視標呈示装置
【課題】観測者に対して視標の歪みを気にさせることなく観測対象の像を視標として呈示しつつ、装置の幅を薄くする。
【解決手段】視標呈示装置は、観測対象の像を視標として観測者に呈示する装置である。視標呈示装置は、観測対象を投射する表示装置１と、表示装置１から発せられた光を反射光と透過光とに分割する分割面２１を有するビームスプリッタ２と、反射光が投影される鏡面３１を有し像を形成する凹面鏡３とを備える。鏡面３１の中心点３２に投影される反射光２４が中心点３２における法線３３に対して表示装置１側に傾斜するように、ビームスプリッタ２および凹面鏡３が配置されている。ビームスプリッタ２の分割面２１は非平面に形成されている。
【解決手段】視標呈示装置は、観測対象の像を視標として観測者に呈示する装置である。視標呈示装置は、観測対象を投射する表示装置１と、表示装置１から発せられた光を反射光と透過光とに分割する分割面２１を有するビームスプリッタ２と、反射光が投影される鏡面３１を有し像を形成する凹面鏡３とを備える。鏡面３１の中心点３２に投影される反射光２４が中心点３２における法線３３に対して表示装置１側に傾斜するように、ビームスプリッタ２および凹面鏡３が配置されている。ビームスプリッタ２の分割面２１は非平面に形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観測対象の像を視標として観測者に呈示する視標呈示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報技術の進歩に伴い、視覚端末装置（ＶＤＴ：Visual Display Terminal）を用いた作業（以下「ＶＤＴ作業」という）が増加している。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。
【０００３】
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。視覚端末装置またはテレビモニタの表示画面を使用者が近距離で注視する場合、眼の焦点調節機能の駆動源である毛様体筋が緊張状態になる。毛様体筋の緊張状態は眼精疲労の一因となる。
【０００４】
上記のような眼精疲労を軽減するためには、使用者は適度に遠方視することが望ましい。
【０００５】
そこで、従来から、凹面鏡およびハーフミラーを用いて視標を遠方に呈示して眼精疲労を軽減させる視標呈示装置が提案されている（例えば特許文献１など）。従来の視標呈示装置は、図１７に示すように、表示装置９１から発せられた光の光軸に対して４５°（角θ２＝４５°）で斜交するハーフミラー９２が表示装置９１と凹面鏡９３との間に配置されている。凹面鏡９３の鏡面９３１は球面である。凹面鏡９３の光軸９３３は、ハーフミラー９２で分割され凹面鏡９３の中心点９３２に投影された反射光の光軸と一致する。観測対象を投射するための光がハーフミラー９２で凹面鏡９３の方向に反射し、凹面鏡９３により観測対象の虚像が形成される。観測者は、ハーフミラー９２を通して観測対象の虚像を観測することができる。
【０００６】
上記視標呈示装置のように凹面鏡９３を用いた場合の視標呈示の原理について説明する。観測対象が凹面鏡９３の焦点位置より凹面鏡９３側にあるとき、凹面鏡９３により観測対象の虚像が形成される。凹面鏡９３と虚像との間の距離Ａ２は、凹面鏡９３と観測対象との間の距離Ａ１と焦点距離ｆとによって、式（１）のように表わされる。また、観測対象の虚像の大きさＢ２は、観測対象の大きさＢ１と焦点距離ｆとによって、式（２）のように表わされる。
【０００７】
Ａ２＝Ａ１×ｆ／（Ａ１−ｆ） （１）
Ｂ２＝Ｂ１×｜ｆ｜／｜Ａ１−ｆ｜ （２）
上記視標呈示装置では、凹面鏡９３の中心点９３２と焦点位置との間に観測対象が配置された際に形成される虚像を視標とする。例えば焦点距離ｆ＝１５０ｍｍ、曲率半径３００ｍｍの球面で構成される凹面鏡９３を用いた場合、距離Ａ１＝１００ｍｍのとき距離Ａ２＝−０．３ｍとなり、距離Ａ１＝１４８ｍｍのとき距離Ａ２＝−１１．０ｍとなる。虚像の位置を観測対象に比べて遠方にすることができる。
【０００８】
上記より、従来の視標呈示装置は、観測者の視線上で、視標としての虚像の位置を遠方にすることができ、視標を注視する観測者の眼精疲労を軽減させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０５０４５９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のような視標呈示装置は、視標を観測する観測者がＶＤＴ作業または視聴行為を行う際に用いられるから、一般のＶＤＴ作業場または住居への設置を考慮する必要がある。
【００１１】
しかしながら、従来の視標呈示装置は、図１７に示すようにハーフミラー９２を表示装置９１および凹面鏡９３の光軸９３３に対して４５°（角θ２＝４５°）で斜交するように配置されているため、装置の奥行き（光軸９３３方向の幅）が厚くなり、設置場所が限定されるという問題があった。
【００１２】
なお、上記の問題を解決する際に、従来の視標呈示装置に比べて、視標の歪みが増加することは好ましくない。
【００１３】
本発明は上記の点に鑑みて為され、本発明の目的は、観測者に対して視標の歪みを気にさせることなく観測対象の像を視標として呈示しつつ、装置の幅を薄くすることができる視標呈示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の視標呈示装置は、観測対象の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、前記観測対象を投射する投射部と、前記投射部から発せられた光を反射光と透過光とに分割する分割面を有するビームスプリッタと、前記反射光が投影される鏡面を有し前記像を形成する凹面鏡とを備え、前記鏡面の中心点に投影される前記反射光が前記中心点における法線に対して前記投射部側に傾斜するように、前記ビームスプリッタおよび前記凹面鏡が配置され、前記ビームスプリッタの前記分割面は非平面に形成されていることを特徴とする。
【００１５】
この視標呈示装置において、前記像は虚像であることが好ましい。
【００１６】
この視標呈示装置において、前記ビームスプリッタの前記分割面は、前記凹面鏡側へ凸状になるように形成されていることが好ましい。
【００１７】
この視標呈示装置において、前記像は実像であることが好ましい。
【００１８】
この視標呈示装置において、前記ビームスプリッタの前記分割面は、前記凹面鏡とは反対側へ凸状になるように形成されていることが好ましい。
【００１９】
この視標呈示装置において、前記凹面鏡の前記鏡面は非球面に形成されていることが好ましい。
【００２０】
この視標呈示装置において、前記観測対象と前記凹面鏡との間の光学距離を変化させる距離調整部を備えることが好ましい。
【００２１】
この視標呈示装置において、前記投射部は、前記観測対象を投射するための光を発する光源と、前記光源から発せられた光を反射光と透過光とに分割する投射側ビームスプリッタと、前記投射側ビームスプリッタで分割された反射光を前記ビームスプリッタ側に反射させる投射側凹面鏡とを有することが好ましい。
【００２２】
この視標呈示装置において、前記光源と前記投射側凹面鏡との間の光学距離を変化させる投射側距離調整部を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、凹面鏡の鏡面の中心点に投影される反射光が法線に対して投射部側に傾斜するようにビームスプリッタおよび凹面鏡が配置され、ビームスプリッタの分割面が非平面に形成されている。これにより、本発明では、視標となる像の歪みを増加させることなく、装置の幅を薄くすることができる。つまり、本発明は、観測者に対して視標の歪みを気にさせることなく観測対象の像を視標として呈示しつつ、従来の視標呈示装置の幅に比べて、装置の幅を薄くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態１に係る視標呈示装置の概略図である。
【図２】同上に係る視標呈示装置の構成を示す断面図である。
【図３】同上に係る視標呈示装置の設計パラメータを説明する図である。
【図４】同上に係る視標呈示装置において、（ａ）は視距離が０．５ｍである場合の虚像のディストーション格子を示す図、（ｂ）は視距離が５．０ｍである場合の虚像のディストーション格子を示す図である。
【図５】実施形態２に係る視標呈示装置の概略図である。
【図６】同上に係る視標呈示装置の設計パラメータを説明する図である。
【図７】同上に係る視標呈示装置において、（ａ）は視距離が１．０ｍである場合の虚像のディストーション格子を示す図、（ｂ）は視距離が５．０ｍである場合の虚像のディストーション格子を示す図である。
【図８】実施形態３に係る視標呈示装置の概略図である。
【図９】実施形態４に係る視標呈示装置の概略図である。
【図１０】実施形態５に係る視標呈示装置の概略図である。
【図１１】実施形態６に係る視標呈示装置の概略図である。
【図１２】同上に係る視標呈示装置の設計パラメータを説明する図である。
【図１３】同上に係る視標呈示装置において、（ａ）は視距離が４００ｍｍである場合の実像のディストーション格子を示す図、（ｂ）は視距離が４１０ｍｍである場合の実像のディストーション格子を示す図である。
【図１４】ビームスプリッタの分割面が平面である視標呈示装置の概略図である。
【図１５】ビームスプリッタの分割面が平面である視標呈示装置において、（ａ）は視距離が０．５ｍである場合の虚像のディストーション格子を示す図、（ｂ）は視距離が５．０ｍである場合の虚像のディストーション格子を示す図である。
【図１６】ビームスプリッタの分割面が平面である視標呈示装置において、（ａ）は視距離が４００ｍｍである場合の実像のディストーション格子を示す図、（ｂ）は視距離が４１０ｍｍである場合の実像のディストーション格子を示す図である。
【図１７】従来の視標呈示装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下の実施形態１〜６では、観測対象の像を視標として観測者に呈示する視標呈示装置について説明する。
【００２６】
（実施形態１）
実施形態１に係る視標呈示装置は、図１に示すように、観測対象を表示する表示装置１と、表示装置１から発せられた光を反射光と透過光とに分割するビームスプリッタ２と、ビームスプリッタ２で分割された反射光（反射光２４を含むすべての反射光）が投影される凹面鏡３とを備えている。さらに、本実施形態の視標呈示装置は、図２に示すように、表示装置１を移動させる移動装置４を備えている。本実施形態の視標呈示装置は、凹面鏡３により結像される虚像を視標として観測者に呈示する。
【００２７】
表示装置１は、小型のフラットパネルディスプレイであり、図２に示すように、観測対象を表示する表示面１１を備えている。表示装置１として用いられる小型のフラットパネルディスプレイとしては、例えば液晶パネルまたは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）ディスプレイなどがある。表示面１１は平面であり、表示面１１から発せられる光は、表示面１１の法線を光軸とした光となる。表示装置１は、観測対象を表示面１１に表示してビームスプリッタ２に投射する。本実施形態の表示装置１は投射部の機能を有している。表示装置１の表示面１１に表示される観測対象は特に限定されず、例えば文書、静止画（写真、絵）、動画（映像）またはゲームなど、観測者の好みに応じた画像でよい。
【００２８】
表示装置１は、表示画像（観測対象）の切替および表示画像に対する画像処理などを容易に制御する機能を有している。また、表示装置１は、虚像の位置に応じて表示画像の歪みと明度と表示サイズとを補正するための機能を有している。これにより、虚像の移動に対する観測者の意識を低減させることができ、従来のＶＤＴまたはテレビモニタと同様に、観測者をＶＤＴ作業または視聴行為に集中させることができる。
【００２９】
ビームスプリッタ２は、ハーフミラーであり、表示装置１から発せられた光を反射光と透過光とに分割する分割面２１を有している。凹面鏡３は、ビームスプリッタ２で分割された反射光（反射光２４を含むすべての反射光）が投影される鏡面３１を有している。
【００３０】
ビームスプリッタ２および凹面鏡３は、図１に示すように配置されている。つまり、凹面鏡３の鏡面３１の中心点３２に投影される反射光２４が中心点３２における法線３３に対して表示装置１側（図１の上側）に傾斜するように、ビームスプリッタ２および凹面鏡３は配置されている。換言すると、反射光２４は、図１のＹ軸周りにおいて法線３３に対して反時計方向に傾斜している。ビームスプリッタ２の分割面２１は、従来のハーフミラー９２に比べて凹面鏡３の鏡面３１に向かい合う方向（図１の左側）に立ち上がっている。
【００３１】
ビームスプリッタ２は、凹面鏡３に対して上述したように配置されているとともに、表示装置１に対して、分割面２１上の点２２の接平面２３と表示装置１の光軸とでなす角θ１が４５°未満になるように配置されている。分割面２１上の点２２は、凹面鏡３の鏡面３１の中心点３２に投影される反射光２４が生成される点である。なお、ビームスプリッタ２は必ずしもハーフミラーでなくてもよく、ハーフミラー以外の非平面板状のビームスプリッタであってもよい。
【００３２】
ビームスプリッタ２の分割面２１は、分割面が平面である場合に比べて、凹面鏡３により結像される表示画像（観測対象）の虚像の歪みを低減させるように非平面（曲面）に形成されている。具体的には、ビームスプリッタ２の分割面２１は、凹面鏡３側へ凸状になる球面に形成されている。
【００３３】
凹面鏡３は、ビームスプリッタ２により結像される虚像（以下「第２の虚像」という）と凹面鏡３との間の光学距離が焦点距離より短くなるように配置されている。第２の虚像は、表示装置１から発せられた光のうちビームスプリッタ２で反射した反射光により形成された像である。凹面鏡３は、第２の虚像が投影されることによって表示画像の虚像を形成する。つまり、凹面鏡３は、表示装置１に表示される表示画像（観測対象）がビームスプリッタ２を介して投影されることによって表示画像の虚像を形成する。凹面鏡３の鏡面３１は、球面より表示画像の虚像の歪みを低減させるように楕円面（非球面）に形成されている。つまり、本実施形態の凹面鏡３は、球面鏡の場合より表示画像の虚像の歪みを低減させるような形状の楕円面鏡（非球面鏡）である。なお、凹面鏡３の鏡面３１は必ずしも上記のような楕円面でなくてもよく、球面より表示画像の虚像の歪みを低減させる非球面であればよい。
【００３４】
表示画像の虚像は、ビームスプリッタ２を透過して観測者に視標として呈示される。観測者の観測点８は、凹面鏡３の前方（図２の左方）に位置する。なお、表示画像の虚像は、ビームスプリッタ２の板厚を薄くすることによって、プリズム型のビームスプリッタを用いた場合に比べて、色収差を小さくすることができる。
【００３５】
本実施形態の視標呈示装置では、図３に示すように、凹面鏡３の最下位置からの高さＬ１が１５５ｍｍ〜３９０ｍｍの間を移動可能に表示装置１が配置され、凹面鏡３のＹ軸方向の長さＬ２が１６０ｍｍ、Ｚ軸方向の長さＬ３が１２０ｍｍである。Ｘ軸方向において、ビームスプリッタ２（点２２）と凹面鏡３（中心点３２）との間の距離Ｌ４は１００ｍｍであり、ビームスプリッタ２（点２２）と観測点８との間の距離Ｌ５は１００ｍｍである。なお、上記の高さＬ１、長さＬ２，Ｌ３および距離Ｌ４，Ｌ５は一例であり、上記の値に限定されず、用途に応じて適宜設定される。
【００３６】
図４に示すように、本実施形態の視標呈示装置における表示画像（観測対象）の虚像（図４の実線）は、図１４に示すようなビームスプリッタ９４の分割面９４１が平面である場合（図１５の実線参照）に比べて、歪みが軽減する。なお、図４は、本実施形態の一例として、ビームスプリッタ２の分割面２１の曲率半径が４５０ｍｍ、コーニック定数ｋが０．０であり、凹面鏡３の鏡面３１の曲率半径が３８０ｍｍ、コーニック定数ｋが−０．６である場合の虚像のディストーション格子を示している。図４（ａ）は視距離が０．５ｍの場合であり、図４（ｂ）は視距離が５．０ｍの場合である。ビームスプリッタ２および凹面鏡３の曲率半径およびコーニック定数ｋは上記の値に限定されず、用途に応じて適宜設定される。図４および図１５の破線は、表示画像を示す。
【００３７】
上記より、凹面鏡３の鏡面３１の中心点３２に投影される反射光２４が法線３３に対して表示装置１側に傾斜するようにビームスプリッタ２が配置された場合に、ビームスプリッタ２の分割面２１を非平面（球面）にすることにより、分割面が平面であるビームスプリッタの場合に比べて虚像の歪みを低減させることができる。
【００３８】
移動装置４は、図２に示すように、表示装置１の移動機構であり、保持板４１と、リニアガイド４２と、送りねじ４３と、プーリ４４と、プーリベルト４５と、モータ４６と、制御部４７とを備えている。移動装置４は、表示装置１を移動させることによって、表示装置１に表示される表示画像（観測対象）と凹面鏡３との間の光学距離を変化させて、第２の虚像（ビームスプリッタ２に結像される虚像）と凹面鏡３との間の光学距離を変化させる。つまり、移動装置４は距離調整部の機能を有している。
【００３９】
保持板４１は、表示装置１を保持している。リニアガイド４２は、保持板４１を支持している。モータ４６は、移動装置４の駆動源となる電子モータである。プーリ４４およびプーリベルト４５は、モータ４６の回転駆動力を送りねじ４３に伝達する。制御部４７は、モータ４６を制御する。つまり、移動装置４は、モータ４６により発生する回転駆動力を送りねじ４３により直線運動に変換することによって、表示装置１の上下方向の移動を実現する。このとき、制御部４７は、第２の虚像と凹面鏡３との間の光学距離を凹面鏡３の焦点距離より短い範囲内で変化させるように、表示装置１を上下方向に移動させる。なお、制御部４７は、例えばコンピュータの処理装置などである。上記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。
【００４０】
上記のように移動装置４が表示装置１を上下に移動させることにより、表示装置１に表示される表示画像（観測対象）と凹面鏡３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、表示画像の虚像と観測点８との間の光学距離が変化する。
【００４１】
次に、虚像の移動範囲について説明する。表示装置１に表示される表示画像（観測対象）と虚像との位置関係を示す式（１）より、表示装置１が凹面鏡３の焦点位置に近づくにつれて、虚像は急激に無限遠へと移動する。また、２０歳代の観測者が視標（虚像）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、観測点８と虚像との間の距離が−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、観測点８と虚像との間の距離が−１０ｍ（−０．１ジオプター）程度の位置にすればよい。上記のような観測点８と虚像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４７は、最遠位置と最近位置とを含むように設定された移動範囲内で表示装置１を移動させるように、モータ４６を制御する。
【００４２】
また、制御部４７は、モータ４６の回転速度を制御することによって、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表示装置１を移動させることができる。
【００４３】
次に、制御部４７の制御による表示装置１の移動速度について説明する。まず、観測者の眼の水晶体を薄い凸レンズに近似した場合、水晶体の中心点と虚像との間の距離ｓ１（＜０）と、水晶体の中心点と網膜（結像点）との間の距離ｓ２（＞０）と、水晶体の屈折力Ｄとの間には、式（３）のような関係が成り立つ。屈折力Ｄは、ジオプターの単位で表される。
【００４４】
１／ｓ２＝１／ｓ１＋Ｄ （３）
眼の焦点調節機能とは、水晶体の中心点と虚像との間の距離ｓ１に応じて水晶体の屈折力Ｄを変化させることによって常に網膜上で像を結像させる機能をいう。式（３）よりわかるように、水晶体の中心点と虚像との間の距離ｓ１が長くなるほど、距離ｓ１の時間変化が屈折力Ｄの時間変化（屈折力変化）に及ぼす度合いが小さくなる。すなわち、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、距離ｓ１の時間変化が同じであっても、距離ｓ１の時間変化が屈折力変化に与える影響は異なる。近距離の場合、距離ｓ１の時間変化が屈折力変化に与える影響は大きく、遠距離の場合、距離ｓ１の時間変化が屈折力変化に与える影響は小さい。距離ｓ１の長さによらず同程度の屈折力変化を得たいのであれば、距離ｓ１が長くなるほど距離ｓ１の時間変化を大きくする必要がある。なお、水晶体の中心点と網膜との間の距離ｓ２は、ほとんど変化がないため、眼球の直径φに近似することができる。眼の焦点調節機能が健全に機能しているとき、式（３）を式（４）で表わすことができる。
【００４５】
１／φ＝１／ｓ１＋Ｄ （４）
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の条件は、式（４）より、式（５）となる。Γは閾値を表わす。
【００４６】
｜∂Ｄ／∂ｔ｜＝｜∂（１／ｓ１）／∂ｔ｜
＝（１／ｓ１２）×｜∂ｓ１／∂ｔ｜≧Γ （５）
制御部４７は、屈折力Ｄの時間変化｜∂Ｄ／∂ｔ｜を常に一定値（閾値Γ）にするために、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４６を制御し、表示装置１を移動させるようにすればよい。なお、虚像を目的の速度で移動させるためには、式（１）を参照し、表示装置１の移動速度を算出すればよい。制御部４７は、表示装置１と凹面鏡３との間の光学距離が長くなるほど表示装置１の移動速度を上昇させるように、モータ４６の動作を制御する。これにより、観測点８から表示装置１が遠ざかるほど、虚像の移動速度｜∂ｓ１／∂ｔ｜を上昇させることができる。
【００４７】
上記のように距離ｓ１の逆数ｌ／ｓ１の時間変化｜∂（１／ｓ１）／∂ｔ｜が一定になるように表示装置１を移動させることによって、観測点８から表示装置１が遠ざかるほど虚像の移動速度を効果的に上昇させることができる。これにより、観測者の眼精疲労を軽減させることができる。
【００４８】
なお、表示装置１と凹面鏡３との間の光学距離が長くなるにつれて、つまり、第２の虚像（ビームスプリッタ２により結像される虚像）が凹面鏡３の焦点位置に近づいて凹面鏡３により結像される虚像が遠点に近づくにつれて、表示画像に対する虚像（凹面鏡３により結像される虚像）の拡大率は大きくなる。その結果、凹面鏡３と虚像との間の光学距離が変化しても、観測者の眼の網膜上における虚像の大きさはほぼ一定となる。
【００４９】
制御部４７は、凹面鏡３とこの凹面鏡３の焦点位置との間で、表示装置１を周期的かつ連続的に移動させて、表示装置１の往復運動を繰り返すように、モータ４６を制御する。上記のように表示装置１の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Ｄを効果的に変化させることができるので、観測者の眼精疲労をより軽減させることができる。また、表示装置１の往復運動を周期的に行うことによって、観測者の水晶体の屈折力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、表示装置１を連続的に移動させて、表示装置１と凹面鏡３との間の光学距離を連続的に移動させることによって、虚像を徐々に移動させることができるので、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。
【００５０】
次に、本実施形態に係る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、観測者はビームスプリッタ２の分割面２１を通して凹面鏡３の方向を向き、表示装置１に表示されている表示画像（観測対象）の虚像を見る。制御部４７（図２参照）がモータ４６（図２参照）を駆動し始めると、表示装置１が上方向に移動し始める。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、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。上記のような動作を表示装置１は繰り返す。この間、観測者は、表示画像の虚像を見続ける。
【００５１】
上記より、本実施形態の視標呈示装置は、凹面鏡３の鏡面３１の中心点３２に投影される反射光２４が法線３３に対して表示装置１側に傾斜するようにビームスプリッタ２および凹面鏡３が配置され、ビームスプリッタ２の分割面２１が非平面に形成されている。これにより、本実施形態の視標呈示装置では、表示画像（観測対象）の虚像の歪みを増加させることなく、装置の幅Ｗ１を薄くすることができる。つまり、本実施形態の視標呈示装置は、観測者に対して視標の歪みを気にさせることなく表示画像より遠方の虚像を視標として呈示して観測者の眼精疲労を軽減するという利点を維持しつつ、従来の視標呈示装置（図１の破線）の幅Ｗ２に比べて、装置の幅Ｗ１を薄くすることができる。
【００５２】
特に、本実施形態の視標呈示装置では、ビームスプリッタ２の分割面２１を凹面鏡３側へ凸状に形成されていることによって、視標の歪みをより簡単に低減させることができる。
【００５３】
さらに、本実施形態の視標呈示装置では、凹面鏡３の鏡面３１が非球面であることによって、視標の歪みをより簡単に低減させることができる。
【００５４】
また、本実施形態の視標呈示装置によれば、表示装置１に表示される表示画像と凹面鏡３との間の光学距離を移動装置４が変化させることによって、眼の焦点調節機能を無自覚に変化させることができるので、観測者の眼精疲労をさらに軽減することができる。
【００５５】
特に、本実施形態の視標呈示装置では、虚像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Ｄを効果的に変化させることができるので、観測者の眼精疲労をより軽減させることができる。
【００５６】
さらに、本実施形態の視標呈示装置は、表示装置１と凹面鏡３との間の光学距離が長くなって虚像の位置が遠くなるほど虚像の移動速度｜∂ｓ１／∂ｔ｜を上昇させる。これにより、虚像が観測点８の近くにあるときだけではなく観測点８から遠ざかったときも、観測者の水晶体における屈折力Ｄの時間変化｜∂Ｄ／∂ｔ｜を一定以上にさせることができる。その結果、虚像が遠くにあっても近くにあっても、観測者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。
【００５７】
（実施形態２）
実施形態２に係る視標呈示装置は、図５に示すような投射側ビームスプリッタ５と投射側凹面鏡６とを備えている点で、実施形態１に係る視標呈示装置と相違する。本実施形態では、表示装置１と投射側ビームスプリッタ５と投射側凹面鏡６とが投射部に相当する。なお、実施形態１の視標呈示装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５８】
投射側ビームスプリッタ５は、ハーフミラーであり、表示装置１から発せられた光の光路上に配置され、表示装置１から発せられた光を分割面５１で反射光と透過光とに分割する。投射側ビームスプリッタ５の分割面５１は平面である。ただし、投射側ビームスプリッタ５の分割面５１は必ずしも平面でなくてもよく、非平面であってもよい。投射側ビームスプリッタ５は必ずしもハーフミラーでなくてもよく、ハーフミラー以外の平面型のビームスプリッタであってもよいし、プリズム型のビームスプリッタであってもよい。
【００５９】
投射側凹面鏡６は、投射側ビームスプリッタ５で分割された反射光の光路上に配置され、投射側ビームスプリッタ５で分割された反射光を鏡面６１でビームスプリッタ２側に反射させる。鏡面６１は球面である。つまり、投射側凹面鏡６は球面鏡である。なお、投射側凹面鏡６の鏡面６１は必ずしも球面でなくてもよく、例えば楕円球面などの非球面であってもよい。
【００６０】
本実施形態の表示装置１は、表示装置１から発せられる光の光軸がＸ軸方向になるように配置されている。また、本実施形態の表示装置１は、Ｘ軸方向において、凹面鏡３の中心点３２より投射側ビームスプリッタ５側（観測点８側、図５の右側）に位置している。これにより、Ｘ軸方向において表示装置１が凹面鏡３の中心点３２より突出することがないので、Ｘ軸方向における装置の薄型化を維持することができる。なお、実施形態１の表示装置１（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００６１】
本実施形態の視標呈示装置では、図６に示すように、凹面鏡３の最下位置からの高さＬ１が２２０ｍｍ〜２６３ｍｍの間を移動可能に投射側凹面鏡６が配置され、凹面鏡３のＹ軸方向の長さＬ２が１６０ｍｍ、Ｚ軸方向の長さＬ３が１２０ｍｍである。Ｘ軸方向において、ビームスプリッタ２（点２２）と凹面鏡３（中心点３２）との間の距離Ｌ４は１００ｍｍであり、ビームスプリッタ２（点２２）と観測点８との間の距離Ｌ５は１００ｍｍである。上記の高さＬ１、長さＬ２，Ｌ３および距離Ｌ４，Ｌ５は一例であり、上記の値に限定されず、用途に応じて適宜設定される。
【００６２】
表示画像の虚像を遠方（例えば視距離が５．０ｍ）に結像するために、表示装置１と凹面鏡３との間の光学距離を長くする場合、本実施形態の視標呈示装置の高さＬ１は、実施形態１の視標呈示装置の高さＬ１（図３参照）に比べて低くなる。
【００６３】
図７に示すように、本実施形態の表示画像（観測対象）の虚像（図７の実線）は、図１４に示すようなビームスプリッタ９４の分割面９４１が平面である場合（図１５の実線参照）に比べて、歪みが軽減する。なお、図７は、本実施形態の一例として、ビームスプリッタ２の分割面２１の曲率半径が８００ｍｍ、コーニック定数ｋが０．０であり、凹面鏡３の鏡面３１の曲率半径が６５０ｍｍ、コーニック定数ｋが−０．６であり、投射側凹面鏡６の鏡面６１の曲率半径が３７０ｍｍ、コーニック定数ｋが０．０である場合の虚像のディストーション格子を示している。図７（ａ）は視距離が１．０ｍの場合であり、図７（ｂ）は視距離が５．０ｍの場合である。ビームスプリッタ２、凹面鏡３および投射側凹面鏡６の曲率半径およびコーニック定数ｋは上記の値に限定されず、用途に応じて適宜設定される。図７および図１５の破線は、表示画像を示す。
【００６４】
本実施形態の視標呈示装置は、移動装置４によって投射側凹面鏡６を移動させることができる。これにより、本実施形態の移動装置４は、表示画像（観測対象）と投射側凹面鏡６との間の光学距離を変化させることができる。つまり、本実施形態の移動装置４は投射側距離調整部の機能を有している。本実施形態の移動装置４は、例えば実施形態１の保持板４１に、表示装置１に代えて投射側凹面鏡６を保持させる方法によって、投射側凹面鏡６を移動させることができるが、上記方法には限定されない。
【００６５】
以上、本実施形態の視標呈示装置によれば、表示装置１から発せられた光の光路方向を投射側ビームスプリッタ５および投射側凹面鏡６によって途中で変えることができる。これにより、表示装置１からビームスプリッタ２に直接投射する場合に比べて、投射部全体（表示装置１、投射側ビームスプリッタ５、投射側凹面鏡６）が一方向に長くなることを防止し、視標呈示装置の高さを低くすることができる。特に表示画像（観測対象）と凹面鏡３との間の光学距離を長くして表示画像の虚像を遠方位置に形成する場合に効果的である。
【００６６】
また、本実施形態の視標呈示装置によれば、移動装置４が表示装置１と投射側凹面鏡６との間の光学距離を変化させることによって、眼の焦点調節機能を無自覚に変化させることができるので、観測者の眼精疲労をさらに軽減することができる。
【００６７】
（実施形態３）
実施形態３に係る視標呈示装置は、非平面板状のビームスプリッタ２に代えて図８に示すようなプリズム型のビームスプリッタ７を備えている点で、実施形態１に係る視標呈示装置（図１参照）と相違する。なお、実施形態１の視標呈示装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６８】
本実施形態のビームスプリッタ７は、表示装置１の表示面１１から発せられた光が入射する入射面７１と、入射面７１から入射された光を反射光と透過光とに分割する分割面７２と、凹面鏡３が取り付けられる裏面７３とを有している。ビームスプリッタ７は、例えば光学ガラスまたはプラスチックなどで形成されている。分割面７２には、誘電体多層膜が形成されている。
【００６９】
本実施形態の凹面鏡３は反射層であり、ビームスプリッタ７の裏面７３の上に直接形成されている。ビームスプリッタ７の分割面７２で分割された反射光が上記反射層（凹面鏡３）に投影されることによって、表示画像（観測対象）の虚像が形成される。なお、実施形態１の凹面鏡３（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００７０】
本実施形態の視標呈示装置は、上記のようにプリズム型のビームスプリッタ７を採用することによって、非平面板状のビームスプリッタ２を採用した場合に比べて、部品強度を高くすることができ、作製を容易にする。
【００７１】
なお、本実施形態のビームスプリッタ７は、実施形態２の視標呈示装置に適用してもよい。
【００７２】
（実施形態４）
実施形態４に係る視標呈示装置は、図９に示すように凹面鏡３がビームスプリッタ２側に傾斜して配置されている点で、実施形態１に係る視標呈示装置（図１参照）と相違する。なお、実施形態１の視標呈示装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７３】
本実施形態のビームスプリッタ２は、分割面２１上の点２２の接平面２３と表示装置１の光軸とでなす角θ１が４５°になるように配置されている。分割面２１上の点２２は、凹面鏡３の鏡面３１の中心点３２に投影される反射光２４が生成される点である。なお、実施形態１のビームスプリッタ２（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００７４】
本実施形態の凹面鏡３は、上方（表示装置１側）が下方に対してビームスプリッタ２側（図９の右側）になるように傾斜して配置されている。なお、実施形態１の凹面鏡３（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００７５】
上記より、本実施形態の視標呈示装置では、凹面鏡３がビームスプリッタ２側に傾斜して配置されることによって、従来の視標呈示装置の幅Ｗ２に比べて、装置の幅Ｗ１を薄くすることができる。つまり、本実施形態の視標呈示装置は、観測者に対して視標の歪みを気にさせることなく表示画像（観測対象）より遠方の虚像を視標として呈示しつつ、従来の視標呈示装置（図９の破線）の幅Ｗ２に比べて、装置の幅Ｗ１を薄くすることができる。
【００７６】
なお、本実施形態のように凹面鏡３がビームスプリッタ２側に傾斜して配置されている構成は、実施形態２，３の視標呈示装置に適用してもよい。
【００７７】
（実施形態５）
実施形態５に係る視標呈示装置は、図１０に示すように表示装置１が凹面鏡３側に傾斜している点で、実施形態１に係る視標呈示装置（図１参照）と相違する。なお、実施形態１の視標呈示装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７８】
本実施形態の表示装置１は、凹面鏡３側（図１０の左側）が反対側（図１０の右側）に比べて下方になるように傾斜して配置されている。なお、実施形態１の表示装置１（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００７９】
本実施形態のビームスプリッタ２は、分割面２１上の点２２の接平面２３と表示装置１の光軸とでなす角θ１が４５°より大きくなるように配置されている。分割面２１上の点２２は、凹面鏡３の鏡面３１の中心点３２に投影される反射光２４が生成される点である。なお、実施形態１のビームスプリッタ２（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００８０】
本実施形態の視標呈示装置によれば、観測者に対して視標の歪みを気にさせることなく、表示画像（観測対象）より遠方の虚像を視標として呈示しつつ、従来の視標呈示装置（図１０の破線）の幅Ｗ２に比べて、装置の幅Ｗ１を薄くすることができる。
【００８１】
なお、本実施形態のように表示装置１が凹面鏡３側に傾斜している構成は、実施形態３の視標呈示装置に適用してもよい。
【００８２】
（実施形態６）
実施形態６に係る視標呈示装置は、図１２に示すように観測対象（表示画像）の実像８１を視標として呈示する点で、実施形態１に係る視標呈示装置（図１参照）と相違する。なお、実施形態１の視標呈示装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００８３】
図１１に示すように、本実施形態のビームスプリッタ２ａの分割面２１ａは、分割面が平面である場合に比べて、凹面鏡３により結像される表示画像の実像８１の歪みを低減させるように、凹面鏡３と反対側へ凸状になる球面に形成されている。なお、分割面２１ａは、表示画像の実像８１の歪みを低減させることができれば上記のような球面以外の非平面であってもよい。実施形態１のビームスプリッタ２（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００８４】
ビームスプリッタ２ａは、凹面鏡３に対して上述したように配置されているとともに、表示装置１に対して、分割面２１ａ上の点２２の接平面２３と表示装置１の光軸とでなす角θ１が４５°未満になるように配置されている。
【００８５】
本実施形態の視標呈示装置では、図１２に示すように、凹面鏡３の最下位置からの高さＬ１が１７６ｍｍ〜１７８ｍｍの間を移動可能に表示装置１が配置され、凹面鏡３のＹ軸方向の長さＬ２が１６０ｍｍ、Ｚ軸方向の長さＬ３が１２０ｍｍである。Ｘ軸方向において、ビームスプリッタ２ａ（点２２）と凹面鏡３（中心点３２）との間の距離Ｌ４は５０ｍｍであり、凹面鏡３（中心点３２）と観測点８との間の距離Ｌ６は８００ｍｍである。なお、上記の高さＬ１、長さＬ２，Ｌ３および距離Ｌ４，Ｌ６は一例であり、上記の値に限定されず、用途に応じて適宜設定される。
【００８６】
これにより、本実施形態の視標呈示装置は、ビームスプリッタ２ａにより結像される虚像（第２の虚像）と凹面鏡３との間の光学距離が凹面鏡３の焦点距離より長くなるように凹面鏡３が配置され、表示画像の実像８１を視標とすることができる。
【００８７】
図１３に示すように、本実施形態の視標呈示装置における表示画像（観測対象）の実像（図１３の実線）は、図１４に示すようなビームスプリッタ９４の分割面９４１が平面である場合（図１５の実線参照）に比べて、歪みが軽減する。図１４に示すビームスプリッタ９４は、ハーフミラー９２に比べて凹面鏡３の鏡面３１に向かい合う方向（図１４の左側）に立ち上がっている。ビームスプリッタ９４は、表示装置９１から発せられた光を平面の分割面９４１で反射光と透過光とに分割する。なお、図１３は、本実施形態の一例として、ビームスプリッタ２ａの分割面２１ａの曲率半径が５０００ｍｍ、コーニック定数ｋが−５０．０であり、凹面鏡３の鏡面３１の曲率半径が２５０ｍｍ、コーニック定数ｋが−０．７８である場合の実像のディストーション格子を示している。図１３（ａ）は視距離Ｌ７が４００ｍｍの場合であり、図１３（ｂ）は視距離Ｌ７が４１０ｍｍの場合である。ビームスプリッタ２ａおよび凹面鏡３の曲率半径ならびにコーニック定数ｋは上記の値に限定されず、用途に応じて適宜設定される。図１３および図１６の破線は、表示画像を示す。
【００８８】
上記より、視標が実像８１である場合であっても、ビームスプリッタ２ａの分割面２１ａを非平面（球面）にすることにより、分割面９４１が平面であるビームスプリッタ９４の場合に比べて実像の歪みを低減させることができる。
【００８９】
以上の説明より、本実施形態の視標呈示装置のように表示画像の実像８１を視標として呈示する場合であっても、視標の歪みを増加させることなく、装置の幅Ｗ１を薄くすることができる。つまり、本実施形態の視標呈示装置は、観測者に対して視標の歪みを気にさせることなく表示画像より近方の実像８１を視標として呈示しつつ、従来の視標呈示装置（図１１の破線）の幅Ｗ２に比べて、装置の幅Ｗ１を薄くすることができる。
【００９０】
なお、本実施形態のように表示画像の実像８１を視標とするための構成は、実施形態２〜５の視標呈示装置に適用してもよい。
【００９１】
各実施形態の観測対象は、表示装置１に表示される表示画像に代えて、例えば平面体の物体であってもよい。観測対象が物体である場合、物体は、保持板４１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。観測対象が物体である場合でも、視標呈示装置は、観測者に対して視標の歪みを気にさせることなく、物体（観測対象）より遠方の虚像を視標として呈示しつつ、従来の視標呈示装置の幅に比べて、装置の幅を薄くすることができる。
【００９２】
ところで、表示装置１と凹面鏡３との間の光学距離を変える手段としては、表示装置１のみを移動させる手段と、凹面鏡３のみを移動させる手段と、表示装置１と凹面鏡３との両方を移動させる手段とがある。表示装置１のみを移動させることによって、表示装置１とビームスプリッタ２（２ａ）との間の光学距離を変えることができる。凹面鏡３のみを移動させることによって、ビームスプリッタ２（２ａ）と凹面鏡３との間の光学距離を変えることができる。なお、表示装置１および凹面鏡３は、例えばアクチュエータなどを用いて移動させることができる。
【００９３】
そこで、各実施形態の変形例として、視標呈示装置は、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３を移動させる凹面鏡移動装置を距離調整部として備えてもよい。変形例の視標呈示装置は、凹面鏡３を移動させることによって、虚像または実像を移動させることができる。ただし、観測者が虚像または実像を正しく観測するためには、凹面鏡３に対する観測者の眼の位置は、ある範囲内に限定される。このため、凹面鏡３を移動させる場合、観測者の眼の位置を移動する必要がある。
【００９４】
したがって、表示装置１と凹面鏡３との間の光学距離を変える３つの手段の中では、表示装置１のみを移動させる手段が最も優れている。つまり、距離調整部としては、観測者の眼の位置を移動させる必要がない点で、各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いる。
【００９５】
また、実施形態２において、表示装置１と投射側凹面鏡６との間の光学距離を変化させる手段としては、表示装置１を移動させる手段と、投射側凹面鏡６を移動させる手段とがある。表示装置１を移動させることによって、表示装置１と投射側ビームスプリッタ５との間の光学距離を変えることができる。投射側凹面鏡６を移動させることによって、投射側ビームスプリッタ５と投射側凹面鏡６との間の光学距離を変えることができる。
【００９６】
なお、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が設けられ、ＶＤＴ作業が一定時間継続したときまたは眼が疲れたときに、作業者が視標呈示装置を使用するようにしてもよい。
【００９７】
また、各実施形態の視標呈示装置を画像表示システムに用いてもよい。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。画像表示システムは、例えば建物の壁と壁との間の空間に埋め込まれて設置される。表示装置１に表示される表示画像（観測対象）は、テレビ番組であってもよいし、再生機器からの再生画像であってもよい。上記のような画像表示システムによれば、上記画像表示システムを壁内部の空間に埋め込むことによって、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。なお、上記画像表示システムは天井裏の空間に埋め込んで設置されてもよい。
【００９８】
さらに、各実施形態の視標呈示装置を車載用表示装置に用いてもよい。車載用表示装置としては、例えば計器板またはナビゲーションシステムの表示部などがある。
【符号の説明】
【００９９】
１ 表示装置（投射部、光源）
２，２ａ，７ ビームスプリッタ
２１，２１ａ，７１ 分割面
３ 凹面鏡
３１ 鏡面
３２ 中心点
３３ 法線
４ 移動装置（距離調整部、投射側距離調整部）
５ 投射側ビームスプリッタ
６ 投射側凹面鏡
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観測対象の像を視標として観測者に呈示する視標呈示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報技術の進歩に伴い、視覚端末装置（ＶＤＴ：Visual Display Terminal）を用いた作業（以下「ＶＤＴ作業」という）が増加している。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。
【０００３】
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。視覚端末装置またはテレビモニタの表示画面を使用者が近距離で注視する場合、眼の焦点調節機能の駆動源である毛様体筋が緊張状態になる。毛様体筋の緊張状態は眼精疲労の一因となる。
【０００４】
上記のような眼精疲労を軽減するためには、使用者は適度に遠方視することが望ましい。
【０００５】
そこで、従来から、凹面鏡およびハーフミラーを用いて視標を遠方に呈示して眼精疲労を軽減させる視標呈示装置が提案されている（例えば特許文献１など）。従来の視標呈示装置は、図１７に示すように、表示装置９１から発せられた光の光軸に対して４５°（角θ２＝４５°）で斜交するハーフミラー９２が表示装置９１と凹面鏡９３との間に配置されている。凹面鏡９３の鏡面９３１は球面である。凹面鏡９３の光軸９３３は、ハーフミラー９２で分割され凹面鏡９３の中心点９３２に投影された反射光の光軸と一致する。観測対象を投射するための光がハーフミラー９２で凹面鏡９３の方向に反射し、凹面鏡９３により観測対象の虚像が形成される。観測者は、ハーフミラー９２を通して観測対象の虚像を観測することができる。
【０００６】
上記視標呈示装置のように凹面鏡９３を用いた場合の視標呈示の原理について説明する。観測対象が凹面鏡９３の焦点位置より凹面鏡９３側にあるとき、凹面鏡９３により観測対象の虚像が形成される。凹面鏡９３と虚像との間の距離Ａ２は、凹面鏡９３と観測対象との間の距離Ａ１と焦点距離ｆとによって、式（１）のように表わされる。また、観測対象の虚像の大きさＢ２は、観測対象の大きさＢ１と焦点距離ｆとによって、式（２）のように表わされる。
【０００７】
Ａ２＝Ａ１×ｆ／（Ａ１−ｆ） （１）
Ｂ２＝Ｂ１×｜ｆ｜／｜Ａ１−ｆ｜ （２）
上記視標呈示装置では、凹面鏡９３の中心点９３２と焦点位置との間に観測対象が配置された際に形成される虚像を視標とする。例えば焦点距離ｆ＝１５０ｍｍ、曲率半径３００ｍｍの球面で構成される凹面鏡９３を用いた場合、距離Ａ１＝１００ｍｍのとき距離Ａ２＝−０．３ｍとなり、距離Ａ１＝１４８ｍｍのとき距離Ａ２＝−１１．０ｍとなる。虚像の位置を観測対象に比べて遠方にすることができる。
【０００８】
上記より、従来の視標呈示装置は、観測者の視線上で、視標としての虚像の位置を遠方にすることができ、視標を注視する観測者の眼精疲労を軽減させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０５０４５９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のような視標呈示装置は、視標を観測する観測者がＶＤＴ作業または視聴行為を行う際に用いられるから、一般のＶＤＴ作業場または住居への設置を考慮する必要がある。
【００１１】
しかしながら、従来の視標呈示装置は、図１７に示すようにハーフミラー９２を表示装置９１および凹面鏡９３の光軸９３３に対して４５°（角θ２＝４５°）で斜交するように配置されているため、装置の奥行き（光軸９３３方向の幅）が厚くなり、設置場所が限定されるという問題があった。
【００１２】
なお、上記の問題を解決する際に、従来の視標呈示装置に比べて、視標の歪みが増加することは好ましくない。
【００１３】
本発明は上記の点に鑑みて為され、本発明の目的は、観測者に対して視標の歪みを気にさせることなく観測対象の像を視標として呈示しつつ、装置の幅を薄くすることができる視標呈示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の視標呈示装置は、観測対象の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、前記観測対象を投射する投射部と、前記投射部から発せられた光を反射光と透過光とに分割する分割面を有するビームスプリッタと、前記反射光が投影される鏡面を有し前記像を形成する凹面鏡とを備え、前記鏡面の中心点に投影される前記反射光が前記中心点における法線に対して前記投射部側に傾斜するように、前記ビームスプリッタおよび前記凹面鏡が配置され、前記ビームスプリッタの前記分割面は非平面に形成されていることを特徴とする。
【００１５】
この視標呈示装置において、前記像は虚像であることが好ましい。
【００１６】
この視標呈示装置において、前記ビームスプリッタの前記分割面は、前記凹面鏡側へ凸状になるように形成されていることが好ましい。
【００１７】
この視標呈示装置において、前記像は実像であることが好ましい。
【００１８】
この視標呈示装置において、前記ビームスプリッタの前記分割面は、前記凹面鏡とは反対側へ凸状になるように形成されていることが好ましい。
【００１９】
この視標呈示装置において、前記凹面鏡の前記鏡面は非球面に形成されていることが好ましい。
【００２０】
この視標呈示装置において、前記観測対象と前記凹面鏡との間の光学距離を変化させる距離調整部を備えることが好ましい。
【００２１】
この視標呈示装置において、前記投射部は、前記観測対象を投射するための光を発する光源と、前記光源から発せられた光を反射光と透過光とに分割する投射側ビームスプリッタと、前記投射側ビームスプリッタで分割された反射光を前記ビームスプリッタ側に反射させる投射側凹面鏡とを有することが好ましい。
【００２２】
この視標呈示装置において、前記光源と前記投射側凹面鏡との間の光学距離を変化させる投射側距離調整部を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、凹面鏡の鏡面の中心点に投影される反射光が法線に対して投射部側に傾斜するようにビームスプリッタおよび凹面鏡が配置され、ビームスプリッタの分割面が非平面に形成されている。これにより、本発明では、視標となる像の歪みを増加させることなく、装置の幅を薄くすることができる。つまり、本発明は、観測者に対して視標の歪みを気にさせることなく観測対象の像を視標として呈示しつつ、従来の視標呈示装置の幅に比べて、装置の幅を薄くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態１に係る視標呈示装置の概略図である。
【図２】同上に係る視標呈示装置の構成を示す断面図である。
【図３】同上に係る視標呈示装置の設計パラメータを説明する図である。
【図４】同上に係る視標呈示装置において、（ａ）は視距離が０．５ｍである場合の虚像のディストーション格子を示す図、（ｂ）は視距離が５．０ｍである場合の虚像のディストーション格子を示す図である。
【図５】実施形態２に係る視標呈示装置の概略図である。
【図６】同上に係る視標呈示装置の設計パラメータを説明する図である。
【図７】同上に係る視標呈示装置において、（ａ）は視距離が１．０ｍである場合の虚像のディストーション格子を示す図、（ｂ）は視距離が５．０ｍである場合の虚像のディストーション格子を示す図である。
【図８】実施形態３に係る視標呈示装置の概略図である。
【図９】実施形態４に係る視標呈示装置の概略図である。
【図１０】実施形態５に係る視標呈示装置の概略図である。
【図１１】実施形態６に係る視標呈示装置の概略図である。
【図１２】同上に係る視標呈示装置の設計パラメータを説明する図である。
【図１３】同上に係る視標呈示装置において、（ａ）は視距離が４００ｍｍである場合の実像のディストーション格子を示す図、（ｂ）は視距離が４１０ｍｍである場合の実像のディストーション格子を示す図である。
【図１４】ビームスプリッタの分割面が平面である視標呈示装置の概略図である。
【図１５】ビームスプリッタの分割面が平面である視標呈示装置において、（ａ）は視距離が０．５ｍである場合の虚像のディストーション格子を示す図、（ｂ）は視距離が５．０ｍである場合の虚像のディストーション格子を示す図である。
【図１６】ビームスプリッタの分割面が平面である視標呈示装置において、（ａ）は視距離が４００ｍｍである場合の実像のディストーション格子を示す図、（ｂ）は視距離が４１０ｍｍである場合の実像のディストーション格子を示す図である。
【図１７】従来の視標呈示装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下の実施形態１〜６では、観測対象の像を視標として観測者に呈示する視標呈示装置について説明する。
【００２６】
（実施形態１）
実施形態１に係る視標呈示装置は、図１に示すように、観測対象を表示する表示装置１と、表示装置１から発せられた光を反射光と透過光とに分割するビームスプリッタ２と、ビームスプリッタ２で分割された反射光（反射光２４を含むすべての反射光）が投影される凹面鏡３とを備えている。さらに、本実施形態の視標呈示装置は、図２に示すように、表示装置１を移動させる移動装置４を備えている。本実施形態の視標呈示装置は、凹面鏡３により結像される虚像を視標として観測者に呈示する。
【００２７】
表示装置１は、小型のフラットパネルディスプレイであり、図２に示すように、観測対象を表示する表示面１１を備えている。表示装置１として用いられる小型のフラットパネルディスプレイとしては、例えば液晶パネルまたは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）ディスプレイなどがある。表示面１１は平面であり、表示面１１から発せられる光は、表示面１１の法線を光軸とした光となる。表示装置１は、観測対象を表示面１１に表示してビームスプリッタ２に投射する。本実施形態の表示装置１は投射部の機能を有している。表示装置１の表示面１１に表示される観測対象は特に限定されず、例えば文書、静止画（写真、絵）、動画（映像）またはゲームなど、観測者の好みに応じた画像でよい。
【００２８】
表示装置１は、表示画像（観測対象）の切替および表示画像に対する画像処理などを容易に制御する機能を有している。また、表示装置１は、虚像の位置に応じて表示画像の歪みと明度と表示サイズとを補正するための機能を有している。これにより、虚像の移動に対する観測者の意識を低減させることができ、従来のＶＤＴまたはテレビモニタと同様に、観測者をＶＤＴ作業または視聴行為に集中させることができる。
【００２９】
ビームスプリッタ２は、ハーフミラーであり、表示装置１から発せられた光を反射光と透過光とに分割する分割面２１を有している。凹面鏡３は、ビームスプリッタ２で分割された反射光（反射光２４を含むすべての反射光）が投影される鏡面３１を有している。
【００３０】
ビームスプリッタ２および凹面鏡３は、図１に示すように配置されている。つまり、凹面鏡３の鏡面３１の中心点３２に投影される反射光２４が中心点３２における法線３３に対して表示装置１側（図１の上側）に傾斜するように、ビームスプリッタ２および凹面鏡３は配置されている。換言すると、反射光２４は、図１のＹ軸周りにおいて法線３３に対して反時計方向に傾斜している。ビームスプリッタ２の分割面２１は、従来のハーフミラー９２に比べて凹面鏡３の鏡面３１に向かい合う方向（図１の左側）に立ち上がっている。
【００３１】
ビームスプリッタ２は、凹面鏡３に対して上述したように配置されているとともに、表示装置１に対して、分割面２１上の点２２の接平面２３と表示装置１の光軸とでなす角θ１が４５°未満になるように配置されている。分割面２１上の点２２は、凹面鏡３の鏡面３１の中心点３２に投影される反射光２４が生成される点である。なお、ビームスプリッタ２は必ずしもハーフミラーでなくてもよく、ハーフミラー以外の非平面板状のビームスプリッタであってもよい。
【００３２】
ビームスプリッタ２の分割面２１は、分割面が平面である場合に比べて、凹面鏡３により結像される表示画像（観測対象）の虚像の歪みを低減させるように非平面（曲面）に形成されている。具体的には、ビームスプリッタ２の分割面２１は、凹面鏡３側へ凸状になる球面に形成されている。
【００３３】
凹面鏡３は、ビームスプリッタ２により結像される虚像（以下「第２の虚像」という）と凹面鏡３との間の光学距離が焦点距離より短くなるように配置されている。第２の虚像は、表示装置１から発せられた光のうちビームスプリッタ２で反射した反射光により形成された像である。凹面鏡３は、第２の虚像が投影されることによって表示画像の虚像を形成する。つまり、凹面鏡３は、表示装置１に表示される表示画像（観測対象）がビームスプリッタ２を介して投影されることによって表示画像の虚像を形成する。凹面鏡３の鏡面３１は、球面より表示画像の虚像の歪みを低減させるように楕円面（非球面）に形成されている。つまり、本実施形態の凹面鏡３は、球面鏡の場合より表示画像の虚像の歪みを低減させるような形状の楕円面鏡（非球面鏡）である。なお、凹面鏡３の鏡面３１は必ずしも上記のような楕円面でなくてもよく、球面より表示画像の虚像の歪みを低減させる非球面であればよい。
【００３４】
表示画像の虚像は、ビームスプリッタ２を透過して観測者に視標として呈示される。観測者の観測点８は、凹面鏡３の前方（図２の左方）に位置する。なお、表示画像の虚像は、ビームスプリッタ２の板厚を薄くすることによって、プリズム型のビームスプリッタを用いた場合に比べて、色収差を小さくすることができる。
【００３５】
本実施形態の視標呈示装置では、図３に示すように、凹面鏡３の最下位置からの高さＬ１が１５５ｍｍ〜３９０ｍｍの間を移動可能に表示装置１が配置され、凹面鏡３のＹ軸方向の長さＬ２が１６０ｍｍ、Ｚ軸方向の長さＬ３が１２０ｍｍである。Ｘ軸方向において、ビームスプリッタ２（点２２）と凹面鏡３（中心点３２）との間の距離Ｌ４は１００ｍｍであり、ビームスプリッタ２（点２２）と観測点８との間の距離Ｌ５は１００ｍｍである。なお、上記の高さＬ１、長さＬ２，Ｌ３および距離Ｌ４，Ｌ５は一例であり、上記の値に限定されず、用途に応じて適宜設定される。
【００３６】
図４に示すように、本実施形態の視標呈示装置における表示画像（観測対象）の虚像（図４の実線）は、図１４に示すようなビームスプリッタ９４の分割面９４１が平面である場合（図１５の実線参照）に比べて、歪みが軽減する。なお、図４は、本実施形態の一例として、ビームスプリッタ２の分割面２１の曲率半径が４５０ｍｍ、コーニック定数ｋが０．０であり、凹面鏡３の鏡面３１の曲率半径が３８０ｍｍ、コーニック定数ｋが−０．６である場合の虚像のディストーション格子を示している。図４（ａ）は視距離が０．５ｍの場合であり、図４（ｂ）は視距離が５．０ｍの場合である。ビームスプリッタ２および凹面鏡３の曲率半径およびコーニック定数ｋは上記の値に限定されず、用途に応じて適宜設定される。図４および図１５の破線は、表示画像を示す。
【００３７】
上記より、凹面鏡３の鏡面３１の中心点３２に投影される反射光２４が法線３３に対して表示装置１側に傾斜するようにビームスプリッタ２が配置された場合に、ビームスプリッタ２の分割面２１を非平面（球面）にすることにより、分割面が平面であるビームスプリッタの場合に比べて虚像の歪みを低減させることができる。
【００３８】
移動装置４は、図２に示すように、表示装置１の移動機構であり、保持板４１と、リニアガイド４２と、送りねじ４３と、プーリ４４と、プーリベルト４５と、モータ４６と、制御部４７とを備えている。移動装置４は、表示装置１を移動させることによって、表示装置１に表示される表示画像（観測対象）と凹面鏡３との間の光学距離を変化させて、第２の虚像（ビームスプリッタ２に結像される虚像）と凹面鏡３との間の光学距離を変化させる。つまり、移動装置４は距離調整部の機能を有している。
【００３９】
保持板４１は、表示装置１を保持している。リニアガイド４２は、保持板４１を支持している。モータ４６は、移動装置４の駆動源となる電子モータである。プーリ４４およびプーリベルト４５は、モータ４６の回転駆動力を送りねじ４３に伝達する。制御部４７は、モータ４６を制御する。つまり、移動装置４は、モータ４６により発生する回転駆動力を送りねじ４３により直線運動に変換することによって、表示装置１の上下方向の移動を実現する。このとき、制御部４７は、第２の虚像と凹面鏡３との間の光学距離を凹面鏡３の焦点距離より短い範囲内で変化させるように、表示装置１を上下方向に移動させる。なお、制御部４７は、例えばコンピュータの処理装置などである。上記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。
【００４０】
上記のように移動装置４が表示装置１を上下に移動させることにより、表示装置１に表示される表示画像（観測対象）と凹面鏡３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、表示画像の虚像と観測点８との間の光学距離が変化する。
【００４１】
次に、虚像の移動範囲について説明する。表示装置１に表示される表示画像（観測対象）と虚像との位置関係を示す式（１）より、表示装置１が凹面鏡３の焦点位置に近づくにつれて、虚像は急激に無限遠へと移動する。また、２０歳代の観測者が視標（虚像）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、観測点８と虚像との間の距離が−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、観測点８と虚像との間の距離が−１０ｍ（−０．１ジオプター）程度の位置にすればよい。上記のような観測点８と虚像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４７は、最遠位置と最近位置とを含むように設定された移動範囲内で表示装置１を移動させるように、モータ４６を制御する。
【００４２】
また、制御部４７は、モータ４６の回転速度を制御することによって、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表示装置１を移動させることができる。
【００４３】
次に、制御部４７の制御による表示装置１の移動速度について説明する。まず、観測者の眼の水晶体を薄い凸レンズに近似した場合、水晶体の中心点と虚像との間の距離ｓ１（＜０）と、水晶体の中心点と網膜（結像点）との間の距離ｓ２（＞０）と、水晶体の屈折力Ｄとの間には、式（３）のような関係が成り立つ。屈折力Ｄは、ジオプターの単位で表される。
【００４４】
１／ｓ２＝１／ｓ１＋Ｄ （３）
眼の焦点調節機能とは、水晶体の中心点と虚像との間の距離ｓ１に応じて水晶体の屈折力Ｄを変化させることによって常に網膜上で像を結像させる機能をいう。式（３）よりわかるように、水晶体の中心点と虚像との間の距離ｓ１が長くなるほど、距離ｓ１の時間変化が屈折力Ｄの時間変化（屈折力変化）に及ぼす度合いが小さくなる。すなわち、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、距離ｓ１の時間変化が同じであっても、距離ｓ１の時間変化が屈折力変化に与える影響は異なる。近距離の場合、距離ｓ１の時間変化が屈折力変化に与える影響は大きく、遠距離の場合、距離ｓ１の時間変化が屈折力変化に与える影響は小さい。距離ｓ１の長さによらず同程度の屈折力変化を得たいのであれば、距離ｓ１が長くなるほど距離ｓ１の時間変化を大きくする必要がある。なお、水晶体の中心点と網膜との間の距離ｓ２は、ほとんど変化がないため、眼球の直径φに近似することができる。眼の焦点調節機能が健全に機能しているとき、式（３）を式（４）で表わすことができる。
【００４５】
１／φ＝１／ｓ１＋Ｄ （４）
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の条件は、式（４）より、式（５）となる。Γは閾値を表わす。
【００４６】
｜∂Ｄ／∂ｔ｜＝｜∂（１／ｓ１）／∂ｔ｜
＝（１／ｓ１２）×｜∂ｓ１／∂ｔ｜≧Γ （５）
制御部４７は、屈折力Ｄの時間変化｜∂Ｄ／∂ｔ｜を常に一定値（閾値Γ）にするために、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４６を制御し、表示装置１を移動させるようにすればよい。なお、虚像を目的の速度で移動させるためには、式（１）を参照し、表示装置１の移動速度を算出すればよい。制御部４７は、表示装置１と凹面鏡３との間の光学距離が長くなるほど表示装置１の移動速度を上昇させるように、モータ４６の動作を制御する。これにより、観測点８から表示装置１が遠ざかるほど、虚像の移動速度｜∂ｓ１／∂ｔ｜を上昇させることができる。
【００４７】
上記のように距離ｓ１の逆数ｌ／ｓ１の時間変化｜∂（１／ｓ１）／∂ｔ｜が一定になるように表示装置１を移動させることによって、観測点８から表示装置１が遠ざかるほど虚像の移動速度を効果的に上昇させることができる。これにより、観測者の眼精疲労を軽減させることができる。
【００４８】
なお、表示装置１と凹面鏡３との間の光学距離が長くなるにつれて、つまり、第２の虚像（ビームスプリッタ２により結像される虚像）が凹面鏡３の焦点位置に近づいて凹面鏡３により結像される虚像が遠点に近づくにつれて、表示画像に対する虚像（凹面鏡３により結像される虚像）の拡大率は大きくなる。その結果、凹面鏡３と虚像との間の光学距離が変化しても、観測者の眼の網膜上における虚像の大きさはほぼ一定となる。
【００４９】
制御部４７は、凹面鏡３とこの凹面鏡３の焦点位置との間で、表示装置１を周期的かつ連続的に移動させて、表示装置１の往復運動を繰り返すように、モータ４６を制御する。上記のように表示装置１の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Ｄを効果的に変化させることができるので、観測者の眼精疲労をより軽減させることができる。また、表示装置１の往復運動を周期的に行うことによって、観測者の水晶体の屈折力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、表示装置１を連続的に移動させて、表示装置１と凹面鏡３との間の光学距離を連続的に移動させることによって、虚像を徐々に移動させることができるので、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。
【００５０】
次に、本実施形態に係る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、観測者はビームスプリッタ２の分割面２１を通して凹面鏡３の方向を向き、表示装置１に表示されている表示画像（観測対象）の虚像を見る。制御部４７（図２参照）がモータ４６（図２参照）を駆動し始めると、表示装置１が上方向に移動し始める。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、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。上記のような動作を表示装置１は繰り返す。この間、観測者は、表示画像の虚像を見続ける。
【００５１】
上記より、本実施形態の視標呈示装置は、凹面鏡３の鏡面３１の中心点３２に投影される反射光２４が法線３３に対して表示装置１側に傾斜するようにビームスプリッタ２および凹面鏡３が配置され、ビームスプリッタ２の分割面２１が非平面に形成されている。これにより、本実施形態の視標呈示装置では、表示画像（観測対象）の虚像の歪みを増加させることなく、装置の幅Ｗ１を薄くすることができる。つまり、本実施形態の視標呈示装置は、観測者に対して視標の歪みを気にさせることなく表示画像より遠方の虚像を視標として呈示して観測者の眼精疲労を軽減するという利点を維持しつつ、従来の視標呈示装置（図１の破線）の幅Ｗ２に比べて、装置の幅Ｗ１を薄くすることができる。
【００５２】
特に、本実施形態の視標呈示装置では、ビームスプリッタ２の分割面２１を凹面鏡３側へ凸状に形成されていることによって、視標の歪みをより簡単に低減させることができる。
【００５３】
さらに、本実施形態の視標呈示装置では、凹面鏡３の鏡面３１が非球面であることによって、視標の歪みをより簡単に低減させることができる。
【００５４】
また、本実施形態の視標呈示装置によれば、表示装置１に表示される表示画像と凹面鏡３との間の光学距離を移動装置４が変化させることによって、眼の焦点調節機能を無自覚に変化させることができるので、観測者の眼精疲労をさらに軽減することができる。
【００５５】
特に、本実施形態の視標呈示装置では、虚像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Ｄを効果的に変化させることができるので、観測者の眼精疲労をより軽減させることができる。
【００５６】
さらに、本実施形態の視標呈示装置は、表示装置１と凹面鏡３との間の光学距離が長くなって虚像の位置が遠くなるほど虚像の移動速度｜∂ｓ１／∂ｔ｜を上昇させる。これにより、虚像が観測点８の近くにあるときだけではなく観測点８から遠ざかったときも、観測者の水晶体における屈折力Ｄの時間変化｜∂Ｄ／∂ｔ｜を一定以上にさせることができる。その結果、虚像が遠くにあっても近くにあっても、観測者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。
【００５７】
（実施形態２）
実施形態２に係る視標呈示装置は、図５に示すような投射側ビームスプリッタ５と投射側凹面鏡６とを備えている点で、実施形態１に係る視標呈示装置と相違する。本実施形態では、表示装置１と投射側ビームスプリッタ５と投射側凹面鏡６とが投射部に相当する。なお、実施形態１の視標呈示装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５８】
投射側ビームスプリッタ５は、ハーフミラーであり、表示装置１から発せられた光の光路上に配置され、表示装置１から発せられた光を分割面５１で反射光と透過光とに分割する。投射側ビームスプリッタ５の分割面５１は平面である。ただし、投射側ビームスプリッタ５の分割面５１は必ずしも平面でなくてもよく、非平面であってもよい。投射側ビームスプリッタ５は必ずしもハーフミラーでなくてもよく、ハーフミラー以外の平面型のビームスプリッタであってもよいし、プリズム型のビームスプリッタであってもよい。
【００５９】
投射側凹面鏡６は、投射側ビームスプリッタ５で分割された反射光の光路上に配置され、投射側ビームスプリッタ５で分割された反射光を鏡面６１でビームスプリッタ２側に反射させる。鏡面６１は球面である。つまり、投射側凹面鏡６は球面鏡である。なお、投射側凹面鏡６の鏡面６１は必ずしも球面でなくてもよく、例えば楕円球面などの非球面であってもよい。
【００６０】
本実施形態の表示装置１は、表示装置１から発せられる光の光軸がＸ軸方向になるように配置されている。また、本実施形態の表示装置１は、Ｘ軸方向において、凹面鏡３の中心点３２より投射側ビームスプリッタ５側（観測点８側、図５の右側）に位置している。これにより、Ｘ軸方向において表示装置１が凹面鏡３の中心点３２より突出することがないので、Ｘ軸方向における装置の薄型化を維持することができる。なお、実施形態１の表示装置１（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００６１】
本実施形態の視標呈示装置では、図６に示すように、凹面鏡３の最下位置からの高さＬ１が２２０ｍｍ〜２６３ｍｍの間を移動可能に投射側凹面鏡６が配置され、凹面鏡３のＹ軸方向の長さＬ２が１６０ｍｍ、Ｚ軸方向の長さＬ３が１２０ｍｍである。Ｘ軸方向において、ビームスプリッタ２（点２２）と凹面鏡３（中心点３２）との間の距離Ｌ４は１００ｍｍであり、ビームスプリッタ２（点２２）と観測点８との間の距離Ｌ５は１００ｍｍである。上記の高さＬ１、長さＬ２，Ｌ３および距離Ｌ４，Ｌ５は一例であり、上記の値に限定されず、用途に応じて適宜設定される。
【００６２】
表示画像の虚像を遠方（例えば視距離が５．０ｍ）に結像するために、表示装置１と凹面鏡３との間の光学距離を長くする場合、本実施形態の視標呈示装置の高さＬ１は、実施形態１の視標呈示装置の高さＬ１（図３参照）に比べて低くなる。
【００６３】
図７に示すように、本実施形態の表示画像（観測対象）の虚像（図７の実線）は、図１４に示すようなビームスプリッタ９４の分割面９４１が平面である場合（図１５の実線参照）に比べて、歪みが軽減する。なお、図７は、本実施形態の一例として、ビームスプリッタ２の分割面２１の曲率半径が８００ｍｍ、コーニック定数ｋが０．０であり、凹面鏡３の鏡面３１の曲率半径が６５０ｍｍ、コーニック定数ｋが−０．６であり、投射側凹面鏡６の鏡面６１の曲率半径が３７０ｍｍ、コーニック定数ｋが０．０である場合の虚像のディストーション格子を示している。図７（ａ）は視距離が１．０ｍの場合であり、図７（ｂ）は視距離が５．０ｍの場合である。ビームスプリッタ２、凹面鏡３および投射側凹面鏡６の曲率半径およびコーニック定数ｋは上記の値に限定されず、用途に応じて適宜設定される。図７および図１５の破線は、表示画像を示す。
【００６４】
本実施形態の視標呈示装置は、移動装置４によって投射側凹面鏡６を移動させることができる。これにより、本実施形態の移動装置４は、表示画像（観測対象）と投射側凹面鏡６との間の光学距離を変化させることができる。つまり、本実施形態の移動装置４は投射側距離調整部の機能を有している。本実施形態の移動装置４は、例えば実施形態１の保持板４１に、表示装置１に代えて投射側凹面鏡６を保持させる方法によって、投射側凹面鏡６を移動させることができるが、上記方法には限定されない。
【００６５】
以上、本実施形態の視標呈示装置によれば、表示装置１から発せられた光の光路方向を投射側ビームスプリッタ５および投射側凹面鏡６によって途中で変えることができる。これにより、表示装置１からビームスプリッタ２に直接投射する場合に比べて、投射部全体（表示装置１、投射側ビームスプリッタ５、投射側凹面鏡６）が一方向に長くなることを防止し、視標呈示装置の高さを低くすることができる。特に表示画像（観測対象）と凹面鏡３との間の光学距離を長くして表示画像の虚像を遠方位置に形成する場合に効果的である。
【００６６】
また、本実施形態の視標呈示装置によれば、移動装置４が表示装置１と投射側凹面鏡６との間の光学距離を変化させることによって、眼の焦点調節機能を無自覚に変化させることができるので、観測者の眼精疲労をさらに軽減することができる。
【００６７】
（実施形態３）
実施形態３に係る視標呈示装置は、非平面板状のビームスプリッタ２に代えて図８に示すようなプリズム型のビームスプリッタ７を備えている点で、実施形態１に係る視標呈示装置（図１参照）と相違する。なお、実施形態１の視標呈示装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６８】
本実施形態のビームスプリッタ７は、表示装置１の表示面１１から発せられた光が入射する入射面７１と、入射面７１から入射された光を反射光と透過光とに分割する分割面７２と、凹面鏡３が取り付けられる裏面７３とを有している。ビームスプリッタ７は、例えば光学ガラスまたはプラスチックなどで形成されている。分割面７２には、誘電体多層膜が形成されている。
【００６９】
本実施形態の凹面鏡３は反射層であり、ビームスプリッタ７の裏面７３の上に直接形成されている。ビームスプリッタ７の分割面７２で分割された反射光が上記反射層（凹面鏡３）に投影されることによって、表示画像（観測対象）の虚像が形成される。なお、実施形態１の凹面鏡３（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００７０】
本実施形態の視標呈示装置は、上記のようにプリズム型のビームスプリッタ７を採用することによって、非平面板状のビームスプリッタ２を採用した場合に比べて、部品強度を高くすることができ、作製を容易にする。
【００７１】
なお、本実施形態のビームスプリッタ７は、実施形態２の視標呈示装置に適用してもよい。
【００７２】
（実施形態４）
実施形態４に係る視標呈示装置は、図９に示すように凹面鏡３がビームスプリッタ２側に傾斜して配置されている点で、実施形態１に係る視標呈示装置（図１参照）と相違する。なお、実施形態１の視標呈示装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７３】
本実施形態のビームスプリッタ２は、分割面２１上の点２２の接平面２３と表示装置１の光軸とでなす角θ１が４５°になるように配置されている。分割面２１上の点２２は、凹面鏡３の鏡面３１の中心点３２に投影される反射光２４が生成される点である。なお、実施形態１のビームスプリッタ２（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００７４】
本実施形態の凹面鏡３は、上方（表示装置１側）が下方に対してビームスプリッタ２側（図９の右側）になるように傾斜して配置されている。なお、実施形態１の凹面鏡３（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００７５】
上記より、本実施形態の視標呈示装置では、凹面鏡３がビームスプリッタ２側に傾斜して配置されることによって、従来の視標呈示装置の幅Ｗ２に比べて、装置の幅Ｗ１を薄くすることができる。つまり、本実施形態の視標呈示装置は、観測者に対して視標の歪みを気にさせることなく表示画像（観測対象）より遠方の虚像を視標として呈示しつつ、従来の視標呈示装置（図９の破線）の幅Ｗ２に比べて、装置の幅Ｗ１を薄くすることができる。
【００７６】
なお、本実施形態のように凹面鏡３がビームスプリッタ２側に傾斜して配置されている構成は、実施形態２，３の視標呈示装置に適用してもよい。
【００７７】
（実施形態５）
実施形態５に係る視標呈示装置は、図１０に示すように表示装置１が凹面鏡３側に傾斜している点で、実施形態１に係る視標呈示装置（図１参照）と相違する。なお、実施形態１の視標呈示装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７８】
本実施形態の表示装置１は、凹面鏡３側（図１０の左側）が反対側（図１０の右側）に比べて下方になるように傾斜して配置されている。なお、実施形態１の表示装置１（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００７９】
本実施形態のビームスプリッタ２は、分割面２１上の点２２の接平面２３と表示装置１の光軸とでなす角θ１が４５°より大きくなるように配置されている。分割面２１上の点２２は、凹面鏡３の鏡面３１の中心点３２に投影される反射光２４が生成される点である。なお、実施形態１のビームスプリッタ２（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００８０】
本実施形態の視標呈示装置によれば、観測者に対して視標の歪みを気にさせることなく、表示画像（観測対象）より遠方の虚像を視標として呈示しつつ、従来の視標呈示装置（図１０の破線）の幅Ｗ２に比べて、装置の幅Ｗ１を薄くすることができる。
【００８１】
なお、本実施形態のように表示装置１が凹面鏡３側に傾斜している構成は、実施形態３の視標呈示装置に適用してもよい。
【００８２】
（実施形態６）
実施形態６に係る視標呈示装置は、図１２に示すように観測対象（表示画像）の実像８１を視標として呈示する点で、実施形態１に係る視標呈示装置（図１参照）と相違する。なお、実施形態１の視標呈示装置と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００８３】
図１１に示すように、本実施形態のビームスプリッタ２ａの分割面２１ａは、分割面が平面である場合に比べて、凹面鏡３により結像される表示画像の実像８１の歪みを低減させるように、凹面鏡３と反対側へ凸状になる球面に形成されている。なお、分割面２１ａは、表示画像の実像８１の歪みを低減させることができれば上記のような球面以外の非平面であってもよい。実施形態１のビームスプリッタ２（図１参照）と同様の機能については説明を省略する。
【００８４】
ビームスプリッタ２ａは、凹面鏡３に対して上述したように配置されているとともに、表示装置１に対して、分割面２１ａ上の点２２の接平面２３と表示装置１の光軸とでなす角θ１が４５°未満になるように配置されている。
【００８５】
本実施形態の視標呈示装置では、図１２に示すように、凹面鏡３の最下位置からの高さＬ１が１７６ｍｍ〜１７８ｍｍの間を移動可能に表示装置１が配置され、凹面鏡３のＹ軸方向の長さＬ２が１６０ｍｍ、Ｚ軸方向の長さＬ３が１２０ｍｍである。Ｘ軸方向において、ビームスプリッタ２ａ（点２２）と凹面鏡３（中心点３２）との間の距離Ｌ４は５０ｍｍであり、凹面鏡３（中心点３２）と観測点８との間の距離Ｌ６は８００ｍｍである。なお、上記の高さＬ１、長さＬ２，Ｌ３および距離Ｌ４，Ｌ６は一例であり、上記の値に限定されず、用途に応じて適宜設定される。
【００８６】
これにより、本実施形態の視標呈示装置は、ビームスプリッタ２ａにより結像される虚像（第２の虚像）と凹面鏡３との間の光学距離が凹面鏡３の焦点距離より長くなるように凹面鏡３が配置され、表示画像の実像８１を視標とすることができる。
【００８７】
図１３に示すように、本実施形態の視標呈示装置における表示画像（観測対象）の実像（図１３の実線）は、図１４に示すようなビームスプリッタ９４の分割面９４１が平面である場合（図１５の実線参照）に比べて、歪みが軽減する。図１４に示すビームスプリッタ９４は、ハーフミラー９２に比べて凹面鏡３の鏡面３１に向かい合う方向（図１４の左側）に立ち上がっている。ビームスプリッタ９４は、表示装置９１から発せられた光を平面の分割面９４１で反射光と透過光とに分割する。なお、図１３は、本実施形態の一例として、ビームスプリッタ２ａの分割面２１ａの曲率半径が５０００ｍｍ、コーニック定数ｋが−５０．０であり、凹面鏡３の鏡面３１の曲率半径が２５０ｍｍ、コーニック定数ｋが−０．７８である場合の実像のディストーション格子を示している。図１３（ａ）は視距離Ｌ７が４００ｍｍの場合であり、図１３（ｂ）は視距離Ｌ７が４１０ｍｍの場合である。ビームスプリッタ２ａおよび凹面鏡３の曲率半径ならびにコーニック定数ｋは上記の値に限定されず、用途に応じて適宜設定される。図１３および図１６の破線は、表示画像を示す。
【００８８】
上記より、視標が実像８１である場合であっても、ビームスプリッタ２ａの分割面２１ａを非平面（球面）にすることにより、分割面９４１が平面であるビームスプリッタ９４の場合に比べて実像の歪みを低減させることができる。
【００８９】
以上の説明より、本実施形態の視標呈示装置のように表示画像の実像８１を視標として呈示する場合であっても、視標の歪みを増加させることなく、装置の幅Ｗ１を薄くすることができる。つまり、本実施形態の視標呈示装置は、観測者に対して視標の歪みを気にさせることなく表示画像より近方の実像８１を視標として呈示しつつ、従来の視標呈示装置（図１１の破線）の幅Ｗ２に比べて、装置の幅Ｗ１を薄くすることができる。
【００９０】
なお、本実施形態のように表示画像の実像８１を視標とするための構成は、実施形態２〜５の視標呈示装置に適用してもよい。
【００９１】
各実施形態の観測対象は、表示装置１に表示される表示画像に代えて、例えば平面体の物体であってもよい。観測対象が物体である場合、物体は、保持板４１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。観測対象が物体である場合でも、視標呈示装置は、観測者に対して視標の歪みを気にさせることなく、物体（観測対象）より遠方の虚像を視標として呈示しつつ、従来の視標呈示装置の幅に比べて、装置の幅を薄くすることができる。
【００９２】
ところで、表示装置１と凹面鏡３との間の光学距離を変える手段としては、表示装置１のみを移動させる手段と、凹面鏡３のみを移動させる手段と、表示装置１と凹面鏡３との両方を移動させる手段とがある。表示装置１のみを移動させることによって、表示装置１とビームスプリッタ２（２ａ）との間の光学距離を変えることができる。凹面鏡３のみを移動させることによって、ビームスプリッタ２（２ａ）と凹面鏡３との間の光学距離を変えることができる。なお、表示装置１および凹面鏡３は、例えばアクチュエータなどを用いて移動させることができる。
【００９３】
そこで、各実施形態の変形例として、視標呈示装置は、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３を移動させる凹面鏡移動装置を距離調整部として備えてもよい。変形例の視標呈示装置は、凹面鏡３を移動させることによって、虚像または実像を移動させることができる。ただし、観測者が虚像または実像を正しく観測するためには、凹面鏡３に対する観測者の眼の位置は、ある範囲内に限定される。このため、凹面鏡３を移動させる場合、観測者の眼の位置を移動する必要がある。
【００９４】
したがって、表示装置１と凹面鏡３との間の光学距離を変える３つの手段の中では、表示装置１のみを移動させる手段が最も優れている。つまり、距離調整部としては、観測者の眼の位置を移動させる必要がない点で、各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いる。
【００９５】
また、実施形態２において、表示装置１と投射側凹面鏡６との間の光学距離を変化させる手段としては、表示装置１を移動させる手段と、投射側凹面鏡６を移動させる手段とがある。表示装置１を移動させることによって、表示装置１と投射側ビームスプリッタ５との間の光学距離を変えることができる。投射側凹面鏡６を移動させることによって、投射側ビームスプリッタ５と投射側凹面鏡６との間の光学距離を変えることができる。
【００９６】
なお、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が設けられ、ＶＤＴ作業が一定時間継続したときまたは眼が疲れたときに、作業者が視標呈示装置を使用するようにしてもよい。
【００９７】
また、各実施形態の視標呈示装置を画像表示システムに用いてもよい。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。画像表示システムは、例えば建物の壁と壁との間の空間に埋め込まれて設置される。表示装置１に表示される表示画像（観測対象）は、テレビ番組であってもよいし、再生機器からの再生画像であってもよい。上記のような画像表示システムによれば、上記画像表示システムを壁内部の空間に埋め込むことによって、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。なお、上記画像表示システムは天井裏の空間に埋め込んで設置されてもよい。
【００９８】
さらに、各実施形態の視標呈示装置を車載用表示装置に用いてもよい。車載用表示装置としては、例えば計器板またはナビゲーションシステムの表示部などがある。
【符号の説明】
【００９９】
１ 表示装置（投射部、光源）
２，２ａ，７ ビームスプリッタ
２１，２１ａ，７１ 分割面
３ 凹面鏡
３１ 鏡面
３２ 中心点
３３ 法線
４ 移動装置（距離調整部、投射側距離調整部）
５ 投射側ビームスプリッタ
６ 投射側凹面鏡
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観測対象の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、
前記観測対象を投射する投射部と、
前記投射部から発せられた光を反射光と透過光とに分割する分割面を有するビームスプリッタと、
前記反射光が投影される鏡面を有し前記像を形成する凹面鏡とを備え、
前記鏡面の中心点に投影される前記反射光が前記中心点における法線に対して前記投射部側に傾斜するように、前記ビームスプリッタおよび前記凹面鏡が配置され、
前記ビームスプリッタの前記分割面は非平面に形成されている
ことを特徴とする視標呈示装置。
【請求項２】
前記像は虚像であることを特徴とする請求項１記載の視標呈示装置。
【請求項３】
前記ビームスプリッタの前記分割面は、前記凹面鏡側へ凸状になるように形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の視標呈示装置。
【請求項４】
前記像は実像であることを特徴とする請求項１記載の視標呈示装置。
【請求項５】
前記ビームスプリッタの前記分割面は、前記凹面鏡とは反対側へ凸状になるように形成されていることを特徴とする請求項１または４記載の視標呈示装置。
【請求項６】
前記凹面鏡の前記鏡面は非球面に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の視標呈示装置。
【請求項７】
前記観測対象と前記凹面鏡との間の光学距離を変化させる距離調整部を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の視標呈示装置。
【請求項８】
前記投射部は、
前記観測対象を投射するための光を発する光源と、
前記光源から発せられた光を反射光と透過光とに分割する投射側ビームスプリッタと、
前記投射側ビームスプリッタで分割された反射光を前記ビームスプリッタ側に反射させる投射側凹面鏡と
を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の視標呈示装置。
【請求項９】
前記光源と前記投射側凹面鏡との間の光学距離を変化させる投射側距離調整部を備えることを特徴とする請求項８記載の視標呈示装置。
【請求項１】
観測対象の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、
前記観測対象を投射する投射部と、
前記投射部から発せられた光を反射光と透過光とに分割する分割面を有するビームスプリッタと、
前記反射光が投影される鏡面を有し前記像を形成する凹面鏡とを備え、
前記鏡面の中心点に投影される前記反射光が前記中心点における法線に対して前記投射部側に傾斜するように、前記ビームスプリッタおよび前記凹面鏡が配置され、
前記ビームスプリッタの前記分割面は非平面に形成されている
ことを特徴とする視標呈示装置。
【請求項２】
前記像は虚像であることを特徴とする請求項１記載の視標呈示装置。
【請求項３】
前記ビームスプリッタの前記分割面は、前記凹面鏡側へ凸状になるように形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の視標呈示装置。
【請求項４】
前記像は実像であることを特徴とする請求項１記載の視標呈示装置。
【請求項５】
前記ビームスプリッタの前記分割面は、前記凹面鏡とは反対側へ凸状になるように形成されていることを特徴とする請求項１または４記載の視標呈示装置。
【請求項６】
前記凹面鏡の前記鏡面は非球面に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の視標呈示装置。
【請求項７】
前記観測対象と前記凹面鏡との間の光学距離を変化させる距離調整部を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の視標呈示装置。
【請求項８】
前記投射部は、
前記観測対象を投射するための光を発する光源と、
前記光源から発せられた光を反射光と透過光とに分割する投射側ビームスプリッタと、
前記投射側ビームスプリッタで分割された反射光を前記ビームスプリッタ側に反射させる投射側凹面鏡と
を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の視標呈示装置。
【請求項９】
前記光源と前記投射側凹面鏡との間の光学距離を変化させる投射側距離調整部を備えることを特徴とする請求項８記載の視標呈示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−１８３２８９（Ｐ２０１２−１８３２８９Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３７９８８（Ｐ２０１１−１３７９８８）
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
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