JP2002529801A - 調節可能な遠近調節を備える走査ビームディスプレイ - Google Patents
調節可能な遠近調節を備える走査ビームディスプレイInfo
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Abstract
Description
置のための光学的構成に関する。
装置である。光は光源から発せられ、レンズを通ってコリメートされ、次に走査
装置を通過する。走査装置は光に対する走査パターンを規定する。走査された光
は中間像平面の焦点に収束する。走査が行なわれると、焦点は(たとえばラスタ
走査パターンで)像平面に沿って移動する。光は次に平面を超えて発散する。光
経路に沿って中間像平面を超えた、ある所望の焦点距離に接眼レンズが位置付け
られる。接眼レンズをわずかに超える、観察者の目が位置される区域に「射出瞳
」が生じる。
って偏向される光を受取る。したがって光は、走査サイクルの間の異なる時間に
異なる角度で観察者の瞳に当たる。この角度範囲が、観察者が知覚する視野のサ
イズを定める。走査サイクルの間の光の変調が画像の内容を定める。
境だけでなく、走査ビーム表示装置の、網膜上に投影された加えられた画像を見
る。ユーザが視野の中の対象物を見るとき、目は3つの基本的な機能を果たす。
1つの機能としては、各々の目は対象物が視界の中央に現われるように動く。第
2の機能としては、各々の目は、虹彩の開口の直径を変更することにより目に入
る光の量を調節する。第3の機能としては、各々の目は目レンズの曲率を変更す
ることにより焦点を合わせる。第3の機能からの焦点距離が収束点への距離と一
致しなければ、脳が不一致を検出する。吐き気が起こることがある。
物に近い画像が仮想網膜ディスプレイを用いて生成される。
の曲率を制御して、異なる深度の像点をシミュレートする。遠距離から無限の画
像は、目に当たる平坦な光波を有する。近距離の画像は、目に当たる凸型の光波
を有する。したがって、遠距離の対象物をシミュレートするには、ディスプレイ
から目に伝わる光波は平坦である。より近い対象物をシミュレートするには、光
波の曲率が増す。目は、その焦点を変更することにより、光波の変化する曲率に
応答する。生成された光波の曲率は、仮想の対象物と目との間の所望の「見かけ
の距離」に関連する。
れて、光波の形状を変更する。レンズは、所望によりその焦点距離を経時的に変
化させる。たとえば、640×480画素の画像については、307,200個
の画像素子が存在する。可変焦点レンズは、非常に迅速にその焦点距離を調節し
て、各画像素子ごとに異なる焦点距離を規定することができる。
れる。共振レンズはその光学軸に沿って厚みを変え、したがってその焦点距離を
変更する。レンズは時間に対して焦点距離を変える。光パルスが共振レンズに入
る時間を変えることにより、焦点が変化する。別の実施例では非共振レンズが用
いられ、その応答時間は、各画像素子ごとに焦点合わせするには十分速いもので
ある。
変える装置が用いられる。1つの実施例では、音響光学装置(AOD)または電
子光学装置(EOD)が用いられる。AODでは、音響エネルギが音響光学材料
に注入されてAODの屈折率を制御する。EODの1つの実施例では、レンズは
ニオブ酸リチウム層で被覆される。電界がニオブ酸リチウム材料にわたって印加
されて、被覆の屈折率を変化させる。屈折率の変化がレンズの実際の焦点距離を
が変化させ、仮想画像の焦点距離を変化させる。
てその屈折率を変化させる。赤外ビームの現時の強度が、装置に対する現時の屈
折率を実質的にセットする。赤外ビームの強度を変えることにより屈折率が変化
し、光学装置の実際の焦点距離を変化させる。
含む。円柱状の圧電変換器が勾配屈折率円柱の外側シェルを圧縮する。円柱の圧
縮がレンズ材料の物理的な場所をシフトさせて勾配屈折率を変化させ、それによ
り焦点距離を変更する。別の実施例は、自由キャリアの注入または空乏を用いて
その屈折率を変化させる電流駆動装置を含む。
ャナがもたらしたエラーまたは他の光学素子の収差を補正する役割を果たす。例
示的な実施例では、システムの収差マップがメモリのルックアップテーブルに記
憶される。収差マップは各画像素子ごとに補正データを提供する。補正データは
可変焦点素子を駆動して各画像素子ごとに焦点深度を調節する。
代わりに、光源が動かされて焦点距離を変更する。
のレンズに向けて光を反射する。鏡は反射角度を変化させる軸のまわりを可動で
ある。制御信号が、鏡の位置およびしたがって反射角度を定める。反射角度が変
化するため、レンズから出る光の焦点距離が比例して変化する。
。走査ビームディスプレイは、その上に仮想画像が増補されるバックグラウンド
画像を含むように増補される。仮想画像内の対象物が走査されて、視野内に見か
けの距離を有する。したがって、仮想対象物を実世界のバックグラウンドビュー
の中に置いてもよい。見かけの距離は、観察者の目の上で対象物の画素を走査す
る光波の曲率を制御することによって制御される。
かつ用いられて、そのようなバックグラウンド画像対象物に近接して置かれるべ
き仮想対象物の見かけの距離を特定する。
て仮想画像の強度が制御される。その結果、異なるバックグラウンド画像強度内
ですら、仮想画像とバックグラウンド画像との間の相対的なコントラストが同じ
になることがある。さらに、より現実的な視覚効果のために、バックグラウンド
画像とほぼ同じになるように仮想画像の強度を制御することができる。
場感を高めることである。この発明のこれらおよび他の局面および利点は、添付
の図面と関連して以下の詳細な説明を参照することにより、さらによく理解され
るであろう。
プレイ10のブロック図である。ディスプレイ10は光を生成しかつ操作して、
狭い視野からパノラマ的な視野までおよび低解像度から高解像度を有する、カラ
ーまたはモノクロームの画像をもたらす。ビデオ情報で変調された光は、観察者
の目Eの網膜上で直接的に走査され、正立した仮想画像の知覚を生じる。ディス
プレイ10はサイズが小さく、手持ちでの操作または観察者の頭に取付けるのに
好適である。ディスプレイ10は画像データインターフェイス11を含み、これ
は、RGB信号、NTSC信号、VGA信号または他のフォーマット済みの、カ
ラーもしくはモノクロームのビデオもしくは画像データ信号などの、ビデオまた
は他の画像信号を受取る。そのような信号は、コンピュータ装置、ビデオ装置ま
たは他のデジタルもしくはアナログの画像データソースから受取られる。画像デ
ータインターフェイスは光源12を制御するための信号を生成する。生成された
光は画像データに従って変更されて、観察者の目Eの網膜上で走査された画像を
形成する画像素子(たとえば画像画素)を生成する。
よび青の光源が含まれる。光源またはそれらの出力ビームは入力画像データ信号
の内容に従って変調されて、光学系サブシステム14に入力される光を生じる。
好ましくは、発せられた光は空間的にコヒーレントである。
よび接眼レンズ20も含む。発せられた光は光学系サブシステム14を通り、走
査サブシステム16によって偏向される。典型的には、光はラスタパターンに沿
って偏向されるが、代替的な実施例では、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ることができる。1つの実施例では、走査サブシス
テム16は、画像データインターフェイス11から導出された、水平方向の偏向
信号と垂直方向の偏向信号とを受取る。別の実施例では、走査サブシステム16
は、通過する光を偏向するための機械共振器を含む。
を変更するための装置を含む。この発明の代替的な局面に従うと、ディスプレイ
10は、時間とともに光源位置を動かして、目Eに当たる光の曲率を変化させる
ための装置を代わりに含む。
システム14は、目Eに当たる光の曲率を変化させるための可変焦点レンズ22
を含む。図2および図3は同じものであるが、曲率を変化させるための可変焦点
レンズ22が異なる場所に設けられている。図2の実施例では、点光源12から
の光は可変焦点レンズ22を通り、次にコリメーティングレンズ24を通り、そ
の後走査サブシステム16および接眼レンズ20に達する。図3の実施例では、
点光源12からの光はコリメーティングレンズ24を通り、次に可変焦点レンズ
22を通り、その後走査サブシステム16および接眼レンズ20に達する。接眼
レンズ20から目Eに通る光の曲率は、可変焦点レンズ22の制御に基づいて経
時的に変化する。ある画像素子については、曲率は、目を第1の焦点距離に焦点
合わせする1つのコンターのものである。他の画像素子については、曲率は、目
を第2の焦点距離に焦点合わせする別のコンターのものである。曲率を制御する
ことにより、ディスプレイ10は目の見かけの焦点を制御し、したがって現れる
異なる画像素子を異なる距離に位置づける。
る光が平面波によって形成されることに留意されたい。このような実施例では、
すべての光学素子は共通の不定深度に現われる。
むしろ光を収束する光学系サブシステム14用のものである。図7は、可変焦点
レンズ22を有しない仮想網膜ディスプレイの光学的概略図である。図7の実施
例については、目Eに当たる光が平面波で形成されることに留意されたい。この
ような実施例では、すべての光学素子は共通の不定深度に現われる。図5では、
点光源12からの光は可変焦点レンズ22を通り、次に収束レンズ24を通り、
その後走査サブシステム16および接眼レンズ20に達する。図6の実施例では
、点光源12からの光は収束レンズ26を通り、次に可変焦点レンズ22を通り
、その後走査サブシステム16および接眼レンズ20に達する。接眼レンズ20
から目Eに通る光の曲率は、可変焦点レンズ22の制御に基づいて経時的に変化
する。
査光波の曲率を制御して、異なる深度の像点をシミュレートする。遠距離から無
限までの画像は、目に当たる平坦な光波を有する。近距離の画像は、目に当たる
凸形の光波を有する。光は光のシーケンスとして示される。第1の画像素子26
については、対応する光28が1つの曲率を有する。別の画像素子30について
は、対応する光32が別の曲率を有する。他の画像素子34、38、40に対す
る光36、40、44も示される。画像素子のシーケンスは、目E上で走査され
て、目で知覚される画像を生成する。遠距離の対象物をシミュレートするには、
ディスプレイから目に伝わる光波は平坦である。より近い対象物をシミュレート
するには、光波の曲率が増す。生成された光波の曲率は、仮想対象物と目との間
の所望の「見かけの距離」(すなわち焦点距離)に関連する。目は、その焦点を
変更することにより、光波の変化する曲率に応答する。光の曲率は経時的に変化
して、表示される画像素子の見かけの深度を制御する。したがって、走査された
画像の異なる部分に対して、変化する画像深度が知覚される。
は、単一のモノクローム光源が典型的に用いられる。カラーイメージングのため
には、多数の光源が用いられる。例示的な光源は、着色レーザ、レーザダイオー
ドまたは発光ダイオード(LEDs)である。LEDは典型的にはコヒーレント
な光を出力しないが、1つの実施例ではレンズが用いられてLED光源の見かけ
のサイズを縮小しより平坦な波面を達成する。好ましいLEDの実施例では、単
一モードのモノフィラメント光ファイバがLED出力を受取り、コヒーレントな
光に近似する光を出力する点光源を規定する。
源は直接的に変調される。すなわち、光源12は、画像データインターフェイス
11から受取った画像信号内の画像データに対応する強度を備える光を発する。
別の実施例では、光源12は、画像データ駆動信号に応答して別個の変調器によ
って変調される、実質的に一定の強度を備える光を出力する。したがって光学経
路に沿って出力された光は、画像データインターフェイス11から受取った画像
信号内の画像データに従って変調される。そのような変調が画像素子または画像
画素を規定する。好ましくは、発せられた光31は空間的にコヒーレントである
。
備える仮想網膜ディスプレイ“Virtual Retinal Display with Fiber Optic Poi
nt Source”」と題された、ファーネス他(Furness et al.)の米国特許第5,
596,339号に見られ、ここに引用により援用されている。
タを画像データ信号として受取る。さまざまな実施例において、画像データ信号
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ーム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。画像データインターフェイス11の例示的な実施例は
、受取った画像データ信号からカラー成分信号および同期化信号を抽出する。画
像データ信号が赤、緑および青の成分を埋込んだ実施例では、赤の信号が抽出さ
れて変調器に経路指定され、赤色光点光源出力を変調する。同様に緑の信号が抽
出されて変調器に経路指定され、緑色光点光源出力を変調する。また、青の信号
が抽出されて変調器に経路指定され、青色光点光源出力を変調する。
向の同期化成分も画像データ信号から抽出する。1つの実施例では、そのような
信号が、走査サブシステム16に経路指定された、水平方向のスキャナ駆動信号
および垂直方向のスキャナ駆動信号に対して、それぞれの周波数を規定する。
たは後ろのいずれかに位置される。1つの実施例では、走査サブシステム16は
、水平方向のビーム偏向を行なうための共振スキャナ200と、垂直方向のビー
ム偏向を行なうための検流器とを含む。水平方向のスキャナとして働くスキャナ
200は、画像データインターフェイス11で抽出された水平方向の同期化信号
が規定する周波数を有する駆動信号を受取る。同様に、垂直方向のスキャナとし
て働く検流器は、画像データインターフェイスで抽出された垂直方向の同期化信
号VSYNCが規定する周波数を有する駆動信号を受取る。好ましくは、水平方
向のスキャナ200は、水平方向の走査周波数に対応する共振周波数を有する。
されて回転軸214のまわりで高周波数で発振する鏡212を含む。この実施例
では、可動部分は、鏡212およびばねプレート216のみである。光学スキャ
ナ200は、ベースプレート217および、1対のステータ柱218、220を
備える1対の電磁コイル222、224も含む。ステータコイル222および2
24は、それぞれのステータ柱218および220の付近で反対方向に巻かれる
。電気コイル巻線222および224は、以下に論じられるように、駆動回路に
直列にまたは並列に接続されてもよい。ベースプレート217の両端には第1お
よび第2の磁石226が取付けられ、磁石226は、ステータ218および22
0から等距離である。ベース217は後方ストップ232を備えて形成され、後
方ストップは各々の端から上方向に延びて磁石226のそれぞれの台座を形成す
る。
れたばね定数を有するねじり型のばねである。ばねプレート216のそれぞれの
端はそれぞれの磁石226の磁極上で休止する。磁石226は、それらがばねプ
レートに隣接する同じ磁極を有するような向きにされる。
なるように、ステータ柱218および220の直接的に上に取付けられる。鏡2
12はばねプレートの一部の上に取付けられるかまたはその上を被覆する。
軸214のまわりで鏡212を発振させる。1つの磁気回路は、磁石226の上
部磁極からばねプレートの端242に延び、ばねプレート216を通り、ギャッ
プを横切りステータ218へ、さらにベース217を通って磁石226に戻りそ
の下部磁極に達する。別の磁気回路は、他方の磁石226の上部磁極から他方の
ばねプレートの端に延び、ばねプレート216を通り、ギャップを横切りステー
タ218へ、さらにベース217を通って磁石226に戻りその下部磁極に達す
る。同様に、磁気回路はステータ220を通ってもたらされる。
が与えられると、磁界がもたらされて、回転軸214のまわりで鏡212を前後
に発振させる。より特定的には、たとえば方形波が高いとき、ステータ218な
らびに磁石226および228を通って磁気回路がもたらす磁界は、鏡の端をス
テータ218に引寄せる。同時に、ステータ220および磁石226を通って延
びる磁気回路がもたらす磁界は、ステータ220が鏡212の反対側の端を反発
するようにする。したがって、鏡は回転軸214のまわりを一方方向に回転する
ようにされる。方形波が低くなると、ステータ218がもたらす磁界はばねプレ
ート216の端を反発する。同時に、ステータ220はばねプレート216の他
方端を引寄せる。両方の力により、鏡212は軸214のまわりを反対の方向に
回転する。
学デフレクタ、回転多面体または検流器を代わりに含み、水平方向および垂直方
向の光の偏向を行なう。ある実施例では、2つの同じタイプの走査装置が用いら
れる。別の実施例では、水平方向のスキャナおよび垂直方向のスキャナに、異な
るタイプの走査装置が用いられる。
ビームを受取る多素子レンズまたはレンズシステムである。代替的な実施例では
、接眼レンズ20は単一レンズである(図5から図7を参照)。接眼レンズ20
は、観察者の目に向けて光ビームからの光線を中継する役割を果たす。特に、接
眼レンズ20は、走査ディスプレイ10の射出瞳が形成する場所に寄与する。接
眼レンズ20は接眼レンズ20から公知の距離dで射出瞳を規定する。そのよう
な場所は、観察者の目Eに対して、大体の予測された場所である。
閉塞素子である。代替的な実施例では、接眼レンズシステム20は透過性であり
、観察者は仮想画像だけでなく実世界を見ることもできる。さらなる別の実施例
では、接眼レンズは透過性を変更することができ、実世界の周辺ライティングと
仮想画像ライティングとの間のコントラストを維持する。図10を参照すると、
光センサ300が周辺光のレベルを検出する。検出された光レベルに応答して、
制御回路302は、光互変材料304にかかるバイアス電圧を変化させて接眼レ
ンズ20の透過性を変える。周辺光レベルが不所望に高い場合は、光互変材料3
04は、仮想画像をより容易に知覚できるように、外部環境からの光の一部をブ
ロックする。
システム16を通過した後のいずれかに、光源から出力された光を受取る。ある
実施例では、光学系サブシステムは光をコリメートする。別の実施例では、光学
系サブシステムは光を収束する。遮られないままならば、光は焦点に収束し、次
にそのような点を超えて発散する。しかしながら、収束する光が偏向されるに従
い、焦点が偏向される。偏向のパターンが焦点のパターンを規定する。そのよう
なパターンが中間像平面と称される。
化させるための光学装置を含む。具体的には、いずれかの所与の画像素子に対す
る、目Eに入る光の曲率パターンが可変焦点レンズ22を介して制御される。あ
る実施例では、レンズ22の焦点はレンズ22の厚みを制御することにより変化
する。別の実施例では、レンズ22の焦点はレンズ22の屈折率を変化させるこ
とにより変化する。
ンズ22の屈折率を変化させることにより制御される。その形状を変えるレンズ
が図11に示され、電気機械的可変焦点レンズ(VFL)320と称される。V
FL320の中央部分322は、圧電共振結晶石英からなる。動作においては、
1対の透過性導電電極324が、公知の態様で圧電材料を変形する電界をもたら
す。そのような変形は、中央部分322の厚みをその光学軸に沿って変化させ、
実際にVFL320の焦点を変化させる。
ンで周期的に変化する。光パルスが共振レンズに入る時間を制御することにより
、VFL320の実際の焦点位置を制御できる。
らせることは望ましくないであろう。そのような場合、VFL320は、関心の
ある周波数で共振しないように、しかしそれでも十分迅速に各画像素子ごとに焦
点を合せるように設計される。
率を変える材料から形成される。たとえば、レンズ材料は、電気光学的または音
響光学的材料であってもよい。好ましい実施例では、中央部分322(図10参
照)は、電気光学的でも音響光学的でもあるニオブ酸リチウムから形成される。
したがって、中央部分322は、印加される電界または音響エネルギに依存する
屈折率を示す。動作の際、電極324は電界を印加して、ニオブ酸リチウムの中
央部分322の屈折率を制御する。別の実施例では、石英レンズは透明インジウ
ム錫酸化物被覆を含む。
部332を含み、これはその半径の関数として勾配屈折率を有する。円柱状の圧
電変換器334は円柱状の中央部332を取囲む外側シェルを形成する。電界が
変換器334に印加されると、変換器334は中央部332を圧縮する。この圧
縮が中央部332を変形させ、それにより屈折率の勾配を変化させる。変化した
勾配屈折率は中央部332の焦点距離を変化させる。
これは透過領域352における自由キャリアの密度に依存する屈折率を有する。
1対の電極354を通して装置350に順電圧または逆電圧のいずれかを印加す
ることにより、自由キャリアの密度を増加させる電流または自由キャリアの密度
を減少させる逆バイアスのいずれかがもたらされる。屈折率は自由キャリアの密
度に依存するため、印加された電圧が屈折率を制御することができる。
列にカスケード接続される。1つまたはそれ以上の圧電位置決め装置364−3
66は、光経路に沿って1つまたはそれ以上のそれぞれのレンズ360−362
を移動させて光ビームの焦点距離を変化させる。互いに対するレンズの相対的な
位置を変化させることにより、光の曲率が変化する。
によってもたらされたエラーまたは他の光学素子によってもたらされた収差を補
正することである。たとえば、図13の実施例では、光学経路全体の収差マップ
がメモリ370のルックアップテーブルに記憶される。収差マップは、画像の各
画素ごとの可変焦点素子の焦点距離の変化または所望の量を表わす、定められた
補正データの集合である。制御エレクトロニクス372は、各画素ごとにテーブ
ルから値を取出し、対応する電圧または他の入力を与えて、焦点深度を調節し収
差を補正する。
は光源13は1つまたはそれ以上の可動点光源15を含む。図15は、光をコリ
メートする接眼レンズ20および光学系サブシステム14を有する表示装置50
を示す。図16は、光を収束する接眼レンズ20および光学系サブシステム14
を有する表示装置50′を示す。図15および図16の実施例の各々において、
点光源15は、光学系サブシステム14の平面に対して垂直方向の軸54に沿っ
て移動する。したがって点光源15は、光学系14のより近くにまたはそれから
さらに遠くへのいずれかに移動する。点光源15と光学系14との間で変化する
距離は、レンズ14を通して見たように、点光源15の見かけの距離を変化させ
る。一方方向に点光源を動かすことにより、観察者には仮想画像部分がより遠く
に見えるようになる。点光源15を反対方向に動かすことにより、観察者には仮
想画像部分がより近くに見えるようになる。これは、図15および図16に示さ
れる光波面56の曲率を変えることにより表わされる。光学系14からの点光源
15の距離を制御することにより、画像部分の焦点が変化する。
して点光源15から光学系14への距離を定める。1つの実施例では、コントロ
ーラ60は、点光源15を動かす圧電アクチュエータを含む。別の実施例では、
コントローラ60は、点光源15を移動させる電磁駆動回路を含む。アクチュエ
ータまたは駆動回路の動きの軸は点光源15が光を発する方向と整列されるため
、点光源15の動きはユーザの視野の中のそれぞれの画素の場所のシフトを生じ
させない。
ら発せられた光は、鏡124に向けて光を偏向する部分反射面122に当たる。
鏡124は部分反射面122を介して光を反射し返し、光学系14に光を伝える
。光が光学系14に当たる角度は鏡124の向きによって定められる。そのよう
な向きは調節可能である。1つの実施例では、鏡124は旋回軸線126のまわ
りで可動である。初期位置では、鏡124の向きは、その表面に当たる光に対し
て垂直である。鏡124の、角度δz分の動きに対しては、光学系14から出る
光の焦点は、距離Δzおよび高さΔh分変化する。弧の距離δzよりもはるかに
大きい距離wで光を受ける鏡124については、距離Δzは高さΔhの変化より
もはるかに大きい。したがって、高さΔhの差は多くの適用例については重要で
はない。このように、鏡124の回転は、画素の見かけの場所に大きく影響を与
えずに、各画像画素ごとに焦点距離を変化させる。
発する光エミッタ15を含む。1つの実施例では、光エミッタ15はレーザダイ
オードである。別の実施例では、光エミッタ15は、出力された光をコヒーレン
トにするための光学系を備える発光ダイオードである。
64はばね鋼から形成され、片持ち型ばねである。片持ちばねのばね定数は、そ
の長さ、幅および厚みによって定められる。好ましくは、支持体64は共振性で
あり、一旦支持体が動き始めてもエネルギがほとんど失われないように、高いQ
値を有する。その結果、各々の移動期間の間に加えられるエネルギはほとんどな
く、支持体64の動きの一定の振幅を維持する。高いQシステムに対する、サイ
クル当りのエネルギ損失は0.001%未満である。支持体64は一方端65で
固定され、反対側の端67で自由である。好ましくは、位置センサが支持体64
および光エミッタ15の位置をモニタする。ある実施例では、共通モード阻止圧
電センサ68が用いられる。他の実施例では、変化する慣性に応答するセンサ7
0が用いられる。「機械的共振スキャナ鏡の位置検出“Position Detection of
Mechanical Resonant Scanner Mirror”」と題された、1997年12月2日発
行のそのような米国特許第5,694,237号に、例示的なセンサ68が記載
されている。
84とで形成された電磁駆動回路60も含む。支持体64の固定された端65は
、キャップ78によって永久磁石82に保持される。永久磁石82はベース76
に取付けられる。電磁コイル84は、支持体64に磁界を作用させる制御信号を
受取る。別の実施例では、圧電アクチュエータが電磁駆動回路の代わりに用いら
れる。駆動回路60は、軸88に沿って(図15または図16の)光学系14か
らまたはそれに向けて支持体64および光エミッタ15を移動させて、ディスプ
レイから出る光の焦点距離を変化させる。
方の平坦な走査フィールドを生成する。実際に、コントローラは、中間像平面1
8(図19参照)の各画素成分ごとに対象物後方の平坦な像平面に生じる、発せ
られた光の焦点を変化させる。図19は、3つの対応する焦点F1、F2および
F3とともに、中間像平面18に沿った、ある時間にわたって3つの位置にある
点光源15を示す。
0′の曲率と一致するように変更される。光エミッタ15の位置が変化するに従
い、画像光110の曲率が変化する。光が接眼レンズ20′に沿って走査される
に従い、光が接眼レンズ20′に当る領域で接眼レンズ20′の曲率に一致する
ように、光の曲率が変更される。図20は、光エミッタ15の1つの位置に対す
る第1の曲率112と、光エミッタ15の別の位置に対する第2の曲率114と
を示す。
生成する増補されたディスプレイ150である好ましい実施例を示す。バックグ
ラウンド画像は、周辺環境画像または生成された画像であってもよい。仮想画像
はバックグラウンド画像のすべてまたは一部と重ねられる。仮想画像は、知覚さ
れた2次元または3次元のバックグラウンド画像環境とともに置かれるべき仮想
2次元または3次元の対象物から形成されてもよい。より具体的には、視野内の
見かけの距離に仮想対象物が位置されるように表示される。
の画像点をシミュレートする。遠距離から無限の画像は、目に当る平坦な光波を
有する。近距離の画像は、目に当る凸型の光波を有する。遠距離の対象物をシミ
ュレートするには、ディスプレイから目に伝わる光波は平坦である。より近い対
象物をシミュレートするには、光波曲率が増す。目はその焦点を変更することに
より、光波の変化する曲率に応答する。生成された光波の曲率は、仮想対象物と
目との間の所望の見かけの焦点距離に関連する。
2を受取る。ディスプレイ150は、画像データインターフェイス11、1つま
たはそれ以上の光源12、レンズまたは光学系サブシステム14、走査サブシス
テム16、ビームスプリッタ156、凹面鏡158および接眼レンズ20を含む
。図1のディスプレイ10について同一のまたは類似の機能を果たす同じ部分は
同じ部分番号を与えられる。1つの実施例では、ビームスプリッタ156および
鏡158は接眼レンズとして働く。別の実施例では、別のレンズ(図示せず)が
含まれて接眼レンズ20として働く。
たは他のデジタルもしくはアナログの画像データ源である。画像信号152は、
RGB信号、NTSC信号、VGA信号、SVGA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ームのビデオもしくは画像データ信号である。画
像信号152に応答して、画像データインターフェイス11は、光源12を制御
するための画像内容信号160と、走査サブシステム16を制御するための1つ
またはそれ以上の同期化信号162とを生成する。
よび青の光源が含まれる。1つの実施例では、光源12は直接的に変調される。
すなわち、光源12は、画像内容信号160に対応する強度を備える光を発する
。別の実施例では、光源12は、信号160に応答して別個の変調器で変調され
る、実質的に一定の強度を備える光を出力する。光164は光学経路に沿って光
源12から出力され、画像内容信号160内の画像データに従って変調される。
このような変調が画像素子または画像画素を規定する。好ましくは、発せられた
光164は空間的にコヒーレントである。
。走査サブシステム16は水平方向のスキャナおよび垂直方向のスキャナを含む
。1つの実施例では、水平方向のスキャナは、通過する光を偏向するための機械
共振器を含む。典型的には光はラスタパターンに沿って偏向されるが、代替的な
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
ることができる。
スプリッタ156に向けて、ラスタパターンに沿って光を偏向する。ビームスプ
リッタ156は、バックグラウンド光166と仮想画像光168との両者を、観
察者の目Eに伝える。凹面鏡158は目Eに光を焦点合せする。目はバックグラ
ウンド画像および重ねられた仮想画像を知覚する。仮想画像を形成する画像画素
は観察者の目の上で走査される。仮想画像が更新されかつ必要な周波数で周期的
に再走査されると、観察者は連続的な仮想画像を知覚する。
72およびコントローラ174も含む。図21および図22を参照すると、光セ
ンサ170はバックグラウンド光166の強度を検出する。コントローラ174
は検出された光の強度を受取り、応答の際に仮想画像光168の強度を調節する
信号176を生成する。1つの実施例では、仮想画像光168の強度は、光源1
2が出力した光164の強度を制御することにより調節される。たとえば、コン
トローラ174は、制御信号176を光源12に出力して、光源12の強度を変
化させる。
6の他の焦点視点の距離を検出する。そのようなセンサ172は、カメラのオー
トフォーカス機能と関連する、物体距離を定めるのにカメラで用いられる種類の
従来のセンサである。センサ172を備えるコントローラ174は、バックグラ
ウンド対象物に重ねられるべき仮想対象物の見かけの距離を制御するための信号
178を生成する。1つの実施例では、制御信号178は可変焦点レンズ22に
入力されて、仮想画像光168を形成する光波の曲率を調節する。代替的な実施
例では、制御信号178は光源12を移動させて、仮想画像光168を形成する
光波の曲率を変化させる。ある実施例では、バックグラウンド視界内の多数の点
に対してバックグラウンド距離を測定するための多数のセンサ172が含まれる
。測定点は視野内の異なる区域に対応する。所与の区域に対する、測定された距
離は、対応する画像区域に重ねられるべき仮想対象物に対する距離を特定するの
に用いられる。重ねられる(overlaid)という用語が用いられるが、仮想対象物
は、所望により、バックグラウンド対象物またはバックグラウンド画像区域に対
して一部は重ねられ、一部は下に敷かれ(underlaid)てもよい。したがって、
実世界の画像、およびより特定的には、実世界の像距離に相関する見かけの距離
を有する仮想画像区域が生成される。より一般的には、バックグラウンド画像、
およびより特定的には、バックグラウンド像距離に相関する見かけの距離を有す
る仮想画像区域が生成される。
とに加えて、対象物のぼかし(shading)、陰影付け(shadowing)および他のイ
メージング効果を制御して、所望の現実的、超現実的または非現実的効果を達成
することができる。たとえば、ゲーム用途では、仮想の場面がプレーヤのすぐ近
くのバックグラウンド環境(たとえばプレーヤの家、林など)に重ね合せられて
もよい。フライトシミュレータにおいては、シミュレートされた地形がバックグ
ラウンド画像光源であってもよく、シミュレートされた航空機、標的または他の
対象物が仮想対象物としての役割を果たしてもよい。このような例では、地形シ
ミュレータがセンサ170、172への入力を置換えたりまたは提供したりする
。
域はブランクにされる。1998年1月20日出願の、「コントラストを向上さ
せるためにシルエットを用いる、増補されたイメージング“Augmented Imaging
Using A Silhouette To Improve Contrast”」と題された、チャールズ D.メ
ルビル(Charles D. Melville)の、同時譲渡された米国特許出願連続番号第0
9/009,759号が、援用によりここにその一部が引用される。このような
出願には、バックグラウンド光の区域をブランクにして、仮想画像区域に対する
コントラストを向上させるシルエットディスプレイの使用が記載されている。
正および均等物が用いられてもよい。したがって、前述の説明は添付の請求項に
よって規定される発明の範囲を制限するものと理解されるべきではない。
ある。
である。
略図である。
図である。
略図である。
略図である。
概略図である。
光の図である。
である。
レンズの図である。
気機械的可変焦点レンズの図である。
実施例の図である。
ズの実施例の図である。
の縦列のレンズの図である。
概略図である。
概略図である。
ーラを備える光学源の図である。
トローラを備える光学源の図である。
概略図である。
発明の表示装置の実施例の図である。
Claims (19)
- 【請求項1】 画像データ信号を受取りかつ画像を表示フィールド上で走査
するための装置10/50/150であって、 受取った画像データ信号に基づいて、画像の内容を規定する光のパターンを生
成するための光源12と、 レンズの焦点を経時的に変化させる制御信号324/354/178を受取る
可変焦点レンズ22とを含み、レンズは光を受取りかつ通過させ、さらに 表示フィールド上で画像を走査する光を偏向するための鏡212を含み、 知覚された、画像の一部の深度は、可変焦点レンズの変化する焦点に基づいて
変化する、装置。 - 【請求項2】 制御信号はレンズの厚みを変化させる、請求項1に記載の装
置。 - 【請求項3】 制御信号はレンズの屈折率を変化させる、請求項1に記載の
装置。 - 【請求項4】 制御信号は赤外光信号である、請求項1に記載の装置。
- 【請求項5】 装置であって、 動作して画像信号を発生する画像信号源12と、 焦点制御信号を生成する焦点制御信号源370と、 画像信号源に結合され、画像信号に応答して光を発する光エミッタ15と、 光エミッタから光を受取りかつ、出て行く光を通すレンズ22とを含み、出て
行く光は焦点距離を有し、さらに 光エミッタとレンズとの間の距離を制御するための焦点制御信号に応答するコ
ントローラ372を含み、レンズから出て行く光の焦点距離は、光エミッタとレ
ンズとの間の距離とともに変化する、装置。 - 【請求項6】 コントローラは電磁駆動回路82、84を含む、請求項5に
記載の装置。 - 【請求項7】 コントローラは圧電アクチュエータを含む、請求項5に記載
の装置。 - 【請求項8】 光エミッタは、画像信号源に結合されかつ画像信号に応答し
てレンズに向けて光を発する複数の光エミッタ15の1つである、請求項1から
7のいずれかに記載の装置。 - 【請求項9】 装置は増補されたディスプレイとして働き、偏向された光を
鏡から受取りかつバックグラウンド光をさらに受取るビームスプリッタ156を
さらに含み、ビームスプリッタは偏向された光とバックグラウンド光とを表示フ
ィールドに方向付けする、請求項1から8のいずれかに記載の装置。 - 【請求項10】 バックグラウンド光の強度を検出する光センサ170と、
検出された強度に応答して、偏向された光の強度を制御する強度コントローラ1
74とをさらに含む、請求項1から9のいずれかに記載の装置。 - 【請求項11】 装置は、受取ったバックグラウンド光に応答して、制御信
号を変化させて、可変焦点レンズが通した光の焦点をバックグラウンド光と相関
させる信号源174をさらに含む、請求項1から10のいずれかに記載の装置。 - 【請求項12】 装置は距離センサ172をさらに含み、これは、そこから
バックグラウンド光を受取るバックグラウンド視野内の対象物の距離を検出し、
信号源は、対象物からの受取ったバックグラウンド光に応答しかつ、可変焦点レ
ンズが通した光の焦点を変化させて対象物の検出された距離に焦点を相関させる
、請求項1から11のいずれかに記載の装置。 - 【請求項13】 観察者の目の上で画像を走査するための方法であって、 画像の内容を規定する光のパターンを生成するために、光源12で画像データ
信号を受取るステップと、 経時的にレンズの焦点を変化させる制御信号324/354/178を可変焦
点レンズ22で受取るステップと、 可変焦点レンズで光のパターンを受取るステップとを含み、制御信号は光のパ
ターンに同期化され、可変焦点レンズは光を通過させ、さらに 鏡212を用いて光を偏向して、観察者の目の上で画像を走査するステップと
、 観察者が画像を知覚する接眼レンズ20を超えたところに、観察者に対して射
出瞳を形成するステップとを含み、 知覚された、見えた画像の部分の深度が、可変焦点レンズの変化する焦点に基
づいて変化する、方法。 - 【請求項14】 制御信号に応答して可変焦点レンズの厚みを変化させるス
テップをさらに含む、請求項13に記載の方法。 - 【請求項15】 制御信号に応答して可変焦点レンズの屈折率を変化させる
ステップをさらに含む、請求項13に記載の方法。 - 【請求項16】 制御信号は赤外光信号である、請求項13に記載の方法。
- 【請求項17】 パターンが仮想画像の内容を規定し、方法は、 バックグラウンド光を受取るステップと、 バックグラウンド光および仮想画像を組合せるステップとをさらに含む、請求
項13から16のいずれかに記載の方法。 - 【請求項18】 受取ったバックグラウンド光の強度を検出するステップと
、 バックグラウンド光の検出された強度の関数として仮想画像の強度を制御する
ステップとをさらに含む、請求項17に記載の方法。 - 【請求項19】 方法は、バックグラウンド光をそこから受取るバックグラ
ウンド視野内の対象物の距離を検出するステップをさらに含み、制御信号を受取
るステップは、レンズの焦点を変化させて、検出された、対象物の距離に相関す
る制御信号を可変焦点レンズで受取るステップを含む、請求項17または18に
記載の方法。
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