WO2019177113A1

WO2019177113A1 - 虚像表示光学系及び表示装置

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Publication number: WO2019177113A1
Application number: PCT/JP2019/010621
Authority: WO
Inventors: 中村健太郎; 山田範秀; 橋村淳司
Original assignee: Konica Minolta Inc
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Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2019-09-19
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Abstract

虚像の輝度や視認性を向上させることができる虚像表示光学系及び表示装置を提供する。虚像表示光学系（３０）は、表示デバイスである像形成素子（１１）によって形成された画像をアイボックス（ＥＢ）を対象として虚像投影して表示させるものであって、中間像（ＴＩ）の形成位置の近傍に配置される中間スクリーン（１６）と、中間スクリーン（１６）より像形成素子（１１）側に配置される投影光学系と、中間スクリーン（１６）より表示スクリーン（２０）側に配置される虚像生成光学系（３０ｂ）と、を備え、中間スクリーン（１６）は、拡散面（１６ｍ）を有し、アイボックス（ＥＢ）の横方向に対応する拡散面（１６ｍ）上での第１方向と、それにほぼ直交するアイボックスＥＢの縦方向に対応する拡散面（１６ｍ）上での第２方向とで拡散度が異なり、アイボックス（ＥＢ）の縦及び横に関するサイズの大小関係と、第１方向の拡散度と第２方向の拡散度との大小関係とが一致する。

Description

虚像表示光学系及び表示装置

　本発明は、画像表示性能を確保した虚像表示光学系及び当該虚像表示光学系を有する表示装置に関するものである。

　従来の車両搭載用ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）装置は、虚像を運転者からある一定の距離離れた位置に生成する。ＨＵＤ装置は、運転者の視線やピントの移動を最小限に抑えることで、より安全な運転を支援することができる。虚像の視認性という意味においては、高速走行時及び低速走行時で虚像距離を変えられるよう、ＨＵＤ装置の光学系内に中間像を形成する構成が望ましく、また晴天のような非常に明るい環境下でも認識可能なように虚像の表示輝度を明るくすることが好ましい。光学系内に中間像を形成する構成で表示輝度を向上させる技術として、特許文献１では拡散面の特性を虚像の縦横比に合わせて拡散度合いを調整した楕円拡散とする手法が示されている。

　しかしながら、虚像の輝度向上にとって、虚像の縦横比よりもアイボックスの縦横比の方が影響が大きい。すなわち、虚像表示光学系において、中間スクリーン上での映像光の好適な広がり角は、光学的な原理に従うと通常アイボックスの縦横比となる。このため、特殊な用途を除き横長なアイボックスが設定されるＨＵＤ装置においては、例えば虚像の縦横比が等しい場合においてこれに応じて等方的な拡散特性の拡散板を用いると、アイボックスの縦方向に関して多くの光量のロスが生じ、結果的に虚像の表示輝度や視認性が低下してしまう。

特開２０１７－１４２５０９号公報

　本発明は、虚像の輝度や視認性を向上させることができる虚像表示光学系及び表示装置を提供することを目的とする。

　上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した虚像表示光学系は、表示デバイスによって形成された画像をアイボックスを対象として虚像投影して表示させるものであって、中間像の形成位置の近傍に配置される中間スクリーンと、中間スクリーンより表示デバイス側に配置される投影光学系と、中間スクリーンより表示スクリーン側に配置される虚像生成光学系と、を備え、中間スクリーンは、拡散面を有し、アイボックスの横方向に対応する拡散面上での第１方向と、それにほぼ直交するアイボックスの縦方向に対応する拡散面上での第２方向とで拡散度が異なり、アイボックスの縦及び横に関するサイズの大小関係と、第１方向の拡散度と第２方向の拡散度との大小関係とが一致する。

　上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した表示装置は、上記の虚像投影光学系を備える。

図１Ａは、第１実施形態の表示装置を車体に搭載した状態を示す側方断面図であり、図１Ｂは、表示装置を説明する車内側からの正面図である。表示装置の具体的な構成例を説明する拡大側方断面図である。図３Ａは、アイボックスのサイズを説明する図であり、図３Ｂは、中間スクリーンによる拡散角又は拡散度を説明する図であり、図３Ｃは、表示デバイスのサイズを説明する図である。図４Ａ及び４Ｂは、中間スクリーンから射出される光線の具体例を説明する図である。図２に示す表示装置を含む移動体用表示システムを説明する概念的なブロック図である。移動体用表示システムによる具体的な表示状態を説明する斜視図である。図７Ａ及び７Ｂは、第２実施形態の虚像表示光学系に組み込まれる中間スクリーン又は拡散部を説明する一部破断平面図及び一部破断側面図であり、図７Ｃは、中間スクリーンの回転に伴う機能領域の移動を説明する概念図である。図８Ａ及び８Ｂは、第３実施形態の虚像表示光学系に組み込まれる中間スクリーン又は拡散部を説明する平面図及び側方断面図である。

〔第１実施形態〕
　以下、図面を参照しつつ、本発明に係る虚像表示光学系及び表示装置の第１実施形態について説明する。

　図１Ａ及び１Ｂを参照して、本実施形態の表示装置（画像表示装置）１００は、例えばヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）装置として車体２内に搭載されるものであり、描画ユニット１０と表示スクリーン２０とを備える。表示装置１００は、描画ユニット１０中の後述する像形成素子１１に表示されている画像情報を、表示スクリーン２０を介して運転者（観察者）ＵＮに向けて虚像表示するものである。

　表示装置１００のうち描画ユニット１０は、車体２のダッシュボード４内に埋め込むように設置されており、運転関連情報や危険信号等を含む画像に対応する表示光ＨＫを表示スクリーン２０に向けて出射する。表示スクリーン２０は、コンバイナーとも呼ばれるハーフミラーであり、半透過性を有する凹面鏡又は平面鏡である。表示スクリーン２０は、下端の支持によってダッシュボード４上に立設され、描画ユニット１０からの表示光ＨＫを車体２の後方に向けて反射させる。つまり、図示の場合、表示スクリーン２０は、フロントガラス（ウインドシールド）８とは別体で設置される独立型のものとなっている。

　図１Ａ及び図２に示すように、ハーフミラーである表示スクリーン２０で反射された表示光ＨＫは、運転席６に座った運転者ＵＮの瞳ＨＴ及びその周辺位置に対応するアイボックスＥＢに導かれる。運転者ＵＮは、表示スクリーン２０で反射された表示光ＨＫ、つまり車体２の前方にある虚像としての表示像ＩＭを観察することができる。一方、運転者ＵＮは、ハーフミラーである表示スクリーン２０を透過した外界光、つまり前方景色、自動車等の実像を観察することができる。結果的に、運転者ＵＮは、表示スクリーン２０の背後の外界像に重ねて、表示スクリーン２０での表示光ＨＫの反射によって形成される運転関連情報や危険信号等を含む表示像（虚像）ＩＭを観察することができる。

　図２に示すように、描画ユニット１０は、本体光学系１３と、本体光学系１３を動作させる表示制御部１８と、本体光学系１３等を収納するハウジング１４とを備える。これらのうち本体光学系１３と表示スクリーン（コンバイナー）２０とを組み合わせたものは、虚像表示光学系３０を構成する。なお、図２等において座標軸ＸＹＺは、一般的な運転者ＵＮの瞳ＨＴ間の位置に対応するアイボックスＥＢの中心を原点とするが、便宜上原点をシフトさせた状態で表示されている。

　本体光学系１３は、像形成素子（表示デバイス）１１と、像形成素子１１に形成された画像を拡大した中間像ＴＩを形成可能な投影光学系１５と、中間像ＴＩの結像位置に近接して光路後段に配置される中間スクリーン１６と、中間像ＴＩを虚像に変換するミラー光学系１７とを備える。詳細は後述するが、本体光学系１３によって、虚像投影距離が可変となっている。本体光学系１３のうちミラー光学系１７と、本体光学系１３の上方に配置された表示スクリーン２０とを組み合わせたものは、虚像生成光学系３０ｂを構成する。

　本体光学系１３において、像形成素子１１は、２次元的な表示面１１ａを有する描画デバイス（表示部）である。像形成素子１１の表示面１１ａに形成された像は、本体光学系１３のうち投影光学系１５で拡大されて中間像ＴＩを形成し、中間スクリーン１６を通過し、ミラー光学系１７等へ導かれる。この際、２次元表示が可能な像形成素子１１を用いることで、中間像ＴＩ又は表示像（虚像）ＩＭの切替えを比較的高速とできる。像形成素子１１には、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Mirror Device）や反射型液晶デバイス（ＬＣＯＳ：Liquid crystal on silicon）を用いることができる。像形成素子１１としてＤＭＤやＬＣＯＳを用いると、明るさを維持しつつ画像を高速で切替えること（高速の間欠表示を含む）が容易になり、虚像距離又は投影距離を変化させる表示に有利である。なお、像形成素子１１は、虚像を複数距離に投影する場合の虚像１距離あたり例えば３０ｆｐｓ以上、好ましくは６０ｆｐｓ以上のフレームレートで動作する。これにより、異なる投影距離に複数の表示像（虚像）ＩＭを運転者ＵＮに対して同時に表示されているように見せることが容易になる。

　投影光学系１５は、固定焦点のレンズ系であり、図示を省略するが、複数のレンズを有する。投影光学系１５のＦ値は、２．０以上となっている。投影光学系１５は、像形成素子１１の表示面１１ａに形成された画像を適当な倍率に拡大投影し、中間スクリーン１６の入射面に設けた拡散面１６ｍに近接した位置に中間像ＴＩ（又は拡散面１６ｍの位置に強制中間像ＴＩ’）を形成する。強制中間像ＴＩ’は、中間像ＴＩそのものの他、中間像ＴＩから位置ずれして僅かにピントがボケたものも含み、広義に中間像ＴＩと呼ぶこともある。

　中間スクリーン１６は、結像位置（つまり中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍）において強制中間像ＴＩ’を形成する。中間スクリーン１６は、拡散角を所望の角度に制御した部材である。後述するように中間スクリーン１６を光軸ＡＸ方向に移動させることにより、強制中間像ＴＩ’の位置も光軸ＡＸ方向に移動させることができる。中間スクリーン１６には、例えば拡散板、拡散スクリーン、マイクロレンズアレイ等を用いることができる。中間スクリーン１６の入射面に設けた拡散面１６ｍは、拡散機能を有している。拡散面１６ｍに強制中間像ＴＩ’が形成され、ここから光が拡散するので、投影光学系１５で拡大投影してもアイボックスＥＢを広く確保することができる。中間スクリーン１６は、投影光学系１５の焦点深度内で移動可能となっている。

　中間スクリーン１６は、配置変更装置６２に駆動されて例えば一定速度又は周期的な運動で光軸ＡＸに沿って移動する。本例の場合、光軸ＡＸとは、表示デバイス（描画デバイス）である像形成素子１１の中心と、アイボックスＥＢの中心と、表示装置１００によって作られる像形成素子１１の中心に対応する像点（虚像）とを通るものである。配置変更装置６２によって中間スクリーン１６又は拡散面１６ｍを光軸ＡＸに沿って移動させることで、ミラー光学系１７によって表示スクリーン（コンバイナー）２０の背後に形成される虚像としての表示像ＩＭと観察者である運転者ＵＮとの距離を長く、又は短くすることができる。つまり、配置変更装置６２は、本体光学系１３の構成配置を変化させて投影距離を変化させる。このように、投影される表示像ＩＭの位置を前後に変化させるとともに、表示内容をその位置に応じたものとすることで、表示像ＩＭまでの虚像距離又は投影距離を変化させつつ表示像ＩＭを変化させることになり、一連の投影像としての表示像ＩＭを３次元的なものとすることができる。中間スクリーン１６の光軸ＡＸに沿った移動範囲は、中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍に相当するものであるが、投影光学系１５の中間スクリーン１６側の焦点深度の範囲内とすることが望ましい。これにより、強制中間像ＴＩ’の状態と虚像としての表示像ＩＭの結像状態とを、いずれもほぼピントが合った良好な状態とすることができる。中間スクリーン１６の光軸ＡＸ方向の移動量は、例えば２０ｍｍ以下となっている。これにより、中間スクリーン１６の移動を効率良く行うことができ、中間スクリーン１６の応答性を向上させることができる。中間スクリーン１６の移動速度は、虚像としての表示像ＩＭが複数個所又は複数虚像距離に同時に表示されているかのように見せることができる速度であることが望ましい。配置変更装置６２は、例えば１５Ｈｚ以上の速度で中間スクリーン１６を移動させる。この場合、観察者（運転者ＵＮ）の知覚を超える速さのため、観察者は投影距離の異なる虚像をほぼ同時に認識することができる。

　中間スクリーン１６は、支持部材６２ａに支持されている。支持部材６２ａは、配置変更装置６２の台座６２ｂに光軸ＡＸ方向に沿った所定の範囲内で移動可能に取り付けられている。中間スクリーン１６が移動範囲の最も上流側（つまり、投影光学系１５に最も近い下側）に配置されたタイミングでは、この時点で中間スクリーン１６に表示されている画像が、ハーフミラーである表示スクリーン（コンバイナー）２０の背後の最も遠くに虚像として表示される。また、中間スクリーン１６が移動範囲の最も下流側（つまり、投影光学系１５から最も遠い上側）に配置されたタイミングでは、この時点で中間スクリーン１６に表示されている画像が、ハーフミラーである表示スクリーン（コンバイナー）２０の背後の最も近くに虚像として表示される。

　ミラー光学系１７は、中間スクリーン１６に形成された強制中間像ＴＩ’を表示スクリーン２０と協働して拡大する拡大光学系であり、運転者ＵＮの前方に虚像としての表示像ＩＭを形成する。ミラー光学系１７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、図示の例では２枚の第１及び第２ミラー１７ａ，１７ｂを含む。ここで、第１ミラー１７ａは、第１の反射体であって、光路前段にある像形成素子１１側に配置されており、光学的なパワーを有する。また、第２ミラー１７ｂは、光路後段にある表示スクリーン（コンバイナー）２０側に配置されており、光学的なパワーを有する。第１及び第２ミラー１７ａ，１７ｂは、凸面、凹面、又は平面とでき、曲面の場合、球面に限らず、非球面、自由曲面等とすることができる。

　虚像生成光学系３０ｂにおいて、中間スクリーン１６は、矩形の輪郭を有し、縦方向及び横方向で拡散特性が異なるものとなっている。つまり、中間スクリーン１６は、アイボックスＥＢの横方向又はＸ方向に対応し拡散面１６ｍ上での第１方向であるＸ方向と、それに直交するアイボックスＥＢの縦方向又はＹ方向に対応し拡散面１６ｍ上での第２方向であるＺ方向とで、拡散度が異なるものとなっている。さらに、中間スクリーン１６の第１方向であるＸ方向の拡散度と第２方向であるＺ方向の拡散度との大小関係は、アイボックスＥＢの縦及び横に関するサイズの大小関係と一致している。ここで、拡散度とは、拡散分布又は拡散特性において半値強度の拡散角を意味する。本実施形態の場合、アイボックスＥＢは、第２方向に相当するＹ方向の幅より第１方向に相当するＸ方向の幅が大きい横長の形状を有し、中間スクリーン１６は、第１方向の拡散度が第２方向の拡散度より大きい楕円拡散特性を有する。この場合、アイボックスＥＢの横方向に関して輝度確保が容易となり、アイボックスＥＢ全体で明るい画像を提供できる。

　中間スクリーン１６の拡散特性は、公知の手法で調整することができる。中間スクリーン１６が例えば拡散板である場合、基板の表面に使用波長以下のサイズを有する微少凹凸を形成したり、使用波長以下の幅を有するライン状の凹凸を形成したりすることにより、中間スクリーン１６の拡散特性に所望の方向性を持たせるよう調整することができる。

　図３Ａに示すように、アイボックスＥＢの縦方向ＶＤに関する幅である縦サイズをＥＢｖとし、アイボックスＥＢの横方向ＨＤに関する幅である横サイズをＥＢｈとする。一般的に、アイボックスＥＢは人間の目が横方向に２つ並んでいることと、運転中の頭の振れ量等を考慮してサイズが設定される。アイボックスＥＢの縦サイズＥＢｖは、例えば５０～９０ｍｍとされ、横サイズＥＢｈは、例えば１３０～１５０ｍｍとされる。アイボックスＥＢのサイズは、運転者ＵＮの両目の中心を基準として、表示像（虚像）ＩＭ全体を両目で視認できる領域を意味する。

　図３Ｂは、中間スクリーン１６から射出される表示光ＨＫに関して必要最小限の楕円拡散特性Ｃ１と、中間スクリーン１６の拡散面１６ｍによる表示光ＨＫの実際の楕円拡散特性Ｃ２とを示している。ここで、楕円拡散特性Ｃ１において、アイボックスＥＢの縦横サイズＥＢｖ，ＥＢｈを満足するために必要な中間スクリーン位置での所期の発散角をθｖ及びθｈとする。また、楕円拡散特性Ｃ２において、アイボックスＥＢの縦横方向に対応する中間スクリーン１６の第２方向の拡散角をθｖ’とし、第１方向の拡散角をθｈ’とする。この場合、所期の発散角θｖ，θｈは、アイボックスＥＢを考慮した必要最小限の拡散角であり、拡散角θｖ’，θｈ’は、実際の中間スクリーン１６に設定した拡散角である。虚像生成光学系３０ｂ又は中間スクリーン１６は、下記２つの条件式
　１＜θｖ’／θｖ＜２．０　　…　　（１）
　１＜θｈ’／θｈ＜１．５　　…　　（２）
を満たすようなものとなっている。ここで、２つの条件式（１）及び（２）の値がそれぞれ下限を上回ることで、アイボックスＥＢの長辺側の端において虚像としての表示像ＩＭの輝度が極端に下がることや、虚像が見えなくなることを回避できる。一方、２つの条件式（１）及び（２）の値がそれぞれ上限を下回ることで、虚像生成光学系３０ｂで必要な光の発散角に対して実際の拡散角が大きくなりすぎることを防止でき、全体として虚像としての表示像ＩＭの輝度を確保することができる。

　虚像生成光学系３０ｂは、水平方向である横方向の光学倍率をＭｈとし、垂直方向である縦方向の光学倍率をＭｖとしたとき、下記２つの条件式
　０．７×（Ｍｖ／Ｍｈ）×（ＥＢｖ／ＥＢｈ）＜θｖ’／θｈ’　　…　　（３）
　θｖ’／θｈ’＜１．３×（Ｍｖ／Ｍｈ）×（ＥＢｖ／ＥＢｈ）　　…　　（４）
を満たす。条件式（３）及び（４）は、虚像生成光学系３０ｂの縦横倍率を考慮して、アイボックスＥＢの縦横サイズに応じて中間スクリーン１６の拡散角θｖ’，θｈ’の適正な範囲を規定するものである。条件式（３）及び（４）の値が上記範囲の下限を上回ることで、アイボックスＥＢの横方向に対応する拡散角が大きくなりすぎることを回避でき、虚像としての表示像ＩＭの輝度低下を防止できる。一方、条件式（３）及び（４）の値が上限を下回ることで、アイボックスＥＢの縦方向に対応する拡散角が大きくなりすぎることを回避でき、やはり虚像としての表示像ＩＭの輝度低下を防止できる。

　本実施形態では、中間スクリーン１６を光軸ＡＸに沿って移動させるので、水平方向の光学倍率Ｍｈと垂直方向の光学倍率Ｍｖとが等しくなっており、上記条件式（３）及び（４）がより簡単に修正され、虚像生成光学系３０ｂは、下記条件式
　０．７×ＥＢｖ／ＥＢｈ＜θｖ’／θｈ’　　…　　（５）
　θｖ’／θｈ’＜１．３×ＥＢｖ／ＥＢｈ　　…　　（６）
を満たす。上記条件式（５）及び（６）の値が上記範囲内にあることで、拡散角が縦横の一方に偏って大きくなりすぎることを防止でき、虚像としての表示像ＩＭの輝度の低下を抑制できる。

　図３Ｃは、像形成素子（表示デバイス）１１の表示面１１ａの縦横サイズを説明する図である。ここで、表示面１１ａの矩形表示領域の縦方向ＶＤに関する幅である縦サイズをＤＡｖとし、表示面１１ａの矩形表示領域の横方向ＨＤに関する幅である横サイズをＤＡｈとする。ここで、縦サイズＤＡｖは、表示像（虚像）ＩＭの縦方向又はＹ方向に対応し、横サイズＤＡｈは、表示像（虚像）ＩＭの横方向又はＸ方向に対応する。図からも明らかなように、表示面１１ａは、第１方向より第２方向に長い縦長の表示サイズを有し、横長のサイズを有するアイボックスＥＢとは、縦横の大小関係が反転し、互いに異なるものとなっている。なお、この例では、表示面１１ａを縦長としているが、表示面１１ａを横長とすることもでき、表示面１１ａの形はその用途によって変えることが好ましい。例えば、フロントガラスが横長の一般的な乗用車であれば横長、フロントガラスが縦長の重機、建機等では縦長、といった具合である。

　図４Ａは、中間スクリーン１６から射出される表示光ＨＫの第２方向又は縦方向の拡散状態を説明する図であり、図４Ｂは、中間スクリーン１６から射出される表示光ＨＫの第１方向又は横方向の拡散状態を説明する図である。図４Ａに示すように、中間スクリーン１６の中央からの表示光Ｈ０の縦方向又は第２方向の所期の発散角θｖと、中間スクリーン１６の周辺部からの表示光Ｈ２の縦方向の所期の発散角θｖとはほぼ等しい。また、図４Ｂに示すように、中間スクリーン１６の中央からの表示光Ｈ０の横方向又は第１方向の所期の発散角θｈと、中間スクリーン１６の周辺部からの表示光Ｈ１の横方向の所期の発散角θｈとはほぼ等しい。本光学系の場合、アイボックスＥＢの縦横サイズＥＢｖ，ＥＢｈを満足するために必要な中間スクリーン位置での所期の発散角θｖは９．１°～９．３°で、発散角θｈは２３．４°～２３．８°であるため、中間スクリーン１６の縦又は第２の方向の発散角θｖは、中間スクリーン１６の横又は第１の方向の発散角θｈよりも小さくなり、中間スクリーン１６の縦又は第２の方向の拡散角θｖ’は、中間スクリーン１６の横又は第１の方向の拡散角θｈ’よりも小さくなっている。本光学系の場合、アイボックスＥＢのサイズは縦５０ｍｍ、横１３０ｍｍに設定されているため、縦横比ＥＢｖ／ＥＢｈが０．３８であり、具体的な例では、中間スクリーン１６における所期の発散角θｖ，θｈの縦横比が約０．３９であるので、前述のとおり光学的な原理に則り、所期の拡散角の縦横比がアイボックスの縦横比になっていることが分かる。また、中間スクリーン１６が備える拡散面の拡散角θｖ’，θｈ’は、既述の条件式（１）～（６）を満たすようなものに設定することにより虚像の輝度を大きくすることが可能となる。なお、本光学系の場合、光学倍率の縦横比が１．０であるため、拡散角θｖ’，θｈ’に関する既述の条件式（３）及び（４）は、既述の条件式（５）及び（６）と同義である。以上において、表示光ＨＫを構成する中央や周辺の光が全て条件式（１）～（６）を満たすことが望ましいが、中間スクリーン１６の有効領域外や、有効領域内であっても最外縁部を通過する一部の光が条件式（１）～（６）を満たさないものであってもよい。

　図２に戻って、ハウジング１４は、表示光ＨＫを通過させる開口１４ａを有し、この開口１４ａには、フィルム又は薄板状の光透過部材１４ｂを配置することができる。

　図５は、移動体用表示システム２００を説明するブロック図であり、移動体用表示システム２００は、その一部として表示装置１００を含む。この表示装置１００は、図２に示す構造を有するものであり、ここでは説明を省略する。図５に示す移動体用表示システム２００は、移動体である自動車等に組み込まれるものである。

　移動体用表示システム２００は、表示装置１００のほかに、運転者検出部７１と、環境監視部７２と、主制御装置９０とを備える。

　運転者検出部７１は、運転者ＵＮの存在や視点位置を検出する部分であり、運転席用カメラ７１ａと、運転席用画像処理部７１ｂと、運転席画像判断部７１ｃとを備える。運転席用カメラ７１ａは、車体２内のダッシュボード４の運転席正面に設置されており（図１Ｂ参照）、運転者ＵＮの頭部及びその周辺の画像を撮影する。運転席用画像処理部７１ｂは、運転席用カメラ７１ａで撮影した画像に対して明るさ補正等の各種画像処理を行って運転席画像判断部７１ｃでの処理を容易にする。運転席画像判断部７１ｃは、運転席用画像処理部７１ｂを経た運転席画像からオブジェクトの抽出又は切り出しを行うことによって運転者ＵＮの頭部や目を検出するとともに、運転席画像に付随する奥行情報から車体２内における運転者ＵＮの頭部の存否とともに運転者ＵＮの目の空間的な位置（結果的に視線の方向）を算出する。

　環境監視部７２は、前方に近接する自動車、自転車、歩行者等を識別する部分であり、外部用カメラ７２ａと、外部用画像処理部７２ｂと、外部画像判断部７２ｃとを備える。外部用カメラ７２ａは、車体２内外の適所に設置されており、運転者ＵＮ又はフロントガラス８の前方、側方等の外部画像を撮影する。外部用画像処理部７２ｂは、外部用カメラ７２ａで撮影した画像に対して明るさ補正等の各種画像処理を行って外部画像判断部７２ｃでの処理を容易にする。外部画像判断部７２ｃは、外部用画像処理部７２ｂを経た外部画像からオブジェクトの抽出又は切り出しを行うことによって自動車、自転車、歩行者等の対象物（例えば図６に示すオブジェクトＯＢ参照）の存否を検出するとともに、外部画像に付随する奥行情報から車体２前方における対象物の空間的な位置を算出する。

　なお、運転席用カメラ７１ａや外部用カメラ７２ａ、特に外部用カメラ７２ａは、図示を省略しているが、例えば複眼型の３次元カメラである。つまり、両カメラ７１ａ，７２ａは、結像用のレンズと、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）その他の撮像素子とを一組とするカメラ素子をマトリックス状に配列したものであり、撮像素子用の駆動回路をそれぞれ有する。各カメラ７１ａ，７２ａを構成する複数のカメラ素子は、例えば奥行方向の異なる位置にピントを合わせるようになっており、或いは相対的な視差を検出できるようになっており、各カメラ素子から得た画像の状態（フォーカス状態、オブジェクトの位置等）を解析することで、画像内の各領域又はオブジェクトまでの距離を判定できる。

　なお、上記のような複眼型のカメラ７１ａ，７２ａに代えて、２次元カメラと赤外距離センサーとを組み合わせたものを用いても、撮影した画面内の各部（領域又はオブジェクト）に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。また、複眼型のカメラ７１ａ，７２ａに代えて、２つの２次元カメラを分離配置したステレオカメラによって、撮影した画面内の各部（領域又はオブジェクト）に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。その他、単一の２次元カメラにおいて、焦点距離を高速で変化させながら撮像を行うことによっても、撮影した画面内の各部に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。

　表示制御部１８は、主制御装置９０の制御下で虚像表示光学系３０を動作させて、表示スクリーン２０の背後に虚像距離又は投影距離が変化する３次元的な表示像ＩＭを表示させる。表示制御部１８は、主制御装置９０を介して環境監視部７２から受信した表示形状や表示距離を含む表示情報から、虚像表示光学系３０に表示させる表示像ＩＭを生成する。表示像ＩＭは、例えば表示スクリーン２０の背後に存在する自動車、自転車、歩行者その他の対象物に対してその奥行き位置方向に関して周辺に位置する表示枠（例えば図６に示す表示枠ＨＷ参照）のような標識とすることができる。

　表示制御部１８は、主制御装置９０を介して運転者検出部７１から運転者ＵＮの存在や目の位置に関する検出出力を受け取る。これにより、虚像表示光学系３０による表示像ＩＭの投影の自動的な開始や停止が可能になる。また、運転者ＵＮの視線の方向のみに表示像ＩＭの投影を行うこともできる。さらに、運転者ＵＮの視線の方向の表示像ＩＭのみを明るくする、点滅する等の強調を行った投影を行うこともできる。

　主制御装置９０は、表示装置１００、環境監視部７２等の動作を調和させる役割を有し、環境監視部７２によって検出した対象物の空間的な位置に対応するように、虚像表示光学系３０によって投影される表示枠の空間的な配置を調整する。

　図６は、具体的な表示状態を説明する斜視図である。観察者である運転者ＵＮの前方は観察視野に相当する検出領域ＶＦとなっている。検出領域ＶＦ内、つまり道路及びその周辺に、歩行者等である人のオブジェクトＯＢ１，ＯＢ３や、自動車等である移動体のオブジェクトＯＢ２が存在すると考える。この場合、主制御装置９０は、表示装置１００によって３次元的な投影像又は表示像（虚像）ＩＭを投影させ、各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３に対して関連情報像としての表示枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を付加する。この際、運転者ＵＮから各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの距離が異なるので、表示枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を表示させる表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３までの投影距離は、運転者ＵＮから各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの距離に相当するものとなっている。なお、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の投影距離は、離散的であり、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの現実の距離に対して正確に一致させることはできない。ただし、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の投影距離と、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの現実の距離との差が大きくなければ、運転者ＵＮの視点が動いても視差が生じにくく、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３と表示枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３との配置関係をほぼ維持することができる。

　以上で説明した虚像表示光学系及び表示装置では、アイボックスＥＢの縦及び横に関するサイズの大小関係と、中間スクリーン１６における第１方向の拡散度と中間スクリーン１６における第２方向の拡散度との大小関係が一致するので、アイボックスＥＢの短辺方向に関して光量のロスを抑えることができ、虚像としての表示像ＩＭの輝度を向上させることができる。これにより、運転者ＵＮにとっての視認性を向上させることができる。

〔第２実施形態〕
　以下、第２実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第２実施形態の表示装置は第１実施形態の表示装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。本実施形態の場合、図１に示す往復型の中間スクリーン１６等に代えて回転型の中間スクリーンを含む拡散部を配置する。

　図７Ａ及び７Ｂに示すように、拡散部１９は、全体として円板に近い輪郭を有する螺旋状の回転体１９ａと、回転体１９ａを収納する円筒状の中空枠体１９ｂとを有する。拡散部１９は、図１に示す投影光学系１５による投影位置又は結像位置（つまり中間像の結像予定位置又はその近傍）に配置され、不図示の回転駆動部に駆動されて例えば一定速度で光軸ＡＸに平行な回転軸ＳＸの周りに回転する。

　回転体１９ａは、中間スクリーン１６であり、中央部１９ｃと外周光学部１９ｐとを有する。回転体１９ａの外周光学部１９ｐに形成された一方の表面１９ｆは、平滑面又は光学面に形成されており、表面１９ｆ上には、全域に亘って拡散面１６ｍが形成されている。拡散面１６ｍは、配光角を所望の角度に制御する部分である。拡散面１６ｍは、回転体１９ａに貼り付けられるシートとできるが、回転体１９ａの表面に形成された微細な凹凸パターンであってもよい。さらに、拡散面１６ｍは、回転体１９ａ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。拡散面１６ｍは、入射した表示光ＨＫを拡散させることによって中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’を形成する。回転体１９ａの外周光学部１９ｐに形成された他方の表面１９ｓは、平滑面又は光学面に形成されている。回転体１９ａは、光透過性を有する螺旋状の部材であり、一対の表面１９ｆ，１９ｓは、回転軸ＳＸを螺旋軸とする螺旋面となっている。結果的に、一方の表面１９ｆ上に形成された拡散面１６ｍ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。回転体１９ａ又は中間スクリーン１６は、回転軸ＳＸ又は光軸ＡＸ方向に関してほぼ等しい厚みｔを有する。拡散面１６ｍは、螺旋の一周期に対応する範囲に形成されている。つまり、拡散面１６ｍは、螺旋の１ピッチ分の範囲に形成されている。この結果、拡散部１９の周に沿った一箇所に段差部１９ｊが形成されている。中間スクリーン１６をこのような形状とすることで、中間スクリーン１６に設けた拡散面１６ｍの光軸ＡＸ方向の位置を連続的に変化させることが可能となり、虚像投影距離を変化させる投影が可能となる。

　回転体１９ａにおいて、周方向に沿った一箇所は、本体光学系１３の光軸ＡＸが通る機能領域ＦＡとなっており、機能領域ＦＡにおける拡散面１６ｍの部分によって中間像ＴＩ（より正確には強制中間像ＴＩ’）が形成される。この機能領域ＦＡは、回転体１９ａの回転に伴って回転体１９ａ上において一定速度で移動する。つまり、回転体１９ａを回転させつつその一部である機能領域ＦＡに表示光（映像光）ＨＫを入射させることで、機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩの位置が光軸ＡＸに沿って往復移動する（像形成素子１１の表示が動作していなければ、必ずしも表示としての中間像は形成されないが、中間像が形成されるであろう位置も中間像の位置と呼ぶ）。図示の例では、拡散面１６ｍが螺旋の一周期に対応する範囲に形成されているので、回転体１９ａの１回転で拡散面１６ｍの機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩは、光軸ＡＸ方向に段差に相当する距離だけ１往復することになる。

　なお、投影光学系１５は、拡散部１９に設けた中間スクリーン１６又は拡散面１６ｍの位置によってピントぼけが生じないように、機能領域ＦＡの移動範囲以上の所定の焦点深度を有する。

　中空枠体１９ｂは、円柱状の外形輪郭を有し、側面部１９ｅと一対の端面部１９ｇ，１９ｈとで構成される。側面部１９ｅと一対の端面部１９ｇ，１９ｈとは、光透過性を有する同一の材料で形成されている。ただし、側面部１９ｅは、光透過性を有していなくてもよい。一方の端面部１９ｇは、平行平板であるが、自由曲面形状や非球面形状を有するものとできる。同様に、他方の端面部１９ｈも、平行平板であるが、自由曲面形状や非球面形状を有するものとできる。中空枠体１９ｂ中の回転体１９ａは、一対の中心軸部６５を介して中空枠体１９ｂに固定されており、中空枠体１９ｂと回転体１９ａとは回転軸ＳＸの周りに一体的に回転する。このように、拡散面１６ｍを設けた回転体１９ａを中空枠体１９ｂ中に配置することで、回転体１９ａに塵等が付着することを抑制でき、回転体１９ａの回転に伴う音の発生を抑制することができ、回転体１９ａの高速での回転を安定化させることが容易になる。なお、回転体１９ａは、その外周部分において中空枠体１９ｂに固定してもよい。

　不図示の回転駆動部によって拡散部１９を一定速度で回転軸ＳＸの周りに回転させることで、回転体１９ａ又は中間スクリーン１６の拡散面１６ｍが光軸ＡＸと交差する位置（つまり機能領域ＦＡ）も光軸ＡＸ方向に移動する。つまり、例えば図７Ｃに示すように、回転体１９ａの回転に伴って、中間スクリーン１６上の機能領域ＦＡは、例えば等角度でずれた位置に設定された隣接する機能領域ＦＡ’に順次シフトし、光軸ＡＸ方向に移動する。このような機能領域ＦＡの光軸ＡＸ方向への移動により、中間像ＴＩの位置も光軸ＡＸ方向に移動させることができる。拡散部１９が回転軸ＳＸの周りに回転して機能領域ＦＡに対応する中間像ＴＩの位置が光軸ＡＸ方向に繰り返し周期的に移動し、ミラー光学系１７によって表示スクリーン２０の背後に形成される虚像としての表示像ＩＭと観察者である運転者ＵＮとの距離を長く、又は短くすることができる。

　図２に示す投影光学系１５からの表示光ＨＫは、図７Ａに示す中間スクリーン１６の拡散面１６ｍを通過して拡散度が調整され、ミラー光学系１７を経て表示スクリーン２０で反射される。

　本実施形態において、回転体１９ａの中間スクリーン１６に形成された拡散面１６ｍは、周方向である第１方向と、半径方向である第２方向とで拡散特性が異なるものとなっている。具体的には、中間スクリーン１６は、周方向である第１方向の拡散度がこれに直交する第２方向の拡散度より大きい楕円拡散特性を有する。なお、本実施形態において、アイボックスＥＢは、第１実施形態の場合と同様に、第２方向に相当するＹ方向の幅より第１方向に相当するＸ方向の幅が大きい横長の形状を有する。詳細な説明を省略するが、本実施形態の虚像生成光学系３０ｂ又は中間スクリーン１６は、既述の条件式（１）～（６）を満足する。

〔第３実施形態〕
　以下、第３実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第３実施形態の表示装置は第１実施形態の表示装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。本実施形態の場合、図１に示す往復型の中間スクリーン１６等に代えて回転型の中間スクリーンを含む拡散部を配置する。

　図８Ａ及び８Ｂに示すように、拡散部１１９は、全体として円筒容器に近い輪郭を有する螺旋状の回転体１１９ａを有する。拡散部１１９は、図１に示す投影光学系１５による投影位置又は結像位置（つまり中間像の結像予定位置又はその近傍）に配置され、不図示の回転駆動部に駆動されて例えば一定速度で光軸ＡＸに垂直な回転軸ＳＸの周りに回転する。

　回転体１１９ａは、中間スクリーン１６であり、回転軸ＳＸのまわりの角度方向に応じて回転軸ＳＸから機能領域ＦＡとなる表面までの距離が連続的に変化する部分を含む円筒状形状を有する。回転体１１９ａの回転軸ＳＸは、中間スクリーン１６の光軸ＡＸに平行な軸ＴＸに対して直交又はほぼ直交する状態で配置されている。

　回転体１１９ａは、端面部１１９ｂと、側面部１１９ｃとを有する。回転体１１９ａは、端面部１１９ｂの反対側において開放された構造となっており、不図示の支持部材によって別途固定された光路折り曲げ用のミラーＭ１を囲むように配置されている。端面部１１９ｂと側面部１１９ｃとは、光透過性を有する同一の材料で形成されている。ただし、端面部１１９ｂは、光透過性を有していないものであってもよく、例えば一部空洞になっていても構わない。

　回転体１１９ａの端面部１１９ｂは、円盤状の部材であり、側面部１１９ｃの一方の端部を支持している。端面部１１９ｂは、中心軸部６５を介して不図示の回転駆動部に回転可能に支持されている。図示は省略するが、回転体１１９ａには、回転体１１９ａの回転を安定させるために、バランサーを設けることができる。

　回転体１１９ａの側面部１１９ｃは、光学部であり、側面部１１９ｃの外側に形成された一方の表面１１９ｄは、平滑面又は光学面に形成されている。表面１１９ｄ上には、全域に亘って拡散面１６ｍが形成されている。拡散面１６ｍは、配光角を所望の角度に制御する部分である。中間スクリーン１６は、回転体１１９ａの側面部１１９ｃに貼り付けられるシートとできるが、回転体１１９ａの表面に形成された微細な凹凸パターンであってもよい。中間スクリーン１６は、入射した表示光ＨＫを拡散させることによって中間像ＴＩ（より正確には強制中間像ＴＩ’）を形成する（図２参照）。回転体１１９ａの側面部１１９ｃの内側に形成された他方の表面１１９ｅは、平滑面又は光学面に形成されている。

　回転体１１９ａの立体形状は、回転軸ＳＸから機能領域ＦＡまでの距離が連続的に変化する側面形状を有している。具体的には、側面部１１９ｃは、光透過性を有する渦巻き状の部材であり、一対の表面１１９ｄ，１１９ｅは、回転軸ＳＸを基準軸とする渦巻き型側面となっている。つまり、側面部１１９ｃの基準軸は、回転体１１９ａの回転軸ＳＸとほぼ一致している。結果的に、一方の表面１１９ｄ上に形成された中間スクリーン１６も連続的な渦巻き型側面に沿って形成されたものとなっている。中間スクリーン１６の拡散面１６ｍは、機能領域ＦＡのパターン（又は渦巻き型側面のパターン）に対応する範囲に形成されている。これにより、回転体１１９ａの一回転で中間スクリーン１６の機能領域ＦＡの光軸ＡＸ方向の位置を適宜調整することで、虚像投影距離を適宜調整することができる。

　回転体１１９ａの側面部１１９ｃの周に沿った一箇所に段差部１１９ｆが形成されている。この段差部１１９ｆは、光軸ＡＸ方向に平行な方向に関して中間スクリーン１６の両端に段差を与えるものとなっている。

　図２に示す投影光学系１５からの表示光ＨＫは、図８Ａに示すミラーＭ１で反射され、中間スクリーン１６の拡散面１６ｍを通過して拡散度が調整され、ミラー光学系１７を経て表示スクリーン２０で反射される。

　本実施形態において、回転体１９ａの中間スクリーン１６に形成された拡散面１６ｍは、周方向である第１方向と、母線方向である第２方向とで拡散特性が異なるものとなっている。具体的には、中間スクリーン１６は、周方向である第１方向の拡散度がこれに直交する第２方向の拡散度より大きい楕円拡散特性を有する。なお、本実施形態において、アイボックスＥＢは、第１実施形態の場合と同様に、第２方向に相当するＹ方向の幅より第１方向に相当するＸ方向の幅が大きい横長の形状を有する。詳細な説明を省略するが、本実施形態の虚像生成光学系３０ｂ又は中間スクリーン１６は、既述の条件式（１）～（６）を満足する。

　以上では、具体的な実施形態としての表示装置について説明したが、本発明に係る表示装置は、上記のものには限られない。例えば、上記実施形態において、表示装置１００の配置を上下反転させて、フロントガラス８の上部又はサンバイザー位置に表示スクリーン２０を配置することもできる。この場合、描画ユニット１０の斜め下方前方に表示スクリーン２０が配置される。上記実施形態では表示スクリーン２０を平面としたが、曲面でも、曲面をさらに傾けたものでも、対称性をもたない自由曲面であってもよい。

　上記実施形態において、表示スクリーン２０の輪郭は、矩形に限らず、様々な形状とすることができる。

　図２等に示す本体光学系１３は、単なる例示であり、これら本体光学系１３の光学的構成については適宜変更することができる。例えば、投影光学系１５中に中間像ＴＩの前段としての中間像を追加で形成することができる。ミラー光学系１７の光路中において、光学的なパワーを持たない１つ以上のミラーを配置してもよい。この場合、折り返しによる描画ユニット１０等の小型化に有利になる場合もある。

　また、上記実施形態において、描画デバイスである像形成素子１１として、ＤＭＤやＬＣＯＳ等を用いたが、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：liquid crystal display）や、他の種類の表示素子、例えば有機ＥＬを用いてもよい。また、像形成素子１１は、反射型の素子の代わりに、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を利用した走査型の映像素子を用いてもよい。

　また、上記実施形態において、ミラー光学系１７には、２枚のミラーを設けたが、１枚又は３枚以上のミラーを設けてもよい。また、ミラーを省略してもよい。また、ミラーの光学面は対称性がある自由曲面としているが、これに限るものではなく、対称性を持たない自由曲面でもよい。

　また、上記実施形態において、表示スクリーン（コンバイナー）２０を設けずに、フロントウインドウを形成するフロントガラス８の運転席正面に設けた矩形の反射領域の内側に表示スクリーン２０を貼り付けてもよい。なお、表示スクリーン２０は、フロントガラス８内に埋め込むこともできる。

　また、上記実施形態において、投影光学系１５は、固定焦点光学系としたが、焦点可変光学系であってもよい。

　上記実施形態では、中間スクリーン１６を光軸ＡＸに沿って移動させる構成としたが、中間スクリーン１６を光軸ＡＸ方向に移動させないで固定することもできる。

　以上で説明した表示装置１００は、自動車やその他移動体に搭載される投影装置に限らず、デジタルサイネージ等に組み込むことができるが、これら以外の用途に適用することもできる。

Claims

　表示デバイスによって形成された画像をアイボックスを対象として虚像投影して表示させる虚像表示光学系であって、
　中間像の形成位置の近傍に配置される中間スクリーンと、
　前記中間スクリーンより前記表示デバイス側に配置される投影光学系と、
　前記中間スクリーンより前記表示スクリーン側に配置される虚像生成光学系と、を備え、
　前記中間スクリーンは、拡散面を有し、前記アイボックスの横方向に対応する前記拡散面上での第１方向と、それにほぼ直交する前記アイボックスの縦方向に対応する前記拡散面上での第２方向とで拡散度が異なり、前記アイボックスの縦及び横に関するサイズの大小関係と、前記第１方向の拡散度と前記第２方向の拡散度との大小関係とが一致する虚像表示光学系。
　前記アイボックスは、横長であり、
　前記中間スクリーンは、前記第１方向の拡散度が前記第２方向の拡散度より大きい楕円拡散特性を有する、請求項１に記載の虚像表示光学系。
　前記アイボックスの縦横サイズを満足するために必要な前記中間スクリーン位置での所期の発散角をθｖ及びθｈとし、前記アイボックスの縦横方向に対応する前記中間スクリーンの拡散角をθｖ'及びθｈ’としたとき、下記２つの条件式
　１＜θｖ’／θｖ＜２．０
　１＜θｈ’／θｈ＜１．５
を満たす、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
　虚像生成光学系について、前記アイボックスの縦サイズをＥＢｖとし、前記アイボックスの横サイズをＥＢｈとし、横方向の光学倍率をＭｈとし、縦方向の光学倍率をＭｖとしたとき、下記２つの条件式
　０．７×（Ｍｖ／Ｍｈ）×（ＥＢｖ／ＥＢｈ）＜θｖ’／θｈ’
　θｖ’／θｈ’＜１．３×（Ｍｖ／Ｍｈ）×（ＥＢｖ／ＥＢｈ）
を満たす、請求項３に記載の虚像表示光学系。
　前記中間スクリーンを光の進行方向に移動させる駆動機構を有し、
　下記条件式
　０．７×ＥＢｖ／ＥＢｈ＜θｖ’／θｈ’＜１．３×ＥＢｖ／ＥＢｈ
を満たす、請求項４に記載の虚像表示光学系。
　請求項１～５のいずれか一項に記載の虚像投影光学系を備える表示装置。