JP2017015806A - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザからの距離が異なる位置に複数の虚像を同時に生成することを可能にする一方で、ユーザに違和感を感じさせることのない虚像を適切に生成することを可能にした虚像表示装置を提供する。【解決手段】プロジェクタ４から投射された映像を表示する為のスクリーンを透過型スクリーン５Ａと反射型スクリーン５Ｂから構成し、透過型スクリーン５Ａと反射型スクリーン５Ｂに投射された映像を凹面鏡６及び車両２のフロントウィンドウ７に反射させてそれぞれ車両の乗員８に視認させることによって、車両の乗員８が視認する映像の虚像を生成する。また、透過型スクリーン５Ａによって透過された光源の光路である第１光路と、反射型スクリーン５Ｂによって反射された光源の光路である第２光路との一部を重複させるように構成する。【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、虚像表示装置によってより効果的な情報の提供を行う為には、虚像を生成する位置（より具体的には虚像を視認するユーザから虚像までの距離）を適切に設定することが重要である。例えば、障害物に対する警告の虚像を生成する為には、その障害物が実際に存在する位置に虚像を生成することが望ましい。また、道路の右左折を案内する虚像を生成する場合には、右左折する地点に虚像を生成することが望ましい。一方で、車速を表示する虚像や地図画像の虚像等については環境に重畳しないようにできる限りユーザに近い位置に生成することが望ましい。即ち、虚像の種類毎にその虚像を生成するのに適したユーザからの距離は異なるので、複数の虚像を生成する場合については虚像毎にそれぞれユーザからの距離が異なる位置に生成することが望ましい。

しかしながら、ユーザから虚像までの距離は、ＨＵＤ内部に配置された投影鏡（凹面鏡等）から映像を表示する映像表示面（スクリーン、液晶ディスプレイ等）までの距離に依存するので、映像表示面が一面のみであれば基本的にユーザからの距離が異なる位置に複数の虚像を同時に生成することはできない。そこで、特開２０１３−８３６７５号公報には、スクリーンを複数のスクリーンに分割し、スクリーン毎に表示された映像から虚像を生成することによって、ユーザからの距離が異なる位置に複数の虚像を同時に生成することについて開示されている。

特開２０１３−８３６７５号公報（第４−７頁、図１）

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、映像を表示するスクリーンを複数のスクリーンに分割するので、図１７に示すように各スクリーン１０１、１０２の間（即ち、スクリーン１０１の光路とスクリーン１０２の光路の間）に隙間が生じることとなる。その隙間は映像を表示できないので、複数のスクリーン１０１、１０２に跨る大きな映像の虚像を生成する場合には、隙間によって虚像が分断されてしまう問題がある。

更に、生成された虚像をユーザが視認する場合において、隙間部分に該当するエリアが暗く視認され、ユーザに違和感を感じさせる問題も生じる。例えば、図１８に示すように車両を運転するユーザのフロントウィンドウの前方に虚像を生成させるＨＵＤでは、一方のスクリーンに表示された映像に基づく虚像が生成されるエリア１０３と、他方のスクリーンに表示された映像に基づく虚像が生成されるエリア１０４の間にあるエリア１０５が暗く視認されることとなる。

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、ユーザからの距離が異なる位置に複数の虚像を同時に生成することを可能にする一方で、ユーザに違和感を感じさせることのない虚像を適切に生成す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、光源から出力される光に基づいて生成される映像を投射するプロジェクタと、前記光源の光を透過させることによって前記プロジェクタから投射された映像の一部である第１映像を表示する透過型スクリーンと、前記光源の光を反射させることによって前記プロジェクタから投射された映像の一部である第２映像を表示する反射型スクリーンと、前記透過型スクリーンに表示された前記第１映像と前記反射型スクリーンに表示された前記第２映像をそれぞれ反射させてユーザに視認させることによって前記第１映像及び前記第２映像の虚像を生成する投影鏡と、を有し、前記透過型スクリーンによって透過された前記光源の光路である第１光路と、前記反射型スクリーンによって反射された前記光源の光路である第２光路との一部を重複させる。
尚、「光路」とは、光源から出力された光が通る経路をいう。例えば、透過型スクリーンから投影鏡までを結ぶ光路とは、光が透過型スクリーンから投影鏡に到達するまでの光の経路であり、基本的には透過型スクリーン（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、透過型スクリーンと投影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。

前記構成を有する本発明に係る虚像表示装置によれば、映像を表示する映像表示面として、透過型スクリーンと反射型スクリーンの２つのスクリーンを用いることによって、ユーザからの距離が異なる位置に複数の虚像を同時に生成することが可能となる。その一方で、透過型スクリーンによって透過された光源の光路と、反射型スクリーンによって反射された光源の光路とを重複させることによって、複数のスクリーンを用いた場合であっても従来のようにスクリーンの隙間に該当するエリアが暗く視認されることなく、虚像が分断される等の不具合も解消できる。その結果、ユーザに違和感を感じさせることのない適切な虚像を生成することが可能となる。

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。 プロジェクタの構成を示した図である。 スクリーンを示した図である。 スクリーンへの映像の投射態様を示した図である。 第１ミラー及び第２ミラーを示した図である。 第１ミラー及び第２ミラーを移動させることによる光路長の変更態様を示した図である。 透過型スクリーンを透過する光路と反射型スクリーンにより反射される光路をそれぞれ示した図である。 車両の乗員から視認される虚像の位置を示した図である。 透過型スクリーンを透過する光路と反射型スクリーンにより反射される光路の重複態様を示した図である。 スクリーンへの投射される映像と車両の乗員から視認される虚像の対応関係を示した図である。 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。 第１ミラー及び第２ミラーが基準位置にある場合に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。 車両の進行方向前方に割り込んだ障害物を示した図である。 第１ミラー及び第２ミラーがパネル表示位置にある場合に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。 従来技術の問題点について説明した図である。 従来技術の問題点について説明した図である。

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、内部にプロジェクタ４やプロジェクタ４からの映像が投射されるスクリーン５を有する。そして、スクリーン５に投射された映像を、後述のようにＨＵＤ１が備えるミラーや凹面鏡６を介し、更に運転席の前方のフロントウィンドウ７に反射させて車両２の乗員８に視認させるように構成されている。尚、スクリーン５に投射される映像としては、車両２に関する情報や乗員８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７を反射して乗員８がスクリーン５に投射された映像を視認した場合に、乗員８にはフロントウィンドウ７の位置ではなく、フロントウィンドウ７の先の遠方の位置にスクリーン５に投射された映像が虚像９として視認されるように構成される。尚、乗員８が視認できる虚像９はスクリーン５に投射された映像であるが、凹面鏡６やミラー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スクリーン５への映像の投射を行う必要がある。また、フレネルレンズや凹面鏡６を介することによってサイズも変更する。

ここで、虚像９を生成する位置、より具体的には乗員８から虚像９までの距離（以下、生成距離という）Ｌについては、ＨＵＤ１が備える凹面鏡６やフレネルレンズの曲率、スクリーン５と凹面鏡６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６やフレネルレンズの曲率が固定であれば、スクリーン５において映像の表示された位置から凹面鏡６までの光路に沿った距離（光路長）によって生成距離Ｌが決定される。

ここで、本実施形態のＨＵＤ１は、後述のようにスクリーン５が、光源の光を透過させることによってプロジェクタ４から投射された映像を表示する透過型スクリーン５Ａと、光源の光を反射させることによってプロジェクタ４から投射された映像を表示する反射型スクリーン５Ｂの組み合わせからなる。そして、透過型スクリーン５Ａに表示された映像に基づく虚像９と、反射型スクリーン５Ｂに表示された映像に基づく虚像９をそれぞれ生成する。また、反射型スクリーン５Ｂに表示された映像に基づく虚像９の生成距離Ｌについては固定（例えば２．５ｍ）とするが、透過型スクリーン５Ａに表示された映像に基づく虚像９の生成距離Ｌは、透過型スクリーン５Ａと凹面鏡６との間で光路の方向を変更するミラーの位置を移動させることによってその距離を変更可能に構成する。例えば生成距離Ｌを３ｍ〜４０ｍの間で変更可能に構成する。

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１０が設置される。フロントカメラ１０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１０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７越しに乗員８に視認される前方環境（即ち虚像９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１０の代わりにミリ波レーダ等のセンサを用いても良い。

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、プロジェクタ４と、スクリーン５と、凹面鏡６と、第１ミラー１１と、第２ミラー１２と、第３ミラー１３と、カバーガラス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、プロジェクタ４は光源としてＬＥＤ光源やランプ光源やレーザ光源を用いた映像投射装置であり、例えばレーザ走査式プロジェクタとする。尚、プロジェクタ４としてはＤＬＰプロジェクタや液晶プロジェクタやＬＣＯＳプロジェクタを用いても良い。尚、レーザ走査式プロジェクタ以外を用いた場合にはプロジェクタ４に対して別途投射レンズを配置する必要がある。

図３はプロジェクタ４の構成を示した図である。図３に示すようにプロジェクタ４は、内部にレーザ光の光源１８を備えており、例えばレーザ走査式プロジェクタでは光源１８から出力されるレーザ光をＭＥＭＳミラー１９で反射させ、スクリーン５上に走査させることによってスクリーン５に所望の映像を投射する。

一方、スクリーン５は、プロジェクタ４から投射された映像が投射される被投射媒体であり、光源１８の光を透過させることによってプロジェクタ４から投射された映像を表示する透過型スクリーン５Ａと、光源１８の光を反射させることによってプロジェクタ４から投射された映像を表示する反射型スクリーン５Ｂの組み合わせからなる。図４はスクリーン５を示した図である。図４に示すように透過型スクリーン５Ａ及び反射型スクリーン５Ｂは、連続した一の面となるように光源１８の光路に対して垂直方向に一体に繋ぎ合わされる。また、透過型スクリーン５Ａと反射型スクリーン５Ｂの面積比は、例えば３：１とするが、その比率は適宜変更可能である。例えば面積比を１：１としても良い。

ここで、スクリーン５を構成する透過型スクリーン５Ａは、例えばすりガラス等の拡散板やマイクロレンズアレイ等からなる。透過型スクリーン５Ａは、図５に示すように光源１８からの光を透過させることによってプロジェクタ４から投射された映像が表示される。尚、乗員８はプロジェクタ４によって投射された映像を投射側とは逆側から視認することとなる。

一方、スクリーン５を構成する反射型スクリーン５Ｂは、例えばポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）の表面に反射層として特殊な塗料、ガラスビーズ、金属層等を配置することにより構成される。反射型スクリーン５Ｂは、図５に示すように光源１８からの光を反射させることによってプロジェクタ４から投射された映像が表示される。尚、乗員８はプロジェクタ４によって投射された映像を投射側から視認することとなる。

透過型スクリーン５Ａと反射型スクリーン５Ｂでは、乗員８の視認方向が逆方向となっているが、後述のように透過型スクリーン５Ａによって透過された光源１８の光路（以下、第１光路２２という）を、第１ミラー１１及び第２ミラー１２によって折り返し、反射型スクリーン５Ｂによって反射された光源１８の光路（以下、第２光路２３という）と同一方向とすることによって乗員８からは透過型スクリーン５Ａに表示された映像と反射型スクリーン５Ｂに表示された映像を同時に視認可能（即ち、透過型スクリーン５Ａに表示された映像に基づく虚像９と反射型スクリーン５Ｂに表示された映像に基づく虚像９を同時に視認可能）に構成される。

また、凹面鏡６は、スクリーン５に表示された映像を拡大して反射させて乗員８に視認させることによって、乗員８の前方に映像の虚像９（図１参照）を生成する投影鏡である。特に本実施形態では、透過型スクリーン５Ａに表示された映像に基づく虚像９（以下、第１虚像９Ａという）と、反射型スクリーン５Ｂに表示された映像に基づく虚像９（以下、第２虚像９Ｂという）をそれぞれ生成する。尚、凹面鏡６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。

一方、第１ミラー１１は、透過型スクリーン５Ａと凹面鏡６とを結ぶ第１光路２２に沿って透過型スクリーン５Ａと凹面鏡６との間に配置され、透過型スクリーン５ＡからＸ方向（第１方向）で入射する第１光路２２を、Ｘ方向と異なるＹ方向に変更する光の反射手段である。同じく第２ミラー１２は、透過型スクリーン５Ａと凹面鏡６とを結ぶ第１光路２２に沿って透過型スクリーン５Ａと凹面鏡６との間に配置され、透過型スクリーン５ＡからＹ方向で入射する第１光路２２を、Ｙ方向と異なるＺ方向（第２方向）に変更する光の反射手段である。特に本実施形態では、図６に示すように第１ミラー１１の反射面が第２ミラーの反射面となす角度が９０度で、更に、第１ミラー１１の反射面がＸ方向となす角度が４５度、第２ミラー１２の反射面がＺ方向となす角度が４５度となるように第１ミラー１１及び第２ミラー１２を配置する。即ち、本実施形態では特にＸ方向とＺ方向は互いに平行且つ逆方向となるように構成する。

また、第１ミラー１１及び第２ミラー１２は、Ｘ方向に沿って一体に移動可能に構成されている。具体的には、第１ミラー１１及び第２ミラー１２の背面側にあるミラー駆動モータ２４（移動機構）を駆動させることによって、図６に示すように第１ミラー１１及び第２ミラー１２をＸ方向と平行な方向に対して前後方向に移動させることが可能となる。

そして、第１ミラー１１及び第２ミラー１２を移動させることによって、透過型スクリーン５Ａから凹面鏡６までを結ぶ第１光路２２の光路長が変更されることとなる。具体的には図７に示すように第１ミラー１１及び第２ミラー１２を、スクリーン５に近づく方向へと移動させると光路長が短くなる。一方で、第１ミラー１１及び第２ミラー１２を、スクリーン５から遠ざかる方向へと移動させると光路長が長くなる。具体的には光路長は、第１ミラー１１及び第２ミラー１２の移動量の倍の距離を変位することとなる。即ち、第１ミラー１１及び第２ミラー１２をスクリーン５に近づく方向へと５ｍｍ移動させれば光路長は１ｃｍ短くなり、第１ミラー１１及び第２ミラー１２をスクリーン５から遠ざかる方向へと３ｍｍ移動させれば光路長は６ｍｍ長くなる。そして、光路長を変更させた結果、後述のように乗員８から透過型スクリーン５Ａに表示された映像に基づいて生成される第１虚像９Ａまでの距離である生成距離Ｌの長短を変更することが可能となる。

尚、本実施形態では図６に示すようにＺ方向とＺ方向が互いに平行で逆方向となるように構成しているが、必ずしもＸ方向とＺ方向が互いに平行で逆方向となるように構成する必要はない。具体的には、Ｘ方向とＺ方向が９０度以上異なる方向となるように第１ミラー１１及び第２ミラー１２を配置すれば、第１ミラー１１及び第２ミラー１２を移動させることによって、透過型スクリーン５Ａから凹面鏡６までを結ぶ第１光路２２の光路長を変更することが可能である。

また、本実施形態では第１ミラー１１及び第２ミラー１２をＸ方向に平行な方向へ移動させる構成としているが、必ずしもＸ方向と平行な方向に移動させる必要はなく、Ｘ方向と所定角度（例えば５度や１０度）異なる方向に移動させる構成としても良い。その場合であっても、第１ミラー１１及び第２ミラー１２を移動させることによって、透過型スクリーン５Ａから凹面鏡６までを結ぶ第１光路２２の光路長を変更することが可能である。

また、ミラー駆動モータ２４はステッピングモータからなる。そして、ＨＵＤ１は、制御回路部１６から送信されるパルス信号に基づいてミラー駆動モータ２４を制御し、第１ミラー１１及び第２ミラー１２の第１光路２２に沿った位置を適切に位置決めすることが可能となる。

そして、上述のように第１ミラー１１及び第２ミラー１２の位置を移動可能に構成した本実施形態のＨＵＤ１では、図８及び図９に示すように透過型スクリーン５Ａから凹面鏡６までを結ぶ第１光路２２の光路長Ｘ１の距離を変更可能に構成することによって、透過型スクリーン５Ａに投射された映像に基づく第１虚像９Ａが生成される位置（具体的には乗員８から第１虚像９Ａまでの距離である生成距離Ｌ）を変更することが可能である。具体的には、第１ミラー１１及び第２ミラー１２をスクリーン５から遠ざかる方向へと移動させると、透過型スクリーン５Ａから凹面鏡６までを結ぶ第１光路２２の光路長Ｘ１が長くなり、その結果、生成距離Ｌが長くなる（即ち、乗員８からはより遠くに第１虚像９Ａが視認されるようになる）。一方で、第１ミラー１１及び第２ミラー１２をスクリーン５に近づく方向へと移動させると、透過型スクリーン５Ａから凹面鏡６までを結ぶ第１光路２２の光路長Ｘ１が短くなり、その結果、生成距離Ｌが短くなる（即ち、乗員８からはより近くに第１虚像９Ａが視認されるようになる）。

従って、本実施形態に係るＨＵＤ１は、第１虚像９Ａを生成する位置（具体的には乗員８から第１虚像９Ａまでの距離である生成距離Ｌ）を決定すると、決定された生成距離Ｌに対応する位置に第１虚像９Ａを生成する為の光路長Ｘ１（即ち、第１ミラー１１及び第２ミラー１２の位置）を決定し、その後に決定された光路長Ｘ１となるように第１ミラー１１及び第２ミラー１２を移動させるように構成する。

また、生成距離Ｌを変更することが可能な範囲は、第１ミラー１１及び第２ミラー１２を移動可能な範囲によって決定される。特に本実施形態では、第１ミラー１１及び第２ミラー１２を最もスクリーン５側に移動させた状態では、第１虚像９Ａの生成距離Ｌが３ｍとなるように設計する。一方、第１ミラー１１及び第２ミラー１２を最もスクリーン５から離れた位置に移動させた状態では、第１虚像９Ａの生成距離Ｌが４０ｍとなるように設計する。

その一方で、図８及び図９に示すように反射型スクリーン５Ｂから凹面鏡６までを結ぶ第２光路２３については、第１ミラー１１及び第２ミラー１２を介さないので、第１ミラー１１及び第２ミラー１２の位置がどのように変化しても、第２光路２３の光路長Ｘ２は不変である。従って、反射型スクリーン５Ｂに投射された映像に基づく第２虚像９Ｂが生成される位置（具体的には乗員８から第２虚像９Ｂまでの距離である生成距離Ｌ）は常に固定となる。ここで、透過型スクリーン５Ａから凹面鏡６までを結ぶ第１光路２２の光路長Ｘ１と、反射型スクリーン５Ｂから凹面鏡６までを結ぶ第２光路２３の光路長Ｘ２を異なる距離とすれば、乗員８からの距離が異なる位置に第１虚像９Ａと第２虚像９Ｂを同時に生成することが可能となる。

また、本実施形態に係るＨＵＤ１は、透過型スクリーン５Ａによって透過された第１光路２２と、反射型スクリーン５Ｂによって反射された第２光路２３との一部を重複させるように第１ミラー１１及び第２ミラー１２が配置される。具体的には、図１０に示すように特に透過型スクリーン５Ａの内、反射型スクリーン５Ｂとの境界に隣接する箇所を通過する第２ミラー１２から凹面鏡６までの間の第１光路２２と、反射型スクリーン５Ｂの内、透過型スクリーン５Ａとの境界から最も離れた箇所で反射する反射型スクリーン５Ｂから凹面鏡６までの間の第２光路２３とが重複する。そして、重複する箇所について第１光路２２は反射型スクリーン５Ｂによって遮断されることとなり、第２光路２３が優先的に凹面鏡６へと到る。尚、虚像を生成できる範囲を広くする為に重複するエリアはできる限り狭くするのが望ましい。

従って、図１１に示すように透過型スクリーン５Ａに対して上方から順にエリアＡ〜Ｃを設定し、反射型スクリーン５Ｂに対してエリアＤを設定すると、反射型スクリーン５Ｂとの境界に隣接するエリアＣを透過する第１光路２２は上述したように第１ミラー１１及び第２ミラー１２によって反射された後に反射型スクリーン５Ｂによって遮断される。従って、エリアＣに表示された映像の虚像は生成されない。一方、エリアＢを透過する第１光路２２は、第１ミラー１１及び第２ミラー１２によって反射され、エリアＤで反射される第２光路２３の下方を通過する。その際、エリアＢを透過する第１光路２２とエリアＤで反射される第２光路２３の間には隙間が生じない。更に、エリアＡを透過する第１光路２２は、エリアＢを通過する第１光路２２の下方を隙間なく通過する。従って、フロントウィンドウ７の前方には、エリアＡに表示された映像に基づく虚像が表示されるエリアと、エリアＢに表示された映像に基づく虚像が表示されるエリアと、エリアＤに表示された映像に基づく虚像が表示されるエリアとが、隙間なく配置される。尚、凹面鏡６で反射されることによって上下方向が反転されるので、エリアＡに表示された映像に基づく虚像が表示されるエリアが最も上方に位置し、エリアＤに表示された映像に基づく虚像が表示されるエリアが最も下方に位置する。

一方、第３ミラー１３は、図２に示すように第１ミラー１１及び第２ミラー１２によって反射された光源１８からの光や反射型スクリーン５Ｂで反射された光源１８からの光を、凹面鏡６の方向に更に反射することによってＨＵＤ１内で第１光路２２及び第２光路２３を変更する光の反射手段である。

また、カバーガラス１５は、ＨＵＤ１の上面に配置された透過性の板状部材である。そして、スクリーン５に表示された映像は凹面鏡６によって反射され、カバーガラス１５を介して乗員８に視認させる。尚、カバーガラス１５としてはフレネルレンズを用いても良い。また、カバーガラス１５としてフレネルレンズを用いる場合には、凹面鏡６の代わりに平面の鏡を用いることも可能である。

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１２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１２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１３参照）等が記録されたＲＯＭ３３、ＲＯＭ３３から読み出したプログラムや後述の位置設定テーブル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、プロジェクタ４、ミラー駆動モータ２４とそれぞれ接続され、プロジェクタ４や各種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投影可能に構成する。

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１３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８に視認させる虚像９を生成するプログラムである。尚、以下の図１３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、第１ミラー１１及び第２ミラー１２の位置を“基準位置”に設定する。ここで、“基準位置”は、透過型スクリーン５Ａに投射された映像に基づいて生成される第１虚像９Ａの生成距離Ｌが４０ｍとなる第１光路２２の光路長を実現する位置とする。例えば最もスクリーン５から離れた位置が“基準位置”となる。

尚、第１ミラー１１及び第２ミラー１２の現在位置が、“基準位置（例えば最もスクリーン５から離れた位置）”に配置されていない場合には、ミラー駆動モータ２４を駆動させて、“基準位置”へと第１ミラー１１及び第２ミラー１２を移動させる。また、本実施形態では“基準位置”を生成距離Ｌが４０ｍとなる位置としているが、４０ｍ以外（例えば２０ｍや３０ｍ）としても良い。

次に、Ｓ２においてＣＰＵ３１は、プロジェクタ４へと信号を送信し、プロジェクタ４によるスクリーン５への映像の投射を開始する。尚、プロジェクタ４により投射される映像としては、車両２に関する情報や乗員８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、透過型スクリーン５Ａと反射型スクリーン５Ｂとは異なる種類の映像を表示する。また、透過型スクリーン５Ａには、周辺環境に重畳させて乗員８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。一方、反射型スクリーン５Ｂには、周辺環境に重畳させずに乗員８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、車両の現在の車速や車両周辺の地図画像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１４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第１虚像９Ａと、車両の現在の車速を示す第２虚像９Ｂをそれぞれ生成する。また、矢印の第１虚像９Ａについては、地面上、より具体的には第１虚像９Ａ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第１虚像９Ａを生成する。その結果、乗員８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８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。但し、後述のように車両の進行方向前方に障害物が存在する場合には、乗員８から第１虚像９Ａまでの距離が障害物までの距離よりも短い距離となる（Ｓ７）ように構成する。

また、第１虚像９Ａとして特に右左折を示す矢印の虚像を生成する場合には、右左折の対象となる案内交差点の位置に対応させて虚像を生成することが望ましい。例えば、乗員８から右左折対象となる案内交差点までの距離を算出し、第１虚像９Ａの生成距離Ｌ（特に矢印の先端位置までの距離）が算出された距離となるように第１ミラー１１及び第２ミラー１２の位置を変更するように構成する。尚、その後に車両が移動することによって乗員８から右左折対象となる案内交差点までの距離が変化すれば、それに伴って第１ミラー１１及び第２ミラー１２の位置も変更される。それによって、右左折の対象となる案内交差点の位置を乗員８は明確に特定することが可能となる。

続いて、Ｓ３においてＣＰＵ３１は、フロントカメラ１０で撮像した撮像画像を取得する。その後、取得した撮像画像に対して画像処理を行うことによって車両の進行方向前方に位置する障害物や区画線を検出する。尚、障害物としては道路上を移動する移動体である他車両、自転車、歩行者等が該当する。

その後、Ｓ４においてＣＰＵ３１は、車両の進行方向前方に割り込みを行った障害物、即ち虚像の生成位置に接近する障害物があるか否か判定する。具体的には、図１５に示すように障害物（図１５に示す例では２輪車）５１が車両２の走行する車線５２の区画線５３を超えて車両２の走行する車線５２内に進入した場合に、車両の進行方向前方に割り込みを行った障害物があると判定する。尚、区画線５３が無い道路などでは、例えば車両から虚像の生成位置までを結ぶ直線を設定し、該直線から所定距離（例えば５ｍ）以内に障害物が近付いた場合に、車両の進行方向前方に割り込みを行った障害物があると判定するように構成しても良い。

そして、車両の進行方向前方に割り込みを行った障害物がある、即ち虚像の生成位置に接近する障害物があると判定された場合（Ｓ４：ＹＥＳ）には、Ｓ５へと移行する。それに対して、車両の進行方向前方に割り込みを行った障害物が無い、即ち虚像の生成位置に接近する障害物が無いと判定された場合（Ｓ４：ＮＯ）には、透過型スクリーン５Ａ及び反射型スクリーン５Ｂへの映像の投射を継続しつつＳ３へと戻る。

Ｓ５においてＣＰＵ３１は、車両から割り込みを行った障害物までの距離Ｒを取得する。具体的には、フロントカメラ１０で撮像した画像や車両に設置された測距センサ等のその他センサの検出結果に基づいて取得する。

次に、Ｓ６においてＣＰＵ３１は、前記Ｓ５で取得された車両から割り込みを行った障害物までの距離Ｒと、現在の第１虚像９Ａの生成距離Ｌ（即ち４０ｍ）とを比較し、距離Ｒが生成距離Ｌよりも長いか否か、即ち障害物の位置が第１虚像９Ａと乗員８の間にあるか否か判定する。

そして、距離Ｒが現在の第１虚像９Ａの生成距離Ｌよりも長い、即ち障害物の位置が第１虚像９Ａと乗員８の間にないと判定された場合（Ｓ６：ＹＥＳ）には、仮に障害物が第１虚像９Ａの方向へと移動したとしても、障害物と第１虚像９Ａとが光路上で重複することがない。即ち、車両の進行方向前方を視認する乗員８に対して、第１虚像９Ａと障害物とを重複させずに視認させることが可能となる。従って、透過型スクリーン５Ａ及び反射型スクリーン５Ｂへの映像の投射を継続しつつＳ３へと戻る。

一方、距離Ｒが現在の第１虚像９Ａの生成距離Ｌと同距離又は短い、即ち障害物の位置が第１虚像９Ａと乗員８の間にあると判定された場合（Ｓ６：ＮＯ）には、仮に障害物が第１虚像９Ａの方向へと移動すると、乗員８から障害物が第１虚像９Ａと重複して視認される虞があり、その結果、第１虚像９Ａが障害物の中に埋め込まれたように視認される虞があると推定する。従って、第１虚像９Ａによる案内態様を変更する為にＳ７へと移行する。

Ｓ７においてＣＰＵ３１は、ミラー駆動モータ２４を駆動させて、第１ミラー１１及び第２ミラー１２の位置を“基準位置”から“パネル表示位置”に変更する。ここで、“パネル表示位置”は、透過型スクリーン５Ａに投射された映像に基づいて生成される第１虚像９Ａの生成距離Ｌが３ｍとなる第１光路２２の光路長を実現する位置とする。例えば最もスクリーン５に近づく位置が“パネル表示位置”となる。

尚、前記Ｓ７におけるミラー駆動モータ２４の駆動は、フラッシュメモリ３４から読み出した位置設定テーブルを用いて行う。ここで、位置設定テーブルは、設定可能な生成距離Ｌ毎（本実施形態では３ｍ（パネル表示位置）と４０ｍ（基準位置）の２種類）に対応付けて、第１ミラー１１及び第２ミラー１２の位置（即ち第１光路２２の光路長）が規定されている。そして、ＣＰＵ３１は、位置設定テーブルに基づいて第１ミラー１１及び第２ミラー１２を“基準位置”から“パネル表示位置”へ移動させるのに必要なミラー駆動モータ２４の駆動量（パルス数）を決定する。その後、ＣＰＵ３１は、決定された駆動量だけミラー駆動モータ２４を駆動させる為のパルス信号をミラー駆動モータ２４へと送信する。そして、パルス信号を受信したミラー駆動モータ２４は、受信したパルス信号に基づいて駆動を行う。その結果、第１ミラー１１及び第２ミラー１２は“基準位置”から“パネル表示位置”へと移動することとなる。また、本実施形態では“パネル表示位置”を第１虚像９Ａの生成距離Ｌが３ｍとなる位置としているが、距離Ｒよりも短い距離であれば３ｍ以外（例えば２．５ｍや５ｍ）としても良い。

次に、Ｓ８においてＣＰＵ３１は、プロジェクタ４へと信号を送信し、特に透過型スクリーン５Ａへと投射する映像の内容を変更する。具体的には、周辺環境に重畳させて乗員８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から、周辺環境に重畳させずに乗員８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へと切り替える。具体的には、車両の進行方向を示す矢印を、路面に重畳させる矢印の形状から単純に方向を示す矢印の形状へと変化する。

その結果、図１７に示すように障害物５１が第１虚像９Ａに接近した場合であっても、第１虚像９Ａを生成する位置は自車両の先端に近い３ｍ先の位置となるので、障害物５１と第１虚像９Ａとが光路上で重複することがない。尚、その後に障害物５１が車両の進行方向前方から移動した場合には、第１ミラー１１及び第２ミラー１２の位置を再び基準位置に戻し、投射する映像の内容もＳ２の内容に戻すように構成することが望ましい。また、前記Ｓ８において、透過型スクリーン５Ａへと投射する映像の内容を、車両の進行方向を示す矢印から車両周辺の地図情報及びナビゲーション装置４８で設定された案内経路や案内経路に基づく案内情報へと変更するように構成しても良い。

以上詳細に説明した通り、本実施形態に係るＨＵＤ１によれば、プロジェクタ４から投射された映像を表示する為のスクリーンを透過型スクリーン５Ａと反射型スクリーン５Ｂから構成し、透過型スクリーン５Ａと反射型スクリーン５Ｂに投射された映像を凹面鏡６及び車両２のフロントウィンドウ７に反射させてそれぞれ車両の乗員８に視認させることによって、車両の乗員８が視認する映像の虚像を生成する。また、ＨＵＤ１は、透過型スクリーン５Ａによって透過された光源の光路である第１光路と、反射型スクリーン５Ｂによって反射された光源の光路である第２光路との一部を重複させるように構成する。その結果、乗員８からの距離が異なる位置に複数の虚像を同時に生成することが可能となる。その一方で、複数のスクリーンを用いた場合であっても従来のようにスクリーンの隙間に該当するエリアが暗く視認されることなく、虚像が分断される等の不具合も解消できる。その結果、ユーザに違和感を感じさせることのない適切な虚像を生成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７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７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７自身ではなくフロントウィンドウ７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、本実施形態では透過型スクリーン５Ａと反射型スクリーン５Ｂを一体に構成しているが、透過型スクリーン５Ａと反射型スクリーン５Ｂは必ずしも一体である必要はない。尚、プロジェクタ４がレーザプロジェクタであれば、スクリーン毎のプロジェクタからの距離が異なっていても、映像を適切に表示可能である。

また、本実施形態では透過型スクリーン５Ａと反射型スクリーン５Ｂとにそれぞれ異なる映像を表示する構成としているが、透過型スクリーン５Ａと反射型スクリーン５Ｂに跨った映像を表示する構成としても良い。本実施形態では各スクリーンの間にある隙間によって虚像が分断されないので、よりサイズの大きい虚像についても適切に生成することが可能となる。

また、本実施形態では第１ミラー１１及び第２ミラー１２を光路に沿って一体に移動させることによって、透過型スクリーン５Ａから凹面鏡６までを結ぶ第１光路２２の光路長Ｘ１を変更する構成としているが、第１ミラー１１や第２ミラー１２は固定とし、スクリーン５や凹面鏡６を光路に沿って移動させることによって、光路長Ｘ１を変更する構成としても良い。また、第１ミラー１１と第２ミラー１２は一体で移動可能な構成であれば、別々の駆動源で駆動させる構成としても良い。

また、本実施形態では投射レンズが不要となるレーザ走査式プロジェクタを用いているが、レーザ走査式プロジェクタ以外のプロジェクタ（例えば、ＤＬＰプロジェクタ、液晶プロジェクタ、ＬＣＯＳプロジェクタ）を用いても良い。

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１３）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。
光源（１８）から出力される光に基づいて生成される映像を投射するプロジェクタ（４）と、前記光源の光を透過させることによって前記プロジェクタから投射された映像の一部である第１映像を表示する透過型スクリーン（５Ａ）と、前記光源の光を反射させることによって前記プロジェクタから投射された映像の一部である第２映像を表示する反射型スクリーン（５Ｂ）と、前記透過型スクリーンに表示された前記第１映像と前記反射型スクリーンに表示された前記第２映像をそれぞれ反射させてユーザに視認させることによって前記第１映像及び前記第２映像の虚像（９Ａ、９Ｂ）を生成する投影鏡（６）と、を有し、前記透過型スクリーンによって透過された前記光源の光路である第１光路（２２）と、前記反射型スクリーンによって反射された前記光源の光路である第２光路（２３）との一部を重複させる。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、映像を表示する映像表示面として、透過型スクリーンと反射型スクリーンの２つのスクリーンを用いることによって、ユーザからの距離が異なる位置に複数の虚像を同時に生成することが可能となる。その一方で、透過型スクリーンによって透過された光源の光路と、反射型スクリーンによって反射された光源の光路とを重複させることによって、複数のスクリーンを用いた場合であっても従来のようにスクリーンの隙間に該当するエリアが暗く視認されることなく、虚像が分断される等の不具合も解消できる。その結果、ユーザに違和感を感じさせることのない適切な虚像を生成することが可能となる。

また、第２の構成は以下のとおりである。
前記透過型スクリーン（５Ａ）から前記投影鏡（６）までを結ぶ前記第１光路（２２）の光路長と、前記反射型スクリーン（５Ｂ）から前記投影鏡までを結ぶ前記第２光路（２３）の光路長と、が異なる距離である。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、透過型スクリーンに投射した映像に基づく虚像と反射型スクリーンに投射した映像に基づく虚像を、それぞれユーザからの距離が異なる位置に同時に生成することが可能となる。

また、第３の構成は以下のとおりである。
前記透過型スクリーン（５Ａ）及び前記反射型スクリーン（５Ｂ）は、連続した一の面により構成される。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、複数のスクリーンを一体に構成することによって、複数のスクリーンを用いた場合であっても装置をより小型化且つ簡略化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。
前記第１映像と前記第２映像とは異なる映像である。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、異なる映像に基づく虚像をユーザからの距離が異なる位置に同時に生成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。
前記第１光路（２２）に沿って前記透過型スクリーン（５Ａ）と前記投影鏡（６）との間に配置され、前記透過型スクリーンから第１方向で入射する前記第１光路（２２）を、前記投影鏡（６）へ向かうとともに前記第１方向と平行且つ逆方向となる第２方向に変更する反射ミラー（１１、１２）を有する。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、透過型スクリーンを透過した光源の光路を反射ミラーにより折り返すことによって、透過型スクリーンを透過した光源の光路と反射型スクリーンを反射した光源の光路との一部を重複させ、光路の方向も同一方向とすることが可能となる。

また、第６の構成は以下のとおりである。
前記反射ミラー（１１、１２）から前記投影鏡（６）までの間の前記第１光路（２２）と、前記反射型スクリーン（５Ｂ）から前記投影鏡（６）までの間の前記第２光路（２３）との一部を重複させる。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、透過型スクリーンを透過した光源の光路を反射ミラーにより折り返すことによって、折り返した後の透過型スクリーンを透過した光源の光路と反射型スクリーンを反射した光源の光路とを適切に重複させることが可能となる。

また、第７の構成は以下のとおりである。
前記反射ミラー（１１、１２）を前記第１方向に沿って移動させる移動機構（２４）を有する。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、反射ミラーの位置を変位させることによって透過型スクリーンから投影鏡までの光路長を変更し、ユーザから透過型スクリーンに表示された映像に基づいて生成される虚像までの距離について任意に変更可能となる。

また、第８の構成は以下のとおりである。
前記ユーザから前記第１映像の虚像（９Ａ）までの距離である生成距離を決定する生成距離決定手段（３１）と、前記生成距離決定手段により決定された前記生成距離に対応する位置に前記第１映像の虚像を生成する為の前記反射ミラーの位置を決定するミラー位置決定手段（３１）と、を有し、前記移動機構（２４）を制御して前記ミラー位置決定手段によって決定された位置に前記反射ミラー（１１、１２）を移動させる。
上記構成を有する虚像表示装置によれば、反射ミラーの位置、即ち透過型スクリーンから投影鏡までの光路長を制御することによって任意に設定された位置に虚像を生成す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
４ プロジェクタ
５ スクリーン
５Ａ 透過型スクリーン
５Ｂ 反射型スクリーン
６ 凹面鏡
７ フロントウィンドウ
８ 乗員
９ 虚像
１０ フロントカメラ
１１ 第１ミラー
１２ 第２ミラー
２２ 第１光路
２３ 第２光路
２４ ミラー駆動モータ
３１ ＣＰＵ
３２ ＲＡＭ
３３ ＲＯＭ
３４ フラッシュメモリ

Claims (8)

1. 光源から出力される光に基づいて生成される映像を投射するプロジェクタと、
   前記光源の光を透過させることによって前記プロジェクタから投射された映像の一部である第１映像を表示する透過型スクリーンと、
   前記光源の光を反射させることによって前記プロジェクタから投射された映像の一部である第２映像を表示する反射型スクリーンと、
   前記透過型スクリーンに表示された前記第１映像と前記反射型スクリーンに表示された前記第２映像をそれぞれ反射させてユーザに視認させることによって前記第１映像及び前記第２映像の虚像を生成する投影鏡と、を有し、
   前記透過型スクリーンによって透過された前記光源の光路である第１光路と、前記反射型スクリーンによって反射された前記光源の光路である第２光路との一部を重複させる虚像表示装置。
2. 前記透過型スクリーンから前記投影鏡までを結ぶ前記第１光路の光路長と、前記反射型スクリーンから前記投影鏡までを結ぶ前記第２光路の光路長と、が異なる距離である請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記透過型スクリーン及び前記反射型スクリーンは、連続した一の面により構成される請求項１又は請求項２に記載の虚像表示装置。
4. 前記第１映像と前記第２映像とは異なる映像である請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の虚像表示装置。
5. 前記第１光路に沿って前記透過型スクリーンと前記投影鏡との間に配置され、前記透過型スクリーンから第１方向で入射する前記第１光路を、前記投影鏡へ向かうとともに前記第１方向と平行且つ逆方向となる第２方向に変更する反射ミラーを有する請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の虚像表示装置。
6. 前記反射ミラーから前記投影鏡までの間の前記第１光路と、前記反射型スクリーンから前記投影鏡までの間の前記第２光路との一部を重複させる請求項５に記載の虚像表示装置。
7. 前記反射ミラーを前記第１方向に沿って移動させる移動機構を有する請求項５又は請求項６に記載の虚像表示装置。
8. 前記ユーザから前記第１映像の虚像までの距離である生成距離を決定する生成距離決定手段と、
   前記生成距離決定手段により決定された前記生成距離に対応する位置に前記第１映像の虚像を生成する為の前記反射ミラーの位置を決定するミラー位置決定手段と、を有し、
   前記移動機構を制御して前記ミラー位置決定手段によって決定された位置に前記反射ミラーを移動させる請求項７に記載の虚像表示装置。

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