JP7770876B2

JP7770876B2 - 虚像光学系、それを備える虚像表示装置及び車載システム

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Publication number: JP7770876B2
Application number: JP2021184899A
Authority: JP
Inventors: 孝幸杉山; ▲寛▼人加納
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2021-11-12
Filing date: 2021-11-12
Publication date: 2025-11-17
Anticipated expiration: 2041-11-12
Also published as: JP2023072377A; US20230152510A1

Description

本発明は、画像の虚像を表示する虚像表示装置に好適な虚像光学系に関する。

従来、車両等の移動装置において、表示手段により表示された画像の虚像を空間上に形成することで、搭乗者（使用者）に画像を視認させるヘッドアップディスプレイ（Ｈｅａｄ－ＵｐＤｉｓｐｌａｙ：ＨＵＤ）等の虚像表示装置が用いられている。虚像表示装置によれば、搭乗者から見て車両のウインドシールド（フロントガラス）の前方に画像を表示することができ、車両の周辺環境に画像を重畳させることが可能になる。

ここで、例えば搭乗者が虚像よりも遠方の車両を確認するときなど、搭乗者の視点が変化することで良好な視認性が得られなくなる場合が考えられる。特許文献１及び２には、可動ミラーを移動させることで搭乗者と虚像との相対位置を変化させることが可能な虚像表示装置が記載されている。

特許第６２５２８８３号特開２０１８－３１８６１号公報

しかしながら、特許文献１及び２の虚像表示装置においては、可動ミラーを移動させる際に表示部からの光線の入射角が大きく変化してしまう。そのため、可動ミラーの移動の前後で虚像の輝度差が生じてしまい、搭乗者に対する視認性の低下につながってしまう。

本発明は、簡素な構成でありながら良好な視認性の実現が可能な虚像光学系を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための、本発明の一側面としての虚像光学系は、表示面からの光を瞳に導光することで虚像を形成する虚像光学系であって、前記表示面からの光を反射する第１の反射面と、該第１の反射面からの光を反射する第２の反射面とを有し、前記第１の反射面の移動により、前記表示面から前記第２の反射面までの光路長を変更可能であり、前記第１の反射面の回転により、前記瞳の中心と前記虚像の中心とを結ぶ直線に対して該虚像を偏心可能であり、前記第２の反射面の回転により、前記瞳の位置を該瞳に入射する主光線の光路に垂直な方向の成分を含む方向へ変更可能であり、前記第１の反射面の移動方向と該第１の反射面に入射する主光線とのなす角は５°以下であることを特徴とする。

本発明によれば、簡素な構成でありながら良好な視認性の実現が可能な虚像光学系を提供することができる。

実施形態に係る虚像表示装置の模式図（第１の状態）実施形態に係る虚像表示装置の模式図（第２の状態）変形例に係る虚像表示装置の模式図実施例１に係る虚像表示装置の要部概略図実施例１に係る虚像表示装置の要部拡大図実施例２に係る虚像表示装置の要部概略図実施例２に係る虚像表示装置の要部拡大図実施形態に係る車載システム及び移動装置の模式図

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図面は、便宜的に実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。また、各図面において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明を省略する。

図１及び図２は、本発明の実施形態に係る虚像表示装置１００の模式図（ＹＺ断面図）である。虚像表示装置１００は、画像を表示する表示手段（表示部）１０１と、表示手段１０１の表示面に表示される画像の虚像１１３を形成する虚像光学系１０５と、虚像光学系１０５を駆動する駆動手段（駆動部）とを備えている。図１は、虚像表示装置１００の使用者に視認させる虚像１１３の位置が手前側（第１の位置）である場合（第１の状態）を示し、図２は、使用者に視認させる虚像１１３の位置が奥側（第２の位置）である場合（第２の状態）を示している。

図１及び図２では、表示手段１０１からの光束のうち、虚像光学系１０５の縮小側（物体側）の瞳の中心を通って拡大側（像側）の瞳１１２（ＥｙｅＢｏｘ）の中心に至る主光線（基準光線）の光路１１１（基準軸、光軸）を一点鎖線で示している。なお、実際には各虚像の位置に主光線が到達する訳ではないが、図１及び図２では使用者が視認する虚像１１３の中心に至る仮想的な主光線の光路についても示している。

虚像表示装置１００によれば、表示手段１０１の表示面に表示された画像の虚像１１３を形成することで、その画像があたかもウインドシールド（フロントガラス）ＷＳの前方に表示されているかのように使用者に認識させることができる。これにより、ウインドシールドＷＳの前方の周辺環境（外部環境）に画像を重畳させることなどが可能になる。

表示手段１０１としては、液晶パネル等の表示素子（空間変調素子）を用いることができる。例えば、ＬＣＤ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）、ＬＣＯＳ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＯｎＳｉｌｉｃｏｎ）、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）等を表示手段１０１として採用することができる。また、図示しない投影手段により投影した像を表示するスクリーンを採用してもよい。表示手段１０１の表示面は、虚像光学系１０５の物体面（縮小面）に対応している。

本実施形態においては、表示手段１０１の表示面を基準軸１１１に対して非垂直としている。これにより、太陽光等の外界からの光が表示面に入射してしまった場合に、その光が表示面で正反射して使用者の眼１０４に到達することを回避することができる。なお、主光線（基準光線）が表示面の中心から出射するように表示手段１０１を配置することが望ましい。これにより、虚像表示装置１００の光利用効率を向上させることができる。

ウインドシールドＷＳは、虚像表示装置１００が搭載される自動車（車両）等の移動可能な移動体（移動装置）に設けられた光学部材である。ウインドシールドＷＳは、虚像表示装置１００からの光を使用者（移動装置の搭乗者）の眼１０４に向けて反射するとともに、外界からの光を使用者に向けて透過させている。なお、ウインドシールドＷＳの透過反射面は、移動装置の形状に合った形状であれば平面でも曲面でもよい。ウインドシールドＷＳと同じ機能を持つ光学部材として、ウインドシールドＷＳとは別部材であるコンバイナー（ハーフミラー）を採用してもよい。また、虚像表示装置１００は、必要に応じてウインドシールドＷＳを介さずに直接使用者の眼１０４に光を導光してもよい。

本実施形態に係る虚像光学系１０５は、表示手段１０１からの光を反射する第１の反射面１０２（第１の反射光学素子）と、第１の反射面１０２からの光を反射する第２の反射面１０３（第２の反射光学素子）とを有している。各反射光学素子としては、ミラーやプリズム等を採用することができる。必要に応じて反射面を自由曲面等の非球面としてもよい。なお、本実施形態では一つの反射光学素子に一つの反射面が形成された構成を想定しているが、複数の反射面が形成された反射光学素子を採用してもよい。例えば、必要に応じて第１の反射面１０２及び第２の反射面１０３が形成された単一の反射光学素子を採用してもよい。

虚像光学系１０５は、必要に応じて屈折光学素子、反射屈折光学素子、平板ガラス（カバーガラス）等の光学部材を有していてもよい。また、虚像光学系１０５は、各虚像を形成するために全系で正のパワーを有していればよく、ノンパワーや負のパワーの反射面を有していてもよい。ただし、全系の小型化及び軽量化のためには、本実施形態のように虚像光学系１０５を１の反射面１０２及び第２の反射面１０３のみで構成することが好ましい。

次に、本実施形態に係る虚像光学系１０５の特徴について説明する。

虚像光学系１０５は、表示手段１０１の表示面からの光を第１の反射面１０２及び第２の反射面１０３により瞳１１２に導光することで虚像１１３を形成している。具体的には、虚像光学系１０５は、表示面からの光は第１の反射面１０２及び第２の反射面１０３によって拡大側へ反射され、ウインドシールドＷＳを介して瞳１１２に導光される。このとき、瞳１１２の位置にある使用者の眼１０４に光が到達することで、使用者が虚像１１３を視認することができる。

そして、虚像光学系１０５は、第１の反射面１０２の移動により、表示面から第２の反射面１０３までの光路長を変更可能な構成を採っている。この構成によれば、使用者の視点の変化に応じて使用者に視認させる虚像１１３の位置を変更することができるため、使用者に対して良好な視認性を与えることができる。本実施形態では、駆動手段としての第１の駆動手段１０６（移動機構）によって、第１の反射面１０２を該第１の反射面１０２に入射する主光線の光路に平行な方向の成分を含む方向へ移動させることで、虚像１１３を主光線の光路に沿った方向（Ｚ方向）に移動させることができる。

図１は、虚像表示装置１００が使用者に虚像１１３が第１の位置にあると視認させる第１の状態を示している。図２は、第１の状態に対して第１の反射面１０２の位置を変更することで、表示面から第２の反射面１０３までの光路長を第１の状態よりも長くした第２の状態を示している。表示面から第２の反射面１０３までの光路長に対応して、瞳１１２から虚像１１３までの光路長についても第１の状態よりも第２の状態の方が長くなる。これにより、虚像表示装置１００は使用者に虚像１１３が第１の位置よりも遠い第２の位置にあると視認させることができる。

例えば、移動装置の停止時（車両の停車時）など使用者が近くの物体（前方車両など）に視線を向ける場合は第１の状態とし、移動装置の高速移動中など使用者が遠くの物体（信号機や標識など）に視線を向ける場合は第２の状態とすることが望ましい。これにより、使用者が視認する外界と虚像との距離を近づけることができるため、使用者の視線変更の負担を軽減することができる。

ここで、第１の反射面１０２の移動方向を適切に設定しないと、第１の反射面１０２の移動に伴って表示面からの光の入射角が大きく変化しまい、上述のように使用者に対する視認性の低下につながってしまう。そこで、本実施形態においては、第１の反射面１０２の移動方向と該第１の反射面１０２に入射する主光線とのなす角αを５°以下としている。これにより、第１の反射面１０２の移動方向を主光線と略平行な方向に制限することができるため、αを５度よりも大きくした場合と比較して表示面からの光の入射角の変化を低減することができる。すなわち、第１の反射面１０２の移動の前後で虚像１１３の輝度差を低減することができ、使用者に対する視認性の低下を抑制することが可能になる。なお、第１の反射面１０２の移動によりαが変化する場合は、第１の反射面１０２の位置に依らず常にαが５°以下となるように構成すればよい。

一方、第１の反射面１０２を移動させた場合、瞳１１２と使用者の眼１０４との相対位置がずれてしまう。そこで、本実施形態に係る虚像光学系１０５は、第２の反射面１０３の回転（偏心）により、瞳１１２の位置を該瞳１１２に入射する主光線の光路１１１に垂直な方向（Ｙ方向）の成分を含む方向へ変更可能な構成を採っている。本実施形態では、駆動手段としての第２の駆動手段１０７（回転機構）によって、基準軸を含む断面（ＹＺ断面）に垂直な方向（Ｘ方向）に平行な軸を回転軸として第２の反射面１０３を回転させることで、瞳１１２の位置をＹ方向に移動させることができる。

この構成によれば、第１の反射面１０２の移動に伴い瞳１１２と使用者の眼１０４との相対位置がずれてしまった場合においても、第２の反射面１０３の回転によりその相対位置を調整することができる。すなわち、第１の反射面１０２の位置に依らず瞳１１２の位置を使用者の眼１０４の位置に一致させることができるため、虚像１１３の位置に依らず使用者に対して良好な視認性を与えることができる。

本実施形態においては、駆動手段として第１の駆動手段１０６及び第２の駆動手段１０７を備えている。駆動手段としては、例えばモータなどのアクチュエータや、使用者の操作により非電気的に各反射面を駆動させるための操作手段等を採用することができる。駆動手段は、外部の制御手段からの信号（情報）に基づいて各反射面を駆動させることにより、上述した第１の状態と第２の状態との切り替えを行うことができる。また、駆動手段に制御手段としての機能を持たせてもよい。その場合、例えば駆動手段がＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等のプロセッサを備えていればよい。これにより、駆動手段が各反射面の駆動を制御することができる。

なお、第１の反射面１０２の移動の前後での虚像１１３の輝度差をより低減するためには、αを３°以下とすることが好ましく、αを１°以下とすることがより好ましい。本実施形態においては、αを０°とすることで第１の反射面１０２の移動方向を主光線に対して平行とし、虚像１１３の輝度差を良好に低減している。

また、高精度に瞳１１２の位置を調整するためには、第２の反射面１０３の回転中心（回転軸）が第２の反射面１０３における主光線の入射位置の近傍に位置することが望ましい。本実施形態においては、第１の状態における第２の反射面１０３での主光線の入射位置と第２の状態における第２の反射面１０３での主光線の入射位置との中間位置に第２の反射面１０３の回転中心を配置している。なお、第１の反射面１０２の位置を第１及び第２の状態とは異なる位置にも移動させる場合は、第１の反射面１０２が最も縮小側にあるときと最も拡大側にあるときの第２の反射面１０３での主光線の夫々の入射位置の間（中間位置）に回転中心が位置していればよい。

また、第１の反射面１０２に対する主光線の入射角と反射角の和をβとするとき、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。なお、βの値が第１の状態と第２の状態とで異なる場合は、各状態において条件式（１）を満足することが望ましい。
３０°≦β≦７０° （１）

条件式（１）の上限値を上回ると、第１の反射面１０２の移動の前後での第２の反射面１０３における主光線の入射位置のずれが大きくなり、瞳１１２と使用者の眼１０４との相対位置を調整するために必要な第２の反射面１０３の回転量が多くなってしまう。このため、第２の反射面１０３を回転させるために必要な空間が大きくなって装置全体の小型方が難しくなったり、第２の反射面１０３の調整時間が長くなったりしてしまう。また、条件式（１）の下限値を下回ると、表示手段１０１と第２の反射面１０３との間隔が狭くなり、第１の反射面１０２からの光の一部が表示手段１０１により蹴られてしまうおそれがある。

さらに、以下の条件式（１ａ）を満足することが好ましく、以下の条件式（１ｂ）を満足することがより好ましい。
３５°≦β≦６５° （１ａ）
４０°≦β≦６０° （１ｂ）

また、主光線の光路上において、第１の反射面１０２のパワーをφ１、第２の反射面１０３のパワーをφ２とするとき、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。なお、各反射面のパワーが基準軸を含む断面（ｙｚ断面）とそれに垂直な断面（ｘｚ断面）とで異なる場合は、各断面において条件式（２）を満足することが望ましい。
０．００＜｜φ１／φ２｜≦０．４０（２）

条件式（２）を満足しない場合、第１の反射面１０２の移動の前後での第２の反射面１０３における主光線の入射位置のずれが大きくなってしまう。このため、第２の反射面１０３を大きくすることが必要になり、装置全体の小型方が難しくなってしまう。

さらに、以下の条件式（２ａ）を満足することが好ましく、以下の条件式（２ｂ）を満足することがより好ましい。
０．０３≦｜φ１／φ２｜≦０．３５（２ａ）
０．０５≦｜φ１／φ２｜≦０．３０（２ｂ）

図３は、上述した実施形態の変形例に係る虚像表示装置１００の模式図（ＹＺ断面図）である。図３においても、図２と同様に使用者に視認させる虚像１１３の位置が奥側（第２の位置）である場合を示している。上述した実施形態に対する本変形例の異なる点は、第１の反射面１０２の回転により、瞳１１２の中心と虚像１１３の中心とを結ぶ直線（基準軸１１１）に対して該虚像１１３を偏心可能とした点である。本変形例に係る虚像表示装置１００は、第１の反射面１０２を回転させるための駆動手段としての第３の駆動手段１０８（回転機構）を備えている。

この構成によれば、虚像１１３を基準軸１１１に対して非垂直とすることができ、第２の状態において使用者が遠方に視線を向けているときに虚像１１３が外界に対して良好に重畳するため、虚像１１３の視認性を向上させることが可能になる。このとき、第１の反射面１０２の回転の前後での第１の反射面１０２における主光線の入射位置のずれを低減するためには、第１の反射面１０２の回転中心が該第１の反射面１０２に入射する主光線の光路上に位置することが望ましい。なお、第２の反射面１０３は、第１の反射面１０２の回転の前後においても瞳１１２と使用者の眼１０４との相対位置を調整可能なように構成されていることが望ましい。

本変形例に係る虚像表示装置１００が第１の状態である場合は、虚像１１３を基準軸１１１に対して垂直とすることが望ましい。これにより、第１の状態において使用者が付近に視線を向けているときに、虚像１１３が外界に対して良好に重畳するため、虚像１１３の視認性を向上させることができる。ただし、必要に応じて第１の状態においても虚像１１３が基準軸１１１に対して非垂直となるようにしてもよい。

また、表示手段１０１の表示面に表示する画像情報を第１の状態と第２の状態とで異ならせてもよい。例えば、第１及び第２の状態を互いに切り替える際に画像の形状や位置を変更することで、切り替えにより生じる画像の歪曲や中心位置ずれなどの発生を抑制することができる。これにより、第１及び第２の状態を互いに切り替える際に使用者が感じる違和感を低減することができる。特に、本実施形態のように基準軸に対する傾きが互いに異なる複数の虚像を形成する場合は、画像情報を第１の状態と第２の状態とで異ならせることが好ましい。

なお、第１の状態における使用者と第２の状態における使用者とが同一人物であるとは限らない。例えば、座高の異なる複数の使用者がいる場合、使用者の交代に応じて第１の反射面１０２を移動させることで第１の状態と第２の状態との切り替えを行ってもよい。そして、使用者の交代、使用者の姿勢の変化、移動装置の振動などにより、虚像光学系１０５の拡大側の瞳と使用者の眼１０４との相対位置がずれた場合に、そのずれを補正するように第２の反射面１０３を回転させてもよい。具体的には、第２の駆動手段１０７により第２の反射面１０３を回転させることで、瞳１１２と使用者の眼１０４との相対位置を調整してもよい。

［実施例１］
以下、本発明の実施例１に係る虚像表示装置１０について説明する。本実施例に係る虚像表示装置１０において、上述した実施形態に係る虚像表示装置１００と同等の構成については説明を省略する。

図４及び図５は、本実施例に係る虚像表示装置１０の要部概略図である。図４（ａ）は、第１の状態において虚像表示装置１０からの光がウインドシールドＷＳを介して瞳１１２に至るまでの光路と、虚像表示装置１０からの光が虚像１１３を形成するときの仮想的な光路とを示している。図４（ｂ）は、第２の状態において虚像表示装置１０からの光がウインドシールドＷＳを介して瞳１１２に至るまでの光路と、虚像表示装置１０からの光が虚像１１３を形成するときの仮想的な光路とを示している。図５は、第１及び第２の状態の夫々における虚像光学系近傍の光路を拡大した図である。

本実施例に係る虚像光学系１０５は、第１の反射面１０２を有する第１の反射光学素子（第１のミラー）Ｍ１１と、第２の反射面１０３を有する第２の反射光学素子（第２のミラー）Ｍ１２とで構成されている。本実施例に係る虚像表示装置１０は、第１の反射光学素子Ｍ１１の移動により表示面から第２の反射面１０３までの光路長を変更し、使用者に視認させる虚像１１３の位置を変更可能である。また、虚像表示装置１０は、第２の反射光学素子Ｍ１２の回転により瞳１１２の位置を変更し、第１の反射光学素子Ｍ１１の移動によりずれた瞳１１２と使用者の眼１０４との相対位置を調整可能である。

［実施例２］
以下、本発明の実施例２に係る虚像表示装置２０について説明する。本実施例に係る虚像表示装置２０において、上述した実施形態に係る虚像表示装置１００と同等の構成については説明を省略する。

図６及び図７は、本実施例に係る虚像表示装置２０の要部概略図である。図６（ａ）は、第１の状態において虚像表示装置２０からの光がウインドシールドＷＳを介して瞳１１２に至るまでの光路と、虚像表示装置２０からの光が虚像１１３を形成するときの仮想的な光路とを示している。図６（ｂ）は、第２の状態において虚像表示装置２０からの光がウインドシールドＷＳを介して瞳１１２に至るまでの光路と、虚像表示装置２０からの光が虚像１１３を形成するときの仮想的な光路とを示している。図７は、第１及び第２の状態の夫々における虚像光学系近傍の光路を拡大した図である。

本実施例に係る虚像光学系１０５は、第１の反射面１０２を有する第１の反射光学素子（第１のミラー）Ｍ２１と、第２の反射面１０３を有する第２の反射光学素子（第２のミラー）Ｍ２２とで構成されている。本実施例に係る虚像表示装置２０は、実施例１に係る虚像表示装置１０と同様に第１の反射光学素子Ｍ２１の移動により表示面から第２の反射面１０３までの光路長を変更可能であり、第２の反射光学素子Ｍ２２の回転により瞳１１２の位置を変更可能である。さらに、虚像表示装置２０は、第１の反射光学素子Ｍ２１の回転により虚像を偏心可能である。

［数値実施例］
上述した実施例１及び２に対応する数値実施例１及び２の数値データを以下に示す。各数値実施例において、面番号は縮小側から数えたときの面の番号ｉを示し、Ｒは第ｉ番目の面（第ｉ面）の曲率半径［ｍｍ］を示す。

各実施例に係る虚像光学系１０５はオフアキシャル（Ｏｆｆ－Ａｘｉａｌ）光学系である。また、虚像光学系１０５の光軸（基準軸）は第１の状態と第２の状態とで異なる。そこで、各面の位置及び偏心角度を表現するために、第１及び第２の瞳の夫々の中心を原点とする絶対座標系ＸＹＺを定義する。具体的には、原点における法線をＺ軸とし、物体面から像側へ向かう方向を正（＋Ｚ方向）とする。原点を通り右手座標系の定義に従ってＺ軸に対して反時計回り方向に９０゜を成す軸をＹ軸とする。原点を通りＺ軸及びＹ軸に垂直な軸をＸ軸とし、各図の紙面に対して奥へ向かう方向を正（＋Ｘ方向）とする。

各数値実施例において、反射面の曲率半径Ｒの符号は、該反射面が絶対座標系において縮小側（－Ｚ側）に向かって凹形状である場合は正、凸形状である場合は負とする。また、各数値実施例におけるＹ，Ｚ［ｍｍ］は、絶対座標系における各面の面頂点のＹ方向及びＺ方向における座標を示している。θ［度］は、Ｘ軸に対して反時計回りに回転する方向を正としたときの、各面の面頂点における法線の傾き（偏心角度）を示している。

次に、各面の形状を表現するために、各面とＺ軸（基準軸）との交点を原点とするローカル座標系ｘｙｚを定義する。具体的には、原点における法線をｚ軸とする。原点を通り右手座標系の定義に従ってｚ軸に対して反時計回り方向に９０゜を成す軸をｙ軸とする。原点を通りｚ軸及びｙ軸に垂直な軸をｘ軸とし、図１の紙面に対して奥へ向かう方向を正（＋ｘ方向）とする。ここで、非球面の形状は、円錐定数をＫ、非球面係数をＣ_ｉｊ、近軸曲率半径をＲとするとき、以下の式で表される。なお、各数値実施例における円錐定数Ｋ及び非球面係数Ｃ_ｉｊの各数値での「Ｅ±Ｎ」は、「×１０^±Ｎ」を意味している。

ただし、ｈは以下の式で表される。

（数値実施例１）
面データ
面番号 R Y Z θ
1 101 ∞ 0.00 0.00 -42.7
2 M11 ∞ 可変可変 -20.0
3 M12 ∞ 0.00 179.00 可変
4 WS ∞ 147.84 2.81 73.0
5 112 ∞ 196.55 349.40 138.0
6 113 ∞ 可変可変 138.0

可変量データ
第１の状態第２の状態
Y M11 12.93 0.00
Z M11 151.97 179.00
θ M12 -17.7 -16.0
Y 虚像 1668.64 6352.55
Z 虚像 -1285.52 -6487.53

非球面データ
M11 M12
K 0.00E+00 0.00E+00
C20 1.90E-04 6.72E-04
C02 -7.67E-05 5.16E-04
C21 -5.78E-06 -8.07E-07
C03 -4.82E-06 -6.94E-07
C40 2.83E-09 1.46E-10
C22 2.51E-08 7.67E-10
C04 1.15E-08 -2.77E-10

（数値実施例２）
面データ
面番号 R Y Z θ
1 101 ∞ 0.00 0.00 -42.7
2 M11 ∞ 可変可変可変
3 M12 ∞ 147.84 2.81 可変
4 WS ∞ 196.55 349.40 73.0
5 112 ∞ -338.75 943.92 138.0
6 113 ∞ 可変可変可変

可変量データ
第１の状態第２の状態
Y M21 20.00 7.85
Z M21 143.27 190.52
θ M21 -20.00 -22.03
θ M22 -19.20 -16.00
Y 虚像 1334.07 9698.21
Z 虚像 -913.94 -10203.25
θ 虚像 0.00 85.00

非球面データ
M21 M22
K 0.00E+00 0.00E+00
C20 -8.25E-05 6.29E-04
C02 -4.04E-05 5.33E-04
C21 -3.84E-06 -6.09E-07
C03 -2.33E-06 -3.63E-07
C40 2.36E-09 2.31E-10
C22 1.83E-08 1.99E-09
C04 -1.30E-09 -1.47E-10

以下に、数値実施例１，２における上述した各条件式に関する数値を示す。

［車載システム及び移動装置］
図８は、本実施形態に係る虚像表示装置１００を備える車載システム５００及び移動装置６００の模式図である。車載システム５００は、虚像表示装置１００と、第１の取得手段２００と、第２の取得手段３００と、制御手段４００とを備え、移動装置６００の使用者（搭乗者、運転者）を支援するためのシステムである。移動装置６００は、上述したような自動車や船舶、航空機などの、車載システム５００を保持して移動可能な移動体である。図８では、移動装置６００の一例として自動車（車両）を示している。

第１の取得手段２００は、使用者の位置情報及び視点情報の少なくとも一方を取得する手段であり、例えばカメラ等の撮像装置である。使用者の位置情報とは、使用者の少なくとも一部の位置に関する情報であり、例えば使用者の眼１０４の位置に関する情報である。また、使用者の視点情報とは、使用者の視点や視線に関する情報であり、例えば使用者の眼１０４（瞳孔）の動きに関する情報である。

第２の取得手段３００は、移動装置６００の周囲の障害物（歩行者や他車両等）や周辺環境（風景）等の外界情報（周辺情報）を取得するための手段であり、例えばカメラ等の撮像装置である。本実施形態に係る第２の取得手段３００は、移動装置６００の前方の外界情報を取得するように配置されているが、移動装置６００の後方や側方等の外界情報を取得するように配置されていてもよい。

制御手段４００は、虚像表示装置１００を制御するための手段であり、例えばＣＰＵ等のプロセッサである。制御手段４００は、虚像表示装置１００における表示手段１０１による画像の表示を制御したり、駆動手段による反射面の駆動を制御したりすることができる。例えば、制御手段４００は、第１の取得手段２００により取得された情報及び第２の取得手段３００により取得された情報の少なくとも一方に基づいて、表示手段１０１による画像の表示や駆動手段による各反射面の駆動を制御することができる。なお、制御手段４００は虚像表示装置１００の内部に設けられていてもよい。また、上述のように駆動手段に制御手段４００の機能を持たせてもよい。

第１の取得手段２００は、使用者の位置情報及び視点情報の少なくとも一方を取得することで、移動装置６００に対する使用者の眼１０４の位置のずれ量や使用者の視線の変化を検知することができる。制御手段４００は、第１の取得手段２００が取得した情報に基づいて虚像表示装置１００における各反射面の駆動量を求め、その駆動量に基づいて駆動手段を制御することで各反射面を駆動させる。これにより、虚像１１３の位置の変更や、使用者の眼１０４と瞳１１２との相対位置のずれの補正を行うことができる。

さらに、制御手段４００は、移動装置６００の移動速度に関する情報（速度情報）に基づいて各反射面の駆動を制御することで、使用者に視認させる虚像１１３の位置を変更してもよい。例えば、虚像１１３の位置を移動装置６００の低速移動時又は停止時（速度０）には第１の位置、高速移動時には第２の位置とすることで、付近に見える虚像１１３の表示と遠方に見える虚像１１３の表示とを切り替えることができる。これにより、使用者に対して移動装置６００の進行方向における虚像の位置が切り替わったように視認させることができ、移動装置６００の速度が変化した際の各虚像の視認性を向上させることができる。

なお、制御手段４００は、使用者が不図示の操作手段を操作することにより該操作手段から出力される信号に基づいて、駆動手段による各反射面の駆動を制御してもよい。また、制御手段４００は、第１の取得手段２００が使用者の眼１０４以外の位置に関する情報を取得した場合であっても、その情報に基づいて移動装置６００に対する使用者の眼１０４の位置のずれ量を求めることができる。

なお、制御手段４００は、障害物（物体）との衝突可能性を判定する判定手段としての機能も備えている。例えば、制御手段４００は、第２の取得手段３００により取得された外界情報に基づいて移動装置６００と障害物との衝突可能性を判定する。制御手段４００は、障害物との衝突可能性が有ると判定した場合に、例えば虚像表示装置１００に警告メッセージ等を表示させることで、使用者に対して警告を行うことができる。

制御手段４００は、障害物との衝突可能性が有ると判定した場合に、移動装置６００の移動を制御したり、移動装置６００の各部に警告を行わせたりしてもよい。例えば、制御手段４００は、移動装置６００の駆動部（エンジンやモータなど）に対して制御信号を出力することで、移動装置６００の移動を制御することができる。制御方法としては、例えば、移動装置６００においてブレーキをかける、アクセルを戻す、ハンドルを切る、各輪に制動力を発生させる制御信号を生成して駆動部の出力を抑制する等が挙げられる。また、警告方法としては、例えば、使用者に対して警告音を発する、カーナビゲーションシステムなどの画面に警告情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与える等が挙げられる。

以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。

例えば、上述した実施形態に係る車載システム５００は、第１の取得手段２００及び第２の取得手段３００を一つずつ備えているが、夫々を複数備えていてもよい。あるいは、第１の取得手段２００及び第２の取得手段３００の両方の機能を有する単一の取得手段を採用してもよい。また、第１の取得手段２００や第２の取得手段３００の代わりに、移動装置６００の振動や加速度等を検出する手段を設け、その手段により取得された情報に基づいて虚像表示装置１００を制御してもよい。

１０１表示手段（表示面）
１０２第１の反射面
１０３第２の反射面
１０５虚像光学系
１１２瞳
１１３虚像

Claims

表示面からの光を瞳に導光することで虚像を形成する虚像光学系であって、
前記表示面からの光を反射する第１の反射面と、
該第１の反射面からの光を反射する第２の反射面とを有し、
前記第１の反射面の移動により、前記表示面から前記第２の反射面までの光路長を変更可能であり、
前記第１の反射面の回転により、前記瞳の中心と前記虚像の中心とを結ぶ直線に対して該虚像を偏心可能であり、
前記第２の反射面の回転により、前記瞳の位置を該瞳に入射する主光線の光路に垂直な方向の成分を含む方向へ変更可能であり、
前記第１の反射面の移動方向と該第１の反射面に入射する主光線とのなす角は５°以下であることを特徴とする虚像光学系。
前記第１の反射面に対する前記主光線の入射角と反射角の和をβとするとき、
３０°≦β≦７０°
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の虚像光学系。
前記主光線の光路上において、前記第１の反射面のパワーをφ１、前記第２の反射面のパワーをφ２とするとき、
０．００＜｜φ１／φ２｜≦０．４０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の虚像光学系。
前記第２の反射面の回転中心は、前記第１の反射面が最も縮小側にあるときの前記第２の反射面での主光線の入射位置と前記第１の反射面が最も拡大側にあるときの前記第２の反射面での主光線の入射位置との間に位置することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の虚像光学系。
前記第１の反射面の回転中心は、該第１の反射面に入射する前記主光線の光路上に位置することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の虚像光学系。
請求項１乃至５の何れか一項に記載の虚像光学系と、
前記表示面を有する表示手段と、
前記第１及び第２の反射面の夫々を駆動する第１及び第２の駆動手段とを備えることを特徴とする虚像表示装置。
前記第１の駆動手段は、前記第１の反射面を移動させることにより、使用者に視認させる前記虚像の位置を変更可能であることを特徴とする請求項６に記載の虚像表示装置。
前記第２の駆動手段は、前記第２の反射面を回転させることにより、前記瞳と使用者の眼との相対位置を調整可能であることを特徴とする請求項６又は７に記載の虚像表示装置。
前記第１及び第２の駆動手段の少なくとも一方は、使用者の位置情報及び視点情報の少なくとも一方に基づいて前記第１及び２の反射面の少なくとも一方を駆動することを特徴とする請求項６乃至８の何れか一項に記載の虚像表示装置。
請求項６乃至９の何れか一項に記載の虚像表示装置を備え、車両により保持されることを特徴とする車載システム。
使用者の位置情報及び視点情報の少なくとも一方を取得する第１の取得手段を備え、前記第１及び第２の駆動手段の少なくとも一方は、該第１の取得手段により取得された情報に基づいて前記第１及び２の反射面の少なくとも一方を駆動することを特徴とする請求項１０に記載の車載システム。
前記第１及び第２の駆動手段の少なくとも一方は、前記車両の移動速度に関する情報に基づいて前記第１及び２の反射面の少なくとも一方を駆動することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の車載システム。
外界情報を取得する第２の取得手段を備えることを特徴とする請求項１０乃至１２の何れか一項に記載の車載システム。
前記第２の取得手段により取得された情報に基づいて前記車両と物体との衝突可能性を判定する判定手段を備えることを特徴とする請求項１３に記載の車載システム。
前記判定手段により前記車両と前記物体との衝突可能性が有ると判定された場合に、前記虚像表示装置により使用者に対して警告を行うことを特徴とする請求項１４に記載の車載システム。
請求項６乃至９の何れか一項に記載の虚像表示装置を備え、該虚像表示装置を保持して移動可能であることを特徴とする移動装置。
前記虚像表示装置からの光を使用者に向けて反射する光学部材を備えることを特徴とする請求項１６に記載の移動装置。
前記光学部材は、外界からの光を前記使用者に向けて透過させることを特徴とする請求項１７に記載の移動装置。