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WO2020021773A1 - 虚像表示装置 - Google Patents

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WO2020021773A1
WO2020021773A1 PCT/JP2019/014431 JP2019014431W WO2020021773A1 WO 2020021773 A1 WO2020021773 A1 WO 2020021773A1 JP 2019014431 W JP2019014431 W JP 2019014431W WO 2020021773 A1 WO2020021773 A1 WO 2020021773A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
concave mirror
virtual image
display unit
image display
distance
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/014431
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
小林　建
Original Assignee
株式会社Ｊｖｃケンウッド
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社Ｊｖｃケンウッド filed Critical 株式会社Ｊｖｃケンウッド
Priority to EP19840380.0A priority Critical patent/EP3828619B1/en
Publication of WO2020021773A1 publication Critical patent/WO2020021773A1/ja
Priority to US16/953,394 priority patent/US11226490B2/en

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    • G02B2027/0187—Display position adjusting means not related to the information to be displayed slaved to motion of at least a part of the body of the user, e.g. head, eye

Definitions

  • the present invention relates to a virtual image display device.
  • a head-up display has been used as a vehicle display device.
  • the head-up display projects image display light onto a windshield or the like of a vehicle, and superimposes and displays a virtual image based on the image display light on a scene outside the vehicle. Since there is an individual difference in the height of the eyes of the user such as the driver, the height position at which the virtual image can be visually recognized is adjusted by adjusting the direction of the concave mirror that projects the image display light toward the windshield. Further, a technique has been proposed in which a case including a display and a concave mirror is moved in accordance with the direction of the concave mirror to suppress the vertical movement of a virtual image (for example, see Patent Document 1).
  • the focal length of the concave mirror changes according to the change in the angle of the concave mirror.
  • the presentation position in the depth direction of the virtual image viewed from the user changes according to the change in the focal length.
  • the change in the virtual image presentation distance in the depth direction can be reduced.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a technique for reducing a change in a virtual image presentation distance due to adjustment of a height position at which a virtual image can be visually recognized.
  • a virtual image display device presents a virtual image to a user via a virtual image presentation board.
  • the virtual image display device includes a display unit that generates image display light, a concave mirror that reflects the image display light and projects it toward the virtual image presentation plate, and an orientation of the concave mirror such that an incident angle of the image display light in the concave mirror changes. And a drive mechanism for moving the display unit such that the distance from the concave mirror to the display unit changes according to the direction of the concave mirror.
  • FIGS. 2A and 2B are diagrams schematically showing the focal position of the parallel light beam incident on the concave mirror. It is a figure which shows typically the change of the appearance of the virtual image when the eye height position changes in a comparative example. It is a figure which shows typically the change of the appearance of the virtual image when the eye height position changes in embodiment. 5 is a graph schematically showing changes in the focal length of the concave mirror and changes in the distance from the concave mirror to the display unit with respect to the change in the angle of the concave mirror. It is a side view which shows the structure of the drive mechanism which concerns on embodiment in detail. It is a side view which shows the structure of the drive mechanism concerning a modification in detail.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a virtual image display device 10 according to the embodiment.
  • virtual image display device 10 is installed in a dashboard of vehicle 60, which is an example of a moving object.
  • the virtual image display device 10 is a so-called head-up display device.
  • the virtual image display device 10 projects the image display light L onto a windshield 62, which is a virtual image presentation board, and presents a virtual image 50 in front of the traveling direction of the vehicle 60 (rightward in FIG. 1).
  • a user E such as a driver can visually recognize a virtual image 50 superimposed on a real scene via the windshield 62. Therefore, the user E can obtain the information shown in the virtual image 50 without substantially moving the line of sight while the vehicle is running.
  • the traveling direction (front-back direction) of the vehicle 60 is the z direction
  • the up-down direction (vertical direction) of the vehicle 60 is the y direction
  • the left-right direction of the vehicle 60 is the x direction.
  • the virtual image display device 10 includes an illumination unit 11, a display unit 12, a concave mirror 14, a housing 18, a driving mechanism 20, and a control unit 40.
  • the housing 18 houses the illumination unit 11, the display unit 12, the concave mirror 14, and the drive mechanism 20 inside.
  • the housing 18 is fixed to the vehicle 60 and is attached to the vehicle 60 so that the position relative to the windshield 62 does not change.
  • the illumination unit 11 is a light source for generating display light, and generates illumination light for illuminating the display unit 12.
  • the illumination unit 11 includes a light emitting element such as an LED (Light Emitting Diode) or an LD (Laser Diode), and an optical element for adjusting an intensity distribution and an angle distribution of output light from the light emitting element.
  • the illumination unit 11 provides the display unit 12 with white light of substantially uniform brightness.
  • the configuration of the illumination unit 11 is not particularly limited, but an optical element such as a light tunnel, a Fresnel lens, or a light diffusion plate can be used to adjust output light from the light emitting element.
  • the display unit 12 modulates the illumination light from the illumination unit 11 to generate display light, and forms an intermediate image (real image) corresponding to the display content of the virtual image 50.
  • the display unit 12 includes a transmission-type image display element for generating display light, and includes a display device such as a transmission-type liquid crystal panel.
  • the image display element receives an image signal transmitted from the control unit 40 and generates image display light L having display content corresponding to the image signal.
  • the display unit 12 may further include an optical element for adjusting the direction and the light distribution angle of the image display light L.
  • the display unit 12 includes, for example, a projection unit other than a transmissive liquid crystal panel, such as a DMD (Digital Mirror Device), an LCOS (Liquid Crystal on Silicon), and a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) LSM (Laser Scanning Module).
  • a projection unit other than a transmissive liquid crystal panel such as a DMD (Digital Mirror Device), an LCOS (Liquid Crystal on Silicon), and a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) LSM (Laser Scanning Module).
  • a transmission type screen such as a microlens array sheet or a light diffusion sheet is combined may be employed.
  • the concave mirror 14 is a projection mirror that reflects the image display light L generated by the display unit 12 and projects it toward the windshield 62.
  • the concave mirror 14 enlarges the image based on the image display light L and presents it to the user E.
  • the user E visually recognizes an image based on the image display light L as a virtual image 50.
  • the drive mechanism 20 has a first drive mechanism 22 and a second drive mechanism 24.
  • the first drive mechanism 22 linearly moves the illumination unit 11 and the display unit 12 in the projection direction of the image display light L, and changes the distance from the display unit 12 to the concave mirror 14.
  • the first drive mechanism 22 includes, for example, a drive motor and a lead screw that converts a rotational motion of the motor into a linear motion, and can be configured by a so-called linear stage mechanism.
  • the first drive mechanism 22 adjusts the position of the virtual image 50 viewed from the user E in the depth direction by changing the position of the display unit 12. Since the virtual image display device 10 is an optical system that presents a virtual image, the display unit 12 is arranged closer to the concave mirror 14 than the focal position of the concave mirror 14. Therefore, when the display unit 12 is relatively close to the concave mirror 14, the presentation position of the virtual image 50 viewed from the user E is relatively close. Conversely, when the display unit 12 is relatively moved away from the concave mirror 14, the presentation position of the virtual image 50 viewed from the user E becomes relatively far. If the display unit 12 is disposed at the focal position of the concave mirror 14, the presentation position of the virtual image 50 viewed from the user E is at infinity.
  • the second drive mechanism 24 rotates the concave mirror 14 so that the direction of the concave mirror 14 changes, and adjusts the direction of the image display light L directed to the user E.
  • the second drive mechanism 24 includes, for example, a drive motor and a drive gear that transmits the rotational motion of the motor to the concave mirror 14, and can be configured by a so-called rotation mechanism or the like.
  • the second drive mechanism 24 changes the incident angle of the image display light L incident on the concave mirror 14 by changing the direction of the concave mirror 14.
  • the angle of incidence and reflection of the image display light L on the concave mirror 14 changes, the direction of the image display light L from the windshield 62 toward the user E changes, and the image display light L can be projected toward different height positions.
  • the virtual image 50 can be appropriately presented to users having different eye height positions.
  • the drive mechanism 20 moves the display unit 12 such that the distance from the concave mirror 14 to the display unit 12 changes according to the direction of the concave mirror 14.
  • the focal position of the concave mirror 14 changes as the incident angle of the image display light L on the concave mirror 14 changes, and the distance in the depth direction to the presentation position of the virtual image 50 changes due to the change in the focal position.
  • the display unit 12 is moved so as to reduce the influence. Thereby, when adjusting the "eye point" which is the height position of the eyes of the user E at which the virtual image can be visually recognized, the change in the position in the depth direction where the virtual image 50 is presented is reduced. .
  • the control unit 40 generates the display image, and operates the illumination unit 11 and the display unit 12 so that the virtual image 50 corresponding to the display image is presented.
  • the control unit 40 is connected to the external device 64, and generates a display image based on information from the external device 64.
  • the control unit 40 controls the operation of the drive mechanism 20.
  • the control unit 40 drives the drive mechanism 20 based on, for example, an input operation from the user through the external device 64, and adjusts the vertical position of the eye point at which the virtual image 50 is visible.
  • the external device 64 is a device that generates original data of an image displayed as the virtual image 50.
  • the external device 64 is, for example, an electronic control unit (ECU; Electronic Control Unit) of the vehicle 60, a navigation device, or a mobile device such as a mobile phone, a smartphone, or a tablet.
  • the external device 64 transmits to the control unit 40 image data necessary for displaying the virtual image 50, information indicating the content and type of the image data, and information about the vehicle 60 such as the speed and the current position of the vehicle 60.
  • the focal position (focal length) of the concave mirror changes according to the angle of the image display light L obliquely incident on and reflected from the concave mirror.
  • FIGS. 2A and 2B are diagrams schematically showing the focal position of a parallel light beam incident on the concave mirror 96, and are diagrams seen from different viewpoints.
  • FIG. 2A shows a light beam on the meridional surface (yz plane) of the concave mirror 96
  • FIG. 2B shows a light beam on a sagittal surface (xz plane) of the concave mirror 96.
  • the convergence positions Fm and Fs of the parallel light beams are different between the meridional surface and the sagittal surface, and the sagittal in-plane focal point Fs is located farther from the concave mirror 96 than the meridional in-plane focal point Fm.
  • the focal length of the concave mirror is f and the incident angle of light incident on the concave mirror is ⁇
  • the focal length of obliquely incident light is expressed as f ⁇ cos ⁇
  • the focal length f ⁇ cos ⁇ decreases as the incident / reflection angle ⁇ increases.
  • the focal length in the meridional plane where the light beam is obliquely incident is reduced to f ⁇ cos ⁇ .
  • the focal length in the sagittal plane increases to f / cos ⁇ . Therefore, when the light beam is obliquely incident on and reflected by the concave mirror 96, the focal length changes according to the incident and reflected angle of the light beam at the concave mirror 96.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a change in the appearance of the virtual image when the eye height position changes in the comparative example.
  • the virtual image display device 110 according to the comparative example is similar to the embodiment, except that the position of the display unit 112 is fixed with respect to the concave mirror 114 and the distance from the concave mirror 114 to the display unit 112 is invariable. Be composed.
  • the virtual image display device 110 includes an illumination unit 111, a display unit 112, a concave mirror 114, and a driving mechanism 124.
  • the image display light L generated by the display unit 112 is reflected by the concave mirror 114 toward the windshield 62 and presented to the user as a virtual image.
  • the direction in which the optical path of the image display light Lin from the display unit 112 to the concave mirror 114 extends is the z direction.
  • the concave mirror 114 reflects the image display light Lin incident in the z direction upward (in the y direction) toward the windshield 62.
  • the incident / reflection angle ⁇ of the image display lights Lin and Lout at the concave mirror 114 is about 10 to 40 degrees, and for example, about 15 to 35 degrees is more appropriate.
  • the drive mechanism 124 changes the incident / reflection angle ⁇ of the image display light L on the concave mirror 114 by rotating the concave mirror 114 as indicated by an arrow R.
  • the angle change amount ⁇ of the concave mirror 114 by the drive mechanism 124 is, for example, about ⁇ 5 degrees.
  • the rotation axis of the concave mirror 114 is the x direction, and is a direction orthogonal to both the traveling direction of the image display light Lin incident on the concave mirror 114 and the traveling direction of the image display light Lout reflected and emitted by the concave mirror 114. is there.
  • FIG. 3 shows the optical paths of the image display lights L1, L2, and L3 when presenting the virtual images 151, 152, and 153 to the users E1, E2, and E3 having different eye height positions.
  • the driving mechanism 124 adjusts the direction of the concave mirror 114 by rotating the concave mirror 114 as shown by an arrow R.
  • the incident angle ⁇ at the concave mirror 114 is reduced, the incident angle ⁇ at the windshield 62 is increased.
  • image display light can be projected in an appropriate direction to each of the users E1 to E3 having different eye heights.
  • the focal positions f1, f2, and f3 of the concave mirror 114 change according to the change in the incident / reflection angle ⁇ of the concave mirror 114. I do. Specifically, when the incident / reflection angle ⁇ of the concave mirror 114 is reduced in accordance with the user E1 at a relatively high position, the distance from the concave mirror 114 to the focal position f1 becomes relatively long. On the other hand, when the incident / reflection angle ⁇ of the concave mirror 114 is increased in accordance with the user E3 at a relatively low position, the distance from the concave mirror 114 to the focal position f3 becomes relatively short.
  • the focal positions f1 to f3 of the concave mirror 114 the meridional focal positions where the light beams converge in the meridional plane (yz plane) are schematically shown.
  • a sagittal focal position where a light beam converges in a sagittal plane (xz plane) is schematically illustrated by using reference numeral fs.
  • the sagittal focal position fs of the concave mirror 114 hardly changes even if the incident / reflection angle ⁇ of the concave mirror 114 changes, and the change is smaller than the meridional focal lengths f1 to f3.
  • the focal positions fs, f1 to f3 of the concave mirror 114 are schematically shown, and do not indicate an accurate focal position based on the optical arrangement of the virtual image display device 110.
  • the distance a from the concave mirror 114 to the display unit is a fixed value
  • the focal length f of the concave mirror 114 changes
  • the distance b to the virtual image presentation position also changes. Specifically, when the incident / reflection angle ⁇ of the concave mirror 114 is reduced in accordance with the user E1 at a relatively high position, the distance from the concave mirror 114 to the focal position f1 becomes relatively long, and the distance from the concave mirror 114 to the presentation position of the virtual image 151 is increased.
  • the distance D1 becomes relatively long.
  • the distance from the concave mirror 114 to the focal position f3 is relatively short, and the distance D3 from the virtual image 153 to the presentation position is Relatively short.
  • the virtual images 151 to 153 whose presentation positions change in accordance with changes in the focal positions f1 to f3 are meridional image planes that appear to be in focus in the vertical direction (in the meridional plane).
  • 150 s presented before the virtual images 151 to 153 is a sagittal image plane that appears to be in focus in the horizontal direction (within the sagittal plane).
  • the sagittal image plane 150s does not change much even if the direction of the concave mirror 114 is changed. This is because the sagittal focal position fs of the concave mirror 114 does not change so much with the change in the angle of the concave mirror 114.
  • a phenomenon may occur in which the shift amount ⁇ D between the presentation position of the sagittal image plane 150 s and the presentation positions of the meridional image planes 151 to 153 changes according to the angle of the concave mirror 114.
  • the shift amount ⁇ D between the sagittal image plane 150s and the meridional image planes 151 to 153 is also called astigmatic difference.
  • the astigmatic difference ⁇ D between the sagittal image plane 150s and the meridional image planes 151 to 153 is preferably equal to or less than a predetermined value, and is preferably equal to or less than 0.25 D [m ⁇ 1 ] in diopter. .
  • the astigmatic difference ⁇ D exceeds 0.25D, it becomes difficult for the human eye to focus on both the sagittal image plane and the meridional image plane. As a result, problems may occur such that the virtual image is blurred, or vertigo or fatigue is felt.
  • the astigmatic difference ⁇ D may exceed a predetermined value (for example, 0.25D) depending on the position of the meridional image plane. Can occur. Then, a problem that an appropriate virtual image cannot be presented may occur. Further, when an optical system is designed so that the astigmatic difference ⁇ D falls within a predetermined value, it becomes difficult to enlarge the virtual image to an appropriate size, or the distance to the virtual image presentation position becomes inappropriate. Another problem may occur.
  • a predetermined value for example 0.25D
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a change in the appearance of a virtual image when the eye height position changes in the embodiment.
  • the display unit 12 is arrowed so that the distance a from the concave mirror 14 to the display unit 12 changes according to the focal positions f1 to f3 of the concave mirror 14 due to the change in the incident / reflection angle ⁇ of the concave mirror 14. Move as shown by Z.
  • the display unit 12 when the incident / reflection angle ⁇ of the concave mirror 14 is reduced in accordance with the user E1 at a relatively high position, the display unit 12 is moved in the ⁇ z direction so that the distance a from the concave mirror 14 to the display unit 12 increases. Move to On the other hand, when increasing the incident / reflection angle ⁇ of the concave mirror 14 in accordance with the user E3 at a relatively low position, the display unit 12 is moved in the + z direction so that the distance a from the concave mirror 14 to the display unit 12 is reduced.
  • the difference (1 / a)-(1 / f) between the reciprocal (1 / a) of the distance a from the concave mirror 14 to the display unit 12 and the reciprocal (1 / f) of the focal length f of the concave mirror 14 is constant.
  • the distance D to the presentation position of the meridional image plane 50 m can be made constant. This can solve the problem that can occur due to the change in the virtual image presentation position described in the above-described modification.
  • FIG. 5 is a graph schematically showing a change in the focal length f of the concave mirror 14 and a change in the distance a from the concave mirror 14 to the display unit 12 with respect to a change in the angle of the concave mirror 14.
  • the focal length f of the concave mirror 14 decreases as the incident angle ⁇ of the image display light L at the concave mirror 14 increases.
  • the presentation position of the meridional image plane 50m can be kept constant.
  • the virtual image presentation position can be made invariable.
  • the distance a from the concave mirror 14 to the display unit 12 is changed so as to be proportional to cos ⁇ with respect to the change in the angle ⁇ of the concave mirror 14.
  • the distance a from the concave mirror 14 to the display unit 12 may be changed linearly with respect to the change in the angle ⁇ of the concave mirror 14.
  • the virtual image presentation position cannot be made invariable, but the amount of change in the virtual image presentation position can be smaller than when the position of the display unit 12 is fixed.
  • the adjustment range is about 20 degrees ⁇ 5 degrees, and the change amount of the distance “a” may not be linearly approximated with high accuracy, but may be another angle range such as 35 degrees ⁇ 5 degrees.
  • the amount of change in the distance a may be linearly approximated with high accuracy. In such a case, by making the change in the distance a proportional to the change in the angle ⁇ , the amount of change in the virtual image presentation position can be suitably reduced.
  • the presentation position of the virtual image 50 is affected by the characteristics of all optical elements on the optical path from the display unit 12 to the users E1 to E3, and is determined by the focal length of the combined optical system constituted by the concave mirror 14 and the windshield 62. That's why. Therefore, it is preferable to determine the amount of change in the position of the display unit 12 so that the virtual image presentation position does not change in the combined optical system in which the concave mirror 14 and the windshield 62 are combined instead of the simple lens formula described above.
  • the distance a from the concave mirror 14 to the display unit 12 is changed under the condition that the sagittal focal position fs hardly changes even when the direction of the concave mirror 14 is changed, and therefore, as shown in FIG.
  • the positions of the sagittal image planes 51s, 52s, and 53s may change. More specifically, when the incident / reflection angle ⁇ of the concave mirror 14 is reduced and the distance a from the concave mirror 14 to the display unit 12 is increased in accordance with the user E1 at a relatively high position, the sagittal image plane 51s becomes relatively far away. Is presented.
  • the sagittal image plane 53s is presented relatively close.
  • the astigmatic difference ⁇ D may change according to the change in the presentation position of the sagittal image planes 51s to 53s.
  • the sagittal focal length fs is longer than the meridional focal lengths f1 to f3, a change in the sagittal image planes 51s to 53s caused by a change in the position of the display unit 12 is not so large.
  • the amount of change in the astigmatic difference ⁇ D by changing the angle ⁇ of the concave mirror 14 can be reduced as compared with the above-described comparative example. Further, by making the reflecting surface of the concave mirror 14 toroidal, the sagittal focus change accompanying the meridional focus change can be minimized more effectively. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to present virtual images that are easily visible to users E1 to E3 over the variable range of angle ⁇ of concave mirror 14.
  • the occurrence of double images due to the thickness of the windshield 62 can be reduced. Since the windshield 62 has a certain thickness, the image display light L reflected on each of the two surfaces (the inner surface and the outer surface) of the windshield 62 can be visually recognized. At this time, a slight angle difference occurs in the image display light L reflected on each of the inner surface and the outer surface of the windshield 62, so that the virtual images based on the respective image display lights are shifted and superimposed. Such a double image occurs only on the meridional image plane and does not occur on the sagittal image plane.
  • FIG. 6 is a side view showing the configuration of the drive mechanism 20 according to the embodiment in detail.
  • the drive mechanism 20 includes a drive motor 26, a drive gear 28, an intermediate gear 30, a rotating gear 32, a lead screw 34, a slider 36, and a stage 38.
  • the first drive mechanism 22 includes a lead screw 34, a slider 36, and a stage 38.
  • the second drive mechanism 24 includes an intermediate gear 30 and a rotating gear 32.
  • the drive motor 26 and the drive gear 28 are shared by the first drive mechanism 22 and the second drive mechanism 24. Further, another gear or the like (not shown) may be additionally provided between the drive gear 28 and the lead screw 34, whereby the rotation of the drive gear 28 may be converted to the rotation of the lead screw 34.
  • the driving gear 28 rotates, and the rotating gear 32 rotates via the intermediate gear 30.
  • the rotating gear 32 is attached to the back surface of the concave mirror 14 on the opposite side to the reflection surface, and the rotation of the rotating gear 32 changes the incident / reflective angle ⁇ of the image display light L incident on the concave mirror 14.
  • the direction of the rotation axis X of the rotation gear 32 is the x direction.
  • the rotation of the drive gear 28 rotates the lead screw 34 extending in the z-axis direction, and the slider 36 moves in the Z direction according to the amount of rotation of the lead screw 34.
  • a stage 38 that supports the illumination unit 11 and the display unit 12 is attached to the slider 36. The movement of the slider 36 causes the illumination unit 11 and the display unit 12 to move in the Z direction.
  • the slider 36 is configured to move in a direction away from the concave mirror 14 ( ⁇ z direction).
  • the drive mechanism 20 is driven such that the incident / reflection angle ⁇ of the concave mirror 14 becomes relatively large, the drive mechanism 20 is configured to move in the direction approaching the concave mirror 14 (+ z direction).
  • the lead screw 34 is configured such that the pitch of the screw is unequal at least in the movable range of the slider 36.
  • the amount of movement of the slider 36 in the Z direction with respect to the rotation angle of the drive motor 26 can be made non-linear.
  • the pitch is increased as approaching the drive motor 26, and is decreased as the distance from the drive motor 26 increases.
  • the incident / reflection angle ⁇ of the concave mirror 14 is reduced and the distance a from the display unit 12 to the concave mirror 14 is relatively increased, the movement amount of the slider 36 with respect to a fixed rotation amount of the drive motor 26 decreases. .
  • the movement amount of the slider 36 with respect to a fixed rotation amount of the driving motor 26 increases.
  • the slider 36 is joined to the lead screw 34 by a single pin. According to the present embodiment, it is possible to adjust the vertical position of the eye point at which the virtual image 50 can be viewed while reducing the change in the presentation position of the virtual image 50 only by driving one driving motor 26.
  • FIG. 7 is a side view showing the configuration of the drive mechanism 20 according to the modification in detail.
  • another lead screw 35 having a uniform screw pitch is used instead of the lead screw 34 having a non-uniform screw pitch. Therefore, in the modified example, the distance a from the concave mirror 14 to the display unit 12 changes linearly with the change in the incident / reflection angle ⁇ of the concave mirror 14. Therefore, in the present modification, when the vertical position of the eye point at which the virtual image 50 becomes visible is adjusted, it may not be possible to eliminate the change in the presentation position of the virtual image 50 in the depth direction. The change of the presentation position in the direction can be reduced. Therefore, also in this modified example, by driving only one drive motor 26, it is possible to adjust the vertical position of the eye point at which the virtual image 50 becomes visible while reducing the change in the presentation position of the virtual image 50.
  • the drive mechanism 20 may not be configured such that the first drive mechanism 22 and the second drive mechanism 24 also serve as one drive motor 26.
  • each of the first drive mechanism 22 and the second drive mechanism 24 may have a separate drive motor.
  • the control unit 40 may operate the respective drive motors of the first drive mechanism 22 and the second drive mechanism 24 such that the non-linear relationship shown in FIG. 5 is maintained.
  • the angle ⁇ of the concave mirror 14 and the position of the display unit 12 can be controlled with high accuracy.
  • the drive motors of the first drive mechanism 22 and the second drive mechanism 24 are operated so that the position of the display unit 12 changes linearly with the change of the angle ⁇ of the concave mirror 14. Is also good.
  • only the display unit 12 may be arranged on the stage 38 so as to be movable in the z direction, while the illumination unit 11 may be fixed to the housing 18. Even when only the display unit 12 is moved, the same operation and effect as those of the above-described embodiment can be obtained.
  • the present invention has been described with reference to the above-described embodiments.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and may be obtained by appropriately combining or replacing the configurations shown in the display examples. Are also included in the present invention.
  • the virtual image display device 10 may be configured such that when the direction of the concave mirror 14 is set to a specific angle, the meridional focal length of the concave mirror 14 or the synthetic optical system matches the sagittal focal length. For example, at the angle of the concave mirror 14 when the image display light L is presented to the user E2 at the intermediate height position in FIG. 4, the meridional focal length and the sagittal focal length of the concave mirror 14 or the synthetic optical system match. You may do so.
  • an optical element such as a convex lens may be added between the display unit 12 and the concave mirror 14.
  • a change in the focal length of the synthetic optical system including the windshield 62, the concave mirror 14, and the convex lens occurs in accordance with the change in the concave mirror 14, so that the virtual image presentation position due to the change in the focal length of the synthetic optical system is changed. What is necessary is just to change the position of the display part 12 so that a change may be eased.

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Abstract

虚像表示装置１０は、虚像提示板を介してユーザに虚像を提示する。虚像表示装置１０は、画像表示光Ｌを生成する表示部１２と、画像表示光Ｌを反射して虚像提示板に向けて投射する凹面鏡１４と、凹面鏡１４における画像表示光Ｌの入射角φが変化するように凹面鏡１４の向きを変化させ、凹面鏡１４の向きに応じて凹面鏡１４から表示部１２までの距離ａが変化するように表示部１２を移動させる駆動機構２０と、を備える。

Description

虚像表示装置
　本発明は、虚像表示装置に関する。
　近年、車両用表示装置としてヘッドアップディスプレイが用いられることがある。ヘッドアップディスプレイは、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。運転者等のユーザの目の高さには個人差があるため、ウインドシールドに向けて画像表示光を投射する凹面鏡の向きを調整することで、虚像が視認できる高さ位置が調整される。さらに、表示器と凹面鏡を含む筐体を凹面鏡の向きに応じて移動させることにより、虚像の上下方向の移動を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１５－６０１８０号公報
　上述の技術では、凹面鏡に画像表示光が斜めに入射するため、凹面鏡の角度の変化に応じて凹面鏡の焦点距離が変化する。その結果、ユーザから見た虚像の奥行き方向の提示位置が焦点距離の変化に応じて変化してしまう。ユーザの視点の高さに合わせて凹面鏡の向きを変化させる場合に奥行き方向の虚像提示距離の変化を低減できることが好ましい。
　本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、虚像が視認できる高さ位置の調整に伴う虚像提示距離の変化を低減する技術を提供することを目的とする。
　本発明のある態様の虚像表示装置は、虚像提示板を介してユーザに虚像を提示する。この虚像表示装置は、画像表示光を生成する表示部と、画像表示光を反射して虚像提示板に向けて投射する凹面鏡と、凹面鏡における画像表示光の入射角が変化するように凹面鏡の向きを変化させ、凹面鏡の向きに応じて凹面鏡から表示部までの距離が変化するように表示部を移動させる駆動機構と、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、虚像が視認できる高さ位置の調整に伴う虚像提示距離の変化を低減できる。
実施の形態に係る虚像表示装置の構成を模式的に示す図である。 図２（ａ），（ｂ）は、凹面鏡に入射する平行光束の焦点位置を模式的に示す図である。 比較例において目の高さ位置が変化したときの虚像の見え方の変化を模式的に示す図である。 実施の形態において目の高さ位置が変化したときの虚像の見え方の変化を模式的に示す図である。 凹面鏡の角度変化に対する凹面鏡の焦点距離の変化および凹面鏡から表示部までの距離の変化を模式的に示すグラフである。 実施の形態に係る駆動機構の構成を詳細に示す側面図である。 変形例に係る駆動機構の構成を詳細に示す側面図である。
　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、実施の形態に係る虚像表示装置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虚像表示装置１０が設置される。虚像表示装置１０は、いわゆるヘッドアップディスプレイ装置である。虚像表示装置１０は、虚像提示板であるウインドシールド６２に画像表示光Ｌ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Ｅ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Ｅ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。
　虚像表示装置１０は、照明部１１と、表示部１２と、凹面鏡１４と、筐体１８と、駆動機構２０と、制御部４０と、を備える。筐体１８は、照明部１１、表示部１２、凹面鏡１４および駆動機構２０を内部に収容する。筐体１８は、車両６０に対して固定されており、ウインドシールド６２に対する相対位置が変化しないように車両６０に取り付けられる。
　照明部１１は、表示光を生成するための光源であり、表示部１２を照明するための照明光を生成する。照明部１１は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＬＤ（Laser Diode）などの発光素子と、発光素子からの出力光の強度分布や角度分布を調整するための光学素子とを有する。照明部１１は、ほぼ一様な明るさの白色光を表示部１２に提供する。照明部１１の構成は特に限られないが、発光素子からの出力光を整えるために、例えば、ライトトンネル、フレネルレンズ、光拡散板などの光学素子を用いることができる。
　表示部１２は、照明部１１からの照明光を変調して表示光を生成し、虚像５０の表示内容に対応する中間像（実像）を形成する。表示部１２は、表示光を生成するための透過型の画像表示素子を含み、透過型の液晶パネルといった表示デバイスを含む。画像表示素子は、制御部４０から送信される画像信号を受け、画像信号に対応する表示内容の画像表示光Ｌを生成する。表示部１２は、画像表示光Ｌの向きや配光角を整えるための光学素子をさらに含んでもよい。また表示部１２は、例えば、透過型液晶パネル以外のＤＭＤ（Digital Mirror Device）やＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）方式等のＬＳＭ（Laser Scanning Module）といったプロジェクションユニットと、マイクロレンズアレイシートや光拡散シートといった透過型スクリーンとを組み合わせた構成としてもよい。
　凹面鏡１４は、表示部１２が生成する画像表示光Ｌを反射してウインドシールド６２に向けて投射する投射鏡である。凹面鏡１４は、画像表示光Ｌに基づく画像を拡大してユーザＥに提示する。ユーザＥは、画像表示光Ｌに基づく画像を虚像５０として視認する。
　駆動機構２０は、第１駆動機構２２と、第２駆動機構２４とを有する。第１駆動機構２２は、照明部１１および表示部１２を画像表示光Ｌの投射方向に直線的に移動させ、表示部１２から凹面鏡１４までの距離を変化させる。第１駆動機構２２は、例えば、駆動用モータと、モータの回転運動を直線運動に変換するリードスクリューとを含み、いわゆるリニアステージ機構などで構成されることができる。
　第１駆動機構２２は、表示部１２の位置を変化させることで、ユーザＥから見た虚像５０の奥行き方向の提示位置を調整する。虚像表示装置１０は、虚像を提示する光学系であるため、凹面鏡１４の焦点位置よりも凹面鏡１４の近くに表示部１２が配置される。そのため、表示部１２を凹面鏡１４に相対的に近付けると、ユーザＥから見た虚像５０の提示位置は相対的に近くなる。逆に、表示部１２を凹面鏡１４から相対的に遠ざけると、ユーザＥから見た虚像５０の提示位置は相対的に遠くなる。仮に、表示部１２を凹面鏡１４の焦点位置に配置すれば、ユーザＥから見た虚像５０の提示位置は無限遠となる。
　第２駆動機構２４は、凹面鏡１４の向きが変わるように凹面鏡１４を回動させ、ユーザＥに向かう画像表示光Ｌの向きを調整する。第２駆動機構２４は、例えば、駆動用モータと、モータの回転運動を凹面鏡１４に伝達する駆動ギアとを含み、いわゆる回動機構などで構成されることができる。
　第２駆動機構２４は、凹面鏡１４の向きを変化させることで、凹面鏡１４に入射する画像表示光Ｌの入反射角を変化させる。凹面鏡１４における画像表示光Ｌの入反射角が変化することで、ウインドシールド６２からユーザＥに向かう画像表示光Ｌの向きが変わり、異なる高さ位置に向けて画像表示光Ｌを投射できる。これにより、目の高さ位置が異なるユーザに対して適切に虚像５０を提示できる。
　駆動機構２０は、凹面鏡１４の向きを変化させる場合、凹面鏡１４の向きに応じて凹面鏡１４から表示部１２までの距離が変化するように表示部１２を移動させる。このとき、凹面鏡１４における画像表示光Ｌの入反射角が変化することによって凹面鏡１４の焦点位置が変化し、焦点位置の変化に起因して虚像５０の提示位置までの奥行き方向の距離が変化する影響が緩和されるように表示部１２を移動させる。これにより、虚像が視認可能となるユーザＥの目の高さ位置である「アイポイント」を上下方向に調整する際、虚像５０が提示される奥行き方向の位置の変化が低減されるようにする。
　制御部４０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１１および表示部１２を動作させる。制御部４０は、外部装置６４と接続されており、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。制御部４０は、駆動機構２０の動作を制御する。制御部４０は、例えば、外部装置６４を通じたユーザからの入力操作に基づいて駆動機構２０を駆動し、虚像５０が視認可能となるアイポイントの上下方向の位置を調整する。
　外部装置６４は、虚像５０として表示される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部４０に送信する。
　以下、実施の形態に係る光学配置を詳述する前に、比較例を参照しながら、凹面鏡の向きの変化に応じて虚像の提示位置の変化してしまう事象について説明する。虚像提示位置が変化する理由として、凹面鏡に斜めに入反射する画像表示光Ｌの角度に応じて、凹面鏡の焦点位置（焦点距離）が変化してしまうことが挙げられる。
　図２（ａ），（ｂ）は、凹面鏡９６に入射する平行光束の焦点位置を模式的に示す図であり、それぞれ異なる視点から見た図である。図２（ａ）は、凹面鏡９６のメリディオナル面（ｙｚ平面）内での光束を示し、図２（ｂ）は、凹面鏡９６のサジタル面(ｘｚ平面）内での光束を示す。図示されるように、メリディオナル面とサジタル面では平行光束の収束位置Ｆｍ，Ｆｓが異なり、メリディオナル面内焦点Ｆｍよりもサジタル面内焦点Ｆｓの方が凹面鏡９６から遠くに位置する。これは、凹面鏡に平行光束を斜入射させると、その入射角に応じて光の収束位置までの距離（つまり、焦点距離）が変化するためである。メリディオナル面内焦点Ｆｍとサジタル面内焦点Ｆｓの間の差Ａｓは、非点収差ともいわれる。凹面鏡の焦点距離をｆ、凹面鏡に入射する光の入射角をφとすると、斜入射する光の焦点距離はｆ・ｃｏｓφと表され、入反射角φが大きいほど焦点距離ｆ・ｃｏｓφは小さくなる。つまり、光束が斜めに入射するメリディオナル面内での焦点距離がｆ・ｃｏｓφに短くなる。一方、サジタル面内での焦点距離はｆ／ｃｏｓφに長くなる。したがって、凹面鏡９６に光束を斜めに入反射させる場合、凹面鏡９６での光束の入反射角に応じて焦点距離が変化する。
　図３は、比較例において目の高さ位置が変化したときの虚像の見え方の変化を模式的に示す図である。比較例に係る虚像表示装置１１０は、凹面鏡１１４に対して表示部１１２の位置が固定されており、凹面鏡１１４から表示部１１２までの距離が不変である点を除いて、実施の形態と同様に構成される。虚像表示装置１１０は、照明部１１１と、表示部１１２と、凹面鏡１１４と、駆動機構１２４とを有する。表示部１１２にて生成される画像表示光Ｌは、凹面鏡１１４によりウインドシールド６２に向けて反射されてユーザに虚像として提示される。
　図３において、表示部１１２から凹面鏡１１４に向かう画像表示光Ｌｉｎの光路が延びる方向をｚ方向としている。凹面鏡１１４は、ｚ方向に入射する画像表示光Ｌｉｎをウインドシールド６２に向けて上方向（ｙ方向）に反射させる。凹面鏡１１４での画像表示光Ｌｉｎ，Ｌｏｕｔの入反射角φは１０度～４０度程度であり、例えば１５度～３５度程度がより適切である。駆動機構１２４は、凹面鏡１１４を矢印Ｒで示すように回動させることにより、凹面鏡１１４における画像表示光Ｌの入反射角φを変化させる。駆動機構１２４による凹面鏡１１４の角度変化量Δφは、例えば±５度程度である。凹面鏡１１４の回動軸は、ｘ方向であり、凹面鏡１１４に入射する画像表示光Ｌｉｎの進行方向と、凹面鏡１１４にて反射されて出射する画像表示光Ｌｏｕｔの進行方向の双方に直交する方向である。
　図３では、目の高さ位置が異なるユーザＥ１，Ｅ２，Ｅ３のそれぞれに虚像１５１，１５２，１５３を提示するときの画像表示光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の光路を示している。駆動機構１２４は、凹面鏡１１４を矢印Ｒに示されるように回動させて凹面鏡１１４の向きを調整する。凹面鏡１１４での入反射角φが大きくなるように凹面鏡１１４を回動させることで、ウインドシールド６２での入反射角θが小さくなる。逆に、凹面鏡１１４での入反射角φを小さくすれば、ウインドシールド６２での入反射角θが大きくなる。これにより、異なる目の高さのユーザＥ１～Ｅ３のそれぞれに適切な方向に画像表示光を投射できる。
　このとき、高さ位置の異なるユーザＥ１～Ｅ３のそれぞれに合わせて凹面鏡１１４の向きを変化させると、凹面鏡１１４の入反射角φの変化に応じて凹面鏡１１４の焦点位置ｆ１，ｆ２，ｆ３が変化する。具体的には、相対的に高い位置のユーザＥ１に合わせて凹面鏡１１４の入反射角φを小さくすると、凹面鏡１１４から焦点位置ｆ１までの距離は相対的に長くなる。一方、相対的に低い位置のユーザＥ３に合わせて凹面鏡１１４の入反射角φを大きくすると、凹面鏡１１４から焦点位置ｆ３までの距離は相対的に短くなる。
　なお、図３では、凹面鏡１１４の焦点位置ｆ１～ｆ３として、メリディオナル面（ｙｚ平面）内で光束が収束するメリディオナル焦点位置を模式的に示している。また、サジタル面（ｘｚ平面）内で光束が収束するサジタル焦点位置を符号ｆｓを用いて模式的に示している。凹面鏡１１４のサジタル焦点位置ｆｓは、凹面鏡１１４の入反射角φが変化したとしても、ほとんど変化せず、メリディオナル焦点距離ｆ１～ｆ３に比べて変化が小さい。なお、凹面鏡１１４の焦点位置ｆｓ，ｆ１～ｆ３は模式的に示されるものであり、虚像表示装置１１０の光学配置に基づく正確な焦点位置を示すものではない。
　凹面鏡１１４の向きの変化に応じて焦点位置ｆ１～ｆ３が変化すると、ユーザＥ１～Ｅ３のそれぞれが見る虚像１５１～１５３の提示位置までの距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３が変化する。虚像提示位置は、いわゆるレンズの公式を用いて概略的に計算することができ、凹面鏡１１４から表示部１１２までの距離ａ、凹面鏡１１４から虚像までの距離ｂ、凹面鏡の焦点距離ｆを用いて、（１／ｂ）＝（１／ａ）－（１／ｆ）の関係が成立する。比較例では、凹面鏡１１４から表示部までの距離ａが固定値であるため、凹面鏡１１４の焦点距離ｆが変化すると、虚像提示位置までの距離ｂも変化する。具体的には、相対的に高い位置のユーザＥ１に合わせて凹面鏡１１４の入反射角φを小さくすると、凹面鏡１１４から焦点位置ｆ１までの距離が相対的に長くなり、虚像１５１の提示位置までの距離Ｄ１は相対的に長くなる。一方、相対的に低い位置のユーザＥ３に合わせて凹面鏡１１４の入反射角φを大きくすると、凹面鏡１１４から焦点位置ｆ３までの距離が相対的に短くなり、虚像１５３の提示位置までの距離Ｄ３は相対的に短くなる。
　ここで、焦点位置ｆ１～ｆ３の変化に応じて提示位置が変化する虚像１５１～１５３は、縦方向（メリディオナル面内）のピントが合うように見えるメリディオナル像面である。一方、虚像１５１～１５３の手前に提示される１５０ｓは、横方向（サジタル面内）のピントが合うように見えるサジタル像面である。サジタル像面１５０ｓは、メリディオナル像面１５１～１５３とは異なり、凹面鏡１１４の向きを変化させたとしてもそれほど変わらない。凹面鏡１１４のサジタル焦点位置ｆｓが凹面鏡１１４の角度変化に対してそれほど変化しないためである。その結果、サジタル像面１５０ｓの提示位置とメリディオナル像面１５１～１５３の提示位置のずれ量δＤが凹面鏡１１４の角度に応じて変化するという現象が生じうる。ここでいうサジタル像面１５０ｓとメリディオナル像面１５１～１５３のずれ量δＤは、非点較差ともいわれる。
　サジタル像面１５０ｓとメリディオナル像面１５１～１５３の非点較差δＤは、所定値以下であることが好ましく、視度（ディオプタ）で０．２５Ｄ［ｍ－１］以下とすることが好ましいとされる。非点較差δＤが０．２５Ｄを超えると、サジタル像面とメリディオナル像面の双方に人間の目がピントを合わせることが困難となる。その結果、虚像がぼやけて見えたり、めまいや疲労感を感じたりするといった問題が生じうる。比較例では、メリディオナル像面１５１～１５３の提示位置が凹面鏡１１４の向きに応じて変化するため、メリディオナル像面の位置によっては非点較差δＤが所定値（例えば０．２５Ｄ）を超える可能性が生じうる。そうすると、適切な虚像を提示できないという問題が生じうる。また、非点較差δＤが所定値以内に収まるように光学系を設計しようとした場合、虚像を適切なサイズに拡大させることが困難となったり、虚像の提示位置までの距離が不適切となったりするなどの別の課題が生じうる。
　そこで、本実施の形態では、凹面鏡１４の向きに応じて表示部１２の位置を調整することにより、虚像の提示位置の変化が低減されるようにする。
　図４は、実施の形態において目の高さ位置が変化したときの虚像の見え方の変化を模式的に示す図である。本実施の形態では、凹面鏡１４の入反射角φの変化に起因する凹面鏡１４の焦点位置ｆ１～ｆ３に応じて、凹面鏡１４から表示部１２までの距離ａが変化するように表示部１２を矢印Ｚで示すように移動させる。
　具体的には、相対的に高い位置のユーザＥ１に合わせて凹面鏡１４の入反射角φを小さくする場合、凹面鏡１４から表示部１２までの距離ａが長くなるように表示部１２を－ｚ方向に移動させる。一方、相対的に低い位置のユーザＥ３に合わせて凹面鏡１４の入反射角φを大きくする場合、凹面鏡１４から表示部１２までの距離ａが短くなるように表示部１２を＋ｚ方向に移動させる。例えば、凹面鏡１４から表示部１２までの距離ａの逆数（１／ａ）と、凹面鏡１４の焦点距離ｆの逆数（１／ｆ）の差分（１／ａ）－（１／ｆ）が一定値となるようにすることで、メリディオナル像面５０ｍの提示位置までの距離Ｄを一定にできる。これにより、上述の変形例にて説明した虚像提示位置が変化することにより生じうる問題を解消することができる。
　図５は、凹面鏡１４の角度変化に対する凹面鏡１４の焦点距離ｆの変化および凹面鏡１４から表示部１２までの距離ａの変化を模式的に示すグラフである。図示されるように、凹面鏡１４の焦点距離ｆは、凹面鏡１４における画像表示光Ｌの入反射角φが大きくになるにつれて小さくなる。このときに、凹面鏡１４から表示部１２までの距離ａを焦点距離ｆの変化に合わせて変化させることで、メリディオナル像面５０ｍの提示位置を一定にすることができる。特に、凹面鏡１４の角度φの変化に対して凹面鏡１４から表示部１２までの距離ａを非線形に変化させることで、虚像提示位置が不変となるようにすることができる。一例において、凹面鏡１４の角度φの変化に対し、凹面鏡１４から表示部１２までの距離ａはｃｏｓφに比例するように変化させる。
　なお、凹面鏡１４の角度φの変化に対して凹面鏡１４から表示部１２までの距離ａを線形に変化させてもよい。この場合、虚像提示位置を不変にすることはできないが、表示部１２の位置を固定する場合よりも虚像提示位置の変化量を小さくできる。また、図５では、約２０度±５度の範囲を調整範囲としており、距離ａの変化量を高精度で線形近似できないかもしれないが、例えば３５度±５度といった別の角度範囲であれば、距離ａの変化量を高精度で線形近似できるかもしれない。このような場合には、角度φの変化に対して距離ａの変化を比例させることで、虚像提示位置の変化量を好適に小さくできる。
　また、図４の構成において、メリディオナル像面５０ｍの提示位置をより厳密に一定にするためには、ウインドシールド６２の曲率等も考慮することが好ましい。虚像５０の提示位置は、表示部１２からユーザＥ１～Ｅ３に至る光路上の全ての光学素子の特性に影響され、凹面鏡１４およびウインドシールド６２により構成される合成光学系の焦点距離によって決定されるためである。したがって、上述の単純なレンズの公式ではなく、凹面鏡１４およびウインドシールド６２を組み合わせた合成光学系において、虚像提示位置が不変となるように表示部１２の位置の変化量を決定することが好ましい。
　なお、本実施の形態では、凹面鏡１４の向きを変えてもサジタル焦点位置ｆｓがほとんど変わらない状況下で凹面鏡１４から表示部１２までの距離ａを変化させているため、図４に示されるようにサジタル像面５１ｓ，５２ｓ，５３ｓの位置が変化しうる。具体的には、相対的に高い位置のユーザＥ１に合わせて凹面鏡１４の入反射角φを小さくして凹面鏡１４から表示部１２までの距離ａを長くすると、相対的に遠くにサジタル像面５１ｓが提示される。一方、相対的に低い位置のユーザＥ３に合わせて凹面鏡１４の入反射角φを大きくして凹面鏡１４から表示部１２までの距離ａを短くすると、相対的に近くにサジタル像面５３ｓが提示される。その結果、本実施の形態においても、サジタル像面５１ｓ～５３ｓの提示位置の変化に応じて非点較差δＤが変化しうる。しかしながら、本実施の形態では、メリディオナル焦点距離ｆ１～ｆ３よりもサジタル焦点距離ｆｓが長いため、表示部１２の位置の変化に起因するサジタル像面５１ｓ～５３ｓの変化はそれほど大きくない。その結果、上述の比較例に比べて、凹面鏡１４の角度φを変化させることによる非点較差δＤの変化量を小さくできる。また、凹面鏡１４の反射面をトロイダル形状とすることで、メリディオナル焦点変化に伴うサジタル焦点変化をより効果的に最小化できる。したがって、本実施の形態によれば、凹面鏡１４の角度φの可変範囲にわたってユーザＥ１～Ｅ３に視認しやすい虚像を提示できる。
　本実施の形態によれば、メリディオナル像面５０ｍの手前にサジタル像面５１ｓ～５３ｓを提示することで、ウインドシールド６２の厚みに起因する二重像の発生を緩和できる。ウインドシールド６２は、一定の厚みを有するため、ウインドシールド６２の二つの面（内面と外面）のそれぞれで反射した画像表示光Ｌが視認されうる。このとき、ウインドシールド６２の内面および外面のそれぞれで反射される画像表示光Ｌにわずかな角度差が生じることで、それぞれの画像表示光に基づく虚像がずれて重畳される。このような二重像の発生は、メリディオナル像面においてのみ発生し、サジタル像面では発生しない。そのため、二重像が発生しないサジタル像面を手前側に配置することで、それよりも奥側に配置されるメリディオナル像面での二重像を目立たなくすることができる。これにより、ユーザＥ１～Ｅ３に視認しやすい虚像を提示できる。
　図６は、実施の形態に係る駆動機構２０の構成を詳細に示す側面図である。駆動機構２０は、駆動用モータ２６と、駆動ギア２８と、中間ギア３０と、回動ギア３２と、リードスクリュー３４と、スライダ３６と、ステージ３８とを備える。第１駆動機構２２は、リードスクリュー３４、スライダ３６およびステージ３８により構成される。第２駆動機構２４は、中間ギア３０および回動ギア３２により構成される。駆動用モータ２６および駆動ギア２８は、第１駆動機構２２および第２駆動機構２４において兼用される。また、駆動ギア２８とリードスクリュー３４の間には、図示しない他のギア等が追加的に設けられてもよく、これにより駆動ギア２８の回転がリードスクリュー３４の回転に変換されてもよい。
　駆動用モータ２６を駆動させると、駆動ギア２８が回転し、中間ギア３０を介して回動ギア３２が回転する。回動ギア３２は、凹面鏡１４の反射面とは反対側の裏面に取り付けられており、回動ギア３２の回動によって凹面鏡１４に入射する画像表示光Ｌの入反射角φが変化する。回動ギア３２の回動軸Ｘの方向は、ｘ方向である。
　また、駆動ギア２８の回転によりｚ軸方向に延びるリードスクリュー３４が回転し、リードスクリュー３４の回転量に応じてスライダ３６がＺ方向に移動する。スライダ３６には照明部１１および表示部１２を支持するステージ３８が取り付けられている。スライダ３６の移動により照明部１１および表示部１２がＺ方向に移動する。
　駆動機構２０は、凹面鏡１４の入反射角φが相対的に小さくなるように駆動すると、スライダ３６が凹面鏡１４から離れる方向（－ｚ方向）に移動するよう構成される。逆の言い方をすれば、駆動機構２０は、凹面鏡１４の入反射角φが相対的に大きくなるように駆動すると、スライダ３６が凹面鏡１４に近づく方向（＋ｚ方向）に移動するよう構成される。
　リードスクリュー３４は、少なくともスライダ３６の可動範囲においてスクリューのピッチが不均等となるように構成される。これにより、駆動用モータ２６の回転角に対するスライダ３６のＺ方向の移動量を非線形とすることができる。具体的には、駆動用モータ２６に近づくにつれてピッチが大きくなり、駆動用モータ２６から離れるにつれてピッチが小さくなるように構成される。その結果、凹面鏡１４の入反射角φを小さくし、表示部１２から凹面鏡１４までの距離ａを相対的に大きくする場合、駆動用モータ２６の一定の回転量に対するスライダ３６の移動量は小さくなる。一方、凹面鏡１４の入反射角φを大きくし、表示部１２から凹面鏡１４までの距離ａを相対的に小さくする場合、駆動用モータ２６の一定の回転量に対するスライダ３６の移動量は大きくなる。これにより、例えば、図５に示される角度φと凹面鏡１４から表示部１２までの距離ａとの間の非線形の関係性を成立させることができる。この場合、スライダ３６は、リードスクリュー３４とシングルピンにより接合する。本実施の形態によれば、一つの駆動用モータ２６を駆動させるだけで、虚像５０の提示位置の変化を低減しながら、虚像５０が視認可能となるアイポイントの上下方向の位置を調整できる。
　図７は、変形例に係る駆動機構２０の構成を詳細に示す側面図である。図７に示す変形例では、スクリューのピッチが不均等であるリードスクリュー３４の代わりに、スクリューのピッチが均等である別のリードスクリュー３５が用いられる。そのため、変形例では、凹面鏡１４の入反射角φの変化に対して凹面鏡１４から表示部１２までの距離ａが線形に変化する。そのため、本変形例では、虚像５０が視認可能となるアイポイントの上下方向の位置を調整した場合、虚像５０の奥行き方向の提示位置の変化をなくすことはできないかもしれないが、虚像５０の奥行き方向の提示位置の変化を低減することができる。したがって、本変形例においても、一つの駆動用モータ２６を駆動させるだけで、虚像５０の提示位置の変化を低減しながら、虚像５０が視認可能となるアイポイントの上下方向の位置を調整できる。
　さらなる変形例においては、第１駆動機構２２および第２駆動機構２４が一つの駆動用モータ２６を兼用するよう駆動機構２０が構成されなくてもよい。例えば、第１駆動機構２２および第２駆動機構２４のそれぞれが個別の駆動用モータを有してもよい。この場合、制御部４０は、図５に示される非線形の関係性が維持されるように、第１駆動機構２２および第２駆動機構２４のそれぞれの駆動用モータを動作させてもよい。例えば、第１駆動機構２２および第２駆動機構２４のそれぞれの駆動用モータとしてステッピングモータを用いることで、凹面鏡１４の角度φおよび表示部１２の位置を高精度に制御できる。なお、本変形例において、凹面鏡１４の角度φの変化に対して表示部１２の位置が線形に変化するように第１駆動機構２２および第２駆動機構２４のそれぞれの駆動用モータを動作させてもよい。
　さらなる変形例においては、表示部１２のみをステージ３８に配置してｚ方向に移動可能とする一方、照明部１１は筐体１８に対して固定してもよい。表示部１２のみを移動させる場合であっても、上述の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
　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。
　上述の実施の形態では、凹面鏡１４の非点収差を利用して、サジタル像面５１ｓ～５３ｓを手前側、メリディオナル像面５０ｍを奥側に配置する場合について示した。変形例においては、凹面鏡１４の向きを特定の角度とした場合に凹面鏡１４または合成光学系のメリディオナル焦点距離とサジタル焦点距離とが一致するように虚像表示装置１０を構成してもよい。例えば、図４の中間の高さ位置のユーザＥ２に向けて画像表示光Ｌが提示されるときの凹面鏡１４の角度において、凹面鏡１４または合成光学系のメリディオナル焦点距離とサジタル焦点距離とが一致するようにしてもよい。この場合においても、凹面鏡１４の角度変化による焦点距離の変化に応じて凹面鏡１４から表示部１２までの距離ａを変化させることで、ユーザから見た奥行き方向の虚像提示位置の変化を低減できる。
　変形例においては、表示部１２と凹面鏡１４の間に凸レンズなどの光学素子を追加してもよい。この場合、凹面鏡１４の変化に応じて、ウインドシールド６２、凹面鏡１４および凸レンズにより構成される合成光学系の焦点距離の変化が生じるため、合成光学系の焦点距離の変化に起因する虚像提示位置の変化が緩和されるように、表示部１２の位置を変化させればよい。
　本発明によれば、虚像が視認できる高さ位置の調整に伴う虚像提示距離の変化を低減できる。
　１０…虚像表示装置、１２…表示部、１４…凹面鏡、１８…筐体、２０…駆動機構、５０…虚像、６０…車両、６２…ウインドシールド、Ｅ…ユーザ、Ｌ…画像表示光。

Claims (7)

  1. 　虚像提示板を介してユーザに虚像を提示するための虚像表示装置であって、
    　画像表示光を生成する表示部と、
    　前記画像表示光を反射して前記虚像提示板に向けて投射する凹面鏡と、
    　前記凹面鏡における前記画像表示光の入射角が変化するように前記凹面鏡の向きを変化させ、前記凹面鏡の向きに応じて前記凹面鏡から前記表示部までの距離が変化するように前記表示部を移動させる駆動機構と、を備えることを特徴とする虚像表示装置。
  2. 　前記駆動機構は、
    　ａ）前記凹面鏡における前記画像表示光の入射角が小さくなるように前記凹面鏡の向きを変化させる場合、前記凹面鏡から前記表示部までの距離が長くなるように前記表示部を移動させ、
    　ｂ）前記凹面鏡における前記画像表示光の入射角が大きくなるように前記凹面鏡の向きを変化させる場合、前記凹面鏡から前記表示部までの距離が短くなるように前記表示部を移動させることを特徴とする請求項１に記載の虚像表示装置。
  3. 　前記駆動機構は、前記凹面鏡における前記画像表示光の入射角の変化量と、前記凹面鏡から前記表示部までの距離の変化量とを比例関係にすることを特徴とする請求項１または２に記載の虚像表示装置。
  4. 　前記駆動機構は、前記凹面鏡における前記画像表示光の入射角の変化量と、前記凹面鏡から前記表示部までの距離の変化量との相関を所定の非線形関係にすることを特徴とする請求項１または２に記載の虚像表示装置。
  5. 　前記駆動機構は、前記凹面鏡の向きの変化に応じて前記凹面鏡から前記表示部までの距離を変化させることにより、前記凹面鏡から前記表示部までの距離を固定したまま前記凹面鏡の向きを変化させる場合に比べて、前記凹面鏡における前記画像表示光の入射角の変化量に応じた前記ユーザから見た前記虚像の提示位置までの距離の変化量を小さくすることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  6. 　前記駆動機構は、前記凹面鏡の向きの変化に応じて前記凹面鏡から前記表示部までの距離を変化させることにより、前記ユーザから見た前記虚像の提示位置までの距離を一定に維持することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  7. 　前記駆動機構は、前記凹面鏡の回転量に応じて前記表示部を直線移動させるリードスクリューを含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
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