JP2019120891A - 虚像表示装置、およびヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定して複数の投影距離に対応した虚像を表示させることができる虚像表示装置を提供する。【解決手段】複数の表示画素を有する描画デバイス２１と、表示画素のそれぞれに対応して配置されたセル４１〜４４であって、異なる厚みを有する複数のセル４１〜４４の集合である単位領域４００を複数有する光学素子３１と、それぞれの単位領域４００における同じ厚みの複数のセル４１〜４４に対応した複数の表示画素に画像を表示させる表示制御部５０と、セル４１〜４４の厚みに応じた虚像距離で、描画デバイス２１が描画した画像に基づいた虚像を形成する虚像投影光学系２２と、を備える虚像表示装置２０とする。【選択図】図３

Description

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。

従来のヘッドアップディスプレイ（以下、単に「ＨＵＤ」ともいう）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、車速等の表示内容だけでは不十分である。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には、例えば車、人、障害物等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。

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。例えば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。このように、虚像に奥行きを持たせる手法として、下記特許文献１に開示された方法がある。この特許文献１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位置を変える可動手段を備え、拡散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している。

特開２００９−１５０９４７号公報

しかしながら、特許文献１のように運転時の速度に伴って、虚像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等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という課題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、安定して複数の投影距離に対応した虚像を表示させることができる虚像表示装置を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。

（１）複数の表示画素を有する描画デバイスと、
前記表示画素のそれぞれに対応した配置されたセルであって、異なる厚みを有する複数のセルの集合である単位領域を複数有する光学素子と、
それぞれの前記単位領域における同じ厚みの複数の前記セルに対応した複数の前記表示画素に画像を表示させる表示制御部と、
前記セルの厚みに応じた虚像距離で、前記描画デバイスが描画した画像に基づいた虚像を形成する虚像投影光学系と、
を備える虚像表示装置。

（２）前記光学素子は、光軸方向に厚みが異なる、光軸方向に延在する柱状の構造体であり、前記セルの前記虚像投影光学系側の表面に前記描画デバイスが描画した像を投影する、上記（１）に記載の虚像表示装置。

（３）前記単位領域のそれぞれは、光軸に垂直な平面において縦ｎ×横ｍの前記セルで構成される、上記（１）または上記（２）に記載の虚像表示装置。
（ただし、ｎ、ｍはセルの数を示す正の整数であり、少なくとも一方は２以上である）
（４）前記光学素子は、前記描画デバイスの表示領域と同等のサイズを有し、かつ、１つの前記セルのサイズは、前記描画デバイスの１つの画素のサイズと同等である、上記（１）から上記（３）のいずれか１つに記載の虚像表示装置。

（５）前記光学素子には、さらに、前記セルのそれぞれに１体１で対応した複数のレンズで構成されるレンズアレイが含まれる、上記（４）に記載の虚像表示装置。

（６）前記表示制御部は、それぞれの前記単位領域における同じ厚みの複数の前記セルに対応した複数の前記表示画素を１つのグループとし、複数の前記グループにそれぞれ別々の画像を表示させる、上記（１）から上記（５）のいずれか１つに記載の虚像表示装置。

（７）前記表示制御部は、同時に、または時分割で順次に複数の前記グループに別々の画像を表示させる、上記（６）に記載の虚像表示装置。

（８）上記（１）から上記（７）のいずれか１つ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、
オブジェクト検出部が判定した前記オブジェクトまでの距離に対応した投影距離で、前記虚像表示装置に虚像を形成させる、主制御部と、
を備えたヘッドアップディスプレイ装置。

本発明に係る虚像形成装置によれば、描画デバイスの表示画素のそれぞれに対応したセルであって、異なる厚みを有する複数のセルの集合である単位領域を複数有する光学素子と、それぞれの前記単位領域における同じ厚みの複数の前記セルに対応した複数の前記表示画素に画像を表示させる表示制御部と、前記セルの厚みに応じた虚像距離で、前記描画デバイスが描画した画像に基づいた虚像を形成する虚像投影光学系と、を備える。このような虚像表示装置にすることで、複数の投影距離に安定して虚像を表示させることができる。

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示す側方断面図である。 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。 第１の実施形態に係る虚像表示装置の構成を示す模式図である。 図４（ａ）は導光路素子の全体構成を示す斜視図であり、図４（ｂ）は、１つの単位領域を示す斜視図であり、図４（ｃ）は全体構成を示す模式図である。 図５（ａ）は導光路素子の全体構成を示す図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に対応する各画素のグループを説明するための模式図である。 ヘッドアップディスプレイ装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 具体的な表示状態を示す斜視図である。 変形例における導光路素子を示す図であり、図８（ａ）は導光路素子の全体構成を示す斜視図であり、図８（ｂ）は、１つの単位領域を示す斜視図であり、図８（ｃ）は全体構成を示す模式図である。 図９（ａ）は導光路素子の全体構成を示す図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に対応する各画素のグループを説明するための模式図である。 第２の実施形態に係る虚像表示装置の構成を示す模式図である。 第３の実施形態に係る虚像表示装置の構成を示す模式図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明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。また、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。また図面においては、上下方向をＹ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Ｚ方向、これらのＹ、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向とする。またＺ方向は光軸方向に、Ｘ、Ｙ方向は、表示素子の横、縦方向にそれぞれ対応している。

（第１の実施形態）
図１、図２は、第１の実施形態に係る虚像表示装置２０、およびこれを含むヘッドアップディスプレイ装置１０を車両８００の車体８１１内に搭載した使用状態を説明する模式図である。ユーザー（運転者）９００は、ハンドル８１３を握りながら運転席８１６に座っている。図１、図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０の虚像表示装置２０は、後述する表示素子２１（描画デバイス）に表示されている画像情報を、表示スクリーン２２４を介してユーザー（運転者）９００に向けて虚像ｆとして表示する。

虚像表示装置２０の表示スクリーン２２４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等のディスプレイ８１５の背後に埋め込むように設置されている。虚像表示装置２０は、運転関連情報等を含む虚像に対応する表示光Ｄ１を表示スクリーン２２４に向けて光軸ＡＸに沿って射出する。表示スクリーン２２４は、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２２４は、コンバイナーまたはウィンドシールドとして機能してもよく、両方の機能を兼ね備えてもよい。また、これらの機能を備える部材を別々に設けてもよい。表示スクリーン２２４は、下端の支持によってダッシュボード８１４上に立設され、虚像表示装置２０からの表示光Ｄ１を車体８１１の後方側（Ｚ方向）に向けて反射する。すなわち、図示の場合、表示スクリーン２２４は、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となっている。表示スクリーン２２４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Ｅｙｅｂｏｘ（アイボックス）（図示せず）に導かれる。Ｅｙｅｂｏｘは、ヘッドアップディスプレイ装置１０が車両８００に搭載された状態で、運転席８１６に座ったユーザー９００の瞳９１０の位置（高さ）に対応するように設定される。ユーザー９００は、表示スクリーン２２４で反射された表示光Ｄ１、つまり、あたかも車体８１１の前方にあるように、所定距離（虚像距離）離れた表示像としての虚像ｆを観察することができる。一方、ユーザー９００は、表示スクリーン２２４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、ユーザー９００は、表示スクリーン２２４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２２４での表示光Ｄ１の反射によって形成される運転関連情報等を含む虚像ｆを観察できる。

図３は、第１の実施形態に係る虚像表示装置２０の構成を示す模式図である。図３に示すように、虚像表示装置２０は、表示素子２１、虚像投影光学系２２、ハウジング２３、および表示制御部５０を備える。ハウジング２３内には、表示スクリーン２２４以外の虚像表示装置２０の各構成要素が収納される。

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ｉ（ｉ１〜ｉｎ）は、虚像投影光学系２２で拡大されてＥｙｅｂｏｘへ虚像ｆとして変換して投影される。この際、２次元表示が可能な表示素子２１を用いることで、像ｉの表示内容の切り換えを比較的高速で行える。描画デバイスとして機能する表示素子２１は、液晶等の透過型の素子が好ましいが、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）やＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）等の反射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替えることが容易になり、虚像距離（投影距離）を変化させる表示に有利である。なお、表示素子２１は、３０ｆｐｓ以上、好ましくは９０ｆｐｓのフレームレートで動作する。

虚像投影光学系２２は、導光路素子３１、レンズ群２２２、ミラー２２３、および表示スクリーン２２４を有する。光学素子としての導光路素子３１は、表示素子２１の表示面２１ａに密着して配置、または表示面２１ａの近傍に配置される。また導光路素子３１は全体として、ＸＹ平面において、表示素子２１の表示領域と同等のサイズを備え、表示素子２１の画素（表示画素）に対応した光軸方向の厚み（高さ）が異なる多数のセルを備える。そしてセルのレンズ群２２２側の表面に表示素子２１の各画素の画像（ＲＧＢのドット）を投影する。導光路素子３１の構成についての詳細は後述する。

レンズ群２２２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。レンズ群２２２は、導光路素子３１の各セルの表面に形成された像ｉ（ｉ１〜ｉｎ）を適当な倍率で拡大投影する。なお、レンズ群２２２に、Ｆナンバーの設定や調整のために絞りを設けても良い。

表示制御部５０は、表示素子２１を制御する。これにより後述するように、複数の単位領域のそれぞれ含まれる同じ厚みのセルに対応する複数の画素を１つのグループとし、複数のグループにそれぞれに別々の画像を表示させることで、複数の虚像距離の虚像ｆを実質的に同時に表示する。

（導光路素子３１）
図４は、導光路素子３１を示す図である。図４（ａ）は全体構成を示す斜視図であり、図４（ｂ）は、１つの単位領域４００を示す斜視図であり、図４（ｃ）は全体構成を示す模式図である。図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように、導光路素子３１は、光軸方向に延在する柱状の構造体であり、複数の単位領域４００で構成される。各単位領域４００には、複数のセル４１〜４４が含まれ、それぞれのセル４１〜４４は厚み（光軸方向の長さ）が異なる。図４（ｂ）に示すようにセル４２は厚みｔ２を有する。この導光路素子３１は、図４（ａ）において背面側、すなわち表示素子２１の表示面２１ａに対向する側は平らな面であり、各セルにおいて手前側への突出する高さが異なる。各セル４１〜４４の表面は光軸ＡＸに略垂直であり、光軸ＡＸから視て、各セル４１〜４３のサイズは同一である。また、各セルのサイズは、数十ミクロンオーダーであり、表示素子２１の画素のサイズに対応している。

導光路素子３１の位置調整により、セル４１〜４３のＸＹ平面における座標は画素に位置合わせしている。例えば、表示素子２１の１画素のサイズと、セル４１〜４４のサイズは同じであり、１対１で対応している。また図４（ｂ）に示すように各セル４１〜４４の光軸方向の厚みは異なり、セル４１、セル４２、セル４３、セル４４の順で、厚みが大きい。すなわち、光軸ＡＸ上において、ミラー２２３に対して、セル４１の表面が最も近く、セル４４の表面が最も遠い。また、各セル４１〜４３の表面は、拡散機能を有する。

（表示制御部５０）
図５（ａ）は導光路素子３１の全体構成を示す図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に対応する各画素のグループを説明するための模式図である。図５（ａ）は、図４（ｃ）に対応する図であり、光軸ＡＸから視た各セルの配置を示している。図５（ｂ）において、１つの四角枠は、表示素子２１における１つの画素（表示画素）を示しており、各画素のサイズおよび位置は、各セルに１対１で対応している。属するグループの番号を数字で示している。各グループは、同じ厚みの複数のセルに対応した複数の画素である。第１グループには全てのセル４１が含まれる。同様に第２〜第４グループには、それぞれ全てのセル４２、４３、４４が含まれる。このグループ分けは導光路素子３１の構成に応じて、予め設定されるものである。

表示制御部５０は、グループの数に対応した枚数の画像を用いて、表示素子２１の各グループに対してそれぞれの画像を表示させる。具体的には、図５（ａ）のセル４１に対応する図５（ｂ）の画素は第１グループである（ともに、グレー色の枠で示す）。表示制御部５０は、ＸＹ方向において、１つ飛びにある第１グループの各画素に対して１枚の画像を出力する。同様に第２〜第４グループの各画素に対してもそれぞれ別の画像を出力する。第１〜第４グループへの画像の出力は、時分割、例えば、数十ｍｓｅｃ毎に順次、第１〜第４グループの画素への画像の出力を行う。なお、図５に示す例では、各グループに対応する１枚の画像の画素数（解像度）は、表示素子２１の全体画素数に対して１／４となる。また、時分割ではなく、同時に第１〜第４グループの画素の出力を行ってもよい。その場合は、各グループの別々の画像を合成し１枚の画像にして出力する。これにより、第１〜第４グループの画素それぞれに、別々の画像が同時に出力されることになる。

表示制御部５０は、４枚の別々の画像を、第１〜第４グループの各画素で形成することで、以下に示す効果が得られる。第１グループに形成した１枚の画像は、導光路素子３１の内部を通り、第１グループに対応するセル４１の表面に導かれ投影される。このときに表示される虚像ｆ１の虚像距離は最も近い第１の距離である。第１の距離は、セル４１の厚みに対応する。同様に第２〜第４グループに形成した各画像は、対応するセル４２〜４４の表面にそれぞれ投影される。このときに表示される虚像ｆ２〜ｆ４の虚像距離は、各セルの厚みに応じた第２〜第４の距離となる。すなわち、厚みの大きい順でセル４１＞セル４２＞セル４３＞セル４４であり、これに対応して虚像距離は長い順に、第４グループ＞第３グループ＞第２グループ＞第１グループの画像となる。

このように第１の実施形態では、表示素子２１の表示画素のそれぞれに対応したセルであって、異なる厚みを有する複数のセル４１〜４３の集合である単位領域４００を複数有する導光路素子３１を用い、表示制御部５０により、同じ厚みのセルに対応した複数の表示画素に画像を表示させることで、複数の第１〜第４の虚像距離の虚像ｆ１〜ｆ４を安定して表示させることが可能となる。

なお、光軸方向から視たセル４１〜４４のサイズは同一に設定しているがこれに限られない。例えばセル４４のように厚みが小さく、その周囲の厚みが大きいセルに囲まれる場合には、セル４４の表面の画像は、周囲のセルの側面によって蹴られるために、光量が少なくなる虞がある。そのため、蹴られによる光量の減衰を考慮し、セルのサイズを他のセルとの位置関係に応じて増減するようにしてもよい。また、第１の実施形態においては、セル４１〜セル４４の各セル間の厚みは等差間隔に設定しているが、これに限られず、適宜設定してもよい。

（ヘッドアップディスプレイ装置１０）
図６は、ヘッドアップディスプレイ装置１０のハードウェア構成を説明するブロック図である。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の他に、運転者検出部７１、環境監視部７２、および主制御部６０を備える。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、通行者等のオブジェクトに対応させた虚像を３次元的に表示する。虚像の表示例については後述する。

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を備える。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等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。

環境監視部７２は、オブジェクト検出部として機能する。環境監視部７２は、前方に近接する自動車、自転車、歩行者等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を備える。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、歩行者等のオブジェクト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。

なお、内部用カメラ７１ａや外部用カメラ７２ａは、例えば複眼型の３次元カメラを含む。つまり、両カメラ７１ａ、７２ａは、結像用のレンズと、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、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、またはオブジェクトまでの距離を判定する。

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てもよい。

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等を検出する技術とを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。

表示制御部５０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（投影距離ともいう）が変化する３次元的な虚像ｆを表示させる。表示制御部５０は、主制御部６０を介して環境監視部７２から受信した表示形状や表示距離を含む表示情報から、虚像表示装置２０に表示させる虚像ｆを生成する。虚像ｆは、例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９参照）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９参照）のような標識になる。

表示制御部５０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ｆ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ｆ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ｆ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。

図７は、具体的な表示状態を説明する斜視図である。運転者（観察者）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、つまり道路、およびその周辺に、歩行者等である人のオブジェクトＯＢ１、ＯＢ３、ＯＢ４や、自動車等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ｆ（ｆ１〜ｆ４）を投影させ、各オブジェクトＯＢ１〜ＯＢ４に対して関連情報像としてのフレームＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４を付加する。この際、ユーザー９００から各オブジェクトＯＢ１〜ＯＢ４までの距離が異なるので、フレームＦ（Ｆ１〜Ｆ４）を表示させる虚像ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４までの投影距離は、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〜ＯＢ４までの距離に相当させている。

近距離（第１の距離）の虚像ｆ１は、図４、図５で示したように厚みが最も大きいセル４１に対応する第１グループに１枚の画像を表示する。同様に、遠距離（第４の距離）の虚像ｆ４は、厚みが最も小さいセル４４に対応する第４グループに１枚の画像を表示する。中距離（第２、第３の距離）の虚像ｆ２、ｆ３は、それぞれセル４２、セル４３に対応する第２、第３グループにそれぞれ１枚の画像を表示する。なお、虚像ｆ１〜ｆ４の投影距離は、セルの厚みに対応して離散的であり、オブジェクトＯＢ１〜ＯＢ４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ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４の投影距離と、オブジェクトＯＢ１、ＯＢ２、ＯＢ３、ＯＢ４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、ＯＢ４とフレームＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４との配置関係を略維持できる。

以上で説明した第１実施形態に係る虚像表示装置２０、およびこれを備えたヘッドアップディスプレイ装置１０によれば、表示制御部５０は、同じ厚みセルに対応する各グループに別々の画像を表示することで、虚像を複数距離において離散的に表示できる。これにより、危険警告信号その他の虚像（例えばフレームＦ）を奥行き方向も含めて、透視されるオブジェクトＯＢつまり実物、またはシースルー像に重畳させることが可能となる。結果的に、遠方から近傍まで目の位置が変わっても虚像と実物との間のズレ発生を抑制でき、かかる虚像表示装置２０をヘッドアップディスプレイ装置１０のような運転支援システムに適用した場合、システムの安全性をより高めることができる。

また、本実施形態では、表示制御部５０が、複数の単位領域のそれぞれ含まれる同じ厚みのセルに対応する複数の画素を１つのグループとし、複数のグループにそれぞれに別々の画像を表示させるよう表示素子２１を制御することのみで、複数の虚像距離の虚像ｆを実質的に同時に表示することが可能となる。すなわち、本実施形態においては、上述の特許文献１のスクリーンの位置を可変とする可動機構のような、何ら機械的な機構を要さずに、表示素子２１の表示画像を制御することのみによって、虚像距離を変更することが可能となる。そのため、機械的な機構の作動にともなう発生音や作動による耐久性の問題が生じない。また、特にヘッドアップディスプレイ装置１０を車載した場合に、運行時の振動に対して影響を受けにくく、安定して虚像を表示できる。

（変形例）
導光路素子３１の単位領域４００は、Ｙ方向を縦、Ｘ方向を横とした場合に縦ｎ×横ｍのセルで構成される（ただし、ｎ、ｍは正の整数であり、少なくとも一方は２以上である）。図４、図５等に示した第１の実施形態においては、ｎ、ｍがともに２の例を示した。しかしながら、ｎ、ｍは、少なくとも一方が２以上であれば、２には限られず、他の数に設定してもよい。

図８、図９は、変形例における導光路素子３１を示す図である。図８（ａ）全体構成を示す斜視図であり、図８（ｂ）は、１つの単位領域４００を示す斜視図である。図９（ａ）は、全体構成を示す図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に対応する各画素のグループを説明するための模式図である。

図８に示すように、変形例における導光路素子３１は、ｎが１、ｍが３の例である。このような導光路素子３１を用いる場合には、表示制御部５０は、図９に示すように、表示素子２１の画素のうち、複数のセル４１に対応する第１グループ、セル４２に対応する第２グループ、セル４３に対応する第３グループの画素に対して、３枚の別々の画像を表示させることができる。このような変形例においても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態においては、表示素子２１の表示面２１ａに対して、導光路素子３１は、密着または近接して配置されていた。しかしながら、密着または近接して配置できない場合がある。例えば、表示素子２１としてＤＭＤ、ＬＣＯＳ等の反射型の素子を用いた場合である。以下に示す第２の実施形態に係る虚像表示装置２０は、そのような場合に好適な実施形態である。

図１０は、第２の実施形態に係る虚像表示装置２０の構成を示す模式図である。図３の一部の構成に相当する。図１０に示す構成以外は第１の実施形態と同じであることから説明を省略する。

図１０に示すように第２の実施形態では、光学素子として、導光路素子３１に加えて、さらに、オンチップレンズ３２を含む。オンチップレンズ３２は、複数のマイクロレンズを格子状に配置したレンズアレイであり、各マイクロレンズは、導光路素子３１の各セルに１体１に対応している。表示素子２１の表示面２１ａに密着して配置される。各マイクロレンズの口径は、表示素子２１の画素サイズまたは、セルのサイズと略同等である。マイクロレンズを通った光は、各セルの表面に集光される。マイクロレンズの焦点距離は、セルとの位置、すなわち対向するセルの厚みに応じて異なる値となるように設定することが好ましい。

このように、第２の実施形態においては、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また第２の実施形態においては、表示素子２１の表示面２１ａに導光路素子３１を密着または近接して配置できない場合であっても、オンチップレンズ３２を設けることにより、表示素子２１と導光路素子３１との間で光が拡散することを防止することができる。これにより、ボケの少ない解像度の高い虚像を表示することが可能となる。また光量を増加させることもできるので、表示精度の向上を図ることができる。

（第３の実施形態）
図１１は、第３の実施形態に係る虚像表示装置２０の構成を示す模式図である。図３の一部の構成に相当する。図１１に示す構成以外は第１の実施形態と同じであることから説明を省略する。

第３の実施形態は、中間スクリーン２２５を用いたものである。中間スクリーン２２５は表示素子２１に表示した画像が投影される。中間スクリーン２２５は、拡散機能を有し、例えば摺りガラス、レンズ拡散板、等を用いることができる。また、光軸方向において、中間スクリーン２２５と表示素子２１との間にレンズ群２２１を設けている。このレンズ群２２１は、レンズ群２２２と同様に、複数のレンズを有する固定焦点のレンズ系である。

第３の実施形態においては、中間スクリーン２２５に密着してオンチップレンズ３２が配置される。

このように第３の実施形態においても、導光路素子３１の手前側にオンチップレンズ３２を設けることにより、中間スクリーン２２５と導光路素子３１との間で光が拡散することを防止することができる。これにより、第２の実施形態と同様にボケの少ない解像度の高い虚像を表示することが可能となる。

（他の変形例）
以上に説明した虚像表示装置、およびこれを備えたヘッドアップディスプレイ装置の構成は、上記の実施形態の特徴を説明するにあたって主要構成を説明したのであって、上記の構成に限られず、特許請求の範囲内において、種々改変することができる。また、一般的な虚像表示装置、またはヘッドアップディスプレイ装置が備える構成を排除するものではない。

例えば導光路素子３１の各セルは、表示素子２１の画素に１対１で対応する例を示したが、これに限られず、例えば１つのセルに表示素子２１の２画素、または４画素（２×２）が対応するように構成してもよい。

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 虚像投影光学系
３１ 導光路素子（光学素子）
２２１、２２２ レンズ群
２２３ ミラー
２２４ 表示スクリーン
２２５ 中間スクリーン
２３ ハウジング
３１ 導光路素子（光学素子）
４１、４２、４３、４４ セル
４００ 単位領域
３２ レンズアレイ
５０ 表示制御部
６０ 主制御部
７１ 運転者検出部
７２ 環境監視部
８００ 車両
９００ ユーザー
９１０ 瞳
ＡＸ 光軸
Ｄ１ 表示光
ＤＦ 検出領域
Ｆ、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４ フレーム
ｆ、ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆｎ 虚像
ｉ１、ｉ２、ｉｎ 像

Claims (8)

1. 複数の表示画素を有する描画デバイスと、
   前記表示画素のそれぞれに対応した配置されたセルであって、異なる厚みを有する複数のセルの集合である単位領域を複数有する光学素子と、
   それぞれの前記単位領域における同じ厚みの複数の前記セルに対応した複数の前記表示画素に画像を表示させる表示制御部と、
   前記セルの厚みに応じた虚像距離で、前記描画デバイスが描画した画像に基づいた虚像を形成する虚像投影光学系と、
   を備える虚像表示装置。
2. 前記光学素子は、光軸方向に厚みが異なる、光軸方向に延在する柱状の構造体であり、前記セルの前記虚像投影光学系側の表面に前記描画デバイスが描画した像を投影する、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記単位領域のそれぞれは、光軸に垂直な平面において縦ｎ×横ｍの前記セルで構成される、請求項１または請求項２に記載の虚像表示装置。
   （ただし、ｎ、ｍはセルの数を示す正の整数であり、少なくとも一方は２以上である）
4. 前記光学素子は、前記描画デバイスの表示領域と同等のサイズを有し、かつ、１つの前記セルのサイズは、前記描画デバイスの１つの画素のサイズと同等である、請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の虚像表示装置。
5. 前記光学素子には、さらに、前記セルのそれぞれに１体１で対応した複数のレンズで構成されるレンズアレイが含まれる、請求項４に記載の虚像表示装置。
6. 前記表示制御部は、それぞれの前記単位領域における同じ厚みの複数の前記セルに対応した複数の前記表示画素を１つのグループとし、複数の前記グループにそれぞれ別々の画像を表示させる、請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の虚像表示装置。
7. 前記表示制御部は、同時に、または時分割で順次に複数の前記グループに別々の画像を表示させる、請求項６に記載の虚像表示装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１つ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、
   オブジェクト検出部が判定した前記オブジェクトまでの距離に対応した投影距離で、前記虚像表示装置に虚像を形成させる、主制御部と、
   を備えたヘッドアップディスプレイ装置。