JP2020071441A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投影動作開始時、投影動作停止時、及び投影動作切替時において、奥行き方向を含めて投影位置が異なる虚像を安定して表示することができる表示装置を提供すること。【解決手段】表示装置としてのヘッドアップディスプレイ装置２００は、画像を表示する表示素子１１と、表示素子１１に形成された像を拡大投影する光学系と、画像の投影距離を変化させる投影距離変更部と、表示素子１１の動作を制御する表示制御部１８と、投影距離変更部の駆動状態を監視する監視部７０とを備え、投影動作開始時、投影動作終了時、及び投影動作切替時において、監視部７０で検出した投影距離変更部の駆動状態に同期させて表示制御部１８によって表示素子１１を動作させる。【選択図】図１０

Description

本発明は、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。

虚像の表示距離を変化させるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置として、走査型の像形成手段と、拡散スクリーンと、投影手段と、拡散スクリーン位置を変える可動手段とを備え、拡散スクリーン位置を変化させることで虚像の奥行き方向の投影位置を変化させるものが公知となっている（特許文献１参照）。このＨＵＤ装置は、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、虚像の表示距離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ものであり、車、人、障害物等のオブジェクトに対して虚像の表示位置を調整しようとするものではない。

車、人、障害物等のオブジェクトに対して虚像の表示位置を重ねる、又はその近傍に表示させて運転者に危険を伝えるといった目的でＨＵＤ装置を使用する場合、運転時の危険というも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、拡散スクリーンを高速駆動し、拡散スクリーンの移動と同期させた映像を像形成手段に対応する表示素子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。

高速で虚像投影距離を変化させて３Ｄ表示を行うＨＵＤ装置において、投影動作開始時及び投影動作終了時に拡散スクリーンの移動速度が変化する場合等に像形成手段に対応する表示素子による動作との同期がずれてしまい、投影される画像の飛びや画像の高速振動等が生じるという問題がある。

特開２００９−１５０９４７号公報

本発明は、投影動作開始時、投影動作停止時、及び投影動作切替時において、奥行き方向を含めて投影位置が異なる虚像を安定して表示する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、画像を表示する表示素子と、表示素子に形成された像を拡大投影する光学系と、画像の投影距離を変化させる投影距離変更部と、表示素子の動作を制御する表示制御部と、投影距離変更部の駆動状態を監視する監視部とを備え、投影動作開始時、投影動作終了時、及び投影動作切替時において、監視部で検出した投影距離変更部の駆動状態に同期させて表示制御部によって表示素子を動作させる。ここで、投影動作切替時とは、例えば表示装置が３次元的に虚像の表示距離を可変にするモードと虚像の表示距離を一定距離に固定するモードとを切替える構成である場合のモード切替え時等を意味する。

上記表示装置によれば、投影動作開始時、投影動作終了時、及び投影動作切替時において投影距離変更部の駆動状態を監視しつつ表示素子の動作を投影距離変更部の動作に同期させることにより、虚像を所定の投影位置に安定して投影することができる。これにより、表示装置の投影動作中の様々な段階において、奥行き方向を含めて投影位置が異なる虚像を安定して表示することができる。

本発明の具体的な１つの側面では、上記表示装置において、光学系は、投影光学系と、投影光学系の光射出側に配置される拡大光学系とを含み、拡散機能を有し、投影光学系と拡大光学系との間に配置される中間スクリーンをさらに備え、拡大光学系は、中間スクリーン上の像を拡大し、投影距離変更部は、中間スクリーンを光軸方向に移動させる。この場合、画像の結像位置を直接的に調整することができる。

本発明の別の側面では、中間スクリーンは、回転体に支持されており、投影距離変更部は、回転体を回転軸の周りに回転させる。この場合、中間スクリーンを光軸方向に沿って高速かつ容易に移動させることができる。

本発明のさらに別の側面では、投影距離変更部は、中間スクリーンを３０Ｈｚ以上で駆動させる。

本発明のさらに別の側面では、監視部は、中間スクリーンの位置情報の計測に用いる計測部材を有する。この場合、監視に必要な目印となる部材により、中間スクリーンの位置情報を容易に計測することができる。

本発明のさらに別の側面では、表示制御部は、投影距離変更部の駆動状態と表示素子の動作との同期がずれた際に、表示素子の動作を調整する。例えば、投影距離変更部の駆動に遅れが生じた場合、表示素子の動作を抑制することで、投影距離変更部の動作に対する表示素子の動作のずれを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、投影距離変更部の駆動の１周期の間での表示素子の表示速度を線形近似で変化させる。この場合、投影距離変更部の駆動状態を予測して表示素子を動作させることができる。

本発明のさらに別の側面では、表示制御部は、表示素子の動作開始時に、投影距離変更部の駆動状態が検出されない間には表示素子の動作を停止する。この場合、投影距離変更部が初期の駆動状態が不安定な期間における画像の飛びや画像の高速振動等の影響をより少なくすることができる。

（Ａ）は、実施形態の表示装置又はヘッドアップディスプレイ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、表示装置を説明する車内側からの正面図である。 表示装置を構成する投影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。 図２の表示装置の監視部の変形例を説明する図である。 （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一部破断平面図及び一部破断側面図であり、（Ｃ）は、中間スクリーンの回転に伴う機能領域の移動等を説明する図である。 中間像の位置の変化を具体的に例示する図である。 ヘッドアップディスプレイ装置の全体構造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）〜（Ｄ）は、図７中の表示像又はフレーム枠に対応する図である。 図６に示すヘッドアップディスプレイ装置の動作例を説明する図である。 ヘッドアップディスプレイ装置の投影動作開始時の動作例を説明する図である。 （Ａ）は、投影動作開始のトリガー信号を説明する図であり、（Ｂ）は、ヘッドアップディスプレイ装置に設けられる回転駆動部の動作を説明する図であり、（Ｃ）は、表示素子の動作開始のトリガー信号を説明する図であり、（Ｄ）は、表示素子の動作を説明する図である。 表示素子の周期毎の表示タイミングと表示速度との関係を説明する図である。 ヘッドアップディスプレイ装置の投影動作終了時の動作例を説明する図である。 （Ａ）は、投影動作終了のトリガー信号を説明する図であり、（Ｂ）は、ヘッドアップディスプレイ装置に設けられる回転駆動部の動作停止のトリガー信号を説明する図であり、（Ｃ）は、回転駆動部の動作を説明する図であり、（Ｄ）は、表示素子の動作停止のトリガー信号を説明する図であり、（Ｅ）は、表示素子の動作を説明する図である。

〔実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る一実施形態の表示装置としてのヘッドアップディスプレイ装置について説明する。

図１（Ａ）及び１（Ｂ）は、表示装置としてのヘッドアップディスプレイ装置のうち画像表示装置１００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、例えば自動車の車体２内に搭載されるものであり、投影ユニット１０と表示スクリーン２０とを備える。画像表示装置１００は、投影ユニット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ＶＤに向けて虚像表示するものであり、表示装置と呼ぶこともある。

画像表示装置１００のうち投影ユニット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ＤＬ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、投影ユニット１０からの表示光ＤＬ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ＤＬは、運転席６に座った運転者ＶＤの瞳ＰＵ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ＶＤは、表示スクリーン２０で反射された表示光ＤＬ、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ＶＤ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ＶＤ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ＤＬの反射によって形成される運転関連情報等の関連情報を含む表示像（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ＶＤ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、投影ユニット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、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を形成する投影光学系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から位置ずれして僅かにピントがぼけたものも含み、強制中間像ＴＩ’とも呼ぶ）を拡大する拡大光学系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、投影光学系１５で拡大されて拡散部１６に設けた螺旋面状の中間スクリーン１９に投影される。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、中間スクリーン１９への投影像の切替え、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の切替えを比較的高速とできる。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やＬＣＯＳを用いると、明るさを維持しつつ画像を高速で切替えること（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ＶＤに対して同時に表示されているように見せることが可能になる。特に、９０ｆｐｓ以上で表示の切替えを行う場合、ＤＭＤやＬＣＯＳが表示素子１１の候補となる。

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、複数のレンズ要素を有する。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）に配置される部材である。拡散部１６は、投影距離変更部である回転駆動部６４に駆動されて例えば一定速度で基準軸（回転軸）ＳＸの周りに回転するとともに、センサー６６によって回転位置が検出される。つまり、回転駆動部６４は、拡散部１６（具体的には、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。センサー６６は、回転駆動部６４の駆動状態を監視する監視部７０となっている。

回転駆動部６４は、表示制御部１８の制御下で動作しており、センサー６６による中間スクリーン１９の配置検出結果に基づいて、中間スクリーン１９の回転位置や回転速度を表示素子１１の投影タイミング（表示タイミング）に合わせて調整している。センサー６６は、後述する中間スクリーン１９の外周に対向して配置され、中間スクリーン１９の途切れ目に相当する段差部１６ｊの通過タイミングを検出することで、中間スクリーン１９の配置に関連する回転角を定期的にチェックしている。センサー６６としては、例えばフォトインタラプターを用いることができる。一般的なフォトインタラプターは、発光部と光センサー部とを組み込んだセンサーモジュールである。中間スクリーン１９の段差部１６ｊでは、反射方向や拡散方向が前後の領域に比較して変動するので、フォトインタラプターの発光部による光検出強度を所定の閾値と比較すること等によって段差部１６ｊの通過を精密に監視できる。なお、図３に示すように、監視部７０は、センサー６６に付随するものとして、中間スクリーン１９の位置情報の計測に用いる計測部材６６ａを有していてもよい。位置情報の計測に用いる計測部材６６ａとしては、例えば、中間スクリーン１９上にセンサー６６に対向して設けられる反射部材等が挙げられる。監視部７０が監視に必要な目印となる計測部材６６ａを有するため、中間スクリーン１９の位置情報を容易に計測することができる。なお、センサー６６の別の例として、ホール素子、ロータリーエンコーダー等も用いることができる。回転駆動部６４の駆動制御が正確である場合、主制御装置９０を監視部として、センサー６６を省略することもできる。

図４（Ａ）及び４（Ｂ）に示すように、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側又は＋Ｙ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。

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ＤＬを拡散させることによって中間像ＴＩ又は強制中間像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、拡大光学系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も連続的な螺旋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、螺旋の１周期に対応する範囲に形成されている。つまり、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３０ｍｍ以下の距離差又はピッチを与えるものとなっている。段差部１６ｊは、中間スクリーン１９の境界部でもある。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。

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。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ＤＬ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（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は形成されないが、中間像が形成されるであろう位置も中間像の位置と呼ぶ）。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ので、回転体１６ａの１回転で中間スクリーン１９が空間的に移動し、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だけ移動することになる。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、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可能である。

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ので、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の高速での回転を安定化させることが容易になる。なお、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。この場合、回転体１６ａの厚みｔを薄くすることが容易になる。

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又は中間スクリーン１９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（Ｃ）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、例えば元の機能領域ＦＡ１から等角度でずれた位置に設定された隣接する機能領域ＦＡ２，ＦＡ３に順次シフトし、光軸ＡＸ方向に移動する。このような機能領域ＦＡの光軸ＡＸ方向への移動により、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までの虚像距離又は投影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までの虚像距離又は投影距離を増加させることができる。

拡大光学系１７は、投影光学系１５によって形成された中間像ＴＩを表示スクリーン２０と協働して拡大し、運転者ＶＤ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。

図２等に示す画像表示装置１００において、表示制御部１８の制御下でセンサー６６によって監視しつつ回転駆動部６４を動作させることで、拡散部１６が基準軸ＳＸの周りに回転して機能領域ＦＡに対応する中間像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と観察者である運転者ＶＤ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、表示制御部１８の制御下で、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までの虚像距離又は投影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ので、表示像ＩＭの位置に関わらず拡大光学系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が複数個所又は複数投影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。回転駆動部６４は、例えば３０Ｈｚ以上の速度で回転体１６ａ又は中間スクリーン１９を回転駆動させ、結果的に中間スクリーン１９を光軸ＡＸ方向に高速に移動させる。高速性を有する表示素子１１の表示と同期して高速で中間スクリーン１９を駆動することにより、人間の目で判別が困難なほど高速に複数の投影距離に虚像を表示することができる。これにより、表示像（虚像）ＩＭが複数の投影距離に同時に表示されているように見せることができる。

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の中心位置も、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（虚像）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、投影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、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位置となる。経時パターンＰＡにおいて、最も近距離側の表示位置Ｐｎと最も遠距離側の表示位置Ｐｆとは、例えば経時パターンＰＡの両端に設定される。また、経時パターンＰＡの途切れ目ＰＤは、拡散部１６の回転体１６ａに設けた段差部１６ｊに対応する。

図６は、ヘッドアップディスプレイ装置２００の全体構造を説明する概念的ブロック図であり、ヘッドアップディスプレイ装置２００は、その一部として画像表示装置１００を含む。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。

ヘッドアップディスプレイ装置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ＶＤ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、運転席画像判断部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ＶＤ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運転席画像判断部７１ｃでの処理を容易にする。運転席画像判断部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ＶＤ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ＶＤの頭部の存否とともに運転者ＶＤ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、検出領域内に存在するオブジェクトを検出するオブジェクト検出部であり、前方に近接して存在する移動体や人、具体的には自動車、自転車、歩行者等をオブジェクトとして識別し、オブジェクトの３次元的な位置情報を抽出する３次元計測器を有する。環境監視部７２は、３次元計測器として、外部用カメラ７２ａと、外部用画像処理部７２ｂと、外部画像判断部７２ｃとを備える。外部用カメラ７２ａは、可視又は赤外域において外界像の撮影を可能にする。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ＶＤ又はフロントウインドウ８の前方の検出領域ＶＦ（後述する図７参照）を外部画像として撮影する。外部用画像処理部７２ｂは、外部用カメラ７２ａで撮影した外部画像に対して明るさ補正等の各種画像処理を行って外部画像判断部７２ｃでの処理を容易にする。外部画像判断部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画像の抽出又は切り出しを行うことによって自動車、自転車、歩行者等のオブジェクト（具体的には、後述する図７中のオブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３参照）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前方におけるオブジェクトの空間的な位置を算出し３次元的な位置情報として記憶部７２ｍに保管する。

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、又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（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。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（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。

表示制御部１８は、主制御装置９０の制御下で表示光学系３０を動作させて、表示スクリーン２０の背後に虚像距離又は投影距離が変化する３次元的な表示像ＩＭを表示させる。

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する。主制御装置９０は、例えば表示制御部１８を介して回転駆動部６４を動作させることによって、表示光学系３０による表示像ＩＭである虚像の投影距離を周期的に変化させる。つまり、主制御装置９０等は、表示像ＩＭである虚像の奥行き方向に関する投影位置を周期的に変化させる。また、主制御装置９０は、環境監視部７２によって検出したオブジェクトの空間的な位置に対応するように、表示光学系３０によって投影されるフレーム枠ＨＷ（図７参照）の空間的な配置を調整する。すなわち、主制御装置９０は、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、表示光学系３０に表示させる表示像ＩＭを生成する。表示像ＩＭの表示内容は、回転駆動部６４の動作に同期したもの、つまり中間像ＴＩの移動に同期させたものとなっている。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、歩行者その他のオブジェクト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７参照）のような標識とすることができる。このフレーム枠ＨＷは、説明の便宜上奥行きのない状態で示されているが、実際は表示ゾーンの奥行き幅に対応して一定の奥行き幅を有するものとなっている。以上のように、主制御装置９０は、表示制御部１８と協働して像付加部として機能し、検出されたオブジェクトまでの目標距離が投影距離と略一致するタイミングで、検出されたオブジェクトに対して表示光学系３０によって虚像として関連情報像を付加する。

主制御装置９０は、運転者検出部７１から運転者ＶＤ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、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ＶＤ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ＶＤ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。

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ＶＤ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に対して関連情報像としてのフレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を付加する。この際、運転者ＶＤから各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの距離が異なるので、フレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を表示させる表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３までの虚像距離は、運転者ＶＤから各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３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の虚像距離は、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の虚像距離と、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、運転者ＶＤ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とフレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３との配置関係を略維持することができる。

図８（Ａ）は、図５に対応し、図８（Ｂ）は、図７中の表示像ＩＭ３又はフレーム枠ＨＷ３に対応し、図８（Ｃ）は、図７中の表示像ＩＭ２又はフレーム枠ＨＷ２に対応し、図８（Ｄ）は、図７中の表示像ＩＭ１又はフレーム枠ＨＷ１に対応している。図８（Ａ）〜８（Ｄ）より明らかなように、表示像ＩＭ１は、回転体１６ａの機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩが表示位置Ｐ１を中心とする所定範囲内の位置にあるときの表示像に対応する。同様に、表示像ＩＭ２は、回転体１６ａの機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩが表示位置Ｐ２を中心とする所定範囲内の位置にあるときの表示像に対応し、表示像ＩＭ３は、回転体１６ａの機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩが表示位置Ｐ３を中心とする所定範囲内の位置にあるとき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、順に、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が表示される。以上の１周期が視覚的に短ければ、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の切替えが非常に速くなり、観察者である運転者ＶＤは、フレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３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９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を検出した場合、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３に対応するフレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３に対応する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、対応する虚像距離及び表示ゾーン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の位置に応じて、対応するフレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３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に対応する表示データを割り当てた虚像距離及び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）。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）。

以下、画像表示装置１００又はヘッドアップディスプレイ装置２００の投影動作の開始時及び終了時について説明する。画像表示装置１００又はヘッドアップディスプレイ装置２００は、投影動作開始時及び投影動作終了時において、投影距離変更部である回転駆動部６４の動作と表示素子１１の動作のタイミングを調整する。

以下、図１０及び図１１（Ａ）〜１１（Ｄ）を参照しつつ、画像表示装置１００の投影動作開始時の動作、つまり図９のステップＳ１４の処理開始時について説明する。画像表示装置１００は、投影動作開始時において、監視部７０で検出した回転駆動部６４の駆動状態に同期させて表示制御部１８によって、表示素子１１を動作させる。

まず、画像表示装置１００又はヘッドアップディスプレイ装置２００に投影動作開始指令がなされる（ステップＳ２１）。図１１（Ａ）に示すように、投影動作開始のトリガー信号Ｔ１が主制御装置９０から表示制御部１８に出力される。投影動作開始指令は、（１）例えば自動車のエンジンのオン動作やヘッドアップディスプレイ装置２００のスイッチのオン動作によって、又は（２）例えば３次元的に虚像の表示距離を可変にするモードと虚像の表示距離を一定距離に固定するモードとを切替えられる構成の場合には、モードの切替えを行うタイミングで、モード切替スイッチの動作実施した際や自動モード切替え等の判断を装置の制御で行ったタイミング等のトリガーによって、生じさせることができる。

次に、表示制御部１８の制御下で回転駆動部６４の動作を開始させる（ステップＳ２２）。具体的には、回転体１６ａを回転駆動部６４を用いて所定の回転速度で回転させ、中間スクリーン１９を光軸ＡＸ方向に沿って移動させる。ステップＳ２２において、上述の投影動作開始のトリガー信号Ｔ１の出力から回転駆動部６４の動作が開始されるまでの遅延時間は例えば１秒以下、好ましくは１０ミリ秒以下である。図１１（Ｂ）に示すように、回転駆動部６４の動作開始時において回転体１６ａの回転速度は上昇し、安定時において回転体１６ａは所定の速度Ａ１に達する。

次に、表示制御部１８は、主制御装置９０の制御下で表示素子１１の動作停止状態を継続する信号を表示素子１１に出力する（ステップＳ２３）。なお、ステップＳ２３は、ステップＳ２１の後に一定期間毎に行われていてもよい。

次に、主制御装置９０は、監視部７０を用いて回転体１６ａ又は中間スクリーン１９の回転位置を監視しつつ、回転駆動部６４の移動タイミングと表示素子１１の発光タイミングとの同期が可能な状態であるか否かを判断する（ステップＳ２４）。投影動作開始時における同期可能判定では、回転駆動部６４の動作が安定（例えば、回転体１６ａが一定回転速度で回転）している必要はなく、監視部７０によって回転駆動部６４の駆動状態（回転体１６ａの回転位置や回転速度等）が検出されていればよい。回転駆動部６４の動作と表示素子１１の動作とが同期可能状態である場合（ステップＳ２４のＹｅｓ）、表示制御部１８の制御下で表示素子１１の動作を開始させる（ステップＳ２５）。ステップＳ２５において、表示素子１１の発光タイミング（表示タイミング）は、回転駆動部６４と同期したものとなっている。

一方、同期可能状態でない場合（ステップＳ２４のＮｏ）、ステップＳ２３に戻る。例えば、投影動作開始後の初期において、回転駆動部６４の駆動状態（回転体１６ａの回転位置や回転速度等）が検出されない場合がある。表示制御部１８は、表示素子１１の動作開始時に、回転駆動部６４の駆動状態が検出されない間には表示素子１１の動作を停止したままとする。これにより、回転駆動部６４が初期の駆動状態が不安定な期間における画像の飛びや画像の高速振動等の影響をより少なくすることができる。

図１１（Ｃ）に示すように、ステップＳ２４のＹｅｓの後に表示制御部１８から表示素子１１の動作開始のトリガー信号Ｔ２が出力される。このトリガー信号Ｔ２により表示素子１１の動作が開始され（ステップＳ２５）、図１１（Ｄ）に示すように、表示制御部１８は、表示素子１１の発光タイミングを回転駆動部６４の移動タイミングに同期するように動作させつつ、所定の表示速度Ａ２に達するように制御する。これにより、投影動作開始時の表示素子１１及び回転駆動部６４の動作状態が変化する期間において、表示素子１１と回転駆動部６４の同期ずれを低減することができる。ステップＳ２５の初期の段階において、回転駆動部６４の駆動状態は変化し続けており、回転体１６ａが所定の速度Ａ１に達するまで回転速度又は回転数が上がる。表示制御部１８は、回転駆動部６４の駆動状態と表示素子１１の動作との同期がずれた際に、表示素子１１の動作を調整する。例えば、回転駆動部６４の駆動に遅れが生じた場合、表示素子１１の動作を抑制することで、回転駆動部６４の動作に対する表示素子１１の動作のずれを低減することができる。同期の取り方として、例えば表示制御部１８に設けた不図示のＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御部を用いてサーボ機構を動作させ、表示素子１１の動作、中間スクリーン１９の動作等のフィードバック制御を行う。サーボ機構は、ＰＩＤ制御部を介して、表示素子１１の発光タイミングや、回転体１６ａの回転数又は回転速度等が設定値から外れた場合に、設定値になるようにこれらを自動制御する。なお、表示素子１１及び回転駆動部６４の動作が安定した後も表示素子１１と回転駆動部６４の同期状態は一定期間毎又は定常的に監視することが好ましい。

ステップＳ２５において、表示制御部１８は、回転駆動部６４の駆動の１周期の間での表示素子１１の表示速度を線形近似で変化させる。これにより、回転駆動部６４の駆動状態を予測して表示素子１１を動作させることができる。なお、表示素子１１の表示速度を曲線形で変化させてもよい。

図１２に、画像表示装置１００又はヘッドアップディスプレイ装置２００を立ち上げて表示を開始した際の虚像距離又は表示距離の近距離側から遠距離側までの１周期毎の表示タイミングと表示速度との関係を示す。横軸は、時間であり、縦軸は表示速度（近距離側から遠距離側までを１周期とした場合の１秒当たりの表示回数を表す周波数）である。例えば、時間ｔ０〜ｔ１の間で近距離側から遠距離側まので１周期分の表示、時間ｔ１〜ｔ２の間で次の１周期分の表示のように、時間ｔｋ−１〜ｔｋ（ｋ＝１、２、３…）の間にｋ番目の周期の表示を行う。図示の例では、表示開始時の速度変化を徐々に速めていく場合を示しており、徐々に速くなる表示速度に対して、表示素子１１による表示の周期も回転駆動部６４の動作と同期させながら速めていくものになっている。具体的には、時間ｔ０に表示速度０から駆動を開始し、徐々に速度を速めながら時間ｔｓまで加速し、時間ｔｓ以降には一定速度での表示を行っている。表示開始や後述する表示停止の際に、一度に速度を速めたり遅くしたりすると、駆動系の必要トルクを大きくしないといけない等、信頼性の面でも問題が生じるため、図示のように、徐々に速度を速めたり遅くしたりすることが望ましい。この際、表示素子１１は、回転駆動部６４の駆動速度に合わせたタイミングで表示を行う。つまり、時間ｔ０〜ｔ１、ｔ１〜ｔ２、…、ｔｋ−１〜ｔｋの表示の１周期に相当する各期間内において、近距離側から遠距離側までの１周期分の表示を行うもので、それぞれの周期のタイミングに合わせて１周期の表示を行う。なお、タイミングがずれた表示を行うと、表示に飛びやサイズ変化等が生じ、観察者である運転者ＶＤにとって違和感を感じる表示となる。この違和感は、カラー画像を表示する場合に顕著となる。

各周期における表示速度は、直前の回転駆動部６４の駆動状態（回転体１６ａの回転位置や回転速度等）から１周期単位や複数周期単位で次周期の駆動状態を予測して次周期の表示動作に反映させてもよい。また、所定の周期単位で回転駆動部６４の駆動状態を監視し、対応する表示速度に変化させてもよい。この際、表示される画像のちらつきが目立たないように、各装置間の動作の遅延時間を考慮することが好ましい。

以下、図１３及び図１４（Ａ）〜１４（Ｅ）を参照しつつ、画像表示装置１００の投影動作終了時の動作について説明する。画像表示装置１００は、投影動作終了時において、監視部７０で検出した回転駆動部６４の駆動状態に同期させて表示制御部１８によって表示素子１１を動作させる。

まず、画像表示装置１００又はヘッドアップディスプレイ装置２００の投影動作中において、表示素子１１は定常表示状態となっている（ステップＳ３１）。図１４（Ｅ）に示すように、ステップＳ３１において、表示素子１１は、所定の表示速度Ａ２を維持するように動作されている。なお、表示速度Ａ２は、回転駆動部６４の駆動状態と同期する許容範囲内で変動してもよい。

次に、画像表示装置１００又はヘッドアップディスプレイ装置２００に投影動作終了指令がなされる（ステップＳ３２）。図１４（Ａ）に示すように、投影動作終了のトリガー信号Ｔ３が主制御装置９０から表示制御部１８に出力される。投影動作終了指令は、（１）例えば自動車のエンジンのオフ動作やヘッドアップディスプレイ装置２００のスイッチのオフ動作によって、又は（２）例えば３次元的に虚像の表示距離を可変にするモードと虚像の表示距離を一定距離に固定するモードとを切替えられる構成の場合には、モードの切替えを行うタイミングで、モード切替スイッチの動作実施した際や自動モード切替え等の判断を装置の制御で行ったタイミング等のトリガーによって、生じさせることができる。

次に、表示制御部１８に表示動作停止指令がなされる（ステップＳ３３）。図１４（Ｄ）に示すように、表示動作停止のトリガー信号Ｔ５が主制御装置９０から表示制御部１８に出力される。これにより、表示制御部１８の制御下で表示素子１１の動作を終了させる。具体的には、表示制御部１８は、表示素子１１の表示速度を徐々に低下させて表示素子１１の動作を停止させる。ここで、ステップＳ３３から後述するステップＳ３５までにおいて、回転駆動部６４は、表示素子１１の動作と同期して回転体１６ａの回転速度を減速させることが好ましい。つまり、回転駆動部６４の停止（ステップＳ３５）まで、表示素子１１の表示タイミングは、回転駆動部６４と同期したものとなっている。なお、表示速度の低下に伴い、表示輝度も低減させてもよい。表示輝度を低下させる場合には、表示輝度の閾値を安定時の表示輝度の１／１００〜１／１０以下とすることが望ましい。閾値は、外界や運転者ＶＤの周囲の環境によって決定されるものである。

次に、主制御装置９０は、表示素子１１が表示停止状態であるか否かを判断する（ステップＳ３４）。表示素子１１が表示停止状態である場合（ステップＳ３４のＹｅｓ）、表示制御部１８の制御下で回転駆動部６４の表示を停止させる（ステップＳ３５）。具体的には、表示速度が略ゼロに達したときに、表示素子１１が表示停止状態であると判断する。表示素子１１の動作停止は、表示素子１１の電流値やモニターによる検知等によって判断する。表示素子１１が表示停止状態となった直後に、図１４（Ｂ）に示すように、主制御装置９０から回転駆動部６４の動作を停止させるトリガー信号Ｔ４が出力される。図１４（Ｃ）に示すように、このトリガー信号Ｔ４により回転駆動部６４の動作が停止される。ここで、直後とは、表示素子１１の動作停止の直ぐ後の他に、動作停止と略同時の場合も含む。これにより、回転駆動部６４の動作に対する表示素子１１の動作のずれを低減することができる。回転駆動部６４は、上述のように回転体１６ａの回転速度を減速させつつ最終的に動作を停止させることが望ましい。なお、ステップＳ３３〜Ｓ３５において、

一方、表示素子１１が表示停止動状態でない場合（ステップＳ３４のＮｏ）、ステップＳ３６における監視及び同期の判断を行う。

ステップＳ３６において、主制御装置９０は、監視部７０を用いて回転体１６ａ又は中間スクリーン１９の回転位置を監視しつつ、回転駆動部６４の移動タイミングと表示素子１１の表示タイミングとの同期が可能な状態であるか否かを判断する。投影動作終了時における同期可能判定では、表示素子１１の動作が安定（例えば、表示速度が一定）している必要はなく、監視部７０によって回転駆動部６４の駆動状態（回転体１６ａの回転位置や回転速度等）が検出されていればよい。回転駆動部６４の動作と表示素子１１の動作とが同期可能状態である場合（ステップＳ３６のＹｅｓ）、ステップＳ３４に戻る。つまり、表示素子１１の動作が終了するまでステップＳ３６が繰り返される。

一方、同期可能状態でない場合（ステップＳ３６のＮｏ）、主制御装置９０からのトリガー信号Ｔ４により表示素子１１の動作が停止されるとともに（ステップＳ３７）回転駆動部６４の動作が停止される（ステップＳ３５）。例えば、投影終了後の終期において、回転駆動部６４の駆動状態（回転体１６ａの回転位置や回転速度等）が検出されない場合がある。表示制御部１８は、表示素子１１の動作終了時に、回転駆動部６４の駆動状態が検出されない間には、すぐに表示素子１１の動作を停止した上で回転駆動部６４の動作を停止する。これにより、回転駆動部６４が終期の駆動状態が不安定な期間における画像の飛びや画像の高速振動等の影響をより少なくすることができる。

以上で説明したヘッドアップディスプレイ装置２００又は画像表示装置１００によれば、投影動作開始時及び投影動作終了時において投影距離変更部である回転駆動部６４の駆動状態を監視しつつ表示素子１１の動作を回転駆動部６４の動作に同期させることにより、表示像（虚像）ＩＭを所定の投影位置に安定して投影することができる。これにより、画像表示装置１００の投影動作中の様々な段階において、奥行き方向を含めて投影位置が異なる虚像を安定して表示することができる。

〔その他〕
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を配置することもでき、この場合、投影ユニット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、拡散部１６の中空枠体１６ｂは必須でなく、回転体１６ａのみとすることができる。この場合も、段差部１６ｊに傾斜した接続面１６ｋを形成しているので、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の回転を安定化させることができる。

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３（Ａ）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。つまり、機能領域ＦＡは、回転体１６ａ上の分離した位置に設定する必要がなく、回転体１６ａ上の連続した所望の位置に設定することができる。

上記実施形態において、表示像ＩＭの投影距離の分割数も、３つに限らず、用途に応じて４つ以上の様々な設定とすることができる。

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、投影光学系１５や拡大光学系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。

上記実施形態において、投影距離変更部として回転駆動部６４を動作させて中間スクリーン１９を光軸ＡＸ方向に移動させて虚像の投影距離を変化させたが、表示光学系３０の他の部材、例えば投影光学系１５のレンズ要素、表示素子１１、表示スクリーン２０等を移動させて虚像の投影距離を変化させてもよい。また、中間スクリーン１９を平板状の光学素子に設け、当該光学素子を光軸ＡＸに沿って周期的に移動させてもよい。

上記実施形態において、投影動作開始時及び投影動作終了時における回転駆動部６４の動作と表示素子１１の動作との同期方法について説明したが、投影動作切替時にも同様に、監視部７０で検出した回転駆動部６４の駆動状態に同期させて表示制御部１８によって表示素子１１を動作させることができる。ここで、投影動作切替時とは、例えば画像表示装置１００が３次元的に虚像の表示距離を可変にするモード（３次元表示）と虚像の表示距離を一定距離に固定するモード（固定表示）とを切替える構成である場合のモード切替え時等を意味する。

表示距離を一定距離とする場合には、主制御装置９０の監視部７０を用いて回転体１６ａ又は中間スクリーン１９の回転位置を監視しつつ、回転体１６ａが所望の位置に配置されたときに回転駆動部６４を停止させる。３次元的に虚像の表示距離を可変にするモードから虚像の表示距離を一定距離に固定するモードへ切替える際の表示については、例えば回転駆動部６４の移動タイミングと表示素子１１の表示タイミングとの同期が可能な状態であることを監視部７０で監視しつつこれらの同期をとることにより、虚像の表示距離を一定距離に固定するモードにおいて、中間スクリーン１９の回転位置が予め設定された距離となるべき位置にて表示を行うようにすれば、切替えの動作がなされてほぼ遅れなく一定距離での表示が可能となり、観察者である運転者ＶＤにとって投影動作のスムーズな切替えが可能となる等の利点が生じる。また、この際に固定する虚像の表示距離に関しては、例えば最も近接の虚像距離でもよいし、運転者ＶＤから１０〜１５ｍ離れた位置付近の、予め装置側で設定された距離でもよい。また、最短の虚像距離から最長の虚像距離までの間、又は最短距離から最長距離までの間で装置として設定を可能とする虚像距離の間で運転者ＶＤが任意に設定することも可能である。さらに、３次元表示から固定表示へのモード切替の際において中間スクリーン１９の位置が一定距離となるまでの間に、例えば最近接の虚像距離からそれより長い固定距離まで徐々に表示距離を変化させるような表示、最長の虚像距離からそれより短い固定距離まで徐々に表示距離を変化させるような表示、又はモード切替えの直前に表示していた距離から徐々に距離を変えて固定距離とする表示も、監視部７０で中間スクリーン１９の回転位置を監視しつつら表示距離を制御しながら実施することができる。

逆に、虚像の表示距離を一定距離に固定するモードから３次元的に虚像の表示距離を可変にするモードへ切替える際の表示については、主制御装置９０の監視部７０を用いて回転体１６ａ又は中間スクリーン１９の回転位置を監視しつつ、固定距離での虚像表示から運転中のシーンに応じた３次元での虚像表示に切替えればよい。

本発明の表示装置は、車その他の移動体に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置に限らず、３次元表示を行うヘッドマウント装置、ウェアラブルディスプレイ装置等に適用することができる。

２…車体、 ８…フロントウインドウ、 １０…投影ユニット、 １１…表示素子、 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、 １７…拡大光学系、 １７ａ，１７ｂ…ミラー、 １８…表示制御部、 １９…中間スクリーン、 ２０…表示スクリーン、 ３０…表示光学系、 ６４…回転駆動部、 ６６…センサー、 ６６ａ…計測部材、 ７０…監視部、 ７１…運転者検出部、 ７２…環境監視部、 １００…画像表示装置、 ２００…ヘッドアップディスプレイ装置、 ＡＸ…光軸、 ＤＬ…表示光、 ＦＡ，ＦＡ１，ＦＡ２，ＦＡ３…機能領域、 ＩＭ，ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３…表示像、 ＰＵ…瞳、 ＳＸ…基準軸、 ＴＩ…中間像、 ＶＤ…運転者

Claims (8)

1. 画像を表示する表示素子と、
   前記表示素子に形成された像を拡大投影する光学系と、
   前記画像の投影距離を変化させる投影距離変更部と、
   前記表示素子の動作を制御する表示制御部と、
   前記投影距離変更部の駆動状態を監視する監視部と、
   を備え、
   投影動作開始時、投影動作終了時、及び投影動作切替時において、前記監視部で検出した前記投影距離変更部の駆動状態に同期させて前記表示制御部によって前記表示素子を動作させることを特徴とする表示装置。
2. 前記光学系は、投影光学系と、前記投影光学系の光射出側に配置される拡大光学系とを含み、
   拡散機能を有し、前記投影光学系と前記拡大光学系との間に配置される中間スクリーンをさらに備え、
   前記拡大光学系は、前記中間スクリーン上の像を拡大し、
   前記投影距離変更部は、前記中間スクリーンを光軸方向に移動させることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記中間スクリーンは、回転体に支持されており、
   前記投影距離変更部は、前記回転体を回転軸の周りに回転させることを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
4. 前記投影距離変更部は、前記中間スクリーンを３０Ｈｚ以上で駆動させることを特徴とする請求項２及び３のいずれか一項に記載の表示装置。
5. 前記監視部は、前記中間スクリーンの位置情報の計測に用いる計測部材を有することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の表示装置。
6. 前記表示制御部は、前記投影距離変更部の駆動状態と前記表示素子の動作との同期がずれた際に、前記表示素子の動作を調整することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の表示装置。
7. 前記表示制御部は、前記投影距離変更部の駆動の１周期の間での前記表示素子の表示速度を線形近似で変化させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の表示装置。
8. 前記表示制御部は、前記表示素子の動作開始時に、前記投影距離変更部の駆動状態が検出されない間には前記表示素子の動作を停止することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の表示装置。

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