WO2019107225A1 - 虚像表示装置、およびヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

虚像表示装置、およびヘッドアップディスプレイ装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2019107225A1
WO2019107225A1 PCT/JP2018/042865 JP2018042865W WO2019107225A1 WO 2019107225 A1 WO2019107225 A1 WO 2019107225A1 JP 2018042865 W JP2018042865 W JP 2018042865W WO 2019107225 A1 WO2019107225 A1 WO 2019107225A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
virtual image
display device
optical system
diffusion
optical axis
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/042865
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
修 丹内
瑛士 関口
山田　範秀
Original Assignee
コニカミノルタ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
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
Priority to JP2019557170A priority Critical patent/JPWO2019107225A1/ja
Publication of WO2019107225A1 publication Critical patent/WO2019107225A1/ja

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K35/00—Instruments specially adapted for vehicles; Arrangement of instruments in or on vehicles
    • B60K35/20—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor
    • B60K35/21—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor using visual output, e.g. blinking lights or matrix displays
    • B60K35/22—Display screens
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K35/00—Instruments specially adapted for vehicles; Arrangement of instruments in or on vehicles
    • B60K35/20—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor
    • B60K35/21—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor using visual output, e.g. blinking lights or matrix displays
    • B60K35/23—Head-up displays [HUD]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K35/00—Instruments specially adapted for vehicles; Arrangement of instruments in or on vehicles
    • B60K35/80—Arrangements for controlling instruments
    • B60K35/81—Arrangements for controlling instruments for controlling displays
    • 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 display device and a head-up display device.
  • a conventional head-up display (hereinafter, also simply referred to as "HUD") generally generates a virtual image at a position away from the driver by a certain distance, and the display content by HUD is vehicle speed, car navigation It was limited to information etc.
  • the purpose of mounting the HUD on the vehicle is to support safer driving by minimizing the driver's eye movement, but in terms of safe driving support, it is possible to display only the display content such as the vehicle speed. It is not enough.
  • a danger signal as a virtual image on a see-through image to be detected as a danger of a car, a person, an obstacle or the like.
  • a scanning image forming means such as a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror, a diffusion screen, a projection means, and a moving means for changing the position of the diffusion screen are provided.
  • a MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • a diffusion screen a diffusion screen
  • a projection means a moving means for changing the position of the diffusion screen.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a virtual image display device capable of displaying virtual images substantially simultaneously at a plurality of projection distances.
  • a display device a projection optical system that magnifies an image formed on the display device, and a rotation that includes a diffusion screen that rotates around a rotation axis and diffuses the light formed from the projection optical system And a virtual image forming optical system that converts an image on the diffusion screen and forms a virtual image at a projection distance corresponding to the position of the diffusion screen in the optical axis direction of light from the projection optical system,
  • the diffusion screen is disposed on one side of the rotation axis and parallel to the rotation axis, and the position of the diffusion screen in the optical axis direction is changed by rotation of the rotation body.
  • the rotating body includes a plurality of the diffusion screens installed so as not to overlap when viewed from the optical axis direction, and at least one diffusion screen of the plurality of diffusion screens is from the rotation axis
  • the rotating body includes a plurality of the diffusion screens installed so as not to overlap when viewed from the optical axis direction, and the rotation of the rotating body causes the plurality of diffusion screens to be focused on the projection optical system.
  • the projection distance is changed by disposing at a different position in the optical axis direction within the depth and converting the image formed on the diffusion screen by the virtual image forming optical system to form a virtual image.
  • the virtual image display device according to 1) or (2).
  • the rotating body has a base having a rectangular shape, a polygonal shape, a circular shape, an elliptical shape, or a combination thereof when viewed from the rotation axis, and the diffusion screen is formed on the base.
  • the virtual image display device according to any one of the above (1) to (3), which is formed.
  • the rotating body has a wall formed around the rotation axis along the periphery of the base, and the diffusion screen is formed on one of the walls sandwiching the rotation axis, the other
  • the rotating body includes a plurality of the diffusion screens installed so as not to overlap with each other when viewed from the optical axis direction, and the plurality of the diffusing screens to the imaging position of the projection optical system by the rotation of the rotating body.
  • the virtual image display device according to any one of the above (1) to (5), further comprising a display control unit that controls the formation timing of the image formed on the display element in synchronization with the arrangement of the diffusion screen.
  • the rotary drive unit for controlling the rotation speed of the rotary body, the rotary drive unit rotating the rotary body at a predetermined speed around the rotary shaft, the above (1) to (7)
  • the virtual image display device according to any one of the above.
  • the virtual image display device according to any one of (1) to (8), an object detection unit that detects an object existing in a detection area, and determines a distance to the object, and an object A main control unit that causes the virtual image display device to form a virtual image at the projection distance corresponding to the distance to the object determined by the detection unit.
  • a display element a projection optical system that magnifies an image formed on the display element, and a rotating polyhedron whose geometrical center position is separated from the rotation axis, and diffused to a plurality of surfaces on the side surface
  • a rotating polyhedron for sequentially arranging a plurality of the diffusion screens having different positions in the optical axis direction at an imaging position of the projection optical system by arranging and rotating a screen; and converting an image on the diffusion screen;
  • a virtual image forming optical system that forms a virtual image at a projection distance corresponding to the position of the diffusion screen in the optical axis direction.
  • the plurality of diffusion screens are disposed at different positions in the optical axis direction within the focal depth of the projection optical system by the rotation of the rotating polyhedron, and the image reflected on the diffusion screen by the virtual image forming optical system
  • the virtual image display device according to the above (10), wherein the projection distance is changed by converting the virtual image into a virtual image.
  • a display control unit for controlling the formation timing of an image formed on the display element in synchronization with the arrangement of the plurality of diffusion screens at the image forming position of the projection optical system by the rotation of the rotary polyhedron
  • the virtual image display device according to (10) or (11), comprising.
  • the virtual image display device according to any one of (10) to (14), and an object detection unit that detects an object present in a detection area and determines a distance to the object.
  • a main control unit for causing the virtual image display device to form a virtual image at the projection distance corresponding to the distance to the object determined by the object detection unit.
  • the diffusion screen in the optical axis direction is arranged by rotating at least one diffusion screen which is disposed on one side across the rotation axis and forms an image of light from the projection optical system. Change the position of, and place it at the imaging position of the projection optical system. Therefore, the virtual image forming optical system converts the image on the diffusion screen to form a virtual image at a projection distance corresponding to the position of the diffusion screen in the optical axis direction, thereby substantially forming virtual images at a plurality of projection distances. It can be displayed simultaneously.
  • the geometric center position is a rotating polyhedron separated from the rotation axis, and the diffusion screen is formed on a plurality of surfaces of the side surfaces.
  • a rotating polyhedron in which a plurality of diffusion screens having different positions in the optical axis direction are sequentially arranged at the imaging position of the projection optical system by arranging and rotating is provided, and an image on the diffusion screen is converted by a virtual image forming optical system And forms a virtual image at a projection distance corresponding to the position of the diffusion screen in the optical axis direction.
  • FIG. 1 is a schematic top view showing a configuration of a virtual image display device according to a first embodiment.
  • FIG. 1 is a side view schematically showing a configuration of a virtual image display device according to a first embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view following FIG. 5; It is a figure explaining the arrangement position of counter weight. It is a block diagram which shows the hardware constitutions of a head-up display apparatus.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view following FIG. 10; It is a figure which illustrates concretely the change of the position of an intermediate image in a 2nd embodiment. It is a perspective view which illustrates schematic structure of the virtual image distance change part which concerns on 3rd Embodiment. It is a cross-sectional schematic diagram which illustrates the movement operation
  • the vertical direction is the Z direction
  • the state in which the virtual image display device is mounted on a vehicle is the Y direction
  • the direction orthogonal to these Z and Y directions is the X direction.
  • FIGS. 1 and 2 are schematic diagrams illustrating a virtual image display device 20 according to the first embodiment and a use state where the head-up display device 10 including the same is mounted in a vehicle body 811 of a vehicle 800.
  • FIG. A user (driver) 900 sits on a driver's seat 816 while gripping the steering wheel 813.
  • the virtual image display device 20 of the head-up display device 10 directs image information displayed on the display element 21 described later to a user (driver) 900 via the display screen 243. Display as a virtual image.
  • the configuration other than the display screen 243 of the virtual image display device 20 is installed in the dashboard 814 of the vehicle body 811 so as to be embedded behind the display 815 such as car navigation.
  • the virtual image display device 20 emits display light D1 corresponding to a virtual image including driving related information and the like toward the display screen 243.
  • the display screen 243 is also called a combiner, and is a semitransparent concave mirror or a plane mirror. Further, the display screen 243 may be a window shield type in which the windshield (front window 812) of the car is used as a projection mirror as it is, in addition to such a combiner type.
  • the display screen 243 is erected on the dashboard 814 by the support of the lower end, and reflects the display light D1 from the virtual image display device 20 toward the rear side (Y direction) of the vehicle body 811. That is, in the illustrated case, the display screen 243 is an independent type installed separately from the front window 812.
  • the display light D1 reflected by the display screen 243 is guided to the pupil 910 of the user 900 sitting on the driver's seat 816 and an eye box (not shown) corresponding to the peripheral position.
  • the user 900 can observe the display light D1 reflected by the display screen 243, that is, the virtual image i2 as a display image separated by a predetermined distance (virtual image distance) as if it were in front of the vehicle body 811.
  • the user 900 can observe external light transmitted through the display screen 243, that is, a front view, a real image of a car or the like.
  • the user 900 observes the virtual image i2 including the driving-related information formed by the reflection of the display light D1 on the display screen 243, superimposed on the external image behind the light transmitted through the display screen 243, ie the see-through image. it can.
  • 3 and 4 are a top schematic view and a side schematic view showing the configuration of the virtual image display device 20 according to the first embodiment, respectively.
  • the virtual image display device 20 includes a display element 21, a projection optical system 22, a virtual image distance changing unit 23 as a rotating body, a virtual image forming optical system 24, a rotational drive unit 25, a housing 26, and a diffusion A screen 29 and a display control unit 30 are provided.
  • the housing 26 the components of the virtual image display device 20 other than the display screen 243 are accommodated.
  • the optical axis AX up to the mirror 241 of the virtual image forming optical system 24 through the display element 21, the projection optical system 22 and the virtual image distance changing unit 23 is in the Z direction. It is set to the same height.
  • the optical axis AX before and after the virtual image distance changing unit 23 is distinguished, the optical axis on the upstream side is described as the optical axis AX0, the downstream side is described as the optical axis AX1, and these are collectively referred to. Is simply described as the optical axis AX.
  • the display element 21 has a two-dimensional display surface 21 a.
  • the image formed on the display surface 21 a is enlarged by the projection optical system 22 and projected onto the diffusion screen 29.
  • switching of the projection image on the diffusion screen 29 can be performed at relatively high speed.
  • the display element 21 may be a reflection type element such as DMD (Digital Micromirror Device) or LCOS (Liquid Crystal On Silicon), or may be a transmission type element such as liquid crystal.
  • DMD Digital Micromirror Device
  • LCOS Liquid Crystal On Silicon
  • liquid crystal liquid crystal
  • the display element 21 operates at a frame rate of 30 fps or more, preferably 90 fps. This makes it easy to make it appear as if a plurality of virtual images i2 are simultaneously displayed at different virtual image distances.
  • the projection optical system 22 is a lens system of a fixed focus, and has a plurality of lenses (not shown).
  • the projection optical system 22 magnifies and projects the image formed on the display surface 21a of the display element 21 at an appropriate magnification on the diffusion screen 29 as an intermediate image i1 (the intermediate image i1 itself is premised on the display operation of the display element 21) ).
  • the projection optical system 22 has a stop 221 disposed closest to the diffusion screen 29 of the projection optical system 22. By disposing the diaphragm 221 in this manner, setting and adjustment of the F number on the diffusion screen 29 side of the projection optical system 22 become relatively easy.
  • the virtual image distance changing unit 23 rotates the rotation drive unit 25 with the rotation shaft 23 a as the rotation center, and changes the position of the diffusion screen 29.
  • the rotation axis 23a is set in a direction orthogonal to the optical axis AX. In the present embodiment, the rotation axis 23a is set, for example, in the Z direction.
  • the virtual image distance changing portion 23 is a hexagonal columnar rotating body whose upper portion is open, and has three pairs of two sides facing each other in parallel, when viewed from above (when viewed from the rotation axis), and one pair thereof It has a hexagonal shape whose side length is shorter than the length of the other two pairs of sides.
  • the virtual image distance changing unit 23 has a base 232 formed on the rotation shaft 23a and first to sixth wall portions 233 to 238 formed on the periphery of the base 232.
  • the base portion 232 has a plate-like member disposed in parallel to the XY plane.
  • the first to sixth wall portions 233 to 238 are formed to extend in the Z direction at positions corresponding to respective sides of the base portion 232.
  • the portion surrounded by the first to sixth wall portions 233 to 238 is hollow or filled with a light transmitting medium.
  • the rotational drive unit 25 has a drive substrate (not shown) and a drive motor 251.
  • the rotation driving unit 25 causes the virtual image distance changing unit 23 to rotate at a constant speed at a predetermined speed.
  • the drive substrate of the rotational drive unit 25 performs feedback control so that the drive motor 251 is rotated at a constant speed, and outputs a phase signal corresponding to the rotational position to the display control unit 30.
  • the rotation drive unit 25 measures, for example, how many times a given region of the side surface (first to sixth wall portions 233 to 238) of the virtual image distance change unit 23 has passed within a fixed time, and uses it as a measurement value.
  • the rotational speed of the virtual image distance changing unit 23 is calculated based on the above.
  • the rotation drive unit 25 carries out feedback control based on the difference between the calculated rotational speed and the set rotational speed.
  • the rotational direction of the virtual image distance changing unit 23 can be set, for example, clockwise.
  • the rotational direction of the virtual image distance changing unit 23 is not limited to clockwise, and may be set counterclockwise.
  • the diffusion screen 29 is a diffusion plate for imaging the light from the projection optical system 22 and controlling the light distribution angle to a desired angle, and the imaging position (that is, the planned imaging position of the intermediate image i1 or The intermediate image i1 is formed in the vicinity (within the depth of focus).
  • the position of the intermediate image i1 can also be moved in the optical axis AX1 direction.
  • the intermediate image i1 as a display image is not necessarily formed, but in the following, it is assumed that the intermediate image i1 is formed even if it is not actually formed.
  • the position may also be referred to as the position of the intermediate image.
  • the diffusion screen 29 for example, a sliding glass, a lens diffusion plate, a micro lens array or the like can be used.
  • the diffusion screen 29 may be formed, for example, on at least one of the first to sixth wall portions 233 to 238.
  • an opening 239 may be formed in a wall opposite to the rotation shaft 23a of the wall on which the diffusion screen 29 is formed (see FIG. 5). Therefore, the diffusion screen 29 can be formed parallel to the rotation axis 23a on one wall of two positions in an axisymmetric relation to the rotation axis 23a, and the opening 239 can be formed on the other wall .
  • the intermediate image i1 of the diffusion screen 29 is projected on the mirror 241 as it is.
  • it may be configured such that there is no one blocking the light from the diffusion screen 29.
  • the diffusion screen 29 can be formed, for example, to be fitted into at least one of the first to sixth wall portions 233 to 238.
  • the diffusion screen 29 is fitted in the first wall 233, the second wall 234 and the third wall 235.
  • the diffusion screen 29 may be formed directly on the base 232 without forming a wall on the base 232.
  • the base portion 232, the first to sixth wall portions 233 to 238, and the diffusion screen 29 may be integrally formed or separately formed.
  • a plurality of diffusion screens 29 having different positions in the direction of the optical axis AX1 are sequentially arranged on the optical axis AX1 (hereinafter, also referred to as "movement of the diffusion screen”) . Details of the movement of the diffusion screen 29 in the optical axis direction will be described later.
  • the virtual image forming optical system 24 cooperates with the display screen 243 to magnify the intermediate image i1 formed on the diffusion screen 29, and forms a virtual image i2 in front of the user 900.
  • the virtual image forming optical system 24 includes at least one mirror, but includes two mirrors 241 and 242 in the illustrated example.
  • the display control unit 30 controls the display element 21 and the rotation drive unit 25. Thereby, as described later, the formation timing of the intermediate image i1 on the diffusion screen 29 is controlled, and a three-dimensional virtual image i2 of which the virtual image distance (projection distance) changes is displayed behind the display screen 243. Specifically, by moving the position of the intermediate image i1, that is, the position of the diffusion screen 29 to the side closer to the virtual image forming optical system 24 on the optical axis AX1, the virtual image distance to the virtual image i2 decreases. Also, conversely, moving the position of the diffusion screen 29 to the side farther from the virtual image forming optical system 24 on the optical axis AX1 increases the virtual image distance to the virtual image i2.
  • the diffusion screen 29 by disposing the diffusion screen 29 on the optical axis AX1, not only can the intermediate image i1 movable in the direction of the optical axis AX1 be formed, while securing the viewing angle and the eye box size.
  • the light utilization efficiency of the optical system can be increased. If the light distribution angle of diffusion by the diffusion screen 29 is too narrow, the eyebox size becomes small. Conversely, if the light distribution angle of diffusion by the diffusion screen 29 is too large, it is necessary to reduce the F value of the virtual image forming optical system 24 in order to increase the light utilization efficiency, so the depth of focus becomes shallow and display is possible The distance range is narrowed.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view illustrating movement operation of the diffusion screen 29 by the virtual image distance changing unit 23
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view following FIG.
  • the three diffusion screens 29 of the virtual image distance changing unit 23 are distinguished by reference numerals 291 to 293.
  • the diffusion screen 291 has an outer surface of the optical axis AX0. , Or in a position orthogonal to the optical axis AX0.
  • the position in the optical axis AX direction (Y direction) of the diffusion screen 291 in FIG. 5A is the position P1.
  • the light from the projection optical system 22 is imaged by the diffusion screen 291 to form an intermediate image i1.
  • the intermediate image i1 is projected onto the mirror 241 through an opening 239 formed on the opposite side of the diffusion screen 291 with the rotation axis 23a interposed therebetween.
  • FIG. 5 (B) shows a state where it is rotated by ⁇ 1 degree from the state of FIG. 5 (A).
  • the diffusion screen 293 is in a position in which the inner surface is in a right pair with respect to the optical axis AX0, that is, orthogonal to the optical axis AX0.
  • the position in the optical axis AX direction (Y direction) of the diffusion screen 293 in FIG. 5B is the position P3 and is moved to the left (the side farther from the projection optical system 22) from the position P1 by the distance L2.
  • the light from the projection optical system 22 is irradiated through the opening 239 and forms an image by the diffusion screen 293 formed on the opposite side of the opening 239 across the rotation axis 23a to form an intermediate image i1.
  • the intermediate image i1 is projected on the mirror 241.
  • FIG. 5 (C) shows a state rotated by ⁇ 2 degrees from the state of FIG. 5 (A).
  • the diffusion screen 292 is in a position in which the inner surface is in a right pair with respect to the optical axis AX0, that is, orthogonal to the optical axis AX0.
  • the position in the optical axis AX direction (Y direction) in FIG. 5C is the position P3 and is moved to the left (the side farther from the projection optical system 22) from the position P1 by the distance L2.
  • the light from the projection optical system 22 is irradiated through the opening 239, and forms an image by the diffusion screen 292 formed on the opposite side of the opening 239 across the rotation axis 23a to form an intermediate image i1.
  • the intermediate image i1 is projected on the mirror 241.
  • the diffusion screen 291 is in a position in which the inner surface is in a right pair with the optical axis AX0, that is, orthogonal to the optical axis AX0.
  • the position in the optical axis AX direction (Y direction) in FIG. 5D is the position P4, and is moved to the left (the side farther from the projection optical system 22) by a distance L3 from the position P1.
  • the light from the projection optical system 22 is irradiated through the opening 239 and forms an image by the diffusion screen 291 formed on the opposite side of the opening 239 across the rotation axis 23a, thereby forming an intermediate image i1.
  • the intermediate image i1 is projected on the mirror 241.
  • the diffusion screen 293 is positioned such that the outer surface thereof is in a right pair with the optical axis AX0, that is, orthogonal to the optical axis AX0.
  • the position in the optical axis AX direction (Y direction) in FIG. 6A is the position P2, and is moved to the left (the side farther from the projection optical system 22) by a distance L1 from the position P1.
  • the light from the projection optical system 22 is imaged by the diffusion screen 293 to form an intermediate image i1.
  • the intermediate image i1 is projected on the mirror 241 through an opening 239 formed on the opposite side of the diffusion screen 293 with the rotation axis 23a interposed therebetween.
  • the diffusion screen 292 is in a position where the outer surface is in a right pair with respect to the optical axis AX0, that is, orthogonal to the optical axis AX0.
  • the position in the optical axis AX direction (Y direction) in FIG. 6B is the position P2, and is moved to the left (the side farther from the projection optical system 22) by a distance L1 from the position P1.
  • the light from the projection optical system 22 is imaged by the diffusion screen 292 to form an intermediate image i1.
  • the intermediate image i1 is projected onto the mirror 241 through an opening 239 formed on the opposite side of the diffusion screen 292 across the rotation axis 23a.
  • FIG. 6C shows an original state rotated 360 degrees from the state of FIG. 5A.
  • FIGS. 5 (A) to 5 (D) and 6 (A) to 6 (C) in the virtual image display device 20 of this embodiment, at the timing when the diffusion screens 291 to 293 face the optical axis AX0, By forming the intermediate image i1, virtual images i2 corresponding to four different virtual image distances are formed.
  • the relationship between the rotation angle ⁇ and the position of the intermediate image i1 is as shown in the following table.
  • the intermediate image i1 is formed at the timing when either the outer surface or the inner surface of the diffusion screens 291 to 293 is directly aligned with the optical axis AX0.
  • the position of the projected image that is, the position of the virtual image i2 also has a different scale, but at a distance corresponding to the magnification of the virtual image forming optical system 24 like the position of the intermediate image i1 along the optical axis AX1 It can move discretely along the to change the virtual image distance in multiple steps.
  • the display element 21 does not perform continuous display, but performs intermittent display while sequentially switching the display content corresponding to the position of the intermediate image i1.
  • the intermediate image i1 changes in four levels of the near distance of the position P2, the intermediate distance of the position P3, and the far distance of the position P4 in addition to the reference position P1 among the positions on the optical axis AX.
  • the lengths of the distances L1 and L2 can be appropriately set according to the distance between the diffusion screens 292 and 293 of the virtual image distance changing unit 23 and the center line extending in the Z direction from the rotation axis 23a. Further, the length of the distance L3 can be appropriately set according to the distance between the diffusion screen 291 of the virtual image distance changing unit 23 and the center line. Note that at least one of the number of rotations of the virtual image distance changing unit 23 and the frame rate of the display element 21 under the display control unit 30 is controlled in timing to correspond to the other. For example, if the frame rate is 90 fps, the predetermined rotation speed of the virtual image distance changing unit 23 is 15 rps (900 rpm) or an integral multiple thereof.
  • the diffusion screen 291 is rotated by rotating the virtual image distance changing unit 23 in which the diffusion screens 291 to 293 are arranged on the first to sixth wall portions 233 to 238. . To 293 are sequentially arranged at different positions in the optical axis direction. Then, the images projected from the projection optical system 22 are displayed on the diffusion screens 291 to 293 and converted into virtual images by the virtual image forming optical system 24 so that virtual images can be substantially obtained at a plurality of projection distances with a simple configuration. It can be displayed simultaneously.
  • FIG. 7 is a view for explaining the arrangement position of the counterweight 40.
  • FIG. 7A is a schematic side view of the virtual image distance changing unit 23
  • FIG. 7B is a schematic top view of the virtual image distance changing unit 23.
  • the virtual image distance changing portion 23 is configured to be hollow on the inside, and the counterweight 40 is attached to the inner peripheral surface 23c.
  • the diffusion screens 291 to 293 are formed on the first to third wall portions 233, 234, and 235, respectively, and the openings 239 are formed on the fourth to sixth wall portions 236, 237, and 238, respectively. It is done.
  • the first to third wall portions 233, 234, and 235 including the diffusion screens 291 to 293 are the fourth to sixth wall portions if there is no difference in wall thickness etc. Heavier than 236, 237, 238 side. Therefore, the counter weight 40 is disposed so as not to be eccentric.
  • the virtual image distance changing unit 23 arranges the counterweight 40 on the opposite side to the side where the diffusion screens 291 to 293 are present with respect to the rotation shaft 23a, so that the center of gravity of the entire virtual image distance changing unit 23 in the XY plane is the rotation shaft 23a. Become positioned above. By providing the counterweight 40 in this manner, the virtual image distance changing unit 23 can stably rotate at a constant speed at a predetermined speed.
  • FIG. 8 is a block diagram for explaining the hardware configuration of the head-up display device 10.
  • the head-up display device 10 includes a driver detection unit 71, an environment monitoring unit 72, and a main control unit 60 in addition to the virtual image display device 20 described above.
  • the main control unit 60 three-dimensionally displays a virtual image corresponding to an object such as an oncoming vehicle or a passer by controlling the entire head-up display device 10. A display example of the virtual image will be described later.
  • the driver detection unit 71 detects the presence of the user 900 in the vehicle 800 and the viewpoint position, and the internal camera 71a directed to the driver's seat 816, an image processing unit 71b for the driver's seat 816, and a determination unit 71c. Equipped with The internal camera 71a is installed on the dashboard 814 in the vehicle body 811 so as to face the driver's seat 816 (see FIG. 2), and takes images of the head of the user 900 who sits on the driver's seat 816 and its surroundings Do.
  • the image processing unit 71b performs various image processing such as brightness correction on the image captured by the internal camera 71a, and facilitates the processing in the determination unit 71c.
  • the determination unit 71c detects a head or an eye (pupil 910) of the user 900 by extracting or cutting out an object from the driver's seat image processed by the image processing unit 71b, and depth information attached to the driver's seat image
  • the spatial position of the eye of the user 900 (as a result, the direction of the line of sight) is calculated together with the presence or absence of the head of the user 900 in the vehicle body 811.
  • the environment monitoring unit 72 functions as an object detection unit.
  • the environment monitoring unit 72 identifies an object such as a car, a bicycle, or a pedestrian approaching in front, and determines the distance to the object.
  • the environment monitoring unit 72 includes an external camera 72a, an external image processing unit 72b, and a determination unit 72c.
  • the external camera 72a is installed at an appropriate position inside or outside the vehicle body 811 and captures an external image such as the front or side of the user 900 or the vehicle 800.
  • the image processing unit 72b performs various image processing such as brightness correction on the image captured by the external camera 72a, and facilitates the processing in the determination unit 72c.
  • the determination unit 72c detects the presence or absence of an object such as a car, a bicycle, or a pedestrian by extracting or cutting out an object from the external image processed by the image processing unit 72b, and detects a vehicle from depth information attached to the external image. Calculate the spatial position of the object in front of 800.
  • the internal camera 71a and the external camera 72a include, for example, a compound eye type three-dimensional camera. That is, both cameras 71a and 72a are camera elements in which a lens for imaging, a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS), and other imaging elements are arranged in a matrix, and for imaging elements
  • CMOS complementary metal-oxide semiconductor
  • the drive circuits of 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 region or object in the image is determined.
  • a combination of a two-dimensional camera and an infrared distance sensor may be used instead of or in addition to the compound-eye type cameras 71a and 72a as described above. Thereby, distance information in the depth direction can be obtained for each part in the photographed screen. Further, instead of the compound-eye type cameras 71a and 72a, 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. In addition, distance information in the depth direction may be obtained for each part in the captured screen by performing imaging while changing the focal length at high speed with a single two-dimensional camera.
  • LIDAR Light Detection And Ranging
  • LIDAR technology Light Detection And Ranging technology
  • scattered light for pulsed laser irradiation can be measured, and the distance to an object at a long distance and the spread can be measured to obtain information on the distance to the object in the field of view and the spread of the object.
  • the object detection accuracy can be enhanced by combining the radar sensing technology such as LIDAR technology and the technology for detecting the distance of the object from the image information.
  • the display control unit 30 operates the virtual image display device 20 under the control of the main control unit 60 to display a three-dimensional virtual image i2 in which the virtual image distance (also referred to as a projection distance) changes behind the display screen 243.
  • the display control unit 30 generates a virtual image i2 to be displayed on the virtual image display device 20 from the display information including the display shape and the display distance received from the environment monitoring unit 72 via the main control unit 60.
  • the virtual image i2 is, for example, of a frame F (see FIG. 9) located in the periphery with respect to the depth position direction of a car, a bicycle, a pedestrian or other object OB (see FIG. 9 described later) existing behind the display screen 243. It becomes such a sign.
  • the display control unit 30 receives, from the driver detection unit 71 via the main control unit 60, a detection output regarding the presence of the user 900 and the position of the eyes. This enables automatic start and stop of the projection of the virtual image i2 by the virtual image display device 20. Also, it is possible to project the virtual image i2 only in the direction of the line of sight of the user 900. Furthermore, it is also possible to perform projection with emphasis, such as brightening or blinking, of only the virtual image i2 in the direction of the line of sight of the user 900.
  • FIG. 9 is a perspective view for explaining a specific display state by the head-up display device.
  • the front of the user 900 who is a driver (observer) is a detection area DF corresponding to the observation field of view.
  • the detection area DF that is, on the road and in the vicinity thereof, objects OB1 and OB3 of people who are pedestrians or the like and objects OB2 of mobile objects such as automobiles are present.
  • the main control unit 60 of the head-up display device 10 causes the virtual image display device 20 to project a three-dimensional virtual image i2 (i21 to i23) to the respective objects OB1, OB2, and OB3 as related information images. Add frames F1, F2 and F3.
  • the environment monitoring unit 72 determines the projection distances to virtual images i21, i22, and i23 for displaying the frame F (F1, F2, and F3). It corresponds to the distance from the user 900 or the vehicle 800 to each object OB1, OB2, OB3.
  • the near-field virtual image i21 corresponds to the intermediate image i1 projected on the diffusion screen 29 at the positions P2 and P3 shown in FIGS.
  • the far-field virtual image i23 corresponds to the positions P5 and P6, and the middle-distance virtual image i22 corresponds to the intermediate image i1 projected onto the diffusion screen 29 at the positions P1 and P4.
  • the projection distances of the virtual images i21, i22, i23 are discrete as shown in FIGS. 5 and 6, and may not exactly match the actual distances to the objects OB1, OB2, OB3. However, if the difference between the projected distances of the virtual images i21, i22 and i23 and the actual distances to the objects OB1, OB2 and OB3 is not large, parallax does not easily occur even if the viewpoint of the user 900 moves (in the X direction) The arrangement relationship between the objects OB1, OB2, OB3 and the frames F1, F2, F3 can be substantially maintained.
  • the position of the diffusion screen 29 in the optical axis direction is changed by rotation, and the projection optical system 22
  • the image on the diffusion screen is converted by the virtual image forming optical system 24, and a virtual image is formed at a projection distance corresponding to the position of the diffusion screen in the optical axis direction.
  • virtual images can be displayed substantially simultaneously at a plurality of projection distances.
  • the virtual image is discrete at a plurality of distances by changing the position of the diffusion screen 29 at a high speed of several tens Hz along the optical axis AX1, for example, within the focal depth range on the diffusion screen 29 side of the projection optical system 22. Can be displayed.
  • This makes it possible to superimpose the danger warning signal and other virtual images (for example, the frame F) on the transparent object OB, that is, the real or see-through image including the depth direction.
  • the virtual image display device 20 is applied to a driving support system such as the head-up display device 10, The security of the system can be further enhanced.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view illustrating movement operation of the diffusion screen 29 by the virtual image distance changing unit 23 according to the second embodiment
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view following FIG. 10 and 11 mainly show the configuration of the virtual image distance changing unit 23 concerning the movement operation of the diffusion screen 29.
  • the configuration other than the virtual image distance changing unit 23 and the display control unit 30 is the same as that of the first embodiment. Therefore, in FIG. 10 and FIG. 11, the display of the configuration other than the display element 21, the projection optical system 22, and the virtual image distance changing unit 23 is omitted.
  • the diffusion screen 291 has an outer surface that is the optical axis AX0. , Or in a position orthogonal to the optical axis AX0.
  • the position of the diffusion screen 291 in the optical axis AX direction (Y direction) in FIG. 10A is a position P1.
  • FIG. 10 (B) shows a state where it is rotated by ⁇ 1 degree from the state of FIG. 10 (A).
  • the diffusion screen 293 is positioned such that the outer surface thereof is in a right pair with the optical axis AX0, that is, orthogonal to the optical axis AX0.
  • the position in the optical axis AX direction (Y direction) of the diffusion screen 293 in FIG. 10B is the position P2, and is moved to the left (the side far from the projection optical system 22) from the position P1 by the distance L1.
  • FIG. 10C shows a state rotated by ⁇ 2 degrees from the state of FIG. 10A.
  • the diffusion screen 292 is in a position in which the inner surface is in a right pair with respect to the optical axis AX0, that is, orthogonal to the optical axis AX0.
  • the position in the optical axis AX direction (Y direction) in FIG. 10C is the position P3 and is moved to the left (the side farther from the projection optical system 22) by a distance L2 from the position P1.
  • the diffusion screen 291 is in a position in which the inner surface is in a right pair with the optical axis AX0, that is, orthogonal to the optical axis AX0.
  • the position in the optical axis AX direction (Y direction) in FIG. 10D is the position P4, and is moved to the left (the side farther from the projection optical system 22) by a distance L3 from the position P1.
  • the diffusion screen 293 is in a position in which the inner surface is in a right pair with respect to the optical axis AX0, that is, orthogonal to the optical axis AX0.
  • the position in the optical axis AX direction (Y direction) in FIG. 10A is the position P3, and is moved to the left (the side farther from the projection optical system 22) by a distance L2 from the position P1.
  • the diffusion screen 292 is in a position where the outer surface is in a right pair with respect to the optical axis AX0, that is, orthogonal to the optical axis AX0.
  • the position in the optical axis AX direction (Y direction) in FIG. 11B is the position P2, and is moved to the left (the side farther from the projection optical system 22) by a distance L1 from the position P1.
  • FIG. 11C shows the original state rotated 360 degrees from the state of FIG.
  • the intermediate image i1 is formed at the timing when either the outer surface or the inner surface of the diffusion screens 291 to 293 is directly aligned with the optical axis AX0.
  • the position of the projected image that is, the position of the virtual image i2 also has a different scale, but at a distance corresponding to the magnification of the virtual image forming optical system 24 like the position of the intermediate image i1 along the optical axis AX1 It can move discretely along the to change the virtual image distance in multiple steps.
  • the display element 21 does not perform continuous display, but performs intermittent display while sequentially switching the display content corresponding to the position of the intermediate image i1.
  • the intermediate image i1 has four levels: the near distance of the position P2, the middle distance of the position P3, and the far distance of the position P4. Change.
  • the virtual image distance changing unit 23 has the hexagonal base portion 232.
  • the present invention is not limited to the case where the virtual image distance changing portion 23 has a hexagonal base 232, and other bases, for example, rectangular, polygonal, circular, oval, or a combination of them may be used. It is applicable also to the case of having. That is, the virtual image distance changing unit 23 may be a quadrangular prism, a polygonal prism, a cylinder, an elliptic prism, or a shape in which they are combined.
  • FIG. 13 is a perspective view illustrating the schematic configuration of the virtual image distance changing unit 27 according to the third embodiment
  • FIG. 14 illustrates the moving operation of the diffusion screen 29 by the virtual image distance changing unit 27 according to the third embodiment.
  • FIG. 13 mainly shows the configuration of the virtual image distance changing unit 27 according to the movement operation of the diffusion screen 29.
  • the configuration other than the virtual image distance changing unit 27 and the display control unit 30 is the same as that of the first embodiment, and thus the display of the configuration other than the virtual image distance changing unit 27 is omitted.
  • the virtual image distance changing unit 27 rotates about the rotation axis 271 to change the position of the diffusion screen 294.
  • the virtual image distance changer 27 has a base 272 formed on the rotation shaft 271 and a diffusion screen 294 formed on the periphery of the base 272.
  • the base 272 has an elliptical shape when viewed from the rotation axis.
  • the diffusion screen 294 has a curved surface formed to follow the peripheral shape of the elliptical base 272.
  • the diffusion screen 294 has a surface outside the end E thereof. Is in a position directly opposite to the optical axis AX0.
  • the position in the optical axis AX direction (Y direction) of the diffusion screen 294 in FIG. 14A is the position P1.
  • FIG. 14 (B) shows a state rotated 90 degrees from the state of FIG. 14 (A).
  • the inner surface of the middle portion M faces the optical axis AX0.
  • the position in the optical axis AX direction (Y direction) of the diffusion screen 294 in FIG. 10B is the position P3 and is moved to the left (the side farther from the projection optical system 22) from the position P1 by the distance L2.
  • FIG.14 (C) has shown the state rotated 180 degree
  • the inner surface of the end portion E faces the optical axis AX0.
  • the position in the optical axis AX direction (Y direction) in FIG. 14C is the position P4, and is moved to the left (the side farther from the projection optical system 22) by a distance L3 from the position P1.
  • FIG. 14 (D) shows a state rotated 270 degrees from the state of FIG. 14 (A).
  • the outer surface of the middle portion M of the diffusion screen 294 faces the optical axis AX0.
  • the position in the optical axis AX direction (Y direction) in FIG. 14D is the position P2, and is moved to the left (the side farther from the projection optical system 22) from the position P1 by the distance L1.
  • the intermediate image i1 is formed at the timing when the diffusion screen 294 is directly opposed to the optical axis AX.
  • the diffusion screen 294 is a curved surface, it can be formed on the display surface 21a after the image is corrected so as to offset the influence of the curved surface in consideration of the influence on the intermediate image i1.
  • the present invention is not limited to such a case, and the base is not provided.
  • 271 may be configured to rotate only the diffusion screen 29.
  • both the optical axis AX0 on the upstream side of the virtual image distance changing unit 23 and the optical axis AX1 up to the mirror 241 on the immediately downstream side of the virtual image distance changing unit 23 It arranges horizontally so that it may become on the same height in Z direction, ie, the same XY plane.
  • the present invention is not limited to this, and may be arranged vertically. That is, these optical axes AX0 and AX1 may be configured to be on the same YZ plane.
  • the rotating shafts 23a and 271 are set in the Z direction, but the directions of the rotating shafts 23a and 271 are not limited to the Z direction, and are orthogonal to the optical axis AX direction. For example, it may be set in the X direction.
  • the transmissive virtual image display device 20 is illustrated and described, but in the fourth embodiment, the reflective virtual image display device 20 is illustrated and described. In order to avoid duplication of description, the description of the same configuration as that of the first to third embodiments will be omitted.
  • FIGS. 15 and 16 are a top schematic view and a side schematic view showing the configuration of the virtual image display device 20 according to the fourth embodiment, respectively.
  • the virtual image display device 20 includes a display element 21, a projection optical system 22, a polygon mirror 28 as a rotating polyhedron, a virtual image forming optical system 24, a mirror drive unit 25, a housing 26, and a diffusion screen 29. And a display control unit 30.
  • the housing 26 the components of the virtual image display device 20 other than the display screen 243 are accommodated.
  • the optical axis AX up to the mirror 241 of the virtual image forming optical system 24 through the display element 21, the projection optical system 22, and the polygon mirror 28 has the same height in the Z direction. Is set.
  • optical axis AX before and after the polygon mirror 28 is distinguished, the optical axis on the upstream side is described as the optical axis AX0, and the downstream side is described as the optical axis AX1. It is written as an optical axis AX.
  • the polygon mirror 28 is rotated by the mirror drive unit 25 about the rotation shaft 23 a as a rotation center.
  • the polygon mirror 28 has an outer shape of a regular hexagon in top view (when viewed from the rotation axis), and its geometrical center position c1 is apart from the rotation axis 23a, Both are off.
  • the mirror drive unit 25 includes a drive substrate (not shown), a drive motor 251, and a bearing 252.
  • the mirror drive unit 25 rotates the polygon mirror 28 at a constant speed at a predetermined speed. Further, the drive substrate of the mirror drive unit 25 performs feedback control so as to rotate the drive motor 251 at a constant speed, and outputs a phase signal according to the rotational position to the display control unit 30.
  • the diffusion screen 29 is a diffusion plate for controlling the light distribution angle to a desired angle, and forms an intermediate image i1 at an imaging position (that is, within an imaging planned position of the intermediate image i1 or near the focal depth) Do.
  • an imaging position that is, within an imaging planned position of the intermediate image i1 or near the focal depth
  • Do focal depth
  • the position of the intermediate image i1 can also be moved in the optical axis AX1 direction.
  • the intermediate image i1 as a display image is not necessarily formed, but in the following, it is assumed that the intermediate image i1 is formed even if it is not actually formed.
  • the position may also be referred to as the position of the intermediate image.
  • the diffusion screen 29 for example, a sliding glass, a lens diffusion plate, a micro lens array or the like can be used.
  • the diffusion screen 29 has the same size as the flat surface 23b on the side surface of the polygon mirror 28, and is attached to all six surfaces. In addition, it is not necessary to affix to all the surfaces, and it is sufficient to attach to at least two or more surfaces 23b. Furthermore, the diffusion screen 29 may be used as a diffusion screen by surface-treating the surface 23b of the polygon mirror 28 with sand blast or the like instead of the sticking member, so that the surface 23b itself has a diffusion function.
  • the polygon mirror 28 Since the polygon mirror 28 is provided with the rotation axis 23a at a position different from the geometrical center position c1, the surfaces 23b are different in distance from the rotation axis 23a. Further, by rotating the polygon mirror 28, a plurality of diffusion screens 29 having different positions in the direction of the optical axis AX1 are sequentially arranged on the optical axis AX1 (hereinafter, also referred to as "movement of the diffusion screen”) ). Details of the movement of the diffusion screen 29 in the optical axis direction will be described later.
  • the virtual image forming optical system 24 cooperates with the display screen 243 to magnify the intermediate image i1 formed on the diffusion screen 29, and forms a virtual image i2 in front of the user 900.
  • the virtual image forming optical system 24 includes at least one mirror, but includes two mirrors 241 and 242 in the illustrated example.
  • the display control unit 30 controls the display element 21 and the mirror drive unit 25. Thereby, as described later, the formation timing of the intermediate image i1 on the diffusion screen 29 is controlled, and a three-dimensional virtual image i2 of which the virtual image distance (projection distance) changes is displayed behind the display screen 243. Specifically, by moving the position of the intermediate image i1, that is, the position of the diffusion screen 29 to the side closer to the virtual image forming optical system 24 on the optical axis AX1, the virtual image distance to the virtual image i2 decreases. Also, conversely, moving the position of the diffusion screen 29 to the side farther from the virtual image forming optical system 24 on the optical axis AX1 increases the virtual image distance to the virtual image i2.
  • the diffusion screen 29 by disposing the diffusion screen 29 on the optical axis AX1, not only can the intermediate image i1 movable in the direction of the optical axis AX1 be formed, while securing the viewing angle and the eye box size.
  • the light utilization efficiency of the optical system can be increased. If the light distribution angle of diffusion by the diffusion screen 29 is too narrow, the eyebox size becomes small. Conversely, if the light distribution angle of diffusion by the diffusion screen 29 is too large, it is necessary to reduce the F value of the virtual image forming optical system 24 in order to increase the light utilization efficiency, so the depth of focus becomes shallow and display is possible The distance range is narrowed.
  • FIG. 17 is a schematic top view showing the change of the position of the diffusion screen 29 by the polygon mirror 28.
  • numbers 1 to 6 are added at the end like 23b1 to 23b6.
  • FIG. 17 (a) shows the state of the polygon mirror 28 at a certain position (0 degree). At this position, the surface 23b1 is directly opposite to the optical axis AX1, that is, the optical axis AX1 and the surface 23b1 are orthogonal. doing.
  • the position in the optical axis AX1 direction (Y direction) of the diffusion screen 29 in FIG. 17A is the position P1.
  • FIG. 17 (b) shows a state where it is rotated by one plane, that is, 60 degrees from FIG. 17 (a).
  • the position (0 degrees) of the polygon mirror 28 in FIG. 17 (a) is indicated by a broken line (the same applies to FIG. 17 (c)).
  • the surface 23b2 is directly opposite to the optical axis AX1.
  • the position in the optical axis AX1 direction (Y direction) of the diffusion screen 29 in FIG. 17B is the position P2 and is on the left side (closer to the virtual image forming optical system 24) from the position P1 by the distance L1. It is moving.
  • FIG. 17 (c) shows a state where it is further rotated by four faces, that is, 240 degrees from FIG. 17 (b). At this position, the surface 23b6 is directly opposite to the optical axis AX1.
  • the position in the optical axis AX1 direction (Y direction) in FIG. 17C is the position P6, and is moved to the right (the side far from the virtual image forming optical system 24) by a distance L1 from the position P1.
  • the positions of the diffusion screen 29 when the surfaces 23b1 to 23b6 are correctly identified to the optical axis AX1 are indicated by positions P1 to P6, respectively.
  • FIG. 18 is a diagram specifically illustrating the change of the position of the intermediate image i1 when the polygon mirror 28 is rotated as shown in FIG.
  • the time t0 to t6 corresponds to one rotation of the polygon mirror.
  • the surfaces 23b1 to 23b6 respectively face the optical axis AX1.
  • Images are formed on the display surface 21a of the display element 21 in synchronization with the rotation of the polygon mirror 28, ie, at each timing from time t1 to time t6.
  • the intermediate image i1 is formed at the timing when the diffusion screen 29 on each surface 23b is aligned with the optical axis AX1.
  • the position of the projected image that is, the position of the virtual image i2 also has a different scale, but at a distance corresponding to the magnification of the virtual image forming optical system 24 like the position of the intermediate image i1 along the optical axis AX1 It can move discretely along the to change the virtual image distance in multiple steps.
  • the display element 21 does not perform continuous display, but performs intermittent display while sequentially switching the display content corresponding to the position of the intermediate image i1.
  • the intermediate image i1 changes at three levels, the long distance between the positions P5 and P6, the middle distance between the positions P1 and P4, and the short distance between the positions P2 and P3.
  • the length of the distance L1 can be set as appropriate according to the outer diameter of the polygon mirror 28 and the distance between the geometrical center position c1 and the rotation axis 23a. Note that at least one of the number of rotations of the polygon mirror 28 and the frame rate of the display element 21 under the display control unit 30 is controlled in timing to correspond to the other. For example, if the frame rate is 90 fps, the predetermined rotational speed of the hexahedral polygon mirror 28 is 15 rps (900 rpm) or an integral multiple thereof.
  • the optical axis AX1 of the virtual image forming optical system 24 on the downstream side of the polygon mirror 28 and the optical axis AX0 of the projection optical system 22 on the upstream side are not located on the same straight line, Cross at an angle (eg, an angle in the range of 10-30 degrees). Therefore, even if the same image is formed on the diffusion screen 29 by moving the diffusion screen 29 in the direction of the optical axis AX1, the central position in the image width direction corresponds to the tilt angle and the movement amount in the direction of the optical axis AX1. Accordingly, it shifts in the X direction perpendicular to the optical axis AX1.
  • the image position displayed on the display surface 21 a of the display element 21 may be shifted according to the position of the diffusion screen 29 in the Y direction.
  • an image projected on the diffusion screen 29 at a long distance (position P5, P6) is controlled to be shifted in the X direction (lower side in FIG. 15) compared to an image at a short distance (position P2, P3) Do.
  • the geometric center position is the polygon mirror 28 which is separated from the rotation axis
  • the plurality of diffusion screens 29 are sequentially arranged at different positions in the optical axis direction by rotating the polygon mirror 28 in which the diffusion screens 29 are arranged on the plurality of side surfaces 23b. Then, an image projected from the projection optical system 22 is displayed on the diffusion screen 29 and converted into a virtual image by the virtual image forming optical system 24 to display virtual images substantially simultaneously at a plurality of projection distances with a simple configuration. can do.
  • FIG. 19 is a view for explaining the arrangement position of the counterweight 40.
  • FIG. 19 (a) is a side view
  • FIG. 19 (b) is a bottom view.
  • the inside of the polygon mirror 28 is hollow, and the counterweight 40 is attached to the inner peripheral surface 23c.
  • the polygon mirror 28 is provided with the rotation axis 23a at a position away from the geometric center position c1 in top view (XY plane). Therefore, the counter weight 40 is disposed so as not to be eccentric.
  • the polygon mirror 28 arranges the counterweight 40 on the opposite side of the center position c1 with respect to the rotation axis 23a, whereby the center of gravity of the entire polygon mirror 28 in the XY plane is positioned on the rotation axis 23a.
  • the polygon mirror 28 can be stably rotated at a predetermined speed at a constant speed.
  • the diffusion screen 29 is positioned along the optical axis AX1, for example, the diffusion screen of the projection optical system 22
  • the virtual image can be discretely displayed at a plurality of distances by changing at a high speed of several tens of Hz within the range of the depth of focus on the 29 side. This makes it possible to superimpose the danger warning signal and other virtual images (for example, the frame F) on the transparent object OB, that is, the real or see-through image including the depth direction.
  • the virtual image display device 20 is applied to a driving support system such as the head-up display device 10.
  • the security of the system can be further enhanced.
  • the polygon mirror 28 is a hexagon
  • the present invention is not limited to this and may be a polygon of another variable.
  • it may be a square or a pentagon.
  • FIGS. 20 and 21 are diagrams showing polygon mirrors 281 and 282 used in the virtual image display device 20 according to the first and second modifications, respectively. Note that, in the drawing, only the configuration of the polygon mirrors 281 and 282 is shown. The configuration other than this is the same as that of the fourth embodiment, and therefore the display is omitted.
  • the diffusion screen 29 is moved in the direction of the optical axis AX1 by using a rectangular polygon mirror 281.
  • the intermediate image i1 is formed at the timing when the diffusion screen 29 is directly opposed to the optical axis AX1, so that virtual images i2 corresponding to three different virtual image distances are formed.
  • the diffusion screen 29 is moved in the direction of the optical axis AX1 using a pentagonal polygon mirror 282.
  • the intermediate image i1 is formed at the timing when the diffusion screen 29 faces the optical axis AX1, thereby forming virtual images i2 corresponding to five different virtual image distances.
  • an image is displayed on the display element 21 at the timing when the surface 23b (diffusing screen 29) of the polygon mirror 28 is in direct pair (orthogonal) with respect to the optical axis AX1. It was formed and projected onto the diffusion screen 29.
  • the present invention is not limited to this, and the intermediate image i1 and the virtual image i2 may be formed with different phases as shown in the third modified example described below.
  • FIG. 22 is a schematic view showing a configuration of a virtual image display device 20 according to a third modification.
  • FIG. 22 (a) is a schematic top view
  • FIG. 22 (b) is a schematic view illustrating the formation timing of the intermediate image i1 and the virtual image i2.
  • the intermediate image i1 and the virtual image i2 are formed at the timing when the diffusion screen 29 faces the virtual line a1.
  • This timing corresponds to the timing when the phase is shifted by the angle between the optical axis AX1 and the imaginary line a1 with respect to the timing described in FIG. That is, as shown in FIG. 22 (b), an intermediate image i1 is formed on the diffusion screen 29 at the timing when the diffusion screen 29 faces the virtual line a1.
  • the virtual line a1 is a line set such that the angle between the virtual line a1 and the optical axis AX1 and the angle between the virtual line a1 and the optical axis AX0 are the same. That is, in a state where the surface 23b of the polygon mirror 28 faces the virtual line a1, the incident angle on the optical axis AX0 and the reflection angle on the optical axis AX1 are equal to the surface 23b, and total reflection is performed.
  • the same effects as those of the fourth embodiment can be obtained also in such a third modification.
  • the surface 23b of the polygon mirror 28 is made to be a mirror surface, and the translucent diffusion screen 29 is disposed on the surface, so that more light is obtained by the angle of the total reflection direction, ie, the optical axis AX1 direction. Can lead.
  • the rotation axis 23a is disposed on a line connecting the vertex of the polygon mirror 28 and the geometrical center position c1 in top view.
  • the present invention is not limited to this, and even if the positions of the intermediate image i1 and the virtual image i2 are changed in six steps corresponding to the number of surfaces of the polygon mirror 28, by arranging the rotation axis 23a at an appropriate position outside the line. Good.
  • both the optical axis AX0 on the upstream side of the polygon mirror 28 and the optical axis AX1 up to the mirror 241 on the immediately downstream side of the polygon mirror 28 have the same height in the Z direction, That is, they were arranged horizontally to be on the same XY plane.
  • the present invention is not limited to this, and may be arranged vertically. That is, these optical axes AX0 and AX1 may be configured to be on the same YZ plane.
  • 10 head-up display devices 20 virtual image display devices, 21 display elements, 21a Display surface, 22 Projection optics, 23 virtual image distance changer, 232 base, 23a rotary axis, 233 to 238 first to sixth walls, 239 openings, 23b, 23b1 to 23b6 surface, 23c inner surface, c1 center position, 24 virtual imaging optics, 241, 242 mirrors, 243 display screen, 25 rotary drive units, 26 housing, 28, 281, 282 polygon mirrors, 29, 291-292 Diffuse Screen, 30 display control unit, 40 counter weights, 60 main control unit, 71 Driver Detection Unit, 72 Environmental Monitoring Department, 800 vehicles, 811 car body, 812 front window, 813 handle, 814 dashboard, 815 display, 816 driver's seat, 900 users, 910 eyes, AX, AX0, AX1 Optical axis, D1 indicator light, DF detection area, F, F1, F2, F3 frames, OB object, i1 intermediate image, i2, i21, i

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Instrument Panels (AREA)

Abstract

【課題】複数の投影距離に虚像を実質的に同時に表示する虚像表示装置、およびこれを備えたヘッドアップディスプレイ装置を提供する。 【解決手段】虚像表示装置２０は、表示素子２１と、投影光学系２２と、回転体２３と、虚像形成光学系２４と、を有する。投影光学系２２は、表示素子２１に形成された像を拡大する。回転体２３は、回転軸２３ａ回りに回転し、投影光学系２２からの結像された光を拡散する拡散スクリーン２９を備える。虚像形成光学系２４は、拡散スクリーン２９上の像を変換し、投影光学系２２からの光の光軸方向における拡散スクリーン２９の位置に対応した投影距離で、虚像を形成する。拡散スクリーン２９は、回転軸２３ａを挟んで一方の側でかつ回転軸２３ａに平行に配置され、回転体２３が回転することにより、拡散スクリーン２９の光軸方向の位置が変更される。

Description

虚像表示装置、およびヘッドアップディスプレイ装置
　本発明は、虚像表示装置、および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（以下、単に「ＨＵＤ」ともいう）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り、ＨＵＤによる表示内容は、車速、カーナビゲーション情報等に限られていた。そもそもＨＵＤを車両に搭載する目的は、運転者の視線移動を最小限に抑えることで、より安全な運転を支援するものであるが、安全運転支援という意味においては、車速等の表示内容だけでは不十分である。例えば前方の車、歩行者、障害物等をカメラやセンサーで検知し、ＨＵＤを通じて運転者に事前に危険を察知させて事故を未然に防ぐようなシステムの方がより好ましい。こういったシステムを実現するには、例えば車、人、障害物等の危険を察知させる対象となるシースルー像に対して虚像としての危険信号を重畳させて表示させることが考えられる。
　このような虚像を表示させる際に、危険を察知させる対象となる物との距離は一定ではない。例えば５０ｍ先の危険に対して２ｍ先に見える虚像に危険信号を表示して重畳させると焦点位置の違いが生じるため、人間の目には、違和感が生じるという課題がある。このような問題を解決する手法としては、実物に対して虚像を奥行き方向も含めて重畳させることが考えられる。このように、虚像に奥行きを持たせる手法として、下記特許文献１に開示された方法がある。この特許文献１では、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーのような走査型の像形成手段、拡散スクリーン、投影手段、および拡散スクリーン位置を変える可動手段を備え、拡散スクリーン位置を変化させることで虚像の位置を変化させている。特許文献１の主たる目的としては、車の速度に伴って人間が注視する距離が変わることを鑑み、虚像位置を近づけたり遠ざけたりして、運転者の視線移動を少なくしている。
特開２００９－１５０９４７号公報
　しかしながら、特許文献１のように運転時の速度に伴って、虚像位置を一律に遠ざけたり近づけたりした場合には、運転者が顔を横方向に動かして目の位置をずらした場合に実物の位置と危険信号等の虚像の位置がずれてしまい、運転者が危険信号を誤認してしまうという課題がある。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、複数の投影距離に虚像を実質的に同時に表示させることができる虚像表示装置を提供することを目的とする。
　本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
　（１）表示素子と、前記表示素子に形成された像を拡大する投影光学系と、回転軸回りに回転し、前記投影光学系からの結像された光を拡散する拡散スクリーンを備えた回転体と、前記拡散スクリーン上の像を変換し、前記投影光学系からの光の光軸方向における前記拡散スクリーンの位置に対応した投影距離で、虚像を形成する虚像形成光学系と、を備え、前記拡散スクリーンは、前記回転軸を挟んで一方の側でかつ前記回転軸に平行に配置され、前記回転体が回転することにより、前記拡散スクリーンの前記光軸方向の位置が変更される、虚像表示装置。
　（２）前記回転体は、前記光軸方向から視て重ならないように設置された複数の前記拡散スクリーンを備え、当該複数の拡散スクリーンのうち、少なくとも１つの拡散スクリーンは、前記回転軸からの距離が他の拡散スクリーンと異なる上記（１）に記載の虚像表示装置。
　（３）前記回転体は、前記光軸方向から視て重ならないように設置された複数の前記拡散スクリーンを備え、前記回転体の回転によって、複数の前記拡散スクリーンを、前記投影光学系の焦点深度内で前記光軸方向の異なる位置に配置させ、前記虚像形成光学系で、前記拡散スクリーン上で結像した像を変換し、虚像を形成することで、前記投影距離を変化させる、上記（１）または（２）に記載の虚像表示装置。
　（４）前記回転体は、前記回転軸から視た場合に、矩形、多角形、円形、楕円形、またはそれらが組み合わされた形状を有する基部を有し、前記拡散スクリーンは、前記基部上に形成されている、上記（１）～（３）のいずれか１つに記載の虚像表示装置。
　（５）前記回転体は、前記基部の周縁に沿って前記回転軸の周囲に形成された壁部を有し、前記回転軸を挟んで一方の前記壁部に前記拡散スクリーンが形成され、他方の前記壁部に開口部が形成されている、上記（４）に記載の虚像表示装置。
　（６）前記回転体は、前記光軸方向から視て重ならないように設置された複数の前記拡散スクリーンを備え、前記回転体の回転による、前記投影光学系の結像位置への複数の前記拡散スクリーンの配置に同期させて、前記表示素子に形成する像の形成タイミングを制御する表示制御部をさらに備える、上記（１）～（５）のいずれか１つに記載の虚像表示装置。
　（７）前記回転体は、カウンターウェイトが取り付けられており、前記カウンターウェイトにより、重心が前記回転軸上に設定されている、上記（１）～（６）のいずれか１つに記載の虚像表示装置。
　（８）前記回転体の回転速度を制御する回転駆動部をさらに有し、前記回転駆動部は、前記回転体を前記回転軸回りに所定の速度で回転させる、上記（１）～（７）のいずれか１つに記載の虚像表示装置。
　（９）上記（１）～（８）のいずれか１つに記載の虚像表示装置と、検出領域内に存在するオブジェクトを検出するとともに、前記オブジェクトまでの距離を判定するオブジェクト検出部と、オブジェクト検出部が判定した前記オブジェクトまでの距離に対応した前記投影距離で、前記虚像表示装置に虚像を形成させる、主制御部と、を備えた、ヘッドアップディスプレイ装置。
　（１０）表示素子と、前記表示素子に形成された像を拡大する投影光学系と、幾何学的な中心位置が、回転軸から離れている回転多面体であって、側面の複数の表面に拡散スクリーンを配置し、回転することで前記投影光学系の結像位置に、光軸方向の位置が異なる複数の前記拡散スクリーンを順次配置させる回転多面体と、前記拡散スクリーン上の像を変換し、前記拡散スクリーンの前記光軸方向の位置に対応した投影距離で、虚像を形成する虚像形成光学系と、を備える、虚像表示装置。
　（１１）前記回転多面体の回転によって、複数の前記拡散スクリーンを、前記投影光学系の焦点深度内で光軸方向の異なる位置に配置させ、虚像形成光学系で、前記拡散スクリーン上で反射した像を変換し、虚像を形成することで、前記投影距離を変化させる、上記（１０）に記載の虚像表示装置。
　（１２）前記回転多面体の回転による、前記投影光学系の前記結像位置への複数の前記拡散スクリーンの配置に同期させて、前記表示素子に形成する像の形成タイミングを制御する表示制御部を備える、上記（１０）または上記（１１）に記載の虚像表示装置。
　（１３）前記回転多面体は、カウンターウェイトが取り付けられており、前記カウンターウェイトにより、重心が前記回転軸上に設定されている、上記（１０）から上記（１２）のいずれか１つに記載の虚像表示装置。
　（１４）前記回転多面体は、所定の速度で定速回転する、上記（１０）から上記（１３）のいずれか１つに記載の虚像表示装置。
　（１５）上記（１０）から上記（１４）のいずれか１つに記載の虚像表示装置と、検出領域内に存在するオブジェクトを検出するとともに、前記オブジェクトまでの距離を判定するオブジェクト検出部と、オブジェクト検出部が判定した前記オブジェクトまでの距離に対応した前記投影距離で、前記虚像表示装置に虚像を形成させる、主制御部と、を備えた、ヘッドアップディスプレイ装置。
　本発明に係る虚像表示装置によれば、回転軸を挟んで一方の側に配置され、投影光学系からの光を結像する少なくとも１つの拡散スクリーンを回転させることにより、光軸方向の拡散スクリーンの位置を変更し、投影光学系の結像位置に配置させる。したがって、虚像形成光学系により、この拡散スクリーン上の像を変換し、拡散スクリーンの光軸方向の位置に対応した投影距離で、虚像を形成することにより、複数の投影距離に虚像を実質的に同時に表示させることができる。
　また、本発明に係る虚像形成装置によれば、回転軸から視た場合に、幾何学的な中心位置が、回転軸から離れている回転多面体であって、側面の複数の表面に拡散スクリーンを配置し、回転することで投影光学系の結像位置に、光軸方向の位置が異なる複数の拡散スクリーンを順次配置させる回転多面体を備え、虚像形成光学系により、この拡散スクリーン上の像を変換し、拡散スクリーンの光軸方向の位置に対応した投影距離で、虚像を形成する。このようにすることで、複数の投影距離に虚像を実質的に同時に表示させることができる。
ヘッドアップディスプレイ装置を車両に搭載した状態を示す側方断面図である。 ヘッドアップディスプレイ装置を搭載した車両を内側から見た概略図である。 第１の実施形態に係る虚像表示装置の構成を示す上面模式図である。 第１の実施形態に係る虚像表示装置の構成を示す側面模式図である。 第１の実施形態に係る虚像距離変更部による拡散スクリーンの移動動作を例示する断面模式図である。 図５に後続する断面模式図である。 カウンターウェイトの配置位置を説明する図である。 ヘッドアップディスプレイ装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 ヘッドアップディスプレイ装置による具体的な表示状態を示す斜視図である。 第２の実施形態に係る虚像距離変更部による拡散スクリーンの移動動作を例示する断面模式図である。 図１０に後続する断面模式図である。 第２の実施形態において中間像の位置の変化を具体的に例示する図である。 第３の実施形態に係る虚像距離変更部の概略構成を例示する斜視図である。 第３の実施形態に係る虚像距離変更部による拡散スクリーンの移動動作を例示する断面模式図である。 第４の実施形態に係る虚像表示装置の構成を示す上面模式図である。 第４の実施形態に係る虚像表示装置の構成を示す側面模式図である。 ポリゴンミラーによる拡散スクリーンの位置の変更を示す上面模式図である。 周期的な中間像の位置の変化を説明する図である。 カウンターウェイトの配置位置を説明する図である。 第１の変形例で用いるポリゴンミラーを示す図である。 第２の変形例で用いるポリゴンミラーを示す図である。 第３の変形例に係る虚像表示装置の一部の構成を示す上面模式図である。
　以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。また図面においては、上下方向をＺ方向、虚像表示装置を車両に搭載した状態において、車両の進行方向に平行な方向をＹ方向、これらのＺ、Ｙ方向に直交する方向をＸ方向とする。
　（第１の実施形態）
　図１、図２は、第１の実施形態に係る虚像表示装置２０、およびこれを含むヘッドアップディスプレイ装置１０を車両８００の車体８１１内に搭載した使用状態を説明する模式図である。ユーザー（運転者）９００は、ハンドル８１３を握りながら運転席８１６に座っている。図１、図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０の虚像表示装置２０は、後述する表示素子２１に表示されている画像情報を、表示スクリーン２４３を介してユーザー（運転者）９００に向けて虚像として表示する。
　虚像表示装置２０の表示スクリーン２４３以外の構成は、車体８１１のダッシュボード８１４内にカーナビゲーション等のディスプレイ８１５の背後に埋め込むように設置されている。虚像表示装置２０は、運転関連情報等を含む虚像に対応する表示光Ｄ１を表示スクリーン２４３に向けて射出する。表示スクリーン２４３は、コンバイナーとも呼ばれ、半透過性を有する凹面鏡、または平面鏡である。また、表示スクリーン２４３は、このようなコンバイナータイプの他、車のウインドーシールド（フロントウィンドウ８１２）をそのまま投射用の鏡として利用するウインドーシールドタイプであってもよい。表示スクリーン２４３は、下端の支持によってダッシュボード８１４上に立設され、虚像表示装置２０からの表示光Ｄ１を車体８１１の後方側（Ｙ方向）に向けて反射する。すなわち、図示の場合、表示スクリーン２４３は、フロントウィンドウ８１２とは別体で設置される独立型のものとなっている。表示スクリーン２４３で反射された表示光Ｄ１は、運転席８１６に座ったユーザー９００の瞳９１０、およ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。ユーザー９００は、表示スクリーン２４３で反射された表示光Ｄ１、つまり、あたかも車体８１１の前方にあるように、所定距離（虚像距離）離れた表示像としての虚像ｉ２を観察することができる。一方、ユーザー９００は、表示スクリーン２４３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、ユーザー９００は、表示スクリーン２４３を透過した背後の外界像、すなわちシースルー像に重ねて、表示スクリーン２４３での表示光Ｄ１の反射によって形成される運転関連情報等を含む虚像ｉ２を観察できる。
　図３、図４は、それぞれ第１の実施形態に係る虚像表示装置２０の構成を示す上面模式図、および側面模式図である。
　図３、図４に示すように、虚像表示装置２０は、表示素子２１、投影光学系２２、回転体としての虚像距離変更部２３、虚像形成光学系２４、回転駆動部２５、ハウジング２６、拡散スクリーン２９、および表示制御部３０を備える。ハウジング２６内には、表示スクリーン２４３以外の虚像表示装置２０の各構成要素が収納される。また、図３、図４に示す例では、表示素子２１、投影光学系２２、および虚像距離変更部２３を通り、虚像形成光学系２４のミラー２４１に至るまでの光軸ＡＸは、Ｚ方向で同じ高さに設定されている。なお、以下においては、虚像距離変更部２３前後での光軸ＡＸを区別する場合には、上流側の光軸を光軸ＡＸ０、下流側を光軸ＡＸ１と表記し、これらを総称する場合には単に光軸ＡＸと表記する。
　表示素子２１は、２次元的な表示面２１ａを有する。表示面２１ａに形成された像は、投影光学系２２で拡大されて拡散スクリーン２９へ投影される。この際、２次元表示が可能な表示素子２１を用いることで、拡散スクリーン２９への投影像の切換えを比較的高速で行える。表示素子２１は、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ）やＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｏｎ　Ｓｉｌｉｃｏｎ）等の反射型の素子であっても、液晶等の透過型の素子であってもよい。特に、表示素子２１としてＤＭＤ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が容易になり、投影距離（以下、虚像距離という）を変化させる表示に有利である。なお、表示素子２１は、３０ｆｐｓ以上、好ましくは９０ｆｐｓのフレームレートで動作する。これにより、異なる虚像距離に複数の虚像ｉ２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。
　投影光学系２２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２２は、表示素子２１の表示面２１ａに形成された画像を中間像ｉ１として拡散スクリーン２９上に適当な倍率で拡大投影する（中間像ｉ１自体は、表示素子２１の表示動作が前提となる）。なお、投影光学系２２は、この投影光学系２２の最も拡散スクリーン２９側に配置された絞り２２１を有する。このように絞り２２１を配置することで、投影光学系２２の拡散スクリーン２９側のＦナンバーの設定や調整が比較的容易になる。
　虚像距離変更部２３は、回転駆動部２５により、回転軸２３ａを回転中心として回転し、拡散スクリーン２９の位置を変更する。回転軸２３ａは、光軸ＡＸに直交する方向に設定される。本実施形態では、回転軸２３ａは、たとえばＺ方向に設定される。虚像距離変更部２３は、上部が開放された六角柱状の回転体であり、上面視した場合（回転軸から視た場合）、互いに平行に向かい合う２辺を３対有し、そのうちの１対の辺の長さが、他の２対の辺の長さよりも短い六角形状を有する。
　図４に示すように、虚像距離変更部２３は、回転軸２３ａ上に形成された基部２３２と、基部２３２の周縁に形成された第１～第６壁部２３３～２３８とを有する。基部２３２は、ＸＹ平面と平行に配置された板状の部材を有する。第１～第６壁部２３３～２３８は、基部２３２の各々の辺に対応する位置においてＺ方向に延伸するように形成される。第１～第６壁部２３３～２３８によって囲まれた部分は、空洞になっているか、または光を透過する媒質で満たされている。
　回転駆動部２５は、駆動基板（図示せず）および駆動モーター２５１を有する。回転駆動部２５により、虚像距離変更部２３は所定の速度で定速回転する。また、回転駆動部２５の駆動基板は、駆動モーター２５１を一定速度で回転するようにフィードバック制御するとともに、回転位置に応じた位相信号を表示制御部３０に出力する。回転駆動部２５は、たとえば、虚像距離変更部２３の側面部（第１～第６壁部２３３～２３８）のある決まった領域を一定時間内に何度通過したかを計測し、計測値に基づいて虚像距離変更部２３の回転速度を算出する。回転駆動部２５は、算出された回転速度と設定された回転速度との差に基づいてフィードバック制御を実施する。
　なお、本実施形態では、虚像距離変更部２３の回転方向は、たとえば時計回りに設定されうる。しかし、虚像距離変更部２３の回転方向は、時計回りに限定されず、反時計回りに設定されてもよい。
　拡散スクリーン２９は、投影光学系２２からの光を結像し、配光角を所望の角度に制御するための拡散板であり、結像位置（つまり中間像ｉ１の結像予定位置、またはその近傍の焦点深度内）において中間像ｉ１を形成する。この結果、拡散スクリーン２９を光軸ＡＸ１方向に移動させることにより、中間像ｉ１の位置も光軸ＡＸ１方向に移動させることができる。なお、表示素子２１の表示が動作していなければ、必ずしも表示画像としての中間像ｉ１は形成されないが、以下においては、実際に形成されていなくても中間像ｉ１が形成されると想定される位置も中間像の位置と呼ぶ場合がある。拡散スクリーン２９としては、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を用いることができる。
　拡散スクリーン２９は、複数設置される場合、光軸ＡＸ０方向から視て重ならないように設置される。本実施形態では、拡散スクリーン２９は、たとえば、第１～第６壁部２３３～２３８の少なくともいずれかに形成されうる。また、拡散スクリーン２９が形成された壁部の回転軸２３ａを挟んだ向かい側の壁部には開口部２３９が形成されうる（図５を参照）。したがって、拡散スクリーン２９は回転軸２３ａに対して軸対称の関係にある２つの位置の一方の壁部に回転軸２３ａに対して平行に形成され、開口部２３９は他方の壁部に形成されうる。拡散スクリーン２９および開口部２３９の位置関係をこのように設定することにより、拡散スクリーン２９に結像された中間像ｉ１から光軸ＡＸ１方向に照射される光を遮るものが存在しない。したがって、拡散スクリーン２９の中間像ｉ１は、ミラー２４１にそのまま投影される。あるいは、拡散スクリーン２９に対して、回転軸２３ａを挟んだ他側には壁部を形成しないことにより、拡散スクリーン２９からの光を遮るものが存在しないように構成してもよい。
　拡散スクリーン２９は、たとえば、第１～第６壁部２３３～２３８の少なくともいずれかに嵌め込まれるように形成されうる。図３および図４に示す例では、第１壁部２３３、第２壁部２３４および第３壁部２３５に拡散スクリーン２９が嵌め込まれている。また、基部２３２上に壁部を形成せずに、拡散スクリーン２９を基部２３２上に直接形成してもよい。また、基部２３２、第１～第６壁部２３３～２３８、および拡散スクリーン２９は、一体として形成されてもよいし、別体として形成されてもよい。
　虚像距離変更部２３を回転させることで、光軸ＡＸ１方向の位置が異なる複数の拡散スクリーン２９が、光軸ＡＸ１上に順次配置させられることになる（以下、「拡散スクリーンの移動」ともいう）。この拡散スクリーン２９の光軸方向の移動についての詳細は後述する。
　虚像形成光学系２４は、拡散スクリーン２９に形成された中間像ｉ１を表示スクリーン２４３と協働して拡大し、ユーザー９００の前方に虚像ｉ２を形成する。虚像形成光学系２４は、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枚のミラー２４１、２４２を含む。
　表示制御部３０は、表示素子２１および回転駆動部２５を制御する。これにより後述するように、拡散スクリーン２９上への中間像ｉ１の形成タイミングを制御し、表示スクリーン２４３の背後に虚像距離（投影距離）が変化する３次元的な虚像ｉ２を表示させる。具体的には、中間像ｉ１の位置、すなわち拡散スクリーン２９の位置を光軸ＡＸ１上で虚像形成光学系２４に近い側に移動させることで、虚像ｉ２までの虚像距離が減少する。また、反対に、拡散スクリーン２９の位置を光軸ＡＸ１上で虚像形成光学系２４から遠い側に移動させることで、虚像ｉ２までの虚像距離が増加する。
　以上の虚像表示装置２０において、光軸ＡＸ１上に拡散スクリーン２９を配置することにより、光軸ＡＸ１方向に移動可能な中間像ｉ１を形成できるだけでなく、視野角とアイボックスサイズとを確保しつつ、光学系の光利用効率を高くすることができる。なお、拡散スクリーン２９による拡散の配光角が狭すぎると、アイボックスサイズが小さくなってしまう。逆に、拡散スクリーン２９による拡散の配光角を大きくしすぎると、光利用効率を高くするために虚像形成光学系２４のＦ値を小さくする必要があるため、焦点深度が浅くなり表示可能な距離範囲が狭まってしまう。
　（拡散スクリーン２９の光軸方向の移動）
　ここで、上述した虚像距離変更部２３を回転させることによる、光軸ＡＸ１方向での拡散スクリーン２９の移動動作ついて具体的に説明する。
　図５は虚像距離変更部２３による拡散スクリーン２９の移動動作を例示する断面模式図であり、図６は図５に後続する断面模式図である。図５、図６では、虚像距離変更部２３の３つの拡散スクリーン２９を符号２９１～２９３により区別している。
　図５（Ａ）は、基準（光軸ＡＸ０に対する回転角度θ＝０）となる虚像距離変更部２３の状態を示しており、この状態では、拡散スクリーン２９１は、その外側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図５（Ａ）での拡散スクリーン２９１の光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ１である。
　投影光学系２２からの光は、拡散スクリーン２９１で結像し、中間像ｉ１が形成される。中間像ｉ１は、回転軸２３ａを挟んで拡散スクリーン２９１の向かい側に形成された開口部２３９を通じてミラー２４１に投影される。
　図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の状態からθ１度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９３は、その内側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図５（Ｂ）での拡散スクリーン２９３の光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ３であり、位置Ｐ１から距離Ｌ２だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
　投影光学系２２からの光は、開口部２３９を通じて照射され、回転軸２３ａを挟んで開口部２３９の向かい側に形成された拡散スクリーン２９３で結像し、中間像ｉ１が形成される。中間像ｉ１は、ミラー２４１に投影される。
　図５（Ｃ）は、図５（Ａ）の状態からθ２度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９２は、その内側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図５（Ｃ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ３であり、位置Ｐ１から距離Ｌ２だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
　投影光学系２２からの光は、開口部２３９を通じて照射され、回転軸２３ａを挟んで開口部２３９の向かい側に形成された拡散スクリーン２９２で結像し、中間像ｉ１が形成される。中間像ｉ１は、ミラー２４１に投影される。
　図５（Ｄ）は、図５（Ａ）の状態からθ３（＝１８０）度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９１は、その内側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図５（Ｄ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ４であり、位置Ｐ１から距離Ｌ３だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
　投影光学系２２からの光は、開口部２３９を通じて照射され、回転軸２３ａを挟んで開口部２３９の向かい側に形成された拡散スクリーン２９１で結像し、中間像ｉ１が形成される。中間像ｉ１は、ミラー２４１に投影される。
　また、図６（Ａ）は、図５（Ａ）の状態からθ４（＝θ１＋１８０）度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９３は、その外側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図６（Ａ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ２であり、位置Ｐ１から距離Ｌ１だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
　投影光学系２２からの光は、拡散スクリーン２９３で結像し、中間像ｉ１が形成される。中間像ｉ１は、回転軸２３ａを挟んで拡散スクリーン２９３の向かい側に形成された開口部２３９を通じてミラー２４１に投影される。
　図６（Ｂ）は、図５（Ａ）の状態からθ５（＝θ２＋１８０）度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９２は、その外側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図６（Ｂ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ２であり、位置Ｐ１から距離Ｌ１だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
　投影光学系２２からの光は、拡散スクリーン２９２で結像し、中間像ｉ１が形成される。中間像ｉ１は、回転軸２３ａを挟んで拡散スクリーン２９２の向かい側に形成された開口部２３９を通じてミラー２４１に投影される。
　図６（Ｃ）は、図５（Ａ）の状態から３６０度回転した元の状態を示している。図５（Ａ）～（Ｄ）、図６（Ａ）～（Ｃ）に示すように、本実施形態の虚像表示装置２０では、拡散スクリーン２９１～２９３が光軸ＡＸ０に正対したタイミングで、中間像ｉ１を形成することで、４段階の異なる虚像距離に対応した虚像ｉ２を形成する。回転角度θと中間像ｉ１の位置との関係は下記の表のとおりである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、回転角度θ＝０～θ５の各角度で、拡散スクリーン２９１～１９３の外側または内側の面のいずれかが光軸ＡＸ０に正対する。表示制御部３０は、虚像距離変更部２３の回転に同期させて、すなわち、回転角度θ＝０～θ５の各タイミングで表示素子２１の表示面２１ａに像を形成する。このようにすることで、光軸ＡＸ０に拡散スクリーン２９１～２９３の外側または内側の面のいずれかが正対したタイミングで中間像ｉ１が形成される。
　この結果、図示を省略するが、投影像、すなわち虚像ｉ２の位置も、スケールは異なるが、虚像形成光学系２４の拡大率に応じた距離で、中間像ｉ１の位置と同様に光軸ＡＸ１方向に沿って離散的に移動し、虚像距離を多段階で変化させることができる。ここで、表示素子２１は、連続表示を行うものでなく、表示内容を、中間像ｉ１の位置に対応して、順次切り換えつつ間欠的な表示を行うものである。中間像ｉ１は、光軸ＡＸ上の位置のうち、基準となる位置Ｐ１に加え、位置Ｐ２の近距離、位置Ｐ３の中間距離、および位置Ｐ４の遠距離の４水準で変化する。すなわち、虚像距離変更部２３の１回転周期で、４つの距離に対応した６回の表示が行われる。より具体的には、虚像距離変更部２３の１回転分で、位置Ｐ１および位置Ｐ４について各々１回表示が行われ、位置Ｐ２および位置Ｐ３について各々２回表示が行われる。
　なお、距離Ｌ１，Ｌ２の長さは、虚像距離変更部２３の拡散スクリーン２９２，２９３と回転軸２３ａからＺ方向に延びる中心線との間の距離に応じて適宜設定できる。また、距離Ｌ３の長さは、虚像距離変更部２３の拡散スクリーン２９１と中心線との間の距離に応じて適宜設定できる。なお、表示制御部３０の下、虚像距離変更部２３の回転数、および表示素子２１のフレームレートの少なくとも一方は、他方に対応させてタイミングが制御される。例えば、フレームレートが９０ｆｐｓであれば、虚像距離変更部２３の所定の回転速度としては、１５ｒｐｓ（９００ｒｐｍ）またはその整数倍である。
　このように、本実施形態に係る虚像表示装置２０によれば、第１～第６壁部２３３～２３８に拡散スクリーン２９１～２９３を配置した虚像距離変更部２３を回転させることで、拡散スクリーン２９１～２９３を光軸方向の異なる位置に順次配置させる。そして拡散スクリーン２９１～２９３に投影光学系２２から投影した像を表示し、これを虚像形成光学系２４で虚像に変換することで、簡素な構成でありながら複数の投影距離に虚像を実質的に同時に表示することができる。
　図７は、カウンターウェイト４０の配置位置を説明する図である。図７（Ａ）は虚像距離変更部２３の概略的な側面図であり、図７（Ｂ）は虚像距離変更部２３の概略的な上面図である。虚像距離変更部２３は内側が中空に構成されており、その内周面２３ｃにカウンターウェイト４０が取り付けられている。
　上述のように、第１～第３壁部２３３，２３４，２３５には拡散スクリーン２９１～２９３がそれぞれ形成され、第４～第６壁部２３６，２３７，２３８には、それぞれ開口部２３９が形成されている。カウンターウェイト４０が設置されていない状態では、壁の厚み等の違いがない場合、拡散スクリーン２９１～２９３を含む第１～第３壁部２３３，２３４，２３５側は、第４～第６壁部２３６，２３７，２３８側よりも重い。そのため、偏心しないようにカウンターウェイト４０を配置している。虚像距離変更部２３は、カウンターウェイト４０を回転軸２３ａに対して、拡散スクリーン２９１～２９３がある側と反対側に配置することで、ＸＹ平面における虚像距離変更部２３全体の重心が回転軸２３ａ上に位置するようになる。このようにカウンターウェイト４０を設けることで、虚像距離変更部２３を安定して所定の速度で定速回転できる。
　（ヘッドアップディスプレイ装置１０）
　図８は、ヘッドアップディスプレイ装置１０のハードウェア構成を説明するブロック図である。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、上述した虚像表示装置２０の他に、運転者検出部７１、環境監視部７２、および主制御部６０を備える。主制御部６０は、ヘッドアップディスプレイ装置１０全体を制御することで、対向車両、通行者等のオブジェクトに対応させた虚像を３次元的に表示する。虚像の表示例については後述する。
　運転者検出部７１は、車両８００内のユーザー９００の存在や視点位置を検出する部分であり、運転席８１６に向けた内部用カメラ７１ａ、運転席８１６用の画像処理部７１ｂ、および判断部７１ｃを備える。内部用カメラ７１ａは、車体８１１内のダッシュボード８１４に、運転席８１６に対向して設置されており（図２参照）、運転席８１６に座るユーザー９００の頭部、およびその周辺の画像を撮影する。画像処理部７１ｂは、内部用カメラ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い、判断部７１ｃでの処理を容易にする。判断部７１ｃは、画像処理部７１ｂで処理した運転席画像からオブジェクトの抽出、または切り出しを行うことによってユーザー９００の頭部や目（瞳９１０）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８１１内におけるユーザー９００の頭部の存否とともにユーザー９００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、オブジェクト検出部として機能する。環境監視部７２は、前方に近接する自動車、自転車、歩行者等のオブジェクトを識別するとともに、オブジェクトまでの距離を判定する。環境監視部７２は、外部用カメラ７２ａ、外部用の画像処理部７２ｂ、および判断部７２ｃを備える。外部用カメラ７２ａは車体８１１内外の適所に設置されており、ユーザー９００または車両８００の前方、側方等の外部画像を撮影する。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い、判断部７２ｃでの処理を容易にする。判断部７２ｃは、画像処理部７２ｂで処理した外部画像からオブジェクトの抽出、または切り出しを行うことによって自動車、自転車、歩行者等のオブジェクト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両８００前方におけるオブジェクトの空間的な位置を算出する。
　なお、内部用カメラ７１ａや外部用カメラ７２ａは、例えば複眼型の３次元カメラを含む。つまり、両カメラ７１ａ、７２ａは、結像用のレンズと、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、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、またはオブジェクトまでの距離を判定する。
　なお、上述したような複眼型のカメラ７１ａ、７２ａに代えて、またはこれとともに、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よい。これにより、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。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、またはオブジェクト）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てもよい。
　さらに、複眼型の外部用カメラ７２ａに代えて、ＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ａｎｄ　Ｒａｎｇｉｎｇ）技術を用いてもよい。これにより検出領域内の各部（領域、またはオブジェクト）に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。ＬＩＤＡＲ技術により、パルス状のレーザー照射に対する散乱光を測定し、遠距離にあるオブジェクトまでの距離や拡がり計測して視野内のオブジェクトまでの距離情報やオブジェクトの拡がりに関する情報を取得できる。このＬＩＤＡＲ技術のようなレーダーセンシング技術と画像情報からオブジェクトの距離等を検出する技術とを組み合わせることによって、オブジェクトの検出精度を高めることができる。
　表示制御部３０は、主制御部６０の制御下で虚像表示装置２０を動作させて、表示スクリーン２４３の背後に虚像距離（投影距離ともいう）が変化する３次元的な虚像ｉ２を表示させる。表示制御部３０は、主制御部６０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、虚像表示装置２０に表示させる虚像ｉ２を生成する。虚像ｉ２は、例えば表示スクリーン２４３の背後に存在する自動車、自転車、歩行者その他のオブジェクトＯＢ（後述の図９参照）に対してその奥行き位置方向に関して周辺に位置するフレームＦ（図９参照）のような標識になる。
　表示制御部３０は、主制御部６０を介して運転者検出部７１からユーザー９００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、虚像表示装置２０による虚像ｉ２の投影の自動的な開始や停止が可能になる。また、ユーザー９００の視線の方向のみに虚像ｉ２の投影を行うこともできる。さらに、ユーザー９００の視線の方向の虚像ｉ２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。
　図９は、ヘッドアップディスプレイ装置による具体的な表示状態を説明する斜視図である。運転者（観察者）であるユーザー９００の前方は観察視野に相当する検出領域ＤＦとなっている。検出領域ＤＦ内、つまり道路、およびその周辺に、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のオブジェクトＯＢ２が存在する。この場合、ヘッドアップディスプレイ装置１０の主制御部６０は、虚像表示装置２０によって３次元的な虚像ｉ２（ｉ２１～ｉ２３）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フレームＦ１、Ｆ２、Ｆ３を付加する。この際、ユーザー９００から各オブジェクトＯＢ１、ＯＢ２、ＯＢ３までの距離が異なるので、フレームＦ（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３）を表示させる虚像ｉ２１、ｉ２２、ｉ２３までの投影距離は、環境監視部７２が判定したユーザー９００または車両８００から各オブジェクトＯＢ１、ＯＢ２、ＯＢ３までの距離に相当させている。
　例えば、近距離の虚像ｉ２１は、図５、６に示した位置Ｐ２、Ｐ３にある拡散スクリーン２９に投影された中間像ｉ１に対応する。同様に、遠距離の虚像ｉ２３は位置Ｐ５、Ｐ６に、中距離の虚像ｉ２２は、位置Ｐ１、Ｐ４にある拡散スクリーン２９に投影された中間像ｉ１に対応する。
　なお、虚像ｉ２１、ｉ２２、ｉ２３の投影距離は、図５、図６で示したように離散的であり、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しない場合がある。しかしながら、虚像ｉ２１、ｉ２２、ｉ２３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、ユーザー９００の視点が（Ｘ方向で）動いても視差が生じにくく、オブジェクトＯＢ１、ＯＢ２、ＯＢ３とフレームＦ１、Ｆ２、Ｆ３との配置関係を略維持できる。
　以上で説明した第１実施形態に係る虚像表示装置２０、およびこれを備えたヘッドアップディスプレイ装置１０によれば、回転することにより光軸方向の拡散スクリーン２９の位置を変更し、投影光学系２２の結像位置に配置させる虚像距離変更部２３を備え、虚像形成光学系２４により、この拡散スクリーン上の像を変換し、拡散スクリーンの光軸方向の位置に対応した投影距離で、虚像を形成する。このようにすることで、複数の投影距離に虚像を実質的に同時に表示させることができる。
　また、拡散スクリーン２９の位置を光軸ＡＸ１に沿って、例えば投影光学系２２の拡散スクリーン２９側の焦点深度の範囲内で、数十Ｈｚの高速で変化させることにより、虚像を複数距離において離散的に表示できる。これにより、危険警告信号その他の虚像（例えばフレームＦ）を奥行き方向も含めて透視されるオブジェクトＯＢつまり実物、またはシースルー像に重畳させることが可能となる。結果的に、遠方から近傍まで目の位置が変わっても虚像と実物との間のズレ発生を抑制でき、かかる虚像表示装置２０をヘッドアップディスプレイ装置１０のような運転支援システムに適用した場合、システムの安全性をより高めることができる。
　（第２の実施形態）
　上述の第１の実施形態では、拡散スクリーン２９１～２９３が、それぞれ第１壁部２３３、第２壁部２３４、および第３壁部２３５に形成されている場合について説明した。第２の実施形態では、拡散スクリーン２９１～２９３が、それぞれ第１壁部２３３、第２壁部２３４、および第６壁部２３８に形成される場合について説明する。
　図１０は第２の実施形態に係る虚像距離変更部２３による拡散スクリーン２９の移動動作を例示する断面模式図であり、図１１は図１０に後続する断面模式図である。なお、図１０、図１１では、拡散スクリーン２９の移動動作にかかる虚像距離変更部２３の構成を中心に示している。虚像距離変更部２３および表示制御部３０以外の構成は、第１の実施形態と同じである。したがって、図１０、図１１では、表示素子２１、投影光学系２２、および虚像距離変更部２３以外の構成の表示を省略している。
　図１０（Ａ）は、基準（光軸ＡＸ０に対する回転角度θ＝０）となる虚像距離変更部２３の状態を示しており、この状態では、拡散スクリーン２９１は、その外側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図１０（Ａ）での拡散スクリーン２９１の光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ１である。
　図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の状態からθ１度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９３は、その外側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図１０（Ｂ）での拡散スクリーン２９３の光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ２であり、位置Ｐ１から距離Ｌ１だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
　図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）の状態からθ２度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９２は、その内側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図１０（Ｃ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ３であり、位置Ｐ１から距離Ｌ２だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
　図１０（Ｄ）は、図１０（Ａ）の状態からθ３（＝１８０）度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９１は、その内側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図１０（Ｄ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ４であり、位置Ｐ１から距離Ｌ３だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
　また、図１１（Ａ）は、図１０（Ａ）の状態からθ４（＝θ１＋１８０）度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９３は、その内側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図１０（Ａ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ３であり、位置Ｐ１から距離Ｌ２だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
　図１１（Ｂ）は、図１０（Ａ）の状態からθ５（＝θ２＋１８０）度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９２は、その外側の面が光軸ＡＸ０に対して正対、すなわち光軸ＡＸ０と直交する位置にある。図１１（Ｂ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ２であり、位置Ｐ１から距離Ｌ１だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
　また、図１１（Ｃ）は、図１０（Ａ）の状態から３６０度回転した元の状態を示している。
　図１２は、図１０（Ａ）～（Ｄ）、図１１（Ａ）～（Ｃ）のように虚像距離変更部２３を回転させたときの、中間像ｉ１の位置の変化を具体的に例示する図である。回転角度θ＝０～θ５の各角度で、拡散スクリーン２９１～２９３の外側または内側の面のいずれかが光軸ＡＸ０に正対する。表示制御部３０は、虚像距離変更部２３の回転に同期させて、すなわち、回転角度θ＝０～θ５の各タイミングで表示素子２１の表示面２１ａに像を形成する。このようにすることで、光軸ＡＸ０に拡散スクリーン２９１～２９３の外側または内側の面のいずれかが正対したタイミングで中間像ｉ１が形成される。
　この結果、図示を省略するが、投影像、すなわち虚像ｉ２の位置も、スケールは異なるが、虚像形成光学系２４の拡大率に応じた距離で、中間像ｉ１の位置と同様に光軸ＡＸ１方向に沿って離散的に移動し、虚像距離を多段階で変化させることができる。ここで、表示素子２１は、連続表示を行うものでなく、表示内容を、中間像ｉ１の位置に対応して、順次切り換えつつ間欠的な表示を行うものである。同図に示すように中間像ｉ１は、光軸ＡＸ１上の位置のうち、基準となる位置Ｐ１に加え、位置Ｐ２の近距離、位置Ｐ３の中間距離、および位置Ｐ４の遠距離の４水準で変化する。すなわち、虚像距離変更部２３の１回転周期で、４つの距離に対応した６回の表示が行われる。より具体的には、虚像距離変更部２３の１回転分で、位置Ｐ１および位置Ｐ４について各々１回表示が行われ、位置Ｐ２および位置Ｐ３について各々２回表示が行われる（図１２において、中間像ｉ１の表示タイミングが「〇」で示されている）。
　このように、第２の実施形態においても上述の第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。
　（第３の実施形態）
　上述の第１および第２の実施形態では、虚像距離変更部２３が六角形状の基部２３２を有する場合について説明した。しかしながら、本発明は虚像距離変更部２３が六角形状の基部２３２を有する場合に限定されず、他の形状、例えば、矩形、多角形、円形、楕円形、またはそれらが組み合わされた形状の基部を有する場合についても適用できる。すなわち、虚像距離変更部２３は、四角柱、多角柱、円柱、楕円柱またはそれらが組み合わされた形状でありうる。
　以下、図１３および図１４を参照し、虚像距離変更部の基部が楕円形である場合を例示して、拡散スクリーン２９の移動動作について説明する。図１３は第３の実施形態に係る虚像距離変更部２７の概略構成を例示する斜視図であり、図１４は第３の実施形態に係る虚像距離変更部２７による拡散スクリーン２９の移動動作を例示する断面模式図である。
　なお、図１３では、拡散スクリーン２９の移動動作にかかる虚像距離変更部２７の構成を中心に示している。虚像距離変更部２７および表示制御部３０以外の構成は、第１の実施形態と同じであるので、虚像距離変更部２７以外の構成の表示を省略している。
　虚像距離変更部２７は、回転軸２７１を回転中心として回転し、拡散スクリーン２９４の位置を変更する。図１３に示すように、虚像距離変更部２７は、回転軸２７１上に形成された基部２７２と、基部２７２の周縁に形成された拡散スクリーン２９４とを有する。基部２７２は、回転軸から視た場合、楕円形状を有する。拡散スクリーン２９４は、上述の第１および第２の実施形態の拡散スクリーン２９１～２９３とは異なり、楕円状の基部２７２の周縁形状に沿うように形成された曲面を備える。
　図１４（Ａ）は、基準（光軸ＡＸ０に対する回転角度θ＝０）となる虚像距離変更部２７の状態を示しており、この状態では、拡散スクリーン２９４は、その端部Ｅの外側の面が光軸ＡＸ０に対して正対する位置にある。図１４（Ａ）での拡散スクリーン２９４の光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ１である。
　図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）の状態から９０度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９４は、その中間部Ｍの内側の面が光軸ＡＸ０に対して正対している。図１０（Ｂ）での拡散スクリーン２９４の光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ３であり、位置Ｐ１から距離Ｌ２だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
　図１４（Ｃ）は、図１４（Ａ）の状態から１８０度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９４は、その端部Ｅの内側の面が光軸ＡＸ０に対して正対している。図１４（Ｃ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ４であり、位置Ｐ１から距離Ｌ３だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
　図１４（Ｄ）は、図１４（Ａ）の状態から２７０度回転した状態を示している。この状態では、拡散スクリーン２９４は、その中間部Ｍの外側の面が光軸ＡＸ０に対して正対している。図１４（Ｄ）での光軸ＡＸ方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ２であり、位置Ｐ１から距離Ｌ１だけ左側（投影光学系２２から遠い側）に移動している。
　このように、回転角度θ＝０，９０，１８０，２７０度の各角度で、拡散スクリーン２９４が光軸ＡＸ０に正対する。表示制御部３０は、虚像距離変更部２７の回転に同期させて、すなわち、回転角度θ＝０～２７０度の各タイミングで表示素子２１の表示面２１ａに像を形成する。このようにすることで、光軸ＡＸに拡散スクリーン２９４が正対するタイミングで中間像ｉ１が形成される。
　なお、拡散スクリーン２９４は曲面であるため、中間像ｉ１への影響を考慮して、曲面の影響を相殺するように画像が補正された上で表示面２１ａに形成されうる。
　このように、第３の実施形態においても上述の第１および第２の実施形態と同等の効果を得ることができる。
　上述の第１～第３の実施形態では、基部２３２，２７２上に拡散スクリーン２９を形成する場合について説明したが、本発明はこのような場合に限定されず、基部を設けず、回転軸２３ａ，２７１の回転にしたがって拡散スクリーン２９のみ回転するように構成してもよい。
　また、上述の第１～第３の実施形態では、虚像距離変更部２３よりも上流側の光軸ＡＸ０と、虚像距離変更部２３の直下流側のミラー２４１に至るまでの光軸ＡＸ１をともに、Ｚ方向で同じ高さ、すなわち、同じＸＹ平面上になるように水平に並べて構成した。しかしながら、これに限られず、縦に並べてもよい。すなわち、これらの光軸ＡＸ０，ＡＸ１を同じＹＺ平面上になるように構成してもよい。
　また、上述の第１～第３の実施形態では、回転軸２３ａ，２７１をＺ方向に設定したが、回転軸２３ａ，２７１の方向はＺ方向に限定されず、光軸ＡＸ方向と直交する方向、たとえばＸ方向に設定してもよい。
　（第４の実施形態）
　上述の第１～第３の実施形態では、透過型の虚像表示装置２０を例示して説明したが、第４の実施形態では、反射型の虚像表示装置２０を例示して説明する。なお、説明の重複を避けるため、第１～第３の実施形態と同じ構成については説明を省略する。
　図１５、図１６は、それぞれ第４の実施形態に係る虚像表示装置２０の構成を示す上面模式図、および側面模式図である。
　図１５、図１６に示すように、虚像表示装置２０は、表示素子２１、投影光学系２２、回転多面体としてのポリゴンミラー２８、虚像形成光学系２４、ミラー駆動部２５、ハウジング２６、拡散スクリーン２９、および表示制御部３０を備える。ハウジング２６内には、表示スクリーン２４３以外の虚像表示装置２０の各構成要素が収納される。また、図１５、図１６に示す例では、表示素子２１、投影光学系２２、およびポリゴンミラー２８を通り、虚像形成光学系２４のミラー２４１に至るまでの光軸ＡＸは、Ｚ方向で同じ高さに設定されている。なお、以下においては、ポリゴンミラー２８前後での光軸ＡＸを区別する場合には、上流側の光軸を光軸ＡＸ０、下流側を光軸ＡＸ１と表記し、これらを総称する場合には単に光軸ＡＸと表記する。
　ポリゴンミラー２８は、ミラー駆動部２５により、回転軸２３ａを回転中心として回転する。図１５に示す例では、ポリゴンミラー２８は、上面視（回転軸から視た場合）で正六角形の外形形状を有し、その幾何学的な中心位置ｃ１は、回転軸２３ａから離れており、両者はずれている。ミラー駆動部２５は、駆動基板（図示せず）と駆動モーター２５１、および軸受け２５２を含む。ミラー駆動部２５により、ポリゴンミラー２８は所定の速度で定速回転する。また、ミラー駆動部２５の駆動基板は、駆動モーター２５１を一定速度で回転するようにフィードバック制御するとともに、回転位置に応じた位相信号を表示制御部３０に出力する。
　拡散スクリーン２９は、配光角を所望の角度に制御するための拡散板であり、結像位置（つまり中間像ｉ１の結像予定位置、またはその近傍の焦点深度内）において中間像ｉ１を形成する。この結果、拡散スクリーン２９を光軸ＡＸ１方向に移動させることにより、中間像ｉ１の位置も光軸ＡＸ１方向に移動させることができる。なお、表示素子２１の表示が動作していなければ、必ずしも表示画像としての中間像ｉ１は形成されないが、以下においては、実際に形成されていなくても中間像ｉ１が形成されると想定される位置も中間像の位置と呼ぶ場合がある。拡散スクリーン２９としては、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を用いることができる。
　図１５に示すように、拡散スクリーン２９は、ポリゴンミラー２８側面の平らな表面２３ｂと同等のサイズであり、６個の全ての面にそれぞれ貼り付けられている。なお、必ずしも全ての面に貼り付ける必要はなく、少なくとも２つ以上の表面２３ｂに貼り付ければよい。さらに、拡散スクリーン２９は、貼付部材ではなく、ポリゴンミラー２８の表面２３ｂをサンドブラスト等で表面処理することで、表面２３ｂ自体に拡散機能を持たせ、拡散スクリーンとして用いてもよい。
　ポリゴンミラー２８は、幾何学的な中心位置ｃ１とは異なる位置に回転軸２３ａを設けているので、各表面２３ｂは、回転軸２３ａからの距離が異なっている。また、このポリゴンミラー２８を回転させることで、光軸ＡＸ１方向の位置が異なる複数の拡散スクリーン２９が、光軸ＡＸ１上に順次配置させられることになる（以下、「拡散スクリーンの移動」ともいう）。この拡散スクリーン２９の光軸方向の移動についての詳細は後述する。
　虚像形成光学系２４は、拡散スクリーン２９に形成された中間像ｉ１を表示スクリーン２４３と協働して拡大し、ユーザー９００の前方に虚像ｉ２を形成する。虚像形成光学系２４は、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枚のミラー２４１、２４２を含む。
　表示制御部３０は、表示素子２１、およびミラー駆動部２５を制御する。これにより後述するように、拡散スクリーン２９上への中間像ｉ１の形成タイミングを制御し、表示スクリーン２４３の背後に虚像距離（投影距離）が変化する３次元的な虚像ｉ２を表示させる。具体的には、中間像ｉ１の位置、すなわち拡散スクリーン２９の位置を光軸ＡＸ１上で虚像形成光学系２４に近い側に移動させることで、虚像ｉ２までの虚像距離が減少する。また、反対に、拡散スクリーン２９の位置を光軸ＡＸ１上で虚像形成光学系２４から遠い側に移動させることで、虚像ｉ２までの虚像距離が増加する。
　以上の虚像表示装置２０において、光軸ＡＸ１上に拡散スクリーン２９を配置することにより、光軸ＡＸ１方向に移動可能な中間像ｉ１を形成できるだけでなく、視野角とアイボックスサイズとを確保しつつ、光学系の光利用効率を高くすることができる。なお、拡散スクリーン２９による拡散の配光角が狭すぎると、アイボックスサイズが小さくなってしまう。逆に、拡散スクリーン２９による拡散の配光角を大きくしすぎると、光利用効率を高くするために虚像形成光学系２４のＦ値を小さくする必要があるため、焦点深度が浅くなり表示可能な距離範囲が狭まってしまう。
　（拡散スクリーン２９の光軸方向の移動）
　ここで、上述したポリゴンミラー２８を回転させることによる、光軸ＡＸ１方向での拡散スクリーン２９の移動動作ついて具体的に説明する。
　図１７は、ポリゴンミラー２８による拡散スクリーン２９の位置の変更を示す上面模式図である。同図では、ポリゴンミラー２８の表面２３ｂの各面を区別するために、２３ｂ１～２３ｂ６のように末尾に１～６の数字を付している。図１７（ａ）ではある位置（角度０度）におけるポリゴンミラー２８の状態を示しており、この位置では、表面２３ｂ１が光軸ＡＸ１に対して正対、すなわち光軸ＡＸ１と表面２３ｂ１とは直交している。図１７（ａ）での拡散スクリーン２９の光軸ＡＸ１方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ１である。
　図１７（ｂ）は、図１７（ａ）から１面分、すなわち６０度回転した状態を示している。なお、図１７（ｂ）では、図１７（ａ）でのポリゴンミラー２８の位置（角度０度）を破線で示している（図１７（ｃ）も同様）。この位置では、表面２３ｂ２が光軸ＡＸ１に対して正対している。同図では、図１７（ｂ）での拡散スクリーン２９の光軸ＡＸ１方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ２であり、位置Ｐ１から距離Ｌ１だけ左側（虚像形成光学系２４に近い側）に移動している。
　図１７（ｃ）は、図１７（ｂ）からさらに４面分、すなわち２４０度回転した状態を示している。この位置では、表面２３ｂ６が光軸ＡＸ１に対して正対している。図１７（ｃ）での光軸ＡＸ１方向（Ｙ方向）の位置は、位置Ｐ６であり、位置Ｐ１から距離Ｌ１だけ右側（虚像形成光学系２４から遠い側）に移動している。同図では、表面２３ｂ１～２３ｂ６が光軸ＡＸ１に正体した場合の拡散スクリーン２９の位置をそれぞれ位置Ｐ１～Ｐ６で示している。
　図１８は、図１７のようにポリゴンミラー２８を回転させたときの、中間像ｉ１の位置の変化を具体的に例示する図である。時間ｔ０～ｔ６がポリゴンミラー２８の１回転分に相当する。時間ｔ１～ｔ６の各時刻で、表面２３ｂ１～２３ｂ６がそれぞれ光軸ＡＸ１に正対する。ポリゴンミラー２８の回転に同期させて、すなわち、時間ｔ１～ｔ６の各タイミングで表示素子２１の表示面２１ａに像を形成する。このようにすることで、光軸ＡＸ１に各表面２３ｂ上の拡散スクリーン２９が正対したタイミングで中間像ｉ１が形成される。
　この結果、図示を省略するが、投影像、すなわち虚像ｉ２の位置も、スケールは異なるが、虚像形成光学系２４の拡大率に応じた距離で、中間像ｉ１の位置と同様に光軸ＡＸ１方向に沿って離散的に移動し、虚像距離を多段階で変化させることができる。ここで、表示素子２１は、連続表示を行うものでなく、表示内容を、中間像ｉ１の位置に対応して、順次切り換えつつ間欠的な表示を行うものである。同図に示すように中間像ｉ１は、光軸ＡＸ１上の位置のうち、位置Ｐ５、Ｐ６の遠距離、位置Ｐ１、Ｐ４の中間距離、位置Ｐ２、Ｐ３の近距離の３水準で変化する。すなわち、ポリゴンミラー２８の１回転周期で、３つの距離に対応した６回の表示が行われる。なお、距離Ｌ１の長さは、ポリゴンミラー２８の外径や、幾何学的な中心位置ｃ１と回転軸２３ａとの距離に応じて適宜設定できる。なお、表示制御部３０の下、ポリゴンミラー２８の回転数、および表示素子２１のフレームレートの少なくとも一方は、他方に対応させてタイミングが制御される。例えば、フレームレートが９０ｆｐｓであれば、６面体のポリゴンミラー２８の所定の回転速度としては、１５ｒｐｓ（９００ｒｐｍ）またはその整数倍である。
　また図１５に示すように、ポリゴンミラー２８よりも下流側の虚像形成光学系２４の光軸ＡＸ１と、上流側の投影光学系２２の光軸ＡＸ０とは同じ直線上に位置せず、ある傾斜角度（例えば１０～３０度の範囲内のある角度）で交差する。そのため、拡散スクリーン２９を光軸ＡＸ１方向に移動させることで、同じ像を拡散スクリーン２９上に結像したとしても、その像幅方向の中心位置は傾斜角と光軸ＡＸ１方向での移動量に応じて、光軸ＡＸ１に垂直なＸ方向にシフトすることになる。そのため、拡散スクリーン２９のＹ方向の位置に応じて、表示素子２１の表示面２１ａに表示する像位置をシフトさせるようにしてもよい。例えば、遠距離（位置Ｐ５、Ｐ６）の拡散スクリーン２９に投影する像は、近距離（位置Ｐ２、Ｐ３）での像に比べて、Ｘ方向にシフトさせる（図１５の下側）ように制御する。さらに、この傾斜角に応じて、傾きをキャンセルするように投影する像を歪ませることが好ましい。
　このように、本実施形態に係る虚像表示装置２０によれば、回転軸方向から視た場合（上面視）に、幾何学的な中心位置が、回転軸から離れているポリゴンミラー２８であって、側面の複数の表面２３ｂに拡散スクリーン２９を配置したポリゴンミラー２８を回転させることで、複数の拡散スクリーン２９を光軸方向の異なる位置に順次配置させる。そして拡散スクリーン２９に投影光学系２２から投影した像を表示し、これを虚像形成光学系２４で虚像に変換することで、簡素な構成でありながら複数の投影距離に虚像を実質的に同時に表示することができる。
　図１９は、カウンターウェイト４０の配置位置を説明する図である。図１９（ａ）は側面図であり、図１９（ｂ）は下面図である。ポリゴンミラー２８は内側が中空に構成されており、その内周面２３ｃにカウンターウェイト４０を取り付けている。上述のようにポリゴンミラー２８は、上面視（ＸＹ平面）における幾何学的中心位置ｃ１から離れた位置に回転軸２３ａを設けている。そのため、偏心しないようにカウンターウェイト４０を配置している。ポリゴンミラー２８は、カウンターウェイト４０を回転軸２３ａに対して、中心位置ｃ１と反対側に配置することで、ＸＹ平面におけるポリゴンミラー２８全体の重心が回転軸上２３ａ上に位置するようになる。このようにカウンターウェイト４０を設けることで、ポリゴンミラー２８を安定して所定の速度で定速回転できる。
　以上で説明した第１実施形態に係る虚像表示装置２０、およびこれを備えたヘッドアップディスプレイ装置１０によれば、拡散スクリーン２９の位置を光軸ＡＸ１に沿って、例えば投影光学系２２の拡散スクリーン２９側の焦点深度の範囲内で、数十Ｈｚの高速で変化させることにより、虚像を複数距離において離散的に表示できる。これにより、危険警告信号その他の虚像（例えばフレームＦ）を奥行き方向も含めて透視されるオブジェクトＯＢつまり実物、またはシースルー像に重畳させることが可能となる。結果的に、遠方から近傍まで目の位置が変わっても虚像と実物との間のズレ発生を抑制でき、かかる虚像表示装置２０をヘッドアップディスプレイ装置１０のような運転支援システムに適用した場合、システムの安全性をより高めることができる。
　（第１、第２の変形例）
　第４の実施形態においては、ポリゴンミラー２８が六角形の例を示したが、これに限れず、他の変数の多角形でもよい。例えば、以下の変形例に示すように四角形や五角形であってもよい。
　図２０、図２１はそれぞれ、第１、第２の変形例に係る虚像表示装置２０で用いるポリゴンミラー２８１、２８２を示す図である。なお、同図では、ポリゴンミラー２８１、２８２の構成のみ示している。これ以外の構成は、第４の実施形態と同じであることから表示を省略している。
　図２０に示すように第１の変形例に係る虚像表示装置２０では、四角形のポリゴンミラー２８１を用いて、光軸ＡＸ１方向での拡散スクリーン２９の移動を行う。同図に示す例では、拡散スクリーン２９が光軸ＡＸ１に正対したタイミングで、中間像ｉ１を形成することで、３段階の異なる虚像距離に対応した虚像ｉ２を形成する。
　同様に図２１に示すように第２の変形例に係る虚像表示装置２０では、五角形のポリゴンミラー２８２を用いて、光軸ＡＸ１方向で拡散スクリーン２９の移動を行う。同図に示す例では、拡散スクリーン２９が光軸ＡＸ１に正対したタイミングで、中間像ｉ１を形成することで、５段階の異なる虚像距離に対応した虚像ｉ２を形成する。
　このように第１、第２の変形例においても第４の実施形態と同等の効果を得ることができる。
　（第３の変形例）
　第４の実施形態においては、図１７等で説明したように、光軸ＡＸ１に対してポリゴンミラー２８の表面２３ｂ（拡散スクリーン２９）が正対（直交）したタイミングで、表示素子２１に像を形成し、これを拡散スクリーン２９に投影した。これに限られず、以下に示す第３の変形例に示すように異なる位相で中間像ｉ１、および虚像ｉ２を形成してもよい。
　図２２は、第３の変形例に係る虚像表示装置２０の構成を示す模式図である。図２２（ａ）は、上面模式図であり、図２２（ｂ）は、中間像ｉ１、および虚像ｉ２の形成タイミングを説明する模式図である。
　図２２（ａ）に示すように、第３の変形例では、拡散スクリーン２９が仮想線ａ１に正対したタイミングで、中間像ｉ１、および虚像ｉ２を形成する。このタイミングは、図１８で説明したタイミングに対して、光軸ＡＸ１と仮想線ａ１との間の角度分だけ位相をシフトしたタイミングに相当する。すなわち、図２２（ｂ）に示すように、拡散スクリーン２９が仮想線ａ１に正対したタイミングで、拡散スクリーン２９上に中間像ｉ１を形成する。これにより３段階の異なる虚像距離に対応した虚像ｉ２を形成できる。
　なお、仮想線ａ１は、仮想線ａ１と光軸ＡＸ１のなす角度、および仮想線ａ１と光軸ＡＸ０のなす角度が同じになるように設定した線である。すなわち、仮想線ａ１にポリゴンミラー２８の表面２３ｂが正対した状態では、表面２３ｂに対して、光軸ＡＸ０での入射角と、光軸ＡＸ１への反射角が等しく、全反射する。
　このような第３の変形例でも、第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第３の変形例において、ポリゴンミラー２８の表面２３ｂを鏡面状態にし、その表面に半透明の拡散スクリーン２９を配置することで、全反射方向の角度、すなわち光軸ＡＸ１方向により多くの光を導くことができる。この場合、第４の実施形態に比べて、より明るく、より彩度が高い虚像ｉ２を形成できる。
　（他の変形例）
　以上に説明した虚像表示装置、およびこれを備えたヘッドアップディスプレイ装置の構成は、上記の実施形態の特徴を説明するにあたって主要構成を説明したのであって、上記の構成に限られず、特許請求の範囲内において、種々改変することができる。また、一般的な虚像表示装置、またはヘッドアップディスプレイ装置が備える構成を排除するものではない。
　図１７等に示す第４の実施形態においては、上面視において、ポリゴンミラー２８の頂点と幾何学的な中心位置ｃ１とを結ぶ線上に回転軸２３ａを配置していた。このようにすることで、ポリゴンミラー２８の６個の面のうち、対となる２つの面で光軸ＡＸ上の位置を同じにすることで、３水準での中間像ｉ１の位置を変化させた。これにより、ポリゴンミラー２８の１回転で、各距離に対して２回、中間像ｉ１および虚像ｉ２を形成するので、十分な輝度を確保できる。しかしながら、これに限られず、線上以外に適当な位置に回転軸２３ａを配置することで、ポリゴンミラー２８の面の数に対応した６段階で中間像ｉ１、および虚像ｉ２の位置を変化させてもよい。
　また、第４の実施形態においては、ポリゴンミラー２８よりも上流側の光軸ＡＸ０と、ポリゴンミラー２８の直下流側のミラー２４１に至るまでの光軸ＡＸ１をともに、Ｚ方向で同じ高さ、すなわち、同じＸＹ平面上になるように水平に並べて構成した。しかしながら、これに限られず、縦に並べてもよい。すなわち、これらの光軸ＡＸ０、ＡＸ１を同じＹＺ平面上になるように構成してもよい。
　本出願は、２０１７年１１月３０日に出願された日本特許出願（特願２０１７－２３０４８１号）、および２０１７年１２月２６日に出願された日本特許出願（特願２０１７－２４９５０６号）に基づいており、その開示内容は、参照され、全体として組み入れられている。
１０　ヘッドアップディスプレイ装置、
２０　虚像表示装置、
２１　表示素子、
２１ａ　表示面、
２２　投影光学系、
２３　虚像距離変更部、
２３２　基部、
２３ａ　回転軸、
２３３～２３８　第１壁部～第６壁部、
２３９　開口部、
２３ｂ、２３ｂ１～２３ｂ６　表面、
２３ｃ　内周面、
ｃ１　中心位置、
２４　虚像形成光学系、
２４１，２４２　ミラー、
２４３　表示スクリーン、
２５　回転駆動部、
２６　ハウジング、
２８、２８１、２８２　ポリゴンミラー、
２９，２９１～２９２　拡散スクリーン、
３０　表示制御部、
４０　カウンターウェイト、
６０　主制御部、
７１　運転者検出部、
７２　環境監視部、
８００　車両、
８１１　車体、
８１２　フロントウィンドウ、
８１３　ハンドル、
８１４　ダッシュボード、
８１５　ディスプレイ、
８１６　運転席、
９００　ユーザー、
９１０　瞳、
ＡＸ，ＡＸ０，ＡＸ１　光軸、
Ｄ１　表示光、
ＤＦ　検出領域、
Ｆ，Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３　フレーム、
ＯＢ　対象物、
ｉ１　中間像、
ｉ２，ｉ２１，ｉ２２，ｉ２３　虚像。

Claims (14)

  1. 　表示素子と、
    　前記表示素子に形成された像を拡大する投影光学系と、
    　回転軸回りに回転し、前記投影光学系からの結像された光を拡散する拡散スクリーンを備えた回転体と、
    　前記拡散スクリーン上の像を変換し、前記投影光学系からの光の光軸方向における前記拡散スクリーンの位置に対応した投影距離で、虚像を形成する虚像形成光学系と、
    を備え、
    　前記拡散スクリーンは、前記回転軸を挟んで一方の側でかつ前記回転軸に平行に配置され、前記回転体が回転することにより、前記拡散スクリーンの前記光軸方向の位置が変更される、虚像表示装置。
  2. 　前記回転体は、
    　前記光軸方向から視て重ならないように設置された複数の前記拡散スクリーンを備え、当該複数の拡散スクリーンのうち、少なくとも１つの拡散スクリーンは、前記回転軸からの距離が他の拡散スクリーンと異なる請求項１に記載の虚像表示装置。
  3. 　前記回転体は、
    　前記光軸方向から視て重ならないように設置された複数の前記拡散スクリーンを備え、
    　前記回転体の回転によって、複数の前記拡散スクリーンを、前記投影光学系の焦点深度内で前記光軸方向の異なる位置に配置させ、
    　前記虚像形成光学系で、前記拡散スクリーン上で結像した像を変換し、虚像を形成することで、前記投影距離を変化させる、請求項１または２に記載の虚像表示装置。
  4. 　前記回転体は、
    　前記回転軸から視た場合に、矩形、多角形、円形、楕円形、またはそれらが組み合わされた形状を有する基部を有し、
    　前記拡散スクリーンは、前記基部上に形成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
  5. 　前記回転体は、
    　前記基部の周縁に沿って前記回転軸の周囲に形成された壁部を有し、
    　前記回転軸を挟んで一方の前記壁部に前記拡散スクリーンが形成され、他方の前記壁部に開口部が形成されている、請求項４に記載の虚像表示装置。
  6. 　前記回転体は、
    　前記光軸方向から視て重ならないように設置された複数の前記拡散スクリーンを備え、
    　前記回転体の回転による、前記投影光学系の結像位置への複数の前記拡散スクリーンの配置に同期させて、前記表示素子に形成する像の形成タイミングを制御する表示制御部をさらに備える、請求項１～５のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
  7. 　前記回転体は、
    　カウンターウェイトが取り付けられており、前記カウンターウェイトにより、重心が前記回転軸上に設定されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
  8. 　前記回転体の回転速度を制御する回転駆動部をさらに有し、
    　前記回転駆動部は、前記回転体を前記回転軸回りに所定の速度で回転させる、請求項１～７のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
  9. 　表示素子と、
    　前記表示素子に形成された像を拡大する投影光学系と、
    　幾何学的な中心位置が、回転軸から離れている回転多面体であって、側面の複数の表面に拡散スクリーンを配置し、回転することで前記投影光学系の結像位置に、光軸方向の位置が異なる複数の前記拡散スクリーンを順次配置させる回転多面体と、
    　前記拡散スクリーン上の像を変換し、前記拡散スクリーンの前記光軸方向の位置に対応した投影距離で、虚像を形成する虚像形成光学系と、
    を備える、虚像表示装置。
  10. 　前記回転多面体の回転によって、複数の前記拡散スクリーンを、前記投影光学系の焦点深度内で光軸方向の異なる位置に配置させ、
    　前記虚像形成光学系で、前記拡散スクリーン上で反射した像を変換し、虚像を形成することで、前記投影距離を変化させる、請求項９に記載の虚像表示装置。
  11. 　前記回転多面体の回転による、前記投影光学系の前記結像位置への複数の前記拡散スクリーンの配置に同期させて、前記表示素子に形成する像の形成タイミングを制御する表示制御部をさらに備える、請求項９または１０に記載の虚像表示装置。
  12. 　前記回転多面体は、カウンターウェイトが取り付けられており、前記カウンターウェイトにより、重心が前記回転軸上に設定されている、請求項９～１１のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
  13. 　前記回転多面体は、所定の速度で定速回転する、請求項９～１２のいずれか１項に記載の虚像表示装置。
  14. 　請求項１～１３のいずれか１項に記載の虚像表示装置と、
    　検出領域内に存在するオブジェクトを検出するとともに、前記オブジェクトまでの距離を判定するオブジェクト検出部と、
    　オブジェクト検出部が判定した前記オブジェクトまでの距離に対応した前記投影距離で、前記虚像表示装置に虚像を形成させる、主制御部と、
    を備えた、ヘッドアップディスプレイ装置。
PCT/JP2018/042865 2017-11-30 2018-11-20 虚像表示装置、およびヘッドアップディスプレイ装置 WO2019107225A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019557170A JPWO2019107225A1 (ja) 2017-11-30 2018-11-20 虚像表示装置、およびヘッドアップディスプレイ装置

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017-230481 2017-11-30
JP2017230481 2017-11-30
JP2017-249506 2017-12-26
JP2017249506 2017-12-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019107225A1 true WO2019107225A1 (ja) 2019-06-06

Family

ID=66665635

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2018/042865 WO2019107225A1 (ja) 2017-11-30 2018-11-20 虚像表示装置、およびヘッドアップディスプレイ装置

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JPWO2019107225A1 (ja)
WO (1) WO2019107225A1 (ja)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013073229A (ja) * 2011-09-29 2013-04-22 Seiko Epson Corp 表示装置およびその駆動方法
US20140036374A1 (en) * 2012-08-01 2014-02-06 Microvision Inc. Bifocal Head-up Display System
JP2015031837A (ja) * 2013-08-02 2015-02-16 学校法人東海大学 立体像表示装置
WO2017168509A1 (ja) * 2016-03-28 2017-10-05 パイオニア株式会社 表示装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013073229A (ja) * 2011-09-29 2013-04-22 Seiko Epson Corp 表示装置およびその駆動方法
US20140036374A1 (en) * 2012-08-01 2014-02-06 Microvision Inc. Bifocal Head-up Display System
JP2015031837A (ja) * 2013-08-02 2015-02-16 学校法人東海大学 立体像表示装置
WO2017168509A1 (ja) * 2016-03-28 2017-10-05 パイオニア株式会社 表示装置

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2019107225A1 (ja) 2020-12-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7078904B2 (ja) 虚像表示光学系及び画像表示装置
JP7189513B2 (ja) ヘッドアップディスプレイ装置
WO2018124299A1 (ja) 虚像表示装置及び方法
WO2020090187A1 (ja) 虚像表示装置、およびヘッドアップディスプレイ装置
JP2019197102A (ja) 虚像表示装置、およびヘッドアップディスプレイ装置
WO2018199245A1 (ja) 虚像表示装置及び移動体用表示システム
WO2019107225A1 (ja) 虚像表示装置、およびヘッドアップディスプレイ装置
WO2018199244A1 (ja) 表示システム
JP2020056901A (ja) 虚像表示装置、およびヘッドアップディスプレイ装置
JP2019191368A (ja) 虚像表示装置、およびヘッドアップディスプレイ装置
WO2019124323A1 (ja) 虚像表示装置、およびヘッドアップディスプレイ装置
WO2019151314A1 (ja) 表示装置
WO2019138914A1 (ja) 虚像表示装置およびヘッドアップディスプレイ装置
WO2020189258A1 (ja) 表示装置、ヘッドアップディスプレイ装置、およびヘッドマウントディスプレイ装置
JP7121349B2 (ja) 表示方法及び表示装置
WO2019220767A1 (ja) 虚像投影光学系及び表示装置
WO2020184506A1 (ja) ヘッドアップディスプレイ装置
JP2021110819A (ja) 虚像投影装置、およびヘッドアップディスプレイ装置
US20240253465A1 (en) Image display device
JP7280557B2 (ja) 表示装置及びこれによる表示方法
WO2018199246A1 (ja) 虚像表示装置及び移動体用表示システム
WO2019177113A1 (ja) 虚像表示光学系及び表示装置
WO2019093500A1 (ja) 表示装置
JP2020065125A (ja) 表示装置
JP2020042154A (ja) ヘッドアップディスプレイ装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18884202

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2019557170

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18884202

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1