(57)【要約】【課題】簡単な構成の光学系で全周３６０°の方向に映像を投影可能な投影光学装置。【解決手段】中心軸１を含む平面内で中心軸に直交した放射方向に凸の部分を含む曲線を中心軸の周りで回転させて得られる正パワーの回転対称透明レンズ体からなる投影レンズ２と、その投影レンズ２の湾曲した像面３に沿って中心軸の周りで回転対称に配置された輪帯状の映像表示素子とからなる投影光学装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸を含む平面内で中心軸に直交した放射方向に凸の部分を含む曲線を中心軸の周りで回転させて得られる正パワーの回転対称透明レンズ体からなる投影レンズと、その投影レンズの湾曲した像面に沿って中心軸の周りで回転対称に配置された輪帯状の映像表示素子とからなることを特徴とする投影光学装置。
【請求項２】
前記投影レンズがボールレンズからなることを特徴とする請求項１記載の投影光学装置。
【請求項３】
前記映像表示素子は中心軸の周りで回転対称な３次元的な表示面を持つものであることを特徴とする請求項１又は２記載の投影光学装置。
【請求項４】
前記映像表示素子の表示面が円筒状に構成され、前記映像表示素子に表示される映像は中心軸に沿って一方の方向を観察時の地面方向とするように表示されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の投影光学装置。
【請求項５】
前記映像表示素子の表示面が円錐状に構成され、前記映像表示素子に表示される映像は中心軸に沿って一方の方向を観察時の地面方向とするように表示されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の投影光学装置。
【請求項６】
前記映像表示素子の表示面が球面状に構成され、前記映像表示素子に表示される映像は中心軸に沿って一方の方向を観察時の地面方向とするように表示されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の投影光学装置。
【請求項７】
中心軸の周りで回転対称な３次元的な表示面を持つ前記映像表示素子は、２次元的に構成された映像表示素子を丸めて端部同士を繋ぐことで３次元的に構成されていることを特徴とする請求項４、５の何れか１項記載の投影光学装置。
【請求項８】
前記映像表示素子の表示面は、円筒状に配置された複数の平面状表示面からなることを特徴とする請求項４記載の投影光学装置。
【請求項９】
前記映像表示素子の表示面は、円錐状に配置された複数の平面状表示面からなることを特徴とする請求項５記載の投影光学装置。
【請求項１０】
前記映像表示素子の表示面は、球面状に配置された複数の平面状表示面からなることを特徴とする請求項６記載の投影光学装置。
【請求項１１】
前記投影レンズは、メリジオナル断面とサジタル断面でのパワーが異なることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項記載の投影光学装置。
【請求項１２】
前記投影レンズの透過面は、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１１の何れか１項記載の投影光学装置。
【請求項１３】
前記投影レンズの透過面は、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１２記載の投影光学装置。
【請求項１４】
前記投影レンズの透過面は、２つの異なる曲線を接続してなる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１２記載の投影光学装置。
【請求項１５】
前記投影レンズの中心軸と直交する断面での最大直径をφとするとき、
φ＜４００ｍｍ                                                ・・・（１）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１から１４の何れか１項記載の投影光学装置。
【請求項１６】
前記映像表示素子の表示面全体を前記投影レンズ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１５の何れか１項記載の投影光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影光学装置に関し、特に、任意の角度に映像を投影することが可能で、特に全方位に投影可能な投影光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、円筒面の全周３６０°に配置されたフィルムの映像を同心に配置された円筒状のスクリーンに投影する光学系が特許文献１において知られている。
【特許文献１】米国特許第４，０７８，８６０号明細書
【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において知られている従来例の場合、回転対称軸を含む断面内ではフィルムの映像をスクリーン上に結像させているが、回転対称軸に直交する断面内では結像させていないため、投影像の結像特性は原理的に不十分なものであった。
【０００４】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成の光学系で全周３６０°の方向に映像を投影可能な投影光学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投影光学装置は、中心軸を含む平面内で中心軸に直交した放射方向に凸の部分を含む曲線を中心軸の周りで回転させて得られる正パワーの回転対称透明レンズ体からなる投影レンズと、その投影レンズの湾曲した像面に沿って中心軸の周りで回転対称に配置された輪帯状の映像表示素子とからなることを特徴とするものである。
【０００６】
この場合に、前記投影レンズとして例えばボールレンズを用いることができる。
【０００７】
また、前記映像表示素子は中心軸の周りで回転対称な３次元的な表示面を持つものであることが望ましい。
【０００８】
また、前記映像表示素子の表示面が円筒状に構成され、前記映像表示素子に表示される映像は中心軸に沿って一方の方向を観察時の地面方向とするように表示されるか、前記映像表示素子の表示面が円錐状に構成され、前記映像表示素子に表示される映像は中心軸に沿って一方の方向を観察時の地面方向とするように表示されるか、前記映像表示素子の表示面が球面状に構成され、前記映像表示素子に表示される映像は中心軸に沿って一方の方向を観察時の地面方向とするように表示されることが望ましい。
【０００９】
また、中心軸の周りで回転対称な３次元的な表示面を持つ前記映像表示素子は、２次元的に構成された映像表示素子を丸めて端部同士を繋ぐことで３次元的に構成されてもよい。
【００１０】
また、前記映像表示素子の表示面は、円筒状に配置された複数の平面状表示面からなっていても、円錐状に配置された複数の平面状表示面からなっていても、球面状に配置された複数の平面状表示面からなっていてもよい。
【００１１】
また、前記投影レンズは、メリジオナル断面とサジタル断面でのパワーが異なるものであることが望ましい。
【００１２】
また、前記投影レンズの透過面は、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ものとしてもよい。
【００１３】
その場合に、前記投影レンズの透過面は、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ものとすることができる。
【００１４】
また、前記投影レンズの透過面は、２つの異なる曲線を接続してなる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。
【００１５】
また、前記投影レンズの中心軸と直交する断面での最大直径をφとするとき、
φ＜４００ｍｍ                                                ・・・（１）
なる条件を満足することが望ましい。
【００１６】
また、前記映像表示素子の表示面全体を前記投影レンズ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】
【００１７】
本発明によると、簡単な構成の光学系で全周３６０°の方向に映像を投影可能な投影光学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】
【００１８】
以下、実施例に基づいて本発明の投影光学装置について説明する。
【００１９】
まず、本発明の原理を説明する。球体のように、中心軸を含む平面内で中心軸に直交した放射方向（半径方向）に凸の部分を含む曲線を中心軸の周りで回転させて得られる正パワーの回転対称透明レンズ体を投影レンズとして用いて、そのレンズ体の像面周辺に沿って中心軸と同軸に円筒面、円錐面又は球面の内面に輪帯状に配置された映像表示素子を配置すると、レンズ体の映像表示素子側の面と反対側の面とを経て投影されたその輪帯状の映像表示素子の表示像の拡大投影像が、遠方の中心軸と同軸な例えば円筒状のスクリーンの周上に投影され、中心軸に対して３６０°何れの方向からもその投影像を観察することが可能となり、その映像表示素子は輪帯状であるために、レンズ体の周辺の３６０°の何れの方向から観察しても輪帯状の映像表示素子の中心軸に対して反対側に位置する表示像部分の拡大投影像を観察することが可能となることにある。
【００２０】
以下、図面を参照にして説明する。図１は後記する本発明の実施例１の投影光学装置の光学系の中心軸に沿ってとった断面図であり、図２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る。以下、これら図１、図２を参照にして、本発明の投影光学装置を説明する。
【００２１】
本発明の投影光学装置の光学系は、中心軸１を含む平面（図１）内で中心軸１に直交した放射方向（半径方向）に凸の例えば円弧部分を含む曲線を中心軸１の周りで回転させて得られる回転対称透明レンズ体２を投影レンズとして用いる。回転対称透明レンズ体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、他に、中心軸１に直交した放射方向に凸の奇数次項を有する自由曲線を中心軸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、正パワーを有するレンズ体を用いることができ、映像表示素子を配置する像面３と反対側の第１面２１と像面３側の第２面２２とが同一形状の曲面の異なる部分であっても（実施例１、２）、異なる形状の曲面の異なる部分であっても（実施例３）もよい。この回転対称透明レンズ体２の要件としては、逆光線追跡で、少なくとも第１面２１又は第２面２２の一方が中心軸１を含む平面内で中心軸１に直交した放射方向（半径方向）に凸の曲線を中心軸１の周りで回転させて得られる回転対称面からなり、そして、像面３に向かって進む光束に正のパワーを与えるものであることである。
【００２２】
そして、回転対称透明レンズ体２と同様に、中心軸１と同軸な円筒面、円錐面又は球面（実施例１、２の場合は球面、実施例３の場合は円錐面）の内面に中心軸１の周りで回転対称に輪帯状の像面３が設定され、その像面３に像面と同じ形状の輪帯状の映像表示素子が配置される。
【００２３】
そして、回転対称透明レンズ体２の第２面２２と反対側の第１面２１を経て中心軸１の周り３６０°方向に像面３に配置された映像表示素子の表示像が投影され、その投影像は、図示していない遠方の中心軸１と同軸な例えば円筒状のスクリーンの周上に拡大投影される。
【００２４】
このような構成であるので、円筒状のスクリーンの外側あるいは内側の観察者は、中心軸１の周りの３６０°何れの方向からもそのスクリーン上の拡大投影像を観察することが可能となり、その映像表示素子は輪帯状であるために、回転対称透明レンズ体２の周辺の３６０°の何れの方向から観察しても輪帯状の映像表示素子の中心軸１に対して反対側に位置する表示像部分の拡大投影像を観察することができる。
【００２５】
映像表示素子の表示像は例えば３６０°のパノラマの風景とか、周辺１０°おきに撮影した３６視点の離散的な映像を表示してもよい。
【００２６】
また、像面３に配置する輪帯状の映像表示素子としては、円筒面、円錐面又は球面の内面に輪帯状に配置された映像表示素子を用いる。中心軸１を回転対称軸として、円筒面、円錐面又は球面の内面に連続的な表示面を持つ映像表示素子の代わりに、円筒面、円錐面又は球面の内面の輪帯状領域に沿って平面状の小さな表示面を隣接して配置してなる映像表示素子を用いてもよい。
【００２７】
上記のように、映像表示素子は湾曲した像面３に沿って輪帯状の３次元的な表示面を持つものである。映像表示素子が２次元の平面の表示面を持つものの場合には、それに対応して投影レンズとして像面が平面のものを用いることになるが、本発明のように３６０°の全方位へ投影する光学系の場合、主光線が像面に対して傾いてしまう。これは映像表示素子の使い方としては好ましくなく、例えば有機ＥＬパネルでは、映像表示素子の発光光線を有効に光学系に導くことができなくなり、光量が低下したり、発光のための電源の利用効率が低下してしまう。また、液晶表示素子の場合には、表示のコントラストが低下してしまい、クリアーな実像を投影することができなくなってしまう。したがって、本発明において、ボールレンズのような湾曲した像面を持つ回転対称透明レンズ体２と、輪帯状で３次元的な表示面を持つ映像表示素子とを用いることは重要である。
【００２８】
そして、上記のように、回転対称透明レンズ体２の回転対称軸と映像表示素子の回転対称軸とが一致していることが好ましい。これが一致していないと、投影される実像の位置が一定ではなくなり、周囲に投影される実像のピント位置が一定にならない。
【００２９】
さらに、本発明の投影光学装置は必ずしも部屋の中心に設置することが可能な訳ではないので、映像表示素子の回転対称軸と光学系の回転対称軸をずらせる機構が設けられていることがより好ましい。
【００３０】
さらに好ましくは、特に水平方向へ映像を主に投影する場合は、映像表示素子の表示面を円筒状に配置することにより、特に水平に近い方向へ投影される投影像の表示素子側の光線の傾きが少なくなり、クリアーな像の観察が可能となる。また、観察映像の地面方向が円筒の上方向になるように表示することが正立映像を観察するために重要である。
【００３１】
さらに好ましくは、特に斜め４５°方向を中心として映像を投影する場合は、映像表示素子の表示面を円錐状に配置することにより、斜め方向への投影像の表示素子側の光線の傾きが少なくなり、クリアーな像の観察が可能となる。また、観察映像の上方向が円錐の頂点を向くように（装置全体を上下逆転する場合は逆）、円錐を展開した場合に扇型の要の方向が観察映像の地面方向になるように表示することが正立映像を観察するために重要である。また、映像表示素子の表示面を円錐状とする場合、図１０に示すように、頂角の異なる複数の円錐状の表示面を持つ複数の映像表示素子１３、１３’を回転対称透明レンズ体２の湾曲した像面に沿って中心軸１の方向へ並列配置することで映像表示素子を構成することも可能である。このように複数の映像表示素子１３、１３’を並列配置すると、投影面（スクリーン）上の中心軸１に沿った方向に映像表示素子１３の投影像と映像表示素子１３’の投影像とが並列するすることになる。
【００３２】
さらに好ましくは、映像表示素子の表示面を球状に配置することにより、水平から斜め方向までの広い観察範囲において投影像の表示素子側の光線の傾きが少なくなり、クリアーな観察が可能となる。また、観察映像の地面方向が球（下半分の球）の頂点（地球の南極）を向くように表示することが、正立像を観察するために重要である。
【００３３】
さらに好ましくは、円筒状又は円錐状の表示面とする場合は、シート状の映像表示素子を丸めて構成することが可能である。例えば、図１２は、図１１（ａ）のような円錐面状の連続的な表示面を持つ映像表示素子１３を構成するためのシート状で扇形の映像表示素子３３を示す平面図であり、このシート状で扇形の映像表示素子３３を丸めて扇形の両端を繋ぐことで、図１１（ａ）のような円錐面状の連続的な表示面を持つ映像表示素子１３が得られる。例えば、フレキシブルなシート状の有機ＥＬ表示素子や、液晶表示素子を円筒状や円錐状の表示素子に作製して使用することが、製作上安価にでき、好ましい。
【００３４】
さらに好ましくは、表示面が円筒状、円錐状、球面状何れの場合も、２次元（平面）の表示面２３（図１１（ｂ））を複数個連続的に円筒状、円錐状あるいは球面状に並べて配置することにより、小型の表示素子を複数使うことが可能となり、安価に立体（３次元的に配置された）の映像表示素子を実現することが可能となる。
【００３５】
さらに好ましくは、回転対称透明レンズ体２の透過面は、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、偏心収差の発生をさらに小さくすることが可能となる。特に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。
【００３６】
さらに好ましくは、回転対称透明レンズ体２の透過面は、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により、さらに自由度の高い補正を行うことが可能となり、収差補正上好ましい。
【００３７】
さらに好ましくは、回転対称透明レンズ体２の透過面は、２つの異なる曲線を接続してなる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により、投影像を結像するときの投影レンズの２つの屈折面の形状を別々に設定できることになり、より自由度の高い補正を行うことが可能となり、収差補正上好ましい。特に、円筒状や円錐状の表示面を使う場合には、像面湾曲や像面の傾きを補正する必要がある。しかし、完全な球の場合には像面の補正を行うことができないので、２つの屈折面の形状を異ならせることにより、像面湾曲や像面の傾きを補正することが始めて可能となる。
【００３８】
さらに好ましくは、回転対称透明レンズ体２は、サジタル面とタンジェンシャル面でパワーが異なるように構成されていることが望ましい。サジタル面とタンジェンシャル面でパワーが異なるように構成することにより、中心軸１方向を上下方向として光線を下方に屈曲する偏心光学系として構成しても、発生する偏心収差を補正することが可能となり、収差の少ない鮮明な映像と投影することが可能となる。
【００３９】
さらに好ましくは、回転対称透明レンズ体２の中心軸１と直交する断面での最大直径をφとするとき、
φ＜４００ｍｍ                                                ・・・（１）
なる条件を満足することが望ましい。上限の４００ｍｍを越えると、装置が大型になってしまう。
【００４０】
さらに好ましくは、
φ＜２００ｍｍ                                            ・・・（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。
【００４１】
なお、以下に説明する実施例１〜３のφは次の通りである。
【００４２】
実施例      １        ２        ３
Ｒｓ(mm)     80.00     80.00     85.00
また、回転対称透明レンズ体２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。例えば図１３に示すように、回転対称透明レンズ体２の投影像結像用の光線が通過しない円錐状の部分を除去して、その中に黒い塗料１１を塗る等の方法が好ましい。
【００４３】
さらに好ましくは、遮光部材は光学系の回転対称軸１に対して回転対称な形状にすることにより、メリジオナル断面での絞り４として作用するように配置することが望ましい。これによりメリジオナル断面での不要光を遮光することが可能となり、投影像のコントラストが向上する。
【００４４】
また、輪帯状で立体的に配置されている映像表示素子１３の表示面を中心軸１の周りの全方位から照明する照明装置と共に本発明の投影光学装置を構成することが望ましい。照明は、例えば、図１４に示すように、中心軸１を中心とするサークル状のリング状発光体８を用い、そのリング状発光体８から放射された照明光を中心軸１を含む断面内で映像表示素子１３の位置に集光するリング状反射鏡９をリング状発光体８の周囲に配置して構成することができる。そして、観察像のコントラストを上げるために、映像表示素子１３から射出する光線を中心軸１を含む断面（メリジオナル断面）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１５のような手段をリング状発光体８と映像表示素子３の間に配置することが好ましい。
【００４５】
また、図１５に示すように、回転対称透明レンズ体２と映像表示素子１３の周囲に中心軸１と同心のリング状反射鏡１６を配置し、そのリング状反射鏡１６の面形状を、映像表示素子１３の表示面と中心軸１上の位置１７が相互に略共役になるようにすると、位置１７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。投影光以外のサジタル断面の光線が存在すると、光学系内でフレアーの原因となるので、図１６に示すように、位置１７に点光源１８を配置して照明装置を構成すると、メリジオナル断面内に制限された照明光のみで映像表示素子１３を照明でき、コントラストの良い投影像が観察可能になる。
【００４６】
ところで、本発明の光学系の回転対称透明レンズ体２の屈折面２１、２２は中心軸１を含む断面の面形状をフレネルレンズ面で構成することができる。そのためには、図１７に示すように、透明な中心軸１を持つ円柱２０にそれぞれリニアフレネルレンズシート（中心軸１方向にのみ屈折力を有するフレネルレンズシート）２１’、２２’を上下に巻き付けて、屈折面２１、２２の作用を行わせるようにすることができる（実施例３）。回転対称透明レンズ体２の屈折面２１、２２が同一面（実施例１、２）の場合には、１個のリニアフレネルレンズシートを円柱２０に巻き付けて構成することができる。
【００４７】
以下に、本発明の投影光学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、物体面を投影実像の面（スクリーン面）とし、投影実像と共役な像面を像面３とし、物体面から絞り４を通り、像面３に向かう光線が回転対称透明レンズ体２の第１面２１、第２面２２を経て像面３に至る逆光線追跡の結果に基づくものである。
【００４８】
座標系は、逆光線追跡において、例えば図１に示すように、絞り４の中心を偏心光学系の偏心光学面の原点とし、回転対称透明レンズ体２の中心軸１に沿った像面３とは反対側の側の方向を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の像面３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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
実施例１の投影光学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、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２に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図３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。
【００６１】
本実施例は、投影レンズの回転対称透明レンズ体２が中心を中心軸１上に有する球体（ボールレンズ）で構成され、その回転対称透明レンズ体２の像面３は回転対称透明レンズ体２の中心と同心の球面状をしており、その球面状の像面３に中心軸１の周りで回転対称に配置された輪帯状の映像表示素子の表示像は、回転対称透明レンズ体２の第２面２２と第１面２１を順に経て、像面３と共役で中心軸１を中心軸とする円筒状の物体面（スクリーン面（不図示））の斜め上方に拡大投影像として結像される実施例である。そのため、中心軸１を鉛直軸とする場合、観察者が中心軸１の周りで円筒状のスクリーンの外側あるいは内側で中心軸１の周りの３６０°何れの方向からもそのスクリーン上の拡大投影像を観察することが可能となり、像面３に配置される映像表示素子は中心軸１の周りで回転対称な輪帯状であるために、回転対称透明レンズ体２の周辺の３６０°の何れの方向から観察しても輪帯状の映像表示素子の中心軸１に対して反対側に位置する表示像部分の拡大投影像を観察することができるものである。
【００６２】
この実施例１の仕様は、
入射瞳径            φ４０ｍｍ
投影画角  垂直      ２０〜６０°
水平      ３６０°
物体の大きさ        Ｙ３０．９４ｍｍ
である。
【００６３】
実施例２の投影光学装置の光学系の中心軸１に沿ってとった断面図を図４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５に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図６に示す。
【００６４】
本実施例は、投影レンズの回転対称透明レンズ体２が円弧を中心軸１の周りで回転させて得られる回転対称トーリック面を持つ透明体で構成され、その回転対称透明レンズ体２の像面３は回転対称透明レンズ体２の中心と同心の球面状をしており、その球面状の像面３に中心軸１の周りで回転対称に配置された輪帯状の映像表示素子の表示像は、回転対称透明レンズ体２の第２面２２と第１面２１を順に経て、像面３と共役で中心軸１を中心軸とする円筒状の物体面（スクリーン面（不図示））の斜め上方に拡大投影像として結像される実施例である。そのため、中心軸１を鉛直軸とする場合、観察者が中心軸１の周りで円筒状のスクリーンの外側あるいは内側で中心軸１の周りの３６０°何れの方向からもそのスクリーン上の拡大投影像を観察することが可能となり、像面３に配置される映像表示素子は中心軸１の周りで回転対称な輪帯状であるために、回転対称透明レンズ体２の周辺の３６０°の何れの方向から観察しても輪帯状の映像表示素子の中心軸１に対して反対側に位置する表示像部分の拡大投影像を観察することができるものである。
【００６５】
この実施例２の仕様は、
入射瞳径            φ４０ｍｍ
投影画角  垂直      ２０〜６０°
水平      ３６０°
物体の大きさ        Ｙ３０．４０ｍｍ
である。
【００６６】
実施例３の投影光学装置の光学系の中心軸１に沿ってとった断面図を図７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８に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図９に示す。
【００６７】
本実施例は、投影レンズの回転対称透明レンズ体２の２つの屈折面２１、２２を奇数次項を含む異なる曲線を中心軸１の周りで回転させて得られる拡張回転自由曲面で構成する実施例であり、メリジオナル断面内で、屈折面２１、２２共正のパワーを有する。その回転対称透明レンズ体２の像面３は中心軸１と同軸の円錐面形状をしており、その円錐面の像面３に中心軸１の周りで回転対称に配置された輪帯状の映像表示素子の表示像は、回転対称透明レンズ体２の第２面２２と第１面２１を順に経て、像面３と共役で中心軸１を中心軸とする円筒状の物体面（スクリーン面（不図示））の斜め上方に拡大投影像として結像される実施例である。この実施例において、上記のように、像面３の投影像を結像する第１面２１と第２面２２は別の拡張回転自由曲面である。このような構成のため、中心軸１を鉛直軸とする場合、観察者が中心軸１の周りで円筒状のスクリーンの外側あるいは内側で中心軸１の周りの３６０°何れの方向からもそのスクリーン上の拡大投影像を観察することが可能となり、像面３に配置される映像表示素子は中心軸１の周りで回転対称な輪帯状であるために、回転対称透明レンズ体２の周辺の３６０°の何れの方向から観察しても輪帯状の映像表示素子の中心軸１に対して反対側に位置する表示像部分の拡大投影像を観察することができるものである。
【００６８】
この実施例３の仕様は、
入射瞳径            φ４０ｍｍ
投影画角  垂直      ２０〜６０°
水平      ３６０°
物体の大きさ        Ｙ４４．０５ｍｍ
である。
【００６９】
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示す。
【００７０】
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    円筒面[1]              1000.00  
1        ∞（絞り面）                  
2       40.00                          偏心(1)   1.5163    64.1
3      -40.00                          偏心(2) 
像  面    -59.05                          偏心(3) 
円筒面[1] 
Ｘ方向曲率半径  1000.00 
Ｙ方向曲率半径    ∞
偏心(1) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ  -40.00  
α    0.00  β    0.00  γ    0.00  
偏心(2) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ   40.00  
α    0.00  β    0.00  γ    0.00  
偏心(3) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ   59.05  
α    0.00  β    0.00  γ    0.00                                          。
【００７１】
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    円筒面[1]              1000.00  
1        ∞（絞り面）                  
2      ＥＲＦＳ[1]                     偏心(1)   1.5163    64.1
3      ＥＲＦＳ[2]                     偏心(2) 
像  面    -58.89                          偏心(3) 
円筒面[1] 
Ｘ方向曲率半径  1000.00 
Ｙ方向曲率半径    ∞
ＥＲＦＳ[1] 
ＲＹ    39.64 
θ       0.00 
Ｒ     -40.00 
ＥＲＦＳ[2] 
ＲＹ   -39.64 
θ       0.00 
Ｒ      40.00 
偏心(1) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ    0.00  
α    0.00  β    0.00  γ    0.00  
偏心(2) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ    0.00  
α    0.00  β    0.00  γ    0.00  
偏心(3) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ   58.89  
α    0.00  β    0.00  γ    0.00                                          。
【００７２】
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    円筒面[1]              1000.00  
1        ∞（絞り面）                  
2      ＥＲＦＳ[1]                     偏心(1)   1.5163    64.1
3      ＥＲＦＳ[2]                     偏心(2) 
像  面    ＥＲＦＳ[3]                     偏心(3) 
円筒面[1] 
Ｘ方向曲率半径  1000.00 
Ｙ方向曲率半径    ∞
ＥＲＦＳ[1] 
ＲＹ    41.58 
θ     -46.25 
Ｒ     -30.00 
Ｃ4     -1.8432 ×10-5
Ｃ5     -2.9400 ×10-7
ＥＲＦＳ[2] 
ＲＹ   -36.80 
θ     -41.42 
Ｒ      30.00 
Ｃ4      1.6554 ×10-4
Ｃ5      5.3944 ×10-6
ＥＲＦＳ[3] 
ＲＹ    ∞
θ     -40.00 
Ｒ      45.10 
偏心(1) 
Ｘ    0.00  Ｙ   25.17  Ｚ    0.00  
α    0.00  β    0.00  γ    0.00  
偏心(2) 
Ｘ    0.00  Ｙ  -29.11  Ｚ    0.00  
α    0.00  β    0.00  γ    0.00  
偏心(3) 
Ｘ    0.00  Ｙ  -42.95  Ｚ    0.00  
α    0.00  β    0.00  γ    0.00                                          。
【００７３】
なお、本発明の投影光学装置の光学系において、中心軸１の周りで回転対称な回転対称透明レンズ体２はそのまま用いることにより、回転対称透明レンズ体２の周辺の３６０°の全ての方向から輪帯状の映像表示素子１３の表示像の拡大投影像を観察できるが、その回転対称透明レンズ体２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投影像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】
【００７４】
【図１】本発明の実施例１の投影光学装置の光学系の中心軸１に沿ってとった断面図である。
【図２】図１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３】実施例１の光学系全体の横収差図である。
【図４】本発明の実施例２の投影光学装置の光学系の中心軸１に沿ってとった断面図である。
【図５】図４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６】実施例２の光学系全体の横収差図である。
【図７】本発明の実施例３の投影光学装置の光学系の中心軸１に沿ってとった断面図である。
【図８】図７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９】実施例３の光学系全体の横収差図である。
【図１０】複数の映像表示素子を並列配置して映像表示素子を構成する例を説明するための図である。
【図１１】円錐面状の表示面を持つ映像表示素子の構成を説明するための図である。
【図１２】円錐面状の連続的な表示面を持つ映像表示素子を構成するためのシート状で扇形の映像表示素子を示す平面図である。
【図１３】本発明の投影レンズの遮光方法の１つを説明するための図である。
【図１４】本発明の投影光学装置の照明装置の１例を説明するための図である。
【図１５】照明光をメリジオナル断面内に制限する配置を説明するための図である。
【図１６】図１５の原理を用いた本発明の投影光学装置の照明装置の１例を説明するための図である。
【図１７】本発明の光学系の投影レンズの屈折面をリニアフレネルレンズシートで構成する場合の説明図である。
【符号の説明】
【００７５】
１…中心軸
２…回転対称透明レンズ体（投影レンズ）
３…像面
４…絞り
８…リング状発光体
９…リング状反射鏡
１１…黒い塗料
１３、１３’…映像表示素子
１５…視野角制限フィルター（ルーバー）
１６…リング状反射鏡
１７…中心軸上の位置
１８…点光源
２０…円柱
２１…回転対称透明レンズ体の第１面
２２…回転対称透明レンズ体の第２面
２１’、２２’…リニアフレネルレンズシート
２３…２次元（平面）の表示面
３３…シート状で扇形の映像表示素子
【図１】
2007279284.tif 000003
【図２】
2007279284.tif 000004
【図３】
2007279284.tif 000005
【図４】
2007279284.tif 000006
【図５】
2007279284.tif 000007
【図６】
2007279284.tif 000008
【図７】
2007279284.tif 000009
【図８】
2007279284.tif 000010
【図９】
2007279284.tif 000011
【図１０】
2007279284.tif 000012
【図１１】
2007279284.tif 000013
【図１２】
2007279284.tif 000014
【図１３】
2007279284.tif 000015
【図１４】
2007279284.tif 000016
【図１５】
2007279284.tif 000017
【図１６】
2007279284.tif 000018
【図１７】
2007279284.tif 000019