JP6713509B2 - 奥行き知覚が増強されている観察器 - Google Patents

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Description

本発明は、観察者に増強された奥行き知覚をもたらす、拡大されている物体を観察するための観察器に関する。
本出願人の先行する米国特許第5477385号明細書に開示されているような立体視拡大装置(stereoscopic magnifying apparatus)を含む、物体を観察するための様々な拡大装置が存在する。
しかしながら、本発明者は、単眼視または立体視観察装置(mono or stereo viewing apparatus)において、すべて観察者の奥行き知覚に対する解釈に寄与することができる合焦、視差および重ね合わせの効果を利用するように装置を構成することによって、観察者に、大幅に増強した奥行き知覚をもたらすことが可能であることを認めている。
米国特許第5477385号明細書
一態様において、本発明は、拡大されている物体を観察するための観察器(viewer)を提供し、観察器は、対物面に位置する物体の像を生成するための、開口絞りによって規定される径方向範囲を有する対物レンズと、対物レンズからミラー装置(mirror arrangement)へと光が透過することを可能にし、ミラー装置から返ってくる光の反射を可能にする部分透過型反射器(partially−transmissive reflector)と、部分透過型反射器から光成分を受け取り、物体の合焦像(focussed image)がミラー装置において生成され、ミラー装置によって受け取られる光が再び部分透過型反射器へと反射され、中継されて物体の像が生成されるように配置されているミラー装置と、観察面(viewing plane)にある射出瞳において観察者によって観察可能である物体の光学像を生成するための観察用レンズ装置(viewing lens arrangement)とを備え、対物レンズは、対物面から対物レンズへの距離および開口絞りの径方向範囲によって規定されるものとしてのビーム路程角(beam path angle)(α)を有し、観察器は、ミラー装置から観察面への光軸に沿った距離および観察面にある射出瞳の径方向範囲によって規定されるものとしての観察角(viewing angle)(β)を有し、観察器は、ビーム路程角(α)と観察角(β)との変位比(displacement ratio)が少なくとも3:1であるように構成されており、それによって、観察者には、観察者の頭部の変位の範囲に対して、観察されている物体の奥行き知覚(depth perception)のより大きな変化がもたらされる。
一実施形態において、ビーム路程角(α)と観察角(β)との変位比は少なくとも4:1である。
別の実施形態において、ビーム路程角(α)と観察角(β)との変位比は少なくとも5:1である。
さらなる実施形態において、ビーム路程角(α)と観察角(β)との変位比は少なくとも6:1である。
またさらなる実施形態において、ビーム路程角(α)と観察角(β)との変位比は少なくとも8:1である。
なおさらなる実施形態において、ビーム路程角(α)と観察角(β)との変位比は少なくとも10:1である。
またなおさらなる実施形態において、ビーム路程角(α)と観察角(β)との変位比は少なくとも12:1である。
なおまた別の実施形態において、ビーム路程角(α)と観察角(β)との変位比は少なくとも13:1である。
一実施形態において、ビーム路程角(α)は少なくとも6度である。
別の実施形態において、ビーム路程角(α)は少なくとも8度である。
また別の実施形態において、ビーム路程角(α)は少なくとも9度である。
なお別の実施形態において、ビーム路程角(α)は少なくとも10度である。
なおまた別の実施形態において、ビーム路程角(α)は少なくとも12度である。
なおさらなる実施形態において、ビーム路程角(α)は少なくとも13度である。
一実施形態において、観察角(β)は2度以下である。
別の実施形態において、観察角(β)は1.5度以下である。
一実施形態において、ミラー装置によって受け取られる光成分は部分透過型反射器を通過する。
一実施形態において、ミラー装置から受け取られ、部分透過型反射器によって中継される光は、部分透過型反射器によって反射される。
一実施形態において、対物レンズは、対物面から光軸に沿って120mm未満の距離に位置する。
別の実施形態において、対物レンズは、対物面から光軸に沿って100mm未満の距離に位置する。
さらなる実施形態において、対物レンズは、対物面から光軸に沿って80mm未満の距離に位置する。
またさらなる実施形態において、対物レンズは、対物面から光軸に沿って60mm未満の距離に位置する。
一実施形態において、開口絞りは少なくとも30mmの開口直径を有する。
別の実施形態において、開口絞りは少なくとも35mmの開口直径を有する。
さらなる実施形態において、開口絞りは少なくとも40mmの開口直径を有する。
一実施形態において、部分透過型反射器は半透過型反射器(semi−transmissive reflector)を含む。
一実施形態において、部分透過型反射器は、部分透過鏡、任意選択的に半透平面鏡(half−silvered planar mirror)を含む。
一実施形態において、部分透過型反射器における光軸によって与えられるものとしての観察器の光心は、観察面から光軸に沿って少なくとも150mmの距離に位置する。
別の実施形態において、部分透過型反射器における光軸によって与えられるものとしての観察器の光心は、観察面から光軸に沿って少なくとも180mmの距離に位置する。
さらなる実施形態において、部分透過型反射器における光軸によって与えられるものとしての観察器の光心は、観察面から光軸に沿って少なくとも200mmの距離に位置する。
またさらなる実施形態において、部分透過型反射器における光軸によって与えられるものとしての観察器の光心は、観察面から光軸に沿って少なくとも250mmの距離に位置する。
一実施形態において、観察面にある射出瞳は、30mm以下の直径を有する。
別の実施形態において、観察面にある射出瞳は、25mm以下の直径を有する。
一実施形態において、観察器は、観察器の光軸からずれている、物体を照明するための複数の光源を含む照明器をさらに備える。
一実施形態において、光源は、光軸の周囲に配置されている点光源、任意選択的にLEDを含む。
一実施形態において、観察器は、対物レンズおよび複数の追加のレンズを備えるズーム対物レンズ(zoom objective,ズームオブジェクティブ)をさらに備える。
一実施形態において、部分透過型反射器は、対物レンズからの光を第1の光成分および第2の光成分を有するように分割するためのビームスプリッタであり、最初に言及したミラー装置は、ビームスプリッタから第1の光成分を受け取り、ビームスプリッタから第2の光成分を受け取り、物体の第2の合焦像が第2のミラー装置において生成され、第2のミラー装置によって受け取られる光が再びビームスプリッタへと反射され、中継されて物体の像が生成されるように配置されている第2のミラー装置をさらに備え、ミラー装置は、それぞれのミラー装置によって中継されるものとしての射出瞳の瞳孔中心(pupil centres)が、観察者の瞳孔間間隔に応じてずれるように方向付けられており、観察用レンズ装置は、両方の射出瞳を中継し、それによって、それぞれのミラー装置からの射出瞳が観察者のそれぞれの眼に中継されることが可能であり、観察者の各眼に物体の異なる立体視差ビュー(different stereo parallax views)がもたらされる。
一実施形態において、第2のミラー装置によって受け取られる光成分は、ビームスプリッタで反射される。
一実施形態において、第2のミラー装置から受け取られ、ビームスプリッタによって中継される光は、ビームスプリッタを通過する。
一実施形態において、任意のまたは各ミラー装置は、ミラーと、ミラーの表面にある球面レンズとを備える。
一実施形態において、ミラーは平面鏡を含む。
別の実施形態において、ミラーは非球面鏡を含む。
別の実施形態において、任意のまたは各ミラー装置は凹面鏡を含む。
これより、本発明の好ましい実施形態を、添付の図面を参照しながら例としてのみ以下に説明する。
本発明の第1の実施形態による観察器を示す図である。 本発明の第2の実施形態による観察器を示す図である。 本発明の第3の実施形態による観察器を示す図である。 本発明の第4の実施形態による観察器を示す図である。
図1は、本発明の第1の実施形態による観察器を示す。
観察器は、この実施形態においては開口絞り5によって規定されるものとしての対物面OPに位置する物体の像を生成するための対物レンズ3を備える。
この実施形態において、対物レンズ3は、対物面OPから光軸に沿って100mmの距離に位置し、開口絞り5は35mmの開口直径を有する。
観察器は、対物レンズ3からミラー装置12へと光が透過することを可能にし、ミラー装置12から返ってくる光の反射をもたらすための半透鏡(semi−transparent mirror)11をさらに備える。この実施形態において、半透鏡11は、半透平面鏡を含む。
観察器は、この実施形態においては半透鏡11を通過する、半透鏡11からの光成分を受け取り、物体の合焦像14がミラー装置12において生成され、ミラー装置12によって受け取られる光が再び半透鏡11へと反射され、この実施形態においては半透鏡11によって反射されるものとして中継されて、対物レンズ3の開口絞り5の像を生成するように配置されているミラー装置12をさらに備える。
この実施形態において、ミラー装置12は、平面鏡または非球面鏡15と、鏡15の表面にある球面レンズ17とを備える。
代替的な実施形態において、ミラー装置12は、凹面鏡を備えてもよい。
観察器は、観察者の眼によって観察可能であるようにするなどのために、射出瞳を観察面VPに中継するための観察用レンズ装置31をさらに備える。
この実施形態において、ミラー装置12は、観察用レンズ31と組み合わさって、対物レンズ3の開口5の像を、観察者の眼における射出瞳として生成するように構成されている。
この実施形態において、半透鏡11における光軸によって表される観察器の光心は、観察面VPから光軸に沿って300mmの距離に位置しており、見かけ上の像までの距離は500mmであり、観察面VPにある射出瞳は25mmの直径を有する。
この構成によれば、観察器の光心に対する観察者の観察角βの非常に小さい変化が、物体から対物レンズ3へのビーム路程角αによって表される、観察者に中継されているミラー装置12における画像14の部分の非常に大幅なシフトを引き起こす。
この実施形態において、最大観察角βは1.43度であり、これは9.93度のビーム路程角αに対応し、それによって、ビーム路程角αと観察角βとの変位比は6.94:1になる。
好ましい実施形態において、ビーム路程角αと観察角βとの変位比は少なくとも3:1であり、任意選択的には少なくとも4:1であり、より任意選択的には少なくとも5:1であり、またより任意選択的には少なくとも6:1である。
したがって、観察者には、観察者の頭部の非常に小さい変位から非常に明白な奥行き知覚がもたらされ、観察者には、観察されている像の部分への合焦を失うことなく、あたかも頭部が大きく変位することが必要とされる場合に起こり得るような、顕著な奥行きの知覚がもたらされる。
図2は、本発明の第2の実施形態による観察器を示す。
この実施形態の観察器は、最初に説明した実施形態の観察器に非常に類似している。説明が不必要に重複することを避けるために、差異のみを詳細に説明し、同様の部分は同様の参照符号によって指定される。
この実施形態の観察器は、観察器の光軸からずれている、物体を照明するための複数の光源43を含む照明器41を備える点で、最初に説明した実施形態のものと異なっている。
この実施形態において、光源43は、光軸の周囲に配置されている点光源、ここではLEDを含む。この実施形態において、光源43は、実質的に環状に配置されている。
この構成によれば、軸外照明は物体の表面で任意のエッジ特徴またはファセットを目立たせる傾向にあり、これによって、観察者が自身の頭部を動かすときに奥行き知覚が促進されて、エッジ特徴またはファセットが反射性の変化によって強調されるため、観察器の光学構成要素の構造的構成によって達成されるような奥行き知覚が増強される。
図3は、本発明の第3の実施形態による観察器を示す。
この実施形態の観察器は、最初に説明した実施形態の観察器に非常に類似している。説明が不必要に重複することを避けるために、差異のみを詳細に説明し、同様の部分は同様の参照符号によって指定される。
この実施形態の観察器は、観察器が、対物レンズ3および複数の追加のレンズ53、55を備えるズーム対物レンズ51を備えるという点、ならびに、対物レンズ3が対物面OPにより近く位置しており、この実施形態においては対物面OPから光軸に沿って50mmの距離に位置しているという点において、最初に説明した実施形態の観察器と異なっている。
この構成によれば、ビーム路程角αが19.86度であり、それによって、ビーム路程角αと観察角βとの変位比が13.88:1であるため、さらなる奥行き知覚の増強が達成される。
好ましい実施形態において、ビーム路程角αと観察角βとの変位比は少なくとも8:1であり、任意選択的には少なくとも10:1であり、より任意選択的には少なくとも12:1であり、またより任意選択的には少なくとも13:1である。
図4は、本発明の第4の実施形態による観察器を示す。
この実施形態の観察器は、立体視観察器であり、それによって、奥行き知覚をさらに増強するためにユーザの眼の各々に拡大された射出瞳がもたらされる点で、最初に説明した実施形態と異なっている。説明が不必要に重複することを避けるために、差異のみを詳細に説明し、同様の部分は同様の参照符号によって指定される。
この実施形態において、半透鏡11は、対物レンズ3からの光を、第1の光成分および第2の光成分を有するように分割するためのビームスプリッタである。
この実施形態において、第1のミラー装置12は、ここではビームスプリッタ11を通過する、ビームスプリッタ11からの第1の光成分を受け取り、物体の第1の合焦像14が第1のミラー装置12において生成され、第1のミラー装置12によって受け取られる光が再びビームスプリッタ11へと反射され、ここではビームスプリッタ11によって反射されるものとして中継されて、対物レンズ3の開口絞り5の像を生成するように配置されている。
この実施形態において、観察器は、ここではビームスプリッタ11によって反射されるものとしての、ビームスプリッタ11からの第2の光成分を受け取り、物体の第2の合焦像23が第2のミラー装置21において生成され、第2のミラー装置21によって受け取られる光が、再びビームスプリッタ11へと反射され、ここではビームスプリッタ11を通過するものとして中継されて、対物レンズ3の開口絞り5の像を生成するように配置されている第2のミラー装置21をさらに備える。
この実施形態において、第2のミラー装置21は、平面鏡または非球面鏡25と、鏡25の表面にある球面レンズ27とを備える。
代替的な実施形態において、第2のミラー装置21は、凹面鏡を備えてもよい。
この実施形態において、ミラー装置12、21は、それぞれのミラー装置12、21によって中継されるものとしての射出瞳の瞳孔中心が、観察者の瞳孔間間隔に対応してずれるように方向付けられており、それによって、それぞれのミラー装置12、21からの射出瞳が観察者のそれぞれの眼に中継され、それによって、各眼に物体の異なる立体視差ビューがもたらされることが可能にされる。
この実施形態において、観察用レンズ装置31は、観察者のそれぞれの眼によって観察可能であるようにするなどのために、両方の射出瞳を観察面VPに中継する。
この構成によれば、射出瞳が各眼にもたらされ、観察者に立体視像の知覚が与えられる。
最後に、本発明はその好ましい実施形態において説明されており、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の範囲から逸脱することなく、多くの異なる方法で修正することができることが理解されよう。
一変形例において、観察器は、対物レンズ3によって与えられるものとしての物体の像を方向付けし直すために、一般的に対物レンズ3と半透過型反射器11との間の像反転器をさらに備えてもよい。一実施形態において、像反転器は、ダブルポロプリズムであってもよい。

Claims (43)

  1. 拡大されている物体を観察するための観察器であって、
    前記観察器は、
    第1の対物レンズと、該対物レンズと観察面との間に配置された第2の発散レンズとを備える光学装置であって、対物面に位置する物体の像を生成、開口絞りによって規定される径方向範囲を有する光学装置と、
    前記対物レンズからミラー装置へと光が透過することを許容し、前記ミラー装置から返ってくる光の反射を提供する部分透過型反射器と、
    前記部分透過型反射器から光成分を受け取り、前記物体の合焦像が前記ミラー装置において生成され、前記ミラー装置によって受け取られる光が前記部分透過型反射器へと反射され、中継されて前記物体の像が生成されるように配置されているミラー装置と、
    前記観察面にある射出瞳において観察者によって観察可能である前記物体の光学像を生成するための観察用レンズ装置と
    を備え、
    前記対物レンズは、前記対物レンズの光軸が前記対物面に交わる点からの一定の角度であり、前記対物面から前記対物レンズへの前記光軸に沿った距離および前記開口絞りの径方向範囲によって規定されるものとしてのビーム路程角(α)を有し、
    前記観察器は、前記ミラー装置の光軸における前記ミラー装置上の一点からの一定の角度であり、前記ミラー装置から前記観察面への前記光軸に沿った距離および前記観察面にある前記射出瞳の径方向範囲によって規定されるものとしての観察角(β)を有し、
    前記観察器は、前記ビーム路程角(α)と前記観察角(β)との変位比が少なくとも3:1であるように構成されており、それによって、前記観察者には、前記観察者の頭部の変位の範囲に対して、観察されている前記物体の奥行き知覚のより大きな変化がもたらされる、観察器。
  2. 前記ビーム路程角(α)と前記観察角(β)との前記変位比は少なくとも4:1である、請求項1に記載の観察器。
  3. 前記ビーム路程角(α)と前記観察角(β)との前記変位比は少なくとも5:1である、請求項1に記載の観察器。
  4. 前記ビーム路程角(α)と前記観察角(β)との前記変位比は少なくとも6:1である、請求項1に記載の観察器。
  5. 前記ビーム路程角(α)と前記観察角(β)との前記変位比は少なくとも8:1である、請求項1に記載の観察器。
  6. 前記ビーム路程角(α)と前記観察角(β)との前記変位比は少なくとも10:1である、請求項1に記載の観察器。
  7. 前記ビーム路程角(α)と前記観察角(β)との前記変位比は少なくとも12:1である、請求項1に記載の観察器。
  8. 前記ビーム路程角(α)と前記観察角(β)との前記変位比は少なくとも13:1である、請求項1に記載の観察器。
  9. 前記ビーム路程角(α)は少なくとも6度である、請求項1〜8のいずれかに記載の観察器。
  10. 前記ビーム路程角(α)は少なくとも8度である、請求項1〜8のいずれかに記載の観察器。
  11. 前記ビーム路程角(α)は少なくとも9度である、請求項1〜8のいずれかに記載の観察器。
  12. 前記ビーム路程角(α)は少なくとも10度である、請求項1〜8のいずれかに記載の観察器。
  13. 前記ビーム路程角(α)は少なくとも12度である、請求項1〜8のいずれかに記載の観察器。
  14. 前記ビーム路程角(α)は少なくとも13度である、請求項1〜8のいずれかに記載の観察器。
  15. 前記観察角(β)は2度以下である、請求項1〜14のいずれかに記載の観察器。
  16. 前記観察角(β)は1.5度以下である、請求項1〜14のいずれかに記載の観察器。
  17. 前記ミラー装置によって受け取られる前記光成分は、前記部分透過型反射器を通過する、請求項1〜16のいずれかに記載の観察器。
  18. 前記ミラー装置から受け取られ、前記部分透過型反射器によって中継される前記光は、前記部分透過型反射器によって反射される、請求項1〜17のいずれかに記載の観察器。
  19. 前記対物レンズは、前記対物面から前記光軸に沿って120mm未満の距離に位置する、請求項1〜18のいずれかに記載の観察器。
  20. 前記対物レンズは、前記対物面から前記光軸に沿って100mm未満の距離に位置する、請求項1〜18のいずれかに記載の観察器。
  21. 前記対物レンズは、前記対物面から前記光軸に沿って80mm未満の距離に位置する、請求項1〜18のいずれかに記載の観察器。
  22. 前記対物レンズは、前記対物面から前記光軸に沿って60mm未満の距離に位置する、請求項1〜18のいずれかに記載の観察器。
  23. 前記開口絞りは少なくとも30mmの開口直径を有する、請求項1〜22のいずれかに記載の観察器。
  24. 前記開口絞りは少なくとも35mmの開口直径を有する、請求項1〜22のいずれかに記載の観察器。
  25. 前記開口絞りは少なくとも40mmの開口直径を有する、請求項1〜22のいずれかに記載の観察器。
  26. 前記部分透過型反射器は半透過型反射器を含む、請求項1〜25のいずれかに記載の観察器。
  27. 前記部分透過型反射器は、部分透過鏡、任意選択的に半透平面鏡を含む、請求項26に記載の観察器。
  28. 前記部分透過型反射器における前記光軸によって与えられるものとしての前記観察器の光心は、前記観察面から前記光軸に沿って少なくとも150mmの距離に位置する、請求項1〜27のいずれかに記載の観察器。
  29. 前記部分透過型反射器における前記光軸によって与えられるものとしての前記観察器の光心は、前記観察面から前記光軸に沿って少なくとも180mmの距離に位置する、請求項1〜27のいずれかに記載の観察器。
  30. 前記部分透過型反射器における前記光軸によって与えられるものとしての前記観察器の光心は、前記観察面から前記光軸に沿って少なくとも200mmの距離に位置する、請求項1〜27のいずれかに記載の観察器。
  31. 前記部分透過型反射器における前記光軸によって与えられるものとしての前記観察器の光心は、前記観察面から前記光軸に沿って少なくとも250mmの距離に位置する、請求項1〜27のいずれかに記載の観察器。
  32. 前記観察面にある前記射出瞳は、30mm以下の直径を有する、請求項1〜31のいずれかに記載の観察器。
  33. 前記観察面にある前記射出瞳は、25mm以下の直径を有する、請求項1〜31のいずれかに記載の観察器。
  34. 前記観察器の前記光軸からずれている、前記物体を照明するための複数の光源を含む照明器をさらに備える、請求項1〜33のいずれかに記載の観察器。
  35. 前記光源は、前記光軸の周囲に配置されている点光源、任意選択的にLEDを含む、請求項34に記載の観察器。
  36. 前記対物レンズおよび複数の追加のレンズを備えるズーム対物レンズをさらに備える、請求項1〜35のいずれかに記載の観察器。
  37. 前記部分透過型反射器は、前記対物レンズからの光を第1の光成分および第2の光成分を有するように分割するためのビームスプリッタであり、前記最初に言及したミラー装置は、前記ビームスプリッタから前記第1の光成分を受け取り、
    前記観察器は、第2のミラー装置であって、前記ビームスプリッタから前記第2の光成分を受け取り、前記物体の第2の合焦像が前記第2のミラー装置において生成され、前記第2のミラー装置によって受け取られる光が前記ビームスプリッタへと反射され、中継されて前記物体の像が生成されるように配置されている、第2のミラー装置をさらに備え、
    前記ミラー装置は、それぞれの前記ミラー装置によって中継されるものとしての前記射出瞳の瞳孔中心が、前記観察者の瞳孔間間隔に応じてずれるように方向付けられており、前記観察用レンズ装置は、両方の前記射出瞳を中継し、それによって、それぞれの前記ミラー装置からの前記射出瞳が前記観察者のそれぞれの眼に中継されることが可能であり、前記観察者の各眼に前記物体の異なる立体視差ビューがもたらされる、請求項1〜36のいずれかに記載の観察器。
  38. 前記第2のミラー装置によって受け取られる前記光成分は、前記ビームスプリッタにより反射される、請求項37のいずれかに記載の観察器。
  39. 前記第2のミラー装置から受け取られ、前記ビームスプリッタによって中継される前記光は、前記ビームスプリッタを通過する、請求項37または38に記載の観察器。
  40. 任意のまたは各ミラー装置は、ミラーと、前記ミラーの表面にある球面レンズとを備える、請求項1〜39のいずれかに記載の観察器。
  41. 前記ミラーは平面鏡を含む、請求項40に記載の観察器。
  42. 前記ミラーは非球面鏡を含む、請求項40に記載の観察器。
  43. 任意のまたは各ミラー装置は凹面鏡を含む、請求項1〜42のいずれかに記載の観察器。
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