WO2021256150A1 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

ヘッドアップディスプレイ装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2021256150A1
WO2021256150A1 PCT/JP2021/019091 JP2021019091W WO2021256150A1 WO 2021256150 A1 WO2021256150 A1 WO 2021256150A1 JP 2021019091 W JP2021019091 W JP 2021019091W WO 2021256150 A1 WO2021256150 A1 WO 2021256150A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
head
display
optical system
diffusion screen
virtual image
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/019091
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
俊之 小嶋
健太郎 中村
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
Publication of WO2021256150A1 publication Critical patent/WO2021256150A1/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
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • 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 head-up display device in which the projection distance of a virtual image is variable.
  • the conventional in-vehicle head-up display device displays (projects) a virtual image including the vehicle speed and the mileage at a position separated from the driver by a certain distance. The driver can know the vehicle speed without shifting his / her line of sight from the front.
  • a head-up display device that supports safe driving
  • a head-up display device that detects objects such as pedestrians, vehicles, and obstacles in front of the vehicle with sensors such as cameras and displays a virtual image that informs the driver of danger.
  • it is required to superimpose a frame-shaped danger signal (warning display) on an object and display it, and the projection distance of a virtual image is variable according to the distance of the object. Is required.
  • Patent Document 1 includes a projection optical system that magnifies an image on a display element, a diffuse screen having an extended function, and a virtual image forming optical system that converts an image on the diffuse screen into a virtual image, and positions the diffuse screen.
  • a virtual image display optical system that changes the projection distance of a virtual image by changing it is described.
  • the projection distance of the virtual image is made variable by moving the position of the image (intermediate image) on the diffusion screen back and forth along the optical axis.
  • the depth of focus of the projection optical system is deepened (longened) in order to correspond to the intermediate image on the diffused screen moving back and forth, which causes a shortage of light intensity. If the amount of light is insufficient, it is assumed that the virtual image will be difficult to see when the background brightness is high due to backlight or the like, and the warning display will not function.
  • the present invention has been made in view of such a background, and an object of the present invention is to provide a head-up display device capable of displaying a virtual image having a variable projection distance and a high brightness. do.
  • a light source that emits light
  • an illumination optical system that guides the light from the light source to the display element
  • a projection optical system that projects an image formed by the display element onto a diffusion screen
  • a diffusion optical system It comprises a virtual image generation optical system that converts a projected intermediate image into a virtual image
  • the diffusion screen is mounted on a drive device that allows movement in the optical axis direction
  • the projection optical system includes a variable aperture. Head-up display device.
  • the virtual image generation optical system includes a transmission reflection surface and at least one mirror that reflects light emitted from the diffusion screen onto the transmission reflection surface.
  • the drive device is a rotating body having a motor, and the diffusion screen is arranged on the surface or inside of the rotating body, and the position of the diffusion screen is changed in the optical axis direction by a rotational motion (1).
  • the head-up display device according to (2) is a rotating body having a motor, and the diffusion screen is arranged on the surface or inside of the rotating body, and the position of the diffusion screen is changed in the optical axis direction by a rotational motion (1).
  • the optics of the display element so that when the size of the opening of the variable diaphragm is relatively large, the range of the projection distance on which the virtual image is projected is narrower than when the size of the opening is small.
  • the head-up display device according to (3) comprising a display control unit that controls the timing of forming an image.
  • the display control unit forms the optical image when the diffusion screen is located within the depth of focus of the projection optical system according to the size of the opening of the variable diaphragm. Head-up display device.
  • the head-up display device according to any one of (1) to (8), which comprises a peripheral illuminance measuring means and controls the variable aperture according to the illuminance information from the peripheral illuminance measuring means.
  • the head-up display device which comprises a viewpoint position detecting means and controls the lens driving unit according to the viewpoint position information from the viewpoint position detecting means.
  • a head-up display device capable of displaying a virtual image having a variable projection distance and a high brightness.
  • FIG. 3 is a top view of a rotating body in which a flat surface portion and a spiral portion are mixed according to the second modification of the present embodiment.
  • FIG. 3 is a top view of a rotating body in which a flat surface portion and a spiral portion are mixed according to the modified example 3 of the present embodiment.
  • the graph showing the relationship between the rotation angle of the rotating body in which the plane portion and the spiral portion coexist and the position of the intermediate image according to the modification 3 of the present embodiment and the graph showing the relationship between the rotation angle and the projection distance to the imaginary image. be. It is sectional drawing of the hollow cylinder which concerns on the modification of this embodiment. It is sectional drawing of the hollow cylinder which concerns on the modification of this embodiment.
  • the head-up display device in the embodiment (embodiment) for carrying out the present invention will be described below.
  • the head-up display device has a light source, an illumination optical system that guides the light from the light source to the display element, and a variable aperture, and projects optical images (images) formed on the display element onto a diffusion screen. It includes a system and an imaginary image generation optical system that converts an intermediate image projected on a diffusion screen into a virtual image.
  • the diffusion screen is formed on, for example, a spiral rotating body, and the rotating body rotates to move back and forth in the optical axis direction.
  • a diffusion screen is formed on this plane, and the rotating body rotates to move back and forth in the optical axis direction. ..
  • the projection distance of the virtual image changes according to the movement of the diffusion screen.
  • the first to third positions of the diffusion screen correspond to the first to third distances, which are the projection distances of the virtual image.
  • the first to third rotation angles of the rotating body correspond to the first to third positions of the diffusion screen.
  • the display element forms an optical image corresponding to the virtual image whose projection distance is the first to third distances, respectively. In this way, by projecting a virtual image in a time-division manner according to the rotation angle of the rotating body, the head-up display device can display the virtual image at a plurality of positions.
  • the positions of the corresponding diffusion screens (intermediate images on the diffusion screen) on the optical axis are also separated from each other.
  • the aperture is stopped down to make the depth of focus of the projection optical system deeper (longer) so that the position of the corresponding diffusion screen is within the depth of focus.
  • the aperture is opened to increase the amount of light projected by the projection optical system to increase the brightness of the virtual image.
  • the head-up display device can project a plurality of virtual images having different projection distances by rotating a rotating body on which a diffusion screen is formed and moving the position of the diffusion screen on the optical axis. Further, the head-up display device can project a virtual image having high brightness by opening the aperture and increasing the amount of light to be projected. However, by opening the aperture, the depth of focus becomes shallower, the position of the diffusion screen that fits in the depth of focus is limited, and as a result, the projection distance of the virtual image that can be displayed (projected) at the same time becomes narrower.
  • FIG. 1 is a schematic view of a state in which the head-up display device 10 (see FIG. 8) according to the present embodiment is mounted on the vehicle 800 as viewed from the side.
  • FIG. 2 is a schematic view of the front of the passenger compartment of the vehicle 800 equipped with the head-up display device 10 according to the present embodiment.
  • the head-up display device 10 includes a virtual image display optical system 100 (virtual image display device, see FIG. 3 described later) and a transmission reflection surface 200.
  • the head-up display device 10 displays an optical image formed by the display element 121 (see FIG. 3 described later) provided in the virtual image display optical system 100 as a virtual image IM for the driver 890 via the transmission reflection surface 200.
  • the virtual image display optical system 100 is installed below the transmission reflection surface 200 in the dashboard 810 of the vehicle 800, and emits the display light forming the virtual image IM toward the transmission reflection surface 200 (see the optical axis AX). ..
  • the transmissive reflective surface 200 also called a combiner, is a half mirror that superimposes a virtual image on the front of the vehicle 800 and shows it to the driver 890. Further, as for the transmissive reflective surface 200, the windshield 820 (front window) provided in the vehicle 800 may also have this function.
  • the transmission reflection surface 200 is erected on the dashboard 810 and reflects the display light emitted from the virtual image display optical system 100 toward the eyes of the driver 890 on the rear side of the vehicle 800.
  • the driver 890 visually recognizes the display light as external light transmitted through the transmission reflection surface 200, that is, as a front view of the vehicle 800 including pedestrians, other vehicles, and the like. Therefore, by displaying the virtual image IM so as to overlap with the pedestrian or the other vehicle, the driver 890 can visually recognize the pedestrian or the other vehicle and the virtual image IM without moving the viewpoint. For example, by displaying a frame surrounding a pedestrian or another vehicle as a virtual image IM, the head-up display device 10 can direct the attention of the driver 890 to the pedestrian or another vehicle.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the virtual image display optical system 100 according to the present embodiment.
  • the virtual image display optical system 100 includes light sources 111A, 111B, 111C, an illumination optical system, a projection optical system, and a virtual image generation optical system.
  • the illumination optical system includes collimators 112A, 112B, 112C, dichroic mirrors 114, 116, relay lens 115, fly-eye optical system 117, condenser lenses 118, 120, bending mirror 119, and TIR (Total Internal Reflection). It is configured to include a prism 123 and a flat plate 122.
  • the three light sources 111A, 111B, and 111C are LEDs and other light emitting elements, and emit illumination light of three colors of RGB, respectively.
  • the collimators 112A, 112B, 112C are convex lenses that bring the illumination light from the light sources 111A, 111B, 111C into a state close to a parallel luminous flux, and are arranged so that the focal positions of the lenses are the light sources 111A, 111B, 111C.
  • the dichroic mirror 114 is a mirror that combines the illumination light from the light source 111B and the illumination light from the light source 111A.
  • the dichroic mirror 116 combines the illumination light from the light source 111C and the illumination light from the light sources 111A and 111B synthesized by the dichroic mirror 114.
  • the relay lens 115 compensates for the optical path difference of the illumination light from the light sources 111A and 111B.
  • the fly-eye optical system 117 is also called an optical integrator, and uses an integrator lens (fly-eye lens) or a rod lens to make the illumination light from the light sources 111A, 111B, 111C uniform.
  • the condenser lenses 118 and 120 incident the illumination light emitted from the fly-eye optical system 117 onto the display element 121 within an appropriate incident angle range.
  • the TIR prism 123 separates the optical path of the illumination light and the optical path of the display light formed by the display element 121 by utilizing the presence or absence of total reflection. Specifically, the illumination light is totally reflected by the slope 123S of one of the prisms constituting the TIR prism 123 and guided to the display element 121.
  • the flat plate 122 is a cover glass of the display element 121, it can also have a filter function.
  • the display element 121 has a DMD (Digital Mirror Device, Digital Micromirror Device), and has an on / off operation of directing or deflecting the illumination light incident from the TIR prism 123 through the TIR prism 123 on a pixel-by-pixel basis toward or deflecting the projection optical system described later. Is possible.
  • the operation of the display element 121 is synchronized with the light sources 111A, 111B, and 111C that emit light sequentially, and forms an optical image by the display light of three colors of RGB.
  • the TIR prism 123 transmits the light from the display element 121 in the front direction (Y direction) along the optical axis AX, and causes the light to be incident on the projection optical system as display light.
  • the display element 121 is not limited to the DMD, and may be a transmissive element such as a backlight or a liquid crystal display illuminated by an LED.
  • the projection optical system main body 125 which is the main body of the projection optical system, is a variable focus lens system provided with a lens driving unit 124, and has a plurality of lenses.
  • the lens driving unit 124 is described to drive one lens, but the lens driving unit 124 is not limited to one, and may drive a plurality of lenses or all lenses.
  • the projection optical system further includes a variable diaphragm 126 and a folded mirror 127.
  • the projection optical system magnifies and projects an optical image formed on the surface of the display element 121 at an appropriate magnification, and a diffusion screen 160 provided on the incident surface of the spiral rotating body 150 (see FIGS. 4 to 5 described later).
  • An intermediate image is formed at a position close to.
  • the intermediate image also includes an image that is slightly out of focus due to a position shift from the intermediate image.
  • the position of the intermediate image is not only the original imaging position of the projection optical system or the projection optical system main body 125, but also a region including the periphery thereof.
  • the hollow cylinder 132 houses the spiral rotating body 150, and the hollow cylinder 132 and the spiral rotating body 150 are integrally rotated around the rotating shaft SX parallel to the optical axis AX by the motor 131. ..
  • the hollow cylinder 132 has a substantially columnar outer shape, and is composed of a side surface portion and a pair of end face portions. The side surface portion and the pair of end face portions are formed of the same material having light transmittance. The side surface portion does not have to have light transmission.
  • the spiral rotating body 150 may be fixed to the hollow tubular body 132 at its outer peripheral portion.
  • the diffusion screen 160 is a member in which the diffusion angle formed on the incident surface of the spiral rotating body 150 is controlled to a desired angle.
  • the rotation of the spiral rotating body 150 by the motor 131 causes the diffusion screen 160 to move in any of the optical axis AX directions (Z direction), and the position of the intermediate image on the diffusion screen 160 is also the optical axis AX. Move in one of the directions. Therefore, the motor 131 and the spiral rotating body 150 are collectively referred to as a driving device for the diffusion screen 160.
  • the diffusion screen 160 for example, a diffusion plate, a microlens array, or the like can be used.
  • the diffusion screen 160 has a diffusion function in a direction (XY directions) perpendicular to the optical axis AX.
  • An intermediate image is formed on the diffusion screen 160 (the incident surface of the spiral rotating body 150), and light is diffused from the intermediate image, so that an eyebox (a range in which the virtual image can be visually recognized) can be widely secured.
  • an eyebox a range in which the virtual image can be visually recognized
  • the virtual image generation optical system is a magnifying optical system that magnifies an intermediate image formed on the diffusion screen 160 in cooperation with the transmission reflection surface 200, and forms a virtual image IM in front of the driver 890.
  • the virtual image generation optical system has a reflection optical system and is composed of at least one mirror.
  • the transmission reflection surface 200, the first mirror 128A having optical power, and the second mirror 128B are included.
  • the first mirror 128A and the second mirror 128B are convex, concave, or flat, and in the case of a curved surface, they are not limited to a spherical surface, but may be an aspherical surface, a free curved surface, or the like.
  • FIG. 4 is a top view of the spiral rotating body 150 according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is a perspective view of the spiral rotating body 150 according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is a side view of the spiral rotating body 150 according to the present embodiment.
  • a diffusion screen 160 is formed over the entire surface of one surface 158 (end surface in the ⁇ Z direction) of the spiral rotating body 150.
  • the diffusion screen 160 diffuses the display light to a desired angle.
  • the diffusion screen 160 may be a sheet attached to the spiral rotating body 150, or may be a fine uneven pattern formed on the surface 158 of the spiral rotating body 150. Further, the diffusion screen 160 may be formed so as to be embedded inside the spiral rotating body 150.
  • the other surface 159 (end surface in the Z direction) of the spiral rotating body 150 is formed on a smooth surface or an optical surface.
  • the spiral rotating body 150 is a spiral member having light transmission, and the pair of surfaces 158 and 159 are spiral surfaces having the rotating axis SX as the spiral axis.
  • the diffusion screen 160 formed on the surface 158 is also formed along a continuous helicoid surface.
  • the spiral rotating body 150 or the diffusion screen 160 has substantially the same thickness with respect to the optical axis AX (rotating axis SX) direction.
  • the diffusion screen 160 is formed in a range corresponding to one cycle of the spiral. That is, the diffusion screen 160 is formed in the range of one pitch of the spiral.
  • a step 151 is formed in the radial direction (r direction) at one location along the circumference of the diffusion screen 160.
  • the diffusion screen 160 By forming the diffusion screen 160 in such a shape, it is possible to continuously change the position of the diffusion screen 160 in the optical axis AX direction except for the step 151, and it is possible to perform projection that changes the projection distance of the virtual image. It becomes.
  • the region where the diffusion screen 160 on the spiral rotating body 150 intersects the display light (functional area 161).
  • the position of is also moved in the circumferential direction of the spiral rotating body 150 (see the functional region 161Z moved by ⁇ / 4 radians in the ⁇ direction and the optical axis AXZ).
  • the functional region 161 on the diffusion screen 160 is sequentially shifted to the functional region 161Z at positions displaced at equal angles, for example, and the intermediate projected onto this functional region 161Z.
  • the image also moves either forward or backward in the optical axis AX direction.
  • the distance between the virtual image IM and the driver 890 formed behind the transmission reflection surface 200 by the virtual image generation optical system by repeatedly projecting the intermediate image projected on the functional region 161 at a predetermined position in the optical axis AX direction can be a desired distance.
  • FIG. 7 is a graph 411 showing the relationship between the rotation angle of the spiral rotating body 150 and the position of the intermediate image according to the present embodiment, and a graph 412 showing the relationship between the rotation angle and the projection distance to the virtual image.
  • the horizontal axis of the graphs 411 and 412 is the rotation angle, and an angle with a step 151 (see FIGS. 4 and 5) is defined as 0 radian.
  • the vertical axis of the graph 411 is the position of the intermediate image (diffusion screen 160) on the optical axis AX.
  • the vertical axis of the graph 412 is the projection distance to the virtual image IM.
  • the rotation angle changes from 0 to 2 ⁇ radians it moves from distance I0 to distance I1 in a direction far from the driver 890.
  • the rotation angle of the spiral rotating body 150 is before and after the rotation angle A2.
  • the light sources 111A, 111B, 111C and the display element 121 are controlled so as to form an optical image corresponding to the virtual image IM during a predetermined period of time (synchronized with the rotation of the spiral rotating body 150).
  • the display control unit 251 repeatedly forms an optical image corresponding to the virtual image IM for a predetermined period before and after the rotation angle A2 in the cycle in which the spiral rotating body 150 makes one rotation.
  • 111B, 111C and the display element 121 are controlled.
  • the display control unit 251 controls to synchronize the lighting of the light sources 111A, 111B, 111C, the formation of the optical image corresponding to the virtual image IM by the display element 121, and the rotation angle of the spiral rotating body 150. Then, the virtual image is projected.
  • the display control unit 251 divides time according to the timing of the rotation angle of the spiral rotating body 150 according to the projection distance of each virtual image, and displays element 121.
  • the light sources 111A, 111B, 111C and the display element 121 are controlled so that an optical image corresponding to each virtual image is repeatedly formed on the surface. At this time, it may be used while sharing a part of the functional area on the diffusion screen.
  • the functional areas corresponding to the first projection distance of the virtual image are the functional areas 161 to 161Y to 161Z (see FIG. 4), and the functional areas corresponding to another second projection distance are the functional areas 161A to 161B to. It is assumed that it is 161C. Then, the functional areas 161C and 161 share a part of the area.
  • the depth of focus is deep (long) when the variable aperture 126 (see FIG. 3) is stopped down, and the depth of focus from position P0 to position P1 of the intermediate image is within the depth of focus.
  • the depth of focus becomes shallower (shorter), and the positions of the intermediate images within the depth of focus are, for example, the ranges PI1 and PI2.
  • the rotation angle of the spiral rotating body 150 corresponding to the range PI1 and PI2 of the position of the intermediate image is the range AI1 and AI2, and the projection distance to the corresponding virtual image is the range II1 and II2, respectively.
  • the size of the aperture of the variable aperture 126, the depth of focus, the range of the position of the intermediate image, the range of the rotation angle of the spiral rotating body 150, and the range of the projection distance of the virtual image have the above-mentioned relationships.
  • the display control unit 251 forms an optical image at a timing (rotation angle of the spiral rotating body 150) such that the intermediate image fits in the depth of focus according to the size of the opening of the variable aperture 126.
  • the display control unit 251 sets the rotation angle of the spiral rotating body 150 and the light sources 111A, 111B, 111C so that the range of the projection distance of the virtual image is narrower than when the opening is small.
  • the lighting is controlled so as to synchronize the formation of the optical image corresponding to the virtual image by the display element 121.
  • FIG. 8 is an overall configuration diagram of the head-up display device 10 according to the present embodiment.
  • the head-up display device 10 includes a main control unit 280, a virtual image display means 250, a viewpoint position detecting means 260, and a vehicle peripheral monitoring means 270.
  • the virtual image display means 250 includes a display control unit 251 and a transmission / reflection surface 200 in addition to the virtual image display optical system 100 (see FIG. 3).
  • the display control unit 251 controls the light sources 111A, 111B, 111C, the display element 121, the lens drive unit 124 (see FIG. 3), the variable aperture 126, and the motor 131 to project the virtual image IM.
  • the viewpoint position detecting means 260 includes a camera 221 (see FIG. 2), an in-vehicle image processing unit 262, and an in-vehicle image determination unit 261 to detect the presence of the driver 890 and the viewpoint position.
  • the camera 221 is a compound-eye camera, for example, installed on the dashboard 810 on the right side when viewed from the driver's seat, and takes an image of the head of the driver 890 and its surroundings.
  • the in-vehicle image processing unit 262 performs various image processing such as brightness correction on the image taken by the camera 221.
  • the in-vehicle image determination unit 261 detects the driver's head and eyes by extracting and cutting out an object from the driver's 890 head image processed by the in-vehicle image processing unit 262, and accompanies the image. The presence or absence of the driver's head and the spatial position of the eyes are calculated from the depth information, and as a result, the direction of the line of sight is calculated. By calculating the direction of the line of sight, the in-vehicle image determination unit 261 determines where the viewpoint is from the short-distance portion to the long-distance portion in front of the vehicle 800 by the driver 890, and the determination result is the main control unit 280. Output to.
  • the vehicle peripheral monitoring means 270 includes a camera 222, an external image processing unit 272, and an external image determination unit 271 to identify vehicles, bicycles, pedestrians, etc. that are close to the front of the vehicle 800.
  • the camera 222 is a compound-eye camera, for example, installed on the dashboard 810 on the left side when viewed from the driver's seat, and photographs the front of the vehicle 800.
  • the vehicle exterior image processing unit 272 performs various image processing such as brightness correction on the image taken by the camera 222. Further, the vehicle exterior image processing unit 272 calculates the illuminance in front of the vehicle 800 from the image captured by the camera 222 and outputs the illuminance to the main control unit 280 via the vehicle exterior image determination unit 271.
  • the vehicle exterior image determination unit 271 extracts or cuts out an object from the image processed by the vehicle exterior image processing unit 272, detects the presence or absence of an object such as a car, a bicycle, or a pedestrian, and detects the presence or absence of an object such as a car, a bicycle, or a pedestrian. Calculate the spatial position of the object in front.
  • the vehicle exterior image determination unit 271 outputs the position, distance, and size of the display frame surrounding the object on the virtual image IM to the main control unit 280.
  • the cameras 221,222 may be a combination of a two-dimensional camera and an infrared distance sensor instead of the compound-eye type camera, or may be a stereo camera.
  • cameras and sensors LiDAR, millimeter-wave radar that can obtain depth information for each part of the screen taken by taking images while changing the focal length at high speed with a single 2D camera. ), Or it may be installed outside the vehicle 800.
  • the display control unit 251 operates the virtual image display optical system 100 under the control of the main control unit 280 to display (project) a three-dimensional virtual image IM whose projection distance changes behind the transmission reflection surface 200.
  • the display control unit 251 generates a virtual image IM to be displayed on the virtual image display optical system 100 according to the position, distance, and size of the display frame received from the vehicle peripheral monitoring means 270 via the main control unit 280.
  • the virtual image IM can be, for example, a sign such as a display frame located around the object existing behind the transmission reflection surface 200 in the depth direction thereof.
  • the display control unit 251 receives information on the presence of the driver and the line of sight from the viewpoint position detecting means 260 via the main control unit 280. This makes it possible to automatically start and stop the projection of the virtual image IM (display frame) by the virtual image display optical system 100. It is also possible to project the virtual image IM only in the direction of the driver's line of sight.
  • the main control unit 280 has a role of harmonizing the operations of the virtual image display optical system 100, the vehicle peripheral monitoring means 270, and the like, and corresponds to the spatial position of the object detected by the vehicle peripheral monitoring means 270. The spatial arrangement of the display frame, which is the virtual image IM projected by the display optical system 100, is adjusted.
  • FIG. 9 is a perspective view for explaining a display state of the virtual image IM according to the present embodiment.
  • an object 451A that is a pedestrian In front of the vehicle 800, an object 451A that is a pedestrian, an object 451B that is a vehicle on the oncoming lane, and an object 451C that is a pedestrian are present in this order from the closest side.
  • the main control unit 280 instructs the display control unit 251 to project a three-dimensional virtual image IM by the virtual image display optical system 100, and display frames 452A, 452B which are virtual images on the objects 451A, 451B, 451C. , 452C is projected so as to be added.
  • the projected distances to the display frames 452A, 452B, 452C correspond to the distances from the driver 890 to the objects 451A, 451B, 451C. It is supposed to be done.
  • the projection distances of the display frames 452A, 452B, and 452C are discrete, and it is not necessary to accurately match the actual distances to the objects 451A, 451B, and 451C. If the difference between the distance to the object 451A, 451B, 451C and the projected distance of the display frames 452A, 452B, 452C is not large, parallax is unlikely to occur even if the viewpoint of the driver 890 moves, and the object 451A, The correspondence between the 451B and 451C and the display frames 452A, 452B and 452C can be maintained.
  • the position of the intermediate image corresponding to the projection distance of the display frames 452A, 452B, 452C is within the focal depth of the display light. There is a need.
  • the positions of the intermediate images are far apart, it is necessary to stop down the aperture of the variable aperture 126.
  • the driver 890 displays the display frames 452A, 452B, 452C. It is not possible to secure sufficient brightness for visual recognition.
  • the main control unit 280 does not project the display frames 452A, 452B, 452C corresponding to all the objects 451A, 451B, 451C, but projects only the display frames for some objects.
  • the display control unit 251 is instructed to do so. For example, only the display frames 452A corresponding to the objects 451A or the display frames 452A and 452B corresponding to the objects 451A and 451B may be projected because the distance is short and the grace period for approaching is short. Alternatively, only the display frame 452A corresponding to the object 451A, which is a pedestrian who is vulnerable to traffic, may be projected.
  • the display frame 452C may not be projected because it is not necessary to pay attention to the object 451C which is a pedestrian on the sidewalk on the oncoming lane side.
  • all display frames may be displayed at the virtual image distance of the object that requires the most attention. For example, it is assumed that the object 451A needs the most attention among the objects 451A, 451B, and 451C having different distances.
  • the main control unit 280 may display the display frames 452B and 452C at the same time as the display frame 452A (project to the same distance).
  • the display frame is displayed on the display control unit 251. Instruct to project 452A with high brightness.
  • the display control unit 251 opens the variable aperture 126 and controls the lens drive unit 124 so that the focus of the display light projected by the projection optical system main body 125 matches the position of the intermediate image corresponding to the projection distance of the display frame 452A. (Adjust the focal length).
  • the display control unit 251 displays the light sources 111A, 111B, 111C so as to form an optical image (synchronized with the rotation angle) according to the rotation angle of the spiral rotating body 150 corresponding to the position of the intermediate image. It controls the element 121.
  • the virtual image display optical system 100 By controlling the virtual image display optical system 100 in this way, it becomes possible to project a high-brightness virtual image (display frame) that matches the viewpoint of the driver 890. If the projection distance is short even if there is one or more objects for which a display frame is provided and the position of the corresponding intermediate image is within the shallow depth of focus by opening the aperture, the driver 890 A virtual image of a display frame corresponding to one object or a plurality of objects having a short projection distance may be projected regardless of the viewpoint of.
  • Rotating body having multiple flat surfaces >>
  • the spiral rotating body 150 has a spiral diffusion screen 160 and one step 151.
  • the rotating body may be provided with a plurality of flat surfaces perpendicular to the axis of rotation instead of being spiral.
  • FIG. 10 is a top view of the rotating body 150A having a plurality of flat surfaces according to the first modification of the present embodiment.
  • FIG. 11 shows a graph 421 showing the relationship between the rotation angle of the rotating body 150A having a plurality of plane portions and the position of the intermediate image according to the first modification of the present embodiment, and the relationship between the rotation angle and the projection distance to the virtual image. It is a graph 422 showing.
  • Planar diffusion screens 160A1, 160A2, 160A3, 160A4 are formed on the plurality of flat surfaces, which are separated by ⁇ / 2 radians when viewed from the rotation axis SX.
  • the step 152A, the step 152B, the step 152C, and the step 152D are steps between the diffusion screens 160A4 and 160A1, between the diffusion screens 160A1 and 160A2, between the diffusion screens 160A2 and 160A3, and between the diffusion screens 160A3 and 160A4, respectively.
  • the position of the intermediate image is discretely changed like the rotating body 150A.
  • the diffusion screen 160A1, 160A2, 160A3, 160A4 may be used, which changes and discretely changes the projection distance of the virtual image.
  • the rotating body 150A, in which the position of the intermediate image changes discretely can prolong the projection time of each intermediate image and thus increase the brightness, as compared with the case where the position of the intermediate image changes continuously. can.
  • Rotating body with a mixture of helicoids and planes >> The spiral rotating body 150 has only a spiral diffusion screen 160, and the rotating body 150A has only a plurality of planar diffusion screens 160A1, 160A2, 160A3, 160A4. A spiral diffusion screen and a flat diffusion screen may be mixed.
  • FIG. 12 is a top view of the rotating body 150B in which the flat surface portion and the spiral portion are mixed according to the second modification of the present embodiment.
  • FIG. 13 shows a graph 431 showing the relationship between the rotation angle of the rotating body 150B in which the flat surface portion and the spiral portion are mixed and the position of the intermediate image according to the second modification of the present embodiment, and the rotation angle and the projection distance to the imaginary image. It is a graph 432 which shows the relationship of.
  • a planar diffusion screen 160B1, a spiral diffusion screen 160B2, and a planar diffusion screen 160B3, which are separated by 2 ⁇ / 3 radians when viewed from the rotation axis SX, are formed on the surface of the rotating body 150B.
  • the step 153A, the boundary 153B, and the boundary 153C are a step between the diffusion screens 160B3 and 160B1, a boundary between the diffusion screens 160B1 and 160B2, and a boundary between the diffusion screens 160B2 and 160B3, respectively.
  • FIG. 14 is a top view of the rotating body 150C in which the flat surface portion and the spiral portion are mixed according to the modification 3 of the present embodiment.
  • FIG. 15 shows a graph 441 showing the relationship between the rotation angle and the position of the intermediate image of the rotating body 150C in which the plane portion and the spiral portion coexist according to the modification 3 of the present embodiment, and the rotation angle and the projection distance to the imaginary image. It is a graph 442 which shows the relationship of.
  • a planar diffusion screen 160C1 having an angle of ⁇ / 2 radians seen from the rotating shaft SX and a spiral diffusion screen 160C2 having an angle of 3 ⁇ / 2 radians seen from the rotating shaft SX Is formed.
  • the step 154A and the boundary 154B are a step and a boundary between the diffusion screens 160C1 and 160C2, respectively.
  • a shape in which a spiral diffusion screen and a flat diffusion screen coexist such as the rotating bodies 150B and 150C, instead of the spiral rotating body 150 having only a spiral diffusion screen and the rotating body 150A having only a planar diffusion screen. But it may be.
  • the rotating body has a diffusion screen structure having one cycle, but a configuration having two or more cycles may be used.
  • the intermediate image changes from position P0 (see FIG. 7) to position P1 while the rotating body makes one rotation, and then changes from position P0 to position P1 again. You may. In this case, there are two steps corresponding to the steps 151.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of the hollow tubular body 132A according to the modified example of the present embodiment. While the cross section of the hollow cylinder 132 is rectangular (see FIG. 3), the cross section of the hollow cylinder 132A has a shape in which the end face portion on the side where the indicator light is emitted is bulged.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of the hollow tubular body 132B according to the modified example of the present embodiment.
  • the cross section of the hollow tubular body 132B has a shape in which the end face portions on both sides are bulged.
  • the focal length of the display light (projection optical system main body 125) is adjusted so as to match the projection distance according to the viewpoint of the driver 890.
  • the main control unit 280 acquires the vehicle speed of the vehicle 800 so that the focal length matches the position of the intermediate image corresponding to the long projection distance at high speed and the position of the intermediate image corresponding to the short projection distance at low speed.
  • the drive unit 124 may be controlled.
  • the head-up display device mounted on a vehicle such as an automobile has been described, but it may be mounted on another transportation machine such as a train or an aircraft.
  • the present invention can take various other embodiments, and further, various modifications such as omission and substitution can be made without departing from the gist of the present invention.
  • These embodiments and variations thereof are included in the scope and gist of the invention described in the present specification and the like, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
  • Head-up display device 100
  • Virtual image display optical system (virtual image display device) 111A, 111B, 111C
  • Light source 112A, 112B, 112C Collimeter 114, 116
  • Dycroic mirror 115
  • Relay lens 117
  • Fly eye optical system 118
  • Condenser lens 119
  • Display element 122
  • Flat plate 123
  • TIR prism 123S Slope
  • Lens drive unit 125
  • Projection optics System body 126
  • Variable aperture 127 Folded mirror 128A First mirror 128B Second mirror
  • Motor (drive device) 132
  • Hollow cylinder 150 Spiral rotating body (driving device) 150A, 150B, 150C rotating body (driving device) 160,160A1,160A2,160A3,160A4,160B1,160B2,160B3,160C1,160C2
  • Transmission reflective surface 221,222 Camera 250
  • Virtual image display means 260
  • Viewpoint position detection means 270
  • Vehicle peripheral monitoring means (peri

Landscapes

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

Abstract

ヘッドアップディスプレイ装置は、光を出射する光源（１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ）と、光源（１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ）からの光を表示素子（１２１）へと導く照明光学系と、表示素子（１２１）により形成された画像を拡散スクリーンに投射する投射光学系と、拡散スクリーン上に投射された中間像を虚像に変換する虚像生成光学系と、を備える。拡散スクリーンは、光軸（ＡＸ）方向への移動を可能とする駆動装置に実装され、投射光学系は、可変絞り（１２６）を備える。

Description

ヘッドアップディスプレイ装置
　本発明は、虚像の投影距離が可変であるヘッドアップディスプレイ装置に関する。
　従来の車載用ヘッドアップディスプレイ装置は、車速や走行距離などを含む虚像を運転手から一定の距離離れた位置に表示（投影）している。運転手は、前方から大きく視線を移すことなく、車速を知ることができる。
　安全運転を支援するヘッドアップディスプレイ装置として、自車両前方の歩行者や車両、障害物などの対象物をカメラなどのセンサで検知して、運転手に危険を知らせる虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置の開発が進められている。このようなヘッドアップディスプレイ装置では、例えば、対象物に対して枠状の危険信号（警告表示）を重畳させて表示することが求められ、対象物の距離に対応して虚像の投影距離が可変であることが求められる。特許文献１には、表示素子上の像を拡大する投影光学系と、拡張機能を有する拡散スクリーンと、拡散スクリーン上の像を虚像に変換する虚像形成光学系とを備え、拡散スクリーンの位置を変化させることで虚像の投影距離を可変にする虚像表示光学系が記載されている。
国際公開第２０１８／０７９７９４号
　特許文献１に記載の技術では、拡散スクリーン上の像（中間像）の位置を光軸に沿って前後に移動させることで、虚像の投影距離を可変にしている。また、当該技術では、前後に移動する拡散スクリーン上の中間像に対応するため、投影光学系の焦点深度を深く（長く）しており、光量不足の原因となる。光量が不足すると、逆光などで背景輝度が高い場合に虚像が見にくくなり、警告表示が機能しなくなることが想定される。
　本発明は、このような背景を鑑みてなされたものであって、虚像の投影距離が可変であり、また、高い輝度の虚像の表示を可能とするヘッドアップディスプレイ装置を提供することを課題とする。
　本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
　（１）光を出射する光源と、前記光源からの光を表示素子へと導く照明光学系と、前記表示素子により形成された画像を拡散スクリーンに投射する投射光学系と、前記拡散スクリーン上に投射された中間像を虚像に変換する虚像生成光学系と、を備え、前記拡散スクリーンは、光軸方向への移動を可能とする駆動装置に実装され、前記投射光学系は、可変絞りを備えるヘッドアップディスプレイ装置。
　（２）前記虚像生成光学系は、透過反射面と、前記拡散スクリーンから出射した光を前記透過反射面に反射する少なくとも１枚のミラーと、を備える（１）に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　（３）前記駆動装置は、モータを有する回転体であり、前記回転体の表面または内部に前記拡散スクリーンが配置されており、回転運動により前記拡散スクリーンの位置を光軸方向に変化させる（１）または（２）に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　（４）前記可変絞りの開口の大きさが相対的に大きい場合に、前記開口の大きさが小さい場合よりも前記虚像が投影される投影距離の範囲が狭くなるように、前記表示素子の光学像を形成するタイミングを制御する表示制御部を備える（３）に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　（５）前記表示制御部は、前記可変絞りの開口の大きさに応じた前記投射光学系の焦点深度内に前記拡散スクリーンが位置するときに、前記光学像を形成する（４）に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　（６）前記拡散スクリーンは、前記回転体の円周方向に螺旋状に配置されている（３）～（５）の何れか１つに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　（７）前記拡散スクリーンは、前記回転体の円周方向に複数の段差を有する平面状に配置されている（３）～（５）の何れか１つに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　（８）前記拡散スクリーンは、前記回転体の円周方向に平面部と螺旋部が混在するように配置されている（３）～（５）の何れか１つに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　（９）周辺照度測定手段を備え、前記周辺照度測定手段からの照度情報に応じて前記可変絞りを制御する（１）～（８）の何れか１つに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　（１０）前記投射光学系は一部または全てのレンズを移動させるレンズ駆動部を備え、前記中間像の焦点位置が変化可能である（１）～（９）の何れか１つに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　（１１）視点位置検知手段を備え、前記視点位置検知手段からの視点位置情報に応じて前記レンズ駆動部を制御する（１０）に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　（１２）移動体に設置され、前記移動体の速度に応じて前記レンズ駆動部を制御する（１０）に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
　本発明によれば、虚像の投影距離が可変であり、また、高い輝度の虚像の表示を可能とするヘッドアップディスプレイ装置を提供することができる。
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側方から見た概略図である。 本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置を搭載した車両の車室前方の概略図である。 本実施形態に係る虚像表示光学系の概略構成図である。 本実施形態に係る螺旋状回転体の上面図である。 本実施形態に係る螺旋状回転体の斜視図である。 本実施形態に係る螺旋状回転体の側面図である。 本実施形態に係る螺旋状回転体の回転角度と中間像の位置との関係を示すグラフ、および回転角度と虚像までの投影距離との関係を示すグラフである。 本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の全体構成図である。 本実施形態に係る虚像の表示状態を説明するための斜視図である。 本実施形態の変形例１に係る複数の平面部を有する回転体の上面図である。 本実施形態の変形例１に係る複数の平面部を有する回転体の回転角度と中間像の位置との関係を示すグラフ、および回転角度と虚像までの投影距離との関係を示すグラフである。 本実施形態の変形例２に係る平面部と螺旋部が混在する回転体の上面図である。 本実施形態の変形例２に係る平面部と螺旋部が混在する回転体の回転角度と中間像の位置との関係を示すグラフ、および回転角度と虚像までの投影距離との関係を示すグラフである。 本実施形態の変形例３に係る平面部と螺旋部が混在する回転体の上面図である。 本実施形態の変形例３に係る平面部と螺旋部が混在する回転体の回転角度と中間像の位置との関係を示すグラフ、および回転角度と虚像までの投影距離との関係を示すグラフである。 本実施形態の変形例に係る中空筒体の断面図である。 本実施形態の変形例に係る中空筒体の断面図である。
　以下に、本発明を実施するための形態（実施形態）におけるヘッドアップディスプレイ装置を説明する。ヘッドアップディスプレイ装置は、光源と、光源からの光を表示素子へと導く照明光学系と、可変絞りを有し、表示素子上に形成された光学像（画像）を拡散スクリーンに投射する投射光学系と、拡散スクリーン上に投射された中間像を虚像に変換する虚像生成光学系とを備える。拡散スクリーンは、例えば螺旋状の回転体上に形成され、回転体が回転することで、光軸方向へ前後に移動する。または、例えば光軸上の位置がそれぞれ異なる複数の扇形の平面を有する回転体において、この平面上に拡散スクリーンが形成されており、回転体が回転することで、光軸方向へ前後に移動する。
　拡散スクリーンの移動に応じて、虚像の投影距離が変化する。例えば、虚像の投影距離である第１～第３距離に対して、拡散スクリーン（拡散スクリーン上の中間像）の第１～第３位置がそれぞれ対応するとする。また、回転体の第１～第３回転角度が、拡散スクリーンの第１～第３位置に対応するとする。回転体の第１～第３回転角度のタイミングで、表示素子は、投影距離が第１～第３距離である虚像に対応する光学像をそれぞれ形成する。このように、回転体の回転角度に応じて、時分割で虚像を投影することで、ヘッドアップディスプレイ装置は、複数の位置にある虚像を表示できるようになる。
　複数の虚像の投影距離がそれぞれ離れている場合には、対応する拡散スクリーン（拡散スクリーン上の中間像）の光軸上の位置もそれぞれ離れる。このような場合には、絞りを絞って投射光学系の焦点深度を深く（長く）することで、対応する拡散スクリーンの位置が焦点深度内に収まるようにする。また、虚像の背景輝度が高い場合には、絞りを開けて投影光学系が投射する光量を増やし、虚像の輝度を上げるようにする。
　ヘッドアップディスプレイ装置は、拡散スクリーンが形成された回転体を回転させ、光軸上の拡散スクリーンの位置を移動させることで、投影距離が異なる複数の虚像を投影することができるようになる。また、ヘッドアップディスプレイ装置は、絞りを開けて投射する光量を増やすことで、輝度が高い虚像を投影することができるようになる。但し、絞りを開けることで焦点深度は浅くなり、焦点深度に収まる拡散スクリーンの位置が限られ、結果として、同時に表示（投影）可能な虚像の投影距離は狭まることになる。
≪ヘッドアップディスプレイ装置の概要≫
　図１は、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０（図８参照）を車両８００に搭載した状態を側方から見た概略図である。図２は、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０を搭載した車両８００の車室前方の概略図である。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、虚像表示光学系１００（虚像表示装置、後記する図３参照）および透過反射面２００を含んで構成される。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、虚像表示光学系１００に備わる表示素子１２１（後記する図３参照）が形成する光学像を虚像ＩＭとして、透過反射面２００を介して運転手８９０向けに表示する。
　虚像表示光学系１００は、車両８００のダッシュボード８１０内で、透過反射面２００の下側に設置され、虚像ＩＭを形成する表示光を透過反射面２００に向けて射出する（光軸ＡＸ参照）。透過反射面２００は、コンバイナーとも呼ばれ、車両８００の前方と虚像とを重ねて運転手８９０に見せるハーフミラーである。また、透過反射面２００は車両８００に備えつけられたウインドシールド８２０（フロントウインド）がこの機能を兼ねる場合もある。透過反射面２００は、ダッシュボード８１０に立設され、虚像表示光学系１００から射出された表示光を、車両８００後方側の運転手８９０の目に向けて反射する。運転手８９０は、表示光を、透過反射面２００を透過した外界光として、つまりは歩行者や他車両などを含む車両８００の前方光景として視認する。このため、歩行者や他車両と重なるように虚像ＩＭが表示されることで、運転手８９０は、視点を動かすことなく、歩行者や他車両と虚像ＩＭとを視認することができる。例えば、虚像ＩＭとして、歩行者や他車両を囲む枠を表示することで、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、運転手８９０の注意を歩行者や他車両に向けさせることができる。
≪虚像表示光学系の構成≫
　図３は、本実施形態に係る虚像表示光学系１００の概略構成図である。虚像表示光学系１００は、光源１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃと、照明光学系と、投射光学系と、虚像生成光学系とを含んで構成される。
≪虚像表示光学系の構成：光源と照明光学系≫
　照明光学系は、コリメータ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃと、ダイクロイックミラー１１４，１１６と、リレーレンズ１１５と、フライアイ光学系１１７と、コンデンサーレンズ１１８，１２０と、折り曲げミラー１１９と、ＴＩＲ（Total Internal Reflection）プリズム１２３と、平板１２２とを含んで構成される。
　３つの光源１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃは、ＬＥＤその他の発光素子であり、ＲＧＢ３色の照明光をそれぞれ射出する。コリメータ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃは、光源１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃからの照明光を平行光束に近い状態にする凸レンズであり、各レンズの焦点位置が光源１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃとなるように配置される。
　ダイクロイックミラー１１４は、光源１１１Ｂからの照明光と、光源１１１Ａからの照明光とを合成する鏡である。ダイクロイックミラー１１６は、光源１１１Ｃからの照明光と、ダイクロイックミラー１１４で合成された光源１１１Ａ，１１１Ｂからの照明光とを合成する。リレーレンズ１１５は、光源１１１Ａ，１１１Ｂからの照明光の光路差を補償する。
　フライアイ光学系１１７は、オプティカルインテグレータとも呼ばれ、インテグレータレンズ（フライアイレンズ）やロッドレンズを用いて、光源１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃからの照明光を均一化する。コンデンサーレンズ１１８，１２０は、フライアイ光学系１１７を出た照明光を適度な入射角範囲で、表示素子１２１に入射させる。
　ＴＩＲプリズム１２３は、全反射の有無を利用して照明光の光路と、表示素子１２１が形成する表示光の光路とを分離する。具体的には、ＴＩＲプリズム１２３を構成する一方のプリズムの斜面１２３Ｓで照明光を全反射して表示素子１２１に導く。平板１２２は、表示素子１２１のカバーガラスであるが、フィルター機能を持たせることもできる。
≪虚像表示光学系の構成：表示素子≫
　表示素子１２１は、ＤＭＤ（Digital Mirror Device、Digital Micromirror Device）あり、ＴＩＲプリズム１２３から入射した照明光を画素単位でＴＩＲプリズム１２３越しに、後記する投射光学系に向けたり逸らしたりするオン・オフ動作が可能である。表示素子１２１の動作は、順次発光する光源１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃと同期しており、ＲＧＢ３色の表示光による光学像を形成する。ＴＩＲプリズム１２３は、表示素子１２１からの光を光軸ＡＸに沿った正面方向（Ｙ方向）へ透過させて、表示光として投射光学系に入射させる。表示素子１２１は、ＤＭＤに限らず、バックライトやＬＥＤで照明される液晶などの透過型の素子であってもよい。
≪虚像表示光学系の構成：投射光学系≫
　投射光学系の本体となる投射光学系本体１２５は、レンズ駆動部１２４が備わる可変焦点のレンズ系であり、複数のレンズを有する。図３では、レンズ駆動部１２４は、１枚のレンズを駆動するように記載されているが、１枚に限らず、複数枚のレンズや全てのレンズを駆動するようにしてもよい。投射光学系は、さらに可変絞り１２６と折り返しミラー１２７とを備える。投射光学系は、表示素子１２１の表面に形成された光学像を適当な倍率に拡大投影し、螺旋状回転体１５０の入射面に設けられた拡散スクリーン１６０（後記する図４～図５参照）に近接した位置に中間像を形成する。中間像から位置がずれて僅かにピントがぼけた像も中間像に含む。中間像の位置は、投射光学系、または投射光学系本体１２５の本来の結像位置だけでなく、その周辺を含む領域となる。
≪虚像表示光学系の構成：回転体と拡散スクリーン≫
　中空筒体１３２は、螺旋状回転体１５０を収納しており、モータ１３１により、中空筒体１３２と螺旋状回転体１５０とは、光軸ＡＸと平行な回転軸ＳＸの周りに一体として回転する。中空筒体１３２は、ほぼ円柱状の外形であり、側面部と一対の端面部とで構成される。側面部と一対の端面部とは、光透過性を有する同一の材料で形成されている。なお、側面部は、光透過性を有していなくてもよい。拡散スクリーン１６０を備えた螺旋状回転体１５０を中空筒体１３２中に配置することで、螺旋状回転体１５０に塵などが付着することを抑制できる。さらに、螺旋状回転体１５０の回転に伴う音の発生を抑制することができ、螺旋状回転体１５０の高速での回転を安定化させることが容易になる。なお、螺旋状回転体１５０は、その外周部分において中空筒体１３２に固定してもよい。
　拡散スクリーン１６０は、螺旋状回転体１５０の入射面に形成された拡散角を所望の角度に制御した部材である。後述するように、モータ１３１により螺旋状回転体１５０が回転することで拡散スクリーン１６０が光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）の何れかに移動し、拡散スクリーン１６０上の中間像の位置も光軸ＡＸ方向の何れかに移動する。このため、モータ１３１と螺旋状回転体１５０とを合わせて拡散スクリーン１６０の駆動装置とも記す。
　拡散スクリーン１６０は、例えば拡散板、マイクロレンズアレイなどを用いることができる。拡散スクリーン１６０は、光軸ＡＸと垂直な方向（ＸＹ方向）に拡散機能を有している。拡散スクリーン１６０（螺旋状回転体１５０の入射面）に中間像が形成され、ここから光が拡散するので、アイボックス（虚像が視認可能な範囲）を広く確保することができる。拡散スクリーン１６０に投影される中間像が、可変絞り１２６が絞られた状態での投射光学系の焦点深度内で形成させると、焦点の合った虚像を投影可能である。また、可変絞り１２６が開いた状態では、拡散スクリーン１６０の一部が焦点深度内にある。
≪虚像表示光学系の構成：虚像生成光学系≫
　虚像生成光学系は、拡散スクリーン１６０に形成された中間像を透過反射面２００と協働して拡大する拡大光学系であり、運転手８９０の前方に虚像ＩＭを形成する。虚像生成光学系は、反射光学系を有し、少なくとも１枚のミラーで構成されるが、本実施形態では、透過反射面２００、光学的パワーを有する第１ミラー１２８Ａ、および第２ミラー１２８Ｂを含む。第１ミラー１２８Ａ、および第２ミラー１２８Ｂは、凸面、凹面、または平面であり、曲面の場合には球面に限らず、非球面、自由曲面等とすることができる。
≪回転体・拡散スクリーンの構成≫
　図４は、本実施形態に係る螺旋状回転体１５０の上面図である。図５は、本実施形態に係る螺旋状回転体１５０の斜視図である。図６は、本実施形態に係る螺旋状回転体１５０の側面図である。
　螺旋状回転体１５０の一方の表面１５８（－Ｚ方向の端面）には、全域に亘って拡散スクリーン１６０が形成されている。拡散スクリーン１６０は、表示光を所望の角度に拡散する。拡散スクリーン１６０は、螺旋状回転体１５０に貼り付けられるシートであってもよいし、螺旋状回転体１５０の表面１５８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、拡散スクリーン１６０は、螺旋状回転体１５０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。螺旋状回転体１５０の他方の表面１５９（Ｚ方向の端面）は、平滑面または光学面に形成されている。
　螺旋状回転体１５０は、光透過性を有する螺旋状の部材であり、一対の表面１５８，１５９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、表面１５８上に形成された拡散スクリーン１６０も連続的な螺旋面に沿って形成されたものとなっている。螺旋状回転体１５０または拡散スクリーン１６０は、光軸ＡＸ（回転軸ＳＸ）方向に関してほぼ等しい厚みを有する。拡散スクリーン１６０は、螺旋の１周期に対応する範囲に形成されている。つまり、拡散スクリーン１６０は、螺旋の１ピッチ分の範囲に形成されている。この結果、拡散スクリーン１６０の周に沿った一箇所で半径方向（ｒ方向）に段差１５１が形成されている。
　拡散スクリーン１６０をこのような形状とすることで、拡散スクリーン１６０の光軸ＡＸ方向の位置を、段差１５１を除いて連続的に変化させることが可能となり、虚像の投影距離を変化させる投影が可能となる。モータ１３１（図３参照）によって螺旋状回転体１５０を一定速度で回転軸ＳＸの周りに回転させることで、螺旋状回転体１５０上の拡散スクリーン１６０が表示光と交差する領域（機能領域１６１）の位置も螺旋状回転体１５０の周方向に移動する（θ方向にπ／４ラジアン移動した機能領域１６１Ｚ、および光軸ＡＸＺ参照）。詳しくは、螺旋状回転体１５０の回転に伴って、拡散スクリーン１６０上の機能領域１６１は、例えば等角度でずれた位置の機能領域１６１Ｚに順次シフトし、この機能領域１６１Ｚ上に投影された中間像も、光軸ＡＸ方向の前後何れかに移動する。螺旋状回転体１５０（拡散スクリーン１６０）が回転軸ＳＸの周りに所定角度だけ回転した際に、表示素子１２１の表面に所定の光学像が形成され、機能領域１６１に中間像が投影される。機能領域１６１に投影された中間像が光軸ＡＸ方向の所定位置に繰り返し投影されることで、虚像生成光学系によって透過反射面２００の背後に形成される虚像ＩＭと運転手８９０との距離（虚像までの投影距離）を所望の距離とすることができる。
　図７は、本実施形態に係る螺旋状回転体１５０の回転角度と中間像の位置との関係を示すグラフ４１１、および回転角度と虚像までの投影距離との関係を示すグラフ４１２である。グラフ４１１，４１２の横軸は回転角度であり、段差１５１（図４、図５参照）のある角度を０ラジアンとする。グラフ４１１の縦軸は、光軸ＡＸ上の中間像（拡散スクリーン１６０）の位置である。回転角度が０から２πラジアンに変化するに応じて、位置Ｐ０から位置Ｐ１まで、Ｚ方向でマイナス方向に（折り返しミラー１２７（図３参照）に近い方向に）移動する。グラフ４１２の縦軸は、虚像ＩＭまでの投影距離である。回転角度が０から２πラジアンに変化するに応じて、距離Ｉ０から距離Ｉ１まで、運転手８９０から遠い方向に移動する。
　虚像表示光学系１００を制御する表示制御部２５１（後記する図８参照）は、虚像ＩＭを距離Ｉ２に投影距離に投影する場合には、螺旋状回転体１５０の回転角度が回転角度Ａ２の前後の所定期間において（螺旋状回転体１５０の回転と同期させて）、虚像ＩＭに相当する光学像を形成するように光源１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃと表示素子１２１とを制御する。詳しくは、表示制御部２５１は、螺旋状回転体１５０が１回転する周期のなかで回転角度Ａ２の前後の所定期間は、虚像ＩＭに相当する光学像を繰り返し形成するようにＲＧＢ色の光源１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃと表示素子１２１とを制御する。換言すれば、表示制御部２５１は、光源１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃの点灯と、表示素子１２１による虚像ＩＭに対応する光学像の形成と、螺旋状回転体１５０の回転角度とを同期するように制御して、虚像を投影する。
　投影距離が異なる複数の虚像を投影する場合には、表示制御部２５１は、それぞれの虚像の投影距離に応じた螺旋状回転体１５０の回転角度のタイミングに合わせて時分割で、表示素子１２１の表面に各虚像に相当する光学像を繰り返し形成させるように光源１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃと表示素子１２１とを制御する。このとき、拡散スクリーン上では機能領域を一部共有しながら使用する場合がある。例えば、虚像の第１の投影距離に対応する機能領域が機能領域１６１～１６１Ｙ～１６１Ｚ（図４参照）であり、また別の第２の投影距離に対応する機能領域が機能領域１６１Ａ～１６１Ｂ～１６１Ｃであるとする。すると、機能領域１６１Ｃ，１６１は、一部の領域を共有している。
　可変絞り１２６（図３参照）が絞られた状態では焦点深度が深く（長く）、中間像の位置Ｐ０から位置Ｐ１までが焦点深度内に収まっている。しかしながら、可変絞りを開くと焦点深度が浅く（短く）なり、焦点深度に収まる中間像の位置は、例えば範囲ＰＩ１，ＰＩ２となる。中間像の位置の範囲ＰＩ１，ＰＩ２に対応する螺旋状回転体１５０の回転角度は、範囲ＡＩ１，ＡＩ２であり、これに対応する虚像までの投影距離は、それぞれ範囲ＩＩ１，ＩＩ２となる。可変絞り１２６を開けば表示光の光量が増加し虚像の輝度は高くなるが、焦点深度は浅くなり、投影距離Ｉ２の虚像は焦点が合わなくなる。
　可変絞り１２６の開口の大きさ、焦点深度、中間像の位置の範囲、螺旋状回転体１５０の回転角度の範囲、および虚像の投影距離の範囲には、上記したような関係がある。この関係に対応して表示制御部２５１は、可変絞り１２６の開口の大きさに応じた焦点深度に中間像が収まるようなタイミング（螺旋状回転体１５０の回転角度）で光学像が形成されるように制御する。可変絞り１２６の開口が大きい場合に表示制御部２５１は、開口が小さい場合よりも虚像の投影距離の範囲が狭くなるように、螺旋状回転体１５０の回転角度と、光源１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃの点灯と、表示素子１２１による虚像に対応する光学像の形成とを同期するように制御する。
≪ヘッドアップディスプレイ装置の全体構成≫
　図８は、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０の全体構成図である。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、主制御部２８０、虚像表示手段２５０、視点位置検知手段２６０、および車両周辺監視手段２７０を含んで構成される。
　虚像表示手段２５０は、虚像表示光学系１００（図３参照）の他に、表示制御部２５１、および透過反射面２００を含んで構成される。表示制御部２５１は、光源１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ、表示素子１２１、レンズ駆動部１２４（図３参照）、可変絞り１２６、およびモータ１３１を制御して、虚像ＩＭを投影する。
　視点位置検知手段２６０は、カメラ２２１（図２参照）、車内画像処理部２６２、および車内画像判断部２６１を備え、運転手８９０の存在や視点位置を検出する。カメラ２２１は、複眼型のカメラで、例えば、ダッシュボード８１０の上で運転席から見て右側に設置されており、運転手８９０の頭部およびその周辺の画像を撮影する。車内画像処理部２６２は、カメラ２２１で撮影した画像に対して明るさ補正などの各種画像処理を行う。
　車内画像判断部２６１は、車内画像処理部２６２が処理した運転手８９０の頭部画像からオブジェクトの抽出や切り出しなどを行うことによって運転手８９０の頭部や目を検出して、画像に付随する奥行情報から運転手８９０の頭部の存否や目の空間的な位置を算出し、結果的に視線の方向を算出する。視線の方向を算出することで、車内画像判断部２６１は、運転手８９０が車両８００の前方で近距離部分から遠距離部分のどこに視点があるかを判断し、判断した結果を主制御部２８０に出力する。
　車両周辺監視手段２７０は、カメラ２２２と、車外画像処理部２７２と、車外画像判断部２７１とを備え、車両８００の前方に近接する自動車や自転車、歩行者などを識別する。カメラ２２２は、複眼型のカメラで、例えば、ダッシュボード８１０の上で運転席から見て左側に設置されており、車両８００の前方を撮影する。車外画像処理部２７２は、カメラ２２２で撮影した画像に対して明るさ補正などの各種画像処理を行う。また、車外画像処理部２７２は、カメラ２２２が撮像した画像から車両８００前方の照度を算出して、車外画像判断部２７１を介して、主制御部２８０に出力する。
　車外画像判断部２７１は、車外画像処理部２７２が処理した画像からオブジェクトの抽出または切り出しを行い、自動車や自転車、歩行者などの対象物の存否を検出するとともに、画像に付随する奥行情報から車体前方における対象物の空間的な位置を算出する。車外画像判断部２７１は、虚像ＩＭ上で対象物を囲む表示枠の位置や距離、大きさを主制御部２８０に出力する。
　なお、カメラ２２１，２２２は、複眼型のカメラに替えて、２次元カメラと赤外距離センサとを組み合わせたものを用いてもよいし、ステレオカメラであってもよい。また、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可能なカメラやセンサ類（LiDAR、ミリ波レーダー）であってもよく車両８００の外部に設置されていても良い。
　表示制御部２５１は、主制御部２８０の制御下で虚像表示光学系１００を動作させて、透過反射面２００の背後に投影距離が変化する３次元的な虚像ＩＭを表示（投影）させる。表示制御部２５１は、主制御部２８０を介して車両周辺監視手段２７０から受信した表示枠の位置や距離、大きさに応じて、虚像表示光学系１００に表示させる虚像ＩＭを生成する。虚像ＩＭは、例えば、透過反射面２００の背後に存在する対象物に対してその奥行き方向に関して周辺に位置する表示枠のような標識とすることができる。
　表示制御部２５１は、主制御部２８０を介して視点位置検知手段２６０から運転手の存在や視線の情報を受信する。これにより、虚像表示光学系１００による虚像ＩＭ（表示枠）の投影の自動的な開始や停止が可能になる。また、運転手の視線の方向のみに虚像ＩＭの投影を行うこともできる。
　主制御部２８０は、虚像表示光学系１００、車両周辺監視手段２７０などの動作を調和させる役割を有し、車両周辺監視手段２７０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１００によって投影される虚像ＩＭである表示枠の空間的な配置を調整する。
≪虚像の表示状態≫
　図９は、本実施形態に係る虚像ＩＭの表示状態を説明するための斜視図である。車両８００前方には、近い方から順に、歩行者である対象物４５１Ａ、対向車線上の車両である対象物４５１Ｂ、歩行者である対象物４５１Ｃが存在する。この場合、主制御部２８０は、表示制御部２５１に指示して、虚像表示光学系１００によって３次元的な虚像ＩＭを投影させ、対象物４５１Ａ，４５１Ｂ，４５１Ｃに虚像である表示枠４５２Ａ，４５２Ｂ，４５２Ｃを付加するように投影する。このとき、運転手８９０から対象物４５１Ａ，４５１Ｂ，４５１Ｃまでの距離が異なるので、表示枠４５２Ａ，４５２Ｂ，４５２Ｃまでの投影距離は、運転手８９０から対象物４５１Ａ，４５１Ｂ，４５１Ｃまでの距離に相当するものとなっている。
　なお、表示枠４５２Ａ，４５２Ｂ，４５２Ｃの投影距離は、離散的であり、対象物４５１Ａ，４５１Ｂ，４５１Ｃまでの実際の距離に対して正確に一致させる必要はない。対象物４５１Ａ，４５１Ｂ，４５１Ｃまでの距離と、表示枠４５２Ａ，４５２Ｂ，４５２Ｃの投影距離とのそれぞれの差が大きくなければ、運転手８９０の視点が動いても視差が生じにくく、対象物４５１Ａ，４５１Ｂ，４５１Ｃと、表示枠４５２Ａ，４５２Ｂ，４５２Ｃとの対応関係を維持することができる。
　表示枠４５２Ａ，４５２Ｂ，４５２Ｃを表示する時間（表示期間）が重なっている場合は、表示枠４５２Ａ，４５２Ｂ，４５２Ｃの投影距離に対応する中間像の位置は、表示光の焦点深度に収まっている必要がある。中間像の位置が離れている場合には、可変絞り１２６の絞りを絞っておく必要がある。しかしながら、車両周辺監視手段２７０が測定した車両８００前方の照度が高い場合には、絞りを絞った状態では十分な表示光の光量を確保できず、運転手８９０が表示枠４５２Ａ，４５２Ｂ，４５２Ｃを視認するのに十分な輝度を確保できない。
　このような場合には、主制御部２８０は、全ての対象物４５１Ａ，４５１Ｂ，４５１Ｃに対応する表示枠４５２Ａ，４５２Ｂ，４５２Ｃを投影するのではなく、一部の対象物に対する表示枠のみを投影するように、表示制御部２５１に指示する。例えば、距離が近く接近までの時間の猶予が少ない対象物４５１Ａに対応する表示枠４５２Ａ、ないしは対象物４５１Ａ，４５１Ｂに対応する表示枠４５２Ａ，４５２Ｂのみを投影するようにしてもよい。または、交通弱者である歩行者である対象物４５１Ａに対応する表示枠４５２Ａのみを投影するようにしてもよい。あるいは、対向車線側の歩道にいる歩行者である対象物４５１Ｃについては注意を払う必要性が低いとして、表示枠４５２Ｃの投影は不要で、投影しないようにしてもよい。もしくは、一番注意が必要な対象物の虚像距離に全ての表示枠を表示してもよい。例えば、距離が異なる対象物４５１Ａ，４５１Ｂ，４５１Ｃのなかで対象物４５１Ａに最も注意が必要だとする。このときに、主制御部２８０は、表示枠４５２Ｂ，４５２Ｃを表示枠４５２Ａと同時に表示（同じ距離に投影）するようにしてもよい。
　主制御部２８０は、車両８００前方の照度が所定値より高く、視点位置検知手段２６０が出力した運転手８９０の視点が対象物４５１Ａにあると判断した場合には、表示制御部２５１に表示枠４５２Ａを高輝度で投影するように指示する。表示制御部２５１は、可変絞り１２６を開き、かつ、投射光学系本体１２５が投影する表示光の焦点が表示枠４５２Ａの投影距離に対応する中間像の位置に合うようにレンズ駆動部１２４を制御する（焦点距離を調整する）。さらに、表示制御部２５１は、中間像の位置に対応する螺旋状回転体１５０の回転角度に合わせて（回転角度と同期して）光学像を形成するように、光源１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃと表示素子１２１とを制御する。
　このように、虚像表示光学系１００を制御することで、運転手８９０の視点に合わせた高輝度の虚像（表示枠）を投影することができるようになる。なお、表示枠を設ける対象物が１つ、または、複数の対象物があっても投影距離が近く、対応する中間像の位置が絞りを開けて浅い焦点深度に収まる場合には、運転手８９０の視点によらず、１つの対象物、または投影距離が近い複数の対象物に対応する表示枠の虚像を投影してもよい。
≪変形例１：複数平面部を有する回転体≫
　上記した実施形態では、螺旋状回転体１５０は、螺旋状の拡散スクリーン１６０を有し、段差１５１は１つである。回転体は、螺旋状ではなく、回転軸に垂直な複数の平面部を備えるようにしてもよい。
　図１０は、本実施形態の変形例１に係る複数の平面部を有する回転体１５０Ａの上面図である。図１１は、本実施形態の変形例１に係る複数の平面部を有する回転体１５０Ａの回転角度と中間像の位置との関係を示すグラフ４２１、および回転角度と虚像までの投影距離との関係を示すグラフ４２２である。複数の平面部上には、回転軸ＳＸから見てπ／２ラジアンごとに区切られた、平面状の拡散スクリーン１６０Ａ１，１６０Ａ２，１６０Ａ３，１６０Ａ４が形成される。段差１５２Ａ、段差１５２Ｂ、段差１５２Ｃ、段差１５２Ｄは、それぞれ拡散スクリーン１６０Ａ４，１６０Ａ１間、拡散スクリーン１６０Ａ１，１６０Ａ２間、拡散スクリーン１６０Ａ２，１６０Ａ３間、拡散スクリーン１６０Ａ３，１６０Ａ４間の段差である。螺旋状回転体１５０のように、連続的に中間像の位置が変化して連続的に虚像の投影距離が可変する拡散スクリーン１６０ではなく、回転体１５０Ａのように離散的に中間像の位置が変化して離散的に虚像の投影距離が変わる拡散スクリーン１６０Ａ１，１６０Ａ２，１６０Ａ３，１６０Ａ４であってもよい。連続的に中間像の位置が変化する場合より、離散的に中間像の位置が変化する回転体１５０Ａの方が、各中間像の投影時間を長くすることができ、よって輝度を高くすることができる。
≪変形例２，３：螺旋面と平面が混在する回転体≫
　螺旋状回転体１５０は、螺旋状の拡散スクリーン１６０のみを有し、回転体１５０Ａは、複数の平面状の拡散スクリーン１６０Ａ１，１６０Ａ２，１６０Ａ３，１６０Ａ４のみを有する。螺旋状の拡散スクリーンと平面状の拡散スクリーンとが混在するようにしてもよい。
　図１２は、本実施形態の変形例２に係る平面部と螺旋部が混在する回転体１５０Ｂの上面図である。図１３は、本実施形態の変形例２に係る平面部と螺旋部が混在する回転体１５０Ｂの回転角度と中間像の位置との関係を示すグラフ４３１、および回転角度と虚像までの投影距離との関係を示すグラフ４３２である。回転体１５０Ｂの表面には、回転軸ＳＸから見て２π／３ラジアンごとに区切られた、平面状の拡散スクリーン１６０Ｂ１、螺旋状の拡散スクリーン１６０Ｂ２、および平面状の拡散スクリーン１６０Ｂ３が形成される。段差１５３Ａ、境界１５３Ｂ、境界１５３Ｃは、それぞれ拡散スクリーン１６０Ｂ３，１６０Ｂ１間の段差、拡散スクリーン１６０Ｂ１，１６０Ｂ２間の境界、拡散スクリーン１６０Ｂ２，１６０Ｂ３間の境界である。
　図１４は、本実施形態の変形例３に係る平面部と螺旋部が混在する回転体１５０Ｃの上面図である。図１５は、本実施形態の変形例３に係る平面部と螺旋部が混在する回転体１５０Ｃの回転角度と中間像の位置との関係を示すグラフ４４１、および回転角度と虚像までの投影距離との関係を示すグラフ４４２である。回転体１５０Ｃの表面には、回転軸ＳＸから見た角度がπ／２ラジアンである平面状の拡散スクリーン１６０Ｃ１、および回転軸ＳＸから見た角度が３π／２ラジアンである螺旋状の拡散スクリーン１６０Ｃ２が形成される。段差１５４Ａ、および境界１５４Ｂは、それぞれ拡散スクリーン１６０Ｃ１，１６０Ｃ２間の段差、および境界である。
　螺旋状の拡散スクリーンのみの螺旋状回転体１５０や平面状の拡散スクリーンのみの回転体１５０Ａではなく、回転体１５０Ｂ，１５０Ｃのように、螺旋状の拡散スクリーンと平面状の拡散スクリーンが混在する形状でもよい。
　また、本実施形態では回転体には１周期の拡散スクリーン構造となっているが、２周期以上の構成でもよい。例えば、螺旋状の拡散スクリーンであって、回転体が１回転する間に中間像が位置Ｐ０（図７参照）から位置Ｐ１に変化し、さらにもう一度位置Ｐ０から位置Ｐ１に変化する回転体であってもよい。この場合、段差１５１に対応する段差が２つあることになる。
≪変形例：中空筒体≫
　中空筒体１３２は、円筒の形状をしているが、これに限らず円筒の端面部が外側に膨らんだ形状であってもよい。
　図１６は、本実施形態の変形例に係る中空筒体１３２Ａの断面図である。中空筒体１３２の断面が長方形（図３参照）であるのに対して、中空筒体１３２Ａの断面は、表示光が射出される側の端面部が膨らんだ形状になっている。
　図１７は、本実施形態の変形例に係る中空筒体１３２Ｂの断面図である。中空筒体１３２Ｂの断面は、両側の端面部が膨らんだ形状になっている。
　中空筒体の端面部をこのような形状とすることで、外光が入射して中空筒体の端面部で反射しても、反射光は、入射した方向には戻らない。このため、反射光が運転手８９０の目に入ることを防止することができる。
≪その他の変形例≫
　上記した実施形態では、運転手８９０の視点に応じた投影距離に合うように、表示光（投射光学系本体１２５）の焦点距離を調整している。主制御部２８０は、車両８００の車速を取得して、高速なら長い投影距離に対応する中間像の位置に、低速なら短い投影距離に対応する中間像の位置に焦点距離が合うように、レンズ駆動部１２４を制御してもよい。
　以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例示に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。例えば、上記した実施形態では、自動車のような車両に搭載されたヘッドアップディスプレイ装置を説明したが、列車や航空機など他の輸送機械に搭載されてもよい。本発明はその他の様々な実施形態を取ることが可能であり、さらに、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、省略や置換等種々の変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、本明細書等に記載された発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０　ヘッドアップディスプレイ装置
１００　虚像表示光学系（虚像表示装置）
１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ　光源
１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ　コリメータ
１１４，１１６　ダイクロイックミラー
１１５　リレーレンズ
１１７　フライアイ光学系
１１８，１２０　コンデンサーレンズ
１１９　折り曲げミラー
１２１　表示素子
１２２　平板
１２３　ＴＩＲプリズム
１２３Ｓ　斜面
１２４　レンズ駆動部
１２５　投射光学系本体
１２６　可変絞り
１２７　折り返しミラー
１２８Ａ　第１ミラー
１２８Ｂ　第２ミラー
１３１　モータ（駆動装置）
１３２　中空筒体
１５０　螺旋状回転体（駆動装置）
１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃ　回転体（駆動装置）
１６０，１６０Ａ１，１６０Ａ２，１６０Ａ３，１６０Ａ４，１６０Ｂ１，１６０Ｂ２，１６０Ｂ３，１６０Ｃ１，１６０Ｃ２　拡散スクリーン
２００　透過反射面
２２１，２２２　カメラ
２５０　虚像表示手段
２６０　視点位置検知手段
２７０　車両周辺監視手段（周辺照度測定手段）
４５１Ａ，４５１Ｂ，４５１Ｃ　対象物
４５２Ａ，４５２Ｂ，４５２Ｃ　表示枠
８００　車両（移動体）
８９０　運転手（ユーザ）
ＡＸ　光軸
ＩＭ　虚像
ＳＸ　回転軸

Claims (12)

  1. 　光を出射する光源と、
    　前記光源からの光を表示素子へと導く照明光学系と、
    　前記表示素子により形成された画像を拡散スクリーンに投射する投射光学系と、
    　前記拡散スクリーン上に投射された中間像を虚像に変換する虚像生成光学系と、を備え、
    　前記拡散スクリーンは、光軸方向への移動を可能とする駆動装置に実装され、
    　前記投射光学系は、可変絞りを備える
    　ヘッドアップディスプレイ装置。
  2. 　前記虚像生成光学系は、
    　透過反射面と、
    　前記拡散スクリーンから出射した光を前記透過反射面に反射する少なくとも１枚のミラーと、を備える
    　請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  3. 　前記駆動装置は、
    　モータを有する回転体であり、
    　前記回転体の表面または内部に前記拡散スクリーンが配置されており、
    　回転運動により前記拡散スクリーンの位置を光軸方向に変化させる
    　請求項１または２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  4. 　前記可変絞りの開口の大きさが相対的に大きい場合に、前記開口の大きさが小さい場合よりも前記虚像が投影される投影距離の範囲が狭くなるように、前記表示素子の光学像を形成するタイミングを制御する表示制御部を備える
    　請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  5. 　前記表示制御部は、前記可変絞りの開口の大きさに応じた前記投射光学系の焦点深度内に前記拡散スクリーンが位置するときに、前記光学像を形成する
    　請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  6. 　前記拡散スクリーンは、前記回転体の円周方向に螺旋状に配置されている
    　請求項３～５の何れか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  7. 　前記拡散スクリーンは、前記回転体の円周方向に複数の段差を有する平面状に配置されている
    　請求項３～５の何れか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  8. 　前記拡散スクリーンは、前記回転体の円周方向に平面部と螺旋部が混在するように配置されている
    　請求項３～５の何れか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  9. 　周辺照度測定手段を備え、前記周辺照度測定手段からの照度情報に応じて前記可変絞りを制御する
    　請求項１～８の何れか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  10. 　前記投射光学系は一部または全てのレンズを移動させるレンズ駆動部を備え、
    　前記中間像の焦点位置が変化可能である
    　請求項１～９の何れか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  11. 　視点位置検知手段を備え、
    　前記視点位置検知手段からの視点位置情報に応じて前記レンズ駆動部を制御する
    　請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  12. 　移動体に設置され、
    　前記移動体の速度に応じて前記レンズ駆動部を制御する
    　請求項１０に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
PCT/JP2021/019091 2020-06-17 2021-05-20 ヘッドアップディスプレイ装置 WO2021256150A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020104650 2020-06-17
JP2020-104650 2020-06-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021256150A1 true WO2021256150A1 (ja) 2021-12-23

Family

ID=79267797

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2021/019091 WO2021256150A1 (ja) 2020-06-17 2021-05-20 ヘッドアップディスプレイ装置

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2021256150A1 (ja)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0659233A (ja) * 1992-08-06 1994-03-04 Sharp Corp 投影型表示装置
JPH11119147A (ja) * 1997-10-14 1999-04-30 Asahi Optical Co Ltd ヘッドアップディスプレイ
WO2018079794A1 (ja) * 2016-10-31 2018-05-03 コニカミノルタ株式会社 虚像表示光学系及び画像表示装置
JP2019083385A (ja) * 2017-10-30 2019-05-30 日本精機株式会社 ヘッドアップディスプレイ装置
JP2020056984A (ja) * 2018-09-28 2020-04-09 コニカミノルタ株式会社 ヘッドアップディスプレイ装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0659233A (ja) * 1992-08-06 1994-03-04 Sharp Corp 投影型表示装置
JPH11119147A (ja) * 1997-10-14 1999-04-30 Asahi Optical Co Ltd ヘッドアップディスプレイ
WO2018079794A1 (ja) * 2016-10-31 2018-05-03 コニカミノルタ株式会社 虚像表示光学系及び画像表示装置
JP2019083385A (ja) * 2017-10-30 2019-05-30 日本精機株式会社 ヘッドアップディスプレイ装置
JP2020056984A (ja) * 2018-09-28 2020-04-09 コニカミノルタ株式会社 ヘッドアップディスプレイ装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6726674B2 (ja) 情報表示装置
JP5930231B2 (ja) 投影装置及びヘッドアップディスプレイ装置
JP5772841B2 (ja) 車両用表示装置
JP7003925B2 (ja) 反射板、情報表示装置および移動体
EP3093708A1 (en) Transmissive screen and image display device using same
US10690911B2 (en) Projection optical system and head-up display device
WO2016208379A1 (ja) スクリーン装置及びヘッドアップディスプレイ装置
KR102192933B1 (ko) 허상 표시 장치, 중간상 형성부 및 화상 표시광 생성 유닛
WO2018003650A1 (ja) ヘッドアップディスプレイ
JP2011107382A (ja) 車両用表示装置
JP2016173583A (ja) 投影装置及びヘッドアップディスプレイ装置
JP6766828B2 (ja) ヘッドアップディスプレイ装置
WO2021256150A1 (ja) ヘッドアップディスプレイ装置
JP6642103B2 (ja) ヘッドアップディスプレイ装置
JP2017015805A (ja) 虚像表示装置
JP7205704B2 (ja) ヘッドアップディスプレイ装置
JPWO2018199245A1 (ja) 虚像表示装置及び移動体用表示システム
JP2017227681A (ja) ヘッドアップディスプレイ装置
JP6729327B2 (ja) ヘッドアップディスプレイ装置、表示方法およびプログラム
JP2020154027A (ja) 表示装置
KR20160050791A (ko) 차량용 헤드 업 디스플레이 장치
WO2017069037A1 (ja) ヘッドアップディスプレイ装置
WO2022230824A1 (ja) 映像表示装置および映像表示方法
JP7049583B2 (ja) ヘッドアップディスプレイ装置
WO2019220767A1 (ja) 虚像投影光学系及び表示装置

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: 21826837

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21826837

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP