JP2002509289A - コントラストを向上させるためにシルエットを用いる増強されたイメージング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 増強ディスプレイ（２０）は、イメージディスプレイ（２２）およびシルエットディスプレイソース（２６）を含む。イメージディスプレイは、観察者によって受取られる虚像（２６）を生成する。シルエットディスプレイソースは、背景光（１６）の経路内に生じる。シルエットディスプレイソースは、イメージディスプレイの像内容に対応するマスクを生成する。マスクは背景光を低減するかまたは遮断する暗くされた領域である。虚像からの光は、背景の上にオーバーレイされるので、像が現れる部分では背景光が少ない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】

この発明は、増強されたイメージング技術および増強ディスプレイに関する。

【０００２】 増強ディスプレイは、像を背景の上にオーバーレイするシースルーのディスプ
レイである。オーバーレイされた像は虚像である。背景は周囲環境の実世界の視
界である。像全体は、光を背景に加えることによって形成される。加えられた光
は虚像に対応する。像が形成されるディスプレイ部分では、虚像と背景との両方
からの光は、観察者の目では同じ光受容体に当たるために、虚像は透明に見える
。どちらの光源からの光も同じ光受容体に当たるので、観察者が像と背景とを区
別することは困難であろう。この発明は、増強ディスプレイのコントラストを向
上させるための方法および装置に向けられる。

【０００３】

【発明の概要】

この発明によれば、増強ディスプレイは、イメージディスプレイソースおよび
シルエットディスプレイソースを含む。イメージディスプレイソースは、観察者
が知覚すべき光の虚像を生成する。シルエットディスプレイソースは、背景光の
経路内に生じる。

【０００４】 この発明のある局面によれば、シルエットディスプレイソースは、イメージデ
ィスプレイの像内容に対応するマスクを生成する。マスクは、背景光を低減する
かまたは遮断する暗くされた領域である。虚像からの光は背景の上にオーバーレ
イされるので、像が現れる部分では背景光が少ない。ある実施例では、マスクの
形および寸法は、イメージディスプレイによって作られる虚像内容と同じである
。実際には、マスクは虚像内容の暗いバージョンである。別の実施例では、マス
クは、虚像の像領域だけよりも大きい領域を取囲む。

【０００５】 シルエットマスクを使用する利点は、虚像の内容が透明でなく濃く見えること
である。虚像は背景の物体をオーバーレイし覆い隠す。

【０００６】 この発明の他の局面によれば、望遠鏡の実施例においては、シルエットディス
プレイソースは望遠鏡の中間イメージプレーンに位置する。シルエットディスプ
レイソースを中間イメージプレーンに位置づけることの利点は、暗くされたシル
エットの焦点が合っていることである。背景とシルエットマスクとの間の縁は、
はっきりとしている。別の利点は、マスクの焦点が合っているとき、虚像がより
現実的に見えることである。

【０００７】 この発明のこれらおよび他の局面および利点は、添付の図面に関連して以下の
詳細な説明を参照することによってよりよく理解される。

【０００８】

【特定の実施例の説明】概観 図１は、従来の増強ディスプレイ装置１０のブロック図を示す。ディスプレイ
装置１０は、生成されるイメージソース１２およびビームスプリッタ１４を含む
。イメージソース１２は、レンズ１３およびイメージプレーン生成器１５を含む
。光は、イメージソース１２および外の周囲環境１６からビームスプリッタ１４
で受取られる。各々からの光は、ビームスプリッタを通過し観察者の目Ｅに届く
。実際には、イメージソース１２によって生成される像は、周囲環境の背景視野
の上にオーバーレイされる。

【０００９】 図２は、この発明の実施例による増強ディスプレイ２０の光学的概略図を示す
。ディスプレイ２０は、虚像ディスプレイ２２と、シルエットディスプレイ２６
と、コントローラ５０と、ビームスプリッタ２４と、ミラー２８とを含む。ディ
スプレイ２０は、ＲＧＢ信号、ＮＴＳＣ信号、ＶＧＡ信号または他のフォーマッ
ト化されたカラーもしくはモノクロビデオもしくは画像データ信号などの、画像
信号５１を画像信号源１９から受取る。虚像信号１７およびシルエット像信号５
２は、画像信号５１からコントローラ５０で得られる。虚像信号１７は、虚像デ
ィスプレイ２２に入力され、これに応答して光を生成し虚像を形成する。シルエ
ット像信号５２は、シルエットディスプレイ２６に入力され、これに応答してシ
ルエット像を生成する。虚像ディスプレイ２２は、フラットパネルディスプレイ
、ＣＲＴモニタ、または仮想網膜ディスプレイである。虚像を規定する光は、虚
像ディスプレイ２２から放出されビームスプリッタ２４を通過して観察者の目Ｅ
に当たる。シルエットディスプレイ２６は、液晶ディスプレイ、または、周囲環
境から背景光を通す別の透明なディスプレイ装置である。背景光１６は、シルエ
ットディスプレイ２６およびビームスプリッタ２４を通過してから、観察者の目
Ｅに当たる。凹面鏡２８は、ビームスプリッタから虚像光の一部を受取る。ミラ
ー２８は、そのような光をビームスプリッタへさらに観察者の目Ｅの上に反射し
返し、目Ｅに届く光の量を増大させる。ミラーは、レンズのように働いて、実像
と同じ見かけの距離に虚像を位置付ける。

【００１０】 図３は、代替の実施例の増強ディスプレイ２０′を示す。ディスプレイ２０に
おいてと同様の機能を果たす構成要素は、同じ部品番号で示される。ディスプレ
イ２０′は、フラットパネルディスプレイ、ＣＲＴモニタ、または仮想網膜ディ
スプレイなどの、虚像ソース２２を含む。加えて、ディスプレイ２０′は、ビー
ムスプリッタ２４と、シルエットディスプレイ２６と、対物レンズ３２と、接眼
レンズ３４と、コントローラ５０とを含む。背景光は、対物レンズ３２を通過し
、シルエットディスプレイ２６と一致する中間イメージプレーンに対して焦点合
せされる。通常は、シルエットディスプレイ２６は透明で、焦点合せされた背景
光を通す。背景光は、シルエットディスプレイ２６、ビームスプリッタ２４、お
よび接眼レンズ３４を通過してから観察者の目Ｅに当たる。虚像を規定する光は
、虚像ソース２２から放出され、ビームスプリッタ２４および接眼レンズ３４を
通過して、次に観察者の目Ｅに当たる。動作 図４は、図１の従来のディスプレイ１０での、観察者が知覚する像Ｉである。
像３６は背景像３８の上にオーバーレイされる。オーバーレイされた像３６が透
明であることに注目されたい。図５は、この発明による図２および図３のディス
プレイ２０または２０′での、観察者が知覚する像Ｉ′を示す。同じ像Ｉ′がデ
ィスプレイ２０、２０′の各々で示されるが、実際にはディスプレイ２０からの
像は、オーバーレイされた像Ｉ′の周りにぼやけた焦点がずれた暗い領域を有す
る。ディスプレイ２０′からの像Ｉ′は、オーバーレイされた像Ｉ′についてく
っきりとした焦点の合った境界を有する。

【００１１】 虚像４０は、虚像ディスプレイ２２によって生成される。同時に、周囲環境か
らの背景光によって形成される背景像４２は、シルエットディスプレイ２６を通
過させられる。実際には、虚像４０は背景像４２の上にオーバーレイされる。こ
の発明のある局面によれば、シルエットディスプレイ２６は、選択領域４４（図
６参照）内では暗くされ、背景光がそのような選択領域４４を通過するのを低減
するかまたは防ぐ。そのような選択領域４４は、虚像４０に対応しマスク４６と
しての役割を果たす。ある実施例では、マスク４６は虚像４０に一致している（
図５参照）。別の実施例では、マスク４６は虚像４０だけよりも多くの領域を取
囲む（図７および図８参照）。

【００１２】 虚像４０を規定するために、虚像ディスプレイ２２は、コンピュータまたは他
の信号源１９から画像データ信号５１を受ける。ある実施例では、シルエットデ
ィスプレイ２６に対するコントローラ５０もまたそのような画像データ信号５１
を受け取る。これに応答して、コントローラ５０はマスキング信号５２を生成し
、これがシルエットディスプレイ２６の選択領域４４を暗くして、対応するマス
ク４６を規定する。ある実施例では、１画素対１画素の画素マスク４６（図６参
照）が生成され、この場合、虚像４０の各画素ごとにシルエットディスプレイ２
６内に暗くされた対応する画素がある。別の実施例では、１画素対１画素マスキ
ングに加えて、シルエットディスプレイ２６上のさらなる画素を暗くして虚像４
０の範囲内またはその周りの他の部分をマスクするようにする（図８参照）。

【００１３】 図５および図７に示す像は、１つの虚像４０および１つのマスク４６のみを含
むが、代替の実施例では、所与の時間で観察可能な複数の像４０およびマスク４
６が存在する。同様に、図６および図８の各々で示されるマスクは１つのみであ
るが、代替の実施例では、複数の暗くされた領域４４およびマスク４６が形成さ
れる。

【００１４】 ある実施例では、シルエットディスプレイ２６は、虚像ソースディスプレイ２
２と同じ画素解像度を有する。別の実施例では、シルエットディスプレイ２６は
、虚像ディスプレイ２２とは異なる解像度（たとえばより低いまたはより高い解
像度）を有する。変動する解像度のために、虚像４０のマスク４６に対するマッ
ピングは、１画素対１画素の場合とは異なる。虚像ディスプレイ２２のあらゆる
画素に対して、シルエットディスプレイ２６の少なくとも１つの画素が暗くされ
る。しかしながら、（たとえば、シルエットディスプレイ２６が虚像ディスプレ
イ２２よりもより低い解像度を有する場合）シルエットディスプレイ２６の暗く
された画素は、像ディスプレイ２２の１つ以上の画素を取囲んでもよい。ある実
施例によれば、シルエットディスプレイ２６は透明液晶ディスプレイ（「ＬＣＤ
」）パネルによって形成される。ＬＣＤパネルは、画素精度を指定することがで
きる。画素が活性化されると、パネル上の画素の領域は、暗くなって背景光が通
過するのを減らすかまたは防ぐ。

【００１５】 コントローラ５０は、画像データ信号５１を受けるものとして示されるが、代
替の実施例では、ディスプレイ２２に対して画像データ信号５１を生成するプロ
セッサが、マスキング信号５２を生成するコントローラとしての役割をも果たす
。仮想網膜ディスプレイ 図９は、光を生成し走査して、狭−パノラマ視野および低−高解像度を有する
カラーまたはモノクロの像を作る仮想網膜ディスプレイ２２のブロック図である
。ディスプレイ２２は、コントローラ５０から虚像信号１７（図２または図３参
照）を受け取る画像データインタフェース１１１を含む。画像データインタフェ
ース１１１は、光源１１２を制御するための信号を生成する。ビデオ情報で変調
された光は、観察者の目Ｅの網膜の上に走査される像要素（たとえば像画素）に
対応し、これによって正立した虚像が知覚される。

【００１６】 虚像信号１７は、ＲＧＢ信号、ＮＴＳＣ信号、ＶＧＡ信号または他のフォーマ
ットされたカラーもしくはモノクロのビデオもしくはグラフィックス信号などの
、ビデオまたは他の画像信号である。画像データインタフェース１１１の例示の
実施例は、受取った画像信号から色成分信号および同期「ＳＹＮＣＨ」信号を抽
出する。画像信号が赤成分、緑成分および青成分を埋込んでいる実施例では、赤
信号は抽出され変調器に送られ赤い点光源出力を変調する。同様に、緑信号は抽
出され変調器に送られ緑の点光源出力を変調する。また、青信号は抽出され変調
器に送られ青い点光源出力を変調する。

【００１７】 光源１１２は、１つ以上の点光源を含む。モノクロの像を生成するためには、
典型的には、単一の単色エミッタが用いられる。カラーの像形成のためには、複
数の光エミッタ（たとえば、赤点光源、緑点光源および青点光源）が用いられる
。好ましくは、放出される光は、空間的にコヒーレントである。例示の光エミッ
タは、カラーレーザ、レーザダイオードまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む
。典型的には、ＬＥＤはコヒーレント光を出力しないが、ある実施例ではレンズ
を用いてＬＥＤ光源の見かけの寸法を縮めより均一な波面を達成する。ある好ま
しいＬＥＤの実施例では、単一モードモノフィラメント光ファイバがＬＥＤ出力
を受取って点源を規定し、これがコヒーレント光に近似する光を出力する。

【００１８】 光エミッタが外部で変調される場合、ディスプレイ装置２２はまた、画像デー
タインタフェース１１１から受取られる画像データ信号に応答する変調器を含む
。変調器は、光エミッタによって放出される可視光を変調して、観察者の目の上
に走査される虚像のための像内容を規定する。変調器は、音響光学、電気光学ま
たは超小型電子機械変調器である。これらのおよび他の光源１１２の実施例に関
するさらなる詳細は、「ファイバ光学点源を備える仮想網膜ディスプレイ」（“
Virtual Retinal Display with Fiber Optic Point Source”）と題する１９９ ５年５月９日出願の米国特許出願連続番号第０８／４３７，８１８号に示され、
ここに引用により援用される。代替の実施例によれば、光エミッタまたは点源に
よって生成される光は、結果としてできた像の所与の点（たとえば画素）に赤成
分、緑成分および／または青成分を含むように変調される。点源のそれぞれのビ
ームは、所与の画素に色成分を導入するように変調される。

【００１９】 光学サブシステム１１４は、光源１１２から、直接にまたは走査サブシステム
１１６を通過した後に出力される光を受ける。いくつかの実施例では、光学サブ
システムは光を視準する。別の実施例では、光学サブシステムは光を収束する。
撹乱されないまま、光は、焦点に収束し、次にそのような点の向こうに発散する
。しかしながら、収束光が偏向されると、焦点は偏向される。偏向のパターンが
焦点のパターンを規定する。そのようなパターンを中間イメージプレーンと呼ぶ
。

【００２０】 放出された光１３６は、スキャナサブシステム１１６によって、ラスタパター
ンなどの所定のパターンに沿って偏向される。代替の実施例では、ベクトルイメ
ージングなどの別のディスプレイフォーマットを用いて像要素を目の上に走査す
ることができる。ある実施例では、走査サブシステム１１６は、画像データイン
タフェース１１１から得られる水平偏向信号および垂直偏向信号を受ける。走査
サブシステム１１６は、光源１１２の後に、光学サブシステム１１４の前または
その後に位置される。ある実施例では、走査サブシステム１１６は、水平ビーム
偏向を行なうための共振スキャナと、垂直ビーム偏向を行なうための検流計とを
含む。水平スキャナは、画像データインタフェース１１１で抽出された水平同期
信号によって規定される周波数を有する駆動信号を受ける。同様に、垂直スキャ
ナとしての役割を果たす検流計は、画像データインタフェース１１１で抽出され
る垂直同期信号ＶＳＹＮＣによって規定される周波数を有する駆動信号を受取る
。好ましくは、水平スキャナは、水平走査周波数に対応する共振周波数を有する
。代替の実施例では、走査サブシステム１１６は代わりに、水平もしくは垂直光
偏向を行なうための、音響光学偏向器、電子光学偏向器、回転ポリゴンまたは検
流計を含む。いくつかの実施例では、２つの同じ型の走査装置が用いられる。他
の実施例では、異なった型の走査装置が水平スキャナおよび垂直スキャナとして
用いられる。

【００２１】 ディスプレイ２２から放出される光は、ビームスプリッタ２４によって偏向さ
れ（図２および図３参照）、観察者の目Ｅに向けられる。図３の実施例では、接
眼レンズ３４もまた含まれる。優れて有利な効果 シルエットマスクを使用する利点は、虚像の内容が、透明でなく濃く見えるこ
とである。虚像は背景物体をオーバーレイし覆い隠す。シルエットディスプレイ
ソースをイメージプレーンに位置づける利点は、暗くされたシルエットが焦点が
合っているということである。背景とシルエットマスクとの間にはくっきりとし
た縁がある。別の利点は、マスクの焦点が合っているときには虚像がより現実的
に見えることである。

【００２２】 この発明の好ましい実施例が例示され記載されているが、さまざまな代替、変
形および等価が使用されてもよい。ゆえに、前の説明は、前掲の特許請求の範囲
によって規定されるこの発明の範囲を制限するものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の増強ディスプレイのブロック図である。

【図２】 この発明のある実施例による増強ディスプレイの光学的概略図で
ある。

【図３】 この発明の別の実施例による増強ディスプレイの光学的概略図で
ある。

【図４】 図１のディスプレイによって生成される像の図である。

【図５】 この発明の実施例による図２または図３のディスプレイによって
生成される像の図である。

【図６】 この発明の実施例によるマスクされた領域を備える図２または図
３のシルエットディスプレイ２６の図である。

【図７】 この発明の実施例による図２または図３のディスプレイによって
生成される像の図である。

【図８】 この発明の実施例による代替のマスクされた領域を備える図２ま
たは図３のシルエットディスプレイ２６の図である。

【図９】 図２および図３の虚像ソースの仮想網膜ディスプレイの実施例の
光学的概略図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 観察者が背景光（１６）上にオーバーレイされる虚像を知覚
   するディスプレイ装置（２０／２０′）であって、 虚像（３６、４０）を生成する虚像ディスプレイ（２２）と、 背景光の経路内のシルエットディスプレイ（２６）とを含み、シルエットディ
   スプレイは透明のディスプレイ領域を有し、さらに、 シルエットディスプレイの透明なディスプレイ領域の一部を通過する背景光の
   量を制御するためのコントローラ（５０）を含み、 観察者は、虚像を規定する光を虚像ディスプレイから受取り、シルエットディ
   スプレイを介して背景光を受取り背景光はシルエットディスプレイの部分内で低
   減され、シルエットディスプレイの低減された背景光部分は虚像（４０）のため
   のマスク（４６）を形成する、ディスプレイ装置。
2. 【請求項２】 虚像ディスプレイは、観察者の目に向かう第１の組の光学経
   路に沿って光ビームを放出するように配向され、画像信号（２７）に応答して背
   景光に整列する第１の像を発生する走査網膜ディスプレイである、請求項１に記
   載のディスプレイ装置。
3. 【請求項３】 虚像ディスプレイは、フラットパネルディスプレイである、
   請求項１に記載のディスプレイ装置。
4. 【請求項４】 背景光のための対物レンズ（３２）をさらに含み、シルエッ
   トディスプレイは、マスク（４６）が焦点に合うようにする背景光の中間イメー
   ジプレーンに位置決めされる、請求項１、２または３に記載のディスプレイ装置
   。
5. 【請求項５】 背景光は、シルエットディスプレイの低減された背景光部分
   を通過せず暗くされたマスクを形成する、請求項１、２、３または４に記載のデ
   ィスプレイ装置。
6. 【請求項６】 シルエットディスプレイは、複数の選択的に駆動可能な画素
   を含み、コントローラは、シルエットディスプレイの任意の所与の画素を通過す
   る背景光の量を選択的に制御する、請求項１、２、３、４または５に記載のディ
   スプレイ装置。
7. 【請求項７】 虚像ディスプレイは、シルエットディスプレイの複数の選択
   的に駆動可能な画素における画素の数とは異なる第１の数の画素を備える虚像（
   ４０）を表示するのに十分な解像度を有する、請求項６に記載のディスプレイ装
   置。
8. 【請求項８】 虚像ディスプレイは、画像信号（２７）に応答して光の一時
   的に変調されたビームを発生する光源（１１２）と、光の変調されたビームを受
   取るよう配向され、予め定められた走査パターンを介して受取った光の変調され
   たビームを走査するよう動作する走査アセンブリ（１１６）とを含む、請求項１
   、２、４、５、６または７に記載のディスプレイ装置。
9. 【請求項９】 走査アセンブリは共振スキャナを含む、請求項８に記載のデ
   ィスプレイ装置。
10. 【請求項１０】 背景光のソースは外部環境である、請求項１、２、３、４
    、５、６、７、８または９に記載のディスプレイ装置。
11. 【請求項１１】 像出力を有し虚像（４０、３６）を形成する光を放出する
    ように動作するイメージソース（２２）と、 第１の入力、第２の入力、およびコンバイナ出力を有するビームコンバイナ（
    ２４）とを含み、ビームコンバイナはイメージソースによって放出された光を第
    １の入力で受取りかつ背景からの光を第２の出力で受取るように位置決めされ、
    ビームコンバイナは第１の入力および第２の入力で受取られた光を含む合成され
    た像を発生し合成された像をコンバイナ出力で出力するように動作し、さらに、 第２の入力と背景との間に介在するシルエット（２６）を含み、シルエットは
    、第１の減衰で背景からの光を第２の入力へ送るように動作する第１の領域と、
    第１の減衰と異なる第２の減衰で背景からの光を第２の入力へ送るように動作す
    る第２の領域（４６）とを含む、増強ディスプレイ（２０／２０′）。
12. 【請求項１２】 シルエットは電子的に制御されるシルエットである、請求
    項１１に記載のディスプレイ。
13. 【請求項１３】 イメージソースに結合され虚像を表す画像信号（５１）を
    与えるように動作する画像信号源（１９）と、 入力が画像信号源（１９）に結合され出力がシルエット（２６）に結合される
    電子コントローラ（５０）とをさらに含む、請求項１２に記載のディスプレイ。
14. 【請求項１４】 シルエットは液晶パネルを含む、請求項１３に記載のディ
    スプレイ。
15. 【請求項１５】 電子コントローラは、画像信号（５１）から像の選択され
    た部分の位置を抽出し選択された部分の位置を示すシルエット信号を発生するよ
    う動作する像トラッキング回路を含み、シルエットはシルエット信号に応答して
    選択された部分の一部をオーバーレイする第２の領域を位置決めする、請求項１
    ３または１４に記載のディスプレイ。
16. 【請求項１６】 第２の領域（４６）は、選択された像部分に一致するよう
    に形づくられる、請求項１５に記載のディスプレイ。
17. 【請求項１７】 第２の領域（４６）は、選択された像部分よりも大きい、
    請求項１５または１６に記載のディスプレイ。
18. 【請求項１８】 第２の減衰は第１の減衰よりも大きい、請求項１１、１２
    、１３、１４、１５、１６または１７に記載のディスプレイ。
19. 【請求項１９】 ビームコンバイナ（２４）はビームスプリッタを含む、請
    求項１１、１２、１３、１４、１５、１６または１７に記載のディスプレイ。