JP2018077435A - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザに対して品質の高い虚像を視認させることを可能にした虚像表示装置を提供する。【解決手段】液晶ディスプレイ５と凹面鏡７とを結ぶ光路に沿って液晶ディスプレイ５と凹面鏡７との間に反射型偏光板６を配置し、検出したユーザの目の位置に応じて凹面鏡７の角度と液晶ディスプレイ５の映像表示領域を調整することによって、ユーザの目の位置に関わらず反射型偏光板６から凹面鏡７へと入射する光路の方向と、凹面鏡で反射して乗員９の目の位置へ向かう光路の方向とが逆方向となる関係を維持するように制御する。【選択図】図１０

Description

本発明は、ユーザが視認する虚像を表示する虚像表示装置に関する。

従来より、車両等の移動体の乗員に対して経路案内や障害物の警告等の運転情報を提供する情報提供手段として、様々な手段が用いられている。例えば、移動体に設置された液晶ディスプレイによる表示や、スピーカから出力する音声等である。そして、近年、このような情報提供手段の一つとして、ヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤという）のような人間の目の錯覚を利用して実際に映像が表示された位置と異なる空間上に映像を視認させる虚像表示装置がある。

ここで、このような虚像表示装置は移動体の空きスペースに対して設置する必要があるので、できる限り小型化するのが望ましい。しかし、虚像をユーザからある程度離れた位置に視認させる為には、装置内部において映像を表示する映像表示面（例えばスクリーンやディスプレイ）から凹面鏡までを結ぶ光路長を一定の距離以上確保する必要があり、小型化を実現することが難しかった。そこで、例えば特開平８−１３６８５６号公報では、液晶ディスプレイと凹面鏡との間にコレステリック液晶素子を配置して光路を折り返すことによって、従来に比べてより狭いスペースで長い光路長を確保することを可能にする技術について開示されている。

特開平８−１３６８５６号公報（図１）

ここで、虚像表示装置において、より品質の高い虚像をユーザに視認させる為には、光路をどのように凹面鏡によって反射させてユーザの目に向かわせるかが重要である。即ち、光路を形成する各部材（例えば、上記特許文献１では液晶ディスプレイ、凹面鏡及びコレステリック液晶素子）の位置設計が非常に重要であった。

しかしながら、上記特許文献１では上記のような虚像の品質を向上させる為の液晶ディスプレイ、凹面鏡、及びコレステリック液晶素子の位置設計については行われていなかった。その結果、各部材の位置設計によっては虚像の品質が低下する虞があった。

また、上述した虚像の品質を向上させる為の各部材の位置や角度はユーザの目の位置との関係で決まるので、ユーザの目の位置が変わればそれに伴って変更する必要が生じる。しかしながら、上記特許文献１では液晶ディスプレイ、凹面鏡、及びコレステリック液晶素子の位置や角度を変更する手段は設けられていなかった。その結果、ユーザの目の位置によっては虚像の品質が低下する虞があった。

本発明は前記従来における問題点を解消するためになされたものであり、ユーザに対して品質の高い虚像を視認させることを可能にした虚像表示装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため本発明に係る虚像表示装置は、第１の偏光方向を有する光を出力することによって映像を表示する映像表示面と、前記映像表示面に表示された前記映像を反射させてユーザに視認させることによって前記映像の虚像を前記ユーザに視認させる凹面鏡と、前記映像表示面と前記凹面鏡とを結ぶ光路に沿って前記映像表示面と前記凹面鏡との間に配置され、前記第１の偏光方向を有する光を反射するとともに、前記第１の偏光方向と異なる第２の偏光方向を有する光は透過させる反射型偏光板と、前記映像表示面と前記凹面鏡とを結ぶ光路に沿って前記反射型偏光板と前記凹面鏡との間に配置され、光の偏光方向を前記第１の偏光方向から前記第２の偏光方向へと変位させる偏光方向変位部材と、前記映像表示面に対して映像を表示する映像表示領域を設定する表示領域設定手段と、前記凹面鏡の角度を調整する角度調整手段と、を有し、前記反射型偏光板は、前記映像表示面から第１方向で入射する光路を、前記凹面鏡へ向かう第２方向に変更し、前記凹面鏡は、前記反射型偏光板から前記第２方向で入射する光路を、前記反射型偏光板を透過してユーザの目の位置へ向かう第３方向に変更し、前記表示領域設定手段及び前記角度調整手段は、前記第２方向と前記第３方向とが逆方向となるように、前記映像表示領域を設定するとともに前記凹面鏡の角度を調整する。
尚、「光路」とは、映像表示面における映像の表示に用いられる光源（例えばプロジェクタ、液晶パネルのバックライト、有機ＥＬディスプレイの発光素子等）から出力された光が通る経路をいう。例えば、映像表示面から凹面鏡までを結ぶ光路とは、光が映像表示面から凹面鏡に到達するまでの光の経路であり、基本的には映像表示面（特に映像が表示された位置）から投影鏡までを直線で結ぶ経路となる。但し、映像表示面と凹面鏡の間に光を屈折したり反射することによって光の進行方向を変更する手段（例えばミラーやレンズ等）が配置されている場合には、該手段で所定角度に屈折又は反射された経路が該当する。
また、「逆方向」とは、１８０度異なる方向のみに限られず、１８０度異なる方向を含む一定範囲の幅を持った方向とする。

前記構成を有する本発明に係る虚像表示装置によれば、光路に沿って映像表示面と凹面鏡との間に反射型偏光板を配置し、一旦反射型偏光板で光路を反射させて凹面鏡へと向かわせた後に、凹面鏡から反射した光路は反射型偏光版を透過させてユーザに向かわせるので、映像表示面から凹面鏡までを結ぶ光路長を従来と比較して同じ容積の装置の中でより長く確保することが可能となる。その結果、装置の小型化を実現することが可能となる。また、反射型偏光板から凹面鏡へと入射する光路の方向と凹面鏡で反射してユーザの目の位置へ向かう光路の方向とを逆方向とするので、虚像の品質を向上させることが可能となる。例えば、よりハッキリとした鮮やかな虚像をユーザに視認させることが可能となる。更に、映像表示面に対して映像を表示する領域と凹面鏡の角度とを調整することによって、ユーザの目の位置がどのような位置にあったとしても上記逆方向となる各部材の関係性を保持することが可能となり、虚像の品質が低下することを防止できる。

本実施形態に係るＨＵＤの車両への設置態様を示した図である。 本実施形態に係るＨＵＤの内部構成を示した図である。 ＨＵＤにおいて形成される光路を示した図である。 λ／４波長板の配置態様を示した図である。 虚像の生成距離を説明した図である。 本実施形態に係るＨＵＤの構成を示したブロック図である。 本実施形態に係る虚像生成処理プログラムのフローチャートである。 視認可能範囲を示した図である。 凹面鏡の角度の調整処理について説明した図である。 液晶ディスプレイの映像表示領域の設定処理について説明した図である。 車両の乗員から視認できる虚像の一例を示した図である。

以下、本発明に係る虚像表示装置について、車両に搭載されたヘッドアップディスプレイ装置に具体化した一実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

先ず、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤという）１の構成について図１を用いて説明する。図１は本実施形態に係るＨＵＤ１の車両２への設置態様を示した図である。

図１に示すようにＨＵＤ１は、車両２のダッシュボード３内部に設置されており、内部に映像を表示する液晶ディスプレイ５を有する。そして、液晶ディスプレイ５に表示された映像を、後述のようにＨＵＤ１が備える反射型偏光板６や凹面鏡７を介し、更に運転席の前方のフロントウィンドウ８に反射させて車両２の乗員９に視認させるように構成されている。尚、液晶ディスプレイ５に表示される映像としては、車両２に関する情報や乗員９の運転の支援の為に用いられる各種情報がある。例えば障害物（他車両や歩行者）に対する警告、ナビゲーション装置で設定された案内経路や案内経路に基づく案内情報（右左折方向を示す矢印等）、路面に表示する警告（追突注意、制限速度等）、現在車速、案内標識、地図画像、交通情報、ニュース、天気予報、時刻、接続されたスマートフォンの画面、テレビ番組等がある。

また、本実施形態のＨＵＤ１では、フロントウィンドウ８を反射して乗員９が液晶ディスプレイ５に表示された映像を視認した場合に、乗員９にはフロントウィンドウ８の位置ではなく、フロントウィンドウ８の先の遠方の位置に液晶ディスプレイ５に表示された映像が虚像１０として視認されるように構成される。尚、乗員９が視認できる虚像１０は液晶ディスプレイ５に表示された映像であるが、反射型偏光板６や凹面鏡７を介することによって上下方向や左右方向が反転する場合があり、それらの反転を考慮して液晶ディスプレイ５の映像の表示を行う必要がある。また、凹面鏡７を介することによってサイズも変更する。

ここで、虚像１０を生成する位置、より具体的には乗員９から虚像１０までの距離（以下、虚像生成距離という）Ｌについては、ＨＵＤ１が備える凹面鏡７の曲率、液晶ディスプレイ５と凹面鏡７との相対位置等によって適宜設定することが可能である。例えば、凹面鏡７の曲率が固定であれば、液晶ディスプレイ５において映像の表示された位置から凹面鏡７までの光路に沿った距離（光路長）によって虚像生成距離Ｌが決定される。例えば虚像生成距離Ｌが４０ｍとなるように光路長が設定されている。

ここで、本実施形態のＨＵＤ１は、後述のように液晶ディスプレイ５、反射型偏光板６及び凹面鏡７について、反射型偏光板６から凹面鏡７へと入射する光路の方向と凹面鏡７で反射してユーザの目の位置へ向かう光路の方向とを逆方向となるように位置設計しているので、虚像１０の品質を向上させることが可能となる。例えば、よりハッキリとした鮮やかな虚像１０をユーザに視認させることが可能となる。また、反射型偏光板６を用いることによって、液晶ディスプレイ５において映像の表示された位置から凹面鏡７までの光路に沿った距離（光路長）を、装置の容積に比べてより長く確保可能に構成している。

また、車両のフロントバンパの上方やルームミラーの裏側等にはフロントカメラ１１が設置される。フロントカメラ１１は、例えばＣＣＤ等の固体撮像素子を用いたカメラにより構成された撮像装置であり、光軸方向を車両の進行方向前方に向けて設置される。そして、フロントカメラ１１により撮像された撮像画像に対して画像処理が行われることによって、フロントウィンドウ８越しに乗員９に視認される前方環境（即ち虚像１０が重畳される環境）の状況等が検出される。尚、フロントカメラ１１の代わりにミリ波レーダ等のセンサを用いても良い。

また、ダッシュボード３の上面には車内カメラ１２が設置される。ここで、車内カメラ１２は、例えばＣＣＤ等の固体撮像素子を用いたものであり、図１に示すように撮像方向を運転席に向けて設置される。そして、運転席に座った乗員９の顔を撮像する。尚、ＨＵＤ１は、後述のように車内カメラ１２により撮像した撮像画像から乗員９の目の位置を検出する。

次に、図２を用いてＨＵＤ１のより具体的な構成について説明する。図２は、本実施形態に係るＨＵＤ１の内部構成を示した図である。

図２に示すようにＨＵＤ１は、液晶ディスプレイ５と、反射型偏光板６と、凹面鏡７と、λ／４波長板１５と、制御回路部１６と、ＣＡＮインターフェース１７とから基本的に構成されている。

ここで、液晶ディスプレイ５は光源としてバックライトを用い、バックライトからの光の内、特定の偏光方向を有する光だけを出力することによって、前面に設けられた映像表示面に対して映像を表示する機能を有する映像表示装置である。尚、液晶ディスプレイ５は映像表示面の全体ではなく、任意の一部の領域のみに対して映像を表示する（即ち、光源からの光の出力範囲を任意に設定する）ことも可能である。また、バックライトとしては、例えばＣＣＦＬ（冷陰極管）や白色ＬＥＤが用いられる。尚、映像を表示する手段としては、液晶ディスプレイ以外に、液晶プロジェクタとスクリーンの組み合わせを用いても良い。

また、反射型偏光板６は、特定の第１の偏光方向を有する光については反射（非透過）するとともに、第１の偏光方向と異なる第２の偏光方向を有する光は透過させる性質を有する部材である。そして、本実施形態の反射型偏光板６では、第１の偏光方向を液晶ディスプレイ５から出力される光の偏光方向と同一方向に設計し、第２の偏光方向は第１の偏光方向に対してλ／２（１８０度）の位相差を有する偏光方向（即ち第１の偏光方向と直交する方向）に設計する。また、反射型偏光板６は、液晶ディスプレイ５と凹面鏡７とを結ぶ光路１８に沿って液晶ディスプレイ５と凹面鏡７との間に配置される。そして、図３に示すように液晶ディスプレイ５から第１方向で入射する光路１８に対しては、凹面鏡７へ向かう第２方向に変更する光の反射手段として機能する。一方、凹面鏡７へと反射された光は後述のようにλ／４波長板１５を２回通過することによって偏光方向が最終的に第２の偏光方向へと変更されるので、凹面鏡７から入射する光路１８に対しては光の透過手段として機能する。尚、図３はＨＵＤ１において形成される光路１８を示した模式図である。

一方、凹面鏡７は、液晶ディスプレイ５に表示された映像を拡大して反射させて乗員９に視認させることによって、乗員９の前方に映像の虚像１０（図１参照）を生成する投影鏡である。尚、凹面鏡７としては、球面凹面鏡や、非球面凹面鏡、若しくは投影映像の歪みを補正するための自由曲面鏡が用いられる。

また、図３に示すように凹面鏡７は、反射型偏光板６から第２方向で入射する光路を、反射型偏光板６を透過してユーザの目の位置へ向かう第３方向に変更する。特に本実施形態では、凹面鏡７の背面側にある凹面鏡角度調整モータ１９を駆動させることによって、凹面鏡７の角度を調整することが可能となっている。そして、制御回路部１６は、後述のように車内カメラ１２で検出した乗員９の目の位置に基づいて凹面鏡７の角度と液晶ディスプレイ５において映像を表示する領域をそれぞれ調整し、第２方向と第３方向とが逆方向となる関係を維持するように制御する。尚、「逆方向」とは、１８０度異なる方向のみに限られず、１８０度異なる方向を含む一定範囲の幅を持った方向とする。例えば１７５度や１８５度異なる方向についても逆方向とする。

そして、本実施形態にかかるＨＵＤ１では、凹面鏡７の角度と液晶ディスプレイ５において映像を表示する領域を制御し、反射型偏光板６から凹面鏡７へと入射する光路１８の方向である第２方向と、凹面鏡７で反射して乗員９の目の位置へ向かう光路１８の方向である第３方向とを逆方向とすることによって、虚像１０の品質を向上させることが可能となる。例えば、よりハッキリとした鮮やかな虚像１０を乗員９に視認させることが可能となる。更に、虚像１０の品質を向上させる虚像生成距離Ｌに幅を持たせることが可能となる。従って、虚像生成距離Ｌの設定を変更した場合であっても、新たに各部材の位置設計をやり直す必要が無く、設計の汎用性についても向上させる。尚、凹面鏡７と液晶ディスプレイ５の制御の詳細については後述する。

また、λ／４波長板１５は、通過する光の偏光方向に対してλ／４（９０度）の位相差を与える平板形状を有する偏光素子である。本実施形態では、液晶ディスプレイ５と凹面鏡７とを結ぶ光路に沿って反射型偏光板６と凹面鏡７との間に、凹面鏡７とは別体に配置される。従って、図３に示すように、液晶ディスプレイ５から出力された光は、反射型偏光板６から凹面鏡７へと移動する間において先ずλ／４波長板１５を通過する。そして、その後に凹面鏡７で反射されて反射型偏光板６へと移動する間においてλ／４波長板１５を再度通過する。その結果、光の偏光方向に対してλ／４ずつ計λ／２（１８０度）の位相差を与える。従って、液晶ディスプレイ５から出力された段階では光の偏光方向が反射型偏光板６において反射対象（非透過対象）となる第１の偏光方向であったのが、λ／４波長板１５を２回通過することによって最終的には反射型偏光板６において透過対象となる第２の偏光方向へと変位する。

また、λ／４波長板１５は、基本的に透過する光路１８に対して垂直となる角度で配置される。尚、本実施形態では位置や角度は固定するが、凹面鏡７とともに角度を変更可能に構成しても良い。更に、反射型偏光板６から第２方向で透過する光と、凹面鏡７から第３方向で透過する光の全てを含むサイズで且つできる限り小さいサイズとする。特に本実施形態では凹面鏡７の角度や液晶ディスプレイ５において映像を表示する領域を変更するので、凹面鏡７の角度や映像の表示領域がどのように制御されたとしても透過する光の全てを含むサイズとする。

また、λ／４波長板１５は、図４に示すように液晶ディスプレイ５と反射型偏光板６とを結ぶ光路１８に重複しない範囲に配置される。特に本実施形態では凹面鏡７の角度や液晶ディスプレイ５において映像を表示する領域を変更するので、凹面鏡７の角度や映像の表示領域がどのように制御されたとしても液晶ディスプレイ５と反射型偏光板６とを結ぶ光路１８に重複しない位置に配置する。

また、液晶ディスプレイ５に投射された映像の虚像１０が生成される位置、具体的には図５に示す乗員９から虚像１０までの距離である虚像生成距離Ｌは、図３に示す液晶ディスプレイ５から凹面鏡７までを結ぶ光路１８の光路長に依存する。本実施形態では、反射型偏光板６を設けることによって装置の容積に対して光路長をより長く確保できるので、従来に比べて装置を小型化したとしても虚像生成距離Ｌを長く設定することが可能であり、乗員９から一定距離以上離れた適切な位置に虚像１０を生成することが可能となる。

また、制御回路部１６は、ＨＵＤ１の全体の制御を行う電子制御ユニットである。ここで、図６は本実施形態に係るＨＵＤ１の構成を示したブロック図である。

図６に示すように制御回路部１６は、演算装置及び制御装置としてのＣＰＵ３１、並びにＣＰＵ３１が各種の演算処理を行うにあたってワーキングメモリとして使用されるＲＡＭ３２、制御用のプログラムのほか、後述の虚像生成処理プログラム（図７参照）等が記録されたＲＯＭ３３、ＲＯＭ３３から読み出したプログラムを記憶するフラッシュメモリ３４等の内部記憶装置を備えている。また、制御回路部１６は、液晶ディスプレイ５、凹面鏡角度調整モータ１９とそれぞれ接続され、液晶ディスプレイ５やモータの駆動制御を行う。

また、ＣＡＮ（コントローラエリアネットワーク）インターフェース１７は、車両内に設置された各種車載器や車両機器の制御装置間で多重通信を行う車載ネットワーク規格であるＣＡＮに対して、データの入出力を行うインターフェースである。そして、ＨＵＤ１は、ＣＡＮを介して、各種車載器や車両機器の制御装置（例えば、ナビゲーション装置４８、ＡＶ装置４９等）と相互通信可能に接続される。それによって、ＨＵＤ１は、ナビゲーション装置４８やＡＶ装置４９等から取得した情報を表示可能に構成する。

続いて、前記構成を有するＨＵＤ１においてＣＰＵ３１が実行する虚像生成処理プログラムについて図１３に基づき説明する。図７は本実施形態に係る虚像生成処理プログラムのフローチャートである。ここで、虚像生成処理プログラムは車両のＡＣＣ電源(accessory power supply)がＯＮされた後に実行され、車両の乗員９に視認させる虚像１０を生成するプログラムである。尚、以下の図７にフローチャートで示されるプログラムは、ＨＵＤ１が備えているＲＡＭ３２やＲＯＭ３３に記憶されており、ＣＰＵ３１により実行される。

先ず、虚像生成処理プログラムではステップ（以下、Ｓと略記する）１において、ＣＰＵ３１は、視認可能範囲（アイボックス）を設定する。尚、視認可能範囲は、ＨＵＤ１に内蔵された液晶ディスプレイ５に表示された映像を視認可能な乗員９の目の位置の範囲である。ここで、ＨＵＤ１は、前記したように内部にある液晶ディスプレイ５に表示された映像を、フロントウィンドウ８に反射させて乗員９に視認させる構成を有する。尚、Ｓ１の時点では凹面鏡７の角度は初期状態とし、液晶ディスプレイ５において映像を表示する領域（以下、映像表示領域という）についても初期状態とする。尚、初期状態では図３に示すように反射型偏光板６から凹面鏡７へと向かう光路１８の方向である第２方向と、凹面鏡７によって反射されてユーザの目の位置へ向かう光路１８の方向である第３方向とは、逆方向となるように設計されている。また、視認可能範囲は例えば横１２ｃｍ縦４ｃｍ程度のサイズとなる。

続いて、Ｓ２においてＣＰＵ３１は、車内カメラ１２で運転席に着座した車両の乗員９の顔を撮像し、撮像画像に対して画像処理を行うことによって現在の乗員９の左右の目の位置を検出する。尚、カメラによる目の位置の検出方法については既に公知であるので、詳細は省略する。

次に、Ｓ３においてＣＰＵ３１は、前記Ｓ２で検出された乗員９の両目の位置がいずれも視認可能範囲に含まれているか否かを判定する。

そして、前記Ｓ２で検出された乗員９の両目の位置がいずれも視認可能範囲に含まれていると判定された場合（Ｓ３：ＹＥＳ）には、凹面鏡７の角度や映像表示領域は初期状態のままで虚像１０を適切に視認させることが可能であると推定し、Ｓ７へと移行する。

一方、前記Ｓ２で検出された乗員９の少なくとも一方の目の位置が視認可能範囲内に含まれていないと判定された場合（Ｓ３：ＮＯ）には、Ｓ４へと移行する。

Ｓ４においてＣＰＵ３１は、前記Ｓ２で検出した乗員９の目の位置に基づいて視認可能領域を新たに設定する。尚、視認可能領域は少なくとも乗員９の両目が含まれる範囲に設定する。例えば図８に示すように両目の中点が視認可能範囲５１の中心となるように設定する。尚、前記Ｓ４で設定された視認可能範囲５１は、フラッシュメモリ３４等の記憶媒体に記憶される。

次に、Ｓ５においてＣＰＵ３１は、凹面鏡角度調整モータ１９を駆動し、図９に示すように凹面鏡７の角度を視認可能範囲５１の中心位置と垂直の関係性を有する角度に調整する。具体的には視認可能範囲５１の中心位置と凹面鏡７の中心位置を結ぶ線が凹面鏡７の法線となるように角度を調整する。即ち、乗員９の現在の目の位置からフロントウィンドウ８を経て凹面鏡７へ到る光路と該光路が凹面鏡７によって反射される光路とが逆方向となる角度に調整する。

続いて、Ｓ６においてＣＰＵ３１は、液晶ディスプレイ５において映像を表示する映像表示領域を設定する。尚、映像表示領域は光源（液晶ディスプレイ５のバックライト）の出力領域に相当する。具体的には、図１０に示すように反射型偏光板６から前記Ｓ５で角度調整後の凹面鏡７へと向かう光路の方向である第２方向と、凹面鏡７によって反射されてフロントウィンドウ８を経てユーザの目の位置へ向かう光路の方向である第３方向とが逆方向となるように映像表示領域５２を設定する。映像表示領域５２の設定の際には反射型偏光板６の位置及び角度についても考慮する。

以下に、映像表示領域５２の設定方法について説明する。
先ずＣＰＵ３１は、前記Ｓ５の角度調整後の凹面鏡７の中心位置Ｐから第３方向と逆方向に沿って引いた線と反射型偏光板６との交点Ｑを特定する。その後、線ＰＱを反射型偏光板６で同角度により折り返した線と液晶ディスプレイ５の交点Ｘを特定する。そして、交点Ｘを中心とした領域を映像表示領域５２とする。尚、映像表示領域５２のサイズは生成する虚像１０の大きさによって決まる。尚、液晶ディスプレイ５の角度についても調整可能にしても良い。例えば、光路に対して垂直となるように液晶ディスプレイ５の角度を調整しても良い。

そして、前記Ｓ５及びＳ６において、現在のユーザの目の位置に対応して液晶ディスプレイ５の映像表示領域及び凹面鏡７の角度の調整を行った結果、視認可能範囲５１を現在のユーザの目の位置を含む範囲に変更することが可能となる。また、反射型偏光板６から凹面鏡７へと向かう光路１８の方向である第２方向と、凹面鏡７によって反射されてユーザの目の位置へ向かう光路１８の方向である第３方向とが逆方向となる関係についても維持される。

その後、Ｓ７においてＣＰＵ３１は、液晶ディスプレイ５へと駆動信号を送信し、液晶ディスプレイ５の内、前記Ｓ６で設定された映像表示領域に対して映像の表示を開始する。尚、液晶ディスプレイ５に表示される映像としては、車両２に関する情報や乗員９の運転の支援の為に用いられる各種情報がある。例えば障害物（他車両や歩行者）に対する警告、ナビゲーション装置４８で設定された案内経路（走行予定経路）や案内経路に基づく案内情報（車両の進行方向を示す矢印等）、路面に表示する警告（追突注意、制限速度等）、現在車速、案内標識、地図画像、交通情報、ニュース、天気予報、時刻、接続されたスマートフォンの画面、テレビ画面等がある。特に本実施形態では、周辺環境に重畳させて乗員９に視認させることにより案内を行う虚像を生成する為の映像を出力する。例えば、ナビゲーション装置４８で設定された案内経路に基づく案内情報である車両の進行方向を示す矢印を出力する構成とする。

その結果、例えばナビゲーション装置４８において案内経路が設定されており、車両の進行方向前方に特に右左折の対象となる交差点が存在しない場合には、図１１に示すように車両の進行方向前方に直進方向を示す矢印の虚像１０が生成される。また、矢印の虚像１０については、地面上、より具体的には虚像１０の下端が地面上に位置するように生成するのが望ましい。尚、車両の進行方向前方に右左折の対象となる交差点が接近した場合には、直進方向を示す矢印に替えて右左折を示す矢印の虚像１０を生成する。その結果、乗員９から４０ｍ前方付近に車両の進行方向を示す矢印の虚像が生成されることとなり、乗員９は虚像を視認する際に視線移動を極力少なくすることが可能である。

以上詳細に説明した通り、本実施形態に係るＨＵＤ１によれば、液晶ディスプレイ５と凹面鏡７とを結ぶ光路に沿って液晶ディスプレイ５と凹面鏡７との間に反射型偏光板６を配置し、検出したユーザの目の位置に応じて凹面鏡７の角度と液晶ディスプレイ５の映像表示領域を調整することによって、ユーザの目の位置に関わらず反射型偏光板６から凹面鏡７へと入射する光路の方向と、凹面鏡で反射して乗員９の目の位置へ向かう光路の方向とが逆方向となる関係を維持するので、虚像１０の品質を向上させることが可能となる。例えば、よりハッキリとした鮮やかな虚像１０を乗員９に視認させることが可能となる。更に、例えば乗員が乗り替わるなどして、乗員の目の位置が大きく変位したとしても上記逆方向となる各部材の関係性を保持し、虚像の品質が低下することを防止できる。また、液晶ディスプレイ５から凹面鏡７までを結ぶ光路長を従来と比較して同じ容積の装置の中でより長く確保することが可能となる。その結果、装置の小型化を実現することが可能となる。

尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは勿論である。
例えば、本実施形態ではＨＵＤ１によって車両２のフロントウィンドウ８の前方に虚像を生成する構成としているが、フロントウィンドウ８以外のウィンドウの前方に虚像を生成する構成としても良い。また、ＨＵＤ１により映像を反射させる対象はフロントウィンドウ８自身ではなくフロントウィンドウ８の周辺に設置されたバイザー（コンバイナー）であっても良い。

また、本実施形態では車両２に対してＨＵＤ１を設置する構成としているが、車両２以外の移動体に設置する構成としても良い。例えば、船舶や航空機等に対して設置することも可能である。また、アミューズメント施設に設置されるライド型アトラクションに設置しても良い。その場合には、ライドの周囲に虚像を生成し、ライドの乗員に対して虚像を視認させることが可能となる。

また、本実施形態では凹面鏡７の角度と液晶ディスプレイ５における映像表示領域の両方を調整することによって、第２方向と第３方向が逆方向となる関係を維持しつつ視認可能範囲５１を乗員９の目の位置を含む位置へと変更する制御を行っている（Ｓ５、Ｓ６）が、いずれか一方のみの調整を行っても良い。例えば、凹面鏡７の角度のみ調整する構成としても良いし、液晶ディスプレイ５における映像表示領域のみ調整する構成としても良い。また、前記Ｓ１で設定された視認可能範囲と乗員９の目の位置の離間距離（即ち補正量）によって調整対象を決定しても良い。例えば、離間距離が閾値未満である場合には、液晶ディスプレイ５の映像表示領域の調整のみを行うことによって、第２方向と第３方向が逆方向となる関係を維持しつつ視認可能範囲５１を乗員９の目の位置を含む位置へと変更する。一方、離間距離が閾値以上である場合には、液晶ディスプレイ５の映像表示領域に加えて凹面鏡７の角度についても調整することによって、第２方向と第３方向が逆方向となる関係を維持しつつ視認可能範囲５１を乗員９の目の位置を含む位置へと変更する。

また、本実施形態では虚像の表示開始時において虚像生成処理プログラム（図７参照）を実施して凹面鏡７の角度や液晶ディスプレイ５の映像表示領域を調整する構成としているが、虚像の表示を開始した後に虚像生成処理プログラム（図７参照）を実施しても良い。その場合には、例えば運転中の乗員９の姿勢が変化して目の位置が変位した場合であっても、虚像１０の品質が低下することを防止できる。

また、本実施形態ではＨＵＤ１のＣＰＵ３１が虚像生成処理プログラム（図７参照）の各ステップを実行する構成としているが、ＨＵＤ１以外の車載器（例えばナビゲーション装置４８）や車両の制御を行うＥＣＵ等が一部または全部の処理を実行する構成としても良い。

また、本発明に係る虚像表示装置を具体化した実施例について上記に説明したが、虚像表示装置は以下の構成を有することも可能であり、その場合には以下の効果を奏する。

例えば、第１の構成は以下のとおりである。
第１の偏光方向を有する光を出力することによって映像を表示する映像表示面（５）と、前記映像表示面に表示された前記映像を反射させてユーザに視認させることによって前記映像の虚像を前記ユーザに視認させる凹面鏡（７）と、前記映像表示面と前記凹面鏡とを結ぶ光路に沿って前記映像表示面と前記凹面鏡との間に配置され、前記第１の偏光方向を有する光を反射するとともに、前記第１の偏光方向と異なる第２の偏光方向を有する光は透過させる反射型偏光板（６）と、前記映像表示面と前記凹面鏡とを結ぶ光路に沿って前記反射型偏光板と前記凹面鏡との間に配置され、光の偏光方向を前記第１の偏光方向から前記第２の偏光方向へと変位させる偏光方向変位部材（１５）と、前記映像表示面に対して映像を表示する映像表示領域（５２）を設定する表示領域設定手段（３１）と、前記凹面鏡の角度を調整する角度調整手段（３１）と、を有し、前記反射型偏光板は、前記映像表示面から第１方向で入射する光路を、前記凹面鏡へ向かう第２方向に変更し、前記凹面鏡は、前記反射型偏光板から前記第２方向で入射する光路を、前記反射型偏光板を透過してユーザの目の位置へ向かう第３方向に変更し、前記表示領域設定手段及び前記角度調整手段は、前記第２方向と前記第３方向とが逆方向となるように、前記映像表示領域を設定するとともに前記凹面鏡の角度を調整する。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、光路に沿って映像表示面と凹面鏡との間に反射型偏光板を配置し、一旦反射型偏光板で光路を反射させて凹面鏡へと向かわせた後に、凹面鏡から反射した光路は反射型偏光版を透過させてユーザに向かわせるので、映像表示面から凹面鏡までを結ぶ光路長を従来と比較して同じ容積の装置の中でより長く確保することが可能となる。その結果、装置の小型化を実現することが可能となる。また、反射型偏光板から凹面鏡へと入射する光路の方向と凹面鏡で反射してユーザの目の位置へ向かう光路の方向とを逆方向とするので、虚像の品質を向上させることが可能となる。例えば、よりハッキリとした鮮やかな虚像をユーザに視認させることが可能となる。更に、映像表示面に対して映像を表示する領域と凹面鏡の角度とを調整することによって、ユーザの目の位置がどのような位置にあったとしても上記逆方向となる各部材の関係性を保持することが可能となり、虚像の品質が低下することを防止できる。

また、第２の構成は以下のとおりである。
現在のユーザ（９）の目の位置を取得する目位置取得手段（３１）を有し、前記表示領域設定手段（３１）及び前記角度調整手段（３１）は、前記目位置取得手段により取得したユーザの目の位置に基づいて前記映像表示領域（５２）を設定するとともに前記凹面鏡（７）の角度を調整する。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、現在のユーザの目の位置に対応させて映像表示面に対して映像を表示する領域と凹面鏡の角度との関係を適切な関係へと調整することが可能となる。従って、ユーザの目の位置がどのような位置にあっても虚像の品質が低下することを防止できる。

また、第３の構成は以下のとおりである。
前記映像表示面（５）に表示された前記映像を視認可能な前記ユーザの目の位置の範囲である視認可能範囲（５１）を取得し、前記表示領域設定手段（３１）及び前記角度調整手段（３１）は、ユーザの目の位置が前記視認可能範囲から外れた場合に、ユーザの目の位置に対応して前記映像表示領域及び前記凹面鏡の角度の調整を行う。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、ユーザの目の位置が視認可能範囲から外れた場合であっても、視認可能範囲を現在のユーザの目の位置を含む範囲に変更することが可能となる。また、第２方向と第３方向とが逆方向となる関係についても維持することが可能となる。

また、第４の構成は以下のとおりである。
前記表示領域設定手段（３１）及び前記角度調整手段（３１）は、前記視認可能範囲（５１）からユーザの目の位置の離間距離が閾値未満である場合には、前記凹面鏡（７）の角度は調整せずに、ユーザの目の位置に対応して前記映像表示領域（５２）の設定の調整を行い、前記視認可能範囲からユーザの目の位置の離間距離が閾値以上である場合には、ユーザの目の位置の変位が閾値以上である場合には、ユーザの目の位置に対応して前記映像表示領域及び前記凹面鏡の角度の調整を行う。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、制御負担を軽減しつつ視認可能範囲を現在のユーザの目の位置を含む範囲に変更することが可能となる。また、第２方向と第３方向とが逆方向となる関係についても維持することが可能となる。

また、第５の構成は以下のとおりである。
前記角度調整手段（３１）は、前記目位置取得手段（３１）により取得したユーザの目の位置に基づいて、ユーザの目の位置から前記凹面鏡（７）への光路と該光路が前記凹面鏡によって反射される光路とが逆方向となる角度に前記凹面鏡の角度を調整し、前記表示領域設定手段（３１）は、調整後の角度に前記凹面鏡がある場合に、前記第２方向と前記第３方向とが逆方向となる領域に前記映像表示領域（５２）を設定する。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、現在のユーザの目の位置に応じて、反射型偏光板から凹面鏡へと入射する光路の方向と凹面鏡で反射してユーザの目の位置へ向かう光路の方向とが逆方向となる関係を成立させることができるので、ユーザの目の位置に関わらず虚像の品質を向上させることが可能となる。

１ ヘッドアップディスプレイ装置
２ 車両
３ ダッシュボード
５ 液晶ディスプレイ
６ 反射型偏光板
７ 凹面鏡
８ フロントウィンドウ
９ 乗員
１０ 虚像
１５ λ／４波長板
１８ 光路
１９ 凹面鏡角度調整モータ
３１ ＣＰＵ
３２ ＲＡＭ
３３ ＲＯＭ
３４ フラッシュメモリ
５１ 視認可能範囲
５２ 映像表示領域

Claims (5)

1. 第１の偏光方向を有する光を出力することによって映像を表示する映像表示面と、
   前記映像表示面に表示された前記映像を反射させてユーザに視認させることによって前記映像の虚像を前記ユーザに視認させる凹面鏡と、
   前記映像表示面と前記凹面鏡とを結ぶ光路に沿って前記映像表示面と前記凹面鏡との間に配置され、前記第１の偏光方向を有する光を反射するとともに、前記第１の偏光方向と異なる第２の偏光方向を有する光は透過させる反射型偏光板と、
   前記映像表示面と前記凹面鏡とを結ぶ光路に沿って前記反射型偏光板と前記凹面鏡との間に配置され、光の偏光方向を前記第１の偏光方向から前記第２の偏光方向へと変位させる偏光方向変位部材と、
   前記映像表示面に対して映像を表示する映像表示領域を設定する表示領域設定手段と、
   前記凹面鏡の角度を調整する角度調整手段と、を有し、
   前記反射型偏光板は、前記映像表示面から第１方向で入射する光路を、前記凹面鏡へ向かう第２方向に変更し、
   前記凹面鏡は、前記反射型偏光板から前記第２方向で入射する光路を、前記反射型偏光板を透過してユーザの目の位置へ向かう第３方向に変更し、
   前記表示領域設定手段及び前記角度調整手段は、前記第２方向と前記第３方向とが逆方向となるように、前記映像表示領域を設定するとともに前記凹面鏡の角度を調整する虚像表示装置。
2. 現在のユーザの目の位置を取得する目位置取得手段を有し、
   前記表示領域設定手段及び前記角度調整手段は、前記目位置取得手段により取得したユーザの目の位置に基づいて前記映像表示領域を設定するとともに前記凹面鏡の角度を調整する請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記映像表示面に表示された前記映像を視認可能な前記ユーザの目の位置の範囲である視認可能範囲を取得し、
   前記表示領域設定手段及び前記角度調整手段は、ユーザの目の位置が前記視認可能範囲から外れた場合に、ユーザの目の位置に対応して前記映像表示領域及び前記凹面鏡の角度の調整を行い、前記視認可能範囲をユーザの目の位置を含む範囲に変更する請求項２に記載の虚像表示装置。
4. 前記表示領域設定手段及び前記角度調整手段は、
   前記視認可能範囲からユーザの目の位置の離間距離が閾値未満である場合には、前記凹面鏡の角度は調整せずに、ユーザの目の位置に対応して前記映像表示領域の設定の調整を行い、
   前記視認可能範囲からユーザの目の位置の離間距離が閾値以上である場合には、ユーザの目の位置の変位が閾値以上である場合には、ユーザの目の位置に対応して前記映像表示領域及び前記凹面鏡の角度の調整を行う請求項３に記載の虚像表示装置。
5. 前記角度調整手段は、前記目位置取得手段により取得したユーザの目の位置に基づいて、ユーザの目の位置から前記凹面鏡への光路と該光路が前記凹面鏡によって反射される光路とが逆方向となる角度に前記凹面鏡の角度を調整し、
   前記表示領域設定手段は、調整後の角度に前記凹面鏡がある場合に、前記第２方向と前記第３方向とが逆方向となる領域に前記映像表示領域を設定する請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の虚像表示装置。

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