JP2000515645A

JP2000515645A - 網膜反射画像を撮影し、目の中で追加画像を重ね合わせるための装置

Info

Publication number: JP2000515645A
Application number: JP10507591A
Authority: JP
Inventors: ハロルドソン・ソールステイン; シュミット―ビショフシャウセン・ホルスト; イベール・ハインリッヒ
Original assignee: ダイムラークライスラー・アクチェンゲゼルシャフト; イベール・ハインリッヒ
Priority date: 1996-08-05
Filing date: 1997-08-01
Publication date: 2000-11-21
Also published as: WO1998005992A2; WO1998005992A3; EP0917661A2; US6227667B1; DE19631414A1; AU4453397A; WO1998005992A8

Abstract

(57)【要約】本発明は、人の目の網膜上に結像した外界の画像を、走査撮影装置を用いて撮影する装置であって、外界の光線が内面は湾曲形状の光線分割鏡として形成された眼鏡のガラスを透過すること、及び網膜の各点から逆分散して目から出る平行光束を撮影するため、またこれらを結像して方向転換するために、光束を網膜反射画像の逐次撮影のために光学電子検出器にさらに導く２軸走査装置が備えられている装置を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】網膜反射画像を撮影し、目の中で追加画像を重ね合わせるための装置本発明は、人間の目の網膜に逆散乱で投影された外界の画像を撮影することを可能にし、この画像を電子画像処理によって変更し、また追加情報によって補完し、レーザ光線変調及び偏向によって目に戻して元の画像と重ねることを可能にする装置に関する。情報とその一目でわかる具象的視覚化への需要増加に伴って、画像の撮影、処理、及び再生に関する技術的要件は増大している。この分野における急速な進歩は、常に高速化しているコンピュータによる画像処理と協力して進んでいる。電子画像処理の主な適用分野は今日、可視光線の分野におけるのみならず、例えば赤外線、放射線、レントゲン線領域などの電磁スペクトルなどの他の分野におけるカメラ、走査システム及びセンサによって撮影される画像の連続処理である。電子的処理によって、画像は静止画としても動画としても、目の情報受入れのために画像表示面（ディスプレイ）の上に戻される。電子画像処理を用いて、一方では、特殊な画像内容をより容易に知覚できるようにすることが可能である。このために導入される技法は、例えば局部周波数濾過、縁部鮮明化、画像データ圧縮、画像相関、動的縮小及び疑似色彩コード化である。他方では、さらなる技法が、様々なスペクトル領域からの追加画像の重ね合わせまたは減算、または記憶された図面、地図、及び線画の元の画像への重ね合わせを取り扱う。多くの適用にとって、実用的な遅延のない画像表示は、例えば航空機、船舶、車両の操縦、又は工程や生産ラインの制御と管理の際に、目のための大きな利点となる。画像処理によって、実際の直接画像の情報内容の目標を持った増減を実施することができる。適用は、画像コントラストの増強から追加情報の挿入及び詳細事項や危険の標識付けにまで及ぶ。これらの適用の大部分において、一方では画像は撮影場所から見られ、他方では目の観察位置とは別の観察位置における画面上に表示されるので、電子カメラが人の目から分離した「第２視力システム」を表示することは欠点である。そこで人の目は、直接観察と間接観察との間で、異なった観察角度、画像切片及び大きさを常に入れ替えなければならず、これが決定過程の際に実体的な侵害と遅延を招く。この制限は、一部は、「ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）」の技法を用いて、戦闘爆撃機の操縦の際に、計器指示や目標データのような重要な情報をパイロットのヘルメットの開放眼鏡の中に、これによってパイロットの視野の中にはさみ込むことによって解決することができた。この技法は、試験的に自動車産業においても計器指示の風防ガラスへの挿入のために入れられ、これによって運転者は眼前の道路の観察から目を逸らされない。この技法をさらに発展させた周知のものは、いわゆる「バーチャル・リアリティ」または「サイバースペース」である。ここでは、閉眼鏡、すなわち視界が外界から遮断された眼鏡中に、ＨＵＤによって、動く三次元全体映像が実物そっくりに目に投影され、前進、腕の動き、指の動き、頭や目の動きなどのような身体の動きによって対話式に変更される。ＨＵＤでは、画像は画面の上で発生され、眼鏡の表面における反射によって目の中にはさみ込まれる。目は、いわば完全な鏡としての眼鏡を通じてディスプレイの上に「角をぐるっと回って」、また部分透過鏡付きの開放眼鏡によって、同時に外界を見る。ディスプレイは頭部に結合されているので、画像は身体の動きに従う。ＨＵＤの中には、目の動きを眼球に付けた運動センサまたはカメラを用いて瞳孔または網膜の脈管組織の動きを追跡する「アイ・トラッカ」を装備しているものもある。その場合には、ＨＵＤにおいて投影される画像は、視野内部における動きに応じて電子的に移動される。目が順応自由に弛緩できるために、ＨＵＤの画像を投影光学系によって「無限」に置き換えることができる。同じ対象物への両眼の異なる視角を調節することによって、ステレオすなわち立体視覚が可能になる。これらの適用と技法は、一方では、適切な技術的費消によって既に容認可能な品質の動画をほとんど遅滞なく処理するという状態にある、電子画像処理の高い水準を、他方では、目への直接画像伝送の需要増加を明確にするものである。それでも、現在のＨＵＤ技法は制限が付けられている。「アイ・トラッカ」が目の動きを自動追跡する正確性は、目の調整の正確性及び画像解像度よりも本質的に劣る。この結果、はさみ込まれた画像は視野内のあちこちで浮動して踊り、これは目による目標発見を不正確にし、疲労をもたらす。この理由で、完全画像表示のこれまでの適用は閉眼鏡すなわち外部画像の排他的挿入に限定されている。これに対して、外部への追加視界を伴う開放眼鏡の適用もなお、テキスト、符号又は略画の形の簡単な追加情報の挿入に限定されている。目によって知覚される実際の画像に挿入画像を完全に空間的かつ時間的に重ね合わせることは、両画像の網膜上における正確な空間的かつ時間的一致を前提条件とする。これは先ず、網膜画像の直接撮影と、これに続く実際の画像への新しい画像のほとんど遅延のない重ね投影によって実施可能であり、これが本発明の目的設定である。ここでは先ず、網膜反射画像の撮影、目の内部からの画像走査、及び本発明の元であるレーザ画像の目への直接投影の現況技術を説明する。外界の網膜反射の連続的図示を技術的に実現することは、網膜の利用可能な光学的反射を前提条件とする。この反射率は、例えばＦ．Ｃ．ＤｅｌｏｒｉとＫ．Ｐ．Ｐｆｌｉｂｓｅｎによって、その研究「Ｓｐｅｃｔｒａｌｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｈｕｍａｎｏｃｕｌａｒｆｕｎｄｕｓ」（ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．６（１９８９））において、詳細に測定されている。網膜の反射率は、０．２％という低い値を持つ青の可視領域（４５０ｎｍ）から、長波の赤の領域（７５０ｎｍ）における１０％まで単調に増加する。５００ｎｍ〜６００ｎｍ間の緑黄領域における目の最高感度と最鮮明視野の領域では、反射率は１％と２％の間にある。従って、この反射のための撮影システムを、対象物空間よりも５０〜１００分の１という低い網膜の光束密度のために設計しなければならない。利用できる光量のさらなる妨げは、写真カメラやビデオカメラなどの通常の技術的撮影システムと比較して小さな１〜７ｍｍの瞳孔の大きさによるものである。この両方の理由から、網膜によって反射された光の撮影は特に敏感な光センサを前提条件とする。構造化された反射画像が、目における結像において網膜窩すなわち中心窩の領域において形成されることは周知である。これは、例えばＦ．Ｗ．ＣａｍｐｅｌｌとＤ．Ｇ．Ｇｒｅｅｎによって、その論文「ＯｐｔｉｃａｌａｎｄＲｅｔｉｎａｌＦａｃｔｏｒｓＡｆｆｅｃｔｉｎｇＶｉｓｕａｌＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎ」（Ｊ．Ｐｈｙｓｉｏｌ．１８１，５７６−５９３（１９６５））に記載されている。この場合、明るく照明され広げられた格子構造が網膜の上に結像され、目によって反射された画像は分割鏡によって光路から偏向され、目の外の画像平面に鮮明に結像された。網膜における反射による、すなわち目を２回通過することによる格子の平面的な結像は、目の変更伝達機能の決定に役立つ。測光法による評価によって、反射画像の品質は目自体によって知覚された画像の品質に非常に近いことがわかっている。静かな姿勢をとる目に極端に明るい画像照明（フラッシュライト）を伴う、Ｃａｍｐｅｌｌ他によって利用された閉鎖された静的撮影装置は、目の速い自然な固有の動きの場合に、外界の光の弱い動的画像を網膜の上に撮影するためには適していない。これは、感光性の速い検出器と、開放光路の中で外光を非常に効果的に抑制し、画像を少なくとも通常のビデオ基準の反復頻度で撮影することのできる撮影技法を必要とする。このため今日、すべての画素を一定の統合時間の後に平行に撮影するＣＣＤカメラ、及び画素が時間的に次から次に走査される個別検出器（フォトダイオード又は光電子増倍管）付きの逐次走査画像撮影システムが問題となっている。どちらの技法も通常のビデオ規準に適合している。ＣＣＤ撮影技法利用の原則的な利点は、走査の際にたった４０ｎｓという各画素における短い時間幅に対して、例えば２０ｍｓという各画素における長い統合時間である。それでも逐次撮影技法は、強烈に流れ去る背景の際に非常に弱い急速に変化する光信号を撮影するには、並列撮影技法に対して、統合時間が短いという欠点を埋め合わせる一連の他の利点を有する。これはすなわち、 − 画像のさらなる直接アナログ処理を実時間で可能にする逐次信号処理 − 走査の小さな瞬間視野による効果的な投光照明の抑制 − 使用されるなだれフォトダイオード及び光電子増倍管の低ノイズレベルの高い事前増幅 − 網膜における画像の明るさの強い変化に応じた高い信号動力学 − 例えば位相ロックイン検出ないし信号相関による効果的なアナログ・ノイズ抑制 − 結像エラーの容易な除去それでも本発明の目標設定のために、逐次画像走査の決定的な利点、すなわち逐次画像走査を目への時間をずらした同期逐次レーザ画像投影と組み合わせる、というさらなる可能性が開かれる。フィルム及びビデオ撮影に対する逐次撮影のこれらの利点によって、逐次撮影は、５０年代の初め以来、特に顕微鏡の画像撮影のために投入されている。１つの逐次走査は、第１に、対象物の平面的な照明と受光体による点状走査によって、第２に、点状の光源による対象物の走査と受光体による平面的な撮影によって、そして第３に、点状の照明と同じ走査装置を適用した受光体による同時点状走査によって、３種類に実現されることが可能である。最初の２つの方法は「ｆｌｙｉｎｇｓｐｏｔ（飛点）」撮影技法、第３の方法は「ｃｏｎｆｏｃａｌｓｃａｎｎｉｎｇ（共焦走査）」撮影技法と呼ばれる。最初の２つの方法では、光源又は受光体が固定され、このためにその都度受光体又は光源が対象物に動いている。第３の方法では、光源及び受光体が共通に走査点（共焦）に結像されるが、互いには動かない。本発明が提案するような、走査受光体による外界の平面的網膜反射の撮影は、この意味では、「飛点」撮影技法の第１種である。同じ走査装置を用いた時間をずらした同期レーザ画像投影は、網膜における照明源と受光体の共通点状走査結像の意味では、共焦走査技法として理解されるが、受光体とレーザの役割が従来の適用に対して置き変えられるので、共焦走査撮影技法ではない。本発明では、受信信号はレーザ源の時間をずらした変調に使用され、通常の方法では、レーザ源が光信号の同時受信の際の照明に使用される。本発明とその技術的実施の新鮮度がよく見えるようにするために、画像撮影の適用と目へのレーザ投影の適用の状況をさらに詳しく説明する。Ｏ．ＰｏｍｅｒｎｔｚｅｆｆとＲ．Ｈ．Ｗｅｂｂは、初めて、米国特許第４，２１３，６７８号（１９８０年９月）「ＳｃａｎｎｉｎｇＯｐｈｔｈａｌｍｏｓｃｏｐｅｆｏｒＥｘａｍｉｎｉｎｇｔｈｅＦｕｎｄｕｓｏｆｔｈｅＥｙｅ」に、照明源として走査レーザ光線を用い、目の内部組織の撮影のための受容体として固定した広い光電子増倍管を伴う「飛点」撮影技法の第２種を記載している。この技法の、レーザ光線と光電子増倍管の撮影軸の同時走査による共焦配置への拡張が、Ｒ．Ｈ．Ｗｅｂｂ、Ｇ．Ｗ．Ｈｕｇｈｅｓ、Ｆ．Ｃ．Ｄｅｌｏｒｉによって論文「Ｃｏｎｆｏｃａｌｓｃａｎｎｉｎｇｌａｓｅｒｏｐｈｔｈａｌｍｏｓｃｏｐｅ」（ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．８，ｐｐ１４９２−１４９９（１９８７））に紹介された。この装置では、網膜はレーザ光線によってラスター状に走査される。レーザ光線は１つ１つ及び一行一行、原物を照明する。受光体（光電子増倍管）はその都度反射する光を測定し、一連の測定値をビデオ信号に変換する。最終的にテレビモニタがビデオ信号を画像として表示する。この３つのプロセスは厳密に同期して行われる。レーザ光線が眼底を一行一行走査する間に、同時にテレビ信号が構成される。レーザ光線はまず変調器を通過し、変調器を通じて照明の強さを制御することができる。水平の走査線偏向は主に、急速回転する多面鏡によって実施され、垂直偏向は旋回鏡によって実施される。走査運動の回転中心は目の瞳孔面の中にある。眼底から反射ないし逆散乱した光は瞳孔開口全体を通じて集められ、結像光学系を通じて受光体に送られる。これによって光の偏向は逆向きに行われ、小さな検知面の上に結像された静止した光東が得られる。レーザ投影を使用して人工的画像を目の中に投影するための検眼鏡における共焦点結像の適用の可能性は、Ｗｅｂｂらによって上記の論文において認識されており、次のように記載されている。「レーザ光線を高速（１５ｋＨｚ）水平スキャナと低速（６０Ｈｚ）垂直スキャナとによって偏向し、標準様式のＴＶラスターを網膜の上に投影する。光線の変調によって、ラスターの中のグラフィックまたはグレイ・スケール画も投影することができる。患者がその網膜の上に投影されたＴＶ映像を見ている間に、網膜の画像がＴＶモニタの上に表示される・・」変調された光の刺激と基準の直接投影は、近代的なレーザ走査検眼鏡（例えばミュンヘンのＲｏｄｅｎｓｔｏｃｋ社製）において、主に視力分析、ビデオ視力決定、及びその都度のレーザ波長のみの場合のコントラスト感度決定のために適用されている。レーザによる目への直接画像伝達のさらなる提案が、次の２つの資料から知られている。「Ｄｉｒｅｃｔｖｉｅｗｉｎｇｐｉｃｔｕｒｅｉｍａｇｅｄｉｓｐｌａｙａｐｐａｒａｔｕｓ」と題する１９９５年１１月のソニー株式会社の欧州特許第０４７３３４３Ｂ１号では、直視画像再生装置が開示され、この装置は本質的に、以前に知られておりここで既に引用している共焦結像の出版物からの技術的解決策のみを含み、またミュンヘンのＲｏｄｅｎｓｔｏｃｋＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ社によって実現されたような市販のレーザ走査検眼鏡においても知られている解決策である。この特許の請求項１０、１１に記載の１色のみの画像伝達から３色へ拡張するための技術的解決法は、他のレーザ表示装置においても既に長年間実現されており、従って同じく新規性はない。請求項１２から１６までに記載の網膜上の画像の深さの移動も、同等の対策によって既に存在する装置において実施される。同じ画像を両方の目に投影するための、この特許の請求項１６から１９まで及び図６に示す偏光識別による２つの光線の分離は、「真」の三次元画像を表示するためには、三次元画像はここでは遠近法による差異を示さないので、基本的には不適当な方法である。その上に、この方法によって目の調整への動的及び個別的適合性は得られず、従って技術的には転換が困難である。次に、「Ｄｉｒｅｃｔｒｅｔｉｎａｌｓｃａｎｄｉｓｐｌａｙ」と題する１９９３年８月のＭｏｔｏｒｏｌａＩｎｃ．社の第２の欧州特許出願第０５６２７４２Ａ１号には、上述のソニーの特許のように、やはり網膜への直接画像伝達に関するものであるが、投影が人がかけている眼鏡による方向転換を通じて実施される点が異なる、直視画像再生装置が記載されている。この特許出願は、長く存続している技法に対して新しい解決の手掛かりをもたらすものではない。請求項４における観察者の頭部における全表示の直接組立て、もしくは請求項５における投影器の光路の眼鏡を通じた方向転換の適用は、「バーチャル・リアリティ」眼鏡、もしくはパイロット用ヘルメットのヘッドアップディスプレイに既に導入されている。網膜における結像を成功させるためには、レーザ光線の方向転換に関する様々な光学的要件を満たさなければならず、この方向転換は、光線偏向後の光線誘導の特別な設計の他に、特殊な眼鏡ガラスの湾曲も必要とする。この根本的な光学的問題性の解決法は、この最後に述べた特許出願においても考慮または言及されていない。発明の説明本発明は、自然の目視過程の際に人の目の網膜上に生ずる外界の画像を撮影し、電子画像処理によって変更ないし補足することを可能にする、逐次作動する撮影・投影装置を提案する。それに続いて、この画像をレーザ光線画像投影によって目に戻して投影し、元の画像と同期的に重ね合わせる。本発明はさらに、撮影の際にも投影の際にも同時に原色の赤、緑、青の光線が検出ないし投影されることを計画する。この課題は、網膜が同じ走査過程で同時に照明されて結像される共焦点レーザ走査検眼鏡の課題とは基本的に別のものである。というのは、本発明による配置では、第１走査サイクルにおいて外界の平面的な反射画像が「飛点」法によって走査され、やっと第２の時間的に離れた走査サイクルにおいて修正されたレーザ画像が網膜に投影されるからである。第３走査過程では反射画像は再び得られ、第４走査過程ではレーザ画像が再び投影される。これらの過程は時間的に非常に速く交替するので、目にとっては、テレビや映画を見る時のように、レーザ画像が同期的かつ合同に目の動きとは関係なく元の画像を追う連続経過が生ずる。本発明は、閉眼鏡（サイバースペース）における外部画像の投影も開放眼鏡（ＨＵＤ）における追加画像も、目への直接レーザ投影のための出願者が知っているすべての提案とは、ここで初めて提案される投影と外界の瞬間的画像内容の直接結合、及びこれを実現するための新式の技術的実施によって区別される。網膜反射画像の撮影と具象的なさらなる処理は、弱い光学信号の撮影及び処理技法の急速な進歩によって可能になっている。網膜が自然の環境でさらされている照明の強さは、１０^-4Ｗｃｍ^-2という最高の屋外の明るさから約１０^-7Ｗｃｍ^-2 までにわたっている。さらに弱い屋内照明では、物を読む条件では１０^-5Ｗｃｍ^-2〜１０^-6Ｗｃｍ^-2である（例えば、Ｄ．ＳｌｉｎｅｙとＭ．Ｗｏｌｂａｒｓｈｔの「ＳａｆｅｔｙｗｉｔｈＬａｓｅｒｓａｎｄＯｔｈｅｒＯｐｔｉｃａｌＳｏｕｒｃｅｓ」（１９８０）を参照）。光子計数光電子増倍管とＴＶ基準におけるレーザによる逐一走査によって、信号雑音比５の場合に２×１０^-5 Ｗｃｍ^-2までの感度に達した（Ｒ．Ｈ．Ｗｅｂｂ他の「ＦｌｙｉｎｇｓｐｏｔＴＶｏｐｈｔｈａｌｍｏｓｃｏｐｅ」，ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．１７，ｐｐ２９９（１９８０）を参照）。１０^-7Ｗｃｍ^-2にまで感度を上げることは例えば、改善されたノイズ抑圧、局部的解像の減少によって、ないしはＴＶラスター走査の代わりに渦巻き走査を適用して、視野の中央における走査速度を低下させ、そこでの統合時間を長くすることによって達成することができる。本発明の課題は、請求項１、２に記載の特徴によって解決される。従属請求項には、有利な実施形態とさらなる構成を記載する。下記の記載において、本発明を実施例によって説明し、添付の図面が説明を補足する。図１は、結像がスキャナと目の間で２つの凹状反射面、すなわち補助鏡ＨＳと眼鏡ＢＧの内側を通じて実施される実施形態における、請求項１から５による撮影装置及び眼内投影装置の実施例の概略図である。図２は、結像がスキャナと目の間で凹状補助鏡面ＢＧ’、凸状補助鏡面ＨＳ’ 、及び眼鏡ガラスＢＧの凹状内側において実施される実施形態における、請求項１から４、及び６による撮影装置及び眼内投影装置の実施例の概略図である。図３は、請求項１４に記載の受光体とレーザ変調器を有する撮影装置及び投影装置の間における固定光路の実施例の概略図である。図４は、請求項１５に記載の可撓性グラスファイバを用いた光線切替えスイッチと走査ユニットにおける、撮影装置及び投影装置の可撓性結合の実施例の概略図である。図５は、１つの眼鏡フレームにおける両眼のために撮影装置及び投影装置を備える実施例の概略図である。図６は、請求項２３に記載の水平走査鏡の角度９０°切替えによる、外界の対象物に対する網膜反射画像の撮影とこれに続く画像の投影における、スキャナ内の光路の実施例の概略図である。図７は、光電子工学的及び電子工学的サブユニットとこれらの接続の概略図である。図８は、走査過程とレーザ投影過程との時間経過の概略図である。図９は、携帯式撮影及び投影ユニットへのグラスファイバ結合部と画像処理用コンピュータへの無線伝送部を伴う、眼鏡フレーム組込みスキャナの微小構造様式の概略図である。本発明は、請求項１によれば、図１から図３までに示すように、外界ＡＷの対象物の光の弱い反射画像を目ＡＡの網膜ＮＨ上に逐次撮影するための、走査式撮影装置を提案する。請求項２によれば、図１から図３にも図示するように、処理された画像をレーザと画像変調器を用いて向き合った光路を通じて網膜の上に、時間をずらして投影するために、同じ結像及び走査装置がやはり適用される。本発明の中心的対象は、図５、図６、図９に示すような観察者にかけられる特製の眼鏡である。眼鏡ガラスＢＧは、伝達においては外界からの光のための光線分割器として、反射においては網膜から目を通じて後退分散する光の結像面としての役目をし、この光はさらなる結像要素と水平偏向及び垂直偏向のための２軸スキャナＨＳＳ、ＶＳＳを用いて受光体に導かれる（図１から図４まで）。光路は同時に、検出器の視線の延長が眼鏡を通って常に放射シンクＳＳの吸収層に入るように形成される。これに対して、眼鏡を通る目の視線の延長は外界ＡＷへ進む（図１から図６まで）。眼鏡ガラスＢＧにおける光線分割の簡単な方法は、５０％透過５０％反射型の鏡ガラスを適用することである。２つの走査サイクルにおいて完全透過から完全反射まで切り替わるアクティブな電子的制御可能な鏡を導入することもできる。目ＡＡは、外界ＡＷから平行又はほぼ平行な光束を網膜の上に結像する。外界への様々な視角における光束の旋回支点は目の瞳孔ＡＰに位置する。本発明は、図５、図６に示すように両眼における同時撮影及び投影、これに伴って左眼と右眼のための十分に同じ光路を前提とする。左眼と右眼の屈折力が異なる非正視者の場合でも、本発明は、眼鏡ガラスがその屈折において外側と内側の相応した異なる湾曲設計によって個々に適合すること、またはコンタクトレンズをつけることを計画している。正常視者については、眼鏡ガラスの外側と内側の湾曲は眼鏡ガラスＢＧと同じである。網膜の各個別画素から目の外に逆散乱する光は、同様にしてほぼ平行な光東となり、これは入ってくる光と同じ経路を逆方向に、部分反射眼鏡ガラスＢＧの内側に達する。この面の曲がりは、目のレンズといっしょに網膜上の画素の第２画像が中間面ＺＥに生ずるように形成される（図１）。補助鏡ＨＳが光線を新たに視準し、光線が共通の旋回支点を通じて（瞳孔を通じて他の側に）水平走査鏡ＨＳＳの軸を通るように結像する。垂直偏向は第２走査鏡ＶＳＳによって実施される。眼鏡ガラスＢＧを通した外界ＡＷへの同時屋外目視の場合の、２つの鏡、補助鏡、及び眼鏡ガラス鏡を用いた目から及び目への結像は、比較的強い光線偏向を必要とする。２つの凹状鏡面を通じた二重方向転換は、この際に発生する結像誤差を部分的に相殺する。画像撮影と画像投影の二重反転でしかも同一の光路は、目における画像のゆがみ発生も大部分回避する。球状鏡の場合でも、その強い結像誤差のために、＜±１０°の比較的小さな必要偏向角にもかかわらず、残留画像障害が発生する。従って、目への結像と方向転換のために、凹状の放物面鏡や楕円面鏡などの高級な鏡面構造が請求項５に計画されている。結像誤差の効果的な減少は、請求項６によれば、２つの凹面ＢＧ、ＢＧ’と１つの凸面ＨＳを使用しても可能である。ここでは、全鏡面ＢＧ’としてＢＧと同じ凹状湾曲の眼鏡ガラスの第２半面を適用することができる。本発明は、例えば走査線偏向のための回転鏡又は多面鏡及び垂直偏向のための旋回鏡もしくは両軸のための音響光学式偏向装置など、どのような種類の２軸画像スキャナも適用可能であることを前提とする。分離した水平偏向と垂直偏向を伴うラスター状の走査トレースによって、ＶＨＳ、ＮＴＳＣ、ＨＤＴＶのような通常のビデオ基準に従った画像の構築が可能である（請求項９）。しかし、目の画像構築にラスター走査よりもうまく適合する他の走査トレース、例えば渦巻き走査を適用することができる。網膜における最も強い視力はいわゆる中心窩の領域にあり、この中心窩は視野において視軸の周り約±２°の小さな角度領域のみを撮影する。ある対象物に注目した場合には、目は通常は、固定された対象物から出る光が中心窩に入るように動かされる。これによって、走査光線の滞留時間が視軸の方向に連続的に増加する画像走査の渦巻き走査は、ラスター走査よりも網膜の構造に本質的にうまく適合されよう。こうして、滞留時間の延長によって、対応するより高い信号騒音比も中央領域において達成される。本発明は、この理由から、請求項９におけるラスター走査の適用の他に、２つの光線偏向装置の対応した設計と操作によって渦巻き走査も適用可能である、請求項１０におけるラスター走査の適用を意図している。レーザ走査検眼鏡におけるように、光路は、投影チャンネルと受容チャンネルの間で切替鏡ＳＵＳを使用して分離される。投影光線の直径は、良好な集東とレーザ光線の小さな直径によって受容光線よりも小さく設計することができるので、図３と図４に示すように両光路の分離に適用するという可能性が孔開き鏡に生ずる。両方の光路が時間的に交替で適用されることになる効果的な方法は、光路を走査と同期的に切り換える傾倒鏡の採用である。この解決策は、受容チャンネルにおける光学的損失が少なく、受容チャンネルへの投影チャンネルの直接ダビングの光学的遮蔽が良いという利点を有する。光線切替装置ＳＵＳの後の投影ユニットの光路には、図３に示すように、本発明の出願は請求項１７に焦点合わせ装置ＦＥを認め、これは請求項１７におけるレーザ画像のスポットと図３における受容ＧＦＢの際に走査されたスポットの大きさを網膜の上で焦点調節合する。光電子増倍管によって見られる瞬間的視野の焦点調節のために、請求項１８によれば、２つのレンズの光路において共通の視野絞りＧＦＢが使用される。視野絞りの焦点調節は、網膜における照明状態への適合、及び所望の局所解像の設定のために必要である。両設定は行為者を通じて自動的にコンピュータの命令に従って、図７に示すように実施可能である。請求項１２には、網膜反射画像は二色性フィルタ（ＤＦＲ、ＤＦＧ、ＤＦＢ）と３つの分離した検出器（ＰＭＲ、ＰＭＧ、ＰＭＢ）の適用によって３つまでの色チャンネルに分割され、これによって、さらに品質が低下していない色彩画像を撮影することができる。レーザ側では、同様に二色性光線分割器によって光線が赤、緑、青のスペクトル領域（ＬＲ、ＬＧ、ＬＢ）の３つまでのレーザによって、各色（ＭＲ、ＭＧ、ＭＢ）の分けられた画像変調の後に１つの共通軸の上で統合される。変色しない画像撮影のために、光学信号は二色性フィルタＤＦＲ、ＤＦＧ、ＤＫＢによって受容チャンネルにおいて３つの受光体の前で３つの色彩成分に、好ましくは光電子増倍管ＰＭＲ、ＰＭＧＮＰＭＢの前で３つの原色に解像され分離されて測定される。光信号は弱いので、特に光子計数法が採用されることになる。本発明はさらに、検出器によって撮影された電子画像は、レーザ光源とレーザ光線変調器による画像処理によってさらに逐次光学画像に転換され、第２画像サイクルにおいて同じ光学装置によって（ここでは光線偏向ユニット（レーザ・スキャナ）としての機能で）、眼鏡ガラスの内面における反射の後に目に同期的に、しかし時間をずらして元の画像の走査によって戻し投影されることを計画する。本発明は請求項２０において、画像撮影と画像投影の時間幅を時間的に分離すること、すなわち図８に示すように、外界の弱い網膜画像の撮影が光の強い投影によって阻害されることを防ぐために、交替で実施することを提案する。第１画像サイクルでは例えば網膜反射画像が撮影され、第２画像サイクルでは処理された電子画像が目の中に投影される。第３画像サイクルでは網膜反射画像の撮影が実施され、第４画像サイクルでは再び戻し投影が実施され、以下同様である。この画像交替が十分に速い場合には、目の中にはさみ込まれる画像のための時間遅延が目の動く持続時間と知覚時間より短いこと、及びはさみ込まれる画像の安定性と解像が目の解像に匹敵することを前提として、視覚の緩慢さによって、両画像が観察者には重なって見えるようになっている。これによって、平均振幅が角度にして５分で持続時間が１０〜２０ミリ秒である目の無意識の速くぴくぴく動く運動も、比較的大きな角度にわたって移動する対象物を目視追跡する場合の２０°〜３０°／秒の速い目の動きも捕らえることができるには、画像の反復頻度は十分に高いものでなければならない。テレビ技術及びコンピュータ技術におけるような５０Ｈｚ〜１００Ｈｚの反復頻度によれば、撮影は目の最高速運動過程にさらに適合する。これはラスター走査にも渦巻き走査にも有効である。撮影装置に対するさらなる技術的要件は、捕らえた視野の大きさとここで提案する装置の解像に関する。大部分の適用事例では、１°の直径と網膜の中心窩において７百万の数の網膜錐体（ピクセル）を有する最強の目視領域と、また直径約１０°までの著しく低い解像を有する限られた領域も関心が寄せられる。これらの異なる解像要件にとっては、まさに走査トレースの渦巻き走査は特に適している。画像を目の中に戻し投影するための光源として、半導体レーザもしくは小型化された固体レーザが計画され、これらの連続ダッシュ出力は低く（＜３００μＷ）、目への危険性を及ぼす可能性はない。半導体レーザを適用すれば、画像変調は直接その電力供給を通じて実施可能であろう。これによって、すべての色彩を作るためには、赤、緑、青の原色を有する３つのレーザの適用が推奨される。周知の人の視覚の色三角形が示すように、すべての別々の色ならびに灰と白の無色をこれらの色彩の単色レーザ線の合計によって作ることができる。本発明は、単色の解決策として個々の色を適用することの可能性も含む。本発明は図７に示すように、信号プロセッサＳＰを計画しており、これは網膜の直接画像を電子的に処理し、装置のすべての機能ならびにスキャナＶＳＳ／ＨＳＳとレーザ・スポット焦点合わせの機能、及び視野絞りＬＡＡ／ＧＦＢの大きさを同期的に調整する。次いで画像処理コンピュータＢＶＣは、目によって知覚され、外部接続部ＥＡを介してコンピュータに送られる他の技術センサの１つまたは複数の画像を受け取り、これらを所定のソフトウェアＳＷによって処理し、その後、これらは信号プロセッサによって画像信号としてレーザ光線上で変調される。レーザ投影は、コンピュータによって処理された実際の画像を目の中に投影して元の画像と融合させるという処理の他に、外部からコンピュータに導入される外来の画像を目の中の外部画像に同期的に重ねることも可能にする。画像撮影と画像投影の間の時間間隔が急速な目の動きと比較して相応に短い場合には、テレビ画面を見るときのように、目は画像のとぎれを知覚しないであろう。両眼における分離しているが同時の画像走査は、両方の画像の遠近法による差も把握する。これはレーザ戻り投影の場合には両眼に保持されたままであるから、立体的目視の再生が保証される。画像処理による網膜画像の目への戻し投影の他に、ここに提案された装置は請求項２５によれば、このレーザ画像を、周囲環境中にあって目によって見られる対象物に直接投影することも可能にする。本発明のこの実施形態は、走査鏡を９０°の角度だけ折り返すことによって図６に概略図示されている。本発明で適用される構成要素は、今日ではさらに小型化され、低廉になっている。光線方向転換ユニット及びスキャナは、図９に示すように簡単な眼鏡フレームＢの中に納めることができる。グラスファイバ導線ＧＦＬを用いて、別に離してレーザ投影ユニットと受容ユニットとを、小さなケースＴＯＥ、例えばポケット型の本の大きさの中に電池電源と共に納めることができる。外部の固定設置された画像処理コンピュータとのデータ交換を、無線波または赤外線を通じて行うことができる。本発明の装置のすべての構成要素を、今日の技術水準によれば一人の人間が難なく携帯することができ、外部コンピュータとの無線画像データ交換もその人の行動の自由度が制限されることなく可能である。本発明の様々な導入範囲を次の４種類にまとめることができる。すなわち、 − 外界の画像の撮影、その処理、戻し投影、及び目における元の画像との融合。 − 他の撮影システムの画像、例えば他のスペクトル領域にある同じシーンの直接画像への重ね合わせ。 − コンピュータによってのみ作られる仮想画像の重ね合わせ。 − 外界の画像の撮影、及びその、目の中ではなく目で見られる外界の同じ対象物へのレーザ投影。第１の種類では、適用は、目によって撮影された画像を目指された画像合計によって改善する、例えばぼやけた画像又は光の弱い画像を鮮明化し強化するという目的を有し、これは視覚障害者にも視覚正常者にも大きな助けとなろう。他の可能な画像変化は、例えば新しい色彩合計による対象物の色彩の変化であろう。この技法は、視界の所定領域の目的とされる白着色、及びこれによる光学情報の消去又は減少に利用することができよう。第２の種類は、同じシーンの、例えば見えない赤外領域から、又はレントゲン装置からの画像の重ね合わせを含む。この技法は、例えば夜間及び霧やもやの中での車行又は飛行を著しく容易にする。医療面での適用では、例えばレントゲン画像、音響画像、及び核スピン断層撮影装置の画像を、診断や外科手術における医者を支援するために、患者の身体または器官の直接画像に重ね合わせることができよう。第３の種類は、例えば自動車運転における今日のＨＵＤの適用におけるように、画像が仮想追加挿入によって補完されるという適用を含む。本発明は、外部画像との正確な挿入同期化という追加の利点を示す。これによって外部画像を、例えば僅かな画像内容を有する直接画像の内部の正確に画定された空の位置に、又は余分の対象物と離れた所にステレオ画像として挿入することができる。この第３の種類には、コンピュータ技術からの対話型の適用、すなわち、仮想コンピュータマウス（ターゲットクロス）の挿入が属し、これは（手の代わりに）目の動きだけによって外界の実際の対象物（及びディスプレイ）の上に導かれる。ここではクリック又は命令が追加の目の動き、例えば瞬き、声、または触圧によって実施可能であろう。この第３の種類は、サイバースペースの適用、すなわち閉眼鏡への仮想コンピュータ完全画像の挿入も含む。本発明を用いて、はさみ込まれた仮想画像の網膜画像の撮影を、この画像を目の動きに対して安定させるために利用することができよう。第４の種類は、「能動的目視」の種類、すなわち目によって見られ、走査装置によって撮影されるシーンがすぐ後の走査サイクルにおいてレーザ画像照明装置によって逐次照明される。こうして照明されたシーンは再び目によって知覚され、次に続くサイクルで変化された第２レーザ照明過程に導かれ、この過程は第３過程に続く。このようにして、弱い見分け可能な対象物を明るくして、そのコントラストを高め、または色彩を変えるために、照明の相応した設計によって正または負のフィードバックとして様々な適用に利用可能な光学的フィードバック・ループが成立する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者シュミット―ビショフシャウセン・ホルストドイツ連邦共和国ディー―85579 ニュービベルグ，ティツァンストラッセ 38 (72)発明者イベール・ハインリッヒドイツ連邦共和国ディー―87463 プロブストリィドホッホボーゲルウェグ３

Claims

【特許請求の範囲】１．人の目の網膜上に結像した画像を、走査撮影装置を用いて撮影する装置であって、外界の光線が内面は湾曲形状の光線分割鏡として形成された眼鏡のガラスを透過すること、及び網膜の各点から逆散乱して目から出る平行光束を撮影するため、またこれらを結像して方向転換するために、光東を網膜反射画像の逐次撮影のために光学電子検出器にさらに導く２軸走査装置が備えられていることを特徴とする装置。２．光線分割器を使用して、レーザ光線が、同じ光路、同じ走査装置、ならびに結像、及び湾曲した眼鏡ガラスの内面における反射画像とは逆方向の方向転換を通じて、網膜の上に結像されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。３．光線切替装置を使用して、レーザ光線が、同じ光路、同じ走査装置、ならびに結像、及び湾曲した眼鏡ガラスの内面における反射画像とは逆方向の方向転換を通じて、網膜の上に結像されることを特徴とする、請求項１および２に記載の装置。４．瞬間的光学走査軸がスキャナから見てその延長線内で、眼鏡ガラスを通して光を吸収する光線シンクの中に常に入ることを特徴とする、請求項１から３に記載の装置。５．スキャナから出る光束の結像と方向転換が、目への眼鏡の方向転換の前に凹状補助鏡を用いて結像と転換されることを特徴とする、請求項１から４に記載の装置。６．スキャナから出る光束の結像が、目への眼鏡の方向転換の前に、凹状補助鏡ならびに凸状補助鏡を用いて結像と転換されることを特徴とする、請求項１から４に記載の装置。７．目における画像走査とレーザ投影が、相対して時間的に離れて一定の画像頻度で交互に実施されることを特徴とする請求項１、２に記載の装置。８．画像走査時間中に時折、目へのレーザ画像投影も実施されることを特徴とする請求項１から３に記載の装置。９．走査トレースが網膜を通じて、偏向ユニットによって周知のビデオ基準に沿って導かれることを特徴とする請求項１から４に記載の装置。１０．走査トレースがラスター状に網膜を通じて、走査装置の相応の設計と操作とによって実施されることを特徴とする請求項１から９に記載の装置。１１．走査トレースが渦巻き状に網膜を通じて、走査装置の相応の設計と操作とによって実施されることを特徴とする請求項１から９に記載の装置。１２．光受容チャンネルにおいて、複数の光線分割器と光検出器を使用して、受容信号の複数のスペクトル領域を互いに独立して検出できることを特徴とする請求項１から１１に記載の装置。１３．照明チャンネルにおいて、光線分割器を使用して、複数のレーザ光線を同じ光軸に持ち込むことができ、これによって一緒に網膜上に結像することができることを特徴とする請求項１から１２に記載の装置。１４．レーザ投影ユニットと受容ユニットの光路が固定した光線誘導によって整えられることを特徴とする請求項１から１３に記載の装置。１５．レーザ投影ユニットの光路が、レーザ、画像変調器、及び光線分割器によってグラスファイバを通じて光線切替装置に導かれることを特徴とする請求項１から１３に記載の装置。１６．受容ユニットの光路が、受光体と光線分割器によってグラスファイバを通じて光線切替ユニットに導かれることを特徴とする請求項１から１４に記載の装置。１７．レーザ投影ユニットの光路に光線焦点合わせ装置が統合され、これによって網膜上のレーザの画像スポットの大きさを変えることができることを特徴とする請求項１から１６に記載の装置。１８．受容ユニットの光路に可変視野絞りが統合され、これによって網膜上の走査スポットの大きさを変えることができることを特徴とする請求項１から１７に記載の装置。１９．受光体によって撮影された画像が画像処理コンピュータに導かれ、このコンピュータは撮影された画像を画像走査と同期的に処理することを特徴とする請求項１から１８に記載の装置。２０．画像処理コンピュータによって処理された網膜の画像が、電気光学変調器によって、単一のレーザ光線の光路の中に、画像を同期であるが走査とは時間をずらして網膜の上に生じさせることを特徴とする請求項１から１９に記載の装置。２１．目以外のセンサの外部画像が、画像処理コンピュータにおいて、そこに記憶された瞬間的な網膜画像と位置的及び時間的に同期化され、レーザ光線とは時間をずらして目に投影されることを特徴とする請求項１から２０に記載の装置。２２．コンピュータで生成された情報が、画像処理コンピュータにおいて、そこに記憶された瞬間的な網膜画像と位置的及び時間的に同期化され、レーザ光線と共に目に投影されることを特徴とする請求項１から２１に記載の装置。２３．光切替器によって、外光が眼鏡の前で部分的又は完全に遮断されることを特徴とする請求項１から２２に記載の装置。２４．外部への目視が弱められたかまたは遮断された場合、また他のセンサ又はコンピュータのレーザ画像の網膜への投影の場合に、レーザ投影の間でもこれらの画像が検出器によって撮影され、画像処理コンピュータに導かれることを特徴とする請求項１から２２に記載の装置。２５．網膜によって撮影された外界の画像が、目への軸方向に対して１８０°の光路の折り返しによって、目によって見られた対象物をコンピュータによって導出されたレーザ画像によって照明するために、光線を外界に向けることを特徴とする請求項１から２４に記載の装置。