JP4790553B2 - Visual display device - Google Patents

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JP4790553B2 JP2006256837A JP2006256837A JP4790553B2 JP 4790553 B2 JP4790553 B2 JP 4790553B2 JP 2006256837 A JP2006256837 A JP 2006256837A JP 2006256837 A JP2006256837 A JP 2006256837A JP 4790553 B2 JP4790553 B2 JP 4790553B2
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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に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。   The present invention relates to a visual display device, and in particular, suitable for an observation device capable of stereoscopic observation from all surrounding directions without using glasses or the like, and a display device capable of displaying different observation images depending on viewing angles and individual persons. The present invention relates to a visual display device.

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
Conventionally, when a screen provided with a viewing angle limiting filter is rotated around a central axis, for example, an image obtained by viewing one object from a 360 ° peripheral direction is projected on the screen to observe from an arbitrary direction. Patent Documents 1 to 3 are known in which a viewing image changes depending on the viewing direction, and three-dimensional display is possible.
JP 2005-221690 A JP 2006-10852 A JP 2006-11367 A

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。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。   However, in the case of the conventional examples known in Patent Documents 1 to 3, a mechanism for mechanically rotating a screen provided with a viewing angle limiting filter is necessary, and observation is performed in that direction when viewed from a specific direction. Possible images can only be seen intermittently. Furthermore, there is a display device that can be viewed stereoscopically with the naked eye without rotating the display element or the screen surface, without using glasses or the like, and capable of observing from any direction around 360 °. There wasn't.

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。   The present invention has been made in view of such a situation in the prior art, and the object thereof is to enable stereoscopic observation from all directions without using a complicated mechanical rotation mechanism or glasses. And a visual display device suitable for a display device capable of displaying different observation images depending on viewing angles and individual persons.

上記課題を解決するために、本発明は、中心軸に同心に回転対称な主光学系が配置され、前記中心軸に同心な円周上に複数の同一構成の副光学系が並列して配置され、さらに、前記主光学系を挟んで、前記各副光学系の反対側に、前記中心軸に同心に回転対称な第3光学系が配置され、前記各副光学系、前記主光学系及び前記第3光学系により構成される合成光学系の射出瞳が前記第3光学系の前記主光学系側とは反対側であって前記中心軸に対して対応する前記副光学系とは反対側に位置し、前記各副光学系の前記主光学系とは反対側に表示面が配置され、前記各合成光学系による前記表示面の虚像が前記中心軸近傍に結像され、かつ、前記各合成光学系の前記射出瞳が前記中心軸に同心に略連続的に形成され、前記表示面は前記中心軸に垂直な共通の平面上に回転対称に配置されることを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is arranged such that a main optical system that is rotationally symmetric with respect to a central axis is arranged, and a plurality of sub optical systems having the same configuration are arranged in parallel on a circumference that is concentric with the central axis. Further, a third optical system that is rotationally symmetric with respect to the central axis is disposed on the opposite side of each of the sub optical systems across the main optical system, and each of the sub optical systems, the main optical system, and The exit pupil of the combining optical system constituted by the third optical system is opposite to the main optical system side of the third optical system and opposite to the sub optical system corresponding to the central axis. And a display surface is disposed on the opposite side of each sub optical system from the main optical system, and a virtual image of the display surface by each combining optical system is formed in the vicinity of the central axis, and The exit pupil of the combining optical system is formed substantially continuously and concentrically with the central axis, and the display surface is perpendicular to the central axis. It is characterized by being arranged rotationally symmetrical on a straight common plane.

また、前記各副光学系と前記主光学系との組み合わせによる前記表示面の中間像が前記中心軸近傍に重層して投影されることを特徴とする。   Further, an intermediate image of the display surface by a combination of each of the sub optical systems and the main optical system is projected in a layered manner in the vicinity of the central axis.

また、前記第3光学系は前記重層され投影された前記中間像を360°全方位に向けて画角を変換する変換作用を有し、前記重層されて投影される前記中間像は画角変換後正立した前記虚像になるように回転して重層されていることを特徴とする。   In addition, the third optical system has a conversion function of converting the angle of view of the superimposed and projected intermediate image in all directions of 360 °, and the intermediate image projected as superimposed is converted to an angle of view. It is characterized by being layered by rotating so as to become the above-mentioned erect virtual image.

また、前記表示面各々は、複数の異なる映像を表示することを特徴とする。   Each of the display surfaces displays a plurality of different videos.

また、前記複数の異なる映像は、同一物体について複数の視点から撮影された映像であることを特徴とする。   Further, the plurality of different videos are videos taken from a plurality of viewpoints of the same object.

また、前記表示面各々は、各副光学系と対応して配置された複数の表示素子の表示面であることを特徴とする。   In addition, each of the display surfaces is a display surface of a plurality of display elements arranged corresponding to each sub optical system.

また、前記表示面各々は、各副光学系と対応して一つの表示素子を各領域に区分した表示面であることを特徴とする。   Further, each of the display surfaces is a display surface in which one display element is divided into regions corresponding to each sub optical system.

また、前記第3光学系の少なくとも1つの面は、回転対称軸を含む縦断面と回転対称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。   Further, at least one surface of the third optical system has a different curvature in a longitudinal section including a rotational symmetry axis and a transverse section orthogonal to the rotational symmetry axis.

また、前記合成光学系の中心軸と直交する方向の半径をRsとするとき、
10<Rs ・・・(1)
なる条件を満足することを特徴とする。
When the radius in the direction orthogonal to the central axis of the composite optical system is Rs,
10 <Rs (1)
It satisfies the following condition.

また、前記第3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を特徴とする。   In addition, at least one surface of the third optical system has a rotationally symmetric shape formed by rotating an arbitrary-shaped curve having no symmetrical surface around a rotational symmetry axis.

また、前記第3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を特徴とする。   In addition, at least one surface of the third optical system has a rotationally symmetric shape formed by rotating an arbitrarily shaped curve including an odd-order term around a rotationally symmetric axis.

以上の本発明の視覚表示装置においては、機械的に複雑な回転機構や眼鏡等を用いなくても、周辺から観察したときに視差のある画像を観察することにより立体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。また、見る角度や見る方向によって異なる観察像を表示可能な視覚表示装置を提供することができる。さらに、表示面が、共通な平面上に形成されるので、表示素子の虚像が中心軸近傍に結像され、虚像の位置を移動させるフォーカス機構が直線移動の構造でできると共に、表示面の組立が容易になる。   In the visual display device of the present invention described above, it is possible to observe a stereoscopic image by observing an image with parallax when viewed from the periphery without using a mechanically complicated rotating mechanism or glasses. A visual display device can be provided. Further, it is possible to provide a visual display device that can display different observation images depending on the viewing angle and the viewing direction. Further, since the display surface is formed on a common plane, a virtual image of the display element is formed near the central axis, and a focus mechanism for moving the position of the virtual image can be formed by a linear movement structure. Becomes easier.

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。   The visual display device of the present invention will be described below based on examples.

本発明の視覚表示装置の基本原理は、図1に示すように、中心軸1に同心に回転対称な主光学系2が配置され、中心軸1に同心な円周上に複数の同一構成の副光学系3が並列して配置され、さらに、主光学系2を挟んで副光学系3の反対側に中心軸1に同心に回転対称な第3光学系4が配置され、各副光学系3、主光学系2及び第3光学系4により構成される合成光学系の射出瞳5が第3光学系4の主光学系2側とは反対側であって中心軸1に対して対応する副光学系3とは反対側に位置し、各副光学系3の主光学系2とは反対側に表示面16が配置され、各合成光学系による虚像8が中心軸1近傍に結像され、かつ、各合成光学系の射出瞳5が中心軸1に同心に略連続的に形成され、表示面16は、中心軸1に垂直の共通な平面上に回転対称に配置されものである。   As shown in FIG. 1, the basic principle of the visual display device of the present invention is that a main optical system 2 that is rotationally symmetric is arranged concentrically with a central axis 1 and a plurality of identical configurations are arranged on a circumference concentric with the central axis 1. A sub optical system 3 is arranged in parallel, and a third optical system 4 that is rotationally symmetric with respect to the central axis 1 is arranged on the opposite side of the sub optical system 3 with the main optical system 2 interposed therebetween. 3. The exit pupil 5 of the combining optical system constituted by the main optical system 2 and the third optical system 4 is opposite to the main optical system 2 side of the third optical system 4 and corresponds to the central axis 1. A display surface 16 is disposed on the opposite side of the sub optical system 3 from the main optical system 2 of each sub optical system 3, and a virtual image 8 by each combining optical system is formed near the central axis 1. In addition, the exit pupil 5 of each combining optical system is formed substantially continuously and concentrically with the central axis 1, and the display surface 16 is rotated on a common plane perpendicular to the central axis 1. Those disposed.

中心軸1に対してその周囲から中心軸1方向を観察する光学系の場合、従来の回転対称で像面が中心軸1に直交する光学系では、光線を大きく屈曲させる必要があり、周辺からの観察像の歪みが大きく発生してしまい、比較的大きな観察領域をとることはできなかった。   In the case of an optical system that observes the central axis 1 direction from the periphery with respect to the central axis 1, in the conventional optical system in which the image plane is orthogonal to the central axis 1 with a rotational symmetry, it is necessary to bend the light beam greatly. The observed image was greatly distorted, and a relatively large observation area could not be taken.

一方、特許文献1〜3に開示されているスクリーンに投影する方法では、スクリーンを回転させる必要があった。   On the other hand, in the method of projecting onto the screen disclosed in Patent Documents 1 to 3, it is necessary to rotate the screen.

そこで、本発明では、中心軸周辺のどの方向からも拡大光学系として機能する光学系を、回転対称軸(中心軸)を上下方向として配置し、観察方向は回転対称軸と略垂直な水平方向の全方位から観察可能なようにすることが最大の特徴である。   Therefore, in the present invention, an optical system that functions as a magnifying optical system from any direction around the central axis is arranged with the rotational symmetry axis (central axis) as the vertical direction, and the observation direction is a horizontal direction substantially perpendicular to the rotational symmetry axis. It is the biggest feature to be able to observe from all directions.

このような構成により、回転対称軸を上下方向として、水平方向のどの方向からでも拡大観察光学系(視覚表示装置)として機能させることに成功したものである。   With such a configuration, it has succeeded in functioning as a magnifying observation optical system (visual display device) from any horizontal direction with the rotational symmetry axis as the vertical direction.

以下、図面を参照して説明する。図10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であり、図11は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であり、図12は図10の主要部の拡大図であり、図13は図11の主要部の拡大図である。なお、図10及び図12においては、一部の副光学系3、表示素子6しか図示していない。   Hereinafter, description will be given with reference to the drawings. FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the central axis of the optical system of the visual display device according to the first embodiment of the present invention, which will be described later, and FIG. 11 is viewed in the direction along the central axis indicating the optical path in the optical system. 12 is an enlarged view of the main part of FIG. 10, and FIG. 13 is an enlarged view of the main part of FIG. 10 and 12, only a part of the sub optical system 3 and the display element 6 are shown.

以下、これら図10〜図13を参照して、本発明の視覚表示装置を説明する。   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に同心で回転対称な主光学系2が配置される。この主光学系2は、この実施例の場合、両凸レンズを用いているが、正パワーを持った単体のレンズに限定されず、反射光学系あるいは反射屈折光学系、複合光学系何れでもよく、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、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, a main optical system 2 that is concentric and rotationally symmetric with respect to the central axis 1 is disposed. In this embodiment, the main optical system 2 uses a biconvex lens. However, the main optical system 2 is not limited to a single lens having positive power, and may be a reflection optical system, a catadioptric optical system, or a composite optical system. The requirements are that a positive power is given to the light beam traveling toward the central axis 1 and that it has a rotationally symmetric shape with respect to the central axis 1.

そして、特に図13から明らかなように、中心軸1に同心な円周上に複数の同一構成の副光学系3が並列して配置される。この副光学系3も、単体のレンズに限定されず、反射光学系あるいは反射屈折光学系、複合光学系何れでもよい。また、各副光学系3の主光学系2とは反対側に、表示素子6からなる表示面16が中心軸1と垂直な共通な平面上に配置されている。そして、表示素子6の中間像7が各副光学系3と主光学系2との組み合わせによって結像される。   As is apparent from FIG. 13 in particular, a plurality of sub optical systems 3 having the same configuration are arranged in parallel on a circumference concentric with the central axis 1. The sub optical system 3 is not limited to a single lens, and may be a reflection optical system, a catadioptric optical system, or a composite optical system. Further, on the side opposite to the main optical system 2 of each sub optical system 3, a display surface 16 composed of the display element 6 is arranged on a common plane perpendicular to the central axis 1. Then, an intermediate image 7 of the display element 6 is formed by a combination of each sub optical system 3 and the main optical system 2.

また、主光学系2を挟んで副光学系3の反対側に中心軸1に同心で回転対称な第3光学系4が配置される。この第3光学系4も、単体の屈折体に限定されず、反射光学系あるいは反射屈折光学系、複合光学系何れでもよい。   A third optical system 4 that is concentric and rotationally symmetric with respect to the central axis 1 is disposed on the opposite side of the sub optical system 3 with the main optical system 2 interposed therebetween. The third optical system 4 is not limited to a single refractor, and may be a reflective optical system, a catadioptric optical system, or a composite optical system.

さらに、各合成光学系の射出瞳5が中心軸1に同心に並列配置される。各射出瞳5の大きさとしては、並列配置されたときにその円周上に略連続的に繋がるようにする。   Further, the exit pupils 5 of the respective synthesis optical systems are arranged concentrically in parallel with the central axis 1. The size of each exit pupil 5 is such that when arranged in parallel, they are connected substantially continuously on the circumference thereof.

このような構成であるので、観察者はその眼を何れかの射出瞳5位置近傍に持って行くと、合成光学系(副光学系3、主光学系2及び第3光学系4)の副光学系3と主光学系2との組み合わせによって表示素子6の中間像7が中心軸1近傍に結像され、その中間像7の虚像8が第3光学系4によって中心軸1近傍に結像され観察することができる。そして、副光学系3、主光学系2及び第3光学系4からなる合成光学系は、中心軸1を中心としてその周りに一定角度毎に配置されているのに等しいため、中心軸1を上下方向として設定すると、中心軸1の周囲の360°のどの方向から観察しても、観察者の眼が位置する射出瞳5と中心軸1を挟んで反対側の表示素子6の虚像8を観察することができる。   With such a configuration, when the observer brings his / her eyes in the vicinity of any exit pupil 5 position, the sub optical system 3 (sub optical system 3, main optical system 2, and third optical system 4) is sub An intermediate image 7 of the display element 6 is formed near the central axis 1 by the combination of the optical system 3 and the main optical system 2, and a virtual image 8 of the intermediate image 7 is formed near the central axis 1 by the third optical system 4. Can be observed. The composite optical system composed of the sub optical system 3, the main optical system 2, and the third optical system 4 is equivalent to being arranged at fixed angles around the central axis 1, so that the central axis 1 is If the vertical direction is set, the virtual image 8 of the display element 6 on the opposite side across the central axis 1 and the exit pupil 5 where the observer's eyes are located can be observed regardless of the 360 ° direction around the central axis 1. Can be observed.

本発明では、表示面16は中心軸1に垂直な共通な平面上に配置されているため、表示素子6の虚像8は中心軸1近傍に結像され、虚像8の位置を移動させるフォーカス機構が直線移動の構造でできると共に、表示素子の組立が容易になる。   In the present invention, since the display surface 16 is arranged on a common plane perpendicular to the central axis 1, the virtual image 8 of the display element 6 is formed in the vicinity of the central axis 1, and the focus mechanism moves the position of the virtual image 8. Can be formed in a linearly moving structure, and the display element can be easily assembled.

さらに、複数の同一の副光学系3を同心に並列に配置して、中心軸1に同心に略連続的に射出瞳5が並列されることにより、広い観察領域を形成することができる。並列の連続して投影された射出瞳5により、拡散板等を用いることなく、広い観察領域を確保することが可能となる。さらに、表示素子6の像は副光学系3と主光学系2との組み合わせにより中心軸1近傍に中間像7として拡大投影される。観察者は、この投影された中間像7を、第3光学系4を通して観察することになり、大きい虚像8を観察することが可能となる。   Furthermore, a plurality of identical sub optical systems 3 are arranged concentrically and in parallel, and the exit pupil 5 is arranged substantially continuously and concentrically with the central axis 1, whereby a wide observation region can be formed. A wide observation area can be secured without using a diffusion plate or the like by the exit pupils 5 projected in parallel continuously. Further, the image of the display element 6 is enlarged and projected as an intermediate image 7 near the central axis 1 by the combination of the sub optical system 3 and the main optical system 2. The observer observes the projected intermediate image 7 through the third optical system 4 and can observe the large virtual image 8.

さらに、虚像8を中心軸1近傍に配置するようにすると、少なくとも合成光学系により投影された虚像8の輻輳と両眼の輻輳点と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。   Further, if the virtual image 8 is arranged in the vicinity of the central axis 1, at least the convergence of the virtual image 8 projected by the synthesis optical system can coincide with the convergence point of both eyes, and a stereoscopic display that is easy to fuse is obtained. It becomes possible.

さらに好ましくは、表示素子6各々には同一物体について複数の視点から撮影された映像を表示するようにすることが望ましい。すなわち、図2に示すように、物体100についての視差画像は、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。   More preferably, it is desirable that each display element 6 displays images taken from a plurality of viewpoints for the same object. That is, as shown in FIG. 2, the parallax image of the object 100 is a still image captured by the camera 101 by rotating the object 100 every 22.5 ° when the entire circumference of 360 ° is divided into 16, for example. Alternatively, a moving image generated by rotating a viewpoint every 22.5 ° similarly for a three-dimensional object created by CG or the like may be used. Furthermore, it may be a moving image from an imaging device in which 16 cameras are installed toward the center point.

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。このような映像を個々の表示素子6を並べて形成される全体の表示面16に、図4に示すように、撮影された角度順に同心となるように表示する。   The still images and moving images with 16 viewpoints created in this way become 16 viewpoint videos as shown in FIG. 3 with 16 images of the object 100 arranged side by side. Such an image is displayed on the entire display surface 16 formed by arranging the individual display elements 6 so as to be concentric in the order of the photographed angles as shown in FIG.

このような視差画像を中心軸の周りで撮影された角度順に各表示素子6に配置すると、図5に示すように、隣接した射出瞳5に観察者の左右の眼球EL、ERが位置するとき、左右の眼球EL、ERに両眼視差像の虚像8が見えることになり、撮影した物体100の立体像が見えることになる。   When such parallax images are arranged on the respective display elements 6 in the order of angles taken around the central axis, as shown in FIG. 5, when the left and right eyeballs EL and ER of the observer are positioned on the adjacent exit pupil 5 The virtual image 8 of the binocular parallax image is seen in the left and right eyeballs EL and ER, and the stereoscopic image of the photographed object 100 is seen.

ここで、観察位置での射出瞳5と観察者の左右の眼球EL、ERの位置については、図6に示すように、少なくとも、眼幅の標準が65mmなので、本発明の視覚表示装置の光学系50の投影された射出瞳5も65mm間隔となることが望ましい。また、射出瞳5の形状は、図5に示すような正方形に限らず、楕円や長方形でも可能である。   Here, as for the position of the exit pupil 5 and the left and right eyeballs EL and ER of the observer at the observation position, as shown in FIG. 6, at least the standard of the eye width is 65 mm. Desirably, the projected exit pupils 5 of the system 50 are also 65 mm apart. Further, the shape of the exit pupil 5 is not limited to a square as shown in FIG. 5, but may be an ellipse or a rectangle.

また、図6に示すように、観察位置を明視の距離30cmとすると、標準眼幅65mmであるから、本発明の視覚表示装置の光学系50の1つの合成光学系による観察領域は、12.37°以上あることが好ましい。さらに、観察者Eが頭を動かした場合は、図7に示すように、順次隣の合成光学系による観察領域へ移っていって、やがて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。また、機械的に光学系50を回転させて全方位の立体映像を観察をすることも可能であるし、各表示素子6の表示映像を電子的に切り替えて全方位からの立体映像を観察するようにすることも可能である。   Also, as shown in FIG. 6, when the observation position is a clear vision distance of 30 cm, the standard eye width is 65 mm. Therefore, the observation region by one synthetic optical system of the optical system 50 of the visual display device of the present invention is 12 It is preferably 37 ° or more. Furthermore, when the observer E moves his / her head, as shown in FIG. 7, the observer sequentially moves to the observation area by the adjacent synthetic optical system and eventually observes a stereoscopic image from all directions of 360 °. It becomes possible. It is also possible to observe the omnidirectional stereoscopic image by mechanically rotating the optical system 50, or to electronically switch the display image of each display element 6 to observe the stereoscopic image from all directions. It is also possible to do so.

なお、各表示素子6に配置する画像として上記のような視差画像を角度順に配置したものに限定されず、例えば、ある角度を境にして全く別の画像とすることで、見る角度や個々別人よって異なる像が観察可能になる。   Note that the image to be arranged on each display element 6 is not limited to an image in which the parallax images as described above are arranged in the order of angles. For example, by making a completely different image with a certain angle as a boundary, the viewing angle or individual Therefore, different images can be observed.

また、各射出瞳5は、連続的に配置されることが好ましいが、これに限らず、図8に示すように、各射出瞳5が多少離れていても、視差画像を中心軸の周りで撮影された角度順に各射出瞳5に配置すると、隣接した射出瞳5に観察者の左右の眼球EL、ERが位置するとき、左右の眼球EL、ERに両眼視差像の虚像8が見えることになり、撮影した物体100の立体像が見えることは同様である。   The exit pupils 5 are preferably arranged continuously. However, the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. 8, even if the exit pupils 5 are slightly separated, the parallax image is rotated around the central axis. When arranged on each exit pupil 5 in the order of the captured angles, when the left and right eyeballs EL and ER of the observer are positioned on the adjacent exit pupil 5, the virtual image 8 of the binocular parallax image can be seen on the left and right eyeballs EL and ER. It is the same that the stereoscopic image of the photographed object 100 can be seen.

以上の本発明の視覚表示装置の第3光学系4及び虚像8の位置関係を示すイメージを図9の模式図に示す。   An image showing the positional relationship between the third optical system 4 and the virtual image 8 of the visual display device of the present invention is shown in the schematic diagram of FIG.

また、好ましくは、副光学系3と主光学系2との組み合わせによる表示面16の中間像7が中心軸1近傍に重層して投影されることで、視覚表示装置の外径に対して比較的大きな虚像を表示することができる。   Further, preferably, the intermediate image 7 of the display surface 16 by the combination of the sub optical system 3 and the main optical system 2 is projected in a layered manner in the vicinity of the central axis 1, thereby comparing with the outer diameter of the visual display device A large virtual image can be displayed.

さらに好ましくは、第3光学系4は重層され投影された虚像を360°全方位に向けて画角を変換する変換作用を有し、重層されて投影される虚像は画角変換後正立した虚像になるように回転して重層されているので、画角変換作用により回転対称軸に対して任意の角度の全周から観察することが可能となる。   More preferably, the third optical system 4 has a conversion action of converting the angle of view of the superimposed and projected virtual image in all directions of 360 °, and the superimposed and projected virtual image is erected after the angle of view conversion. Since they are rotated and layered so as to form a virtual image, it is possible to observe from the entire circumference at an arbitrary angle with respect to the rotational symmetry axis by the view angle conversion action.

また、表示面16各々には、複数の異なる映像を表示するので、同一領域にでも見る角度により異なる映像を表示することができる。   Further, since a plurality of different images are displayed on each display surface 16, different images can be displayed depending on the viewing angle even in the same region.

また、好ましくは、複数の異なる映像は、同一物体について複数の視点から撮影された映像であるので、立体観察をすることができる。   Preferably, the plurality of different images are images taken from a plurality of viewpoints of the same object, so that stereoscopic observation can be performed.

さらに好ましくは、表示面16各々を各副光学系3と対応して配置された複数の表示素子6の表示面16とするので、特殊な表示素子6を新たに製作することなく、汎用の平面表示素子6により表示面16を区分することで、各々の表示素子6を構成することが可能となり、安価に装置を構成することが可能となる。   More preferably, each display surface 16 is a display surface 16 of a plurality of display elements 6 arranged corresponding to each sub-optical system 3, so that a general-purpose plane can be obtained without newly manufacturing a special display element 6. By dividing the display surface 16 by the display element 6, each display element 6 can be configured, and the apparatus can be configured at low cost.

また、表示面16各々を各副光学系3と対応して一つの表示素子6を各領域に区分した表示面16とするので、一つの表示素子6により表示面16を形成することが可能となり、簡単な構造で構成することが可能となる。

また、第3光学系4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。本発明の光学系においては、副光学系3は、中心軸1に対して同心な円周上に複数並列に配置される。そのため、主光学系2に対して副光学系3は偏心して配置されることになり、偏心収差が発生する。これを少なくするためには、第3光学系4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。
Further, since each display surface 16 is a display surface 16 corresponding to each sub optical system 3 and one display element 6 is divided into each region, the display surface 16 can be formed by one display element 6. It is possible to configure with a simple structure.

Further, it is desirable that at least one surface of the third optical system 4 is configured to have different curvatures in a longitudinal section including the rotational symmetry axis (center axis) 1 and a transverse section orthogonal to the rotational symmetry axis 1. . In the optical system of the present invention, a plurality of sub optical systems 3 are arranged in parallel on a circumference concentric with the central axis 1. Therefore, the sub optical system 3 is decentered with respect to the main optical system 2, and decentration aberration occurs. In order to reduce this, at least one surface of the third optical system 4 is configured to have different curvatures in a longitudinal section including the rotational symmetry axis (center axis) 1 and a transverse section orthogonal to the rotational symmetry axis 1. This makes it possible to correct this decentration aberration.

また、好ましくは、合成光学系の中心軸1を直交する方向の半径をRsをするとき、10<Rsなる条件を満足することが望ましい。下限を超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。   Preferably, when the radius in the direction orthogonal to the central axis 1 of the combining optical system is Rs, it is desirable to satisfy the condition of 10 <Rs. If the lower limit is exceeded, the observation image becomes small, and it becomes difficult to make a realistic observation.

さらに好ましくは、第3光学系4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。   More preferably, at least one surface of the third optical system 4 is further decentered by having a rotationally symmetric shape formed by rotating an arbitrary-shaped curve having no symmetric surface around the rotational symmetry axis 1. It becomes possible to correct aberration, for example, coma generated by decentration.

さらに好ましくは、第3光学系4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。   More preferably, at least one surface of the third optical system 4 has a rotationally symmetric shape formed by rotating an arbitrarily shaped curve including an odd-order term around the rotational symmetry axis 1, thereby further increasing the degree of freedom. Aberration correction can be performed, which is preferable in terms of aberration correction.

なお、以下に説明する実施例1及び実施例2の光学系のRsは次の通りである。ただし、Rsは光学系の中心軸に直交する方向の半径を示す。   In addition, Rs of the optical system of Example 1 and Example 2 demonstrated below is as follows. Here, Rs indicates a radius in a direction orthogonal to the central axis of the optical system.

実施例 1
Rs(mm) 32.00
実施例 2
Rs(mm) 30.00
上記Rsは、
10<Rs ・・・(1)
なる条件を満足することが望ましい。さらに好ましくは、
20<Rs ・・・(1−1)
なる条件を満足することが望ましい。下限を超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。
Example 1
Rs (mm) 32.00
Example 2
Rs (mm) 30.00
Rs is
10 <Rs (1)
It is desirable to satisfy the following conditions. More preferably,
20 <Rs (1-1)
It is desirable to satisfy the following conditions. If the lower limit is exceeded, the observation image becomes small, and it becomes difficult to make a realistic observation.

ところで、本発明の視覚表示装置においては、副光学系3各々に対応して表示素子6が配置されるが、各表示素子6を並列させた全体の表示面16は、上記のように、平面状になる。これを1個の表示素子6で構成してもよいし、複数の平面表示素子6を回転対称に配置して構成してもよい。   By the way, in the visual display device of the present invention, the display elements 6 are arranged corresponding to the sub optical systems 3 respectively, but the entire display surface 16 in which the display elements 6 are arranged in parallel is a plane as described above. It becomes a shape. This may be constituted by a single display element 6, or a plurality of flat display elements 6 may be arranged rotationally symmetrically.

以下に、本発明の視覚表示装置の光学系の実施例1及び実施例2を説明する。これら光学系の構成パラメータは後記する。これら実施例等の構成パラメータは、例えば図12、図13に示すように、虚像8のできる面を物体面8とし、虚像8と共役な面を表示面6である像面6とし、射出瞳5を通り物体面8に向かう光線が、第3光学系4の光学面41,42と、主光学系2の光学面21、22と、副光学系3の光学面31、32とを順に経て表示素子6及び表示面16に至る逆光線追跡の結果に基づくものである。   Examples 1 and 2 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. 12 and FIG. 13, the configuration parameters of these embodiments are such that the surface where the virtual image 8 can be formed is the object plane 8, the plane conjugate with the virtual image 8 is the image plane 6 which is the display plane 6, and the exit pupil. 5 through the optical surface 41 and 42 of the third optical system 4, the optical surfaces 21 and 22 of the main optical system 2, and the optical surfaces 31 and 32 of the sub optical system 3 in this order. This is based on the results of back ray tracing to the display element 6 and the display surface 16.

座標系は、逆光線追跡において、例えば図12に示すように、物体面8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の表示素子6と反対側の方向をY軸正方向とし、図12の紙面内をY−Z平面とする。そして、図12の右側の表示素子6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. 12, the coordinate system uses the center of the object plane 8 (located on the central axis 1) as the origin of the decentered optical surface of the decentered optical system, and the display element 6 of the center axis 1 is used. The direction opposite to the Y axis is the Y axis positive direction, and the inside of FIG. 12 is the YZ plane. Then, the direction of the display element 6 on the right side of FIG. 12 is the Z-axis positive direction, and the Y-axis, the Z-axis and the axis constituting the right-handed orthogonal coordinate system are the X-axis positive direction.

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。なお、実施例1の6面以降の面及び実施例2の10面以降の面は、中心軸1に対してそれぞれの偏心(6)で定義される値だけ平行移動されている。   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. In addition, the surface after the 6th surface of Example 1 and the surface after the 10th surface of Example 2 are translated with respect to the central axis 1 by a value defined by each eccentricity (6).

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 2 +C4 3 +C5 4 +C6 5 +C7 6
+・・・・+C2120+・・・・+Cn+1 n +・・・
・・・(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 1 +1) Y 2 / RY 2} 1/2]
+ 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 rotating counterclockwise to the positive angle θ (°) 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を図10に、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を図11に、図10の主要部の拡大図を図12に、図11の主要部の拡大図を図13に示す。ただし図示を簡単にするため主光学系の図示は省略する。なお、図10及び図12においては、一部の副光学系3、表示素子6しか図示していない。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図14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. 10 is a cross-sectional view taken along the central axis 1 of the optical system of the visual display device of Example 1, and FIG. 11 is a plan view seen in the direction along the central axis 1 showing the optical path in the optical system. An enlarged view of the main part of FIG. 10 is shown in FIG. 12, and an enlarged view of the main part of FIG. 11 is shown in FIG. However, the main optical system is not shown for the sake of simplicity. 10 and 12, only a part of the sub optical system 3 and the display element 6 are shown. Further, FIG. 14 shows a lateral aberration diagram of the entire optical system of this example. In this lateral aberration diagram, the angle shown at the center indicates (horizontal field angle, vertical field angle), and the lateral aberrations in the Y direction (meridional direction) and X direction (sagittal direction) at that field angle. Show. Note that a negative field angle means a clockwise angle in the Y-axis positive direction for the horizontal field angle, and a clockwise angle in the X-axis positive direction for the vertical field angle. same as below.

本実施例1は、中心軸1に同心で回転対称な主光学系2が配置される。この主光学系2は、この実施例の場合、両凸レンズを用いているが、正パワーを持った単体のレンズに限定されず、反射光学系あるいは反射屈折光学系、複合光学系何れでもよく、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、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 first embodiment, a main optical system 2 that is concentric and rotationally symmetric with respect to the central axis 1 is disposed. In this embodiment, the main optical system 2 uses a biconvex lens. However, the main optical system 2 is not limited to a single lens having positive power, and may be a reflection optical system, a catadioptric optical system, or a composite optical system. The requirements are that a positive power is given to the light beam traveling toward the central axis 1 and that it has a rotationally symmetric shape with respect to the central axis 1.

そして、特に図13から明らかなように、中心軸1に同心な円周上に複数の同一構成の副光学系3が並列して配置される。この各副光学系3も、単体のレンズに限定されず、反射光学系あるいは反射屈折光学系、複合光学系何れでもよい。   As is apparent from FIG. 13 in particular, a plurality of sub optical systems 3 having the same configuration are arranged in parallel on a circumference concentric with the central axis 1. Each of the sub optical systems 3 is not limited to a single lens, and may be a reflection optical system, a catadioptric optical system, or a composite optical system.

また、各副光学系3の主光学系2とは反対側に、表示素子6からなる表示面16が中心軸1と垂直な共通な平面上に配置されている。そして、表示素子6の中間像7が各副光学系3と主光学系2との組み合わせによって中心軸1近傍に重層して投影される。   Further, on the side opposite to the main optical system 2 of each sub optical system 3, a display surface 16 composed of the display element 6 is arranged on a common plane perpendicular to the central axis 1. Then, the intermediate image 7 of the display element 6 is projected in the vicinity of the central axis 1 by the combination of the sub optical system 3 and the main optical system 2.

また、主光学系2を挟んで副光学系3の反対側に中心軸1に同心で回転対称な第3光学系4が配置される。この第3光学系4も、単体の屈折体に限定されず、反射光学系あるいは反射屈折光学系、複合光学系何れでもよい。   A third optical system 4 that is concentric and rotationally symmetric with respect to the central axis 1 is disposed on the opposite side of the sub optical system 3 with the main optical system 2 interposed therebetween. The third optical system 4 is not limited to a single refractor, and may be a reflective optical system, a catadioptric optical system, or a composite optical system.

さらに、各合成光学系の射出瞳5が中心軸1に同心に並列配置される。各射出瞳5の大きさとしては、並列配置されたときにその円周上に略連続的に繋がるようにする。   Further, the exit pupils 5 of the respective synthesis optical systems are arranged concentrically in parallel with the central axis 1. The size of each exit pupil 5 is such that when arranged in parallel, they are connected substantially continuously on the circumference thereof.

このような構成であるので、観察者はその眼を何れかの射出瞳5位置近傍に持って行くと、合成光学系(副光学系3、主光学系2及び第3光学系4)の副光学系3と主光学系2との組み合わせによって表示素子6の中間像7が中心軸1近傍に重層して投影され、その中間像7各々は第3光学系4によって360°全方位に向けて画角変換され、中心軸1近傍に画角変換後正立した虚像として結像され観察することができる。そして、副光学系3、主光学系2及び第3光学系4からなる合成光学系は、中心軸1を中心としてその周りに一定角度毎に配置されているのに等しいため、中心軸1を上下方向として設定すると、中心軸1の周囲の360°のどの方向から観察しても、観察者の眼が位置する射出瞳5と中心軸1を挟んで反対側の表示素子6の虚像8を観察することができる。   With such a configuration, when the observer brings his / her eyes in the vicinity of any exit pupil 5 position, the sub optical system 3 (sub optical system 3, main optical system 2, and third optical system 4) is sub By combining the optical system 3 and the main optical system 2, the intermediate image 7 of the display element 6 is projected in the vicinity of the central axis 1, and each intermediate image 7 is directed by the third optical system 4 toward 360 ° in all directions. The angle of view is converted, and it can be formed and observed as a virtual image upright after the angle of view conversion in the vicinity of the central axis 1. The composite optical system composed of the sub optical system 3, the main optical system 2, and the third optical system 4 is equivalent to being arranged at fixed angles around the central axis 1, so that the central axis 1 is If the vertical direction is set, the virtual image 8 of the display element 6 on the opposite side across the central axis 1 and the exit pupil 5 where the observer's eyes are located can be observed regardless of the 360 ° direction around the central axis 1. Can be observed.

なお、この実施例において、表示面16は大きい平面としており、これを1個の表示素子6で構成してもよいが、22個の平面表示素子6を回転対称に並列に配置して構成してもよい。   In this embodiment, the display surface 16 is a large plane, which may be composed of one display element 6, but 22 plane display elements 6 are arranged in parallel in a rotationally symmetrical manner. May be.

この実施例1の仕様は、
射出瞳径 φ60mm
表示面の大きさ X4.67mm×Y6.03mm
像の大きさ □10mm×10mm
である。
The specification of this Example 1 is
Exit pupil diameter 60mm
Display size X4.67mm x Y6.03mm
Image size □ 10mm × 10mm
It is.

次に、実施例1の表示素子6を円筒上に配置するようにした変形例1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15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16に示す。ただし図示を簡単にするため主光学系の図示は省略する。また、円筒上に配置した表示面及び表示素子6のイメージを図17に示す。なお、図15及び図16においては、一部の副光学系3、表示素子6しか図示しておらず、また、射出瞳5(図13)は欄外になるため、図示は省く。さらに、この変形例1の光学系全体の横収差図は省略する。   Next, FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the central axis 1 of the main part of the optical system of the visual display device of Modification 1 in which the display element 6 of Embodiment 1 is arranged on a cylinder. FIG. 16 is a plan view seen in the direction along the central axis 1 showing the optical path in the optical system of the part. However, the main optical system is not shown for the sake of simplicity. FIG. 17 shows an image of the display surface and the display element 6 arranged on the cylinder. In FIGS. 15 and 16, only a part of the sub optical system 3 and the display element 6 are shown, and the exit pupil 5 (FIG. 13) is omitted, so that it is not shown. Further, the lateral aberration diagram of the entire optical system of Modification 1 is omitted.

本変形例1は、中心軸1に同心で回転対称な主光学系2が配置される。この主光学系2は、この実施例の場合、両凸レンズを用いているが、正パワーを持った単体のレンズに限定されず、反射光学系あるいは反射屈折光学系、複合光学系何れでもよく、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、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 first modification, a main optical system 2 that is concentric and rotationally symmetric with respect to the central axis 1 is disposed. In this embodiment, the main optical system 2 uses a biconvex lens. However, the main optical system 2 is not limited to a single lens having positive power, and may be a reflection optical system, a catadioptric optical system, or a composite optical system. The requirements are that a positive power is given to the light beam traveling toward the central axis 1 and that it has a rotationally symmetric shape with respect to the central axis 1.

本変形例1では、図17に示すように、表示素子6を円筒状に配置して表示面16とし、その内側に中心軸に同心な両凸レンズ3aを22個並列に円筒状に配置し、その両凸レンズ3aと主光学系2との間に平面鏡3bを配置し、各両凸レンズ3aと各平面鏡3bとにより副光学系3を形成したものである。したがって、平面鏡3bは、中心軸1に同心な頂角90°の二十二角錐面上に配置される。そして、表示素子6の中間像7が各副光学系3と主光学系2との組み合わせによって中心軸1近傍に重層して投影される。   In the first modification, as shown in FIG. 17, the display element 6 is arranged in a cylindrical shape to form a display surface 16, and 22 biconvex lenses 3a concentric with the central axis are arranged in a cylindrical shape in parallel inside the display element 6. A plane mirror 3b is disposed between the biconvex lens 3a and the main optical system 2, and the sub-optical system 3 is formed by the biconvex lens 3a and each plane mirror 3b. Accordingly, the plane mirror 3b is disposed on a twenty-two pyramid surface concentric with the central axis 1 and having an apex angle of 90 °. Then, the intermediate image 7 of the display element 6 is projected in the vicinity of the central axis 1 by the combination of the sub optical system 3 and the main optical system 2.

また、主光学系2を挟んで副光学系3の反対側に中心軸1に同心で回転対称な第3光学系4が配置される。この第3光学系4も、単体の屈折体に限定されず、反射光学系あるいは反射屈折光学系、複合光学系何れでもよい。   A third optical system 4 that is concentric and rotationally symmetric with respect to the central axis 1 is disposed on the opposite side of the sub optical system 3 with the main optical system 2 interposed therebetween. The third optical system 4 is not limited to a single refractor, and may be a reflective optical system, a catadioptric optical system, or a composite optical system.

さらに、各合成光学系の射出瞳5が中心軸1に同心に並列配置される。各射出瞳5の大きさとしては、並列配置されたときにその円周上に略連続的に繋がるようにする。   Further, the exit pupils 5 of the respective synthesis optical systems are arranged concentrically in parallel with the central axis 1. The size of each exit pupil 5 is such that when arranged in parallel, they are connected substantially continuously on the circumference thereof.

このような構成であるので、観察者はその眼を何れかの射出瞳5位置近傍に持って行くと、合成光学系(副光学系3、主光学系2及び第3光学系4)の副光学系3と主光学系2との組み合わせによって表示素子6の中間像7が中心軸1近傍に重層して投影され、その中間像7各々は第3光学系4によって360°全方位に向けて画角変換され、中心軸1近傍に画角変換後正立した虚像として結像され観察することができる。そして、副光学系3、主光学系2及び第3光学系4からなる合成光学系は、中心軸1を中心としてその周りに一定角度毎に配置されているのに等しいため、中心軸1を上下方向として設定すると、中心軸1の周囲の360°のどの方向から観察しても、観察者の眼が位置する射出瞳5と中心軸1を挟んで反対側の表示素子6の虚像8を観察することができる。   With such a configuration, when the observer brings his / her eyes in the vicinity of any exit pupil 5 position, the sub optical system 3 (sub optical system 3, main optical system 2, and third optical system 4) is sub By combining the optical system 3 and the main optical system 2, the intermediate image 7 of the display element 6 is projected in the vicinity of the central axis 1, and each intermediate image 7 is directed by the third optical system 4 toward 360 ° in all directions. The angle of view is converted, and it can be formed and observed as a virtual image upright after the angle of view conversion in the vicinity of the central axis 1. The composite optical system composed of the sub optical system 3, the main optical system 2, and the third optical system 4 is equivalent to being arranged at fixed angles around the central axis 1, so that the central axis 1 is If the vertical direction is set, the virtual image 8 of the display element 6 on the opposite side across the central axis 1 and the exit pupil 5 where the observer's eyes are located can be observed regardless of the 360 ° direction around the central axis 1. Can be observed.

なお、この変形例において、表示面16は円筒面の内面としており、これを1個の表示素子6で構成してもよいが、22個の平面表示素子6を二十二角柱の各側面に回転対称に配置して構成してもよい。   In this modification, the display surface 16 is an inner surface of a cylindrical surface, which may be constituted by one display element 6, but 22 flat display elements 6 are provided on each side of the twenty-two prisms. You may comprise by arrange | positioning rotationally symmetrically.

次に、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18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19に示す。ただし図示を簡単にするため主光学系の図示は省略する。なお、射出瞳5は欄外になるため、図示は省く。この実施例の光学系全体の横収差図を図20に示す。   Next, FIG. 18 is a cross-sectional view taken along the central axis 1 of the main part of the optical system of the visual display device of Example 2, and in the direction along the central axis 1 showing the optical path in the optical system of the main part. A plan view is shown in FIG. However, the main optical system is not shown for the sake of simplicity. Since the exit pupil 5 is out of the box, the illustration is omitted. A lateral aberration diagram of the entire optical system of this example is shown in FIG.

本実施例は、主光学系2を、逆追跡の順に、中心軸1に同心な両凹負レンズ2L1、両凸正レンズ2L2及び両凸正レンズ2L3の順で構成した例であり、光線は各レンズで屈折され、主光学系2外に出る。そして、主光学系2の両凸正レンズ2L3に面して、中心軸1に同心な円周上に30個の同一構成の副光学系3が並列配置されている。 This embodiment is an example in which the main optical system 2 is configured in the order of reverse tracking in the order of a biconcave negative lens 2L 1 , a biconvex positive lens 2L 2 and a biconvex positive lens 2L 3 concentric with the central axis 1. The light rays are refracted by each lens and go out of the main optical system 2. Then, 30 sub optical systems 3 having the same configuration are arranged in parallel on a circumference concentric with the central axis 1 so as to face the biconvex positive lens 2L 3 of the main optical system 2.

副光学系3は、中心軸に対して偏心配置のレンズ群からなり、中心軸1に同心な円周上に並列配置されている。各副光学系3は、逆追跡の順に、凹面を表示素子6側に向けた負メニスカスレンズ3L1と両凸正レンズ3L2との接合レンズ、及び、両凸正レンズ3L2と表示素子6側に凸面を向けた負メニスカスレンズ3L4との接合レンズからなる。 The sub optical system 3 includes a lens group that is eccentric with respect to the central axis, and is arranged in parallel on a circumference concentric with the central axis 1. Each sub optical system 3 includes, in order of reverse tracking, a cemented lens of a negative meniscus lens 3L 1 and a biconvex positive lens 3L 2 with a concave surface facing the display element 6 side, and a biconvex positive lens 3L 2 and a display element 6 It consists of a cemented lens with a negative meniscus lens 3L 4 with a convex surface facing the side.

また、各副光学系3の主光学系2とは反対側に、表示素子6からなる表示面16が中心軸1と垂直な共通な平面上に配置されている。そして、表示素子6の中間像7が各副光学系3と主光学系2との組み合わせによって重層して投影される。   Further, on the side opposite to the main optical system 2 of each sub optical system 3, a display surface 16 composed of the display element 6 is arranged on a common plane perpendicular to the central axis 1. Then, the intermediate image 7 of the display element 6 is projected in a layered manner by the combination of each sub optical system 3 and the main optical system 2.

第3光学系4は、中心軸1に同心に回転対称に配置され、第1自由曲面41及び第2自由曲面42を有する断面略三角プリズム形状の屈折体である。   The third optical system 4 is a refracting body having a substantially triangular prism shape in cross section having a first free curved surface 41 and a second free curved surface 42 arranged concentrically and symmetrically with respect to the central axis 1.

さらに、各合成光学系の射出瞳5が中心軸1に同心に並列配置される。各射出瞳5の大きさとしては、並列配置されたときにその円周上に略連続的に繋がるようにする。   Further, the exit pupils 5 of the respective synthesis optical systems are arranged concentrically in parallel with the central axis 1. The size of each exit pupil 5 is such that when arranged in parallel, they are connected substantially continuously on the circumference thereof.

このような構成であるので、観察者はその眼を何れかの射出瞳5位置近傍に持って行くと、合成光学系(副光学系3、主光学系2及び第3光学系4)の副光学系3と主光学系2との組み合わせによって表示素子6の中間像7が中心軸1近傍に重層して投影され、その中間像7各々は第3光学系4によって360°全方位に向けて画角変換され、中心軸1近傍に画角変換後正立した虚像として結像され観察することができる。そして、副光学系3、主光学系2及び第3光学系4からなる合成光学系は、中心軸1を中心としてその周りに一定角度毎に配置されているのに等しいため、中心軸1を上下方向として設定すると、中心軸1の周囲の360°のどの方向から観察しても、観察者の眼が位置する射出瞳5と中心軸1を挟んで反対側の表示素子6の虚像8を観察することができる。   With such a configuration, when the observer brings his / her eyes in the vicinity of any exit pupil 5 position, the sub optical system 3 (sub optical system 3, main optical system 2, and third optical system 4) is sub By combining the optical system 3 and the main optical system 2, the intermediate image 7 of the display element 6 is projected in the vicinity of the central axis 1, and each intermediate image 7 is directed by the third optical system 4 toward 360 ° in all directions. The angle of view is converted, and it can be formed and observed as a virtual image upright after the angle of view conversion in the vicinity of the central axis 1. The composite optical system composed of the sub optical system 3, the main optical system 2, and the third optical system 4 is equivalent to being arranged at fixed angles around the central axis 1, so that the central axis 1 is If the vertical direction is set, the virtual image 8 of the display element 6 on the opposite side across the central axis 1 and the exit pupil 5 where the observer's eyes are located can be observed regardless of the 360 ° direction around the central axis 1. Can be observed.

なお、この実施例において、表示面16は大きい平面としており、これを1個の表示素子6で構成してもよいが、22個の平面表示素子6を回転対称に並列に配置して構成してもよい。   In this embodiment, the display surface 16 is a large plane, which may be composed of one display element 6, but 22 plane display elements 6 are arranged in parallel in a rotationally symmetrical manner. May be.

この実施例2の仕様は、
射出瞳径 φ60mm
表示面の大きさ X3.87mm×Y6.42mm
像の大きさ □10mm×10mm
以下に、上記実施例1及び実施例2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)
1 ∞(瞳面) (2)
2 ERFS[1] (3) 1.5163 64.1
3 ERFS[2] (4)
4 389.66 10.00 (5) 1.8830 40.7
5 -35.83 46.63
6 18.78 3.00 (6) 1.8830 40.7
7 -22.90 11.94
像 面 ∞
ERFS[1]
RY 38.05
θ -65.32
R -24.59
4 -1.6653 ×10-4
ERFS[2]
RY 19.37
θ -33.64
R -20.99
4 -2.7966 ×10-4
偏心[1]
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α -45.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
X 0.00 Y 212.13 Z -212.13
α -45.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
X 0.00 Y 24.59 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
X 0.00 Y 19.97 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
X 0.00 Y -33.30 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
X 0.00 Y 0.00 Z 18.04
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 ∞ (1)
1 ∞(瞳面) (2)
2 ERFS[1] (3) 1.5163 64.1
3 ERFS[2] (4)
4 -117.07 3.00 (5) 1.4940 66.6
5 22.21 1.00
6 24.43 9.35 1.4875 70.4
7 -31.78 1.00
8 69.27 5.73 1.4875 70.4
9 -35.93 44.68
10 23.63 1.00 (6) 1.7552 27.6
11 8.93 8.21 1.6099 55.9
12 -14.09 1.00
13 12.69 9.52 1.7518 31.2
14 -10.00 1.00 1.7493 27.8
15 -84.18 3.00
像 面 ∞
ERFS[1]
RY 37.29
θ -73.29
R -21.29
4 2.8026 ×10-13
ERFS[2]
RY -18.22
θ -20.57
R -14.31
4 4.1927 ×10-13
偏心(1)
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α -28.89 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
X 0.00 Y 150.00 Z -259.81
α -30.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
X 0.00 Y 12.29 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
X 0.00 Y 4.95 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(5)
X 0.00 Y -14.12 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(6)
X 0.00 Y 0.00 Z 18.75
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
図21(a)は、図10〜図14に示した実施例1の第3光学系4の一例としての回転対称プリズム体40の代わりに、そのプリズム面を中心軸1の周りで回転対称なフレネルプリズム面とした回転対称フレネルプリズム体45を使用して、観察方向を略水平方向にした実施例1の変形例を示す図である。その回転対称フレネルプリズム体45の中心軸1を含む断面の形状は、図21(b)に示すようになっている。ただし、図21(b)は図21(a)のA部の拡大断面図である。
The specification of Example 2 is
Exit pupil diameter 60mm
Display size X 3.87mm x Y 6.42mm
Image size □ 10mm × 10mm
The configuration parameters of Example 1 and Example 2 are shown below. In the table below, “ERFS” indicates an extended rotation free-form surface.
Example 1
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface ∞ (1)
1 ∞ (Pupil) (2)
2 ERFS [1] (3) 1.5163 64.1
3 ERFS [2] (4)
4 389.66 10.00 (5) 1.8830 40.7
5 -35.83 46.63
6 18.78 3.00 (6) 1.8830 40.7
7 -22.90 11.94
Image plane ∞
ERFS [1]
RY 38.05
θ -65.32
R -24.59
C 4 -1.6653 × 10 -4
ERFS [2]
RY 19.37
θ -33.64
R -20.99
C 4 -2.7966 × 10 -4
Eccentric [1]
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α -45.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [2]
X 0.00 Y 212.13 Z -212.13
α -45.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [3]
X 0.00 Y 24.59 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [4]
X 0.00 Y 19.97 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [5]
X 0.00 Y -33.30 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [6]
X 0.00 Y 0.00 Z 18.04
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Example 2
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface ∞ (1)
1 ∞ (Pupil) (2)
2 ERFS [1] (3) 1.5163 64.1
3 ERFS [2] (4)
4 -117.07 3.00 (5) 1.4940 66.6
5 22.21 1.00
6 24.43 9.35 1.4875 70.4
7 -31.78 1.00
8 69.27 5.73 1.4875 70.4
9 -35.93 44.68
10 23.63 1.00 (6) 1.7552 27.6
11 8.93 8.21 1.6099 55.9
12 -14.09 1.00
13 12.69 9.52 1.7518 31.2
14 -10.00 1.00 1.7493 27.8
15 -84.18 3.00
Image plane ∞
ERFS [1]
RY 37.29
θ -73.29
R -21.29
C 4 2.8026 × 10 -13
ERFS [2]
RY -18.22
θ -20.57
R-14.31
C 4 4.1927 × 10 -13
Eccentricity (1)
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α -28.89 β 0.00 γ 0.00
Eccentric (2)
X 0.00 Y 150.00 Z -259.81
α -30.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (3)
X 0.00 Y 12.29 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (4)
X 0.00 Y 4.95 Z 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (5)
X 0.00 Y -14.12 Z 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentricity (6)
X 0.00 Y 0.00 Z 18.75
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
FIG. 21A shows a rotationally symmetric prism surface about the central axis 1 instead of the rotationally symmetric prism body 40 as an example of the third optical system 4 of the first embodiment shown in FIGS. It is a figure which shows the modification of Example 1 which used the rotation symmetry Fresnel prism body 45 made into the Fresnel prism surface, and made the observation direction the substantially horizontal direction. The cross-sectional shape including the central axis 1 of the rotationally symmetric Fresnel prism body 45 is as shown in FIG. However, FIG.21 (b) is an expanded sectional view of the A section of Fig.21 (a).

以上のような回転対称フレネルプリズム体45を本発明の視覚表示装置の光学系に使用することにより、付加する光学素子を薄くすることが可能となり、軽量化のために好ましいものである。   By using the rotationally symmetric Fresnel prism body 45 as described above in the optical system of the visual display device of the present invention, it is possible to make the optical element to be added thinner, which is preferable for weight reduction.

図22は、中間像7の結像面に中心軸1に対して回転対称な拡散板25を配置したものを示す。また、図23(a)は、拡散板25の斜視図、図23(b)は、拡散板25の断面図を示す。拡散板25は、半径方向のみ拡散する回転対称なレンチキュラーシート等を適用し、拡散角をコントロールして重層投影された映像がクロストークを起こさないようにすることが重要である。このように、副光学系3の瞳を小さくしておいて、拡散板25で瞳を拡大することにより、副光学系3の収差補正上の負担を少なくすることができる。   FIG. 22 shows a state in which a diffusion plate 25 that is rotationally symmetric with respect to the central axis 1 is arranged on the image plane of the intermediate image 7. FIG. 23A is a perspective view of the diffusion plate 25, and FIG. 23B is a cross-sectional view of the diffusion plate 25. For the diffusion plate 25, it is important to apply a rotationally symmetric lenticular sheet or the like that diffuses only in the radial direction, and to control the diffusion angle so that the projected images do not cause crosstalk. As described above, by reducing the pupil of the sub optical system 3 and enlarging the pupil with the diffusion plate 25, it is possible to reduce the burden on the aberration correction of the sub optical system 3.

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光学系(主光学系2+副光学系3+第3光学系4)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(表示素子)16の表示素子6の虚像8を観察できるが、その光学系を、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°等の角度範囲で虚像8を観察できるようにしてももちろんよい。   In the optical system as described above of the visual display device of the present invention, the optical system (main optical system 2 + sub optical system 3 + third optical system 4) that is rotationally symmetric about the central axis 1 is used as it is. The virtual image 8 of the display element 6 on the display surface (display element) 16 can be observed from all directions of 360 ° around the system, but the optical system is cut by a cross section including the central axis 1 and halved. Of course, the virtual image 8 may be observed in an angular range of 180 °, 120 °, 240 °, etc. around the central axis 1 by setting it to 1/3, 2/3, or the like.

本発明の基本原理を示す図である。It is a figure which shows the basic principle of this invention. 本発明の視覚表示装置の光学系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。It is a figure for demonstrating the imaging | photography method of the parallax image arrange | positioned on the display surface of the optical system of the visual display apparatus of this invention. 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。It is a figure which shows the example of the parallax image image | photographed with the imaging | photography method of FIG. 共通な平面上の全体の表示面への視差画像の表示のさせ方を示す図である。It is a figure which shows how to display the parallax image on the whole display surface on a common plane. 本発明の視覚表示装置の光学系の隣接した射出瞳に観察者の左右の眼球を位置させる様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that an observer's right and left eyeball is located in the exit pupil which the optical system of the visual display apparatus of this invention adjoins. 観察者の左右の眼球の眼幅と本発明の視覚表示装置の光学系の隣接した射出瞳の間隔とを示す図である。It is a figure which shows the eye width of an eyeball of an observer's right and left, and the space | interval of the adjacent exit pupil of the optical system of the visual display apparatus of this invention. 観察者が頭を動かした場合に順次隣の合成光学系による観察領域へ移っていく様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that it moves to the observation area | region by an adjacent synthetic | combination optical system sequentially, when an observer moves a head. 各表示素子が少し離れている場合の図5に対応する図である。FIG. 6 is a diagram corresponding to FIG. 5 when each display element is slightly separated. 本発明の視覚表示装置の虚像のイメージを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the image of the virtual image of the visual display apparatus of this invention. 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。It is sectional drawing taken along the central axis of the optical system of the visual display apparatus of Example 1 of this invention. 図10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。It is the top view seen in the direction in alignment with the central axis which shows the optical path in the optical system of FIG. 図10の主要部の拡大図である。It is an enlarged view of the principal part of FIG. 図11の主要部の拡大図である。It is an enlarged view of the principal part of FIG. 実施例1の光学系全体の横収差図である。2 is a transverse aberration diagram for the whole optical system of Example 1. FIG. 変形例1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。It is sectional drawing taken along the central axis of the principal part of the optical system of the visual display apparatus of the modification 1. 図15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。It is the top view seen in the direction in alignment with the central axis which shows the optical path in the optical system of the principal part of FIG. 変形例としての円筒状の全体の表示面への視差画像の表示のさせ方を示す図である。It is a figure which shows how to display the parallax image on the cylindrical whole display surface as a modification. 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である。It is sectional drawing taken along the central axis of the principal part of the optical system of the visual display apparatus of Example 2 of this invention. 図18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。It is the top view seen in the direction in alignment with the central axis which shows the optical path in the optical system of the principal part of FIG. 実施例2の光学系全体の横収差図である。FIG. 6 is a transverse aberration diagram for the whole optical system of Example 2. 第3の光学系として回転対称フレネルプリズム体を使用する実施例の図12に対応する図である。It is a figure corresponding to FIG. 12 of the Example which uses a rotationally symmetric Fresnel prism body as a 3rd optical system. 拡散板を使用する実施例の図12に対応する図である。It is a figure corresponding to FIG. 12 of the Example which uses a diffuser plate. 拡散板の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of a diffusion plate.

符号の説明Explanation of symbols

1…中心軸
2…主光学系
21、22…主光学系の光学面
2L1…両凹負レンズ
2L2…両凸正レンズ
2L3…両凸正レンズ
25…拡散板
3…副光学系
31、32…副光学系の光学面
3a…両凸レンズ
3b…平面鏡
3L1…凹面を表示面側に向けた負メニスカスレンズ
3L2…両凸正レンズ
3L3…両凸正レンズ
3L4…凸面を表示面側に向けた負メニスカスレンズ
4…第3光学系
40…回転対称プリズム体
41…第1自由曲面
42…第2自由曲面
45…回転対称フレネルプリズム体
5…射出瞳
6…表示素子(像面)
16…表示面
7…中間像
8…虚像(物体面)
50…視覚表示装置の光学系(本発明)
100…物体
101…カメラ
EL、ER…眼球
E…観察者
1 ... central axis 2 ... main optical system 21, 22 ... main optical system of the optical surfaces 2L 1 ... biconcave negative lens 2L 2 ... biconvex positive lens 2L 3 ... biconvex positive lens 25 ... diffusing plate 3 ... secondary optical system 31 , display negative meniscus lens 3L 2 ... biconvex positive lens 3L 3 ... biconvex positive lens 3L 4 ... convex surface directed toward the optical surfaces 3a ... biconvex lens 3b ... plane mirror 3L 1 ... concave 32 ... secondary optical system on the display surface side Negative meniscus lens 4 directed to the surface side ... Third optical system 40 ... Rotationally symmetric prism body 41 ... First free-form surface 42 ... Second free-form surface 45 ... Rotation-symmetric Fresnel prism body 5 ... Exit pupil 6 ... Display element (image surface) )
16 ... Display surface 7 ... Intermediate image 8 ... Virtual image (object surface)
50. Optical system of visual display device (present invention)
100 ... object 101 ... camera EL, ER ... eyeball E ... observer

Claims (11)

中心軸に同心に回転対称な主光学系が配置され、前記中心軸に同心な円周上に複数の同一構成の副光学系が並列して配置され、さらに、前記主光学系を挟んで、前記各副光学系の反対側に、前記中心軸に同心に回転対称な第3光学系が配置され、前記各副光学系、前記主光学系及び前記第3光学系により構成される合成光学系の射出瞳が前記第3光学系の前記主光学系側とは反対側であって前記中心軸に対して対応する前記副光学系とは反対側に位置し、前記各副光学系の前記主光学系とは反対側に表示面が配置され、前記各合成光学系による前記表示面の虚像が前記中心軸近傍に結像され、かつ、前記各合成光学系の前記射出瞳が前記中心軸に同心に略連続的に形成され、前記表示面は前記中心軸に垂直な共通の平面上に回転対称に配置されることを特徴とする視覚表示装置。   A main optical system that is rotationally symmetric with respect to the central axis is disposed, and a plurality of sub-optical systems having the same configuration are disposed in parallel on a circumference that is concentric with the central axis. A third optical system that is rotationally symmetric with respect to the central axis is disposed on the opposite side of each of the sub optical systems, and is a combined optical system that includes the sub optical system, the main optical system, and the third optical system. Is located on the opposite side of the third optical system from the main optical system side and on the opposite side to the sub optical system corresponding to the central axis. A display surface is disposed on the opposite side of the optical system, a virtual image of the display surface by each of the combining optical systems is formed in the vicinity of the central axis, and the exit pupil of each of the combining optical systems is on the central axis Concentric and substantially continuous, the display surface is rotationally symmetrical on a common plane perpendicular to the central axis. A visual display device characterized by that. 前記各副光学系と前記主光学系との組み合わせによる前記表示面の中間像が前記中心軸近傍に重層して投影されることを特徴とする請求項1に記載の視覚表示装置。   The visual display device according to claim 1, wherein an intermediate image of the display surface by a combination of each of the sub optical systems and the main optical system is projected in a layered manner in the vicinity of the central axis. 前記第3光学系は前記重層され投影された前記中間像を360°全方位に向けて画角を変換する変換作用を有し、前記重層されて投影される前記中間像各々は画角変換後正立した前記虚像になるように回転して重層されていることを特徴とする請求項2に記載の視覚表示装置。   The third optical system has a converting function of converting the angle of view of the intermediate and projected intermediate image toward 360 ° in all directions, and each of the intermediate images to be projected after being overlapped is subjected to angle-of-view conversion. 3. The visual display device according to claim 2, wherein the visual display device is rotated and overlaid so as to become the upright virtual image. 前記表示面各々は、複数の異なる映像を表示することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の視覚表示装置。   The visual display device according to claim 1, wherein each of the display surfaces displays a plurality of different images. 前記複数の異なる映像は、同一物体について複数の視点から撮影された映像であることを特徴とする請求項4に記載の視覚表示装置。   The visual display device according to claim 4, wherein the plurality of different images are images taken from a plurality of viewpoints of the same object. 前記表示面各々は、各副光学系と対応して配置された複数の表示素子の表示面であることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の視覚表示装置。   6. The visual display device according to claim 1, wherein each of the display surfaces is a display surface of a plurality of display elements arranged corresponding to each sub optical system. 前記表示面各々は、各副光学系と対応して一つの表示素子を各領域に区分した表示面であることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の視覚表示装置。   6. The visual display device according to claim 1, wherein each of the display surfaces is a display surface in which one display element is divided into regions corresponding to each sub optical system. 前記第3光学系の少なくとも1つの面は、回転対称軸を含む縦断面と回転対称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乃至請求項7のいずれかに記載の視覚表示装置。   8. The curvature according to claim 1, wherein at least one surface of the third optical system has different curvatures in a longitudinal section including a rotational symmetry axis and a transverse section perpendicular to the rotational symmetry axis. Visual display device. 前記合成光学系の中心軸と直交する方向の半径をRsとするとき、
10<Rs ・・・(1)
なる条件を満足することを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の視覚表示装置。
When the radius in the direction orthogonal to the central axis of the synthetic optical system is Rs,
10 <Rs (1)
The visual display device according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.
前記第3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を特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の視覚表示装置。   The at least one surface of the third optical system has a rotationally symmetric shape formed by rotating an arbitrary-shaped curve having no symmetric surface around a rotational symmetry axis. Item 9. The visual display device according to any one of Items 8 to 8. 前記第3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を特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれかに記載の視覚表示装置。   The at least one surface of the third optical system has a rotationally symmetric shape formed by rotating an arbitrarily shaped curve including an odd-order term around a rotational symmetry axis. The visual display device according to any one of 10.
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