JP7213002B2 - アドレス指定可能な焦点手がかりを用いた立体視ディスプレイ - Google Patents

Description

本出願は、２０１２年１０月１８日付で出願され、この参照によりその全部が本明細書内に組み込まれる、米国仮出願第６１／７９５，５００号に対する優先権の利益を主張するものである。

本発明は、全米科学財団（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ：ＮＳＦ）により授与された第ＩＩＳ０９１５０３５号の下に政府支援を得てなされたものである。本発明について、政府は一定の権利を有する。

本発明は、立体視ディスプレイに関し、より具体的に、しかし排他的にではなく、アドレス指定可能な焦点手がかりを用いた立体視ディスプレイに関する。

従来の立体視３次元ディスプレイは、両眼視差に基づいた奥行きの錯視を生じさせ、視聴者から固定距離離れた位置に、１対の遠近感のある２次元画像から３次元の光景を描画する。したがって、従来の立体視ディスプレイは、調節手がかりおよび輻輳手がかりの不自然な非干渉化を強い、知覚された奥行きのゆがみ、複視、視覚的不快感、および疲労などの、立体視ディスプレイにおける様々な視覚的な画像の乱れの原因となることがある。ボリュメトリックディスプレイ、ホログラフィックディスプレイ、および多焦点面ディスプレイのように、従来の立体視ディスプレイの欠点を克服できる多くの方法が提案されている。しかし、調節／輻輳（ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎ－ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ）の根本的な問題を解決し、かつまた高画質かつフリッカーフリーの速度で大きな体積の連続３次元光景を描画する光学的シースルー立体視ディスプレイを開発する必要がある。

アドレス指定可能な焦点手がかりを用いた立体視ディスプレイは、３次元仮想物体の正確なまたはほぼ正確な焦点手がかりを描画する機能を提供するうえでの根本的な調節／輻輳問題を解決するための、将来的に最も有望な方法の１つである。従来の立体視ディスプレイとは異なり、アドレス指定可能な焦点手がかりを用いた立体視ディスプレイは、視聴者の関心のある領域に基づいて能動光学素子によって仮想表示の焦点距離を動的に変化させる、可変焦点表示モードとして知られる機能、または視聴者の関心のある領域を追跡する必要なくフリッカーフリーの速度で複数の焦点面を表示する、多焦点表示モードとして知られる機能のいずれかを可能とする。例えば、多焦点面ディスプレイは、視軸上に綿密に配置された複数の個別の焦点距離の位置に遠近感のある２次元画像を表示する。これらの個別の焦点面は、３次元光景の体積を複数のゾーンとしてサンプリングし、各ゾーン内の物体は、図１に示すように、このゾーンに対応する隣り合った１対の焦点面によって描画される。したがって、多焦点面ディスプレイは、異なる奥行きにある仮想物体のための正確なまたはほぼ正確な焦点手がかりを描画することができる。ホログラフィックディスプレイおよびボリュメトリックディスプレイのような多視点ディスプレイとは対照的に、多焦点面ディスプレイは固視点ディスプレイである。視点位置を制限することにより、多焦点面ディスプレイシステムは、少数の視点を表示するだけでよい。また、多焦点ディスプレイは、２次元表示における視差、閉塞、および遠近法、ならびに正反射および陰影などの視角依存性の照明効果の描画を維持することができる。実運用上は、多焦点面ディスプレイの実施は、空間多重化または時間多重化の２つに分類することができる。空間多重化システムでは、複数の２次元表示を積み重ねることにより多焦点機能が実現される。より洗練された別の方法である時間多重化システムでは、単一の２次元表示からの画像の焦点距離が、複数の焦点面のフレーム描画と同期した能動光学素子によって高速で切り替えられる。一般に、多焦点面ディスプレイは、光学系の配置をあまり変更せずに可変焦点モードで使用できるようにすることが容易である。

さらに、最近では、この参照によりその内容が本明細書内に組み込まれる共同所有の米国特許出願公報第２０１１／００７５２５７号に反映されているように、奥行き知覚が改善されたアドレス指定可能な焦点面を有しながらも必要な計算能力を既存の方法よりもかなり軽減した、ヘッドマウント式とすることのできる立体視ディスプレイの分野で進捗が見られる。しかし、アドレス指定可能な焦点手がかりを用いた立体視ディスプレイにおいて向上した撮像性能を提供できる光学撮像システムの必要性が、依然として存在する。

本発明は、その一観点において、ユーザーに向けて表示するための仮想画像を提供するマイクロディスプレイを有する、アドレス指定可能な焦点手がかり（ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ ｆｏｃｕｓ ｃｕｅｓ）を用いた仮想ディスプレイシステムを提供することができる。また、可変屈折力を提供するように構成された能動反射光学素子を提供することもできる。リレーレンズの共役平面に前記マイクロディスプレイと能動光学素子とを配置するようにして、前記マイクロディスプレイと前記能動光学素子との間の光路上に前記レリーレンズを配置することができる。前記マイクロディスプレイと前記能動光学素子との間の光路上に、前記能動光学素子から光放射を受光する方向に、ビームスプリッターを配置することができる。さらに、前記ビームスプリッターから光放射を受光し、受光した前記放射を前記システムの射出瞳に向けて反射させて仮想表示光路を提供するように構成された選択面を含む、シースルー接眼レンズを設けることもできる。前記選択面はまた、前記マイクロディスプレイ以外の（現実世界などの）光源から光放射を受光し、当該光放射を前記射出瞳に透過させてシースルー光路を提供するように構成することもできる。前記接眼レンズはフリーフォームのプリズム形状を含むことができ、具体的には、前記ビームスプリッターから光放射を受光し、これを屈折させるように構成された第１の面を含むことができ、かつまた前記第１の面から屈折した前記光放射を受光するように構成され、前記光放射を前記接眼レンズの前記選択面に向けて反射させるように構成された第２の面を含むことができる。前記第２の面は、前記光放射を内部全反射させるように構成することができ、また前記接眼レンズの前記面のうちの１つ以上は、回転非対称な面を有することができる。

本発明は、その別の観点において、ユーザーに向けて表示するための仮想画像を提供するマイクロディスプレイを有するアドレス指定可能な焦点手がかりを用いた仮想ディスプレイシステム、および光放射を前記マイクロディスプレイから前記システムの射出瞳へと反射させるように構成された反射光学素子を有する接眼レンズを提供することができる。可変屈折力を提供するように構成された能動屈折光学素子を有するリレーレンズを、前記マイクロディスプレイと前記接眼レンズとの間の光路に沿って配置して前記マイクロディスプレイから前記接眼レンズに画像を中継することができる。前記リレーレンズは前記第１および第２のレンズ群を含み、当該第１のレンズ群と第２のレンズ群はその間に位置する前記能動光学素子と共に前記光路に沿って配置される。さらに、ビームスプリッターを、前記マイクロディスプレイと前記接眼レンズとの間の前記光路に沿って配置し、前記マイクロディスプレイ以外（現実世界など）の光源からの光放射を受光し、これを前記射出瞳に透過させてシースルー光路を提供するように構成することができる。前記接眼レンズは球面鏡を有することができ、前記システムは前記マイクロディスプレイ内でテレセントリックであることができる。前記システムはまた、３よりも小さいＦ値を有することができる。

本発明の前述の概要および以下の例示的な実施形態の詳細な説明は、添付の図面と併せて読むと、より深く理解することができる。
図１は、視聴者に対する複数の焦点面によって描画された３次元物体の概略図である。 図２は、本発明に係る例示的なディスプレイシステムの非屈曲光路の概略図である。 図３Ａは、本発明に係る例示的なディスプレイシステムの仮想表示光学系の２次元配置の概略図である。 図３Ｂは、図３Ａの例示的なディスプレイシステムであるが、シングレットではなく２つの光学素子を有する視野レンズを有する２次元配置の概略図である。 図３Ｃは、図３Ａおよび３Ｂのフリーフォーム接眼レンズおよび補償板がシースルー光路を示す概略図である。 図３Ｄは、図３Ａおよび３Ｂのフリーフォーム接眼レンズおよび補償板がシースルー光路および表示光路の両方を示す概略図である。 図４Ａ～４Ｅは、図３Ｂの仮想ディスプレイシステムの表示光路を通る多色ＭＴＦの図である。 図４Ａ～４Ｅは、図３Ｂの仮想ディスプレイシステムの表示光路を通る多色ＭＴＦの図である。 図４Ａ～４Ｅは、図３Ｂの仮想ディスプレイシステムの表示光路を通る多色ＭＴＦの図である。 図４Ａ～４Ｅは、図３Ｂの仮想ディスプレイシステムの表示光路を通る多色ＭＴＦの図である。 図４Ａ～４Ｅは、図３Ｂの仮想ディスプレイシステムの表示光路を通る多色ＭＴＦの図である。 図４Ｆは、図３Ｂの仮想ディスプレイシステムの表示光路を通るゆがみグリッドの図である。 図５Ａ～５Ｅは、図３Ｂの仮想ディスプレイシステムのシースルー光路を通る多色ＭＴＦの図である。 図５Ａ～５Ｅは、図３Ｂの仮想ディスプレイシステムのシースルー光路を通る多色ＭＴＦの図である。 図５Ａ～５Ｅは、図３Ｂの仮想ディスプレイシステムのシースルー光路を通る多色ＭＴＦの図である。 図５Ａ～５Ｅは、図３Ｂの仮想ディスプレイシステムのシースルー光路を通る多色ＭＴＦの図である。 図５Ａ～５Ｅは、図３Ｂの仮想ディスプレイシステムのシースルー光路を通る多色ＭＴＦの図である。 図５Ｆは、図３Ｂの仮想ディスプレイシステムのシースルー光路を通るゆがみグリッドの図である。 図６Ａは、図３Ｂのディスプレイシステムのリレー光学系を有するフリーフォーム接眼レンズの３次元配置の概略図である。 図６Ｂは、図６Ａのディスプレイシステムの組み立て後のフリーフォーム接眼レンズおよび補償板の３次元Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓモデルの概略図である。 図７Ａは、図３Ｂの設計に従って作製されたプロトタイプの接眼レンズを通して捕らえた、視野４０度および奥行き３ディオプターの、奥行き融合した６焦点面の３次元光景の図である。 図７Ｂおよび７Ｃは、図３Ｂの設計に従って作製したプロトタイプの、それぞれ２ｍおよび３０ｃｍに焦点を合わせたカメラで捕らえた、６焦点面の３次元光景の図である。 図７Ｂおよび７Ｃは、図３Ｂの設計に従って作製したプロトタイプの、それぞれ２ｍおよび３０ｃｍに焦点を合わせたカメラで捕らえた、６焦点面の３次元光景の図である。 図８Ａは、２面の焦点面をそれぞれ１．２Ｄおよび１．８Ｄに配置し、輝度比を１：１とした二重焦点面表示内の調節の関数としての網膜像ＭＴＦの図である。 図８Ｂは、異なる空間周波数のコントラスト勾配を示す調節の関数としての網膜像のコントラストの図である。 図９Ａおよび９Ｂは、それぞれ焦点面間の間隔が増加するとき、および眼の瞳孔の大きさが増加するときに、遷移点の空間周波数が低下する図である。 図９Ａおよび９Ｂは、それぞれ焦点面間の間隔が増加するとき、および眼の瞳孔の大きさが増加するときに、遷移点の空間周波数が低下する図である。 図１０Ａおよび１０Ｂは、本発明に係るさらなる例示的なディスプレイシステムの仮想表示光学系の、それぞれ２次元配置および３次元配置の概略図である。 図１０Ａおよび１０Ｂは、本発明に係るさらなる例示的なディスプレイシステムの仮想表示光学系の、それぞれ２次元配置および３次元配置の概略図である。 図１１は、選択的に採用可能な表示照明光路を伴う図１０Ａのリレーレンズ群の２次元配置の概略図および要素の説明である。 図１２Ａおよび１２Ｂは、図１０Ａ～１１の系のそれぞれ多色ＭＴＦおよび視野曲線の図である。 図１２Ａおよび１２Ｂは、図１０Ａ～１１の系のそれぞれ多色ＭＴＦおよび視野曲線の図である。

ここで、本発明の一観点による、すべての図を通して同様の要素には同様の番号を付した図を参照すると、図２は、アドレス指定可能な焦点手がかりを用いた奥行き融合型多焦点面立体視ディスプレイ（ｉｎ ｄｅｐｔｈ－ｆｕｓｅｄ ｍｕｌｔｉ－ｆｏｃａｌ－ｐｌａｎｅ ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ ｄｉｓｐｌａｙｓ）において高画質を提供するために特に好適な例示的な光学系の一次非屈曲光路を概略的に図示している。図３Ａおよび３Ｂは、図２の配置に従った具体的な設計を概略的に図示しており、図３Ａでは第１の光学系１００が単一の視野レンズ１８を有し、図３Ｂでは別の方法の系２００が２つの素子１７および１９から成る視野レンズ１８を有している。（視聴者の一方の眼に供する１組の光学系を図示しているものの、最終的な立体視装置では、このような光学系を各々の眼に１組のずつ、２組提供されることが分かる。）

前記設計の関連性のある特徴は、デジタル・マイクロ・ミラー装置（ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｃｒｏ－ｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ：ＤＭＤ）６０などのから接眼レンズ１２の前部に前記画像を中継するリレーレンズ群２０が含まれていることである。前記レリーレンズ群２０は、従来の非変形レンズ２１、および図２の膜可変形鏡８０のような能動反射光学素子を含むことができる。前記リレーレンズ２１は、図３Ａおよび図３Ｂの１対のダブレット２２、２４とレンズ２６とを含むことができる。前記膜可変形鏡装置（ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ：ＤＭＭＤ）８０は、前記リレーレンズ２１の焦点面に配置することができ、前記系の絞りとして機能することができる。図２の前記レンズ２１（または図３Ａおよび３Ｂのレンズ２２、２４、および２６）並びに前記ＤＭＭＤ８０は、協働して奥行き融合型多焦点面立体視ディスプレイに特に好適な屈曲両側テレセントリック系を提供することができる。両側テレセントリックリレー２０を設計する利点は、前記ＤＭＭＤ８０上の屈折力が変化しても前記画像の拡大倍率は変化せずに中間画像の位置のみが変化するので、前記系の視野および視点空間の角度分解能が一定に保たれ、複数の焦点面上の対応する画素が１対１で相互に重なり合うことである。このように、図３Ａおよび３Ｂの設計は、さもなくば像の異なる拡大倍率に起因して位置ずれを起こす複数の焦点画像の補正を必要としない奥行き融合技術に非常に好適である。これらの便益は、焦点手がかりおよび調節範囲の解析によってさらによく理解することができる。

前記系が描画することのできる前記３次元体積の奥行き範囲を意味する焦点手がかりまたは調節範囲ΔＤ_{ａｃｃｏｍｏｄａｔｉｏｎ}は、下記式によって決定される。

但し、Φ_ｅｙｅは前記接眼レンズ１２の倍率、Φ_１は前記リレーレンズ２１の倍率であり、およびΔ_ＤＭＭＤは前記可変形鏡８０が変化できる倍率の範囲を示す。上記の等式によって、前記リレーレンズ２０の焦点距離と前記接眼レンズ１２との間の関係が求められる。前記接眼レンズ１２は前記系の絞り、即ち前記ＤＭＭＤ８０を中継して射出瞳を形成するので、所望の前記調節範囲が決定されると、前記射出瞳Ｄ_ｘｐのサイズと前記ＤＭＭＤ８０のサイズとの間の比は固定される。

前記屈曲両側テレセントリックリレーの設計の１つの欠点は、前記ＤＭＤディスプレイ６０の画像に拡大倍率を提供しないことである。したがって、所望の系の視野を得るためには、前記ＤＭＤディスプレイ６０の前部に視野レンズ１８を追加して前記画像を拡大すればよい。（前記ディスプレイ６０は発光型ディスプレイでもよく、または照明光路を通じて照明される反射型ディスプレイであってもよい。）前記視野レンズ１８がもたらす前記拡大倍率は、下記式のとおりである。

このとき、前記系の半視野は下記式となる。

その設計目標、装置の仕様、および力学的考察に基づいて、図３Ａおよび３Ｂの設計の一次系の仕様を表１に掲載する。

フリーフォーム接眼レンズおよび補償板
前記系１００および２００の光学シースルー機能は、ビームスプリッターを使用して、仮想表示光学系（例えば、ＤＭＤ６０、視野レンズ１８、およびリレーレンズ群２０）が妨げとならないようにこれらを屈曲させることにより実現することができる。しかし、この設計における前記接眼レンズ１２が短い焦点距離を有することから、従来の方法で前記系を設計することは非常に困難であった。

この即製の例示的な設計において、より洗練された解決策を模索した。図３Ｃおよび３Ｄに示すように、前記接眼レンズ１２をくさび形をしたフリーフォームのプラスチックレンズとして設計した。前記フリーフォームのプリズム接眼レンズ１２は、それぞれＳ１、Ｓ２、およびＳ３と名付けられた３つの回転非対称な面を含むことができる。図３Ｄの前記仮想表示光路について検討すると、前記ディスプレイ６０の中間画像からの光線は、まず前記面Ｓ３によって屈折する。面Ｓ１およびＳ２によって２度連続して反射した後、前記光線は前記面Ｓ１を透過し、前記系の射出瞳（眼の瞳孔）に達する。前記面Ｓ１は、前記面Ｓ１上で反射する全光線について内部全反射の条件を満たすことが望ましい。前記接眼レンズ１２の面Ｓ２は、前記光学シースルー機能を助長するためにハーフミラーとして被覆することができる。２つの回転非対称な面Ｓ２およびＳ４を含むことのできるフリーフォーム補償板１４を前記接眼レンズ１２に接着することができ、前記２つの部品１２および１４が図３Ｃのように結合されると、現実世界の光景からの光線にもたらされる収差およびゆがみが補償される。さらに、任意選択的に採用できる円柱レンズ１３を前記フリーフォーム補償板１４と一緒に含めて前記シースルー光路の収差およびゆがみを最小限に抑えるために役立てることができる。

所望の前記光学性能を達成するために、ＭＴＦ値を選択して画像の全体的な鮮鋭度を評価した。前記仮想表示系１００は前記接眼レンズ１２から前記ディスプレイ６０へと逆行して設計されたので、その目的は、前記ディスプレイ６０上で、１４μｍの画素サイズのカットオフ周波数である３６ｌｐ／ｍｍの空間周波数で２０％以上のＭＴＦ値を有することであった。人間の眼は１分角の角度分解能を有する。したがって、前記補償板１４は、現実世界の光景の劣化を最小限に抑えるために３０サイクル／度での前記ＭＴＦ値が０．２よりも大きくなるように最適化された。前記系１００および２００のもう１つの重要な光学性能の要素は、画像のゆがみであった。従来の系において、ゆがみは規則的であり、電子的または演算的に容易に補正することができる。しかし、フリーフォームの軸外し光学系を有する系では、前記ゆがみは非常に大きく不規則な場合がある。したがって、前記系１００および２００の設計は、前記視野全体に亘ってサンプリングされたゆがみに対して厳しい制約を有するべきである。前記ゆがみは、前記シースルー視野を通して見る物体の大きさおよび形状を変える可能性があり、したがって３次元知覚に大きな影響を与えるので、前記シースルー光路にとって特に重要である。

設計および最適化の手順
前記系１００および２００の設計には、前記仮想表示光路と前記シースルー光路との２段階が必要であった。前記仮想表示光路について、ＣｏｄｅＶ内に前記リレーレンズ２０および視野レンズ１８と共に前記フリーフォーム接眼レンズ１２を設定し、一緒に最適化した。前記４０度のＦＯＶおよび前記所望の３ディオプターの調節範囲全域に亘ってサンプリングされた視野について、前記表示性能を均衡させた。前記仮想表示の最適化が完了した後、前記フリーフォーム接眼レンズ１２を前記補償板１４と共に設定し、前記補償板の背面Ｓ４をシースルー性能について最適化した。視野の中央部４０度を強調しながら、６０度について前記シースルー性能を最適化した。前記系の性能が向上するに従って前記フリーフォーム面の可変表面係数の数値を徐々に増加することによって、両方の段階に漸進的最適化手順を採用した。

最終的な設計において、前記フリーフォーム接眼レンズ並びに補償板の面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、およびＳ４を第１０次までのＸＹ多項式によって表し、ＰＭＭＡ上での単一点ダイヤモンド回転によりプロトタイプを製作した。図３Ｂの系２００において、前記視野レンズ素子のうちの１つである素子１７を最適化し、回折光学特徴を付加して前記フリーフォーム接眼レンズ１２によってもたらされる色収差を補正した。プロトタイプ製作コストを削減するため、その他のレンズ１９、２２、２４、および２６は、すべて既製品の構成要素である。

３ｍｍの瞳孔について評価した前記仮想表示の多色ＭＴＦ値は、図４Ａ～４Ｅに示すように、４０度の視野全域に亘って３６ｌｐ／ｍｍで０．２よりも大きく、中心視野値は０．５である。また、前記仮想表示の示すゆがみは、図４Ｆに示すように最小限である。３ｍｍの瞳孔について評価した前記シースルー光路の多色ＭＴＦ値は、図５Ａ～５Ｅに示すように、４０度の視野全域に亘って３０サイクル／度で０．４よりも大きい。また、前記シースルー光景のゆがみも、図５Ｆに示すように非常に良好に補正された。図３Ｂの具体的な設計のための処方度数を以下のとおりに提供する。

仮想表示光路のための系の処方度数
表２では、面２番～４番は前記フリーフォーム接眼レンズ１２の仕様を定めている。面２番および４番は、物理的に同一の面を示しており、また接眼レンズの面Ｓ１として表示されている。面３番もまた接眼レンズの面Ｓ２として表示されており、面５番もまた接眼レンズの面Ｓ３として表示されている。面８番～１５番および面１７番～２４番は、複光路内に形成されたリレーレンズ２２、２４、および２６と同様の群である。前記可変形鏡８０は、面１６番に形成される。面２５番および２６番は、４５度の前記ビームスプリッター１６を形成する。面２７番～２８番は前記視野レンズ素子１７を示しており、面２９番～３０番は前記視野レンズ素子１９を示している。

シースルー光路のための系の処方度数
表３では、面２番および３番は、前記仮想表示光路と同様に形成された接眼レンズ面Ｓ１およびＳ３である。面４番および５番は、前記フリーフォーム補償板１４の仕様を定めている。面４番は、面３番（接眼レンズ面Ｓ３）の正確な複製である。

前記系の処方度数の表（例えば、表２および表３）中で使用されるとき、「ＸＹ多項式面」という言葉は、下記の等式で表すことのできる面を指す。

但し、ｚは局部的なｘｙｚ座標系のｚ軸に沿って測定されたフリーフォーム面のたるみ、ｃは頂点曲率（ＣＵＹ）、ｒは半径距離、ｋは円錐定数、Ｃ_ｊはｘ^ｍｙ^ｎの係数である。表中の「非球面」という言葉は、下記の等式で表すことのできる非球面を指す。

但し、ｚは局部的なｘｙｚ座標系のｚ軸に沿って測定された面のたるみ、ｃは頂点曲率、ｒは半径距離、ｋは円錐定数、Ａ～Ｅはそれぞれ４次、６次、８次、１０次、および１２次の変形係数である。

前記第２の視野レンズ素子１７の処方度数に目を向けると、前記視野レンズ素子１７の両面が非球面である。さらに、前記視野レンズ素子１７の面２９番（表２）は、以下の等式によって表すことができるキノフォーム回折光学特徴を有する。

但し、Φは回折素子の位相関数、ｒは半径距離、Ａ～Ｅはそれぞれ４次、６次、８次、１０次、および１２次の位相定数である。前記第２の視野レンズ素子１７の面の処方度数を、表１０～１２に提供する。

円柱レンズを用いない別の方法による例示的な設計
上記の図３Ａおよび３Ｂの設計では、収差およびゆがみを最小限に抑えるうえで役立つように、前記フリーフォーム補償板１４と共に任意選択的に採用可能な円柱レンズ１３を含めている。前記円柱レンズ１３を用いない別の方法の設計もまた提供しており、この設計では、前記仮想表示光路は、図３Ｂおよび表２に示すのと同様である。前記円柱レンズ１３の存在しない前記シースルー光路のその他残りの面についての唯一の違いは、前記接眼レンズ／補償板の面Ｓ２（表３のシースルー光路の面５番）である。表１５では、面２番および３番は、前記仮想表示光路の場合と同様に形成された接眼レンズ面Ｓ１およびＳ３である。面４番および５番は、前記フリーフォーム補償板１４について説明している。面４番は、面３番の正確な複製である。

図３Ｂの系のプロトタイプ
既製品のレンズおよびカスタム化した光学系を用いて図３Ｂの多焦点面ディスプレイシステム２００のプロトタイプを製作した。その３次元表示を図６Ａおよび６Ｂに提供する。視聴者の頭部に当たらないように前記システム２００を屈曲させた。また、前記ＤＭＤ６０（ノルウェー、Ｄｒａｍｍｅｎ市のＶＩＳＩＴＥＣＨ社製ＬＵＸＢＥＡＭ（登録商標）４５００）上の表示画像、前記ＬＥＤ（図示せず）の照明、および前記可変形鏡８０（オランダ、Ｒｉｊｓｗｉｊｋ町のＦｌｅｘｉｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂ．Ｖ．社製ＯＫＯ（登録商標）Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＭＭＤＭ１０－１－ｆｏｃｕｓ）の焦点面の切替えを制御し同期させるために、カスタム電子回路も開発した。

傾斜平面の物体および緑色のフロアグリッド（双方とも０ディオプターから２．５ディオプターまで延在）から構成された連続３次元光景を描画した。前記光景を、前記対象物の奥行き値に基づいて３ディオプター、２．４ディオプター、１．８ディオプター、１．２ディオプター、０．６ディオプター、および０ディオプターに配置した６面の焦点面に分解し、奥行き融合技術を使用して６面の前記焦点面を滑らかな連続体として融合させた。前記３次元光景全体を約６０Ｈｚでリフレッシュしたので、フリッカーは視認できなかった。図７Ａは、前記システムを通して見た６面の前記焦点面の実際の光景を示しているが、前記画像は鮮鋭で、ゆがみは非常に小さかった。特別なアルゴリズムを使用せずとも、前記一定視野設計により、異なる焦点面上の画素が重なり合い、滑らかに融合する。さらに、被写界深度の浅いカメラレンズを使用し、前記光景の異なる部分で手動で焦点を合わせた。図７Ｂでは、バックウォールに分解能ターゲットを表示し、前記カメラの焦点を約２ｍに合わせた。前記フロアグリッドの終端付近では焦点が合っておらず、背景グリッド並びにロゴには鮮鋭に焦点が合っていた。図７Ｃでは、前部焦点面に分解能ターゲットを表示し、前記カメラの焦点を３０ｃｍに合わせた。今度は、近くの光景の焦点が合い、後方のコンテンツがぼやけていた。このように、前記プロトタイプに、高画質高分解能のカラー画像の６面以上の焦点面をフリッカーフリーの速度で描画する能力があることを実証した。前記プロトタイプはまた、拡張現実感アプリケーションのための非常に良好なシースルー光学特性を有していたし、奥行き知覚正確度の向上、立体視力の向上、および利用者の疲労の低減を提供する可能性を有する。

別の方法による例示的な焦点可変レンズ
本発明は、その別の観点において、反射型液晶素子（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ：ＬＣＯＳ）および強磁性反射型液晶（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ：ＦＬＣｏＳ）などの高速表示技術と、電気式焦点可変レンズ３８０などの高速の能動屈折光学素子とを組み合わせて例示的な多焦点面ディスプレイシステム３００を提供する。その具体的な設計は、０．８インチＷＸＧＡ ＬＣＯＳ／ＦＬＣＯＳディスプレイ３６０および１０ｍｍ口径の電気式焦点可変レンズ３８０（スイス、Ｄｉｅｔｉｋｏｎ市のＯｐｔｏｔｕｎｅ ＡＧ社製Ｏｐｔｏｔｕｎｅ ＥＬ－１０－３０）に基づいている。前記焦点可変レンズ３８０は、前記レンズ３８０を通って電流が流れると形状を変化させて屈折力に変化を生じさせる。前記Ｏｐｕｔｏｔｕｎｅレンズ３８０は約２．５ｍｓの応答時間を有するので、多焦点面ディスプレイに使用できる可能性がある。

前記設計の最終的な配置を図１０Ａ～１１に示す。リレーレンズ群（レンズ３０２、３０４、３０６、３８０、３０８、および３１０）が前記画像を球面鏡３１８に中継し、この球面鏡３１８が接眼レンズとして機能し、ユーザーのために仮想画像を形成する。前記鏡３１８は、選択的に非球面であってもよい。シースルー機能を可能とするために、ビームスプリッター３１６が使用されている。前記焦点可変レンズ３８０は前記システムの絞りを提供することができ、前記システムは、ＬＣＯＳ／ＦＬＣｏＳの要件のために前記マイクロディスプレイ３６０に対してテレセントリックであることができる。また、図１１の照明ビームスプリッター３１７のために十分な空間も与えられている。前記システム３００の処方度数を、表１９～２６に提供する。（表１９では、面９番～１２番が前記Ｏｐｔｏｔｕｎｅ電気式焦点可変レンズ３８０を形成する。）前記システムの性能を、図１２Ａおよび１２Ｂに図示する。

全体的な設計上の検討
本発明は、その別の観点において、奥行き融合型ディスプレイ（ｄｅｐｔｈ－ｆｕｓｅｄ ｄｉｓｐｌａｙ：ＤＦＤ）システムの設計パラメータを決定するための新しい判定基準に関する。ＤＦＤディスプレイ内の融合画素の光学品質はその網膜像の点像分布関数（ｐｏｉｎｔ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ：ＰＳＦ）によって定量化され、または等価的に、前記３次元表示上の正弦波物体のコントラスト変調に対する前記網膜像のコントラスト変調の比により特徴付けられる変調伝達関数（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＴＦ）によって定量化される。例えば、描画されている奥行きｚに眼が調節されると、ｚ_１およびｚ_２にそれぞれ位置する隣接した１対の焦点面上の２つの画素による融合画素のＰＳＦであるＰＳＦ_１２は、下記式のとおり、前方の画素および後方の画素からのＰＳＦの加重和として説明することができる。

但し、ＰＳＦ_１（ｚ，ｚ_１）およびＰＳＦ_２（ｚ，ｚ_２）は、眼が距離ｚに調節されているときの前方および後方の画素の点像分布関数である。式（１）中のＰＳＦは、前記加重和を計算する前に前方および後方の画素が同じ輝度を有するように、正規化される。ｗ_１およびｗ_２は、前記前方および後方の画素の輝度を変調して奥行きに重み付けした融合関数であり、シミュレートされた奥行きが変化したときに前記融合画像の総輝度が変化しないように、通常、ｗ_１（ｚ）＋ｗ_２（ｚ）＝１が強制されている。次に、ＰＳＦ_１２（ｚ）のフーリエ変換によって前記ディスプレイのＭＴＦを計算することができる。

二重焦点面ＤＦＤディスプレイのシミュレートされた網膜像のＭＴＦプロットの例を、図８Ａに示す。前記シミュレーションにおいて、前記２面の焦点面をそれぞれ１．２ディオプターおよび１．８ディオプターの位置に配置し、前記２面の焦点面間の輝度比は１：１であり、前記融合画素が前記前方および後方の焦点面の中間視度、即ち、１．５ディオプターでシミュレートされたことを示した。前記奥行き融合の効果に集中するために、瞳孔が３ｍｍの眼球モデルを選択し、すべての残存収差を除去した。図８Ａは、眼が前記２面の焦点面間の様々な位置に調節するに従って、前記網膜像のＭＴＦがどのように変化するかを示している。図８Ｂは、異なる空間周波数についての眼の調節距離の関数としてのコントラスト勾配を示しているが、各周波数についてのピークコントラストを黒い四角のマーカーでマーキングした。双方のプロットから、約１７サイクル／度（ｃｙｃｌｅ／ｄｅｇｒｅｅ：ｃｐｄ）の遷移周波数が観察される。その遷移周波数未満では、前記網膜像のＭＴＦは、前記二重焦点面システム内での１：１の輝度比によってシミュレートされた奥行きである１．５ディオプターの中間視度で最大化される。さらには、眼が遠方側または手前側のいずれかの焦点面から前記シミュレートされた奥行きに近づくに従い、前記ＭＴＦの値が滑らかに上昇し、眼に前記調節をさせるために必要な適切なコントラスト勾配を提供する。しかし、１７ｃｐｄよりも高い周波数については、前記融合画素のコントラストは常に、眼が物理的な焦点面またはその付近に調節されているときに最高となり、即ち、前記コントラスト勾配は前記調節を前記シミュレートされた画素奥行きから遠ざける傾向を有するので、相反する調節手がかりを生じさせてしまう。

図９Ａおよび９Ｂは、前記遷移周波数が、焦点面間の間隔の関数および瞳孔のサイズの関数としてどのように変化するかを示している。図９Ａは３ｍｍの眼の瞳孔を想定しており、図９Ｂは０．６ディオプターの一定した焦点面間の間隔を想定している。この結果は、前記焦点面間の間隔が狭いほど、および前記設計された眼の瞳孔のサイズが小さいほど、前記遷移点の周波数が高くなることを示唆している。したがって、ＤＦＤディスプレイを設計するうえでの非常に重要な判定基準は、前記焦点面間の間隔および前記ディスプレイの実用的な瞳孔のサイズを、相反する調節手がかりの視聴者への提示を回避するために、前記コントラスト勾配の反転点が前記システムのカットオフ周波数よりも高くなるように決定すべきことである。例えば、１．８分角／画素（約１７ｃｐｄの空間周波数）の角度分解能および１０ｃｄ／ｍ^２よりも高い輝度を提供するＤＦＤディスプレイでは、隣接する焦点面間の間隔を０．６ディオプターとすれば十分であるとみなすことができる。１０ｃｄ／ｍ^２の表示輝度の刺激によって、眼の瞳孔の直径は約３ｍｍとなる。１分角／画素（即ち３０ｃｐｄ）の角度分解能を提供するディスプレイでは、０．４５ディオプター以下の間隔が望まれるであろう。画素当たりの前記角度分解能が小さいほど、または前記画像の明るさが低いほど、必要とされる焦点面間の間隔が小さくなるであろう。

前述の明細書から、当業者には、これらおよびその他の本発明の利点が明らかとなるであろう。したがって、当業者であれば、本発明の広範な発明概念から逸脱することなく、上述の実施形態に変更または修正を加えることができることを認識するであろう。したがって、本発明は、本明細書内で説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、請求項に明記した本発明の範囲および趣旨を逸脱しないすべての変更および修正を含むことが意図されることを理解すべきである。

Claims (8)

1. 複数の奥行ゾーンを有する仮想画像を表示し、当該仮想画像の焦点距離を異なる奥行ゾーンに調整可能なように構成された仮想ディスプレイシステムであって、
   ユーザーに表示するための仮想画像を提供するマイクロディスプレイと、
   可変屈折力を提供するように構成された能動反射光学素子であって、前記仮想ディスプレイシステムの絞りを画定するものである、前記能動反射光学素子と、
   焦点距離ｆ_１を有するリレーレンズであって、前記マイクロディスプレイと前記能動反射光学素子との間の光路上に配置されているものである、前記リレーレンズと、
   焦点距離ｆ_ｅｙｅを有するシースルー接眼レンズであって、
   前記能動反射光学素子から光放射を受光し、受光した光放射を前記仮想ディスプレイシステムの射出瞳に反射させて仮想表示光路を提供するように構成された選択された面を有し、
   当該シースルー接眼レンズにより前記仮想ディスプレイシステムの絞りが中継され、この中継された絞りによって前記射出瞳が形成されるものであり、
   前記選択された面は、前記マイクロディスプレイ以外の光源から光放射を受光し、当該光放射を前記射出瞳に透過させてシースルー光路を提供するように構成されているものである、
   前記シースルー接眼レンズと
   を有し、
   前記射出瞳のサイズＤ_ｘｐの前記能動反射光学素子のサイズＤ_ＤＭＭＤに対する比は、
   

   

   である、仮想ディスプレイシステム。
2. 請求項１記載の仮想ディスプレイシステムにおいて、前記シースルー接眼レンズは、フリーフォームのプリズム形状を有するものである、仮想ディスプレイシステム。
3. 請求項１記載の仮想ディスプレイシステムにおいて、前記シースルー接眼レンズは前記能動反射光学素子から光放射を受光し当該光放射を屈折させるように構成された第１の面と、前記第１の面から屈折された前記光放射を受光するように構成され、前記光放射を前記シースルー接眼レンズの前記選択された面に向けて反射させるように構成された第２の面とを有するものである、仮想ディスプレイシステム。
4. 請求項３記載の仮想ディスプレイシステムにおいて、前記第２の面は、前記光放射を内部全反射させるように構成されているものである、仮想ディスプレイシステム。
5. 請求項１記載の仮想ディスプレイシステムにおいて、前記シースルー接眼レンズは、前記選択された面を含む複数の面を有し、当該複数の面のうちの１もしくはそれ以上は、回転非対称な面を有するものである、仮想ディスプレイシステム。
6. 請求項１記載の仮想ディスプレイシステムにおいて、この仮想ディスプレイシステムは、前記シースルー接眼レンズの前記選択された面に隣接する前記シースルー光路上に配置された、収差および歪みを補償するためのシースルー接眼レンズ補償板を有するものである、仮想ディスプレイシステム。
7. 請求項１記載の仮想ディスプレイシステムにおいて、この仮想ディスプレイシステムは、前記マイクロディスプレイに隣接して配置され、前記マイクロディスプレイの拡大倍率を提供するように構成された視野レンズを有するものである、仮想ディスプレイシステム。
8. 請求項７記載の仮想ディスプレイシステムにおいて、前記視野レンズは、非球面および回折光学特徴を有するものである、仮想ディスプレイシステム。

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