JP6834537B2 - 表示装置、移動体装置、表示装置の製造方法及び表示方法。 - Google Patents

Description

本発明は、表示装置、移動体装置、表示装置の製造方法及び表示方法に関する。

従来、移動体外の風景に重なるように表示エリア内に虚像を表示する装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１に開示されている装置では、移動体外の風景に存在する対象物と虚像の同時視認性を向上させることに関して改善の余地があった。

本発明は、画像を形成する光を移動体に設けられた透過反射部材に照射して前記移動体外の風景に重なるように表示エリア内に虚像を表示する表示装置であって、前記移動体内に設定された基準視点から見て、前記風景における前記基準視点から所定距離範囲が前記表示エリアに入り、前記所定距離範囲において、前記基準視点から最も遠い距離を上限、前記基準視点に最も近い距離を下限とし、前記表示エリアにおいて、前記基準視点から見て、前記所定距離範囲の上限と重なる部分を上端、前記所定距離範囲の下限と重なる部分を下端とすると、前記表示エリアを視認する視認者における、前記所定距離範囲の下限中央に対する輻輳角と、前記表示エリアの下端中央に対する輻輳角との差である視差角θが１°以下となるように前記視認者の視点位置と前記表示エリアの下端中央との距離が設定され、又は前記所定距離範囲の上限中央に対する輻輳角と、前記表示エリアの上端中央に対する輻輳角との差である視差角θが１°以下となるように前記視認者の視点位置と前記表示エリアの上端中央との距離が設定されていることを特徴とする表示装置である。

本発明によれば、対象物と虚像の同時視認性を向上させることができる。

一実施形態のＨＵＤ装置の概略構成を示す図である。 ＨＵＤ装置の制御系のハードウェア構成を示すブロック図である。 ＨＵＤ装置の機能ブロック図である。 ＨＵＤ装置の光源装置について説明するための図である。 ＨＵＤ装置の光偏向器について説明するための図である。 光偏向器のミラーと走査範囲の対応関係を示す図である。 ２次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。 図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、マイクロレンズアレイにおいて入射光束径とレンズ径の大小関係の違いによる作用の違いについて説明するための図である。 虚像を路面に張り付くように表示する方法について説明するための図である。 案内表示を路面に張り付くように表示する例について説明するための図である。 車間距離表示を路面に張り付くように表示する例について説明するための図である。 指示表示を路面に張り付くように表示する例について説明するための図である。 注意表示を路面に垂直となるように表示する例について説明するための図（その１）である。 注意表示を路面に垂直となるように表示する例について説明するための図（その２）である。 自車両と先行車両の相対速度と、車間距離の目標値の関係を示すグラフである。 視認者が対象物と虚像を同時に見たときの視差角について説明するための図である。 背景までの距離と虚像までの距離と視差角との関係を示す表である。 虚像を重畳表示したい路面の適性距離範囲を示す図である。 表示エリアの位置を設定する方法について説明するための図（その１）である。 表示エリアの位置を設定する方法について説明するための図（その２）である。 基準視点の設定方法（その１）について説明するための図である。 基準視点の設定方法（その２）について説明するための図である。 基準視点の設定方法（その３）について説明するための図である。 基準視点の設定方法（その４）について説明するための図である。 基準視点の設定方法（その５）について説明するための図である。 案内表示を表示するためのＨＵＤ装置の構成例を示すブロック図である。 車間距離表示を表示するためのＨＵＤ装置の構成例を示すブロック図である。 指示表示を表示するためのＨＵＤ装置の構成例を示すブロック図である。 L_B（背景輝度）とL_P（非虚像領域輝度）の関係を示す図である。

［概要］
以下に、一実施形態のＨＵＤ装置１００について図面を参照して説明する。なお、「ＨＵＤ」は「ヘッドアップディスプレイ」の略称である。

図１には、本実施形態のＨＵＤ装置１００の全体構成が概略的に示されている。

《ＨＵＤ装置の全体構成》
ところで、ヘッドアップディスプレイの投射方式は、液晶パネル、ＤＭＤパネル（デジタルミラーデバイスパネル）、蛍光表示管（ＶＦＤ）のようなイメージングデバイスで中間像を形成する「パネル方式」と、レーザ光源から射出されたレーザビームを２次元走査デバイスで走査し中間像を形成する「レーザ走査方式」がある。特に後者のレーザ走査方式は、全画面発光の部分的遮光で画像を形成するパネル方式とは違い、各画素に対して発光／非発光を割り当てることができるため、一般に高コントラストの画像を形成することができる。

そこで、ＨＵＤ装置１００では「レーザ走査方式」を採用している。無論、投射方式として上記「パネル方式」を用いることもできる。

ＨＵＤ装置１００は、一例として、車両に搭載され、該車両のフロントウインドシールド５０（図１参照）を介して該車両の操縦に必要なナビゲーション情報（例えば車両の速度、進路情報、目的地までの距離、現在地名称、車両前方における物体（対象物）の有無や位置、制限速度等の標識、渋滞情報などの情報）を視認可能にする。この場合、フロントウインドシールド５０は、入射された光の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる透過反射部材としても機能する。以下では、ＨＵＤ装置１００がフロントウインドシールド５０を備える、車両としての自動車に搭載される例を、主に説明する。

ＨＵＤ装置１００は、図１に示されるように、光源装置１１、光偏向器１５及び走査ミラー２０を含む光走査装置１０と、スクリーン３０と、凹面ミラー４０とを備え、フロントウインドシールド５０に対して画像を形成する光（画像光）を照射することにより、視認者Ａ（ここでは自動車の乗員である運転者）の視点位置から虚像Ｉを視認可能にする。つまり、視認者Ａは、光走査装置１０によりスクリーンに形成（描画）される画像（中間像）を、フロントウインドシールド５０を介して虚像Ｉとして視認することができる。

ＨＵＤ装置１００は、一例として、自動車のダッシュボードの下方に配置されており、視認者Ａの視点位置からフロントウインドシールド５０までの距離は、数十ｃｍから精々１ｍ程度である。

ここでは、凹面ミラー４０は、虚像Ｉの結像位置が所望の位置になるように、一定の集光パワーを有するように既存の光学設計シミュレーションソフトを用いて設計されている。

ＨＵＤ装置１００では、虚像Ｉが視認者Ａの視点位置から例えば１ｍ以上かつ３０ｍ以下（好ましくは１０ｍ以下）の位置（奥行位置）に表示されるように、凹面ミラー４０の集光パワーが設定されている。

なお、通常、フロントウインドシールドは、平面でなく、僅かに湾曲している。このため、凹面ミラー４０とフロントウインドシールド５０の曲面により、虚像Ｉの結像位置が決定される。

光源装置１１では、画像データに応じて変調されたＲ,Ｇ,Ｂの３色のレーザ光が合成される。３色のレーザ光が合成された合成光は、光偏向器１５の反射面に導かれる。偏向手段としての光偏向器１５は、半導体製造プロセス等で作製された２軸のＭＥＭＳスキャナであり、直交する２軸周りに独立に揺動可能な単一の微小ミラーを含む。光源装置１１、光偏向器１５の詳細は、後述する。

光源装置１１からの画像データに応じた光（合成光）は、光偏向器１５で偏向され、走査ミラー２０で折り返されてスクリーン３０に照射される。そこで、スクリーン３０が光走査され該スクリーン３０上に中間像が形成される。すなわち、光偏向器１５と走査ミラー２０を含んで光走査系が構成される。なお、凹面ミラー４０は、フロントウインドシールド５０の影響で中間像の水平線が上または下に凸形状となる光学歪み要素を補正するように設計、配置されることが好ましい。

スクリーン３０を介した光は、凹面ミラー４０でフロントウインドシールド５０に向けて反射される。フロントウインドシールド５０への入射光束の一部はフロントウインドシールド５０を透過し、残部の少なくとも一部は視認者Ａの視点位置に向けて反射される。この結果、視認者Ａはフロントウインドシールド５０を介して中間像の拡大された虚像Ｉを視認可能となる、すなわち、視認者から見て虚像Ｉがフロントウインドシールド５０越しに拡大表示される。

なお、フロントウインドシールド５０よりも視認者Ａの視点位置側に透過反射部材としてコンバイナを配置し、該コンバイナに凹面ミラー４０からの光を照射するようにしても、フロントウインドシールド５０のみの場合と同様に虚像表示を行うことができる。

《ＨＵＤ装置の制御系のハードウェア構成》
図２には、ＨＵＤ装置１００の制御系のハードウェア構成を示すブロック図が示されている。ＨＵＤ装置１００の制御系は、図２に示されるように、ＦＰＧＡ６００、ＣＰＵ６０２、ＲＯＭ６０４、ＲＡＭ６０６、Ｉ／Ｆ６０８、バスライン６１０、ＬＤドライバ６１１１、ＭＥＭＳコントローラ６１５を備えている。

ＦＰＧＡ６００は、画像データに応じてＬＤドライバ６１１１を介して後述するＬＤを動作させ、ＭＥＭＳコントローラ６１５を介して光偏向器１５を動作させる。ＣＰＵ６０２は、ＨＵＤ装置１００の各機能を制御する。ＲＯＭ６０４は、ＣＰＵ６０２がＨＵＤ装置１００の各機能を制御するために実行する画像処理用プログラムを記憶している。ＲＡＭ６０６は、ＣＰＵ６０２のワークエリアとして使用される。Ｉ／Ｆ６０８は、外部コントローラ等と通信するためのインターフェイスであり、例えば、自動車のＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等に接続される。

《ＨＵＤ装置の機能ブロック》
図３には、ＨＵＤ装置１００の機能を示すブロック図が示されている。ＨＵＤ装置１００は、図３に示されるように、車両情報入力部８００、外部情報入力部８０２、画像データ生成部８０４及び画像描画部８０６を備えている。車両情報入力部８００には、ＣＡＮ等から車両の情報（速度、走行距離、対象物の位置、外界の明るさ等の情報）が入力される。外部情報入力部８０２には、外部ネットワークから車両外部の情報（例えば自動車に搭載されたカーナビからのナビ情報等）が入力される。画像データ生成部８０４は、車両情報入力部８００、外部情報入力部８０２等から入力される情報に基づいて、描画すべき画像の画像データを生成し、画像描画部８０６に送信する。画像描画部８０６は、制御部８０６０を備え、受信した画像データに応じた画像を描画する。画像データ生成部８０４及び制御部８０６０は、ＦＰＧＡ６００によって実現される。画像描画部８０６は、ＦＰＧＡ６００に加えて、ＬＤドライバ６１１１、ＭＥＭＳコントローラ６１５、光走査装置１０、スクリーン３０、凹面ミラー４０等によって実現される。

《光源装置の構成》
図４には、光源装置１１の構成が示されている。光源装置１１は、図４に示されるように、単数あるいは複数の発光点を有する複数（例えば３つの）の発光素子１１１Ｒ、１１１Ｂ、１１１Ｇを含む。各発光素子は、ＬＤ（レーザダイオード）であり、互いに異なる波長λＲ、λＧ、λＢの光束を放射する。例えばλＲ＝６４０ｎｍ、λＧ＝５３０ｎｍ、λＢ＝４４５ｎｍである。以下では、発光素子１１１ＲをＬＤ１１１Ｒ、発光素子１１１ＧをＬＤ１１１Ｇ、発光素子１１１ＢをＬＤ１１１Ｂとも表記する。ＬＤ１１１Ｒ、１１１Ｇ、１１１Ｂから放射された波長λＲ、λＧ、λＢの光束は、対応するカップリングレンズ１１２Ｒ、１１２Ｇ、１１２Ｂにより後続の光学系にカップリングされる。カップリングされた光束は、対応するアパーチャ部材１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂにより整形される。各アパーチャ部材の開口形状は、光束の発散角等に応じて円形、楕円形、長方形、正方形等、様々な形状とすることができる。その後、対応するアパーチャ部材で整形された光束は、合成素子１１５により光路合成される。合成素子１１５は、プレート状あるいはプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じて光束を反射／透過し、１つの光路に合成する。合成された光束は、レンズ１１９により光偏向器１５の反射面に導かれる。レンズ１１９は、光偏向器１５側に凹面が向くメニスカスレンズである。

《光偏向器の構成》
図５には、光偏向器１５の構成が示されている。光偏向器１５は、半導体プロセスにて製造された２軸のＭＥＭＳスキャナであり、図５に示されるように、反射面を有するミラー１５０と、α軸方向に並ぶ複数の梁を含み、隣り合う２つの梁が折り返し部を介して蛇行するように接続された一対の蛇行部１５２とを有する。各蛇行部１５２の隣り合う２つの梁は、梁Ａ（１５２ａ）、梁Ｂ（１５２ｂ）とされ、枠部材１５４に支持されている。複数の梁には、複数の圧電部材１５６（例えばＰＺＴ）が個別に設けられている。各蛇行部の隣り合う２つの梁の圧電部材に異なる電圧を印加することで、該蛇行部の隣り合う２つの梁が異なる方向に撓み、それが蓄積されて、ミラー１５０がα軸周り（＝垂直方向）に大きな角度で回転することになる。このような構成により、α軸を中心とした垂直方向の光走査が、低電圧で可能となる。一方、β軸を中心とした水平方向では、ミラー１５０に接続されたトーションバーなどを利用した共振による光走査が行われる。

ＨＵＤ装置１００からは、瞬間的にはレーザビーム径に相当する点像しか投射されないが、非常に高速に走査させるため、一フレーム画像内では十分に人間の目に残像が残っている。この残像現象を利用することで、視認者には、あたかも「表示エリア」に像を投射させているように知覚される。実際には、スクリーンに映った像が、凹面ミラー４０とフロントウインドシールド５０によって反射されて視認者に「表示エリア」において虚像として知覚される。このような仕組みであるので、像を表示させない場合は、ＬＤの発光を停止すれば良い。つまり、「表示エリア」において虚像が表示される箇所以外の箇所の輝度を実質０にすることが可能となる。

すなわち、ＨＵＤ装置１００による虚像の結像位置は、該虚像を結像可能な所定の「表示エリア」内の任意の位置となる。この「表示エリア」は、ＨＵＤ装置の設計時の仕様で決まる。

このように、「レーザ走査方式」を採用したことにより、表示したい部分以外では、表示の必要がないためＬＤを消灯したり、光量を低下させたりするなどの措置を取ることができる。

これに対して、例えば液晶パネル及びＤＭＤパネルのようなイメージングデバイスで中間像を表現する「パネル方式」では、パネル全体を照明する必要があるため、画像信号としては非表示とするために黒表示であったとしても、液晶パネルやＤＭＤパネルの特性上、完全には０にし難い。このため、黒部が浮き上がって見えることがあったが、レーザ走査方式ではその黒浮きを無くすことが可能となる。

ところで、光源装置１１の各発光素子は、ＦＰＧＡ６００によって発光強度や点灯タイミング、光波形が制御され、ＬＤドライバ６１１１によって駆動され、光を射出する。各発光素子から射出され光路合成された光は、図６に示されるように、光偏向器１５によってα軸周り、β軸周りに２次元的に偏向され、走査ミラー２０（図１参照）を介して走査光としてスクリーン３０に照射される。すなわち、走査光によりスクリーン３０が２次元走査される。なお、図６では、走査ミラー２０の図示が省略されている。

走査光は、スクリーン３０の走査範囲を、２〜４万Ｈｚ程度の速い周波数で主走査方向に振動走査（往復走査）しつつ、数十Ｈｚ程度の遅い周波数で副走査方向に片道走査する。すなわち、ラスタースキャンが行われる。この際、走査位置（走査光の位置）に応じて各発光素子の発光制御を行うことで画素毎の描画、虚像の表示を行うことができる。

１画面を描画する時間、すなわち１フレーム分の走査時間（２次元走査の１周期）は、上記のように副走査周期が数十Ｈｚであることから、数十ｍｓｅｃとなる。例えば主走査周期２００００Ｈｚ、副走査周期を５０Ｈｚとすると、１フレーム分の走査時間は２０ｍｓｅｃとなる。

スクリーン３０は、図７に示されるように、画像が描画される（画像データに応じて変調された光が照射される）画像領域３０ａ（有効走査領域）と、該画像領域を取り囲むフレーム領域３０ｂとを含む。

ここで光偏向器１５によって走査しうる全範囲を「走査範囲」と呼ぶ。ここでは、走査範囲は、スクリーン３０における画像領域３０ａとフレーム領域３０ｂの一部（画像領域３０ａの外縁近傍の部分）を併せた範囲とされている。図７には、走査範囲における走査線の軌跡がジグザグ線によって示されている。図７においては、走査線の本数を、便宜上、実際よりも少なくしている。

スクリーン３０の画像領域３０ａは、例えばマイクロレンズアレイ等の光拡散効果を持つ透過型の素子で構成されている。画像領域は、矩形、あるいは平面である必要はなく、多角形や曲面であっても構わない。また、スクリーン３０は、光拡散効果を持たない平板や曲板であっても良い。また、画像領域は、装置レイアウトによっては例えばマイクロミラーアレイ等の光拡散効果を持つ反射型の素子とすることもできる。

以下に、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）を参照して、スクリーン３０の画像領域に用いられるマイクロレンズアレイにおける拡散と干渉性ノイズ発生について説明する。
図８（Ａ）において、符号８５２はマイクロレンズアレイを示す。マイクロレンズアレイ８５２は、微細凸レンズ８５１を配列した微細凸レンズ構造を有する。符号８５３で示す「画素表示用ビーム」の光束径８５７は、微細凸レンズ８５１の大きさよりも小さい。すなわち、微細凸レンズ８５１の大きさ８５６は、光束径８５７よりも大きい。なお、説明中の形態例で、画素表示用ビーム８５３はレーザ光束であり、光束中心のまわりにガウス分布状の光強度分布をなす。従って、光束径８５７は、光強度分布における光強度が「１／ｅ^２」に低下する光束半径方向距離である。
図８（Ａ）では、光束径８５７は微細凸レンズ８５１の大きさ８５６に等しく描かれているが、光束径８５７が「微細凸レンズ８５１の大きさ８５６」に等しい必要は無い。微細凸レンズ８５１の大きさ８５６を食み出さなければよい。
図８（Ａ）において、画素表示用ビーム８５３は、その全体が１個の微細凸レンズ８５１に入射し、発散角８５５をもつ拡散光束８５４に変換される。なお、「発散角」は、以下において「拡散角」と呼ぶこともある。
図８（Ａ）の状態では、拡散光束８５４は１つで、干渉する光束が無いので、干渉性ノイズは発生しない。なお、発散角８５５の大きさは、微細凸レンズ８５１の形状により適宜設定できる。
図８（Ｂ）では、画素表示用ビーム８１１は、光束径が微細凸レンズの配列ピッチ８１２の２倍となっており、２個の微細凸レンズ８１３、８１４に跨って入射している。この場合、画素表示用ビーム８１１は、入射する２つの微細凸レンズ８１３、８１４により２つの発散光束８１５、８１６のように拡散される。２つの発散光束８１５、８１６は、領域８１７において重なり合い、この部分で互いに干渉して干渉性ノイズを発生する。

図７に戻り、走査範囲における画像領域３０ａの周辺領域（フレーム領域３０ｂの一部）には、受光素子を含む同期検知系６０が設置されている。ここでは、同期検知系６０は、画像領域の−Ｘ側かつ＋Ｙ側の隅部の＋Ｙ側に配置されている。以下では、スクリーン３０の主走査方向をＸ方向とし、副走査方向をＹ方向として説明する。

同期検知系６０は、光偏向器１５の動作を検出して、走査開始タイミングや走査終了タイミングを決定するための同期信号をＦＰＧＡ６００に出力する。

［詳細］
ところで、ＨＵＤ装置を用いて情報を虚像として現実世界（例えば前方風景）に幾何的に整合するよう重畳して表示する拡張現実（ＡＲ：Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）表示や複合現実（Ｍｉｘｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）表示をおこなった際に、その表示方法によっては、視認者（例えば運転者）に不快感や疲労感を与えることが懸念される。

そこで、発明者らは、ＨＵＤ装置１００に、視認者に不快感や疲労感を与えないように虚像を表示するための技術を導入した。以下に、この技術について詳細に説明する。

一般に、ＨＵＤ装置を用いた虚像の重畳表示において、現実世界に対して虚像を幾何的に整合させる方法は、大きく分けて２つある。

１つ目の方法は、図９に示されるように視認者から見てＨＵＤ装置が搭載される自車両の前方風景（例えば前方路面）に虚像が張り付くように表示エリア内に表現する方法である。この方法は、視認者に対して奥行方向の距離情報をわかり易く通知する目的で主に使用される。この方法で表現されることが好適な虚像としては、例えば、図１０のような自車両の進路案内を示す案内表示や、図１１のような自車両と先行車両との車間距離を示す車間距離表示や、図１２のような他車両を指し示す指示表示が挙げられる。

２つ目の方法は、図１３及び図１４に示されるように視認者から見てＨＵＤ装置が搭載される自車両の前方風景（例えば前方路面）に虚像が垂直に立つように表現する方法である。この方法は、例えば、虚像によって対象物の存在を知らせたい場合や、虚像を路面に張り付くよう表示する必要がない場合に使用される。この方法で表現されることが好適な虚像としては、例えば、自車両の前方路面上にいる人（例えば歩行者、交通誘導員、作業者等）や、自車両の前方路面上に描かれた又は設置された道路標識や、自車両の前方路面上にある障害物（例えば通行規制用のバリケード、故障車、事故車等）の存在を通知するための表示が挙げられる。

これらの表示は、重畳表示したい現実世界の位置に情報が存在するように、幾何的に情報の形状を変形させて表示する。ここで、重畳表示したい現実世界の位置は、表示する情報に応じて異なる。

例えば車間距離、先行車に対する衝突危険度、車間距離の目標値等を表示する場合には、運転者が表示を見てから行動を起こすまでの時間的な余裕を考慮したタイミングで表示するのが好ましい。

この表示をおこなうタイミングについて、米国運輸省道路交通安全局（ＨＮＴＳＡ）の衝突安全テスト（ＮＣＡＰ）の評価項目では「ＴＴＣ（Ｔｉｍｅ ｔｏ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ）が２〜２．４秒の間でアラームを出すように」と定められている。

「ＴＴＣ」とは、自車両と先行車両との距離を相対速度で割ることで算出される両車両の衝突までの時間である。ＴＴＣが２．４秒となる距離と相対速度の関係が図１５に示されている。

車両の走行環境を考慮すると、相対速度２０ｋｍ/ｈ以上の環境が想定される。この環境では、図１５より、虚像を重畳表示する距離範囲の下限は、自車両前端を基準として１３ｍの距離となる。なお、視認者の視点位置と自車両前端との既知の位置関係から、虚像を重畳表示する距離範囲の下限を、自車両前端を基準とした距離（１３ｍ）から視点位置を基準とした距離（１３ｍ〜１６ｍ程度）に換算することができる。

また、例えば道路標識、歩行者等の対象に対して虚像の重畳表示をおこなう場合は、該対象の情報はＡＤＡＳ（先進運転システム）から取得される。ＡＤＡＳではミリ波レーダ、ステレオカメラもしくは単眼カメラ、ＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ、Ｌａｓｅｒ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ等が複合的に用いられるが、これらの検出可能距離は有限であり、かつ一般的には精度が保証される範囲で使用される。このため、虚像を重畳表示する距離範囲の上限としては、このＡＤＡＳの最大検出距離（例えば２００ｍ）に設定することができる（但し、後述するＨＵＤ装置の設計制約により、ＡＤＡＳの最大検出距離以下であっても良い）。

ところで、人間の右目と左目は左右に離れた位置に存在する。このため、左右の目それぞれに入り網膜に映る像は左右の目の位置の違い分だけ異なり、この違いは、対象までの距離が遠いと小さく、該距離が近いと大きくなる。人間の脳は、この左右の目に映る対象の写りの違いを手がかりとして、奥行きを知覚する。

ＨＵＤ装置は、運転者の前方に情報を虚像として表示する車載表示装置である。この情報は、運転者の前方風景に重なるよう、フロントウインドシールドやコンバイナと呼ばれる透過反射部材を介して虚像として視認可能に表示される。そこで、虚像として表示される情報の幾何学形状を現実世界と整合するように調整することで、前述したような重畳表示によって、あたかも現実世界の任意の位置に情報が存在するように知覚させることができる。

しかし、ＨＵＤ装置によって表示される虚像（以下では「表示像」とも呼ぶ）は、装置の設計時に決定される表示エリアに２次元的に投影されるため、現実世界の任意の位置、例えば運転者の視点の先の路面に存在するように形状や色合いを調整しても、左右の目それぞれの網膜には左右の目から虚像までの距離の差に応じた写りの差、すなわち視差が生じてしまう。

図１６に示されるように、虚像が重畳される対象である現実物体（現実世界に存在する物体）を見たときの左右の目の視線が成す角である輻輳角をθ_{ｓｃｅｎｅ}、表示像を見たときの左右の目の視線が成す角である輻輳角をθ_ＨＵＤとし、θ_{ｓｃｅｎｅ}−θ_ＨＵＤを視差角θ［°］と定義する。視差角θは、両眼間の距離をｘ［ｍ］、現実物体までの距離をＬ［ｍ］とすると、次の（１）式で表される。

この視差角θが１°を超えると、二重像が知覚され、不快感や疲労感が増すことは既に知られている。

視認者の視点位置から表示像が重畳される現実物体（前方風景における表示エリアの背景に現実に存在する物体）までの距離と、視認者の視点位置から表示像（虚像）までの距離とから計算される視差角の関係が、図１７に示されている。図１７における視差角の数値は、両眼間の距離ｘを人間の平均値である６５ｍｍとして上記（１）式を用いて算出している。

前述した理由で定まる表示像を重畳させる距離範囲の上限及び下限と、視差角θが１°以下となる条件とから、表示像を重畳させるのに適正な視点位置からの距離範囲（以下では「適正距離範囲」とも呼ぶ）を決定することができる。なお、図１７から分かるように、表示像が重畳される現実物体が離れるほど視差角θは大きくなるため、適正距離範囲の上限を、ＡＤＡＳの最大検出距離以下であり、かつ視差角θが１°以下となるように定めることが好ましい。

また、ＨＵＤ装置の表示エリア（虚像表示可能範囲）の大きさは、有限である。そこで、視認者の視点位置から適正距離範囲内にある路面が表示エリアに入るように、該表示エリアの位置を決定することが望ましい。このような表示エリアの位置の決定方法は、表示像を路面に張り付くように表示する場合（２次元で奥行き感を表現する必要がある場合）に特に有効である。表示像を路面に垂直に立つように表示する場合、視差角θが１°以下であれば、表示像の大きさを変更することで遠近が表現できる。

以上のようにしてＨＵＤ装置の設計を行うことで、運転者に不快感や疲労感を与えないよう現実物体に虚像を重畳表示することが可能となる。

次に、表示エリアの位置の決定方法について、実施例を用いて詳細に説明する。

まず、図１８に示されるように、適正距離範囲の上限と下限を設定する。適正距離範囲の上限は前述したようにＡＤＡＳの最大検出距離から設定され、適正距離範囲の下限は前述したように車両の走行環境を考慮したシステムの要求から定められる。

次に、図１９に示されるように、適正距離範囲内に虚像を表示できるように表示エリアの位置を決定する。なお、ここでは、車両に対する表示エリアの上下方向の位置、前後方向の位置のみを決めるため、車両に対する表示エリアの左右方向の位置に関しては、別の条件で定める必要がある。例えば、車両に対する表示エリアの左右方向の位置は、適正距離範囲の上限において自車線の横幅を包括できる位置というように決定する。また、ここでは、表示エリアの横方向は、車両の左右方向に一致している。

最後に、図２０に示されるように、適正距離範囲の下限中央（図２０において視点位置から距離Ｌ_Ｒｅａｌの位置）に対する輻輳角と、表示エリアの下端中央（図２０において視点位置から距離Ｌ_ＨＵＤの位置）に対する輻輳角との差である視差角θが１°以下となるように距離Ｌ_ＨＵＤを設定する。ここでは、表示エリアの下端中央と、適正距離範囲の下限中央を視点位置からの距離で定義しているが、図２０中のＬ´_ＨＵＤ、Ｌ´_Ｒｅａｌのように路面に水平な距離で定義しても良い。
同様に、適正距離範囲の上限中央に対する輻輳角と、表示エリアの上端中央に対する輻輳角との差である視差角θが１°以下となるように視点位置から表示エリアの上端中央までの距離を設定する。ここでは、表示エリアの上端と、適正距離範囲の上限を視点位置からの距離で定義しているが、路面に水平な距離で定義しても良い。

なお、虚像の結像位置（表示エリア内における虚像の位置）は、例えば、走査ミラー２０や凹面ミラー４０や透過反射部材（例えばフロントウインドシールド５０）の曲率（パワー）によって設定することができる。

以上の説明では、視認者が同時視認する表示エリアの下端中央と適正距離範囲の下限中央との間の視差角及び表示エリアの上端中央と適正距離範囲の上限中央との間の視差角θがいずれも１°以下となるように表示エリアの位置を設定しているが、これに限られない。

例えば、表示エリアの上端中央（ここでは表示エリアにおける視点位置からの距離が最短となる位置）と、適正距離範囲の上限の左端及び／又は右端（適正距離範囲における視点位置からの距離が最長となる位置）との間の視差角θが１°以下となるように表示エリアの位置を設定しても良い。

以上の説明から分かるように、「適正距離範囲」は、視差角θが１°以下となるように設定されている。なお、視点位置から虚像の結像位置までの距離Ｄが、例えば４ｍのときは視点位置と物体までの距離が２ｍ以上かつ１０００ｍ以下で視差角が１°以下となることが確認され、例えば６ｍ以上のときは物体がほぼ無限遠にあっても視差角が１°未満となることが確認されている。そして、距離Ｄが短いほど装置内における光路長を短くでき装置の小型化を図ることができる。

ＨＵＤ装置１００が車両搭載用であることを考えると、距離Ｄを４ｍ〜６ｍに設定すると、少なくとも１０００ｍ先の物体に対応できるため実用上充分であり、小型化にも有利である。なお、距離Ｄは、図２０において、Ｌ_ＨＵＤやＬ´_ＨＵＤに相当する。

また、例えば視点位置から２ｍ以上の距離にある物体に対応できれば、実用上充分であると考えられる。つまり、視点位置から２ｍ未満の至近距離に虚像を表示する必要性は極めて低い。なお、実用上は、視点位置からｙｍ（例えば２ｍ〜５ｍ）以上の距離にある物体に対応できれば問題ないと考えられる。

なお、ＨＵＤ装置１００をどのような車両に搭載するにしても、距離Ｄを、６ｍ以上としても良いが、装置の大型化を抑制する観点から、１０ｍ以下とすることが好ましい。

以下の説明において、ＨＵＤ装置の設計上の基準となる視認者の視点位置を「基準視点」と呼ぶ。

ところで、車両の設計上の基準となる視認者の視点位置は、地上Ｈ［ｍ］（普通乗用車の場合は約１．２ｍ）の高さに設定される。

しかし、実際には、視認者（例えば運転者）の体格差により、視点位置の高さは、地上Ｈ［ｍ］の高さを中心とする、該中心から運転席の座面に下ろした垂線の長さＪ［ｍ］の±１０％の高さ範囲内で変動する。この場合、Ｊ［ｍ］は、運転者の平均的な座高となる。

このため、基準視点の高さを上記高さ範囲内に設定し、基準視点から見て、適正距離範囲に重なるよう表示エリアに虚像を表示しても、実際の視点位置の高さや適正距離範囲における虚像が重畳される位置によっては、該虚像の少なくとも一部が視認できなくなってしまう。

そこで、発明者らは、この問題に対処するために、図２１〜図２５に示されるような基準視点及び表示エリアの設定方法を発案した。図２１〜図２５においては、表示エリアの形状及び大きさを同一とし、表示エリアの向きを路面に対して垂直とし、表示エリアの上端を上記高さ範囲の下限よりも低くしている。なお、表示エリアを路面に対して前傾姿勢となるように傾けても良い。

先ず、図２１の例では、基準視点Ｂの高さを地上Ｈ（上記高さ範囲の中心の高さ）に設定し、基準視点Ｂから見て、適正距離範囲の全体が表示エリアに入り、かつ上記高さ範囲の中心に対して垂線の長さＪの１０％だけ上方の視点Ｐ（上記高さ範囲の上限：地上Ｈ＋０．１Ｊ）から見て、適正距離範囲の７０％以上の第１の範囲が表示エリアに入り、かつ上記高さ範囲の中心に対して垂線の長さＪの１０％だけ下方の視点Ｑ（上記高さ範囲の下限：地上Ｈ−０．１Ｊ）から見て、適正距離範囲の７０％以上の第２の範囲が表示エリアに入るように表示エリアの位置を設定している。この場合、第１及び第２の範囲の重複範囲（例えば適正距離範囲の６０％以上の範囲）に重なるよう表示エリアに虚像を表示すれば、上記高さ範囲内の任意の高さの視点から虚像の全体を視認することが可能となる。なお、表示エリアの位置は、基準視点Ｂから見て適正距離範囲の全体が表示エリアに入るよう基準視点Ｂから表示エリアの上端を見下ろす角度θを決定することにより設定することができる。

次に、図２２の例では、基準視点Ｂの高さを地上Ｈ＋０．０５Ｊに設定し、基準視点Ｂから見て、適正距離範囲の全体が表示エリアに入り、かつ上記高さ範囲の中心に対して垂線の長さＪの１０％だけ上方の視点Ｐ（上記高さ範囲の上限：地上Ｈ＋０．１Ｊ）から見て、適正距離範囲の８０％以上の第１の範囲が表示エリアに入り、かつ上記高さ範囲の中心に対して垂線の長さＪの１０％だけ下方の視点Ｑ（上記高さ範囲の下限：地上Ｈ−０．１Ｊ）から見て、適正距離範囲の８０％以上の第２の範囲が表示エリアに入るように表示エリアの位置を設定している。この場合、第１及び第２の範囲の重複範囲（例えば適正距離範囲の７０％以上の範囲）に重なるよう表示エリアに虚像を表示すれば、上記高さ範囲内の任意の高さの視点から虚像の全体を視認することが可能となる。

次に、図２３の例では、基準視点Ｂの高さを地上Ｈ＋０．１Ｊに設定し（すなわち基準視点Ｂを視点Ｐに一致させ）、基準視点Ｂから見て、適正距離範囲の全体が表示エリアに入り、かつ上記高さ範囲の中心に対して垂線の長さＪの１０％だけ下方の視点Ｑ（上記高さ範囲の下限：地上Ｈ−０．１Ｊ）から見て、適正距離範囲の８０％以上の所定範囲が表示エリアに入るように表示エリアの位置を設定している。この場合、該所定範囲と適正距離範囲の重複範囲（例えば適正距離範囲の８０％以上の範囲）に重なるよう表示エリアに虚像を表示すれば、上記高さ範囲内の任意の高さの視点から虚像の全体を視認することが可能となる。

次に、図２４の例では、基準視点Ｂの高さを地上Ｈ−０．０５Ｊに設定し、基準視点Ｂから見て、適正距離範囲の全体が表示エリアに入り、かつ上記高さ範囲の中心に対して垂線の長さＪの１０％だけ上方の視点Ｐ（上記高さ範囲の上限：地上Ｈ＋０．１Ｊ）から見て、適正距離範囲の６０％以上の第１の範囲が表示エリアに入り、かつ上記高さ範囲の中心に対して垂線の長さＪの１０％だけ下方の視点Ｑ（上記高さ範囲の下限：地上Ｈ−０．１Ｊ）から見て、適正距離範囲の６０％以上の第２の範囲が表示エリアに入るように表示エリアの位置を設定している。この場合、第１及び第２の範囲の重複範囲（例えば適正距離範囲の５０％以上の範囲）に重なるよう表示エリアに虚像を表示すれば、上記高さ範囲内の任意の高さの視点から虚像の全体を視認することが可能となる。

次に、図２５の例では、基準視点Ｂの高さを地上Ｈ−０．１Ｊに設定し（すなわち基準視点Ｂを視点Ｑに一致させ）、基準視点Ｂから見て、適正距離範囲の全体が表示エリアに入り、かつ上記高さ範囲の中心に対して垂線の長さＪの１０％だけ上方の視点Ｐ（上記高さ範囲の上限：地上Ｈ＋０．１Ｊ）から見て、適正距離範囲の４０％以上の所定範囲が表示エリアに入るように表示エリアの位置を設定している。この場合、該所定範囲と適正距離範囲の重複範囲（例えば適正距離範囲の４０％以上の範囲）に重なるよう表示エリアに虚像を表示すれば、上記高さ範囲内の任意の高さの視点から虚像の全体を視認することが可能となる。

以上、図２１〜図２５の例について説明したが、表示エリアの形状及び大きさが同じ条件下では、基準視点Ｂの高さの上記高さ範囲内での設定レベルが高いほど、重複範囲を広くすることができ、適正距離範囲内において上記高さ範囲内の任意の高さの視点から見て虚像全体を視認可能なように虚像を重畳可能な範囲を広くすることができる。

特に、基準視点Ｂの高さの上記高さ範囲内での設定レベルを地上Ｈ−０．０５Ｊ以上に設定すれば、適正距離範囲の５０％以上の重複範囲（上記高さ範囲内の任意の高さの視点から見て虚像全体を視認可能なように虚像を重畳できる範囲）が得られるよう表示エリアの位置を設定することができる。

さらに、基準視点Ｂの高さの上記高さ範囲内での設定レベルを地上Ｈ（上記高さ範囲の中心の高さ）以上に設定すれば、適正距離範囲の６０％以上の重複範囲（上記高さ範囲内の任意の高さの視点から見て虚像全体を視認可能なように虚像を重畳できる範囲）が得られるよう表示エリアの位置を設定することができる。

さらに、基準視点Ｂの高さの上記高さ範囲内での設定レベルを地上Ｈ＋０．０５以上の高さに設定すれば、適正距離範囲の７０％以上の重複範囲（上記高さ範囲内の任意の高さの視点から見て虚像全体を視認可能なように虚像を重畳できる範囲）が得られるよう表示エリアの位置を設定することができる。

無論、表示エリアの大きさを大きくすれば、適正距離範囲内における重複範囲（上記高さ範囲内の任意の高さの視点から見て虚像全体を視認可能なように虚像を重畳できる範囲）を広くすることは容易であるが、表示エリアの大きさと装置の小型化はトレードオフの関係にあるので、表示エリアの大きさを徒に大きくすることは、装置の大型化につながるため、適切ではない。

そこで、本実施形態では、上述のように、限られた大きさの表示エリアに対して、基準視点の高さ及び表示エリアの位置の設定に工夫を凝らすことにより、適正距離範囲において上記高さ範囲内の任意の高さの視点から見て虚像全体を視認可能なように虚像を重畳できる範囲を広くすることに成功した。

なお、視認者の体格差による視点位置の高さの変動に対しては、表示エリアの位置を調整することにより、適正距離範囲内に重畳された虚像の全体を視認可能とすることもできる。

そこで、ＨＵＤ装置１００は、表示エリアの位置を手動又は自動で調整するための調整手段を備えることが好ましい。調整手段としては、例えば、ＨＵＤ装置１００全体もしくは凹面ミラー４０の位置や向きを可変な機構を含むものが挙げられる。表示エリアの位置を手動で調整する場合、該機構をユーザ（視認者）が操作するための操作部が必要となる。表示エリアの位置を自動で調整する場合、ユーザ（視認者）の視点位置を検出する手段（例えばカメラ等）が必要となる。
表示エリアの位置を調整した場合、調整後の表示エリアの位置と視点位置の関係から、重畳表示したい現実世界の位置に情報が存在するように、該情報の表示像（虚像）を幾何学的に変形させることが好ましい。

ところで、ＨＵＤ装置において、表示エリア内における虚像以外のエリアに黒浮きが生じ、表示されていないはずの領域がうすく光ってしまう（いわゆるポストカードが見える）と、虚像が前方路面に重なっていると錯覚させる効果が薄れてしまうことが分かっている。そこで、本実施形態のようにレーザ走査方式を採用することで、拡張現実感を保つことが可能となる。

《ポストカードが認識される条件の導出》
一般に輝度差弁別閾（人間が輝度の差を認識できる閾値）は環境の明るさによって変動するものの、閾値の輝度／背景輝度が１／１００〜１／１０００程度であると言われている。下記の実験結果は、この値を前提として背景輝度について条件を変えて行ったものである。

ポストカードが認識される輝度について精査した。具体的には、スクリーン３０に描画される画像の輝度を変化させることで輝度L_P（表示エリアにおける虚像以外の領域（非虚像領域）の輝度）を変化させ、ポストカードが視認され始めるL_Pの値を２次元輝度計で測定した。ここで、L_BとL_Pの関係が図２９に示されている。

この測定では、視認者Ｖから見た非画像描画領域L_Pの背後の背景輝度L_Bに対するコントラストを、L_B／L_Pと定義した。また、背景輝度L_Bは、実験環境が構築可能な３種類を条件とした。この３種類は、それぞれ輝度が低い方から夜間の路面輝度、トンネル照明下の路面輝度、曇りの昼間の路面輝度を想定している。それぞれのL_Bに対してL_Pを変化させ、L_Pの領域、すなわちポストカードが認識されなくなるコントラストL_B／L_Pを求めた。その結果が表１に示されている。

表１に示されるように、ポストカードが視認できる輝度L_Pは背景輝度L_Bによって異なり、例えば夜間の路面相当のL_BではコントラストL_B／L_Pが30以上であればポストカードを認識できないことがわかった。また、表１ではL_Bが46.2[cd/m^2]の場合と213[cd/m^2]の場合でコントラストL_B／L_Pが比較的近い値になっている。これによりL_Bがある程度の明るさ(本実験では46.2[cd/m²])以上であれば、ポストカードが視認できるコントラストは概ね一定であると考えられ、特にL_B／L_Pが100以上であればL_Bによらずポストカードが視認できないと考えられる。

以上より、輝度L_P及び背景輝度L_Bにかかわらず、コントラストL_B／L_Pが、概ね100以上の場合に、ポストカードを認識できないことがわかった。つまり、ＨＵＤ装置１００において、実質的にポストカードが認識できない（ポストカードが実質発生しない）輝度L＿Pの値を設定できることがわかった。但し、表１からわかるように、条件によっては、必ずしもコントラストL_B／L_Pを100以上としなくてもよい。

ＨＵＤ装置１００では、表示する虚像の輝度を大きくすると輝度L_Pも大きくなり、表示する虚像の輝度を小さくすると輝度L_Pも小さくなる。従って、ＨＵＤ装置１００の画像データ生成部８０４において、コントラストL_B／L_Pが所定値以上となるように、表示する虚像の輝度を調整することにより、常にポストカードを認識できない状態を実現できる。ここで、所定値は100であることが好ましい。また、画像データ生成部８０４以外に光学的な設計において、使用時にこの所定値を満たすようＨＵＤ装置１００を設計しても良い。

ところで、パネル方式では、コントラストL_B／L_Pを100以上にすることは困難であるが、レーザ走査方式では、コントラストL_B/L_Pを1000〜10000程度にすることも容易である。よって、ポストカードを認識できない状態を実現するためには、レーザ走査方式を採用することが好ましい。

また、レーザ走査方式を採用していても、表示している虚像の輝度が高い場合、その虚像の大きさによってポストカードの輝度も高くなる場合がある。この虚像の大きさとポストカードの輝度に関する測定実験を行った。具体的には、背景輝度L_Bが１００００［ｃｄ／ｍ^２］の場合に、表示が十分に見えるように、レーザ光源を発光させ、その状態で、虚像の大きさ（スクリーン３０に形成される中間像の面積）を変えながら、ポストカートの輝度L_Pを測定した。その測定の結果、表示エリア全体の面積に対する虚像の面積の比率（面積率）が４５％を下回れば、コントラストL_B／L_Pが100以上となることがわかった。

そこで、虚像を表示する際に、表示エリア全体の面積に対する、同時に表示する虚像の面積の合計が、所定の面積率以下（例えば、４５％以下程度）であることが好ましい。このようにすることで、表示する虚像の輝度の上限値をある程度高くしても、コントラストL_B／L_Pを100以上とすることができる。

また、ＨＵＤ装置１００は、視認者が車両等の運転者であることが多いため、視認者の視界を妨げないようにすることが好ましい。この点からも、表示エリア全体を発光させずに、同時に表示する虚像の面積の合計の、表示エリア全体の面積に対する比率（面積率）を所定の面積率以下（例えば、４５％以下程度）とすることが好ましい。

次に、案内表示（例えば図１０参照）を表示するためのＨＵＤ装置１００の画像データ生成部８０４の構成例について、図２６を参照して説明する。

画像データ生成部８０４は、図２６に示されるように、案内情報取得手段９０１と、案内表示データ生成手段９０２とを含む。

案内情報取得手段９０１は、カーナビ２００から外部情報入力部８０２を介して車両の移動予定ルートに関連する情報（例えば移動予定ルート上における次の曲がり地点に関する情報や、移動予定ルート付近の店、施設、家等に関する情報）を取得し、該情報を案内表示データ生成手段９０２に送信する。なお、「移動予定ルート」は、ユーザによってカーナビ２００に対して適宜設定される。

案内表示データ生成手段９０２は、受信した移動予定ルートに関連する情報及び案内表示のテンプレートに基づいて、案内表示データを生成し、画像描画部８０６の制御部８０６０に送信する。

制御部８０６０は、案内表示データ生成手段９０２から受信した案内表示データに基づいてＬＤドライバ６１１１及びＭＥＭＳコントローラ６１５を制御して、表示エリア内に案内表示を虚像として表示する。

以上のようにして、車両の移動予定ルートに関する案内表示を車両の前方風景に重なる表示エリア内に表示させることで、運転者は移動予定ルートに関連する情報を前方風景から視線を逸らさずに認識することができる。

次に、車間距離表示（例えば図１１参照）を表示するためのＨＵＤ装置１００の構成例について、図２７を参照して説明する。

ここでは、ＨＵＤ装置１００が、上述した基本的な構成に加えて、図２７に示されるように、対象物の位置を検出する検出系としてのレーザレーダ３００を備えるとともに、画像データ生成部８０４に必要な構成、機能が盛り込まれている。

なお、「検出系」は、「指示表示」を表示するための専用のものでなくても良く、例えば車両の自動制御（例えばオートブレーキ、オートステアリング等）に用いられる検出装置を利用しても良い。このような「検出装置」を利用する場合には、ＨＵＤ装置は、検出系を備える必要がない。

また、「検出系」や「検出装置」としては、要は、車両の前方（斜め前方を含む）における対象物の有無及び位置を検出できるものであれば良く、レーザレーダ（例えば半導体レーザを光源に用いるレーダ）の代わりに、ＬＥＤを光源に用いたレーダ、ミリ波レーダ、赤外線レーダ、単眼カメラ、ステレオカメラ、あるいはこれらの組み合わせを用いても良い。

レーザレーダ３００は、少なくとも１つのレーザ光源（例えば半導体レーザ）を含む投光系と、該投光系から投光され対象物で反射された光を受光する少なくとも１つの受光素子（例えばフォトダイオード）を含む受光系と、対象物までの距離を演算する処理系とを有する。レーザレーダ３００の投光範囲は、自車両前方及び斜め前方の所定範囲となっている。レーザレーダ３００の測距方式は、レーザ光源の発光タイミングと受光素子の受光タイミングとの時間差を算出し該時間差から対象物までの距離を求める直接ＴＯＦ方式であっても良いし、受光素子の受光信号を複数の位相信号に分割し該複数の位相信号を用いた演算によって上記時間差を算出し、該時間差から対象物までの距離を求める間接ＴＯＦ方式であっても良い。また、投光系は、走査型及び非走査型のいずれであっても良い。

レーザレーダ３００は、例えば自動車のフロントバンパー、バックミラー付近等に装着されており、対象物（ここでは自車両前方の先行車両）を検出したときに、その検出結果である３次元位置情報（距離画像とも呼ぶ）を車両制御装置４００に送る。

車両制御装置４００は、自車両の制御全般を行う装置であり、受信した先行車両の３次元位置情報及びその変化から、それぞれ自車両と先行車両との現在の車間距離及び相対速度を求め、該相対速度に応じた車間距離の目標値（適正な車間距離の下限値）を設定し、該目標値と現在の車間距離を車両情報入力部８００を介して画像データ生成部８０４に送る。

画像データ生成部８０４は、車間距離／目標値取得手段９０３と、車間距離表示／目標値データ生成手段９０４とを含む。

車間距離／目標値取得手段９０３は、車両制御装置４００から現在の車間距離と車間距離の目標値を取得し、車間距離表示／目標値データ生成手段９０４に送る。

車間距離表示／目標値データ生成手段９０４は、受信した現在の車間距離及び車間距離の目標値と、車間距離表示のテンプレート（車線の幅方向に延び車線の長さ方向に並ぶ複数の構成単位を含むデータ）とに基づいて、車間距離表示の画像データ及び車間距離の目標値の画像データを含むデータである車間距離表示／目標値データを生成し、制御部８０６０に送る。

制御部８０６０は、受信した車間距離表示／目標値データに基づいてＬＤドライバ６１１１及びＭＥＭＳコントローラ６１５を制御して、車間距離表示及び車間距離の目標値を表示エリア内に虚像として表示する。

このようにして、例えば図１１に示されるように運転者から見て自車両と先行車両との間の路面（車線）に重なる表示エリア内に自車両と先行車両との車間距離を示す車間距離表示（例えば隣接する構成単位間の間隔である１目盛が１０ｍ）及び車間距離の目標値が表示されれば、運転者は前方から視線を逸らさずに現在の車間距離及び適正な車間距離の下限値を容易に認識することができ、適正な車間距離をとるべく自車両の減速等を行うことができる。なお、図１１には、実際の車間距離が例えば３０ｍ、車間距離の目標値が例えば５０ｍの場合が示されている。

次に、指示表示（例えば図１２参照）を表示するためのＨＵＤ装置１００の画像データ生成部８０４の構成例について、図２８を参照して説明する。

ＨＵＤ装置１００は、「指示表示」を表示するための構成として、上述した基本的な構成に加えて、図２８に示されるように、対象物の位置を検出する検出系としてのレーザレーダ３００を備えるとともに、画像データ生成部８０４に必要な構成、機能が盛り込まれている。

画像データ生成部８０４は、表示制御手段９０５と、指示表示データ生成手段９０６とを含む。

表示制御手段９０５は、レーザレーダ３００での検出結果に基づいて指示表示の指示方向及び表示エリア内における指示表示の表示位置（以下では「指示表示位置」とも呼ぶ）を設定し、指示方向及び指示表示位置の設定情報を指示表示データ生成手段９０６に送る。なお、指示表示位置は、表示エリア内において対象物に近い位置に設定することが好ましい。

指示表示データ生成手段９０６は、受信した指示方向及び指示表示位置の設定情報に基づいて指示表示の画像データを生成し、制御部８０６０に送る。

制御部８０６０は、受信した指示表示の画像データに基づいてＬＤドライバ６１１１及びＭＥＭＳコントローラ６１５を制御して、指示表示を表示エリア内に虚像として表示する。

このようにして、例えば図１２に示されるように自車両の前方風景に重なる表示エリア内に対象物（例えば前方車両）を指し示す指示表示が表示されれば、運転者は対象物の位置を正確に認識（把握）できる。

ここで、指示表示は、例えば図１２に示される矢印、Ｖ字等の任意の一方向を指し示す表示である。本明細書では、指示表示が指し示す一方向を「指示方向」とも呼ぶ。指示表示の大きさは、表示エリア内に表示可能な大きさであれば良い。なお、図１２等では、指示表示は、対象物の、自車両の進行方向に直交する面内における２次元位置を示す２次元形状のみを有するかの如く図示されているが、実際には、対象物の、車両の進行方向に直交する面内における２次元位置及び車両の進行方向の１次元位置を示す３次元形状を有しているため、運転者からは、指示表示が対象物の３次元位置を指示しているように見える。ここでは、指示表示を例にとって説明しているが、要は、対象物の存在を通知する表示であれば良く、例えば対象物の下側近傍にライン状や半月状の表示を行っても良い。

以上説明した本実施形態のＨＵＤ装置１００は、画像を形成する光をフロントウインドシールド５０（透過反射部材）に照射して車両（移動体）の前方風景（車両外部の風景）に重なるように表示エリア内に虚像を表示する表示装置であって、光源（例えば半導体レーザ）と、該光源からの光により画像を形成する、光偏向器１５、走査ミラー２０及びスクリーン３０を含む画像形成部と、該画像を形成する光をフロントウインドシールド５０へ投光する凹面ミラー４０（投光部）と、を備え、車両内に設定された基準視点から見て、前方風景における基準視点から所定距離範囲（適正距離範囲）が表示エリアに入り、所定距離範囲に存在する対象物（例えば前方路面、先行車両、人、障害物等）に対する輻輳角と、表示エリア内に表示される虚像に対する輻輳角との差が１°以下となることを特徴とする表示装置である。

この場合、所定距離範囲に存在する対象物に対する輻輳角と表示エリアに表示される虚像に対する輻輳角との差が非常に小さいため、視認者が対象物と虚像を同時に見たときの不快感や疲労感を抑制できる。すなわち、ＨＵＤ装置１００によれば、対象物と虚像の同時視認性を向上させることができる。

一方、例えば特許文献１（特開２０１３−１９６３５９号公報）では、視点位置から対象物までの距離と視点位置から虚像までの距離との差によって、視認者が対象物と虚像を同時に見た際に左右の網膜に映る虚像が大きくずれ、虚像が二重像として見えたり、視認者に不快感や疲労感を与えることが懸念されていた。

また、表示エリア内の任意の点と基準視点との距離は、４ｍ以上かつ１０ｍ以下であることが好ましい。この場合、所定距離範囲に存在する対象物に対する輻輳角と表示エリアに表示される虚像に対する輻輳角との差を確実に１°以下にすることができるとともに（図１７参照）、装置の大型化を抑制できる。なお、表示エリアを基準視点から例えば１０ｍよりも長い距離の位置に設定することは、光学系の大型化、ひいては装置の大型化につながる。

また、表示エリア内の任意の点に対する輻輳角と、所定距離範囲の上限の点に対する輻輳角との差が１°以下となることが好ましい。この場合、表示エリア内の任意の点と所定距離範囲内の任意の点の同時視認性を向上させることができる。

また、表示エリアの上端は、基準視点よりも低い位置にあることが好ましい。この場合、基準視点から見て、車両の前方路面を表示エリア内に入れることができる。なお、表示エリアの上端は、基準視点よりも高い位置にあっても良い。

また、基準視点は、車両の運転席の座面の上方に設定され、基準視点の高さは、車両の設計上における運転者（視認者）の視点の高さを中心とする、該視点から座面（所定面）へ下ろした垂線の長さの±１０％の高さ範囲内に設定されていることが好ましい。この場合、実際の視認者の視点位置に概ね対応可能である。

また、上記高さ範囲の上限から見て所定距離範囲の６０％以上の第１の範囲が表示エリアに入り、かつ上記高さ範囲の下限から見て所定距離範囲の６０％以上の第２の範囲が表示エリア内に入ることが好ましい。この場合、例えば表示エリアの位置を調整可能でなくても、視認者の体格差による視点位置の変動に対応可能である。

また、基準視点の高さは、上記高さ範囲の中心の高さ以上に設定されていることが好ましい。この場合、例えば表示エリアの位置を調整可能でなくても、視認者の体格差による視点位置の変動に十分に対応可能である。

また、第１及び第２の範囲が重複する範囲（重複範囲）に重なるように表示エリア内に虚像を表示することが好ましい。この場合、上記高さ範囲の任意の高さの視点から見て虚像の全体を視認することが可能となる。

また、所定距離範囲の下限は、例えば１３ｍ〜１６ｍであることが好ましい。この場合、虚像を見てから視認者が行動を起こすまでの時間を考慮した位置に重なるように虚像を表示することができる。

また、所定距離範囲の上限は、例えば車両から対象物までの距離を検出する検出装置の最大検出距離以下であることが好ましい。対象物（例えば先行車両、人、自転車、障害物等）を検出不能な位置に虚像を重畳表示する必要性は低いからである。

また、所定距離範囲の上限は、例えば２００ｍであることが好ましい。現在、最大検出距離が２００ｍの検出装置が主流だからである。

また、表示エリアの位置を手動又は自動で調整可能なことが好ましい。この場合、視認者が虚像の全体を視認できるよう表示エリアの位置を調整できるので、視認者の体格差による視点位置の変動に十分に対応でき、かつ基準視点の高さ設定をシビアにする必要がない。

また、虚像は、対象物と３次元的に整合する表示（例えば路面に張り付いた表示）を含んでいても良い。この場合、虚像と対象物の同時視認性を向上するのが困難であるため、ＨＵＤ装置１００が特に有効となる。

また、上記整合する表示は、例えば車両と対象物としての先行車両（先行物体）との車間距離を示す車間距離表示であっても良い。

また、上記整合する表示は、例えば対象物の存在を通知するための表示（例えば指示表示）であっても良い。

また、上記整合する表示は、例えば車両の移動予定ルートに関連する案内表示であっても良い。

また、虚像は、対象物と３次元的に整合しない表示を含んでいても良い。この場合、例えば虚像の大きさ変えることにより虚像と対象物の同時視認性を向上させることができるが、虚像の大きさを変えなくてもＨＵＤ装置１００により同時視認性を向上させることができる。

また、上記整合しない表示は、例えば先行車両、人、自転車、障害物等の対象物を示す表示、車両に関する情報を示す情報（例えば車両の速度、燃料の残量等を示す表示）、及び車両の移動予定ルートに関連する表示（次の曲がり地点に関する案内表示や、移動予定ルート付近の店、施設、家等に関する案内表示）の少なくとも１つを含むことが好ましい。

また、ＨＵＤ装置１００と、ＨＵＤ装置１００が搭載される車両（移動体）と、を備える車両装置（移動体装置）によれば、視認者（例えば運転者）に不快感や疲労感を与えることを抑制しつつ有用な情報を通知することができるので、良好な運転支援を行うことができる。

また、本実施形態のＨＵＤ装置１００の製造方法は、車両の前方風景（移動体外の風景）に重なるように表示エリア内に虚像を表示する表示装置の製造方法であって、車両内に基準視点を設定する工程と、基準視点から見て、前方風景における基準視点から所定距離範囲が表示エリアに入るように該表示エリアの位置を設定する工程と、を含み、所定距離範囲に存在する対象物に対する輻輳角と、表示エリア内に表示される虚像に対する輻輳角との差が１°以下となることを特徴とする表示装置の製造方法である。この場合、対象物と虚像の同時視認性を向上させることができるＨＵＤ装置１００を製造することができる。

また、本実施形態の表示方法は、車両の前方風景（移動体外の風景）に重なるように表示エリア内に虚像を表示する表示方法であって、車両内に基準視点を設定する工程と、基準視点から見て、前方風景における基準視点から所定距離範囲が表示エリアに入るように該表示エリアの位置を設定する工程と、基準視点から見て、所定距離範囲に重なるように表示エリア内に虚像を表示する工程と、を含み、所定距離範囲に存在する対象物に対する輻輳角と、表示エリア内に表示される虚像に対する輻輳角との差が１°以下となることを特徴とする表示方法である。この場合、対象物と虚像の同時視認性を向上させることができる。

なお、上記実施形態のＨＵＤ装置において、画像光生成手段においてスクリーン３０の後段に配置された投光部は、凹面ミラー４０（凹面鏡）から構成されているが、これに限らず、例えば、凸面鏡から構成されても良いし、曲面鏡（凹面鏡や凸面鏡）と、該曲面鏡とスクリーン３０との間に配置された折り返しミラーとを含んで構成されても良い。

また、上記実施形態では、光走査装置は、走査ミラー２０を有しているが、有していなくても良い。

また、上記実施形態では、光源としてＬＤ（端面発光レーザ）を用いているが、例えば面発光レーザ等の他のレーザ等を用いても良い。

また、上記実施形態では、ＨＵＤ装置は、カラー画像に対応するように構成されているが、モノクロ画像に対応するように構成されても良い。

また、透過反射部材は、車両のフロントウインドシールドに限らず、例えばサイドウインドシールド、リアウインドシールド等であっても良く、要は、透過反射部材は、虚像を視認する視認者が搭乗する車両に設けられ、該視認者が車両の外部を視認するための窓部材（ウインドシールド）であることが好ましい。

また、上記実施形態では、ＨＵＤ装置は、例えば自動車に搭載されるものを一例として説明したが、要は、車両、航空機、船舶等の移動体に搭載されるものであれば良い。例えば、本発明の車両装置に用いられる車両としては、４輪の自動車に限らず、自動二輪車、自動三輪車等であっても良い。この場合、透過反射部材としてのウインドシールドもしくはコンバイナを装備する必要がある。また、車両の動力源としては、例えばエンジン、モータ、これらの組み合わせ等が挙げられる。

なお、上記実施形態では、移動体の設計上の視点から垂線を下ろす「所定面」を、運転者の座面としているが、例えば視認者が立ちながら虚像を視認する場合には、視認者が立っている床面としても良い。

また、上記実施形態に記載した具体的な数値、形状等は、一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更である。

以下に、発明者らが上記実施形態を発案するに至った思考プロセスを説明する。
運転者が少ない視線移動で情報・警報を認知できる表示装置として、車両に搭載するＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）の市場の期待が高まっており、技術開発が進んでいる。ＨＵＤの表示像（虚像）は車両の前方風景に重なって表示されるため、虚像の表示位置と運転者の視点位置に基づいて表示像の形状を幾何学的に変形させることで、虚像を実世界に重畳して運転者に知覚させる拡張現実表示や複合現実表示のＨＵＤが提案され、既に知られている。

しかし、従来の拡張現実、複合現実表示を想定したＨＵＤでは、重畳させる実世界の範囲と虚像の表示位置についての関係性が考慮されていなかった。

このため、重畳したい実世界の範囲（位置）と虚像の表示位置の関係によって、重畳したい実世界の範囲（位置）に視点をおいた際に、運転者の左右の網膜に映る虚像が大きくずれ、虚像が二重像として見えたり、運転者に疲労や不快感を与えてしまう懸念があった。すなわち、虚像が運転者にとって煩わしい表示となる懸念があった。

例えば、特許文献１（特開２０１３−１９６３５９）では、運転支援装置として外界へ注意喚起を目的として注意喚起対象に重畳するように虚像を表示するヘッドアップディスプレイが搭載された車両が開示されている。

しかし、その注意喚起対象の位置と虚像の位置に関して言及がなく、虚像の表示位置によっては運転者にとって煩わしい表示となることが懸念される。

そこで、発明者らは、実物体に虚像を重畳させ、拡張現実もしくは複合現実感表現をおこなった際に煩わしさなく実物体と虚像を同時視認させることを目的として、上記実施形態を発案するに至った。

１５…光偏向器（画像光生成手段の一部）、２０…走査ミラー（画像光生成手段の一部）、３０…スクリーン（画像光生成手段の一部）、４０…凹面ミラー（画像光生成手段の一部）、５０…フロントウインドシールド（透過反射部材）、１００…ＨＵＤ装置（表示装置）、１１１Ｒ、１１１Ｇ、１１１Ｂ…半導体レーザ（光源）。

特開２０１３−１９６３５９号公報

Claims (20)

1. 画像を形成する光を移動体に設けられた透過反射部材に照射して前記移動体外の風景に重なるように表示エリア内に虚像を表示する表示装置であって、
   前記移動体内に設定された基準視点から見て、前記風景における前記基準視点から所定距離範囲が前記表示エリアに入り、
   前記所定距離範囲において、前記基準視点から最も遠い距離を上限、前記基準視点に最も近い距離を下限とし、
   前記表示エリアにおいて、前記基準視点から見て、前記所定距離範囲の上限と重なる部分を上端、前記所定距離範囲の下限と重なる部分を下端とすると、
   前記表示エリアを視認する視認者における、前記所定距離範囲の下限中央に対する輻輳角と、前記表示エリアの下端中央に対する輻輳角との差である視差角θが１°以下となるように前記視認者の視点位置と前記表示エリアの下端中央との距離が設定され、
   又は前記所定距離範囲の上限中央に対する輻輳角と、前記表示エリアの上端中央に対する輻輳角との差である視差角θが１°以下となるように前記視認者の視点位置と前記表示エリアの上端中央との距離が設定されていることを特徴とする表示装置。
2. 前記表示エリア内の任意の点と前記基準視点との距離は、４ｍ以上かつ１０ｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記表示エリア内の任意の点に対する輻輳角と、前記所定距離範囲の上限の点に対する輻輳角との差が１°以下となることを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
4. 前記表示エリアの上端は、前記基準視点よりも低い位置にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の表示装置。
5. 前記基準視点の高さは、前記移動体の設計上の視点の高さを中心とする、前記視点から所定面へ下ろした垂線の長さの±１０％の高さ範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の表示装置。
6. 前記高さ範囲の上限から見て前記所定距離範囲の６０％以上の第１の範囲が前記表示エリアに入り、かつ前記高さ範囲の下限から見て前記所定距離範囲の６０％以上の第２の範囲が前記表示エリア内に入ることを特徴とする請求項５に記載の表示装置。
7. 前記第１及び第２の範囲の重複範囲に重なるように前記表示エリア内に前記虚像を表示することを特徴とする請求項６に記載の表示装置。
8. 前記基準視点の高さは、前記高さ範囲の中心の高さ以上に設定されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の表示装置。
9. 前記所定距離範囲の下限は、１３ｍ〜１６ｍであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の表示装置。
10. 前記所定距離範囲の上限は、前記移動体から前記所定距離範囲内に存在する対象物までの距離を検出する検出装置の最大検出距離以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の表示装置。
11. 前記表示エリアの位置を調整するための調整手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれ一項に記載の表示装置。
12. 前記虚像は、前記所定距離範囲内に存在する対象物と３次元的に整合する表示を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の表示装置。
13. 前記整合する表示は、前記移動体と前記対象物としての先行物体との間の距離を示す表示であることを特徴とする請求項１２に記載の表示装置。
14. 前記整合する表示は、前記対象物の存在を通知する表示であることを特徴とする請求項１２に記載の表示装置。
15. 前記整合する表示は、前記移動体の移動予定ルートに関連する表示であることを特徴とする請求項１２に記載の表示装置。
16. 前記虚像は、前記所定距離範囲内に存在する対象物と３次元的に整合しない表示を更に含むことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の表示装置。
17. 前記整合しない表示は、前記対象物を示す表示、前記移動体に関する情報を示す表示及び前記移動体の移動予定ルートに関連する表示の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１６に記載の表示装置。
18. 請求項１〜１７のいずれか一項に記載の表示装置と、
    前記表示装置が搭載される移動体と、を備える移動体装置。
19. 移動体外の風景に重なるように表示エリア内に虚像を表示する表示装置の製造方法であって、
    前記移動体内に基準視点を設定する工程と、
    前記基準視点から見て、前記風景における前記基準視点から所定距離範囲が前記表示エリアに入るように該表示エリアの位置を設定する工程と、を含み、
    前記表示エリアの位置を設定する工程では、
    前記所定距離範囲において、前記基準視点から最も遠い距離を上限、前記基準視点に最も近い距離を下限とし、
    前記表示エリアにおいて、前記基準視点から見て、前記所定距離範囲の上限と重なる部分を上端、前記所定距離範囲の下限と重なる部分を下端とすると、
    前記表示エリアを視認する視認者における、前記所定距離範囲の下限中央に対する輻輳角と、前記表示エリアの下端中央に対する輻輳角との差である視差角θが１°以下となるように前記視認者の視点位置と前記表示エリアの下端中央との距離が設定され、
    又は前記所定距離範囲の上限中央に対する輻輳角と、前記表示エリアの上端中央に対する輻輳角との差である視差角θが１°以下となるように前記視認者の視点位置と前記表示エリアの上端中央との距離が設定されることを特徴とする表示装置の製造方法。
20. 移動体外の風景に重なるように表示エリア内に虚像を表示する表示方法であって、
    前記移動体内に基準視点を設定する工程と、
    前記基準視点から見て、前記風景における前記基準視点から所定距離範囲が前記表示エリアに入るように該表示エリアの位置を設定する工程と、
    前記基準視点から見て、前記所定距離範囲に重なるように前記表示エリア内に前記虚像を表示する工程と、を含み、
    前記表示エリアの位置を設定する工程では、
    前記所定距離範囲において、前記基準視点から最も遠い距離を上限、前記基準視点に最も近い距離を下限とし、
    前記表示エリアにおいて、前記基準視点から見て、前記所定距離範囲の上限と重なる部分を上端、前記所定距離範囲の下限と重なる部分を下端とすると、
    前記表示エリアを視認する視認者における、前記所定距離範囲の下限中央に対する輻輳角と、前記表示エリアの下端中央に対する輻輳角との差である視差角θが１°以下となるように前記視認者の視点位置と前記表示エリアの下端中央との距離が設定され、
    又は前記所定距離範囲の上限中央に対する輻輳角と、前記表示エリアの上端中央に対する輻輳角との差である視差角θが１°以下となるように前記視認者の視点位置と前記表示エリアの上端中央との距離が設定されることを特徴とする表示方法。