JP2015018099A - ヘッドアップディスプレイ装置、および画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スクリーン面上でビーム光を走査して形成した画像を投影するＨＵＤ装置において、コンバイナーの搭載角度を容易に決定可能とする。【解決手段】ビーム光照射部からのビーム光をスクリーンで光束に変換し、その光束をコンバイナーで反射することによって虚像を表示する。スクリーンは、光束を出射する方向に対してスクリーンの法線が傾いている。そして、スクリーンの法線を傾ける回転方向は、スクリーンからの光束に対してコンバイナーの法線方向が傾いた回転方向となっている。こうすれば、虚像が倒れて表示される現象を大幅に抑制することができるので、何らの試行錯誤を要することなく、コンバイナーの最適な搭載角度を容易に決定することが可能となる。【選択図】図８

Description

本発明は、運転席の前方に設けられた透明な板状部材に画像を投影することによって、運転席の前方の景色に重ねて画像を表示するヘッドアップディスプレイ装置、およびヘッドアップディスプレイ装置に用いられる画像投影装置に関する。

車両の運転者に対して、前方からの視線の移動を強いることなく、各種の情報を提示することが可能な技術としては、「コンバイナー」と呼ばれる透明な板状部材に画像を投影して、前方の景色に重ねて画像を虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置）が知られている。
ＨＵＤ装置でコンバイナーに投影して虚像表示するための画像は、液晶画面を用いて形成する方式が提案されているが、高輝度の画像を得るために、スクリーンの背面側からビーム光を走査するなどしてスクリーン上に画像を形成する方式も提案されている。

このようにスクリーン上に画像を形成する場合、スクリーン面の向きは、画像を投影するコンバイナーに正対する向きに（すなわち、スクリーン面の法線がコンバイナーに向くように）設けられる。これは、コンバイナーに対してスクリーン面を正対させた方が、斜めに設けた場合よりもスクリーン面が広く見えるので、大きな画像を投影して表示することが可能となるためである（特許文献１）。

特開２００９−１６３１９１号公報

しかし、コンバイナーを用いたＨＵＤ装置では、ＨＵＤ装置を車両に実装する時のコンバイナーの搭載角度を決定するために、何度も試行錯誤を繰り返さなければならず、たいへんな労力を要するという問題があった。
これは、次のような理由による。先ず、スクリーン面をコンバイナーに対して正対するように設けると、運転者から見て虚像が向こう側に大きく不自然に倒れて見えてしまうことが通常である。このため、コンバイナーの搭載角度を調整することによって、運転者が不自然に感じない程度まで虚像を立たせようとするが、実際にはコンバイナーの搭載角度は、ウィンドシールドガラスとの干渉や、運転者の目の位置との関係による制約を受けるため、コンバイナーの搭載角度を自由に変更することは難しい。その結果、単にコンバイナーの搭載角度を調整するだけに留まらず、ＨＵＤ装置の搭載位置や、ＨＵＤ装置の搭載角度、ウィンドシールドガラスの形状などを試行錯誤によって少しずつ見直しながら、運転者が不自然に感じない程度まで虚像の倒れを軽減しなければならない。このような理由から、コンバイナーの搭載角度の決定には、たいへんな労力が必要となるという問題があった。
また、近年では、拡散面を有するスクリーン上に、（背面側からではなく）表側からビーム光を走査して画像を形成するタイプのＨＵＤ装置も開発されており、このＨＵＤ装置においても、上述した問題は同様に生じていた。

この発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、スクリーン面上でビーム光を走査して形成した画像を投影するＨＵＤ装置において、コンバイナーの搭載角度を容易に決定することができ、ＨＵＤ装置を車両に容易に搭載することが可能な技術の提供を目的とする。

上述した問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装置は、ビーム光照射部からのビーム光を、スクリーンを用いて光束に変換し、その光束をコンバイナーで反射することによって虚像を表示する。ここで、スクリーンは、光束を出射する方向に対してスクリーンの法線方向を傾けて設けられている。そして、スクリーンを傾ける回転方向は、スクリーンからの光束に対してコンバイナーの法線方向が傾いた回転方向に設定されている。
尚、ビーム光照射部は、反射鏡などを介さずに直接、スクリーンにビーム光を照射しても良いし、反射鏡などを介して間接的にスクリーンにビーム光を照射しても良い。また、スクリーンは、反射鏡などを介さずに直接、コンバイナーに光束を出射しても良いし、反射鏡などを介して間接的にコンバイナーに光束を出射しても良い。

詳細には後述するが、本願の発明者が見出した知見によれば、スクリーンの搭載角度と、コンバイナーの搭載角度と、虚像の傾きとの間には、事実上、一定の法則が成り立っている。そして、この法則に従えば、スクリーンがコンバイナーに出射する光束に対してスクリーンを傾けることによって、虚像が倒れて表示される現象を大幅に抑制することができる。また、スクリーンを傾ける回転方向は、コンバイナーに出射する光束に対するスクリーンの法線方向が、スクリーンからの光束に対してコンバイナーの法線方向が傾いた回転方向と同じ方向となるようにしてやればよい。こうすれば、虚像の倒れを大幅に抑制することができるので、何らの試行錯誤を要することなく、コンバイナーの最適な搭載角度を容易に決定することがで、その結果、ヘッドアップディスプレイ装置を容易に搭載することが可能となる。

また、上述した本発明のヘッドアップディスプレイ装置においては、スクリーンを次のような向きに傾けても良い。先ず、虚像が立像する位置から、その虚像が立像する方向に延長した虚像平面を想定して、その虚像平面と、コンバイナーの主平面との交線を求める。そして、スクリーンが設けられた平面を延長したスクリーン平面が、虚像平面とコンバイナーの主平面との交線から所定距離以内を通過するような向きに、スクリーンを設けることとしても良い。

こうすれば、目的とする虚像平面を設定して、その虚像平面とコンバイナーの主平面との交線から所定距離以内をスクリーン平面が通過するように、スクリーンの向きを決定することで、目的とする箇所で、且つ、目的に近い傾きで虚像を表示させることができる。

また、上述した本発明のヘッドアップディスプレイ装置においては、スクリーン平面が、虚像平面とコンバイナーの主平面との交線を通過するような向きに、スクリーンを傾けて設けることとしても良い。

こうすれば、目的とする虚像平面を設定して、その虚像平面とコンバイナーの主平面との交線をスクリーン平面が通過するように、スクリーンの向きを決定することで、目的とする箇所で、且つ、目的とする傾きで虚像を表示させることができる。

また、上述した本発明のヘッドアップディスプレイ装置では、ビーム光照射部から照射されるビーム光に対して、スクリーンの法線方向を傾けて設けられている。従って、この点に着目すれば、本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に用いられる画像投影装置の態様で把握することもできる。
すなわち、本発明の画像投影装置では、ビーム光照射部からのビーム光を、スクリーンを用いて光束に変換して出射する。このスクリーンは、光束として出射する方向に対して、スクリーンの法線方向を傾けて設けられている。
尚、本発明の画像投影装置においても、ビーム光照射部は、反射鏡などを介さずに直接、スクリーンにビーム光を照射しても良いし、反射鏡などを介して間接的にスクリーンにビーム光を照射しても良い。

このような本発明の画像投影装置においては、光束を出射する方向に対してスクリーンが傾いているので、出射した光束をコンバイナーで反射するだけで、虚像が倒れて表示される現象を大幅に抑制することができる。その結果、特に試行錯誤を要することなく、コンバイナーの最適な搭載角度を容易に決定することができ、ヘッドアップディスプレイ装置が搭載された車両に容易に実現することが可能となる。

本実施例のＨＵＤ装置１０を搭載した車両１についての説明図である。 ＨＵＤ装置１０に搭載されたレーザースキャナ１００についての説明図である。 ＨＵＤ装置１０に搭載されたスクリーン１４についての説明図である。 スクリーン１４をレーザースキャナ１００に正対させた場合に虚像４が倒れる様子を示した説明図である。 スクリーン平面と、コンバイナー１２の主平面と、虚像平面との位置関係を示した説明図である。 スクリーン平面とコンバイナー１２の主平面との位置関係を示した説明図である。 虚像平面とコンバイナー１２の主平面との位置関係を示した説明図である。 スクリーン１４をレーザースキャナ１００に対して傾けることによる効果を示した説明図である。 スクリーン１４を傾ける回転方向についての説明図である。 本実施例の画像投影装置２０によって得られる効果を示した説明図である。 変形例のＨＵＤ装置３０を搭載した車両１についての説明図である。

以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために実施例について説明する。
Ａ．装置構成 ：
図１には、本実施例のＨＵＤ装置１０を搭載した車両１が例示されている。本実施例のＨＵＤ装置１０は、ウィンドシールドガラス２の手前側（運転席側）に設けられたコンバイナー１２や、コンバイナー１２に対して画像を投影するスクリーン１４や、スクリーン１４の上でビーム光を走査することによって画像を形成するレーザースキャナ１００などを備えている。
尚、本明細書では図示が煩雑となることを避けるため、単に光路を折り曲げるだけの光学要素（たとえば平面鏡や、波長依存性を考慮する必要がない場合のプリズムなど）については、図示および説明を省略している。従って、以下に説明する実施例については、光路上の任意の位置（例えば、レーザースキャナ１００とスクリーン１４との間や、スクリーン１４とコンバイナー１２との間）に、これら光学要素を挿入することができる。

図１に示されるように、スクリーン１４およびレーザースキャナ１００は車両１のダッシュボード３内に搭載されており、コンバイナー１２に向かって画像を投影する。スクリーン１４やレーザースキャナ１００の詳細については後述する。
コンバイナー１２は、透明な材質（樹脂あるいはガラスなど）によって形成されており、スクリーン１４から投影された画像を運転者に向かって反射する。ここで、投影された画像を反射するコンバイナー１２の反射面は、焦点距離ｆの凹面形状に形成されており、コンバイナー１２とスクリーン１４との距離は、コンバイナー１２の焦点距離ｆよりも短い距離に設定されている。このため、スクリーン１４からコンバイナー１２に投影された画像は、コンバイナー１２の向こう側の遠方の位置に、虚像４として拡大されて表示される。

図２には、本実施例のＨＵＤ装置１０でスクリーン１４上に画像を形成するレーザースキャナ１００の大まかな構造が示されている。図示されるようにレーザースキャナ１００は、光源部１１０や、導光部１２０や、微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems：ＭＥＭＳ）１３０などを備えている。

光源部１１０は、赤色（Ｒ）のレーザー光を発生させるレーザー発生器１１２と、青色（Ｂ）のレーザー光を発生させるレーザー発生器１１４と、緑色（Ｇ）のレーザー光を発生させるレーザー発生器１１６とを備えている。これらレーザー発生器１１２〜１１６はコントローラー１０２に接続されており、コントローラー１０２からの制御信号に従って、それぞれの色のレーザー光を発生する。尚、レーザー発生器１１２が発生する赤色の光は、６００〜６５０ｎｍ（好ましくは６４０ｎｍ）の波長の光とすることができる。また、レーザー発生器１１４が発生する青色の光は、４３０〜４７０ｎｍ（好ましくは４５０ｎｍ）の波長の光とすることができ、レーザー発生器１１６が発生する緑色の光は、４９０〜５３０ｎｍ（好ましくは５１５ｎｍ）の波長の光とすることができる。

導光部１２０は、レーザー発生器１１２〜１１６から照射される光を平行な光（ビーム光）に変換するコリメートレンズ１２１や、特定波長の光は反射するがそれ以外の波長の光は透過するダイクロイックフィルタ１２２，１２４，１２６や、集光レンズ１２８などを備えている。
レーザー発生器１１６から照射されたＧ色のレーザー光は、コリメートレンズ１２１によって平行なビーム光に変換された後、ダイクロイックフィルタ１２６に入射する。このダイクロイックフィルタ１２６は、Ｇ色の光を反射するフィルタとなっており、このため、Ｇ色のビーム光はダイクロイックフィルタ１２６で反射して、光の進行方向が曲げられる。

レーザー発生器１１４から照射されたＢ色のレーザー光は、コリメートレンズ１２１によってビーム光に変換された後、ダイクロイックフィルタ１２４に入射する。このダイクロイックフィルタ１２６は、Ｂ色の光は反射するが他の色の光は透過するフィルタとなっている。このため、ダイクロイックフィルタ１２６で反射したＧ色のビーム光はダイクロイックフィルタ１２４を透過し、レーザー発生器１１４からのＢ色のビーム光はダイクロイックフィルタ１２４で反射される。
そして、反射したＢ色のビーム光が、ダイクロイックフィルタ１２４を通過したＧ色のビーム光と同軸となるように、レーザー発生器１１４がＢ色のレーザー光を照射する方向および、そのレーザー光をコリメートしたビーム光がダイクロイックフィルタ１２４に入射する位置が設定されている。

レーザー発生器１１２から照射されたＲ色のレーザー光についても同様に、コリメートレンズ１２１によってビーム光に変換された後、ダイクロイックフィルタ１２２に入射する。このダイクロイックフィルタ１２２は、Ｒ色の光は透過するが他の色の光は反射するフィルタとなっている。このため、レーザー発生器１１２からのＧ色のビーム光はダイクロイックフィルタ１２２を透過し、また、ダイクロイックフィルタ１２６あるいはダイクロイックフィルタ１２４で反射したＧ色およびＢ色のビーム光は、ダイクロイックフィルタ１２２で反射される。
そして、レーザー発生器１１２がＲ色のレーザー光を照射する方向および、そのレーザー光をコリメートしたビーム光がダイクロイックフィルタ１２２に入射する位置は、ダイクロイックフィルタ１２２で反射したＧ色およびＢ色のビーム光と、ダイクロイックフィルタ１２２を透過したＲ色のビーム光とが同軸となるように設定されている。

この結果、Ｇ色のビーム光と、Ｂ色のビーム光と、Ｒ色のビーム光とが、同軸に重なった一本のビーム光として集光レンズ１２８に入射される。そして、集光レンズ１２８で、より細いビーム光に集束された後、ＭＥＭＳ１３０に出射される。

ＭＥＭＳ１３０は、水平スキャナー１３２と、鉛直スキャナー１３４とを備えている。水平スキャナー１３２には回転軸１３２ａが設けられており、図示しない駆動部によって回転軸１３２ａの回りに回転可能となっている。また、集光レンズ１２８からのビーム光が入射される側の水平スキャナー１３２の表面には、金属蒸着などによる薄膜の反射膜が形成されている。
鉛直スキャナー１３４にも回転軸１３４ａが設けられており、図示しない駆動部によって回転軸１３４ａの回りに回転可能となっている。また、水平スキャナー１３２で反射したビーム光が入射される側の鉛直スキャナー１３４の表面にも、金属蒸着などによる薄膜の反射膜が形成されている。
そして、水平スキャナー１３２および鉛直スキャナー１３４のそれぞれの駆動部はコントローラー１０２に接続されている。このためコントローラー１０２は、それぞれの駆動部に対して駆動信号を出力することによって、水平スキャナー１３２および鉛直スキャナー１３４を、それぞれ個別に回転駆動することができる。

鉛直スキャナー１３４で反射したビーム光は、スクリーン１４に到達する。スクリーン１４上でビーム光が到達する位置は、水平スキャナー１３２の回転位置、および鉛直スキャナー１３４の回転位置によって決定される。従って、例えば鉛直スキャナー１３４の回転位置はそのままで水平スキャナー１３２を回転させると、スクリーン１４上でビーム光が到達する位置は水平方向に移動する。また、水平スキャナー１３２の回転位置はそのままで鉛直スキャナー１３４を回転させると、スクリーン１４上のビーム光の位置は鉛直方向に移動する。このことから、水平スキャナー１３２を一定の角度範囲内で左右に往復回転させながら、鉛直スキャナー１３４をゆっくりと一定方向に回転させれば、スクリーン１４上にビーム光が到達する位置を走査させることができる。

そして、コントローラー１０２は、レーザー発生器１１２〜１１６に対して制御信号を出力することによって、Ｒ色、Ｂ色、Ｇ色のレーザー光の照射を制御することができる。更に、コントローラー１０２は、水平スキャナー１３２および鉛直スキャナー１３４の駆動部に駆動信号を出力することによって、水平スキャナー１３２および鉛直スキャナー１３４の回転位置を制御することができる。
このため、コントローラー１０２は、ビーム光がスクリーン１４上に到達する位置を走査しながら、Ｒ色、Ｂ色、Ｇ色のレーザー光を適切なタイミングで照射することによって、スクリーン１４上にフルカラーの画像を形成することが可能となる。
尚、本実施例のレーザースキャナ１００は、本発明における「ビーム光照射部」に対応する。

図３には、スクリーン１４の大まかな形状が示されている。スクリーン１４は、樹脂やガラスなどの透明な材質によって形成された平板形状の部材である。スクリーン１４の一方の側の表面（図３では裏側の面）は平坦に形成されているが、他方の表面（図３では表側の面）には、数十μｍの大きさの小さな凸レンズ（以下、マイクロレンズ１４ａ）が格子状に形成されている。
このため、スクリーン１４の平坦な面（以下では、スクリーン１４の「背面」と呼ぶ）から、図中に太い実線で示したようにビーム光１４ｂを入射すると、ビーム光１４ｂはスクリーン１４を透過するとともに、表側の表面に形成されたマイクロレンズ１４ａによって、ビーム光１４ｂよりも大きな広がり角を持った光束１４ｃに変換される。その結果、コンバイナー１２を経て運転者の目に届くまでの間には、光束１４ｃは十分な範囲に広がることとなり、このため、運転者の目がこの範囲内にあれば同じように画像を視認することが可能となる。
尚、図３では、複数のマイクロレンズ１４ａが格子状に配列して形成されているものとしているが、格子状に限らず、たとえば蜂の巣状に配列して形成しても良い。

ここで、レーザースキャナ１００に対するスクリーン１４の向きは、スクリーン１４の背面から立てた法線が、レーザースキャナ１００に向かうように設定されることが通常であった。この理由は、このような向きにスクリーン１４を設けることで、レーザースキャナ１００から見たスクリーン１４の面積が広くなり、その結果、スクリーン１４の面積を有効に利用して大きな画像を表示可能となるためである。
尚、以下では、スクリーン１４の法線がレーザースキャナ１００に向かう状態を、「スクリーン１４がレーザースキャナ１００に正対した状態」と称することにする。
しかし、コンバイナー１２を用いたＨＵＤ装置１０で、特に、レーザースキャナ１００を用いてスクリーン１４に画像を形成するＨＵＤ装置１０では、スクリーン１４の背面がレーザースキャナ１００に正対するように設けると、虚像４が不自然に大きく傾いてしまう。
例えば、図４に示した例では、スクリーン１４がレーザースキャナ１００に正対するように設けられているが、このときに得られる虚像４は、運転者から見て大きく向こう側に傾いて見えてしまう。そこで、このように虚像４が大きく傾く理由について考察を進めた結果、スクリーン１４の向きと、コンバイナー１２の向きと、虚像４の傾きとの間には、以下のような法則性が存在することが見出された。

Ｂ．スクリーンの向きとコンバイナーの向きと虚像の傾きとの関係 ：
図５には、スクリーン１４の向きと、コンバイナー１２の向きと、虚像４の傾きとの間に見出された法則性を示す説明図である。
これら３者の間の法則性について説明する準備として、先ず始めに、虚像４が得られる位置について説明しておく。図５（ａ）に示したように、スクリーン１４上の点ｐが、点Ｐに虚像を形成したものとする。このとき、スクリーン１４からコンバイナー１２までの距離をａ、コンバイナー１２から虚像４までの距離をｂ、コンバイナー１２の焦点距離をｆとすると、幾何光学の教える処に由れば、
（１／ｆ）＝（１／ａ）−（１／ｂ）
が成り立つ。ここで、ａは焦点距離ｆよりも小さな値であるものとしている。また、（１／ｂ）の符号がマイナスとなっているのは、点ｐから放射されてコンバイナー１２で反射した光が実像を結ばずに、虚像を形成していることに対応する。
このことから、虚像４が形成される位置は、スクリーン１４からコンバイナー１２までの距離ａと、コンバイナー１２の焦点距離ｆとが決まると自動的に決定されてしまう。

次に、スクリーン１４の向きと、コンバイナー１２の向きと、虚像４の傾きとの関係について説明する。尚、ここでは話を簡単にするために、スクリーン１４の向きは、運転者の目に届く光の光路に対して直交しているものとする。すなわち、図５（ａ）に示すように、スクリーン１４上の点ｐからコンバイナー１２で反射して運転者の目に届くような光の光路を考えると、その光路に対して垂直となる向きにスクリーン１４が設けられているものとする。

ここで、図５（ｂ）に示すように、スクリーン１４上で点ｐの隣に点ｑをとり、この点ｑによって得られる虚像の位置を点Ｑとする。スクリーン１４上の点ｐおよび点ｑによって、点Ｐおよび点Ｑに虚像が得られたことになるから、点Ｐおよび点Ｑを結ぶ直線が虚像４の傾きとなる。

そして、スクリーン１４上の点ｐからスクリーン１４に垂直に立てた法線と、コンバイナー１２の反射面との交点を点Ｏとして、点Ｏでのコンバイナー１２の反射面に対する接線を考える。
すると、図５（ｂ）に示すように、このコンバイナー１２の接線１２ｐと、スクリーン１４面を示す直線１４ｐ（点ｐおよび点ｑを結ぶ直線）と、虚像の傾きを示す直線４ｐ（点Ｐおよび点Ｑを結ぶ直線）とは、一点で交わるように見える。そこで、この仮説（スクリーン面を示す直線１４ｐと、コンバイナー１２の接線１２ｐと、虚像の傾きを示す直線４ｐとが一点で交わるという仮説）について更に詳しく検討した。

尚、図５（ｂ）では、点ｐと点ｑとを結ぶ直線で表されているが、この直線１４ｐは、実際にはスクリーン１４の面を表している。従って、直線１４ｐが、本発明における「スクリーン平面」に対応する。また、点Ｏでのコンバイナー１２の接線１２ｐは、実際にはコンバイナー１２の反射面に対する点Ｏでの接平面（いわゆる凹面鏡の主平面）を表している。従って、コンバイナー１２の接線１２ｐは、本発明における「主平面」に対応する。更に、虚像の傾きを示す直線４ｐは、実際には虚像４が得られる平面を表している。従って、直線４ｐは、本発明における「虚像平面」に対応する。

仮説について検討するために、２つの三角形に着目した。１つめの三角形は、図５（ｂ）中で細かい斜線を付した三角形、すなわち、直線ｐＯと、直線１４ｐと、コンバイナー１２の接線１２ｐとによって形成される三角形である。２つめの三角形は、図５（ｂ）中で粗い斜線を付した三角形、すなわち、直線ＯＰと、コンバイナー１２の接線１２ｐと、直線４ｐとによって形成される三角形である。
仮に、仮説が正しいのであれば、２つの三角形の接線１２ｐに接する辺の長さは、等しくなる。尚、このことを検討する準備として、スクリーン１４上での点ｐと点ｑとの距離をｄｘ、点ｐと点Ｏとを結ぶ直線とコンバイナー１２の接線１２ｐとの成す角度をφとした（図５（ｂ）参照）。更に点Ｐと点Ｑとの距離については、光路に垂直な成分と光路方向の成分とに分けて、光路に垂直な成分をｄＸ、光路方向の成分をｄＹとした（図５（ｂ）参照）。

図６には、１つめの三角形について、接線１２ｐに接する辺の長さを求めた結果が示されている。直線１４ｐと、コンバイナー１２の接線１２ｐとの交点をＣ１とすると、三角形ｐＯＣ１は直角三角形だから、接線１２ｐに接する辺の長さＯＣ１は、
ＯＣ１＝ａ／ｃｏｓφ …（１）
で求めることができる。

次に、２つめの三角形について考える。図７（ａ）に示すように、コンバイナー１２の接線１２ｐと、直線４ｐとの交点をＣ２とすると、２つめの三角形は三角形ＯＰＣ１となる。この三角形は、三角形ｐＯＣ１とは異なり、直角三角形になるとは限らない。
そこで、交点Ｃ２から、直線ＯＰに垂線を下ろすことにより、２つめの三角形ＯＰＣ１を、２つの直角三角形に分割する。垂線の足（直線ＯＰと垂線との交点）をＤとし、垂線Ｃ２Ｄの長さをｈとする。更に、垂線の足Ｄから点Ｏまでの長さをｂ２、垂線の足Ｄから点Ｐまでの長さをｂ１とする。
すると、直角三角形ＯＤＣ２に着目して、
ｈ＝ＯＣ２・ｓｉｎφ …（２）
ｂ２＝ＯＣ２・ｃｏｓφ …（３）
が成り立つ。また、点Ｑ、点Ｐ、点Ｃ２が１つの直線上にあることに着目すると、
ｂ１＝（ｄＹ／ｄＸ）・ｈ …（４）
が成り立つ。更に、点Ｄは、長さｂの直線ＯＰを分割する点であるから、
ｂ＝ｂ１＋ｂ２ …（５）
が成り立つ。

また、スクリーン１４の上で点ｐを点ｑに移動させることによって、虚像の位置が点Ｐから点Ｑに移動したのだから、点Ｐの移動量ｄＸおよびｄＹは、点ｐの移動量ｄｘによって記述できる筈である。ｄＸについては、凹面鏡の横倍率β（＝ｂ／ａ）を考えれば、
ｄＸ＝（ｂ／ａ）ｄｘ
によって求めることができる。

また、コンバイナー１２はスクリーン１４に対して傾いているから、点ｐがスクリーン１４面上で点ｑに移動すると、実際にはコンバイナー１２との距離も変化する。従って、この距離の変化量ｄｙが、コンバイナー１２の縦倍率α（＝（ｂ／ａ）^２）で拡大されて、ｄＹが得られたものと考えられる。点ｐがｄｘだけ移動したことによる変化量ｄｙは、図７（ｂ）に示されるように、
ｄｙ＝ｄｘ／ｔａｎφ
で与えられるから、
ｄＹ＝α・ｄｙ＝（ｂ／ａ）^２・ｄｙ＝（ｂ／ａ）^２・ｄｘ／ｔａｎφ
によって求めることができる。
そして、こうして求めたｄＸ、ｄＹを、上式（２）〜（５）に代入して整理すると、
ＯＣ２＝ａ・ｂ／（（ａ＋ｂ）・ｃｏｓφ） …（６）
が得られる。

式（１）と式（６）とを比較すれば明らかなように、ＯＣ１とＯＣ２とは、完全には一致しない。従って、前述した仮説、すなわち、スクリーン面を示す直線１４ｐと、コンバイナー１２の接線１２ｐと、虚像の傾きを示す直線４ｐとが一点で交わるという仮説は、厳密な意味では成り立たない。
しかし、ＨＵＤ装置１０では、ｂの長さはａの長さよりも十分に大きいことが望ましく、通常は、ｂの長さはａの長さの１０倍程度に設定されることが多いから、ＯＣ１とＯＣ２とは、大まかには同じ長さとなる。従って、実用上は、仮説が成り立つ、すなわちスクリーン面を示す直線１４ｐと、コンバイナー１２の接線１２ｐと、虚像４の傾きを示す直線４ｐとが一点で交わると考えて良い。換言すれば、コンバイナー１２の接線１２ｐと、虚像４の傾きを示す直線４ｐとの交点を基準に考えると、スクリーン面を示す直線１４ｐは、この交点から所定距離以内の範囲を通過すると言うことができる。
そして、このような知見を用いれば、従来のようにスクリーン１４をレーザースキャナ１００に対して正対させる（スクリーン１４の法線がレーザースキャナ１００を向くようにする）のではなく、スクリーン１４をレーザースキャナ１００に対して傾けて設けた方が、より望ましい角度で虚像４を表示させることが可能と考えられる。

Ｃ．スクリーンの搭載角度 ：
図８には、レーザースキャナ１００に対してスクリーン１４を正対させた場合と、スクリーン１４を傾けた場合とについて、虚像４が表示される様子が示されている。
例えば、図８（ａ）に示すように、スクリーン１４をレーザースキャナ１００に正対させると、スクリーン平面に対応する直線１４ｐと、コンバイナー１２の主平面に対応する接線１２ｐと、虚像平面に対応する直線４ｐとは、一点ではないが一定の範囲ｒ内で交差するから、虚像４は、運転者から見て大きく向こう側に傾いてしまう。また、コンバイナー１２の搭載角度を多少変更した程度では、十分には虚像４の倒れを改善することが困難であることも容易に了解できる。
これに対して、図８（ｂ）に示すように、スクリーン１４をレーザースキャナ１００に対して傾けてやれば、虚像４を運転者に対して真っ直ぐに立足せることができ、従って視認の容易な虚像４を得ることができる。そして、このような虚像４を得るためには、レーザースキャナ１００に対して、スクリーン１４を次のような向きに傾けてやればよい。

図９（ａ）には、本実施例のＨＵＤ装置１０のコンバイナー１２と、スクリーン１４と、レーザースキャナ１００との位置関係が示されている。前述したように、レーザースキャナ１００からのビーム光は、スクリーン１４を透過した後、コンバイナー１２で反射して、運転者の目に到達する。図中に示した実線の矢印は、この光の光路を表している。もちろん、実際には、レーザースキャナ１００からのビーム光はスクリーン１４で光束に変換されるので、図９（ａ）に示した実線の矢印は、光束の広がり角が十分に小さかった場合、あるいはスクリーン１４がビーム光をほとんど拡散させなかった場合の光路に対応すると考えても良い。

そして、このような光路のうちで、特にスクリーン１４からコンバイナー１２に向かう光（スクリーン１４からの出射光であると同時にコンバイナー１２への入射光）に着目すると、スクリーン１４を傾ける向きは次のように規定することができる。すなわち、この光に対して、スクリーン１４の法線ｎｓとコンバイナー１２の法線ｎｃとが同じ方向に回転した位置関係となるように、スクリーン１４を傾けてやればよい。
図９（ａ）から明らかなように、コンバイナー１２については、ウィンドシールドガラス２との位置関係から、コンバイナー１２が傾く回転方向は決まってしまうから、スクリーン１４を傾ける回転方向も自ずから決定される。
すなわち、図９（ａ）に示した例では、コンバイナー１２は、コンバイナー１２への入射光に対してコンバイナー１２の法線ｃが反時計方向に回転する向きに傾いている（図９（ｃ）参照）。従って、スクリーン１４については、スクリーン１４からの出射光に対して、スクリーン１４の法線ｎｓが反時計方向に回転するように傾けておけばよい（図９（ｂ）参照）。このようにすれば、図８（ｂ）に例示したように、運転者に向かって真っ直ぐに立った虚像４を表示させることが可能となる。

あるいは、次のようにしても良い。先ず、虚像４を立たせる位置と角度とを決定する。そして、虚像４を立たせる位置に基づいて、コンバイナー１２の焦点距離ｆや、スクリーン１４の位置を決定する。また、コンバイナー１２の搭載角度は、ウィンドシールドガラス２との位置関係は、運転者の目の位置に応じて、望ましい角度に設定する。すると、虚像平面（図８中の直線４ｐに対応）と、コンバイナー１２の主平面（図８中の接線１２ｐに対応）との交点が決まる。
そこで、スクリーン１４のスクリーン平面（図８中の直線１４ｐに対応）が、この交点を通過するように、あるいは、この交点から距離ｒ以内の範囲を通過するように、スクリーン１４を傾ける角度を決定しても良い。こうすれば、何らの試行錯誤をすることなく、コンバイナー１２やスクリーン１４の搭載位置および搭載角度を決定して、最適な位置に最適な角度で虚像４を表示させることが可能となる。

Ｄ．変形例 ：
上述した本実施例には幾つかの変形例を考えることができる。以下では、これらの変形例について、本実施例との相違点を中心として簡単に説明する。尚、変形例では、本実施例と同じ部分については同じ符番を付すこととして、詳細な説明は省略する。

Ｄ−１．第１変形例 ：
上述した実施例では、コンバイナー１２と、スクリーン１４と、レーザースキャナ１００とを備えたＨＵＤ装置１０で、スクリーン１４が、コンバイナー１２と同じ向きに傾いているものとして説明した。
しかし、コンバイナー１２に画像を投影する画像投影装置２０とすることもできる。この第１変形例の画像投影装置２０は、コンバイナー１２を備えていないが、スクリーン１４とレーザースキャナ１００とを備えている。そして、この画像投影装置２０は、図１０に示されるように、コンバイナー１２を装着した車両１に搭載されて、コンバイナー１２に画像を投影することによって虚像を表示させる。

この場合、虚像４が表示される位置は、車両１に装着されていたコンバイナー１２の焦点距離ｆによって変化し、焦点距離ｆが長くなるほど虚像４の表示位置は遠く（ｂが大きく）なる。
ここで、図６および図７を用いて前述したように、コンバイナー１２から虚像４までの距離ｂが大きくなるほど、前述した仮説が精度良く成立するから、より真っ直ぐに虚像４を立たせて表示させることができる。
逆に、焦点距離ｆの短いコンバイナー１２が車両１に装着されていた場合は、虚像４が傾いて表示されることになる。もっとも、この場合でも、画像投影装置２０では、スクリーン１４がレーザースキャナ１００に対して傾けて設けてあるので、虚像４の傾きは抑制される。

以上のことから了解されるように、第１変形例の画像投影装置２０では、どのような焦点距離ｆと組み合わせて用いられた場合でも、自然な傾きの虚像４を表示させることができる。
すなわち、焦点距離ｆの長いコンバイナー１２と組み合わせて用いられた場合には、図１０に例示したように、遠くの位置で運転者に対して直立した虚像４ａを表示させることができる。
これに対して、焦点距離ｆの短いコンバイナー１２と組み合わせて用いられた場合には、比較的近くの位置で少し倒れた虚像４ｂを表示させることができる。虚像４ｂが近くに表示される場合には、虚像４ｂが少し倒れることによって、運転者からはちょうど見下ろす感じになるので、自然な感じで虚像４ｂを表示することができる。
このため、第２変形例の画像投影装置２０では、車両１に搭載されるコンバイナー１２によらず、自然な傾きで虚像４を表示させることが可能となる。

Ｄ−２．第２変形例 ：
上述した実施例および変形例のスクリーン１４は、背面から入射したビーム光を透過させることによって光束に変換するものとして説明した。しかし、表側から入射したビーム光を反射させることによって光束に変換するスクリーン２４を用いることもできる。たとえば、上述したスクリーン１４のマイクロレンズ１４ａの上から金属蒸着などによって反射膜を形成すれば、このようなスクリーン２４を得ることができる。
従って、図１１に例示したように、このようなスクリーン２４と、レーザースキャナ１００と、コンバイナー１２とを備えるＨＵＤ装置３０についても、スクリーン２４をコンバイナー１２と同じ向きに傾けておくことで、虚像４が運転者に対して大きく傾いてしまう現象を大幅に抑制することが可能となる。

以上、本実施例および変形例について説明したが、本発明は上記の実施例および変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することができる。

１…車両、 ２…ウィンドシールドガラス、 ３…ダッシュボード、
４…虚像、 １０…ＨＵＤ装置、 １２…コンバイナー、
１４…スクリーン、 １４ａ…マイクロレンズ、 １４ｂ…ビーム光、
１４ｃ…光束、 ２０…画像投影装置、 ２４…スクリーン、
３０…ＨＵＤ装置、 １００…レーザースキャナ、 １０２…コントローラー、
１１０…光源部、 １２０…導光部、 ＭＥＭＳ…１３０。

Claims (4)

1. 車両のウィンドシールドガラスよりも進行方向の前方に虚像を生成することによって、前方の景色に重ねて画像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   ビーム光が入射されると、該ビーム光を、該ビーム光よりも大きな広がり角度で進行する光束に変換して出射する平板形状のスクリーンと、
   前記スクリーンに向けて前記ビーム光を照射すると共に、該スクリーン上で該ビーム光を走査しながら該ビーム光の照射強度を制御することによって、該スクリーン上に画像を形成するビーム光照射部と、
   前記ウィンドシールドガラスよりも運転席側に設けられ、透明な材質によって凹面形状に形成されて、前記スクリーンから出射された前記光束を反射することによって、該スクリーン上に形成された前記画像の虚像を生成するコンバイナーと
   を備え、
   前記スクリーンは、
   前記入射したビーム光を前記光束として出射する方向に対して、該スクリーンの法線方向を傾けて設けられており、
   該スクリーンを傾ける回転方向は、該スクリーンからの前記光束に対して前記コンバイナーの法線方向が傾いた回転方向に設定されているスクリーンである
   ヘッドアップディスプレイ装置。
2. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記スクリーンは、前記虚像が立像する位置から該虚像が立像する方向に延長した虚像平面と、前記コンバイナーの主平面との交線を想定すると、該スクリーンが設けられた平面を延長したスクリーン平面が、前記交線から所定距離以内を通る向きに設けられたスクリーンである
   ヘッドアップディスプレイ装置。
3. 請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記スクリーンは、前記スクリーン平面が、前記虚像平面と前記コンバイナーの主平面との前記交線を含むように設けられたスクリーンである
   ヘッドアップディスプレイ装置。
4. 透明な板状部材に投影された画像を、前方の景色に重ねて虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置に用いられて、該虚像表示される画像を前記板状部材に投影する画像投影装置であって、
   ビーム光が入射されると、該ビーム光を、該ビーム光よりも大きな広がり角度で進行する光束に変換して出射する平板形状のスクリーンと、
   前記スクリーンに向けて前記ビーム光を照射すると共に、該スクリーン上で該ビーム光を走査しながら該ビーム光の照射強度を制御することによって、該スクリーン上に画像を形成するビーム光照射部と
   を備え、
   前記スクリーンは、前記入射したビーム光を前記光束として出射する方向に対して、該スクリーンの法線方向を傾けて設けられたスクリーンである
   画像投影装置。

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