WO2020031415A1 - 表示装置 - Google Patents

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WO2020031415A1
WO2020031415A1 PCT/JP2019/011014 JP2019011014W WO2020031415A1 WO 2020031415 A1 WO2020031415 A1 WO 2020031415A1 JP 2019011014 W JP2019011014 W JP 2019011014W WO 2020031415 A1 WO2020031415 A1 WO 2020031415A1
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WO
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image
display
intermediate screen
optical system
screen
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/011014
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
中村彰宏
関口瑛士
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 JP2020535491A priority Critical patent/JPWO2020031415A1/ja
Publication of WO2020031415A1 publication Critical patent/WO2020031415A1/ja

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    • 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
    • B60K35/211—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 producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • 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
    • B60K35/10—Input arrangements, i.e. from user to vehicle, associated with vehicle functions or specially adapted therefor
    • 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
    • B60K35/80—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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R11/00—Arrangements for holding or mounting articles, not otherwise provided for
    • B60R11/02—Arrangements for holding or mounting articles, not otherwise provided for for radio sets, television sets, telephones, or the like; Arrangement of controls thereof

Definitions

  • the present invention relates to a display device that displays a virtual image ahead of a line of sight and that changes the projection position of the virtual image.
  • HUD devices generally generate a virtual image at a certain distance from the driver, and when the distance from the driver to the virtual image is constant.
  • the position of the eye is displaced, the position of the object and the danger signal (virtual image) are displaced, and there is a problem that the driver misidentifies the position of the object.
  • Patent Document 1 As a means to solve this problem, we have a system that can display an object and a virtual image superimposed at a high frame rate and move the optical element that can change the magnification of the image on the intermediate screen at high speed in the optical axis direction. There is a method to make it possible. Thereby, the virtual image can be superimposed on the object including the depth direction.
  • Patent Document 1 there is a method described in Patent Document 1 as a method for giving depth to a virtual image.
  • a scanning image forming unit such as a MEMS mirror, an intermediate screen, a projecting unit, and a movable unit that changes the position of the intermediate screen are provided, and the position of the virtual image is changed by changing the position of the intermediate screen. Is changing.
  • Patent Literature 1 The main purpose of Patent Literature 1 is to reduce or reduce the driver's line of sight by moving the virtual image position closer or farther in view of the fact that the distance at which a person gazes varies with the speed of the vehicle. Since the danger at the time exists regardless of the distance of the line of sight, it is preferable that the danger signal can be displayed simultaneously at a long distance and a short distance.
  • the intermediate screen is driven at a high speed, and an image synchronized with the intermediate screen is generated by the image forming means, so that the image is displayed to the human eyes as if they are being displayed at the same time.
  • the scanning type image forming means it is difficult for the scanning type image forming means to support display switching at a high frame rate, and thus it is not suitable for a configuration in which virtual images are simultaneously displayed at a plurality of distances.
  • the present invention has been made in view of the background art described above, and has as its object to provide a display device capable of displaying virtual images substantially simultaneously at a plurality of distances with a simple configuration.
  • a display device includes a display element, a projection optical system that enlarges an image formed on the display element, and a diffusion function.
  • An intermediate screen arranged on the light exit side of the projection optical system, an enlarged projection optical system for enlarging an image on the intermediate screen, and a display control unit for controlling the operation of the display element while spatially moving the intermediate screen.
  • the intermediate screen is capable of arranging a plurality of local regions having different positions in the optical axis direction on the optical path, and the display control unit has a virtual image distance corresponding to the plurality of local regions in the plurality of local regions. A plurality of different images are formed.
  • FIG. 1A is a side sectional view showing a state in which the image display device of the first embodiment is mounted on a vehicle body
  • FIG. 1B is a front view illustrating the image display device from the inside of the vehicle. It is an expanded side sectional view explaining the example of a specific structure of a virtual image display optical system etc.
  • 3A and 3B are a plan view and a side view for explaining the structure of the diffusing unit incorporating the intermediate screen
  • FIG. 3C is a conceptual diagram for explaining the movement of the functional area accompanying rotation of the intermediate screen.
  • FIG. 4 is a diagram specifically illustrating a change in the position of an intermediate image.
  • 5A to 5D are conceptual diagrams illustrating the state of image formation at the position of the intermediate screen.
  • FIGS. 9B to 9D are views corresponding to the display image or the frame in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an operation example of the image display device.
  • 11A and 11B are a side cross-sectional view and a cross-sectional view taken along the line AA for explaining the structure of a diffusion unit incorporated in the image display device of the second embodiment. It is a side sectional view explaining the image display device of a 3rd embodiment.
  • FIGS. 1A and 1B are a schematic side sectional view and a front view illustrating an image display device 100 as a display device and a use state thereof.
  • the image display device 100 is mounted in the vehicle body 2 as a head-up display (HUD) device, for example, and includes a drawing unit 10 and a display screen 20.
  • the image display device 100 displays the image information displayed on a display element 11 described later in the drawing unit 10 to the driver UN via the display screen 20 in a virtual image.
  • HUD head-up display
  • the drawing unit 10 of the image display device 100 is installed so as to be embedded in the dashboard 4 of the vehicle body 2 and behind the display 50, and displays display light HK corresponding to an image including driving-related information and the like on a display screen. Inject toward 20.
  • the display screen 20 is also called a combiner and is a semi-transparent concave mirror or a plane mirror.
  • the display screen 20 is erected on the dashboard 4 by supporting the lower end, and reflects the display light HK from the drawing unit 10 toward the rear of the vehicle body 2. That is, in the case shown in the figure, the display screen 20 is a stand-alone type that is installed separately from the front window 8.
  • the display light HK reflected by the display screen 20 is guided to an eye box (not shown) corresponding to the pupil HT of the driver UN sitting in the driver's seat 6 and its peripheral position.
  • the driver UN can observe the display light HK reflected on the display screen 20, that is, the display image IM as a virtual image in front of the vehicle body 2.
  • the driver UN can observe the external light transmitted through the display screen 20, that is, the front view, the real image of the automobile, and the like.
  • the driver UN superimposes the display image (virtual image) IM including driving-related information and the like formed by the reflection of the display light HK on the display screen 20 superimposed on the external image or the see-through image behind the display screen 20. Can be observed.
  • the display screen 20 is formed separately from the front window 8, but the front window 8 is used as a display screen, and a projection is performed on a display range set in the front window 8, so that the driver UN displays the display image. It is good also as a structure which can observe IM.
  • a reflection area can be secured.
  • the reflection angle at the front window 8 is, for example, about 60 degrees, the reflectivity is secured at about 15%, and it can be used as a transmissive reflecting surface without providing a coat.
  • the display screen 20 may be sandwiched between the glasses of the front window 8.
  • the drawing unit 10 includes a main body optical system 13 that is a virtual image type enlarged imaging system including a display element 11, a display control unit 18 that operates the main body optical system 13, a main body optical system 13, and the like. And a housing 14 for storing the same.
  • a combination of the main body optical system 13 and the display screen 20 constitutes a virtual image display optical system 30.
  • the main body optical system 13 includes, in addition to the display element 11, a projection optical system 15 capable of forming an intermediate image TI obtained by enlarging an image formed on the display element 11, and a planned image formation position of the intermediate image TI or a vicinity thereof (hereinafter, referred to as the following).
  • a projection optical system 15 capable of forming an intermediate image TI obtained by enlarging an image formed on the display element 11, and a planned image formation position of the intermediate image TI or a vicinity thereof (hereinafter, referred to as the following).
  • the forced intermediate an enlarged projection optical system 17 for enlarging the image TI ′).
  • the display element 11 has a two-dimensional display surface 11a.
  • the image formed on the display surface 11 a of the display element 11 is enlarged by the projection optical system 15 of the main optical system 13 and projected onto the diffusion unit 16.
  • the projection optical system 15 enlarges the image formed on the display surface 11a of the display element 11, so that the display image IM or the projection image , Ie, the switching of the display image IM displayed as a virtual image through the display screen 20 can be made relatively fast.
  • the operation of the display element 11 is controlled by a display control unit 18 to be described later so as to synchronize with the operation of a rotation drive unit 64 attached to the diffusion unit 16.
  • the display element 11 may be a reflective element such as DMD (Digital Mirror Device) or LCOS (Liquid Crystal on Silicon) or a transmissive element such as liquid crystal. Note that a backlight, an LED (light emitting diode), or a semiconductor laser may be used as a light emitter for illuminating a liquid crystal or the like.
  • a DMD Digital Mirror Device
  • LCOS Liquid Crystal on Silicon
  • a semiconductor laser may be used as a light emitter for illuminating a liquid crystal or the like.
  • the display element 11 operates at a frame rate of 30 fps or more, more preferably 60 fps or more, for each virtual image distance.
  • the projection optical system 15 is a fixed-focus lens system, and has a plurality of lenses (not shown).
  • the projection optical system 15 enlarges and projects the image formed on the display surface 11a of the display element 11 on the diffusion unit 16 as an intermediate image TI or a forced intermediate image TI 'at an appropriate magnification.
  • the diffusing unit 16 is a member arranged at a position projected by the projection optical system 15 or at an image forming position (that is, at or near a position where the intermediate image TI is to be formed).
  • the sensor 65 detects the rotational position. That is, the rotation drive unit 64 causes the diffusion unit 16 (specifically, the intermediate screen 19 of the rotating body 16a described later) to move within the movable range along the optical axis AX via the display control unit 18 described later. Perform periodic motion.
  • the rotation drive unit 64 operates under the control of the display control unit 18, and based on the detection result of the arrangement of the intermediate screen 19 by the sensor 65, calculates the rotation position and the rotation speed of the intermediate screen 19 by projecting the display element 11. Adjusted according to timing.
  • the sensor 65 is disposed so as to face an outer periphery of the intermediate screen 19 described later, and detects a passage timing of a boundary portion 16j corresponding to a break of the intermediate screen 19, thereby detecting a rotation angle related to the arrangement of the intermediate screen 19. I check regularly. With the sensor 65, the spatial movement of the intermediate screen 19 can be accurately grasped, and the setting of the display image IM according to the virtual image distance becomes easy.
  • a photo interrupter can be used as the sensor 65.
  • a general photo interrupter is a sensor module that incorporates a light emitting unit and a light sensor unit. At the boundary 16j of the intermediate screen 19, the reflection direction and the diffusion direction fluctuate as compared with the front and rear regions. Therefore, the light detection intensity of the light emitting unit of the photo interrupter is compared with a predetermined threshold value, and the like. The passage can be monitored precisely. When the drive control of the rotation drive unit 64 is accurate, the sensor 65 can be omitted.
  • the diffusion unit 16 incorporated in the image display device 100 includes a spiral rotator 16 a having a profile close to a disk as a whole, and a central shaft portion 16 r supporting the rotator 16 a. Have.
  • the rotating body 16a has a central portion 16c and an outer peripheral optical portion 16p.
  • One surface 16f (in this embodiment, the surface on the projection optical system 15 side or the + Y side) formed on the outer peripheral optical portion 16p of the rotating body 16a is formed as a smooth surface or an optical surface, and is formed on the surface 16f.
  • the intermediate screen 19 is an annular diffuser plate whose light distribution angle is controlled to a desired angle.
  • the intermediate screen 19 can be a sheet attached to the rotating body 16a, but may be a fine uneven pattern formed on the surface of the rotating body 16a. Further, the intermediate screen 19 may be formed so as to be embedded inside the rotating body 16a.
  • the intermediate screen 19 forms an intermediate image TI or a forced intermediate image TI 'by diffusing the incident display light HK (see FIG. 2).
  • the other surface 16s (the surface on the side of the enlarged projection optical system 17 in the present embodiment) formed on the outer peripheral optical portion 16p of the rotating body 16a is formed as a smooth surface or an optical surface.
  • the rotating body 16a is a spiral member having optical transparency, and the pair of surfaces 16f and 16s are spiral surfaces having the rotating axis SX as a spiral axis.
  • the intermediate screen 19 formed on one surface 16f is formed in a range of one spiral pitch.
  • a step-shaped boundary portion 16j is formed at one position along the circumference of the diffusion portion 16, and this boundary portion 16j has a distance step of, for example, 30 mm or less in the optical axis AX direction or the rotation axis SX direction at a position corresponding to the spiral end.
  • the boundary 16j of the diffusion unit 16 is also the boundary of the intermediate screen 19. Since the intermediate screen 19 has the boundary portion 16j, a periodic motion for orbiting the intermediate screen 19 becomes possible, and the functional area FA can be orbited along the intermediate screen 19.
  • the boundary portion 16j connects a step between the spiral ends and has a strip-shaped connection surface 16k that is inclined with respect to a plane including the rotation axis SX that rotates the diffusion portion 16.
  • the pair of surfaces 16f and 16s of the rotating body 16a is a spiral surface having the rotating axis SX as the spiral axis, the rotating body 16a has a thickness t substantially equal to the rotating axis SX or the optical axis AX direction. Have.
  • one location along the circumferential direction of the rotator 16a is a functional area FA through which the optical axis AX of the main body optical system 13 passes.
  • An image TI is formed.
  • This functional area FA moves at a constant speed on the rotating body 16a and rotates on the rotating body 16a as the rotating body 16a rotates (see FIG. 3C).
  • the intermediate screen 19 since the intermediate screen 19 is formed in a range corresponding to one cycle of the spiral, the intermediate screen 19 moves spatially by one rotation of the rotating body 16a, and the functional area FA or the intermediate area of the intermediate screen 19 is rotated.
  • the image TI moves by the distance D corresponding to the step in the optical axis AX direction (see FIG. 3B).
  • the projection optical system 15 has a predetermined depth of focus equal to or larger than the movement range of the functional area FA so that the position of the intermediate screen 19 provided in the diffusion unit 16 does not cause defocus.
  • the enlarged projection optical system 17 enlarges the intermediate image TI formed in the diffusion unit 16 in cooperation with the display screen 20 and displays the intermediate image TI as a virtual image through the display screen 20 in front of the driver UN.
  • An image IM is formed.
  • the enlarged projection optical system 17 is configured by at least one mirror, but in the illustrated example, includes two mirrors 17a and 17b.
  • the rotation unit 64 is operated while being monitored by the sensor 65 under the control of the display control unit 18, so that the diffusion unit 16 rotates around the rotation axis SX, and the rotating body
  • the position at which 16a or the intermediate screen 19 intersects the optical axis AX also moves in the optical axis AX direction. That is, as shown in FIG. 3C, for example, with the rotation of the rotating body 16a, the functional area FA on the intermediate screen 19 is shifted from the original functional area FA1 by, for example, an equal angle to the adjacent functional area FA1.
  • the light is sequentially shifted to FA2 and FA3, and moves in the optical axis AX direction.
  • the position of the intermediate image TI can also be moved in the direction of the optical axis AX.
  • the diffusion unit 16 rotates around the rotation axis SX, the position of the intermediate image TI corresponding to the functional area FA repeatedly and periodically moves in the direction of the optical axis AX.
  • the distance between the display image IM as a virtual image formed in the above and the driver UN as the observer can be increased or decreased.
  • the position of the projected display image IM is changed back and forth under the control of the display control unit 18, and the display content by the display element 11 is made to correspond to the position.
  • the display content of the display image IM is changed while changing the projection distance or the virtual image distance, and a series of display images IM can be made three-dimensional.
  • FIG. 4 is a diagram specifically illustrating a change in the position of the intermediate image TI due to the rotation of the diffusion unit 16.
  • the center of the functional area FA of the diffusion unit 16 is repeatedly and periodically moved along the optical axis AX in a saw-tooth pattern PA, and the display element 11 continuously displays the center position of the intermediate image TI. In this case, as shown in the figure, it moves periodically in a sawtooth-shaped temporal pattern PA along the optical axis AX direction.
  • the position of the intermediate image TI changes continuously and periodically with the rotation of the diffusion unit 16 while being discontinuous at a position corresponding to the boundary 16j.
  • the position of the display image (virtual image) IM also has a different scale, but moves repeatedly and periodically along the optical axis AX direction similarly to the position of the intermediate image TI, so that the projection distance becomes continuous. Can be changed. Since the display element 11 does not perform continuous display, but performs intermittent display while switching display contents, the display position of the intermediate image TI is also a discrete position on the sawtooth-shaped temporal pattern PA. . In the temporal pattern PA, the display position Pn closest to the shortest distance or the enlargement optical system 17 and the display position Pf closest to the far distance or the anti-magnification optical system 17 are set at both ends of the temporal pattern PA. .
  • the break PD of the temporal pattern PA corresponds to the boundary 16j provided on the rotating body 16a of the diffusion unit 16. Further, the centers of the functional areas FA1, FA2, FA3 shown in FIG. 3C correspond to the discrete display positions P1, P2, P3 on the temporal pattern PA.
  • FIGS. 5A to 5D are diagrams illustrating a method of forming the intermediate image TI on the intermediate screen 19 of the diffusion unit 16, and particularly illustrating switching of image display accompanying passage of the boundary 16j.
  • the intermediate image TI or the functional area FA on the optical path is located on the projection optical system 15 side or the + Y side in the entire area, but does not intersect with the boundary 16j.
  • This image DA corresponds to an image formed on the display surface 11a of the display element 11 on the optical path and is formed of four divided areas AR11 to AR14 having different positions in the optical axis AX direction.
  • the four divided areas AR11 to AR14 can be simultaneously arranged on the optical path, and individual images corresponding to the position in the optical axis AX direction or the virtual image distance can be formed in the four divided areas AR11 to AR14.
  • the resolution of the virtual image distance of the display image (virtual image) IM is coarse, an integrated image that is continuous in the direction perpendicular to the projection direction can be formed in the divided areas AR11 to AR14.
  • the right end side of the intermediate image TI or the functional area FA on the optical path intersects the boundary 16j, and the intermediate image TI is located on the side of the enlarged projection optical system 17 or on the ⁇ Y side (back side of the paper). It is composed of a certain first partial image DA1 and a second partial image DA2 which is on the projection optical system 15 side or on the + Y side (front side of the drawing) and occupies most of the rest.
  • the first partial image DA1 is formed on the first local area LA1 on the optical path of the intermediate screen 19, and the second partial image DA2 is formed on the second local area LA2 on the optical path of the intermediate screen 19. I have.
  • the partial images DA1 and DA2 formed in both the local regions LA1 and LA2 correspond to the images formed collectively on the display surface 11a of the display element 11, but have a non-display region ND in a portion corresponding to the boundary 16j.
  • the first partial image DA1 is composed of a single divided area AR21, while the second partial image DA2 is composed of three divided areas AR22 to AR24 having different positions in the optical axis AX direction.
  • the divided area AR21 is an area corresponding to one side or the light source side of the boundary 16j
  • the divided areas AR22 to AR24 are areas corresponding to the other side or the projection side of the boundary 16j.
  • the first partial image DA1 has display contents corresponding to the virtual image distance determined by the position of the divided area AR21 in the optical axis AX direction
  • the second partial image DA2 has the display contents of the divided areas AR22 to AR24 in the optical axis AX direction.
  • the display content corresponds to the virtual image distance determined by the above.
  • the center of the intermediate image TI or the functional area FA on the optical path intersects the boundary 16j, and the intermediate image TI is the first partial image on the enlarged projection optical system 17 side or the ⁇ Y side.
  • These partial images DA1 and DA2 correspond to images formed collectively on the display surface 11a of the display element 11, but have a non-display area ND in a portion corresponding to the boundary 16j.
  • the first partial image DA1 is composed of two divided areas AR31 and AR32 having different positions in the optical axis AX direction
  • the second partial image DA2 is composed of two divided areas AR33 and AR34 having different positions in the optical axis AX direction. Is done.
  • the first partial image DA1 has display contents corresponding to the virtual image distance determined by the positions of the divided areas AR31 and AR32 in the optical axis AX direction
  • the second partial image DA2 has the display contents in the optical axis AX direction of the divided areas AR33 and AR34.
  • the display content corresponds to the virtual image distance determined by the position of.
  • the divided areas AR31 to AR34 individual images corresponding to the position in the optical axis AX direction or the virtual image distance can be formed.
  • the resolution related to the virtual image distance of the display image (virtual image) IM It is also possible to form an integrated image that is continuous in a direction perpendicular to the projection direction.
  • the left end side of the intermediate image TI or the functional area FA intersects the boundary 16j, and the intermediate image TI is located on the enlarged projection optical system 17 side or the ⁇ Y side and occupies most of the first portion.
  • the image DA1 is composed of the image DA1 and the remaining second partial image DA2 on the projection optical system 15 side or the + Y side (on the front side of the drawing).
  • These partial images DA1 and DA2 correspond to images formed collectively on the display surface 11a of the display element 11, but have a non-display area ND in a portion corresponding to the boundary 16j.
  • the first partial image DA1 is composed of three divided areas AR41 to AR43 having different positions in the optical axis AX direction
  • the second partial image DA2 is composed of a single divided area AR44.
  • the first partial image DA1 has a display content corresponding to the virtual image distance determined by the positions of the divided areas AR41 to AR43 in the optical axis AX direction
  • the second partial image DA2 has a position in the optical axis AX direction of the divided area AR44.
  • the display content corresponds to the virtual image distance determined by the above.
  • individual images corresponding to the position in the optical axis AX direction or the virtual image distance can be formed.
  • the resolution related to the virtual image distance of the display image (virtual image) IM It is also possible to form an integrated image that is continuous in a direction perpendicular to the projection direction.
  • FIG. 5A when one screen area AL1 of the functional area FA is considered, the image formation and projection of the fourth divided area AR14 closest to the projection optical system 15 side or + Y side by the image formation and projection shown in FIG. 5A. Is performed, and the image formation and projection of the third segmented area AR24 closest to the projection optical system 15 side or the + Y side is performed by the image formation and projection illustrated in FIG. 5B, and the projection is performed by the image formation and projection illustrated in FIG. 5C. Image formation and projection of the second segmented area AR34 closest to the optical system 15 side or + Y side is performed, and the first segmented area AR44 closest to the projection optical system 15 side or + Y side is performed by the image formation and projection shown in FIG. 5D.
  • the intermediate image TI is formed stepwise with an appropriate distance resolution from the display position Pf on the projection optical system 15 side to the display position Pn on the enlarged projection optical system 17 side. Then, the display image (virtual image) IM is discretely projected over the entire possible range of the virtual image distance, and three-dimensional display becomes possible.
  • FIGS. 6A to 6D are diagrams for explaining the case where a color-separated color image is projected.
  • the image formation and the projection shown in FIG. 5A are used as the timing of the image formation and the projection of the R image, and the period from the projection of FIG. 5A to the projection of FIG. Used for projection. That is, as shown in FIG. 6B, the G image is formed and projected with a phase shift of 1 / of the phase shift between FIGS. 5A and 5B, and as shown in FIG. 6C, the phase shift between FIGS. 5A and 5B is performed.
  • the B image is formed and projected with a phase shift of 2/3.
  • FIG. 6A the image formation and the projection shown in FIG. 5A are used as the timing of the image formation and the projection of the R image, and the period from the projection of FIG. 5A to the projection of FIG. Used for projection. That is, as shown in FIG. 6B, the G image is formed and projected with a phase shift of 1 / of the phase shift between FIGS
  • the intermediate image TI corresponding to the R color is formed as a single-region image CDA.
  • the R-color image CDA is composed of the divided areas ARr1 to ARr4.
  • the intermediate image TI corresponding to the G color is divided into a first partial image CDA1 and a second partial image CDA2.
  • the second partial image CDA2 of G color is composed of the divided areas ARg1 to ARg4.
  • the intermediate image TI corresponding to the B color is divided into a first partial image CDA1 and a second partial image CDA2.
  • the second partial image CDA2 of B color is composed of the divided areas ARb1 to ARb4.
  • an intermediate image TI corresponding to the R color is formed again. In this case, the intermediate image TI is divided into a first partial image CDA1 and a second partial image CDA2.
  • the intermediate image TI or the display image that matches the virtual image distance is displayed or formed in units of the first partial image CDA1 and the second partial image CDA2, or in units of the divided areas AR11 to AR14, AR21 to AR24,.
  • An intermediate image TI or a display image suitable for the virtual image distance may be displayed or formed in pixel units constituting the display surface 11a of the display element 11.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating the display system 200 for a mobile object.
  • the display system 200 for a mobile object includes the image display device 100 as a part thereof.
  • the image display device 100 has the structure shown in FIG. 2, and the description is omitted here.
  • the moving body display system 200 is incorporated in a moving body such as an automobile.
  • the display system 200 for a mobile object includes, in addition to the image display device 100, a driver detection unit 71, an environment monitoring unit 72, and a main control device 90.
  • the driver detecting unit 71 detects the presence of the driver UN and the viewpoint position, and includes a driver's seat camera 71a, a driver's seat image processing unit 71b, and a determining unit 71c.
  • the driver's seat camera 71a is installed in front of the driver's seat 6 of the dashboard 4 in the vehicle body 2 (see FIG. 1B), and captures images of the head of the driver UN and its surroundings.
  • the driver's seat image processing unit 71b performs various image processing such as brightness correction on an image captured by the driver's seat camera 71a, and facilitates the processing by the determination unit 71c.
  • the determination unit 71c detects the head and eyes of the driver UN by extracting or cutting out the object from the driver's seat image that has passed through the driver's seat image processing unit 71b, and detects the vehicle body from the depth information attached to the driver's seat image. The presence / absence of the head of the driver UN in 2 and the spatial position of the eyes of the driver UN (as a result, the direction of the line of sight) are calculated.
  • the environment monitoring unit 72 is a unit that identifies a car, a bicycle, a pedestrian, and the like approaching forward, and 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 and outside the vehicle body 2, and captures an external image of the driver UN or the front and side of the front window 8.
  • the external image processing unit 72b performs various image processing such as brightness correction on an image captured by the external camera 72a, and facilitates the processing by the determination unit 72c.
  • the determination unit 72c detects the presence or absence of an object such as a car, a bicycle, and a pedestrian by extracting or cutting out an object from the external image that has passed through the external image processing unit 72b, and determines from the depth information attached to the external image. The spatial position of the object in front of the vehicle body 2 is calculated.
  • the driver's seat camera 71a and the external camera 72a are, for example, compound eye type three-dimensional cameras. That is, each of the cameras 71a and 72a is configured by arranging, in a matrix, camera elements each having a pair of an imaging lens and a CMOS or other imaging element, and has a driving circuit for the imaging element.
  • the plurality of camera elements constituting each of the cameras 71a and 72a are adapted to focus on, for example, different positions in the depth direction, or to detect relative parallax, and are obtained from each camera element. By analyzing the state of the image (the focus state, the position of the object, and the like), it is possible to determine the distance to each area or the object in the image.
  • each part (region or object) in the captured screen is viewed in the depth direction.
  • Distance information can be obtained.
  • a stereo camera in which two two-dimensional cameras are separately arranged can obtain distance information in the depth direction with respect to each part (region or object) in the captured screen.
  • distance information in the depth direction can be obtained for each part (area or object) in the captured screen.
  • the display control unit 18 operates the virtual image display optical system 30 under the control of the main controller 90 to display a three-dimensional display image IM in which the virtual image distance changes behind the display screen 20.
  • the display control unit 18 generates a display image IM to be displayed on the virtual image display optical system 30 from the display information including the display shape and the display distance received from the environment monitoring unit 72 via the main control device 90. Further, the display control unit 18 generates the first partial image DA1 and the second partial image DA2 forming the display image IM, or generates the first partial image CDA1 and the second partial image CDA2 forming the display image IM. Generated, and these are further divided into partitioned areas.
  • the display control unit 18 allocates an order, a timing, and the like to be displayed on the intermediate screen 19 with respect to the image data in the divided area unit obtained in this manner, and displays an image element corresponding to the image data on the intermediate screen 19.
  • a display image IM in which image elements corresponding to image data are spatially integrated is, for example, a frame located in the vicinity of a car, a bicycle, a pedestrian, or another object existing behind the display screen 20 in the depth position direction. It may be a marker such as a frame HW (see FIG. 8).
  • the display control unit 18 receives a detection output regarding the presence of the driver UN and the position of the eyes from the driver detection unit 71 via the main control device 90. Thereby, it becomes possible to automatically start and stop the projection of the display image IM by the virtual image display optical system 30. Further, the display image IM can be projected only in the direction of the line of sight of the driver UN. Further, it is also possible to perform projection in which only the display image IM in the direction of the line of sight of the driver UN is brightened or blinked.
  • the main control device 90 has a role of harmonizing the operations of the image display device 100, the environment monitoring unit 72, and the like, and a virtual image display optical system so as to correspond to the spatial position of the object detected by the environment monitoring unit 72.
  • the spatial arrangement of the frame HW projected by 30 is adjusted.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating a specific display state.
  • the front of the driver UN which is the observer, is a detection area VF corresponding to the observation visual field. It is assumed that there are objects OB1 and OB3 of a person such as a pedestrian and an object OB2 of a moving object such as a car in the detection area VF, that is, on the road and its periphery.
  • the main control device 90 causes the image display device 100 to project a three-dimensional display image (virtual image) IM, and to each of the objects OB1, OB2, OB3, a frame frame HW1, HW2, HW3 as a related information image. Is added.
  • the virtual image distance from the driver UN to each of the objects IM1, IM2, and IM3 for displaying the frame frames HW1, HW2, and HW3 is different from that of the driver UN. It is equivalent to the distance to OB1, OB2, and OB3.
  • the virtual image distances of the display images IM1, IM2, and IM3 are discrete, and cannot always be made to exactly match the actual distances to the objects OB1, OB2, and OB3. However, if the difference between the virtual image distance of the display images IM1, IM2, and IM3 and the actual distance to the objects OB1, OB2, and OB3 is not large, parallax is unlikely to occur even when the viewpoint of the driver UN moves, and the objects OB1 and OB1 do not move.
  • the arrangement relationship between OB2, OB3 and the frame HW1, HW2, HW3 can be substantially maintained.
  • FIG. 9A corresponds to FIG. 4
  • FIG. 9B corresponds to the display image IM3 or the frame frame HW3 in FIG. 8
  • FIG. 9C corresponds to the display image IM2 or the frame frame HW2 in FIG.
  • the display image IM1 is a projection image when all or a part of the functional area FA or the intermediate image TI of the rotating body 16a is located within a predetermined range around the display position PO1. Or it corresponds to a display image.
  • the display image IM2 corresponds to a projection image or a display image when all or part of the functional area FA or the intermediate image TI of the rotating body 16a is located within a predetermined range around the display position PO2
  • the display image IM3 corresponds to a projection image or a display image when all or a part of the functional area FA or the intermediate image TI of the rotating body 16a is located within a predetermined range around the display position PO3.
  • the display image IM3 or the frame HW3 corresponding to the display position PO3 is displayed. If the above one cycle is visually short, the switching of the display images IM1, IM2, IM3 becomes very fast, and the driver UN, who is the observer, simultaneously observes the frame frames HW1, HW2, HW3 as images having depth. Recognize that you are doing.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating the operation of main controller 90.
  • the main controller 90 detects the objects OB1, OB2, and OB3 using the environment monitoring unit 72, the display data of the image corresponding to the frame frames HW1, HW2, and HW3 corresponding to the objects OB1, OB2, and OB3. Is generated and stored in a storage unit (not shown) (step S11).
  • main controller 90 performs data conversion such that the display data obtained in step S11 is allocated to the corresponding virtual image distance and display zone (step S12).
  • the corresponding frame frames HW1, HW2, HW3 are assigned to any one of the display zones of the corresponding virtual image distance according to the positions of the objects OB1, OB2, OB3.
  • main controller 90 processes the display data corresponding to the frame frames HW1, HW2, and HW3 in consideration of the step or the boundary so as to conform to the virtual image distance and the display zone to which the display data has been allocated, and stores the storage unit (not shown). (Step S13). Finally, the main controller 90 outputs the display data obtained in step S13 to the display controller 18 in synchronization with the operation of the rotation driver 64, and causes the display element 11 to respond to the functional area FA of the rotator 16a. A display operation is performed (step S14).
  • the display control unit 18 generates a plurality of partial images DA1 and DA2 having different virtual image distances corresponding to the plurality of local regions LA1 and LA2 in the plurality of local regions LA1 and LA2. Since each is formed, a virtual image can be projected using the plurality of local regions LA1 and LA2 arranged on the optical path without waste.
  • the diffusion unit 116 has a spiral rotator 116a having a profile close to a cylindrical container as a whole.
  • the diffusing unit 116 is arranged at a projection position or an image forming position by the projection optical system 15 shown in FIG. 1 (that is, at or near a planned image forming position of the intermediate image TI), and is driven by a rotation driving unit (not shown) to, for example, be fixed. It rotates around a rotation axis SX perpendicular to the optical axis AX at a speed.
  • the rotator 116a has a cylindrical shape including a portion where the distance from the rotation axis SX to the surface serving as the functional area FA changes continuously according to the angular direction around the rotation axis SX.
  • the rotation axis SX of the rotator 116a is disposed substantially orthogonal to the optical axis AX.
  • Rotating body 116a has end face 116b and side face 116c.
  • the rotating body 116a has an open structure on the opposite side of the end face 116b, and is arranged so as to surround the optical path bending mirror M1 separately fixed by a support member (not shown).
  • the end face 116b and the side face 116c are formed of the same material having light transmittance. However, the end face portion 116b may not have light transmittance, and may be partially hollow, for example.
  • the end face 116b of the rotating body 116a is a disc-shaped member, and supports one end of the side face 116c.
  • the end face portion 116b is rotatably supported by a rotation drive unit (not shown) via the central shaft portion 116r.
  • a balancer can be provided on the rotating body 116a in order to stabilize the rotation of the rotating body 116a.
  • the side surface portion 116c of the rotating body 116a is an optical portion, and one surface 116d formed outside the side surface portion 116c is formed as a smooth surface or an optical surface.
  • An annular intermediate screen 19 is formed on the entire surface 116d.
  • the intermediate screen 19 can be a sheet attached to the side face 116c of the rotating body 116a, but may be a fine uneven pattern formed on the surface of the rotating body 116a.
  • the intermediate screen 19 forms an intermediate image TI or a forced intermediate image TI 'by diffusing the incident display light HK (see FIG. 2).
  • the other surface 116e formed inside the side surface portion 116c of the rotating body 116a is formed as a smooth surface or an optical surface.
  • the three-dimensional shape of the rotating body 116a has a shape in which the distance from the rotation axis SX to the functional area FA changes continuously.
  • the side surface portion 116c of the rotating body 116a is a spiral member having optical transparency, and the pair of surfaces 116d and 116e are spiral-shaped side surfaces with the rotation axis SX as a reference axis.
  • the intermediate screen 19 formed on one surface 116d is also formed along a continuous spiral type side surface.
  • the intermediate screen 19 is formed in a range corresponding to the pattern of the functional area FA (or the pattern of the spiral type side).
  • the intermediate screen 19 spatially moves with the rotation of the rotating body 116a, and a portion of the intermediate screen 19 that intersects with the optical axis AX periodically moves within a movable range along the optical axis AX direction. I do.
  • the position of the functional area FA of the intermediate screen 19 in the optical axis AX direction can be appropriately set, and the virtual image projection distance can be appropriately changed.
  • a boundary portion 116f is formed at one location along the circumference of the side surface portion 116c of the rotating body 116a.
  • the boundary portion 116f gives a step to both ends of the intermediate screen 19 in a direction parallel to the optical axis AX direction.
  • the boundary 116f of the rotating body 116a is also the boundary of the intermediate screen 19.
  • the display light HK from the projection optical system 15 shown in FIG. 1 is reflected by the mirror M1 shown in FIG. 11A, passes through the intermediate screen 19, the degree of diffusion is adjusted, and is reflected by the display screen 20 via the enlarged projection optical system 17. Is done.
  • the intermediate screen 19 or the rotating body 116a has the boundary 116f, and has a plurality of local regions LO1 and LO2 at different positions on the optical axis AX before and after the boundary 116f. Therefore, by forming the intermediate image TI by the same method as that shown in FIGS. 5A to 5D or by causing the display element 11 to perform display, the projection of the virtual image is efficiently performed using the local regions LO1 and LO2 around the boundary 116f. Becomes possible.
  • the display device of the third embodiment is a modification of the display device of the first embodiment, and items that are not particularly described are the same as those of the first embodiment.
  • the diffusion section 216 has an optical element 216a having a flat plate-shaped outline as a whole.
  • the diffusing unit 216 is arranged at a projection position or an image forming position by the projection optical system 15 shown in FIG. 1 (that is, at or near the planned image forming position of the intermediate image TI), and is driven by the reciprocating drive unit 264 to move the optical axis AX. Reciprocate in the vertical direction DD.
  • the optical element 216a is composed of three portions 216c, 216d, and 216e having different thicknesses arranged in the direction DD, and an intermediate screen 19 is provided on the surface of the portions 216c, 216d, and 216e on the projection optical system 15 side. Is formed.
  • the intermediate screen 19 moves spatially, and any one of the portions 216c, 216d, and 216e is arranged on an optical path intersecting the optical axis AX. That is, a portion of the intermediate screen 19 that intersects the optical axis AX moves periodically within a movable range along the optical axis AX direction.
  • a plurality of step-shaped boundary portions 216j are formed between the portions 216c, 216d, and 216e. These boundaries 216j give the intermediate screen 19 a plurality of steps in a direction parallel to the optical axis AX direction.
  • the intermediate screen 19 or the optical element 216a has the boundary 216j, and has a plurality of local regions LO1 and LO2 at different positions on the optical axis AX before and after the boundary 216j. Therefore, by forming the intermediate image TI by the same method as that shown in FIGS. 5A to 5D or by causing the display element 11 to perform display, the virtual image is projected using the local regions LO1 and LO2 around the boundary 216j without waste. Becomes possible.
  • the display device as a specific embodiment has been described above, the display device according to the present invention is not limited to the above.
  • the arrangement of the image display device 100 may be inverted upside down.
  • the outline of the display screen 20 is not limited to a rectangle, but may be various shapes.
  • the projection optical system 15 and the enlarged projection optical system 17 shown in FIG. 2 and the like are merely examples, and the optical configurations of the projection optical system 15 and the enlarged projection optical system 17 can be appropriately changed. .
  • the arrangements and contours of the local areas LA1 and LA2 and the partial images DA1 and DA2 shown in FIGS. 5A to 5D are merely examples, and can be appropriately changed according to the specifications of the display device.
  • the contour or the like of the local region or the partial image can be changed in units of a cycle or a plurality of cycles.

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Abstract

簡素な構成でありながら複数の距離に虚像を実質的に同時に表示させることができる表示装置を提供する。表示装置である画像表示装置１００は、表示素子１１に形成された像を拡大する投影光学系１５と、拡散機能を有し、投影光学系１５の光射出側に配置される中間スクリーン１９と、中間スクリーン１９上の像を拡大する拡大投射光学系１７と、中間スクリーン１９を空間的に移動させるとともに表示素子１１の動作を制御する表示制御部１８とを備え、中間スクリーン１９は、光軸方向の位置が異なる複数の局所領域ＬＡ１，ＬＡ２を光路上に配置可能であり、表示制御部１８は、複数の局所領域ＬＡ１，ＬＡ２において、当該複数の局所領域ＬＡ１，ＬＡ２に対応して虚像距離が異なる複数の画像をそれぞれ形成させる。

Description

表示装置
　本発明は、視線の先に虚像を表示し、かつ虚像の投影位置を可変とした表示装置に関するものである。
　従来のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）装置は、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、運転者から虚像までの距離が一定だと眼の位置がずれた場合に対象物と危険信号（虚像）との位置がずれてしまい、運転者が対象物の位置を誤認してしまうという問題がある。
　このような問題を解決する手段として、対象物と虚像とを高フレームレートで重畳させて表示することができるシステムを持ち、中間スクリーンの像の倍率を変更できる光学素子を光軸方向に高速移動させる手法が考えられる。これにより、その対象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できる。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に記載の方法がある。この特許文献１では、ＭＥＭＳミラーのような走査型の像形成手段と、中間スクリーンと、投影手段と、中間スクリーン位置を変える可動手段とを備え、中間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することであるが、運転時の危険というのは視線の遠近に関係なく存在するものであるため、遠距離にも近距離にも同時に危険信号を表示できることが好ましい。そのためには、中間スクリーンを高速駆動し、それと同期させた映像を像形成手段によって生成することで、人間の目には同時に表示されているかのように見せることが考えられる。しかしながら、走査型の像形成手段では、高フレームレートでの表示切替えに対応することが難しいため、複数距離に虚像を同時に表示させる構成には向いていない。
特開２００９－１５０９４７号公報
　本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、簡素な構成でありながら複数の距離に虚像を実質的に同時に表示させることができる表示装置を提供することを目的とする。
　上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した表示装置は、表示素子と、表示素子に形成された像を拡大する投影光学系と、拡散機能を有し、投影光学系の光射出側に配置される中間スクリーンと、中間スクリーン上の像を拡大する拡大投射光学系と、中間スクリーンを空間的に移動させるとともに表示素子の動作を制御する表示制御部とを備え、中間スクリーンは、光軸方向の位置が異なる複数の局所領域を光路上に配置可能であり、表示制御部は、複数の局所領域において、当該複数の局所領域に対応して虚像距離が異なる複数の画像をそれぞれ形成させる。
図１Ａは、第１実施形態の画像表示装置を車体に搭載した状態を示す側方断面図であり、図１Ｂは、画像表示装置を説明する車内側からの正面図である。 虚像表示光学系等の具体的な構成例を説明する拡大側方断面図である。 図３Ａ及び３Ｂは、中間スクリーンを組み込んだ拡散部の構造を説明する平面図及び側面図であり、図３Ｃは、中間スクリーンの回転に伴う機能領域の移動等を説明する概念図である。 中間像の位置の変化を具体的に例示する図である。 図５Ａ～５Ｄは、中間スクリーンの位置における画像の形成状態を説明する概念図である。 図６Ａ～６Ｄは、画像の形成状態の変形例を説明する概念図である。 画像表示装置を含む移動体用表示システムを説明するブロック図である。 具体的な表示状態を説明する斜視図である。 図９Ａは、図４に対応する図であり、図９Ｂ～９Ｄは、図８中の表示像又はフレーム枠に対応する図である。 画像表示装置の動作例を説明する図である。 図１１Ａ及び１１Ｂは、第２実施形態の画像表示装置に組み込まれる拡散部の構造を説明する側断面図及びＡＡ矢視断面図である。 第３実施形態の画像表示装置を説明する側方断面図である。
〔第１実施形態〕
　以下、本発明に係る表示装置の第１実施形態である画像表示装置について説明する。
　図１Ａ及び１Ｂは、表示装置としての画像表示装置１００及びその使用状態を説明する概念的な側方断面図及び正面図である。この画像表示装置１００は、例えばヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置として車体２内に搭載されるものであり、描画ユニット１０と表示スクリーン２０とを備える。画像表示装置１００は、描画ユニット１０中の後述する表示素子１１に表示されている画像情報を、表示スクリーン２０を介して運転者ＵＮに向けて虚像表示するものである。
　画像表示装置１００のうち描画ユニット１０は、車体２のダッシュボード４内であってディスプレイ５０の背後に埋め込むように設置されており、運転関連情報等を含む画像に対応する表示光ＨＫを表示スクリーン２０に向けて射出する。表示スクリーン２０は、コンバイナーとも呼ばれ、半透過性を有する凹面鏡又は平面鏡である。表示スクリーン２０は、下端の支持によってダッシュボード４上に立設され、描画ユニット１０からの表示光ＨＫを車体２の後方に向けて反射させる。つまり、図示の場合、表示スクリーン２０は、フロントウインドウ８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２０で反射された表示光ＨＫは、運転席６に座った運転者ＵＮの瞳ＨＴ及びその周辺位置に対応するアイボックス（不図示）に導かれる。運転者ＵＮは、表示スクリーン２０で反射された表示光ＨＫ、つまり車体２の前方にある虚像としての表示像ＩＭを観察することができる。一方、運転者ＵＮは、表示スクリーン２０を透過した外界光、つまり前方景色、自動車等の実像を観察することができる。結果的に、運転者ＵＮは、表示スクリーン２０の背後の外界像又はシースルー像に重ねて、表示スクリーン２０での表示光ＨＫの反射によって形成される運転関連情報等を含む表示像（虚像）ＩＭを観察することができる。
　ここで、表示スクリーン２０をフロントウインドウ８と別体で構成しているが、フロントウインドウ８を表示スクリーンとして用い、フロントウインドウ８内に設定した表示範囲に投影を行って、運転者ＵＮが表示像ＩＭを観察できる構成としてもよい。この際、フロントウインドウ８のガラスの一部領域の反射率をコート等によって変更することで、反射領域を確保することができる。また、フロントウインドウ８での反射角度が例えば６０度程度であれば、反射率が１５％程度確保され、特にコートを設けなくても透過性を有する反射面として用いることができる。これら以外に、表示スクリーン２０をフロントウインドウ８のガラス中に挟む構成とすることもできる。
　図２に示すように、描画ユニット１０は、表示素子１１を含む虚像型の拡大結像系である本体光学系１３と、本体光学系１３を動作させる表示制御部１８と、本体光学系１３等を収納するハウジング１４とを備える。これらのうち本体光学系１３と表示スクリーン２０とを組み合わせたものは、虚像表示光学系３０を構成する。
　本体光学系１３は、表示素子１１のほかに、表示素子１１に形成された画像を拡大した中間像ＴＩを形成可能な投影光学系１５と、中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍（以下では結像位置とも呼ぶ）に配置される拡散部１６と、拡散部１６上の像（中間像ＴＩそのものの他、中間像ＴＩから位置ズレして僅かにピントがぼけたものも含み、強制中間像ＴＩ’とも呼ぶ）を拡大する拡大投射光学系１７とを備える。
　表示素子１１は、２次元的な表示面１１ａを有する。表示素子１１の表示面１１ａに形成された像は、本体光学系１３のうち投影光学系１５で拡大されて拡散部１６へ投影される。この際、２次元表示が可能な表示素子１１を用いることで、投影光学系１５が表示素子１１の表示面１１ａに形成された像を拡大するので、拡散部１６への表示像ＩＭ又は投影像の切替え、つまり表示スクリーン２０越しに虚像として表示される表示像ＩＭの切替えを比較的高速とできる。表示素子１１の動作は、後述する表示制御部１８によって拡散部１６に付随する回転駆動部６４の動作と同期するように制御されている。表示素子１１は、ＤＭＤ（Digital Mirror 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。なお、液晶等を照明する発光体としては、バックライト、ＬＥＤ（light emitting diode）、半導体レーザーを用いてもよい。特に、表示素子１１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替えることが容易になり、虚像距離又は投影距離を変化させる表示に有利である。なお、表示素子１１は、虚像距離を変化させる場合には、それぞれの虚像距離に対して３０ｆｐｓ以上、さらに望ましくは６０ｆｐｓ以上のフレームレートで動作する。これにより、異なる虚像距離に複数の表示像（虚像）ＩＭを運転者ＵＮに対して同時に表示されているように見せることが容易になる。特に、９０ｆｐｓ以上で表示の切替えを行う場合、ＤＭＤやＬＣＯＳが表示素子１１の候補となる。
　投影光学系１５は、固定焦点のレンズ系であり、図示を省略するが、複数のレンズを有する。投影光学系１５は、表示素子１１の表示面１１ａに形成された画像を中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’として拡散部１６上に適当な倍率で拡大投影する。
　拡散部１６は、投影光学系１５による投影位置又は結像位置（つまり、中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍）に配置される部材であり、回転駆動部６４に駆動されて例えば一定速度で回転軸ＳＸの周りに回転するとともに、センサー６５によって回転位置が検出される。つまり、回転駆動部６４は、後述する表示制御部１８を介して、拡散部１６（具体的には、後述する回転体１６ａの中間スクリーン１９）に、光軸ＡＸ方向に沿った可動範囲内において周期運動を行わせる。また、回転駆動部６４は、表示制御部１８の制御下で動作しており、センサー６５による中間スクリーン１９の配置検出結果に基づいて、中間スクリーン１９の回転位置や回転速度を表示素子１１の投影タイミングに合わせて調整している。センサー６５は、後述する中間スクリーン１９の外周に対向して配置され、中間スクリーン１９の途切れ目に相当する境界部１６ｊの通過タイミングを検出することで、中間スクリーン１９の配置に関連する回転角を定期的にチェックしている。センサー６５により、中間スクリーン１９の空間的移動を正確に把握でき、虚像距離に応じた表示像ＩＭの設定が容易になる。センサー６５としては、例えばフォトインターラプターを用いることができる。一般的なフォトインターラプターは、発光部と光センサー部とを組み込んだセンサーモジュールである。中間スクリーン１９の境界部１６ｊでは、反射方向や拡散方向が前後の領域に比較して変動するので、フォトインターラプターの発光部による光検出強度を所定の閾値と比較すること等によって境界部１６ｊの通過を精密に監視できる。なお、回転駆動部６４の駆動制御が正確である場合、センサー６５を省略することもできる。
　図３Ａ及び３Ｂに示すように、画像表示装置１００に組み込まれる拡散部１６は、全体として円板に近い輪郭を有する螺旋状の回転体１６ａと、回転体１６ａを支持する中心軸部１６ｒとを有する。
　回転体１６ａは、中央部１６ｃと外周光学部１６ｐとを有する。回転体１６ａの外周光学部１６ｐに形成された一方の表面１６ｆ（本実施形態では、投影光学系１５側又は＋Ｙ側の面）は、平滑面又は光学面に形成されており、表面１６ｆ上には、全域に亘って中間スクリーン１９が形成されている。
　中間スクリーン１９は、配光角を所望の角度に制御した環状の拡散板である。中間スクリーン１９は、回転体１６ａに貼り付けられるシートとできるが、回転体１６ａの表面に形成された微細な凹凸パターンであってもよい。さらに、中間スクリーン１９は、回転体１６ａの内部に埋め込むように形成されたものであってもよい。中間スクリーン１９は、入射した表示光ＨＫを拡散させることによって中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’を形成する（図２参照）。
　回転体１６ａの外周光学部１６ｐに形成された他方の表面１６ｓ（本実施形態では、拡大投射光学系１７側の面）は、平滑面又は光学面に形成されている。回転体１６ａは、光透過性を有する螺旋状の部材であり、一対の表面１６ｆ，１６ｓは、回転軸ＳＸを螺旋軸とする螺旋面となっている。結果的に、一方の表面１６ｆ上に形成された中間スクリーン１９は、螺旋の１ピッチ分の範囲に形成されている。拡散部１６の周に沿った１箇所に段差状の境界部１６ｊが形成され、この境界部１６ｊは、螺旋端に対応する位置で光軸ＡＸ方向又は回転軸ＳＸ方向に例えば３０ｍｍ以下の距離段差又はピッチを与えるものとなっている。拡散部１６の境界部１６ｊは、中間スクリーン１９の境界部でもある。中間スクリーン１９が境界部１６ｊを有することにより、中間スクリーン１９を周回させる周期運動が可能になり、中間スクリーン１９に沿って機能領域ＦＡを周回させることができる。境界部１６ｊは、螺旋端間の段差を繋ぐとともに、拡散部１６を回転させる回転軸ＳＸを含む平面に対して傾斜した帯状の接続面１６ｋを有する。上記のように、回転体１６ａの一対の表面１６ｆ，１６ｓが回転軸ＳＸを螺旋軸とする螺旋面であることから、回転体１６ａは、回転軸ＳＸ又は光軸ＡＸ方向に関して略等しい厚みｔを有する。
　図３Ａに示すように、回転体１６ａにおいて、周方向に沿った１箇所は、本体光学系１３の光軸ＡＸが通る機能領域ＦＡとなっており、機能領域ＦＡにおける中間スクリーン１９の部分によって中間像ＴＩが形成される。この機能領域ＦＡは、回転体１６ａの回転に伴って回転体１６ａ上において一定速度で移動し回転体１６ａ上で周回する（図３Ｃ参照）。図示の例では、中間スクリーン１９が螺旋の１周期に対応する範囲に形成されているため、回転体１６ａの１回転で中間スクリーン１９が空間的に移動し、中間スクリーン１９の機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩは、光軸ＡＸ方向に段差に相当する距離Ｄだけ移動することになる（図３Ｂ参照）。
　なお、投影光学系１５は、拡散部１６に設けた中間スクリーン１９の位置によってピントぼけが生じないように、機能領域ＦＡの移動範囲以上の所定の焦点深度を有する。
　図２に戻って、拡大投射光学系１７は、拡散部１６に形成された中間像ＴＩを表示スクリーン２０と協働して拡大し、運転者ＵＮの前方の表示スクリーン２０越しに虚像としての表示像ＩＭを形成する。拡大投射光学系１７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１７ａ，１７ｂを含む。
　図２等に示す画像表示装置１００において、表示制御部１８の制御下でセンサー６５によって監視しつつ回転駆動部６４を動作させることで、拡散部１６が回転軸ＳＸの周りに回転し、回転体１６ａ又は中間スクリーン１９が光軸ＡＸと交差する位置（つまり機能領域ＦＡ）も光軸ＡＸ方向に移動する。つまり、例えば図３Ｃに示すように、回転体１６ａの回転に伴って、中間スクリーン１９上の機能領域ＦＡは、例えば元の機能領域ＦＡ１から等角度でずれた位置に設定された隣接する機能領域ＦＡ２，ＦＡ３に順次シフトし、光軸ＡＸ方向に移動する。このような機能領域ＦＡの光軸ＡＸ方向への移動により、中間像ＴＩの位置も光軸ＡＸ方向に移動させることができる。拡散部１６が回転軸ＳＸの周りに回転することで、機能領域ＦＡに対応する中間像ＴＩの位置が光軸ＡＸ方向に繰り返し周期的に移動し、拡大投射光学系１７によって表示スクリーン２０の背後に形成される虚像としての表示像ＩＭと観察者である運転者ＵＮとの距離を大きく、又は小さくすることができる。このように、表示制御部１８の制御下で、投影される表示像ＩＭの位置を前後に変化させるとともに、表示素子１１による表示内容をその位置に応じたものとすることで、表示像ＩＭまでの投影距離又は虚像距離を変化させつつ表示像ＩＭの表示内容を変化させることになり、一連の表示像ＩＭを３次元的なものとすることができる。
　図４は、拡散部１６の回転に伴う中間像ＴＩの位置の変化を具体的に例示する図である。拡散部１６の機能領域ＦＡの中心は、光軸ＡＸ方向に沿って鋸歯状の経時パターンＰＡで繰り返し周期的に移動しており、中間像ＴＩの中心位置も、表示素子１１が連続表示を行っている場合、図示のように光軸ＡＸ方向に沿って鋸歯状の経時パターンＰＡで繰り返し周期的に移動する。つまり、中間像ＴＩの位置は、境界部１６ｊに対応する箇所で不連続的ながら、拡散部１６の回転に伴って連続的かつ周期的に変化する。この結果、図示を省略するが、表示像（虚像）ＩＭの位置も、スケールは異なるが、中間像ＴＩの位置と同様に光軸ＡＸ方向に沿って繰り返し周期的に移動し、投影距離を連続的に変化させることができる。表示素子１１は、連続表示を行うものでなく、表示内容を切替えつつ間欠的な表示を行うものであるから、中間像ＴＩの表示位置も鋸歯状の経時パターンＰＡ上における離散的な位置となる。経時パターンＰＡにおいて、最も近距離側又は拡大投射光学系１７寄りの表示位置Ｐｎと、最も遠距離側又は反拡大投射光学系１７寄りの表示位置Ｐｆとは、経時パターンＰＡの両端に設定される。また、経時パターンＰＡの途切れ目ＰＤは、拡散部１６の回転体１６ａに設けた境界部１６ｊに対応する。さらに、図３Ｃに示す機能領域ＦＡ１，ＦＡ２，ＦＡ３の中心は、経時パターンＰＡ上の離散的な表示位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に対応する。
　図５Ａ～５Ｄは、拡散部１６の中間スクリーン１９における中間像ＴＩの形成方法を説明する図であり、特に境界部１６ｊの通過に伴う画像表示の切替えを説明する図である。
　図５Ａに示す状態では、光路上の中間像ＴＩ又は機能領域ＦＡが全域で投影光学系１５側又は＋Ｙ側に位置するが境界部１６ｊと交差しておらず、中間像ＴＩは、単一領域の画像ＤＡとして形成されている。この画像ＤＡは、光路上にあって表示素子１１の表示面１１ａに一括形成された画像に対応するが、光軸ＡＸ方向の位置が異なる４つの区分領域ＡＲ１１～ＡＲ１４で構成される。４つの区分領域ＡＲ１１～ＡＲ１４は、光路上に同時に配置可能であり、４つの区分領域ＡＲ１１～ＡＲ１４には、光軸ＡＸ方向の位置又は虚像距離に応じた個別の画像を形成することができる。ただし、表示像（虚像）ＩＭの虚像距離に関する分解能の設定が粗い場合、区分領域ＡＲ１１～ＡＲ１４に投影方向に垂直な方向に連続する一体的な画像を形成することもできる。
　図５Ｂに示す状態では、光路上の中間像ＴＩ又は機能領域ＦＡの右端側が境界部１６ｊと交差しており、中間像ＴＩは、拡大投射光学系１７側又は－Ｙ側（紙面奧側）にある第１部分画像ＤＡ１と、投影光学系１５側又は＋Ｙ側（紙面手前側）にあって残りの大半を占める第２部分画像ＤＡ２とで構成されている。第１部分画像ＤＡ１は、中間スクリーン１９のうち光路上の第１局所領域ＬＡ１上に形成され、第２部分画像ＤＡ２は、中間スクリーン１９のうち光路上の第２局所領域ＬＡ２上に形成されている。これにより、中間スクリーン１９の境界部１６ｊを挟んだ複合的領域を用いて表示像（虚像）ＩＭの投影が可能になる。両局所領域ＬＡ１，ＬＡ２に形成された部分画像ＤＡ１，ＤＡ２は、表示素子１１の表示面１１ａに一括形成された画像に対応するが、境界部１６ｊに対応する部分に非表示領域ＮＤを有する。第１部分画像ＤＡ１は、単一の区分領域ＡＲ２１で構成されるが、第２部分画像ＤＡ２は、光軸ＡＸ方向の位置が異なる３つの区分領域ＡＲ２２～ＡＲ２４で構成される。区分領域ＡＲ２１は、境界部１６ｊの一方側又は光源側に対応する領域であり、区分領域ＡＲ２２～ＡＲ２４は、境界部１６ｊの他方側又は投射側に対応する領域である。第１部分画像ＤＡ１は、区分領域ＡＲ２１の光軸ＡＸ方向の位置によって定まる虚像距離に対応した表示内容となっており、第２部分画像ＤＡ２は、区分領域ＡＲ２２～ＡＲ２４の光軸ＡＸ方向の位置によって定まる虚像距離に対応した表示内容となっている。なお、３つの区分領域ＡＲ２２～ＡＲ２４には、光軸ＡＸ方向の位置又は虚像距離に応じた個別の画像を形成することができるが、表示像（虚像）ＩＭの虚像距離に関する分解能の設定に応じて、投影方向に垂直な方向に連続する一体的な画像を形成することもできる。
　図５Ｃに示す状態では、光路上の中間像ＴＩ又は機能領域ＦＡの中央が境界部１６ｊと交差しており、中間像ＴＩは、拡大投射光学系１７側又は－Ｙ側にある第１部分画像ＤＡ１と、投影光学系１５側又は＋Ｙ側にある第２部分画像ＤＡ２とで構成されている。これらの部分画像ＤＡ１，ＤＡ２は、表示素子１１の表示面１１ａに一括形成された画像に対応するが、境界部１６ｊに対応する部分に非表示領域ＮＤを有する。第１部分画像ＤＡ１は、光軸ＡＸ方向の位置が異なる２つの区分領域ＡＲ３１，ＡＲ３２で構成され、第２部分画像ＤＡ２は、光軸ＡＸ方向の位置が異なる２つの区分領域ＡＲ３３，ＡＲ３４で構成される。第１部分画像ＤＡ１は、区分領域ＡＲ３１，ＡＲ３２の光軸ＡＸ方向の位置によって定まる虚像距離に対応した表示内容となっており、第２部分画像ＤＡ２は、区分領域ＡＲ３３，ＡＲ３４の光軸ＡＸ方向の位置によって定まる虚像距離に対応した表示内容となっている。なお、区分領域ＡＲ３１～ＡＲ３４には、光軸ＡＸ方向の位置又は虚像距離に応じた個別の画像を形成することができるが、表示像（虚像）ＩＭの虚像距離に関する分解能の設定に応じて、投影方向に垂直な方向に連続する一体的な画像を形成することもできる。
　図５Ｄに示す状態では、中間像ＴＩ又は機能領域ＦＡの左端側が境界部１６ｊと交差しており、中間像ＴＩは、拡大投射光学系１７側又は－Ｙ側にあって大半を占める第１部分画像ＤＡ１と、投影光学系１５側又は＋Ｙ側（紙面手前側）にある残りの第２部分画像ＤＡ２とで構成されている。これらの部分画像ＤＡ１，ＤＡ２は、表示素子１１の表示面１１ａに一括形成された画像に対応するが、境界部１６ｊに対応する部分に非表示領域ＮＤを有する。第１部分画像ＤＡ１は、光軸ＡＸ方向の位置が異なる３つの区分領域ＡＲ４１～ＡＲ４３で構成され、第２部分画像ＤＡ２は、単一の区分領域ＡＲ４４で構成される。第１部分画像ＤＡ１は、区分領域ＡＲ４１～ＡＲ４３の光軸ＡＸ方向の位置によって定まる虚像距離に対応した表示内容となっており、第２部分画像ＤＡ２は、区分領域ＡＲ４４の光軸ＡＸ方向の位置によって定まる虚像距離に対応した表示内容となっている。なお、区分領域ＡＲ４１～ＡＲ４４には、光軸ＡＸ方向の位置又は虚像距離に応じた個別の画像を形成することができるが、表示像（虚像）ＩＭの虚像距離に関する分解能の設定に応じて、投影方向に垂直な方向に連続する一体的な画像を形成することもできる。
　図５Ａにおいて、機能領域ＦＡのうち１つの画面領域ＡＬ１を考えた場合、図５Ａに示す画像形成及び投影によって、投影光学系１５側又は＋Ｙ側に４番目に近い区分領域ＡＲ１４の画像形成及び投影が行われ、図５Ｂに示す画像形成及び投影によって、投影光学系１５側又は＋Ｙ側に３番目に近い区分領域ＡＲ２４の画像形成及び投影が行われ、図５Ｃに示す画像形成及び投影によって、投影光学系１５側又は＋Ｙ側に２番目に近い区分領域ＡＲ３４の画像形成及び投影が行われ、図５Ｄに示す画像形成及び投影によって、投影光学系１５側又は＋Ｙ側に１番目に近い区分領域ＡＲ４４の画像形成及び投影が行われる。つまり、詳細な説明を省略するが、画面領域ＡＬ１には、投影光学系１５側の表示位置Ｐｆから拡大投射光学系１７側の表示位置Ｐｎにかけて適宜の距離分解能で中間像ＴＩが段階的に形成され、表示像（虚像）ＩＭが虚像距離の可能範囲の全体に亘って離散的に投影され、３次元表示が可能になる。
　詳細な説明を省略するが、機能領域ＦＡのうち画面領域ＡＬ１以外の他の画面領域ＡＬ２～ＡＬ４でも、画面領域ＡＬ１と同様の画像形成及び投影が行われるので、機能領域ＦＡの全域において、投影光学系１５側から拡大投射光学系１７側にかけて適宜の距離分解能で中間像ＴＩが段階的に形成され、表示像（虚像）ＩＭが虚像距離の可能範囲の全体に亘って離散的に投影され、３次元表示が可能になる。なお、特定距離の表示像（虚像）ＩＭを構成する区分領域ＡＲ１１，ＡＲ２２，ＡＲ３３，ＡＲ４４は、つなぎ目がスムーズになるように、画像処理によって倍率や配置が調整される。
　図６Ａ～６Ｄは、色分解したカラー画像を投影する場合を説明する図である。この場合、図６Ａに示すように、図５Ａに示す画像形成及び投影をＲ画像の画像形成及び投影のタイミングとして用い、図５Ａの投影から図５Ｂの投影までの期間をＧ画像及びＢ画像の投影に用いる。つまり、図６Ｂに示すように、図５Ａ及び５Ｂ間の位相ズレの１／３の位相ズレでＧ画像の形成及び投影を行うとともに、図６Ｃに示すように、図５Ａ及び５Ｂ間の位相ズレの２／３の位相ズレでＢ画像の形成及び投影を行う。図６Ａでは、Ｒ色に対応する中間像ＴＩが単一領域の画像ＣＤＡとして形成されている。Ｒ色の画像ＣＤＡは、区分領域ＡＲｒ１～ＡＲｒ４で構成されている。図６Ｂでは、Ｇ色に対応する中間像ＴＩが第１部分画像ＣＤＡ１と第２部分画像ＣＤＡ２とに分割されている。Ｇ色の第２部分画像ＣＤＡ２は、区分領域ＡＲｇ１～ＡＲｇ４で構成されている。図６Ｃでは、Ｂ色に対応する中間像ＴＩが第１部分画像ＣＤＡ１と第２部分画像ＣＤＡ２とに分割されている。Ｂ色の第２部分画像ＣＤＡ２は、区分領域ＡＲｂ１～ＡＲｂ４で構成されている。図５Ｂに対応する図６Ｄでは、再びＲ色に対応する中間像ＴＩが形成されるが、この場合、中間像ＴＩが第１部分画像ＣＤＡ１と第２部分画像ＣＤＡ２とに分割されている。
　以上では、第１部分画像ＣＤＡ１及び第２部分画像ＣＤＡ２の単位、又は区分領域ＡＲ１１～ＡＲ１４，ＡＲ２１～ＡＲ２４，…の単位で虚像距離に適合する中間像ＴＩ又は表示画像を表示又は形成したが、表示素子１１の表示面１１ａを構成する画素単位で虚像距離に適合する中間像ＴＩ又は表示画像を表示又は形成してもよい。
　図７は、移動体用表示システム２００を説明するブロック図であり、移動体用表示システム２００は、その一部として画像表示装置１００を含む。この画像表示装置１００は、図２に示す構造を有するものであり、ここでは説明を省略する。移動体用表示システム２００は、移動体である自動車等に組み込まれるものである。
　移動体用表示システム２００は、画像表示装置１００のほかに、運転者検出部７１と、環境監視部７２と、主制御装置９０とを備える。
　運転者検出部７１は、運転者ＵＮの存在や視点位置を検出する部分であり、運転席用カメラ７１ａと、運転席用画像処理部７１ｂと、判断部７１ｃとを備える。運転席用カメラ７１ａは、車体２内のダッシュボード４の運転席６正面に設置されており（図１Ｂ参照）、運転者ＵＮの頭部及びその周辺の画像を撮影する。運転席用画像処理部７１ｂは、運転席用カメラ７１ａで撮影した画像に対して明るさ補正等の各種画像処理を行って判断部７１ｃでの処理を容易にする。判断部７１ｃは、運転席用画像処理部７１ｂを経た運転席画像からオブジェクトの抽出又は切り出しを行うことによって運転者ＵＮの頭部や目を検出するとともに、運転席画像に付随する奥行情報から車体２内における運転者ＵＮの頭部の存否とともに運転者ＵＮの目の空間的な位置（結果的に視線の方向）を算出する。
　環境監視部７２は、前方に近接する自動車、自転車、歩行者等を識別する部分であり、外部用カメラ７２ａと、外部用画像処理部７２ｂと、判断部７２ｃとを備える。外部用カメラ７２ａは、車体２内外の適所に設置されており、運転者ＵＮ又はフロントウインドウ８の前方、側方等の外部画像を撮影する。外部用画像処理部７２ｂは、外部用カメラ７２ａで撮影した画像に対して明るさ補正等の各種画像処理を行って判断部７２ｃでの処理を容易にする。判断部７２ｃは、外部用画像処理部７２ｂを経た外部画像からオブジェクトの抽出又は切り出しを行うことによって自動車、自転車、歩行者等の対象物の存否を検出するとともに、外部画像に付随する奥行情報から車体２前方における対象物の空間的な位置を算出する。
　なお、運転席用カメラ７１ａや外部用カメラ７２ａは、図示を省略しているが、例えば複眼型の３次元カメラである。つまり、両カメラ７１ａ，７２ａは、結像用のレンズと、ＣＭＯＳその他の撮像素子とを一組とするカメラ素子をマトリックス状に配列したものであり、撮像素子用の駆動回路をそれぞれ有する。各カメラ７１ａ，７２ａを構成する複数のカメラ素子は、例えば奥行方向の異なる位置にピントを合わせるようになっており、或いは相対的な視差を検出できるようになっており、各カメラ素子から得た画像の状態（フォーカス状態、オブジェクトの位置等）を解析することで、画像内の各領域又はオブジェクトまでの距離を判定できる。
　なお、上記のような複眼型のカメラ７１ａ，７２ａに代えて、２次元カメラと赤外距離センサーとを組み合わせたものを用いても、撮影した画面内の各部（領域又はオブジェクト）に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。また、複眼型のカメラ７１ａ，７２ａに代えて、２つの２次元カメラを分離配置したステレオカメラによって、撮影した画面内の各部（領域又はオブジェクト）に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。その他、単一の２次元カメラにおいて、焦点距離を高速で変化させながら撮像を行うことによっても、撮影した画面内の各部（領域又はオブジェクト）に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。
　表示制御部１８は、主制御装置９０の制御下で虚像表示光学系３０を動作させて、表示スクリーン２０の背後に虚像距離が変化する３次元的な表示像ＩＭを表示させる。表示制御部１８は、主制御装置９０を介して環境監視部７２から受信した表示形状や表示距離を含む表示情報から、虚像表示光学系３０に表示させる表示像ＩＭを生成する。また、表示制御部１８は、表示像ＩＭを構成する第１部分画像ＤＡ１と第２部分画像ＤＡ２とを生成し、或いは表示像ＩＭを構成する第１部分画像ＣＤＡ１と第２部分画像ＣＤＡ２とを生成し、さらにこれらを区分領域に分割する。表示制御部１８は、このようにして得た区分領域単位の画像データについて中間スクリーン１９に表示する順序やタイミング等を割り振り、画像データに対応する画像要素を中間スクリーン１９に表示する。画像データに対応する画像要素を空間的に統合した表示像ＩＭは、例えば表示スクリーン２０の背後に存在する自動車、自転車、歩行者その他の対象物に対してその奥行き位置方向に関して周辺に位置するフレーム枠ＨＷ（図８参照）のような標識とすることができる。
　表示制御部１８は、主制御装置９０を介して運転者検出部７１から運転者ＵＮの存在や目の位置に関する検出出力を受け取る。これにより、虚像表示光学系３０による表示像ＩＭの投影の自動的な開始や停止が可能になる。また、運転者ＵＮの視線の方向のみに表示像ＩＭの投影を行うこともできる。さらに、運転者ＵＮの視線の方向の表示像ＩＭのみを明るくする、点滅する等の強調を行った投影を行うこともできる。
　主制御装置９０は、画像表示装置１００、環境監視部７２等の動作を調和させる役割を有し、環境監視部７２によって検出した対象物の空間的な位置に対応するように、虚像表示光学系３０によって投影されるフレーム枠ＨＷの空間的な配置を調整する。
　図８は、具体的な表示状態を説明する斜視図である。観察者である運転者ＵＮの前方は観察視野に相当する検出領域ＶＦとなっている。検出領域ＶＦ内、つまり道路及びその周辺に、歩行者等である人のオブジェクトＯＢ１，ＯＢ３や、自動車等である移動体のオブジェクトＯＢ２が存在すると考える。この場合、主制御装置９０は、画像表示装置１００によって３次元的な表示像（虚像）ＩＭを投影させ、各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３に対して関連情報像としてのフレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を付加する。この際、運転者ＵＮから各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの距離が異なるので、フレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を表示させる表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３までの虚像距離は、運転者ＵＮから各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの距離に相当するものとなっている。
　なお、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の虚像距離は、離散的であり、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの現実の距離に対して常に正確に一致させるということはできない。ただし、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の虚像距離と、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの現実の距離との差が大きくなければ、運転者ＵＮの視点が動いても視差が生じにくく、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３とフレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３との配置関係を略維持することができる。
　図９Ａは、図４に対応し、図９Ｂは、図８中の表示像ＩＭ３又はフレーム枠ＨＷ３に対応し、図９Ｃは、図８中の表示像ＩＭ２又はフレーム枠ＨＷ２に対応し、図９Ｄは、図８中の表示像ＩＭ１又はフレーム枠ＨＷ１に対応している。図９Ａ～９Ｄより明らかなように、表示像ＩＭ１は、回転体１６ａの機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩの全部又は一部が表示位置ＰＯ１を中心とする所定範囲内の位置にあるときの投影像又は表示像に対応する。同様に、表示像ＩＭ２は、回転体１６ａの機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩの全部又は一部が表示位置ＰＯ２を中心とする所定範囲内の位置にあるときの投影像又は表示像に対応し、表示像ＩＭ３は、回転体１６ａの機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩの全部又は一部が表示位置ＰＯ３を中心とする所定範囲内の位置にあるときの投影像又は表示像に対応する。中間像ＴＩの移動を基準とする１周期でみた場合、順に、表示位置ＰＯ１に対応する表示像ＩＭ１又はフレーム枠ＨＷ１が表示され、表示位置ＰＯ２に対応する表示像ＩＭ２又はフレーム枠ＨＷ２が表示され、表示位置ＰＯ３に対応する表示像ＩＭ３又はフレーム枠ＨＷ３が表示される。以上の１周期が視覚的に短ければ、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の切替えが非常に速くなり、観察者である運転者ＵＮは、フレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を奥行きがある画像として同時に観察していると認識する。
　図１０は、主制御装置９０の動作を説明する概念図である。まず、主制御装置９０は、環境監視部７２を利用してオブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３を検出した場合、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３に対応するフレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３に対応する画像の表示データを生成し、不図示の記憶部に保管する（ステップＳ１１）。その後、主制御装置９０は、ステップＳ１１で得た表示データを、対応する虚像距離及び表示ゾーンに振り分けるようなデータの変換を行う（ステップＳ１２）。具体的には、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３の位置に応じて、対応するフレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を対応する虚像距離の表示ゾーンのいずれか１つに割り当てる。次に、主制御装置９０は、フレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３に対応する表示データを割り当てた虚像距離及び表示ゾーンに適合するように段差又は境界部も加味して加工し、不図示の記憶部に保管する（ステップＳ１３）。最後に、主制御装置９０は、ステップＳ１３で得た表示データを、回転駆動部６４の動作に同期して表示制御部１８に出力し、表示素子１１に回転体１６ａの機能領域ＦＡに応じた表示動作を行わせる（ステップＳ１４）。
　以上で説明した画像表示装置１００によれば、表示制御部１８が、複数の局所領域ＬＡ１，ＬＡ２において当該複数の局所領域ＬＡ１，ＬＡ２に対応して虚像距離が異なる複数の部分画像ＤＡ１，ＤＡ２をそれぞれ形成させるので、光路上に配置された複数の局所領域ＬＡ１，ＬＡ２を無駄なく用いて虚像の投影が可能になる。
〔第２実施形態〕
　以下、第２実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第２実施形態の表示装置は第１実施形態の表示装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。
　図１１Ａ及び１１Ｂに示すように、拡散部１１６は、全体として円筒容器に近い輪郭を有する螺旋状の回転体１１６ａを有する。拡散部１１６は、図１に示す投影光学系１５による投影位置又は結像位置（つまり中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍）に配置され、不図示の回転駆動部に駆動されて例えば一定速度で光軸ＡＸに垂直な回転軸ＳＸの周りに回転する。
　回転体１１６ａは、回転軸ＳＸのまわりの角度方向に応じて回転軸ＳＸから機能領域ＦＡとなる表面までの距離が連続的に変化する部分を含む円筒状形状を有する。回転体１１６ａの回転軸ＳＸは、光軸ＡＸに対してほぼ直交する状態で配置されている。
　回転体１１６ａは、端面部１１６ｂと、側面部１１６ｃとを有する。回転体１１６ａは、端面部１１６ｂの反対側において開放された構造となっており、不図示の支持部材によって別途固定された光路折り曲げ用のミラーＭ１を囲むように配置されている。端面部１１６ｂと側面部１１６ｃとは、光透過性を有する同一の材料で形成されている。ただし、端面部１１６ｂは、光透過性を有していないものであってもよく、例えば一部空洞になっていても構わない。
　回転体１１６ａの端面部１１６ｂは、円盤状の部材であり、側面部１１６ｃの一方の端部を支持している。端面部１１６ｂは、中心軸部１１６ｒを介して不図示の回転駆動部に回転可能に支持されている。図示は省略するが、回転体１１６ａには、回転体１１６ａの回転を安定させるために、バランサーを設けることができる。
　回転体１１６ａの側面部１１６ｃは、光学部であり、側面部１１６ｃの外側に形成された一方の表面１１６ｄは、平滑面又は光学面に形成されている。表面１１６ｄ上には、全域に亘って環状の中間スクリーン１９が形成されている。中間スクリーン１９は、回転体１１６ａの側面部１１６ｃに貼り付けられるシートとできるが、回転体１１６ａの表面に形成された微細な凹凸パターンであってもよい。中間スクリーン１９は、入射した表示光ＨＫを拡散させることによって中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’を形成する（図２参照）。回転体１１６ａの側面部１１６ｃの内側に形成された他方の表面１１６ｅは、平滑面又は光学面に形成されている。
　回転体１１６ａの立体形状は、回転軸ＳＸから機能領域ＦＡまでの距離が連続的に変化する形状を有している。具体的には、回転体１１６ａの側面部１１６ｃは、光透過性を有する渦巻き状の部材であり、一対の表面１１６ｄ，１１６ｅは、回転軸ＳＸを基準軸とする渦巻き型側面となっている。結果的に、一方の表面１１６ｄ上に形成された中間スクリーン１９も連続的な渦巻き型側面に沿って形成されたものとなっている。中間スクリーン１９は、機能領域ＦＡのパターン（又は渦巻き型側面のパターン）に対応する範囲に形成されている。これにより、回転体１１６ａの回転に伴って中間スクリーン１９が空間的に移動し、中間スクリーン１９のうち光軸ＡＸと交差する部分は、光軸ＡＸ方向に沿った可動範囲内において周期的に運動する。回転体１１６ａの一回転で中間スクリーン１９の機能領域ＦＡの光軸ＡＸ方向の位置を適宜設定することができ、虚像投影距離を適宜変更することができる。
　回転体１１６ａの側面部１１６ｃの周に沿った一箇所に境界部１１６ｆが形成されている。この境界部１１６ｆは、光軸ＡＸ方向に平行な方向に関して中間スクリーン１９の両端に段差を与えるものとなっている。回転体１１６ａの境界部１１６ｆは、中間スクリーン１９の境界部でもある。
　図１に示す投影光学系１５からの表示光ＨＫは、図１１Ａに示すミラーＭ１で反射され、中間スクリーン１９を通過して拡散度が調整され、拡大投射光学系１７を経て表示スクリーン２０で反射される。
　本実施形態において、中間スクリーン１９又は回転体１１６ａが境界部１１６ｆを有し、境界部１１６ｆの前後に光軸ＡＸ上の位置が異なるものとなる複数の局所領域ＬＯ１，ＬＯ２を有する。よって、図５Ａ～５Ｄに示すものと同様の手法で中間像ＴＩを形成し或いは表示素子１１に表示を行わせることで、境界部１１６ｆ周辺の局所領域ＬＯ１，ＬＯ２を無駄なく用いて虚像の投影が可能になる。
〔第３実施形態〕
　以下、第３実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第３実施形態の表示装置は第１実施形態の表示装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。
　図１２に示すように、拡散部２１６は、全体として平板状の輪郭を有する光学素子２１６ａを有する。拡散部２１６は、図１に示す投影光学系１５による投影位置又は結像位置（つまり中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍）に配置され、往復駆動部２６４に駆動されて光軸ＡＸに垂直な方向ＤＤに往復移動する。
　光学素子２１６ａは、方向ＤＤに沿って配列された厚みが異なる３つの部分２１６ｃ，２１６ｄ，２１６ｅからなり、これらの部分２１６ｃ，２１６ｄ，２１６ｅの投影光学系１５側の表面上には中間スクリーン１９が形成されている。拡散部２１６又は光学素子２１６ａが方向ＤＤに沿って移動すると、中間スクリーン１９が空間的に移動し、部分２１６ｃ，２１６ｄ，２１６ｅのいずれか１つが光軸ＡＸと交差する光路上に配置される。つまり、中間スクリーン１９のうち光軸ＡＸと交差する部分は、光軸ＡＸ方向に沿った可動範囲内において周期的に運動することになる。部分２１６ｃ，２１６ｄ，２１６ｅの間には複数の段差状の境界部２１６ｊが形成されている。これらの境界部２１６ｊは、光軸ＡＸ方向に平行な方向に関して中間スクリーン１９に複数の段差を与えるものとなっている。
　本実施形態において、中間スクリーン１９又は光学素子２１６ａが境界部２１６ｊを有し、境界部２１６ｊの前後に光軸ＡＸ上の位置が異なるものとなる複数の局所領域ＬＯ１，ＬＯ２を有する。よって、図５Ａ～５Ｄに示すものと同様の手法で中間像ＴＩを形成し或いは表示素子１１に表示を行わせることで、境界部２１６ｊ周辺の局所領域ＬＯ１，ＬＯ２を無駄なく用いて虚像の投影が可能になる。
　以上では、具体的な実施形態としての表示装置について説明したが、本発明に係る表示装置は、上記のものには限られない。例えば、上記実施形態において、画像表示装置１００の配置を上下反転させてさせてもよい。
　上記実施形態において、表示スクリーン２０の輪郭は、矩形に限らず、様々な形状とすることができる。
　上記実施形態において、図２等に示す投影光学系１５や拡大投射光学系１７は、単なる例示であり、これら投影光学系１５及び拡大投射光学系１７の光学的構成については適宜変更することができる。
　図５Ａ～５Ｄに示す局所領域ＬＡ１，ＬＡ２や部分画像ＤＡ１，ＤＡ２の配置や輪郭形状は単なる例示であり、表示装置の仕様等に応じて適宜変更でき、さらに、中間スクリーン１９の周期移動の一周期又は複数周期単位で局所領域又は部分画像の輪郭等を変更することができる。

Claims (5)

  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、
    　拡散機能を有し、前記投影光学系の光射出側に配置される中間スクリーンと、
    　前記中間スクリーン上の像を拡大する拡大投射光学系と、
    　前記中間スクリーンを空間的に移動させるとともに前記表示素子の動作を制御する表示制御部と、
    を備え、
    　前記中間スクリーンは、光軸方向の位置が異なる複数の局所領域を光路上に配置可能であり、
    　前記表示制御部は、前記複数の局所領域において、当該複数の局所領域に対応して虚像距離が異なる複数の画像をそれぞれ形成させる表示装置。
  2. 　前記中間スクリーンは、光軸方向に段差を生じさせた境界部を有し、
    　前記表示制御部は、前記境界部を光路上に配置したとき、前記境界部の一方側に対応する領域において、当該一方側の虚像距離に対応する第１部分画像を形成させ、前記境界部の他方側に対応する領域において、当該他方側の虚像距離に対応する第２部分画像を形成させる、請求項１に記載の表示装置。
  3. 　前記中間スクリーンは、環状で、一か所に段差状の前記境界部を有すること特徴とする請求項２に記載の表示装置。
  4. 　前記中間スクリーンは、螺旋形状を有する、請求項３に記載の表示装置。
  5. 　前記中間スクリーンの配置を検出するセンサーを備える、請求項１から４までのいずれか一項に記載の表示装置。
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