WO2010018685A1 - 視覚表示装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a visual display device, and more particularly to a visual display device capable of displaying a wide observation angle of view.
- Patent Document 1 has a narrow observation angle of view.
- the techniques known in Patent Documents 2 to 6 project an image on a screen, and the observation angle of view can be 360 degrees in the horizontal direction, but observation is performed unless the size of the screen is increased. There was a problem that the video could be seen nearby. In addition, there is a problem that the contrast of the image is deteriorated due to the reflection between the screens.
- the present invention has been made in view of such a situation in the prior art, and an object of the present invention is to provide a small-sized visual display device capable of observing a wide observation angle of view clearly and as a distant image. That is.
- the present invention provides an image display element, a projection optical system that projects an image displayed on the image display element, and an image projected by the projection optical system as an image from a distance.
- Projected by the projection optical system in a visual display device comprising an eyepiece optical system having a positive reflection power and a cylindrical or conical diffusing surface arranged in the vicinity of an image projected by the projection optical system
- the image is arranged so as to draw an arc at an arbitrary position in a plane orthogonal to the optical axis of the projection optical system.
- the image display element displays an annular or arcuate image.
- the visual axis corresponding to the front of the observer or the center of the observation angle of view intersects with the optical axis of the projection optical system.
- the visual axis corresponding to the front of the observer or the center of the observation angle of view and the optical axis of the projection optical system are perpendicular to each other.
- the eyepiece optical system is arranged to be inclined with respect to the visual axis corresponding to the front of the observer or the center of the observation angle of view.
- the image projected by the projection optical system is arranged to be inclined with respect to the central principal ray.
- the diffusion surface is arranged to be inclined with respect to the central principal ray.
- the diffusion surface is characterized by a linear shape in the meridional section.
- the projection optical system does not project an image on the optical axis.
- the eyepiece optical system is a spherical surface.
- the eyepiece optical system is a toric surface.
- the eyepiece optical system is a part of an ellipsoid having two focal points which are an exit pupil position and an observer eyeball position of the projection optical system.
- the eyepiece optical system is a free-form surface.
- the eyepiece optical system is an extended rotation free-form surface.
- FIG. It is a conceptual diagram of the visual display apparatus of this invention. It is a top view of FIG. It is a figure which shows the example of a display of a video display element. It is a figure which shows the other example of a display of an image display element. It is a figure which shows the visual display apparatus which has arrange
- FIG. 13 is a plan view of FIG. 12. It is sectional drawing taken along the optical axis of the visual display apparatus of Example 3 of this invention.
- FIG. 15 is a plan view of FIG. 14. It is sectional drawing taken along the optical axis of the visual display apparatus of Example 4 of this invention.
- FIG. 17 is a plan view of FIG. 16.
- FIG. 1 is a conceptual diagram of a visual display device 1 according to the present invention
- FIG. 2 is a plan view of FIG.
- the visual display device 1 projects an image display element 3, a projection optical system 4 that projects an image displayed on the image display element 3, and a projection optical system 4.
- a visual system comprising an eyepiece optical system 5 having a positive reflection power for converting the projected image from a distance, and a cylindrical or conical diffusing surface 11 disposed in the vicinity of the image projected by the projection optical system 4
- the image projected by the projection optical system 4 is arranged so as to draw an arc at an arbitrary position in a plane orthogonal to the optical axis 2 of the projection optical system 4.
- a relay optical system is used to relay the image of a small display element to the front focal position of the eyepiece optical system, and the eyepiece optical system provides an image with a wide observation angle of view.
- the combined focal length of the projection optical system and the eyepiece optical system becomes very short, and in order to obtain a wide exit pupil in the eyepiece optical system, the NA of the projection optical system on the image display element side is very large. As a result, the projection optical system is complicated and large.
- a diffusion surface 11 having diffusibility is disposed in the vicinity of the image plane of the projection optical system 4, and the image projected on the diffusion surface 11 is diffused to enlarge the entrance pupil of the eyepiece optical system 5.
- the projection surface is curved along this curvature of field, but in the present invention, the projection surface is arranged so as to draw an arc at an arbitrary position in a plane orthogonal to the optical axis 2 of the projection optical system 4. It is important to.
- the projection optical system 4 is used in which a projection image is projected so as to draw an arc in a plane orthogonal to the optical axis 2 of the projection optical system 4, and the image plane of this arc portion is used as the eyepiece optical system 5. By using it as an intermediate image, it was possible to cancel out a very large curvature of field.
- the diffusing surface 11 is preferably cylindrical or conical. This is a condition necessary to keep the convergence of both eyes of the observer constant. If the diffusing surface 11 is made spherical, the distance from the concave mirror changes depending on the vertical angle of view of the observation image. This is because a double image is formed beyond the range that can be fused by the above method.
- the image display element 3 displays an annular or arcuate image.
- the display image since the image around the image is projected onto the eyepiece optical system 5 by the projection optical system 4, the display image needs to be adapted to this.
- the visual axis 101 that is in front of the observer or the center of the observation angle of view intersects with the optical axis 2 of the projection optical system 4.
- the projection surface of the projection optical system 4 is an image projected so as to draw an arc in a plane orthogonal to the optical axis 2 of the projection optical system 4 at an arbitrary position, that is, around the optical axis 2 of the projection optical system 4.
- the image projected in a cylindrical shape is enlarged by the eyepiece optical system 5, and an observation image is formed by a method of making the optical axis 2 of the projection optical system 4 and the optical axis of the eyepiece optical system 5 coincide with each other. I can't. Therefore, in the present invention, the projection image projected around the optical axis 2 of the projection optical system 4 is observed by the eyepiece optical system 5 by configuring the optical axis 2 of the projection optical system 4 and the visual axis 101 to intersect. It has become possible.
- the visual axis 101 which is in front of the observer or the center of the observation angle of view and the optical axis 2 of the projection optical system 4 are orthogonal to each other.
- the eyepiece optical system 5 is preferably arranged to be inclined with respect to the visual axis 101 corresponding to the front of the observer or the center of the observation angle of view.
- the projection optical system 4 can be disposed on the observer's head, and interference between the observer's head and the projection optical system 4 is avoided. Can do.
- the image projected by the projection optical system 4 is arranged to be inclined with respect to the central principal ray 102.
- a part of the central principal ray 102 coincides with the visual axis 101.
- the object surface of the eyepiece optical system 5 is also tilted due to decentering aberration.
- a projection plane is arranged on an inclined object plane, and an image projected by the projection optical system 4 is formed on the projection plane. It becomes possible to display a virtual image at a certain distance.
- the diffusing surface 11 is arranged to be inclined with respect to the central principal ray 102.
- the diffusion surface 11 When the projection surface is arranged to be inclined with respect to the central principal ray 102, the observation image will be blurred unless the diffusion surface 11 coincides with the image plane. Therefore, the diffusion surface 11 must also be arranged to be inclined. It is. More preferably, it is desirable to make the tilt angles the same.
- the diffusing surface 11 is preferably linear in the meridional section.
- the projected image projected on the diffusing surface 11 is diffused and reflected by the eyepiece optical system 5 and then reaches the left and right eyes of the observer, but the shape of the projected image projected on the diffusing surface 11 is curved with a meridional section. If this is done, the angle of convergence of the light rays incident on the observer's eyes will be different in the vertical direction of the observation screen, making it impossible to fuse with both eyes and a double image will be observed. More preferably, the shape of the projection surface is cylindrical and the shape of the diffusion surface 11 is also cylindrical.
- the projection optical system does not project an image on the optical axis.
- an image outside the optical axis 2 of the projection optical system 4 is presented to the observer by the eyepiece optical system 5, and the image on the optical axis 2 is not used originally. Therefore, the image on the optical axis 2 becomes unnecessary light, which interferes with observation and causes the contrast of the observation image to decrease. Therefore, it is preferable that no image on the optical axis 2 is displayed. More preferably, the light beam on the optical axis 2 is shielded by a light shielding member or the like. More preferably, it is desirable to shield a light beam reflected and diffused by the diffusing surface 11 and directly entering the eyes of the observer without passing through the eyepiece optical system 5 with a light shielding member in order to obtain a clear observation image.
- the eyepiece optical system 5 is preferably a spherical surface.
- the reflecting surface of the concave mirror may be constituted by an inner surface of a plastic sphere to be a front surface mirror, or may be constituted by an outer surface to be a rear surface mirror.
- the eyepiece optical system 5 is preferably a toric surface.
- the eyepiece optical system 5 is formed of a toric surface, it is possible to eliminate the pupil aberration, particularly astigmatism, of the eyepiece optical system 5, and it becomes possible to observe a bright observation image by lowering the diffusion characteristics of the diffusion surface 11. Furthermore, the brightness of the light source of the image display element 3 can be lowered, and a bright observation image can be obtained with less power.
- the eyepiece optical system 5 is preferably a part of an ellipsoid having two focal points, ie, the exit pupil position of the projection optical system 4 and the observer eyeball position.
- the eyepiece optical system 5 By making the eyepiece optical system 5 an ellipse, the generation of pupil aberration is eliminated, and the same effect as a toric surface is obtained.
- the eyepiece optical system 5 is preferably a free-form surface.
- the eyepiece optical system 5 is preferably an extended rotation free-form surface.
- the projection optical system 4 according to the present invention can use a wide-angle fisheye lens.
- the first embodiment of Japanese Patent Publication No. 2-14684 can be used.
- the fish-eye lens has a distortion such that the image around the image is small, so a fish-eye lens having a small F- ⁇ characteristic is preferable.
- the diffusing plate described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-102204 of the present applicant is used for the diffusing surface 11.
- two projection optical systems 4 corresponding to the left and right eyeballs (incidence pupils) E are arranged, and simultaneously the projection images of the two projection optical systems 4 are projected onto the diffusion surface 11, It is also possible to observe a stereoscopic image by controlling the diffusion angle of the diffusion surface 11 so that crosstalk between the two images does not occur.
- the eyepiece optical system 5 can be configured as a so-called combiner that displays an external image and an electronic image in a multi-layered manner by providing a semi-transmissive surface.
- FIG. 6 shows a diagram in which the visual display device 1 is applied in combination with the seat S.
- the seat S is a seat S such as a sofa or a vehicle, and the visual display device 1 is disposed in an inclined manner in accordance with the angle of the back surface portion S1 of the seat S. Further, it is preferable that the seat S has a reclining mechanism, and the angle of the visual display device 1 is inclined according to the angle of the back surface portion S1 inclined by the reclining mechanism.
- FIG. 7 is a cross-sectional view of the visual display device 1 in which the eyepiece optical system 5 and the diffusing surface 11 are formed in an annular shape.
- the visual display device 1 in which the eyepiece optical system 5 and the diffusing surface 11 are formed in an annular shape inserts the face of the observer into the central space between the annular eyepiece optical system 5 and the diffusing surface 11. Thus, a 360-degree image can be observed.
- the configuration parameters of these embodiments are such that the position observed by the observer is the entrance pupil E of the eyepiece optical system 5, and the light rays passing through the entrance pupil E toward the image display element 3 are the eyepiece optics. This is based on the result of back ray tracing through the system 5 and the projection optical system 4 to the image display element 3 in order.
- the coordinate system uses an eccentricity of the decentering optical system at an intersection point O between the visual axis 101 connecting the entrance pupil E of the eyepiece optical system 5 and the eyepiece optical system 5 and the optical axis 2 of the projection optical system 4.
- the origin O of the optical surface is defined, the direction from the origin O of the optical axis 2 toward the image display element 3 is defined as the positive Y-axis direction, and the plane of FIG. 8 is defined as the YZ plane.
- the right direction from the origin O in FIG. 8 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.
- 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 ( ⁇ , ⁇ , ⁇ (°), 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.
- positive ⁇ and ⁇ mean counterclockwise rotation with respect to the positive direction of each axis
- positive ⁇ means clockwise rotation with respect to the positive direction of the Z axis.
- the ⁇ , ⁇ , and ⁇ 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 ⁇ and then rotate it around the Z axis of another rotated new coordinate system by ⁇ . It is.
- 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.
- the extended rotation free-form surface is a rotationally symmetric surface given by the following definition.
- a curve F (Y) obtained by rotating the curve (a) in the positive direction of the X-axis and turning it counterclockwise is defined as an angle ⁇ (°).
- This curve F (Y) also passes through the origin on the YZ coordinate plane.
- the curve F (Y) is translated in the Y positive direction by a distance R (Y negative direction if negative), and then the rotationally symmetric surface is rotated by rotating the translated curve around the Z axis.
- the extended rotation free-form surface becomes a free-form surface (free-form curve) in the YZ plane and a circle with a radius
- the Z-axis becomes the axis of the extended rotation free-form surface (rotation symmetry axis).
- 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.
- the shape of the free-form surface used in the present invention is defined by the following equation (b). Note that the Z axis of the defining formula is the axis of the free-form surface.
- R radius of curvature of apex
- k conic constant (conical constant)
- r ⁇ (X 2 + Y 2 ) It is.
- the free-form surface does not have a symmetric surface in both the XZ plane and the YZ plane, but in the present invention, by setting all odd-numbered terms of X to 0, the free-form surface is parallel to the YZ plane.
- This is a free-form surface with only one symmetrical plane.
- C 2 , C 5 , C 7 , C 9 , C 12 , C 14 , C 16 , C 18 , C 20 , C 23 , C 25 , C 27 , C 29 This is possible by setting the coefficient of each term of C 31 , C 33 , C 35 .
- any one of the directions of the symmetry plane is set as a symmetry plane, and the eccentricity in the corresponding direction, for example, the eccentric direction of the optical system with respect to the symmetry plane parallel to the YZ plane is the Y-axis direction,
- the decentering direction of the optical system is set to the X-axis direction, so that it is possible to improve the manufacturability while effectively correcting the rotationally asymmetric aberration caused by the decentering. It becomes.
- the definition formula (b) is shown as an example as described above, and the present invention uses a rotationally asymmetric surface generated by eccentricity by using a rotationally asymmetric surface having only one symmetry surface. It is characterized by correcting aberrations and improving manufacturability at the same time, and it goes without saying that the same effect can be obtained for any other defining formula.
- the term relating to the aspherical surface for which no data is described in the configuration 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.
- the eccentricity of each surface is expressed by the amount of eccentricity from the reference surface.
- FIG. 10 is a sectional view taken along the optical axis 2 of the projection optical system 4 of the visual display device 1 of the first embodiment
- FIG. 11 is a plan view thereof. In FIG. 11, the projection optical system 4 is omitted and not shown.
- the first embodiment includes an image display element 3, a projection optical system 4 that projects an image displayed on the image display element 3, and a positive reflection power that makes an image projected by the projection optical system 4 an image from a distant place.
- An image projected by the projection optical system 4 in the visual display device 1 including the eyepiece optical system 5 having the above and a cylindrical or conical diffusion surface 11 disposed in the vicinity of the image projected by the projection optical system 4 are arranged so as to draw an arc at an arbitrary position in a plane orthogonal to the optical axis 2 of the projection optical system 4.
- the eyepiece optical system 5 has a positive power and has an eyepiece reflecting surface 5a made of a spherical surface.
- the eyepiece optical system 5 allows a distant virtual image to be viewed as an image.
- the diffusion surface 11 is formed of a cylindrical surface, and the image projected by the projection optical system 4 is projected in the vicinity of the diffusion surface 11 in a cylindrical or conical shape.
- the projection optical system 4 has a video display element 3.
- the visual axis 101 that is in front of the observer or the center of the viewing angle of view and the optical axis 2 of the projection optical system 4 are orthogonal to each other.
- the light beam emitted from the entrance pupil E as the optical path A is reflected by the eyepiece reflecting surface 5a of the eyepiece optical system 5 and subjected to intermediate imaging on the diffusing surface 11 in reverse ray tracing.
- the light beam exiting the diffusion surface 11 enters the projection optical system 4. Then, an image is formed at a predetermined position in the radial direction off the optical axis 2 of the image display element 3.
- FIG. 12 is a cross-sectional view taken along the optical axis 2 of the projection optical system 4 of the visual display device 1 of Example 2, and FIG. 13 is a plan view thereof. In FIG. 13, the projection optical system 4 is omitted and not shown.
- An image projected by the projection optical system 4 in the visual display device 1 including the eyepiece optical system 5 having the above and a cylindrical or conical diffusion surface 11 disposed in the vicinity of the image projected by the projection optical system 4 are arranged so as to draw an arc at an arbitrary position in a plane orthogonal to the optical axis 2 of the projection optical system 4.
- the eyepiece optical system 5 has a positive power and has an eyepiece reflecting surface 5a made of a toric surface (ERFS).
- ERFS toric surface
- the diffusion surface 11 is formed of a cylindrical surface, and the image projected by the projection optical system 4 is projected in the vicinity of the diffusion surface 11 in a cylindrical or conical shape.
- the projection optical system 4 has a video display element 3.
- the visual axis 101 that is in front of the observer or the center of the viewing angle of view and the optical axis 2 of the projection optical system 4 are orthogonal to each other.
- the light beam emitted from the entrance pupil E as the optical path A is reflected by the eyepiece reflecting surface 5a of the eyepiece optical system 5 in reverse ray tracing, and forms an intermediate image on the diffusing surface 11.
- the light beam exiting the diffusion surface 11 enters the projection optical system 4. Then, an image is formed at a predetermined position in the radial direction off the optical axis 2 of the image display element 3.
- Example 2 The specification of Example 2 is Angle of view up and down 30.000 ° It is.
- FIG. 14 is a cross-sectional view taken along the optical axis 2 of the projection optical system 4 of the visual display device 1 of Example 3, and FIG. 15 is a plan view thereof. In FIG. 15, the projection optical system 4 is omitted and not shown.
- An image projected by the projection optical system 4 in the visual display device 1 including the eyepiece optical system 5 having the above and a cylindrical or conical diffusion surface 11 disposed in the vicinity of the image projected by the projection optical system 4 are arranged so as to draw an arc at an arbitrary position in a plane orthogonal to the optical axis 2 of the projection optical system 4.
- the eyepiece optical system 5 has a positive power and has an eyepiece reflecting surface 5a made of an extended rotation free-form surface (ERFS).
- ERFS extended rotation free-form surface
- the diffusion surface 11 is formed of a cylindrical surface, and the image projected by the projection optical system 4 is projected in the vicinity of the diffusion surface 11 in a cylindrical or conical shape.
- the projection optical system 4 has a video display element 3.
- the visual axis 101 that is in front of the observer or the center of the viewing angle of view and the optical axis 2 of the projection optical system 4 are orthogonal to each other.
- the light beam emitted from the entrance pupil E as the optical path A is reflected by the eyepiece reflecting surface 5a of the eyepiece optical system 5 in reverse ray tracing, and forms an intermediate image on the diffusing surface 11.
- the light beam exiting the diffusion surface 11 enters the projection optical system 4. Then, an image is formed at a predetermined position in the radial direction off the optical axis 2 of the image display element 3.
- FIG. 16 is a sectional view taken along the optical axis 2 of the projection optical system 4 of the visual display device 1 of Example 4, and FIG. 17 is a plan view thereof. In FIG. 17, the projection optical system 4 is omitted and not shown.
- An image projected by the projection optical system 4 in the visual display device 1 including the eyepiece optical system 5 having the above and a cylindrical or conical diffusion surface 11 disposed in the vicinity of the image projected by the projection optical system 4 are arranged so as to draw an arc at an arbitrary position in a plane orthogonal to the optical axis 2 of the projection optical system 4.
- the eyepiece optical system 5 has an eyepiece reflecting surface 5a having positive power and made of an extended rotation free-form surface.
- the eyepiece optical system 5 allows a distant virtual image to be viewed as an image.
- the diffusion surface 11 is composed of an extended rotation free-form surface, and the image projected by the projection optical system 4 is projected in the vicinity of the diffusion surface 11 in a cylindrical or conical shape.
- the projection optical system 4 has a video display element 3.
- the visual axis 101 that is in front of the observer or the center of the viewing angle of view and the optical axis 2 of the projection optical system 4 are orthogonal to each other.
- the light beam emitted from the entrance pupil E as the optical path A is reflected by the eyepiece reflecting surface 5a of the eyepiece optical system 5 in reverse ray tracing, and forms an intermediate image on the diffusing surface 11.
- the light beam exiting the diffusion surface 11 enters the projection optical system 4. Then, an image is formed at a predetermined position in the radial direction off the optical axis 2 of the image display element 3.
- the diffusion on the diffusion surface 11 is omitted for ray tracing.
- the eye width of the observer's eyes is omitted from the data, but is tracked as 50 mm in the optical path diagram in the horizontal section.
- ray tracing is performed by tracing back rays from the observer's eyeball toward the exit pupil of the projection optical system.
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Abstract
映像表示素子（３）と、映像表示素子（３）に表示された映像を投影する投影光学系（４）と、投影光学系（４）により投影された映像を遠方からの映像とする正の反射パワーを有する接眼光学系（５）と、投影光学系（４）により投影された映像の近傍に配置された円筒又は円錐状の拡散面（１１）と、からなる視覚表示装置（１）において、投影光学系（４）により投影された映像は、投影光学系（４）の光軸（２）に直交する面内の任意の位置で円弧を描くように配置される。
Description
本発明は、視覚表示装置に関し、広い観察画角を表示することが可能な視覚表示装置に関するものである。
従来、虚像や実像を観察する光学系として特許文献１～６のようなものが知られている。
特開平１０－２０６７９０号公報
特許第２９１６１４２号公報
米国特許３９９８５３２号公報
米国特許４０１２１２６号公報
米国特許４０７８８６０号公報
米国特許４１００５７１号公報
しかしながら、特許文献１において知られている技術は、観察画角が狭かった。また、特許文献２～６において知られている技術は、スクリーンに映像を投影するものであり、観察画角は水平方向で３６０度が可能であるが、スクリーンの大きさを大きくしないと観察する映像が近くに見えてしまう問題があった。また、スクリーン相互の反射により、映像のコントラストが悪くなる問題があった。
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、広い観察画角を鮮明に且つ遠方の映像として観察することが可能な小型の視覚表示装置を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明は、映像表示素子と、前記映像表示素子に表示された映像を投影する投影光学系と、前記投影光学系により投影された映像を遠方からの映像とする正の反射パワーを有する接眼光学系と、前記投影光学系により投影された映像の近傍に配置された円筒又は円錐状の拡散面と、からなる視覚表示装置において、前記投影光学系により投影された映像は、前記投影光学系の光軸に直交する面内の任意の位置で円弧を描くように配置されることを特徴とする。
また、前記画像表示素子は、円環状又は円弧状の映像を表示することを特徴とする。
また、観察者前方又は観察画角中心に当たる視軸と前記投影光学系の光軸は交差することを特徴とする。
また、観察者前方又は観察画角中心に当たる視軸と前記投影光学系の光軸は直交することを特徴とする。
また、前記接眼光学系は、観察者前方又は観察画角中心に当たる視軸に対して傾斜して配置されることを特徴とする。
また、前記投影光学系により投影された映像は、中心主光線に対して傾斜して配置されることを特徴とする。
また、前記拡散面は、中心主光線に対して傾斜して配置されることを特徴とする。
また、前記拡散面は、メリジオナル断面において直線形状であることを特徴とする。
また、前記投影光学系は、光軸上の映像を投影しないことを特徴とする。
また、前記接眼光学系は、球面であることを特徴とする。
また、前記接眼光学系は、トーリック面であることを特徴とする。
また、前記接眼光学系は、前記投影光学系の射出瞳位置と観察者眼球位置を２つの焦点とする楕円面の一部であることを特徴とする。
また、前記接眼光学系は、自由曲面であることを特徴とする。
また、前記接眼光学系は、拡張回転自由曲面であることを特徴とする。
以上の本発明の視覚表示装置においては、小型でありながら、広い観察画角を鮮明に観察することが可能となる。
以下、実施例に基づいて本発明にかかる視覚表示装置について説明する。図１は本発明にかかる視覚表示装置１の概念図、図２は図１の平面図、である。
本発明にかかる視覚表示装置１は、図１及び図２に示すように、映像表示素子３と、映像表示素子３に表示された映像を投影する投影光学系４と、投影光学系４により投影された映像を遠方からの映像とする正の反射パワーを有する接眼光学系５と、投影光学系４により投影された映像の近傍に配置された円筒又は円錐状の拡散面１１と、からなる視覚表示装置１において、投影光学系４により投影された映像は、投影光学系４の光軸２に直交する面内の任意の位置で円弧を描くように配置される。
従来、リレー光学系を用いて小型の表示素子の映像を接眼光学系の前側焦点位置にリレーして、接眼光学系により広い観察画角の映像を提供する構成があるが、広角の観察像を得るためには、投影光学系と接眼光学系の合成焦点距離が非常に短くなってしまい、接眼光学系で広い射出瞳を得るためには映像表示素子側の投影光学系のＮＡが非常に大きくなってしまい、投影光学系が複雑で大型になる問題があった。
そこで、本発明では投影光学系４の像面近傍に拡散性のある拡散面１１を配置し、この拡散面１１で投影された映像を拡散することにより、接眼光学系５の入射瞳を大きくすることが可能となり、観察者が多少動いても、常に映像を観察することが可能となる。
さらに、非常に広い観察画角を提供する接眼光学系５では強い像面湾曲が発生する。この像面湾曲に沿って投影面を湾曲させることも従来行われていたが、本発明は投影光学系４の光軸２と直交する面内の任意位置で円弧を描くように投影面を配置することが重要である。
特に、４５度を超える観察画角の場合接眼光学系５の像面湾曲も４５度を超えるものとなり、投影光学系４で円弧の角度が４５度の像湾曲を発生させることは、投影光学系４に大きな負担が掛かり小型の投影光学系４を構成することは不可能になる。そこで本発明では投影光学系４の光軸２と直行する面内で円弧を描くように投影像が投影されるような投影光学系４を用い、この円弧の部分の像面を接眼光学系５の中間像として用いることにより非常に大きな像面湾曲を相殺することに成功したものである。
さらに好ましくは、左右の両眼で観察する場合は拡散面１１を円筒又は円錐状にすることが好ましい。これは、観察者の両眼の輻輳を一定に保つ為に必要となる条件であり、拡散面１１を球状にすると凹面鏡からの距離が観察像の上下方向の画角により変化してしまい両眼で融像できる範囲を超えて二重像となってしまうからである。
また、図３及び図４に示すように、映像表示素子３は、円環状又は円弧状の映像を表示することが好ましい。
本発明では像周辺の映像を投影光学系４により接眼光学系５に投影する構成を取っているため、表示映像もこれに合わせたものにする必要がある。そのためには図３及び図４に示すように円環状又は円弧状の中心方向を観察映像の下方向になるような円環状又は円弧状の映像を表示する必要がある。又は投影光学系４の種類によっては中心方向を観察像の上方向になるような円環状又は円弧状の映像を表示する必要がある。
さらに好ましくは、観察者後方に当る映像を表示しない例えば２４０度の場合には、表示素子の画素を有効に利用する為に略半円形に表示することが好ましく、例えば１２０度の表示を行う場合は扇形の表示を行うことが好ましい。また、図４に示すように、映像表示素子３の画素数を有効に使うために、円環状又は円弧状の表示映像の観察可能な部分のみ拡大して映像表示素子３に表示することが良い。
また、観察者前方又は観察画角中心に当る視軸１０１と投影光学系４の光軸２が交差することが好ましい。
本発明では、投影光学系４の投影面は投影光学系４の光軸２と任意の位置で直交する面内で円弧を描くように投影された映像、つまり投影光学系４の光軸２周りに筒状に投影された映像を接眼光学系５で拡大する構成であり、通常行われる投影光学系４の光軸２と接眼光学系５の光軸を一致させる方法では観察像を形成することが出来ない。そこで、本発明では投影光学系４の光軸２と視軸１０１が交差するように構成することにより、投影光学系４の光軸２周りに投影された投影像を接眼光学系５で観察することが可能となったものである。
また、観察者前方又は観察画角中心に当る視軸１０１と投影光学系４の光軸２は直交することが好ましい。
視軸１０１と投影光学系４の光軸２を直交させることにより、映像表示素子３上の任意の像高の円が観察像の視軸１０１を含めた水平方向に一致し、像の歪みを低減させる効果がある。
また、接眼光学系５は観察者前方又は観察画角中心に当たる視軸１０１に対して傾斜して配置されていることが好ましい。
接眼光学系５を視軸１０１に対して傾斜して配置させることにより、投影光学系４を観察者の頭上に配置することが可能となり、観察者頭部と投影光学系４の干渉を避けることができる。
また、投影光学系４により投影された映像は、中心主光線１０２に対して傾斜して配置されることが好ましい。なお、中心主光線１０２の一部は視軸１０１と一致している。
接眼光学系５が傾斜して配置されている為、接眼光学系５の物体面も偏心収差により物体面の傾きが発生してしまう。逆に言うと、ある決まった距離に虚像として観察像を表示させるためには、傾斜した物体面に投影面を配置し、その面上に投影光学系４により投影した映像を結像させることにより、一定の距離に虚像を表示させることが可能となる。
また、拡散面１１は、中心主光線１０２に対して傾斜して配置されることが好ましい。
投影面が中心主光線１０２に対して傾斜して配置されている場合、像面に拡散面１１を一致させないと、観察映像がボケてしまうため、拡散面１１も傾斜して配置させることが必要である。さらに好ましくは傾け角も同一にすることが望ましい。
また、拡散面１１は、メリジオナル断面において直線形状であることが好ましい。
拡散面１１上に投影された投影像は拡散され接眼光学系５で反射されたあと、観察者の左右の眼に到達するが、拡散面１１に投影される投影像の形状がメリジオナル断面で湾曲していると観察者両眼に入射する光線の輻輳角が観察画面の上下方向で異なってしまい、両眼で融像することが出来なくなってしまい二重像として観察されてしまう。さらに好ましくは、投影面の形状は円筒にし、拡散面１１の形状も円筒にすることが製作上好ましい。
また、投影光学系は、光軸上の映像を投影しないことが好ましい。
本発明では投影光学系４の光軸２外の映像を接眼光学系５により観察者に提示するものであり、光軸２上の映像は本来使用しない構造である。そこで、この光軸２上の映像は不要光となり、観察の邪魔になることや、観察映像のコントラストを低下させる原因になる。そこで、光軸２上の映像は何も表示しないことが好ましい。さらに好ましくは、遮光部材等により光軸２上の光線を遮光することが望ましい。また、さらに好ましくは、拡散面１１で反射拡散され接眼光学系５を介さずに直接観察者の目に入る光線も遮光部材により遮光することが鮮明な観察像を得る為に望ましい。
また、接眼光学系５は、球面であることが好ましい。
接眼光学系５を球面で構成することにより、既存のプラスチック球を使用することが可能となり、製作性が向上し安価に製造できる。また、凹面鏡の反射面はプラスチック球の内面で構成して表面鏡としても、外面で構成して裏面鏡として構成してもよい。
また、接眼光学系５はトーリック面であることが好ましい。
接眼光学系５をトーリック面で構成すると、接眼光学系５の瞳収差、特に非点収差をなくすことが可能となり、拡散面１１の拡散特性を下げることにより明るい観察像を観察できるようになる。さらに、映像表示素子３の照明の光源の明るさを下げることが可能となり、少ない電力で明るい観察像を得ることができる。
また、接眼光学系５は投影光学系４の射出瞳位置と観察者眼球位置を２つの焦点とする楕円面の一部であることが好ましい。
接眼光学系５を楕円にすることにより瞳収差の発生が無くなり、トーリック面と同様の効果がある。
また、接眼光学系５は自由曲面であることが好ましい。
自由曲面を使用することにより接眼光学系５の像湾曲を低減することが可能となり、特に画角が狭い場合に効果がある。
また、接眼光学系５は拡張回転自由曲面であることが好ましい。
拡張回転自由曲面を使用することにより接眼光学系５のメリジオナル断面（上下方向の）像湾曲を低減することが可能となり、特に画角が広い場合に効果がある。
本発明にかかる投影光学系４は広角の魚眼レンズを使うことも可能である、例えば、特公平２－１４６８４号公報の第1実施例を用いることが可能である。また、これに限らず一般的な魚眼レンズを用いることが可能であり、投影光学系４の射出瞳と接眼光学系５の入射瞳を一致させることが重要である。
また、凸面鏡１面と通常の投影光学系４で投影光学系４を構成することも可能である。
さらに好ましくは、魚眼レンズは像周辺の映像が小さく写るような歪を持つため歪みの小さいＦ－θ特性を持った魚眼レンズが好ましい。
さらに好ましくは、本出願人の特開２００４－１０２２０４号公報に記載の拡散板を拡散面１１に用いることが好ましい。
さらに好ましくは、図５に示すように、左右の眼球（入射瞳）Ｅに対応した２つの投影光学系４を配置し、２つの投影光学系４の投影像を拡散面１１に投影すると同時に、２つの映像のクロストークが起きないように拡散面１１の拡散角をコントロールして立体像を観察することも可能である。
また、拡散面１１をホログラフィックな拡散面１１にすることにより拡散面１１自体が観察されてしまう問題を回避することが可能となる。
さらに、拡散面１１を回転又は振動させることにより上記問題を解決することが可能である。さらに、接眼光学系５は半透過面にすることにより、外界の映像と電子像を重層表示する所謂コンバイナーとして構成することが可能である。この場合、円環状の基盤にホログラフィック素子を貼り付けた、凹面鏡の作用を有するコンバイナーとすることが望ましい。
図６は、視覚表示装置１を座席Ｓと組み合わせて適用した図を示す。座席Ｓは、ソファや乗り物等の座席Ｓであり、座席Ｓの背面部Ｓ１の角度にあわせて、視覚表示装置１は、傾斜して配置される。また、座席Ｓがリクライニング機構を有し、リクライニング機構により傾斜した背面部Ｓ１の角度に応じて、視覚表示装置１の角度を傾斜させる構造とすると好ましい。
図７は、接眼光学系５及び拡散面１１を円環状に形成した視覚表示装置１の断面図である。接眼光学系５及び拡散面１１を円環状に形成した視覚表示装置１は、図７に示すように、観察者の顔を円環状の接眼光学系５及び拡散面１１の中央の空間に挿入することにより、３６０度の映像を観察することができる構造となっている。
以下に、本発明の視覚表示装置１の光学系の実施例を説明する。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８に示すように、観察者の観察する位置を接眼光学系５の入射瞳Ｅとし、入射瞳Ｅを通り映像表示素子３に向かう光線が、接眼光学系５と、投影光学系４とを順に経て映像表示素子３に至る逆光線追跡の結果に基づくものである。
座標系は、例えば図８に示すように、接眼光学系５の入射瞳Ｅと接眼光学系５とを結ぶ視軸１０１と投影光学系４の光軸２との交点Ｏを偏心光学系の偏心光学面の原点Ｏとし、光軸２の原点Ｏから映像表示素子３へ向かう方向をＹ軸正方向とし、図８の紙面内をＹ－Ｚ平面とする。そして、図８の原点Ｏから右方向を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。
また、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、図９に示すように、Ｙ－Ｚ座標面上で原点を通る下記の曲線（ａ）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＋・・・・＋Ｃn+1 Ｙn ＋・・・・
・・・（ａ）
Ｚ＝（Ｙ2 ／ＲＹ）／［１＋｛１－（Ｃ1 ＋１）Ｙ2 ／ＲＹ2 ｝1 /2］
＋Ｃ2 Ｙ＋Ｃ3 Ｙ2 ＋Ｃ4 Ｙ3 ＋Ｃ5 Ｙ4 ＋Ｃ6 Ｙ5 ＋Ｃ7 Ｙ6
＋・・・・＋Ｃ21Ｙ20＋・・・・＋Ｃn+1 Ｙn ＋・・・・
・・・（ａ）
次いで、この曲線（ａ）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Ｙ正方向に距離Ｒ（負のときはＹ負方向）だけ平行移動し、その後にＺ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
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－Ｙ面内で半径｜Ｒ｜の円になる。
この定義からＺ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。
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、Ｚ軸を中心軸２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、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、以下の式（ｂ）で定義されるものである。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面 の軸となる。
Ｚ＝（ｒ2 ／Ｒ）／［１＋√｛１－（１＋ｋ）（ｒ／Ｒ）2 ｝］
∞
＋Σ Ｃj Ｘm Ｙn ・・・（ｂ）
j=1
ここで、（ｂ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。
∞
＋Σ Ｃj Ｘm Ｙn ・・・（ｂ）
j=1
ここで、（ｂ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。
球面項中、
Ｒ：頂点の曲率半径
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）
である。
Ｒ：頂点の曲率半径
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）
である。
自由曲面項は、
66
Σ Ｃj Ｘm Ｙn
j=1
＝Ｃ1
＋Ｃ2 Ｘ＋Ｃ3 Ｙ
＋Ｃ4 Ｘ2 ＋Ｃ5 ＸＹ＋Ｃ6 Ｙ2
＋Ｃ7 Ｘ3 ＋Ｃ8 Ｘ2 Ｙ＋Ｃ9 ＸＹ2 ＋Ｃ10Ｙ3
＋Ｃ11Ｘ4 ＋Ｃ12Ｘ3 Ｙ＋Ｃ13Ｘ2 Ｙ2 ＋Ｃ14ＸＹ3 ＋Ｃ15Ｙ4
＋Ｃ16Ｘ5 ＋Ｃ17Ｘ4 Ｙ＋Ｃ18Ｘ3 Ｙ2 ＋Ｃ19Ｘ2 Ｙ3 ＋Ｃ20ＸＹ4
＋Ｃ21Ｙ5
＋Ｃ22Ｘ6 ＋Ｃ23Ｘ5 Ｙ＋Ｃ24Ｘ4 Ｙ2 ＋Ｃ25Ｘ3 Ｙ3 ＋Ｃ26Ｘ2 Ｙ4
＋Ｃ27ＸＹ5 ＋Ｃ28Ｙ6
＋Ｃ29Ｘ7 ＋Ｃ30Ｘ6 Ｙ＋Ｃ31Ｘ5 Ｙ2 ＋Ｃ32Ｘ4 Ｙ3 ＋Ｃ33Ｘ3 Ｙ4
＋Ｃ34Ｘ2 Ｙ5 ＋Ｃ35ＸＹ6 ＋Ｃ36Ｙ7
・・・・・・
ただし、Ｃj （ｊは１以上の整数）は係数である。
66
Σ Ｃj Ｘm Ｙn
j=1
＝Ｃ1
＋Ｃ2 Ｘ＋Ｃ3 Ｙ
＋Ｃ4 Ｘ2 ＋Ｃ5 ＸＹ＋Ｃ6 Ｙ2
＋Ｃ7 Ｘ3 ＋Ｃ8 Ｘ2 Ｙ＋Ｃ9 ＸＹ2 ＋Ｃ10Ｙ3
＋Ｃ11Ｘ4 ＋Ｃ12Ｘ3 Ｙ＋Ｃ13Ｘ2 Ｙ2 ＋Ｃ14ＸＹ3 ＋Ｃ15Ｙ4
＋Ｃ16Ｘ5 ＋Ｃ17Ｘ4 Ｙ＋Ｃ18Ｘ3 Ｙ2 ＋Ｃ19Ｘ2 Ｙ3 ＋Ｃ20ＸＹ4
＋Ｃ21Ｙ5
＋Ｃ22Ｘ6 ＋Ｃ23Ｘ5 Ｙ＋Ｃ24Ｘ4 Ｙ2 ＋Ｃ25Ｘ3 Ｙ3 ＋Ｃ26Ｘ2 Ｙ4
＋Ｃ27ＸＹ5 ＋Ｃ28Ｙ6
＋Ｃ29Ｘ7 ＋Ｃ30Ｘ6 Ｙ＋Ｃ31Ｘ5 Ｙ2 ＋Ｃ32Ｘ4 Ｙ3 ＋Ｃ33Ｘ3 Ｙ4
＋Ｃ34Ｘ2 Ｙ5 ＋Ｃ35ＸＹ6 ＋Ｃ36Ｙ7
・・・・・・
ただし、Ｃj （ｊは１以上の整数）は係数である。
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ－Ｚ面、Ｙ－Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ－Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ｂ）においては、Ｃ2 、Ｃ5 、Ｃ7 、Ｃ9 、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ－Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式においては、Ｃ3 、Ｃ5 、Ｃ8 、Ｃ10、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ17、Ｃ19、Ｃ21、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ30、Ｃ32、Ｃ34、Ｃ36・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
また、上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ－Ｚ面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向に、Ｘ－Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性をも向上させることが可能となる。
また、上記定義式（ｂ）は、前述のように１つの例として示したものであり、本発明は、対称面を１面のみ有する回転非対称な面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向上させるということが特徴であり、他のいかなる定義式に対しても同じ効果が得られることは言うまでもない。
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１の投影光学系４の光軸２に沿ってとった断面図を図１０に、平面図を図１１に示す。なお、図１１においては、投影光学系４は省略し、図示していない。
本実施例１は、映像表示素子３と、映像表示素子３に表示された映像を投影する投影光学系４と、投影光学系４により投影された映像を遠方からの映像とする正の反射パワーを有する接眼光学系５と、投影光学系４により投影された映像の近傍に配置された円筒又は円錐状の拡散面１１と、からなる視覚表示装置１において、投影光学系４により投影された映像は、投影光学系４の光軸２に直交する面内の任意の位置で円弧を描くように配置される。
接眼光学系５は、正のパワーを有し、球面からなる接眼反射面５ａを有する。なお、接眼光学系５により、遠方の虚像を画像として見ることが可能となる。
拡散面１１は、シリンドリカル面からなり、投影光学系４により投影された映像は、拡散面１１の近傍に円筒又は円錐状に投影される。
投影光学系４は、映像表示素子３を有する。
また、観察者前方又は観察画角中心に当る視軸１０１と投影光学系４の光軸２は直交する。
光路Ａとして入射瞳Ｅから出射した光束は、逆光線追跡において、接眼光学系５の接眼反射面５ａで反射され、拡散面１１で中間結像する。拡散面１１を出た光束は、投影光学系４に入る。そして、映像表示素子３の光軸２から外れた半径方向の所定位置に結像する。
この実施例１の仕様は、
画角 上下３０．０００°
である。
画角 上下３０．０００°
である。
実施例２の視覚表示装置１の投影光学系４の光軸２に沿ってとった断面図を図１２に、平面図を図１３に示す。なお、図１３においては、投影光学系４は省略し、図示していない。
本実施例２は、映像表示素子３と、映像表示素子３に表示された映像を投影する投影光学系４と、投影光学系４により投影された映像を遠方からの映像とする正の反射パワーを有する接眼光学系５と、投影光学系４により投影された映像の近傍に配置された円筒又は円錐状の拡散面１１と、からなる視覚表示装置１において、投影光学系４により投影された映像は、投影光学系４の光軸２に直交する面内の任意の位置で円弧を描くように配置される。
接眼光学系５は、正のパワーを有し、トーリック面（ＥＲＦＳ）からなる接眼反射面５ａを有する。なお、接眼光学系５により、遠方の虚像を画像として見ることが可能となる。
拡散面１１は、シリンドリカル面からなり、投影光学系４により投影された映像は、拡散面１１の近傍に円筒又は円錐状に投影される。
投影光学系４は、映像表示素子３を有する。
また、観察者前方又は観察画角中心に当る視軸１０１と投影光学系４の光軸２は直交する。
光路Ａとして入射瞳Ｅから出射した光束は、逆光線追跡において、接眼光学系５の接眼反射面５ａで反射され、拡散面１１中間結像する。拡散面１１を出た光束は、投影光学系４に入る。そして、映像表示素子３の光軸２から外れた半径方向の所定位置に結像する。
この実施例２の仕様は、
画角 上下３０．０００°
である。
画角 上下３０．０００°
である。
実施例３の視覚表示装置１の投影光学系４の光軸２に沿ってとった断面図を図１４に、平面図を図１５に示す。なお、図１５においては、投影光学系４は省略し、図示していない。
本実施例３は、映像表示素子３と、映像表示素子３に表示された映像を投影する投影光学系４と、投影光学系４により投影された映像を遠方からの映像とする正の反射パワーを有する接眼光学系５と、投影光学系４により投影された映像の近傍に配置された円筒又は円錐状の拡散面１１と、からなる視覚表示装置１において、投影光学系４により投影された映像は、投影光学系４の光軸２に直交する面内の任意の位置で円弧を描くように配置される。
接眼光学系５は、正のパワーを有し、拡張回転自由曲面（ＥＲＦＳ）からなる接眼反射面５ａを有する。なお、接眼光学系５により、遠方の虚像を画像として見ることが可能となる。
拡散面１１は、シリンドリカル面からなり、投影光学系４により投影された映像は、拡散面１１の近傍に円筒又は円錐状に投影される。
投影光学系４は、映像表示素子３を有する。
また、観察者前方又は観察画角中心に当る視軸１０１と投影光学系４の光軸２は直交する。
光路Ａとして入射瞳Ｅから出射した光束は、逆光線追跡において、接眼光学系５の接眼反射面５ａで反射され、拡散面１１中間結像する。拡散面１１を出た光束は、投影光学系４に入る。そして、映像表示素子３の光軸２から外れた半径方向の所定位置に結像する。
この実施３の仕様は、
画角 上下３０．０００°
である。
画角 上下３０．０００°
である。
実施例４の視覚表示装置１の投影光学系４の光軸２に沿ってとった断面図を図１６に、平面図を図１７に示す。なお、図１７においては、投影光学系４は省略し、図示していない。
本実施例４は、映像表示素子３と、映像表示素子３に表示された映像を投影する投影光学系４と、投影光学系４により投影された映像を遠方からの映像とする正の反射パワーを有する接眼光学系５と、投影光学系４により投影された映像の近傍に配置された円筒又は円錐状の拡散面１１と、からなる視覚表示装置１において、投影光学系４により投影された映像は、投影光学系４の光軸２に直交する面内の任意の位置で円弧を描くように配置される。
接眼光学系５は、正のパワーを有し、拡張回転自由曲面からなる接眼反射面５ａを有する。なお、接眼光学系５により、遠方の虚像を画像として見ることが可能となる。
拡散面１１は、拡張回転自由曲面からなり、投影光学系４により投影された映像は、拡散面１１の近傍に円筒又は円錐状に投影される。
投影光学系４は、映像表示素子３を有する。
また、観察者前方又は観察画角中心に当る視軸１０１と投影光学系４の光軸２は直交する。
光路Ａとして入射瞳Ｅから出射した光束は、逆光線追跡において、接眼光学系５の接眼反射面５ａで反射され、拡散面１１中間結像する。拡散面１１を出た光束は、投影光学系４に入る。そして、映像表示素子３の光軸２から外れた半径方向の所定位置に結像する。
この実施例４の仕様は、
画角 上下３０．０００°
である。
画角 上下３０．０００°
である。
以下に、上記実施例１～４の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ＥＲＦＳ”は拡張回転自由曲面、“ＦＦＳ”は自由曲面を示す。また、投影光学系４に関するデータは省略する。
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 ∞ -1850.00
1 ∞（入射瞳） 0.00 偏心(1)
2 -500.00（ＲＥ） 0.00 偏心(2)
3 シリンドリカル面[1] 0.00 偏心(3) 1.5163 64.1
4 シリンドリカル面[2] 0.00 偏心(4)
5 ∞（射出瞳） 0.00 偏心(5)
像 面 シリンドリカル面[2] 0.00 偏心(4)
シリンドリカル面[1]
RY ∞
Rx -300
シリンドリカル面[2]
RY ∞
Rx -295
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 55.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 154.37 Ｚ 500.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 142.13 Ｚ 300.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 144.23 Ｚ 295.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 344.77 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ -1850.00
1 ∞（入射瞳） 0.00 偏心(1)
2 -500.00（ＲＥ） 0.00 偏心(2)
3 シリンドリカル面[1] 0.00 偏心(3) 1.5163 64.1
4 シリンドリカル面[2] 0.00 偏心(4)
5 ∞（射出瞳） 0.00 偏心(5)
像 面 シリンドリカル面[2] 0.00 偏心(4)
シリンドリカル面[1]
RY ∞
Rx -300
シリンドリカル面[2]
RY ∞
Rx -295
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 55.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 154.37 Ｚ 500.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 142.13 Ｚ 300.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 144.23 Ｚ 295.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 344.77 Ｚ 0.00
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 ∞（入射瞳） 0.00 偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[1]（ＲＥ） 0.00
3 シリンドリカル面[1] 0.00 偏心(2) 1.5163 64.1
4 シリンドリカル面[2] 0.00 偏心(3)
5 ∞（射出瞳） 0.00 偏心(4)
像 面 シリンドリカル面[2] 0.00 偏心(3)
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -532.29
θ -17.54
Ｒ 475.00
シリンドリカル面[1]
Ｘ方向曲率半径 262.21
Ｙ方向曲率半径 ∞
シリンドリカル面[2]
Ｘ方向曲率半径 257.21
Ｙ方向曲率半径 ∞
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 30.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 149.74 Ｚ 262.21
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 151.79 Ｚ 257.21
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 344.77 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞（入射瞳） 0.00 偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[1]（ＲＥ） 0.00
3 シリンドリカル面[1] 0.00 偏心(2) 1.5163 64.1
4 シリンドリカル面[2] 0.00 偏心(3)
5 ∞（射出瞳） 0.00 偏心(4)
像 面 シリンドリカル面[2] 0.00 偏心(3)
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -532.29
θ -17.54
Ｒ 475.00
シリンドリカル面[1]
Ｘ方向曲率半径 262.21
Ｙ方向曲率半径 ∞
シリンドリカル面[2]
Ｘ方向曲率半径 257.21
Ｙ方向曲率半径 ∞
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 30.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 149.74 Ｚ 262.21
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 151.79 Ｚ 257.21
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 344.77 Ｚ 0.00
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 ∞（入射瞳） 0.00 偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[1]（ＲＥ） 0.00
3 シリンドリカル面[1] 0.00 偏心(2) 1.5163 64.1
4 シリンドリカル面[2] 0.00 偏心(3)
5 ∞（射出瞳） 0.00 偏心(4)
像 面 シリンドリカル面[2] 0.00 偏心(3)
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -516.77
θ -18.00
Ｒ 475.00
Ｃ4 1.0918E-007
シリンドリカル面[1]
Ｘ方向曲率半径 -269.26
Ｙ方向曲率半径 ∞
シリンドリカル面[2]
Ｘ方向曲率半径 -264.26
Ｙ方向曲率半径 ∞
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 50.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 149.73 Ｚ 269.26
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 151.83 Ｚ 264.26
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 344.77 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞（入射瞳） 0.00 偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[1]（ＲＥ） 0.00
3 シリンドリカル面[1] 0.00 偏心(2) 1.5163 64.1
4 シリンドリカル面[2] 0.00 偏心(3)
5 ∞（射出瞳） 0.00 偏心(4)
像 面 シリンドリカル面[2] 0.00 偏心(3)
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -516.77
θ -18.00
Ｒ 475.00
Ｃ4 1.0918E-007
シリンドリカル面[1]
Ｘ方向曲率半径 -269.26
Ｙ方向曲率半径 ∞
シリンドリカル面[2]
Ｘ方向曲率半径 -264.26
Ｙ方向曲率半径 ∞
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 50.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 149.73 Ｚ 269.26
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 151.83 Ｚ 264.26
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 344.77 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
実施例４
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞（入射瞳） 0.00 偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[1]（ＲＥ） 0.00
3 ＥＲＦＳ[2] 0.00 偏心(2) 1.5163 64.1
4 ＥＲＦＳ[3] 0.00 偏心(3)
5 ∞（射出瞳） 0.00 偏心(4)
像 面 ＥＲＦＳ[3] 0.00 偏心(3)
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -549.70
θ -20.06
Ｒ 475.00
Ｃ4 1.0566E-007
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ ∞
θ -5.70
Ｒ 273.42
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ ∞
θ -5.70
Ｒ 268.42
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 30.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 170.11 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 172.72 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 400.00 Ｚ -30.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞（入射瞳） 0.00 偏心(1)
2 ＥＲＦＳ[1]（ＲＥ） 0.00
3 ＥＲＦＳ[2] 0.00 偏心(2) 1.5163 64.1
4 ＥＲＦＳ[3] 0.00 偏心(3)
5 ∞（射出瞳） 0.00 偏心(4)
像 面 ＥＲＦＳ[3] 0.00 偏心(3)
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -549.70
θ -20.06
Ｒ 475.00
Ｃ4 1.0566E-007
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ ∞
θ -5.70
Ｒ 273.42
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ ∞
θ -5.70
Ｒ 268.42
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 30.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 170.11 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 172.72 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 400.00 Ｚ -30.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
なお、実施例１～４では、水平方向２０度の光線しか追跡していないが、回転対称な光学系なので、３６０度の観察画角がそのままの構成で得られる。
また、拡散面１１での拡散は光線追跡上省略している。
観察者両眼の眼幅はデータ上省略しているが、水平断面での光路図では５０ｍｍとして追跡している。
また、光線追跡は観察者眼球から投影光学系の射出瞳に向かう逆光線追跡で追跡している。
Claims (14)
- 映像表示素子と、
前記映像表示素子に表示された映像を投影する投影光学系と、
前記投影光学系により投影された映像を遠方からの映像とする正の反射パワーを有する接眼光学系と、
前記投影光学系により投影された映像の近傍に配置された円筒又は円錐状の拡散面と、
からなる視覚表示装置において、
前記投影光学系により投影された映像は、前記投影光学系の光軸に直交する面内の任意の位置で円弧を描くように配置される
ことを特徴とする視覚表示装置。 - 前記映像表示素子は、円環状又は円弧状の映像を表示する
ことを特徴とする請求項１に記載の視覚表示装置。 - 観察者前方又は観察画角中心に当たる視軸と前記投影光学系の光軸は交差する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の視覚表示装置。 - 観察者前方又は観察画角中心に当たる視軸と前記投影光学系の光軸は直交する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の視覚表示装置。 - 前記接眼光学系は、観察者前方又は観察画角中心に当たる視軸に対して傾斜して配置される
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の視覚表示装置。 - 前記投影光学系により投影された映像は、中心主光線に対して傾斜して配置される
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の視覚表示装置。 - 前記拡散面は、中心主光線に対して傾斜して配置される
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載の視覚表示装置。 - 前記拡散面は、メリジオナル断面において直線形状である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の視覚表示装置。 - 前記投影光学系は、光軸上の映像を投影しない
ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１つに記載の視覚表示装置。 - 前記接眼光学系は、球面である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１つに記載の視覚表示装置。 - 前記接眼光学系は、トーリック面である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１つに記載の視覚表示装置。 - 前記接眼光学系は、前記投影光学系の射出瞳位置と観察者眼球位置を２つの焦点とする楕円面の一部である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１つに記載の視覚表示装置。 - 前記接眼光学系は、自由曲面である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１つに記載の視覚表示装置。 - 前記接眼光学系は、拡張回転自由曲面である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１つに記載の視覚表示装置。
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|---|---|---|---|
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Ref document number: 200980136063.7 Country of ref document: CN |
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 09806581 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 2010524670 Country of ref document: JP |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 09806581 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |