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Dokumentenidentifikation DE60031348T2 12.04.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001098217
Titel Bild-Beobachtungsvorrichtung und Bild-Beobachtungssystem
Anmelder Canon K.K., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Takagi, Mixed Reality Systems Lab. Inc., Akinari, Yokohama-shi, Kanagawa-ken, JP;
Yamazaki, Mixed Reality Systems Lab. Inc., Shoichi, Yokohama-shi, Kanagawa-ken, JP
Vertreter TBK-Patent, 80336 München
DE-Aktenzeichen 60031348
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 07.09.2000
EP-Aktenzeichen 001196070
EP-Offenlegungsdatum 09.05.2001
EP date of grant 18.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse G02B 27/01(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G02B 23/12(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Fachgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Bild-Beobachtungsvorrichtungen und Bild-Beobachtungssysteme, und ist beispielsweise in bevorzugter Weise bei Bild-Beobachtungsvorrichtungen und Bild-Beobachtungssystemen anwendbar, die derart aufgebaut sind, dass eine mittels eines optischen Bild-Aufnahmesystems (Bild-Aufnahmesystem) erfasste Außenszene (ein Außenbild oder Außeninformation) auf einer Anzeigevorrichtung (Bild-Anzeigeeinrichtung) angezeigt wird, um es einem Beobachter zu gestatten, sie zu betrachten, oder die Erfindung ist anwendbar bei Bild-Beobachtungsvorrichtungen und Bild-Beobachtungssystemen, die zu dem Zwecke ausgelegt sind, den Beobachter in die Lage zu versetzen, verschiedene Pseudo-Wahrnehmungen zu haben, während ein mittels eines Computers oder dergleichen künstlich erzeugtes Bild (virtuelles Bild) oder ein mittels eines Videosystems oder dergleichen aufgezeichnetes Bild über die reelle Szene (Außeninformation) auf der Bild-Anzeigeeinrichtung angezeigt wird.

Stand der Technik

Es gibt herkömmlich bekannte Bild-Beobachtungsvorrichtungen, die derart aufgebaut sind, dass mittels einer Bild-Aufnahmevorrichtung, wie etwa einer CCD-Kamera oder dergleichen, das Außenbild (Außeninformation) in ein elektrisches Signal umgewandelt, auf einer Anzeigevorrichtung (Anzeigeeinrichtung), wie etwa einer CRT, einer LCD oder dergleichen, angezeigt, und der Beobachter in die Lage versetzt wird, das Außenbild durch ein optisches Okularsystem so zu betrachten (eine solche Beobachtung bzw. Betrachtung wird von nun an als „Video-Durchsicht-Betrachtung" bezeichnet), als wenn er oder sie die Außenszene mit dem bloßen Auge beobachten würde.

Ebenso gibt es jene Bild-Beobachtungsvorrichtungen, die in solch einem Aufbau beabsichtigt sind, dass das mittels der Kamera aufgenommene Außenbild in Kombination mit dem mittels Computergraphiken oder dergleichen erzeugten Bild oder mit einem mittels des Video-Systems oder dergleichen aufgezeichneten Bild angezeigt wird, um derart den Beobachter in die Lage zu versetzen, eine künstliche Bildszene des reellen Raumes und des virtuellen Raumes zu betrachten.

In den Bild-Beobachtungsvorrichtungen mit diesen Anordnungen ist die optische Außen-Achse des optischen Bild-Aufnahmesystems des Bild-Aufnahmesystems mit der optischen Sicht-Achse des optischen Okularsystems des Anzeigesystems ausgerichtet, und die Eintrittspupille des optischen Bild-Aufnahmesystems ist bei der Position angeordnet, die der Eintrittspupille des optischen Okularsystems entspricht, um Positionen von Objekten etc. in der Beobachtungsrichtung mit jenen in der Betrachtung mit dem bloßen Auge anzugleichen.

Jedoch ist es experimentell bestätigt, dass, wenn das optische Bild-Aufnahmesystem bei der exakt äquivalenten Position gegenüber dem optischen Okularsystem angeordnet ist, das Problem dahingehend auftritt, dass ein auf der Bild-Anzeigeeinrichtung angezeigtes Objekt in der Größe kleiner als das in der Betrachtung des Außenbildes mit dem bloßen Auge wahrgenommen wird.

28 stellt die Ergebnisse von Experimenten für den Vergleich zwischen wahrgenommenen Größen bei der Betrachtung mit dem bloßen Auge und bei der Video-Durchsicht-Betrachtung mit einer Vorrichtung dar, in welcher das optische Bild-Aufnahmesystem bei der exakt äquivalenten optischen Position relativ zu dem optischen Okularsystem angeordnet ist, wo ein Objekt einer bestimmten Größe bei verschiedenen Entfernungen betrachtet wurde. 28 zeigt eine graphische Darstellung der wahrgenommenen Größe des Objektes gegenüber der Entfernung zu dem Objekt.

In 28 stellt die durchgezogene Linie die Ergebnisse bei der Betrachtung mit dem bloßen Auge und die gestrichelte Linie die Ergebnisse bei der Video-Durchsicht-Betrachtung dar. Es wird verstanden, dass das Objekt bei der Video-Durchsicht-Betrachtung in der Größe deutlich kleiner als das bei der Betrachtung mit dem bloßen Auge wahrgenommen wird.

23 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil eines herkömmlichen Bild-Beobachtungssystems zu zeigen, in welchem ein Paar von Bild-Beobachtungsvorrichtungen für das linke und das rechte Auge des Beobachters vorgesehen sind, wobei jede Bild-Beobachtungsvorrichtung das Bild-Aufnahmesystem und das Anzeigesystem aufweist. In der Zeichnung sind die Elemente für das linke Auge mit dem Suffix L und die Elemente für das rechte Auge mit dem Suffix R gekennzeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass in der nachfolgenden Beschreibung auf die Suffixe L, R, die die Elemente für das linke und rechte Auge anzeigen, verzichtet wurde.

In der 23 besteht jedes Bild-Aufnahmesystem 100 aus einem optischen Bild-Aufnahmesystem 101 sowie einer Bild-Aufnahmevorrichtung 102, und die Bezugsziffer 103 bezeichnet die optische Außen-Achse des optischen Bild-Aufnahmesystems. Ein Spiegel 104 trennt optische Wege des Anzeigesystems 110 von den Wegen des Bild-Aufnahmesystems 100. Jedes Anzeigesystem 110 besteht aus einem optischen Anzeigesystem 111 sowie einem Anzeigeelement 112, und die Bezugsziffer 113 bezeichnet die optische Sicht-Achse des optischen Anzeigesystems.

Für das linke und rechte Auge ist ein Paar solcher Bild-Beobachtungsvorrichtungen vorgesehen, wobei jede Bild-Beobachtungsvorrichtung aus dem Bild-Aufnahmesystem 100 und dem Anzeigesystem 110 besteht. Die Bezugsziffer E stellt die Beobachtungsaugen dar.

Die in der 23 gezeigten Bild-Aufnahmesysteme 100 und die Anzeigesysteme 110 sind derart aufgebaut, dass die Mitte 102C der Bild-Aufnahmevorrichtung 102 und die optische Achse 103 des optischen Bild-Aufnahmesystems 110 an der Mitte 112C des Anzeigeelements 112 und an die optischen Achse 113 des optischen Anzeigesystems angeglichen sind, und dass die optischen Achsen 103R, 103L der optischen Bild-Aufnahmesysteme für das linke und rechte Auge und die optischen Achsen 113R, 113L der optischen Anzeigesystem um den Winkel &thgr; derart geneigt sind, um sich bei einer in der Außenszene angeordneten Referenzposition 120 zu schneiden.

Eine Ebene 112' (Anzeigeschirm des virtuellen Bildes) in Konjugation mit dem Anzeigeelement 112 hinsichtlich jedes optischen Anzeigesystems 111 ist mit einer Ebene 102' (Brennebene) in Konjugation mit der Bild-Aufnahmevorrichtung 102 hinsichtlich des optischen Bild-Aufnahmesystems 101 angepasst, und Mitten-Positionen 102C', 112C' der entsprechenden Ebenen sind bei der Referenzposition 120 angepasst. Die Mitten-Positionen für das linke und rechte Auge passen ebenso bei der Referenzposition 120 zusammen.

24 und 25 zeigen eine Situation, in welcher mit dem in der 23 dargestellten Bild-Beobachtungssystem mittels der Bild-Aufnahmesysteme 100 das Objekt 130 in dem Außenraum abgebildet wird, um mit den Anzeigesystemen 110 angezeigt zu werden, und in welcher der Beobachter das Objekt-Bild betrachtet.

In der 24 liegt das Objekt 130 in dem Außenraum über den Spiegeln 104 und den optischen Bild-Aufnahmesystemen 101 im Fokus der Bild-Aufnahmevorrichtungen 102, um hierauf Bilder 131, die aufgenommen werden müssen, auszubilden. Die Position von jedem Bild entspricht einem Bild-Punkt 131' auf der Brennebene 102', die mit der Bild-Aufnahmevorrichtungen 102 konjugiert, und sie liegt um eine Entfernung P von der Mitte 120 der Brennebene entfernt vor.

Das mit dem zugehörigen Aufnahmesystem 100 aufgenommene Bild 131 des Objektes 130 wird, wie es in der 25 dargestellt ist, auf jedem Anzeigeelement 112 als Bild 132 angezeigt. In der 25 wird Licht von jedem Anzeigeelement 112 mit dem Spiegel 104 und dem optischen Anzeigesystem 111 zu dem Beobachtungsauge E geführt. Jedes Beobachtungsauge E betrachtet auf dem Anzeigeschirm 112' für das virtuelle Bild, der mit dem Anzeigeelement 112 konjugiert, das entsprechende Bild 132 als Bild 132'. Die Position 132' liegt um eine Entfernung Q von der Mitte 120 des Anzeigeschirmes für das virtuelle Bild entfernt vor.

Der Beobachter betrachtet das Bild 132'R mit dem rechten Auge ER und das Bild 132'L mit dem linken Auge EL. Dieses gestattet es dem Beobachter, das Objekt 132 so zu betrachten, als ob es tatsächlich bei einem Schnittpunkt 134 zwischen der virtuellen Achse 133R des rechten Auges ER und der virtuellen Achse 133L des linken Auges EL vorhanden wäre. Gleichzeitig, wenn die Eintrittspupillenposition von jedem optischen Bild-Aufnahmesystem 101 mit der Eintrittspupillenposition des entsprechenden Beobachtungsauges E zusammenpasst und wenn der Bild-Aufnahmesichtwinkel und der Anzeige-Sichtwinkel gleichgesetzt sind, passen die Position und Größe der Brennebene 102' von jedem Bild-Aufnahmesystem mit denen des Anzeigeschirmes 112' für das virtuelle Bild des zugehörigen Anzeigesystems zusammen, so dass die Entfernung P gleich der Entfernung Q wird. Von daher wird die Position des Schnittpunktes 134 die gleiche Position wie die tatsächliche Position des Objektes 130 in dem Außenraum, und die reproduzierte Objekt-Größe wird ebenso gleich jener Größe des Objektes 130.

Wenn in dem in der 23 dargestellten Bild-Beobachtungssystem die optischen Bild-Aufnahmesysteme 101 die Zoom-Funktion aufweisen oder wenn die Bildvergrößerung unter Verwendung eines elektronischen Zooms oder dergleichen verändert wird, werden Fälle auftreten, in welchen der reproduzierte Raum verzerrt ist, oder es werden Fälle auftreten, in welchen es dem Beobachter misslingt, die Verschmelzung der Bilder für das linke und rechte Auge zu bewirken.

Dieses Phänomen wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 26, 27A und 27B beschrieben. 26 zeigt einen Beobachtungsfall, wo, wie in der 24 dargestellt, die mit den Bild-Aufnahmesystemen 100 erfassten, aufgenommenen Bilder des Objektes 130 in dem Außenraum bei der zweifachen Verstärkung auf den Anzeigeelementen zum Beobachten angezeigt werden. Die Entfernungen S von der Schirmmitte 120 der Anzeigebilder 135' auf den Anzeigeschirmen 112' des virtuellen Bildes sind zweimal die Entfernungen Q in der 25. Genau wie in dem Fall der 25 kann der Beobachter das Objekt 130 so betrachten, als ob es tatsächlich bei dem Schnittpunkt 137 zwischen der visuellen Achse 136R des rechten Auges ER und der visuellen Achse 136L des linken Auges EL vorhanden wäre. Der Beobachter kann das Objekt so betrachten, als ob er oder sie näher zu dem Objekt wären oder als ob das Objekt größer würde.

Jedoch können sich die Sicht-Achsen des linken und rechten Auges nur dann einander schneiden (oder das linke und rechte Bild kann verschmelzen), wenn sich das Bild 130 innerhalb der X-Z-Ebene (Y = 0) befindet. 27A ist ein Y-Z-Schnitt in dem in der 25 gezeigten Zustand, und 27B ist ein Y-Z-Schnitt in dem in der 26 gezeigten Zustand. In der 27A und der 27B zeigen die an Q und S angefügten Suffixe y, z jeweils eine Y-Richtungskomponente und eine Z-Richtungskomponente hiervon an.

Wie in der 27A dargestellt, wo die Bilder mit den Bild-Aufnahmesystemen ohne Verwendung der Zoom-Funktion aufgenommen werden, um mit den Anzeigesystemen angezeigt und betrachtet zu werden, stimmen die Sicht-Achsen 133R, 133L des linken und rechten Auges ER, EL in der Y-Z-Ebene überein und überschneiden sich von daher, und zwar selbst wenn das Objekt 130 nicht in der X-Z-Ebene vorhanden ist (Qy ≠ 0). Wenn jedoch, wie es in der 27B gezeigt ist, die Zoom-Funktion verwendet wird, stimmen die Sicht-Achsen 136R, 136L des linken und rechten Auges ER, EL in der Y-Z-Ebene nicht überein, und von daher schneiden sie sich nicht. Eine Abweichung ist, sofern sie klein ist, bis zu einem gewissen Grad zugelassen, jedoch wird dies eine Ermüdung des Beobachters und eine Verzerrung des reproduzierten Raumes einführen. Bei großen Abweichungen wird das Problem des Misslingens der Verschmelzung des linken und rechten Bildes entstehen.

Nicht nur in den Fällen, welche die Zoom-Funktion verwenden, sondern auch in den Fällen, in welchen aufgrund von Auslegungsfaktoren, Herstellungsfehlern, etc. der Bild-Aufnahmesichtwinkel nicht mit dem Anzeige-Sichtwinkel übereinstimmt, wird das zuvor erwähnte Problem entstehen.

Die Druckschrift US-A-5 933 279 offenbart eine optische Vorrichtung, die eine Anzeige zum Anzeigen von Bild-Information, ein optisches Anzeigesystem mit einer Vielzahl von Reflexionsflächen zum Führen eines Lichtstrahles von der Anzeige zu einem Augapfel eines Beobachters, einen Bildsensor, ein optisches Bild-Aufnahmesystem mit einer Vielzahl von Reflexionsflächen zum Fokussieren eines Lichtstrahles von einem externen Feld, um ein Bild auf dem Bildsensor auszubilden, sowie eine optische Weg-Trennfläche zum Auftrennen eines optischen Weges in dem optischen Anzeigesystem und eines optischen Weges in dem optischen Bild-Aufnahmesystem voneinander in entgegengesetzte Richtungen aufweist. Auf der Anzeige bereitgestellte Bild-Information kann von dem Beobachter betrachtet und eine Außenszene in dem Bildsensor aufgenommen werden. Die von dem Bildsensor erzielte Bild-Information und zusätzliche Bild-Information, wie etwa Computergraphiken, können übereinander gelagert und auf der Anzeige angezeigt werden. Eine optische Sicht-Achse des Lichtstrahles, der von dem optischen Anzeigesystem kommt und zu dem Augapfel läuft, oder eine virtuelle optische Sicht-Achse, die erzielt wird, indem die optische Sicht-Achse verlängert wird, stimmt im wesentlichen mit einer optischen Außenszenen-Achse des Lichtstrahles überein, der von dem externen Feld kommt und auf das optische Bild-Aufnahmesystem einfällt. Die Vielzahl der Reflexionsflächen in sowohl dem optischen Anzeigesystem als auch dem optischen Bild-Aufnahmesystem sind derart ausgeführt, dass sie dezentrierte Flächen mit Krümmungen sind. Jede der Vielzahl der dezentrierten Reflexionsflächen mit Krümmungen ist als Fläche mit Strahlbrechkraft ausgeführt, wobei sich die Strahlbrechkraft mit Azimut-Winkeln um einen Scheitelpunkt hiervon unterscheidet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Bild-Beobachtungsvorrichtung bereitzustellen, die es dem Beobachter gestattet, die Außenszene in gleicher Größe bei der Video-Durchsicht-Betrachtung und bei der Betrachtung mit dem bloßen Auge zu betrachten.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe mit einer Bild-Beobachtungsvorrichtung nach Anspruch 1 sowie mit einem Bild-Beobachtungssystem nach Anspruch 8 gelöst.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Bild-Beobachtungsvorrichtung vorgesehen, welche die Abmessung der gesamten Vorrichtung herabsetzen kann, um derart die Last auf den Beobachter zu reduzieren, wenn die Vorrichtung auf dem Kopf montiert ist.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Bild-Beobachtungsvorrichtung vorgesehen, in welcher das Bild-Aufnahmesystem aus einem Prisma mit einer Fläche, die eine Übertragungswirkung und eine nach innen gerichtete, total reflektierende Wirkung bzw. Innen-Totalreflexionswirkung aufweist, wodurch es gestattet wird, die gesamte Vorrichtung in der Größe zu reduzieren, das Außenlicht effizient zu der Bild-Aufnahmevorrichtung zu führen und auf einfache Weise ein lichtstarkes Außenbild zu erzielen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zu zeigen;

2 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zu zeigen;

3 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil der Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zu zeigen;

4 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil einer Bild-Beobachtungsvorrichtung zum Vergleich mit der vorliegenden Erfindung zu zeigen;

5 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil einer Modifikation zu zeigen, die erzielt wird, indem ein Teil der Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung modifiziert wird;

6 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil der Modifikation zu zeigen, die erzielt wird, indem ein Teil der Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung modifiziert wird;

7 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil der Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zu zeigen;

8A und 8B sind Blockdiagramme, um den Hauptteil eines Signalverarbeitungs-Verfahrensschrittes in der Bild-Beobachtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung zu zeigen;

9 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil eines Bild-Beobachtungssystems der vorliegenden Erfindung zu zeigen;

10 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil der herkömmlichen Bild-Beobachtungsvorrichtung zu zeigen;

11 ist eine erläuternde Darstellung, um das Basiskonzept des Bild-Beobachtungssystems der vorliegenden Erfindung zu zeigen;

12 ist eine erläuternde Darstellung, um die Bild-Aufnahmesysteme der 11 zu zeigen;

13 ist eine erläuternde Darstellung, um die Anzeigesysteme der 11 zu zeigen;

14 ist eine erläuternde Darstellung, um die Bild-Aufnahmesysteme der 11 zu zeigen;

15A und 15B sind erläuternde Darstellungen, um die Anzeigesysteme der 11 zu zeigen;

16 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil eines nicht beanspruchten Beispiels 1 des Bild-Beobachtungssystems zu zeigen;

17 ist eine Darstellung des Erscheinungsbildes, um das Erscheinungsbild des Bild-Beobachtungssystems zu zeigen;

18 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil eines nicht beanspruchten Beispiels 2 des Bild-Beobachtungssystems zu zeigen;

19 ist eine erläuternde Darstellung, um eine Modifikation zu zeigen, die erzielt wird, indem ein Teil des nicht beanspruchten Beispiels 2 des Bild-Beobachtungssystems modifiziert wird;

20 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil eines nicht beanspruchten Beispiels 3 des Bild-Beobachtungssystems zu zeigen;

21 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil eines nicht beanspruchten Beispiels 4 des Bild-Beobachtungssystems zu zeigen;

22A und 22B sind schematische Darstellungen, um den Hauptteil des Signalverarbeitungs-Verfahrensschrittes in der Bild-Beobachtungsvorrichtung und dem Bild-Beobachtungssystem zu zeigen;

23 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil des herkömmlichen Bild-Beobachtungssystems zu zeigen;

24 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil des herkömmlichen Bild-Beobachtungssystems zu zeigen;

25 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil des herkömmlichen Bild-Beobachtungssystems zu zeigen;

26 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil des herkömmlichen Bild-Beobachtungssystems zu zeigen;

27A und 27B sind schematische Darstellungen, um den Hauptteil des herkömmlichen Bild-Beobachtungssystems zu zeigen; und

28 ist eine erläuternde Darstellung, um die Größen des Objektes zu zeigen, die bei der Betrachtung mit dem bloßen Auge und bei der Video-Durchsicht-Betrachtung wahrgenommen werden.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN (Ausführungsform 1)

1 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil der Ausführungsform 1 der Bild-Beobachtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu zeigen. Die Bild-Beobachtungsvorrichtung S gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist ein Anzeigesystem 210 zum Führen von auf einer Anzeigeeinrichtung 211 angezeigten Bild-Information zu einem Beobachtungsauge E sowie ein Bild-Aufnahmesystem 220 zum Darstellen von Bild-Information OB in der Außenszene auf einer Bild-Aufnahmevorrichtung 223 auf. Die mit dem Bild-Aufnahmesystem 220 erfasste Bild-Information wird einer Signalverarbeitung mit einer Signalverarbeitungseinrichtung SP unterworfen, um in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden, und wird danach auf der Anzeigeeinrichtung 211 des Anzeigesystems 210 zusammen mit der anderen Bild-Information, die auf der Anzeigeeinrichtung 211 angezeigt wird, angezeigt, um mit dem Beobachtungsauge E betrachtet zu werden.

Das Anzeigesystem 210 weist die Anzeigeeinrichtung 211, wie etwa eine LCD, ein EL-Panel oder dergleichen, ein optisches Okularsystem 212 sowie einen Spiegel 213 auf. Das Bild-Aufnahmesystem 220 weist den Spiegel 213, ein optisches Bild-Aufnahmesystem 221 mit einer positiven optischen Strahlbrechkraft sowie die Bild-Aufnahmevorrichtung 223, wie etwa eine CCD oder dergleichen, auf.

Zunächst wird nachfolgend der Aufbau des Anzeigesystems 210 beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform läuft Anzeigelicht, das auf der Bild-Information basiert und von der Anzeigeeinrichtung 211 austritt, die beispielsweise aus einem Hintergrundlicht, einem Polarisator, einer durchlässigen Flüssigkristall-Vorrichtung, etc. besteht, durch das optische Okularsystem 212 und wird an einer Fläche 213a des Spiegels 213 an der Seite des Anzeigesystems 210 reflektiert, um zu der Eintrittspupille P des Beobachtungsauges E geführt zu werden. Die Position, die Brennweite, etc. des optischen Okularsystems 212 sind derart festgelegt, um ein vergrößertes virtuelles Bild der Anzeigeelementen-Fläche der Anzeigeeinrichtung 211, beispielsweise 2 m voraus zu bilden, und die Position der Austrittspupille des optischen Okularsystems 212 passt mit der Position der Eintrittspupille P des Beobachtungsauges E zusammen.

Als nächstes wird das Bild-Aufnahmesystem 220 beschrieben. Licht von dem Objekt OB in der Außenszene wird an einer Fläche 213b des Spiegels 213 an der Seite des Bild-Aufnahmesystems 220 reflektiert, um mittels des optischen Bild-Aufnahmesystems 221 auf die Bild-Aufnahmevorrichtung 223 fokussiert zu werden. Die optische Außen-Achse O2 des Bild-Aufnahmesystems 220 ist in etwa mit einer Verlängerung der optischen Achse O1 des Anzeigesystems 210 an der Seite des Beobachtungsauges E ausgerichtet. Die Bezugsziffer 222 bezeichnet eine Eintrittspupille des optischen Abbildungssystems 221.

Die mit dem Bild-Aufnahmesystem 220 aufgenommene Außenbildinformation wird mit der Signal-Verarbeitungseinrichtung SP verarbeitet, um in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden, und danach auf der Anzeigeeinrichtung 211 angezeigt und mittels des Anzeigesystems 210 zu dem Beobachtungsauge E geführt. Die Vorrichtung ist derart aufgebaut, um es dem Beobachter zu gestatten, das Außen-Objekt OB so zu betrachten, als ob es mit dem bloßen Auge gesehen wird.

Im einzelnen passt gleichzeitig etwa der Bild-Aufnahmesichtwinkel des mittels des Bild-Aufnahmesystems 220 aufgenommenen Außenbildes (der über die Größe der Bild-Aufnahmevorrichtung 223, der Brennweite des optischen Abbildungssystems 221 und der positionellen Beziehung hierzwischen festgelegt wird) mit dem Anzeige-Sichtwinkel des Anzeigesystems 210 (der durch die Größe des Anzeigeelementes der Anzeigeeinrichtung 211, der Brennweite des optischen Okularsystems 212 und der positionellen Beziehung hierzwischen festgelegt wird) zusammen, wodurch eine Außenszene-Beobachtungsvergrößerung bei der Video-Durchsicht-Betrachtung (um die Bild-Information auf der Anzeigeeinrichtung 211 zu betrachten) gleich der Vergrößerung bei der Betrachtung mit dem bloßen Auge gesetzt wird.

In der vorliegenden Ausführungsform liegt eine andere potentielle Konfiguration derart vor, dass der Bild-Aufnahmesichtwinkel des Bild-Aufnahmesystems 220 vorher etwas größer als der Anzeige-Sichtwinkel des Anzeigesystems 210 eingestellt ist, ein Teil des mit dem Bild-Aufnahmesystems aufgenommenen Außenbildes abgeschnitten wird, um derart den Sichtwinkel gleich dem Anzeige-Sichtwinkel des Anzeigesystems zu setzen, und das derart abgeschnittene Außenbild auf der Anzeigeeinrichtung 211 des Anzeigesystems 210 angezeigt wird, wodurch eine 1:1-Betrachtung der beiden Bilder zugelassen wird.

10 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil einer herkömmlichen Bild-Beobachtungsvorrichtung zu zeigen.

Die Elemente, welche die gleichen Funktionen aufweisen, wie jene in der 1 dargestellten vorliegenden Ausführungsform, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf ihre Beschreibung wird hierin verzichtet.

Wie in der 10 gezeigt, ist die herkömmliche Bild-Beobachtungsvorrichtung derart aufgebaut, dass die Eintrittspupille 222 des optischen Abbildungssystems 221 des Bild-Aufnahmesystems 220 bei der Position angeordnet ist, die optisch äquivalent zu der Eintrittspupille P des Beobachtungsauges E ist. Die Bezugsziffer 222' bezeichnet ein Spiegelbild der Eintrittspupille 222 des mit dem Spiegel 213 gebildeten optischen Abbildungssystems 221. Wenn die Außenszene, wie auf der Anzeigeeinrichtung 211 mit der Vorrichtung von diesem Aufbau angezeigt, betrachtet wird, besteht das Problem darin, dass das Objekt OB, welches in der Außenszene existiert, in der Größe etwas kleiner als das in dem Fall der Betrachtung mit dem bloßen Auge wahrgenommen wird.

Um dieses Problem zu lösen, verwendet die vorliegende Erfindung eine solche Anordnung, dass das optische Abbildungssystem 221 und die Bild-Aufnahmevorrichtung 223 des Bild-Aufnahmesystems 220 von ihren Positionen in der herkömmlichen Vorrichtung (10) in Richtung der Außenseite verschoben werden (das heißt, sie werden in Richtung des Spiegels 213 bewegt), wie es in der 1 gezeigt ist; das heißt, die Position der Eintrittspupille 222 des optischen Bild-Aufnahmesystems 221 des Bild-Aufnahmesystems 220 wird um einen Verschiebungsbetrag d in Richtung der Außenseite bis zu einem Punkt 222' relativ zu der Eintrittspupillen-Position P des optischen Okularsystems des Beobachters verschoben, wodurch das Problem gelöst wird.

Diese Konfiguration erlaubt es, dass die Wahrnehmung der Größe des Objektes mit der bei der Betrachtung mit dem bloßen Auge übereinstimmt, während die positionelle Beziehung des Außenraumes beibehalten wird, wodurch es gestattet wird, dass die Außenszene ohne ein unangenehmes Gefühl betrachtet werden kann. Da die optischen Elemente in der Nähe der Eintrittspupille P angeordnet werden können, können die optischen Systeme in einem kompakten Aufbau realisiert werden.

Wenn in der vorliegenden Ausführungsform dieser Verschiebungsbetrag d zu groß gesetzt wird, wird es außerordentlich das Gefühl der Entfernung des Objektes in dem Raum der Entfernung nahe zu dem Beobachter bewirken (beispielsweise innerhalb etwa 300 mm), wodurch der Beobachter den Eindruck gewinnt, dass das Objekt bei der Position angeordnet ist, die näher als bei der Betrachtung mit dem bloßen Auge ist.

Von daher ist es erstrebenswert, dass der Verschiebungsbetrag d nicht größer als 60 mm, und in bevorzugter Weise nicht geringer als 5 mm und nicht größer als 60 mm ist. Wenn in der Praxis der Verschiebungsbetrag d in dem Bereich von nicht geringer als 10 mm und nicht größer als 40 mm gesetzt ist, wird der Einfluss auf die Wahrnehmung der Entfernung kaum bemerkt.

(Ausführungsform 2)

2 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil der Ausführungsform 2 der Bild-Beobachtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu zeigen. Die Bild-Beobachtungsvorrichtung S gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist das Anzeigesystem 230 zum Führen der auf der Anzeigeeinrichtung 231 angezeigten Bild-Information zu dem Beobachtungsauge E sowie das Bild-Aufnahmesystem 240 zum Darstellen der Bild-Information der Außenszene auf der Bild-Aufnahmevorrichtung 244 auf. Die mit dem Bild-Aufnahmesystem 240 erfasste Bild-Information wird mit der Signal-Verarbeitungseinrichtung SP verarbeitet, um in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden, und danach auf der Anzeigeeinrichtung 231 des Anzeigesystems 230 zusammen mit der anderen auf der Anzeigeeinrichtung 231 angezeigten Bild-Information angezeigt, um mit dem Beobachtungsauge E betrachtet zu werden.

Das Anzeigesystem 230 weist die Anzeigeeinrichtung 231, wie etwa die LCD, das EL-Panel oder dergleichen, einen halbverspiegelten Spiegel 232 sowie einen konkaven Spiegel (optisches Okularsystem) 233 mit einer sphärischen Fläche, einer asphärischen Fläche oder dergleichen auf. Das Bild-Aufnahmesystem 240 weist einen Spiegel 241, das optische Bild-Aufnahmesystem (optisches Element) 242 mit einer positiven optischen Strahlbrechkraft sowie die Bild-Aufnahmevorrichtung 244, wie etwa die CCD oder dergleichen, auf.

In der vorliegenden Ausführungsform wird das Anzeigelicht, welches auf der Bild-Information basiert und von der Anzeigeeinrichtung 231 austritt, die beispielsweise aus dem Hintergrundlicht, dem Polarisator, dem durchlässigen Flüssigkristallelement etc. besteht, teilweise an dem halbverspiegelten Spiegel 232 reflektiert, das reflektierte Licht wird dann an dem konkaven Spiegel 233 reflektiert und dann teilweise durch den halbverspiegelten Spiegel 232 übertragen, um zu der Eintrittspupille P des Beobachtungsauges E geführt zu werden. Die Position, die Brennweite, etc. des konkaven Spiegels 233 sind derart festgelegt, um ein vergrößertes virtuelles Bild der Anzeigeelementen-Fläche der Anzeigeeinrichtung 231 beispielsweise 2 m voraus zu bilden, und die Austrittspupille hiervon passt mit der Eintrittspupille P des Beobachtungsauges E zusammen.

Andererseits wird das Licht von dem Objekt OB in der Außenszene an dem Spiegel 241 reflektiert, um mit dem optischen Abbildungssystem 242 auf die Bild-Aufnahmevorrichtung 244 fokussiert zu werden. Die optische Außen-Achse O4 des Bild-Aufnahmesystems 240 ist mit einer Verlängerung der optischen Achse O3 des Anzeigesystem 230 an der Seite des Beobachtungsauges E in etwa ausgerichtet.

Die mit dem Bild-Aufnahmesystem 240 aufgenommene Außenbildinformation wird auf der Anzeigeeinrichtung 231 angezeigt, um mit dem Anzeigesystem 230 zu dem Beobachtungsauge E geführt zu werden, wodurch der Beobachter die Außenszene so beobachten kann, als ob sie mit dem bloßen Auge gesehen wird.

Die Eintrittspupille 243 des optischen Abbildungssystems 242 (Bezugsziffer 243', die ein Spiegelbild der mit dem Spiegel 241 gebildeten Eintrittspupille 243 anzeigt) ist um die Entfernung d in Richtung der Außenseite relativ zu der Eintrittspupille des Beobachtungsauges E verschoben, wodurch es zugelassen wird, dass die Außenszene ohne ein unangenehmes Gefühl betrachtet werden kann, und zwar aus den Gründen, die ähnlich zu denen sind, die in Ausführungsform 1 beschrieben werden.

(Ausführungsform 3)

3 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil der Ausführungsform 3 der Bild-Beobachtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu zeigen. Die Bild-Beobachtungsvorrichtung S gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist das Anzeigesystem 250 zum Führen der auf der Anzeigeeinrichtung 251 angezeigten Bild-Information zu dem Beobachtungsauge E sowie das Bild-Aufnahmesystem 260 zum Darstellen der Bild-Information OB der Außenszene auf der Bild-Aufnahmevorrichtung 266 auf. Die mit dem Bild-Aufnahmesystem 260 erzielte Bild-Information wird auf der Anzeigeeinrichtung 251 zusammen mit der anderen auf der Anzeigeneinrichtung 251 angezeigten Bild-Information angezeigt, um mit dem Beobachtungsauge E betrachtet zu werden.

Das Anzeigesystem 250 weist die Anzeigeeinrichtung 251, wie etwa die LCD, das EL-Panel oder dergleichen, sowie ein Prismakörper PR1 mit einer Abbildungswirkung auf. Das Bild-Aufnahmesystem 260 weist ein Prisma PR2, wobei jede Fläche hiervon eben ist, das optische Bild-Aufnahmesystem 264 mit einer positiven optischen Strahlbrechkraft sowie die Bild-Aufnahmevorrichtung 266, wie etwa die CCD oder dergleichen, auf.

In der vorliegenden Ausführungsform wird das abgehende Anzeigelicht, welches auf der Bild-Information basiert und welches von der Anzeigeeinrichtung 251 austritt, die beispielsweise aus dem Hintergrundlicht, dem Polarisator, der durchlässigen Flüssigkristall-Vorrichtung, etc. besteht, auf den Prismakörper PR1 eingestrahlt, während es durch eine Fläche 252 des Prismakörpers PR1 gebrochen wird. Das Einfallslicht fällt dann bei Einfallswinkeln größer als der kritische Winkel auf eine Fläche 253 auf, um totalreflektiert zu werden. Das reflektierte Licht wird dann an einer Spiegelfläche 254 von einer gekrümmten Fläche reflektiert, um bei Einfallswinkeln unterhalb des kritischen Winkels auf die Fläche 253 einzutreffen. Das auf die Fläche 253 eintreffende Licht tritt von dem Prismakörper PR1 aus, während es durch die Fläche 253 gebrochen wird. Das austretende Licht wird dann zu der Eintrittspupille P des Beobachtungsauges E geführt.

Um die durch das Einbringen der relativ zu der optischen Achse O5 geneigten Fläche 254 mit der optischen Strahlbrechkraft hervorgerufene Aberration gut zu korrigieren, ist der Prismakörper PR1 aus dezentriert angeordneten, rotationsasymmetrischen Flächen mit optischen Strahlbrechkräften aufgebaut, die sich abhängig von den Azimut-Winkeln unterscheiden, wodurch die Größe des optischen Okularsystems reduziert wird.

Die Position, die Brennweite, etc. von dem Prismakörper PR1 sind derart festgelegt, um ein vergrößertes virtuelles Bild der Anzeigeelementen-Fläche der Anzeigeeinrichtung 251 beispielsweise 2 m voraus zu bilden, und die Austrittspupille hiervon passt mit der Eintrittspupille P des Beobachtungsauges E zusammen.

Andererseits trifft das Licht von dem Objekt OB in der Außenszene auf das Prisma PR2 ein, während es durch die Fläche 261 gebrochen wird. Das Einfallslicht wird an der Spiegelfläche 262 reflektiert, und das reflektierte Licht trifft dann bei Eintrittswinkeln größer als der kritische Winkel auf die Fläche 261 auf, um totalreflektiert zu werden. Das reflektierte Licht trifft dann bei Eintrittswinkeln kleiner als der kritische Winkel auf die Fläche 263 ein. Das Licht tritt von dem Prisma PR2 aus, während es durch die Fläche 263 gebrochen wird. Das Austrittslicht wird dann mit dem optischen Abbildungssystem 264 auf die Bild-Aufnahmevorrichtung 266 fokussiert.

Obwohl jede der Flächen des Prismas PR2 eine ebene Fläche ist, kann irgendeine hiervon als eine gekrümmte Fläche ausgebildet sein. Die optische Außen-Achse O6 des Bild-Aufnahmesystems 260 ist mit einer Verlängerung der optischen Achse O5 des Anzeigesystems 250 an der Seite des Beobachtungsauges E in etwa ausgerichtet.

Die mit dem Bild-Aufnahmesystem 260 aufgenommene Außenbild-Information wird auf der Anzeigeeinrichtung 251 angezeigt und mit dem Anzeigesystem 250 zu dem Beobachtungsauge E geführt, wodurch der Beobachter die Außenszene so beobachten kann, als ob sie mit dem bloßen Auge gesehen würde.

Wenn, wie es in der 4 gezeigt ist, in der vorliegenden Ausführungsform das optische System anstelle des Prismas aus Spiegelflächen aufgebaut wird, das heißt, wenn das optische System unter Verwendung eines halbverspiegelten Spiegels 268 anstelle der Fläche 261 des Prismas PR2 und ähnlich hierzu unter Verwendung eines Spiegels 269 anstelle der Fläche 262 aufgebaut ist, wird Streulicht (beispielsweise der Lichtstrahl 267) von Richtungen, die anders als die Bild-Aufnahmerichtungen sind, in die Bild-Aufnahmevorrichtung 266 eintreten, um ein Geisterbild zu bilden.

Um dieses zu lösen, ist die vorliegende Ausführungsform derart angeordnet, dass die Bedingung der totalen, nach innen gerichteten Reflexion bei dem Ereignis der Reflexion von Licht bei der Fläche 261 mit der Übertragungs- und Reflexionswirkung in dem Prisma PR2 erfüllt wird. Dieses kann verhindern, dass Licht von den Richtungen, die anders als die Bild-Aufnahmerichtungen sind, in die Bild-Aufnahmevorrichtung 266 eintreten, was es ferner gestattet, dass die optische Achse O6 gefaltet wird, um den Freiheitsgrad der Gestaltung des optischen Systems zu erhöhen, und was es ebenso zulässt, dass die Größe der Vorrichtung reduziert wird.

Die Verwendung der nach innen gerichteten Totalreflexion ermöglicht es, dass das Außenlicht effektiv zu der Bild-Aufnahmevorrichtung 266 geführt wird, wodurch ein lichtstarkes Bild erzielt wird.

In der vorliegenden Ausführungsform kann, wie es in der 5 gezeigt ist, die Vorrichtung ebenso derart aufgebaut werden, indem ein Polarisator 2101 an der Außenseite des halbverspiegelten Spiegels 268 angeordnet wird, dass eine Viertel-Wellenlängen-Platte 2102 an der Außenseite des Spiegels 269 vorliegt, und dass ein Polarisator 2103 unmittelbar vor dem optischen Bild-Aufnahmesystem 264 angeordnet wird, wobei die Achse der Absorption hiervon senkrecht zu der des Polarisators 2101 gesetzt ist. Dieser Aufbau kann verhindern, dass der Lichtstrahl 267 in die Bild-Aufnahmevorrichtung 266 eintritt.

Da das Licht von den Bild-Aufnahmerichtungen zweimal durch die Viertel-Wellenlängen-Platte 2102 hindurchläuft, wird die Richtung der Polarisation des Lichtes um 90° gedreht, und das Licht läuft durch den Polarisator 2103, um mit dem optischen Abbildungssystem 264 zu der Bild-Aufnahmevorrichtung 266 geführt zu werden. Das Ereignis des Geisterbildes kann vermieden werden, indem, wie obig erläutert, das optische Bild-Aufnahmesystem unter Verwendung des halbverspiegelten Spiegels aufgebaut wird, jedoch erfordert dieser Aufbau die teure Vorrichtung, wie etwa die Wellenlängen-Platte, und neigt ebenso dazu, komplex zu sein.

Die Eintrittspupille 265 des optischen Bild-Aufnahmesystems 264 (Bezugsziffer 265', die ein mit dem Prisma PR2 gebildetes Bild der Eintrittspupille 265 anzeigt), ist um die Entfernung d in Richtung der Außenseite relativ zu der Eintrittspupille P des Beobachtungsauges E verschoben, wodurch die Betrachtung der Außenszene ohne ein unangenehmes Gefühl aus den gleichen Gründen wie jene, die in der Ausführungsform 1 diskutiert werden, zugelassen wird.

Die vorliegende Ausführungsform ermöglicht es, dass die gesamte Vorrichtung in einer kompakten Struktur aufgebaut wird, und zwar indem, wie es in der 3 gezeigt ist, die Faltungs-(Ablenkungs-)Richtung der optischen Achse des Bild-Aufnahmesystems 260 zu der Richtung eingestellt wird, die verschieden von der des Anzeigesystems 250 ist. Diese Faltungs-Richtungen müssen nicht grundsätzlich entgegengesetzt zueinander sein, jedoch können sie beispielsweise, wie es in der 6 gezeigt ist, auf zueinander orthogonale Richtungen gesetzt werden.

In der 6 weist das Anzeigesystem 250 die gleiche Funktion wie die in der in 3 dargestellte Ausführungsform 3 auf. Andererseits trifft das Licht von dem Objekt OB in der Außenszene auf das Prisma PR3 ein, während es durch die Fläche 271 gebrochen wird. Das Einfallslicht wird dann an der Spiegelfläche 272 reflektiert, und das reflektierte Licht trifft bei Einfallswinkeln größer als der kritische Winkel auf die Fläche 271 ein, um totalreflektiert zu werden. Das reflektierte Licht trifft dann bei Einfallswinkeln kleiner dem kritischen Winkel auf die Fläche 273 auf, um von dem Prisma PR3 auszutreten, während es dabei gebrochen wird. Das Austrittslicht wird dann mit dem optischen Abbildungssystem 274 auf die Bild-Aufnahmevorrichtung 276 fokussiert.

(Ausführungsform 4)

7 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil der Ausführungsform 4 der Bild-Beobachtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu zeigen. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform 3 der 3 lediglich darin, dass das Bild-Aufnahmesystem 280 das Bild-Aufnahmesystem 260 ersetzt, und der andere Aufbau ist identisch.

In der 7 weist das Anzeigesystem 250 die gleiche Funktion wie die in der 3 dargestellte Ausführungsform 3 auf. Das Licht von dem Objekt OB in der Außenszene trifft auf den Prismakörper PR4 auf, während es durch eine Fläche 281 gebrochen wird. Das Einfallslicht wird dann an einer Spiegelfläche 282 mit einer gekrümmten Fläche reflektiert, und das reflektierte Licht trifft erneut bei Eintrittswinkeln größer dem kritischen Winkel auf die Fläche 281 auf, um totalreflektiert zu werden. Das reflektierte Licht trifft dann bei Einfallswinkeln kleiner dem kritischen Winkel auf eine Fläche 283 auf, um von dem Prismakörper PR4 auszutreten, während es durch die Fläche 283 gebrochen wird. Das Austrittslicht wird dann auf die Bild-Aufnahmevorrichtung 285 fokussiert.

Um die durch das Einbringen der geneigten gekrümmten Fläche 282 mit optischer Strahlbrechkraft bewirkte Aberration gut zu korrigieren, ist der Prismakörper PR4 aus dezentriert angeordneten, rotationsasymmetrischen Flächen mit optischen Strahlbrechkräften aufgebaut, die sich abhängig von Azimut-Winkeln unterscheiden, wodurch das optische Bild-Aufnahmesystem in dem kompakten Aufbau realisiert wird.

Die Eintrittspupille 284 des optischen Bild-Aufnahmesystems (PR4) ist um die Entfernung d in Richtung der Außenseite relativ zu der Eintrittspupille P des Beobachtungsauges E verschoben, wodurch die Betrachtung der Außenszene ohne ein unangenehmes Gefühl aus den ähnlichen Gründen wie jene, die in der Ausführungsform 1 diskutiert werden, gestattet wird.

8A und 8B sind Blockdiagramme, um den Hauptteil der Signalverarbeitung in der Bild-Beobachtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung zu zeigen. In der vorliegenden Erfindung kann, wie es in der 8A gezeigt ist, das auf der Anzeigeeinrichtung 291 angezeigte Bild eine Anzeige der Außenbild-Information sein, wie sie mit dem Bild-Aufnahmesystem 290 erfasst wird, jedoch kann auf der Anzeigeeinrichtung 291 ebenso ein künstliches Bild angezeigt werden, indem, wie es in der 8B gezeigt ist, in einer Bild-Kombiniereinrichtung 293 die mit dem Bild-Aufnahmesystem 290 erfasste Außenbild-Information mit Bild-Information kombiniert wird, die mit einer Bild-Erzeugungseinrichtung 292 erzeugt wird (was ein mit Computer-Graphiken oder dergleichen erzeugtes Bild, ein mit einem Videosystem oder dergleichen aufgezeichnetes Bild, etc. ist).

Wenn, wie es in jeder der zuvor genannten Ausführungsformen beschrieben ist, ein Paar von Bild-Beobachtungsvorrichtungen S für das linke und rechte Auge des Beobachters, wie in der 9 gezeigt, vorgesehen ist, kann eine stereoskopische Sichtweise unter Verwendung einer Binokular-Parallaxe gegeben werden, wodurch ein Bild-Beobachtungssystem mit einem Leistungsvermögen konstruiert werden kann, um es dem Beobachter zu gestatten, die Außenszene in einem natürlicheren Zustand zu betrachten.

In den zuvor genannten Ausführungsformen war das Anzeigeelement die durchlässige Flüssigkristall-Vorrichtung, jedoch kann es eine rückstrahlende Flüssigkristall-Vorrichtung oder eine selbstemittierende Vorrichtung, wie etwa die EL-Vorrichtung oder dergleichen, sein.

11 bis 15B sind erläuternde Darstellungen, um das Basis-Konzept des Bild-Beobachtungssystems der vorliegenden Erfindung zu zeigen. Das Bild-Beobachtungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einem Paar von Bild-Beobachtungsvorrichtungen für das linke und rechte Auge des Beobachters ausgerüstet, wobei jede Bild-Beobachtungsvorrichtung das Anzeigesystem 20 und das Bild-Aufnahmesystem 10 aufweist. Jedes Bauelement für das rechte Auge ist mit dem Suffix R gekennzeichnet, während jedes Bauelement für das linke Auge mit dem Suffix L gekennzeichnet ist. Die Bezugsziffer E stellt die Beobachtungsaugen des Beobachters dar.

In der 11 weist jedes Anzeigesystem 20 (20L, 20R) das optische Anzeigesystem 21 (21L, 21R) sowie das Anzeigeelement 22 (22L, 22R) auf, und die Bezugsziffer 23 (23L, 23R) bezeichnet die augseitige optische Achse des optischen Anzeigesystems 21. Die optischen Achsen 23R, 23L der optischen Anzeigesysteme 21 für das linke und rechte Auge sind parallel zueinander gesetzt. Jeder Spiegel 14 (14L, 14R) trennt optische Wege des Bild-Aufnahmesystems 10 (10L, 10R) von den Wegen des Anzeigesystems 20.

Die Position, die Brennweite, etc. der optischen Anzeigesysteme 21 sind derart festgelegt, um ein vergrößertes virtuelles Bild der Anzeigeelementen-Fläche des Anzeigeelementes 22 beispielsweise 2 m vor dem Beobachtungsauge E zu bilden. Jede Ebene 22' (22'L, 22'R) ist ein virtueller Schirm (ein Schirm für ein virtuelles Bild), der mit der Anzeigefläche des Anzeigenelementes 22 hinsichtlich des optischen Anzeigesystems 21 konjugiert, und an welchem ein virtuelles Bild gebildet wird.

Jedes Anzeigeelement 22 ist derart positioniert, dass seine Mitte 22C (22CL, 22CR) von einem Schnittpunkt 23A (23AL, 23AR) zwischen der optischen Achse 23 des optischen Anzeigesystems 21 und dem Anzeigeelement 22 verschoben ist. Der Verschiebungsumfang der Mitten 22C ist derart festgelegt, dass die Mitten der Schirme für die virtuellen Bilder 22'R, 22'L der Anzeigesysteme 20R, 20L für das linke und rechte Auge bei einem Punkt 30 zusammenpassen, und er ist eine Entfernung D auf die Schirme für die virtuellen Bilder 22'.

Die Verschiebungsrichtungen sind verschieden zwischen den Anzeigesystemen 20L, 20R für das linke und rechte Auge, und die Entfernung D beträgt die Hälfte der Entfernung von Auge zu Auge des Beobachters. Dieses passt die Schirme der virtuellen Bilder 22'R und 22'L der Anzeigesysteme 20R, 20L für das linke und rechte Auge miteinander zusammen.

Jedes Bild-Aufnahmesystem besteht aus dem optischen Bild-Aufnahmesystem 11 (11L, 11R) sowie der Bild-Aufnahmevorrichtung 12 (12L, 12R), und die Bezugsziffer 13(13L, 13R) bezeichnet die optische Achse des optischen Bild-Aufnahmesystems der Außenszene. Die optischen Achsen 13R, 13L der optischen Bild-Aufnahmesysteme für das linke und rechte Auge sind parallel zueinander festgelegt, und sie sind mit den optischen Achsen 23R, 23L der entsprechenden optischen Anzeigesysteme für das linke und rechte Auge in etwa ausgerichtet. Jedes optische Bild-Aufnahmesystem 11 bildet auf der Bild-Aufnahmevorrichtung 12 ein Bild der Außenszene aus.

Jede Fläche 12' ist eine Brennebene bei der Position, die mit der Bild-Aufnahmevorrichtung 12 hinsichtlich des optischen Bild-Aufnahmesystems 11 konjugiert.

Jedes optische Bild-Aufnahmesystem 11 besteht aus einem optischen System mit einer tiefen Feldtiefe, so dass ein Objekt vor und hinter der Brennebene 12'R, 12'L auf der Bild-Aufnahmevorrichtung 12 im Fokus abgebildet wird. Jede Bild-Aufnahmevorrichtung 12 ist so ausgelegt, dass die Mitte 12C (12CL, 12CR) hiervon von einem Schnittpunkt 13A (13AL, 13AR) zwischen der optischen Achse 13 des optischen Bild-Aufnahmesystems und der Bild-Aufnahmevorrichtung 12 verschoben ist. Der Verschiebungsbetrag der Mitten ist so festgelegt, dass die Mitten der Brennebenen 12'R, 12'L der Bild-Aufnahmesysteme 10R, 10L für das linke und rechte Auge bei dem Punkt 30 zusammenpassen, und er ist die Entfernung D zu den Brennebenen 12'.

Die Verschiebungsrichtungen sind verschieden zwischen den Bild-Aufnahmesystemen 10L, 10R für das linke und rechte Auge, und die Entfernung D ist die Hälfte der Entfernung von Auge zu Auge des Beobachters. Dieses passt die Brennebenen 12'R, 12'L der Bild-Aufnahmesysteme 10R, 10L für das linke und das rechte Auge miteinander zusammen.

12 und 13 sind Darstellungen, um Zustände der Bildaufnahme, Bildanzeige und Bildbeobachtung des Objektes 40 im Außenraum zu zeigen. In der 12 werden Bilder 41 (41L, 41R) des Objektes 40 in dem Außenraum auf den Bild-Aufnahmevorrichtungen 12 (12L, 12R) mit den Spiegeln 14 und den optischen Bild-Aufnahmesystemen 11 ausgebildet und aufgenommen. Die Positionen der Bilder werden durch die Bezugsziffer 41' (41'L, 41'R) auf den Brennebenen 12' angezeigt, die mit den Bild-Aufnahmevorrichtungen 12 (12L, 12R) konjugieren, und sie sind bei den Entfernungen T (TL, TR) von der Mitte 30 der Brennebenen angeordnet.

Die Bilder 41 des Objektes 40 innerhalb der Feldtiefe, die mit den Bild-Aufnahmesystemen 10 aufgenommen wurden, werden, wie es in der 13 gezeigt ist, als Bilder 42 auf den Anzeigeelementen 22 angezeigt. In der 13 wird Licht von jedem Anzeigeelement 22 mit dem Spiegel 14 und dem optischen Anzeigesystem 21 zu dem Beobachtungsauge E geführt. Die Bilder 42 werden mit den entsprechenden Beobachtungsaugen E als Bilder 42' auf den Schirmen für die virtuellen Bilder 22' betrachtet, die mit den Anzeigeelementen 22 konjugieren. Die Positionen der Bilder 42' sind von der Mitte 30 der Schirme für die virtuellen Bilder mit dem Abstand U (UL, UR) entfernt.

Der Beobachter betrachtet das Bild 42'R mit dem rechten Auge ER und das Bild 42'L mit dem linken Auge EL. Dieses gestattet es dem Beobachter, das Objekt 40 so zu betrachten, als ob das Objekt tatsächlich bei einem Schnittpunkt 44 zwischen der Sicht-Achse 43R des rechten Auges ER und der Sicht-Achse 43L des linken Auges EL existiert (stereoskopische Betrachtung).

Da diese Struktur es gestattet, dass der Überlappungsbereich zwischen den Beobachtungsfeldern des linken und rechten Auges groß eingestellt werden kann, kann sie infolge des Auftretens von Binokular-Konkurrenz auftretende Schwierigkeiten bei der Betrachtung vermeiden. Selbst in den Fällen, in welchen die optischen Bild-Aufnahmesysteme 11 aus Zoom-Linsen bestehen und ein Zoomen durchführen, oder in den Fällen, in welchen die Anzeigevergrößerung unter Verwendung eines elektronischen Zooms oder dergleichen geändert wird, verhindert die Struktur, dass der reproduzierte Raum verzerrt wird und gestattet es dem Beobachter, das linke und rechte Bild erfolgreich ohne Belastung zu verschmelzen.

Die Beschreibung wird unter Bezugnahme auf die 14, die 15A und die 15B fortgeführt. 14 ist ein Fall, in welchem die mit den Bild-Aufnahmesystemen 10 aufgenommenen Bilder 41 des Objektes 40 in dem Außenraum, wie es in der 12 dargestellt ist, bei der Verstärkung von ×2 auf den Anzeigeelementen 22 angezeigt werden. In diesem Fall sind die Entfernungen V von der Schirmmitte 30 der Anzeigebilder 45' auf den Schirmen der virtuellen Bilder 22' doppelt so hoch wie die Entfernungen U in der 13. Wie in dem Fall der 13, kann der Beobachter das Objekt 40 so betrachten, als ob es tatsächlich bei einem Schnittpunkt 47 zwischen der Sicht-Achse 46R des rechten Auges ER und der Sicht-Achse 46L des linken Auges EL vorhanden wäre.

In dem Bild-Beobachtungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung schneiden im Unterschied zu den herkömmlichen Systemen die Sicht-Achsen des linken und rechten Auges einander (um die Verschmelzung des rechten und linken Bildes zu gestatten), und zwar selbst wenn das Objekt 40 nicht in der X-Z-Ebene vorhanden ist (Y ≠ 0). 15A ist ein Y-Z-Querschnitt in dem in der 13 dargestellten Zustand, und 15B ist ein Y-Z-Querschnitt in dem in der 14 dargestellten Zustand.

In den 15A und 15B stellt das an U und V beigefügte Suffix y eine Y-Richtungskomponente hiervon dar. Wie in den 15A und 15B dargestellt, passen die virtuellen Bildschirme des linken und rechten Auges grundsätzlich hinsichtlich der Z-Richtung zusammen. Von daher sind unabhängig von der Position des Objektes 40 die Entfernung UyR und die Entfernung UyL grundsätzlich gleich, und die Entfernung VyR und die Entfernung VyL sind grundsätzlich gleich zueinander. Egal ob oder ob nicht die Zoom-Funktion verwendet wird, passen, wie es in den 15A und 15B gezeigt ist, die Sicht-Achsen 43R und 43L sowie die Sicht-Achsen 46R und 46L des linken und rechten Auges ER, EL in der Y-Z-Ebene zusammen, und von daher schneiden sie einander, wodurch die Verschmelzung des linken und rechten Bildes zugelassen wird.

Wenn in der 12 und 13 die Position der Eintrittspupille von jedem optischen Bild-Aufnahmesystem 11 mit der Position der Eintrittpupille des entsprechenden Beobachtungsauges E zusammenpasst, und wenn der Bild-Aufnahmesichtwinkel mit dem Anzeige-Sichtwinkel zusammenpasst, wird die Position und Größe der Brennebenen 12' der Bild-Aufnahmesysteme gleich zu jenen der virtuellen Bildschirme 22' der Anzeigesysteme 20, so dass die Entfernungen T gleich den Entfernungen U werden.

Von daher wird die Position des Schnittpunktes 44 identisch zu der tatsächlichen Position des Objektes 40 in dem Außenraum, und die Größe des reproduzierten Objektes wird ebenso gleich zu der des Objektes 40.

Selbst in Fällen, in welchen die Positionen der Eintrittspupille der optischen Bild-Aufnahmesysteme 11 nicht mit den Positionen der Eintrittspupille der Beobachtungsaugen E zusammenfallen, oder in den Fällen, in welchen der Bild-Aufnahmesichtwinkel nicht mit dem Anzeige-Sichtwinkel zusammenfällt, ist der reproduzierte Raum frei von Verzerrung, und der Beobachter kann erfolgreich das linke und rechte Bild aus dem in den 15A und 15B dargestellten Grund verschmelzen.

In dem zuvor beschriebenen Beispiel fallen die Brennebenen 12' (12'R, 12'L) der Bild-Aufnahmesysteme mit den virtuellen Bildschirmen 22' (22'R, 22'L) der Anzeigesysteme 20 zusammen, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt.

Wenn die Brennebenen 12'R und 12'L der Bild-Aufnahmesysteme 10 für das linke und rechte Auge miteinander zusammenfallen, und wenn die virtuellen Bildschirme 22'R und 22'L der Anzeigesysteme 20 für das linke und rechte Auge miteinander zusammenfallen, werden die in der y-Richtung aufgenommenen Bildhöhen TyR und TyL der Bild-Aufnahmesysteme 10 für das linke und rechte Auge miteinander zusammenfallen, und die in y-Richtung aufgenommenen Bildhöhen UyR und UyL der Anzeigesysteme 20 für das linke und rechte Bild fallen ebenso miteinander zusammen, wodurch der reproduzierte Raum frei von Verzerrung ist, und der Beobachter kann erfolgreich das linke und rechte Bild ohne Belastung aus dem in den 15A und 15B gezeigten Grund verschmelzen.

Nachfolgend werden nicht beanspruchte Beispiele beschrieben.

(Nicht beanspruchtes Beispiel 1)

16 ist eine schematisches Darstellung, um den Hauptteil des nicht beanspruchten Beispiels 1 des Bild-Beobachtungssystems zu zeigen. 16 zeigt eine Bild-Beobachtungsvorrichtung WL für das linke Auge in dem Bild-Beobachtungssystem der vorliegenden Erfindung. Obwohl in der Zeichnung jedes Element für das linke Auge mit dem Suffix L dargestellt ist, wird nachfolgend in der Beschreibung auf das Suffix verzichtet.

Die Bild-Beobachtungsvorrichtung W gemäß dem vorliegenden Beispiel weist das Anzeigesystem 20 zum Führen der auf dem Anzeigeelement 22 angezeigten Bild-Information zu dem Beobachtungsauge E sowie das Bild-Aufnahmesystem 10 zum Abbilden der Bild-Information der Außenszene auf der Bild-Aufnahmevorrichtung 12 auf. Die mit dem Bild-Aufnahmesystem 10 erzielte Information wird auf dem Anzeigeelement 22 des Anzeigesystems 20 angezeigt und mit dem Beobachtungsauge E betrachtet.

Das Anzeigesystem 20 weist das Anzeigeelement 22, wie etwa die LCD, das EL-Panel oder dergleichen, einen halbverspiegelten Spiegel 24 sowie einen konkaven Spiegel 21 auf, und die Bezugsziffer 23 bezeichnet die optische Achse hiervon. Das Bild-Aufnahmesystem 10 weist einen Spiegel 15, das optische Bild-Aufnahmesystem 11 mit einer positiven optischen Strahlbrechkraft sowie die Bild-Aufnahmevorrichtung 12, wie etwa die CCD oder dergleichen, auf, und die Bezugsziffer 13 bezeichnet die optische Achse hiervon.

In dem vorliegenden Beispiel wird das Anzeigelicht, welches von dem Anzeigeelement 22 austritt, das beispielweise aus dem Hintergrundlicht, dem Polarisator, der durchlässigen Flüssigkristall-Vorrichtung, etc. besteht, teilweise an dem halbverspiegelten Spiegel 24 reflektiert, und das reflektierte Licht wird dann an dem konkaven Spiegel 21 reflektiert, um zu dem Beobachtungsauge E geführt zu werden. Die Position, die Brennweite, etc. des konkaven Spiegels 2l werden derart festgelegt, um ein vergrößertes virtuelles Bild des Anzeigeelementes 22, beispielsweise 2 m vor dem Beobachter, auszubilden, und die Austrittspupille hiervon passt mit der Eintrittspupille des Beobachtungsauges E zusammen. Die Mitte des Anzeigeelementes 22 ist um den in der 11 dargestellten Betrag von dem Schnittpunkt 25 zwischen dem Anzeigeelement 22 und der optischen Achse 23 verschoben.

Andererseits wird das Licht von der Außenszene an dem Spiegel 15 reflektiert, um mit dem optischen Bild-Aufnahmesystem 11 auf die Bild-Aufnahmevorrichtung 12 fokussiert zu werden. Die optische Achse 13 des Bild-Aufnahmesystems ist in etwa mit der optischen Achse 23 des Anzeigesystems ausgerichtet. Die Mitte der Bild-Aufnahmevorrichtung 12 ist um den in der 11 dargestellten Betrag von dem Schnittpunkt 16 zwischen der Bild-Aufnahmevorrichtung 12 und der optischen Achse 13 verschoben. Die Position der Eintrittspupillen des optischen Bild-Aufnahmesystems 11 passt mit der Position der Eintrittspupillen des Beobachtungsauges E zusammen.

Die mit dem Aufnahmesystem 10 aufgenommene Außenbild-Information wird auf dem Anzeigeelement 22 angezeigt und mit dem Anzeigesystem 20 zu dem Beobachtungsauge E geführt, wodurch der Beobachter die Außenszene so beobachten kann, als ob sie mit dem bloßen Auge gesehen würde.

Wenn im einzelnen in diesem Fall der Bild-Aufnahmesichtwinkel des Außenbildes mit dem Bild-Aufnahmesystem 10 (der durch die Größe der Bild-Aufnahmevorrichtung 12, der Brennweite des optischen Bild-Aufnahmesystems 11 und der positionellen Beziehung hierzwischen festgelegt wird) in etwa mit dem Anzeige-Sichtwinkel des Anzeigesystems 20 (der durch die Größe des Anzeigeelementes 22, der Brennweite des konkaven Spiegels 21 sowie der positionellen Beziehung hierzwischen bestimmt wird) zusammenpasst, kann die Außen-Beobachtungsverstärkung in der Video-Durchsicht-Betrachtung gleich mit der bei der Betrachtung mit dem bloßen Auge gesetzt werden. Jedoch sei darauf hingewiesen, dass der gleiche Effekt ebenso erzielt werden kann, indem der Bild-Aufnahmesichtwinkel des Außenbildes mit dem Bild-Aufnahmesystem 10 etwas größer als der Anzeige-Sichtwinkel des Anzeigesystems 20 gesetzt wird, ein Teil des aufgenommenen Außenbildes abgeschnitten wird, um derart eine 1:1-Betrachtung zu realisieren, und indem das zurechtgemachte Bild auf dem Anzeigeelement 22 des Anzeigesystems 20 angezeigt wird.

Das Bild-Beobachtungssystem wird verwendet, während die Bild-Beobachtungsvorrichtung WL für das linke Auge der 16 und die Bild-Beobachtungsvorrichtung WR für das rechte Auge in der in der 11 gezeigten Beziehung relativ zu der 16 auf dem Kopf, wie in der 17 dargestellt, montiert werden.

Für die in den 11 bis 15B dargestellten Gründe verhindert diese Struktur, dass der reproduzierte Raum verzerrt wird, und gestattet es dem Beobachter, das linke und rechte Bild ohne Belastung erfolgreich zu verschmelzen, und zwar selbst in den Fällen, in welchen die Zoom-Funktion verwendet wird, in den Fällen, in welchen der Bild-Aufnahmesichtwinkel nicht mit dem Anzeige-Sichtwinkel infolge der Auslegungsfaktoren, Herstellungsfehler, etc. zusammenfällt, in den Fällen, in denen die Position der Eintrittspupille des optischen Bild-Aufnahmesystems nicht mit der des Beobachtungsauges zusammenfällt, usw.

Wenn ferner jedes optische Bild-Aufnahmegerät 11 aus einem optischen Zoom-System besteht, kann das Bild-Beobachtungssystem solch einen Effekt darstellen, dass der Beobachter das Objekt so beobachten kann, als ob es näher oder größer sei.

Für die nachfolgende Beschreibung zeigen zum Zwecke der Vereinfachung die erläuternden Darstellungen lediglich die Bild-Beobachtungsvorrichtung WL für das linke Auge.

(Nicht beanspruchtes Beispiel 2)

18 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil des nicht beanspruchten Beispiels des Bild-Beobachtungssystems zu zeigen.

Das Anzeigesystem 20 weist das Anzeigeelement 22, wie etwa die LCD, das EL-Panel oder dergleichen, sowie einen Prismakörper 26 auf. Das Bild-Aufnahmesystem 10 weist ein aus Ebenen aufgebautes Prisma 17, das optische Abbildungssystem 18 mit einer positiven optischen Strahlbrechkraft sowie die Bild-Aufnahmevorrichtung 16, wie etwa die CCD oder dergleichen, auf.

In dem vorliegenden Beispiel fällt das Anzeigelicht, das von dem Anzeigeelement 22 austritt, welches beispielweise aus dem Hintergrundlicht, dem Polarisator, der durchlässigen Flüssigkristall-Vorrichtung, etc. besteht, auf den Prismakörper 26 auf, während es durch eine Fläche 27 hiervon gebrochen wird. Das Einfallslicht fällt dann unter Einfallswinkeln größer dem kritischen Winkel auf die Fläche 28 auf, um totalreflektiert zu werden. Das reflektierte Licht wird dann an einer Spiegelfläche 29 reflektiert, um erneut unter Einfallswinkeln kleiner dem kritischen Winkel auf die Fläche 28 aufzutreffen. Das Licht tritt aus dem Prismakörper 26 aus, während es durch die Fläche 28 gebrochen wird. Das Austrittslicht wird zu dem Beobachtungsauge E geführt. Um die durch das Einführen der geneigten Fläche mit der optischen Strahlbrechkraft bewirkte Aberration gut zu korrigieren, ist der Prismakörper 26 aus dezentriert angeordneten, rotationsasymmetrischen Flächen mit optischen Strahlbrechkräften aufgebaut, die sich abhängig von Azimut-Winkeln unterscheiden, wodurch das optische Anzeigesystem in einer kompakten Struktur konstruiert ist. Die Position, die Brennweite, etc. des Prismakörpers 26 werden derart festgelegt, um ein vergrößertes virtuelles Bild des Anzeigeelementes 22, beispielsweise 2 m vor dem Beobachtungsauge E, zu bilden, und die Austrittspupille hiervon fällt mit der Eintrittspupille des Beobachtungsauges E zusammen.

Hier enthält der Prismakörper 26 das optische Anzeigesystem 21, und die augenseitige optische Achse 23 hiervon ist eine Achse, die als eine gerade Linie definiert wird, welche senkrecht zu der (nicht dargestellten) Ebene des virtuellen Bildschirmes 22' ist, der mit dem optischen Anzeigesystem 21 des Anzeigeelementes 22 gebildet wird, und welche die Mitte der Austrittspupille des optischen Anzeigesystems 21 durchläuft.

Andererseits fällt das Licht von der Außenszene auf das Prisma 17 auf, während es durch eine Fläche 51 hiervon gebrochen wird. Das Einfallslicht wird an einer Spiegelfläche 52 reflektiert, und das reflektierte Licht fällt unter Einfallswinkeln größer dem kritischen Winkel auf die Fläche 51 auf, um totalreflektiert zu werden. Dann fällt das reflektierte Licht unter Einfallswinkeln geringer als der kritische Winkel auf eine Fläche 53 auf. Das auf die Fläche 53 einfallende Licht tritt aus dem Prisma 17 aus, während es dadurch gebrochen wird. Das Austrittslicht wird mit dem optischen Abbildungssystem 18 auf die Bild-Aufnahmevorrichtung 12 fokussiert. Die optische Achse 13 des Bild-Aufnahmesystems 10 ist in etwa mit der optischen Achse 23 des Anzeigesystems 20 ausgerichtet. Die Position der Eintrittspupille des den Prismakörper 17 enthaltenden optischen Bild-Aufnahmesystems fällt mit der Position der Eintrittspupille des Beobachtungsauges E zusammen.

Die Mitte des Anzeigeelementes 22 ist von dem Schnittpunkt 25 zwischen dem Anzeigeelement 22 und der optischen Achse 23 verschoben, und die Mitte der Bild-Aufnahmevorrichtung 12 ist von dem Schnittpunkt 16 zwischen den Bild-Aufnahmevorrichtung 12 und der optischen Achse 13 verschoben, und zwar jeweils um den in 11 dargestellten Betrag.

Die mit dem Bild-Aufnahmesystem 10 aufgenommene Außenbild-Information wird auf dem Anzeigeelement 22 angezeigt und mit dem Anzeigesystem 20 zu dem Beobachtungsauge E geführt, wodurch der Beobachter die Außenszene so beobachten kann, als ob sie mit dem bloßen Auge betrachtet würde.

Aus den in den 11 bis 15B gezeigten Gründen ermöglicht es diese Struktur, dass der reproduzierte Raum frei von Verzerrungen ist, und gestattet es dem Beobachter, die Verschmelzung des linken und rechten Bildes erfolgreich ohne Belastung zu erzielen, und zwar selbst in Fällen, die die Zoom-Funktion verwenden, in Fällen, in welchen der Bild-Aufnahmesichtwinkel nicht mit dem Anzeige-Sichtwinkel aufgrund von Auslegungsfaktoren, Herstellungsfehlern, etc. zusammenfällt, in Fällen, in welchen die Position der Eintrittspupille des optischen Bild-Aufnahmesystems nicht mit der Position der Eintrittspupille des Beobachtungsauges zusammenfällt, usw.

Die gesamte Vorrichtung kann in einer kompakten Struktur aufgebaut werden, indem, wie es in der 19 gezeigt ist, die Faltungs-(Ablenkungs-)Richtung der optischen Achse 23 des Anzeigesystems 20 zu der Richtung, die verschieden von der des Bild-Aufnahmesystems 10 ist, gesetzt wird. In der 19 weisen das Anzeigesystem 20 und das Bild-Aufnahmesystem 10 die gleichen Funktionen wie in dem in der 18 dargestellten nicht beanspruchten Beispiel 2 auf, und die Mitte des Anzeigeelementes 22 ist von dem Schnittpunkt 25 zwischen dem Anzeigeelement 22 und der optischen Achse 23 verschoben, und die Mitte der Bild-Aufnahmevorrichtung 12 ist von dem Schnittpunkt 16 zwischen der Bild-Aufnahmevorrichtung 12 und der optische Achse verschoben, und zwar jeweils um den in der 11 dargestellten Betrag.

(Nicht beanspruchtes Beispiel 3)

20 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil des nicht beanspruchten Beispiels 3 des Bild-Beobachtungssystems zu zeigen. Das vorliegende Beispiel weist die gleiche Struktur wie das in der 19 gezeigte, nicht beanspruchte Beispiel 2 auf, mit der Ausnahme, dass die Gestaltung (Struktur) des Bild-Aufnahmesystems 10 modifiziert ist.

In der 20 weist das Anzeigesystem 20 die gleiche Funktion auf wie das Beispiel 2, welches in der 19 gezeigt wird. Das Licht von der Außenszene fällt auf den Prismakörper 54, während es durch eine Fläche 55 des Prismakörpers 54 gebrochen wird. Das Einfallslicht wird dann an einer Spiegelfläche 56 reflektiert und fällt erneut bei Einfallswinkeln größer als der kritische Winkel auf die Fläche 55 auf, um totalreflektiert zu werden. Das reflektierte Licht fällt dann bei Einfallswinkeln geringer als der kritische Winkel auf eine Fläche 54 auf und tritt aus dem Prismakörper 54 aus, während es dadurch gebrochen wird. Das Austrittslicht wird auf die Bild-Aufnahmevorrichtung 12 fokussiert.

Um die durch das Einführen der geneigten Fläche mit der optischen Strahlbrechkraft bewirkte Aberration gut zu korrigieren, ist der Prismakörper 54 aus dezentriert angeordneten, rotationsasymmetrischen Flächen mit optischen Strahlbrechkräften aufgebaut, die sich abhängig von Azimut-Winkeln unterscheiden, wodurch das Bild-Aufnahmesystem 10 in einer kompakten Struktur konstruiert werden kann.

Die Mitte der Bild-Aufnahmevorrichtung 12 ist von dem Schnittpunkt 16 zwischen der Bild-Aufnahmevorrichtung 12 und der optischen Achse um den in der 11 dargestellten Betrag verschoben.

(Nicht beanspruchtes Beispiel 4)

21 ist eine schematische Darstellung, um den Hauptteil des nicht beanspruchten Beispiels 4 des Bild-Beobachtungssystems zu zeigen. Das vorliegende Beispiel weist die gleiche Struktur wie das Beispiel 2 auf, welches in der 19 gezeigt wird, mit der Ausnahme, dass die Gestaltung (Struktur) des Bild-Aufnahmesystems 10 modifiziert ist.

In dem in der 21 dargestellten Beispiel ist im Gegensatz zu dem in der 19 gezeigten Beispiel 2 die Position der Eintrittspupille des optischen Bild-Aufnahmesystems 11, welches aus dem Prisma 15 und dem optischen Abbildungssystem 19 besteht, in Richtung der Außenseite relativ zu der Position der Eintrittspupille des Beobachtungsauges E verschoben, die mit der Austrittspupille des optischen Anzeigesystems 21 zusammenfällt, welches aus dem Prismakörper 26 besteht, wodurch die Vorrichtung in einer kompakten Struktur konstruiert wird. Diese Struktur kann infolge des Spann-Effektes verhindern, dass der reproduzierte Raum klein aussieht. Wenn der Verschiebungsbetrag zu dieser Zeit zu groß gesetzt wird, würde der Effekt auf die Wirkung der Entfernung zu dem Objekt in dem Raum der Entfernung (beispielsweise etwa 300 mm nahe zu dem Beobachter) vergrößert, und der Beobachter würde in bestimmten Fällen das Objekt bei der Position näher wahrnehmen als bei der Betrachtung mit dem bloßen Auge. Von daher ist der Verschiebungsbetrag besser in dem Bereich von nicht größer als 60 mm angesetzt. Es ist erstrebenswert, dass der Verschiebungswert in bevorzugter Weise nicht weniger als 5 mm und nicht mehr als 60 mm beträgt. Wenn im einzelnen der Verschiebungsbetrag in dem Bereich von nicht weniger als 10 mm und nicht mehr als 40 mm angesetzt ist, wird selten der Effekt auf die Wahrnehmung der Entfernung bemerkt.

Diese Struktur kann ebenso den reproduzierten Raum von Verzerrungen befreien und gestattet es dem Beobachter, die Verschmelzung des linken und rechten Bildes erfolgreich zu bewirken, und zwar ohne Belastung aus dem in den 11 bis 15B dargestellten Grund.

In jedem der zuvor beschriebenen Beispiele kann, wie es in der 22A gezeigt ist, das auf dem Anzeigeelement 22 angezeigte Bild die Außenbild-Information sein, wie sie mit dem Bild-Aufnahmesystem 10 erfasst wird, oder das Bild kann ein künstliches Bild sein, welches auf dem Anzeigeelement 22 angezeigt wird, indem in der Bild-Kombiniereinrichtung 61, wie es in der 22B gezeigt ist, die mit dem Bild-Aufnahmesystem 10 erfasste Außenbild-Information mit der mit der Bild-Erzeugungseinrichtung 60 erzeugten Bild-Information kombiniert wird (was das mit Computer-Graphiken oder dergleichen erzeugte Bild, das mit dem Videosystem oder dergleichen aufgezeichnete Bild etc. ist).

In jeder der zuvor beschriebenen Ausführungsformen und Ausführungsbeispielen war das Anzeigeelement die durchlässige Flüssigkristall-Vorrichtung, jedoch kann es ebenso eine reflektierende Flüssigkristall-Vorrichtung oder eine selbstemittierende Vorrichtung, wie etwa die EL-Vorrichtung oder dergleichen, sein. Die Bild-Aufnahmevorrichtung war die CCD, jedoch kann sie ebenso eine Vorrichtung, wie etwa ein CMOS-Sensor oder dergleichen, sein.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Bild-Beobachtungsvorrichtung, die sowohl bei der Video-Durchsicht-Betrachtung als auch bei der Betrachtung mit dem bloßen Auge die Betrachtung der Außenszene in der gleichen Größe gestattet, erreicht werden, indem eine der zuvor genannten Strukturen verwendet wird.

Die vorliegende Erfindung stellt ferner die Bereitstellung der Bild-Beobachtungsvorrichtung fertig, die die Belastung auf den Beobachter in dem montierten Zustand auf dem Kopf reduzieren kann, während die Reduktion in der Größe der gesamten Vorrichtung erreicht wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Bild-Aufnahmesystem unter Verwendung des Prismas mit einer Fläche mit sowohl der Durchlasswirkung als auch der totalen, nach innen gerichteten Reflexionswirkung aufgebaut, um derart die Größe der gesamten Vorrichtung zu reduzieren, und um es zuzulassen, dass das Außenlicht effektiv zu der Bild-Aufnahmevorrichtung geführt wird, wodurch die Bild-Beobachtungsvorrichtung fertiggestellt wird, die in der Lage ist, leicht ein lichtstarkes Außenbild zu verstärken.

Die zuvor beschriebenen Strukturen werden bereitgestellt, um die Bild-Beobachtungssysteme fertigzustellen, in welchen die reproduzierte Größe frei von Verzerrungen ist, und in welchen der Beobachter in die Lage versetzt wird, erfolgreich die Bilder für das linke und rechte Auge zu verschmelzen, und zwar ohne Belastung, selbst in den Fällen, in welchen die Zoom-Funktion in der Video-Durchsicht-Betrachtung verwendet wird, in den Fällen, in welchen der Bild-Aufnahmesichtwinkel nicht mit dem Anzeige-Sichtwinkel infolge der Auslegungsfaktoren, Herstellungsfehler, etc. zusammenfällt, in den Fällen, in welchen die Position der Eintrittspupille des optischen Bild-Aufnahmesystems nicht mit der Position der Eintrittspupille des Beobachtungsauges zusammenfällt, usw.

Da der Überlappungsbereich zwischen den Beobachtungsfeldern des linken und rechten Auges groß gesetzt werden kann, kann verhindert werden, dass infolge der Binokular-Konkurrenz die Betrachtung schwierig wird.

In einer Bild-Beobachtungsvorrichtung, die ein Bild-Aufnahmesystem zum Erfassen eines Außenbildes über ein optisches Bild-Aufnahmesystem sowie ein Anzeigesystem zum Anzeigen des mit dem Bild-Aufnahmesystems erfassten Außenbildes auf einem Anzeigeelement und zum Führen von Licht von dem Anzeigeelement über ein optisches Okularsystem zu dem Auge aufweist, ist eine optische Außen-Achse des optischen Bild-Aufnahmesystems in etwa mit einer Verlängerung einer optischen augenseitigen Achse des optischen Okularsystems ausgerichtet, und eine Eintrittspupille des optischen Bild-Aufnahmesystems ist in Richtung der Außenseite von einer Position verschoben, die äquivalent zu einer Eintrittspupille des optischen Okularsystems ist. Ein Bild-Beobachtungssystem weist ein Paar von Bild-Beobachtungsvorrichtungen für das linke und rechte Auge eines Beobachters auf. Jede der Bild-Beobachtungsvorrichtungen weist ein Bild-Aufnahmesystem zum Ausbilden eines Außenbildes auf einer Bild-Aufnahmevorrichtung mit einem optischen Bild-Aufnahmesystem sowie ein Anzeigesystem zum Führen von Licht von einem Anzeigeelement, welches das Außenbild anzeigt, das mit dem Bild-Aufnahmesystem erfasst wird, zu dem Beobachtungsauge mit einem optischen Anzeigesystem auf. Jede der Bild-Beobachtungsvorrichtungen ist derart ausgelegt, dass die optische Außen-Achse des optischen Bild-Aufnahmesystems in etwa mit einer Verlängerung der optischen augenseitigen Achse des optischen Anzeigesystems ausgerichtet ist. In dem Bild-Beobachtungssystem ist die Bild-Aufnahmevorrichtung des Bild-Aufnahmesystems von jeder Bild-Beobachtungsvorrichtung horizontal relativ zu der optischen Achse des optischen Bild-Aufnahmesystems um eine festgelegte Entfernung verschoben, und das Anzeigeelement ist horizontal relativ zu der optischen Achse des optischen Anzeigesystems um eine festgelegte Entfernung verschoben. Die optischen Achsen der optischen Bild-Aufnahmesysteme und die optischen Achsen der optischen Anzeigesysteme in dem Paar der Bild-Beobachtungsvorrichtungen für das linke und rechte Auge verlaufen parallel zueinander.


Anspruch[de]
Bild-Beobachtungsvorrichtung, die folgendes aufweist:

ein Bild-Aufnahmesystem (220; 240; 260; 270; 280; 290), um über ein optisches Bild-Aufnahmesystem (221; 242; 264; 274; PR4), das eine Eintrittspupille (222; 243; 265; 275; 284) aufweist, ein Außenbild zu erfassen,

eine Strahl-Ablenkfläche, um Licht von dem Objekt zu dem optischen Bild-Aufnahmesystem zu führen, und

ein Anzeigesystem (210; 230; 250), um das mittels des Bild-Aufnahmesystems aufgenommene Außenbild auf einer Anzeigeeinrichtung (211; 231; 251; 291) anzuzeigen, und um Licht von der Anzeigeeinrichtung (211; 231; 251; 291) über ein optisches Okularsystem (212) zu einem Auge eines Beobachters zu führen, wobei die Austrittspupille des Okulars an der augseitigen optischen Achse des optischen Okularsystems angeordnet ist,

wobei eine äußere optische Achse (O2; O4; O6; O7), die sich zwischen der Strahl-Ablenkflächeund dem Objekt erstreckt, mit der Verlängerung der augseitigen optischen Achse (O1; O3; O5) des optischen Okularsystems ausgerichtet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

die optische Entfernung zwischen der Strahl-Ablenkfläche und der Eintrittspupille (222; 243; 265; 275; 284) des optisches Bild-Aufnahmesystems um solch einen Verschiebungsbetrag kleiner als die optische Entfernung zwischen der Strahl-Ablenkfläche und der Austrittspupille (P) des optischen Okularsystems ist, der die nachfolgenden Bedingungen erfüllt: 5 mm ≤ d ≤ 60 mm
Bild-Beobachtungsvorrichtung nach Anspruch 1, in welcher ein Bildaufnahme-Blickwinkel des mittels des Bild-Aufnahmesystems aufgenommenen Außenbildes etwa einem Anzeigeblickwinkel der Anzeige durch das Anzeigesystem gleichgestellt ist. Bild-Beobachtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, welche eine Bild-Erzeugungseinrichtung (292) zum Erzeugen eines Bildes und eine Bild-Kombiniereinrichtung (293) zum Kombinieren von Bildern aufweist, wobei die Bild-Kombiniereinrichtung das Bild von der Bild-Erzeugungseinrichtung mit dem Bild von dem Bild-Aufnahmesystem kombiniert, um ein künstliches Bild zu bilden, und wobei die Bild-Kombiniereinrichtung das künstliche Bild auf der Anzeigeeinrichtung anzeigt. Bild-Beobachtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, in welcher das Bild-Aufnahmesystem ein Prisma (PR2) aufweist, welches aus einer Vielzahl von Ebenen besteht, wobei das Prisma eine Ebene aufweist, die eine Übertragungswirkung und eine Innen-Totalreflexionswirkung hat, und wobei Licht, das durch das Prisma hindurchgelaufen ist, mittels eines optischen Elements mit einer positiven optischen Strahlbrechkraft zu einer Bild-Aufnahmevorrichtung geführt wird. Bild-Beobachtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, in welchem das Bild-Aufnahmesystem eine dezentriert angeordnete, rotationsasymmetrische Reflexionsfläche (282) mit optischen Strahlbrechkräften aufweist, die sich abhängig von Azimutwinkeln unterscheiden. Bild-Beobachtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, in welchem das Anzeigesystem eine dezentriert angeordnete, rotationsasymmetrische Reflexionsfläche (254) mit optischen Strahlbrechkräften aufweist, die sich abhängig von Azimutwinkeln unterscheiden. Bild-Beobachtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, in welcher das Bild-Aufnahmesystem eine Reflexionsfläche aufweist, und in welcher eine Richtung der Ablenkung der optischen Achse mittels der Reflexionsfläche eine Richtung ist, die verschieden von einer Richtung der Ablenkung der optischen Achse mittels der Reflexionsfläche des Anzeigesystems ist. Bild-Überwachungssystem, in welchem ein Paar von Bild-Beobachtungsvorrichtungen nach einem der vorherigen Ansprüche für das linke und das rechte Auge eines Beobachters vorgesehen ist.






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