(57)【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、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、主光学系と各副光学系とにより構成される合成光学系の射出瞳が主光学系の副光学系側とは反対側であって中心軸に対して副光学系とは反対側に位置し、各副光学系の主光学系とは光路上反対側にそれぞれ表示素子の表示面が配置され、各合成光学系による表示面の像が中心軸近傍に結像され、かつ、各合成光学系の射出瞳が中心軸に同心に略連続的に形成されることを特徴とする視覚表示装置。
【請求項２】
前記表示面には、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して立体観察可能にしたことを特徴とする請求項１項記載の視覚表示装置。
【請求項３】
複数の平面表示素子を回転対称に配置することで前記表示面が構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の視覚表示装置。
【請求項４】
２次元的に構成された表示素子を丸めて３次元的に構成することで前記表示面が構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の視覚表示装置。
【請求項５】
前記主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から４の何れか１項記載の視覚表示装置。
【請求項６】
前記主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から５の何れか１項記載の視覚表示装置。
【請求項７】
前記主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６記載の視覚表示装置。
【請求項８】
前記主光学系の外径の半分をＲｓとするとき、
１０ｍｍ＜Ｒｓ                                                ・・・（１）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１から７の何れか１項記載の視覚表示装置。
【請求項９】
光線が通過しない領域に遮光部材が配置されてい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。
【請求項１０】
前記表示面全体を前記副光学系側とは反対側全方位から照明する照明装置を備えてい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。
【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】
上記目的を達成する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、主光学系と各副光学系とにより構成される合成光学系の射出瞳が主光学系の副光学系側とは反対側であって中心軸に対して副光学系とは光路上反対側に位置し、各副光学系の主光学系とは反対側にそれぞれ表示素子の表示面が配置され、各合成光学系による表示面の像が中心軸近傍に結像され、かつ、各合成光学系の射出瞳が中心軸に同心に略連続的に形成されることを特徴とするものである。
【０００６】
この場合に、前記表示面には、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して立体観察可能にすることができる。
【０００７】
また、複数の平面表示素子を回転対称に配置することで前記表示面を構成することができる。
【０００８】
また、２次元的に構成された表示素子を丸めて３次元的に構成することで前記表示面を構成することができる。
【０００９】
また、前記主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が望ましい。
【００１０】
また、前記主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ようにすることができ、その場合に、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ものとすることができる。
【００１１】
また、前記主光学系の外径の半分をＲｓとするとき、
１０ｍｍ＜Ｒｓ                                                ・・・（１）
なる条件を満足することが望ましい。
【００１２】
また、光線が通過しない領域に遮光部材が配置されていることが望ましい。
【００１３】
また、前記表示面全体を前記副光学系側とは反対側全方位から照明する照明装置を備えているものとすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上の本発明の視覚表示装置においては、機械的な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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
本発明の視覚表示装置の基本原理は、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、主光学系と各副光学系とにより構成される合成光学系の射出瞳が主光学系の副光学系側とは反対側であって中心軸に対して副光学系とは反対側に位置し、各副光学系の主光学系とは反対側にそれぞれ表示素子の表示面が配置され、各合成光学系による表示面の像が中心軸近傍に結像され、かつ、各合成光学系の射出瞳が中心軸に同心に略連続的に形成されるものである。
【００１７】
中心軸に対してその周囲から中心軸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。
【００１８】
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。
【００１９】
そこで、本発明では、中心軸周辺のどの方向からも拡大結像光学系として機能する回転対称な光学系を回転対称軸（中心軸）を上下方向としてとして配置し、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。
【００２０】
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。
【００２１】
以下、図面を参照にして説明する。図１３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（ａ）と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（ｂ）であり、図１４は図１３（ａ）の主要部の拡大図であり、図１５は図１３（ｂ）の主要部の拡大図であり、図１６は、光学系全体を示す中心軸に沿う方向に見た平面図である。なお、図１３〜図１５においては、一部の副光学系３、表示面５しか図示していない。
【００２２】
以下、これら図１３〜図１６を参照にして、本発明の視覚表示装置を説明する。
【００２３】
本発明の視覚表示装置の光学系は、中心軸１に同心に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、球体（ボールレンズ）を用いているが、正パワーを持った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。
【００２４】
そして、特に図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、複合光系何れでもよく、要件としては、正又は負のパワーを有し、主光学系２と合成したときに、副光学系３に配置された絞り、この実施例では、副光学系３の主光学系２に面した第１面の周囲の開口が絞りを構成するが、その絞りの主光学系２の像である射出瞳４が、中心軸１を挟んで副光学系３とは反対側に形成されることである。複数の同一構成の副光学系３が中心軸１に同心な円周上に並列配置されているので、各合成光学系の射出瞳４は中心軸１に同心に並列配置される。各射出瞳４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。
【００２５】
そして、各副光学系３の主光学系２とは反対側であって、主光学系２と副光学系３からなる合成光学系の中心軸１位置と共役な位置に、表示素子の表示面５が配置されている。そのため、表示面５の拡大像６が中心軸１近傍に結像される。図１３〜図１６の実施例の場合は虚像として結像される。
【００２６】
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４位置近傍に持って行くと、その射出瞳４を形成する合成光学系（主光学系２と副光学系３）の像面に配置された表示面５のその合成光学系によって中心軸１近傍に結像された実像そのもの、あるいは、その実像の主光学系２の中心軸１より観察側の光学的部分によって形成された虚像（実施例１ではこの虚像、実施例２、３では実像そのもの）を拡大像６として観察することができる。そして、主光学系２と副光学系３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４に対応した位置の表示面５（中心軸１を挟んでその射出瞳４と反対側の表示面５）の表示像の拡大像６を観察できる。
【００２７】
ところで、中心軸１を上下方向として設定した場合、水平方向からの観察に対して副光学系３が邪魔にならないように、その観察方向より下側に副光学系３を配置することが重要である。例えば、観察方向と表示面５の高さを同一平面内に配置することが、最もシンプルな配置となるが、中心軸１を挟んで反対側（観察側）の表示面５が邪魔になり、観察像を観察することが不可能になってしまう。そこで、副光学系３を観察方向より下側に配置すると同時に、副光学系３により小さい表示面５の映像を拡大して主光学系２方向へ投影し、その主光学系２で拡大像として結像する構成をとることにより、表示面５を持つ表示素子に邪魔されずに大きな観察像（拡大像）６を小さい表示面５で表示することが可能となる。
【００２８】
さらに、複数の同一の副光学系３を同心に配置して、副光学系３の開口（絞り）を中心軸１と同心に並列して配置する。並列して同心に配置された開口（絞り）は、主光学系２により観察者が観察する領域に拡大投影され、中心軸１に同心に略連続的に射出瞳４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４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、表示面５の像は副光学系３により拡大され、さらに主光学系２により中心軸１近傍に拡大投影される。観察者はこの拡大投影された像６を観察することになり、大きい観察像を観察することが可能となる。
【００２９】
さらに、拡大像６を中心軸１近傍に配置するようにすると、少なくとも２つの合成光学系により投影された観察像６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。
【００３０】
さらに好ましくは、表示面５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１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。
【００３１】
このようにして作成した１６視点の静止画や動画は、図２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。このような映像を全体の表示面（表示素子）１５が円錐状の場合には、図３に示すように、撮影された角度順に円錐状に同心となるように表示する。実際には、合成光学系の結像により上下左右が反転するので、予め上下左右を反転させた映像として表示する。さらに、全体の表示面（表示素子）１５が円筒状の場合は、図４に示すように、撮影された角度順に円筒状になるように表示する。
【００３２】
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５に配置すると、図５に示すように、隣接した射出瞳４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６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。
【００３３】
ここで、観察位置での副光学系３の絞りが投影された射出瞳４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４も６５ｍｍ間隔となることが望ましい。また、射出瞳４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。
【００３４】
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５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。
【００３５】
なお、各表示面５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。
【００３６】
以上の本発明の視覚表示装置の主光学系２、副光学系３、表示面（表示素子）１５、拡大像６のイメージを図８の模式図に示す。
【００３７】
さらに好ましくは、複数の平面表示素子を回転対称に配置することで各表示面５を構成することができる。これにより、特殊な表示素子を新たに製作することなく、汎用の表示素子で各々の表示面５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。
【００３８】
さらに好ましくは、２次元的に構成された表示素子を丸めて３次元的に構成することで表示面５を構成することが可能である。近年フレキシブルな基板上に形成されたＬＣＤ又は有機ＥＬ等の表示素子があり、これらのフレキシブルな２次元表示素子を円筒状や円錐状に丸めて表示面５として使うことにより、安価に同心で３次元的に配置された表示素子を提供することが可能となる。
【００３９】
また、主光学系２の少なくとも１つの面は、回転対称軸（中心軸）１を含む縦断面と回転対称軸１と直交する横断面での曲率が異なるように構成されていることが望ましい。本発明の視覚表示装置は、回転対称軸を挟んで映像表示領域と観察領域が存在する全方位光学系であるため、一平面内に映像表示領域と観察領域を配置すると、映像表示領域で観察像が遮られてしまう。これを避けるために、映像表示領域から観察領域に到達する光束を主光学系２の回転対称軸１に対して斜めになるようにする必要がある。そのため、主光学系２に対して副光学系３を偏心して配置することになり、偏心収差が発生する。これを少なくするためには、主光学系２の少なくとも１つの面は、回転対称軸（中心軸）１を含む縦断面と回転対称軸１と直交する横断面での曲率が異なるように構成することにより、この偏心収差を補正することが可能となる。
【００４０】
さらに好ましくは、主光学系２の少なくとも１面は、対称面を持たない任意形状の曲線を回転対称軸１の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有することにより、さらに偏心収差、例えば偏心により発生するコマ収差を補正することが可能となる。
【００４１】
さらに好ましくは、主光学系２の少なくとも１面は、奇数次項を含む任意形状の曲線を回転対称軸１の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有することにより、さらに自由度の高い収差補正を行うことが可能となり、収差補正上好ましい。
【００４２】
さらに好ましくは、主光学系２の外径（回転対称軸１に直交する方向の外径）の半分をＲｓとするとき、
１０ｍｍ＜Ｒｓ                                                ・・・（１）
なる条件を満足することが望ましい。下限の１０ｍｍを越えると、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。
【００４３】
さらに好ましくは、
２０ｍｍ＜Ｒｓ                                            ・・・（１−１）
なる条件を満足することが臨場感を得るためには好ましい。
【００４４】
なお、以下に説明する実施例１〜３のＲｓは次の通りである。
【００４５】
実施例      １        ２        ３
Ｒｓ(mm)     15.00     30.00     27.43
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面５が配置されるが、各表示面５を並列させた全体の表示面１５は、上記のように、円筒状や円錐状になる。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。そして、何れの場合も、その円筒面又は円錐面の内面に表示面５を配置するようにしてもよいし、外面に表示面５を配置するようにしてもよい。図９に、全体の表示面（表示素子）１５を円筒状にする場合を例にとり、表示面５をその内面に配置した場合（ａ）と外面に配置した場合（ｂ）とを図示する。
【００４６】
ところで、本発明の視覚表示装置の回転対称な光学系の光線が通過しない領域に遮光部材を配置することが望ましい。図１０はその一例の中心軸１に沿ってとった断面図であり、線光源１２と集光光学系１３からなり、立体的に配置されている全体の表示面１５を全方位から照明する照明装置も共に示してある。この例においては、回転対称な反射鏡からなる主光学系２からの表示光を制限する遮光部材１１と、線光源１２から集光光学系１３を経て表示素子１５と副光学系３に到る照明光を制限する遮光部材１１が、図示のように中心軸１を中心に対称に配置される。
【００４７】
なお、図１０において、照明装置は、中心軸１に沿って配置された線光源１２と、円筒状の表示面１５の背後に配置され、中心軸１を含む断面図内では正パワーを持ち中心軸１の周りで回転対称な偏心配置のリング状集光光学系１３とからなり、中心軸１を含む断面図内で線光源１２の一点から出た照明光は表示面１５を略平行に照明しており、ケーラー照明になっていて、むらのない照明を行っている。しかも、線光源１２から出た照明光は中心軸１を含む断面内にのみ制限され、サジタル断面の光が存在しないので、フレアーの原因となる光がな。そのため、むらが少なくコントラストの良い拡大像が観察可能になる。
【００４８】
図１１は、照明装置として、中心軸１を中心とするサークル状のリング状発光体１６を用い、そのリング状発光体１６から放射された照明光を中心軸１を含む断面内で表示素子１５方向に集光するリング状反射鏡１７をリング状発光体１６の内側に中心軸１を中心に配置し、外側の周囲に中心軸１を含む断面図内では正パワーのフレネルレンズ形状で中心軸１の周りで回転対称なリング状集光光学系１３’を中心軸１を中心に配置して、円筒状の表示素子１５を内側から集光照明する例を示す図である。そして、この構成では、観察像のコントラストを上げるために、表示面１５から射出する光線を中心軸１を含む断面内に制限するように、視野角制限フィルターあるいはルーバー１８のような手段をリング状発光体１６と表示面１５の間に配置することが好ましい。
【００４９】
ところで、中心軸１上の点から出た照明光はメリジオナル断面（中心軸１を含む断面）内に制限される。そこで、図１２に示すように、中心軸１の一点に点光源１９を配置し、その点光源１９からの放射光を中心軸１の別の点に集光するような中心軸１に同心で回転対称なリング状反射鏡２０を点光源１９の周囲に配置し、その反射光路中に表示素子１５を配置して照明装置を構成すると、図１０の場合と同様に、メリジオナル断面内に制限された照明光のみで表示素子１５を照明でき、コントラストの良い像が観察可能になる。なお、図１２の場合は、副光学系は図示を省いてあり、主光学系２は、中心軸１に沿って配置した２枚のリング状反射鏡で構成されている。
【００５０】
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１４、図１５に示すように、物体面を拡大像６の面とし、拡大像６と共役な像面を表示面５とし、物体面６から射出瞳４を通り（反対に延長して光線が射出瞳４を通り）、像面５に向かう光線が主光学系２の光学面２１、２２と絞り面と副光学系３の光学面３１、３２とを経て像面５に至る逆光線追跡の結果に基づくものである。
【００５１】
座標系は、逆光線追跡において、例えば図１４に示すように、物体面６の中心（中心軸１上に位置する。）を偏心光学系の偏心光学面の原点とし、中心軸１の像面５と反対側の方向をＹ軸正方向とし、図１４の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、図１４の像面５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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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（ａ）と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（ｂ）を図１３に、図１３（ａ）の主要部の拡大図を図１４に、図１３（ｂ）の主要部の拡大図を図１５に示す。そして、光学系全体を示す中心軸に沿う方向に見た平面図を図１６に示す。なお、図１３〜図１５においては、一部の副光学系３、表示面５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１７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。
【００６４】
本実施例は、主光学系２が中心を中心軸１上に位置しその周りで回転対称な正パワーを持つ球体（ボールレンズ）からなり、かつ、中心軸１に同心な円周上に３０個並列配置される同一構成の副光学系３が像面５側に平面を持つ凸平正レンズからなり、その副光学系３の主光学系２に面した第１面３１の周囲の開口が絞りを構成しており、その絞りの主光学系２による像が、中心軸１を挟んで各副光学系３とは反対側に射出瞳４を形成している。３０個の同一構成の副光学系３が中心軸１に同心な円周上に並列配置されているので、主光学系２と各副光学系３とからなる合成光学系の射出瞳４は、中心軸１に同心に並列配置されている。そして各射出瞳４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。
【００６５】
各副光学系３の第２面３２に面して中心軸１位置と共役な位置に表示面５が配置されていて、副光学系３の正パワー（その第２面３２と第１面３１の合成屈折力）と主光学系２の第２面２２の正パワーとの合成パワーによりその表示面５の実像が中心軸１近傍に結像される。そして、その実像は、主光学系２の第１面２１を経て同様に中心軸１近傍に位置する拡大虚像６として結像され、その拡大像６は中心軸１を挟んで表示面５とは反対側から観察可能になる。
【００６６】
このような構成であるので、観察者が眼を何れかの射出瞳４位置近傍に持って行くと、その射出瞳４を形成する合成光学系（主光学系２と副光学系３）によってその像面に配置された表示面５の中心軸１近傍に結像された拡大像６を観察することができる。そして、主光学系２と副光学系３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１２°毎に配置されていることになるため、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４に対応した位置の表示面５（中心軸１を挟んでその射出瞳４と反対側の表示面５）の表示像の拡大像６を観察することができる。
【００６７】
なお、この実施例において、表示面５は平面としているが、全体の表示面は裁頭円錐面の形状をしており、これを１個の表示素子で構成してもよいが、３０個の平面表示素子を裁頭角錐（三十角錐）の各側面に回転対称に配置して構成してもよい。
【００６８】
この実施例１の仕様は、
射出瞳径            φ６５ｍｍ
表示面の大きさ      Ｘ４．５０ｍｍ×Ｙ５．００ｍｍ
像の大きさ          □１０ｍｍ×１０ｍｍ
である。
【００６９】
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。そして、光学系全体を示す中心軸に沿う方向に見た平面図を図２０に示す。なお、図１８〜図１９においては、一部の副光学系３、表示面５しか図示しておらず、また、射出瞳４（図１３）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２１に示す。
【００７０】
本実施例は、主光学系２が奇数次項を含む曲線を中心軸１の周りで回転させて得られる拡張回転自由曲面からなり正パワーを持つ反射面２１からなり、かつ、中心軸１に同心な円周上に３０個並列配置される同一構成の副光学系３が凸面の第１面３１と中心軸１を中心軸とする円筒面の第２面３２とからなるレンズからなり、その副光学系３の主光学系２に面した第１面３１の周囲の開口が絞りを構成しており、その絞りの主光学系２による像が、中心軸１を挟んで各副光学系３とは反対側に射出瞳４（図示されていない。）を形成している。３０個の同一構成の副光学系３が中心軸１に同心な円周上に並列配置されているので、主光学系２と各副光学系３とからなる合成光学系の射出瞳４は、中心軸１に同心に並列配置されている。そして各射出瞳４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。
【００７１】
各副光学系３の第２面３２と同一面の円筒面に表示面５が配置されていて、その表示面５と中心軸１が共役となっていて、副光学系３のレンズと主光学系２の反射面２１との合成パワーにより表示面５の実像が拡大像６として中心軸１近傍に結像され、その拡大像６は中心軸１を挟んで表示面５とは反対側から観察可能になる。
【００７２】
このような構成であるので、観察者が眼を何れかの射出瞳４位置近傍に持って行くと、その射出瞳４を形成する合成光学系（主光学系２と副光学系３）によってその像面に配置された表示面５の中心軸１近傍に結像された拡大像６を観察することができる。そして、主光学系２と副光学系３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１２°毎に配置されていることになるため、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４に対応した位置の表示面５（中心軸１を挟んでその射出瞳４と反対側の表示面５）の表示像の拡大像６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５は円筒面の外面としており、これを１個の表示素子で構成してもよいが、３０個の平面表示素子を三十角柱の各側面に回転対称に配置して構成してもよい。
【００７４】
この実施例２の仕様は、
射出瞳径            φ６５ｍｍ
表示面の大きさ      Ｘ２．００ｍｍ×Ｙ１．９６ｍｍ
像の大きさ          □１０ｍｍ×１０ｍｍ
である。
【００７５】
実施例３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２２に、その光学系全体を示す中心軸に沿う方向に見た平面図を図２３に示す。なお、射出瞳４（図１３）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２４に示す。
【００７６】
本実施例は、主光学系２を中心軸１を含む断面内で２回内面反射するプリズム形状をした中心軸１に同心に回転対称な反射屈折光学系から構成した例であり、主光学系２はトーリック面からなる屈折面の第１面２１、奇数次項を含む曲線を中心軸１の周りで回転させて得られる拡張回転自由曲面からなり正パワーを持つ反射面の第２面２２、第１面２１が兼ねる全反射面の第３面２３、トーリック面からなる屈折面の第４面２４からなり、逆追跡の順に、光線は第１面２１で屈折され、第２面２２で反射され、第３面２３っでさらに全反射され、第４面２４から主光学系２外に出る。そして、主光学系２の第４面２４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。副光学系３は相互に偏心配置の両凸レンズからなる。そして、その副光学系３の主光学系２に面した第１面３１の近傍の開口が絞りを構成しており、その絞りの主光学系２による像が、中心軸１を挟んで各副光学系３とは反対側に射出瞳４（図示されていない。）を形成している。３０個の同一構成の副光学系３が中心軸１に同心な円周上に並列配置されているので、主光学系２と各副光学系３とからなる合成光学系の射出瞳４は、中心軸１に同心に並列配置されている。そして各射出瞳４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。
【００７７】
各副光学系３の第２面３２に面して平面の表示面５が配置されており、その表示面５と中心軸１が共役となっていて、副光学系３と主光学系２との合成パワーにより表示面５の実像が拡大像６として中心軸１近傍に結像され、その拡大像６は中心軸１を挟んで表示面５とは反対側から観察可能になる。
【００７８】
このような構成であるので、観察者が眼を何れかの射出瞳４位置近傍に持って行くと、その射出瞳４を形成する合成光学系（主光学系２と副光学系３）によってその像面に配置された表示面５の中心軸１近傍に結像された拡大像６を観察することができる。そして、主光学系２と副光学系３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１２°毎に配置されていることになるため、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４に対応した位置の表示面５（中心軸１を挟んでその射出瞳４と反対側の表示面５）の表示像の拡大像６を観察することができる。
【００７９】
なお、この実施例において、表示面５は平面としているが、全体の表示面は裁頭円錐面の形状をしており、これを１個の表示素子で構成してもよいが、３０個の平面表示素子を裁頭角錐（三十角錐）の各側面に回転対称に配置して構成してもよい。
【００８０】
この実施例３の仕様は、
射出瞳径            φ６５ｍｍ
表示面の大きさ      Ｘ２．６０ｍｍ×Ｙ２．６６ｍｍ
像の大きさ          □１０ｍｍ×１０ｍｍ
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。
【００８１】
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       15.00                          偏心(2)   1.5163    64.1
3      -15.00                          偏心(3) 
4        ∞（絞り面）                  偏心(4) 
5        4.18                          偏心(4)   1.5163    64.1
6        ∞                            偏心(5) 
像  面      ∞                            偏心(6) 
偏心(1) 
Ｘ    0.00  Ｙ  150.00  Ｚ -300.00  
α    0.00  β    0.00  γ    0.00  
偏心(2) 
Ｘ    0.00  Ｙ    6.71  Ｚ  -13.42  
α  -26.57  β    0.00  γ    0.00  
偏心(3) 
Ｘ    0.00  Ｙ   -6.71  Ｚ   13.42  
α  -26.57  β    0.00  γ    0.00  
偏心(4) 
Ｘ    0.00  Ｙ   -9.84  Ｚ   19.68  
α  -26.57  β    0.00  γ    0.00  
偏心(5) 
Ｘ    0.00  Ｙ  -16.92  Ｚ   33.84  
α  -26.57  β    0.00  γ    0.00  
偏心(6) 
Ｘ    0.00  Ｙ  -17.14  Ｚ   34.28  
α  -34.88  β    0.00  γ    0.00                                          。
【００８２】
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] （ＲＳ）            偏心(2) 
3        ∞（絞り面）                  偏心(3) 
4       -2.20                          偏心(3)   1.5163    64.1
5      ＥＲＦＳ[2]                     偏心(4) 
像  面    ＥＲＦＳ[2]                     偏心(4) 
ＥＲＦＳ[1] 
ＲＹ   -32.87 
θ      -2.00 
Ｒ      30.00 
Ｃ4      1.2542 ×10-4
Ｃ5     -8.3933 ×10-7
ＥＲＦＳ[2] 
ＲＹ    ∞
θ       0.00 
Ｒ      10.56 
偏心(1) 
Ｘ    0.00  Ｙ  109.00  Ｚ -300.00  
α    0.00  β    0.00  γ    0.00  
偏心(2) 
Ｘ    0.00  Ｙ  -10.90  Ｚ    0.00  
α    0.00  β    0.00  γ    0.00  
偏心(3) 
Ｘ    0.00  Ｙ  -15.19  Ｚ   15.00  
α   21.24  β    0.00  γ    0.00  
偏心(4) 
Ｘ    0.00  Ｙ  -16.61  Ｚ    0.00  
α    0.00  β    0.00  γ    0.00                                          。
【００８３】
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]                     偏心(2)   1.5163    64.1
3      ＥＲＦＳ[2] （ＲＳ）            偏心(3)   1.5163    64.1
4      ＥＲＦＳ[1] （ＲＳ）            偏心(2)   1.5163    64.1
5      ＥＲＦＳ[3]                     偏心(4) 
6        ∞（絞り面）                  偏心(5) 
7        2.87                          偏心(5)   1.5163    64.1
8       -8.86                          偏心(6) 
像  面      ∞                            偏心(7) 
ＥＲＦＳ[1] 
ＲＹ -2543.21 
θ     -40.00 
Ｒ      16.06 
ＥＲＦＳ[2] 
ＲＹ   -48.97 
θ      -5.00 
Ｒ      27.44 
Ｃ4      1.8573 ×10-5
Ｃ5      4.8136 ×10-6
ＥＲＦＳ[3] 
ＲＹ    25.60 
θ     -70.58 
Ｒ      15.32 
偏心(1) 
Ｘ    0.00  Ｙ  110.00  Ｚ -300.00  
α    0.00  β    0.00  γ    0.00  
偏心(2) 
Ｘ    0.00  Ｙ  -14.39  Ｚ    0.00  
α    0.00  β    0.00  γ    0.00  
偏心(3) 
Ｘ    0.00  Ｙ  -10.91  Ｚ    0.00  
α    0.00  β    0.00  γ    0.00  
偏心(4) 
Ｘ    0.00  Ｙ  -20.45  Ｚ    0.00  
α    0.00  β    0.00  γ    0.00  
偏心(5) 
Ｘ    0.00  Ｙ  -22.18  Ｚ   14.58  
α -107.20  β    0.00  γ    0.00  
偏心(6) 
Ｘ    0.00  Ｙ  -26.01  Ｚ   13.10  
α  -96.52  β    0.00  γ    0.00  
偏心(7) 
Ｘ    0.00  Ｙ  -27.36  Ｚ   12.36  
α -124.88  β    0.00  γ    0.00                                          。
【００８４】
ところで、以上の実施例１〜３においては、中心軸１を上下方向とした場合に、観察方向は、水平方向でなく、若干上から下を見下ろす角度であったが（俯角が実施例１〜３でそれぞれ２６°、２０°、２０°）、これを略水平方向にする実施例の図１８に対応する図を図２５に示す。この実施例は、上記実施例２の構成において、中心軸１を含む断面内で観察方向を略水平にするための偏角プリズムとして作用する中心軸１を中心に回転対称な回転対称プリズム体３５を主光学系２（図の場合は、反射面２１）の副光学系３側とは反対側に配置したものである。図２５に示すように、断面楔形を中心軸１の周りに回転して得られる回転対称プリズム体３５を付加することにより、観察角度を略水平方向にすることが可能である。さらに、この回転対称プリズム体３５を構成する面を拡張回転自由曲面で構成し、メリジオナル断面（中心軸１を含む断面）でのみパワーを与えるようにすることも可能である。
【００８５】
図２６は、図２５の実施例の回転対称プリズム体３５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３６を使用して、同様に観察方向を略水平方向にした実施例の図１８に対応する図である。その回転対称フレネルプリズム体３６の中心軸１を含む断面の形状は、図２７（ａ）に示すようになっている。ただし、図２７（ａ）は図２６のＡ部の拡大断面図である。また、観察方向を略水平方向にするのではなく、見上げるような角度（仰角）にするために、図２７（ｂ）に部分断面図を示すように、この回転対称フレネルプリズム体３６として、回転対称フレネル反射プリズム体３６’を使用することもできる。この回転対称フレネル反射プリズム体３６’は、観察光を屈折するだけでなく、微細な輪帯面で反射させて偏角作用を行わせるものである。
【００８６】
以上のような回転対称フレネルプリズム体３６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。
【００８７】
また、図２６、図２７のような観察方向を変えるための透過素子のみに限ることなく、主光学系２を構成する他の反射面、例えば実施例２の反射面２１を回転対称なリニアフレネル反射面で構成することも可能である。この場合に、奇数次項を含む曲線を回転対称軸の周りで回転させて形成されるリニアフレネル反射面で構成することがさらに好ましいことは言うまでもない。回転対称なリニアフレネル反射面を構成する方法の一例を図２８に示す。シート状の反射コーティング３８をフレネル面に施したリニアフレネルレンズ（１次元方向にのみパワーを持つフレネルレンズ）３７を、図２８（ａ）に断面図、図２８（ｃ）に斜視図を示すように、パイプ状の円管３９の内面に１次元フレネル面が円周方向に向くように接着するようにしてもよいし、図２８（ｂ）に断面図、図２８（ｃ）に斜視図を示すように、内面に反射コーティング３８を施したパイプ状の円管３９の内面にリニアフレネルレンズ３７を１次元フレネル面が円周方向に向くように接着するようにしてもよい。
【００８８】
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）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）１５の表示面（像面）５の拡大像６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６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】
【００８９】
【図１】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】図１の撮影方法で撮影された視差画像の例を示す図である。
【図３】円錐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４】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】本発明の視覚表示装置の主光学系、副光学系、表示面（表示素子）、拡大像のイメージを示す模式図である。
【図９】全体の表示面（表示素子）を円筒状にする場合に各表示面をその内面に配置する場合（ａ）と外面に配置する場合（ｂ）とを示す図である。
【図１０】本発明の視覚表示装置の光学系の光線が通過しない領域に遮光部材を配置する例を示す断面図である。
【図１１】本発明の視覚表示装置の照明装置の一例を示す断面図である。
【図１２】本発明の視覚表示装置の照明装置の他の例を示す斜視図である。
【図１３】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（ａ）と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（ｂ）である。
【図１４】図１３（ａ）の主要部の拡大図である。
【図１５】図１３（ｂ）の主要部の拡大図である。
【図１６】実施例１の光学系全体を示す中心軸に沿う方向に見た平面図である。
【図１７】実施例１の光学系全体の横収差図である。
【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の光学系全体を示す中心軸に沿う方向に見た平面図である。
【図２１】実施例２の光学系全体の横収差図である。
【図２２】本発明の実施例３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２３】実施例３の光学系全体を示す中心軸に沿う方向に見た平面図である。
【図２４】実施例３の光学系全体の横収差図である。
【図２５】観察方向を略水平方向にする１実施例の図１８に対応する図である。
【図２６】観察方向を略水平方向にするのに回転対称フレネルプリズム体を使用する実施例の図１８に対応する図である。
【図２７】回転対称フレネルプリズム体の詳細を説明するための断面図である。
【図２８】回転対称なリニアフレネル反射面を構成する方法の一例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００９０】
１…中心軸
２…主光学系
３…副光学系
４…射出瞳
５…表示面（像面）
６…拡大像（物体面）
１１…遮光部材
１２…線光源
１３…リング状集光光学系
１３’…リング状集光光学系
１５…全体の表示面（表示素子）
１６…リング状発光体
１７…リング状反射鏡
１８…視野角制限フィルター（ルーバー）
１９…点光源
２０…リング状反射鏡
２１、２２、２３、２４…主光学系の光学面
３１、３２…副光学系の光学面
３５…回転対称プリズム体
３６…回転対称フレネルプリズム体
３６’…回転対称フレネル反射プリズム体
３７…リニアフレネルレンズ
３８…反射コーティング
３９…パイプ状の円管
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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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