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WO2018116897A1 - 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

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WO2018116897A1
WO2018116897A1 PCT/JP2017/044470 JP2017044470W WO2018116897A1 WO 2018116897 A1 WO2018116897 A1 WO 2018116897A1 JP 2017044470 W JP2017044470 W JP 2017044470W WO 2018116897 A1 WO2018116897 A1 WO 2018116897A1
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WO
WIPO (PCT)
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display
image
images
optical system
virtual
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2017/044470
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English (en)
French (fr)
Inventor
毅 笠原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Seiki Co Ltd
Original Assignee
Nippon Seiki Co Ltd
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 Nippon Seiki Co Ltd filed Critical Nippon Seiki Co Ltd
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Ceased legal-status Critical Current

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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
    • B60K35/20—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor
    • B60K35/21—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor using visual output, e.g. blinking lights or matrix displays
    • B60K35/23—Head-up displays [HUD]
    • B60K35/233—Head-up displays [HUD] controlling the size or position in display areas of virtual images depending on the condition of the vehicle or the driver
    • 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
    • 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.
  • the HUD device includes a projector 110 that emits image light representing an image, and a diffuser 111 that receives the image light from the projector 110 and forms display images O1 and O2.
  • the optical system 120 including lenses, mirrors, and the like, and the projector 110 and the diffuser 111 are linearly moved to display the virtual images I1 and I2 by guiding the display light L representing the display images O1 and O2 to the windshield 102.
  • An actuator A three-dimensional virtual image can be displayed by moving the virtual images I1 and I2 in the depth direction viewed from the user by the linear movement of the projector 110.
  • the distance from the optical system 120 to the display images O1 and O2 changes.
  • the distance from the viewer's viewpoint 3 to the virtual images I1 and I2 and the sizes of the virtual images I1 and I2 change according to the change in the distance.
  • the display image O1 indicated by the solid line when the diffuser 111 is located near the optical system 120 is larger than the display image O2 indicated by the broken line when the diffuser 111 is located far from the optical system 120.
  • the field angle ⁇ of the virtual image I1 corresponding to the display image O1 and the field angle ⁇ of the virtual image I2 corresponding to the display image O2 can be made the same.
  • the display image O2 displays an image with a smaller number of pixels E than the display image O1, and as a result, the display image O2 is an enlarged virtual image.
  • the resolution of I2 is lower than the resolution of the virtual image I1 obtained by enlarging the display image O1.
  • the resolution of the virtual image varies depending on the position of the virtual image, there is a concern that the appearance of the three-dimensional virtual image formed by these virtual images is deteriorated. Such a problem may occur not only when the angles of view ⁇ of the virtual images I1 and I2 are the same, but also when the angles of view ⁇ are different.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a head-up display device that can suppress a decrease in the appearance of a three-dimensional virtual image.
  • a head-up display device includes a display unit that emits video light, and a screen that receives the video light from the display unit and generates a display image. And a drive unit that moves the position of the display image by reciprocating the screen along the optical axis direction of the image light, and a medium of a different size at a different position according to the position of the display image.
  • a first optical system that generates an image based on display light representing the display image; and a second optical system that displays a virtual image by guiding display light representing the intermediate image to a projection member.
  • the present invention it is possible to suppress the appearance of the three-dimensional virtual image from being deteriorated.
  • FIG. It is the schematic of the head-up display apparatus which concerns on one Embodiment of this invention.
  • (A) which concerns on one Embodiment of this invention is schematic which shows a display unit when a screen exists in a 1st position
  • (b) is a display unit when a screen exists in a 2nd position.
  • FIG. It is the schematic which shows the three-dimensional virtual image seen from the viewer which concerns on one Embodiment of this invention. It is a front view of the screen which shows schematically the pixel of the display image concerning one embodiment of the present invention.
  • HUD head-up display
  • the HUD device 10 is built in a dashboard (not shown) of the vehicle 1, generates display light La representing an image, and directs the generated display light La toward a windshield 2 that is an example of a projection member. And exit.
  • the display light La is reflected by the windshield 2 and then reaches the viewpoint 3 of the viewer (mainly the driver of the vehicle 1).
  • the viewer can visually recognize the three-dimensional virtual image V formed in front of the windshield 2 as illustrated in FIG. 3.
  • the three-dimensional virtual image V may have any shape as long as it has a depth when viewed from the viewer.
  • the three-dimensional virtual image V may be used for presenting any information such as road information and vehicle information.
  • the HUD device 10 includes a display unit 11, an optical member 13 that is an example of a first optical system, a concave mirror 14 that is an example of a second optical system, and a drive unit. 12 and a control unit 50.
  • the display unit 11 emits display light L1 representing the display images O1 and O2 to the optical member 13 and reciprocates along the optical axis (left and right direction in FIG. 1) of the display light L1 by the driving unit 12.
  • the virtual image V can be displayed three-dimensionally by the reciprocating motion of the display unit 11.
  • the indicator unit 11 is provided with the indicator 11a, the screen 11b, and the housing
  • the display 11 a is a projector that emits video light L ⁇ b> 2 representing video included in the video signal based on the video signal input from the control unit 50.
  • the screen 11b is a diffusion film made of polycarbonate, for example, and is a translucent film that diffuses the image of the display 11a in a certain angle range.
  • the screen 11b receives the image light L2 from the display 11a, forms display images O1 and O2, and emits display light L1 representing the display images O1 and O2 to the optical member 13.
  • the housing 11c has a box shape having an opening through which the display light L1 passes, and a display 11a and a screen 11b are fixedly provided inside the housing 11c.
  • the drive unit 12 causes the display unit 11 to reciprocate along the optical axis of the display light L1 under the control of the control unit 50, for example.
  • the drive unit 12 includes a motor 12 a and a conversion mechanism 12 b that converts the rotational motion of the motor 12 a into a linear reciprocating motion and transmits the converted reciprocating motion to the display unit 11.
  • the conversion mechanism 12b includes, for example, a disc cam (not shown) that rotates eccentrically by the motor 12a, and a contact (not shown) that contacts the peripheral surface of the disc cam. This contact is biased to the circumferential surface of the disc cam by a spring (not shown). The linear reciprocation of the contact is transmitted to the display unit 11.
  • the screen 11b is driven by the drive unit 12 between a first position P1 and a second position P2 farther from the optical member 13 than the first position P1. Reciprocate between them.
  • the display image O1 is displayed on the screen 11b at the first position P1
  • the display image O2 is displayed on the screen 11b at the second position P2.
  • the sizes of the display images O1 and O2 are substantially the same, and the display images O1 and O2 have the same number of pixels E.
  • the display images O1 and O2 represent images having the same content. Note that this substantially the same includes a range in which the sizes of the display images O1 and O2 are different in order to correct image distortion due to the curved surface of the concave mirror 14 or the windshield 2.
  • the optical member 13 is schematically shown as a single lens in FIG. 1 and the like, but is actually composed of a thin lens composed of a plurality of lenses (not shown).
  • the optical member 13 generates intermediate images M1 and M2 obtained by enlarging the display images O1 and O2 of the display unit 11 at different magnifications on the concave mirror 14 side. Detailed generation modes of the intermediate images M1 and M2 will be described later.
  • the concave mirror 14 reflects the display light L3 representing the intermediate images M1 and M2 toward the windshield 2.
  • the concave mirror 14 has a function of correcting image distortion due to the curved shape of the windshield 2 and a function of enlarging the intermediate images M1 and M2.
  • the concave mirror 14 includes, for example, a substrate made of polycarbonate resin and a reflection mirror made of metal such as aluminum formed on the substrate.
  • the windshield 2 reflects the display light La representing the intermediate images M1 and M2 from the concave mirror 14 toward the viewpoint 3 of the viewer.
  • the virtual image I1 in which the intermediate image M1 is enlarged and the virtual image I2 in which the intermediate image M2 is enlarged are displayed.
  • the virtual image I2 is located farther from the viewer than the virtual image I1.
  • the size of the virtual image I2 is set larger than that of the virtual image I1 so that the angles of view ⁇ of the virtual images I1 and I2 are the same.
  • the pixel angles ⁇ of the unit pixels Ev in the virtual images I1 and I2 are the same, the image resolutions in the virtual images I1 and I2 are the same.
  • This pixel angle ⁇ is an angle between two line segments connecting the viewpoint 3 and both ends of the unit pixel Ev.
  • the control unit 50 includes a CPU (Central Processing Unit), a graphic controller, and the like.
  • the control unit 50 can serially communicate with another unit such as an on-vehicle ECU (Electronic Control Unit), for example, generates a video signal based on information from the other unit, and sends the video signal to the display 11a.
  • an on-vehicle ECU Electronic Control Unit
  • the control unit 50 drives the motor 12a of the drive unit 12 to reciprocate the display unit 11, and thus the screen 11b, and the display images O1 and O2.
  • the optical member 13 has an object-side focal point Fi located on the display image O1, O2 side, and an image-side focal point F′i located on the opposite side of the display images O1, O2. Since the display images O1 and O2 are located farther from the optical member 13 than the object-side focal point Fi, the intermediate images M1 and M2 are real images. From the geometric optics formula, the closer the display images O1 and O2 are to the object-side focal point Fi, the larger the lateral magnification in the display images O1 and O2.
  • the display image O1 is enlarged at a larger lateral magnification than the display image O2, the size of the intermediate image M1 corresponding to the display image O1 becomes larger than the intermediate image M2 corresponding to the display image O2. Further, the closer the display images O1 and O2 are to the object-side focal point Fi, the greater the distance from the optical member 13 to the intermediate images M1 and M2. In this example, since the display image O1 is closer to the optical member 13 than the display image O2, the intermediate image M1 is located farther from the optical member 13 than the intermediate image M2.
  • FIG. 6 shows a schematic synthetic lens 13L in which the concave mirror 14 and the windshield 2 are optically synthesized.
  • the windshield 2 has a large radius of curvature and can be regarded as almost flat glass. Therefore, the optical characteristic of the schematic synthetic lens 13L is almost determined by the concave mirror 14. That is, the focal positions of the schematic synthetic lens 13L and the concave mirror 14 are substantially the same.
  • the schematic synthetic lens 13 ⁇ / b> L has a focal point F ′ ⁇ b> 1 located on the viewer's viewpoint 3 side and a focal point F ⁇ b> 1 located on the opposite side of the viewpoint 3. Since the intermediate images M1 and M2 are located on the schematic synthetic lens 13L side from the focal point F1, the schematic synthetic lens 13L forms virtual images I1 and I2. As the intermediate images M1 and M2 approach the focal point F1, the virtual images I1 and I2 are generated at positions away from the schematic combining lens 13L and with a large lateral magnification. Therefore, in this example, the intermediate image M2 is located closer to the focal point F1 than the intermediate image M1.
  • the virtual image I2 corresponding to the intermediate image M2 is located at a position farther from the schematic synthetic lens 13L than the virtual image I1 corresponding to the intermediate image M1, and the virtual image I1 and the angle of view ⁇ are the same at that position.
  • a size larger than I1 is displayed.
  • the HUD device 10, for example, the concave mirror 14 and the optical member 13, is designed so that the intermediate images M1 and M2 and the virtual images I1 and I2 are generated as described above.
  • the light beam and the image viewed from the width direction of the vehicle 1 have been described, but the light beam and the image viewed from the height direction of the vehicle 1 have the same configuration and function in the same manner.
  • the HUD device 10 includes a display unit 11 including a display 11a that emits video light L2, and a screen 11b that receives the video light L2 from the display 11a and generates display images O1 and O2.
  • the screen 11b is reciprocated along the optical axis direction of the image light L2, and the drive unit 12 moves the positions of the display images O1 and O2, and the positions differ depending on the positions of the display images O1 and O2.
  • An optical member 13 which is an example of a first optical system that generates intermediate-sized images M1 and M2 based on display light L1 representing display images O1 and O2, and display light L3 representing intermediate images M1 and M2 is windshield 2
  • a concave mirror 14 that is an example of a second optical system that displays the virtual images I1 and I2 and eventually the three-dimensional virtual image V. According to this configuration, the optical member 13 generates the intermediate images M1 and M2 based on the display images O1 and O2, and adjusts the positions and sizes of the intermediate images M1 and M2 at this time.
  • the drive unit 12 moves the display images O1 and O2 between the first position P1 and the second position P2 farther from the optical member 13 than the first position P1.
  • the optical member 13 generates the first intermediate image M1 when the display image O1 is at the first position P1, and has a size larger than that of the first intermediate image M1 when the display image O2 is at the second position P2.
  • a second intermediate image M2 that is smaller and located closer to the optical member 13 than the first intermediate image M1 is generated.
  • the concave mirror 14 displays the first virtual image I1 by guiding the display light L3 representing the first intermediate image M1 to the windshield 2, and guides the display light L3 representing the second intermediate image M2 to the windshield 2.
  • the second virtual image I2 is larger in size than the first virtual image I1 and located farther from the windshield 2 than the first virtual image I1 so that the angle of view ⁇ is the same as that of the first virtual image I1. Is displayed. According to this configuration, even when the field angles ⁇ of the virtual images I1 and I2 are the same, it is not necessary to adjust the sizes of the display images O1 and O2 in order to make the field angles ⁇ the same. For this reason, it can suppress that the image resolution of the virtual images I1 and I2 differs, and can suppress that the appearance of the three-dimensional virtual image V falls. Further, since the intermediate images M1 and M2 become larger as they move away from the optical member 13, the optical path in the HUD device 10 can be shortened, and thus the size of the HUD device 10 can be reduced.
  • the number of pixels E of the display images O1 and O2 is set to be the same regardless of the positions of the display images O1 and O2. According to this configuration, the image resolutions of the virtual images I1 and I2 can be set to be the same, and deterioration of the appearance of the three-dimensional virtual image V can be suppressed.
  • the optical member 13 generates intermediate images M1 and M2 obtained by enlarging the display images O1 and O2, and the concave mirror 14 displays virtual images I1 and I2 obtained by enlarging the intermediate images M1 and M2.
  • the respective magnifications can be kept low, and the optical member 13 and the concave mirror 14, and thus the HUD device 10, can be downsized.
  • the installation space is limited, and thus the size reduction of the HUD device 10 is beneficial.
  • the concave mirror 14 has a function of correcting image distortion due to the curved shape of the windshield 2 and a function of enlarging the intermediate images M1 and M2.
  • the HUD device 10 can be downsized.
  • the configuration of the drive unit 12 is not limited to the above-described embodiment. If the display unit 11 can be reciprocated, a magnetic actuator or a rack and pinion mechanism that converts the rotational motion of the motor 12a into linear motion can be used. Good.
  • the drive unit 12 reciprocates the display unit 11, but the drive unit 12 may reciprocate only the screen 11b.
  • the second optical system in the above embodiment is not limited to the concave mirror 14 but may be configured by the concave mirror 14 and a plane mirror.
  • the contents of the images of the display images O1 and O2 are the same, but they may be different.
  • the control unit 50 may change the content of the display image displayed on the screen 11b according to the position of the screen 11b. Thereby, a virtual image with a stereoscopic effect can be displayed in the depth direction as viewed from the viewer.
  • the HUD device 10 is mounted on a vehicle, but is not limited to being mounted on a vehicle, and may be mounted on a vehicle such as an airplane or a ship. Further, the HUD device 10 may be mounted on a glasses-type wearable terminal. Furthermore, the projection member is not limited to the windshield 2 and may be a dedicated combiner.

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Abstract

３次元の虚像の見栄えが低下することを抑制できるヘッドアップディスプレイ装置を提供する。　ＨＵＤ装置１０は、映像光Ｌ２を出射する表示器１１ａと、表示器１１ａからの映像光Ｌ２を受けて表示像Ｏ１，Ｏ２を生成するスクリーン１１ｂと、を含む表示器ユニット１１と、スクリーン１１ｂを映像光Ｌ２の光軸方向に沿って往復運動させることで表示像Ｏ１，Ｏ２の位置を移動させる駆動部１２と、表示像Ｏ１，Ｏ２の位置に応じて、それぞれ異なる位置にそれぞれ異なるサイズの中間像Ｍ１，Ｍ２を表示像Ｏ１，Ｏ２に係る表示光Ｌ１に基づき生成する第１の光学系の一例である光学部材１３と、中間像Ｍ１，Ｍ２を表す表示光Ｌ３をウインドシールド２へ導くことで虚像Ｉ１，Ｉ２、ひいては３次元の虚像Ｖを表示する第２の光学系の一例である凹面鏡１４と、を備える。

Description

ヘッドアップディスプレイ装置
　本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。
　従来から、例えば、特許文献１に開示されるように、実景に重畳するように虚像を表示するヘッドアップディスプレイ(HUD: Head Up Display)装置が知られている。このＨＵＤ装置は、例えば、図７に模式的に示すように、映像を表す映像光を出射するプロジェクタ１１０と、プロジェクタ１１０からの映像光を受けて表示像Ｏ１，Ｏ２を結像するディフューザー１１１と、表示像Ｏ１，Ｏ２を表す表示光Ｌをウインドシールド１０２へ導くことで虚像Ｉ１，Ｉ２を表示する、レンズ、鏡等からなる光学系１２０と、このプロジェクタ１１０及びディフューザー１１１を線形移動させる図示しないアクチュエータと、を備える。このプロジェクタ１１０の線形移動により、虚像Ｉ１，Ｉ２をユーザから見た奥行き方向に移動させることで、３次元の虚像を表示させることができる。
特開２０１４－１８１０２５号公報
　上記特許文献１に記載のＨＵＤ装置においては、プロジェクタ１１０とディフューザー１１１が線形移動するため、光学系１２０から表示像Ｏ１，Ｏ２までの距離が変化する。この距離の変化に応じて視認者の視点３から虚像Ｉ１，Ｉ２までの距離及び虚像Ｉ１，Ｉ２のサイズが変化する。このため、視点３から見た虚像Ｉ１，Ｉ２の画角αを一定に保つべく、表示像Ｏ１，Ｏ２のサイズを予め調整することが考えられる。
　図７の例では、ディフューザー１１１が光学系１２０に近い位置にあるときの実線で示す表示像Ｏ１は、ディフューザー１１１が光学系１２０から遠い位置にあるときの破線で示す表示像Ｏ２よりも大きいサイズで形成される。これにより、表示像Ｏ１に対応する虚像Ｉ１の画角αと表示像Ｏ２に対応する虚像Ｉ２の画角αとを同一とすることができる。
　しかし、この場合では、図８に模式的に示すように、表示像Ｏ２は、表示像Ｏ１よりも少ない画素Ｅ数で画像を表示することとなり、結果的に、表示像Ｏ２が拡大された虚像Ｉ２の解像度は、表示像Ｏ１が拡大された虚像Ｉ１の解像度よりも低くなる。このように、虚像の位置により虚像の解像度が変動するため、これら虚像により形成される３次元の虚像の見栄えが低下することが懸念されていた。なお、このような問題は、虚像Ｉ１，Ｉ２の画角αを同一とした場合に限らず、画角αを異ならせた場合であっても生じうる。
　本発明は、上記実状を鑑みてなされたものであり、３次元の虚像の見栄えが低下することを抑制できるヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、映像光を出射する表示器と、前記表示器からの前記映像光を受けて表示像を生成するスクリーンと、を含む表示器ユニットと、前記スクリーンを前記映像光の光軸方向に沿って往復運動させることで前記表示像の位置を移動させる駆動部と、前記表示像の位置に応じて、それぞれ異なる位置にそれぞれ異なるサイズの中間像を前記表示像を表す表示光に基づき生成する第１の光学系と、前記中間像を表す表示光を投射部材へ導くことで虚像を表示する第２の光学系と、を備える。
　本発明によれば、３次元の虚像の見栄えが低下することを抑制できる。
本発明の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の概略図である。 本発明の一実施形態に係る（ａ）はスクリーンが第１の位置にあるときの表示器ユニットを示す概略図であり、（ｂ）はスクリーンが第２の位置にあるときの表示器ユニットを示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る視認者から見た３次元の虚像を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る表示像の画素を概略的に示すスクリーンの正面図である。 本発明の一実施形態に係る表示像と、その表示像に基づき光学部材が生成する中間像とを示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る中間像と、その表示像に基づき模式的合成レンズが生成する虚像とを示す概略図である。 背景技術に係るヘッドアップディスプレイ装置の概略図である。 本発明の一実施形態に係る表示像の画素を概略的に示すスクリーンの正面図である。
　以下に、本発明の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置を、添付図面に基づいて説明する。
　図１に示すように、ＨＵＤ装置１０は、車両１の図示しないダッシュボードに内蔵され、画像を表す表示光Ｌａを生成し、生成した表示光Ｌａを投射部材の一例であるウインドシールド２に向けて出射する。この表示光Ｌａは、ウインドシールド２で反射したうえで視認者（主に、車両１の運転者）の視点３に到達する。これにより、視認者は、図３に例示するように、ウインドシールド２の前方に形成された３次元の虚像Ｖを視認可能となる。３次元の虚像Ｖは、視認者から見て奥行きがある形状であれば、どのような形状であってもよい。また、３次元の虚像Ｖは、道路情報、車両情報等、いかなる情報の提示に利用されてもよい。
　詳しくは、図１に示すように、ＨＵＤ装置１０は、表示器ユニット１１と、第１の光学系の一例である光学部材１３と、第２の光学系の一例である凹面鏡１４と、駆動部１２と、制御部５０と、を備える。
　表示器ユニット１１は表示像Ｏ１，Ｏ２を表す表示光Ｌ１を光学部材１３に出射するとともに、駆動部１２によりその表示光Ｌ１の光軸（図１の左右方向）に沿って往復運動する。この表示器ユニット１１の往復運動により、虚像Ｖを立体的に表示することができる。
　詳しくは、図２（ａ）に示すように、表示器ユニット１１は、表示器１１ａと、スクリーン１１ｂと、筐体１１ｃと、を備える。
　表示器１１ａは、制御部５０から入力される映像信号に基づいてその映像信号に含まれる映像を表す映像光Ｌ２を出射するプロジェクタである。スクリーン１１ｂは、例えば、ポリカーボネート製の拡散フィルムであり、表示器１１ａの映像を一定の角度範囲に拡散させる半透明のフィルムである。スクリーン１１ｂは、表示器１１ａからの映像光Ｌ２を受けて表示像Ｏ１，Ｏ２を結像し、表示像Ｏ１，Ｏ２を表す表示光Ｌ１を光学部材１３に出射する。筐体１１ｃは表示光Ｌ１が通過する開口部を有する箱状をなし、筐体１１ｃの内部には表示器１１ａ及びスクリーン１１ｂが固定的に設けられている。
　図２（ａ）に示すように、駆動部１２は、例えば、制御部５０による制御のもと、表示器ユニット１１を表示光Ｌ１の光軸に沿って往復運動させる。詳しくは、駆動部１２は、モーター１２ａと、そのモーター１２ａの回転運動を直線的な往復運動に変換し、その変換した往復運動を表示器ユニット１１に伝達する変換機構１２ｂと、を備える。変換機構１２ｂは、例えば、モーター１２ａにより偏心回転する図示しない円板カムと、その円板カムの周面に接触する図示しない接触子と、からなる。この接触子は、図示しないばねにより円板カムの周面に付勢する。この接触子の直線的な往復運動が表示器ユニット１１に伝達される。
　図２（ａ），（ｂ）に示すように、スクリーン１１ｂは、駆動部１２により、第１の位置Ｐ１と、この第１の位置Ｐ１よりも光学部材１３から遠い第２の位置Ｐ２との間で往復運動する。第１の位置Ｐ１にあるスクリーン１１ｂには表示像Ｏ１が表示され、第２の位置Ｐ２にあるスクリーン１１ｂには表示像Ｏ２が表示される。図４に模式的に示すように、表示像Ｏ１，Ｏ２のサイズは略同一であり、表示像Ｏ１，Ｏ２は同一の画素Ｅ数を有する。本例では、表示像Ｏ１，Ｏ２は同一の内容の画像を表す。なお、この略同一は、凹面鏡１４又はウインドシールド２の曲面による画像の歪みを補正するために表示像Ｏ１，Ｏ２のサイズを異ならせる範囲を含む。
　光学部材１３は、図１等では模式的に１枚のレンズにより図示されているが、実際には図示しない複数のレンズを合成した薄肉レンズから構成される。光学部材１３は、表示器ユニット１１の表示像Ｏ１，Ｏ２を異なる倍率で拡大した中間像Ｍ１，Ｍ２を凹面鏡１４側に生成する。詳細な中間像Ｍ１，Ｍ２の生成態様については後述する。
　凹面鏡１４は、中間像Ｍ１，Ｍ２を表す表示光Ｌ３をウインドシールド２に向けて反射させる。凹面鏡１４は、ウインドシールド２の曲面形状による像の歪みを補正する機能と、中間像Ｍ１，Ｍ２を拡大する機能と、を有する。凹面鏡１４は、例えば、ポリカーボネートの樹脂からなる基板と、その基板上に形成されるアルミ等の金属からなる反射ミラーと、を備える。
　図１に示すように、ウインドシールド２は、凹面鏡１４からの中間像Ｍ１，Ｍ２を表す表示光Ｌａを視認者の視点３に向けて反射する。これにより、中間像Ｍ１が拡大された虚像Ｉ１と中間像Ｍ２が拡大された虚像Ｉ２とが表示される。虚像Ｉ２は、虚像Ｉ１よりも視認者から見て遠い位置にある。また、虚像Ｉ１，Ｉ２の画角αは同一となるように、虚像Ｉ２のサイズは、虚像Ｉ１よりも大きく設定されている。図１に模式的に示すように、虚像Ｉ１，Ｉ２における単位画素Ｅｖの画素角βが同一となるため、虚像Ｉ１，Ｉ２における画像解像度は同一となる。この画素角βは、視点３と単位画素Ｅｖの両端とを結ぶ２つの線分の間の角度である。
　制御部５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、グラフィックコントローラなどから構成される。制御部５０は、例えば、車載ＥＣＵ（Electronic Control Unit）などの他のユニットとシリアル通信可能であって、この他のユニットからの情報に基づき映像信号を生成し、その映像信号を表示器１１ａに出力することで表示器１１ａから映像光Ｌ２を出射させる。また、制御部５０は、駆動部１２のモーター１２ａを駆動することで、表示器ユニット１１、ひいてはスクリーン１１ｂ及び表示像Ｏ１，Ｏ２を往復運動させる。
　次に、中間像Ｍ１，Ｍ２及び虚像Ｉ１，Ｉ２の生成態様について説明する。
　図５に示すように、光学部材１３は、その表示像Ｏ１，Ｏ２側に位置する物体側焦点Ｆｉと、表示像Ｏ１，Ｏ２の反対側に位置する像側焦点Ｆ’ｉと、を有する。表示像Ｏ１，Ｏ２が物体側焦点Ｆｉよりも光学部材１３から離れた位置にあるため、中間像Ｍ１，Ｍ２は実像となる。幾何光学の公式より、表示像Ｏ１，Ｏ２が物体側焦点Ｆｉに近いほど、表示像Ｏ１，Ｏ２における横倍率は大きくなる。よって、表示像Ｏ１は表示像Ｏ２よりも大きい横倍率で拡大されるため、表示像Ｏ１に対応する中間像Ｍ１のサイズは、表示像Ｏ２に対応する中間像Ｍ２よりも大きくなる。
　また、表示像Ｏ１，Ｏ２が物体側焦点Ｆｉに近いほど、光学部材１３から中間像Ｍ１，Ｍ２までの距離が大きくなる。本例では、表示像Ｏ１が表示像Ｏ２よりも光学部材１３に近いため、中間像Ｍ１は中間像Ｍ２よりも光学部材１３から遠い位置にある。
　図６には、凹面鏡１４とウインドシールド２とを光学的に合成した模式的合成レンズ１３Ｌを示す。通常、ウインドシールド２は曲率半径が大きく、殆ど平面ガラスとみなせるため、模式的合成レンズ１３Ｌの光学的特性は、ほぼ凹面鏡１４で決まる。すなわち、模式的合成レンズ１３Ｌと凹面鏡１４の焦点位置はほぼ一致する。
　図６に示すように、模式的合成レンズ１３Ｌは、視認者の視点３側に位置する焦点Ｆ’１と、視点３と反対側に位置する焦点Ｆ１と、を有する。中間像Ｍ１，Ｍ２は焦点Ｆ１より模式的合成レンズ１３Ｌ側に位置するため、模式的合成レンズ１３Ｌは虚像Ｉ１，Ｉ２を結像する。中間像Ｍ１，Ｍ２が焦点Ｆ１に近づくほど、虚像Ｉ１，Ｉ２は模式的合成レンズ１３Ｌから離れた位置に、かつ大きい横倍率で虚像Ｉ１，Ｉ２が生成される。従って、本例では、中間像Ｍ２は、中間像Ｍ１よりも焦点Ｆ１に近い位置にある。このため、中間像Ｍ２に対応する虚像Ｉ２は、中間像Ｍ１に対応する虚像Ｉ１よりも模式的合成レンズ１３Ｌから離れた位置に、当該位置で虚像Ｉ１と画角αが同一となるように虚像Ｉ１よりも大きいサイズで表示される。
　上記のように中間像Ｍ１，Ｍ２及び虚像Ｉ１，Ｉ２が生成されるように、ＨＵＤ装置１０、例えば、凹面鏡１４及び光学部材１３を設計する。
　上記では、車両１の幅方向から見た光線及び像について説明したが、車両１の高さ方向から見た光線及び像についても同様の構成であり、かつ同様に作用する。
　（効果）
　以上、説明した一実施形態によれば、以下の効果を奏する。
　（１）ＨＵＤ装置１０は、映像光Ｌ２を出射する表示器１１ａと、表示器１１ａからの映像光Ｌ２を受けて表示像Ｏ１，Ｏ２を生成するスクリーン１１ｂと、を含む表示器ユニット１１と、スクリーン１１ｂを映像光Ｌ２の光軸方向に沿って往復運動させることで表示像Ｏ１，Ｏ２の位置を移動させる駆動部１２と、表示像Ｏ１，Ｏ２の位置に応じて、それぞれ異なる位置にそれぞれ異なるサイズの中間像Ｍ１，Ｍ２を表示像Ｏ１，Ｏ２を表す表示光Ｌ１に基づき生成する第１の光学系の一例である光学部材１３と、中間像Ｍ１，Ｍ２を表す表示光Ｌ３をウインドシールド２へ導くことで虚像Ｉ１，Ｉ２、ひいては３次元の虚像Ｖを表示する第２の光学系の一例である凹面鏡１４と、を備える。
　この構成によれば、光学部材１３は、表示像Ｏ１，Ｏ２に基づき中間像Ｍ１，Ｍ２を生成し、この際、中間像Ｍ１，Ｍ２の位置及びサイズを調整する。従って、虚像Ｉ１，Ｉ２に合わせて表示像Ｏ１，Ｏ２のサイズを調整する必要がないため、虚像Ｉ１，Ｉ２の画像解像度が異なることが抑制され、３次元の虚像Ｖの見栄えが低下することを抑制できる。
　（２）駆動部１２は、第１の位置Ｐ１と当該第１の位置Ｐ１よりも光学部材１３から遠い第２の位置Ｐ２との間で表示像Ｏ１，Ｏ２を移動させる。光学部材１３は、表示像Ｏ１が第１の位置Ｐ１にあるとき第１の中間像Ｍ１を生成し、表示像Ｏ２が第２の位置Ｐ２にあるとき、第１の中間像Ｍ１よりもサイズが小さく、かつ第１の中間像Ｍ１よりも光学部材１３の近くに位置する第２の中間像Ｍ２を生成する。凹面鏡１４は、第１の中間像Ｍ１を表す表示光Ｌ３をウインドシールド２へ導くことで第１の虚像Ｉ１を表示し、第２の中間像Ｍ２を表す表示光Ｌ３をウインドシールド２へ導くことで、第１の虚像Ｉ１と画角αが同一となるように、第１の虚像Ｉ１よりもサイズが大きく、かつ第１の虚像Ｉ１よりもウインドシールド２から遠くに位置する第２の虚像Ｉ２を表示する。
　この構成によれば、虚像Ｉ１，Ｉ２の画角αを同一とした場合であっても、画角αを同一とするために表示像Ｏ１，Ｏ２のサイズを調整する必要がない。このため、虚像Ｉ１，Ｉ２の画像解像度が異なることが抑制され、３次元の虚像Ｖの見栄えが低下することを抑制できる。
　また、中間像Ｍ１，Ｍ２は光学部材１３から離れるほど大きいサイズとなるため、ＨＵＤ装置１０における光路を短くすることができ、これによりＨＵＤ装置１０の小型化を図ることができる。
　（３）表示像Ｏ１，Ｏ２の画素Ｅ数は、表示像Ｏ１，Ｏ２の位置に関わらず同一に設定される。この構成によれば、虚像Ｉ１，Ｉ２の画像解像度を同一に設定することができ、３次元の虚像Ｖの見栄えが低下することを抑制できる。
　（４）光学部材１３は表示像Ｏ１，Ｏ２を拡大した中間像Ｍ１，Ｍ２を生成し、凹面鏡１４は中間像Ｍ１，Ｍ２を拡大した虚像Ｉ１，Ｉ２を表示する。
　この構成によれば、光学部材１３及び凹面鏡１４の両方で像を拡大するため、それぞれの倍率を低く抑えることができ、光学部材１３及び凹面鏡１４、ひいてはＨＵＤ装置１０の小型化を図ることができる。特に、ＨＵＤ装置１０が車室内に搭載される場合には、その設置スペースが限られていることから、ＨＵＤ装置１０の小型化は有益である。
　凹面鏡１４はウインドシールド２の曲面形状による像の歪みを補正する機能と、中間像Ｍ１，Ｍ２を拡大する機能とを有する。このように、凹面鏡１４に２つの機能を持たせることで、ＨＵＤ装置１０の小型化を図ることができる。
（変形例）
　なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
　駆動部１２の構成は上記実施形態に限らず、表示器ユニット１１を往復運動させることができれば、磁気型のアクチュエータ又はモーター１２ａの回転運動を直線運動に変換するラック＆ピニオン機構を利用してもよい。
　上記実施形態においては、駆動部１２は、表示器ユニット１１を往復運動させていたが、駆動部１２は、スクリーン１１ｂのみを往復運動させてもよい。
　上記実施形態における第２の光学系は、凹面鏡１４のみに限らず、凹面鏡１４及び平面鏡から構成されてもよい。
　上記実施形態では、表示像Ｏ１，Ｏ２の画像の内容は同一であったが異ならせてもよい。この場合、制御部５０は、スクリーン１１ｂの位置に応じてスクリーン１１ｂに表す表示像の内容を変化させてもよい。これにより、視認者から見て奥行き方向により立体感のある虚像を表示させることができる。
　上記実施形態では、ＨＵＤ装置１０は車載されていたが、車載用に限らず、飛行機、船等の乗り物に搭載されてもよい。また、ＨＵＤ装置１０はメガネ型ウェアラブル端末に搭載されてもよい。さらに、投射部材はウインドシールド２に限られず、専用のコンバイナであってもよい。
２，１０２　ウインドシールド
３　視点
１０　ＨＵＤ装置
１１　表示器ユニット
１１ａ　表示器
１１ｂ　スクリーン
１１ｃ　筐体
１２　駆動部
１２ａ　モーター
１２ｂ　変換機構
１３　光学部材
１３Ｌ　模式的合成レンズ
１４　凹面鏡
５０　制御部
１１０　プロジェクタ
α　画角
Ｖ　３次元の虚像
Ｉ１　第１の虚像
Ｉ２　第２の虚像
Ｍ１　第１の中間像
Ｍ２　第２の中間像
Ｏ１，Ｏ２　表示像
Ｐ１　第１の位置
Ｐ２　第２の位置

Claims (4)

  1. 　映像光を出射する表示器と、前記表示器からの前記映像光を受けて表示像を生成するスクリーンと、を含む表示器ユニットと、
    　前記スクリーンを前記映像光の光軸方向に沿って往復運動させることで前記表示像の位置を移動させる駆動部と、
    　前記表示像の位置に応じて、それぞれ異なる位置にそれぞれ異なるサイズの中間像を前記表示像を表す表示光に基づき生成する第１の光学系と、
    　前記中間像を表す表示光を投射部材へ導くことで虚像を表示する第２の光学系と、を備える、
    　ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  2. 　前記駆動部は、第１の位置と当該第１の位置よりも前記第１の光学系から遠い第２の位置との間で前記表示像を移動させ、
    　前記第１の光学系は、前記表示像が前記第１の位置にあるとき前記中間像である第１の中間像を生成し、前記表示像が前記第２の位置にあるとき、前記第１の中間像よりもサイズが小さく、かつ前記第１の中間像よりも前記第１の光学系の近くに位置する前記中間像である第２の中間像を生成し、
    　前記第２の光学系は、前記第１の中間像を表す表示光を前記投射部材へ導くことで前記虚像である第１の虚像を表示し、前記第２の中間像を表す表示光を前記投射部材へ導くことで、前記第１の虚像と画角が同一となるように、前記第１の虚像よりもサイズが大きく、かつ前記第１の虚像よりも前記投射部材から遠くに位置する前記虚像である第２の虚像を表示する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  3. 　前記表示像の画素数は、前記表示像の位置に関わらず同一に設定される、
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
  4. 　前記第１の光学系は、前記表示像を拡大した前記中間像を生成し、
    　前記第２の光学系は、前記中間像を拡大した前記虚像を表示する、
    　ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
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