WO2019093496A1 - 虚像投影光学系及び表示装置 - Google Patents

虚像投影光学系及び表示装置 Download PDF

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WO2019093496A1
WO2019093496A1 PCT/JP2018/041741 JP2018041741W WO2019093496A1 WO 2019093496 A1 WO2019093496 A1 WO 2019093496A1 JP 2018041741 W JP2018041741 W JP 2018041741W WO 2019093496 A1 WO2019093496 A1 WO 2019093496A1
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WO
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optical system
virtual image
projection optical
display
screen
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/041741
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English (en)
French (fr)
Inventor
中村健太郎
橋村淳司
Original Assignee
コニカミノルタ株式会社
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Publication date
Application filed by コニカミノルタ株式会社 filed Critical コニカミノルタ株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/02—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system
    • G02B17/06—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays

Definitions

  • the present invention relates to a virtual image projection optical system securing image display performance and a display apparatus having the virtual image projection optical system.
  • An intermediate image is formed as a virtual image projection optical system in a head-up display (HUD) apparatus for displaying a virtual image on a display screen such as a combiner or a windshield by a virtual image projection optical system and an image from a display device.
  • Some have an intermediate screen in the vicinity.
  • the virtual image forming optical system disposed closer to the display screen than the intermediate screen it is necessary to determine the angle of the light emitted from the intermediate screen according to the field of view and the size of the eye box. Therefore, in the projection optical system disposed closer to the display device than the intermediate screen, the optimum focal length is uniquely determined in the sense of matching with the virtual image forming optical system.
  • the entire optical length is substantially fixed, so there is no freedom in the configuration of the HUD device, which may result in an increase in size or a distorted shape.
  • a laser is used as a light source
  • a MEMS as an optical deflector
  • a two-dimensional image is formed on a surface to be scanned through a concave mirror
  • a virtual image generating optical system is used first.
  • a technique for improving the brightness of a virtual image by making the diffusion characteristic of the surface to be scanned elliptical diffusion see Patent Document 1.
  • the concave mirror causes the scanning light to be incident at an optimum angle with respect to the surface to be scanned, but the presence of the concave mirror member may lead to an increase in the size and cost of the apparatus. There is.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Publication No.
  • An object of the present invention is to provide a virtual image projection optical system capable of projecting a virtual image by securing image display performance.
  • Another object of the present invention is to provide a display device having the above virtual image projection optical system.
  • a virtual image projection optical system reflecting one aspect of the present invention is a virtual image projection optical system for displaying an image formed by a display device as a virtual image projection over a display screen
  • An intermediate screen disposed near the formation position of the intermediate image, a projection optical system disposed closer to the display device than the intermediate screen, and a virtual image forming optical system disposed closer to the display screen than the intermediate screen.
  • the focal length of the projection optical system is intentionally removed from the emission angle to the virtual image generation optical system
  • the diffusion angle of the intermediate screen is set to a diffusion angle larger than the minimum diffusion angle required for the virtual image generation optical system.
  • the minimum required spread angle means the angle required to secure the eye box (see the broken line displayed on the exit side of the intermediate screen in FIG. 9).
  • the diffusion angle is the diffusion characteristic of the diffusion plate.
  • FIG. 9 as an example of the diffusion angle, when looking at the intensity distribution after diffusion of light incident at 0 °, an angle range in which the intensity is about 50% or more of the peak intensity is shown (the dotted line in FIG. 9) reference).
  • a display reflecting the one aspect of the present invention includes the virtual image projection optical system and a display screen for projecting a virtual image formed by the virtual image projection optical system.
  • FIG. 1A is a side cross-sectional view showing a state in which the display device of the embodiment is mounted on a vehicle body
  • FIG. 1B is a front view from the inside of a vehicle for explaining the display device.
  • FIGS. 3A and 3B are conceptual diagrams for explaining the relationship between the incident and exit angles of the projection optical system and the virtual image forming optical system and the diffusion angle of the intermediate screen with respect to conditional expressions (1) and (2).
  • 4A and 4B are diagrams for explaining specific examples of light rays around the intermediate screen. It is a block diagram explaining the display system for mobiles containing a display. It is a perspective view explaining a concrete display state.
  • FIGS. 1A and 1B are a conceptual side cross-sectional view and a front view illustrating the display device 100 of the present embodiment and the use state thereof.
  • the display device (image display device) 100 is mounted in a vehicle body 2 as, for example, a head-up display (HUD) device, and includes a drawing unit 10 and a display screen 20.
  • the display device 100 displays a virtual image of image information displayed on an image forming element 11 to be described later in the drawing unit 10 toward the driver (observer) UN via the display screen 20.
  • HUD head-up display
  • the drawing unit 10 is installed so as to be embedded in the dashboard 4 of the vehicle body 2, and emits the display light HK corresponding to the image including the driving related information and the danger signal to the display screen 20.
  • the display screen 20 is a half mirror also called a combiner, and is a semitransparent concave mirror or a plane mirror.
  • the display screen 20 is erected on the dashboard 4 by the support of the lower end, and reflects the display light HK from the drawing unit 10 toward the rear of the vehicle body 2. That is, in the illustrated case, the display screen 20 is an independent type installed separately from the windshield (windshield) 8.
  • the display light HK reflected by the display screen 20 which is a half mirror is guided to an eyebox EB (see FIG.
  • the driver UN can observe the display light HK reflected by the display screen 20, that is, the display image IM as a virtual image in front of the vehicle body 2.
  • the driver UN can observe external light transmitted through the display screen 20 which is a half mirror, that is, a front view, a real image of a car or the like.
  • the driver UN superimposes on the external image behind the display screen 20 and displays a display image (virtual image) IM including driving-related information, a danger signal, etc. formed by the reflection of the display light HK on the display screen 20. Can be observed.
  • the drawing unit 10 includes a main body optical system 13, a display control unit 18 that operates the main body optical system 13, and a housing 14 that houses the main body optical system 13 and the like.
  • the combination of the main body optical system 13 and the display screen (combiner) 20 constitutes a virtual image display optical system 30.
  • the coordinate axes XYZ use the center of the eye box EB (see FIG. 9) corresponding to the position between the pupils HT of the general driver UN as the origin, but for convenience, the origin is shifted and displayed It is done.
  • the main optical system (virtual image projection optical system) 13 includes an image forming element (display device) 11 and an imaging optical system (projection optical system) capable of forming an intermediate image TI obtained by enlarging an image formed on the image forming element 11. , An intermediate screen 16 disposed in the rear of the optical path in proximity to the imaging position of the intermediate image TI, and a virtual image generating optical system 17 for converting the intermediate image TI into a virtual image.
  • the virtual image projection distance is variable by the main optical system 13 which is a virtual image projection optical system.
  • the image forming element 11 is a drawing device (display unit) having a two-dimensional display surface 11 a.
  • An image formed on the display surface 11 a of the image forming element 11 is enlarged by the projection optical system 15 of the main optical system 13 to form an intermediate image TI, passes through the intermediate screen 16, and is transmitted to the virtual image generating optical system 17 etc. Led.
  • switching of the intermediate image TI or the display image (virtual image) IM can be made relatively fast by using the image forming element 11 capable of two-dimensional display.
  • a digital mirror device DMD: Digital Mirror Device
  • LCOS Liquid crystal on silicon
  • the image forming element 11 When DMD or LCOS is used as the image forming element 11, it is easy to switch the image at high speed (including high speed intermittent display) while maintaining the brightness, which is advantageous for display in which the virtual image distance or the projection distance is changed. .
  • the image forming element 11 operates at a frame rate of, for example, 30 fps or more, preferably 60 fps or more, per virtual image distance in the case of projecting virtual images at a plurality of distances. This makes it easy to make the driver UN appear to be simultaneously displayed with a plurality of display images (virtual images) IM at different projection distances.
  • the projection optical system 15 is a lens system of a fixed focus, and has a plurality of lenses (not shown).
  • the F value of the projection optical system 15 is 2.0 or more.
  • the projection optical system 15 magnifies and projects the image formed on the display surface 11 a of the image forming element 11 to an appropriate magnification, and positions the intermediate image TI (or the position of the incident surface 16 m at a position close to the incident surface 16 m of the intermediate screen 16). Form a forced intermediate image TI ').
  • the forced intermediate image TI ′ includes not only the intermediate image TI itself but also a slightly out-of-focus image from the intermediate image TI.
  • the projection optical system 15 has a stop 15 a disposed closest to the intermediate screen 16 of the projection optical system 15. By thus disposing the diaphragm 15a, setting and adjustment of the F value on the side of the intermediate screen 16 of the projection optical system 15 become relatively easy.
  • the stop of the projection optical system 15 may be disposed anywhere in the lens system.
  • the focal length f1 of the projection optical system 15 is not too short, and the angle of view difference is not too large. Therefore, it is not necessary to increase the diffusion angle of the intermediate screen 16, and light is not diffused too much at the distribution center of the brightness, and it is possible to prevent the brightness from being lowered and the display brightness being lowered.
  • the intermediate screen 16 is a member in which the diffusion angle is controlled to a desired angle, and forms a forced intermediate image TI ′ at an imaging position (that is, at or near an imaging planned position of the intermediate image TI).
  • the position of the forced intermediate image TI ' can also be moved in the optical axis AX direction.
  • a diffusion plate, a diffusion screen, a micro lens array or the like can be used for the intermediate screen 16.
  • the intermediate screen 16 allows the eyebox size to be increased.
  • the intermediate image TI is formed on the display area from the intermediate screen 16 to the front of the light path.
  • the incident surface 16m of the intermediate screen 16 has a diffusion function. Since a forced intermediate image TI 'is formed on the incident surface 16m and light is diffused from this, it is possible to secure a wide eye box.
  • the intermediate screen 16 moves within the depth of focus of the projection optical system 15.
  • the intermediate screen 16 is driven by the layout changer 62 to move along the optical axis AX at, for example, a constant speed or a periodic motion. That is, the position of the intermediate screen 16 is variable.
  • the optical axis AX is an image point corresponding to the center of the image forming element 11 which is a display device (drawing device), the center of the eye box, and the center of the image forming element 11 formed by the display device 100 It passes through (virtual image).
  • the arrangement change device 62 changes the configuration and arrangement of the main optical system (virtual image projection optical system) 13 to change the projection distance.
  • the display image IM is changed while changing the virtual image distance or projection distance to the display image IM. Can be changed to make the display image IM as a series of projection images three-dimensional.
  • the movement range of the intermediate screen 16 along the optical axis AX corresponds to the planned imaging position of the intermediate image TI or in the vicinity thereof, but is within the range of the focal depth on the intermediate screen 16 side of the projection optical system 15 Is desirable.
  • the state of the forced intermediate image TI 'and the imaging state of the display image IM as a virtual image can both be brought into a good state in which the image is substantially in focus.
  • the amount of movement of the intermediate screen 16 in the optical axis AX direction is, for example, 20 mm or less. Thereby, the movement of the intermediate screen 16 can be efficiently performed, and the responsiveness of the intermediate screen 16 can be improved.
  • the moving speed of the intermediate screen 16 is preferably such that it can appear as if a display image IM as a virtual image is simultaneously displayed at a plurality of places or a plurality of virtual image distances.
  • the layout change device 62 moves the intermediate screen 16 at a speed of, for example, 15 Hz or more. In this case, the observer can recognize virtual images different in projection distance substantially at the same time because the speed exceeds the perception of the observer (driver UN).
  • the intermediate screen 16 is supported by the support member 62a.
  • the support member 62 a is movably attached to a pedestal 62 b of the arrangement change device 62 within a predetermined range along the optical axis AX direction.
  • the display screen (the image displayed on the intermediate screen 16 at this time is a half mirror The farthest behind the combiner 20) is displayed as a virtual image.
  • the image displayed on the intermediate screen 16 at this point is a half mirror Displayed as a virtual image closest to the back of the screen (combiner) 20.
  • the virtual image generation optical system 17 is a magnifying optical system that expands the intermediate image TI formed near the intermediate screen 16 in cooperation with the display screen 20, and forms a display image IM as a virtual image in front of the driver UN. .
  • the virtual image generation optical system 17 has a reflection optical system and is constituted by at least one mirror, but in the illustrated example, includes two first and second mirrors 17a and 17b.
  • the first mirror 17a is a first reflector, and is disposed on the side of the image forming element 11 on the front side of the light path, and has optical power.
  • the second mirror 17 b is disposed on the side of the display screen (combiner) 20 at the rear stage of the light path, and has optical power.
  • the first and second mirrors 17a and 17b can be convex, concave, or flat, and in the case of a curved surface, not limited to a spherical surface, can be an aspheric surface, a free-form surface, or the like.
  • light from the intermediate screen 16 is made incident on the virtual image forming optical system 17 along the horizontal direction ( ⁇ Z direction), but the arrangement of the imaging optical system 15, the intermediate screen 16, etc.
  • the light from the intermediate screen 16 can also be directed upward (in the + Y direction) to be incident on the virtual image forming optical system 17.
  • the pair of mirrors constituting the virtual image generating optical system 17 is inclined in the + YZ direction (see the virtual image generating optical system 17 and the mirrors 117a and 117b in FIG. 7).
  • the main optical system 13 which is a virtual image projection optical system, intentionally removes the incident angle of the intermediate screen 16 corresponding to the focal length f1 of the projection optical system 15 from the outgoing angle to the virtual image generating optical system 17 from the intermediate screen 16
  • the diffusion angle of the screen 16 is set to a diffusion angle larger than the minimum diffusion angle required for the virtual image generation optical system 17.
  • the main optical system 13 preferably satisfies at least one of the following conditional expressions (1) and (2).
  • an incident angle of a light beam IL which is a principal ray of incident light from the projection optical system 15 to the intermediate screen 16
  • a diffusion angle of the intermediate screen 16 is ⁇ dp
  • a virtual image is generated from the intermediate screen 16.
  • the outgoing angle of the light beam OL which is the principal ray of outgoing light to the optical system 17
  • the spread angle at the virtual image generating optical system 17 is ⁇ d
  • ⁇ dp ⁇ d + 2 ⁇ ( ⁇ p ⁇ h)
  • conditional expression (1) is more preferably the following expression. ⁇ d + 2.0 ⁇ ( ⁇ p ⁇ h) ⁇ dp ⁇ dp ⁇ d + 3.0 ⁇ ( ⁇ p ⁇ h) (1) ′
  • the diffusion angle when the value ⁇ dp is larger than the lower limit value of the conditional expression (2), the diffusion angle does not become too small and narrow, and it is possible to prevent the decrease of the light quantity in the periphery.
  • the value ⁇ dp when the value ⁇ dp is smaller than the upper limit value of the conditional expression (2), the diffusion angle does not become too large, and it is possible to prevent the central light amount from becoming low and secure the display luminance. If the difference between the emission angle ⁇ h and the incident angle ⁇ p is less than 2 degrees, the range of the diffusion angle ⁇ dp becomes extremely narrow, so it easily deviates from the numerical range due to manufacturing variations of the diffusion plate, etc. There is a concern that the cost will increase because custom elements become stronger. In FIG.
  • conditional expression (2) be set to the following expression. ⁇ d + 2.0 ⁇ ( ⁇ h ⁇ p) ⁇ dp ⁇ dp ⁇ d + 3.0 ⁇ ( ⁇ h ⁇ p) (2) ′
  • the above description is based on the premise that there is no difference between the incident angle and the outgoing angle with respect to the X direction, but the incident angle and the outgoing angle may also have a difference with respect to the X direction.
  • the condition of the degree can also be set in the same manner as the condition of the degree of diffusion in the Y direction.
  • the display light (image light) HK projected from the projection optical system 15 is diffused so that the intermediate screen 16 satisfies at least one of the conditional expressions (1) and (2). Be done.
  • the diffusion degree can be made different depending on a plurality of directions perpendicular to the optical axis AX. For example, the diffusion angle ⁇ dp in the Y direction of the intermediate screen 16 is small and the diffusion angle ⁇ dp in the X direction is large. can do.
  • its diffusion angle ⁇ dp is substantially the same as when the light is perpendicularly incident to the intermediate screen 16, and the intensity distribution is the principal ray of the incident light Is generally the highest direction.
  • the housing 14 has an opening 14a for transmitting the display light HK, and a light transmitting member 14b in the form of a film or a thin plate can be disposed in the opening 14a.
  • FIG. 5 is a block diagram for explaining the mobile display system 200.
  • the mobile display system 200 includes the display device 100 as a part thereof.
  • the display device 100 has a structure shown in FIG. 2, and the description thereof is omitted here.
  • the display system 200 for mobiles shown in FIG. 5 is incorporated in an automobile or the like which is a mobile.
  • the mobile display system 200 includes a driver detection unit 71, an environment monitoring unit 72, and a main control device 90.
  • the driver detection unit 71 detects the presence of the driver UN and the viewpoint position, and includes a driver seat camera 71a, a driver seat image processing unit 71b, and a driver seat image determination unit 71c.
  • the driver's seat camera 71a is installed in front of the driver's seat of the dashboard 4 in the vehicle body 2 (see FIG. 1B), and takes images of the head of the driver UN and the periphery thereof.
  • the driver's seat image processing unit 71b performs various image processing such as brightness correction on the image captured by the driver's seat camera 71a to facilitate the processing in the driver's seat image judgment unit 71c.
  • the driver's seat image judgment unit 71c detects the head and eyes of the driver UN by extracting or cutting out an object from the driver's seat image that has passed through the driver's seat image processing unit 71b, and the depth accompanying the driver's seat image From the information, together with the presence or absence of the head of the driver UN in the vehicle body 2, the spatial position of the eye of the driver UN (resulting in the direction of the line of sight) is calculated.
  • the environment monitoring unit 72 is a part that identifies a car, a bicycle, a pedestrian, etc. approaching in the front, and includes an external camera 72a, an external image processing unit 72b, and an external image determination unit 72c.
  • the external camera 72a is installed at an appropriate position inside and outside the vehicle body 2, and captures an external image of the driver UN or the front or side of the windshield 8 or the like.
  • the external image processing unit 72b performs various types of image processing such as brightness correction on the image captured by the external camera 72a to facilitate the processing in the external image determination unit 72c.
  • the external image judging unit 72c extracts or cuts out an object from the external image that has passed through the external image processing unit 72b, thereby detecting the presence or absence of an object (for example, the object OB shown in FIG. 6) such as a car, a bicycle, or a pedestrian. While detecting it, the spatial position of the object in front of the vehicle body 2 is calculated from depth information attached to the external image.
  • an object for example, the object OB shown in FIG. 6
  • an object for example, the object OB shown in FIG. 6
  • the spatial position of the object in front of the vehicle body 2 is calculated from depth information attached to the external image.
  • the driver's seat camera 71a and the external camera 72a are, for example, a compound eye type three-dimensional camera, although not shown. That is, both cameras 71a and 72a are formed by arranging in a matrix the camera elements each including a lens for image formation and a CMOS or other imaging element, and each have a drive circuit for the imaging element. A plurality of camera elements constituting each camera 71a, 72a are adapted to focus on different positions in the depth direction, for example, or to be able to detect relative parallax, and obtained from each camera element By analyzing the state of the image (focus state, position of object, etc.), the distance to each area or object in the image can be determined.
  • the depth direction of each part (area or object) in the photographed screen is obtained.
  • Distance information can be obtained.
  • distance information in the depth direction can be obtained for each part (area or object) in the photographed screen by a stereo camera in which two two-dimensional cameras are separately arranged.
  • distance information in the depth direction can be obtained for each part in the photographed screen by performing imaging while changing the focal length at high speed with a single two-dimensional camera.
  • the display control unit 18 operates the virtual image display optical system 30 under the control of the main controller 90 to display a three-dimensional display image IM in which the virtual image distance or the projection distance changes behind the display screen 20.
  • the display control unit 18 generates a display image IM to be displayed on the virtual image display optical system 30 from the display information including the display shape and the display distance received from the environment monitoring unit 72 via the main controller 90.
  • the display image IM is, for example, a display frame (see display frame HW shown in FIG. 6) positioned around a vehicle, bicycle, pedestrian or other object existing behind the display screen 20 with respect to its depth position direction. Can be used as
  • the display control unit 18 receives a detection output regarding the presence of the driver UN and the position of the eye from the driver detection unit 71 via the main control device 90. This enables automatic start and stop of the projection of the display image IM by the virtual image display optical system 30. Also, it is possible to project the display image IM only in the direction of the line of sight of the driver UN. Furthermore, it is also possible to perform projection with emphasis such as brightening or blinking of only the display image IM in the direction of the line of sight of the driver UN.
  • the main controller 90 has a role of harmonizing the operations of the display device 100, the environment monitoring unit 72, etc., and corresponds to the virtual image display optical system 30 so as to correspond to the spatial position of the object detected by the environment monitoring unit 72. Adjust the spatial arrangement of the display frame projected by.
  • FIG. 6 is a perspective view for explaining a specific display state.
  • a detection area VF corresponding to an observation visual field is provided.
  • main controller 90 causes display device 100 to project a three-dimensional projected image (virtual image) IM, and display frames HW1, HW2, HW3 as related information images for respective objects OB1, OB2, OB3.
  • the projection distances to the projected images (display images) IM1, IM2, and IM3 for displaying the display frames HW1, HW2, and HW3 are the driver. It corresponds to the distance from UN to each object OB1, OB2, OB3.
  • the projection distances of the projection images IM1, IM2, IM3 are discrete and can not be exactly matched with the actual distances to the objects OB1, OB2, OB3.
  • the focal length of the projection optical system 15 is made wider or telescopic than, for example, the optimal focal length according to the virtual image generating optical system 17.
  • the overall size of the optical system can be optimized while securing the image display performance.
  • the main optical system 13 which is the virtual image projection optical system described above
  • freedom is created in the entire optical system length. 13.
  • Compactness or optimization of the external shape can be achieved.
  • the incident angle of the light beam incident on the virtual image generation optical system 17 with respect to each image position in the intermediate screen 16 is deviated from the emission angle of the light beam emitted from the projection optical system 15.
  • the diffusion characteristics of the diffusion plate, the diffusion screen, the microlens array, etc. used for the intermediate screen 16 are such that the incident angle direction of the light flux from the projection optical system 15 to the intermediate screen 16 is the distribution center and the intensity is highest.
  • the diffusion angle of the intermediate screen 16 When the diffusion angle of the intermediate screen 16 is narrow, a bias occurs in the luminance distribution of the light beam incident on the virtual image generation optical system 17, causing a problem that the distribution of brightness is not uniform in the screen. However, as in the main body optical system 13 of the present embodiment, by enlarging the diffusion angle of the intermediate screen 16, the brightness distribution in the screen can be kept uniform.
  • FIG. 7 is a diagram showing the projection optical system 15, the intermediate screen 16, and a part of the virtual image generation optical system 17 in the YZ cross section.
  • the code HK1 indicates the display light at the lower end of the virtual image
  • the code HK2 indicates the display light at the center of the virtual image
  • the code HK3 indicates the display light at the upper end of the virtual image.
  • the incident angle ⁇ p of light entering the intermediate screen 16 from the projection optical system 15 is 4.5 degrees for the display lights HK1 and HK3 and 0 degrees for the display light HK2 considering the chief ray.
  • the emission angle ⁇ h from the intermediate screen 16 to the virtual image generating optical system 17 is 16.2 degrees for the display light HK1 and 7.1 degrees for the display light HK2 in consideration of the chief ray.
  • the light HK3 is 3.6 degrees. Therefore, in the display light HK3, the incidence angle ⁇ p and the emission angle ⁇ h substantially match, but in the display light HK1 and HK2, the incidence angle ⁇ p and the emission angle ⁇ h do not coincide.
  • the spread angle ⁇ d of light emitted from the intermediate screen 16 to the virtual image generation optical system 17 is 9.3 degrees for the display light HK1, 9.2 degrees for the display light HK2, and 8.8 for the display light HK3. Degrees.
  • the diffusion angle ⁇ dp of the intermediate screen 16 needs to be at least 9.3 degrees or more.
  • FIG. 8 is a view showing the projection optical system 15, the intermediate screen 16, and a part of the virtual image generation optical system 17 in an XY cross section.
  • a code HK4 indicates display light at the left end of the virtual image
  • a code HK5 indicates display light at the right end of the virtual image.
  • the incident angle ⁇ p of light entering the intermediate screen 16 from the projection optical system 15 is 11.1 degrees for the display lights HK4 and HK5, and 0 degrees for the HK2.
  • the emission angle ⁇ h from the intermediate screen 16 to the virtual image generation optical system 17 is 10.1 degrees for the display lights HK4 and HK5, and is 0.0 degrees for the display light HK2.
  • the incident angle ⁇ p and the outgoing angle ⁇ h substantially match.
  • the spread angle ⁇ d of light emitted from the intermediate screen 16 to the virtual image generation optical system 17 is 23.7 degrees for the display lights HK4 and HK5, and 23.4 degrees for the display light HK2. Therefore, it can be said that the diffusion angle ⁇ dp of the intermediate screen 16 needs to be at least 23.7 degrees or more.
  • the intermediate screen (diffusing screen) 16 capable of covering the spread angle ⁇ d is used regardless of the conditional expressions (1) and (2). Just do it.
  • the cross section is drawn such that the display device surface (display surface 11a) and the intermediate screen 16 are parallel to each other, but a bending mirror or the like is disposed in the middle of the optical path and they are not parallel.
  • the outer shape of the entire device can be made smooth.
  • the display device as a specific embodiment has been described above, the display device according to the present invention is not limited to the above.
  • the display screen 20 can be arranged at the upper portion of the windshield 8 or at the sun visor position by inverting the arrangement of the display device 100 up and down.
  • the display screen 20 is disposed diagonally below and in front of the drawing unit 10.
  • the display screen 20 corresponds to the driver's UN side optical surface of the windshield in a car.
  • the display screen 20 is a flat surface in the above embodiment, it may be a curved surface, a curved surface further inclined, or a free-form surface having no symmetry.
  • the outline of the display screen 20 can be made into various shapes not only in a rectangle.
  • the main body optical system 13 shown in FIG. 2 and the like is merely an example, and the optical configuration of the main body optical system 13 can be changed as appropriate.
  • an intermediate image can be additionally formed in the projection optical system 15 as a front stage of the intermediate image TI.
  • one or more mirrors having no optical power may be arranged in the optical path of the virtual image generating optical system 17. In this case, it may be advantageous to miniaturize the drawing unit 10 and the like by folding.
  • the display position of the display image (virtual image) IM is not limited to the three places exemplified in the above embodiment, and can be set to an appropriate number.
  • the display of the display image IM can also be set continuously or intermittently by changing the position.
  • DMD digital light detector
  • LCOS liquid crystal display
  • other types of display elements such as organic EL are used. It is also good.
  • a scanning type image element using MEMS may be used instead of the reflection type element.
  • the mirror of 2 sheets was provided in the virtual image generation optical system 17, you may provide one or 3 or more mirrors. Also, the mirror may be omitted.
  • the optical surface of the mirror is a free-form surface with symmetry, it is not limited to this, and may be a free-form surface without symmetry.
  • the display screen 20 may be attached to the inside of the rectangular reflection area provided in front of the driver's seat of the windshield 8 forming the front window without providing the combiner.
  • the display screen 20 can also be embedded in the windshield 8.
  • the projection optical system 15 is a fixed focus optical system, it may be a variable focus optical system.
  • the position of the displayed display image IM is changed by moving the intermediate screen 16 along the optical axis AX, but the intermediate screen having a plurality of stepped partial regions with different thicknesses may be rotated or The position of the display image IM may be changed using another method such as sliding.
  • the display device 100 described above is not limited to a projection device mounted on a car or other mobile object, it can be incorporated in digital signage or the like, but can be applied to applications other than these.

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Abstract

画像表示性能を確保して虚像を投影することができる虚像投影光学系を提供する。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虚像投影光学系である本体光学系１３であって、中間像ＴＩの形成位置の近傍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より虚像側に配置される虚像生成光学系１７とを備え、投影光学系１５の焦点距離を、虚像生成光学系１７への出射角から敢えて外すとともに、中間スクリーンの拡散角を、虚像生成光学系１７で必要となる最小限の拡がり角よりも大きな拡散角とする。

Description

虚像投影光学系及び表示装置
　本発明は、画像表示性能を確保した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。
　表示デバイスからの画像を虚像投影光学系によって、コンバイナーやウインドシールド等の表示スクリーン越しに虚像表示させるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置において、虚像投影光学系として、中間像を形成し、中間像の位置近傍に中間スクリーンを有するものがある。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については、その視野やアイボックスサイズに応じて中間スクリーンからの出射光の角度を決定する必要が生じる。そのため、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は、虚像生成光学系とのマッチングという意味で最適な焦点距離が一意的に決定されるものである。しかし、投影光学系の焦点距離に自由度がないと光学全長がほぼ固定されてしまうため、ＨＵＤ装置の構成に自由度がなくなり、大型化もしくは歪な形状となってしまうおそれがある。
　中間スクリーンを組み込んだ公知例として、光源にレーザーを用い、光偏向器として例えばＭＥＭＳを用い、さらに凹面ミラーを通して被走査面に２次元像を形成し、その先に虚像生成光学系を用いる構成とし、更に被走査面の拡散特性を楕円拡散とすることで虚像の輝度を向上させる技術が開示されている（特許文献１参照）。この構成において凹面ミラーは走査光を被走査面に対して最適な角度で入射させるものであると推察されるが、凹面ミラーという部材があることで装置の大型化やコストアップを招いてしまうおそれがある。
特開２０１７－１４２５０９号公報
　本発明は、画像表示性能を確保して虚像を投影す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虚像投影光学系であって、中間像の形成位置の近傍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を備え、投影光学系の焦点距離を、虚像生成光学系への出射角から敢えて外すとともに、中間スクリーンの拡散角を、虚像生成光学系で必要となる最小限の拡がり角よりも大きな拡散角とする。ここで、必要となる最小限の拡がり角とは、アイボックスを確保するために必要な角度を意味する（図９における中間スクリーンの射出側に表示された破線参照）。また、拡散角とは、拡散板の有する拡散特性である。図９において、拡散角の例示として、０°で入射した光の拡散後の強度分布を見たときに、その強度がピーク強度の約５０％以上となる角度範囲を示す（図９の上記点線参照）。
　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表示装置は、上記虚像投影光学系と、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。
図１Ａは、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。 図３Ａ及び３Ｂは、条件式（１）及び（２）に関して、投影光学系及び虚像生成光学系の入射・出射角と中間スクリーンの拡散角との関係を説明する概念図である。 図４Ａ及び４Ｂは、中間スクリーン周辺の光線の具体例を説明する図である。 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。 実施例の投影光学系と、中間スクリーンと、虚像生成光学系の一部とをＹＺ断面で表した図ある。 実施例の投影光学系と、中間スクリーンと、虚像生成光学系の一部とをＸＹ断面で表した図ある。 虚像生成光学系で必要となる最小限の拡がり角と、中間スクリーンの拡散角とを説明する概念図である。
　以下、図面を参照しつつ、本発明に係る虚像投影光学系及び表示装置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）ＵＮに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ＥＢ（図９参照）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３Ａ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（図９参照）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を形成可能な結像光学系（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の切換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、投影光学系１５は、この投影光学系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。このように、絞り１５ａを配置することで、投影光学系１５の中間スクリーン１６側のＦ値の設定や調整が比較的容易になる。なお、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。
　投影光学系１５の焦点距離をｆ１とし、表示デバイスである像形成素子１１の水平方向の表示に対応する中間像サイズをＨとしたとき、下記の条件式（３）
　２×ｔａｎ（０．５・θｈ）≦Ｈ／ｆ１
　Ｈ／ｆ１≦２×ｔａｎ（４・θｈ）　…（３）
を満たす。この場合、値Ｈ／ｆ１が、条件式（３）の下限値以上であることで、投影光学系１５の焦点距離ｆ１が長くなりすぎず、光学系が必要以上に大きくなることを防ぐことができる。一方、値Ｈ／ｆ１が、条件式（３）の上限値以下であることで、投影光学系１５の焦点距離ｆ１が短くなりすぎず、画角差が大きくなりすぎない。そのため、中間スクリーン１６の拡散角を大きくする必要がなく、明るさの分布中心においても光が拡散しすぎず、輝度が低くなり表示の明るさが低下することを防ぐことができる。
　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。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、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、光軸ＡＸとは、表示デバイス（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、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。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。
　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。図示の例では、中間スクリーン１６からの光を水平方向（±Ｚ方向）に沿って虚像生成光学系１７に入射させるが、結像光学系１５、中間スクリーン１６等の配置を９０°回転させ、中間スクリーン１６からの光を上向き（＋Ｙ方向）にして虚像生成光学系１７に入射させることもできる。この場合、虚像生成光学系１７を構成する一対のミラーを＋Ｙ－Ｚ方向に傾ける（図７の虚像生成光学系１７及びミラー１１７ａ，１１７ｂ参照）。
　虚像投影光学系である本体光学系１３は、投影光学系１５の焦点距離ｆ１に対応する中間スクリーン１６の入射角を、中間スクリーン１６から虚像生成光学系１７への出射角から敢えて外すとともに、中間スクリーン１６の拡散角を、虚像生成光学系１７で必要となる最小限の拡がり角よりも大きな拡散角としている。具体的には、本体光学系１３は、以下の条件式（１）及び（２）の少なくともいずれかを満たすことが好ましい。
　図３Ａに示すように、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の入射角をθｐとし、中間スクリーン１６の拡散角をθｄｐとし、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の出射角をθｈとし、虚像生成光学系１７での拡がり角をθｄとしたとき、θｄｐ＝θｄ＋２×（θｐ－θｈ）を過不足のない状態として、入射角θｐが出射角θｈよりも２度以上大きい場合には下記の条件式（１）
　θｄ＋１．５×（θｐ－θｈ）＜θｄｐ
　θｄｐ＜θｄ＋４．０×（θｐ－θｈ）　…（１）
を満たす。この場合、値θｄｐが条件式（１）の下限値より大きいことで、拡散角が小さく狭くなりすぎず、周辺での光量低下を防ぐことができる。一方、値θｄｐが条件式（１）の上限値より小さいことで、拡散角が大きくなりすぎず、中心光量が低くなることを防ぎ、表示輝度を確保することができる。また、入射角θｐと出射角θｈとの差が２度未満の場合には、条件式（１）を当てはめる必要はなく、敢えて当てはめると、拡散角θｄｐの範囲が極端に狭くなるため、拡散板の製造ばらつき等により容易に数値範囲から外れてしまったり、カスタム要素が強くなるためコストアップとなってしまったりする懸念がある。なお、図３Ａにおいて、点線で示す角度範囲は、θｄｐ＝θｄ＋２（θｐ－θｈ）であるときの拡散角θｄｐの片側半分（θｄｐ／２）を示しているが、実際には、拡散角θｄｐは、＋Ｙ方向に広がるものとなっている。
　なお、条件式（１）は、下式とすることがより好ましい。
　θｄ＋２．０×（θｐ－θｈ）＜θｄｐ
　θｄｐ＜θｄ＋３．０×（θｐ－θｈ）　…（１）’
　また、図３Ｂに示すように、入射出射の角度差が逆となる場合において、投影光学系１５から中間スクリーン１６への入射角をθｐとし、中間スクリーン１６の拡散角をθｄｐとし、中間スクリーン１６から虚像生成光学系１７への出射角をθｈとし、虚像生成光学系１７での拡がり角をθｄとしたとき、入射角θｐが出射角θｈよりも２度以上大きい場合には下記の条件式（２）
　θｄ＋１．５×（θｈ－θｐ）＜θｄｐ
　θｄｐ＜θｄ＋４．０×（θｈ－θｐ）　…（２）
を満たす。この場合、値θｄｐが条件式（２）の下限値より大きいことで、拡散角が小さく狭くなりすぎず、周辺での光量低下を防ぐことができる。一方、値θｄｐが条件式（２）の上限値より小さいことで、拡散角が大きくなりすぎず、中心光量が低くなることを防ぎ、表示輝度を確保することができる。また、出射角θｈと入射角θｐとの差が２度未満の場合には、拡散角θｄｐの範囲が極端に狭くなるため、拡散板の製造ばらつき等により容易に数値範囲から外れてしまったり、カスタム要素が強くなるためコストアップとなってしまったりする懸念がある。なお、図３Ｂにおいて、点線で示す角度範囲は、θｄｐ＝θｄ＋２（θｈ－θｐ）であるときの拡散角θｄｐの片側半分（θｄｐ／２）を示しているが、実際には、拡散角θｄｐは、－Ｙ方向に広がるものとなっている。
　なお、条件式（２）は、下式とすることがより好ましい。
　θｄ＋２．０×（θｈ－θｐ）＜θｄｐ
　θｄｐ＜θｄ＋３．０×（θｈ－θｐ）　…（２）’
　以上の説明は、Ｘ方向に関して入射角と出射角とに差がないことを前提としているが、Ｘ方向に関しても入射角と出射角とに差があってもよく、この場合、Ｘ方向の拡散度の条件も、Ｙ方向の拡散度の条件と同様に設定できる。
　図４Ａ及び４Ｂに例示するように、投影光学系１５から投射された表示光（映像光）ＨＫは、中間スクリーン１６で上記条件式（１）及び（２）の少なくともいずれかを満たすように拡散される。中間スクリーン１６において、拡散度合は光軸ＡＸに垂直な複数の方向によって異なるものとすることができ、例えば、中間スクリーン１６のＹ方向の拡散角θｄｐを小さく、Ｘ方向の拡散角θｄｐを大きく設定することができる。なお、中間スクリーン１６に対して光が傾いて入射したときは、その拡散角θｄｐは光が中間スクリーン１６に対して垂直に入射したときと略同じであり、強度分布は入射した光の主光線の方向がもっとも高いものとなるのが一般的である。
　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６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次元的な投影像（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を表示させる投影像（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、投影像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、投影像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の焦点距離を虚像生成光学系１７に応じた最適な焦点距離よりも例えば広角又は望遠にするとともに、中間スクリーン１６の拡散度を上げることで、画像表示性能を確保しながら光学系全体のサイズを最適化することができる。
　上述の虚像投影光学系である本体光学系１３では、投影光学系１５の焦点距離を虚像生成光学系１７に最適な値から敢えて外すことで、光学系全長に自由度が生まれるため、本体光学系１３の小型化もしくは外形形状の最適化が達成できる。その際に、中間スクリーン１６内の各像位置に対して、虚像生成光学系１７に入射する光束の持つ入射角と、投影光学系１５から出射する光束の出射角とがずれてしまう。また、中間スクリーン１６に用いる拡散板、拡散スクリーン、マイクロレンズアレイ等の拡散特性は、投影光学系１５からの光束の中間スクリーン１６へ入射する入射角方向が分布中心となり最も強度が高くなるため、中間スクリーン１６の拡散角が狭い場合、虚像生成光学系１７に入射する光束の輝度分布に偏りが生じてしまい画面内で明るさの分布が一様でなくなってしまう問題が生じる。しかし、本実施形態の本体光学系１３のように、中間スクリーン１６の拡散角を拡大することで、画面内の明るさ分布を一様に保つことができる。
〔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７は、投影光学系１５と中間スクリーン１６と、虚像生成光学系１７の一部とをＹＺ断面で表した図である。図７において、符号ＨＫ１は虚像の下端の表示光を示し、符号ＨＫ２は虚像の中心の表示光を示し、符号ＨＫ３は虚像の上端の表示光を示す。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θｐは、主光線を考えて、表示光ＨＫ１，ＨＫ３で４．５度であり、表示光ＨＫ２で０度である。これに対して、中間スクリーン１６から虚像生成光学系１７への出射角θｈは、主光線を考えて、表示光ＨＫ１で１６．２度であり、表示光ＨＫ２で７．１度であり、表示光ＨＫ３で３．６度である。そのため、表示光ＨＫ３では、入射角θｐと出射角θｈとがほぼ一致しているのに対して、表示光ＨＫ１，ＨＫ２では、入射角θｐと出射角θｈとが一致していない。また、中間スクリーン１６から虚像生成光学系１７へ出射する光の拡がり角θｄは、表示光ＨＫ１で９．３度であり、表示光ＨＫ２で９．２度であり、表示光ＨＫ３で８．８度である。そのため、中間スクリーン１６の拡散角θｄｐは、少なくとも９．３度以上とする必要があるといえる。加えて、入射角θｐと出射角θｈとが一致していない点を補正するため、θｄ＝９．３、θｈ＝１６．２、θｐ＝４．５として条件式（２）に従って計算すると、拡散角θｄｐは２６．９～４４．４度とするのがよいといえる。
　一方、図８は、投影光学系１５と、中間スクリーン１６と、虚像生成光学系１７の一部とをＸＹ断面で示した図である。図８において、符号ＨＫ４は虚像の左端の表示光を示し、符号ＨＫ５は虚像の右端の表示光を示す。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θｐは、表示光ＨＫ４，ＨＫ５で１１．１度であり、ＨＫ２で０度である。これに対して、中間スクリーン１６から虚像生成光学系１７への出射角θｈは、表示光ＨＫ４，ＨＫ５で１０．１度であり、表示光ＨＫ２で０．０度である。そのため、入射角θｐと出射角θｈとがほぼ一致している。また、中間スクリーン１６から虚像生成光学系１７へ出射する光の拡がり角θｄは、表示光ＨＫ４，ＨＫ５で２３．７度であり、表示光ＨＫ２で２３．４度である。そのため、中間スクリーン１６の拡散角θｄｐは、少なくとも２３．７度以上とする必要があるといえる。この場合、入射角θｐと出射角θｈとの差も２度未満であるため、条件式（１）及び（２）に依らず、拡がり角θｄをカバーできる中間スクリーン（拡散スクリーン）１６を使用すればよい。
　なお、本実施例では表示デバイス面（表示面１１ａ）と中間スクリーン１６とが平行となるような配置で断面を描画しているが、光路途中に折り曲げミラー等を配し、それらが平行とならないような配置として、装置全体の外形形状がスムーズなものにすることもできる。
　以上では、具体的な実施形態としての表示装置について説明したが、本発明に係る表示装置は、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、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。また、表示スクリーン２０は、車でいうとウインドシールドの運転者ＵＮ側光学面に相当する。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、上記実施例で例示した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。
　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 (13)

  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、
    　中間像の形成位置の近傍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、を備え、
    　前記投影光学系の焦点距離を、前記虚像生成光学系への出射角から敢えて外すとともに、前記中間スクリーンの拡散角を、前記虚像生成光学系で必要となる最小限の拡がり角よりも大きな拡散角とする、虚像投影光学系。
  2. 　前記投影光学系から前記中間スクリーンへの入射角をθｐ、前記中間スクリーンの拡散角をθｄｐとし、前記中間スクリーンから前記虚像生成光学系への出射角をθｈ、前記虚像生成光学系での拡がり角をθｄとしたとき、前記入射角θｐが前記出射角θｈよりも２度以上大きい場合には
    　下記の条件式
    　θｄ＋１．５×（θｐ－θｈ）＜θｄｐ
    　θｄｐ＜θｄ＋４．０×（θｐ－θｈ）　…（１）
    を満たす、請求項１に記載の虚像投影光学系。
  3. 　前記投影光学系から前記中間スクリーンへの入射角をθｐ、前記中間スクリーンの拡散角をθｄｐとし、前記中間スクリーンから前記虚像生成光学系への出射角をθｈ、前記虚像生成光学系での拡がり角をθｄとしたとき、前記入射角θｐが前記出射角θｈよりも２度以上小さい場合には
    　下記の条件式
    　θｄ＋１．５×（θｈ－θｐ）＜θｄｐ
    　θｄｐ＜θｄ＋４．０×（θｈ－θｐ）　…（２）
    を満たす、請求項１に記載の虚像投影光学系。
  4. 　前記投影光学系の焦点距離をｆ１とし、前記表示デバイスの水平方向の表示に対応する中間像サイズをＨとしたとき、
    　下記の条件式
    　２×ｔａｎ（０．５×θｈ）≦Ｈ／ｆ１
    　Ｈ／ｆ１≦２×ｔａｎ（４×θｈ）　…（３）
    を満たす、請求項２及び３のいずれか一項に記載の虚像投影光学系。
  5. 　虚像投影距離が可変である、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. 　前記虚像生成光学系は、反射光学系を有する、請求項１から５までのいずれか一項に記載の虚像投影光学系。
  7. 　前記投影光学系のＦ値は、２．０以上である、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の位置は可変である、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. 　前記中間スクリーンは、前記投影光学系の焦点深度内で移動する、請求項８に記載の虚像投影光学系。
  10. 　前記投影光学系は、固定焦点光学系及び焦点可変光学系のいずれかである、請求項１から９までのいずれか一項に記載の虚像投影光学系。
  11. 　前記中間スクリーンは、拡散板、拡散スクリーン、及びマイクロレンズアレイのいずれかである、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の虚像投影光学系。
  12. 　前記表示デバイスは、デジタルミラーデバイス及び反射型液晶デバイスのいずれかである、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の虚像投影光学系。
  13. 　請求項１から１２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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