JP2003513333A - 視線追跡型パーソナル・ディスプレイ - Google Patents

視線追跡型パーソナル・ディスプレイ

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JP2003513333A JP2001535109A JP2001535109A JP2003513333A JP 2003513333 A JP2003513333 A JP 2003513333A JP 2001535109 A JP2001535109 A JP 2001535109A JP 2001535109 A JP2001535109 A JP 2001535109A JP 2003513333 A JP2003513333 A JP 2003513333A
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ジョン アール ルイス、
ネナド ネストロヴィック、
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マイクロビジョン インコーポレイテッド
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Abstract

(57)【要約】 【課題】光がユーザーの瞳に確実に入るように又はユーザーの視野における仮想像の知覚位置を制御し得るようにすること。 【解決手段】ディスプレイ装置は、ユーザーの眼に整列される像源、眼の位置検知器及びコンバイナとを備える。眼の位置検知器は、瞳の位置を確認するために眼からの反射光を監視する。像源からの光が瞳に関して非整列状態になると、物理的位置決め機構が像源及びビームコンバイナの相対位置を調整し、その結果、像源からの光が瞳に関して移され、これによりディスプレイを瞳に再整列させる。一実施例では、位置決め装置は圧電位置決め装置からなり、他の実施例では、サーボ機構または形状記憶合金からなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 技術分野 本発明はディスプレイに関し、特に、観察者の視線の方向に応じて像を作り出
すディスプレイに関する。
【０００２】 発明の背景 ユーザーに図絵的影像又はビデオ映像のビジュアル・ディスプレイを提供する
ために利用可能である種々の技術がある。例えば、テレビジョンやコンピュータ
のモニターとしての陰極線管型ディスプレイ（ＣＲＴ）が一般的である。この装
置にはいくつかの制限がある。例えば、ＣＲＴは嵩張っており、また多くの電力
を消費し、これが携帯用または頭部装着用に好ましくないものとしている。
【０００３】 液晶ディスプレイや電界放射ディスプレイのようなフラットパネルディスプレ
イは嵩張りが少なく、また消費電力も小さい。しかし、代表的なフラットパネル
ディスプレイは数インチ幅のスクリーンを使用する。このスクリーンには頭部装
着の用途上、又は前記スクリーンがユーザーの視野の小さい部分のみを占めるよ
うに意図されるような用途上、制限がある。
【０００４】 近時、部分視又は拡大視用に非常に小さいディスプレイが開発された。このよ
うな用途においては、前記ディスプレイの一部がユーザーの視野に置かれ、図１
に示すように、ユーザーの視野４４のある領域４２を占める像を表す。したがっ
て、ユーザーは表示画像４６および背景情報４８の両方を見ることができる。
【０００５】 このディスプレイの難点の１つは、ユーザーの眼が背景情報の様々な領域を見
るために動くとき、ユーザーの視野が移動することにある。視野が移動すると、
視野４４に関して領域４２の位置が変化する。この移動は、領域４２が背景情報
４８に関して固定されるようにしたい場合には好ましいことである。しかし、こ
の移動は、像がユーザーの視野の固定場所にあるようにしたいときには好ましく
ない。像が視野内で動くようにしたい場合であっても、表示装置の光学系が、該
光学系に関してユーザーの瞳の全ての位置又は方向に適当な映像を提供しない。
【０００６】 小さいディスプレイの一例が、参照によりここに組み入れられた「仮想網膜デ
ィスプレイ」と題するファーネス等の米国特許第５，４６７，１０４号明細書に
記載された走査ディスプレイである。走査ディスプレイでは、走査ミラー又は音
響光学スキャナのようなスキャナが観察者の網膜上に変調光ビームを走査する。
走査光は観察者の瞳を経て眼の中に入り、角膜とアイレンズとにより網膜上に像
が作られる。図２を参照して述べるように、このようなディスプレイは、観察者
の眼が動くときに難点がある。
【０００７】 図２に示すように、走査ディスプレイ５０は観察者の眼５２によって観察され
る位置におかれている。ディスプレイ５０は４つの主要部を含む。各主要部の詳
細は次のとおりである。第１に、制御電子装置５４は、コンピュータ、テレビジ
ョン受像機、ビデオカセットプレーヤ又は類似の装置のような像源５６から像信
号ＶＩＭに応答してディスプレイ５０の動作を制御する電気信号を与える。
【０００８】 ディスプレイ５０の第２の部分は、像信号ＶＩＭの情報に対応する変調を有す
る変調光ビーム５３を出力する光源５７である。前記光源は、発光ダイオード（
ＬＥＤ）のような直接変調光放射源であり、あるいは、音響光学変調器のような
外部変調器によって間接的に変調される連続光放射源を含み得る。
【０００９】 ディスプレイ５０の第３の部分は、ラスターパターンのような二次元走査パタ
ーンを介して光源５７の変調ビーム５３を走査する走査組立体５８である。この
ような走査組立体の一例は、参照によりここに組み入れられている「二軸走査シ
ステムの小型光学スキャナ」と題するメルビル等の米国特許第５，５５７，４４
４号明細書に記載されているような機械的共振型スキャナである。しかし、音響
光学スキャナのような他の走査組立体もこのようなディスプレイに使用すること
ができる。
【００１０】 光学装置６０がディスプレイ５０の第４の部分を形成する。図２の実施例にお
ける影光学装置６０は、眼５２による観察のために走査ビーム５３を適切に形作
りかつその焦点を合わせる一対のレンズ６２，６４を含む。走査ビーム５３は瞳
６５を経て眼５２に入り、網膜５９に当たる。走査変調光が網膜５９に当たると
、観察者が像を知覚する。
【００１１】 図３に示すように、ディスプレイ５０は、観察者が軸線から反れるように見る
ときに難点がある。観察者の眼５２が回転すると、観察者の瞳６５がその中心位
置から移動する。回転後の位置では、作像光学装置５６からの全ての又は一部の
走査ビーム５３は瞳６５に入らない。したがって、観察者の網膜５９は走査光の
全てを受け入れない。このため、観察者は全体像を知覚しない。
【００１２】 記載したこの問題に対する１つの方法では、走査された有効なビームの断面領
域を拡張する光学装置を用いる。拡張されたビームの一部が瞳６５に当たり、観
察者が見ることができる。この方法は、有効な観察角を改善し、観察者が走査像
を知覚することを確実にする点で役立つが、観察者により受け入れられる光の強
さは前記ビーム半径の平方に比例して減少する。
【００１３】 発明の概要 ディスプレイ装置（表示装置）はユーザーの眼の方向又は位置を追跡し、像源
（影像源）の位置又は方向を積極的に調節し、あるいは光がユーザーの瞳に確実
に入るように又はユーザーの視野における仮想の像の知覚位置を制御するように
中間要素を動作させる。一の実施例では、前記ディスプレイは、背景からの光及
び前記像源からの光を受け入れるビームコンバイナを含む。前記コンバイナから
の同軸光はユーザーの瞳を経て受け入れられ、網膜に当たる。ユーザーは、仮想
像と背景との組み合わせである像を知覚する。
【００１４】 前記背景からの光及び前記像源からの光に加えて、追加光がユーザーの眼に当
たる。前記追加光は前記像源により供給され、又は分離光源により供給された光
の一部である。前記追加光は好ましくは前記ビームコンバイナからの光に整列さ
れる。前記追加光が前記像源以外の他の光源から来る場合、前記追加光は不可視
の波長であることが望ましい。
【００１５】 前記追加光の一部はユーザーの眼により反射又は散乱され、反射又は散乱され
た一部は、ある程度、前記追加光が瞳を通して目に入るかどうか又は前記追加光
が眼の残りの領域に当たるかどうかに依存する。次に、前記反射又は散乱された
光は、ユーザーの瞳に対する前記追加光の配列又は整列を示す。
【００１６】 一の実施例では、検知器の影像野が前記ビームコンバイナを出る光と整列され
る。前記検知器は前記追加光の一部である反射光を受け入れ、前記反射光の量を
示す電気信号を位置コントローラに供給する。
【００１７】 一実施例では、前記検知器は低解像度の電荷結合素子（ＣＣＤ）アレイであり
、前記位置コントローラは電子制御装置と、前記検知器からの信号に応答する調
整データを供給するメモリ内のルックアップ表とを含む。前記ルックアップ表か
らのデータは、前記検知器及び前記像源の双方を支持する基板に物理的に結合さ
れている圧電位置決め機構を駆動する。
【００１８】 前記検知器が前記反射された追加光の位置における移動を示すとき、前記コン
トローラが位置決めデータを検索すべく前記ルックアップ表にアクセスする。検
索されたデータに応答して、前記圧電位置決め機構が前記基板を移動させ、前記
像源と前記検知器とを瞳に対して再び整列させる。
【００１９】 他の実施例では、前記ＣＣＤアレイが、間隔を置かれた複数の検知器を含む象
限型検知器と置き換えられる。前記検知器の出力は、前記走査ビームを瞳に整列
させるサーチ機能を実行する制御回路を駆動する。
【００２０】 他の実施例では、１を超える倍率を有する像光学装置が、前記像源及び追加光
からの光をユーザーの眼に向けるように役立つ。前記像源及び検知器の物理的移
動は、前記像源からの光が眼に当たる場所のさらに大きい移動を生じさせる。し
たがって、前記圧電位置決め機構によって導入された小さい移動は、瞳の位置の
より大きい移動を追跡することができる。
【００２１】 発明の詳細な説明 図４に示すように、本発明の仮想網膜ディスプレイ７０は制御電子装置７２と
、光源７４と、走査組立体５８と、像光学装置７８とを含む。図２の実施例のよ
うに、前記光源は直接又は間接に変調され、また像光学装置７８は、観察者の眼
５２への結合出力を生じさせるために走査組立体５８からの光を背景８０から受
け取る光に結合する湾曲した部分伝送ミラー６２，６４で形成されている。光源
７４は映像信号ＶＩＭに従って変調された光を放射し、映像信号源５６はテレビ
ジョン受信機、コンピュータ、ＣＤ−ＲＯＭプレーヤ、ビデオカセットプレーヤ
又は他の同様の装置からなる。光源７４として、レーザダイオード又はマイクロ
レーザのようなコヒーレント光放射源を用い、あるいは発光ダイオードのような
ノンコヒーレント光源を用いることができる。また、光源７４は直接に変調され
、あるいは音響光学変調器のような外部変調器が用いられる。この分野の当業者
であれば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルおよび電界放射ディスプレイのよ
うな他の像源を使用可能であることが理解されよう。しかし、このような像源は
、先に言及した実施例に記載した像源よりも大きくかつ嵩張るものであるため、
常に好ましいものであるとはいえない。これらの大きな質量のため、図６−８を
参照して以下に説明するように、迅速な位置替えが困難である。さらに、背景８
０が「現実の世界」の背景としてここに表されても、前記背景光は遮断され、あ
るいは同一または異なるタイプの他の光源により発生される。
【００２２】 ここのエレメントは図式的に表されているが、この分野の当業者であれば、構
成部分は、図５に示す頭部装着ディスプレイ６７のようなヘルメットまたは同様
のフレームに据え付けられる典型的なサイズ及び形状に設定されている。この実
施例では、ディスプレイ６７の第１の部分７１が、頭に載せられるフレーム７３
に据え付けられ、第２の部分７５が例えば腰ベルトに分離して支持される。これ
らの部分７１，７５は、前記第２の部分から前記第１の部分へ光及び電気の信号
を運ぶ光及び電子のつなぎファイバ（光ファイバ）７７によりつながれている。
ファイバ結合のスキャナディスプレイの例は、参照によりここに組み入れられて
いる「光ファイバ点源を有する仮想網膜ディスプレイ」と題するファーニス等の
米国特許第５，５９６，３３９号明細書に見られる。この分野の当業者であれば
、多くの適用において、前記ファイバを除くことができるように前記光源が走査
組立体５８に直接に結合され得ることは理解されよう。
【００２３】 図４のディスプレイ７０に戻ると、ユーザーの眼５２は、典型的には、ディス
プレイ７０が概して頭部に装着されているために像光学装置７８に関して実質的
に固定された場所にある。明瞭化のため、この説明はディスプレイ７０操作の記
述において議論しない。この分野の当業者であれば、ディスプレイ７０がユーザ
ーの眼窩を押すアイカップを有する固定観察装置を形成する場合のように、ディ
スプレイ７０は頭部装着用以外にも使用されることが理解されよう。また、ユー
ザーの頭部は、ある場合の相対運動に関しては自由である。このような場合にお
いて、公知の頭部追跡システムが荒い位置決めでユーザーの頭部位置を追跡する
。
【００２４】 像光学装置７８は走査組立体５８からユーザーの眼５２に向けて走査光を向け
直しかつ拡大し、前記光は瞳６５を経て網膜５９に当たり、仮想像を作る。同時
に、背景８０からの光がミラー６２，６４及び瞳６５を経てユーザーの網膜５９
に至り、「現実」の像を造る。ユーザーの網膜５９は前記走査ビーム及び背景８
０からの光を受け取るため、図１に示すように、ユーザーは前記仮想像が透明に
見えるように、組み合わされた像を知覚する。ユーザーが一部または完全反射の
ミラー６２，６４からの光を捕捉することを容易にするため、像光学装置７８は
、また、前記走査光のビームの有効開口数を増大させる射出瞳エキスパンダを含
む。前記射出瞳エキスパンダは、ビーム５３の表現上の明瞭化のため、図面から
省略されている。
【００２５】 光源７４からの光に加えて、像光学装置７８は、また、光源７４と共に共通の
基板８５により支持された赤外線源９２からの探知器ビーム９０を受け取る。探
知器ビーム９０は表現上の明瞭化のために次に述べる異なる光路で示されている
が、光源７４からの光と赤外線源９２からの光とが実質的に直線であるように赤
外線源９２は実際には光源７４に近接して配置されている。したがって、像光学
装置７８の出力は赤外線源９２からの光を含む。この分野の当業者であれば、赤
外線源９２と光源７４とが物理的に近接して示されているが、他の実施方法が容
易に理解されよう。例えば、ビームスプリッタ及び指向光学装置を用いて探知器
ビーム９０を光源７４からの光に載せることにより、赤外線源９２は光源７４か
ら物理的に分離することができる。
【００２６】 図６−９を参照して、眼の位置の追跡について以下に述べる。図６に示すよう
に、ユーザーの眼５２が動くとき、瞳６５は光源７４及び赤外線源９２からの光
と非整列状態になる。光源７４及び赤外線９２からの前記光の全部または一部は
もはや瞳６５には入らないか、あるいは瞳６５が網膜５９の中心に前記光を向け
ない方向において瞳６５に入る。代わりに、線源７４，９２からの光の幾分かは
眼の瞳ではない部分９６に当たる。眼の瞳でない部分９６は、瞳６５とは異なり
、また瞳６５より一般的に高い反射率を有する。その結果、瞳でない部分９６は
線源７４，９２から映写光学装置７８へ向けての光を反射する。像光学装置７８
は、線源７４，９２に近接する基板８５上に配置された光学検知器９８に向けて
、前記反射光を向け直す。この実施例では、検知器９８は、赤外線に敏感である
商業的に入手可能のＣＣＤアレイである。後述するように、ある場合には、他の
タイプの検知器が好ましいことがある。
【００２７】 図７Ａに示すように、線源７４，９２からの光が瞳に入るようにユーザーの眼
がおかれるとき（すなわち、眼が図４に示すようにおかれるとき）、検知器９８
の中央領域１００が像光学装置７８から低レベルの光を受け取る。ユーザーの瞳
から結果的に発生する弱光の領域をここでは瞳の影１０６と称する。図７Ｂに示
すように、瞳５２が図６に示す位置に移動すると、前記瞳の影が検知器８８に関
して移動する。
【００２８】 瞳の影１０６の位置を示す前記検知器のデータは、マイクロプロセッサ又は専
用集積回路（ＡＳＩＣ）のような電子コントローラ１０８に入力される。前記デ
ータに応答して、コントローラ１０８がメモリ内のルックアップ表にアクセスし
、光源７４のための適当な位置修正量を指示する位置決めデータを検索する。前
記位置決めデータは経験的に決定され、又は眼５２と走査組立体５８の既知の幾
何学に基づいて計算される。
【００２９】 検索された位置決めデータに応答して、基板８５に結合された圧電位置決め装
置１１６，１１８のそれぞれに電圧を供給するため、コントローラ１１０がＸ及
びＹドライバ１１２，１１４を作動させる。圧電材料は電界の存在下で変形し、
これにより電圧を物理的変位に変換する。したがって、図８に矢１２０及び矢印
１２２で示すように、各ドライバ１１２，１１４から供給された電圧が圧電位置
決め装置１１６，１１８をして線源７４，９２を移動させる。
【００３０】 図８に示すように、線源７４，９２の位置の移動が、線源７４，９２からの光
がユーザーの眼に当たる場所を移動させ、その結果、前記光が一旦再び瞳に入る
。図７Ａに示すように、瞳の影１０６は一旦再び前記場所に戻る。この分野の当
業者であれば、圧電位置決め装置１１６の変形が表現のために図８において誇張
されていることは理解されよう。しかし、ミラー６２，６４は１より大きい倍率
を有するため、基板８５の位置のわずかな移動が、光源７４からの光が眼に到達
する場所におけるより大きい移動を生じさせることができる。したがって、圧電
位置決め装置１１２，１１４は眼の多くの場所又は位置に対する十分なビームの
平行移動を生じさせることができる。非常に大きいビームの平行移動が望まれる
場合には、圧電位置決め装置１１２，１１４に代えて、例えば電子サーボ機構を
用いることができる。選択的に、図９に示すように、前記基板の位置替えのため
に等原子ニッケルチタン合金のような形状記憶合金に基礎をおいた位置決め装置
１１３を使用することができる。位置決め装置１１３は、図９に示すように、螺
旋状に配置し、あるいは、他の適当な形状で配置することができる。この分野の
当業者であれば、特に位置決め装置１１６，１１８がスキャナ７０の比較的大き
い平行移動を与える機構から形成される場合、像光学装置７８が常に倍率を必要
とすることは限らないことが理解されよう。
【００３１】 図１０は、走査組立体５８としての使用に適する機械的共振型スキャナ２００
の一例を示す。共振型スキャナ２００は、主要な水平走査エレメントとして、ば
ね板２０４に据え付けられた移動ミラー２０２を有する水平スキャナ２０１を含
む。ミラー２０２の寸法及びばね板２０４の寸法と、ばね板２０４の物質特性と
は、ミラー２０２とばね板２０４とが１−１００ｋＨｚ台の固有振動数を有する
ように選択される。ミラー２０２に据え付けられた強磁性材料が、ミラー２０２
に推進力を与えるように一対の電磁コイル２０６，２０８によって駆動され、こ
れにより、振動を開始し、維持する。駆動電子装置２１８がコイル２０６，２０
８を作動させるための電気信号を与える。
【００３２】 水平スキャナ２０１に良く似た構造の垂直スキャナ２２０によって垂直走査が
与えられる。水平スキャナ２０１のように、垂直スキャナ２２０は、駆動電子装
置２１８からの電気信号に応答して一対のコイル２２４，２２６により駆動され
るミラー２２２を含む。しかし、振動の範囲は垂直走査のためには非常に低いた
め、垂直スキャナ２２０は典型的には共振型ではない。ミラー２２２は水平スキ
ャナ２０１から光を受け取り、約３０−１００Ｈｚでの垂直反射を生じさせる。
有利な点として、低振動のためにミラー２２２がミラー２０２より非常に大きい
ことが可能であり、これにより、垂直スキャナ２２０の配置上の制約を軽減する
ことである。
【００３３】 動作時、像源５６（図８）によって駆動される光源７４が、前記像信号に従っ
て変調された光のビームを出力する。同時に、駆動電子装置２１８が、ミラー２
０２，２２２を振動させるべく、コイル２０６，２０８，２２４，２２６を作動
させる。前記変調された光のビームが振動中の水平ミラー２０２に当たり、ミラ
ー２０２の瞬間の角度に対応する角度で水平に反射される。反射された光は、次
に、垂直ミラー２２に当たり、垂直ミラー２２２の瞬間の角度に対応する垂直の
角度で反射される。前記光ビームの変調は、前記ミラーの各位置において前記ビ
ームの色及び強度が所望の仮想像に対応するように、前記水平走査及び垂直走査
と同調する。したがって、前記ビームはユーザーの網膜上に直接に仮想像を「引
き起こす」。この分野の当業者であれば、スキャナ２００のいくつかの構成要素
が表現上の明瞭化のために省略されていることが理解されよう。例えば、垂直及
び水平スキャナ２０１，２２０は、典型的には、フレームに固定関係位置で据え
付けられている。加えて、スキャナ２００は、典型的には、前記ビームが走査の
角度範囲を増大させるために複数回各ミラーに当たるように前記ビームを方向付
ける１又はそれ以上の回転ミラーを含む。
【００３４】 図１１は、前記ＣＣＤアレイが４つの検知器８８Ａ−８８Ｄに置き換えられ、
各検知器が前記仮想像の各象限に整列されている位置検知器８８の一例を示す。
ユーザーの眼５２が前記仮想像と非整列状態となるとき、瞳の影１０６が、図１
１に破線で示されているように、移動する。この位置では、１又はそれ以上の検
知器８８Ａ−８８Ｄによって受け取られた光の強度が下がる。次に、位置決め装
置１１６，１１８における電圧が、ユーザーの眼５２に対する前記走査光を再調
整するように変えられ得る。この実施例で有利なことは、前記４つの象限検知器
がエラー信号を形成し、適当に増幅されるとき、光放射器７４の位置を変えるよ
うに各位置決め装置１１４，１１６を駆動することである。
【００３５】 さらに、図８のディスプレイ７０の実施例では、第３の軸線に沿って光源７４
およびスキャナ７６の位置を制御する第３の位置決め装置１２８によるＺ軸調整
が提供される。第３の位置決め装置１２８は、Ｘ及びＹの位置決め装置１１４，
１１６のように、対応する駆動装置１３０を介して電子コントローラ１０８によ
り制御される圧電位置決め装置である。
【００３６】 図８から見て取れるように、ユーザーの眼５２が軸線から反れた対象物を見る
ために回転し、ＸおよびＹの位置決め装置１１６，１１８が光源７４の位置を調
整するとき、スキャナ７６と第１のミラー６４との距離がわずかに変化し、第１
のミラーと眼５２との間の距離が変化する。その結果、前記走査ビームにより規
定された前記結像面が所望の場所から移動し、前記知覚された像がゆがめられる
。また、このような移動は、左右の眼のサブシステム間の変分の差のために双眼
又は両眼システムに有効な非点収差を生じさせる。相対位置における前記移動を
補償するため、コントローラ１０８は、メモリ１１０からの位置決めデータに応
答して、第３の位置決め装置１３０を作動させ、これにより、光源のＺ軸方向位
置を調整する。適当な位置決めデータは経験的に定め、あるいは光学モデルを介
して分析的に発展させることができる。
【００３７】 この分野の当業者であれば、コントローラ１０８もまた第３の位置決め装置１
３０を介して走査ビーム５３の焦点を調整することができることが理解されよう
。前記焦点の調整は、前記コントローラが、前記眼の移動、温度変化、気圧変化
又は他の影響から生じる走査組立体７６、ミラー６２，６４及び眼５２の相対位
置の移動を補償することを可能にする。また、コントローラ１０８は、頭部に装
着されるディスプレイを異なるユーザーに適合させるようにＺ軸方向位置を調整
することができる。
【００３８】 これらの実施例には、３つの直交軸に沿って位置決めを行うことが記載されて
いるが、本発明はそのように制限されるものではない。第１に、機械的な位置決
めは他の運動の程度に適用可能である。例えば、回転位置決め装置は、回転位置
決め制御を与えるために複数の軸の周りにミラー６２，６４、光源７４または基
板８５を回転させることができる。このような実施例では、前記コントローラの
ログ（ｌｏｇ）が前記仮想像の位置を確立することを可能にする。前記仮想像の
位置を制御することにより、コントローラ１０８は、ユーザーの視野における変
化を追跡するように領域４２を移動させることができる。したがって、領域４２
は、ユーザーの視野内に実質的に固定した場所を維持することができる。回転の
自由に加えて、この分野の当業者であれば、前記３つの軸が直交軸に限定されな
いことが理解されよう。
【００３９】 ここに示す実施例は２つのミラー６２，６４を含むが、この分野の当業者であ
れば、同様の適用について、より複雑な又はもっと簡単な光学構造が望ましいこ
とが理解されよう。例えば、図１２Ａ−Ｃに示すように、観察者の眼５２に向け
て光を反射させるために単一の反射光学装置３００を使用することができる。図
１２Ａ−Ｃに示すように、走査組立体５８から瞳６５への光路３０２を追跡する
ことにより、各眼の位置について、走査組立体５８の対応位置及び角度的方向を
決定することができる。
【００４０】 次に、決定された位置及び方向がデジタル方式で貯蔵され、検知された眼の位
置に応じて取り出し又は検索される。次いで、走査組立体５８が、検索された眼
の位置及び方向へ移動される。例えば、図１２Ｂに示すように、眼の視界が中央
にあるとき、走査組立体５８が中央におかれる。前記眼の視界が左に移動すると
きは、図１２Ａに示すように、走査組立体５８は補償のために右へ移動される。
【００４１】 前記検知された眼の位置に応じて移動される大きさ及び重量を低減するため、
走査組立体５８のサイズ及び重量を低減することが望ましい。前記サイズ及び重
量を低減する１つの方法は、参照によりここに組み入れられた「マイクロ機械化
捻りスキャナ」と題するノイカーマンス等の米国特許第５，６２９，７９０号明
細書、及び「一体型捻れセンサを有するマイクロ機械化ヒンジ」と題するノイカ
ーマンス等の米国特許第５，６４８，６１８号明細書に記載されているようなマ
イクロ電気機械式（ＭＥＭ）のスキャナを有する機械的共振型スキャナと交換す
ることである。ここで説明しまた図１３に示すように、二軸スキャナ４００がシ
リコン基板４０２に形成されている。二軸スキャナ４００はミラー４０４を含み
、ミラー４０４は、これを枢動可能のサポート４０８に結合する相対する湾曲部
４０６により支持されている。これらの湾曲部４０６は捻れるように寸法設定さ
れ、これにより、サポート４０８に対して、ミラー４０４が、湾曲部４０６によ
り規定された軸線の周りにする枢動可能である。一の実施例では、ミラー４０４
の枢動はスキャナ４００の水平走査を規定する。
【００４２】 第２の一対の相対する湾曲部４１２がサポート４０８を基板４０２に結合して
いる。湾曲部４１２は、曲がって捻れるように寸法設定されており、これにより
、サポート４０８が基板４０２に対して枢動可能である。好ましくは、ミラー４
０４、サポート４０８及び湾曲部４０６，４１２の大きさ及び寸法は、ミラー４
０４が１０−４０ｋＨｚで水平に高Ｑで共振するように、また、サポート４０８
が好ましくは６０Ｈｚより高く、しかしある場合には低振動が望ましい周波数で
枢動するように、選択される。例えば、複数のビームが用いられるときには、１
０Ｈｚまたはそれ以下の垂直方向の周波数が受け入れ可能である。
【００４３】 好ましい実施例では、ミラー４０４は、ミラー４０４上のプレート４１４とベ
ース上の導体（図示せず）との間に電界を適用することにより枢動される。この
方法は、プレート４１４がコンデンサの１つの板として振る舞い、また前記ベー
ス上の導体が第２の板として振る舞うため、容量性駆動と称する。プレート間の
電圧が増大すると、前記電界が、ミラー４０４上にこれが湾曲部４０６に関して
枢動するようにさせる力を及ぼす。前記プレートに印加された電圧を周期的に変
化させることにより、ミラー４０４を周期的に走査するものとすることができる
。好ましくは、ミラー４０４が少ない電力消費で振動するように、前記電圧をミ
ラー４０４の機械的な共振周波数で変化させる。
【００４４】 サポート４０８は、特別な適用要求に応じて、磁気的に又は静電容量的に枢動
され得る。好ましくは、サポート４０８及び湾曲部４１２は、サポート４０８が
６０Ｈｚのような所望の再生速度以上の周波数に応答可能であるように、寸法が
定められる。
【００４５】 図１４に示す本発明に係る他の実施例は、走査組立体５８と眼５２との間に配
置された回折射出瞳エキスパンダ４５０を含む。参照によりここに組み入れられ
た「伸長された射出瞳を有する仮想網膜ディスプレイ」と題するコリン等の米国
特許第５，７０１，１３２号明細書に記載されているように、複数の射出瞳４５
６を規定するため、各走査位置４５２において、射出瞳エキスパンダ４５０が前
記走査ビームを複数の共通の場所に向け直す。例えば、図１５Ａに示すように、
射出瞳新著器４５０は９つの分離した射出瞳４５６を生じさせる。ユーザーの瞳
６５が定められた１又はそれ以上の射出瞳４５６を受け取るとき、ユーザーは所
望の像を見ることができる。
【００４６】 図１５Ｂに示すように、もしユーザーの眼が動く場合、瞳６５はなお１又はそ
れ以上の射出瞳４５６から光を受け取る。したがって、瞳６５が射出瞳４５６に
対して移動する場合であっても、ユーザーは前記像を知覚し続ける。それにも拘
わらず、図１４の矢印４５８及び図１５Ｂの矢印４６０で示されているように、
走査組立体５８（図１２Ａ−１２Ｃ）はユーザーの瞳６５に従って射出瞳４５６
のアレイを中心に移すように移動する。瞳６５に関して前記アレイを再び中心に
おくことにより、瞳６５との関連を維持する間に射出瞳４５６数を減じることが
できる。
【００４７】 本発明が代表的な実施例によりここに示されているが、ここに記載された種々
の構造及び方法が本発明の精神及び範囲から逸脱することなく実行可能である。
例えば、種々の要素の配置は変更可能である。位置替えの一例において、検知器
８８及び赤外線源９２は光源７４から分離して据えることができる。このような
実施例では、検知器９８及び赤外線源９２は固定された場所に据え付け、あるい
は、分離された１組の位置決め装置により駆動することができる。また、ある場
合には、赤外線源９２を除去することが望ましい。このような実施例では、検知
器９８が、光源７４から発する反射された可視光を監視する。また、前記赤外線
ビーム及び前記走査された光のビームは、従来のビーム分割技術を用いて、共線
状または一直線状にすることができる。さらに他の実施例では、光源７４の「仮
想」運動を生じさせるため、圧電位置決め装置１１６，１１８をミラー６４又は
中間レンズ１２１に連結することができる。この実施例では、ミラー６４又はレ
ンズ１２１の置き換えは、前記眼に関して、光源７４の見掛けの位置における移
動を生じさせる。前記位置又はレンズ１２１の有効焦点距離を変えることにより
、レンズ１２１は前記ディスプレイがスキャナ２００，４００から眼５２までの
見掛けの距離を変えることを可能にする。例えば、レンズ１２１は、水晶のよう
な電気光学材料から形成され又はこれを含む。前記有効焦点距離は、スキャナ２
００，４００の各位置のための前記電気光学材料を横切る電圧を変化させること
により変えることができる。さらに、水平スキャナ２００，４００はここでは走
査周波数において機械的に共振することが好ましいことを述べたが、ある場合に
は、スキャナ２００は非共振である。例えば、スキャナ２００が「一筆」又は「
筆記体」走査に用いられる場合、非共振のスキャナが好ましい。この分野におけ
る当業者であれば、ここに単一の光源の記載があっても、ここに記載の原理及び
構造が複数の光源を有するディスプレイに適用可能であるが理解されよう。実際
は、図１４の射出瞳エキスパンダ４５０はいくつかの光源の使用に事実上近づく
。さらに、ここに示す代表的な実施例は凝視又は注視を追跡するために瞳の影を
利用するが、本発明の範囲内において他の様々な方法があり、例えば、本発明に
従う先の実施例で使用するために適合される「グリント（ｇｌｉｎｔ）」技術と
して知られている反射方法は、凝視又は注視を追跡するために虹彩の基底部又は
特徴を映すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 影像源からの光及び背景からの光の組み合わせから生じる、ユーザーにより知
覚された影像の組み合わせの概念図である。
【図２】 ユーザーの瞳と走査光との整列を示すスキャナ及びユーザーの眼の概念図であ
る。
【図３】 ユーザーの瞳と走査光との非整列を示すスキャナ及びユーザーの眼の概念図で
ある。
【図４】 位置決めビーム及び検知器を含む本発明の一実施例に係るディスプレイの概念
図である。
【図５】 つなぎを含む頭部装着スキャナの等角図である。
【図６】 ビームの位置に関して眼の移動を示しまた位置決めビームの反射に対応する図
４のディスプレイの概念図である。
【図７】 Ａは、図４の位置で検知器に当たる反射光の図である。Ｂは、図６の位置で検
知器に当たる反射光の概念図である。
【図８】 影像源及び図６の非整列を修正するように調整された位置決めビーム源を示す
図２のディスプレイの概念図である。
【図９】 基板に連結された記憶合金をベースとする位置決め装置を示すディスプレイの
一部の詳細図である。
【図１０】 図４のディスプレイにおける影像源としての使用に適する走査システムの概念
図である。
【図１１】 ４つの分離した光学検知器を含む位置検知器の平面図である。
【図１２】 Ａ、ＢおよびＣは、それぞれ、単一の反射光学系及び移動発光源を利用するデ
ィスプレイの概念図である。
【図１３】 図２のディスプレイにおいて使用される二軸ＭＥＭスキャナの平面図である。
【図１４】 射出瞳と移動光放出器とを含むディスプレイの他の実施例の概念図である。
【図１５】 Ａは、眼の瞳上の中心にある９つの射出瞳の概念図である。Ｂは、Ａの眼の瞳
の移動と、射出瞳アレイの対応する移動とを示す概念図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｕ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ， ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，Ｌ Ｋ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ， ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，Ｔ Ｍ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2H045 AB01 BA12 DA31 2H088 EA19 EA20 EA22 MA20 5C058 AA13 EA54

Claims (47)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】眼で見る像を生じさせる方法であって、 第１の場所から光を放出すること、 前記像に対応するパターンに前記光を変調すること、 位置決めビームを生じさせること、 前記位置決めビームを第１の通路に沿って眼に向けること、 前記眼から反射された光の一部を光検知器で受けること、 前記受けた反射光に応答して電気信号を生じさせること、 前記電気信号に応じた瞳の位置を特定すること、及び 前記電気信号に応答して前記第１の場所の位置を物理的に変えることを含む、
    像を生じさせる方法。
  2. 【請求項２】像源が前記光を生じさせ、また前記電気信号に応答して前記第
    １の場所の位置を物理的に変えるステップは、ユーザーの眼に対して前記像源の
    位置を物理的に変えることを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】前記像源の位置を物理的に変えるステップは、前記像源に結合
    された圧電位置決め装置を作動させることを含む、請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】前記像源の位置を物理的に変えるステップは、前記像源に結合
    された形状記憶合金を作動させることを含む、請求項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】前記光学検知器が検知器アレイを含み、また前記受けた反射光
    に応答して電気信号を生じさせるステップは、前記検知器アレイからの出力デー
    タを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】前記位置決めビームは赤外線ビームからなる、請求項１に記載
    の方法。
  7. 【請求項７】前記電気信号を生じさせるステップは、 前記検知器アレイからデータを出力させること、 メモリに貯蔵されたデータを検索すること、及び 前記検索されたデータに応答して前記電気信号を生じさせることを含む、請求
    項１に記載の方法。
  8. 【請求項８】前記放出された光の一部は前記位置決めビームを形成する、請
    求項１に記載の方法。
  9. 【請求項９】前記光を放出するステップは、像源で前記光を生じさせること
    及び案内光学装置で前記光を案内することを含み、前記電気信号に応答して前記
    第１の場所の位置を物理的に変えるステップは、前記案内光学装置及び前記像源
    の相対位置を物理的に変えることを含む、請求項１に記載の方法。
  10. 【請求項１０】前記案内光学装置はレンズを含む、請求項９に記載の方法。
  11. 【請求項１１】前記案内光学装置は、さらに、旋回反射器を含む、請求項１
    ０に記載の方法。
  12. 【請求項１２】ユーザーによる知覚のための影像信号に応答して影像を生じ
    させる方法であって、 第１の場所から、前記像信号に応じた前記像に対応する光を放出すること、 前記像に対応する前記放出光を前記ユーザーの眼に向けること、 前記ユーザーの眼に前記像に対応する前記放出光を向ける間に眼の位置を決定
    すること、及び 前記決定された眼の位置に応じて、前記ユーザーの瞳に前記放出光を向けるた
    めに前記第１の場所を調整することを含む、影像を生じさせる方法。
  13. 【請求項１３】前記眼の位置を決定するステップは、 光の追跡ビームを放出すること、 前記光の追跡ビームを前記ユーザーの眼に向けること、及び 前記ユーザーの眼から反射された光を監視することを含む、請求項１２に記載
    の方法。
  14. 【請求項１４】前記光の追跡ビームを放出するステップは、実質的に前記第
    １の場所から前記追跡ビームを放出することを含む、請求項１３に記載の方法。
  15. 【請求項１５】前記ユーザーの眼から反射された光を監視するステップは、 前記第１の場所に近接して光検知器を配置すること、及び 前記検知器で前記反射された光の一部を受けことを含む、請求項１２に記載の
    方法。
  16. 【請求項１６】前記ユーザーの眼に前記像に対応する前記放出光を向けるス
    テップは、スキャナで前記放出光を走査することを含む、請求項１２に記載の方
    法。
  17. 【請求項１７】前記光の追跡ビームを前記ユーザーの眼に向けるステップは
    、前記スキャナで前記追跡ビームを走査することを含む、請求項１６に記載の方
    法。
  18. 【請求項１８】眼と光源との整列を確認するディスプレイ装置において、 眼に追跡源からの光を放出すること、 前記眼の複数の場所から反射された光を受けること、 前記受けた反射光に対応する電気信号を発生すること、 前記電気信号に応じて、前記眼の一の領域であって前記眼の他の領域に関して
    低反射率を有する前記眼の一の領域を確認すること、及び 前記低反射率の確認領域と、基準領域であって前記低反射率の領域に関して前 記光源の中央に対応する基準領域と比較することを含む、方法。
  19. 【請求項１９】さらに、前記光源に関して実質的に固定された場所に前記追
    跡源を整列させることを含む、請求項１８に記載の方法。
  20. 【請求項２０】前記眼の複数の場所から反射された光を受けるステップは、
    光検知器で、前記眼の複数の場所から反射された光を受けることを含む、請求項
    １８に記載の方法。
  21. 【請求項２１】前記光検知器は、二次元検知器アレイである、請求項２０に
    記載の方法。
  22. 【請求項２２】前記二次元検知器アレイは、ＣＣＤアレイである、請求項２
    １に記載の方法。
  23. 【請求項２３】前記光検知器は、一体化された複数の検知器を含む、請求項
    ２０に記載の方法。
  24. 【請求項２４】眼に仮想の像を整列させる方法であって、 前記仮想の像を生じさせるために眼に第１の一組の光学路に沿って第１の場所
    から影像光を向けること、 光の追跡ビームであって該追跡ビームの一部が前記眼から反射されるように前
    記眼に前記追跡ビームを向けること、 光検知器で前記追跡ビームの反射された一部を受けること、 前記反射された一部の受け取りに応答して電気信号を生じさせること、 前記電気信号に応じて、瞳に対応する前記反射された一部の領域を確認するこ
    と、 前記瞳に入る影像光の量を増大させる第１の場所の調整を決定すること、及び 前記決定された調整に応じて前記第１の場所を調整することを含む、方法。
  25. 【請求項２５】前記ディスプレイは、前記像を生じさせる像源と、前記電気
    信号を生じさせる検知器とを含み、前記像源及び検知器は共通の支持体に据えら
    れている、請求項２４に記載の方法。
  26. 【請求項２６】前記決定された調整に応じて前記第１の一組の光学路を調整
    するステップは、前記支持体を移動させることを含む、請求項２５に記載の方法
    。
  27. 【請求項２７】前記支持体を移動させるステップは、圧電位置決め装置を作
    動させることを含む、請求項２６に記載の方法。
  28. 【請求項２８】前記支持体を移動させるステップは、形状記憶合金を作動さ
    せることを含む、請求項２７に記載の方法。
  29. 【請求項２９】ユーザーの眼によって観察される像を生じさせるためのバー
    チャルディスプレイであって、 前記ユーザーの眼に向けられた光路に沿って前記像に対応するパターンで光を
    放出する像源と、 前記ユーザーの眼に整列された光検知器であって前記眼の瞳に関して予め定め
    られた場所を有する選択された眼の特質に対応する反射率を有する前記眼の領域
    の場所を検知し、前記検知された場所を示す信号を生じさせる光学検知器と、 前記光学検知器に結合された制御入力と、前記像源に結合された位置決め出力
    とを有する位置決め機構であって、前記瞳への光路を移動させる方向に前記像源
    を物理的に再配置すべく前記検知された場所を示す信号に応答する位置決め機構
    とを含む、ディスプレイ。
  30. 【請求項３０】前記位置決め装置は電気的に作動される位置決め装置であり
    、前記検知された場所を示す前記信号は電気信号である、請求項２９に記載のデ
    ィスプレイ。
  31. 【請求項３１】前記像源は、光放出器と、前記位置決め機構により相対的に
    位置決めるように形状付けられた像光学装置とを含む、請求項２９に記載のディ
    スプレイ。
  32. 【請求項３２】前記像源及び検知器は、共通の支持体に据えられている、請
    求項２９に記載のディスプレイ。
  33. 【請求項３３】前記位置決め機構は、前記共通体を物理的に移動させるため
    に前記共通体に連結されている、請求項２９に記載のディスプレイ。
  34. 【請求項３４】前記像源は、網膜スキャナである、請求項２９に記載のディ
    スプレイ。
  35. 【請求項３５】さらに、前記像源に整列された第１の入力と、第２の入力と
    を有するビームコンバイナを含み、該ビームコンバイナは前記第１の入力及び前
    記第２の入力からの光を方向付け、また、結合された光をユーザーの網膜に向け
    る、請求項２９に記載のディスプレイ。
  36. 【請求項３６】眼の場所の追跡機能を有するディスプレイ装置であって、 第１のスキャナと、 前記眼に整列されたビーム旋回光学装置と、 ベースに据えられた像源であって、該像源から前記眼に光を向けるように選択
    された角度で前記ビーム旋回光学装置に整列された像源と、 前記眼に整列された光源と、 前記眼に整列され、前記眼の選択された領域に関して前記光源の整列を示す電
    気信号を出力する検知機と、 前記ベースに結合された位置決め機構であって、前記ビーム旋回光学装置に関
    する前記ベースの相対位置を物理的に調整するように前記検知器からの電気信号
    に応答する位置決め機構とを含む、ディスプレイ装置。
  37. 【請求項３７】前記像源は、網膜スキャナである、請求項３６に記載のディ
    スプレイ装置。
  38. 【請求項３８】前記位置決め機構は、圧電位置決め装置である、請求項３６
    に記載のディスプレイ装置。
  39. 【請求項３９】前記位置決め機構は、サーボ機構である、請求項３６に記載
    のディスプレイ装置。
  40. 【請求項４０】前記位置決め機構は、形状記憶合金を含む、請求項３６に記
    載のディスプレイ装置。
  41. 【請求項４１】前記ビーム旋回光学装置は、ビームコンバイナを含む、請求
    項３６に記載のディスプレイ装置。
  42. 【請求項４２】前記ビームコンバイナは、光学拡大装置を含む、請求項４１
    に記載のディスプレイ装置。
  43. 【請求項４３】前記光学拡大装置は、ミラーである、請求項４２に記載のデ
    ィスプレイ装置。
  44. 【請求項４４】前記ビームコンバイナは、ビームスプリッタを含む、請求項
    ４０に記載のディスプレイ装置。
  45. 【請求項４５】さらに、前記光源と、前記ビーム旋回光学装置と、前記位置
    決め機構とを支持する頭部装着構造を含む、請求項３６に記載のディスプレイ装
    置。
  46. 【請求項４６】ディスプレイ装置であって、 得られた像に従って変調された光のビームを放出する可動の光源であって前記
    光のビームの有効位置を変えるための位置出力に応答する光可動源と、 前記放出された光のビームを受けるように配置された射出瞳エキスパンダであ
    って受けた光のビームに応答して複数の射出ビームを放出する射出瞳エキスパン
    ダと、 前記眼を検知するように方向付けられ、またユーザーの眼の位置に対応する電
    気信号を出力するように配置されかつ形状付けられた眼追跡装置と、 前記電気信号を受け取るように前記眼追跡装置に結合された電気入力を有する
    位置決め装置であって、さらに前記光源に結合され、また前記電気信号に応答し
    て前記位置入力を供給する、ディスプレイ装置。
  47. 【請求項４７】前記射出瞳エキスパンダは、回折エレメントからなる、請求
    項４６に記載のディスプレイ装置。
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