特許 7078904 虚像表示光学系及び画像表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-05-24

(45)【発行日】2022-06-01

(54)【発明の名称】虚像表示光学系及び画像表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/01 20060101AFI20220525BHJP

   B60K 35/00 20060101ALI20220525BHJP

【ＦＩ】

G02B27/01

B60K35/00 A

【請求項の数】 27

(21)【出願番号】P 2018547840

(86)(22)【出願日】2017-10-30

(86)【国際出願番号】 JP2017039207

(87)【国際公開番号】W WO2018079794

(87)【国際公開日】2018-05-03

【審査請求日】2020-10-26

(31)【優先権主張番号】P 2016213827

(32)【優先日】2016-10-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001270

【氏名又は名称】コニカミノルタ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109221

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 充広

(72)【発明者】

【氏名】中村 健太郎

(72)【発明者】

【氏名】山田 範秀

(72)【発明者】

【氏名】野村 英司

(72)【発明者】

【氏名】橋村 淳司

(72)【発明者】

【氏名】斉藤 真一郎

【審査官】堀部 修平

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１４／２０８１６４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－２１５４７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／００３６３７４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第９８／０１０５８４（ＷＯ，Ａ２）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１８７６６６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－０７３２２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／０１

Ｂ６０Ｋ ３５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

表示素子と、
前記表示素子に形成された像を拡大する投影光学系と、
拡散機能を有し、前記投影光学系の光射出側に配置される拡散スクリーンと、
前記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、
前記拡散スクリーンの位置を変化させる配置変更装置と
を備え、
前記拡散スクリーンは、拡散面と底面とを一対の面とする円盤形状を有し、光軸方向の厚さが円周方向で異なる回転体であり、
前記回転体を回転させて前記回転体の拡散面を前記光軸を横切るように移動させることによって、虚像距離を変化させる虚像表示光学系。

【請求項2】

前記表示素子は、２次元的な表示面を有する、請求項１に記載の虚像表示光学系。

【請求項3】

前記回転体は、アウターモーターで順回転制御される、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。

【請求項4】

前記表示素子は、前記回転体の回転パルスをトリガーにして制御される、請求項１～３のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。

【請求項5】

前記回転体は、前記回転体の回転角情報に基づいて回転数を制御される、請求項１～４のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。

【請求項6】

前記拡散スクリーンは、略円柱状で、かつ中空の光透過性を有するカバーで包囲される、請求項１～５のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。

【請求項7】

前記拡散スクリーンは、前記表示素子の表示動作と同期して移動する、請求項１～６のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。

【請求項8】

前記表示素子は、３０ｆｐｓ以上のフレームレートで動作する、請求項７に記載の虚像表示光学系。

【請求項9】

前記虚像表示光学系は、下記の条件式を満たす、請求項１～８のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
２≦ＦＯＶ／（ｍ×Ｈ）≦４
ただし、
ＦＯＶ：前記虚像形成光学系の視野角［ｒａｄ］
ｍ：前記投影光学系の光学倍率
Ｈ：前記表示素子の水平方向長さ［ｍ］

【請求項10】

前記虚像形成光学系は、下記の条件式を満たす、請求項１～９のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
２≦Ｍ／Ｌ≦４
ただし、
Ｍ：前記虚像形成光学系の光学倍率
Ｌ：観察位置から虚像までの距離［ｍ］

【請求項11】

前記投影光学系は、下記条件式を満たすようにＦナンバーが設定されている、請求項１～１０のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
０．８≦２×Ｆ×Ｐ×ｍ^２／δ≦１．２
ただし、
Ｆ：前記投影光学系の前記表示素子側のＦナンバー
Ｐ：前記表示素子の画素ピッチ［ｍｍ］
ｍ：前記投影光学系の光学倍率
δ：所望の虚像距離範囲を得るために必要な拡散スクリーン移動量［ｍｍ］

【請求項12】

前記投影光学系は、絞りを有し、
前記絞りは、前記投影光学系の最も拡散スクリーン側に配置されている、請求項１～１１のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。

【請求項13】

表示素子と、
前記表示素子に形成された像を拡大する投影光学系と、
拡散機能を有し、前記投影光学系の光射出側に配置される拡散スクリーンと、
前記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、
前記拡散スクリーンの位置を変化させる配置変更装置と
を備え、
前記投影光学系は、下記条件式を満たすようにＦナンバーが設定されている虚像表示光学系。
０．８≦２×Ｆ×Ｐ×ｍ^２／δ≦１．２
ただし、
Ｆ：前記投影光学系の前記表示素子側のＦナンバー
Ｐ：前記表示素子の画素ピッチ［ｍｍ］
ｍ：前記投影光学系の光学倍率
δ：所望の虚像距離範囲を得るために必要な拡散スクリーン移動量［ｍｍ］

【請求項14】

前記表示素子は、２次元的な表示面を有する、請求項１３に記載の虚像表示光学系。

【請求項15】

前記拡散スクリーンは、前記投影光学系の結像位置に配置され、焦点深度内で光軸方向に往復駆動させることにより、虚像距離を変化させる、請求項１３及び１４のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。

【請求項16】

前記拡散スクリーンは、光軸方向に関する位置が異なるとともに前記投影光学系の結像位置に配置可能な複数の領域を有する回転体であり、
前記回転体を回転させて前記複数の領域を光軸を横切るように移動させることによって、虚像距離を変化させる、請求項１３及び１４のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。

【請求項17】

前記拡散スクリーンは、拡散面と底面とを一対の面とする円盤形状を有し、光軸方向の厚さが円周方向で異なる回転体であり、
前記回転体を回転させて前記回転体の拡散面を前記光軸を横切るように移動させることによって、虚像距離を変化させる、請求項１３及び１４のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。

【請求項18】

前記回転体は、アウターモーターで順回転制御される、請求項１６及び１７のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。

【請求項19】

前記表示素子は、前記回転体の回転パルスをトリガーにして制御される、請求項１６～１８のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。

【請求項20】

前記回転体は、前記回転体の回転角情報に基づいて回転数を制御される、請求項１６～１９のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。

【請求項21】

前記拡散スクリーンは、略円柱状で、かつ中空の光透過性を有するカバーで包囲される、請求項１６～２０のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。

【請求項22】

前記拡散スクリーンは、前記表示素子の表示動作と同期して移動する、請求項１３～２１のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。

【請求項23】

前記表示素子は、３０ｆｐｓ以上のフレームレートで動作する、請求項２２に記載の虚像表示光学系。

【請求項24】

前記虚像表示光学系は、下記の条件式を満たす、請求項１３～２３のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
２≦ＦＯＶ／（ｍ×Ｈ）≦４
ただし、
ＦＯＶ：前記虚像形成光学系の視野角［ｒａｄ］
ｍ：前記投影光学系の光学倍率
Ｈ：前記表示素子の水平方向長さ［ｍ］

【請求項25】

前記虚像形成光学系は、下記の条件式を満たす、請求項１３～２４のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
２≦Ｍ／Ｌ≦４
ただし、
Ｍ：前記虚像形成光学系の光学倍率
Ｌ：観察位置から虚像までの距離［ｍ］

【請求項26】

前記投影光学系は、絞りを有し、
前記絞りは、前記投影光学系の最も拡散スクリーン側に配置されている、請求項１３～２５のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。

【請求項27】

請求項１～２６のいずれか一項に記載の虚像表示光学系を搭載した画像表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、視線の先に虚像を表示し、かつ虚像の投影位置を可変とした虚像表示光学系及び当該虚像表示光学系を用いた画像表示装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）装置は、虚像を運転者からある一定の距離だけ離れた位置に生成するのが一般的であり、ＨＵＤによる表示内容は、車速、カーナビゲーション情報等に限られていた。そもそもＨＵＤを車に搭載する目的は、運転者の視線移動を最小限に抑えることで、より安全な運転を支援するものであるが、安全運転支援という意味においては、車速等の表示内容だけでは不十分であり、例えば前方の車、歩行者、障害物等をカメラやセンサーで検知し、ＨＵＤを通して運転者に事前に危険を察知させて事故を未然に防ぐようなシステムの方がより好ましい。こういったシステムを実現するには、例えば車、人、障害物等のシースルー像に対して危険信号を重畳させて表示させることが考えられる。

【0003】

上記のような危険信号を重畳させて表示するシステムにおいて、運転者から虚像までの距離が一定だと、目の位置がずれた場合に実物の位置と危険信号の位置とがずれてしまい、運転者が危険信号を誤認してしまうという課題と、例えば５０ｍ先の危険に対して２ｍ先の虚像に危険信号を表示して重畳させると焦点位置の違いが生じるため、違和感が生じるという課題とがある。このような問題を解決する手法としては、実物に対して虚像を奥行き方向も含めて重畳させることが考えられる。このように、虚像に奥行きを持たせる手法として、下記特許文献１に記載の方法がある。この特許文献１では、ＭＥＭＳミラーのような走査型の像形成手段と、拡散スクリーンと、投影手段と、拡散スクリーン位置を変える可動手段とを備え、拡散スクリーン位置を変化させることで虚像の位置を変化させている。特許文献１の主たる目的としては、車の速度に伴って人間が注視する距離が変わることを鑑み、虚像位置を近づけたり遠ざけたりして、運転者の視線移動を少なくすることであるが、運転時の危険というのは視線の遠近に関係なく存在するものであるため、遠距離も近距離にも同時に危険信号を表示できることが好ましい。そのためには、拡散スクリーンを高速駆動し、それと同期させた映像を像形成手段によって生成することで、人間の目には同時に表示されているかのように見せることが考えられる。しかしながら、走査型の像形成手段では、高フレームレートでの表示切り替えに対応することが難しいため、複数距離に虚像を同時に表示させる構成には向いていない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００９－１５０９４７号公報

【発明の概要】

【0005】

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、簡素な構成でありながら複数の距離に虚像を実質的に同時に表示させることができる虚像表示光学系を提供することを目的とする。

【0006】

また、本発明は、上記虚像表示光学系を用いた画像表示装置を提供することを目的とする。

【0007】

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第１の虚像表示光学系は、表示素子と、表示素子に形成された像を拡大する投影光学系と、拡散機能を有し、投影光学系の光射出側に配置される拡散スクリーンと、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、拡散スクリーンの位置を変化させる配置変更装置とを備え、拡散スクリーンは、拡散面と底面とを一対の面とする円盤形状を有し、光軸方向の厚さが円周方向で異なる回転体であり、回転体を回転させて回転体の拡散面を光軸を横切るように移動させることによって、虚像距離を変化させる。
また、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第２の虚像表示光学系は、表示素子と、表示素子に形成された像を拡大する投影光学系と、拡散機能を有し、投影光学系の光射出側に配置される拡散スクリーンと、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、拡散スクリーンの位置を変化させる配置変更装置とを備え、投影光学系は、下記条件式を満たすようにＦナンバーが設定されている。
０．８≦２×Ｆ×Ｐ×ｍ^２／δ≦１．２
ただし、
Ｆ：投影光学系の表示素子側のＦナンバー
Ｐ：表示素子の画素ピッチ［ｍｍ］
ｍ：投影光学系の光学倍率
δ：所望の虚像距離範囲を得るために必要な拡散スクリーン移動量［ｍｍ］

【0008】

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画像表示装置は、上述した虚像表示光学系を搭載している。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１Ａは、第１実施形態の虚像表示光学系を組み込んだ画像表示装置を車体に搭載した状態を示す側方断面図であり、図１Ｂは、画像表示装置を説明する車内側からの正面図である。

【図2】虚像表示光学系等の具体的な構成例を説明する拡大側方断面図である。

【図3】虚像表示光学系によって鮮明な画像を表示するための条件を説明する拡大図である。

【図4】図４Ａ及び４Ｂは、実施形態の虚像表示光学系による虚像位置と透視物との配置関係を説明する図である。

【図5】図５Ａ及び５Ｂは、比較例の虚像表示光学系による虚像位置と透視物との配置関係を説明する図である。

【図6】画像表示装置を含む移動体用表示システムを説明するブロック図である。

【図7】第２実施形態の虚像表示光学系を説明する図である。

【図8】図８Ａ及び８Ｂは、図７に示す虚像表示光学系のうち拡散スクリーン等を説明する側方断面図及び正面図である。

【図9】虚像距離の位置における虚像の表示を説明する概念図である。

【図10】第２実施形態の画像表示装置を含む移動体用表示システムを説明するブロック図である。

【図11】回転体に設けられるホール素子を説明する図である。

【図12】図１２Ａは、ホール素子から発生される回転信号を説明する図であり、図１２Ｂ及び１２Ｃは、表示素子の発光タイミングを説明する図であり、図１２Ｄは、ロータリーエンコーダー受光部で受光されるエンコーダー信号を説明する図であり、図１２Ｅ及び１２Ｆは、表示素子の発光タイミングを説明する図である。

【図13】図１３Ａ及び１３Ｂは、パターン１による回転体の回転数と表示素子の発光タイミングの同期方法を説明する図であり、図１３Ｃ及び１３Ｄは、パターン２による同期方法を説明する図である。

【図14】図１４Ａは、回転体の周囲に設けられるロータリーエンコーダーを説明する図であり、図１４Ｂは、ロータリーエンコーダー用の開口部を説明する図である。

【図15】第３実施形態の虚像表示光学系を説明する図である。

【図16】図１６Ａ及び１６Ｂは、第４実施形態の虚像表示光学系に組み込まれる拡散スクリーン等を説明する図である。

【図17】変形例の虚像表示光学系における拡散スクリーンを説明する図である。

【図18】図１８Ａ及び１８Ｂは、第２実施形態等の虚像表示光学系に組み込まれる拡散スクリーン等の変形例を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る虚像表示光学系及びこれを組み込んだ画像表示装置について説明する。

【0011】

図１Ａ及び１Ｂは、本実施形態の画像表示装置１００及びその使用状態を説明する概念的な側方断面図及び正面図である。この画像表示装置１００は、例えばヘッドアップディスプレイ装置として車体２内に搭載されるものであり、描画ユニット１０と表示スクリーン２０とを備える。画像表示装置１００は、描画ユニット１０中の後述する表示素子１１に表示されている画像情報を、表示スクリーン２０を介して運転者ＵＮ向けに虚像表示するものである。

【0012】

画像表示装置１００のうち描画ユニット１０は、車体２のダッシュボード４内であってディスプレイ５０の背後に埋め込むように設置されており、運転関連情報等を含む画像に対応する表示光ＨＫを表示スクリーン２０に向けて射出する。表示スクリーン２０は、コンバイナーとも呼ばれ、半透過性を有する凹面鏡又は平面鏡である。表示スクリーン２０は、下端の支持によってダッシュボード４上に立設され、描画ユニット１０からの表示光ＨＫを車体２の後方に向けて反射する。つまり、図示の場合、表示スクリーン２０は、フロントウインドウ８とは別体で設置される独立型のものとなっている。表示スクリーン２０で反射された表示光ＨＫは、運転席６に座った運転者ＵＮの瞳ＨＴ及びその周辺位置に対応するアイボックス（不図示）に導かれる。運転者ＵＮは、表示スクリーン２０で反射された表示光ＨＫ、つまり車体２の前方にある虚像としての表示像ＩＭを観察することができる。一方、運転者ＵＮは、表示スクリーン２０を透過した外界光、つまり前方景色、自動車等の実像を観察することができる。結果的に、運転者ＵＮは、表示スクリーン２０の背後の外界像又はシースルー像に重ねて、表示スクリーン２０での表示光ＨＫの反射によって形成される運転関連情報等を含む表示像（虚像）ＩＭを観察することができる。

【0013】

図２に示すように、描画ユニット１０は、表示素子１１を含む虚像型の拡大結像系である本体光学系１３と、本体光学系１３を動作させる表示制御部１８と、本体光学系１３等を収納するハウジング１４とを備える。これらのうち本体光学系１３と表示スクリーン２０とを組み合わせたものは、虚像表示光学系３０を構成する。

【0014】

本体光学系１３は、表示素子１１のほかに、表示素子１１に形成された画像を拡大した中間像ＴＩを形成可能な投影光学系１５と、中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍（以下では結像位置とも呼ぶ）に配置される拡散スクリーン１６と、拡散スクリーン１６上の像（中間像ＴＩそのものの他、中間像ＴＩから位置ズレして僅かにピントがボケたものも含み、以下では強制中間像ＴＩ’と呼ぶ）を虚像に変換する虚像形成光学系１７とを備える。

【0015】

表示素子１１は、２次元的な表示面１１ａを有する。表示素子１１の表示面１１ａに形成された像は、本体光学系１３のうち投影光学系１５で拡大されて拡散スクリーン１６へ投影される。この際、２次元表示が可能な表示素子１１を用いることで、投影光学系１５が表示素子１１の表示面１１ａに形成された像を拡大するので、拡散スクリーン１６への投影像の切り替えを比較的高速とできる。表示素子１１は、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）やＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）等の反射型の素子であっても、液晶等の透過型の素子であってもよい。なお、液晶等を照明する発光体としては、バックライト、ＬＥＤ（light emitting diode）、半導体レーザーを用いてもよい。特に、表示素子１１としてＤＭＤを用いると、明るさを維持しつつ画像を高速で切り替えることが容易になり、虚像距離又は投影距離を変化させる表示に有利である。なお、表示素子１１は、３０ｆｐｓ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が同時に表示されているように見せることが容易になる。

【0016】

投影光学系１５は、固定焦点のレンズ系であり、図示を省略するが、複数のレンズを有する。投影光学系１５は、表示素子１１の表示面１１ａに形成された画像を強制中間像ＴＩ’として拡散スクリーン１６上に適当な倍率で拡大投影する。なお、投影光学系１５は、この投影光学系１５の最も拡散スクリーン１６側に配置された絞り１５ａを有する。このように絞り１５ａを配置することで、投影光学系１５の拡散スクリーン１６側のＦナンバーの設定や調整が比較的容易になる。

【0017】

拡散スクリーン１６は、配光角を所望の角度に制御するための拡散板であり、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。この結果、拡散スクリーン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。拡散スクリーン１６としては、例えば摺りガラス、レンズ拡散板、マイクロレンズアレイ等を用いることができる。拡散スクリーン１６は、支持枠部６１に支持されており、配置変更装置６２に駆動されて光軸ＡＸ方向に往復移動する。この場合、拡散スクリーン１６を１枚の板状のものとできるので、光学系の小型化が可能となり、かつ拡散スクリーン１６の位置によって虚像距離を連続的に変化させることが可能となる。

【0018】

虚像形成光学系１７は、拡散スクリーン１６に形成された強制中間像ＴＩ’を表示スクリーン２０と協働して拡大し、運転者ＵＮの前方に虚像としての表示像ＩＭを形成する。虚像形成光学系１７は、少なくとも１枚のミラーで構成されるが、図示の例では２枚のミラー１７ａ，１７ｂを含む。

【0019】

以上の本体光学系１３において、拡散スクリーン１６を設けることにより、光軸ＡＸ方向に移動可能な強制中間像ＴＩ’を形成できるだけでなく、視野角とアイボックスサイズとを確保しつつ、光学系の光利用効率を高くすることができる。なお、拡散スクリーン１６による拡散の配光角が狭すぎると、アイボックスサイズが小さくなってしまう。逆に、拡散スクリーン１６による拡散の配光角を大きくしすぎると、光利用効率を高くするために虚像形成光学系１７のＦ値を小さくする必要があるため、焦点深度が浅くなり表示可能な距離範囲が狭まってしまう。

【0020】

拡散スクリーン１６に付随して設けられた配置変更装置６２は、拡散スクリーン１６や強制中間像ＴＩ’を光軸ＡＸに沿って所望の位置に移動させるためのものである。配置変更装置６２は、支持枠部６１を光軸ＡＸ方向への可動を案内するガイド部６４と、支持枠部６１を拡散スクリーン１６とともに光軸ＡＸ方向に所望の速度で往復移動させる駆動部６５とを有する。配置変更装置６２によって拡散スクリーン１６を光軸ＡＸに沿って移動させることで、虚像形成光学系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と観察者との距離を大きく、または小さくすることができる。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。ここで、拡散スクリーン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の拡散スクリーン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、いずれも略ピントが合った良好な状態とすることができる。

【0021】

拡散スクリーン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。例えば、表示像ＩＭが遠距離、中距離、及び近距離の３段階で順次投影されるものとして、表示素子１１に９０ｆｐｓで表示を行わせると、各距離（例えば遠距離）の表示像ＩＭは、３０ｆｐｓで表示の切り替えが行われることになり、中距離、及び近距離の表示像ＩＭが並列的に行われかつ切り替えが連続的なものとして認識される。なお、拡散スクリーン１６の移動速度は、以上から明らかなように、表示素子１１の表示動作と同期するように設定される。これにより、複数の距離において、その距離ごとの状況に応じた複数の虚像を表示することができる。

【0022】

なお、本実施形態における配置変更装置６２は拡散スクリーン１６を光軸ＡＸに沿って往復運動させるものであるが、例えばモーターによる往復運動は加速と減速を繰り返すものであるため、モーターに相当な負荷がかかり、熱が発生しやすくなる。結果として想定通りの運動速度が得られなくなることが想定される。この点を解決する手段としてはガイド部６４にバネを挿入し、その弾性力によって加速と減速を補助することが考えられる。あるいは、カム構造、スライダークランク機構等を利用し回転運動を往復運動にすることも一つの手段として考えられる。

【0023】

虚像形成光学系１７は、下記の条件式（１）
２≦ＦＯＶ／（ｍ×Ｈ）≦４ … （１）
を満たす。ただし、値ＦＯＶは、虚像形成光学系１７の水平方向視野角［ｒａｄ］を表し、値ｍは、投影光学系１５の光学倍率を表し、値Ｈは、表示素子１１の水平方向長さ［ｍ］を表す。ここで、水平方向長さとは、運転者ＵＮの目の並ぶ横方向又はＸ方向を意味する。上記条件式（１）を満たす範囲とすることで、小型ながらも高倍率で高性能な虚像表示光学系３０とすることができる。また、拡散スクリーン１６の移動量をあまり大きくしなくても、虚像である表示像ＩＭの移動範囲を比較的大きくとることができる。値ＦＯＶ／（ｍ×Ｈ）を条件式（１）の上限以下とすることで、光学系が大型になる、虚像又は表示像ＩＭに歪が生じるといったことを回避しやすくなる。一方、値ＦＯＶ／（ｍ×Ｈ）を条件式（１）の下限以上とすることで、十分な視野角を確保できるので、安全運転支援とのマッチングが良くなる。具体的な作製例では、水平方向視野角ＦＯＶを０．２７９［ｒａｄ］（１６°）とし、投影光学系１５の光学倍率ｍを９．６とし、表示素子１１の水平方向長さＨを０．００８６６［ｍ］とした。この場合、条件式（１）の値ＦＯＶ／（ｍ×Ｈ）は、３．３６となる。

【0024】

虚像形成光学系１７は、下記の条件式（２）
２≦Ｍ／Ｌ≦４ … （２）
を満たす。ただし、値Ｍは、虚像形成光学系１７の光学倍率を表し、値Ｌは、運転者ＵＮの目又は瞳ＨＴがある観察位置から虚像である表示像ＩＭまでの距離［ｍ］を表す。上記条件式（２）を満たす範囲とすることで、小型ながらも高倍率で高性能な虚像表示光学系３０とすることができる。また、拡散スクリーン１６の移動量をあまり大きくしなくても、虚像又は表示像ＩＭの移動範囲を比較的大きくとることができる。値Ｍ／Ｌを条件式（２）の上限以下とすることで、光学系が大型になる、虚像又は表示像ＩＭに歪が生じるといったことを回避しやすくなる。一方、値Ｍ／Ｌを条件式（２）の下限以上とすることで、十分な視野角を確保できるので、安全運転支援とのマッチングが良くなる。具体的な作製例では、虚像形成光学系１７の光学倍率Ｍを３５．３とし、観察位置から虚像までの値Ｌを１０［ｍ］とした。この場合、条件式（２）の値Ｍ／Ｌは、３．５３となる。また、虚像形成光学系１７の光学倍率Ｍを１６．８とし、観察位置から虚像までの値Ｌを５［ｍ］とした。この場合、条件式（２）の値Ｍ／Ｌは、３．３６となる。

【0025】

投影光学系１５は、下記の条件式（３）
０．８≦２×Ｆ×Ｐ×ｍ^２／δ≦１．２ … （３）
を満たす。ただし、値Ｆは、投影光学系１５の表示素子１１側のＦナンバーを表し、値Ｐは、表示素子１１の画素ピッチ［ｍｍ］を表し、値δは、所望の虚像距離範囲を得るために必要な拡散スクリーン移動量［ｍｍ］を表す。上記条件式（３）を満たす範囲とすることで、拡散スクリーン１６側で十分な焦点深度を確保することができるため、所望の虚像距離範囲において鮮明な虚像表示とすることができる。

【0026】

図３は、条件式（３）を説明する概念的な断面図であり、投影光学系１５による中間像ＴＩの結像位置を拡大したものである。所望の虚像距離範囲を得るために必要な拡散スクリーン１６の移動量δ［ｍｍ］を確保するためには、表示光ＨＫに関しての焦点深度の範囲又は幅をΔ［ｍｍ］とし、解像しているとみなせる許容錯乱円の直径ε［ｍｍ］が約ｍ×Ｐで与えられることから、投影光学系１５の像側のＦナンバーをＦ’とし、表示光ＨＫの収束角又は発散角をθとして、
ｍ×Ｆ＝Ｆ’＝１／（２・ｓｉｎθ）≒１／（２・ｔａｎθ）
＝Δ／２ε＝Δ／２ｍＰ
となる。これを焦点深度の範囲Δを与える式に変更すれば、
Δ≒２×Ｆ×Ｐ×ｍ^２
となる。ここで、焦点深度の範囲Δが拡散スクリーン１６の移動量δを用いてα×δ（αは係数）で表されるとすると、
α≒２×Ｆ×Ｐ×ｍ^２／δ
となる。つまり、値２×Ｆ×Ｐ×ｍ^２／δを１に近い値とすれば、投影光学系１５の焦点深度の範囲Δを有効に活用した比較的広い範囲で拡散スクリーン１６すなわち強制中間像ＴＩ’を移動させることができることが分かる。そして、表示光ＨＫの結像の光線束を細めてフォーカスがずれてもピントが合っているとみなせる範囲であれば、拡散スクリーン１６を移動させても結像に殆ど影響しないことが分かる。

【0027】

具体的な作製例では、投影光学系１５の表示素子１１側のＦナンバーを１０．７とし、表示素子１１の画素ピッチを０．００７６［ｍｍ］とし、拡散スクリーン１６の移動量δを１５［ｍｍ］とした。この場合、条件式（３）の値２×Ｆ×Ｐ×ｍ^２／δは、０．９９９となる。

【0028】

図４Ａは、実施形態の虚像表示光学系３０による表示を説明する概念的な平面図であり、図４Ｂは、図４Ａに対応する表示の見え方を説明する図である。図４Ａに示すように、運転者ＵＮが観察している対象物（この場合、対向車線を走行する自動車）ＫＴの位置又はその近傍に表示像ＩＭである表示枠ＨＷを形成する場合について説明する。このような表示枠ＨＷは、危険警告信号その他の虚像であり、例えば前方に近接する自動車、自転車、歩行者等を識別した結果を示す。表示枠ＨＷは、この場合、図４Ａに示すように対象物ＫＴの近傍に表示枠ＨＷを投影しているので、図４Ｂに示すように、標準位置Ｐ０に居る運転者ＵＮだけでなく、頭の位置を動かした変動位置Ｐ１に姿勢を変化させた運転者ＵＮにも、対象物ＫＴと表示枠ＨＷとが略重なって略ズレなく見える。以上では表示像ＩＭが表示枠ＨＷであるとしたが、表示像ＩＭは表示枠ＨＷに限らず、運転や前方対象物に関連する様々な表示とできる。

【0029】

図５Ａは、比較例の虚像表示光学系３０による表示を説明する概念的な平面図であり、図５Ｂは、図５Ａに対応する表示の見え方を説明する図である。図５Ａに示すように、運転者ＵＮが観察している対象物ＫＴに関係なく、固定位置に表示像ＩＭである表示枠ＨＷを形成する場合について説明する。この場合、図５Ａに示すように対象物ＫＴのかなり手前に表示枠ＨＷを投影しているので、図５Ｂに示すように、標準位置Ｐ０に居る運転者ＵＮにとって、対象物ＫＴと表示枠ＨＷとが略重なって略ズレなく見えても、変動位置Ｐ１に姿勢を変化させた運転者ＵＮにとって、表示枠ＨＷが対象物ＫＴに対して目の並ぶ横方向に大きく位置ズレして見えてしまい、表示枠ＨＷを誤認する可能性が高まる。

【0030】

図６は、移動体用表示システム２００を説明するブロック図であり、移動体用表示システム２００は、その一部として画像表示装置１００を含む。この画像表示装置１００は、図２に示す構造を有するものであり、ここでは説明を省略する。図６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。

【0031】

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

【0032】

運転者検出部７１は、運転者ＵＮの存在や視点位置を検出する部分であり、運転席用カメラ７１ａと、運転席用画像処理部７１ｂと、判断部７１ｃとを備える。運転席用カメラ７１ａは、車体２内のダッシュボード４の運転席６正面に設置されており（図１Ｂ参照）、運転者ＵＮの頭部及びその周辺の画像を撮影する。運転席用画像処理部７１ｂは、運転席用カメラ７１ａで撮影した画像に対して明るさ補正等の各種画像処理を行って判断部７１ｃでの処理を容易にする。判断部７１ｃは、運転席用画像処理部７１ｂを経た運転席画像からオブジェクトの抽出又は切り出しを行うことによって運転者ＵＮの頭部や目を検出するとともに、運転席画像に付随する奥行情報から車体２内における運転者ＵＮの頭部の存否とともに運転者ＵＮの目の空間的な位置（結果的に視線の方向）を算出する。

【0033】

環境監視部７２は、前方に近接する自動車、自転車、歩行者等を識別する部分であり、外部用カメラ７２ａと、外部用画像処理部７２ｂと、判断部７２ｃとを備える。外部用カメラ７２ａは、車体２内外の適所に設置されており、運転者ＵＮ又はフロントウインドウ８の前方、側方等の外部画像を撮影する。外部用画像処理部７２ｂは、外部用カメラ７２ａで撮影した画像に対して明るさ補正等の各種画像処理を行って判断部７２ｃでの処理を容易にする。判断部７２ｃは、外部用画像処理部７２ｂを経た外部画像からオブジェクトの抽出又は切り出しを行うことによって自動車、自転車、歩行者等の対象物ＫＴ（例えば図４Ａ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ＫＴの空間的な位置を算出する。

【0034】

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

【0035】

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。

【0036】

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ＫＴ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ＨＷ（図４Ｂ参照）のような標識とすることができる。

【0037】

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。

【0038】

主制御装置９０は、画像表示装置１００、環境監視部７２等の動作を調和させる役割を有し、環境監視部７２によって検出した対象物ＫＴ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ＨＷの空間的な配置を調整する。

【0039】

以上で説明した第１実施形態に係る画像表示装置１００又は虚像表示光学系３０によれば、拡散スクリーン１６の位置を光軸ＡＸに沿って例えば投影光学系１５の拡散スクリーン１６側の焦点深度の範囲内で高速で変化させることにより、虚像を複数距離において離散的又は連続的に表示させることができる。これにより、危険警告信号その他の虚像（例えば表示枠ＨＷ）を奥行き方向も含めて透視される対象物ＫＴつまり実物又はシースルー像に重畳させることが可能となる。結果的に、遠方から近傍まで目の位置又は焦点位置が変わっても虚像と実物との間のズレ発生を抑制でき、かかる虚像表示光学系３０を移動体用表示システム２００のような運転支援システムに適用した場合、システムの安全性をより高めることができる。

【0040】

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る画像表示装置又は虚像表示光学系について説明する。なお、第２実施形態の画像表示装置等は第１実施形態の画像表示装置等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。

【0041】

図７に示すように、第２実施形態の画像表示装置１００の場合、拡散スクリーン１１６（後述する支持体１９ｆも含む）である回転体１９ａが配置変更装置１６２に設けた回転駆動装置１９ｂに駆動されて一定速度で回転する。回転体１９ａは、複数の拡散領域１６ａ～１６ｄを有する。これらの拡散領域１６ａ～１６ｄは、光軸ＡＸ方向に関する位置が異なっているが、回転体１９ａの回転に伴って投影光学系１５の結像位置（つまり中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍）に順次配置される。

【0042】

本実施形態の画像表示装置１００のように、拡散スクリーン１１６を回転駆動する場合の方が、拡散スクリーンを往復移動させる場合よりも駆動機構への負担が少なく、高速で安定した動作が可能となる。

【0043】

図８Ａは、拡散スクリーン１１６及び配置変更装置１６２を説明する側方断面図であり、図８Ｂは、拡散スクリーン１１６を説明する正面図である。拡散スクリーン１１６である回転体１９ａは、光軸ＡＸに平行に延びる回転軸ＲＸが通る軸部１９ｄと、軸部１９ｄに支持されて回転軸ＲＸの周りに配置される４つの支持体領域１９ｅを有する支持体（又はホイール）１９ｆと、各支持体領域１９ｅに保持されて光軸ＡＸに垂直な方向に延びる４つの拡散領域１６ａ～１６ｄとを有する。回転駆動装置１９ｂは、軸部１９ｄを介して回転体１９ａを回転させる。回転駆動装置１９ｂは、支柱である支持部材１９ｊに固定されている。また、支持部材１９ｊは、台座である支持部本体１９ｓに固定されている。

【0044】

支持体１９ｆは、円筒形状を有するホイールであり、拡散スクリーン１１６を通過する光路上の一対の端面１９ｇ，１９ｈが光透過性を有する中空の部材である。支持体１９ｆの端面１９ｇ側の中心部分には、円柱凹状の窪み１９ｉが設けられている。窪み１９ｉには、回転駆動装置１９ｂを構成するアウターモーター１９ｋが組み付けられている。アウターモーター１９ｋによって支持体１９ｆを直接回転させることができる。

【0045】

回転駆動装置１９ｂは、回転部分のアウターモーター１９ｋと非回転部分１９ｕとを有する。非回転部分１９ｕは、支持部材１９ｊに固定されている。

【0046】

アウターモーター１９ｋは、内側にコイルを有し、外側に永久磁石とモーターハウジングケースとを有する。アウターモーター１９ｋは、永久磁石とハウジングケースとが回転軸ＲＸと共に回転する構成となっている。なお、他のタイプであるインナーモーターは、永久磁石が内側にあり、永久磁石と回転軸とが回転する構成となっている。そのため、回転する重量は、アウターモーター１９ｋの方がインナーモーターよりも重くなるので、軸回りの慣性モーメントが大きくなり、かつ駆動トルクも大きくなる。よって、アウターモーター１９ｋは、インナーモーターに比べて安定した回転速度を得られやすい。つまり、アウターモーター１９ｋは、一定方向に一定速度で拡散スクリーン１６を回転させたい、３Ｄ ＡＲ（Augmented Reality） ＨＵＤシステムにとっては有利なモーターである。なお、モーターの寿命を考慮すると、アウターモーター１９ｋの中でも、整流ブラシがないブラシレスアウターモーターを用いることが好ましい。

【0047】

回転体１９ａは、アウターモーター１９ｋで順回転制御されている。これにより、回転機構を簡素化することができる。また、回転体１９ａを安定して駆動することができる。例えば、サイズが直径１５０ｍｍで重さ３００～４００ｇの回転体１９ａの場合、３６００ｒｐｍで定格順回転させる。この場合、出力トルクが２０ｍＮ以下の小型サイズのアウターモーター１９ｋを用いれば、回転体１９ａを十分に機能するように回転動作させることができる。

【0048】

車載ＨＵＤでは、搭載が許されるスペースに制限があるため、ＨＵＤ容積を抑えることが要求される。ＨＵＤの容積という観点からすると、虚像距離を変えることができる３Ｄ
ＡＲ ＨＵＤには、本実施形態の画像表示装置１００のように、虚像距離を変えるための可動部機構（具体的には、モーターを含めた回転機構）を簡素化することが重要である。

【0049】

回転駆動装置１９ｂによって軸部１９ｄを回転させることで、支持体１９ｆも回転軸ＲＸの周りに回転する。結果的に、４つの拡散領域１６ａ～１６ｄが光軸ＡＸ上に順次移動し、各拡散領域１６ａ～１６ｄは、光軸ＡＸを横切るように移動する。この際、拡散領域１６ａ～１６ｄの中心が光軸ＡＸを横切るように配置関係が調整され位置決めがなされている。虚像形成光学系１７側又は正面から見て軸部１９ｄが例えば時計方向に回転する場合、拡散領域１６ａ～１６ｄの順番で光軸ＡＸ上に配置される。拡散領域１６ａの中心が光軸ＡＸ上に配置されたタイミングでは、拡散領域１６ａは最も虚像形成光学系１７に近接しており、この時点で表示素子１１に表示されている画像が、表示スクリーン２０の背後の最も近くに虚像として表示される。また、拡散領域１６ｃの中心が光軸ＡＸ上に配置されたタイミングでは、拡散領域１６ｃは最も虚像形成光学系１７から離間しており、この時点で表示素子１１に表示されている画像が、表示スクリーン２０の背後の最も遠くに虚像として表示される。以上から明らかなように、表示素子１１における画像の表示は、ストロボのように間欠的で拡散領域１６ａ～１６ｄが光軸ＡＸ上に配置されているタイミングとなる。本実施形態の画像表示装置１００のように、拡散スクリーン１６が４つの拡散領域１６ａ～１６ｄに分かれている場合、投影できる虚像距離が４つだけになる。なお、拡散スクリーン１６部分以外では投影発光しない。

【0050】

支持体１９ｆが１回転する中で、４つの拡散領域１６ａ～１６ｄが光路を順次横切る。虚像距離という観点では、表示素子１１を発光させ続け、支持体１９ｆを高速に１回転させると、虚像としての表示像ＩＭ１～ＩＭ４は、図９に示すように、虚像距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の位置に同時に表示されているように視認できる。虚像距離Ｌ１～Ｌ４は、例えば３ｍ、７ｍ、２０ｍ、７０ｍ等のように設定することができる。また、拡散領域を５つ以上設ければ、５つ以上の虚像距離に虚像を表示することができる。

【0051】

図１０に示すように、移動体用表示システム２００は、画像表示装置１００のほかに、運転者検出部７１と、環境監視部７２と、主制御装置９０と、ＰＩＤ制御部８１と、サーボ機構８２とを備える。本実施形態の移動体用表示システム２００は、ＰＩＤ制御部８１等を備えることにより、画像表示装置１００の動作のフィードバック制御が可能な構成となっている。

【0052】

ＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御部８１は、主制御装置９０の制御下でサーボ機構８２を動作させ、主に表示素子１１の動作、及び拡散スクリーン１６の動作のフィードバック制御を行う。サーボ機構８２は、ＰＩＤ制御部８１を介して、表示素子１１の発光タイミングや、回転体１９ａの回転数又は回転速度等が設定値から外れ場合に、設定値になるようにこれらを自動制御する。

【0053】

ここで、車載ＨＵＤ、特にＡＲ ＨＵＤに対しては、運転者ＵＮに危険対象を瞬時にかつ正確に伝えることが要求される。つまり、車に設けられた各種センサー（例えば単眼カメラ、ステレオカメラ、ＬｉＤＡＲ（Laser Imaging Detection and Ranging）、ＦＩＲ（far infrared rays）カメラ、超音波センサー等）から絶えず得られる物体情報の中から車載ＥＣＵ（Electronic Control Unit）が危険として判断した対象物ＫＴ（図４等参照）を、時間遅延なくかつ正確に当該対象物ＫＴの位置を運転者ＵＮに伝えることが要求される。ＡＲ ＨＵＤの時間的正確性かつ位置的正確性の観点からすると、拡散スクリーン１６を含む回転体１９ａの回転とＡＲ投影表示のタイミングとの同期が重要である。回転体１９ａの１回転当たりで、虚像距離の最短から最長までをカバーするが、回転体１９ａの回転と投影表示のタイミングとがずれると、実際の対象物ＫＴの距離とは異なる虚像距離に表示されてしまい、運転者ＵＮの頭の位置ズレに対しての表示の位置的正確性は担保されなくなる。

【0054】

例えばフレームレート３０ｆｐｓで５か所の虚像距離に虚像を表示させる場合、虚像位置分解能としては３０ｆｐｓの１／５、つまり１５０ｆｐｓが必要となる。したがって、表示させる虚像距離の数が多くなると、表示タイミングの制御がそれだけ高速になり難しくなる。また、モーター回転数も絶えず一定に保つことは難しい。以上の問題への対処法として以下の２つの方法が考えられる。

【0055】

（パターン１）表示素子１１の発光タイミングを制御する方法
表示素子１１を、回転体１９ａの回転パルスをトリガーにして制御する。これにより、アウターモーター１９ｋの回転に応じて表示素子１１を制御することができる。図１１に示すように、支持体１９ｆを正面（光軸ＡＸ方向）から見たときに、回転体１９ａにおいて、拡散領域１６ａ～１６ｄの外側には、アウターモーター１９ｋの回転角を検出するホール素子１９ｍが設けられている。図示の例では、回転体１９ａの４つの拡散領域１６ａ～１６ｄに対応する支持体領域１９ｅ上に、ホール素子１９ｍがそれぞれ設けられている。支持体１９ｆの回転に伴う回転信号は、各ホール素子１９ｍのパルス信号として得られる。図１２Ａ～１２Ｃは、回転信号と表示素子の発光タイミングとの関係を説明する図である。図１２Ａにおいて、符号Ｓ１～Ｓ４は、拡散領域１６ａ～１６ｄに対応する支持体領域１９ｅに設けられた各ホール素子１９ｍで発生する磁気又は磁界に対応する回転信号を示している。ここで、各パルスがどの位置の回転信号であるかを判別できるようにしておけば、図１２Ａ及び１２Ｂに示すように、支持体１９ｆの回転信号パルスをトリガーにして、適切なタイミングで表示素子１１の発光パルス（点灯信号）を発生させることができる。これにより、図９に示す虚像距離Ｌ１～Ｌ４で虚像が同時に表示されるように運転者ＵＮに視認させることができる。また、図１２Ｃに示すように、虚像距離Ｌ２のみに対応するタイミングで表示素子１１を発光させれば、虚像距離Ｌ２での虚像だけ運転者ＵＮに視認させることもできる。

【0056】

本方法では、図１３Ａ及び１３Ｂに例示するように、回転体１９ａの回転数又は回転速度が時間差ｔ１分だけ遅くなり、虚像距離Ｌ２に対応する回転信号が符号Ｓ２’で示すタイミングで発生した場合、表示素子１１の表示タイミングである発光タイミングを上記回転信号が遅れたのと同じ時間差（つまり、時間差ｔ１）分だけ遅延させる。結果的に、虚像距離Ｌ２に対応するタイミングで表示素子１１を発光させることができる。ここで、回転体１９ａの回転速度は設定値となるように常に制御されており、設定値からのずれがあれば、虚像距離Ｌ３以降も表示素子１１の発光タイミングを調整する。

【0057】

なお、本方法において、ホール素子１９ｍの代わりにロータリーエンコーダー１９ｏを用いてもよい。具体的には、図１４Ａ及び１４Ｂに示すように、回転体１９ａに開口部１９ｐを設け、光センサーで通過光を検出するロータリーエンコーダー１９ｏを用いて回転体１９ａの回転を検知して、虚像表示を制御する。開口部１９ｐは、拡散スクリーン１１６のうち拡散領域１６ａ～１６ｄ以外の部分に設けられる。図示の例では、開口部１９ｐは、拡散領域１６ｃ，１６ｄ間の支持体領域１９ｅ上に設けているが、他の拡散領域間や回転体１９ａの中央部付近に設けてもよい。開口部１９ｐに対応する位置の回転体１９ａの光入射側には、エンコーダー用光源部１９ｑが設けられ、開口部１９ｐに対応する位置の回転体１９ａの光出射側には、エンコーダー用受光部１９ｒが設けられている。

【0058】

回転体１９ａを回転させると、開口部１９ｐがエンコーダー用光源部１９ｑの前に来た際に、エンコーダー用受光部１９ｒの光量が最大になり、回転体１９ａの回転位置がわかる。図示の例では、拡散領域１６ａ～１６ｄでも光は透過するが、光の拡散作用があるので拡散領域１６ａ～１６ｄに対応するエンコーダー用受光部１９ｒの光量は、開口部１９ｐに対応するエンコーダー用受光部１９ｒの光量に比べて低くなる。以上のようにエンコーダー用受光部１９ｒの光量が最大になるタイミングに応じて、表示素子１１の発光を制御する。これにより、アウターモーター１９ｋの回転数が外乱等により設定回転数からズレたとしても、拡散スクリーン１６の回転と表示素子１１の発光タイミングとを正確に同期させることができる。なお、図１３Ｂにおいて、支持体領域１９ｅの網目部分は光を遮光する材料で形成している。光を遮光する部材としては、例えばポリプロピレン等が挙げられる。

【0059】

図１２Ｄ～１２Ｆに示すように、ロータリーエンコーダー１９ｏを用いる場合にも、エンコーダー信号と点灯信号とのタイミングとを同期させることで、正確な位置に虚像と対象物とが重畳した表示を時間遅延なく行うことができる。図１２Ｄにおいて、符号Ｔ１，Ｔ２は、回転体１９ａの１回転目及び２回転目における、開口部１９ｐを通過し、エンコーダー用受光部１９ｒで受光された光に対応するエンコーダー信号をそれぞれ示している。図１２Ｄ及び１２Ｅに示すように、支持体１９ｆのエンコーダー信号パルスをトリガーにして、適切なタイミングで表示素子１１の発光パルス（点灯信号）を発生させることができる。これにより、図９に示す虚像距離Ｌ１～Ｌ４で虚像が同時に表示されるように運転者ＵＮに視認させることができる。また、図１２Ｆに示すように、虚像距離Ｌ２に対応するタイミングで表示素子１１を発光させれば、虚像距離Ｌ２での虚像だけ運転者ＵＮに視認させることもできる。

【0060】

なお、本方法において、アウターモーター１９ｋの回転駆動を一定にすることが好ましい。アウターモーター１９ｋの回転数を回転体１９ａの回転角情報に基づいて制御することで、回転体１９ａの回転数を一定にできる。回転角は、既に説明したホール素子１９ｍやロータリーエンコーダー１９ｏを用いて検知することができる。

【0061】

（パターン２）アウターモーターの回転数を制御する方法
回転体１９ａに関して、アウターモーター１９ｋの回転数を、表示素子１１の発光タイミングと回転体１９ａの回転角情報とに基づいて制御する。当該方法は、表示素子１１の発光タイミングが一定である場合に効果的に用いることができる。回転体１９ａの回転角は、図１１に示すように、ホール素子１９ｍを用いて検知することができる。また、図１４Ａに示すように、ホール素子１９ｍの代わりにロータリーエンコーダー１９ｏを用いて回転角を検知してもよい。

【0062】

本方法では、図１３Ｃ及び１３Ｄに例示するように、回転体１９ａの回転数又は回転速度が時間差ｔ１分だけ遅くなり、虚像距離Ｌ２に対応する回転信号が符号Ｓ２’で示すタイミングで発生した場合、虚像距離Ｌ３に対応する回転信号が符号Ｓ３’で示すタイミング、すなわち虚像距離Ｌ２に対応する回転信号が遅れたのと同じ時間差（つまり、時間差ｔ１）分だけ早める。その後、虚像距離Ｌ３に対応するタイミングでは回転体１９ａの回転速度が設定値に戻るように調整する。結果的に、虚像距離Ｌ２に対応するタイミングでは、表示素子１１の発光タイミングがずれても、虚像距離Ｌ３に対応するタイミングでは、表示素子１１の発光タイミングを回転体１９ａの元の回転速度に同期させることができる。なお、回転速度を調整するタイミングは、虚像距離Ｌ３に対応するタイミングに限らず、虚像距離Ｌ４に対応するタイミング以降でもよい。ただし、回転体１９ａの回転速度のずれが大きくならないように、所定の閾値以下の速度ずれが発生した段階でフィードバックを行うことが望ましい。これにより、許容値を超える速度ずれの発生を防止することができる。

【0063】

本実施形態の画像表示装置１００は、拡散スクリーン１１６を含む回転体１９ａの回転と、投影情報となる表示素子１１の発光タイミング（投影表示タイミング）とを同期させるために、アウターモーター１９ｋの回転速度が継続的に設定値通りとなるようなフィードバック制御を行っている。アウターモーター１９ｋの回転速度は安定しているといっても、時間が経つと変化することがある。そのため、回転と発光タイミングとの同期をとらないと、一旦アウターモーター１９ｋの回転速度が変化した後は、回転体１９ａの回転と表示素子１１の発光タイミングとがずれたままになるので虚像距離が適切でなくなる、または投影位置が異なる場所に投影し続けることになる。そのため、アウターモーター１９ｋの回転速度が変化した場合には、上記のように、回転速度変化に対応させて表示素子１１の発光タイミングを変化させる（パターン１）、またはアウターモーター１９ｋの回転速度を設定値に戻す（パターン２）必要がある。これにより、運転者ＵＮに対して、正しい虚像距離、及び正しい位置に虚像表示することができる。

【0064】

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係る画像表示装置等について説明する。なお、第３実施形態の画像表示装置等は第１及び第２実施形態の画像表示装置等を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態等と同様である。

【0065】

図１５に示すように、第３実施形態に係る画像表示装置１００の場合、フロントウインドウ８の運転席６正面に設けた矩形の反射領域８ｄの内側にスクリーンとしての表示スクリーン２２０が貼り付けられている。

【0066】

〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態に係る画像表示装置又は虚像表示光学系について説明する。なお、第４実施形態の画像表示装置等は第２実施形態の画像表示装置等を変形したものであり、特に説明しない事項は第２実施形態と同様である。

【0067】

図１６Ａ及び１６Ｂに示すように、第４実施形態の画像表示装置１００において、拡散スクリーン２１６は、全体的に、拡散面１６ｅと底面１６ｆとを一対の面（又は上下面）とする円盤形状となっている。拡散スクリーン１６は、光軸ＡＸ方向から見て複数（図示の例では、４つ）の領域に分割されており、その分割の境界１６ｇにおいて、光軸ＡＸ方向（又は上下方向）に段差部１６ｈを有する回転体１９ａとなっている。画像表示装置１００は、回転体１９ａを回転させて回転体１９ａの拡散面１６ｅを光軸ＡＸを横切るように移動させることによって、虚像距離を変化させる。具体的には、拡散スクリーン１６は、拡散面１６ｅとして４つの拡散領域２１６ａ～２１６ｄで構成されており、この拡散領域２１６ａ～２１６ｄの各拡散面１６ｅが光軸ＡＸ方向で異なる位置となるように、各段差部１６ｈの高さ（又は光軸ＡＸ方向の厚さ）を異ならせている。回転体１９ａの中心部分には、円柱凹状の窪み１９ｉを設け、その窪み１９ｉにアウターモーター１９ｋを設けている。

【0068】

図示は省略するが、本実施形態の拡散スクリーン２１６では、回転体１９ａの回転速度と表示素子１１の発光タイミングとの同期のために、例えばロータリーエンコーダーを用いる。この場合、ロータリーエンコーダーは、回転体１９ａの中央部に設けられる。

【0069】

なお、本実施形態の回転体１９ａでは、複数の段差部１６ｈを設けて光軸ＡＸ方向の厚さを段階的に変化させているが、段差部１６ｈを設けずに、底面１６ｆを基準面として円周方向に連続的に厚さを変化させてもよい。

【0070】

以上では、具体的な実施形態としての虚像表示光学系３０及び画像表示装置１００について説明したが、本発明に係る虚像表示光学系等は、上記のものには限られない。例えば、第１実施形態において、画像表示装置１００の配置を上下反転させて、フロントウインドウ８の上部又はサンバイザー位置に表示スクリーン２０を配置することものでき、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。また、表示スクリーン２０は、自動車の従来のミラーに対応する位置に配置してもよい。

【0071】

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。

【0072】

図２に示す投影光学系１５や虚像形成光学系１７は、単なる例示であり、これら投影光学系１５及び虚像形成光学系１７の光学的構成については適宜変更することができる。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。また、投影光学系１５や虚像形成光学系１７の光路中において、光学的なパワーを持たないミラーを配置していてもよい。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。

【0073】

上記実施形態において、表示スクリーン２０が平板状であるとしたが、本体光学系１３の光学的仕様を考慮しつつ表示スクリーン２０を曲面とすることもできる。

【0074】

表示像（虚像）ＩＭの表示位置は、上記実施形態で例示した３か所又は４か所に限らず、５か所以上の適当数に設定することができる。また、表示像ＩＭの表示は、位置を変化させて連続的又は断続的に行うことができる。

【0075】

上記実施形態において、拡散スクリーン１６の拡散領域１６ａ～１６ｄを長方形で例示したが、拡散スクリーン１６の拡散領域は、台形や扇形、その他の形状とすることもできる。より好ましい実施形態としては、拡散スクリーンの領域数と、回転軸ＲＸと光軸ＡＸの関係性、回転速度等を考慮した形状とすることである。例えば図１７は、拡散スクリーン１６に拡散領域を６領域設け（図中の拡散領域２１６ａ～２１６ｆ）、回転軸ＲＸを光軸ＡＸに対して例えば右斜め上あるいは左斜め下の４５°方向にシフトした位置に配置した上で、回転速度を考慮したときの好適な形状である。なお、拡散領域１６ａ～１６ｄの光軸ＡＸ方向に関する配置は、光軸ＡＸ方向に沿って段階的に増加又は減少するものに限らず、虚像形成光学系１７に対する遠近の順序を非一様又は不規則に入れ替えることができる。

【0076】

第２実施形態において、ＰＩＤ制御部８１を用いて拡散スクリーン２１６の動作と表示素子１１の動作とを同期させるようにフィードバック制御させたが、第１実施形態等においてもフィードバック制御を行ってもよい。

【0077】

上記実施形態において、拡散スクリーン１６，１１６，２１６を、略円柱状で、かつ中空の光透過性を有するカバー３００で包囲してもよい。図１８Ａに示すように、第２実施形態の拡散スクリーン１１６にカバー３００を取り付ける場合、カバー３００は、支持部材１９ｊに固定されている。なお、図１８Ａでは、アウターモーター１９ｋは、支持体１９ｆに設けられており、回転体１９ａのみが回転する例を挙げている。詳細は後述するが、アウターモーター１９ｋは、支持体１９ｆのみに限らず、カバー３００も回転体１９ａと共に回転するように設けることもできる。

【0078】

拡散スクリーン１１６等が円周方向から見て段差等を有している場合、拡散スクリーン１１６等を高速に回転させると、高周波の風切り音が発生する。このような拡散スクリーン１１６等をカバー３００で覆うことで、光路を妨げることなく、拡散スクリーン１１６等の回転に伴う騒音を低減することができる。カバー３００には、光透過性のアクリルやポリカードネイト等を用いることができる。また、カバー３００の両端面３００ａ，３００ｂが光透過性を有していればよく、側面３００ｃについては光透過性を有しないプラスチック等を用いることができる。なお、カバー３００と支持部材１９ｊとを一体化させて、カバー３００と拡散スクリーン１１６とを共に回転させてもよい。投影光学系１５及び虚像形成光学系１７の光路の確保は必要であるため、カバー３００は、その正面から見たときに、開口部が両面に設けられており、開口部には透明プラスチックが嵌め込まれている（不図示）。カバー３００は、１重でも２重でもよい。また、カバー３００の内側に振動及び音吸収部材を設けてもよい。

【0079】

ところで、カバー３００の内側にある回転体１９ａは虚像距離を可変とさせるために、重量構成が回転軸ＲＸに対して非対称となっている。回転体１９ａが停止状態から設定回転数に至る途中、または、設定回転時において、回転体１９ａが光軸ＡＸ方向に振動するおそれがある。また、自動車走行の振動に伴って光軸ＡＸ方向の振動が生じることもある。そうした振動によって、各拡散スクリーン１１６が投影光学系１５の焦点深度から外れてしまうと、表示像がピンボケになる。各拡散スクリーン１１６の光軸ＡＸ方向のぶれを防ぐために、図１８Ｂに示すように、アウターモーター１９ｋの回転軸ＲＸを挟むように、カバー３００の両端に剛性の高い支持部材１９ｊを設け、一対の支持部材１９ｊを支持部本体１９ｓに固定してもよい。カバー３００を一対の支持部材１９ｊで固定することにより、回転体１９ａの光軸ＡＸ方向の剛性を高め、振動等による拡散スクリーン１１６自体の光軸ＡＸ上の位置ズレを防止することができる。また、支持部材１９ｊで固定することにより、回転体１９ａの重心がアウターモーター１９ｋの回転軸ＲＸからずれていることによる、モーターベアリングへの負荷を抑える効果もある。

【0080】

なお、上記実施形態で述べた画像表示装置において、拡散スクリーン１１６等の動作、カバー３００の有無（１重又は２重）、カバー３００の回転有無、及び拡散スクリーン１１６及びカバー３００の固定方法に関して以下の表１に示すパターン１～４が考えられる。
〔表１〕

【0081】

第２実施形態等において、回転体１９ａを回転させる機構として、アウターモーター１９ｋを用いたが、他のモーター等を用いてもよい。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】