JP6540988B2 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、実景に画像を重ねて視認させるヘッドアップディスプレイ装置に関する。
ヘッドアップディスプレイ装置は、自車両前方の実景に虚像を重ねて表示することで、実景に情報などを付加した拡張現実（ＡＲ：Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）を生成し、車両を運転する観察者の視線移動を極力抑えつつ、所望の情報を的確に観察者に対して提供することで、安全で快適な車両運行に寄与するものである。
このような観察者に虚像を視認させるものとして、例えば、特許文献１には、所定の投影位置に光束を投影し、虚像を観察者に視認させる投影部を備え、観察者の視点位置を検出し、この検出した視点位置に基づいて可動式ミラーを回動させることで、投影部が出射する光束を観察者の視点位置に向かわせる画像表示装置が開示されている。
次に、例えば特許文献２には、表示器と反射部とを円弧に沿って移動させながら角度を調整することで、表示器から出射される画像光を観察者の視点位置に向け、表示器からの画像光を効率よく観察者に視認させる表示装置が開示されている。
特開２００９−２４６５０５号公報 特開平７−３２９６０３号公報
特許文献１のように、観察者の視点位置に合わせて可動式ミラーを回動させて光束の投影位置を調整する場合、例えば図１０に示すように、画像光Ｎを出射する表示器１０１と、表示器１０１からの画像光Ｎを反射する反射部１０２と、反射部１０２が反射した画像光Ｎを透過反射面２００に反射する凹面反射部（可動式ミラー）１０３と、を備え、凹面反射部１０３を回動させることで、画像光Ｎを投影する位置を調整する。
図１０を参照すると、視点の高さが異なる観察者に向かうそれぞれの画像光Ｎは、表示器１０１の表示面１０１ａからそれぞれ異なる方向へ出射された光である。視点の高さが違った場合でも視認される虚像の輝度が変化しないようにするには、表示器１０１が出射する画像光Ｎの配光特性を広い範囲で一定にする必要がある。従って、表示器１０１から出射される画像光Ｎの配光角（拡散角）を大きくする（指向性を低くする）必要があり、表示器１０１の効率が低下してしまう。
また、特許文献２に開示されているように、画像光を観察者の視点位置に向けるため、電子機器である表示器を円弧に沿って移動させるには、複雑で大掛かりな移動機構などが必要であった。
したがって、本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、観察者に効率よく画像光を向けることができるヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、画像光を透過反射面に投影することで、前記透過反射面を介した実景とともに前記画像光に基づく虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置において、表示画像を示す投影光を出射する投影部と、前記投影光を透過拡散した前記画像光を前記透過反射面側に向ける透過型スクリーンと、前記投影部と前記透過型スクリーンとの間に配置され、前記投影部が出射した前記投影光を反射する第一反射部と、前記第一反射部が反射した前記投影光を反射する第二反射部と、前記第一反射部と前記第二反射部とを回動させるアクチュエータと、を有し、前記透過型スクリーンに入射する前記投影光の光軸の角度を調整する光軸調整部と、を備える。
本発明のヘッドアップディスプレイ装置によれば、簡易な構成で、観察者に効率よく画像光を向けることができる。
本発明の実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置を車両に搭載した概観図である。 同上記実施形態のＨＵＤ装置の概略断面図である。 同上記実施形態の投影部及び光軸調整部の構成を説明するための図である。 同上実施形態の投射レンズの投影像距離を説明するための図である。 同上記実施形態のＨＵＤ装置の電気的な構成を示すブロック図である。 同上記実施形態の光軸調整処理を説明するためのフローチャート図である。 同上記実施形態におけるＨＵＤ装置で比較的高い視点位置に画像光を向ける際の光軸調整部の様子を示す図である。 図７Ａで示した比較的高い視点位置に画像光を向ける際のＨＵＤ装置全体の様子を示す図である。 同上記実施形態におけるＨＵＤ装置で比較的低い視点位置に画像光を向ける際の光軸調整部の様子を示す図である。 図８Ａで示した比較的低い視点位置に画像光を向ける際のＨＵＤ装置全体の様子を示す図である。 変形例におけるＨＵＤ装置で比較的低い視点位置に画像光を向ける際の光軸調整部の様子を示す図である。 従来のヘッドアップディスプレイ装置を説明するための図である。
本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する画像光１００，投影光２００，照明光３００などの光束は、あらゆる方向に無数に存在するが、図面の理解を容易にするため、各光束の中心となる光軸のみ図示するものとする。
図１は、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装置と記載）１の概略を示す。図１に示すように、ＨＵＤ装置１は、典型的には自車両２のダッシュボード内に設置されるが、ＨＵＤ装置１の一部または全部がタッシュボード上に配置されてもよい。
図２は、ＨＵＤ装置１の構成を示す概略断面図である。
図２に示すように、ＨＵＤ装置１は、投影部１０と、光軸調整部２０と、透過型スクリーン３０と、折り返しミラー４０と、凹面ミラー５０と、これらを収納する筐体６０と、ＨＵＤ装置１の電気的な制御を行う制御部７０と、を備える。ＨＵＤ装置１が出射する画像光１００は、ウインドシールド（透過反射面の一例）２ａの投影点Ｐに投影され、ウインドシールド２ａで反射されることで、ウインドシールド２ａの前方（例えば１０〜２０ｍ前方）の任意の位置に虚像Ｖを視認させる。
（投影部１０）
図３は、投影部１０及び光軸調整部２０の具体的な構成と、投影光２００の光路を説明するための図である。
図３の投影部１０は、照明光３００を出射する光源１１と、光源ミラー１２と、プリズム１３と、反射型表示器１４と、投射レンズ１５と、を備え、透過型スクリーン３０上に表示画像（図示しない）を形成するための投影光２００を光軸調整部２０に向けて出射するものである。なお、透過型スクリーン３０に形成される前記表示画像は、一般的に実像と言われてもよい。
図３の光源１１は、例えば、赤色，青色，緑色の光をそれぞれ出力可能な複数のＬＥＤを有し、後述する制御部７０からの制御のもと、所望の色，光強度，タイミングで照明光３００を出射する。また、本実施形態における投影部１０は、フィールドシーケンシャルカラー（Ｆｉｅｌｄ Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｃｏｌｏｒ）駆動方式を採用しており、各色の光源１１が時分割的に照明光３００を出射する。
図３の光源ミラー１２は、例えば、合成樹脂材料からなる基材の表面に、蒸着等の手段により反射膜を形成したものであり、光源１１からの照明光３００を反射によって反射型表示器１４へ適正な角度で入射させるものである。
図３のプリズム１３は、光源ミラー１２と反射型表示器１４との間に配置され、光源ミラー１２から入射する照明光３００の光軸に対して所定の角度で傾いた傾斜面１３ａを有する。傾斜面１３ａに入射した光源ミラー１２からの照明光３００は、傾斜面１３ａを透過し、反射型表示器１４に入射し、そして、反射型表示器１４から出射した投影光２００は、再びプリズム１３に入射し、傾斜面１３ａにより投射レンズ１５の方向へ反射する。
図３の反射型表示器１４は、例えば、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）やＬＣｏＳ（登録商標：Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）などの反射型の表示デバイスであり、プリズム１３から入射した照明光３００を、後述する制御部７０の制御のもと、虚像Ｖを表示するための投影光２００に変換してプリズム１３に向けて反射する。
図３の投射レンズ１５は、例えば、凸レンズなどで形成され、プリズム１３から入射する投影光２００を拡大して、光軸調整部２０の方向へ出射する。投射レンズ１５は、透過型スクリーン３０上に投影光２００を結像させる。
図４を用いて、図３の投射レンズ１５の投影像距離１５１について説明する。投射レンズ１５は、投射レンズ１５から所定の投影像距離１５１だけ離れた位置で反射型表示器１４から出射された投影光２００を結像した前記表示画像を生成し、投影像距離１５の前後の所定の範囲である投影像面深度１５２内で投影光２００による概ねピントのあった前記表示画像を生成することができる。後述する光軸調整部２０は、投射レンズ１５と透過型スクリーン３０との間に配置され、透過型スクリーン３０に入射する投影光２００の光軸の角度を調整する際に、投射レンズ１５から光軸調整部２０までの投影光２００の光路長を変化させる。以下、投射レンズ１５から光軸調整部２０までの投影光２００の光路長を投射距離とも呼ぶ。光軸調整部２０は、投影光２００の前記投射距離が投射レンズ１５の投影像面深度１５２内に収まる範囲内で投影光２００の光軸の角度を調整することで、透過型スクリーン３０上に概ねピントのあった前記表示画像を生成することができる。なお、投影像面深度１５２は、投影像距離１５１から投射レンズ１５側の前方投影像面深度１５２ａと、投影像距離１５１から投射レンズ１５とは反対側の後方投影像面深度１５２ｂとからなる。投影像面深度１５２は、具体的に例えば、前方投影像面深度１５２ａが１．６４１ｍｍ、後方投影像面深度が１．６７８ｍｍからなる３．３１９ｍｍ程の範囲を有する。なお、投影像距離１５１，投影像面深度１５２は、それぞれ、焦点距離，焦点深度と呼ばれてもよい。
（光軸調整部２０）
図３の光軸調整部２０は、投影部１０が出射した投影光２００を受光し、この投影光２００の光軸を調整して、透過型スクリーン３０に向けて投影する。光軸調整部２０は、投影部１０からの投影光２００を入射して反射する第一反射部２１と、この第一反射部２１を第一の回動軸２３を中心に回動させる第一アクチュエータ２２と、第一反射部２１が反射した投影光２００を入射して透過型スクリーン３０に向けて反射する第二反射部２４と、この第二反射部２４を第二の回動軸２６を中心に回動させる第二アクチュエータ２５と、を有する。
図３の第一反射部２１は、例えば、平面ミラーであり、投影部１０が出射した投影光２００を、第二反射部２４に向けて反射させる。図３の第一アクチュエータ２２は、例えばステッピングモータからなり、その回転軸に歯車が設けられている。第一アクチュエータ２２は、筐体６０内に配置され、前記歯車は第一反射部２１の歯車と噛み合わされる。これにより、第一アクチュエータ２２の回転駆動に伴って、第一反射部２１の傾斜角が第一の回動軸２３を中心に調整され、投影光２００の反射方向を調整することができる。なお、第一反射部２１は、凹面、凸面、自由曲面形状で形成されてもよい。
図３の第二反射部２４は、例えば、平面ミラーであり、第一反射部２１が反射した投影光２００を、透過型スクリーン３０に向けて反射させる。図３の第二アクチュエータ２５は、例えばステッピングモータからなり、その回転軸に歯車が設けられている。第二アクチュエータ２５は、筐体６０内に配置され、前記歯車は第二反射部２４の歯車と噛み合わされる。これにより、第二アクチュエータ２５の回転駆動に伴って、第二反射部２４の傾斜角が第二の回動軸２６を中心に調整され、投影光２００の反射方向を調整することができる。なお、第一反射部２１の回転中心となる第一の回動軸２３と、第二反射部２４の回転中心となる第二の回動軸２６とは、同じ向きで平行に配置される。また、光軸調整部２０は、投影部１０からの投影光２００を、第一の回動軸２３（第二の回動軸２６）に垂直に入射するように配置される。これによって、第一反射部２１及び第二反射部２４が後述する『光軸調整処理』によりそれぞれ回転した場合でも、常に、第一反射部２１が反射する投影部１０から第二反射部２４までの投影光２００の光路と、第二反射部２４が反射する第一反射部２１から透過型スクリーン３０までの投影光２００の光路とは、同一平面上を通る。すなわち、第一反射部２１及び第二反射部２４が回動による投影光２００の光路変化が単純化され、光軸調整部２０の配置や機構を簡素化することができる。なお、第二反射部２４は、凹面、凸面、自由曲面形状で形成されてもよい。
すなわち、図３の光軸調整部２０は、第一反射部２１及び第二反射部２４それぞれの角度を連動して調整することで、透過型スクリーン３０に入射する投影光２００の光軸の入射角度を調整することができる。この光軸調整部２０が行う投影光２００の光軸の角度を調整する『光軸調整処理』については、後で詳述する。
図３の透過型スクリーン３０は、例えば、ホログラフィックディフューザ、マイクロレンズアレイ、拡散板等によって構成され、光軸調整部２０（第二反射部２４）からの投影光２００を背面で受光し、図１の配光エリアＥに向けて透過拡散させた画像光１００を出射するものである。透過型スクリーン３０は、投影光２００を入射して拡散した光を折り返しミラー４０に向かわせる。透過型スクリーン３０は、観察者の視点位置が配光エリアＥ内であれば、視認される虚像Ｖの輝度が略均一に視認されるように画像光１００を配向する。本発明のＨＵＤ装置１は、光軸調整部２０により透過型スクリーン３０から出射される画像光１００の光軸方向を調整することができる。すなわち、本発明のＨＵＤ装置１は、画像光１００が配光される配光エリアＥの位置を調整することができるため、観察者の視点位置に効率よく画像光１００（配光エリアＥ）を向けることができる。
図２の折り返しミラー（リレー光学系）４０は、例えば合成樹脂材料からなる基材の表面に、蒸着等の手段により反射膜を形成したものであり、透過型スクリーン３０により拡散・透過された投影光２００を後述する凹面ミラー５０に向けて反射させる。
図２の凹面ミラー（リレー光学系）５０は、例えば合成樹脂材料からなる基材の表面に、蒸着等の手段により反射膜を形成したものであり、凹面ミラー５０の曲率は凹状の自由曲面を有する。その詳細な表面形状は，透過型スクリーン３０，折り返しミラー４０，ウインドシールド２ａ，観察者の視点の移動範囲(アイボックス)との間の位置関係と、ウインドシールド２ａの曲率と、要求される虚像Ｖの結像距離と、観察者が視認するＨＵＤ装置１の画角に基づいて、光学設計ソフトにより計算される。凹面ミラー５０は、光学設計ソフトにより、観察者の視点位置が移動しても虚像Ｖの位置が変化しないという制約条件の下で、前記虚像Ｖの歪みが最小となるように設計することが可能であり、折り返しミラー４０で反射された投影光２００を拡大してウインドシールド２ａに向けて反射する。なお、透過型スクリーン３０からの画像光１００を配光エリアＥに向けるリレー光学系は、折り返しミラー４０及び凹面ミラー５０などの反射型のリレー光学系に限られず、レンズなどの屈折型のリレー光学系であってもよい。
図２の筐体６０は、例えばアルミニウムなどの金属材料からなり略箱型の部材であって、内部に種々の取り付け形状（図示しない）が設けられ、本実施形態においては、投影部１０と、光軸調整部２０と、透過型スクリーン３０と、折り返しミラー４０と、を所定の位置関係で保持する。また、筐体６０の内面は、例えば黒色に塗装されており、ＨＵＤ装置１の外部や投影部１０に起因する迷光を生じにくくする。また、筐体６０の上面には、凹面ミラー５０が反射する画像光１００を透過する透明樹脂材料などで形成される透光部６１が設けられる。
図４を参照して、ＨＵＤ装置１の電気的な構成について説明する。制御部７０は、図４に示すように、１つもしくは複数のマイクロプロセッサ，マイクロコントローラ，ＡＳＩＣ，ＦＰＧＡ，任意の他のＩＣなどを有する処理部７１と、ＲＯＭ，ＥＥＰＲＯＭ，不揮発性メモリであるフラッシュメモリなどのプログラムやデータを記憶することができる１つまたは複数のメモリを有する記憶部７２と、後述するネットワーク部８０に接続された入出力部７３と、を備える。なお、制御部７０は、筐体６０の内部もしくは一部または全部が外部に設けられた図示しないプリント回路基板などに実装されている。
ネットワーク部８０は、例えば、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等であり、制御部７０（入出力部７３）を、後述する車両側の視点位置検出部９１や操作入力部９２などと信号を授受可能に接続する。
図５の視点位置検出部９１は、観察者の視点位置（少なくとも視点の鉛直方向の上下位置）を検出するものであり、本実施形態では、観察者を撮像する赤外線カメラ（図示しない）と、この赤外線カメラで取得された撮像データを解析する視点画像解析部（図示しない）と、を有する。
赤外線カメラは、観察者の目を撮像するものであり、前記視点画像解析部が赤外線カメラで取得した撮像データを、公知の画像処置、パターンマッチング法などにより画像解析することで、観察者の視点位置を解析して、観察者の視点位置に関する情報（視点位置情報Ｂ）を制御部７０に出力する。制御部７０は、視点位置検出部９１からの視点位置情報Ｂに基づき、後述するように第一アクチュエータ２２及び第二アクチュエータ２５を駆動して、第一反射部２１及び第二反射部２４を回動させる。なお、観察者が操作入力部９２を操作することで、自らの視点位置に合うように画像光１００の向きを調整してもよい。このような場合、制御部７０は、入出力部７３を介して操作入力部９２から操作情報を入力し、この操作情報に基づき、後述するように第一アクチュエータ２２及び第二アクチュエータ２５を駆動して、第一反射部２１及び第二反射部２４を回動させる。
図５の入出力部７３は、ネットワーク部８０を介して視点位置検出部９１から視点位置情報Ｂ、操作入力部９２から前記操作情報を入力する。処理部７１は、入出力部７３から入力した視点位置情報Ｂまたは前記操作情報に基づいて、記憶部７２から光軸調整処理のプログラムを読み出し、実行する。
例えば、記憶部７２は、視点位置情報Ｂまたは前記操作情報と、第一アクチュエータ２２及び第二アクチュエータ２５の制御データとを関連づけたテーブルデータを予め記憶する。そして、処理部７１は、記憶部７２に記憶されたテーブルデータを用いて、入出力部７３から入力された視点位置情報Ｂまたは前記操作情報に対応づけられた制御データを読み出し、第一アクチュエータ２２及び第二アクチュエータ２５を駆動する。なお、第一反射部２１及び第二反射部２４は、一定の回転比で回動するため、前記制御データを個別に記憶する必要はない。従って、記憶部７２の容量を削減することができる。なお、本実施形態における入出力部７３は、特許請求の範囲に記載の視点位置情報取得手段、操作情報取得手段としての機能も有する。
また、処理部７１は、反射型表示器１４により生成する画像を予め歪ませて投影光２００として出射することで、第一反射部２１及び第二反射部２４の角度，凹面ミラー５０の曲率，ウインドシールド２ａ（反射透過面）の曲率，観察者の視点位置などによって生じる画像の歪みを相殺または軽減することができる。これより、本実施形態における『光軸調整処理』を、図６乃至８を用いて説明する。
図６は、本実施形態の光軸調整処理のフローチャート図である。
ステップＳ１において、処理部７１は、入出力部７３を介して視点位置検出部９１から観察者の視点位置（少なくとも高さを含む）に関する現在の視点位置情報Ｂを入力する。処理部７１は、現在の視点位置情報Ｂを入力すると、ステップＳ２に移行する。
ステップＳ２において、処理部７１は、記憶部７２に記憶される、過去の（直前の）視点位置情報Ａを読み込み、ステップＳ３において、過去の視点位置情報Ａと現在の視点位置情報Ｂとの差分Ｃを演算する。
ステップＳ４において、処理部７１は、差分Ｃの絶対値が、予め定められる閾値ｘより大きいか否か（｜Ｃ｜＞ｘ）を判定する。処理部７１は、ステップＳ４において差分Ｃの絶対値が閾値ｘより大きい（｜Ｃ｜＞ｘ）場合（ステップＳ４でＹＥＳ）、すなわち観察者の視点位置の変化（上下方向の変化）が所定の値よりも大きい場合には、ステップＳ５に移行する。また、処理部７１は、ステップＳ４において差分Ｃの絶対値が閾値ｘ以下である（｜Ｃ｜≦ｘ）場合（ステップＳ４でＮＯ）、再びステップＳ１に移行する。
ステップＳ５において、処理部７１は、現在の視点位置情報Ｂに対応した第一アクチュエータ２２及び第二アクチュエータ２５の制御データ（補正値）を記憶部７２から読み込み、次いでステップＳ６において、前記制御データを第一アクチュエータ２２及び第二アクチュエータ２５に出力する。なお、第一アクチュエータ２２及び第二アクチュエータ２５の前記制御データは、例えば、前記視点位置情報と対応付けたテーブルデータとして記憶部７２に記憶される。第一アクチュエータ２２は、入力される前記制御データに基づいて回転駆動して第一反射部２１の傾斜角度を調整し、また、第二アクチュエータ２５は、入力される前記制御データに基づいて回転駆動して第二反射部２４の傾斜角度を調整する。
処理部７１は、ステップＳ７において、現在の視点位置情報Ｂを過去の視点位置情報Ａとして汎用メモリに記憶し、過去の視点位置情報Ａを更新する。
処理部７１は、電源がオフされるまで上記の制御を繰り返し実行することによって、観察者の最新の視点位置情報Ｂに応じて、第一アクチュエータ２２及び第二アクチュエータ２５を動作させて第一反射部２１の傾斜角度と、第二反射部２４の傾斜角度を調整し、観察者の視点位置の高さに応じて画像光１００の投影位置を調整することができる。
図７Ａは、基準となる視点位置３に対して比較的高い視点位置３ａに画像光１００ａを向ける際の光軸調整部２０の様子を示した図である。
処理部７１は、前述の制御方法を実行して最新の視点位置情報Ｂの入力に応じて第一アクチュエータ２２及び第二アクチュエータ２５を制御する。第一アクチュエータ２２の回転駆動によって第一反射部２１を図７Ａにおける時計回りに回転させ、第一反射部２１の傾斜角度をより立ち上がる方向に調整することで、投影部１０から受光する投影光２００の反射方向を図７Ａに図示した符号２００ａの方向に調整する。また同時に、第二アクチュエータ２５の回転駆動によって第二反射部２４を図７Ａにおける時計回りに回転させ、第二反射部２４の傾斜角度をより立ち上がる方向に調整することで、第一反射部２１から受光する投影光２００ａを透過型スクリーン３０上の所定の点Ｄを通るように反射する。透過型スクリーン３０は、第二反射部２４から反射された投影光２００ａを背面で受光し、この投影光２００ａに沿った画像光１００ａを出射する。
図７Ｂは、図７Ａで説明した基準となる視点位置３に対して比較的高い視点位置３ａに画像光１００ａを向ける際のＨＵＤ装置１全体の様子を示す。図７Ａの光軸調整部２０で角度調整された画像光１００ａは、図７Ｂに示すように基準となる視点位置３に向かう画像光１００の投影点Ｐよりも上方に位置する投影点Ｐａで視点位置３ａに向けて反射される。観察者の視点位置３ａに向けられた画像光１００ａは、図７Ｂの視点位置３，３ｂに向けられた画像光１００，１００ｂと同様に透過型スクリーン３０上の所定の点Ｄを通る。このため、比較的高い視点位置３ａから視認される虚像Ｖの結像位置は、標準的な視点位置３，比較的低い地点位置３ｂで視認される虚像Ｖの結像位置と概ね一致する。また、光軸調整部２０の光軸調整処理によって、透過型スクリーン３０から出射される画像光１００を比較的高い視点位置３ａに効率よく向けることができる。
図８Ａは、基準となる視点位置３に対して低い視点位置３ｂに画像光１００ｂを向ける際の光軸調整部２０の様子を示した図である。
処理部７１は、前述の制御方法を実行して最新の視点位置情報Ｂの入力に応じて第一アクチュエータ２２及び第二アクチュエータ２５を制御する。第一アクチュエータ２２の回転駆動によって第一反射部２１を図８Ａにおける反時計回りに回転させ、第一反射部２１の傾斜角度をより倒れた方向に調整することで、投影部１０から受光する投影光２００の反射方向を図８Ａに図示した符号２００ｂの方向に調整する。また同時に、第二アクチュエータ２５の回転駆動によって第二反射部２４を図８Ａにおける反時計回りに回転させ、第二反射部２４の傾斜角度をより倒れた方向に調整することで、第一反射部２１から受光する投影光２００ｂを透過型スクリーン３０上の所定の点Ｄを通るように反射する。透過型スクリーン３０は、第二反射部２４から反射された投影光２００ｂを背面で受光し、この投影光２００ｂに沿った画像光１００ｂを出射する。
図８Ｂは、図８Ａで説明した基準となる視点位置３に対して比較的低い視点位置３ｂに画像光１００ｂを向ける際のＨＵＤ装置１全体の様子を示す。図８Ａの光軸調整部２０で角度調整された画像光１００ｂは、図８Ｂに示すように基準となる視点位置３に向かう画像光１００の投影点Ｐよりも下方に位置する投影点Ｐｂで視点位置３ｂに向けて反射される。観察者の視点位置３ｂに向けられた画像光１００ｂは、図８Ｂの視点位置３，３ａに向けられた画像光１００，１００ａと同様に透過型スクリーン３０上の所定の点Ｄを通る。このため、比較的低い視点位置３ｂから視認される虚像Ｖの結像位置は、標準的な視点位置３，比較的高い地点位置３ａで視認される虚像Ｖの結像位置と概ね一致する。また、光軸調整部２０の光軸調整処理によって、透過型スクリーン３０から出射される画像光１００を比較的低い視点位置３ｂに効率よく向けることができる。
第一反射部２１及び透過型スクリーン３０は、例えば、図７Ａ及び図８Ａに示すように、所定の楕円Ｑの焦点Ｆａ，Ｆｂの位置またはその近傍にそれぞれ配置される。具体的に例えば、第一反射部２１の反射面における中心点２１ｒが楕円Ｑの一方の焦点Ｆａに配置され、透過型スクリーン３０の中心点が他方の焦点Ｆｂに配置される。第二反射部２４は、図７Ａ及び図８Ａの点線で示した楕円Ｑの軌跡の近傍となる反射位置２４ｒ(２４ｒａ，２４ｒｂ)で第一反射部２１が反射した投影光２００を、透過型スクリーン３０上の所定の点Ｄに向けて反射する。
楕円の性質上、一方の焦点Ｆａから反射位置２４ｒまでの距離と、反射位置２４ｒから他方の焦点Ｆｂまでの距離との和は、反射位置２４ｒが楕円Ｑの軌跡上であれば反射位置２４ｒの位置によらず一定となる。言い換えれば、一方の焦点Ｆａ（第一反射部２１）からの光（投影光２００）を他方の焦点Ｆｂ（透過型スクリーン３０）に向けて楕円Ｑの軌跡上で反射すれば、一方の焦点Ｆａ（第一反射部２１）から他方の焦点Ｆｂ（透過型スクリーン３０）までの光（投影光２００）の光路長は常に一定にすることができる。しかしながら、本実施形態において第二反射部２４は、第二の回動軸２６を中心に回動するため、反射点２４ｒを楕円Ｑの軌跡上に配置した場合、第二反射部２４が反射した投影光２００が透過型スクリーン３０上の所定の点Ｄを通らなくなってしまう。すなわち、第二反射部２４の反射点２４ｒが所定の楕円Ｑの軌跡上に配置されるように第二反射部２４の角度を調整した場合、透過型スクリーン３０上に形成される前記表示画像の位置がずれてしまう。透過型スクリーン３０上に形成される前記表示画像が光軸調整部２０の光軸調整でずれてしまう場合、形成される前記表示画像が透過型スクリーン３０からはみ出さないように透過型スクリーン３０のサイズを予め大きくする必要がある。
本実施形態の第二反射部２４は、第一反射部２１が反射した投影光２００を透過型スクリーン３０上の所定の点Ｄに向けて反射するように、楕円Ｑの軌跡上ではない位置を反射位置２４ｒ（２４ｒａ，２４ｒｂ）とする。これにより、第二反射部２４の角度調整により透過型スクリーン３０上に形成される前記表示画像のずれが抑制され、透過型スクリーン３０を小型化することができる。なお、本実施形態では、第二反射部２４の反射点２４ｒが楕円Ｑの軌跡上に配置されないため、光軸調整処理により、第一反射部２１から透過型スクリーン３０までの投影光２００の光路長は常には一定にならないが、光軸調整処理により変化する前記投射距離が投射レンズ１５の投影像面深度の範囲内に抑えることで、透過型スクリーン３０上にピントが合っているとみなせる前記表示画像を生成することができる。
以上に説明したＨＵＤ装置１は、観察者に虚像Ｖを視認させるものであって、投影光２００を出射する投影部１０と、投影部１０が出射した投影光２００を反射する第一反射部２１と、第一反射部２１を回動させる第一アクチュエータ２２と、第一反射部２１が反射した投影光２００を反射する第二反射部２４と、第二反射部２４を回動させる第二アクチュエータ２５と、第一アクチュエータ２２と第二アクチュエータ２５とを制御する制御部７０と、第二反射部２４が反射した投影光２００を透過拡散させる透過型スクリーン３０と、透過型スクリーン３０から出射した画像光１００をウインドシールド２ａ（透過反射面）に向けて反射し、観察者の視点の高さが所定の範囲内で変わった場合でも実景に対する虚像Ｖの視認される位置のずれを抑制する凹状の曲面を有する凹面ミラー５０と、を備え、制御部７０は、第一アクチュエータ２２及び第二アクチュエータ２５とを駆動し、透過型スクリーン３０に入射する投影光２００の光軸の角度を調整する。したがって、第一反射部２１及び第二反射部２４を回動させる簡易な方法で、透過型スクリーン３０から出射される画像光１００の方向を観察者の視点位置に向けることが可能となる。
また、光軸調整部２０は、通常使用される視点の高さ範囲（視点位置３ａ〜３ｂ）に画像光１００を向けるために透過型スクリーン３０に入射する投影光２００の角度を所定の角度範囲内で調整し、この角度範囲内で調整される投影光２００の投影部１０から透過型スクリーン３０までの前記投射距離を、投射レンズ１５の投影像面深度内に収めるため、光軸調整処理がなされた場合でも透過型スクリーン３０上にピントが合っているとみなせる前記表示画像を形成することができる。
また、光軸調整部２０は、投影光２００を、透過型スクリーン３０に入射する角度がそれぞれ異なる第一の光軸に沿う第一の投影光２００、第二の光軸に沿う第二の投影光２００ａ、第三の光軸に沿う第三の投影光２００ｂに少なくとも調整可能であり、そして、これら第一，第二，第三の画像光２００，２００ａ、２００ｂを、透過型スクリーン３０上の所定の点Ｄに向ける。したがって、光軸調整処理がされた場合であっても透過型スクリーン３０上の概ね同じ領域に前記表示画像が形成されるため透過型スクリーン３０を小型化することができる。また、光軸調整処理がされた画像光２００（２００ａ、２００ｂ）が所定の点Ｄを通るため、視点位置が異なる観察者にも実景に対して同じ位置に虚像Ｖを視認させることができる。なお、上記実施形態では、所定の点Ｄが透過型スクリーン３０上に配置されていたが、透過型スクリーン３０上になくてもよい。具体的には、透過型スクリーン３０の位置を、図７Ｂで記載されている位置よりも折り返しミラー４０側もしくは投影部１０側にシフトして配置してもよい。
また、凹面ミラー５０は、観察者の視点の高さが所定の範囲内で変わった場合でも実景に対する虚像Ｖの視認される位置のずれを抑制する凹状の曲面を有するため、筐体６０の内部で第一反射部２１と第二反射部２４とが回動する簡易な構成で、観察者の視点位置（高さ）が異なっても、実景に対して視認される相対的な位置が変化いない一定の輝度を有する虚像Ｖを視認させることができる。
また、上記実施形態において、第二反射部２４は、第二の回動軸２６を中心に回動するのみであったが、図９に示すように、移動しながら回動するものであってもよい。斯かる構成により、第一反射部２１から入射される投影光２００を、投影部１０から透過型スクリーン３０までの光路長を一定に保ちながら所定の点Ｄに向けることができる。
また、上記実施形態においては、第一反射部２１と第二反射部２４とをそれぞれ別々のアクチュエータで回転させていたが、図示しない共通のアクチュエータにより第一反射部２１と第二反射部２４とを回動させてもよい。なお、第一反射部２１と第二反射部２４は、前記共通のアクチュエータから第一反射部２１と第二反射部２４それぞれに動力を伝達する歯車などのギア比を異ならせることで、共通のアクチュエータの駆動に伴い所定の回転比で回転する。
また、曲面であるウインドシールド２ａにおいて投影光２００の投影位置が異なる場合には、投影位置によって虚像Ｖの歪みが異なる場合がある。これに対し、制御部７０は、第一アクチュエータ２２及び／または第二アクチュエータ２５の動作状態、すなわち、投影光２００の透過型スクリーン３０への入射角度に応じて、虚像Ｖの歪みを補正する補正パラメータを変更してもよい。この補正パラメータは、ウインドシールド２ａに投影された虚像Ｖの歪みを抑制するべく、ウインドシールド２ａにおける歪みと逆方向に前記表示画像を予め歪めて表示するためのパラメータである。例えば、第一アクチュエータ２２及び／または第二アクチュエータ２５の制御データに対応付けて複数の補正パラメータを記憶部７２にデータテーブルとして記憶し、処理部７１は、前述の制御方法によって決定される第一アクチュエータ２２及び／または第二アクチュエータ２５の前記制御データに応じて前記補正パラメータを決定し、投影部１０に出力する。これによって、投影光２００のウインドシールド２ａにおける投影位置が調整される場合であっても虚像Ｖの歪みを抑制することができる。
また、投影光２００が投影される反射透過面は、自車両２のウインドシールド２ａに限定されない。投影光２００が投影される反射透過面は、例えば、専用に設けられるコンバイナ部材であってもよい。
以上の説明では、本発明の理解を容易にするために、重要でない公知の技術的事項の説明を適宜省略した。
１ ＨＵＤ装置（ヘッドアップディスプレイ装置）
２ 自車両
２ａ ウインドシールド（透過反射面）
３ 観察者
１０ 投影部
１１ 光源
１２ 光源ミラー
１３ プリズム
１４ 反射型表示器
１５ 投射レンズ
２０ 光軸調整部
２１ 第一反射部
２２ 第一アクチュエータ
２４ 第二反射部
２５ 第二アクチュエータ
３０ 透過型スクリーン
４０ 折り返しミラー
５０ 凹面ミラー
６０ 筐体
７０ 制御部
７１ 処理部
７２ 記憶部
７３ 入出力部（視点位置情報取得手段、操作情報取得手段）
８０ ネットワーク部
９１ 視点位置検出部
９２ 操作入力部

１００ 画像光
２００ 投影光
３００ 照明光

Claims (10)

  1. 画像光を透過反射面に投影することで、前記透過反射面を介した実景とともに前記画像光に基づく虚像を視認させるヘッドアップディスプレイ装置において、
    表示画像を示す投影光を出射する投影部と、
    前記投影光を透過拡散した前記画像光を前記透過反射面側に向ける透過型スクリーンと、
    前記投影部と前記透過型スクリーンとの間に配置され、前記投影部が出射した前記投影光を反射する第一反射部と、前記第一反射部が反射した前記投影光を反射する第二反射部と、前記第一反射部と前記第二反射部とを回動させるアクチュエータと、を有し、前記透過型スクリーンに入射する前記投影光の光軸の角度を調整する光軸調整部と、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. 前記投影部は、前記透過型スクリーン上に前記投影光を結像させる投射レンズを有し、
    前記光軸調整部は、所定の角度範囲内で調整される前記投影光の前記投影部から前記透過型スクリーンまでの投影距離を、前記投射レンズの投影像面深度内に収める、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. 前記光軸調整部は、前記投影光を、前記透過型スクリーンに入射する角度がそれぞれ異なる第一の光軸に沿う第一の投影光、第二の光軸に沿う第二の投影光、第三の光軸に沿う第三の投影光に少なくとも調整可能であり、前記第一，第二，第三の投影光は、所定の点で交わる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  4. 前記透過型スクリーンは、前記所定の点を含む面を有する、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. 前記アクチュエータは、前記第一反射部と前記第二反射部とを回動させる同一のアクチュエータを含み、前記第一反射部と前記第二反射部とを所定の回転比で回転させる、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  6. 前記アクチュエータは、前記第二反射部を所定の楕円の軌跡上を移動させながら回動させる、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  7. 前記第一反射部が反射する前記投影部から前記第二反射部までの前記投影光の光路と、前記第二反射部が反射する前記第一反射部から前記透過型スクリーンまでの前記投影光の光路とは、同一平面上を通る、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  8. 前記投影部は、前記光軸調整部の動作に従い、前記虚像の歪みを補正するように前記投影光を変化させる、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  9. 観察者の視点位置に関する視点位置情報を取得する視点位置情報取得手段をさらに備え、
    前記視点位置情報取得手段からの入力される前記視点位置情報に基づき、前記アクチュエータを駆動する、ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  10. 観察者が操作入力部を操作する操作情報を取得する操作情報取得手段をさらに備え、前記操作情報取得手段から入力される前記操作情報に基づき、前記アクチュエータを駆動する、ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
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