JPWO2017163288A1 - ヘッドアップディスプレイ装置、及び車両 - Google Patents

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Abstract

ヘッドアップディスプレイ装置１は、表示画像となる光を出射する表示素子１１０と、光を反射又は透過する光学部材であって、表示素子１１０が出射した光を反射するビームスプリッタ１２０と、ビームスプリッタ１２０で反射した光を反射する可動ミラー１３０と、可動ミラー１３０で反射した後にビームスプリッタ１２０を透過した光を、反射又は透過して、虚像を投影させる、１つ又は複数の第１のミラー１５０及び第２のミラー１６０と、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔を調整することにより、虚像の投影距離を調整する可動部１４０とを備える。

Description

本開示は、車両用表示装置に関するものであり、特に、自動車などに用いられるヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。
自動車等の情報表示装置として、ヘッドアップディスプレイ（Ｈｅａｄ−Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）装置が知られている。
特許文献１は、凹面鏡をターニングミラーとして用い、凹面鏡の虚の像点を出現させる範囲において、物点としての表示器と凹面鏡との間の距離を、手動又は自動もしくはこれらの組合せによって可変させることにより、虚像の位置を可変させるヘッドアップディスプレイ装置を開示する。
特許文献２は、光源と、光源からの光を２次元にする走査手段と、走査光を結像するスクリーンと、スクリーン上の映像を投影する投影手段とを備え、投影手段とスクリーンとの間の距離を変えることにより、投影された虚像の位置を可変にする車両用ヘッドアップディスプレイ装置を開示する。
特開平６−１１５３８１号公報 特開２００９−１５０９４７号公報
本開示は、投影される虚像の投影距離を、高速に変更可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供する。
本開示におけるヘッドアップディスプレイ装置は、表示画像となる光を出射する表示部と、光を反射又は透過する光学部材であって、表示部が出射した光を反射する光線分離部と、光線分離部で反射した光を反射する第１光学部材と、第１光学部材で反射した後に光線分離部を透過した光を、反射又は透過して、虚像を投影させる、１つ又は複数の第２光学部材と、第１光学部材と光線分離部との間隔を調整することにより、虚像の投影距離を調整する調整部とを備える。
本開示によれば、投影される虚像の投影距離を、高速変更可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供することができる。
本開示の実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ装置を備えた車両の構成例を示す図 本開示の実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイ装置１の構成の例を示すブロック図 本開示の実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の構成の例を示す図 可動ミラーの移動量と虚像距離の関係を説明する図 本開示の実施の形態２におけるヘッドアップディスプレイ装置の構成の例を示す図 本開示の実施の形態３におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の構成の例を示す図 本開示の実施の形態３におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の他の構成の例を示す図 本開示の実施の形態４におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の構成の例を示す図 本開示の実施の形態５におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の構成の例を示す図 本開示の実施の形態６におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の構成の例を示す図 本開示の実施の形態７におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の構成の例を示す図 本開示の実施の形態８におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の構成の例を示す図
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面及び以下の説明を提供するのであって、これらによって請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
なお、全図において、共通な機能を有する要素には同一な符号を付して示し、一度説明したものについては、その重複する説明を省略する。
（実施の形態１）
［１−１．構成］
［１−１−１．車両の構成］
図１は、本開示の実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ装置を備えた車両の構成例を示す図である。図１に示す車両１０は、ヘッドアップディスプレイ装置１とナビゲーション装置２０とカメラ３０とを備える。
ナビゲーション装置２０は、予め設定された目的地までの経路情報を運転者に提供して、経路案内を行う装置である。ナビゲーション装置２０は、内蔵メモリに地図情報２１を格納している。また、ナビゲーション装置２０は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等の位置情報取得部２２を備え、自車両の位置情報を取得して内蔵メモリに記憶する。
カメラ３０は、例えば自車両の前方を撮影し、画像情報を生成する。
ヘッドアップディスプレイ装置１は、車両のフロントガラス１７０に映像光を投影することにより、運転者の目１８０に対してフロントガラス１７０の前方に虚像１９０を投影する装置である。ヘッドアップディスプレイ装置１は、ナビゲーション装置２０からの車両の位置情報や地図情報、あるいは、カメラ３０からの画像情報に基づいて、虚像１９０の投影位置を設定する。
［１−１−２．ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成］
図２は、本開示の実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイ装置１の構成の例を示すブロック図である。
ヘッドアップディスプレイ装置１は、光学系部５０と制御部６０とを備える。
制御部６０は、例えばＣＰＵ又はＭＰＵで構成され、メモリに格納されたプログラムを実行することで、各種の機能を実現する。制御部６０は、専用に設計された電子回路や再構成可能な電子回路などのハードウェア回路（ＡＳＩＣ，ＦＰＧＡ等）で構成されてもよい。制御部６０の機能は、ハードウェアとソフトウェアとの協働で実現されてもよいし、ハードウェア（電子回路）のみで実現されてもよい。
制御部６０は、周辺情報取得部６１と、車両情報取得部６２と、光学制御部６３とを備える。
周辺情報取得部６１は、カメラ３０からの車両前方の画像情報を解析することにより、周囲の建物、風景や、路面上の対象物を検出し、自車両から建物や対象物までの距離情報を取得する。路面上の対象物としては例えば交差点である。
車両情報取得部６２は、車両の各種センサから速度情報を取得する。
光学制御部６３は、ナビゲーション装置２０からの地図情報に基づいて、周囲の建物、風景や、路面上の対象物を抽出する。光学制御部６３は、ナビゲーション装置２０からの車両の位置情報、地図情報に基づいて、車両から建物や対象物までの距離情報を求める。光学制御部６３は、求めた距離情報に基づいて、建物や対象物の近傍に虚像１９０が位置するように、光学系部５０に虚像１９０を投影させる。これにより、例えば、ナビゲーション装置２０の情報として、建物の近傍に施設情報を投影したり、交差点の近傍に経路案内情報を投影したりすることができる。
あるいは、光学制御部６３は、周辺情報取得部６１からの、自車両から建物や対象物までの距離情報に基づいて、建物や対象物の近傍に虚像１９０が位置するように、光学系部５０に虚像１９０を投影させてもよい。
また、光学制御部６３は、車両情報取得部６２からの車両の速度情報に基づいて、虚像１９０の投影位置を設定してもよい。たとえば、車両が高速で走行し、運転者の視点が遠くにある場合には、虚像を遠くに投影し、また、車両が低速で走行し、運転者の視点が近くにある場合には、虚像を近くに投影するように、虚像１９０の投影位置を設定してもよい。
光学系部５０は、虚像を投影するための光学系を含む。以下、図３〜図４を用いて、ヘッドアップディスプレイ装置１の光学系部５０について説明する。なお、図３〜図４に示すヘッドアップディスプレイ装置１では光学系部５０のみが示されており、制御部６０を省略している（実施の形態２〜８についても同様）。
［１−１−３．ヘッドアップディスプレイ装置（光学系部）の構成］
図３は、本開示の実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイ装置１の光学系部５０の構成の例を示す図である。
実施の形態１のヘッドアップディスプレイ装置１は、表示素子１１０と、光線分離部であるビームスプリッタ１２０と、可動ミラー１３０と、調整部である可動部１４０と、第１のミラー１５０と、第２のミラー１６０を備える。可動部１４０は、モータ１４１と送りねじ１４２を備える。ここで、可動ミラー１３０は、第１光学部材に相当し、第１のミラー１５０及び第２のミラー１６０は、第２光学部材に相当する。
表示素子１１０は、運転者に対して表示する運行情報や経路情報などの表示画像となる光（映像光）を出射する表示部である。表示素子１１０は、例えば、液晶表示モジュールであり、液晶表示パネル、液晶表示パネル駆動用回路基板、導光板、レンズ、拡散板、バックライト、バックライト用ヒートシンクなどを含んでいる。
ビームスプリッタ１２０は、表示素子１１０が出射した映像光を可動ミラー１３０に向けて反射すると共に、可動ミラー１３０から入射した映像光を透過する。
可動ミラー１３０は、ビームスプリッタ１２０から入射した映像光をビームスプリッタ１２０に向けて反射する。可動ミラーは、例えば、平面ミラーである。
可動部１４０は、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔を変更することにより、虚像の投影距離を調整する。図３に示すように、可動部１４０は、可動ミラー１３０を位置Ａと位置Ｂの間で平行移動させる。この動作により可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔を変更することができる。可動部１４０のモータ１４１は、例えば、上述した車両の各種センサからの検出信号や、ナビゲーション装置２０から出力される運転情報などに基づいて制御部６０により制御される。また、送りねじ１４２は、モータ１４１によって回転駆動される。可動部１４０は、送りねじ１４２の回転に伴い、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔を調整する。
第１のミラー１５０は、ビームスプリッタ１２０が透過した映像光を第２のミラー１６０に向けて反射する。本開示では、第１のミラー１５０は平面ミラーである。
第２のミラー１６０は、第１のミラー１５０が反射した映像光を、運転者からみて、車両のフロントガラス１７０より前方に虚像として投影する。第２のミラー１６０は、例えば、球面凹面鏡であり、第１のミラー１５０からの映像光を反射、および、集光させ、フロントガラス１７０を介して運転者の目１８０の前方に虚像１９０を投影する。
［１−２．動作］
［１−２−１．全体の動作］
実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイ装置１の動作について説明する。
表示素子１１０より出力された映像光は、ビームスプリッタ１２０により反射され、可動ミラー１３０に入射する。可動ミラー１３０は入射した映像光を反射する。反射した映像光は再びビームスプリッタ１２０に入射し、ビームスプリッタ１２０を透過する。
ビームスプリッタ１２０を透過した映像光は、第１のミラー１５０により反射された後、第２のミラー１６０により集光される。第２のミラー１６０により集光された映像光は、フロントガラス１７０により反射され、運転者の目１８０に到達する。
運転者の目１８０は、フロントガラス１７０の先の遠方に、表示素子１１０からの映像または画像を、虚像１９０として視認する。
運転者の目１８０から虚像１９０までの距離（以下、虚像距離と記載）は、可動部１４０によって可動ミラー１３０を位置Ａと位置Ｂの間で平行移動させ、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔を調整することにより、例えば、虚像１９０と虚像１９１の間で変更することができる。
可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔は、例えば、上記した制御部６０により、ナビゲーション装置２０からの車両の位置情報や地図情報、案内情報に基づいて、虚像１９０が前方風景に視認されるよう設定される。
なお、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔の設定は、上記した制御部６０により、車両の各種センサや車速情報に基づいて行われても良い。例えば、車両が高速で走行し、運転者の視点が遠くにある場合は、虚像を遠くに投影し、また、車両が低速で走行し、運転者の視点が近くにある場合は、虚像を近くに投影するように、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔を設定する。これにより、運転者の視点移動を軽減することができる。
［１−２−２．虚像距離の調整］
図４は、可動ミラー１３０の移動量と虚像距離の関係を説明する図である。
図４において、表示素子１１０から第２のミラー１６０まで映像光が通過する距離をａとする。図４に示すように、表示素子１１０からビームスプリッタ１２０までの距離をａ１、ビームスプリッタ１２０から可動ミラー１３０までの距離をｄ、ビームスプリッタ１２０から第１のミラー１５０までの距離をａ２、第１のミラー１５０から第２のミラー１６０までの距離をａ３とすると、ａは（数１）で表される。
Figure 2017163288
また、第２のミラー１６０から虚像１９０まで映像光が通過する距離をｂとする。図４に示すように、第２のミラー１６０からフロントガラス１７０までの距離をｂ２、フロントガラス１７０から虚像１９０までの距離をｂ１とすると、ｂは（数２）で表される。
Figure 2017163288
ここで、第２のミラー１６０の曲率半径をＲとすると、距離ａ、ｂとＲは、（数３）の式で示される関係を有する。
Figure 2017163288
 ここでａ、ｂは絶対値であり、虚像表示条件を満足するために、１／ｂの符号がマイナスとなっている。
さらに、運転者の目１８０からフロントガラス１７０までの距離をｂ３とすると、運転者の目１８０から虚像１９０までの虚像距離Ｌは、（数４）で表される。
Figure 2017163288
第２のミラー１６０の曲率半径Ｒは一定値であることから、（数１）〜（数３）より、距離ｄを長くすると、距離ａ及び距離ｂは長くなる。
したがって、運転者の目１８０からフロントガラス１７０までの距離ｂ３を一定とすると、距離ｄを長くすることで、虚像距離Ｌも長くなる。
具体的には、例えば、可動ミラー１３０を位置Ａから位置Ｂにシフトさせると、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔が大きくなり、距離ｄが大きくなるため、虚像１９０は虚像１９１へ移動する。
ここで、映像光は、ビームスプリッタ１２０と可動ミラー１３０の間を一往復するため、距離ｄを、例えば、ｄ１変位させた場合、（数１）より、距離ａはｄ１の２倍増加する。
このように、映像光が往復する部分に可動体である可動ミラー１３０を配置しているため、距離ａの所望の変化量に対し、可動ミラー１３０を半分の距離動かすだけで、目的の虚像距離変化を得ることができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ装置１の全体サイズを小型化することが可能となる。
具体的な例として、例えば、虚像距離を２ｍから１００ｍの範囲で変更可能なヘッドアップディスプレイの光学系を考える。
（数１）から（数４）において、Ｒ＝６００ｍｍ、ａ１＝２０ｍｍ、ａ２＝１００ｍｍ、ａ３＝１００ｍｍ、ｂ２＝２００ｍｍ、ｂ３＝１０００ｍｍとすると、Ｌ＝２ｍの場合、ｄ＝１０ｍｍとなる。また、Ｌ＝１００ｍの場合、ｄ＝３９．５ｍｍとなる。したがって、虚像距離Ｌを２ｍから１００ｍの範囲で変更した場合、ｄ１は、２９．５ｍｍとなる。
しかしながら、表示部を可動する従来のヘッドアップディスプレイ装置において、図４と同じ虚像距離可変範囲を実現する場合、表示部の移動範囲はｄ１の２倍、すなわち、５９ｍｍとなる。
従って、実施の形態１の構成により、可動部１４０の移動範囲を、従来の構成より約３０ｍｍ短くできるため、ヘッドアップディスプレイ装置のサイズを小型化することが可能となる。
なお、本実施の形態では、第２のミラー１６０は球面ミラー、第１のミラー１５０は平面ミラーであるとした。しかし、本開示はこれに限ったものではなく、それぞれのミラーは、球面凹面鏡、球面凸面鏡、非球面凹面鏡、非球面凸面鏡、または、自由曲面鏡であってもよい。
[１−３．まとめ]
以上のように、本実施の形態において、ヘッドアップディスプレイ装置１は、表示素子１１０と、ビームスプリッタ１２０と、可動ミラー１３０と、第１及び第２のミラー１５０，１６０と、可動部１４０とを備える。表示素子１１０は、表示画像となる映像光を出射する。ビームスプリッタ１２０は、映像光を反射又は透過する素子であって、表示素子１１０が出射した映像光を反射する。可動ミラー１３０は、ビームスプリッタ１２０で反射した映像光を反射する。第１及び第２のミラー１５０，１６０は、可動ミラー１３０で反射した後にビームスプリッタ１２０を透過した映像光を反射して、虚像１９０を投影させる。可動部１４０は、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔を調整することにより、虚像１９０の投影距離を調整する。
このヘッドアップディスプレイ装置１では、表示素子１１０が出射した映像光はビームスプリッタ１２０により反射され、可動ミラー１３０により反射され、再びビームスプリッタ１２０に入射する。ビームスプリッタ１２０に入射する映像光はビームスプリッタ１２０を透過し、第１のミラー１５０により反射された後、第２のミラー１６０で集光される。集光された映像光は、フロントガラス１７０に反射され、運転者の目１８０に到達する。また、可動部１４０は、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔を変化させることにより、虚像の投影距離を調整する。これにより、可動部１４０が可動ミラー１３０をシフトすることで、虚像距離を変化させることが出来る。
ここで、従来、表示素子の位置を調整することにより、虚像の投影距離を調整するヘッドアップディスプレイ装置が知られている。表示素子は発熱量が大きいため、ヒートシンクを備える必要があり、重い。そのため、表示素子を高速に移動させることが困難であり、その結果、虚像１９０の投影距離を高速に変更することが困難であった。
これに対して、本実施の形態では、ヒートシンクを備える表示素子１１０と比較して軽い可動ミラー１３０を移動させるので、可動ミラー１３０を比較的に高速に移動させることができる。そのため、虚像１９０の投影距離を比較的に高速に変更することができる。
また、可動体である可動ミラー１３０を、映像光が往復する部分に配置しているため、従来の構成より、可動部の移動範囲を短くすることが可能となる。これにより、小型構成のヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
また、可動ミラー１３０は、表示素子１１０の近傍にある。すなわち、可動ミラー１３０は、表示素子１１０からの光束の幅が比較的小さな領域に配置されている。そのため、可動ミラー１３０のサイズは、第２のミラー１６０や第１のミラー１５０に対し、比較的小型、かつ、軽量となる。従って、可動ミラー１３０をシフトさせる際の可動部１４０への負荷が少なくなるため、可動ミラー１３０を高速に動かし、虚像距離を素早く変化させることが可能となる。
これにより虚像の投影表示距離を高速に変更可能な、小型構成のヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
また、本実施の形態では、第２のミラー１６０は球面ミラー、第１のミラー１５０は平面ミラーであるとした。しかし、本開示はこれに限ったものではなく、それぞれのミラーは、球面凹面鏡、球面凸面鏡、非球面凹面鏡、非球面凸面鏡、または、自由曲面鏡であってもよい。
これにより、たとえば、少ないミラー枚数にて光学系の収差を補正することができるため、小型構成のヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
また、表示素子１１０は、液晶表示素子である。これにより、たとえば、表示素子として安価で入手が容易な液晶表示素子を用いることで、安価なヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
また、可動部１４０は、車両の位置情報により、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔を調整することにより、虚像の投影距離を調整する。これにより、たとえば、車両の位置情報と、ナビゲーション装置の情報などと連携することで、周囲の建物、風景や、路面上に虚像を投影可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
また、可動部１４０は、車両の走行情報により虚像の投影距離を調整する。これにより、たとえば、車両が高速で走行し、運転者の視点が遠くにある場合は、虚像を遠くに投影することができる。また、車両が低速で走行し、運転者の視点が近くにある場合は、虚像を近くに投影することができる。そのため、運転者の視点移動の少ない、視認性の良いヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
（実施の形態２）
［２−１．構成］
図５は、本開示の実施の形態２におけるヘッドアップディスプレイ装置２の構成の例を示す図である。図５において、図３と同じ構成要素、及び同じ動作を行う構成要素には同符号を付与し、説明を省略する。
図５の構成は、図３の構成とは異なり、表示素子１１０に表示する映像または画像を調整するための画像処理部２１０を備えている。
画像処理部２１０は、制御部６０から入力される虚像距離信号に同期して、表示素子１１０に表示する映像または画像の表示倍率を調整して、表示素子１１０に出力する。画像処理部２１０は、上記した制御部６０において実現されてもよいし、制御部６０とは別に実現されてもよい。
［２−２．動作］
実施の形態１の構成において、表示素子１１０の映像または画像に対する、投影される虚像の倍率Ｍは、（数２）〜（数４）より、（数５）で求められる。
Figure 2017163288
ここで、Ｒ、ｂ２、ｂ３は定数であるため、投影される虚像の倍率Ｍは、虚像距離Ｌ及び２／Ｒに比例して変化する。
したがって、（数５）は、虚像距離Ｌの変化に対し、運転者から視認される虚像の画角が変わることを示している。すなわち、（数５）は、虚像距離Ｌの変化に対して、運転者から任意の距離における虚像を見た場合の見かけ上のサイズが変わることを示している。
さらに、実際のヘッドアップディスプレイ装置においては、球面ミラー１６０のサイズは比較的大きく、虚像距離を変えることにより、運転者から視認される虚像に大きな歪みが生じるという課題がある。すなわち、歪曲収差が発生してしまうという課題がある。
また、歪曲収差により虚像が歪み、実質的な虚像サイズが拡大、または、縮小するため、虚像距離を変えることにより、見かけ上の虚像サイズはさらに変化する。
以上の点から、同一の映像または画像を視認しながら虚像距離を変えると、虚像の見かけ上のサイズが変化し、虚像の視認が難しくなるという課題がある。
図５の構成は、上記課題を解決するものである。ヘッドアップディスプレイ装置２は、可動ミラー１３０の位置情報に同期した信号である虚像距離信号を受信し、虚像距離信号が示す虚像距離に連動して、画像処理部２１０は表示素子１１０に表示する映像を拡大または縮小する。なお、虚像距離信号は、制御部６０によって、可動ミラー１３０の移動量、又は、虚像の投影距離の調整量に基づいて生成される。これにより、虚像距離が変化しても、運転者から見た任意の距離における虚像のサイズを一定とすることが可能となる。
また、前述した、虚像距離の変化により発生する虚像の歪みは、表示素子１１０に表示する映像を、予め取得した補正量に基づき、虚像の歪みと逆方向に故意に歪ませることで、補正を行うことが可能である。したがって、画像処理部２１０により、虚像距離信号に連動して、表示素子１１０に表示する映像を前記補正により歪ませることで、運転者から見た任意の距離における虚像の形状を一定とすることが可能となり、投影される虚像の歪みを低減できる。
その他の構成や動作については実施の形態１と同様であり、詳細な説明は省略する。
［２−３．まとめ］
実施の形態２のヘッドアップディスプレイ装置２において、画像処理部２１０は、虚像の投影距離に応じて、表示画像の表示倍率を調整する。
これにより、たとえば、虚像の投影距離を変更した際の虚像サイズの変動を、画像処理により補正できるため、視認性の良い虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
また、実施の形態２のヘッドアップディスプレイ装置２において、画像処理部２１０は、虚像の投影距離に応じて、表示画像の画像歪を補正する。
これにより、たとえば、虚像の投影距離を変更した際の虚像の歪曲を、画像処理により補正できるため、視認性の良い虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
なお、本実施の形態では、画像処理部２１０は、虚像距離を変更しても虚像のサイズを一定とするように、表示画像の表示倍率を調整した。しかし、画像処理部２１０は、虚像距離に応じて虚像のサイズを変更するように、表示画像の表示倍率を調整してもよい。例えば、画像処理部２１０は、虚像距離が遠い場合には虚像のサイズが小さくなり、虚像距離が近い場合には虚像のサイズが大きくなるように、表示素子１１０に表示する映像を拡大、または、縮小する。このように、虚像のサイズを一定にするのではなく、遠近法を利用しても、虚像の視認性を高めることができる。
（実施の形態３）
［３−１．構成］
図６は、本開示の実施の形態３におけるヘッドアップディスプレイ装置３の光学系部５０の構成の例を示す図である。
実施の形態３のヘッドアップディスプレイ装置３は、表示素子１１１、光線分離部である反射型偏光ビームスプリッタ１２１と、可動ミラー１３０と、可動部１４０と、第１のミラー１５０と、第２のミラー１６０と、１／４波長板３１０を備える。図６において、図３と同じ構成要素、及び同じ動作を行う構成要素には同符号を付与し、説明を省略する。
また、本実施の形態３において、反射型偏光ビームスプリッタ１２１の入射面に対し、偏光方向が平行である直線偏光の光をｐ偏光の光、偏光方向が垂直である直線偏光の光をｓ偏光の光と記述する。従って、図６において、ｐ偏光の光は、偏光方向が紙面に平行であり、ｓ偏光の光は、偏光方向が紙面に垂直となる。図６において、表示素子１１１は、例えば、ｐ偏光の光を出射する液晶素子である。
反射型偏光ビームスプリッタ１２１は、表示素子１１１から入射した映像光を可動ミラー１３０に向けて反射すると共に、可動ミラー１３０から入射した映像光を透過する。
反射型偏光ビームスプリッタ１２１は、例えば、フィルム上にアルミの微細周期構造が形成されたワイヤグリッド偏光フィルムを使用する。波長板としては、位相差フィルムや、水晶波長板などを用いることができる。反射型偏光ビームスプリッタ１２１は、ｐ偏光の光を反射し、ｓ偏光の光を透過する方向に配置する。
１／４波長板３１０は、表示素子１１１からの光の偏光方向が１／４波長板３１０の高速軸（或いは低速軸）に対して４５°の方位角で入射するように、配置されている。１／４波長板３１０は、表示素子１１１からの光の偏光を制御し、表示素子１１１からの光の利用効率を高める構成となっている。
［３−２．動作］
以下、実施の形態３におけるヘッドアップディスプレイ装置３の動作について、図６を用いて説明する。
表示素子１１１が出射した映像光は、反射型偏光ビームスプリッタ１２１により反射され、１／４波長板３１０を透過することで円偏光に変換され、可動ミラー１３０により全反射される。可動ミラー１３０が反射した光は、再び１／４波長板３１０に入射され、１／４波長板３１０を透過する。これにより透過光（映像光）はｓ偏光の成分を持つ光に変換される。その後、反射型偏光ビームスプリッタ１２１を透過した光は、第１のミラー１５０により反射された後、第２のミラー１６０により集光され、フロントガラス１７０で反射されて、運転者の目１８０に到達する。
ここで、反射型偏光ビームスプリッタ１２１として、例えば、分割比の等しい無偏光のビームスプリッタを使用した場合、光がビームスプリッタにおいて反射、および、透過するとき、反射光、および、透過光それぞれの光量は約半分となり、残りの半分は損失となってしまう。しかしながら、図６の構成のように、反射型偏光ビームスプリッタ１２１、および、１／４波長板３１０を用いて、表示素子１１１からの光の偏光をコントロールすることで、光の損失を大幅に低下することが可能となる。
その他の構成や動作については実施の形態１と同様であり、詳細な説明は省略する。
［３−３．他の構成例］
本実施の形態における表示素子１１１の偏光方向や、反射型偏光ビームスプリッタ１２１の反射側、および、透過側の偏光方向は、上述の方向のみに限られない。例えば、表示素子１１１からの光をｓ偏光とし、反射型偏光ビームスプリッタ１２１は、ｓ偏光の光を反射し、ｐ偏光の光を透過する方向に配置することも可能である。この場合の一例を、図７を用いて説明する。
図７は、本開示の実施の形態３におけるヘッドアップディスプレイ装置４の光学系部５０の他の構成の例を示す図である。
ヘッドアップディスプレイ装置４は、表示素子１１２と、光線分離部である反射型偏光ビームスプリッタ１２２と、可動ミラー１３０と、可動部１４０と、第１のミラー１５０と、第２のミラー１６０と、第１の１／４波長板４１０と、第２の１／４波長板４２０とを備える。図７において、図３、図６と同じ構成要素には同符号を付与し、説明を省略する。
表示素子１１２は、ｓ偏光の光を出射する液晶素子を使用し、反射型偏光ビームスプリッタ１２２は、ｓ偏光の光を透過し、ｐ偏光の光を反射する方向に配置する。
第１の１／４波長板４１０、第２の１／４波長板４２０は、各々、表示素子１１２からの光の偏光方向が、第１の１／４波長板４１０、第２の１／４波長板４２０の高速軸（或いは低速軸）に対して４５°の方位角で入射するよう配置されている。
図７に示すように、表示素子１１２に表示された映像または画像を含む映像光は、第１の１／４波長板４１０を透過することで円偏光に変換され、第２の１／４波長板４２０を透過することで、ｐ偏光に変換される。
第２の１／４波長板４２０を透過した光は、反射型偏光ビームスプリッタ１２２により反射され、再び、第２の１／４波長板４２０を透過し、円偏光の光に変換される。
円偏光に変換された光は、可動ミラー１３０により全反射され、再び、第２の１／４波長板４２０を透過し、ｓ偏光の光に変換され、反射型偏光ビームスプリッタ１２２を透過する。
反射型偏光ビームスプリッタ１２２を透過した光は、第１のミラー１５０により反射され、さらに、第２のミラー１６０により集光され、フロントガラス１７０により反射され、運転者の目１８０に到達する。
［３−４．まとめ］
実施の形態３のヘッドアップディスプレイ装置３は、光線分離部１２１がワイヤグリッド偏光子であり、１／４波長板３１０を含む。
また、ヘッドアップディスプレイ装置４は、光線分離部１２２がワイヤグリッド偏光子であり、第１の１／４波長板４１０、第２の１／４波長板４２０を含む。
これにより、たとえば、光線分離部での光の損失を抑制することができるため、明るく、視認性の良いヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
（実施の形態４）
［４−１．構成］
図８は、本開示の実施の形態４におけるヘッドアップディスプレイ装置５の光学系部５０の構成の例を示す図である。図８において、図３と同じ構成要素には同符号を付与し、説明を省略する。
図８の構成は、図３の構成とは異なり、第１のミラー１５０を省略し、光学系全体のサイズをより小型化した構成となっている。
［４−２．動作］
図８において、表示素子１１０に表示された映像または画像を含む映像光は、ビームスプリッタ１２０により反射され、さらに、可動ミラー１３０により反射されたのち、ビームスプリッタ１２０を透過する。ビームスプリッタ１２０を透過した映像光は、第２のミラー１６０により集光され、車のフロントガラス１７０で反射して運転者の目１８０に到達する。運転者の目１８０は、フロントガラス１７０の先の遠方に、表示素子１１０に表示された映像または画像を、虚像１９０として視認する。
なお、ビームスプリッタ１２０として反射型の偏光ビームスプリッタを用い、ビームスプリッタ１２０と可動ミラー１３０の間に１／４波長板を配置することで、実施の形態３と同様、表示素子１１０からの光の利用効率を高める構成としても良い。
その他の構成や動作については実施の形態１と同様であり、詳細な説明は省略する。
（実施の形態５）
［５−１．構成］
図９は、本開示の実施の形態５におけるヘッドアップディスプレイ装置６の光学系部５０の構成の例を示す図である。
図９の構成は、図３の構成とは異なり、フロントガラスとは別に設けたコンバイナミラー１６１により映像または画像を反射させ、コンバイナミラー１６１の先の遠方に、表示素子１１０に表示された映像または画像を、虚像として投影する構成となっている。
［５−２．動作］
図９において、表示素子１１０に表示された映像または画像を含む映像光は、ビームスプリッタ１２０により反射され、さらに、可動ミラー１３０により反射されたのち、ビームスプリッタ１２０を透過する。
ビームスプリッタ１２０を透過した映像光は、第１のミラー１５０により反射され、コンバイナミラー１６１により反射、および、集光され、運転者の目に到達する。
運転者の目１８０は、コンバイナミラー１６１の先の遠方に、表示素子１１０に表示された映像または画像を、虚像１９０として視認する。
その他の構成や動作については実施の形態１と同様であり、詳細な説明は省略する。
（実施の形態６）
［６−１．構成］
図１０は、本開示の実施の形態６におけるヘッドアップディスプレイ装置７の光学系部５０の構成の例を示す図である。
図１０において、図３と同じ構成要素に関しては、同符号を付与し、説明を省略する。図１０の構成は、図３の構成とは異なり、表示素子としてレーザ光をスキャンしてスクリーン上に投影表示するレーザプロジェクタを用いる構成となっている。
ヘッドアップディスプレイ装置７は、ヘッドアップディスプレイ装置１の表示素子１１０に代えて、レーザ光源７１０、走査部７２０、スクリーン７３０を備える。
レーザ光源７１０は、例えば、赤色、青色、緑色の３つのレーザ素子を備える。走査部７２０は、レーザ光源７１０からのビーム光を２次元状に偏向させて走査する。
スクリーン７３０は、フレネルスクリーンや、拡散スクリーンや、フレネルレンズと拡散板を組み合せたスクリーンなどが用いられる。
［６−２．動作］
図１０において、レーザ光源７１０を出射した光は、走査部７２０によりスクリーン７３０上に２次元に走査され、スクリーン７３０上に映像または画像が表示される。スクリーン７３０上の映像または画像を含む映像光は、ビームスプリッタ１２０により反射され、さらに、可動ミラー１３０により反射されたのち、ビームスプリッタ１２０を透過する。
ビームスプリッタ１２０を透過した映像光は、第１のミラー１５０により反射され、第２のミラー１６０により反射、および、集光され、さらに、フロントガラス１７０で反射された後、運転者の目１８０に到達する。
運転者の目１８０は、フロントガラス１７０の先の遠方に、スクリーン７３０上に表示された映像または画像を、虚像１９０として視認する。
ところで、図１０の構成においては、実施の形態２で説明したように、図３と同様、可動ミラー１３０を動かし、虚像距離を変えると、虚像の画角が変化する。
本実施の形態６においては、実施の形態２とは異なり、虚像距離に応じて走査部７２０の振れ角を変更することにより、画角を一定に保持できる。
なお、赤色、青色、緑色の３色のレーザ素子を用いることで、フルカラーの虚像を表示することが可能である。しかし、本開示はこれに限らず、１色や２色、または、４色以上のレーザ素子を用いても良い。
その他の構成や動作については実施の形態１と同様であり、詳細な説明は省略する。
［６−３．まとめ］
実施の形態６のヘッドアップディスプレイ装置７において、走査部７２０は複数のレーザ光源７１０からの出射光を走査し、走査部７２０からの走査光が結像されるスクリーン７３０を備える。
これにより、たとえば、レーザ光源は輝度が高いため、表示画面の明るいヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
（実施の形態７）
［７−１．構成］
図１１は、本開示の実施の形態７におけるヘッドアップディスプレイ装置８の光学系部５０の構成の例を示す図である。
図１１に示すヘッドアップディスプレイ装置８は、図３の構成に加えて反射ミラー８１０をさらに備えている。すなわち、本実施の形態のヘッドアップディスプレイ装置８は、１つの装置に、それぞれ虚像距離の異なる２つの虚像を表示する光学系を配置している。反射ミラー８１０の位置は、固定されている。
［７−２．動作］
図１１に示す構成において、表示素子１１０の一部の領域に表示された映像または画像を含む第１の映像光は、図３と同様に、ビームスプリッタ１２０、可動ミラー１３０において反射され、または、透過し、第１のミラー１５０により反射された後、第２のミラー１６０により集光される。その後、集光された第１の映像光は、車のフロントガラス１７０で反射して運転者の目１８０に到達する。
運転者の目１８０は、フロントガラス１７０の先の遠方に、表示素子１１０に表示された第１の映像光を、第１の虚像１９０として視認する。
また、表示素子１１０の他の領域に表示された映像または画像を含む第２の映像光は、ビームスプリッタ１２０により反射され、さらに、反射ミラー８１０により反射されたのち、ビームスプリッタ１２０を透過する。
ビームスプリッタ１２０を透過した第２の映像光は、第１のミラー１５０で反射された後、第２のミラー１６０により集光され、車のフロントガラス１７０で反射されて運転者の目１８０に到達する。
運転者の目１８０は、フロントガラス１７０の先の遠方に、第２の映像光を、第２の虚像１９３として視認する。
この場合、第１の虚像１９０の虚像距離は、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔を調整することにより変更することができる。また、第２の虚像１９３の虚像距離は可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔の調整に影響を受けず、一定となる。
これにより、前景の任意の虚像距離に表示したい情報は、前記第１の虚像として表示し、速度や警告といった前景に重ねる必要のない情報は、前記第２の虚像として、常に一定の虚像距離に配置することができる。このように、２つの画面を表示可能なヘッドアップディスプレイ装置を実現することが可能となる。
なお、本実施の形態では、表示素子１１０の数や、反射ミラー８１０の位置は、図１１の構成のみに限らない。たとえば、表示素子１１０が複数あり、複数の異なる距離に虚像があってもよい。また、反射ミラー８１０の代わりに、ビームスプリッタ１２０の一部を用いることも可能である。
その他の構成や動作については実施の形態１と同様であり、詳細な説明は省略する。
［７−３．まとめ］
実施の形態７のヘッドアップディスプレイ装置８では、表示素子１１０が出射した光をビームスプリッタ１２０により反射し、ビームスプリッタ１２０が反射した光を可動ミラー１３０と反射ミラー８１０で反射する。可動ミラー１３０及び反射ミラー８１０で反射した光は各々ビームスプリッタ１２０を透過し、第１のミラー１５０で反射された後、各々第２のミラー１６０で集光され、車のフロントガラス１７０で反射して運転者の目１８０に到達する。これにより、フロントガラス１７０を介して運転者の目１８０の前方に２つの虚像１９０と１９３が投影される。虚像１９０の表示位置は、可動部１４０により移動させることができる。
これにより、たとえば、前景の任意の虚像距離に表示したい情報を、第１の虚像として表示し、速度や警告といった前景に重ねる必要のない情報を、第２の虚像として、常に一定の虚像距離に配置することができる。このように、２つの画面を表示可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
なお、反射ミラー８１０の位置は、可動ミラー１３０とは独立して、変更されてもよい。これにより、虚像１９３の位置を虚像１９０の位置とは独立して変更することができる。
（実施の形態８）
図１２は、本開示の実施の形態８におけるヘッドアップディスプレイ装置９の光学系部５０の構成の例を示す図である。図１２において、図３と同じ構成要素には同符号を付与し、説明を省略する。
図３に示す実施の形態１では、第２光学部材における第１のミラー１５０として平面ミラーを用いた。図１２に示す本実施の形態は、第２光学部材として第１のミラー１５０に代えて球面レンズ９５０を用いる構成で実施の形態１と異なる。
なお、球面レンズ９５０に代えて、非球面レンズ、自由曲面レンズなどを用いても良い。
また、第２光学部材における第２のミラー１６０に代えて、球面レンズ、非球面レンズ、自由曲面レンズなどを用いても良い。
これにより、たとえば、反射鏡の代わりにレンズを用いることで、光路を曲げずに投影光学系を構成できるため、小型構成のヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
なお、実施の形態２〜７においても、第２光学部材としてのミラーの代わりに、球面レンズ、非球面レンズ、自由曲面レンズなどを用いても良い。
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１〜８を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態１〜８で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
本開示にかかるヘッドアップディスプレイ装置は、車両用のヘッドアップディスプレイ装置に限らず、航空機、電車、船舶、特殊車両などにおいても適用することができる。
１、２、３、４、５、６、７、８、９ ヘッドアップディスプレイ装置
１０ 車両
２０ ナビゲーション装置
２１ 地図情報
２２ 位置情報取得部
３０ カメラ
５０ 光学系部
６０ 制御部
６１ 周辺情報取得部
６２ 車両情報取得部
６３ 光学制御部
１１０、１１１、１１２ 表示素子（表示部）
１２０ ビームスプリッタ（光線分離部）
１２１、１２２ 反射型偏光ビームスプリッタ（光線分離部）
１３０ 可動ミラー（第１光学部材）
１４０ 可動部（調整部）
１４１ モータ
１４２ 送りねじ
１５０ 第１のミラー（第２光学部材）
１６０ 第２のミラー（第２光学部材）
１６１ コンバイナミラー
１７０ フロントガラス
１８０ 運転者の目
１９０、１９１、１９３ 虚像
２１０ 画像処理部
３１０ １／４波長板
４１０ 第１の１／４波長板
４２０ 第２の１／４波長板
７１０ レーザ光源
７２０ 走査部
７３０ スクリーン
８１０ 反射ミラー
９５０ 球面レンズ
本開示は、車両用表示装置に関するものであり、特に、自動車などに用いられるヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。
自動車等の情報表示装置として、ヘッドアップディスプレイ（Ｈｅａｄ−Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）装置が知られている。
特許文献１は、凹面鏡をターニングミラーとして用い、凹面鏡の虚の像点を出現させる範囲において、物点としての表示器と凹面鏡との間の距離を、手動又は自動もしくはこれらの組合せによって可変させることにより、虚像の位置を可変させるヘッドアップディスプレイ装置を開示する。
特許文献２は、光源と、光源からの光を２次元にする走査手段と、走査光を結像するスクリーンと、スクリーン上の映像を投影する投影手段とを備え、投影手段とスクリーンとの間の距離を変えることにより、投影された虚像の位置を可変にする車両用ヘッドアップディスプレイ装置を開示する。
特開平６−１１５３８１号公報 特開２００９−１５０９４７号公報
本開示は、投影される虚像の投影距離を、高速に変更可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供する。
本開示におけるヘッドアップディスプレイ装置は、表示画像となる光を出射する表示部と、光を反射又は透過する光学部材であって、表示部が出射した光を反射する光線分離部と、光線分離部で反射した光を反射する第１光学部材と、第１光学部材で反射した後に光線分離部を透過した光を、反射又は透過して、虚像を投影させる、１つ又は複数の第２光学部材と、第１光学部材と光線分離部との間隔を調整することにより、虚像の投影距離を調整する調整部とを備える。
本開示によれば、投影される虚像の投影距離を、高速変更可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供することができる。
本開示の実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ装置を備えた車両の構成例を示す図 本開示の実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイ装置１の構成の例を示すブロック図 本開示の実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の構成の例を示す図 可動ミラーの移動量と虚像距離の関係を説明する図 本開示の実施の形態２におけるヘッドアップディスプレイ装置の構成の例を示す図 本開示の実施の形態３におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の構成の例を示す図 本開示の実施の形態３におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の他の構成の例を示す図 本開示の実施の形態４におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の構成の例を示す図 本開示の実施の形態５におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の構成の例を示す図 本開示の実施の形態６におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の構成の例を示す図 本開示の実施の形態７におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の構成の例を示す図 本開示の実施の形態８におけるヘッドアップディスプレイ装置の光学系部の構成の例を示す図
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面及び以下の説明を提供するのであって、これらによって請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
なお、全図において、共通な機能を有する要素には同一な符号を付して示し、一度説明したものについては、その重複する説明を省略する。
（実施の形態１）
［１−１．構成］
［１−１−１．車両の構成］
図１は、本開示の実施の形態におけるヘッドアップディスプレイ装置を備えた車両の構成例を示す図である。図１に示す車両１０は、ヘッドアップディスプレイ装置１とナビゲーション装置２０とカメラ３０とを備える。
ナビゲーション装置２０は、予め設定された目的地までの経路情報を運転者に提供して、経路案内を行う装置である。ナビゲーション装置２０は、内蔵メモリに地図情報２１を格納している。また、ナビゲーション装置２０は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等の位置情報取得部２２を備え、自車両の位置情報を取得して内蔵メモリに記憶する。
カメラ３０は、例えば自車両の前方を撮影し、画像情報を生成する。
ヘッドアップディスプレイ装置１は、車両のウインドシールド１７０に映像光を投影することにより、運転者の目１８０に対してウインドシールド１７０の前方に虚像１９０を投影する装置である。ヘッドアップディスプレイ装置１は、ナビゲーション装置２０からの車両の位置情報や地図情報、あるいは、カメラ３０からの画像情報に基づいて、虚像１９０の投影位置を設定する。
［１−１−２．ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成］
図２は、本開示の実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイ装置１の構成の例を示すブロック図である。
ヘッドアップディスプレイ装置１は、光学系部５０と制御部６０とを備える。
制御部６０は、例えばＣＰＵ又はＭＰＵで構成され、メモリに格納されたプログラムを実行することで、各種の機能を実現する。制御部６０は、専用に設計された電子回路や再構成可能な電子回路などのハードウェア回路（ＡＳＩＣ，ＦＰＧＡ等）で構成されてもよい。制御部６０の機能は、ハードウェアとソフトウェアとの協働で実現されてもよいし、ハードウェア（電子回路）のみで実現されてもよい。
制御部６０は、周辺情報取得部６１と、車両情報取得部６２と、光学制御部６３とを備える。
周辺情報取得部６１は、カメラ３０からの車両前方の画像情報を解析することにより、周囲の建物、風景や、路面上の対象物を検出し、自車両から建物や対象物までの距離情報を取得する。路面上の対象物としては例えば交差点である。
車両情報取得部６２は、車両の各種センサから速度情報を取得する。
光学制御部６３は、ナビゲーション装置２０からの地図情報に基づいて、周囲の建物、風景や、路面上の対象物を抽出する。光学制御部６３は、ナビゲーション装置２０からの車両の位置情報、地図情報に基づいて、車両から建物や対象物までの距離情報を求める。光学制御部６３は、求めた距離情報に基づいて、建物や対象物の近傍に虚像１９０が位置するように、光学系部５０に虚像１９０を投影させる。これにより、例えば、ナビゲーション装置２０の情報として、建物の近傍に施設情報を投影したり、交差点の近傍に経路案内情報を投影したりすることができる。
あるいは、光学制御部６３は、周辺情報取得部６１からの、自車両から建物や対象物までの距離情報に基づいて、建物や対象物の近傍に虚像１９０が位置するように、光学系部５０に虚像１９０を投影させてもよい。
また、光学制御部６３は、車両情報取得部６２からの車両の速度情報に基づいて、虚像１９０の投影位置を設定してもよい。たとえば、車両が高速で走行し、運転者の視点が遠くにある場合には、虚像を遠くに投影し、また、車両が低速で走行し、運転者の視点が近くにある場合には、虚像を近くに投影するように、虚像１９０の投影位置を設定してもよい。
光学系部５０は、虚像を投影するための光学系を含む。以下、図３〜図４を用いて、ヘッドアップディスプレイ装置１の光学系部５０について説明する。なお、図３〜図４に示すヘッドアップディスプレイ装置１では光学系部５０のみが示されており、制御部６０を省略している（実施の形態２〜８についても同様）。
［１−１−３．ヘッドアップディスプレイ装置（光学系部）の構成］
図３は、本開示の実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイ装置１の光学系部５０の構成の例を示す図である。
実施の形態１のヘッドアップディスプレイ装置１は、表示素子１１０と、光線分離部であるビームスプリッタ１２０と、可動ミラー１３０と、調整部である可動部１４０と、第１のミラー１５０と、第２のミラー１６０を備える。可動部１４０は、モータ１４１と送りねじ１４２を備える。ここで、可動ミラー１３０は、第１光学部材に相当し、第１のミラー１５０及び第２のミラー１６０は、第２光学部材に相当する。
表示素子１１０は、運転者に対して表示する運行情報や経路情報などの表示画像となる光（映像光）を出射する表示部である。表示素子１１０は、例えば、液晶表示モジュールであり、液晶表示パネル、液晶表示パネル駆動用回路基板、導光板、レンズ、拡散板、バックライト、バックライト用ヒートシンクなどを含んでいる。
ビームスプリッタ１２０は、表示素子１１０が出射した映像光を可動ミラー１３０に向けて反射すると共に、可動ミラー１３０から入射した映像光を透過する。
可動ミラー１３０は、ビームスプリッタ１２０から入射した映像光をビームスプリッタ１２０に向けて反射する。可動ミラーは、例えば、平面ミラーである。
可動部１４０は、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔を変更することにより、虚像の投影距離を調整する。図３に示すように、可動部１４０は、可動ミラー１３０を位置Ａと位置Ｂの間で平行移動させる。この動作により可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔を変更することができる。可動部１４０のモータ１４１は、例えば、上述した車両の各種センサからの検出信号や、ナビゲーション装置２０から出力される運転情報などに基づいて制御部６０により制御される。また、送りねじ１４２は、モータ１４１によって回転駆動される。可動部１４０は、送りねじ１４２の回転に伴い、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔を調整する。
第１のミラー１５０は、ビームスプリッタ１２０が透過した映像光を第２のミラー１６０に向けて反射する。本開示では、第１のミラー１５０は平面ミラーである。
第２のミラー１６０は、第１のミラー１５０が反射した映像光を、運転者からみて、車両のウインドシールド１７０より前方に虚像として投影する。第２のミラー１６０は、例えば、球面凹面鏡であり、第１のミラー１５０からの映像光を反射、および、集光させ、ウインドシールド１７０を介して運転者の目１８０の前方に虚像１９０を投影する。
［１−２．動作］
［１−２−１．全体の動作］
実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイ装置１の動作について説明する。
表示素子１１０より出力された映像光は、ビームスプリッタ１２０により反射され、可動ミラー１３０に入射する。可動ミラー１３０は入射した映像光を反射する。反射した映像光は再びビームスプリッタ１２０に入射し、ビームスプリッタ１２０を透過する。
ビームスプリッタ１２０を透過した映像光は、第１のミラー１５０により反射された後、第２のミラー１６０により集光される。第２のミラー１６０により集光された映像光は、ウインドシールド１７０により反射され、運転者の目１８０に到達する。
運転者の目１８０は、ウインドシールド１７０の先の遠方に、表示素子１１０からの映像または画像を、虚像１９０として視認する。
運転者の目１８０から虚像１９０までの距離（以下、虚像距離と記載）は、可動部１４０によって可動ミラー１３０を位置Ａと位置Ｂの間で平行移動させ、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔を調整することにより、例えば、虚像１９０と虚像１９１の間で変更することができる。
可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔は、例えば、上記した制御部６０により、ナビゲーション装置２０からの車両の位置情報や地図情報、案内情報に基づいて、虚像１９０が前方風景に視認されるよう設定される。
なお、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔の設定は、上記した制御部６０により、車両の各種センサや車速情報に基づいて行われても良い。例えば、車両が高速で走行し、運転者の視点が遠くにある場合は、虚像を遠くに投影し、また、車両が低速で走行し、運転者の視点が近くにある場合は、虚像を近くに投影するように、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔を設定する。これにより、運転者の視点移動を軽減することができる。
［１−２−２．虚像距離の調整］
図４は、可動ミラー１３０の移動量と虚像距離の関係を説明する図である。
図４において、表示素子１１０から第２のミラー１６０まで映像光が通過する距離をａとする。図４に示すように、表示素子１１０からビームスプリッタ１２０までの距離をａ１、ビームスプリッタ１２０から可動ミラー１３０までの距離をｄ、ビームスプリッタ１２０から第１のミラー１５０までの距離をａ２、第１のミラー１５０から第２のミラー１６０までの距離をａ３とすると、ａは（数１）で表される。
Figure 2017163288
また、第２のミラー１６０から虚像１９０まで映像光が通過する距離をｂとする。図４に示すように、第２のミラー１６０からウインドシールド１７０までの距離をｂ２、ウインドシールド１７０から虚像１９０までの距離をｂ１とすると、ｂは（数２）で表される。
Figure 2017163288
ここで、第２のミラー１６０の曲率半径をＲとすると、距離ａ、ｂとＲは、（数３）の式で示される関係を有する。
Figure 2017163288
 ここでａ、ｂは絶対値であり、虚像表示条件を満足するために、１／ｂの符号がマイナスとなっている。
さらに、運転者の目１８０からウインドシールド１７０までの距離をｂ３とすると、運転者の目１８０から虚像１９０までの虚像距離Ｌは、（数４）で表される。
Figure 2017163288
第２のミラー１６０の曲率半径Ｒは一定値であることから、（数１）〜（数３）より、距離ｄを長くすると、距離ａ及び距離ｂは長くなる。
したがって、運転者の目１８０からウインドシールド１７０までの距離ｂ３を一定とすると、距離ｄを長くすることで、虚像距離Ｌも長くなる。
具体的には、例えば、可動ミラー１３０を位置Ａから位置Ｂにシフトさせると、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔が大きくなり、距離ｄが大きくなるため、虚像１９０は虚像１９１へ移動する。
ここで、映像光は、ビームスプリッタ１２０と可動ミラー１３０の間を一往復するため、距離ｄを、例えば、ｄ１変位させた場合、（数１）より、距離ａはｄ１の２倍増加する。
このように、映像光が往復する部分に可動体である可動ミラー１３０を配置しているため、距離ａの所望の変化量に対し、可動ミラー１３０を半分の距離動かすだけで、目的の虚像距離変化を得ることができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ装置１の全体サイズを小型化することが可能となる。
具体的な例として、例えば、虚像距離を２ｍから１００ｍの範囲で変更可能なヘッドアップディスプレイの光学系を考える。
（数１）から（数４）において、Ｒ＝６００ｍｍ、ａ１＝２０ｍｍ、ａ２＝１００ｍｍ、ａ３＝１００ｍｍ、ｂ２＝２００ｍｍ、ｂ３＝１０００ｍｍとすると、Ｌ＝２ｍの場合、ｄ＝１０ｍｍとなる。また、Ｌ＝１００ｍの場合、ｄ＝３９．５ｍｍとなる。したがって、虚像距離Ｌを２ｍから１００ｍの範囲で変更した場合、ｄ１は、２９．５ｍｍとなる。
しかしながら、表示部を可動する従来のヘッドアップディスプレイ装置において、図４と同じ虚像距離可変範囲を実現する場合、表示部の移動範囲はｄ１の２倍、すなわち、５９ｍｍとなる。
従って、実施の形態１の構成により、可動部１４０の移動範囲を、従来の構成より約３０ｍｍ短くできるため、ヘッドアップディスプレイ装置のサイズを小型化することが可能となる。
なお、本実施の形態では、第２のミラー１６０は球面ミラー、第１のミラー１５０は平面ミラーであるとした。しかし、本開示はこれに限ったものではなく、それぞれのミラーは、球面凹面鏡、球面凸面鏡、非球面凹面鏡、非球面凸面鏡、または、自由曲面鏡であってもよい。
[１−３．まとめ]
以上のように、本実施の形態において、ヘッドアップディスプレイ装置１は、表示素子１１０と、ビームスプリッタ１２０と、可動ミラー１３０と、第１及び第２のミラー１５０，１６０と、可動部１４０とを備える。表示素子１１０は、表示画像となる映像光を出射する。ビームスプリッタ１２０は、映像光を反射又は透過する素子であって、表示素子１１０が出射した映像光を反射する。可動ミラー１３０は、ビームスプリッタ１２０で反射した映像光を反射する。第１及び第２のミラー１５０，１６０は、可動ミラー１３０で反射した後にビームスプリッタ１２０を透過した映像光を反射して、虚像１９０を投影させる。可動部１４０は、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔を調整することにより、虚像１９０の投影距離を調整する。
このヘッドアップディスプレイ装置１では、表示素子１１０が出射した映像光はビームスプリッタ１２０により反射され、可動ミラー１３０により反射され、再びビームスプリッタ１２０に入射する。ビームスプリッタ１２０に入射する映像光はビームスプリッタ１２０を透過し、第１のミラー１５０により反射された後、第２のミラー１６０で集光される。集光された映像光は、ウインドシールド１７０に反射され、運転者の目１８０に到達する。また、可動部１４０は、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔を変化させることにより、虚像の投影距離を調整する。これにより、可動部１４０が可動ミラー１３０をシフトすることで、虚像距離を変化させることが出来る。
ここで、従来、表示素子の位置を調整することにより、虚像の投影距離を調整するヘッドアップディスプレイ装置が知られている。表示素子は発熱量が大きいため、ヒートシンクを備える必要があり、重い。そのため、表示素子を高速に移動させることが困難であり、その結果、虚像１９０の投影距離を高速に変更することが困難であった。
これに対して、本実施の形態では、ヒートシンクを備える表示素子１１０と比較して軽い可動ミラー１３０を移動させるので、可動ミラー１３０を比較的に高速に移動させることができる。そのため、虚像１９０の投影距離を比較的に高速に変更することができる。
また、可動体である可動ミラー１３０を、映像光が往復する部分に配置しているため、従来の構成より、可動部の移動範囲を短くすることが可能となる。これにより、小型構成のヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
また、可動ミラー１３０は、表示素子１１０の近傍にある。すなわち、可動ミラー１３０は、表示素子１１０からの光束の幅が比較的小さな領域に配置されている。そのため、可動ミラー１３０のサイズは、第２のミラー１６０や第１のミラー１５０に対し、比較的小型、かつ、軽量となる。従って、可動ミラー１３０をシフトさせる際の可動部１４０への負荷が少なくなるため、可動ミラー１３０を高速に動かし、虚像距離を素早く変化させることが可能となる。
これにより虚像の投影表示距離を高速に変更可能な、小型構成のヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
また、本実施の形態では、第２のミラー１６０は球面ミラー、第１のミラー１５０は平面ミラーであるとした。しかし、本開示はこれに限ったものではなく、それぞれのミラーは、球面凹面鏡、球面凸面鏡、非球面凹面鏡、非球面凸面鏡、または、自由曲面鏡であってもよい。
これにより、たとえば、少ないミラー枚数にて光学系の収差を補正することができるため、小型構成のヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
また、表示素子１１０は、液晶表示素子である。これにより、たとえば、表示素子として安価で入手が容易な液晶表示素子を用いることで、安価なヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
また、可動部１４０は、車両の位置情報により、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔を調整することにより、虚像の投影距離を調整する。これにより、たとえば、車両の位置情報と、ナビゲーション装置の情報などと連携することで、周囲の建物、風景や、路面上に虚像を投影可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
また、可動部１４０は、車両の走行情報により虚像の投影距離を調整する。これにより、たとえば、車両が高速で走行し、運転者の視点が遠くにある場合は、虚像を遠くに投影することができる。また、車両が低速で走行し、運転者の視点が近くにある場合は、虚像を近くに投影することができる。そのため、運転者の視点移動の少ない、視認性の良いヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
（実施の形態２）
［２−１．構成］
図５は、本開示の実施の形態２におけるヘッドアップディスプレイ装置２の構成の例を示す図である。図５において、図３と同じ構成要素、及び同じ動作を行う構成要素には同符号を付与し、説明を省略する。
図５の構成は、図３の構成とは異なり、表示素子１１０に表示する映像または画像を調整するための画像処理部２１０を備えている。
画像処理部２１０は、制御部６０から入力される虚像距離信号に同期して、表示素子１１０に表示する映像または画像の表示倍率を調整して、表示素子１１０に出力する。画像処理部２１０は、上記した制御部６０において実現されてもよいし、制御部６０とは別に実現されてもよい。
［２−２．動作］
実施の形態１の構成において、表示素子１１０の映像または画像に対する、投影される虚像の倍率Ｍは、（数２）〜（数４）より、（数５）で求められる。
Figure 2017163288
ここで、Ｒ、ｂ２、ｂ３は定数であるため、投影される虚像の倍率Ｍは、虚像距離Ｌ及び２／Ｒに比例して変化する。
したがって、（数５）は、虚像距離Ｌの変化に対し、運転者から視認される虚像の画角が変わることを示している。すなわち、（数５）は、虚像距離Ｌの変化に対して、運転者から任意の距離における虚像を見た場合の見かけ上のサイズが変わることを示している。
さらに、実際のヘッドアップディスプレイ装置においては、球面ミラー１６０のサイズは比較的大きく、虚像距離を変えることにより、運転者から視認される虚像に大きな歪みが生じるという課題がある。すなわち、歪曲収差が発生してしまうという課題がある。
また、歪曲収差により虚像が歪み、実質的な虚像サイズが拡大、または、縮小するため、虚像距離を変えることにより、見かけ上の虚像サイズはさらに変化する。
以上の点から、同一の映像または画像を視認しながら虚像距離を変えると、虚像の見かけ上のサイズが変化し、虚像の視認が難しくなるという課題がある。
図５の構成は、上記課題を解決するものである。ヘッドアップディスプレイ装置２は、可動ミラー１３０の位置情報に同期した信号である虚像距離信号を受信し、虚像距離信号が示す虚像距離に連動して、画像処理部２１０は表示素子１１０に表示する映像を拡大または縮小する。なお、虚像距離信号は、制御部６０によって、可動ミラー１３０の移動量、又は、虚像の投影距離の調整量に基づいて生成される。これにより、虚像距離が変化しても、運転者から見た任意の距離における虚像のサイズを一定とすることが可能となる。
また、前述した、虚像距離の変化により発生する虚像の歪みは、表示素子１１０に表示する映像を、予め取得した補正量に基づき、虚像の歪みと逆方向に故意に歪ませることで、補正を行うことが可能である。したがって、画像処理部２１０により、虚像距離信号に連動して、表示素子１１０に表示する映像を前記補正により歪ませることで、運転者から見た任意の距離における虚像の形状を一定とすることが可能となり、投影される虚像の歪みを低減できる。
その他の構成や動作については実施の形態１と同様であり、詳細な説明は省略する。
［２−３．まとめ］
実施の形態２のヘッドアップディスプレイ装置２において、画像処理部２１０は、虚像の投影距離に応じて、表示画像の表示倍率を調整する。
これにより、たとえば、虚像の投影距離を変更した際の虚像サイズの変動を、画像処理により補正できるため、視認性の良い虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
また、実施の形態２のヘッドアップディスプレイ装置２において、画像処理部２１０は、虚像の投影距離に応じて、表示画像の画像歪を補正する。
これにより、たとえば、虚像の投影距離を変更した際の虚像の歪曲を、画像処理により補正できるため、視認性の良い虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
なお、本実施の形態では、画像処理部２１０は、虚像距離を変更しても虚像のサイズを一定とするように、表示画像の表示倍率を調整した。しかし、画像処理部２１０は、虚像距離に応じて虚像のサイズを変更するように、表示画像の表示倍率を調整してもよい。例えば、画像処理部２１０は、虚像距離が遠い場合には虚像のサイズが小さくなり、虚像距離が近い場合には虚像のサイズが大きくなるように、表示素子１１０に表示する映像を拡大、または、縮小する。このように、虚像のサイズを一定にするのではなく、遠近法を利用しても、虚像の視認性を高めることができる。
（実施の形態３）
［３−１．構成］
図６は、本開示の実施の形態３におけるヘッドアップディスプレイ装置３の光学系部５０の構成の例を示す図である。
実施の形態３のヘッドアップディスプレイ装置３は、表示素子１１１、光線分離部である反射型偏光ビームスプリッタ１２１と、可動ミラー１３０と、可動部１４０と、第１のミラー１５０と、第２のミラー１６０と、１／４波長板３１０を備える。図６において、図３と同じ構成要素、及び同じ動作を行う構成要素には同符号を付与し、説明を省略する。
また、本実施の形態３において、反射型偏光ビームスプリッタ１２１の入射面に対し、偏光方向が平行である直線偏光の光をｐ偏光の光、偏光方向が垂直である直線偏光の光をｓ偏光の光と記述する。従って、図６において、ｐ偏光の光は、偏光方向が紙面に平行であり、ｓ偏光の光は、偏光方向が紙面に垂直となる。図６において、表示素子１１１は、例えば、ｐ偏光の光を出射する液晶素子である。
反射型偏光ビームスプリッタ１２１は、表示素子１１１から入射した映像光を可動ミラー１３０に向けて反射すると共に、可動ミラー１３０から入射した映像光を透過する。
反射型偏光ビームスプリッタ１２１は、例えば、フィルム上にアルミの微細周期構造が形成されたワイヤグリッド偏光フィルムを使用する。波長板としては、位相差フィルムや、水晶波長板などを用いることができる。反射型偏光ビームスプリッタ１２１は、ｐ偏光の光を反射し、ｓ偏光の光を透過する方向に配置する。
１／４波長板３１０は、表示素子１１１からの光の偏光方向が１／４波長板３１０の高速軸（或いは低速軸）に対して４５°の方位角で入射するように、配置されている。１／４波長板３１０は、表示素子１１１からの光の偏光を制御し、表示素子１１１からの光の利用効率を高める構成となっている。
［３−２．動作］
以下、実施の形態３におけるヘッドアップディスプレイ装置３の動作について、図６を用いて説明する。
表示素子１１１が出射した映像光は、反射型偏光ビームスプリッタ１２１により反射され、１／４波長板３１０を透過することで円偏光に変換され、可動ミラー１３０により全反射される。可動ミラー１３０が反射した光は、再び１／４波長板３１０に入射され、１／４波長板３１０を透過する。これにより透過光（映像光）はｓ偏光の成分を持つ光に変換される。その後、反射型偏光ビームスプリッタ１２１を透過した光は、第１のミラー１５０により反射された後、第２のミラー１６０により集光され、ウインドシールド１７０で反射されて、運転者の目１８０に到達する。
ここで、反射型偏光ビームスプリッタ１２１として、例えば、分割比の等しい無偏光のビームスプリッタを使用した場合、光がビームスプリッタにおいて反射、および、透過するとき、反射光、および、透過光それぞれの光量は約半分となり、残りの半分は損失となってしまう。しかしながら、図６の構成のように、反射型偏光ビームスプリッタ１２１、および、１／４波長板３１０を用いて、表示素子１１１からの光の偏光をコントロールすることで、光の損失を大幅に低下することが可能となる。
その他の構成や動作については実施の形態１と同様であり、詳細な説明は省略する。
［３−３．他の構成例］
本実施の形態における表示素子１１１の偏光方向や、反射型偏光ビームスプリッタ１２１の反射側、および、透過側の偏光方向は、上述の方向のみに限られない。例えば、表示素子１１１からの光をｓ偏光とし、反射型偏光ビームスプリッタ１２１は、ｓ偏光の光を反射し、ｐ偏光の光を透過する方向に配置することも可能である。この場合の一例を、図７を用いて説明する。
図７は、本開示の実施の形態３におけるヘッドアップディスプレイ装置４の光学系部５０の他の構成の例を示す図である。
ヘッドアップディスプレイ装置４は、表示素子１１２と、光線分離部である反射型偏光ビームスプリッタ１２２と、可動ミラー１３０と、可動部１４０と、第１のミラー１５０と、第２のミラー１６０と、第１の１／４波長板４１０と、第２の１／４波長板４２０とを備える。図７において、図３、図６と同じ構成要素には同符号を付与し、説明を省略する。
表示素子１１２は、ｓ偏光の光を出射する液晶素子を使用し、反射型偏光ビームスプリッタ１２２は、ｓ偏光の光を透過し、ｐ偏光の光を反射する方向に配置する。
第１の１／４波長板４１０、第２の１／４波長板４２０は、各々、表示素子１１２からの光の偏光方向が、第１の１／４波長板４１０、第２の１／４波長板４２０の高速軸（或いは低速軸）に対して４５°の方位角で入射するよう配置されている。
図７に示すように、表示素子１１２に表示された映像または画像を含む映像光は、第１の１／４波長板４１０を透過することで円偏光に変換され、第２の１／４波長板４２０を透過することで、ｐ偏光に変換される。
第２の１／４波長板４２０を透過した光は、反射型偏光ビームスプリッタ１２２により反射され、再び、第２の１／４波長板４２０を透過し、円偏光の光に変換される。
円偏光に変換された光は、可動ミラー１３０により全反射され、再び、第２の１／４波長板４２０を透過し、ｓ偏光の光に変換され、反射型偏光ビームスプリッタ１２２を透過する。
反射型偏光ビームスプリッタ１２２を透過した光は、第１のミラー１５０により反射され、さらに、第２のミラー１６０により集光され、ウインドシールド１７０により反射され、運転者の目１８０に到達する。
［３−４．まとめ］
実施の形態３のヘッドアップディスプレイ装置３は、光線分離部１２１がワイヤグリッド偏光子であり、１／４波長板３１０を含む。
また、ヘッドアップディスプレイ装置４は、光線分離部１２２がワイヤグリッド偏光子であり、第１の１／４波長板４１０、第２の１／４波長板４２０を含む。
これにより、たとえば、光線分離部での光の損失を抑制することができるため、明るく、視認性の良いヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
（実施の形態４）
［４−１．構成］
図８は、本開示の実施の形態４におけるヘッドアップディスプレイ装置５の光学系部５０の構成の例を示す図である。図８において、図３と同じ構成要素には同符号を付与し、説明を省略する。
図８の構成は、図３の構成とは異なり、第１のミラー１５０を省略し、光学系全体のサイズをより小型化した構成となっている。
［４−２．動作］
図８において、表示素子１１０に表示された映像または画像を含む映像光は、ビームスプリッタ１２０により反射され、さらに、可動ミラー１３０により反射されたのち、ビームスプリッタ１２０を透過する。ビームスプリッタ１２０を透過した映像光は、第２のミラー１６０により集光され、車のウインドシールド１７０で反射して運転者の目１８０に到達する。運転者の目１８０は、ウインドシールド１７０の先の遠方に、表示素子１１０に表示された映像または画像を、虚像１９０として視認する。
なお、ビームスプリッタ１２０として反射型の偏光ビームスプリッタを用い、ビームスプリッタ１２０と可動ミラー１３０の間に１／４波長板を配置することで、実施の形態３と同様、表示素子１１０からの光の利用効率を高める構成としても良い。
その他の構成や動作については実施の形態１と同様であり、詳細な説明は省略する。
（実施の形態５）
［５−１．構成］
図９は、本開示の実施の形態５におけるヘッドアップディスプレイ装置６の光学系部５０の構成の例を示す図である。
図９の構成は、図３の構成とは異なり、ウインドシールドとは別に設けたコンバイナミラー１６１により映像または画像を反射させ、コンバイナミラー１６１の先の遠方に、表示素子１１０に表示された映像または画像を、虚像として投影する構成となっている。
［５−２．動作］
図９において、表示素子１１０に表示された映像または画像を含む映像光は、ビームスプリッタ１２０により反射され、さらに、可動ミラー１３０により反射されたのち、ビームスプリッタ１２０を透過する。
ビームスプリッタ１２０を透過した映像光は、第１のミラー１５０により反射され、コンバイナミラー１６１により反射、および、集光され、運転者の目に到達する。
運転者の目１８０は、コンバイナミラー１６１の先の遠方に、表示素子１１０に表示された映像または画像を、虚像１９０として視認する。
その他の構成や動作については実施の形態１と同様であり、詳細な説明は省略する。
（実施の形態６）
［６−１．構成］
図１０は、本開示の実施の形態６におけるヘッドアップディスプレイ装置７の光学系部５０の構成の例を示す図である。
図１０において、図３と同じ構成要素に関しては、同符号を付与し、説明を省略する。図１０の構成は、図３の構成とは異なり、表示素子としてレーザ光をスキャンしてスクリーン上に投影表示するレーザプロジェクタを用いる構成となっている。
ヘッドアップディスプレイ装置７は、ヘッドアップディスプレイ装置１の表示素子１１０に代えて、レーザ光源７１０、走査部７２０、スクリーン７３０を備える。
レーザ光源７１０は、例えば、赤色、青色、緑色の３つのレーザ素子を備える。走査部７２０は、レーザ光源７１０からのビーム光を２次元状に偏向させて走査する。
スクリーン７３０は、フレネルスクリーンや、拡散スクリーンや、フレネルレンズと拡散板を組み合せたスクリーンなどが用いられる。
［６−２．動作］
図１０において、レーザ光源７１０を出射した光は、走査部７２０によりスクリーン７３０上に２次元に走査され、スクリーン７３０上に映像または画像が表示される。スクリーン７３０上の映像または画像を含む映像光は、ビームスプリッタ１２０により反射され、さらに、可動ミラー１３０により反射されたのち、ビームスプリッタ１２０を透過する。
ビームスプリッタ１２０を透過した映像光は、第１のミラー１５０により反射され、第２のミラー１６０により反射、および、集光され、さらに、ウインドシールド１７０で反射された後、運転者の目１８０に到達する。
運転者の目１８０は、ウインドシールド１７０の先の遠方に、スクリーン７３０上に表示された映像または画像を、虚像１９０として視認する。
ところで、図１０の構成においては、実施の形態２で説明したように、図３と同様、可動ミラー１３０を動かし、虚像距離を変えると、虚像の画角が変化する。
本実施の形態６においては、実施の形態２とは異なり、虚像距離に応じて走査部７２０の振れ角を変更することにより、画角を一定に保持できる。
なお、赤色、青色、緑色の３色のレーザ素子を用いることで、フルカラーの虚像を表示することが可能である。しかし、本開示はこれに限らず、１色や２色、または、４色以上のレーザ素子を用いても良い。
その他の構成や動作については実施の形態１と同様であり、詳細な説明は省略する。
［６−３．まとめ］
実施の形態６のヘッドアップディスプレイ装置７において、走査部７２０は複数のレーザ光源７１０からの出射光を走査し、走査部７２０からの走査光が結像されるスクリーン７３０を備える。
これにより、たとえば、レーザ光源は輝度が高いため、表示画面の明るいヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
（実施の形態７）
［７−１．構成］
図１１は、本開示の実施の形態７におけるヘッドアップディスプレイ装置８の光学系部５０の構成の例を示す図である。
図１１に示すヘッドアップディスプレイ装置８は、図３の構成に加えて反射ミラー８１０をさらに備えている。すなわち、本実施の形態のヘッドアップディスプレイ装置８は、１つの装置に、それぞれ虚像距離の異なる２つの虚像を表示する光学系を配置している。反射ミラー８１０の位置は、固定されている。
［７−２．動作］
図１１に示す構成において、表示素子１１０の一部の領域に表示された映像または画像を含む第１の映像光は、図３と同様に、ビームスプリッタ１２０、可動ミラー１３０において反射され、または、透過し、第１のミラー１５０により反射された後、第２のミラー１６０により集光される。その後、集光された第１の映像光は、車のウインドシールド１７０で反射して運転者の目１８０に到達する。
運転者の目１８０は、ウインドシールド１７０の先の遠方に、表示素子１１０に表示された第１の映像光を、第１の虚像１９０として視認する。
また、表示素子１１０の他の領域に表示された映像または画像を含む第２の映像光は、ビームスプリッタ１２０により反射され、さらに、反射ミラー８１０により反射されたのち、ビームスプリッタ１２０を透過する。
ビームスプリッタ１２０を透過した第２の映像光は、第１のミラー１５０で反射された後、第２のミラー１６０により集光され、車のウインドシールド１７０で反射されて運転者の目１８０に到達する。
運転者の目１８０は、ウインドシールド１７０の先の遠方に、第２の映像光を、第２の虚像１９３として視認する。
この場合、第１の虚像１９０の虚像距離は、可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔を調整することにより変更することができる。また、第２の虚像１９３の虚像距離は可動ミラー１３０とビームスプリッタ１２０との間隔の調整に影響を受けず、一定となる。
これにより、前景の任意の虚像距離に表示したい情報は、前記第１の虚像として表示し、速度や警告といった前景に重ねる必要のない情報は、前記第２の虚像として、常に一定の虚像距離に配置することができる。このように、２つの画面を表示可能なヘッドアップディスプレイ装置を実現することが可能となる。
なお、本実施の形態では、表示素子１１０の数や、反射ミラー８１０の位置は、図１１の構成のみに限らない。たとえば、表示素子１１０が複数あり、複数の異なる距離に虚像があってもよい。また、反射ミラー８１０の代わりに、ビームスプリッタ１２０の一部を用いることも可能である。
その他の構成や動作については実施の形態１と同様であり、詳細な説明は省略する。
［７−３．まとめ］
実施の形態７のヘッドアップディスプレイ装置８では、表示素子１１０が出射した光をビームスプリッタ１２０により反射し、ビームスプリッタ１２０が反射した光を可動ミラー１３０と反射ミラー８１０で反射する。可動ミラー１３０及び反射ミラー８１０で反射した光は各々ビームスプリッタ１２０を透過し、第１のミラー１５０で反射された後、各々第２のミラー１６０で集光され、車のウインドシールド１７０で反射して運転者の目１８０に到達する。これにより、ウインドシールド１７０を介して運転者の目１８０の前方に２つの虚像１９０と１９３が投影される。虚像１９０の表示位置は、可動部１４０により移動させることができる。
これにより、たとえば、前景の任意の虚像距離に表示したい情報を、第１の虚像として表示し、速度や警告といった前景に重ねる必要のない情報を、第２の虚像として、常に一定の虚像距離に配置することができる。このように、２つの画面を表示可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
なお、反射ミラー８１０の位置は、可動ミラー１３０とは独立して、変更されてもよい。これにより、虚像１９３の位置を虚像１９０の位置とは独立して変更することができる。
（実施の形態８）
図１２は、本開示の実施の形態８におけるヘッドアップディスプレイ装置９の光学系部５０の構成の例を示す図である。図１２において、図３と同じ構成要素には同符号を付与し、説明を省略する。
図３に示す実施の形態１では、第２光学部材における第１のミラー１５０として平面ミラーを用いた。図１２に示す本実施の形態は、第２光学部材として第１のミラー１５０に代えて球面レンズ９５０を用いる構成で実施の形態１と異なる。
なお、球面レンズ９５０に代えて、非球面レンズ、自由曲面レンズなどを用いても良い。
また、第２光学部材における第２のミラー１６０に代えて、球面レンズ、非球面レンズ、自由曲面レンズなどを用いても良い。
これにより、たとえば、反射鏡の代わりにレンズを用いることで、光路を曲げずに投影光学系を構成できるため、小型構成のヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。
なお、実施の形態２〜７においても、第２光学部材としてのミラーの代わりに、球面レンズ、非球面レンズ、自由曲面レンズなどを用いても良い。
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１〜８を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態１〜８で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
本開示にかかるヘッドアップディスプレイ装置は、車両用のヘッドアップディスプレイ装置に限らず、航空機、電車、船舶、特殊車両などにおいても適用することができる。
１、２、３、４、５、６、７、８、９ ヘッドアップディスプレイ装置
１０ 車両
２０ ナビゲーション装置
２１ 地図情報
２２ 位置情報取得部
３０ カメラ
５０ 光学系部
６０ 制御部
６１ 周辺情報取得部
６２ 車両情報取得部
６３ 光学制御部
１１０、１１１、１１２ 表示素子（表示部）
１２０ ビームスプリッタ（光線分離部）
１２１、１２２ 反射型偏光ビームスプリッタ（光線分離部）
１３０ 可動ミラー（第１光学部材）
１４０ 可動部（調整部）
１４１ モータ
１４２ 送りねじ
１５０ 第１のミラー（第２光学部材）
１６０ 第２のミラー（第２光学部材）
１６１ コンバイナミラー
１７０ ウインドシールド
１８０ 運転者の目
１９０、１９１、１９３ 虚像
２１０ 画像処理部
３１０ １／４波長板
４１０ 第１の１／４波長板
４２０ 第２の１／４波長板
７１０ レーザ光源
７２０ 走査部
７３０ スクリーン
８１０ 反射ミラー
９５０ 球面レンズ

Claims (12)

  1. 表示画像となる光を出射する表示部と、
    光を反射又は透過する光学部材であって、前記表示部が出射した光を反射する光線分離部と、
    前記光線分離部で反射した光を反射する第１光学部材と、
    前記第１光学部材で反射した後に前記光線分離部を透過した光を、反射又は透過して、虚像を投影させる、１つ又は複数の第２光学部材と、
    前記第１光学部材と前記光線分離部との間隔を調整することにより、前記虚像の投影距離を調整する調整部と、
    を備えたヘッドアップディスプレイ装置。
  2. 前記表示部の前記表示画像を調整する画像処理部をさらに備え、
    前記画像処理部は、前記虚像の投影距離に応じて、前記表示画像の表示倍率を調整する、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  3. 前記表示部の表示画像情報を調整する画像処理部をさらに備え、
    前記画像処理部は、前記虚像の投影距離に応じて、前記表示画像の画像歪を補正する、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  4. 前記表示部と前記光線分離部との間、又は、前記光線分離部と前記第１光学部材との間に設けられた少なくとも１つの波長板をさらに備え、
    前記光線分離部はワイヤグリッド偏光素子である、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  5. 前記第２光学部材は、球面凹面鏡、球面凸面鏡、非球面凹面鏡、非球面凸面鏡、自由曲面鏡を含む、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  6. 前記第２光学部材は、球面レンズ、非球面レンズ、自由曲面レンズを含む、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  7. 前記表示部は、液晶表示素子である、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  8. 前記表示部は、複数のレーザ光源、前記レーザ光源からの出射光を走査する走査部、及び、前記走査部からの走査光が結像されるスクリーンを含む、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  9. 前記調整部は、車両の位置情報により、前記第１光学部材と前記光線分離部との間隔を調整する、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  10. 前記調整部は、車両の走行情報により、前記第１光学部材と前記光線分離部との間隔を調整する、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  11. 前記光線分離部で反射した光を反射する第３光学部材を備え、
    前記第２光学部材は、前記第３光学部材で反射した後に前記光線分離部を透過した光を、反射又は透過して、前記虚像とは別の虚像を投影させる、
    請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  12. 請求項１〜１１の何れか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置を備えた車両。
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