JP2008529054A - 直接網膜ディスプレイ - Google Patents

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Abstract

広い視野で目(62)の網膜に映像を表示するための直接網膜ディスプレイ(50)。この直接網膜ディスプレイ(50)は、映像で変調された走査光学ビーム(58)を２つの次元において走査角にわたって発生するように構成された走査光源(52)を備えている。直接網膜ディスプレイ(50)は、更に、走査光学ビーム(58)の経路にある発散反射器(54)であって、この発散反射器(54)に入射する走査光学ビーム(58)を拡大走査角で外方に収斂反射器(56)に向けて反射するように構成された発散反射器(54)を備え、収斂反射器(56)は、走査光学ビームを実質的に目(62)の瞳孔(60)における収斂スポットに向けて反射して、映像を再構成し広い視野で網膜に表示するように構成される。
【選択図】 図１１

Description

本発明は、直接網膜ディスプレイ（ＤＲＤ）に係る。より詳細には、本発明は、ＤＲＤにより与えられる視野を改善するための開発に係る。
ＤＲＤは、映像情報で変調されたレーザビーム又は他の光学的ビームを、瞳孔を経てユーザの目の網膜へ直接走査することにより、視聴映像を与える。より詳細には、多数の色のレーザビームを使用して、これらビームの強度を変調することにより、ユーザの目にカラー映像を発生することができる。例えば、網膜にわたってラスタパターンで光スポットを走査することにより映像が順次に発生される。
ＤＲＤは、既存のスクリーンベースのディスプレイに勝る効果を発揮する。解像度をより高くすることができ、そして実際の生活シーンに映像を重ね合わせることができる。これは、ＤＲＤを、特に、バーチャル又は増加リアリティディスプレイにおいて広範囲に利用するための望ましいオプションにする。例えば、ヘッドセット形態のＤＲＤは、ドライバーやパイロットに、操縦しているシーンを見るのと同時に可視形態で情報を与えることができる。
人間の目の「実生活」の像形成能力に一致させるために、ディスプレイ装置は、理想的には、単一の眼球に対して水平１４０°及び垂直９０°の視野をもつことになる。目が認知し得る最大解像度は、１アーク分(arc minute)の角度解像度であり、これは、水平８４００ｘ垂直５４００ピクセルに換算される。既存のＤＲＤ技術によって与えられる解像度は、レーザの波長、スキャナの速度、変調帯域巾、及び走査光学系に依存する。回折制限レーザは、約１アーク分の網膜に対する角度解像度を発生することができる。しかしながら、視野は、既存の技術により与えられる走査速度及び変調帯域巾を含む多数のファクタにより規定される。視野を改善するために、走査角（網膜上にレーザビームが走査されるところの水平及び垂直角度）を増加しなければならない。スキャナにおいて走査角を機械的に増加すると、同じ解像度を維持するのに、走査速度及び／又は変調帯域巾を増加することも必要になる。それ故、走査速度及び変調帯域巾を決定する現在技術の能力では視野が限定される。
米国特許出願第２００４／０１６４９２６号は、楕円形の反射器を経てユーザの目を走査して広視野の映像表示を与える頭部取り付け型ディスプレイシステムを提案している。
本発明の目的は、改良された直接網膜ディスプレイを提供し、又は少なくとも大衆に有用な選択肢を提供することである。
第１の態様では、本発明は、一般に、広い視野で目の網膜に映像を表示するための直接網膜ディスプレイにおいて、各次元の走査角にわたって二次元で走査光学ビームを発生するように構成された走査光源であって、走査光学ビームが映像で変調されるような走査光源と、走査光学ビームの経路にある発散反射器であって、この発散反射器に入射する走査光学ビームを拡大走査角で外方に反射するように構成された発散反射器と、反射された走査光学ビームの経路にある収斂反射器であって、拡大走査角を有する走査光学ビームを実質的に目の瞳孔における収斂スポットに向けて反射して、映像を再構成し広い視野で網膜に表示するように構成された収斂反射器と、を備えた直接網膜ディスプレイに関する。
好ましくは、発散反射器は、その少なくとも一部分が、走査光学ビームの経路に球状の反射面を備え、この球状の反射面に入射する走査光学ビームが、走査角を拡大するように変更された角度で反射されて、広い視野を形成する。１つの形態において、発散反射器は、半球状の反射器でよい。別の形態において、発散反射器は、球状の反射器でよい。
好ましくは、収斂反射器は、その少なくとも一部分が、発散反射器から反射された走査光学ビームの経路に実質的に楕円状の反射面を備え、その実質的に楕円状の反射面に入射する走査光学ビームが実質的に目の瞳孔における収斂スポットに向かって反射されるようにする。１つの形態において、収斂反射器は、楕円状反射器でよい。別の形態において、収斂反射器は、発散反射器の形状により生じる目の瞳孔における走査光学ビームの誤収斂を減少する形状の準楕円状反射器でよい。
好ましくは、走査光源は、光学ビームを発生するための光学ビーム発生器と、各走査位置において光学ビーム上に映像ピクセルを与えるための変調器と、２つの次元において各次元の走査角にわたり走査中の光学ビームを再指向するためのスキャナとを含むことができる。１つの形態において、光学ビーム発生器は、レーザの配列体を含んでもよい。或いは又、スキャナの光学ビーム発生器は、発光ダイオードの配列体を含んでもよい。
１つの形態において、走査光源は、各次元における走査角にわたり光学ビームを非直線的に走査して、発散反射器における走査角の非直線的拡大を補償し、これにより、映像が網膜に正しく表示されるよう確保することができる。
別の形態において、走査光源は、映像に非直線的な予歪を与えて、発散反射器における走査角の非直線的拡大を補償し、これにより、映像が網膜に正しく表示されるよう確保することができる。
好ましくは、走査光源は、光学ビームを２つの次元で走査して、光学ビームの円錐状束を発生するように構成される。更に好ましくは、走査光源は、目の網膜上に二次元映像を走査するように構成される。それに加えて、又はそれとは別に、走査光源は、映像の各ピクセルの相対的深さに基づいて光学ビームの焦点を調整して、目の網膜に三次元映像を表示するように構成される。
１つの形態において、収斂反射器は、部分的に反射性で且つ部分的に透明であり、リアリティ増加のために実生活のシーンに映像を重ねることができる。
好ましくは、直接網膜ディスプレイは、更に、目の動きを追跡し、そして瞳孔が動くときに収斂スポットが瞳孔をたどるように発散及び収斂反射器の位置を調整するように構成された追跡制御メカニズムを備えている。更に好ましくは、この追跡制御メカニズムは、目の動きを追跡する上で助けとなる網膜像形成コンポーネントを含むことができる。
好ましくは、収斂スポットは、目の瞳孔を実質的にカバーして目の動きの影響を減少するに充分なほど大きなものである。
好ましくは、目に対して水平方向に目に生じる視野は、少なくとも８０度で、より好ましくは、少なくとも１００度で、更に好ましくは、少なくとも１２０度である。
好ましくは、目に対して垂直方向に目に生じる視野は、少なくとも６０度で、より好ましくは、少なくとも８０度で、更に好ましくは、少なくとも９０度である。
好ましくは、表示される映像の解像度は、水平方向に少なくとも８００ピクセルｘ垂直方向に少なくとも６００ピクセル、より好ましくは、水平方向に少なくとも１２８０ピクセルｘ垂直方向に少なくとも１０２４ピクセル、更に好ましくは、水平方向に少なくとも８０００ピクセルｘ垂直方向に少なくとも５０００ピクセルである。
好ましくは、各次元における走査角は、少なくとも２度であり、より好ましくは、少なくとも５度である。
好ましくは、各次元における走査角は、少なくとも２０倍拡大され、より好ましくは、少なくとも２５倍拡大される。
１つの形態において、前記ディスプレイは、２つの目の網膜に映像を表示するためのもので、各目に１つづつ、２つの収斂反射器を備え、前記走査光源は、それら収斂反射器間に位置する発散反射器の両側に向けて、２つの次元において映像で変調された２つの走査光学ビームを、各次元の走査角にわたり発生するように構成され、発散反射器は、各走査光学ビームを拡大走査角で各収斂反射器に向けて反射するように構成され、各収斂反射器は、各走査光学ビームを実質的に各々の目の瞳孔における収斂スポットに向けて反射し、映像を再構成して各々の目の網膜に表示するように構成される。好ましくは、収斂反射器は、走査光学ビームを各目の瞳孔における収斂スポットに収斂する形状の準楕円状反射器であり、そして発散反射器は、球状反射器である。
別の形態において、直接網膜ディスプレイは、２つの目の網膜に映像を表示するためのものであり、各目に対して走査光源、発散反射器及び収斂反射器を備えている。
好ましくは、直接網膜ディスプレイは、ユーザの頭部に取り付けるように構成される。
第２の態様では、本発明は、一般に、広い視野で目の網膜に映像を表示するための直接網膜ディスプレイにおいて、２つの次元で走査光学ビームを、各次元の走査角にわたって発生するように構成された走査光源であって、光学ビームが映像で変調されるような走査光源と、走査光学ビームの経路に球状の反射面を有する発散反射器であって、この球状の反射面に入射する走査光学ビームを拡大走査角で外方に反射するように構成された発散反射器と、反射された走査光学ビームの経路に楕円状の反射面を有する収斂反射器であって、拡大走査角を有する走査光学ビームを実質的に目の瞳孔における収斂スポットに向けて反射して、映像を再構成し広い視野で網膜に表示するように構成された収斂反射器と、を備えた直接網膜ディスプレイに関する。
好ましくは、収斂反射器の楕円状反射面は、発散反射器の球状反射面の形状により生じる目の瞳孔における走査光学ビームの誤収斂を減少する形状の準楕円状反射面である。
好ましくは、走査光源は、光学ビームを発生するための光学ビーム発生器と、各走査位置において光学ビーム上に映像ピクセルを与えるための変調器と、２つの次元において各次元の走査角にわたり走査中の光学ビームを再指向するためのスキャナとを含む。
好ましくは、走査光源は、各次元における走査角にわたり光学ビームを非直線的に走査して、発散反射器における走査角の非直線的拡大を補償し、これにより、映像が網膜に正しく表示されるよう確保する。
好ましくは、走査光源は、映像に非直線的な予歪を与えて、発散反射器における走査角の非直線的拡大を補償し、これにより、映像が網膜に正しく表示されるよう確保する。
好ましくは、走査光源は、光学ビームを２つの次元で走査して、光学ビームの円錐状束を発生するように構成される。
好ましくは、走査光源は、目の網膜上に二次元映像を走査するように走査を行うよう構成される。
好ましくは、走査光源は、映像の各ピクセルの相対的深さに基づいて光学ビームの焦点を調整して、目の網膜に三次元映像を表示するように構成される。
第３の態様では、本発明は、一般に、ユーザの２つの目の網膜に映像を表示するための直接網膜ディスプレイにおいて、２つの次元で、各目に１つづつ、２つの走査光学ビームを、各次元の走査角にわたって発生するよう構成された走査光源であって、走査光学ビームが映像で変調されるような走査光源と、走査光学ビームの経路にある発散反射器であって、この発散反射器の両側に入射する走査光学ビームを拡大走査角で外方に反射するように構成された発散反射器と、各反射された走査光学ビームの経路に各々ある、各目に１つづつの、２つの収斂反射器であって、拡大走査角を有する走査光学ビームを実質的に各目の瞳孔における収斂スポットに向けて反射して、映像を再構成し広い視野で目の網膜に表示するように構成された２つの収斂反射器と、を備えた直接網膜ディスプレイに関する。
好ましくは、発散反射器は、走査光学ビームの経路に実質的に球状の反射面を含む。より好ましくは、発散反射器は、２つの収斂反射器間に配置された球状反射器である。
好ましくは、収斂反射器は、発散反射器から反射される走査光学ビームの経路に準楕円状反射面を含む。
１つの形態において、各目に１つづつ、２つの発散反射器があり、その各々は、１つの走査光学ビームの経路に配置されて、走査光学ビームを各収斂反射器に反射するように構成される。より好ましくは、発散反射器は、球状反射器であり、そして収斂反射器は、準楕円状反射器である。
好ましくは、ディスプレイは、ユーザの頭部に固定できるように構成される。
本明細書及び特許請求の範囲で使用する「備える(comprising)」という語は、「少なくとも一部分は〜より成る(consisting at least in part of)」ことを意味し、即ち、この用語を含む本明細書及び特許請求の範囲の記述を解釈するときには、各記述においてその用語を伴う特徴が全て存在する必要があるが、他の特徴が存在してもよい。
本発明は、以上に述べたものを含むと共に、以下に一例として示すものも包含する。
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
本発明は、各目に対して、例えば、おおよそ水平１００度、垂直９０度の広い視野を発生するＤＲＤシステムに係る。ＤＲＤは、非直線的で且つ非近軸の光学的設計を含む。ＤＲＤは、比較的小さな角度の入力走査から広い角度の出力走査を可能にする。特に、ＤＲＤは、発散反射器を使用して、光源からの走査ビームの角度を拡大すると共に、収斂反射器を使用して、目の瞳孔に実質的に一致する収斂ポイント又はスポットへビーム走査を収斂させ、目の網膜に映像を再構成する。収斂ポイント又はスポットは、ＤＲＤシステムの仕様に基づいて表面積サイズが変化することが明らかであろう。好ましい形態では、収斂スポットは、目の瞳孔を実質的にカバーする。
図１には、ＤＲＤ装置１０の好ましい実施形態が示されている。上述したように、ＤＲＤ１０は、非直線的な光学角度拡大を使用して、比較的小さな角度の入力走査から広い視野（広い角度の出力走査）を目に発生する。ＤＲＤ１０は、発散反射器１２を使用して、走査光源１４からの走査ビーム角を拡大すると共に、収斂反射器１６を使用して、ビーム走査を、目の瞳孔１８に実質的に一致する位置に収斂させる。このような構成では、ＤＲＤ１０は、比較的小さな角度の入力走査から広い視野を発生する。
明瞭化のために、ＤＲＤは、図１に示すＤＲＤ１０の二次元（２Ｄ）平面図を参照して一次元（１Ｄ−線）映像を発生することに関連して主として説明する。しかしながら、ＤＲＤは、図１１ないし１６を参照して以下に述べるように、二次元又は三次元（３Ｄ）映像を網膜に発生するように構成できることも明らかであろう。更に、図１は、１つの目に対するＤＲＤ１０を示すが、必要に応じて２つの目にも容易に適させることができ、これについても、図１４ないし１６を参照して以下に説明する。
ＤＲＤ１０は、走査光源１４を使用し、これは、光学ビーム発生器と、希望の角度２０にわたってビームを走査して発散光線束２２を発生するためのスキャナとを備えている。好ましくは、光学ビーム発生器は、希望の波長のレーザビームを発生する。スキャナは、ＤＲＤ用途においてレーザビームを走査するための既知の適当な技術である。スキャナは、小さな所定の走査角、例えば、少なくとも２°の機械的角度しか必要とせず、例えば、チルト−チルトスキャナでもよいし、又は他の形式のマイクロ・オプチカル電気−機械的システム（ＭＯＥＭＳ）ベースのスキャナでもよい。好ましくは、スキャナは、少なくとも２０ｋＨｚのビデオレートで動作するが、用途次第ではそれより低いスキャナ速度も使用できることが明らかである。更に、スキャナは、例えば、映像が１Ｄであるか、２Ｄであるか又は３Ｄであるかに基づいて、水平方向、垂直方向、又はその両方に、１つ又は２つの自由度で、ビームを走査できることが明らかであろう。光学ビーム発生器は、例えば、カラーレーザビームを発生するためのレーザ又は発光ダイオード（ＬＥＤ）の配列体で構成されてもよい。好ましい実施形態では、光学ビーム発生器にレーザが使用される。又、走査光源１４は、走査光源から放射されるレーザビームに映像情報を変調するための変調能力も備えている。
動作中に、走査光源１４により順次走査される束２２の各レーザビームは、その経路内にある発散反射器１２に入射する。図１に示す好ましい実施形態では、発散反射器１２は、半球状又は実質的に半球状であるが、発散反射器は、球状又は実質的に球状であってもよいし、或いは光線束２２の走査角２０の横方向限界において入射レーザビームを受け入れるに充分な球面又は実質的な球面を有するだけでよいことが明らかであろう。完全球の反射器が使用される場合には、他方の半分が、ユーザの第２の目に対するＤＲＤ用の発散反射器の部分を形成することができ、これについては、図１４ないし１６を参照して以下に説明する。
走査レーザビームは、発散反射器１４に当たった後に、発散反射器から収斂反射器１６へと反射される。収斂反射器は、１つの焦点から発生した光線が第２の焦点に収斂するという幾何学的特性を有する楕円をベースとするものである。好ましい実施形態では、収斂反射器１６は、増加された走査角の横方向限界で発散反射器１２から反射されるレーザビーム２４を受け入れるに充分な大きさの変更型楕円状（準楕円状）の凹面を含む。変更型楕円状反射器１６は、発散反射器１２から反射された入射レーザビーム２４を瞳孔に再収斂する形状にされる。次いで、目のレンズが、光線束２４から網膜に一次元映像（この場合に）を再構成することができる。変更型楕円状反射器の幾何学的形状の計算は、図４ないし１０を参照して以下に説明する。
発散反射器１２及び収斂反射器１６は、ガラス、プラスチック、又は他の適当な材料で形成することができる。好ましい形態では、発散反射器１２は、ガラスから整形及び研磨され、そして収斂反射器１６は、プラスチック、例えば、アクリルから成形され、又は射出成形される。反射器１２、１６を形成するのに使用される材料に基づいて、固有の反射クオリティを有するか、又は保護アルミニウムのような反射被覆でコーティングされる。発散反射器１２は、全反射性であるが、収斂反射器は、全反射性でもよいし、又はユーザが見た実生活シーンに映像がオーバーレイするようなリアリティ増加表示が要求される場合には部分反射性でもよいことが明らかであろう。
図１に示すＤＲＤの好ましい実施形態の動作を、以下に詳細に説明する。一次元映像を形成するために、走査光源１４からのレーザビームが発生されて、角度２０、この場合には、４．５度、にわたって走査されるが、この入力走査角は、希望のＤＲＤの用途、仕様、及び走査光源のスキャナ技術仕様に基づいて異なってもよいことが明らかであろう。走査角２０にわたる各個別のポイントにおいて、レーザビームは、網膜に表示するための映像の１ピクセルに関係した個別の映像搬送ビームを発生するように変調される。走査角２０にわたる個々の変調されたビームの組み合せは、走査座標がカルテシアン座標でも極座標でもよい映像、即ちラスタ走査を含む。個々の変調されたラスタビーム（光線束２２で示す）は、半球状反射器１２に順次に当たる。半球状反射器１２は、次いで、束２２の各ビームを準楕円状反射器１６に向けて反射し、その間に、半球状反射器１２に対する各入射（入力）角度（θ）に基づく出力角度（φ）で各ビームを反射する。図２は、４．５度にわたる入力走査角（θ）と出力走査角（φ）との間の関係を示すグラフで、約１２倍の走査角倍率ファクタを示している。図３は、入力走査に対する瞳孔の角度（β）を示すグラフで、見掛け上の視野角は、最初の走査ポイントと最後の走査ポイントとに対するβ角度の差である。これは、図６を参照して良好に説明され、この場合、β0は、最初の走査ポイントからの瞳孔の角度で、例えば、約１１５度であり、そしてβnは、最後の走査ポイントからの瞳孔の角度で、例えば、約１３度である。これら２つのβ角度間の差が、瞳孔の視野であり、この場合には、１００度を越える。
図１に示すように、各ビームの、その隣接ビームに対する反射角は、半球状反射器１２に入射する隣接ビームの相対的角度との比較において変化する。このように、光線束２２の発散が増加されて、準楕円状反射器１６に入射するビームの走査角は、半球状反射器１２に入射するビームの走査角２０より大きくなる。この場合に、走査角は、４．５度から５３度へ増加する。これは、図３に示すように、網膜に最終的に表示される映像の見掛け上の視野を、元の視野の約２２倍に増加する。これは、走査光源１４における元の走査角を増加する必要なく、且つ同じ解像度を保つために変調帯域巾及び走査速度を増加するという関連する問題を取り扱う必要なく、同じ映像をより大きなフォーマットで網膜に表示できるようにする。反射角（φ）の大きさは、球の半径、走査光源１４から半球状反射器１２の距離、及び入射走査角（θ）に依存する。
半球状反射器１２の角度倍率ファクタは、入射走査角（θ）に対して直線的ではなく、これは、網膜上に非直線的なピクセル間隔を招く。この非直線性は、入力走査光源１４において、必要な直線的間隔を発生するようにビーム角２０にわたって非直線的走査を行なうことにより、即ち、ラスタ走査パターンに予歪を設けるか、或いは又表示されるべき映像に予歪を設けることにより、補償することができる。準楕円状反射器１６に入射する発散した光線束２４は、次いで、目の瞳孔に一致する収斂ポイント１８へ再収斂される。次いで、瞳孔が束２４の各個々のビームを網膜上の位置に沿って順次に収束し、各変調されたレーザビームにより表わされたピクセルから映像を再構成する。
変更型楕円状反射器の幾何学的形状の計算について、図４ないし１０を参照して以下に説明する。図４は、変更型楕円状反射器ではなく、非変更楕円状反射器３２を使用するＤＲＤ３０の別の実施形態を示す。図示されたように、非変更楕円状反射器３２は、瞳孔に光線束の誤収斂３４を生じさせるので、好ましいものではなく、これは、低質の映像を生じさせる。誤収斂の理由は、半球状反射器１２に入射するビーム走査光線２２及びそれにより生じる反射光線３６を示した図５を参照して説明することができる。非変更楕円状反射器は、図５に示すように半球状反射器１２の内部の平均仮想原点３６に位置する焦点と、図４に示すように目の収斂ポイント１８に位置する焦点とを有する。誤収斂光線３４のパターンは、ポイント３８における半球状反射器１２の内部の仮想光線パターンの拡大反射である。しかしながら、非変更楕円状反射器３２の表面は、レーザビームの誤収斂を補正するように変更して、図１の好ましい実施形態ＤＲＤに示すような準楕円状反射器１６を形成することができる。
例えば、二次元における変更型楕円状反射器１６又は変更型楕円関数の幾何学的形状を計算する方法について、数学方程式及び図６ないし１０を参照して以下に説明する。先ず、計算プロセスの概略について説明する。このプロセスは、非変更楕円を伴うＤＲＤ３０構成体の仕様及び幾何学的パラメータを使用する反復計算を含む。より詳細には、幾何学的代数を使用して、半球状反射器１２の表面を横切ってビームを有効に走査し、ビームが非変更楕円状反射器３２へ反射され、次いで、その楕円状反射器から収斂ポイント１８（瞳孔）に向かって反射されるようにする。各ビーム位置に対して、図６及び７に示すように、１組の三角形が形成される。これら三角形の辺の長さ及び角度を、以下に述べるように計算し、これを使用して、これを使用して、変更型楕円又は楕円形状の一部を形成する空間内のポイントＰnを計算する。次いで、半球状反射器１２からの反射光線が、瞳孔に一致する１つのポイント１８に再収斂されるよう確保するために、各ポイントＰnが配置される。これは、各ビーム位置に対して異なる楕円パラメータを計算することにより達成される。楕円の半長軸が固定されるが、偏心性は、楕円ごとに変化する。楕円焦点の一方は、ポイント１８における目の瞳孔に一致する位置に固定される。他方の焦点は、図７に示すように、半球状反射器１２における走査光線の遮断ポイントＦ2 nに一致して、異なる楕円ごとに位置を変化させる。
数学的計算プロセスの詳細な実施例を、数学方程式及び図６ないし１０を参照して以下に説明する。この数学的説明の場合に、半球状反射器１２は、球と称され、そして楕円状反射器１６は、楕円と称される。図６ないし８を参照し、変数の定義、変更型楕円を発生するための出発式及びその解について、以下に述べる。
変数の定義：
走査される入力角度＝走査角＋オフセット角（θ＝θscan＋θoff）
オフセット光線に対する走査光源から球面までの距離は、ｄであり、球の半径は、Ｒである。
瞳孔と、球における光線のヒットポイントとに焦点をもつ楕円が形成される。図６を参照すれば、瞳孔における焦点Ｆ1は、固定されたままであるが、球上のヒットポイントにおける焦点Ｆ2は、光線が走査されるにつれて移動し、即ち、Ｆ2は、球上の各光線のヒットポイントを表わす。各走査位置（ｎまでの）に対して、新たな楕円が発生され、その新たな楕円上の光線ヒットポイントに位置する変更型楕円のための空間位置Ｐnが与えられる。焦点Ｆ2は、どんな番号の楕円をポイントが定義するか指示するためにｎが上付きにされている。
楕円パラメータ：半長軸ａ、半短軸ｂ、及び偏心性ε。半長軸ａは、固定され、偏心性εは、楕円が発生されるときに変化し、そしてテーブルとしてインデックスされる。一方の焦点Ｆ1のポイントは、固定され、他方の焦点Ｆ2のポイントは、固定されず、それ故、テーブルとしてインデックスされる。焦点Ｆ1に対して１つの位置（瞳孔に固定された）しか存在しない。楕円表面上のポイントＰnもテーブルとしてインデックスされる。
任意の精度で変更型楕円を発生するに必要なポイントの数は、ｎである。特に、ｎ＝０から必要なポイント数、である。例えば、ｎ＝０は、θoffポイントであり、即ちθscan＝０又は第１の楕円である。
図７を参照すれば、三角形の辺は、焦点間の距離Ｇn、楕円上の光線ヒットポイントと焦点との間の距離Ａn、Ｂnにより定義される。
楕円の三角形の辺の対向角度は、Ａ、Ｂ、Ｇに対応する小文字のギリシャ文字＝α、β、γを使用し、即ち、Ａは、対向角度αを有し、Ｂは、対向角度βを有し、そしてＧは、対向角度γを有する。これらの角度は、辺に対応するリストとしてインデックスされる。
図８を参照すれば、ヒットポイント及び球の中心から抱かれる角度は、φであり、そして水平からの反射光線の角度は、Ψである。球状のヒットポイントに入射しそして反射する角度は、ξである。図６及び７を参照すれば、水平に対する楕円長軸の傾斜角は、δである。三角形の辺Ｂと楕円の長軸との間の角度は、Ωである。これらの角度は、全て、テーブルとしてインデックスされる。
図８を参照すれば、球の半径Ｒから、水平軸における球のヒットポイントの投影点を差し引いたものが、ΔＲで、ΔＲ＝Ｒ（１−ｃｏｓφ）である。垂直軸における球のヒットポイントベクトルＲの投影点がｈ２である。球が入力ビームの原点（走査が始まるところのポイント）から変位する垂直距離がｈ１であり、これは、固定で、オフセット角度θoffにより定義され、インデックステーブルではない。走査ビームの原点への水平線は、一般的に、４０で示される。
出発方程式：
θをφの関数として表わし、次いで、φについて解く。検査により、これらの出発式／方程式をもたせる。
θ = θscan + θoff [1]
h1 = d Tan[θoff] [2]
h2 = R Sin[φ] [3]
(h1 + h2) / (d + ΔR) = Tan[θ]
又は
(h1 + h2) = (d + ΔR) Tan[θ] [4]
式[1]及び[2]を[4]に代入すると、次のようになる。
d Tan[θoff] + R Sin[φ] = (d + ΔR) Tan[θ]
又は
Tan[θ] = (d Tan[θoff] + R Sin[φ])/(d + ΔR) [5]
図８から、ΔR = R - R Cos[φ]を使用すると、 [6]
θ = ArcTan[(d Tan[θoff] + R Sin[φ])/(d + R-R Cos[φ])] [7]
解：
φについて解くと、次のようになる。
Figure 2008529054
第４の解が使用される。というのは、その他のものは、否定的であるか又は率直に間違った仕方だからである。図９を参照すれば、ヒットポイントにおける球の角度（φ）に対する入力走査角（θscan）の関係がラジアンでプロットされている。
図６を参照すれば、球上のヒットポイントからの反射光線が水平とでなす角度は、次のように定義される。
Ψ = 2φ + θ [9]
従って、式[7]及び[8]を[9]へ代入すると、次のようになる。
Figure 2008529054
図１０を参照すれば、ヒットポイントにおける水平からの発散反射光線の角度（Ψ）に対する入力走査角（θscan）の関係は、ラジアンでプロットされる。
ここで、楕円の主軸ａは角度δだけ傾斜され、そしてビームが走査されて、楕円がεnで発生されるにつれて、傾斜角δnが変化する。角度の検査により（πは、１８０度ラジアン）、次のようになる。
π - (Ω + δn ) = Ψ
又は
Ω = π - δn - Ψ [11]
ｒ（又はＢn）を角度Ωにおいて焦点（ヒットポイント）から楕円状のポイントまでの距離とすれば、ｒをΩの関数として表わすと、次のようになる。
R = a (1 -ε2) / (1 + ε Cos[Ω]) [12]
図６又は７を参照し、Bn = | r |にセットすれば、次のようになる。
Bn = a (1 -ε2) / (1 + ε Cos[Ω])
Ωに対して前記式[11]を使用すると、次のようになる。
Bn = a (1 - ε2) / (1 + ε Cos[π - δn - Ψ])
= a (1 -ε2) / (1 + ε Cos[π- δn - 2 φ - θscan - θoff] ) [13]
図６を参照すれば、三角形に対する水平の辺Ｇnは、次のように定義される。
X = G0 Cos δ0 [14]
Y = G0 Sin δ0 [15]
更に、
X + ΔR = Gn Cos[δn] [16]
従って、
Cos δn = (X + ΔR) / Gn [17]
式[6]及び[14]を[17]に代入すると、次のようになる。
δn = ArcCos [(G0 Cos δ0 + R (1 - Cos φ)) / Gn] [18]
Ｇnに対する式を得るために、Ｇnのカルテシアン側の和又は平方を考える。
Gn = √ ((X ΔR)2 + (Y +h2)2) [19]
式[3]、[6]、[14]及び[15]を[19]に代入すると、次のようになる。
Gn = √ ((G0 Cos δ0 + R (1 - Cos[φ]))2 + (G0 Sin δ0 + R Sin[φ])2) [20]
式[20]を式[18]に代入すると、次のようになる。
δn = ArcCos [(G0 Cos δ0 + R (1 - Cos φ )) /
√ ((G0 Cos δ0 + R (1 - Cos[φ]))2 + (G0 Sin δ0 + R Sin[φ])2)] [21]
式[13]及び[21]を使用すると、ａ、ε、φ、θscan、θoff、Ｇ0、δn、及びＲに関して、Ｂnの式を与える。式[7]に対する解で示されるように、φは、Ｒ、ｄ、θoff及びθscanで表わすことができる。Ｒ及びｄは既知であり、そしてθoffは、初期設定幾何学形状から既知であり、従って、φを計算することができる。θscanは、方程式の全セット、及び楕円の発生を推進する推進パラメータである。Ｇ0及びδnも、初期設定幾何学形状から既知であり、この段階において唯一未知であるのは、楕円の半長軸ａ、及び楕円の偏心性εである。先に述べたように、半長軸ａは、固定であり、そして偏心性εは、楕円ごとに変化する。
半長軸ａは、楕円の標準式を使用して初期設定幾何学形状から計算することができる。
a = (Ａ0 + Ｂ0) / 2 [22]
但し、Ａ0及びＢ0は、初期設定幾何学形状から分る。
光線が走査されるときに、変更型楕円の表面を二次元で定義するために空間中の１組のポイントＰnが発生される。
Gn = 2aεであるので、
εn = Gn / 2 a [23]
従って、三角形の辺Ｇnの長さを使用して、楕円の偏心性を計算することができ、次いで、この偏心性を使用し、δnに対する式[21]と式[13]とを使用して、Ｂnを計算することができる。
変更型楕円の空間内の位置Ｐnを得るためには、基準ポイントが必要である。例えば、球の中心を基準ポイントとして選択することができる。
図８を参照すれば、ベクトルＲ及びｒの追加が必要とされる。
位置Ｐnのテーブルは、変更型楕円の形状を与え、これは、ｎを増加することにより任意の精度で計算することができる。上述した技術は、２Ｄ又は３ＤのＤＲＤに対する変更型楕円の幾何学形状を発生するように、三次元へと容易に拡張できることが明らかであろう。
図１１は、目の網膜に二次元映像を発生するための好ましい実施形態ＤＲＤ５０を示す。ＤＲＤ５０の構成は、網膜に一次元映像を発生するための図１のＤＲＤ１０の拡張である。ＤＲＤ１０と同様に、ＤＲＤ５０は、走査光源５２と、半球状反射器５４と、変更型楕円状反射器５６とを備えている。走査光源５２で発生されるレーザビーム５８は、半球状反射器５４の２つの次元（ラスタ走査）にわたって走査され、そして二次元映像を保持し、これは、変更型楕円状反射器５６（準楕円状反射面）に反射され、ユーザの目６２の瞳孔６０に二次元的に再収斂され、網膜に映像を再構成することができる。走査光源５２のスキャナは、例えば、水平及び垂直方向の少なくとも２つの自由度でレーザビームを走査して、二次元映像として示された光線の円錐（光線の円錐状の束）を発生することができる。一次元走査に関連して上述した非直線性及び楕円変更技術は、二次元走査に適用するように容易に適応させることができる。ＤＲＤ５０は、更に、ビームの再収束によって網膜に三次元映像を与えるように適応できることが明らかである。レーザビームの焦点を適切に調整することにより、各ピクセルの相対的な深さを網膜に伝達することができる。
図１２には、ＤＲＤ５０により形成されるレーザビームスポット又は出口アパーチャーの強度プロフィール面が示されている。特に、ユーザの目６２の瞳孔６０におけるレーザビームスポットの強度プロフィールが、発散半球状反射器５４及び収斂変更型楕円状反射器５６からの反射の後に、示されている。図１３は、図１２の同じ強度プロフィール面を、映像のより暗い部分がレーザビームスポットのより強力な部分に対応するような強度の逆グレーレベル映像として示している。図１３の映像は、例えば、レーザビームスポット（出口アパーチャー）のサイズの指示を与えるスケールを有する。この場合に、出口アパーチャーは、直径が約１２ｍｍであり、これは、目の動きの影響を最小にする比較的大きな出口アパーチャーである。特に、出口アパーチャーサイズは、目の瞳孔をカバーするに充分な大きさであり、目が若干動いてもレーザビームが依然として網膜へ貫通するようにされる。出口アパーチャーは、コンポーネントの仕様及び設計要求に基づいてそのサイズを増減できることが明らかであろう。目の全体的な動きが大きくて、出口アパーチャーが瞳孔から外れてしまう状態では、以下に述べるように、追跡制御メカニズムを使用して、出口アパーチャーが目の瞳孔を確実にカバーするようにＤＲＤ反射コンポーネント又はスキャナ位置を動かすことができる。
図１４は、ユーザの頭部７２に取り付けられるＤＲＤシステム７０の好ましい実施形態の側面図である。ＤＲＤ７０は、走査光源と、発散球状反射器７４と、収斂変更型楕円状反射器７６とを使用する。この図には走査光源が示されておらず、走査レーザビームは、球状反射器７４へと紙面に向けられる。走査レーザビームは、角度がオフセットされて、２つの方向７５へ走査され、発散球状反射器７４から、ユーザの目７８の前に取り付けられた収斂変更型楕円状反射器７６へと反射される。走査レーザビームは、次いで、ユーザの瞳孔７９へ反射されて戻され、図１２及び１３に示すものと同様の強度プロフィールを発生する。
図１５は、ユーザの頭部８２に取り付けられるＤＲＤシステム８０の別の好ましい実施形態の平面図である。このＤＲＤ８０では、２つの収斂変更型楕円状反射器８４が、各目８６に１つづつ、示されているが、発散球状反射器８８は、１つしか使用されず、これは、例えば、ユーザの鼻８５の鼻梁に取り付けることができる。走査光源、又は走査光源のスキャナ８７は、頭部８２の側部に取り付けられて、小さなオフセット走査角を形成し、これは、垂直及び／又は水平方向においてユーザの瞳孔に９０度以上の角度の視野を形成するように拡大される。
図１６は、鼻９６の各側において各目９４の付近に取り付けられた２つの発散球状反射器９２を使用するＤＲＤシステム９０の別の実施形態を示す平面図である。ＤＲＤ９０の他のコンポーネントは、図１５のＤＲＤ８０について述べたものと同じである。
図１４ないし１６を参照して説明した頭部取り付け型ＤＲＤは、眼鏡に一体化することもできるし、或いはＤＲＤは、ユーザによりしっかり着用できる眼鏡の形態でもよいことが明らかであろう。更に、ＤＲＤは、上述したように、１Ｄ、２Ｄ又は３Ｄ映像を形成するように構成できることも明らかであろう。
上述したように、ここに述べるＤＲＤは、目が動いて瞳孔がレーザビームスポット（出口アパーチャー）の外側へ移動した場合に、発散及び収斂反射器を移動させて目の動きを追跡し映像の連続性を確保するために追跡制御メカニズムを含むことができる。例えば、これらの反射器は、一緒に移動するように互いに取り付けることができる。このように、球状反射器の内側の変更型楕円状反射器の第１焦点は、その変更型楕円状反射器に対して固定のままである。この構成では、瞳孔における第２の焦点が反射器と一緒に移動する。更に、この移動は、眼窩における眼球の移動と同様に、あるポイントの周りで枢着運動することができる。或いは又、視野を若干減少して、スキャナによる映像全体の角度移動を許し、目の動きを補償することができる。
又、ここに述べるＤＲＤは、映像を表示するのと同時に、網膜における血管網を像形成する能力を含むこともできる。これは、走査が瞳孔上の中心に保たれ且つ映像が網膜に対して固定であるよう確保するために、目の動きを後で補償すべく測定する上で助けとなる。又、血管網の映像を使用して、ＤＲＤのユーザを独特に識別することができる。上述したように、ＤＲＤは、部分反射の収斂反射器を使用して、映像を実生活のシーンに重ね合わせることもできる。ＤＲＤは、好ましい形態のものも、付加的な任意の特徴をもつものも、マイクロ電気−機械的又はマイクロ・オプチカル電気−機械的システム（ＭＥＭＳ／ＭＯＥＭＳ）を使用して実施されて、装置の全サイズを減少することができる。
要約すれば、本発明のＤＲＤは、映像で変調された比較的小さな角度の入力走査から目の瞳孔に広い角度の出力走査を発生することにより広い視野を提供する。ＤＲＤは、片方の目に又は両方の目に同時に、映像を表示するように構成できる。ＤＲＤは、１Ｄ、２Ｄ又は３Ｄの映像をカラー又は白黒で表示するように構成できる。ＤＲＤにより目に対して水平方向に形成される視野は、必要に応じて変更することができ、そして人間の目の水平方向の角度性能に厳密に一致するには、好ましくは、少なくとも８０度で、より好ましくは、少なくとも１００度で、更に好ましくは、少なくとも１２０度である。又、ＤＲＤにより目に対して垂直方向に形成される視野も、必要に応じて変更することができ、そして人間の目の垂直方向の角度性能に一致するには、好ましくは、少なくとも６０度で、より好ましくは、少なくとも８０度で、更に好ましくは、少なくとも９０度である。ＤＲＤにより表示される映像の解像度（ピクセル単位）は、映像ソースのクオリティに基づいて、必要に応じて選択することができ、人間の目の解像度限界に一致するには、好ましくは、少なくとも８００ｘ６００（水平ｘ垂直）で、より好ましくは、少なくとも１２８０ｘ１０２４で、更に好ましくは、少なくとも８０００ｘ５０００である。走査光源の入力走査角は、好ましくは、少なくとも２度で、更に好ましくは、少なくとも５度である。入力走査角の拡大は、希望の視野を形成するように、スキャナから球状反射器までの距離ｄ及び球状反射器の半径Ｒを変化させることで、調整できることが明らかである。例えば、拡大した走査角に対する入力走査角の倍率ファクタは、好ましくは、少なくとも２０で、より好ましくは、少なくとも２５である。ＤＲＤは、必要に応じて、スチール映像又は動画（例えば、ビデオ）映像を表示するように構成できることが明らかである。
本発明によるＤＲＤを利用できる広範囲な用途が存在する。これは、娯楽、医療、軍事、トレーニング装置、等のための仮想及びリアリティ増加ディスプレイシステムに合体させることができる。
本発明の以上の説明は、その好ましい態様を包含する。特許請求の範囲で規定された本発明の範囲から逸脱せずに、変更がなされ得ることを理解されたい。
スキャナ、半球状反射器、及び変更型楕円状反射器を使用して、網膜に一次元映像を形成する本発明のＤＲＤの好ましい実施形態を示す概略図である。 半球状反射器において走査ビームの入力走査角（θ）と出力走査角（φ）との間の関係を示すグラフである。 瞳孔において走査ビームの入力走査角（θ）と瞳孔走査角（β）との間の関係を示すグラフである。 変更型楕円状反射器に代わって非変更の楕円状反射器を伴い、その結果、瞳孔において走査ビーム光線の誤収斂を招く図１のＤＲＤを示す概略図である。 図４に示す非変更の楕円状反射器の使用により生じる半球状反射器の仮想原点における走査ビームの誤収斂光線を詳細に示す図である。 変更型楕円状反射器の形状を計算するのに使用される全体的幾何学形状及び記号を示す図である。 多数の楕円（２つの楕円しか示されていない）により定義されるポイントを使用して変更型楕円状反射器を形成するところを示す図である。 球状反射器を拡大して示すと共に、パラメータ間の相対的な記号及び幾何学的関係を示す図である。 入力走査角（θscan）と球角度（φ）との間の関係を示すグラフである。 入力走査角（θscan）と、水平からの反射光線角度（Ψ）との間の関係を示すグラフである。 網膜に二次元映像を発生するための本発明のＤＲＤの好ましい実施形態の３Ｄワイヤフレームモデルを示す概略図である。 ユーザの瞳孔の位置において図１１のＤＲＤにより発生されるレーザビームスポット（出口アパーチャー）の強度プロフィール面を示す図である。 図１２の強度プロフィールの逆グレーレベル映像を示す図である。 ユーザの頭部に取り付けられる本発明のＤＲＤの好ましい実施形態の側面図である。 ユーザの頭部に取り付けられる本発明のＤＲＤであって、単一球状反射器を使用したＤＲＤの好ましい実施形態を示す平面図である。 ユーザの頭部に取り付けられる本発明のＤＲＤであって、２つの球状反射器を使用したＤＲＤの別の実施形態を示す平面図である。

Claims (49)

  1. 広い視野で目の網膜に映像を表示するための直接網膜ディスプレイにおいて、
    ２つの次元で走査光学ビームを各次元の走査角にわたり発生するように構成された走査光源であって、走査光学ビームが映像で変調されるような走査光源と、
    前記走査光学ビームの経路にある発散反射器であって、この発散反射器に入射する走査光学ビームを実質的に拡大した走査角で外方に非対称的に反射するように構成された発散反射器と、
    前記反射された走査光学ビームの経路にある収斂反射器であって、実質的に拡大された走査角を有する走査光学ビームを実質的に目の瞳孔における収斂スポットに向けて反射して、映像を再構成し広い視野で網膜に表示するように構成された収斂反射器と、
    を備えた直接網膜ディスプレイ。
  2. 前記発散反射器は、その少なくとも一部分が、前記走査光学ビームの経路に球状の反射面を備え、この球状の反射面に入射する走査光学ビームが、前記走査角を実質的に拡大するように変更された角度で非対称的に反射されて、広い視野を形成する、請求項１に記載の直接網膜ディスプレイ。
  3. 前記発散反射器は、半球状の反射器である、請求項２に記載の直接網膜ディスプレイ。
  4. 前記発散反射器は、球状の反射器である、請求項２に記載の直接網膜ディスプレイ。
  5. 前記収斂反射器は、その少なくとも一部分が、前記発散反射器から反射された走査光学ビームの経路に実質的に楕円状の反射面を備え、その実質的に楕円状の反射面に入射する走査光学ビームが実質的に目の瞳孔における収斂スポットに向かって反射されるようにする、請求項１から４のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  6. 前記収斂反射器は、楕円状反射器である、請求項５に記載の直接網膜ディスプレイ。
  7. 前記収斂反射器は、前記発散反射器の形状により生じる目の瞳孔における走査光学ビームの誤収斂を減少する形状の準楕円状反射器である、請求項５に記載の直接網膜ディスプレイ。
  8. 前記走査光源は、光学ビームを発生するための光学ビーム発生器と、各走査位置において光学ビーム上に映像ピクセルを与えるための変調器と、２つの次元において各次元の走査角にわたり光学ビームを再指向するためのスキャナとを含む、請求項１から７のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  9. 前記光学ビーム発生器は、レーザの配列体を含む、請求項８に記載の直接網膜ディスプレイ。
  10. 前記スキャナの光学ビーム発生器は、発光ダイオードの配列体を含む、請求項８に記載の直接網膜ディスプレイ。
  11. 前記走査光源は、各次元の走査角にわたり光学ビームを非直線的に走査して、前記発散反射器における走査角の非直線的拡大を補償し、これにより、映像が網膜に正しく表示されるよう確保する、請求項１から１０のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  12. 前記走査光源は、映像に非直線的に予歪を与えて、前記発散反射器における走査角の非直線的拡大を補償し、これにより、映像が網膜に正しく表示されるよう確保する、請求項１から１０のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  13. 前記走査光源は、光学ビームを２つの次元で走査して、光学ビームの円錐状束を発生するように構成される、請求項１から１２のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  14. 前記走査光源は、目の網膜上に二次元映像を走査するように構成される、請求項１から１３のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  15. 前記走査光源は、映像の各ピクセルの相対的深さに基づいて光学ビームの焦点を調整して、目の網膜に三次元映像を表示するように構成される、請求項１から１３のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  16. 前記収斂反射器は、部分的に反射性で且つ部分的に透明であり、リアリティ増加のために実生活のシーンに映像を重ねることができる、請求項１から１５のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  17. 前記収斂スポットは、目の瞳孔を実質的にカバーして目の動きの影響を減少するに充分な大きさである、請求項１から１６のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  18. 目に対して水平方向に目に生じる視野は、少なくとも８０度である、請求項１から１７のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  19. 目に対して水平方向に目に生じる視野は、少なくとも１００度である、請求項１から１７のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  20. 目に対して水平方向に目に生じる視野は、少なくとも１２０度である、請求項１から１７のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  21. 目に対して垂直方向に目に生じる視野は、少なくとも６０度である、請求項１から２０のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  22. 目に対して垂直方向に目に生じる視野は、少なくとも８０度である、請求項１から２０のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  23. 目に対して垂直方向に目に生じる視野は、少なくとも９０度である、請求項１から２０のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  24. 表示される映像の解像度は、水平方向に少なくとも８００ピクセルｘ垂直方向に少なくとも６００ピクセルである、請求項１から２３のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  25. 表示される映像の解像度は、水平方向に少なくとも１２８０ピクセルｘ垂直方向に少なくとも１０２４ピクセルである、請求項１から２３のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  26. 表示される映像の解像度は、水平方向に少なくとも８０００ピクセルｘ垂直方向に少なくとも５０００ピクセルである、請求項１から２３のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  27. 各次元における走査角は、少なくとも２度である、請求項１から２６のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  28. 各次元における走査角は、少なくとも５度である、請求項１から２６のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  29. 各次元における走査角は、少なくとも１０倍拡大される、請求項１から２８のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  30. 各次元における走査角は、少なくとも２０倍拡大される、請求項１から２８のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  31. 前記ディスプレイは、２つの目の網膜に映像を表示するためのもので、各目に１つづつ、２つの収斂反射器を備え、前記走査光源は、それら収斂反射器間に位置する発散反射器の両側に向けて、２つの次元において映像で変調された２つの走査光学ビームを、各次元の走査角にわたり発生するように構成され、前記発散反射器は、各走査光学ビームを、実質的に拡大した走査角で、各収斂反射器に向けて非対称的に反射するように構成され、各収斂反射器は、各走査光学ビームを実質的に各々の目の瞳孔における収斂スポットに向けて反射し、映像を再構成して各々の目の網膜に表示するように構成される、請求項１から３０のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  32. 前記収斂反射器は、前記走査光学ビームを各目の瞳孔における収斂スポットに収斂する形状の準楕円状反射器であり、そして前記発散反射器は、球状反射器である、請求項３１に記載の直接網膜ディスプレイ。
  33. 前記直接網膜ディスプレイは、２つの目の網膜に映像を表示するためのもので、各目に対して、走査光源、発散反射器及び収斂反射器を備えた、請求項１から３０のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  34. 前記直接網膜ディスプレイは、ユーザの頭部に取り付けるように構成される、請求項１から３３のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  35. 広い視野で目の網膜に映像を表示するための直接網膜ディスプレイにおいて、
    ２つの次元で走査光学ビームを、各次元の走査角にわたって発生するように構成された走査光源であって、光学ビームが映像で変調されるような走査光源と、
    前記走査光学ビームの経路に球状の反射面を有する発散反射器であって、その球状反射面に入射する走査光学ビームを、実質的に拡大した走査角で外方に非対称的に反射するように構成された発散反射器と、
    反射された走査光学ビームの経路に実質的に楕円状の反射面を有する収斂反射器であって、実質的に拡大した走査角を有する走査光学ビームを実質的に目の瞳孔における収斂スポットに向けて反射して、映像を再構成し、広い視野で網膜に表示するように構成された収斂反射器と、
    を備えた直接網膜ディスプレイ。
  36. 前記収斂反射器の楕円状反射面は、前記発散反射器の球状反射面の形状により生じる目の瞳孔における走査光学ビームの誤収斂を減少する形状の準楕円状反射面である、請求項３５に記載の直接網膜ディスプレイ。
  37. 前記走査光源は、光学ビームを発生するための光学ビーム発生器と、各走査位置において光学ビーム上に映像ピクセルを与えるための変調器と、２つの次元において各次元の走査角にわたり光学ビームを再指向するためのスキャナとを含む、請求項３５又は３６に記載の直接網膜ディスプレイ。
  38. 前記走査光源は、各次元の走査角にわたり光学ビームを非直線的に走査して、前記発散反射器における走査角の非直線的拡大を補償し、これにより、映像が網膜に正しく表示されるよう確保する、請求項３５から３７のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  39. 前記走査光源は、映像に非直線的に予歪を与えて、前記発散反射器における走査角の非直線的拡大を補償し、これにより、映像が網膜に正しく表示されるよう確保する、請求項３５から３７のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  40. 前記走査光源は、光学ビームを２つの次元で走査して、光学ビームの円錐状束を発生するように構成される、請求項３５から３９のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  41. 前記走査光源は、目の網膜上に二次元映像を走査するように走査を行うよう構成される、請求項３５から４０のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  42. 前記走査光源は、映像の各ピクセルの相対的深さに基づいて光学ビームの焦点を調整して、目の網膜に三次元映像を表示するように構成される、請求項３５から４０のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  43. ユーザの２つの目の網膜に映像を表示するための直接網膜ディスプレイにおいて、
    ２つの次元で、各目に１つづつ、２つの走査光学ビームを、各次元の走査角にわたって発生するように構成された走査光源であって、走査光学ビームが映像で変調されるような走査光源と、
    走査光学ビームの経路にある発散反射器であって、この発散反射器の両側に入射する走査光学ビームを、実質的に拡大した走査角で外方に非対称的に反射するように構成された発散反射器と、
    各反射された走査光学ビームの経路に各々ある、各目に１つづつの、２つの収斂反射器であって、実質的に拡大した走査角を有する走査光学ビームを実質的に各目の瞳孔における収斂スポットに向けて反射して、映像を再構成し、広い視野で目の網膜に表示するように構成された２つの収斂反射器と、
    を備えた直接網膜ディスプレイ。
  44. 前記発散反射器は、走査光学ビームの経路に実質的に球状の反射面を含む、請求項４３に記載の直接網膜ディスプレイ。
  45. 前記発散反射器は、２つの収斂反射器間に配置された球状反射器である、請求項４３又は４４に記載の直接網膜ディスプレイ。
  46. 前記収斂反射器は、前記発散反射器から反射される走査光学ビームの経路に準楕円状反射面を含む、請求項４３から４５のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
  47. 各目に１つづつ、２つの発散反射器があり、その各々は、１つの走査光学ビームの経路に配置されて、走査光学ビームを各収斂反射器に非対称的に反射するように構成される、請求項４３に記載の直接網膜ディスプレイ。
  48. 前記発散反射器は、球状反射器であり、前記収斂反射器は、準楕円状反射器である、請求項４７に記載の直接網膜ディスプレイ。
  49. 前記ディスプレイは、ユーザの頭部に固定できるように構成される、請求項４３から４８のいずれかに記載の直接網膜ディスプレイ。
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