JPWO2015190157A1 - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

虚像表示装置（１００）は、光源部（１１１）と、偏光切換部（１１２）と、映像生成部（１１５）と、光路ユニット（１２０）と、投影部（１３０）とを備える。偏光切換部（１１２）は、光源部（１１１）から出射された光の偏光方向を変更しない第１の偏光方向のままとするか、第２の偏光方向に変更するかを切り換える。映像生成部（１１５）は、光源部（１１１）から出射された光により映像を生成する。光路ユニット（１２０）は、第１の偏光方向を有する光が通過する第１の光路（２１０）と、第２の偏光方向を有する光が通過し、第１の光路（２１０）より光路長が長い第２の光路（２２０）とを有する。第１の光路（２１０）を通過した光によって、観察者から第１の距離（４１１）に第１の虚像（４１０）を表示する。第２の光路（２２０）を通過した光によって、観察者から第１の距離（４１１）より遠い第２の距離（４２１）に第２の虚像（４２０）を表示する。

Description

本発明は、主に、自動車のヘッドアップディスプレイ等として用いられる虚像表示装置に関する。

車両用のヘッドアップディスプレイ（Ｈｅａｄ Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ、以下、ＨＵＤと称する）は、運転者から見てフロントウィンドウの前方に、運転支援情報を虚像として表示する。運転支援情報は、例えば、速度表示や、ナビゲーション情報などである。運転者は、車両の前景と運転支援情報とを重畳して視認することができる。このため、運転者は、運転時の視線移動の時間又は焦点調整の時間を短縮することができる。これにより、ＨＵＤは、運転者の疲労の軽減及び安全性の向上を図ることができる。

運転時の焦点調整の時間をさらに短縮するためには、虚像の表示距離を運転者の目の焦点距離に近づけることが必要である。虚像の表示距離は、運転者から虚像までの距離である。運転者の目の焦点距離は、運転者から運転者が注視している位置までの距離である。
しかしながら、運転者の注視している位置は走行速度などによって変化する。そのため、虚像の表示距離を車両の走行速度等に応じて変化させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された技術では、光源からの光を走査する走査手段と、走査手段によって走査された光が結像するスクリーンと、スクリーンに結像した映像を投影する投影手段とを設け、スクリーンを移動させることによって虚像の表示距離を変化させている。

特開２００９−１５０９４７号公報（段落００２３〜００４７、図１，２）

しかしながら、上記の特許文献１に開示された技術では、虚像の表示距離を大きく変化させるためには、スクリーンの移動距離を長くする必要がある。また、スクリーンを移動させるための駆動装置が必要となる。そのため、装置が大型化する。また、虚像の表示距離を変化させるために長い時間が必要となる。

本発明は、小型化が可能な構成で、虚像の表示距離を変更する時間を短縮できる虚像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る虚像表示装置は、光を出射する光源部と、光源部から出射された光の光路上に設けられ、光源部から出射された光の偏光方向を変更しない第１の偏光方向のままとするか、第２の偏光方向に変更するかを切り換える偏光切換部と、光源部から出射された光によって映像を生成する映像生成部と、映像生成部から出射された光が入射する位置に配置され、第１の偏光方向を有する光が通過する第１の光路と、第２の偏光方向を有する光が通過し、第１の光路よりも光路長が長い第２の光路とを有する光路ユニットと、光路ユニットから出射された光を投影する投影部とを備える。光路ユニットの第１の光路を通過した光によって、観察者から第１の距離に映像を虚像として表示する。光路ユニットの第２の光路を通過した光によって、観察者から第１の距離よりも遠い第２の距離に映像を虚像として表示する。

本発明によれば、虚像表示装置の小型化が可能になり、虚像の表示距離を変更する時間を短縮できる。

（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の実施の形態１の虚像表示装置の構成を示す図、及び虚像表示装置の光路上の各距離を示す図である。 実施の形態１の虚像表示装置における光源部の構成例を説明するための模式図である。 実施の形態１の虚像表示装置における走査部の構成例を説明するための模式図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１の虚像表示装置における偏光切換部の動作原理を説明するための模式図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１の虚像表示装置における光の偏光方向を説明するための模式図である。 実施の形態１の虚像表示装置において、スクリーンから拡大ミラーまでの距離と、運転者の目から虚像までの距離との関係を示す図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１の虚像表示装置における光路切換動作を示す模式図である。 実施の形態１の虚像表示装置における虚像の表示距離の切換制御の一例を説明するための模式図である。 （Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、実施の形態１の虚像表示装置における虚像の表示距離の切換制御の他の例を説明するための模式図である。 実施の形態１の虚像表示装置における虚像の表示距離の切換制御の別の例を説明するための模式図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１の虚像表示装置において、第２の偏光ミラーの代わりにハーフミラーを設けた変形例を示す図、及び偏光板を更に加えた変形例を示す図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１の虚像表示装置において、異なる表示距離に映像を時分割表示する変形例を説明するための図である。 図１２に示した変形例で表示される虚像の例を示す模式図である。 本発明の実施の形態２の虚像表示装置における映像表示部を示す図である。 実施の形態２の虚像表示装置における光路を示す図である。 本発明の実施の形態３の虚像表示装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態４の虚像表示装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態４の虚像表示装置の構成の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態５の虚像表示装置の構成を示す図である。

実施の形態１．
＜虚像表示装置の全体構成＞
図１（Ａ）は、実施の形態１に係る虚像表示装置１００の構成を示す図である。図１（Ｂ）は、虚像表示装置１００内の光路上の各距離を説明するための模式図である。図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示す虚像表示装置１００は、例えば、車両６００（図８参照）のダッシュボード６１０に搭載されるヘッドアップディスプレイとして用いられるものである。

なお、以下では、説明の便宜上、虚像表示装置１００が車両６００に搭載された状態で、重力方向を「鉛直方向」と称し、鉛直方向に直交する方向を「水平方向」と称する。

図１（Ａ）に示すように、虚像表示装置１００は、光源部１１１、偏光切換部１１２、映像生成部１１５及び光路ユニット１２０を備える。以下の説明では、偏光切換部１１２は、偏光切換素子として説明する。

映像生成部１１５は、一例として、走査部１１３及びスクリーン１１４を備える構成として説明する。また、光源部１１１、偏光切換素子１１２、走査部１１３及びスクリーン１１４を備える構成を、映像表示部１１０とする。

映像表示部１１０は、映像を表示する。光源部１１１は、光（ここではレーザー光）を出射する。偏光切換素子１１２は、光源部１１１から出射された光の偏光方向を制御する。走査部１１３は、偏光切換素子１１２から出射された光を、スクリーン１１４上で走査する。なお、上述したように、走査部１１３及びスクリーン１１４は、映像生成部１１５を構成している。

光路ユニット１２０は、映像表示部１１０から出射された光（映像光）を通過させる２つの光路を有する。光路ユニット１２０は、一例として、第１の偏光ミラー１２１、第２の偏光ミラー１２２、第１の反射ミラー１２３及び第２の反射ミラー１２４を備える構成として説明する。

また、虚像表示装置１００は、拡大ミラー１３０及び制御部１５０を備えることができる。

投影部としての拡大ミラー１３０は、光路ユニット１２０から出射された光を拡大して投影する。制御部１５０は、光源部１１１、偏光切換素子１１２及び走査部１１３を制御する。

＜光源部の構成＞
図２は、光源部１１１の構成例を示す模式図である。光源部１１１は、例えば、赤色、緑色及び青色の波長のレーザー光を出射する半導体レーザー１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを備えている。光源部１１１は、これらの半導体レーザー１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂから出射された各レーザー光を、共通の光軸Ａ_０上の光束として出射する。

図２に示した構成例では、半導体レーザー１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂは、一方向に並んで配列されている。つまり、図２において、半導体レーザー１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂは、光軸Ａ_０と平行な方向に並んで配列されている。

半導体レーザー１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの出射側には、ミラー１１ａ，１１ｂ，１１ｃ（合成手段）がそれぞれ配置されている。

ミラー１１ａは、半導体レーザー１１Ｒから出射された赤色のレーザー光を９０度反射する反射ミラーである。実施の形態１では、一例として、ミラー１１ａは、全反射ミラーである。

ミラー１１ｂは、半導体レーザー１１Ｇから出射された緑色のレーザー光を９０度反射する。また、ミラー１１ｂは、ミラー１１ａで反射された赤色のレーザー光を透過する。ここで、一部の波長の光を透過して、他の波長の光を反射するミラーを「選択透過・反射ミラー」という。まり、ミラー１１ｂは、緑色のレーザー光を反射して、赤色のレーザー光を透過する選択透過・反射ミラーである。

ミラー１１ｃは、半導体レーザー１１Ｂから出射された青色のレーザー光を９０度反射する。また、ミラー１１ｃは、ミラー１１ｂを透過した赤色のレーザー光とミラー１１ｂで反射された緑色のレーザー光とを透過する。つまり、ミラー１１ｃは、青色のレーザー光を反射して、赤色と緑色のレーザー光を透過する選択透過・反射ミラーである。

これにより、赤色、緑色及び青色の波長のレーザー光が合成されて、共通の光軸Ａ_０上の光束として出射される。

なお、光源部１１１の構成は、図２に示した構成例に限定されるものではない。例えば、ダイクロイックプリズム等を用いて各色のレーザー光を合成して出射するものであってもよい。

光源部１１１に使用される半導体レーザーの偏光特性には、一般的にＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）モードとＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）モードとがある。ＴＥモードの場合には、半導体レーザーの接合面に平行な偏光方向の直線偏光となる。ＴＭモードの場合には、半導体レーザーの接合面に直交する偏光方向の直線偏光となる。なお、半導体レーザーの接合面の方向は、半導体レーザーのパッケージ形状から判別することができる。また、半導体レーザーの偏光特性のモード（ＴＥモード／ＴＭモード）は、半導体レーザーの仕様によって定まる。

＜偏光切換素子の構成＞
図１（Ａ）に戻り、偏光切換素子１１２には、光源部１１１から出射された光が入射する。偏光切換素子１１２は、印加電圧に応じて、入射光の偏光方向を変更する。つまり、偏光切換素子１１２は、印加電圧に応じて、入射光の偏光方向を９０度回転して出射することができる。また、偏光切換素子１１２は、印加電圧に応じて、偏光方向を変えずに出射することができる。

図４（Ａ）及び（Ｂ）は、偏光切換素子１１２の基本構成を説明するための模式図である。偏光切換素子１１２は、例えば、液晶素子で構成することができる。

具体的には、偏光切換素子１１２は、溝の方向が９０度異なる２枚の配向膜１２ａ，１２ｂの間に、液晶分子からなる液晶層１２ｃを設けたものである。配向膜１２ａ，１２ｂの両側には、液晶層１２ｃに電圧を印加するための透明電極１２ｄ，１２ｅが設けられている。

図４（Ａ）に示すように、液晶層１２ｃに電圧が印加されていない状態では、液晶分子は配向膜１２ａ，１２ｂの溝の方向に沿って並ぶ。このため、液晶層１２ｃに入射した光は、液晶分子のねじれに沿うように偏光方向が９０度ねじれる。すなわち、入射光は偏光方向が９０度回転して出射される。例えば、図４（Ａ）では、入射光の偏光方向を第１の偏光方向とすると、出射光の偏光方向は第２の偏光方向である。

一方、図４（Ｂ）に示すように、液晶層１２ｃに電圧（Ｖ）が印加されると、液晶分子が電界の方向に沿って並ぶ。このため、液晶層１２ｃに入射した光の偏光方向は変化しない。入射光は、そのままの偏光方向で出射される。例えば、図４（Ｂ）では、入射光の偏光方向を第１の偏光方向とすると、出射光の偏光方向は第１の偏光方向である。

図５（Ａ）及び（Ｂ）は、本実施の形態１で用いる光の偏光方向を説明するための模式図である。図５（Ａ）及び（Ｂ）は、偏光切換素子１１２の入射面を光源部１１１側から見た場合の偏光方向を示す図である。

光源部１１１は、光源部１１１から出射された光（レーザー光）の偏光方向が、偏光切換素子１１２の入射面において、第１の偏光方向となるように配置されている（図５（Ａ））。第１の偏光方向は、偏光切換素子１１２の入射面を光源部１１１側から見て、鉛直方向に対して時計回りに４５度回転した方向である。

偏光切換素子１１２は、その入射側の配向膜１２ａの溝方向が、光源部１１１から出射された第１の偏光方向の光を透過する向きに設置される。

偏光切換素子１１２に電圧が印加されているときには、図４（Ｂ）に示すように、偏光方向は変化しない。このため、第１の偏光方向（図５（Ａ））の光が偏光切換素子１１２から出射される。

偏光切換素子１１２に電圧が印加されていないときには、図４（Ａ）に示すように、偏光方向が９０度変化する。このため、第２の偏光方向（図５（Ｂ））の光が偏光切換素子１１２から出射される。

＜走査部の構成＞
走査部１１３は、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー又はガルバノミラーで構成されている。走査部１１３には、偏光切換素子１１２を透過した光が入射する。走査部１１３は、入射した光をスクリーン１１４上に２次元走査し、映像を生成する。なお、映像を生成する光（スクリーン１１４上に走査された光）を、映像光と称する。

図３は、走査部１１３をＭＥＭＳミラーで構成した場合の基本構成を示す模式図である。走査部１１３（ＭＥＭＳミラー）は、反射面を有する走査ミラー１１３ａを、２つの軸を中心軸（回転軸）として回転可能に設けたものである。２つの軸は、例えば、水平方向の回転軸（Ｘ軸）及び鉛直方向の回転軸（Ｙ軸）である。

走査ミラー１１３ａを鉛直方向の回転軸（Ｙ軸）のまわりに回転させることで、光を水平方向に走査する。また、走査ミラー１１３ａを水平方向の回転軸（Ｘ軸）のまわりに回転させることで、光を鉛直方向に走査する。これにより、走査部１１３は、２軸方向にラスタ走査を行う。「ラスタ走査」とは、ディスプレイの画面上で水平の走査線を描画して、その走査を順に鉛直方向にずらすことで、画像を表示する方式である。

制御部１５０は、表示すべき映像信号データに基づき、レーザー駆動信号を光源部１１１に送る。また、制御部１５０は、レーザー駆動信号と同期したＭＥＭＳ駆動信号を走査部１１３に送る。

スクリーン１１４は透過型スクリーンである。スクリーン１１４の表面に光が２次元走査され、映像が表示される。スクリーン１１４のサイズは、例えば６インチ（対角寸法）である。

なお、スクリーン１１４は透過型に限らず、反射型であってもよい。また、映像信号データは、制御部１５０自身で生成してもよく、あるいは、例えば車両の制御部やナビゲーションシステム等の他の機器で生成してもよい。

走査ミラー１１３ａが水平方向の回転軸を中心とする回転方向の中心位置にあり、鉛直方向の回転軸を中心とする回転方向の中心位置にある状態を、走査ミラー１１３ａの基準位置とする。走査ミラー１１３ａが基準位置（中心位置）にある状態で、走査ミラー１１３ａから出射される光の中心光線の経路を、基準光軸Ａｘとする。基準光軸Ａｘは、スクリーン１１４の水平方向及び鉛直方向における中心位置を通る。

＜光路ユニットの構成＞
図１（Ａ）に戻り、光路ユニット１２０には、スクリーン１１４を透過した光が入射する。スクリーン１１４を透過した光は映像光である。

光路ユニット１２０は、入射光の偏光方向に応じた第１の光路２１０及び第２の光路２２０を備えている。入射光の偏光方向は、偏光切換素子１１２で制御されている。第１の光路２１０及び第２の光路２２０は、光路長が互いに異なる。つまり、第１の光路２１０の光路長は、第２の光路２２０の光路長と異なる。

光路ユニット１２０は、第１の光路２１０又は第２の光路２２０を通過した光を、拡大ミラー１３０に向けて出射する。光路ユニット１２０の構成については、後述する。

＜拡大ミラーの構成＞
拡大ミラー１３０は、例えば、負のパワーを有する反射面（凹面）を有している。拡大ミラー１３０は、光路ユニット１２０から出射された映像光をフロントウィンドウ３００に向けて投影する。これにより、運転者（観察者）から見てフロントウィンドウ３００の前方に、第１の虚像４１０又は第２の虚像４２０が拡大表示される。

運転者には、拡大ミラー１３０によって投影された映像が、フロントウィンドウ３００の前方の風景に重畳されて見える。つまり、運転者は、第１の虚像４１０と、フロントウィンドウ３００の前方の風景とが重畳された像を見ることができる。あるいは、運転者は、第２の虚像４２０と、フロントウィンドウ３００の前方の風景とが重畳された像を見ることができる。

拡大ミラー１３０の反射面は、例えば、フロントウィンドウ３００の曲率によって発生する映像の歪を補正するため、自由曲面として形成されている。

＜虚像の表示距離＞
図１（Ｂ）に示すように、スクリーン１１４の位置ａから拡大ミラー１３０の位置ｂまでの距離をＬａｂで表す。また、拡大ミラー１３０の位置ｂからフロントウィンドウ３００（位置ｃ）を経由して虚像の位置ｖまでの距離をＬｂｖで表す。図１（Ｂ）では、距離Ｌｂｖは一点鎖線で示されている。虚像の位置ｖは、第１の虚像４１０の位置ｅ又は第２の虚像４２０の位置ｆである。

拡大ミラー１３０の焦点距離をＦで表す。この場合、レンズの結像公式から、以下の式（１）が成り立つ。
１／Ｌａｂ−１／Ｌｂｖ＝１／Ｆ ・・・（１）

この式（１）を展開すると、以下の式（２）が得られる。
Ｌｂｖ＝１／（１／Ｌａｂ−１／Ｆ） ・・・（２）

また、拡大ミラー１３０の位置ｂからフロントウィンドウ３００の位置ｃまでの距離をＬｂｃで表す。フロントウィンドウ３００の位置ｃから運転者の目５００の位置ｄまでの距離をＬｃｄで表す。運転者の目５００の位置ｄから虚像の位置ｖ（すなわち第１の虚像４１０の位置ｅ又は第２の虚像４２０の位置ｆ）までの距離をＬｄｖで表す。

フロントウィンドウ３００の位置ｃから虚像の位置ｖまでの距離Ｌｃｖは、Ｌｄｖ−Ｌｃｄと表すことができると共に、Ｌｂｖ−Ｌｂｃと表すこともできる。このため、以下の式（３）が成り立つ。
Ｌｄｖ−Ｌｃｄ＝Ｌｂｖ−Ｌｂｃ ・・・（３）

上記の式（３）を、
Ｌｄｖ＝Ｌｂｖ−Ｌｂｃ＋Ｌｃｄ
と変形し、上記の式（２）を代入すると、以下の式（４）が得られる。
Ｌｄｖ＝１／（１／Ｌａｂ−１／Ｆ）−Ｌｂｃ＋Ｌｃｄ ・・・（４）

例えば、距離Ｌｂｃを２５０ｍｍとする。距離Ｌｂｃは、拡大ミラー１３０の位置ｂからフロントウィンドウ３００の位置ｃまでの距離である。距離Ｌｃｄを８５０ｍｍとする。距離Ｌｃｄは、フロントウィンドウ３００の位置ｃから運転者の目５００の位置ｄまでの距離である。そして、拡大ミラー１３０の焦点距離Ｆを６００ｍｍとする。

これらの条件の場合には、距離Ｌａｂと、距離Ｌｄｖとの関係は、図６に示すグラフのようになる。距離Ｌａｂは、スクリーン１１４の位置ａから拡大ミラー１３０の位置ｂまでの距離である。距離Ｌｄｖは、運転者の目５００の位置ｄから虚像までの距離である。

図６は、虚像表示装置において、スクリーン１１４から拡大ミラー１３０までの距離Ｌａｂと、運転者の目５００から虚像までの距離Ｌｄｖとの関係を示す図である。横軸は距離Ｌａｂ（ｍｍ）である。図６では、左側の方が距離Ｌａｂの値が小さい。縦軸は距離Ｌｄｖ（ｍ）である。図６では、下側の方が距離Ｌｄｖの値が小さい。

図６に示すように、距離Ｌａｂが焦点距離Ｆ（６００ｍｍ）に近づくにつれて、距離Ｌｄｖが長くなる。また、距離Ｌａｂが焦点距離Ｆ（６００ｍｍ）に近づくにつれて、距離Ｌａｂの変化に対する距離Ｌｄｖの変化の割合が急激に大きくなる。距離Ｌａｂは、スクリーン１１４の位置ａから拡大ミラー１３０の位置ｂまでの距離である。距離Ｌｄｖは、運転者の目５００の位置ｄから虚像までの距離である。

一般に、市街地など、運転者が通常の速度で運転しているときには、運転者は運転者の目５００から比較的近い位置（前方４〜１０ｍ程度の位置）を注視していると考えられる。ここで、通常の速度は、例えば、時速５０〜６０Ｋｍ程度である。例えば、通常運転時の虚像表示位置として、運転者が注視している位置よりも近い２ｍに設定した場合には、図６のグラフにおいて、距離Ｌｄｖを２ｍに設定すると、距離Ｌａｂは約４２０ｍｍとなる。距離Ｌｄｖは、運転者の目５００の位置ｄから虚像までの距離である。距離Ｌａｂは、スクリーン１１４の位置ａから拡大ミラー１３０の位置ｂまでの距離である。

一方、高速道路など、運転者が高速で運転しているときには、運転者は運転者の目５００から遠い位置（前方３０〜５０ｍ程度の位置）を注視していると考えられる。ここで、高速は、例えば、時速８０Ｋｍ以上である。例えば、高速運転時の虚像表示位置として、運転者が注視している位置よりも近い２０ｍに設定した場合には、図６において、距離Ｌｄｖを２０ｍに設定すると、距離Ｌａｂは約５８２ｍｍとなる。距離Ｌｄｖは、運転者の目５００の位置ｄから虚像までの距離である。距離Ｌａｂは、スクリーン１１４の位置ａから拡大ミラー１３０の位置ｂまでの距離である。

そこで、本実施の形態１では、運転状況（例えば車両の走行速度）に応じて、距離Ｌａｂを切り換えている。これにより、観察者から虚像の表示位置までの距離（表示距離と称する）を、図１（Ａ）に示した第１の距離４１１と第２の距離４２１との間で切り換えている。距離Ｌａｂは、スクリーン１１４の位置ａから拡大ミラー１３０の位置ｂまでの距離である。

なお、距離Ｌｃｄは、シート６０１（図８参照）の配置等の仕様によって、概ね決定される。距離Ｌｂｃは、ダッシュボード６１０（図８参照）とフロントウィンドウ３００との位置関係等の仕様によって、概ね決定される。一般的な車両の仕様では、距離Ｌｂｃ，Ｌｃｄ，Ｌｄｖ等は、概ね上述した数値となる。距離Ｌｃｄは、フロントウィンドウ３００の位置ｃから運転者の目５００の位置ｄまでの距離である。距離Ｌｂｃは、拡大ミラー１３０の位置ｂからフロントウィンドウ３００の位置ｃまでの距離である。

拡大ミラー１３０の拡大率ＭはＬｂｖ／Ｌａｂで表される。虚像のサイズは、スクリーン１１４のサイズに拡大率Ｍを掛けたサイズとなる。

例えば、スクリーン１１４の寸法を６インチとした場合には、距離２ｍ（第１の距離４１１）の位置ｅに表示される映像（虚像）のサイズ（対角寸法）は、例えば２０インチである。また、距離２０ｍ（第２の距離４２１）の位置ｆに表示される映像（虚像）のサイズは、例えば、２００インチである。運転者に見える見かけのサイズは、いずれも、例えば、１０インチである。なお、画面の大きさは、対角線の長さの数値で表す。単位はインチを使い、数値をインチ数という。ここでは、虚像の大きさをインチ数で示している。

なお、ここでは拡大ミラー１３０の焦点距離Ｆを６０ｍｍとした。しかし、拡大ミラー１３０の焦点距離Ｆが変化すると、距離Ｌａｂと、距離Ｌｄｖとの関係も変化する。距離Ｌａｂは、スクリーン１１４の位置ａから拡大ミラー１３０の位置ｂまでの距離である。距離Ｌｄｖは、運転者の目５００の位置ｄから虚像の位置ｖまでの距離である。

すなわち、拡大ミラー１３０の焦点距離Ｆが小さいほど、図６に示した曲線が左側にシフトする。つまり、曲線は距離Ｌａｂの値が小さい方向に移動する。

そのため、焦点距離Ｆを小さく設定するほど、距離Ｌａｂを短く設定しても、距離Ｌｄｖを長くすることができる。距離Ｌａｂは、スクリーン１１４の位置ａから拡大ミラー１３０の位置ｂまでの距離である。距離Ｌｄｖは、運転者の目５００の位置ｄから虚像までの距離である。

＜光路ユニットの構成＞
次に、距離Ｌａｂを切り換える光路ユニット１２０の具体的な構成について説明する。距離Ｌａｂは、スクリーン１１４の位置ａから拡大ミラー１３０の位置ｂまでの距離である。

図１（Ａ）に示すように、光路ユニット１２０は、例えば、第１の偏光ミラー１２１、第２の偏光ミラー１２２、第１の反射ミラー１２３及び第２の反射ミラー１２４を備えている。

第１の偏光ミラー１２１（第１の偏光分離素子）は、スクリーン１１４を透過した光（映像光）が入射する位置に配置されている。つまり、スクリーン１１４を透過した光（映像光）は、第１の偏光ミラー１２１（第１の偏光分離素子）に入射する。より具体的には、第１の偏光ミラー１２１の中心位置（水平方向及び鉛直方向における中心位置）が、上述した基準光軸Ａｘ上にある。

第１の偏光ミラー１２１は、入射光を、その偏光方向によって反射又は透過する偏光分離素子である。ここでは、第１の偏光ミラー１２１は、図５（Ｂ）に示す第２の偏光方向の光を透過する。また、第１の偏光ミラー１２１は、図５（Ａ）に示す第１の偏光方向の光を反射する。

図１（Ａ）では、例えば、第１の偏光ミラー１２１は、第１の偏光方向の光を下方向に９０度の角度で反射している。ここでの「角度」は、光の入射角と反射角とを足し合わせた角度である。

なお、第１の偏光ミラー１２１は、このような構成に限定されるものではなく、図５（Ａ）に示す第１の偏光方向の光を透過し、図５（Ｂ）に示す第２の偏光方向の光を反射するものであってもよい。

第２の偏光ミラー１２２（第２の偏光分離素子）は、第１の偏光ミラー１２１を透過した光が入射する位置に配置されている。第２の偏光ミラー１２２（第２の偏光分離素子）は、第１の偏光ミラー１２１から距離Ｌ１の位置に配置されている。

より具体的には、第２の偏光ミラー１２２の水平方向及び鉛直方向における中心位置が、上述した走査ミラー１１３ａの基準光軸Ａｘ上にある。そして、第１の偏光ミラー１２１から第２の偏光ミラー１２２までの基準光軸Ａｘ上の長さが距離Ｌ１である。

第２の偏光ミラー１２２は、第１の偏光ミラー１２１と同様に、入射光を、その偏光方向によって反射又は透過する偏光分離素子である。ここでは、第２の偏光ミラー１２２は、第２の偏光方向の光を透過する。つまり、第２の偏光ミラー１２２は、第１の偏光ミラー１２１を透過した光を透過する。また、第２の偏光ミラー１２２は、第１の偏光方向の光を９０度の反射角度で反射する。つまり、第２の偏光ミラー１２２は、第１の偏光ミラー１２１、第１の反射ミラー１２３及び第２の反射ミラー１２４で順次反射された光を９０度の反射角度で反射する。

第１の反射ミラー１２３は、第１の偏光ミラー１２１で反射された光が入射する位置に配置されている。第１の反射ミラー１２３は、第１の偏光ミラー１２１から距離Ｌ２の位置に配置されている。

より具体的には、第１の反射ミラー１２３の中心位置（水平方向及び鉛直方向における中心位置）が、第１の偏光ミラー１２１の中心位置を通り基準光軸Ａｘに直交する軸線上にある。そして、第１の偏光ミラー１２１から第１の反射ミラー１２３までの、基準光軸Ａｘに垂直な軸線上の長さが距離Ｌ２である。

第１の反射ミラー１２３は、例えば、入射光を９０度の角度で反射する全反射ミラーである。ここでは、第１の反射ミラー１２３で反射した光の進行方向は、第１の偏光ミラー１２１を透過した光の進行方向と平行となる。

第２の反射ミラー１２４は、第１の反射ミラー１２３で反射された光が入射する位置に配置されている。つまり、第１の反射ミラー１２３で反射された光は、第２の反射ミラー１２４に入射する。より具体的には、第２の反射ミラー１２４の中心位置（水平方向及び鉛直方向における中心位置）が、第１の反射ミラー１２３の中心位置を通り基準光軸Ａｘに平行な軸線上にある。

第１の反射ミラー１２３から第２の反射ミラー１２４までの距離は、第１の偏光ミラー１２１から第２の偏光ミラー１２２までの距離Ｌ１と同じである。つまり、第１の反射ミラー１２３から第２の反射ミラー１２４までの基準光軸Ａｘ上の長さが距離Ｌ１である。

第２の反射ミラー１２４は、第１の反射ミラー１２３と同様に、例えば、入射光を９０度の角度で反射する全反射ミラーである。

第２の反射ミラー１２４は、この第２の反射ミラー１２４で反射された光が、第２の偏光ミラー１２２に入射するように配置されている。つまり、第２の反射ミラー１２４で反射された光は、第２の偏光ミラー１２２に入射する。より具体的には、第２の反射ミラー１２４の中心位置（水平方向及び鉛直方向における中心位置）が、第２の反射ミラー１２４の中心位置を通り基準光軸Ａｘに垂直な軸線上にある。

第２の反射ミラー１２４から第２の偏光ミラー１２２までの距離は、第１の偏光ミラー１２１から第１の反射ミラー１２３までの距離Ｌ２と同じである。つまり、第２の反射ミラー１２４から第２の偏光ミラー１２２までの、基準光軸Ａｘに垂直な軸線上の長さが距離Ｌ２である。

このように構成されているため、第２の偏光方向（図５（Ｂ））の光は、第１の偏光ミラー１２１を透過し、第２の偏光ミラー１２２も透過して、拡大ミラー１３０に入射する。このように第１の偏光ミラー１２１及び第２の偏光ミラー１２２を透過する光の光路を、第１の光路２１０とする。

一方、第１の偏光方向（図５（Ａ））の光は、第１の偏光ミラー１２１で反射される。
第１の偏光ミラー１２１で反射された光は、さらに第１の反射ミラー１２３及び第２の反射ミラー１２４で反射されて第２の偏光ミラー１２２に入射する。さらに、反射ミラー１２４で反射されて第２の偏光ミラー１２２に入射した光は、第２の偏光ミラー１２２でも反射されて拡大ミラー１３０に入射する。

このように、第１の偏光ミラー１２１、第１の反射ミラー１２３、第２の反射ミラー１２４及び第２の偏光ミラー１２２で順次反射される光の光路を、第２の光路２２０とする。第２の光路２２０は、第１の光路２１０よりも光路長が距離Ｌ２×２だけ長い。

例えば、上記のように距離Ｌａｂを４２０ｍｍと５８２ｍｍとで切り換える場合には、距離Ｌ２×２＝５８２ｍｍ−４２０ｍｍ（＝１６２ｍｍ）の計算から、距離Ｌ２を約８１ｍｍとする。また、距離Ｌ１は、４２０ｍｍ以下であれば自由に設定してよい。距離Ｌａｂは、スクリーン１１４の位置ａから拡大ミラー１３０の位置ｂまでの距離である。

＜虚像表示装置の作用＞
図７（Ａ）は、偏光切換素子１１２に電圧を印加しない場合のスクリーン１１４から拡大ミラー１３０までの光路を示した図である。図７（Ｂ）は、偏光切換素子１１２に電圧を印加した場合のスクリーン１１４から拡大ミラー１３０までの光路を示した図である。図７（Ａ）及び図７（Ｂ）では、スクリーン１１４以降の光束に斜線を施して示している。

偏光切換素子１１２に電圧を印加しない場合には、偏光切換素子１１２から第２の偏光方向（図５（Ｂ））の光が出射される。そして、第２の偏光方向の光は、光路ユニット１２０に入射する。図７（Ａ）に示すように、第２の偏光方向の光は、第１の偏光ミラー１２１を透過して第１の光路２１０を通る。そして、第２の偏光方向の光は、第２の偏光ミラー１２２を透過する。そして、第２の偏光ミラー１２２を透過した光は、拡大ミラー１３０に入射する。

一方、偏光切換素子１１２に電圧を印加した場合には、偏光切換素子１１２から第１の偏光方向（図５（Ａ））の光が出射される。そして、第１の偏光方向の光は、光路ユニット１２０に入射する。図７（Ｂ）に示すように、第１の偏光方向の光は、第１の偏光ミラー１２１で反射されて第２の光路２２０を通る。すなわち、第１の偏光方向の光は、第１の反射ミラー１２３及び第２の反射ミラー１２４で順次反射されて第２の偏光ミラー１２２に入射する。さらに、第１の偏光方向の光は、第２の偏光ミラー１２２で反射される。そして、第２の偏光ミラー１２２で反射された光は、拡大ミラー１３０に入射する。

上記のように、第２の光路２２０は第１の光路２１０よりも光路長が距離Ｌ２×２だけ長い。このため、偏光切換素子１１２に電圧を印加した場合には、電圧を印加しない場合と比べて、距離Ｌａｂも距離Ｌ２×２だけ長くなる。距離Ｌａｂは、スクリーン１１４の位置ａから拡大ミラー１３０の位置ｂまで光が進む距離である。

そのため、偏光切換素子１１２に電圧を印加しない場合には、運転者の目５００から近い第１の距離４１１（位置ｅ）に、スクリーン１１４上に生成された映像が虚像（第１の虚像４１０）として表示される。一方、偏光切換素子１１２に電圧を印加した場合には、運転者の目５００から遠い第２の距離４２１（位置ｆ）に、スクリーン１１４上に生成された映像が虚像（第２の虚像４２０）として表示される。

なお、第１の虚像４１０は、第１の偏光方向（図５（Ａ））の偏光特性を有する光によって形成されている。また、第２の虚像４２０は、第２の偏光方向（図５（Ｂ））の偏光特性を有する光によって形成されている。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示したように、第１の偏光方向及び第２の偏光方向は、いずれも、水平方向及び鉛直方向に対して傾斜している。そのため、運転者が偏光サングラスを装着していても、虚像を視認することに支障がない。

これは、偏光サングラスが、太陽光の反射光等を遮断する目的で、水平方向の偏光方向を有する光を遮断するように構成されているためである。実施の形態１では、上記のとおり、第１の虚像４１０を形成する光の偏光方向（第１の偏光方向）及び第２の虚像４２０を形成する光の偏光方向（第２の偏光方向）は、水平方向に対して傾斜している。そのため、偏光サングラスを介して見たとしても、光量は半減するものの、第１の虚像４１０及び第２の虚像４２０を視認することができる。

第１の偏光ミラー１２１及び第２の偏光ミラー１２２は、ｐ偏光の光を透過し、ｓ偏光の光を反射する特性であることが一般的である。

そのため、光路ユニット１２０への入射光の偏光方向がｐ偏光の場合には、光路ユニット１２０への入射光は、第１の光路２１０を通過する。つまり、光路ユニット１２０への入射光は、第１の偏光ミラー１２１及び第２の偏光ミラー１２２を透過する。第１の光路２１０は、第１の偏光ミラー１２１及び第２の反射ミラー１２４を透過する光路である。

一方で、光路ユニット１２０への入射光の偏光方向がｓ偏光の場合には、光路ユニット１２０への入射光は、第２の光路２２０を通過する。つまり、光路ユニット１２０への入射光は、第１の偏光ミラー１２１及び、第２の偏光ミラー１２２で反射される。第２の光路２２０は、第１の偏光ミラー１２１、第１の反射ミラー１２３、第２の反射ミラー１２４及び第２の偏光ミラー１２２で順次反射される光の光路である。

従って、光路ユニット１２０への入射光の偏光方向がｐ偏光の場合には、位置ｅに虚像４１０が表示される。一方、光路ユニット１２０への入射光の偏光方向がｓ偏光の場合には、位置ｆに虚像４２０が表示される。

＜虚像の表示距離の切換制御の例＞
実施の形態１では、虚像表示装置１００の制御部１５０が、偏光切換素子１１２への電圧印加を制御し、虚像を表示する位置ｅ，ｆを切り換える。

図８は、虚像表示装置１００の制御部１５０による虚像の表示距離の切換制御の一例を説明するための模式図である。運転者は、一般に、走行速度が遅いときには車両の近傍を注視し、走行速度が速くなると遠方を注視する。そのため、運転者が遠くを注視するような状況で、制御部１５０は偏光切換素子１１２に電圧を印加する。そして、虚像表示装置１００は運転者から遠い第２の距離４２１（位置ｆ）に第２の虚像４２０を表示する。

運転者が遠くを注視するような状況は、例えば、高速道路を走行中の場合などである。
車両６００が高速道路を走行中か否かは、例えば、車両の走行速度の情報又はナビゲーション情報によって判断することができる。ナビゲーション情報は、ナビゲーションシステム６３０（図９参照）から受け取る情報である。

例えば、図８に示した例では、制御部１５０は、車両６００に備えられた走行速度センサ６２０から、車両６００の走行速度の情報を取得する。

車両６００の走行速度が所定値（例えば８０ｋｍ／ｈ）未満の場合には、制御部１５０は、偏光切換素子１１２に電圧を印加しない。そして、虚像表示装置１００は、運転者に近い第１の距離４１１（位置ｅ）に第１の虚像４１０を表示する。

一方、車両６００の走行速度が所定値（例えば８０ｋｍ／ｈ）以上の場合には、制御部１５０は、偏光切換素子１１２に電圧を印加する。そして、虚像表示装置１００は、運転者から遠い第２の距離４２１（位置ｆ）に第２の虚像４２０を表示する。

このように、運転者が遠くを注視する状況で、運転者からより遠い第２の距離４２１（位置ｆ）に虚像を表示することにより、運転者の目５００の焦点を調整する時間を短縮し、視認性を向上することができる。

図９（Ａ）は、虚像表示装置１００の制御部１５０による虚像の表示位置の切換制御の別の例を説明するための模式図である。

図９（Ａ）に示した例では、制御部１５０は、車両６００に備えられたナビゲーションシステム６３０から、車両６００の現在の位置情報を取得する。

車両６００の現在位置が一般の道路上であった場合には、制御部１５０は偏光切換素子１１２に電圧を印加しない。そして、虚像表示装置１００は運転者に近い第１の距離４１１（位置ｅ）に第１の虚像４１０を表示する。

一方、車両６００の現在位置が高速道路上であった場合には、制御部１５０は偏光切換素子１１２に電圧を印加する。そして、虚像表示装置１００は運転者から遠い第２の距離４２１（位置ｆ）に第２の虚像４２０を表示する。

なお、一般的に、車両６００にとって、一般道路の走行頻度は高速道路の走行頻度よりも高い。このことから、虚像表示装置１００は、偏光切換素子１１２に電圧を印加しない状態で運転者に近い第１の距離４１１に第１の虚像４１０を表示するように構成されている。

しかしながら、偏光切換素子１１２の消費電力は非常に小さい。このため、虚像表示装置１００は、偏光切換素子１１２に電圧を印加した状態で運転者に近い第１の距離４１１に第１の虚像４１０を表示し、偏光切換素子１１２に電圧を印加しない状態で運転者から遠い第２の距離４２１に第２の虚像４２０を表示するように構成されてもよい。

また、ここでは、車両６００が高速で走行しているときに、運転者から遠い第２の距離４２１に虚像を表示するようにした。しかしながら、このような構成に限定されるものではない。

例えば、交差点等で右折する方向又は左折する方向を示す矢印を表示する場合には、車両６００の現在地から目的とする交差点までの距離に応じて、虚像の表示距離を切り換えてもよい。この方向を示す矢印を「方向指示矢印」という。

この場合には、例えば、制御部１５０がナビゲーションシステム６３０（図９（Ａ））から車両６００の現在地の情報と、車両６００が右折又は左折する予定の交差点の位置情報を取得する。

車両６００の現在地から交差点までの距離が所定の距離以上である場合には、虚像表示装置１００は、運転者から遠い第２の距離４２１（位置ｆ）に方向指示矢印を表示する。
一方、所定の距離未満である場合には、虚像表示装置１００は、運転者に近い第１の距離４１１（位置ｅ）に方向指示矢印を表示する。

車両６００が右折又は左折する予定の交差点が近いほど、運転者が車両６００の近傍を注視している可能性は高い。このため、このようにすれば、運転者は方向指示矢印を認識しやすくなる。

さらに、虚像の表示距離を切り換えるだけでなく、表示するコンテンツの大きさを変化させることもできる。

図９（Ｂ）及び図９（Ｃ）は、方向指示矢印Ｂの表示例を示す模式図である。図９（Ｂ）は、現在地から交差点までの距離が近い場合の図である。図９（Ｃ）は、現在地から交差点までの距離が遠い場合の図である。

例えば、図９（Ｂ）及び図９（Ｃ）に示すように、方向指示矢印Ｂを、現在地から交差点までの距離が近いほど大きく表示する。また、方向指示矢印Ｂを、現在地から交差点までの距離が遠いほど小さく表示する。このようにすれば、運転者に交差点までの距離感を感じさせることができる。

また、注意を喚起する情報を虚像として表示する場合も考えられる。注意を喚起する情報は、注意喚起情報又はワーニング情報とも称される。注意を喚起する情報は、例えば、車両の前方の落下物等の障害物又は歩行者等である。以下において、障害物又は歩行者等を「注意対象物」という。

車両から注意対象物までの距離に応じて、虚像の表示距離を切り換えてもよい。図１０は、虚像の表示距離の切換制御の別の例を説明するための模式図である。

例えば、図１０に示すように、車両６００には、前方監視カメラ６４０と画像処理装置６４１とを組み合わせた前方監視システムが備えられている場合がある。前方監視カメラ６４０は、車両６００に搭載されて、車両６００の前方を監視するためのカメラである。

前方監視カメラ６４０は、車両６００の前方の画像を取得する。画像処理装置６４１は、前方監視カメラ６４０で取得した車両前方の画像に基づき、車両６００の現在地から注意対象物までの距離を算出する。虚像表示装置１００の制御部１５０は、注意対象物までの距離の情報を画像処理装置６４１から取得する。

注意対象物までの距離が所定距離以上である場合には、虚像表示装置１００は、運転者から遠い第２の距離４２１（位置ｆ）に「前方注意」等の注意喚起情報を表示する。一方、注意対象物までの距離が所定距離未満である場合には、虚像表示装置１００は、運転者に近い距離４１１（位置ｅ）に注意喚起情報を表示する。これにより、運転者への注意喚起の効果を高めることができる。

＜実施の形態１の効果＞
以上説明したように、実施の形態１によれば、偏光切換素子１１２で光の偏光方向を切り換えている。光の偏光方向を切り換えにより、光路ユニット１２０において光路長を切り換えている。そして、光路長を切り換えにより、虚像の表示距離を切り換えている。虚像の表示距離は、運転者から虚像の表示位置までの距離である。

そのため、スクリーンを移動させることによって虚像の表示距離を切り換える構成と比較して、短時間で虚像の表示距離を切り換えることができる。また、スクリーンを移動させる機構を設ける必要がないため、虚像表示装置１００の小型化に資することができる。

また、偏光切換素子１１２は、走査部１１３（例えばＭＥＭＳミラー）により光を２次元に走査する前の光の偏光方向を切り換えている。このため、偏光切換素子１１２に入射する光の光束が細く、偏光切換素子１１２を小さい素子で構成することができる。

さらに、光路ユニット１２０は、一般的な虚像表示装置に設けられている光路に、光路ユニット１２０を追加すればよい。ここで、一般的な虚像表示装置に設けられている光路は、実施の形態１のスクリーン１１４から拡大ミラー１３０までの光路に相当する。このため、簡単な装置構成で虚像の表示距離を切り換えることができる。なお、上述したように、光路ユニット１２０は、例えば、第１の偏光ミラー１２１、第１の反射ミラー１２３、第２の反射ミラー１２４及び第２の偏光ミラー１２２を備えている。

また、虚像表示装置１００は、車両の走行速度、車両の現在地から交差点までの距離、又は車両から注意対象物までの距離等に基づいて、虚像の表示距離を切り換える。これにより、虚像表示装置１００は、運転者の注視位置の近くに虚像を表示することができる。
そして、虚像表示装置１００は、運転者の視認性をさらに向上することができる。なお、交差点は、車両が右折又は左折する予定の交差点である。

なお、実施の形態１では、偏光切換素子１１２を走査部１１３の入射側（光源部１１１側）に配置した。しかしながら、偏光切換素子１１２は、光源部１１１から光路ユニット１２０までの間に配置されていればよい。例えば、偏光切換素子１１２を走査部１１３とスクリーン１１４との間に配置してもよい。また、偏光切換素子１１２をスクリーン１１４の出射側に配置してもよい。

また、実施の形態１では、偏光切換素子１１２に電圧を印加しない場合に光が第１の光路２１０を通り、偏光切換素子１１２に電圧を印加した場合に光が第２の光路２２０を通るようにした。しかしながら、これとは逆に、偏光切換素子１１２に電圧を印加した場合に光が第１の光路２１０を通り、偏光切換素子１１２に電圧を印加しない場合に光が第２の光路２２０を通るようにしてもよい。

また、実施の形態１では、第１の偏光方向（図５（Ａ））を、光路ユニット１２０の入射面において、鉛直方向に対して時計回りに４５度回転した偏光方向とし、第２の偏光方向（図５（Ｂ））を、光路ユニット１２０の入射面において、鉛直方向に対して反時計回りに４５度回転した偏光方向とした。しかしながら、第１の偏光方向及び第２の偏光方向の関係は、逆であってもよい。

＜構成の変形例１＞
図１１（Ａ）は、第２の偏光ミラー１２２の代わりにハーフミラー１２５を用いた虚像表示装置１００の構成の変形例１を示す図である。ハーフミラー１２５は、偏光方向に関わらず、入射光の光量の半分を透過し、半分を反射するものである。

図１１（Ａ）に示す虚像表示装置１００では、ハーフミラー１２５は、第２の偏光ミラー１２２（図１（Ａ））と同じ位置に配置される。第１の偏光ミラー１２１を透過した光は、ハーフミラー１２５に入射し、その光量の半分がハーフミラー１２５を透過して拡大ミラー１３０に入射する。

また、第１の偏光ミラー１２１で反射された光は、第１の反射ミラー１２３及び第２の反射ミラー１２４で順次反射され、ハーフミラー１２５に入射する。第２の反射ミラー１２４からハーフミラー１２５に入射した光の光量の半分は、ハーフミラー１２５で反射されて拡大ミラー１３０に入射する。

ハーフミラーは、入射光の光量の半分が利用されないため、光の利用効率の点では偏光ミラーよりも劣るが、低コストという点では有利である。

また、実施の形態１では、光源部１１１から出力される光の偏光方向（第１の偏光方向）を、鉛直方向に対して４５度傾斜した方向としたが、光の偏光方向が鉛直方向であってもよい。

＜構成の変形例２＞
図１１（Ｂ）は、光の偏光方向が鉛直方向の場合の虚像表示装置１００の構成の変形例２を示す図である。

図１１（Ｂ）に示す虚像表示装置１００では、第１の偏光ミラー１２１とハーフミラー１２５との間に、偏光方向を９０度回転させる光学素子を配置している。偏光方向を９０度回転させる光学素子は、例えば、１／２波長板（λ／２板）１２６である。また、第１の偏光ミラー１２１は、水平方向の偏光方向を有する光を透過し、鉛直方向の偏光方向を有する光を反射するように配置される。

図１１（Ｂ）の虚像表示装置１００において、偏光切換素子１１２に電圧を印加すると、偏光切換素子１１２は、光の偏光方向（鉛直方向）を水平方向に切り換える。第１の偏光ミラー１２１は、水平方向の偏光方向を有する光を透過する。

第１の偏光ミラー１２１を透過した光は、１／２波長板１２６で偏光方向が鉛直方向に切り換えられたのちハーフミラー１２５に入射する。１／２波長板１２６からハーフミラー１２５に入射した光の光量の半分がハーフミラー１２５を透過して拡大ミラー１３０に入射する。

偏光切換素子１１２に電圧を印加しない場合には、偏光切換素子１１２は光の偏光方向を切り換えない。このため、鉛直方向の偏光方向を有する光が第１の偏光ミラー１２１に入射する。

鉛直方向の偏光方向を有する光は、第１の偏光ミラー１２１で反射される。そして、第１の偏光ミラー１２１で反射された光は、第１の偏光ミラー１２１、第１の反射ミラー１２３及び第２の反射ミラー１２４で順次反射されてハーフミラー１２５に入射する。そして、第２の反射ミラー１２４からハーフミラー１２５に入射した光の光量の半分は、ハーフミラー１２５で反射されて拡大ミラー１３０に入射する。

これにより、運転者に近い第１の距離４１１（位置ｅ）に第１の虚像４１０を形成する場合には、虚像を形成する光の偏光方向は鉛直方向となる。また、運転者から遠い第２の距離４２１（位置ｆ）に第２の虚像４２０を形成する場合でも、虚像を形成する光の偏光方向は鉛直方向となる。つまり、第１の虚像４１０の光の偏光方向と第２の虚像４２０の光の偏光方向とは、ともに、鉛直方向となる。従って、運転者が、水平方向の偏光方向を有する光を遮断する偏光サングラスを着用していたとしても、虚像を視認することができる。

なお、上記の説明では、光の偏光方向は、鉛直方向に対して４５度傾斜した方向、鉛直方向又は水平方向として説明した。しかしながら、偏光方向の角度は厳密である必要はなく、数度程度の誤差があってもよい。但し、各光学素子を透過し、また反射される際の光の利用効率を考慮すると、光源部１１１、偏光切換素子１１２、光路ユニット１２０の偏光ミラー１２１，１２２等の相対角度の誤差は、可能な限り誤差が小さいことが望ましい。

また、実施の形態１では、偏光切換素子１１２は、印加電圧の有無（オン／オフ）によって入射光の偏光方向を切り換える液晶素子で構成されている。しかし、光源部１１１から出力された光の偏光方向を切り換えるものであれば、液晶素子に限定されるものではない。例えば、１／２波長板を光路中に配置させるか否かを機械的に切り換えてもよい。１／２波長板を配置する位置は、例えば、光源部１１１と走査部１１３との間である。

また、実施の形態１では、第２の光路２２０を第１の光路２１０の下側に設けている。しかしながら、第２の光路２２０を第１の光路２１０の上側に設けてもよい。また、第２の光路２２０を、第１の光路２１０に対して、紙面の奥方向又は手前方向に設けてもよい。

また、光路ユニット１２０の構成は、図１（Ａ）に示した構成に限定されるものではない。入射光の偏光方向に応じて異なる光路長の光路を選択するものであればよい。

なお、本実施の形態１では、光源部１１１から出射した３色の光（レーザー光）を走査部１１３で走査することによりスクリーン１１４上に映像を表示した。しかしながら、このような構成に限定されるものではない。

例えば、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いたＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：登録商標）等を用いて映像を表示してもよい。つまり、映像生成部１１５として、ＤＬＰを用いてもよい。ＤＬＰは、マイクロミラーを２次元的に配列した画像を形成する素子である。ＤＬＰで形成された映像光が通過する位置に偏光切換素子１１２を配置して、映像光の偏光方向を切り換えるようにすればよい。

また、走査部１１３及びスクリーン１１４に換えて、映像生成部１１５として、液晶表示部（液晶ディスプレイ）を用いてもよい。この場合には、例えば図１に示すスクリーン１１４の位置に液晶表示部を配置する。そして、液晶表示部の出射光（映像光）が通過する位置に偏光切換素子１１２を配置して、映像光の偏光方向を切り換える。また、光源部１１１は、液晶表示部のバックライトとして構成することができる。

また、映像を表示するための光は、レーザー光に限定されるものではない。ただし、偏光を利用して光路長を変更するため、偏光特性をもつレーザー光は、ＬＥＤ光等の他の光に比べて、虚像表示装置１００に適している。

また、本実施の形態１では、車両の運転状況に関する情報（走行速度、現在地、注意対象物等）に応じて虚像の表示距離を切り換えた例を示した。しかしながら、例えば、第１の距離４１１（位置ｅ）及び第２の距離４２１（位置ｆ）に、異なる映像（コンテンツ）を時分割で表示してもよい。

＜表示方法の変形例＞
図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）は、異なる表示距離に映像を時分割表示する変形例を説明するための図である。

図１２（Ａ）は、偏光切換素子１１２への通電パターンを示した模式図である。縦軸は電圧の高さを表している。横軸は時間を表わしている。縦軸で高い電圧を「ＯＮ（オン）」とし、低い電圧を「ＯＦＦ（オフ）」として示している。「ＯＮ（オン）」の状態は、電圧が印加されている状態である。「ＯＦＦ（オフ）」の状態は、電圧が印加されていない状態である。「電圧を印加する」とは、電圧を加えることである。図１２（Ａ）には、電圧が矩形波をなすように変化する例が示されている。

図１２（Ｂ）は、表示される映像の種類を時系列で示した模式図である。映像Ａ１，Ａ２の切換えのタイミングは、図１２（Ａ）の矩形波の切換えタイミングに同期している。
電圧が「ＯＦＦ（オフ）」の状態で、映像Ａ１が表示されている。電圧が「ＯＮ（オン）」の状態で、映像Ａ２が表示されている。

この場合には、制御部１５０は、図１２（Ａ）に示すように、偏光切換素子１１２の電圧のオンとオフとを一定の周期で切り換える。そして、偏光切換素子１１２の電圧のオンとオフとのタイミングに同期させて、図１２（Ｂ）に示すように、光源部１１１及び走査部１１３により映像Ａ１と映像Ａ２とを交互に表示する。

映像Ａ１は、偏光切換素子１１２に電圧が印加されていない状態（オフ状態）で表示する映像である。映像Ａ１は、例えば、運転者に近い第１の距離４１１（位置ｅ）に表示する第１の虚像４１０に相当する。映像Ａ２は、偏光切換素子１１２に電圧が印加された状態（オン状態）で表示する映像である。映像Ａ２は、例えば、運転者から遠い第２の距離４２１（距離ｆ）に表示する第２の虚像４２０に相当する。

これにより、運転者には、映像Ａ１と映像Ａ２とが同時に表示されているように見える。但し、映像Ａ１と映像Ａ２とが全く同じエリアに表示されると、運転者にとって視認しにくい。このため、例えば、図１３に示すように、映像Ａ１と映像Ａ２とを別々のエリアに表示することが望ましい。

図１３は、表示される虚像の例を示す模式図である。映像Ａ１は、「６０ｋｍ／ｈ」と示されている。映像Ａ２は、右に曲がる矢印の図である。映像Ａ１，Ａ２はフロントウィンドウ３００の左側に表示されている。また、映像Ａ１は、映像Ａ２の下側に表示されている。

特に、運転者は、下方向を見るときに近距離にピントを合わせやすい。このため、図１３に示すように、映像Ａ１（第１の虚像４１０）を下側のエリアに表示し、映像Ａ２（第２の虚像４２０）を上側のエリアに表示することが望ましい。

映像Ａ１は、例えば、走行速度センサ６２０（図８）から取得した情報に基づく車両の走行速度の情報である。また、映像Ａ２は、例えば、ナビゲーションシステム６３０（図９（Ａ））から取得した情報に基づく方向指示矢印Ｂである。あるいは、映像Ａ２は、上述した注意喚起情報であっても良い。

運転者が近傍を注視しているときには、運転者にとって、運転者に近い第１の距離４１１の映像Ａ１（第１の虚像４１０）ははっきりと見える。また、この際には、運転者にとって、運転者から遠い第２の距離４２１の映像Ａ２（第２の虚像４２０）はぼやけて見える。

逆に、運転者が遠方を注視しているときには、運転者にとって、映像Ａ２（第２の虚像４２０）ははっきりと見える。また、この際には、運転者にとって、映像Ａ１（第１の虚像４１０）はぼやけて見える。そのため、運転者の見る位置に応じて、それぞれ異なる情報を視認することが可能になる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２に係る虚像表示装置１００Ａについて説明する。実施の形態２の虚像表示装置１００Ａは、映像表示部１１０Ａの構成が実施の形態１の虚像表示装置１００と異なっており、他の部分は同様である。以下では、実施の形態１の虚像表示装置１００からの相違点について説明する。また、実施の形態１の虚像表示装置１００と同一又は対応する要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

実施の形態１の虚像表示装置１００と同一の構成要素は、光源部１１１、走査部１１３、スクリーン１１４、光路ユニット１２０、拡大ミラー１３０及び制御部１５０である。

図１４は、実施の形態２の虚像表示装置１００Ａにおける映像表示部１１０Ａを示す図である。映像表示部１１０Ａは、光源部１１１、偏光切換部１１２Ａ及び映像生成部１１５を備えている。以下において、偏光切換部１１２Ａは、偏光切換素子として説明する。
映像生成部１１５は、一例として、走査部１１３及びスクリーン１１４を備える構成で説明する。光源部１１１、走査部１１３及びスクリーン１１４の構成は、実施の形態１で説明した通りである。

実施の形態２では、偏光切換素子１１２Ａが、スクリーン１１４の入射側に隣接して配置されている。「隣接」とは、隣り合っていることである。実施の形態１と異なり、偏光切換素子１１２Ａは、走査部１１３とスクリーン１１４との間に配置されている。図１４では、偏光切換素子１１２Ａは、スクリーン１１４と接するように配置されている。スクリーン１１４の入射側は、スクリーン１１４に対して光源部１１１側である。

また、偏光切換素子１１２Ａはスクリーン１１４と概ね同じ大きさを有している。図１４では、偏光切換素子１１２Ａはスクリーン１１４と同じ大きさである。なお、偏光切換素子１１２Ａの大きさは、スクリーン１１４の大きさと厳密に同じである必要はない。スクリーン１１４に入射する光が全て偏光切換素子１１２Ａを通過するような大きさであればよい。つまり、偏光切換素子１１２Ａがスクリーン１１４と異なる大きさの場合には、偏光切換素子１１２Ａはスクリーン１１４よりも小さい。

偏光切換素子１１２Ａは、実施の形態１の偏光切換素子１１２と同様に、電圧の印加によって偏光方向を切り換えることができる素子である。しかしながら、実施の形態１の偏光切換素子１１２とは異なり、画素毎に印加電圧を制御できるように構成されている。偏光切換素子１１２は、例えば、一般の液晶パネルのように、液晶層への印加電圧の有無（オン／オフ）を画素毎に独立して制御するスイッチを有する。

偏光切換素子１１２Ａの全画素に電圧が印加されていない場合には、図７（Ａ）に示したように、光は第１の光路２１０を通る。偏光切換素子１１２Ａの全画素に電圧が印加されている場合には、図７（Ｂ）に示したように、光は第２の光路２２０を通る。

図１５は、実施の形態２に係る虚像表示装置１００Ａにおける映像光の光路を示す図である。図１５では、虚像表示装置１００Ａは、偏光切換素子１１２Ａの上半分のエリア（非電圧印加エリアＲ１）に電圧を印加していない。また、虚像表示装置１００Ａは、偏光切換素子１１２Ａの下半分のエリア（電圧印加エリアＲ２）に電圧を印加している。

偏光切換素子１１２Ａの非電圧印加エリアＲ１を透過した光は、第１の偏光ミラー１２１と第２の偏光ミラー１２２とを透過して、拡大ミラー１３０に入射する。すなわち、偏光切換素子１１２Ａの非電圧印加エリアＲ１を透過した光は、第１の光路２１１を通る。

一方、偏光切換素子１１２Ａの電圧印加エリアＲ２を透過した光は、第１の偏光ミラー１２１、第１の反射ミラー１２３、第２の反射ミラー１２４、第２の偏光ミラー１２２で順次反射されて、拡大ミラー１３０に入射する。すなわち、偏光切換素子１１２Ａの電圧印加エリアＲ２を透過した光は、第２の光路２２１を通る。

第１の光路２１１を通った光により、運転者に近い第１の距離４１１（位置ｅ）に映像Ａ１（第１の虚像４１０）が表示される。第２の光路２２１を通った光により、運転者から遠い第２の距離４２１（位置ｆ）に映像Ａ２（第２の虚像４２０）が表示される。すなわち、上述した図１３に示したように、映像Ａ１と映像Ａ２とが同時に表示される。

なお、拡大ミラー１３０の反射作用により、スクリーン１１４に表示された映像は上下方向に反転する。このため、偏光切換素子１１２Ａの上半分の非電圧印加エリアＲ１を通った光による映像Ａ１（第１の虚像４１０）は、下側に表示される。偏光切換素子１１２Ａの下半分の電圧印加エリアＲ２を通った光による映像Ａ２（第２の虚像４２０）は、上側に表示される。

図１３を参照して説明したように、映像Ａ１は、例えば、走行速度センサ６２０（図８）から取得した情報に基づく車両の走行速度等の情報である。また、映像Ａ２は、例えば、ナビゲーションシステム６３０（図９（Ａ））から取得した情報に基づく方向指示矢印又は注意喚起情報等である。

運転者が近傍を注視しているときには、運転者に近い第１の距離４１１の映像Ａ１（第１の虚像４１０）がはっきりと見える。また、この際には、運転者にとって、運転者から遠い第２の距離４２１の映像Ａ２（第２の虚像４２０）はぼやけて見える。

逆に、運転者が遠方を注視しているときには、映像Ａ２（第２の虚像４２０）がはっきりと見える。また、この際には、運転者にとって、映像Ａ１（第１の虚像４１０）はぼやけて見える。

虚像表示装置１００Ａの制御部１５０は、偏光切換素子１１２Ａの上半分のエリア（非電圧印加エリアＲ１）に相当する画素に電圧を印加しない制御を行う。そして、制御部１５０は、偏光切換素子１１２Ａの下半分のエリア（電圧印加エリアＲ２）に相当する画素に電圧を印加する制御を行う。

さらに、制御部１５０は、スクリーン１１４の上側のエリアに映像Ａ１を表示するように、光源部１１１及び走査部１１３を駆動制御する。また、制御部１５０は、スクリーン１１４の下側のエリアに映像Ａ２を表示するように、光源部１１１及び走査部１１３を駆動制御する。

なお、ここでは、偏光切換素子１１２Ａの印加電圧を画素毎に制御するとした。しかしながら、画素毎の制御に限定されるものではない。偏光切換素子１１２Ａの印加電圧の制御は、偏光切換素子１１２Ａのエリア毎であればよい。例えば、偏光切換素子１１２Ａの印加電圧の制御は、偏光切換素子１１２Ａの上半分のエリアと下半分のエリアとで行われる。

以上説明したように、本発明の実施の形態２によれば、偏光切換素子１１２Ａは、エリア毎（画素毎）に偏光方向を切り換える。そして、虚像表示装置１００Ａは、運転者からの距離が異なる２つの位置ｅ，ｆに同時に虚像を表示することができる。そのため、運転者は、運転者の見る位置に応じて、それぞれ異なる情報を視認することが可能になる。

なお、実施の形態２では、偏光切換素子１１２Ａの非電圧印加エリアＲ１を透過した光は、第１の光路２１１を通る。そして、偏光切換素子１１２Ａの電圧印加エリアＲ２を透過した光は、第２の光路２２１を通る。しかしながら、逆に、偏光切換素子１１２Ａの非電圧印加エリアＲ１を透過した光が第２の光路２２１を通り、偏光切換素子１１２Ａの電圧印加エリアＲ２を透過した光が第１の光路２１１を通るようにしてもよい。

また、実施の形態２では、偏光切換素子１１２Ａをスクリーン１１４の入射側（光源部１１１側）に配置した。しかしながら、偏光切換素子１１２Ａをスクリーン１１４の出射側（光源部１１１側とは反対の側）に配置してもよい。

つまり、本実施の形態２では、偏光切換素子１１２Ａは、走査部１１３により形成された映像光の偏光方向を変換している。

また、実施の形態１でも説明したように、走査部１１３及びスクリーン１１４（映像生成部１１５）に換えて、液晶表示部を用いることもできる。この場合には、例えば、図１５に示すスクリーン１１４の位置に液晶表示部を配置する。そして、液晶表示部の出射光（映像光）が入射する位置に偏光切換素子１１２Ａを配置する。また、光源部１１１は、液晶表示部のバックライトとして構成することができる。

また、実施の形態１でも説明したように、走査部１１３及びスクリーン１１４（映像生成部１１５）に換えて、ＤＬＰを用いることもできる。つまり、液晶表示部に換えて、マイクロミラーを２次元的に配列したＤＬＰを用いてもよい。

また、実施の形態２では、スクリーン１１４に入射する光は、全て偏光切換素子１１２Ａ（非電圧印加エリアＲ１と電圧印加エリアＲ２）を透過するようにした。しかしながら、スクリーン１１４の特定のエリアに入射する光のみが偏光切換素子１１２Ａを透過するようにしてもよい。スクリーン１１４の特定のエリアは、例えば、スクリーン１１４の上側の１／３から１／２までのエリアである。

この場合の偏光切換素子は、実施の形態２で説明したように、画素毎に電圧印加の切換が可能なものでもよい。また、偏光切換素子は、実施の形態１で説明したように、全体で電圧印加の切換が可能なものでもよい。このようにすることで、虚像表示装置１００Ａは、スクリーン１１４上の必要なエリアの映像のみの虚像の表示距離を切り換えることができる。

また、実施の形態２の構成例を、実施の形態１で説明した構成例（図８〜図１１）と組み合わせてもよい。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３に係る虚像表示装置１００Ｂについて説明する。実施の形態３に係る虚像表示装置１００Ｂは、光路ユニット１２０Ｂの構成が実施の形態１に係る虚像表示装置１００と異なり、他の部分は同様である。以下では、実施の形態１の虚像表示装置１００からの相違点について説明する。また、実施の形態１の虚像表示装置１００と同一又は対応する要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

実施の形態１の虚像表示装置１００と同一の構成要素は、映像表示部１１０（光源部１１１、偏光切換素子１１２、走査部１１３及びスクリーン１１４）、第１の偏光ミラー１２１、第２の偏光ミラー１２２、第１の反射ミラー１２３、第２の反射ミラー１２４、拡大ミラー１３０及び制御部１５０である。但し、第１の反射ミラー１２３及び第２の反射ミラー１２４は、移動部１２７に搭載されている点で実施の形態１と相違する。つまり、第１の反射ミラー１２３及び第２の反射ミラー１２４は、それ自身では、実施の形態１と同様である。

図１６は、実施の形態３に係る虚像表示装置１００Ｂを示す図である。

実施の形態３に係る虚像表示装置１００Ｂの光路ユニット１２０Ｂは、実施の形態１で説明した光路ユニット１２０に加えて、移動部１２７を備えている。移動部１２７は、第１の反射ミラー１２３及び第２の反射ミラー１２４を搭載している。移動部１２７は、鉛直方向に移動可能である。ここで、鉛直方向は、第１の偏光ミラー１２１の中心位置で反射された光の進行方向である。

実施の形態３に係る虚像表示装置１００Ｂは、さらに、駆動機構１６０を備えている。
駆動機構１６０は、移動部１２７を鉛直方向に移動させる。駆動機構１６０は、例えば、送りねじとモータを組み合わせたものである。但し、駆動機構１６０は、送りねじとモータを用いるものに限らない。駆動機構１６０は、移動部１２７を往復移動させることができるものであればよい。制御部１５０は、駆動機構１６０のモータの駆動を制御する。

駆動機構１６０は、移動部１２７を鉛直方向に移動させる。移動部１２７は、第１の反射ミラー１２３及び第２の反射ミラー１２４を搭載している。つまり、第１の反射ミラー１２３及び第２の反射ミラー１２４は、鉛直方向に移動する。これにより、光路２２０の長さは変化する。

例えば、移動部１２７が下方向に移動すると、第２の光路２２０の光路長が長くなる。
そして、第２の虚像４２０が表示される位置ｆは、運転者から離れる方向に移動する。

逆に、移動部１２７が上方向に移動すると、第２の光路２２０の光路長が短くなる。そして、第２の虚像４２０が表示される位置ｆは、運転者に近づく方向に移動する。

ここで、図６に示したグラフより、距離Ｌｄｖが１０ｍ以上である場合には、距離Ｌａｂの変化量に対して、距離Ｌｄｖは大きく変化する。距離Ｌｄｖは、運転者の目５００の位置ｄから虚像までの距離である。距離Ｌａｂは、スクリーン１１４の位置ａから拡大ミラー１３０の位置ｂまでの距離である。距離Ｌｄｖは、運転者の目５００の位置ｄから虚像までの距離である。

従って、ここでは、移動部１２７がその移動範囲内の基準位置にあるときに、距離Ｌｄｖが１０ｍ以上となるように、移動部１２７の位置を設定する。基準位置は、例えば、移動部１２７の移動方向の中心位置である。

これにより、移動部１２７を少し移動させるだけで、第２の虚像４２０の表示距離を大きく移動させることができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態３によれば、移動部１２７を移動させることにより、第１の反射ミラー１２３及び第２の反射ミラー１２４を移動させている。これにより、虚像表示装置１００Ｂは、実施の形態１の効果に加えて、第２の虚像４２０の表示距離を調整することが可能になる。

そのため、例えば、ＡＲ（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ：拡張現実）表示において、虚像の表示距離を実像に合わせて調整することが可能になる。「拡張現実」とは、人が知覚する現実環境をコンピュータにより拡張する技術である。ＡＲ表示では、例えば、虚像を実像に重ね合わせる。

また、虚像表示装置１００Ｂは、運転者の好みに応じて、第２の虚像４２０の表示距離（第２の距離４２１）を調整することも可能である。

なお、本実施の形態３では、移動部１２７に搭載された第１の反射ミラー１２３及び第２の反射ミラー１２４を鉛直方向に移動させた。しかしながら、このような構成に限定されるものではない。第１の光路２１０又は第２の光路２２０の少なくとも一方の光路長を変化させる方向に、光路ユニット１２０の構成要素の一部を移動させる構成であればよい。

例えば、第１の偏光ミラー１２１及び第１の反射ミラー１２３を前後方向（図１６における左右方向）に移動してもよい。また、第２の反射ミラー１２４及び第２の偏光ミラー１２２を前後方向に移動してもよい。

また、スクリーン１１４を前後方向（第２の偏光ミラー１２２の中心位置を透過したレーザー光の進行方向）に移動しても良い。また、映像表示部１１０の全体を前後方向に移動しても良い。

これらのように構成すれば、第１の光路２１０及び第２の光路２２０の両方の光路長さを調整することができる。このため、第１の虚像４１０を表示する位置ｅ及び第２の虚像４２０を表示する位置ｆの両方を調整することが可能となる。

また、本実施の形態３を、実施の形態１で説明した構成例（図８〜図１１）又は実施の形態２と組み合わせてもよい。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４に係る虚像表示装置１００Ｃについて説明する。実施の形態４に係る虚像表示装置１００Ｃは、光路ユニット１２０Ｃの構成が実施の形態１に係る虚像表示装置１００と異なり、他の部分は同様である。以下では、実施の形態１の虚像表示装置１００からの相違点について説明する。また、実施の形態１の虚像表示装置１００と同一又は対応する要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

実施の形態１の虚像表示装置１００と同一の構成要素は、映像表示部１１０（光源部１１１、偏光切換素子１１２、走査部１１３及びスクリーン１１４）、偏光ミラー１２１、拡大ミラー１３０及び制御部１５０である。

図１７は、実施の形態４に係る虚像表示装置１００Ｃを示す図である。実施の形態４に係る虚像表示装置１００Ｃの光路ユニット１２０Ｃは、偏光分離素子としての偏光ミラー１２１、第１の１／４波長板１２５ａ、第２の１／４波長板１２５ｂ、第１のミラー１２６ａ及び第２のミラー１２６ｂを備えている。偏光ミラー１２１は、実施の形態１で説明した光路ユニット１２０における偏光ミラー１２１と同様である。

偏光ミラー１２１は、映像表示部１１０からの映像光が入射する位置に配置されている。第１の１／４波長板１２５ａ及び第１のミラー１２６ａは、偏光ミラー１２１によって入射光が反射される光軸上に配置されている。第２の１／４波長板１２５ｂ及び第２のミラー１２６ｂは、偏光ミラー１２１を挟んで、第１の１／４波長板１２５ａ及び第１のミラー１２６ａと反対側に配置されている。

以下、偏光ミラー１２１が、ｐ偏光を透過し、ｓ偏光を反射する特性を有する場合の例について説明する。

光路ユニット１２０Ｃに入射した光は、偏光ミラー１２１に入射する。偏光ミラー１２１に入射する光がｐ偏光の場合には、偏光ミラー１２１に入射した光は、偏光ミラー１２１を透過し、第１の光路２１０を通る。そして、位置ｅに虚像４１０が表示される。第１の光路２１０は、偏光ミラー１２１を透過する光路である。

一方、偏光ミラー１２１に入射する光がｓ偏光の場合には、偏光ミラー１２１に入射した光は、偏光ミラー１２１で反射され、第２の光路２２０を通る。そして、位置ｇに虚像４３０が表示される。第２の光路２２０は、例えば、次の（１）、（２）および（３）の光路からなる。
（１）偏光ミラー１２１に入射した光は、偏光ミラー１２１で反射され、第１の１／４波長板１２５ａを透過し、第１のミラー１２６ａで反射された後、再び第１の１／４波長板１２５ａを透過して、再び偏光ミラー１２１に入射する。
（２）再び偏光ミラー１２１に入射した光は、偏光ミラー１２１を通過した後、第２の１／４波長板１２５ｂを透過し、第２のミラー１２６ｂで反射された後、再び第２の１／４波長板１２５ｂを透過して、三度（みたび）偏光ミラー１２１に入射する。
（３）三度偏光ミラー１２１に入射した光は、偏光ミラー１２１で反射されて、拡大ミラー１３０に向かって進行する。

ここで、第２の光路２２０が上記のようになる理由を説明する。偏光ミラー１２１に入射する光がｓ偏光の場合には、まず偏光ミラー１２１で反射される。偏光ミラー１２１で反射された光は図１７の下方向に進行する。図１７の下方向に進行した光は、第１の１／４波長板１２５ａに到達する。第１の１／４波長板１２５ａを透過したｓ偏光の光（直線偏光）は、位相差が９０度の円偏光の光に変換される。そして、円偏光の光は、第１のミラー１２６ａに到達する。第１のミラー１２６ａでは、円偏光の光がそのまま反射される。第１のミラー１２６ａで反射された円偏光の光は、再び第１の１／４波長板１２５ａを透過して、さらに位相差が９０度加わる。そして、再び第１の１／４波長板１２５ａを透過した光は、円偏光から直線偏光に変換される。その結果、最初に偏光ミラー１２１に入射した光（ｓ偏光）に対して、再び偏光ミラー１２１に入射した光は、位相差が１８０度で、偏光方向が９０度回転したｐ偏光に変換されることになる。

このように第１の１／４波長板１２５ａを往復することでｐ偏光に変換された光は、偏光ミラー１２１を透過して、図１７の上方向に進行する。偏光ミラー１２１を透過した光は、第２の１／４波長板１２５ｂに到達する。上記と同様に、偏光ミラー１２１を透過した光は、第２の１／４波長板１２５ｂを透過して位相差が９０度の円偏光に変換され、第２のミラー１２６によって反射される。そして、第２のミラー１２６ｂで反射された円偏光は、再び第２の１／４波長板１２５ｂを透過することにより、ｓ偏光に変換される。そして、再び偏光ミラー１２１に戻ってきた光は、偏光ミラー１２１で反射され、拡大ミラー１３０に向かって進行する。

以上のように構成したため、実施の形態４の虚像表示装置１００Ｃは、実施の形態１から３と比較して、以下の特徴を有する。第１に、光路ユニット１２０Ｃは、特殊な光学部品である偏光ミラーを１つだけ有している。第２に、第２の光路２２０が、同じ光路上で光を折り返すように構成されているため、光路ユニット１２０Ｃを小さいスペースで構成することができ、虚像表示装置１００Ｃの小型化が可能となる。第２の光路２２０は、長い光路長の光路である。

なお、第１のミラー１２６ａ又は第２のミラー１２６ｂの配置は、固定されていてもよい。また、第１のミラー１２６ａ又は第２のミラー１２６ｂを移動させてもよい。第１のミラー１２６ａ又は第２のミラー１２６ｂを移動させる構成では、図１７において第１のミラー１２６ａ又は第２のミラー１２６ｂを上下方向に移動させる。これにより、虚像４３０の位置ｇを変更することができる。

この場合、第１のミラー１２６ａ又は第２のミラー１２６ｂのどちらか一方のみを動かしても良い。また、第１のミラー１２６ａ及び第２のミラー１２６ｂの両方を、それぞれ反対方向に動かす様にしても良い。

また、第１の１／４波長板１２５ａと第１のミラー１２６ａとを共に移動させるようにしても良い。また、第２の１／４波長板１２５ｂと第２のミラー１２６ｂとを共に移動させるようにしても良い。

＜構成の変形例＞
図１８は、実施の形態４に係る虚像表示装置の構成の変形例を示す図である。図１８に示す変形例の虚像表示装置１００Ｄは、光路ユニット１２０Ｃに加えて、光路ユニット１２０Ｄをさらに備えている。光路ユニット１２０Ｄは、光路長を除き、光路ユニット１２０Ｃと同様の構成をしている。また、虚像表示装置１００Ｄは、光路ユニット１２０Ｃと光路ユニットＤとの間に、第２の偏光切換部１２８を備えている。

ここで、第２の光路２２０は、光路ユニット１２０Ｃと光路ユニット１２０Ｄとで各々異なる光路長とする。第２の光路２２０は、光路ユニット内の光路長の長い方の光路である。図１８には、光路ユニット１２０Ｃの光路長に比べて、光路ユニット１２０Ｄの光路長が短い場合を示している。

光路ユニット１２０Ｃは、映像表示部１１０からの映像光が入射する位置に配置されている。第２の偏光切換部１２８は、光路ユニット１２０Ｃから出射された光が入射する位置に配置されている。光路ユニット１２０Ｄは、第２の偏光切換部１２８から出射された光が入射する位置に配置されている。

第２の偏光切換部１２８は、入射光の偏光方向を変化させずに出射するか、偏光方向を９０度変化させて出射するかを切り換え可能に構成されている。第２の偏光切換部１２８は、制御部１５０によって制御される。なお、図１８では、制御部１５０から第２の偏光切換部１２８への矢印を省略している。

スクリーン１１４からの光がｐ偏光で、第２の偏光切換部１２８が偏光方向を変化させない場合には、光路ユニット１２０Ｃに入射する光は、第１の光路２１０を通る。つまり、光路ユニット１２０Ｃに入射する光は、光路ユニット１２０Ｃの短い光路と、光路ユニットＤの短い光路とを通る。そして、位置ｅに虚像４１０が表示される。光路ユニット１２０Ｃから出射された光は、第２の偏光切換部１２８によって偏光は切り替えられない。つまり、光路ユニット１２０Ｃから出射された光は、ｐ偏光で光路ユニット１２０Ｄに入射する。

次に、第２の光路２２０について説明する。この変形例では、第２の光路２２０は、３つの光路長を有する。すなわち、虚像４４０は位置ｈに表示され、虚像４３０は位置ｇに表示され、虚像４５０は位置ｉに表示される。虚像４４０は、虚像４１０よりも遠くに表示される。虚像４３０は、虚像４４０よりも遠くに表示される。虚像４５０は、虚像４３０よりも遠くに表示される。

まず、位置ｈに表示される虚像４４０について説明する。この場合には、スクリーン１１４からの光はｐ偏光で、第２の偏光切換部１２８は入射光の偏光方向を９０度変化させる。光路ユニット１２０Ｃに入射する光は、光路ユニット１２０Ｃの短い光路（第１の光路２１０）を通る。光路ユニット１２０Ｃから出射された光は、第２の偏光切換部１２８によってｐ偏光からｓ偏光に切り換えられる。ｓ偏光に切り換えられた光は、光路ユニット１２０Ｄの長い光路（第２の光路２２０）を通る。光路ユニット１２０Ｄから出射された光によって、位置ｈに虚像４４０が表示される。

次に、位置ｇに表示される虚像４３０について説明する。この場合には、スクリーン１１４からの光はｓ偏光で、第２の偏光切換部１２８は入射光の偏光方向を９０度変化させる。光路ユニット１２０Ｃに入射する光は、光路ユニットＣの長い光路（第２の光路２２０）を通る。光路ユニット１２０Ｃから出射された光は、第２の偏光切換部１２８によってｓ偏光からｐ偏光に切り換えられる。ｐ偏光に切り換えられた光は、光路ユニット１２０Ｄの短い光路（第１の光路２１０）を通る。光路ユニット１２０Ｄから出射された光によって、位置ｇに虚像４３０が表示される。

最後に、位置ｉに表示される虚像４５０について説明する。この場合には、スクリーン１１４からの光はｓ偏光で、第２の偏光切換部１２８は入射光の偏光方向を変化させない。光路ユニット１２０Ｃに入射した光は、光路ユニット１２０Ｃの長い光路（第２の光路２２０）を通る。光路ユニット１２０Ｃから出射された光は、第２の偏光切換部１２８によって偏光方向が変化させられない。つまり、光路ユニット１２０Ｃから出射された光は、ｓ偏光で光路ユニット１２０Ｄに入射する。光路ユニット１２０Ｄに入射した光は、光路ユニット１２０Ｄの長い光路（第２の光路２２０）を通る。光路ユニット１２０Ｄから出射された光によって、位置ｉに虚像４５０が表示される。

実施の形態４では、１／４波長板１２５ａ，１２５ｂ及びミラー１２６ａ，１２６ｂを、偏光ミラー１２１の上下方向に配置している。しかしながら、このような配置には限定されない。例えば、１／４波長板１２５ａ，１２５ｂ及びミラー１２６ａ，１２６ｂを、偏光ミラー１２１の横方向に配置しても良い。

また、図１７及び図１８に示した例では、第１の偏光ミラー１２１から第１のミラー１２６ａまでの距離と、第１の偏光ミラー１２１から第２のミラー１２６ｂまでの距離とを同じにしている。しかしながら、どちらか一方の距離を長くする構成でも良い。例えば、自動車のダッシュボードのスペースに応じて、非対称な距離に配置することが可能となる。これにより、実施の形態１から３までの構成と比較して、虚像表示装置を設置する自由度が向上する。

また、実施の形態４を、実施の形態１（図１〜７）、その構成例（図８〜図１１）、実施の形態２又は実施の形態３と組み合わせてもよい。

実施の形態５．
次に、本発明の実施の形態５に係る虚像表示装置１００Ｅについて説明する。実施の形態５に係る虚像表示装置１００Ｅは、例えば眼鏡などに取り付けられたヘッドマウントディスプレイである。

実施の形態５に係る虚像表示装置１００Ｅは、実施の形態１と基本的な構成は同様である。以下では、実施の形態１の虚像表示装置１００からの相違点について説明する。また、実施の形態１の虚像表示装置１００と同一又は対応する要素には同一の符号を付す。

図１９は、実施の形態５に係る虚像表示装置１００Ｅとして、眼鏡型のヘッドマウントディスプレイを上面から見た図である。実施の形態５に係る虚像表示装置１００Ｅは、眼鏡７００に設置されている。映像表示部１１０からの映像光は、光路２１０又は光路２２０のいずれかを通り、ミラー１３１によって眼鏡７００のレンズ方向へと反射される。ミラー１３１によって反射された映像光は、眼鏡７００のレンズ部分に組み込まれたミラー３０１で反射され、眼鏡７００をかけた人からは、虚像４１０又は虚像４２０が視認できる。なお、図１９では、制御部１５０（図１）を省略している。

ここで、ミラー３０１は、実施の形態１のフロントウィンドウ３００（図１）に相当する。例えば、透過型の自由曲面ミラーにより、映像光は目（左目）５００Ｌの方向へ反射される。なお、ミラー３０１は自由曲面ミラーに限定されない。例えば、光の回折角度を所望の角度に制御することができるホログラム素子又は回折素子などを用いても良い。

実施の形態１と同様に、偏光切換素子１１２により映像光の偏光方向を切り換えることで、映像光が通過する光路２１０と光路２２０を切り換えることができる。光路２１０を通過する場合には、目（左目）５００Ｌから近い位置に虚像４１０が視認できる。光路２２０を通過する場合には、目（左目）５００Ｌから遠い位置に虚像４２０が視認できる。

ヘッドマウントディスプレイは、作業支援用の映像表示として、背景に重畳した情報や映像を表示する。このことから、目から虚像（情報）までの距離と、目から背景までの距離との差が大きいと、視認性が低下する。また、作業者を疲労させやすくする。そこで、例えば、情報を重畳する際の背景までの距離を別途測定しておき、近距離に虚像を表示するか、遠距離に虚像を表示するかを切り換えるようにする。

以上説明したように、本発明の実施の形態５によれば、ヘッドマウントディスプレイにおいて、虚像を表示する距離を切り換えている。このため、背景と重畳する情報や映像の距離差を少なくすることができる。そして、視認性の向上や作業者の疲労軽減が可能となる。

なお、実施の形態５では、上述したように、実施の形態１と同様の構成を採用している。しかしながら、実施の形態２〜４と同様の構成を採用することも可能である。また、実施の形態５では、左目５００Ｌ側に虚像表示装置１００Ｄを取り付けていたが、右目５００Ｒ側に同様に虚像表示装置１００Ｄを取り付けても良い。また、左目５００Ｌ側及び右目側５００Ｒの両方に、虚像表示装置１００Ｄを取り付けても良い。

上述した虚像表示装置１００，１００Ａ，１００Ｂ、１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅは、例えば、自動車等のヘッドアップディスプレイまたはヘッドマウントディスプレイとして利用することもできる。また、虚像表示装置１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅは、自動車に限らず、飛行機、医療分野、又は虚像を利用する種々の分野で利用することができる。

１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ 虚像表示装置、 １１０，１１０Ａ 映像表示部、 １１１ 光源部、 １１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ 半導体レーザー、 １１ａ，１１ｂ，１１ｃ ミラー、 １１２，１１２Ａ 偏光切換素子、 １１３ 走査部、 １１３ａ 走査ミラー、 １１４ スクリーン、 １１５ 映像生成部、 １２０，１２０Ｂ，１２０Ｃ 光路ユニット、 １２１ 第１の偏光ミラー、 １２２ 第２の偏光ミラー、 １２３ 第１の反射ミラー、 １２４ 第２の反射ミラー、 １２５ ハーフミラー、 １２５ａ 第１の１／４波長板、 １２５ｂ 第２の１／４波長板、 １２６ａ 第１のミラー、 １２６ｂ 第２のミラー、 １２６ 偏光板、 １２７ 移動部、 １２８ 第２の偏光切換部、 １３０ 拡大ミラー、 １５０ 制御部、 １６０ 駆動機構、 ２１０，２１１ 第１の光路、 ２２０，２２１ 第２の光路、 ３００ フロントウィンドウ、 ４１０ 第１の虚像、 ４１１ 第１の距離、 ４２０ 第２の虚像、 ４２１ 第２の距離、 ５００ 運転者の目、 ６００ 車両。

本発明に係る虚像表示装置は、光を出射する光源部と、光源部から出射された光を第１の偏光方向又は第２の偏光方向に切り換える偏光切換部と、光源部から出射された光を基に映像光を生成する映像生成部と、第１の偏光方向を有する光が通過する第１の光路と、第２の偏光方向を有する光が通過し、第１の光路よりも光路長が長い第２の光路とを有する光路ユニットと、光路ユニットから出射された光を投影する投影部とを備える。光路ユニットの第１の光路を通過した光によって、観察者から第１の距離に虚像として表示される映像を虚像として投影する。光路ユニットの第２の光路を通過した光によって、観察者から第１の距離よりも遠い第２の距離に虚像として表示される映像を虚像として投影する。

Claims (12)

1. 光を出射する光源部と、
   前記光源部から出射された光の光路上に設けられ、前記光源部から出射された光の偏光方向を変更しない第１の偏光方向のままとするか、第２の偏光方向に変更するかを切り換える偏光切換部と、
   前記光源部から出射された光によって映像を生成する映像生成部と、
   前記映像生成部から出射された光が入射する位置に配置され、前記第１の偏光方向を有する光が通過する第１の光路と、前記第２の偏光方向を有する光が通過し、前記第１の光路よりも光路長が長い第２の光路とを有する光路ユニットと、
   前記光路ユニットから出射された光を投影する投影部と
   を備え、
   前記光路ユニットの前記第１の光路を通過した光によって、観察者から第１の距離に前記映像を虚像として表示し、
   前記光路ユニットの前記第２の光路を通過した光によって、観察者から前記第１の距離よりも遠い第２の距離に前記映像を虚像として表示すること
   を特徴とする虚像表示装置。
2. 前記光源部はレーザー光源であり、前記第１の偏光方向又は前記第２の偏光方向のどちらか一方の光を出射し、
   前記偏光切換部は、前記光源部から出射された光の偏光方向を９０度変更して出射するか、前記光源部から出射された光の偏光方向を変更せずに出射するかを切り換えること
   を特徴とする請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記偏光切換部は、電圧印加によって光の偏光方向を切り換える液晶素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の虚像表示装置。
4. 前記映像生成部は、前記光源部から出射された光をスクリーン上で走査する走査部を有し、
   前記偏光切換部は、前記光源部と前記走査部との間に配置されていることを特徴とする請求項１から３までの何れか１項に記載の虚像表示装置。
5. 前記光路ユニットは、入射光を、その偏光方向に応じて選択的に透過又は反射する第１の偏光分離素子を有し、
   前記第１の偏光分離素子を透過した光及び前記第１の偏光分離素子で反射された光のうち、一方が前記第１の光路を進み、他方が前記第２の光路を進むこと
   を特徴とする請求項１から４までの何れか１項に記載の虚像表示装置。
6. 前記光路ユニットは、
   入射光を、その偏光方向に応じて選択的に透過又は反射する偏光分離素子と、
   前記偏光分離素子により入射光が反射される光軸上に配置された第１の１／４波長板および第１のミラーと、
   前記偏光分離素子を挟んだ反対側に配置された第２の１／４波長板および第２のミラーと
   を有することを特徴とする請求項１から４までの何れか１項に記載の虚像表示装置。
7. 前記虚像表示装置は、車両に搭載され、且つ制御部を備え、
   前記制御部は、前記車両に備えられた走行速度センサから前記車両の走行速度の情報を取得し、前記走行速度の情報に基づいて前記偏光切換部を制御することを特徴とする請求項１から６までの何れか１項に記載の虚像表示装置。
8. 前記虚像表示装置は、車両に搭載され、且つ制御部を備え、
   前記制御部は、前記車両に備えられたナビゲーションシステムから前記車両の現在地の情報を取得し、前記現在地の情報に基づいて前記偏光切換部を制御することを特徴とする請求項１から６までの何れか１項に記載の虚像表示装置。
9. 前記虚像表示装置は、車両に搭載され、且つ制御部を備え、
   前記制御部は、前記車両に備えられた前方監視システムから前記車両の前方の注意対象物の情報を取得し、前記注意対象物の情報に基づいて前記偏光切換部を制御することを特徴とする請求項１から６までの何れか１項に記載の虚像表示装置。
10. 制御部を備え、
    前記制御部は、前記第１の距離及び前記第２の距離に交互に映像を時分割表示するように、前記光源部、前記映像生成部及び前記偏光切換部を制御することを特徴とする請求項１から９までの何れか１項に記載の虚像表示装置。
11. 前記偏光切換部は、エリア毎に独立して偏光方向を切り換えるよう構成され、
    前記光路ユニットの前記第１の光路を通過した光及び前記第２の光路を通過した光によって、前記第１の距離及び前記第２の距離にそれぞれ同時に虚像が表示されることを特徴とする請求項１から１０までの何れか１項に記載の虚像表示装置。
12. 前記光路ユニットの一部を移動することにより、前記第１の光路又は前記第２の光路の光路長を変化させて、観察者から虚像までの距離を変化させる移動部をさらに備えたことを特徴とする請求項１から１１までの何れか１項に記載の虚像表示装置。
    
    

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