(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、且つ鮮明な映像として表示系において良好に観察可能な頭部装着用に公的な画像観察システムを得ること。【解決手段】撮像素子及び外界の光線を該撮像素子上に導光する撮像光学系と、取得した外界像を表示する表示素子及びその光束を観察眼へ導く表示光学系とを有する画像観察装置を一対設けた画像観察システムにおいて、該撮像光学系の入射瞳中心と、該撮像素子中心と該撮像光学系に関して共役である点を含む光軸を撮像系光軸とし、また該表示光学系の射出瞳中心と、該表示素子中心と該表示光学系に関して共役である点を含む光軸を表示系光軸としたとき、該撮像系光軸と該表示系光軸が略一軸上に配置され、且つ各画像観察装置の該撮像系光軸は交点を形成すると共に、該撮像素子面と該撮像光学系に関して共役な位置である撮像系焦点面は、該撮像系光軸の交点よりも観察者側にあることとする。【選択図】      図１
2004186740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子及び外界の光線を該撮像素子上に導光する撮像光学系から構成される撮像系と、
該撮像系で取得した外界像を表示する表示素子及び該表示素子からの光束を観察眼へ導く表示光学系から構成される表示系と
を有する画像観察装置を一対設けた画像観察システムにおいて、
該撮像光学系の入射瞳中心と、該撮像素子中心と該撮像光学系に関して共役である点を含む光軸を撮像系光軸とし、
該表示光学系の射出瞳中心と、該表示素子中心と該表示光学系に関して共役である点を含む光軸を表示系光軸としたとき、
該撮像系光軸と該表示系光軸が略一軸上に配置され、且つ
各画像観察装置の該撮像系光軸は交点を形成しすると共に、
該撮像素子面と該撮像光学系に関して共役な位置である撮像系焦点面は、該撮像系光軸の交点よりも観察者側にあることを特徴とする画像観察システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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）に表示し観察できるようにした画像観察装置、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ることによっ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関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりＣＲＴやＬＣＤなどの表示素子を用いて、画像観察光学系を介して表示面を拡大観察させるようにした頭部装着型の画像観察装置、ＨＭＤ（ＨｅａｄＭｏｕｎｔｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ）が知られている。
【０００３】
また、上記ＨＭＤ等を利用して、撮像系および表示系を左右眼用に一対設けて外界画像（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。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、これを用いた複合現実感（ＭＲ：Ｍｉｘｅｄ  Ｒｅａｌｉｔｙ）システムが提案されている。
【０００４】
このようなビデオシースルータイプの画像観察システムでは、裸眼で観察している場合と画像観察装置を通して観察した場合の対象物体の位置などを一致させるために、撮像系の撮像光学系外界側光軸と表示光学系の眼球側光軸を一致させた、所謂パララックスレスビデオシースルー画像観察システムが特開２００１−２４９３０２などに提案されている。
【０００５】
また、撮像系が頭部装着型ではないが、ＨＭＤに表示するための画像を撮像する撮像系の構成として、特許公報３２０５５５２号に示されているように、ＨＭＤの表示系輻湊点、表示光学系による表示素子の虚像面距離と撮像系輻湊点、撮像光学系による撮像素子の共役面（ピント面）距離を一致させたものが提案されている。
【０００６】
撮像系の撮像光学系外界側光軸と表示光学系の眼球側光軸を一致させたパララックスレスビデオシースルータイプのＨＭＤにおいて、観察対象が観察者から近距離になるに従い、大きなパララックスレス効果が得られる。特に観察対象が１ｍ以内の近距離にある場合には、撮像系光軸と表示系光軸が異なることでパララックスを生じる場合に比べて、顕著なパララックスレス効果が得られる。
【０００７】
ビデオシースルーＨＭＤを用いたＭＲシステムにおいては、現実空間および仮想空間へのインタラクティブ性を重視したＭＲアプリケーションであって、観察者の手の届く範囲（１ｍ以内）の領域を対象としたＭＲアプリケーションが多く存在する。これらのアプリケーションに供される画像観察装置としては、近距離観察においても低視差である上記パララックスレスタイプのビデオシースルーＨＭＤの使用が適している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来より提案されている画像観察システムでは、肉眼観察時のピント位置と輻湊点位置の関係に倣って、撮像系ピント面と撮像系輻湊点を含む面を一致させていた。このような画像観察システムを上記のインタラクティブ性を重視したＭＲアプリケーションに適用して近距離空間の観察を行う場合には、撮像系のピント、輻湊点および表示系の虚像位置の全てが、例えば６０ｃｍ程度の近距離に設定される必要があった。この状態にすることにより、近距離の空間の観察においても鮮明な画像を観察者に提供することが可能となる。
【０００９】
他方、表示系の輻湊点を近距離に設定した場合、眼球の向きが常に近点に引き寄せられ、また、輻湊角が大きくなるために少し遠い領域（例えば１ｍ以上）では左右眼の視野が一致せず視野闘争が発生するために、観察者の眼への負担が非常に大きくなるという問題点を有することとなる。このため、眼への負担を軽減させる目的で、比較的に広い範囲を自然に観察可能とするため、撮像系のピント、輻湊点および表示系の虚像位置は典型的には観察者から２ｍ付近に設定されていた。
【００１０】
しかしながら、上記の結果、インタラクティブ性を重視したＭＲアプリケーションに適用される場合には、観察者が注視する近距離領域には撮像系の焦点が結ばれないため鮮明な観察が困難となる問題が解消されず、近距離においても低視差であるパララックスレスタイプの画像観察システムの利点を生かせなかった。
【００１１】
本発明は、外界の現実空間を撮像して再現する画像観察システムにおいて、観察者の近傍にある観察対象を観察する場合にも現実空間を歪み無く再現すると共に、鮮明な画像を観察者に提供することを可能とし、より自然に現実空間を再現可能な画像観察システムを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、第１の発明は、撮像素子及び外界の光線を該撮像素子上に導光する撮像光学系から構成される撮像系と、該撮像系で取得した外界像を表示する表示素子及び該表示素子からの光束を観察眼へ導く表示光学系から構成される表示系とを有する画像観察装置を一対設けた画像観察システムにおいて、該撮像光学系の入射瞳中心と、該撮像素子中心と該撮像光学系に関して共役である点を含む光軸を撮像系光軸とし、該表示光学系の射出瞳中心と、該表示素子中心と該表示光学系に関して共役である点を含む光軸を表示系光軸としたとき、該撮像系光軸と該表示系光軸が略一軸上に配置され、且つ各画像観察装置の該撮像系光軸は交点を形成しすると共に、該撮像素子面と該撮像光学系に関して共役な位置である撮像系焦点面は、該撮像系光軸の交点よりも観察者側にあることを特徴とした画像観察システムである。
【００１３】
また、第２の発明では、第１の発明において、前記撮像光学系は、所定の位置に前記撮像系焦点面を固定した固定焦点光学系であることを特徴としている。
【００１４】
また、第３の発明では、第１および第２の発明において、前記撮像系焦点面は観察者から１ｍ以内の距離に設定されていることを特徴としている。
【００１５】
また、第４の発明では、第１乃至第３の発明において、前記一対の画像観察装置の前記表示素子中心と表示光学系に関して共役な位置である各表示系中心画角虚像位置は、前記撮像系光軸の交点と略一致していることを特徴としている。
【００１６】
また、第５の発明では、第１乃至第３の発明において、前記一対の画像観察装置の前記表示素子中心と表示光学系に関して共役な位置である各表示系中心画角虚像位置は、前記撮像系光軸の交点よりも観察者側にあることを特徴としている。
【００１７】
また、第６の発明では、第５の発明において、前記表示系中心画角虚像位置と、前記撮像系光軸の交点との距離は０。３ディオプター以内であることを特徴としている。
【００１８】
また、第７の発明では、第１乃至第６の発明において、前記撮像系の撮像画角は、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。
【００１９】
また、第８の発明では、第１乃至第７の発明において、前記撮像光学系入射瞳から前記撮像系焦点面までの距離をＨ、前記撮像光学系の入射瞳の大きさをＤ、前記撮像光学系の焦点距離をｆ、前記撮像素子の１画素の大きさをａとしたとき、前記撮像光学系入射瞳から前記交点までの距離Ｌは次式を満足することを特徴としている。
【００２０】
【外１】
2004186740.tif 000003
【００２１】
また、第９の発明では、第１乃至第８の発明において、前記撮像系焦点面に垂直で前記撮像光学系の入射瞳中心を通る直線を撮像光学系光軸とし、前記虚像面に垂直で前記表示光学系射出瞳中心を通る直線を表示光学系光軸としたとき、前記一対の撮像系の外界側の撮像光学系光軸および前記一対の表示系の眼球側表示光学系光軸は各々平行で、その間隔は等しく、かつ前記一対の撮像素子は各々の撮像光学系光軸に対し水平方向に所定距離ずらして配置し、前記一対の表示素子も各々の表示光学系光軸に対し水平方向に所定距離ずらして配置することにより、前記一対の撮像系光軸の交点および前記一対の表示系光軸の交点を形成していることを特徴としている。
【００２２】
また、第１０の発明では、第１乃至第９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が有ることを特徴としている。
【００２３】
また、第１１の発明では、第１乃至第１０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。
【００２４】
また、第１２の発明では、第１乃至第１１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。
【００２５】
また、第１３の発明では、第１乃至第１２の発明において、画像を生成する画像生成手段及び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。
【００２６】
また、第１４の発明では、第１乃至第１３の発明において、前記撮像光学系の入射瞳位置を、前記表示光学系の射出瞳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。
【００２７】
また、第１５の発明では、第１乃至第１４の発明において、前記表示光学系の射出瞳位置に対する前記撮像光学系の入射瞳位置のずらし量をｄとしたとき  ｄ＜６０ｍｍを満足することを特徴としている。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による画像観察システムの構成を示す説明図である。本発明による画像観察システムは、表示系１０及び撮像系２０で構成される画像観察装置を左右眼用に一対設けている。図中においては、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。また、Ｅは観察眼を示す。
【００２９】
図１において、撮像系１０は撮像光学系１１と撮像素子１２で構成される。撮像系光軸１３は撮像素子中心１２Ｃと共役な点１２’Ｃと撮像光学系入射瞳中心１１Ｃとを含む直線である。撮像光学系１１の位置及び焦点距離等は、撮像素子１２の面と共役な面である撮像系１０のピント面１２’が後述する基準位置３０よりも観察者側になるように決められている。観察者とピント面１２’の距離は、画像観察システムの使用用途により適宜決定することが可能である。
【００３０】
図１において、表示系２０は表示光学系２１と表示素子２２で構成される。表示系光軸２３は表示素子中心２２Ｃと共役な点２２’Ｃと表示光学系射出瞳中心２１Ｃとを含む直線である。表示光学系２１の位置及び焦点距離等は、表示素子２２の表示内容の拡大虚像を後述する基準位置３０に形成するように決められている。
【００３１】
図１に示すように、撮像系光軸１３と表示系光軸２３は同一軸上に配置され、裸眼で観察している場合と画像観察装置を通して観察した場合の対象物体の位置などを一致させている。また、ミラー１５は撮像系光軸１３と表示系光軸２３をそれぞれ折り曲げ、撮像系１０と表示系２０の光路を分離している。
【００３２】
撮像素子中心１２Ｃは撮像光学系光軸上に配置され、また表示素子中心２２Ｃは表示光学系光軸上に配置される。画像観察システムは、このように構成される撮像系および表示系を含む左右眼用の画像観察装置の全体をそれぞれ角度θ傾けることにより、左右眼用の撮像系光軸１３Ｒ、１３Ｌと表示系光軸２３Ｒ、２３Ｌを角度θ傾け、外界側に設けた基準位置３０で交差するように構成されている。基準位置３０は例えば観察者から２ｍ先になるように設定される。
【００３３】
左右眼の各々の表示光学系２１は、表示素子２２と表示光学系２１に関して共役な面２２’である虚像スクリーンが基準位置３０を含む面に一致するように設定されている。これにより、表示素子２２からの光束はミラー１５、表示光学系２１により観察眼Ｅに導かれ、観察者には基準位置３０を含む面に表示素子２２の表示内容が虚像として認識される。
【００３４】
一方、撮像光学系１１は、撮像素子１２と撮像光学系１１に関して共役な面１２’であるピント面が基準位置３０よりも観察者側の位置になるように設定されている。撮影される対象物からの光線はミラー１５、撮像光学系１１により撮像素子１２に導かれて撮像される。
【００３５】
図２、３はそれぞれ、基準位置３０よりも観察者側に存在する外界空間の物体４０を撮像する場合と、観察者に対して表示する場合を示す説明図である。
【００３６】
図２において、外界空間の物体４０はミラー１５及び撮像光学系１１により撮像素子１２上に像４１として撮像される。この時、物体４０は基準位置３０よりも観察者側に存在するにも関わらず、上述のように撮像系１０のピント面１２’が基準位置３０よりも観察者側に設定されているため、撮像素子１２上に形成される像４１を鮮明にすることが可能である。また、基準位置３０を含む面上では、像４１は像４１’に対応し、像４１’は基準位置３０からＰの距離だけ隔たって位置する。
【００３７】
図３において、撮像系１０で撮像された物体４０は、表示素子２２上に像４２として表示される。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’は虚像スクリーン中心（基準位置）３０からＱだけ隔たった位置に観察される。
【００３８】
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することができる。この時、撮像画角と表示画角を一致させると、上記ＰとＱの距離は等しくなり、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。
【００３９】
以上示したような、虚像を提示するタイプの画像観察システムにおいて撮像系１０のピント面１２’が輻湊点と虚像スクリーンが設けられる基準位置３０よりも観察者に近い側に設定した場合においては、観察時の観察者の視線が形成する輻湊点の位置は虚像スクリーン位置に固定されることなく、肉眼で観察した場合の輻湊点に一致することが実験的に確認されている。
【００４０】
このため、以上の構成をとることにより、画像観察システムの輻湊点を観察者に近づけた場合に生じる観察空間の歪みを抑制して再現しながら、観察頻度の高い近距離領域においても鮮明な画像を観察者の眼球に負担をかけること無く提供することが可能となる。
【００４１】
図４は、本発明による画像観察システムの別の構成を示す説明図である。図４に示す画像観察システムは、図１と同様に、表示系１０及び撮像系２０で構成される画像観察装置を左右眼用に一対設けている。
【００４２】
図４に示すように、撮像系１０は撮像光学系１１と撮像素子１２で構成される。撮像系光軸１３は撮像光学系入射瞳中心１１Ｃおよび撮像素子中心１２Ｃと共役な点１２’Ｃとを含む直線である。撮像光学系光軸１４はピント面１２’に垂直で撮像光学系入射瞳中心１１Ｃを通る直線である。
【００４３】
また、表示系２０は表示光学系２１と表示素子２２で構成される。表示系光軸２３は表示光学系射出瞳中心２１Ｃおよび表示素子中心２２Ｃと共役な点２２Ｃ’を含む直線である。表示光学系光軸２４は表示素子２２と表示光学系２１に関して共役な面２２’（虚像スクリーン）に垂直で、表示光学系射出瞳中心２１Ｃを通る直線である。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２ｍ先に設定される基準位置３０を含む面に一致して形成するように位置及び焦点距離等が決められている。
【００４４】
ミラー１５は撮像系１０と表示系２０の光路を分離する。
【００４５】
各々の表示素子２２と表示光学系２１に関して共役な面２２’（虚像スクリーン）は、基準位置３０を含む面に一致している。表示素子２２の中心２２Ｃは、表示光学系光軸２４と表示素子２２の交点２４Ａに対し、ずらして設けてある。そのずらし量は、左右眼用表示系光軸２３Ｒ、２３Ｌが基準位置３０で交差するように設定される。ずらし方向は左右眼表示系で異なる。これにより、左右眼用表示系光軸２３Ｒ、２３Ｌはそれぞれ角度θ傾けられ、左右眼用表示系２０Ｒ、２０Ｌの虚像スクリーン２２’Ｒ、２２’Ｌは基準位置３０で一致する。なお、左右眼表示系光学系光軸２４Ｒ、２４Ｌは平行になるように設定されている。
【００４６】
撮像素子１２の中心１２Ｃは、撮像光学系光軸１４と撮像素子１２の交点１４Ａに対し、ずらして設けてある。そのずらし量は、左右眼用撮像系光軸１３Ｒ、１３Ｌが基準位置３０で交差するように設定される。ずらし方向は左右眼撮像系で異なる。これにより、左右眼用撮像系光軸１３Ｒ、１３Ｌはそれぞれ角度θ傾けられる。なお、左右眼撮像系光学系光軸１４Ｒ、１４Ｌは平行になるように設定されている。撮像光学系１１による撮像素子１２と共役な面１２’（ピント面）は基準位置３０よりも観察者側の位置にある。
【００４７】
図５、６はそれぞれ、基準位置３０よりも観察者側に存在する外界空間の物体４０を撮像した場合と、表示した場合とを示したものである。
【００４８】
図５において、外界空間の物体４０はミラー１５及び撮像光学系１１により撮像素子１２上に像４１として撮像される。この時、物体４０は基準位置３０よりも観察者側に存在するにも関わらず、上述のように撮像系１０のピント面１２’が基準位置３０よりも観察者側に設定されているため、撮像素子１２上に形成される像４１を鮮明にすることが可能である。また、基準位置３０を含む面上では、像４１は像４１’に対応し、像４１’は基準位置３０からＴの距離だけ隔たって位置する。
【００４９】
図６において、撮像系１０で撮像された物体４０は、表示素子２２上に像４２として表示される。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’は虚像スクリーン中心３０からＵだけ隔たった位置に観察される。
【００５０】
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することができる。この時、撮像画角と表示画角を一致させると、ＴとＵは等しくなり、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。
【００５１】
図４に示した実施例においても、図１に示した実施例と同様に撮像系１０のピント面１２’を基準位置３０よりも観察者側に設定することにより、画像観察システムの輻湊点を観察者に近づけた場合に生じる観察空間の歪みを抑制して再現しながら、観察頻度の高い近距離領域においても鮮明な画像を観察者に提供することが可能となる。
【００５２】
以上の実施例において、撮像光学系は、基準位置３０よりも観察者側の領域内で、公知の方法によりオートフォーカスを行っても良い。また、装置の複雑化を避けるために、基準位置３０よりも観察者側の領域内でピント面１２’を固定する所謂固定焦点光学系としても良く、このとき特にピント面１２’は観察者から１ｍ以内に設定することが好ましい。
【００５３】
また、このとき撮像光学系入射瞳から前記焦点面までの距離をＨ、撮像光学系の入射瞳の大きさをＤ、撮像光学系の焦点距離をｆ、撮像素子の１画素の大きさをａとしたとき、撮像光学系入射瞳から左右撮像系光軸の交点までの距離Ｌは次式を満足していることが望ましい。
【００５４】
【外２】
2004186740.tif 000004
【００５５】
上式を満足することにより、左右撮像系光軸の交点も撮像光学系の被写界深度内に入るため、観察領域のほぼ全域において良好な画像を観察者に提供することが可能となる。
【００５６】
いずれの場合においても、左右眼用の撮像光学系のピント面は一致していることが好ましい。
【００５７】
また、表示系の虚像スクリーン位置は、左右の表示系光軸交点を含む面に、必ずしも一致させる必要は無い。特に表示画角が広い場合、表示光学系の像面湾曲収差の影響で、周辺画角において視度が正の値（虚像スクリーン位置が負の位置）を取る場合があり、これを回避するため、中心画角における虚像位置を左右表示系光軸交点よりも観察者側に設定しても良い。この場合、観察時の輻湊と調節の矛盾を回避するために、虚像位置と光軸交点の距離の差は０。３ディオプター以内が望ましい。尚、１ディオプターは、−１／Ｌ（Ｌは距離［ｍ］）で表される値である。
【００５８】
次に本発明の具体的な実施例を示す。
【００５９】
（実施形態１）
図７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７は本実施形態の画像観察システムの左眼用画像観察装置ＷＬを示したものである。
【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。
【００６１】
表示系２０は表示系光学系光軸２４上に、ＬＣＤやＥＬパネルなどの表示素子２２、ハーフミラー２５、表示光学系である凹面ミラー２１を有する。撮像系１０は、撮像光学系光軸１４上に、ミラー１５、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を有する。
【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２２を射出した表示光は、ハーフミラー２５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と表示系光学系光軸２４の交点２６に対し、図４に示した構成になるように適当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。ここで撮像光学系光軸１４は、表示系光学系光軸２４と略一致させてある。撮像素子１２の中心は、撮像素子１２と撮像光学系光軸１４の交点１６に対し、図４に示した構成になるように適当量ずらして設定されている。また撮像光学系１１の入射瞳位置と表示光学系の射出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。
【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。
【００６６】
図８は本発明の画像観察システムを頭部に装着して使用する使用形態を示す図である。図８に示すように、本発明の画像観察システムは、図７の左眼用画像観察装置ＷＬと、対になる右眼用画像観察システムＷＲを、図４に示す様な関係で組み合わせて頭部に装着して使用する。これにより、図１〜６を用いて説明した理由により、現実空間を歪み無く再現しながらも、最も観察頻度の高い近距離領域において鮮明な画像を観察者に提供することができる。
【００６７】
（実施形態２）
図９は本発明の別の実施形態の要部概略図であり、本実施形態の画像観察システムの左眼用画像観察装置ＷＬを示したものである。
【００６８】
表示系２０は、ＬＣＤやＥＬパネルなどの表示素子２２、プリズム体で構成される表示光学系２１を有している。撮像系１０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。
【００６９】
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２２を射出した表示光は面２１１で屈折されつつプリズム体２１に入射し、臨界角以上の入射角度で面２１２に入射し全反射され、ミラー面２１３で反射されて再び臨界角以下の入射角度で面２１２に入射し屈折されつつプリズム体２１を射出し、観察眼Ｅに導かれる。プリズム体２１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２１は表示素子２２の拡大虚像を例えば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。
【００７０】
一方、外界からの光束は面１７１で屈折されつつプリズム１７に入射し、ミラー面１７２で反射され、臨界角以上の入射角度で面１７１に入射し全反射され、臨界角以下の入射角度で面１７２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１２上に結像される。撮像系１０の光軸１４は、表示系２０の光軸２４と略一致させてある。また撮像光学系の入射瞳位置と表示光学系の射出瞳位置を一致させている。
【００７１】
表示素子２２の中心は表示素子２２と光軸２４の交点２６に対し、また撮像素子１２の中心は撮像素子１２と光軸１４の交点１６に対し、図４に示した量ずらして設定されている。
【００７２】
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。
【００７３】
以上の構成により、図１〜６を用いて説明した理由により、現実空間を歪み無く再現しながらも、最も観察頻度の高い近距離領域において鮮明な画像を観察者に提供することができる。
【００７４】
図１０は本発明の別の実施形態の要部概略図であり、本実施形態の画像観察システムの左眼用画像観察装置ＷＬを示したものである。
【００７５】
図１０では、表示系２０の光軸の折り畳み（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されており、装置全体の小型化が可能となる。図１０において表示系２０及び撮像系１０は図９に示したもの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２４の交点２６に対し、また撮像素子１２の中心は撮像素子１２と光軸１４の交点１６に対し、図４に示した量ずらして設定されている。
【００７６】
（実施形態３）
図１１は本発明の別の実施形態の要部概略図であり、本実施形態の画像観察システムの左眼用画像観察装置ＷＬを示したものである。本実施形態は図１０に示す実施形態に比べ撮像系１０の形態に違いを有する。
【００７７】
図１１において表示系２０は図１０に示した実施形態と同じ機能を果たす。外界からの光束は面１９１で屈折されつつプリズム体１９に入射し、ミラー面１９２で反射され、臨界角以上の入射角度で面１９１に再び入射し全反射され、臨界角以下の入射角度で面１９３に入射し屈折されつつプリズム体１９を射出し、撮像素子１２上に結像される。
【００７８】
一方、撮像系１０に関して、プリズム体１９が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、光学的パワーを有した面が光軸に対して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ことができる。これにより、良好な光学特性を有しつつ、撮像系１０の小型化を図っている。
【００７９】
撮像素子１２の中心は撮像素子１２と光軸１４の交点１６に対し、図４に示した量ずらして設定されている。
【００８０】
（実施形態４）
図１２は本発明の別の実施形態の要部概略図であり、本実施形態の画像観察システムの左眼用画像観察装置ＷＬを示したものである。本実施形態は図１０に示す実施形態に比べ撮像系１０の形態に違いを有する。
【００８１】
図１２に示す実施形態は、プリズム１７’及び結像光学系１８で構成される撮像光学系の入射瞳位置を、表示光学系の射出瞳位置に対し、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、このように入射瞳位置を表示光学系の射出瞳位置に対して一定量だけずらして設定することにより、表示系により再現される空間は裸眼で観察する場合よりも大きなサイズで観察者に提示される。これにより、限られた視野で空間を再現した場合に、実質的に同じサイズで再現しているにも拘わらずに再現空間が小さく感じられる覗き込み効果を防ぐことが可能となる。
【００８２】
このように構成しても、図１〜６を用いて説明した理由により、現実空間を歪み無く再現しながらも、最も観察頻度の高い近距離領域において鮮明な画像を観察者に提供することができる。
【００８３】
図１３は本発明に係る画像観察システムに表示する表示内容についての概念図である。
【００８４】
以上で説明した各実施形態において、図１３（ａ）に示すように、表示素子２２に表示する画像は撮像系１０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１３（ｂ）に示すように撮像系１０で取得した外界画像情報に、別に設ける画像生成手段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。
【００８５】
また図７〜１２の各実施形態においては、図４で説明したような、表示素子および撮像素子をそれぞれの光学系光軸に対してずらして配置させた場合について説明したが、図１に示したように、撮像素子中心を撮像光学系光軸上に、また表示素子中心を表示光学系光軸上にそれぞれ配置し、撮像系および表示系全体を角度θ傾けることにより、左右眼用の撮像系光軸と表示系光軸を角度θ傾けて、外界側に設けた基準位置で交差するように構成しても良い。
【００８６】
また以上の実施例においては、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。
【００８７】
【発明の効果】
以上のように構成することにより、観察者の近傍にある観察対象を観察する場合にも現実空間を歪み無く再現すると共に、鮮明な画像を観察者に提供することが可能となり、より自然に現実空間を再現可能な画像観察システムを提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による画像観察システムの構成を示す説明図
【図２】図１で基準位置よりも観察者側の物体を撮像する場合を示す説明図
【図３】図１で基準位置よりも観察者側の物体を観察者に表示する場合を示す説明図
【図４】本発明による画像観察システムの別の構成を示す説明図
【図５】図４で基準位置よりも観察者側の物体を撮像する場合を示す説明図
【図６】図４で基準位置よりも観察者側の物体を観察者に表示する場合を示す説明図
【図７】本発明の画像観察システムの実施形態１の要部概略図
【図８】本発明の画像観察システムを頭部に装着して使用する使用形態を示す図
【図９】本発明の別の実施形態の要部概略図
【図１０】本発明の別の実施形態の要部概略図
【図１１】本発明の別の実施形態の要部概略図
【図１２】本発明の別の実施形態の要部概略図
【図１３】本発明に係る画像観察システムに表示する表示内容についての概念図
【符号の説明】
１０  撮像系
１１  撮像光学系
１１Ｃ  撮像光学系入射瞳中心
１２  撮像素子
１２’  撮像系のピント面
１３  撮像系光軸
１４  撮像光学系光軸
１５  ミラー
１７、１７’  プリズム体
１８  結像光学系
１９  プリズム体
２０  表示系
２１  表示光学系
２２  表示素子
２２’  虚像スクリーン
２３  表示系光軸
２４  表示系光学系光軸
２５  ハーフミラー
３０  基準位置
４０  外界空間の物体
４１  撮像素子上に形成される像
６０  画像生成手段
６１  画像合成手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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