WO2012036098A1

WO2012036098A1 - ヘッドアップディスプレイ

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Publication number: WO2012036098A1
Application number: PCT/JP2011/070646
Authority: WO
Inventors: 中村　剛; 青木　邦光
Original assignee: 矢崎総業株式会社
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2012-03-22
Also published as: US8792177B2; JP2012058689A; JP5723123B2; EP2618202A4; US20130188259A1; EP2618202A1; EP2618202B1

Abstract

　表示位置が車両の前後方向に移動したときに、これに関連して有効な各種の機能性を付加し、表示情報に対して運転に関する警告などの表示内容を感覚的に分かりやすくさせることなどができるようにしたヘッドアップディスプレイを提供する。　第１の表示デバイス（２０Ａ）と、第２の表示デバイス（２０Ｂ）と、第１の表示デバイス（２０Ａ）と第２の表示デバイス（２０Ｂ）それぞれから入射した光を同一方向に出射する同一光軸手段（３０）と、同一光軸手段（３０）から入射した光に基づいて、第１の表示デバイス（２０Ａ）と第２の表示デバイス（２０Ｂ）が出射した光によって形成されるそれぞれの像を拡大するとともに、それらの像を重畳して結像する拡大像形成手段（５０）と、第１の表示デバイス（２０Ａ）及び第２の表示デバイス（２０Ｂ）の少なくとも一方を光軸方向に沿って移動させる移動手段と、を備える。

Description

ヘッドアップディスプレイ

　本発明は、ヘッドアップディスプレイに係り、特に、運転状況に応じて表示される位置を可変することができるようにしたヘッドアップディスプレイに関する。

　ヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤと称す）は、飛行機操縦者や自動車運転者が、視線をインストルメントボードに移すというわき見を除去するため、計器板の表示を前方の視野の一部に重ねて表示しようとする装置である。

　このようなＨＵＤは、飛行シミュレータ、宇宙ドッキングシミュレータ、船舶操船シミュレータ、自動車走行シミュレータ等の各種シミュレータの視界表示装置、あるいは各種遊戯装置のディスプレイ等の映像表示装置などに応用されている。

　例えば、上記の各種シミュレータでは、表示される映像が実際の航空機等の場合と同様無限遠にあるように表示されることが望ましい。映像表示面としてＣＲＴ（カソードレイチューブ）の表示面をそのまま利用したり、ビデオプロジェクタによりスクリーンに投映して表示したのでは、映像は表示面の位置にあるようにしか表示されない。

　この点を解決する手段として、凹面鏡を利用した無限遠表示装置であるＨＵＤが知られている。図１２は、凹面鏡による無限遠表示の原理を示す図である。凹面鏡Ｍの球心をＯ、焦点位置をＦとする。物体ＰＱが焦点位置Ｆより凹面鏡Ｍ側にあると、凹面鏡Ｍによる像はＰ′Ｑ′で示すように正立虚像となる。

　この虚像の位置及び大きさは、物体ＰＱの位置により変化する。物体ＰＱの位置がＦＡの中にある場合（Ａは凹面鏡Ｍと光軸の交点）、すなわち図においてａ＜ｆの場合、虚像の位置ｂは、
　　　　ｂ＝ａｆ／（ａ－ｆ）　　　　　　　　・・・（１）
となる。ａをｆに限り無く接近させると、ｂは無限遠に近づく。
　一方、その像の大きさＰ′Ｑ′は、
　　　　Ｐ′Ｑ′＝ＰＱ×｜ｆ｜／｜ａ－ｆ｜　　　　　・・・（２）
となる。同様にａをｆに限り無く接近させると、虚像の大きさＰ′Ｑ′は無限大に近づく。

　しかし、同図に示すように、物体ＰＱが凹面鏡Ｍの光軸上にある場合は、物体ＰＱが障害となり、虚像Ｐ′Ｑ′は球心Ｏを視点として観察されない。そこで、図１３に示すように、凹面鏡Ｍとその焦点距離ｆに位置する焦点との間に、凹面鏡Ｍの光軸に４５°の角度で交差するようにハーフミラー１０１を設ける。ＣＲＴ１０２は、ＣＲＴ１０２の画像面１０３上の映像１０４がハーフミラー１０１で凹面鏡Ｍの光軸方向に反射されるように配置される。映像１０４は、凹面鏡Ｍにより虚像を結ぶ。この虚像は、ハーフミラー１０１を透過して球心Ｏを視点として観察される。ＣＲＴ１０２の代りに液晶ディスプレイや投影スクリーン等が使用可能である。又、ハーフミラー１０１は凹面鏡Ｍの光軸と必ずしも４５°で交らなくてもよい。

　ところが、従来、上記構成のＨＵＤの映像表示面、例えばＣＲＴ１０２の画像面１０３はシミュレータの本体に対して固定されていた。このため、視点から見る虚像１０５の距離は無限遠又はこれに近い一定の距離となっていた。

　一般に、航空機の操縦席から外の視界を見た場合、前方の滑走路や山なみ、雲などは遥か遠方に見える。一方、手前下方の滑走路やヘリコプタから下方に見た地上付近の下方視界は近距離に見える。さらに、宇宙ドッキングシミュレータや宇宙用マニピュレータ装置のシミュレータ等では対象物との実距離と視距離とが対応した視界表示が特に必要である。

　そこで、上記の要請に応じて、実機の視界の視距離や対象物の実距離に対応して、視界の視距離を無限遠から至近距離まで可変とすることのできるＨＵＤが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

　即ち、図１４に例示した構成のＨＵＤにあっては、ＣＲＴ１０２等の映像表示手段が、その画像面１０３がハーフミラー１０１で凹面鏡Ｍの光軸方向に反射されるべき光線の光軸上を凹面鏡Ｍの焦点に対応する位置と、それよりハーフミラー１０１に近接した位置との間を変位可能であるように構成されている。

　このように、上記の構成のＨＵＤでは、ＣＲＴ１０２等の映像表示手段を、その画像面１０３が凹面鏡Ｍの焦点に対応する位置と、それよりハーフミラー１０１に近接した位置との間を変位可能としたので、虚像１０５の結像位置を無限遠の位置から視点にある程度近接した位置との間に変化させることが可能となる。したがって、表示される映像の内容に応じて、対象物の実距離や視界の視距離に応じて映像表示手段を移動させることにより、虚像位置を対象物の実距離や視界の視距離に合せることができる。

　ところで、自動車等の分野においても、フロントガラスをコンバイナとして使用するヘッドアップディスプレイにおける虚像の結像位置を変更可能とするコントロール装置を備えたＨＵＤであって、虚像の遠近視点調節と大小調節とを車速の関係で便利に成し得るようにしたものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
　即ち、このＨＵＤは、凹面鏡２０１をターニングミラーとして用い、該凹面鏡２０１の虚像点を出現させる範囲内において、物点としての表示器を、手動又は自動もしくはこれらの組み合わせによって移動させる表示器移動手段を設けたものであって、このような虚像のコントロール装置によれば、車速に応じて表示される結像位置までの距離を自動でコントロールすることと、個人差によっては車速に応じた結像距離を手動操作により変更できる。

　これについて、以下に具体的に説明する。
　周知のように球面鏡に関する結像の式が、広く知られている。この結像の式の関係に基づき、凹面鏡の虚像点を出現させる範囲内で物点としての表示器を移動させることにより、出現する虚像の焦点距離とその大きさをコントロールする原理を図１５及び図１６に示す。
　即ち、これらの図に示すように、凹面鏡２０１が虚像点を出現させる範囲内で、表示器２０２の表示内容２０３を移動させることで、コンバイナ２０４が反射する虚像の焦点距離とその大きさをコントロールすることができる。

　ここで、表示内容２０３を図１６に示す位置に配置させる場合について、考えてみる。該表示内容２０３の位置は凹面鏡２０１の焦点距離ｆの範囲内であるところのＡ点であるとする。Ａ点に表示内容２０３が配置されると、虚像点Ｃにおいて表示内容２０３の虚像が現れることとなる。そして、この表示内容２０３の虚像は、凹面鏡２０１で拡大され、コンバイナ２０４に反射されてアイ・ポイント２０５に入ることとなるが、人間の目は表示内容２０３があたかもＣ点に存在するかのようによう視覚する。ここで、表示内容２０３を図１６で示すように、Ａ点からＢ点に移動させると、虚像点はＤ点となり、前述のＣ点の虚像に比べると像は遠方となり大となる。

　即ち、これは、鏡面に表示内容２０３が近づくほど凹面鏡２０１の作用で現れる虚像が小さくなるからである。従って、Ｂ点の方がＡ点よりも大型の虚像をコンバイナ２０４が写し出すことになる。コンバイナ２０４からの虚像を見る運転者にとって、高速運転の時には見るポイントも遠視点となり、表示内容２０３が遠方にある方が都合が良く、又、低速運転時は見るポイントも近視点なので表示内容２０３は近くにある方が都合が良い。図１６に示すように、表示器２０２がＡ点にある場合には、表示内容２０３は近視点にあり、かつ、表示内容２０３は小型となる。又、表示器２０２がＢ点にある場合には、表示内容２０３は遠視点にあり、かつ、表示内容２０３は大型となる。

　このように、上記のような構成のＨＵＤでは、遠近視点の虚像の役割に着目して、従来の虚像が単に遠方にあるだけという欠点を除去するようにしたものである。

日本国特開平６－２７４１１号公報日本国特開平６－１１５３８１号公報

　ところで、上述の２種類のタイプのＨＵＤであっては、いずれのものであっても、対象物の実距離や視界の視距離に応じて映像表示手段を移動させる構成である。ところが、対象物の実距離や視界の視距離に応じて単に映像表示手段を移動させるだけの構成では、例えば、視点が近くなると表示画像も小さくさせるだけであるので、表示される文字や記号等の情報を読み取りにくくなるなど、表示情報の読み取りが困難になる虞がある。

　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、表示位置が乗り物の前後方向に移動したときに、これに関連して有効な各種の機能性を付加し、表示情報に対して運転に関する警告などの表示内容を感覚的に分かりやすくさせることなどができるようにしたヘッドアップディスプレイを提供することにある。

　前述した目的を達成するために、本発明に係るヘッドアップディスプレイは、下記（１）～（２）を特徴としている。
（１）　第１の表示デバイスと、
　前記第１の表示デバイスとは異なる位置に設置された第２の表示デバイスと、
　前記第１の表示デバイスと前記第２の表示デバイスそれぞれから入射した光を同一方向に出射する同一光軸手段と、
　前記同一光軸手段から入射した光に基づいて、前記第１の表示デバイスと前記第２の表示デバイスが出射した光によって形成されるそれぞれの像を拡大するとともに、それらの像を重畳して結像する拡大像形成手段と、
　前記第１の表示デバイス及び前記第２の表示デバイスの少なくとも一方を光軸方向に沿って移動させる移動手段と、
　を備えること。
（２）　上記（１）のヘッドアップディスプレイであって、
　前記移動手段は、前記第１の表示デバイスを光軸方向に沿って移動させる第１の移動手段と、前記第２の表示デバイスを光軸方向に沿って移動させる第２の移動手段と、を有する、
　こと。

　上記（１）または（２）の構成のヘッドアップディスプレイによれば、表示位置が乗り物の前後方向に移動したときに、これに関連して有効な各種の機能性を付加し、表示情報に対して運転に関する警告などの表示内容を感覚的に分かりやすくさせることが可能になる。

　本発明のヘッドアップディスプレイによれば、乗り物の速度に応じて各移動手段を動作させることで、第１の表示デバイスが形成する虚像の大きさと、第２の表示デバイスが形成する虚像の大きさとの倍率の割合を変更させるように構成したので、表示位置が乗り物の前後方向に移動したときに、これに関連して有効な各種の機能性を付加し、表示情報に対して運転に関する警告などの表示内容を感覚的に分かりやすくさせることなどができるようにした、ヘッドアップディスプレイを提供することが可能になる。

　以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るヘッドアップディスプレイを示す概略構成図である。図２は、本発明のヘッドアップディスプレイの基本原理を示す説明図である。図３は、本発明のヘッドアップディスプレイの表示デバイスと形成される拡大虚像との位置関係を示す光学的模式図である。図４（Ａ）は本発明の第１の実施形態に係るヘッドアップディスプレイに備えた移動手段の具体例を示す構成図、図４（Ｂ）はその移動手段の変形例を示す構成図である。図５は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す移動手段のモータの制御に用いる電気的な構成を示すブロック図である。図６は、本発明の第１の実施形態の作用を示す説明図である。図７（Ａ）は本発明の第１の実施形態に係るヘッドアップディスプレイが形成する法定速度で走行時の表示画像を示す模式原理図、　図７（Ｂ）は高速走行時の表示画像を示す模式原理図である。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は本発明の第１の実施形態における、枠情報（β_２）に対する速度情報（α_２）の大きさの割合を変更させたときの双方の表示情報の大きさの関係を示す説明図である。図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は本発明の第１の実施形態における、視差角と表示される成立虚像の最小大きさとの関係を示す原理図である。図１０は、本発明の第２の実施形態に係るヘッドアップディスプレイを示す概略構成図である。図１１は、本発明の第３の実施形態に係るヘッドアップディスプレイを示す概略構成図である。図１２は、従来のＨＵＤの原理を示す光学的説明図である。図１３は、従来のＨＵＤの構成を示す説明図である。図１４は、従来の表示情報である虚像の結像位置を変更可能とするＨＵＤの構成を示す説明図である。図１５は、虚像の結像位置を変更可能とするコントロール装置を備えた従来のＨＵＤの原理を示す凹面鏡での光路図である。図１６は、そのＨＵＤでの結像位置の移動の関係を示す説明図である。

　以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１の実施形態）
　図１は、本発明の第１の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ１０Ａを示すものである。ヘッドアップディスプレイ１０Ａは、後述する拡大像形成手段５０で形成した拡大虚像を運転方向である図示外のフロントガラス先の運転者の視野内に表示させる。

　このヘッドアップディスプレイ１０Ａには、第１の表示デバイス２０Ａと、第２の表示デバイス２０Ｂと、同一光軸手段３０と、偏向ミラー４０と、拡大像形成手段５０と、第１の移動手段６０Ａ及び第２の移動手段６０Ｂと、を備えたハウジングＨが、図示外の車体内部に搭載されている。尚、本実施形態の場合には図示外のフロントガラスの前方の視界の中に、デジタル画像（虚像）としてスピードメータが表示される。

　第１の表示デバイス２０Ａは、本実施形態の場合、ＬＥＤ（発光ダイオード）光源などをバックライトとして用いた液晶表示装置（以下、「第１ＬＣＤ」とよぶ）で構成されている。本実施形態の第１の表示デバイス２０Ａは、現在速度をデジタル表示（α；図２参照）させる。第１の表示デバイス２０Ａは、図示外の速度センサからの出力信号を受け付けると、この信号に対応した速度値をデジタル表示させる。また、この第１の表示デバイス２０Ａは、後述する第１の移動手段６０Ａ（図４（Ａ）及び図４（Ｂ）参照）が付設されており、走行速度に応じて同一光軸手段３０との間の距離（Ｌ１）を変化させることによって、デジタル表示される速度値の数字の大きさを変更可能になっている。

　第２の表示デバイス２０Ｂは、第１の表示デバイス２０Ａと同様の液晶表示装置（以下、「第２ＬＣＤ」とよぶ）で構成されている。本実施形態の第２の表示デバイス２０Ｂは、デジタル速度表示（α）の外側を取り囲む枠（β；図２参照）を表示させるようになっている。また、この第２の表示デバイス２０Ｂにも、後述する第２の移動手段６０Ｂが付設されており、走行速度に応じて同一光軸手段３０との間の距離（Ｌ２）を変化させることで、走行速度に対応して枠の大きさを変更可能になっている。なお、本実施形態では、各表示デバイスにそれぞれ移動手段が付設されているが、少なくともいずれか一方に付設させた構成であってもよい。

　同一光軸手段３０は、第１の表示デバイス２０Ａと第２の表示デバイス２０Ｂそれぞれから入射した光を同一方向に出射するものである。これによって、同一光軸手段３０から出射された光に基づく虚像は、図２に示すようなデジタル速度表示（α）と枠（β）が重畳された表示画像（γ）として結像されるようになっている。本実施形態の同一光軸手段３０は、ハーフミラーで構成されており、第１の表示デバイス２０Ａで形成されて出射する表示情報に対応した波形の光のうち、同一光軸手段３０に垂直入射後に透過する第１波形の光と、第２の表示デバイス２０Ｂで形成されて出射する表示情報に対応した波形の光のうち、同一光軸手段３０に入射した後に反射する第２波形の光とを干渉させ、偏向ミラー４０へ向けて進行させるようになっている。

　尚、本実施形態では、同一光軸手段３０をハーフミラーで構成したが、特にこれに限定されるものではない。例えば第１の表示デバイス２０Ａから出射する特定偏光面（Ｐ偏光）の第１の波形を所定の高い割合で透過させるとともに、第２の表示デバイス２０Ｂから出射し第１の波形とは偏光面が直交する特定偏光面（Ｓ偏光）の第２の波形を所定の高い割合で反射させるＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）などで構成してもよい。また、これ以外に、例えば特定波長の光を非常に高い割合で選択的に透過させるとともに、特定波長の光を非常に高い割合選択的に反射させる、多層膜フィルタなどの透過波長選択手段で構成してもよい。

　偏向ミラー４０は、同一光軸手段３０が出射する光路の方向を９０度偏向させることで、狭いスペース内で光路長を稼ぐことができるようにするとともに、各種の光学素子をハウジングＨの内部スペースにコンパクトに収容させるようになっている。これにより、ハウジングＨの小型化を図ることで狭い車内での設置に好適なものとなっている。なお、この偏向ミラー４０は、本実施形態では必要のために設置されているものであるが、後述する第２の実施形態の場合のように、特に本発明では必須のものではない。

　拡大像形成手段５０は、同一光軸手段３０が出射した光を入射することによって、第１の表示デバイス２０Ａと第２の表示デバイス２０Ｂが出射した光によって形成されるそれぞれの像を拡大するとともに、それらの像を重畳して結像するものである。本実施形態の拡大像形成手段５０は、図３に示すように、焦点距離がｆ、球面半径がｒの凹面鏡（これ以外に、例えば拡大機能を有する光学素子を付設した、非球面ミラーなどでもよい）で構成されており、第１の表示デバイス２０Ａ（又は第２の表示デバイス２０Ｂ）から拡大像形成手段５０までの距離、つまり物体距離をａ_１（図３参照）、拡大像形成手段５０から結像（虚像）点までの距離、つまり像距離をｂ_１（図３参照）とすると、よく知られた反射鏡の結像公式、
　　　　１／ａ_１　＋１／ｂ_１　＝１／ｆ（＝２／ｒ）　　　・・・（３）
が成立する。

　従って、本実施形態の拡大像形成手段５０でも、背景技術の欄でも説明したように、鏡面と焦点との間に物点を設置する場合には正立虚像が形成されるとともに、その虚像が物点に設置した物体の大きさよりも大きくなることを利用し、第１の表示デバイス２０Ａ（又は第２の表示デバイス２０Ｂ）を鏡面と焦点との間に設置させることで、拡大像形成手段５０である凹面鏡の背後（図１では＋Ｘ方向）、つまり運転手の視点であるフロントガラスの先の空間に、第１の表示デバイス２０Ａ（又は第２の表示デバイス２０Ｂ）における表示画像よりも大きな虚像の画像を形成させるものである。

　第１の移動手段６０Ａは、第１の表示デバイス２０Ａを、光軸方向に沿って前後に移動するためのものであり、本実施形態のヘッドアップディスプレイ１０Ａを搭載する自動車の速度に応じて動作させることで、第１の表示デバイスが形成する虚像の大きさを変更させる。本実施形態の第１の移動手段６０Ａは、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、第１の表示デバイス２０Ａを構成する第１ＬＣＤの本体ケーシングに設けたブラケット６１に固定した第１モータ６２Ａと、この第１モータ６２Ａの出力軸に固着したピニオン６３と、ヘッドアップディスプレイ１０ＡのハウジングＨ内部（例えば床面）に固設した、ピニオン６３が噛合するラック６４と、を備えている。

　また、このモータ６２は、図５に示す制御部６７と接続されており、この制御部６７では、速度センサ６８からの出力信号を入力すると、制御部６７から車の速さに応じた制御信号が第１モータ６２Ａに出力され、第１ＬＣＤを所定の範囲内で移動させるようになっている。
　即ち、この第１モータ６２Ａは、第１の表示デバイス２０Ａを構成する第１ＬＣＤの本体ケーシングが許容される移動範囲は、図３に示すように、物体距離ａ（ａ_１～ａ_３）が許容される次式の範囲、
　　　　０＜ａ＜ｆ　　　　　　　　　　・・・（４）
と同一である。つまり、第１ＬＣＤの本体ケーシングの移動は、最大でも上の（４）式の範囲内であって、具体的には、拡大像形成手段５０である凹面鏡位置（Ｐ点）とその焦点位置（Ｆ点）との２点間の範囲内に制限されている。

　第２の移動手段６０Ｂも、第１の移動手段６０Ａと同様の構成となっており、図５に示すように、制御部６７の制御信号により第２ＬＣＤの移動動作を行うものであるが、この第２ＬＣＤの移動動作は第１ＬＣＤの移動動作、つまり移動速度或いは移動距離が（原則として）同じにはならないように動作させる場合が多い。

　尚、本実施形態では、第１の移動手段６０Ａ及び第２の移動手段６０Ｂの具体的な機構として、ラックピニオンを用いたが、これ以外に、例えば図４（Ｂ）に示すような、ボールねじを用いた機構で構成してもよい。即ち、このボールねじ機構では、ハウジングＨ内部に固設した第１モータ６２Ａ（又は第２モータ６２Ｂ）と、第１ＬＣＤ（又は第２ＬＣＤ）の本体ケーシングに固設した螺合部材６５と、第１モータ６２Ａ（又は第２モータ６２Ｂ）の出力軸と一体に連結されて螺合部材６５に切られた雌ねじに螺合するボールねじ部材６６とを備えており、第１ＬＣＤ（又は第２ＬＣＤ）の本体ケーシングの底部がヘッドアップディスプレイ１０ＡのハウジングＨ内部（例えば床部）に沿ってスライドするような構成となっている。

　次に、本発明の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ１０Ａの作用について説明する。
　初めに、例えばヘッドアップディスプレイ１０Ａを搭載している車が、高速道路上を所定の速度（ＡＣＣ（adaptive cruise control）の設定速度）である法定速度（例えば、８８ｋｍ／ｈ）の範囲内で走行しているものと仮定する。この場合には、速度センサ６８からその速度（８８ｋｍ／ｈ）に応じた所定の出力信号が制御部６７に入力される。この出力信号を入力した制御部６７から、駆動用の制御信号が第１の移動手段６０Ａの第１モータ６２Ａ及び第２の移動手段６０Ｂの第２モータ６２Ｂへそれぞれ出力される。これにより第１モータ６２Ａ及び第２モータ６２Ｂが駆動され、第１の表示デバイス２０Ａである第１ＬＣＤ及び第２の表示デバイス２０Ｂである第２ＬＣＤが所定位置に移動する。

　即ち、図６において、例えば、第１ＬＣＤは第２物点位置（Ａ_２）、つまり拡大像形成手段５０である凹面鏡から物体距離ａ_２に移動する。これにより、図３において、第２物点位置（Ａ_２）にある第１ＬＣＤから出射する速度情報（８８ｋｍ／ｈ）に関する第１の波形は、同一光軸手段３０であるハーフミラーを所定割合で透過した後の光路が偏向ミラー４０で９０度偏向（折曲）され、拡大像形成手段５０である凹面鏡に向けて進行する。

　そして、凹面鏡に入射すると、後方、つまり車のフロントガラス前方の運転者の比較的前方の視野内の第２虚像点位置（Ｂ_２）に中程度の大きさの正立虚像の速度情報（α_２；図７（Ａ）参照）が形成され表示される。ここで、その虚像点位置Ｂ_２の具体的な形成位置については、凹面鏡の背面側（車の進行方向前方）であって、拡大像形成手段５０である凹面鏡の位置からｂ_２（別言すれば、凹面鏡からの像距離ｂ_２）であり、定式的に説明すると、凹面鏡について周知の公式、つまり（３）式に従い、
　　　　ｂ_２＝ａ_２・ｆ／（ａ_２－ｆ）　　　　　　・・・（５）
となる。

　同様にして、速度センサ６８からその速度に応じた所定の出力信号が制御部６７に入力される。この出力信号を入力した制御部６７から、駆動用の制御信号が第２の移動手段６０Ｂの第２モータ６２Ｂへ出力される。そして、第２の表示デバイス２０Ｂである第２ＬＣＤが所定位置に移動する。即ち、第２ＬＣＤも、第１ＬＣＤの第２物点位置（Ａ_２）と同じ、つまり図６において、拡大像形成手段５０である凹面鏡から物体距離ａ_２と同一距離ａ_２離れた、第２物点位置（Ａ_２´）に移動する。

　これにより、第２物点位置にある第２ＬＣＤから出射する枠情報に関する第２の波形は、同一光軸手段３０であるハーフミラーで反射されて先述の第１の波形と干渉されながら、第１の波形と同様の進路を辿り、拡大像形成手段５０である凹面鏡に入射する。すると、後方、つまり車のフロントガラス前方の運転者の前方の視野内の、第１の波形の速度情報が形成表示される第２の虚像点位置（Ｂ_２）と同一虚像点位置（Ｂ_２）に、中程度の大きさの枠情報（β_２；図７（Ａ）参照）が形成され表示される。

　即ち、所定の基準速度を超える中速度（例えば、８８ｋｍ／ｈ）で走行する場合には、図７（Ａ）に示すような、中程度の大きさの正立虚像の速度情報（α_２）と中程度の大きさの正立虚像の枠情報（β_２）とが重畳された、デジタル速度メータ（γ_２２；図８（Ａ）参照）が、車のフロントガラス前方の運転者の比較的前方の視野内に表示される。尚、ここでの表示内容は、その走行中の現在速度が８８ｋｍ／ｈであることを表示している。

　次に、走行速度を上げ、例えば走行車線を走行中の前の車を追い越すために追越車線に車線変更して一時的に高速走行（例えば、１８８ｋｍ／ｈ）を行う場合を想定する。この場合も同様に、まず、速度センサ６８からその速度に応じた所定の出力信号が制御部６７に入力される。この出力信号を入力した制御部６７からは、駆動用の制御信号が第１の移動手段６０Ａの第１モータ６２Ａへ出力され、第１の表示デバイス２０Ａである第１ＬＣＤが所定位置に移動する。即ち、第１ＬＣＤは、元の第２物点位置（Ａ_２）、つまり図３及び図６において拡大像形成手段５０である凹面鏡から物体距離ａ_２離れた位置から、第１物点位置（Ａ_１）に移動する。これにより、図３及び図６において、車のフロントガラス前方の運転者の遥か前方の視野内の第１虚像点位置（Ｂ_１）に大きな正立虚像の速度情報（α_１；図７（Ｂ）参照）が形成され表示される。

　一方、制御部６７から第２の移動手段６０Ｂの第２モータ６２Ｂへは駆動用の制御信号が出力されない。このため、第２の表示デバイス２０Ｂである第２ＬＣＤはそのままであって、位置の変動を行わない。第２物点位置（Ａ_２´）にある第２ＬＣＤから出射する枠情報に関する第２の波形は、拡大像形成手段５０である凹面鏡に入射する。この結果、車のフロントガラス前方の運転者の比較的前方の視野内の元の第２の虚像点位置（Ｂ_２）に、中程度の大きさの枠情報（β_２；図７（Ｂ）参照）が形成され表示される。

　これにより、危険な高速走行の際には、図８（Ｂ）に示すように、大きな速度情報（α_１）と中程度の枠情報（β_２）とが重畳されたデジタル速度メータ情報（γ_１２）が、車のフロントガラス前方の運転者の比較的前方の視野内に表示される。枠情報が過度に大きく表示されないため、運転者の視界が枠情報で邪魔されてしまうのを回避することができる。また、これと同時に、現在の走行速度が速すぎることを、大きなサイズの数字で表示するので、安全運転に資することができる。

　尚、本実施形態では、第１の表示デバイスをデジタル速度情報、第２の表示デバイスを枠情報で構成したが、例えばナビゲーションシステムにおける地図情報にも適用できる。例えば交差点までの距離が接近するにつれて、地図の表示は大きさを変化させることなく、枠の大きさを徐々に大きくするように構成して交差点が近付いてきたことを知らせるように構成してもよい（或いはその逆でもよい）。また、対人センサとしての表示に適用し、車両の前方に歩行者や自転車などが次第に接近するにつれて、その対象物までの距離のみを次第に大きくさせるような構成等としてもよい。

　ところで、一般に、視点が遠方にシフトする高速走行の際には、従来であれば、運転者の視覚の負担を軽減させるため、虚像点位置も同じく遠方にシフトさせて各種の表示情報を表示させていた。このため、表示情報が大きくなり、視野の障害となって危険な運転環境となる虞があった。一方、本実施形態によれば、第１の移動手段６０Ａ及び第２の移動手段６０Ｂを適宜作動させることで、第１の表示デバイス２０Ａ及び第２の表示デバイス２０Ｂの物体距離を調整している。このため、拡大像形成手段５０である凹面鏡が形成する像距離を変更することができる。この結果、像位置に形成される各第１の表示デバイス２０Ａ及び第２の表示デバイス２０Ｂに基づく表示情報の大きさ、つまり形成される元の表示デバイスでの形成画像の大きさに対する虚像の表示情報の大きさの割合い（倍率；ｍ＝ｂ／ａ）を適宜変更させることができる。

　例えば、上記したように、最小限必要な重要情報のみ（本実施形態の場合、第１の表示デバイス２０Ａが形成する速度情報）を同一焦点位置に設定保持するとともに、重要性の低い情報（本実施形態の場合、第２の表示デバイス２０Ｂが形成する枠情報）は小さく表示させるなど、運転の安全性を最優先するような表示構成が実現可能となる。

　また、速度が低速で運転手の視点が近くなる場合には、これに合わせて拡大像形成手段５０である凹面鏡が形成する虚像もその視点近くに表示させると、元の表示デバイスでの形成画像に対する倍率も小さくなる。そのため、表示される情報である文字や記号も小さくなって判読が難しい場合も起こることが予想される（図７（Ｂ）における小さなサイズの数字での速度情報（α_３）参照）。そのような場合には、文字や記号情報のみを選択的に大きく表示させるように、移動手段の動作を適宜制御することが可能となる。

　つまり、図９（Ａ）に示すように、例えば同図（Ａ）に示す遠視点での必要最小限の読取可能な視差角θを確保して表示画像を観察する場合、表示画像の最小大きさがｈであるとする。ここで、視差角θは１度前後（＝π／１８０（ｒａｄ））で数学的には十分に小さい値なので、虚像の大きさである上記表示画像の大きさｈを、視差角θが形成する円弧と見做すと、近似式として初等数学での解析分野などで知られているように、次式、
　　　　ｈ≒Ｒπ／１８０　　　　　　　　　・・・（６）
　　　　　　但し、Ｒ；円弧が形成される円の半径
で表すことができる。

　一方、同図（Ｂ）に示す近視点では、必要最小限の視差角θを確保して表示画像を観察する場合、表示画像の最小大きさがｈ´となる。つまり、ｈ´を円弧と見做すと、同様に近似的に、次式、
　　　　ｈ´≒Ｒ´π／１８０　　　　　　　　・・・（７）
　　　　　　但し、Ｒ´；円弧ｈ´が形成される円の半径
が成立する。

　従って、最低限の読取可能な表示画像の大きさｈ´´として、上記表示画像の大きさｈと同一大きさを最低限確保しようとすると、即ち、ｈ´´＝ｈとなるためには、その視差角δが、次式、
　　　　δ＝θ・Ｒ／Ｒ´　　　　　　　　　・・・（８）
を満たすことが必要である。従って、この（８）式で示すような視差角δの虚像を、拡大像形成手段５０である凹面鏡で形成すればよいことが分かる。

　（第２の実施形態）
　次に、本発明の第２の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ１０Ｂについて説明する。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。

　本実施形態のヘッドアップディスプレイ１０Ｂが、第１の実施形態のヘッドアップディスプレイ１０Ａと異なるのは、偏向ミラー４０を設けていない点である。なお、本実施形態のヘッドアップディスプレイ１０Ｂにも、図示しないが、第１及び第２の表示デバイス２０Ａ，２０Ｂに、それぞれ、第１及び第２の移動手段が付設されている。

　従って、本実施形態では、第１の実施形態のヘッドアップディスプレイ１０Ａと同様の作用及び効果を奏するものであるが、偏向ミラー４０を設けていない分、製造コストの削減及びハウジングＨ´の小型化を図ることができる。

　（第３の実施形態）
　次に、本発明の第３の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ１０Ｃについて説明する。なお、本実施形態においても、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。

　本実施形態のヘッドアップディスプレイ１０Ｃでは、第１の実施形態のヘッドアップディスプレイ１０Ａと略同等の構成であるが、第１及び第２の表示デバイス２０Ａ，２０Ｂに図示外の第１及び第２の移動手段がそれぞれ付設されているだけでなく、同一光軸手段３０にも、第１及び第２の移動手段と同様の図示外の移動手段が付設されており、３つの光学素子（第１の表示デバイス２０Ａ、第２の表示デバイス２０Ｂ、及び同一光軸手段３０であるハーフミラーなど）がそれぞれ同方向（図中上下方向）に並進的に移動可能となっている。

　これら３種の移動手段は、それぞれの光学素子に対して、独立別個の移動動作を行うことが可能となっており、本実施形態のヘッドアップディスプレイ１０Ｃを搭載する自動車の走行速度に応じて固有の移動量だけ位置がそれぞれ相対的に変化することで、第１及び第２の表示デバイス２０Ａ，２０Ｂに対応するそれぞれの物体距離（ａ）及び像距離（ｂ）については、互いに異なる幅広い光学距離の相対的な変動を行わせることが可能になっている。

　そのため、第１及び第２の表示デバイス２０Ａ，２０Ｂによる表示画像に対して、互いに異なる固有の倍率ｍ（＝ｂ／ａ）で拡大された固有の大きさを有する拡大虚像を、運転方向である図示外のフロントガラス先の運転者の視野内に、重畳させた画像状態で表示させるようになっている。

　尚、本実施形態では、３種類の移動手段を用いて、重畳させる各拡大虚像については、複雑な倍率変化を行うことができるようになっているが、同様の効果を奏することができるようであれば、上記の３種類の光学素子全体を同時にまとめて同一光学距離だけ変動可能とするような構成であってもよい。その場合には、移動手段が１つで済むので、コストの削減及び装置の小型化が可能である。

　なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。例えば、第１及び第２の表示デバイスの移動手段は、少なくともいずれか一方に付設することで、各表示デバイスに対応して形成される各虚像うちの少なくとも何れか一方の虚像の倍率を変更可能に構成するようにしてもよい。

　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。

　本出願は、2010年9月13日出願の日本特許出願（特願2010－204688）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

　本発明のヘッドアップディスプレイによれば、表示位置が乗り物の前後方向に移動したときに、これに関連して有効な各種の機能性を付加し、表示情報に対して運転に関する警告などの表示内容を感覚的に分かりやすくさせることができる、という効果を奏する。

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ　ヘッドアップディスプレイ
２０Ａ　第１の表示デバイス（第１ＬＣＤ）
２０Ｂ　第２の表示デバイス（第２ＬＣＤ）
３０　同一光軸手段（ハーフミラー）
４０　偏向ミラー
５０　拡大像形成手段（凹面鏡）
６０Ａ　第１の移動手段
６０Ｂ　第２の移動手段
６２Ａ　第１モータ
６２Ｂ　第２モータ
６３　ピニオン
６４　ラック
６５　螺合部材
６６　ボールねじ部材
Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３　（第１、第２、第３）物点位置
Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３（第１、第２、第３）虚像点位置
ａ、ａ_１、ａ_２、ａ_３　物体距離
ｂ、ｂ_１、ｂ_２、ｂ_３　像距離
Ｈ、Ｈ´　ハウジング
α　デジタル速度画像表示
α_１　大サイズの速度表示
α_２　普通サイズの速度表示
α_３　小サイズの速度表示
β　枠画像表示
β_２　普通サイズの枠表示
γ　重ね合わされた表示画像
θ　読取可能な必要最小限の視差角

Claims

　第１の表示デバイスと、
　前記第１の表示デバイスとは異なる位置に設置された第２の表示デバイスと、
　前記第１の表示デバイスと前記第２の表示デバイスそれぞれから入射した光を同一方向に出射する同一光軸手段と、
　前記同一光軸手段から入射した光に基づいて、前記第１の表示デバイスと前記第２の表示デバイスが出射した光によって形成されるそれぞれの像を拡大するとともに、それらの像を重畳して結像する拡大像形成手段と、
　前記第１の表示デバイス及び前記第２の表示デバイスの少なくとも一方を光軸方向に沿って移動させる移動手段と、
　を備えるヘッドアップディスプレイ。
　前記移動手段は、前記第１の表示デバイスを光軸方向に沿って移動させる第１の移動手段と、前記第２の表示デバイスを光軸方向に沿って移動させる第２の移動手段と、を有する、
　請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。