JP2007504493A - マトリクス光検出器を有する双方向性ディスプレイシステム - Google Patents

Abstract

ディスプレイシステムは、入口面と反対側の出口面とを備えた導波路光学パネルを有する。画像ビームは、出口面上に表示するために、入口面を横切って、横方向及び横断方向に投射される。出口面上の内側に向かう光スポットの対応する横方向及び横断方向の位置を検出するために、複数の検出器要素のマトリクスを有する光検出器が入口面と光学的に整列される。

Description

連邦政府によって援助された研究又は開発に関する記述
本発明は、エネルギー省によって与えられた契約番号ＤＥ−ＡＣ０２−９８ＣＨ１０８８６による政府支援をもってなされた。政府は、本発明に一定の権利を有する。

発明の背景
本発明は、一般には、光導波路、より詳細には、それで形成された光学パネルに関する。

米国特許第５，３８１，５０２号は、互いに積層された複数のリボン状光導波路を有する多平面光学ディスプレイ（ＰＯＤ：polyplanar optical display）を開示している。画像光は、その中での全内部反射（全反射）のために、ディスプレイの入口面を通して投射され、パネルの反対側の出口面端部においてビデオ（映像、テレビ）画像が表示される。

米国特許第５，４５５，８８２号は、双方向（インタラクティブ）動作のために構成された別の形態のＰＯＤパネルを開示している。ビデオ画像は、積み重ねられた複数の導波路を通して外側に向けて投射される。又、双方向性光ビームを、出口面を通して入口面へと内側に向けて指向させることができ、そのスクリーン上の位置を、双方向機能を提供するために検出することができるようになっている。

いずれの特許においても、同様に構成された光学パネルが、入口面から反対側の出口面への方向、出口面から反対側の入口面への方向のいずれの方向における光伝達（透過）も可能とする。この能力は、テレビジョン用の高解像度表示画面（ビューイングスクリーン）、コンピュータモニタ、及び所望により種々のその他のタイプの表示画面を提供するために、光学パネルを種々の用途において用いることを可能とする。

種々の形態のディスプレイスクリーンとの双方向性を提供するために、別個の機械的なキーボードが一般的に知られている。しかしながら、機械的なキーボードは、システムのサイズ、複雑さ、及びコストを増大させる、付加的な構成部品である。

従来のタッチスクリーンは、双方向機能のための別の方法を提供する。タッチスクリーンは、出口面に被せられる種々の形態を有していてよく、又タッチスクリーンの種々の部分を単に押すことによって双方向性を提供することができる。触れられたスポットの位置は、システムによって判定され、又タッチスクリーンを通して出口面によって表示される双方向オプションに対応する。タッチスクリーンは、独立した装置であり（即ち、出口面から分離されている）、これはシステムの複雑さ及びコストを増大させる。

従って、実施するにあたり相当の利点を有する双方向機能を備えたディスプレイシステムを提供することが求められている。

本発明のディスプレイシステムは、入口面と反対側の出口面とを備えた導波路光学パネルを有する。画像ビームは、パネルの出口面上に表示するために、パネルの入口面を横切って、横方向及び横断方向に投射される。出口面上の内側に向かう光スポットの対応する横方向及び横断方向の位置を検出するために、複数の検出器要素のマトリクスを有する光検出器がパネルの入口面と光学的に整列される。

本発明を、好ましく又典型的な実施形態に従って、その更なる目的及び利点と共に、以下の詳細な説明において添付の図面と関連して更に詳しく説明する。

好ましい実施形態の詳細な説明
図１は、本発明の典型的な一実施形態に従う双方向性ディスプレイシステム１０を示す。ディスプレイシステム１０は、複数のリボン状光導波路１４を備えた光学ディスプレイパネル１２を含む複数の構成部品の組み立て体である。各導波路１４は、パネル１２の横方向、即ち、水平方向の幅の全体にわたって延在する。又、複数の導波路１４は、垂直方向、即ち、横断方向に互いに積み重ねられ、パネル１２の高さの全体を規定する。

光学パネル１２は、例えばベリグダン（Veligdan）に対する米国特許第５，３８１，５０２号に示される、サイズを減少させる楔形などの、種々の方法にて配置された複数の導波路を有する、任意の従来の形態を有していてよい。図２に示すように、複数の導波路１４は、好ましくは、実質的に同一のサイズを有し、一列に互いに垂直方向に積み重ねられる。複数の導波路１４は、それらの第１の、即ち、後方の各端部が、集合的に平坦な入口面１６を画成し、又それらの反対側の第２の、即ち、前方の各端部が、集合的に平坦な表示出口面１８を画成する。

図３により詳細に示すように、各導波路１４は、クラッド層１４ｂの間に配置された光学的に透明なコア１４ａを有する。コア１４ａとクラッド１４ｂとの間の屈折率の違いによって、画像光ビーム２０を、従来の方法の全反射で、個々の導波路１４を通して導くことができる。図２に示すように、画像ビーム２０は、図１に示される画像（又は、ビデオ画像）２２として出口面１８上に表示するために、入口面１６上に投射される。

図３に示すように、クラッド１４ｂは、ディスプレイシステム１０と相互作用（対話）する観察者、即ち、使用者によって観察された時の画像のコントラストを増強するために、好ましくは、暗色（例えば、黒色）である。

図１及び図２に初めに示すように、ディスプレイシステム１０の種々の構成部品は、好ましくはディスプレイ１０に必要なスペースを最小化するために比較的薄型の、適当なハウジング２４内に取り付けることができる。入口面１６がパネル１２の幅及び高さの全体にわたって延在しているので、入射画像光２０を再指向（リダイレクト）させてハウジング２４に必要な奥行き（深さ）を最小化するように、光結合器（ライトカプラ）２６を入口面１６上に付加的に設けることが望ましい。

好ましい一実施形態では、結合器２６は、パネル１２の幅全体に沿って直線状で、且つ、パネル１２の高さ方向に沿って垂直に離隔された複数のフレネルプリズム式微小溝（Fresnel prismatic microscopic grooves）を有する。結合器２６の好ましい形態は、３Ｍ カンパニー［ミネアポリス セントポール］から商品名ＴＲＡＦ ＩＩとして市販されている透過型直角フィルム（ＴＲＡＦ：Transmissive Right Angle Film）である。このＴＲＡＦフィルムは、画像光２０を、光学パネル１２の背面上に小さく鋭い角度にて投射し、次いで複数の導波路１４を通して導いて出口面１８から表示させるように約９０度までの角度で再指向させることを可能とする。ビスカーディ（Biscardi）らに対する米国特許第６，３０１，４１７号に記載されるタイプである、その他のタイプの結合器も代わりに用いることができる。或いは、結合器２６は省略することができ、画像ビームは典型的なリアプロジェクション（背面投射）方式にて入口面に直接向けることができる。

光学パネル１２は、その入口面側と出口面側との間でいずれの方向においても光が内部を伝達（透過）され得る複数の積み重ねられた光導波路を利用した、任意の適当な構成を有していてよい。図２及び図４に模式的に示すように、光学パネル１２は、適当な光投射器（プロジェクタ）２８と協働するようにハウジング２４内に取り付けられる。この光投射器２８は、任意の所望のビデオ画像２２を形成するのに用いられる光を投射するための、任意の従来の構成を有する。投射器２８から出る光は、好ましくは、散乱光よりはむしろビームの形態である。

例えば、投射器２８は、白色光を生成するためのランプを有していてよい。この白色光は、出口面１８上に任意の所望のビデオ画像２２を生成するのに用いるための適当な投射レンズを通して投射される。例えば、投射器２８の内部又は外部において既知の方法にて従来のカラーホイールを回転させることによって、光ビームに色彩を加えてもよい。

投射器２８は、所望のビデオ画像をデジタル的に生成するために、好ましくは、デジタル結像装置（イメージングデバイス）３０と協働する。任意の適当なデジタル結像装置を使用することができるが、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Micromirror Device）結像装置３０が好ましい。ＤＭＤ３０は、投射器２８と入口面１６との間に光学的に整列される結像装置であり、これは画像ビーム２０を協働する投射レンズ３２を通して選択的に反射させてビデオ画像を形成する。この結像装置３０は、例えば、何千もの微小サイズの結像ミラー（microscopically sized image mirrors）３４のマトリクスアレイを有する小さな半導体光スイッチである。各ミラー３４は、駆動された時に典型的には±１０度の角度範囲で前後に独立して傾斜されるように、ヒンジ上に取り付けられている。駆動されていない時には、個々のマイクロミラー３４は、中間の弛緩位置をとる。ＤＭＤ３０は、テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド［テキサス州 ダラス］から市販されている従来の装置である。これは、種々の用途のためにデジタル画像を生成する際に、デジタル光プロセスにおいて使用するためのものである。

ＤＭＤ結像装置３０は、その中の何千ものマイクロミラー３４の各々を独立して制御するために用いられる従来の電子的ドライバ３６と協働するものとして、図４に模式的に示されている。結像装置３０は、ドライバ３６を介して電気的コントローラ３８に動作可能に結合されている。これにより、結像装置３０の動作、及びパネル１２上に表示されるビデオ画像２２の形成を制御できるようになっている。

コントローラ３８は、任意の適当な目的のために任意の所望のビデオ画像を表示するための適当なソフトウェアでプログラムされたデジタルマイクロプロセッサなどの、任意の従来の構成をとることができる。コントローラ３８は、普通のテレビジョンビデオ画像をパネル１２から表示するため、或いは典型的にはコンピュータモニタ、現金自動預け払い機（ＡＴＭ）等の上に表示されるその他のビデオ画像を表示するために用いることができる。

本開示の目的で、「外側に向かう（外側に向ける）（outbound：アウトバウンド）」なる用語は、入口面１６から出口面１８に向かう方向であるとして定義し、「内側に向かう（内側に向ける）（inbound：インバウンド）」なる用語は、出口面１８から入口面１６に向かう方向であるとして定義する。

図２及び図４に示すように、好ましくは、結像装置３０とパネル１２との間の外側に向かうビームの経路内において、折り返し（フォールディング）ミラー４０が用いられる。これにより、コンパクトな構成を提供すると共に、外側に向かう画像ビームを小さく鋭い入射角にて再指向させることができる。この外側に向かう画像ビームは、光結合器２６によって向きを変えることができる。投射レンズ３２は、好ましくは、折り返しミラー４０の上流側ビーム（upbeam）及び下流側ビーム（downbeam）に対応して配置された、単一又は複数のレンズの２つの群に形成され、画像ビームを、パネルの入口面の全体にわたって、結合器２６によってその中に再指向されたときに、適当に結像させる。

図４は、本発明のディスプレイシステムの基本的な動作を示す。ここでは、コントローラ３８が、電子的ドライバ３６を適当に操作して、出口面１８上に投射される任意の所望のビデオ画像２２を生成するように結像装置３０内の種々のマイクロミラー３４を位置付けることができるようになっている。結像装置３０は、画像ビーム２０を生成するために、投射器２８から放射された光ビームを空間的及び時間的に変調する。画像ビーム２０は、投射レンズ３２を通して結像され、光学パネル１２を通した最終的な再指向のために折り返しミラー４０によって光結合器２６にわたって再指向されて、パネルの出口面１８上に表示されるようになっている。

光学パネル１２は、それを通した外側に向かう光伝達、それを通した内側に向かう光伝達のいずれも可能とするので、同じパネルを、任意の所望のビデオ画像を表示すること及び使用者による双方向機能を提供することの両方のために用いることができる。図４に示す典型的なビデオ画像は、任意の所望の用途のために使用者によって選択され得る適当な選択肢のメニューである。例えば、光学パネルは、意図される使用者からの指示を受け取るプロジェクションＴＶ、コンピュータモニタ又はＡＴＭ機の部分であってよい。システムとの相互作用のために別個且つ専用のキーボードを設ける代わりに、光学パネル１２自体を本発明に従って使用することができる。

図４に示す画像ビームで生成されたメニューに応答して、光スポットの形態の内側に向かうプローブ光ビーム４２が、選択された出口面１８の幅方向に沿う横方向位置Ｘ及び出口面１８の高さ方向に沿う横断方向位置Ｙにおいてパネル上に適当に形成され、これにより所望のメニュー選択を確認できるようになっている。

出口面上の内側に向かう光スポットの対応する横方向及び横断方向の位置を光学的に検出するために、複数の光検出器要素の２次元アレイ、即ち、マトリクス（行列）を有する光検出器（オプティカルディテクタ）４４が、入口面１６と適当に光学的に整列される。結像装置３０は、２次元ビデオ画像２２を出口面１８上に生成するように特別に構成されているので、光検出器４４は、プローブ光スポットの２次元位置Ｘ、Ｙを検出するように相応に構成される。プローブ光スポットは、所望により専用の出口面の一部又は全出口面のいずれにあってもよい出口面上の任意の位置にある。

図４に示すように、光検出器４４は、好ましくは、パネルから離隔して配置される。又、光検出器４４は、スペースが許すハウジング内の任意の所望の位置において、入口面１６から適当に離間され且つ入口面１６の背後に配置される。好ましい一実施形態では、各投射レンズ３２は、外側に向かう画像ビームを出口面上に集束（フォーカシング）させると共に、内側に向かうプローブビーム４２を、外側に向かう画像ビームとは反対方向の内側に向けて検出器４４上に結像させるように構成される。

この構成では、適当なビームスプリッター（ビーム分割器）４６が、投射器２８から入口面１６への外側に向かうビームの経路内における、隣接する投射レンズ３２と結像装置３０との間の一直線の経路内で光学的に整列される。その最も単純な形態においては、ビームスプリッターは、外側に向かうビームの経路に対して４５°の角度が付けられたクリア（透明）なガラスの板であってよい。このビームスプリッターは、これはそれを通した外側に向かう画像ビームの透過（伝達）を可能とする。その他のタイプのビームスプリッターを代わりに利用することもできる。

これに対して、スプリッター４６から反射された内側に向かうプローブビーム４２を受容するために、光検出器４４もビームスプリッター４６と光学的に整列される。この方法では、結像装置３０及び光検出器４４の両方が、共通のビームスプリッター４６によって、スクリーンへの及びスクリーンからの第１のビーム経路と光学的に整列されている。

外側に向かう画像ビームは、出口面１８上に表示するために、ビームスプリッター４６を通して容易に伝達される。又、内側に向かうプローブビーム４２は、好ましくは、それがビームスプリッター４６において転向されて（そらされて）、光検出器４４に向けて指向されるまでは、実質的に外側に向かう画像ビームと共通の光学経路内において、パネルから伝達される。

この方法では、各レンズ３２は、外側に向かう画像ビーム２０を投射すると共に、内側に向かうプローブビーム４２をも単一の経路のレンズ系（システム）内にて結像させることにおける、共通の機能のために用いることができる。これにより、ディスプレイシステム全体の複雑さ及びスペース的要求を低減することができるようになっている。外側に向かう光ビーム及び内側に向かう光ビームは、所望により同時に伝達してもよいし、或いは時間的に適宜交替させてもよい。いずれの構成においても、内側に向かうプローブビーム４２は、ビームスプリッター４６によって外側に向かう画像ビーム２０の経路から効果的に分割されて、光検出器４４へと指向される。

投射レンズ３２は、本質的に、出口面にて形成された光スポットを光検出器４４上の対応する位置上に結像させるために有効であり、これによりプローブビームの横方向及び横断方向の位置を容易に判定することができる。

投射レンズ３２の機能は、好ましくは、結像装置３０にて生成された画像ビーム２０を、より大きな入口面１６を満たすために必要とされる、より大きなサイズへと拡大及び集束させることである。これに対して、同一の投射レンズ３２を、出口面上の任意の位置からのプローブビーム４２を、より小さいサイズの光検出器４４へと縮小及び集束させて、その検出効率を最大化するために用いることができる。検出器４４内の複数の光学要素のマトリクスアレイは、好ましくは、出口面１８の所望の領域との空間的な対応関係を有し、これにより光検出器４４上の横方向及び横断方向の空間座標Ｘ、Ｙを、出口面上の光スポット４２の位置の横方向及び横断方向の座標Ｘ、Ｙに直接対応させることができる。

電気的コントローラ３８は、好ましくは、デジタル的にプログラム可能なコンピュータの形態であり、これは、パネルを通して内側に向けて伝達された時に出口面にて検出された光スポットの横方向及び横断方向の位置を判定するように、光検出器４４に動作可能に結合される。

光検出器４４は、好ましくは、比較的小さく、又出口面よりも小さいので、検出器４４上に結像されたスポットの対応する位置を検出することによって出口面における光スポットの２次元的な位置を容易に判定できるように、光検出器４４は、出口面に対して相対的なスケールとすることができる。検出器４４のサイズ及び構成は、出口面の全表面領域に直接対応するように選択してもよいし、或いはその中で双方向機能が望まれる出口面の任意の所望の部分に対応するスケールとしてもよい。

例えば、外側に向かうビーム及び内側に向かうビームの両方のために共通の投射レンズ３２が用いられる場合には、検出器４４は、結像装置３０とほぼ同じサイズとすることができる。或いは、検出器４４は、結像装置３０と比べて、より小さくても、より大きくてもよい。これらの場合には、１つ以上のレンズなどの、図４に示す対応する光学要素４８を、ビームスプリッター４６と検出器４４との間に光学的に整列させることができる。これにより、内側に向かうプローブビーム４２を所望に応じて縮小又は拡大（又、任意に、更に集束）させて、検出器のサイズ及び構成を、出口面１８のそれに適合させることができるようにする。より小さい検出器の利点は、対応するそのコストの低減であり、これはディスプレイシステムの全体のコストを低減させる。

デジタル結像装置３０は、スプリッター４６と、画像ビームを複数の画素、即ち、ピクセルの２次元アレイとして形成するための投射器２８又は任意の光源との間に光学的に整列される任意の適当な形態を有していてよい。これらのピクセルは、出口面上に最終的なビデオ画像を生成するために、各レンズ３２を通して投射される。

これに対して、光検出器４４内の各検出器要素は、結像装置３０内の複数のピクセルの２次元アレイ、並びに、出口面１８上に表示されるそれらのピクセルに対応する２次元アレイとして同様に配列されている。この方法では、出口面１８上のピクセルの位置と、光検出器４４内の検出器要素の対応する空間的位置との間に、直接的相関関係が提供される。出口面１８上の任意の所望の位置にプローブ光スポットを形成することによって、光スポットは、プローブスポットの横方向及び横断方向の正確な位置を判定するために、光検出器４４のマトリクスアレイ内の対応する空間的位置にて検出される。

図４に示すコントローラ３８は、ドライバ３６の動作を制御するためにも用いられるので、表示された画像２２の空間的位置は、コントローラによって知られる。従って、コントローラは、ディスプレイシステムと相互作用するために使用者がその中に光スポットを形成することができる領域をスクリーン上に表示するように、適当にプログラムすることができる。

図４では、相互作用のための４つの考えられる選択肢を示す４つのボックスが出口面１８上に表示されている。光スポットは、選択Ｃのためのボックス内に形成されており、対応するプローブビームは、出口面から空間的位置Ｘ、Ｙを判定する光検出器４４へと内側に向かって伝達されている。そして、コントローラ３８は、検出されたプローブビームの位置を、表示されたビデオ画像と比較して、ディスプレイに双方向性のフィードバックを提供するように適当に構成されている。

図５は、光学パネルを通して内側に向けて伝達させ、又光検出器により内側に向けて結像させるように、出口面１８上に光スポットを投射するために用いることのできる光学ポインタ５０を示す。ポインタ５０は、電池式で内部に適当な光投射器を有する典型的なテレビ遠隔制御（リモートコントロール）装置と同様に構成されていてよい。好ましい一実施形態では、主に可視光である画像ビームに対する識別（弁別）性を増強するために、プローブビームは赤外（ＩＲ）光である。検出器が、内側に向かうプローブビームと、バックグラウンド、即ち、動作中に普通に出口面１８に入る外来の（異質な）光又は画像ビーム２０自体に由来してパネル１２内に見られる外来の光と、を識別（弁別）する能力を増強するために、プローブビーム（例えば、ＩＲ）を変調することができる。

光検出器４４は、好ましくは、ＩＲ光を検出するように構成された複数のフォトダイオードの２次元アレイであり、好ましい一実施形態では、ビデオカメラにおいて一般的に見られる電荷結合素子（ＣＣＤ）の形態であってよい。この方法では、可視画像ビームは、ＩＲプローブビーム４２が内側に向けて同時に投射されている間に、外側に向けて出口面上に投射することができる。この実施形態におけるビームスプリッター４６は、好ましくは、ダイクロイックミラー（２色性ミラー）であり、これは内側に向かうＩＲビームを検出器４４へと反射させる一方で、外側に向かう可視ビームの透過（伝達）を可能とする。従って、双方向機能は、可視ビームとＩＲプローブビームとの間の十分な識別を伴うビデオ画像の投射と同時に達成することができる。

別法によれば、ポインタ５０は、双方向機能を提供するために、時間的及び／又は空間的に外側に向かう画像ビームから分離することのできる可視光（又は、可視光及びＩＲ光の両方）を投射するように構成することができる。同一の導波路１４を、外側に向かう可視ビーム及び内側に向かうプローブビームの両方を伝達するために用いることができるので、例えば２つの光ビームのための異なる導波路を提供すること、時間的及び／又は空間的にそれらの間を分離することのいずれかによるなどして、これらの２つのビーム間を適当に識別することが望まれる。又、上述の実施形態のようにポインタ５０がＩＲ光のみを投射するように構成されている場合には、同様の識別技術を採用することができる。

図６は、本発明の更に別の実施形態を示す。ここでは、出口面において外側に向かう画像ビームの少なくとも一部を反射させて内側に向かうプローブビーム４２を形成するために、使用者の指を出口面１８に触れるように使用することができる。出口面１８は、外側に向かう画像ビームの少なくとも一部を内側に向けて反射させるために、例えば、指、掌（又はその他の身体部分）、ペンシルイレイザー、スタイラス（針）（即ち、好ましくは先の尖っていないタイプのもの）、又は紙（例えば、バーコード読み取り目的のため）で覆う（カバーする）ことができる。カバー要素（covering element）は、出口面１８に直接接触するようにしても、或いは出口面１８に非常に接近して離間された反射面を提供するようにしてもよい。

この実施形態では、投射器２８は、画像ビームを可視光及び赤外光の両方で投射するように構成することができ、ビームスプリッター４６はダイクロイックミラーとすることができる。画像ビームの可視成分及び赤外成分の両方が、光学パネルを通して外側に向けて投射され、その出口面上に可視ビデオ画像を形成するようになっている。使用者の指は、出口面の任意の所望の位置を触れて、出口面における複数の導波路のうちのいくつかを覆い、画像ビームの少なくとも一部をプローブビームとして内側に向けて反射させるために使用することができる。

複数の導波路のうちの交互の各１つを、外側に向かう画像ビームと反射された内側に向かうプローブビームとのそれぞれのための専用にすることができる。そして、光検出器４４は、内側に向かう光のための専用の各導波路を観察して、使用者の指による光反射を示す、任意の戻るＩＲ光を検出するために用いることができる。この方法では、反射されたプローブビームは、双方向機能を提供するべく画像ビームの反射された部分の横方向及び横断方向の位置を判定するために用いることができる。勿論、別法として、外側に向かう画像ビーム及び反射された内側に向かうプローブビームの両方を、同一の導波路内で伝達することもできる。

図５は、外側に向かう画像ビーム２０を出口面１８上に投射するために、各投射レンズ３２を１つの光学経路内で使用することができる本発明の別の実施形態を示す。又、内側に向かう光スポットを外側に向かうビデオ画像とは独立して結像及び検出するために、別個の結像レンズ３２Ｂ及び対応する折り返しミラー４０Ｂが、各投射レンズ３２から離間されている。光結合器２６は、入射光を、実質的に反対の鋭い角度にて、その複数のプリズム式溝から受容することができるので、結像レンズ３２Ｂは、結合器２６に対して上向きの鋭角にて光学的に整列させることができ、又投射レンズ３２は、結合器２６に対して実質的に反対（逆向き）の下向きの鋭角にて光学的に整列させることができる。

この方法では、画像ビームは、結合器２６の表面領域上に上方に向けて投射することができ、一方内側に向かうプローブビーム４２は、結合器２６から上方に向けて部分的に偏向されて、結合器２６と整列された協働する光検出器４４Ｂ上に結像させ得るようになっている。図５は、説明の容易化のために、２つの光検出器４４及び４４Ｂを示す。しかし、特定の一実施形態においては、どちらかの光検出器と対応する光学部品とを好適に用いることができる。或いは、複数の光検出器及び複数の対応する光学部品の両方の使用も企図し得る。

以上に開示した種々の実施形態において用いられる光学パネル１２は、外側に向かう光及び内側に向かう光の両方を伝達することができるので、単に、２次元マトリクスアレイ光検出器４４を導入することで、双方向機能を提供することができる。適当な結像レンズ系を、光学パネルの入口面からのプローブスポットを、光学パネルとの間に対応する空間的配向性を有する光検出器上に結像させるために使用することができる。好ましくは赤外光を用いて、空間的及び時間的な双方向機能を同時に達成することができる。或いは、双方向性は、プローブビームを、表示されたビデオ画像から空間的及び／又は時間的に分離することによって達成することができる。

種々の形態の光投射器を、２次元ビデオ画像を表示するために用いることができる。ＤＭＤ装置を用いてデジタル的に形成された画像が好適である。又、デジタルビデオ画像は、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）又は発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた別の方法で形成することもできる。所望により、投射器は、代わりに従来のスライドプロジェクタの形態であってもよい。

デジタルビデオ画像は、表示された各ピクセルと、マトリクスアレイ検出器によって検出された内側に向かうプローブビームとの間の対応付けを改善するために好適である。マトリクス検出器は、双方向機能を提供するために、出口面の任意の所望の部分又は全出口面と整列させることができる。又、好ましい一実施形態では、出口面上のスポットの空間的位置の正確な判定のために、同一の投射レンズ系が、内側に向かうプローブビームを光検出器上に結像させるためにも用いられる。

以上、本明細書では、本発明の好ましく又典型的であると思われる実施形態について説明したが、本明細書の教示から当業者には本発明のその他の変更態様が明らかである。従って、添付の特許請求の範囲が、本発明の真の精神及び範囲内にあるそのような変更の全てを包含することを望む。

従って、添付の特許請求の範囲によって規定され、又差別化される発明について特許を請求する。

図１は、本発明の典型的な一実施形態に従う双方向性ディスプレイシステムの部分断面等角図である。 図２は、図１に示すディスプレイシステムの図１中の線２−２に沿った部分断面側方立面図である。 図３は、図２に示す光学パネルの背面の一部である図２中の符号３にて示す破線円の部分の部分断面拡大図である。 図４は、本発明の典型的な一実施形態に従うデジタル結像装置及び対応する光検出器マトリクスを有する図１〜３に示すディスプレイシステムの概略図である。 図５は、本発明の別の実施形態に従う協働するポインタを有する図４に示すディスプレイシステムの概略側方立面図である。 図６は、パネルを通して反射して戻される画像ビームの少なくとも一部を用いて双方向性をもたらす図４に示すディスプレイシステムの概略側方立面図である。

Claims (44)

1. 互いに積み重ねられた複数の光導波路を有し、それらの各第１の端部が入口面を画成し、それらの反対側の各端部が出口面を画成する光学パネルと、
   前記出口面上に表示するために前記入口面を横切って横方向及び横断方向に画像光ビームを投射するための投射器と、
   前記出口面上の内側に向かう光スポットの対応する横方向及び横断方向の位置を検出するために、前記入口面と光学的に整列された、複数の検出器要素の２次元アレイを有する光検出器と、
   を有することを特徴とするディスプレイシステム。
2. 前記光検出器は、前記入口面から離間されていることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイシステム。
3. 更に、前記パネルを通して内側に伝達される前記光スポットを前記検出器上に結像させるために、前記入口面と前記検出器との間に光学的に整列された結像レンズを有することを特徴とする請求項２に記載のディスプレイシステム。
4. 更に、前記出口面上で検出された前記光スポットの前記横方向及び横断方向の位置を判定するために、前記検出器に動作可能に結合されたコントローラを有することを特徴とする請求項３に記載のディスプレイシステム。
5. 前記光検出器は、前記出口面と相対的なスケールとされ、又前記検出器上に結像された前記スポットの位置を検出することによって、前記出口面上の前記スポットの前記位置を判定することができることを特徴とする請求項４に記載のディスプレイシステム。
6. 前記パネルは更に、前記投射器から前記パネルを通して外側に向かう前記画像ビームを再指向させるために前記入口面に光結合器を有し、前記検出器は前記結合器と光学的に整列されていることを特徴とする請求項５に記載のディスプレイシステム。
7. 更に、前記結合器によって前記入口面内に再指向された時に前記画像ビームを前記入口面上に結像させるために、前記投射器と前記入口面との間に光学的に整列された投射レンズを有し、
   前記結像レンズは、前記内側に向かう光スポットを前記画像ビームとは独立して結像させるために、前記投射レンズから離間していることを特徴とする請求項６に記載のディスプレイシステム。
8. 前記結像レンズは、前記結合器に対して鋭角にて光学的に整列されており、前記投射レンズは、前記結合器に対して実質的に反対の鋭角にて光学的に整列されていることを特徴とする請求項７に記載のディスプレイシステム。
9. 更に、１つの経路において前記結像レンズと前記投射器との間に光学的に整列されたビームスプリッターを有し、
   前記結像レンズは、前記結合器によって前記入口面内に再指向された時に前記外側に向かう画像ビームを前記入口面上に結像させること、及び前記内側に向かう光スポットを前記検出器上に結像させることの両方のために構成されており、
   前記外側に向かう画像ビームは、前記ビームスプリッターを通して伝達されてきており、前記結像された内側に向かう光スポットは、前記ビームスプリッターにおいて再指向されることを特徴とする請求項６に記載のディスプレイシステム。
10. 更に、前記画像ビームを複数のピクセルの２次元アレイとして形成するために、前記スプリッターと前記投射器との間に光学的に整列されたデジタル結像装置を有することを特徴とする請求項９に記載のディスプレイシステム。
11. 前記光検出器内の前記複数の検出器要素の２次元アレイは、前記結像装置によって形成された前記画像ビームの前記複数のピクセルの２次元アレイに対応することを特徴とする請求項１０に記載のディスプレイシステム。
12. 前記ビームスプリッターは、ダイクロイックミラーを有することを特徴とする請求項９に記載のディスプレイシステム。
13. 前記結像装置は、デジタルマイクロミラーデバイスを有することを特徴とする請求項１０に記載のディスプレイシステム。
14. 更に、前記検出器上への内側に向けた結像のために前記出口面上に前記光スポットを投射するための光学ポインタを有することを特徴とする請求項９に記載のディスプレイシステム。
15. 更に、前記検出器上への前記内側に向かう光スポットの捕捉的な結像をもたらすために、前記ビームスプリッターと前記光検出器との間に光学的に整列された光学要素を有することを特徴とする請求項９に記載のディスプレイシステム。
16. 前記各導波路は、リボンの形態であることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイシステム。
17. 前記内側に向かう光スポットは、前記出口面上のスポットを、指、掌、ペンシルイレイザー、スタイラス及び紙から成る群から選択される少なくとも１つのカバー要素で覆うことによって形成されることを特徴とする請求項２に記載のディスプレイシステム。
18. 前記カバー要素は、前記画像ビームの少なくとも一部を少なくとも１つの導波路を通して内側に反射させ、これにより前記内側に向かう光スポットを提供することを特徴とする請求項１７に記載のディスプレイシステム。
19. 前記カバー要素は、前記画像ビームの少なくとも一部を隣接する導波路内へと反射させ、これにより前記内側に向かう光スポットを提供することを特徴とする請求項１７に記載のディスプレイシステム。
20. 前記カバー要素は、前記出口面に接触することを特徴とする請求項１７に記載のディスプレイシステム。
21. 前記カバー要素は、前記出口面から離間していることを特徴とする請求項１７に記載のディスプレイシステム。
22. 互いに積み重ねられた複数の光導波路を有し、それらの各第１の端部が入口面を画成し、それらの反対側の各端部が出口面を画成する光学パネルと、
    画像光ビームを投射するための投射器と、
    前記画像ビームを複数のピクセルの２次元アレイとして形成するために、前記投射器と前記パネルとの間に光学的に整列されたデジタル結像装置と、
    前記出口面上に表示するために前記入口面を横切って画像ビームを結像させるために、前記結像装置と前記パネルとの間に光学的に整列された投射レンズと、
    前記結像装置と前記投射レンズとの間に光学的に整列され、前記画像ビームをそれらの間で外側に向けて伝達するためのビームスプリッターと、
    前記パネルを通し、又前記投射レンズを通して内側に向けて伝達され、前記ビームスプリッターによって前記検出器へと転向された、前記出口面からの光スポットの横方向及び横断方向の位置を検出するために、前記ビームスプリッターと光学的に整列された光検出器と、
    を有することを特徴とするディスプレイシステム。
23. 更に、前記出口面上で検出された前記光スポットの前記横方向及び横断方向の位置を判定するために、前記検出器に動作可能に結合されたコントローラを有することを特徴とする請求項２２に記載のディスプレイシステム。
24. 前記パネルは更に、前記投射レンズからの前記画像ビームを前記パネルを通して外側に向けて再指向させるために前記入口面に光結合器を有することを特徴とする請求項２２に記載のディスプレイシステム。
25. 更に、前記画像ビームを前記結合器に対して鋭い入射角で再指向させるために、前記投射レンズと前記結合器との間に光学的に整列された折り返しミラーを有することを特徴とする請求項２４に記載のディスプレイシステム。
26. 前記投射レンズは、前記折り返しミラーの上流側ビーム及び下流側ビームに対応して配置された２つの群を有することを特徴とする請求項２５に記載のディスプレイシステム。
27. 前記結像装置は、デジタルマイクロミラーデバイスを有することを特徴とする請求項２２に記載のディスプレイシステム。
28. 前記光検出器は、複数の検出器要素の２次元アレイを有することを特徴とする請求項２２に記載のディスプレイシステム。
29. 前記ビームスプリッターは、ダイクロイックミラーを有することを特徴とする請求項２２に記載のディスプレイシステム。
30. 前記各導波路は、リボンの形態であることを特徴とする請求項２２に記載のディスプレイシステム。
31. 導波路が積み重ねられた光学パネルを有し、その入口面上に投射された外側に向かう画像ビームで形成された画像を、その出口面上に表示するディスプレイシステムに双方向性を与える方法において、
    前記出口面上に内側に向かうプローブビームを形成すること、
    前記プローブビームを、前記パネルを通したその内側に向かう伝達の後に結像させること、
    前記パネルから結像された前記プローブビームの横方向及び横断方向の位置を検出すること、
    前記ディスプレイに対して双方向性のフィードバックを提供するために前記プローブビームの前記検出された位置を前記画像と比較すること、
    を含むことを特徴とする方法。
32. 更に、前記パネルへと前記外側に向かう画像ビームとは別個の光学経路内において、前記パネルからの前記内側に向かうプローブビームを伝達することを含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
33. 更に、前記パネルへと前記外側に向かう画像ビームと実質的に共通の光学経路において、前記パネルからの前記内側に向かうプローブビームを伝達することを含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
34. 更に、前記外側に向かうビーム及び内側に向かうビームを共通の投射レンズ及び結像レンズを通して伝達することを含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
35. 更に、前記外側に向かう画像ビームの経路からの前記内側に向かうプローブビームを分割すること、及び前記外側に向かう画像ビームの経路から分割された前記内側に向かうプローブビームの横方向及び横断方向の位置を検出することを含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
36. 前記プローブビームは、実質的に赤外光であることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
37. 前記画像ビームは、実質的に可視光であることを特徴とする請求項３６に記載の方法。
38. 更に、前記外側に向かう画像ビームの少なくとも一部を前記出口面にて反射させて、前記内側に向かうプローブビームを形成することを含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
39. 前記外側に向かう画像ビームは可視光及び赤外光を含み、前記反射された内側に向かうプローブビームの赤外光成分が、前記画像ビームの前記反射された部分の横方向及び横断方向の位置を判定するために検出されることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
40. 前記反射は、前記出口面におけるスポットを、指、掌、ペンシルイレイザー、スタイラス及び紙から成る群から選択される少なくとも１つのカバー要素で覆うことによって引き起こされることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
41. 前記カバー要素は、前記外側に向かう画像ビームの前記少なくとも一部を隣接する導波路内へと反射させ、これにより前記内側に向かうプローブビームを提供することを特徴とする請求項４０に記載の方法。
42. 前記カバー要素は、前記出口面に接触することを特徴とする請求項４０に記載の方法。
43. 前記カバー要素は、前記出口面から離間していることを特徴とする請求項４０に記載の方法。
44. 前記各導波路は、リボンの形態であることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
    
    

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