JP2020027209A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成でありながら複数の距離に虚像を同時に表示させ、虚像の色滲みを防ぐこと。【解決手段】画像表示装置１００は、表示素子１１と、表示素子１１に形成された像を拡大する投影光学系１５と、拡散機能を有し、投影光学系１５の光射出側に配置される中間スクリーン１９と、拡大投射光学系１７と、中間スクリーン１９に周期運動を行わせるとともに表示素子１１の動作を制御する表示制御部１８とを備え、表示素子１１は、可動範囲内の制限範囲でＲ、Ｇ、及びＢの３つの個色画像を中間スクリーン１９の周期運動の一定期間に離散的に形成しつつ、３つの個色画像を時間順列的に形成することで１つのカラー画像を描画し、表示制御部１８は、表示素子１１にカラー画像を構成する３つの個色画像を描画させ、複数の制限範囲を設定することにより、各制限範囲に対応する虚像距離が異なる複数のカラー画像を形成する。【選択図】図２

Description

本発明は、視線の先に虚像を表示し、かつ虚像の投影位置を可変とした表示装置に関するものである。

従来のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）装置は、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、運転者から虚像までの距離が一定だと眼の位置がずれた場合に対象物と危険信号（虚像）との位置がずれてしまい、運転者が対象物の位置を誤認してしまうという問題がある。

このような問題を解決する手段として、対象物と虚像とを高フレームレートで重畳させて表示することができるシステムを持ち、中間スクリーンの像の倍率を変更できる光学素子を光軸方向に高速移動させる手法が考えられる。これにより、その対象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できる。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に記載の方法がある。この特許文献１では、ＭＥＭＳミラーのような走査型の像形成手段と、中間スクリーンと、投影手段と、中間スクリーン位置を変える可動手段とを備え、中間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することであるが、運転時の危険というのは視線の遠近に関係なく存在するものであるため、遠距離にも近距離にも同時に危険信号を表示できることが好ましい。そのためには、中間スクリーンを高速駆動し、それと同期させた映像を像形成手段によって生成することで、人間の目には同時に表示されているかのように見せることが考えられる。しかしながら、走査型の像形成手段では、高フレームレートでの表示切り替えに対応することが難しいため、複数距離に虚像を同時に表示させる構成には向いていない。また、上述のような構成のＨＵＤ装置では、描画デバイスはＲＧＢのカラー画像データを時間順列的に投影し、中間スクリーンが所望の距離に存在する際にこれらの投影をパルス的に投影することで、目的の画像（運転者からみれば虚像）を目的の虚像距離に投影する。この際、中間スクリーンの光軸方向への周期運動の１周期中に連続して同一画像のＲＧＢデータを投影する場合、ＲＧＢ投影間に短時間ではあるが時間差が存在していることになる。これにより、同一距離へ投影するべき画像データであるにも関わらず、ＲＧＢの投影距離に誤差が生じてしまう。これが、運転者が視点をずらした際の色滲みにつながる。

特開２００９−１５０９４７号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、簡素な構成でありながら複数の距離に虚像を実質的に同時に表示させ、かつ虚像の色滲みを防ぐことができる表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る表示装置は、表示素子と、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、投影光学系の光射出側に配置される中間スクリーンと、中間スクリーン上の像を拡大する拡大投射光学系と、中間スクリーンに光軸方向に沿った可動範囲内において周期運動を行わせるとともに表示素子の動作を制御する表示制御部とを備え、表示素子は、可動範囲内の一部に設定された少なくとも１つの制限範囲でＲ、Ｇ、及びＢの３つの個色画像を中間スクリーンの周期運動の一定期間に離散的に形成しつつ、３つの個色画像を時間順列的に投影することで１つのカラー画像を描画し、表示制御部は、中間スクリーンが制限範囲内に配置されたときに、表示素子にカラー画像を構成する３つの個色画像を描画させ、互いに重複しない複数の制限範囲を設定することにより、各制限範囲に対応する虚像距離が異なる複数のカラー画像を形成する。

上記表示装置によれば、可動範囲内の一部に設定された制限範囲において、１つのカラー画像を構成する３つの個色画像を中間スクリーンの周期運動の一定期間に離散的に形成しつつ、３つの個色画像を時間順列的に投影することにより、カラー画像内の個色画像の虚像距離のずれが緩和され、虚像距離を変化させつつ、虚像の色滲みを抑制することができる。

本発明の具体的な側面では、上記表示装置において、表示制御部は、中間スクリーンの周期運動の速度を表示素子の投影タイミングに合わせて調整する。この場合、例えばリアルタイムで調整すれば虚像の色滲みをより低減することができる。

本発明の別の側面では、表示制御部は、表示素子の投影タイミングを中間スクリーンの周期運動の速度に合わせて調整する。この場合、例えばリアルタイムで調整すれば虚像の色滲みをより低減することができる。

本発明のさらに別の側面では、表示制御部は、１つのカラー画像を構成する３つの個色画像を中間スクリーンの周期運動の１周期内に投影する画像パターン切替部を備える。この場合、中間スクリーンの１周期分の運動で１つのカラー画像の個色画像を所定のタイミングで対応する同一又は略同一の虚像距離に投影することができる。

本発明のさらに別の側面では、表示制御部は、１つのカラー画像を構成する３つの個色画像を中間スクリーンの周期運動の２周期に分けて投影する画像パターン切替部を備える。この場合、中間スクリーンが１周期目のある位置に配置されるときに、その位置に対応する虚像距離のＲ、Ｇ、及びＢのいずれか１つ又は２つの個色画像を投影し、２周期目の同じ位置のタイミングにおいて、残りの２つ又は１つの個色画像を投影する。ここで、同じ位置とは、略同じ位置であることを含み、中間スクリーンが同一の制限範囲内に配置されていることを意味する。

本発明のさらに別の側面では、表示制御部は、１つのカラー画像を構成する３つの個色画像を中間スクリーンの周期運動の３周期に分けて投影する画像パターン切替部を備える。この場合、中間スクリーンが１周期目のある位置に配置されるときに、その位置に対応する虚像距離のＲ、Ｇ、及びＢのいずれか１つの個色画像を投影し、２周期目の同じ位置のタイミングにおいて、残りの２つのうち１つの個色画像を投影し、３周期目の同じ位置のタイミングにおいて、残りの１つの個色画像を投影する。

本発明のさらに別の側面では、画像パターン切替部は、異なる虚像距離に表示されるカラー画像に対して、虚像距離に応じた個色画像の投影順序及び個色画像の投影タイミングを変更する。この場合、虚像距離に応じたカラー画像（３つの個色画像を重ねた画像）を色滲みを低減して表示することができる。

本発明のさらに別の側面では、中間スクリーンは、拡大投射光学系側において、光軸に対して傾斜する面を有する。この場合、中間スクリーンを少なくとも１周させることで、一連の虚像距離の個色画像を投影することができ、虚像距離に応じたカラー画像を表示することができる。

本発明のさらに別の側面では、中間スクリーンは、複数の制限範囲に対応する複数の区分に分けられ、少なくとも１つの制限範囲において、個色画像の描画位置に対応する同一の区分内の領域は少なくとも２つに分割して配置される。この場合、同一区分において中間スクリーンの位置が略同一となり、区分内の領域に形成された個色画像を同じ又は略同じ虚像距離に投影することができる。

本発明のさらに別の側面では、中間スクリーンは、光軸に垂直な方向の面において、螺旋形状を有する。この場合、中間スクリーンを少なくとも２周させることで、一連の虚像距離の個色画像を投影することができ、虚像距離に応じたカラー画像を表示することができる。

本発明のさらに別の側面では、中間スクリーンは、複数の制限範囲に対応する複数の区分に分けられ、個色画像の描画位置に対応する同一の区分内の領域はひとまとまりに配置される。この場合、同一区分において中間スクリーンの位置が略同一となり、区分内の領域に形成された個色画像を同じ又は略同じ虚像距離に投影することができる。

（Ａ）は、第１実施形態の虚像表示光学系を組み込んだ画像表示装置を車体に搭載した状態を示す側方断面図であり、（Ｂ）は、画像表示装置を説明する車内側からの正面図である。 虚像表示光学系等の具体的な構成例を説明する拡大側方断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、中間スクリーンを組み込んだ拡散部の構造を説明する平面図及び側断面図であり、（Ｃ）は、拡散部中の回転体を説明する斜視図である。 中間スクリーンの回転に伴う機能領域等を説明する図である。 中間像の位置の変化及び個色画像の表示タイミングを具体的に例示する図である。 （Ａ）は、中間スクリーンの機能領域に対応する個色画像の割り当てを説明する概念図であり、（Ｂ）は、中間スクリーンの区分毎の個色画像の表示タイミングを説明する図である。 画像表示装置を含む移動体用表示システムを説明するブロック図である。 具体的な表示状態を説明する斜視図である。 （Ａ）は、図５に対応する図であり、（Ｂ）〜（Ｅ）は、図８中の表示像又はフレーム枠に対応する図である。 画像表示装置の動作例を説明する図である。 第２実施形態の画像表示装置に組み込まれる虚像表示光学系等を説明する拡大側方断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図１１に示す中間スクリーンを組み込んだ拡散部の構造を説明する平面図及び側断面図であり、（Ｃ）は、拡散部中の回転体を説明する斜視図である。 （Ａ）は、図１１に示す中間スクリーンの機能領域に対応する個色画像の割り当てを説明する概念図であり、（Ｂ）は、中間像の位置の変化等を例示する図であり、（Ｃ）は、図１１に示す中間スクリーンの区分毎の個色画像の表示タイミングを説明する図である。 （Ａ）は、第３実施形態の画像表示装置に組み込まれる中間スクリーンの機能領域に対応する個色画像の割り当てを説明する概念図であり、（Ｂ）は、中間像の位置の変化等を例示する図であり、（Ｃ）は、第３実施形態の中間スクリーンの区分毎の個色画像の表示タイミングを説明する図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る画像表示装置（又は表示装置）について説明する。

図１（Ａ）及び１（Ｂ）は、本実施形態の表示装置としての画像表示装置１００及びその使用状態を説明する概念的な側方断面図及び正面図である。この画像表示装置１００は、例えばヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置として車体２内に搭載されるものであり、描画ユニット１０と表示スクリーン２０とを備える。画像表示装置１００は、描画ユニット１０中の後述する表示素子１１に表示されている画像情報を、表示スクリーン２０を介して運転者ＵＮ向けに虚像表示するものである。

画像表示装置１００のうち描画ユニット１０は、車体２のダッシュボード４内であってディスプレイ５０の背後に埋め込むように設置されており、運転関連情報等を含む画像に対応する表示光ＨＫを表示スクリーン２０に向けて射出する。表示スクリーン２０は、コンバイナーとも呼ばれ、半透過性を有する凹面鏡又は平面鏡である。表示スクリーン２０は、下端の支持によってダッシュボード４上に立設され、描画ユニット１０からの表示光ＨＫを車体２の後方に向けて反射する。つまり、図示の場合、表示スクリーン２０は、フロントウインドウ８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２０で反射された表示光ＨＫは、運転席６に座った運転者ＵＮの瞳ＨＴ及びその周辺位置に対応するアイボックス（不図示）に導かれる。運転者ＵＮは、表示スクリーン２０で反射された表示光ＨＫ、つまり車体２の前方にある虚像としての表示像ＩＭを観察することができる。一方、運転者ＵＮは、表示スクリーン２０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、運転者ＵＮは、表示スクリーン２０の背後の外界像又はシースルー像に重ねて、表示スクリーン２０での表示光ＨＫの反射によって形成される運転関連情報等を含む表示像（虚像）ＩＭを観察することができる。

ここで、表示スクリーン２０をフロントウインドウ８と別体で構成しているが、フロントウインドウ８を表示スクリーンとして用い、フロントウインドウ８内に設定した表示範囲に投影を行って、運転者ＵＮが表示像ＩＭを観察できる構成としてもよい。この際、フロントウインドウ８のガラスの一部領域の反射率をコート等によって変更することで、反射領域を確保することができる。また、フロントウインドウ８での反射角度が例えば６０度程度であれば、反射率が１５％程度確保され、特にコートを設けなくても透過性を有する反射面として用いることができる。これら以外に、表示スクリーン２０をフロントウインドウ８のガラス中に挟む構成とすることもできる。

図２に示すように、描画ユニット１０は、表示素子１１を含む虚像型の拡大結像系である本体光学系１３と、本体光学系１３を動作させる表示制御部１８と、本体光学系１３等を収納するハウジング１４とを備える。これらのうち本体光学系１３と表示スクリーン２０とを組み合わせたものは、虚像表示光学系３０を構成する。

本体光学系１３は、表示素子１１のほかに、表示素子１１に形成された画像を拡大した中間像ＴＩを形成可能な投影光学系１５と、中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍（以下では結像位置とも呼ぶ）に配置される拡散部１６と、拡散部１６上の像（中間像ＴＩそのものの他、中間像ＴＩから位置ズレして僅かにピントがボケたものも含み、強制中間像ＴＩ’とも呼ぶ）を拡大する拡大投射光学系１７とを備える。

表示素子１１は、２次元的な表示面１１ａを有する。表示素子１１の表示面１１ａに形成された像は、本体光学系１３のうち投影光学系１５で拡大されて拡散部１６へ投影される。この際、２次元表示が可能な表示素子１１を用いることで、投影光学系１５が表示素子１１の表示面１１ａに形成された像を拡大するので、拡散部１６への表示像ＩＭ又は投影像の切り替え、つまり表示スクリーン２０越しに虚像として表示される表示像ＩＭの切り替えを比較的高速とできる。表示素子１１の動作は、後述する表示制御部１８によって拡散部１６に付随する回転駆動部６４の動作と同期するように制御されている。表示素子１１は、ＤＭＤ（Digital Mirror 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。なお、液晶等を照明する発光体としては、バックライト、ＬＥＤ（light emitting diode）、半導体レーザーを用いてもよい。特に、表示素子１１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（高速の間欠表示を含む）が容易になり、虚像距離又は投影距離を変化させる表示に有利である。なお、表示素子１１は、虚像距離を変化させる場合には、それぞれの虚像距離に対して３０ｆｐｓ以上、さらに望ましくは６０ｆｐｓ以上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表示像（虚像）ＩＭを運転者ＵＮに対して同時に表示されているように見せることが容易になる。特に、９０ｆｐｓ以上で表示の切り替えを行う場合、ＤＭＤやＬＣＯＳが表示素子１１の候補となる。

表示素子１１は、Ｒ、Ｇ、及びＢの３つの個色画像を後述する拡散部１６の中間スクリーン１９の周期運動の一定期間に離散的に形成しつつ、３つの個色画像を時間順列的に形成することで１つのカラー画像を描画する。ここで、一定期間とは、１つのカラー画像を形成するための期間であり、中間スクリーン１９の周期運動の１周期以内、又は２周期以上を意味する。離散的とは、少なくとも１つの制限範囲内において、中間スクリーン１９上に個色画像を連続的に形成するタイミングを少なくとも２回に分けることを意味する。また、詳細は後述するが、上述の個色画像は、中間スクリーン１９の光軸ＡＸに沿った可動範囲内の一部に設定された制限範囲（ある虚像距離に表示像ＩＭを表示可能な範囲）に形成される。本実施形態において、制限範囲は、可動範囲内に互いに重複しない状態で４つ設定されており（不図示）、各制限範囲に対応する異なる虚像距離に、対応する表示像ＩＭがそれぞれ表示される。また、制限範囲は、中間スクリーン１９を光軸ＡＸに沿った配置位置によって区分けする区分ＡＲ１〜ＡＲ４に対応している。

投影光学系１５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。投影光学系１５は、表示素子１１の表示面１１ａに形成された画像を中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’として拡散部１６上に適当な倍率で拡大投影する。

拡散部１６は、投影光学系１５による投影位置又は結像位置（つまり、中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍）に配置され、回転体１６ａと中空枠体１６ｂとを有し、回転駆動部６４に駆動されて例えば一定速度で基準軸ＳＸの周りに回転する。つまり、回転駆動部６４は、後述する表示制御部１８を介して、後述する回転体１６ａの中間スクリーン１９に光軸ＡＸ方向に沿った可動範囲内において周期運動を行わせる。また、回転駆動部６４は、表示制御部１８を介して、中間スクリーン１９の周期運動の速度を表示素子１１の投影タイミングに合わせて調整している。回転駆動部６４は、リアルタイムでフィードバックをかけて調整してもよいし、予め設定されたタイミングで調整してもよい。なお、表示制御部１８によって、表示素子１１の投影タイミングを中間スクリーン１９の周期運動の速度に合わせて調整してもよい。

図３（Ａ）は、拡散部１６を説明する正面図であり、図３（Ｂ）は、拡散部１６を説明する側方断面図であり、図３（Ｃ）は、拡散部１６中の回転体１６ａを説明する斜視図である。拡散部１６において、回転体１６ａは全体として円柱を基準軸ＳＸに対して斜めに切断したような形状を有する部材であり、中空枠体１６ｂは回転体１６ａを収納する円筒状の形状を有する部材である。

回転体１６ａは、中央部１６ｃと外周光学部１６ｐとを有する。回転体１６ａの外周光学部１６ｐに形成された一方の表面１６ｆ（本実施形態では、拡大投射光学系１７側の面）は、斜面状の平滑面又は光学面に形成されており、表面１６ｆ上には、全域に亘って中間スクリーン１９が形成されている。つまり、中間スクリーン１９は、拡大投射光学系１７側において、基準軸ＳＸ又は光軸ＡＸに対して傾斜する面を有している。この場合、中間スクリーン１９を少なくとも１周させることで、一連の虚像距離の個色画像を投影することができ、虚像距離に応じたカラー画像を表示することができる。回転体１６ａの表面１６ｆは、立体形状部１１６として機能する。

中間スクリーン１９は、配光角を所望の角度に制御した拡散板である。中間スクリーン１９は、回転体１６ａに貼り付けられるシートとできるが、回転体１６ａの表面に形成された微細な凹凸パターンであってもよい。さらに、中間スクリーン１９は、回転体１６ａの内部に埋め込むように形成されたものであってもよい。中間スクリーン１９は、入射した表示光ＨＫを拡散させることによって中間像ＴＩを形成する（図２参照）。回転体１６ａの外周光学部１６ｐに形成された他方の表面１６ｓ（本実施形態では、投影光学系１５側の面）は、平面状の平滑面又は光学面に形成されている。結果的に、回転体１６ａは、光透過性を有する片側を斜めに切り出した円筒状又は円板状の部材であり、回転体１６ａの一方の表面１６ｆに形成された中間スクリーン１９は、基準軸ＳＸを中心に連続的な傾斜面に沿って形成されたものとなっている。中間スクリーン１９は、虚像距離の１周期に対応する範囲に形成されている。

図３（Ａ）及び図４に示すように、回転体１６ａにおいて、周方向に沿った１箇所は、本体光学系１３の光軸ＡＸが通る機能領域ＦＡとなっており、機能領域ＦＡにおける中間スクリーン１９の部分によって中間像ＴＩが形成される。機能領域ＦＡは、中間スクリーン１９において、複数の位置に設定されている。言い換えれば、回転体１６ａ又は立体形状部１１６において、実質的に複数の分離した中間スクリーン１９が設けられている。中間スクリーン１９の機能領域ＦＡにおける分割数は、適宜変更することができる。既述のように、本実施形態において、画像表示装置１００は、４つの虚像距離に表示像ＩＭを表示可能となっており、回転体１６ａの機能領域ＦＡは、表示像ＩＭに対応する各カラー画像を構成するＲ、Ｇ、及びＢの個色画像（本実施形態では、合計１２個の個色画像）に応じて中間スクリーン１９を１２分割した分割領域Ｆ１〜Ｆ１２に対応している。分割領域Ｆ１〜Ｆ１２は、中間スクリーン１９の位置が略同じ領域について、４つの区分ＡＲ１〜ＡＲ４に振り分けられている。各区分ＡＲ１〜ＡＲ４は、中間スクリーン１９の可動範囲に設定される４つの制限範囲に対応する（不図示）。つまり、各機能領域ＦＡは、１つのカラー画像を構成するＲ、Ｇ、及びＢの個色画像を１つのまとまりとした場合、４つのカラー画像を異なる虚像距離に形成するように４つの区分ＡＲ１〜ＡＲ４に分けられている。図３（Ｃ）及び図４等に示すように、本実施形態では、区分ＡＲ１は、中間スクリーン１９が最も近い側（拡大投射光学系１７側）の位置に配置されており、区分ＡＲ４は、中間スクリーン１９が最も遠い側（投影光学系１５側）の位置に配置されている。区分ＡＲ１は、隣接した３つの分割領域Ｆ１，Ｆ１２，Ｆ１１を有しており、区分ＡＲ４は、隣接した３つの分割領域Ｆ５，Ｆ６，Ｆ７を有している。ここで、２つの制限範囲に対応する区分ＡＲ２，ＡＲ３では、個色画像の描画位置に対応する同一の区分内の分割領域が少なくとも２つに分割して配置されている。具体的には、区分ＡＲ２，ＡＲ３は、区分ＡＲ１と区分ＡＲ４との間に領域を分割して配置されている。区分ＡＲ２は、区分ＡＲ１に隣接して２つの分割領域Ｆ２，Ｆ３と１つの分割領域Ｆ１０に分けられている。区分ＡＲ３は、区分ＡＲ４に隣接して１つの分割領域Ｆ４と２つの分割領域Ｆ８，Ｆ９とに分けられている。各区分ＡＲ１〜ＡＲ４内に設定された複数の機能領域ＦＡを介して表示される各区分ＡＲ１〜ＡＲ４に対応する表示像ＩＭは略同一の虚像距離での画像表示となる。

この機能領域ＦＡは、回転体１６ａの回転に伴って回転体１６ａ上において一定速度で移動する。つまり、回転体１６ａを回転させつつその一部である機能領域ＦＡに表示光ＨＫを入射させることで、機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩの位置が光軸ＡＸに沿って移動する。ここで、表示素子１１の表示が動作していなければ、必ずしも表示としての中間像ＴＩは形成されないが、中間像ＴＩが形成されるであろう位置も中間像ＴＩの位置と呼ぶ。図示の例では、中間スクリーン１９が斜面の１周期に対応する範囲に形成されているため、回転体１６ａの１回転で中間スクリーン１９の機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩは、光軸ＡＸ方向に斜面の傾斜に相当する距離Ｄだけ往復移動することになる（図３（Ｂ）参照）。同じ区分内の機能領域ＦＡは制限範囲内にあり、結果的にＲ、Ｇ、及びＢの個色画像を複合させたカラー画像に対応する仮想的な複合機能領域が離散的に設けられていることとなり、離散的な虚像距離で虚像が表示される。なお、投影光学系１５は、中間スクリーン１９の位置によってピントぼけが生じないように、機能領域ＦＡの移動範囲以上の所定の焦点深度を有している。または、投影光学系１５にフォーカシングする機能を持たせることで、ぼけのない像を得ることもできる。

中空枠体１６ｂは、円柱状の外形輪郭を有し、側面部１６ｅと一対の端面部１６ｇ，１６ｈとで構成される。側面部１６ｅと一対の端面部１６ｇ，１６ｈとは、光透過性を有する同一の材料で形成されている。ただし、側面部１６ｅは、光透過性を有していなくてもよい。一方の端面部１６ｇの主面６３ａ，６３ｂは、互いに平行な平滑面又は光学面となっており、他方の端面部１６ｈの主面６４ａ，６４ｂも、互いに平行な平滑面又は光学面となっている。ここで、主面６３ａ，６３ｂ又は主面６４ａ，６４ｂは必ずしも平行な平面でなくてもよく、少なくとも機能領域ＦＡに相当する範囲を自由曲面形状や非球面形状とすれば、例えば性能確保が難しい高倍率の光学系においても、光学系に要求される歪みや像面性等の像性能を確保することができるため、必要に応じて望ましい面形状を選択すればよい。中空枠体１６ｂ中の回転体１６ａは、一対の中心軸部６５を介して中空枠体１６ｂに固定されており、中空枠体１６ｂと回転体１６ａとは基準軸ＳＸの周りに一体的に回転する。このように、中間スクリーン１９を設けた回転体１６ａを中空枠体１６ｂ中に配置することで、回転体１６ａに塵等が付着することを抑制でき、回転体１６ａの回転に伴う音の発生を抑制することができ、回転体１６ａは、その外周部分において中空枠体１６ｂに固定してもよい。

図２に戻って、回転駆動部６４によって拡散部１６を一定速度で基準軸ＳＸの周りに回転させることで、回転体１６ａの中間スクリーン１９（又は立体形状部１１６）が光軸ＡＸと交差する位置（つまり、機能領域ＦＡ）も光軸ＡＸ方向に移動する。つまり、図４に示すように、回転体１６ａの回転に伴って、中間スクリーン１９上の機能領域ＦＡは、隣接する機能領域ＦＡ’に順次シフトし、結果的に１つのカラー画像に対応する複合機能領域については、光軸ＡＸ方向に時間的に離散した状態で移動する。このような機能領域ＦＡの光軸ＡＸ方向への移動により、１つのカラー画像に対応する中間像ＴＩの位置も光軸ＡＸ方向に移動させることができる。詳細は後述するが、例えば中間像ＴＩの位置を拡大投射光学系１７側に移動させることにより、表示像ＩＭまでの虚像距離を減少させることができる。また、中間像ＴＩの位置を表示素子１１側に移動させることにより、表示像ＩＭまでの虚像距離を増加させることができる。

拡大投射光学系１７は、拡散部１６に形成された中間像ＴＩを表示スクリーン２０と協働して拡大し、運転者ＵＮの前方の表示スクリーン２０越しに虚像としての表示像ＩＭを形成する。拡大投射光学系１７は、少なくとも１枚のミラーで構成されるが、図示の例では２枚のミラー１７ａ，１７ｂを含む。拡大投射光学系１７は、回転体１６ａの機能領域ＦＡにおける中間スクリーン１９の湾曲（つまり、中間像ＴＩの像面湾曲）を補正するような光学特性を有するものとできる。

以上の本体光学系１３において、拡散部１６を設けることにより、光軸ＡＸ方向に移動可能な中間像ＴＩを形成できるだけでなく、視野角とアイボックスサイズとを確保しつつ、光学系の光利用効率を高くすることができる。なお、拡散部１６による拡散の配光角が狭すぎると、アイボックスサイズが小さくなってしまう。逆に、拡散部１６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拡大投射光学系１７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。

表示制御部１８は、拡散部１６の中間スクリーン１９が制限範囲内に配置されたときに、表示素子１１にカラー画像を構成する３つの個色画像を描画させる。３つの個色画像の合成による１つのカラー画像の表示は、最長で中間スクリーン１９の周期運動の１周期の期間をかけて行われている。

表示制御部１８は、１つのカラー画像を構成する３つの個色画像を中間スクリーン１９の周期運動の１周期内に投影する画像パターン切替部１１ｂを有している。画像パターン切替部１１ｂにより、中間スクリーン１９の１周期分の回転で１つのカラー画像の個色画像を所定のタイミングで対応する同一又は略同一の虚像距離に投影することができる。画像パターン切替部１１ｂは、異なる虚像距離に表示されるカラー画像に対して、虚像距離に応じた個色画像の投影順序及び個色画像の投影タイミングを変更する。この場合、虚像距離に応じたカラー画像（３つの個色画像を重ねた画像）を色滲みを低減して表示することができる。

図２等に示す画像表示装置１００において、表示制御部１８の制御下で回転駆動部６４を動作させることで、拡散部１６が基準軸ＳＸの周りに回転して中間像ＴＩの位置が光軸ＡＸ方向に繰り返し周期的に移動し、拡大投射光学系１７によって表示スクリーン２０の背後に形成される虚像としての表示像ＩＭと運転者ＵＮとの距離を大きく、又は小さくすることができる。このように、投影される表示像ＩＭの位置を前後に変化させるとともに、表示制御部１８の制御下で表示素子１１による表示内容をその位置に応じたものとすることで、表示像ＩＭまでの虚像距離を変化させつつ表示像ＩＭの表示内容を変化させることになり、一連の投影像としての表示像ＩＭを３次元的なものとすることができる。なお、機能領域ＦＡが光軸ＡＸ方向に移動しても、機能領域ＦＡにおける中間スクリーン１９の湾曲状態は維持されるため、表示像ＩＭの位置に関わらず拡大投射光学系１７による補正の効果は維持される。

拡散部１６又は回転体１６ａの回転速度又は機能領域ＦＡの移動速度は、虚像としての表示像ＩＭが複数箇所又は複数虚像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であることが望ましい。ここで、各表示ゾーンの表示像ＩＭを３０ｆｐｓ以上、望ましくは６０ｆｐｓ以上で切り替えれば、表示される複数の画像が連続的な画像として認識される。例えば、拡散部１６の動作に伴って表示像ＩＭが近距離から遠距離までに４段階で順次投影されるものとして、表示素子１１に１２０ｆｐｓで表示を行わせると、各距離の表示像ＩＭは、３０ｆｐｓで表示の切り替えが行われることになり、各距離の表示像ＩＭが並列的に行われ、かつ切り替えが略連続的なものとして認識される。なお、拡散部１６の移動速度は、以上から明らかなように、表示素子１１の表示動作と同期するように設定される。これにより、複数の距離において、その距離毎の状況に応じた複数の虚像を表示することができる。

図５は、拡散部１６の回転に伴う中間像ＴＩの位置の変化と個色画像の表示タイミングとの関係を具体的に例示する図である。拡散部１６の機能領域ＦＡは、光軸ＡＸ方向に沿ってサインカーブ状の経時パターンＰＡで繰り返し周期的に移動しており、中間像ＴＩの位置も、表示素子１１が連続表示を行っている場合、図示のように光軸ＡＸ方向に沿ってサインカーブ状の経時パターンＰＡで繰り返し周期的に移動する。つまり、中間像ＴＩの位置は、拡散部１６の回転に伴って連続的かつ周期的に変化する。この結果、図示を省略するが、表示像ＩＭの位置も、スケールは異なるが、中間像ＴＩの位置と同様に光軸ＡＸ方向に沿って繰り返し周期的に移動し、虚像距離を連続的に変化させることができる。ここで、表示素子１１は、連続表示を行うものでなく、表示内容を切り替えつつ間欠的な表示を行うものであるから、３つの個色画像を合成したカラー画像に対応する中間像ＴＩの表示位置もサインカーブ状の経時パターンＰＡ上における離散的な表示位置Ｐ１〜Ｐ４となる。ここで、図５に示す例では、中間像ＴＩの位置を傾き一定の斜面を利用してサインカーブ状になるように時間に対して変化させているが、表示させる距離の仕様に対して拡散部１６の回転位置も加味して、表示タイミングをコントロールできるように位置を変化させることが望ましく、表示距離の仕様によっては一定の傾きとならない変化としてもよい。

表示素子１１は、後述する画像パターン切替部１１ｂを用いて、各区分ＡＲ１〜ＡＲ４の分割領域Ｆ１〜Ｆ１２に対応する個色画像を所定の画像表示パターンで時間順列的に投影する。１周期内に投影する画像パターンは、虚像距離に応じて予め割り当てられており、Ｒ、Ｇ、及びＢの順に各区分の個色画像が投影される。中間スクリーン１９の１周期のうち略同じ虚像距離の範囲となる制限範囲に対応する区分では、一方の表示タイミングにおいて、Ｒ、Ｇ、及びＢの個色画像のうち少なくとも１つの個色画像を対応する区分の分割領域に表示させ、他方の表示タイミングで残りの個色画像を１周期目の同じ区分の別の分割領域に表示させる。これにより、所定の虚像距離又は制限範囲において、カラー画像が表示される。

なお、ある虚像距離に対応するカラー画像を表示する場合、図５に示すように表示している時間内で中間像ＴＩの位置が変化することで、表示している距離が変化する。この際にそのように距離が変化する表示ゾーンで運転者ＵＮに見える虚像距離は、その表示時間内で変化する距離の略平均位置となる。

図５、図６（Ａ）、及び６（Ｂ）に示すように、表示素子１１は、表示素子１１と中間スクリーン１９との距離が所定の距離になったとき、つまり中間スクリーン１９が所定の制限範囲内に配置されたときに所定の個色画像を表示する。具体的には、本実施形態において、まず、虚像距離が最も近い位置に対応する中間スクリーン１９の区分ＡＲ１上の分割領域Ｆ１にＲの個色画像Ｒ１を表示する。次に、分割領域Ｆ１に隣接する区分ＡＲ２上の分割領域Ｆ２にＧの個色画像Ｇ２を表示する。同様に、分割領域Ｆ３〜Ｆ１２についても、所定の表示タイミングに従って対応するＲ、Ｇ、及びＢの個色画像を表示する。結果的に、中間スクリーン１９の１周期分で虚像距離が異なる４つのカラー画像が得られ、対応する虚像距離に各表示像ＩＭが投影される。表示素子１１は、２周目以降も１周目と同様の画像表示パターンで個色画像を表示させる。このように、中間スクリーン１９の１周期分の回転のみで所望の表示像ＩＭを得ることできる。区分ＡＲ２，ＡＲ３のように分割領域を中間スクリーン１９上に分けて配置しても、中間スクリーン１９が１回転するうちに表示素子１１と中間スクリーン１９とが同じ所定の距離に到達するタイミングが２回あるため、同じ区分内でカラー画像を構成するＲ、Ｇ、及びＢの個色画像を表示させることができる。

図７は、移動体用表示システム２００を説明するブロック図であり、移動体用表示システム２００は、その一部として画像表示装置１００を含む。この画像表示装置１００は、図２に示す構造を有するものであり、ここでは説明を省略する。移動体用表示システム２００は、移動体である自動車等に組み込まれるものである。

移動体用表示システム２００は、画像表示装置１００のほかに、運転者検出部７１と、環境監視部７２と、主制御装置９０とを備える。

運転者検出部７１は、運転者ＵＮの存在や視点位置を検出する部分であり、運転席用カメラ７１ａと、運転席用画像処理部７１ｂと、判断部７１ｃとを備える。運転席用カメラ７１ａは、車体２内のダッシュボード４の運転席６正面に設置されており（図１（Ｂ）参照）、運転者ＵＮの頭部及びその周辺の画像を撮影する。運転席用画像処理部７１ｂは、運転席用カメラ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って判断部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を経た運転席画像からオブジェクトの抽出又は切り出しを行うことによって運転者ＵＮの頭部や目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２内における運転者ＵＮの頭部の存否とともに運転者ＵＮ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、前方に近接する自動車、自転車、歩行者等を識別する部分であり、外部用カメラ７２ａと、外部用画像処理部７２ｂと、判断部７２ｃとを備える。外部用カメラ７２ａは、車体２内外の適所に設置されており、運転者ＵＮ又はフロントウインドウ８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って判断部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を経た外部画像からオブジェクトの抽出又は切り出しを行うことによって自動車、自転車、歩行者等の対象物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体２前方における対象物の空間的な位置を算出する。

なお、運転席用カメラ７１ａや外部用カメラ７２ａは、図示を省略しているが、例えば複眼型の３次元カメラである。つまり、両カメラ７１ａ，７２ａは、結像用のレンズと、ＣＭＯＳ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、画像内の各領域又はオブジェクトまでの距離を判定できる。

なお、上記のような複眼型のカメラ７１ａ，７２ａに代えて、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、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（領域又はオブジェクト）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ることができる。

表示制御部１８は、主制御装置９０の制御下で虚像表示光学系３０を動作させて、表示スクリーン２０の背後に虚像距離が変化する３次元的な表示像ＩＭを表示させる。表示制御部１８は、主制御装置９０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、虚像表示光学系３０に表示させる表示像ＩＭを生成する。また、表示制御部１８は、表示像ＩＭを構成するＲ、Ｇ、及びＢの個色画像を生成し、中間スクリーン１９に表示する順序やタイミング等を割り振り、画像パターン切替部１１ｂを介して各個色画像を中間スクリーン１９に表示する。表示像ＩＭは、例えば表示スクリーン２０の背後に存在する自動車、自転車、歩行者その他の対象物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枠ＨＷ（図８参照）のような標識とすることができる。

表示制御部１８は、主制御装置９０を介して運転者検出部７１から運転者ＵＮ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、虚像表示光学系３０による表示像ＩＭの投影の自動的な開始や停止が可能になる。また、運転者ＵＮの視線の方向のみに表示像ＩＭの投影を行うこともできる。さらに、運転者ＵＮの視線の方向の表示像ＩＭ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。

主制御装置９０は、画像表示装置１００、環境監視部７２等の動作を調和させる役割を有し、環境監視部７２によって検出した対象物の空間的な位置に対応するように、虚像表示光学系３０によって投影されるフレーム枠ＨＷの空間的な配置を調整する。

図８は、具体的な表示状態を説明する斜視図である。観察者である運転者ＵＮの前方は観察視野に相当する検出領域ＶＦとなっている。検出領域ＶＦ内、つまり道路及びその周辺に、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が存在すると考える。この場合、主制御装置９０は、画像表示装置１００によって３次元的な表示像（虚像）ＩＭを投影させ、各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３，ＯＢ４に対して関連情報像としてのフレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３，ＨＷ４を付加する。この際、運転者ＵＮから各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３，ＯＢ４までの距離が異なるので、フレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３，ＨＷ４を表示させる表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３，ＩＭ４までの虚像距離は、運転者ＵＮから各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３，ＯＢ４までの距離に相当するものとなっている。

なお、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３，ＩＭ４の虚像距離は、離散的であり、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３，ＯＢ４までの現実の距離に対して常に正確に一致させるということはできない。ただし、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３，ＩＭ４の虚像距離と、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、運転者ＵＮの視点が動いても視差が生じにくく、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３，ＯＢ４とフレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３，ＨＷ４との配置関係を略維持することができる。

図９（Ａ）は、図５に対応し、図９（Ｂ）は、図８中の表示像ＩＭ４又はフレーム枠ＨＷ４に対応し、図９（Ｃ）は、図８中の表示像ＩＭ３又はフレーム枠ＨＷ３に対応し、図９（Ｄ）は、図８中の表示像ＩＭ２又はフレーム枠ＨＷ２に対応し、図９（Ｅ）は、図８中の表示像ＩＭ１又はフレーム枠ＨＷ１に対応している。図９（Ａ）〜９（Ｅ）より明らかなように、表示像ＩＭ１は、回転体１６ａ（又は立体形状部１１６）の機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩが表示位置Ｐ１を中心とする制限範囲にあるとき、表示素子１１の表示面１１ａに形成される一連の表示像に対応する。同様に、表示像ＩＭ２は、回転体１６ａ（又は立体形状部１１６）の機能領域ＦＡが表示位置Ｐ２を中心とする制限範囲にあるときに表示素子（描画デバイス）１１の表示面１１ａに形成される一連の表示像に対応し、表示像ＩＭ３は、回転体１６ａ（又は立体形状部１１６）の機能領域ＦＡが表示位置Ｐ３を中心とする制限範囲にあるときに表示素子１１の表示面１１ａに形成される一連の表示像に対応し、表示像ＩＭ４は、回転体１６ａ（又は立体形状部１１６）の機能領域ＦＡが表示位置Ｐ４を中心とする制限範囲にあるときに表示素子１１の表示面１１ａに形成される一連の表示像に対応する。中間像ＴＩの移動を基準とする１周期でみた場合、表示位置Ｐ１に対応する表示像ＩＭ１又はフレーム枠ＨＷ１が表示され、表示位置Ｐ２に対応する表示像ＩＭ２又はフレーム枠ＨＷ２が表示され、表示位置Ｐ３に対応する表示像ＩＭ３又はフレーム枠ＨＷ３が表示され、表示位置Ｐ４に対応する表示像ＩＭ４又はフレーム枠ＨＷ４が表示される。以上の１周期が視覚的に短ければ、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３，ＩＭ４の切替えが非常に速くなり、観察者である運転者ＵＮは、フレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３，ＨＷ４を奥行きがある画像として同時に観察していると認識する。

図１０は、主制御装置９０の動作を説明する概念図である。まず、主制御装置９０は、環境監視部７２を利用してオブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３，ＯＢ４を検出した場合、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３，ＯＢ４に対応するフレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３，ＨＷ４に対応するカラー画像の表示データを生成し、不図示の記憶部に保管する（ステップＳ１１）。その後、主制御装置９０は、ステップＳ１１で得た表示データを、対応する表示ゾーン（中間スクリーン１９の区分ＡＲ１〜ＡＲ４に対応）に振り分けるようなデータの変換を行う（ステップＳ１２）。具体的には、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３，ＯＢ４の位置に応じて、対応するフレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３，ＨＷ４を対応する虚像距離の表示ゾーンのいずれか１つに割り当てる。次に、主制御装置９０は、フレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３，ＨＷ４に対応する表示データを割り当てた表示ゾーンに適合するように加工し、不図示の記憶部に保管する（ステップＳ１３）。具体的には、表示データからＲ、Ｇ、及びＢの個色画像を生成し、表示ゾーン毎に表示する順序及びタイミングを割り当てる。最後に、主制御装置９０は、ステップＳ１３で得た表示データを、回転駆動部６４の動作に同期して表示制御部１８に出力し、表示素子１１に回転体１６ａの機能領域ＦＡに応じた表示動作を行わせる（ステップＳ１４）。

以上で説明した画像表示装置１００によれば、可動範囲内の一部に設定された制限範囲において、１つのカラー画像を構成する３つの個色画像を中間スクリーン１９の周期運動の一定期間に離散的に形成しつつ、３つの個色画像を時間順列的に投影することにより、カラー画像内の個色画像の虚像距離のずれが緩和され、表示像（虚像）ＩＭの虚像距離を変化させつつ、表示像（虚像）ＩＭの色滲みを抑制することができる。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第２実施形態の表示装置は第１実施形態の表示装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。本実施形態では、３つの個色画像の表示を中間スクリーン１９の周期運動の複数周期の期間をかけて行う。

図１１、及び図１２（Ａ）〜１２（Ｃ）に示すように、本実施形態において、画像表示装置１００に組み込まれる拡散部１６は、全体として円板に近い輪郭を有する螺旋状の回転体１６ａと、回転体１６ａを収納する円筒状の中空枠体１６ｂとを有する。

回転体１６ａは、中央部１６ｃと外周光学部１６ｐとを有する。回転体１６ａの外周光学部１６ｐに形成された一方の表面１６ｆ（本実施形態では、投影光学系１５側の面）は、平滑面又は光学面に形成されており、表面１６ｆ上には、全域に亘って中間スクリーン１９が形成されている。回転体１６ａの表面１６ｆは、立体形状部１１６として機能する。回転体１６ａの外周光学部１６ｐに形成された他方の表面１６ｓ（本実施形態では、拡大投射光学系１７側の面）は、平滑面又は光学面に形成されている。回転体１６ａは、光透過性を有する螺旋状の部材であり、一対の表面１６ｆ，１６ｓは、基準軸ＳＸを螺旋軸とする螺旋面となっている。結果的に、一方の表面１６ｆ上に形成された中間スクリーン１９は、螺旋の１ピッチ分の範囲に形成されている。この結果、拡散部１６の周に沿った１箇所に段差部１６ｊが形成され、この段差部１６ｊは、螺旋端に対応する位置で光軸ＡＸ方向又は基準軸ＳＸ方向に例えば３０ｍｍ以下の距離段差又はピッチを与えるものとなっている。段差部１６ｊは、螺旋端間の段差を繋ぐとともに、拡散部１６を回転させる基準軸ＳＸを含む平面に対して傾斜した接続面１６ｋを有する。上記のように、回転体１６ａの一対の表面１６ｆ，１６ｓが基準軸ＳＸを螺旋軸とする螺旋面であることから、回転体１６ａは、基準軸ＳＸ又は光軸ＡＸ方向に関して略等しい厚みｔを有する。

本実施形態では、中間スクリーン１９が光軸ＡＸに垂直な方向の面において螺旋形状を有しているため、中間スクリーン１９を少なくとも２周させることで、一連の虚像距離の個色画像を投影することができ、虚像距離に応じたカラー画像を表示することができる。表示制御部１８の画像パターン切替部１１ｂは、１つのカラー画像を構成する３つの個色画像を２周期に分けて投影させる。これにより、中間スクリーン１９が１周期目のある位置に配置されるときに、その位置に対応する虚像距離のＲ、Ｇ、及びＢのいずれか１つ又は２つの個色画像を投影し、２周期目の同じ位置のタイミングにおいて、残りの２つ又は１つの個色画像を投影する。ここで、同じ位置とは、略同じ位置であることを含み、中間スクリーン１９が同一の制限範囲内に配置されていることを意味する。

図１３（Ａ）に示すように、回転体１６ａにおいて、周方向に沿った１箇所は、本体光学系１３の光軸ＡＸが通る機能領域ＦＡとなっており、機能領域ＦＡにおける中間スクリーン１９の部分によって中間像ＴＩが形成される。本実施形態において、画像表示装置１００は、５つの虚像距離に表示像ＩＭを表示可能となっており、回転体１６ａの機能領域ＦＡは、表示像ＩＭに対応する各カラー画像を構成するＲ、Ｇ、及びＢの個色画像（本実施形態では、合計１５個の個色画像）に応じて中間スクリーン１９を１５分割した分割領域Ｆ１〜Ｆ１５に対応している。分割領域Ｆ１〜Ｆ１５は、中間スクリーン１９の光軸ＡＸ方向の位置が略同じ領域（つまり、同じ制限範囲）について、５つの区分ＡＲ１〜ＡＲ５に振り分けられている。つまり、各機能領域ＦＡは、カラー画像を構成するＲ、Ｇ、及びＢの個色画像を１つのまとまりとした場合、５つの区分ＡＲ１〜ＡＲ５に分けられている。中間スクリーン１９において、個色画像の描画位置に対応する同一の区分内の分割領域はひとまとまりに配置される。図１２（Ｃ）及び図１３（Ａ）等に示すように、本実施形態では、区分ＡＲ１は、中間スクリーン１９が最も遠い側（投影光学系１５側）の位置に配置されており、区分ＡＲ５は、中間スクリーン１９が最も近い側（拡大投射光学系１７側）の位置に配置されている。区分ＡＲ１〜ＡＲ５は、反時計回りに順に例えば等間隔に分割されて配置されている。区分ＡＲ１は、隣接した３つの分割領域Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を有しており、区分ＡＲ２〜ＡＲ５も同様に、隣接した３つの分割領域Ｆ４〜Ｆ１５をそれぞれ有している。各区分ＡＲ１〜ＡＲ５内の機能領域ＦＡを介して表示される各区分ＡＲ１〜ＡＲ５に対応する表示像ＩＭは略同一の虚像距離での画像表示となる。

この機能領域ＦＡは、回転体１６ａの回転に伴って回転体１６ａ上において一定速度で移動する。図示の例では、中間スクリーン１９が螺旋の１周期に対応する範囲に形成されているため、回転体１６ａの１回転で中間スクリーン１９の機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩは、光軸ＡＸ方向に段差に相当する距離Ｄだけ往復移動することになる（図１２（Ｂ）参照）。同じ区分内の機能領域ＦＡは制限範囲内にあり、結果的にＲ、Ｇ、及びＢの個色画像を複合させたカラー画像に対応する仮想的な複合機能領域が離散的に設けられていることとなり、離散的な距離ゾーンで虚像が表示される。

図１３（Ｂ）は、拡散部１６の回転に伴う中間像ＴＩの位置の変化と個色画像の表示タイミングとの関係を具体的に例示する図である。拡散部１６の機能領域ＦＡは、光軸ＡＸ方向に沿って鋸歯状の経時パターンＰＡで繰り返し周期的に移動しており、中間像ＴＩの位置も表示素子１１が連続表示を行っている場合、図示のように光軸ＡＸ方向に沿って鋸歯状の経時パターンＰＡで繰り返し周期的に移動する。つまり、中間像ＴＩの位置は、段差部１６ｊに対応する箇所で不連続的ながら、拡散部１６の回転に伴って連続的かつ周期的に変化する。この結果、図示を省略するが、表示像ＩＭの位置も、スケールは異なるが、中間像ＴＩの位置と同様に光軸ＡＸ方向に沿って繰り返し周期的に移動し、虚像距離を連続的に変化させることができる。ここで、表示素子１１は、連続表示を行うものでなく、表示内容を切り替えつつ間欠的な表示を行うものであるから、３つの個色画像を合成したカラー画像に対応する中間像ＴＩの表示位置も鋸歯状の経時パターンＰＡ上における離散的な表示位置Ｐ１〜Ｐ５となる。

表示素子１１は、画像パターン切替部１１ｂを用いて、各区分ＡＲ１〜ＡＲ５に形成すべき個色画像を所定の画像表示パターンで時間順列的に投影する。１周期目及び２周期目に投影する画像表示パターンは、虚像距離に応じて予め割り当てられており、１つの周期において各区分に１つ又は２つ設定された個色画像が順次投影され、結果的にＲ、Ｇ、及びＢの順に投影される。中間スクリーン１９の１周期及び２周期のうち略同じ虚像距離の範囲に対応する区分では、一方の表示タイミングにおいて、Ｒ、Ｇ、及びＢの個色画像のうち少なくとも１つの個色画像を対応する区分の分割領域に表示させ、他方の表示タイミングで残りの個色画像を１周期目の同じ区分の別の分割領域に表示させる。これにより、同じ所定の虚像距離又は制限範囲において、カラー画像が表示される。

図１３（Ａ）〜１３（Ｃ）に示すように、表示素子１１は、表示素子１１と中間スクリーン１９との距離が所定の距離になったときに所定の個色画像を表示する。本実施形態では、各周において、分割領域を１つ置きにして個色画像を表示する。図１３（Ａ）では、説明の都合上、１周目のＲＢＧ表示を内側に示し、２周目のＲＢＧ表示を外側に示している。具体的には、まず、虚像距離が最も近い位置に対応する中間スクリーン１９の区分ＡＲ１上の分割領域Ｆ１にＲの個色画像Ｒ１を表示する。次に、分割領域を１つ飛ばして、区分ＡＲ１上の分割領域Ｆ３にＧの個色画像Ｇ１を表示する。同様に、分割領域Ｆ３〜Ｆ１２についても、所定の表示タイミングに従って対応するＲ、Ｇ、及びＢの個色画像を表示する。結果的に、中間スクリーン１９の２周期分で虚像距離が異なる５つのカラー画像が得られ、対応する虚像距離に各表示像ＩＭが投影される。表示素子１１は、３周目以降も１周目及び２周目と同様の画像表示パターンで個色画像を表示させる。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第３実施形態の表示装置は第１及び第２実施形態の表示装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態等と同様である。本実施形態では、３つの個色画像の表示を中間スクリーン１９の周期運動の複数周期の期間をかけて行う。

本実施形態では、第２実施形態と同様に、画像表示装置１００に組み込まれる拡散部１６は、全体として円板に近い輪郭を有する螺旋状の回転体１６ａと、回転体１６ａを収納する円筒状の中空枠体１６ｂとを有する。

本実施形態では、中間スクリーン１９を３周させることで、一連の虚像距離の個色画像を投影することができ、虚像距離に応じたカラー画像を表示することができる。表示制御部１８の画像パターン切替部１１ｂは、カラー画像を構成する３つの個色画像を３周期に分けて投影する。これにより、中間スクリーン１９が１周期目のある位置に配置されるときに、その位置に対応する虚像距離のＲ、Ｇ、及びＢのいずれか１つの個色画像を投影し、２周期目の同じ位置のタイミングにおいて、残りの２つのうち１つの個色画像を投影し、３周期目の同じ位置のタイミングにおいて、残りの１つの個色画像を投影する。

図１４（Ａ）に示すように、本実施形態において、画像表示装置１００は、５つの虚像距離に表示像ＩＭを表示可能となっており、回転体１６ａの機能領域ＦＡは、表示像ＩＭに対応する各カラー画像を構成するＲ、Ｇ、及びＢの個色画像（本実施形態では、合計１５個の個色画像）に応じて中間スクリーン１９を１５分割した分割領域Ｆ１〜Ｆ１５に対応している。分割領域Ｆ１〜Ｆ１５は、中間スクリーン１９の光軸ＡＸ方向の位置が略同じ領域について、５つの区分ＡＲ１〜ＡＲ５に振り分けられている。図１４（Ａ）に示すように、本実施形態では、区分ＡＲ１は、中間スクリーン１９が最も遠い側（投影光学系１５側）の位置に配置されており、区分ＡＲ５は、中間スクリーン１９が最も近い側（拡大投射光学系１７側）の位置に配置されている。区分ＡＲ１〜ＡＲ５は、反時計回りに順に例えば等間隔に分割されて配置されている。区分ＡＲ１は、隣接した３つの分割領域Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を有しており、区分ＡＲ２〜ＡＲ５も同様に、隣接した３つの分割領域Ｆ４〜Ｆ１５をそれぞれ有している。各区分ＡＲ１〜ＡＲ５内の機能領域ＦＡを介して表示される各区分ＡＲ１〜ＡＲ５に対応する表示像ＩＭは略同一の虚像距離又は制限範囲での画像表示となる。

図１４（Ｂ）は、拡散部１６の回転に伴う中間像ＴＩの位置の変化と個色画像の表示タイミングとの関係を具体的に例示する図である。拡散部１６の機能領域ＦＡは、光軸ＡＸ方向に沿って鋸歯状の経時パターンＰＡで繰り返し周期的に移動しており、中間像ＴＩの位置も表示素子１１が連続表示を行っている場合、図示のように光軸ＡＸ方向に沿って鋸歯状の経時パターンＰＡで繰り返し周期的に移動する。３つの個色画像を合成したカラー画像に対応する中間像ＴＩの表示位置は、鋸歯状の経時パターンＰＡ上における離散的な表示位置Ｐ１〜Ｐ５となる。

表示素子１１は、画像パターン切替部１１ｂを用いて、各区分ＡＲ１〜ＡＲ５に形成すべき個色画像を所定の画像表示パターンで時間順列的に投影する。１〜３周期目に投影する画像表示パターンは、虚像距離に応じて予め割り当てられており、１つの周期において各区分に１つ設定された個色画像が順次投影され、結果的にＲ、Ｇ、及びＢの順に投影される。中間スクリーン１９の１〜３周期のうち略同じ虚像距離の範囲に対応する区分では、１周期目の表示タイミングにおいて、Ｒ、Ｇ、及びＢの個色画像のうち１つの個色画像を対応する区分の分割領域に表示させ、２周期目の表示タイミングで残りの２つの個色画像のうち１つの個色画像を１周期目の同じ区分の別の分割領域に表示させ、３周期目の表示タイミングで最後の個色画像を１及び２周期目の同じ区分の別の分割領域に表示させる。これにより、同じ所定の虚像距離又は制限範囲において、カラー画像が表示される。

図１４（Ａ）〜１４（Ｃ）に示すように、表示素子１１は、表示素子１１と中間スクリーン１９との距離が所定の距離になったときに所定の個色画像を表示する。本実施形態では、各周において、分割領域を２つ置きにして個色画像を表示する。図１４（Ａ）では、説明の都合上、１周目のＲＢＧ表示を内側に示し、３周目のＲＢＧ表示を外側に示し、２周目のＲＢＧ表示を１及び３周目の中間に示している。具体的には、まず、虚像距離が最も近い位置に対応する中間スクリーン１９の区分ＡＲ１上の分割領域Ｆ１にＲの個色画像Ｒ１を表示する。次に、分割領域を２つ飛ばして、区分ＡＲ２上の分割領域Ｆ４にＧの個色画像Ｇ２を表示する。同様に、分割領域Ｆ２，Ｆ３，Ｆ５〜Ｆ１２についても、所定の表示タイミングに従って対応するＲ、Ｇ、及びＢの個色画像を表示する。結果的に、中間スクリーン１９の３周期分で虚像距離が異なる５つのカラー画像が得られ、対応する虚像距離に各表示像ＩＭが投影される。表示素子１１は、４周目以降も１〜３周目と同様の画像表示パターンで個色画像を表示させる。

以上では、具体的な実施形態としての表示装置について説明したが、本発明に係る表示装置は、上記のものには限られない。例えば、上記実施形態において、画像表示装置１００の配置を上下反転させて、フロントウインドウ８の上部又はサンバイザー位置に表示スクリーン２０を配置することものでき、この場合、描画ユニット１０の斜め下方前方に表示スクリーン２０が配置される。また、表示スクリーン２０は、自動車の従来のミラーに対応する位置に配置してもよい。

上記実施形態において、表示スクリーン２０の輪郭は、矩形に限らず、様々な形状とすることができる。

上記実施形態において、図２等に示す投影光学系１５や拡大投射光学系１７は、単なる例示であり、これら投影光学系１５及び拡大投射光学系１７の光学的構成については適宜変更することができる。例えば、投影光学系１５中に中間像ＴＩの前段としての中間像を追加で形成することができる。また、投影光学系１５や拡大投射光学系１７の光路中において、光学的なパワーを持たないミラーを配置していてもよい。この場合、折り返しによる描画ユニット１０等の小型化に有利になる場合もある。

上記実施形態において、表示像（虚像）ＩＭの表示位置は、上記実施形態で例示した４及び５箇所に限らず、適当数に設定することができる。つまり、中間スクリーン１９の区分数も適宜変更することができる。また、表示像ＩＭの表示は、位置を変化させて連続的又は断続的に行うことができる。

上記実施形態において、中間スクリーン１９又は機能領域ＦＡを本体光学系１３の光軸ＡＸ方向に対して略直交するように配置するとしたが、機能領域ＦＡを光軸ＡＸに対して強制的に傾けることもできる。この場合、拡大投射光学系１７との組み合わせによって傾きが無いか又は所定の傾きの表示像ＩＭを投影することができる。

上記実施形態において、拡散部１６において、中空枠体１６ｂは必須でなく、回転体１６ａのみとすることができる。

上記実施形態において、回転体１６ａに設定する機能領域ＦＡは、図４等に示すものに限らず、様々な配置、形状等とすることができる。

上記実施形態において、中間スクリーン１９の同一区分内において、各個色画像に応じて分割領域を配置したが、分割領域を設けず、個色画像を一部又は全部重ねて表示させてもよい。この場合、例えば１周目に同一区分内に２つの個色画像を表示する場合、２周目において、残りの個色画像は２つの個色画像の中間位置に表示することが好ましい。また、各区分の範囲は等間隔でなくてもよく、表示像ＩＭを表示する虚像距離に応じて適宜変更することができる。

２…車体、 ８…フロントウインドウ、 １０…描画ユニット、 １１…表示素子、 １１ａ…表示面、 １１ｂ…画像パターン切替部、 １３…本体光学系、 １５…投影光学系、 １６…拡散部、 １６ａ…回転体、 １６ｂ…中空枠体、 １６ｊ…段差部、 １７…拡大投射光学系、 １８…表示制御部、 １９…中間スクリーン、 ２０…表示スクリーン、 ３０…虚像表示光学系、 ６４…回転駆動部、 ７１…運転者検出部、 ７１ａ…運転席用カメラ、 ７１ｂ…運転席用画像処理部、 ７１ｃ…判断部、 ７２…環境監視部、 ７２ａ…外部用カメラ、 ７２ｂ…外部用画像処理部、 ７２ｃ…判断部、 ９０…主制御装置、 １００…画像表示装置、 １１６…立体形状部、 ２００…移動体用表示システム、 ＡＲ１〜ＡＲ５…区分、 ＡＸ…光軸、 Ｆ１〜Ｆ１５…分割領域、 ＦＡ…機能領域、 ＨＫ…表示光、 ＨＴ…瞳、 ＨＷ，ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３，ＨＷ４…フレーム枠、 ＩＭ，ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３，ＩＭ４…表示像、 ＯＢ，ＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３，ＯＢ４…オブジェクト、 Ｐ１〜Ｐ５…表示位置、 ＰＡ…経時パターン、 ＳＸ…基準軸、 ＴＩ…中間像、 ＵＮ…運転者

Claims (11)

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拡大する拡大投射光学系と、
   前記中間スクリーンに光軸方向に沿った可動範囲内において周期運動を行わせるとともに表示素子の動作を制御する表示制御部と、
   を備え、
   前記表示素子は、前記可動範囲内の一部に設定された少なくとも１つの制限範囲でＲ、Ｇ、及びＢの３つの個色画像を前記中間スクリーンの前記周期運動の一定期間に離散的に形成しつつ、前記３つの個色画像を時間順列的に投影することで１つのカラー画像を描画し、
   前記表示制御部は、前記中間スクリーンが前記制限範囲内に配置されたときに、前記表示素子に前記カラー画像を構成する前記３つの個色画像を描画させ、互いに重複しない複数の制限範囲を設定することにより、各制限範囲に対応する虚像距離が異なる複数のカラー画像を形成することを特徴とする表示装置。
2. 前記表示制御部は、前記中間スクリーンの前記周期運動の速度を前記表示素子の投影タイミングに合わせて調整することを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記表示制御部は、前記表示素子の投影タイミングを前記中間スクリーンの前記周期運動の速度に合わせて調整することを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
4. 前記表示制御部は、前記１つのカラー画像を構成する前記３つの個色画像を前記中間スクリーンの前記周期運動の１周期内に投影する画像パターン切替部を備えることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載の表示装置。
5. 前記表示制御部は、前記１つのカラー画像を構成する前記３つの個色画像を前記中間スクリーンの前記周期運動の２周期に分けて投影する画像パターン切替部を備えることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載の表示装置。
6. 前記表示制御部は、前記１つのカラー画像を構成する前記３つの個色画像を前記中間スクリーンの前記周期運動の３周期に分けて投影する画像パターン切替部を備えることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載の表示装置。
7. 前記画像パターン切替部は、異なる虚像距離に表示される前記カラー画像に対して、前記虚像距離に応じた前記個色画像の投影順序及び前記個色画像の投影タイミングを変更することを特徴とする請求項４から６までのいずれか一項に記載の表示装置。
8. 前記中間スクリーンは、前記拡大投射光学系側において、前記光軸に対して傾斜する面を有することを特徴とする請求項１から７までのいずれか一項に記載の表示装置。
9. 前記中間スクリーンは、前記複数の制限範囲に対応する複数の区分に分けられ、少なくとも１つの制限範囲において、前記個色画像の描画位置に対応する同一の前記区分内の領域は少なくとも２つに分割して配置されることを特徴とする請求項８に記載の表示装置。
10. 前記中間スクリーンは、前記光軸に垂直な方向の面において、螺旋形状を有することを特徴とする請求項５から７までのいずれか一項に記載の表示装置。
11. 前記中間スクリーンは、前記複数の制限範囲に対応する複数の区分に分けられ、前記個色画像の描画位置に対応する同一の前記区分内の領域はひとまとまりに配置されることを特徴とする請求項１０に記載の表示装置。

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