JP6569999B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示装置に関する。

表示装置として、ヘッドアップディスプレイ（Ｈｅａｄ‐Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ、以下、ＨＵＤとも表記する）が知られている。ＨＵＤは、透光性の表示媒体に画像を投影し、この画像を、表示媒体越しに見える物に重畳するようユーザに提示して、いわゆるＡＲ（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）を実現することができる。

そして自動車用のＨＵＤには、運転を支援する情報等を、ウインドシールドの前方にあって現実の景色と重畳して見える虚像として運転者に提示するものがある。

特許文献１に記載のＨＵＤは、画像を結像させるための光が走査されるスクリーンを光軸方向に移動させることによって虚像の表示位置（運転者が知覚する虚像の位置であり、以下、その位置までの距離を「表示距離」という）を変化させる。また、特許文献２に記載のＨＵＤは、遠近法を利用して、運転者に提示する虚像に遠近感を与える。

特開２００９−１５０９４７号公報 特開２０１０−２２１８３０号公報

しかしながら特許文献１又は２に記載のＨＵＤでは、連続的な奥行き感のある虚像、及びさらに高低差を表現する虚像、例えば路面の起伏に追従する形状を呈する図形の虚像の表示が難しい。

本発明は、運転者等のユーザから見て重畳する物体と追従する形状を呈する虚像を提示する表示装置を提供する。

本発明の一態様に係る表示装置は、透明な表示媒体を用いて立体的な虚像を表示するための光学系を備える表示装置であって、光学系は、レーザ光を出射するレーザと、レーザ光を受け且つ反射し、反射するレーザ光の走査をするＭＥＭＳスキャナと、ＭＥＭＳスキャナによってレーザ光が走査されることで表面に像を結像させるスクリーンと、スクリーンの表面に結像している像を表示媒体に投影することで、ユーザに知覚される虚像を生成する投影部と、レーザ光が走査されているスクリーンを、光学系の光路に沿う所定の区間において所定の周期で往復移動させる駆動部とを含む。このＭＥＭＳスキャナは、上記の所定の周期と同期している走査周期でスクリーンにレーザ光を繰り返しラスタースキャンすることでレーザ光の走査を実行し、このラスタースキャンにおいて、ユーザから見て虚像と重畳する背景の物体の形状に応じて走査線の垂直方向の移動の速度を変化させる。

なお、これらの包括的又は具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム又はコンピュータ読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体で実現されてもよく、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム及び記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。

本発明の表示装置は、ユーザから見て重畳する物体と追従する形状を有する虚像を表示することができる。

図１は、実施の形態における表示装置の使用例を示す図である。 図２は、実施の形態における表示装置によって画像が投影される領域の一例を示す図である。 図３は、実施の形態における表示装置によって生成される虚像と自動車前方の景色との重畳の一例を示す図である。 図４は、実施の形態における表示装置の機能構成を示すブロック図である。 図５は、実施の形態における表示装置によって虚像の他の表示態様が行われる場面を説明するための図である。 図６Ａは、背景にあって重畳する物体の形状に追従していない形状の虚像の見え方の一例を示す図である。 図６Ｂは、背景にあって重畳する物体の形状に追従する形状の虚像の見え方の一例を示す図である。 図７Ａは、同期する周期で実行される走査部の動作及びスクリーンの動作の一例を示す図である。 図７Ｂは、同期する周期で実行される走査部の動作及びスクリーンの動作の他の例を示す図である。 図８Ａは、背景にあって重畳する物体の形状に追従しない形状の虚像を表示させるときの、走査線の垂直方向の移動の軌跡の一例を示す図である。 図８Ｂは、背景にあって重畳する物体の形状に追従する形状の虚像を表示させるときの、走査線の垂直方向の移動の軌跡の一例を示す図である。

（本発明の基礎となった知見）
本発明者らは、「背景技術」の欄において記載した表示装置に関し、以下の問題が生じることを見出した。

表示距離が時間的又は空間的に異なる虚像をユーザに見せるために、特許文献１に開示される表示装置では、走査手段から見て互いに重ならないように配置された、投影手段までの間の距離が各々可変の複数のスクリーンが用いられる。各スクリーン上に結像した像は、ウインドシールドの所定の領域を３分割した互いに重ならないようサブ領域にそれぞれ投影される。

しかしながらこのような表示装置では、同一の時間内においては、同一のサブ領域に投影されて生成される虚像は同じ表示距離である。したがって、表示距離の段階はサブ領域の数、つまりスクリーンの数に依存する。

また、表示距離の異なる虚像の配置は、所定の領域の分割の態様に依存する。例えば所定の領域が、左右に並ぶ縦長のサブ領域に分割されている場合は、表示距離の異なる虚像を左右に並べて表示することはできるが、上下に並べて表示することはできない。同様に、上下に並ぶ横長のサブ領域に分割されている場合は、表示距離の異なる虚像を上下に並べて表示することはできるが、左右に並べて表示することはできない。

このような表示装置では、標識や交差点等、運転手からある距離にある物を示すことはできるが、例えば前景から後景に亘って連続的に変化する表示距離を持つ虚像の表示は困難である。したがって、例えば現在の走行位置から曲がる位置まで伸びる経路案内の矢印、又は車線逸脱防止のために区画線と重畳して見える図形の虚像を表示するには、特許文献２に示されるような幾何学的な遠近法をさらに利用する手法が考えられる。しかしこの場合は、虚像を表示させるための像の大きさが同一のスクリーンに限定されるか、より大きな像を結像させるために隣り合うスクリーンの投影手段までの間の距離を同じにする代わりに表示距離の段階を減らす必要があるという問題がある。

また、一定の表示距離にある虚像の場合と異なり、連続的な奥行き感のある虚像を道路等の物体と重畳させてユーザに見せる場合、物体の表面の形状にある程度追従する形状が表現できなければ、ユーザに違和感を覚えさせる。上記のような運転者に提示される車線逸脱防止のための区画線と重畳させるべき虚像であれば、この違和感は運転者による周囲状況認知の誤りにつながるおそれがあり、安全上の問題もある。

このような問題を解決するために、本発明の一態様に係る表示装置は、透明な表示媒体を用いて立体的な虚像を表示するための光学系を備える表示装置であって、この光学系は、レーザ光を出射するレーザと、レーザ光を受け且つ反射し、反射するレーザ光の走査をするＭＥＭＳスキャナと、このＭＥＭＳスキャナによってレーザ光が走査されることで表面に像を結像させるスクリーンと、このスクリーンの表面に結像している像を上記の表示媒体に投影することで、ユーザに知覚される虚像を生成する投影部と、レーザ光が走査されている上記のスクリーンを、光学系の光路に沿う所定の区間において所定の周期で往復移動させる駆動部とを含み、ＭＥＭＳスキャナは、上記の所定の周期と同期している走査周期でスクリーンにレーザ光を繰り返しラスタースキャンすることで上記のレーザ光の走査を実行し、このラスタースキャンにおいて、ユーザから見て虚像と重畳する背景の物体の形状に応じて走査線の垂直方向の移動の速度を変化させる。

これにより、ユーザはスクリーンの表面に結像する像の残像効果によって生成される立体的な像が表示媒体に投影されることで生成される虚像を、この表示媒体越しに見る。この虚像は、スクリーンのラスタースキャンの水平方向及び垂直方向の移動範囲に応じた二次元的な範囲に亘って描画され得る図形の、スクリーンの往復移動のストロークに応じた奥行き感のある虚像としてユーザに知覚される。また、走査線の垂直移動の速度を変化させることでスクリーンの往復移動の経路上の位置に対する走査線の垂直位置が変化する。これにより、奥行き方向に沿う高低差をこの虚像で表現することができる。

より具体的には、例えば、上記の虚像の背景にある物体は、ユーザの経路において前方に伸びる道路であり、ＭＥＭＳスキャナは、この道路の形状を示す地形情報に基づいて垂直方向の移動の速度を変化させることで、虚像の形状をこの道路の形状に垂直方向で追従させてもよい。

これにより、走査線の垂直方向の移動の速度を、虚像の背景に入る道路の傾斜に応じて変化させることで、奥行き方向に沿って高低が変化するような、傾斜が変化する道路の形状に追従する図形の虚像をユーザに見せることができる。

また例えば、上記の表示媒体は自動車のウインドシールドであり、上記の光学系はこの自動車に搭載され、上記の地形情報は、この自動車が搭載する、自動車の前方の地形を検出するセンサを用いて取得された検出地形情報、及び自動車の前方の地形を示す地図情報の少なくとも一方を含み、虚像は、ユーザへの経路案内情報及び道路に関する情報の少なくとも一方を示す図形又は文字を含んでもよい。

これにより、例えばナビゲーションシステムから取得可能な地図情報や、自動車の前方の地形を検知可能なセンサから取得される、虚像の背景に入る道路の形状を示す情報に基づいて、虚像中の図形等がユーザから見てこの道路の形状に追従するよう走査線の垂直移動の速度に変化を付けることができる。

なお、これらの包括的又は具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム又はコンピュータ読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体を用いて実現されてもよく、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム又は記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。

以下、実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。以下で説明される実施の形態は、包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態）
図１は、本実施の形態における表示装置の使用例を示す図である。

本実施の形態における表示装置１００は、車載用のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）として構成され、自動車２００のダッシュボード２２０の上面付近に取り付けられる。

この表示装置１００は、ウインドシールド（いわゆるフロントガラス）２１０上で、一点鎖線で示される運転手の視界内にある領域Ｄ１０に光を投射する。投射された光の一部はウインドシールド２１０を透過するが、他の一部はウインドシールド２１０に反射される。この反射光は、表示装置１００のユーザである運転席に座る運転者の目に向かう。運転者は、目に入ったその反射光を、ウインドシールド２１０越しに見える実在の物体を背景に、ウインドシールド２１０を挟んで反対側（自動車２００の外側）にある物体の像のように見える虚像Ｖｉとして知覚する。この状況を以下では、表示装置１００が虚像Ｖｉを生成する、又は、表示装置１００がユーザに虚像Ｖｉを表示する、のように表現する。

図２は、本実施の形態における表示装置１００によって光が投射される領域である領域Ｄ１０の一例を示す図である。

領域Ｄ１０は、例えば図２に破線で囲まれた領域として示されるように、ウインドシールド２１０の運転席側の下寄りに位置する。ダッシュボード２２０に取り付けられた表示装置１００は、図１に示されるように領域Ｄ１０に光を投射することでウインドシールド２１０に画像を投影する。これにより運転者からは自動車２００の外側にある物体の像のように見える虚像Ｖｉが生成される。

なお、ウインドシールド２１０に投影された画像は、その領域Ｄ１０内の上下位置によって、虚像Ｖｉにおいて運転者から異なる距離にあるように知覚され得る。例えば図１及び図２の例では、領域Ｄ１０は運転者の目の高さよりも下に位置するため、領域Ｄ１０でより低い位置にある画像は、虚像Ｖｉにおいては運転者からより近い位置に、領域Ｄ１０に投影された画像内でより高い位置にある物は、虚像Ｖｉにおいては運転者からより遠い位置にある物として知覚され得る。このように知覚される原理は、幾何学的な遠近法の一種（上下遠近法）によって説明される。

図３は、本実施の形態における表示装置１００によって生成される虚像の一例、及びこの虚像と、走行中の自動車２００の運転者から見た自動車２００前方の景色との重畳の一例を示す図である。

図３全体は、自動車２００を運転中の運転者（図示なし）の視界内の景色の一部を模式的に示す。ただし表示装置１００から画像が投影される領域Ｄ１０を示す破線の枠は、本実施の形態の説明の便宜上示されるものであり、存在して運転者に知覚されるものではない。参照符号２００が示すのは、自動車２００の一部であるボンネットである。また、参照符号Ｖｉ１が付された矢印の像は、表示装置１００によって生成されて運転者に知覚されている虚像Ｖｉの一例である。

図３に示されるように、虚像Ｖｉ１は、運転者の視界内で実際に見える景色に重畳するように表示される。そしてこの虚像Ｖｉ１である矢印の像は運転者に対し、その矢の先端で自動車２００の前方にある左折地点を指し示す。

このような表示は、例えば以下のように実現される。自動車２００は図示しないカーナビゲーションシステムを備える。このカーナビゲーションシステムは目的地までの経路を取得し、表示すべき案内情報を決定する。また、自動車２００は図示しない運転者を撮影するカメラを備える。そしてこのカメラで取得された画像が解析されて、運転者の目の位置を示す情報（以下、視点情報ともいう）が取得される。表示装置１００は、このように決定された案内情報と取得された視点情報に基づいて、前方にある左折地点と運転者から見て重なって見えるような領域Ｄ１０内の位置を計算して、その位置に矢印の矢の先端が来るよう画像を領域Ｄ１０に投影する。

なお、矢印の像である虚像Ｖｉ１は、これを見る運転手に遠近感を知覚させやすいよう遠近法（透視図法）に基づく外観を有する。例えば矢印の軸で運転者がより近いと知覚し得る部分、つまり、領域Ｄ１０で下方寄りに位置する部分はより太く、運転者がより遠いと知覚し得る上方寄りに位置する部分はより細い。また、軸の左右の輪郭線は、所定の消失点に向かって伸びる。

また、本実施の形態における表示装置１００で生成される虚像Ｖｉ１は、図３では表現できていないが、運転者が連続的な表示距離を知覚することができるよう表示される。別の表現をすると、虚像Ｖｉ１は従来のように運転者から見てウインドシールド２１０の向こうで所定の位置にある１つの地面に略垂直な平面上に遠近法を用いて描画された矢印の像に見えるのではなく、ウインドシールド２１０の向こうで所定の位置にある起点から運転手から遠ざかる方向に伸びる虚像（以下、奥行き感のある虚像ともいう）に見える。運転手にこのように知覚される虚像Ｖｉ１を生成する構成及び動作については、図４を参照して説明する。

図４は、本実施の形態における表示装置１００の機能構成を示すブロック図である。

表示装置１００は、光源部１２０と、走査部１３０と、スクリーン１４０と、駆動部１５０と、制御部１１０と、投影部１６０とを備える。

光源部１２０は、表示装置１００が表示する虚像を示す光を出射する。例えば光源部１２０は、発光体として赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の色の光を出射する半導体レーザを備えるピコプロジェクタによって構成される。このようなピコプロジェクタは、虚像の背景に入る物や車体等の色、又は周囲の明るさに拘わらず視認性の高い虚像の表示を可能とする。また、レーザ光を用いることで投影面との距離や角度に関係なく焦点を合わせることができる。さらに、コンパクトであるため設置場所、例えば自動車２００のダッシュボード２２０における表示装置１００の占有スペースを抑えることができる。なお、図４において光源部１２０を始点とする一点鎖線の矢印は、光源部１２０からの出射光の光路を示す。

走査部１３０は、光源部１２０からの出射光の光路上に配置され、当該出射光を後述のスクリーン１４０に走査する。走査部１３０は例えばＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）スキャナによって実現される。スクリーン１４０は例えば平板な拡散スクリーンによって構成される。走査部１３０は、光源部１２０からの出射光をスクリーン１４０にラスタースキャンすることで、虚像として表示されるための像をスクリーン１４０上に結像させる。

スクリーン１４０は、走査部１３０が反射した上記の出射光の光路と交わるように配置され、後述の駆動部１５０によって動かされる。より具体的には、走査部１３０と投影部１６０との間にある所定の区間で、実線の両矢印で示されるようなこの光路に沿った往復の平行移動を繰り返す振動（以下では往復移動ともいう）をする。

駆動部１５０は、例えばアクチュエータによって実現され、後述する制御部１１０からの信号に従って、スクリーン１４０に上述の往復移動をさせる。

制御部１１０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）又はプロセッサなどによって実現され、メモリ等の記録媒体（図示なし）から読み出したコンピュータプログラムを実行し、光源部１２０、走査部１３０、及び駆動部１５０を制御する。

より具体的には、制御部１１０は表示装置１００にとっての外部機器、本実施の形態に則した具体例で言えば、カーナビゲーションシステム、自動車２００の前方の障害物を検出するためのセンサ、及び視点情報を取得するためのカメラから情報を取得する。そして、これらの情報に基づいて、虚像として表示するオブジェクト、上記の例でいえば矢印の図形、及びこの虚像を表示させるために像を投影する表示媒体１９０上の位置を算出する。そしてこの算出に基づく制御のための制御信号を光源部１２０、走査部１３０、及び駆動部１５０に出力して制御する。

走査部１３０によってレーザ光が操作されることでスクリーン１４０の表面に結像する像は、投影部１６０によって表示媒体１９０に投影される。図４の左側の２つのブロック矢印は、スクリーン１４０の表面に結像する像の、投影部１６０による投影の光路を示す。投影部１６０は、例えば鏡若しくはレンズ等の光学素子、又は複数の光学素子の組み合わせで実現される。

以下では、ここまでに説明した光源部１２０（又は少なくとも、光源部１２０が備えるレーザ）、走査部１３０、スクリーン１４０、及び投影部１６０の組み合わせを、本実施の形態における表示装置１００が備える光学系として説明する。

表示媒体１９０は、本実施の形態においては自動車２００のウインドシールド２１０に相当する。投影部１６０は、スクリーン１４０の表面に結像する像をウインドシールド２１０のような透明な表示媒体１９０に向けて投影する。これにより、ユーザ、本実施の形態では自動車２００の運転席に座る運転者に、表示媒体１９０の反対側が表示位置であると知覚される虚像が生成される。なお、表示媒体１９０が透明であることは、無色であることに限定されるものではない。例えば、表示媒体１９０は色付であってもよいし、紫外光又は赤外光に対しては透過度が低くてもよい。本実施の形態のような自動車のウインドシールドの場合は、関係法規を満たす範囲で可視光線に対する透過度の自由度がある。

次に、上記のように構成される表示装置１００による、奥行き感のある虚像の表示について説明する。

スクリーン１４０は、上記の往復移動のストロークの範囲で光路に沿った表示媒体１９０までの距離が変化する。スクリーン１４０と表示媒体１９０との間の光路沿いの距離が短くなると、虚像の表示距離は短くなる。つまりユーザから見て、虚像はより近くに見える。逆に、スクリーン１４０と表示媒体１９０との間の光路沿いの距離が長くなると、虚像の表示距離は長くなる。つまりユーザから見て、虚像はより遠くに見える。これは従来技術でも同様である。

ここで、例えば、スクリーン１４０を光路沿いに平行移動させながらレーザ光の走査をして画像をスクリーン１４０の表面に結像させると、この移動に伴って表示距離が変わるように虚像を表示させることができる。

本実施の形態の表示装置１００では、このような動きが所定の周期で繰り返される。すなわち、駆動部１５０がスクリーン１４０を所定の周期で往復移動（振動）させながら、走査部１３０がレーザ光をスクリーン１４０にラスタースキャンする。

この所定の周期とは、少なくともスクリーン１４０の表面に結像する像の残像効果が生じる程度、仮にラスタースキャンがスクリーン１４０の往復移動の往路又は復路のみで行われる場合、１秒間に少なくとも１０〜２０往復する周期（振動数で言えば１０〜２０Ｈｚ）である必要がある。しかし、ユーザの目に虚像が点滅して、又は疎であるように見えないようにするため、つまり虚像が空間的及び時間的に滑らかに見えるようにするためには、スクリーン１４０をより高い５０〜１００Ｈｚ程度で往復移動させる。また、ラスタースキャンは、その周期（以下、走査周期ともいう）がスクリーン１４０の往復移動の周期に同期するよう実行される。

ここで、例えばスクリーン１４０は６０Ｈｚで往復移動し、スクリーン１４０の往路又は復路のみで行われるラスタースキャンは６０Ｈｚでこの往復移動の周期に同期して実行されると想定する。このとき、スクリーン１４０には１秒間に６０フレーム分の像が結像する。この６０フレーム分の像がユーザには空間的及び時間的に連続するように知覚される。別の表現をすると、走査部１３０によって水平方向（ｘ軸の方向とする）及び垂直方向（ｙ軸の方向とする）の二次元的に走査されるレーザ光と、ｘｙ平面と交わる光路の方向（ｚ軸の方向とする）に沿って往復移動するスクリーン１４０とが交わる場所に生じるスクリーン１４０上の輝点の残像の集合は、スクリーン１４０に結像する像であり、ｘｙｚ空間上の三次元的な像である。この像が投影部１６０によって表示媒体１９０に投影される。像上の各点のうち、表示媒体１９０との距離が異なる点同士は互いに表示距離が異なるため、表示媒体１９０に投影された像全体としてはユーザに奥行き感のある虚像として知覚される。

ここまで、図３に例示される虚像Ｖｉ１のような虚像を表示するための表示装置１００の動作においては、スクリーン１４０の往復移動の周期と走査部１３０によるラスタースキャンの走査周期とが同期すると上述した。

この動作において、虚像Ｖｉ１は平坦な路面に略平行に、平坦に伸びるように見える虚像であり、このような虚像の表示は、走査部１３０によるラスタースキャンにおける、走査線のスクリーン１４０上の垂直方向の移動を一定の速度で行って結像させた像を投影することで実現される。そしてこの表示の実現のために、スクリーン１４０、投影部１６０、及び表示媒体１９０それぞれの形状及び相互の相対位置、並びにスクリーン１４０上に結像させる像の位置及び形状等は設計事項として適宜調整される。

なお、この同期は維持しながら、上記のラスタースキャンにおける垂直方向の移動の速度を変えることで、図３に例示される虚像Ｖｉ１とは異なり高低差のある虚像を表示することができる。以下では、そのような虚像の表示のための動作を、例を用いて説明する。

この説明では、平坦な場所を走行している自動車２００の前方に登り坂があり、さらにその先に下り坂がある、図５に示される場面を例として用いる。図５において一点鎖線で挟まれる範囲は、図１と同様に自動車２００の運転手の視界を示す。

この場面で、上記のように走査部１３０によるラスタースキャンにおいて、走査線のスクリーン１４０上の垂直方向の移動を一定の速度で行って結像させた矢印の像が投影されると、運転手には図６Ａに示されるような矢印の虚像Ｖｉ２が表示される。この矢印は、自動車２００が現在走行している場所の路面には略平行に見えるが、傾斜しているその先の路面に平行には見えず、自動車２００の前方にある左折地点を指し示すべき矢印の矢の先端は空を指し距離感が掴みにくい。図３に示される虚像Ｖｉ１と比べると、虚像Ｖｉ２は運転手から見た背景に対する追従性が明らかに劣る。このような虚像は、経路案内情報としては運転手に違和感を覚えさせ、引いては周囲状況認知の誤りにつながるおそれがある。

この場合の走査部１３０の動作とスクリーン１４０の動作の周期の同期の詳細について、図７Ａに示される例を参照して説明する。

図７Ａの（ａ）は、スクリーン１４０の往復移動の動作を、走査部１３０とスクリーン１４０との間の距離の時間に対する変化で示す。鋸歯状の折れ線に示されるように、スクリーン１４０は１つの周期において、走査部１３０から遠ざかるように初期位置から所定のストロークに亘って平行移動し、同じ経路を素早く初期位置に戻るという動作を繰り返す。この周期の長さは上記の説明で触れたフレーム１つ分の長さに相当する。つまり、スクリーン１４０に１秒間に６０フレーム分の像を結像させる場合は、周期の長さは６０分の１秒であり、この往復移動は１秒間に６０回繰り返される（６０Ｈｚの振動）。

図７Ａの（ｂ）は、スクリーン１４０の往復移動の周期に同期する走査周期での走査部１３０の動作を、走査線の垂直方向の位置の時間に対する変化で示す。ただし、この図示の折れ線はこの変化を巨視的に示す。すなわち、レーザ光が水平方向にスキャンされている間は走査線の位置は変化しないため、より厳密には、この位置の変化は細かな階段状の折れ線で示される。ただしここでは、走査線の垂直な移動の速度を示すことを目的として図７Ａの（ｂ）のように示す。図７Ａの（ｂ）において、走査線の垂直な移動の速度は線の傾きによって表される。

鋸歯状の折れ線に示されるように、走査部１３０はスクリーン１４０の往復移動の周期と同期する走査周期を繰り返す。そしてこの走査周期の１サイクルにおいて、走査線を最低位である初期位置から一定の速度で徐々に高い位置に移動させる。そして走査線は、スクリーン１４０が折り返し位置に到達する時点で最高位に来るよう移動させられ、スクリーン１４０の初期位置に戻る移動に並行して初期位置に戻される。なお、図７Ａの（ｂ）において折れ線の実線の区間は、投影部１６０によって表示媒体１９０に投射される像を結像させるために走査部１３０がレーザ光をスクリーン１４０に随時照射する期間であることを示す。一方、破線の区間は、走査線の初期位置への復帰のための期間であることを示す。この期間には、像を結像させるレーザ光はスクリーン１４０に照射されず、いわば、テレビジョン放送等の映像信号における垂直帰線区間が送信される期間に相当する。

図７Ａの（ｂ）の線の傾きから分かるように、走査部１３０によってラスタースキャンが実行されている間、走査線の垂直方向の移動の速度は一定である。時間に対するこの速度をグラフにしたものが図７Ａの（ｃ）である。図７Ａの（ｃ）における折れ線の実線の区間及び破線の区間は、それぞれ図７Ａの（ｂ）の実線及び破線と同じ期間を示す。実線で示される期間と破線で示される期間とでは移動の方向が逆であるため符号が異なる。

なお、このような図７Ａに示される走査部１３０及びスクリーン１４０の動作は、図３に示される平坦な道路に沿うように見える虚像を表示するときには、通常の動作として実行される。

ここで、本実施の形態における表示装置１００はさらに、図５に示される形状の道路のような背景に追従する形状の虚像を表示させることができる。図６Ｂは、背景にある物体の形状に追従する形状の虚像の見え方の例を示す図である。図６Ｂに示される虚像の矢印は、自動車２００が現在走行している場所の路面には略平行に見え、その先の登り坂の路面の上でも、道路に沿って傾斜して略平行に見える。矢印はさらにその先に見える峠の向こうでは、運転手から遠いほど低いように見える。また、前方にある左折地点を指し示すべき矢印の矢の先端が指す分岐点に重畳して見えはしないが、左折地点が峠の向こうであることは少なくとも明示する。このような矢印であれば、図６Ａの虚像の矢印で懸念された問題の程度は改善されている。

この場合の走査部１３０の動作とスクリーン１４０の動作の周期の同期の詳細について、図７Ｂに示される例を参照して説明する。

図７Ｂの（ａ）は、スクリーン１４０の往復移動の動作を、走査部１３０とスクリーン１４０との間の距離の時間に対する変化で示す。この動作は、図７Ａに示される動作と共通である。つまり、スクリーン１４０の動作は、高低差のある背景に追従する形状の虚像を表示する場合も、背景にある道路等の平坦な物体の形状に追従する形状の虚像を表示する場合と同じである。

図７Ｂの（ｂ）は、スクリーン１４０の往復移動の周期に同期する走査周期での走査部１３０の動作を、走査線の垂直方向の位置の時間に対する変化で示す。ただし、この図示の折れ線も、図７Ａの（ｂ）の折れ線と同じ目的でこの変化を巨視的に示す。また、折れ線の実線の区間及び破線の区間は、それぞれ図７Ａの（ｂ）の実線及び破線と同じ意味で用いられる。

図７Ｂの（ｂ）の折れ線を図７Ａの（ｂ）の折れ線と比較すると、形状が鋸歯状である点は共通であり、また、この折れ線が示す走査周期が、図７Ａの（ａ）に示されるスクリーン１４０の往復移動の周期と同期する点も共通である。

そして図７Ｂの（ｂ）の折れ線は、以下の点で図７Ａの（ｂ）の折れ線と異なる。まず、走査線の初期位置は共通の最低位であり、一定の速度での上昇を開始するが、途中で傾きが急に、つまり速度が上げられている。これにより、図７Ａの場合と比べると、速度が上げられた後は、スクリーン１４０が同じ位置にあるときの走査線の位置がより高い。このようにして、速度が上げられる前の部分に比べて登り調子の部分を結像する像で表すことができる。

また、スクリーン１４０が折り返し位置に達するより前に最高位に達すると、走査線は下降に転じる点も図７Ａの（ｂ）と異なる。走査線の垂直方向の速度は、移動の方向が逆になるため負に転じる。このとき、図７Ａの（ｂ）の折れ線には見られなかった、実線の区間において走査線が下降する部分が生じる。これにより、図７Ａの場合と比べると、スクリーン１４０が同じ位置にあるときの走査線の位置がより低くなり、その結果、下り坂に沿うように見える部分を、結像する像で表すことができる。

スクリーン１４０が折り返し位置に到達した時点でラスタースキャンは停止されて、スクリーン１４０の初期位置に戻る移動に並行して走査線が初期位置に戻される。

このように、走査部１３０によってラスタースキャンが実行されている間、走査線の垂直方向の移動の速度は変化する。この変化は、表示される虚像の背景に入る物体、この例では道路の形状に、虚像の形状が追従するように付けられる。なお、時間に対するこの速度をグラフにしたものが図７Ｂの（ｃ）である。（ｃ）における折れ線の実線の区間及び破線の区間は、それぞれ（ｂ）の実線及び破線と同じ期間を示す。実線で示される期間と破線で示される期間とでは移動の方向が逆であるため符号が異なる。

なお、上述の走査線の垂直方向の移動の速度の変化は、ＭＥＭＳスキャナである走査部１３０に供給する駆動電流や駆動電圧などによる駆動信号を上下させて振幅の周波数を変えることで実現される。

図８Ａ及び図８Ｂは、図６Ａ〜図７Ｂを用いて説明した走査部１３０及びスクリーン１４０の２パターンの動作での、スクリーン１４０における走査線の垂直方向の移動の軌跡と、各動作によって生成される虚像の差異を模式的に示す図である。図８Ａは、図６Ａに示される虚像Ｖｉ２及び図７Ａで示される動作に対応し、図８Ｂは、図６Ｂに示される虚像Ｖｉ３及び図７Ｂで示される動作に対応する。上述の走査線の垂直方向の移動の速度の変化の有無は、図８Ａと図８Ｂとの間での、移動するスクリーン１４０上の走査線の位置の差異として表れる。また、この走査線の位置の差異が、生成される虚像の見え方の差異をもたらす。

なお、上述のように虚像の形状を虚像の背景にあって重畳する物体の形状に追従させるには、この物体の形状を示す情報が必要である。例えば表示装置１００が上記のような自動車に搭載され、物体が道路である場合は、この道路の形状を示す情報として、表示装置１００の外部機器であるセンサを用いて検出して取得された検出地形情報、及び車載の又はインターネット経由で利用されるカーナビゲーションシステムから取得される地図情報の少なくとも一方を含む地形情報が利用される。

以上、実施の形態について説明したが、上記の説明及び説明で参照した図中の数値、構成要素の形状、材料、配置等は例示的なものであり、本発明を限定する趣旨ではない。

例えば、レーザ光の走査の説明における垂直及び水平の方向は説明の便宜上走査方式の分野で用いられる表現を用いたものであり、実際に使用される表示装置１００での重力に対するスキャンの方向を限定するものではない。

また、走査部１３０‐スクリーン１４０間の距離と走査線の垂直方向の位置の対応、並びにスクリーン１４０及び走査線の初期位置は、図４、図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、及び図８Ａに示されるものに限定されない。スクリーン１４０に結像する像と虚像との上下の対応は、投影部１６０による投影の態様で変更可能な設計事項である。

また、上記の説明では、走査部１３０は往復移動するスクリーン１４０が遠ざかる間にのみラスタースキャンを実行しているが、これに代えて近づく間にのみ、又はその両方で実行されてもよい。往復移動の往路及び復路の両方でラスタースキャンが実行される場合、図７Ａの（ａ）及び（ｂ）に示される折れ線は鋸歯状ではなく左右対称の波形になる。また、（ｂ）に示される破線の区間は、レーザ光がスクリーン１４０に照射される期間を示す実線になる。ただし、走査部１３０の動作の周期とスクリーン１４０の走査周期との同期は維持される。図７Ｂの（ａ）及び（ｂ）に示される折れ線についても同様である。

また、ラスタースキャンは、水平方向に一方での走査時のみレーザ光がスクリーン１４０に照射されてもよいし、いわゆる牛耕式でもよい。

また、上記の説明におけるスクリーン１４０は拡散スクリーンであって、一方の主面にレーザ光が照射され、その反対にある主面に結像する像が投影部１６０によって投影され、表示媒体１９０を通じて虚像が形成されるが、スクリーン１４０の構成はこの態様に限定されない。例えばスクリーン１４０は液晶スクリーンであって、その表示面に描画される画像が投影部１６０によって表示媒体１９０に投影されてもよい。

また、表示装置１００においては、上述のスクリーン１４０に加えて、移動はするが振動はしないスクリーン、又は位置が固定されたスクリーンが併用されてもよい。例えば移動はするが振動はしないスクリーンは、奥行き感を持たせないが、表示距離は可変のオブジェクト、例えば前方の標識の存在を示すオブジェクトの虚像の表示に用いられる。また、例えば固定されたスクリーンは、自動車２００の走行速度や燃料の残量等、背景の物体の形状と関係のなく表示させてもよい虚像の表示に用いられる。

また、上記では表示装置１００は自動車２００に搭載され、ウインドシールドを表示媒体として用いる例で説明したが、使用態様はこれに限定されない。例えば表示媒体は、スマートグラスのレンズやヘルメットのシールドであってもよい。なお、いずれの使用態様であっても、背景で重畳する物体の形状に追従する形状を有する虚像としてユーザに表示されるものの例としては、経路案内情報、又は区画線の位置等の道路に関する情報を示す図形や文字が挙げられる。

また、上記において表示媒体及びナビゲーションシステム等の各外部機器は、表示装置１００との包含関係がないものとして記載したが、これらの間に包含関係があってもよい。例えば表示装置１００が表示媒体も含むもの、又はナビゲーションシステムが表示装置１００を含むものも、本発明の趣旨を逸脱するものではない。

また、上記実施の形態において、各構成要素は、専用のハードウェアで構成されるか、各構成要素に適したソフトウェアプログラムを実行することによって実現されてもよい。各構成要素は、ＣＰＵ又はプロセッサなどのプログラム実行部が、ハードディスク又は半導体メモリなどの記録媒体に記録されたソフトウェアプログラムを読み出して実行することによって実現されてもよい。

以上、実施の形態に基づいて、一つの態様に係る表示装置について説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される態様も、上述した本発明の技術範囲に含まれてもよい。

本発明は、表示媒体を用いて虚像を表示する表示装置に利用可能であり、例えば表示媒体としてウインドシールドを用いて虚像を表示する、自動車用のＨＵＤに利用することができる。

１００ 表示装置
１１０ 制御部
１２０ 光源部
１３０ 走査部
１４０ スクリーン
１５０ 駆動部
１６０ 投影部
１９０ 表示媒体
２００ 自動車
２１０ ウインドシールド
２２０ ダッシュボード

Claims (3)

1. 透明な表示媒体を用いて立体的な虚像を表示するための光学系を備える表示装置であって、
   前記光学系は、
   レーザ光を出射するレーザと、
   前記レーザ光を受け、且つ反射し、反射する前記レーザ光の走査をするＭＥＭＳスキャナと、
   前記ＭＥＭＳスキャナによって前記レーザ光が走査されることで表面に像を結像させるスクリーンと、
   前記スクリーンの表面に結像している像を前記表示媒体に投影することで、ユーザに知覚される虚像を生成する投影部と、
   前記レーザ光が走査されている前記スクリーンを、前記光学系の光路に沿う所定の区間において所定の周期で往復移動させる駆動部とを含み、
   前記ＭＥＭＳスキャナは、
   前記所定の周期と同期している走査周期で前記スクリーンに前記レーザ光を繰り返しラスタースキャンすることで前記走査を実行し、
   前記ラスタースキャンにおいて、前記ユーザから見て前記虚像と重畳する背景の物体の形状に応じて走査線の垂直方向の移動の速度を変化させる
   表示装置。
2. 前記虚像の背景にある物体は、前記ユーザの経路において前方に伸びる道路であり、
   前記ＭＥＭＳスキャナは、
   前記道路の形状を示す地形情報に基づいて前記垂直方向の移動の速度を変化させることで、前記虚像の形状を前記道路の形状に垂直方向で追従させる
   請求項１に記載の表示装置。
3. 前記表示媒体は自動車のウインドシールドであり、
   前記光学系は前記自動車に搭載され、
   前記地形情報は、前記自動車が搭載する、前記自動車の前方の地形を検出するセンサを用いて取得された検出地形情報、及び前記自動車の前方の地形を示す地図情報の少なくとも一方を含み、
   前記虚像は、前記ユーザへの経路案内情報及び前記道路に関する情報の少なくとも一方を示す図形又は文字を含む
   請求項２に記載の表示装置。

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