JP4070128B2 - 表示装置および表示方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に示すように、目の網膜に直接的に画像を生成させるための装置に関する。
本発明はまた、網膜像を生成するための対応方法に関する。

情報を表示しなければならないとき、多くの場合、この情報が投影される像平面が使用される。この像平面は、例えばテレビ画面、モニター等により構成することができる。しかし、像平面を経て画像情報が出力されることを必要としない、目の網膜上に画像を構築するための方法も存在する。

ＵＳ Ａ ６ ００８ ７８１は、像面を用いずに、網膜上に直接、仮想画像を映すシステムを記載している。このシステムは、放射を発するように構成されたフォトジェネレータを備える。このフォトジェネレータは、例えば、レーザーから成り、あるいは、赤、緑、青の光を発するＬＥＤ(発光)ダイオードを含む。このシステムはさらに、ビデオ変調信号を作成するために、発光された放射を操作する手段を備える。このビデオ変調信号は、水平および垂直に走査して変調光ラスターを作成することが可能であり、この変調光ラスターは、投射光学素子を通じてユーザーの目の上に直接、投影される。この投影光学素子は、入射してくるビデオ変調信号の方に視点が直接向くように配置する必要がある。つまり、実際には、例えば鏡のような形態の投射光学素子を、目で直接見られるように位置付けしなければならない。また、前述のシステムは、干渉の影響を極めて受けやすいので、操作されたビームを正確に目に合わせる必要があり、かつ、ビーム全体が目の瞳孔を通過して網膜に当たるように十分にこの放射のビームローブを狭くする必要がある。

本発明の目的の一つは、前述の投影光学素子のような装置を目の正面の中央部に配置させる必要性を排除することにある。また、本発明の別の目的は、干渉を受けやすいという問題を解決することにある。

実施例の一つにより、上記目的は、レーザー光線を発光するよう構成された手段と、このレーザー光線発光手段と目との間のビーム経路に配置されるレーザービームを変調するよう構成された変調手段とを備えた装置により達成される。該装置は、該レーザービームの位相面を変調させるために、目の屈折素子にレーザービームが当たる際に、変調されていない光線で得られる方向とは別の方向にそのビームを偏向させるように該変調手段が構成されることを特徴とする。

該装置を用いることにより、少なくとも二つの異なる方法において、網膜像を作成することができる。この第一の方法によれば、レーザービームの位相面を変調させるために、該装置の変調手段は、偏向時に、目の網膜上の確定したポイントにビームの焦点を合わせることができるように構成されており、また、該変調手段はさらに、網膜像を構築することを目的として、このポイントを移動させるために該レーザービームを連続的に再変調するように構成されている。

また、第二の方法によれば、レーザービームの位相面を変調させるために、該装置のレーザー変調手段は、ビームが網膜像全体を生成させるための情報を、各時点において含めることができるように構成されている。

目の正面の中央部に該装置を位置付ける必要性を排除するために、利点のある実施例の一つにおいては、変調されたレーザービームが目の光軸とは別の角度で目に当たるように、目を基準として変調手段を構成し、また、該変調手段は、波面を変調するように構成されるため、ビームが光軸を中心にして網膜上に投影されるよう波面が偏向される。

入射レーザービームに対する目の位置付けに対して、該装置があまり過敏にならなくてよいように、ビームローブは、目において、３ｃｍ^２より大きい、例えば５ｃｍ^２の断面を有する。

好ましい実施例において、該変調手段は、いわゆるＳＬＭ（spatial light modulator;空間光変調器）、および該空間光変調器の調整を制御するよう構成された制御手段を備える。簡単に説明すると、該空間光変調器は、量子化された（画素化された）位相パターンから成るパターンを表示することが可能であり、レーザー光線のための位相/振幅変換器として機能することが可能である。空間光変調器は、このような位相/振幅変調器であって、入射するレーザー光線の輝度および位相は、光変調器の画素ごとに制御可能である。入射レーザー光線の断面についての複合位相と可能な振幅の変調のために空間光変調器を用いることにより、このレーザー光線は、一つまたは複数の屈折素子を通過して、対象物の画像へ、または所定のポイントに向かって屈折できるようになる。

本発明はまた、請求項９に記載の方法を含む。

（図面の簡単な説明）
図１は、本発明の画像表示システムの一例を示す。
図２ａは、目の網膜に当たっている変調されていないレーザー光線を示す。
図２ｂは、目の網膜上の一ポイントに当たっている変調されたレーザー光線を示す。
図３ｃは、目の網膜上の表面に当たっている変調されたレーザー光線を示す。
図３ａ、ｂおよびｃは、図２ｂで示した目における変調ビームの制御例を示す。
図４は、携帯電話に応用した場合における、仮想表示を作成するための変調光線の使用例を示す。
図５は、該画像表示システムを眼鏡フレームに取り付ける場合の典型例を示す。
図６は、該画像表示システムを表示スクリーンに応用した典型的な使用例を示す。
図７は、該画像表示システムを広角に応用した場合の例を示す。

図１における参照番号１は、固定した角度で空間光変調器２（ＳＬＭ）に対し、レーザービーム４を発しているレーザーを示す。ここに示した例では、光変調器は反射型のものであるが、透過型の光変調器により構成することも考えられる。その場合、レーザー１は、光変調器の後ろに配置される。光変調器２には、例えばパーソナル・コンピュータの形態の計算機３が接続され、これは、光変調器２の位相パターンの調整に作用するよう構成される。レーザー１と光変調器２は互いに相関して配置され、光変調器２により変調された光線が、目５が存在すると思われるおおよその位置に当たるようにする。入射ビームは、目の網膜に焦点を合わせるために目の屈折素子８によって屈折する。目の屈折素子は、基本的に目の角膜とレンズから成るが、さらに眼内流体および硝子体も含む。

図２ａにおいて、従来技術による非変調光線は、目の屈折素子８に当たり、その屈折素子の形状により定められる目の網膜上のポイントに焦点が合う。非変調ビームの輝度パターンは、そのポイントにおいて、ガウス分布を呈する。 図２ｂにおいて、変調された光線は、目の屈折素子８に当たり、レーザービームの位相面により定められる方向に屈折し、その方向によって定められる目の網膜上のポイントへと向かう。本実施例において、変調ビームの輝度パターンは、該ポイントにおいてガウス分布を呈する。

図２ｃにおいて、変調ビームは屈折素子８に当たり、図２ｂに関連して説明した実施例と同様に、位相変調により定められた位置へと屈折する。さらに、該屈折素子はレーザービームを矯正し、位相変調によりまた定められる輝度パターンを想定する。ここで、このビームが位相変調される際、ビームの断面において、位相ホログラムが生成されることに注目する。その結果、網膜上に画像を生じさせるために、このレーザービームを目の中心に当てる必要はない。網膜上に画像を生成させるためには、レーザーローブのどこかに目が存在すれば十分である。レーザーローブのうちどの程度の大きさの部分が目の瞳孔を通過しなければならないかは、光変調器から得ることができる解像度品質に依存する。位相ホログラムにおける解像度が低い場合は、網膜に当たるレーザービームのエネルギーのうち、より大きい部分が必要となり、ビームの位相情報のうち、より大きい部分が利用される。逆に、高解像度のホログラムに係る場合は、位相情報のより小さい部分が使用される。すなわち、レーザーローブのより小さい部分を使用するだけで、許容可能な画像を網膜上に生成させることができる。

図１に示した実施例において、レーザービームは、屈折素子によって屈折するように変調され、その結果、該ビームは目の光軸７と一致する軸に沿って目の網膜６に焦点が合う。このように、光変調器からの変調レーザービームを制御する光変調器も投射光学素子も、目の光軸に沿って配置させる必要はない。

図３ａにおいて、レーザービーム４は、目の光軸に対して、角度αのところで目に当たる。計算機３は、光変調器２を調整するためのデータを提供するよう構成され、それによりレーザービームが目の屈折素子８によって屈折し、変調レーザービームは目の網膜上の確定した点に焦点を合わせる。また、このレーザービームはこの網膜像を構築させるためにこのポイントを移動させるよう連続的に再変調される。図３ｂは、入射ビームおよび屈折ビーム間の角度βが、ｘ方向において、時間とともにどのように変化するかを示すが、入射角αは基本的に時間が経過しても一定である。図３ｃは、角度βがｙ方向において、時間とともに、どのように変化するかについて示す。上記のように、変調レーザービームに対称なラインに沿って正確に目を位置づけることは重要ではない。正確なイメージを網膜上でフォーカスさせることを可能にするには、レーザーローブの範囲内のどこかに目を位置付ければよい。例えば、ビームローブの幅は３ｃｍよりも大きい。また、入射レーザービームに対して、目を完全に静止させていられない場合の別の実施例では５ｃｍよりも大きい。所望のビームローブを得るために、変調器はビームを変調させることが可能であり、それにより、目において、所望の幅を持たせることができる。あるいは、ビームを所望の方向へと分散させるレンズ（図示せず）を、ビーム経路内で変調器２の後に構成することも可能である。

あるいは、偏向されたビームが各時点における網膜像全体を形成するように光変調器２を調整することも可能である。上記のように、本実施例においてもまた、レーザービーム全体が目の瞳孔を通過することは決定的に重要なことではない。

所望のレーザービームの変調をもたらすための光変調器の表面パターンを計算するために用いる計算機３のハードウェアおよびまたはソフトウェアの生産は、本発明の範囲内でない。所望のレーザービームの変調を実現するために必要とされる光変調器の位相パターンを計算するためのソフトウェア／ハードウェアの製造は、当業者にとって日常的な処理である。ソフトウェア／ハードウェアにおける機能およびアルゴリズムの設計は、例えば、光変調器における位相パターンのために使用される材料、レーザーの種類、使用されるレーザー波長など、いくつかのパラメータにより決定される。

図４において、レーザーソース１および光変調器２は、携帯電話１０の内部に構築されている。ここで、変調レーザー光線は、開口部９を経て携帯電話１０から発光される。この開口部は図においては正方形であり、１．５×１．５ｃｍの断面を有することを特徴とする。携帯電話を目の正面において、所定の距離で保持したとき、変調レーザービームは、完全なコンピュータ表示解像度で、目５の網膜６上に画像を描く。

図５ａにおいて、レーザー１および空間光変調器２は、眼鏡フレーム１２のつる１３に固着されている。変調レーザービームは、おおよそ目の正面にある、眼鏡フレーム１２上に構成されたミラー１１によって、目の方へと反射する。図５ｂは、つる１３が各々、レーザー１および光変調器２を備える双眼（biocular）設計を示し、ミラー１１はその対応する目の方へ反射させるために各々の目の前に構成される。

図６において、レーザー１および光変調器２は、仮想表示スクリーンを作成するために用いられている。ここに例示したように、画像コントラストを増長させるために、好ましくは暗い色のプレート１４をユーザーの前に配置させる。本実施例において、アイトラッカー（図示せず）を、計算機に接続させることができる。該計算機は、画像をプレート上に目の高さで位置付けるために、目の位置に基づいて光変調気からの変調角度を計算するよう構成される。応用例としては、飛行機のパイロットシート内に構築されたＰＣスクリーンおよびディスプレイが考えられる。対応する光変調器を伴うレーザーが目の各々に対して提供されれば、三次元ディスプレイも実現できる。

図７においては、それぞれ対応する光変調器を伴った六つのレーザーが、人間の頭の周りの半円内に構成されている。また、ユーザーの正面に、アイトラッカー１５が二つ構成されている。これらのアイトラッカー１５と光変調器とを有するレーザーは、広角画像を作成するために用いられ、この画像はまた、周辺視野においても見ることができる。これらのレーザー、光変調器およびアイトラッカーは、例えば飛行機の操縦席などに固定的に装着される。

（Ｆｉｇ１)図１は、本発明の画像表示システムの一例を示す。
（Ｆｉｇ２ａ）図２ａは、目の網膜に当たっている変調されていないレーザー光線を示す。
（Ｆｉｇ２ｂ）図２ｂは、目の網膜上の一ポイントに当たっている変調されたレーザー光線を示す。
（Ｆｉｇ２ｃ）図２ｃは、目の網膜上の表面に当たっている変調されたレーザー光線を示す。
（Ｆｉｇ３ａ）図３ａは、図２ｂで示した目における変調ビームの制御例を示す。
（Ｆｉｇ３ｂ）図３ｂは、図２ｂで示した目における変調ビームの制御例を示す。
（Ｆｉｇ３ｃ）図３ｃは、図２ｂで示した目における変調ビームの制御例を示す。
（Ｆｉｇ４）図４は、携帯電話に応用した場合における、仮想表示を作成するための変調光線の使用例を示す。
（Ｆｉｇ５）図５は、該画像表示システムを眼鏡フレームに取り付ける場合の典型例を示す。
（Ｆｉｇ６）図６は、該画像表示システムを表示スクリーンに応用した典型的な使用例を示す。
（Ｆｉｇ７）図７は、該画像表示システムを広角に応用した場合の例を示す。

Claims (14)

1. レーザー光線発光手段（１）から入射されたレーザ光線を量子化されたパターンに変調する変調器（２）で変調して目（５）に当て、目の屈折素子（８）に位相ホログラムを生成することで、目（５）の網膜（６）に対し直接的に画像を表示する装置であって、
   前記変調手段は、前記レーザー光線の位相面を変調することで、変調された前記レーザ光線が目の屈折素子に当たったときに、非変調光線の方向とは別の方向に偏向するように構成されることにより、目の光軸とは異なる方向から目に当てられた変調された前記レーザ光線を、前記屈折素子で偏向して、目の網膜上に焦点が合うようにされていることを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、
   前記変調手段（２）は、前記レーザ光線の位相面を変調することで、偏向の際に、変調された前記レーザ光線は目の網膜上の確定したポイントに焦点を合わせるよう構成されることを特徴とし、また、前記変調手段は、前記レーザ光線の位相面を連続的に再変調することで、焦点を合わせる前記網膜上の確定したポイントを移動させることを特徴とする装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、
   前記変調手段（２）は、前記レーザ光線位相面を変調することで、目に当てられた変調された前記レーザ光線が、各時点において、網膜像全体を生成することのできる情報を含むように構成されることを特徴とする装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置であって、
   前記変調手段は、目に対して、変調された前記レーザ光線が目の光軸とは別の角度で目に当たるよう構成されることを特徴とし、また、前記変調手段は、波面を変調させることができるように構成され、変調された前記レーザ光線が該光軸を中心として網膜上に投影するように偏向することを特徴とする装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置であって、
   前記変調手段は、少なくとも一つのＳＬＭ（空間光変調器）を含む構成を備えることを特徴とする装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置であって、
   該装置は、目において、その断面が３ｃｍ ^２ より大きくなるように変調ビームローブを分散させる分散手段を有することを特徴とする装置。
7. 請求項６に記載の装置であって、目における前記断面が、５ｃｍ ^２ より大きいことを特徴とする装置。
8. 請求項６叉は７に記載の装置であって、前記分散手段は、前記ＳＬＭ構成から成ることを特徴とする装置。
9. レーザ光線を量子化されたパターンに変調して目（５）に当て、目の屈折素子（８）に位相ホログラムを生成することで、目の網膜（６）上に直接的に画像を表示させる方法であって、
   前記レーザー光線の位相面を変調することで、変調された前記レーザ光線が目の屈折素子に当たったときに、非変調光線の方向とは別の方向に偏向させることにより、目の光軸とは異なる方向から目に当てられた変調された前記レーザ光線を、前記屈折素子で偏向して、目の網膜上に焦点が合うようにされていることを特徴とする方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、
    偏向する際に、前記レーザ光線が目の網膜上の確定したポイント上に焦点を合わせるように位相面は変調されることを特徴とし、また、該位相面は連続的に再変調されることで、焦点を合わせる前記網膜上の確定したポイントを移動させることを特徴とする方法。
11. 請求項９に記載の方法であって、
    前記位相面は、各時点において、目に当てられた変調された前記レーザ光線が網膜像全体を生成させることのできる情報を含むように変調されることを特徴とする方法。
12. 請求項９〜１１のいずれか一項に記載の方法であって、
    変調された前記レーザ光線が、目の光軸とは別の角度で目に当たることを特徴とし、また、偏向の際に変調された前記レーザ光線が該光軸を中心として網膜上に投影されるように該位相面が変調されることを特徴とする方法。
13. 請求項９〜１２のいずれか一項に記載の方法であって、
    変調の際に、目における断面が３ｃｍ ^２ より大きくなるようにビームのビームローブを分散させることを特徴とする方法。
14. 請求項１３に記載の方法であって、目における断面が５ｃｍ ^２ より大きいことを特徴とする方法。

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