JP4790556B2 - 視覚表示装置 - Google Patents

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。

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。

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ために本発明の視覚表示装置は、中心軸に同心に回転対称な主光学系が配置され、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、前記各副光学系と反対側に、中心軸に同心に回転対称で少なくとも２面の反射面を備えた角度変換光学系が配置され、前記各副光学系、前記主光学系及び前記角度変換光学系により構成される合成光学系の射出瞳が前記角度変換光学系の前記主光学系側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拡大像が中心軸近傍に重層して結像され、かつ、前記各合成光学系の前記射出瞳が中心軸に同心に略連続的に形成され、前記表示面は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ものである。

この場合、前記各副光学系と前記主光学系との合成系による前記表示面の中間像が中心軸近傍に重層して投影されるようにすることが好ましい。

また、前記中間像の位置に拡散板が配置されていることが好ましい。

また、前記角度変換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て前記拡大像になるように回転して重層されていることが望ましい。

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が望ましく、その場合に、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ができる。

また、前記表示面は、前記副光学系各々と対応して配置された複数の表示素子の表示面であってもよく、あるいは、前記副光学系全てに対応して配置された１つの表示素子の表示面を区分した表示面であってもよい。

また、前記角度変換光学系の少なくとも１つの反射面は、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が望ましい。

また、前記角度変換光学系の少なくとも１つの反射面は、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ことが望ましい。

また、前記角度変換光学系の少なくとも１つの反射面は、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ことが望ましい。

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、表示素子の拡大像が中心軸近傍に結像され、拡大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、表示面の組み立てが容易になる。

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。

本発明の視覚表示装置の基本原理は、図１に後記の実施例１の中心軸１に沿ってとった断面図に示すように、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角度変換光学系４が配置され、各副光学系３、主光学系２及び角度変換光学系４により構成される合成光学系の射出瞳５（通常、副光学系３の開口の像である。）が角度変換光学系４の主光学系２側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６が配置され、各合成光学系によるその表示面６の拡大像８が中心軸１近傍に重層して結像され、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６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。

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。

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。

そこで、本発明では、中心軸１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。

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。

図１を参照にして説明すると、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、両凸正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。

そして、図１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、表示面６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、表示面６の各副光学系３と主光学系２との合成系による拡大中間像７が主光学系２の内部あるいはその射出側の中心軸１の近傍に相互に重なり合った状態で投影される。

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角度変換光学系４が配置される。この角度変換光学系４は、２面以上の中心軸１に同心で回転対称な反射面を有する反射光学系あるいは反射屈折光学系からなっており、各副光学系３と主光学系２との合成系による表示面６の相互に重層された中間像７の実像（拡大像）８が中心軸１近傍に結像される。この拡大像８も心軸１近傍に重層して結像される。

さらに、各副光学系３、主光学系２及び角度変換光学系４により構成される合成光学系の射出瞳５が中心軸１に各拡大像８に面して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。

このような構成であるので、観察者はその眼を中心軸１の周囲の何れかの射出瞳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及び角度変換光学系４）によって拡大結像された対応する表示面６の拡大像８を観察することができる。そして、副光学系３、主光学系２及び角度変換光学系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を挟んで反対側あるいは同じ側の表示面６の拡大像８を観察することができる。

そして、本発明の視覚表示装置においては、表示面６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、表示面６の拡大像８は中心軸１近傍に結像され、拡大像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、表示素子の組み立てが容易になる。

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、拡大像８が中心軸１近傍に結像されるようにすることで、少なくとも合成光学系により投影された拡大像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。

さらに好ましくは、表示面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。

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面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。

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面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に両眼視差像の拡大像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。

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。

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、各表示面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。

なお、各表示面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。

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に両眼視差像の拡大像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。

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６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拡大像８を表示することができる。

さらに、本発明の光学系では、中間像７を中心軸１に直交する平面近傍に空中像として重層して投影しているために、その空中像の位置に中心軸１を中心にして半径方向にのみ拡散性を持つ拡散板を配置することにより、副光学系のＮＡは小さくすみ、収差の良好に補正された映像をより広い観察領域で観察することができる。

さらに好ましくは、角度変換光学系４は少なくとも２面の反射面を備えているので、重層され投影された拡大像８を３６０°全方位に向けて任意の画角に変換する変換作用を有する。そのため、重層されて投影される拡大像８は画角変換後正立した像になるように中心軸１を含む断面内で所要角度だけ回転して重層されるので、角度変換光学系４の画角変換作用により拡大像８を回転対称軸１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。

また、表示面６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。

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。

さらに好ましくは、表示面６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の表示面としてもよく、あるいは、汎用の比較的画面の大きな平面表示素子の表示面を区分することで、各々の表示面６を構成することが可能となる。このように、各副光学系３と対応して各々１つの表示素子を配置する代わりに、全体で１つの表示素子を用いて各表示面６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り、安価に装置を構成することが可能となる。

また、角度変換光学系４の少なくとも１つの反射面は、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、角度変換光学系４の少なくとも１つの反射面は、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。

さらに好ましくは、角度変換光学系４の少なくとも１つの反射面は、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、角度変換光学系４の少なくとも１つの反射面は、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。

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が配置されるが、各表示面６を並列させた全体の表示面は、上記のように平面状になる。これを１個の表示素子で構成してもよいし、複数の平面表示素子を回転対称に配置して構成してもよい。

以下に、本発明の視覚表示装置の光学系の実施例１〜３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、拡大像８のできる面を物体面８とし、拡大像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、角度変換光学系４の反射面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とを順に経て表示面６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１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の表示面６側とは反対の方向をＹ軸正方向とし、図１の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、図１の中心軸１に対して射出瞳５と反対側の方向を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。

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、実施例１〜３の６面以降の面は、中心軸１に対してそれぞれの偏心（５）で定義される値だけ平行移動されている。

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}］
＋Ｃ₂ Ｙ＋Ｃ₃ Ｙ² ＋Ｃ₄ Ｙ³ ＋Ｃ₅ Ｙ⁴ ＋Ｃ₆ Ｙ⁵ ＋Ｃ₇ Ｙ⁶
＋・・・・＋Ｃ₂₁Ｙ²⁰＋・・・・＋Ｃ_n+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。

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。

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１に、図１の主要部の拡大図を図９に示す。また、図９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を図１０に示す。そして、主光学系２に対する副光学系３の配置と形状を示す中心軸に沿う方向に見た透視図を図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。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、両凸正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。

そして、図１、図９、図１１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は、この実施例の場合、両凸正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い。

また、各副光学系３の主光学系２とは反対側に、表示面６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、表示面６の拡大中間像７が各副光学系３と主光学系２との合成系によって主光学系２の射出側の中心軸１の近傍に相互に重なり合った状態で投影される。

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２面の反射面４１、４２からなる角度変換光学系４が配置される。この角度変換光学系４は、少なくとも２面の反射面を備えた反射光学系あるいは反射屈折光学系からなる。この実施例の場合、反射面４１、４２は何れも凹面の球面鏡からなる。

さらに、副光学系３の開口の各合成光学系による実像である射出瞳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なっている。

このような構成であるので、各表示面６から出た光線は、副光学系３の両凸正レンズの面３２、３１と主光学系２の両凸正レンズの面２２、２１を順に経て、主光学系２の射出側の面２１近傍に表示面６の拡大中間像７が空中像として中心軸１に略直交する面に重層して投影される。そして、その拡大中間像７を結像した光線は角度変換光学系４を構成する反射面４２の中心軸１を挟んで副光学系３と反対側の部分で反射され、次いで、中心軸１を挟んで副光学系３と同じ側の反射面４１の部分で反射され、表示面６の拡大像８を中心軸１近傍であって中心軸１に略沿うように重層して結像する。その拡大像８を結像した光線は、中心軸１を挟んで副光学系３と反対側に位置する各表示面６に対応する射出瞳５に向かって進み、副光学系３の開口の像である射出瞳５を形成しながらその射出瞳５を通って中心軸１から離れていく。なお、この実施例の場合、角度変換光学系４の反射面４２と反射面４１により、反射面４２と反射面４１の間の中心軸１近傍に別の中間像９を形成している。

したがって、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、副光学系３と主光学系２との合成系の表示面６の像である拡大中間像７が中心軸１近傍に重層して投影され、その中間像７各々が角度変換光学系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実像の拡大像８として結像され、その拡大像８を観察者が観察することができる。そして、副光学系３、主光学系２及び角度変換光学系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、この実施例の場合、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面６の拡大像８を観察することができる。

なお、この実施例において、表示面６は大きい平面としており、これを１個の表示素子で構成してもよいが、２２個の平面表示素子を回転対称に並列に配置して構成してもよい。

この実施例１の仕様は、
射出瞳径 ６０ｍｍ
表示面の大きさ Ｘ１．９９ｍｍ×Ｙ１．６７ｍｍ
像の大きさ Ｘ４．００ｍｍ×Ｙ８．００ｍｍ
である。

実施例２の視覚表示装置の光学系の主要部の断面図を図１３に、また、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を図１４に示す。なお、射出瞳は欄外になるため、図示は省く。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図１５に示す。

本実施例２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、両凸正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。

そして、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は、この実施例の場合、両凸正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い。

また、各副光学系３の主光学系２とは反対側に、表示面６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、表示面６の拡大中間像７が各副光学系３と主光学系２との合成系によって主光学系２の射出側の中心軸１の近傍に相互に重なり合った状態で投影される。

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２面の反射面４１、４２からなる角度変換光学系４が配置される。この角度変換光学系４は、少なくとも２面の反射面を備えた反射光学系あるいは反射屈折光学系からなる。この実施例の場合、反射面４１、４２は何れも拡張回転自由曲面からなる。

さらに、副光学系３の開口の各合成光学系による実像である射出瞳５（図１参照）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なっている。

このような構成であるので、各表示面６から出た光線は、副光学系３の両凸正レンズの面３２、３１と主光学系２の両凸正レンズの面２２、２１を順に経て、主光学系２の射出側の面２１近傍に表示面６の拡大中間像７が空中像として中心軸１に略直交する面に重層して投影される。そして、その拡大中間像７を結像した光線は角度変換光学系４を構成する反射面４２の中心軸１を挟んで副光学系３と反対側の部分で反射され、次いで、中心軸１に対して反射面４２の反射部分と同じ側の反射面４１の部分で反射され、表示面６の拡大像８を中心軸１近傍であって中心軸１に略沿うように重層して結像する。その拡大像８を結像した光線は、中心軸１に対して副光学系３と同じ側に位置する各表示面６に対応する射出瞳５に向かって進み、副光学系３の開口の像である射出瞳５を形成しながらその射出瞳５を通って中心軸１から離れていく。

したがって、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、副光学系３と主光学系２との合成系の表示面６の像である拡大中間像７が中心軸１近傍に重層して投影され、その中間像７各々が角度変換光学系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実像の拡大像８として結像され、その拡大像８を観察者が観察することができる。そして、副光学系３、主光学系２及び角度変換光学系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、この実施例の場合、中心軸１に対して観察者の眼が位置する射出瞳５と同じ側の表示面６の拡大像８を観察することができる。

なお、この実施例において、表示面６は大きい平面としており、これを１個の表示素子で構成してもよいが、副光学系３の数に対応する個数の平面表示素子を回転対称に並列に配置して構成してもよい。

この実施例２の仕様は、
射出瞳径 ６０ｍｍ
表示面の大きさ Ｘ４．７５ｍｍ×Ｙ４．２５ｍｍ
像の大きさ Ｘ１０．０ｍｍ×Ｙ１０．０ｍｍ
である。

実施例３の視覚表示装置の光学系の主要部の断面図を図１６に、また、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を図１７に示す。なお、射出瞳は欄外になるため、図示は省く。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図１８に示す。

本実施例３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、観察側に凹面を向けた正メニスカス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。

そして、図１６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は、この実施例の場合、両凸正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い。

また、各副光学系３の主光学系２とは反対側に、表示面６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、表示面６の拡大中間像７が各副光学系３と主光学系２との合成系によって主光学系２の射出側の中心軸１の近傍に相互に重なり合った状態で投影される。

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２面の反射面４１、４２からなる角度変換光学系４が配置される。この角度変換光学系４は、少なくとも２面の反射面を備えた反射光学系あるいは反射屈折光学系からなる。この実施例の場合、反射面４１は凹面の球面鏡、反射面４２は凸面の球面鏡からなる。

さらに、副光学系３の開口の各合成光学系による実像である射出瞳５（図１参照）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なっている。

このような構成であるので、各表示面６から出た光線は、副光学系３の両凸正レンズの面３２、３１と主光学系２の正メニスカスレンズの面２２、２１を順に経て、主光学系２の射出側に表示面６の拡大中間像７が空中像として中心軸１に略直交する面に重層して投影される。そして、その拡大中間像７を結像した光線は角度変換光学系４を構成する反射面４２の中心軸１を挟んで副光学系３と反対側の部分で反射され、次いで、中心軸１に対して反射面４２の反射部分と同じ側の反射面４１の部分で反射され、表示面６の拡大像８を中心軸１近傍であって中心軸１に略沿うように重層して結像する。その拡大像８を結像した光線は、中心軸１に対して副光学系３と同じ側に位置する各表示面６に対応する射出瞳５に向かって進み、副光学系３の開口の像である射出瞳５を形成しながらその射出瞳５を通って中心軸１から離れていく。

したがって、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、副光学系３と主光学系２との合成系の表示面６の像である拡大中間像７が中心軸１近傍に重層して投影され、その中間像７各々が角度変換光学系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実像の拡大像８として結像され、その拡大像８を観察者が観察することができる。そして、副光学系３、主光学系２及び角度変換光学系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、この実施例の場合、中心軸１に対して観察者の眼が位置する射出瞳５と同じ側の表示面６の拡大像８を観察することができる。

なお、この実施例において、表示面６は大きい平面としており、これを１個の表示素子で構成してもよいが、副光学系３の数に対応する個数の平面表示素子を回転対称に並列に配置して構成してもよい。

この実施例３の仕様は、
射出瞳径 ６０ｍｍ
表示面の大きさ Ｘ５．５７ｍｍ×Ｙ５．５０ｍｍ
像の大きさ Ｘ１０．０ｍｍ×Ｙ１０．０ｍｍ
である。

以下に、上記実施例１〜３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] （ＲＥ） 偏心(2)
3 ＥＲＦＳ[2] （ＲＥ） 偏心(3)
4 445.13 10.00 偏心(4) 1.8830 40.7
5 -11.28 12.14
6 4.68 2.00 偏心(5) 1.8830 40.7
7 -4.30 2.00
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -58.66
θ -19.07
Ｒ 64.10
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 68.70
θ -44.46
Ｒ -35.88
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 52.09 Ｚ -295.44
α -10.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ -11.30 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ 42.16 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ -22.29 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(5)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 6.20
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 ∞（瞳面） 偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[1] （ＲＥ） 偏心(2)
3 ＥＲＦＳ[2] （ＲＥ） 偏心(3)
4 61.89 15.00 偏心(4) 1.8830 40.7
5 -32.55 20.30
6 181.36 3.00 偏心(5) 1.8830 40.7
7 -4.81 5.00
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -111.32
θ -38.84
Ｒ 71.74
Ｃ₄ 7.7238 ×10^-6
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 789.71
θ -86.45
Ｒ 35.00
Ｃ₄ -6.8651 ×10^-6
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 -26.11 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ 31.98 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ -47.48 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(5)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -10.51
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 ∞
1 ∞（瞳面） 偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[1] （ＲＥ） 偏心(2)
3 ＥＲＦＳ[2] （ＲＥ） 偏心(3)
4 -113.17 15.00 偏心(4) 1.8830 40.7
5 -35.70 71.87
6 19.08 3.00 偏心(5) 1.8830 40.7
7 -17.60 10.00
像 面 ∞ ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -54.75
θ -5.38
Ｒ 50.00
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ -143.77
θ -48.47
Ｒ 19.96
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 -18.20 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ -23.08 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ -98.90 Ｚ 0.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(5)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -17.92
α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。

ところで、図１９は、実施例１の光学系において、中間像７の結像面に中心軸１に対して回転対称で半径方向にのみ拡散性を持つ拡散板２５を配置した変形例を示す図９と同様の図である。また、図２０（ａ）は、拡散板２５の斜視図、図２０（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の開口を小さくしておいて、拡散板２５で副光学系３の開口の像ある射出瞳５を拡大するようにすることにより、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。

図２１（ａ）は、図１、図９で示した実施例１の角度変換光学系４の反射面４１、４２として、中心軸１に同心に回転対称な曲面反射鏡の代わりに、その曲面反射面を中心軸１の周りで回転対称なフレネル反射鏡を用いた変形例を示す図９と同様のである。その回転対称フレネル反射鏡は、図２１（ｂ）に中心軸１を含む断面の一部を模式的に示すように、中心軸１の周りで回転対称な微細な輪帯表面反射面４４の集合からなるフレネル表面反射鏡４３でもよく、あるいは、図２１（ｃ）に中心軸１を含む断面の一部を模式的に示すように、中心軸１の周りで回転対称な微細な輪帯裏面反射面４６の集合からなるフレネル裏面反射鏡４５でもよい。このようなフレネル表面反射鏡４３やフレネル裏面反射鏡４５を角度変換光学系４の反射面の一部あるいは全部に使用することにより光学素子を薄くすることが可能となり、全体の光学系の軽量化には好ましい。

また、回転対称な角度変換光学系４の光線が通過しない領域に遮光部材を配置するようにすることが不要光防止のために望ましい。

また、実施例１〜３として、角度変換光学系４の反射面として表面反射鏡のみ用いているが、裏面反射鏡を用いることも可能である。

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＋角度変換光学系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）６の拡大像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°等の角度範囲で拡大像８を観察できるようにしてももちろんよい。

本発明の基本原理を示す図であり、実施例１の中心軸１に沿ってとった断面図である。 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。 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。 共通な平面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。 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。 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。 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。 各射出瞳が少し離れている場合の図５に対応する図である。 実施例１の視覚表示装置の光学系の主要部の断面図である。 実施例１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１の主光学系に対する副光学系の配置と形状を示す中心軸に沿う方向に見た透視図である。 実施例１の光学系全体の横収差図である。 実施例２の視覚表示装置の光学系の主要部の断面図である。 実施例２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２の光学系全体の横収差図である。 実施例３の視覚表示装置の光学系の主要部の断面図である。 実施例３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の光学系全体の横収差図である。 拡散板を使用する実施例１の変形例の図９と同様の図である。 拡散板の構造を示す図である。 フレネル反射鏡を使用する実施例１の変形例の断面図とフレネル反射鏡の構造を示す模式的断面図である。

符号の説明

１…中心軸（回転対称軸）
２…主光学系
３て副光学系
４…角度変換光学系
５…射出瞳
６…表示面
７…拡大中間像
８…拡大像
９…別の中間像
１６…全体の表示面
２１、２２…主光学系の光学面
２５…拡散板
３１、３２…副光学系の光学面
４１、４２…角度変換光学系の反射面
４３…フレネル表面反射鏡
４４…輪帯表面反射面
４５…フレネル裏面反射鏡
４６…輪帯裏面反射面
１００…物体
１０１…カメラ
ＥＬ…観察者の左眼球
ＥＲ…観察者の右眼球
Ｅ…観察者

Claims (11)

1. 中心軸に同心に回転対称な主光学系が配置され、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、前記各副光学系と反対側に、中心軸に同心に回転対称で少なくとも２面の反射面を備えた角度変換光学系が配置され、前記各副光学系、前記主光学系及び前記角度変換光学系により構成される合成光学系の射出瞳が前記角度変換光学系の前記主光学系側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拡大像が中心軸近傍に重層して結像され、かつ、前記各合成光学系の前記射出瞳が中心軸に同心に略連続的に形成され、前記表示面は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。
2. 前記各副光学系と前記主光学系との合成系による前記表示面の中間像が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記載の視覚表示装置。
3. 前記中間像の位置に拡散板が配置されていることことを特徴とする請求項２記載の視覚表示装置。
4. 前記角度変換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て前記拡大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又は３記載の視覚表示装置。
5. 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から４の何れか１項記載の視覚表示装置。
6. 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５記載の視覚表示装置。
7. 前記表示面は、前記副光学系各々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から６の何れか１項記載の視覚表示装置。
8. 前記表示面は、前記副光学系全てに対応して配置された１つの表示素子の表示面を区分した表示面であ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。
9. 前記角度変換光学系の少なくとも１つの反射面は、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から８の何れか１項記載の視覚表示装置。
10. 前記角度変換光学系の少なくとも１つの反射面は、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ことを特徴とする請求項１から９の何れか１項記載の視覚表示装置。
11. 前記角度変換光学系の少なくとも１つの反射面は、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ことを特徴とする請求項１から１０の何れか１項記載の視覚表示装置。

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