WO2018199244A1

WO2018199244A1 - 表示システム

Info

Publication number: WO2018199244A1
Application number: PCT/JP2018/017018
Authority: WO
Inventors: 野村英司
Original assignee: コニカミノルタ株式会社
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2018-11-01
Also published as: JPWO2018199244A1

Abstract

簡易に両眼視時の視差の増大を抑えて広い視野角を確保しやすくした表示システムを提供する。移動体用表示システム（表示システム）２００は、像形成素子（描画デバイス）１１と、像形成素子１１によって形成された表示像を拡大して虚像として表示する表示光学系３０と、観察者の視点位置を検出する運転者検出部（視点検出部）７１と、表示光学系３０に含まれるミラー（光学部材）１７ａを虚像ＩＭの横方向に対応する方向にチルトさせる第２配置変更装置（チルト駆動部）６２と、運転者検出部７１によって得た視点位置に応じて、第２配置変更装置６２を動作させることでミラー１７ａを虚像ＩＭの横方向に対応する方向にチルトさせて姿勢を調整するとともに、表示像の位置を変える制御部１８，９０とを備える。

Description

表示システム

　本発明は、運転者の視線の先に虚像としての画像を表示する表示システムに関するものである。

　ヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤ（Head-Up Display）とも称す）は、例えば自動車に搭載され、描画デバイスに表示した画像を虚像として表示する投影光学系と、当該虚像を表示するための表示スクリーンとを備える。このＨＵＤにより、運転中の運転者が視線や視点を大きく動かすことなく表示を確認することができる。

　ＨＵＤとして、運転者の目の位置の変化に対して、コンバイナーに対する虚像の表示位置を変更可能にしたものが存在する（特許文献１，２）。この場合、投射器の位置を全体的に変更したり、光路上の特定の反射鏡の上下の傾きを調整したりすることで、運転者の目の高さ位置に応じて虚像の表示位置を変更できるようにしている。

　しかしながら、運転者の目が左右に移動することを十分に配慮した装置は存在しない。投射器の位置を全体的に変更する手法では、運転者の目の移動方向に関わらず装置が大がかりになる。また、光路上の特定の反射鏡の傾きを調整する手法では、特に運転者の目が左右両端に移動した場合に歪曲収差が大きくなり、両眼の視差が大きくなって運転者に違和感を与える。

特開２００５－２４７２２４号公報特開２００９－１９６４７３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、簡易に両眼視時の視差の増大を抑えて広い視野角を確保しやすくした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表示システムは、描画デバイスと、描画デバイスによって形成された表示像を拡大して虚像として表示する表示光学系と、観察者の視点位置を検出する視点検出部と、表示光学系に含まれる少なくとも１つの光学部材を虚像の横方向に対応する方向にチルトさせるチルト駆動部と、視点検出部によって得た視点位置に応じて、チルト駆動部を動作させることで少なくとも１つの光学部材を虚像の横方向に対応する方向にチルトさせて姿勢を調整するとともに、表示像の位置を変える制御部とを備える。

図１Ａは、第１実施形態の表示システムを説明する側方断面図であり、図１Ｂは、表示システムを説明する車内側からの正面図である。表示システムに組み込まれる画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。図３Ａは、描画デバイスにおける表示領域を説明する概念図であり、図３Ｂは、別の状態での表示領域を説明する概念図である。画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。表示システムの動作を概念的に説明する図である。図２に示す画像表示装置の変形例を説明する図である。図２に示す画像表示装置の別の変形例を説明する図である。図８Ａ及び８Ｂは、ミラーのチルトや表示像のシフトによるミラーサイズの縮小を説明する概念図である。第２実施形態に係る表示システムに組み込まれる画像表示装置を説明する図である。第３実施形態に係る表示システムに組み込まれる画像表示装置を説明する図である。第４実施形態に係る表示システムに組み込まれる画像表示装置を説明する図である。図１２Ａ及び１２Ｂは、実施例１の表示光学系等を説明する図である。図１３Ａ及び１３Ｂは、実施例２の表示光学系等を説明する図である。図１４Ａ及び１４Ｂは、実施例３の表示光学系等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、本発明に係る表示システムの第１実施形態について説明する。本実施形態の表示システムは、車両等に搭載される移動体用表示システムとなっている。

　図１Ａ及び１Ｂは、本実施形態の表示システムに組み込まれる画像表示装置１００を説明する概念的な側方断面図及び正面図である。この画像表示装置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。画像表示装置１００は、描画ユニット１０中の描画デバイスである像形成素子１１に表示されている画像情報を、表示スクリーン２０を介して観察者としての運転者ＵＮ向けに虚像表示するものである。

　画像表示装置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、後述する投影光学系１７を挟んで像形成素子（描画デバイス）１１の反対側つまり下流側に配置されている。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。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の前方にある投影像としての虚像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等を含む投影像としての虚像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、像形成素子１１を含む虚像型の投影光学系又は反射光学系から構成される本体光学系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、表示光学系３０を構成する。表示光学系３０が複数の光学部材を含むことにより、収差の少ない虚像ＩＭの投影が容易になる。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１３は、描画デバイスである像形成素子１１のほかに、像形成素子１１に形成された画像を拡大投影するための拡大光学系である投影光学系１７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である。像形成素子（描画デバイス）１１の表示面１１ａに形成された像は、本体光学系１３の投影光学系１７で拡大されて表示スクリーン２０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、表示面１１ａに形成される表示像や結果的に投影される虚像ＩＭの切換えを比較的高速とできる。像形成素子１１は、ＬＣＤ（liquid Crystal Display）と呼ばれる液晶パネルその他の透過型の表示素子とできる。また、像形成素子１１は、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）やＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）等の反射型の表示素子、反射型表示素子の像を拡大する投射光学系、及び拡散性を有する光学素子を含んだ光学系であってもよく、その場合は拡散性を有する光学素子は表示面１１ａと等価なものとなっている。また、反射型の表示素子の代わりに、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を利用した走査型の映像素子を用いることもできる。

　像形成素子１１は、表示制御部１８に駆動されて表示動作を行う。像形成素子１１の表示面１１ａは部分的に利用されており、表示像は、表示面１１ａの部分領域に表示されている。表示制御部１８からの画像信号は、後述する運転者ＵＮの視点位置に応じて、投影光学系１７を構成する光学部品のチルトに同期又は連動して表示面１１ａにおける表示像又は表示領域を中心から周辺に適宜シフトさせたものとできる。表示制御部１８等による位置変更の対象は、像形成素子１１上の表示像そのものである。この際、表示制御部１８からの画像信号は、投影光学系１７自体やこれを構成する光学部品のチルトに起因する歪曲収差を補正したものとすることができる。つまり、像形成素子１１の表示面１１ａに形成する表示像に強制的な逆の歪曲収差を与えること、つまり表示像に歪曲補正を施すことで、投影される虚像ＩＭの歪曲収差を相殺又は補正することができる。これにより、運転者ＵＮの視点位置の移動に伴って歪曲収差が変動することを防止でき、虚像ＩＭの自然な表示が可能になる。

　像形成素子（描画デバイス）１１は、チルト可能になっており、回動機構を含むチルト補正部である第１配置変更装置６１に駆動されて光軸ＡＸに垂直な回動軸ＲＸ１の周りに回転して傾斜する。つまり、像形成素子（描画デバイス）１１は、第１配置変更装置（チルト補正部）６１によってチルト状態の調整が可能になっている。ここで、像形成素子１１をチルトさせる回動軸ＲＸ１は、像形成素子１１の表示面１１ａと光軸ＡＸとの交点を通って縦のｙ方向に平行な方向に延びる。このように像形成素子（描画デバイス）１１をチルトさせる方向は、虚像ＩＭの横方向つまり運転者ＵＮの目の並ぶ方向に対応するものとなっている。第１配置変更装置（チルト補正部）６１は、表示制御部１８の制御下で、後述する第２配置変更装置６２と同期又は連動して運転者ＵＮの視点位置に応じて像形成素子１１のチルト状態を調整するものである。第１配置変更装置６１により、横方向の像面の傾きや両眼の視差を低減することができる。第１配置変更装置６１は、アクチュエーターとして、ステッピングモーター、ＤＣモーター等を備える。

　投影光学系１７は、像形成素子１１の表示面１１ａに形成された表示像を表示スクリーン２０と協働して拡大し、運転者ＵＮの前方に投影像としての虚像ＩＭを形成する。投影光学系１７は、少なくとも１枚の光学部材で構成されるが、図示の例では２枚のミラー１７ａ，１７ｂを含む。ここで、一方のミラー（光学部材）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第１のミラーとなっている。また、他方のミラー（光学部材）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２のミラーとなっている。

　ミラー１７ａは、チルト可能になっており、回動機構を含むチルト駆動部である第２配置変更装置６２に駆動されて光軸ＡＸを含むｙｚ面に沿って延びる回動軸ＲＸ２の周りに回転して傾斜する。つまり、ミラー１７ａは、第２配置変更装置（チルト駆動部）６２によってチルト状態の調整が可能になっている。ここで、ミラー１７ａをチルトさせる回動軸ＲＸ２は、光軸ＡＸを含むｙｚ平面にあり、ミラー１７ａと光軸ＡＸとの交点又はミラー１７ａの光学面原点を通って縦のｙ方向に延びる。このようにミラー１７ａをチルトさせる方向は、虚像ＩＭの横方向に対応するものとなっている。つまり、ミラー１７ａを回動軸ＲＸ２の周りに回転させチルトさせることで虚像ＩＭを横の±ｘ方向にシフトさせる効果がある。ミラー１７ａのチルトが適切であれば、ミラー１７ａのチルトに対して、観察者である運転者ＵＮの視線位置が横方向に移動する動作を相殺するような作用を持たせることができる。第２配置変更装置６２は、アクチュエーターとして、ステッピングモーター、ＤＣモーター等を備える。

　図３Ａは、像形成素子１１の表示面１１ａを説明する概念図である。表示面１１ａの中央には、基準表示領域ＡＤ０があり、基準表示領域ＡＤ０の上下又は縦方向である±ｙ方向に表示可能な領域が残っている。また、基準表示領域ＡＤ０の左右又は横方向である±ｘ方向にも表示可能な領域が残っている。運転者ＵＮの視線位置が横方向に移動する動作を相殺するようミラー１７ａをチルトさせる場合、基準表示領域ＡＤ０に形成していた表示像ＤＭを横の±ｘ方向にシフトさせる。表示面１１ａ上で表示像ＤＭをシフトさせる動作は、ミラー１７ａをチルトさせる動作と同期又は連動したものであって、ミラー１７ａのチルトを減少させるようなものとする。このように、像形成素子１１上の表示像ＤＭの移動と、ミラー１７ａのチルトとを組み合わせて相互に補うようにすることで、運転者ＵＮの視線位置が広範囲に亘って横方向に移動する動作を相殺するように虚像ＩＭを移動させることができ、運転者ＵＮの視線移動に伴ってミラー１７ａ，１７ｂ等によって虚像ＩＭの欠けが生じることを防止できる。つまり、投影光学系１７や表示スクリーン２０のサイズをあまり大きくすることなくアイボックスサイズや視野角を大きくすることができる。なお、ミラー１７ａのチルトだけを利用した場合、視野角を大きくすることは容易でなく、両眼の画像の相違（以下では視差と呼ぶ）が生じやすい。表示像ＤＭのシフトだけを利用した場合も、視野角を大きくすることは容易でなく、両眼の画像の相違（視差）が生じやすい。

　図３Ａの表示面１１ａにおいて、点線で示すシフト表示領域ＡＤ１，ＡＤ２は、表示像ＤＭをシフトさせる例を示している。この場合、シフト表示領域ＡＤ１，ＡＤ２は、基準表示領域ＡＤ０を±ｘ方向にシフトさせただけでなく、基準表示領域ＡＤ０を±ｙ方向にも若干シフトさせたものとなっている。これは、ミラー１７ａのチルトによって横の±ｘ方向だけでなく縦の±ｙ方向にも虚像ＩＭのシフトが発生することを考慮したものである。このようにミラー１７ａの横方向に関するチルトに伴って表示面１１ａ上で表示像ＤＭを横方向（必要により、横方向及び縦方向）にシフトさせることで、運転者ＵＮの視線移動に伴って虚像ＩＭの欠けが生じることをより確実に防止できる。

　図３Ｂは、表示像ＤＭを上下にシフトさせる例を示している。上下のシフト表示領域ＡＤ３，ＡＤ４は、運転者ＵＮの上下方向の視線移動に順応させて虚像ＩＭの欠けを防止することを目的としている。運転者ＵＮの実際の視線移動は、縦横が複合したものであり、図３Ａ及び３Ｂに示す交差する２方向への表示像ＤＭのシフトを適宜組み合わせた画像シフトが実行される。

　図４は、実施形態の表示システムとしての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、その一部として画像表示装置１００を含む。この画像表示装置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４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、画像表示装置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の視点位置を検出する視点検出部であり、運転席用カメラ７１ａと、運転席用画像処理部７１ｂと、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等参照）、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判断部７１ｃでの処理を容易にする。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の瞳ＨＴの空間的な位置（より具体的には、２つの瞳ＨＴの中間位置）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、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判断部７２ｃでの処理を容易にする。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、歩行者等の対象物の存否を検出する。

　主制御装置９０は、画像表示装置１００、環境監視部７２等の動作を統括的に制御している。具体的には、主制御装置９０は、速度その他の運転状況に関連する情報を画像表示装置１００に対して画像情報として出力し、運転状況に関連する情報を含む虚像ＩＭを表示スクリーン（コンバイナー）２０越しに投影させる。主制御装置９０は、例えば環境監視部７２によって検出した自動車、自転車、歩行者等の対象物の存在を画像表示装置１００によって投影される虚像ＩＭ中に警告表示として含ませることもできる。また、主制御装置９０は、運転者検出部７１によって検出した運転者ＵＮの視点位置に応じて画像表示装置１００を動作させ、画像表示装置１００によって投影される虚像ＩＭを視点位置に適合させたものとする。つまり、主制御装置９０は、運転者検出部７１によって得た視点位置に応じて、第２配置変更装置（チルト駆動部）６２を動作させて少なくとも１つの光学部材を虚像ＩＭの縦方向に対応する方向にチルトさせるとともに、像形成素子１１に表示する像の位置を変える。これにより、運転者ＵＮの視点位置が横方向及び縦方向に大きく移動した際にも視野角を確保できる光学系としつつ、光学部材のサイズが増大することを抑制できる。具体的には、主制御装置９０は、運転者ＵＮの視点位置に基づいて表示制御部１８を動作させ、第２配置変更装置（チルト駆動部）６２によって少なくとも１つのミラー（光学部材）１７ａをチルトさせて姿勢を調整するとともに、像形成素子１１において表示像ＤＭの位置をシフトさせる。

　以下、図５を参照して、第１及び第２配置変更装置６１，６２等に関連する表示制御部１８及び主制御装置９０の動作について説明する。まず、主制御装置９０は、運転者検出部７１によって運転者ＵＮの目の位置（つまり視点位置であり、具体的には瞳ＨＴの中間位置）を検出する（ステップＳ１１）。その後、主制御装置９０は、ステップＳ１１で得た運転者ＵＮの目の位置のｘ方向及びｙ方向に関する原点（アイボックスの中心）からの視点位置のズレ量を算出する（ステップＳ１２）。主制御装置９０は、視点位置の原点からのズレ量に基づいて、ミラー１７ａのチルト量を決定し、像形成素子１１の表示面１１ａ上での表示像ＤＭを横方向及び縦方向に関するシフト量を決定するとともに、像形成素子１１のチルト量を決定し、結果を表示制御部１８に信号として出力する（ステップＳ１３）。ここで、ミラー１７ａのチルト量は、符号としてチルト方向を含む。また、表示像ＤＭの横方向及び縦方向に関するシフト量も、縦横の各々について符号としてシフト方向を含む。また、像形成素子１１のチルト量も、符号としてチルト方向を含む。ミラー１７ａのチルト量、表示像ＤＭのシフト量、及び像形成素子１１のチルト量の決定は、演算によって得てもよいが、換算テーブルを利用することができる。表示制御部１８は、主制御装置９０からの信号、つまりミラー１７ａのチルト量、表示像ＤＭのシフト量、及び像形成素子１１のチルト量に基づいて、ミラー１７ａや像形成素子１１の姿勢を調整するとともに像形成素子１１に表示させる表示像ＤＭの位置を調整する（ステップＳ１４）。具体的には、第２配置変更装置６２を介してミラー１７ａのチルト状態を調整し、像形成素子１１の表示面１１ａ上での表示像ＤＭの位置を調整し、第１配置変更装置６１を介して像形成素子１１のチルト状態を調整する。この際、表示制御部１８は、像形成素子１１の表示面１１ａ上に表示させる表示像ＤＭに歪曲収差を与えることにより、ミラー１７ａのチルトの増減等によって生じる虚像ＩＭの歪曲収差を相殺するように補正することもできる。

　図６は、図２等に示す画像表示装置１００の変形例を示している。この場合、ミラー１７ａが横方向だけでなく縦方向にチルト可能になっている。縦方向のチルトを具体的に説明すると、ミラー１７ａは、第２配置変更装置６２に駆動されて光軸ＡＸを含むｘｚ面に沿って延びる回動軸ＲＸ３の周りに回転して傾斜する。ここで、ミラー１７ａをチルトさせる回動軸ＲＸ３は、光軸ＡＸを含むｘｚ平面にあり、ミラー１７ａと光軸ＡＸとの交点又はミラー１７ａの光学面原点を通ってｘ方向に延び、回動軸ＲＸ２と直交する。

　このように、ミラー１７ａが直交する２方向、具体的には虚像ＩＭの横方向及び縦方向に対応する方向にチルト可能であり、ミラー１７ａの横方向及び縦方向のチルトが適切であれば、ミラー１７ａのこのような縦横のチルトに、運転者ＵＮの視線位置が横方向及び縦方向に移動する２次元的な動作を相殺するような働きを持たせることができる。この場合、図３Ｂに示すような表示像ＤＭの上下シフトは必須のものでなくなる。

　図７は、図２等に示す画像表示装置１００の別の変形例を示している。この場合、ミラー１７ａをチルトさせる回動軸ＲＸ２’は、ミラー１７ａと光軸ＡＸとの交点又はミラー１７ａの光学面原点を通ってミラー１７ａの接線方向に延びる。この場合も、第２配置変更装置６２によってミラー１７ａを回動軸ＲＸ２’の周りに回転又は傾斜させることで、虚像ＩＭを横方向又は横方向及び縦方向にチルトさせることになる。

　以上で説明した第１実施形態の表示システム又は移動体用表示システム２００によれば、制御部としての主制御装置９０及び表示制御部１８が、運転者検出部（視点検出部）７１によって得た視点位置に応じて第２配置変更装置（チルト駆動部）６２を動作させることで少なくとも１つの光学部材であるミラー１７ａを虚像ＩＭの横方向に対応する方向にチルトさせて姿勢を調整するとともに、像形成素子１１における表示像ＤＭの位置を変えるので、虚像ＩＭの歪曲収差等を低減して両眼の視差の増加を抑えることができ、投影光学系１７等の光学部材のサイズ増大を抑制しつつ虚像ＩＭの視野角を比較的容易に広げることができる。別の言い方をすると、虚像ＩＭの視野角が同じ場合、従来技術と比較して光学部材のサイズを小さくすることができ、描画ユニット１０の容積を少なくすることができる。

　図８Ａ及び８Ｂは、ミラー１７ａのチルトや像形成素子１１上の表示像ＤＭのシフトによるミラーサイズの縮小を説明する概念図である。図８Ａは、ミラーチルトや表示像シフトを行った場合を示し、図８Ｂは、ミラーチルトや表示像シフトを行わなかった場合を示す。図８Ａにおいて、アイボックスの中心に瞳ＨＴがある場合のミラー１７ａの使用領域ＥＡ０を中心として、アイボックスの右上に瞳ＨＴがある場合のミラー１７ａの使用領域ＥＡ１と、アイボックスの右下に瞳ＨＴがある場合のミラー１７ａの使用領域ＥＡ２と、アイボックスの左上に瞳ＨＴがある場合のミラー１７ａの使用領域ＥＡ３と、アイボックスの左下に瞳ＨＴがある場合のミラー１７ａの使用領域ＥＡ４とがずれた位置に配置されている。図８Ａの場合、ミラー１７ａのチルト等によって、基本の使用領域ＥＡ０に対して瞳ＨＴの位置を大きくずらした際の使用領域ＥＡ１～ＥＡ４のズレ量を低減し、全体領域ＥＡの拡大を抑えている。一方、図８Ｂの比較例の場合、ミラー１７ａが固定されており、基本の使用領域ＥＡ０に対して瞳ＨＴの位置を大きくずらした際の使用領域ＥＡ１～ＥＡ４のズレ量が大きく、全体領域ＥＡが大きくなっている。つまり、図８Ａの場合、図８Ｂに比較して全体領域ＥＡがかなり狭く、ミラー１７ａのサイズの大幅な低減が達成されている。

〔第２実施形態〕
　以下、第２実施形態に係る表示システムについて説明する。なお、第２実施形態の表示システムは、第１実施形態の表示システム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。

　図９に示すように、第２実施形態の場合、画像表示装置１００において、投影光学系１７を構成する残りのミラー１７ｂもチルトさせることができる。ミラー１７ｂの回動軸ＲＸ４は、光軸ＡＸを含むｙｚ平面にあり、ミラー１７ｂと光軸ＡＸとの交点又はミラー１７ｂの光学面原点を通ってｚ方向に延びる。この場合、第２配置変更装置６２によってミラー１７ｂを回動軸ＲＸ４の周りに回転又は傾斜させることで、ミラー１７ｂを虚像ＩＭが基準である横方向（或いは横方向及び縦方向）にチルトさせることになる。表示光学系３０に含まれる２つの光学部材を虚像ＩＭの横方向に対応する方向にチルトさせることにより、横方向の視野角をより広くしつつ光学部材のサイズ増大を抑制することができる。

　図９に示す例では、表示スクリーン（コンバイナー）２０もチルトさせることができる。表示スクリーン２０の回動軸ＲＸ５は、光軸ＡＸを含むｙｚ平面にあり、表示スクリーン２０と光軸ＡＸとの交点又は表示スクリーン２０の光学面原点を通ってｙ方向に延びる。この場合、不図示の配置変更装置によって表示スクリーン２０を回動軸ＲＸ５の周りに回転又は傾斜させることで、表示スクリーン２０を虚像ＩＭが基準の横方向（或いは横方向及び縦方向）にチルトさせることになる。

　以上において、回動軸ＲＸ４は、ミラー１７ｂと光軸ＡＸとの交点を通って接線方向に延びるものであってもよい。また、回動軸ＲＸ５も表示スクリーン２０と光軸ＡＸとの交点を通って接線方向に延びるものであってもよい。

　以上において、ミラー１７ａや表示スクリーン２０をチルトさせないで、ミラー１７ｂのみをチルトさせることができる。また、ミラー１７ａ，１７ｂをチルトさせないで、表示スクリーン２０のみをチルトさせることができる。

〔第３実施形態〕
　以下、第３実施形態に係る表示システムについて説明する。なお、第３実施形態の表示システムは、第１実施形態の表示システム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。

　図１０に示すように、本体光学系（投影光学系）１３は、像形成素子１１と投影光学系１７との間に結像光学系１５を有する。結像光学系１５は、像形成素子１１に形成された画像を拡大した中間像ＴＩを中間スクリーンＭＳ上に形成し、投影光学系１７は、表示スクリーン２０と協働して中間像ＴＩを虚像に変換する。ここで、結像光学系１５は、第１投影光学系であり、投影光学系１７は、第２投影光学系である。中間スクリーンＭＳは、配光角を所望の角度に制御した拡散板である。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。

　像形成素子１１は、表示面１１ａ上において、表示像ＤＭの位置をｘ方向やｙ方向に移動させることができる。この結果、中間スクリーンＭＳ上の中間像ＴＩの位置も、光軸ＡＸに垂直なｘ方向やｙ方向といった直交する２方向に移動させることができる。制御部としての主制御装置９０及び表示制御部１８は、運転者検出部（視点検出部）７１によって得た視点位置に応じて表示像としての中間像ＴＩの位置をシフトさせる。表示制御部１８等による位置変更の対象は、中間像ＴＩとしての表示像である。この際、表示像としての中間像ＴＩを光軸ＡＸに垂直な方向にシフトさせる動作は、ミラー１７ａをチルトさせる動作と同期又は連動したものとする。なお、第１配置変更装置６１によって中間スクリーンＭＳを回動軸ＲＸ１の周りに回転させて中間スクリーンＭＳを光軸ＡＸに対してチルトさせると、表示像としての中間像ＴＩも光軸ＡＸに対して横方向にチルトさせることになる。

〔第４実施形態〕
　以下、第４実施形態に係る表示システムについて説明する。なお、第４実施形態の表示システムは、第１実施形態の表示システム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。

　図１１に示すように、像形成素子１１は、第１配置変更装置６１によって回動軸ＲＸ１の周りに回転しチルトするだけでなく、往復駆動機構６３に駆動されて光軸ＡＸに平行な方向に往復移動する。往復駆動機構６３によって像形成素子１１を光軸ＡＸ方向に移動させることで、投影光学系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。このように、投影される虚像ＩＭの位置を高速で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、虚像ＩＭまでの虚像距離を変化させつつ虚像ＩＭを変化させることになり、一連の投影像としての虚像ＩＭを３次元的なものとすることができる。なお、像形成素子１１は、３０ｆｐｓ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投影像としての虚像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。

〔実施例〕
　以下、本発明に係る表示システム又は光学系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、虚像ＩＭを形成する虚像面側から数えてｉ番目の面（虚像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。

　各面Ｓｉの配置は、面頂点座標（ｘ，ｙ，ｚ）と回転角度（ＡＤＥ，ＢＤＥ）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）、及び、面頂点を中心とするＹ軸回りのＢＤＥ又は回転角度（β回転）で表されている。なお、回転角度の単位は、°であり、ＡＤＥの場合、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、ＢＤＥの場合、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（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（Ｓ３）では、コンバイナーである表示スクリーン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（コンバイナー）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。つまり、Ｘ方向は、図２等に示すｘ方向、Ｙ方向は、図２等に示すｙ方向となっている。

　各実施例において、表示スクリーン（コンバイナー）２０に対応する第４面Ｓ４と、ミラー１７ａ，１７ｂに対応する面（例えば実施例２の場合、第５及び６面Ｓ５，Ｓ６）とは、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、
ｃ　：頂点曲率（ｃ＝１／Ｒ）
ｋ　：円錐定数
Ｃ_ｊ：Ｘ^ｍＹ^ｎの係数
Ｒ　：Ｙ曲率半径

　以下、本発明の表示システム又は移動体用表示システムの具体的な実施例を説明する。
〔実施例１〕
　実施例１の表示システムにおける表示光学系又は投影光学系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のコンバイナー部分（ドライバー側光学面に相当）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（以降の実施例も同様）。
　〔表３〕

　図１２Ａ及び１２Ｂは、実施例１の表示光学系を構成する光学部材の具体的な配置を説明する側面図である。

　運転者（ドライバー）の位置に応じて調整した、表示スクリーン（コンバイナー）のチルト量及び表示像のシフト量を以下の表４に示す。
　〔表４〕

表中で、ドライバー位置は、運転者の瞳（間隔７０ｍｍ）の中間位置がアイボックス内で移動した状態における変移量（ｍｍ）を示している。また、表示スクリーン（コンバイナー）のＢＤＥは、表示スクリーンの横回転又はＹ軸回りの回転の角度（°）を示す。表示像のシフト量ｘｄｅ，ｙｄｅの単位はｍｍである。以上は以降の実施例も同様である。

　以下の表５は、運転者（ドライバー）の位置に関わらず虚像の視野角を確保するためのミラーの領域確保を説明するものである。
　〔表５〕

表中の（ａ）欄は、ドライバーの位置（つまり一対の瞳の中間）がアイボックスの中心に位置する場合のコンバイナー使用領域を示し、（ｂ）欄は、チルトタイプの設計で、ドライバーの位置をアイボックス内で限界まで変化させた場合のコンバイナー使用領域を示し、（ｃ）欄は、従来型の通常の設計、つまり非チルトタイプのコンバイナーを用いてドライバーの位置をアイボックス内で限界まで変化させた場合のコンバイナー使用領域を示す。以上は以降の実施例も同様である。

　表５から明らかなように、（ｂ）面積／（ａ）面積は、１．４３であり、（ｃ）面積／（ａ）面積は、２．４８であり、（ｂ）面積は、（ｃ）面積の５８％で済むことが分かる。

〔実施例２〕
　実施例２の表示システムにおける表示光学系又は投影光学系の基本的な仕様を以下の表６に示す。
　〔表６〕

　実施例２の光学面等のデータを以下の表７に示す。
　〔表７〕

　実施例２のコンバイナー（車でいうとウインドシールドのドライバー側光学面に相当）、及び、ミラー部分の面データを以下の表８に示す。
　〔表８〕

　図１３Ａ及び１３Ｂは、実施例２の表示光学系を構成する光学部材の具体的な配置を説明する側面図である。

　運転者（ドライバー）の位置に応じて調整した、ミラーのチルト量及び表示像のシフト量を以下の表９に示す。
　〔表９〕

　以下の表１０は、運転者（ドライバー）の位置に関わらず虚像の視野角を確保するためのミラーの領域確保を説明するものである。
　〔表１０〕

　表１０から明らかなように、第１のミラー（１７ｂ）については、（ｂ）面積／（ａ）面積は、１．１６であり、第２のミラー（１７ａ）については、（ｂ）面積／（ａ）面積は、１．１１であり、チルトタイプのミラーを用いることで、アイボックスの中心での観察に必要なミラーサイズから殆ど増加しないことが分かる。

〔実施例３〕
　実施例３の表示システムにおける表示光学系又は投影光学系の基本的な仕様を以下の表１１に示す。
　〔表１１〕

　実施例３の光学面等のデータを以下の表１２に示す。
　〔表１２〕

　実施例３のコンバイナー（車でいうとウインドシールドのドライバー側光学面に相当）、及び、ミラーの面データを以下の表１３に示す。
　〔表１３〕

　図１４Ａ及び１４Ｂは、実施例３の表示光学系を構成する光学部材の具体的な配置を説明する側面図である。

　運転者（ドライバー）の位置に応じて調整した、ミラーのチルト量及び表示像のシフト量を以下の表１４に示す。
　〔表１４〕

　以下の表１５は、運転者（ドライバー）の位置に関わらず視野を確保するためのミラーの領域確保を説明するものである。
　〔表１５〕

　表１５から明らかなように、（ｂ）面積／（ａ）面積は、１４７％であり、チルトタイプのミラーを用いることで、アイボックスの中心での観察に必要なミラーサイズから殆ど増加させないで済むことが分かる。

〔その他〕
　以上では、具体的な実施形態としての移動体用表示システム２００について説明したが、本発明に係る表示システムは、上記のものには限られない。例えば、像形成素子１１の表示面１１ａ上において表示像ＤＭの位置をシフトさせる代わりに、像形成素子１１自体を移動させることで表示像ＤＭのシフトを行ってもよい。

　以上では、表示スクリーン２０がフロントガラス８とは別体で設置されているが、表示スクリーン２０をシート状としてフロントガラス８に貼り付けることができ、表示スクリーン２０をフロントガラス８中に埋め込むこともできる。この場合、表示スクリーン２０をチルトさせることはできず、投影光学系１７を構成する光学部材を変位させることになる。

　画像表示装置１００については、そ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を配置することものでき、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。

　上記実施形態においては、表示スクリーンや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。

　上記実施形態においては、ミラーは光学面原点を回転中心としてα回転やβ回転を行っているが、それに限られるものではなく、回転中心は光学面原点と異なっていてもよい。

　第１配置変更装置（チルト補正部）６１は、必須のものではなく、像形成素子１１を機械的に変位させない構成とできる。また、第１配置変更装置（チルト補正部）６１によって、横方向だけでなく縦方向にも像形成素子１１をチルトさせることができる。

　図２等に示す結像光学系１５や投影光学系１７は、単なる例示であり、これら結像光学系１５及び投影光学系１７の光学的構成については適宜変更することができる。

　以上で説明した画像表示装置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

　描画デバイスと、
　前記描画デバイスによって形成された表示像を拡大して虚像として表示する表示光学系と、
　観察者の視点位置を検出する視点検出部と、
　前記表示光学系に含まれる少なくとも１つの光学部材を虚像の横方向に対応する方向にチルトさせるチルト駆動部と、
　前記視点検出部によって得た視点位置に応じて、前記チルト駆動部を動作させることで前記少なくとも１つの光学部材を虚像の横方向に対応する方向にチルトさせて姿勢を調整するとともに、前記表示像の位置を変える制御部とを備える表示システム。
　前記チルト駆動部は、前記表示光学系に含まれる前記少なくとも１つの光学部材又は他の光学部材を虚像の縦方向に対応する方向にチルトさせ、
　前記制御部は、前記視点検出部によって得た視点位置に応じて、前記チルト駆動部を動作させて前記少なくとも１つの光学部材又は前記他の光学系を虚像の縦方向に対応する方向にチルトさせるとともに前記描画デバイスに表示する像の位置を変える、請求項１に記載の表示システム。
　前記制御部は、前記視点検出部によって得た視点位置に応じて、前記描画デバイスに歪曲補正を実施した表示像を表示させる、請求項１及び２のいずれか一項に記載の表示システム。
　前記制御部は、前記視点検出部によって得た視点位置に応じて、前記描画デバイス上に表示された前記表示像の位置を変える、請求項１～３のいずれか一項に記載の表示システム。
　前記表示光学系は、前記描画デバイスの画像から中間像を形成する第１投影光学系と、前記中間像を虚像として投影する第２投影光学系とを含み、
　前記制御部は、前記視点検出部によって得た視点位置に応じて、前記表示像の位置に対応する前記中間像の位置を変える、請求項１～３のいずれか一項に記載の表示システム。
　前記表示光学系は、複数の光学部材を含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の表示システム。
　前記チルト駆動部は、前記表示光学系に含まれる２つの光学部材を虚像の横方向に対応する方向にチルトさせる、請求項６に記載の表示システム。
　前記描画デバイスによって形成される表示像を虚像の横方向に対応する方向にチルトさせるチルト補正部をさらに備える、請求項１～７のいずれか一項に記載の表示システム。
　前記表示光学系は、光路上流側に配置される投影光学系と、前記投影光学系を挟んで前記描画デバイスの反対側に配置される半透過性の表示スクリーンとを備える、請求項１～８のいずれか一項に記載の表示システム。