为检测驾驶人UN的存在和视点位置的部分，具备驾驶座用照相机71a、驾驶座用图像处理部71b以及判断部71c。驾驶座用照相机71a被设置于车体2内的仪表板4的驾驶座6正面(参照图1的B)，拍摄驾驶人UN的头部及其周边的图像。驾驶座用图像处理部71b对于由驾驶座用照相机71a拍摄得到的图像进行亮度校正等的各种图像处理并使判断部71c的处理变得容易。判断部71c通过从经过驾驶座用图像处理部71b的驾驶座图像提取或剪切对象来检测驾驶人UN的头部和眼睛，并且根据驾驶座图像所附带的纵深信息计算车体2内的驾驶人UN的头部的是否存在以及驾驶人UN的眼睛的空间上的位置(结果为视线的方向)。

环境监视部72为识别与前方接近的汽车、自行车、行人等的部分，具备外部用照相机72a、外部用图像处理部72b以及判断部72c。外部用照相机72a被设置于车体2内外的适当位置，拍摄驾驶人UN或前车窗8的前方、侧方等的外部图像。外部用图像处理部72b对由外部用照相机72a拍摄得到的图像进行亮度校正等的各种图像处理并使判断部72c的处理变得容易。判断部72c通过从经过外部用图像处理部72b的外部图像提取或剪切对象来检测汽车、自行车、行人等对象物KT(例如参照图4的A)是否存在，并且根据外部图像所附带的纵深信息计算车体2前方的对象物KT的空间上的位置。

另外，驾驶座用照相机71a和外部用照相机72a虽然省略了图示，但例如为复眼式的三维照相机。即，这两个照相机71a、72a是将以成像用的透镜以及CMOS的其他摄像元件作为一组的照相机元件排列成矩阵状，且分别具有摄像元件用的驱动电路。构成各照相机71a、72a的多个照相机元件例如在纵深方向的不同的位置处对焦，或者可以检测相对的视差，并且通过解析从各照相机元件获得的图像的状态(聚焦状态、对象的位置等)，可以判定到图像内的各区域或对象的距离。

另外，即使使用将二维照相机与红外距离传感器组合而成的设备来代替上述那样的复眼式的照相机71a、72a，也可以对于拍摄得到的画面内的各部分获得纵深方向的距离信息。另外，代替复眼式的照相机71a、72a，通过利用分离配置有2个二维照相机的立体照相机，可以对于拍摄得到的画面内的各部分(区域或对象)获得纵深方向的距离信息。此外，在单一的二维照相机中，即使一边使焦点距离高速地变化一边进行拍摄，也可以对于拍摄得到的画面内的各部分获得纵深方向的距离信息。

显示控制部18是在主控制装置90的控制下使虚像显示光学系统30运行，并且使显示屏幕20的背面显示虚像距离或投影距离发生变化的三维的显示像IM。显示控制部18根据经由主控制装置90从环境监视部72接收得到的包含显示形状、显示距离在内的显示信息，生成使虚像显示光学系统30显示的显示像IM。显示像IM例如可以设为对于在显示屏幕20的背面所存在的汽车、自行车、行人以及其他对象物KT，关于其纵深位置方向而位于周边的显示框HW(参照图4的B)那样的标识。

显示控制部18经由主控制装置90从驾驶人检测部71接收与驾驶人UN的存在、眼睛的位置相关的检测输出。由此，能够实现虚像显示光学系统30的显示像IM的投影的自动开始和停止。另外，也可以仅在驾驶人UN的视线的方向上进行显示像IM的投影。并且，也可以进行如下投影：仅将驾驶人UN的视线的方向的显示像IM变亮、进行闪烁等强调。

主控制装置90具有使图像显示装置100、环境监视部72等的运行协调的作用，以与由环境监视部72检测出的对象物KT的空间上的位置对应的方式，调整通过虚像显示光学系统30投影的显示框HW的空间上的配置。

根据以上所说明的第1实施方式涉及的图像显示装置100或虚像显示光学系统30，通过使漫射屏幕16的位置沿光轴AX例如在投影光学系统15的漫射屏幕16侧的焦深的范围内高速地变化，从而可以使虚像在多个距离上离散或连续地显示。由此，使危险警告信号及其他虚像(例如显示框HW)与包含纵深方向在内的被透视的对象物KT即实物或透视像进行重叠。其结果是，即使眼睛的位置或焦点位置从远处到附近发生改变，也可以抑制虚像与实物之间产生偏移，并且在将这样的虚像显示光学系统30应用于移动体用显示系统200那样的驾驶辅助系统的情况下，可以进一步提高系统的安全性。

〔第2实施方式〕

以下，对于第2实施方式涉及的图像显示装置或虚像显示光学系统进行说明。另外，第2实施方式的图像显示装置等是将第1实施方式的图像显示装置等进行了变形的图像显示装置等，没有特别说明的事项与第1实施方式相同。

如图7所示那样，在第2实施方式的图像显示装置100的情况下，作为漫射屏幕116(也包含后述的支撑体19f)的旋转体19a被设置于配置变更装置162的旋转驱动装置19b所驱动并以一定速度进行旋转。旋转体19a具有多个漫射区域16a～16d。这些漫射区域16a～16d与光轴AX方向相关的位置不同，但伴随旋转体19a的旋转依次配置于投影光学系统15的成像位置(即中间像TI的成像预定位置或其附近)。

如本实施方式的图像显示装置100那样，对漫射屏幕116进行旋转驱动的情况与使漫射屏幕往复移动的情况相比，对于驱动机构的负担少，因此能够实现高速且稳定的运行。

图8的A为说明漫射屏幕116和配置变更装置162的侧方截面图，图8的B为说明漫射屏幕116的主视图。作为漫射屏幕116的旋转体19a具有与光轴AX平行地延伸的供旋转轴RX所通过的轴部19d、被轴部19d支撑且具有配置于旋转轴RX的周围的4个支撑体区域19e的支撑体(或车轮)19f、以及被各支撑体区域19e保持且沿与光轴AX垂直的方向延伸的4个漫射区域16a～16d。旋转驱动装置19b经由轴部19d使旋转体19a旋转。旋转驱动装置19b固定于作为支柱的支撑构件19j。另外，支撑构件19j固定于作为台座的支撑部主体19s。

支撑体19f为具有圆筒形状的车轮，是通过漫射屏幕116的光路上的一对端面19g、19h具有光透过性的中空的构件。在支撑体19f的端面19g侧的中心部分处设置有圆柱凹状的凹坑19i。凹坑19i中组装有构成旋转驱动装置19b的外部电动机19k。通过外部电动机19k可以使支撑体19f直接旋转。

旋转驱动装置19b具有旋转部分的外部电动机19k和非旋转部分19u。非旋转部分19u固定于支撑构件19j。

外部电动机19k在内侧具有线圈，在外侧具有永久磁铁和电动机外壳壳体。外部电动机19k采用永久磁铁和外壳壳体与旋转轴RX一起旋转的结构。另外，作为其它类型的内部电动机，采用永久磁铁位于内侧，永久磁铁和旋转轴进行旋转的结构。因此，旋转的重量是外部电动机19k与内部电动机相比较重，因此绕轴的惯性力矩较大，并且驱动转矩也较大。由此，外部电动机19k与内部电动机相比，易于获得稳定的旋转速度。即，外部电动机19k是对于想要沿一定方向以一定速度使漫射屏幕16旋转的3D AR(Augmented Reality：增强现实)HUD系统而言有利的电动机。另外，如果考虑电动机的寿命，则优选的是，即使在外部电动机19k中也使用没有整流刷的无刷外部电动机。

旋转体19a被外部电动机19k正向旋转控制。由此，可以简化旋转机构。另外，可以稳定地驱动旋转体19a。例如，对于尺寸为直径150mm且重量为300g～400g的旋转体19a而言，使其以3600rpm额定正向旋转。在该情况下，如果使用输出转矩为20mN以下的小型尺寸的外部电动机19k，则可以使旋转体19a以充分发挥作用的方式旋转运行。

在车载HUD中，由于允许搭载的空间有限，因此要求抑制HUD容积。从HUD的容积这一的观点来看，对于可以改变虚像距离的3D AR HUD而言，如本实施方式的图像显示装置100那样，重要的是简化用于改变虚像距离的可动部机构(具体而言是包含电动机在内的旋转机构)。

通过利用旋转驱动装置19b使轴部19d旋转，从而支撑体19f也绕旋转轴RX的周围旋转。其结果是，4个漫射区域16a～16d在光轴AX上依次移动，各漫射区域16a～16d以横穿光轴AX的方式进行移动。此时，漫射区域16a～16d的中心以横穿光轴AX的方式来调整配置关系并完成定位。在从虚像形成光学系统17侧或正面观察时例如轴部19d沿顺时针方向旋转的情况下，按照漫射区域16a～16d的顺序配置于光轴AX上。在漫射区域16a的中心配置于光轴AX上的时刻，漫射区域16a最接近于虚像形成光学系统17，在该时刻，显示元件11所显示的图像作为虚像显示在最靠近显示屏幕20的背面处。此外，在漫射区域16c的中心配置于光轴AX上的时刻，漫射区域16c最远离虚像形成光学系统17，在该时刻，显示元件11所显示的图像作为虚像显示在最远离显示屏幕20的背面处。由上文可以明确，显示元件11中的图像的显示是在如闪光灯那样间歇性且漫射区域16a～16d被配置于光轴AX上的时刻进行的。如本实施方式的图像显示装置100那样，在漫射屏幕16被分成4个漫射区域16a～16d的情况下，可以投影的虚像距离只有4个。另外，在漫射屏幕16部分以外的部分不进行投影发光。

在支撑体19f旋转一周的过程中，4个漫射区域16a～16d依次横穿光路。从虚像距离这一的观点来看，当使显示元件11持续发光，并且使支撑体19f高速地旋转一周时，作为虚像的显示像IM1～IM4如图9所示那样可以视觉识别为在虚像距离L1、L2、L3、L4的位置处被同时显示。虚像距离L1～L4例如可以设定为3m、7m、20m、70m等。另外，如果设置5个以上的漫射区域，则可以在5个以上的虚像距离显示虚像。

如图10所示那样，移动体用显示系统200除了图像显示装置100以外，还具备驾驶人检测部71、环境监视部72、主控制装置90、PID控制部81以及伺服机构82。本实施方式的移动体用显示系统200构成为，由于具备PID控制部81等，因此能够实现图像显示装置100的运行的反馈控制。

PID(Proportional-Integral-Differential：比例积分微分)控制部81在主控制装置90的控制下使伺服机构82运行，主要进行显示元件11的运行和漫射屏幕16的运行的反馈控制。在显示元件11的发光定时、旋转体19a的转速或旋转速度等偏离设定值的情况下，伺服机构82经由PID控制部81将它们自动控制成达到设定值。

这里，对于车载HUD，特别是AR HUD而言，要求向驾驶人UN及时且准确地传达危险对象。即，要求从设置于车的各种传感器(例如单眼照相机、立体照相机、LiDAR(LaserImaging Detection and Ranging：激光成像检测与测距)、FIR(far infrared rays：远红外线)照相机、超声波传感器等)不断地获得的物体信息中，将车载ECU(ElectronicControl Unit：电子控制单元)判断为危险的对象物KT(参照图4等)没有时间延迟并且准确地向驾驶人UN传达该对象物KT的位置。从AR HUD的时间的准确性和位置的准确性的观点来看，包含漫射屏幕16的旋转体19a的旋转与AR投影显示的定时的同步是重要的。旋转体19a每旋转一周，覆盖虚像距离从最短到最长，但如果旋转体19a的旋转与投影显示的定时偏离，则会在与实际的对象物KT的距离不同的虚像距离处进行显示，不能确保相对于驾驶人UN的头的位置偏移的显示位置的准确性。

例如在以帧率30fps在5处虚像距离显示虚像的情况下，作为虚像位置分辨率，需要是30fps的1/5即150fps。因此，如果显示的虚像距离的数目增多，则显示定时的控制也相应地难以变得高速。另外，电动机转速也难以一直保持一定。作为针对以上问题的处理方法，可以考虑以下2个方法。

(模式1)控制显示元件11的发光定时的方法

以触发旋转体19a的旋转脉冲的方式来控制显示元件11。由此，可以根据外部电动机19k的旋转来控制显示元件11。如图11所示那样，从正面(光轴AX方向)来看支撑体19f时，在旋转体19a中，在漫射区域16a～16d的外侧，设置有检测外部电动机19k的旋转角的霍尔元件19m。在图示的例子中，在与旋转体19a的4个漫射区域16a～16d对应的支撑体区域19e上，分别设置有霍尔元件19m。伴随支撑体19f的旋转的旋转信号作为各霍尔元件19m的脉冲信号被得到。图12的A～图12的C为说明旋转信号与显示元件的发光定时的关系的图。在图12的A中，标号S1～S4表示与漫射区域16a～16d对应的支撑体区域19e上设置的各霍尔元件19m产生的磁力或磁场所对应的旋转信号。这里，如果可以判别各脉冲为哪个位置的旋转信号，则如图12的A和图12的B所示那样，通过触发支撑体19f的旋转信号脉冲，可以在适当的时刻产生显示元件11的发光脉冲(点灯信号)。由此，可以使驾驶人UN视觉识别为在图9所示的虚像距离L1～L4虚像被同时显示。此外，如图12的C所示那样，如果在仅与虚像距离L2对应的时刻使显示元件11发光，也可以只是使驾驶人UN视觉识别虚像距离L2处的虚像。

在本方法中，如图13的A和图13的B举例示出的那样，在旋转体19a的转速或旋转速度仅以时间差t1分钟延迟，且与虚像距离L2对应的旋转信号在用标号S2’表示的时刻产生的情况下，使作为显示元件11的显示定时的发光定时延迟与上述旋转信号延迟的相同时间差(即，时间差t1)。其结果是，可以在与虚像距离L2对应的时刻使显示元件11发光。这里，旋转体19a的旋转速度一直被控制成设定值，如果与设定值具有偏差，则虚像距离L3以后也调整显示元件11的发光定时。

另外，在本方法中，代替霍尔元件19m，也可以使用旋转编码器19o。具体而言，如图14的A和图14的B所示那样，在旋转体19a设置开口部19p，通过使用利用光传感器检测通过光的旋转编码器19o来检测旋转体19a的旋转，并且控制虚像显示。开口部19p设置于漫射屏幕116中的漫射区域16a～16d以外的部分。在图示的例子中，开口部19p设置于漫射区域16c、16d间的支撑体区域19e上，但也可以设置于其它漫射区域间或旋转体19a的中央部附近。与开口部19p对应的位置处的旋转体19a的光入射侧设置有编码用光源部19q，与开口部19p对应的位置处的旋转体19a的光出射侧设置有编码用受光部19r。

当使旋转体19a旋转时，在开口部19p来到编码用光源部19q面前时，编码用受光部19r的光量成为最大，由此可知旋转体19a的旋转位置。在图示的例子中，在漫射区域16a～16d中也透过光，但由于存在光的漫射作用，因此与漫射区域16a～16d对应的编码用受光部19r的光量与开口部19p对应的编码用受光部19r的光量相比较低。根据如以上那样的编码用受光部19r的光量成为最大的时刻，控制显示元件11的发光。由此，即使外部电动机19k的转速由于干扰等从设定转速偏移，也可以使漫射屏幕16的旋转与显示元件11的发光定时准确地同步。另外，在图13的B中，支撑体区域19e的网眼部分是由遮闭光的材料形成的。作为遮闭光的构件，可举出例如聚丙烯等。

如图12的D～图12的F所示那样，即使在使用旋转编码器19o的情况下，通过使编码器信号与点灯信号的定时同步，可以在准确的位置没有时间延迟地进行虚像与对象物重叠后的显示。在图12的D中，标号T1、T2分别表示在旋转体19a的第一次旋转和第二次旋转中的、通过开口部19p并被编码用受光部19r接收的光所对应的编码器信号。如图12的D和图12的E所示那样，通过触发支撑体19f的编码器信号脉冲，可以在适当的时刻产生显示元件11的发光脉冲(点灯信号)。由此，可以使驾驶人UN视觉识别为在图9所示的虚像距离L1～L4虚像被同时显示。此外，如图12的F所示那样，如果在与虚像距离L2对应的时刻使显示元件11发光，则也可以仅使驾驶人UN视觉识别虚像距离L2处的虚像。

另外，在本方法中，优选的是使外部电动机19k的旋转驱动为一定。通过基于旋转体19a的旋转角信息来控制外部电动机19k的转速，可以使旋转体19a的转速为一定。旋转角可以使用已经说明的霍尔元件19m和旋转编码器19o进行检测。

(模式2)控制外部电动机的转速的方法

关于旋转体19a，基于显示元件11的发光定时和旋转体19a的旋转角信息来控制外部电动机19k的转速。该方法可以有效地用于显示元件11的发光定时为一定的情况。旋转体19a的旋转角可以如图11所示那样，使用霍尔元件19m进行检测。另外，如图14的A所示那样，代替霍尔元件19m可以使用旋转编码器19o来检测旋转角。

在本方法中，如图13的C和图13的D举例示出的那样，在旋转体19a的转速或旋转速度仅以时间差t1分钟延迟，与虚像距离L2对应的旋转信号在以标号S2’表示的时刻产生的情况下，与虚像距离L3对应的旋转信号在以标号S3’表示的定时即仅提前以与虚像距离L2对应的旋转信号延迟的相同时间差(即，时间差t1)相应的分钟。此后，在与虚像距离L3对应的时刻，进行调整使得旋转体19a的旋转速度恢复至设定值。其结果是，在与虚像距离L2对应的时刻，即使显示元件11的发光定时偏离，在与虚像距离L3对应的时刻，也可以使显示元件11的发光定时与旋转体19a的原本的旋转速度同步。另外，调整旋转速度的定时不限于与虚像距离L3对应的定时，也可以是与虚像距离L4对应的定时以后。然而，理想的是，以使旋转体19a的旋转速度的偏离不变大的方式，在产生规定的阈值以下的速度偏离后，以阶段进行反馈。由此，可以防止超过容许值的速度偏离的产生。

本实施方式的图像显示装置100为了使包含漫射屏幕116在内的旋转体19a的旋转与作为投影信息的显示元件11的发光定时(投影显示定时)同步，进行反馈控制，使得外部电动机19k的旋转速度继续成为设定值。即使外部电动机19k的旋转速度稳定，随着时间经过，有时也发生变化。因此，如果没有取得旋转与发光定时的同步，一旦外部电动机19k的旋转速度发生了变化之后，由于旋转体19a的旋转与显示元件11的发光定时处于偏离的状态，因此虚像距离变得不适当，或在投影位置不同的地点持续投影。因此，在外部电动机19k的旋转速度发生了变化的情况下，如上述那样，需要与旋转速度变化对应地使显示元件11的发光定时发生变化(模式1)，或将外部电动机19k的旋转速度恢复至设定值(模式2)。由此，可以向驾驶人UN在正确的虚像距离和正确的位置进行虚像显示。

〔第3实施方式〕

以下，对于第3实施方式涉及的图像显示装置等进行说明。另外，第3实施方式的图像显示装置等是将第1和第2实施方式的图像显示装置等进行了变形的图像显示装置等，没有特别说明的事项与第1实施方式等相同。

如图15所示那样，在第3实施方式涉及的图像显示装置100的情况下，在前车窗8的驾驶座6正面设置的矩形的反射区域8d的内侧粘贴有作为屏幕的显示屏幕220。

〔第4实施方式〕

以下，对于第4实施方式涉及的图像显示装置或虚像显示光学系统进行说明。另外，第4实施方式的图像显示装置等是将第2实施方式的图像显示装置等进行了变形的图像显示装置等，没有特别说明的事项与第2实施方式相同。

如图16的A和图16的B所示那样，在第4实施方式的图像显示装置100中，漫射屏幕216整体上是将漫射面16e与底面16f作为一对面(或上下面)的圆盘形状。漫射屏幕16在从光轴AX方向观察时被分割成多个(在图示的例子中为4个)区域，在该分割的边界16g处形成有在光轴AX方向(或上下方向)上具有级差部16h的旋转体19a。图像显示装置100通过使旋转体19a旋转从而使旋转体19a的漫射面16e以横穿光轴AX的方式进行移动，由此使虚像距离发生变化。具体而言，漫射屏幕16由作为漫射面16e的4个漫射区域216a～216d构成，该漫射区域216a～216d的各漫射面16e以在光轴AX方向上处于不同位置的方式，使各级差部16h的高度(或光轴AX方向的厚度)不同。在旋转体19a的中心部分处设置有圆柱凹状的凹坑19i，在该凹坑19i中设置有外部电动机19k。

虽然省略图示，但在本实施方式的漫射屏幕216中，为了实现旋转体19a的旋转速度与显示元件11的发光定时的同步，例如使用旋转编码器。在这种情况下，旋转编码器设置于旋转体19a的中央部。

另外，在本实施方式的旋转体19a中，通过设置多个级差部16h使光轴AX方向上的厚度分阶段地变化，但也可以不设置级差部16h，而将底面16f作为基准面在圆周方向上使厚度连续地变化。

在上文中，对于作为具体的实施方式的虚像显示光学系统30和图像显示装置100进行了说明，但本发明涉及的虚像显示光学系统等不限于上述虚像显示光学系统等。例如，在第1实施方式中，可以使图像显示装置100的配置上下反转，在前车窗8的上部或遮阳板位置处配置显示屏幕20，在该情况下，在描绘单元10的斜下方前方配置显示屏幕20。另外，显示屏幕20可以配置于与汽车的以往的透镜对应的位置。

在上述实施方式中，显示屏幕20的轮廓不限于矩形，可以形成为各种形状。

图2所示的投影光学系统15和虚像形成光学系统17只是示例，对于这些投影光学系统15和虚像形成光学系统17的光学的构成可以进行适当变更。例如，可以在投影光学系统15中以追加的方式形成作为中间像TI的前段的中间像。另外，在投影光学系统15和虚像形成光学系统17的光路中，可以配置不具有光学功率的反射镜。在该情况下，有时对于基于折叠的描绘单元10等的小型化是有利的。

在上述实施方式中，显示屏幕20为平板状，但也可以在考虑主体光学系统13的光学规格的同时使显示屏幕20为曲面。

显示像(虚像)IM的显示位置不限于上述实施方式举例示出的3处或4处，可以设定为5处以上的适当数目。此外，显示像IM的显示可以通过使位置发生变化的方式连续或间断地进行。

在上述实施方式中，将漫射屏幕16的漫射区域16a～16d以长方形举例示出，但漫射屏幕16的漫射区域也可以形成梯形、扇形或其他形状。作为更优选的实施方式，设为考虑了漫射屏幕的区域数目、旋转轴RX与光轴AX的关系性、旋转速度等的形状。例如，在图17中，在漫射屏幕16上设置6个区域(图中的漫射区域216a～216f)，在将旋转轴RX相对于光轴AX例如在沿右斜上方或左斜下方的45°方向移动后的位置处配置的基础上，在考虑旋转速度时的理想的形状。另外，与漫射区域16a～16d的光轴AX方向相关的配置不限于沿着光轴AX方向分阶段地增加或减少的情况，可以将相对于虚像形成光学系统17的远近的顺序不均匀或不规则地替换。

在第2实施方式中，使用PID控制部81以使漫射屏幕216的运行与显示元件11的运行同步的方式进行反馈控制，但在第1实施方式等中也可以进行反馈控制。

在上述实施方式中，可以将漫射屏幕16、116、216用大致圆柱状并且中空并具有光透过性的罩300包围。如图18的A所示那样，在第2实施方式的漫射屏幕116上安装罩300的情况下，罩300被固定于支撑构件19j。另外，在图18的A中，可举出外部电动机19k设置于支撑体19f，仅旋转体19a进行旋转的例子。详细情况在后文叙述，但外部电动机19k不仅限于支撑体19f，罩300也可以按照与旋转体19a一起旋转的方式进行设置。

在漫射屏幕116等从圆周方向观察具有级差等的情况下，如果使漫射屏幕116等高速地旋转，则会产生高频的风噪。通过用罩300将这样的漫射屏幕116等覆盖，可以以不妨碍光路的方式降低伴随漫射屏幕116等的旋转的噪音。罩300可以使用光透过性的丙烯酸、聚碳酸酯等。另外，罩300的两端面300a、300b只要具有光透过性即可，对于侧面300c，也可以使用不具有光透过性的塑料等。另外，也可以是，使罩300与支撑构件19j一体化，并使罩300与漫射屏幕116一同旋转。由于需要确保投影光学系统15和虚像形成光学系统17的光路，因此罩300在从其正面观察时，开口部设置于两面，并且开口部上嵌入有透明塑料(未图示)。罩300可以是一层也可以是两层。此外，也可以在罩300的内侧设置吸振和吸音构件。

另外，处于罩300的内侧的旋转体19a为了使虚像距离可变，其重量结构相对于旋转轴RX是不对称的。在旋转体19a从停止状态变为设定转速的中途或在设定旋转时，有可能旋转体19a在光轴AX方向上产生振动。另外，有时伴随着汽车行驶的振动会产生光轴AX方向上的振动。如果随着这样的振动，各漫射屏幕116从投影光学系统15的焦深偏离，则显示像变得模糊。为了防止各漫射屏幕116的光轴AX方向上的抖动，可以如图18的B所示那样，以夹持外部电动机19k的旋转轴RX的方式，在罩300的两端设置刚性高的支撑构件19j，将一对支撑构件19j固定于支撑部主体19s。通过将罩300用一对支撑构件19j进行固定，可以提高旋转体19a的光轴AX方向上的刚性，并且可以防止由振动等带来的漫射屏幕116本身的光轴AX上的位置偏移。另外，通过用支撑构件19j进行固定，也具有如下效果：抑制由于旋转体19a的重心从外部电动机19k的旋转轴RX偏离而造成的对于电动机轴承的负荷。

另外，在上述实施方式所描述的图像显示装置中，关于漫射屏幕116等的运行、罩300的有无(一层或两层)、罩300的旋转的有无以及漫射屏幕116和罩300的固定方法，可以考虑以下表1所示的模式1～4。

〔表1〕

在第2实施方式等中，作为使旋转体19a旋转的机构，使用了外部电动机19k，但也可以使用其它电动机等。

Claims (16)

1.一种虚像显示光学系统，其具备：

显示元件；

投影光学系统，其将形成在所述显示元件上的像放大；

漫射屏幕，其具有漫射功能，且配置于所述投影光学系统的光射出侧；以及

虚像形成光学系统，其将所述漫射屏幕上的像转换为虚像，

并且该虚像显示光学系统具备配置变更装置，该配置变更装置使所述漫射屏幕的位置发生变化。

2.根据权利要求1所述的虚像显示光学系统，其中，

所述显示元件具有二维的显示面。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的虚像显示光学系统，其中，

所述漫射屏幕配置于所述投影光学系统的成像位置，通过在焦深内沿光轴方向往复驱动，从而使虚像距离发生变化。

4.根据权利要求1和2中任一项所述的虚像显示光学系统，其中，

所述漫射屏幕是具有多个区域的旋转体，所述多个区域的与光轴方向相关的位置不同，并且所述多个区域能配置于所述投影光学系统的成像位置，

通过使所述旋转体旋转并以横穿光轴的方式使所述多个区域移动，从而使虚像距离发生变化。

5.根据权利要求1和2中任一项所述的虚像显示光学系统，其中，

所述漫射屏幕是具有以漫射面和底面为一对面的圆盘形状且光轴方向的厚度在圆周方向上不同的旋转体，

通过使所述旋转体旋转并以横穿所述光轴的方式使所述旋转体的漫射面移动，由此使虚像距离发生变化。

6.根据权利要求4和5中任一项所述的虚像显示光学系统，其中，

利用外部电动机对所述旋转体进行正向旋转控制。

7.根据权利要求4～6中任一项所述的虚像显示光学系统，其中，

通过触发所述旋转体的旋转脉冲来控制所述显示元件。

8.根据权利要求4～7中任一项所述的虚像显示光学系统，其中，

基于所述旋转体的旋转角信息来控制所述旋转体的转速。

9.根据权利要求4～8中任一项所述的虚像显示光学系统，其中，

所述漫射屏幕被大致圆柱状并且中空的具有光透过性的罩包围。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的虚像显示光学系统，其中，

所述漫射屏幕与所述显示元件的显示动作同步移动。

11.根据权利要求10所述的虚像显示光学系统，其中，

所述显示元件以30fps以上的帧率运行。

12.根据权利要求1～11中任一项所述的虚像显示光学系统，其中，所述虚像显示光学系统满足下述条件式：

2≤FOV/(m×H)≤4

其中，

FOV是所述虚像形成光学系统的视角[rad]，

m是所述投影光学系统的光学倍率，

H是所述显示元件的水平方向长度[m]。

13.根据权利要求1～12中任一项所述的虚像显示光学系统，其中，所述虚像形成光学系统满足下述条件式：

2≤M/L≤4

其中，

M是所述虚像形成光学系统的光学倍率，

L是从观察位置直至虚像的距离[m]。

14.根据权利要求1～13中任一项所述的虚像显示光学系统，其中，对所述投影光学系统的F数进行设定以满足下述条件式：

0.8≤2×F×P×m²/δ≤1.2

其中，

F是所述投影光学系统的所述显示元件侧的F数，

P是所述显示元件的像素间距[mm]，

δ是获得期望的虚像距离范围所需要的漫射屏幕移动量[mm]。

15.根据权利要求1～14中任一项所述的虚像显示光学系统，其中，

所述投影光学系统具有光阑，

所述光阑配置于所述投影光学系统的最靠漫射屏幕侧。

16.一种图像显示装置，其搭载有权利要求1～15中任一项所述的虚像显示光学系统。