JP2001249302A - 画像観察システム - Google Patents
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- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/0081—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for altering, e.g. enlarging, the entrance or exit pupil
Abstract
(57)【要約】
【課題】撮影系で得た外界画像を外界空間が歪むことな
く表示系において良好に観察することができる頭部装着
用に好適な画像観察システムを得ること。 【解決手段】外界画像を撮像光学系で撮像素子上に結像
させる撮像系と，該撮像系で取得した外界画像を表示し
た表示素子からの光束を表示光学系によって観察眼へ導
く表示系を有し，該撮像光学系の外界側光軸が該表示光
学系の眼球側光軸を延長した軸上に略一致するようにし
た画像観察装置を，観察者の左右眼用に一対設けた画像
観察システムにおいて，各々の撮影系の撮像素子は該撮
像光学系の光軸に対し水平方向に所定距離ずらして配置
されており，表示素子は該表示光学系の光軸に対し水平
方向に所定距離ずらして配置されており，左右眼用の一
対の該画像観察装置の撮像光学系の光軸及び表示光学系
の光軸は互いに平行であること。
く表示系において良好に観察することができる頭部装着
用に好適な画像観察システムを得ること。 【解決手段】外界画像を撮像光学系で撮像素子上に結像
させる撮像系と，該撮像系で取得した外界画像を表示し
た表示素子からの光束を表示光学系によって観察眼へ導
く表示系を有し，該撮像光学系の外界側光軸が該表示光
学系の眼球側光軸を延長した軸上に略一致するようにし
た画像観察装置を，観察者の左右眼用に一対設けた画像
観察システムにおいて，各々の撮影系の撮像素子は該撮
像光学系の光軸に対し水平方向に所定距離ずらして配置
されており，表示素子は該表示光学系の光軸に対し水平
方向に所定距離ずらして配置されており，左右眼用の一
対の該画像観察装置の撮像光学系の光軸及び表示光学系
の光軸は互いに平行であること。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は，画像観察システム
に関し、例えば撮像光学系（撮像系）により取得した外
界の光景（外界画像，外界情報）をディスプレイ装置
（画像表示手段）に表示して観察できるようにした画像
観察システム，あるいは現実の光景（外界情報）にコン
ピューター等で人工的に作り出した画像（仮想画像）
や，ビデオ等によって記録された映像を重ね合わせて画
像表示手段に表示して様々な疑似的体験を行うといった
ことを目的とした画像観察システムに好適なものであ
る。
に関し、例えば撮像光学系（撮像系）により取得した外
界の光景（外界画像，外界情報）をディスプレイ装置
（画像表示手段）に表示して観察できるようにした画像
観察システム，あるいは現実の光景（外界情報）にコン
ピューター等で人工的に作り出した画像（仮想画像）
や，ビデオ等によって記録された映像を重ね合わせて画
像表示手段に表示して様々な疑似的体験を行うといった
ことを目的とした画像観察システムに好適なものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】従来より，撮像系および表示系を有する
画像観察装置を観察者の左右眼用に一対設け，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ＣＲＴやＬＣＤなどの表示素子に表示
し，表示光学系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された画像観察システ
ムが知られている。
画像観察装置を観察者の左右眼用に一対設け，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ＣＲＴやＬＣＤなどの表示素子に表示
し，表示光学系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された画像観察システ
ムが知られている。
【０００３】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を合成表示し，現実空
間と仮想空間を合成し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。
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を合成表示し，現実空
間と仮想空間を合成し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。
【０００４】従来の画像観察システムの要部概略図を図
１３に示す。図１３では左右眼用の画像観察装置を1対
設けている。図中、左眼用の要素には添字Ｌ、右眼用の
要素には添字Ｒを付している。尚、以下の説明では左右
眼用の要素を示す添字Ｌ，Ｒを省略している。
１３に示す。図１３では左右眼用の画像観察装置を1対
設けている。図中、左眼用の要素には添字Ｌ、右眼用の
要素には添字Ｒを付している。尚、以下の説明では左右
眼用の要素を示す添字Ｌ，Ｒを省略している。
【０００５】図１３において，撮像系１００は撮像光学
系１０１と撮像素子１０２で構成され，１０３はその撮
像光学系の外界側の光軸である。ミラー１０４は撮像系
１００と表示系１１０の光路を分離する。表示系１１０
は表示光学系１１１と表示素子１１２で構成され，１１
３はその表示光学系の眼球側の光軸である。
系１０１と撮像素子１０２で構成され，１０３はその撮
像光学系の外界側の光軸である。ミラー１０４は撮像系
１００と表示系１１０の光路を分離する。表示系１１０
は表示光学系１１１と表示素子１１２で構成され，１１
３はその表示光学系の眼球側の光軸である。
【０００６】撮像系１００及び表示系１１０より成る画
像観察装置は左右眼用に一対設けてある。Ｅは観察眼を
示す。
像観察装置は左右眼用に一対設けてある。Ｅは観察眼を
示す。
【０００７】図１３に示す撮像系１００及び表示系１０
０は，撮像素子１０２の中心１０２Ｃと撮像光学系１０
１の光軸１０３，表示素子１１２の中心１１２Ｃと表示
光学系の光軸１１３を一致させ，さらに左右眼用の撮像
光学系の光軸１０３Ｒ，１０３Ｌと表示光学系の光軸１
１３Ｒ，１１３Ｌを角度θ傾けて，外界側に設けた基準
位置１２０で交差するように構成されている。
０は，撮像素子１０２の中心１０２Ｃと撮像光学系１０
１の光軸１０３，表示素子１１２の中心１１２Ｃと表示
光学系の光軸１１３を一致させ，さらに左右眼用の撮像
光学系の光軸１０３Ｒ，１０３Ｌと表示光学系の光軸１
１３Ｒ，１１３Ｌを角度θ傾けて，外界側に設けた基準
位置１２０で交差するように構成されている。
【０００８】各々の表示光学系１１１による表示素子１
１２と共役な面１１２’（虚像スクリーン）と撮像光学
系１０１による撮像素子１０２と共役な面１０２’（ピ
ント面）は一致しており，それぞれの中心位置１０２
Ｃ’，１１２Ｃ’は基準位置１２０で一致している。ま
た左右眼用の中心位置も基準位置１２０で一致してい
る。
１２と共役な面１１２’（虚像スクリーン）と撮像光学
系１０１による撮像素子１０２と共役な面１０２’（ピ
ント面）は一致しており，それぞれの中心位置１０２
Ｃ’，１１２Ｃ’は基準位置１２０で一致している。ま
た左右眼用の中心位置も基準位置１２０で一致してい
る。
【０００９】図１４，図１５は図１３に示す画像観察シ
ステムで外界空間の物体１３０を撮影系１００で撮像
し，表示系１１０で表示し，観察者が物体像を観察した
場合を示したものである。
ステムで外界空間の物体１３０を撮影系１００で撮像
し，表示系１１０で表示し，観察者が物体像を観察した
場合を示したものである。
【００１０】図１４において，外界空間の物体１３０は
ミラー１０４及び撮像光学系１０１により撮像素子１０
２上に像１３１を形成し，撮像される。その像位置は，
撮像素子１０２と共役なピント面１０２’上で表すと面
１３１’であり，ピント面中心１２０から距離Ｐとな
る。
ミラー１０４及び撮像光学系１０１により撮像素子１０
２上に像１３１を形成し，撮像される。その像位置は，
撮像素子１０２と共役なピント面１０２’上で表すと面
１３１’であり，ピント面中心１２０から距離Ｐとな
る。
【００１１】撮像系１００で撮像された物体１３０の像
１３１は，図１５に示すように表示素子１１２上に像１
３２として表示される。図１５において，表示素子１１
２からの光束はミラー１０４，表示光学系１１１により
観察眼Ｅに導かれる。像１３２は，表示素子１１２と共
役な虚像スクリーン１１２’上の像１３２’として観察
眼Ｅに観察される。像1３２’の位置は虚像スクリーン
中心１２０から距離Ｑとなる。
１３１は，図１５に示すように表示素子１１２上に像１
３２として表示される。図１５において，表示素子１１
２からの光束はミラー１０４，表示光学系１１１により
観察眼Ｅに導かれる。像１３２は，表示素子１１２と共
役な虚像スクリーン１１２’上の像１３２’として観察
眼Ｅに観察される。像1３２’の位置は虚像スクリーン
中心１２０から距離Ｑとなる。
【００１２】観察者は，右眼ＥＲで像１３２’Ｒを観察
し，左眼ＥＬで像１３２’Ｌを観察する。これにより観
察者は，右眼ＥＲの視線１３３Ｒと左眼ＥＬの視線１３
３Ｌの交点１３４にあたかも物体１３０が実在するよう
に観察することができる。この時，撮像光学系１０１の
入射瞳位置と観察眼Ｅの入射瞳位置を一致させ，また撮
像画角と表示画角を一致させると，撮像系ピント面１０
２’と表示系虚像スクリーン１１２’はその位置及び大
きさが一致するため，距離Ｐと距離Ｑは等しくなる。よ
って，交点１３４の位置は，実際の外界空間における物
体１３０の位置と同じになり，また再現される物体の大
きさも物体１３０と等しくなる。
し，左眼ＥＬで像１３２’Ｌを観察する。これにより観
察者は，右眼ＥＲの視線１３３Ｒと左眼ＥＬの視線１３
３Ｌの交点１３４にあたかも物体１３０が実在するよう
に観察することができる。この時，撮像光学系１０１の
入射瞳位置と観察眼Ｅの入射瞳位置を一致させ，また撮
像画角と表示画角を一致させると，撮像系ピント面１０
２’と表示系虚像スクリーン１１２’はその位置及び大
きさが一致するため，距離Ｐと距離Ｑは等しくなる。よ
って，交点１３４の位置は，実際の外界空間における物
体１３０の位置と同じになり，また再現される物体の大
きさも物体１３０と等しくなる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】図１３に示す画像観察
システムにおいて，撮像光学系１０１が変倍機能を有し
ていたり，電子ズームなどを用いて表示倍率を変更した
場合には，再現される空間が歪んだり，左右眼用の画像
の融像ができない場合が生じてくる。
システムにおいて，撮像光学系１０１が変倍機能を有し
ていたり，電子ズームなどを用いて表示倍率を変更した
場合には，再現される空間が歪んだり，左右眼用の画像
の融像ができない場合が生じてくる。
【００１４】次にこの現像を図１６，図１７（ａ），図
１７（ｂ）を用いて説明する。図１６は図１４に示した
外界空間の物体１３０の撮像系１００により得られた撮
影像を２倍に拡大して，表示素子に表示し、観察する場
合である。ここで，虚像スクリーン１１２’上での表示
像１３５’のスクリーン中心１２０からの距離Ｓは，図
１５における距離Ｑの２倍となる。図１５の場合と同様
に，観察者は右眼ＥＲの視線１３６Ｒと左眼ＥＬの視線
１３６Ｌの交点１３７にあたかも物体１３０が実在する
ように観察することができ，物体に近づいた，あるいは
物体が大きくなったように観察することができる。
１７（ｂ）を用いて説明する。図１６は図１４に示した
外界空間の物体１３０の撮像系１００により得られた撮
影像を２倍に拡大して，表示素子に表示し、観察する場
合である。ここで，虚像スクリーン１１２’上での表示
像１３５’のスクリーン中心１２０からの距離Ｓは，図
１５における距離Ｑの２倍となる。図１５の場合と同様
に，観察者は右眼ＥＲの視線１３６Ｒと左眼ＥＬの視線
１３６Ｌの交点１３７にあたかも物体１３０が実在する
ように観察することができ，物体に近づいた，あるいは
物体が大きくなったように観察することができる。
【００１５】しかし，左右眼の視線が交差する（左右眼
画像の融像ができる）のは，物体１３０がＸＺ平面内に
ある場合（Ｙ＝０）のみである。図１７（ａ）は図１５
に示した状態のＹＺ断面であり，図１７（ｂ）は図１６
に示した状態のＹＺ断面である。図１７（ａ），図１７
（ｂ）においてＱ，Ｓに付した添字ｙ，ｚは，それぞれ
のＹ方向成分，Ｚ方向成分を表す。
画像の融像ができる）のは，物体１３０がＸＺ平面内に
ある場合（Ｙ＝０）のみである。図１７（ａ）は図１５
に示した状態のＹＺ断面であり，図１７（ｂ）は図１６
に示した状態のＹＺ断面である。図１７（ａ），図１７
（ｂ）においてＱ，Ｓに付した添字ｙ，ｚは，それぞれ
のＹ方向成分，Ｚ方向成分を表す。
【００１６】図１７（ａ）に示すように，変倍機能を用
いずに撮影系で撮像し，表示系に表示し，観察している
場合は，物体１３０がＸＺ平面内に無い場合（Ｑｙ≠
０）でも左右眼ＥＲ，ＥＬの視線１３３Ｒ，１３３Ｌは
ＹＺ面内で一致するため，交差する。しかし，図１７
（ｂ）に示すように変倍機能を用いた場合は，左右眼Ｅ
Ｒ，ＥＬの視線１３６Ｒ，１３６ＬはＹＺ面内で一致し
ないため交差しない。微小なずれの場合はある程度許容
されるが，観察者の疲労や再現空間の歪みが生じる。ず
れが大きい場合は，左右眼画像の融像が出来ないという
問題が生じる。
いずに撮影系で撮像し，表示系に表示し，観察している
場合は，物体１３０がＸＺ平面内に無い場合（Ｑｙ≠
０）でも左右眼ＥＲ，ＥＬの視線１３３Ｒ，１３３Ｌは
ＹＺ面内で一致するため，交差する。しかし，図１７
（ｂ）に示すように変倍機能を用いた場合は，左右眼Ｅ
Ｒ，ＥＬの視線１３６Ｒ，１３６ＬはＹＺ面内で一致し
ないため交差しない。微小なずれの場合はある程度許容
されるが，観察者の疲労や再現空間の歪みが生じる。ず
れが大きい場合は，左右眼画像の融像が出来ないという
問題が生じる。
【００１７】また変倍機能を用いた場合でなくても，設
計要因，製造誤差などにより，撮像画角と表示画角が一
致していない場合や，撮像光学系の入射瞳位置と観察眼
の入射瞳位置が一致していない場合などにおいても，上
述したような問題が生じる。
計要因，製造誤差などにより，撮像画角と表示画角が一
致していない場合や，撮像光学系の入射瞳位置と観察眼
の入射瞳位置が一致していない場合などにおいても，上
述したような問題が生じる。
【００１８】本発明はビデオシースルー観察時に，変倍
機能を用いた場合や，設計要因，製造誤差などにより，
撮像画角と表示画角が一致していない場合や，撮像光学
系の入射瞳位置と観察眼の入射瞳位置が一致していない
場合などにおいても，再現される空間が歪むことがな
く，観察者は無理なく左右眼用の画像の融像を行える画
像観察システムの提供を目的とする。
機能を用いた場合や，設計要因，製造誤差などにより，
撮像画角と表示画角が一致していない場合や，撮像光学
系の入射瞳位置と観察眼の入射瞳位置が一致していない
場合などにおいても，再現される空間が歪むことがな
く，観察者は無理なく左右眼用の画像の融像を行える画
像観察システムの提供を目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の画像観
察システムは、外界画像を撮像光学系で撮像素子上に結
像させる撮像系と，該撮像系で取得した外界画像を表示
した表示素子からの光束を表示光学系によって観察眼へ
導く表示系を有し，該撮像光学系の外界側光軸が該表示
光学系の眼球側光軸を延長した軸上に略一致するように
した画像観察装置を，観察者の左右眼用に一対設けた画
像観察システムにおいて，各々の撮影系の撮像素子は該
撮像光学系の光軸に対し水平方向に所定距離ずらして配
置されており，表示素子は該表示光学系の光軸に対し水
平方向に所定距離ずらして配置されており，左右眼用の
一対の該画像観察装置の撮像光学系の光軸及び表示光学
系の光軸は互いに平行であることを特徴としている。
察システムは、外界画像を撮像光学系で撮像素子上に結
像させる撮像系と，該撮像系で取得した外界画像を表示
した表示素子からの光束を表示光学系によって観察眼へ
導く表示系を有し，該撮像光学系の外界側光軸が該表示
光学系の眼球側光軸を延長した軸上に略一致するように
した画像観察装置を，観察者の左右眼用に一対設けた画
像観察システムにおいて，各々の撮影系の撮像素子は該
撮像光学系の光軸に対し水平方向に所定距離ずらして配
置されており，表示素子は該表示光学系の光軸に対し水
平方向に所定距離ずらして配置されており，左右眼用の
一対の該画像観察装置の撮像光学系の光軸及び表示光学
系の光軸は互いに平行であることを特徴としている。
【００２０】請求項２の発明は請求項１の発明におい
て、前記左右眼用の撮像光学系のピント位置は一致して
おり，前記撮像素子のずらし量は該左右眼用の撮像光学
系による各々の該撮像素子中心と共役な位置が一致する
ように設定され，かつ，該左右眼用の表示光学系による
前記表示素子の虚像形成位置が一致しており，該表示素
子のずらし量は該左右眼用の表示光学系による各々の該
表示素子中心と共役な位置が一致するように設定されて
いることを特徴としている。
て、前記左右眼用の撮像光学系のピント位置は一致して
おり，前記撮像素子のずらし量は該左右眼用の撮像光学
系による各々の該撮像素子中心と共役な位置が一致する
ように設定され，かつ，該左右眼用の表示光学系による
前記表示素子の虚像形成位置が一致しており，該表示素
子のずらし量は該左右眼用の表示光学系による各々の該
表示素子中心と共役な位置が一致するように設定されて
いることを特徴としている。
【００２１】請求項３の発明は請求項２の発明におい
て、前記ピント位置と前記虚像形成位置が一致している
ことを特徴としている。
て、前記ピント位置と前記虚像形成位置が一致している
ことを特徴としている。
【００２２】請求項４の発明は請求項１から３のいずれ
か１項の発明において、前記画像観察装置の前記撮像系
の外界画像の撮像画角は，前記表示系の表示画角と略一
致していることを特徴としている。
か１項の発明において、前記画像観察装置の前記撮像系
の外界画像の撮像画角は，前記表示系の表示画角と略一
致していることを特徴としている。
【００２３】請求項５の発明は請求項１から４のいずれ
か１項の発明において、画像を生成する画像生成手段及
び画像を合成する画像合成手段を有し，該画像合成手段
は該画像生成手段からの画像と前記撮像系からの画像を
合成して，前記表示素子に表示していることを特徴とし
ている。
か１項の発明において、画像を生成する画像生成手段及
び画像を合成する画像合成手段を有し，該画像合成手段
は該画像生成手段からの画像と前記撮像系からの画像を
合成して，前記表示素子に表示していることを特徴とし
ている。
【００２４】請求項６の発明は請求項１から５のいずれ
か１項の発明において、前記撮像光学系は平面で構成さ
れたプリズムを有し，該プリズムは透過作用及び全反射
作用をする面を有しており，該プリズムと前記撮像素子
の間の光路中に正の光学的パワーを有する光学要素を設
けたことを特徴としている。
か１項の発明において、前記撮像光学系は平面で構成さ
れたプリズムを有し，該プリズムは透過作用及び全反射
作用をする面を有しており，該プリズムと前記撮像素子
の間の光路中に正の光学的パワーを有する光学要素を設
けたことを特徴としている。
【００２５】請求項７の発明は請求項１から６のいずれ
か１項の発明において、前記撮像光学系はアジムス角度
により光学的パワーの異なる偏心した非回転対称反射面
を有していることを特徴としている。
か１項の発明において、前記撮像光学系はアジムス角度
により光学的パワーの異なる偏心した非回転対称反射面
を有していることを特徴としている。
【００２６】請求項８の発明は請求項１から７のいずれ
か１項の発明において、前記表示光学系はアジムス角度
により光学的パワーの異なる偏心した非回転対称反射面
を有していることを特徴としている。
か１項の発明において、前記表示光学系はアジムス角度
により光学的パワーの異なる偏心した非回転対称反射面
を有していることを特徴としている。
【００２７】請求項９の発明は請求項１から８のいずれ
か１項の発明において、前記撮像光学系は変倍光学系で
あることを特徴としている。
か１項の発明において、前記撮像光学系は変倍光学系で
あることを特徴としている。
【００２８】請求項１０の発明は請求項１から９のいず
れか１項の発明において、前記撮像系により取得した外
界画像を，前記表示素子に表示する際に，表示倍率を変
更する画像処理手段を有していることを特徴としてい
る。
れか１項の発明において、前記撮像系により取得した外
界画像を，前記表示素子に表示する際に，表示倍率を変
更する画像処理手段を有していることを特徴としてい
る。
【００２９】請求項１１の発明の画像観察システムは、
外界画像を撮像光学系で撮像素子上に結像させる撮像系
と，該撮像系で取得した外界画像を表示した表示素子か
らの光束を表示光学系で観察眼へ導く表示系を有し，該
撮像光学系の外界側光軸が光学部材を介して該表示光学
系の眼球側光軸を延長した軸上に略一致するようにして
いる画像観察装置を，観察者の左右眼用に一対設けた画
像観察システムにおいて，各々の撮影系の撮像素子はそ
の中心が撮像光学系の光軸に対し直角方向に所定距離ず
らして配置されており，表示素子は、その中心が表示光
学系の光軸に対し直角方向に所定距離ずらして配置され
ていることを特徴としている。
外界画像を撮像光学系で撮像素子上に結像させる撮像系
と，該撮像系で取得した外界画像を表示した表示素子か
らの光束を表示光学系で観察眼へ導く表示系を有し，該
撮像光学系の外界側光軸が光学部材を介して該表示光学
系の眼球側光軸を延長した軸上に略一致するようにして
いる画像観察装置を，観察者の左右眼用に一対設けた画
像観察システムにおいて，各々の撮影系の撮像素子はそ
の中心が撮像光学系の光軸に対し直角方向に所定距離ず
らして配置されており，表示素子は、その中心が表示光
学系の光軸に対し直角方向に所定距離ずらして配置され
ていることを特徴としている。
【００３０】請求項１２の発明は請求項１１の発明にお
いて、前記左右眼用の一対の撮像光学系の外界側光軸は
互いに平行であることを特徴としている。
いて、前記左右眼用の一対の撮像光学系の外界側光軸は
互いに平行であることを特徴としている。
【００３１】請求項１３の発明は請求項１２の発明にお
いて、前記撮像系によって前記撮像素子に形成される物
体の位置と，前記表示系による前記表示素子の虚像が形
成される位置とが一致していることを特徴としている。
いて、前記撮像系によって前記撮像素子に形成される物
体の位置と，前記表示系による前記表示素子の虚像が形
成される位置とが一致していることを特徴としている。
【００３２】請求項１４の発明は請求項１３の発明にお
いて、前記撮像系による前記撮像素子中心の物体側の位
置とは，前記表示系による前記表示素子中心の虚像が形
成される位置とが一致していることを特徴としている。
いて、前記撮像系による前記撮像素子中心の物体側の位
置とは，前記表示系による前記表示素子中心の虚像が形
成される位置とが一致していることを特徴としている。
【００３３】請求項１５の発明は請求項１１から１４の
いずれか１項の発明において、前記撮像光学系はアジム
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
反射面を有していることを特徴としている。
いずれか１項の発明において、前記撮像光学系はアジム
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
反射面を有していることを特徴としている。
【００３４】請求項１６の発明は請求項１１から１５の
いずれか１項の発明において、前記表示光学系はアジム
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
反射面を有していることを特徴としている。
いずれか１項の発明において、前記表示光学系はアジム
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
反射面を有していることを特徴としている。
【００３５】請求項１７の発明は請求項１から１６のい
ずれか１項の発明において、前記撮像光学系の入射瞳位
置は、観察者の眼球の入射瞳と等価な位置よりも外界側
にずらして配置していることを特徴としている。
ずれか１項の発明において、前記撮像光学系の入射瞳位
置は、観察者の眼球の入射瞳と等価な位置よりも外界側
にずらして配置していることを特徴としている。
【００３６】請求項１８の発明は請求項１７の発明にお
いて、前記観察者の眼球の入射瞳位置と等価な位置に対
する前記撮像光学系の入射瞳ずらし量をｄとしたとき
ｄ＞６０ｍｍ を満足していることを特徴としている。
いて、前記観察者の眼球の入射瞳位置と等価な位置に対
する前記撮像光学系の入射瞳ずらし量をｄとしたとき
ｄ＞６０ｍｍ を満足していることを特徴としている。
【００３７】
【発明の実施の形態】図１〜５は，本発明の画像観察シ
ステムの基本概念の説明図である。本発明による画像観
察システムは，表示系２０及び撮像系１０を有する画像
観察装置を観察者の左右眼用に一対設けている。各部材
として右眼用については添字Ｒを，左眼用のものについ
ては添字Ｌを付して示す。Ｅは観察者の観察眼を示す。
ステムの基本概念の説明図である。本発明による画像観
察システムは，表示系２０及び撮像系１０を有する画像
観察装置を観察者の左右眼用に一対設けている。各部材
として右眼用については添字Ｒを，左眼用のものについ
ては添字Ｌを付して示す。Ｅは観察者の観察眼を示す。
【００３８】図１において，表示系２０（２０Ｌ，２０
Ｒ）は表示光学系２１（２１Ｌ，２１Ｒ）と表示素子２
２（２２Ｌ，２２Ｒ）を有し、２３（２３Ｌ，２３Ｒ）
はその表示光学系２１の眼球側光軸であり，左右眼の表
示光学系２１の光軸２３Ｒ，２３Ｌは平行になるように
設定されている。ミラー１４（１４Ｌ，１４Ｒ）は撮像
系１０（１０Ｌ，１０Ｒ）と表示系２０の光路を分離す
る。
Ｒ）は表示光学系２１（２１Ｌ，２１Ｒ）と表示素子２
２（２２Ｌ，２２Ｒ）を有し、２３（２３Ｌ，２３Ｒ）
はその表示光学系２１の眼球側光軸であり，左右眼の表
示光学系２１の光軸２３Ｒ，２３Ｌは平行になるように
設定されている。ミラー１４（１４Ｌ，１４Ｒ）は撮像
系１０（１０Ｌ，１０Ｒ）と表示系２０の光路を分離す
る。
【００３９】表示光学系２１は表示素子２２の表示素子
面の拡大虚像を例えば観察眼Ｅの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いる。面２２’（２
２’Ｌ，２２’Ｒ）は表示素子２２の表示面と表示光学
系２１に関し共役な虚像が形成される仮想のスクリーン
（虚像スクリーン）である。
面の拡大虚像を例えば観察眼Ｅの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いる。面２２’（２
２’Ｌ，２２’Ｒ）は表示素子２２の表示面と表示光学
系２１に関し共役な虚像が形成される仮想のスクリーン
（虚像スクリーン）である。
【００４０】表示素子２２は、その中心２２Ｃ（２２Ｃ
Ｌ，２２ＣＲ）が，表示光学系２１の光軸２３と表示素
子２２の交点２３Ａ（２３ＡＬ，２３ＡＲ）に対し，ず
らして設けてある。そのずらし量は，左右眼用の表示系
２０Ｒ，２０Ｌの虚像スクリーン２２’Ｒ，２２’Ｌの
中心が点３０で一致するように設定され，虚像スクリー
ン２２’上で距離Ｄである。
Ｌ，２２ＣＲ）が，表示光学系２１の光軸２３と表示素
子２２の交点２３Ａ（２３ＡＬ，２３ＡＲ）に対し，ず
らして設けてある。そのずらし量は，左右眼用の表示系
２０Ｒ，２０Ｌの虚像スクリーン２２’Ｒ，２２’Ｌの
中心が点３０で一致するように設定され，虚像スクリー
ン２２’上で距離Ｄである。
【００４１】ずらし方向は左右眼の表示系２０Ｌ，２０
Ｒで異なり，距離Ｄは観察者の眼間距離の半分である。
これにより左右眼用の表示系２０Ｒ，２０Ｌの虚像スク
リーン２２’Ｒ，２２’Ｌは一致する。
Ｒで異なり，距離Ｄは観察者の眼間距離の半分である。
これにより左右眼用の表示系２０Ｒ，２０Ｌの虚像スク
リーン２２’Ｒ，２２’Ｌは一致する。
【００４２】撮像系１０は撮像光学系１１（１１Ｌ，１
１Ｒ）と撮像素子１２（１２Ｌ，１２Ｒ）で構成され，
１３（１３Ｌ，１３Ｒ）はその撮像光学系の外界側の光
軸である。左右眼の撮像光学系の光軸１３Ｒ，１３Ｌは
平行になるように設定され，また左右眼それぞれの表示
光学系の光軸２３Ｒ，２３Ｌと略一致している。撮像光
学系１１は外界の像を撮像素子１２上に結像する。
１Ｒ）と撮像素子１２（１２Ｌ，１２Ｒ）で構成され，
１３（１３Ｌ，１３Ｒ）はその撮像光学系の外界側の光
軸である。左右眼の撮像光学系の光軸１３Ｒ，１３Ｌは
平行になるように設定され，また左右眼それぞれの表示
光学系の光軸２３Ｒ，２３Ｌと略一致している。撮像光
学系１１は外界の像を撮像素子１２上に結像する。
【００４３】面１２’は，撮像素子１２と撮像光学系１
１に関し共役な位置であるピント面である。
１に関し共役な位置であるピント面である。
【００４４】尚、撮像光学系１１は被写界深度の深い光
学系より成り、ピント面１２’Ｒ，１２’Ｌの前後の物
体はピントの合った状態で撮像素子１２に結像される。
撮像素子１２は、その中心１２Ｃ（１２ＣＬ，１２Ｃ
Ｒ）が，撮像光学系の光軸１３と撮像素子１２の交点１
３Ａ（１３ＡＬ，１３ＡＲ）に対し，ずらして設けてあ
る。そのずらし量は，左右眼用の撮像系１０Ｒ，１０Ｌ
のピント面１２’Ｒ，１２’Ｌの中心が点３０で一致す
るように設定され，ピント面１２’上で距離Ｄである。
学系より成り、ピント面１２’Ｒ，１２’Ｌの前後の物
体はピントの合った状態で撮像素子１２に結像される。
撮像素子１２は、その中心１２Ｃ（１２ＣＬ，１２Ｃ
Ｒ）が，撮像光学系の光軸１３と撮像素子１２の交点１
３Ａ（１３ＡＬ，１３ＡＲ）に対し，ずらして設けてあ
る。そのずらし量は，左右眼用の撮像系１０Ｒ，１０Ｌ
のピント面１２’Ｒ，１２’Ｌの中心が点３０で一致す
るように設定され，ピント面１２’上で距離Ｄである。
【００４５】ずらし方向は左右眼の撮像系１０Ｌ，１０
Ｒで異なり，距離Ｄは観察者の眼間距離の半分である。
これにより左右眼用の撮像系１０Ｒ，１０Ｌのピント面
１２’Ｒ，１２’Ｌは一致する。
Ｒで異なり，距離Ｄは観察者の眼間距離の半分である。
これにより左右眼用の撮像系１０Ｒ，１０Ｌのピント面
１２’Ｒ，１２’Ｌは一致する。
【００４６】図２，図３は外界空間の物体４０を撮像，
表示，観察した場合を示したものである。図２におい
て，外界空間の物体４０はミラー１４及び撮像光学系１
１により撮像素子１２（１２Ｌ，１２Ｒ）上に像４１
（４１Ｌ，４１Ｒ）を形成し，撮像される。その像位置
は，撮像素子１２（１２Ｌ，１２Ｒ）と共役なピント面
１２’上で表すと４１’（４１’Ｌ，４１’Ｒ）であ
り，ピント面中心３０からＴ（ＴＬ，ＴＲ）の距離とな
る。
表示，観察した場合を示したものである。図２におい
て，外界空間の物体４０はミラー１４及び撮像光学系１
１により撮像素子１２（１２Ｌ，１２Ｒ）上に像４１
（４１Ｌ，４１Ｒ）を形成し，撮像される。その像位置
は，撮像素子１２（１２Ｌ，１２Ｒ）と共役なピント面
１２’上で表すと４１’（４１’Ｌ，４１’Ｒ）であ
り，ピント面中心３０からＴ（ＴＬ，ＴＲ）の距離とな
る。
【００４７】撮像系１０で撮像された被写界深度内の物
体４０の像４１は，図３に示すように表示素子２２上に
像４２として表示される。図３において，表示素子２２
からの光束はミラー１４，表示光学系２１により観察眼
Ｅに導かれる。像４２は，表示素子２２と共役な虚像ス
クリーン２２’上の像４２’として観察眼Ｅに観察され
る。像４２’の位置は虚像スクリーン中心３０からＵ
（ＵＬ，ＵＲ）の距離となる。
体４０の像４１は，図３に示すように表示素子２２上に
像４２として表示される。図３において，表示素子２２
からの光束はミラー１４，表示光学系２１により観察眼
Ｅに導かれる。像４２は，表示素子２２と共役な虚像ス
クリーン２２’上の像４２’として観察眼Ｅに観察され
る。像４２’の位置は虚像スクリーン中心３０からＵ
（ＵＬ，ＵＲ）の距離となる。
【００４８】観察者は，右眼ＥＲで像４２’Ｒを観察
し，左眼ＥＬで像４２’Ｌを観察する。これにより観察
者は，右眼ＥＲの視線４３Ｒと左眼ＥＬの視線４３Ｌの
交点４４にあたかも物体４０が実在するように観察（立
体視観察）することができる。
し，左眼ＥＬで像４２’Ｌを観察する。これにより観察
者は，右眼ＥＲの視線４３Ｒと左眼ＥＬの視線４３Ｌの
交点４４にあたかも物体４０が実在するように観察（立
体視観察）することができる。
【００４９】このように構成すると，左右眼の観察視野
の重なる範囲を大きくすることができるため、視野闘争
が生じ観察が困難になることを回避することができ、さ
らに撮像光学系１１をズームレンズで構成しズーミング
を行ったり，電子ズームなどを用いて表示倍率を変更し
た場合にも，再現される空間が歪むことがなく，観察者
は無理なく左右眼画像の融像を行うことができる。
の重なる範囲を大きくすることができるため、視野闘争
が生じ観察が困難になることを回避することができ、さ
らに撮像光学系１１をズームレンズで構成しズーミング
を行ったり，電子ズームなどを用いて表示倍率を変更し
た場合にも，再現される空間が歪むことがなく，観察者
は無理なく左右眼画像の融像を行うことができる。
【００５０】図４，図５（ａ），５（ｂ）を用いて説明
する。図４は図２に示した外界空間の物体４０の撮像系
１０による撮影像４１を２倍に拡大して，表示素子２２
に表示した場合である。ここで，虚像スクリーン２２’
上での表示像４５’のスクリーン中心３０からの距離Ｖ
は，図３における距離Ｕの２倍となる。図３の場合と同
様に，観察者は右眼ＥＲの視線４６Ｒと左眼ＥＬの視線
４６Ｌの交点４７にあたかも物体４０が実在するように
観察することができる。
する。図４は図２に示した外界空間の物体４０の撮像系
１０による撮影像４１を２倍に拡大して，表示素子２２
に表示した場合である。ここで，虚像スクリーン２２’
上での表示像４５’のスクリーン中心３０からの距離Ｖ
は，図３における距離Ｕの２倍となる。図３の場合と同
様に，観察者は右眼ＥＲの視線４６Ｒと左眼ＥＬの視線
４６Ｌの交点４７にあたかも物体４０が実在するように
観察することができる。
【００５１】本発明による画像観察システムは，従来の
システムと異なり，物体４０がＸＺ平面内にない場合
（Ｙ≠０）においても左右眼の視線が交差する（左右眼
画像の融像ができる）。図５（ａ）は図３に示した状態
のＹＺ断面であり，図５（ｂ）は図４に示した状態のＹ
Ｚ断面である。
システムと異なり，物体４０がＸＺ平面内にない場合
（Ｙ≠０）においても左右眼の視線が交差する（左右眼
画像の融像ができる）。図５（ａ）は図３に示した状態
のＹＺ断面であり，図５（ｂ）は図４に示した状態のＹ
Ｚ断面である。
【００５２】図５（ａ），（ｂ）においてＵ，Ｖに付し
た添字ｙは，それぞれのＹ方向成分を表す。図５
（ａ），（ｂ）に示すように，左右眼の虚像スクリーン
はＺ方向に関し，常に一致している。このため，物体４
０の位置によらず距離ＵｙＲと距離ＵｙＬは常に同じで
あり，また距離ＶｙＲと距離ＶｙＬは常に同じである。
よって変倍機能を用いる用いないに関わらず，図５
（ａ），（ｂ）に示すように，左右眼ＥＲ，ＥＬの視線
４３Ｒと４３Ｌ及び視線４６Ｒと４６Ｌは，それぞれＹ
Ｚ面内で一致するため交差し，左右眼画像の融像が可能
となる。
た添字ｙは，それぞれのＹ方向成分を表す。図５
（ａ），（ｂ）に示すように，左右眼の虚像スクリーン
はＺ方向に関し，常に一致している。このため，物体４
０の位置によらず距離ＵｙＲと距離ＵｙＬは常に同じで
あり，また距離ＶｙＲと距離ＶｙＬは常に同じである。
よって変倍機能を用いる用いないに関わらず，図５
（ａ），（ｂ）に示すように，左右眼ＥＲ，ＥＬの視線
４３Ｒと４３Ｌ及び視線４６Ｒと４６Ｌは，それぞれＹ
Ｚ面内で一致するため交差し，左右眼画像の融像が可能
となる。
【００５３】図２，図３において，撮像光学系１１の入
射瞳位置と観察眼Ｅの入射瞳位置を一致させ，また撮像
画角と表示画角を一致させると，撮像系ピント面１２’
と表示系２０の虚像スクリーン２２’はその位置及び大
きさが一致するため，距離Ｔと距離Ｕは等しくなる。
射瞳位置と観察眼Ｅの入射瞳位置を一致させ，また撮像
画角と表示画角を一致させると，撮像系ピント面１２’
と表示系２０の虚像スクリーン２２’はその位置及び大
きさが一致するため，距離Ｔと距離Ｕは等しくなる。
【００５４】よって，交点４４の位置は，実際の外界空
間における物体４０の位置と同じになり，また再現され
る物体の大きさも４０と等しくなる。
間における物体４０の位置と同じになり，また再現され
る物体の大きさも４０と等しくなる。
【００５５】また，撮像光学系１１の入射瞳位置と観察
眼Ｅの入射瞳位置を一致させない場合や，撮像画角と表
示画角を一致させない場合においても，図５（ａ），
（ｂ）に示した理由により，再現される空間が歪むこと
がなく，観察者は無理なく左右眼画像の融像を行うこと
ができる。
眼Ｅの入射瞳位置を一致させない場合や，撮像画角と表
示画角を一致させない場合においても，図５（ａ），
（ｂ）に示した理由により，再現される空間が歪むこと
がなく，観察者は無理なく左右眼画像の融像を行うこと
ができる。
【００５６】また，以上示した例では，撮像系ピント面
１２’（１２’Ｒ，１２’Ｌ）と表示系２０の虚像スク
リーン２２’（２２’Ｒ，２２’Ｌ）を一致させている
が，本発明はこれに限定されるものではない。
１２’（１２’Ｒ，１２’Ｌ）と表示系２０の虚像スク
リーン２２’（２２’Ｒ，２２’Ｌ）を一致させている
が，本発明はこれに限定されるものではない。
【００５７】左右眼用の撮像系１０のピント面１２’Ｒ
と１２’Ｌ，左右眼用の表示系２０の虚像スクリーン２
２’Ｒと２２’Ｌがそれぞれ一致していれば，左右眼用
の撮像系１０のＹ方向の撮影像高ＴｙＲとＴｙＬ，及び
左右眼用の表示系２０のＹ方向表示像高ＵｙＲとＵｙＬ
がそれぞれ一致するため，図５（ａ），（ｂ）に示した
理由により，再現される空間が歪むことが無く，観察者
は無理なく左右眼画像の融像を行うことができる。
と１２’Ｌ，左右眼用の表示系２０の虚像スクリーン２
２’Ｒと２２’Ｌがそれぞれ一致していれば，左右眼用
の撮像系１０のＹ方向の撮影像高ＴｙＲとＴｙＬ，及び
左右眼用の表示系２０のＹ方向表示像高ＵｙＲとＵｙＬ
がそれぞれ一致するため，図５（ａ），（ｂ）に示した
理由により，再現される空間が歪むことが無く，観察者
は無理なく左右眼画像の融像を行うことができる。
【００５８】次に本発明の具体的な実施形態を示す。
【００５９】（実施形態１）図６は本発明の画像観察シ
ステムの実施形態１の要部概略図である。図６は本発明
の画像観察システムの左眼用の画像観察装置ＷＬを示し
たものである。以下は左眼用としての各部材を示す添字
Ｌは図では示しているが、説明においては省略する。
ステムの実施形態１の要部概略図である。図６は本発明
の画像観察システムの左眼用の画像観察装置ＷＬを示し
たものである。以下は左眼用としての各部材を示す添字
Ｌは図では示しているが、説明においては省略する。
【００６０】本実施形態による画像観察装置Ｗは表示素
子２２に表示した画像情報を観察眼Ｅに導くための表示
系２０，外界の画像情報を撮像素子１２に結像させるた
めの撮像系１０とを有し，該撮像系１０で得られた画像
情報を該表示系２０の表示素子２２に表示し，観察眼Ｅ
で観察している。
子２２に表示した画像情報を観察眼Ｅに導くための表示
系２０，外界の画像情報を撮像素子１２に結像させるた
めの撮像系１０とを有し，該撮像系１０で得られた画像
情報を該表示系２０の表示素子２２に表示し，観察眼Ｅ
で観察している。
【００６１】表示系２０は，ＬＣＤやＥＬパネルなどの
表示素子２２，ハーフミラー２４，凹面ミラー２１を有
し，２３はその光軸である。撮像系１０は，ミラー１
５，正の光学的パワーを有する撮像光学系１１，ＣＣＤ
などの撮像素子１２を有し，１３はその光軸である。
表示素子２２，ハーフミラー２４，凹面ミラー２１を有
し，２３はその光軸である。撮像系１０は，ミラー１
５，正の光学的パワーを有する撮像光学系１１，ＣＣＤ
などの撮像素子１２を有し，１３はその光軸である。
【００６２】本実施形態において，例えばバックライ
ト，偏光板，透過型液晶素子等で構成される表示素子２
２を射出した表示光は，ハーフミラー２４でその一部が
反射し，凹面ミラー２１で反射され，観察眼Ｅに導かれ
る。凹面ミラー２１は表示素子２２の拡大虚像を例えば
観察者より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。表示素子２２の中心は，表示素子２２
と光軸２３の交点２５に対し，図１に示した量ずらして
設定されている。
ト，偏光板，透過型液晶素子等で構成される表示素子２
２を射出した表示光は，ハーフミラー２４でその一部が
反射し，凹面ミラー２１で反射され，観察眼Ｅに導かれ
る。凹面ミラー２１は表示素子２２の拡大虚像を例えば
観察者より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。表示素子２２の中心は，表示素子２２
と光軸２３の交点２５に対し，図１に示した量ずらして
設定されている。
【００６３】一方，外界からの光束はミラー１５で反射
され，撮像光学系１１によって撮像素子１２上に結像さ
れる。ここで撮像系の光軸１３は，表示系の光軸２３と
略一致させてある。撮像素子１２の中心は，撮像素子１
２と光軸１３の交点１６に対し，図１に示した量ずらし
て設定されている。また撮像光学系１１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。
され，撮像光学系１１によって撮像素子１２上に結像さ
れる。ここで撮像系の光軸１３は，表示系の光軸２３と
略一致させてある。撮像素子１２の中心は，撮像素子１
２と光軸１３の交点１６に対し，図１に示した量ずらし
て設定されている。また撮像光学系１１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。
【００６４】撮像系１０で撮像された外界画像情報は表
示素子２２に表示され，表示系２０により観察眼Ｅに導
かれ，あたかも裸眼で観察しているように外界を観察で
きるように構成されている。
示素子２２に表示され，表示系２０により観察眼Ｅに導
かれ，あたかも裸眼で観察しているように外界を観察で
きるように構成されている。
【００６５】この時，特に撮像系１０の外界像の撮像画
角（撮像素子１２のサイズと撮像光学系１１の焦点距離
及びその位置関係で決定される）を，表示系２０の表示
画角（表示素子２２のサイズと凹面ミラー２１の焦点距
離及びその位置関係で決定される）と略一致させること
により，ビデオシースルー観察時の外界観察倍率を裸眼
観察時のそれと合わせることができる。ただし，撮像系
１０の外界像の撮像画角を，表示系２０の表示画角に対
し大き目に設定し，等倍観察となるように，撮影した外
界像の一部を切り取り表示系２０の表示素子２２に表示
しても同様の効果が得られる。
角（撮像素子１２のサイズと撮像光学系１１の焦点距離
及びその位置関係で決定される）を，表示系２０の表示
画角（表示素子２２のサイズと凹面ミラー２１の焦点距
離及びその位置関係で決定される）と略一致させること
により，ビデオシースルー観察時の外界観察倍率を裸眼
観察時のそれと合わせることができる。ただし，撮像系
１０の外界像の撮像画角を，表示系２０の表示画角に対
し大き目に設定し，等倍観察となるように，撮影した外
界像の一部を切り取り表示系２０の表示素子２２に表示
しても同様の効果が得られる。
【００６６】本発明の画像観察システムは，図６の左眼
用の画像観察装置ＷＬと，図６に対し図１に示した関係
の右眼用の画像観察装置ＷＲを，図７に示すように頭部
に装着して使用する。
用の画像観察装置ＷＬと，図６に対し図１に示した関係
の右眼用の画像観察装置ＷＲを，図７に示すように頭部
に装着して使用する。
【００６７】これにより，図１〜５に示した理由によ
り，変倍機能を用いた場合や，設計要因，製造誤差など
により，撮像画角と表示画角が一致していない場合や，
撮像光学系の入射瞳位置と観察眼の入射瞳位置が一致し
ていない場合などにおいても，再現される空間が歪むこ
とがなく，観察者は無理なく左右眼画像の融像を行うこ
とができる。
り，変倍機能を用いた場合や，設計要因，製造誤差など
により，撮像画角と表示画角が一致していない場合や，
撮像光学系の入射瞳位置と観察眼の入射瞳位置が一致し
ていない場合などにおいても，再現される空間が歪むこ
とがなく，観察者は無理なく左右眼画像の融像を行うこ
とができる。
【００６８】さらに，撮像光学系１１を変倍光学系で構
成することにより，物体に近づいた，あるいは物体が大
きくなったように観察することができるという効果を得
ることができる。
成することにより，物体に近づいた，あるいは物体が大
きくなったように観察することができるという効果を得
ることができる。
【００６９】以後，簡単のため，説明図は左眼用の画像
観察装置ＷＬのみを示す。
観察装置ＷＬのみを示す。
【００７０】（実施形態２）図８は本発明の画像観察シ
ステムの実施形態２の要部概略図である。
ステムの実施形態２の要部概略図である。
【００７１】表示系２０は，ＬＣＤやＥＬパネルなどの
表示素子２２，プリズム体２６を有している。撮像系１
０は，平面で構成されたプリズム１７，正の光学的パワ
ーを有する結像光学系１８，ＣＣＤなどの撮像素子１６
を有している。
表示素子２２，プリズム体２６を有している。撮像系１
０は，平面で構成されたプリズム１７，正の光学的パワ
ーを有する結像光学系１８，ＣＣＤなどの撮像素子１６
を有している。
【００７２】本実施形態において，例えばバックライ
ト，偏光板，透過型液晶素子等で構成される表示素子２
２を射出した表示光は面２７で屈折されつつプリズム体
２６に入射し，臨界角以上の入射角度で面２８に入射し
全反射され，ミラー面２９で反射されて再び臨界角以下
の入射角度で面２８に入射し屈折されつつプリズム体２
６を射出し，観察眼Ｅに導かれる。プリズム体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す
る収差を良好に補正するために，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されて
おり，表示光学系の小型化を図っている。プリズム体２
６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。
ト，偏光板，透過型液晶素子等で構成される表示素子２
２を射出した表示光は面２７で屈折されつつプリズム体
２６に入射し，臨界角以上の入射角度で面２８に入射し
全反射され，ミラー面２９で反射されて再び臨界角以下
の入射角度で面２８に入射し屈折されつつプリズム体２
６を射出し，観察眼Ｅに導かれる。プリズム体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す
る収差を良好に補正するために，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されて
おり，表示光学系の小型化を図っている。プリズム体２
６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。
【００７３】ここでプリズム体２６は表示光学系２１を
構成しており、その眼球側光軸２３は表示素子２２の表
示光学系２１により形成される虚像スクリーン２２’
（不図示）面に垂直で、かつ表示光学系２１の射出瞳中
心を通る直線として定義されるものである。
構成しており、その眼球側光軸２３は表示素子２２の表
示光学系２１により形成される虚像スクリーン２２’
（不図示）面に垂直で、かつ表示光学系２１の射出瞳中
心を通る直線として定義されるものである。
【００７４】一方，外界からの光束は面５１で屈折され
つつプリズム１７に入射し，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１７を射出し，結像光学系１８によって撮像素子１
２上に結像される。撮像系１０の光軸１３は，表示系２
０の光軸２３と略一致させてある。またプリズム体２６
で構成される撮像光学系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。
つつプリズム１７に入射し，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１７を射出し，結像光学系１８によって撮像素子１
２上に結像される。撮像系１０の光軸１３は，表示系２
０の光軸２３と略一致させてある。またプリズム体２６
で構成される撮像光学系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。
【００７５】表示素子２２の中心は表示素子２２と光軸
２３の交点２５に対し，また撮像素子１２の中心は撮像
素子１２と光軸１３の交点１６に対し，図１に示した量
ずらして設定されている。
２３の交点２５に対し，また撮像素子１２の中心は撮像
素子１２と光軸１３の交点１６に対し，図１に示した量
ずらして設定されている。
【００７６】撮像系１０で撮像された外界画像情報は表
示素子２２に表示され，表示系２０により観察眼Ｅに導
かれ，あたかも裸眼で観察しているように外界を観察で
きるように構成されている。
示素子２２に表示され，表示系２０により観察眼Ｅに導
かれ，あたかも裸眼で観察しているように外界を観察で
きるように構成されている。
【００７７】これにより，図１〜５に示した理由によ
り，変倍機能を用いた場合や，設計要因，製造誤差など
により，撮像画角と表示画角が一致していない場合や，
撮像光学系の入射瞳位置と観察眼の入射瞳位置が一致し
ていない場合などにおいても，再現される空間が歪むこ
とがなく，観察者は無理なく左右眼画像の融像を行うこ
とができる。
り，変倍機能を用いた場合や，設計要因，製造誤差など
により，撮像画角と表示画角が一致していない場合や，
撮像光学系の入射瞳位置と観察眼の入射瞳位置が一致し
ていない場合などにおいても，再現される空間が歪むこ
とがなく，観察者は無理なく左右眼画像の融像を行うこ
とができる。
【００７８】また，図９に示したように表示系２０の光
軸２３の折り畳み（偏向）方向を撮像系１０の光軸折り
畳み（偏向）方向と異なる方向に設定することにより，
装置全体の小型化が可能となる。図９において表示系２
０及び撮像系１０は図８に示した実施形態２と同じ機能
を果たし，表示素子２２の中心は表示素子２２と光軸２
３の交点２５に対し，また撮像素子１２の中心は撮像素
子１２と光軸１３の交点１６に対し，図１に示した量ず
らして設定されている。
軸２３の折り畳み（偏向）方向を撮像系１０の光軸折り
畳み（偏向）方向と異なる方向に設定することにより，
装置全体の小型化が可能となる。図９において表示系２
０及び撮像系１０は図８に示した実施形態２と同じ機能
を果たし，表示素子２２の中心は表示素子２２と光軸２
３の交点２５に対し，また撮像素子１２の中心は撮像素
子１２と光軸１３の交点１６に対し，図１に示した量ず
らして設定されている。
【００７９】（実施形態３）図１０は本発明の画像観察
システムの実施形態３の要部概略図である。本実施形態
は図９に示す実施形態２に比べ撮像系１０の形態（構
成）が代わっている以外は同じ構成である。
システムの実施形態３の要部概略図である。本実施形態
は図９に示す実施形態２に比べ撮像系１０の形態（構
成）が代わっている以外は同じ構成である。
【００８０】図１０において表示系２０は図９に示した
実施形態２と同じ機能を果たす。外界からの光束はプリ
ズム体５４の面５５で屈折されつつプリズム体５４に入
射し，ミラー面５６で反射され，臨界角以上の入射角度
で面５５に再び入射し全反射され，臨界角以下の入射角
度で面５７に入射し屈折されつつプリズム体５４を射出
し，撮像素子１２上に結像される。
実施形態２と同じ機能を果たす。外界からの光束はプリ
ズム体５４の面５５で屈折されつつプリズム体５４に入
射し，ミラー面５６で反射され，臨界角以上の入射角度
で面５５に再び入射し全反射され，臨界角以下の入射角
度で面５７に入射し屈折されつつプリズム体５４を射出
し，撮像素子１２上に結像される。
【００８１】プリズム体５４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する収差を良好に補正す
るために，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されており，撮像系１０の小
型化を図っている。
が傾いて配置されることに起因する収差を良好に補正す
るために，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されており，撮像系１０の小
型化を図っている。
【００８２】撮像素子１２の中心は撮像素子１２と光軸
１３の交点１６に対し，図１に示した量ずらして設定さ
れている。
１３の交点１６に対し，図１に示した量ずらして設定さ
れている。
【００８３】（実施形態４）図１１は本発明の画像観察
システムの実施形態４の要部概略図である。本実施形態
は図９に示す実施形態２に比べ撮像系１０の形態（構
成）が代わっている以外は同じ構成である。
システムの実施形態４の要部概略図である。本実施形態
は図９に示す実施形態２に比べ撮像系１０の形態（構
成）が代わっている以外は同じ構成である。
【００８４】図１１に示す実施形態は，図９に示す実施
形態２に対し，プリズム１５及び結像光学系１９で構成
される撮像光学系１１の入射瞳位置を，プリズム体２６
で構成される表示光学系２１の射出瞳に一致させた観察
眼Ｅの入射瞳位置に対し，外界側にずらすことにより装
置の小型化を図ることができる。また覗き込み効果によ
り再現空間が小さく感じられることを防ぐことができ
る。このとき、ずらし量を大きく取り過ぎると、観察者
に近い距離（例えば３００ｍｍ程度）の空間において
は、物体の距離間隔に対しての影響が大きくなり、裸眼
で観察した場合に比べ物体が近い位置に感じられてしま
う場合がある。そこで、ずらし量は６０ｍｍ以下が良
い。
形態２に対し，プリズム１５及び結像光学系１９で構成
される撮像光学系１１の入射瞳位置を，プリズム体２６
で構成される表示光学系２１の射出瞳に一致させた観察
眼Ｅの入射瞳位置に対し，外界側にずらすことにより装
置の小型化を図ることができる。また覗き込み効果によ
り再現空間が小さく感じられることを防ぐことができ
る。このとき、ずらし量を大きく取り過ぎると、観察者
に近い距離（例えば３００ｍｍ程度）の空間において
は、物体の距離間隔に対しての影響が大きくなり、裸眼
で観察した場合に比べ物体が近い位置に感じられてしま
う場合がある。そこで、ずらし量は６０ｍｍ以下が良
い。
【００８５】このように構成しても，図１〜５に示した
理由により，再現される空間が歪むことがなく，観察者
は無理なく左右眼画像の融像を行うことができる。
理由により，再現される空間が歪むことがなく，観察者
は無理なく左右眼画像の融像を行うことができる。
【００８６】以上の各実施形態において，図１２（ａ）
に示すように，表示素子２２に表示する画像は撮像系１
０で取得した外界画像情報をそのまま表示するだけでな
く，図１２（ｂ）に示すように撮像系１０で取得した外
界画像情報に，画像生成手段６０で生成した画像情報
（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など）を画像合成
手段６１で合成して表示素子２２に表示するようにして
も良い。
に示すように，表示素子２２に表示する画像は撮像系１
０で取得した外界画像情報をそのまま表示するだけでな
く，図１２（ｂ）に示すように撮像系１０で取得した外
界画像情報に，画像生成手段６０で生成した画像情報
（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など）を画像合成
手段６１で合成して表示素子２２に表示するようにして
も良い。
【００８７】また以上の各実施形態においては，表示素
子として透過型液晶素子を用いたが，反射型の液晶素子
やＥＬなどの自発光型の素子を用いても良い。また撮像
素子としてＣＣＤを用いたが，ＣＭＯＳセンサなどの素
子を用いても良い。
子として透過型液晶素子を用いたが，反射型の液晶素子
やＥＬなどの自発光型の素子を用いても良い。また撮像
素子としてＣＣＤを用いたが，ＣＭＯＳセンサなどの素
子を用いても良い。
【００８８】
【発明の効果】本発明によれば，以上の構成とすること
により，ビデオシースルー観察時に，変倍機能を用いた
場合や，設計要因，製造誤差などにより，撮像画角と表
示画角が一致していない場合や，撮像光学系の入射瞳位
置と観察眼の入射瞳位置が一致していない場合などにお
いても，再現される空間が歪むことがなく，観察者は無
理なく左右眼用の画像の融像を行える画像観察システム
を達成することができる。
により，ビデオシースルー観察時に，変倍機能を用いた
場合や，設計要因，製造誤差などにより，撮像画角と表
示画角が一致していない場合や，撮像光学系の入射瞳位
置と観察眼の入射瞳位置が一致していない場合などにお
いても，再現される空間が歪むことがなく，観察者は無
理なく左右眼用の画像の融像を行える画像観察システム
を達成することができる。
【００８９】また、左右眼の観察視野の重なる範囲を大
きくすることができるため、視野闘争が生じ観察が困難
になることを回避することができる。
きくすることができるため、視野闘争が生じ観察が困難
になることを回避することができる。
【図１】本発明の画像観察システムの基本概念の説明図
【図２】図１の撮影系の説明図
【図３】図１の表示系の説明図
【図４】図１の撮影系の説明図
【図５】図１の表示系の説明図
【図６】本発明の画像観察システムの実施形態１の要部
概略図
概略図
【図７】本発明の画像観察システムの外観図
【図８】本発明の画像観察システムの実施形態２の要部
概略図
概略図
【図９】本発明の画像観察システムの実施形態２の一部
分を変更したときの説明図
分を変更したときの説明図
【図１０】本発明の画像観察システムの実施形態３の要
部概略図
部概略図
【図１１】本発明の画像観察システムの実施形態４の要
部概略図
部概略図
【図１２】本発明の画像観察装置に係る信号処理工程と
画像観察システムの要部概略図
画像観察システムの要部概略図
【図１３】従来の画像観察システムの要部概略図
【図１４】従来の画像観察システムの要部概略図
【図１５】従来の画像観察システムの要部概略図
【図１６】従来の画像観察システムの要部概略図
【図１７】従来の画像観察システムの要部概略図
１０ 撮影系 １１ 撮像光学系 １２ 撮像素子 １３ 光軸（外界側光軸） １４ ミラー ２０ 表示系 ２１ 表示光学系 ２２ 表示素子 ２３ 光軸（眼球側光軸） Ｅ 観察眼
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１２年６月２２日（２０００．６．２
２）
２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１８
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３６】請求項１８の発明は請求項１７の発明にお
いて、前記観察者の眼球の入射瞳位置と等価な位置に対
する前記撮像光学系の入射瞳ずらし量をｄとしたときｄ
＜６０ｍｍを満足していることを特徴としている。
いて、前記観察者の眼球の入射瞳位置と等価な位置に対
する前記撮像光学系の入射瞳ずらし量をｄとしたときｄ
＜６０ｍｍを満足していることを特徴としている。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０９Ｇ 5/00 ５１０ Ｇ０９Ｇ 5/00 ５１０Ｄ 5/36 ５１０ 5/36 ５１０Ｖ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１Ａ 13/00 13/00 Ｆターム(参考） 2H059 AA10 AA13 AA35 AA38 5C061 AA01 AB03 AB06 AB14 5C080 AA06 AA10 BB05 CC04 DD01 EE17 GG07 JJ05 JJ06 5C082 AA12 AA27 BA47 BD02 CA32 CA85 MM10 5G435 AA01 BB05 BB12 BB15 BB16 CC13 DD01 FF05 GG03 GG08 GG09
Claims (18)
- 【請求項１】外界画像を撮像光学系で撮像素子上に結像
させる撮像系と，該撮像系で取得した外界画像を表示し
た表示素子からの光束を表示光学系によって観察眼へ導
く表示系を有し，該撮像光学系の外界側光軸が該表示光
学系の眼球側光軸を延長した軸上に略一致するようにし
た画像観察装置を，観察者の左右眼用に一対設けた画像
観察システムにおいて，各々の撮影系の撮像素子は該撮
像光学系の光軸に対し水平方向に所定距離ずらして配置
されており，表示素子は該表示光学系の光軸に対し水平
方向に所定距離ずらして配置されており，左右眼用の一
対の該画像観察装置の撮像光学系の光軸及び表示光学系
の光軸は互いに平行であることを特徴とする画像観察シ
ステム。 - 【請求項２】前記左右眼用の撮像光学系のピント位置は
一致しており，前記撮像素子のずらし量は該左右眼用の
撮像光学系による各々の該撮像素子中心と共役な位置が
一致するように設定され，かつ，該左右眼用の表示光学
系による前記表示素子の虚像形成位置が一致しており，
該表示素子のずらし量は該左右眼用の表示光学系による
各々の該表示素子中心と共役な位置が一致するように設
定されていることを特徴とする請求項１の画像観察シス
テム。 - 【請求項３】前記ピント位置と前記虚像形成位置が一致
していることを特徴とする請求項２の画像観察システ
ム。 - 【請求項４】前記画像観察装置の前記撮像系の外界画像
の撮像画角は，前記表示系の表示画角と略一致している
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項の画像
観察システム。 - 【請求項５】画像を生成する画像生成手段及び画像を合
成する画像合成手段を有し，該画像合成手段は該画像生
成手段からの画像と前記撮像系からの画像を合成して，
前記表示素子に表示していることを特徴とする請求項１
から４のいずれか一項の画像観察システム。 - 【請求項６】前記撮像光学系は平面で構成されたプリズ
ムを有し，該プリズムは透過作用及び全反射作用をする
面を有しており，該プリズムと前記撮像素子の間の光路
中に正の光学的パワーを有する光学要素を設けたことを
特徴とする請求項１から５のいずれか一項の画像観察シ
ステム。 - 【請求項７】前記撮像光学系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反射面を有してい
ることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項の画
像観察システム。 - 【請求項８】前記表示光学系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反射面を有してい
ることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項の画
像観察システム。 - 【請求項９】前記撮像光学系は変倍光学系であることを
特徴とする請求項１から８のいずれか一項の画像観察シ
ステム。 - 【請求項１０】前記撮像系により取得した外界画像を，
前記表示素子に表示する際に，表示倍率を変更する画像
処理手段を有していることを特徴とする請求項１から９
のいずれか一項の画像観察システム。 - 【請求項１１】外界画像を撮像光学系で撮像素子上に結
像させる撮像系と，該撮像系で取得した外界画像を表示
した表示素子からの光束を表示光学系で観察眼へ導く表
示系を有し，該撮像光学系の外界側光軸が光学部材を介
して該表示光学系の眼球側光軸を延長した軸上に略一致
するようにしている画像観察装置を，観察者の左右眼用
に一対設けた画像観察システムにおいて，各々の撮影系
の撮像素子はその中心が撮像光学系の光軸に対し直角方
向に所定距離ずらして配置されており，表示素子は、そ
の中心が表示光学系の光軸に対し直角方向に所定距離ず
らして配置されていることを特徴とする画像観察システ
ム。 - 【請求項１２】前記左右眼用の一対の撮像光学系の外界
側光軸は互いに平行であることを特徴とする請求項１１
の画像観察システム。 - 【請求項１３】前記撮像系によって前記撮像素子に形成
される物体の位置と，前記表示系による前記表示素子の
虚像が形成される位置とが一致していることを特徴とす
る請求項１２の画像観察システム。 - 【請求項１４】前記撮像系による前記撮像素子中心の物
体側の位置とは，前記表示系による前記表示素子中心の
虚像が形成される位置とが一致していることを特徴とす
る請求項１３の画像観察システム。 - 【請求項１５】前記撮像光学系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反射面を有して
いることを特徴とする請求項１１から１４のいずれか一
項の画像観察システム。 - 【請求項１６】前記表示光学系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反射面を有して
いることを特徴とする請求項１１から１５のいずれか一
項の画像観察システム。 - 【請求項１７】前記撮像光学系の入射瞳位置は、観察者
の眼球の入射瞳と等価な位置よりも外界側にずらして配
置していることを特徴とする請求項１から１６のいずれ
か１項の画像観察システム。 - 【請求項１８】前記観察者の眼球の入射瞳位置と等価な
位置に対する前記撮像光学系の入射瞳ずらし量をｄとし
たとき ｄ＞６０ｍｍ を満足していることを特徴とす
る請求項１７の画像観察装置。
Priority Applications (8)
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|---|---|---|---|
| JP2000058737A JP3604990B2 (ja) | 2000-03-03 | 2000-03-03 | 画像観察システム |
| US09/653,278 US6980363B1 (en) | 1999-11-08 | 2000-08-31 | Image observation apparatus and system |
| EP00119607A EP1098217B1 (en) | 1999-11-08 | 2000-09-07 | Image observation apparatus |
| DE60031348T DE60031348T2 (de) | 1999-11-08 | 2000-09-07 | Bild-Beobachtungsvorrichtung und Bild-Beobachtungssystem |
| EP02019229A EP1273958B1 (en) | 1999-11-08 | 2000-09-07 | Image observation system |
| AT02019229T ATE322030T1 (de) | 1999-11-08 | 2000-09-07 | System zur bildbeobachtung |
| AT00119607T ATE343150T1 (de) | 1999-11-08 | 2000-09-07 | Apparat zur bildbeobachtung |
| DE60027055T DE60027055T2 (de) | 1999-11-08 | 2000-09-07 | System zur Bildbeobachtung |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000058737A Expired - Fee Related JP3604990B2 (ja) | 1999-11-08 | 2000-03-03 | 画像観察システム |
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|---|---|
| JP (1) | JP3604990B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1424586A2 (en) * | 2002-11-29 | 2004-06-02 | Canon Kabushiki Kaisha | Image observation system |
| JP2020511687A (ja) * | 2017-03-01 | 2020-04-16 | アイウェイ ビジョン リミテッドＥｙｅＷａｙ Ｖｉｓｉｏｎ Ｌｔｄ． | ビデオシースルー型ディスプレイシステム |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011085769A (ja) | 2009-10-15 | 2011-04-28 | Canon Inc | 撮像表示装置 |
-
2000
- 2000-03-03 JP JP2000058737A patent/JP3604990B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1424586A2 (en) * | 2002-11-29 | 2004-06-02 | Canon Kabushiki Kaisha | Image observation system |
| EP1424586A3 (en) * | 2002-11-29 | 2005-02-09 | Canon Kabushiki Kaisha | Image observation system |
| US7193585B2 (en) | 2002-11-29 | 2007-03-20 | Canon Kabushiki Kaisha | Image observation system |
| US8253653B2 (en) | 2002-11-29 | 2012-08-28 | Canon Kabushiki Kaisha | Image observation system |
| JP2020511687A (ja) * | 2017-03-01 | 2020-04-16 | アイウェイ ビジョン リミテッドＥｙｅＷａｙ Ｖｉｓｉｏｎ Ｌｔｄ． | ビデオシースルー型ディスプレイシステム |
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| JP3604990B2 (ja) | 2004-12-22 |
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