JP5159033B2 - 画像観察システム - Google Patents

Description

本発明は、画像観察システムに関する。

特に外界の画像情報を撮像素子に形成し、該撮像素子で得られた画像情報と仮想の画像情報の双方を表示手段に表示し、双方を同時に観察する際に好適なものである。

従来より、小型のＣＣＤカメラ等の撮像装置と画像情報を液晶等の表示素子に表示する表示装置を含む画像観察装置を観察者の左右眼に各々設けたヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）が種々と提案されている。このＨＭＤでは、外界画像（外界情報）をＣＣＤカメラ等の撮影装置で電気信号に変換し、それを表示装置のＣＲＴやＬＣＤなどの表示素子に表示している。そして表示装置を介して外界画像を両眼視差を用いて立体観察（以下ビデオシースルー観察）し、あたかも外界を裸眼で観察しているように構成している。

又カメラによって撮像された外界画像にコンピューターグラフィックス等により生成された画像やビデオ等によって記録された映像（仮想画像）を表示素子に合成表示する。そして、現実空間と仮想空間の画像情報を合成し、双方の情報を同時に観察できるようにした画像観察システムが提案されている（特許文献１〜３）。

図７は従来の画像観察システムの要部概略図である。

図７ではバックライト，偏光板，透過型液晶素子等で構成される表示素子２２を射出した表示光ＤＬは、表示系を形成するプリズム部材２６の面２７で屈折されつつプリズム部材２６に入射する。そして、臨界角以上の入射角度で面２８に入射した光束は全反射され、ミラー面２９で反射される。

次いで臨界角以下の入射角度で面２８に入射し屈折されてプリズム部材２６を射出して、観察眼Ｅに導かれる。

プリズム部材２６は光学的パワーを有した面が傾いて配置されることに起因して収差が発生する。このときの収差を良好に補正するために、プリズム部材２６はアジムス角度により光学的パワーの異なる偏心した非回転対称面で構成しており、これにより画質の向上と表示装置２１の小型化を図っている。

プリズム部材（表示系）２６は表示素子２２の拡大虚像を例えば観察眼Ｅより２ｍ先に形成するように位置及び焦点距離等が決められており、その射出瞳は観察眼Ｅの入射瞳に一致させてある。

ここでプリズム部材（表示系）２６は表示装置２１の一部を構成しており、その眼球側の光軸２３は表示素子２２の表示系２６により形成される虚像スクリーン２２’面に垂直で、かつ表示系２６の射出瞳中心を通る直線として定義されるものである。

一方、外界の物体ＯＢからの光束６は撮影系を構成する３角柱形状のプリズム部材１７の面５１で屈折されつつプリズム部材１７に入射する。

次いでミラー面５２で反射され、臨界角以上の入射角度で面５１に入射し全反射される。次いで臨界角以下の入射角度で面５３に入射し屈折されつつプリズム部材１７を射出し、結像光学系１８に入射する。

そして撮影光学系１８によって撮像素子１６上に物体ＯＢの像を結像している。撮像系１０の光軸１３は延長したとき、表示系２６の光軸２３と略一致させてある。またプリズム部材２６で構成される撮像系１０の入射瞳位置と観察眼Ｅの入射瞳位置を一致させている。
特開平１０−２３９６２３号公報 特開平 ８−３２０４５１号公報 特開平１０−２３９６３１号公報

全反射を利用した３角柱形状のプリズム部材１７を用いた撮像系には、図８に示すような物体ＯＢからの光束のうちゴースト光となる光束８が原理的に発生する。

図９にＣＣＤ画像１６上のゴーストの発生状況を示す。画面右の光源６０の近傍に光源６０のゴースト光６１が生じている。

図８において、物体ＯＢからの光束７は、プリズム１７の面５１で屈折されつつプリズム部材１７内に入射する。

次いでミラー面５２で反射され、臨界角以上の入射角度で面５１に入射し全反射され、臨界角以下の入射角度で面５３に入射し屈折されつつプリズム部材１７を射出し、撮影光学系１８に入射する。そして撮影光学系１８によって撮像素子１２上に物体ＯＢの像を結像する。

このときの光束は正規の光束７である。

このほかに、図８に示すように物体ＯＢからの光束８は、面５１で屈折されつつプリズム部材１７内に入射し、ミラー面５２で反射され、面５１に入射し反射される。このとき、面５３に入射しないで、５２に入射し反射される。

そして光束８は、面５３に入射し反射され、面５１に入射し反射され、面５２に入射し反射される。

次いで面５１に入射し反射され、臨界角以下の入射角度で面５３に入射し屈折されつつプリズム部材１７を射出する。次いで、撮影光学系１８に入射し、撮影光学系１８によって撮像素子１６上に到達し、ゴースト光束となる。

このようなゴーストは３角柱形状のプリズム部材１７を用いると原理的にどうしても発生してくる。この結果、撮像素子１６で得られる画像の画質が大きく低下してくるという問題があった。

本発明は、撮影系中に３角柱形状のプリズム部材を用いて各面でのミラー反射や全反射を利用して光路を織り込んで光学系全体の小型化を図るとき、原理的に発生するゴースト光が撮影光学系に入射するのを効果的に防止し、良好なる画像情報が得られる画像観察システムの提供を目的とする。

本発明の画像観察システムは、撮像系と、該撮像系によって形成された物体像を電気信号に変換する撮像素子とを含む撮像装置と、該撮像装置で得られる画像を表示素子に表示する表示装置とを有する画像観察システムにおいて、
前記撮像系は、物体側から順に、三角柱形状のプリズム部材と、撮影光学系を有し、前記プリズム部材は、物体からの光束を透過させる第１面と、該第１面からの光束を前記第１面に向けて反射する第２面と、該第２面で反射した光束が前記第１面で全反射した後に透過する第３面とを有し、前記第１面と前記第２面と前記第３面のうち２つの面で形成される３つのプリズム頂角のうち最も小さい角度をθ１、その次に小さい角度をθ２、前記プリズム部材の材料の屈折率をＮとするとき、
１．８・θ１≦θ２≦２．２・θ１
θ１≦３０°
Ｎ＜１／ｃｏｓ（２・θ１）
なる条件式を満足し、

前記撮像装置の撮影光学系の撮影光軸と前記表示装置の表示光学系の表示光軸とが一致していることを特徴としている。

本発明によれば、原理的に発生するゴースト光が撮影光学系に入射するのを効果的に防止し、良好なる画像情報が得られる画像観察システムが得られる。

図１は本発明の撮像装置を有する画像観察システムの実施例１の要部概略図である。

図１において、１０１は撮像装置、１０２は表示装置である。撮像装置１０１は、物体側から撮像素子側へ光路順に３角柱形状のプリズム部材（プリズム）１７と、撮像レンズ（撮影光学系）１８と、像面に配置された撮像素子１６とを有している。

ここで３角柱プリズムとは、平面より成る３つの面を有し、該３つの面を各々延長したとき、各面で３つのプリズム頂角が形成されるものを言う。

表示装置１０２は表示素子２２と、表示光学系２６と、処理手段１０３を有している。表示素子２２は、撮像装置１０１で得られた画像情報を処理手段１０３で画像処理して表示するとともに、コンピュータ１０４で形成した仮想画像を処理手段１０３で処理して表示している。

観察者Ｅは表示素子２２に表示した外界の画像情報とコンピュータ１０４で形成した仮想画像の双方を同時に観察している。

本実施例の画像観察システムでは、撮像装置１０１に含まれる撮影光学系１８の外界から入射してくる光束の外界光軸（撮影光軸）１３と、表示装置１０２に含まれる表示光学系２６の光軸２３を延長した表示光軸は一致している。

これによってパララックスのない状態でシースル型のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）を構成している。

図１において、物体ＯＢからの光束は、撮像系の一部を構成するプリズム部材１７の第１面５１から入射する。第１面５１から入射した光束は、第２面５２で第１面５１方向（第１面方向）にミラー反射させる。

第２面５２はミラー反射面であり、ＡｌやＡｇ等が蒸着されている。第２面５２からの反射光は第１面５１で全反射した後、第３面５３から出射する。第３面５３の非有効部の一部又は全部は拡散部５４となっている。

プリズム部材１７からの出射光束は、撮像系の一部を構成する撮影光学系１８に入射する（以下このような酵素を「正規の光束」という。）。撮影光学系１８は、物体ＯＢの像（物体像）を撮像素子１６上に形成している。

このように本実施例のプリズム部材１７は反射面と屈折面を併用する第１面５１と、反射面を形成する第２面５２と、屈折面を形成する第３面５３を有し、その間が屈折率１より大きい透明媒体で満たされている。

そしてプリズム部材１７の第３面５３の有効部以外（第３面の非有効部）の一部、又は全部は拡散部５４より成っている。

具体的には、第３面５３の有効部以外において、第２面５２と第３面５３よりなる稜線と平行な２つの線で挟まれる領域、または平行な線と該稜線で挟まれる領域が拡散部５４
より成っている。

第３面５３の有効部以外の一部、又は全部にはスミ塗りがなされている。

プリズム部材１７の材料の屈折率をＮ，面５１，面５２，面５３の第１，第２，第３面の３面のうち２つの面よりなる３つの頂角（プリズム頂角）を小さい順にθ１，θ２，θ３とするとき、小さい方の２つの角度θ１，θ２は、
１．８・θ１ ≦θ２ ≦ ２．２・θ１…（１）
θ１ ≦ ３０° …（２）
Ｎ ≧ １／ｃｏｓ（２・θ１） …（３）
なる条件式を満たしている。

ここでプリズム部材１７の材料の屈折率Ｎが、
Ｎ＜１／ｃｏｓ（２・θ１）
のときはゴースト光が発生しにくい条件となる。

従って、このときは第３面５３の非有効部を拡散面としなくても良い。

図２は図１における撮像装置１０１における正規の光束７の光路の説明図である。

図３は図１においてプリズム部材１７の内面反射で生ずるゴースト光８の光路の説明図である。

図２，図３にて、光線が各面で屈折および反射する各ポイントを撮像光学系１８側から順に点１ａ〜９ａと呼ぶ。

図２において、物体ＯＢからの光束のうち、不要な反射・屈折をせず、正しく結像される正規の光束のうち、光束７は、点４ａにおいて面５１で屈折されつつプリズム１７内に入射する。

次いで点３ａにおいてミラー面５２で反射され、点２ａにおいて臨界角以上の入射角度で面５１に入射し全反射される。次いで点１ａにおいて臨界角以下の入射角度で面５３に入射し、屈折されてプリズム１７を射出する。

次いで撮影光学系１８によって撮像素子１６上に集光される。そして撮像素子１６上には、物体ＯＢの像が結像される様子を示している。

また、図３においては、物体ＯＢからの光束８は点９ａにおいて面５１で屈折されてプリズム１７内に入射する。次いで、点８ａにおいてミラー面５２で反射され、点７ａにおいて面５１に入射し反射される。次いで点６ａにおいて面５２に入射し反射され、点５ａにおいて面５３に入射し反射される。

次いで点４ａにおいて面５１に入射し反射される。次いで点３ａにおいて面５２に入射し反射され、点２ａにおいて面５１に入射し反射される。次いで点１ａにおいて臨界角以下の入射角度で面５３に入射し屈折されつつプリズム１７を射出する。次いで撮影光学系１８で集光される。

そして撮影光学系１８によって撮像素子１６上に物体ＯＢのゴースト光が結像される。

図２における、正規の光束７の各面への入射角度、および反射角度について説明する。プリズム１７は、面５１と面５２のなすプリズム頂点をθ１、面５１と面５３のなすプリズム頂角θ２がθ２＝２×θ１である場合を考える。

このとき、正規の光束７の面５１への入射角度と面５３での射出角が一致する。面５１〜面５３がすべて平面の場合は、この条件を満たすことは、光学性能上、平行平板に入射するのと等価となる。

プリズム１７のサイズを小さくするための理由で、面５１と面５３のなすプリズム頂角の角度を １．８×θ１〜２．２×θ１とするのが良い。

本実施例では面５１と面５３のなす頂点の角度が２×θ１である場合について説明する。

まず、正規の光束７の光路について説明する。

図４は、図２において正規の光束のプリズム部材１７における光路の説明図である。

図４において、物体ＯＢが無限遠にあり、画角ω、最大画角ω０、プリズム１７の材料の屈折率をＮとすると点１ａにおける面５３への入射角μ１は、
Ｎ×ｓｉｎ（μ１）＝ｓｉｎ（ω） …（４）
点２ａにおける面５１での全反射角μ２は
μ２＝２×θ１−μ１ …（５）
よって面５１の点２ａにおいて全反射する条件は
ｓｉｎμ２＞（１／Ｎ）
２×θ１−μ１＞ｓｉｎ-1（１／Ｎ）
２θ１＞ｓｉｎ-1（１／Ｎ）＋μ１
θ１≧（１／２）（ｓｉｎ-1（１／Ｎ）＋μ１）
画角ωに対して最大画角ω０を入れると
θ１≧０．５×ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎ（ω０）／Ｎ）＋０．５×ａｒｃｓｉｎ（１／Ｎ）…（６）
となる。

点３ａでの反射角μ３は
９０°−μ２＋９０°＋μ３＋θ１＝１８０° …（７）
μ３＝μ２−θ１＝θ１−μ１ …（８）
点４ａでの反射角μ４は
μ４＋μ３＋１８０°−θ１＝１８０° …（９）
μ４＝θ１−μ３＝μ１ …（１０）
となる。

よって点４ａでの正規光束７の射出角μ’４は
（（ｓｉｎμ４’）／（ｓｉｎμ４））＝Ｎ
となる。式（４）より
（（ｓｉｎμ４’）／（ｓｉｎμ４））＝（（ｓｉｎω）／（ｓｉｎμ１））
であるから、
μ’４＝ω …（１１）
となる。

次に、ゴースト光束８について説明する。

図５は、図３において、ゴースト光８のプリズム部材１７における光路の説明図である。

図３，図５において、画角β１のゴースト光束８が、撮影光学系１８に入射する場合を説明する。

図５において面５３への入射角をα１、出射角をβ１とすると、
Ｎ×ｓｉｎ（α１）＝ｓｉｎ（β１） …（１２）
である。

点２ａでの反射角α２は
α２＝θ２−α１より
α２＝２×θ１−α１…（１３）
点３ａでの反射角α３は
９０°−α２＋θ１＋α３＋９０°＝１８０° …（１４）
よって
α３＝α２−θ１＝２θ１−α１−θ１＝θ１−α１ …（１５）
点４ａでの反射角α４は
１８０°−θ１＋α４＋α３＝１８０° …（１６）
よって
α４＝θ１−α３＝α１…（１７）
点５ａでの反射角α５は
θ２＋９０°−α４＋９０°−α５＝１８０° …（１８）
よって
α５＝θ２−α４より
α５＝２×θ１−α１＝α２ …（１９）
（１６）式より、図６におけるゴースト光束８の点５ａにおける面５３での反射角は点２ａにおける面５１の反射角と一致し、どちらも全反射であることがわかる。

よって、面５３の有効部外を、鏡面のままスミ塗りしてもゴースト光を除去することはできない。

そこで本実施例では、有効部外を拡散部とし、スミ塗りをすることによってゴースト光を除去している。

点６ａでの反射角α６は
９０°−α５＋９０°−α６＋１８０°−θ１−θ２＝１８０° …（２０）
よって
α６＝１８０°−５θ１＋α１ …（２１）
点７ａでの反射角α７は
９０°−α６＋α７＋９０°＋θ１＝１８０° …（２２）
α７＝α６−θ１
よって
α７＝１８０°−６θ１＋α１ …（２３）
点８ａでの反射角α８は
９０°−α７＋θ１＋９０°＋α８＝１８０° …（２４）
α８＝α７−θ１
よって
α８＝１８０°−７θ１＋α１ …（２５）
点９ａでのゴースト光束８の側面５１への入射角β２、射出角α９は
α８＋α９＋１８０°−θ１＝１８０° …（２６）
よって
α９＝θ１−α８＝−１８０°＋８θ１−α１ …（２７）
（（ｓｉｎβ２）／（ｓｉｎα９））＝Ｎ
より、
β２＝ａｒｃｓｉｎ（Ｎ×ｓｉｎ（−１８０°＋８×θ１−α１）） …（２８）
となる。

（１３）式より、点２ａで全反射する条件は
（１／ｓｉｎα２）＜Ｎ
ｓｉｎα２＞（１／Ｎ）
より
α２＝２×θ１ −α１≧ａｒｃｓｉｎ（１／Ｎ） …（２９）
（２７）式より、点９ａで透過する条件は
（１／ｓｉｎα９）＞Ｎ
ｓｉｎα９＜（１／Ｎ）
より
α９＝−１８０°＋８×θ１−α１≦ａｒｃｓｉｎ（１／Ｎ） …（３０）
よって（２９），（３０）式より
−１８０°＋８×θ１−α１≦２θ１−α１ …（３１）
θ１≦３０° …（３２）
（３２）式は、ゴースト光が存在する角度θ１の範囲を示す条件式であり、それ以外では面５３での反射でゴースト光は発生しない。

光源（物体ＯＢ）が無限遠位置にある場合、画面内で正規光束７よりゴースト光８が内側に存在する条件は
（２７）式より
α９＝−１８０°＋８×θ１−α１＝θ１ …（３３）
α１≦μ１ …（３４）
よって
２×α１≦−１８０°＋８×θ１ …（３５）
α１が最大像高近傍では、（２９）より
２×θ１−α１≒ａｒｃｓｉｎ（１／Ｎ） …（３６）
よって
Ｎ≧１／ｃｏｓ（２×θ１） …（３７）
（３７）式は画面上で、光源の位置近傍にゴースト光８が存在する条件であり、それ以外では、ゴースト光は画面内に到達することはない。

尚、本実施例において、
Ｎ＜１／ｃｏｓ（２×θ１）・・・・（３８）
とすれば、プリズム部材１７でゴースト光が発生しにくい条件となる。

このときは、第３面５３の非有効部に拡散部やスミ塗りを設ける必要がない。
［参考例１］

図１において、外界の物体ＯＢからの光束６はプリズム１７の面５１に入射し、屈折されてプリズム１７内に入射する。そして、ミラー面（Ａｌ蒸着やＡｇ蒸着されている面）５２で反射され、臨界角以上の入射角度で面５１に入射し全反射される。そして、臨界角以下の入射角度で面５３に入射し面５３で屈折されてプリズム１７を射出し、撮影光学系１８に入射する。そして撮影光学系１８によって物体ＯＢを撮像素子１６上に結像している。

プリズム１７の面５３の有効部外は拡散部５４となっており、拡散部５４をスミ塗りすることによってゴースト光の発生を防止している。

拡散部５４は図６に示すように、面５３の有効部外において、第５２面と第５３面よりなる稜線５５と平行でかつ該稜線を含む領域である。

プリズム１７の材料は屈折率Ｎ＝１．６９７、面５１，面５２，面５３の３面よりなるプリズム１７の３つの頂角を小さい順にθ１、θ２、θ３とすると、θ１＝２７度、θ２＝２×θ１＝５４度である。

撮影光学系１８の最大画角は３１．４度である。

Ｎ＝１．６９７
θ１＝ ２７ ＝ ０．４７ｒａｄ ≦π／６
θ２＝５４．０度 ＝ ０．９４ｒａｄ
１／ｃｏｓ（２・θ１）＝１．７０１ ≒ Ｎ
（尚、屈折率の大小の比較は、製作誤差を考慮すると、小数点以下２桁までの数値で比較するのが良い。）
物体ＯＢ（光源）が無限遠にある場合、画角３１．９度の位置にゴースト光が発生する。

本参考例では、ゴースト光が最大画角以上の角度で発生していて、更に（３）式を厳密には満たしていない。

しかし、ゴースト光は一般的に収束せず、比較的大きなスポット画像となるため、画像内にゴースト光が入ってしまう。この為、面５３の非有効部を拡散面としている。

図５に示した角度β１，β２，α１〜α９の値は次のとおりである。

β１＝３１．９度
α１＝１８．１度
α２＝３５．９度
α３＝ ８．９度
α４＝１８．１度
α５＝３５．９度
α６＝６３．２度
α７＝３６．２度
α８＝ ９．２度
α９＝１７．８度
β２＝３１．９度
［参考例２］

以下に、参考例２の数値例を示す。

プリズム部材１７の材料は屈折率Ｎ＝１．７７３である。３面よりなる３つのプリズム頂角を小さい角度順にθ１、θ２、θ３とすると、θ１＝２５．８度、θ２＝２×θ１＝５１．６度である。

撮影光学系１８の最大画角は３１．４度、
Ｎ＝１．７７３
θ１＝２５．８度 ＝ ０．４５ｒａｄ ≦π／６
θ２＝５１．６度 ＝ ０．９０ｒａｄ
１／ｃｏｓ（２・θ１）＝ １．６１ ≦ Ｎ
物体ＯＢ（光源）が無限遠にある場合、画角２５．８度の位置にゴースト光が発生する。この為、面５３の非有効部を拡散面とするのが良い。

図５に示した角度β１，β２，α１〜α９の値は次のとおりである。

β１＝２４．０度
α１＝１３．３度
α２＝３８．３度
α３＝１２．５度
α４＝１３．３度
α５＝３８．３度
α６＝６４．３度
α７＝３８．５度
α８＝１２．７度
α９＝１３．１度
β２＝２４．０度
［実施例１］

以下に、実施例１の数値例を示す。

プリズム部材１７の材料は屈折率Ｎ＝１．６５２である。３面よりなる３つのプリズム頂角を小さい角度順にθ１、θ２、θ３とすると、θ１＝２７．８度、θ２＝２×θ１＝５５．７度である。

撮影光学系１８の最大画角は３１．４度、
Ｎ＝１．６５２
θ１＝２７．８度 ＝ ０．４９ｒａｄ ≦π／６
θ２＝５５．７度 ＝ ０．９７ｒａｄ
１／ｃｏｓ（２・θ１）＝ １．７７２ ≧ Ｎ
本実施例では、物体（光源）が無限遠にある場合、画角３７．４度の位置にゴースト光８が発生する。

撮影光学系１８の最大画角を越えたところに発生するため、撮像素子１６上にゴースト光８は到達しない。この為、面５３上に拡散部５４を設けていない。

図５に示した角度β１，β２，α１〜α９の値は次のとおりである。

β１＝３７．４度
α１＝２１．６度
α２＝３４．１度
α３＝ ６．３度
α４＝２１．６度
α５＝３４．１度
α６＝６２．４度
α７＝３４．６度
α８＝ ６．８度
α９＝２１．１度
β２＝３７．４度

本発明の参考例１の要部概略図 図１の撮像装置の正規の光束の光路説明図 図１の撮像装置のゴースト光束の光路説明図 図１のプリズム部材内の正規の光束の光路説明図 図１のプリズム部材内のゴースト光束の光路説明図 図１のプリズム部材の拡散部の説明図 従来の画像観察システムの要部概略図 図７における正規の光束とゴースト光束の光路説明図 ゴースト光の説明図

Ｅ 観察眼
６ 光束
７ 正規の光束
８ ゴースト光束
１６ 撮像素子
１８ 撮影光学系
２１ 表示光学系
２２ 表示素子
２３ 光軸
２６ プリズム部材
２７ 面
２８ 面
２９ 面
５１ 面
５２ 面
５３ 面
５４ 拡散部＋スミ塗り
５５ 光源
６１ ゴースト光

Claims (1)

1. 撮像系と、該撮像系によって形成された物体像を電気信号に変換する撮像素子とを含む撮像装置と、該撮像装置で得られる画像を表示素子に表示する表示装置とを有する画像観察システムにおいて、
   前記撮像系は、物体側から順に、三角柱形状のプリズム部材と、撮影光学系を有し、前記プリズム部材は、物体からの光束を透過させる第１面と、該第１面からの光束を前記第１面に向けて反射する第２面と、該第２面で反射した光束が前記第１面で全反射した後に透過する第３面とを有し、前記第１面と前記第２面と前記第３面のうち２つの面で形成される３つのプリズム頂角のうち最も小さい角度をθ１、その次に小さい角度をθ２、前記プリズム部材の材料の屈折率をＮとするとき、
   １．８・θ１≦θ２≦２．２・θ１
   θ１≦３０°
   Ｎ＜１／ｃｏｓ（２・θ１）
   なる条件式を満足し、
   前記撮像装置の撮影光学系の撮影光軸と前記表示装置の表示光学系の表示光軸とが一致していることを特徴とする画像観察システム。