JP6864580B2 - ヘッドアップディスプレイ装置、ナビゲーション装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置及びナビゲーション装置に関する。

車両の運転者等の運転を支援する情報をウィンドウシールドの反射部材に投影して運転者の前方に虚像を結像させるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置が知られている。虚像はウィンドウシールドよりも車両の前方に結像するので、通常、遠方を見ている運転者は車内のディスプレイを見る場合よりも少ない視線移動で運転を支援する情報を視認できる。

このようなヘッドアップディスプレイ装置において、虚像の結像位置を近方と遠方に異ならせた２レイヤのヘッドアップディスプレイ装置が考案されている（例えば、特許文献１参照）。図１は、２レイヤのヘッドアップディスプレイ装置により結像される遠方虚像１１と近方虚像１２を模式的に示す。なお、図１（ａ）では説明のための遠方虚像１１と近方虚像１２が図示されているが、実際には遠方虚像１１と近方虚像１２は目に映るだけである。

図１（ｂ）は遠方虚像１１と近方虚像１２に表示される運転を支援する情報の一例を示す。一例として、遠方虚像１１に走行レーンを示すアイコン２０１が表示されており、近方虚像１２に追従走行中であることを示すアイコン２０２、進路変更までの時間２０３、着信のお知らせ２０４が表示されている。図１（ｂ）に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置は遠方と近方にそれぞれ適切な情報を表示するため、ユーザは遠方虚像１１に表示された情報と近方虚像１２に表示された情報を把握しやすくなる。

また、表示される虚像の数を多くすることで、奥行き感を増大させたヘッドアップディスプレイ装置が考案されている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２には、正面虚像の下側に下側虚像を表示し、正面虚像の上側に上側虚像を表示する車両用表示装置が開示されている。下側虚像と上側虚像により正面虚像に奥行き感が得られるため運転者への情報の訴求力を向上させることができる。

実開平７−５８８６号公報 特開２０１６−６８６９３号公報

しかしながら、特許文献２の車両用表示装置では虚像の数だけ表示器が必要になりコスト増になるという問題がある。すなわち、表示器が独立している場合、表示器の位置を表示器ごとに変えられるため正面画像の上下に別々の虚像を表示できる。しかし、複数の表示器を設けることはコスト増になる。

本発明は、上記課題に鑑み、コストの増大を抑制して奥行き感がある映像を表示可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。

本発明は、映像投影装置が投影した映像の虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、前記映像投影装置が投影した第一の映像を反射する第一のミラーと、前記第一のミラーが反射した前記第一の映像を、前記映像投影装置が投影した第二の映像に重畳させる１つ以上の第二のミラーと、前記第二の映像の予め定められた領域が所定方向に投影された際に形成する空間を使って前記第二のミラーを固定する固定手段と、を有し、前記第二のミラーは前記第二の映像と重畳して配置されており、前記第一のミラーが反射した前記第一の映像を、前記第二の映像が投影される方向に反射することを特徴とする。

コストの増大を抑制して奥行き感がある映像を表示可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供することができる。

２レイヤのヘッドアップディスプレイ装置により結像される遠方虚像と近方虚像を模式的に示す図の一例である。 ヘッドアップディスプレイ装置の概略的な特徴を説明する図の一例である。 運転者の視点から見た遠方虚像と近方虚像の一例を示す図である。 車載されたヘッドアップディスプレイ装置の概略的な構成図の一例である。 凸レンズによる虚像の結像を説明する図の一例である。 ヘッドアップディスプレイの基本的な光学系を説明する図の一例である。 ヘッドアップディスプレイ装置の比較例を説明する図である。 ヘッドアップディスプレイ装置の概略的な構造を説明する図の一例である。 ヘッドアップディスプレイ装置の概略的な構造を説明する図の一例である。 非描画領域を説明する図の一例である。 近方虚像用の映像と重畳するように配置される第二ミラー、又は第四ミラーの取り付け構造を説明する図の一例である。 四隅の非描画領域が凹面ミラーに対し投影してできる空間を示す図の一例である。 アイボックスを説明する図の一例である。 視点位置ずれを説明する図の一例である。 運転席から見た実景に重畳された近方虚像及び遠方虚像の一例を示す図である。 ＡＲイメージについて説明する図の一例である。 路面にペイントされた投影画像の投影面への透視投影変換を説明する図の一例である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

＜ヘッドアップディスプレイ装置の概略的な特徴＞
図２は、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置の概略的な特徴を説明する図の一例である。本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置は１つの映像投影装置で近方虚像１２と遠方虚像１１を重畳して表示する。図２に示すように、運転者の視点から、近方虚像１２の略中央に遠方虚像１１が重なって表示される。遠方虚像１１が重畳する近方虚像１２は、中央３１ａと四隅３１ｂに非描画領域３１を有する。非描画領域３１とは文字やアイコンなどの情報だけでなく輝度の明暗による情報を含まない領域である。具体的には、元の映像が黒画素の領域、又は、光が照射されない領域ということができる。このため、遠方虚像１１と近方虚像１２が重畳していても、運転者は遠方虚像１１を良好に視認できる。

図３は、運転者の視点から見た遠方虚像１１と近方虚像１２であり、非描画領域３１について説明する図である。図２で説明したように、近方虚像１２の中央３１ａと四隅３１ｂは非描画領域３１であり、中央３１ａがくり抜かれたような構造になるため、遠方虚像１１に奥行き感が得られる。更に、奥行き感を増大させるため、近方虚像１２の右描画領域１２ｒ、左描画領域１２ｌ、上描画領域１２ｕ、及び、下描画領域１２ｄは、パース図で表現されている。パース図とは遠近法を利用して立体的に表現された図をいう。透視図ともいう。すなわち、遠方虚像１１に近づくほど狭くなる図形（四辺形であるがより具体的には台形）が右描画領域１２ｒ、左描画領域１２ｌ、上描画領域１２ｕ、及び、下描画領域１２ｄとして形成されている。実景の視認性を阻害しない程度に半透明のグラデーションを形成することで更に奥行感を強調できる。

右描画領域１２ｒ、左描画領域１２ｌ、上描画領域１２ｕ、及び、下描画領域１２ｄには、それぞれに適した運転を支援する情報の表示が可能である。

遠方虚像１１の周囲には中央３１ａの非描画領域３１が存在する。近方虚像１２の右描画領域１２ｒ、左描画領域１２ｌ、上描画領域１２ｕ、及び、下描画領域１２ｄの間は四隅３１ｂの非描画領域３１である。中央３１ａ及び四隅３１ｂの非描画領域３１も奥行き感を高めるという効果を奏する。更に、中央３１ａの非描画領域３１は後述するアイボックス内の視点ぶれに対する視認性の確保に有効であり、遠方虚像１１の歪み補正にも利用できる。

また、近方虚像１２の右描画領域１２ｒ、左描画領域１２ｌ、上描画領域１２ｕ、及び、下描画領域１２ｄの間の四隅３１ｂの非描画領域３１は、後述するように、遠方虚像１１と近方虚像１２の重畳表示を実現するためのミラーを固定する固定アーム（固定手段の一例）が設置される領域となる。したがって、四隅３１ｂの非描画領域３１は奥行き感を高めるだけでなく、固定アームを見えなくする効果をもたらすことができる。

＜ヘッドアップディスプレイ装置の概略構造＞
図４は、車載されたヘッドアップディスプレイ装置の概略的な構成図を示す。図４は説明の便宜上、１レイヤのヘッドアップディスプレイ装置を示す。本実施形態では一例として車両に搭載されたヘッドアップディスプレイ装置を例にして説明する。ヘッドアップディスプレイ装置の表示ユニット２０はダッシュボードの内部に埋め込まれており、表示ユニット２０の上面に設けられ射出窓からウィンドウシールド１３に向けて映像が投影される。投影された映像がウィンドウシールド１３よりも前方に虚像１０として表示される。運転者９はこの虚像を視認することができる。したがって、ヘッドアップディスプレイ装置は表示装置の一態様である。運転者９は視線を前方の車両や路面に保ったまま（少ない視線移動で）運転を支援する情報を目視できる。運転を支援する情報については後述する。

＜ヘッドアップディスプレイの光学系＞
図５、図６を用いてヘッドアップディスプレイの光学系について説明する。図５は凸レンズによる虚像の結像を説明する図の一例であり、図６はヘッドアップディスプレイの基本的な光学系を説明する図の一例である。

図５に示すように、レンズ５１の焦点距離ｆよりもレンズ５１に対し手前に物体５２がある場合、レンズ越しの視点から虚像１０が見える。虚像１０は実際にはそこに存在せず、スクリーンを置いても物体の像は映らない。レンズ５１から物体５２までの距離をａ、虚像１０までの距離ｂ、焦点距離をｆとすると、これらにはよく知られているように以下の関係がある。
（１／ａ）−（１／ｂ）＝１／ｆ
距離ｂについて解くと分かるように、レンズ５１から虚像１０までの距離ｂは距離ａが大きく焦点距離ｆが小さいほど大きくなる。焦点距離ｆが一定であれば、距離ａが大きいほど距離ｂが大きくなり、運転者９から見て遠方に虚像を結像させることができる（ただし、虚像が得られるのはａ＜ｆ）。虚像１０が遠方にあるほど、通常、遠方を見ている運転者９にとっては少ない視線移動で運転を支援する情報を視認できる。

次に、図６を用いて凹面ミラー２７による虚像について説明する。映像投影装置２１がディフューザ２２に照射した映像は凹面ミラー２７で反射され拡大された後にウィンドウシールド１３のコンバイナー１７で運転者９の視線方向に反射される。この時、運転者９からはコンバイナー１７を通して画像が遠方に拡大して表示されているように見える。これは、凹面ミラー２７が図５で説明したレンズ５１と同様の働きをするためである。凹面ミラー２７の焦点距離ｆとディフューザ２２との距離Ｌ１の関係により（Ｌ１＜ｆ）、車両の前方の画像は虚像１０になり、実際にはコンバイナー１７の前方には存在しない。

ディフューザ２２と凹面ミラー２７との距離をＬ１、凹面ミラー２７とコンバイナー１７との距離Ｌ２、凹面ミラー２７が凸レンズであった場合の仮想的な虚像１０´と凹面ミラー２７までの距離をＬ３、コンバイナー１７から虚像１０までの距離Ｌ４とする。図５との対応では、距離Ｌ１が距離ａに相当し、距離Ｌ３が距離ｂに相当する。したがって、コンバイナー１７からは距離Ｌ４＝Ｌ２＋Ｌ３に虚像が結像するように見える。

運転者９の視線移動を少なくするにはＬ２又はＬ３を大きくすればよい。距離Ｌ２は車両の構造などで決まる場合が多く距離Ｌ２を大きくすることは困難な場合が多い。距離Ｌ３を大きくするには図５で説明したように凹面ミラー２７の焦点距離ｆを小さくするか又は距離Ｌ１を大きくする必要がある。距離Ｌ１を大きくする方法として、ヘッドアップディスプレイ装置ではいくつかのミラーで映像を折り返して距離を稼ぐ方法が採用される。

＜本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置の構造例＞
<<近方虚像と遠方虚像が重畳しないヘッドアップディスプレイ装置>>
図７は、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１００と比較するための比較例を説明する図である。図７のヘッドアップディスプレイ装置１００は、２レイヤのヘッドアップディスプレイ装置であるが近方虚像１２と遠方虚像１１が重畳しない。

ヘッドアップディスプレイ装置１００は、表示ユニット２０とウィンドウシールド１３に形成されたコンバイナー１７を有する。表示ユニット２０は、更に映像投影装置２１、ディフューザ２２、第一ミラー２３（第一のミラーの一例）、第二ミラー２４（第二のミラーの一例）、及び、凹面ミラー２７を有する。これらの詳細は図８にて説明する。

映像投影装置２１は遠方虚像１１として結像する映像と、近方虚像１２として結像する映像をディフューザ２２に投影する。遠方虚像用の映像は第一ミラー２３で第二ミラー２４の方向に反射され、第二ミラー２４により凹面ミラー２７に向かって反射される。これに対し、近方虚像用の映像はディフューザ２２から直接、凹面ミラー２７に到達する。

凹面ミラー２７は遠方虚像用の映像と近方虚像用の映像をコンバイナー１７に向けて反射する。運転者の視点からは遠方虚像１１と近方虚像１２が見える。第一ミラー２３と第二ミラー２４により、遠方虚像用の映像の方が近方虚像用の映像よりも凹面ミラー２７までの光路長が長いので、遠方虚像１１は近方虚像１２よりも運転者から見て遠方に結像する。

<<近方虚像と遠方虚像が重畳するヘッドアップディスプレイ装置１>>
図８は、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１００の概略的な構造を説明する図の一例である。すなわち、図８のヘッドアップディスプレイ装置１００は近方虚像１２と遠方虚像１１が重畳する２レイヤのヘッドアップディスプレイ装置である。図７との相違としては、第二ミラー２４が近方虚像用の映像４３と重畳している。これにより、近方虚像１２に重畳した遠方虚像１１が得られる。

映像投影装置２１は、車両に搭載された車両側ユニットから取得した運転を支援する情報に基づいて虚像として投影される映像を生成する。具体的には例えば路面に進行方向を表すマークが描画されているかのように見えるＡＲイメージを生成する。ＡＲとは「Augmented Reality」の略であり拡張現実と呼ばれる。この場合、映像投影装置２１は三次元座標系に何らかの投影画像（オブジェクトと呼ばれる）を配置して運転者の視界に相当する投影面に投影画像を透視投影変換することで、ＡＲイメージを生成する。あるいは、ＡＲ表示することなく、単に車速などの情報を生成してもよい。

映像投影装置２１は映像を投影する機能を有する。投影の方式としてはＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、ＤＬＰ（Digital Light Processing）、レーザプロジェクタなどがある。本実施形態では投影の方式は制限されない。

ディフューザ２２は映像投影装置２１が投影した映像（光）を拡大する役割を有する。ディフューザ２２の映像投影装置２１側の面には隙間なくマイクロレンズが形成されている。マイクロレンズは通常のレンズと比較して物像間距離を小さくできるため、距離Ｌ１を稼ぎやすい。なお、映像が広がる角度は，マイクロレンズのサイズ、各レンズの焦点距離などから決定される。

映像投影装置２１から見てディフューザ２２の背面（映像の投影方向）には第一ミラー２３及び第二ミラー２４が配置されている。第一ミラー２３は第二ミラー２４よりも鉛直方向上側に配置される。第二ミラー２４は、第一ミラー２３の真下であって、近方虚像用の映像４３の中央に配置される。図８の第一ミラー２３と第二ミラー２４の面積は同じであるが、どちらかが大きくてもよい。

第一ミラー２３は、遠方虚像用の映像４２を第二ミラー２４に向けて折り返すため、遠方虚像用の映像４２の投影範囲に配置される。すなわち、ディフューザ２２と重畳している。第二ミラー２４は、近方虚像用の映像４３に遠方虚像用の映像４２を重畳させるため、近方虚像用の映像４３の投影範囲に配置される。すなわち、ディフューザ２２と重畳している。

第一ミラー２３がどのくらいディフューザ２２と重畳するかは、映像の設計方針によって調整される。すなわち、近方虚像１２として表示する運転を支援する情報を多くしたければ、第一ミラー２３とディフューザ２２の重畳面積を小さくする。遠方虚像１１として表示する運転を支援する情報を多くしたければ、第一ミラー２３とディフューザ２２の重畳面積を大きくする。ただし、遠方虚像１１の周囲を囲むように近方虚像１２が表示されるため、第一ミラー２３とディフューザ２２の重畳面積はディフューザ２２の半分未満である。奥行き感を十分に表現するためには１／３未満であることが好ましい。

第一ミラー２３と第二ミラー２４は互いに平行に配置されており、第一ミラー２３及び第二ミラー２４はディフューザ２２からの遠方虚像用の映像４２を近方虚像用の映像４３と重畳させて、近方虚像用の映像４３と平行に凹面ミラー２７に向けて反射する。

凹面ミラー２７は上記のように、映像を拡大してコンバイナー１７に向けて反射すると共に虚像を結像させるためのレンズの役割を果たす。凹面ミラー２７には近方虚像用の映像４３に重畳して遠方虚像用の映像４２が到達する。凹面ミラー２７が反射した映像は表示ユニット２０の射出部１８を通過してコンバイナー１７に到達する。凹面ミラー２７は映像の全体がコンバイナー１７に到達するように大きさ、角度、及び、位置が設計される。

コンバイナー１７は２つの機能を有する。１つは凹面ミラー２７で反射された映像を運転者側に反射させる機能である（反射部材の機能）。もう１つはコンバイナー１７を介して運転者９が得る視界を確保する機能（透過機能）である。コンバイナー１７の運転者側の面にはビームスプリッターが形成されているため、入射する映像の少なくとも一部を運転者９に向けて反射する。また、外光の少なくとも一部が透過して運転者９の目に到達する。 これにより、運転者９は虚像と実景の両方を同時に見ることができる。

なお、コンバイナー１７の車外側の面は車内側の面とほぼ同じ曲率を有しているため、コンバイナー１７を透過する光に対してレンズ効果を持たず、実景が歪むことはない。

図８から明らかなように、ディフューザ２２から第一ミラー２３，第二ミラー２４、及び、凹面ミラー２７までの光路長と、ディフューザ２２から凹面ミラー２７までの光路長とでは、前者の方が長い。したがって、近方虚像１２は遠方虚像１１よりも運転者９から見て手前に結像し、遠方虚像１１は近方虚像１２よりも運転者９から見て遠方に結像する。

図８のような構成によれば、１つの第二ミラー２４で近方虚像１２と遠方虚像１１を重畳させることができる。つまり、ミラーの数が少なくて済むためコスト増を抑制できる。一方で、遠方虚像用の映像４２の距離をあまり稼げない。

ところで、後述するアイボックス内で運転者が視線を動かすと第一ミラー２３及び第二ミラー２４のエッジ４１が見える可能性がある。しかし、第一ミラー２３及び第二ミラー２４の縁がミラーコーティングされていない場合、光学的なパス（通り道）にならないため、黒く沈んで見えるだけになる。

一方、エッジ４１の浮きという現象は発生しないが、エッジ４１を映像が通過できないので、描画できないエリアが存在する。しかし、近方虚像用の映像４３の中央３１ａの非描画領域を遠方虚像用の映像４２よりも大きく確保することで、描画できないエリアが目立たないようにできる。

また、アイボックス内で目を動かすと遠方虚像１１が中心に見えなくなるが、これも中央３１ａの非描画領域３１が設けられることで解決される。

また、第二ミラー２４が配置される際、ミラー本体以外の取り付け部品（以下、固定アームという）が近方虚像用の映像４３の光路を遮らないように配置される必要がある。この構造については図１１にて説明する。

<<近方虚像と遠方虚像が重畳するヘッドアップディスプレイ装置２>>
図９は、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１００の概略的な構造を説明する図の一例である。なお、図９の説明では主に図８との相違を説明する。

図９では、第一ミラー２３，第二ミラー２４（第一反射部の一例）、第三ミラー２５（第二反射部の一例）、及び、第四ミラー２６（第三反射部の一例）により遠方虚像用の映像４２が反射されている。第一ミラー２３と第二ミラー２４の配置は図７と同様である。第三ミラー２５は第二ミラー２４が反射した遠方虚像用の映像４２を鉛直方向上側に反射する。第四ミラー２６は第三ミラー２５の真上であって、近方虚像用の映像４３の中央に配置される。すなわち、第四ミラー２６は、近方虚像用の映像４３に遠方虚像用の映像４２を重畳させるため、近方虚像用の映像４３の投影範囲に配置される。すなわち、ディフューザ２２と重畳している。

第一ミラー２３、第二ミラー２４、第三ミラー２５及び第四ミラー２６の面積は同じであるが、必ずしも同一である必要はない。第四ミラー２６は、遠方虚像用の映像４２を近方虚像用の映像４３と重畳させて、近方虚像用の映像４３と平行に凹面ミラー２７に向けて反射する。

図９の構成によれば、ディフューザ２２が投影した遠方虚像用の映像４２は、第一ミラー２３、第二ミラー２４、第三ミラー２５，及び第四ミラー２６により順番に反射され凹面ミラー２７まで導かれる。したがって、図８の構成よりも遠方虚像用の映像４２の光路長を長くすることができる。第三ミラー２５，及び第四ミラー２６の分だけ部品数が多くなるため、若干のコスト増になる可能性があるが、近方虚像１２と遠方虚像１１の距離の差をより大きくできるため、図８の構成よりも奥行き感を増大させることが可能になる。

なお、第四ミラー２６が配置される際、ミラー本体以外の固定アームが近方虚像用の映像４３の光路を遮らないように配置される必要がある点は図８の構成と同様である。固定アームの配置方法については図８と同様であり、図１１にて説明する。

＜第二ミラー２４、第四ミラー２６の取り付け構造＞
図１０は非描画領域３１を説明する図の一例である。ディフューザ２２は１つの映像内に構築された近方虚像用の映像４３（第二の映像の一例）と遠方虚像用の映像４２（第一の映像の一例）を投影する。近方虚像用の映像４３を第一ミラー２３と同一の形状にできればヘッドアップディスプレイ装置１００の設計上、最大のサイズの近方虚像１２を投影できるため理想的である。しかし、映像は凹面ミラー２７及びコンバイナー１７により歪むため、この歪みが近方虚像１２として結像される際になくなるように、予め歪み補正された映像が投影される。歪み補正された映像は第一ミラー２３と同じ矩形ではないので、近方虚像用の映像４３には、歪み補正のための非描画領域３２が設けられている。したがって、実際に情報が描画される領域３５は近方虚像用の映像４３の一部である（第一ミラー２３のサイズよりも小さい）。

近方虚像用の映像４３は、上記のように中央３１ａと四隅３１ｂの非描画領域３１が存在する。近方虚像用の映像４３は、上描画領域１２ｕ、左描画領域１２ｌ、右描画領域１２ｒ、及び、下描画領域１２ｄの各領域に区分されている。各領域は遠近感を演出するためにパース図で表現されている。中央３１ａと四隅３１ｂの非描画領域３１は、近方虚像用の映像４３から上描画領域１２ｕ、左描画領域１２ｌ、右描画領域１２ｒ、及び、下描画領域１２ｄのパース図を差し引いた残りの領域である。

ユーザインタフェースのデザイン性を考慮して、上描画領域１２ｕ、左描画領域１２ｌ、右描画領域１２ｒ、及び、下描画領域１２ｄが決定されるので、中央３１ａと四隅３１ｂの非描画領域３１は予め定められている。ただし、固定アームが第二ミラー２４を取り付ける空間を考慮して非描画領域３１が決定される。いずれにしても非描画領域３１は予め定められている。

遠方虚像用の映像４２は非描画領域３２と共に近方虚像用の映像４３の中央３１ａと重畳される。したがって、近方虚像用の映像４３の中央３１ａの非描画領域３１には、遠方虚像用の映像４２の情報が描画される領域３５と非描画領域３２が重畳される。したがって、中央３１ａの非描画領域３１の一部が非描画領域３２になる。

また、第二ミラー２４又は第四ミラー２６は、近方虚像用の映像４３の四隅３１ｂの非描画領域３１を使用して取り付けられる。すなわち、四隅３１ｂの非描画領域３１と重なりはみ出さないように固定アームが第二ミラー２４又は第四ミラー２６を固定する。

なお、四隅３１ｂの非描画領域３１に限られず、中央３１ａの非描画領域３１（遠方虚像用の映像４２の周囲の非描画領域３２）が固定アームの取り付けに利用されてもよい。

図１１は、近方虚像用の映像４３と重畳するように配置される第二ミラー２４、又は第四ミラー２６の取り付け構造を説明する図の一例である。図１１では第二ミラー２４の取り付け構造が説明されるが、第四ミラー２６の場合も考え方は同じである。

凹面ミラー２７には近方虚像用の映像４３と遠方虚像用の映像４２が重畳して投影されている。ディフューザ２２は近方虚像用の映像４３を第二ミラー２４に向かって投影するが、第二ミラー２４の４つの頂点４４に対応する近方虚像用の映像４３の位置は、中央３１ａと四隅３１ｂの交点４５である。

また、第二ミラー２４の４つの頂点４４に対応する交点４５から近方虚像用の映像４３の頂点４６に向かう四隅３１ｂの範囲は、奥行き感をもたらすための非描画領域３１である。固定アーム４７は近方虚像用の映像４３の四隅３１ｂの非描画領域３１が凹面ミラー２７の方向（所定方向の一例）に投影してできる空間を利用して、第二ミラー２４を周囲の壁面４９に固定する。なお、必ずしも４つの固定アーム４７の全てを壁面４９に固定しなくてもよく、少なくとも１つ以上が壁面４９に固定されればよい。

図１２は四隅３１ｂの非描画領域３１が凹面ミラー２７に対し投影してできる空間４８を示す図の一例である。図１２に示すように、固定アーム４７は四隅３１ｂの非描画領域３１が形成する空間４８に配置される。図示する以外の固定アーム４７についても同様である。

このように投影される映像の非描画領域３１を利用することで、第二ミラー２４をディフューザ２２と重畳させても、第二ミラー２４の固定アームが近方虚像１２に影を落とすことを防止できる。

＜視点位置ずれについて＞
図３にて説明したように、遠方虚像１１を上下左右の近方虚像１２が囲むように虚像が表示される。近方虚像１２の方が運転者から見て手前に結像するため、運転者の目の位置によっては近方虚像１２が遠方虚像１１を遮るおそれがある。しかしながら、本実施形態では遠方虚像用の映像４２の周囲に歪み補正の非描画領域３２（近方虚像用の映像４３との重畳後は中央３１ａの周囲）が設けられているため、近方虚像１２が遠方虚像１１を遮るおそれはほとんどない。

まず、図１３を用いてアイボックスについて説明する。図１３はアイボックスを説明する図の一例である。なお、図１３では説明の便宜上、１レイヤのヘッドアップディスプレイ装置を示す。運転者９の体格や運転席に着座した際の姿勢等は運転者９によって同じとは限らないので、運転者９の目の位置も変化する。このため、ヘッドアップディスプレイ装置では代表的な運転者９の目の位置を中心とする一定領域が想定されている。運転者９の目がこの領域内にある限りは虚像を視認できるように、ヘッドアップディスプレイの光学系が設計されている。そして、このように設定された一定領域（視認領域）をアイボックス１９と称する。

図１３では、凹面ミラー２７で反射した光をコンバイナー１７がアイボックス１９をカバーして反射できるように、凹面ミラー２７の角度（コンバイナー１７による映像の反射方向）等が設計されている。

図１３は１レイヤのヘッドアップディスプレイ装置が例示されているが、２レイヤのヘッドアップディスプレイ装置の場合も同様であり、第一ミラー２３及び第二ミラー２４のそれぞれで反射された光が、運転者９の目に向けてコンバイナー１７で反射されることでアイボックス１９が形成される。

図１４は、視点位置ずれを説明する図の一例である。図１４（ａ）は非描画領域３１を説明するための側面図を示し、図１４（ｂ）はアイボックスにおける視点位置（両目の中心位置）を示す。図１４（ｃ）は運転者から見た近方虚像１２と遠方虚像１１の相対位置を模式的に示す。図１４（ａ）に示すように、近方虚像１２が上と下に、遠方虚像１１がその間に表示される。運転者から見て左右の近方虚像１２は省略されている。近方虚像１２は遠方虚像１１よりも手前に表示される。

運転者の視点位置はアイボックス内で図１４（ｂ）のａ〜ｅのいずれかを取り得る。視点位置がアイボックス内のａにある場合、図１４（ｃ）のｃ−１に示すように遠方虚像１１は近方虚像１２の中心に見える。視点位置がアイボックス内のｂにある場合、図１４（ｃ）のｃ−２に示すように遠方虚像１１は近方虚像１２の上側に寄って見える。視点位置がアイボックス内のｃにある場合、図１４（ｃ）のｃ−３に示すように遠方虚像１１は近方虚像１２の下側に寄って見える。視点位置がアイボックス内のｄにある場合、図１４（ｃ）のｃ−４に示すように遠方虚像１１は近方虚像１２の右側に寄って見える。視点位置がアイボックス内のｅにある場合、図１４（ｃ）のｃ−５に示すように遠方虚像１１は近方虚像１２の左側に寄って見える。

しかしながら、遠方虚像用の映像４２の周囲には歪み補正のための非描画領域３２（重畳後は中央３１ａの周囲）が設けられているので、アイボックスの範囲では近方虚像１２が遠方虚像１１を遮ることがないか、又は、視認性に支障がない程度になる。

＜運転を支援する情報の表示例＞
図１５を用いて近方虚像１２及び遠方虚像１１として表示される運転を支援する情報の一例を説明する。図１５は、運転席から見た実景に重畳された近方虚像１２及び遠方虚像１１の一例を示す。近方虚像１２及び遠方虚像１１は実景に重ねて表示されるＡＲ表示が可能である。

まず、ヘッドアップディスプレイ装置１００はナビゲーション装置と一体に提供されてもよいし、ヘッドアップディスプレイ装置１００のみで提供されてもよい。ナビゲーション装置は各種の運転支援を行う装置である。例えば、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）などで自車位置を検出すると共に道路地図に自車位置を表示する。また、道路地図に目的地までの経路を表示したり、進路変更の手前で進行方向を案内したりすることで目的地まで運転者を誘導する。

遠方虚像１１には自車両が追従走行している先行車を表す追従走行マーク３０１、及び、目的地マーク３０２が表示されている。追従走行する際、自車両はレーダ又はステレオカメラなどで先行車を検出しているため、自車両を基準とする距離と方位を検出している。また、路面の高さは既知である。したがって、映像投影装置２１は先行車両の後方の路面に追従走行マーク３０１を表示できる。

ナビゲーション装置に目的地が設定されている場合、自車位置と目的地の座標（緯度、経度、標高）が検出されている。したがって、自車位置からみた目的地の方位も既知になる。映像投影装置２１は目的地を囲むように目的地マーク３０２を表示できる。なお、目的地マーク３０２に限らず、ＰＯＩ（Point Of Interest）の場所にＰＯＩマークを表示してもよい。例えば、運転者が過去に立ち寄った場所、運転者の嗜好から判断される施設、及び、ガソリンスタンド等である。

近方虚像１２の上描画領域１２ｕには、例えば、自車両の進行方向３０３、目的地までの距離３０４、及び、誘導方向３０５等が表示される。すなわち、遠方虚像１１で表示された情報を補完する情報が表示されている。こうすることで、運転者が運転のために見る機会が多い遠方虚像１１の視認性を阻害せずに、目的地までの詳細な情報を近方虚像１２の上描画領域１２ｕに表示できる。なお、自車両の進行方向は東西南北のどの方向に向かっているかを示す。目的地までの距離は道なりの距離でも直線距離でもよい。誘導方向とは次の進路変更の際に自車両が進行する方向である。目的地までの距離は遠方虚像１１の目的地マーク３０２の真上に表示することが好ましい。こうすることで運転者は遠方虚像１１と近方虚像１２との関連性を把握できる。また、近方虚像１２の上描画領域１２ｕに誘導方向が表示されるので運転者の視認性を阻害せずに誘導方向を案内できる。

左右の側面（左描画領域１２ｌ、右描画領域１２ｒ）には何らかの警告が表示される。一例として、近方虚像１２の左描画領域１２ｌには検出された障害物に関する警告枠３０６が表示されている。図１５では歩行者３０７が検出された例を示す。自車両はステレオカメラやレーダにより障害物を検出しているため、障害物までの距離と方位は既知である。映像投影装置２１は歩行者３０７の周囲を囲む四辺形を警告枠３０６として表示する。この警告枠３０６は遠近感を表すように遠方が狭く近方が広くなるので、運転者の視点からの相対方向が分かり易くなる。

また、一例として、近方虚像１２の右描画領域１２ｒには後方接近車両マーク３０８が表示されている。後方接近車両マーク３０８は自車両の右後側方で車両が検出された旨の警告である。自車両から見て右側の路面に後方接近車両マーク３０８が表示されている。

近方虚像１２の下描画領域１２ｄのうち、ダッシュボードに近いエリアには自車速度３１０や交差点拡大図３１１などが表示され（インフォテイメント領域）、道路に近いエリアには、走行レーン３１２等が表示される。インフォテイメントとはインフォメーション（情報）とエンターテインメント（娯楽）を組み合わせた造語である。

近方虚像１２の上描画領域１２ｕ、左描画領域１２ｌ、右描画領域１２ｒ、及び、下描画領域１２ｄには半透明のグラデーションが表示されている。このグラデーションは遠方ほど薄く、近方ほど濃くなっている。また、近方虚像１２の上描画領域１２ｕ、左描画領域１２ｌ、右描画領域１２ｒ、及び、下描画領域１２ｄは遠近感をもたらすパース図により描かれている。これらにより、奥行き感を増大させることができる。

なお、近方虚像１２の上描画領域１２ｕ、左描画領域１２ｌ、右描画領域１２ｒ、及び、下描画領域１２ｄに表示されるべきコンテンツが無い場合、これらの虚像は完全に透過な映像でよい。あるいは、表示されるべきコンテンツが無い場合に半透明であってもよい。近方虚像１２の上描画領域１２ｕ、左描画領域１２ｌ、右描画領域１２ｒ、及び、下描画領域１２ｄのグラデーション及び枠線は表示されるべきコンテンツがある場合にのみ表示される。あるいは、表示されるべきコンテンツが無い場合にグラデーション及び枠線が表示されてもよい。

また、近方虚像１２の上描画領域１２ｕ、左描画領域１２ｌ、右描画領域１２ｒ、及び、下描画領域１２ｄは常に４つ１組で表示されることで奥行き感を演出できる。しかし、任意の１つ以上だけが表示されてもよい。

このように、近方虚像１２の中央に遠方虚像１１が重畳されることで、奥行き感のある映像の提供が可能になる。また、近方虚像１２を４つに分けてそれぞれに適切な運転を支援する情報を奥行き感のある状態で表示できる。

これら図１５の表示例は一例にすぎず、近方虚像１２の上描画領域１２ｕ、左描画領域１２ｌ、右描画領域１２ｒ、及び、下描画領域１２ｄにどのようなコンテンツが表示されるかは適宜、設定される。また、運転者が任意に設定可能であると更に好ましい。

＜ＡＲイメージの作成について＞
図１６はＡＲイメージについて説明する図の一例である。図１６（ａ）は投影画像５３が仮に車両６の前方の路面にペイントされている場合の想定図である。このような投影画像５３が路面に実際にペイントされていると仮定すると、運転者９からは遠方ほど小さい右向きの三角形（レーン移動誘導の投影画像）が見える。一例として、車両の車幅方向をｘ軸、鉛直方向をｙ軸、進行方向をｚ軸とする。三角形の頂点の１つの座標を（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）とする。

図１６（ｂ）は同様に路面にペイントされたレーン移動誘導と車両６の側面図である。車両６と共に移動する所定の原点（例えば車両の中心）をとると、路面までの高さｙ１は既知になる。また、車両６のどのくらい前方にレーン移動誘導の投影画像５３が表示されることが運転を支援する上で効果的かは実験的に定められている。したがって、前方までの距離ｚ_１は設定値となる。車両６の中心から車幅方向のどのくらいの距離にレーン移動誘導の投影画像５３が表示されることが運転を支援する上で効果的かは実験的に定められている。したがって、車幅方向の距離ｘ_１は設定値となる。以上から（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）は既知である。

図１７は、路面にペイントされた投影画像５３の投影面５４への透視投影変換を説明する図の一例である。映像投影装置２１は投影画像の透視投影変換を行うが、透視投影変換には投影面５４の設定が必要になる。投影面５４とは投影画像５３が投影される２次元平面である。投影面５４は運転者９の視界を表す。ヘッドアップディスプレイ装置１００がＡＲイメージを表示する場合、運転者はコンバイナー越しに前方を見るため、コンバイナー１７の付近のほぼ垂直な平面が投影面５４として設定される。したがって、投影面５４の中心座標（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）は投影面５４がどこに設定されるかにより上記のｘ、ｙ、ｚ座標系で算出される。投影面５４の大きさもアイボックス１９及びコンバイナー１７の大きさから適宜、決定されている。

映像投影装置２１はこの投影面５４に対し透視投影変換を行う。投影面５４に投影された投影画像５３の座標をｘ_２，ｙ_２，ｚ_２とすると、同次座標系の射影変換は以下で表すことができる。

この変換を投影画像の各画素ごとに行うことで、映像投影装置２１はＡＲイメージを作成できる。左辺の第４成分でｘ_２，ｙ_２を割ることで投影面５４の座標が得られる。

したがって、路面だけでなく、図１５で説明した歩行者又は先行車等の三次元座標が分かれば、適宜、ＡＲイメージを作成できる。

＜まとめ＞
以上説明したように、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置は、２レイヤのヘッドアップディスプレイ装置において、近方虚像用の映像４３の中央に描画しないエリアが設けられており、遠近感が高いユーザインタフェースを実現することができる。従来の２レイヤのヘッドアップディスプレイ装置と比較しても、臨場感を得られる他、近方虚像と遠方虚像の奥行感の差を利用して多種多様なユーザインタフェースが可能となる。特に、ＡＲ表現の自由度が高くなる。

また、臨場感が高い表現によって運転者の視野の奥行感や平衡感覚の維持にも効果があると期待できる。近方虚像が複数のエリアに区切られることで、エリアごとに適切な情報を表示したり、複数のエリア間で情報を補間し合ったりすることも可能となる。

また、近方虚像の中央に遠方虚像を投影するため、第二ミラー２４又は第四ミラー２６の固定に工夫がいるが、四隅３１ｂの非描画領域３１が凹面ミラー２７の方向に投影してできる空間を利用することで固定アーム４７を取り付け可能となる。したがって、従来の２レイヤのヘッドアップディスプレイ装置の機構を大きく変更することなく、ミラーを配置するだけで実現可能であり、ヘッドアップディスプレイ装置のサイズの増大及びコスト増を抑制できる。

＜その他の適用例＞
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等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において種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、本実施形態では近方虚像用の映像４３の四隅を非描画領域３１としたが、非描画領域３１は近方虚像用の映像４３のどこに設けられてもよい。すなわち、非描画領域３１により固定アームを固定できる空間が得られればよい。ただし、近方虚像用の映像４３は運転を支援する情報を表示するための映像なので、運転を支援する情報の視認性が考慮されてよい。

また、四隅３１ｂの全てを使用するのでなく、四つの四隅３１ｂの一部だけを使って固定アームが第二ミラー２４を固定してもよい。

また、ヘッドアップディスプレイ装置はダッシュボードの内部に埋め込まれている必要はなく、ダッシュボード上に配置されていていてもよい。あるいは、天井に取り付けられていてもよいし、サンバイザにと取り付けられていてもよい。また、ヘッドアップディスプレイ装置は車両への脱着が可能でもよい。

また、近方虚像用の映像４３に遠方虚像用の映像４２の全体が重畳することが好ましいが、一部が重畳するだけでもよい。また、近方虚像用の映像４３の１辺と遠方虚像用の映像４２の１辺だけが共通になるように重畳したり、近方虚像用の映像４３の２辺と遠方虚像用の映像４２の２辺だけが共通になるように重畳したり、近方虚像用の映像４３の３辺と遠方虚像用の映像４２の３辺だけが共通になるように重畳したりしてもよい。

また、近方虚像用の映像４３の近方虚像１２の右描画領域１２ｒ、左描画領域１２ｌ、上描画領域１２ｕ、及び、下描画領域１２ｄは四辺形に限られず、遠近感が表現された角が丸くなった図形でもよい。また、角がカットされた図形でもよい。

また、本実施形態では遠方虚像１１と近方虚像１２に運転を支援する情報が表示されると説明したが、遠方虚像１１と近方虚像１２には各種の情報を表示できる。例えば、電話・メールが着信したことを文字やアイコンなどで表示してもよいし、メールの内容を表示してもよい。また、サーバなどからお知らせ（ニュース等）が受信された場合、内容を表示してもよい。

また、図９では第二ミラー２４〜第四ミラー２６で光路長を稼ぎながら近方虚像と遠方虚像を重畳させたが、更にミラーを増やせば光路長を稼ぎ、かつ、近方虚像と遠方虚像を重畳させることができる。

また、本実施形態ではヘッドアップディスプレイ装置１００が車両６に搭載された例を説明したが、車両６以外の移動体に搭載されてもよい。例えば、飛行機、電車、船舶、自動二輪車、又は、車椅子などに搭載できる。

１１ ：遠方虚像
１２ ：近方虚像
２０ ：表示ユニット
２１ ：映像投影装置
２２ ：ディフューザ
２３ ：第一ミラー
２４ ：第二ミラー
２５ ：第三ミラー
２６ ：第四ミラー
２７ ：凹面ミラー
３１、３２ ：非描画領域
４７ ：固定アーム
１００ ：ヘッドアップディスプレイ装置

Claims (10)

1. 映像投影装置が投影した映像の虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記映像投影装置が投影した第一の映像を反射する第一のミラーと、
   前記第一のミラーが反射した前記第一の映像を、前記映像投影装置が投影した第二の映像に重畳させる１つ以上の第二のミラーと、
   前記第二の映像の予め定められた領域が所定方向に投影された際に形成する空間を使って前記第二のミラーを固定する固定手段と、を有し、
   前記第二のミラーは前記第二の映像と重畳して配置されており、前記第一のミラーが反射した前記第一の映像を、前記第二の映像が投影される方向に反射することを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記第二の映像の予め定められた領域は、前記第二の映像の情報が含まれない領域である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. 前記第二の映像の予め定められた領域は、黒画素が形成された領域であるために光が投影されない領域である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。
4. 前記第二の映像は、重畳された前記第一の映像の右側、上側、左側、又は、下側に、遠近感が表現された図形を有し、
   前記予め定められた領域は、遠近感が表現された前記図形が前記第二の映像から差し引かれた残りの四隅の領域であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記固定手段は前記四隅がそれぞれ形成する前記空間に配置され、それぞれの前記固定手段の少なくとも１つは前記第二のミラーの頂点を前記ヘッドアップディスプレイ装置の壁面に固定することを特徴とする請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
6. 前記第一のミラーが反射した前記第一の映像を前記第二の映像に重畳して、前記第二の映像が投影される方向に反射することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
7. 前記第二のミラーは、前記第一のミラーが反射した前記第一の映像を反射する第一反射部と、
   前記第一反射部が反射した前記第一の映像を反射する第二反射部と、
   前記第二の映像と重畳して配置され、前記第二反射部が反射した前記第一の映像を前記第二の映像に重畳して、前記第二の映像が投影される方向に反射する第三反射部と、
   を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
8. 前記第一の映像には情報が含まれない非描画領域が前記第一の映像の周囲に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
9. 前記映像投影装置は前記図形の内側に運転を支援する情報を表示する請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置を有し、
    目的地まで前記ヘッドアップディスプレイ装置が搭載された車両を案内するナビゲーション装置。

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