JP2018189784A - Image observation device - Google Patents

Image observation device Download PDF

Info

Publication number
JP2018189784A
JP2018189784A JP2017091507A JP2017091507A JP2018189784A JP 2018189784 A JP2018189784 A JP 2018189784A JP 2017091507 A JP2017091507 A JP 2017091507A JP 2017091507 A JP2017091507 A JP 2017091507A JP 2018189784 A JP2018189784 A JP 2018189784A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical system
cameras
image
reflection
imaging
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2017091507A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
亮史 近藤
Akifumi Kondo
亮史 近藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to JP2017091507A priority Critical patent/JP2018189784A/en
Publication of JP2018189784A publication Critical patent/JP2018189784A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Cameras In General (AREA)
  • Stereoscopic And Panoramic Photography (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image observation device that can present, to an observer, an outside world image having a wide angle of view and high geometric reproducibility, despite its small size and light weight.SOLUTION: An image observation device comprises: an imaging system that picks up an image of an outside world; image display means 102 that displays an outside world image acquired from the imaging system; and a display optical system 101 that guides a display light bundle from the image display means to an exit pupil 201. The imaging system includes a plurality of cameras that picks up optical images formed respectively by imaging optical systems 105 and 107 with imaging elements 104 and 106, and a reflection optical system 110 that reflects an incident light bundle from the outside world to be guided to the plurality of cameras. Entrance pupils 200 of the respective imaging optical systems of the plurality of cameras are at positions both moved through reflection of the reflection optical system from the same space positions 201'. The reflection optical system has a plurality of reflection surfaces 110s that reflect incident light bundles from a plurality of viewing angle areas in the outside world to be guided to the plurality of cameras.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、外界を撮像するカメラとそのカメラにより取得された画像を表示光学系を通して観察者の眼に提示する画像観察装置に関する。   The present invention relates to a camera that images the outside world and an image observation apparatus that presents an image acquired by the camera to an observer's eye through a display optical system.

現実世界(外界)と仮想世界とをリアルタイムに融合させる技術として、複合現実(MR:Mixed Reality)技術や拡張現実(AR:Augmented Reality)技術が知られている。これらMR技術やAR技術は、ビデオシースルー型HMD(Head-Mounted Display)を利用する。このビデオシースルー型HMDは、特許文献1にて開示されているように、現実世界の映像をビデオカメラで取得し、その映像に仮想空間の映像(CG映像等)を重畳させ、その重畳映像を表示光学系を通して観察者に提示する。このようなビデオシースルー型HMDでは、観察者が観察する映像の幾何学的再現性を高めるために、カメラの入射瞳の位置と観察者の瞳(表示光学系の射出瞳)の位置のずれが極力少ないことが望ましい。   Mixed reality (MR: Mixed Reality) technology and augmented reality (AR: Augmented Reality) technology are known as technologies that fuse the real world (external world) and the virtual world in real time. These MR and AR technologies use a video see-through HMD (Head-Mounted Display). As disclosed in Patent Document 1, this video see-through type HMD acquires a real-world image with a video camera, superimposes a virtual space image (CG image or the like) on the image, and displays the superimposed image. Presented to the observer through the display optics. In such a video see-through type HMD, in order to improve the geometric reproducibility of the image observed by the observer, the position of the entrance pupil of the camera and the position of the observer's pupil (exit pupil of the display optical system) are shifted. It is desirable that the number be as small as possible.

特許第3604990号公報Japanese Patent No. 3604990

ビデオシースルー型HMDでは、観察者の眼前にある表示光学系よりも外界側にビデオカメラを配置する必要がある場合が多い。この場合に、ビデオカメラの入射瞳の位置と観察者の瞳の位置とのずれを少なくするためには、反射面を含む反射光学系によって撮像光学系の光路を折り曲げる必要がある。   In video see-through HMDs, it is often necessary to place a video camera on the outside of the display optical system in front of the viewer's eyes. In this case, in order to reduce the deviation between the position of the entrance pupil of the video camera and the position of the observer's pupil, it is necessary to bend the optical path of the imaging optical system by the reflection optical system including the reflection surface.

しかしながら、表示光学系が大きい場合やビデオカメラの入射瞳の位置を観察者の瞳の位置に近づけるほど折り曲げた光路を長くする必要がある。この結果、反射光学系が大型化して、HMD全体サイズや重量や増大する。   However, when the display optical system is large or the position of the entrance pupil of the video camera is brought closer to the position of the observer's pupil, the bent optical path needs to be lengthened. As a result, the reflective optical system is enlarged, and the overall size, weight, and increase of the HMD are increased.

本発明は、小型かつ軽量でありながらも、広画角で幾何学的再現性が高い外界画像を観察者に提示可能な画像観察装置を提供する。   The present invention provides an image observation apparatus that is capable of presenting an observer with a wide field angle and high geometric reproducibility, while being small and light.

本発明の一側面としての画像観察装置は、外界を撮像する撮像系と、該撮像系により取得した外界画像を表示する画像表示手段と、該画像表示手段からの表示光束を射出瞳に導く表示光学系とを有する。撮像系は、それぞれ撮像光学系により形成された光学像を撮像素子により撮像する複数のカメラと、外界からの入射光束を反射して複数のカメラに導く反射光学系とを有する。複数のカメラのそれぞれの撮像光学系の入射瞳は、互いに同一の空間位置から反射光学系の反射によって移動された位置にある。反射光学系は、外界のうち複数の画角領域からの入射光束を反射して複数のカメラに導く複数の反射面を有することを特徴とする。   An image observation apparatus according to one aspect of the present invention includes an imaging system that images the outside world, an image display unit that displays an outside world image acquired by the imaging system, and a display that guides display light flux from the image display unit to an exit pupil And an optical system. The imaging system includes a plurality of cameras that each capture an optical image formed by the imaging optical system with an imaging element, and a reflection optical system that reflects incident light from the outside and guides the light to the plurality of cameras. The entrance pupils of the imaging optical systems of the plurality of cameras are at positions moved from the same spatial position by the reflection of the reflection optical system. The reflective optical system has a plurality of reflecting surfaces that reflect incident light beams from a plurality of field angle regions in the external environment and guide them to a plurality of cameras.

本発明によれば、広画角で幾何学的再現性が高い外界画像を観察者に提示可能な小型かつ軽量な画像観察装置を実現することができる。   According to the present invention, it is possible to realize a small and lightweight image observation apparatus capable of presenting an external image having a wide angle of view and high geometric reproducibility to an observer.

本発明の実施例1であるビデオシースルー型HMDの構成を示す図。The figure which shows the structure of the video see-through type HMD which is Example 1 of this invention. 実施例1のHMDの構成を示す別の図。FIG. 5 is another diagram illustrating the configuration of the HMD according to the first embodiment. 屈曲光学系を用いないビデオシースルーHMDを示す図。The figure which shows the video see-through HMD which does not use a bending | flexion optical system. 1つのミラーのみを用いたビデオシースルーHMDを示す図。The figure which shows the video see-through HMD using only one mirror. 実施例1における数値条件を説明するための図。FIG. 3 is a diagram for explaining numerical conditions in the first embodiment. 本発明の実施例2であるビデオシースルー型HMDの構成を示す図。The figure which shows the structure of the video see-through type HMD which is Example 2 of this invention.

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施例1である画像観察装置としてのビデオシースルー型HMDの構成を示している。この図は、観察者の眼球103の中心を通る垂直断面を示している。つまり、図1の紙に垂直な方向に観察者の両眼が配置されており、それぞれの眼に対して図1に示す構成が設けられている。図1において、観察者の眼球103の視軸方向を+Z方向とし、+Z方向に対して直交する水平方向および垂直方向にそれぞれ+X方向(図1の紙面の手前方向)および+Y方向(上方向)とする。   FIG. 1 shows a configuration of a video see-through HMD as an image observation apparatus that is Embodiment 1 of the present invention. This figure shows a vertical section through the center of the eyeball 103 of the observer. That is, the observer's eyes are arranged in a direction perpendicular to the paper of FIG. 1, and the configuration shown in FIG. 1 is provided for each eye. In FIG. 1, the visual axis direction of the observer's eyeball 103 is the + Z direction, and the + X direction (the front side of the paper in FIG. 1) and the + Y direction (upward direction) in the horizontal and vertical directions orthogonal to the + Z direction, respectively. And

101は表示光学系であり、それぞれパワーを有する3つの光学面で構成されるプリズムであり、観察者に対して後述する画像表示素子に表示された画像の拡大虚像を提示する。本実施例における表示光学系101は偏心光学系であり、図1に示す垂直断面内で偏心している。ただし、この表示光学系101は例に過ぎず、観察者に拡大虚像を提示できる光学系であればどのような構成を有していてもよい。   Reference numeral 101 denotes a display optical system, which is a prism composed of three optical surfaces each having power, and presents an enlarged virtual image of an image displayed on an image display element described later to an observer. The display optical system 101 in this embodiment is a decentered optical system, and is decentered within the vertical cross section shown in FIG. However, this display optical system 101 is only an example, and may have any configuration as long as it is an optical system that can present an enlarged virtual image to an observer.

画像表示素子(画像表示手段)102は、液晶パネルや有機ELパネルにより構成される。ただし、画像表示素子に代えて、レーザ光源と走査デバイスとを組み合わせて観察者に対して画像を表示するデバイスを用いてもよい。   The image display element (image display means) 102 is configured by a liquid crystal panel or an organic EL panel. However, instead of the image display element, a device that displays an image to an observer by combining a laser light source and a scanning device may be used.

図1は、画像表示素子102から出射し、表示光学系101を通って観察者103の瞳に至る表示光束のうち複数の主光線のみを示している。観察者は、眼球103の瞳をこれらの主光線が交わる点、すなわち表示光学系101の射出瞳の位置に配置することで画像表示素子102に表示された画像(映像)の拡大虚像を視認することができる。   FIG. 1 shows only a plurality of principal rays of the display light beam that is emitted from the image display element 102 and passes through the display optical system 101 and reaches the pupil of the observer 103. The observer visually recognizes an enlarged virtual image of the image (video) displayed on the image display element 102 by arranging the pupil of the eyeball 103 at the point where these principal rays intersect, that is, the position of the exit pupil of the display optical system 101. be able to.

105は第1の撮像光学系であり、被写体が現実に存在する外界のうち第1の画角領域(上側の画角領域)からの入射光束を第1の撮像素子104の撮像面上に結像させる。107は第2の撮像光学系であり、外界のうち第2の画角領域(下側の画角領域)からの入射光束を第2の撮像素子106の撮像面上に結像させる。第1および第2の撮像光学系105,107は互いに同一構成の光学系である。第1および第2の撮像素子104,106は、CMOSセンサやCCDセンサ等の光電変換素子により構成され、第1および第2の撮像光学系105,107により形成された第1および第2の画角領域の光学像を光電変換(撮像)する。   Reference numeral 105 denotes a first image pickup optical system, which condenses an incident light beam from the first field angle region (upper field angle region) in the outside world where the subject actually exists on the image pickup surface of the first image sensor 104. Let me image. Reference numeral 107 denotes a second imaging optical system that forms an incident light beam from the second field angle region (lower field angle region) in the outside world on the imaging surface of the second image sensor 106. The first and second imaging optical systems 105 and 107 are optical systems having the same configuration. The first and second imaging elements 104 and 106 are constituted by photoelectric conversion elements such as CMOS sensors and CCD sensors, and the first and second images formed by the first and second imaging optical systems 105 and 107. Photoelectric conversion (imaging) of the optical image in the corner region.

第1および第2の撮像光学系105,107と第1および第2の撮像素子104,106により撮像系が構成される。また、第1の撮像光学系105と第1の撮像素子104により第1のカメラが構成され、第2の撮像光学系107と第1の撮像素子106により第2のカメラが構成される。なお、本実施例では2つのカメラを用いるが、3つ以上の複数のカメラを用いてもよい。   The first and second imaging optical systems 105 and 107 and the first and second imaging elements 104 and 106 constitute an imaging system. Further, the first imaging optical system 105 and the first imaging element 104 constitute a first camera, and the second imaging optical system 107 and the first imaging element 106 constitute a second camera. In this embodiment, two cameras are used, but a plurality of three or more cameras may be used.

110は、V形状に配置された2つの反射面110sを有する主ミラーであり、外界を第1および第2の画角領域に分割する屈曲光学系(反射光学系)を構成する。2つの反射面110sは、屈曲光学系のうち最も外界側(被写体側)に配置された第1の反射面に相当する。これら反射面110sは、外界のうち上記第1および第2の画角領域からの入射光束を互いに反対方向(上方向と下方向)に反射する。なお、主ミラー110は、2つの反射面を有していれば、一体型でも2つのミラー部材を組み合わせたものであってもよい。第1および第2のカメラと主ミラー110とにより撮像系が構成される。   Reference numeral 110 denotes a main mirror having two reflection surfaces 110s arranged in a V shape, and constitutes a bending optical system (reflection optical system) that divides the outside world into first and second field angle regions. The two reflecting surfaces 110s correspond to first reflecting surfaces arranged on the outermost side (subject side) of the bending optical system. These reflecting surfaces 110s reflect incident light beams from the first and second field angle regions of the outside world in opposite directions (upward and downward directions). The main mirror 110 may be an integral type or a combination of two mirror members as long as it has two reflecting surfaces. The first and second cameras and the main mirror 110 constitute an imaging system.

108は入射光束のうち第1および第2のカメラによって撮像される外界画角の中心を通って第1および第2の撮像素子104,106の撮像面の中心に至る中心画角主光線である。第1および第2のカメラと主ミラー110の2つの反射面は、外界から入射してくる中心画角主光線108を挟んで上下対称となるように配置されており、これらの焦点距離等の光学仕様は互いに同じである。このため、主ミラー110を介して第1および第2のカメラがそれぞれ撮像する第1および第2の画角領域の画角は互いに同じである。また、外界から主ミラー110に向かう中心画角主光線108の方向は、表示光学系101から観察者の眼球103に向かう中心画角主光線(画像表示素子102の表示面の中心から表示光学系101を介して射出瞳の中心に至る光線)109の方向と同じである。そして、第1および第2のカメラが撮像により取得した第1の映像と第2の映像を上下に合成して(繋ぎ合わせて)画像表示素子102に表示する。これにより、後述する仮想入射瞳200′の位置から見た外界に相当する広画角の合成画像としての外界映像(外界画像)を観察者に提示することができる。   Reference numeral 108 denotes a central field angle chief ray that reaches the center of the imaging surface of the first and second imaging elements 104 and 106 through the center of the external field angle captured by the first and second cameras in the incident light flux. . The two reflecting surfaces of the first and second cameras and the main mirror 110 are arranged so as to be vertically symmetrical with respect to the central field angle principal ray 108 incident from the outside world. The optical specifications are the same. For this reason, the field angles of the first and second field angle regions captured by the first and second cameras via the main mirror 110 are the same. In addition, the direction of the central field angle principal ray 108 from the outside to the main mirror 110 is the center field angle principal ray from the display optical system 101 to the observer's eyeball 103 (from the center of the display surface of the image display element 102 to the display optical system). The direction of the light beam 109 going to the center of the exit pupil via 101 is the same as that 109. Then, the first video and the second video acquired by imaging by the first and second cameras are combined vertically (connected) and displayed on the image display element 102. Thereby, an external world image (external world image) as a composite image having a wide angle of view corresponding to the external world viewed from the position of a virtual entrance pupil 200 'described later can be presented to the observer.

なお、外界のうち第1および第2の画角領域の合計画角は、少なくとも表示光学系の画角以上であることが望ましい。すなわち、図1に示す表示光学系101の偏心方向での半画角をω1とし、第1および第2のカメラのそれぞれの画角をω2とするとき、ω1≦ω2である(より好ましくはω1<ω2である、更に好ましくはω1×1.1<ω2である)ことが望ましい。これにより、撮像される外界画角を適宜調整することで、観察者は適切な大きさ感で外界映像を見ることができる。MR技術やAR技術においては、この現実映像としての外界映像に対してCG映像等の仮想映像を重畳した映像を観察者に提示する。   In addition, it is desirable that the combined planned angle of the first and second field angle regions in the outside world is at least equal to or larger than the field angle of the display optical system. That is, when the half field angle in the eccentric direction of the display optical system 101 shown in FIG. 1 is ω1, and each field angle of the first and second cameras is ω2, ω1 ≦ ω2 (more preferably, ω1 <Ω2, more preferably ω1 × 1.1 <ω2.) Thereby, the observer can view an external image with an appropriate size feeling by appropriately adjusting the captured external field angle. In the MR technique and the AR technique, an image obtained by superimposing a virtual image such as a CG image on the external image as a real image is presented to an observer.

図2は、図1と同じ偏心断面における第1および第2のカメラ(第1および第2の撮像光学系105,107)の実効的な視点である仮想入射瞳200′の位置を示している。第1および第2のカメラは、互いに同一の空間位置に仮想入射瞳200′を有する。言い換えれば、第1および第2の撮像光学系105,107のそれぞれの実際の入射瞳200は、互いに同一の空間位置(仮想入射瞳200′)から屈曲光学系の反射によって移動された位置にある。なお、互いに同一の空間位置とは、それらに製造誤差等の誤差分のずれがある場合も含む。   FIG. 2 shows the position of the virtual entrance pupil 200 ′ that is the effective viewpoint of the first and second cameras (first and second imaging optical systems 105 and 107) in the same eccentric section as FIG. . The first and second cameras have a virtual entrance pupil 200 ′ at the same spatial position. In other words, the actual entrance pupil 200 of each of the first and second imaging optical systems 105 and 107 is at a position moved by reflection of the bending optical system from the same spatial position (virtual entrance pupil 200 '). . It should be noted that the same spatial position includes a case where there is a shift of an error such as a manufacturing error.

観察者の眼球103の瞳が位置する表示光学系101の射出瞳201の位置と第1および第2の撮像光学系105,107の仮想入射瞳200′の位置との差である瞳ずれ量Dは極力小さいほうが望ましい。図2における仮想入射瞳200′は、第1および第2のカメラが表示光学系101よりも外界側(被写体側)に配置されているにも関わらず、表示光学系101よりも射出瞳(201)側に位置している。これにより、観察者は幾何学的な再現性の高い外界映像を観察することができる。   A pupil shift amount D which is a difference between the position of the exit pupil 201 of the display optical system 101 where the pupil of the eyeball 103 of the observer is located and the position of the virtual entrance pupil 200 ′ of the first and second imaging optical systems 105 and 107. Is preferably as small as possible. The virtual entrance pupil 200 ′ in FIG. 2 has an exit pupil (201 than the display optical system 101, even though the first and second cameras are arranged on the outside world side (subject side) with respect to the display optical system 101. ) Side. Thereby, the observer can observe an external image with high geometric reproducibility.

本実施例のような屈曲光学系を使用しない場合には、図3に示すように、カメラを表示光学系101の正面に配置することになるが、この場合はカメラの撮像光学系の入射瞳202は表示光学系101よりも外界側に位置する。したがって、瞳ずれ量D′は本実施例の瞳ずれ量Dよりも大きくなる。   When the bending optical system as in this embodiment is not used, as shown in FIG. 3, the camera is arranged in front of the display optical system 101. In this case, the entrance pupil of the imaging optical system of the camera is used. 202 is located on the outside side of the display optical system 101. Accordingly, the pupil shift amount D ′ is larger than the pupil shift amount D of the present embodiment.

また、図4は、1つのミラー301のみで本実施例と同等の瞳ずれ量D″を実現する場合の構成例を示す。この場合、ミラー301の大型化によってHMD全体が大型化し、全体の重量も増加する。HMDは観察者が頭部に装着するため、HMDとしてのサイズや重量はできるだけ小さいことが望ましい。   4 shows a configuration example in which the same pupil shift amount D ″ as in the present embodiment is realized with only one mirror 301. In this case, the size of the mirror 301 increases the size of the entire HMD, and Since the observer wears the HMD on the head, it is desirable that the size and weight of the HMD be as small as possible.

これらのことから分かるように、本実施例によれば、小型かつ軽量でありながらも、広画角の外界映像を観察者に提示可能なビデオシースルー型HMDを実現することができる。   As can be seen from the above, according to the present embodiment, it is possible to realize a video see-through type HMD that is capable of presenting a wide-angle external field image to an observer while being small and light.

以下、図5を用いて、第1および第2のカメラと主ミラー110の配置に関して満足することが望ましい条件について説明する。図5は、図1に示した第1および第2のカメラのうち一方のカメラの撮像光学系(105,107)および撮像素子104,016と主ミラー110のうち1つの反射面110sを示している。   Hereinafter, with reference to FIG. 5, conditions that are preferably satisfied with respect to the arrangement of the first and second cameras and the main mirror 110 will be described. FIG. 5 shows the imaging optical system (105, 107) of one of the first and second cameras shown in FIG. 1 and the reflecting surface 110s of the imaging elements 104, 016 and the main mirror 110. Yes.

図5において、反射面110sでの反射により入射光束の光路が折り曲げられる偏心断面(YZ断面)におけるカメラ(撮像光学系)の画角をω2(deg)とし、該偏心断面における反射面110sの偏心角をθ(deg)とする。また、カメラに入射する中心画角主光線108上における反射面110sから撮像光学系の実際の入射瞳200までの距離をL(mm)とし、該入射瞳200の半径をr(mm)とする。さらに、撮像光学系のうち最も屈曲光学系側(反射光学系側)の第1面から入射瞳200までの距離をe(mm)とする。このとき、少なくとも画角ω2の方向からの入射光線140が、反射面110sで反射した後の撮像光学系に干渉しないためには、以下の式(1)で示す条件を満足する必要がある。   In FIG. 5, the angle of view of the camera (imaging optical system) in the eccentric section (YZ section) where the optical path of the incident light beam is bent by reflection at the reflecting surface 110s is ω2 (deg), and the eccentricity of the reflecting surface 110s in the eccentric section. Let the angle be θ (deg). Further, the distance from the reflecting surface 110s on the central field angle principal ray 108 incident on the camera to the actual entrance pupil 200 of the imaging optical system is L (mm), and the radius of the entrance pupil 200 is r (mm). . Further, e (mm) is a distance from the first surface closest to the bending optical system (reflection optical system) of the imaging optical system to the entrance pupil 200. At this time, in order that the incident light beam 140 from at least the direction of the field angle ω2 does not interfere with the imaging optical system after being reflected by the reflecting surface 110s, it is necessary to satisfy the condition expressed by the following expression (1).

本実施例の数値例を以下に示す。
ω1=20(deg)
ω2=25(deg)
L=40(mm)
θ=45(deg)
r=0.5(mm)
e=0.0(mm)。
この数値例では、式(1)は、
Numerical examples of this embodiment are shown below.
ω1 = 20 (deg)
ω2 = 25 (deg)
L = 40 (mm)
θ = 45 (deg)
r = 0.5 (mm)
e = 0.0 (mm).
In this numerical example, equation (1) is

となり、式(1)の条件を満足する。これにより、光路の干渉(ケラレ)のない配置を実現することができる。 Thus, the condition of formula (1) is satisfied. Thereby, it is possible to realize an arrangement without interference (vignetting) of the optical path.

図6は、本発明の実施例2であるビデオシースルー型HMDの構成を示している。この図も、図2と同様に偏心断面を示している。+Z方向、+X方向および+Y方向の意味は実施例1と同じである。本実施例のHMDも、実施例1と同様に、画像表示素子402、表示光学系401、第1のカメラ(第1の撮像光学系405および第1の撮像素子404)、第2のカメラ(第2の撮像光学系407および第2の撮像素子406)および屈曲光学系410を有する。   FIG. 6 shows the configuration of a video see-through HMD that is Embodiment 2 of the present invention. This figure also shows an eccentric cross section as in FIG. The meanings of the + Z direction, + X direction, and + Y direction are the same as those in the first embodiment. Similarly to the first embodiment, the HMD of the present embodiment also includes the image display element 402, the display optical system 401, the first camera (the first imaging optical system 405 and the first imaging element 404), and the second camera ( A second imaging optical system 407, a second imaging element 406), and a bending optical system 410;

ただし、本実施例では、上述した瞳ずれ量Dを0にするため、屈曲光学系によって折り曲げる光路の長さを実施例1よりも長くしている。すなわち、第1および第2のカメラのそれぞれに入射する中心画角主光線108上における反射面(第1の反射面)410sからそのカメラの撮像光学系の実際の入射瞳400までの距離L(mm)を長くしている。そして、これをコンパクトな構成で実現するために、屈曲光学系に2つの反射面410sを有する主ミラーだけでなく、さらにもう一度反射して光路を折り曲げるための副ミラーとしての2つの反射面(第2の反射面)431,432を設けている。つまり、第1および第2のメラのそれぞれに対して複数(本実施例では2つ)の反射面を設けている。これにより、屈曲光学系に入射してから第1および第2のカメラのそれぞれの入射瞳400までの光路長を長くしつつコンパクトなHMDを実現している。しかも、表示光学系401の射出瞳501の位置と第1および第2の撮像光学系405,407の仮想入射瞳400′の位置とが一致しているため、観察者は幾何学的な再現性が実施例1より高い外界映像を観察することができる。   However, in this embodiment, the length of the optical path bent by the bending optical system is made longer than that of the first embodiment in order to set the above-described pupil shift amount D to zero. That is, a distance L (from the reflection surface (first reflection surface) 410s on the central field angle principal ray 108 incident on each of the first and second cameras to the actual entrance pupil 400 of the imaging optical system of the camera. mm) is lengthened. In order to realize this in a compact configuration, not only the main mirror having the two reflecting surfaces 410s in the bending optical system, but also two reflecting surfaces (second mirrors) as sub-mirrors for further reflecting and folding the optical path. 2 reflective surfaces) 431 and 432 are provided. In other words, a plurality of (two in this embodiment) reflecting surfaces are provided for each of the first and second melas. This realizes a compact HMD while increasing the optical path length from the entrance to the bending optical system to the entrance pupil 400 of each of the first and second cameras. In addition, since the position of the exit pupil 501 of the display optical system 401 and the position of the virtual entrance pupil 400 ′ of the first and second imaging optical systems 405 and 407 coincide with each other, the observer has geometric reproducibility. However, it is possible to observe a higher external image than in the first embodiment.

また、本実施例では、反射面431,432による光路の折り曲げによって、撮像素子406が屈曲光学系の光学有効領域のうち最も射出瞳(501)側の端410eよりも射出瞳側に位置している。これにより、HMD全体のサイズをより小さくすることができる。
本実施例の数値例を以下に示す。
ω1=20(deg)
ω2=22(deg)
L=70(mm)
θ=55(deg)
r=0.5(mm)
e=1.0(mm)
この数値例では、式(1)の値は、
In this embodiment, the imaging element 406 is positioned on the exit pupil side from the end 410e closest to the exit pupil (501) in the optically effective area of the bending optical system by bending the optical path by the reflecting surfaces 431 and 432. Yes. Thereby, the size of the entire HMD can be further reduced.
Numerical examples of this embodiment are shown below.
ω1 = 20 (deg)
ω2 = 22 (deg)
L = 70 (mm)
θ = 55 (deg)
r = 0.5 (mm)
e = 1.0 (mm)
In this numerical example, the value of equation (1) is

となり、式(1)の条件を満足する。これにより、光路の干渉(ケラレ)のない配置を実現することができる。 Thus, the condition of formula (1) is satisfied. Thereby, it is possible to realize an arrangement without interference (vignetting) of the optical path.

なお、本実施例では、各カメラに向かう光路を2面の反射面を用いて折り曲げる場合について説明したが、3面以上の反射面を用いてもよい。すなわち、各カメラに対して1面以上の反射面を有すれば、その数は問わない。   In the present embodiment, the case where the optical path toward each camera is bent using two reflecting surfaces has been described, but three or more reflecting surfaces may be used. That is, the number is not limited as long as each camera has one or more reflecting surfaces.

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。   Each embodiment described above is only a representative example, and various modifications and changes can be made to each embodiment in carrying out the present invention.

101,401 表示光学系
102,402 画像表示素子
104,106,404,406 撮像素子
105,107,405,407 撮像光学系
110,410 主ミラー
200,400 (撮像光学系の)入射瞳
201,501 (表示光学系の)射出瞳
431,432 副ミラー
101, 401 Display optical systems 102, 402 Image display elements 104, 106, 404, 406 Imaging elements 105, 107, 405, 407 Imaging optical systems 110, 410 Main mirrors 200, 400 Entrance pupils 201, 501 (of the imaging optical system) Exit pupils 431 and 432 (display optical system)

Claims (6)

外界を撮像する撮像系と、該撮像系により取得した外界画像を表示する画像表示手段と、該画像表示手段からの表示光束を射出瞳に導く表示光学系とを有する画像観察装置であって、
前記撮像系は、それぞれ撮像光学系により形成された光学像を撮像素子により撮像する複数のカメラと、前記外界からの入射光束を反射して前記複数のカメラに導く反射光学系とを有し、
前記複数のカメラのそれぞれの前記撮像光学系の入射瞳は、互いに同一の空間位置から前記反射光学系の反射によって移動された位置にあり、
前記反射光学系は、前記外界のうち複数の画角領域からの入射光束を反射して前記複数のカメラに導く複数の反射面を有することを特徴とする画像観察装置。
An image observation apparatus comprising: an imaging system that images the outside world; an image display unit that displays an outside world image acquired by the imaging system; and a display optical system that guides a display light beam from the image display unit to an exit pupil,
The imaging system includes a plurality of cameras that capture images of optical images formed by the imaging optical systems, respectively, and a reflection optical system that reflects incident light from the outside and guides the plurality of cameras to the cameras.
The entrance pupil of the imaging optical system of each of the plurality of cameras is at a position moved by reflection of the reflective optical system from the same spatial position,
The image observation apparatus according to claim 1, wherein the reflection optical system includes a plurality of reflection surfaces that reflect incident light beams from a plurality of angle-of-view areas in the external environment and guide the light beams to the plurality of cameras.
前記反射光学系は、前記入射光束を互いに反対方向に反射することを特徴とする請求項1に記載の画像観察装置。   The image observation apparatus according to claim 1, wherein the reflection optical system reflects the incident light flux in opposite directions. 前記複数のカメラのそれぞれに対して、最も前記外界側に配置された第1の反射面を含む1面以上の前記反射面を有することを特徴とする請求項1または2に記載の画像観察装置。   3. The image observation apparatus according to claim 1, wherein each of the plurality of cameras has at least one reflection surface including the first reflection surface arranged closest to the outside world. 4. . 前記反射面での反射により前記入射光束の光路が折り曲げられる偏心断面における前記表示光学系の半画角をω1(deg)とし、前記偏心断面における前記複数のカメラのそれぞれの画角をω2(deg)とするとき、
ω1≦ω2
なる条件を満足することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の画像観察装置。
The half angle of view of the display optical system in the eccentric section where the optical path of the incident light beam is bent by reflection on the reflecting surface is ω1 (deg), and the field angles of the plurality of cameras in the eccentric section are ω2 (deg). )
ω1 ≦ ω2
The image observation apparatus according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.
前記反射面での反射により前記入射光束の光路が折り曲げられる偏心断面における前記複数のカメラのそれぞれの画角をω2(deg)とし、前記複数のカメラのそれぞれに入射する中心画角主光線に対する前記第1の反射面の偏心角をθ(deg)とし、前記中心画角主光線上における前記第1の反射面から前記入射瞳までの距離をL(mm)とし、前記入射瞳の半径をr(mm)とし、前記撮像光学系のうち最も前記反射光学系側の第1面から前記入射瞳までの距離をe(mm)とするととき、

なる条件を満足することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の画像観察装置。
The angle of view of each of the plurality of cameras in an eccentric cross section where the optical path of the incident light beam is bent by reflection at the reflecting surface is ω2 (deg), and the central field angle principal ray incident on each of the plurality of cameras is The eccentric angle of the first reflecting surface is θ (deg), the distance from the first reflecting surface to the entrance pupil on the central field angle principal ray is L (mm), and the radius of the entrance pupil is r. (Mm) and when the distance from the first surface closest to the reflective optical system to the entrance pupil of the imaging optical system is e (mm),

The image observation apparatus according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.
前記撮像素子が、前記複数の反射面の光学有効領域よりも前記射出瞳側に位置することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の画像観察装置。   6. The image observation apparatus according to claim 1, wherein the imaging element is located closer to the exit pupil than an optically effective area of the plurality of reflecting surfaces.
JP2017091507A 2017-05-02 2017-05-02 Image observation device Pending JP2018189784A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017091507A JP2018189784A (en) 2017-05-02 2017-05-02 Image observation device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017091507A JP2018189784A (en) 2017-05-02 2017-05-02 Image observation device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2018189784A true JP2018189784A (en) 2018-11-29

Family

ID=64478496

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017091507A Pending JP2018189784A (en) 2017-05-02 2017-05-02 Image observation device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2018189784A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7216165B2 (en) Apparatus for optical see-through head-mounted display with mutual shielding and opacity control capabilities
US8253653B2 (en) Image observation system
EP1515173A1 (en) Optical devices particularly for remote viewing applications
US20180284441A1 (en) Wide field head mounted display
JP2002258208A (en) Optical element and composite display device utilizing it
JP4372891B2 (en) Video display device
US20230350210A1 (en) Ocular optical system, medical viewer, and medical viewer system
JP5283976B2 (en) Optical scanning device
CN109298542B (en) Time sequence three-dimensional projection display system
JP4574774B2 (en) Video display device
JP2000310747A (en) Image observation device
JP2018189784A (en) Image observation device
JP2018017942A (en) Image display device
JP3604979B2 (en) Image observation device
JP2019179083A (en) Image display device
JP2008090039A (en) Composite display apparatus
JP3604990B2 (en) Image observation system
JP4592884B2 (en) Image display device having three-dimensional eccentric optical path
JP2019032413A (en) Image display device
JP6395674B2 (en) Image display device and imaging device
JP2005070804A (en) Composite display device