CN114930447A - 显示设备 - Google Patents

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Abstract

该显示设备包括图像显示设备100和控制单元101。图像显示设备100具有图像形成设备110和光学设备120，光学设备120在观看者前方以与外部世界中的真实图像重叠的状态显示从图像形成设备110出射的图像。控制单元101控制图像形成设备110的操作，并且当图像中存在作为显示黑色的区域的边缘部分的黑色显示边缘部分时，控制单元101对黑色显示边缘部分执行反转处理和亮度增加处理。

Description

显示设备
技术领域
本公开涉及显示设备，具体地说，涉及可以通过在观察者的前方重叠外部世界的真实图像来观察图像的显示设备。
背景技术
例如，在黑色图像(参见图25A)作为虚拟图像显示在头戴式显示器(HMD)上的情况下，灰度为零或接近零，因此图像以透明状态显示(参见图4A和25B)，使得难以识别黑色图像。从日本专利申请公开号2016-128893已知了如图25C所示为了显示黑色图像将该图像显示为接近不透明黑色的颜色的虚拟图像的图像处理设备。该专利公报中公开的图像处理设备包括：
确定装置，其确定包括在图像数据中的多个像素中的每一个是作为要透明显示的像素的透明像素还是作为要不透明显示的像素的不透明像素；
转换装置，其至少将不透明像素之中的具有比预定黑色阈值更接近黑色像素值的第一像素值的像素的像素值转换为比第一像素值更接近白色像素值的第二像素值；和
输出装置，其将转换装置转换像素值之后的转换后的图像数据输出给显示装置。
也就是说，在显示黑色或接近黑色的灰度的像素中，向像素信号添加一种偏移信号以显示灰色灰度(参见图25C)，从而防止像素成为物理上透明的像素。
引文列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开号2016-128893
发明内容
本发明要解决的问题
然而，在向像素信号添加一种偏移信号的这种处理中，不可能有效地表示黑色，并且还存在由于信号电平的不连续性而导致图像质量劣化的问题。
因此，本公开的一个目的是提供一种能够在不引起图像质量劣化的情况下有效地表示黑色的显示设备。
针对问题的解决方案
根据本公开第一至第三方面的用于实现上述目的的显示设备包括图像显示设备和控制单元，其中
图像显示设备包括：
图像形成设备，以及
光学设备，光学设备在将从图像形成设备出射的图像重叠在外部世界的真实图像上时，在观察者前方显示从图像形成设备出射的图像，
控制单元控制图像形成设备的操作。
然后，在根据本公开第一方面的显示设备中，在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，控制单元执行黑色显示边缘的反转处理和亮度增加处理。
此外，在根据本公开第二方面的显示设备中，在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，控制单元执行要重叠在包括所述图像的背景部分上的背景图像的亮度增加处理。
此外，在根据本公开第三方面的显示设备中，在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，控制单元执行要重叠在包括黑色显示边缘的背景部分上的背景图像的亮度增加处理。
根据本公开第四方面的用于实现上述目的的显示设备包括用于右眼的图像显示设备、用于左眼的图像显示设备和控制单元，其中
每个图像显示设备包括：
图像形成设备，以及
光学设备，光学设备在将从图像形成设备出射的图像重叠在外部世界的真实图像上时，在观察者前方显示从图像形成设备出射的图像，
控制单元控制用于右眼的图像形成设备和用于左眼的图像形成设备的操作，
在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，控制单元执行在用于右眼的图像显示设备中的图像的背景部分上重叠背景图像的处理，并执行在用于左眼的图像显示设备中的图像的背景部分上重叠背景图像的处理，以及
控制单元以在虚拟图像空间中距离观察者最远的位置处显示的图像的一部分为基准来显示背景图像。
附图说明
图1A是第一实施例的显示设备的概念图，图1B和1C是第四实施例的显示设备的概念图。
图2A和2B是第四实施例的显示设备的概念图。
图3A和3B是示出在第一实施例的显示设备中执行黑色显示边缘的反转处理和亮度增加处理之后从图像形成设备出射的图像的图。
图4A是示出在常规显示设备中从图像形成设备出射的图像重叠在观察者前方的外部世界的真实图像上的状态的图，图4B是示出在第一实施例的显示设备中，已经执行了黑色显示边缘的反转处理和亮度增加处理的图像重叠在观察者前方的外部世界的真实图像上的状态的图，图4C是示出在第二实施例的显示设备中，将已经执行了要重叠在包括图像的背景部分上的背景图像的亮度增加处理的图像重叠在观察者前方的外部世界的真实图像上的状态的图。
图5A、5B、5C和5D是用于说明第一实施例的显示设备中的黑色显示边缘的反转处理和亮度增加处理的图像的图。
图6A、6B和6C是用于说明第一实施例的显示设备中的黑色显示边缘的反转处理和亮度增加处理的图像的图。
图7A是示出第二实施例的显示设备中用于左眼的图像显示设备中的图像和背景图像的图，图7B是示出用于右眼的图像显示设备中的图像和背景图像的图。
图8A、8B和8C是示出第二实施例的显示设备中的背景图像的示例的图。
图9A和9B是示出第二实施例的显示设备中用于左眼的图像显示设备和用于右眼的图像显示设备的图像和背景图像的图。
图10是示出在第三实施例的显示设备中，基于图像的信息和关于骨骼信息中的关节的信息执行在包括黑色显示边缘的背景部分上重叠背景图像的处理的示例的图。
图11是用于说明第一至第四实施例的显示设备的操作的流程图。
图12是从正面观看的第五实施例的头戴式显示器的示意图。
图13是从上方观看的第五实施例的头戴式显示器的示意图。
图14是构成第五实施例的头戴式显示器的图像显示设备的概念图。
图15A、15B和15C分别是从侧面观看的第五实施例的头戴式显示器的示意图、以放大方式示出第五实施例的显示设备中的反射型体积全息衍射光栅的一部分的示意剖面图，以及构成第五实施例的头戴式显示器的图像形成设备的修改示例的概念图。
图16是构成第五实施例的头戴式显示器的图像显示设备的修改示例1的概念图。
图17是构成第五实施例的头戴式显示器的图像显示设备的修改示例2的概念图。
图18是构成第五实施例的头戴式显示器的图像显示设备的修改示例3的概念图。
图19A和19B分别是第六实施例的显示设备的概念图，以及图示在第六实施例的显示设备中基于由第一位置检测设备获取的图像(回归反射标记的位置信息)和由第二位置检测设备获取的图像(观察者的瞳孔的位置信息)的传送光学设备和图像形成设备的控制的图。
图20是从正面观看的第六实施例的显示设备的示意图。
图21A和21B是示意性地示出第六实施例的显示设备的使用示例的图。
图22是示出第六实施例的显示设备中的衍射构件和光收集构件的布置的修改示例的示意图。
图23A和23B是第七实施例的显示设备及其修改示例的概念图。
图24是第八实施例的显示设备的示意性剖面图。
图25A、25B和25C是用于说明传统显示设备中的问题的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图基于实施例描述本公开，但本公开不限于示例，示例中的各种数值和材料是示例。请注意，描述将按以下顺序进行。
1.根据本公开第一至第五方面的显示设备的一般描述
2.第一实施例(根据本公开第一和第五方面的显示设备)
3.第二实施例(根据本公开的第二、第四和第五方面的显示设备)
4.第三实施例(根据本公开第三和第五方面的显示设备)
5.第四实施例(第一至第三实施例的修改)
6.第五实施例(根据本公开第一至第五方面的显示设备的结构[部分1])
7.第六实施例(根据本公开第一至第五方面的显示设备的结构[部分2])
8.第七实施例(根据本公开第一至第五方面的显示设备的结构[部分3])
9.第八实施例(第七实施例的修改)
10.其他
<根据本公开第一至第五方面的显示设备的一般描述>
根据本公开的第五方面的显示设备包括用于右眼的图像显示设备、用于左眼的图像显示设备以及控制单元，其中
每个图像显示设备包括：
图像形成设备，以及
光学设备，其在将从图像形成设备出射的图像重叠到外部世界的真实图像上时，在观察者前方显示从图像形成设备出射的图像，
控制单元控制用于右眼的图像形成设备和用于左眼的图像形成设备的操作，以及
在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，控制单元
(A)执行右眼图像显示设备中的黑色显示边缘的反转处理和亮度增加处理，并执行左眼图像显示设备中的黑色显示边缘的反转处理和亮度增加处理，
(B)执行要重叠在右眼图像显示设备中的包括图像的背景部分上的背景图像的亮度增加处理，并执行要重叠在左眼图像显示设备中的包括图像的背景部分上的背景图像的亮度增加处理，或
(C)执行要重叠在右眼图像显示设备中的包括图像的背景部分上的背景图像的亮度增加处理，并执行要重叠在左眼图像显示设备中的包括图像的背景部分上的背景图像的亮度增加处理。
在下文中，根据本公开第一和第五方面的一部分的显示设备将统称为“根据本公开第一方面的显示设备等”，根据本公开第二至第五方面的其余部分的显示设备将统称为“根据本公开第二方面的显示设备等”，根据本公开第一至第五方面的显示设备将统称为“本公开的显示设备等”。
在本公开的显示设备等中，如下定义“黑色显示边缘”。也就是说，它是指在黑色显示边缘中，图像(显示对象)的黑色显示边缘的亮度值为“0”，或者当灰度数由2X表示时，黑色显示边缘的灰度数为2X-4或更小。
在以下描述中，图像信号(亮度信号)的值等定义如下。
SA-1：在执行黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理之前，黑色显示边缘的图像信号(亮度信号)的值
SA-2：在图像中存在黑色显示边缘的情况下，在执行黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理之后的黑色显示边缘或背景图像的图像信号(亮度信号)的值
SA-2'：在基于外部世界的照度测量结果执行黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理后，黑色显示边缘或背景图像的图像信号(亮度信号)的值
SA-2”：在基于观察者的视线信息执行黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理之后，黑色显示边缘或背景图像的图像信号(亮度信号)的值
SB-2：在基于透射率信息执行黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理之后的黑色显示边缘或背景图像的图像信号(亮度信号)的值
SC-2：在基于空间频率的测量结果执行黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理之后的黑色显示边缘或背景图像的图像信号(亮度信号)的值
SD-1：黑色显示边缘的图像信号(亮度信号)的平均值
SD-2：背景图像的图像信号(亮度信号)的平均值
SE-1：包括黑色显示边缘的背景部分的图像信号(亮度信号)的平均值
SE-2：背景图像的图像信号(亮度信号)的平均值
LX1：外部世界的照度的预设值(一种参考值)
LX2：外部世界的照度的测量值
在根据本公开第一方面的显示设备等中，在图像中存在黑色显示边缘的情况下，控制单元执行黑色显示边缘的反转处理和亮度增加处理，并且SA-1和SA-2优选地遵循以下规则。即，可以采用这样的模式，其中亮度增加处理使得在黑色显示边缘的亮度增加处理之前已经接收到黑色显示边缘的图像信号(亮度信号)[值SA-1]的控制单元基于预先确定的以下[SA-1和SA-2之间的第一规则]获得图像信号(亮度信号)[值SA-2]。
[SA-1和SA-2之间的第一规则]
SA-2＝SA-1+GA-2
这里，GA-2是256个灰度(8位)中的四个或更多灰度并且16个或更少灰度的任意值。或者，广义上，当灰度数量由2X表示时，GA-2被设置为2X-6或更大并且2X-4或更小的灰度数量的任意值。
注意，可以采用一种模式，其中，从外部接收包括黑色显示边缘或背景图像的亮度增加处理之前的黑色显示边缘的图像信号(亮度信号)[值SA-1]的整个图像的图像信号，或者关于图像的信息或数据(以下，这些可统称为“数据等”)。在这种模式下，数据等被记录、存储和保存在例如所谓的云计算机或服务器中，并由显示设备经由通信装置(例如，电话线、光缆、移动电话或智能电话)或通过组合显示设备和通信装置，可以在云计算机或服务器与显示设备之间交换或获取数据等。然后，控制单元根据各种规则(第一至第七规则)执行处理。或者，可以在显示设备中记录、存储和保存数据等。在某些情况下，基于值SA-1、值SD-1和值SE-1预先获得值SA-2、值SA-2'、值SA-2”、值SB-2、值SC-2、值SD-2和值SE-2，并且可以将值SA-2、值SA-2'、值SA-2”、值SB-2、值SC-2、值SD-2和值SE-2记录、存储并保存在云计算机或服务器中，或者可以将值SA-2、值SA-2'、值SA-2”、值SB-2、值SC-2、值SD-2和值SE-2记录、存储和保存在显示设备中。
包括上述优选实施例的本公开的显示设备等还包括测量外部世界的照度的照度测量设备；可以采用一种模式，其中，基于照度测量设备的照度测量结果，控制单元执行黑色显示边缘的亮度增加处理(根据本公开第一方面的显示设备等)，或者控制单元执行背景图像的亮度增加处理(根据本公开的第二方面的显示设备等)。具体地说，照度测量设备可以包括照度传感器，并且可以通过成像设备(或相机)获得照度。
这里，在黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理中，在LX2≥LX1的情况下，SA-1和SA-2'优选地遵循以下规则。即，可以采用这样的模式，其中，黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理使得已经接收到黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理之前的黑色显示边缘的图像信号(亮度信号)[值SA-1]的控制单元基于以下预先确定的[SA-1和SA-2'之间的第二规则]获得图像信号(亮度信号)[值SA-2']。
[SA-1和SA-2'之间的第二规则]
在LX2≥LX1的情况下，表示为：
SA-2'＝SA-2+{(ρ/π)×(LX2-LX1)}
这里，ρ是背景图像的反射率。
在LX2<LX1的情况下：
SA-2'＝SA-2
在包括上述优选模式的根据本公开第一方面的显示设备等中，可以采用一种模式，其中，控制单元获得通过对图像执行反转处理并执行分辨率降低而获得的黑色显示边缘的图像，然后，进行对通过对黑色显示边缘的图像执行亮度增加处理而获得的黑色显示边缘的图像和原始图像的组合处理，或者可以采用一种模式，其中，控制单元获得通过对图像执行反转处理并执行分辨率降低而获得的黑色显示边缘的图像，此后，执行模糊处理，并且进行对通过对黑色显示边缘的图像执行亮度增加处理而获得的黑色显示边缘的图像和原始图像的组合处理。这里，可以首先执行图像的反转处理或分辨率降低处理(例如，二值化处理、对二值化处理和二值化的加权处理、以及灰度化处理)。作为用于获得已执行分辨率降低的黑色显示边缘的图像的处理，具体地说，可以提及已知的边缘处理。可以对已经执行反转处理和分辨率降低的黑色显示边缘的图像执行已知高斯滤波处理或已知中值滤波处理。
此外，包括上述优选模式的根据本公开第一方面的显示设备等还包括获取观察者的视线信息的视线信息获取单元；可以采用一种模式，其中，控制单元对被包括在观察者的注视点及其附近中的黑色显示边缘执行亮度增加处理，包括上述优选模式的根据本公开的第二方面的显示设备等还包括获取观察者的视线信息的视线信息获取单元；可以采用一种模式，其中，控制单元对被包括在观察者的注视点及其附近中的背景图像执行亮度增加处理。作为视线信息获取单元，可以提及已知的眼睛跟踪设备(眼睛跟踪相机)。在眼睛跟踪设备中，在角膜上产生光(例如，近红外线)的反射点，通过眼睛跟踪设备拍摄其图像，从拍摄的眼球图像识别角膜上的光的反射点和瞳孔，并基于光的反射点和其他几何特征计算眼球的方向。
在这里，优选的是，SA-1和SA-2"遵循以下规则。也就是说，可以采用一种模式，其中，黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理使得：已经接收到在黑色显示边缘或背景图像的亮度增加处理之前的黑色显示边缘的图像信号(亮度信号)[值SA-1]的控制单元基于预先确定的以下[SA-1和SA-2"之间的第三规则]获得图像信号(亮度信号)[值SA-2"]。
[SA-1和SA-2"之间的第三规则]
SA-2"＝SA-1+GA-2"
这里，GA-2"具有256个灰度(8位)中的四个或更多的灰度并且16个或更少的灰度的任意值。或者，广义上，当灰度数量由2X表示时，GA-2"为2X-6或更大并且2X-4或更小的灰度数量的任意值。
此外，在包括上述优选模式的根据本公开第一方面的显示设备等中，图像的信息包括透射率的信息(α通道)；可以采用其中控制单元基于透射率信息执行黑色显示边缘的亮度增加处理的模式，并且在包括上述优选模式的根据本公开的第二方面的显示设备等中，图像的信息包括透射率的信息(α通道)；可以采用控制单元基于透射率信息进行背景图像的亮度增加处理的模式。具体地，随着透射率变高，仅需要增大反转处理后的黑色显示边缘的亮度，或者仅需要增大背景图像的亮度。
在这里，SA-1和SB-2优选地遵循以下规则。即，可以采用这样的模式，其中，黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理使得：已经接收到在黑色显示边缘或背景图像的亮度增加处理之前的黑色显示边缘的图像信号(亮度信号)[值SA-1]的控制单元基于以下预先确定的[SA-1和SB-2之间的第四规则]获得图像信号(亮度信号)[值SBA-2]。
[SA-1和SB-2之间的第四规则]
SB-2＝SA-1+GB-2×α/2X
这里，GB-2具有256个灰度(8位)中的四个或更多的灰度并且16个或更少的灰度的任意值。或者，广义上，当灰度数量由2X表示时，GB-2为2X-6或更大并且2X-4或更小的灰度数量的任意值。此外，α是α通道的灰度值，并且在全透射的情况下，与其他规则类似地将GB-2的值相加。
此外，包括上述优选模式的根据本公开第一方面的显示设备等还包括空间频率测量单元，其获得在图像和外部世界的真实图像的重叠区域中外部世界的真实图像的空间频率；可以采用一种模式，其中，控制单元基于空间频率的测量结果执行黑色显示边缘的亮度增加处理，包括上述优选模式的根据本公开第二方面的显示设备等还包括空间频率测量单元，该空间频率测量单元获得在图像和外部世界的真实图像的重叠区域中外部世界的真实图像的空间频率；可以采用控制单元基于空间频率的测量结果执行背景图像的亮度增加处理的模式。具体地，作为空间频率测量单元，可以提到成像设备(或相机)。也就是说，可以通过对由相机获取的图像执行FFT(傅里叶变换)来计算空间频率。具体地，随着空间频率的值变高，仅需要增加反转处理后的黑色显示边缘的亮度，或者仅需要增加背景图像的亮度。空间频率表示具有空间周期的结构的特性，并且表示在单位长度的空间中包含的结构的重复次数。或者，空间频率是单位长度的空间中包含的明暗的数量。空间频率ν和波长λ的关系为ν＝λ-1。
在这里，SA-1和SC-2优选地遵循以下规则。即，可以采用这样的模式，其中，反转处理之后的黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理使得：已经接收到在黑色显示边缘或背景图像的亮度增加处理之前的黑色显示边缘的图像信号(亮度信号)[值SA-1]的控制单元根据以下预先确定的[SA-1和SC-2之间的第五规则]获得图像信号(亮度信号)[值SC-2]。
[SA-1和SC-2之间的第五规则]
SC-2＝SA-1×K(x，y)
这里，通过将在第(x，y)个像素处计算的增益值乘以恒定(预定)系数来获得K(x，y)。
在根据本公开的第二方面的显示设备中，作为背景图像的形状，可以提及圆、椭圆、圆形的多边形、点的集合和格子形状。
然后，在根据本公开第二方面的显示设备中，优选的是，SD-1和SD-2遵循以下规则。即，可以采用这样的模式，其中，背景图像的亮度增加处理使得：已经接收到在背景图像的亮度增加处理之前的黑色显示边缘的图像信号(亮度信号)[值SD-1]的控制单元基于预先确定的以下[SD-1和SD-2之间的第六规则]获得图像信号(亮度信号)[值SD-2]。
[SD-1和SD-2之间的第六规则]
SD-2＝SD-1+GD-2
这里，GD-2具有256个灰度(8位)中的四个或更多的灰度并且16个或更少的灰度的任意值。或者，广义上，当灰度数量由2X表示时，GD-2为2X-6或更大并且2X-4或更小的灰度数量的任意值。此外，作为背景图像的形状，只要求获得背景图像的图案和空间频率并选择具有大差异的图案，或者观察者可以任意选择形状。背景图像的形状的大小只需要由观察者适当确定。
此外，在包括上述各种优选模式的根据本公开第三方面的显示设备中，图像的信息包括骨骼信息；可以采用一种模式，其中，控制单元基于图像的信息和骨骼信息执行将背景图像重叠在包括黑色显示边缘的背景部分上的处理，并且在这种情况下，可以采用一种模式，其中，控制单元基于图像的信息和骨骼信息中关于关节(图像中的特征点)的信息，执行将背景图像重叠在包括黑色显示边缘的背景部分上的处理。具体地，可以采用这样一种模式，其中，执行将背景图像重叠在包括作为黑色显示边缘且对应于图像的关节(图像中的特征点)的部分的背景部分上的处理。
在根据本公开第三方面的显示设备中，作为背景图像的形状，可以提及圆形、椭圆形和圆形多边形。
然后，在根据本公开第三方面的显示设备中，SE-1和SE-2优选地遵循以下规则。即，可以采用这样的模式，其中，背景图像的亮度增加处理使得：已经接收到在背景图像的亮度增加处理之前的黑色显示边缘的图像信号(亮度信号)[值SE-1]的控制单元基于以下预先确定的[SE-1和SE-2之间的第七规则]获得图像信号(亮度信号)[值SE-2]。
[SE-1和SE-2之间的第七规则]
SE-2＝SE-1+GE
在这里，GE是256个灰度(8位)中的四个或更多的灰度并且16个或更少的灰度的任意值。或者，广义上，当灰度数量由2X表示时，GE被设定为2X-6或更大并且2X-4或更小的灰度数量的任意值。例如，作为确定背景图像形状的方法和确定背景图像形状的大小的方法，可以提及根据关节部分的角度确定形状和大小的方法。具体地说，例如，在肘部弯曲的情况下，形状只需要是接近圆的形状，并且在肘部直的情况下，形状只需要是细长的椭圆。背景图像的大小可以根据图像的大小和距离而改变。
在根据本公开第四方面的显示设备中，可以采用一种模式，其中，背景图像可以对应于用于右眼的图像显示设备中的背景图像和用于左眼的图像显示设备中的背景图像的并集。
可以采用一种模式，其中，包括上述各种优选模式的本公开的显示设备等包括测量观察者的瞳孔直径的瞳孔直径测量单元。作为瞳孔直径测量单元，可以提及已知的眼睛跟踪设备(眼睛跟踪相机)。具体地，基于由眼睛跟踪设备记录的眼睛的图像来计算从眼睛跟踪设备到瞳孔的距离，并且可以从拍摄图像中的瞳孔的直径获得瞳孔直径。通过获得瞳孔直径，可以执行图像亮度控制的优化、黑色显示边缘的亮度控制、背景图像的亮度控制等、以及图像在瞳孔上的入射的优化。
例如，作为本公开的显示设备等，可以提及
[A]头戴式显示器(HMD)，其中整个显示设备安装在观察者的头部，
[B]显示设备，其中将光学设备安装在观察者上，并且图像形成设备和控制单元与观察者分开布置，
[C]显示设备，其中整个显示设备布置在与观察者不同的地方，此外，将图像形成设备、控制单元和光学设备布置在不同的地方，其中观察者观察在光学设备上显示的图像，
[D]设置在车辆或航空器的驾驶舱等中的平视显示器(HUD)。在平视显示器中，在车辆或航空器的驾驶舱等的风挡上布置具有虚拟图像形成区域的组合器，在该虚拟图像形成区域中，基于从图像形成设备出射的光形成虚拟图像。
[第一实施例]
第一实施例涉及根据本公开第一方面的显示设备和根据本公开第五方面的显示设备。图1A示出了第一实施例的显示设备的概念图。此外，在第一实施例的显示设备中，在图3A和3B中示出了在黑色显示边缘的反转处理和亮度增加处理之后从图像形成设备出射的图像。此外，图4A示出了在常规显示设备中从图像形成设备出射的图像重叠在观察者前方的外部世界的真实图像上的状态，图4B示出了在第一实施例的显示设备中，在黑色显示边缘的反转处理和亮度增加处理之后的图像重叠在观察者前方的外部世界的真实图像上的状态。此外，图11示出了用于说明第一实施例至第四实施例的显示设备的操作的流程图。
如图1A的概念图所示，如下文所述的第一实施例或第二至第八实施例的显示设备包括图像显示设备100、200和控制单元101，
图像显示设备100、200包括：
图像形成设备110，以及
光学设备(目镜光学设备)120，其在将从图像形成设备110出射的图像重叠在外部世界的真实图像上时，在观察者前方显示该图像，
其中，控制单元101控制图像形成设备110的操作。
然后，在第一实施例的显示设备中，在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，控制单元101执行黑色显示边缘的反转处理和亮度增加处理。
此外，如下文所述的第一实施例的显示设备或第二至第八实施例的显示设备包括：
用于右眼的图像显示设备100R、用于左眼的图像显示设备100L和控制单元101，
图像显示设备100R和100L中的每一个包括
图像形成设备110，以及
光学设备120，其在将从图像形成设备110出射的图像重叠在外部世界的真实图像上时，在观察者前方显示该图像，
其中，控制单元101控制用于右眼的图像形成设备110R和用于左眼的图像形成设备110L的操作。
然后，在第一实施例的显示设备中，在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，控制单元101执行用于右眼的图像显示设备100R中的黑色显示边缘的反转处理和亮度增加处理，并且执行用于左眼的图像显示设备100L中的黑色显示边缘的反转处理和亮度增加处理。
这里，在第一实施例的显示设备中，在图像中存在黑色显示边缘的情况下，控制单元101执行黑色显示边缘的亮度增加处理，并且该处理遵循上述[SA-1和SA-2之间的第一规则]。
在如下文所述的第一实施例或第二至第八实施例的以下描述中，“显示设备”包括包含图像显示设备100、200和控制单元101的显示设备，以及包含用于右眼的图像显示设备100R、用于左眼的图像显示设备100L和控制单元101的显示设备。
可以基于以下方法执行黑色显示边缘的反转处理和亮度增加处理。即，控制单元101对图5A所示的图像执行反转处理，并对反转后的图像执行分辨率降低处理(具体地，例如，灰度化处理)和对比度增强处理(参见图5B)。接下来，例如，可以基于边缘检测处理获得已经执行了分辨率降低的黑色显示边缘的图像(参见图5C)。然后，进行通过对黑色显示边缘的图像执行亮度增加处理而获得的黑色显示边缘的图像和原始图像的组合处理。图3A示出了通过组合处理获得的图像。可以对已经执行了分辨率降低的黑色显示边缘的图像执行亮度增强处理。这同样适用于后文。或者，控制单元101获得通过例如基于边缘检测处理对图5A所示的图像执行反转处理并且执行分辨率降低而获得的黑色显示边缘的图像，然后执行模糊处理(参见图5D)，以及执行通过对该黑色显示边缘的图像执行亮度增加处理而获得的黑色显示边缘的图像和原始图像的组合处理。图3B示出了通过组合处理获得的图像。或者，控制单元101提取图6A所示的图像的黑色显示边缘的轮廓(参见图6B)，然后对黑色显示边缘的轮廓的外围部分执行亮度增加处理(参见图6C)。然后，进行通过对黑色显示边缘的图像执行亮度增加处理而获得的黑色显示边缘的图像和原始图像的组合处理。或者，控制单元101获得通过例如基于边缘检测处理对图6A所示的图像执行反转处理并执行分辨率降低而获得的黑色显示边缘的图像，然后执行模糊处理，以及执行通过对该黑色显示边缘的图像执行亮度增加处理而获得的黑色显示边缘的图像和原始图像的组合处理。对于模糊处理，可以对黑色显示边缘的图像执行已知高斯滤波处理或已知中值滤波处理。上述各种类型的处理可以基于现有的公知算法来执行。反转处理不仅可以包括黑白反转处理，还可以包括颜色反转处理。
图11示出了用于解释第一实施例或后述第二至第四实施例的显示设备的操作的流程图，并且为了确定黑色显示边缘的存在或不存在，控制单元101可以根据需要考虑外部环境信息，例如
(1)由照度测量设备测量的外部世界的照度，或
(2)由空间频率测量单元获得的外部世界的真实图像的空间频率，
图像信息，例如
(3)透射率信息(阿尔法通道)，
对于黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理，如果必要，可以考虑观察者信息，例如
(4)由视线信息获取单元获取的观察者的视线信息，
(5)由瞳孔直径测量单元获得的观察者的瞳孔直径，以及
此外，可以考虑左右图像信息，例如
(6)基于由右眼图像显示设备生成的图像的信息和由左眼图像显示设备生成的图像的信息的视差信息。
此外，图4A示出了在常规显示设备中从图像形成设备出射的图像重叠在观察者前方的外部世界的真实图像上的状态，其中当显示黑色的区域及其边缘(黑色显示边缘)成为透明图像，并且通过重叠在外部世界的真实图像上来显示图像时，观察者很难辨识该图像。另一方面，在第一实施例的显示设备中，由于作为图4B所示的其中已经执行了黑色显示边缘的反转处理和亮度增加处理的图像被重叠在观察者前方的外部世界的真实图像上的状态，已经执行了黑色显示边缘的反转处理和亮度增加处理，因此观察者可以容易地识别显示黑色的区域及其边缘(黑色显示边缘)。也就是说，与已经执行反转处理和亮度增加处理的黑色显示边缘相邻的黑色图像的部分被辨识为比黑色显示边缘相对黑，因此观察者可以容易地将该部分识别为黑色图像的部分。
如上所述，在第一实施例的显示设备中，通过执行上述处理，可以在不导致图像质量劣化的情况下有效地表示黑色，观察者可以容易地辨识黑色显示边缘或显示黑色的区域，此外，可以提供一种具有高图像质量的显示设备，其中不出现信号电平的不连续性。
[第二实施例]
第二实施例涉及根据本公开的第二方面、第四方面和第五方面的显示设备。在第二实施例的显示设备中，在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，控制单元101执行要重叠在包括该图像的背景部分上的背景图像的亮度增加处理。
或者，在第二实施例的显示设备中，
在图像中存在黑色显示边缘(即显示黑色的区域的边缘)的情况下，控制单元101执行在用于右眼的图像显示设备100R中的图像的背景部分上重叠背景图像的处理，并执行在用于左眼的图像显示设备100L中的图像的背景部分上重叠背景图像的处理，以及
控制单元101以在虚拟图像空间中距离观察者最远的位置处显示的图像的部分为基准来显示背景图像。
此外，在第二实施例的显示设备中，在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，控制单元101执行要重叠在包括用于右眼的图像显示设备100R中的图像的背景部分上的背景图像的亮度增加处理，并且执行要重叠在包括用于左眼的图像显示设备100L中的图像的背景部分上的背景图像的亮度增加处理。
图4C示出了在第二实施例的显示设备中，将要重叠在包括图像的背景部分上的背景图像的亮度增加处理已经被执行的图像重叠在观察者前方的外部世界的真实图像上的状态。此外，图7A示出了用于右眼的图像显示设备100R中的图像和背景图像，图7B示出了用于左眼的图像显示设备100L中的图像和背景图像，以及在图9A和9B中示出了用于左眼的图像显示设备100L和用于右眼的图像显示设备100R中的图像和背景图像。注意，从用于右眼的图像显示设备100R和用于左眼的图像显示设备100L出射的背景图像是与图7A所示的背景图像和图7B所示的背景图像的并集相对应的背景图像。此外，在图7A、7B和8A中，由于背景图像的绘制中的处理，背景图像是粗糙的。
背景图像的形状可以是如图7A、7B和8A所示的椭圆、如图8B所示的格子形状、如图8C所示的点的集合、或未示出的圆形或圆的多边形形状。背景图像可以渐变，使得亮度朝着整个图像的外侧降低。
例如，可以由操作显示设备的观察者来确定选择何种背景图像，或者可以自动确定与背景部分不冲突的背景图像。此外，可以根据背景部分的亮度改变背景图像的图案等。
图9A示出了从观察者的右眼107R和左眼107L在水平方向上看到的图像。此外，图9B示出了从观察者的右眼107R和左眼107L在垂直方向上看到的图像。注意，图9B是整体地从上方看到的图。在图9A和9B中，附图标记“R1”表示与用观察者的右眼107R观看到的图像和背景图像的右端相对应的光线，附图标记“R2”表示与用观察者的右眼107R观看到的图像和背景图像的左端相对应的光线，附图标记“L1”表示与用观察者的左眼107L观看到的图像和背景图像的左端相对应的光线，附图标记“L2”表示与用观察者的左眼107L观看到的图像和背景图像的右端相对应的光线。此外，附图标记“BGR”表示用观察者的右眼107R观看到的背景图像，附图标记“BGL”表示用观察者的左眼107L观看到的背景图像，附图标记“BG”表示用观察者的双眼观看到的背景图像。
背景图像BG对应于用于右眼的图像显示设备100R中的背景图像BGR和用于左眼的图像显示设备100L中的背景图像BGL的并集。此外，以在虚拟图像空间中距离观察者最远的位置处显示的图像的部分为基准显示背景图像BG。具体地，在所示的示例中，显示背景图像BG以便与对应于熊猫图像的背部的部分接触。这样的背景图像BG的处理只需要是这样的处理，其中，控制单元101根据基于要由观察者的右眼107R观看的图像的信息(即，由用于右眼的图像显示设备100R生成的图像的信息)和将由观察者的左眼107L观看的图像的信息(即，由用于左眼的图像显示设备100L生成的图像的信息)的视差信息来确定背景图像要显示在虚拟图像空间中的位置。
然后，在第二实施例的显示设备中，背景图像的亮度增加处理遵循上述[SD-1和SD-2之间的第六规则]。
在第二实施例的显示设备中，如从图4C显见的，通过执行上述处理，可以在不导致图像质量劣化的情况下有效地表示黑色，观察者可以容易地辨识黑色显示边缘或显示黑色的区域，此外，可以提供一种具有高图像质量的显示设备，其中不出现信号电平的不连续性。也就是说，由于与经过亮度增加处理的背景图像相邻的黑色图像的部分被辨识为比背景图像相对黑，因此观察者可以容易地将该部分识别为黑色图像的部分。注意，可以组合第一实施例的显示设备和第二实施例的显示设备。
[第三实施例]
第三实施例涉及根据本公开的第三方面和第五方面的显示设备。在第三实施例的显示设备中，在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，控制单元101执行要重叠在包括黑色显示边缘的背景部分上的背景图像的亮度增加处理。
此外，在第三实施例的显示设备中，在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，控制单元101执行要重叠在包括用于右眼的图像显示设备100R中的图像的背景部分上的背景图像的亮度增加处理，以及执行要重叠在包括用于左眼的图像显示设备100L中的图像的背景部分上的背景图像的亮度增加处理。
此外，在第三实施例的显示设备中，
图像的信息包括骨骼信息，以及
控制单元101基于图像的信息和骨骼信息，执行将背景图像重叠在包括黑色显示边缘的背景部分上的处理。
具体地，控制单元101基于图像的信息和关于骨骼信息中的关节(图像中的特征点)的信息，执行在包括黑色显示边缘的背景部分上重叠背景图像的处理。更具体地说，执行将背景图像重叠在包括作为黑色显示边缘且对应于图像的关节(图像中的特征点)的部分的背景部分上的处理。当执行将背景图像重叠在包括与图像的关节(图像中的特征点)对应的部分的背景部分上的处理时，观察者的大脑在对应于图像的关节的部分和对应于图像的关节的部分之间的区域(为了方便称为“连接区域”)中补充黑色图像，并且可以识别连接区域中的黑色图像。也就是说，观察者能够可靠地将连接区域中的黑色图像识别为主观轮廓。
图10示出了在第三实施例的显示设备中，基于图像的信息和关于骨骼信息中的关节的信息，执行在包括黑色显示边缘的背景部分上重叠背景图像的处理的示例。
在第三实施例的显示设备中，作为背景图像的形状，可以提及圆、椭圆、圆的多边形等。然后，在第三实施例的显示设备中，背景图像的亮度增加处理遵循上述[SE-1和SE-2之间的第七规则]。
在第三实施例的显示设备中，通过执行上述处理，可以在不导致图像质量劣化的情况下有效地表示黑色，观察者可以容易地辨识黑色显示边缘或显示黑色的区域的一部分[例如，连接区域的黑色图像，该连接区域是对应于图像的关节(图像中的特征点)的部分和对应于图像的关节(图像中的特征点)的部分之间的区域]，此外，可以提供一种具有高图像质量的显示设备，其中不出现信号电平的不连续性。也就是说，由于与经过亮度增加处理的背景图像相邻的黑色图像的部分(连接区域的部分)被辨识为比背景图像相对黑，因此观察者可以容易地将该部分识别为黑色图像的部分。注意，可以组合第一实施例的显示设备和第三实施例的显示设备。
[第四实施例]
第四实施例是对第一至第三实施例的修改，特别地，是对显示设备的修改。
如图1B中的概念图所示，第四实施例的显示设备还可以包括测量外部世界的照度的照度测量设备102。然后，基于照度测量设备102的照度测量结果，控制单元101执行黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理。具体地说，照度测量设备102可以包括照度传感器，并且可以通过成像设备(或相机)获得照度。这里，在第四实施例的显示设备中，在图像中存在黑色显示边缘的情况下，控制单元101执行黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理，并且该处理遵循上述[SA-1和SA-2’之间的第二规则]。
如图1C中的概念图所示，第四实施例的修改示例1的显示设备还包括视线信息获取单元[具体地说，眼球跟踪设备(眼球跟踪相机)]103，其获取观察者的视线信息，并且控制单元101执行被包括在观察者的注视点及其附近中的黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理。具体地说，例如，在观察者的注视点位于图4B中的熊猫图像的左耳或其附近的情况下，执行包括熊猫图像的左耳的黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理。这里，控制单元101执行黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理，并且该处理遵循上述[SA-1和SA-2”之间的第三规则]。如上所述，由于显示设备包括获取观察者的视线信息的视线信息获取单元，因此观察者可以更容易地辨识观察者注视的区域中的显示边缘等。
或者，在第四实施例的显示设备的修改示例2中，
图像的信息包括透射率信息(alpha通道)，以及
控制单元101基于透射率的信息执行黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理。该处理符合前述[SA-1和SB-2之间的第四规则]。如上所述，观察者可以更容易地辨识具有高透射率的区域中的显示边缘等。
或者，如图2A中的概念图所示，第四实施例的显示设备的修改示例3还包括空间频率测量单元[例如，成像设备(或相机)]104，其获得在图像和外部世界的真实图像的重叠区域中的外部世界的真实图像的空间频率，并且控制单元101基于空间频率的测量结果执行黑色显示边缘的亮度增加处理或背景图像的亮度增加处理。具体地说，作为具有高空间频率值的外部世界(背景)，可以提及在水平方向或垂直方向上布置大量板条(叶片)的百叶窗，以及具有周期性图案的墙纸。另一方面，作为具有低空间频率值的外部世界(背景)，可以提及没有图案的墙纸和平坦的外部世界。在存在这种具有高空间频率的外部世界(背景)的情况下，控制单元101仅需要增加黑色显示边缘或背景图像的亮度，并且该处理遵循上述[SA-1和SC-2之间的第五规则]。也就是说，通过增加黑色显示边缘或背景图像的亮度，使得具有盲区或周期性图案的墙纸变得难以看见。如上所述，由于显示设备包括空间频率测量单元，因此观察者可以更容易地辨识观察者难以视觉辨识的区域中的显示边缘等。
或者，如图2B中的概念图所示，第四实施例的显示设备的修改示例4包括测量观察者的瞳孔直径的瞳孔直径测量单元105。作为瞳孔直径测量单元，可以提及已知的眼睛跟踪设备(眼睛跟踪相机)。通过包括瞳孔直径测量单元，可以执行图像亮度控制、黑色显示边缘的亮度控制、背景图像的亮度控制等的优化。
[第五实施例]
第五至第八实施例是对第一至第四实施例的修改，并且将在第五至第八实施例中描述本公开的显示设备等的具体示例。第五实施例的显示设备是头戴式显示器(HMD)，其中整个显示设备安装在观察者的头部。
在第五实施例中，将第一至第四实施例中描述的显示设备应用于头戴式显示器(HMD)。图12示出了从正面观看的第五实施例的头戴式显示器的示意图，图13示出了从上方观看的其示意图，图15A示出了从侧面观看的其示意图。此外，图14示出了构成第五实施例的头戴式显示器的图像显示设备的概念图，图15B示出了以放大方式示出第五实施例的显示设备中的反射型体积全息衍射光栅的一部分的示意性剖面图。
第五实施例的显示设备中的光学设备(目镜光学设备)120包括：
导光板121，从图像形成设备110入射的光通过全反射通过导光板121传播，然后向观察者106出射；
第一偏转装置131，其偏转入射到导光板121上的光，使得入射到导光板121上的光在导光板121内被全反射；和
第二偏转装置132，其偏转通过全反射在导光板121内传播的光，以便从导光板121出射通过全反射在导光板121内传播的光。请注意，术语“全反射”是指全内反射或导光板内的全反射。从图像形成设备110入射的光通过全反射在导光板121内传播，然后向观察者106的瞳孔107出射。第二偏转装置132形成光学设备120中的虚拟图像形成区域。
包括导光板121和第二偏转装置132的光学设备120的部分是半透射型(透明型)的。具体地说，面向观察者106的眼球(瞳孔)107的光学设备120的至少一部分是半透射的(透明的)，并且可以通过光学设备120的该部分观看外景。注意，在本说明书中，可以使用术语“半透射”，但它并不意味着入射光的1/2(50％)被透射或反射，而是在入射光的一部分被透射而其余部分被反射的意义下使用。此外，可以采用一种模式，其中，光学设备120还包括调光设备，其调节从外部入射的外部光的量。
这里，可以采用这样的配置，其中，第一偏转装置131对入射到导光板121上的光进行衍射，第二偏转装置132对导光板121内通过全反射传播的光进行多次衍射。然后，在这种情况下，可以采用一种模式，其中第一偏转装置131和第二偏转装置132可以是包括衍射光栅元件的形式，并且进一步，可以采用一种配置，其中衍射光栅元件包括反射型衍射光栅元件或包括透射型衍射光栅元件，或者一个衍射光栅元件包括反射型衍射光栅元件，另一个衍射光栅元件包括透射型衍射光栅元件。作为衍射光栅元件，可以提到体积全息衍射光栅。为方便起见，包括体积全息衍射光栅的第一偏转装置131可被称为“第一衍射光栅构件”，且为方便起见，包括体积全息衍射光栅的第二偏转装置132可被称为“第二衍射光栅构件”。全息衍射光栅层的干涉条纹基本上平行于Y轴延伸。
尽管可以通过第五实施例的图像显示设备执行单色(例如，蓝色)图像显示，但是在执行彩色图像显示的情况下，可以采用如下配置：为了对应于具有不同P类型(例如，P＝3，以及红、绿和蓝的三种类型)的波长带(或波长)的P类型光的衍射反射，第一衍射光栅构件或第二衍射光栅构件通过堆叠包括体积全息衍射光栅的P层衍射光栅层而形成。在每个衍射光栅层上形成对应于一种波长带(或波长)的干涉条纹。或者，可以采用一种配置，其中为了对应于具有不同P类型的波长带(或波长)的P类型光的衍射反射，在包括一个衍射光栅层的第一衍射光栅构件或第二衍射光栅构件中形成P类型的干涉条纹。或者，例如，可以采用一种配置，其中视角被三等分，并且第一衍射光栅构件或第二衍射光栅构件通过堆叠对应于各个视角的衍射光栅层而形成。或者，例如，可以采用一种结构，其中在第一导光板上布置包括包含衍射以及反射具有红色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一衍射光栅构件和第二衍射光栅构件，在第二导光板上布置包括包含衍射以及反射具有绿色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一衍射光栅构件和第二衍射光栅构件，在第三导光板上布置包括包含衍射以及反射具有蓝色波长带(或波长)的光的体积全息衍射光栅的衍射光栅层的第一衍射光栅构件和第二衍射光栅构件，并且这些第一导光板、第二导光板、以及第三导光板在它们之间有间隙的情况下被堆叠。然后，通过采用这些配置，当具有每个波长带(或者，波长)的光被第一衍射光栅构件或第二衍射光栅构件衍射和反射时，可以提高衍射效率，增加衍射接收角，并优化衍射角。优选地，布置保护构件，使得体积全息衍射光栅不与大气直接接触。
作为构成第一衍射光栅构件和第二衍射光栅构件的材料，可以提及光聚合物材料。包括体积全息衍射光栅的第一衍射光栅构件和第二衍射光栅构件的组成材料和基本结构仅要求与常规体积全息衍射光栅的组成材料和结构相同。体积全息衍射光栅是指仅衍射和反射+一级衍射光的全息衍射光栅。干涉条纹从衍射光栅构件的内部到表面形成在衍射光栅构件上，并且形成此类干涉条纹的方法本身只需要与常规形成方法相同。具体而言，例如，仅要求在一侧用来自第一预定方向的物体光照射构成衍射光栅构件的构件(例如，光聚合材料)，同时在另一侧用来自第二预定方向的参考光照射构成衍射光栅构件的构件，在构成衍射光栅构件的构件内记录由物体光和参考光形成的干涉条纹。通过适当地选择第一预定方向、第二预定方向以及物体光和参考光的波长，可以获得衍射光栅构件表面上干涉条纹的期望间距和干涉条纹的期望倾角(倾斜角)。干涉条纹的倾角是指衍射光栅构件(或衍射光栅层)的表面与干涉条纹形成的角度。在第一衍射光栅构件和第二衍射光栅构件由包括体积全息衍射光栅的衍射光栅层的P层的堆叠结构形成的情况下，仅需要堆叠此类衍射光栅层，以便分别制备P层的衍射光栅层，此后，使用例如紫外光固化粘合剂堆叠(粘合)P层的衍射光栅层。此外，在使用具有粘合性的光聚合物材料制备一层衍射光栅层之后，可以在其上顺序粘合具有粘合性的光聚合物材料以制备衍射光栅层，从而制备P层的衍射光栅层。通过在必要时用能量射线照射所制备的衍射光栅层，使光聚合物材料中在用衍射光栅层的物体光和参考光照射时未聚合的单体聚合并固定。此外，如有必要，进行热处理以实现稳定化。
或者，可以采用一种配置，其中第一偏转装置131'反射入射到导光板121'上的光，第二偏转装置132'多次透射和反射通过全反射在导光板121'内传播的光。然后，在这种情况下，可以采用一种配置，其中第一偏转装置131'用作反射镜，第二偏转装置132'用作半透射镜。
在这种配置中，第一偏转装置131′由例如含有合金的金属形成，并且可以包括反射入射到导光板121′上的光的光反射膜(一种镜)、衍射入射到导光板121′上的光的衍射光栅(例如全息衍射光栅层)、其中堆叠大量电介质堆叠膜的多层堆叠结构、半反射镜和偏振分束器。此外，第二偏转装置132’可包括其中堆叠大量电介质堆叠膜的多层堆叠结构、半反射镜、偏振分束器以及全息衍射光栅层。然后，第一偏转装置131'和第二偏转装置132'布置在导光板121'内(被并入导光板121'内)，但在第一偏转装置131'中，入射到导光板121'上的平行光被反射或衍射，使得入射到导光板121'上的平行光在导光板121'内被全反射。另一方面，在第二偏转装置132′中，通过全反射在导光板121′内传播的平行光被反射或衍射多次，并且以平行光的状态从导光板121′出射。在某些情况下，第一偏转装置131'和第二偏转装置132'中的一个可包括第一偏转装置131或第二偏转装置132。
或者，在第五实施例的图像显示设备中，可以采用一种模式，其中光学设备包括半透射镜，从图像形成设备出射的光入射在该半透射镜上并向观察者的瞳孔出射。可以采用这样一种结构，其中，例如，从图像形成设备出射的光在空气中传播以入射到半透射镜上，或者在诸如玻璃板或塑料板之类的透明构件(具体地说，由与形成导光板121的材料类似的材料形成的构件)内传播以入射到半透射镜上。半透射镜可以经由透明构件被附接到图像形成设备，或者半透射镜可以经由与透明构件不同的构件被附接到图像形成设备。
在包括上述各种优选模式的第五至第八实施例的图像显示设备中，可以采用其中图像形成设备具有以二维矩阵布置的多个像素的模式。注意，为了方便起见，这种图像形成设备的配置将被称为“第一配置图像形成设备”。
作为第一配置的图像形成设备，例如，可以提及：包括反射型空间光调制设备和光源的图像形成设备；包括透射型空间光调制设备和光源的图像形成设备；以及包括诸如有机电致发光(EL)元件、无机EL、发光二极管(LED)和半导体激光元件之类的发光元件的图像形成设备，在它们之中，包括有机EL发光元件(有机EL显示设备)的图像形成设备、包括反射空间光调制设备和光源的图像形成设备或包括发光元件的图像形成设备是优选的。作为空间光调制设备，可以提及光阀(例如，硅上液晶(LCOS)等)的透射型或反射型液晶显示设备，以及数字微镜设备(DMD)，并且可以提及发光元件作为光源。此外，可以采用这样的配置，其中反射型空间光调制设备包括液晶显示设备和偏振分束器，偏振分束器反射来自光源的一部分光并将该光引导到液晶显示设备，并使由液晶显示设备反射的光的一部分通过并将该光引导到光学系统(或传送光学设备)。作为构成光源的发光元件，可以提及红色发光元件、绿色发光元件、蓝色发光元件和白色发光元件。或者，白光可以通过使用光管混合从红色发光元件、绿色发光元件和蓝色发光元件出射的红光、绿光和蓝光并且使亮度均匀来获得。例如，作为发光元件，可以举例说明半导体激光器元件、固态激光器和LED。像素数量仅需要基于图像形成设备所需的规格来确定，并且作为像素数量的具体值，可以举例说明320×240、432×240、640×480、854×480、1024×768、1920×1080等。在第一配置的图像形成设备中，可以采用一种模式，其中光圈被布置在光学系统的前焦点(图像形成设备侧的焦点)的位置处。
或者，在包括上述优选模式的第五至第八实施例的图像显示设备中，可以采用一种模式，其中图像形成设备包括光源和用于用从光源出射的光进行扫描并形成图像的扫描装置。注意，为了方便起见，这种图像形成设备的配置将被称为“第二配置的图像形成设备”。
可以提及发光元件作为第二配置的图像形成设备中的光源，具体地说，可以提到红色发光元件、绿色发光元件、蓝色发光元件和白色发光元件，或者可以使用光管混合从红色发光元件、绿色发光元件和蓝色发光元件出射的红光、绿光和蓝光，并对它们进行亮度均匀化，以获得白光。例如，作为发光元件，可以举例说明半导体激光器元件、固态激光器和LED。第二配置的图像形成设备中的像素(虚拟像素)的数量仅需要基于图像形成设备所需的规格来确定，并且作为像素(虚拟像素)数量的具体值，可以举例说明320×240、432×240、640×480、854×480、1024×768、1920×1080等。此外，在显示彩色图像的情况下，以及在通过红色发光元件、绿色发光元件和蓝色发光元件形成光源的情况下，优选使用例如交叉(cross)棱镜执行颜色合成。作为扫描装置，例如，可以提及具有能够在二维方向上旋转的微镜的微机电系统(MEMS)镜，和利用从光源出射的光进行水平和垂直扫描的电流镜(galvano mirror)。在第二配置的图像形成设备中，可以采用一种模式，其中MEMS镜或电流计镜(galvanometer mirror)被布置在光学系统(如下文所述)的前焦点(图像形成设备侧的焦点)的位置处。
在第一配置的图像形成设备或第二配置的图像形成设备中，在光学系统(其为一种使出射光成为平行光的光学系统，可称为“平行光出射光学系统”，具体而言，例如，准直光学系统或中继光学系统)中多个平行光入射到导光板121、121'上，并且这种对作为平行光的要求基于这样一个事实，即，即使在光经由第一偏转装置131、131'和第二偏转装置132、132'从导光板121、121'出射之后，也需要存储当这些光入射到导光板121、121'上时的光波平面信息。为了产生多个平行光，具体地说，例如，只需要将图像形成设备的发光单元定位在平行光出射光学系统中焦距的地点(位置)处。平行光出射光学系统具有在光学设备的光学系统中将像素的位置信息转换为角度信息的功能。作为平行光出射光学系统，可以举例说明整体具有正屈光力的光学系统，其中单独或组合使用凸透镜、凹透镜、自由曲面棱镜和全息透镜。可在平行光出射光学系统和导光板121、121’之间布置具有开口的遮光部分，以使得不期望的光不从平行光出射光学系统出射并且不入射到导光板121、121’上。
在包括上述各种优选配置和模式的第五实施例的显示设备中，可以采用一种模式，其中导光板121、121′具有平行于导光板121、121′的轴(纵向和水平方向)延伸的两个平行表面(第一表面和第二表面)，导光板121、121'可包括透明基板。当导光板121、121′的光入射到的表面是导光板入射表面且导光板121、121′的光从其出射的表面是导光板出射表面时，第一表面可形成导光板入射表面和导光板出射表面，或者第一表面可以形成导光板入射表面，第二表面可以形成导光板出射表面。作为构成导光板121、121’的材料，可以提及玻璃(包括光学玻璃，例如石英玻璃和BK7、钠钙玻璃或白板玻璃)，以及塑料材料(例如，PMMA、聚碳酸酯树脂、聚碳酸酯树脂和丙烯酸树脂的堆叠结构、环烯烃聚合物、丙烯酸树脂、无定形聚丙烯树脂和含有AS树脂的苯乙烯树脂)。导光板121、121’的形状不限于平板，并且可以具有弯曲形状。
在第五和第六实施例的显示设备中，可以采用一种配置，其中框架包括布置在观察者前方的前部和通过铰链枢转地附接到前部的两端的两个镜腿部分，并且可以采用一种配置，其中前部和两个镜腿部分是一体的。如有必要，镜腿前端(前单元部分)被附接到每个镜腿部分的前端部分。可以采用一种模式，其中鼻垫部分被附接到前部。尽管图像显示设备被附接到框架，但具体地说，例如，内部收纳图像形成设备的外壳只需要被附接到镜腿部分侧的前部，或者只需要附接到镜腿部分，或者只需要从镜腿部分侧的前部附接到镜腿部分。图像形成设备的附接(外壳的附接)仅需要通过例如适当的方法来执行，例如使用螺钉的方法。当观看第五实施例的整个显示设备时，框架具有与普通眼镜或太阳镜基本相同的结构和外观。也就是说，当观看第五实施例的整个显示设备时，框架和鼻垫部分的组件具有与普通眼镜或太阳镜基本相同的结构，只是没有边缘。鼻垫部分也可以具有已知的配置和结构。扬声器或耳机部件可以被附接到镜腿部分。构成包括鼻垫部分的框架的材料可以由与形成普通眼镜或太阳镜的材料相同的材料形成，例如金属、合金、塑料或其组合。在第六实施例的显示设备中，可以采用一种模式，其中光学设备被附接到护目镜或与护目镜整体形成，或者，可以采用一种模式，其中光学设备被附接到具有类似于可佩戴在观察者的头部上的灾难预防表面的形状的表面构件(面部构件、遮罩构件)，或与表面构件整体形成。
此外，在第五实施例的显示设备中，从设计或易于安装的观点来看，希望采用一种模式，其中来自一个或两个图像形成设备的布线(信号线、电源线等)从镜腿前端的前端部分经由镜腿部分和镜腿前端的内部延伸到外部，并连接到控制设备(控制电路或控制装置)。此外，可以采用这样一种模式，其中每个图像形成设备包括耳机部分，并且来自每个图像形成设备的耳机部分的布线从镜腿前端的前端部分经由镜腿部分和镜腿前端的内部延伸到耳机部分。例如，作为耳机部件，可以提及内耳式耳机部件和耳道式耳机部件。更具体地说，优选地，采用耳机部件的布线从镜腿前端的前端部分延伸到耳机部件以便环绕耳廓(外耳)的背面的模式。此外，可以采用一种模式，其中成像设备被附接到前部的中心部分。具体地说，成像设备包括例如包括CCD或CMOS传感器的固态图像传感器和透镜。来自成像设备的布线仅需要经由例如前部被连接到一个图像显示设备(或图像形成设备)，并且进一步被包括在从图像显示设备(或图像形成设备)延伸的布线中。
具体而言，第五实施例的头戴式显示器包括：
(A)安装在观察者106的头部的框架140(例如，眼镜式框架140)；和
(B)附接到框架140的图像显示设备100。注意，具体地说，第五实施例的头戴式显示器是具有两个图像显示设备的双目型的，但是可以使用具有一个图像显示设备的单目型的。图像显示设备100可以固定地被附接到框架140或可拆卸地被附接到框架140。头戴式显示器例如是直接绘制型头戴式显示器，其直接在观察者106的瞳孔107上绘制图像。
导光板121具有来自图像形成设备110的光入射到的第一表面122和与第一表面122相对的第二表面123。也就是说，由光学玻璃或塑料材料形成的导光板121具有平行于由于导光板121的全内反射而引起的光传播方向(X方向)延伸的两个平行表面(第一表面122和第二表面123)。第一表面122和第二表面123彼此相对。然后，在导光板121的第二表面123上布置(具体地，粘合)第一偏转装置131，并且在导光板121的第二表面123上布置(具体地，粘合)第二偏转装置132。
第一偏转装置(第一衍射光栅构件)131包括全息衍射光栅，具体地说，反射型体积全息衍射光栅，并且第二偏转装置(第二衍射光栅构件)132也包括全息衍射光栅，具体地说，反射型体积全息衍射光栅。第一干涉条纹形成在构成第一偏转装置131的全息衍射光栅内部，第二干涉条纹形成在构成第二偏转装置132的全息衍射光栅内部。
第一偏转装置131衍射并反射从第二表面123入射到导光板121上的平行光，使得平行光在导光板121内被全反射。第二偏转装置132衍射并反射在导光板121内通过全反射传播的光，并将光引导至观察者106的瞳孔107。第二偏转装置132在导光板121中形成虚拟图像形成区域。第一偏转装置131和第二偏转装置132的轴平行于X方向，其法线平行于Z方向。在由光聚合物材料形成的每个反射型体积全息衍射光栅中，形成对应于一种类型的波长带(或波长)的干涉条纹，并且通过常规方法产生干涉条纹。反射型体积全息衍射光栅中形成的干涉条纹的间距是恒定的，干涉条纹是线状的，并平行于Y方向。
图15B是反射型体积全息衍射光栅的示意放大部分剖视图。在反射型体积全息衍射光栅上形成倾角(倾斜角)
Figure BDA0003747369370000321
的干涉条纹。这里，倾角
Figure BDA0003747369370000322
是指由反射型体积全息衍射光栅的表面和干涉条纹形成的角度。干涉条纹是从反射型体积全息衍射光栅的内部到表面形成的。干涉条纹满足布拉格条件。这里，布拉格条件指满足以下等式(A)的条件。在等式(A)中，m表示正整数，λ表示波长，d表示光栅表面的间距(包括干涉条纹的虚拟平面的法向上的间隔)，Θ表示干涉条纹上入射的角度的余角。此外，在光以入射角ψ进入衍射光栅构件的情况下在Θ、倾角
Figure BDA0003747369370000323
和入射角ψ之间的关系如等式(B)所示。
m·λ＝2·d·sin(Θ) (A)
Figure BDA0003747369370000324
整个图像形成设备110被容纳在壳体112中。注意，可以布置从图像形成设备110出射的图像通过的光学系统，以便控制从图像形成设备110出射的图像的显示尺寸、显示位置等。布置什么样的光学系统取决于头戴式显示器和图像形成设备110所需的规格。
框架140包括布置在观察者106前方的前部141、通过铰链142枢转地附接到前部141的两端的两个镜腿部分143，以及附接到每个镜腿部分143的前端部分的镜腿前端(也称为前端单元、镜脚、耳垫)144。此外，附接鼻垫部分140′。也就是说，框架140和鼻垫部分140′的组件基本上具有与普通眼镜基本相同的结构。此外，每个壳体112通过附接构件148被附接到镜腿部分143。框架140包含金属或塑料。注意，每个壳体112可以通过附接构件148可拆卸地附接到镜腿部分143。此外，对于拥有和佩戴眼镜的观察者，每个壳体112可以通过附接构件148可拆卸地被附接到观察者拥有的眼镜的框架140的镜腿部分143。每个壳体112可以被附接到镜腿部分143的外部，或者可以被附接到镜腿部分143的内部。或者，导光板121可以安装在前部141中设置的边缘(rim)中。
此外，从图像形成设备110之一延伸的布线(信号线、电源线等)145从镜腿前端144的前端部分经由镜腿部分143和镜腿前端144的内部延伸到外部，并连接到控制单元101。此外，每个图像形成设备110包括耳机部分146，并且从每个图像形成设备110延伸的耳机部分的布线146′从镜腿前端144的前端部分经由镜腿部分143和镜腿前端144的内部延伸到耳机部分146。更具体地说，用于耳机部分的布线146’从镜腿前端144的前端部分延伸到耳机部分146，以便环绕耳廓(外耳)的背面。通过这种配置，可以获得整洁的头戴式显示器，而不给人留下耳机部分146和耳机部分的布线146’被杂乱布置的印象。
如上所述，布线(信号线、电源线等)145连接到控制单元101，并且在控制单元101中执行用于图像显示的处理。
必要时，通过适当的附接构件(未示出)将包括包含CCD或CMOS传感器的固态成像元件和透镜(未示出)的相机147附接到前部141的中心部分141′。来自相机147的信号经由从相机147延伸的布线(未示出)被发送到控制单元101。
在第五实施例的图像显示设备中，在特定时刻从显示设备出射的光(其对应于例如一个像素或一个子像素的大小)是平行光。然后，该光到达观察者106的瞳孔107(具体地说，晶状体)，并且通过晶状体的光最终在观察者106的瞳孔107的视网膜上形成图像。
图像形成设备110是第一配置的图像形成设备，并且包括按二维矩阵布置的多个像素。具体地，如图14所示，图像形成设备110包括有机EL显示设备151A。从有机EL显示设备151A出射的图像通过构成光学系统的第一凸透镜151B，进一步通过构成光学系统的第二凸透镜151D，成为平行光，并向导光板121传播。第二凸透镜151D的前焦点f2F位于第一凸透镜151B的后焦点f1B处。此外，光圈151C布置在第一凸透镜151B的后焦点f1B(第二凸透镜151D的前焦点f2F)的位置处。光圈151C对应于图像出射单元。整个图像形成设备110被容纳在壳体112中。壳体112通过适当的方式被附接到框架140。有机EL显示设备151A包括按二维矩阵布置的多个(例如，640×480)像素(有机EL元件)。
或者，如图15C所示，图像形成设备110是第一配置的图像形成设备，并且包括按二维矩阵布置的多个像素。具体地，图像形成设备110包括反射型空间光调制设备和包含出射白光的发光二极管的光源152C。图像形成设备110被完全容纳在壳体112(由图15C中的点划线指示)中，壳体112设置有开口(未示出)，并且从光学系统(平行光出射光学系统、准直光学系统152D)通过开口出射光。壳体112通过适当的方式附接到框架140。反射型空间光调制设备包括液晶显示设备(LCD)152A，其包括作为灯泡的LCOS。此外，设置了偏振分束器152B，其反射来自光源152C的光的一部分并将该光引导至液晶显示设备152A，并且还使由液晶显示设备152A反射的光的一部分通过并将该光引导至光学系统152D。液晶显示设备152A包括按二维矩阵布置的多个(例如，640×480)像素(液晶单元、液晶显示元件)。偏振分束器152B具有已知的配置和结构。从光源152C出射的非偏振光与偏振分束器152B碰撞。在偏振分束器152B中，P偏振分量通过并出射到系统外部。另一方面，S偏振分量被偏振分束器152B反射，进入液晶显示设备152A，在液晶显示设备152A内反射，并从液晶显示设备152A出射。这里，在从液晶显示设备152A出射的光中，从显示“白色”的像素出射的光包含大量P偏振分量，并且从显示“黑色”的像素出射的光包含大量S偏振分量。因此，在从液晶显示设备152A出射并与偏振分束器152B碰撞的光中，P偏振分量通过偏振分束器152B并被引导到光学系统152D。另一方面，S偏振分量被偏振分束器152B反射并返回到光源152C。光学系统152D包括例如凸透镜，并且图像形成设备110(更具体地说，液晶显示设备152A)被布置在光学系统152D中的焦距的地点(位置)处，以便产生平行光。从图像形成设备110出射的图像经由导光板121到达观察者106的瞳孔107。
或者，如图16中的图像形成设备110的修改示例1的概念图所示，图像形成设备110是第二配置的图像形成设备，并且包括光源153A、二维扫描从光源153A出射的平行光的扫描装置153B、以及将从光源153A出射的光转换为平行光的光学系统153C。整个图像形成设备110被容纳在壳体112中，在壳体112中设置开口(未示出)，并且通过该开口从光学系统153C出射光。然后，通过适当的方式将壳体112附接到框架140。光源153A包括例如半导体激光器元件。然后，通过未示出的透镜将从光源153A出射的光转换为平行光，利用该平行光，通过包括具有可在二维方向上旋转的微镜并且可以二维扫描入射平行光的MEMS镜的扫描装置153B执行水平扫描和垂直扫描，从而形成一种二维图像，从而生成虚拟像素(其像素数量例如为640×480)。然后，来自虚拟像素(对应于图像出射单元的扫描装置153B)的光通过具有正屈光力的光学系统153C，并且被转换为平行光的光通量入射到导光板121上。
或者，如图17中的图像形成设备的修改示例2的概念图所示，图像形成设备110是第一配置的图像形成设备，并且第一偏转装置131′和第二偏转装置132′布置在导光板121′内。然后，第一偏转装置131′反射入射到导光板121′上的光，第二偏转装置132′多次透射和反射在导光板121′内通过全反射传播的光。也就是说，第一偏转装置131'用作反射镜，第二偏转装置132'用作半透射镜。更具体地说，设置在导光板121'内部的第一偏转装置131'由铝(Al)形成，并且包括反射入射到导光板121'上的光的光反射膜(一种镜)。另一方面，设置在导光板121'内部的第二偏转装置132'包括多层堆叠结构，其中堆叠大量电介质堆叠膜。所述电介质堆叠膜包括例如作为高介电常数材料的TiO2膜和作为低介电常数材料的SiO2膜。PCT国际申请公报号2005-521099的日文翻译公开了一种多层堆叠结构，其中堆叠了大量电介质堆叠膜。尽管在附图中示出了六个电介质堆叠膜，但其不限于此。由与构成导光板121’的材料相同的材料形成的薄片被夹在电介质堆叠膜和电介质堆叠膜之间。在第一偏转装置131'中，入射到导光板121'上的平行光被反射，使得入射到导光板121'上的平行光在导光板121'内被全反射。另一方面，在第二偏转装置132′中，在导光板121′内通过全反射传播的平行光被多次反射，并且在平行光的状态下从导光板121′向观察者106的瞳孔107出射。
或者，如图18中的图像形成设备的修改示例4的概念图中所示，图像形成设备110可以包括图16中所示的图像形成设备(具有第二配置的图像形成设备)。
在上面描述的导光板121、121’上，可以布置调节从外部入射的外部光的量的调光设备。
[第六实施例]
第六实施例的显示设备是这样一种形式的显示设备：光学设备安装在观察者上，图像形成设备和控制单元与观察者分开布置，并且是直接绘制图像的直接绘制型显示设备(基于麦克斯韦视觉的视网膜投影型显示设备)。图19A中示出了第六实施例的显示设备的概念图，图20中示出了从正面观看的第六实施例的显示设备的示意图。
顺便说一句，即使在第六实施例的显示设备中，由于需要图像和外部世界的真实图像的重叠，因此希望图像形成设备210不位于观察者106的前方。如果图像形成设备210总是进入观察者106的视野，则观察者106可能无法沉浸在图像或外部世界的真实图像中。因此，期望将图像形成设备210布置在除了观察者106的前方之外的位置处。然后，因此，观察者106可以在图像形成设备210不进入观察者106的视野的状态下观察图像和外景(外部世界的真实图像)。也就是说，显示设备可以是半透射(透明)类型的，并且可以通过光学设备240观看外景。然而，如果图像形成设备210(具体地说，传送光学设备220)被布置在除观察者106的前方之外的位置处，则投影光倾斜地进入光学设备240。因此，光学设备240的焦点位置从观察者106的瞳孔107偏移，并且存在图像没有到达观察者106的瞳孔107的风险。
第六实施例的显示设备包括图像显示设备200和控制单元(未示出)，
图像显示设备200包括：
图像形成设备210，
光学设备(目镜光学设备)240，其在将从图像形成设备210出射的图像重叠在外部世界的真实图像上的同时，在观察者106前方显示从图像形成设备210出射的图像，以及
传送光学设备220，其将从图像形成设备210入射的图像向光学设备240出射，
其中，光学设备240和图像形成设备210通过空间上彼此分离而布置，并且光学设备240在观察者106的视网膜上形成来自传送光学设备220的图像。
此外，图像显示设备200包括，例如，
第一位置检测设备231，其检测光学设备240的位置；
第二位置检测设备232，其检测观察者106的瞳孔107的位置，以及
传送光学设备-控制设备230，
其中，基于由第一位置检测设备231检测到的光学设备240的位置信息和由第二位置检测设备232检测到的观察者106的瞳孔107的位置信息，传送光学设备-控制设备230控制传送光学设备220，使得从图像形成设备210入射的图像到达光学设备240。
具体地，光学设备240包括具有衍射功能的衍射构件242和具有光收集功能的光收集构件243，并且具有对衍射特性的波长依赖性。衍射构件242仅需要包括例如透射型体积全息衍射光栅，该体积全息衍射光栅包括类似于第五实施例中描述的全息衍射光栅，并且光收集构件243仅需要包括例如全息透镜。或者，衍射构件242和光收集构件243可以由一个构件形成。关于衍射构件242和光收集构件243的布置顺序，光收集构件243可以布置在观察者侧，或者衍射构件242可以布置在观察者侧。光学设备240被附接到框架140的边缘部分，框架140具有与普通眼镜基本相同的结构。
第二位置检测设备232包括出射红外线的发光单元233和接收由观察者106的瞳孔107反射的红外线的光接收单元234。发光单元233可包括例如出射红外线的发光二极管或出射红外线的半导体激光器元件和光扩散板的组合。光接收单元234可以包括能够检测红外线的成像设备(红外相机)或传感器(红外传感器)。通过在成像设备前方安装仅通过要用于检测的红外线波长的滤波器(红外透射滤波器)235，可以简化后续阶段的图像处理。
注意，从发光单元233出射的红外线和返回到光接收单元234的红外线由黑色箭头指示，从传送光学设备220出射的可见光(图像)的光通量由白色箭头指示。
从传送光学设备220出射的投影光被衍射构件242偏转，在行进角度(方向)方面被改变，进入光收集构件243，被光收集构件243收集，并且在观察者106的视网膜上形成图像。通过以这种方式设置衍射构件242，投影光倾斜地进入光学设备240，但是可以防止光学设备240的焦点位置偏离观察者106的瞳孔107，并且图像可靠地到达观察者106的瞳孔107。
另一方面，发光单元233照亮观察者106的整个头部。从发光单元233出射的红外线的一部分被衍射构件242(或附接到衍射构件242的回归反射标记241)反射并进入光接收单元234。因此，可以检测光学设备240的位置，并且可以指定该位置。此外，从发光单元233出射的红外线的剩余部分被衍射构件242偏转，在行进角度(方向)方面被改变，入射到光收集构件243上，但通过光收集构件243而不被光收集构件243收集(即，不受光收集构件243的影响)，与观察者106的瞳孔107碰撞，被观察者106的瞳孔107反射，通过光收集构件243，被衍射构件242偏转，在行进角度(方向)方面被改变，并且入射到光接收单元234上。如上所述，可以检测观察者106的瞳孔107的位置，并且可以指定该位置。注意，可以采用这样的模式，其中基于由第一位置检测设备231检测到的光学设备240的位置信息和由第二位置检测设备232检测到的观察者106的瞳孔107的位置信息来校正在图像形成设备210中形成的图像的位置。
作为光收集功能的波长选择性，要求仅对从图像形成设备210出射的光的波长进行操作。当光收集功能的波长选择性减弱并且光学设备240收集具有与从图像形成设备210出射的光的波长不同的波长的光(例如，外景的光)时，观察者106变得难以观察外景(外部世界的真实图像)，并且存在光接收单元234变得难以辨识观察者106的瞳孔107的位置的可能性。另一方面，作为衍射功能的波长选择性，除了从图像形成设备210出射的光的波长之外，还需要对用于观察者106的瞳孔107的位置检测的波长(例如，在使用红外相机的情况下，使用红外线的波长)进行操作。因此，在一些情况下，衍射构件242可以包括具有波长选择性的多个衍射构件，并且光收集构件243可以包括具有波长选择性的多个光收集构件。
这里，具体地说，在第六实施例中，发光单元233和光接收单元234与图像形成设备210一起布置，以减少观察者106的光学设备240上的安装负担。然后，光接收单元234被布置成使得观察者106的瞳孔107的位置可以由光接收单元234(成像设备和红外相机)和传感器(红外传感器)来检测。在一些情况下，发光单元233可以与图像显示设备200分离并布置在与图像显示设备200不同的地方，或者光接收单元234可以与图像显示设备200分离并布置在与图像显示设备200不同的地方。
然而，无论模式如何，重要的是，光接收单元234被布置在可以看到观察者106的瞳孔107(即，直接看到或间接看到它)的位置。也就是说，重要的是将第二位置检测设备232、光学设备240和观察者106的瞳孔107之间的位置关系设置为可以从第二位置检测设备232检测观察者106的瞳孔107的位置关系。此外，同样重要的是，向第二位置检测设备232提供光学特性，以便能够从第二位置检测设备232检测到观察者106的瞳孔107。
如上所述，优选地采用这样的配置，其中从发光单元233出射的红外线不受光学设备240的光收集特性的影响，或者几乎不受光学设备240的光收集特性的影响。也就是说，具体地说，从发光单元233出射的红外线受光学设备240的衍射特性的影响，但不受光学设备240的光收集特性的影响。或者，优选地采用这样的配置，其中构成光学设备240的光收集构件243不收集从发光单元233出射的红外线，或者轻微收集从发光单元233出射的红外线。光学设备240收集从图像形成设备210出射的可见光以在观察者106的视网膜上形成图像，而光学设备240不收集从发光单元233出射的红外线。从发光单元233出射的红外线不干扰图像，并且具有观察者106的瞳孔107对其的反射率高的波长带。
注意，在使用由普通光学玻璃形成的透镜构件作为光学设备的情况下，没有波长选择性，并且所有可见光被收集并到达观察者106的视网膜，使得观察者106只能观察投影图像而不能观察外景。此外，不能通过光学设备从第二位置检测设备232检测观察者106的瞳孔107，并且第二位置检测设备232的布置位置受到极大限制。
回归反射标记241是光反射部件，其被制造成使得入射光和反射光在同一方向上，并且通过利用该特性，原则上，即使观察者106大幅移动，反射光也始终返回到第一位置检测设备231。因此，无论第一位置检测设备231和回归反射标记241之间的相对位置关系如何，都可以检测回归反射标记241的位置。期望回归反射标记241相对于框架140具有迷彩颜色。
图像形成设备210包括类似于第五实施例中描述的光源153A的光源。传送光学设备220包括可移动镜。当参考观察者106定义水平方向(X轴方向)和垂直方向(Y轴方向)时，可移动镜在水平方向和垂直方向上移动从图像形成设备210入射的图像。例如，作为传送光学设备220，可以提及可在二维方向上旋转的镜或MEMS镜，并且传送光学设备220可以由可相对于三个轴移动的可移动镜形成。
表1总结了波长范围以及衍射功能和光收集功能是否需要操作。通过将这种光学功能赋予光学设备240，图像形成设备210的安装自由度增加，并且观察者106可以以重叠的方式观察图像和外部世界的真实图像，同时，观察者106的瞳孔107可由第二位置检测设备232通过光学设备240来检测。
<表1>
Figure BDA0003747369370000411
在第六实施例的显示设备中，基于由第一位置检测设备231检测到的光学设备240的位置信息和由第二位置检测设备232检测到的观察者106的瞳孔107的位置信息，传送光学设备-控制设备230控制传送光学设备220，使得从图像形成设备210入射的图像到达光学设备240。然而，可以采用其中控制传送光学设备220以使得从图像形成设备210入射的全部图像到达光学设备240的模式，或者可以采用其中控制传送光学设备220以使得从图像形成设备210入射的图像的一部分到达光学设备240的模式。
图19B示出了基于由第一位置检测设备231获取的图像(回归反射标记241的位置信息)和由第二位置检测设备232获取的图像(观察者106的瞳孔107的位置信息)对传送光学设备220和图像形成设备210的控制。
即，首先，构成第一位置检测设备231和第二位置检测设备232的发光单元233用红外线照射观察者106的头部的外围。然后，光接收单元(红外相机)234捕捉包括回归反射标记241和由观察者106的瞳孔107反射的红外线的图像。
接下来，基于诸如模式识别或形状识别之类的方法对获得的信号和噪声进行分类，检测回归反射标记241的位置并指定位置，并且检测观察者106的瞳孔107的位置并指定位置。检测瞳孔107的位置的方法作为视线检测技术被广泛地已知，并且可以利用瞳孔107的红外反射率高的事实从反射区域的重心或差分图像的边界获得。发光单元233的驱动电路(未示出)可以配备调制功能(具体地，例如，从发光单元233出射脉动红外线)并用于图像识别。
然后，第一位置检测设备231检测光学设备240的位置，第二位置检测设备232检测观察者106的瞳孔107的位置。然后，基于这两个检测结果，传送光学设备-控制设备230控制传送光学设备222的倾斜，使得即使光学设备240和观察者106的瞳孔107之间的位置关系改变，图像也在观察者106的视网膜上形成。传送光学设备-控制设备230具有已知的配置和结构。
如上所述，当光学设备240的位置由第一位置检测设备231检测和指定时，观察者106的瞳孔107的位置由第二位置检测设备232检测和指定。这些处理中的任一个可以首先执行，或者可以同时执行。
如上所述，在第六实施例的显示设备中，可以采用光学设备240和图像形成设备210相对地可移动的模式。也就是说，图像形成设备210被布置在离开观察者106的位置，或者图像形成设备210被布置在离开观察者106的头部的观察者106的一部分处。在后一种情况下，尽管不受限制，但是，例如，图像形成设备210作为可穿戴装置佩戴在离开观察者106的头部的部位处，例如观察者106的手腕处。或者，图像形成设备210被布置在个人计算机中，或者被布置成连接到个人计算机的状态。或者，可以采用一种模式，其中光学设备240被布置在离开观察者106的位置处，也就是说，光学设备240可以不附接到观察者106。这种模式将在第七实施例中描述。
下面将描述第六实施例的显示设备的使用示例。
(A)用于乘客的图像形成设备等附接到车辆或航空器的座椅背部(靠背)的背面的示例
(B)用于观众的图像形成设备等附接到剧院等座椅的背部(靠背)的背面的示例
(C)用于驾驶员等的图像形成设备等附接到车辆、航空器、汽车、摩托车、自行车等的示例
(D)作为个人计算机、移动电话、智能手表等中使用的监视器的替代品的使用示例
(E)作为在金融机构的自动取款机中使用的显示器的替代品的使用示例
(F)作为商店或办公室中使用的显示器或触摸面板的替代品的使用示例
(G)移动电话或个人计算机的画面的放大和显示的示例
(H)作为博物馆、游乐园等中使用的展示板等的替代品的使用示例
(I)用于客户的图像形成设备等附接到咖啡店、咖啡馆等的桌子的示例
图21A示出了第六实施例的显示设备的使用示例，图21A是在室内使用第六实施例的显示设备的状态的示意图。图像形成设备210等布置在房间280的墙面281上。当观察者106站在房间280中的预定位置处时，来自图像形成设备210的图像到达光学设备240，并且观察者106可以经由光学设备240观察图像。
或者，在图21B中示出了第六实施例的显示设备的另一使用示例，图21B是构成第六实施例的显示设备的图像形成设备210等布置在座椅282的背部(靠背)的背面上并被使用的状态的示意图。当观察者106坐在后侧的座椅282上时，图像从布置在前排座椅282的背部的背面的图像形成设备210向观察者106佩戴的光学设备240出射并到达光学设备240，并且观察者106可以经由光学设备240观察图像。更具体地说，可以举例说明用于乘客的图像形成设备210等附接到车辆或航空器的座椅背部(靠背)的背面的示例，和用于观众的图像形成设备210等附接到剧院等座椅的背部(靠背)的背面的示例。
如上所述，第六实施例的显示设备包括图像形成设备210、第一位置检测设备231和第二位置检测设备232，它们通过与光学设备240在空间上分离而布置。然后，由于通过设置在图像显示设备200中的传送光学设备-控制设备230来控制传送光学设备220，因此可以使图像可靠地到达观察者106的瞳孔107，而不会对观察者106施加负担。
可以采用一种模式，其中图像形成设备210可以布置在观察者106的前方。注意，只要它被布置在观察者106的前方，尽管取决于传送光学设备220和光学设备240的规格，图像形成设备210可以位于高于观察者106的头部的位置，可以位于与观察者106的头部相同的水平，可以位于低于观察者106头部的位置，或者可以相对于观察者106倾斜地定位。
如上所述，由图像形成设备210生成的图像以平行光(或者，基本平行光)的状态入射到传送光学设备220上，由传送光学设备220反射，然后形成指向光学设备240的光通量。在光学设备240中，将观察者106的瞳孔107布置在光学设备240的焦点(焦距f0)的位置处，投影光通量由光学设备240收集，通过观察者106的瞳孔107，从而直接绘制在视网膜上，并且观察者106可以辨识图像。
第六实施例的显示设备包括通过与光学设备240空间分离而布置的图像显示设备200、第一位置检测设备231和第二位置检测设备232，并且由包括在图像显示设备200中的传送光学设备-控制设备230控制传送光学设备220。此外，由于没有驱动单元，所以附接到观察者106的光学设备240具有非常简单的结构，并且不需要电池等来驱动，并且可以容易地实现光学设备240的小型化和重量减轻。然后，它不是向观察者106施加负担的结构，例如光学设备240的质量或尺寸的增加，并且可以使图像可靠地到达观察者106的瞳孔107而不向观察者106施加负担。
图22是示出第六实施例的显示设备中的衍射构件和光收集构件的布置的修改示例的示意图。在第六实施例的显示设备的这个修改示例中，光学设备包括衍射光栅242'，并且还包括在光入射侧的光收集构件243'。注意，可以在衍射光栅242'和观察者106的瞳孔107之间设置光收集构件243'。然后，由此获得相当于存在光学设备240的多个焦点的结构。也就是说，即使在从传送光学设备220出射的图像由于各种原因不再到达观察者106的瞳孔107的情况下，例如，一阶衍射光、-一阶衍射光等，而不是衍射光栅242′的零阶衍射光到达观察者106的瞳孔107，从而可以实现对观察者106具有更高鲁棒性的系统。也就是说，可以实现具有更高鲁棒性的显示设备，同时减轻观察者106的负担。此外，由于可以准备多个焦点，因此可以扩大观察者106可以观察图像的范围。
通过衍射光栅242’，可以举例说明在水平方向上将图像分割为三个图像的模式、在垂直方向将图像分割为三个图像的模式、在水平方向将图像分割为三个图像的模式、在垂直方向上以十字形分割为三个图像的模式(包括中心光路的一个图像交叠，因此被分割为总共五个图像)、在水平方向上将图像分割为两个图像并且在垂直方向上分割为两个图像的模式(2×2＝4)，以及在水平方向上将图像分割为三个图像并且在垂直方向上分割为三个图像的模式(3×3＝9)。
在观察者106丢失的情况下，可能不清楚传送光学设备220应该被指向哪个方向。为了应对这种情况，只需要布置另一个用于检测观察者106的相机，以进行绝对坐标识别。这种相机在分辨率和图像拍摄速度方面不需要高性能，因此可以使用相对便宜的相机。或者，可以在传送光学设备220的控制方法方面安装两种类型的跟踪模式和搜索模式，可以在观察者106的位置未知时设置搜索模式，可以在传送光学设备220的可移动范围内通过二维扫描找到观察者106，可以指定观察者106的位置，然后，可以将其切换到跟踪模式，以便执行对传送光学设备220的控制。
发光单元可布置在传送光学设备的系统外部，以照亮观察者106的整个头部，或者尽管未示出，但从图像形成设备出射的光通量和从发光单元出射的光通量可由半反射镜合成，入射到传送光学设备上，并向光学设备出射。或者，可以采用一种结构，其中在图像形成设备中准备用于检测光的发光单元，入射到传送光学设备上，并向光学设备出射。
[第七实施例]
第七实施例的显示设备是一种显示设备，其中整个显示设备布置在与观察者不同的地方，图像形成设备和控制单元以及光学设备进一步布置在不同的地方，并且观察者观察在光学设备上显示的图像。图23A和23B示出了第七实施例的显示设备的概念图。
如图23A中的概念图所示，在第七实施例的显示设备中，光学设备340和图像形成设备210相对可移动(即，图像形成设备210被布置在离开观察者106的位置处)，并且，光学设备340被布置在离开观察者106的位置处。也就是说，光学设备340未附接到观察者106。光学设备340是固定式的，由保持构件341保持，或者与保持构件341一体地被并入保持构件341中。保持构件341和光学设备340在被携带时被折叠和收纳，并且在使用显示设备时光学设备340被设立(set up)。传送光学设备220和光学设备340只需要在设立时调整位置，并且位置关系在使用期间不改变。从图像形成设备210出射的图像经由光学设备340到达观察者106的瞳孔107。作为第七实施例的这种显示设备，可以提及视网膜投影型迷你监视器。光学设备340具有与第六实施例中描述的光学设备240类似的配置和结构。
或者，如图23B中的概念图所示，固定光学设备340被并入在博物馆、美术馆、观察平台、水族馆等的玻璃窗342或展览窗、汽车风挡、全脸头盔、防护面罩等中。同样在这种情况下，传送光学设备220和光学设备340的位置不改变，并且从图像形成设备210出射的图像经由光学设备340到达观察者106的瞳孔107。
在第七实施例的显示设备中，图像显示设备被布置在外部设施等中的示例如下：
(A)用于乘客的图像显示设备附接到车辆或航空器的座椅背部(靠背)的背面的示例
(B)用于观众的图像显示设备附接到剧院等座椅的背部(靠背)的背面的示例
(C)用于驾驶员等的图像显示设备等附接到车辆、航空器、汽车、摩托车、自行车等的示例
(D)作为个人计算机、移动电话、智能手表等中使用的监视器的替代品的使用示例
(E)作为在金融机构的自动取款机中使用的显示器或触摸面板的替代品的使用示例
(F)作为商店或办公室中使用的显示器或触摸面板的替代品的使用示例
(G)移动电话或个人计算机的画面的放大和显示的示例
(H)作为博物馆、游乐园等中使用的展示板等的替代品的使用示例
(I)用于客户的图像显示设备附接到咖啡店、咖啡馆等的桌子的示例
[第八实施例]
第八实施例是对第七实施例的修改。在其示意性剖面图如图24所示的第八实施例的显示设备中，图像形成设备410包括投影仪，光学设备420包括圆柱形透明屏幕。然后，反射镜430布置在光学设备420的顶部。
作为构成图像形成设备410的投影仪，例如，可以提及扫描对应于红色、绿色和蓝色中的每种颜色的激光以显示每个像素的激光扫描型彩色投影仪、移动投影仪(皮投影仪)、使用单色激光的投影仪等，并且仅需要根据图像显示设备的尺寸、应用等适当地选择。
图像形成设备410经由反射镜430将图像投影到面向观察者106的光学设备420的区域421上。或者，图像形成设备410经由反射镜430将图像投影到光学设备420的区域421上，并经由反射镜430将背景图像投影到位于光学设备420的区域421的相对侧的光学设备420的区域422上。注意，在图23中，形成图像的光通量由附图标记“L1”表示，形成背景图像的光通量由附图标记“L2”表示。图像形成设备410向上安装在圆柱形底座440的基本中心部分处。图像形成设备410以在垂直方向上延伸的光轴O为基准，出射图像或图像和背景图像。
具体地，构成光学设备420的圆柱形透明屏由包括圆柱形透射型全息图的全息图屏形成。例如，在透射型全息图中，记录扩散板的扩散光的干涉条纹，并且透射型全息图具有扩散入射光的扩散功能。然而，其不限于此，并且例如，可以采用一种结构，其中堆叠了使入射到不具有扩散功能的透射型全息图的外周侧的光扩散的光扩散层等。入射到全息屏内侧的图像由全息屏向各个方向扩散(散射)，并向全息屏外部出射。形成全息屏的透射型全息图的材料等不受限制，并且可以使用任何光敏材料等。此外，还可以适当地使用任何用作透射型全息图的全息光学元件(HOE)。此外，通过曝光来制造全息屏的方法也不受限制，并且可以关于对象光和参考光的波长、出射方向等任意设置。或者，作为透明屏幕，例如，可以提及使用诸如细粒子之类的散射体、菲涅耳透镜、微透镜等使光扩散的屏幕。此外，透明屏幕可以由透明显示器形成，例如使用有机电致发光(OLE)的透明OELD。或者，透明屏幕可以由能够扩散图像的任何膜、涂层等形成。当全息屏被曝光时，通过使参考光的照射角恒定，可以形成干涉条纹。在这种单斜全息屏中，通过使图像以与参考光的照射角相同的入射角入射，可以实现高衍射效率。例如，通过使用其中根据由全息屏上的反射镜430的光反射面431控制的图像的入射角来设置参考光的照射角的单斜透射型全息屏，可以实现具有非常高亮度的全息屏。
反射镜430具有光反射面431，其反射从图像形成设备410出射的出射光(图像或背景图像)。反射镜430以光轴O为基准来布置，使得光反射面431朝向图像形成设备410，并且光反射面431具有绕光轴O旋转的形状。具体地说，光反射面431包括通过以光轴O为基准旋转通过切割掉抛物线的一部分而获得的曲线而获得的旋转面。光反射面431被配置为使得抛物线的凹侧(抛物线的焦点侧)是反射光的一侧。抛物线的轴和光轴O是不同的。作为构成反射镜430的材料，可以提及诸如树脂(如丙烯酸树脂)、玻璃、金属、合金等之类的任何材料。此外，反射镜430的光反射面431可以使用铝、银等的薄膜来涂覆例如高反射率涂层等，使得入射到光反射面431上的光可以被高效率地反射。
从图像形成设备410向上出射的出射光(图像或背景图像)由反射镜430的光反射面431向透明圆柱形光学设备420的侧面反射。由于光反射面431具有抛物线光反射面，因此由光反射面431反射的出射光相对于构成光学设备420的圆柱形透明屏的内侧表面的入射角基本恒定。也就是说，反射镜430将出射光相对于圆柱形光学设备420的入射角控制为基本恒定。然后，由于全息屏的入射角选择性而导致的图像不均匀性等因而可以被充分抑制，因此，可以使用全息屏在透明屏上显示高质量图像。此外，由于不需要校正图像信号等，因此可以投影具有原始照射强度的图像，从而可以显示明亮的图像。也就是说，可以提高图像的可见性。
此外，由上面布置的反射镜430向下反射的图像和背景图像入射到透明屏上。因此，在根据图像或背景图像的入射角形成透射型全息屏的情况下，入射到透明屏的显示表面上的外部光等直接通过透明屏透射。因此，例如，可以充分抑制照明等的光在透明屏的显示表面上反射的现象。因此，可以减少外部光等对在透明屏上显示的图像的影响，并且可以实现足够高质量的图像显示。
此外，检测相机(未示出)可以被布置成检测观察者106的视点位置。优选地，设置检测相机的位置和视角，以便能够拍摄用于观察图像的整个观察范围。检测相机可以拍摄在观察范围内的任意位置处的观察者106的面部的图像。例如，检测相机可以安装在基座440上，或者可以安装在基座上方的任何位置处。此外，可以安装多个检测相机。然后，控制单元可以基于视点位置控制光学设备420中的图像的显示位置。
在一些情况下，可以省略反射镜430，并且图像形成设备410可以直接将图像投影到光学设备420的面对观察者106的区域421上，并且直接将背景图像投影到光学设备420的面对观察者106的区域422上。此外，反射镜430的光反射面431可以是锥形侧面，而不是抛物线旋转面。
尽管本公开的显示设备在优选实施例的基础上以上进行了描述，但本公开的显示设备不限于这些实施例。可以适当地改变显示设备的配置和结构，以及图像显示设备、图像形成设备、光学设备、目镜光学设备或传送光学设备的配置和结构。
可以将与和黑色显示边缘相邻的图像的一部分(为了方便，下文称为“相邻图像部分”)的颜色(例如，红色)具有互补色关系的颜色(绿色)添加到相邻图像部分，以强调黑色显示边缘和相邻图像部分之间的边界。此外，可以对全部黑显示边缘执行本实施例中描述的各种处理，或者可以对黑色显示边缘的一部分执行本实施例中描述的各种处理。此外，可以执行这样的处理，其中，在从图像形成设备出射的图像显示在虚拟图像空间中远离观察者的位置处的情况下，控制单元在执行亮度增加处理时减少亮度变化量，以及在图像显示在虚拟图像空间中靠近观察者的位置处的情况下，控制单元在执行亮度增加处理时增加亮度变化量。也就是说，控制单元可以基于与图像相关的深度信息来控制在执行亮度增加处理时的亮度变化量。
在第六至第八实施例中，例如，在从显示设备来看观察者处于不适当地方处的情况下，显示设备可以通过语音或图像/视频提供引导，以将观察者引导到适当地方。显示设备可以包括多个图像形成设备。也就是说，可以采用这样的配置，其中显示设备包括具有出射图像的不同位置的多个图像形成设备，并且从多个图像形成设备出射相同的图像，并通过一个目镜光学设备接收该多个图像中的一个图像。然后，因此可以增加图像形成设备和观察者之间的相对位置关系的自由度。也就是说，例如，当观察者位于预定位置处时，来自图像形成设备的图像到达目镜光学设备，并且观察者可以通过目镜光学设备观察图像，并且可以放大该预定位置。
此外，例如，可以在导光板上布置表面浮雕型全息图(参见US 2004/0062505 A1)，或者可以使用US 9513480 B2(US 2016/0231568 A1)中公开的表面浮雕型衍射光栅构件作为衍射光栅构件。可以采用一种模式，其中第一偏转装置和第二偏转装置中的一个包括反射型衍射光栅构件，另一个包括透射型衍射光栅构件。或者，衍射光栅构件可以是反射闪耀衍射光栅构件，或者可以由在日本专利申请公开号2014-132328中公开的聚合物分散液晶(PDLC)混合物形成全息衍射光栅。
图像形成设备可以是显示单色(例如绿色)图像的显示设备，或者可以显示彩色图像。在后一种情况下，光源仅需要包括例如出射红色、绿色和蓝色中的每一个的光源。更具体地说，例如，仅要求通过使用光管混合从红色发光元件、绿色发光元件和蓝色发光元件出射的红光、绿光和蓝光并使亮度均匀化来获得白光。
注意，本公开还可以采用以下配置。
[A01]<<显示设备：第一方面>>
一种显示设备，包括图像显示设备和控制单元，其中
图像显示设备包括：
图像形成设备，以及
光学设备，光学设备在将从图像形成设备出射的图像重叠在外部世界的真实图像上时，在观察者前方显示从图像形成设备出射的图像，
控制单元控制图像形成设备的操作，以及
在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，控制单元执行黑色显示边缘的反转处理和亮度增加处理。
[A02]根据[A01]的显示设备，还包括测量外部世界的照度的照度测量设备，
其中，控制单元基于所述照度测量设备的照度测量结果执行所述黑色显示边缘的亮度增加处理。
[A03]根据[A01]或[A02]的显示设备，其中所述控制单元获得通过对图像执行反转处理并执行分辨率降低而获得的黑色显示边缘的图像，然后进行对通过对黑色显示边缘的图像执行亮度增加处理而获得的黑色显示边缘的图像和原始图像的组合处理。
[A04]根据[A01]或[A02]的显示设备，其中所述控制单元获得通过对图像执行反转处理并执行分辨率降低而获得的黑色显示边缘的图像，然后执行模糊处理，并且进行对通过对黑色显示边缘的图像执行亮度增加处理而获得的黑色显示边缘的图像和原始图像的组合处理。
[A05]根据[A01]到[A04]中任一项的显示设备，还包括获取观察者的视线信息的视线信息获取单元，
其中，控制单元执行被包括在观察者的注视点及其附近中的黑色显示边缘的亮度增加处理。
[A06]根据[A01]到[A05]中任一项的显示设备，其中
图像的信息包括透射率信息，以及
控制单元基于透射率信息执行黑色显示边缘的亮度增加处理。
[A07]根据[A01]到[A06]中任一项的显示设备，还包括空间频率测量单元，空间频率测量单元获得在图像和外部世界的真实图像的重叠区域中外部世界的真实图像的空间频率，
其中，控制单元基于空间频率的测量结果执行黑色显示边缘的亮度增加处理。
[A08]根据[A01]到[A07]中任一项所述的显示设备，其中，控制单元将与和黑色显示边缘相邻的图像的一部分(“相邻图像部分”)的颜色具有互补色关系的颜色添加到相邻图像部分，以强调黑色显示边缘和相邻图像部分之间的边界。
[A09]根据[A01]到[A08]中任一项的显示设备，其中，在从图像形成设备出射的图像显示在虚拟图像空间中远离观察者的位置处的情况下，控制单元在执行亮度增加处理时减少亮度变化量，以及在图像显示在虚拟图像空间中靠近观察者的位置处的情况下，控制单元在执行亮度增加处理时增加亮度变化量。
[B01]<<显示设备：第二方面>>
一种显示设备，包括图像显示设备和控制单元，其中
图像显示设备包括：
图像形成设备，以及
光学设备，光学设备在将从图像形成设备出射的图像重叠在外部世界的真实图像上时，在观察者前方显示从图像形成设备出射的图像，
控制单元控制图像形成设备的操作，以及
在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，控制单元执行要重叠在包括所述图像的背景部分上的背景图像的亮度增加处理。
[B02]根据[B01]的显示设备，还包括测量外部世界的照度的照度测量设备，
其中，基于照度测量设备的照度测量结果，控制单元执行背景图像的亮度增加处理。
[B03]根据[B01]或[B02]的显示设备，其中
图像的信息包括透射率信息，以及
控制单元基于透射率信息执行背景图像的亮度增加处理。
[B04]根据[B01]到[B03]中任一项的显示设备，还包括空间频率测量单元，空间频率测量单元获得在图像和外部世界的真实图像的重叠区域中外部世界的真实图像的空间频率，
其中，控制单元基于空间频率的测量结果执行背景图像的亮度增加处理。
[C01]<<显示设备：第三方面>>
一种显示设备，包括图像显示设备和控制单元，其中
图像显示设备包括：
图像形成设备，以及
光学设备，光学设备在将从图像形成设备出射的图像重叠在外部世界的真实图像上时，在观察者前方显示从图像形成设备出射的图像，
控制单元控制图像形成设备的操作，以及
在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，控制单元执行要重叠在包括黑色显示边缘的背景部分上的背景图像的亮度增加处理。
[C02]根据[C01]的显示设备，还包括测量外部世界的照度的照度测量设备，
其中，所述控制单元基于所述照度测量设备的照度测量结果执行所述背景图像的亮度增加处理。
[C03]根据[C01]或[C02]的显示设备，其中
图像的信息包括骨骼信息(图像中的特征点)，以及
控制单元基于图像的信息和骨骼信息(图像中的特征点)，执行将背景图像重叠在包括黑色显示边缘的背景部分上的处理。
[C04]根据[C03]的显示设备，其中，控制单元基于图像的信息和骨骼信息中关于关节(图像中的特征点)的信息，执行将背景图像重叠在包括黑色显示边缘的背景部分上的处理。
[C05]根据[C01]到[C04]中任一项的显示设备，其中
图像的信息包括透射率信息，以及
控制单元基于透射率信息执行背景图像的亮度增加处理。
[C06]根据[C01]到[C05]中任一项的显示设备，还包括空间频率测量单元，空间频率测量单元获得在图像和外部世界的真实图像的重叠区域中外部世界的真实图像的空间频率，
其中，控制单元基于空间频率的测量结果执行背景图像的亮度增加处理。
[D01]<<显示设备：第四方面>>
一种显示设备，包括用于右眼的图像显示设备、用于左眼的图像显示设备以及控制单元，其中
每个图像显示设备包括：
图像形成设备，以及
光学设备，光学设备在将从图像形成设备出射的图像重叠在外部世界的真实图像上时，在观察者前方显示从图像形成设备出射的图像，
控制单元控制用于右眼的图像形成设备和用于左眼的图像形成设备的操作，
在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，控制单元执行在用于右眼的图像显示设备中的图像的背景部分上重叠背景图像的处理，并执行在用于左眼的图像显示设备中的图像的背景部分上重叠背景图像的处理，以及
控制单元以在虚拟图像空间中距离观察者最远的位置处显示的图像的一部分为基准来显示背景图像。
[E01]<<显示方法：第一方面>>
一种包括图像显示设备和控制单元的显示设备中的显示方法，其中
图像显示设备包括：
图像形成设备，以及
光学设备，光学设备在将从图像形成设备出射的图像重叠在外部世界的真实图像上时，在观察者前方显示从图像形成设备出射的图像，以及
在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，该方法包括通过控制单元执行黑色显示边缘的反转处理和亮度增加处理。
[E02]根据[E01]的显示方法，其中基于照度测量结果执行黑色显示边缘的亮度增加处理。
[E03]根据[E01]或[E02]的显示方法，还包括获得通过对图像执行反转处理并执行分辨率降低而获得的黑色显示边缘的图像，然后进行对通过对黑色显示边缘的图像执行亮度增加处理而获得的黑色显示边缘的图像和原始图像的组合处理。
[E04]根据[E01]或[E02]的显示方法，还包括获得通过对图像执行反转处理并执行分辨率降低而获得的黑色显示边缘的图像，然后执行模糊处理，并且进行对通过对黑色显示边缘的图像执行亮度增加处理而获得的黑色显示边缘的图像和原始图像的组合处理。
[E05]根据[E01]到[E04]中任一项的显示方法，还包括执行被包括在观察者的注视点及其附近中的黑色显示边缘的亮度增加处理。
[E06]根据[E01]到[E05]中任一项的显示方法，还包括基于透射率信息执行黑色显示边缘的亮度增加处理。
[E07]根据[E01]到[E06]中任一项的显示方法，还包括获得在图像和外部世界的真实图像的重叠区域中外部世界的真实图像的空间频率，并基于其结果执行黑色显示边缘的亮度增加处理。
[E08]根据[E01]到[E07]中任一项的显示方法，还包括将与和黑色显示边缘相邻的图像的一部分(“相邻图像部分”)的颜色具有互补色关系的颜色添加到相邻图像部分，以强调黑色显示边缘和相邻图像部分之间的边界。
[E09]根据[E01]到[E08]中任一项的显示方法，还包括，在从图像形成设备出射的图像显示在虚拟图像空间中远离观察者的位置处的情况下，在执行亮度增加处理时减少亮度变化量，以及在图像显示在虚拟图像空间中靠近观察者的位置处的情况下，在执行亮度增加处理时增加亮度变化量。
[F01]<<显示方法：第二方面>>
一种包括图像显示设备和控制单元的显示设备中的显示方法，其中
图像显示设备包括：
图像形成设备，以及
光学设备，光学设备在将从图像形成设备出射的图像重叠在外部世界的真实图像上时，在观察者前方显示从图像形成设备出射的图像，以及
在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，所述方法包括通过控制单元执行要重叠在包括所述图像的背景部分上的背景图像的亮度增加处理。
[F02]根据[F01]的显示方法，其中基于照度测量结果执行背景图像的亮度增加处理。
[F03]根据[F01]或[F02]的显示方法，其中基于透射率信息执行背景图像的亮度增加处理。
[F04]根据[F01]到[F03]中任一项的显示方法，还包括获得在图像和外部世界的真实图像的重叠区域中外部世界的真实图像的空间频率，并基于其结果执行背景图像的亮度增加处理。
[G01]<<显示设备：第三方面>>
一种包括图像显示设备和控制单元的显示设备中的显示方法，其中
图像显示设备包括：
图像形成设备，以及
光学设备，光学设备在将从图像形成设备出射的图像重叠在外部世界的真实图像上时，在观察者前方显示从图像形成设备出射的图像，以及
在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，所述方法包括通过控制单元执行要重叠在包括黑色显示边缘的背景部分上的背景图像的亮度增加处理。
[G02]根据[G01]的显示方法，其中基于照度测量结果执行背景图像的亮度增加处理。
[G03]根据[G01]或[G02]的显示方法，其中
图像的信息包括骨骼信息，以及
该方法还包括基于图像的信息和骨骼信息，执行将背景图像重叠在包括黑色显示边缘的背景部分上的处理。
[G04]根据[G03]的显示方法，还包括基于图像的信息和骨骼信息中关于关节(图像中的特征点)的信息，执行将背景图像重叠在包括黑色显示边缘的背景部分上的处理。
[G05]根据[G01]到[G04]中任一项的显示方法，其中基于透射率信息执行背景图像的亮度增加处理。
[G06]根据[G01]到[G05]中任一项的显示方法，还包括获得在图像和外部世界的真实图像的重叠区域中外部世界的真实图像的空间频率，并基于其结果执行背景图像的亮度增加处理。
参考标志清单
100、100R、100L、200、410 图像显示设备
101 控制单元
102 照度测量设备
103 视线信息获取单元[眼睛跟踪设备(眼睛跟踪相机)]
104 空间频率测量单元[例如，成像设备(或相机)]
105 瞳孔直径测量单元
106 观察者
107，107R，107L 观察者的瞳孔
110、110R、110L、210、410 图像形成设备
112 外壳
120 光学设备(目镜光学设备)
121 导光板
122 导光板的第一表面
123 导光板的第二表面
131 第一偏转装置
132 第二偏转装置
140 框架
140' 鼻垫部分
141 前部
142 铰链
143 镜腿部分
144 镜腿前端(前端单元、镜脚、耳垫)
145 布线(信号线、电源线等)
146 耳机部件
146' 耳机部件的布线
147 相机
148 附接构件
220 传送光学设备
230 传送光学设备-控制设备
231 第一位置检测设备
232 第二位置检测设备
233 发光单元
234 光接收单元
235 滤波器(红外透射滤波器)
240 光学设备(目镜光学设备)
241 回归反射标记
242 衍射构件
243 光收集构件
340 光学设备
341 保持构件
342 玻璃窗
410 图像形成设备
420 光学设备
421 面向观察者的光学设备的区域
422 光学设备的位于与光学设备的面向观察者的区域相反的一侧的区域
430 反射镜
431 反射镜的光反射面
440 基部
R1 与用观察者的右眼观看到的图像和背景图像的右端相对应的光线
R2 与用观察者的右眼观看到的图像和背景图像的左端相对应的光线
L1 与用观察者的左眼观看到的图像和背景图像的左端相对应的光线
L2 与用观察者的左眼观看到的图像和背景图像的左端相对应的光线
BGR 用观察者的右眼观看到的背景图像
BGL 用观察者的左眼观看到的背景图像
BG 用观察者的双眼观看到的背景图像
L1 光通量形成图像
L2 光通量形成背景图像

Claims (18)

1.一种显示设备，包括图像显示设备和控制单元，其中
图像显示设备包括：
图像形成设备，以及
光学设备，光学设备在将从图像形成设备出射的图像重叠在外部世界的真实图像上时，在观察者前方显示从图像形成设备出射的图像，
控制单元控制图像形成设备的操作，以及
在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，控制单元执行黑色显示边缘的反转处理和亮度增加处理。
2.根据权利要求1所述的显示设备，还包括测量外部世界的照度的照度测量设备，
其中，控制单元基于所述照度测量设备的照度测量结果执行所述黑色显示边缘的亮度增加处理。
3.根据权利要求1所述的显示设备，其中，所述控制单元获得通过对图像执行反转处理并执行分辨率降低而获得的黑色显示边缘的图像，然后进行对通过对黑色显示边缘的图像执行亮度增加处理而获得的黑色显示边缘的图像和原始图像的组合处理。
4.根据权利要求1所述的显示设备，其中，所述控制单元获得通过对图像执行反转处理并执行分辨率降低而获得的黑色显示边缘的图像，然后执行模糊处理，并且进行对通过对黑色显示边缘的图像执行亮度增加处理而获得的黑色显示边缘的图像和原始图像的组合处理。
5.根据权利要求1所述的显示设备，还包括获取观察者的视线信息的视线信息获取单元，
其中，控制单元执行被包括在观察者的注视点及其附近中的黑色显示边缘的亮度增加处理。
6.根据权利要求1所述的显示设备，其中
图像的信息包括透射率信息，以及
控制单元基于透射率信息执行黑色显示边缘的亮度增加处理。
7.根据权利要求1所述的显示设备，还包括空间频率测量单元，空间频率测量单元获得在图像和外部世界的真实图像的重叠区域中外部世界的真实图像的空间频率，
其中，控制单元基于空间频率的测量结果执行黑色显示边缘的亮度增加处理。
8.一种显示设备，包括图像显示设备和控制单元，其中
图像显示设备包括：
图像形成设备，以及
光学设备，光学设备在将从图像形成设备出射的图像重叠在外部世界的真实图像上时，在观察者前方显示从图像形成设备出射的图像，
控制单元控制图像形成设备的操作，以及
在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，控制单元执行要重叠在包括所述图像的背景部分上的背景图像的亮度增加处理。
9.根据权利要求8所述的显示设备，还包括测量外部世界的照度的照度测量设备，
其中，基于照度测量设备的照度测量结果，控制单元执行背景图像的亮度增加处理。
10.根据权利要求8所述的显示设备，其中
图像的信息包括透射率信息，以及
控制单元基于透射率信息执行背景图像的亮度增加处理。
11.根据权利要求8所述的显示设备，还包括空间频率测量单元，空间频率测量单元获得在图像和外部世界的真实图像的重叠区域中外部世界的真实图像的空间频率，
其中，控制单元基于空间频率的测量结果执行背景图像的亮度增加处理。
12.一种显示设备，包括图像显示设备和控制单元，其中
图像显示设备包括：
图像形成设备，以及
光学设备，光学设备在将从图像形成设备出射的图像重叠在外部世界的真实图像上时，在观察者前方显示从图像形成设备出射的图像，
控制单元控制图像形成设备的操作，以及
在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，控制单元执行要重叠在包括黑色显示边缘的背景部分上的背景图像的亮度增加处理。
13.根据权利要求12所述的显示设备，还包括测量外部世界的照度的照度测量设备，
其中，所述控制单元基于所述照度测量设备的照度测量结果执行所述背景图像的亮度增加处理。
14.根据权利要求12所述的显示设备，其中
图像的信息包括骨骼信息，以及
控制单元基于图像的信息和骨骼信息执行将背景图像重叠在包括黑色显示边缘的背景部分上的处理。
15.根据权利要求14所述的显示设备，其中，控制单元基于图像的信息和骨骼信息中关于关节的信息，执行将背景图像重叠在包括黑色显示边缘的背景部分上的处理。
16.根据权利要求12所述的显示设备，其中
图像的信息包括透射率信息，以及
控制单元基于透射率信息执行背景图像的亮度增加处理。
17.根据权利要求12所述的显示设备，还包括空间频率测量单元，空间频率测量单元获得在图像和外部世界的真实图像的重叠区域中外部世界的真实图像的空间频率，
其中，控制单元基于空间频率的测量结果执行背景图像的亮度增加处理。
18.一种显示设备，包括用于右眼的图像显示设备、用于左眼的图像显示设备以及控制单元，其中
每个图像显示设备包括：
图像形成设备，以及
光学设备，光学设备在将从图像形成设备出射的图像重叠在外部世界的真实图像上时，在观察者前方显示从图像形成设备出射的图像，
控制单元控制用于右眼的图像形成设备和用于左眼的图像形成设备的操作，
在图像中存在作为显示黑色的区域的边缘的黑色显示边缘的情况下，控制单元执行在用于右眼的图像显示设备中的图像的背景部分上重叠背景图像的处理，并执行在用于左眼的图像显示设备中的图像的背景部分上重叠背景图像的处理，以及
控制单元以在虚拟图像空间中距离观察者最远的位置处显示的图像的一部分为基准来显示背景图像。
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