JP2021022851A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザが視認する虚像の垂直視差を低減する。【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置１０は、第１照明光を変調して左目用表示光を生成し、第２照明光を変調して右目用表示光を生成する表示部１４と、アイボックス７６に位置するユーザ７０の両目を撮像するカメラ１７と、カメラ１７の撮像画像に基づいてユーザ７０の両目の高さ方向の位置の差を検出する両目位置検出部と、両目位置検出部により検出されるユーザ７０の両目の高さ方向の位置の差に応じて、表示内容の位置が相対的に上下方向にずれるように補正された左目用画像および右目用画像を生成する画像処理部と、第１照明光の生成時に表示部に左目用画像を表示させ、第２照明光の生成時に表示部に右目用画像を表示させる表示制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。

近年、車両用表示装置としてヘッドアップディスプレイ装置が用いられることがある。ヘッドアップディスプレイ装置は、画像表示光を車両のウインドシールドなどに投射し、画像表示光に基づく虚像を車外の風景に重畳して表示する。左目用と右目用の画像表示光を別々に生成することで立体像を提示する装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−１０４１８号公報

虚像を視認するユーザが首を傾げることで左目と右目の高さ位置に差が生じると、左目で視認される左目用虚像と右目で視認される右目用虚像のそれぞれが提示される高さ位置がずれて垂直視差が発生しうる。ユーザが視認する虚像の垂直視差が大きすぎると、左右の目のそれぞれで視認される虚像を同一像として認識することが困難となり、視覚疲労を生じさせるおそれがある。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、ユーザが視認する虚像の垂直視差を低減する技術を提供することを目的とする。

本発明のある態様のヘッドアップディスプレイ装置は、ウインドシールドにて反射してアイボックスの左側領域に向かう第１投射軸に沿って第１照明光を投射し、ウインドシールドにて反射してアイボックスの右側領域に向かう第２投射軸に沿って第２照明光を投射する照明部と、第１投射軸と第２投射軸の交点に配置され、第１照明光を変調して左目用表示光を生成し、第２照明光を変調して右目用表示光を生成する表示部と、アイボックスに位置するユーザの両目を撮像するカメラと、カメラの撮像画像に基づいてユーザの両目の高さ方向の位置の差を検出する両目位置検出部と、両目位置検出部により検出されるユーザの両目の高さ方向の位置の差に応じて、表示部に表示される左目用画像および右目用画像のそれぞれの表示内容の位置が相対的に上下方向にずれるように補正された左目用画像および右目用画像を生成する画像処理部と、第１照明光と第２照明光が時分割で生成されるように照明部の動作を制御する照明制御部と、第１照明光の生成時に表示部に左目用画像を表示させ、第２照明光の生成時に表示部に右目用画像を表示させる表示制御部と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、ユーザが視認する虚像の垂直視差を低減できる。

実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成を模式的に示す図である。 ユーザが視認する虚像を模式的に示す図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、表示光の光路を模式的に示す図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、両目の高さ位置を模式的に示す図である。 両目の高さ位置の差に起因する虚像の垂直視差を模式的に示す図である。 図６（ａ）〜（ｃ）は、比較例において表示部に表示される画像と、画像に基づいて提示される虚像とを模式的に示す図である。 図７（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態において表示部に表示される画像と、画像に基づいて提示される虚像とを模式的に示す図である。 実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成を詳細に示す図である。 実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成を詳細に示す図である。 実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成を詳細に示す図である。 図１１（ａ）〜（ｃ）は、光源およびコリメータの構成と、フライアイレンズの構成とを模式的に示す正面図である。 光源および表示素子の動作を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。かかる実施の形態に示す具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０の構成を模式的に示す図である。本実施の形態では、移動体の一例である車両６０のダッシュボード内にヘッドアップディスプレイ装置１０が設置される。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、虚像提示板であるウインドシールド６２に表示光５２を投射し、車両６０の進行方向（図１の右方向）の前方に虚像５０を提示する。運転者などのユーザ７０は、ウインドシールド６２を介して現実の風景に重畳される虚像５０を視認できる。そのため、ユーザ７０は、車両の走行中に視線をほとんど動かすことなく虚像５０に示される情報を得ることができる。図１において、車両６０の進行方向（前後方向）をｚ方向、車両６０の天地方向（上下方向）をｙ方向、車両６０の左右方向をｘ方向としている。

図２は、ユーザ７０が視認する虚像５０を模式的に示す図である。虚像５０は、例えば、ユーザ７０の前方の２ｍ〜５ｍ程度の距離の位置に提示される。虚像５０の表示サイズに対応する画角（ＦＯＶ；Field Of View）は、例えば、左右方向（水平方向）が約５度であり、上下方向（垂直方向）が約２度である。

図１に戻り、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、照明部１２と、表示部１４と、投射鏡１６と、カメラと、制御装置１８とを備える。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、外部装置６４と接続されている。

照明部１２は、表示部１４を照明するための照明光を生成する。照明部１２は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの光源と、光源から出射される光の強度分布や角度分布を調整して照明光を生成するための光学素子とを有する。照明部１２は、表示光５２を生成するための可視照明光と、カメラ１７の撮像対象となるユーザ７０を照明するための赤外照明光とを生成するよう構成される。

表示部１４は、照明光を変調して表示光を生成する。表示部１４は、液晶パネルなどの表示素子を含む。表示部１４は、制御装置１８から送信される画像信号に基づいて、画像信号に対応する表示内容の表示光５２を生成する。

投射鏡１６は、表示部１４が生成する表示光５２を反射してウインドシールド６２に向けて投射する。投射鏡１６は、ウインドシールド６２にて反射される表示光５２がユーザ７０の目７２が位置するアイボックス７６に向かうように表示光５２を投射する。これにより、ユーザ７０は、表示光５２に基づく虚像５０を視認できる。投射鏡１６は、表示光５２に基づく画像を拡大してユーザ７０に提示するために凹面鏡として構成される。投射鏡１６の反射面は、例えば、非球面などの自由曲面で構成される。

カメラ１７は、表示光５２の投射軸５４とは異なる撮像軸５６でユーザ７０の顔面を撮像するように配置される。カメラ１７の撮像軸５６を投射軸５４からずらすことにより、ユーザ７０が眼鏡やサングラスを使用する場合であっても、眼鏡やサングラスのレンズ７４の奥にある目７２を好適に撮像できる。ユーザ７０には投射軸５４に沿って赤外照明光が投射されるため、照明光の一部はレンズ７４の表面で鏡面反射される。レンズ７４は、ユーザ７０の視線方向７８に向けられているため、レンズ７４の表面で鏡面反射される照明光は、おおむね投射軸５４に沿って反射される。その結果、投射軸５４に沿ってユーザ７０を撮像しようとすると、レンズ７４で鏡面反射される赤外光の強度が大きいためにレンズ７４の奥に位置するユーザ７０の目７２を適切に撮像できなくなってしまう。本実施の形態では、カメラ１７の撮像軸５６を投射軸５４からずらすことで、レンズ７４により鏡面反射される赤外光がカメラ１７に向かわないようにすることができ、レンズ７４の奥のユーザ７０の目７２を適切に撮像できる。

図示する例において、カメラ１７は、ウインドシールド６２の下端６２ａ付近に設けられており、例えば、車両６０のダッシュボード上に設けられる。カメラ１７は、上下方向（高さ方向）を基準として、ユーザ７０の顔面を前方斜め下方向から撮像する位置に配置されており、ウインドシールド６２からアイボックス７６までの範囲の投射軸５４よりもカメラ１７の撮像軸５６が下方に位置するように配置されている。水平面に対する撮像軸５６の角度は、水平面に対する投射軸５４の角度よりも大きく、例えば１０度〜２０度程度に設定される。ユーザ７０の顔面を下から撮像することで、眼鏡やサングラス等の影響を受けず、さらに顔の特徴が適切に検出できるため、画像認識技術を用いてユーザ７０の目７２の位置を検出しようとする場合に検出しやすい撮像画像を得ることができる。

カメラ１７は、撮像軸５６がウインドシールド６２と投射鏡１６の間に位置するように配置されている。また、カメラ１７は、ユーザ７０からできるだけ離れた位置に配置され、投射鏡１６からウインドシールド６２に向かう範囲の投射軸５４よりもユーザ７０から離れた位置に配置される。カメラ１７は、例えば、投射鏡１６とウインドシールド６２の間に配置され、投射鏡１６からウインドシールド６２に向かう範囲の投射軸５４がカメラ１７の画角に含まれるように配置される。カメラ１７からユーザ７０までの距離を大きくとることで、カメラ１７の画角内にユーザ７０の顔面全体が収まりやすくできる。

カメラ１７には、照明部１２にて生成される赤外照明光の波長を選択的に透過させる赤外光フィルタが設けられる。カメラ１７に設けられる赤外光フィルタの透過波長は、例えば８５０ｎｍ付近または波長９４０ｎｍ付近であるがこれに限られない。カメラ１７は、赤外光のみを検出するよう構成されてもよいし、可視光と赤外光の双方を検出するよう構成されてもよい。カメラ１７が可視光画像と赤外光画像の双方を撮像可能となるよう構成する場合、例えばカメラ１７の隣接する四画素のそれぞれに赤色フィルタ、緑色フィルタ、青色フィルタおよび赤外光フィルタが設けられてもよい。

制御装置１８は、ヘッドアップディスプレイ装置１０の動作全般を制御する。制御装置１８は、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や機械装置で実現され、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現され、制御装置１８により提供される各種機能は、ハードウェアおよびソフトウェアの連携によって実現されうる。

制御装置１８は、表示用画像を生成し、表示用画像に対応する虚像５０が提示されるように照明部１２および表示部１４の動作を制御する。制御装置１８は、外部装置６４と接続されており、例えば、外部装置６４からの情報に基づいて表示用画像を生成する。制御装置１８は、ユーザ７０の顔面に向けて赤外光の照明光が投射されるように照明部１２および表示部１４の動作を制御する。制御装置１８は、カメラ１７が撮像する画像を取得し、取得した画像を解析することでユーザ７０の状態をモニタリングしてもよい。

外部装置６４は、虚像５０として表示される表示用画像の元データを生成する装置である。外部装置６４は、例えば、車両６０の電子制御ユニット（ＥＣＵ；Electronic Control Unit）や、ナビゲーション装置、携帯電話やスマートフォン、タブレットといったモバイル装置などである。外部装置６４は、虚像５０の表示に必要な画像データ、画像データの内容や種別を示す情報、車両６０の速度や現在位置といった車両６０に関する情報を制御装置１８に送信する。

図３（ａ）、（ｂ）は、表示光５２Ｌ，５２Ｒの光路を模式的に示す図である。図３（ａ）、（ｂ）では、車両６０の上側から見たヘッドアップディスプレイ装置１０の構成を示しており、分かりやすさのために照明部１２とウインドシールド６２を省略している。図３（ａ）、（ｂ）のそれぞれに示される表示光５２Ｌ，５２Ｒは、表示部１４を出射し、投射鏡１６およびウインドシールド６２（不図示）にて反射された後、アイボックス７６に向かう。

アイボックス７６は、ヘッドアップディスプレイ装置１０により提示される虚像５０が視認可能となる範囲である。アイボックス７６は、ユーザ７０の左目７２Ｌおよび右目７２Ｒを包含するように左右方向（ｘ方向）に長く設定される。アイボックス７６の左右方向の長さは、例えばユーザ７０の両目７２Ｌ，７２Ｒの瞳孔間隔の２倍程度に設定される。両目７２Ｌ，７２Ｒの瞳孔間隔は個人差があるが、一般的には６０ｍｍ〜７０ｍｍ程度である。アイボックス７６の左右方向の長さは、例えば１２０ｍｍ〜１３０ｍｍ程度に設定される。図３（ａ）、（ｂ）に示される通常の使用態様であれば、アイボックス７６の右側領域７６Ｒにユーザ７０の右目７２Ｒが位置し、アイボックス７６の左側領域７６Ｌにユーザの左目７２Ｌが位置する。投射軸５４は、表示部１４の中心１４Ｃから出射してアイボックス７６の中心７６Ｃに向かう光軸として定義される。投射鏡１６は、投射軸５４に対して左右方向（ｘ方向）に対称な形状となるよう構成されている。

図３（ａ）は、アイボックス７６の左側領域７６Ｌに向かう左目用表示光５２Ｌを模式的に示している。左目用表示光５２Ｌは、矢印Ｌで示されるように、投射軸５４に対して斜めに出射される表示光であり、表示部１４の中心１４Ｃから左寄りに第１投射軸５４Ｌに沿って出射される。そのため、左目用表示光５２Ｌは、投射鏡１６の中心１６Ｃから左方向にずれた位置１６Ｌまたはその近傍にて反射される。左目用表示光５２Ｌは、ユーザ７０の左目７２Ｌに入射することで、左目用表示光５２Ｌに基づく左目用虚像５０Ｌがユーザ７０に視認される。

図３（ｂ）は、アイボックス７６の右側領域７６Ｒに向かう右目用表示光５２Ｒを模式的に示している。右目用表示光５２Ｒは、矢印Ｒで示されるように、投射軸５４に対して斜めに出射される表示光であり、表示部１４の中心１４Ｃから右寄りに第２投射軸５４Ｒに沿って出射される。そのため、右目用表示光５２Ｒは、投射鏡１６の中心１６Ｃから右方向にずれた位置１６Ｒまたはその近傍にて反射される。右目用表示光５２Ｒは、ユーザ７０の右目７２Ｒに入射することで、右目用表示光５２Ｒに基づく右目用虚像５０Ｒがユーザ７０に視認される。

つづいて、ユーザの両目の高さ位置が異なる場合にユーザが知覚する垂直視差について説明する。図４（ａ），（ｂ）は、両目７２Ｌ，７２Ｒの高さ位置を模式的に示す図である。図４（ａ）は、ユーザ７０の左目７２Ｌと右目７２Ｒの高さ位置が同じ場合を示す。図４（ｂ）は、ユーザ７０の左目７２Ｌと右目７２Ｒの高さ位置が異なる場合を示し、右目７２Ｒが左目７２ＬよりもΔｈ１だけ高い位置にある場合を示している。ユーザ７０の左目７２Ｌと右目７２Ｒの高さ位置の差Δｈ１は、例えばユーザ７０が頭部を傾げることで発生する。ユーザ７０の左目７２Ｌと右目７２Ｒの高さ位置の差Δｈ１は、ユーザ７０の左目７２Ｌと右目７２Ｒの瞳孔間隔ｗと、ユーザの左目７２Ｌと右目７２Ｒを結んだ直線と水平線のなす角度Δθとを用いて、Δｈ１＝ｗ・ｓｉｎ（Δθ）と記述することができる。ユーザ７０の左目７２Ｌと右目７２Ｒの瞳孔間隔ｗは個人差があるが、一般的に６０ｍｍ〜７０ｍｍ程度である。

図５は、両目７２Ｌ，７２Ｒの高さ位置の差Δｈ１に起因する虚像５０Ｌ，５０Ｒの垂直視差を模式的に示す図である。図５は、ユーザ７０の両目７２Ｌ，７２Ｒの位置が図４（ｂ）の状態となる場合を示し、右目７２Ｒが左目７２ＬよりもΔｈ１だけ高い位置にある場合を示している。ユーザ７０の左目７２Ｌは、左目用表示光５２Ｌに基づく左目用虚像５０Ｌを視認し、ユーザ７０の右目７２Ｒは、右目用表示光５２Ｒに基づく右目用虚像５０Ｒを視認する。このとき、左目用虚像５０Ｌおよび右目用虚像５０Ｒのそれぞれが提示される高さ位置は必ずしも一致せず、高さ位置の差Δｈ２が生じうる。具体的には、右目用虚像５０Ｒが左目用虚像５０ＬよりもΔｈ２だけ高い位置に提示される。このとき、ユーザ７０は、左目７２Ｌと右目７２Ｒのそれぞれで視認する虚像５０Ｌ，５０Ｒの高さ位置の差Δｈ２を垂直視差（角度差）Δφとして知覚する。垂直視差Δφは、ユーザ７０から虚像５０Ｌ，５０Ｒまでの距離Ｄを用いて、Δφ＝Δｈ２／Ｄと記述できる。垂直視差Δφの大きさは、ヘッドアップディスプレイ装置１０の光学系の設計が定まれば、両目７２Ｌ，７２Ｒの高さ位置の差Δｈ１から求めることができる。例えば、両目７２Ｌ，７２Ｒの高さ位置の差Δｈ１が大きくなるほど、垂直視差Δφも大きくなる傾向にある。

図６（ａ）〜（ｃ）は、比較例において表示部１４に表示される表示用画像１４０と、表示用画像１４０に基づいて提示される虚像１５０Ｌ，１５０Ｒ，１５０とを模式的に示す図である。図６（ａ）は、表示部１４に表示される表示用画像１４０の一例を示し、図２に示す虚像５０を提示するための表示用画像１４０を示す。図６（ｂ）は、図６（ａ）の表示用画像１４０を表示部１４に表示させたときに提示される左目用虚像１５０Ｌおよび右目用虚像１５０Ｒを示す。図６（ｃ）は、両目で見たときの虚像１５０を示す。

図６（ｂ）に示されるように、左目用虚像１５０Ｌおよび右目用虚像１５０Ｒのそれぞれが提示される高さ位置は一致しておらず、高さ位置の差Δｈ２が生じている。図示する例では、右目用虚像１５０Ｒが左目用虚像１５０ＬよりもΔｈ２だけ高い位置に提示される。図６（ｃ）は、ユーザ７０が両目７２Ｌ，７２Ｒで視認する虚像１５０を模式的に示し、図６（ｂ）に示す左目用虚像１５０Ｌと右目用虚像１５０Ｒとを重畳させたものである。図示されるように、左目用虚像１５０Ｌと右目用虚像１５０Ｒでは、左右で虚像が提示される高さ方向の位置が異なるため、両者を融像して同一視することが困難である。このような左目用虚像１５０Ｌと右目用虚像１５０Ｒを無理して同一視しようとすると、視覚疲労や目眩が生じるおそれがあり好ましくない。

本発明者の知見によれば、ユーザが知覚する虚像５０Ｌ，５０Ｒの垂直視差Δφが大きすぎると、ユーザがめまいを感じるおそれがあることが分かっている。本発明者の知見によれば、ユーザが許容しうる垂直視差Δφの上限値の一例は、１×１０^−３［ｒａｄ］（つまり、１ｍｒａｄ）である。垂直視差Δφが１ｍｒａｄとなる場合の両目７２Ｌ，７２Ｒの高さ位置の差Δｈ１は、ヘッドアップディスプレイ装置１０の光学系の設計にもよるが、２ｍｍ〜５ｍｍ程度である。これを両目７２Ｌ，７２Ｒの角度Δθに換算すると、２度〜５度程度となる。したがって、ユーザ７０が２度〜５度程度というわずかな角度で首を傾げたとしても、許容できない垂直視差Δφが発生しうることとなる。

そこで、本実施の形態では、表示部１４に表示させる表示用画像として、左目用画像と右目用画像を別々に用意し、左目用画像および右目用画像のそれぞれの表示内容の位置が相対的に上下方向にずれるように補正処理を施すようにする。具体的には、ユーザ７０の両目７２Ｌ，７２Ｒの高さ位置の差Δｈ１に起因する垂直視差Δφが低減または相殺されるように、左目用画像および右目用画像のそれぞれの表示内容の位置を上下方向に意図的にずらすようにする。

図７（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態において表示部１４に表示される画像４０Ｌ，４０Ｒと、画像４０Ｌ，４０Ｒに基づいて提示される虚像５０Ｌ，５０Ｒ，５０とを模式的に示す図である。図７（ａ）は、表示部１４に表示させる左目用画像４０Ｌおよび右目用画像４０Ｒを模式的に示す。図示されるように、左目用画像４０Ｌおよび右目用画像４０Ｒは、表示内容が同一であるものの、表示内容の位置が相対的に上下方向にずれるように補正されている。図示される例では、左目用画像４０Ｌに含まれる表示内容の画像内での位置は、右目用画像４０Ｒに含まれる表示内容の画像内での位置よりもΔｈ３だけ上方にずれている。

図７（ｂ）は、表示部１４に左目用画像４０Ｌを表示させたときに左目用表示光５２Ｌに提示される左目用虚像５０Ｌと、表示部１４に右目用画像４０Ｒを表示させたときに右目用表示光５２Ｒにより提示される右目用虚像５０Ｒとを模式的に示す。図７（ｂ）においても、垂直視差Δφに起因して、左目用虚像５０Ｌおよび右目用虚像５０Ｒのそれぞれが提示される高さ位置は一致せず、高さ位置の差Δｈ２が生じている。しかしながら、左目用画像４０Ｌと右目用画像４０Ｒの表示内容の位置を相対的に上下方向にずらしているため、左目用虚像５０Ｌおよび右目用虚像５０Ｒのそれぞれにより提示される表示内容の高さ位置は一致している。

図７（ｃ）は、ユーザ７０が両目７２Ｌ，７２Ｒで視認する虚像５０を模式的に示し、図７（ｂ）に示す左目用虚像５０Ｌと右目用虚像５０Ｒとを重畳させたものである。図示されるように、左目用虚像５０Ｌおよび右目用虚像５０Ｒのそれぞれにより提示される表示内容の高さ位置が揃っているため、両者を融像して同一視することが容易となる。本実施の形態では、このような虚像５０を提示することで、視覚疲労や目眩の発生を防止し、虚像５０の視認性を向上させることができる。

つづいて、図７（ｃ）に示されるような虚像５０を提示するための照明部１２および表示部１４の光学系の構成について説明する。通常、左目用と右目用で異なる画像を表示させる場合、左目用表示部と右目用表示部を別に用意する必要があるが、表示部を複数設けることはコストの増加につながる。本実施の形態では、一つの表示部１４において左目用画像４０Ｌと右目用画像４０Ｒを時分割で交互に表示し、左目用表示光５２Ｌと右目用表示光５２Ｒが時分割で交互に生成されるようにする。また、表示部１４に対し、左目用表示光５２Ｌを生成するための第１照明光と、右目用表示光５２Ｒを生成するための第２照明光とが時分割で交互に照射されるようにする。これにより、アイボックス７６の左側領域７６Ｌに向けて左目用表示光５２Ｌが投射され、アイボックス７６の右側領域７６Ｒに向けて右目用表示光５２Ｒが投射されるようにする。本実施の形態では、さらに赤外照明光を時分割で投射するように照明部１２および表示部１４が構成される。

図８〜図１０は、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０の構成を詳細に示す図である。図８は、図３（ａ）の構成に対応し、表示部１４に左目用画像４０Ｌを表示して左目用表示光５２Ｌを生成する動作状態を示している。図９は、図３（ｂ）の構成に対応し、表示部１４に右目用画像４０Ｒを表示して右目用表示光５２Ｒを生成する動作状態を示している。図１０は、赤外照明光５３を生成する動作状態を示している。

照明部１２は、光源２０と、コリメータ２３と、フライアイレンズ２４と、コンデンサ３０と、フィールドレンズ３２とを含む。表示部１４は、光拡散板３４と、表示素子３６とを含む。照明部１２および表示部１４を構成する各光学要素と、投射鏡１６とは、投射軸５４上に配置されている。図面において、投射軸５４の方向をｚ方向とし、ｚ方向と直交する二方向をｘ方向およびｙ方向としている。ｘ方向は、表示部１４に表示される画像の左右方向により定義され、ｙ方向は表示部１４に表示される画像の上下方向により定義される。なお、投射軸５４、第１投射軸５４Ｌおよび第２投射軸５４Ｒは、同一平面内に位置する。

光源２０は、第１可視光源２１ａ、第２可視光源２１ｂ、第１赤外光源２２ａおよび第２赤外光源２２ｂを含む。各光源２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂは、ＬＥＤなどの半導体発光素子で構成される。第１可視光源２１ａおよび第１赤外光源２２ａは、投射軸５４の右側に配置されており、フライアイレンズ２４の第１領域２４ａに向けて光を出射するよう配置される。第２可視光源２０ｂは、投射軸５４の左側に配置されており、フライアイレンズ２４の第２領域２４ｂに向けて光を出射するよう配置される。

第１可視光源２１ａおよび第２可視光源２１ｂは、表示光５２Ｌ，５２Ｒを生成するための白色光を出力する。第１赤外光源２２ａおよび第２赤外光源２２ｂは、赤外照明光を生成するための赤外光を出力する。第１赤外光源２２ａおよび第２赤外光源２２ｂの発光波長は、例えば８５０ｎｍまたは９４０ｎｍであるがこれに限られるものではない。なお、９４０ｎｍ付近の波長は、太陽光のスペクトルにおいて他の波長に比べて強度が低いことが知られている。そのため、９４０ｎｍ付近の波長を照明光としてユーザ７０に投射してカメラ１７にて撮像することで、太陽光の影響が少ない環境下でユーザ７０を撮像できる。

コリメータ２３は、光源２０の出力光を平行化し、投射軸５４に沿った平行光束を生成する。コリメータ２３は、第１反射面２３ａおよび第２反射面２３ｂを含む。第１反射面２３ａおよび第２反射面２３ｂは、放物面や楕円面により構成される。第１可視光源２１ａおよび第１赤外光源２２ａは、第１反射面２３ａの焦点位置に配置され、第２可視光源２１ｂおよび第２赤外光源２２ｂは、第２反射面２３ｂの焦点位置に配置される。第１反射面２３ａは、第１可視光源２１ａおよび第１赤外光源２２ａから出射される光を平行化してフライアイレンズ２４の第１領域２４ａに入射させる。第２反射面２３ｂは、第２可視光源２１ｂおよび第２赤外光源２２ｂから出射される光を平行化してフライアイレンズ２４の第２領域２４ｂに入射させる。コリメータ２３は、ミラーではなくレンズで構成されてもよく、例えば内部全反射を利用するＴＩＲ（Total Internal Reflection）レンズであってもよい。

フライアイレンズ２４は、光源２０の出射光を複数の照明光束に分割する。フライアイレンズ２４は、第１レンズ面２５と、第２レンズ面２６とを有し、第１レンズ面２５および第２レンズ面２６のそれぞれに複数のレンズ要素がｘ方向およびｙ方向にアレイ状に配列されている。フライアイレンズ２４を構成する各レンズ要素は矩形状であり、矩形状の表示部１４と相似形となるよう構成される。例えば、表示部１４の縦横のアスペクト比が１対２であれば、フライアイレンズ２４を構成する各レンズ要素の縦横のアスペクト比も１対２である。

第１レンズ面２５の各レンズ要素は、第１レンズ面２５に入射する平行光束を集光させる。第１レンズ面２５の各レンズ要素の焦点は、第２レンズ面２６の対応するレンズ要素に位置している。つまり、第１レンズ面２５と第２レンズ面２６のｚ方向の間隔は、第１レンズ面２５の各レンズ要素の焦点距離に相当する。その結果、第１レンズ面２５に入射する平行光束は、第２レンズ面２６の各レンズ要素に集光する。第２レンズ面２６の各レンズ要素は、仮想的な点光源とみなすことができ、第２レンズ面２６の各レンズ要素から分割された照明光束が出射される。

図１１（ａ）〜（ｃ）は、光源２０およびコリメータ２３の構成と、フライアイレンズ２４の構成とを模式的に示す正面図である。図１１（ａ）は、フライアイレンズ２４から見た光源２０およびコリメータ２３を示す。第１可視光源２１ａおよび第１赤外光源２２は、投射軸５４の右側に配置され、互いに左右方向に隣接して配置されている。第２可視光源２１ｂおよび第２赤外光源２２ｂは、投射軸５４の左側に配置され、互いに左右方向に隣接して配置されている。なお、第１可視光源２１ａおよび第１赤外光源２２は、上下方向に隣接して配置されてもよい。同様に、第２可視光源２１ｂおよび第２赤外光源２２ｂは、上下方向に隣接して配置されてもよい。第１反射面２３ａおよび第２反射面２３ｂは、二つの放物面または楕円面を左右方向にずらして接続したような形状を有する。第１反射面２３ａと第２反射面２３ｂの接続部、つまり、第１可視光源２１ａと第２可視光源２１ｂの間（または、第１赤外光源２２ａと第２赤外光源２２ｂの間）には反射面は設けられていない。

図１１（ｂ）は、第１レンズ面２５から見たフライアイレンズ２４を示す。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）とは左右方向が逆になっている。図示されるように、第１レンズ面２５には複数のレンズ要素２５ａ，２５ｂがｘ方向およびｙ方向に配列されている。フライアイレンズ２４の第１領域２４ａには複数の第１レンズ要素２５ａが設けられ、フライアイレンズ２４の第２領域２４ｂには複数の第２レンズ要素２５ｂが設けられる。フライアイレンズ２４は、左右対称形状であり、第１レンズ要素２５ａおよび第２レンズ要素２５ｂは互いに同じ形状ないし光学特性を有する。

図１１（ｃ）は、第２レンズ面２６から見たフライアイレンズ２４を示す。図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）とは左右方向が逆になっている。第２レンズ面２６は、第１レンズ面２５と同様に構成されており、第２レンズ面２６に複数のレンズ要素２６ａ，２６ｂがｘ方向およびｙ方向に配列されている。フライアイレンズ２４の第１領域２４ａには複数の第３レンズ要素２６ａが設けられ、フライアイレンズ２４の第２領域２４ｂには複数の第４レンズ要素２６ｂが設けられる。第３レンズ要素２６ａおよび第４レンズ要素２６ｂは互いに同じ形状ないし光学特性を有する。

第２レンズ面２６からは複数の照明光束が出射される。具体的には、第２レンズ面２６の第１領域２４ａから複数の第１照明光束が出射され、各第３レンズ要素２６ａが一つの第１照明光束を出射する。同様に、第２レンズ面２６の第２領域２４ｂから複数の第２照明光束が出射され、各第４レンズ要素２６ｂが一つの第２照明光束を出射する。

光源２０の動作状態として、第１可視光源２１ａのみを点灯させる第１状態と、第２可視光源２１ｂのみを点灯させる第２状態と、第１赤外光源２２ａおよび第２赤外光源２２ｂのみを点灯させる第３状態とがある。図８に示される第１状態では、フライアイレンズ２４の第１領域２４ａから複数の第１可視照明光束が出射される。図９に示される第２状態では、フライアイレンズ２４の第２領域２４ｂから複数の第２可視照明光束が出射される。図１０に示される第３状態では、フライアイレンズ２４の第１領域２４ａおよび第２領域２４ｂから複数の赤外照明光束が出射される。

コンデンサ３０は、フライアイレンズ２４から出射される複数の照明光束を重畳して照明光を生成する。コンデンサ３０は、フライアイレンズ２４の各レンズ要素から出射される照明光束が表示部１４の表示領域全体に照明されるようにする。したがって、フライアイレンズ２４から出射される複数の照明光束は、表示部１４の表示領域において互いに重なり合う。図示する例において、コンデンサ３０は、凸レンズで構成される。コンデンサ３０は、凹面鏡で構成されてもよい。

コンデンサ３０は、複数の第１可視照明光束を重畳させることで第１照明光５１ａを生成し、表示部１４が第１照明光５１ａで照明されるようにする。第１照明光５１ａは、図８に示されるように、投射軸５４の右側から第１投射軸５４Ｌに沿って表示部１４に入射する。コンデンサ３０は、複数の第２可視照明光束を重畳させることで第２照明光５１ｂを生成する。第２照明光５１ｂは、図９に示されるように、投射軸５４の左側から第２投射軸５４Ｒに沿って表示部１４に入射する。コンデンサ３０は、複数の赤外照明光束を重畳させることで第３照明光５１ｃを生成する。第３照明光５１ｃは、図１０に示されるように、投射軸５４の右側および左側の双方から表示部１４に入射する。

フィールドレンズ３２は、コンデンサ３０の後段に設けられ、第１照明光５１ａ、第２照明光５１ｂおよび第３照明光５１ｃの配光を調整する。フィールドレンズ３２は、例えば、投射鏡１６の反射面が存在する範囲と、投射鏡１６に表示光５２Ｌ，５２Ｒが入射する範囲とが対応するように第１照明光５１ａおよび第２照明光５１ｂの配光を調整する。

光拡散板３４は、表示素子３６の光入射側に設けられ、表示素子３６に入射する第１照明光５１ａ、第２照明光５１ｂおよび第３照明光５１ｃを拡散させるよう構成される。光拡散板３４は、例えば、マイクロビーズフィルムといった透過型スクリーンで構成される。光拡散板３４は、表示素子３６のバックライトのように機能し、表示素子３６が自発光型の表示器のように見えるように機能する。

表示素子３６は、液晶パネルなどの透過型表示素子であり、表示領域の各画素に入射する照明光を変調することで、表示領域に表示される画像の表示内容に対応した表示光５２を生成する。表示素子３６は、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）であってもよいし、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）などの反射型表示素子であってもよい。表示素子３６は、第１投射軸５４Ｌと第２投射軸５４Ｒの交点に配置され、第１照明光５１ａと第２照明光５１ｂの双方を変調できるように配置される。

表示素子３６は、左目用表示光５２Ｌを生成するための左目用画像４０Ｌと、右目用表示光５２Ｒを生成するための右目用画像４０Ｒと、赤外照明光５３を生成するための照明用画像３８とを表示する。照明用画像３８は、ユーザ７０を一様な輝度で照明するための画像であり、全ての画素の輝度値が同じ（例えば最大値）となる画像である。したがって、照明用画像３８には、虚像５０として提示すべき内容が含まれない。一方、左目用画像４０Ｌおよび右目用画像４０Ｒには、虚像５０として提示すべき内容が含まれる。

図８に示されるように、表示素子３６は、第１照明光５１ａを変調して左目用表示光５２Ｌを生成する。第１照明光５１ａは、投射軸５４の右側から表示部１４に向けて入射するため、第１照明光５１ａに基づいて生成される左目用表示光５２Ｌは、矢印Ｌで示されるように、表示部１４から左寄りの方向に出射される。表示部１４の中心１４Ｃから出射する左目用表示光５２Ｌは、投射鏡１６の中心１６Ｃから左側にずれた位置１６Ｌにて反射され、アイボックス７６の左側領域７６Ｌに向かう。

図９に示されるように、表示素子３６は、第２照明光５１ｂを変調して右目用表示光５２Ｒを生成する。第２照明光５１ｂは、投射軸５４の左側から表示部１４に向けて入射するため、第２照明光５１ｂに基づいて生成される右目用表示光５２Ｒは、矢印Ｒで示されるように、表示部１４から右寄りの方向に出射される。表示部１４の中心１４Ｃから出射する右目用表示光５２Ｒは、投射鏡１６の中心１６Ｃから右側にずれた位置１６Ｒにて反射され、アイボックス７６の右側領域７６Ｒに向かう。

図１０に示されるように、表示素子３６は、第３照明光５１ｃを透過させて赤外照明光５３を生成する。第３照明光５１ｃは、投射軸５４の右側および左側の双方から表示部１４に向けて入射するため、表示部１４から出射される赤外照明光５３は、投射鏡１６の全体において反射され、アイボックス７６の全体に向かう。赤外照明光５３は、第１投射軸５４Ｌおよび第２投射軸５４Ｒのそれぞれに沿って投射され、アイボックス７６の左側領域７６Ｌおよび右側領域７６Ｒの双方に向かう。

制御装置１８は、両目位置検出部４２と、画像処理部４４と、光源制御部４６と、表示制御部４８とを含む。

両目位置検出部４２は、カメラ１７の撮像画像に基づいてユーザ７０の両目７２Ｌ，７２Ｒの高さ方向の位置を検出する。両目位置検出部４２は、ユーザ７０の左目７２Ｌと右目７２Ｒのいずれが上側にあるかを検出する。両目位置検出部４２は、ユーザ７０の両目７２Ｌ，７２Ｒを結ぶ直線と基準となる水平線とのなす角度Δθを検出し、角度Δθに基づいて両目７２Ｌ，７２Ｒの高さ方向の位置の差Δｈ１を検出する。両目位置検出部４２は、角度Δθを用いずに、カメラ１７の撮像画像に基づいて両目７２Ｌ，７２Ｒの高さ方向の位置の差Δｈ１を直接的に算出してもよい。

画像処理部４４は、表示部１４に表示させる画像を生成する。画像処理部４４は、両目位置検出部４２の検出結果に基づいて、表示用画像に補正処理を施して左目用画像４０Ｌおよび右目用画像４０Ｒを生成する。画像処理部４４は、両目位置検出部４２により検出される両目７２Ｌ，７２Ｒの高さ方向の位置の差Δｈ１に起因した垂直視差Δφが低減または相殺されるように、左目用画像および右目用画像のそれぞれの表示内容の位置が相対的に上下方向にずれるように補正処理を施す。

画像処理部４４は、左目７２Ｌよりも右目７２Ｒが上側に位置する場合、左目用画像４０Ｌよりも右目用画像４０Ｒの表示内容の位置が下側にずれるように表示用画像に補正処理を施す。一方、画像処理部４４は、左目７２Ｌよりも右目７２Ｒが画像内で下側に位置する場合、左目用画像４０Ｌよりも右目用画像４０Ｒの表示内容の位置が画像内で上側にずれるように表示用画像に補正処理を施す。画像処理部４４は、両目７２Ｌ，７２Ｒの高さ方向の位置が同じであれば、左目用画像４０Ｌおよび右目用画像４０Ｒの表示内容の位置が画像内で同じとなるように表示用画像を生成する。

画像処理部４４は、左目用画像４０Ｌおよび右目用画像４０Ｒの双方に補正処理を施してもよいし、左目用画像４０Ｌおよび右目用画像４０Ｒの一方のみに補正処理を施してもよい。例えば、左目７２Ｌが下側、右目７２Ｒが上側に位置する場合、左目用画像４０Ｌの表示内容を上側にずらすとともに、右目用画像４０Ｒの表示内容を下側にずらすことにより、左目用画像４０Ｌおよび右目用画像４０Ｒの双方に補正処理を施してもよい。その他、左目用画像４０Ｌの表示内容のみを上側にずらす一方で、右目用画像４０Ｒの表示内容は上下方向にずらさないようにしてもよい。逆に、左目用画像４０Ｌの表示内容は上下方向にずらさないようにし、右目用画像４０Ｒの表示内容のみを下側にずらすようにしてもよい。

なお、画像処理部４４により施される補正処理の補正量（上下方向のシフト量）Δｈ３は、ヘッドアップディスプレイ装置１０の光学系の設計に応じてあらかじめ設定される。画像処理部４４は、例えば、両目７２Ｌ，７２Ｒの高さ方向の位置の差Δｈ１と、補正処理の補正量Δｈ３とを対応付ける数式またはテーブル情報を保持し、これらを参照して両目位置検出部４２による検出結果Δｈ１から補正量Δｈ３を決定する。

光源制御部４６は、光源２０の動作を制御する。光源制御部４６は、第１可視光源２１ａのみを点灯させる第１状態と、第２可視光源２１ｂのみを点灯させる第２状態と、第１赤外光源２２ａおよび第２赤外光源２２ｂのみを点灯させる第３状態とを切り替える。光源制御部４６は、第１状態と第２状態を交互に切り替えるとともに、第１状態と第２状態の間に第３状態が挿入されるようにする。光源制御部４６は、光源２０の動作状態の切り替えを人間の目が知覚できない程度の速さで切り替える。各動作状態の切り替え速度は、例えば１秒間に１２０回以上（１２０Ｈｚ以上）である。

表示制御部４８は、表示部１４の動作を制御する。表示制御部４８は、表示素子３６を駆動するための画像信号を生成し、表示素子３６に左目用画像４０Ｌ、右目用画像４０Ｒおよび照明用画像３８が切替表示されるようにする。表示制御部４８は、光源２０の動作と同期して表示素子３６に表示させる画像を切り替えさせる。表示制御部４８は、第１状態において第１照明光５１ａが生成されるときに表示素子３６に左目用画像４０Ｌを表示させる。表示制御部４８は、第２状態において第２照明光５１ｂが生成されるときに表示素子３６に右目用画像４０Ｒを表示させる。表示制御部４８は、第３状態において赤外照明光５３が生成されるときに表示素子３６に照明用画像３８を表示させる。

図１２は、光源２０および表示素子３６の動作を模式的に示す図である。第１期間Ｔ１は、左目用表示光５２Ｌを生成する第１状態であり、第１可視光源２１ａがオンとなり、第２可視光源２１ｂ、第１赤外光源２２ａおよび第２赤外光源２２ｂはオフとなり、表示素子３６に左目用画像４０Ｌが表示される。第２期間Ｔ２は、右目用表示光５２Ｒを生成する第２状態であり、第２可視光源２１ｂがオンとなり、第１可視光源２１ａ、第１赤外光源２２ａおよび第２赤外光源２２ｂはオフとなり、表示素子３６に右目用画像４０Ｒが表示される。第３期間Ｔ３は、赤外照明光５３を生成する第３状態であり、第１赤外光源２２ａおよび第２赤外光源２２ｂがオンとなり、第１可視光源２１ａおよび第２可視光源２１ｂがオフとなり、照明用画像３８が表示される。第３期間Ｔ３は、第１期間Ｔ１と第２期間Ｔ２の間に挿入される。その結果、第１期間Ｔ１、第３期間Ｔ３、第２期間Ｔ２、第３期間Ｔ３の順に動作状態が切り替えられ、これら四つの期間を含む基準期間Ｔ０が繰り返される。基準期間Ｔ０の繰り返し周期は、例えば１秒間に３０回以上（３０Ｈｚ以上）である。

本実施の形態によれば、ユーザ７０の両目７２Ｌ，７２Ｒの高さ方向の位置の差Δｈ１をカメラ１７を用いて検出し、右目用画像４０Ｒと左目用画像４０Ｌの表示内容の上下方向の位置を補正することで、ユーザ７０が視認する垂直視差Δφを低減できる。これにより、ユーザ７０が首を傾げながら虚像５０を視認する場合であっても、左目用虚像５０Ｌおよび右目用虚像５０Ｒが見える高さ位置の差を小さくすることができ、左目用虚像５０Ｌと右目用虚像５０Ｒの融像を容易にできる。これにより、両眼視で視認される虚像５０の視認性を向上させることができ、視覚疲労や目眩の発生を好適に防止できる。

本実施の形態によれば、ユーザ７０を照明するための赤外照明光５３は、表示光５２を生成するための光学系と兼用されているため、ユーザ７０が虚像５０を視認できるように光学系が調整されれば、ユーザ７０の顔面に確実に赤外照明光５３を投射できる。また、表示光５２を生成するための光学系を用いて赤外照明光５３が生成されるため、均一な照度分布の赤外照明光５３をユーザ７０の顔面に投射することができ、ユーザ７０の顔面をより適切に撮像できる。

本実施の形態によれば、第３期間Ｔ３においてユーザ７０に視認されない赤外照明光５３が生成されるため、第３期間Ｔ３に黒画像が挿入されているかのように虚像５０の動画像を提示できる。その結果、表示素子３６の応答特性に起因して隣接フレーム間で表示用画像を瞬時に切り替えできないことで動画像がぼやけて見えてしまう「動画ぼけ」を抑制することができ、視認性の優れた虚像５０を提示できる。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、各表示例に示す構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。

上述の実施の形態では、ヘッドアップディスプレイ装置１０がカメラ１７を備える構成を示した。別の実施の形態では、ヘッドアップディスプレイ装置１０がカメラ１７を備えなくてもよく、ユーザ７０の顔面を撮像可能な任意のカメラが撮像する画像を用いて、ユーザ７０の両目７２Ｌ，７２Ｒの位置が検出されてもよい。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、ユーザ７０を照明するための赤外照明光５３を生成しないように構成されてもよく、第１赤外光源２２ａおよび第２赤外光源２２ｂを備えなくてもよい。この場合、ヘッドアップディスプレイ装置１０とは別の赤外照明光源により、ユーザ７０が照明されてもよい。例えば、ヘッドアップディスプレイ装置１０とは別体のドライバモニタ装置が赤外カメラおよび赤外照明装置を備えてもよく、ドライバモニタ装置が撮像するユーザ７０の画像をヘッドアップディスプレイ装置１０が取得してもよい。

１０…ヘッドアップディスプレイ装置、１２…照明部、１４…表示部、１６…投射鏡、１７…カメラ、４０Ｌ…左目用画像、４０Ｒ…右目用画像、４２…両目位置検出部、４４…画像処理部、４８…表示制御部、５１ａ…第１照明光、５１ｂ…第２照明光、５２…表示光、５２Ｌ…左目用表示光、５２Ｒ…右目用表示光、５３…赤外照明光、５４…投射軸、５４Ｌ…第１投射軸、５４Ｒ…第２投射軸、５６…撮像軸、６２…ウインドシールド、７０…ユーザ、７２…目、７２Ｌ…左目、７２Ｒ…右目、７６…アイボックス、７６Ｌ…左側領域、７６Ｒ…右側領域。

Claims (5)

1. ウインドシールドにて反射してアイボックスの左側領域に向かう第１投射軸に沿って第１照明光を投射し、前記ウインドシールドにて反射して前記アイボックスの右側領域に向かう第２投射軸に沿って第２照明光を投射する照明部と、
   前記第１投射軸と前記第２投射軸の交点に配置され、前記第１照明光を変調して左目用表示光を生成し、前記第２照明光を変調して右目用表示光を生成する表示部と、
   前記アイボックスに位置するユーザの両目を撮像するカメラと、
   前記カメラの撮像画像に基づいて前記ユーザの両目の高さ方向の位置の差を検出する両目位置検出部と、
   前記両目位置検出部により検出される前記ユーザの両目の前記高さ方向の位置の差に応じて、前記表示部に表示される左目用画像および右目用画像のそれぞれの表示内容の位置が相対的に上下方向にずれるように補正された前記左目用画像および前記右目用画像を生成する画像処理部と、
   前記第１照明光と前記第２照明光が時分割で生成されるように前記照明部の動作を制御する照明制御部と、
   前記第１照明光の生成時に前記表示部に前記左目用画像を表示させ、前記第２照明光の生成時に前記表示部に前記右目用画像を表示させる表示制御部と、を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記照明部は、前記ウインドシールドにて反射して前記アイボックスに向かう投射軸に沿って赤外照明光をさらに投射し、
   前記照明制御部は、前記第１照明光、前記第２照明光および前記赤外照明光が時分割で生成されるように前記照明部の動作を制御し、
   前記カメラは、前記赤外照明光が投射される前記ユーザの両目を赤外光で撮像することを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記カメラは、前記ウインドシールドから前記アイボックスまでの範囲における前記投射軸からずれた撮像軸で前記ユーザの両目を撮像するよう配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記カメラは、前記高さ方向を基準として、前記ウインドシールドから前記アイボックスまでの範囲における前記投射軸よりも下方に前記撮像軸が位置するように配置されることを特徴とする請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記表示部から出射される前記左目用表示光および前記右目用表示光を前記ウインドシールドに向けて反射させる投射鏡をさらに備え、
   前記カメラは、前記撮像軸が前記投射鏡と前記ウインドシールドの間に位置するように配置されることを特徴とする請求項３または４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

Images