JP7111070B2 - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。

近年、車両用表示装置としてヘッドアップディスプレイ装置が用いられることがある。ヘッドアップディスプレイ装置は、画像表示光を車両のウインドシールドなどに投射し、画像表示光に基づく虚像を車外の風景に重畳して表示する。左目用と右目用の画像表示光を別々に生成することで立体像を提示する装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４－１０４１８号公報

虚像の表示サイズをより大きくするために、画像表示光を投射する投射光学系の拡大倍率を高めることが求められている。しかしながら、投射光学系の拡大倍率を高めると、光学系で生じる歪曲収差等に起因して虚像がより歪んで見えてしまう。また、左右で見え方の異なる歪曲収差が発生することで、左右の目のそれぞれで視認される虚像を同一像として認識することが困難となり、視覚疲労を生じさせるおそれがある。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、高拡大倍率の虚像の視認性を向上させることを目的とする。

本発明のある態様のヘッドアップディスプレイ装置は、光源と、光源の出力光を複数の照明光束に分割するフライアイレンズと、フライアイレンズの第１領域または第２領域を選択的に遮蔽するシャッタと、フライアイレンズの第１領域から出射する複数の第１照明光束を重畳して第１照明光を生成し、フライアイレンズの第２領域から出射する複数の第２照明光束を重畳して第２照明光を生成するコンデンサと、第１照明光を変調して左目用表示光を生成し、第２照明光を変調して右目用表示光を生成する表示部と、左目用表示光および右目用表示光を虚像提示板に向けて投射し、虚像提示板にて反射される左目用表示光がアイボックスの左側領域に向かい、右目用表示光がアイボックスの右側領域に向かうようにする凹面鏡と、表示用画像に第１歪曲補正処理を施して左目用画像を生成し、表示用画像に第１歪曲補正処理とは異なる第２歪曲補正処理を施して右目用画像を生成する画像処理部と、第１照明光と第２照明光が交互に生成されるようにシャッタを動作させるシャッタ制御部と、第１照明光の生成時に表示部に左目用画像を表示させ、第２照明光の生成時に表示部に右目用画像を表示させる表示制御部と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、高拡大倍率の虚像の視認性を向上できる。

実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成を模式的に示す図である。 図２（ａ）～（ｃ）は、表示光の光路を模式的に示す図である。 図３（ａ）～（ｅ）は、比較例において表示部に表示される画像と、画像に基づいて提示される虚像とを模式的に示す図である。 図４（ａ）～（ｅ）は、本実施の形態において表示部に表示される画像と、画像に基づいて提示される虚像とを模式的に示す図である。 実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成を詳細に示す図である。 実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成を詳細に示す図である。 図７（ａ）～（ｃ）は、フライアイレンズおよびシャッタの構成を模式的に示す正面図である。 図８（ａ）～（ｃ）は、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が奏する作用効果を示す図である。 図９（ａ）～（ｃ）は、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置が奏する作用効果を示す図である。 別の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成を詳細に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。かかる実施の形態に示す具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０の構成を模式的に示す図である。本実施の形態では、移動体の一例である車両６０のダッシュボード内にヘッドアップディスプレイ装置１０が設置される。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、虚像提示板であるウインドシールド６２に表示光５２を投射し、車両６０の進行方向（図１の右方向）の前方に虚像５０を提示する。運転者などのユーザ７０は、ウインドシールド６２を介して現実の風景に重畳される虚像５０を視認できる。そのため、ユーザ７０は、車両の走行中に視線をほとんど動かすことなく虚像５０に示される情報を得ることができる。図１において、車両６０の進行方向（前後方向）をｚ方向、車両６０の天地方向（上下方向）をｙ方向、車両６０の左右方向をｘ方向としている。

虚像５０は、例えば、ユーザ７０の前方の２ｍ～５ｍ程度の距離の位置に提示される。虚像５０の表示サイズに対応する画角（ＦＯＶ；Field Of View）は、例えば、左右方向（水平方向）が約５度であり、上下方向（垂直方向）が約２度である。

ヘッドアップディスプレイ装置１０は、照明部１２と、表示部１４と、凹面鏡１６と、制御装置１８とを備える。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、外部装置６４と接続されている。

照明部１２は、表示部１４を照明するための照明光を生成する。照明部１２は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの光源と、光源から出力される光の強度分布や角度分布を調整して照明光を生成するための光学素子とを有する。

表示部１４は、照明光を変調して表示光を生成する。表示部１４は、液晶パネルなどの表示素子を含む。表示部１４は、制御装置１８から送信される画像信号に基づいて、画像信号に対応する表示内容の表示光５２を生成する。

凹面鏡１６は、表示部１４が生成する表示光５２を反射してウインドシールド６２に向けて投射する。凹面鏡１６は、ウインドシールド６２にて反射される表示光５２がユーザ７０の目７２が位置するアイボックス７６に向かうように表示光５２を投射する。これにより、ユーザ７０は、表示光５２に基づく虚像５０を視認できる。凹面鏡１６は、表示光５２に基づく画像を拡大してユーザ７０に提示するよう構成され、例えば、表示部１４に表示される画像を０．６倍以上の倍率で拡大するよう構成される。凹面鏡１６の反射面は、非球面などの自由曲面で構成される。

制御装置１８は、表示用画像を生成し、表示用画像に対応する虚像５０が提示されるように照明部１２および表示部１４の動作を制御する。制御装置１８は、外部装置６４と接続されており、例えば、外部装置６４からの情報に基づいて表示用画像を生成する。

外部装置６４は、虚像５０として表示される表示用画像の元データを生成する装置である。外部装置６４は、例えば、車両６０の電子制御ユニット（ＥＣＵ；Electronic Control Unit）や、ナビゲーション装置、携帯電話やスマートフォン、タブレットといったモバイル装置などである。外部装置６４は、虚像５０の表示に必要な画像データ、画像データの内容や種別を示す情報、車両６０の速度や現在位置といった車両６０に関する情報を制御装置１８に送信する。

図２（ａ）～（ｃ）は、表示光５２Ｃ，５２Ｌ，５２Ｒの光路を模式的に示す図である。図２（ａ）～（ｃ）では、車両６０の上側から見たヘッドアップディスプレイ装置１０の構成を示しており、分かりやすさのために照明部１２とウインドシールド６２を省略している。図２（ａ）～（ｃ）のそれぞれに示される表示光５２Ｃ，５２Ｌ，５２Ｒは、表示部１４を出射し、凹面鏡１６およびウインドシールド６２（不図示）にて反射された後、アイボックス７６に向かう。

アイボックス７６は、ヘッドアップディスプレイ装置１０により提示される虚像５０が視認可能となる範囲である。アイボックス７６は、ユーザ７０の左目７２Ｌおよび右目７２Ｒを包含するように左右方向（ｘ方向）に長く設定される。アイボックス７６の左右方向の長さは、例えばユーザ７０の両目７２Ｌ，７２Ｒの瞳孔間隔の２倍程度に設定される。両目７２Ｌ，７２Ｒの瞳孔間隔は個人差があるが、一般的には６０ｍｍ～７０ｍｍ程度である。アイボックス７６の左右方向の長さは、例えば１２０ｍｍ～１３０ｍｍ程度に設定される。図２（ａ）～（ｃ）に示される通常の使用態様であれば、アイボックス７６の右側領域７６Ｒにユーザ７０の右目７２Ｒが位置し、アイボックス７６の左側領域７６Ｌにユーザの左目７２Ｌが位置する。

図２（ａ）は、アイボックス７６の中心７６Ｃに向かう中央表示光５２Ｃの光路を模式的に示している。中央表示光５２Ｃは、矢印Ｃで示されるようにヘッドアップディスプレイ装置１０の光学系の光軸５４に沿って出射される表示光である。光軸５４は、表示部１４の中心１４Ｃから出射してアイボックス７６の中心７６Ｃに向かう光路として定義される。凹面鏡１６は、光軸５４に対して左右方向（ｘ方向）に対称な形状となるよう構成され、中央表示光５２Ｃは、凹面鏡１６の中心１６Ｃまたはその近傍にて反射される。中央表示光５２Ｃは、アイボックス７６の中心７６Ｃに向けて投射されるため、図２（ａ）に示される通常の使用態様であれば、ユーザ７０の両目７２Ｌ，７２Ｒのいずれにも中央表示光５２Ｃは入射しない。その結果、中央表示光５２Ｃに基づく虚像５０Ｃはユーザ７０に視認されない。

図２（ｂ）は、アイボックス７６の左側領域７６Ｌに向かう左目用表示光５２Ｌの光路を模式的に示している。左目用表示光５２Ｌは、矢印Ｌで示されるように、光軸５４に対して斜めに出射される表示光であり、表示部１４の中心１４Ｃから左寄りに出射される。そのため、左目用表示光５２Ｌは、凹面鏡１６の中心１６Ｃから左方向にずれた位置１６Ｌまたはその近傍にて反射される。左目用表示光５２Ｌは、ユーザ７０の左目７２Ｌに入射することで、左目用表示光５２Ｌに基づく左目用虚像５０Ｌがユーザ７０に視認される。

図２（ｃ）は、アイボックス７６の右側領域７６Ｒに向かう右目用表示光５２Ｒの光路を模式的に示している。右目用表示光５２Ｒは、矢印Ｒで示されるように、光軸５４に対して斜めに出射される表示光であり、表示部１４の中心１４Ｃから右寄りに出射される。そのため、右目用表示光５２Ｒは、凹面鏡１６の中心１６Ｃから右方向にずれた位置１６Ｒまたはその近傍にて反射される。右目用表示光５２Ｒは、ユーザ７０の右目７２Ｒに入射することで、右目用表示光５２Ｒに基づく右目用虚像５０Ｒがユーザ７０に視認される。

図２（ａ）～（ｃ）に示される各虚像５０Ｃ，５０Ｌ，５０Ｒには、各表示光５２Ｃ，５２Ｌ，５２Ｒが凹面鏡１６で反射されることに起因する歪み（例えば、ディストーションまたは歪曲収差）が発生しうる。凹面鏡１６により発生する歪み量は、凹面鏡１６の中心１６Ｃからより離れた位置で表示光が反射されることにより増加しうる。したがって、左目用虚像５０Ｌや右目用虚像５０Ｒの歪みは、中央表示光５２Ｃにより表示される中央虚像５０Ｃの歪みに比べて大きくなる。

また、左目用虚像５０Ｌや右目用虚像５０Ｒでは左右方向において非対称な歪みが発生しうる。例えば、図２（ｂ）に示す左目用虚像５０Ｌの場合、表示部１４の左端１４Ｌから出射する表示光は、表示部１４の中心１４Ｃから出射する表示光に比べて凹面鏡１６の中心１６Ｃから左方向により遠い位置１６ＬＬで反射されるため、左目用虚像５０Ｌの左端での歪み量が大きくなる。逆に、図２（ｃ）に示す右目用虚像５０Ｒの場合、表示部１４の右端１４Ｒから出射する表示光は、表示部１４の中心１４Ｃから出射する表示光に比べて凹面鏡１６の中心１６Ｃから右方向により遠い位置１６ＲＲで反射されるため、右目用虚像５０Ｒの右端での歪み量が大きくなる。

図３（ａ）～（ｅ）は、比較例において表示部１４に表示される表示用画像１４０と、表示用画像１４０に基づいて提示される虚像１５０Ｌ，１５０Ｃ，１５０Ｒ，１５０とを模式的に示す図である。図３（ａ）は、表示部１４に表示される表示用画像１４０の一例を示し、上下方向の直線と左右方向の直線とが等間隔に配置された格子状のテストパターンを示す。図３（ｂ）～（ｄ）は、図３（ａ）の表示用画像１４０を表示部１４に表示させたときに提示される左目用虚像１５０Ｌ、中央虚像１５０Ｃ、右目用虚像１５０Ｒおよびを示す。図３（ｅ）は、両目で見たときの虚像１５０を示す。

図３（ｃ）に示す中央虚像１５０Ｃは、図２（ａ）の中央表示光５２Ｃに基づく中央虚像５０Ｃに対応し、凹面鏡１６による歪曲収差の影響があまり見られない。図３（ｂ）に示す左目用虚像１５０Ｌは、図２（ｂ）の左目用表示光５２Ｌに基づく左目用虚像５０Ｌに対応し、左右方向に非対称な歪曲収差が見られる。左目用虚像１５０Ｌでは、虚像の左側における歪みが相対的に大きい。図３（ｄ）に示す右目用虚像１５０Ｒは、図２（ｃ）の右目用表示光５２Ｒに基づく右目用虚像５０Ｒに対応し、凹面鏡１６による歪曲収差の影響が見られる。右目用虚像１５０Ｒでは、左目用虚像１５０Ｌとは逆に虚像の右側における歪みが相対的に大きい。したがって、左目用虚像１５０Ｌおよび右目用虚像１５０Ｒでは、左右方向において互いに逆の歪曲収差が発生していると言える。

図３（ｅ）は、表示用画像１４０を表示部１４に表示させたときにユーザ７０が両目で視認する虚像１５０を模式的に示す。図３（ｅ）は、図３（ｂ）に示す左目用虚像１５０Ｌと、図３（ｄ）に示す右目用虚像１５０Ｒとを重畳させたものである。図示されるように、左目用虚像１５０Ｌと右目用虚像１５０Ｒでは、左右で見え方の異なる歪曲収差が発生しているため、両者を融像して同一視することが困難である。このような左目用虚像１５０Ｌと右目用虚像１５０Ｒを無理して同一視しようとすると、視覚疲労や目眩が生じるおそれがあり好ましくない。

一般的に、両眼視において左目用画像と右目用画像の歪み量の差が５％以上になると、両者を融像して同一視することが困難となる。歪曲収差を抑制するため、凹面鏡１６の反射面を非球面などの自由曲面としたり、表示用画像１４０に対して所定の歪曲補正処理を施したりする対応策が考えられる。しかしながら、凹面鏡１６による虚像の拡大倍率を高めるために凹面鏡１６の曲率を大きくしようとする場合、左目用虚像１５０Ｌと右目用虚像１５０Ｒの歪み量の差を５％未満にすることが難しくなる。

そこで、本実施の形態では、表示部１４に表示させる表示用画像として、左目用画像と右目用画像を別々に用意し、左目用画像と右目用画像にそれぞれ異なる歪曲補正処理を施すようにする。具体的には、左目用画像に対し、左目用虚像１５０Ｌにて生じる歪曲収差を低減または相殺させるための第１歪曲補正処理を施す。また、右目用画像に対して、右目用虚像１５０Ｒにて生じる歪曲収差を低減または相殺させるための第２歪曲補正処理を施す。第２歪曲補正処理は、第１歪曲補正処理とは異なる態様の補正処理であり、例えば、第１歪曲補正処理とは補正量が左右方向において逆となるような補正処理である。

図４（ａ）～（ｅ）は、本実施の形態において表示部１４に表示される画像４０Ｌ，４０Ｒと、画像４０Ｌ，４０Ｒに基づいて提示される虚像５０Ｌ，５０Ｒ，５０とを模式的に示す図である。図４（ａ）は、表示部１４に表示させる左目用画像４０Ｌを模式的に示し、図３（ａ）の表示用画像１４０に対して第１歪曲補正処理を施した画像である。左目用画像４０Ｌでは、例えば、画像の左端における補正量が最大となるように左右方向に非対称な歪曲補正処理が施されている。図４（ｂ）は、表示部１４に表示させる右目用画像４０Ｒを模式的に示し、図３（ａ）の表示用画像１４０に対して第２歪曲補正処理が施した画像である。右目用画像４０Ｒでは、例えば、画像の右端における補正量が最大となるように左右方向に非対称な歪曲補正処理が施されている。

図４（ｃ）は、表示部１４に左目用画像４０Ｌを表示させたときに、左目用表示光５２Ｌに提示される左目用虚像５０Ｌを模式的に示す。図示されるように、左目用画像４０Ｌに第１歪曲補正処理を施すことで、凹面鏡１６にて生じる歪曲収差が低減または相殺され、図３（ａ）に示す表示用画像１４０と同等に見える左目用虚像５０Ｌを提示できる。図４（ｄ）は、表示部１４に右目用画像４０Ｒを表示させたときに、右目用表示光５２Ｒにより提示される右目用虚像５０Ｒを模式的に示す。図示されるように、右目用画像４０Ｒに第２歪曲補正処理を施すことで、凹面鏡１６にて生じる歪曲収差が低減または相殺され、図３（ａ）に示す表示用画像１４０と同等に見える右目用虚像５０Ｒを提示できる。

図４（ｅ）は、図４（ｃ）の左目用虚像５０Ｌと図４（ｄ）の右目用虚像５０Ｒが提示されるときにユーザ７０が両目で視認する虚像５０を模式的に示す。図４（ｅ）は、図４（ｃ）に示す左目用虚像５０Ｌと、図４（ｄ）に示す右目用虚像５０Ｒとを重畳させたものである。図示されるように、左目用虚像５０Ｌと右目用虚像５０Ｒがほぼ同等に見えるため、両者を融像して同一視することが容易となる。本実施の形態では、このような虚像５０を提示することで、視覚疲労や目眩の発生を防止し、虚像５０の視認性を向上させることができる。

つづいて、図４（ｅ）に示されるような虚像５０を提示するための照明部１２および表示部１４の光学系の構成について説明する。通常、左目用と右目用で異なる画像を表示させる場合、左目用表示部と右目用表示部を別に用意する必要があるが、表示部を複数設けることはコストの増加につながる。本実施の形態では、一つの表示部１４において左目用画像４０Ｌと右目用画像４０Ｒを時分割で交互に表示し、左目用表示光５２Ｌと右目用表示光５２Ｒが時分割で交互に生成されるようにする。また、表示部１４に対し、左目用表示光５２Ｌを生成するための第１照明光と、右目用表示光５２Ｒを生成するための第２照明光とが時分割で交互に照射されるようにする。これにより、アイボックス７６の左側領域７６Ｌに向けて左目用表示光５２Ｌが投射され、アイボックス７６の右側領域７６Ｒに向けて右目用表示光５２Ｒが投射されるようにする。

図５および図６は、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０の構成を詳細に示す図である。図５は、図２（ｂ）の構成に対応し、表示部１４に左目用画像４０Ｌを表示して左目用表示光５２Ｌを生成する動作状態を示している。図６は、図２（ｃ）の構成に対応し、表示部１４に右目用画像４０Ｒを表示して右目用表示光５２Ｒを生成する動作状態を示している。

照明部１２は、光源２０と、コリメータ２２と、フライアイレンズ２４と、シャッタ２８と、コンデンサ３０と、フィールドレンズ３２とを含む。表示部１４は、光拡散板３４と、表示素子３６とを含む。照明部１２および表示部１４を構成する各光学要素と、凹面鏡１６とは、光軸５４上に配置されている。図面において、光軸５４の方向をｚ方向とし、ｚ方向と直交する二方向をｘ方向およびｙ方向としている。ｘ方向は、表示部１４に表示される画像の左右方向により定義され、ｙ方向は表示部１４に表示される画像の上下方向により定義される。

光源２０は、ＬＥＤなどの半導体発光素子で構成される。光源２０は、表示部１４を照明するための白色光を出力する。コリメータ２２は、光源２０の出力光を平行化し、光軸５４に沿った平行光束を生成する。コリメータ２２は、放物面鏡や楕円面鏡により構成され、コリメータ２２の焦点位置に光源２０が配置される。コリメータ２２は、ミラーではなくレンズで構成されてもよく、例えば内部全反射を利用するＴＩＲ（Total Internal Reflection）レンズであってもよい。

フライアイレンズ２４は、光源２０の出力光を複数の照明光束に分割する。フライアイレンズ２４は、第１レンズ面２５と、第２レンズ面２６とを有し、第１レンズ面２５および第２レンズ面２６のそれぞれに複数のレンズ要素がｘ方向およびｙ方向にアレイ状に配列されている。フライアイレンズ２４を構成する各レンズ要素は矩形状であり、矩形状の表示部１４と相似形となるよう構成される。例えば、表示部１４の縦横のアスペクト比が１対２であれば、フライアイレンズ２４を構成する各レンズ要素の縦横のアスペクト比も１対２である。

第１レンズ面２５の各レンズ要素は、第１レンズ面２５に入射する平行光束を集光させる。第１レンズ面２５の各レンズ要素の焦点は、第２レンズ面２６の対応するレンズ要素に位置している。つまり、第１レンズ面２５と第２レンズ面２６のｚ方向の間隔は、第１レンズ面２５の各レンズ要素の焦点距離に相当する。その結果、第１レンズ面２５に入射する平行光束は、第２レンズ面２６の各レンズ要素に集光する。第２レンズ面２６の各レンズ要素は、仮想的な点光源とみなすことができ、第２レンズ面２６の各レンズ要素から分割された照明光束が出射される。

シャッタ２８は、フライアイレンズ２４から出射される複数の照明光束の一部を遮蔽する。シャッタ２８は、フライアイレンズ２４の第１領域２４ａまたは第２領域２４ｂを選択的に遮蔽する。ここで、フライアイレンズ２４の第１領域２４ａは、光軸５４よりもｘ方向において右側となる領域のことをいう。また、フライアイレンズ２４の第２領域２４ｂは、光軸５４よりもｘ方向において左側となる領域のことをいう。

図７（ａ）～（ｃ）は、フライアイレンズ２４およびシャッタ２８の構成を模式的に示す正面図である。図７（ａ）は、第１レンズ面２５から見たフライアイレンズ２４を示す。図示されるように、第１レンズ面２５には複数のレンズ要素２５ａ，２５ｂがｘ方向およびｙ方向に配列されている。フライアイレンズ２４の第１領域２４ａには複数の第１レンズ要素２５ａが設けられ、フライアイレンズ２４の第２領域２４ｂには複数の第２レンズ要素２５ｂが設けられる。フライアイレンズ２４は、左右対称形状であり、第１レンズ要素２５ａおよび第２レンズ要素２５ｂは互いに同じ形状ないし光学特性を有する。

図７（ｂ）は、第２レンズ面２６から見たフライアイレンズ２４を示す。図７（ｂ）は、図７（ａ）とは左右方向が逆になっている。第２レンズ面２６は、第１レンズ面２５と同様に構成されており、第２レンズ面２６に複数のレンズ要素２６ａ，２６ｂがｘ方向およびｙ方向に配列されている。フライアイレンズ２４の第１領域２４ａには複数の第３レンズ要素２６ａが設けられ、フライアイレンズ２４の第２領域２４ｂには複数の第４レンズ要素２６ｂが設けられる。第３レンズ要素２６ａおよび第４レンズ要素２６ｂは互いに同じ形状ないし光学特性を有する。

第２レンズ面２６からは複数の照明光束が出射される。具体的には、第２レンズ面２６の第１領域２４ａから複数の第１照明光束が出射され、各第３レンズ要素２６ａが一つの第１照明光束を出射する。同様に、第２レンズ面２６の第２領域２４ｂから複数の第２照明光束が出射され、各第４レンズ要素２６ｂが一つの第２照明光束を出射する。

図７（ｃ）は、フライアイレンズ２４から見たシャッタ２８を示す。シャッタ２８は、例えば、透過率が可変となる液晶シャッタで構成される。シャッタ２８は、第１領域２８ａと、第２領域２８ｂとを有する。シャッタ２８の第１領域２８ａは、フライアイレンズ２４の第１領域２４ａとｚ方向に重なる領域であり、シャッタ２８の第２領域２８ｂは、フライアイレンズ２４の第２領域２４ｂとｚ方向に重なる領域である。

シャッタ２８は、第１領域２８ａの透過率を変化させることにより、第１領域２４ａから出射される複数の第１照明光束の透過状態と遮蔽状態を切り替える。シャッタ２８は、フライアイレンズ２４の第２領域２４ｂとｚ方向に重なる第２領域２８ｂの透過率を変化させることにより、第２領域２４ｂから出射される複数の第２照明光束の透過状態と遮蔽状態を切り替える。

シャッタ２８は、第１領域２８ａを透過状態とし、第２領域２８ｂを遮蔽状態とする第１状態で動作することで、複数の第１照明光束のみを透過させ、複数の第２照明光束を遮蔽する（図５参照）。シャッタ２８は、第１領域２８ａを遮蔽状態とし、第２領域２８ｂを透過状態とする第２状態で動作することで、複数の第１照明光束を遮蔽し、複数の第２照明光束のみを透過させる（図６参照）。

図５および図６に示す構成では、シャッタ２８がフライアイレンズ２４の光出射側、つまり、フライアイレンズ２４とコンデンサ３０の間に配置される。なお、シャッタ２８は、フライアイレンズ２４の光入射側に配置されもよく、コリメータ２２とフライアイレンズ２４の間、つまり、光源２０とフライアイレンズ２４の間に配置されてもよい。また、フライアイレンズ２４は、第１レンズ面２５と第２レンズ面２６が一体的に形成されているが、第１レンズ面２５と第２レンズ面２６を分離してもよい。つまり、フライアイレンズ２４の代わりに、第１レンズ面２５に対応する第１フライアイレンズと、第２レンズ面２６に対応する第２フライアイレンズとを組み合わせて用いてもよい。この場合、シャッタ２８は、第１フライアイレンズと第２フライアイレンズの間に配置されてもよい。

コンデンサ３０は、フライアイレンズ２４から出射される複数の照明光束を重畳して照明光を生成する。コンデンサ３０は、凸レンズで構成される。コンデンサ３０は、フライアイレンズ２４の各レンズ要素から出射される照明光束が表示部１４の表示領域全体に照明されるようにする。したがって、フライアイレンズ２４から出射される複数の照明光束は、表示部１４の表示領域において互いに重なり合う。

本実施の形態では、フライアイレンズ２４の第１領域２４ａから出射される複数の第１照明光束と、フライアイレンズ２４の第２領域２４ｂから出射される複数の第２照明光束とが選択的にコンデンサ３０に入射する。コンデンサ３０は、複数の第１照明光束を重畳させることで第１照明光５６ａを生成し、表示部１４が第１照明光５６ａで照明されるようにする。第１照明光５６ａは、光軸５４の右側から表示部１４に入射する。また、コンデンサ３０は、複数の第２照明光束を重畳させることで第２照明光５６ｂを生成する。第２照明光５６ｂは、第１照明光５６ａとは逆に、光軸５４の左側から表示部１４に入射する。

フィールドレンズ３２は、コンデンサ３０の後段に設けられ、第１照明光５６ａおよび第２照明光５６ｂの配光を調整する。フィールドレンズ３２は、例えば、凹面鏡１６の反射面が存在する範囲と、凹面鏡１６に表示光５２Ｌ，５２Ｒが入射する範囲とが対応するように第１照明光５６ａおよび第２照明光５６ｂの配光を調整する。

光拡散板３４は、表示素子３６の光入射側に設けられ、表示素子３６に入射する第１照明光５６ａおよび第２照明光５６ｂを拡散させるよう構成される。光拡散板３４は、例えば、マイクロビーズフィルムといった透過型スクリーンで構成される。光拡散板３４は、表示素子３６のバックライトのように機能し、表示素子３６が自発光型の表示器のように見えるように機能する。

表示素子３６は、照明光を変調して表示光５２を生成する。表示素子３６は、液晶パネルなどの透過型表示素子であり、表示領域の各画素に入射する照明光を変調することで、表示領域に表示される画像の表示内容に対応した表示光５２を生成する。表示素子３６は、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）であってもよいし、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）などの反射型表示素子であってもよい。

図５に示されるように、表示素子３６は、第１照明光５６ａを変調して左目用表示光５２Ｌを生成する。第１照明光５６ａは、光軸５４の右側から表示部１４に向けて入射するため、第１照明光５６ａに基づいて生成される左目用表示光５２Ｌは、矢印Ｌで示されるように、表示部１４から左寄りの方向に出射される。表示部１４の中心１４Ｃから出射する左目用表示光５２Ｌは、凹面鏡１６の中心１６Ｃから左側にずれた位置１６Ｌに入射する。

図６に示されるように、表示素子３６は、第２照明光５６ｂを変調して右目用表示光５２Ｒを生成する。第２照明光５６ｂは、光軸５４の左側から表示部１４に向けて入射するため、第２照明光５６ｂに基づいて生成される右目用表示光５２Ｒは、矢印Ｒで示されるように、表示部１４から右寄りの方向に出射される。表示部１４の中心１４Ｃから出射する右目用表示光５２Ｒは、凹面鏡１６の中心１６Ｃから右側にずれた位置１６Ｒに入射する。

制御装置１８は、画像処理部４２と、シャッタ制御部４４と、表示制御部４６とを含む。

画像処理部４２は、表示部１４に表示させる表示用画像を生成する。画像処理部４２は、表示用画像に第１歪曲補正処理を施して左目用画像４０Ｌを生成し、表示用画像に第２歪曲補正処理を施して右目用画像４０Ｒを生成する。第１歪曲補正処理および第２歪曲補正処理の処理態様は、ヘッドアップディスプレイ装置１０の光学系にて生じる左目用虚像５０Ｌおよび右目用虚像５０Ｒの歪みに応じて適宜設定される。

シャッタ制御部４４は、シャッタ２８の動作を制御する。シャッタ制御部４４は、シャッタ２８の動作を第１状態と第２状態の間で切り替えさせ、第１照明光５６ａと第２照明光５６ｂが交互に生成されるようにする。シャッタ制御部４４は、左目用虚像５０Ｌと右目用虚像５０Ｒの切り替えを人間の目が知覚できない程度の速さで、シャッタ２８の動作状態を切り替えさせる。第１状態と第２状態の切り替え速度は、例えば１秒間に６０回以上（６０Ｈｚ以上）である。

表示制御部４６は、表示部１４の動作を制御する。表示制御部４６は、表示素子３６を駆動するための画像信号を生成し、表示素子３６に左目用画像４０Ｌと右目用画像４０Ｒが交互に表示されるようにする。表示制御部４６は、シャッタ２８の動作と同期して表示素子３６に表示させる画像を切り替えさせる。表示制御部４６は、シャッタ２８が第１状態で動作して第１照明光５６ａが生成されるときに表示素子３６に左目用画像４０Ｌを表示させる。表示制御部４６は、シャッタ２８が第２状態で動作して第２照明光５６ｂが生成されるときに表示素子３６に右目用画像４０Ｒを表示させる。これにより、左目用表示光５２Ｌと右目用表示光５２Ｒが交互に生成されるようにする。

図８（ａ）～（ｃ）は、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０が奏する作用効果を示す図である。図８（ａ）は、アイボックス７６における両目７２Ｌ，７２Ｒの位置を模式的に示し、アイボックス７６の左側領域７６Ｌおよび右側領域７６Ｒのそれぞれの中央付近に左目７２Ｌおよび右目７２Ｒが位置している。図８（ｂ）は、比較例に係る虚像１５０Ｌ，１５０Ｒの見え方を示す。比較例では、表示部１４に表示される表示用画像１４０に歪曲補正処理が施されていないために左右で見え方の異なる虚像１５０Ｌ，１５０Ｒが提示されてしまう。図８（ｃ）は、実施の形態に係る虚像５０Ｌ，５０Ｒの見え方を示し、表示部１４に異なる歪曲補正処理を施した画像４０Ｌ，４０Ｒが表示される場合を示す。本実施の形態によれば、左目用画像４０Ｌと右目用画像４０Ｒを別々に用意することで、左目用虚像５０Ｌと右目用虚像５０Ｒの見え方の差を小さくすることができ、左目用虚像５０Ｌと右目用虚像５０Ｒの融像を容易にできる。これにより、両眼視で視認される虚像５０の視認性を向上させることができ、視覚疲労や目眩の発生を好適に防止できる。

図９（ａ）～（ｃ）は、実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０が奏する作用効果を示す図であり、アイボックス７６における両目７２Ｌ，７２Ｒの位置が図８（ａ）～（ｃ）とは異なる場合を示す。図９（ａ）に示されるように、両目７２Ｌ，７２Ｒの位置が図８（ａ）と比べて右側にずれており、左目７２Ｌがアイボックス７６の中心付近にずれ、右目７２Ｒがアイボックス７６の右端付近にずれている。

図９（ｂ）は、比較例に係る虚像１５０Ｌ，１５０Ｒの見え方を示し、表示部１４に表示される表示用画像１４０に歪曲補正処理が施されていない場合の虚像１５０Ｌ，１５０Ｒの見え方を示す。左目７２Ｌは、アイボックス７６の中心付近に位置するため、左目で視認される虚像１５０Ｌは歪曲収差の影響が小さい。これは、図２（ａ）に示した中央表示光５２Ｃに基づく中央虚像５０Ｃの見え方に近似する。一方、右目７２Ｒは、アイボックス７６の右端付近にあるため、図８（ｂ）に示した右目用虚像１５０Ｒよりも歪み量が大きくなる。そのため、図９（ｂ）に示される左目用虚像１５０Ｌと右目用虚像１５０Ｒの見え方の差は大きく、両者を融像として同一視することは困難である。

図９（ｃ）は、実施の形態に係る虚像５０Ｌ，５０Ｒの見え方を示し、表示部１４に異なる歪曲補正処理を施した画像４０Ｌ，４０Ｒが表示される場合を示す。左目７２Ｌがアイボックス７６の中心付近に位置するため、左目用虚像５０Ｌに対する第１歪曲補正処理の補正量が過剰となる。一方、右目７２Ｒがアイボックス７６の右端付近に位置するため、右目用虚像５０Ｒに対する第２歪曲補正処理の補正量が不足する。その結果、図９（ｃ）に示される左目用虚像５０Ｌおよび右目用虚像５０Ｒには歪みが残るものの、左右方向において同じように歪んだ画像となる。したがって、本実施の形態によれば、アイボックス７６における両目７２Ｌ，７２Ｒの位置が左右方向にずれたとしても、左目用虚像５０Ｌと右目用虚像５０Ｒの見え方の差を小さくすることができ、左目用虚像５０Ｌと右目用虚像５０Ｒの融像を容易にできる。これにより、両眼視で視認される虚像５０の視認性を向上させることができ、視覚疲労や目眩の発生を好適に防止できる。

なお、アイボックス７６に対する両目７２Ｌ，７２Ｒの左右方向の位置がさらにずれ、左目７２Ｌと右目７２Ｒのいずれか一方のみがアイボックス７６に位置する場合には、片目のみで虚像が視認されるため、両眼視において融像が困難となる問題は生じない。

図１０は、別の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置２１０の構成を詳細に示す図である。ヘッドアップディスプレイ装置２１０は、凸レンズで構成されるコンデンサ３０の代わりに、凹面鏡で構成されるコンデンサ２３０を備える点で上述の実施の形態と相違する。ヘッドアップディスプレイ装置２１０について、上述の実施の形態との相違点を中心に説明する。

ヘッドアップディスプレイ装置２１０は、照明部２１２と、表示部１４と、凹面鏡１６と、制御装置１８とを備える。表示部１４、凹面鏡１６および制御装置１８は、上述の実施の形態と同様に構成される。照明部２１２は、光源２０と、コリメータ２２と、フライアイレンズ２２４と、シャッタ２２８と、コンデンサ２３０と、フィールドレンズ３２とを含む。光源２０、コリメータ２２、フィールドレンズ３２は、上述の実施の形態と同様である。

フライアイレンズ２２４は、上述の実施の形態に係るフライアイレンズ２４と同様に構成され、第１レンズ面２５と第２レンズ面２６を有する。フライアイレンズ２２４は、第１領域２２４ａと第２領域２２４ｂの左右方向が上述の実施の形態と逆になっている。具体的には、第１領域２２４ａが光軸２５４の左側に設けられ、第２領域２２４ｂが光軸２５４の右側に設けられる。これは、凹面鏡で構成されるコンデンサ２３０により照明光束が９０度折り返されるために左右方向が逆となるためである。

シャッタ２２８は、上述の実施の形態に係るシャッタ２８と同様に構成されるが、第１領域２２４ａと第２領域２２４ｂの左右方向が上述の実施の形態と逆になっている。具体的には、第１領域２２８ａが光軸２５４の左側に設けられ、第２領域２２８ｂが光軸２５４の右側に設けられる。

コンデンサ２３０は、フライアイレンズ２２４から照射される複数の照明光束を重畳して照明光を生成する。コンデンサ２３０は、フライアイレンズ２２４の第１領域２２４ａから出射される複数の第１照明光束を重畳して第１照明光２５６ａを生成する。コンデンサ２３０は、フライアイレンズ２２４の第２領域２２４ｂから出射される複数の第２照明光束を重畳して第２照明光（不図示）を生成する。

本実施の形態においても、上述の実施の形態と同様の効果を奏することができる。また、本実施の形態によれば、コンデンサ２３０として凹面鏡を用いることで、照明部２１２のｚ方向の幅を小さくすることができ、より小型のヘッドアップディスプレイ装置２１０を実現できる。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、各表示例に示す構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。

１０…ヘッドアップディスプレイ装置、１２…照明部、１４…表示部、１６…凹面鏡、１８…制御装置、２０…光源、２４…フライアイレンズ、２４ａ…第１領域、２４ｂ…第２領域、２８…シャッタ、３０…コンデンサ、４０…表示用画像、４０Ｌ…左目用画像、４０Ｒ…右目用画像、４２…画像処理部、４４…シャッタ制御部、４６…表示制御部、５０…虚像、５２…表示光、５２Ｌ…左目用表示光、５２Ｒ…右目用表示光、５６ａ…第１照明光、５６ｂ…第２照明光、７２Ｌ…左目、７２Ｒ…右目、７６…アイボックス、７６Ｌ…左側領域、７６Ｒ…右側領域。

Claims (5)

1. 光源と、
   前記光源の出力光を複数の照明光束に分割するフライアイレンズと、
   前記フライアイレンズの第１領域または第２領域を選択的に遮蔽するシャッタと、
   前記フライアイレンズの前記第１領域から出射する複数の第１照明光束を重畳して第１照明光を生成し、前記フライアイレンズの前記第２領域から出射する複数の第２照明光束を重畳して第２照明光を生成するコンデンサと、
   前記第１照明光を変調して左目用表示光を生成し、第２照明光を変調して右目用表示光を生成する表示部と、
   前記左目用表示光および前記右目用表示光を虚像提示板に向けて投射し、前記虚像提示板にて反射される前記左目用表示光がアイボックスの左側領域に向かい、前記右目用表示光が前記アイボックスの右側領域に向かうようにする凹面鏡と、
   表示用画像に第１歪曲補正処理を施して左目用画像を生成し、前記表示用画像に前記第１歪曲補正処理とは異なる第２歪曲補正処理を施して右目用画像を生成する画像処理部と、
   前記第１照明光と前記第２照明光が交互に生成されるように前記シャッタを動作させるシャッタ制御部と、
   前記第１照明光の生成時に前記表示部に前記左目用画像を表示させ、前記第２照明光の生成時に前記表示部に前記右目用画像を表示させる表示制御部と、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. 前記画像処理部は、前記左目用表示光が前記凹面鏡の中心に対して左側にずれた位置で反射されることで生じる左右非対称の歪曲収差が低減されるように前記第１歪曲補正処理を施し、前記右目用表示光が前記凹面鏡の中心に対して右側にずれた位置で反射されることで生じる左右非対称の歪曲収差が低減されるように前記第２歪曲補正処理を施す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. 前記シャッタは、前記フライアイレンズと前記コンデンサの間に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記コンデンサは、凸レンズであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記コンデンサは、凹面鏡であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

Images