JP4367212B2 - 虚像表示装置およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、虚像を前景に重畳させて表示する虚像表示装置に関する。

今後、車両内表示情報の多様化・多量化が進み、視認性に優れ運転者負担の少ない画像ＨＭＩ（Ｈｕｍａｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）への要求が一層高まるものと思われる。特に、表示コンテンツとして、視界補助情報，視覚情報等の安全走行支援分野のニーズが高まり、これらを効果的に伝達するための表示装置として、前景に重畳表示が可能であるヘッドアップディスプレイのような虚像表示装置が知られている。

そして、このような虚像表示装置を用いて情報を効果的に表示するためには、表示すべき虚像の表示距離を変えることができるようにすることが望ましい。
即ち、例えば、前景中の対象物に関連する前景関連情報を虚像として前景に重畳させて表示する場合、観察者から対象物までの距離に応じて表示距離を変えて、前景関連情報を示す虚像が対象物に近接して見えるように表示することにより、この前景関連情報が当該対象物についての情報であることを観察者に違和感なく視認させることができる。

このように虚像の表示距離を変えることができる虚像表示装置としては、従来より、二眼式立体ディスプレイが知られている（例えば、特許文献１参照）。この二眼式立体ディスプレイは、視差のついた左眼用虚像及び右眼用虚像を左右両眼のそれぞれで視認可能に表示することにより、左眼と左眼用虚像とを結んだ直線と、右眼と右眼用虚像とを結んだ直線とが交わる交点に、左眼用虚像及び右眼用虚像により構成される立体虚像が位置していると、観察者に視認させるものである。

即ち、人間の眼は、ある対象物を見る時に左右両眼が内向きに回転して、左右両眼それぞれの視線が対象物上で交わるようにする機能（この機能は、輻輳と呼ばれる）を備えている。このために、人間は、左右両眼それぞれの視線が交わる位置（以降、輻輳位置と称す）に、対象物が存在すると認識する。

つまり、二眼式立体ディスプレイは、左眼用虚像と右眼用虚像との間の水平方向距離を変えることにより、人間の両眼の輻輳の働きを利用して、立体虚像の表示距離を変えることができる。即ち、左眼用虚像と右眼用虚像との間の水平方向距離を短くすると立体虚像の表示距離が短くなり、水平方向距離を長くすると表示距離が長くなる。
特許第３１９４０２４号公報

ところで、人間の眼は、水晶体と呼ばれる眼のレンズの厚さを変えることにより、注視している対象物に対してピント調節を行う機能（この機能は、調節と呼ばれる）を備えている。尚、左右両眼がピント調節のために注視している位置を、以降、調節位置と称す。即ち、観察者が対象物を直接見る場合（自然視）には、輻輳位置及び調節位置はいずれも対象物上にあり、輻輳位置と調節位置とは一致する。

しかし、二眼式立体ディスプレイによって表示された虚像を観察者が見る場合には、輻輳位置は、左眼用虚像と右眼用虚像との間の水平方向距離に応じて変化するのに対して、調節位置は、左眼用虚像と右眼用虚像が結像している結像面上に固定される。このため、輻輳位置と調節位置は、通常は一致しない。つまり、輻輳と調節とが矛盾している状態となる。

従って、二眼式立体ディスプレイでは、自然視とは異なる状態で対象物を表示するために、観察者に眼の疲労を生じさせるという問題があった。
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、表示距離を変えることが可能な虚像表示装置において、観察者の疲労を抑制することを目的とする。

また、第２発明の虚像表示装置においては、光学ユニットは、左眼用映像及び右眼用映像をそれぞれ反射部材による左眼用虚像及び右眼用虚像として結像させて表示する。また、第２所定表示距離設定手段は、所定表示距離を、まず、左眼用虚像及び右眼用虚像が結像する結像面と観察者との間の距離である結像距離に設定し、その後に、予め設定された第１設定距離に設定する。そして、表示制御手段は、左眼用虚像及び右眼用虚像を視認する観察者の輻輳位置が、観察者から所定表示距離離れた位置に一致するように、光学ユニットを制御する。

即ち、当該虚像表示装置は、左眼用虚像及び右眼用虚像を、輻輳位置が結像面上にあるように表示した後に、輻輳位置が観察者から第１設定距離離れた位置に一致するように表示する。つまり、まず、観察者の輻輳と調節との矛盾が無い状態で虚像を表示した後に、本来表示すべき位置に虚像を表示する。

このため、観察者から第１設定距離離れた位置に最初から虚像を表示する場合と比較して、輻輳と調節とが矛盾している状態で虚像を表示している時間が短くなり、観察者に疲労を生じさせることを抑制できる。

また、第２発明の虚像表示装置では、第２所定表示距離設定手段は、所定表示距離を結像距離から第１設定距離に瞬間的に変化させるようにしてもよいが、結像距離から第１設定距離の間で連続的に変化させるようにすることが望ましい。

このように構成された虚像表示装置によれば、観察者の両眼は、所定表示距離が結像距離から第１設定距離になるまでに、輻輳位置を徐々に変化させることができるため、観察者の両眼の負担を抑制することができる。また、観察者が視認する表示距離も徐々に変化するため、観察者にとって違和感のない虚像を表示することができる。

また、第３発明の虚像表示装置においては、視線検出手段は、観察者の左右両眼それぞれの視線方向を検出し、検出した視線方向に基づいて観察者の輻輳位置を求める。そして、光学ユニットは、左眼用映像及び右眼用映像をそれぞれ反射部材による左眼用虚像及び右眼用虚像として結像させて表示する。また、第３所定表示距離設定手段は、所定表示距離を、まず、視線検出手段によって求められた輻輳位置と、観察者との間の距離である輻輳距離に設定し、その後に、予め設定された第１設定距離に設定する。更に、表示制御手段は、左眼用虚像及び右眼用虚像を視認する観察者の輻輳距離が、観察者から所定表示距離離れた位置に一致するように、光学ユニットを制御する。

即ち、当該虚像表示装置は、左眼用虚像及び右眼用虚像を、表示距離が、観察者の現在の輻輳距離に一致するように表示した後に、観察者から第１設定距離離れた位置に一致するように表示する。つまり、虚像が最初に表示された時点では、観察者の両眼は輻輳距離を変化させる必要がない。

このため、観察者から第１設定距離離れた位置に最初から虚像を表示する場合と比較して、輻輳距離を変えるために両眼を動かす負担を低減でき、観察者に疲労を生じさせることを抑制できる。

また、第３発明の虚像表示装置では、第３所定表示距離設定手段は、所定表示距離を輻輳距離から第１設定距離に瞬間的に変化させるようにしてもよいが、輻輳距離から第１設定距離の間で連続的に変化させるようにすることが望ましい。

このように構成された虚像表示装置によれば、観察者の両眼は、所定表示距離が輻輳距離から第１設定距離になるまでに、輻輳位置を徐々に変化させることができるため、観察者の両眼の負担を抑制することができる。また、観察者が視認する表示距離も徐々に変化するため、観察者にとって違和感のない虚像を表示することができる。

また、第３発明の虚像表示装置では、視線検出手段は、観察者の両眼を撮影し、撮影された両眼画像を画像認識処理することにより、視線方向を検出するようにしてもよい。
このように構成された虚像表示装置によれば、視線検出するためのセンサを観察者の眼に装着する必要がなく、観察者の煩わしさを抑制することができる。

また、第２及び第３発明の虚像表示装置では、表示制御手段は、所定表示距離に応じて表示映像の大きさが変化するように、光学ユニットを制御するようにするとよい。特に、所定表示距離が長くなるほど、表示映像の大きさを小さくするとよい。

このように構成された虚像表示装置によれば、所定表示距離に応じて左眼用虚像及び右眼用虚像の大きさが変化するため、観察者は虚像の遠近感を感じ易くなる。
また、第２及び第３発明の虚像表示装置では、表示制御手段は、所定表示距離に応じて表示映像の明るさが変化するように、光学ユニットを制御するようにするとよい。特に、所定表示距離が長くなるほど、表示映像が暗くなるようにするとよい。

このように構成された虚像表示装置によれば、所定表示距離に応じて左眼用虚像及び右眼用虚像の明るさが変化するため、観察者は虚像の遠近感を感じ易くなる。
また、第１，第２及び第３発明の虚像表示装置では、光学ユニットは、表示映像を投射する映像投射部と、映像投射部と反射部材との間に配置され、映像投射部から投射された表示映像の大きさを拡大する映像拡大部とを備えるようにしてもよい。

このように構成された虚像表示装置によれば、映像拡大部が表示映像の大きさを拡大する拡大率に応じて結像距離を長くすることができる。このため、所定表示距離と結像面との距離を短くすることができる。即ち、輻輳と調節とが矛盾している状態の程度を小さくすることができるため、観察者に疲労を生じさせることを抑制できる。

尚、結像距離を長くするためには、映像投射部と反射部材との間の距離を長くするようにしてもよいが、この場合には虚像表示装置を大型化する必要がある。即ち、映像拡大部を設けることによって、虚像表示装置を大型化することなく結像距離を長くすることができる。

また、本発明のプログラムは、第１，第２及び第３発明の虚像表示装置が備える各手段としての機能をコンピュータに実現させることを特徴とする。
このようなプログラムによって制御されるコンピュータシステムは、第１，第２及び第３発明の虚像表示装置の一部を構成することができ、同虚像表示装置と同様の作用・効果を得ることができる。

尚、このような虚像表示装置が備える各手段をコンピュータにて実現する機能は、例えば、コンピュータ側で起動するプログラムとして備えられる。このようなプログラムの場合、例えば、フレキシブルディスク，光磁気ディスク，ＣＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ−ＲＯＭ，ハードディスク，ＲＯＭ，ＲＡＭ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録し、必要に応じてコンピュータにロードして起動することにより用いることができ、また、ネットワークを介してロードして起動することにより用いることができる。

（第１実施形態）
以下に本発明の実施形態について図面をもとに説明する。
まず、本発明の虚像表示装置を適用した虚像表示システム１の構成を図１に基づいて説明する。図１は、虚像表示システム１の構成を示す模式図である。

本実施形態の虚像表示システム１は車両に搭載されており、図１に示すように、車両の前方窓であるウインドシールド３と、ウインドシールド３上に画像を表示するヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置５と、運転者の眼を撮影する視点検知用カメラ７と、ＧＰＳ(Global Positioning System）用の人工衛星からの送信電波をＧＰＳアンテナ（不図示）を介して受信し、車両の位置を検出するＧＰＳ受信機９と、車両の走行速度を検出する車速センサ１１と、周知の地磁気センサやジャイロスコープ等によって構成され、車両の進行方向の絶対方位や車両において発生する加速度等を検出する方位センサ１３とを備えている。

これらのうち、ＨＵＤ装置５は、視点検知用カメラ７，ＧＰＳ受信機９，車速センサ１１及び方位センサ１３が接続され、これらから入力される信号及びデータに基づいてウインドシールド３上に表示するための画像データを生成するコントローラ３１と、コントローラ３１から画像データを取得し、この画像データに基づいた右眼用映像及び左眼用映像をそれぞれ表示する右眼用表示素子３５ａ及び左眼用表示素子３５ｂと、右眼用表示素子３５ａ及び左眼用表示素子３５ｂをそれぞれ照明する右眼用光源３３ａ及び左眼用光源３３ｂと、絞りを備え、右眼用表示素子３５ａ及び左眼用表示素子３５ｂそれぞれに表示された映像を投射する右眼用投射レンズ３７ａ及び左眼用投射レンズ３７ｂと、ウインドシールド３と右眼用投射レンズ３７ａ及び左眼用投射レンズ３７ｂとの間に配置され、右眼用投射レンズ３７ａ及び左眼用投射レンズ３７ｂから投射された映像をそれぞれ運転者の左眼及び右眼に導くためのフィールドレンズ３９とを備えている。

尚、フィールドレンズ３９は、右眼用投射レンズ３７ａ及び左眼用投射レンズ３７ｂそれぞれから投射された右眼用映像及び左眼用映像が結像する位置に配置されており、右眼用映像及び左眼用映像を映し出すスクリーンとしての機能を持つ。更に、フィールドレンズ３９は、右眼用投射レンズ３７ａ及び左眼用投射レンズ３７ｂそれぞれの射出瞳と運転者の右眼視点及び左眼視点とが共役の関係となる光学素子として構成されている。

つまり、右眼用投射レンズ３７ａ及び左眼用投射レンズ３７ｂからは、それぞれ右眼用映像及び左眼用映像が投射される。そして、投射された右眼用映像及び左眼用映像はそれぞれ、ウインドシールド３で反射され、車室内の運転席に着座する運転者の右眼及び左眼に投影される。これによって、運転者の右眼には虚像結像面Ｐ１上に結像した右眼用虚像が視認され、左眼には虚像結像面Ｐ１上に結像した左眼用虚像が視認される。

そして、左右両眼の輻輳の働きにより、運転者は、左右両眼それぞれの視線が交わる位置（輻輳位置）に、右眼用虚像と左眼用虚像とが融合した立体視虚像が存在すると認識する。

次に、コントローラ３１の構成を図２に基づいて説明する。図２は、コントローラ３１の内部構成を示すブロック図である。
コントローラ３１は、図２に示すように、所定の処理プログラムに基づいて処理を実行するＣＰＵ５１と、種々の制御プログラムが格納されたＲＯＭ５３と、種々のデータを格納するＲＡＭ５５と、建物及び道路の位置や名称などが格納されたナビゲーション用地図データを記憶するデータベース５７と、右眼用表示素子３５ａ及び左眼用表示素子３５ｂに出力する画像データを記憶する描画ＲＡＭ５９と、描画ＲＡＭ５９に記憶された画像データを読み出し、ウインドシールド３の適切な位置に表示像が表示されるように表示位置を計算して、右眼用表示素子３５ａ及び左眼用表示素子３５ｂへ画像データを出力する表示コントローラ６１と、視点検知用カメラ７，ＧＰＳ受信機９，車速センサ１１，方位センサ１３及びデータベース５７が接続され、ＣＰＵ５１，ＲＡＭ５５，描画ＲＡＭ５９及び表示コントローラ６１との間で信号及びデータの入出力を行う入出力部６３とを備えている。

尚、データベース５７は、記憶媒体として、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭ等を用いてもよいし、メモリカードやハードディスク等の書き込み可能な記憶媒体を用いてもよい。
このように構成されたコントローラ３１において、ＣＰＵ５１は、本実施形態の特徴部分に係わる表示処理を行う。

次に、図３を用いて、ＣＰＵ５１が実行する表示処理の手順について説明する。図３は、表示処理を表すフローチャートである。尚、この表示処理は、車両のイグニッションキーがキーシリンダに挿入され、上記キーがオンに変更された状態である間、繰り返し実行される。

この表示処理においては、ＣＰＵ５１は、まずＳ１０にて、ＨＵＤ装置５が表示する内容に変更があるか否かを判断する。ここで、変更がない場合には（Ｓ１０：ＮＯ）、当該表示処理を終了する。一方、変更がある場合には（Ｓ１０：ＹＥＳ）、Ｓ２０にて、変更がある表示が、常時提供されるべき常時提供情報であるか否かを判断する。尚、常時提供情報は、走行速度、燃料残量，エンジン回転速度、燃料漏れや半ドア等の警告、走行距離などのメータ表示や、現在時刻表示等の、運転者，車両及び外部の状態にかかわらず、常に表示しなければならない情報である。

ここで、常時提供情報である場合には（Ｓ２０：ＹＥＳ）、Ｓ３０にて、所定表示距離を結像距離に設定する。即ち、表示距離を指示するための所定表示距離を、虚像結像面Ｐ１と運転者との間の距離である結像距離Ｌ１（図４（ａ）参照）に設定する。

そして、Ｓ４０にて、所定表示距離に対応した、右眼用表示素子３５ａ上における右眼用映像位置と左眼用表示素子３５ｂ上における左眼用映像位置を求める。即ち、Ｓ４０では、所定表示距離が結像距離Ｌ１に設定されているため、虚像結像面Ｐ１上で右眼用虚像位置と左眼用虚像位置とが一致するように（図４（ａ）参照）、右眼用映像位置及び左眼用映像位置を算出する。

次に、Ｓ５０にて、変更がある表示内容についての右眼用映像及び左眼用映像それぞれを表す右眼用画像データ及び左眼用画像データを描画ＲＡＭ５９に書き込む。
その後、Ｓ６０にて、表示処理を行う。即ち、ＣＰＵ５１は、表示コントローラ６１に、描画ＲＡＭ５９に記憶される右眼用画像データ及び左眼用画像データを読み出させて、Ｓ４０にて算出された右眼用映像位置及び左眼用映像位置にそれぞれ右眼用映像及び左眼用映像が表示されるように、右眼用画像データ及び左眼用画像データをそれぞれ右眼用表示素子３５ａ及び左眼用表示素子３５ｂへ出力させる。そして、当該表示処理を終了する。

また、Ｓ２０に戻り、常時提供情報でない場合には（Ｓ２０：ＮＯ）、変更がある表示が、随時提供されるべき随時提供情報であると判断し、Ｓ７０に移行する。尚、随時提供情報は、矢印などのナビゲーション情報，白線検知や前方監視などの予防安全情報，建物や交差点の陰に隠れている危険物を表示する死角情報，夜間や霧発生時の視覚補助情報等の、運転者，車両及び外部の状態により必要に応じて表示しなければならない情報である。

そして、Ｓ７０に移行すると、運転者の両眼間隔を算出する。即ち、視点検知用カメラ７により運転者の左右両眼を撮影し、撮影した運転者両眼画像を画像認識処理することにより、運転者の右眼と左眼の黒目位置を検出する。その後に、検出した右眼黒目位置と左眼黒目位置との間の距離を両眼間隔として算出する。

次に、Ｓ８０にて、Ｓ３０と同様に、所定表示距離を結像距離に設定する。その後、Ｓ９０にて、随時提供情報の最終的な表示距離を指示するための最終表示距離を、随時提供情報の内容に応じて決定された所定随時表示距離Ｌ２（図４（ｂ）参照）に設定する。即ち、例えば、ナビゲーション用の矢印を表示すべき交差点に車両が近づいた場合に、データベース５７に記憶されたナビゲーション用地図データと、ＧＰＳ受信機９，車速センサ１１及び方位センサ１３の検出結果とに基づいて、目標交差点と現在車両位置との間の距離を算出し、この距離を所定随時表示距離Ｌ２として、最終表示距離に設定する。

そして、Ｓ１００にて、Ｓ４０と同様に、所定表示距離に対応した、右眼用表示素子３５ａ上における右眼用映像位置と左眼用表示素子３５ｂ上における左眼用映像位置を求める。即ち、図４（ｂ）に示すように、運転者の輻輳位置を、例えば、運転者から所定随時表示距離Ｌ２離れた随時表示点Ｄ２に移動させるためには、右眼用虚像（左眼用虚像）を結像面表示点Ｄ１から、左眼用虚像（右眼用虚像）から離れる方向に水平方向距離ｕ移動させるとよい。ここで、水平方向距離ｕは、Ｓ８０で算出された運転者の両眼間隔をｅとすると、
ｕ ＝（ｅ／２）×｛（Ｌ２−Ｌ１）／Ｌ２｝ （式１）
と表される。

つまり、（式１）に基づいて水平方向距離ｕを算出し、結像面表示点Ｄ１から水平方向に水平方向距離ｕ移動した位置に右眼用虚像（左眼用虚像）が位置するように、右眼用表示素子３５ａ上における右眼用映像位置（左眼用表示素子３５ｂ上における左眼用映像位置）を求める。

更に、Ｓ１１０にて、所定表示距離に応じて、随時提供情報を表す右眼用映像及び左眼用映像の表示サイズと明るさを設定する。即ち、所定表示距離が長くなるほど、右眼用映像及び左眼用映像の大きさが小さくなるとともに、明るさが暗くなるように設定する。

次に、Ｓ１２０にて、変更がある表示内容についての右眼用映像及び左眼用映像それぞれを表す右眼用画像データ及び左眼用画像データを描画ＲＡＭ５９に書き込む。
その後、Ｓ１３０にて、表示処理を行う。即ち、ＣＰＵ５１は、表示コントローラ６１に、描画ＲＡＭ５９に記憶される右眼用画像データ及び左眼用画像データを読み出させて、Ｓ１１０で設定された表示サイズと明るさで表示され、更にＳ１００にて算出された右眼用映像位置及び左眼用映像位置にそれぞれ右眼用映像及び左眼用映像が表示されるように、右眼用画像データ及び左眼用画像データをそれぞれ右眼用表示素子３５ａ及び左眼用表示素子３５ｂへ出力させる。

そして、Ｓ１４０にて、所定表示距離が最終表示距離以上であるか否かを判断する。ここで、所定表示距離が最終表示距離未満である場合には（Ｓ１４０：ＮＯ）、Ｓ１５０にて、所定表示距離の値に、所定表示距離の値より十分小さい値に設定された所定加算値を加算する。即ち、所定表示距離を所定加算値分長く設定する。その後に、Ｓ１００に移行して、上述の処理を繰り返す。一方、所定表示距離が最終表示距離以上である場合には（Ｓ１４０：ＹＥＳ）、当該表示処理を終了する。

このように構成された虚像表示システム１の動作を、図５に基づいて説明する。
図５は、交差点に向かって走行している車両において、この車両内の運転者の視点からウインドシールド３を介して車両前方を眺めた際のイメージ図である。即ち、右眼用表示素子３５ａ及び左眼用表示素子３５ｂそれぞれの表示画面に右眼用映像及び左眼用映像が表示されると、その映像はウインドシールド３で反射し、図５に示すように、ウインドシールド３越しに、右眼用虚像と左眼用虚像とが融合した立体視虚像として表示される。即ち、走行速度表示虚像Ｓ１，燃料残量表示虚像Ｓ２がウインドシールド３の下側に表示され、ナビゲーション用矢印表示虚像Ｓ３が、前景に重畳されて表示される。

そして、走行速度及び燃料残量は常時提供情報であるため、走行速度表示虚像Ｓ１及び燃料残量表示虚像Ｓ２は、運転者から結像距離Ｌ１離れた位置に存在すると運転者が視認するように表示される（Ｓ６０）。また、ナビゲーション用矢印表示は随時提供情報であるため、ナビゲーション用矢印表示虚像Ｓ３は、まず、運転者から結像距離Ｌ１離れた位置に存在し、その後に、運転者から交差点に向かう方向へ遠ざかるように徐々に移動し、最終的に交差点上に近接して存在すると運転者が視認するように表示される（Ｓ１１０）。尚、ナビゲーション用矢印表示虚像Ｓ３は、遠ざかるように移動する際に、表示サイズが徐々に小さくなるとともに、明るさが徐々に暗くなるように表示される。

即ち、常時提供情報を表示する場合には、虚像表示システム１は、運転者の輻輳位置が虚像結像面Ｐ１上にあるように右眼用虚像と左眼用虚像を表示する。
このため、運転者の輻輳位置と調節位置が虚像結像面Ｐ１上で一致する。即ち、運転者の輻輳と調節との矛盾が無いために、常時提供情報を表す立体視虚像を運転者が長時間視認し続けても、運転者に疲労を生じさせることを防止できる。

また、車両の走行速度，燃料残量のような情報は、運転者が車両を運転中に常に必要とされる情報であり、運転者は長時間視認し続ける。このため、上記情報を常時提供情報とすれば、運転者の疲労防止に効果的である。

また、随時提供情報を表示する場合には、虚像表示システム１は、運転者の輻輳と調節との矛盾が無い状態で立体視虚像を表示した後に、本来表示すべき位置に立体視虚像を表示する。このため、運転者から最終表示距離離れた位置に最初から立体視虚像を表示する場合と比較して、輻輳と調節とが矛盾している状態で立体視虚像を表示している時間が短くなり、運転者に疲労を生じさせることを抑制できる。

また、運転者の両眼は、表示距離が結像距離から最終表示距離になるまでに、輻輳位置を徐々に変化させることができるため、運転者の両眼の負担を抑制することができる。更に、運転者が視認する立体視虚像の表示距離も徐々に変化するため、運転者は立体視虚像を違和感なく視認できる。

また、所定表示距離に応じて左眼用虚像及び右眼用虚像の大きさと明るさが変化するため、運転者は立体視虚像の遠近感を感じ易くなる。
以上説明した実施形態において、ＨＵＤ装置５は本発明における虚像表示装置、右眼用光源３３ａ，左眼用光源３３ｂ，右眼用表示素子３５ａ，左眼用表示素子３５ｂ，右眼用投射レンズ３７ａ，左眼用投射レンズ３７ｂ及びフィールドレンズ３９は本発明における光学ユニット、ウインドシールド３は本発明における反射部材である。

また、図３におけるＳ６０，Ｓ１１０の処理は本発明における表示制御手段、図３におけるＳ８０，Ｓ９０，Ｓ１４０及びＳ１５０の処理は本発明における第２所定表示距離設定手段である。

また、虚像結像面Ｐ１は本発明における結像面、所定随時表示距離Ｌ２は本発明における第１設定距離である。
（第２実施形態）
以下に、第２実施形態について図面をもとに説明する。尚、第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分のみを説明する。

第２実施形態における虚像表示システム１が第１実施形態と異なる点は、表示処理が変更されている点である。
このため、以下に、第２実施形態における表示処理を図６に基づいて説明する。図６は、表示処理を表すフローチャートである。

図６に示すように、第２実施形態の表示処理において第１実施形態と異なるのは、Ｓ７５の処理が追加されるとともに、Ｓ８０の処理に代わってＳ８０ａの処理が行われる点である。

つまり、Ｓ７０の処理が終了すると、Ｓ７５にて、輻輳距離を算出する。即ち、視点検知用カメラ７により運転者の左右両眼を撮影し、撮影した運転者両眼画像を画像認識処理することにより、運転者の右眼と左眼の中心位置及び黒目位置とを検出し、黒目位置の中心位置からのズレに基づいて、運転者の右眼視線及び左眼視線を特定する。更に、図７に示すように、特定した右眼視線と左眼視線とが交わる位置を算出して、この位置を輻輳位置Ｄ３とする。そして、輻輳位置Ｄ３と運転者との間の距離を輻輳距離Ｌ３として算出する。

その後に、Ｓ８０ａにて、所定表示距離を、Ｓ７５で算出された輻輳距離Ｌ３に設定する。
このように構成された虚像表示システム１では、ナビゲーション用矢印表示虚像Ｓ３（図５参照）は、まず、運転者から輻輳距離Ｌ３離れた位置に存在し、その後に、運転者から交差点に向かう方向へ遠ざかるように徐々に移動し、最終的に交差点上に近接して存在すると運転者が視認するように表示される（Ｓ１１０）。

つまり、ナビゲーション用矢印表示虚像Ｓ３が最初に表示された時点では、運転者の両眼は輻輳距離を変化させる必要がない。このため、運転者から最終表示距離離れた位置に最初からナビゲーション用矢印表示虚像Ｓ３を表示する場合と比較して、輻輳距離を変えるために両眼を動かす負担を低減でき、運転者に疲労を生じさせることを抑制できる。

また、視点検知用カメラ７により運転者の左右両眼を撮影して視線を検出するため、視線検出するためのセンサを運転者の両眼に装着する必要がなく、運転者の煩わしさを抑制することができる。

以上説明した実施形態において、図６におけるＳ８０ａ，Ｓ９０，Ｓ１４０及びＳ１５０の処理は本発明における第３所定表示距離設定手段、図６におけるＳ７５の処理は本発明における視線検出手段である。

（第３実施形態）
以下に、第３実施形態について図面をもとに説明する。尚、第３実施形態では、第１実施形態と異なる部分のみを説明する。

第３実施形態における虚像表示システム１が第１実施形態と異なる点は、ＨＵＤ装置５の構成が変更されている点である。
このため、以下に、第３実施形態におけるＨＵＤ装置５の構成を図８に基づいて説明する。図８は、ＨＵＤ装置５の構成を示す模式図である。

第３実施形態におけるＨＵＤ装置５は、図８に示すように、拡大レンズ４１が追加されていること以外は、第１実施形態におけるＨＵＤ装置５と同じである。即ち、拡大レンズ４１は、ウインドシールド３とフィールドレンズ３９との間に配置されている。

更に、フィールドレンズ３９と拡大レンズ４１を１つのレンズ群と見做し、このレンズ群の焦点距離をｆ、右眼用投射レンズ３７ａ及び左眼用投射レンズ３７ｂの射出瞳とレンズ群の主点との光路長をａ、レンズ群の主点と運転者までの光路長をｂとすると、「１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ」が成り立つように拡大レンズ４１が配置される。このため、右眼用投射レンズ３７ａ及び左眼用投射レンズ３７ｂそれぞれの射出瞳と運転者の右眼視点及び左眼視点とが共役の関係となる。

このように構成されたＨＵＤ装置５では、フィールドレンズ３９上に投影された右眼用映像及び左眼用映像は拡大レンズ４１により遠方に拡大される。
ところで、第１実施形態におけるＨＵＤ装置５では、フィールドレンズ３９は、右眼用投射レンズ３７ａ及び左眼用投射レンズ３７ｂそれぞれから投射された右眼用映像及び左眼用映像が結像する位置に配置されており、運転者はこの映像を視認する。このため、運転者からフィールドレンズ３９までの光路長が結像距離と一致する。

一方、第３実施形態におけるＨＵＤ装置５では、フィールドレンズ３９上に投影された映像がさらに拡大レンズ４１で拡大結像されているため、フィールドレンズ３９から拡大レンズ４１までの光路長をｓ、拡大レンズ４１から運転者までの光路長をｔ、拡大レンズ４１の拡大率をｍとすると、運転者からの結像距離Ｌは、「Ｌ＝ｓ×ｍ＋ｔ」となる。即ち、拡大率ｍに応じて結像距離を長くすることができる。

このため、最終表示距離と虚像結像面との間の距離を短くすることができる（図１における虚像結像面Ｐ１と、図８における虚像結像面Ｐ２の配置を参照）。即ち、輻輳と調節とが矛盾している状態の程度を小さくすることができるため、運転者に疲労を生じさせることを抑制できる。

尚、結像距離を長くするためには、フィールドレンズ３９とウインドシールド３との間の距離を長くするようにしてもよいが、この場合にはＨＵＤ装置５を大型化する必要がある。即ち、拡大レンズ４１を設けることによって、ＨＵＤ装置５を大型化することなく結像距離を長くすることができる。

以上説明した実施形態において、右眼用光源３３ａ，左眼用光源３３ｂ，右眼用表示素子３５ａ，左眼用表示素子３５ｂ，右眼用投射レンズ３７ａ，左眼用投射レンズ３７ｂ，フィールドレンズ３９及び拡大レンズ４１は本発明における光学ユニット、右眼用光源３３ａ，左眼用光源３３ｂ，右眼用表示素子３５ａ，左眼用表示素子３５ｂ，右眼用投射レンズ３７ａ，左眼用投射レンズ３７ｂ及びフィールドレンズ３９は本発明における映像投射部、拡大レンズ４１は本発明における映像拡大部である。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
例えば、上記実施形態においては、視点検知用カメラ７が撮影した運転者両眼画像を画像認識処理することにより両眼間隔ｅを算出した。しかし、操作パネルを設け、操作パネルに対する操作によって、両眼間隔ｅの値を入力するようにしてもよい。即ち、車両のイグニッションキーがキーシリンダに挿入され、上記キーがオンに変更されると、虚像表示システム１は、両眼間隔ｅの値の入力を要求する虚像表示を行う。その後、運転者がその値を操作パネルを介して入力すると、両眼間隔ｅが設定されるようにしてもよい。

このように構成された虚像表示システム１では、両眼間隔ｅを算出するための視点検知用カメラ７を省略できる。

虚像表示システム１の全体構成を示す模式図。 コントローラ３１の内部構成を示すブロック図。 表示処理手順を示すフローチャート。 右眼用虚像位置及び左眼用虚像位置の算出方法を説明する図。 ウインドシールド３を介して車両前方を眺めた際の虚像を示す図。 表示処理手順を示すフローチャート。 輻輳距離の算出方法を説明する図。 ＨＵＤ装置５の構成を示す模式図。

符号の説明

１…虚像表示システム、３…ウインドシールド、５…ＨＵＤ装置、７…視点検知用カメラ、９…ＧＰＳ受信機、１１…車速センサ、１３…方位センサ、３１…コントローラ、３３ａ…右眼用光源、３３ｂ…左眼用光源、３５ａ…右眼用表示素子、３５ｂ…左眼用表示素子、３７ａ…右眼用投射レンズ、３７ｂ…左眼用投射レンズ、３９…フィールドレンズ、４１…拡大レンズ、５１…ＣＰＵ、５３…ＲＯＭ、５５…ＲＡＭ、５７…データベース、５９…描画ＲＡＭ、６１…表示コントローラ、６３…入出力部。

Claims (9)

1. 観察者の左眼に対応した左眼用映像と、観察者の右眼に対応した右眼用映像とから構成された表示映像を半透明な反射部材に向けて投射することによって、前記左眼用映像及び前記右眼用映像をそれぞれ前記反射部材による左眼用虚像及び右眼用虚像として結像させて表示する光学ユニットと、前記左眼用虚像及び前記右眼用虚像を視認する観察者の輻輳位置が、観察者から予め設定された所定表示距離離れた位置に一致するように、前記光学ユニットを制御する表示制御手段とを備えた虚像表示装置であって、
   前記所定表示距離を、まず、前記左眼用虚像及び前記右眼用虚像が結像する結像面と観察者との間の距離である結像距離に設定し、その後に、予め設定された第１設定距離に設定する第２所定表示距離設定手段を備える、
   ことを特徴とする虚像表示装置。
2. 前記第２所定表示距離設定手段は、前記所定表示距離を、前記結像距離から前記第１設定距離の間で、連続的に変化させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 観察者の左眼に対応した左眼用映像と、観察者の右眼に対応した右眼用映像とから構成された表示映像を半透明な反射部材に向けて投射することによって、前記左眼用映像及び前記右眼用映像をそれぞれ前記反射部材による左眼用虚像及び右眼用虚像として結像させて表示する光学ユニットと、前記左眼用虚像及び前記右眼用虚像を視認する観察者の輻輳位置が、観察者から予め設定された所定表示距離離れた位置に一致するように、前記光学ユニットを制御する表示制御手段とを備えた虚像表示装置であって、
   観察者の左右両眼それぞれの視線方向を検出し、該検出した視線方向に基づいて観察者の輻輳位置を求める視線検出手段と、
   前記所定表示距離を、まず、前記視線検出手段によって求められた輻輳位置と、観察者との間の距離である輻輳距離に設定し、その後に、予め設定された第１設定距離に設定する第３所定表示距離設定手段と、
   を備えることを特徴とする虚像表示装置。
4. 前記第３所定表示距離設定手段は、前記所定表示距離を、前記輻輳距離から前記第１設定距離の間で、連続的に変化させる、
   ことを特徴とする請求項３に記載の虚像表示装置。
5. 前記視線検出手段は、観察者の両眼を撮影し、該撮影された両眼画像を画像認識処理することにより、前記視線方向を検出する、
   ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の虚像表示装置。
6. 前記表示制御手段は、前記所定表示距離に応じて前記表示映像の大きさが変化するように、前記光学ユニットを制御する、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５何れかに記載の虚像表示装置。
7. 前記表示制御手段は、前記所定表示距離に応じて前記表示映像の明るさが変化するように、前記光学ユニットを制御する、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項６何れかに記載の虚像表示装置。
8. 前記光学ユニットは、
   前記表示映像を投射する映像投射部と、
   前記映像投射部と前記反射部材との間に配置され、前記映像投射部から投射された表示映像の大きさを拡大する映像拡大部と、
   を備えることを特徴とする請求項１〜請求項７何れかに記載の虚像表示装置。
9. 請求項１〜請求項８何れか記載の虚像表示装置が備える前記各手段としての機能をコンピュータに実現させるためのプログラム。