JP5020553B2 - 顔面装着型画像視認装置 - Google Patents
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近年、HMDタイプの装置の利用分野は拡大しており、外科手術等の医療現場で、医師が患者の手術、治療部位に関する映像情報を見ることによって、肉眼観察できない情報を得ながら、装置の切り換え操作によって肉眼観察いわゆるシースルー観察を行うことも行われている。
また、発明者等が提言した視認装置としては、ハーフミラーが形成された自由曲面プリズムを用いて、赤外と可視映像の同時視認が可能な顔面装着型の装置がある(特許文献4)。
また、画像表示器の画像を目に映し出すための光学部品を最小とすべく、反射の回数を最小限とする構成とすることで、軽量化が可能な構造を有した光学系をそなえる画像視認装置を発明した。
第2の発明は、第1の発明において、前記接眼光学系は、曲率中心が装着者の顔面の中心部となるようハの字に配されることを特徴とする。
第3の発明は、第1または2の発明において、前記画像表示素子は、装着者の眼球の側方部に配され、前記接眼光学系が画像表示素子から射出された像を拡大した虚像を空中に投影することを特徴とする。
第4の発明は、第1または2の発明において、前記画像表示素子は、装着者の眼球の上方部に配され、前記接眼光学系が画像表示素子から射出された像を拡大した虚像を空中に投影することを特徴とする。
第5の発明は、第3または4の発明において、前記画像表示素子の近傍にレンズ手段を有し、該レンズ手段が画像表示素子から射出された像を拡大した実像を接眼光学系の手前に投影することを特徴とする。
このように、第5の発明は、凸レンズ等で構成されたレンズ手段を備え、レンズ手段にレンズパワーを持たせることにより、接眼光学系にのみレンズパワーを持たせた際に生じる歪み等の問題を解消することを可能としている。
第6の発明は、第1ないし5のいずれかの発明において、前記接眼光学系が、半透過鏡であることを特徴とする。
第7の発明は、第1ないし6のいずれかの発明において、前記接眼光学系は、外界光を遮断する液晶シャッターを備えることを特徴とする。
第8の発明は、第1ないし7のいずれかの発明において、前記接眼光学系は、画像表示素子から投影される光軸の内側の曲率半径と比べ外側の曲率半径が大きく構成されることを特徴とする。
第9の発明は、第1ないし8のいずれかの発明において、前記接眼光学系が楕円ミラーにより構成されることを特徴とする。
第10の発明は、第1ないし9のいずれかの発明において、前記画像表示素子の視野が、装着者の視野と重なるよう構成されることを特徴とする。
第11の発明は、第1ないし10のいずれかの発明において、前記レンズ手段が画像表示素子の表示中心を射出する光線を屈曲させるリレー光学系により構成されることを特徴とする。
第12の発明は、第1ないし11のいずれかの発明において、フレームに電源と受信機が内蔵され、ケーブルフリーであることを特徴とする。
また、接眼光学系や画像表示素子をコンパクトにできる光学特性を有するため、画像視認装置の軽量化を図ることが容易である。
本発明の画像視認装置は、動画像や赤外画像等が表示される画像表示素子3は、照明手段1により裏側から照射されて二次元画像等を形成する。図1に示すようにレンズ手段5を設けた構成においては、二次元画像等をレンズ手段5が凹面鏡である接眼光学系7の手前に空中像として投影し、この実像を更に接眼光学系7で眼球の前方の空中に虚像として拡大投影する(図2参照)。この虚像の投影位置を眼球の視度に合わせて調整することで画像表示素子3に表示された二次元画像等の拡大像(虚像11)を観察することができる。
また、図4に示すようにレンズ手段5を設けない構成においては、画像表示素子3に表示された二次元画像等が、直接接眼光学系7に反射され、拡大された虚像11を形成する。この場合には、画像表示素子3の画像が接眼光学系7で直接反射されることになるので、投影される像の向きは図1とは逆になる。
このように、画像表示素子3と接眼光学系7の間隔が大きいため、接眼光学系7の曲率を緩やかに(焦点距離を長く)構成することができるため、外界像のひずみを小さくすることができる。
また、ハの字に配置することにより、曲率を緩く構成することが可能となり、収差を小さくすることができる。
接眼光学系7から眼までの距離(アイポイント)は60mm以下であることが好ましい。眼鏡をかけた人でも60mm程度あれば十分対応可能である。
レンズ手段5にズームレンズ系を使用する場合は、焦点距離を短くすると広角的な像が得られるようになる。すなわち、手動つまみやモータ等により、レンズ手段5を光軸方向に移動することにより、画像視認装置の拡大率を調整することができる。ここで、記憶部に最適拡大率の情報を記録しておき、所定のモードに応じて自動的に最適拡大率に変更するよう構成してもよい。
また、画像視認装置の顔面からの突出を減らすためには、光軸を顔面に沿って屈曲させるようリレー光学系を構成するのがよい。ここで言う光軸とは、観察者眼球の虹彩中心または眼球回旋中心を通過する光線で、画像表示素子3の表示中心を射出する、いわゆる軸上光線を言う。顔面は緩い凸面とみなすことができるので、光軸を顔面に沿って屈曲させる働きを持たせることで、画像視認装置の突出を少なくすることが可能となる。屈曲作用を持たせる手段としては、例えば楔型プリズムを用いて光軸を屈曲させること、レンズ作用のあるリレー光学系を光軸に対し偏心させることが知られている(特許文献5参照)。
このように、画像表示素子3または画像表示素子3の投影像を直接接眼光学系7の前側焦点面に配置することが可能になり、明るい像が得られることになる。
楕円ミラーは、2つの焦点のいずれかに光源をおけば他の焦点に集光する性質を有する。
図6および7は、接眼光学系7に楕円ミラーを用いた構成例である。A(1)およびA(2)は接眼光学系7Rを構成する楕円の焦点であり、B(1)およびB(2)は接眼光学系7Lを構成する楕円の焦点である。接眼光学系7Rの一方の焦点A(1)にレンズ手段5Lの前側焦点を配置し、接眼光学系7Lの一方の焦点B(2)にレンズ手段5Rの前側焦点を配置することで、装着者の瞳近傍の焦点A(2)および焦点B(1)に画像表示素子3L、3Rの画像が導かれる。
画像表示素子3およびレンズ手段5の配置箇所は設計事項であり、図8のように接眼光学系7より水平位置が高い箇所に設けることにより、接眼光学系7の配置を調整することも可能である。なお、凸レンズの第1の焦点位置に上記要領でリレーレンズを設け、レンズ手段5をリレー光学系により構成してもよい。
外部レンズ21は、装着者の眼球側に一対の接眼光学系7R、7Lを有する両眼光学シースルーであり、可視画像と画像表示素子3による二次元画像を重畳表示することができ、また、画像表示素子3をOFFにした際は、両眼で直接可視像を視認することもできる。
本実施例の光学系は、一回反射により二次元画像を目に導くため、迷光の問題は深刻でなく筐体は不要である。従って、視認部20はゴーグル型に限られず、眼鏡型等であってもよい。
画像表示素子3は、透過型の液晶表示素子により構成され、スイッチボックスから送出される二次元画像が電気的に分割されて表示される。本実施例では、画像表示素子3に液晶表示素子を用いたが、反射型や自家発光型(例えば、微細な発光ダイオードをマトリックス上に配列したもの)の画像表示素子を用いてもよい。
なお、画像表示素子3を左右いずれか1枚とし、二次元画像を片目で確認する構成としてもよい。
二次元画像は、図10に示すように、別途の画像ウィンドウで表示するのが代表的な表示方法であるが、可視光の視野と重畳表示させてもよい。また、接眼光学系7R、7Lに表示された像を重ね合わせることで画像を立体表示するいわゆる立体テレビを構成することもできる。
また、スイッチボックス23に視認部20用の電源を内蔵させることにより、視認部20の重量を軽減させることが好ましい。
また、スイッチボックス23には、二次元画像のコントラストなどの調整回路を内蔵させ、別個にボリューム調整つまみ32を備えている。これにより、装着者は、透過光の強度に応じて、ボリューム調整つまみを操作させることにより二次元画像のコントラストを調整することができ、周囲の光量に応じて二次元画像の入射光と可視光の入射光とのバランスを取ることができる。液晶シャッターを設け、可視光を遮断できる機能を備えるようにしてもよい。
図11に示すように、視認部20はフレーム22に受信機25と視認部用電源26を備えている。受信機25と電源26はフレーム22の左右対称位置に一つずつ設けられており、またより重量のある電源26を中央部に配することで、重量バランスよく装着できるよう配慮している。
フレーム22の側部には、視認部20の電源をON/OFFするスイッチ31と二次元画像のコントラストなどの調整つまみ32が設けられている。
スイッチボックス23は、実施例1の構成に加えて無線送信機を内蔵している。スイッチボックス23で再生された二次元画像は、内蔵する無線送信機から視認部20の受信機25へ送信され、画像表示素子3に表示される。
ヘルメット41は、公知の自己消火素材で構成されたヘルメットであり、次に述べる各構成要素を付加した総重量(電源含む)は、1.0kgである。
本実施例では、ヘルメットの頂上部にとさか形状の凸部が形成されており、無線送信機、赤外線カメラ43、電源等の重量のある機器類がヘルメット41の凸部に集約しているため、装着時の安定性に優れている。
無線アンテナ42はヘルメット41の頂部に固設され、約100mの伝送距離がある。作業時に突起物等との衝突を避けるべく、高さ5cm以下としている。
なお、赤外線を可視光に変える赤外線変換装置(イメージコンバータ)または赤外線増強装置(イメージインテンシファイア)をヘルメット41に内蔵させてもよい。
なお、ヘルメット41の内側にスピーカーを内蔵させることにより、司令部(消防車や情報センター等)からの指示を受信したり、マイクロフォンを設けることで、司令部と双方向通信を行えるようにしてもよい。
視認部20は実施例2と同じ構成である。なお、無線受信機により、司令部からの情報を受信させる構成としてもよく、例えば、救助活動を支援するために、建物の間取り図を無線で受信する機能を付加してもよい。
また、スイッチボックス23には、赤外線に基づく画像のコントラストなどの調整回路を内蔵させ、別個にボリューム調整つまみなどを備えている。これにより、装着者は、透過光の強度に応じて、ボリューム調整つまみを操作させることにより赤外線に基づく画像を調整することができ、周囲の光量に応じて赤外線に基づく入射光と可視光に基づく入射光とのバランスを取ることができる。
重畳表示させる場合には、予め設定した赤外線カメラ等の撮像手段の測定距離に熱線を発する物または人を置き、フレーム22の掛け具合を調整することで、重畳表示のずれを修正する。
また、赤外線カメラ43にモノクロカメラを採用し、体温の温度域のみを着色表示する構成とし、画像処理の負荷を下げる構成としてもよい。
撮像装置45はCCDカメラ等の公知の撮像素子により構成される。撮像装置45の先端部に白色LED等の光源を設け、外界の光量が足りない場合にも撮像可能に構成することが好ましい。また、撮像装置45の本体部に拡大・縮小調整ボタンを配し、ズーム倍率を調整できるようにすることが好ましい。
ユーザーは、視認部20に表示された画像を見ながら資料上で撮像装置45を移動させることにより、文字情報等の拡大表示を行うことができる。
特に、カメラ付き頭部装着器具と連動することで、消防用活動における人命救助や残火の発見に活用できるのみならず、防災、保守点検(電力、プラント等)、警備(海上保安等)、検疫及び医療等の現場でも活用することができる。
3 画像表示素子
5 レンズ手段
7 接眼光学系
8 観察者眼球位置
9 実像
11 虚像
20 視認部
21 外部レンズ
22 フレーム
23 スイッチボックス
24 ケーブル
25 受信機
26 視認部用電源
31 スイッチ
32 調整つまみ
41 ヘルメット
42 無線アンテナ
43 赤外線カメラ
44 スイッチパネル
45 撮像装置
Claims (8)
- 画像を表示する画像表示素子と、画像表示素子の画像を一回反射により装着者の眼にほぼ直視する方向より入射するように導く凹面鏡である接眼光学系と、装着者の眼球前方に接眼光学系を固定可能なフレームと、を具備するゴーグル型または眼鏡型の画像視認装置であって、
前記接眼光学系は、曲率中心が装着者の顔面の中心部となるよう装着者の顔面に対しハの字に配され、
左側の接眼光学系の端部近傍に配された画像表示素子が1枚の凹面鏡である右側の接眼光学系に入射するように設けられ、
右側の接眼光学系の端部近傍に配された画像表示素子が1枚の凹面鏡である左側の接眼光学系に入射するように設けられ、
接眼光学系の焦点距離が200mm以下であることを特徴とする画像視認装置。 - 前記画像表示素子が、装着者の眼球の側方部、または、装着者の眼球の上方部に配されることを特徴とする請求項1の画像視認装置。
- 前記画像表示素子に表示された画像が、前記接眼光学系にそれぞれ直接入射することを特徴とする請求項1または2の画像視認装置。
- 前記接眼光学系が、半透過鏡であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかの画像視認装置。
- 前記接眼光学系は、外界光を遮断する液晶シャッターを備えることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかの画像視認装置。
- 前記接眼光学系が楕円ミラーにより構成されることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかの画像視認装置。
- 前記画像表示素子の視野が、装着者の視野と重なるよう構成されることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかの画像視認装置。
- フレームに電源と受信機が内蔵され、ケーブルフリーであることを特徴とする請求項1ないし7のいずれかの画像視認装置。
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