JP5392276B2 - 虚像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像を移動体に設けられたコンバイナの前方に虚像表示する虚像表示装置に関する。

従来、車両に搭載されたコンバイナまたはウインドシールドの前方に様々な情報を虚像表示させる虚像表示装置（ヘッドアップディスプレイ）が提案されている。この虚像表示装置では、運転者が視認している車両の前景に虚像が表示されるため、運転者がダッシュボードに組みつけられたインストルメントパネルなどを視認する場合と比較して視線移動や焦点調節の負荷を低減することができる。

また、虚像を前景の何らかの対象物（車や交差点、歩行者など）に重ねたり、その近傍に表示させたりして、運転者に分かりやすい情報提供をさせる重畳ディスプレイとして利用することが可能である。

このような虚像表示装置として、図８に示すような構成の虚像表示装置１０１がある。投射光学系１０３から投影された画像は、一旦スクリーン１０５（光線を拡散させるマイクロミラーアレイもしくはホログラフィックディフューザなどが形成されている）に結像する。

さらにこの画像は凹面鏡１０７で反射拡大され、図示しない装置の開口カバーを透過してコンバイナ１０９で反射されてアイボックス（視域）１１１内にある運転者の眼１１３に到達し、運転者から虚像１１５として視認される。このとき、投射光学系１０３の表示素子とスクリーン１０５上の投影画像と虚像１１５とが共役関係にある。類似の構成を有する光学系の例として、特許文献１に記載の光学系がある。

なお、上記虚像表示装置１０１では、２段階に分けて画像を拡大するため、収差を抑制でき鮮明な虚像を形成できるメリットがある。さらに、投射光学系１０３の射出瞳（スクリーン側から見た絞りの像）とアイボックス１１１とが共役関係にある。また、スクリーン１０５を、射出瞳から出た光線がアイボックス１１１全体に集光する（照らされる）ように構成すると、明るい画像が効率よく得られる。

虚像表示装置において、アイボックスの位置が広くなるように、即ち広い範囲から虚像を視認できるように構成すると、虚像に歪みが現れたり、虚像が暗くなったりしてしまう。そこで、アイボックスは運転者の眼の位置に合せ、限定された範囲とすることが好ましい。従来、運転者の背の高さに応じてアイボックスの位置を調整できるように凹面鏡を回転させる機構を組み込んであるものがある（例えば、特許文献２参照）。

上記特許文献２に記載の装置は、運転者が自ら操作ボタンを押すなどして調整する必要があり操作の手間が必要なうえ、運転者の姿勢が変わり眼の位置が変化すると虚像の表示される位置がずれたり見えなくなる場合もある。凹面鏡を自動で適切な回転角度に設定するためには、運転者の眼の位置を正確に特定する必要がある。

また、虚像表示装置を上述した重畳ディスプレイとして利用するためには、前景の対象物をカメラやレーダーなどで検出するだけでなく、運転者の眼の位置を特定して、前景の対象物と運転者の眼を結んだ直線上（またはその近傍）に虚像を表示させる必要がある。これらの機能を実現するには、運転者の眼の位置を正確に特定する必要がある。

これに対し、赤外線カメラや赤外線照明ランプをインパネ外部に配置し、眼球を撮影して視線方向を検出する車両用障害物検出装置がある（特許文献３参照）。
しかし上記特許文献３に記載の装置では、赤外線カメラや赤外線照明ランプがインパネ外部に設置されており、意匠上制約が大きい。また、赤外線カメラや赤外線照明ランプが運転者に対して正面に無いため、それらと運転者の眼の間が顔の他の部分やハンドルなどの車の部品に遮られ、位置検出の精度が悪くなることがある。

一方、虚像を表示する表示装置であって、運転者の眼を撮影する受光手段（撮影装置）を虚像表示の光学系の光軸上に配置し、眼の位置ずれを検出する表示装置が提案されている（特許文献４参照）。

この表示装置では、受光手段で撮影する映像は運転者の正面から撮影できるため、カメラや照明が顔の他の部分やハンドルなどによって遮蔽されることの影響を低減できる。

特開２００３−２０７７４３号公報 特開２００４−３４７６３３号公報 特開平６−２３０１３２号公報 特許３７２７０７８号公報

眼の位置を良好に把握するためには、赤外光が眼で反射した反射光が充分な強度で受光手段に到達することが好ましい。
しかしながら上記特許文献４の表示装置は、運転者の顔を照らす赤外光照明が車両室内または光学ユニット内部の具体的に限定されない位置に配置されているため、赤外光が横方向や斜め方向からアイボックス近傍に照射されたり、ハンドルや運転者の体などで赤外光が遮られたりする結果、反射した赤外光が充分な強度で受光手段に到達しない場合がある。また赤外光照明から照射される光を強くすると、赤外光のような非可視光であっても眼にダメージを与えてしまう可能性がある。

このように、特許文献４の表示装置では、受光手段により赤外光の反射光を充分な強度で得られないことにより、眼の位置を高い精度で特定できない場合があった。
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い精度で眼の位置を特定することができる虚像表示装置を提供することである。

上述した問題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、画像を表示する表示光を投射し、その投射された光を移動体に設けられたコンバイナに到達させ、その表示光をコンバイナで反射させて移動体の搭乗者の眼に到達させることで画像をコンバイナ前方に虚像表示する虚像表示装置に関するものであり、以下のような特徴を有する。

この虚像表示装置は、上記表示光の光路と重なる光路で非可視光を搭乗者に向けて投射する。そして投射された非可視光が搭乗者の眼にて反射した反射光を受光する受光手段を有しており、その受光手段が反射光を受光した位置に基づいて、搭乗者の眼の位置を特定する。

また、表示光をコンバイナに到達させるために、表示光を出力する手段とコンバイナの間に様々な光学系を配置することができるが、この虚像表示装置においては、表示光を投射する手段により投射された表示光の結像位置にスクリーンを配設している。そしてそのスクリーンが、表示光を拡散する拡散領域と、非可視光が搭乗者の眼にて反射した反射光を受光手段に向けて反射する反射領域と、を備えている。

このように構成された虚像表示装置では、受光手段が反射光を受光した位置に基づいて搭乗者の眼の位置を特定することができる。受光手段としては例えば非可視光に感度を有するＣＣＤやＣＭＯＳなどのマトリクス状センサを採用することができる。その場合、反射光を受光した位置とは、受光手段であるマトリクス状センサが検出した反射光の位置である。

そして上記虚像表示装置では、搭乗者の眼に向けて非可視光を投射しているため、受光手段は非可視光の反射光を良好に取得することができる。そして、その非可視光は表示光の光路と重なる光路で搭乗者に向けて投射されているため、搭乗者の正面から、ハンドルや搭乗者の体などに遮られることなく搭乗者に向けて投射されることとなる。従って、非可視光の強度を強くすることなく搭乗者の眼を充分に明るく照らすことができるため、反射光が受光手段に充分な強度で到達することとなり、高い精度で眼の位置を特定することができる。また眼に与えるダメージを低減することができる。

また本発明の虚像表示装置は、眼の位置を特定するための非可視光の光源が装置内部に設置されているため、移動体の室内に配置する必要がなく、意匠上の制約が少ない。また、非可視光の投射に表示光を投射する光学系を利用できるため、非可視光の投射に関してのみ利用する反射板などの光学部材の数を低減でき、装置の小型化が可能となる。

また、眼からの反射光を検出して眼の位置を特定するものであるため、顔全体の画像から眼を特定するような複雑なプロセスが必要なくなる。
なお、非可視光の一例としては赤外光が挙げられる。

また、上記虚像表示装置では、虚像を表示するために用いるスクリーンを、反射光を受光するための構成として利用ことができ、虚像表示装置の小型化を図ることができる。また、受光手段には反射領域で反射した光が主に到達し、スクリーンで（拡散領域で）拡散してぼやけてしまった反射光は到達しにくいので、精度良く眼の位置を特定することができる。

受光手段は、少なくとも投射される（眼にて反射される）非可視光に感度を持った撮影装置（画像センサ）を用いればよい。また受光手段の配置される位置は特に限定されないが、搭乗者の正面から撮影することが好ましい。しかしながら受光手段を搭乗者の正面に配置すると視界を遮ることになるため、表示光や非可視光の光路に沿って反対向きに進む反射光が撮影できるように虚像表示装置の内部に配置するとよい。

上記虚像表示装置は、以下に示すような共役関係を有する構成とすることができる。それは、表示光を出力する表示面と、スクリーンの拡散領域と、虚像と、が共役関係であり、表示光を出力する手段の射出瞳と、搭乗者が画像を視認可能な領域であるアイボックスと、が共役関係であり、上記アイボックスと受光手段とが共役関係である構成である。

このような共役関係を有するように各部品を配置することで、搭乗者に虚像を良好に視認させることができ、また、受光手段による反射光の受光位置の検出精度を高めることができる。

眼の位置を特定した際に、その眼の位置にアイボックスが移動するように表示光および非可視光の光路を調整する手段を設けてもよい。例えば、請求項３に記載の虚像表示装置のように、表示光および非可視光を反射する反射板を設けて、その反射板の角度を眼の位置に応じて調整する手段を設けることや、請求項４に記載の虚像表示装置のように、表示光が示す画像の形状を調整する手段を設けることが考えられる。

このように構成された虚像表示装置では、虚像を視認できるアイボックスの位置を、眼の位置に応じて自動的に修正したり、画像の歪みを低減したりすることができる。
上述した画像の形状を調整する手段とは、例えば、表示光を出力する表示画面の中で、実際に表示光を出力する位置を変更する手段とすることが考えられる。また、それ以外にも、画像を予め歪ませて、搭乗者が虚像を視認するときに生じる歪み（特に、眼の位置が変化することで生じる歪み）を相殺する手段とすることが考えられる。

なお、上述した反射板は平面状の鏡などを用いてもよいし、凹面鏡や凸面鏡であってもよい。
なお、拡散領域と反射領域とは、請求項５に記載のように、互いに異なる曲率を有していても良いし、請求項６に記載のように、互いに異なる方向に光軸を有していてもよい。

拡散領域と反射領域との曲率が異なれば、反射領域で反射した反射光の結像距離を、表示光を投射する手段から拡散領域までの結像距離と異ならせることができる。また、拡散領域と反射領域との光軸が異なれば、反射光を表示光の光路からずらして反射させることができる。

つまり、スクリーンを上述したように構成することで、受光手段の配置の自由度を増すことができる。また、上述したように光軸を異ならせることにより、拡散領域で反射した反射光が受光手段に到達し難くなるため、その反射光がノイズとなることを防止できる。

ところで、表示光を投射する手段としては、画像を形成する公知の様々な構成を採用することができる。
また、請求項７のように、表示光を投射する手段と、非可視光を投射する手段と、が１つの画像表示器によってなるものであって、表示光と、非可視光と、を所定の周期で切り替えて投射するものであってもよい。

このように構成された虚像表示装置であれば、表示光を投射する手段と、非可視光を投射する手段と、を別体に設ける必要がなく、虚像表示装置の小型化を図ることができる。また、表示光と非可視光とが同一の表示器から出力されるため、それらの光路を容易に重ねることができる。

なお上記画像表示器は、非可視光を投射する際には、請求項８に記載のように、画像表示器の実質的に全表示面から非可視光を投射するように構成してもよい。非可視光は搭乗者の眼の位置を特定するために投射するものであるため、広い範囲に投射することで広い範囲から眼の反射光を検出することができ都合がよい。

また、表示光を投射する手段と、非可視光を投射する手段と、は別々に配置してもよい。その場合、請求項９に記載のように構成してもよい。請求項９に記載の虚像表示装置は、表示光を透過させると共に非可視光を反射し、表示光の光路上に配設されるフィルタを有しており、非可視光を当該フィルタに反射させることで、表示光の光路に重なるように非可視光を投射する。

また、本発明の虚像表示装置は、請求項１０に記載のように、コンバイナ表面に配置され、表示光および非可視光のうち少なくとも一方の波長の光を反射させる波長選択膜を有するように構成してもよい。

このように構成された虚像表示装置であれば、表示光または非可視光を搭乗者に効率よく反射させることができる。それにより、表示光の輝度を高めたり、同じ輝度の虚像を視認させるための消費電力を低減させることができる。また、同じ強さの非可視光の反射光を受光手段が受光するために必要な非可視光投射の消費電力を低減させることができる。

なお、本発明の虚像表示装置はコンバイナに表示光および非可視光を投射するものであるが、請求項１１に記載のように、コンバイナとして用いられる移動体のウインドシールドに、表示光および非可視光を投射すれば、別途コンバイナを設ける必要がなく都合がよい。

実施例の虚像表示装置の概略構成を示す側面図 投射光学系の内部構成を表す模式図 スクリーンを示す側面図 マイクロミラーアレイを示す拡大斜視図 制御装置の構成を示すブロック図 ウインドシールドに波長選択膜を設けた状態を示す側面図 変形例の投射光学系の内部構成を表す模式図 従来の虚像表示装置を示す側面図

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［実施例］
（１）構成
本実施例の虚像表示装置１は、車両（移動体）に搭載されて用いられるものであって、図１に示すように、投射光学系１１，スクリーン１３，凹面鏡１５，受光装置１７，および制御装置１９を備えている。なお、投射光学系１１が本発明の表示光投射手段，非可視光投射手段，および画像表示器に相当し、凹面鏡１５が本発明の反射板に相当し、受光装置１７が本発明の受光手段に相当する。また、スクリーン１３および凹面鏡１５が本発明の光学系に相当する。

虚像表示装置１の各構成要素の概略機能を説明する。なお、図１における光軸３１は、投射光学系１１から投射された光の光路の中心を示す模式的なものである。
投射光学系１１から出力された画像（表示光）は、スクリーン１３における所定の拡散領域１３ａにて結像する。この画像は凹面鏡１５で反射拡大され、車両に備えられたウインドシールド２１に投射される。そして、このウインドシールド２１をコンバイナとして、アイボックス２３に位置する運転者（搭乗者）の視点２５に到達する。運転者は、ウインドシールド２１の前方の地点において、投射光学系１１から出力された画像を拡大された虚像（虚像表示像）２７として視認することができる。

なおアイボックス２３とは、運転者が画像を視認可能な領域であり、投射光学系１１が投射する画像（画像の表示画面における表示領域）や、凹面鏡１５の角度によってその位置が調整されるものである。ここで、投射光学系１１の表示素子（ＬＣＯＳ４９）の表示面と、スクリーン１３の拡散領域１３ａ上に形成される画像と、虚像２７とが共役関係にある。さらに、画像を投影する投射光学系１１の射出瞳とアイボックス２３とが、拡散領域１３ａを介して共役関係にある。

また、投射光学系１１は視点２５に到達する表示光の光路と同じ光路上に赤外光（本発明における非可視光に相当）を投射する。この赤外光も表示光と同様にスクリーン１３の拡散領域１３ａ，凹面鏡１５を経由してウインドシールド２１に投射され、ウインドシールド２１にて反射し、アイボックス２３を含む広い範囲に到達する。つまり、赤外光を投射する投射光学系１１の射出瞳とアイボックス２３とが拡散領域１３ａを介して共役関係にある。

投射された赤外光は、運転者の視点２５に存在する運転者の眼（網膜や角膜など眼の位置を確定できる部分）で反射され、ウインドシールド２１，凹面鏡１５を経由してスクリーン１３に到達する。スクリーン１３に到達した光は、拡散領域１３ａとは異なる位置に設けられた反射領域１３ｂにて受光装置１７に向けて反射され、受光装置１７にて結像する。つまり、アイボックス２３と受光装置１７とが反射領域１３ｂを介して共役関係にある。なお、以降、単に反射光と記載するときには、運転者の眼にて反射された赤外光のことを指す。

制御装置１９は、受光装置１７にて受光した反射光の結像位置から眼の位置を特定する。そして、凹面鏡１５に設けられた駆動装置３３を動作させて凹面鏡１５からウインドシールド２１に投射される光の方向を変えたり、投射光学系１１にて出力する画像の位置（画像の表示画面における表示領域）を調整することにより、アイボックス２３の位置を調整し、運転者の視点２５に合せた位置に光を投射する。なお制御装置１９が、本発明における位置特定手段に相当する。

次に、虚像表示装置１の各構成要素を詳細に説明する。
投射光学系１１は、画像を形成する表示光を出力するものである。図２に投射光学系１１の内部構成を表す模式図を示す。

投射光学系１１は、４つのＬＥＤ素子４１ａ〜４１ｄを備えている。ＬＥＤ素子４１ａは赤外光を照射するＬＥＤ（ＩＲ−ＬＥＤ）である。また、ＬＥＤ素子４１ｂ〜４１ｄは、虚像表示のためのＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の３色の光（可視光）をそれぞれ照射する。これらＬＥＤ素子４１ｂ〜４１ｄが表示光を形成するための光源である。

ＬＥＤ素子４１ａ〜４１ｄから射出された光は、ＬＥＤ素子ごとに配置された集光レンズ４３にてコリメートされ、ダイクロイックミラー４５で結合されて偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）４７を介してＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）４９に導かれる。

ＬＣＯＳ４９は偏光方向を変化させることができ、ＰＢＳ４７は偏光方向に応じて透過または反射されるため、ＬＣＯＳ４９上の画素をＯＮ／ＯＦＦさせることで画像を生成できる。即ち、ＬＣＯＳ４９が、画像の表示画面となる。ＬＣＯＳ４９で反射された光線はＰＢＳ４７を透過し、複数のレンズ５１ａおよび絞り５１ｂからなる投射レンズ部５１を介して外部に投射され、ＬＣＯＳ４９上の画像がスクリーン１３に投影される。

なお、光源として、ＬＥＤ素子に変えてレーザを用いてもよい。レーザを光源とする場合には、スキャナやボリゴンミラーを用いてレーザを走査し、スクリーン１３に画像を投影してもよい。また、表示素子として、ＬＣＯＳ４９に変えて透過型ＬＣＤやＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）を用いてもよい。

可視光（ＬＥＤ素子４１ｂ〜４１ｄ）と赤外光（ＬＥＤ素子４１ａ）とは、別々のタイミングで照射しても良いし、同時に照射してもよい。もちろん、それらが混在していてもよい。

別々のタイミングで照射する場合、例えば、１周期をＲ→Ｇ→Ｂ→ＩＲ（赤外光）とする時分割駆動とし、この周期を繰り返していくことが考えられる。Ｒ，Ｇ，Ｂを照射するタイミングでは表示したい虚像（画像）のデザインや色に合わせてＬＣＯＳ４９上の画素をＯＮ／ＯＦＦする。ＩＲを照射するタイミングではＬＣＯＳ４９上の全画素（全画面）または実質的な全画面をＯＮとしてもよいし、一部の領域のみＯＮとしてもよい。

別の例としては、Ｒ→Ｇ→Ｂの周期を複数回繰り返した後、ＩＲを１回または複数回照射し、再びＲ→Ｇ→Ｂの周期に戻るという方法もある。
上述したように可視光と赤外光とを別々のタイミングで照射するメリットは、常時表示する虚像表示がない場合や虚像表示のデザインが小さい場合でも、赤外光を独立して照射できるため、安定した眼の位置検出が可能となることである。

また、可視光と赤外光を同時に照射する場合、Ｒ，Ｇ，Ｂのいずれかが照射するタイミングに同期してＩＲを照射する。Ｒ，Ｇ，Ｂのすべてに同期してＩＲを照射してもよい。これら同時に照射するメリットは、回路構成が簡略化されることが挙げられる。

いずれの方法を採用する場合も、これらＬＥＤ素子４１ａ〜４１ｄのＯＮ／ＯＦＦは制御装置１９によって制御される。
なお、ＬＣＯＳ４９の表示画像（表示面）、スクリーン１３上の投影画像と、虚像２７と、は共役関係にある。

スクリーン１３は、上述したように拡散領域１３ａと、反射領域１３ｂと、を有している。本実施例のスクリーン１３の側面図を図３に示す。本実施例では、拡散領域１３ａと反射領域１３ｂはいずれも凸形状を有している。

拡散領域１３ａは、投射光学系１１からの光線を拡散し、運転者のアイボックス２３に均一に光線を投射する役割を果たす。この拡散領域１３ａとして、マイクロミラーアレイを用いることができる。

マイクロミラーアレイを図４に示す。平面または曲面上に多数のマイクロミラーがアレイ状に形成されている。マイクロアレイのピッチの例としては、１０μｍから２００μｍである。マイクロミラーの曲率と例としては１００μｍから１０００μｍである。縦方向と横方向のピッチないしは曲率を変えても良い。凹形状と凸形状のいずれか、または交互に配置しても良い。配置のパターンは格子状でも六方稠密構造でもよい。これらのパラメータは運転者のアイボックス２３の大きさに依存して調節する。

なお、拡散領域１３ａの他の例としては、ホログラフィックディフューザや摺りガラスにアルミなどの反射物を塗布した拡散体などがあるが、アイボックス２３への光線照射の効率を低下させないためには、マイクロミラーアレイやホログラフィックディフューザなどの指向性を制御できる拡散体が望ましい。

説明を図３に戻る。反射領域１３ｂは、拡散領域１３ａと比較して曲率が小さい、即ち曲率半径が大きい緩やかな曲面として形成されている。したがって、運転者の眼にて反射され戻ってきた赤外光が結像する点（受光装置１７上の点）は、拡散領域１３ａを通る光線より短い距離で結像する。さらに、反射領域１３ｂの光軸１３ｄは、拡散領域１３ａの光軸１３ｃに対して傾いているため、反射光の方向は拡散領域１３ａと異なった方向に向かう。このような作用を利用することにより、受光装置１７は投射光学系１１とは異なった場所に設置することができる。

凹面鏡１５は、湾曲した曲面の内側を鏡面とし、入射された画像を拡大した像とする鏡であって、公知の構成である。本実施例においては凹面鏡１５は駆動装置３３を備えており、光軸を移動して、拡散領域１３ａからの光の反射方向を調整できるようになっている。

受光装置１７は、赤外光に感度を有するＣＣＤやＣＭＯＳなどのマトリクス状センサであって、運転者の眼にて反射した赤外光を受光しその結像位置を検出する。検出された位置情報は制御装置１９に送信される。この受光装置１７は、表示光および赤外光が投射される光路に沿った光路を反対向きに通った反射光を検出するものである。

制御装置１９は、虚像表示装置１全体の動作を制御するものであって、車両に搭載された図示しない各種ＥＣＵやセンサと接続しており、それらからの出力信号に基づいて様々な情報を投射光学系１１に出力させる。制御装置１９の構成を示すブロック図を図５に示す。制御装置１９は、受光処理部５３，投射処理部５５，光線偏向処理部５７などを有する。

受光処理部５３は、眼で反射した赤外光が受光装置１７上に結像した位置情報から、運転者の眼の位置を特定できる。これは、アイボックス２３と受光装置１７とが共役関係にあるため、赤外光に照らされた運転者の両眼が２つの擬似的な点光源となり、これら２つの点光源が受光装置１７上に２つの点として結像するためである。つまり、眼の位置が移動すれば、それにしたがって受光装置１７上での結像点が移動するため、眼の位置の抽出は容易に実現できることになる。このため、顔画像全体をカメラ等で撮影し、パターンマッチングのような手法で眼の位置を抽出する方法に対して、メモリ容量やシステム処理スピードが小さくて済むメリットがある。

投射処理部５５は、表示素子処理部５５ａと、光源処理部５５ｂと、からなる。表示素子処理部５５ａは、ＬＣＯＳ４９の各画素のＯＮ／ＯＦＦを制御して、表示すべき画像を形成する。光源処理部５５ｂは、ＬＥＤ素子４１ａ〜４１ｄのＯＮ／ＯＦＦを制御する。ＬＥＤ素子４１ａ〜４１ｄはＬＣＯＳ４９と同期して動作している。

また表示素子処理部５５ａは受光処理部５３によって特定された眼の位置に基づいて、ＬＣＯＳ４９の表示画面における画像を表示する位置を調整する。具体的には、特定された眼の位置にて画像（虚像）が適切に視認できるように画像を表示する画面上の位置を調整すると共に、その位置において発生する虚像の歪みを相殺するように、予め歪みを持った画像を表示する。当該動作を行う表示素子処理部５５ａが本発明における画像調整手段に相当する。

光線偏向処理部５７は、受光処理部５３によって特定された眼の位置に基づいて、凹面鏡１５の適切な位置を設定し、その位置に凹面鏡１５が移動（回転）するように駆動装置３３を動作させる。具体的には、特定された眼の位置にて虚像が適切に視認できるように角度を調整する。駆動装置３３が本発明における角度調整手段に相当する。

（２）発明の作用・効果
本実施例の虚像表示装置１では、受光装置１７が反射光を受光した位置（結像点の位置）に基づいて運転者の眼（視点２５）の位置を特定することができるが、赤外光を表示光の光路と重ね合せて運転者の正面から投射しているため、ハンドルや運転者の体などに遮られることなく運転者に向けて投射することができる。従って、赤外光の強度を強くすることなく、常に運転者の眼を充分に明るく照らすことができ、眼の位置を良好に把握することができる。

そして、上記虚像表示装置１では、虚像２７を視認できるアイボックス２３の位置を、眼の位置に応じて自動的に修正し、また画像の歪みを低減したりすることができる。
また、上記虚像表示装置１では、虚像２７を表示するために用いるスクリーン１３を、反射光を受光するための構成として利用ことができ、虚像表示装置１の小型化を図ることができる。

また、反射光はスクリーン１３上の反射領域１３ｂにて反射され、受光装置１７に到達する。仮にスクリーン１３全面が拡散領域として構成されていれば、受光装置１７に到達する光はぼやけたものとなってしまうが、本実施例の虚像表示装置１では反射領域１３ｂで反射した光が受光装置１７に到達するためぼやけた光とならず、眼の位置を精度良く検出できる。

また、スクリーン１３における拡散領域１３ａと反射領域１３ｂとは曲率、光軸ともに異なるため、上述したように、受光装置１７を投射光学系１１とは異なる位置に配置することができ、受光装置１７の配置の自由度を増すことができる。また、拡散領域１３ａで反射した反射光が受光装置１７に到達し難くなるため、その反射光がノイズとなり眼の位置特定の精度が低くなることを防止できる。

また本実施例の虚像表示装置１では、表示光と赤外光とを１つの投射光学系１１から投射しており、虚像表示装置１の小型化を実現している。また、表示光と赤外光とが同じ光学系を経由して運転者に投射されるため、別々の光学系を設ける必要がなくなり、装置の小型化が可能となる。

また本実施例の虚像表示装置１では、赤外光の光源や受光装置１７がインパネ周辺などに配置されていないため、車両室内の意匠上の制約が少ない。
また本実施例の虚像表示装置１は、眼からの反射光を検出して眼の位置を特定するものであるため、顔全体の画像から眼を特定するような複雑なプロセスが必要なくなる。

［変形例］
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上記実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。

例えば、上記実施例においては、スクリーン１３に反射領域１３ｂが設けられる構成を例示したが、スクリーン１３とは別に反射板を設け、その反射板を反射領域１３ｂに替えて用いてもよい。

また、上記実施例においては、赤外光を投射するときはＬＣＯＳ４９の全表示面から投射する構成を例示したが、表示面の一部のみから赤外光を投射する構成であってもよい。
また、ウインドシールド２１に、表示光の波長の光を反射させる波長選択膜を設けてもよい。ウインドシールド２１に波長選択膜６１を設けた状態を図６に示す。波長選択膜６１として、ルゲートフィルタを用いている。ルゲートフィルタは誘電体多層膜の一種で、特定の波長帯域のみ高反射率にさせる性質を持っている。

自動車のウインドシールドは、前景の透過率を７０％以上確保する必要がある。そのため、ウインドシールド２１に波長選択膜６１を設けない場合、ウインドシールド２１に投射された表示光の反射率は３０％以下となり光利用効率が下がるため、視認される虚像の輝度が低下したり消費電力が上昇したりする。

上述したように、ルゲートフィルタは特定の波長帯域のみ高反射率にさせる性質を持っている。この波長帯域を投射光学系１１の光源であるＬＥＤ素子４１ａ〜４１ｄの波長帯域に等しくさせ、図６に示すように配置すれば、虚像に用いる表示光の反射率が高くなるため、虚像の輝度が上がり必要な消費電力を低減できる。赤外光についても同様にそのパワーを低下させられるため消費電力を低減できる。さらには、太陽光などに含まれる赤外光の波長が、眼の位置特定に用いる赤外線波長に等しいと、太陽光が外乱ノイズとなり位置特定の精度を低下させる恐れがあるが、このルゲートフィルタを用いて外乱ノイズをカットすれば、検出の精度が高まることが期待できる。なお、波長選択膜はルゲートフィルタに限定せず、ホログラムでもよい。

また、上記実施例においては、投射光学系１１表示光と赤外光とがいずれも投射光学系１１から投射される構成を例示したが、それらは異なる位置から投射されるものであってもよい。

例えば、図７に示すように、ＬＥＤ素子４１ａは、集光レンズ６３，６５および絞り６７を通って投射され、フィルタ６９にて反射される構成とすることが考えられる。このフィルタ６９は、表示光を透過させると共に赤外光を反射するものであって、表示光の光路上に配設される。このように構成することで、表示光の光路に重なるように赤外光を投射することができる。

このとき、虚像表示の投射レンズ部５１の射出瞳（スクリーン１３側から見た絞り５１ｂの像）とＬＥＤ素子４１ａの集光レンズの射出瞳（絞り６７の像）はスクリーン１３から等しい光路長の位置に設置されている。従って、２つの射出瞳はアイボックス２３と共役関係にある。

なお、上記構成では、可視光と赤外光を投射する投射光学系は別々になっているため、ＬＥＤ素子４１ａによる赤外光の投射は、ＬＥＤ素子４１ｂ〜４１ｄの時分割駆動に連動させる必要はない。

１…虚像表示装置、１１…投射光学系、１３…スクリーン、１３ａ…拡散領域、１３ｂ…反射領域、１５…凹面鏡、１７…受光装置、１９…制御装置、２１…ウインドシールド、２３…アイボックス、２５…視点、２７…虚像、３１…光軸、３３…駆動装置、４１…ＬＥＤ素子、４３…集光レンズ、４５…ダイクロイックミラー、４７…ＰＢＳ、４９…ＬＣＯＳ、５１…投射レンズ部、５１ａ…レンズ、５１ｂ…絞り、５３…受光処理部、５５…投射処理部、５５ａ…表示素子処理部、５５ｂ…光源処理部、５７…光線偏向処理部、６１…波長選択膜、６３，６５…集光レンズ、６７…絞り、６９…フィルタ、１０１…虚像表示装置、１０３…投射光学系、１０５…スクリーン、１０７…凹面鏡、１０９…コンバイナ、１１１…アイボックス、１１３…眼、１１５…虚像

Claims (11)

1. 画像を表示する表示光を投射する表示光投射手段と、前記表示光投射手段により投射された光を移動体に設けられたコンバイナに到達させる光学系と、を備え、前記表示光を前記コンバイナで反射させて前記移動体の搭乗者の眼に到達させることで前記画像を前記コンバイナ前方に虚像表示する虚像表示装置において、
   前記表示光投射手段から投射された表示光の光路と重なる光路で非可視光を前記搭乗者に向けて投射する非可視光投射手段と、
   前記非可視光投射手段から投射された非可視光が前記搭乗者の眼にて反射した反射光を受光する受光手段と、
   前記受光手段が前記反射光を受光した位置に基づいて、前記搭乗者の眼の位置を特定する位置特定手段と、を備え、
   前記光学系は、前記表示光投射手段が投射した表示光の結像位置に配設されたスクリーンを備え、
   前記スクリーンは、前記表示光投射手段が投射する表示光を拡散する拡散領域と、前記非可視光投射手段から投射された非可視光が前記搭乗者の眼にて反射した反射光を前記受光手段に向けて反射する反射領域と、を備える
   ことを特徴とする虚像表示装置。
2. 前記表示光投射手段における前記表示光を出力する表示面と、前記スクリーンの前記拡散領域と、前記虚像と、が共役関係であり、
   前記表示光投射手段の射出瞳と、前記搭乗者が画像を視認可能な領域であるアイボックスと、が共役関係であり、
   前記アイボックスと、前記受光手段と、が共役関係である
   ことを特徴とする請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記光学系は、前記表示光投射手段および前記非可視光投射手段により投射された光を反射する反射板を有しており、
   前記位置特定手段により特定された前記眼の位置に応じて、前記反射板の角度を調整する角度調整手段を備える
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の虚像表示装置。
4. 前記位置特定手段により特定された前記眼の位置に応じて、前記表示光投射手段により投射される画像の形状を調整する画像調整手段を備える
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
5. 前記拡散領域と前記反射領域は、異なる曲率を有している
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
6. 前記拡散領域と前記反射領域は、互いの光軸が異なる方向を向くように構成されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
7. 前記表示光投射手段および前記非可視光投射手段は、前記表示光と前記非可視光とを出力可能な１つの画像表示器であって、
   前記画像表示器は、前記表示光と、前記非可視光と、を所定の周期で切り替えて投射するものである
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
8. 前記画像表示器は、当該画像表示器の実質的に全表示面から非可視光を投射する
   ことを特徴とする請求項７に記載の虚像表示装置。
9. 前記非可視光投射手段は、前記表示光を透過させると共に前記非可視光を反射し、前記表示光の光路上に配設されるフィルタを有しており、前記非可視光を当該フィルタに反射させることで、前記表示光の光路に重なるように前記非可視光を投射する
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
10. 前記コンバイナ表面に配置され、前記表示光と前記非可視光の少なくとも一方の波長の光を反射させる波長選択膜を有する
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
11. 前記表示光投射手段および前記非可視光投射手段は、前記コンバイナとして用いられる前記移動体のウインドシールドに、前記表示光および前記非可視光を投射する
    ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の虚像表示装置。