JP4855122B2 - 視覚表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、視覚表示装置に関し、特に、任意の角度から観察することが可能で、見る方向により観察画像が変化するような視覚表示装置に関するものである。

従来、視野角制限フィルターを備えたスクリーンを中心軸の周りで回転させながら、例えば１つの物体を３６０°周辺方向から見た映像をそのスクリーン上に投影することにより、任意の方向から観察する場合に見る方向により観察画像が変化する視覚表示装置が特許文献１〜３において知られている。
特開２００５−２２１６９０号公報 特開２００６−１０８５２号公報 特開２００６−１１３６７号公報

しかしながら、特許文献１〜３において知られている従来例の場合、視野角制限フィルターを備えたスクリーンを機械的に回転させる機構が必要であり、また、特定の方向から見る場合にその方向において観察可能な画像を断続的にしか見ることができない。

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、機械的な複雑な回転機構等を用いなくても周辺の３６０°方向から見る方向により変化する画像が観察可能な視覚表示装置を提供することである。

上記目的を達成する本発明の視覚表示装置は、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反射面と、その反射面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複数の平面状表示面からなる輪帯状の映像表示素子と、を備え、前記映像表示素子から出た光線が前記反射面によって結像されることを特徴とするものである。

この場合、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。

また、前記反射面の回転対称軸と前記映像表示素子の回転対称軸とが一致していることが望ましい。

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ことが望ましい。

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。

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よい。

また、前記反射面は、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。

また、前記反射面は、対称面を持たない任意形状の曲線を回転対称軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有するものとしてもよい。

その場合に、前記反射面は、奇数次項を含む任意形状の曲線を回転対称軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有するものとすることができる。

また、前記反射面の外径の半分をＲｓとするとき、
２０ｍｍ＜Ｒｓ ・・・（１）
なる条件を満足することが望ましい。

また、前記映像表示素子の表示面全体を前記反射面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。

本発明によると、機械的な複雑な回転機構等を用いなくても、周辺の３６０°方向から観察しても、それぞれ異なった所望の観察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。

以下、本発明の視覚表示装置について説明する。

まず、本発明の原理を説明する。凹面鏡が球面鏡の場合、凹面鏡の焦点面は凹面鏡と同心の球面である。凹面鏡が完全な球面鏡ではなく中心軸の周りで回転対称な凹面鏡の場合でも、その焦点面は中心軸の周りで回転対称な３次元的に湾曲した形状になっている。その中心軸の周りで回転対称な焦点面近傍に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を配置することにより、凹面鏡で結像された映像表示素子の表示像の実像又は虚像を中心軸の周囲の３６０°の何れの方向からも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、凹面鏡の周辺の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対応する表示像部分の実像又は虚像を観察することが可能となる。これが本発明の視覚表示装置の原理である。

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２は図１（ａ）の主要部の拡大図であり、図３は図１（ｂ）の主要部の拡大図である。以下、これら図１〜図３を参照にして、本発明の視覚表示装置を説明する。

本発明の視覚表示装置の光学系は、中心軸１に同心に凹面鏡２が配置されている。この凹面鏡２は、この実施例の場合、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、正パワーを有する凹面鏡である。なお、凹面鏡２は正パワーを持った単体の凹面鏡に限定されず、反射屈折光学系（例えば、マンジャンミラー、裏面鏡）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て反射し、かつ、中心軸１に対して回転対称な形状を持っていることである。

そして、凹面鏡２の偏心した反射側に、中心軸１の周りで回転対称に輪帯状の映像表示素子３が配置されている。その輪帯状の映像表示素子３の内側あるいは外側（図１〜図３の実施例では、輪帯状の映像表示素子３は円筒面の形状をしていて、その内側）の表示像が凹面鏡２で中心軸１の周りで回転対称な像４として結像（図１〜図３の実施例では、実像として結像）され、遠方の観察位置（絞り）５からその像４が観察可能になる。したがって、輪帯状の映像表示素子３の表示像の実像又は虚像４を中心軸１の周囲の３６０°の何れの方向からも観察することが可能となり、その映像表示素子３は輪帯状であるために、凹面鏡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３の対応する表示像部分の実像又は虚像４を観察することが可能となる。

映像表示素子３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。

また、輪帯状の映像表示素子３としては、円筒面、円錐面又は球面の内面又は外面に輪帯状に配置された映像表示素子３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又は外面に連続的な表示面を持つ映像表示素子３の代わりに、円筒面、円錐面又は球面の内面又は外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３を用いてもよい。

映像表示素子が２次元の平面で構成されていると、映像中心の主光線に対して表示面が傾いて配置されてしまうため、観察像が傾いて結像することになるために、観察像も空中に傾いて観察され、観察視度が観察像内で変化してしまい観察し難くなる。そこで、広い視域を確保するためには、映像表示素子３は上記のような円筒面、円錐面又は球面の３次元的な表示面を有することが望ましい。

そして、上記のように、凹面鏡２の回転対称軸と映像表示素子３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、観察される像４の位置が一定ではなくなり、中心軸１の周囲を廻って観察したときに像位置が変動して、観察し難くなる。

さらに好ましくは、映像表示素子３の表示面を円筒状に配置することにより、中心軸１を鉛直方向として、特に水平に近い方向からの観察時に像４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円筒の中心軸１の一方の方向を下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。

さらに好ましくは、映像表示素子３の表示面を円錐状に配置することにより、中心軸１を鉛直方向として、斜め上方向からの観察時に像４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）、すなわち、表示面を展開した際に扇型の要の方向になる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。

さらに好ましくは、映像表示素子３の表示面を球面状に配置することにより、中心軸１を鉛直方向として、水平から斜め上方までの広い観察範囲において像４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。

さらに好ましくは、例えば円柱状の表示面では、シート状の表示素子を丸めて映像表示素子３を構成することが可能であり、同様に円錐の場合は、扇形のシート状の表示素子を丸めて映像表示素子３を構成することが可能である。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環状や円錐状の表示素子として使用することが製作上安価にでき、好ましい。

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３を実現することが可能となる。

さらに好ましくは、回転対称な反射面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。これは、本発明のように、３６０°全方位から観察する光学系の場合に特に重要である。光学系を反射面２で構成する場合、回転対称軸（中心軸）１を挟んで光線が光学系に入射するために、回転対称軸１を挟んで反対側にある反射面を遮られることなく光線を入射させるためには、斜め上から光線を入射させる必要がある。つまり、反射面２に対して光線は偏心した使われ方とすることが必須である。さらに、観察領域（観察可能位置）５を広くしたり、観察像（像高）３を大きくとるためには、偏心により発生する偏心収差が大きく発生する。そこで、そのような偏心により発生する偏心収差を補正するために、サジタル面とメリジオナル面で異なる曲率の反射面２で構成することにより、この偏心収差を補正することが可能となる。

さらに好ましくは、反射面２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。

さらに好ましくは、反射面２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。

さらに好ましくは、反射面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、
２０ｍｍ＜Ｒｓ ・・・（１）
なる条件を満足することをが望ましい。下限の２０ｍｍ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。

さらに好ましくは、
５０ｍｍ＜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。

なお、以下に説明する実施例１〜４のＲｓは次の通りである。

実施例 １ ２ ３ ４
Ｒｓ(mm) 25.0 25.0 25.0 25.0
さらに好ましくは、映像表示素子３に表示する表示映像は、３６０°のパノラマ映像を円周上に連続的に表示することが好ましい。これにより、３６０°の任意の視点から３６０°のパノラマ映像を連続的に観察することが可能となる。

さらに好ましくは、複数視点から対象物を撮影した多視点画像を輪帯状に隣接して複数の表示素子を配置してなる映像表示素子３の各表示素子に表示することが好ましい。これにより、３６０°の任意の視点からの映像を観察することが可能となる。

以下に、本発明の視覚表示装置の光学系の実施例１〜４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、物体面を像４の面とし、像４と共役な像面を映像表示装置（表示面）３とし、絞り（観察位置）５を通り、中心軸１を含むように設定された基準面（座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点）を通り、物体面４に向かう光線が凹面鏡２で反射されて像面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、逆光線追跡において、例えば図２に示すように、物体面４の中心を中心軸１上に投影した基準面位置を偏心光学系の偏心光学面の原点とし、中心軸１の凹面鏡２側の方向をＹ軸正方向とし、図２の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、図２の凹面鏡２の反射位置側の方向をＺ軸正方向とし、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。

偏心面については、その面が定義される座標系の上記光学系の原点の中心からの偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、光学系の原点に定義される座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、各面を定義する座標系を光学系の原点に定義される座標系のまずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その回転した別の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。

また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には面間隔が与えられており、その他、面の曲率半径、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。

なお、拡張回転自由曲面は、以下の定義で与えられる回転対称面である。

まず、Ｙ−Ｚ座標面上で原点を通る下記の曲線（ｄ）が定められる。

Ｚ＝（Ｙ² ／ＲＹ）／［１＋｛１−（Ｃ₁ ＋１）Ｙ² ／ＲＹ² ｝^{1 /2}］
Ｃ₂ Ｙ＋Ｃ₃ Ｙ² ＋Ｃ₄ Ｙ³ ＋Ｃ₅ Ｙ⁴ ＋Ｃ₆ Ｙ⁵ ＋Ｃ₇ Ｙ⁶
＋・・・・＋Ｃ₂₁Ｙ²⁰＋・・・・＋Ｃ_n+1 Ｙⁿ ＋・・・・
・・・（ｄ）
次いで、この曲線（ｄ）をＸ軸正方向を向いて左回りを正として角度θ（°）回転した曲線Ｆ（Ｙ）が定められる。この曲線Ｆ（Ｙ）もＹ−Ｚ座標面上で原点を通る。

その曲線Ｆ（Ｙ）をＺ正方向に距離Ｒ（負のときはＺ負方向）だけ平行移動し、その後にＹ軸の周りでその平行移動した曲線を回転させてできる回転対称面を拡張回転自由曲面とする。

その結果、拡張回転自由曲面はＹ−Ｚ面内で自由曲面（自由曲線）になり、Ｘ−Ｚ面内で半径｜Ｒ｜の円になる。

この定義からＹ軸が拡張回転自由曲面の軸（回転対称軸）となる。

ここで、ＲＹはＹ−Ｚ断面での球面項の曲率半径、Ｃ₁ は円錐定数、Ｃ₂ 、Ｃ₃ 、Ｃ₄ 、Ｃ₅ …はそれぞれ１次、２次、３次、４次…の非球面係数である。

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。

また、後記の構成パラメータ中にデータの記載されていない非球面に関する項は０である。屈折率、アッベ数については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。各面の偏心は、上記のように、基準面からの偏心量で表わす。

実施例１の視覚表示装置の光学系の中心軸１に沿ってとった断面図（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１に、図１（ａ）の主要部の拡大図を図２に、図１（ｂ）の主要部の拡大図を図３に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図４に示す。この横収差図において、中央に示された角度は、（水平方向画角、垂直方向の画角）を示し、その画角におけるＹ方向（メリジオナル方向）とＸ方向（サジタル方向）の横収差を示す。なお、マイナスの画角は、水平方向画角については、Ｙ軸正方向を向いて右回りの角度、垂直方向画角については、Ｘ軸正方向を向いて右回りの角度を意味する。以下、同じ。

本実施例は、凹面鏡２が中心軸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、正パワーを有する凹面鏡である。その凹面鏡２の中心軸１と同軸に輪帯状であって円筒状の映像表示素子３が配置されており、その円筒状の映像表示素子３の内側が表示面を構成しており、表示面を出た光線は凹面鏡２で反射されて、その表示面と共役で中心軸１を中心軸とする円筒状の位置に実像として像４が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の周りの斜め上方の観察位置（絞り）５を経て中心軸１を経て斜め下方を見ると、その方向に対応する映像表示素子３の表示面の表示像の空中像４を見ることができる。したがって、観察者が中心軸１に対して斜め上方の中心軸１の周りの何れの位置から斜め下方を見ても、その方向に対応する映像表示素子３の表示面の表示像部分の空中実像を見ることができ、そのため、中心軸１の周りの３６０°の何れの方向から観察者が観察しても、像面３に配置された輪帯状の表示素子のその方向に対応する表示像部分の像４が観察できるものである。

この実施例１の仕様は、
瞳径 φ１００．００ｍｍ
表示面の大きさ Ｘ９．０９ｍｍ×Ｙ９．９８ｍｍ
像の大きさ □６ｍｍ×６ｍｍ
である。

実施例２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５に、図５（ａ）の主要部の拡大図を図６に、図５（ｂ）の主要部の拡大図を図７に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図８に示す。

本実施例は、凹面鏡２が中心軸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、正パワーを有する凹面鏡である。その凹面鏡２の中心軸１と同軸に輪帯状であって円筒状の映像表示素子３が配置されており、その円筒状の映像表示素子３の外側が表示面を構成しており、表示面を出た光線は凹面鏡２で反射されて、その表示面と共役で中心軸１を中心軸とする円筒状の位置に実像として拡大された像４が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の周りの斜め上方の観察位置（絞り）５を経て中心軸１を経て斜め下方を見ると、その方向に対応する映像表示素子３の表示面の表示像の拡大された空中像４を見ることができる。したがって、観察者が中心軸１に対して斜め上方の中心軸１の周りの何れの位置から斜め下方を見ても、その方向に対応する映像表示素子３の表示面の表示像部分の拡大された空中実像を見ることができ、そのため、中心軸１の周りの３６０°の何れの方向から観察者が観察しても、像面３に配置された輪帯状の表示素子のその方向に対応する表示像部分の拡大像４が観察できるものである。

この実施例２の仕様は、
瞳径 φ６５．００ｍｍ
表示面の大きさ Ｘ２．１８ｍｍ×Ｙ２．２０ｍｍ
像の大きさ □６ｍｍ×６ｍｍ
である。

実施例３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９に、図９（ａ）の主要部の拡大図を図１０に、図９（ｂ）の主要部の拡大図を図１１に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図１２に示す。

本実施例は、凹面鏡２が中心軸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、正パワーを有する凹面鏡である。その凹面鏡２の中心軸１と同軸に輪帯状であって円錐状の映像表示素子３が配置されており、その円錐状の映像表示素子３の外側が表示面を構成しており、表示面を出た光線は凹面鏡２で反射されて、その表示面と共役で中心軸１を中心軸とする円筒状の位置に実像として拡大された像４が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の周りの斜め上方の観察位置（絞り）５を経て中心軸１を経て斜め下方を見ると、その方向に対応する映像表示素子３の表示面の表示像の拡大された空中像４を見ることができる。したがって、観察者が中心軸１に対して斜め上方の中心軸１の周りの何れの位置から斜め下方を見ても、その方向に対応する映像表示素子３の表示面の表示像部分の拡大された空中実像を見ることができ、そのため、中心軸１の周りの３６０°の何れの方向から観察者が観察しても、像面３に配置された輪帯状の表示素子のその方向に対応する表示像部分の拡大像４が観察できるものである。

この実施例３の仕様は、
瞳径 φ６５．００ｍｍ
表示面の大きさ Ｘ２．４５ｍｍ×Ｙ２．４７ｍｍ
像の大きさ □６ｍｍ×６ｍｍ
である。
。

実施例４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。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図１６に示す。

本実施例は、凹面鏡２が中心軸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、正パワーを有する凹面鏡である。その凹面鏡２の中心軸１と同軸に輪帯状であって円筒状の映像表示素子３が配置されており、その円筒状の映像表示素子３の外側が表示面を構成しており、表示面を出た光線は凹面鏡２で反射されて、その表示面と共役で中心軸１を中心軸とする円筒状の位置に虚像として拡大された像４が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の周りの斜め上方の観察位置（絞り）５を経て中心軸１を経て斜め下方を見ると、その方向に対応する映像表示素子３の表示面の表示像の拡大された虚像４を見ることができる。したがって、観察者が中心軸１に対して斜め上方の中心軸１の周りの何れの位置から斜め下方を見ても、その方向に対応する映像表示素子３の表示面の表示像部分の拡大された拡大虚像を見ることができ、そのため、中心軸１の周りの３６０°の何れの方向から観察者が観察しても、像面３に配置された輪帯状の表示素子のその方向に対応する表示像部分の拡大像４が観察できるものである。

この実施例４の仕様は、
瞳径 φ３２．５０ｍｍ
表示面の大きさ Ｘ２．０３ｍｍ×Ｙ２．０６ｍｍ
像の大きさ □６ｍｍ×６ｍｍ
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を、“ＲＳ”は反射面を示す。

実施例１
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 円筒面[1] 偏心(1)
1 ∞（絞り面） 偏心(2)
2 ∞（基準面）
3 ＥＲＦＳ[1] （ＲＳ） 偏心(3)
像 面 円筒面[2] 偏心(4)
円筒面[1]
Ｘ方向曲率半径 -5.00
Ｙ方向曲率半径 ∞
円筒面[2]
Ｘ方向曲率半径 7.55
Ｙ方向曲率半径 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -28.04
θ 0.00
Ｒ 25.00
Ｃ₄ 1.0484 ×10^-4
Ｃ₅ -7.1424 ×10^-8
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 5.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ 109.00 Ｚ -300.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ -7.15 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ -18.78 Ｚ -7.55
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 円筒面[1] 偏心(1)
1 ∞（絞り面） 偏心(2)
2 ∞（基準面）
3 ＥＲＦＳ[1] （ＲＳ） 偏心(3)
像 面 円筒面[2] 偏心(4)
円筒面[1]
Ｘ方向曲率半径 20.00
Ｙ方向曲率半径 ∞
円筒面[2]
Ｘ方向曲率半径 -8.27
Ｙ方向曲率半径 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -28.41
θ 0.00
Ｒ 25.00
Ｃ₄ 1.7888 ×10^-4
Ｃ₅ -2.1802 ×10^-7
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -20.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ 109.00 Ｚ -300.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ -17.52 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ -24.03 Ｚ 8.27
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 円筒面[1] 偏心(1)
1 ∞（絞り面） 偏心(2)
2 ∞（基準面）
3 ＥＲＦＳ[1] （ＲＳ） 偏心(3)
像 面 ＥＲＦＳ[2] 偏心(4)
円筒面[1]
Ｘ方向曲率半径 25.00
Ｙ方向曲率半径 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -32.11
θ -33.00
Ｒ 25.00
Ｃ₄ -7.5923 ×10^-5
Ｃ₅ 1.5229 ×10^-6
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ ∞
θ -54.01
Ｒ 10.91
偏心(1)
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -25.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(2)
Ｘ 0.00 Ｙ 100.00 Ｚ -300.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ -14.55 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ 2.11 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 円筒面[1] 偏心(1)
1 ∞（絞り面） 偏心(2)
2 ∞（基準面）
3 ＥＲＦＳ[1] （ＲＳ） 偏心(3)
像 面 円筒面[2] 偏心(4)
円筒面[1]
Ｘ方向曲率半径 -50.00
Ｙ方向曲率半径 ∞
円筒面[2]
Ｘ方向曲率半径 -16.78
Ｙ方向曲率半径 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -31.27
θ 0.00
Ｒ 25.00
Ｃ₄ 4.0864 ×10^-4
Ｃ₅ -8.9244 ×10^-6
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 100.00 Ｚ -150.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(3)
Ｘ 0.00 Ｙ 12.50 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心(4)
Ｘ 0.00 Ｙ 8.39 Ｚ 16.78
α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。

なお、本発明の視覚表示装置の光学系において、中心軸１の周りで回転対称な凹面鏡２はそのまま用いることにより、凹面鏡２の周辺の３６０°の全ての方向から輪帯状の映像表示素子３の表示像の実像又は虚像４を観察できるが、その凹面鏡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虚像を観察できるようにしてももちろんよい。

ところで、本発明の３次元的な表示面を持つ輪帯状の映像表示素子３としては、円筒面、円錐面又は球面の内面又は外面に連続的な表示面を持つ映像表示素子３を用いることができる。図１７（ａ）は、実施例２のように円筒状の映像表示素子３の外面を用いる場合に、その映像表示素子３の表示面１５を連続的な円筒面を持つ持つ表示素子で構成した場合を示す図である。この代わりに、前記したように、この例の場合は、図１７（ｂ）に示すように、円筒面の外面の輪帯状領域に沿って平面状の小さな表示面１６を隣接して配置して映像表示素子３を構成してもよい。

また、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１８はその一例の中心軸１に沿ってとった断面図であり、実施例１の構成において映像表示素子３を背面（円筒の外面）から全方位へ照明する照明装置を配置した例である。この場合、中心軸１上に線光源１２が配置され、その周囲に集光光学系として中心軸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リング状集光鏡１３が配置され、線光源１２から放射された照明光はリング状集光鏡１３で再び中心軸１に向けて反射され、その反射光路中に円筒状の映像表示素子３が配置されており、実施例１の視覚表示装置の照明装置を構成している。このような構成にすると、照明光は中心軸１を含むメリジオナル断面内に制限されて映像表示素子３を照明することができ、コントラストの良い像が観察可能になる。

そして、この例においては、回転対称な反射鏡からなる凹面鏡２からの表示光を制限する遮光部材１１と、線光源１２からリング状集光鏡１３を経て映像表示素子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。

図１９は実施例２の構成において映像表示素子３を背面（円筒の内面）から全方位へ照明する照明装置を配置した例の中心軸１に沿ってとった断面図である。この場合も、中心軸１上に線光源１２が配置されており、その周囲に集光光学系として中心軸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レンズ１４が配置され、線光源１２の１点から放射された照明光はリング状集光レンズ１４を経て中心軸１を含む断面図内で略平行になり、映像表示素子３を照明しており、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。なお、この実施例においても、図１８の場合と同様の遮光部材１１、１１’が配置されている。

図２０は実施例３の構成において映像表示素子３を背面（円錐の内面）から全方位へ照明する照明装置を配置した例の中心軸１に沿ってとった断面図である。この場合も、中心軸１上に線光源１２が配置されており、その周囲に集光光学系として中心軸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リング状集光フレネルレンズ系１７が配置され、線光源１２の１点から放射された照明光はリング状集光フレネルレンズ系１７を経て中心軸１を含む断面図内で略平行になり、映像表示素子３を照明しており、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。なお、この実施例においても、図１８の場合と同様の遮光部材１１、１１’が配置されている。

図２１は実施例３の構成において映像表示素子３を背面（円錐の内面）から全方位へ照明する別の照明装置を配置した例の中心軸１に沿ってとった断面図である。この場合の照明装置として、中心軸１を中心とするサークル状のリング状発光体１８を用い、そのリング状発光体１８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３方向に集光するリング状反射鏡１９をリング状発光体１８の内側に中心軸１を中心に配置して、円錐状の映像表示素子３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、映像表示素子３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２０のような手段をリング状発光体１８と映像表示素子３の間に配置することが好ましい。

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１（ａ）の主要部の拡大図である。 図１（ｂ）の主要部の拡大図である。 実施例１の光学系全体の横収差図である。 本発明の実施例２の視覚表示装置の光学系の図１と同様の図である。 図５（ａ）の主要部の拡大図である。 図５（ｂ）の主要部の拡大図である。 実施例２の光学系全体の横収差図である。 本発明の実施例３の視覚表示装置の光学系の図１と同様の図である。 図９（ａ）の主要部の拡大図である。 図９（ｂ）の主要部の拡大図である。 実施例３の光学系全体の横収差図である。 本発明の実施例４の視覚表示装置の光学系の図１と同様の図である。 図１３（ａ）の主要部の拡大図である。 図１３（ｂ）の主要部の拡大図である。 実施例４の光学系全体の横収差図である。 円筒状の映像表示素子を連続的な円筒面を持つ持つ表示素子で構成する場合（ａ）と平面状の小さな表示面を隣接して配置して構成する場合（ｂ）を示す図である。 実施例１の構成において映像表示素子を背面から全方位へ照明する照明装置を配置した例を示す図である。 実施例２の構成において映像表示素子を背面から全方位へ照明する照明装置を配置した例を示す図である。 実施例３の構成において映像表示素子を背面から全方位へ照明する照明装置を配置した例を示す図である。 実施例３の構成において映像表示素子を背面から全方位へ照明する別の照明装置を配置した例を示す図である。

符号の説明

１…中心軸
２…凹面鏡（反射面）
３…映像表示素子
４…表示像の像（実像、虚像）
５…観察位置、観察領域（絞り）
１１、１１’…遮光部材
１２…線光源
１３…リング状集光鏡
１４…リング状集光レンズ
１５…表示面
１６…平面状の小さな表示面
１７…リング状集光フレネルレンズ系
１８…リング状発光体
１９…リング状反射鏡
２０…視野角制限フィルター（ルーバー）

Claims (13)

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反射面と、
   その反射面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複数の平面状表示面からなる輪帯状の映像表示素子と、
   を備え、
   前記映像表示素子から出た光線が前記反射面によって結像される
   ことを特徴とする視覚表示装置。
2. 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記載の視覚表示装置。
3. 前記反射面の回転対称軸と前記映像表示素子の回転対称軸とが一致し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。
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項記載の視覚表示装置。
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項記載の視覚表示装置。
6. 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２、４、５の何れか１項記載の視覚表示装置。
7. 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記載の視覚表示装置。
8. 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記載の視覚表示装置。
9. 前記反射面は、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８の何れか１項記載の視覚表示装置。
10. 前記反射面は、対称面を持たない任意形状の曲線を回転対称軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有することを特徴とする請求項１から９の何れか１項記載の視覚表示装置。
11. 前記反射面は、奇数次項を含む任意形状の曲線を回転対称軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有することを特徴とする請求項１０記載の視覚表示装置。
12. 前記反射面の外径の半分をＲｓとするとき、
    ２０ｍｍ＜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１１の何れか１項記載の視覚表示装置。
13. 前記映像表示素子の表示面全体を前記反射面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１２の何れか１項記載の視覚表示装置。

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