JP2015075510A - 投影装置及び虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、高精度に自動フォーカスができる。【解決手段】コントロールユニット３００は、投射光学系（反射型表示素子２３０）にテスト画像Ｊを表示させ、テスト画像Ｊである位置調整用画像Ｊａを透過スクリーン２６０の近傍に配設した光強度検出部２７０上に位置調整した後、フォーカス調整用画像Ｊｂによる光強度検出部２７０からの出力信号に基づき移動機構２５０を制御して投射手段２４０を移動させることで、透過スクリーン２６０上に表示される表示画像Ｍのフォーカス調整を行うものである。【選択図】 図３

Description

本発明は、車両に搭載される表示画像を結像部材に投影する投影装置及び虚像を表示する虚像表示装置に関するものである。

虚像表示装置であるヘッドアップディスプレイ装置は、光源部と表示素子（液晶表示パネル等）とからなる表示器と、凹面鏡等の反射ミラーと、外装筐体と、防塵カバーとから主に構成されている。表示器からの表示光は凹面鏡等の反射ミラーで反射され、開口部に設置された防塵カバーを通してウインドシールド等の反射手段に入射する。そして、この入射光がウインドシールド等の反射手段により反射されることにより、映像情報がウインドシールド等の前方に形成される虚像として表示される。

特許文献１に開示されたヘッドアップディスプレイ装置は、光源部，表示器，投射手段（レンズ）からなる投影装置を備え、この投影装置は、光源部及び表示器によって生成された映像情報をレンズによって導光部の結像部材上へ実像として投射結像させる構造である。光源部は、例えば、ハロゲンランプ等の各種ランプやＬＥＤ，スキャナ型の投影機等が使用される。また、表示器には、例えば液晶表示パネルやＤＭＤ等の表示素子を用いている。斯かる構成にすることで、大きさや形状，配置等の設計の自由度を従来よりも高めたヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能である。

しかし、特許文献１に開示された投影装置では、環境の温度変化や構成部品の特性の経時変化などにより、投射手段の寸法や光学的物性に変化が生じてしまい、結像部材上でフォーカスが合わないことにより結像部材上にて結像される実像がぼやけてしまうという問題を有している。

このような結像部材上で結像される画像のフォーカスを調整する方法としては、例えば、特許文献２に開示されるものがあり、実像を表示させる光を投射する投射光学系と、この実像が結像されるスクリーン（結像部材）と、このスクリーンの一部に受光面を有する受光検出手段と、投射光学系を操作して実像のフォーカス状態を変化させるフォーカス調整手段と、受光検出手段からの出力信号に基づき、フォーカス調整手段を制御することで、スクリーン上の実像のフォーカス状態を制御する制御部と、を備え、制御部は、フォーカス状態を変更しながら、パターン像を受光面に照射し、受光検出手段から出力される信号が最大になった場合、フォーカス状態が適切であると判定する。

特開２００４−１２６２２６号公報 特開平８−１６２３８２号公報

しかしながら、車両特有の振動などにより、各光学部材の位置関係がズレてしまい、図１０（ａ）に示すように、パターン像Ｊと受光面Ｐとの位置関係がズレてしまう可能性がある。画像は、結像部材上でのフォーカス状態が適切になると画像の大きさが小さくなる。したがって、パターン像Ｊと受光面Ｐとの位置関係がズレてしまっている場合、図１０（ｂ）に示すようにフォーカス状態が適切になったとしても、受光面Ｐにて受光される光（光が入光される面積）が減少してしまうため、制御部が、パターン像Ｊのフォーカス状態が適切であるか正しく判定することができないおそれがあった。
本発明は、この問題に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、高精度に自動フォーカス可能な投影装置及び虚像表示装置を提供するものである。

上記の課題を解決するため、本発明の第一の観点に係る投影装置は、表示画像を結像部材に投影する投影装置であって、前記表示画像を示す画像光を出射する投射光学系と、前記結像部材に照射される前記画像光を受光する受光検出手段と、この受光検出手段からの出力信号に基づいて前記投射光学系のフォーカス調整を行うフォーカス調整手段と、前記投射光学系の表示制御及び前記フォーカス調整手段のフォーカス調整を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記投射光学系にテスト画像を表示させ、前記テスト画像を前記受光検出手段上に位置調整した後、前記テスト画像による前記受光検出手段からの出力信号に基づき前記フォーカス調整制御を行うものである。

また、本発明の第二の観点に係る投影装置は、前記位置調整する際の前記テスト画像は、前記フォーカス調整制御をする際の前記テスト画像より小さくしてなるものである。

また、本発明の第三の観点に係る投影装置は、前記受光検出手段の受光領域は、前記位置調整する際の前記テスト画像より大きく、前記フォーカス調整制御をする際の前記テスト画像より小さくしてなるものである。

また、本発明の第四の観点に係る投影装置は、前記フォーカス調整制御をする際の前記テスト画像は、中心が前記受光検出手段の受光領域の中心と略一致するように表示されるものである。

また、本発明の第五の観点に係る虚像表示装置は、透過反射面に表示光が反射されることにより、前記透過反射面の奥行方向に虚像を視認させる虚像表示装置において、前記表示画像を前記結像部材に表示する投影装置と、前記投影装置が表示する前記表示画像の前記表示光を前記透過反射面にリレーするリレー光学系と、を備えたものである。

簡単な構成で、高精度に自動フォーカス可能な投影装置及び虚像表示装置を提供する。

本発明の実施形態を示す概略断面図。 同上実施形態の表示器の構成を示す図。 同上実施形態の透過スクリーンの正面図及び断面図。 同上実施形態を示すブロック図。 同上実施形態の出力信号のバックフォーカスとの関係を示す図である。 同上実施形態のフォーカス調整処理のフロー図である。 同上実施形態のフォーカス調整処理のフロー図である。 同上実施形態のフォーカス調整処理のフロー図である。 同上実施形態のテスト画像の移動の様子を示す図である。 従来例を説明する図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の虚像表示装置をヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置と記載）１００に適用した一実施形態を説明する。

ＨＵＤ装置１００は、例えば自動車に搭載されるものであり、図１等に示すように、筐体１０と、表示器（投影装置）２０と、平面鏡（リレー光学系）３０と、凹面鏡（リレー光学系）４０と、アクチュエータ５０と、制御基板（図示しない）と、を備え、表示器２０が表示した表示画像Ｍを表す表示光Ｌを、平面鏡３０と凹面鏡４０とで反射させ、ＨＵＤ装置１００が搭載される車両のフロントガラス２００に照射し表示を行う。ＨＵＤ装置１００がこのように表示する内容は、各種車両情報、ナビゲーション情報等である。

筐体１０は、例えば黒色の遮光性合成樹脂から形成される上ケース１１と、下ケース１２とから構成され、これら上ケース１１と下ケース１２とを係合することで、平面鏡３０、凹面鏡４０、及び、アクチュエータ５０を内部に収納し、外部に表示器２０と制御基板（図示しない）が取り付けられる。
上ケース１１は、フロントガラス２００に対向する部分に、後述する表示光Ｌをフロントガラス２００に通過させる開口部１１ａを有し、この開口部１１ａは、透光性カバー１１ｂに覆われている。また、上ケース１１は、開口部１１ａの平面鏡３０に近接する箇所に遮光壁１１ｃを有し、開口部１１ａ（透光性カバー１１ｂ）から入射する外光が平面鏡３０側または表示器２０側へ進行することを防止する。
下ケース１２は、筐体１０の内部に収納する平面鏡３０、凹面鏡４０、アクチュエータ５０、及び外部に取り付ける表示器２０、制御基板を係合する係合部（図示しない）をそれぞれ有し、表示器２０、平面鏡３０、凹面鏡４０、アクチュエータ５０、制御基板等をそれぞれ位置決め固定する。また、下ケース１２は、表示器２０が表示する表示画像Ｍが平面鏡３０に臨むように開口した表示口１２ａを有する。また、下ケース１２は、図示しないが、制御基板からアクチュエータ５０及び表示器２０に各種信号と電力とを供給する配線が挿通する配線穴も有する。

表示器２０は、表示画像Ｍを後述する透過スクリーン２６０上に表示する（結像する）ものであり、詳細な構成については、詳述する。

平面鏡（リレー光学系）３０は、例えば合成樹脂材料からなる基材の表面に、蒸着等の手段により反射膜を形成したものであり、表示器２０が出射した表示画像Ｍの表示光Ｌを、凹面鏡４０に向けて反射させるものである。

凹面鏡（リレー光学系）４０は、例えば合成樹脂材料からなる基材の表面に、蒸着等の手段により反射膜を形成したものであり、平面鏡３０で反射した表示光Ｌをさらに反射させ、フロントガラス２００に向けて出射する。凹面鏡４０で反射した表示光Ｌは、筐体１０の開口部１１ａに設けられた透光性カバー１１ｂを透過して、フロントガラス２００に向かう。フロントガラス２００に到達し、反射された表示光Ｌは、フロントガラス２００の前方位置に表示画像Ｍの虚像（観察者Ｅに視認される表示像）Ｖを形成する。これにより、ＨＵＤ装置１００は、虚像Ｖとフロントガラス２００の前方に実際に存在する外景等の双方を、観察者Ｅ（主に車両の運転者）に視認させることができる。なお、凹面鏡４０は拡大鏡としての機能を有し、表示器２０に表示された表示画像Ｍを拡大してフロントガラス２００側へ反射する。すなわち、観察者Ｅに視認される虚像Ｖは表示器２０が表示する表示画像Ｍが拡大した像である。

アクチュエータ５０は、モータ（図示しない）と、モータの動力を凹面鏡４０に伝達する歯車などの動力伝達部材（図示しない）と、これらモータと動力伝達部材及び凹面鏡４０を支持する支持基体（図示しない）と、を備え、凹面鏡４０を回転軸線ＡＸ周りに回転させるものである。モータは、凹面鏡４０を回転軸線ＡＸ周りに回転させるための動力を発生させるものであり、例えばステッピングモータからなる。モータは、後述するコントロールユニット３００からの電気信号及び電力供給に応じてモータを回動させ、動力伝達部材が凹面鏡４０に動力を伝達して、凹面鏡４０を回転軸線ＡＸ周りに回転させる。以下に、表示器２０の具体的な構成を、図２を用いて説明する。

表示器（投影装置）２０は、図２に示すように、照明光Ｃを出射する光出力部２１０と、照明光Ｃを反射型表示素子２３０へ導く反射ミラー２２１，２２２と、反射ミラー２２１，２２２が反射した照明光Ｃを受けて所望の表示画像Ｍを生成するために照明光Ｃを空間光変調して画像光Ｋとして投射手段２４０の方向へ反射する反射型表示素子２３０と、反射型表示素子２３０からの画像光Ｋを入射して、この画像光Ｋを発散方向に調整して透過スクリーン２６０に拡大投射する投射手段２４０と、この投射手段２４０を移動させる移動機構２５０と、投射手段２４０からの画像光Ｋを背面で受光し、表面に表示画像Ｍを表示する（結像する）透過スクリーン２６０と、透過スクリーン２６０近傍に配設され、光強度を検出する光強度検出部２７０と、を備える。なお、特許請求の範囲に記載の「投射光学系」は、本実施形態において光出力部２１０と反射型表示素子２３０と投射手段２４０とにより構成される。

光出力部２１０は、赤色光源２１１Ｒ，緑色光源２１１Ｇ，青色光源２１１Ｂ，ダイクロイックミラー２１２Ｒ，ダイクロイックミラー２１２Ｇを備え、赤色光源２１１Ｒ，緑色光源２１１Ｇ，青色光源２１１Ｂが出射する赤色，緑色，青色の光束の光軸を略同方向に揃えて照明光Ｃとして出射する。

赤色光源２１１Ｒ，緑色光源２１１Ｇ，青色光源２１１Ｂは、例えば、ＬＥＤであって、図示しない制御基板からの電力供給によってそれぞれ赤色，緑色，青色の光束を射出する。特に、光源がＬＥＤである場合には、高温時に素子が受けるダメージを軽減するために投入電力を低く制御する必要があり、赤色光源２１１Ｒ，緑色光源２１１Ｇ，青色光源２１１Ｂの近傍にはサーミスタなどの温度検知手段を備え、ＬＥＤの温度を検知している。また、赤色光源２１１Ｒ，緑色光源２１１Ｇ，青色光源２１１Ｂが高温になるのを抑制するために、赤色光源２１１Ｒ，緑色光源２１１Ｇ，青色光源２１１Ｂの熱を外部へ放熱するようにヒートシンク２０ａ（図１参照）に接続されている。

ダイクロイックミラー２１２Ｒは、ガラス基材に赤色光源２１１Ｒから射出される光を反射し、緑色光源２１１Ｇと青色光源２１１Ｂから射出された光を透過する特性を持った薄膜がコーティングされたものである。ダイクロイックミラー２１２Ｇは、ガラス基材に緑色光源２１１Ｇから射出された光を反射し、青色光源２１１Ｂから射出された光を透過する特性を持った薄膜がコーティングされたものである。

各光源の光束の光軸は、ダイクロイックミラー２１２Ｒ，ダイクロイックミラー２１２Ｇを介して略同方向に揃えられる。

反射ミラー２２１，２２２は、ガラス基材に赤色光源２１１Ｒ、緑色光源２１１Ｇ、青色光源２１１Ｂから射出された光を反射する特性を持った薄膜がコーティングされたものであって、光出力部２１０からの光を反射によって反射型表示素子２３０へ適正な角度で入射させる。

反射型表示素子２３０は、例えば、光変調素子であるＤＭＤ（Digital Micromirror Device）である。反射型表示素子２３０は、入射した赤色光，緑色光および青色光を、それぞれ赤色映像信号，緑色映像信号および青色映像信号に従って変調するフィールドシーケンシャル表示方式を採用する。これによって赤色，緑色，青色の画像が順次表示され、人間の目にはそれらが合成されてカラー画像として認識される。また、ＤＭＤは温度によるダメージを受け易く、素子温度をモニタリングしながら、自身のＯＮ／ＯＦＦ期間や光源の強度を制御する必要があるため、温度検出手段２３１を内蔵する。

温度検出手段２３１は、本実施形態では反射型表示素子２３０に内蔵されているが、投射手段２４０に配設してもよい。反射型表示素子２３０に内蔵された温度検出手段２３１や、赤色光源２１１Ｒ，緑色光源２１１Ｇ，青色光源２１１Ｂが実装された図示しない回路基板上に備えられた温度検知手段（例えばサーミスタ）は、本来、反射型表示素子２３０や光源の温度によるダメージ軽減のために必要な温度検知手段と言えるため、これらを活用して投射手段２４０の温度を検知すれば追加の温度検知手段を省くことが可能である。

投射手段２４０は、複数のレンズ群を鏡筒と呼ばれる筒状の外装によりまとめたものであって、反射型表示素子２３０で生成された画像光Ｋを入射し、フォーカス調整する機能を有し、透過スクリーン２６０に拡大投射するものである。

移動機構（フォーカス調整手段）２５０は、動力伝達手段２５１と、ジョイントナット２５２と、ガイド２５３と、バネ２５４と、ストッパー２５５と、を備え、後述するコントロールユニット３００からの駆動信号に基づき、投射手段２４０を透過スクリーン２６０の法線方向（図２，図４の＋方向または−方向）に移動させ、透過スクリーン２６０の表面でちょうど表示画像Ｍを結像させる。

透過スクリーン（結像部材）２６０は、投射手段２４０からの画像光Ｋを背面で受光し、透過させることで、表面側に表示画像Ｍを表示するものであり、例えば、ホログラフィックディフューザ、マイクロレンズアレイ、拡散板等によって構成される。また、透過スクリーン２６０は、図３に示すように、表示画像Ｍを表示させる表示領域２６０ａの周辺に、樹脂材などで形成されたスクリーン保持部２６１を有し、このスクリーン保持部２６１の所定箇所に後述する複数の光強度検出部２７０（２７１，２７２，２７３，２７４）がそれぞれ臨む光強度検出孔２６１ａを複数設ける。スクリーン保持部２６１は、遮光性部材または光透過率の低い部材で形成され、光強度検出孔２６１ａに入射される光以外が光強度検出部２７０に到達しない（到達しづらい）ように構成される。

光強度検出部（受光検出手段）２７０は、フォトダイオードやカラーセンサなどの光強度を検出するセンサであり、透過スクリーン２６０の光強度検出孔２６１ａに配設される。本実施形態においては、表示領域２６０ａの４辺の外側中央に、光強度検出部２７１（図３の表示領域２６０ａの下側）、光強度検出部２７２（図３の表示領域２６０ａの上側）、光強度検出部２７３（図３の表示領域２６０ａの右側）、光強度検出部２７４（図３の表示領域２６０ａの左側）、をそれぞれ配設する。

ＨＵＤ装置１００は、温度変化や経時変化などにより投射手段２４０の寸法や光学的物性が変化したり、車両の振動により各光学要素の位置関係が変化したりすることによって、透過スクリーン２６０上での実像がぼけてしまうという問題があるが、本実施形態では、表示ボケが生じにくくする適正なバックフォーカスＢＦとなるように投射手段２４０の位置を調整するフォーカス調整処理する。

フォーカス調整処理を行う表示器（投影装置）２０の電気的構成は、図４に示すように、照明光Ｃを出射する光出力部２１０と、照明光Ｃを変調して画像光Ｋとする反射型表示素子２３０と、画像光Ｋをフォーカス調整する投射手段２４０と、投射手段２４０を移動させる移動機構２５０と、光強度を検出する光強度検出部２７０と、後述するコントロールユニット（制御部）３００と、で主に構成され、透過スクリーン（結像部材）２６０上に表示される表示画像Ｍのフォーカスを調整する。

投射手段２４０は、ジョイントナット固定部２４０ａとガイド挿通部２４０ｂを有している（図２参照）。ジョイントナット固定部２４０ａは、ジョイントナット２５２が固定され、ジョイントナット２５２の移動に伴って投射手段２４０を移動させる動力の伝達部である。ガイド挿通部２４０ｂは、投射手段２４０の移動を案内するガイド２５３が挿通される箇所である。ガイド挿通部２４０ｂ，ガイド２５３には、意図しない方向への移動は規制し、意図する方向への移動はスムーズになるようクリアランスが設定されている。

動力伝達手段２５１は、例えば、通電により回転駆動力を発生する周知のＰＭ型のステッピングモータからなり、動力伝達手段２５１から延出する回転軸は、その周面において螺旋状に形成されてなるネジ溝からなるリードスクリュー２５１ａである。リードスクリュー２５１ａの軸方向が、調整したいバックフォーカスＢＦの方向と平行となるような配置である。

ジョイントナット２５２は、リードスクリュー２５１ａのネジ溝と噛み合う穴が備えられ、側面には投射手段２４０のジョイントナット固定部２４０ａに固定される形状が施されている。動力伝達手段２５１の駆動により、リードスクリュー２５１ａが回転すると、リードスクリュー２５１ａのネジ溝と噛み合ったジョイントナット２５２はリードスクリュー２５１ａの軸方向に沿って直線的に移動するため、ジョイントナット２５２にジョイントナット固定部２４０ａを介して固定された投射手段２４０も直線的に移動する。

ガイド２５３は、調整したいバックフォーカスＢＦの方向と平行な方向に延在し、投射手段２４０のガイド挿通部２４０ｂに挿通され、投射手段２４０が意図しない方向へ移動することを抑制する働きをする。バネ２５４は、ガイド２５３に挿通され、投射手段２４０のガイド挿通部２４０ｂを突っ張るように力が働いている。リードスクリュー２５１ａのネジ溝と、それと噛み合うジョイントナット２５２との間にはガタ（所謂バックラッシュ）が存在するが、バネ２５４がそのガタを押さえ込む働きをしている。

ストッパー２５５は、投射手段２４０のジョイントナット固定部２４０ａの直線移動進路上に設けられている。動力伝達手段２５１の駆動によりジョイントナット固定部２４０ａはストッパー２５５に当接するまで移動することが可能である。この当接した位置を、投射手段２４０の温度に応じた適正な位置を設定するための絶対基準位置としている。

コントロールユニット（制御部）３００は、マイクロコントローラ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などからなり、入力処理部３０１と、メモリ制御部３０２と、バッファ３０３と、メモリ３０４と、描画制御部３０５と、演算処理部３０６と、を備え、光源２１１、反射型表示素子２３０、温度検出手段２３１、移動機構２５０、光強度検出部２７０、アクチュエータ５０などに電気的に接続されており、車両側のＥＣＵ（図示しない）から入力される画像データに基づき、光源２１１及び反射型表示素子２３０を制御することで、画像データに基づく表示画像Ｍを透過スクリーン２６０上に生成させる。

入力処理部３０１は、車両側のＥＣＵから画像信号を入力し、そのデータをガンマ補正、歪み補正等の処理をして、コントロールユニット３００内の処理に適した形式にする。

メモリ制御部３０２は、入力処理部３０１にて変換された画像データをバッファ３０３に記憶させる。バッファ３０３は、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの揮発性メモリやフラッシュメモリなどの書き換え可能な不揮発性メモリなどで構成される。メモリ制御部３０２は、車両側から入力された画像データをバッファ３０３に記憶させる際、コントロールユニット３００が具備するメモリ３０４から予め記憶しておいたテスト画像データを読み出し、車両側から入力された画像データにテスト画像データを合成して、バッファ３０３に記憶させる。

メモリ制御部３０２は、さらに後述する描画制御部３０５からの命令があり次第、バッファ３０３から画像データ（テスト画像データも含む）を取り出して描画制御部３０５に出力して、描画制御部３０５は、描画制御部３０５内のメモリ（図示しない）に記憶させる。

描画制御部３０５は、予め記憶されたプログラムデータを実行することで、光源２１１及び反射型表示素子２３０に対して駆動信号を出力することで、光源２１１及び反射型表示素子２３０を制御して透過スクリーン２６０上に画像データに基づく表示画像Ｍとテスト画像データに基づくテスト画像Ｊ（位置調整用画像Ｊａまたはフォーカス調整用画像Ｊｂ）を生成させる。具体的には、描画制御部３０５は、透過スクリーン２６０上の表示領域２６０ａに表示画像Ｍを表示させ、表示領域２６０ａ外のスクリーン保持部２６１に配設される光強度検出部２７０上にテスト画像Ｊを表示させる。

テスト画像Ｊは、１辺の長さがＤａである矩形の白色の位置調整用画像Ｊａ（図９（ａ）参照）と、この位置調整用画像Ｊａより大きい１辺の長さがＤｂである白色矩形のフォーカス調整用画像Ｊｂ（（図９（ｃ）参照））とで分類される。位置調整用画像Ｊａの１辺の長さＤａは、光強度検出孔２６１ａの１辺の長さＨより小さく（Ｄａ＜Ｈ）、フォーカス調整用画像Ｊｂの１辺の長さＤｂは、光強度検出孔２６１ａの１辺の長さＨと略同じ（Ｄｂ≒Ｈ）になるように設定され、それぞれテスト画像データとしてメモリ３０４に予め記憶される。

本実施形態においては、表示形式がフィールドシーケンシャル表示方式であるため、テスト画像Ｊ（位置調整用画像Ｊａ及びフォーカス調整用画像Ｊｂ）の白色は、赤色光源２１１Ｒ，緑色光源２１１Ｇ，青色光源２１１Ｂが高速に順次点灯し、これらが合わされることで白色が表現される。そのため、光強度検出部２７０からは、赤色、緑色、青色の光強度の出力信号が順次コントロールユニット３００（演算処理部３０６）に出力されることになるが、演算処理部３０６は、光強度検出部２７０から入力される赤色、緑色、青色の光強度の出力信号を一定期間（例えば、１フレーム期間）だけ積分し、この積分値を光強度検出部２７０の光強度データＱとして、バックフォーカスＢＦと対応づけて、演算処理部３０６が有する記憶領域（図示しない）に記憶する。
演算処理部３０６は、図５に示すように、光強度データＱが最大になったバックフォーカスＢＦａが適切なバックフォーカスＢＦであると判定する。以下にフォーカス調整処理動作について、図６乃至９を用いて説明する。図６乃至８は、フォーカス調整処理動作のフロー図であり、図９は、フォーカス調整処理動作中のテスト画像Ｊの動きを説明する図である。

（フォーカス調整処理）
まず、ステップＳ１０において、コントロールユニット３００は、光強度検出部２７０（光強度検出孔２６１ａ）よりも小さい白色矩形状の位置調整用画像Ｊａを光強度検出部２７０上に表示させる。この位置調整用画像Ｊａを表示させる位置は、演算処理部３０６が有する記憶領域に記憶された位置である。前述したように、温度変化や経時変化などにより投射手段２４０の寸法や光学的物性が変化したり、車両の振動により各光学要素の位置関係（反射型表示素子２３０、投射手段２４０、透過スクリーン２６０の相対位置）が変化したりすることによって、位置調整用画像Ｊａが光強度検出部２７０から外れてしまう場合がある。よって、ステップＳ２０において、コントロールユニット３００は、位置調整用画像Ｊａが光強度検出部２７０上に表示されるように位置調整を行う。具体的には、コントロールユニット３００は、位置調整用画像Ｊａの位置を調整しながら光強度検出部２７０が出力した信号に基づく光強度データＱを入力し、この光強度データＱが最大になった位置調整用画像Ｊａの位置が光強度検出部２７０に重なる位置であると判定し、この位置データを記憶領域に記憶する（更新する）。

ステップＳ３０において、コントロールユニット３００は、ステップＳ２０で記憶領域に記憶された位置に基づいて、位置調整用画像Ｊａの中央を中心として拡大した光強度検出部２７０（光強度検出孔２６１ａ）よりも大きい白色矩形状のフォーカス調整用画像Ｊｂを光強度検出部２７０上に表示させる。演算処理部３０６は、光強度検出部２７０が出力したフォーカス調整用画像Ｊｂの光強度に基づいて光強度データＱを算出して、この光強度データＱを演算処理部３０６が有する記憶領域に基準値Ｑａとして記憶する（ステップＳ４０）。

ステップＳ５０において、コントロールユニット３００は、移動機構２５０を介して投射手段２４０を＋方向に１ステップ移動させ、バックフォーカスＢＦを調整し、演算処理部３０６は、光強度検出部２７０が出力したフォーカス調整用画像Ｊｂの光強度に基づいて光強度データＱを算出して、この光強度データＱを演算処理部３０６が有する記憶領域に比較値Ｑｂとして記憶する（ステップＳ６０）。
ステップＳ７０において、演算処理部３０６は、記憶領域に記憶した基準値Ｑａと比較値Ｑｂとを比較し、Ｑａ＞ＱｂならばステップＳ１００に移行し、Ｑａ＜ＱｂならばステップＳ２００に移行し、Ｑａ≒Ｑｂならばフォーカス状態が適切であると判定し、フォーカス調整処理を終了する。

（ステップＳ１００）
ステップＳ１１０において、コントロールユニット３００は、移動機構２５０を介して投射手段２４０を−方向（ステップＳ５０と逆方向）に１ステップ移動させ、バックフォーカスＢＦを調整し、演算処理部３０６は、光強度検出部２７０が出力したフォーカス調整用画像Ｊｂの光強度に基づいて光強度データＱを算出して、この光強度データＱを演算処理部３０６が有する記憶領域に比較値Ｑｂとして記憶する（ステップＳ１２０）。
ステップＳ１３０において、演算処理部３０６は、記憶領域に記憶した基準値Ｑａと比較値Ｑｂとを比較し、Ｑａ＞ＱｂならばステップＳ１４０に移行し、Ｑａ≦Ｑｂならば、基準値Ｑａに比較値Ｑｂの値を入れ、その後、比較値Ｑｂを０としてステップＳ１１０に戻って、Ｑａ＞ＱｂになるまでステップＳ１１０〜Ｓ１３０を繰り返す。

ステップＳ１４０において、演算処理部３０６は、記憶領域に記憶した比較値Ｑｂを０とする。ステップＳ１５０において、コントロールユニット３００は、移動機構２５０を介して投射手段２４０を＋方向（ステップＳ１１０と逆方向）に１ステップ移動させ、バックフォーカスＢＦを調整し、演算処理部３０６は、光強度検出部２７０が出力したフォーカス調整用画像Ｊｂの光強度に基づいて光強度データＱを算出して、この光強度データＱを演算処理部３０６が有する記憶領域に比較値Ｑｂとして記憶する（ステップＳ１６０）。
ステップＳ１７０において、演算処理部３０６は、記憶領域に記憶した基準値Ｑａと比較値Ｑｂとを比較し、Ｑａ≒Ｑｂならばフォーカス状態が適切であると判定し、フォーカス調整処理を終了し、Ｑａ＞Ｑｂならば、記憶領域に記憶した比較値Ｑｂを０としてステップＳ１５０に戻って、Ｑａ≒ＱｂになるまでステップＳ１５０〜Ｓ１７０を繰り返す。

（ステップＳ２００）
ステップＳ２１０において、コントロールユニット３００は、移動機構２５０を介して投射手段２４０を＋方向（ステップＳ５０と同方向）に１ステップ移動させ、バックフォーカスＢＦを調整し、演算処理部３０６は、光強度検出部２７０が出力したフォーカス調整用画像Ｊｂの光強度に基づいて光強度データＱを算出して、この光強度データＱを演算処理部３０６が有する記憶領域に比較値Ｑｂとして記憶する（ステップＳ２２０）。
ステップＳ２３０において、演算処理部３０６は、記憶領域に記憶した基準値Ｑａと比較値Ｑｂとを比較し、Ｑａ＞ＱｂならばステップＳ２４０に移行し、Ｑａ≦Ｑｂならば、基準値Ｑａに比較値Ｑｂの値を入れ、その後、比較値Ｑｂを０としてステップＳ２１０に戻って、Ｑａ＞ＱｂになるまでステップＳ２１０〜Ｓ２３０を繰り返す。

ステップＳ２４０において、演算処理部３０６は、記憶領域に記憶した比較値Ｑｂを０とする。ステップＳ２５０において、コントロールユニット３００は、移動機構２５０を介して投射手段２４０を−方向（ステップＳ２１０と逆方向）に１ステップ移動させ、バックフォーカスＢＦを調整し、演算処理部３０６は、光強度検出部２７０が出力したフォーカス調整用画像Ｊｂの光強度に基づいて光強度データＱを算出して、この光強度データＱを演算処理部３０６が有する記憶領域に比較値Ｑｂとして記憶する（ステップＳ２６０）。
ステップＳ２７０において、演算処理部３０６は、記憶領域に記憶した基準値Ｑａと比較値Ｑｂとを比較し、Ｑａ≒Ｑｂならばフォーカス状態が適切であると判定し、フォーカス調整処理を終了し、Ｑａ＞Ｑｂならば、記憶領域に記憶した比較値Ｑｂを０としてステップＳ２５０に戻って、Ｑａ≒ＱｂになるまでステップＳ２５０〜Ｓ２７０を繰り返す。

本発明の表示器（投影装置）２０は、以上に説明したとおり、コントロールユニット３００は、投射光学系（反射型表示素子２３０）にテスト画像Ｊを表示させ、位置調整用画像Ｊａを光強度検出部２７０上に位置調整した後、フォーカス調整用画像Ｊｂによる光強度検出部２７０からの出力信号に基づき移動機構２５０を制御してフォーカス調整を行うものである。斯かる構成により、光強度検出部２７０に対してフォーカス調整用画像Ｊｂが位置決めされ、フォーカス調整によりフォーカス調整用画像Ｊｂの画像の大きさが変化しても精度よくフォーカス調整用画像Ｊｂによる光強度を検出することができ、高精度にフォーカス調整することができる。

また、位置調整用画像Ｊａは、フォーカス調整用画像Ｊｂより小さくしてなるものであり、位置調整用画像Ｊａによりフォーカス調整用画像Ｊｂをさらに精度よく位置調整することができる。

また、光強度検出部２７０の受光領域は、位置調整用画像Ｊａより大きく、フォーカス調整用画像Ｊｂより小さくしてなるものであり、斯かる構成により、位置調整用画像Ｊａを光強度検出部２７０の受光面に対して精度よく位置調整することができるので、延いてはフォーカス調整用画像Ｊｂをさらに精度よく位置調整し、フォーカス調整によりフォーカス調整用画像Ｊｂの画像の大きさが変化しても精度よくフォーカス調整用画像Ｊｂによる光強度を検出することができ、高精度にフォーカス調整することができる。

また、フォーカス調整用画像Ｊｂは、中心が光強度検出部２７０の受光領域の中心と略一致するように表示されるものであり、斯かる構成により、フォーカス調整によりフォーカス調整用画像Ｊｂの画像の大きさが変化しても精度よくフォーカス調整用画像Ｊｂによる光強度を検出することができ、高精度にフォーカス調整することができる。

なお、本発明は上記実施形態及び図面によって限定されるものではない。これらに変更（構成要素の削除も含む）を加えることができるのはもちろんである。

以上の説明では、テスト画像Ｊは白色としていたが、これに限らず、テスト画像Ｊは、赤色、緑色、青色などの単色であってもよい。また、テスト画像Ｊを白色で表示しつつ、光強度検出部２７０において、いずれかの色の光強度のみを光強度データＱとしてコントロールユニット３００に出力するものであってもよい。

また、フォーカス調整処理は、表示画像Ｍを表示している間に、連続的、断続的に行われるものであってもよく、所定時間経過後や温度検出手段２３１による検出温度が所定値以上変化した場合に、フォーカス調整処理を行うものとしてもよい。また、位置調整用画像Ｊａを表示画像Ｍを表示している間に、連続的、断続的に表示し、光強度検出部２７０の出力信号に基づく光強度データＱが所定値だけ変化した際、フォーカス調整処理を行い、バックフォーカスＢＦを変更してもよい。斯かる構成により、バックフォーカスＢＦが頻繁に調整させることによる表示画像Ｍの表示状態が頻繁に変更されることを防止することができる。
また、温度検出手段２３１の温度変化の方向（温度上昇または温度低下）により、フォーカス調整処理を行う際の移動機構２５０の駆動方向（バックフォーカスＢＦの調整方向）を切り替えるように設定してもよい。

１００ ＨＵＤ装置（虚像表示装置）、１０ 筐体、２０ 表示器（投影装置）、２１０ 光出力部、２２１，２２２ 反射ミラー、２３０ 反射型表示素子（投射光学系）、２３１ 温度検出手段、２４０ 投射手段（投射光学系）、２５０ 移動機構（フォーカス調整手段）、２６０ 透過スクリーン（結像部材）、２７０（２７１〜２７４） 光強度検出部（受光検出手段）、３０ 平面鏡（リレー光学系）、４０ 凹面鏡（リレー光学系）、５０ アクチュエータ、Ｃ 照明光、ＡＸ 回転軸線、ＢＦ バックフォーカス、Ｅ 観察者、Ｊ テスト画像、Ｋ 画像光、Ｌ 表示光、Ｍ 表示画像、Ｖ 虚像、２００ フロントガラス（透過反射面）、２７０（２７１〜２７４） 光強度検出部、３００ コントロールユニット（制御部）、３０１ 入力処理部、３０２ メモリ制御部、３０３ バッファ、３０４ メモリ、３０５ 描画制御部、３０６ 演算処理部、Ｊａ 位置調整用画像、Ｊｂ フォーカス調整用画像、Ｑ 光強度データ

Claims (5)

1. 表示画像を結像部材に投影する投影装置であって、前記表示画像を示す画像光を出射する投射光学系と、前記結像部材に照射される前記画像光を受光する受光検出手段と、この受光検出手段からの出力信号に基づいて前記投射光学系のフォーカス調整を行うフォーカス調整手段と、前記投射光学系の表示制御及び前記フォーカス調整手段のフォーカス調整を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記投射光学系にテスト画像を表示させ、前記テスト画像を前記受光検出手段上に位置調整した後、前記テスト画像による前記受光検出手段からの出力信号に基づき前記フォーカス調整制御を行う、ことを特徴とする投影装置。
2. 前記位置調整する際の前記テスト画像は、前記フォーカス調整制御をする際の前記テスト画像より小さくしてなる、ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
3. 前記受光検出手段の受光領域は、前記位置調整する際の前記テスト画像より大きく、前記フォーカス調整制御をする際の前記テスト画像より小さくしてなる、ことを特徴とする請求項１または２に記載の投影装置。
4. 前記フォーカス調整制御をする際の前記テスト画像は、中心が前記受光検出手段の受光領域の中心と略一致するように表示される、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の投影装置。
5. 透過反射面に表示光が反射されることにより、前記透過反射面の奥行方向に虚像を視認させる虚像表示装置において、
   前記表示画像を前記結像部材に表示する請求項１乃至４のいずれかに記載の投影装置と、
   前記投影装置が表示する前記表示画像の前記表示光を前記透過反射面にリレーするリレー光学系と、を備えた、ことを特徴とする虚像表示装置。

Images