JPH06121256A - プレーナ型撮像素子、直接網膜走査表示装置および直接網膜走査表示形成方法 - Google Patents

プレーナ型撮像素子、直接網膜走査表示装置および直接網膜走査表示形成方法

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JPH06121256A
JPH06121256A JP5167352A JP16735293A JPH06121256A JP H06121256 A JPH06121256 A JP H06121256A JP 5167352 A JP5167352 A JP 5167352A JP 16735293 A JP16735293 A JP 16735293A JP H06121256 A JPH06121256 A JP H06121256A
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light beam
eye
retina
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JP5167352A
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Fred V Richard
フレッド・ブイ・リチャード
Michael S Lebby
マイケル・エス・レビー
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Motorola Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 目に画像を生成するために複雑な走査機器を
必要としない、直接網膜走査表示装置を提供する。 【構成】 画像を直接目の網膜に書き込む表示装置。こ
の表示装置は、平行化された光ビームを生成するレーザ
（１２）を備えており、光ビームは、ビデオ情報（１
２）によって変調され、次に走査され（１４）、目の瞳
に向けられて（３０）、網膜上に画像を生成する。走査
（１４）には、非常に小さく、必要な電力が非常に少な
い、微細加工されたミラー、光電および音光素子が用い
られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光学表示装置に関し、
特に網膜上に直接書き込むためのプレーナ型撮像素子を
有する光学表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般的に、光学表示装置は、例えばテレ
ビジョンやコンピュータ表示装置によって証明されてい
るように、比較的大きく複雑である。同一譲受人に譲渡
された、１９９１年９月３０日出願で係属中の「Ｃｏｍ
ｐａｃｔ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｍａｇｅ Ｄｉｓｐｌａ
ｙ」と題する米国特許出願第０７／７６７１７９号に開
示されているような比較的小さな仮想表示装置を用いて
も、比較的大きな電力量を必要とする。一般的に、これ
は、目のレンズも含む複数のレンズによって、非干渉性
の画像が生成され、目の網膜上に合焦されるという事実
に起因するものである。非干渉性画像を生成するには、
それが実像であろうと虚像であろうと、大量の電力及び
装置が必要であり、このため構造が大きくかつ扱いにく
くなってしまうのである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】先行技術では、虚像
は、発光ダイオードアレイによって生成されている。虚
像は、次に機械式ミラースキャナによって走査され、操
作者が見ることができる像が撮像光学系によって生成さ
れる。この装置は、高価で、調整及び使用が複雑で、か
つ衝撃やその他の同様な障害に非常に敏感である。
【０００４】例えば、同一譲受人に譲渡された、１９９
２年３月２５日出願で係属中の「Ｄｉｒｅｃｔ Ｒｅｔ
ｉｎａｌ Ｓｃａｎ Ｄｉｓｐｌａｙ」と題する米国特
許出願第０７／８５７１９３号に開示されている表示装
置のような、直接網膜走査装置が考案されている。この
装置では、光ビームが空気中を伝わり、網膜上のラスタ
において走査される、走査系が利用されている。光源と
網膜との間の移動距離のため、比較的大きな走査、また
は偏向角が必要となる。
【０００５】本発明の目的は、新規で改良された直接網
膜走査表示装置を提供することである。
【０００６】本発明の別の目的は、目に画像を生成する
ために必要な走査機器が複雑でない、新規で改良された
直接網膜走査表示装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決し、かつ
目的を実現するために、二直交方向において走査され強
度変調を受けた、平行化された光ビームを受信する入力
と、前記光ビームを操作者の目に向ける出力と、および
目の網膜上に虚像を形成する再方向付け回折光学素子と
を備えた、直接書き込みプレーナ型撮像素子が利用され
る。
【０００８】また、上記課題を解決し、かつ目的を実現
するために、直接網膜操作表示を形成するための方法が
利用され、該方法は、方向付けされた光ビームを供給す
るステップ、前記光ビームを変調してビデオ情報を前記
光ビーム上に刻印するステップ、前記光ビームを２つの
直交方向に偏向させるステップ、光ビームを受信する入
力と、前記受信した光ビームを操作者の目に向ける出力
とを備え、前記光ビームから前記目の網膜上に虚像を生
成する再方向付け回折光学素子を含むプレーナ型撮像素
子を設けるステップ、および、前記二直交方向に走査さ
れ、かつ変調された光ビームを前記プレーナ型撮像素子
の入力ならびに前記プレーナ型撮像素子の出力口を介し
て、操作者の目の方向に向けるステップから成るもので
ある。
【０００９】
【実施例】図１は、本発明による直接網膜走査表示装置
１０の上平面図である。レーザ／変調器１２は、垂直空
隙表面発光レーザ（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ
ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ），ダ
イオード・レーザ，ダイオード−ポンプ・レーザ（ｄｉ
ｏｄｅ−ｐｕｍｐｅｄ ｌａｓｅｒ）等のような固体レ
ーザを含む公知のレーザのいずれかを備えており、本実
施例では単一ユニットとして示されている変調器を介し
て、干渉性光ビームを供給する。変調器は、一般的にレ
ーザビームの強度を変調することによって、例えばレー
ザの出力レベルに変化を与えることによって、ビデオ情
報を光ビームに与える。用途によって、この変調は、レ
ーザの強度を変える程度に単純にもなり得るが、これは
本来アナログ系へ変換するものである。音響−光学変調
器が、殆どの用途に対して好ましい変調器の１つである
が、電光式または機械式のものでも完全に実現可能であ
る。
【００１０】レーザ／変調器１２は、カラー画像を生成
するためには、赤、緑及び青の３つのレーザを備えるこ
ともできることは、理解されよう。カラー画像の場合、
変調器は、いくらか複雑になるが、その基礎及び／また
は機械系は当技術ではよく理解されているので、本開示
では詳しく述べない。
【００１１】本実施例では、レーザ／変調器１２からの
変調されたレーザビームは、偏向系１４に向けられる。
このレーザビームは、２つの直交方向に偏向または走査
されて、ラスタを生成する。偏向系１４には、表示装置
の用途及びどのように画像を目１８に形成することを望
んでいるかに応じて、多く構成が可能である。本実施例
では、偏向系１４は、音響−光学水平スキャナ及び音響
−光学垂直スキャナを備えており、これらを組み合わせ
て移動する光スポットを生成する。音響−光学構成要素
は、小さな固体結晶であり、上述の係属中の米国出願
第’１９３号により詳しく説明されているように、レー
ザビーム等を偏向させるために用いられるものである。
上記米国出願第’１９３号は、参考のためここにも含ま
れている。
【００１２】網膜上に画像を走査する即ち書き込むには
いくつかの技術が可能であるが、恐らく最も単純なの
は、規則的な間隔で網膜上のラスタ全体（矩形状の画像
領域）を走査することである。規則的な間隔は、目には
連続画像と見えるように、十分速くなければならない。
これは、１秒間に約６０回完全な走査を行なわなければ
ならないことを意味する。このラスタを得るために、水
平スキャナを制御して通常線状の光ビームを直線的に第
１周波数で走査する。また、垂直スキャナは、水平スキ
ャナによって掃引される方向に直交する方向で、緩やか
に光ビームを走査するように制御される。このように、
水平スキャナが１ラインを完全に走査する毎に、垂直ス
キャナがビームを十分移動させ、次の走査が、前の走査
と平行かつ隣接するようにする。このようにして、ラス
タ全体が周期的に走査される。
【００１３】画像を生成するためには、レーザ／変調器
１２を制御して、光ビームの強度を変化させ、光ビーム
がラスタ全体にわたって掃引されるにつれ、異なる光強
度のスポットが組み合って１つの画像を形成するように
している。レーザ／変調器１２及び偏向系１４のタイミ
ング及び制御は、電子回路２０によって行なわれてい
る。電子回路２０は、基本発振器またはタイマを備えて
おり、これがタイミング信号を供給して、適切な時刻に
掃引及び変調が行なわれるようにしている。また、電子
回路２０は、ビデオ信号をレーザ／変調器１２に供給
し、要求された時に正確な強度に光ビームを変調する。
更に、電子回路２０は、水平及び垂直（直交）偏向信号
を供給して、偏向系１４にラスタ内で光ビームを周期的
に走査させる。用途及び所望の画像解像度によるが、水
平偏向周波数は約１５ないし３０ｋＨｚ、垂直偏向周波
数は６０Ｈｚ以上、そして変調周波数は、約１２ＭＨｚ
程度とすることができる。
【００１４】具体的に図１を参照すると、直接網膜走査
表示装置の光学光線図が描かれている。この光線図で
は、レーザ／変調器１２からの光ビームは、プレーナ型
撮像素子３０に向けられていることがわかる。本実施例
では、プレーナ型撮像素子は、対向し離間した平行側面
３１，３２を有する長形光学導波路である。この開示で
用いられているように、「導波路」という用語は、比較
的厚い基板内に全体的な内部反射によって閉じ込めるこ
とを表わす。これは、離散的な導波モードのみが伝搬す
る非常に薄い層に光を閉じ込めるという、従来からの用
法とは相対するものである。プレーナ型撮像素子３０
は、光学くさび３３によって形成された光入力口を有し
ている。これは、プレーナ型撮像素子３０に隣接する一
端で取り付けられ、レーザ／変調器１２と偏向系１４と
によって生成された光ビームに対して実質的に垂直な表
面を備えるように構成されたものである。勿論、垂直な
入力口は、プレーナ型撮像素子３０の角を切除したり、
或いはその他の種々の方法で形成することができること
は、理解されよう。
【００１５】光学くさび３３からの光線は、プレーナ形
撮像素子３０を通過する光路に沿って方向付けられ、回
折光学素子３０に入射するまで、所定の領域３４，３
５，３６，３７で反射される。表示装置１０及びプレー
ナ型撮像素子３０に要求される光学特性によって、領域
３４，３５，３６及び／または３７は、収差補正、カラ
ーユニットにおける色のばらつきの補正等を行なうため
の、付加的な回折光学素子を含んでもよい。側面３２
は、光学出力口４２を規定し、ここを通じて反射光ビー
ムが射出していく。プレーナ型撮像素子３０は、そこを
通る光路長によって、角倍率を与える。この角倍率のた
めに、入力口における非常に小さな角度変化が、回折光
学素子４０の表面では、比較的大きな走査となって現わ
れる。プレーナ型撮像素子３０を更に小さく構成したい
場合、回折光学レンズを、反射領域３４，３５，３６及
び／または３７のいずれかに用いればよい。
【００１６】回折光学素子は、現在生産可能な公知の素
子で、フレネルレンズに動作が類似しているものであれ
ば、何でもよい。当技術では公知のように、フレネルの
原理を利用した回折光学素子、二進光学系等は、公知の
半導体製造技術を利用して生産可能である。このような
レンズを都合よくパターニングして、所望の機能を備
え、そして側面３１，３２の外面に取り付けたり、或い
はそれと一体的に形成することもできる。
【００１７】この特定実施例では、回折光学素子４０
は、再方向付け素子であり、光学くさび３３からの光ビ
ームによって走査される時、光ビームを再方向付けし、
目１８のレンズと共に、目１８の網膜上に虚像を形成す
る。プレーナ型撮像素子３０の角倍率のために、形成さ
れた虚像は、目１８が受け入れられる位に広くすること
ができる。加えて、回折光学素子４０から出力口４２を
介して射出する光線の収束点４５を、実質的に目１８の
回転軸４７上に置くことにより、目１８に形成される像
は、目１８の動きには敏感でなくなる。
【００１８】図２を参照すると、頭部取り付け式直接網
膜走査表示装置５４が図示されている。この特定実施例
では、メガネのフレーム５２を利用して、直接網膜走査
表示装置５４を操作者の頭部に取り付けている。現時点
では明白なように、フレーム５２は、表示装置５０のた
めに用いられるのに加えて、標準的なメガネレンズ（ｅ
ｙｅ ｇｌａｓｓｅｓ）を備えることもできるし、或は
表示装置５０のためにのみ利用することもできる。レー
ザ光源及び変調器は、表示装置の図示の部分５４内、ま
たは表示装置とは別個の部分（図示せず）に収容するこ
とができ、この部分はシャツのポケットのような体の都
合のよい場所に保持される。別個部分を用いる場合、こ
の別個部分は、変調された光ビームを生成し、これを１
本以上の光ファイバによって、フレーム５２のつるを通
ってまたはこれに沿って、表示装置５０の図示の部分５
４まで搬送する。この特定実施例では、部分５４は、直
接網膜走査表示装置全体（図１に示したものと同様）を
含み、フレーム５２の一方のつるに取り付けられ、出力
光ビームが、このフレーム５２を装着している人の目に
方向付けられるようになっている。
【００１９】直接網膜走査表示装置は、頭部取り付け式
にする必要はなく、ページャ（ｐａｇｅｒ）、ラジオ、
電話、携帯用コンピュータ、腕取り付け式装置、または
個人用通信機のような、携帯用（ｈａｎｄ−ｈｅｌｄ）
装置の一部を、前記表示装置とする実施例も可能であ
る。ユーザは、表示装置が目の前に位置し、見ることが
できるように、携帯用装置を配置する。また、直接網膜
走査表示装置は、双眼鏡、パノラマ、及び／またはステ
レオモードでも用いることができる。この場合、１つの
表示装置を各目に用いるようにする。外部世界の光景
（ｖｉｅｗ）を遮って、両方の目が表示装置からの画像
のみを見るようにしたり、或は表示画像が外部世界の光
景に重ねられて、複合画像を形成することもできる。
【００２０】このように、プレーナ型撮像素子を利用し
て、走査システムに必要な走査角を大幅に縮小すること
ができる、新規で改良された直接網膜走査表示装置が開
示された。この表示装置は、非常に狭い走査角を必要と
するのみなので、必要な電力も非常に少なく、表示装置
のサイズ及び複雑性も大幅に減少されている。また、使
用電力が極端に少ないので、この表示装置は非常に小さ
くでき、したがって、従来の表示装置より好都合で有用
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による直接網膜走査表示装置の上平面図
であり、前記表示装置の動作を示した光学光線図を含む
図。
【図２】図１に示された直接網膜走査表示装置を頭部に
取り付けた様子を示す斜視図。
【符号の説明】
１２ レーザ／変調器 １４ 偏向手段 ２０ 電子回路 ３０ 撮像素子 ３３ 光学くさび ３４，３５，３６，３７ 領域 ４２ 出力口 ４０ 回折光学素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル・エス・レビー アメリカ合衆国アリゾナ州チャンドラー、 ナンバー221・ウエスト・ハイランド・ス トリート290

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】二直交方向に走査され、強度変調された平
    行化光ビームを受信する入力口（３３）；操作者の目
    （１８）に前記光ビームを方向付ける出力口（４２）；
    および目の網膜上に虚像を形成する再方向付け回折光学
    素子（４０）；から成ることを特徴とする、直接書き込
    みプレーナ型撮像素子。
  2. 【請求項２】直接網膜走査表示装置であって：方向付け
    された光ビームを供給する光源（１２）；前記光ビーム
    を受信するように配置され、前記光ビーム上にビデオ情
    報を変調する変調手段（１２）；前記変調された光ビー
    ムを受信するように配置され、前記光ビームを二直交方
    向に偏向する偏向手段（１４）；二直交方向に走査さ
    れ、強度変調された平行化光ビームを受信する入力口
    （３３）；操作者の目（１８）に前記光ビームを方向付
    ける出力口（４２）；および目の網膜上に虚像を形成す
    る再方向付け回折光学素子（４０）から成るプレーナ型
    撮像素子（３０）；および前記変調手段および前記偏向
    手段に結合され、前記変調手段および前記偏向手段を制
    御して、網膜上に画像を生成する電子手段（２０）；か
    ら成ることを特徴とする、直接網膜走査表示装置。
  3. 【請求項３】直接網膜走査表示を形成する方法であっ
    て：方向付けられた光ビーム（１２）を供給するステッ
    プ；前記光ビーム（１２）を変調して、ビデオ情報を前
    記光ビームに刻印するステップ；前記光ビーム（１４）
    を二直交方向に偏向するステップ；二直交方向に走査さ
    れ、強度変調された平行化光ビームを受信する入力口
    （３３）；操作者の目（１８）に前記光ビームを方向付
    ける出力口（４２）；および目の網膜上に虚像を形成す
    る再方向付け回折光学素子（４０）から成るプレーナ型
    撮像素子（３０）を備えるステップ；および前記二直交
    方向に走査され、かつ変調された光ビームを前記プレー
    ナ型撮像素子の入力口ならびに前記プレーナ型撮像素子
    の出力口を介して、操作者の目（１８）の方向に向ける
    ステップ；から成ることを特徴とする方法。
JP5167352A 1992-06-29 1993-06-15 プレーナ型撮像素子、直接網膜走査表示装置および直接網膜走査表示形成方法 Pending JPH06121256A (ja)

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US07/889,582 US5369415A (en) 1992-06-29 1992-06-29 Direct retinal scan display with planar imager

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