JP4790547B2

JP4790547B2 - 視覚表示装置

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Publication number: JP4790547B2
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Inventors: 孝吉研野
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Priority date: 2006-09-06
Filing date: 2006-09-06
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2026-09-06
Also published as: JP2008064950A

Description

本発明は、視覚表示装置に関し、特に、周囲の全方位から眼鏡等を用いることなく立体観察することが可能な観察装置や、見る角度や個々別人よって異なる観察像を表示可能な表示装置に適した視覚表示装置に関するものである。

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し、立体表示が可能な表示装置が特許文献１〜３において知られている。
特開２００５−２２１６９０号公報特開２００６−１０８５２号公報特開２００６−１１３６７号公報

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る。さらに、表示素子やスクリーン面を回転させることなく、また、眼鏡等を用いることなく裸眼で立体視が可能で、さらに、周辺の３６０°どの方向からでも観察することが可能な表示装置は存在しなかった。

本発明は従来技術のこのような状況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や眼鏡等を用いなくても、周囲の全方位から立体観察することが可能な観察装置や、見る角度や個々別人よって異なる観察像を表示可能な表示装置に適した視覚表示装置を提供することである。

上記目的を達成する本発明の視覚表示装置は、映像を表示する表示素子と、前記表示素子の表示面の略中心を表示面に垂直に通る中心軸に同心で、中心軸の周囲３６０°方向に前記表示素子からの表示光束を射出する回転対称な観察光学系とを備えており、前記観察光学系は中心軸の周りの円周上に略連続して配置された射出瞳を形成し、前記射出瞳位置と共役な中心軸と同心な円周上に複数の光源が配置されていることを特徴とするものである。

この場合、前記表示素子と前記複数の光源との間に中心軸に同心で回転対称なコンデンサー光学系が配置されていることが望ましい。

また、前記複数の光源を順に点灯可能に構成し、その点灯の切り換えに連動して前記表示素子に表示する表示像を切り換え可能にすることが望ましい。

そして、前記表示素子に、同一物体について複数の視点から撮影された映像を切り換え可能に表示して立体観察可能にすることが望ましい。

また、前記観察光学系が前記表示素子の表示像の像を実像又は虚像として中心軸近傍に結像することが望ましい。

また、前記観察光学系が反射光学系又は反射屈折光学系からなることが望ましい。

また、前記観察光学系の少なくとも１つの面は、中心軸を含む縦断面と中心軸と直交する横断面での曲率が異なることが望ましい。

また、前記観察光学系の少なくとも１つの面は、対称面を持たない任意形状の曲線を中心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が望ましい。

その場合、前記観察光学系の少なくとも１つの面は、奇数次項を含む任意形状の曲線を中心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が望ましい。

以上の本発明によると、機械的な複雑な回転機構や眼鏡等を用いなくても、周囲の全方位から立体観察することが可能な観察装置や、見る角度や個々別人よって異なる観察像を表示可能な表示装置に適した視覚表示装置を得ることができる。

以下、実施例に基づいて本発明の視覚表示装置について説明する。

図１は、本発明の視覚表示装置の構成を模式的に示す図であり、この視覚表示装置は、映像を表示する表示素子３を有する。そして、その表示素子３の表示面の略中心を表示面に垂直に通る中心軸１を定義し、その中心軸１に同心で、中心軸１の周囲３６０°方向に表示素子３からの表示光束を射出する回転対称な観察光学系２とを備えており、観察光学系２は、中心軸１の周りの円周上に略連続して配置された射出瞳４を形成し、その射出瞳４位置と共役な中心軸１と同心な円周上に各々表示素子３を照明する複数の光源５₁、５₂、５₃、・・・（図１では２０個の光源）が配置されているものである。なお、射出瞳４は、実際上、光源５₁、５₂、５₃、・・・の像位置として定まるものである。

そして、中心軸１と同心に配置された複数の光源５₁、５₂、５₃、・・・各々で表示素子（図の場合は、透過型の表示素子）３を照明可能にするために、このような複数の光源５₁、５₂、５₃、・・・からなる光源装置５と表示素子３の間に中心軸１に同心で回転対称なコンデンサー光学系６が配置されている。

そして、中心軸１に垂直な表示素子３の表示像は、観察光学系２によって中心軸１上に表示像の実像又は虚像の像（観察像）７として結像されるようになっている。

このような構成であるので、中心軸１の周りの円周上の何れかの位置の射出瞳４近傍に観察者がその眼を持って行くと、その射出瞳４を形成する何れかの光源５₁、５₂、５₃、・・・からの照明光束によって表示素子３が照明され、表示素子３で変調された光束は観察光学系２を経て中心軸１上にその位置の射出瞳４に対して正面を向いた像７を結像する。そのため、観察者は中心軸１上に位置する表示像の像７を観察することができる。ただし、表示像が特定方向を向いているとき、射出瞳４の中心軸１の周りの位置により、像７は視軸の周りで傾いて見える。図１の例では、図の左側の射出瞳４の位置から見た像７は正規の像（立った顔）として見えるが、中心軸１に対して反対側の図の右側の射出瞳４の位置から見た像７は倒立した像（逆立ちした顔）として見え、また、図の裏面側の射出瞳４の位置から見た像７は右に向けて寝た像（頭頂を右に向けた横向きの顔）として見え、図の正面側の射出瞳４の位置から見た像７は左に向けて寝た像（頭頂を左に向けた横向きの顔）として見える。

上記の本発明の視覚表示装置において、観察する方向、すなわち、円周上の射出瞳４の位置に応じて観察される映像を異なるものとするには、光源装置５中の点灯する光源５₁、５₂、５₃、・・・を順に変更し、その点灯光源の変更に連動して表示素子３に表示する表示像を変更するようにすることで、時分割で見る角度や個々別人よって異なる観察像が表示可能になる。

さらには、相互に隣接する光源５₁、５₂、５₃、・・・の切り換えに対応して両眼視差のある画像を表示素子３に表示するようにし、その隣接する光源５₁、５₂、５₃、・・・に対応する射出瞳４の位置に観察者がその左右の眼を持って行くことにより、立体像を観察することが可能になる。そして、光源装置５中の光源５₁、５₂、５₃、・・・の点灯を一周に順に全て変更するようにし、かつ、表示素子３に連動して順に表示する表示像を同一物体の全周３６０°を角度を順に変えて見た像とすることにより、３６０°の全方位からの立体映像を観察することが可能となる。

この点をもう少し説明すると、図２に示すように、物体１００についての表示素子３に順に表示する視差画像は、全周３６０°を例えば１６分割する場合には、２２．５°毎に物体１００を回転させてカメラ１０１で撮影された静止画でもよいし、ＣＧ等で作成した３次元物体を同様に２２．５°毎に視点を回転させた生成した動画でもよい。さらに、１６台のカメラを中心点に向けて設置した撮像装置からの動画でもよい。

このようにして作成した１６視点の静止画や動画は、図３に物体１００についての１６個の画像を並べて示すように、１６視点の映像となる。このような１６視点の映像を見る角度によって表示像の角度も変えなければならないことを考慮して、図４のように撮影方向に応じて傾きを変える。そして、光源５₁、５₂、５₃、・・・の順の点灯に応じて、表示素子３に図４の１行左端の映像から右端の映像、２行左端の映像から右端の映像、３行左端の映像から右端の映像、４行左端の映像から右端の映像に順に切り換えて表示することにより、物体１００の視点に応じた立体映像が観察可能となる（この場合、光源の切り換えは目の残像時間内に行う必要がある。）。ただし、図１の場合は、観察光学系２が１回反射の反射光学系として考えているので、物体１００の立体像は左右反転の鏡像となる。

特許文献１等に開示されている表示装置では、視野角制限フィルターを備えたスクリーンに投影し、かつ、そのスクリーンを回転させる必要があったが、本発明の視覚表示装置では、周辺のどの方向にも投影することが可能な光学素子として機能する回転対称な観察光学系と表示素子と複数の光源とからなるものであり、特別なスクリーンや機械的な回転機構を用いなくても、立体観察や角度によって異なる像の観察が可能になる。

ところで、観察光学系２としては、中心軸に同心で回転対称な円環状の反射面を用いて中心軸に対して任意の角度に偏向する作用を有する光学系を用いることが望ましいが、反射面の数（反射回数）としては１回の反射光学系、反射屈折光学系に限定されず、２回以上の反射を行う反射光学系、反射屈折光学系を用いることができる（後記の実施例参照）。さらには、屈折光学系で観察光学系２を構成してもよい。

また、観察光学系２の少なくとも１つの面は、回転対称軸（中心軸）１を含む縦断面と回転対称軸１と直交する横断面での曲率が異なるように構成されていることが望ましい。本発明の視覚表示装置は、回転対称軸に直交する映像表示領域と回転対称軸の周囲の観察領域が存在する全方位光学系であるため、一平面内に映像表示領域と観察領域を配置することができない。これを避けるために、映像表示領域から観察領域に到達する光束を回転対称軸１に対して斜めになるようにする必要がある。そのため、偏心収差が発生する。これを少なくするためには、観察光学系２の少なくとも１つの面は、回転対称軸１を含む縦断面と回転対称軸１と直交する横断面での曲率が異なるように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。

さらに好ましくは、観察光学系２の少なくとも１面は、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、さらに偏心収差、例えば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。

さらに好ましくは、観察光学系２の少なくとも１面は、奇数次項を含む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、さらに自由度の高い収差補正を行うことが可能となり、収差補正上好ましい。

また、表示素子３の表示像の像（観察像）７は中心軸１近傍に実像又は虚像として結像されるようにすると、両眼視差で立体像を観察する際に、観察像の輻輳と調整を一致させることが可能となり、融像しやすい立体表示が可能となる。なお、観察像７は必ずしも中心軸１近傍に結像される必要はなく、中心軸１からある程度離れていてもよい。

以下に、本発明の視覚表示装置の光学系の実施例１〜６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５に示すように、物体面を観察像７の面とし、観察像７と共役な像面を表示面３０とし、物体面７から射出瞳４を通り（反対に延長した光線が射出瞳４を通り）、像面３０に向かう光線が観察光学系２の光学面２１を経て像面３０に至る逆光線追跡の結果に基づくものである。

座標系は、逆光線追跡において、例えば図５に示すように、物体面７の中心（中心軸１上に位置する。）を偏心光学系の偏心光学面の原点とし、中心軸１の像面３０と反対側の方向をＹ軸正方向とし、図５の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、図５の射出瞳４を通り観察光学系２に入射する光線に沿った方向を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。

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。

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。

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。

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。

Ｚ＝（Ｙ²／ＲＹ）／［１＋｛１−（Ｃ₁＋１）Ｙ²／ＲＹ²｝^{1 /2}］
Ｃ₂Ｙ＋Ｃ₃Ｙ²＋Ｃ₄Ｙ³＋Ｃ₅Ｙ⁴＋Ｃ₆Ｙ⁵＋Ｃ₇Ｙ⁶
＋・・・・＋Ｃ₂₁Ｙ²⁰＋・・・・＋Ｃ_n+1Ｙⁿ＋・・・・
・・・（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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を図５に、図５の主要部の拡大図を図６（ａ）に、その主要部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を図６（ｂ）に示す。ただし、図６（ｂ）においては、コンデンサー光学系６と光源面５０は図示を省いてある。また、この実施例の光学系の横収差図を図７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。

本実施例は、像面３０に配置される液晶表示素子のような透過型の表示素子を照明する光源５₁、５₂、５₃、・・・（図１）を配置する光源面５０とその位置に配置される複数の光源各々からの照明光を表示面３０に照射するコンデンサー光学系６とを含んで示された実施例であり、他の実施例２〜６では、光源面５０とコンデンサー光学系６は省かれているが、本実施例と同様に配置される。

実施例１の視覚表示装置は、中心軸１に直交する表示面３０を持つ表示素子３（図１）が配置され、中心軸１に同心で回転対称でメリジオナル方向、サジタル方向共正パワーを持ち拡張回転自由曲面形状の反射面２１からなる観察光学系２を備えており、表示面３０に対して観察光学系２と反対側に中心軸１に同心で回転対称な２枚の両凸レンズ６１、６２からなるコンデンサー光学系６が配置され、その表示面３０とは反対側に中心軸１に直交して光源面５０が位置し、その光源面５０に図１のような中心軸１と同心な円周上に複数の光源５₁、５₂、５₃、・・・が配置されている。そして、この複数の光源５₁、５₂、５₃、・・・が表示面３０を透過してコンデンサー光学系６と観察光学系２とにより投影されて、中心軸１の周りの円周上に略連続して配置された射出瞳４を形成している。

このような構成であるので、中心軸１を含む断面（図５）内で、中心軸１に対して観察側に位置する光源５₁からの照明光は、両凸レンズ６１と両凸レンズ６２からなるコンデンサー光学系６で広げられて表示面３０を照明し、表示面３０で変調された表示光は観察光学系２の反射面２１の中心軸１に対して観察側と反対側の部分で反射され、中心軸１近傍に観察像７を結像する。そして、その光は観察像７の結像後、光源５₁の像としての射出瞳４を形成する。そのため、観察者が眼を何れかの射出瞳４位置近傍に持って行くと、その射出瞳４を形成する何れかの光源５₁、５₂、５₃、・・・（光源面５０に中心軸１と同心な円周上に配置されている。）からの照明光束によって表示面３０が照明され、表示面３０に位置する表示素子３で変調された光束は観察光学系２を経て中心軸１上にその位置の射出瞳４に対して正面を向いた観察像７を結像する。そのため、観察者は中心軸１上に位置する観察像７を観察することができる。

したがって、光源面５０における光源５₁、５₂、５₃、・・・の点灯を順に変更し、その点灯光源の変更に連動して表示面３０に表示する表示像を変更するようにすることで、時分割で見る角度や個々別人よって異なる観察像が表示可能になる。

さらには、相互に隣接する光源５₁、５₂、５₃、・・・の切り換えに対応して両眼視差のある画像を表示面３０に表示するようにし、その隣接する光源５₁、５₂、５₃、・・・に対応する射出瞳４の位置に観察者がその左右の眼を持って行くことにより、立体像を観察することが可能になる。

この実施例１の仕様は、
射出瞳径 φ６５ｍｍ
表示面の大きさＸ９．７５ｍｍ×Ｙ１７．１０ｍｍ
像の大きさＸ１０ｍｍ×Ｙ１０ｍｍ
である。

以下の実施例２〜６では、光源面５０とコンデンサー光学系６が省かれており、主として観察光学系２について説明する。

実施例２の視覚表示装置の光学系の主要部の中心軸１に沿ってとった断面図を図８（ａ）に、その主要部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を図８（ｂ）に示す。また、この実施例の光学系の横収差図を図９に示す。

本実施例は、観察光学系２を反射面２１とその前に位置する屈折面２２とからなる裏面鏡で構成した実施例であり、中心軸１に直交する表示面３０を持つ表示素子３（図１）が配置され、中心軸１に同心で回転対称でメリジオナル方向、サジタル方向共正パワーを持ち、拡張回転自由曲面形状の屈折面２２と反射面２１からなる裏面鏡で構成された観察光学系２を備えている。中心軸１を含む断面（図８（ａ））内で、図示しない光源から出てコンデンサー光学系を経た照明光で表示面３０が照明され、表示面３０で変調された表示光は観察光学系２の屈折面２２と反射面２１の中心軸１に対して観察側と反対側の部分で屈折反射され、中心軸１近傍に観察像７を結像する。そして、その光は観察像７の結像後、光源の像としての図示を省いた射出瞳を形成する。そのため、観察者が眼を何れかの射出瞳位置近傍に持って行くと、その射出瞳を形成する何れかの光源からの照明光束によって表示面３０が照明され、表示面３０に位置する表示素子３で変調された光束は観察光学系２を経て中心軸１上にその位置の射出瞳に対して正面を向いた観察像７を結像する。そのため、観察者は中心軸１上に位置する観察像７を観察することができる。

したがって、実施例１と同様にして、時分割で見る角度や個々別人よって異なる観察像が表示可能になり、また、立体像を観察することが可能になる。

この実施例２の仕様は、
射出瞳径 φ６５ｍｍ
表示面の大きさＸ８．５４ｍｍ×Ｙ１９．５５ｍｍ
像の大きさＸ１０ｍｍ×Ｙ１０ｍｍ
である。

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を図１０に、その主要部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を図１１に示す。また、この実施例の光学系の横収差図を図１２に示す。

本実施例は、観察光学系２を２枚の反射面２１と２３で構成した実施例であり、中心軸１に直交する表示面３０を持つ表示素子３（図１）が配置され、中心軸１に同心で回転対称でメリジオナル方向、サジタル方向共正パワーを持ち、何れもトーリック面の反射面２１と反射面２３からなる観察光学系２を備えている。中心軸１を含む断面（図１０）内で、図示しない光源から出てコンデンサー光学系を経た照明光で表示面３０が照明され、表示面３０で変調された表示光は観察光学系２の反射面２１の中心軸１に対して観察側の部分でまず反射され、次いで中心軸１を横切って反射面２３の中心軸１に対して観察側と反対側の部分で反射され、中心軸１近傍に観察像７を結像する。なお、反射面２１から反射面２３に進む光路内で中心軸１近傍に中間像を１回結像している。そして、観察像７の結像後、光源の像としての射出瞳４を形成する。そのため、観察者が眼を何れかの射出瞳４位置近傍に持って行くと、その射出瞳４を形成する何れかの光源からの照明光束によって表示面３０が照明され、表示面３０に位置する表示素子３で変調された光束は観察光学系２を経て中心軸１上にその位置の射出瞳４に対して正面を向いた観察像７を結像する。そのため、観察者は中心軸１上に位置する観察像７を観察することができる。

この実施例３の仕様は、
射出瞳径 φ６０ｍｍ
表示面の大きさＸ３１．７７ｍｍ×Ｙ３６．７４ｍｍ
像の大きさＸ２０ｍｍ×Ｙ２０ｍｍ
である。

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を図１３に、その主要部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を図１４に示す。また、この実施例の光学系の横収差図を図１５に示す。

本実施例は、観察光学系２を２枚の反射面２１と２３を有する屈折体で形成し、その屈折体に表示面３０からの光が入射する入射面（屈折面）２４と射出する射出面（屈折面）２５を設けて構成した実施例であり、中心軸１に直交する表示面３０を持つ表示素子３（図１）が配置され、中心軸１に同心で回転対称でメリジオナル方向、サジタル方向共正パワーを持ち平面の屈折面２４と、何れも拡張回転自由曲面形状の反射面２１と反射面２３と、トーリック面の屈折面２５とからなる観察光学系２を備えている。中心軸１を含む断面（図１３）内で、図示しない光源から出てコンデンサー光学系を経た照明光で表示面３０が照明され、表示面３０で変調された表示光は観察光学系２の屈折面２４から観察光学系２内に入り、反射面２１の中心軸１に対して観察側の部分でまず反射され、次いで中心軸１を横切って反射面２３の中心軸１に対して観察側と反対側の部分で反射され、中心軸１近傍に中間像を結像し、屈折面２５を経てその中間像の虚像である観察像７を中心軸１近傍に結像する。なお、反射面２１から反射面２３に進む光路内で中心軸１近傍に別の中間像を１回結像している。そして、観察像７の結像後、光源の像としての射出瞳４を形成する。そのため、観察者が眼を何れかの射出瞳４位置近傍に持って行くと、その射出瞳４を形成する何れかの光源からの照明光束によって表示面３０が照明され、表示面３０に位置する表示素子３で変調された光束は観察光学系２を経て中心軸１上にその位置の射出瞳４に対して正面を向いた観察像７を結像する。そのため、観察者は中心軸１上に位置する観察像７を観察することができる。

この実施例４の仕様は、
射出瞳径 φ１６０ｍｍ
表示面の大きさＸ１５．９９ｍｍ×Ｙ１４．４９ｍｍ
像の大きさＸ１０ｍｍ×Ｙ１０ｍｍ
である。

実施例５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を図１６に、その主要部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を図１７に示す。また、この実施例の光学系の横収差図を図１８に示す。

本実施例は、観察光学系２を２枚の反射面２１と２３で構成した実施例であるが、実施例２との違いは、反射面２１での反射位置である。中心軸１に直交する表示面３０を持つ表示素子３（図１）が配置され、中心軸１に同心で回転対称でメリジオナル方向、サジタル方向共正パワーを持ち、何れも拡張回転自由曲面形状の反射面２１と反射面２３からなる観察光学系２を備えている。中心軸１を含む断面（図１６）内で、図示しない光源から出てコンデンサー光学系を経た照明光で表示面３０が照明され、表示面３０で変調された表示光は観察光学系２の反射面２１の中心軸１に対して観察側と反対側の部分でまず反射され、次いで反射面２３の中心軸１に対して反射面２１の反射部分と同じ側の観察側と反対側の部分で反射され、中心軸１近傍に観察像７を結像する。なお、この実施例では、反射面２１から反射面２３に進む光路内で中間像は結像していない。そして、観察像７の結像後、光源の像としての射出瞳４を形成する。そのため、観察者が眼を何れかの射出瞳４位置近傍に持って行くと、その射出瞳４を形成する何れかの光源からの照明光束によって表示面３０が照明され、表示面３０に位置する表示素子３で変調された光束は観察光学系２を経て中心軸１上にその位置の射出瞳４に対して正面を向いた観察像７を結像する。そのため、観察者は中心軸１上に位置する観察像７を観察することができる。

この実施例５の仕様は、
射出瞳径 φ６０ｍｍ
表示面の大きさＸ２８．０３ｍｍ×Ｙ３１．５５ｍｍ
像の大きさＸ２０ｍｍ×Ｙ２０ｍｍ
である。

実施例６の視覚表示装置の光学系の主要部の中心軸１に沿ってとった断面図を図１９に、その主要部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を図２０に示す。また、この実施例の光学系の横収差図を図２１に示す。

本実施例は、観察光学系２を２枚の反射面２１と２３を有する屈折体で形成し、その屈折体に表示面３０からの光が入射する入射面（屈折面）２４と射出する射出面（屈折面）２５を設けて構成した実施例であり、反射面２１での反射位置を実施例５と同様にした実施例である。中心軸１に直交する表示面３０を持つ表示素子３（図１）が配置され、中心軸１に同心で回転対称でメリジオナル方向、サジタル方向共正パワーを持ち球面の屈折面２４と、何れも拡張回転自由曲面形状の反射面２１と反射面２３と、トーリック面の屈折面２５とからなる観察光学系２を備えている。中心軸１を含む断面（図１３）内で、図示しない光源から出てコンデンサー光学系を経た照明光で表示面３０が照明され、表示面３０で変調された表示光は観察光学系２の屈折面２４から観察光学系２内に入り、反射面２１の中心軸１に対して観察側と反対側の部分でまず反射され、次いで反射面２３の中心軸１に対して反射面２１の反射部分と同じ側の観察側と反対側の部分で反射され、中心軸１近傍に中間像を結像し、屈折面２５を経てその中間像の虚像である観察像７を中心軸１近傍に結像する。なお、この実施例では、反射面２１から反射面２３に進む光路内で中間像は結像していない。そして、観察像７の結像後、光源の像としての射出瞳４を形成する。そのため、観察者が眼を何れかの射出瞳４位置近傍に持って行くと、その射出瞳４を形成する何れかの光源からの照明光束によって表示面３０が照明され、表示面３０に位置する表示素子３で変調された光束は観察光学系２を経て中心軸１上にその位置の射出瞳４に対して正面を向いた観察像７を結像する。そのため、観察者は中心軸１上に位置する観察像７を観察することができる。

この実施例６の仕様は、
射出瞳径 φ６０ｍｍ
表示面の大きさＸ２３．０９ｍｍ×Ｙ２４．２８ｍｍ
像の大きさＸ２０ｍｍ×Ｙ２０ｍｍ
である。

以下に、上記実施例１〜６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。

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 ∞
1 ∞（瞳面）偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[1] （ＲＳ）偏心(2)
像面 ∞（表示面）偏心(3)
4 -65.42 5.50 1.8830 40.7
5 61.30 7.51
6 -64.48 8.05 1.8830 40.7
7 39.70 20.00
光源面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -38.89
θ 10.28
Ｒ 30.00
Ｃ₄ 7.4151 ×10^-6
Ｃ₅ 1.8556 ×10^-6
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 110.00 Ｚ -300.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ -11.00 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ -33.84 Ｚ 0.00
α 90.00 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 ∞
1 ∞（瞳面）偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[1] 偏心(2) 1.5163 64.1
3 ＥＲＦＳ[2] （ＲＳ）偏心(3) 1.5163 64.1
4 ＥＲＦＳ[1] 偏心(2)
像面 ∞（表示面）偏心(4)
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -38.72
θ 0.00
Ｒ 25.00
Ｃ₄ -1.1777 ×10^-3
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ -45.28
θ 3.92
Ｒ 30.00
Ｃ₄ -3.1710 ×10^-4
Ｃ₅ 2.0352 ×10^-7
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 110.00 Ｚ -300.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ -9.17 Ｚ 25.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ -10.33 Ｚ 30.00
α 3.92 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ -27.54 Ｚ 0.00
α 90.00 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 ∞
1 ∞（瞳面）偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[1] （ＲＳ）偏心(2)
3 ＥＲＦＳ[2] （ＲＳ）偏心(3)
像面 ∞（表示面）偏心(4)
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -70.93
θ -25.99
Ｒ 63.78
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 81.57
θ -50.67
Ｒ -46.76
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 77.65 Ｚ -289.78
α -15.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ -17.09 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ 66.17 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ -20.00 Ｚ 0.00
α -90.00 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 ∞
1 ∞（瞳面）偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[1] 偏心(2) 1.5163 64.1
3 ＥＲＦＳ[2] （ＲＳ）偏心(3) 1.5163 64.1
4 ＥＲＦＳ[3] （ＲＳ）偏心(4) 1.5163 64.1
5 ∞ 偏心(5) 像面 ∞（表示面）偏心(6)
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 31.67
θ -16.29
Ｒ -48.43
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ -56.79
θ -32.02
Ｒ 41.05
Ｃ₄ 6.4562 ×10^-6
Ｃ₅ 5.4101 ×10^-8
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 49.41
θ -55.52
Ｒ -28.54
Ｃ₄ -2.5089 ×10^-7
Ｃ₅ -1.0188 ×10^-7
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 126.79 Ｚ -271.89
α -25.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ 22.58 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ -13.60 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ 49.09 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(5)
Ｘ 0.00 Ｙ -20.00 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(6)
Ｘ 0.00 Ｙ -22.00 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00 。

実施例５
面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
物体面 ∞
1 ∞（瞳面）偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[1] （ＲＳ）偏心(2)
4 ＥＲＦＳ[2] （ＲＳ）偏心(3)
像面 ∞（表示面）偏心(4)
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -265.99
θ -55.52
Ｒ 78.90
Ｃ₄ 1.2748 ×10^-5
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 206.65
θ -111.33
Ｒ 80.61
Ｃ₄ -2.3507 ×10^-7
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 102.61 Ｚ -281.91
α -20.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ -28.72 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ 65.81 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ -25.00 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00 。

実施例６
面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
物体面 ∞
1 ∞（瞳面）偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[1] 偏心(2) 1.5163 64.1
3 ＥＲＦＳ[2] （ＲＳ）偏心(3) 1.5163 64.1
4 ＥＲＦＳ[3] （ＲＳ）偏心(4) 1.5163 64.1
5 -134.32 5.00 偏心(5)
像面 ∞（表示面）
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ 49.27
θ -29.54
Ｒ -62.08
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ -128.86
θ -62.07
Ｒ 33.43
Ｃ₄ 3.6325 ×10^-5
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 191.52
θ -110.69
Ｒ 44.32
Ｃ4 -3.3577 ×10^-5
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 102.61 Ｚ -281.91
α -20.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ 22.60 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ -18.49 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ 38.29 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(5)
Ｘ 0.00 Ｙ -25.24 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00 。

なお、本発明の視覚表示装置の以上のような光学系において、中心軸１の周りで回転対称な観察光学系２はそのまま用いることにより、光学系の周辺の３６０°の全ての方向から表示面３０の観察像７を観察できるが、その観察光学系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°等の角度範囲で観察像７を観察できるようにしてももちろんよい。また、略連続して配置された射出瞳４の数（光源５₁、５₂、５₃、・・・の数に対応）も少なくとも２つ以上の任意の数の射出瞳を投影するようにできることは言うまでもない。

本発明の視覚表示装置の構成を模式的に示す図である。本発明の視覚表示装置の表示面に配置する視差画像の撮影方法を説明するための図である。図２の撮影方法で撮影された視差画像の例を示す図である。図３の視差画像を表示素子に表示する場合に撮影方向に応じて傾きを変えることを示す図である。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である。図５の主要部の拡大図（ａ）と、その主要部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）である。実施例１の光学系の横収差図である。本発明の実施例２の視覚表示装置の光学系の主要部の中心軸に沿ってとった断面図（ａ）と、その主要部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）である。実施例２の光学系の横収差図である。本発明の実施例３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である。図１０の主要部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である。実施例３の光学系の横収差図である。本発明の実施例４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である。図１３の主要部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である。実施例４の光学系の横収差図である。本発明の実施例５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である。図１６の主要部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である。実施例５の光学系の横収差図である。本発明の実施例６の視覚表示装置の光学系の主要部の中心軸に沿ってとった断面図である。図１９の主要部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である。実施例６の光学系の横収差図である。

符号の説明

１…中心軸
２…観察光学系
３…表示素子
４…射出瞳
５…光源装置
５₁、５₂、５₃、・・・…光源
６…コンデンサー光学系
７…表示像の像（観察像）
２１、２３…反射面
２２…屈折面
２４…入射面（屈折面）
２５…射出面（屈折面）
３０…表示面（像面）
５０…光源面
６１、６２…両凸レンズ
１００…物体
１０１…カメラ

Claims

映像を表示する表示素子と、前記表示素子の表示面の略中心を表示面に垂直に通る中心軸に同心で、中心軸の周囲３６０°方向に前記表示素子からの表示光束を射出する回転対称な観察光学系とを備えており、前記観察光学系は中心軸の周りの円周上に略連続して配置された射出瞳を形成し、前記射出瞳位置と共役な中心軸と同心な円周上に複数の光源が配置されていることを特徴とする視覚表示装置。
前記表示素子と前記複数の光源との間に中心軸に同心で回転対称なコンデンサー光学系が配置されていることを特徴とする請求項１記載の視覚表示装置。
前記複数の光源を順に点灯可能に構成し、その点灯の切り換えに連動して前記表示素子に表示する表示像を切り換え可能にしたことを特徴とする請求項１又は２記載の視覚表示装置。
前記表示素子に、同一物体について複数の視点から撮影された映像を切り換え可能に表示して立体観察可能にしたことを特徴とする請求項３項記載の視覚表示装置。
前記観察光学系が前記表示素子の表示像の像を実像又は虚像として中心軸近傍に結像することを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の視覚表示装置。
前記観察光学系が反射光学系又は反射屈折光学系からなることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の視覚表示装置。
前記観察光学系の少なくとも１つの面は、中心軸を含む縦断面と中心軸と直交する横断面での曲率が異なることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の視覚表示装置。
前記観察光学系の少なくとも１つの面は、対称面を持たない任意形状の曲線を中心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を特徴とする請求項１から７の何れか１項記載の視覚表示装置。
前記観察光学系の少なくとも１つの面は、奇数次項を含む任意形状の曲線を中心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を特徴とする請求項７記載の視覚表示装置。