JP6676782B2

JP6676782B2 - 画像表示装置

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Publication number: JP6676782B2
Application number: JP2018556121A
Authority: JP
Inventors: 酒井　重史; 重史酒井
Original assignee: Alps Electric Co Ltd; Alps Alpine Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2020-04-08
Anticipated expiration: 2036-12-15
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Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置などの画像表示装置に係り、特に、ウィンドシールドなどの透明な部材を介して虚像を視認させる画像表示装置に関するものである。

自動車用のヘッドアップディスプレイは、フロントウィンドウのガラス（ウィンドシールド）やコンバイナに向けて映像を投影し、運転者の視界の前方に虚像として各種の情報を表示させるものであり、近年、様々なタイプの製品が実用化されている。

一般的なヘッドアップディスプレイでは、デフューザなどのスクリーンに結像された中間像を投影光学系（拡大ミラーなど）によってウィンドシールドやコンバイナに投影する。従って、投影光学系の位置が固定されている場合でも、中間像が結像されるスクリーンの位置を変えることによって、運転者に見える虚像の前後方向の位置を変えることができる。

下記の特許文献１に記載されるヘッドアップディスプレイ装置では、３つのスクリーンにそれぞれ映像が描画され、その映像がミラーで反射されてフロントガラスに投影される（特許文献１の図３）。３つのスクリーンは投影手段であるミラーからの距離が異なるため、それぞれのスクリーンの映像に対応する３つの虚像は、運転者から見て前後方向の位置が異なるように見える。

また、下記の特許文献２に記載されるヘッドアップディスプレイ装置では、２つのスクリーンにそれぞれ映像が描画され、その映像が光学部の凹面鏡において反射されてフロントガラスに投影される（特許文献２の図１，図５）。このヘッドアップディスプレイ装置においても、２つのスクリーンの映像に対応する２つの虚像は、運転者からみて前後方向の位置が異なるように見える。

特開２００９−１５０９４７号公報特開２０１５−３４９１９号公報

光線の走査によってスクリーンに中間像を結像させる場合、ビーム径が小さいほど解像度が向上するため、通常は、スクリーンに入射する光線を光学系によって集束させる。光学系により光線を集束させるため、ビーム径は光学系からの距離に応じて異なる。スクリーンが１つであれば、そのスクリーンで焦点が合うように（ビーム径が最小となるように）光学系を構成することで、良好な解像度が得られる。ところが、スクリーンが複数の場合、何れか１つのスクリーンに光線の焦点を合わせると、他のスクリーンにおいてビーム径が大きくなる。そのため、上述した特許文献１に記載されるヘッドアップディスプレイ装置では、１つのスクリーンに光線の焦点を合わせた場合、他の２つのスクリーンにおいて解像度が低下する。光線を平行光へ近づけるように光学系を構成すれば、スクリーンの位置によるビーム径の違いは小さくなるが、この方法ではビーム径を十分に絞ることができないため、各スクリーンの解像度が低下する。

他方、上述した特許文献２に記載されるヘッドアップディスプレイ装置では、光線の走査を行う焦点変更部として、凹面鏡の曲率を変更可能なＭＥＭＳミラーが用いられており、２つのスクリーンにそれぞれ焦点を合わせることができる（特許文献２の図５）。しかしながら、ＭＥＭＳミラーによる凹面鏡の曲率の制御では、複雑な曲率の制御が必要になるため演算負荷が重くなるという問題や、スポット径の小さい光線の焦点を精度よくスクリーンに合わせることが困難であるという問題がある。

更に、上述した従来のヘッドアップディスプレイ装置では、中間像を結像させるための複数のスクリーンを光学系に対して異なる位置に配置させる必要があるため、装置サイズが大型化するという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成でありながら、視点からの距離が異なる複数の虚像を形成することができる画像表示装置を提供することにある。

本発明は、透光部材に向けて第１画像の光及び第２画像の光を出射し、前記透光部材から視認領域に向けて前記第１画像の光及び前記第２画像の光を反射させ、前記第１画像に対応する第１虚像及び前記第２画像に対応する第２虚像を、前記視認領域からみて前記透光部材を介した位置に表示する画像表示装置に関するものである。この画像表示装置は、前記第１画像及び前記第２画像を表示する表示部と、前記第１画像の光及び前記第２画像の光を前記透光部材に向けて出射する投影光学系とを備える。前記表示部は、同一の平面上の異なる表示領域において前記第１画像及び前記第２画像を表示する。前記投影光学系は、前記視認領域内の視点からの距離が異なる位置に前記第１虚像及び前記第２虚像を形成するように、前記第１画像の光の像点及び前記第２画像の光の像点をそれぞれ設定する。

この構成によれば、前記表示部における同一の平面上の異なる表示領域において前記第１画像及び前記第２画像が表示される。そのため、それぞれの表示領域が同一の平面上にない場合に比べて構成が簡易になり、装置のサイズが小型になる。

好適に、前記表示部は、前記第１画像及び前記第２画像を表示する１つの表示面を持ってよい。

この構成によれば、１つの表示面に２つの画像（第１画像、第２画像）が表示されるため、２つの画像の表示手段を共通化することが可能になり、前記表示部の構成が簡易になる。

好適に、前記表示部は、前記第１画像を表示する１つの表示面と前記第２画像を表示する１つの表示面とを持ってよい。

この構成によれば、２つの表示面の各々に１つの画像（第１画像、第２画像）が表示されるため、画像ごとに独立の表示手段を設けることが可能になり、画像ごとに異なる表示特性（解像度、輝度など）を設定し易くなる。

好適に、上記画像表示装置に係る第１の発明において、前記表示部における前記第１画像の表示領域から前記透光部材における前記第１画像の光の入射領域へ至る第１光路の光路長と、前記表示部における前記第２画像の表示領域から前記透光部材における前記第２画像の光の入射領域へ至る第２光路の光路長とが異なってもよい。

この構成によれば、前記第１光路の光路長と前記第２光路の光路長とが異なるため、前記視認領域内の視点から見て、前記第１画像に対応する前記第１虚像が形成される位置と、前記第２画像に対応する前記第２虚像が形成される位置とが異なる。

好適に、上記第１の発明において、前記投影光学系は、前記第１光路のみに設けられた第１平面ミラーと前記第２光路のみに設けられた第２平面ミラーとの少なくとも一方を含んでよい。

この構成によれば、前記第１平面ミラー及び前記第２平面ミラーの少なくとも一方を設けることにより、これらの平面ミラーが設けない場合に比べて光路が長くなる。そのため、前記第１光路の光路長と前記第２光路の光路長とを独立に設定することが可能になる。

好適に、上記第１の発明において、前記投影光学系は、前記第１光路及び前記第２光路に共通に設けられ、反射光を集中又は発散させる少なくとも１つの共通曲面ミラーを含んでよい。

この構成によれば、前記共通曲面ミラーにおいて反射光が集中又は発散することにより、前記投影光学系の特性（焦点距離等）が設定される。

好適に、上記第１の発明において、前記投影光学系は、前記第１画像の光及び第２画像の光を前記透光部材に向けて反射し、反射光を集中又は発散させる第１共通曲面ミラーと、前記第１画像の光及び第２画像の光を前記第１共通曲面ミラーに向けて反射し、反射光を集中又は発散させる第２共通曲面ミラーとを含んでよい。前記第１平面ミラー及び前記第２平面ミラーの少なくとも一方が、前記表示部と前記第２共通曲面ミラーとの間の光路に設けられていてよい。

この構成によれば、前記第１共通曲面ミラー及び前記第２共通曲面ミラーにおいて反射光が集中又は発散することにより、前記投影光学系の焦点距離等の特性が設定される。また、前記第１共通曲面ミラー及び前記第２共通曲面ミラーにおいて画像が拡大される場合、前記表示部と前記第２共通曲面ミラーとの間の光路（第１光路、第２光路）における画像（第１画像、第２画像）のサイズは比較的小さい。そのため、平面ミラー（第１平面ミラー、第２平面ミラー）を小型にすることが可能になる。

好適に、上記画像表示装置に係る第２の発明において、前記投影光学系は、前記表示部における前記第１画像の表示領域から前記透光部材における前記第１画像の光の入射領域へ至る第１光路を形成する第１光学系と、前記表示部における前記第２画像の表示領域から前記透光部材における前記第２画像の光の入射領域へ至る第２光路を形成する第２光学系とを含んでよい。前記第１光学系と前記第２光学系とが異なる合成焦点距離を持ってよい。

この構成によれば、前記第１光路を形成する前記第１光学系と前記第２光路を形成する前記第２光学系とが異なる合成焦点距離を持つため、前記視認領域内の視点から見て、前記第１画像に対応する前記第１虚像が形成される位置と、前記第２画像に対応する前記第２虚像が形成される位置とが異なる。

好適に、上記第２発明において、前記投影光学系は、前記第１光路のみに設けられ、反射光を集中又は発散させる第１曲面ミラーと、前記第２光路のみに設けられ、反射光を集中又は発散させる第２曲面ミラーとの少なくとも一方を含んでよい。

この構成によれば、前記第１曲面ミラー及び前記第２曲面ミラーの少なくとも一方を設けることにより、前記第１光学系の合成焦点距離と前記第２光学系の合成焦点距離とを独立に設定することが可能になり、両者の合成焦点距離の差を作り易くなる。２つの光学系（第１光学系、第２光学系）において合成焦点距離の差を作ることにより、前記第１光路の光路長と前記第２光路の光路長との差を作るための平面ミラーを省略することが可能になる。

好適に、上記第２発明において、前記投影光学系は、前記第１光路及び前記第２光路に共通に設けられ、反射光を集中又は発散させる少なくとも１つの共通曲面ミラーを含んでよい。

この構成によれば、前記共通曲面ミラーにおいて反射光が集中又は発散することにより、前記第１光学系及び前記第２光学系のそれぞれにおける投影光学系の特性（合成焦点距離等）が設定される。共通の曲面ミラーを用いることで、構成が簡易になる。

好適に、上記第２の発明において、前記投影光学系は、前記第１光路及び前記第２光路に共通に設けられ、前記透光部材に向けて前記第１画像の光及び第２画像の光を反射し、反射光を集中又は発散させる第１共通曲面ミラーと、前記第１共通曲面ミラーに向けて前記第１画像の光を反射する前記第１曲面ミラーと、前記第１共通曲面ミラーに向けて前記第２画像の光を反射する前記第２曲面ミラーとを含んでよい。

この構成によれば、前記第１曲面ミラー及び前記第１共通曲面ミラーにおいて前記第１光学系の合成焦点距離が設定され、前記第２曲面ミラー及び前記第１共通曲面ミラーにおいて前記第２光学系の合成焦点距離が設定される。２つの光学系（第１光学系、第２光学系）においてそれぞれ合成焦点距離が設定されるため、両者の合成焦点距離の差を作り易くなる。２つの光学系（第１光学系、第２光学系）において合成焦点距離の差を作ることにより、前記第１光路の光路長と前記第２光路の光路長との差を作るための平面ミラーを省略することが可能になる。
また、この構成によれば、２つの曲面ミラー（第１曲面ミラー、第２曲面ミラー）によって２つの画像（第１画像、第２画像）の光が共に前記第１共通ミラーに向けて反射される。これにより、前記表示部と前記第１共通曲面ミラーとの間で光路（第１光路、第２光路）が折り返されるため、装置サイズが小型になる。

好適に、上記第２の発明において、上記画像表示装置は、前記視認領域の位置が変わるように前記第１共通曲面ミラーを動かすアクチュエータを備えてもよい。

この構成によれば、前記視認領域の位置を変更するために複数のミラーを動かす場合に比べてアクチュエータの数が減り、構成が簡易になる。

好適に、上記第２の発明において、前記投影光学系は、前記第１光路の光路長と前記第２光路の光路長とが異なっていてもよい。例えば、前記投影光学系は、前記第１光路のみに設けられた第１平面ミラーと前記第２光路のみに設けられた第２平面ミラーとの少なくとも一方を含んでもよい。

この構成によれば、２つの光学系（第１光学系、第２光学系）における合成焦点距離の差に加えて、前記第１光路の光路長と前記第２光路の光路長と差が設定されるため、前記第１虚像が形成される位置と前記第２虚像が形成される位置との距離の差を作り易くなる。

本発明によれば、簡易な構成でありながら、視点からの距離が異なる複数の虚像を形成することができる。

本発明の実施形態に係る画像表示装置が車両に搭載された状態を説明するための図である。本発明の実施形態に係る画像表示装置によって表示される虚像を説明するための図である。第１の実施形態に係る画像表示装置の構成の一例を示す図である。表示部における表示面と表示領域の例を示す図である。図４Ａは１つの表示面に２つの表示領域が設けられた例を示し、図４Ｂは２つの表示面にそれぞれ表示領域が設けられた例を示す。表示部の一変形例を示す図である。第２の実施形態に係る画像表示装置の構成の一例を示す図である。第３の実施形態に係る画像表示装置の構成の一例を示す図である。図７に示す画像表示装置における投影光学系を矢印Ａの方向から見た図である。第４の実施形態に係る画像表示装置の構成の一例を示す図である。第５の実施形態に係る画像表示装置の構成の一例を示す図である。

＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態に係る画像表示装置について説明する。
本実施形態に係る画像表示装置は、視点からの距離が異なる複数の位置に虚像を形成する装置であり、例えば、運転者の前方の近い位置と遠い位置にそれぞれ虚像を形成する車両用のヘッドアップディスプレイ装置である。

図１は、本実施形態に係る画像表示装置１０が車両１に搭載された状態を説明するための図である。図１の例において、画像表示装置１０は、ステアリングホイール４より前方のダッシュボード２の内部に埋設される。

画像表示装置１０は、ウィンドシールド３の第１入射領域ＰＡ１に向けて第１画像の光Ｌ１を出射するとともに、ウィンドシールド３の第２入射領域ＰＡ２に向けて第２画像の光Ｌ２を出射する。ウィンドシールド３は、本発明における透光部材に相当する。ウィンドシールド３が半反射面として機能することにより、これらの光（Ｌ１，Ｌ２）がウィンドシールド３から運転者５の視認領域ＳＡに向けて反射されて、運転者５の眼に届く。運転者５は、第１画像の光Ｌ１によって第１虚像ＩＭ１を視認し、第２画像の光Ｌ２によって第２虚像ＩＭ２を視認する。

図２は、本実施形態に係る画像表示装置１０によって表示される虚像を説明するための図である。図１及び図２に示すように、運転者５から見た虚像（ＩＭ１，ＩＭ２）は、ウィンドシールド３を介して前方の位置に形成される。図の例では、第１虚像ＩＭ１が第２虚像ＩＭ２に比べて遠い位置に形成される。

図３は、第１の実施形態に係る画像表示装置１０の構成の一例を示す図である。図３の例において、画像表示装置１０は、表示部１１と、投影光学系１２と、アクチュエータ１５と、制御部１６を有する。

表示部１１は、第１虚像ＩＭ１及び第２虚像ＩＭ２に対応する第１画像及び第２画像を表示する。表示部１１は、同一の平面上の異なる表示領域において第１画像及び第２画像を表示する。例えば表示部１１は、ＬＥＤなどの光源からの光を液晶パネルにおいて透過若しくは反射させることにより、平面状の表示面において画像を表示する装置（液晶ディスプレイ）を含む。

図４は、表示部１１における表示面と表示領域の例を示す図である。図４Ａの例において、表示部１１は１つの表示面１１１を有しており、表示面１１１に２つの表示領域（ＤＡ１，ＤＡ２）が設けられている。表示部１１は、第１表示領域ＤＡ１において第１画像を表示し、第２表示領域ＤＡ２において第２画像を表示する。図４Ａのように表示面が１つの場合、表示部１１は１つの表示手段（液晶ディスプレイ等）を用いて構成される。

他方、図４Ｂの例において、表示部１１は２つの表示面１１１Ａ及び１１１Ｂを有する。表示面１１１Ａには、第１画像を表示する第１表示領域ＤＡ１が設けられる。表示面１１１Ｂには、第２画像を表示する第２表示領域ＤＡ２が設けられる。図４Ｂのように表示面が２つの場合、表示部１１は２つの表示手段（液晶ディスプレイ等）を用いて構成される。

投影光学系１２は、表示部１１に表示された第１画像の光Ｌ１及び第２画像の光Ｌ２を、ウィンドシールド３に向けて出射する。投影光学系１２は、視認領域ＳＡの視点Ｅからの距離が異なる位置に第１虚像ＩＭ１及び第２虚像ＩＭ２を形成するように、第１画像の光Ｌ１の像点及び第２画像の光Ｌ２の像点をそれぞれ設定する。

本実施形態において、投影光学系１２は、第１光路ＯＰ１の光路長と第２光路ＯＰ２の光路長とが異なる。第１光路ＯＰ１は、表示部１１の第１表示領域ＤＡ１からウィンドシールド３の第１入射領域ＰＡ１へ至る第１画像の光Ｌ１の光路である。第２光路ＯＰ２は、表示部１１の第２表示領域ＤＡ２からウィンドシールド３の第２入射領域ＰＡ２へ至る第２画像の光Ｌ２の光路である。第１光路ＯＰ１の光路長と第２光路ＯＰ２の光路長とが異なることにより、第１画像の光Ｌ１の像点と第２画像の光Ｌ２の像点とのずれが生じるため、視点Ｅから第１虚像ＩＭ１までの距離と視点Ｅから第２虚像ＩＭ２までの距離との違いが生じる。

図３の例において、投影光学系１２は、第１平面ミラー１２１と、第２平面ミラー１２２と、第１共通曲面ミラー１３１と、第２共通曲面ミラー１３２を有する。

第１共通曲面ミラー１３１及び第２共通曲面ミラー１３２は、第１光路ＯＰ１及び第２光路ＯＰ２に共通に設けられており、反射光を集中又は発散させる。第１共通曲面ミラー１３１は、第１画像の光Ｌ１及び第２画像の光Ｌ２をウィンドシールド３に向けて反射する。第２共通曲面ミラー１３２は、第１画像の光Ｌ１及び第２画像の光Ｌ２を第１共通曲面ミラー１３１に向けて反射する。

第１平面ミラー１２１は、表示部１１と第２共通曲面ミラー１３２との間の第１光路ＯＰ１に設けられており、表示部１１から入射した第１画像の光Ｌ１を第２共通曲面ミラー１３２に向けて反射する。第２平面ミラー１２２は、表示部１１と第２共通曲面ミラー１３２との間の第２光路ＯＰ２に設けられており、表示部１１から入射した第２画像の光Ｌ２を第２共通曲面ミラー１３２に向けて反射する。

アクチュエータ１５は、制御部１６の制御に従って、視認領域ＳＡの位置が変わるように第１共通曲面ミラー１３１を動かす機構であり、例えばモータや圧電素子などを用いて構成される。

制御部１６は、画像表示装置１０の全体的な動作を制御する回路であり、例えばプログラムの命令コードに従って処理を実行するコンピュータを用いて構成される。制御部１６は、表示部１１において表示させる画像の生成や、アクチュエータ１５による第１共通曲面ミラー１３１の位置、姿勢、傾きなどの制御を行う。

図３に示す画像表示装置１０では、表示部１１における同一平面上の異なる表示領域（ＤＡ１，ＤＡ２）に第１画像及び第２画像が表示される。第１表示領域ＤＡ１に表示された第１画像の光Ｌ１は、第１平面ミラー１２１に入射し、第１平面ミラー１２１から第２共通曲面ミラー１３２に向けて反射され、第２共通曲面ミラー１３２から第１共通曲面ミラー１３１に向けて反射され、第１共通曲面ミラー１３１からウィンドシールド３に向けて反射されて、ウィンドシールド３の第１入射領域ＰＡ１に入射する。また、第２表示領域ＤＡ２に表示された第２画像の光Ｌ２は、第２平面ミラー１２２に入射し、第２平面ミラー１２２から第２共通曲面ミラー１３２に向けて反射され、第２共通曲面ミラー１３２から第１共通曲面ミラー１３１に向けて反射され、第１共通曲面ミラー１３１からウィンドシールド３に向けて反射されて、ウィンドシールド３の第２入射領域ＰＡ２に入射する。ウィンドシールド３に入射した第１画像の光Ｌ１及び第２画像の光Ｌ２は、それぞれ視認領域ＳＡに向けて反射され、視認領域ＳＡ内にある運転者５の眼に届く。運転者５の視点Ｅから見て、第１画像の光Ｌ１による第１虚像ＩＭ１及び第２画像の光Ｌ２による第２虚像ＩＭ２はウィンドシールド３を介した前方の位置に形成される。図３に示すように、第１画像の光Ｌ１の第１光路ＯＰ１は、第２画像の光Ｌ２の第２光路ＯＰ２に比べて、光路長が長い。そのため、第１画像の光Ｌ１の像点は、第２画像の光Ｌ２の像点に比べて、第１共通曲面ミラー１３１からの光路が長い。従って、第１虚像ＩＭ１は第２虚像ＩＭ２に比べて視点Ｅから遠い位置に形成される。

以上説明したように、本実施形態に係る画像表示装置１０によれば、表示部１１における同一の平面上の異なる表示領域（ＤＡ１、ＤＡ２）に第１画像及び第２画像が表示される。第１画像の光Ｌ１の像点及び第２画像の光Ｌ２の像点は、投影光学系１２において別個に設定され、これにより、視点Ｅからの距離が異なる位置に第１虚像ＩＭ１及び第２虚像ＩＭ２が形成される。そのため、第１画像及び第２画像の表示領域が同一の平面上にない場合（位置をずらして配置された異なるスクリーンを用いる場合など）に比べて構成を簡易化できるとともに、装置のサイズを小型にすることができる。

また、本実施形態に係る画像表示装置１０によれば、１つの表示面１１１に２つの画像（第１画像、第２画像）を表示させることにより、２つの画像の表示手段を共通化できるため、表示部１１の構成を更に簡易化できる。

更に、本実施形態に係る画像表示装置１０によれば、２つの表示面１１１Ａ及び１１１Ｂに２つの画像（第１画像、第２画像）を表示させることにより、画像ごとに独立の表示手段を設けることができるため、画像ごとに異なる表示特性（解像度、輝度など）を設定し易くすることができる。

また、本実施形態によれば、第１共通曲面ミラー１３１及び第２共通曲面ミラー１３２において反射光を集中又は発散させることにより、投影光学系１２の焦点距離等の特性を簡易な構成で設定できる。第１共通曲面ミラー１３１及び第２共通曲面ミラー１３２において２つの画像（第１画像、第２画像）が拡大される場合、表示部１１と第２共通曲面ミラー１３２との間の光路（第１光路ＯＰ１、第２光路ＯＰ２）では各画像のサイズが比較的小さい。そのため、表示部１１と第２共通曲面ミラー１３２との間に平面ミラー（第１平面ミラー、第２平面ミラー）を設けることにより、平面ミラーのサイズを小型にすることができる。

しかも、本実施形態によれば、２つの画像の光（Ｌ１、Ｌ２）をウィンドシールド３に向けて反射させる第１共通曲面ミラー１３１がアクチュエータ１５で駆動されることにより、視認領域ＳＡの位置が変更される。これにより、視認領域ＳＡの位置を変更するために複数のミラーを動かす場合に比べてアクチュエータの数を削減できるため、構成を簡易化できる。

図５は、表示部１１の変形例を示す図である。図５の変形例において、表示部１１は、レーザなどの光源１１２と、光源１１２からの光線ＬＳを反射するスキャナ１１３と、スキャナ１１３において反射された光線ＬＳが走査されることによって画像（第１画像、第２画像）が結像されるスクリーン１１４とを有する。スキャナ１１３は、例えば制御部１６の制御に従って傾きが変化する鏡面を持ったＭＥＭＳ素子である。制御部１６は、光源１１２において発生する光線ＬＳの各色の光強度とスキャナ１１３の角度とを制御することにより、所定の画像をスクリーン１１４に結像させる。本実施形態によれば、スクリーン１１４における同一平面上の異なる領域に２つの画像（第１画像、第２画像）が結像されるため、スクリーン１１４に入射する光線のビーム径を画像ごとに調整する必要がない。

なお、表示部１１には、上記の変形例以外にも、例えば多数の微小鏡面がアレイ状に配列されたＭＥＭＳ素子に光を当てて反射させることにより画像を表示するディスプレイ装置や、有機ＥＬ素子などの多数の自発光素子がアレイ状に配置されたディスプレイ装置などを用いてもよい。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図６は、第２の実施形態に係る画像表示装置１０の構成の一例を示す図である。図６に示す画像表示装置１０は、図３に示す画像表示装置１０におけるアクチュエータ１５を省略し、投影光学系１２を投影光学系１２Ａに置き換えたものであり、他の構成は図３に示す画像表示装置１０と同様である。第２の実施形態に係る画像表示装置１０は、第１画像の光Ｌ１及び第２画像の光Ｌ２をコンバイナ３Ａに入射する。コンバイナ３Ａは、例えばウィンドシールド３の前に配置されており、運転者５はコンバイナ３Ａを介して第１虚像ＩＭ１及び第２虚像ＩＭ２を視認する。コンバイナ３Ａは、本発明における透光部材に相当する。

投影光学系１２Ａは、第１平面ミラー１２１Ａ及び第２平面ミラー１２２Ａを有する。第１平面ミラー１２１Ａは、表示部１１から入射した第１画像の光Ｌ１をコンバイナ３Ａの第１入射領域ＰＡ１に向けて反射する。第２平面ミラー１２２Ａは、表示部１１から入射した第２画像の光Ｌ２をコンバイナ３Ａの第２入射領域ＰＡ２に向けて反射する。

図６に示すように、第１画像の光Ｌ１の第１光路ＯＰ１は第２画像の光Ｌ２の２光路ＯＰ２に比べて光路長が長い。そのため、第１画像の光Ｌ１による第１虚像ＩＭ１は第２画像の光Ｌ２による第２虚像ＩＭ２に比べて視点Ｅから遠い位置に形成される。
本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図７は、第３の実施形態に係る画像表示装置１０の構成の一例を示す図である。図８は、図７に示す画像表示装置１０における投影光学系１２Ｂを矢印Ａの方向から見た図である。図７及び図８に示す画像表示装置１０は、図３に示す画像表示装置１０における投影光学系１２を投影光学系１２Ｂに置き換えたものであり、他の構成は図３に示す画像表示装置１０と同様である。

投影光学系１２Ｂは、第１平面ミラー１２１Ｂ及び１２１Ｃと、第１共通曲面ミラー１３１Ｂと、第２共通曲面ミラー１３２Ｂを有する。

第１共通曲面ミラー１３１Ｂ及び第２共通曲面ミラー１３２Ｂは、第１光路ＯＰ１及び第２光路ＯＰ２に共通に設けられており、反射光を集中又は発散させる。第１共通曲面ミラー１３１Ｂは、第１画像の光Ｌ１及び第２画像の光Ｌ２をウィンドシールド３に向けて反射する。第２共通曲面ミラー１３２Ｂは、第１画像の光Ｌ１及び第２画像の光Ｌ２を第１共通曲面ミラー１３１に向けて反射する。

第１平面ミラー１２１Ｂ及び１２１Ｃは、表示部１１と第２共通曲面ミラー１３２との間の第１光路ＯＰ１において直列に設けられている。図８において示すように、第１平面ミラー１２１Ｂは、表示部１１から入射した第１画像の光Ｌ１を第１平面ミラー１２１Ｃに向けて反射する。第１平面ミラー１２１Ｃは、第１平面ミラー１２１Ｂから入射した第１画像の光Ｌ１を共通曲面ミラー１３２Ｂに向けて反射する。

アクチュエータ１５は、制御部１６の制御に従って、視認領域ＳＡの位置が変わるように第１共通曲面ミラー１３１Ｂを動かす。

図７に示す画像表示装置１０では、第１表示領域ＤＡ１に表示された第１画像の光Ｌ１が第１平面ミラー１２１Ｂに入射し、第１平面ミラー１２１Ｂから第１平面ミラー１２１Ｃに向けて反射され、第１平面ミラー１２１Ｃから第２共通曲面ミラー１３２Ｂに向けて反射され、第２共通曲面ミラー１３２Ｂから第１共通曲面ミラー１３１Ｂに向けて反射され、第１共通曲面ミラー１３１Ｂからウィンドシールド３に向けて反射されて、ウィンドシールド３の第１入射領域ＰＡ１に入射する。また、第２表示領域ＤＡ２に表示された第２画像の光Ｌ２が第１共通曲面ミラー１３１Ｂに直接入射し、第２共通曲面ミラー１３２Ｂから第１共通曲面ミラー１３１Ｂに向けて反射され、第１共通曲面ミラー１３１Ｂからウィンドシールド３に向けて反射されて、ウィンドシールド３の第２入射領域ＰＡ２に入射する。ウィンドシールド３に入射した第１画像の光Ｌ１及び第２画像の光Ｌ２は、それぞれ視認領域ＳＡに向けて反射され、視認領域ＳＡ内にある運転者５の眼に届く。図７に示すように、第１画像の光Ｌ１の第１光路ＯＰ１は第２画像の光Ｌ２の第２光路ＯＰ２に比べて長いため、第１画像の光Ｌ１の像点は第２画像の光Ｌ２の像点に比べて第１共通曲面ミラー１３１からの光路が長くなる。従って、第１虚像ＩＭ１は第２虚像ＩＭ２に比べて視点Ｅから遠い位置に形成される。
本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。

＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図９は、第４の実施形態に係る画像表示装置１０の構成の一例を示す図である。図９に示す画像表示装置１０は、図３に示す画像表示装置１０における投影光学系１２を投影光学系１２Ｃに置き換えたものであり、他の構成は図３に示す画像表示装置１０と同じである。

投影光学系１２Ｃは、異なる合成焦点距離を持った２つの光学系（１２Ｃ−１、１２Ｃ−２）を有する。第１光学系１２Ｃ−１は、表示部１１の第１表示領域ＤＡ１からウィンドシールド３の第１入射領域ＰＡ１へ至る第１光路ＯＰ１を形成する。第２光学系１２Ｃ−２は、表示部１１の第２表示領域ＤＡ２からウィンドシールド３の第２入射領域ＰＡ２へ至る第２光路ＯＰ２を形成する。第１光学系１２Ｃ−１の合成焦点距離は第２光学系１２Ｃ−２の合成焦点距離に比べて長い。第１光学系１２Ｃ−１の合成焦点距離と第２光学系１２Ｃ−２の合成焦点距離とが異なることにより、第１画像の光Ｌ１の像点と第２画像の光Ｌ２の像点とのずれが生じるため、視点Ｅから第１虚像ＩＭ１までの距離と視点Ｅから第２虚像ＩＭ２までの距離との違いが生じる。

図９の例において、投影光学系１２Ｃは、第１曲面ミラー１４１と、第２曲面ミラー１４２と、第１共通曲面ミラー１３１Ｃを有する。第１光学系１２Ｃ−１は第１曲面ミラー１４１と第１共通曲面ミラー１３１Ｃを含み、第２光学系１２Ｃ−２は第２曲面ミラー１４２と第１共通曲面ミラー１３１Ｃを含む。

第１共通曲面ミラー１３１Ｃは、第１光路ＯＰ１及び第２光路ＯＰ２に共通に設けられており、反射光を集中又は発散させる。第１共通曲面ミラー１３１Ｃは、第１画像の光Ｌ１及び第２画像の光Ｌ２をウィンドシールド３に向けて反射する。

第１曲面ミラー１４１は、表示部１１と第１共通曲面ミラー１３１Ｃとの間の第１光路ＯＰ１に設けられており、反射光を集中又は発散させる。第１曲面ミラー１４１は、表示部１１から入射した第１画像の光Ｌ１を第１共通曲面ミラー１３１Ｃに向けて反射する。第２曲面ミラー１４２は、表示部１１と第１共通曲面ミラー１３１Ｃとの間の第２光路ＯＰ２に設けられており、反射光を集中又は発散させる。第２曲面ミラー１４２は、表示部１１から入射した第２画像の光Ｌ２を第１共通曲面ミラー１３１Ｃに向けて反射する。

アクチュエータ１５は、制御部１６の制御に従って、視認領域ＳＡの位置が変わるように第１共通曲面ミラー１３１Ｃを動かす。

図９に示す画像表示装置１０では、第１表示領域ＤＡ１に表示された第１画像の光Ｌ１が第１曲面ミラー１４１に入射し、第１曲面ミラー１４１から第１共通曲面ミラー１３１Ｃに向けて反射され、第１共通曲面ミラー１３１Ｃからウィンドシールド３に向けて反射されて、ウィンドシールド３の第１入射領域ＰＡ１に入射する。また、第２表示領域ＤＡ２に表示された第２画像の光Ｌ２が第２曲面ミラー１４２に入射し、第２曲面ミラー１４２から第１共通曲面ミラー１３１Ｃに向けて反射され、第１共通曲面ミラー１３１Ｃからウィンドシールド３に向けて反射されて、ウィンドシールド３の第２入射領域ＰＡ２に入射する。ウィンドシールド３に入射した第１画像の光Ｌ１及び第２画像の光Ｌ２は、それぞれ視認領域ＳＡに向けて反射され、視認領域ＳＡ内にある運転者５の眼に届く。第１光路ＯＰ１を形成する第１光学系１２Ｃ−１は、第２光路ＯＰ２を形成する第２光学系１２Ｃ−２に比べて合成焦点距離が長いため、第１虚像ＩＭ１は第２虚像ＩＭ２に比べて視点Ｅから遠い位置に形成される。

本実施形態に係る画像表示装置１０によれば、第１曲面ミラー１４１及び第１共通曲面ミラー１３１Ｃにおいて第１光学系１２Ｃ−１の合成焦点距離が設定され、第２曲面ミラー１４２及び第１共通曲面ミラー１３１Ｃにおいて第２光学系１２Ｃ−２の合成焦点距離が設定される。２つの光学系（第１光学系１２Ｃ−１、第２光学系１２Ｃ−２）においてそれぞれ合成焦点距離が設定されるため、両者の合成焦点距離の差を作り易くなる。２つの光学系（第１光学系１２Ｃ−１、第２光学系１２Ｃ−２）において合成焦点距離の差を作ることにより、第１光路ＯＰ１の光路長と第２光路ＯＰ２の光路長との差を作るための平面ミラー（例えば図３における第１平面ミラー１２１、第２平面ミラー１２２）を省略できる。そのため、全体の構成を更に簡易化できるとともに、装置のサイズを更に小型化できる。

また、本実施形態に係る画像表示装置１０によれば、２つの曲面ミラー（第１曲面ミラー１４１、第２曲面ミラー１４２）によって２つの画像（第１画像、第２画像）の光が共に第１共通曲面ミラー１３１Ｃに向けて反射される。これにより、表示部１１と第１共通曲面ミラー１３１Ｃとの間で２つの光路（第１光路ＯＰ１、第２光路ＯＰ２）が共に折り返されるため、装置のサイズを一層小型にすることができる。

＜第５の実施形態＞
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。図１０は、第５の実施形態に係る画像表示装置１０の構成の一例を示す図である。図１０に示す画像表示装置１０は、図３に示す画像表示装置１０における投影光学系１２を投影光学系１２Ｄに置き換えたものであり、他の構成は図３に示す画像表示装置１０と同じである。

投影光学系１２Ｄは、既に説明した投影光学系１２Ｃ（図９）と同様に、異なる合成焦点距離を持った２つの光学系（１２Ｄ−１、１２Ｄ−２）を有する。

図１０の例において、投影光学系１２Ｄは、第１平面ミラー１２１Ｄと、第２平面ミラー１２２Ｄと、第１曲面ミラー１４１Ｄと、第２曲面ミラー１４２Ｄと、第１共通曲面ミラー１３１Ｄを有する。第１光学系１２Ｄ−１は、第１平面ミラー１２１Ｄと、第１曲面ミラー１４１Ｄと、第１共通曲面ミラー１３１Ｄを含む。第２光学系１２Ｄ−２は、第２平面ミラー１２２Ｄと、第２曲面ミラー１４２Ｄと、第１共通曲面ミラー１３１Ｄを含む。

第１共通曲面ミラー１３１Ｄは、第１光路ＯＰ１及び第２光路ＯＰ２に共通に設けられており、反射光を集中又は発散させる。第１共通曲面ミラー１３１Ｄは、第１画像の光Ｌ１及び第２画像の光Ｌ２をウィンドシールド３に向けて反射する。

第１曲面ミラー１４１Ｄは、第１平面ミラー１２１Ｄと第１共通曲面ミラー１３１Ｄとの間の第１光路ＯＰ１に設けられており、反射光を集中又は発散させる。第１曲面ミラー１４１Ｄは、第１平面ミラー１２１Ｄから入射した第１画像の光Ｌ１を第１共通曲面ミラー１３１Ｄに向けて反射する。

第２曲面ミラー１４２Ｄは、第２平面ミラー１２２Ｄと第１共通曲面ミラー１３１Ｄとの間の第２光路ＯＰ２に設けられており、反射光を集中又は発散させる。第２曲面ミラー１４２Ｄは、第２平面ミラー１２２Ｄから入射した第２画像の光Ｌ２を第１共通曲面ミラー１３１Ｄに向けて反射する。

第１平面ミラー１２１Ｄは、表示部１１と第１曲面ミラー１４１Ｄとの間の第１光路ＯＰ１に設けられており、表示部１１から入射した第１画像の光Ｌ１を第１曲面ミラー１４１Ｄに向けて反射する。

第２平面ミラー１２２Ｄは、表示部１１と第２曲面ミラー１４２Ｄとの間の第２光路ＯＰ２に設けられており、表示部１１から入射した第１画像の光Ｌ１を第２曲面ミラー１４２Ｄに向けて反射する。

図１０に示す画像表示装置１０では、第１表示領域ＤＡ１に表示された第１画像の光Ｌ１が第１平面ミラー１２１Ｄに入射し、第１平面ミラー１２１Ｄから第１曲面ミラー１４１Ｄに向けて反射され、第１曲面ミラー１４１Ｄから第１共通曲面ミラー１３１Ｄに向けて反射され、第１共通曲面ミラー１３１Ｄからウィンドシールド３に向けて反射されて、ウィンドシールド３の第１入射領域ＰＡ１に入射する。また、第２表示領域ＤＡ２に表示された第２画像の光Ｌ２が第２平面ミラー１２２Ｄに入射し、第２平面ミラー１２２Ｄから第２曲面ミラー１４２Ｄに向けて反射され、第２曲面ミラー１４２Ｄから第１共通曲面ミラー１３１Ｄに向けて反射され、第１共通曲面ミラー１３１Ｄからウィンドシールド３に向けて反射されて、ウィンドシールド３の第２入射領域ＰＡ２に入射する。ウィンドシールド３に入射した第１画像の光Ｌ１及び第２画像の光Ｌ２は、それぞれ視認領域ＳＡに向けて反射され、視認領域ＳＡ内にある運転者５の眼に届く。第１光路ＯＰ１を形成する第１光学系１２Ｃ−１は、第２光路ＯＰ２を形成する第２光学系１２Ｃ−２に比べて合成焦点距離が長い。また、図１０において示すように、第１光路ＯＰ１の光路長は第２光路ＯＰ２の光路長に比べて長い。そのため、第１虚像ＩＭ１は第２虚像ＩＭ２に比べて視点Ｅから遠い位置に形成される。

本実施形態によれば、２つの光学系（第１光学系１２Ｄ−１、第２光学系１２Ｄ−２）における合成焦点距離の差に加えて、第１光路ＯＰ１の光路長と第２光路ＯＰ２の光路長と差が設定されるため、第１虚像ＩＭ１が形成される位置と第２虚像ＩＭ２が形成される位置との距離の差を更に作り易くなる。また、それぞれの光学系において設定可能な合成焦点距離の範囲に制限がある場合でも、第１光路ＯＰ１の光路長と第２光路ＯＰ２の光路長と差を設定することにより、第１虚像ＩＭ１が形成される位置と第２虚像ＩＭ２が形成される位置との距離の差をより広範囲に設定することが可能になる。また、第１虚像ＩＭ１が形成される位置と第２虚像ＩＭ２が形成される位置との距離とそれぞれの虚像の投影倍率との関係を、個別に調整することが可能になる。

以上、本発明の幾つかの実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、更に種々のバリエーションを含んでいる。

例えば、上述した実施形態において挙げた投影光学系における平面ミラーの数や、曲面ミラーの数、共通曲面ミラーの数は一例であり、これらのミラーの数は任意でよい。また、上述した実施形態における各ミラーの形状や配置も一例であり、他の形状や他の配置でもよい。

また、上述した実施形態では、視点からの距離が異なる２つの虚像が形成される例を挙げたが、本発明の他の実施形態では、視点からの距離が異なる３以上の虚像が形成されてもよい。

また、図９及び図１０の例において、２つの曲面ミラー（１４１及び１４２、１４１Ｄ及び１４２Ｄ）が物理的に分離しているが、これらの曲面ミラーは一体に形成されてもよい。

本発明における透光部材は、光を透過する性質を持った部材であり、透明性の度合いは用途に応じて任意に選択可能である。

１…車両１、２…ダッシュボード、３…ウィンドシールド、３Ａ…コンバイナ、４…ステアリングホイール、５…運転者、１０…画像表示装置、１１…表示部、１１１，１１１Ａ，１１１Ｂ…表示面、１１２…光源１１２、１１３…スキャナ１１３、１１４…スクリーン１１４、１２…投影光学系、１２Ｃ−１，１２Ｄ−１…第１光学系、１２Ｃ−２，１２Ｄ−２…第２光学系、１２１，１２１Ａ，１２１Ｂ，１２１Ｃ，１２１Ｄ…第１平面ミラー、１２２，１２２Ａ，１２２Ｄ…第２平面ミラー、１３１，１３１Ｂ，１３１Ｃ，１３１Ｄ…第１共通曲面ミラー、１３２，１３２Ｂ…第２共通曲面ミラー、１４１，１４１Ｄ…第１曲面ミラー、１４２，１４２Ｄ…第２曲面ミラー、１５…アクチュエータ、１６…制御部、ＤＡ１…第１表示領域、ＤＡ２…第２表示領域、ＰＡ１…第１入射領域、ＰＡ２…第２入射領域、ＩＭ１…第１虚像、ＩＭ２…第２虚像、ＯＰ１…第１光路、ＯＰ２…第２光路、Ｌ１…第１画像の光、Ｌ２…第２画像の光、ＳＡ…視認領域、Ｅ…視点

Claims

透光部材に向けて第１画像の光及び第２画像の光を出射し、前記透光部材から視認領域に向けて前記第１画像の光及び前記第２画像の光を反射させ、前記第１画像に対応する第１虚像及び前記第２画像に対応する第２虚像を、前記視認領域からみて前記透光部材を介した位置に表示する画像表示装置であって、
前記第１画像及び前記第２画像を表示する表示部と、
前記第１画像の光及び前記第２画像の光を前記透光部材に向けて出射する投影光学系とを備え、
前記表示部は、同一の平面上の異なる表示領域において前記第１画像及び前記第２画像を表示し、
前記投影光学系は、前記視認領域内の視点からの距離が異なる位置に前記第１虚像及び前記第２虚像を形成するように、前記第１画像の光の像点及び前記第２画像の光の像点をそれぞれ設定し、
前記表示部は、前記第１画像及び前記第２画像を表示する１つの表示面を持ち、又は、前記第１画像を表示する１つの表示面と前記第２画像を表示する１つの表示面とを持ち、
前記投影光学系は、前記表示部における前記第１画像の表示領域から前記透光部材における前記第１画像の光の入射領域へ至る第１光路の光路長と、前記表示部における前記第２画像の表示領域から前記透光部材における前記第２画像の光の入射領域へ至る第２光路の光路長とが異なり、
前記投影光学系は、前記第１光路のみに設けられた第１平面ミラーと前記第２光路のみに設けられた第２平面ミラーとの少なくとも一方を含み、
前記投影光学系は、前記第１光路及び前記第２光路に共通に設けられ、反射光を集中又は発散させる少なくとも１つの共通曲面ミラーを含み、
前記投影光学系は、
前記第１画像の光及び第２画像の光を前記透光部材に向けて反射し、反射光を集中又は発散させる第１共通曲面ミラーと、
前記第１画像の光及び第２画像の光を前記第１共通曲面ミラーに向けて反射し、反射光を集中又は発散させる第２共通曲面ミラーとを含み、
前記第１平面ミラー及び前記第２平面ミラーの少なくとも一方が、前記表示部と前記第２共通曲面ミラーとの間の光路に設けられている、
画像表示装置。
透光部材に向けて第１画像の光及び第２画像の光を出射し、前記透光部材から視認領域に向けて前記第１画像の光及び前記第２画像の光を反射させ、前記第１画像に対応する第１虚像及び前記第２画像に対応する第２虚像を、前記視認領域からみて前記透光部材を介した位置に表示する画像表示装置であって、
前記第１画像及び前記第２画像を表示する表示部と、
前記第１画像の光及び前記第２画像の光を前記透光部材に向けて出射する投影光学系とを備え、
前記表示部は、同一の平面上の異なる表示領域において前記第１画像及び前記第２画像を表示し、
前記投影光学系は、前記視認領域内の視点からの距離が異なる位置に前記第１虚像及び前記第２虚像を形成するように、前記第１画像の光の像点及び前記第２画像の光の像点をそれぞれ設定し、
前記表示部は、前記第１画像及び前記第２画像を表示する１つの表示面を持ち、又は、前記第１画像を表示する１つの表示面と前記第２画像を表示する１つの表示面とを持ち、
前記投影光学系は、前記表示部における前記第１画像の表示領域から前記透光部材における前記第１画像の光の入射領域へ至る第１光路の光路長と、前記表示部における前記第２画像の表示領域から前記透光部材における前記第２画像の光の入射領域へ至る第２光路の光路長とが異なり、
前記投影光学系は、前記第１光路のみに設けられ、反射光を集中又は発散させる第１曲面ミラーと、前記第２光路のみに設けられ、反射光を集中又は発散させる第２曲面ミラーとの少なくとも一方を含み、
前記投影光学系は、前記第１光路及び前記第２光路に共通に設けられ、反射光を集中又は発散させる少なくとも１つの共通曲面ミラーを含み、
前記投影光学系は、
前記第１光路及び前記第２光路に共通に設けられ、前記透光部材に向けて前記第１画像の光及び第２画像の光を反射し、反射光を集中又は発散させる第１共通曲面ミラーと、
前記第１共通曲面ミラーに向けて前記第１画像の光を反射する前記第１曲面ミラーと、
前記第１共通曲面ミラーに向けて前記第２画像の光を反射する前記第２曲面ミラーとを含む、
画像表示装置。
前記視認領域の位置が変わるように前記第１共通曲面ミラーを動かすアクチュエータを備える、
請求項１または２に記載の画像表示装置。