WO2019124323A1

WO2019124323A1 - 虚像表示装置、およびヘッドアップディスプレイ装置

Info

Publication number: WO2019124323A1
Application number: PCT/JP2018/046412
Authority: WO
Inventors: 中村　健太郎; 山田　範秀; 橋村　淳司
Original assignee: コニカミノルタ株式会社
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2019-06-27
Also published as: JPWO2019124323A1

Abstract

少ない部品点数で、虚像までの距離を変更した虚像を表示させることが可能な虚像表示装置を提供する。　虚像表示装置２０は、表示素子２１と、少なくとも１つの自由曲面ミラー２２１を含み、表示素子２１に形成された像を変換し、虚像を形成する虚像投影光学系２２と、自由曲面ミラー２２１の位置を変更するミラー移動機構２５と、を備え、ミラー移動機構２５が、少なくとも１つの自由曲面ミラー２２１の位置を変更することで、虚像までの距離を変更する。

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。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なく、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。このような課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、特許文献１に開示されたＨＵＤ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距離を変化させている。特許文献１では、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。

　また、特許文献２でも同様の趣旨で虚像の距離を変更するために、コンバイナーの直上流側の凹面鏡と、映像を表示するスクリーンを結ぶ光路長を、その光路中にある光軸に対してそれぞれ４５度傾いた状態で対向した２枚の平面ミラーを光軸方向に一体で移動させるＨＵＤが開示されている。

特開２００５－３００２５９号公報特開２０１６－１０２９６７号公報

　特許文献１のＨＵＤではスクリーンの位置を変更し、特許文献２のＨＵＤでは１対の平面ミラーの位置を変更している。これにより虚像距離を変化させることは可能であるが、光学部材の部品点数が多く、装置の大型化を生じさせてしまう。

　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、少ない部品点数で、虚像までの距離を変更した虚像を表示させることが可能な虚像表示装置、およびヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。

　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、
　少なくとも１つの自由曲面ミラーを含み、前記表示素子に形成された像を変換し、虚像を形成する虚像投影光学系と、
　前記自由曲面ミラーの位置を変更するミラー移動機構と、を備え、
　前記ミラー移動機構が、少なくとも１つの前記自由曲面ミラーの位置を変更することで、虚像までの距離を変更する、虚像表示装置。

　（２）前記虚像投影光学系は、２つの前記自由曲面ミラーを有する、上記（１）に記載の虚像表示装置。

　（３）前記ミラー移動機構は、２つの前記自由曲面ミラーのうち、前記表示素子から光路中において遠い方の前記自由曲面ミラーのみを移動させることで、前記距離を変更する、上記（２）に記載の虚像表示装置。

　（４）前記ミラー移動機構は、１つの前記自由曲面ミラーを所定の方向にシフトさせることで前記距離を変更する、上記（１）から上記（３）のいずれか１つに記載の虚像表示装置。

　（５）前記ミラー移動機構は、少なくとも１つの前記自由曲面ミラーを所定の方向にチルトさせることで高さ方向における虚像位置を変更する、上記（１）から上記（４）のいずれか１つに記載の虚像表示装置。

　（６）前記表示素子の表示面を、前記虚像が水平面に対して垂直となる場合の表示素子位置での共役な面に対して傾けて配置する、上記（１）から上記（５）のいずれかに記載の虚像表示装置。

　（７）前記表示面の前記虚像が水平面に対して垂直となる場合の表示素子位置での共役な面に対する傾きの向きは、前記虚像の前記距離が、虚像において上方で遠く、下方で近くなる向きである、上記（６）に記載の虚像表示装置。

　（８）上記（１）から上記（７）のいずれか１つに記載の虚像表示装置と、
　前記虚像表示装置が搭載された車両の運行速度データを取得する、運行速度取得部と、
　前記ミラー移動機構を制御することで、前記運行速度取得部が取得した前記車両の運行速度が高速の場合には前記距離を遠距離に、低速の場合には前記距離を近距離に設定する制御部と、
　を備えるヘッドアップディスプレイ装置。

　（９）前記制御部は前記ミラー移動機構を制御することで、運転者の座高に応じて、虚像の高さ方向の位置を調整する、上記（８）に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

　（１０）前記制御部は、前記距離を変更するとき、または運転者の座高に応じて虚像の高さ方向の位置を変更するときに、前記表示素子における前記像を表示する表示領域を変更する、上記（８）または上記（９）に記載の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、およびヘッドアップディスプレイ装置によれば、ミラー移動機構により虚像投影光学系に含まれる自由曲面ミラーの位置を変更することで、少ない部品点数で、虚像までの距離を変更できる。

　また、本発明に係る虚像表示装置、およびヘッドアップディスプレイ装置では、表示素子を、虚像が水平面に対して垂直となる場合の表示素子位置での共役な面に対して傾けて配置する。このようにすることで、ヘッドアップディスプレイ装置の表示を、観察する運転者の目の位置が道路より上に位置する状況下において、例えば平坦な道路上を運転している際に運転者が見る、遠い側の路面が上方に、近い側が下方に、という前方の道路の見え方に適応した虚像表示とすることが可能となる。これにより、例えば道路上に虚像を拡張現実の画像として重ねて表示するといった場合に、運転者にとって違和感のない表示にすることが可能となる。

本実施形態に係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模式図である。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。実施例１における各光学素子の面形状を示す数値データである。虚像距離を４ｍ、７ｍ、３６ｍに設定するときの表示素子、および各光学素子の位置を示す数値データである。実施例１の各光学素子の全体構成を示す模式図である。図５Ｃの一部拡大図であり、自由曲面ミラーの位置の変化を示す模式図である。虚像距離７ｍ設定での歪曲格子図である。実施例１の虚像表示装置の特性データである。実施例２における各光学素子の面形状を示す数値データである。虚像距離を４ｍ、７ｍ、３６ｍに設定するときの表示素子、および各光学素子の位置を示す数値データである。各光学素子の全体構成を示す模式図である。図６Ｃの一部拡大図であり、自由曲面ミラーの位置の変化を示す模式図である。虚像距離７ｍ設定での歪曲格子図である。実施例２に係る虚像表示装置の特性データである。実施例３における各光学素子の面形状を示す数値データである。虚像距離を４ｍ、７ｍ、３６ｍに設定するときの表示素子、および各光学素子の位置を示す数値データである。各光学素子の全体構成を示す模式図である。図７Ｃの一部拡大図であり、自由曲面ミラーの位置の変化を示す模式図である。虚像距離７ｍ設定での歪曲格子図である。実施例３に係る虚像表示装置の特性データである。実施例３における座高調整時の位置、角度を示す数値データである。座高調整時の各光学素子の配置位置を示す模式図である。第２の実施形態に係る虚像表示装置の構成を示す模式図である。実施例４における各光学素子の面形状を示す数値データである。虚像距離を４．５ｍ、１０ｍに設定するときの表示素子、および各光学素子の位置を示す数値データである。各光学素子の全体構成を示す模式図である。実施例４に係る虚像表示装置の特性データである。

　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、Ｅｙｅｂｏｘ（アイボックス）の横方向をＸ方向、縦方向をＹ方向とし、ＸＹ平面に垂直な方向をＺ方向とする。また虚像表示装置２０を車両に搭載した状態において、車両の進行方向は、Ｚ方向に平行である。

　図１、図２は、本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２２０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２２０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２２０に向けて射出する。表示スクリーン２２０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。表示スクリーン２２０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（Ｚ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２２０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２２０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Ｅｙｅｂｏｘ（図３参照）に導かれる。Ｅｙｅｂｏｘは、ヘッドアップディスプレイ装置１０が車両８００に搭載された状態で、運転席８１６に座ったユーザー９００の瞳９１０の位置（高さ）に対応するように設定される。ユーザー９００は、表示スクリーン２２０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２２０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２２０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２２０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。

　（第１の実施形態）
　図３は、第１の実施形態に係る虚像表示装置２０の構成を示す模式図である。図３に示すように、虚像表示装置２０は、表示素子２１、虚像投影光学系２２、ミラー移動機構２５、ハウジング２６、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２２０以外の虚像表示装置２０の各構成要素が収納される。

　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ｉ１は、虚像投影光学系２２で拡大されてＥｙｅｂｏｘへ、虚像として変換して投影される。この際、２次元表示が可能な表示素子２１を用いることで、像ｉ１の表示内容の切り換えを比較的高速で行える。表示素子２１としては液晶等の透過型の素子を用いることが好ましい。

　虚像投影光学系２２は、表示スクリーン２２０、および第１、第２の自由曲面ミラー２２１、２２２を含む。自由曲面ミラー２２１、２２２は、表面形状が球面、放物面とは異なる自由曲面であり、光学的なパワーを持つ。これらの光学素子は、光軸ＡＸ（光路）に沿って、第２の自由曲面ミラー２２２、第１の自由曲面ミラー２２１、表示スクリーン２２０の順で配置される。表示素子２１の表示面２１ａに形成された像ｉ１は、これらの光学素子に順次反射され、Ｅｙｅｂｏｘに導かれる。これにより、ユーザー９００は、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。

　ミラー移動機構２５は、ステッピングモーター等の駆動モーターと、アクチュエーターから構成され、複数の自由曲面ミラー２２１、２２２のうち、光軸ＡＸ上（光路中）において、表示素子２１から遠い方の自由曲面ミラー２２１を移動させる。

　ミラー移動機構２５により、自由曲面ミラー２２１を光軸ＡＸに沿って、表示素子２１から遠ざける方向にシフトさせることにより、虚像距離を遠距離にする。また、反対に近づける方向にシフトさせることにより、虚像距離を近距離にする。

　このように本実施形態に係る虚像表示装置２０では、表示素子２１の位置を固定したままで、少なくとも１枚の自由曲面ミラーの位置を変更するミラー移動機構２５を備えることにより、少ない部品点数で、小型でありながら、投影距離を変更した虚像を表示させることが可能となる。

　なお、本実施形態において、虚像表示装置２０は、２枚の自由曲面ミラー２２１、２２２を含む例を示したが、これに限られず、１枚の自由曲面ミラーのみを備える構成であってもよい。

　（ヘッドアップディスプレイ装置１０）
　図４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、運行速度取得部７３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適切な虚像距離で表示する。

　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、運転席用画像処理部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座高、すなわちユーザー９００の頭部、または目（瞳９１０）の高さを検出する。また、判断部７１ｃは、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、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。

　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。

　運行速度取得部７３は、車両本体からタイヤ回転数に応じた運行速度データを取得する。なお、運行速度取得部７３自体が、ＧＰＳセンサー、加速度センサー、ジャイロセンサー等を備え、車両の運行速度を検出するようにしてもよい。

　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２２０の背後に虚像距離（投影距離ともいう）を変更した虚像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（虚像距離）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２２０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に対してその奥行き位置方向に関して周辺に位置する矩形フレームのような標識になる。また虚像の表示形態としては、運行速度データに応じた、速度を示す数字であってもよい。

　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の存在や目の位置や座高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。

　主制御部６０は、運行速度取得部７３が取得した運行速度データに応じて、表示制御部３０に表示形状、および虚像距離の設定を含む表示情報を送る。運行速度が高速、中速、低速の場合には、それぞれ虚像距離を遠距離、中距離、近距離に設定するように表示情報を送る。例えば運行速度が５０ｋｍ／ｈ以上であれば虚像距離を３６ｍに、３０ｋｍ／ｈ以下であれば虚像距離を４ｍに、その中間の速度であれば虚像距離を７ｍに設定する。

　このように、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置では、虚像表示装置２０を搭載した車両の運行速度、またはオブジェクトの位置に応じて、虚像距離を変更することで、運転者の視線移動（ピント合わせ）の負担を軽減できる。

　（変形例）
　本実施形態においては、第１の自由曲面ミラー２２１をミラー移動機構２５により、光軸方向でシフトさせることにより虚像距離の変更を行ったが、これに限られず、表示素子２１に近い方の第２の自由曲面ミラー２２２をシフトさせてもよく、または、これら両方の自由曲面ミラー２２１、２２２をシフトさせてもよい。さらに、ミラーの移動は、シフトに限られず、少なくとも一方の自由曲面ミラーをチルト（Ｘ軸方向回りの回転移動）させてもよい。チルトさせることにより、光軸方向に直交する高さ方向における虚像の位置を変更できるため、ミラーのシフトによって虚像の見下ろし角が変わってしまう場合には、ミラーのチルトを組み合わせて見下ろし角が変わらないようにもできる。このように、ミラー移動機構２５による、自由曲面ミラーの光軸方向におけるシフトのみにより虚像距離の変更を行い、高さ方向における虚像位置の変更を自由曲面ミラーのチルトのみにより行う。これにより、自由曲面ミラーを移動させる際の動きが過度に複雑にならず、ミラー移動機構２５を簡素な構成とすることができる。

　この高さ方向における虚像の位置の変更は、判断部７１ｃが算出したユーザー９００の座高（目または頭部の高さ位置）、またはユーザー９００の指示入力に応じて行う。以下、座高に対応させて高さ方向における虚像の位置を変更すること（Ｅｙｅｂｏｘの高さを調整すること）を「座高調整」ともいう。さらに、光軸方向に直交する高さ方向における虚像の位置を変更する際、または、高さ変更とともに虚像距離を変更する際に、表示素子２１の表示領域を変更するようにしてもよい。コスト的な要因から入手しやすい一般的な液晶等で構成した表示素子は、縦横比が３：４または９：１６である。一方で、本実施形態での虚像の縦横比は１：２．５であり、より横に長い。そのため表示素子の表示領域は、縦方向（高さ方向）に未使用の領域が存在する。ユーザー９００の座高に応じて高さを調整する際に、虚像を形成する表示領域を変更（縦方向にシフト）することにより、ヘッドアップディスプレイ装置１０の光学性能を高めることができる。

　さらに、本実施形態では、光学的なパワーを持つ２つの自由曲面ミラー２２１、２２２を光路内に配置したが、光路上に光学的なパワーを持たない、単なる反射ミラーをさらに配置してもよい。このようにすることで虚像表示装置の形状最適化の自由度が高くなる。

　以下、本実施形態に係る虚像表示装置２０の光学素子の具体例について数値データに基づいて説明する。以降の実施例においては、各実施例で図示する構成以外は、上述の図１から図４で説明した構成と同一であり、説明を省略する。

　（実施例１）
　図５Ａ～図５Ｆを参照し、実施例１に係る虚像表示装置２０について説明する。

　図５Ａは、実施例１における各光学素子（表示スクリーン２２０、第１の自由曲面ミラー２２１、第２の自由曲面ミラー２２２のことである。以下同様。）の面形状（反射面）を示す数値データである。以降の面形状の数値データにおいて表の１行目の「Ｒ」は曲率半径、２行目の「ｋ（カッパ）」は円錐定数を示す。また３行目以降は、自由曲面係数を示している。

　図５Ｂは、虚像距離を４ｍ（近距離）、７ｍ（中距離）、３６ｍ（遠距離）に設定するときの、表示素子２１、および各光学素子の中心の位置（座標、および回転角度）を示す数値データである。以降の位置を示す数値データにおいて、ＸＹＺは、Ｅｙｅｂｏｘの中心を原点Ｏとしたときの図３（図５Ｃ）に示す各方向の座標（ｍｍ）である。α、β、γは、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸回りの回転角（ｄｅｇ）である。

　図５Ｃは、虚像距離７ｍのときの各光学素子の断面形状および配置位置を示す図であり、図３の一部に対応する。図５Ｄは、図５Ｃの一部拡大図であり、虚像距離４ｍ、７ｍ、３６ｍのときの自由曲面ミラー２２１の位置を示す模式図である。

　実施例１では、虚像距離の変更を、自由曲面ミラー２２１のみをミラー移動機構２５により光軸方向にシフトさせることにより行う。その他の表示素子２１、第２の自由曲面ミラー２２２、表示スクリーン２２０は固定しており、移動しない。

　図５Ｅは虚像距離の設定が７ｍでの歪曲格子図である。破線は基準の格子（近軸計算から求められる理想的な虚像形状）であり、実線は、Ｅｙｅｂｏｘの中央、右上、右下から虚像を見た際の虚像形状を示す。同図に示すように、実施例１においては、ＦＯＶ（視野角）全体に渡って歪みが少なく、またＥｙｅｂｏｘ全域に渡って虚像の歪みが生じない良好な光学性能を示すことが分かる。なお本実施例においては表示スクリーンを左右対称なものと仮定しているため、Ｅｙｅｂｏｘの左半分の光学性能は右半分のものと同等と考えて差支えない。

　図５Ｆは、実施例１に係る虚像表示装置２０の特性データである。ＦＯＶ、Ｅｙｅｂｏｘサイズ、表示面２１ａ上の像サイズ、容積を示している。容積は、自由曲面ミラー２２１から表示面２１ａに至る光束の範囲の体積である。このように、実施例２の虚像表示装置２０においては、容積が小さくコンパクトであっても高い光学性能を示すことが分かる。

　図５Ｆに示すように、実施例１に係る虚像表示装置２０では、２枚の自由曲面ミラー２２１、２２２を備え、一方の自由曲面ミラーを移動させることにより、広いＦＯＶで高性能でありながら、虚像距離を変更できる虚像表示装置２０、およびヘッドアップディスプレイ装置１０とすることができる。特に、光軸方向において表示素子２１から遠い方の自由曲面ミラー２２１を移動させるよう構成することで、解像性能を維持したまま、虚像距離を変更できる。

　（実施例２）
　図６Ａ～図６Ｆを参照し、実施例２に係る虚像表示装置２０について説明する。これらの図はそれぞれ図５Ａ～図５Ｆに対応する。図６Ａ、図６Ｂは、実施例２における各光学素子の数値データであり、図６Ｃは、虚像距離７ｍのときの、各光学素子の断面形状および配置位置を示す図であり、図６Ｄは、虚像距離の設定を４ｍ、７ｍ、３６ｍにするときの自由曲面ミラー２２１の位置を示す模式図であり、図６Ｅは虚像距離の設定が７ｍでの歪曲格子図であり、図６Ｆは、実施例２に係る虚像表示装置２０の特性データである。このような実施例２においても実施例１と同様の効果を得ることができる。

　（実施例３）
　図７Ａ～図７Ｆを参照し、実施例３に係る虚像表示装置２０について説明する。これらの図はそれぞれ図５Ａ～図５Ｆに対応する。図７Ａ、図７Ｂは、実施例３における各光学素子の数値データであり、図７Ｃは、虚像距離７ｍのときの、各光学素子の断面形状および配置位置を示す図であり、図７Ｄは、虚像距離の設定を４ｍ、７ｍ、３６ｍにするときの自由曲面ミラー２２１の位置を示す模式図であり、図７Ｅは虚像距離の設定が７ｍでの歪曲格子図であり、図７Ｆは、実施例３に係る虚像表示装置２０の特性データである。このような実施例３においても実施例１、２と同様の効果を得ることができる。

　次に２枚の自由曲面ミラー２２１、２２２に対応して、それぞれミラー移動機構２５１、２５２をチルトさせることによる座高調整について説明する。図７Ｃに示すように実施例３では、２枚の自由曲面ミラー２２１、２２２にそれぞれ対応させ、２つのミラー移動機構２５１、２５２を設けている。虚像距離の変更はミラー移動機構２５１のみを作動させることにより行えるが、座高調整を行う場合には、ミラー移動機構２５１、２５２の両方を作動させて、自由曲面ミラー２２１、２２２をチルトさせる。なお、光学性能を多少犠牲にして座高調整をミラー移動機構２５１のみで行うことも可能である。

　図８Ａは実施例３における座高調整時の位置、角度を示す数値データであり、図８Ｂは実施例３における座高調整時の各光学素子の配置位置を示す図である。図８Ｂに示すように、座高調整時は、ミラー移動機構２５１、２５２（図７Ｃ参照）により、自由曲面ミラー２２１、２２２を、それぞれの中心ｃ１、ｃ２を回転中心として回転させる。実施例３では、座高が標準の運転者用の「標準」と、これよりも低い、高い運転者用の「低」、「高」の３水準で調整できるようにしている。

　図８Ａに示すように、座高調整で「高」に設定する場合は、Ｅｙｅｂｏｘの中心は、高さ方向（Ｙ方向）で２５ｍｍ上がる。このときの見下ろし角は、標準の２ｄｅｇに対して３ｄｅｇと１ｄｅｇ分大きくなる。反対に座高調整で「低」に設定する場合は、Ｅｙｅｂｏｘの中心は、高さ方向（Ｙ方向）で２５ｍｍ下がる。このときの見下ろし角は、１ｄｅｇとなる。

　このように実施例３においては、虚像距離の変更は、ミラー移動機構２５１により自由曲面ミラー２２１をシフトさせることにより行う。座高調整は、ミラー移動機構２５１、２５２により自由曲面ミラー２２１、２２２をチルトさせることにより行う。このように構成することで、自由曲面ミラー２２１、２２２を移動させる際の動きが過度に複雑にならず、ミラー移動機構２５１、２５２を簡素な構成とすることができる。

　（第２の実施形態）
　次に、図９を参照し、第２の実施形態の虚像表示装置２０について説明する。図９は、第２の実施形態に係る虚像表示装置２０の構成を示す模式図である。この図は、図３に対応する。なお、第２の実施形態においては、同図に示す構成以外は、図４等を含めて、上述の実施形態と同様であり説明を省略する。

　図９に示すように第２の実施形態においては、表示素子２１’を傾けることで、表示素子２１’の表示面２１ａ’を、虚像ｉ２が水平面に対して垂直となる場合の表示素子２１における位置（以下、「表示素子位置」という）での共役な面に対して傾けて配置している。ここで、「虚像が水平面に対して垂直となる場合」とは、虚像表示装置２０が車両等に取り付けられている場合に、この車両が水平面（道路上）を走行、または停止している状態において、虚像ｉ２を投影した場合に、この虚像ｉ２が水平面に対して垂直となる場合をいう。なお図９の右側に示す拡大図では、参考として、図３での表示素子２１、および虚像ｉ２を破線で示している。破線で示す表示素子２１は虚像ｉ２が水平面に対して垂直となる場合の表示素子位置での共役な面に対して正対しており、本実施形態では、その表示面２１ａは、光軸に垂直な面に対して平行である。

　また、表示面２１ａ’の傾きは図９に示すように表示面２１ａと比較して左向き（反時計方向）に回転した状態で固定配置している。このような向きにすることで、表示面２１ａ’に表示された像ｉ１’を変換して、形成される虚像ｉ２’においては、上方で虚像距離が遠く、下方で距離が近くなる。換言すると、虚像表示装置２０が、車両に取り付けられた状態において、水平な道路面（水平面）に対して、形成される虚像ｉ２’において、上方で虚像距離が遠く、下方で虚像距離が近くなるような向きに、表示素子２１’の表示面２１ａ’を傾けて配置する。

　このように表示素子２１’を傾けて配置することで、各実施例の効果に加えて、さらに以下の効果が得られる。極端な坂道を除いて、通常の平坦な道路上を走行する車両を運転する運転者の目（瞳）の位置は、道路よりも上になる。この場合、この運転者の瞳９１０の位置に応じて、フロントウィンドウを通して見える道路は、上方が遠く、下方が近くに見える。虚像ｉ２’の上下方向における各部分の虚像距離を、この道路の見え方に適応させることで、運転者にとっては違和感のない表示とすることでできる。

　（第２の実施形態の実施例４）
　次に図１０Ａ～図１０Ｄを参照し、第２の実施形態における実施例４に係る虚像表示装置２０について説明する。これらの図は、図５Ａ～図５Ｃ、図５Ｆにそれぞれ対応する。図１０Ａ、図１０Ｂは、実施例４における各光学素子の数値データである。上述したようにこの数値データにおいて、ＸＹＺは、Ｅｙｅｂｏｘの中心を原点Ｏとしたときの図９、図１０Ｃに示す各方向の座標（ｍｍ）である。α、β、γは、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸回りの回転角（ｄｅｇ）である。図１０Ｃは、虚像距離４．５ｍのときの、各光学素子の断面形状および配置位置を示す図である。図１０Ｄは、実施例４に係る虚像表示装置２０の特性データである。

　図１０Ｄにおいて、虚像傾きは、虚像が水平面に対して垂直となる場合を０ｄｅｇと定義した時の傾き角であり、傾き方向は図１０Ｃの断面において反時計回りである。つまり虚像距離としては、虚像上端が最も遠く、虚像下端が最も近くなる。図１０Ａ～図１０Ｄに示す実施例４においては、表示素子２１’を光軸に対して２４．６ｄｅｇだけ傾けて配置した際の虚像ｉ２’の位置に対して自由曲面ミラーの面形状を最適化している。ここで光軸とはＥｙｅｂｏｘの中心と虚像の中心を結ぶ光線である。このような面形状を有する光学素子とすることで、表示素子２１を傾けて配置したとしても、上述の各実施例と同様に、解像性能を維持したまま、虚像距離を変更できるとともに、道路の見え方に適応させた運転者にとっては違和感のない表示とすることでできる。

　以上に説明した虚像表示装置、およびヘッドアップディスプレイ装置の構成は、上述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、上述の構成に限られず、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、および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。

　例えば、各実施例においては、３段階で虚像距離を変更する例を示したが、これに限られず、４段階以上の多段階で、虚像距離を変更するようにしてもよい。同様に実施例３では、座高調整として３段階で虚像の高さを変更したが、４段階以上の多段階で、座高調整するようにしてもよい。

　また、表示素子の表示面を虚像が水平面に対して垂直となる場合の表示素子位置での共役な面に対して傾けた第２の実施形態は、各実施例に適用してもよい。

　第２の実施形態においては、さらに表示素子２１’は、虚像が水平面に対して垂直となる場合の表示素子位置での共役な面に対して所定の傾きで固定配置する例を説明したがこれに限られない。例えば、表示素子２１’の傾き（位置）を変更できる角度変更機構を設けて、表示素子２１’を傾けるようにしてもよい。例えば、ミラー移動機構２５（またはミラー移動機構２５１、２５２）により、虚像投影光学系２２に含まれる自由曲面ミラー２２１等の位置を変更した際に角度変更機構を作動させる。または、外部用カメラ７２ａその他のセンサーにより車前方の道路の傾斜等の道路状況を判定し、その判定結果に応じて表示素子２１’の角度変更機構を作動させる。

　また、図３等に示した第１の実施形態における表示素子２１、または、図９に示した第２の実施形態における表示素子２１’は、液晶等の透過型の素子が好ましいが、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ）やＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｏｎ　Ｓｉｌｉｃｏｎ）等の反射型の素子を適用してもよい。

　本出願は、２０１７年１２月１９日に出願された日本特許出願（特願２０１７－２４２５７９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、２１’　表示素子
　　２１ａ、２１ａ’　表示面
　２２　虚像投影光学系
　　２２０　表示スクリーン
　　２２１、２２２　自由曲面ミラー
　２５、２５１、２５２　ミラー移動機構
　２６　ハウジング
　３０　表示制御部
　６０　主制御部
　７１　運転者検出部
　７２　環境監視部
　７３　運行速度取得部
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　光軸
　Ｄ１　表示光
　ｉ１、ｉ１’　像
　ｉ２、ｉ２’　虚像
　Ｏ　原点

Claims

　表示素子と、
　少なくとも１つの自由曲面ミラーを含み、前記表示素子に形成された像を変換し、虚像を形成する虚像投影光学系と、
　前記自由曲面ミラーの位置を変更するミラー移動機構と、を備え、
　前記ミラー移動機構が、少なくとも１つの前記自由曲面ミラーの位置を変更することで、虚像までの距離を変更する、虚像表示装置。
　前記虚像投影光学系は、２つの前記自由曲面ミラーを有する、請求項１に記載の虚像表示装置。
　前記ミラー移動機構は、２つの前記自由曲面ミラーのうち、前記表示素子から光路中において遠い方の前記自由曲面ミラーのみを移動させることで、前記距離を変更する、請求項２に記載の虚像表示装置。
　前記ミラー移動機構は、１つの前記自由曲面ミラーを所定の方向にシフトさせることで前記距離を変更する、請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の虚像表示装置。
　前記ミラー移動機構は、少なくとも１つの前記自由曲面ミラーを所定の方向にチルトさせることで高さ方向における虚像位置を変更する、請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の虚像表示装置。
　前記表示素子の表示面を、前記虚像が水平面に対して垂直となる場合の表示素子位置での共役な面に対して傾けて配置する、請求項１から請求項５のいずれかに記載の虚像表示装置。
　前記表示面の前記虚像が水平面に対して垂直となる場合の表示素子位置での共役な面に対する傾きの向きは、前記虚像の前記距離が、虚像において上方で遠く、下方で近くなる向きである、請求項６に記載の虚像表示装置。
　請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の虚像表示装置と、
　前記虚像表示装置が搭載された車両の運行速度データを取得する、運行速度取得部と、
　前記ミラー移動機構を制御することで、前記運行速度取得部が取得した前記車両の運行速度が高速の場合には前記距離を遠距離に、低速の場合には前記距離を近距離に設定する制御部と、
　を備えるヘッドアップディスプレイ装置。
　前記制御部は前記ミラー移動機構を制御することで、運転者の座高に応じて、虚像の高さ方向の位置を調整する、請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　前記制御部は、前記距離を変更するとき、または運転者の座高に応じて虚像の高さ方向の位置を変更するときに、前記表示素子における前記像を表示する表示領域を変更する、請求項８または請求項９に記載のヘッドアップディスプレイ装置。