JPWO2019220767A1 - 虚像投影光学系及び表示装置 - Google Patents

Abstract

複数の距離に明るい虚像を同時表示させることができる虚像投影光学系を提供する。虚像投影光学系である本体光学系１３は、表示デバイスである像形成素子１１によって形成された画像を表示スクリーン２０越しに虚像投影して表示させるものであって、中間像ＴＩの形成位置に配置される中間スクリーン１６と、中間スクリーン１６より像形成素子１１側に配置される投影光学系１５と、中間スクリーン１６より表示スクリーン２０側に配置される虚像生成光学系１７と、中間スクリーン１６を光軸ＡＸ２方向に移動させる配置変更装置６２とを備え、虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ３は、中間スクリーン１６に対して傾斜し、投影光学系１５の光軸ＡＸ２は、画像の光軸ＡＸ１から画像の光軸ＡＸ１に垂直な方向にシフトした位置に配置される。

Description

本発明は、虚像を同時表示させる虚像投影光学系及び当該虚像投影光学系を有する表示装置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）装置は、虚像を運転者からある一定の距離離れた位置に生成することが一般的である。そもそもＨＵＤ装置を車に搭載する目的は、運転者の視線やピント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ことであるが、車速の低速時と高速時とで運転者の眼のピント位置が異なるため、虚像の距離が固定であるとピント合わせの時間が必要となる。そのため、わずかな時間ではあるが、運転者が前方に注意が向かない時間が生じる。高速走行時にはわずかな時間でも移動距離としては大きいため、この時間のロスによって危険な状況に陥るおそれがある。

上記のような課題に対する解決手段として、例えば特許文献１に記載のＨＵＤ装置が開示されている。特許文献１のＨＵＤ装置では、ＭＥＭＳ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、スクリーン位置を変える可動手段とにより、虚像の位置を変化させている。本構成であれば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ができる。

しかし、従来はスピードメーターやナビ等の簡素な表示に限られていたＨＵＤ装置であるが、昨今は拡張現実（ＡＲ）を利用したＡＲ ＨＵＤが注目を集めつつある。これは、例えばスピードメーターやナビに加え、前方の危険因子（対向車や歩行者等）へマーキングを表示し、運転者に事前に危険を察知させるようなシステムである。特許文献１のＨＵＤ装置のような走査型の表示手段を用いる構成では、フレームレートの高速化が難しく、ある距離へ１レイヤーでの虚像表示しかできず、危険因子が距離の違う場所に存在していた場合に複数距離への同時表示が困難である。たとえ複数のレイヤーを同時に表示できたとしても、虚像の明るさとしては表示手段から発せられた明るさをレイヤー数で割ったものとなり、虚像の輝度は暗くなる傾向にある。

特開２００９−１５０９４７号公報

本発明は、複数の距離に明るい虚像を同時表示させることができる虚像投影光学系を提供することを目的とする。

また、本発明は、上記虚像投影光学系を有する表示装置を提供することを目的とする。

上記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投影光学系は、表示デバイスによって形成された画像を表示スクリーン越しに虚像投影して表示させるものであって、中間像の形成位置に配置される中間スクリーンと、中間スクリーンより表示デバイス側に配置される投影光学系と、中間スクリーンより表示スクリーン側に配置される虚像生成光学系と、中間スクリーンを光軸方向に移動させる配置変更装置とを備え、虚像生成光学系の光軸は、中間スクリーンに対して傾斜し、投影光学系の光軸は、画像の光軸から画像の光軸に垂直な方向にシフトした位置に配置される。ここで、中間スクリーンは、中間像の形成位置だけでなく、当該位置の近傍に配置される場合も含む。また、虚像投影光学系内の光軸は、説明の都合上、構成要素毎に定義する。つまり、画像の光軸は、表示デバイスで形成される画像の中心を通る軸であり、投影光学系の光軸は、投影光学系の対称軸であり、虚像生成光学系の光軸は、中間像の中心とアイボックスの中心と虚像の中心とを通る軸である。

図１Ａは、第１実施形態の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、表示装置を説明する車内側からの正面図である。 表示装置の具体的な構成例を説明する拡大側方断面図である。 表示装置のうち虚像投影光学系等を拡大した図である。 第１実施形態の虚像投影光学系等の光線の状態を示す図である。 比較例の虚像投影光学系等の光線の状態を示す図である。 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。 具体的な表示状態を説明する斜視図である。 図８Ａ及び８Ｂは、第３実施形態の表示装置に組み込まれる中間スクリーンを説明する平面図及び側方断面図であり、図８Ｃは、中間スクリーンの回転に伴う機能領域の移動を説明する図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る虚像投影光学系及び表示装置について説明する。

図１Ａ及び１Ｂは、本実施形態の表示装置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。この表示装置（画像表示装置）１００は、例えばヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）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。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）にＵＮ向けて虚像表示するものである。

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に向けて出射する。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させる。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。

図１Ａ及び図２に示すように、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ＥＢ（図２参照）に導かれる。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２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２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ＥＢ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（虚像投影光学系）１３は、像形成素子（表示デバイス）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を形成可能な投影光学系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生成光学系１７とを備える。詳細は後述するが、虚像投影光学系である本体光学系１３によって、虚像投影距離が可変となっている。

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のうち投影光学系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、虚像生成光学系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の切替えを比較的高速とできる。像形成素子１１には、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Mirror Device）や反射型液晶デバイス（ＬＣＯＳ：Liquid crystal on silicon）を用いることができる。像形成素子１１としてＤＭＤやＬＣＯＳ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（高速の間欠表示を含む）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。なお、像形成素子１１は、虚像を複数距離に投影する場合の虚像１距離あたり例えば３０ｆｐｓ以上、好ましくは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（虚像）ＩＭを運転者ＵＮに対して同時に表示されているように見せることが容易になる。

投影光学系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。投影光学系１５のＦ値は、２．０以上となっている。投影光学系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（拡散面１６ｍ）に近接した位置に中間像ＴＩ（又は入射面（拡散面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、投影光学系１５は、絞り１５ａを有する。投影光学系１５の絞りはレンズ系のどこに配置されていてもよい。本実施形態において、投影光学系１５から出射された光は、折り曲げミラー１５ｂによって折り曲げられ、中間スクリーン１６に入射する。

中間スクリーン１６は、拡散角を所望の角度に制御した部材であり、結像位置（つまり中間像ＴＩの結像予定位置（中間像形成位置）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（投影光学系１５の光軸ＡＸ２を基準とする）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。中間スクリーン１６には、例えば拡散板、拡散スクリーン、マイクロレンズアレイ等を用いることができる。中間スクリーン１６によって、アイボックスサイズを拡大することができる。中間像ＴＩは、中間スクリーン１６上の表示領域に結像される。中間スクリーン１６の入射面（拡散面１６ｍ）は、拡散機能を有している。入射面（拡散面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、投影光学系１５の焦点深度内で移動する。

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。つまり、中間スクリーン１６の位置は可変となっている。本例の場合、中間スクリーン１６の移動の基準軸となる光軸ＡＸとは、投影光学系１５の対称軸である光軸ＡＸ２に対応する軸である。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、虚像生成光学系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、また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（虚像投影光学系）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、投影光学系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。つまり、焦点深度内の移動であれば、中間スクリーン１６の位置が高速で変化しても常に中間像ＴＩは解像しているとみなすことができる。そのため、鮮明な３次元拡張現実ヘッドアップディスプレイ（３Ｄ ＡＲ ＨＵＤ）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以上又は３０Ｈｚ以上の速度で中間スクリーン１６を移動させる。高速性を有する像形成素子１１の表示と同期して高速で中間スクリーン１６を駆動することにより、人間の目で判別が困難なほど高速に複数の距離に虚像を表示することができる。これにより、表示像（虚像）ＩＭが複数の距離に同時に表示されているように見せることができる。

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。中間スクリーン１６が移動範囲の最も上流側（つまり、投影光学系１５に最も近い側）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（つまり、投影光学系１５から最も遠い側）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。

虚像生成光学系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。虚像生成光学系１７は、反射光学系を有し、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。

図３及び図４（図中の実線部分）に示すように、虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ３は、中間スクリーン１６に対して傾斜している。また、虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ３上の光に対応する光線において、像形成素子１１の中心又は画像の光軸ＡＸ１から出射された光の中間スクリーン１６への入射光の主光線である光線ＩＬは、中間スクリーン１６に対して傾斜して入射する。ここで、虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ３は、中間像ＴＩの中心と、アイボックスＥＢの中心と、表示像（虚像）ＩＭの中心とを通る軸である。図３に拡大して示すように、中間スクリーン１６から虚像生成光学系１７への例えば出射光の主光線である光線ＯＬの出射角θ２が−Ｚ側に傾いて０より大きくなっている。また、投影光学系１５から中間スクリーン１６への例えば入射光の主光線である光線ＩＬの入射角θ１が＋Ｚ側に傾いて０より大きくなっている。投影光学系１５の光軸ＡＸ２を画像の光軸ＡＸ１から画像の光軸ＡＸ１に垂直な方向にシフトした位置に配置すると、虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ３上の光に対応する光線において、画像中心から発せられた光の中間スクリーン１６への入射光の主光線である光線ＩＬは、中間スクリーン１６に対して傾斜して入射することになる。投影光学系１５の光軸ＡＸ２は、虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ３の傾斜方向に対応する方向にシフトする。ここで、画像の光軸ＡＸ１は、像形成素子１１で形成される画像の中心を通る軸である。また、投影光学系１５の光軸ＡＸ２は、投影光学系１５の対称軸である。具体的には、投影光学系１５の光軸ＡＸ２は、像形成素子１１で形成される画像の光軸ＡＸ１（表示に使用している領域の中心）から画像の光軸ＡＸ１に垂直な方向（具体的には、例えば−Ｙ方向）に距離ｄ１だけ相対的にシフトした位置に配置される。ここで、投影光学系１５のシフトの基準軸は、画像の光軸ＡＸ１及び投影光学系１５をシフトさせる前の光軸ＡＸ２'である（図４参照）。本体光学系１３を上記のような構成とすることにより、表示像ＩＭの輝度の低下を抑えることができる。なお、投影光学系１５が光軸ＡＸ１又は光軸ＡＸ２'からシフトすると、中間スクリーン１６に形成される中間像ＴＩは、投影光学系１５をシフトさせない場合と比較して、虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ３の傾斜方向に対応する奥行き方向（本実施形態では、虚像側又は−Ｚ方向）に距離ｄ２だけずれる。これを相殺するため、像形成素子１１、投影光学系１５、及び折り曲げミラー１５ｂを全体として虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ３の傾斜方向とは反対方向に対応する奥行き方向（本実施形態では、アイボックスＥＢ側又は＋Ｚ方向）に投影光学系１５の相対的なシフトによる中間像ＴＩのずれ量である距離ｄ２だけ移動させた位置に配置する（図４の矢印Ａ参照）。これにより、投影光学系１５の像形成素子１１に対するシフトに起因する中間像ＴＩのずれを補正することができる。

投影光学系１５のシフト量は、以下の式によって求められる。
ｙ＝ｆ×ｔａｎθ
ただし、
ｙ：像形成素子１１で形成される画像の光軸ＡＸ１に対する投影光学系１５のシフト量
ｆ：投影光学系１５の焦点距離
θ：中間スクリーン１６の前後における角度ずれ量
なお、角度ずれ量は、本体光学系１３によって決定されるものであり、主光線を基準としている。具体的には、角度ずれ量は、｜θ１−θ２｜で求められる。

本実施形態において、中間スクリーン１６の拡散特性は、縦方向及び横方向に対応する方向で拡散特性が略同じとなっている。つまり、中間スクリーン１６は、等方拡散特性を有しており、アイボックスＥＢ（図２参照）の横方向又はＸ方向に対応し拡散面１６ｍ上での第１方向であるＸ方向と、それに直交するアイボックスＥＢの縦方向又はＹ方向に対応し拡散面１６ｍ上での第２方向であるＺ方向とで、拡散度が略同じとなっている。

本実施形態において、像形成素子１１の中心から出射した光の中間スクリーン１６への入射角θ１と、虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ３との角度ずれ（｜θ１−θ２｜）は、直交する縦方向及び横方向に対応する２方向に関してともに６度以下となっている。ここで、像形成素子１１の中心から出射した光は、像形成素子１１の光軸ＡＸ１を通過するものである。理想的な本体光学系１３においては、中間スクリーン１６前後の主光線の角度ずれが０であることが望ましい。しかし、部品の寸法誤差や組立て誤差等を考慮すると設計通りに角度ずれを０の状態に調整することが難しい。そのため、角度のずれにもある程度マージンが必要であり、上記の角度範囲であれば輝度の低下もそれほど大きくなく許容範囲となる。また、中間スクリーン１６としては、コストの観点から本実施形態で例示した等方的な拡散特性を有する拡散スクリーンが用いられることが多い。一般的に、アイボックスＥＢは横長に設定されるため、中間スクリーン１６の拡散度はアイボックスＥＢの横方向で必要な拡散角から決定される。そのため、拡散特性としてはブロードなものとなり、縦方向に対してもずれの許容量としては大きくなる。例えば横方向のアイボックスサイズが１５０ｍｍ程度の場合、中間スクリーン１６の有するべき拡散特性としては拡散度３０°以上が必要であり、この場合６度の角度ずれがあっても強度変化は１０％未満に抑えることが可能である。ここで拡散度３０°とは±１５°における強度がピークの半値となるガウス分布を仮定している。なお、上記角度ずれは、縦方向及び横方向ともに４度以下とするとより好ましい。この場合の強度変化は５％以内とすることができる。

なお、比較例として、図５及び図４（図中の点線部分）に示すように、投影光学系１５が、像形成素子１１で形成される画像の光軸ＡＸ１から画像の光軸ＡＸ１に垂直な方向にシフトした位置に配置されていない場合、許容範囲を超えた角度ずれが生じ、位置によって表示像ＩＭの輝度が低下する。

図２に戻って、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６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、その一部として表示装置１００を含む。この表示装置１００は、図２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６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、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オブジェクトの抽出又は切り出しを行うことによって運転者ＵＮの頭部や目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の目の空間的な位置（結果的に視線の方向）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オブジェクト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（例えば図７に示すオブジェクトＯＢ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の空間的な位置を算出する。

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、オブジェクトの位置等）を解析することで、画像内の各領域又はオブジェクトまでの距離を判定できる。

なお、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を用いても、撮影した画面内の各部（領域又はオブジェクト）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（領域又はオブジェクト）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、表示スクリーン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、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に対してその奥行き位置方向に関して周辺に位置する表示枠（図７に示す表示枠ＨＷ参照）のような標識とすることができる。

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の存在や目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の視線の方向のみに表示像ＩＭの投影を行うこともできる。さらに、運転者ＵＮの視線の方向の表示像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、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の空間的な配置を調整する。

図７は、具体的な表示状態を説明する斜視図である。観察者である運転者ＵＮの前方は観察視野に相当する検出領域ＶＦとなっている。検出領域ＶＦ内、つまり道路及びその周辺に、歩行者等である人のオブジェクトＯＢ１や、自動車等である移動体のオブジェクトＯＢ２が存在すると考える。この場合、主制御装置９０は、表示装置１００によって３次元的な表示像（虚像）ＩＭを投影させ、各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３に対して関連情報像としての表示枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を付加する。この際、運転者ＵＮから各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの距離が異なるので、表示枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を表示させる表示像（投影像）ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３までの投影距離は、運転者ＵＮから各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの距離に相当するものとなっている。なお、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の投影距離は、離散的であり、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの現実の距離に対して正確に一致させることはできない。ただし、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の投影距離と、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの現実の距離との差が大きくなければ、運転者ＵＮの視点が動いても視差が生じにくく、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３と表示枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３との配置関係を略維持することができる。

以上において、中間スクリーン１６に対する虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ３の傾きは、その視野角やアイボックスサイズ等の仕様、ＨＵＤ装置を搭載する車に依存した配置的な制約等によって決定されるものであり、中間スクリーン１６に対して垂直なものになるとは限らない。一方、投影光学系１５はその光軸が像形成素子１１で形成される画像の光軸ＡＸ１と合致するように配置されるのが一般的であるため、画像の中心から発せられた光は中間スクリーン１６に垂直に入射することになる。この場合、中間スクリーン１６前後において主光線の入射角θ１及び出射角θ２にずれが生じてしまう。中間スクリーン１６には十分なアイボックスＥＢを確保するために拡散シート等が用いられるが、その拡散特性は光の入射する角度方向にピークを持つガウス分布であるため、中間スクリーン１６前後で角度ずれがあると表示像（虚像）ＩＭの輝度が低下するという問題がある。つまり、中間スクリーン１６から発せられる拡散光のピークから外れたところが虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ３となり、表示像（虚像）ＩＭの輝度が低下する。また、中間スクリーン１６の拡散特性を、アイボックス確保のために必要な拡散角に光軸のずれ分を乗じたものとするため拡散度が大きくなることも輝度低下の要因となる。

以上で説明した虚像投影光学系及び表示装置では、投影光学系１５を画像の光軸ＡＸ１からシフトさせて配置することによって、画像の中心から発せられた光を投影光学系１５を介して中間スクリーン１６に対して虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ３方向に対応して傾いた所定の角度をもって入射させることができ、中間スクリーン１６前後での主光線の入射角θ１及び出射角θ２を略一致させることができる。これにより、虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ３を中間スクリーン１６から発せられる拡散光のピーク強度方向に略一致させることができるため、アイボックスサイズを十分確保しつつ、表示像（虚像）ＩＭの輝度を高めることができる。また、中間スクリーン１６の拡散特性もアイボックス確保のために必要な拡散角とすることができる。

〔実施例〕
以下、本発明に係る虚像投影光学系及び表示装置の具体的な実施例を示す。

図３及び図４に示すように、投影光学系１５は、像形成素子１１に対してその画像の光軸ＡＸ１に垂直な方向（つまり、−Ｙ方向）に２．２１ｍｍだけシフトして配置される。このままでは、中間像ＴＩが虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ３の傾斜方向に対応する奥行方向（つまり、−Ｚ方向）に１５．６２ｍｍだけずれる。そのため、像形成素子１１、投影光学系１５、及び折り曲げミラー１５ｂは、これらを一体的に虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ３の傾斜方向とは反対方向に対応する奥行方向（つまり、＋Ｚ方向）に１５．６２ｍｍだけ移動させることで、中間像ＴＩのずれを補正するように配置される。

図３において、符号ＨＫ１は表示像（虚像）ＩＭの下端に対応する表示光を示し、符号ＨＫ２は表示像（虚像）ＩＭの中心に対応する表示光を示し、符号ＨＫ３は表示像（虚像）ＩＭの上端に対応する表示光を示す。投影光学系１５から中間スクリーン１６に入射する光の入射角θ１は、中間スクリーン１６から出射する光の出射角θ２と略一致している。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る虚像投影光学系等について説明する。なお、第２実施形態の虚像投影光学系等は第１実施形態の虚像投影光学系等を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。

本実施形態において、中間スクリーン１６の拡散特性は、縦方向及び横方向に対応する２方向で拡散特性が異なるものとなっている。つまり、中間スクリーン１６は、楕円拡散特性を有しており、アイボックスＥＢの横方向又はＸ方向に対応し拡散面１６ｍ上での第１方向であるＸ方向と、それに直交するアイボックスＥＢの縦方向又はＹ方向に対応し拡散面１６ｍ上での第２方向であるＺ方向とで、拡散度が異なるものとなっている。

本実施形態において、像形成素子１１の中心から出射した光の中間スクリーン１６への入射角θ１と、虚像生成光学系１７の光軸ＡＸ３との角度ずれは、直交する縦方向及び横方向に対応する２方向のうち、横方向に対応する方向で６度以下であり、縦方向に対応する方向で３度以下となっている。理想的な本体光学系１３においては、中間スクリーン１６前後の主光線の角度ずれが０であることが望ましい。しかし、部品の寸法誤差や組立て誤差等を考慮すると設計通りに角度ずれを０の状態に調整することが難しい。そのため、角度のずれにもある程度マージンが必要であり、上記の角度範囲であれば輝度の低下もそれほど大きくなく許容範囲となる。また、一般的に、アイボックスＥＢは縦横比が２〜３：１で設定されるため、中間スクリーン１６が有するべき拡散特性もそのような縦横比率とすることが望ましい。この場合、縦方向の拡散特性は横方向に比べて尖った分布となるため、角度ずれに対する感度が大きい。そのため、縦方向の角度ずれの許容量は横方向の許容量より小さく設定することが望ましい。例えばアイボックスの縦横比を１：２とした場合、縦横の拡散度はそれぞれ１５°、３０°以上が必要となる。この場合縦方向３度以下、横方向６度以下の角度ずれに抑えることにより強度変化は１０％以内に抑えられる。なお、上記角度ずれは、横方向で４度以下、縦方向で２度以下とするとより好ましい。この場合の強度変化は縦横ともに５％以内に抑えることができる。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係る虚像投影光学系等について説明する。なお、第３実施形態の虚像投影光学系等は第１実施形態の虚像投影光学系等を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。本実施形態の場合、図１に示す往復型の中間スクリーン１６等に代えて回転型の中間スクリーンを含む拡散部を配置する。

図８Ａ及び８Ｂに示すように、拡散部１９は、全体として円板に近い輪郭を有する螺旋状の回転体１９ａと、回転体１９ａを収納する円筒状の中空枠体１９ｂとを有する。拡散部１９は、図１に示す投影光学系１５による投影位置又は結像位置（つまり中間像の結像予定位置又はその近傍）に配置され、不図示の回転駆動部に駆動されて例えば一定速度で光軸ＡＸに平行な基準軸ＳＸの周りに回転する。

回転体１９ａは、中間スクリーン１６であり、中央部１９ｃと外周光学部１９ｐとを有する。回転体１９ａの外周光学部１９ｐに形成された一方の表面１９ｆは、平滑面又は光学面に形成されており、表面１９ｆ上には、全域に亘って拡散面１６ｍが形成されている。拡散面１６ｍは、配光角を所望の角度に制御する部分である。拡散面１６ｍは、回転体１９ａに貼り付けられるシートとできるが、回転体１９ａの表面に形成された微細な凹凸パターンであってもよい。さらに、拡散面１６ｍは、回転体１９ａの内部に埋め込むように形成されたものであってもよい。拡散面１６ｍは、入射した表示光ＨＫを拡散させることによって中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ'を形成する。回転体１９ａの外周光学部１９ｐに形成された他方の表面１９ｓは、平滑面又は光学面に形成されている。回転体１９ａは、光透過性を有する螺旋状の部材であり、一対の表面１９ｆ，１９ｓは、基準軸ＳＸを螺旋軸とする螺旋面となっている。結果的に、一方の表面１９ｆ上に形成された拡散面１６ｍも連続的な螺旋面に沿って形成されたものとなっている。回転体１９ａ又は中間スクリーン１６は、基準軸ＳＸ又は光軸ＡＸ方向に関してほぼ等しい厚みｔを有する。拡散面１６ｍは、螺旋の一周期に対応する範囲に形成されている。つまり、拡散面１６ｍは、螺旋の１ピッチ分の範囲に形成されている。この結果、拡散部１９の周に沿った一箇所に段差部１９ｊが形成されている。中間スクリーン１６をこのような形状とすることで、中間スクリーン１６に設けた拡散面１６ｍの光軸ＡＸ方向の位置を連続的に変化させることが可能となり、虚像投影距離を変化させる投影が可能となる。

回転体１９ａにおいて、周方向に沿った一箇所は、本体光学系１３の光軸ＡＸが通る機能領域ＦＡとなっており、機能領域ＦＡにおける拡散面１６ｍの部分によって中間像ＴＩ（より正確には強制中間像ＴＩ'）が形成される。この機能領域ＦＡは、回転体１９ａの回転に伴って回転体１９ａ上において一定速度で移動する。つまり、回転体１９ａを回転させつつその一部である機能領域ＦＡに表示光（映像光）ＨＫを入射させることで、機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩの位置が光軸ＡＸに沿って往復移動する（像形成素子１１の表示が動作していなければ、必ずしも表示としての中間像は形成されないが、中間像が形成されるであろう位置も中間像の位置と呼ぶ）。図示の例では、拡散面１６ｍが螺旋の一周期に対応する範囲に形成されているので、回転体１９ａの１回転で拡散面１６ｍの機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩは、光軸ＡＸ方向に段差に相当する距離だけ１往復することになる。

なお、投影光学系１５は、拡散部１９に設けた中間スクリーン１６又は拡散面１６ｍの位置によってピントぼけが生じないように、機能領域ＦＡの移動範囲以上の所定の焦点深度を有する。

中空枠体１９ｂは、円柱状の外形輪郭を有し、側面部１９ｅと一対の端面部１９ｇ，１９ｈとで構成される。側面部１９ｅと一対の端面部１９ｇ，１９ｈとは、光透過性を有する同一の材料で形成されている。ただし、側面部１９ｅは、光透過性を有していなくてもよい。一方の端面部１９ｇは、平行平板であるが、自由曲面形状や非球面形状を有するものとできる。同様に、他方の端面部１９ｈも、平行平板であるが、自由曲面形状や非球面形状を有するものとできる。中空枠体１９ｂ中の回転体１９ａは、一対の中心軸部６５を介して中空枠体１９ｂに固定されており、中空枠体１９ｂと回転体１９ａとは基準軸ＳＸの周りに一体的に回転する。このように、拡散面１６ｍを設けた回転体１９ａを中空枠体１９ｂ中に配置することで、回転体１９ａに塵等が付着することを抑制でき、回転体１９ａの回転に伴う音の発生を抑制することができ、回転体１９ａの高速での回転を安定化させることが容易になる。なお、回転体１９ａは、その外周部分において中空枠体１９ｂに固定してもよい。

不図示の回転駆動部によって拡散部１９を一定速度で基準軸ＳＸの周りに回転させることで、回転体１９ａ又は中間スクリーン１６の拡散面１６ｍが光軸ＡＸと交差する位置（つまり機能領域ＦＡ）も光軸ＡＸ方向に移動する。つまり、例えば図８Ｃに示すように、回転体１９ａの回転に伴って、中間スクリーン１６上の機能領域ＦＡは、例えば等角度でずれた位置に設定された隣接する機能領域ＦＡ'に順次シフトし、光軸ＡＸ方向に移動する。このような機能領域ＦＡの光軸ＡＸ方向への移動により、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。拡散部１９が基準軸ＳＸの周りに回転して機能領域ＦＡに対応する中間像ＴＩの位置が光軸ＡＸ方向に繰り返し周期的に移動し、虚像生成光学系１７によって表示スクリーン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。

図２に示す投影光学系１５からの表示光ＨＫは、図８Ａに示す中間スクリーン１６の拡散面１６ｍを通過して拡散度が調整され、虚像生成光学系１７を経て表示スクリーン２０で反射される。

以上では、具体的な実施形態としての虚像投影光学系及び表示装置について説明したが、本発明に係る虚像投影光学系等は、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、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２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、投影光学系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。虚像生成光学系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、例示した３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、ＤＭＤやＬＣＯＳ等を用いたが、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：liquid crystal display）や、他の種類の表示素子、例えば有機ＥＬを用いてもよい。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、虚像生成光学系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。

また、上記実施形態において、投影光学系１５は、固定焦点光学系としたが、焦点可変光学系であってもよい。焦点可変光学系の場合、中間スクリーン１６の位置に合わせてピントの位置を変えることで、より輝度を大きくすることができる。

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、複数の厚みが異なる階段状の部分領域を有する中間スクリーンを回転又はスライドさせる等、他の手法を用いて表示像ＩＭの位置を変化させてもよい。

以上で説明した表示装置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 (9)

1. 表示デバイスによって形成された画像を表示スクリーン越しに虚像投影して表示させる虚像投影光学系であって、
   中間像の形成位置に配置される中間スクリーンと、
   前記中間スクリーンより前記表示デバイス側に配置される投影光学系と、
   前記中間スクリーンより前記表示スクリーン側に配置される虚像生成光学系と、
   前記中間スクリーンを光軸方向に移動させる配置変更装置と、
   を備え、
   前記虚像生成光学系の光軸は、前記中間スクリーンに対して傾斜し、
   前記投影光学系の光軸は、前記画像の光軸から前記画像の前記光軸に垂直な方向にシフトした位置に配置される、虚像投影光学系。
2. 前記投影光学系の光軸は、前記虚像生成光学系の光軸の傾斜方向に対応する方向にシフトする、請求項１に記載の虚像投影光学系。
3. 前記虚像生成光学系の光軸上の光に対応する光線において、前記表示デバイスの中心から出射した光の前記中間スクリーンへの入射光の主光線は、前記中間スクリーンに対して傾斜して入射する、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像投影光学系。
4. 前記表示デバイス及び前記投影光学系を前記投影光学系の相対的なシフトによる前記中間像のずれ量だけ前記虚像生成光学系の光軸の傾斜方向とは反対方向に移動させた位置に配置する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の虚像投影光学系。
5. 前記表示デバイスの中心から出射した光の前記中間スクリーンへの入射角と、前記虚像生成光学系の光軸との角度ずれは、直交する縦方向及び横方向に対応する２方向に関してともに６度以下である、請求項１から４までのいずれか一項に記載の虚像投影光学系。
6. 前記表示デバイスの中心から出射した光の前記中間スクリーンへの入射角と、前記虚像生成光学系の光軸との角度ずれは、直交する縦方向及び横方向に対応する２方向のうち、前記横方向に対応する方向で６度以下であり、前記縦方向に対応する方向で３度以下である、請求項１から４までのいずれか一項に記載の虚像投影光学系。
7. 前記表示デバイスは、１５Ｈｚ以上の速さで画像表示切替えを行い、
   前記表示デバイスの表示と同期して、前記配置変更装置によって前記中間スクリーンを駆動する、請求項１から６までのいずれか一項に記載の虚像投影光学系。
8. 前記中間スクリーンは、前記配置変更装置によって、前記投影光学系の中間像形成位置における焦点深度内で駆動する、請求項１から７までのいずれか一項に記載の虚像投影光学系。
9. 請求項１から８までのいずれか一項に記載の虚像投影光学系と、
   前記虚像投影光学系によって形成される虚像を投影する表示スクリーンと、
   を備える、表示装置。

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