JP6925916B2 - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイに関し、特に、車両に設けられ、車両の搭乗者が視認する虚像を表示するための投射光を投射するヘッドアップディスプレイに用いて好適なものである。

従来、車載のヘッドアップディスプレイにより、各種情報（例えば、車速、進行方向、制限速度等）を示す虚像を運転手の前方に表示する技術が利用されている。車載のヘッドアップディスプレイに関し、特許文献１には、車両の前後方向に対して略垂直となる平面表示（虚像）と、車両の前後方向の成分を含んだ奥行表示（虚像）とを同時に表示し、運転手が、奥行表示を利用して、平面表示までの距離感をつかみやすくするヘッドアップディスプレイが記載されている。

図９は、特許文献１に係るヘッドアップディスプレイ８１が、虚像を表示する様子を示す図である。図９に示すように、ヘッドアップディスプレイ８１は、第１表示器８２と、第２表示器８３とを有する照射ユニット８４を備えており、第１表示器８２により投射光を投射して虚像である平面表示８５を表示すると共に、第２表示器８３により投射光を投射して虚像である奥行表示８６を表示する。

特開２０１６−０６８５７７号公報

図９に示すように、ヘッドアップディスプレイ８１は、平面表示８５が結像する位置に対して、奥行表示８６の全域が結像する位置が運転手側に来るように、平面表示８５および奥行表示８６を表示する。つまり、平面表示８５を運転手が視認したときの焦点距離よりも、奥行表示８６の全域についての焦点距離の方が短い。人間は、虚像について、焦点距離によってその遠近を知覚するため、図９に示す態様で虚像が表示された場合、平面表示８５および奥行表示８６を視認する運転手は、奥行表示８６の全域が、平面表示８５よりも手前に位置しているように感覚的に知覚する。この場合、運転手の視界の中で、平面表示８５と奥行表示８６とが重なる領域８７について、奥行表示８６は奥に向かって延在していくような表現で表示される一方、運転手は、奥行表示８６の全域が平面表示８５よりも手前に位置していると知覚するため、運転手が違和感を抱いてしまうという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、車両前後方向に対して略垂直となる虚像、および、車両前後方向の成分を含んだ虚像を表示するヘッドアップディスプレイについて、車両の搭乗者が、違和感を抱くことなく、これら虚像を奥行感を持って視認できるようにすることを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明のヘッドアップディスプレイは、車両前後方向に対して略垂直となる虚像である垂直虚像を表示するための垂直虚像投射光を投射する垂直虚像投射部と、車両前後方向の成分を含んだ虚像である第１奥行虚像を、垂直虚像に対して車両の搭乗者に向かう側に表示するための第１奥行虚像投射光を投射する第１奥行虚像投射部と、車両前後方向の成分を含み、垂直虚像の表示領域に表示される虚像である第２奥行虚像を、垂直虚像に対して車両の搭乗者から離れる側に表示するための第２奥行虚像投射光を投射する第２奥行虚像投射部と、投射面に投射光を導く１または複数の反射部材とを備え、第１奥行虚像投射部および第２奥行虚像投射部を、基準方向に対して傾いた第１方向に第１奥行虚像投射光を投射すると共に、基準方向に対して第１方向と対称な第２方向に第２奥行虚像投射光を投射する第１投射装置により構成し、第１奥行虚像投射光が１つ目の反射部材に、直接、投射されると共に、第２奥行虚像投射光が反射面を反射して間接的に１つ目の反射部材に投射されるようにしている。

上記のように構成した本発明によれば、ヘッドアップディスプレイは、車両前後方向に対して略垂直となる虚像である垂直虚像に対して、車両の搭乗者に向かう側に車両前後方向の成分を含んだ虚像である第１奥行虚像を表示し、さらに、車両の搭乗者から離れる側に、車両前後方向の成分を含み、垂直虚像の表示領域に表示される虚像である第２奥行虚像を表示する。これにより、車両の搭乗者が虚像を視認したときに、車両前後方向の成分を含んだ虚像のうち、垂直虚像の表示領域に重なる部分については、運転手にとって垂直虚像よりも奥にあるように知覚されることになり、車両の搭乗者は、車両前後方向に対して略垂直となる虚像、および、車両前後方向の成分を含んだ虚像を、違和感を抱くことなく、奥行感を持って視認できる。

本発明の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイの装置構成例を示す図である。 ヘッドアップディスプレイが投射する投射光の光路の説明に用いる図である。 運転手により視認される垂直虚像、第１奥行虚像および第２奥行虚像の一例を示す図である。 運転手により視認される垂直虚像、第１奥行虚像および第２奥行虚像の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイを有する表示システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイにより表示される虚像の例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイにより表示される虚像の例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイにより表示される虚像の例を示す図である。 従来のヘッドアップディスプレイが虚像を表示する様子を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１（Ａ）は、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ１の装置構成例を、車両のフロントウィンドシールドＷＳ（特許請求の範囲の「投射面」に相当）および車両の搭乗者（本実施形態では、運転手）の視点Ｅと共に示す図である。図１（Ａ）では、ヘッドアップディスプレイ１が投射する投射光の光路、および、投射光の投射により結像される虚像を描画している。図１（Ａ）では、矢印で示すとおり、図中左に向かう方向が車両の前方であり、図中右に向かう方向が車両の後方であり、図中上に向かう方向が車両の上方であり、図中下に向かう方向が車両の下方である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の要部拡大図である。

ヘッドアップディスプレイ１は、車両に設けられた装置であり、図１（Ａ）に示すように、投射ユニット２と凹面ミラー３とを備えている。投射ユニット２および凹面ミラー３は、例えば、車両のダッシュボードに収容される。ヘッドアップディスプレイ１は、投射ユニット２が投射した投射光を凹面ミラー３で拡大しつつ反射してフロントウィンドシールドＷＳに投射し、車両に搭乗する運転手の前方に虚像を結像する装置である。フロントウィンドシールドＷＳに投射された投射光は運転手側に反射され、これにより、運転手の視界Ｌの中で、運転手から見てフロントウィンドシールド４の前方に虚像が結像される。凹面ミラー３は、特許請求の範囲の「投射面に投射光を導く反射部材」に相当する。以下の説明では、ヘッドアップディスプレイ１が投射光を投射して虚像を結像することを、単に「ヘッドアップディスプレイ１が虚像を表示する」のように言う場合がある。

図１（Ｂ）に示すように、投射ユニット２は、第１投射装置５と第２投射装置６とを備えている。第１投射装置５は、液晶パネルを有する第１光変調装置７と、第１光変調装置７の背面側に設けられた第１光源８と、第１光変調装置７の正面側に設けられた視差バリア９とを備えている。第１光源８は、第１光変調装置７に光を供給する部材であり、ＬＥＤや、レーザー光源等が用いられる。後述の第２光源１０についても同様である。第１投射装置５は、第１光変調装置７の面に対して直行する基準方向ＫＬに対して傾いた第１方向Ｈ１に第１奥行虚像投射光を投射すると共に、基準方向ＫＬに対して第１方向Ｈ１と対称な第２方向Ｈ２に第２奥行虚像投射光を投射する。

詳述すると、第１光変調装置７の液晶パネルは、第１画像データに基づいて光を変調する第１の画素の列と、第１画像データとは異なる第２画像データに基づいて光を変調する第２の画素の列とが交互に並んで配列される。第１光変調装置７の正面側に設けられた視差バリア９は、光源が発する光を偏光部材によって第１方向Ｈ１と第２方向Ｈ２とに分離すると共に、第１の画素により変調された光のみを第１方向Ｈ１に投射させ、第２の画素により変調された光のみを第２方向Ｈ２に投射させる。第１投射装置５によって第１方向Ｈ１に向かって投射された投射光は、第１奥行虚像を結像させる第１奥行虚像投射光に相当し、また、第２方向Ｈ２に向かって投射された投射光は、第２奥行虚像を結像させる第２奥行虚像投射光に相当する。

図１（Ｂ）に示すように、第２投射装置６は、液晶パネルを有する第２光変調装置１１と、第２光変調装置１１の背面側に設けられ、第２光変調装置１１に光を供給する第２光源１０と、第２光変調装置１１の正面側に設けられた光路変更部材１２と、光路変更部材１２の正面側に設けられたハーフミラー１３（特許請求の範囲の「面」および「反射面」に相当）とを備えている。第２投射装置６は、第２光源１０が発する光を第２光変調装置１１により変調し、光路変更部材１２により投射光が凹面ミラー３に向かうように光路を変更して、投射光を投射する。第２投射装置６によって投射された光は、垂直虚像を結像する垂直虚像投射光に相当する。ハーフミラー１３は、光路変更部材１２を介して投射された投射光を透過する機能、および、第１光変調装置７が第２方向Ｈ２に向かって投射した投射光を凹面ミラー３に向かって反射する機能を有するミラーである。

図１（Ａ）において、符号ＰＤは垂直虚像であり、符号ＤＤ１は第１奥行虚像であり、符号ＤＤ２は第２奥行虚像である。図１（Ａ）の垂直虚像ＰＤ、第１奥行虚像ＤＤ１および第２奥行虚像ＤＤ２は、それぞれ、虚像が結像可能な領域の全域に延在した像である。図２（Ａ）は、第１投射装置５および第２投射装置６が投射する光の光路を説明するため、図１（Ｂ）の要部拡大図に、説明に適した態様で、各装置が投射する光の光路を明示した図である。図２（Ｂ）は、運転手の視点Ｅから、垂直虚像ＰＤ、第１奥行虚像ＤＤ１および第２奥行虚像ＤＤ２のそれぞれが結像した位置までの距離を、図２（Ａ）で示す光路との関係を明確にした状態で記した図である。図２（Ａ）の距離Ｌ＿ＤＤ１、距離ＬＤＤ＿２、距離Ｌ＿ＰＤおよび距離Ｌ＿ｄｅｐｔｈは、それぞれ、図２（Ｂ）の距離Ｌ＿ＤＤ１’、距離ＬＤＤ＿２’、距離Ｌ＿ＰＤ’および距離Ｌ＿ｄｅｐｔｈ’に対応する。図３は、運転手の視界Ｌの中で、運転手により視認される垂直虚像ＰＤ、第１奥行虚像ＤＤ１および第２奥行虚像ＤＤ２を簡易化して模式的に示す図である。

図１（Ａ）および図２（Ａ）で第１投射装置５により第１方向Ｈ１に向かって投射される光の光路が示すように、第１投射装置５から第１方向Ｈ１に向かって投射された第１奥行虚像投射光は、凹面ミラー３の所定の領域に投射され、この凹面ミラー３により反射されて、第１奥行虚像ＤＤ１を結像する。第１奥行虚像ＤＤ１は、車両前後方向の成分を含んだ虚像である。車両前後方向の成分を含んだ虚像とは、虚像が結像される平面的な領域が、車両上下方向よりも、車両前後方向に傾いた虚像のことを意味する。従って、図３に示すように、第１奥行虚像ＤＤ１は、車両の前方側（＝運転手から離れる側）に向かうほど遠くに位置するような奥行感もって運転手に視認される。

図１（Ａ）および図２（Ａ）で第２投射装置６により投射される光の光路が示すように、第２投射装置６から投射された垂直虚像投射光は、凹面ミラー３の所定の領域に投射され、この凹面ミラー３により反射されて、垂直虚像ＰＤを結像する。この垂直虚像ＰＤは、車両前後方向に対して略垂直な虚像である。車両前後方向に対して略垂直な虚像とは、虚像が結像される平面的な領域が、車両前後方向に対して略垂直な虚像のことを意味する。従って、図３に示すように、垂直虚像ＰＤは、運転手の正面に略垂直に立ち上がった像として運転手に視認される。

図１（Ａ）に示すように、第１奥行虚像ＤＤ１は、その全域が、垂直虚像ＰＤに対して車両後方側（＝運転手側）に結像するように表示される。つまり、垂直虚像ＰＤを運転手が視認したときの焦点距離よりも、第１奥行虚像ＤＤ１の全域についての焦点距離の方が短い。従って、運転手は、垂直虚像ＰＤおよび第１奥行虚像ＤＤ１を視認した場合、垂直虚像ＰＤよりも第１奥行虚像ＤＤ１の全域の方が手前に位置していると知覚する。さらに、第１奥行虚像ＤＤ１は、当該虚像が結像する領域の前端の位置が、垂直虚像ＰＤが結像する領域の下端の位置と略一致するように表示される。このため、図３に示すように、運転手は、垂直虚像ＰＤおよび第１奥行虚像ＤＤ１を視認した場合、第１奥行虚像ＤＤ１が奥に向かって延在すると共に、その奥側の端部に隣接して、垂直虚像ＰＤが立ち上がって表示されているように感覚的に認識する。

図１（Ａ）および図２（Ａ）で第１投射装置５により第２方向Ｈ２に向かって投射される光の光路が示すように、第１投射装置５から第２方向Ｈ２に向かって投射された第２奥行虚像投射光は、第２投射装置６のハーフミラー１３の所定の領域に投射される。この所定の領域は、ハーフミラー１３において光路変更部材１２を介した光が通過する領域に含まれた領域である。図１（Ａ）および図２（Ａ）に示すように、「第１投射装置５から第２方向Ｈ１へ向かって投射された投射光が、ハーフミラー１３を反射した後に凹面ミラー３へ向かう方向」は、「第１方向Ｈ１」と同じ（平行）である。また、図１（Ａ）および図２（Ａ）に示すように、ハーフミラー１３によって反射された第２奥行虚像投射光の投射方向と、第２投射装置６が投射する垂直虚像投射光の投射方向とは一致する。従って、ハーフミラー１３によって反射された第２奥行虚像投射光は、第２投射装置６が投射する垂直虚像投射光の光路と対応する光路で、凹面ミラー３の所定の領域に投射される。第２奥行虚像投射光は、凹面ミラー３により反射されて、第２奥行虚像ＤＤ２を結像する。第２奥行虚像ＤＤ２は、車両前後方向の成分を含んだ虚像である。

図１（Ａ）および図３に示すように、運転手の視界Ｌの中で、第２奥行虚像ＤＤ２は、領域Ｑにおいて垂直虚像ＰＤに重なった状態で運転手に視認される。そして、図１（Ａ）に示すように、第２奥行虚像ＤＤ２は、その全域が、垂直虚像ＰＤに対して車両前方側（＝運転手の反対側）に結像するように表示される。つまり、垂直虚像ＰＤを運転手が視認したときの焦点距離よりも、第２奥行虚像ＤＤ２の全域についての焦点距離の方が長い。これは、第２奥行虚像投射光が第２投射装置６のハーフミラー１３を反射して凹面ミラー３に投射されるため、フロントウィンドシールドＷＳに至るまでの光路について、第２奥行虚像投射光の光路の長さが、第１投射装置５から投射されてハーフミラー１３に至るまでの光路分、垂直虚像投射光の光路よりも長くなるという本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ１の構造的特徴に由来するものである。

垂直虚像ＰＤを運転手が視認したときの焦点距離よりも、第２奥行虚像ＤＤ２の全域についての焦点距離の方が長いため、運転手は、垂直虚像ＰＤおよび第２奥行虚像ＤＤ２を視認した場合、垂直虚像ＰＤよりも第２奥行虚像ＤＤ２の全域の方が奥に位置していると知覚する。すなわち、第２奥行虚像ＤＤ２は、領域Ｑ（図１（Ａ）、図３参照）において、垂直虚像ＰＤと重なった位置（垂直虚像の表示領域）に表示される。そして、虚像の遠近を焦点距離によって知覚する運転手は、領域Ｑにおいて、垂直虚像ＰＤよりも奥の方に第２奥行虚像ＤＤ２が位置しているように知覚する。このため、運転手は、「垂直虚像ＰＤよりも奥に向かって延在していく表現をされた第２奥行虚像ＤＤ２が、手前に位置しているように感覚的に感じる」といった違和感を抱くことなく、垂直虚像ＰＤおよび第２奥行虚像ＤＤ２を視認できる。

さらに、第２奥行虚像ＤＤ２は、当該虚像が結像する領域の車両後端の位置が、垂直虚像ＰＤが結像する領域の下端の位置と略一致するように表示される。このため、図３に示すように、運転手は、垂直虚像ＰＤおよび第２奥行虚像ＤＤ２を視認した場合、第２奥行虚像ＤＤ２が奥に向かって延在すると共に、その手前側の端部に隣接して、垂直虚像ＰＤが立ち上がって表示されているように感覚的に認識する。

ここで、第１奥行虚像投射光、第２奥行虚像投射光および垂直虚像投射光の光路について、図２を用いてより詳細に説明する。図２（Ａ）において、距離Ｌ＿ＤＤ１は、第１奥行虚像投射光が第１投射装置５を発して、運転手の視点Ｅに至るまでの光路の距離を指す。図２（Ｂ）において、図２（Ａ）の距離Ｌ＿ＤＤ１に対応する距離Ｌ＿ＤＤ１’は、第１奥行虚像ＤＤ１の焦点距離に相当し、第１奥行虚像ＤＤ１は、運転手によって、視点Ｅから距離Ｌ＿ＤＤ１’だけ離間した位置に視認される。なお、凹面ミラー３により投射光が拡大されることに起因して、運転手から見たときの虚像への焦点距離が大きくなるため、実際には、距離Ｌ＿ＤＤ１と、距離Ｌ＿ＤＤ１’との長さは完全に一致せず、「距離Ｌ＿ＤＤ２＜距離Ｌ＿ＤＤ２’」となる。このことは、距離ＬＤＤ＿２と距離ＬＤＤ＿２’との関係、距離Ｌ＿ＰＤと距離Ｌ＿ＰＤ’との関係、および、距離Ｌ＿ｄｅｐｔｈと距離Ｌ＿ｄｅｐｔｈ’との関係についても同様である。

また、図２（Ａ）において、距離Ｌ＿ＤＤ２は、第２奥行虚像投射光が第１投射装置５を発して、運転手の視点Ｅに至るまでの光路の距離を指す。図２（Ｂ）において、図２（Ａ）の距離Ｌ＿ＤＤ２に対応する距離Ｌ＿ＤＤ２’は、第２奥行虚像ＤＤ２の焦点距離に相当し、第２奥行虚像ＤＤ２は、運転手によって、視点Ｅから距離Ｌ＿ＤＤ２’だけ離間した位置に視認される。また、図２（Ａ）において、距離Ｌ＿ＰＤは、垂直虚像投射光が第２投射装置６を発して、運転手の視点Ｅに至るまでの光路の距離を指す。図２（Ｂ）において、図２（Ａ）の距離Ｌ＿ＰＤに対応する距離Ｌ＿ＰＤ’は、垂直虚像ＰＤの焦点距離に相当し、垂直虚像ＰＤは、運転手によって、視点Ｅから距離Ｌ＿ＰＤ’だけ離間した位置に視認される。また、図２（Ａ）において、距離Ｌ＿ｄｅｐｔｈは、第１投射装置５の位置Ｐ１から第２方向Ｈ２に向かって投射された第２奥行虚像投射光が、ハーフミラー１３の位置Ｐ２に至るまでの光路の距離を示す。図２（Ｂ）において、距離Ｌ＿ｄｅｐｔｈ’は、図２（Ａ）の距離Ｌ＿ｄｅｐｔｈに対応する距離である。図２（Ａ）において、破線で示す領域ＡＲ１は、ハーフミラー１３によって反射される第２奥行虚像投射光に基づく虚像の虚像面を表している。

図２（Ａ）に示すように、距離Ｌ＿ＰＤと、距離Ｌ＿ＤＤ２とは、以下の関係にある。距離Ｌ＿ＤＤ２＝距離Ｌ＿ＰＤ＋距離Ｌ＿ｄｅｐｔｈ。従って、「距離ＤＤ２＞距離Ｌ＿ＰＤである。さらに、上述したように、また、図２（Ａ）に示すように、「第１投射装置５から第２方向Ｈ１へ向かって投射された投射光が、ハーフミラー１３を反射した後に凹面ミラー３へ向かう方向」は、「第１方向Ｈ１」と同じ（平行）である。このため、「第１方向Ｈ１へ向かって凹面ミラー３に直接投射される第１奥行虚像投射光に係る距離Ｌ＿ＤＤ１」と、「一旦、ハーフミラー１３に向かって投射されて、その後ハーフミラー１３により第１方向Ｈ１へ向かって反射されることによって間接的に凹面ミラー３に投射される第２奥行虚像投射光に係る距離Ｌ＿ＤＤ２」とは、以下の関係にある。距離Ｌ＿ＤＤ１＜距離Ｌ＿ＤＤ２。

さて、図１（Ａ）、図３に示すように、第１奥行虚像ＤＤ１が結像する平面的な領域、および、第２奥行虚像ＤＤ２が結像する平面的な領域は、略同一の平面上に存在する。この構成のため、運転手は、垂直虚像ＰＤ、第１奥行虚像ＤＤ１および第２奥行虚像ＤＤ２を視認した場合、第１奥行虚像ＤＤ１および第２奥行虚像ＤＤ２が連続して奥に向かって延在していくと共に、奥に向かって連続して延在する虚像の中間部に、垂直虚像ＰＤが立ち上がって表示されているように感覚的に認識する。

なお、第１投射装置５は、車両前後方向の成分を含んだ虚像である第１奥行虚像を、垂直虚像に対して車両の搭乗者に向かう側に表示するための第１奥行虚像投射光を投射する「第１奥行虚像投射部」、および、車両前後方向の成分を含み、垂直虚像の表示領域に表示される虚像である第２奥行虚像を、垂直虚像に対して車両の搭乗者から離れる側に表示するための第２奥行虚像投射光を投射する「第２奥行虚像投射部」として機能する。また、第２投射装置６は、車両前後方向に対して略垂直な虚像である垂直虚像を表示するための垂直虚像投射光を投射する「垂直虚像投射部」として機能する。

本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ１を利用して、例えば、以下の虚像を表示可能である。

図４は、運転手の視界Ｌの中で、運転手により視認される垂直虚像Ｘ３、第１奥行虚像Ｙ３および第２奥行虚像Ｚ３を簡易化して模式的に示す図である。図４において、符号ＰＤｒは、垂直虚像を結像可能な領域（垂直虚像ＰＤに対応する領域）を示す。また、符号ＤＤ１ｒは、第１奥行虚像を結像可能な領域（第１奥行虚像ＤＤ１に対応する領域）を示す。また、符号ＤＤ２ｒは、第２奥行虚像を結像可能な領域（第２奥行虚像ＤＤ２に対応する領域）を示す。

図４に示すように、垂直虚像Ｘ３は、領域ＰＤｒの中央部に大きく表示された円形の虚像である。また、第１奥行虚像Ｙ３は、車両の前後方向に対して左右方向に延びる帯状の第１奥行虚像Ｙ３ａ、Ｙ３ｂを有する。第１奥行虚像Ｙ３ａ、Ｙ３ｂは、車両の前後方向に離間して表示されている。また、第２奥行虚像Ｚ３は、車両の前後方向に対して左右方向に延びる帯状の第２奥行虚像Ｚ３ａ、Ｚ３ｂを有する。第２奥行虚像Ｚ３ａ、Ｚ３ｂは、車両の前後方向に離間して表示されている。

図４で例示する態様で虚像が表示された場合、第１奥行虚像Ｙ３および第２奥行虚像Ｚ３を視認する運転手は、左右方向に延びる帯状の４つのオブジェクトが奥に向かって間隔をあけて配列されているような感覚の下、奥行感を持って虚像を視認することができる。さらに、運転手は、帯状の４つのオブジェクトによって感覚的に想起される奥行を持った仮想的な３次元空間の中央部に、円形の垂直虚像Ｘ３が浮かんで表示されているような感覚で、各虚像を一体感を持って自然に視認することができる。

以上のように、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ１は、垂直虚像投射光を投射する垂直虚像投射部として機能する第２投射装置６を備える。また、ヘッドアップディスプレイ１は、車両前後方向の成分を含んだ虚像である第１奥行虚像を、垂直虚像に対して車両の搭乗者に向かう側に表示するための第１奥行虚像投射光を投射する第１奥行虚像投射部、および、車両前後方向の成分を含み、垂直虚像の表示領域に表示される虚像である第２奥行虚像を、垂直虚像に対して車両の搭乗者から離れる側に表示するための第２奥行虚像投射光を投射する第２奥行虚像投射部として機能する第１投射装置５を備える。

この構成によれば、ヘッドアップディスプレイ１は、車両前後方向に対して略垂直となる虚像である垂直虚像に対して、車両の搭乗者に向かう側に車両前後方向の成分を含んだ虚像である第１奥行虚像を表示し、さらに、車両の搭乗者から離れる側に、車両前後方向の成分を含み、垂直虚像の表示領域に表示される虚像である第２奥行虚像を表示する。これにより、車両の搭乗者が虚像を視認したときに、車両前後方向の成分を含んだ虚像のうち、垂直虚像の表示領域に重なる部分については、運転手にとって垂直虚像よりも奥にあるように知覚されることになり、運転手（車両の搭乗者）は、車両前後方向に対して略垂直となる虚像、および、車両前後方向の成分を含んだ虚像を、違和感を抱くことなく、奥行感を持って視認できる。

また、本実施形態では、第１奥行虚像投射部および第２奥行虚像投射部を、基準方向に対して傾いた第１方向Ｈ１に第１奥行虚像投射光を投射すると共に、基準方向に対して第１方向と対称な第２方向Ｈ２に第２奥行虚像投射光を投射する第１投射装置５により構成している。そして、第１奥行虚像投射光が凹面ミラー３（１つ目の反射部材）に投射されると共に、第２奥行虚像投射光が、第２投射装置６のハーフミラー１３（反射面）を反射して間接的に凹面ミラー３に投射されるようにしている。この構成によれば、第１奥行虚像投射部と、第２奥行虚像投射部とを、それぞれ、別の装置によって構成する場合と比較して、投射ユニット２の小型化を図ることができる。その上で、第１奥行虚像投射光を凹面ミラー３に直接投射する一方、第２奥行虚像投射光を凹面ミラー３に間接的に投射する構成としたため、第２奥行虚像投射光に係る光路の長さを、第１奥行虚像投射光に係る光路の長さよりも長くすることができ、的確に、第２奥行虚像を第１奥行虚像よりも運転手から離れる側に結像させることができる。

また、本実施形態では、垂直虚像投射部を、ハーフミラー１３に対応する１つの面によって、垂直虚像投射光を投射すると共に第２奥行虚像投射部が投射した第２奥行虚像投射光を反射する、第２投射装置６により構成している。そして、本実施形態では、垂直虚像投射光および第１奥行虚像投射光が、直接、凹面ミラー３に投射されると共に、第２奥行虚像投射光が、第２投射装置６の面を反射して、凹面ミラー３に投射されるように、第１投射装置５および第２投射装置６を配置している。この構成によれば、垂直虚像投射光を投射する機能、および、第２奥行虚像投射光を反射する機能を備える第２投射装置６を利用して、第２奥行虚像投射光に係る光路の長さを、第１奥行虚像および垂直虚像に係る光路の長さよりも長くすることができ、これにより、第２奥行虚像を、第１奥行虚像および垂直虚像よりも運転手から離れる側に結像することができる。このため、第２奥行虚像投射光を投射するための専用の装置を別途設けたり、第２奥行虚像投射光に係る光路の長さを長くするための専用の機構を別途設ける必要がなく、投射ユニット２の小型化を図ることができる。

次に、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ１の利用態様の例について、ヘッドアップディスプレイ１によって表示される虚像の例と共に説明する。図５は、ヘッドアップディスプレイ１により虚像を表示する表示システム２０の機能構成例を示すブロック図である。図５に示すように、表示システム２０は、表示ユニット２１と、車載装置２２とを備える。表示ユニット２１は、表示制御装置２３と、ヘッドアップディスプレイ１とを備える。

表示制御装置２３は、ヘッドアップディスプレイ１による虚像の表示を制御する装置である。図５に示すように、表示制御装置２３は、機能構成として、受信部３０、画像処理部３１、光変調装置駆動部３２および光源駆動部３３を備えている。上記各機能ブロック３０〜３３は、ハードウェア、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ソフトウェアの何れによっても構成することが可能である。例えばソフトウェアによって構成する場合、上記各機能ブロック３０〜３３は、実際にはコンピュータのＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えて構成され、ＲＡＭやＲＯＭ、ハードディスクまたは半導体メモリ等の記録媒体に記憶されたプログラムが動作することによって実現される。

受信部３０は、車載装置２２から垂直画像データ、第１奥行画像データおよび第２奥行画像データを受信し、画像処理部３１に出力する。垂直画像データは、垂直虚像の表示に用いられる画像データであり、第１奥行画像データは、第１奥行虚像の表示に用いられる画像データであり、第２奥行画像データは、第２奥行虚像の表示に用いられる画像データである。

画像処理部３１は、受信部３０から画像データを入力し、解像度処理等の必要な画像処理を施した上でフレームメモリーに展開する。画像処理部３１は、垂直画像データについては垂直画像データ用フレームメモリーに展開し、第１奥行画像データについては第１奥行画像データ用フレームメモリーに展開し、第２奥行画像データについては第２奥行画像データ用フレームメモリーに展開する。

光変調装置駆動部３２は、垂直画像データ用フレームメモリーに展開された垂直画像データに基づいて、第２投射装置６の第２光変調装置１１を制御して垂直虚像を表示させる。光変調装置駆動部３２は、第１奥行画像データ用フレームメモリーに展開された第１奥行画像データに基づいて、第１投射装置５の第１光変調装置７の上述した第１の画素に対応する構成を制御して、第１奥行虚像を表示させる。光変調装置駆動部３２は、第２奥行画像データ用フレームメモリーに展開された第２奥行画像データに基づいて、第１投射装置５の第１光変調装置７の上述した第２の画素に対応する構成を制御して、第２奥行虚像を表示させる。

光源駆動部３３は、第１光源８および第２光源１０を駆動する。

表示システム２０の車載装置２２は、垂直画像データ、第１奥行画像データおよび第２奥行画像データを表示ユニット２１の表示制御装置２３に送信することによって、ヘッドアップディスプレイ１に垂直虚像、第１奥行虚像および第２奥行虚像を表示させる。車載装置２２は、後述する内容の虚像を表示させる画像データを生成するために必要な情報を記憶し、必要な他の装置や、必要なセンサに接続されており、後述する内容の虚像を表示させる画像データを適切に生成できる。

以上の構成の下、ヘッドアップディスプレイ１により例えば、以下の表示が可能である。図６（Ａ）は、フロントウィンドシールドＷＳを介した運転手の視界の中で運転手が視認する虚像を、運転手が視認する実景、および、図４の領域ＰＤｒ、ＤＤ１ｒ、ＤＤ２ｒと共に示す図である。以下で説明する図６（Ｂ）、図７の各図、図８の各図についても同様である。

図６（Ａ）では、自車両と同一の車線で自車両の前方に位置する前走車をマーキングする像が垂直虚像Ｘ５Ａとして領域ＰＤｒに表示される。例えば、車載装置２２は、アダプティプ・クルーズ・コントロールにより前走車を自動で追従している場合に、その前走車の実景の位置に対応させて垂直虚像Ｘ５Ａを表示させる。上述したように、垂直虚像は、運転手の正面で略垂直に表示される虚像である。従って、図６（Ａ）に示すように、垂直虚像により、自車両の前方に位置する立体的なオブジェクト（本例の前走車）を適切にマーキングすることができる。

図６（Ｂ）は、ヘッドアップディスプレイ１により表示される虚像の別の例を示す図である。図６（Ｂ）では、第１奥行虚像Ｙ５Ｂおよび第２奥行虚像Ｚ５Ｂにより、道路の実景に重ねて誘導経路を示す虚像が表示されている。上述したように、第１奥行虚像および第２奥行虚像は、車両の前後方向に奥行を持って延在して表示される虚像である。従って、図６（Ｂ）に示すように、第１奥行虚像および第２奥行虚像を利用して、運転手の視界の中で車両の前後方向に奥行をもって延在する道路の実景と重ねた誘導経路を示す虚像を適切に表示することができる。なお、図６（Ｂ）で例示した誘導経路を示す虚像（第１奥行虚像Ｙ５Ｂおよび第２奥行虚像Ｚ５Ｂ）の態様は、あくまで一例である。例えば、誘導経路に沿って延びる線状の虚像であってもよく、また、実景の状態に応じて虚像の内容が動的に変更する構成でもよい。

図７（Ａ）は、ヘッドアップディスプレイ１により表示される虚像の別の例を示す図である。図７（Ａ）では、図６（Ａ）の垂直虚像Ｘ５Ａと、図６（Ｂ）の第１奥行虚像Ｙ５Ｂおよび第２奥行虚像Ｚ５Ｂとが同時に表示されている。図７（Ａ）に示すように、ヘッドアップディスプレイ１により、垂直虚像Ｘ５Ａ、第１奥行虚像Ｙ５Ｂおよび第２奥行虚像Ｚ５Ｂを同時に表示することが可能である。ただし、これら虚像を表示する場合には、運転手が、第１奥行虚像Ｙ５Ｂ、垂直虚像Ｘ５Ａ、第２奥行虚像Ｚ５Ｂの順番で、虚像が手前に位置していると知覚することを踏まえて、適切に虚像の表示を制御する必要がある。

すなわち、図７（Ａ）に示すように、第１奥行虚像に係る領域ＤＤ１ｒの奥行き方向の長さが、領域ＤＤ１ｒを介した実景における「１０メートル」に相当するものとする。この場合において、自車両と前走車との離間距離が１０メートルより短くなった場合、実際には当該離間距離が１０メートルより短いのにもかかわらず、運転手は第１奥行虚像よりも垂直虚像の方が奥に位置していると知覚するため、運転手が、垂直虚像Ｘ５Ａによってマーキングされた前走車が１０メートル以上離れた位置に位置していると誤認する可能性がある。これを踏まえ、車載装置２２は、例えば、自車位置と前走車との離間距離を監視し、当該離間距離が１０メートルより短くなった場合は、第１奥行虚像Ｙ５Ｂの表示を停止する。

図７（Ｂ）は、ヘッドアップディスプレイ１により表示される虚像の別の例を示す図である。図７（Ｂ）では、自車両の前方に位置する対向車をマーキングする像が垂直虚像Ｘ６Ｂとして領域ＰＤｒに表示される。また、図７（Ｂ）では、第１奥行虚像Ｙ６Ｂおよび第２奥行虚像Ｚ６Ｂにより、道路の実景に重ねて、対向車が走行すると予測される経路を示す虚像が表示される。図７（Ｂ）で示す虚像によれば、運転手は、対向車の存在、および、対向車の経路を的確に認識することができる。図７（Ｂ）で示す虚像は、例えば、中央分離帯のない片側１車線の道路を走行している場合に、有効である。なお、対向車が走行すると予測される経路を示す虚像（第１奥行虚像Ｙ６Ｂおよび第２奥行虚像Ｚ６Ｂ）について、奥から手前に向かって矢印が移動するようなアニメーションを行ってもよい。

図８（Ａ）は、ヘッドアップディスプレイ１により表示される虚像の別の例を示す図である。図８（Ａ）では、他車両に隠れて運転手から見えにくい歩行者をマーキングする像が垂直虚像Ｘ７Ａとして領域ＰＤｒに表示される。垂直虚像Ｘ７Ａは、歩行者に対応する領域を囲む矩形の虚像である。図８（Ａ）のように、運転手にとって見えにくい、または、見えないオブジェクトであって、運転手が注意を払うべきオブジェクトについて、垂直虚像によりマーキングすることが可能である。運転手は、表示された垂直虚像を確認することにより、そのオブジェクトの存在および位置を的確に認識することができる。

図８（Ｂ）は、ヘッドアップディスプレイ１により表示される虚像の別の例を示す図である。図８（Ｂ）では、実景において領域ＰＤｒの虚像距離よりも奥に位置している歩行者について、歩行者をマーキングする像が垂直虚像Ｘ７Ｂａ、Ｘ７Ｂｂとして領域ＰＤｒに表示される。垂直虚像Ｘ７Ｂａ、Ｘ７Ｂｂは、歩行者を囲む矩形の虚像である。また、図８（Ｂ）では、実景において領域ＰＤｒの虚像よりも手前に位置している歩行者について、歩行者をマーキングする像が第１奥行虚像Ｙ７Ｂａとして領域ＤＤ１ｒに表示される。第１奥行虚像Ｙ７Ｂは、歩行者の足元を囲む矩形の虚像である。そして、各歩行者について、第１奥行虚像Ｙ７Ｂｂおよび第２奥行虚像Ｚ７Ｂａ、Ｚ７Ｂｂにより、歩行者が移動すると予測される方向が矢印によって示される。歩行者は、第１奥行虚像に係る領域ＤＤ１ｒおよび第２奥行虚像に係る領域ＤＤ２ｒに対応して延在する平面を歩行によって所定方向に移動するため、第１奥行虚像および第２奥行虚像を利用して、歩行者が移動すると予測される方向を示す矢印を適切に表示することができる。図８（Ｂ）で示す虚像によれば、運転手は、歩行者が移動すると予測される方向を踏まえて的確に運転手に対して注意を払うことができる。

＜第１変形例＞
次に第１変形例について図１（Ｂ）を援用して説明する。上述した実施形態では、第２投射装置６に対する第１投射装置５の位置は固定であった。一方、第１変形例では、投射ユニット２は、所定の機構を備え、当該所定の機構によって、第２投射装置６に対して、第１投射装置５を矢印Ｙ１、Ｙ２が示す方向（第２投射装置６の面に沿った方向）にスライドさせることができる。なお、図１（Ｂ）における第１投射装置５の位置は、矢印Ｙ１方向に向かって移動可能な端である。このような構成とすることにより、図１（Ｂ）で示す状態から、第１投射装置５を矢印Ｙ２方向にスライドさせることにより、垂直虚像の表示領域に対する、第１奥行虚像および第２奥行虚像の表示領域の位置を、車両の前方（運転手から離れる側）に向かって移動させることができる。

＜第２変形例＞
次に第２変形例について説明する。本変形例では、ハーフミラー１３による第２奥行虚像投射光の反射、非反射が切り替え可能に構成される。例えば、偏光素材によって、第２奥行虚像投射光の反射光が凹面ミラー３に向かわないように切り替えることが可能に構成され、また例えば、第２奥行虚像投射光のハーフミラー１３への投射を遮断できる機構により反射、非反射が切り替え可能に構成される。この構成によれば、本変形例では、ハーフミラー１３による第２奥行虚像投射光の反射、非反射を切り替えることによって、第２奥行虚像の表示、非表示を切り替えることが可能となる。これにより、例えば、図６（Ｂ）や、図７（Ａ）、図７（Ｂ）のように、第２奥行虚像を利用して奥行のある虚像を表示することが必要なモードのときには、ハーフミラー１３による第２奥行虚像投射光を「反射」とする一方、第２奥行虚像を利用した虚像の表示を行う必要がないモードのときには、ハーフミラー１３による第２奥行虚像投射光を「非反射」とする、といったことが可能となる。

その他、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

例えば、上記実施形態では、第１投射装置５により、第１奥行虚像投射部、および、第２奥行虚像投射部を構成したが、この点に関し、第１奥行虚像投射部、および、第２奥行虚像投射部をそれぞれ別の装置によって構成してもよい。また、上記実施形態では、フロントウィンドシールドＷＳに投射光を導く反射部材は、凹面ミラー３の１台であったが、複数の反射部材によりフロントウィンドシールドＷＳに投射光を導く構成でもよい。また、投射光が投射される投射面は、フロントウィンドシールドＷＳである必要は無く、コンバイナ等であってもよい。

１ ヘッドアップディスプレイ
３ 凹面ミラー（反射部材）
５ 第１投射装置（第１奥行虚像投射部、第２奥行虚像投射部）
６ 第２投射装置（垂直虚像投射部）
１３ ハーフミラー（面、反射面）

Claims (4)

1. 投射光を投射して虚像を表示する車載のヘッドアップディスプレイであって、
   車両前後方向に対して略垂直な虚像である垂直虚像を表示するための垂直虚像投射光を投射する垂直虚像投射部と、
   車両前後方向の成分を含んだ虚像である第１奥行虚像を、前記垂直虚像に対して車両の搭乗者に向かう側に表示するための第１奥行虚像投射光を投射する第１奥行虚像投射部と、
   車両前後方向の成分を含み、前記垂直虚像の表示領域に表示される虚像である第２奥行虚像を、前記垂直虚像に対して車両の搭乗者から離れる側に表示するための第２奥行虚像投射光を投射する第２奥行虚像投射部と、
   投射面に投射光を導く１または複数の反射部材とを備え、
   前記第１奥行虚像投射部および前記第２奥行虚像投射部を、基準方向に対して傾いた第１方向に前記第１奥行虚像投射光を投射すると共に、基準方向に対して前記第１方向と対称な第２方向に前記第２奥行虚像投射光を投射する第１投射装置により構成し、
   前記第１奥行虚像投射光が１つ目の反射部材に、直接、投射されると共に、前記第２奥行虚像投射光が反射面を反射して間接的に前記１つ目の反射部材に投射されるようにした
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
2. 前記垂直虚像投射部を、１つの面によって、前記垂直虚像投射光を投射すると共に、前記第２奥行虚像投射部が投射した前記第２奥行虚像投射光を反射する第２投射装置により構成し、
   前記垂直虚像投射光および前記第１奥行虚像投射光が、直接、前記１つ目の反射部材に投射されると共に、前記第２奥行虚像投射光が、前記第２投射装置の面を反射して、前記１つ目の反射部材に投射されるように、前記第１投射装置および前記第２投射装置を配置した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。
3. 前記第２投射装置に対する前記第１投射装置の位置を変更可能に構成し、前記第２投射装置に対する前記第１投射装置の位置を変更することによって、前記第１奥行虚像と前記第２奥行虚像の状態を変更可能に構成としたことを特徴とする請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
4. 前記第２投射装置の面による前記第２奥行虚像投射光の反射、非反射を切り替え可能に構成し、反射、非反射を切り替えることによって、前記第２奥行虚像の表示、非表示を切り替え可能に構成したことを特徴とする請求項２または３に記載のヘッドアップディスプレイ。
   

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