JP6269262B2

JP6269262B2 - 虚像表示装置

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Publication number: JP6269262B2
Application number: JP2014074174A
Authority: JP
Inventors: 賢二渡邊; 窪田　智氣; 智氣窪田
Original assignee: Aisin AW Co Ltd
Current assignee: Aisin AW Co Ltd
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2034-03-31
Also published as: JP2015197496A

Description

本発明は、ユーザが視認する虚像を表示する虚像表示装置に関する。

従来より、車両等の移動体の乗員に対して経路案内や障害物の警告等の運転情報を提供する情報提供手段として、様々な手段が用いられている。例えば、移動体に設置された液晶ディスプレイによる表示や、スピーカから出力する音声等である。そして、近年、このような情報提供手段の一つとして、ヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤという）のような人間の目の錯覚を利用して実際に映像が表示された位置と異なる空間上に映像を視認させる虚像表示装置がある。

例えば特開２００８−７６５４１号公報では、車両のインストルメントパネルに設置された表示装置において上記虚像表示装置を適用し、運転情報（例えば、速度表示、経路案内表示等）を虚像として生成し、運転者に視認させることについて記載されている。

特開２００８−７６５４１号公報（第５−６頁、図１）

ここで、虚像表示装置によってより効果的な情報の提供を行う為には、虚像を生成する位置（より具体的には乗員から虚像までの距離）を適切に設定することが重要である。例えば、上記特許文献１の技術では、映像が投射されるスクリーンであるマイクロレンズアレイを傾斜して配置することによって、道路の右左折を案内する矢印の虚像を手前側から奥側に傾斜した立体的な映像として生成することが記載されている。

また、上記特許文献１ではスクリーンとして多数のレンズを格子状に並べたマイクロレンズアレイを用いている。ここで、マイクロレンズアレイは他の一般的な透過型のスクリーンに比べて、スペックルノイズの軽減等に効果があるが、歪み等のない適切な虚像を生成する為には光源であるプロジェクタとの位置関係を適切に保つ必要がある。具体的には、図１９に示すようにマイクロレンズアレイを構成する各レンズ１０１の中央付近にレーザ光１０２が照射すれば、歪みの無い高画質の虚像を生成できるが、各レンズ１０１の境界にレーザ光が照射されれば、生成される虚像に歪み等が生じることとなる。しかしながら、上記特許文献１では、マイクロレンズアレイを傾斜して配置するので、プロジェクタとの位置関係を適切に保つことが困難となる問題がある。その結果、生成される虚像に歪み等が生じることとなっていた。

本発明は前記従来における問題点を解消するためになされたものであり、マイクロレンズアレイのスクリーンを用い、且つスクリーンの映像投射面をプロジェクタの光路に対して傾斜させて配置した場合であっても、生成される虚像に歪み等が生じることなく、高画質の虚像を生成することを可能にした虚像表示装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため本発明に係る虚像表示装置（１）は、マイクロレンズアレイからなる透過型のスクリーン（５）と、レーザ光に基づいて生成される映像を前記スクリーンに投射するプロジェクタ（４）と、前記スクリーンに投射された前記映像から前記映像の虚像を生成する虚像生成手段（６、１０、１１）と、前記スクリーンを可動させることによって、前記プロジェクタの光路に対する前記映像が投射される前記スクリーンの面である映像投射面（２２）の角度を変更するスクリーン可動手段（２４）と、前記プロジェクタの光路に対する前記映像投射面の角度に基づいて、前記プロジェクタから前記スクリーンへと前記レーザ光を照射する照射方向を制御する照射制御手段（３１）と、を有し、前記照射制御手段は、前記１レーザ光当たりに照射される前記スクリーンのレンズの数が固定されるように前記照射方向を制御することを特徴とする。

前記構成を有する本発明に係る虚像表示装置によれば、マイクロレンズアレイのスクリーンを用い、且つスクリーンの映像投射面をプロジェクタの光路に対して傾斜させて配置した場合であっても、生成される虚像に歪み等が生じることなく、高画質の虚像を生成することが可能となる。また、プロジェクタの光路に対してスクリーンの映像投射面を傾斜させた状態では、スクリーンに対して映像を投射する位置によってユーザから生成される虚像までの距離について変位させることが可能となる。その結果、ユーザからの距離が変位する障害物や交差点等の対象物に関する映像を虚像として該対象物に重畳して表示させる場合に、ユーザから対象物までの距離に応じた適切な位置に虚像を生成することが可能となる。
また、スクリーンの映像投射面の角度を変更することによって、スクリーンに投射された映像に基づいて生成できる虚像のユーザからの距離を任意に設定することが可能となる。例えば、プロジェクタの光路に対するスクリーンの傾斜角度を大きくすれば、ユーザからの距離が離れたより広い範囲まで虚像を生成することが可能となる。その結果、ユーザの状況に応じて必要な位置に虚像を生成することが可能となる。
また、マイクロレンズアレイを構成する各レンズの中央付近にレーザ光が照射することが可能であり、歪みの無い高画質の虚像を生成することが可能となる。

本実施形態に係るＨＵＤの車両への設置態様を示した図である。本実施形態に係るＨＵＤの内部構成を示した図である。プロジェクタの構成を示した図である。スクリーンを示した図である。スクリーンの回動態様を示した図である。プロジェクタから出力される光とスクリーンとの関係を示した図である。スクリーンが傾斜して配置された状態での虚像の生成距離を説明した図である。車両の乗員から視認される虚像を示した図である。本実施形態に係るＨＵＤの構成を示したブロック図である。本実施形態に係る虚像生成処理プログラムのフローチャートである。角度設定テーブルの一例を示した図である。スクリーンの角度毎にレーザ光が照射される対象となるレンズの数を示した図である。マイクロレンズアレイとレーザ光の関係を示した図である。スクリーンの角度毎にレーザ光の照射方向の補正態様を示した図である。スクリーンの傾斜と映像の歪みの関係を説明した図である。プロジェクタの出力補正について説明した図である。車両の停車時に車両の乗員から視認できる虚像の一例を示した図である。車両の走行時に車両の乗員から視認できる虚像の一例を示した図である。従来技術の問題点について説明した図である。

以下、本発明に係る虚像生成装置について、車両に搭載されたヘッドアップディスプレイ装置に具体化した一実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

先ず、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤという）１の構成について図１を用いて説明する。図１は本実施形態に係るＨＵＤ１の車両２への設置態様を示した図である。

図１に示すようにＨＵＤ１は、車両２のダッシュボード３内部に設置されており、内部にプロジェクタ４やプロジェクタ４からの映像が投射されるスクリーン５を有する。そして、スクリーン５に投射された映像を、後述のようにＨＵＤ１が備えるミラーやフレネルレンズを介し、更に運転席の前方のフロントウィンドウ６に反射させて車両２の乗員７に視認させるように構成されている。尚、スクリーン５に投射される映像としては、車両２に関する情報や乗員７の運転の支援の為に用いられる各種情報がある。例えば障害物（他車両や歩行者）に対する警告、ナビゲーション装置で設定された案内経路や案内経路に基づく案内情報（右左折方向を示す矢印等）、現在車速、案内標識、地図画像、交通情報、ニュース、天気予報、時刻、接続されたスマートフォンの画面、テレビ番組等がある。

また、本実施形態のＨＵＤ１では、フロントウィンドウ６を反射して乗員７がスクリーン５に投射された映像を視認した場合に、乗員７にはフロントウィンドウ６の位置ではなく、フロントウィンドウ６の先の遠方の位置にスクリーン５に投射された映像が虚像８として視認されるように構成される。尚、乗員７が視認できる虚像８はスクリーン５に投射された映像であるが、ミラーを介するので上下方向は反転する。また、フレネルレンズを介することによってサイズも変更する。

ここで、虚像８を生成する位置、より具体的には乗員７から虚像８までの距離（以下、生成距離という）Ｌについては、ＨＵＤ１が備えるミラーやフレネルレンズの形状や位置、光路に対するスクリーン５の位置等によって適宜設定することが可能である。特に、本実施形態では後述のようにプロジェクタ４の光路に対するスクリーン５の映像投射面の角度を変更可能に構成する。そして、プロジェクタ４の光路に対してスクリーン５の映像投射面を傾斜させた状態では、その傾斜角度と映像投射面内において映像を投射する位置とによって生成距離Ｌを適宜変更することが可能となる。例えば生成距離Ｌを２．５ｍ〜２０ｍの間で変更することが可能である。

次に、図２を用いてＨＵＤ１のより具体的な構成について説明する。図２は、本実施形態に係るＨＵＤ１の内部構成を示した図である。

図２に示すようにＨＵＤ１は、プロジェクタ４と、スクリーン５と、反射ミラー１０と、ミラー１１と、フレネルレンズ１２と、制御回路部１３と、ＣＡＮインターフェース１４とから基本的に構成されている。

ここで、プロジェクタ４は光源としてＬＥＤ光源を用いた映像投射装置であり、例えばレーザ走査式プロジェクタとする。

図３はプロジェクタ４の構成を示した図である。図３に示すようにプロジェクタ４は、内部にレーザ光の光源１５を備えており、例えばレーザ走査式プロジェクタでは光源１５から出力されるレーザ光をＭＥＭＳミラー１６で反射させ、スクリーン５上に走査させることによってスクリーン５に所望の映像を投射する。

一方、スクリーン５は、プロジェクタ４から投射された映像が投射される被投射媒体であり、多数のレンズを格子状に並べたマイクロレンズアレイからなる透過型スクリーンが用いられる。ここで、図４はスクリーン５を示した図である。

図４に示すようにスクリーン５は、映像が投射される映像投射面として被投射エリア２２を有しており、プロジェクタ４から投射されたレーザ光に基づいて映像が生成される。また、スクリーン５は、一辺を回転軸として回動させることによってプロジェクタ４の光路に対する被投射エリア２２の角度を変更可能に構成されている。具体的には、スクリーン５の側面にあるスクリーン回動駆動モータ２４を駆動させることによって、図５に示すようにスクリーン５を、回転軸Ｐを中心に回動させる。また、回転軸Ｐの位置はスクリーン５の上端であって、スクリーン５を回動可能な範囲は、被投射エリア２２が光路に対して垂直方向となる位置Ａから、垂直方向に対してプロジェクタ４側に角度θｍａｘをなす位置Ｂまでの範囲となる。即ち、スクリーン５は光路に沿ったミラー１１からの距離が、回転軸Ｐにおいて最も短くなるように回動される。

尚、角度θｍａｘやスクリーン５のサイズは適宜設定可能であるが、図６に示すようにスクリーン５が位置Ａ〜Ｂの間のどの位置にあってもプロジェクタ４から出力される全ての光を被投射エリア２２で受けることができ、且つ最も傾斜角度の大きい位置Ｂにある場合に被投射エリア２２の全領域でプロジェクタ４から出力される光を受けるように設定する。

そして、図７に示すようにプロジェクタ４の光路に対して傾斜するようにスクリーン５を配置した状態では、スクリーン５に対して投射される映像２５の被投射エリア２２内の位置を変更することによって、図８に示すようにスクリーン５に投射された映像２５の虚像８が生成される位置（具体的には乗員７から虚像８までの距離である生成距離Ｌ）を変更することが可能である。ここで、生成距離Ｌは、光路に沿ったミラー１１からスクリーン５までの距離に依存する。即ち、生成距離Ｌは、ミラー１１からスクリーン５までの距離に応じて長短を変更される。例えば、ミラー１１からスクリーン５までの距離が長くなる（即ちプロジェクタ４からの距離が短くなる）と生成距離Ｌが長くなり、ミラー１１からスクリーン５までの距離が短くなる（即ちプロジェクタ４からの距離が長くなる）と生成距離Ｌが短くなる。従って、図７に示すようにスクリーン５が傾斜された状態では、ミラー１１からの距離が短くなる回転軸Ｐ付近に投射された映像２５の虚像８は生成距離Ｌが短くなる（即ち、乗員７からはより近くに虚像８が視認されるようになる）。一方、ミラー１１からの距離が長くなる回転軸Ｐから離れた位置に投射された映像２５の虚像８は生成距離Ｌが長くなる（即ち、乗員７からはより遠くに虚像８が視認されるようになる）。

また、スクリーン５に投射された映像２５の虚像８が生成される位置（具体的には乗員７から虚像８までの距離である生成距離Ｌ）を変更することが可能な範囲は、プロジェクタ４の光路に対するスクリーン５の傾斜角度によって変わる。具体的には、プロジェクタ４の光路に対してスクリーン５が垂直方向にある場合には、生成距離Ｌは一のみ選択可能であり、プロジェクタ４の光路に対するスクリーン５の傾斜角度が大きくなるほど、生成距離Ｌを変更可能な範囲も大きくなる。

ここで、スクリーン５に対して投射された映像２５は、反射ミラー１０やミラー１１によって反射されるので、生成される虚像８はスクリーン５に対して投射された映像と上下左右がそれぞれ反転した像となる。即ち、回転軸Ｐに近いスクリーン５の上方に投射された映像２５ほど、その映像２５に基づいて生成される虚像８は乗員７から鉛直方向上側に視認され、回転軸Ｐから離れたスクリーン５の下方に投射された映像２５ほど、その映像２５に基づいて生成される虚像８は乗員７から鉛直方向下側に視認される。従って、乗員７から遠くの位置に生成される虚像８ほど乗員７からは上方に視認できる。ここで、車両の乗員７がフロントウィンドウ６越しに前方環境を視認する場合には、基本的に遠くに位置するものほど上方に見える。従って、スクリーン５を傾斜させることによって視認できる前方環境と虚像８とを対応させ、虚像８と前方環境との重畳表示を見やすくすることが可能となる。

また、プロジェクタ４の光路に対して傾斜するようにスクリーン５を配置した状態では、図８に示すように生成される虚像８についても鉛直方向に対して傾斜することとなる。特に生成距離Ｌが長い虚像８ほど傾斜角度は大きくなる。その結果、例えば右左折方向を示す矢印等の虚像８を生成する場合には、路面に沿って虚像８を配置することが可能となる。

また、特に本実施形態では、プロジェクタ４の光路に対してスクリーン５を最も傾斜させた位置Ｂにある状態において、図８に示すように回転軸Ｐに最も近い位置に投射された映像２５の虚像８の生成距離Ｌが２．５ｍであり、回転軸Ｐから最も遠い位置に投射された映像２５の虚像８の生成距離Ｌが２０ｍとなるように設計する。また、プロジェクタ４の光路に対してスクリーン５を垂直方向に配置した位置Ａにある状態においては、被投射エリア２２内のどの位置に投射された映像２５の虚像８でも生成距離Ｌが２．５ｍとなるように設計する。

即ち、本実施形態に係るＨＵＤ１では、虚像８の生成距離Ｌを最大で２．５ｍから２０ｍの間で変更することが可能となる。また、回転軸Ｐの位置は固定であるので、スクリーン５が位置Ａ〜位置Ｂのどの位置にあったとしても生成距離Ｌの変位する範囲の下限は２．５ｍとなる。即ち、生成距離Ｌが２．５ｍとなる虚像８についてはスクリーン５の角度に関わらず常に生成することが可能となる。ここで、乗員７から２．５ｍ先は、前方車両と重複する虞の無い距離であり、特に生成距離を変位させる必要がない車速等の情報やユーザに確実に視認させる必要のある警告情報等については生成距離Ｌが２．５ｍとなる位置に生成する。

また、スクリーン回動駆動モータ２４はステッピングモータからなる。そして、ＨＵＤ１は、制御回路部１３から送信されるパルス信号に基づいてスクリーン回動駆動モータ２４を制御し、スクリーン５の角度を設定角度に対して適切に位置決めすることが可能となる。

一方、反射ミラー１０は、図２に示すようにプロジェクタ４から投射された映像を反射して光路を変更し、スクリーン５へと投射する反射板である。

また、ミラー１１は、図２に示すようにスクリーン５からの映像光を反射させ、フロントウィンドウ６を介してスクリーン５の映像を乗員７に視認させることにより、乗員７の前方に虚像８（図１参照）を生成する手段であり、反射ミラー１０やフロントウィンドウ６とともに虚像生成手段を構成する。ミラー１１としては、球面凹面鏡や、非球面凹面鏡、若しくは投影映像の歪みを補正するための自由曲面鏡が用いられる。尚、スクリーン５に対して投射された映像は、反射ミラー１０やミラー１１によって反射されるので、生成される虚像はスクリーン５に対して投射された映像と上下左右がそれぞれ反転した像となる。

また、フレネルレンズ１２は、図２に示すようにスクリーン５に投射された映像を拡大して虚像８を生成する為の拡大鏡である。そして、本実施形態に係るＨＵＤ１では、スクリーン５に投射された映像を、ミラー１１やフレネルレンズ１２を介し、更にフロントウィンドウ６に反射させて乗員７に視認させることによって、フロントウィンドウ６の先の遠方の位置にスクリーン５に投射された映像が拡大され、虚像８として乗員に視認される（図１参照）。

また、制御回路部１３は、ＨＵＤ１の全体の制御を行う電子制御ユニットである。ここで、図９は本実施形態に係るＨＵＤ１の構成を示したブロック図である。

図９に示すように制御回路部１３は、演算装置及び制御装置としてのＣＰＵ３１、並びにＣＰＵ３１が各種の演算処理を行うにあたってワーキングメモリとして使用されるＲＡＭ３２、制御用のプログラムのほか、後述の虚像生成処理プログラム（図１０参照）等が記録されたＲＯＭ３３、ＲＯＭ３３から読み出したプログラムや後述の角度設定テーブルを記憶するフラッシュメモリ３４等の内部記憶装置を備えている。また、制御回路部１３は、プロジェクタ４、スクリーン回動駆動モータ２４とそれぞれ接続され、プロジェクタ４や各種モータの駆動制御を行う。

また、ＣＡＮ（コントローラエリアネットワーク）インターフェース１４は、車両内に設置された各種車載器や車両機器の制御装置間で多重通信を行う車載ネットワーク規格であるＣＡＮに対して、データの入出力を行うインターフェースである。そして、ＨＵＤ１は、ＣＡＮを介して、各種車載器や車両機器の制御装置（例えば、ナビゲーション装置４８、ＡＶ装置４９等）と相互通信可能に接続される。それによって、ＨＵＤ１は、ナビゲーション装置４８やＡＶ装置４９等の出力画面を投影可能に構成する。

続いて、前記構成を有するＨＵＤ１においてＣＰＵ３１が実行する虚像生成処理プログラムについて図１０に基づき説明する。図１０は本実施形態に係る虚像生成処理プログラムのフローチャートである。ここで、虚像生成処理プログラムは車両のＡＣＣがＯＮされた後に実行され、車両の状態に合わせてスクリーン５の角度を変位させるとともに車両の乗員であるユーザに視認可能な虚像を生成するプログラムである。尚、以下の図１０にフローチャートで示されるプログラムは、ＨＵＤ１が備えているＲＡＭ３２やＲＯＭ３３に記憶されており、ＣＰＵ３１により実行される。また、本実施形態では車両のＡＣＣがＯＮされた時点では、スクリーン５はプロジェクタ４の光路に対して垂直方向（図６の位置Ａ）となるように、スクリーン５の角度が設定されているとして説明する。

先ず、虚像生成処理プログラムではステップ（以下、Ｓと略記する）１において、ＣＰＵ３１は、車両が走行状態にあるか否かを判定する。尚、車両が走行状態にあるか否かの判定には、例えば車速センサを用いる。

そして、車両が走行状態にあると判定された場合（Ｓ１：ＹＥＳ）には、Ｓ４へと移行する。それに対して、車両が走行状態にない、即ち停車した状態にあると判定された場合（Ｓ１：ＮＯ）には、Ｓ２へと移行する。

Ｓ２においてＣＰＵ３１は、車両が停車状態にあることから特に遠方に虚像を生成する必要が無いので、虚像８を生成する必要のある位置へと虚像８を生成する為のスクリーン５の位置（以下、目標スクリーン位置という）を、最大生成距離Ｘが最も短い“２．５ｍ”となる位置に設定する。ここで、最大生成距離Ｘは、スクリーン５によって生成できる虚像８の最大の生成距離である。前述したように本実施形態に係るＨＵＤ１では、スクリーン５をプロジェクタ４の光路に対して傾斜して配置でき、その場合にはスクリーン５に対して投射される映像の被投射エリア２２内の位置を変更することによって、図７及び図８に示すように生成距離Ｌを変更することが可能である。そして、本実施形態では回転軸Ｐから最も遠い位置に投射された映像の虚像８の生成距離Ｌが最大生成距離Ｘとなる。尚、最大生成距離Ｘが“２．５ｍ”となる位置は、プロジェクタ４の光路に対してスクリーン５が垂直方向となる位置（図６の位置Ａ）である。

次に、Ｓ３においてＣＰＵ３１は、前記Ｓ２で設定された目標スクリーン位置（最大生成距離Ｘ＝２．５ｍとなる位置）に対応して、プロジェクタ４によるレーザ光の出力設定を行う。尚、プロジェクタ４は設定されたレーザ光の出力設定に基づいて、後述のように出力するレーザ光の照射方向やレーザ光によって生成される映像の補正を行う。その後、Ｓ９へと移行する。

一方、Ｓ４においてＣＰＵ３１は、虚像８の目標生成距離Ｔが、本実施形態に係るＨＵＤ１において設定可能な最大生成距離Ｘの上限である２０ｍより長いか否かを判定する。ここで、目標生成距離Ｔは、車両の乗員７から現在の車両に対して虚像８を生成すべき位置までの距離とする。また、虚像８を生成すべき位置は、走行中の車両の状況によって決定され、例えば案内交差点等の走行案内を行う必要がある地点が接近した場合には該地点の位置となり、前方車両や歩行者等の障害物に対する警告を行う場合には該障害物の位置となる。

そして、目標生成距離Ｔが２０ｍより長いと判定された場合（Ｓ４：ＹＥＳ）には、Ｓ７へと移行する。それに対して、目標生成距離Ｔが２０ｍ以下であると判定された場合（Ｓ４：ＮＯ）には、Ｓ５へと移行する。

Ｓ５においてＣＰＵ３１は、目標スクリーン位置を最大生成距離Ｘが“目標生成距離Ｔ”となる位置に設定する。

次に、Ｓ６においてＣＰＵ３１は、前記Ｓ５で設定された目標スクリーン位置（最大生成距離Ｘ＝Ｔｍとなる位置）に対応して、プロジェクタ４によるレーザ光の出力設定を行う。尚、プロジェクタ４は設定されたレーザ光の出力設定に基づいて、後述のように出力するレーザ光の照射方向やレーザ光によって生成される映像の補正を行う。その後、Ｓ９へと移行する。

一方、Ｓ７においてＣＰＵ３１は、目標スクリーン位置を最大生成距離Ｘが“２０ｍ”となる位置に設定する。尚、最大生成距離Ｘが“２０ｍ”となる位置は、スクリーン５の可動範囲内でプロジェクタ４の光路に対して最大の傾斜角θｍａｘとなる位置（図６の位置Ｂ）である。

次に、Ｓ８においてＣＰＵ３１は、前記Ｓ７で設定されたスクリーンの位置（最大生成距離Ｘ＝２０ｍとなる位置）に対応して、プロジェクタ４によるレーザ光の出力設定を行う。尚、プロジェクタ４は設定されたレーザ光の出力設定に基づいて、後述のように出力するレーザ光の照射方向やレーザ光によって生成される映像の補正を行う。その後、Ｓ９へと移行する。

Ｓ９においてＣＰＵ３１は、前記Ｓ２、Ｓ５、Ｓ７で設定された最大生成距離Ｘを実現する目標スクリーン位置の角度を決定する。尚、スクリーン５の角度の決定にはフラッシュメモリ３４に記憶された角度設定テーブルが用いられる。角度設定テーブルは、図１１に示すように最大生成距離Ｘ毎に、該最大生成距離Ｘを実現する為のスクリーン５の角度（具体的にはプロジェクタ４の光路の垂直方向に対する角度）が規定されている。具体的には、最大生成距離Ｘが“２．５ｍ”となる位置は、プロジェクタ４の光路に対してスクリーン５が垂直方向となる位置（図６の位置Ａ）であり、最大生成距離Ｘが長くなるに応じて、プロジェクタ４の光路の垂直方向に対するスクリーン５の被投射エリア２２の角度が徐々に大きくなるように規定される。

次に、Ｓ１０においてＣＰＵ３１は、スクリーン５を現在位置から前記Ｓ９で特定された目標スクリーン位置の角度まで回動させるのに必要なスクリーン回動駆動モータ２４の駆動量（パルス数）を決定する。

その後、Ｓ１１においてＣＰＵ３１は、前記Ｓ１０で決定された駆動量だけスクリーン回動駆動モータ２４を駆動させる為のパルス信号をスクリーン回動駆動モータ２４へと送信する。そして、パルス信号を受信したスクリーン回動駆動モータ２４は、受信したパルス信号に基づいて駆動を行う。その結果、スクリーン５は目標スクリーン位置まで回転軸Ｐを中心に回動する。

次に、Ｓ１２においてＣＰＵ３１は、スクリーン５の回動が完了したか否かを判定する。具体的には、前記Ｓ１１でパルス信号を送信したスクリーン回動駆動モータ２４から駆動を完了したことを示す信号を受信した場合に、スクリーン５の回動が完了したと判定する。

そして、スクリーン５の回動が完了したと判定された場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）には、Ｓ１３へと移行する。それに対して、スクリーン５の回動が完了していないと判定された場合（Ｓ１２：ＮＯ）には、回動が完了するまで待機する。

Ｓ１３においてＣＰＵ３１は、プロジェクタ４によるスクリーン５への投射対象となる映像を入力する。尚、プロジェクタ４により投射される映像としては、車両２に関する情報や乗員７の運転の支援の為に用いられる各種情報がある。例えば障害物（他車両や歩行者）に対する警告、ナビゲーション装置で設定された案内経路や案内経路に基づく案内情報（右左折方向を示す矢印等）、現在車速、案内標識、地図画像、交通情報、ニュース、天気予報、時刻、接続されたスマートフォンの画面、テレビ画面等がある。特に本実施形態では車両が停車した状態では、上記映像の内、車両の現在車速の映像及びテレビ画面を投射し、車両が走行する状態では障害物に対する警告及びナビゲーション装置で設定された案内経路や案内経路に基づく案内情報を出力する構成とする。

次に、Ｓ１４においてＣＰＵ３１は、プロジェクタ４に制御信号を送信し、前記Ｓ３、Ｓ６、Ｓ８において設定されたプロジェクタ４のレーザ光の出力設定に基づいて、プロジェクタ４によるレーザ光の照射方向を補正する。具体的には、プロジェクタ４の光路に対するスクリーン５の角度に基づいて、スクリーン５に対してレーザ光が照射される範囲とレーザ光によって生成される映像の画素数（解像度）を補正する。

ここで、図１２に示すようにスクリーン５のプロジェクタ４の光路に対する傾斜角度によって、スクリーン５へのレーザ光の投射範囲５０は変化する。具体的には、プロジェクタ４に近い位置が遠い位置よりも縮小された範囲に投射されることとなる。従って、スクリーン５がプロジェクタ４の光路に対して垂直方向にある場合には、投射範囲５０は長方形形状となるが、スクリーン５が傾斜した状態では投射範囲５０は上辺が下辺より長い台形形状となる。また、スクリーン５の傾斜角度が小さくなるほど、回転軸Ｐの垂直方向における投射範囲５０が狭くなる。

従って、投射範囲５０に含まれるレンズの数（即ち、レーザ光が照射される対象となるレンズの数）も投射範囲５０に応じて変化する。例えば、スクリーン５を構成するレンズの数が、回転軸Ｐの平行方向（横方向）に１２８０個、垂直方向（縦方向）に８００個である場合を例に挙げて説明すると、図１２に示すようにスクリーン５がプロジェクタ４の光路に対して垂直方向にある場合には、レーザ光が照射される対象となるレンズは１２８０個×７００個の長方形の範囲となる。一方、スクリーン５がプロジェクタ４の光路に対して最大角度（θｍａｘ）まで傾斜した場合には、レーザ光が照射される対象となるレンズは上辺１２８０個、下辺１０００個、高さ８００個の台形の範囲となる。

ここで、スクリーン５としてマイクロレンズアレイを用いた場合には、図１３に示すようにマイクロレンズアレイを構成する各レンズ５１の境界上にレーザ光５２が照射されず、レンズ５１の中央付近にレーザ光５２が照射すれば、歪みの無い高画質の虚像を生成できる。その為には、１レーザ光当たりに照射されるスクリーン５のレンズの数が固定されるように照射方向を制御する必要がある。例えば、レーザ光と照射されるレンズの数の関係が、１：１、１：２又は１：３となるようにレーザ光を照射する照射方向を制御する。

以下では、レーザ光と照射されるレンズの数の関係が１：１となるようにレーザ光を照射する照射方向を制御する例について説明する。例えば、図１４に示すようにスクリーン５がプロジェクタ４の光路に対して垂直方向にある場合には、レーザ光の照射範囲５３を長方形とし、レーザ光によって生成される映像の画素数は回転軸Ｐの平行方向の画素数が１２８０ｄｏｔとなるように照射方向を制御する。即ち、全領域において解像度が一定の映像とする。また、垂直方向は同じ垂直方向においてレーザ光が照射されるスクリーン５のレンズの数に対応した７００ｄｏｔとなるように照射方向を制御する。その結果、レーザ光と照射されるレンズの数の関係を１：１とすることが可能となる。

一方、スクリーン５がプロジェクタ４の光路に対して最大角度まで傾斜した場合には、垂直方向にある場合と比べてレーザ光の照射範囲５３を下辺側に広げた台形とする。それによって、回転軸Ｐの平行方向においてレーザ光が照射されるスクリーン５のレンズの数を１２８０個に固定することが可能である。また、レーザ光によって生成される映像の画素数は回転軸Ｐの平行方向の画素数を照射範囲に関わらず１２８０ｄｏｔとなるように照射方向を制御する。即ち、台形の下辺側程、解像度を低下した映像とする。また、垂直方向は同じ垂直方向においてレーザ光が照射されるスクリーン５のレンズの数に対応した８００ｄｏｔとなるように照射方向を制御する。その結果、レーザ光と照射されるレンズの数の関係を１：１とすることが可能となる。

次に、Ｓ１５においてＣＰＵ３１は、プロジェクタ４に制御信号を送信し、前記Ｓ３、Ｓ６、Ｓ８において設定されたプロジェクタ４のレーザ光の出力設定に基づいて、前記Ｓ１３で入力された映像を補正する。

ここで、図１５に示すようにスクリーン５がプロジェクタ４の光路に対して傾斜した状態では、スクリーン５に投射された映像２５が歪むこととなる。具体的には、プロジェクタ４に近い位置が遠い位置よりも縮小されて投射されることとなる。例えば長方形の映像をプロジェクタ４から出力した場合には、スクリーン５がプロジェクタ４の光路に対して垂直方向にある場合には、同じ長方形の映像５５がスクリーン上に描かれることとなるが、スクリーン５がプロジェクタ４の光路に対して傾斜している場合には、上辺が下辺より長い台形の映像５６がスクリーン上に描かれることとなる。また、映像５６の歪みはスクリーン５の傾斜角度が大きいほど大きくなる。

従って、スクリーン５がプロジェクタ４の光路に対して傾斜した状態では、図１６に示すようにスクリーン５に投射された際に映像が本来の形状となるように逆算して補正した映像５６を投射する必要がある。例えば、長方形の映像の虚像８を生成させる為には、上辺が下辺より短い台形の映像５７となるように映像５７に係るレーザ光の投射範囲を補正して出力する。また、補正量はスクリーン５の傾斜角度が大きいほど大きくなる。

次に、Ｓ１６においてＣＰＵ３１は、前記Ｓ１４で補正されたレーザ光の照射方向に基づいて前記Ｓ１５で補正された映像をプロジェクタ４からスクリーン５へと投射する。

その結果、例えば車両が停車した状態では図１７に示すように、フロントウィンドウ６の下縁付近で且つフロントウィンドウ６の前方２．５ｍ先に、虚像８として現在車速を示す数値とテレビ画面が生成され、乗員から視認可能となる。
一方、車両が走行状態にあって、図１８に示すように右左折対象となる交差点６０と障害物である歩行者６１が接近した状態では、交差点６０の位置に交差点の右左折を示す矢印の虚像８を生成し、歩行者６１の位置に警告の虚像８を生成する。また、スクリーン５を傾斜させることによって、乗員７が視認する前方環境と虚像８の位置を対応させることが可能となる。例えば、図１８に示す例では交差点６０の右左折を示す矢印の虚像８よりも歩行者６１の警告の虚像８の方が遠方に生成される。従って、虚像８と前方環境との重畳表示を見やすくすることが可能となる。尚、その後に車両が移動することによって乗員７から右左折対象となる交差点６０や歩行者６１までの距離が変化すれば、それに伴ってスクリーン５の傾斜角度（即ち最大生成距離Ｘ）も変わり、虚像８の生成される位置も適切な位置へと変わるように構成する。

また、スクリーン５が傾斜されていたとしても回転軸Ｐに最も近い位置に投射された映像の虚像８の生成距離Ｌは２．５ｍとなるので、交差点６０や歩行者６１のある遠方に虚像８を生成しつつユーザに確実に視認させる必要のある警告情報がある場合には、図１８に示すように生成距離Ｌが２．５ｍとなる位置に該警告情報の虚像８を同時に生成することが可能となる。

以上詳細に説明した通り、本実施形態に係るＨＵＤ１によれば、プロジェクタ４から出力した映像をスクリーン５に投射し、スクリーン５に投射された映像を車両２のフロントウィンドウ６に反射させて車両の乗員７に視認させることによって、車両の乗員７が視認する映像の虚像８を生成する。また、スクリーン５を可動させることによって、プロジェクタ４の光路に対するスクリーン５の角度を変更可能に構成し、プロジェクタ４の光路に対するスクリーン５の角度に基づいて、プロジェクタ４からスクリーン５へとレーザ光を照射する照射方向を制御する（Ｓ１４、Ｓ１５）ので、スクリーン５に投射された映像に基づいて生成できる虚像８のユーザからの距離を任意に設定することが可能となる。例えば、プロジェクタ４の光路に対するスクリーン５の傾斜角度を大きくすれば、ユーザからの距離が離れたより広い範囲まで虚像を生成することが可能となる。その結果、ユーザの状況に応じて必要な位置に虚像を生成することが可能となる。
また、マイクロレンズアレイのスクリーン５を用い、且つスクリーン５の被投射エリア２２をプロジェクタ４の光路に対して傾斜させて配置した場合であっても、生成される虚像８に歪み等が生じることなく、高画質の虚像８を生成することが可能となる。また、プロジェクタ４の光路に対してスクリーン５の被投射エリア２２を傾斜させた状態では、スクリーン５に対して映像を投射する位置によってユーザから生成される虚像８までの距離について変位させることが可能となる。その結果、ユーザからの距離が変位する障害物や交差点等の対象物に関する映像を虚像として該対象物に重畳して表示させる場合に、ユーザから対象物までの距離に応じた適切な位置に虚像を生成することが可能となる。

尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは勿論である。
例えば、本実施形態ではＨＵＤ１によって車両２のフロントウィンドウ６の前方に虚像を生成する構成としているが、フロントウィンドウ６以外のウィンドウの前方に虚像を生成する構成としても良い。また、ＨＵＤ１により映像を反射させる対象はフロントウィンドウ６自身ではなくフロントウィンドウ６の周辺に設置されたバイザー（コンバイナー）であっても良い。

また、本実施形態では車両２に対してＨＵＤ１を設置する構成としているが、車両２以外の移動体に設置する構成としても良い。例えば、船舶や航空機等に対して設置することも可能である。また、アミューズメント施設に設置されるライド型アトラクションに設置しても良い。その場合には、ライドの周囲に虚像を生成し、ライドの乗員に対して虚像を視認させることが可能となる。

また、本実施形態では虚像生成装置をＨＵＤ１に適用した例について説明したが、虚像を生成し、ユーザに視認させる構成を有する装置であればＨＵＤ以外にも適用可能である。例えば、インストルメントパネルに設置された表示装置に適用しても良い。

また、本実施形態ではスクリーン５の回動範囲を、プロジェクタ４の光路に対してスクリーン５が垂直方向となる位置Ａから垂直方向に対して角度θｍａｘをなす位置Ｂまでの範囲に設定し、且つ位置Ｂは生成距離Ｌが２．５ｍ〜２０ｍの間で変更可能となる位置に設定しているが、スクリーン５の回動範囲は適宜変更することが可能である。

また、本実施形態では、プロジェクタ４の光路に対するスクリーン５の角度に基づいて、スクリーン５に対してレーザ光が照射される範囲とレーザ光によって生成される映像の画素数（解像度）とをそれぞれ補正する（Ｓ１４）こととしているが、一方のみを補正対象としても良い。

また、本実施形態では、スクリーンを１枚のスクリーンから構成しているが、スクリーンの数は２枚以上としても良い。また、スクリーンを２枚以上とした場合には、全てのスクリーンを光路に対して傾斜して配置するように構成しても良いし、一部のスクリーンのみを光路に対して傾斜して配置するように構成しても良い。

また、本発明に係る虚像生成装置を具体化した実施例について上記に説明したが、虚像生成装置は以下の構成を有することも可能であり、その場合には以下の効果を奏する。

例えば、第１の構成は以下のとおりである。
マイクロレンズアレイからなる透過型のスクリーンと、レーザ光に基づいて生成される映像を前記スクリーンに投射するプロジェクタと、前記スクリーンに投射された前記映像から前記映像の虚像を生成する虚像生成手段と、前記スクリーンを可動させることによって、前記プロジェクタの光路に対する前記映像が投射される前記スクリーンの面である映像投射面の角度を変更するスクリーン可動手段と、前記プロジェクタの光路に対する前記映像投射面の角度に基づいて、前記プロジェクタから前記スクリーンへと前記レーザ光を照射する照射方向を制御する照射制御手段と、を有することを特徴とする。
上記構成を有する虚像生成装置によれば、マイクロレンズアレイのスクリーンを用い、且つスクリーンの映像投射面をプロジェクタの光路に対して傾斜させて配置した場合であっても、生成される虚像に歪み等が生じることなく、高画質の虚像を生成することが可能となる。また、プロジェクタの光路に対してスクリーンの映像投射面を傾斜させた状態では、スクリーンに対して映像を投射する位置によってユーザから生成される虚像までの距離について変位させることが可能となる。その結果、ユーザからの距離が変位する障害物や交差点等の対象物に関する映像を虚像として該対象物に重畳して表示させる場合に、ユーザから対象物までの距離に応じた適切な位置に虚像を生成することが可能となる。
また、スクリーンの映像投射面の角度を変更することによって、スクリーンに投射された映像に基づいて生成できる虚像のユーザからの距離を任意に設定することが可能となる。例えば、プロジェクタの光路に対するスクリーンの傾斜角度を大きくすれば、ユーザからの距離が離れたより広い範囲まで虚像を生成することが可能となる。その結果、ユーザの状況に応じて必要な位置に虚像を生成することが可能となる。

また、第２の構成は以下のとおりである。
前記照射制御手段は、前記１レーザ光当たりに照射される前記スクリーンのレンズの数が固定されるように前記照射方向を制御することを特徴とする。
上記構成を有する虚像生成装置によれば、マイクロレンズアレイを構成する各レンズの中央付近にレーザ光が照射することが可能であり、歪みの無い高画質の虚像を生成することが可能となる。

また、第３の構成は以下のとおりである。
前記照射制御手段は、前記レーザ光が前記スクリーンを構成する各レンズの境界上に照射されないように前記照射方向を制御することを特徴とする。
上記構成を有する虚像生成装置によれば、マイクロレンズアレイからなるスクリーンを用いた場合であっても、歪みの無い高画質の虚像を生成することが可能となる。

また、第４の構成は以下のとおりである。
前記照射制御手段は、前記プロジェクタの光路に対する前記映像投射面の角度に基づいて、前記スクリーンに対して前記レーザ光が照射される範囲を補正することを特徴とする。
上記構成を有する虚像生成装置によれば、レーザ光が照射される範囲を補正することによって、レーザ光によって照射対象となるスクリーンのレンズの数を調整することができ、映像投射面の角度に関わらず１レーザ光当たりに照射されるスクリーンのレンズの数を固定することが可能となる。その結果、歪みの無い高画質の虚像を生成することが可能となる。

また、第５の構成は以下のとおりである。
前記スクリーン可動手段は、前記スクリーンの一辺を回転軸として前記スクリーンを回動させることによって前記光路に対する前記映像投射面の角度を変更し、前記照射制御手段は、前記回転軸の平行方向において前記レーザ光が照射される前記スクリーンのレンズの数が一定となるように前記レーザ光が照射される範囲を補正することを特徴とする。
上記構成を有する虚像生成装置によれば、容易な構成と制御によってスクリーンの映像投射面の角度を変更することが可能となる。従って、装置の小型化とコストダウンを実現することが可能となる。また、スクリーンがプロジェクタの光路に対してどのような角度にあっても、回転軸の平行方向においてレーザ光が照射されるスクリーンのレンズの数を一定とすることができるので、１レーザ光当たりに照射されるスクリーンのレンズの数を固定することが可能となる。その結果、歪みの無い高画質の虚像を生成することが可能となる。

また、第６の構成は以下のとおりである。
前記照射制御手段は、前記プロジェクタの光路に対する前記映像投射面の角度に基づいて、前記レーザ光によって生成される前記映像の画素数を補正することを特徴とする。
上記構成を有する虚像生成装置によれば、レーザ光によって生成される映像の画素数を補正することによって、映像投射面の角度に関わらず１レーザ光当たりに照射されるスクリーンのレンズの数を固定することが可能となる。その結果、歪みの無い高画質の虚像を生成することが可能となる。

また、第７の構成は以下のとおりである。
前記スクリーン可動手段は、前記スクリーンの一辺を回転軸として前記スクリーンを回動させることによって前記光路に対する前記映像投射面の角度を変更し、前記照射制御手段は、前記映像投射面に生成される前記映像の前記回転軸の垂直方向の画素数を、前記回転軸の垂直方向において前記レーザ光が照射される前記スクリーンのレンズの数に対応させて補正することを特徴とする。
上記構成を有する虚像生成装置によれば、容易な構成と制御によってスクリーンの映像投射面の角度を変更することが可能となる。従って、装置の小型化とコストダウンを実現することが可能となる。また、スクリーンがプロジェクタの光路に対してどのような角度にあっても、回転軸の垂直方向においてレーザ光が照射されるスクリーンのレンズの数と画素数（即ちレーザ光の数）を対応させることができるので、１レーザ光当たりに照射されるスクリーンのレンズの数を固定することが可能となる。その結果、歪みの無い高画質の虚像を生成することが可能となる。

また、第８の構成は以下のとおりである。
前記照射制御手段は、前記プロジェクタの光路に対する前記映像投射面の角度に基づく前記映像の歪みを修正するように前記映像に係るレーザ光の投射範囲を補正することを特徴とする。
上記構成を有する虚像生成装置によれば、スクリーンの傾斜によって生じる映像の歪みを修正し、適切な形状の虚像を生成することが可能となる。

また、第９の構成は以下のとおりである。
前記スクリーン可動手段は、前記プロジェクタから出力される全ての光を前記映像投射面で受ける範囲で前記スクリーンを可動させることを特徴とする。
上記構成を有する虚像生成装置によれば、スクリーンを可動させた場合に、虚像の一部が途切れることを防止することが可能となる。

１ヘッドアップディスプレイ装置
２車両
３ダッシュボード
４プロジェクタ
５スクリーン
６フロントウィンドウ
７乗員
８虚像
２４スクリーン回動駆動モータ
２５映像
３１ＣＰＵ
３２ＲＡＭ
３３ＲＯＭ
３４フラッシュメモリ
５１レンズ
５２レーザ光
５３照射範囲

Claims

マイクロレンズアレイからなる透過型のスクリーンと、
レーザ光に基づいて生成される映像を前記スクリーンに投射するプロジェクタと、
前記スクリーンに投射された前記映像から前記映像の虚像を生成する虚像生成手段と、
前記スクリーンを可動させることによって、前記プロジェクタの光路に対する前記映像が投射される前記スクリーンの面である映像投射面の角度を変更するスクリーン可動手段と、
前記プロジェクタの光路に対する前記映像投射面の角度に基づいて、前記プロジェクタから前記スクリーンへと前記レーザ光を照射する照射方向を制御する照射制御手段と、を有し、
前記照射制御手段は、前記１レーザ光当たりに照射される前記スクリーンのレンズの数が固定されるように前記照射方向を制御することを特徴とする虚像表示装置。
前記照射制御手段は、前記レーザ光が前記スクリーンを構成する各レンズの境界上に照射されないように前記照射方向を制御することを特徴とする請求項１に記載の虚像表示装置。
前記照射制御手段は、前記プロジェクタの光路に対する前記映像投射面の角度に基づいて、前記スクリーンに対して前記レーザ光が照射される範囲を補正することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の虚像表示装置。
前記スクリーン可動手段は、前記スクリーンの一辺を回転軸として前記スクリーンを回動させることによって前記光路に対する前記映像投射面の角度を変更し、
前記照射制御手段は、前記回転軸の平行方向において前記レーザ光が照射される前記スクリーンのレンズの数が一定となるように前記レーザ光が照射される範囲を補正することを特徴とする請求項３に記載の虚像表示装置。
前記照射制御手段は、前記プロジェクタの光路に対する前記映像投射面の角度に基づいて、前記レーザ光によって生成される前記映像の画素数を補正することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の虚像表示装置。
前記スクリーン可動手段は、前記スクリーンの一辺を回転軸として前記スクリーンを回動させることによって前記光路に対する前記映像投射面の角度を変更し、
前記照射制御手段は、前記映像投射面に生成される前記映像の前記回転軸の垂直方向の画素数を、前記回転軸の垂直方向において前記レーザ光が照射される前記スクリーンのレンズの数に対応させて補正することを特徴とする請求項５に記載の虚像表示装置。
前記照射制御手段は、前記プロジェクタの光路に対する前記映像投射面の角度に基づく前記映像の歪みを修正するように前記映像に係るレーザ光の投射範囲を補正することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の虚像表示装置。
前記スクリーン可動手段は、前記プロジェクタから出力される全ての光を前記映像投射面で受ける範囲で前記スクリーンを可動させることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の虚像表示装置。