JP2020056901A - 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】虚像表示装置２０は、表示素子２１、投影光学系２２、回転体２３、および虚像形成光学系２４を備える。投影光学系２２は、表示素子２１に形成された像を拡大する。回転体２３は、回転軸から視た外縁が螺旋状の回転体であって、側面に拡散スクリーン２９を配置し、回転することで投影光学系２２の結像位置に、光軸方向の位置が異なる拡散スクリーン２９を順次配置させる。虚像形成光学系２４は、拡散スクリーン２９上の像を変換し、拡散スクリーン２９の前記光軸方向の位置に対応した投影距離で、虚像を形成する。【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、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、回転軸から視た外縁が螺旋状の回転体であって、側面に拡散スクリーンを配置し、回転することで前記投影光学系の結像位置に、光軸方向の位置が異なる前記拡散スクリーンを順次配置させる回転体と、前記拡散スクリーン上の像を変換し、前記拡散スクリーンの前記光軸方向の位置に対応した投影距離で、虚像を形成する虚像形成光学系と、を備える、虚像表示装置。

（２）前記回転体の前記側面は、螺旋状の前記外縁に沿って形成されており、１ヶ所の境界部分を有する、上記（１）に記載の虚像表示装置。

（３）前記回転体の回転による、前記投影光学系の前記結像位置への前記拡散スクリーンの配置に同期させて、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）または（２）に記載の虚像表示装置。

（４）前記回転体は、カウンターウェイトが取り付けられており、前記カウンターウェイトにより、重心が前記回転軸上に設定されている、上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の虚像表示装置。

（５）前記回転体は、所定の速度で定速回転する、上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の虚像表示装置。

（６）上記（１）から（５）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、前記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、回転軸から視た外縁が螺旋状の回転体の側面に拡散スクリーンを配置し、回転体を回転することで投影光学系の結像位置に、光軸方向の位置が異なる拡散スクリーンを順次配置させることができる。したがって、光軸に沿って拡散スクリーンの位置を変化させることにより、虚像を複数距離において離散的に表示できる。このようにすることで、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。

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。 一実施形態に係る虚像表示装置の構成を示す上面模式図である。 図３に示す螺旋型ミラーについて詳細に説明するための上面模式図である。 虚像表示装置の構成を示す側面模式図である。 螺旋型ミラーによる拡散スクリーンの位置の変更を示す上面模式図である。 図６のように螺旋型ミラーを回転させたときの、中間像の位置の変化を具体的に例示する図である。 カウンターウェイトの配置位置を説明する図である。 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。 一実施形態の変形例に係る虚像表示装置で用いる螺旋型ミラーを示す図である。

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Ｚ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Ｙ方向、これらのＺ、Ｙ方向に直交する方向をＸ方向とする。

図１、図２は、本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に表示されている画像情報を、表示スクリーン２４３を介してユーザー（運転者）９００に向けて虚像として表示する。

虚像表示装置２０の表示スクリーン２４３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２４３に向けて射出する。表示スクリーン２４３は、コンバイナーとも呼ばれ、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２４３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（Ｙ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２４３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２４３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アイボックス（不図示）に導かれる。ユーザー９００は、表示スクリーン２４３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ｉ２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２４３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２４３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２４３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ｉ２を観察できる。

図３は、一実施形態に係る虚像表示装置２０の構成を示す上面模式図である。また、図４は、図３に示す螺旋型ミラー２３について詳細に説明するための上面模式図である。また、図５は、虚像表示装置２０の構成を示す側面模式図である。

図３〜図５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、螺旋型ミラー２３、虚像形成光学系２４、ミラー駆動部２５、ハウジング２６、拡散スクリーン２９、および表示制御部３０を備える。ハウジング２６内には、表示スクリーン２４３以外の虚像表示装置２０の各構成要素が収納される。また、図３、図５に示す例では、表示素子２１、投影光学系２２、および螺旋型ミラー２３を通り、虚像形成光学系２４のミラー２４１に至るまでの光軸ＡＸは、Ｚ方向で同じ高さに設定されている。なお、以下においては、螺旋型ミラー２３前後での光軸ＡＸを区別する場合には、上流側の光軸を光軸ＡＸ０、下流側を光軸ＡＸ１と表記し、これらを総称する場合には単に光軸ＡＸと表記する。

表示素子２１は、２次元的な表示面２１ａを有する。表示面２１ａに形成された像は、投影光学系２２で拡大されて拡散スクリーン２９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、拡散スクリーン２９への投影像の切換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１５０ｆｐｓ（たとえば、下記中間像ｉ１が５水準で変化する場合）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ｉ２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、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ｉ１として拡散スクリーン２９上に適当な倍率で拡大投影する（中間像ｉ１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の最も拡散スクリーン２９側に配置された絞り２２１を有する。このように絞り２２１を配置することで、投影光学系２２の拡散スクリーン２９側のＦナンバーの設定や調整が比較的容易になる。

螺旋型ミラー２３は、ミラー駆動部２５により駆動され、回転軸２３ａの回りを回転する回転体である。図３，図４に示す例では、螺旋型ミラー２３は、上面視（回転軸２３ａから視た場合）で螺旋状の外縁を有し、その外縁は、回転軸２３ａ回りの角度θに比例した距離ｒだけ回転軸２３ａから離れている。

より具体的には、図４に示すように、極座標において、角度θ（０≦θ≦２π）とした場合、距離ｒは、ｒ＝ｂ＋ａθ（ａ，ｂは正の定数）を満たす。なお、図３、図４において、破線で示すＣ１は、半径がｂ＋２πａで、回転軸２３ａと同心の真円を示している。

あるいは、極座標において、距離ｒは、ｒ＝ａθ（ａは正の定数）を満たし、かつ、角度θは、ｎを正の整数として、２πｎ≦θ＜２π（ｎ＋１）を満たす。

図５に示すように、螺旋型ミラー２３は、螺旋状の上面２３ｂの外縁に沿ってＺ軸に平行に所定幅の側面２３ｃを有する。すなわち、螺旋型ミラー２３は、上面視の外縁が螺旋状の柱体であり、回転軸２３ａ回りの角度θに比例した距離ｒだけ回転軸２３ａから離れた位置に側面２３ｃを有する。また、側面２３ｃの表面には、拡散スクリーン２９が配置されている。

ミラー駆動部２５は、駆動基板（図示せず）と駆動モーター２５１、および軸受け２５２を含む。ミラー駆動部２５により、螺旋型ミラー２３は所定の速度で定速回転する。また、ミラー駆動部２５の駆動基板は、駆動モーター２５１を一定速度で回転するようにフィードバック制御するとともに、回転位置に応じた位相信号を表示制御部３０に出力する。

拡散スクリーン２９は、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（つまり中間像ｉ１の結像予定位置、またはその近傍の焦点深度内）において中間像ｉ１を形成する。この結果、拡散スクリーン２９を光軸ＡＸ１方向に移動させることにより、中間像ｉ１の位置も光軸ＡＸ１方向に移動させることができる。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ｉ１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ｉ１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。

拡散スクリーン２９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のシートを用いることができる。拡散スクリーン２９は、上記シートを螺旋型ミラー２３の側面２３ｃの形状に応じて帯状に加工し、側面２３ｃの全面または特定の領域に貼り付けることにより容易に形成できる。特定の領域は、所定の面積を有する２つ以上の部分を含みうる。

なお、拡散スクリーン２９は、貼付部材ではなく、側面２３ｃをサンドブラスト等で表面処理することで、側面２３ｃ自体に拡散機能を持たせ、拡散スクリーンとして用いてもよい。

螺旋型ミラー２３は、上面視した場合の外縁が螺旋状であるので、側面２３ｃは、回転軸２３ａ回りの角度θに応じて回転軸２３ａからの距離が異なる。したがって、この螺旋型ミラー２３を回転させることで、螺旋型ミラー２３の回転角φに応じて拡散スクリーン２９の光軸ＡＸ１方向の位置が移動する（以下、「拡散スクリーンの移動」ともいう）。この拡散スクリーン２９の光軸方向の移動についての詳細は後述する。

虚像形成光学系２４は、拡散スクリーン２９に形成された中間像ｉ１を表示スクリーン２４３と協働して拡大し、ユーザー９００の前方に虚像ｉ２を形成する。虚像形成光学系２４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２４１、２４２を含む。

表示制御部３０は、表示素子２１、およびミラー駆動部２５を制御する。これにより後述するように、拡散スクリーン２９上への中間像ｉ１の形成タイミングを制御し、表示スクリーン２４３の背後に虚像距離（投影距離）が変化する３次元的な虚像ｉ２を表示させる。具体的には、中間像ｉ１の位置、すなわち拡散スクリーン２９の位置を光軸ＡＸ１上で虚像形成光学系２４に近い側に移動させることで、虚像ｉ２までの虚像距離が減少する。また、反対に、拡散スクリーン２９の位置を光軸ＡＸ１上で虚像形成光学系２４から遠い側に移動させることで、虚像ｉ２までの虚像距離が増加する。

以上の虚像表示装置２０において、光軸ＡＸ１上に拡散スクリーン２９を配置することにより、光軸ＡＸ１方向に移動可能な中間像ｉ１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、拡散スクリーン２９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、拡散スクリーン２９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虚像形成光学系２４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。

（拡散スクリーン２９の光軸方向の移動）
ここで、上述した螺旋型ミラー２３を回転させることによる、光軸ＡＸ１方向での拡散スクリーン２９の移動動作ついて具体的に説明する。

図６は、螺旋型ミラー２３による拡散スクリーン２９の位置の変更を示す上面模式図である。図６（ａ）は、回転角φ１における螺旋型ミラー２３の状態を示しており、この状態では、拡散スクリーン２９上の点ｋ１が光軸ＡＸ１に対して正対、すなわち光軸ＡＸ１と拡散スクリーン２９とは点ｋ１において交差している。図６（ａ）での拡散スクリーン２９の光軸ＡＸ１方向（Ｙ方向）の位置はＰ１である。本実施形態では、回転角φと螺旋型ミラー２３回りの角度θとの間には、φ＝２π−θの関係がある。したがって、回転角φ１＝２π−θ１となる。

図６（ｂ）は、回転角φ２における螺旋型ミラー２３の状態を示しており、この状態では、拡散スクリーン２９上の点ｋ２が光軸ＡＸ１に対して正対、すなわち光軸ＡＸ１と拡散スクリーン２９とは点ｋ２において交差している。図６（ａ）での拡散スクリーン２９の光軸ＡＸ１方向（Ｙ方向）の位置はＰ１であり、図６（ｂ）では、位置Ｐ１から位置Ｐ２へ右側（虚像形成光学系２４に遠い側）に移動している。

図６（ｃ）は、回転角φ３における螺旋型ミラー２３の状態を示しており、この状態では、拡散スクリーン２９上の点ｋ３が光軸ＡＸ１に対して正対、すなわち光軸ＡＸ１と拡散スクリーン２９は点ｋ３において交差している。図６（ｂ）での拡散スクリーン２９の光軸ＡＸ１方向（Ｙ方向）の位置はＰ２であり、図６（ｃ）では、位置Ｐ２から位置Ｐ３へ右側（虚像形成光学系２４に遠い側）に移動している。

また、図６（ｄ）、図６（ｅ）についても、上述の図６（ａ）〜図６（ｃ）と同様に、螺旋型ミラー２３の回転角φに応じて、光軸ＡＸ１に対して正対する拡散スクリーン２９上の点がそれぞれｋ４、ｋ５に変更され、拡散スクリーン２９は、虚像形成光学系２４に遠い側の光軸方向の位置Ｐ４、Ｐ５に移動する。

なお、図６では、光軸ＡＸ１方向にＰ１〜Ｐ５の５段階に変更する場合について例示されているが、５段階に限定されず、３段階または４段階、もしくは５段階よりも多い多段階で変更されるように構成することもできる。

図７は、図６のように螺旋型ミラー２３を回転させたときの、中間像ｉ１の位置の変化を具体的に例示する図である。時間ｔ０〜ｔ６が螺旋型ミラー２３の１回転分に相当する。時間ｔ１〜ｔ５の各時刻で、拡散スクリーン２９上の点ｋ１〜ｋ５がそれぞれ光軸ＡＸ１に正対する。螺旋型ミラー２３の回転に同期させて、すなわち、時間ｔ１〜ｔ５の各タイミングで表示素子２１の表示面２１ａに像を形成する。このようにすることで、光軸ＡＸ１に側面２３ｃ上の位置ｋ１〜ｋ５の各々で拡散スクリーン２９が正対したタイミングで中間像ｉ１が形成される。

この結果、図示を省略するが、投影像、すなわち虚像ｉ２の位置も、スケールは異なるが、虚像形成光学系２４の拡大率に応じた距離で、中間像ｉ１の位置と同様に光軸ＡＸ１方向に沿って離散的に移動し、虚像距離を多段階で変化させることができる。ここで、表示素子２１は、連続表示を行うものでなく、表示内容を、中間像ｉ１の位置に対応して、順次切り換えつつ間欠的な表示を行うものである。同図に示すように中間像ｉ１は、光軸ＡＸ１上の位置のうち、位置Ｐ５の遠距離、位置Ｐ４の中遠距離、位置Ｐ３中間距離、位置Ｐ２の中近距離、および位置Ｐ１の近距離の５水準で変化する。すなわち、螺旋型ミラー２３の１回転周期で、５つの距離に対応した５回の表示が行われる。なお、位置Ｐ１とＰ５との間の距離は、螺旋型ミラー２３の外径（角度θ＝０における外径ｂ、角度θ＝２πにおける外径ｂ＋２πａ）、時間ｔ１〜ｔ５（すなわち、回転角φ１〜φ５）に応じて適宜設定できる。また、表示制御部３０の下、螺旋型ミラー２３の回転数、および表示素子２１のフレームレートの少なくとも一方は、他方に対応させてタイミングが制御される。例えば、フレームレートが１５０ｆｐｓであれば、螺旋型ミラー２３の所定の回転速度としては、３０ｒｐｓ（１８００ｒｐｍ）またはその整数倍である。

また図３に示すように、螺旋型ミラー２３よりも下流側の虚像形成光学系２４の光軸ＡＸ１と、上流側の投影光学系２２の光軸ＡＸ０とは同じ直線上に位置せず、ある傾斜角度（例えば１０〜３０度の範囲内のある角度）で交差する。そのため、拡散スクリーン２９を光軸ＡＸ１方向に移動させることで、同じ像を拡散スクリーン２９上に結像したとしても、その像幅方向の中心位置は傾斜角と光軸ＡＸ１方向での移動量に応じて、光軸ＡＸ１に垂直なＸ方向にシフトすることになる。そのため、拡散スクリーン２９のＹ方向の位置に応じて、表示素子２１の表示面２１ａに表示する像位置をシフトさせるようにしてもよい。例えば、遠距離（位置Ｐ５）の拡散スクリーン２９に投影する像は、近距離（位置Ｐ１）での像に比べて、Ｘ方向にシフトさせる（図３の下側）ように制御する。さらに、この傾斜角に応じて、傾きをキャンセルするように投影する像を歪ませることが好ましい。

このように、本実施形態に係る虚像表示装置２０によれば、回転軸方向から視た場合（上面視）に、外縁が螺旋状の螺旋型ミラー２３であって、側面に拡散スクリーン２９を配置し、回転することで投影光学系２２の結像位置に、光軸方向の位置が異なる拡散スクリーンを順次配置させる。そして拡散スクリーン２９に投影光学系２２から投影した像を表示し、これを虚像形成光学系２４で虚像に変換することで、簡素な構成でありながら複数の投影距離に虚像を実質的に同時に表示することができる。

また、螺旋型ミラー２３は、上面視した場合に外縁が螺旋状であるので、側面２３ｃは回転軸２３ａ回りの角度θが０（２π）において段差部分（境界部分）を有する。螺旋型ミラー２３は、回転軸２３ａ回りに回転することにより、この段差部分１ヶ所を除いて、拡散スクリーン２９の光軸方向の位置を滑らかに変化させることができる（図４を参照）。表示制御部３０は、上記段差部分の拡散スクリーン２９を投影面として使用しないようにするためのソフトウェア処理を実施する。これに対して、比較例として、上面視した場合に外縁が多角形のミラー（ポリゴンミラー）を使用した場合、複数の側面（平面）を有するため、これらの側面の数と同じ数の稜線、すなわち側面の境界部分を有する。これらの境界部分の拡散スクリーン２９については、投影面として使用できない。したがって、これらの境界部分の拡散スクリーン２９を使用しないようにするためのソフトウェア処理が必要となり、本実施形態の段差部分の処理よりも工数がより多くかかる。

図８は、カウンターウェイト４０の配置位置を説明する図である。図８（ａ）は側面図であり、図８（ｂ）は下面図である。螺旋型ミラー２３は内側が中空に構成されており、その内周面２３ｄにカウンターウェイト４０が取り付けられている。上述のように螺旋型ミラー２３は、上面視（ＸＹ平面）における外縁が螺旋状に形成されている。そのため、偏心しないようにカウンターウェイト４０を配置している。螺旋型ミラー２３は、その内周面２３ｄにおいて回転軸２３ａからの距離が遠い部分の反対側にカウンターウェイト４０を配置することで、ＸＹ平面における螺旋型ミラー２３全体の重心が回転軸２３ａ上に位置するようになる。このようにカウンターウェイト４０を設けることで、螺旋型ミラー２３を安定して所定の速度で定速回転できる。

（ヘッドアップディスプレイ装置１０）
図９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３０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ｉ２を表示させる。表示制御部３０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ｉ２を生成する。虚像ｉ２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１０参照）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１０参照）のような標識になる。

表示制御部３０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ｉ２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ｉ２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ｉ２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１０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ｉ２（ｉ２１〜ｉ２３）を投影させ、各オブジェクトＯＢ１、ＯＢ２、ＯＢ３に対して関連情報像としてのフレームＦ１、Ｆ２、Ｆ３を付加する。この際、ユーザー９００から各オブジェクトＯＢ１、ＯＢ２、ＯＢ３までの距離が異なるので、フレームＦ（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３）を表示させる虚像ｉ２１、ｉ２２、ｉ２３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、ＯＢ２、ＯＢ３までの距離に相当させている。

例えば、近距離の虚像ｉ２１は、図６、図７に示した位置Ｐ１にある拡散スクリーン２９に投影された中間像ｉ１に対応する。同様に、遠距離の虚像ｉ２３は位置Ｐ５に、中距離の虚像ｉ２２は、位置Ｐ３にある拡散スクリーン２９に投影された中間像ｉ１に対応する。なお、位置Ｐ２の中近距離の虚像と、位置Ｐ４の中遠距離の虚像とについても同様に投影することができるが、図示を省略する。

また、虚像ｉ２１、ｉ２２、ｉ２３の投影距離は、図６、図７で示したように離散的であり、オブジェクトＯＢ１、ＯＢ２、ＯＢ３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ｉ２１、ｉ２２、ｉ２３の投影距離と、オブジェクトＯＢ１、ＯＢ２、ＯＢ３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とフレームＦ１、Ｆ２、Ｆ３との配置関係を略維持できる。

以上で説明した本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、上面視した場合の外縁が螺旋状の螺旋型ミラー２３の側面に拡散スクリーン２９を配置する。そして、螺旋型ミラー２３を回転することで虚像形成光学系２４の結像位置に、光軸方向の位置が異なる拡散スクリーンを順次配置させることができる。したがって、拡散スクリーン２９の位置を光軸ＡＸ１に沿って、例えば投影光学系２２の拡散スクリーン２９側の焦点深度の範囲内で、数十Ｈｚの高速で変化させることにより、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、螺旋型ミラー２３の側面２３ｃは、全面にわたり、螺旋形の上面２３ｂに沿った曲面であるので、螺旋型ミラー２３の回転角φに応じて、拡散スクリーン２９に中間像ｉ１を投影する複数の位置を光軸ＡＸ１に沿って任意に設定することができる。

（変形例）
上述の例では、側面２３ｃ上に形成された拡散スクリーン２９が全面にわたって螺旋形である場合を例示したが、側面２３ｃが部分的に平坦部を含むように構成されてもよい。

図１１は、本実施形態の変形例に係る虚像表示装置２０で用いる螺旋型ミラー２３１を示す図である。なお、同図では、螺旋型ミラー２３１の構成のみ示している。これ以外の構成は、上述の虚像表示装置２０の構成と同じであることから表示を省略している。

図１１に示すように虚像表示装置２０では、螺旋型ミラー２３１を用いて、光軸ＡＸ１方向での拡散スクリーン２９の移動を行う。上述の螺旋型ミラー２３の場合と同様に、要求される水準の数（例えば５水準）に応じて、拡散スクリーン２９に中間像ｉ１を投影する複数の位置が設定される。

上述のとおり、光軸ＡＸ１と光軸ＡＸ０とは同じ直線上に位置せず、ある傾斜角度で交差する。したがって、拡散スクリーン２９の表面形状や、光軸ＡＸ１と光軸ＡＸ０とが交差する角度によっては、拡散スクリーン２９に投影される中間像ｉ１は、左右で光路長に差が生じ、歪む可能性がある。そこで、本変形例では、上面視した場合に、螺旋型ミラー２３１の側面２３ｃが全体として螺旋形を維持しつつ平坦部も含むように、螺旋型ミラー２３１を構成する。中間像ｉ１を側面２３ｃの平坦部上の拡散スクリーン２９に投影することにより、中間像ｉ１が歪むことを回避できる。

一般に、人間の眼の特性として、概ね１０［ｍ］以上先にある物体の形状の詳細については把握しにくいと言われているため、たとえば、近距離以外については、中間像ｉ１を拡散スクリーン２９の平坦部ではなく、曲面に投影しても十分対応可能と考えられる。

本変形例では、拡散スクリーン２９は、側面２３ｃに平坦部２９ａを有する。平坦部２９ａには、近距離の中間像が投影される。平坦部２９ａを使用することにより、近距離の虚像に対して歪を抑制できる。

なお、拡散スクリーン２９は、複数の平坦部を有するように構成されてもよい。その場合、複数の平坦部において虚像に対して歪を抑制できるが、２つの平坦部が隣り合う稜線部を拡散スクリーンとして使用することはできない。

また、上述の実施形態では、螺旋型ミラー２３，２３１が柱体である場合を例示したが、これに限らず、螺旋型ミラーは、柱体以外の形態であってもよい。たとえば、螺旋型ミラーは、所定の高さの渦巻き型の壁部を有するように構成されてもよい。

また、螺旋型ミラーの外縁が全体として螺旋形を維持するため、平坦部に加えて急峻部を有することもできる。

このように変形例においても、螺旋型ミラー２３を使用した場合と同等の効果を得ることができる。

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。

たとえば、拡散スクリーン２９による中間像ｉ１の歪を考慮して、表示面２１ａに形成される像を予め補正するように構成することもできる。

また、第１の実施形態においては、螺旋型ミラー２３よりも上流側の光軸ＡＸ０と、螺旋型ミラー２３の直下流側のミラー２４１に至るまでの光軸ＡＸ１をともに、Ｚ方向で同じ高さ、すなわち、同じＸＹ平面上になるように水平に並べて構成した。しかしながら、これに限られず、縦に並べてもよい。すなわち、これらの光軸ＡＸ０、ＡＸ１を同じＹＺ平面上にな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 投影光学系
２３、２３１、２３２ 螺旋型ミラー
２３ａ 回転軸
２３ｂ 上面
２３ｃ 側面
ｃ１ 中心位置
２４ 虚像形成光学系
２４１、２４２ ミラー
２４３ 表示スクリーン
２５ ミラー駆動部
２６ ハウジング
２９ 拡散スクリーン
３０ 表示制御部
４０ カウンターウェイト
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、ＡＸ０、ＡＸ１ 光軸
Ｄ１ 表示光
ＤＦ 検出領域
Ｆ、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３ フレーム
ＯＢ 対象物
ｉ１ 中間像
ｉ２、ｉ２１、ｉ２２、ｉ２３ 虚像

Claims (6)

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、
   回転軸から視た外縁が螺旋状の回転体であって、側面に拡散スクリーンを配置し、回転することで前記投影光学系の結像位置に、光軸方向の位置が異なる前記拡散スクリーンを順次配置させる回転体と、
   前記拡散スクリーン上の像を変換し、前記拡散スクリーンの前記光軸方向の位置に対応した投影距離で、虚像を形成する虚像形成光学系と、
   を備える、虚像表示装置。
2. 前記回転体の前記側面は、螺旋状の前記外縁に沿って形成されており、１ヶ所の境界部分を有する、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記回転体の回転による、前記投影光学系の前記結像位置への前記拡散スクリーンの配置に同期させて、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または請求項２に記載の虚像表示装置。
4. 前記回転体は、カウンターウェイトが取り付けられており、前記カウンターウェイトにより、重心が前記回転軸上に設定されている、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. 前記回転体は、所定の速度で定速回転する、請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の虚像表示装置。
6. 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、
   前記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。