JPWO2010050459A1 - 視標呈示装置、画像表示システムおよび車載用表示装置 - Google Patents

Abstract

視標呈示装置は、凹面鏡２と、ハーフミラー３と、移動装置４とを備えている。凹面鏡２は、画像表示装置１に表示される画像の虚像を観測者Ｐに呈示するために、画像表示装置１と凹面鏡２との間の光学距離が凹面鏡２の焦点距離より短くなるように設けられている。ハーフミラー３は、凹面鏡２の光軸Ｌｘに斜交して設けられている。凹面鏡２のＬｘは、観測者Ｐの観測位置を通る。移動装置４は、画像表示装置１を移動させることによって、凹面鏡２の焦点距離より短い範囲内で上記光学距離を変化させる。このとき、上記光学距離が長くなるほど上記虚像の移動速度が上昇するように、移動装置４は画像表示装置１を移動させる。これにより、観測者Ｐの焦点調節機能の疲労を十分に低減させる。

Description

本発明は、観測者に視標を呈示する視標呈示装置、画像表示システムおよび車載用表示装置に関する。

近年、情報技術の進歩に伴い、視覚端末装置（例えばパーソナルコンピュータのモニタなど）を用いた作業（以下「ＶＤＴ作業」という）が増加している。この情報技術の進歩によって、作業効率および作業精度を大きく向上させることができる。

ところが、長時間のＶＤＴ作業は、作業者に眼の疲労を与える。同様の眼の疲労は、テレビモニタを長時間にわたって視聴した場合などにも生じる。

次に、ヒトの眼について説明する。図１６は、ヒトの眼の構造を示す。注視物体から発せられた光線Ｌが角膜６０、瞳孔６１、水晶体６２、硝子体６３を順に通って網膜６４上に結像するように、毛様体筋（チン小帯を含む）６５は、水晶体６２の厚さを変えて、水晶体６２の屈折力を調整する機能を有する。この機能を、焦点調節機能という。言い換えると、焦点調節機能（焦点調節機構）とは、水晶体６２と視標との間の距離に応じて、水晶体６２の屈折力を変化させることで、常に網膜６４上で像を結像させる機能（機構）をいう。

一般に、視覚端末装置またはテレビモニタの表示画面を作業者が近距離で注視する場合、焦点調節機能の駆動源である毛様体筋６５が緊張状態になる。近方に焦点を合わせるための副交感神経の異常興奮と毛様体筋６５の緊張状態とが、眼精疲労の一因となる。緊張状態が長時間続くと、毛様体筋６５の焦点調節機能が一時的に低下する。

そこで、日本国特許第３７６６６８１号公報（以下「特許文献１」という）には、眼の焦点調節機能の活発な活動を促して視力を回復するための視標呈示装置が開示されている。特許文献１の視標呈示装置は、視標を注視する観測者の視線上で視標を遠近方向に繰り返し移動させることにより、観測者の眼の焦点調節機能を活性化させる装置である。

ところで、特許文献１の視標呈示装置のように、疲労した眼の焦点調節機能に刺激を与えて活性を促す方法よりも、むしろ、ＶＤＴ作業や視聴行為を通して、常に眼の焦点調節機能に刺激を与え続けることにより、眼の疲労を未然に防ぐ方法のほうが、より理想的な眼の疲労防止方法であると考えられる。このためには、一般のＶＤＴ作業場や家庭への導入を考慮して、視標呈示装置は小型であることが望ましい。また、作業性や視認性を考えると、観測者の網膜上で、像は一定の大きさ以上である必要がある。

しかしながら、特許文献１の視標呈示装置では、装置の全長が視標の移動距離と同等になる。したがって、眼の疲労を低減させるために観測者が十分な効果を得るには視標を数ｍ規模で移動する必要がある。このため、特許文献１の視標呈示装置では、装置全体が大型化するという問題があった。また、一定の大きさの画像を表示している物体が移動する場合、観測者の網膜上における表示画像の大きさは、物体の位置に応じて極端に変化する。上記表示画像の大きさの変化を画像の表示サイズ変化などの方法で解決することは困難である。

この問題を解決する装置として、凹面鏡を用いた視標呈示装置が知られている（例えば日本国特許出願公開特開平６−２７４１１号公報（以下「特許文献２」という）参照）。この視標呈示装置は、凹面鏡により拡大されて結像される虚像を視標として観測者に呈示する。

図１７は、凹面鏡７０を用いた画像表示の原理を示す。凹面鏡７０の鏡面（反射面）は球面である。Ｆは、凹面鏡７０の焦点位置である。実像である物体Ａが凹面鏡７０の焦点位置Ｆより凹面鏡７０側（図１７の右側）にあるとき、凹面鏡７０に形成される像はＢで表される正立虚像となる。凹面鏡７０と虚像Ｂとの間の距離ｂは、凹面鏡７０と物体Ａとの間の距離ａと、焦点距離ｆとによって、
ｂ＝ａ×ｆ／（ａ−ｆ） （１）
と表わされる。また、虚像Ｂの大きさＢ₁Ｂ₂は、物体Ａの大きさをＡ₁Ａ₂とすると、
Ｂ₁Ｂ₂＝Ａ₁Ａ₂×｜ｆ｜／｜ａ−ｆ｜ （２）
となる。

上記視標呈示装置では、凹面鏡７０の中心点Ｏと焦点位置Ｆとの範囲内で物体Ａを移動させた際に形成される虚像Ｂを観測対象とする。これにより、物体Ａの小さな移動に対して、観測対象となる虚像Ｂの大きな移動を実現することができ、視力低下防止を目的とする視覚装置とすることができる。上記視標呈示装置の実施可能な例として、例えばｆ＝１５０ｍｍ、曲率半径３００ｍｍの球面で構成される凹面鏡７０を用いた場合、ａ＝１００ｍｍのときｂ＝−０．３ｍとなり、ａ＝１４８ｍｍのときｂ＝−１１．０ｍとなる。虚像Ｂは、物体Ａの移動に比べて、非常に大きな移動を実現することができる。つまり、物体Ａの小さな移動で、観測対象である虚像Ｂの大きな移動を実現することができる。したがって、物体Ａと凹面鏡７０との間の距離ａを変化させることにより、物体の虚像Ｂを注視する観測者の眼の焦点調節機能に刺激を与えることができる。

また、物体Ａが焦点位置Ｆに近づいて虚像Ｂが遠点に近づくにつれて、物体Ａに対する虚像Ｂの拡大率は大きくなる。その結果、距離ｂが変化しても、観測者の眼の網膜上における虚像Ｂの大きさはほぼ一定となる。

上記より、凹面鏡７０を用いた視標呈示装置では、物体Ａと凹面鏡７０との距離ａを連続的に変化させることにより、物体Ａの虚像Ｂを注視する観測者の焦点調節機能に刺激を与え続けることができる。その結果、凹面鏡７０を用いた視標呈示装置では、物体Ａと凹面鏡７０との光学距離を変化させることによって、眼の焦点調節機能の疲労を低減することができる。なお、上記のような視標呈示装置では、観測者の快適性を鑑みて、両眼により虚像Ｂを視認する形態が採用されている。

ところが、図１７に示すように物体Ａと凹面鏡７０とが配置された場合、虚像Ｂを注視する観測者の視線を物体Ａが遮るという問題があった。

この問題を解決する手段の一例（例えば特許文献２、日本国特許出願公開特開平１１−２４４２３９号公報（以下「特許文献３」という）、日本国特許出願公開特開２０００−１７１７５１号公報（以下「特許文献４」という）参照）を図１８に示す。図１８では、凹面鏡７０の光軸Ｌｘに斜交するハーフミラー７１が凹面鏡７０と観測者Ｐとの間に配置されている。物体Ａからの光線がハーフミラー７１で凹面鏡７０に向けて凹面鏡７０の光軸方向に反射するように設置すれば、物体Ａからの光線がハーフミラー７１で反射し、凹面鏡７０により物体Ａの虚像が形成される。さらに、観測者Ｐは、ハーフミラー７１を透過した虚像を観測することができる。

特許文献２には、凹面鏡とハーフミラーとを用いた装置が開示されている。特許文献２の装置は、飛行シミュレータや宇宙ドッキングシミュレータなどの各種シミュレータにおいて、表示物の虚像の結像距離を表示物の実距離に一致させることで、シミュレータの効果を向上させることができる。

なお、特許文献３には、小型かつさまざまな視距離での視力測定を行うために、凹面鏡の原理を用いた視力測定装置が開示されている。特許文献４には、視力低下を防ぐために、視標位置を前後、上下、左右に移動させるヘッドマウントディスプレイが開示されている。

しかしながら、従来の視標呈示装置を用いた場合、観測者Ｐは、視標である虚像が遠ざかるにつれて水晶体の屈折力をほとんど変える必要がない。このため、毛様体筋は緊張状態のままとなり、焦点調節機能の疲労を低減するという効果が小さかった。

本発明は上記の点に鑑みて為され、本発明の目的は、観測者の焦点調節機能の疲労を十分に低減させることができる視標呈示装置、画像表示システムおよび車載用表示装置を提供することにある。

本発明に係る視標呈示装置は、物体の虚像を視標として観測者に呈示する装置である。前記視標呈示装置は、凹面鏡と、距離調整手段とを備える。前記凹面鏡は、前記凹面鏡と前記物体との間の光学距離が前記凹面鏡の焦点距離より短くなるように設けられ、前記虚像を形成する。前記距離調整手段は、前記凹面鏡の焦点距離より短い範囲内で前記光学距離を変化させ、前記虚像位置が遠くなるほど前記虚像の移動速度を上昇させるように構成される。

上記物体とは、例えば画像や上記画像を表示する画像表示装置、立体物などをいう。画像には、動画（映像）、静止画（写真、絵）などがある。以下の記載においても同様である。

この構成によれば、虚像位置が遠くなるほど虚像の移動速度を上昇させることによって、虚像が観測点の近くにあるときだけではなく観測点から遠ざかったときも、観測者の水晶体における屈折力の時間変化を一定以上にさせることができる。これにより、観測者の焦点調節機能の疲労を十分に低減させることができる。

好ましくは、前記視標呈示装置は、前記凹面鏡の光軸に斜交して設けられたハーフミラーを備える。前記物体は、前記ハーフミラーの凹面鏡側で反射して前記凹面鏡に投影され、当該ハーフミラーを介して当該物体の虚像が前記観測者に呈示されるように配置される。

この構成によれば、ハーフミラーが凹面鏡の光軸に斜交することによって、視標である虚像を観測者に呈示するにあたって、物体そのものが邪魔になるのを防止することができる。

好ましくは、前記距離調整手段は、前記物体を移動させる。

この構成によれば、距離調整手段が物体を移動させることによって、物体の虚像を移動させることができるので、凹面鏡の移動によって虚像を移動させる場合に比べて、観測者の眼の位置を変える必要がない。つまり、観測者は同じ観測点で視標を視認することができる。

好ましくは、前記距離調整手段は、前記光学距離が長くなるほど前記物体の移動速度を上昇させる。

この構成によれば、虚像が観測点から遠ざかるほど虚像の移動速度をさらに上昇させることができる。

好ましくは、前記凹面鏡の前方に観測点が位置し、前記距離調整手段は、前記観測点と前記物体の虚像との間の距離の逆数の時間変化が一定になるように当該物体を移動させる。

この構成によれば、観測点と物体の虚像との間の距離の逆数の時間変化が一定になるように物体を移動させることによって、虚像が観測点から遠ざかるほど虚像の移動速度をより効果的に上昇させることができるので、観測者の焦点調節機能の疲労をより低減させることができる。

好ましくは、前記距離調整手段は、前記視標の往復運動を繰り返すように前記光学距離を変化させる。

この構成によれば、視標が往復運動を繰り返すことによって、観測者の水晶体の屈折力を効果的に変化させることができるので、観測者の焦点調節機能の疲労をより低減させることができる。

好ましくは、前記距離調整手段は、前記視標を周期的に移動させる。

この構成によれば、視標が周期的に往復運動することによって、観測者の水晶体の屈折力をより頻繁に変化させることができるので、観測者の焦点調節機能の疲労をさらに低減させることができる。

好ましくは、前記距離調整手段は、前記視標を連続的に移動させる。

この構成によれば、視標が連続的に移動することによって、物体の虚像を徐々に移動させることができるので、物体の虚像の移動を観測者に気付かせないようにすることができる。

好ましくは、前記視標呈示装置は、前記物体としての画像を表示するフラットパネルディスプレイを備える。

この構成によれば、物体である画像を表示する手段としてフラットパネルディスプレイを備えることによって、曲面パネルに比べて、光学的に優れた構成とすることができる。

好ましくは、前記視標呈示装置は、前記虚像の歪みを低減させる低減手段を備える。

この構成によれば、視標となる虚像の歪みを低減させることによって、観測者に対して、視標の歪みを気にすることなく、眼の焦点調節機能の疲労防止効果を与えることができる。

好ましくは、前記低減手段は、前記凹面鏡を用いて形成され、前記凹面鏡は、前記虚像の歪みを低減させるように鏡面が非球面に形成されている。

この構成によれば、凹面鏡の鏡面を非球面にすることによって、物体の表面が平面であっても曲面であっても、視標の歪みの低減効果を高めることができる。

好ましくは、前記凹面鏡は、前記鏡面の曲率半径が当該鏡面の中央部ほど大きい。

この構成によれば、凹面鏡の鏡面の中央部ほど曲率半径を大きくすることによって、視標の歪みをさらに小さくことができる。

好ましくは、前記凹面鏡は、前記観測者に前記視標を呈示する際、当該観測者の両眼を結ぶ第１の方向のほうが当該第１の方向と直交する第２の方向に比べて、前記鏡面において端部の曲率半径に対する中央部の曲率半径の比が大きい。

この構成によれば、観測者の両眼を結ぶ第１の方向のほうが第１の方向と直交する第２の方向に比べて、鏡面において端部の曲率半径に対する中央部の曲率半径の比が大きくなることによって、第１の方向の視標の歪みを第２の方向の視標の歪みに比べてより小さくすることができるので、両眼視差によって虚像がより歪んで立体的に見えるのを抑制することができる。

好ましくは、前記低減手段は、前記物体を用いて形成され、前記物体は、前記虚像の歪みを低減させるように表面が曲面に形成されている。

この構成によれば、物体の表面を曲面にすることによって、凹面鏡の鏡面が球面であっても非球面であっても、視標の歪みの低減効果を高めることができる。

好ましくは、前記物体は、前記凹面鏡側に凸である。

この構成によれば、物体が凹面鏡側に凸であることによって、視標の歪みをさらに小さくすることができる。

好ましくは、前記物体は、円筒状に湾曲して形成され、前記物体の軸方向は、前記観測者に前記視標を呈示する際、当該観測者の両眼を結ぶ方向と直交する。

この構成によれば、凹面鏡に物体が投影されたときに観測者の両眼を結ぶ方向において、虚像の歪みを特に小さくすることができるので、虚像が両眼視差によって虚像がより歪んで立体的に見えるのを抑制することができる。

好ましくは、前記視標提示装置は、画像を表示するフラットパネルディスプレイを備え、前記低減手段は、前記物体を用いて形成され、前記物体は、前記フラットパネルディスプレイに表示される画像であり、前記画像は、前記凹面鏡に投影されたときに前記虚像の歪みを低減させるように予め変形されている。

この構成によれば、フラットパネルに表示される画像を予め変形しておくことによって、凹面鏡の鏡面が球面であっても非球面であっても、視標の歪みの低減効果を高めることができる。

本発明に係る画像表示システムは、前記視標呈示装置と、画像を表示する画像表示装置とを備える。前記視標呈示装置は、前記画像表示装置で表示された画像の虚像を前記視標として前記観測者に呈示する。

本発明に係る車載用表示装置は、前記視標呈示装置と、運転に関する情報を提供する画像表示装置とを備える。前記視標呈示装置は、前記画像表示装置で提供された前記情報の虚像を前記視標として前記観測者に呈示する。

好ましくは、前記視標呈示装置は、前記観測者の視距離を推定する視距離推定装置を備え、前記観測者の視距離が長くなると前記虚像の視距離が長くなるように、前記画像表示装置と前記凹面鏡との間の光学距離を変化させる。

この構成によれば、運転手（観測者）が運転中に注視する前方の視距離と、運転に関する情報の視距離とを一致させることによって、運転手による焦点調節に伴う疲労を低減させることができる。

実施形態１に係る視標呈示装置の構成を示す外観図である。 同上に係る視標呈示装置の動作を説明するための図である。 同上に係る視標呈示装置において虚像の移動速度を示す図である。 同上に係る視標呈示装置において虚像の移動速度の他の例を示す図である。 実施形態２に係る視標呈示装置の各設計パラメータを示す図である。 同上に係る視標呈示装置の虚像の結像点を示す図である。 任意のｘにおける確率分布を示す図である。 同上に係る視標呈示装置の虚像の形状を示す図である。 実施形態３に係る視標呈示装置の虚像の形状を示す図である。 実施形態４に係る視標呈示装置の虚像の形状を示す図である。 実施形態５に係る視標呈示装置の各設計パラメータを示す図である。 同上に係る視標呈示装置の画像表示装置の形状を示す図である。 同上に係る視標呈示装置の虚像の形状を示す図である。 実施形態８の配置図である。 同上の外観図である。 実施形態９において、遠方視認時の場合の図である。 同上において、近方視認時の場合の図である。 ヒトの眼球の構造を示す断面図である。 凹面鏡の原理を示す図である。 凹面鏡とハーフミラーとを用いた構成を示す図である。 ホロプタについて説明する図である。 従来の視標呈示装置における虚像の歪みを示す図である。

（実施形態１）
まず、本発明の実施形態１に係る視標呈示装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る視標呈示装置の構成を示す。この視標呈示装置は、図１に示すように、画像表示装置（映像表示装置）１と、凹面鏡２と、ハーフミラー３と、移動装置４とを備えている。画像表示装置１は、画像表示面（映像表示面）１０に画像（映像）を表示するように構成されている。凹面鏡２は、画像表示装置１と凹面鏡２との間の光学距離が焦点距離より短くなるように設けられている。ハーフミラー３は、凹面鏡２の光軸Ｌｘに斜交して設けられている。凹面鏡２の光軸Ｌｘは、観測者Ｐの観測位置（以下「観測点」という）を通る。移動装置４は、画像表示装置１を移動させるように構成されている。本実施形態の視標呈示装置は、凹面鏡２により結像される虚像Ｂ（図１７参照）を視標として観測者Ｐに呈示する。

本実施形態の画像表示装置１は、凹面鏡２での虚像の歪みを低減するために、画像表示面１０が平面であることが望ましい。したがって、本実施形態の画像表示装置１は、例えば液晶パネルや有機エレクトロルミネッセンス（Organic Electro-Luminescence、以下「有機ＥＬ」という）ディスプレイなどの小型のフラットパネルディスプレイである。画像表示装置１に表示される画像内容は、特に限定される内容ではなく、例えば文書や静止画（写真、絵）、動画（映像）、ゲームなど、観測者Ｐの好みに応じた内容でよい。画像表示装置１は、表示画像の切替や表示画像に対する画像処理などを容易に制御することができる。なお、本実施形態の画像は、本発明の物体に相当する。

また、画像表示装置１は、後述の虚像位置に応じた画像の歪みや明度、表示サイズを補正する制御装置（図示せず）を備えることによって、虚像の移動に対する観測者Ｐの意識を低減させることができ、従来のＶＤＴやテレビモニタと同様に、観測者Ｐに対してＶＤＴ作業や視聴行為に集中させることができる。

さらに、画像表示装置１は、観測者Ｐに対して一定の明るさの虚像Ｂを呈示するために、画像表示装置１と凹面鏡２との間の光学距離（凹面鏡２に対する画像表示装置１の相対位置）に応じて表示画像の明るさを変化させることが可能である。また、画像表示装置１は、観測者Ｐの好みに応じて表示画像の明るさを変化させることが可能である。

凹面鏡２は、画像表示装置１に表示される画像を反射させ、ハーフミラー３を介して画像の虚像Ｂ（図１７参照）を視標として観測者Ｐに呈示するように構成されている。観測者Ｐの観測位置である観測点は、凹面鏡２の前方（図１の左方）に位置する。

ハーフミラー３は、凹面鏡２の光軸Ｌｘに４５°の角度で交差するように設けられている。画像表示装置１に表示される画像は、ハーフミラー３において凹面鏡２に向けて凹面鏡２の光軸Ｌｘの方向に反射する。画像の虚像Ｂは、ハーフミラー３を透過して観測者Ｐに呈示される。

上記のような画像表示装置１、凹面鏡２およびハーフミラー３の配置により、画像表示装置１に表示される画像がハーフミラー３の凹面鏡２側で反射して凹面鏡２に投影され、ハーフミラー３を介して上記画像の虚像Ｂを観測者Ｐが視認可能になる。これにより、観測者Ｐと凹面鏡２との間に画像表示装置１が設けられるような構造とは異なり、観測者Ｐの視線を画像表示装置１が遮ることがない。

移動装置４は、画像表示装置１の移動機構であり、保持板４０と、リニアガイド４１と、送りねじ４２と、プーリ４３ａおよびプーリベルト４３ｂと、モータ４４と、制御部４５とを備えている。移動装置４は、本発明の距離調整手段に相当する。

保持板４０には、画像表示装置１が保持されている。リニアガイド４１は、保持板４０を支持している。モータ４４は、移動装置４の駆動源となる電子モータである。プーリ４３ａおよびプーリベルト４３ｂは、モータ４４の回転駆動力を送りねじ４２に伝達する。制御部４５は、モータ４４を制御する。つまり、移動装置４は、モータ４４により発生する回転駆動力を送りねじ４２により直線運動に変換することによって、画像表示装置１の上下方向（図１の矢印方向）の移動を実現する。このとき、制御部４５は、画像表示装置１と凹面鏡２との間の光学距離を凹面鏡２の焦点距離より短い範囲内で変化させるように、画像表示装置１を上下方向に移動させる。また、制御部４５は、モータ４４の回転速度を制御することによって、画像表示装置１の移動速度を自由に設定することができる。これにより、観測者Ｐの眼の生理学的側面に適合した移動速度則などに従う速度で画像表示装置１を移動させることができる。なお、制御部４５は、例えばコンピュータの処理装置などである。コンピュータとしては、パーソナルコンピュータなどの汎用コンピュータであってもよいし、視標呈示装置に専用のコンピュータであってもよい。

移動装置４が画像表示装置１を上下に移動させることにより、画像表示装置１の画像表示面１０上の画像と凹面鏡２の光軸Ｌｘとの間の距離が変化し、画像表示装置１と凹面鏡２との間の光学距離が変化する。上記光学距離が変化すると、凹面鏡２と虚像Ｂとの間の光学距離が変化する。

続いて、虚像Ｂの移動範囲について説明する。実像（画像表示装置１）と虚像Ｂとの位置関係を示す式（１）より、画像表示装置１が焦点位置に近づくにつれて、虚像Ｂは急激に無限遠へと移動する。また、２０歳代の観測者Ｐが視標を明視できる最も近い点すなわち調節近点は平均０．１１８ｍ（約８．５ジオプター）といわれている。したがって、最も近い位置（最近位置）は、観測者Ｐと視標との間の距離が−０．１ｍ程度の位置にすれば十分である。一方、最も遠い位置（最遠位置）は、観測者Ｐと視標との間の距離が−１０ｍ（−０．１Ｄ）程度の位置にすればよい。観測者Ｐと視標との間の距離範囲は、眼の焦点調節機能に対する疲労防止効果を十分に得ることができる範囲である。制御部４５は、最遠位置と最近位置を実現するように設定された移動範囲内で画像表示装置１を移動させるように、モータ４４を制御する。

続いて、制御部４５の制御による画像表示装置１の移動速度について説明する。まず、図２に示すように、観測者Ｐ（図１参照）の眼の水晶体５を薄い凸レンズに近似した場合、観測点である水晶体５の中心点Ｏと虚像Ｂ（注視点）との間の距離をｓ１（＜０）、水晶体５の中心点Ｏと網膜（結像点）Ｎとの間の距離をｓ２（＞０）、ジオプターの単位で表される水晶体５の屈折力をＤとすると、
１／ｓ２＝１／ｓ１＋Ｄ （３）
となる関係が成り立つ。

眼の焦点調節機能とは、水晶体５と虚像Ｂとの間の距離ｓ１に応じて、水晶体５の屈折力Ｄを変化させることで、常に網膜Ｎ上で像を結像させる機能をいう。式（３）よりわかるように、水晶体５と虚像Ｂとの間の距離ｓ１が大きくなるほど、水晶体５と虚像Ｂとの間の距離ｓ１の時間変化が屈折力Ｄの時間変化に及ぼす度合いが小さくなる。すなわち、水晶体５と虚像Ｂとの間の距離ｓ１が短い場合（近距離の場合）と長い場合（遠距離の場合）とでは、虚像Ｂの移動距離が同じであっても、近距離の場合は、屈折力変化に与える影響が大きく、遠距離の場合は、屈折力変化に与える影響が小さい。換言すれば、同程度の屈折力変化を得たいのであれば、遠距離になるほど虚像Ｂの移動距離の時間変化を大きくする必要がある。なお、水晶体５と網膜Ｎとの間の距離ｓ２は、ほとんど変化がないため近似的に眼球の直径φとすることができる。眼の焦点調節機能が健全に機能しているとき、式（３）は、
１／φ＝１／ｓ１＋Ｄ （４）
で表わされる。

ここで、眼の焦点調節機能に与える刺激が一定以上であるとは、水晶体５の屈折力Ｄの時間変化｜∂Ｄ／∂ｔ｜が常に一定値以上であると換言することができる。したがって、眼の焦点調節機能に与える刺激が一定以上であるためには、式（４）より、
｜∂Ｄ／∂ｔ｜＝｜∂（１／ｓ１）／∂ｔ｜＝（１／ｓ１²）×｜∂ｓ１／∂ｔ｜≧Γ （５）
となる。Γは閾値を表わす。

式（５）より、屈折力Ｄの時間変化｜∂Ｄ／∂ｔ｜が常に一定値（閾値Γ）となるために、制御部４５（図１参照）は、水晶体５との虚像Ｂとの間の距離ｓ１の逆数ｌ／ｓ１の時間変化｜∂（１／ｓ１）／∂ｔ｜が一定になるように、モータ４４（図１参照）を制御し、画像表示装置１（図１参照）を移動させるようにすればよい。

具体的には、式（５）より、水晶体５と虚像Ｂとの間の距離ｓ１が変わっても屈折力Ｄの時間変化｜∂Ｄ／∂ｔ｜が一定値（閾値Γ）を保つように、水晶体５と虚像Ｂとの間の距離ｓ１が長くなるほど、虚像Ｂの移動速度｜∂ｓ１／∂ｔ｜を大きくする必要がある。なお、虚像Ｂを目的の速度で移動させるためには、式（１）を参照し、画像表示装置１の移動速度を算出すればよい。この場合、式（１）におけるｂは距離ｓ１である。制御部４５は、画像表示装置１と凹面鏡２との間の光学距離が長くなるほど、画像表示装置１の移動速度を上昇させるように、モータ４４の動作を制御する。これにより、観測点である水晶体５から遠ざかるほど虚像Ｂの移動速度｜∂ｓ１／∂ｔ｜をさらに上昇させることができる。

画像の虚像Ｂの移動速度の具体例について説明する。まず、水晶体５と虚像Ｂとの間の距離ｓ１をジオプターの単位
Ｄｓ＝１／ｓ１ （６）
で表わすと、式（４）は、
１／φ＝Ｄｓ＋Ｄ （７）
で表わされる。式（７）より、
｜∂Ｄ／∂ｔ｜＝｜∂Ｄｓ／∂ｔ｜≧Γ （８）
となる。Γは閾値を表わす。例えば、毛様体筋の張力を一定の速度で変化させる場合、つまり、水晶体５の屈折力Ｄの時間変化｜∂Ｄ／∂ｔ｜を一定値とする場合、式（８）より、｜∂Ｄｓ／∂ｔ｜が一定値となる。これは、本実施形態の移動速度則のうちで、単純、かつ、眼の焦点調節機能に関する生理的側面に即した移動速度である。この法則に従い、制御部４５（図１参照）はモータ４４（図１参照）を制御し、画像表示装置１（図１参照）を移動させる。制御部４５がモータ４４を制御し、例えば水晶体５と虚像Ｂとの間の距離ｓ１を０．５ｍから５．０ｍまで、周期１２０秒で移動させたときの一周期間の移動速度ｖを図３に示す。なお、この法則に従った場合、水晶体５と虚像Ｂとの間の距離ｓ１が５．０ｍの端点では移動速度ｖの急激な変化が起きるため、緩衝時間Ｔが設けられている。この移動速度ｖと式（１）とを用いて、画像表示装置１の移動速度を算出すればよい。

このように観測点である水晶体５と虚像Ｂとの間の距離ｓ１の逆数ｌ／ｓ１の時間変化｜∂（１／ｓ１）／∂ｔ｜が一定になるように画像表示装置１を移動させることによって、観測点である水晶体５から遠ざかるほど虚像Ｂの移動速度を効果的に上昇させることができるので、観測者Ｐの焦点調節機能の疲労を低減させることができる。

ところで、別の移動速度の実施形態として、画像表示装置１の移動速度の絶対値を常に一定とする方法が考えられる。このとき、上記と同様に、水晶体５と虚像Ｂとの間の距離ｓ１を０．５ｍから５．０ｍまで周期１２０秒で移動させたときの一周期間の移動速度ｖを図４に示す。上記と同様に、移動速度ｖの符号が変わる部分に緩衝時間Ｔが設けられている。移動速度ｖの絶対値は、ジオプターの時間変化が一定の場合と同様に、水晶体５と虚像Ｂとの間の距離ｓ１が長くなるにしたがって大きくなるが、移動速度ｖの最大値・最小値などは、ジオプターの時間変化が一定の場合とは異なる。図４に示す移動速度ｖもまた、上記のような眼の生理的側面に適合した速度であるとともに、画像表示装置１の移動に関する制御が簡易であるという利点を持つ。

また、図１に示す制御部４５は、凹面鏡２とこの凹面鏡２の焦点位置との間で、画像表示装置１を周期的かつ連続的に移動させて、画像表示装置１の往復運動を繰り返すように、モータ４４を制御する。このように画像表示装置１の往復運動を繰り返すことによって、観測者Ｐの水晶体５（図２参照）の屈折力Ｄを効果的に変化させることができるので、観測者Ｐの焦点調節機能の疲労をより低減させることができる。また、画像表示装置１の往復運動を周期的に行うことによって、観測者Ｐの水晶体５の屈折力Ｄをより頻繁に変化させることができるので、観測者Ｐの焦点調節機能の疲労をさらに低減させることができる。さらに、画像表示装置１を連続的に移動させて、画像表示装置１と凹面鏡２との間の光学距離を連続的に移動させることによって、虚像Ｂ（図２参照）を徐々に移動させることができるので、虚像Ｂを観測者Ｐに気付かせないようにすることができる。

次に、本実施形態に係る視標呈示装置を観測者Ｐが使用したときの視標呈示装置の動作について図１を用いて説明する。まず、観測者Ｐは観測点から凹面鏡２の方向（図１のｘ方向）を向き、画像表示装置１の画像の虚像Ｂ（図２参照）を見る。制御部４５がモータ４４を駆動し始めると、画像表示装置１が上方向に移動し始める。画像表示装置１は、上限位置まで移動すると、下方向に移動し始める。その後、画像表示装置１は、下限位置まで移動すると、上方向に移動し始める。このような動作を画像表示装置１は繰り返す。この間、観測者Ｐは、虚像Ｂを見続ける。

本実施形態に係る視標呈示装置の他の使用例として、ＶＤＴ作業用の装置とは別に視標呈示装置を設けておき、ＶＤＴ作業が一定時間継続したときや眼が疲れたときに、本実施形態の視標呈示装置を使用してもよい。

以上、本実施形態によれば、凹面鏡２に投影させた虚像Ｂ（図２参照）を視標として観測者Ｐに呈示することによって、画像表示装置１からの画像そのものを呈示する場合に比べて、画像表示装置１の移動距離を短くすることができるので、画像表示装置１の移動に必要な領域を小さくすることができ、その結果、装置そのものを小型にすることができる。

また、本実施形態によれば、画像表示装置１と凹面鏡２との間の光学距離が長くなって虚像Ｂの位置が遠くなるほど虚像Ｂの移動速度｜∂ｓ１／∂ｔ｜を上昇させることによって、虚像Ｂが観測点の近くにあるときだけではなく観測点から遠ざかったときも、観測者Ｐの水晶体５（図２参照）における屈折力Ｄの時間変化｜∂Ｄ／∂ｔ｜を一定以上にさせることができる。これにより、観測者Ｐの焦点調節機能の疲労を十分に低減させることができる。虚像Ｂが遠くにあっても近くにあっても、観測者Ｐの焦点調節機能の変化を常に一定以上にさせることができる。

さらに、本実施形態によれば、ハーフミラー３が凹面鏡２の光軸Ｌｘに斜交することによって、視標である虚像Ｂを観測者Ｐに呈示するにあたって、画像表示装置１そのものが邪魔になるのを防止することができる。

また、本実施形態によれば、移動装置４が画像表示装置１を移動させることによって、虚像Ｂを移動させることができるので、例えば凹面鏡２の移動によって虚像Ｂを移動させる場合に比べて、観測者Ｐの眼の位置を変える必要がない。つまり、観測者Ｐは同じ観測点で視標を視認することができる。

さらに、本実施形態によれば、虚像Ｂが往復運動を繰り返すことによって、観測者Ｐの水晶体５の屈折力Ｄを効果的に変化させることができるので、観測者Ｐの焦点調節機能の疲労をより低減させることができる。

なお、本実施形態の視標呈示装置は、物体として画像を用いているが、この視標呈示装置の変形例として、物体として、画像ではなく、立体物などを用いてもよい。この場合、立体物などは、保持板４０に直接または間接的に取り付けられることによって、移動可能となる。立体物などを物体として用いた構成であっても、上記変形例の視標呈示装置は、本実施形態と同様の動作を行うことができ、その結果、本実施形態と同様の効果を奏する。つまり、観測点から遠ざかるほど立体物などの虚像の移動速度を上昇させることによって、上記虚像が観測点の近くにあるときだけではなく観測点から遠ざかったときも、観測者Ｐの水晶体５における屈折力Ｄの時間変化を一定以上にさせることができるので、観測者Ｐの焦点調節機能の疲労を十分に低減させることができる。上記虚像が遠くにあっても近くにあっても、観測者Ｐの焦点調節機能の変化を常に一定以上にさせることができる。

また、画像表示装置１と凹面鏡２との間の光学距離を変えるためには、画像表示装置１のみを移動する方式、凹面鏡２のみを移動する方式、凹面鏡２と画像表示装置１の両方を移動する方式の３方式がある。本実施形態の視標呈示装置は、画像表示装置１のみを移動させる移動装置４を距離調整手段として備えている。この視標呈示装置の変形例として、移動装置４に代えて、あるいは移動装置４とともに、凹面鏡２の光軸Ｌｘの方向に凹面鏡２を移動させる凹面鏡移動装置を距離調整手段として備えてもよい。この視標呈示装置は、凹面鏡２を移動させることによって、虚像Ｂを移動させることができる。ただし、観測者Ｐが虚像Ｂを正しく観測するためには、凹面鏡２に対する観測者Ｐの眼の位置は、ある範囲内に限定される。このため、凹面鏡２を移動させる場合、観測者Ｐの眼の位置も移動する必要がある。したがって、上記３方式のうちでは、画像表示装置１のみを移動する方式が最も優れており、現実的である。つまり、距離調整手段としては、観測者Ｐの眼の位置を移動させる必要がない点で、本実施形態の移動装置４のほうが凹面鏡移動装置より優れており、現実的である。以下の実施形態２〜１０においても同様である。

（実施形態２）
ところで、従来の視標呈示装置では、鏡面が球面である凹面鏡７０を介して観測者Ｐ（図１）が物体Ａを観測するため、図２０に示すように、凹面鏡７０により形成される虚像Ｂが曲面となる。つまり、従来の視標呈示装置には像面湾曲が生じる。その結果、観測者Ｐは、両眼視差によって虚像Ｂを立体的（糸巻き型のように）に感じ、特に両眼を結ぶ方向である水平方向において顕著である。具体的には、観測者Ｐは、両眼視差によって、虚像Ｂを、注視点である中心部が窪み、端部が手前に湾曲した糸巻き型のように感じる。つまり、観測者Ｐは、表面が平面である物体Ａであっても、上記物体Ａの虚像Ｂを見て、物体Ａを立体物であると認識してしまう。

観測者Ｐが感じる立体感とは、虚像Ｂの奥行き感である。言い換えると、上記立体感とは、観測者Ｐが近くの視標を近くに感じ、遠くの視標を遠くに感じることである。両眼視差は、注視点以外の点が左右の網膜上の対応しない位置に結像した際に立体感を観測者Ｐに感じさせる。観測者Ｐは、両眼で虚像Ｂを観測した場合、両眼視差によって、単眼で虚像Ｂを観測した場合に比べて、虚像Ｂに対して基準面より近くの点をより近くに感じ、遠くの点をより遠くに感じる。このような感じ方は、特に両眼を結ぶ方向である水平方向に対して顕著である。

上記のように観測者Ｐが平面的な物体Ａの虚像Ｂを立体的に感じるということは、観測者Ｐが虚像Ｂを歪んだ状態で見えること、つまり虚像Ｂに歪みが生じているということである。

したがって、従来の視標呈示装置には、観測者Ｐの焦点調節機能の疲労を低減する際に、歪みのある虚像Ｂを観測者Ｐに視認させることによって、観測者Ｐに対して違和感や不快感を与えるという問題があった。

上記問題を解決するための従来の手法として、凹面鏡７０の鏡面の曲率半径を大きくすることが考えられる。ところが、凹面鏡７０の鏡面の曲率半径を単に大きくすると、凹面鏡７０の焦点距離ｆが長くなる。式（１）（２）より、物体Ａをこれまでと同じだけ移動させても、虚像Ｂの移動範囲は小さくなり、虚像Ｂの拡大率も小さくなってしまう。したがって、虚像Ｂの移動範囲を大きくするためには、物体Ａの移動範囲を大きくする必要がある。その結果、視標呈示装置の小型化と大きな視標の移動とを両立することができない。

そこで、実施形態２では、上記問題を解決する視標呈示装置について説明する。本実施形態によれば、小型化を図ることができるとともに観測者Ｐに対して視標の歪みを気にすることなく眼の焦点調節機能の疲労低減効果を与えることができる視標呈示装置を提供することができる。

まず、本実施形態に係る視標呈示装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る視標呈示装置の構成を示す。この視標呈示装置は、図１に示すように、画像表示装置１と、凹面鏡２と、ハーフミラー３と、移動装置４とを実施形態１の視標呈示装置と同様に備えている。上記視標呈示装置は、凹面鏡２により結像される虚像Ｂ（図１７参照）を視標として観測者Ｐに呈示する。

本実施形態の画像表示装置１は、実施形態１の画像表示装置１と同様の構成である。本実施形態の画像表示装置１は、視標を生成するための装置であり、本発明の物体に相当する。

次に、２次元平面（図５のｘｙ平面）における凹面鏡２の設計について図５を用いて説明する。図５では、説明しやすいように、ハーフミラー３（図１参照）を省略し、画像表示装置１および凹面鏡２のみを示している。凹面鏡２の鏡面は非球面の楕円球面であり、画像表示装置１は平面である。設計パラメータは、凹面鏡２の軸ｍ１，ｍ２、凹面鏡２の幅ｌｍ、画像表示装置１の幅ｌｓ、観測者Ｐの入射瞳の幅ｌｅ、画像表示装置１の位置ｘｓ、観測者Ｐの入射瞳の位置ｘｅ、画像表示装置１上の各点から発せられる光の最大角θｍａｘである。

虚像Ｂの結像位置は、球面収差を考慮して以下のように決定した。図６Ａに示すように、画像表示装置１上の任意の点（ｘｓ，ｙｓ）からθ方向に発せられた光のうち凹面鏡２での反射光を凹面鏡２の背面側（ｘ＞０）に仮想的に延長した場合、画像表示装置１からの光は、任意のｘ（＞０）において点（ｘ，ｙ（ｘ，θ，ｘｓ，ｙｓ））を通る。−θｍａｘ＜θ＜θｍａｘの範囲でｙを考えると、任意のｘにおけるｙは、図６Ｂに示すような確率分布を有する。任意のｘにおけるｙのばらつきは、標準偏差σ＝σ（ｘ，ｘｓ，ｙｓ）で表わされる。各ｘの標準偏差σのうち最小標準偏差となるｘをｘｆとすると、画像表示装置１の点（ｘｓ，ｙｓ）から−θｍａｘ＜θ＜θｍａｘの方向に発せられる光による虚像Ｂの結像位置（ｘｆ，ｙｆ）は、（ｘｆ，μ（ｙ））となる。μ（ｙ）は、ｘ＝ｘｆにおいて−θｍａｘ＜θ＜θｍａｘの範囲でのｙ（ｘｆ，θ，ｘｓ，ｙｓ）の平均値である。虚像Ｂの結像位置（ｘｆ，ｙｆ）は、画像表示装置１上の点（ｘｓ，ｙｓ）から−θｍａｘ＜θ＜θｍａｘの方向に発せられた光のうちの凹面鏡２での反射光が凹面鏡２の背面側において仮想的に最も密に収束する位置である。

本実施形態において、図５に示す各設計パラメータは、ｌｍ＝１５０ｍｍ、ｌｓ＝７０ｍｍ、ｌｅ＝１００ｍｍ、ｘｅ＝−１００ｍｍおよびθｍａｘ＝１０ｄｅｇである。凹面鏡２の反射率は１．０である。凹面鏡２は、鏡面が（ｍ１，ｍ２）＝（３００ｍｍ，３１０ｍｍ）の楕円球面（非球面）に形成されている。本実施形態の凹面鏡２において軸ｍ２が軸ｍ１よりも長いため、凹面鏡２の鏡面の曲率半径は中央部ほど大きい。具体的には、中央部の曲率半径は３２０．３３ｍｍであるのに対し、端部の曲率半径は３１８．４４ｍｍである。観測者Ｐの両眼を結ぶｙ方向（第１の方向）と直交するｚ方向（第２の方向）では、凹面鏡２の鏡面は球面である。したがって、凹面鏡２は、ｙ方向のほうがｚ方向に比べて、鏡面において端部に対する中央部の曲率半径の比が大きい。以下、本実施形態の凹面鏡２によって形成される虚像Ｂについて、鏡面が（ｍ１，ｍ２）＝（３００ｍｍ，３００ｍｍ）の球面である凹面鏡によって形成される虚像（比較例１）および鏡面が（ｍ１，ｍ２）＝（３１０ｍｍ，３１０ｍｍ）の球面である凹面鏡によって形成される虚像（比較例２）と比較しながら説明する。

図７には、本実施形態（図７のＥ１）と比較例１（ｅ１）および比較例２（ｅ２）について、ｘ方向における虚像Ｂの中央部の位置が一致するように距離ｘｓを選択した場合の虚像Ｂの形状を示している。ｘ方向における虚像Ｂの端部と中央部の位置の差をδとすると、本実施形態ではδ＝１０８６．０ｍｍであり、比較例１ではδ＝１４２４．４ｍｍであり、比較例２ではδ＝１３２４．２ｍｍである。本実施形態の位置の差δは、比較例１に対して２３．８％小さく、比較例２に対しても１８．０％小さい。上記より、鏡面が非球面である本実施形態の歪みが最も小さい。なお、距離ｘｓは、本実施形態では−１５５．１ｍｍであり、比較例１では−１４５．５ｍｍであり、比較例２では−１５０．２ｍｍである。

上記より、凹面鏡２の鏡面を非球面とし、特に、鏡面の中央部ほど曲率半径を大きくするほうが、凹面鏡２の鏡面が球面である場合に比べて、虚像Ｂの歪みつまり虚像Ｂの立体感を低減することができる。本実施形態の凹面鏡２は、本発明の低減手段に相当する。

本実施形態においても、制御部４５は、画像表示装置１と凹面鏡２との間の光学距離が長くなるほど、画像表示装置１の移動速度を上昇させるように、モータ４４の動作を制御する。上記のように画像表示装置１を移動させることによって、水晶体から遠ざかるほど虚像Ｂの移動速度を効果的に上昇させることができるので、観測者Ｐの焦点調節機能の疲労を低減させることができる。

本実施形態に係る視標呈示装置を観測者Ｐが使用したときの視標呈示装置の動作は、実施形態１の視標呈示装置と同様である。

本実施形態に係る視標呈示装置の他の使用例として、ＶＤＴ作業用の装置とは別に視標呈示装置を設けておき、ＶＤＴ作業が一定時間継続したときや眼が疲れたときに、本実施形態の視標呈示装置を使用してもよい。

以上、本実施形態によれば、視標となる虚像Ｂの歪み（立体感）を低減させることによって、観測者Ｐに対して、視標の歪みを気にすることなく、眼の焦点調節機能の疲労防止効果を与えることができる。

また、本実施形態によれば、凹面鏡２の鏡面を非球面にし、さらに凹面鏡２の鏡面の中央部ほど曲率半径を大きくすることによって、画像表示装置１の画像表示面１０（表面）が平面であっても曲面であっても、視標の歪みの低減効果を高めることができる。特に、本実施形態では、観測者Ｐの両眼を結ぶｙ方向（第１の方向）のほうがｙ方向と直交するｚ方向（第２の方向）に比べて、鏡面において端部に対する中央部の曲率半径の比が大きくなることによって、視標の歪みをｚ方向に比べてｙ方向においてより小さくすることができるので、両眼視差によって虚像Ｂがより歪んで立体的に見えるのを抑制することができる。

なお、本実施形態の視標呈示装置は、物体として画像表示装置１を用いているが、この視標呈示装置の変形例として、物体として、画像表示装置１ではなく、立体物を用いてもよい。この場合、立体物は、保持板４０に直接または間接的に取り付けられることによって、移動可能となる。このような立体物を物体として用いた構成であっても、本実施形態と同様の動作を行うことができ、その結果、本実施形態と同様の効果を奏する。以下の実施形態３〜５，７〜１０においても同様である
また、本実施形態の変形例として、観測者Ｐの両眼を結ぶｙ方向と直交するｚ方向においても、凹面鏡２の鏡面が非球面であってもよい。この場合、ｚ方向においても、ｙ方向と同様に、凹面鏡２の鏡面は（３００ｍｍ，３１０ｍｍ）の楕円球面であり、中央部の曲率半径は３２０．３３ｍｍであるのに対し、端部の曲率半径は３１８．４４ｍｍである。

（実施形態３）
実施形態３では、実施形態２の凹面鏡２よりも大きな凹面鏡２を用いた場合について説明する。

本実施形態において、各設計パラメータ（図５参照）は、ｌｍ＝６００ｍｍ、ｌｓ＝２８０ｍｍ、ｌｅ＝１００ｍｍ、ｘｅ＝−６００ｍｍおよびθｍａｘ＝１０ｄｅｇである。本実施形態の凹面鏡２は、鏡面が（ｍ１，ｍ２）＝（１２００ｍｍ，１３００ｍｍ）の楕円球面である。本実施形態の凹面鏡２の鏡面について、中央部の曲率半径は１４０８．３３ｍｍであるのに対し、端部の曲率半径は１３８９．０２ｍｍである。以下、本実施形態の凹面鏡２によって形成される虚像Ｂについて、鏡面が（ｍ１，ｍ２）＝（１２００ｍｍ，１２００ｍｍ）の球面である凹面鏡によって形成される虚像（比較例３）および鏡面が（ｍ１，ｍ２）＝（１３００ｍｍ，１３００ｍｍ）の球面である凹面鏡によって形成される虚像（比較例４）と比較しながら説明する。なお、ｘｚ平面における凹面鏡２の各設計パラメータは、ｘｙ平面における凹面鏡２の各設計パラメータと同様である。つまり、ｚ方向おいても、凹面鏡２の鏡面は（１２００ｍｍ，１３００ｍｍ）の楕円球面であり、中央部の曲率半径は１４０８．３３ｍｍであるのに対し、端部の曲率半径は１３８９．０２ｍｍである。

図８には、本実施形態（図８のＥ２）と比較例３（ｅ３）および比較例４（ｅ４）について、ｘ方向における虚像Ｂの中央部の位置が一致するように距離ｘｓを選択した場合の虚像Ｂの形状を示している。ｘ方向における虚像Ｂの端部と中央部の位置の差をδとすると、本実施形態ではδ＝１３８．６ｍｍであり、比較例３ではδ＝５９１．６ｍｍであり、比較例４ではδ＝３８３．８ｍｍである。本実施形態の位置の差δは、比較例３に対して７６．６％小さく、比較例４に対しても６２．９％小さい。上記より、鏡面が非球面である本実施形態の歪みが最も小さい。なお、距離ｘｓは、実施例２では−６２０．６ｍｍであり、比較例３では−５３８．２ｍｍであり、比較例４では−５７８．１ｍｍである。

以上、本実施形態のように凹面鏡２が大きい場合であっても、視標の歪みを小さくすることができるので、観測者Ｐに対して、視標の歪みを気にすることなく、眼の焦点調節機能の疲労防止効果を与えることができる。

（実施形態４）
実施形態４では、実施形態２の凹面鏡２よりも小さな凹面鏡２を用いた場合について説明する。

本実施形態において、各設計パラメータ（図５参照）は、ｌｍ＝５０ｍｍ、ｌｓ＝２４ｍｍ、片眼での視覚を意図してｌｅ＝１５ｍｍ、ｘｅ＝−５０ｍｍおよびθｍａｘ＝１０ｄｅｇである。本実施形態の凹面鏡２は、鏡面が（ｍ１，ｍ２）＝（１００ｍｍ，１０５ｍｍ）の楕円球面である。本実施形態の凹面鏡２の鏡面について、中央部の曲率半径は１１０．２５ｍｍであるのに対し、端部の曲率半径は１０９．３０ｍｍである。以下、本実施形態の凹面鏡２によって形成される虚像Ｂについて、鏡面が（ｍ１，ｍ２）＝（１００ｍｍ，１００ｍｍ）の球面である凹面鏡によって形成される虚像（比較例５）および鏡面が（ｍ１，ｍ２）＝（１０５ｍｍ，１０５ｍｍ）の球面である凹面鏡によって形成される虚像（比較例６）と比較しながら説明する。なお、ｘｚ平面における凹面鏡２の各設計パラメータは、ｘｙ平面における凹面鏡２の各設計パラメータと同様である。つまり、ｚ方向においても、凹面鏡２の鏡面は（１００ｍｍ，１０５ｍｍ）の楕円球面であり、中央部の曲率半径は１１０．２５ｍｍであるのに対し、端部の曲率半径は１０９．３０ｍｍである。

図９には、本実施形態（図９のＥ３）と比較例５（ｅ５）および比較例６（ｅ６）について、ｘ方向における虚像Ｂの中央部の位置が一致するように距離ｘｓを選択した場合の虚像Ｂの形状を示している。ｘ方向における虚像Ｂの端部と中央部の位置の差をδとすると、本実施形態ではδ＝１６０２．４ｍｍであり、比較例５ではδ＝２８４９．６ｍｍであり、比較例６ではδ＝２４２３．２ｍｍである。本実施形態の位置の差δは、比較例５に対して４３．８％小さく、比較例６に対しても３３．９％小さい。上記より、鏡面が非球面である本実施形態の歪みが最も小さい。なお、距離ｘｓは、本実施形態では−５４．５ｍｍであり、比較例５では−４９．４ｍｍであり、比較例６では−５１．９ｍｍである。

以上、本実施形態のように凹面鏡２が小さい場合であっても、視標の歪みを小さくすることができるので、観測者Ｐに対して、視標の歪みを気にすることなく、眼の焦点調節機能の疲労防止効果を与えることができる。

（実施形態５）
実施形態５では、画像表示装置１が平面ではなく曲面である場合について説明する。つまり、本実施形態では、画像が表示される画像表示面１０が曲面である。

本実施形態の画像表示装置１としては、自由に折り曲げ可能なフレキシブルディスプレイが用いられている。上記フレキシブルディスプレイには、例えば基板にプラスチックフィルムが用いられた有機ＥＬディスプレイや、電気泳動方式を用いた電子ペーパーなどがある。本実施形態の画像表示装置１は、本発明の物体および低減手段に相当する。

ところで、観測者Ｐは、両眼を結ぶ方向である水平方向（図１のｙ方向）のほうが垂直方向（水平方向と直交する方向、図１のｚ方向）に比べて、両眼視差の影響により、虚像Ｂの歪みにより敏感である。したがって、本実施形態では、画像表示装置１の製作の難易度を考慮して、画像表示装置１で表示される画像を凹面鏡２に投影させたときに水平方向となる方向のみに、画像表示装置１を凹面鏡２側に凸な曲率を与えた形状、すなわち、円筒の一部の形状（断面円弧状）とする。つまり、画像表示装置１は、図１０ではｙ方向において右側に凸であるが、実際の視標呈示装置（図１）では下側に凸である。

本実施形態で用いられる設計パラメータは、図１０に示すように、凹面鏡２の軸ｍ１，ｍ２、凹面鏡２の幅ｌｍ、画像表示装置１の幅ｌｓ、観測者Ｐの入射瞳の幅ｌｅ、画像表示装置１の形状および位置を表わすｘｓ＝ｘｓ（ｙ）、観測者Ｐの入射瞳の位置ｘｅ、画像表示装置１上の各点から発せられる光の最大角θｍａｘである。各設計パラメータは、ｌｍ＝１５０ｍｍ、ｌｓ＝７０ｍｍ、ｌｅ＝１００ｍｍ、ｘｅ＝−１００ｍｍおよびθｍａｘ＝１０ｄｅｇである。本実施形態の凹面鏡２は、鏡面が（ｍ１，ｍ２）＝（３００ｍｍ，３００ｍｍ）の球面である。凹面鏡２の反射率は１．０である。２次元平面（図１０のｘｙ平面）上において、画像表示装置１（光源）は、「頂点をｘｓ（０）＝−１４５．５ｍｍとし、凹面鏡２側に凸で、半径ｒ＝４５０ｍｍ」の円弧状光源つまり｛ｘｓ（ｙ）＝（４５０²−ｙ²）^1/2−５９５．５ｍｍ｝の円弧状光源である。以下、本実施形態の画像表示装置１と「直線状光源」｛ｘｓ（ｙ）＝−１４５．５ｍｍ＝一定｝である画像表示装置（比較例７）とを比較しながら説明する。本実施形態および比較例７の画像表示装置１の形状は図１１に示す通りである。図１１のＥ５が本実施形態であり、ｅ７が比較例である。

図１２に示すように、ｘ方向における虚像Ｂの端部と中央部の位置の差をδとすると、本実施形態（図１２のＥ４）ではδ＝２２０．８０ｍｍであり、比較例７（ｅ７）ではδ＝１４２４．４ｍｍである。本実施形態の位置の差δは、比較例７に対して８４．５％小さい。上記より、本実施形態のほうが比較例７に比べて、虚像Ｂの歪みを低減することができる。

ただし、虚像Ｂの歪みを最も小さくする画像表示装置１の形状は、凹面鏡２と画像表示装置１との平均的な距離に応じて変化する。したがって、本実施形態では、画像表示装置１と凹面鏡２との距離に合わせて、画像表示装置１の形状を変化させる機構が設けられている。

以上、本実施形態によれば、画像表示装置１（物体）の画像表示面１０（表面）を曲面にすることによって、凹面鏡２の鏡面が球面であっても非球面であっても、視標の歪みの低減効果を高めることができる。

また、本実施形態によれば、画像表示装置１が凹面鏡２側に凸であることによって、視標の歪みをさらに小さくすることができる。

さらに、本実施形態によれば、凹面鏡２に投影されたときに観測者Ｐの両眼を結ぶ方向（ｙ方向）において、虚像Ｂの歪みを特に小さくすることができるので、両眼視差によって虚像Ｂが平面であるにもかかわらず立体的に見えるのをより抑制することができる。

なお、本実施形態の変形例として、画像表示装置１の形状が垂直方向（両眼を結ぶ方向である水平方向と直交する方向）には湾曲しない円筒の一部の形状ではなく、垂直方向にも湾曲させた形状であってもよい。

また、実施形態５のような曲面の画像表示装置１を実施形態２〜４のような鏡面が非球面である凹面鏡２と組み合わせてもよい。例えば、凹面鏡２は、鏡面が（ｍ１，ｍ２）＝（３００ｍｍ，３１０ｍｍ）の楕円球面であり、画像表示装置１は、「頂点をｘｓ（０）＝−１４５．５ｍｍとし、凹面鏡２側に凸で、半径ｒ＝４５０ｍｍである」円弧状光源つまり｛ｘｓ（ｙ）＝（４５０²−ｙ²）^1/2−５９５．５ｍｍ｝の円弧状光源である。各設計パラメータは、実施形態５と同様とする。このような構造であっても、観測者Ｐに対して、視標の歪みを気にすることなく、眼の焦点調節機能の疲労防止効果を与えることができる。

（実施形態６）
実施形態６では、虚像Ｂの歪みを予め考慮した画像を画像表示装置１に表示させる場合について説明する。本実施形態の画像は、凹面鏡２に投影されたときに虚像Ｂの歪み（立体感）を低減させるように予め画像処理が行われて変形されている。

本実施形態の画像表示装置１は、実施形態２と同様に、フラットパネルディスプレイである。本実施形態の画像表示装置１には、予め設定された規則に基づいて画像処理を行う画像処理手段（図示せず）が一体または別体に設けられている。本実施形態において、フラットパネルディスプレイに表示される画像は、本発明の物体および低減手段に相当する。

以上、本実施形態によれば、フラットパネルに表示される画像を予め変形しておくことによって、凹面鏡２の鏡面が球面であっても非球面であっても、視標の歪みの低減効果を高めることができる。つまり、本実施形態のように画像を予め変形した場合であっても、虚像Ｂの歪みを低減させることができるので、観測者Ｐに対して、視標の歪みを気にすることなく、眼の焦点調節機能の疲労防止効果を与えることができる。

なお、実施形態６のような予め歪みを考慮した画像を実施形態２〜４のような鏡面が非球面である凹面鏡２と組み合わせてもよい。このような構造であっても、観測者Ｐに対して、視標の歪みを気にすることなく、眼の焦点調節機能の疲労防止効果を与えることができる。

（実施形態７）
ところで、実施形態２〜６では、虚像Ｂをより平面に結像させることを目標としている。しかしながら、実際には、両眼の対応する位置に結像する点の集合、すなわち、視差基準面（ホロプタ）は、図１９に示すように、観測者Ｐが点Ｍを注視した場合、左右端方向で眼位置方向に向かって湾曲していると考えられている（図１９のＨ１）。これを経験的ホロプタＨ１という。

そこで、実施形態７では、両眼視差を考慮した場合について図１９を用いて説明する。本実施形態では、虚像Ｂを予め設定された面に一致するように、画像表示装置１の形状や凹面鏡２の鏡面の形状などを変形する。上記の予め設定された面とは、例えば複数の人の経験的ホロプタＨ１を予め測定し、測定した経験的ホロプタＨ１を平均した面である。他の例としては、観測者Ｐが特定されている場合、上記観測者Ｐの経験的ホロプタＨ１を測定し、上記経験的ホロプタＨ１を上記の予め設定された面としてもよい。虚像Ｂと経験的ホロプタＨ１とを一致させるには、凹面鏡２の鏡面の形状や画像表示装置１の表面の形状に関する設計パラメータを詳細に設計する必要がある。

以上、本実施形態によれば、虚像Ｂを経験的ホロプタＨ１と一致させることによって、観測者Ｐは虚像全体を鮮明に観測することができる。

なお、ホロプタは、幾何学的には、観測者Ｐが点Ｍを注視した場合、両眼の結節点をＯ１，Ｏ２とすると、円Ｍ−Ｏ１−Ｏ２と求められる（図１９のＨ２）。これを幾何学的ホロプタＨ２という。生体の主観に基づく経験的ホロプタＨ１は、幾何学的ホロプタＨ２とは一致しないことが知られている。

（実施形態８）
実施形態８では、実施形態１〜７に係る視標呈示装置を用いた画像表示システムについて図１３を用いて説明する。画像表示システムとしては、例えばテレビジョン受像機やプロジェクタなどがある。本実施形態の画像表示システムは、上記視標呈示装置とともに画像表示装置１を備えている。つまり、本実施形態の視標提示装置は、凹面鏡２と、ハーフミラー３と、移動装置４とを備えているが、画像表示装置１とは別体である。本実施形態の画像表示装置１は、実施形態１〜７の画像表示装置１と同様に画像（映像を含む）を表示する機能を有している。

ところで、実施形態１〜７に係る視標呈示装置を画像表示システムに用いた場合、画像表示システムは、凹面鏡２およびハーフミラー３を備えるため、薄型テレビなどに比べて、大型になり、広い設置スペースが必要である。

そこで、本実施形態の画像表示システムは、図１３に示すように、壁Ｗ１と壁Ｗ２との間の空間Ｓに埋め込まれて設置されている。壁Ｗ１には開口Ｗａが形成されている。

本実施形態の凹面鏡２は、壁Ｗ２側に沿って設置されている。凹面鏡２は、開口Ｗａと対向している。本実施形態のハーフミラー３は、凹面鏡２と開口Ｗａとの間に設置されている。本実施形態では、空間Ｓに凹面鏡２が設置されているため、凹面鏡２の曲率を小さくすることができる。これにより、観測者Ｐによる視標の視認性を向上させることができる。

本実施形態の画像表示装置１は、空間Ｓにおいてハーフミラー３の上方に設置されている。画像表示面１０は下方を向いている。画像表示装置１としては、液晶ディスプレイやリアプロジェクタなどを用いる。画像表示装置１からの画像は、テレビ番組であってもよいし、再生機器（図示せず）からの再生画像であってもよい。画像表示装置１は、移動装置４によって、上下方向に移動する。これにより、本実施形態の視標呈示装置は、画像表示装置１とハーフミラー３との間の光学距離を変化させることができ、その結果、画像表示装置１と凹面鏡２との間の光学距離を変化させることができる。

本実施形態において、画像表示装置１からの画像は、ハーフミラー３において凹面鏡２に向けて反射する。上記虚像Ｂは、凹面鏡２からハーフミラー３を透過して開口Ｗａを通って観測者Ｐに呈示される。これにより、本実施形態の視標呈示装置は、画像表示装置１で表示された画像の虚像Ｂを視標として観測者Ｐに呈示することができる。

以上、本実施形態によれば、視標呈示装置を用いた画像表示システムが大型になっても、上記画像表示システムを壁内部の空間Ｓに埋め込むことによって、上記画像表示システムが壁Ｗ１から突出して設置される場合に比べて、生活空間を広くすることができるとともに、インテリア性を向上させることができる（図１４参照）。

なお、本実施形態の変形例として、視標呈示装置を用いた画像表示システムを天井裏の空間に埋め込んで設置してもよい。

（実施形態９）
実施形態９では、自動車内の表示装置（以下「車載用表示装置」という）に視標呈示装置を用いた場合について説明する。車載用表示装置は、上記視標呈示装置とともに、運転に関する情報を提供する画像表示装置１を備えている。車載用表示装置としては、計器板、ナビゲーションシステムの表示部などがある。

運転手は、運転中において場面ごとに遠方または近方を注視している。一方、車載用表示装置は、表示装置と運転手との間の実距離が約１ｍ以内という近い位置に固定されている。前方の視距離と車載用表示装置の車内表示の視距離との間に隔たりがある場合、運転手が前方と車内表示とを交互に視認しようとするときに、運転手は、焦点調節機能を変化させる必要があり、短時間ではあるが、焦点調節機能の変化に時間を要する。特に、近方の車内表示から遠方の前方へ注視点を移動しようとする場合、上記時間はより長くなる。また、瞳孔が散大する夜間も、昼間に比べて、上記時間はより長くなる。

そこで、本実施形態の視標呈示装置は、図１５Ａおよび図１５Ｂに示すように、運転手（観測者Ｐ）の焦点調節機能の変化に要する時間をより短くするために、視距離推定装置９を備えている。視距離推定装置９は、運転手の視距離を推定する。なお、本実施形態の視標呈示装置は、凹面鏡２と、ハーフミラー３と、移動装置４とを実施形態１の視標呈示装置と同様に備えている。本実施形態の画像表示装置１は、既存の車載用表示装置と同様の機能を有している。

以下、視距離推定装置９の一例を示す。視距離推定装置９は、観察部９０と、解析部９１とを備えている。観察部９０は、運転手の両眼を観察する。解析部９１は、観察画像から運転手の両眼の視方向を解析し、輻輳から視距離を推定する。視標呈示装置は、視距離推定装置９によって推定された視距離に合わせて、画像表示装置１と凹面鏡２との間の光学距離を変化させて、車内表示となる虚像Ｂの視距離を変化させる。例えば遠方視認時の場合、図１５Ａに示すように、虚像Ｂの視距離は長くなる。一方、近方視認時の場合、図１５Ｂに示すように、虚像Ｂの視距離は短くなる。これにより、上記車内表示の視距離を前方の視距離に一致させることができる。

以上、本実施形態によれば、運転手（観測者Ｐ）が運転中に注視する前方の視距離と車内表示の視距離とを一致させることによって、運転手の焦点調節機能の変化に要する時間を短縮させることができる。

なお、本実施形態の変形例として、視距離推定装置９は、視標呈示装置と別体に設けられていてもよい。

また、本実施形態の他の変形例として、車載用表示装置は、車内表示となる虚像Ｂの視距離が長い状態で虚像Ｂの位置を固定する機能を有してもよい。これにより、運転手が近方の車内表示を視認した直後に遠方の前方を視認するという状況、つまり運転手の焦点調節機能の変化に要する時間が他の状況よりも長くなる状況を回避することができる。また、視標呈示装置が視認推定装置９を備える必要がないので、車載用表示装置の構成を簡易にすることができる。

上記の説明は、単に本発明の好ましい実施形態であり、本発明の範囲を限定するものではない。当業者によって想起される変更、明細書の範囲内で行われる修正も、本発明の範囲に含まれる。

本出願は、２００８年１０月２９日に日本国特許庁へ出願された日本国特許出願特願２００８−２７８８０６号および２００９年７月２８日に日本国特許庁へ出願された日本国特許出願特願２００９−１７５８５７号の優先権を主張する。上記日本国特許出願の内容は、本出願に完全に含まれている。

Claims (20)

1. 物体の虚像を視標として観測者に呈示する視標呈示装置であって、
   凹面鏡と、距離調整手段とを備え、
   前記凹面鏡は、前記凹面鏡と前記物体との間の光学距離が前記凹面鏡の焦点距離より短くなるように設けられ、前記虚像を形成し、
   前記距離調整手段は、前記凹面鏡の焦点距離より短い範囲内で前記光学距離を変化させ、前記虚像位置が遠くなるほど前記虚像の移動速度を上昇させるように構成される
   ことを特徴とする視標呈示装置。
2. 前記凹面鏡の光軸に斜交して設けられたハーフミラーを備え、
   前記物体は、前記ハーフミラーの凹面鏡側で反射して前記凹面鏡に投影され、当該ハーフミラーを介して当該物体の虚像が前記観測者に呈示されるように配置される
   ことを特徴とする請求項１記載の視標呈示装置。
3. 前記距離調整手段は、前記物体を移動させることを特徴とする請求項１記載の視標呈示装置。
4. 前記距離調整手段は、前記光学距離が長くなるほど前記物体の移動速度を上昇させることを特徴とする請求項３記載の視標呈示装置。
5. 前記凹面鏡の前方に観測点が位置し、
   前記距離調整手段は、前記観測点と前記物体の虚像との間の距離の逆数の時間変化が一定になるように当該物体を移動させる
   ことを特徴とする請求項４記載の視標呈示装置。
6. 前記距離調整手段は、前記視標の往復運動を繰り返すように前記光学距離を変化させることを特徴とする請求項３記載の視標呈示装置。
7. 前記距離調整手段は、前記視標を周期的に移動させることを特徴とする請求項６記載の視標呈示装置。
8. 前記距離調整手段は、前記視標を連続的に移動させることを特徴とする請求項３記載の視標呈示装置。
9. 前記物体としての画像を表示するフラットパネルディスプレイを備えることを特徴とする請求項１記載の視標呈示装置。
10. 前記虚像の歪みを低減させる低減手段を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の視標呈示装置。
11. 前記低減手段は、前記凹面鏡を用いて形成され、
    前記凹面鏡は、前記虚像の歪みを低減させるように鏡面が非球面に形成されている
    ことを特徴とする請求項１０記載の視標呈示装置。
12. 前記凹面鏡は、前記鏡面の曲率半径が当該鏡面の中央部ほど大きいことを特徴とする請求項１１記載の視標呈示装置。
13. 前記凹面鏡は、前記観測者に前記視標を呈示する際、当該観測者の両眼を結ぶ第１の方向のほうが当該第１の方向と直交する第２の方向に比べて、前記鏡面において端部の曲率半径に対する中央部の曲率半径の比が大きいことを特徴とする請求項１２記載の視標呈示装置。
14. 前記低減手段は、前記物体を用いて形成され、
    前記物体は、前記虚像の歪みを低減させるように表面が曲面に形成されている
    ことを特徴とする請求項１０記載の視標呈示装置。
15. 前記物体は、前記凹面鏡側に凸であることを特徴とする請求項１４記載の視標呈示装置。
16. 前記物体は、円筒状に湾曲して形成され、前記物体の軸方向は、前記観測者に前記視標を呈示する際、当該観測者の両眼を結ぶ方向と直交することを特徴とする請求項１５記載の視標呈示装置。
17. 画像を表示するフラットパネルディスプレイを備え、
    前記低減手段は、前記物体を用いて形成され、
    前記物体は、前記フラットパネルディスプレイに表示される画像であり、
    前記画像は、前記凹面鏡に投影されたときに前記虚像の歪みを低減させるように予め変形されている
    ことを特徴とする請求項１０記載の視標呈示装置。
18. 請求項１記載の視標呈示装置と、
    画像を表示する画像表示装置とを備え、
    前記視標呈示装置は、前記画像表示装置で表示された画像の虚像を前記視標として前記観測者に呈示する
    ことを特徴とする画像表示システム。
19. 請求項１記載の視標呈示装置と、
    運転に関する画像情報を提供する画像表示装置とを備え、
    前記視標呈示装置は、前記画像表示装置で提供された前記情報の虚像を前記視標として前記観測者に呈示する
    ことを特徴とする車載用表示装置。
20. 前記視標呈示装置は、前記観測者の視距離を推定する視距離推定装置を備え、前記観測者の視距離が長くなると前記虚像の視距離が長くなるように、前記画像表示装置と前記凹面鏡との間の光学距離を変化させる
    ことを特徴とする請求項１９記載の車載用表示装置。

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