JP2007279283A - Visual display - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、視覚表示装置に関し、特に、任意の角度から観察することが可能で、見る方向により観察画像が変化するような視覚表示装置に関するものである。 The present invention relates to a visual display device, and more particularly to a visual display device that can be observed from an arbitrary angle and an observation image changes depending on the viewing direction.
従来、視野角制限フィルターを備えたスクリーンを中心軸の周りで回転させながら、例えば1つの物体を360°周辺方向から見た映像をそのスクリーン上に投影することにより、任意の方向から観察する場合に見る方向により観察画像が変化する視覚表示装置が特許文献1〜3において知られている。
しかしながら、特許文献1〜3において知られている従来例の場合、視野角制限フィルターを備えたスクリーンを機械的に回転させる機構が必要であり、また、特定の方向から見る場合にその方向において観察可能な画像を断続的にしか見ることができない。
However, in the case of the conventional examples known in
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、機械的な複雑な回転機構等を用いなくても周辺の360°方向から見る方向により変化する画像が観察可能な視覚表示装置を提供することである。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and the object of the present invention is to obtain an image that changes depending on the viewing direction from the surrounding 360 ° direction without using a complicated mechanical rotation mechanism or the like. An observable visual display device is provided.
上記目的を達成する本発明の視覚表示装置は、中心軸を含む平面内で中心軸に直交した放射方向に凸の部分を含む曲線を中心軸の周りで回転させて得られる正パワーの反射面と、その反射面の湾曲した像面に沿って中心軸の周りで回転対称に配置された輪帯状の映像表示素子とからなることを特徴とするものである。 The visual display device of the present invention that achieves the above object is a positive power reflecting surface obtained by rotating a curve including a convex portion in a radial direction perpendicular to the central axis in a plane including the central axis around the central axis. And a ring-shaped image display element arranged in a rotationally symmetrical manner around the central axis along the curved image surface of the reflecting surface.
この場合、前記映像表示素子は中心軸の周りで回転対称な3次元的な表示面を持つものであることが望ましい。 In this case, it is desirable that the image display element has a three-dimensional display surface that is rotationally symmetric about the central axis.
また、前記反射面の回転対称軸と前記映像表示素子の回転対称軸とが一致していることが望ましい。 Further, it is desirable that the rotational symmetry axis of the reflecting surface and the rotational symmetry axis of the image display element coincide.
また、前記映像表示素子の表示面が円筒状に構成され、前記映像表示素子に表示される映像は中心軸に沿って一方の方向を観察時の地面方向とするように表示されるか、前記映像表示素子の表示面が円錐状に構成され、前記映像表示素子に表示される映像は中心軸に沿って一方の方向を観察時の地面方向とするように表示されるか、前記映像表示素子の表示面が球面状に構成され、前記映像表示素子に表示される映像は中心軸に沿って一方の方向を観察時の地面方向とするように表示されることが望ましい。 Further, the display surface of the video display element is configured in a cylindrical shape, and the video displayed on the video display element is displayed so that one direction along the central axis is the ground direction at the time of observation, or The display surface of the video display element is configured in a conical shape, and the video displayed on the video display element is displayed along a central axis so that one direction is a ground direction at the time of observation, or the video display element It is desirable that the display surface is configured to have a spherical shape, and the image displayed on the image display element is displayed along the central axis so that one direction is the ground direction at the time of observation.
また、中心軸の周りで回転対称な3次元的な表示面を持つ前記映像表示素子は、2次元的に構成された映像表示素子を丸めて端部同士を繋ぐことで3次元的に構成されてもよい。 The video display element having a three-dimensional display surface rotationally symmetric around the central axis is three-dimensionally configured by rounding a two-dimensional video display element and connecting ends. May be.
また、前記映像表示素子の表示面は、円筒状に配置された複数の平面状表示面からなっていても、円錐状に配置された複数の平面状表示面からなっていても、球面状に配置された複数の平面状表示面からなっていてもよい。 Further, the display surface of the video display element may be formed of a plurality of planar display surfaces arranged in a cylindrical shape, or may be formed of a plurality of planar display surfaces arranged in a conical shape, or may be spherical. You may consist of the several planar display surface arrange | positioned.
また、前記反射面は、メリジオナル断面とサジタル断面でのパワーが異なるものであることが望ましい。 Moreover, it is desirable that the reflection surface has different powers in the meridional section and the sagittal section.
また、前記反射面は、対称面を持たない任意形状の曲線を回転対称軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有するものとしてもよい。 The reflection surface may have a rotationally symmetric shape formed by rotating an arbitrarily shaped curve having no symmetry surface around a rotational symmetry axis.
その場合に、前記反射面は、奇数次項を含む任意形状の曲線を回転対称軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有するものとすることができる。 In this case, the reflecting surface may have a rotationally symmetric shape formed by rotating an arbitrarily shaped curve including an odd-order term around a rotational symmetry axis.
また、前記反射面の外径の半分をRsとするとき、
20mm<Rs ・・・(1)
なる条件を満足することが望ましい。
When half of the outer diameter of the reflecting surface is Rs,
20 mm <Rs (1)
It is desirable to satisfy the following conditions.
また、前記映像表示素子の表示面全体を前記反射面側とは反対側全方位から照明する照明装置を備えているものとすることができる。 In addition, an illuminating device that illuminates the entire display surface of the video display element from all directions opposite to the reflective surface side may be provided.
本発明によると、機械的な複雑な回転機構等を用いなくても、周辺の360°方向から観察しても、それぞれ異なった所望の観察像を観察することが可能な視覚表示装置を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a visual display device capable of observing different desired observation images even when observing from the surrounding 360 ° direction without using a complicated mechanical rotation mechanism or the like. be able to.
以下、本発明の視覚表示装置について説明する。 The visual display device of the present invention will be described below.
まず、本発明の原理を説明する。凹面鏡が球面鏡の場合、凹面鏡の焦点面は凹面鏡と同心の球面である。凹面鏡が完全な球面鏡ではなく中心軸の周りで回転対称な凹面鏡の場合でも、その焦点面は中心軸の周りで回転対称な3次元的に湾曲した形状になっている。その中心軸の周りで回転対称な焦点面近傍に中心軸の周りで回転対称に配置された輪帯状の映像表示素子を配置することにより、凹面鏡で結像された映像表示素子の表示像の実像又は虚像を中心軸の周囲の360°の何れの方向からも観察することが可能となり、その映像表示素子は輪帯状であるために、凹面鏡の周辺の360°の何れの方向から観察しても輪帯状の映像表示素子の対応する表示像部分の実像又は虚像を観察することが可能となる。これが本発明の視覚表示装置の原理である。 First, the principle of the present invention will be described. When the concave mirror is a spherical mirror, the focal plane of the concave mirror is a spherical surface concentric with the concave mirror. Even if the concave mirror is not a perfect spherical mirror but a concave mirror that is rotationally symmetric about the central axis, the focal plane has a three-dimensional curved shape that is rotationally symmetric about the central axis. A real image of the display image of the image display element formed by the concave mirror by disposing an annular image display element arranged rotationally symmetrical around the central axis in the vicinity of the focal plane rotationally symmetrical around the central axis. Alternatively, the virtual image can be observed from any direction around 360 ° around the central axis, and since the image display element is ring-shaped, it can be seen from any direction around 360 ° around the concave mirror. It is possible to observe a real image or a virtual image of a corresponding display image portion of the annular image display element. This is the principle of the visual display device of the present invention.
以下、図面を参照にして説明する。図1は、後記する本発明の実施例1の視覚表示装置の光学系の中心軸に沿ってとった断面図(a)とその光学系内の光路を示す中心軸に沿う方向に見た平面図(b)であり、図2は図1(a)の主要部の拡大図であり、図3は図1(b)の主要部の拡大図である。以下、これら図1〜図3を参照にして、本発明の視覚表示装置を説明する。 Hereinafter, description will be given with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view (a) taken along the central axis of an optical system of a visual display device according to a first embodiment of the present invention to be described later, and a plane seen in a direction along the central axis showing an optical path in the optical system. FIG. 2 is an enlarged view of the main part of FIG. 1A, and FIG. 3 is an enlarged view of the main part of FIG. Hereinafter, the visual display device of the present invention will be described with reference to FIGS.
本発明の視覚表示装置の光学系は、中心軸1に同心に凹面鏡2が配置されている。この凹面鏡2は、この実施例の場合、中心軸1に直交した放射方向に凸の奇数次項を有する自由曲線を中心軸1の周りで回転させて得られる拡張回転自由曲面からなり、正パワーを有する凹面鏡である。なお、凹面鏡2は正パワーを持った単体の凹面鏡に限定されず、反射屈折光学系(例えば、マンジャンミラー、裏面鏡)でもよく、要件としては、中心軸1に向かって進む光束に正のパワーを与えて反射し、かつ、中心軸1に対して回転対称な形状を持っていることである。
In the optical system of the visual display device of the present invention, the
そして、凹面鏡2の偏心した反射側に、中心軸1の周りで回転対称に輪帯状の映像表示素子3が配置されている。その輪帯状の映像表示素子3の内側あるいは外側(図1〜図3の実施例では、輪帯状の映像表示素子3は円筒面の形状をしていて、その内側)の表示像が凹面鏡2で中心軸1の周りで回転対称な像4として結像(図1〜図3の実施例では、実像として結像)され、遠方の観察位置(絞り)5からその像4が観察可能になる。したがって、輪帯状の映像表示素子3の表示像の実像又は虚像4を中心軸1の周囲の360°の何れの方向からも観察することが可能となり、その映像表示素子3は輪帯状であるために、凹面鏡2の周辺の360°の何れの方向から観察しても輪帯状の映像表示素子3の対応する表示像部分の実像又は虚像4を観察することが可能となる。
An annular
映像表示素子3の表示像は例えば360°のパノラマの風景とか、周辺10°おきに撮影した36視点の離散的な映像を表示してもよい。
The display image of the
また、輪帯状の映像表示素子3としては、円筒面、円錐面又は球面の内面又は外面に輪帯状に配置された映像表示素子3を用いる。中心軸1を回転対称軸として、円筒面、円錐面又は球面の内面又は外面に連続的な表示面を持つ映像表示素子3の代わりに、円筒面、円錐面又は球面の内面又は外面の輪帯状領域に沿って平面状の小さな表示面を隣接して配置してなる映像表示素子3を用いてもよい。
Further, as the ring-shaped
映像表示素子が2次元の平面で構成されていると、映像中心の主光線に対して表示面が傾いて配置されてしまうため、観察像が傾いて結像することになるために、観察像も空中に傾いて観察され、観察視度が観察像内で変化してしまい観察し難くなる。そこで、広い視域を確保するためには、映像表示素子3は上記のような円筒面、円錐面又は球面の3次元的な表示面を有することが望ましい。
When the image display element is configured with a two-dimensional plane, the display surface is inclined with respect to the principal ray at the center of the image, and thus the observation image is tilted. Are also observed in the air, and the observation diopter changes within the observation image, making observation difficult. Therefore, in order to ensure a wide viewing zone, it is desirable that the
そして、上記のように、凹面鏡2の回転対称軸と映像表示素子3の回転対称軸とが一致していることが好ましい。これが一致していないと、観察される像4の位置が一定ではなくなり、中心軸1の周囲を廻って観察したときに像位置が変動して、観察し難くなる。
As described above, it is preferable that the rotational symmetry axis of the
さらに好ましくは、映像表示素子3の表示面を円筒状に配置することにより、中心軸1を鉛直方向として、特に水平に近い方向からの観察時に像4の傾きが少なくなり、クリアーな観察が可能となる。また、観察映像の地面方向が円筒の中心軸1の一方の方向を下方向になるように表示することが、正立映像を観察するために重要である。
More preferably, by arranging the display surface of the
さらに好ましくは、映像表示素子3の表示面を円錐状に配置することにより、中心軸1を鉛直方向として、斜め上方向からの観察時に像4の傾きが少なくなり、クリアーな観察が可能となる。また、観察映像の地面方向が円錐の頂点を向くように(装置全体を上下逆転する場合は逆)、すなわち、表示面を展開した際に扇型の要の方向になるように表示することが、正立像を観察するために重要である。
More preferably, by arranging the display surface of the
さらに好ましくは、映像表示素子3の表示面を球面状に配置することにより、中心軸1を鉛直方向として、水平から斜め上方までの広い観察範囲において像4の傾きが少なくなり、クリアーな観察が可能となる。また、観察映像の地面方向が球(下半分の球)の頂点(地球の南極)を向くように表示することが、正立像を観察するために重要である。
More preferably, by arranging the display surface of the
さらに好ましくは、例えば円柱状の表示面では、シート状の表示素子を丸めて映像表示素子3を構成することが可能であり、同様に円錐の場合は、扇形のシート状の表示素子を丸めて映像表示素子3を構成することが可能である。例えば、フレキシブルなシート状の有機EL表示素子や液晶表示素子を円環状や円錐状の表示素子として使用することが製作上安価にでき、好ましい。
More preferably, for example, on a columnar display surface, the
さらに好ましくは、表示面が円筒状、円錐状、球面状何れの場合も、2次元(平面)の表示面を複数個連続的に円筒状、円錐状あるいは球面状に並べて配置することにより、小型の表示素子を複数使うことが可能となり、安価に立体(3次元的に配置された)の映像表示素子3を実現することが可能となる。
More preferably, even when the display surface is cylindrical, conical, or spherical, a plurality of two-dimensional (planar) display surfaces are continuously arranged in a cylindrical, conical, or spherical shape, thereby reducing the size. A plurality of display elements can be used, and a three-dimensional (three-dimensionally arranged)
さらに好ましくは、回転対称な反射面2はサジタル面とタンジェンシャル面でパワーが異なるように構成されていることが望ましい。これは、本発明のように、360°全方位から観察する光学系の場合に特に重要である。光学系を反射面2で構成する場合、回転対称軸(中心軸)1を挟んで光線が光学系に入射するために、回転対称軸1を挟んで反対側にある反射面を遮られることなく光線を入射させるためには、斜め上から光線を入射させる必要がある。つまり、反射面2に対して光線は偏心した使われ方とすることが必須である。さらに、観察領域(観察可能位置)5を広くしたり、観察像(像高)3を大きくとるためには、偏心により発生する偏心収差が大きく発生する。そこで、そのような偏心により発生する偏心収差を補正するために、サジタル面とメリジオナル面で異なる曲率の反射面2で構成することにより、この偏心収差を補正することが可能となる。
More preferably, it is desirable that the rotationally
さらに好ましくは、反射面2は、対称面を持たない任意形状の曲線を回転対称軸1の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有することにより、偏心収差の発生をさらに小さくすることが可能となる。特に偏心により発生するコマ収差を補正することが可能となる。
More preferably, the reflecting
さらに好ましくは、反射面2は、奇数次項を含む任意形状の曲線を回転対称軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有することにより、さらに自由度の高い補正を行うことが可能となり、収差補正上好ましい。
More preferably, the reflecting
さらに好ましくは、反射面2の外径(回転対称軸1に直交する方向の外径)の半分をRsとするとき、
20mm<Rs ・・・(1)
なる条件を満足することをが望ましい。下限の20mmを越えると、観察像が小さくなってしまい、臨場感のある観察をすることが困難になってしまう。
More preferably, when Rs is half of the outer diameter of the reflecting surface 2 (the outer diameter in the direction perpendicular to the rotational symmetry axis 1),
20 mm <Rs (1)
It is desirable to satisfy the following conditions. If the lower limit of 20 mm is exceeded, the observation image becomes small, and it becomes difficult to make a realistic observation.
さらに好ましくは、
50mm<Rs ・・・(1−1)
なる条件を満足することが臨場感を得るためには好ましい。
More preferably,
50 mm <Rs (1-1)
Satisfying these conditions is preferable for obtaining a sense of reality.
なお、以下に説明する実施例1〜4のRsは次の通りである。 In addition, Rs of Examples 1-4 described below is as follows.
実施例 1 2 3 4
Rs(mm) 25.0 25.0 25.0 25.0
さらに好ましくは、映像表示素子3に表示する表示映像は、360°のパノラマ映像を円周上に連続的に表示することが好ましい。これにより、360°の任意の視点から360°のパノラマ映像を連続的に観察することが可能となる。
Example 1 2 3 4
Rs (mm) 25.0 25.0 25.0 25.0
More preferably, the display image displayed on the
さらに好ましくは、複数視点から対象物を撮影した多視点画像を輪帯状に隣接して複数の表示素子を配置してなる映像表示素子3の各表示素子に表示することが好ましい。これにより、360°の任意の視点からの映像を観察することが可能となる。
More preferably, it is preferable to display a multi-viewpoint image obtained by photographing an object from a plurality of viewpoints on each display element of the
以下に、本発明の視覚表示装置の光学系の実施例1〜4を説明する。これら光学系の構成パラメータは後記する。これら実施例の構成パラメータは、例えば図1に示すように、物体面を像4の面とし、像4と共役な像面を映像表示装置(表示面)3とし、絞り(観察位置)5を通り、中心軸1を含むように設定された基準面(座標(X,Y,Z)の原点)を通り、物体面4に向かう光線が凹面鏡2で反射されて像面3に至る逆光線追跡の結果に基づくものである。
Examples 1 to 4 of the optical system of the visual display device of the present invention will be described below. The configuration parameters of these optical systems will be described later. For example, as shown in FIG. 1, the configuration parameters of these embodiments are such that the object plane is the plane of the
座標系は、逆光線追跡において、例えば図2に示すように、物体面4の中心を中心軸1上に投影した基準面位置を偏心光学系の偏心光学面の原点とし、中心軸1の凹面鏡2側の方向をY軸正方向とし、図2の紙面内をY−Z平面とする。そして、図2の凹面鏡2の反射位置側の方向をZ軸正方向とし、Y軸、Z軸と右手直交座標系を構成する軸をX軸正方向とする。
For example, as shown in FIG. 2, the coordinate system uses the reference plane position projected on the
偏心面については、その面が定義される座標系の上記光学系の原点の中心からの偏心量(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向をそれぞれX,Y,Z)と、光学系の原点に定義される座標系のX軸、Y軸、Z軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角(それぞれα,β,γ(°))とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はZ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα,β,γの回転のさせ方は、各面を定義する座標系を光学系の原点に定義される座標系のまずX軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した新たな座標系のY軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その回転した別の新たな座標系のZ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。 For the decentered surface, the amount of decentering from the center of the origin of the optical system in the coordinate system in which the surface is defined (X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction are X, Y, and Z, respectively) and the optical system The inclination angles (α, β, γ (°), respectively) of the coordinate system defining each surface centered on the X axis, Y axis, and Z axis of the coordinate system defined at the origin are given. In this case, positive α and β mean counterclockwise rotation with respect to the positive direction of each axis, and positive γ means clockwise rotation with respect to the positive direction of the Z axis. Note that the α, β, and γ rotations of the central axis of the surface are performed by rotating the coordinate system defining each surface counterclockwise around the X axis of the coordinate system defined at the origin of the optical system. Then rotate it around the Y axis of the new rotated coordinate system by β and then rotate it around the Z axis of another rotated new coordinate system by γ. It is.
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には面間隔が与えられており、その他、面の曲率半径、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。 Further, among the optical action surfaces constituting the optical system of each embodiment, when a specific surface and a subsequent surface constitute a coaxial optical system, a surface interval is given, in addition, the curvature radius of the surface, The refractive index and Abbe number of the medium are given according to conventional methods.
なお、拡張回転自由曲面は、以下の定義で与えられる回転対称面である。 The extended rotation free-form surface is a rotationally symmetric surface given by the following definition.
まず、Y−Z座標面上で原点を通る下記の曲線(d)が定められる。 First, the following curve (d) passing through the origin on the YZ coordinate plane is determined.
Z=(Y2 /RY)/[1+{1−(C1 +1)Y2 /RY2 }1 /2]
C2 Y+C3 Y2 +C4 Y3 +C5 Y4 +C6 Y5 +C7 Y6
+・・・・+C21Y20+・・・・+Cn+1 Yn +・・・・
・・・(d)
次いで、この曲線(d)をX軸正方向を向いて左回りを正として角度θ(°)回転した曲線F(Y)が定められる。この曲線F(Y)もY−Z座標面上で原点を通る。
Z = (Y 2 / RY) / [1+ {1- (
C 2 Y + C 3 Y 2 + C 4 Y 3 + C 5 Y 4 + C 6 Y 5 + C 7 Y 6
+ ··· + C 21 Y 20 + ··· + C n + 1 Y n + ····
... (d)
Next, a curve F (Y) obtained by rotating the curve (d) in the positive direction of the X axis and turning it counterclockwise to be positive is determined. This curve F (Y) also passes through the origin on the YZ coordinate plane.
その曲線F(Y)をZ正方向に距離R(負のときはZ負方向)だけ平行移動し、その後にY軸の周りでその平行移動した曲線を回転させてできる回転対称面を拡張回転自由曲面とする。 The curve F (Y) is translated in the positive Z direction by a distance R (or negative Z direction if negative), and then the rotationally symmetric surface formed by rotating the translated curve around the Y axis is expanded and rotated. Let it be a free-form surface.
その結果、拡張回転自由曲面はY−Z面内で自由曲面(自由曲線)になり、X−Z面内で半径|R|の円になる。 As a result, the extended rotation free-form surface becomes a free-form surface (free-form curve) in the YZ plane and a circle with a radius | R | in the XZ plane.
この定義からY軸が拡張回転自由曲面の軸(回転対称軸)となる。 From this definition, the Y-axis becomes the axis of the extended rotation free-form surface (rotation symmetry axis).
ここで、RYはY−Z断面での球面項の曲率半径、C1 は円錐定数、C2 、C3 、C4 、C5 …はそれぞれ1次、2次、3次、4次…の非球面係数である。 Where RY is the radius of curvature of the spherical term in the YZ section, C 1 is the conic constant, C 2 , C 3 , C 4 , C 5 . Aspheric coefficient.
なお、Y軸に平行な軸を中心軸に持つ円錐面は拡張回転自由曲面の1つとして与えられ、RY=∞,C1 ,C2 ,C3 ,C4 ,C5 ,…=0とし、θ=(円錐面の傾き角)、R=(X−Z面内での底面の半径)として与えられる。 A conical surface having an axis parallel to the Y axis as a central axis is given as one of the extended rotation free-form surfaces, and RY = ∞, C 1 , C 2 , C 3 , C 4 , C 5 ,. , Θ = (conical surface inclination angle), R = (radius of bottom surface in XZ plane).
また、後記の構成パラメータ中にデータの記載されていない非球面に関する項は0である。屈折率、アッベ数については、d線(波長587.56nm)に対するものを表記してある。長さの単位はmmである。各面の偏心は、上記のように、基準面からの偏心量で表わす。 In addition, a term relating to an aspheric surface for which no data is described in the constituent parameters described later is zero. The refractive index and the Abbe number are shown for the d-line (wavelength 587.56 nm). The unit of length is mm. As described above, the eccentricity of each surface is expressed by the amount of eccentricity from the reference surface.
実施例1の視覚表示装置の光学系の中心軸1に沿ってとった断面図(a)とその光学系内の光路を示す中心軸1に沿う方向に見た平面図(b)を図1に、図1(a)の主要部の拡大図を図2に、図1(b)の主要部の拡大図を図3に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図4に示す。この横収差図において、中央に示された角度は、(水平方向画角、垂直方向の画角)を示し、その画角におけるY方向(メリジオナル方向)とX方向(サジタル方向)の横収差を示す。なお、マイナスの画角は、水平方向画角については、Y軸正方向を向いて右回りの角度、垂直方向画角については、X軸正方向を向いて右回りの角度を意味する。以下、同じ。
FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the
本実施例は、凹面鏡2が中心軸1に直交した放射方向に凸の奇数次項を有する自由曲線を中心軸1の周りで回転させて得られる拡張回転自由曲面からなり、正パワーを有する凹面鏡である。その凹面鏡2の中心軸1と同軸に輪帯状であって円筒状の映像表示素子3が配置されており、その円筒状の映像表示素子3の内側が表示面を構成しており、表示面を出た光線は凹面鏡2で反射されて、その表示面と共役で中心軸1を中心軸とする円筒状の位置に実像として像4が結像される実施例である。そのため、中心軸1を鉛直軸とする場合、観察者が中心軸1の周りの斜め上方の観察位置(絞り)5を経て中心軸1を経て斜め下方を見ると、その方向に対応する映像表示素子3の表示面の表示像の空中像4を見ることができる。したがって、観察者が中心軸1に対して斜め上方の中心軸1の周りの何れの位置から斜め下方を見ても、その方向に対応する映像表示素子3の表示面の表示像部分の空中実像を見ることができ、そのため、中心軸1の周りの360°の何れの方向から観察者が観察しても、像面3に配置された輪帯状の表示素子のその方向に対応する表示像部分の像4が観察できるものである。
In this embodiment, the
この実施例1の仕様は、
瞳径 φ100.00mm
表示面の大きさ X9.09mm×Y9.98mm
像の大きさ □6mm×6mm
である。
The specification of this Example 1 is
Pupil diameter φ100.00mm
Display size X9.09mm x Y9.98mm
Image size □ 6mm × 6mm
It is.
実施例2の視覚表示装置の光学系の中心軸1に沿ってとった断面図(a)とその光学系内の光路を示す中心軸1に沿う方向に見た平面図(b)を図5に、図5(a)の主要部の拡大図を図6に、図5(b)の主要部の拡大図を図7に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図8に示す。
FIG. 5 is a cross-sectional view (a) taken along the
本実施例は、凹面鏡2が中心軸1に直交した放射方向に凸の奇数次項を有する自由曲線を中心軸1の周りで回転させて得られる拡張回転自由曲面からなり、正パワーを有する凹面鏡である。その凹面鏡2の中心軸1と同軸に輪帯状であって円筒状の映像表示素子3が配置されており、その円筒状の映像表示素子3の外側が表示面を構成しており、表示面を出た光線は凹面鏡2で反射されて、その表示面と共役で中心軸1を中心軸とする円筒状の位置に実像として拡大された像4が結像される実施例である。そのため、中心軸1を鉛直軸とする場合、観察者が中心軸1の周りの斜め上方の観察位置(絞り)5を経て中心軸1を経て斜め下方を見ると、その方向に対応する映像表示素子3の表示面の表示像の拡大された空中像4を見ることができる。したがって、観察者が中心軸1に対して斜め上方の中心軸1の周りの何れの位置から斜め下方を見ても、その方向に対応する映像表示素子3の表示面の表示像部分の拡大された空中実像を見ることができ、そのため、中心軸1の周りの360°の何れの方向から観察者が観察しても、像面3に配置された輪帯状の表示素子のその方向に対応する表示像部分の拡大像4が観察できるものである。
In this embodiment, the
この実施例2の仕様は、
瞳径 φ65.00mm
表示面の大きさ X2.18mm×Y2.20mm
像の大きさ □6mm×6mm
である。
The specification of Example 2 is
Pupil diameter φ65.00mm
Display size X 2.18mm x Y 2.20mm
Image size □ 6mm × 6mm
It is.
実施例3の視覚表示装置の光学系の中心軸1に沿ってとった断面図(a)とその光学系内の光路を示す中心軸1に沿う方向に見た平面図(b)を図9に、図9(a)の主要部の拡大図を図10に、図9(b)の主要部の拡大図を図11に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図12に示す。
FIG. 9 is a cross-sectional view (a) taken along the
本実施例は、凹面鏡2が中心軸1に直交した放射方向に凸の奇数次項を有する自由曲線を中心軸1の周りで回転させて得られる拡張回転自由曲面からなり、正パワーを有する凹面鏡である。その凹面鏡2の中心軸1と同軸に輪帯状であって円錐状の映像表示素子3が配置されており、その円錐状の映像表示素子3の外側が表示面を構成しており、表示面を出た光線は凹面鏡2で反射されて、その表示面と共役で中心軸1を中心軸とする円筒状の位置に実像として拡大された像4が結像される実施例である。そのため、中心軸1を鉛直軸とする場合、観察者が中心軸1の周りの斜め上方の観察位置(絞り)5を経て中心軸1を経て斜め下方を見ると、その方向に対応する映像表示素子3の表示面の表示像の拡大された空中像4を見ることができる。したがって、観察者が中心軸1に対して斜め上方の中心軸1の周りの何れの位置から斜め下方を見ても、その方向に対応する映像表示素子3の表示面の表示像部分の拡大された空中実像を見ることができ、そのため、中心軸1の周りの360°の何れの方向から観察者が観察しても、像面3に配置された輪帯状の表示素子のその方向に対応する表示像部分の拡大像4が観察できるものである。
In this embodiment, the
この実施例3の仕様は、
瞳径 φ65.00mm
表示面の大きさ X2.45mm×Y2.47mm
像の大きさ □6mm×6mm
である。
。
The specification of this Example 3 is
Pupil diameter φ65.00mm
Display size X 2.45mm x Y 2.47mm
Image size □ 6mm × 6mm
It is.
.
実施例4の視覚表示装置の光学系の中心軸1に沿ってとった断面図(a)とその光学系内の光路を示す中心軸1に沿う方向に見た平面図(b)を図13に、図13(a)の主要部の拡大図を図14に、図13(b)の主要部の拡大図を図15に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図16に示す。
FIG. 13 is a cross-sectional view (a) taken along the
本実施例は、凹面鏡2が中心軸1に直交した放射方向に凸の奇数次項を有する自由曲線を中心軸1の周りで回転させて得られる拡張回転自由曲面からなり、正パワーを有する凹面鏡である。その凹面鏡2の中心軸1と同軸に輪帯状であって円筒状の映像表示素子3が配置されており、その円筒状の映像表示素子3の外側が表示面を構成しており、表示面を出た光線は凹面鏡2で反射されて、その表示面と共役で中心軸1を中心軸とする円筒状の位置に虚像として拡大された像4が結像される実施例である。そのため、中心軸1を鉛直軸とする場合、観察者が中心軸1の周りの斜め上方の観察位置(絞り)5を経て中心軸1を経て斜め下方を見ると、その方向に対応する映像表示素子3の表示面の表示像の拡大された虚像4を見ることができる。したがって、観察者が中心軸1に対して斜め上方の中心軸1の周りの何れの位置から斜め下方を見ても、その方向に対応する映像表示素子3の表示面の表示像部分の拡大された拡大虚像を見ることができ、そのため、中心軸1の周りの360°の何れの方向から観察者が観察しても、像面3に配置された輪帯状の表示素子のその方向に対応する表示像部分の拡大像4が観察できるものである。
In this embodiment, the
この実施例4の仕様は、
瞳径 φ32.50mm
表示面の大きさ X2.03mm×Y2.06mm
像の大きさ □6mm×6mm
である。
The specification of this Example 4 is
Pupil diameter 32.50mm
Display size X2.03mm × Y2.06mm
Image size □ 6mm × 6mm
It is.
以下に、上記実施例1〜4の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ERFS”は拡張回転自由曲面を、“RS”は反射面を示す。 The configuration parameters of Examples 1 to 4 are shown below. In the table below, “ERFS” indicates an extended rotation free-form surface, and “RS” indicates a reflective surface.
実施例1
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 円筒面[1] 偏心(1)
1 ∞(絞り面) 偏心(2)
2 ∞(基準面)
3 ERFS[1] (RS) 偏心(3)
像 面 円筒面[2] 偏心(4)
円筒面[1]
X方向曲率半径 -5.00
Y方向曲率半径 ∞
円筒面[2]
X方向曲率半径 7.55
Y方向曲率半径 ∞
ERFS[1]
RY -28.04
θ 0.00
R 25.00
C4 1.0484 ×10-4
C5 -7.1424 ×10-8
偏心(1)
X 0.00 Y 0.00 Z 5.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
X 0.00 Y 109.00 Z -300.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
X 0.00 Y -7.15 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
X 0.00 Y -18.78 Z -7.55
α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。
Example 1
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface Cylindrical surface [1] Eccentricity (1)
1 ∞ (diaphragm surface) Eccentricity (2)
2 ∞ (reference plane)
3 ERFS [1] (RS) Eccentricity (3)
Image plane Cylindrical surface [2] Eccentricity (4)
Cylindrical surface [1]
X direction radius of curvature -5.00
Y direction radius of curvature ∞
Cylindrical surface [2]
X direction radius of curvature 7.55
Y direction radius of curvature ∞
ERFS [1]
RY -28.04
θ 0.00
R 25.00
C 4 1.0484 × 10 -4
C 5 -7.1424 × 10 -8
Eccentricity (1)
X 0.00 Y 0.00 Z 5.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (2)
X 0.00 Y 109.00 Z -300.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (3)
X 0.00 Y -7.15 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (4)
X 0.00 Y -18.78 Z -7.55
α 0.00 β 0.00 γ 0.00.
実施例2
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 円筒面[1] 偏心(1)
1 ∞(絞り面) 偏心(2)
2 ∞(基準面)
3 ERFS[1] (RS) 偏心(3)
像 面 円筒面[2] 偏心(4)
円筒面[1]
X方向曲率半径 20.00
Y方向曲率半径 ∞
円筒面[2]
X方向曲率半径 -8.27
Y方向曲率半径 ∞
ERFS[1]
RY -28.41
θ 0.00
R 25.00
C4 1.7888 ×10-4
C5 -2.1802 ×10-7
偏心(1)
X 0.00 Y 0.00 Z -20.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
X 0.00 Y 109.00 Z -300.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
X 0.00 Y -17.52 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
X 0.00 Y -24.03 Z 8.27
α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。
Example 2
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface Cylindrical surface [1] Eccentricity (1)
1 ∞ (diaphragm surface) Eccentricity (2)
2 ∞ (reference plane)
3 ERFS [1] (RS) Eccentricity (3)
Image plane Cylindrical surface [2] Eccentricity (4)
Cylindrical surface [1]
X direction radius of curvature 20.00
Y direction radius of curvature ∞
Cylindrical surface [2]
X direction radius of curvature -8.27
Y direction radius of curvature ∞
ERFS [1]
RY -28.41
θ 0.00
R 25.00
C 4 1.7888 × 10 -4
C 5 -2.1802 × 10 -7
Eccentricity (1)
X 0.00 Y 0.00 Z -20.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (2)
X 0.00 Y 109.00 Z -300.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (3)
X 0.00 Y -17.52 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (4)
X 0.00 Y -24.03 Z 8.27
α 0.00 β 0.00 γ 0.00.
実施例3
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 円筒面[1] 偏心(1)
1 ∞(絞り面) 偏心(2)
2 ∞(基準面)
3 ERFS[1] (RS) 偏心(3)
像 面 ERFS[2] 偏心(4)
円筒面[1]
X方向曲率半径 25.00
Y方向曲率半径 ∞
ERFS[1]
RY -32.11
θ -33.00
R 25.00
C4 -7.5923 ×10-5
C5 1.5229 ×10-6
ERFS[2]
RY ∞
θ -54.01
R 10.91
偏心(1)
X 0.00 Y 0.00 Z -25.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
X 0.00 Y 100.00 Z -300.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
X 0.00 Y -14.55 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
X 0.00 Y 2.11 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。
Example 3
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface Cylindrical surface [1] Eccentricity (1)
1 ∞ (diaphragm surface) Eccentricity (2)
2 ∞ (reference plane)
3 ERFS [1] (RS) Eccentricity (3)
Image surface ERFS [2] Eccentricity (4)
Cylindrical surface [1]
X direction radius of curvature 25.00
Y direction radius of curvature ∞
ERFS [1]
RY -32.11
θ -33.00
R 25.00
C 4 -7.5923 × 10 -5
C 5 1.5229 × 10 -6
ERFS [2]
RY ∞
θ -54.01
R 10.91
Eccentricity (1)
X 0.00 Y 0.00 Z -25.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (2)
X 0.00 Y 100.00 Z -300.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (3)
X 0.00 Y -14.55 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (4)
X 0.00 Y 2.11 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00.
実施例4
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 円筒面[1] 偏心(1)
1 ∞(絞り面) 偏心(2)
2 ∞(基準面)
3 ERFS[1] (RS) 偏心(3)
像 面 円筒面[2] 偏心(4)
円筒面[1]
X方向曲率半径 -50.00
Y方向曲率半径 ∞
円筒面[2]
X方向曲率半径 -16.78
Y方向曲率半径 ∞
ERFS[1]
RY -31.27
θ 0.00
R 25.00
C4 4.0864 ×10-4
C5 -8.9244 ×10-6
偏心(1)
X 0.00 Y 0.00 Z 50.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
X 0.00 Y 100.00 Z -150.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
X 0.00 Y 12.50 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
X 0.00 Y 8.39 Z 16.78
α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。
Example 4
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface Cylindrical surface [1] Eccentricity (1)
1 ∞ (diaphragm surface) Eccentricity (2)
2 ∞ (reference plane)
3 ERFS [1] (RS) Eccentricity (3)
Image plane Cylindrical surface [2] Eccentricity (4)
Cylindrical surface [1]
X direction radius of curvature -50.00
Y direction radius of curvature ∞
Cylindrical surface [2]
X direction radius of curvature -16.78
Y direction radius of curvature ∞
ERFS [1]
RY -31.27
θ 0.00
R 25.00
C 4 4.0864 × 10 -4
C 5 -8.9244 × 10 -6
Eccentricity (1)
X 0.00 Y 0.00 Z 50.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (2)
X 0.00 Y 100.00 Z -150.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (3)
X 0.00 Y 12.50 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (4)
X 0.00 Y 8.39 Z 16.78
α 0.00 β 0.00 γ 0.00.
なお、本発明の視覚表示装置の光学系において、中心軸1の周りで回転対称な凹面鏡2はそのまま用いることにより、凹面鏡2の周辺の360°の全ての方向から輪帯状の映像表示素子3の表示像の実像又は虚像4を観察できるが、その凹面鏡2を中心軸1を含む断面で切断して2分の1、3分の1、3分の2等にすることにより、中心軸1の周りの180°、120°、240°等の角度範囲で拡大虚像を観察できるようにしてももちろんよい。
In the optical system of the visual display device of the present invention, the
ところで、本発明の3次元的な表示面を持つ輪帯状の映像表示素子3としては、円筒面、円錐面又は球面の内面又は外面に連続的な表示面を持つ映像表示素子3を用いることができる。図17(a)は、実施例2のように円筒状の映像表示素子3の外面を用いる場合に、その映像表示素子3の表示面15を連続的な円筒面を持つ持つ表示素子で構成した場合を示す図である。この代わりに、前記したように、この例の場合は、図17(b)に示すように、円筒面の外面の輪帯状領域に沿って平面状の小さな表示面16を隣接して配置して映像表示素子3を構成してもよい。
By the way, as the annular
また、本発明の視覚表示装置の回転対称な光学系の光線が通過しない領域に遮光部材を配置することが望ましい。図18はその一例の中心軸1に沿ってとった断面図であり、実施例1の構成において映像表示素子3を背面(円筒の外面)から全方位へ照明する照明装置を配置した例である。この場合、中心軸1上に線光源12が配置され、その周囲に集光光学系として中心軸1を含む断面図内では正パワーを持ち中心軸1の周りで回転対称なリング状集光鏡13が配置され、線光源12から放射された照明光はリング状集光鏡13で再び中心軸1に向けて反射され、その反射光路中に円筒状の映像表示素子3が配置されており、実施例1の視覚表示装置の照明装置を構成している。このような構成にすると、照明光は中心軸1を含むメリジオナル断面内に制限されて映像表示素子3を照明することができ、コントラストの良い像が観察可能になる。
In addition, it is desirable to arrange a light shielding member in a region where the light beam of the rotationally symmetric optical system of the visual display device of the present invention does not pass. FIG. 18 is a cross-sectional view taken along the
そして、この例においては、回転対称な反射鏡からなる凹面鏡2からの表示光を制限する遮光部材11と、線光源12からリング状集光鏡13を経て映像表示素子3に到る照明光を制限する遮光部材11’が、図示のように中心軸1を中心に対称に配置される。
In this example, the
図19は実施例2の構成において映像表示素子3を背面(円筒の内面)から全方位へ照明する照明装置を配置した例の中心軸1に沿ってとった断面図である。この場合も、中心軸1上に線光源12が配置されており、その周囲に集光光学系として中心軸1を含む断面図内では正パワーを持ち中心軸1の周りで回転対称な偏心配置のリング状集光レンズ14が配置され、線光源12の1点から放射された照明光はリング状集光レンズ14を経て中心軸1を含む断面図内で略平行になり、映像表示素子3を照明しており、ケーラー照明になっていて、むらのない照明を行っている。しかも、線光源12から出た照明光は中心軸1を含む断面内にのみ制限され、サジタル断面の光が存在しないので、フレアーの原因となる光がな。そのため、むらが少なくコントラストの良い拡大像が観察可能になる。なお、この実施例においても、図18の場合と同様の遮光部材11、11’が配置されている。
FIG. 19 is a cross-sectional view taken along the
図20は実施例3の構成において映像表示素子3を背面(円錐の内面)から全方位へ照明する照明装置を配置した例の中心軸1に沿ってとった断面図である。この場合も、中心軸1上に線光源12が配置されており、その周囲に集光光学系として中心軸1を含む断面図内では正パワーを持ち中心軸1の周りで回転対称なリング状集光フレネルレンズ系17が配置され、線光源12の1点から放射された照明光はリング状集光フレネルレンズ系17を経て中心軸1を含む断面図内で略平行になり、映像表示素子3を照明しており、ケーラー照明になっていて、むらのない照明を行っている。しかも、線光源12から出た照明光は中心軸1を含む断面内にのみ制限され、サジタル断面の光が存在しないので、フレアーの原因となる光がな。そのため、むらが少なくコントラストの良い拡大像が観察可能になる。なお、この実施例においても、図18の場合と同様の遮光部材11、11’が配置されている。
FIG. 20 is a cross-sectional view taken along the
図21は実施例3の構成において映像表示素子3を背面(円錐の内面)から全方位へ照明する別の照明装置を配置した例の中心軸1に沿ってとった断面図である。この場合の照明装置として、中心軸1を中心とするサークル状のリング状発光体18を用い、そのリング状発光体18から放射された照明光を中心軸1を含む断面内で映像表示素子3方向に集光するリング状反射鏡19をリング状発光体18の内側に中心軸1を中心に配置して、円錐状の映像表示素子3を内側から集光照明する例を示す図である。そして、この構成では、観察像のコントラストを上げるために、映像表示素子3から射出する光線を中心軸1を含む断面内に制限するように、視野角制限フィルターあるいはルーバー20のような手段をリング状発光体18と映像表示素子3の間に配置することが好ましい。
FIG. 21 is a cross-sectional view taken along the
1…中心軸
2…凹面鏡(反射面)
3…映像表示素子
4…表示像の像(実像、虚像)
5…観察位置、観察領域(絞り)
11、11’…遮光部材
12…線光源
13…リング状集光鏡
14…リング状集光レンズ
15…表示面
16…平面状の小さな表示面
17…リング状集光フレネルレンズ系
18…リング状発光体
19…リング状反射鏡
20…視野角制限フィルター(ルーバー)
1 ...
3.
5 ... Observation position, observation area (aperture)
DESCRIPTION OF
Claims (15)
20mm<Rs ・・・(1)
なる条件を満足することを特徴とする請求項1から13の何れか1項記載の視覚表示装置。 When half of the outer diameter of the reflecting surface is Rs,
20 mm <Rs (1)
The visual display device according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.
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