走査型表示装置光学系、立体表示装置及びヘッドアップディスプレイ装置
【課題】簡単且つ安価な構成で立体画像を意図する提示距離に最適に表示を行う。
【解決手段】走査型表示装置光学系１０は、２次元画像形成素子１１と、第１集光レンズ１２と、絞り１３と、第２集光レンズ１４と、１次元スキャナ１５と、第３集光レンズ１６と、拡散板１７を備える。２次元画像形成素子１１は液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、デジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いた表示装置を使用することができ、入力された視差画像を高速に切り換えて時分割表示し、１次元スキャナ１５は２次元画像形成素子１１の動作に連動してスキャンして２次元画像形成素子１１の画像を拡散板１７に投影し、観察者２０の眼球２１Ｌ，２１Ｒに視差画像を表示する。
【解決手段】走査型表示装置光学系１０は、２次元画像形成素子１１と、第１集光レンズ１２と、絞り１３と、第２集光レンズ１４と、１次元スキャナ１５と、第３集光レンズ１６と、拡散板１７を備える。２次元画像形成素子１１は液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、デジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いた表示装置を使用することができ、入力された視差画像を高速に切り換えて時分割表示し、１次元スキャナ１５は２次元画像形成素子１１の動作に連動してスキャンして２次元画像形成素子１１の画像を拡散板１７に投影し、観察者２０の眼球２１Ｌ，２１Ｒに視差画像を表示する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型表示装置光学系、立体表示装置及びヘッドアップディスプレイ装置に係り、特に簡単な構成で立体表示可能な走査型表示装置光学系、この光学系を用いた立体表示装置及びこの立体表示装置使用したヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、立体表示装置として、左右眼にｄｉｓｐａｒｉｔｙ（不均衡、不釣合い）のある画像を提示して立体感を得るステレオ表示は様々な表示法で実現されてきた（例えば特許文献１参照）。また、もっとも単純には２枚の航空写真を裸眼あるいは簡単な装置によって観察して地図を作成することも行われてきた。
【０００３】
また、近年、より現実感のある立体画像を得るために、左右眼２眼用の画像ではなくてインテグラルディスプレイや多眼の画像を使用したものがあり（特許文献２参照）、更に超多眼方式と称される画像数を１２８とした立体ディスプレイも提案されている（特許文献３参照）。この超多眼方式の立体画像表示は、実際の物体が発する光を角度単位でサンプリングして得られる多数の光線群を空間に再現し、左右眼のそれぞれの瞳孔に２つ以上の視差画像が入射するような細かいピッチで多視点画像を表示するものである。これにより水平方向の滑らかな運動視差と眼精疲労の生じない３次元カラー動画表示を実現できる。
【０００４】
また、ホログラムで立体画像を表示するに際して、ＤＭＤデバイスと、複数個のシリンダーレンズと、縦方向拡散板とを使用した立体表示装置が開示されている（非特許文献１）。
【０００５】
一方、例えば前方視界支援装置として赤外線カメラを介して車室内のヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤと略称する）装置によって表示する夜間運転視界支援装置（ナイトビジョン）も知られている（特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許３８５１８８７公報
【特許文献２】特開２００１−４２２５７号公報
【特許文献３】特開２００７−３０９９７５号公報
【特許文献４】特許３８５５４３９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Applied Optics 10 June 2009 /Vol.48,No.17/3255-3260
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の超多眼方式を利用した立体表示装置では、それぞれの画像に２次元表示装置が１台ずつ必要となる（例えば１２８台）ため、立体表示装置が大きくなり、コストも嵩むという問題があった。また、超多眼、あるいはインテグラルディスプレイでは、視差が付く角度が決まっている、つまり提示しようとしている物体の距離に限界があるなどの問題もあった。
【０００９】
そのため、例えば車両などの移動体にＨＵＤ表示装置を装着し、ドライバーに障害物の画像を現実の風景に重ね合わせて表示した場合に、障害物の距離が現実の距離とずれて表示されてしまい、ドライバーが障害物との距離感を正確に把握できない問題もあった。更に、ホログラムを使用する場合には画像データの作成に手間がかかるという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明では、画像データの作成が容易であり、且つ、簡単な構成で立体画像を意図する提示距離に最適に表示を行える走査型表示装置光学系、立体表示装置及びヘッドアップディスプレイ装置を安価に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、複数組の視差画像を時間的に分割して表示する２次元画像形成素子と、前記２次元画像形成素子の下流に配置された第１集光レンズと、前記２次元画像形成素子の前記第１集光レンズの焦点位置に配置された絞りと、前記絞りの下流に配置された第２集光レンズと、前記第２集光レンズの下流に配置され、前記時分割された視差画像を所定の振り幅及びタイミングでライン走査する１次元スキャナと、前記１次元スキャナの下流に配置された第３集光レンズと、前記第３集光レンズと光学的に共役な位置に配置されるとともに略垂直方向だけ光を拡散する拡散板と、を備えることを特徴とする走査型表示装置光学系である。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１に記載された走査型表示装置光学系と、所定タイミングで前記２次元画像形成素子に表示させる複数の視差画像を発生する視差画像発生手段と、前記視差画像に基づいて前記２次元画像形成素子を駆動する画像形成素子駆動手段と、前記１次元スキャナを駆動するスキャナ駆動手段と、前記視差画像発生手段の視差画像発生タイミングに基づいて前記スキャナ駆動手段の駆動制御を行うスキャナ駆動制御手段と、を備えることを特徴とする立体表示装置である。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項３に記載のである立体表示装置において、観察者の眼球の位置情報及び視線情報の少なくとも一方を含む眼球情報を取得する眼球情報取得手段を備え、前記スキャナ駆動制御手段は、前記眼球情報に基づいて前記スキャナ駆動手段を駆動することを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項２又は請求項３に記載された立体表示装置を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置である。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、移動体のフロントウインドウスクリーンに前記拡散板の画像を反射させて移動体のオペレータに立体画像を表示することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る走査型表示装置光学系及び立体表示装置によれば、１台の２次元ディスプレイと、標準的な１次元スキャナを使用するだけで立体表示を行えるので、画像データを簡単に作成でき、且つ簡易な構成で低コストなものとすることができる。
【００１７】
また、本発明に係る立体表示装置によれば、取得した眼球情報に基づいて１次元スキャナの駆動を制御して立体像を眼球の状態に適正なものとして表示できるので、意図した距離及び位置に高い現実感の立体像を表示することができる。
【００１８】
更に、本発明に係るヘッドアップディスプレイによれば、夜間オペレータに対して例えば障害物等を指摘する立体画像を正しい距離感を備えた状態で現実の風景に重ね合わせて表示することができオペレータは障害物との距離感を正確に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例に係る走査型表示装置光学系を示す模式図である。
【図２】走査型表示装置光学系における立体視の原理を示す模式図である。
【図３】走査型表示装置光学系における立体視の原理を示す模式図である。
【図４】実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置を示す模式図である。
【図５】実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置の制御系を示すブロック図である。を示す模式図である。
【図６】実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置の変形例を示す模式図である。
【図７】ヘッドアップディスプレイ装置の使用状態における画像を示す模式図である。
【図８】ヘッドアップディスプレイ装置で表示される測量ポイントマーカーを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に係る走査型表示装置光学系は、複数組の視差画像を時間的に分割して表示する２次元画像形成素子と、前記２次元画像形成素子の下流に配置された第１集光レンズと、前記２次元画像形成素子の前記第１集光レンズの焦点位置に配置された絞りと、前記絞りの下流に配置された第２集光レンズと、前記第２集光レンズの下流に配置され、前記時分割された視差画像を所定の振り幅及びタイミングでライン走査する１次元スキャナと、前記１次元スキャナの下流に配置された第３集光レンズと、前記第３集光レンズと光学的に共役な位置に配置されるとともに略垂直方向だけ光を拡散する拡散板と、を備えるものである。
【００２１】
本例において２次元表示装置としては有機ＥＬディスプレイ、液晶ディスプレイ、デジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いた表示装置を採用することができ、これらの２次元表示装置からの光は、第１集光レンズ、絞り、第２集光レンズを経て１次元スキャナに導かれ、第３集光レンズを介して、垂直方向のみ光が拡散する拡散板に投影される。
【００２２】
本例では、２次元表示装置に表示すべき立体画像の視差画像を時分割して表示することにより、立体画像を表示することができ、立体画像データをホログラムデータに比べて容易に作成することができる。
【００２３】
また、本発明に係る立体表示装置は前記走査型表示装置光学系と、所定タイミングで前記２次元画像形成素子に表示させる複数の視差画像を発生する視差画像発生手段と、前記視差画像に基づいて前記２次元画像形成素子を駆動する画像形成素子駆動手段と、前記１次元スキャナを駆動するスキャナ駆動手段と、前記視差画像発生手段の視差画像発生タイミングに基づいて前記スキャナ駆動手段の駆動制御を行うスキャナ駆動制御手段と、を備える。
【００２４】
本例によれば、視差画像発生手段からの視差画像は画像形成素子駆動手段に駆動される２次元画像形成素子で表示され、スキャナ駆動手段で駆動される１次元スキャナでスキャンされる。このとき、スキャナ駆動手段はスキャナ駆動制御手段で前記視差画像の発生タイミングに基づいて駆動が制御され、スキャンされた画像は所定タイミングで拡散板に投影され、観察者に適正な視差画像を視認させることができる。
【００２５】
また、本発明に係る立体表示装置は、観察者の眼球の位置情報及び視線情報の少なくとも一方を含む眼球情報を取得する眼球情報取得手段を備え、前記スキャナ駆動制御手段は、前記眼球情報に基づいて前記スキャナ駆動手段を駆動する。
【００２６】
本例によれば、取得した眼球情報に基づいて１次元スキャナの駆動を制御するので、立体表示装置の観察者の姿勢、視線の状態にあわせた最適な立体画像を表示することができる。
【００２７】
また、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、立体表示装置を備えるものである。本例によれば、車両などの移動体に立体表示装置を装着してヘッドアップディスプレイ装置を構成し、移動体の操作者に、計器情報や夜間における障害物の画像を表示でき、この際障害物などの物体の立体画像を現実の距離に合致した正確な距離感で表示でき、操作者に障害物を正確に把握させることができる。
【００２８】
また、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、移動体のフロントウインドウスクリーンに前記拡散板の画像を反射させて移動体のオペレータに表示するものである。本例によれば、車両などの移動体のフロントシールドスクリーンに計器の表示や夜間における障害物の画像をフロントシールドスクリーンから視認される現実の風景に重ね合わせて表示でき操作者は視線を動かすことなく計器、夜間の障害物の映像を立体的に視認することができる。
【実施例】
【００２９】
以下実施例に係る画像形成装置について説明する。図１は実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置に使用される走査型表示装置光学系を示すものであり、（ａ）は平面模式図、（ｂ）は（ａ）中Ｂ方向からの模式図、図２及び図３は走査型表示装置光学系における立体視の原理を示す模式図である。
【００３０】
本例に係る走査型表示装置光学系１０は、図１に示すように、２次元画像形成素子１１と、第１集光レンズ１２と、絞り１３と、第２集光レンズ１４と、１次元スキャナ１５と、第３集光レンズ１６と、拡散板１７を備えて構成される。２次元画像形成素子１１は液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、デジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いた表示装置を使用することができ、入力された視差画像を高速に切り換えて時分割表示する。
【００３１】
前記第１集光レンズ１２は正レンズであり、前記２次元画像形成素子１１の下流側に配置されている。また、前記絞り１３は、前記第１集光レンズ１２の焦点位置に配置されている。更に、第２集光レンズ１４は正レンズであり、前記絞り１３の下流に配置されている。前記１次元スキャナ１５は、前記時分割された視差画像を所定の振り幅及びタイミングでライン走査する走査鏡１５ａを電磁力により所定タイミングで揺動させるガルバノミラーとして構成されている。
【００３２】
第３集光レンズ１６は正レンズであり、前記絞り１３の第２集光レンズ１４による結像位置に焦点位置を有し、拡散板１７に２次元画像形成素子１１の像を投影する。そして、前記拡散板１７は、前記第３集光レンズと光学的に共役な位置に配置されており、本例に係る光学系はテレセントリック光学系をなす。
【００３３】
前記拡散板１７は、鉛直方向（図１（ａ）の紙面に垂直方向）にのみ光を拡散させ、水平方向には光を拡散させず透過させる特性を有する素子であり、例えば微細加工により形成した回折光学素子を採用することができる。
【００３４】
このような走査型表示装置光学系１０において、２次元画像形成素子１１に表示された画像は、第１集光レンズ１２、絞り１３、第２集光レンズ１４を経て１次元スキャナ１５に入射する。入射光は１次元スキャナ１５でスキャンされて第３集光レンズ１６に照射され、拡散板９７に結像する。従って本例に係る走査型表示装置光学系１０では、１次元スキャナ１５によるスキャンは、観察者２０からは左右方向になされ、２次元画像形成素子１１の画素はそのまま観察者２０が認識する画素となり、拡散板１７に入射する光線の角度は前記１次元スキャナ１５の走査鏡１５ａの角度で定まる。
【００３５】
そして、図２に示すように、観察者２０に点Ａを所定の位置に表示させるには、１次元スキャナ１５からの光線が左の眼球２１Ｌと点Ａを結ぶ直線ＬＬ及び右の眼球２１Ｒと点Ａを結ぶ直線ＬＲと一致するように、２次元画像形成素子９１の対応する画素を表示する。これにより、観察者２０の左の眼球２１Ｌ、右の眼球２１Ｒには視差のある画像が入射され、観察者２０は点Ａの立体画像を認識することがきる。ここで、実際には観察者２０は移動することがあり、これに対処するため、本例では、２次元画像形成素子１１に各方向から観察した点Ａに対応する画像を表示しつつ１次元スキャナ１５をこの表示に同期してスキャンし、拡散板１７の全ての位置から、点Ａに向う方向から光が入射するように構成している。具体的には、点Ａから拡散板１７までの光線が存在するように、点Ａの輝度、色、位置、１次元スキャナの角度に応じて２次元画像形成素子１１に表示するのである。
【００３６】
以上の説明は、簡単のために１点（点Ａ）のみ表示する場合についてのものであるが、複数の点を表示することにより立体画像を表示したり、時間的に変化する複数の点を表示して立体動画を表示したりすることができる。また、画素の発光量を調整することにより、明暗のある画像を表示することができる他、２次元画像形成素子１１をカラー表示のものとすればカラー立体表示を行うことができる。これにより、矢印等の記号その他の模様や、立体的な物体とすることができ、これらのときには、模様や物体に対応した画像が左右の眼球２１Ｌ，２１Ｒに入射するよう１次元スキャナ１５の角度に応じて、２次元画像形成素子１１を表示させるようにする。
【００３７】
ここで、ある一瞬に付いてみると、拡散板１７から出る光の水平方向の角度は、一つの方向のみである。これらの光の拡散板上での空間パターンは画像パネルの空間パターンと同じである。
【００３８】
本実施例では、１次元スキャナ１５が一方の最外角から反対の角度までスキャンして、一つの立体画像を表示し、更にそれを繰り返して立体画像を表示するので、人間の視覚特性を考慮すると、一つの画像を走査するスキャン速さは最低３０Ｈｚ程度とする必要がある（なお、帰り方向の速度は高速として無視する）。本例では、１／３０秒間に、前記特許文献３に示した超多眼（例えば１２８眼）の表示を行うとすると、２次元画像形成素子９１は各方向からの画像が所定回（例えば１２８回）書き直される。また、立体画像が表示される方向は１次元スキャナ１５の走査鏡１５ａの向きで定まる。
【００３９】
図３に示すように、本例に係る走査型表示装置光学系１０を使用するとき、表示したい画像と観察者２０との位置から、光線は、線分ＬＡと線分ＬＢの間にあれば良好な３次元画像を表示できることが判る。従って、１次元スキャナ１５の走査鏡１５ａの振り角度は、１次元スキャナ１５から拡散板１７の中央Ｏにあたる光線を考慮し、水平方向の主光線が、それぞれ、画像を観察するために必要な線分ＬＡ、線分ＬＢと同じ角度になるように振れれば良いことが判る。つまり走査鏡１５ａの振り角度はＬａ、Ｌｂの角度の半分の角度であれば十分ということになる。
【００４０】
本実施例に係る走査型表示装置光学系１０を用いて、自動車、ブルドーザー等の重機、農機具、船舶、飛行機、車両などの移動体に装着し、外部の景色、あるいは夜間の障害物などと赤外線カメラで撮影した画像、又は燃料計、走行距離などの計器のデータなどを重ね合わせて表示するヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ）装置に用いることができる。図４は実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置を示す模式図、図５は実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置の制御系を示すブロック図である。
【００４１】
本例に係るヘッドアップディスプレイ装置５０は、図４に示すように、走査型表示装置光学系１０の２次元画像形成素子１１、第１集光レンズ１２、絞り１３、第２集光レンズ１４を備えた走査光学系３０と、第３集光レンズ３１、拡散板３２を備える。そして、拡散板３２に投影された画像は車両のフロントシールドスクリーン３３に反射して観察者２０に視認される。このフロントシールドスクリーン３３は、車室内側に、半透鏡、あるいはある波長のみ反射するように、反射防止膜が積層されている。なお、本例ではフロントシールドスクリーン３３は、後述する眼球情報の取得のため近赤外線を透過するものとしている。また、本例に係るヘッドアップディスプレイ装置５０には、観察者２０である運転者の眼球２１の位置、視線方向を検知する眼球情報取得手段４０が配置される。この眼球情報取得手段４０は、観察者２０の眼球付近に近赤外線を照射する照射手段４１と、近赤外光を選択的に反射するダイクロイックミラー４２と、近赤外線カメラ４３とを備えて構成される。ここでダイクロイックミラー４２は観察者２０の視線の延長上に近赤外光を近赤外線カメラ４４方向に反射するよう配置される。また、照射手段４１はＬＥＤを備え、例えば９４０ｎｍ程度の近赤外線を照射する。
【００４２】
次にヘッドアップディスプレイ装置５０の制御について説明する。ヘッドアップディスプレイ装置５０を制御する制御系６０は、図５に示すように、２次元画像形成素子１１を駆動する画像形成素子駆動手段６１、画像形成素子駆動手段６１に視差画像を出力する視差画像発生手段６２、１次元スキャナ１５を駆動するスキャナ駆動手段６３、前記視差画像発生手段６２からのタイミング信号及び近赤外線カメラ４３からの画像に基づいて観察者２０の眼球の姿勢、位置などの眼球情報を出力する眼球情報出力手段６４及び前記視差画像発生手段６２からのタイミング信号及び前記眼球情報出力手段６４からの眼球情報に基づいてスキャナ駆動手段６３を制御するスキャナ制御手段６５を備える。
【００４３】
これらの制御系６０により１次元スキャナ１５を駆動制御して、検知された眼の位置、視線方向にあわせて、１次元スキャナ１５による反射方向を制御し、観察者２０の視線の方向に立体画像が表示される。なお、図４中、走査光学系３０において、１次元スキャナ１５は、２次元画像形成素子１１から紙面垂直に来る光束を紙面上方に向け反射し、反射された光束は紙面垂直方向に走査される。
【００４４】
本実施例によれば、車両などの移動体に立体表示装置を装着してヘッドアップディスプレイ装置を構成し、移動体の操作者に計器情報や夜間における障害物の画像を表示でき、この際障害物などの物体の立体画像を現実の距離に合致した正確な距離感で表示でき、操作者に障害物を正確に把握させることができる他、車両などの移動体のフロントシールドスクリーンに計器の表示や夜間における障害物の画像をフロントシールドスクリーンから視認される現実の風景に重ね合わせて表示でき操作者は視線を動かすことなく計器、夜間の障害物の映像を立体的に視認することができる。
【００４５】
次にヘッドアップディスプレイ装置の変形例について説明する。図６は実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置の変形例を示す模式図である。本例に係るヘッドアップディスプレイ装置７０は、移動体室内側に眼球情報取得手段８０を備える他、前記実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置５０と同様の構成を備える。眼球情報取得手段８０は、近赤外線カメラ８１とダイクロイックミラー８２とを備えている。本例では、近赤外線カメラ８１は近赤外線を照射する光源を内蔵し、照射した近赤外線をダイクロイックミラー８２で反射して観察者２０の眼球２１付近を照明する。本例に係るヘッドアップディスプレイ装置７０によれば、移動体外部に部材を配置することなく、前記実施例と同様に観察者２０に立体画像を表示することができる。
【００４６】
この走査型表示装置光学系１０を測量システムに適用する場合について説明する。この測量システムは車両に搭載され、矢印、カーソルなどの限られた画像を観察者の視認する景色の所定の位置に重畳して表示するものである。このようなシステムは、本例に係る走査型表示装置光学系１０を適用するのに好適なものである。ここでカーソル等の位置はシステム側で保持している。また、観察者の眼の位置は上述した近赤外線を使用した認識装置で認識できる。
【００４７】
次にヘッドアップディスプレイ装置の実際の使用例について説明する。図７はヘッドアップディスプレイ装置の使用状態における表示画像を示す模式図、図８はヘッドアップディスプレイ装置で表示される各種ポイントマーカーを示す模式図である。本例は、ヘッドアップディスプレイ装置を移動体測量装置に使用した場合を示している。
【００４８】
移動体測量装置では、ドライバーを兼ねる測量者が移動体測量装置を搭載した車両を移動させつつ、あるいは測量ポイント設定時は停止した状態で、測量点を決定していく。測量者が測量ポイントを設定すると、検出されたその測量者の頭部及び眼の位置に対応して、正確には拡散板との相対位置から、方向、距離を考慮したポイントマーカーが表示される。表示されるポイントマーカーは、例えば３次元ディスプレイで提示された矢印を測量対象物に付着したように見える状態で、視差、大きさを調整されたものである。
【００４９】
図７に示した例では、道路１１１の左側の樹木に１１２に最初のポイントマーカー１１３を、右側の建物１１４に２番目のポイントマーカー１１５を表示している。これらのポイントマーカーは例えば赤い矢印と、測量点の番号（丸印付きの番号）で表示される。また、測量者が、測量点を決まる作業中のカーソル１１６を表示するようにしている。この例ではカーソル１１６は「×」で表示される。なお、図中１１７は窓枠、１１８はハンドルを示している。
【００５０】
ここで、カーソルやポイントマーカーは、方位、距離により視差、大きさを変更して表示される。また、車側からのカメラによる観察が行われている場合で、外部の物体の輝度、更に色彩が認識できることがあり、このような場合には、カーソル、ポインターが、測量者が観察しやすい輝度、色で表示されるようにするものとする。例えばポイントマーカーとしては、図８に示すように、番号付きの下向き矢印１２１（図８（ａ））、符号付きの左向き矢印１２２（同（ｂ））、文字付きの上向き矢印１２３（同（ｃ））等、必要に応じて設定できる。
【００５１】
更に、このような測量では、測量者が測量ポイントを設定してから、車両即ち移動体測量装置が移動することが多く、その場合は、移動体測量装置に付属したＧＰＳ、光学的な測量手段、あるいは車の走行記録により、移動体測量装置自体と測量ポイントの相対的位置関係を再計算して、測量ポイントマーカーの表示が自動的に変更することができる。
【００５２】
例えば、建物１１４の左上手前の角を測量ポイントとして設定する場合は以下の手順による。
第１ステップ：
測量者は、測量ポイントのラフな位置を、ジョイスティックの操作でカーソルを移動することにより設定する。ジョイスティックは、左右にたおすことで測量ポイントがカーソルとともに左右に移動し、前後に傾倒することにより測量ポイントがカーソルとともに前後に移動する。この前後移動の動作は採用しないこともできる。前後移動のマニュアル設定がない場合は、すでに入力された２次元的な情報と、後述する奥行き方向の機械的な測定により、奥行き方向は自動的に設定される。この処理は、設定は通常停止した状態で行う。上下方向は、眼科装置で使われているように、ジョイスティックの縦のホールドする部分が回転するようになっていて、その回転により上下方向を指定することができる。
【００５３】
第２ステップ：
このように、測量者により、測量ポイントがラフに決まったら、装置により正確な測量ポイントの決定が必要となることがある。そのために、まず、その測量ポイントの周辺をカメラで撮影し、それにより得られた２次元画像から、特徴点を抽出し、左右、上下のポイント決定の補助、あるいは自動で設定する。また、奥行き方向に関しては、移動体測量装置に、３次元測量手段、例えば、２つあるいは複数のカメラを使ったステレオ方式の３次元測量により奥行き（距離）を決定することができる。また、光学的な測量方式により距離情報を得ることができる。
【００５４】
第３ステップ：
次に、マニュアル、あるいは機械により決まられた測量点が本当に測量者の意図した点であるかの確認、そして必要であれば修正の処理を実行する。この処理では、暫定の測量点として、ポイントマーカーが表示され、その表示が正しいことを測量者が確認する。このとき、前記の風景を目視しているところに、ヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ）としての３次元ディスプレイからのポイントマーカーが重ねられて表示されることもできる。更に肉眼では倍率、奥行き方向の解像力が出ない場合は、３次元ディスプレイにここまでのプロセスで得られた、測量ポイントとその周辺の情報を２次元的、あるいは３次元できに提示し、その上でポイントを確実に確認することができる。また、このような表示を使って、測量ポイントを修正し、高い精度で設定することができる。
【００５５】
なお、実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置では、横方向の視差は表示したい物体により完全に表示されるが、縦方向は、物理的に拡散板上の位置で固定されてしまう。これでは、眼の高さが異なる観察者が来たときに表示の高さが変わってしまうので、眼の高さを観察することにより高さ方向の表示の補正をする。この補正は表示すべきカーソル、ポイントマーカー等の画像を２次元画像形成素子上で上下方向に移動することにより行われる。また、移動体測量中に眼の高さが変わってしまうこともありうるが、この場合も眼の高さを観察して、実時間的に高さ方向が適当になるように表示を変更することで対応できる。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 走査型表示装置光学系
１１ ２次元画像形成素子
１２ 第１集光レンズ
１３ 絞り
１４ 第２集光レンズ
１５ １次元スキャナ
１５ａ 走査鏡
１６ 第３集光レンズ
１７ 拡散板
２０ 観察者
２１ 眼球
２１Ｌ 眼球（左）
２１Ｒ 眼球（右）
３０ 走査光学系
３１ 第３集光レンズ
３２ 拡散板
３３ フロントシールドスクリーン
４０ 眼球情報取得手段
４１ 照射手段
４２ ダイクロイックミラー
４３ 近赤外線カメラ
５０ ヘッドアップディスプレイ装置
６０ 制御系
６１ 画像形成素子駆動手段
６２ 視差画像発生手段
６３ スキャナ駆動手段
６４ 眼球情報出力手段
６５ スキャナ制御手段
７０ ヘッドアップディスプレイ装置
８０ 眼球情報取得手段
８１ 近赤外線カメラ
８２ ダイクロイックミラー
９１ ２次元画像形成素子
９７ 拡散板
１１１ 道路
１１３ ポイントマーカー
１１４ 建物
１１５ ポイントマーカー
１１６ カーソル
１２１ 矢印
１２２ 矢印
１２３ 矢印
４２ ダイクロイックミラー
８２ ダイクロイックミラー
４３ 近赤外線カメラ
８１ 近赤外線カメラ
１１３ ポイントマーカー
１１５ ポイントマーカー
１２１ 矢印
１２２ 矢印
１２３ 矢印
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型表示装置光学系、立体表示装置及びヘッドアップディスプレイ装置に係り、特に簡単な構成で立体表示可能な走査型表示装置光学系、この光学系を用いた立体表示装置及びこの立体表示装置使用したヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、立体表示装置として、左右眼にｄｉｓｐａｒｉｔｙ（不均衡、不釣合い）のある画像を提示して立体感を得るステレオ表示は様々な表示法で実現されてきた（例えば特許文献１参照）。また、もっとも単純には２枚の航空写真を裸眼あるいは簡単な装置によって観察して地図を作成することも行われてきた。
【０００３】
また、近年、より現実感のある立体画像を得るために、左右眼２眼用の画像ではなくてインテグラルディスプレイや多眼の画像を使用したものがあり（特許文献２参照）、更に超多眼方式と称される画像数を１２８とした立体ディスプレイも提案されている（特許文献３参照）。この超多眼方式の立体画像表示は、実際の物体が発する光を角度単位でサンプリングして得られる多数の光線群を空間に再現し、左右眼のそれぞれの瞳孔に２つ以上の視差画像が入射するような細かいピッチで多視点画像を表示するものである。これにより水平方向の滑らかな運動視差と眼精疲労の生じない３次元カラー動画表示を実現できる。
【０００４】
また、ホログラムで立体画像を表示するに際して、ＤＭＤデバイスと、複数個のシリンダーレンズと、縦方向拡散板とを使用した立体表示装置が開示されている（非特許文献１）。
【０００５】
一方、例えば前方視界支援装置として赤外線カメラを介して車室内のヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤと略称する）装置によって表示する夜間運転視界支援装置（ナイトビジョン）も知られている（特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許３８５１８８７公報
【特許文献２】特開２００１−４２２５７号公報
【特許文献３】特開２００７−３０９９７５号公報
【特許文献４】特許３８５５４３９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Applied Optics 10 June 2009 /Vol.48,No.17/3255-3260
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の超多眼方式を利用した立体表示装置では、それぞれの画像に２次元表示装置が１台ずつ必要となる（例えば１２８台）ため、立体表示装置が大きくなり、コストも嵩むという問題があった。また、超多眼、あるいはインテグラルディスプレイでは、視差が付く角度が決まっている、つまり提示しようとしている物体の距離に限界があるなどの問題もあった。
【０００９】
そのため、例えば車両などの移動体にＨＵＤ表示装置を装着し、ドライバーに障害物の画像を現実の風景に重ね合わせて表示した場合に、障害物の距離が現実の距離とずれて表示されてしまい、ドライバーが障害物との距離感を正確に把握できない問題もあった。更に、ホログラムを使用する場合には画像データの作成に手間がかかるという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明では、画像データの作成が容易であり、且つ、簡単な構成で立体画像を意図する提示距離に最適に表示を行える走査型表示装置光学系、立体表示装置及びヘッドアップディスプレイ装置を安価に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、複数組の視差画像を時間的に分割して表示する２次元画像形成素子と、前記２次元画像形成素子の下流に配置された第１集光レンズと、前記２次元画像形成素子の前記第１集光レンズの焦点位置に配置された絞りと、前記絞りの下流に配置された第２集光レンズと、前記第２集光レンズの下流に配置され、前記時分割された視差画像を所定の振り幅及びタイミングでライン走査する１次元スキャナと、前記１次元スキャナの下流に配置された第３集光レンズと、前記第３集光レンズと光学的に共役な位置に配置されるとともに略垂直方向だけ光を拡散する拡散板と、を備えることを特徴とする走査型表示装置光学系である。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１に記載された走査型表示装置光学系と、所定タイミングで前記２次元画像形成素子に表示させる複数の視差画像を発生する視差画像発生手段と、前記視差画像に基づいて前記２次元画像形成素子を駆動する画像形成素子駆動手段と、前記１次元スキャナを駆動するスキャナ駆動手段と、前記視差画像発生手段の視差画像発生タイミングに基づいて前記スキャナ駆動手段の駆動制御を行うスキャナ駆動制御手段と、を備えることを特徴とする立体表示装置である。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項３に記載のである立体表示装置において、観察者の眼球の位置情報及び視線情報の少なくとも一方を含む眼球情報を取得する眼球情報取得手段を備え、前記スキャナ駆動制御手段は、前記眼球情報に基づいて前記スキャナ駆動手段を駆動することを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項２又は請求項３に記載された立体表示装置を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置である。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、移動体のフロントウインドウスクリーンに前記拡散板の画像を反射させて移動体のオペレータに立体画像を表示することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る走査型表示装置光学系及び立体表示装置によれば、１台の２次元ディスプレイと、標準的な１次元スキャナを使用するだけで立体表示を行えるので、画像データを簡単に作成でき、且つ簡易な構成で低コストなものとすることができる。
【００１７】
また、本発明に係る立体表示装置によれば、取得した眼球情報に基づいて１次元スキャナの駆動を制御して立体像を眼球の状態に適正なものとして表示できるので、意図した距離及び位置に高い現実感の立体像を表示することができる。
【００１８】
更に、本発明に係るヘッドアップディスプレイによれば、夜間オペレータに対して例えば障害物等を指摘する立体画像を正しい距離感を備えた状態で現実の風景に重ね合わせて表示することができオペレータは障害物との距離感を正確に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例に係る走査型表示装置光学系を示す模式図である。
【図２】走査型表示装置光学系における立体視の原理を示す模式図である。
【図３】走査型表示装置光学系における立体視の原理を示す模式図である。
【図４】実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置を示す模式図である。
【図５】実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置の制御系を示すブロック図である。を示す模式図である。
【図６】実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置の変形例を示す模式図である。
【図７】ヘッドアップディスプレイ装置の使用状態における画像を示す模式図である。
【図８】ヘッドアップディスプレイ装置で表示される測量ポイントマーカーを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に係る走査型表示装置光学系は、複数組の視差画像を時間的に分割して表示する２次元画像形成素子と、前記２次元画像形成素子の下流に配置された第１集光レンズと、前記２次元画像形成素子の前記第１集光レンズの焦点位置に配置された絞りと、前記絞りの下流に配置された第２集光レンズと、前記第２集光レンズの下流に配置され、前記時分割された視差画像を所定の振り幅及びタイミングでライン走査する１次元スキャナと、前記１次元スキャナの下流に配置された第３集光レンズと、前記第３集光レンズと光学的に共役な位置に配置されるとともに略垂直方向だけ光を拡散する拡散板と、を備えるものである。
【００２１】
本例において２次元表示装置としては有機ＥＬディスプレイ、液晶ディスプレイ、デジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いた表示装置を採用することができ、これらの２次元表示装置からの光は、第１集光レンズ、絞り、第２集光レンズを経て１次元スキャナに導かれ、第３集光レンズを介して、垂直方向のみ光が拡散する拡散板に投影される。
【００２２】
本例では、２次元表示装置に表示すべき立体画像の視差画像を時分割して表示することにより、立体画像を表示することができ、立体画像データをホログラムデータに比べて容易に作成することができる。
【００２３】
また、本発明に係る立体表示装置は前記走査型表示装置光学系と、所定タイミングで前記２次元画像形成素子に表示させる複数の視差画像を発生する視差画像発生手段と、前記視差画像に基づいて前記２次元画像形成素子を駆動する画像形成素子駆動手段と、前記１次元スキャナを駆動するスキャナ駆動手段と、前記視差画像発生手段の視差画像発生タイミングに基づいて前記スキャナ駆動手段の駆動制御を行うスキャナ駆動制御手段と、を備える。
【００２４】
本例によれば、視差画像発生手段からの視差画像は画像形成素子駆動手段に駆動される２次元画像形成素子で表示され、スキャナ駆動手段で駆動される１次元スキャナでスキャンされる。このとき、スキャナ駆動手段はスキャナ駆動制御手段で前記視差画像の発生タイミングに基づいて駆動が制御され、スキャンされた画像は所定タイミングで拡散板に投影され、観察者に適正な視差画像を視認させることができる。
【００２５】
また、本発明に係る立体表示装置は、観察者の眼球の位置情報及び視線情報の少なくとも一方を含む眼球情報を取得する眼球情報取得手段を備え、前記スキャナ駆動制御手段は、前記眼球情報に基づいて前記スキャナ駆動手段を駆動する。
【００２６】
本例によれば、取得した眼球情報に基づいて１次元スキャナの駆動を制御するので、立体表示装置の観察者の姿勢、視線の状態にあわせた最適な立体画像を表示することができる。
【００２７】
また、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、立体表示装置を備えるものである。本例によれば、車両などの移動体に立体表示装置を装着してヘッドアップディスプレイ装置を構成し、移動体の操作者に、計器情報や夜間における障害物の画像を表示でき、この際障害物などの物体の立体画像を現実の距離に合致した正確な距離感で表示でき、操作者に障害物を正確に把握させることができる。
【００２８】
また、本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、移動体のフロントウインドウスクリーンに前記拡散板の画像を反射させて移動体のオペレータに表示するものである。本例によれば、車両などの移動体のフロントシールドスクリーンに計器の表示や夜間における障害物の画像をフロントシールドスクリーンから視認される現実の風景に重ね合わせて表示でき操作者は視線を動かすことなく計器、夜間の障害物の映像を立体的に視認することができる。
【実施例】
【００２９】
以下実施例に係る画像形成装置について説明する。図１は実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置に使用される走査型表示装置光学系を示すものであり、（ａ）は平面模式図、（ｂ）は（ａ）中Ｂ方向からの模式図、図２及び図３は走査型表示装置光学系における立体視の原理を示す模式図である。
【００３０】
本例に係る走査型表示装置光学系１０は、図１に示すように、２次元画像形成素子１１と、第１集光レンズ１２と、絞り１３と、第２集光レンズ１４と、１次元スキャナ１５と、第３集光レンズ１６と、拡散板１７を備えて構成される。２次元画像形成素子１１は液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、デジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いた表示装置を使用することができ、入力された視差画像を高速に切り換えて時分割表示する。
【００３１】
前記第１集光レンズ１２は正レンズであり、前記２次元画像形成素子１１の下流側に配置されている。また、前記絞り１３は、前記第１集光レンズ１２の焦点位置に配置されている。更に、第２集光レンズ１４は正レンズであり、前記絞り１３の下流に配置されている。前記１次元スキャナ１５は、前記時分割された視差画像を所定の振り幅及びタイミングでライン走査する走査鏡１５ａを電磁力により所定タイミングで揺動させるガルバノミラーとして構成されている。
【００３２】
第３集光レンズ１６は正レンズであり、前記絞り１３の第２集光レンズ１４による結像位置に焦点位置を有し、拡散板１７に２次元画像形成素子１１の像を投影する。そして、前記拡散板１７は、前記第３集光レンズと光学的に共役な位置に配置されており、本例に係る光学系はテレセントリック光学系をなす。
【００３３】
前記拡散板１７は、鉛直方向（図１（ａ）の紙面に垂直方向）にのみ光を拡散させ、水平方向には光を拡散させず透過させる特性を有する素子であり、例えば微細加工により形成した回折光学素子を採用することができる。
【００３４】
このような走査型表示装置光学系１０において、２次元画像形成素子１１に表示された画像は、第１集光レンズ１２、絞り１３、第２集光レンズ１４を経て１次元スキャナ１５に入射する。入射光は１次元スキャナ１５でスキャンされて第３集光レンズ１６に照射され、拡散板９７に結像する。従って本例に係る走査型表示装置光学系１０では、１次元スキャナ１５によるスキャンは、観察者２０からは左右方向になされ、２次元画像形成素子１１の画素はそのまま観察者２０が認識する画素となり、拡散板１７に入射する光線の角度は前記１次元スキャナ１５の走査鏡１５ａの角度で定まる。
【００３５】
そして、図２に示すように、観察者２０に点Ａを所定の位置に表示させるには、１次元スキャナ１５からの光線が左の眼球２１Ｌと点Ａを結ぶ直線ＬＬ及び右の眼球２１Ｒと点Ａを結ぶ直線ＬＲと一致するように、２次元画像形成素子９１の対応する画素を表示する。これにより、観察者２０の左の眼球２１Ｌ、右の眼球２１Ｒには視差のある画像が入射され、観察者２０は点Ａの立体画像を認識することがきる。ここで、実際には観察者２０は移動することがあり、これに対処するため、本例では、２次元画像形成素子１１に各方向から観察した点Ａに対応する画像を表示しつつ１次元スキャナ１５をこの表示に同期してスキャンし、拡散板１７の全ての位置から、点Ａに向う方向から光が入射するように構成している。具体的には、点Ａから拡散板１７までの光線が存在するように、点Ａの輝度、色、位置、１次元スキャナの角度に応じて２次元画像形成素子１１に表示するのである。
【００３６】
以上の説明は、簡単のために１点（点Ａ）のみ表示する場合についてのものであるが、複数の点を表示することにより立体画像を表示したり、時間的に変化する複数の点を表示して立体動画を表示したりすることができる。また、画素の発光量を調整することにより、明暗のある画像を表示することができる他、２次元画像形成素子１１をカラー表示のものとすればカラー立体表示を行うことができる。これにより、矢印等の記号その他の模様や、立体的な物体とすることができ、これらのときには、模様や物体に対応した画像が左右の眼球２１Ｌ，２１Ｒに入射するよう１次元スキャナ１５の角度に応じて、２次元画像形成素子１１を表示させるようにする。
【００３７】
ここで、ある一瞬に付いてみると、拡散板１７から出る光の水平方向の角度は、一つの方向のみである。これらの光の拡散板上での空間パターンは画像パネルの空間パターンと同じである。
【００３８】
本実施例では、１次元スキャナ１５が一方の最外角から反対の角度までスキャンして、一つの立体画像を表示し、更にそれを繰り返して立体画像を表示するので、人間の視覚特性を考慮すると、一つの画像を走査するスキャン速さは最低３０Ｈｚ程度とする必要がある（なお、帰り方向の速度は高速として無視する）。本例では、１／３０秒間に、前記特許文献３に示した超多眼（例えば１２８眼）の表示を行うとすると、２次元画像形成素子９１は各方向からの画像が所定回（例えば１２８回）書き直される。また、立体画像が表示される方向は１次元スキャナ１５の走査鏡１５ａの向きで定まる。
【００３９】
図３に示すように、本例に係る走査型表示装置光学系１０を使用するとき、表示したい画像と観察者２０との位置から、光線は、線分ＬＡと線分ＬＢの間にあれば良好な３次元画像を表示できることが判る。従って、１次元スキャナ１５の走査鏡１５ａの振り角度は、１次元スキャナ１５から拡散板１７の中央Ｏにあたる光線を考慮し、水平方向の主光線が、それぞれ、画像を観察するために必要な線分ＬＡ、線分ＬＢと同じ角度になるように振れれば良いことが判る。つまり走査鏡１５ａの振り角度はＬａ、Ｌｂの角度の半分の角度であれば十分ということになる。
【００４０】
本実施例に係る走査型表示装置光学系１０を用いて、自動車、ブルドーザー等の重機、農機具、船舶、飛行機、車両などの移動体に装着し、外部の景色、あるいは夜間の障害物などと赤外線カメラで撮影した画像、又は燃料計、走行距離などの計器のデータなどを重ね合わせて表示するヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ）装置に用いることができる。図４は実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置を示す模式図、図５は実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置の制御系を示すブロック図である。
【００４１】
本例に係るヘッドアップディスプレイ装置５０は、図４に示すように、走査型表示装置光学系１０の２次元画像形成素子１１、第１集光レンズ１２、絞り１３、第２集光レンズ１４を備えた走査光学系３０と、第３集光レンズ３１、拡散板３２を備える。そして、拡散板３２に投影された画像は車両のフロントシールドスクリーン３３に反射して観察者２０に視認される。このフロントシールドスクリーン３３は、車室内側に、半透鏡、あるいはある波長のみ反射するように、反射防止膜が積層されている。なお、本例ではフロントシールドスクリーン３３は、後述する眼球情報の取得のため近赤外線を透過するものとしている。また、本例に係るヘッドアップディスプレイ装置５０には、観察者２０である運転者の眼球２１の位置、視線方向を検知する眼球情報取得手段４０が配置される。この眼球情報取得手段４０は、観察者２０の眼球付近に近赤外線を照射する照射手段４１と、近赤外光を選択的に反射するダイクロイックミラー４２と、近赤外線カメラ４３とを備えて構成される。ここでダイクロイックミラー４２は観察者２０の視線の延長上に近赤外光を近赤外線カメラ４４方向に反射するよう配置される。また、照射手段４１はＬＥＤを備え、例えば９４０ｎｍ程度の近赤外線を照射する。
【００４２】
次にヘッドアップディスプレイ装置５０の制御について説明する。ヘッドアップディスプレイ装置５０を制御する制御系６０は、図５に示すように、２次元画像形成素子１１を駆動する画像形成素子駆動手段６１、画像形成素子駆動手段６１に視差画像を出力する視差画像発生手段６２、１次元スキャナ１５を駆動するスキャナ駆動手段６３、前記視差画像発生手段６２からのタイミング信号及び近赤外線カメラ４３からの画像に基づいて観察者２０の眼球の姿勢、位置などの眼球情報を出力する眼球情報出力手段６４及び前記視差画像発生手段６２からのタイミング信号及び前記眼球情報出力手段６４からの眼球情報に基づいてスキャナ駆動手段６３を制御するスキャナ制御手段６５を備える。
【００４３】
これらの制御系６０により１次元スキャナ１５を駆動制御して、検知された眼の位置、視線方向にあわせて、１次元スキャナ１５による反射方向を制御し、観察者２０の視線の方向に立体画像が表示される。なお、図４中、走査光学系３０において、１次元スキャナ１５は、２次元画像形成素子１１から紙面垂直に来る光束を紙面上方に向け反射し、反射された光束は紙面垂直方向に走査される。
【００４４】
本実施例によれば、車両などの移動体に立体表示装置を装着してヘッドアップディスプレイ装置を構成し、移動体の操作者に計器情報や夜間における障害物の画像を表示でき、この際障害物などの物体の立体画像を現実の距離に合致した正確な距離感で表示でき、操作者に障害物を正確に把握させることができる他、車両などの移動体のフロントシールドスクリーンに計器の表示や夜間における障害物の画像をフロントシールドスクリーンから視認される現実の風景に重ね合わせて表示でき操作者は視線を動かすことなく計器、夜間の障害物の映像を立体的に視認することができる。
【００４５】
次にヘッドアップディスプレイ装置の変形例について説明する。図６は実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置の変形例を示す模式図である。本例に係るヘッドアップディスプレイ装置７０は、移動体室内側に眼球情報取得手段８０を備える他、前記実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置５０と同様の構成を備える。眼球情報取得手段８０は、近赤外線カメラ８１とダイクロイックミラー８２とを備えている。本例では、近赤外線カメラ８１は近赤外線を照射する光源を内蔵し、照射した近赤外線をダイクロイックミラー８２で反射して観察者２０の眼球２１付近を照明する。本例に係るヘッドアップディスプレイ装置７０によれば、移動体外部に部材を配置することなく、前記実施例と同様に観察者２０に立体画像を表示することができる。
【００４６】
この走査型表示装置光学系１０を測量システムに適用する場合について説明する。この測量システムは車両に搭載され、矢印、カーソルなどの限られた画像を観察者の視認する景色の所定の位置に重畳して表示するものである。このようなシステムは、本例に係る走査型表示装置光学系１０を適用するのに好適なものである。ここでカーソル等の位置はシステム側で保持している。また、観察者の眼の位置は上述した近赤外線を使用した認識装置で認識できる。
【００４７】
次にヘッドアップディスプレイ装置の実際の使用例について説明する。図７はヘッドアップディスプレイ装置の使用状態における表示画像を示す模式図、図８はヘッドアップディスプレイ装置で表示される各種ポイントマーカーを示す模式図である。本例は、ヘッドアップディスプレイ装置を移動体測量装置に使用した場合を示している。
【００４８】
移動体測量装置では、ドライバーを兼ねる測量者が移動体測量装置を搭載した車両を移動させつつ、あるいは測量ポイント設定時は停止した状態で、測量点を決定していく。測量者が測量ポイントを設定すると、検出されたその測量者の頭部及び眼の位置に対応して、正確には拡散板との相対位置から、方向、距離を考慮したポイントマーカーが表示される。表示されるポイントマーカーは、例えば３次元ディスプレイで提示された矢印を測量対象物に付着したように見える状態で、視差、大きさを調整されたものである。
【００４９】
図７に示した例では、道路１１１の左側の樹木に１１２に最初のポイントマーカー１１３を、右側の建物１１４に２番目のポイントマーカー１１５を表示している。これらのポイントマーカーは例えば赤い矢印と、測量点の番号（丸印付きの番号）で表示される。また、測量者が、測量点を決まる作業中のカーソル１１６を表示するようにしている。この例ではカーソル１１６は「×」で表示される。なお、図中１１７は窓枠、１１８はハンドルを示している。
【００５０】
ここで、カーソルやポイントマーカーは、方位、距離により視差、大きさを変更して表示される。また、車側からのカメラによる観察が行われている場合で、外部の物体の輝度、更に色彩が認識できることがあり、このような場合には、カーソル、ポインターが、測量者が観察しやすい輝度、色で表示されるようにするものとする。例えばポイントマーカーとしては、図８に示すように、番号付きの下向き矢印１２１（図８（ａ））、符号付きの左向き矢印１２２（同（ｂ））、文字付きの上向き矢印１２３（同（ｃ））等、必要に応じて設定できる。
【００５１】
更に、このような測量では、測量者が測量ポイントを設定してから、車両即ち移動体測量装置が移動することが多く、その場合は、移動体測量装置に付属したＧＰＳ、光学的な測量手段、あるいは車の走行記録により、移動体測量装置自体と測量ポイントの相対的位置関係を再計算して、測量ポイントマーカーの表示が自動的に変更することができる。
【００５２】
例えば、建物１１４の左上手前の角を測量ポイントとして設定する場合は以下の手順による。
第１ステップ：
測量者は、測量ポイントのラフな位置を、ジョイスティックの操作でカーソルを移動することにより設定する。ジョイスティックは、左右にたおすことで測量ポイントがカーソルとともに左右に移動し、前後に傾倒することにより測量ポイントがカーソルとともに前後に移動する。この前後移動の動作は採用しないこともできる。前後移動のマニュアル設定がない場合は、すでに入力された２次元的な情報と、後述する奥行き方向の機械的な測定により、奥行き方向は自動的に設定される。この処理は、設定は通常停止した状態で行う。上下方向は、眼科装置で使われているように、ジョイスティックの縦のホールドする部分が回転するようになっていて、その回転により上下方向を指定することができる。
【００５３】
第２ステップ：
このように、測量者により、測量ポイントがラフに決まったら、装置により正確な測量ポイントの決定が必要となることがある。そのために、まず、その測量ポイントの周辺をカメラで撮影し、それにより得られた２次元画像から、特徴点を抽出し、左右、上下のポイント決定の補助、あるいは自動で設定する。また、奥行き方向に関しては、移動体測量装置に、３次元測量手段、例えば、２つあるいは複数のカメラを使ったステレオ方式の３次元測量により奥行き（距離）を決定することができる。また、光学的な測量方式により距離情報を得ることができる。
【００５４】
第３ステップ：
次に、マニュアル、あるいは機械により決まられた測量点が本当に測量者の意図した点であるかの確認、そして必要であれば修正の処理を実行する。この処理では、暫定の測量点として、ポイントマーカーが表示され、その表示が正しいことを測量者が確認する。このとき、前記の風景を目視しているところに、ヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ）としての３次元ディスプレイからのポイントマーカーが重ねられて表示されることもできる。更に肉眼では倍率、奥行き方向の解像力が出ない場合は、３次元ディスプレイにここまでのプロセスで得られた、測量ポイントとその周辺の情報を２次元的、あるいは３次元できに提示し、その上でポイントを確実に確認することができる。また、このような表示を使って、測量ポイントを修正し、高い精度で設定することができる。
【００５５】
なお、実施例に係るヘッドアップディスプレイ装置では、横方向の視差は表示したい物体により完全に表示されるが、縦方向は、物理的に拡散板上の位置で固定されてしまう。これでは、眼の高さが異なる観察者が来たときに表示の高さが変わってしまうので、眼の高さを観察することにより高さ方向の表示の補正をする。この補正は表示すべきカーソル、ポイントマーカー等の画像を２次元画像形成素子上で上下方向に移動することにより行われる。また、移動体測量中に眼の高さが変わってしまうこともありうるが、この場合も眼の高さを観察して、実時間的に高さ方向が適当になるように表示を変更することで対応できる。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 走査型表示装置光学系
１１ ２次元画像形成素子
１２ 第１集光レンズ
１３ 絞り
１４ 第２集光レンズ
１５ １次元スキャナ
１５ａ 走査鏡
１６ 第３集光レンズ
１７ 拡散板
２０ 観察者
２１ 眼球
２１Ｌ 眼球（左）
２１Ｒ 眼球（右）
３０ 走査光学系
３１ 第３集光レンズ
３２ 拡散板
３３ フロントシールドスクリーン
４０ 眼球情報取得手段
４１ 照射手段
４２ ダイクロイックミラー
４３ 近赤外線カメラ
５０ ヘッドアップディスプレイ装置
６０ 制御系
６１ 画像形成素子駆動手段
６２ 視差画像発生手段
６３ スキャナ駆動手段
６４ 眼球情報出力手段
６５ スキャナ制御手段
７０ ヘッドアップディスプレイ装置
８０ 眼球情報取得手段
８１ 近赤外線カメラ
８２ ダイクロイックミラー
９１ ２次元画像形成素子
９７ 拡散板
１１１ 道路
１１３ ポイントマーカー
１１４ 建物
１１５ ポイントマーカー
１１６ カーソル
１２１ 矢印
１２２ 矢印
１２３ 矢印
４２ ダイクロイックミラー
８２ ダイクロイックミラー
４３ 近赤外線カメラ
８１ 近赤外線カメラ
１１３ ポイントマーカー
１１５ ポイントマーカー
１２１ 矢印
１２２ 矢印
１２３ 矢印
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数組の視差画像を時間的に分割して表示する２次元画像形成素子と、
前記２次元画像形成素子の下流に配置された第１集光レンズと、
前記２次元画像形成素子の前記第１集光レンズの焦点位置に配置された絞りと、
前記絞りの下流に配置された第２集光レンズと、
前記第２集光レンズの下流に配置され、前記時分割された視差画像を所定の振り幅及びタイミングでライン走査する１次元スキャナと、
前記１次元スキャナの下流に配置された第３集光レンズと、
前記第３集光レンズと光学的に共役な位置に配置されるとともに略垂直方向だけ光を拡散する拡散板と、
を備えることを特徴とする走査型表示装置光学系。
【請求項２】
請求項１に記載された走査型表示装置光学系と、
所定タイミングで前記２次元画像形成素子に表示させる複数の視差画像を発生する視差画像発生手段と、
前記視差画像に基づいて前記２次元画像形成素子を駆動する画像形成素子駆動手段と、
前記１次元スキャナを駆動するスキャナ駆動手段と、
前記視差画像発生手段の視差画像発生タイミングに基づいて前記スキャナ駆動手段の駆動制御を行うスキャナ駆動制御手段と、
を備えることを特徴とする立体表示装置。
【請求項３】
観察者の眼球の位置情報及び視線情報の少なくとも一方を含む眼球情報を取得する眼球情報取得手段を備え、
前記スキャナ駆動制御手段は、前記眼球情報に基づいて前記スキャナ駆動手段を駆動することを特徴とする請求項２に記載の立体表示装置。
【請求項４】
請求項３に記載された立体表示装置を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項５】
移動体のフロントウインドウスクリーンに前記拡散板の画像を反射させて移動体のオペレータに立体画像を表示することを特徴とする請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項１】
複数組の視差画像を時間的に分割して表示する２次元画像形成素子と、
前記２次元画像形成素子の下流に配置された第１集光レンズと、
前記２次元画像形成素子の前記第１集光レンズの焦点位置に配置された絞りと、
前記絞りの下流に配置された第２集光レンズと、
前記第２集光レンズの下流に配置され、前記時分割された視差画像を所定の振り幅及びタイミングでライン走査する１次元スキャナと、
前記１次元スキャナの下流に配置された第３集光レンズと、
前記第３集光レンズと光学的に共役な位置に配置されるとともに略垂直方向だけ光を拡散する拡散板と、
を備えることを特徴とする走査型表示装置光学系。
【請求項２】
請求項１に記載された走査型表示装置光学系と、
所定タイミングで前記２次元画像形成素子に表示させる複数の視差画像を発生する視差画像発生手段と、
前記視差画像に基づいて前記２次元画像形成素子を駆動する画像形成素子駆動手段と、
前記１次元スキャナを駆動するスキャナ駆動手段と、
前記視差画像発生手段の視差画像発生タイミングに基づいて前記スキャナ駆動手段の駆動制御を行うスキャナ駆動制御手段と、
を備えることを特徴とする立体表示装置。
【請求項３】
観察者の眼球の位置情報及び視線情報の少なくとも一方を含む眼球情報を取得する眼球情報取得手段を備え、
前記スキャナ駆動制御手段は、前記眼球情報に基づいて前記スキャナ駆動手段を駆動することを特徴とする請求項２に記載の立体表示装置。
【請求項４】
請求項３に記載された立体表示装置を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
【請求項５】
移動体のフロントウインドウスクリーンに前記拡散板の画像を反射させて移動体のオペレータに立体画像を表示することを特徴とする請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１３３５０８（Ｐ２０１１−１３３５０８Ａ）
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９００１８（Ｐ２００９−２９００１８）
【出願日】平成２１年１２月２２日（２００９．１２．２２）
【出願人】（０００２２０３４３）株式会社トプコン (904)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２２日（２００９．１２．２２）
【出願人】（０００２２０３４３）株式会社トプコン (904)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]