JPWO2018199245A1 - 虚像表示装置及び移動体用表示システム - Google Patents

Abstract

簡素な構成でありながら、危険信号等の追加情報を適切な認識が可能な程度に対象物に重畳表示させることができる虚像表示装置を提供する。描画デバイスである像形成素子１１の像を拡大する投影光学系である本体光学系１３と、表示スクリーン２０とを備える虚像表示装置１００であって、本体光学系１３の構成配置を変化させることによって虚像までの投影距離を変化させる配置変更装置６２と、投影距離が長くなるほど虚像の表示位置間隔が広くなるように配置変更装置６２を駆動させることにより、投影距離の異なる複数の虚像を表示させる表示制御部１８と、を備える。

Description

本発明は、視線の先に虚像を表示する虚像表示装置及び当該虚像表示装置を搭載する移動体用表示システムに関するものである。

従来のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ（Head-Up Display））装置は、虚像を運転者からある一定の距離だけ離れた位置に生成することが一般的であり、ＨＵＤによる表示内容は、車速、カーナビゲーション情報等に限られていた。そもそもＨＵＤを車に搭載する目的は、運転者の視線移動を最小限に抑えることで、より安全な運転を支援するものであるが、安全運転支援という意味においては、車速等の表示内容だけでは不十分であり、例えば前方の車、歩行者、障害物等をカメラやセンサー等で検知し、ＨＵＤを通して運転者に事前に危険を察知させて事故を未然に防ぐようなシステムの方がより好ましい。こういったシステムを実現するには、例えば車、人、障害物等のシースルー像（対象物）に対して危険信号その他の追加情報を重畳させて表示させることが考えられる。

上記のような危険信号を重畳させて表示するシステムにおいて、運転者から虚像までの距離が一定だと、運転者の眼の位置がずれた場合に実物（対象物）の位置と危険信号（虚像）の位置とがずれてしまい、運転者が危険信号を誤認（つまり、対象物の位置を誤認）してしまうという課題がある。このような問題を解決する手法としては、実物（対象物）に対して虚像を奥行き方向も含めて重畳させることが考えられる。

例えば特許文献１では、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーのような走査型の像形成手段と、スクリーンと、投影手段と、スクリーンの位置を変える可動手段とにより、虚像の位置を変化させる手法が開示されている。しかしながら、特許文献１の主たる目的は、車の速度に合わせて虚像位置を近づけたり、遠ざけたりして運転者の視線移動を少なくすることであり、危険信号と対象物とを重畳させて表示することを意図したものではない。また、特許文献１に記載の手法は、上記のような重畳表示が前提でないことから、危険信号と対象物との位置ずれの解消を課題とするものでもない。

特開２００９−１５０９４７号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、簡素な構成でありながら、上記のような追加情報を適切な認識が可能な程度に対象物に重畳表示させることができる虚像表示装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、上記虚像表示装置を搭載した移動体用表示システムを提供することを目的とする。

上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した虚像表示装置は、描画デバイスの像を拡大する投影光学系と、表示スクリーンとを備える虚像表示装置であって、投影光学系の構成配置を変化させることによって虚像までの投影距離を変化させる配置変更装置と、投影距離が長くなるほど虚像の表示位置間隔が広くなるように配置変更装置を駆動させることにより、投影距離の異なる複数の虚像を表示させる表示制御部と、を備える。

上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した移動体用表示システムは、上述の虚像表示装置と、対象物の空間的な位置を検出する環境監視部と、を備える。

図１Ａは、実施形態の虚像表示装置を車体に搭載した状態を示す側方断面図であり、図１Ｂは、虚像表示装置を説明する車内側からの正面図である。 虚像表示装置を構成する具体的な光学系を説明する図である。 虚像表示装置の具体的な構成例を説明する概念的な拡大側方断面図である。 観察者の視点の位置と虚像表示位置との関係を説明する図である。 中間スクリーンの位置と虚像表示位置との関係等を説明するための図である。 図６Ａ及び６Ｂは、実施形態の虚像表示装置による虚像位置と対象物との配置関係を説明する図である。 図７Ａ及び７Ｂは、比較例の虚像表示装置による虚像位置と対象物との配置関係を説明する図である。 虚像表示装置を含む移動体用表示システムを説明するブロック図である。 移動体用表示システムの動作を説明するフローチャートである。 実施例１の虚像表示装置の虚像表示位置を説明する図である。 図１１Ａ〜１１Ｄは、虚像表示装置の中間スクリーンの変形例を説明する図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る虚像表示装置移動体用表示システムの一実施形態について説明する。

図１Ａ及び１Ｂは、本実施形態の虚像表示装置１００及びその使用状態を説明する概念的な側方断面図及び正面図である。この虚像表示装置１００は、例えばヘッドアップディスプレイ装置として車体２内に搭載されるものであり、描画ユニット１０と表示スクリーン２０とを備える。虚像表示装置１００は、描画ユニット１０中の後述する像形成素子１１に表示されている画像情報を、表示スクリーン２０を介して運転者（観察者）ＵＮ向けに虚像表示するものである。

虚像表示装置１００のうち描画ユニット１０は、車体２のダッシュボード４内に埋め込むように設置されており、運転関連情報や危険信号等を含む画像に対応する表示光ＨＫを表示スクリーン２０に向けて射出する。表示スクリーン２０は、コンバイナーとも呼ばれるハーフミラーであり、半透過性を有する凹面鏡又は平面鏡である。表示スクリーン２０は、下端の支持によってダッシュボード４上に立設され、描画ユニット１０からの表示光ＨＫを車体２の後方に向けて反射する。つまり、図示の場合、表示スクリーン２０は、フロントガラス（ウインドシールド）８とは別体で設置される独立型のものとなっている。ハーフミラーである表示スクリーン２０で反射された表示光ＨＫは、運転席６に座った運転者ＵＮの瞳ＨＴ及びその周辺位置に対応するアイボックス（不図示）に導かれる。図１Ａ及び図２に示すように、運転者ＵＮは、表示スクリーン２０で反射された表示光ＨＫ、つまり車体２の前方にある虚像としての表示像ＩＭを観察することができる。一方、運転者ＵＮは、ハーフミラーである表示スクリーン２０を透過した外界光、つまり前方景色、自動車等の実像を観察することができる。結果的に、運転者ＵＮは、表示スクリーン２０の背後の外界像に重ねて、表示スクリーン２０での表示光ＨＫの反射によって形成される運転関連情報や危険信号等を含む表示像（虚像）ＩＭを観察することができる。

図３に示すように、描画ユニット１０は、本体光学系１３と、本体光学系１３を動作させる表示制御部１８と、本体光学系１３等を収納するハウジング１４とを備える。これらのうち本体光学系１３と表示スクリーン（コンバイナー）２０とを組み合わせたものは、虚像表示光学系３０を構成する。なお、図３等において座標軸ＸＹＺは、一般的な運転者ＵＮの瞳ＨＴ間の位置に対応するアイボックスの中心を原点とするが、便宜上原点をシフトさせた状態で表示されている。

本体光学系（投影光学系）１３は、像形成素子１１と、像形成素子１１に形成された画像を拡大した中間像ＴＩを形成可能な結像光学系１５と、中間像ＴＩの結像位置に近接して光路後段に配置される中間スクリーン１６と、中間像ＴＩを虚像に変換する虚像形成光学系１７とを備える。

像形成素子１１は、２次元的な表示面１１ａを有する描画デバイス（表示部）である。像形成素子１１の表示面１１ａに形成された像は、本体光学系１３のうち結像光学系１５で拡大されて中間像ＴＩを形成し、中間スクリーン１６を通過し、虚像形成光学系１７等へ導かれる。この際、２次元表示が可能な像形成素子１１を用いることで、中間像ＴＩ又は表示像（虚像）ＩＭの切換えを比較的高速とできる。像形成素子１１は、液晶表示パネル（又は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ（liquid Crystal Display）））、液晶表示パネルに表示動作を行わせる表示駆動回路、液晶表示パネルを照明するための光を射出するＬＥＤ（light emitting diode）その他の光源、かかる光源からの光を均一化する均一化光学系等を備える。描画デバイスとして液晶ディスプレイを用いることにより、装置を小型化することができる。また、ＬＣＤの配光角は広いため、視野角を広くすることができる。なお、像形成素子１１は、例えば６０ｆｐｓ以上のフレームレートで動作する。これにより、異なる投影距離に複数の表示像ＩＭが同時に表示されているように見せることが容易になる。

結像光学系１５は、固定焦点のレンズ系であり、図示を省略するが、複数のレンズを有する。結像光学系１５は、像形成素子１１の表示面１１ａに形成された画像を適当な倍率に拡大投影し、中間スクリーン１６の入射面１６ｍに近接した位置に中間像ＴＩ（又は入射面１６ｍの位置に強制中間像ＴＩ’）を形成する。ここで、強制中間像ＴＩ’は、中間像ＴＩそのものの他、中間像ＴＩから位置ずれして僅かにピントがボケたものも含む。なお、結像光学系１５は、この結像光学系１５の最も中間スクリーン１６側に配置された絞り１５ａを有する。

中間スクリーン１６は、配光角を所望の角度に制御した拡散板であり、結像位置（つまり中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍）において強制中間像ＴＩ’を形成する。この結果、後述するように中間スクリーン１６を光軸ＡＸ方向に移動させることにより、強制中間像ＴＩ’の位置も光軸ＡＸ方向に移動させることができる。拡散板には、例えば摺りガラス、レンズ拡散板、マイクロレンズアレイ等が用いられる。また、中間スクリーン１６として、マイクロミラーアレイ等を用いてもよい。中間スクリーン１６によって、視野角を拡大することができる。中間像ＴＩは、中間スクリーン１６から光路前段にかけての表示領域に結像される。中間スクリーン１６の入射面１６ｍは、拡散機能を有している。入射面１６ｍに強制中間像ＴＩ’が形成され、ここから光が拡散するので、アイボックスを広く確保することができる。

中間スクリーン１６は、配置変更装置６２に駆動されて例えば一定速度又は周期的な運動で光軸ＡＸに沿って移動する。ここで、光軸ＡＸとは、描画デバイスである像形成素子１１の中心と、アイボックスの中心と、虚像表示装置１００によって作られる像形成素子１１の中心に対応する像点（虚像）とを通るものである。配置変更装置６２によって中間スクリーン１６を光軸ＡＸに沿って移動させることで、虚像形成光学系１７によって表示スクリーン（コンバイナー）２０の背後に形成される虚像としての表示像ＩＭと観察者である運転者ＵＮとの距離を長く、又は短くすることができる。つまり、配置変更装置６２は、本体光学系（投影光学系）１３の構成配置を変化させて投影距離を変化させる。このように、投影される表示像ＩＭの位置を前後に変化させるとともに、表示内容をその位置に応じたものとすることで、表示像ＩＭまでの虚像距離又は投影距離を変化させつつ表示像ＩＭを変化させることになり、一連の投影像としての表示像ＩＭを３次元的なものとすることができる。中間スクリーン１６の光軸ＡＸに沿った移動範囲は、中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍に相当するものであるが、結像光学系１５の中間スクリーン１６側の焦点深度の範囲内とすることが望ましい。これにより、強制中間像ＴＩ’の状態と虚像としての表示像ＩＭの結像状態とを、いずれも略ピントが合った良好な状態とすることができる。中間スクリーン１６の光軸ＡＸ方向の移動量は、例えば２０ｍｍ以下となっている。これにより、中間スクリーン１６の移動を効率良く行うことができ、中間スクリーン１６の応答性を向上させることができる。中間スクリーン１６の移動速度は、虚像としての表示像ＩＭが複数個所又は複数虚像距離に同時に表示されているかのように見せることができる速度であることが望ましい。配置変更装置６２は、例えば１５Ｈｚ以上の速度で中間スクリーン１６を往復移動させる。この場合、観察者（運転者ＵＮ）の知覚を超える速さのため、観察者は投影距離の異なる虚像を略同時に認識することができる。

図４に示すように、配置変更装置６２は、虚像である表示像ＩＭまでの投影距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３が長くなるほど表示像ＩＭ（ｎ＝１〜３）の表示位置間隔ｍ１，ｍ２が広くなるように駆動される。具体的には、配置変更装置６２は、運転者ＵＮの瞳ＨＴの位置が基準位置ＨＴ１から距離Ｌだけずれて位置ＨＴ２に移動した場合、すなわち視点の位置が変化した場合、角度差（又は角度誤差量）θ１−θ２，θ２−θ３が略等しくなる位置に表示像ＩＭが表示されるように中間スクリーン１６を移動させる。これにより、虚像表示位置と対象物ＫＴの位置とが一致せず、表示像ＩＭ間に対象物ＴＫが存在する場合でも角度ずれ（表示像ＩＭと対象物ＫＴ（図６Ａ等参照）との位置関係のずれ）を最小限に抑えることができる。

中間スクリーン１６は、支持部材６２ａに支持されている。支持部材６２ａは、配置変更装置６２の台座６２ｂに光軸ＡＸ方向に沿った所定の範囲内で移動可能に取り付けられている。図５に示すように、中間スクリーン１６が移動範囲の最も上流側に配置されたタイミングでは、この時点で中間スクリーン１６に表示されている画像が、ハーフミラーである表示スクリーン（コンバイナー）２０の背後の最も遠くに虚像として表示される。また、中間スクリーン１６が移動範囲の最も下流側に配置されたタイミングでは、この時点で中間スクリーン１６に表示されている画像が、ハーフミラーである表示スクリーン（コンバイナー）２０の背後の最も近くに虚像として表示される。図５の例では、中間スクリーン１６が移動範囲の最も上流側に配置されたタイミングにおける中間スクリーン１６の位置（ＳＣ位置Ｔ１）は、虚像距離が１０ｍの場合、光軸ＡＸ方向に沿って後述する第１ミラー１７ａから相対的に遠ざかる方向に８．１ｍｍの距離を有する位置である。また、中間スクリーン１６が移動範囲の最も下流側に配置されたタイミングにおける中間スクリーン１６の位置（ＳＣ位置Ｔ２）は、虚像距離が３．５ｍの場合、光軸ＡＸ方向に沿って第１ミラー１７ａに相対的に近づく方向に７．７ｍｍの距離を有する位置である。また、ＳＣ位置Ｔ１，Ｔ２の中間のＳＣ位置Ｔ３は、虚像距離が５ｍの場合となっている。

虚像形成光学系１７は、中間スクリーン１６付近に形成された中間像ＴＩを表示スクリーン２０と協働して拡大する拡大投影光学系であり、運転者ＵＮの前方に虚像としての表示像ＩＭを形成する。虚像形成光学系１７は、少なくとも１枚のミラーで構成されるが、図示の例では２枚の第１及び第２ミラー１７ａ，１７ｂを含む。ここで、第１ミラー１７ａは、第１の反射体であって、光路前段にある像形成素子１１側に配置されており、光学的なパワーを有する。また、第２ミラー１７ｂは、光路後段にある表示スクリーン（コンバイナー）２０側に配置されており、光学的なパワーを有する。第１及び第２ミラー１７ａ，１７ｂは、凸面、凹面、又は平面とでき、曲面の場合、球面に限らず、非球面、自由曲面等とすることができる。

ハウジング１４は、表示光ＨＫを通過させる開口１４ａを有し、この開口１４ａには、フィルム又は薄板状の光透過部材１４ｂを配置することができる。

図６Ａは、実施形態の虚像表示光学系３０又は虚像表示装置１００による表示を説明する概念的な平面図であり、図６Ｂは、図６Ａに対応する表示の見え方を説明する図である。図６Ａに示すように、運転者ＵＮが観察している対象物（この場合、対向車線を走行する自動車）ＫＴの位置又はその近傍に表示像ＩＭである表示枠ＨＷを形成する場合について説明する。このような表示枠ＨＷは、危険警告信号その他の虚像であり、例えば前方に近接する自動車、自転車、歩行者等を識別した結果を示す。表示枠ＨＷは、この場合、図６Ａに示すように対象物ＫＴの近傍に表示枠ＨＷを投影しているので、図６Ｂに示すように、標準位置Ｐ０に居る運転者ＵＮだけでなく、頭の位置を動かした変動位置Ｐ１に姿勢を変化させた運転者ＵＮにも、対象物ＫＴと表示枠ＨＷとが略重なって略ずれなく見える。

図７Ａは、比較例の虚像表示光学系又は虚像表示装置による表示を説明する概念的な平面図であり、図７Ｂは、図７Ａに対応する表示の見え方を説明する図である。図７Ａに示すように、運転者ＵＮが観察している対象物ＫＴに関係なく、固定位置に表示像ＩＭである表示枠ＨＷを形成する場合について説明する。この場合、図７Ａに示すように対象物ＫＴのかなり手前に表示枠ＨＷを投影しているので、図７Ｂに示すように、標準位置Ｐ０に居る運転者ＵＮにとって、対象物ＫＴと表示枠ＨＷとが略重なって略ずれなく見えても、変動位置Ｐ１に姿勢を変化させた運転者ＵＮにとって、表示枠ＨＷが対象物ＫＴに対して眼の並ぶ横方向に大きく位置ずれして見えてしまい、表示枠ＨＷを誤認する可能性が高まる。

図８は、移動体用表示システム２００を説明するブロック図であり、移動体用表示システム２００は、その一部として虚像表示装置１００を含む。この虚像表示装置１００は、図３に示す構造を有するものであり、ここでは説明を省略する。図８に示す移動体用表示システム２００は、移動体である自動車等に組み込まれるものである。

移動体用表示システム２００は、虚像表示装置１００のほかに、運転者検出部７１と、環境監視部７２と、主制御装置９０とを備える。

運転者検出部７１は、運転者ＵＮの存在や視点位置を検出する部分であり、運転席用カメラ７１ａと、運転席用画像処理部７１ｂと、運転席画像判断部７１ｃとを備える。運転席用カメラ７１ａは、車体２内のダッシュボード４の運転席正面に設置されており（図１Ｂ参照）、運転者ＵＮの頭部及びその周辺の画像を撮影する。運転席用画像処理部７１ｂは、運転席用カメラ７１ａで撮影した画像に対して明るさ補正等の各種画像処理を行って運転席画像判断部７１ｃでの処理を容易にする。運転席画像判断部７１ｃは、運転席用画像処理部７１ｂを経た運転席画像から対象物の抽出又は切り出しを行うことによって運転者ＵＮの頭部や眼を検出するとともに、運転席画像に付随する奥行情報から車体２内における運転者ＵＮの頭部の存否とともに運転者ＵＮの眼の空間的な位置を算出する。

環境監視部７２は、前方に近接する自動車、自転車、歩行者等を識別する部分であり、外部用カメラ７２ａと、外部用画像処理部７２ｂと、外部画像判断部７２ｃとを備える。外部用カメラ７２ａは、車体２内外の適所に設置されており、運転者ＵＮ又はフロントガラス８の前方、側方等の外部画像を撮影する。外部用画像処理部７２ｂは、外部用カメラ７２ａで撮影した画像に対して明るさ補正等の各種画像処理を行って外部画像判断部７２ｃでの処理を容易にする。外部画像判断部７２ｃは、外部用画像処理部７２ｂを経た外部画像から対象物の抽出又は切り出しを行うことによって自動車、自転車、歩行者等の対象物ＫＴ（例えば図６Ａ参照）の存否を検出するとともに、外部画像に付随する奥行情報から車体２前方における対象物ＫＴの空間的な位置を算出する。ここで、対象物ＫＴの空間的な位置とは、視野に対応する平面内の位置の他に、奥行き方向の位置を含めるものである。

なお、運転席用カメラ７１ａや外部用カメラ７２ａは、図示を省略しているが、例えば複眼型の３次元カメラである。つまり、両カメラ７１ａ，７２ａは、結像用のレンズと、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）その他の撮像素子とを一組とするカメラ素子をマトリックス状に配列したものであり、撮像素子用の駆動回路をそれぞれ有する。各カメラ７１ａ，７２ａを構成する複数のカメラ素子は、例えば奥行方向の異なる位置にピントを合わせるようになっており、或いは相対的な視差を検出できるようになっており、各カメラ素子から得た画像の状態（フォーカス状態、対象物の位置等）を解析することで、画像内の各領域又は対象物までの距離を判定できる。

上記のような複眼型のカメラ７１ａ，７２ａに代えて、２次元カメラと赤外距離センサーとを組み合わせたもの、又はレーザーセンサーを用いても、撮影した画面（死角画像）内の各部に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。また、複眼型のカメラ７１ａ，７２ａに代えて、２つの２次元カメラを分離配置したステレオカメラによって、撮影した画面内の各部（領域又は対象物）に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。その他、単一の２次元カメラにおいて、焦点距離を高速で変化させながら撮像を行うことによっても、撮影した画面内の各部に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。

表示制御部１８は、主制御装置９０の制御下で虚像表示光学系３０を動作させて、ハーフミラーである表示スクリーン（コンバイナー）２０の背後に虚像距離又は投影距離が変化する３次元的な表示像ＩＭを表示させる。表示制御部１８は、表示像（虚像）ＩＭまでの投影距離が長くなるほど隣接する表示像（虚像）ＩＭの表示位置間隔が広くなるように配置変更装置６２を駆動させることにより、複数の表示像（虚像）ＩＭを表示させる。表示制御部１８は、主制御装置９０を介して環境監視部７２から受信した表示形状や表示距離又は位置情報を含む表示情報から、虚像表示光学系３０に表示させる表示像ＩＭを生成する。表示像ＩＭは、例えば表示スクリーン２０の背後に存在する自動車、自転車、歩行者その他の対象物ＫＴに対して、その奥行き位置方向及びこれと直交する方向に関して周辺に位置する表示枠ＨＷ（図６Ｂ参照）のような標識とすることができる。表示制御部１８は、環境監視部７２から表示スクリーン２０の前方に存在する対象物ＫＴの位置情報を受けて、対象物ＫＴの画面内の位置に応じて像形成素子１１の表示位置を調整することによって対象物ＫＴに対して表示像（虚像）ＩＭを重ねて表示させる。これにより、位置情報の入力に応じて対象物ＫＴに対して表示像（虚像）ＩＭの位置を適合させることができる。また、表示制御部１８は、主制御装置９０の制御下で、環境監視部７２から対象物ＫＴの位置情報を受けて、対象物ＫＴの空間的な位置に合わせて投影距離を調整している。これにより、運転者ＵＮの視点がずれても、表示像（虚像）ＩＭの位置が変化する対象物ＫＴの位置からずれることを防ぐことができる。また、表示制御部１８は、配置変更装置６２による中間スクリーン１６の移動に同期して像形成素子１１に画像を表示させる。これにより、投影距離の異なる各虚像についてその表示内容を変えることができ、各位置に存在する可能性のある対象物ＫＴに対応する画像の表示が可能になる。

表示制御部１８は、配置変更装置６２と同期して以下の条件式を満たすように像形成素子１１に画像を表示させる。
１／ｄ_ｎ−１−１／ｄ_ｎ＝ｍ×（１／ｄ_１−１／ｄ_ｍａｘ）／（ｍａｘ−１） … （１）
０．５≦ｍ≦１．５ … （２）
ただし、ｄ_ｎはｎ番目の虚像表示位置であり、ｄ_ｎ−１はｎ−１番目の虚像表示位置であり、ｄ_１は虚像距離が最短の虚像表示位置であり、ｄ_ｍａｘは虚像距離が最長の虚像表示位置であり、ｎは２≦ｎ≦ｍａｘを満たす自然数であり、ｍａｘは虚像表示数である。上記条件式（１）及び（２）を満たすことにより、観察者（運転者ＵＮ）の眼の位置による角度差が略同じとなるように虚像が表示され、観察者の眼の位置による対象物と虚像とのずれがより低減される。これにより、観察者は違和感なく虚像を認識することができる。

上記条件式（１）及び（２）は、アイボックスサイズがある程度小さい場合に成立するものである。ここで、アイボックスサイズが小さいとは、瞳ＨＴと虚像表示位置とがなす角度をθ（図４に示す角度θ１〜θ３に相当）とした場合に、ｔａｎθが角度θで近似できる程度のものを意味する。

表示制御部１８は、主制御装置９０を介して運転者検出部７１から運転者ＵＮの存在や眼の位置に関する検出出力を受け取る。これにより、虚像表示光学系３０による表示像ＩＭの投影の自動的な開始や停止が可能になる。また、運転者ＵＮの目の空間的な位置に応じて表示像ＩＭのみを明るくする、点滅する等の強調を行った投影を行うこともできる。

主制御装置９０は、虚像表示装置１００、環境監視部７２等の動作を調和させる役割を有し、環境監視部７２によって検出した対象物ＫＴの空間的な位置に対応するように、虚像表示光学系３０によって投影される表示枠ＨＷの空間的な配置を調整する。また、主制御装置９０には、虚像表示間隔に関するデータ等が保存されている。虚像表示間隔のデータは、表示像ＩＭを表示させる虚像表示位置又は虚像距離に対応し、上記条件式（１）及び（２）を満たすものである。

以下、図９を参照しつつ、虚像表示装置及び移動体用表示システムの動作について説明する。表示制御部１８及び配置変更装置６２等は、例えば運転者検出部７１における運転者ＵＮの眼の位置に関する検出出力等を受け取ることで動作が開始される。

まず、虚像表示装置１００を初期化する（ステップＳ１１）。具体的には、主制御装置９０の制御下で、配置変更装置６２を動作させて、中間スクリーン１６の位置を初期位置に移動させる。既に説明したように、中間スクリーン１６は、光軸ＡＸ方向に沿って所定の範囲を移動可能となっており、移動範囲の最も下流側から最も上流側の範囲のうち、例えば最も上流側の位置を初期位置としている。また、初期位置を基準として中間スクリーン１６の移動の一定周期において像形成素子１１に画像を表示するタイミングと配置変更装置６２の動作タイミングとを同期させる。この際、予め設定された又は運転者ＵＮによって設定された虚像表示間隔のデータが主制御装置９０から読み出され、同期に利用される。詳細な動作は後述するが、この虚像表示間隔のデータと後述する対象物ＫＴの位置とに基づいて、像形成素子１１の画像表示タイミングが決定される。

次に、対象物ＫＴを探索する（ステップＳ１２）。具体的には、主制御装置９０の制御下で、環境監視部７２を動作させて、対象物ＫＴの存否を検出する。

次に、表示スクリーン２０の表示領域（又は画面）内の対象物ＫＴを検出する（ステップＳ１３）。具体的には、主制御装置９０の制御下で、環境監視部７２を動作させて、対象物ＫＴの空間的な位置（ＸＹＺ座標の位置）を検出する。

次に、対象物ＫＴの空間的な位置、特に運転者ＵＮの瞳ＨＴから対象物ＫＴまでの距離から像形成素子１１に画像を表示するタイミングと表示像（虚像）ＩＭの表示位置とを決定する（ステップＳ１４）。具体的には、主制御装置９０において、環境監視部７２で算出された対象物ＫＴの位置データ等から画像を表示するタイミングと表示像（虚像）ＩＭの表示位置とを決定する。タイミングについては、Ｚ方向に関係するものであり、表示位置については、ＸＹ方向に関係するものである。つまり、対象物ＫＴがどの距離にあるかによって像形成素子１１に表示枠ＨＷ等の画像を表示させるタイミングが決定する。対象物ＫＴの位置と設定された虚像表示位置とが一致する場合には、該当する虚像表示位置に表示像ＩＭが表示されるように画像表示タイミングを決定する。一方、対象物ＫＴの位置と設定された虚像表示位置とが一致しない場合には、設定された虚像表示位置のうち最も近い位置に表示像ＩＭが表示されるように画像表示タイミングを決定する。これにより、運転者ＵＮの視点の位置の変化に起因する角度ずれを低減することができる。

次に、ステップＳ１４で決定したタイミング及び位置の情報に基づいて、画像を像形成素子１１に表示させる（ステップＳ１５）。具体的には、主制御装置９０の制御下で、表示制御部１８を動作させて、像形成素子１１に所定のタイミングで所定の画像を表示させる。この際、表示制御部１８は、主制御装置９０の制御下に基づく配置変更装置６２による中間スクリーン１６の移動に同期して像形成素子１１に画像を表示させている。表示スクリーン２０に対応する画面内であれば、複数の対象物ＫＴに対応する表示像（虚像）ＩＭとして例えば表示枠ＨＷを表示することができる。

ステップＳ１５の後、移動体用表示システムの動作を継続する場合（ステップＳ１６のＹｅｓ）、ステップＳ１２に戻る。

以上で説明した虚像表示装置及び移動体用表示システムは、表示像（虚像）ＩＭまでの距離が長くなるほど表示像（虚像）ＩＭの表示位置間隔が広くなるようにしている。表示スクリーン２０から近い側の虚像と表示スクリーン２０から遠い側の虚像とを観察者（運転者ＵＮ）が見たときの角度差を同程度にすることができるため、虚像の位置間隔を同じにした場合に対して虚像の表示数を少なくしてもよく、対象物ＫＴの表示位置からずれて存在する場合でも、観察者（運転者ＵＮ）の眼の位置による対象物ＫＴと表示像（虚像）ＩＭとのずれを低減することができ、より安全な運転支援システムを実現することができる。したがって、観察者（運転者ＵＮ）の視点がずれても危険信号等の虚像と実物（対象物ＫＴ）との位置関係が大きくずれないため、観察者（運転者ＵＮ）の誤認を防ぐことができる。

〔実施例〕
以下、本発明に係る虚像表示装置（又はヘッドアップディスプレイ装置）の具体的な実施例を示す。
以下に示す実施例のデータにおいて、Ｓｉ（ｉ＝０，１，２，３，…）は、表示像ＩＭを形成する虚像面側から数えてｉ番目の面（表示像ＩＭの虚像面を第０番目の面とする）を示している。虚像面に対応する第０面Ｓ０に続く第１及び第２面Ｓ１，Ｓ２は、仮想的な面であり、第３面Ｓ３は、瞳ＨＴに相当する（図５参照）。

各面Ｓｉの配置は、面頂点座標（ｘ，ｙ，ｚ）と回転角度（ＡＤＥ）とでそれぞれ特定される。各面Ｓｉの面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点として、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）で表されている（単位はｍｍ）。また、各面Ｓｉの傾きは、その面頂点を中心とするＸ軸回りのＡＤＥ又は回転角度（α回転）で表されている。また、各面Ｓｉの傾きは、その面頂点を中心とするＹ軸回りのＢＤＥ又は回転角度（β回転）でも表されている。なお、回転角度の単位は、°であり、Ｘ軸の正方向から見て時計回りの方向がα回転の回転角度の正方向とし、Ｙ軸の正方向から見て時計回りの方向がβ回転の回転角度の正方向とする。また、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）は、瞳ＨＴ又は瞳面（第３面Ｓ３）のローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と一致した絶対座標系になっている。すなわち、各面Ｓｉの配置データは、瞳面中心を原点としたグローバル座標系で表現される。なお、瞳面（第３面Ｓ３）では、表示スクリーン２０から瞳ＨＴに向かう方向が＋Ｚ方向又は＋ｚ方向であり、瞳ＨＴに対して上方向が＋Ｙ方向又は＋ｙ方向であり、表示スクリーン２０から瞳ＨＴに向かう方向から見て左方向が＋Ｘ方向又は＋ｘ方向である。

各実施例において、虚像形成光学系１７に対応する第５面Ｓ５及び第６面Ｓ６は、自由曲面であり、その自由曲面形状は、光学面の頂点を原点とし、光軸方向にＺ軸をとり、Ｚ軸に平行な面のサグ量をＺとして以下の「数１」で表す。
〔数１〕

ただし、
Ｚ ：Ｚ軸に平行な面のサグ量
ｃ ：頂点曲率（ｃ＝１／Ｒ）
ｋ ：円錐定数又はコーニック定数
Ｃ_ｊ：Ｘ^ｍＹ^ｎの係数
Ｒ ：Ｙ曲率半径

以下、本発明の虚像表示装置であるヘッドアップディスプレイ装置の具体的な実施例を説明する。

〔実施例１〕
実施例１のヘッドアップディスプレイ装置の基本的な仕様を以下の表１に示す。
〔表１〕

実施例１の光学面等のデータを以下の表２に示す。
〔表２〕

実施例１のミラー部分の面データを以下の表３に示す。表中の「＊」は積を表し、「＾」はべき乗を表すものとする。
〔表３〕

実施例１において、図１０に示すように、虚像表示数ｍａｘが６の場合の各虚像の虚像距離を以下の表４に示す。
〔表４〕

表４に示す虚像距離は、条件式（１）の値１／ｄ_ｎ−１−１／ｄ_ｎが０．０３７となり、ｍ＝１のときの条件式（１）の値ｍ×（１／ｄ_１−１／ｄ_ｍａｘ）／（ｍａｘ−１）と一致する。

〔実施例２〕
実施例２のヘッドアップディスプレイ装置の虚像表示数ｍａｘが６の場合の各虚像の虚像距離を以下の表５に示す。なお、実施例２のヘッドアップディスプレイ装置の構成は、実施例１のヘッドアップディスプレイ装置の構成と同様である。
〔表５〕

表５に示す虚像距離は、条件式（１）の値１／ｄ_ｎ−１−１／ｄ_ｎが０．００７５となり、ｍ＝１のときの条件式（１）の値ｍ×（１／ｄ_１−１／ｄ_ｍａｘ）／（ｍａｘ−１）と一致する。

以上では、具体的な実施形態としての虚像表示装置について説明したが、本発明に係る虚像表示装置は、上記のものには限られない。例えば、上記実施形態において、虚像表示装置１００の配置を上下反転させて、フロントガラス８の上部又はサンバイザー位置に表示スクリーン２０を配置することもできる。この場合、描画ユニット１０の斜め下方前方に表示スクリーン２０が配置される。上記実施形態では表示スクリーン２０を平面としたが、曲面でも、曲面をさらに傾けたものでも、対称性をもたない自由曲面であってもよい。

上記実施形態において、表示スクリーン２０の輪郭は、矩形に限らず、様々な形状とすることができる。

図３等に示す本体光学系１３は、単なる例示であり、これら本体光学系１３の光学的構成については適宜変更することができる。例えば、結像光学系１５中に中間像ＴＩの前段としての中間像を追加で形成することができる。虚像形成光学系１７の光路中において、光学的なパワーを持たない１つ以上のミラーを配置してもよい。この場合、折り返しによる描画ユニット１０等の小型化に有利になる場合もある。

上記実施形態において、表示像（虚像）ＩＭの表示位置は、上記実施例で例示した６か所に限らず、適当数に設定することができる。また、表示像ＩＭの表示は、位置を変化させて連続的又は断続的に設定することもできる。

また、上記実施形態において、描画デバイスである像形成素子１１として、ＬＣＤを用いたが、他の種類の表示素子、例えば有機ＥＬを用いてもよい。この場合、虚像表示装置１００を軽量化することができる。また、像形成素子１１は、ＤＭＤやＬＣＯＳ等の反射型の素子であってもよい。特に、像形成素子１１としてＤＭＤを用いると、明るさを維持しつつ画像を高速で切り替えることが容易になり、虚像距離又は投影距離を変化させる表示に有利である。また、像形成素子１１は、反射型の素子の代わりに、ＭＥＭＳを利用した走査型の映像素子を用いてもよい。

また、上記実施形態において、虚像形成光学系１７には、２枚のミラーを設けたが、１枚又は３枚以上のミラーを設けてもよい。また、ミラーを省略してもよい。また、ミラーの光学面は対称性がある自由曲面としているが、これに限るものではなく、対称性を持たない自由曲面でもよい。

また、上記実施形態において、コンバイナーを設けずに、フロントウインドウを形成するフロントガラス８又はウインドシールドの運転席正面に設けた矩形の反射領域の内側に表示スクリーン２０を貼り付けてもよい。なお、表示スクリーン２０は、フロントガラス８内に埋め込むこともできる。

上記実施形態では、中間スクリーン１６を光軸ＡＸに沿って移動させることで投影される表示像ＩＭの位置を変化させたが、以下のように、他の手法を用いて表示像ＩＭの位置を変化させてもよい。

例えば、図１１Ａ及び１１Ｂに示すように、中間スクリーン１１６は、樹脂やガラスで形成された回転体としてもよい。この中間スクリーン１１６は、配置変更装置６２に設けた回転駆動装置に駆動されて回転軸ＲＸ周りに一定速度で回転する。中間スクリーン１１６は、複数の厚みが異なる階段状の部分領域１６ａ〜１６ｆを有し、これらの部分領域１６ａ〜１６ｆは、中間スクリーン１１６の回転に伴って結像光学系１５によって形成される中間像ＴＩの位置に順次配置される。配置変更装置６２によって中間スクリーン１１６を回転軸ＲＸ周りに移動させることで、虚像形成光学系１７によって表示スクリーン（コンバイナー）２０の背後に形成される表示像ＩＭと運転者ＵＮとの距離を長く、又は短くすることができる。このように、投影される表示像ＩＭの位置を前後に変化させるとともに、表示内容をその位置に応じたものとすることで、表示像ＩＭまでの虚像距離を変化させつつ表示像ＩＭを変化させることになり、一連の投影像としての表示像ＩＭを３次元的なものとすることができる。

中間スクリーン１１６は、空気換算した光路長を例えば６段階で変化させる役割を有する。中間スクリーン１１６は、表示領域に形成された中間像ＴＩの反対側に配置される射出面１６ｇ〜１６ｌが階段状となっている。一方、中間スクリーン１１６は、結像光学系１５側又は光路前段側において、単一の平面である入射面１６ｍを有している。中間像ＴＩは、中間スクリーン１１６から光路前段にかけての表示領域に結像され、具体的には、中間スクリーン１１６すなわち入射面１６ｍは、中間像ＴＩの結像位置から±１ｍｍ以内に配置されている。中間スクリーン１１６の入射面１６ｍは、拡散機能を有している。入射面１６ｍは、例えば磨りガラス状の面に加工されている。なお、拡散機能に対応する磨りガラス面の部分は、例えば別部品として中間スクリーン１１６の入射面１６ｍ上に貼り付けることができる。入射面１６ｍ上に貼り付ける別部品としては、磨りガラス板、拡散板、マイクロレンズアレイ等を用いることができる。

また、上記中間スクリーン１１６は、回転体を回転させる構成に限らず、適宜構成を変更することができる。例えば、図１１Ｃ及び１１Ｄに示すように、中間スクリーン２１６を矩形板状の階段状構造体とし、この中間スクリーン２１６を不図示の配置変更装置によって光軸ＡＸに垂直な上下方向に沿って所望の位置に移動させる。中間スクリーン２１６は、光軸ＡＸに垂直な方向に配列された複数の部分領域２１６ａ〜２１６ｃ（図示の例では３つ）を有し、各部分領域２１６ａ〜２１６ｃは、表示領域に形成された中間像ＴＩに対応するサイズ及び輪郭形状を有している。これらの部分領域２１６ａ〜２１６ｃは、光軸ＡＸ方向の厚みが互いに異なるものとなっている。なお、中間スクリーン２１６を固定的に配置して、中間像ＴＩを複数の部分像として上下のＺ方向に分割してもよい。

また、上記実施形態において、本体光学系１３は、結像光学系１５を省略し、像形成素子１１と虚像形成光学系１７とで構成してもよい。この場合、拡散機能を有する中間スクリーンの代わりに拡散機能を有しない中間スクリーンを配置し、図３で中間像ＴＩの位置付近に、つまり中間スクリーンの光路前段に、像形成素子１１の表示面１１ａが配置される。像形成素子１１の表示面１１ａは、そのまま表示領域となっており、表示面１１ａに形成された像が虚像形成光学系１７等によって直接的に表示像（虚像）ＩＭとして拡大投影される。

また、上記実施形態において、中間スクリーン１６を省略してもよい。この場合、像形成素子１１を配置変更装置６２によって光軸ＡＸに沿って移動させることができ、配置変更装置６２は、例えば１５Ｈｚ以上の速度で像形成素子１１を移動させる。この場合、観察者（運転者ＵＮ）の知覚を超える速さのため、観察者は投影距離の異なる虚像を略同時に認識することができる。また、結像光学系１５の構成配置を変化させるによって中間像ＴＩの位置を移動させてもよい。

以上で説明した虚像表示装置１００は、自動車やその他移動体に搭載される投影装置に限らず、デジタルサイネージ等に組み込むことができるが、これら以外の用途に適用することもできる。

Claims (10)

1. 描画デバイスの像を拡大する投影光学系と、表示スクリーンとを備える虚像表示装置であって、
   前記投影光学系の構成配置を変化させることによって前記虚像までの投影距離を変化させる配置変更装置と、
   前記投影距離が長くなるほど前記虚像の表示位置間隔が広くなるように前記配置変更装置を駆動させることにより、前記投影距離の異なる複数の前記虚像を表示させる表示制御部と、
   を備える虚像表示装置。
2. 表示制御部は、前記配置変更装置と同期して以下の条件式を満たすように前記描画デバイスに画像を表示させる、請求項１に記載の虚像表示装置。
   １／ｄ_ｎ−１−１／ｄ_ｎ＝ｍ×（１／ｄ_１−１／ｄ_ｍａｘ）／（ｍａｘ−１） … （１）
   ０．５≦ｍ≦１．５ … （２）
   ただし、
   ｄ_ｎ：ｎ番目の虚像表示位置
   ｄ_ｎ−１：ｎ−１番目の虚像表示位置
   ｄ_１：虚像距離が最短の虚像表示位置
   ｄ_ｍａｘ：虚像距離が最長の虚像表示位置
   ｎ：２≦ｎ≦ｍａｘを満たす自然数
   ｍａｘ：虚像表示数
3. 前記投影光学系は、中間スクリーンを有し、
   前記配置変更装置は、前記中間スクリーンを前記光軸方向に移動させる、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
4. 前記配置変更装置は、１５Ｈｚ以上の速度で前記中間スクリーンを移動させる、請求項３に記載の虚像表示装置。
5. 前記配置変更装置は、前記描画デバイスを前記光軸方向に移動させる、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 前記配置変更装置は、１５Ｈｚ以上の速度で前記描画デバイスを移動させる、請求項５に記載の虚像表示装置。
7. 前記表示制御部は、前記表示スクリーンの前方に存在する対象物の位置情報を受けた場合に、前記対象物の画面内の位置に応じて前記描画デバイスの表示位置を調整することによって前記対象物に対して前記虚像を重ねて表示させる、請求項１から６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
8. 前記表示制御部は、前記対象物の位置情報を受けた場合に、前記対象物の空間的な位置に合わせて前記投影距離を調整する、請求項７に記載の虚像表示装置。
9. 前記描画デバイスは、６０ｆｐｓ以上のフレームレートで動作する、請求項１から８までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
10. 請求項１から９までのいずれか一項に記載の虚像表示装置と、
    前記対象物の空間的な位置を検出する環境監視部と、
    を備える移動体用表示システム。

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