(57)【要約】【課題】  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。【解決手段】  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、主光学系２を挟んで、各副光学系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表示面１６の虚像が中心軸１近傍に結像され、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に垂直な共通の平面上に回転対称に配置される。【選択図】図１０
2008076799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【特許文献１】特開２００５−２２１６９０号公報
【特許文献２】特開２００６−１０８５２号公報
【特許文献３】特開２００６−１１３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【発明の効果】
【００１６】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
Ｚ＝（Ｙ2 ／ＲＹ）／［１＋｛１−（Ｃ1 ＋１）Ｙ2 ／ＲＹ2 ｝1 /2］
＋Ｃ2 Ｙ＋Ｃ3 Ｙ2 ＋Ｃ4 Ｙ3 ＋Ｃ5 Ｙ4 ＋Ｃ6 Ｙ5 ＋Ｃ7 Ｙ6 
＋・・・・＋Ｃ21Ｙ20＋・・・・＋Ｃn+1 Ｙn ＋・・・
・・・（ｄ）
次いで、この曲線（ｄ）をＸ軸正方向を向いて左回りを正として角度θ（°）回転した曲線Ｆ（Ｙ）が定められる。この曲線Ｆ（Ｙ）もＹ−Ｚ座標面上で原点を通る。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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 
Ｃ4      -1.6653 ×10-4
ＥＲＦＳ[2] 
ＲＹ    19.37
θ     -33.64 
Ｒ     -20.99 
Ｃ4      -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
Ｃ4       2.8026 ×10-13
ＥＲＦＳ[2] 
ＲＹ   -18.22 
θ     -20.57 
Ｒ     -14.31 
Ｃ4       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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の基本原理を示す図である。
【図２】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３】図２の撮影方法で撮影された視差画像の例を示す図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】本発明の実施例１の視覚表示装置の光学系の中心軸に沿ってとった断面図である。
【図１１】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。
【図１２】図１０の主要部の拡大図である。
【図１３】図１１の主要部の拡大図である。
【図１４】実施例１の光学系全体の横収差図である。
【図１５】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。
【図１６】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。
【図１７】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。
【図１８】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。
【図１９】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。
【図２０】実施例２の光学系全体の横収差図である。
【図２１】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。
【図２２】拡散板を使用する実施例の図１２に対応する図である。
【図２３】拡散板の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００９５】
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
【図１】
2008076799.tif 000003
【図２】
2008076799.tif 000004
【図３】
2008076799.tif 000005
【図４】
2008076799.tif 000006
【図５】
2008076799.tif 000007
【図６】
2008076799.tif 000008
【図７】
2008076799.tif 000009
【図８】
2008076799.tif 000010
【図９】
2008076799.tif 000011
【図１０】
2008076799.tif 000012
【図１１】
2008076799.tif 000013
【図１２】
2008076799.tif 000014
【図１３】
2008076799.tif 000015
【図１４】
2008076799.tif 000016
【図１５】
2008076799.tif 000017
【図１６】
2008076799.tif 000018
【図１７】
2008076799.tif 000019
【図１８】
2008076799.tif 000020
【図１９】
2008076799.tif 000021
【図２０】
2008076799.tif 000022
【図２１】
2008076799.tif 000023
【図２２】
2008076799.tif 000024
【図２３】
2008076799.tif 000025