JPWO2019230138A1 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

高速性を備えた表示デバイスを用いて３次元的な虚像表示を可能とし、消費電力を最適化したヘッドアップディスプレイ装置を提供する。ヘッドアップディスプレイ装置１００は、光源４ａ，４ｂ，４ｃからの光をコリメーター５ｄ，５ｅ，５ｆを介して表示デバイス６に照射する照明光学系５と、表示デバイス６によって表示された画像を中間像ＴＩに変換する投影光学系３０ａと、中間像ＴＩの結像位置を含む領域に配置され投影光学系３０ａの焦点深度内で移動可能な拡散性を有する中間スクリーン１６と、中間スクリーン１６上の中間像ＴＩを虚像に変換する虚像生成光学系３０ｂとを備え、照明光学系５の光源は、サイズに関する条件式２×Ｄ×Ｆ×（δ／Ｌ）＜ｄ＜８×Ｄ×Ｆ×（δ／Ｌ）を満たす。

Description

本発明は、表示デバイスによる映像を虚像として投影するヘッドアップディスプレイ装置に関し、特に光源によって照明された表示デバイスの中間像を形成し当該中間像を虚像投影するヘッドアップディスプレイ装置に関する。

従来のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）装置は、表示デバイスとして透過型液晶素子を用い、小型で簡素な光学系であったため、虚像表示されるものは、光学系のスペック的にスピードメータ、タコメータ、或いは簡易的なナビ表示に限られていた。しかし昨今では、運転中の様々なシーンにおける危険因子にマーキングを重畳してドライバーに危険を事前に察知させるような拡張現実（Augmented Reality, AR）機能を有するＡＲ−ＨＵＤといったものが開発されつつある。こういったＡＲ機能を活かすためには、ＨＵＤ光学系には虚像表示に関して大画面化が求められるが、透過型液晶では大画面化が難しかったり、輝度の確保が難しかったりといった課題が生じる。また、従来は、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のが一般的であったが、視認性という意味においては高速走行時及び低速走行時で虚像の表示位置である虚像距離を変えられる方が、より安全な運転を支援することになる。また危険因子はドライバーから様々な距離に存在するため、ＡＲ機能を最大限に活かすには、虚像距離を変えられるだけでは足りず、複数の距離に同時に虚像を表示する必要がある。

下記特許文献１の装置では、光学系内に移動可能なスクリーンを配置し、そのスクリーンを動かすことによって、虚像の表示距離を変える技術が公開されているが、本先行例では表示デバイスが走査型のものであり、その走査光をスクリーン上に結像させるとの記載がある。走査型の表示デバイスはフレームレートを高速にすることが難しく、複数の距離に同時に虚像表示を行うことは難しい。それらの課題解決のためには現在のところ高速性にも対応したＤＬＰ（Digital Light Processing）が最も有力な表示デバイスと考えられている。

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、高速性を備えた表示デバイスを用いて３次元的な虚像表示を可能とし、消費電力を最適化したヘッドアップディスプレイ装置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ヘッドアップディスプレイ装置は、光源からの光をコリメーターを介して表示デバイスに照射する照明光学系と、表示デバイスによって表示された画像を中間像に変換する投影光学系と、中間像の結像位置を含む領域に配置され投影光学系の焦点深度内で移動可能な拡散性を有する中間スクリーンと、中間スクリーン上の中間像を虚像に変換する虚像生成光学系とを備え、照明光学系の光源は、サイズに関する下記条件式（１）を満たす。
２×Ｄ×Ｆ×（δ／Ｌ）＜ｄ＜８×Ｄ×Ｆ×（δ／Ｌ） … （１）
ここで、
ｄ：光源の発光部のサイズ
Ｄ：中間像のサイズ
Ｆ：コリメーターのＦナンバー
δ：中間スクリーン上の許容錯乱円径
Ｌ：中間スクリーンの移動量

第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置を示す側方断面図である。 像形成部及び投影光学系を説明する拡大断面図である。 図３Ａは、光源側のエタンデュを説明する図であり、図３Ｂは、中間スクリーン側のエタンデュを説明する図である。 図４Ａは、中間像又は強制中間像の形状を説明する図であり、図４Ｂは、光源の発光部の形状を説明する図である。 図１に示すヘッドアップディスプレイ装置を含む移動体用表示システムを説明する概念的なブロック図である。 移動体用表示システムによる具体的な表示状態を説明する斜視図である。 図７Ａ及び７Ｂは、第２実施形態の装置に組み込まれる中間スクリーン又は拡散部を説明する一部破断平面図及び一部破断側面図であり、図７Ｃ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概念図である。 図８Ａ及び８Ｂは、第３実施形態の装置に組み込まれる中間スクリーン又は拡散部を説明する平面図及び側方断面図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置の第１実施形態について説明する。

図１に示すヘッドアップディスプレイ装置１００は、車両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。描画ユニット１０は、例えば運転席前方のダッシュボード内に埋め込むように設置され、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、例えばダッシュボード上に立設されるコンバイナーであり、描画ユニット１０からの表示光ＨＫを車両の後方に向けて反射させる。表示スクリーン２０で反射された表示光ＨＫは、運転席に座った運転者の瞳ＨＴ及びその周辺位置に対応するアイボックスＥＢに導かれる。運転者は、表示スクリーン２０で反射された表示光ＨＫ、つまり車体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。この際、描画ユニット１０の機能により、複数の虚像距離に表示像ＩＭを投影することができ、奥行方向に関して異なる位置に応じた表示像ＩＭを投影することができる。一方、運転者は、光透過性を有する表示スクリーン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。

描画ユニット１０は、中間像ＴＩを形成する中間像形成部１４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、中間スクリーン１６上に形成された中間像ＴＩからの表示光ＨＫが入射する結像用のミラー光学系１７とを備える。描画ユニット１０のうちミラー光学系１７と、描画ユニット１０の上方に配置された表示スクリーン２０とを組み合わせたものは、中間スクリーン１６上の中間像ＴＩを虚像に変換する虚像生成光学系３０ｂを構成する。

中間像形成部１４は、照明光を表示デバイス６に照射する照明光学系５と、２次元的な空間変調によって画像を生成する表示デバイス６と、表示デバイス６によって表示された画像を拡大した中間像ＴＩに変換する投影光学系３０ａとを備えるプロジェクターユニットである。ここで、投影光学系３０ａは、本体部分７ａと折返しミラー７ｂとを含む。投影光学系３０ａと虚像生成光学系３０ｂとは、ＨＵＤ光学系３０を構成する。

図２を参照して、照明光学系５は、照明光を射出する３つの光源４ａ，４ｂ，４ｃと、第１ダイクロイックミラー５ａと、第２ダイクロイックミラー５ｂと、コリメーター５ｄ，５ｅ，５ｆと、リレーレンズ５ｈと、フライアイ光学系５ｊと、コンデンサーレンズ５ｍ，５ｎと、折曲げミラー５ｐと、ＴＩＲプリズム５ｑと、平板５ｒとを備える。３つの光源４ａ，４ｂ，４ｃは、ＬＥＤその他の発光素子であり、Ｒ、Ｇ、及びＢの３色の照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃをそれぞれ射出する。第１ダイクロイックミラー５ａは、第２の光源４ｂからの緑色の照明光Ｌｂと、第３の光源４ｃからの青色の照明光Ｌｃとを合成し、第２ダイクロイックミラー５ｂは、第１の光源４ａからの赤色の照明光Ｌａと、第１ダイクロイックミラー５ａで合成された緑色及び青色の照明光Ｌｂ，Ｌｃとを合成する。各コリメーター５ｄ，５ｅ，５ｆは、各光源４ａ，４ｂ，４ｃからの照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを平行光束に近い状態にする。リレーレンズ５ｈは、照明光Ｌｂ，Ｌｃ側の光路差を補償する役割を有する。フライアイ光学系５ｊは、オプティカルインテグレーターとも呼ばれ、各光源４ａ，４ｂ，４ｃからの照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを均一化する。コンデンサーレンズ５ｍ，５ｎは、フライアイ光学系５ｊを経た照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを適度の入射角範囲で表示デバイス６に入射させる。ＴＩＲプリズム５ｑは、全反射の有無を利用して照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの光路と表示光ＨＫの光路とを分離する。具体的には、ＴＩＲプリズム５ｑを構成する一方のプリズムの斜面５ｗで照明光を全反射して投影光学系３０ａの本体部分７ａの光軸ＡＸに対して傾いた方向から照明光を表示デバイス６に導くことができ、表示デバイス６からの光を本体部分７ａの光軸ＡＸに沿った正面方向へは透過させて、表示光ＨＫとして投影光学系３０ａに入射させることができる。平板５ｒは、表示デバイス６のカバーガラスであるが、フィルター機能を持たせることもできる。

表示デバイス６は、デジタル・ミラー・デバイス（ＤＭＤ）であり、ＴＩＲプリズム５ｑから入射した照明光を画素単位でＴＩＲプリズム５ｑ越しに投影光学系３０ａの本体部分７ａに向けたり本体部分７ａから逸らしたりするオン・オフ動作が可能である。表示デバイス６の動作は、順次発光する光源４ａ，４ｂ，４ｃと同期しており、Ｒ、Ｇ、及びＢの３色の表示光ＨＫを順次形成する。

投影光学系３０ａ又は本体部分７ａは、固定焦点のレンズ系であり、複数のレンズを有する。投影光学系３０ａのＦ値は、例えば２．０以上となっている。投影光学系３０ａは、表示デバイス６によって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の入射面に設けた拡散面１６ｍに近接した位置に中間像ＴＩ（又は拡散面１６ｍの位置に強制中間像ＴＩ’）を形成する。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ぼけたものも含み、広義に中間像ＴＩと呼ぶこともある。

中間スクリーン１６は、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。ここで、中間スクリーン１６による結像位置は、投影光学系３０ａ又は本体部分７ａの本来の結像位置ＦＰだけでなく、その周辺を含む領域となっている。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る。後述するように、中間スクリーン１６を光軸ＡＸ方向又はＹ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の入射面に設けた拡散面１６ｍは、縦横つまりＸＺ方向に拡散機能を有しており、縦横で拡散度を相違させることができる。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、投影光学系３０ａで拡大投影するにも関わらずアイボックスＥＢ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３０ａの焦点深度内で移動可能となっている。

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。配置変更装置６２によって中間スクリーン１６又は拡散面１６ｍを光軸ＡＸに沿って光源側の第１端位置Ｐ１と反光源側の第２端位置Ｐ２との間で移動させることにより、ミラー光学系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との距離を長く、また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、つまり第１端位置Ｐ１と第２端位置Ｐ２とに挟まれた領域は、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３０ａ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、いずれもほぼ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を移動させる。この場合、観察者（運転者）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ほぼ同時に認識することができる。

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が移動範囲の最も光源側の第１端位置Ｐ１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、表示スクリーン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が移動範囲の最も反光源側の第２端位置Ｐ２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、表示スクリーン２０の背後の最も近くに虚像として表示される。

ミラー光学系１７は、中間スクリーン１６に形成された強制中間像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、運転者の前方に虚像としての表示像ＩＭを形成する。ミラー光学系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、光学的なパワーを有する２枚の第１及び第２ミラー１７ａ，１７ｂを含む。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。

以下、中間像形成部１４における光源４ａ，４ｂ，４ｃのサイズと、投影光学系３０ａ又は中間スクリーン１６側の光学的パラメーターとの関係について説明する。光学の原理としてエタンデュの原理というものが一般的に知られており、これは光源（２次光源なども含む）のサイズＷと、そこから発せられる光の拡がり角θの積（Ｗ×ｓｉｎθ）が保存されるというものである。つまり、本実施形態の場合、光源４ａ，４ｂ，４ｃであるＬＥＤの発光面積を増やすと、ＬＥＤの場合は拡がり角がランバーシアンで一定であり、エタンデュの原理から、表示デバイス６が同一サイズならば、表示デバイス６に入射する光の角度が大きくなる。このため、光源４ａ，４ｂ，４ｃの発光面積を増やすと同時にプロジェクション用の本体部分７ａのＦナンバーを明るくできれば、プロジェクターユニットとしての光束量は増やすことができる。しかしながら、複数距離に同時に虚像表示するような光学系においてはＦナンバーを明るくできないため、光源４ａ，４ｂ，４ｃであるＬＥＤの面積を大きくしても消費電力が増えるばかりで効率の悪い光学系となってしまう。

以上の観点から、中間像形成部１４において、光源４ａ，４ｂ，４ｃは、サイズに関する下記条件式（１）を満たす。
２×Ｄ×Ｆ×（δ／Ｌ）＜ｄ＜８×Ｄ×Ｆ×（δ／Ｌ） … （１）
ここで、光源４ａ，４ｂ，４ｃの発光部ＩＡのサイズをｄとし、中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’のサイズをＤとし、コリメーター５ｄ，５ｅ，５ｆのＦナンバーをＦとし、中間スクリーン１６上の許容錯乱円径をδとし、中間スクリーン１６の移動量をＬとしている。以上において、中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’のサイズＤ、及び中間スクリーン１６の移動量Ｌは、虚像生成光学系３０ｂに要求される仕様に基づいた設計によって決定されるものであり、中間スクリーン１６上の許容錯乱円径δは、虚像としての表示像ＩＭに求められる解像度によって決まるものである。

光源４ａ，４ｂ，４ｃがサイズに関して上記条件式（１）を満たすことにより、虚像の輝度を確保したままで消費電力を抑えることができ、省電力ながら明るい表示像ＩＭを投影することができる。具体的には、上記条件式（１）の値ｄつまり発光部サイズが上限を超えないようにすることで、明るさの確保を超える過度の電力が必要となることを防止し、エネルギー効率を改善できる。また、上記条件式（１）の値ｄが下限を超えないようにすることで、消費電力を小さく抑えつつも表示輝度が著しく低下することを防止できる。

なお、図３Ａに示すように、光源４ａ側のエタンデュは、ｄ×ｓｉｎθ＝ｄ／（２×Ｆ）となる。一方、図３Ｂに示すように、中間スクリーン１６側のエタンデュは、Ｄ×ｓｉｎφ＝Ｄ×δ／Ｌとなる。これらエタンデュが保存することから、ｄ≒２×Ｄ×Ｆ×（δ／Ｌ）が成り立つ。よって、発光部ＩＡのサイズｄが２×Ｄ×Ｆ×（δ／Ｌ）より小さいと中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’が暗くなってしまい、発光部ＩＡのサイズｄが２×Ｄ×Ｆ×（δ／Ｌ）より過度に大きくなっても中間スクリーン１６側で効率的に利用されなくなると考えられる。

具体例で説明すると、例えば運転免許取得には視力０．７以上が必要であるが、視力０．７のドライバーが認識できる虚像表示は、２１cycles／degreeである。なお、ランドルト環による視力検査では、視力１．０で３０cycles／degreeの解像力というのが一般的である。そのため、ＦＯＶが１０°の虚像表示において、視力０．７のドライバーは、４２０本の白黒が認識できる限界といえる。本ヘッドアップディスプレイ装置１００のＨＵＤ光学系３０において、中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’のサイズが６０ｍｍであった場合、白黒の線幅は中間像ＴＩ上で約０．１４ｍｍとなるため、許容錯乱円径δは０．１４ｍｍと設定すればよい。虚像距離又は投影距離の奥行き表示範囲を考慮して中間スクリーンの移動量Ｌを２５ｍｍとした場合、条件式（１）は、
２×６０×Ｆ×（０．１４／２５）＜ｄ＜８×６０×Ｆ×（０．１４／２５）
０．６７２Ｆ＜ｄ＜２．６８８Ｆ
となり、０．５＜Ｆ＜０．７ならば、値ｄの範囲としては
０．３４＜ｄ［ｍｍ］＜１．８８ … （１ａ）
となる。具体的な光源４ａ，４ｂ，４ｃとしては、上記条件式（１ａ）の範囲を満たすようなものを選べばよいといえる。

光源４ａ，４ｂ，４ｃ用のコリメーター５ｄ，５ｅ，５ｆのＦナンバーについては、下記の条件式（２）を満たすことが望ましい。
０．５＜Ｆ＜１．０ … （２）

条件式（２）の値Ｆが上限を超えないようにすることで、光源４ａ，４ｂ，４ｃから放射される照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの取り込み効率の低下を抑制することができる。具体的には、光源４ａ，４ｂ，４ｃとして例えばＬＥＤを用いた場合、ＬＥＤはランバーシアン配光を有し、値Ｆが１．０を超えると、コリメーター５ｄ，５ｅ，５ｆにおける光の取り込み効率が２５％を下回ってしまう。なお、上記条件式（１）の下限値は、コリメーター５ｄ，５ｅ，５ｆとして一般的な光学系を用いる場合の物理的な限界値である。

条件式（２）については、
０．５＜Ｆ＜０．７
とすることがより好ましい。

上記条件式（１）及び（２）については、光源４ａ，４ｂ，４ｃの発光部ＩＡの形状と、中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’の形状とを考慮する。図４Ａに示すように、中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’に関して、短辺方向長さをＤＳとするとともに長辺方向長さをＤＬとし、図４Ｂに示すように、光源４ａ，４ｂ，４ｃの発光部ＩＡに関して、短辺方向長さをｄｓとするとともに長辺方向長さをｄｌとしたとき、ＤＬ／ＤＳ≧ｄｌ／ｄｓである場合は、長辺方向ＤＲ１において、条件式（１）及び（２）を満たす。この場合、中間像ＴＩ側のアスペクト比が相対的に大きいか同等で不均等性が高く細長くなっており、光源４ａ，４ｂ，４ｃについて短辺方向ＤＲ２ではなく長辺方向ＤＲ１において条件式（１）及び（２）を満たすように光学系のパラメーターを適宜設定することで、中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’の長辺方向ＤＲ１の一部が光量的に欠けることを防止できる。

逆に、中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’に関して、短辺方向長さをＤＳとするとともに長辺方向長さをＤＬとし、光源４ａ，４ｂ，４ｃの発光部ＩＡに関して、短辺方向長さをｄｓとするとともに長辺方向長さをｄｌとしたとき、ＤＬ／ＤＳ＜ｄｌ／ｄｓである場合は、短辺方向ＤＲ２において、条件式（１）及び（２）を満たす。この場合、中間像ＴＩ側のアスペクト比が相対的に小さく不均等性が低く正方形に近くなっており、光源４ａ，４ｂ，４ｃについて短辺方向ＤＲ２において条件式（１）及び（２）を満たすように光学系のパラメーターを適宜設定することで、中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’の短辺方向ＤＲ２の一部が光量的に欠けることを防止できる。

光源４ａ，４ｂ，４ｃ及び中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’の形状については、下記の条件式（３）を満たすことが望ましい。
０．７＜（ＤＬ／ＤＳ）／（ｄｌ／ｄｓ）＜３ … （３）

上記条件式（３）の値（ＤＬ／ＤＳ）／（ｄｌ／ｄｓ）が１の場合、発光部ＩＡと中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’とが相似的形状を有することになる。発光部ＩＡと中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’とが相似的形状を有する場合、光の利用効率を高めることができるが、上記条件式（３）の値が０．７〜３程度の範囲内であれば大きな効率低下ではない。

条件式（３）については、
０．８５＜（ＤＬ／ＤＳ）／（ｄｌ／ｄｓ）＜１．５
とすることがより好ましい。

以上では、全色の光源４ａ，４ｂ，４ｃ又はコリメーター５ｄ，５ｅ，５ｆが上記条件式（１）〜（３）を満たすとしたが、一色の光源又はそのコリメーターが上記条件式（１）〜（３）を満たすように設定してもよい。

図５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、その一部としてヘッドアップディスプレイ装置１００を含む。このヘッドアップディスプレイ装置１００は、図１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５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の車体２（図６参照）に組み込まれるものである。

移動体用表示システム２００は、ヘッドアップディスプレイ装置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、車体内の運転席正面に設置されており、運転者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内における運転者の頭部の存否とともに運転者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、車体内外の適所に設置されており、運転者又はフロントガラスの前方、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６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、特に外部用カメラ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（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。

表示制御部１８は、主制御装置９０の制御下でＨＵＤ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、ＨＵＤ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、ＨＵＤ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、ヘッドアップディスプレイ装置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、ＨＵＤ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６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，ＯＢ３や、自動車等である移動体（車体２）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、ヘッドアップディスプレイ装置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との配置関係をほぼ維持することができる。

以上で説明したヘッドアップディスプレイ装置１００では、照明光学系５の光源４ａ，４ｂ，４ｃがサイズに関して上記条件式（１）を満たすので、表示像（虚像）ＩＭの輝度を確保したままで消費電力を抑えることができ、車載その他の用途で省電力ながら明るい映像を形成することができる。具体的には、上記条件式（１）の値ｄが上限を超えないようにすることで、明るさの確保を超える過度の電力が必要となることを防止し、エネルギー効率を改善できる。また、上記条件式（１）の値ｄが下限を超えないようにすることで、消費電力を小さく抑えつつも表示輝度が著しく低下することを防止できる。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置について説明する。なお、第２実施形態のヘッドアップディスプレイ装置は第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置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７Ａ及び７Ｂ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３０ａによる投影位置又は結像位置（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に平行な回転軸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、回転軸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、回転軸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、投影光学系３０ａ又はＨＵＤ光学系３０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（表示デバイス６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３０ａ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とは回転軸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を一定速度で回転軸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７Ｃ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が回転軸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、ミラー光学系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との距離を長く、又は短くすることができる。

図１に示す投影光学系３０ａからの表示光ＨＫは、図７Ａ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、ミラー光学系１７を経て表示スクリーン２０で反射される。

本実施形態において、照明光学系５及び投影光学系３０ａは第１実施形態と同様のものであり、光源４ａ，４ｂ，４ｃ等は、上記した条件式（１）〜（３）を満たす。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置について説明する。なお、第３実施形態のヘッドアップディスプレイ装置は第１実施形態のヘッドアップディスプレイ装置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１１９は、全体として円筒容器に近い輪郭を有する螺旋状の回転体１１９ａを有する。拡散部１１９は、図１に示す投影光学系３０ａによる投影位置又は結像位置（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に垂直な回転軸ＳＸの周りに回転する。

回転体１１９ａは、中間スクリーン１６であり、回転軸ＳＸのまわりの角度方向に応じて回転軸ＳＸから機能領域ＦＡとなる表面までの距離が連続的に変化する部分を含む円筒状形状を有する。回転体１１９ａの回転軸ＳＸは、中間スクリーン１６の光軸ＡＸに平行な軸ＴＸに対して直交又はほぼ直交する状態で配置されている。

回転体１１９ａは、端面部１１９ｂと、側面部１１９ｃとを有する。回転体１１９ａは、端面部１１９ｂの反対側において開放された構造となっており、不図示の支持部材によっ別途固定された光路折り曲げ用のミラーＭ１を囲むように配置されている。端面部１１９ｂと側面部１１９ｃ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、端面部１１９ｂは、光透過性を有していないものであってもよく、例えば一部空洞になっていても構わない。

回転体１１９ａの端面部１１９ｂは、円盤状の部材であり、側面部１１９ｃの一方の端部を支持している。端面部１１９ｂは、中心軸部６５を介して不図示の回転駆動部に回転可能に支持されている。図示は省略するが、回転体１１９ａには、回転体１１９ａの回転を安定させるために、バランサーを設けることができる。

回転体１１９ａの側面部１１９ｃは、光学部であり、側面部１１９ｃの外側に形成された一方の表面１１９ｄは、平滑面又は光学面に形成されている。表面１１９ｄ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。中間スクリーン１６は、回転体１１９ａの側面部１１９ｃに貼り付けられるシートとできるが、回転体１１９ａ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。中間スクリーン１６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（より正確には強制中間像ＴＩ’）を形成する（図１参照）。回転体１１９ａの側面部１１９ｃの内側に形成された他方の表面１１９ｅは、平滑面又は光学面に形成されている。

回転体１１９ａの立体形状は、回転軸ＳＸから機能領域ＦＡまでの距離が連続的に変化する側面形状を有している。具体的には、側面部１１９ｃは、光透過性を有する渦巻き状の部材であり、一対の表面１１９ｄ，１１９ｅは、回転軸ＳＸを基準軸とする渦巻き型側面となっている。つまり、側面部１１９ｃの基準軸は、回転体１１９ａの回転軸ＳＸとほぼ一致している。結果的に、一方の表面１１９ｄ上に形成された中間スクリーン１６も連続的な渦巻き型側面に沿って形成されたものとなっている。中間スクリーン１６の拡散面１６ｍは、機能領域ＦＡのパターン（又は渦巻き型側面のパターン）に対応する範囲に形成されている。これにより、回転体１１９ａの一回転で中間スクリーン１６の機能領域ＦＡの光軸ＡＸ方向の位置を適宜調整することで、虚像投影距離を適宜調整することができる。

回転体１１９ａの側面部１１９ｃの周に沿った一箇所に段差部１１９ｆが形成されている。この段差部１１９ｆは、光軸ＡＸ方向に平行な方向に関して中間スクリーン１６の両端に段差を与えるものとなっている。

図１に示す投影光学系３０ａからの表示光ＨＫは、図８Ａに示すミラーＭ１で反射され、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、ミラー光学系１７を経て表示スクリーン２０で反射される。

本実施形態において照明光学系５及び投影光学系３０ａは第１実施形態と同様のものであり、光源４ａ，４ｂ，４ｃ等は、上記した条件式（１）〜（３）を満たす。

以上では、具体的な実施形態としてのヘッドアップディスプレイ装置について説明したが、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、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、ヘッドアップディスプレイ装置１００の配置を上下反転させてさせてもよい。

上記実施形態において、表示スクリーン２０又は中間スクリーン１６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１等に示す投影光学系３０ａ又はＨＵＤ光学系３０は、単なる例示であり、投影光学系３０ａ等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３０ａ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。ミラー光学系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。

また、上記実施形態において、表示デバイス６として、デジタル・ミラー・デバイス（ＤＭＤ）を用いたが、ＬＣＯＳ、ＬＣＤ、他の種類の表示素子、例えば有機ＥＬを用いてもよい。

また、上記実施形態において、ミラー光学系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、表示スクリーン（コンバイナー）２０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３０ａ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。

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構成としたが、中間スクリーン１６を光軸ＡＸ方向に移動させないで固定することもできる。また、中間スクリーン１６を光軸ＡＸ方向の位置が異なる複数部材で構成し、これら複数部材を回転機構その他の機構によって順次入れ替えることで中間スクリーン１６の配置を変化させることもできる。

以上で説明したヘッドアップディスプレイ装置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 (5)

1. 光源からの光をコリメーターを介して表示デバイスに照射する照明光学系と、
   前記表示デバイスによって表示された画像を中間像に変換する投影光学系と、
   前記中間像の結像位置を含む領域に配置され投影光学系の焦点深度内で移動可能な拡散性を有する中間スクリーンと、
   前記中間スクリーン上の前記中間像を虚像に変換する虚像生成光学系とを備え、
   前記照明光学系の前記光源は、サイズに関する下記条件式（１）を満たすヘッドアップディスプレイ装置。
   ２×Ｄ×Ｆ×（δ／Ｌ）＜ｄ＜８×Ｄ×Ｆ×（δ／Ｌ） … （１）
   ここで、
   ｄ：前記光源の発光部のサイズ
   Ｄ：前記中間像のサイズ
   Ｆ：前記コリメーターのＦナンバー
   δ：前記中間スクリーン上の許容錯乱円径
   Ｌ：前記中間スクリーンの移動量
2. 前記コリメーターのＦナンバーは、下記の条件式（２）を満たす、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
   ０．５＜Ｆ＜１．０ … （２）
3. 前記中間像に関して、短辺方向長さをＤＳとするとともに長辺方向長さをＤＬとし、前記光源の前記発光部に関して、短辺方向長さをｄｓとするとともに長辺方向長さをｄｌとしたとき、ＤＬ／ＤＳ≧ｄｌ／ｄｓである場合は、長辺方向において、前記条件式（１）及び（２）を満たす、請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記中間像に関して、短辺方向長さをＤＳとするとともに長辺方向長さをＤＬとし、前記光源の前記発光部に関して、短辺方向長さをｄｓとするとともに長辺方向長さをｄｌとしたとき、ＤＬ／ＤＳ＜ｄｌ／ｄｓである場合は、短辺方向において、前記条件式（１）及び（２）を満たす、請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記中間像に関して、短辺方向長さをＤＳとするとともに長辺方向長さをＤＬとし、前記光源の前記発光部に関して、短辺方向長さをｄｓとするとともに長辺方向長さをｄｌとしたとき、下記の条件式（３）を満たす、請求項１〜４のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
   ０．７＜（ＤＬ／ＤＳ）／（ｄｌ／ｄｓ）＜３ … （３）

Images