JP3435160B2 - 仮想網膜表示装置 - Google Patents

仮想網膜表示装置

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、仮想画像表示システムに関する。さらに詳
しくいえば、本発明は、ユーザの目の外部に認識可能な
架空画像（Aerial Image）が存在しない状態で仮想画像
を作成するために、ビデオ情報により変調された光子を
目の網膜に直接投射するような構成の仮想網膜表示装置
に関する。
発明の背景 公知の仮想画像表示装置を使用する場合、ユーザは、
実像表示装置のように物理的な表示スクリーンを直接確
認することができない。仮想表示装置においては、通
常、液晶アレイ、発光ダイオードまたは小形陰極線管CR
Tを用いることにより、ほんの小さな物理的画像のみが
作成される。このようにして作成された画像は、複数個
の光学的レンズおよびミラー（鏡）によって投射される
ので、上記画像は、あたかもそこに吊るされているかの
ごとく大きな絵画像として現れる。
小形陰極線管は、中程度の分解能を有する単色の映像
を作成することができる。しかし、上記の小形陰極線管
を含む装置は重たくて大型になる。例えば、ケーブルを
備えた小形陰極線管CRTの代表的な重量は４オンス（約1
13.4g）を越え、この種の小形陰極線管CRTの直径は１イ
ンチ（約25.4mm）でその長さが４インチ（約101.6mm）
にもなる。更に、これらの装置は、高電圧の加速電位を
有しており、この加速電位の値は、通常、７〜13キロボ
ルトにもなる。このような高電圧の加速電位は、ユーザ
の頭部に取り付けられる表示装置にとって好ましくない
ような高い電位である。単一の小形陰極線管CRTを用い
てカラーを作成することは難しいことであり、このよう
にしてカラーを作成する場合、通常は、画像の分解能お
よび輝度に対し過度の不具合を生じる。
陰極線管CRTの画像は、この陰極線管CRTが、頭部に装
着される光学的要素から離れて位置することを可能にす
るために、可干渉性（Coherent）のファイバ・オプティ
ックス（Fiber−Optics）の束を介して転送することも
できる。しかしながら、この場合、上記のような画像転
送方式を実現するためのハードウェアも重たくなり、か
なりの光線損失を招くことになる。多重化されたカラー
フィルタと、白色の蛍燐光物質を含む陰極線管CRTとを
用いたフィールドのシーケンシャル・カラーは、好まし
い色の彩度を作成することができるが、このために分解
能が大幅に低下する。例えば、３色のフィールドは、正
規の60ヘルツ（Hz）のフィールドと同じ周期で作成され
るので、各々のカラーに相応するビデオ帯域幅を３分割
しなければならない。
液晶アレイは、低い動作電圧でカラー画像を作成する
ことができるが、それは、殆ど余裕のない画像要素（画
素）密度、すなわち、800x800要素未満の画素密度しか
提供し得ない。振動するミラーと単純な拡大鏡を介して
視覚的に確認される発光ダイオードの線形アレイを使用
するような市販の装置は、周知の技術である。この種の
表示装置は、低コストで低電力の代替技術になり得る。
しかしながら、上記の表示装置は単色であり、かつ、表
示装置におけるラインの分解能が、線形アレイに組み込
める要素の数により限定されてしまう。
陰極線管CRTおよび液晶表示装置の両方共、無限の光
学的システムを通して目に伝えられるような実像を作成
する。最も単純な光学的システムにおいては、ユーザに
より、単純な拡大鏡レンズを介して画像の発生源を視覚
的に確認することが可能になる。ただし、30度（゜）よ
り広い視界の場合、上記の拡大鏡レンズを用いた方式
は、光線の損失と色の収差を含めた数多くの問題を招
く。更に、これらの光学的要素は大型で重いという問題
がある。
仮想投射式の光学的な設計は、画像面の光学的通路内
の任意の位置に架空画像を作成する。上記の架空画像
は、接眼鏡レンズまたは対物レンズを介して直立する仮
想画像として視覚的に確認される。このような方式によ
れば、融通性が増すので、頭部装着形表示システムに対
して画像発生源からの画像をユーザの頭部の周囲で折り
重ねることができる。しかしながら、上記の方式では、
広い視界を確保するために、大型で大規模な反射と屈折
を実施するための光学的要素を必要とする。
現在のシステムは、前述の分解能の限界の他に、帯域
幅にも欠点を有している。帯域幅は、表示システムが画
像発生源の表示要素からの放出光線のアドレス割り振り
（アドレス指定）、変調または変更の速度に関する基準
である。表示画像発生源の帯域幅は、所定の周期でアド
レス割り振りを行うことが必要な要素の数に基づいて計
算される。このアドレス割り振りが必要な要素は、網膜
受容部の光線積分ダイナミックス、および、情報が変わ
ると思われる速度を考慮することにより、各々の要素に
て認識される輝度を更新するかまたは維持するために、
時間的に必要になる。
最も遅い（最小限度の）輝度更新のレート（速度）
は、目の光線に対する適応状態、表示の輝度、および、
画素の持続性、すなわち、画像要素のアドレス割り振り
がなされた後に上記画像要素が光線を生成する時間の長
さの関数になる。テレビジョン・タイプの表示装置にお
いては、通常、毎秒50〜60回の最小限度の輝度更新レー
トが必要とされる。更に、少なくとも30Hzの輝度更新レ
ートが、動的表示装置またはプレゼンテーション装置に
おける連続的な動きを認識するために必要になる。この
動的表示装置またはプレゼンテーション装置では、頭部
の動きの結果として、表示画像が安定になる。
シーケンシャル方式で更新する場合、すなわち、１回
につき１つの要素を更新する場合、四千万個の絵画要素
を60ヘルツ（Hz）で更新するときには、2.4ギガヘルツ
（GHz）のビデオ帯域幅が要求される。帯域幅に対する
要求は、目によるちらつきの認識に際し目を幻惑するよ
うな飛越し走査（Interlacing）によって緩和させるこ
とができる。しかしながら、この飛越し走査において
も、なおかつ、30Hzの最小限度の更新レート、または1.
2GHzの帯域幅を得るために、画像発生源の要素のすべて
に対しアドレス割り振りを行うことが要求される。代表
的なテレビジョン放送品質の帯域幅は、約8MHz、または
1.2GHzより２桁低いオーダーの値になる。高分解能のコ
ンピュータ端末は、70Hzの非飛越し走査方式による更新
速度でアドレス割り振りがなされるような1400x1100の
画像要素を備えている。この更新速度は、約100MHzの帯
域幅と等価である。
発明の要約 本発明に従って、従来の仮想画像表示システムの欠点
は解決された。本発明の仮想網膜表示装置は、光子生成
機能および操作機能を用いて、目の網膜に直接投射さ
れ、かつ、次から次へと展開する（パノラマ式の）高分
解能のカラー仮想画像を作成する。本発明においては、
目の入射側の瞳と、仮想網膜表示装置の射出側の瞳、す
なわち、開口部とが結合されるので、光子生成器からの
変調光線が網膜上に直接走査される。この網膜は、ユー
ザの目の外部に画像面が存在しない状態で、直立する仮
想画像の認識を生成することができるので、この場合
は、ミラーまたは光学的要素を通して視覚的に確認され
る実像も架空画像も存在しないことになる。
さらに詳しく説明すると、本発明の仮想網膜表示シス
テムは、ビデオ情報で変調される光子の発生源を含んで
いる。この発生源からの光子は、ユーザの目の網膜上に
直接走査される。このときに用いられる光子生成器は、
レーザのような可干渉性の光線を生成するか、或いは非
干渉性の光線を生成する。更に、光子生成器は、赤色と
緑色と青色の発光ダイオード、またはレーザのようなカ
ラー光線生成器を具備し、各々RGBビデオ情報で変調さ
れるカラー光線を与える。青色光源が使用できない場
合、黄色発光ダイオードまたはレーザのような黄色光源
が使用できる。この場合、ビデオ変調カラー光子が組み
合わされて網膜上に走査される。
ビデオ変調信号は、好ましくは、投射光学系によって
ユーザの目に直接投射される変調光線ラスターを生成す
るように、水平方向および垂直方向の両方向で走査され
る。投射光学的は、屈折レンズやミラーやホログラフ要
素のような環状または球形光学的要素を含んでいる。更
に、この光学系の光学的要素は、光遮蔽要素になる場合
もあり光透過性になる場合もある。光透過性の光学的要
素は、本発明の仮想網膜表示装置を透明な表示装置にす
る。このような表示装置においては、表示される仮想画
像が実際に重ね合わされてユーザにより認識される。更
に、光学的要素の光透過性は、能動的または受動的に可
変自在になる。
本発明の仮想網膜表示システムは、更に、３−Ｄ（３
次元）画像作成に適した深さのキュー（Cue）を含んで
いる。このキューは、公知の立体式表示システムで起こ
ると思われる“模擬実験装置の病気（Simulator Sickne
ss）”のような問題を緩和することを目的とするもので
ある。さらに詳しく説明すると、上記の深さのキュー
は、焦点、すなわち、光子の収斂（Convergence）また
は発散（Divergence）を変更することが可能である。こ
の種の光子は、画像内の各々の画像要素に関し、ユーザ
によって認識される深さを迅速に制御するために走査さ
れるものである。上記の深さに関する深さ情報は、代表
的にビデオ・フレーム・バッファ内に記憶されている水
平および垂直の情報に加えて、ビデオ・メモリ内のＺ軸
バッファ等に記憶される。
瞳追跡システムは、目に投射される光線ラスターの位
置が、ユーザの目の入射側の瞳とほぼ一致するように、
この光線ラスターの位置を移動させるために使用され
る。このような瞳追跡システムの特徴により、仮想網膜
表示装置の分解能が高まると共に、目が片側に移動する
ときに目の移動する方向に対応する場面が現れるよう
な、十分に液浸状態（Immersive）の環境を提供するた
めに視界が更に拡大する。このような結果は、検出され
る瞳位置を利用し、フレーム・バッファ内に記憶された
ビデオ情報に対する“視覚的に感知される窓（Visible
Window）”を位置決めすることにより達成される。フレ
ーム・バッファは、例えば、次から次へと展開する場面
を表すビデオ情報を記憶する。そして、上記の“視覚的
に感知される窓”は、次から次へと展開する場面中のい
ずれの部分をユーザが認識すべきを決定する。この場
合、ビデオ情報は、光子生成器からの光線を変調するた
めに用いられるような“視覚的に感知される窓”の内部
に存在する。
本発明の仮想表示システムはまた、ビデオ情報を複数
の部分または領域に分割し、かつ、平行する光子生成と
変調機能を用いることにより、非常に広い視界に対し理
想的な画素密度分解能を得ることもできる。更に、全体
的な画素密度を各々独立に走査される領域に分割するこ
とにより、必要な帯域幅が節減されるので、従来のシス
テムにおける帯域幅の問題を解消することができる。
本発明の仮想網膜表示装置は、広い視界の表示領域を
実現することができる。この視界の表示領域は、目の入
射側の瞳に対する最終的な光学的要素のサイズおよび接
近の度合いに基づき、水平方向で140度にも達すること
が可能である。更に、本発明の仮想網膜表示装置は、実
像または架空画像を作成する必要がないので、非常に小
さなサイズ、軽い重量、および小さな容積を実現するこ
とができる。このような小さなサイズと軽い重量とコン
パクト性のために、上記の仮想網膜表示装置は、ユーザ
の頭部に装着するのに理想的に適合する。
前述の本発明の目的と他の目的、本発明の長所、およ
び本発明の新規な特徴は、図示された実施例の詳細と共
に、次に示す説明および図面を参照することにより十分
に理解されるであろう。
図面の簡単な説明 図１は本発明の仮想網膜表示装置のブロック図であ
る。
図２は図１に示されている仮想網膜表示装置の一実施
例を示すブロック図である。
図３はカラーを用いた場合の図１の仮想網膜表示装置
の第２の実施例である。
図４はカラーを用いた場合の本発明による仮想網膜表
示装置の別の実施例を示すブロック図である。
図５は平行する光子生成と変調の方式を使用した本発
明の仮想網膜表示装置の更なる別の実施例に用いられる
LEDアレイの略図である。
図６はレーザ位相調整アレイの構成を示す図である。
図７は本発明に従って用いられるマイクロスキャナの
構成を示す図である。
図８は本発明に従って用いられる別のマイクロスキャ
ナの構成を示す図である。
好適実施例の説明 本発明の仮想網膜表示装置10は、図１に図示されるよ
うに、ユーザの目に直接投射され、かつ、次々に展開す
る高分解能のカラー画像を作成できる光子生成機能と操
作機能を用いている。そこでは、ユーザによって視覚的
に確認される目の外部に架空画像または画像面は存在し
ない。上記の仮想網膜表示装置は、CRTやLCDまたはLED
のような実像を、従来の仮想画像表示装置のようにして
作成する表示装置を用いていない。仮想網膜表示装置10
は、架空画像を作成するために、従来の仮想画像表示装
置に必要であったミラーまたは光学的装置を必要としな
い。
その代わりに、本発明の仮想網膜表示装置では、ビデ
オ情報に基づき変調された光子が、ユーザの目20の網膜
22上に直接走査されて、直立する仮想画像の認識を生成
する。本発明の仮想網膜表示装置10は、架空画像の作成
に必要な実像表示装置、ミラー、または光学的要素を使
用しないので、上記の仮想網膜表示装置10は、そのサイ
ズが小さくなると共に重量が軽くなり、頭部装着形表示
装置としてユーザの頭部に容易に取り付けるのに適して
いる。
さらに詳しく説明すると、図１に図示されるように、
光子生成器12から放出される光子は、ビデオ情報に基づ
き変調器14によって変調される。この変調器14によって
変調された光子は、スキャナ16によって、第１の方向
と、この第１の方向に対し通常は垂直になる第２の方向
において走査される。このような光子の走査は、ユーザ
によって視覚的に確認または認識される目の外部に架空
画像または画像面が存在しない状態で、直立する仮想画
像の認識を生成するために、投射光学系18によってユー
ザの目20の網膜22上に直接投射される光子のラスターを
生成することを目的とするものである。必ずしも必要と
することではないが、目20の瞳26が移動するにつれて光
線により走査されるラスターの位置を再設定するための
追跡システム（目追跡器）24を用いて、光線の束を目の
入射側の瞳に一致させることが要望される。目の追跡シ
ステム24は、目の移動に伴って網膜上に走査される画像
または画像の焦点を変えるためのフィードバック機構と
しても使用できる。それゆえに、ユーザは、このユーザ
の目の移動に伴って次々に展開する画面の異なる部分に
ユーザ（彼）自身が焦点を定めていることに気づく。上
記の図１だけでなく後述の図においても、目20に入射さ
れるようにして図示される点線は、ある瞬間的な時期の
光線の束の範囲ではなく、走査の範囲を示していること
に注意すべきである。
光子生成器12は、レーザのような可干渉性の光線を生
成するか、または、１つもしくは複数のLEDを用いるよ
うな非干渉性の光線を生成する。更に、赤色と緑色と黄
色または青色の光線のビームは、RGYまたはRGBビデオ信
号によって変調された後に、カラー化された光子をユー
ザの目に直接走査する。仮想網膜表示装置の帯域幅を節
減するために、複数種の単色ビームまたは多数グループ
のカラー・ビームが変調され、かつ、網膜に対して平行
に走査されることが可能である。そこでは、光子の変調
に用いられるビデオ情報は、異なる部分または領域に分
割されると共に、各色の単色ビームまたはカラー・ビー
ムのグループは、後述のように、異なる部分のビデオ情
報に関連している。更に、光子生成器12、変調器14、ス
キャナ16、および投射光学系18中の１つまたは複数の要
素によって実行される機能は、システムで用いられる実
際の構成要素に基づき僅かな要素によって実行されるよ
うに組み合わせられることに注目すべきである。例え
ば、音響光学的偏向器は、光子生成器12の光線を変調
し、かつ、この変調した光線を少なくとも１つの方向で
走査するために使用することができる。更に、レーザ位
相調整アレイは、光子生成器、変調器、および、１つま
たは恐らく２つのスキャナの機能を下記のように実行す
るために使用することができる。
仮想網膜表示装置10の構成要素は、小形であると同時
にコンパクトかつ軽量なので、この仮想網膜表示装置10
は、ヘルメット、または、構造的な支持を行うために精
巧な頭部装着装置を必要とせずに、ユーザの頭部に容易
に取り付けることができる。更に、光子生成器12および
変調器14は、スキャナ16および投射光学系18から分離す
ることができる。それゆえに、スキャナ16および光学系
18のみユーザの頭部に取り付けることが必要であり、変
調された光子は、スキャナに対し１つまたは複数の単一
フィラメント形の光ファイバを介して結合され得る。
好適な実施例に於いて、マイクロスキャナは光子を走
査するために用いられる。それゆえに、このようなマイ
クロスキャナは、小形で薄く、かつ、電気的な駆動信号
または偏向信号に応じて光子を走査するように偏向され
る。したがって、光子生成器、変調器、およびスキャナ
は、仮想網膜表示装置10に適した頭部装着構造とするた
めに、1.5インチ（約38.1mm）の幅と0.25インチ（約6.3
mm）の厚み或いはそれ以下の寸法でかつ１オンス（約2
8.3g）未満の重量のように非常に小型でもって製作でき
る。
本発明の一実施例に従って、図２に図示されるよう
に、高分解能のスキャナは、２次元ラスター・パターン
に於いて水平方向および垂直方向の両方向でビーム光線
を偏向するために用いられる。ここでは、ビームの焦点
を設定して実像を目の正面に形成する目的で、レンズを
使用することはしない。その代わりに、目のレンズ29
は、網膜の後部のポイントにビームの焦点を設定する。
この場合、ビームの焦点のポイントの位置は、変調され
た光子をスキャナ16が走査するように網膜を走査する。
平行光線ビームの偏向角度は、あたかも画像が確認者か
ら一定の距離だけ離れて走査されたようにして、予め定
められた任意の目の位置に相応する網膜上に焦点設定が
なされたスポットの位置に対応している。
光線の強度は、要望されるコントラストの画像を作成
するために、ビーム信号によって変調される。したがっ
て、ユーザの目が移動するときに、このユーザは、画面
の異なる部分を見ていても、固定された画像を認識す
る。画像の側面の状態は走査角度に比例する。アナモル
フィック（Anamorphic）な光学系は、走査される光子の
位置合わせを行い、かつ、認識される画像の数を評価す
るために必要なものとして使用される。スキャナの開口
部が狭められた画像を形成することによって、この画像
に比例して大きくなるような走査角度が生成される。こ
れ以外の方式の場合、スキャナ画像のサイズは、光線が
目に入る限り不具合な状態になる。
さらに詳しく説明すると、図２に図示されるように、
光子生成器12からの光線または光子は、シリンダー・レ
ンズ30および球形レンズ32を介して、第１の方向、すな
わち、水平の方向に光子を走査する音響光学的偏向器34
に投射される。上記のシリンダー・レンズは、光子生成
器12からの光線ビームが音響光学的偏向器34の開口部全
体にいきわたるように、上記光学生成器12からの光線ビ
ームを水平の方向に広げる。球形レンズ32は、音響光学
的偏向器34に突き当たるべき光線が水平方向にかつ平行
に進むようにする。
音響光学的偏向器34は、駆動信号として音響光学的偏
向器34の変換器に印加されるようなライン36のビデオ信
号に応答する。さらに、上記の音響光学的偏向器は、光
子生成器12からの光子または光線の強度を変調し、か
つ、このようにして変調した光線を光子生成器12から第
１の方向、すなわち、水平方向に走査する。ライン36の
ビデオ信号は、一般に38の参照数字が付けられているビ
デオ駆動システムにより供給される。このビデオ駆動シ
ステムは、ビデオ・コントローラ42を含んでいる。
上記のビデオ・コントローラ42は、例えばフレーム・
バッファ40のようなビデオ生成器を有することも可能で
ある。このフレーム・バッファ40は、ライン56のビデオ
信号（ビデオデータ信号）と、各々の水平同期信号およ
び垂直同期信号を供給する。さらに、ビデオ・コントロ
ーラ42は、マイクロプロセッサを有することも可能であ
る。このマイクロプロセッサは、ROM46等に記憶されて
いるソフトウェアに従って動作し、かつ、スクラッチ・
パッド・メモリ（Scratch Pad Memory）のためにRAM48
を使用する。ビデオ生成器40からの水平同期信号は、ラ
ンプ生成器50によってランプ波形に変換される。このよ
うにして変換された水平同期ランプ波形は、電圧制御形
発振器（VCO）52に印加される。非常に高い音（かん高
い音）を発生するように変動する周波数を有するランプ
入力に相応する信号を供給する。電圧制御形発振器52の
出力は増幅器54に印加される。この増幅器54の利得は、
ビデオ生成器40から出力されるビデオデータ信号56によ
って変更される。それゆえに、増幅器54から出力される
ビデオ信号は、ライン56のビデオ情報に従って変動し、
かつ、非常に高くされた状態で変動するような周波数を
有する振幅を備えている。
ライン36のビデオ信号は、音響光学的偏向器34の変換
器を駆動する目的で印加される。ビデオ情報に基づきラ
イン36の駆動信号の振幅を変えることにより、音響光学
的偏向器34は、光子生成器12からの光線の強度をビデオ
情報で変調することができる。ライン36の駆動信号の周
波数を非常に高くした状態に変更することにより、音響
光学的偏向器は、第１の方向、すなわち、水平方向に光
線を走査するように、光線が偏向される角度を変えるこ
とが可能になる。
一対の球形レンズ64、68は、水平方向に走査される光
線または光子を垂直スキャナ62上に描く。そこでは、一
方のシリンダー・レンズ68は、光線を垂直方向に広げる
ことによって、この光線が垂直スキャナ62の開口部全体
にいきわたるようにする。垂直スキャナ62は、例えば、
検流計からなる。ビデオ生成器40から出力される垂直同
期信号は、ランプ生成器58によってランプ波形に変換さ
れ、かつ、増幅器60によって増幅されて垂直スキャナ62
を駆動する。垂直スキャナ62を走査する速度は、水平ス
キャナ34を走査する速度より遅い。それゆえに、垂直ス
キャナ62の出力は光子のラスターになり得る。この光子
のラスターは、屈折レンズ、ミラー、およびホログラフ
要素等のような環状または球形光学的要素72の形態にな
る投射光学的要素によって、ユーザの目20に直接投射さ
れる。
環状または球形光学的要素72は、走査された光子の最
終的な画像作成と、上記光子の減少化を提供する。さら
に詳しく説明すると、環状または球形光学的要素は、走
査された光子が目20の入射側の瞳26の近くで一致するよ
うに、上記光子を転送する。ここでは、スキャナ開口部
の狭められた画像が形成されるので、偏向角度は、視界
と画像サイズとが互いに逆比例の関係にあるようなラグ
ランジュ（Lagrange）不変式に従って乗算される。走査
される光子のサイズ、すなわち、仮想網膜表示装置の射
出側の開口部が狭められると、目によって認識される画
像の視界が広がる。
光学的要素72は、表示システムの外部から光線を送り
出さないようにするための光遮蔽要素になる。二者択一
的に、上記の光学的要素72は、ユーザが実際に要素72を
通して視覚的に確認することができるように、光透過性
に製作することも可能である。この場合、ユーザは、実
際に重ね合わされて仮想網膜表示装置10により作成され
るような、走査の対称となる仮想画像を認識する。更
に、光学的要素72は、外界と表示された架空画像との間
のコントラストを維持することができるように、光透過
性を可変自在にした状態で製作することが可能である。
受動的で可変自在の光透過性要素72は、周囲の光線の関
数として光学的要素の光透過性を変更するように、光線
に感応するホトクロミック部材を光透過性要素間に挟み
込むことによって形成される。能動的で可変自在の光透
過性要素72は、液晶部材を含むことが可能である。光セ
ンサは、周囲の光線の量を検出する構成要素として用い
られる。液晶部材のバイアス電圧は、要素72の光透過性
を能動的に変えることができるように、検出光線に応じ
て変化する。
図２に関して更に説明されるシステムは、単眼の素子
である。この場合、立体システムを提供するために、第
２仮想網膜表示装置10′は、第１仮想網膜表示装置10
（前述の仮想網膜表示装置10に対応）と平行して用いら
れる。さらに、上記の第２仮想網膜表示装置10′は、直
接、ユーザの第２の目20′に対し適切なビデオ情報でも
って変調される走査光子を投射する。このような走査光
子を投射することにより、両眼の深さの情報のための媒
体が提供されるので、表示される物体は異なる深さで現
れる。
しかしながら、物体の各々の画素は、ユーザから同じ
距離で現れるので、立体的なキューと単眼のキューとの
間に潜在する不一致が生ずる。そこでは、立体的なキュ
ーは、左右各々の目を基準にする物体の位置設定を処理
し、単眼のキューは、網膜上に描かれる物体の光線の焦
点を処理する。さらに詳しく説明すると、従来の仮想画
像表示装置の場合、各々の単眼の画像面は、一般的に、
光学的に無限の距離で焦点設定がなされ、仮想画像内部
の画素の各々が所定の距離で現れるようにしていた。し
かしながら、２つの従来の単眼システムを組み合わせて
両眼の視界を形成した場合、距離のキューと、焦点また
は調節用キューとの間に潜在する不一致が生ずるという
問題が発生していた。
本発明の仮想網膜表示装置は、単眼表示システム10、
または表示装置10、10′から形成された両眼表示システ
ムの何れかの表示システムに対し調節用キュー70を用い
ることにより、上記の問題を解決している。調節用キュ
ー70は、仮想画像の各々の画像要素に応じて認識される
深さを瞬時に制御するために、走査光子の焦点、収斂ま
たは発散を変えるように制御される焦点設定素子または
深さのキューとして機能する。それゆえに、本発明に従
って、真の深さの認識は、個々の画素の焦点、収斂また
は発散を制御することにより、個々の深さに相応して各
々の画素を変調して達成される。
調節用キュー70は、形状を瞬時に変えるような反射面
を含んでいる。例えば、変形自在の膜を有する小形のミ
ラーが、調節用キューを形成するために用いられる。こ
の変形自在の膜は、装填されたり開放されたりしたとき
に、その形状が変えられる。この場合、上記の膜の変形
は、電気駆動信号によって変えられ、深さに応じて各画
素の収斂または発散を制御する。調節キュー70の駆動
は、ビデオ・コントローラ42によって提供される。この
ビデオ・コントローラは、例えば、Ｚ軸ビデオ情報バッ
ファをメモリ48またはビデオ生成器40に記憶すると共
に、代表的なフレーム・バッファに２次元のビデオ情報
を記憶する。
本発明の仮想網膜表示装置10の更なる実施例（第２の
実施例）が、図３に描かれている。この更なる実施例で
は、カラー化された光子をユーザの目の網膜上に直接走
査するようにしている。図３に図示されるように、光子
生成器12は、赤色光子生成器80、緑色光子生成器82、お
よび青色光子生成器84のようなカラー・レーザまたはLE
Dを含んでいる。青色光子生成器が使用できない場合、
黄色光子生成器が使用できる。上記の生成器80、82、お
よび84からのカラー光子は、ビデオ生成器40の各々のRG
Bビデオ情報で変調され、ビーム結合器／分散予備補償
器86によって結合される。ビーム結合器／分散予備補償
器86の出力は、シリンダー・レンズ30と球形レンズ32に
よって水平スキャナ34に投射される。
水平スキャナは、図２に図示される音響光学的偏向器
以外のものになり得ることにも注目すべきである。例え
ば、後述する共振形の機械的スキャナ、または種々のタ
イプのマイクロスキャナを、水平スキャナに使用するこ
とができる。スキャナ34から出力され、かつ、水平方向
に走査されるカラー変調光子は、分散補償器88に投射さ
れる。さらに、この分散補償器88の出力は、一対の球形
レンズ64、68によって垂直スキャナ62に投射される前に
プリズムに投射される。
垂直スキャナ62の出力から走査されるカラー光子ラス
ターは、球形レンズ92によってオフセット・ミラー96に
投射される。このオフセット・ミラー96は、瞳が移動す
るにつれて、目20の入射側の瞳26に直接相応して光子の
ラスターの位置を設定するために、目追跡器106によっ
て移動させられる。
或る一つの実施例では、ビーム分割器100は、目20の
角膜から反射された画像を、レンズ102および位置感知
ダイオード104に向ける。この位置感知ダイオード104
は、瞳26の位置を検出するために、目追跡器106に結合
される。瞳の検出位置に応じて、目追跡器は、オフセッ
ト・ミラー96の位置を適正に定める。さらに詳しく説明
すると、仮想網膜表示装置の射出側の瞳または開口部
が、目の入射側の瞳にほぼ合わされるか、または、走査
角度を調整して変更されるビデオ情報を次に述べるよう
に反映するか、またはその両方の動作を実施することに
よって、オフセット・ミラー96の位置が設定されること
になる。
目追跡器106によって決定される瞳26の瞬時位置も、
マイクロプロセッサ44がビデオ情報を送り出してカラー
光線を変調するように、ビデオ・コントローラ42に伝え
られる。そこでは、ビデオ情報は、ユーザの視界の方向
の変動を反映している。さらに詳しく説明すると、検出
された瞳位置は、マイクロプロセッサ44によって用いら
れ、フレーム・バッファ40に記憶されているビデオ情報
の“視覚的に感知される窓”の位置を定める。フレーム
・バッファ40は、例えば、次々に展開する視界を表すビ
デオ情報を記憶する。さらに、視覚的に感知される窓の
位置は、ユーザが認識すべき部分を決定し、視覚的に感
知される窓の内部に属するビデオ情報は、光子生成器12
の光線を変調するために用いられる。
音響光学的偏向器34は、赤色光線を緑色光線より多く
回折し、かつ、緑色光線を青色光線より多く回折するの
で、この回折に関する変動を補償しなければならないこ
とに注意すべきである。本発明に従って、このような回
折の変動は、赤色と緑色と青色の光子を適切な赤色と緑
色と青色のビデオ情報で変調するために、赤色と緑色と
青色の光子生成器80、82、および84にそれぞれ結合され
るRBGビデオ信号を、遅延素子108、110および112を介し
て適正に遅延することにより補償することができる。
図４に図示される本発明の仮想網膜表示装置の別の実
施例では、合成ビデオ信号またはRGBビデオ信号は、デ
ジタル式のビデオ走査コンバータ120によって受信され
て、走査される画像の複数の部分または領域を表す多数
の区画に分離される。各々の部分を表すビデオ増幅器12
4から出力される多数のビデオ駆動信号は、光子生成器1
2の光線を平行に変調するために用いられる。光子生成
器は、放出ダイオードのアレイ、または、高輝度の発光
ダイオードのアレイから構成される。赤色と緑色と黄色
または青色の光線の多重ビームは、分割される部分また
は領域の各々に対して平行にビデオ信号でもって変調さ
れ、直接的にまたは単一フィラメント形の光ファイバに
よってマイクロスキャナ16に伝えられる。マイクロスキ
ャナ16は、基本的に次の２つの機能を実行する。第１
に、マイクロスキャナは、２つの軸で各々の部分または
領域に関連する多重カラー・ビームを走査し、架空画像
の代わりに網膜上に光線のラスターを作成する。そこで
は、光子生成器12と目20との間に画像面が存在しない。
第２に、マイクロスキャナ16は、目追跡器24によって感
知される目の瞬間的な入射側の瞳26に応じて、走査光線
の位置を定める。
さらに詳しく説明すると、スキャナ16は、第１マイク
ロスキャナ（マイクロスキャナ１）132を含んでいる。
この第１マイクロスキャナ132は、カラー・ビームを水
平方向に走査するために、偏向増幅器136から出力され
るＸ軸偏向信号に感応する。そこでは、偏向増幅器136
は、走査生成器122からの水平同期信号によって駆動さ
れる。第２マイクロスキャナ（マイクロスキャナ２）13
4は、偏向増幅器136からのＹ偏向信号に感応する。この
場合、Ｙ偏向信号に感応するのは、水平走査カラー光子
を垂直方向に走査するために、走査生成器122からの垂
直同期信号または偏向信号によって第２マイクロスキャ
ナ134が駆動されるときである。走査視準レンズ140は、
３色結合器142に投射される２次元の変調光線フィール
ドを受信する。この３色結合器142は、マックスウェル
視（Maxwell−View）光学的システム148に対し走査光線
を順に投射する。このマックスウェル視光学的システム
148は、走査カラー光子をラスター位置偏向器に投射す
る。このラスター位置偏向器は、２軸ガルボ・ミラー
（Two Axis Galvo Mirrors）を含んでいる。さらに、こ
の２軸ガルボ・ミラーは、例えば、三色性のコーティン
グ（Trichoric coating）を備えた結合器152のような環
状光学的要素に走査光線を順に投射する。ここで、環状
結合器152は、走査カラー光子を目20に直接投射する。
目の追跡のために、目追跡器24は、赤外線発生源を含
んでいる。この赤外線発生源は、図４に図示されるよう
に、低輝度の赤外線でもって目の表面を直接的または間
接的に照射する。目の表面は、ラスター位置偏向器150
から、結合器142とレンズ140と荷電結合素子CCDアレイ
とを通して視覚的に確認される。CCDセンサ146からの信
号は、瞳位置プロセッサ154によって処理されて、各々
のカラー偏向増幅器158とラスター位置設定用ミラー150
に結合されるゼロ信号△Ｈ、△Ｖを生成し、走査光子を
ユーザの目20の瞳に追従させる。
本発明の使用に適した発光ダイオード・アレイの例
が、図５に図示されている。Ｘ−Ｙ視界が2,000x2,000
分解のスポットまたは画素のアレイから構成されると考
えられる場合、これらのスポットは、約200MHzの情報帯
域幅を有するために毎秒50回更新しなければならない。
高輝度のLEDは、一般的にいって、200MHz以上でロール
オフを始める電力帯域幅曲線を備えている。
このような事実は、大きく順方向にバイアスされたｐ
−ｎ接合の拡散容量に関連するＲ−Ｃ部の作製に制限を
与える結果になる。システムの帯域幅の基準に適合する
ために、カラーごとに50〜100のLED画素からなる線形ア
レイが用いられる。赤色と緑色と青色の構造の使用は、
これらの３色の各々の50〜100のLEDを要求する。図５に
図示されるように、アレイ200は、LEDチップ201、202、
203〜Ｎを含んでいる。さらに、各々のLEDチップは、LE
D動作エリア205を含んでいる。このLED動作エリアは、G
aAsP（ガリウム砒素燐）合金と、Si3N4（窒化シリコ
ン）からなる絶縁性覆い部（Dielectric Overlayer）と
を含むこともできる。
レーザ位相調整アレイは、図６に図示されるように、
光子生成と、ビデオ変調と、少なくとも１つの方向の走
査とを実行するように機能する。上記のレーザ位相調整
アレイは、薄膜導波管210と、位相変調器電極212と、適
切に（Cleaned）結合された空隙部214と、レーザ空隙部
216とを含んでいる。ここで、上記のアレイは、約10mW
電力の可干渉性のビームを放出する。
２つの隣接して離隔されたレーザが同じ材料のチップ
により作製されるときに、これらのレーザの光学的フィ
ールドが結合されるので、２つのレーザ素子に於ける光
学的放出のプロセスは相関関係にありかつ干渉する関係
になる。このような関係は、上記のレーザの対から放出
されるような良好に定められた同位相波面を導く結果に
なる。数多くのレーザ空隙部216を備えたレーザ位相調
整アレイ220に於いて、光学的ビームは、二つのレーザ
が互いに10ミクロン以内の距離に配置される場合に位相
が干渉する関係になる。このときの分解能は、写真食刻
技術（Photolithographic Techniques）によって実現で
きる。電気光学的変調器は、導波管媒体210の屈折率を
変化させるように動作する。この場合、光学的ビーム
は、自由空間に達する前に上記導波管媒体210中を通過
しなければならない。
変調器毎に電気接点部212を分離することにより、各
アレイの個々のレーザの相対位相は、変調器によって変
調することができる。一連の適正な変調電圧が提供され
る場合、同位相波面のレーザ・アレイ結合ビームは、放
出されたビームが正規の射出方向に対して或る角度で進
入するように変調することができる。一連の適正な変調
電圧を用いると、レーザ・ビームを所定の方向に走査す
ることができる。さらに、付加的なスキャナがレーザを
垂直方向に走査することを不要にするために、２軸レー
ザ位相調整アレイを構成することが可能である。光子を
走査するためのマイクロスキャナ132、134の例が図７に
図示されている。これらのマイクロスキャナは、アクチ
ュエイタ230を含んでいる。このアクチュエイタ230は、
電気駆動信号に応答して３次元の運動を実施することが
可能な圧電バイモルフ・カンチレバー（Piezoelectric
Bimorph Cantilever）からなる。このようなカンチレバ
ー形のアクチュエイタの偏向を適切な駆動信号により制
御することによって、上記アクチュエイタ230は、この
アクチュエイタ230に入射された光子を偏向し、これら
の光子を走査する。
極端に小型に製作できるマイクロスキャナの別の例が
図８に図示されている。このマイクロスキャナは、湾曲
された反射面を備えている。このような形状の反射面
は、同マイクロスキャナに突き当たる光線を或る一つの
方向で走査するように変換する。さらに詳しく説明する
と、マイクロスキャナ240は、圧電材料から形成された
基部、すなわち、アクチュエイタ242を含んでいる。こ
のアクチュエイタ242は、圧電材料から作製される。さ
らに、上記アクチュエイタ242上には、基板244が形成さ
れている。この基板244は、湾曲された反射面246を備え
ている。圧電式のアクチュエイタと基板244は、変動す
る駆動信号に応答して、矢印248の方向で変換動作を行
う。この変換動作においては、変換の方向248に対して
一般的に垂直になる第１の方向で基板の表面246に突き
当たる光線を走査するようにしている。第２マイクロス
キャナ250は、この第２マイクロスキャナに突き当たる
光線を、第１方向と垂直の第２方向で走査することによ
り、ユーザの目の網膜上に直接ラスター画像を走査する
ようにしている。
これまでの説明を鑑みて本発明の種々の変更および変
形が可能になる。したがって、添付の請求の範囲内で、
前述の事例の他にも多くの発明が実施できることが容易
に理解されるであろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ファーネス，トーマス アドリアン，ザ サード アメリカ合衆国，ワシントン 98115, シアトル，フィフティエイトス アベニ ュ ノースイースト 7359 (72)発明者 コリン，ジョエル エス. アメリカ合衆国，ワシントン 98115, シアトル，サーティフィフス アベニュ ノースイースト 6216 (56)参考文献 特開 平３−96913（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 27/02

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ビデオ情報に基づき変調される光子の発生
    源を具備し、 該光子は、第１の方向、および該第１の方向に対し垂直
    になる第２の方向に走査され、かつ、ユーザの目の網膜
    に向けられており、 前記ユーザにおける目の入射側の瞳の位置を検出するた
    めの目位置検出器と、 走査される前記光子を移動させて前記の入射側の瞳とほ
    ぼ一致させるための光子偏向器とを有していることを特
    徴とする仮想画像表示システム。
  2. 【請求項２】前記仮想画像表示システムが、前記ユーザ
    の頭部に取り付けられる請求項１記載の仮想画像表示シ
    ステム。
  3. 【請求項３】前記光子の発生源が、可干渉性の光線を生
    成する請求項１記載の仮想画像表示システム。
  4. 【請求項４】前記光子の発生源が、カラー化された光線
    生成器を含んでいる請求項１記載の仮想画像表示システ
    ム。
  5. 【請求項５】前記光子の発生源が、非干渉性の発光素子
    のアレイを含んでいる請求項１記載の仮想画像表示シス
    テム。
  6. 【請求項６】前記光子の発生源が、レーザ位相調整アレ
    イを含んでいる請求項１記載の仮想画像表示システム。
  7. 【請求項７】前記ビデオ情報が、複数の画像要素のビデ
    オ画像を表しており、 前記仮想画像表示システムが、前記ビデオ画像の各々の
    画像要素に対して認識される深さを制御するために、走
    査される前記光子の焦点を変更する手段を含んでいる請
    求項１記載の仮想画像表示システム。
  8. 【請求項８】前記ビデオ情報の発生源を含んでおり、該
    ビデオ情報の発生源は、前記光子が変調されるビデオ情
    報を変更するために、前記の瞳の位置の動きに感応する
    請求項１記載の仮想画像表示システム。
  9. 【請求項９】前記ビデオ情報が、複数の領域のビデオ画
    像を表す複数のビデオ信号を含んでおり、前記光子が、
    該複数のビデオ信号によって平行に変調されかつ平行に
    走査される請求項１記載の仮想画像表示システム。
  10. 【請求項１０】ビデオ情報に基づき変調される光子の発
    生源と、 変調された前記光子を走査システムに結合するための単
    一フィラメント形の光ファイバとを具備し、 該走査システムは、ユーザによって認識される仮想画像
    を作成するために、前記ユーザの目の網膜上に前記光子
    を直接走査するように構成されることを特徴とする仮想
    画像表示システム。
  11. 【請求項１１】前記光子の発生源が、可干渉性の光線を
    生成する請求項10記載の仮想画像表示システム。
  12. 【請求項１２】前記光子の発生源が、非干渉性の光線を
    生成する請求項10記載の仮想画像表示システム。
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