JP2019197102A - 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】複数の投影距離に虚像を実質的に同時に表示する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を提供する。【解決手段】中間スクリーン２３または、虚像形成光学系２４の少なくとも１つの光学素子２４１ａを光軸方向にスライド可能に保持する保持部３３と、光軸方向に直交する回転軸を中心として回転する回転体３２と、を有し、保持部３３を光軸方向に移動させることで虚像までの投影距離を変更する移動機構３０と、を備え、移動機構３０は、回転体３２の一部が保持部３３に当接し、当接位置が回転体３２の回転により光軸方向で移動することで、保持部３３に保持された中間スクリーン２３、または光学素子２４１ａを光軸方向に移動させる。【選択図】図４

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。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なく、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。このような課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、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）表示素子と、
前記表示素子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虚像形成光学系と、
前記中間スクリーンまたは、前記虚像形成光学系の少なくとも１つの光学素子を光軸方向にスライド可能に保持する保持部、および前記光軸方向に直交する回転軸を中心として回転する回転体とを有し、前記保持部を前記光軸方向に移動させることで前記虚像までの投影距離を変更する移動機構と、
を備え、
前記移動機構は、前記回転体の一部が前記保持部に当接し、当接位置が前記回転体の回転により前記光軸方向で移動することで、前記保持部に保持された前記中間スクリーン、または前記光学素子を前記光軸方向に移動させる、虚像表示装置。

（２）表示素子と、
前記中間スクリーン上の像を虚像に変換する虚像形成光学系と、
前記虚像形成光学系の少なくとも１つの光学素子を光軸方向にスライド可能に保持する保持部、および前記光軸方向に直交する回転軸を中心として回転する回転体とを有し、前記保持部を前記光軸方向に移動させることで前記虚像までの投影距離を変更する移動機構と、
を備え、
前記移動機構は、前記回転体の一部が前記保持部に当接し、当接位置が前記回転体の回転により前記光軸方向で移動することで、前記保持部に保持された前記光学素子を前記光軸方向に移動させる、虚像表示装置。

（３）前記回転体は、前記回転軸からの距離が連続的に変化する外周面を有し、
前記外周面が前記保持部に当接しながら、前記回転体が回転することで、前記保持部を前記光軸方向に移動させる、上記（１）または上記（２）に記載の虚像表示装置。

（４）前記回転体は、前記回転軸からの距離が複数段階で異なる外周面を有し、
前記外周面が前記保持部に当接しながら、前記回転体が回転することで、前記保持部を前記光軸方向に移動させる、上記（１）または上記（２）に記載の虚像表示装置。

（５）前記回転体の周方向の段差部には、円弧状の丸みが形成されている、または、傾斜面が設けられている、上記（１）から上記（４）のいずれかに記載の虚像表示装置。

（６）前記移動機構による、前記保持部の前記光軸方向の位置に同期させて、前記表示素子に形成する像の形成タイミングを制御する表示制御部をさらに備える、上記（１）から上記（５）のいずれかに記載の虚像表示装置。

（７）上記（１）から上記（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、
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前記投影距離で、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、中間スクリーンまたは、虚像形成光学系の少なくとも１つの光学素子を光軸方向にスライド可能に保持する保持部、および光軸方向に直交する回転軸を中心として回転する回転体を有し、保持部を光軸方向に移動させることで虚像までの投影距離を変更する移動機構を備え、移動機構は、回転体の一部が保持部に当接し、当接位置が回転体の回転により光軸方向で移動することで、保持部に保持された中間スクリーン、または光学素子を光軸方向に移動させる。これにより、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。

本実施形態に係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模式図である。 虚像表示装置の構成を示す模式図である。 第１の実施形態における移動機構を示す図である。 第２の実施形態における移動機構を示す図である。 第１の変形例における移動機構を示す図である。 第２の変形例における移動機構を示す図である。 第３の変形例における移動機構を示す図である。 第４の変形例における移動機構を示す図である。 第３の実施形態に係る虚像表示装置の別の構成を示す図である。 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。

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２４４を介してユーザー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２４４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２４４に向けて光軸ＡＸに沿って射出する。表示スクリーン２４４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２４４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２４４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２４４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２４４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２４４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（虚像距離または投影距離）離れた表示像としての虚像ｆを観察できる。一方、ユーザー９００は、表示スクリーン２４４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できる。結果的に、ユーザー９００は、表示スクリーン２４４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２４４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、投影光学系２２、中間スクリーン２３、虚像形成光学系２４、ハウジング２９、移動機構３０、および表示制御部５０を備える。ハウジング２９内には、表示スクリーン２４４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ｉ１は投影光学系２２で拡大されて中間スクリーン２３へ投影される。この際、２次元表示が可能な表示素子２１を用いることで、中間スクリーン２３への投影像の切り替えを比較的高速で行える。表示素子２１は、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）やＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）等の反射型の素子であっても、液晶等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替えることが容易になり、投影距離（以下、虚像距離ともいう）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。これにより、異なる虚像距離に複数の虚像ｆ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。

投影光学系２２は、固定焦点のレンズ系であり、図示を省略するが、１つまたは複数のレンズを有する。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ｉ２として、中間スクリーン２３上に適当な倍率で拡大投影する（中間像ｉ２自体は、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の最も中間スクリーン２３側に配置された絞りを有する。このように絞りを配置することで、投影光学系２２の中間スクリーン２３側のＦナンバーの設定や調整が比較的容易になる。

中間スクリーン２３は、拡散機能を有し、配光角を所望の角度に制御するための拡散板であり、結像位置において中間像ｉ２を形成する。なお、表示素子２１の表示が動作していなければ、必ずしも表示画像としての中間像ｉ２は形成されないが、以下においては、実際に形成されていなくても中間像ｉ２が形成されると想定される位置も中間像の位置と呼ぶ場合がある。中間スクリーン２３としては、例えば摺りガラス、レンズ拡散板、マイクロレンズアレイ等を用いることができる。

このように第１の実施形態においては中間スクリーン２３を用いることで、以下の点で有利である。すなわち、表示素子２１から出射した光を投影光学系２２で中間スクリーン２３上に結像した中間像ｉ２を後段の虚像投影光学系２４で拡散する構成とすることで、中間スクリーン２３を用いない系（例えば後述の第３の実施形態）に比較して、広いＥｙｅｂｏｘを得ることができる。

以下に説明する第１の実施形態においては、固定の中間スクリーン２３を用いる。そして、虚像ｆまでの投影距離を変更するため虚像形成光学系２４の光学素子を光軸ＡＸ方向に移動させる。しかしながら、後述の第２の実施形態のように虚像ｆまでの投影距離を変更するために、中間スクリーン２３を光軸ＡＸ方向に移動させるように構成してもよい。第１の実施形態においては、固定の中間スクリーン２３を用いることにより、投影光学系２２の焦点深度は浅くてもよいので、投影光学系から中間スクリーン２３への光線のＦナンバーを明るくできる。一方で、中間スクリーン２３を光軸ＡＸ方向に移動させる第２の実施形態においては、焦点深度を深く設定し、その範囲内で中間スクリーン２３を移動させ、略ピントが合った結像状態で、中間スクリーン２３上に中間像ｉ２を形成する。

虚像形成光学系２４は、表示スクリーン２４４と協働して、中間スクリーン２３上に形成された中間像ｉ２を虚像ｆに変換し、拡大し、ユーザー９００の前方に投影する。虚像形成光学系２４は、光学素子群２４１、ミラー２４２、２４３を含む。光学素子群２４１は、１つまたは複数のレンズを含む。また、図３では、反射面が平面または曲面の２枚のミラー２４２、２４３を含む例を示しているがこれに限られず、１枚のミラーで構成してもよい。

表示制御部５０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、および半導体や磁気ディスクで構成されるメモリを備え、メモリに記憶されているプログラムを実行することで、表示素子２１、および移動機構３０を制御する。移動機構３０の詳細については後述する。

これらを制御することにより表示制御部５０は、表示素子２１の表示する像ｉ１、および中間スクリーン２３上に投影する中間像ｉ２の形成タイミングを制御し、表示スクリーン２４４の背後に虚像距離（投影距離）が変化する３次元的な虚像ｆを表示させる。具体的には、中間像ｉ２の位置、すなわち光学素子群２４１に含まれる１つ以上のレンズの位置を光軸ＡＸ上で移動させ、その位置変化に同期させて表示素子２１の画像形成タイミングを制御することで、虚像ｆまでの虚像距離を変化させる。これを短時間で行うことにより、ユーザー９００は同時に投影距離が異なる複数の虚像ｆを同時に視認できる。

（移動機構３０）
図４は、第１の実施形態における移動機構３０を示す図である。同図に示す移動機構３０は、光学素子群２４１を構成する１枚のレンズ２４１ａを光軸ＡＸ方向に移動させ、これにより虚像ｆの投影距離を変更する。移動機構３０は、モータ等の駆動源３１、駆動源３１により回転駆動する回転体３２ａ、レンズ２４１ａを保持する保持部３３、ガイド３４、バネ等の付勢部材３５、およびセンサー３９を備える。なお、同図に示す第１の実施形態では、光学素子群２４１は、１枚のレンズ２４１ａで構成され、これを光軸ＡＸ方向に移動機構３０により移動させる例を示している。しかしながら、これに限られず、光学素子群２４１が複数のレンズ等の光学素子で構成され、複数のうちの１つまたは複数の光学素子を移動させるように構成してもよい。

回転体３２ａは、回転軸ｓ１を中心として回転する。回転体３２ａは円柱形状であり、その回転軸ｓ１はＸ方向に延在する。なお、回転軸ｓ１は、光軸ＡＸ方向に直交すればよく、例えばＹ軸方向に延在してもよい。図４に示すように回転軸ｓ１は、回転体３２ａの中心からずれており、回転体３２ａは偏心する。すなわち、回転体３２ａは、軸方向、すなわちＸ方向から視たときに、回転軸ｓ１からの距離が連続的に変化する外周面を有する。

保持部３３は、周囲を覆うようにレンズ２４１ａに取り付けたリング状の保持具３３１、これに取り付けられた基体部３３２、および基体部３３２に取り付けられたベアリング等で構成されるスリーブ３３３を含む。丸棒のガイド３４は、光軸ＡＸ方向に延在する。レンズ２４１ａおよびこれを保持する保持部３３全体はスリーブ３３３を介してガイド３４にスライド可能に取り付けられる。

付勢部材３５は、保持部３３の基体部３３２に当接し、保持部３３全体を回転体３２ａに向けて付勢する。

センサー３９は、例えば光学式のセンサーであり、保持部３３の光軸ＡＸ方向における位置を検知する。

移動機構３０は全体としてこのような構成を備える。制御部５０は、駆動源３１の動作を制御することで、回転体３２ａを回転させる。回転体３２ａの外周面の一部が、保持部３３に当接しながら回転することで、当接位置が光軸ＡＸ方向に移動する。これにより、保持部３３およびレンズ２４１ａが光軸ＡＸ方向に移動（揺動）する。

回転体３２ａの回転数は、例えば数十Ｈｚである。回転中において、保持部３３の光軸ＡＸ方向における位置は、センサー３９により検知される。センサー３９の出力、または、この出力および駆動源３１の回転量を示すエンコーダー（図示せず）の出力により、制御部５０はレンズ２４１ａの位置を把握し、その位置に応じて、表示素子２１への画像形成タイミングを制御する。

このように、第１の実施形態においては回転体３２ａの一部が保持部３３に当接し、当接位置が回転体の回転により光軸ＡＸ方向で移動することで、保持部３３に保持されたレンズ２４１ａを光軸ＡＸ方向に移動させる。これにより、簡単な構成でありながら複数の投影距離の虚像ｆを実質的に同時に表示することができる。また、上述のように光学素子を移動させるので、中間スクリーン２３を固定できる。これにより、投影光学系２２における焦点深度を浅くできるので、中間スクリーンへの光線の入射Ｆナンバーを明るくできる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態においては、虚像形成光学系２４の光学素子（レンズ２４１ａ）を移動機構３０により光軸ＡＸ方向に移動させる例を示した。以下に示す第２の実施形態では、移動機構３０により、中間スクリーン２３を移動する。

図５は、第２の実施形態における移動機構３０を示す図である。保持部３３の保持具３３４は、中間スクリーン２３を保持する。中間スクリーン２３、およびこれを保持する保持部３３全体は、ガイド３４にスライド可能に取り付けられ、回転体３２ａの回転により、光軸ＡＸ方向に移動（揺動）させる。

このように、第２に実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、一般に光学素子に比べて中間スクリーン２３は軽量である。このため、より高速な移動が可能であったり、同じ速度の場合でも安定した移動が可能になったりする。

（変形例）
第１、第２の実施形態においては、回転体３２ａは断面形状が円で、これを偏心させることで、外周面に当接する保持部３３、およびこれに保持された光学素子（２４１ａ）、または中間スクリーン２３を光軸ＡＸ方向に移動させていた。以下においては、回転体の変形例を説明する。なお、以下においては、光学素子としてのレンズ２４１ａを移動させる移動機構３０に適用する例について説明するが、第２の実施形態と同様に、中間スクリーン２３を移動させる移動機構３０に適用してもよい。

図６は、第１の変形例における移動機構３０を示す図である。第１の変形例においては、用いる回転体３２ｂは螺旋状の断面形状を有し、その外周面は、回転軸ｓ１からの距離が連続的に変化する。そして、駆動源３１により、回転体３２ｂの外周面を保持部３３に当接させながら回転軸ｓ１を中心として回転させることで、保持部３３、およびこれに保持されるレンズ２４１ａを光軸ＡＸ方向に連続的に移動させる。なお、図６（図７以降も同様）においては、中間スクリーン２３の図示を省略している。

図７は、第２の変形例における移動機構３０を示す図である。第２の変形例においては、用いる回転体３２ｃは、半径が異なる４つの９０度円弧を組み合わせた断面形状を有し、その外周面は、回転軸ｒ１からの距離が複数段階（４段階）に変化する。そして、駆動源３１により、回転体３２ｂの外周面を保持部３３に当接させながら回転軸ｒ１を中心として回転させることで、保持部３３、およびこれに保持されるレンズ２４１ａを光軸ＡＸ方向に4段階で移動させる。なお、段階数は４段階に限られず、２段階、３段階、または５段階以上であってもよい。

図８は、第３の変形例における移動機構３０を示す図である。第３の変形例においては、用いる回転体３２ｄは、円盤であり中心に回転軸ｓ１があり、円盤の外周面近くに、円盤表面から突出させたガイド軸ｓ２を設けている。また、保持部３３の基体部３３５には、Ｙ方向に延在し、ガイド軸ｓ２の外径と略同じ幅（Ｚ方向）を有するガイド溝ｇ１（開口部）が設けられている。駆動源３１により、回転体３２ｄを回転させることで、ガイド軸ｓ２はガイド溝ｇ１内を往復移動する。すなわち、回転にともない、回転体３２ｄの一部であるガイド軸ｓ２が保持部３３のガイド溝ｇ１の内壁面に当接し、当接位置が光軸ＡＸ方向に移動する。これにより、これにより保持部３３、およびこれに保持されるレンズ２４１ａが光軸ＡＸ方向に連続的に移動する。

このような第１〜第３の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。特に第１、第３の変形例においては、第１、第２の実施形態と同様に光学素子の位置を光軸ＡＸ方向で連続的に変化させることができるので、虚像ｆまでの投影距離を連続的に変化させることができる。また、第２の変形例においては、連続的には変化させることができないが、図７に示すような回転体３２ｃであれば、分割数に応じた回転角度（９０度）の範囲において、一定の投影距離を維持できるので、表示素子２１の表示タイミングの精度の制御に対する要求は低くなるので、制御を容易にすることができる。

（他の変形例）
図９は、第４の変形例における移動機構３０を示す図である。第４の変形例においては、回転体３２ｅの周方向の段差部分に円弧状の丸みを形成している。具体的には、軸方向から視た場合において、それぞれの段差部分に丸みＲを設けている。図９に示す回転体３２ｅは、丸みＲを設けているが、これ以外の他の構成は、図６に示した第１の変形例と同一である。第４の変形例においては、回転体３２ｅ全体の外径は、例えば十から二十数ｃｍであり、段差としては、１０〜２０ｍｍである。丸みＲはφ０．５ｍｍ以上が好ましい。また、丸みＲとしては段差を滑らかに結ぶ曲面を有する傾斜面で構成してもよい。このようにすることで、回転体３２ｅを回転させたときに、段差を乗り越えるときに発生する衝撃を緩和できる。なお、図９に示した段差部分に円弧状の丸みＲを設けたり傾斜面を設けたりする構成を、図７に示した第２の変形例に適用してもよい。

（第３の実施形態）
図１〜図９で説明した各実施形態、およびその変形例においては、虚像表示装置２０は、投影光学系２２、および中間スクリーン２３を備えていたが、この構成を省略してもよい。図１０は、第３の実施形態に係る虚像表示装置２０ｂを示す図である。第３の実施形態においては投影光学系２２、および中間スクリーン２３を省略しており、表示素子２１に形成された像ｉ１は、虚像投影光学系２４により虚像に変換される。このような第３の実施形態においても、図４、６、７、または図９に示したような構成により、レンズ２４１ａを保持する保持部３３を光軸方向に移動させることで、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

（ヘッドアップディスプレイ装置１０）
図１１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。

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２４４の背後に投影距離（「虚像距離」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２４４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１２参照）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１２参照）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１２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の第１の実施形態に係る虚像表示装置２０であれば、表示制御部５０は、例えばレンズ２４１ａを中間スクリーン２３に最も近づける（図示右側に移動）、すなわち保持部３３が回転軸ｓ１に最も近づくタイミングで、表示素子２１に画像を表示させる。図５の第２の実施形態に係る虚像表示装置２０であれば、例えば表示スクリーン２３を最もレンズ２４１ａに近づける（図示左側に移動）、すなわち保持部３３が回転軸ｓ１から最も離れるタイミングで表示素子２１に画像を表示させる。

同様に、遠距離（第４の距離）の虚像ｆ４では、例えばレンズ２４１ａと表示スクリーン２３を最も遠ざける。すなわち図４の第１の実施形態であれば、保持部３３が回転軸ｓ１から最も離れるタイミングで、表示素子２１に画像を表示させる。図５の第２の実施形態に係る虚像表示装置２０であれば、保持部３３が回転軸ｓ１に最も近づくタイミングで表示素子２１に画像を表示させる。なお、第１の実施形態における、虚像の投影距離（近距離〜遠距離）とレンズ２４１ａ（近い〜遠い）の位置関係はあくまでも例示であり、レンズ２４１ａの構成により、これらの位置関係は逆になり得る。

中距離（第２、第３の距離）の虚像ｆ２、ｆ３は、虚像ｆ１、ｆ４の間の投影距離となるように、所定の位置に応じたタイミングで表示素子２１に画像を表示させることで虚像ｆ２、ｆ３を投影できる。なお、虚像ｆ１〜ｆ４の投影距離は、第１、第２の実施形態のように回転体３２ａの外周面が回転軸ｓ１からの距離が連続的に変化する形態であれば、虚像ｆの投影距離も連続的に変化させることができる。一方で、図７の第２の変形例のように回転体３２ｃの外周面が回転軸ｓ１から多段階で離散的に変化する形態であれば、虚像ｆの投影距離も離散的に変化させることになる。この場合、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、中間スクリーンまたは、虚像形成光学系の少なくとも１つの光学素子を光軸方向にスライド可能に保持する保持部３３と、光軸方向に直交する回転軸ｓ１を中心として回転する回転体３２と、を有し、保持部３３を光軸方向に移動させることで虚像までの投影距離を変更する移動機構３０と、を備える。移動機構３０は、回転体３２の一部が保持部に当接し、当接位置が回転体３２の回転により光軸方向で移動することで、保持部３３に保持された中間スクリーン２３、または光学素子２４１ａを光軸方向に移動させることで、虚像を複数距離において連続的または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。

（その他の変形例）
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。

１０ ヘッドアップディスプレイ装置
２０、２０ｂ 虚像表示装置
２１ 表示素子
２１ａ 表示面
２２ 投影光学系
２３ 中間スクリーン
２４ 虚像形成光学系
２４１ 光学素子群
２４１ａ レンズ（光学素子）
２４２、２４３ ミラー
２４４ 表示スクリーン
２９ ハウジング
３０ 移動機構
３１ 駆動源
３２、３２ａ〜３２ｅ 回転体
ｓ１ 回転軸
３３ 保持部
３４ ガイド
３５ 付勢部材
３９ センサー
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
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 光軸
Ｄ１ 表示光
ｆ 虚像

Claims (7)

1. 表示素子と、
   前記表示素子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虚像形成光学系と、
   前記中間スクリーンまたは、前記虚像形成光学系の少なくとも１つの光学素子を光軸方向にスライド可能に保持する保持部、および前記光軸方向に直交する回転軸を中心として回転する回転体とを有し、前記保持部を前記光軸方向に移動させることで前記虚像までの投影距離を変更する移動機構と、
   を備え、
   前記移動機構は、前記回転体の一部が前記保持部に当接し、当接位置が前記回転体の回転により前記光軸方向で移動することで、前記保持部に保持された前記中間スクリーン、または前記光学素子を前記光軸方向に移動させる、虚像表示装置。
2. 表示素子と、
   前記表示素子に形成された像を虚像に変換する虚像形成光学系と、
   前記虚像形成光学系の少なくとも１つの光学素子を光軸方向にスライド可能に保持する保持部、および前記光軸方向に直交する回転軸を中心として回転する回転体とを有し、前記保持部を前記光軸方向に移動させることで前記虚像までの投影距離を変更する移動機構と、
   を備え、
   前記移動機構は、前記回転体の一部が前記保持部に当接し、当接位置が前記回転体の回転により前記光軸方向で移動することで、前記保持部に保持された前記光学素子を前記光軸方向に移動させる、虚像表示装置。
3. 前記回転体は、前記回転軸からの距離が連続的に変化する外周面を有し、
   前記外周面が前記保持部に当接しながら、前記回転体が回転することで、前記保持部を前記光軸方向に移動させる、請求項１または請求項２に記載の虚像表示装置。
4. 前記回転体は、前記回転軸からの距離が複数段階で異なる外周面を有し、
   前記外周面が前記保持部に当接しながら、前記回転体が回転することで、前記保持部を前記光軸方向に移動させる、請求項１または請求項２に記載の虚像表示装置。
5. 前記回転体の周方向の段差部には、円弧状の丸みが形成されている、または、傾斜面が設けられている、請求項１から請求項４のいずれかに記載の虚像表示装置。
6. 前記移動機構による、前記保持部の前記光軸方向の位置に同期させて、前記表示素子に形成する像の形成タイミングを制御する表示制御部をさらに備える、請求項１から請求項５のいずれかに記載の虚像表示装置。
7. 請求項１から請求項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、
   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前記投影距離で、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。