(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
頭部装着型ディスプレイを介して画像を表示する方法であって、
複数の光線を射出するステップであって、前記複数の光線のうち少なくとも１つの光線の波長は、前記複数の光線のうち少なくとも１つの他の光線の波長と異なる、ステップと、
投影される画像に対応する強度情報に少なくとも部分的に基づいて、前記複数の光線の少なくとも１つの光線の強度を調節するステップと、
前記頭部装着型ディスプレイのホログラフィック光学素子に向けて２つの別個の軸において前記複数の光線を走査して、前記画像を形成するステップと、
前記ホログラフィック光学素子を介して、前記複数の光線を複数の空間的に分離された射出瞳に向け直して、前記複数の射出瞳に前記画像を投影するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記光線の前記強度は、前記画像内の画素値を表す、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数の射出瞳を空間的に配置して、前記画像の視認のために拡大されたアイボックスを形成するステップ、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記複数の光線を同軸に結合して、前記複数の射出瞳の各々に対応する前記複数の光線間の角度差を補正するステップ、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
ユーザーの視線方向を決定するステップ、
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記複数の光線を走査するステップは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に基づく走査ミラーにより、前記複数の光線を走査するステップ、を含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項７】
複数の光線を射出する光源であって、前記複数の光線のうち少なくとも１つの光線の波長は、前記複数の光線のうち少なくとも１つの他の光線の波長と異なる、光源と、
２つの別個の軸において前記複数の光線を走査して、画像を形成する走査ミラーと、
走査された前記複数の光線を前記走査ミラーから受けて、前記複数の光線を複数の空間的に分離された射出瞳に向け直して、前記画像を前記複数の射出瞳に投影するホログラフィック光学素子と、
前記光源、前記走査ミラーおよび前記ホログラフィック光学素子を互いに一定の関係に保持するフレームであって、ユーザーの頭部に装着されるように構成されるフレームと、
を備える、頭部装着型ディスプレイ。
【請求項８】
前記光源は、投影される画像に対応する強度情報に少なくとも部分的に基づいて、前記複数の光線のうち少なくとも１つの光線の強度を調節するように構成される、
請求項７に記載の頭部装着型ディスプレイ。
【請求項９】
前記光線の前記強度は、前記画像内の画素値を表す、
請求項８に記載の頭部装着型ディスプレイ。
【請求項１０】
前記複数の射出瞳の空間配置は、前記画像の視認のための拡大されたアイボックスを形成する、
請求項７に記載の頭部装着型ディスプレイ。
【請求項１１】
前記複数の光線を同軸に結合して、前記複数の射出瞳の各々に対応する前記複数の光線間の角度差を補正するコンバイナレンズ、
を備える、請求項７に記載の頭部装着型ディスプレイ。
【請求項１２】
空間的に分離された前記複数の射出瞳は、前記ユーザーのアイボックスを拡大するように構成される、
請求項７に記載の頭部装着型ディスプレイ。
【請求項１３】
前記ユーザーの視線方向を決定する視線追跡部、
を更に備える、請求項７に記載の頭部装着型ディスプレイ。
【請求項１４】
前記フレームはアイウェアフレームを含む、
請求項７に記載の頭部装着型ディスプレイ。
【請求項１５】
前記光源はレーザー光源を含む、
請求項７に記載の頭部装着型ディスプレイ。
【請求項１６】
前記走査ミラーは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースの走査ミラーを含む、
請求項７に記載の頭部装着型ディスプレイ。
【請求項１７】
前記フレームに保持される眼鏡レンズであって、前記ホログラフィック光学素子が一体化される眼鏡レンズと、
前記フレームに保持される走査投影器であって、前記眼鏡レンズに隣接して配置され、前記光源および前記走査ミラーを含む、走査投影器と、
前記走査投影器に結合される投影レンズと、
を更に備える、請求項７に記載の頭部装着型ディスプレイ。
【請求項１８】
眼で視認可能な画像を表示する方法であって、前記画像はポータブル頭部装着型ディスプレイから投影され、前記方法は、
複数の光線を射出するステップと、
前記複数の光線を走査ミラーに向けるステップと、
前記画像から供給される強度情報に従って、前記複数の光線の各々を強度について調節するステップであって、前記強度は前記画像内の画素値を表す、ステップと、
前記走査ミラーにより、２つの別個の軸において前記複数の光線の各々を走査して、前記画像を形成するステップと、
前記光線の反射器として機能する光学素子を用いて、前記複数の光線を前記眼に向け直すステップであって、向け直す工程は前記光学素子に対する前記光線の入射角に依存し、各光線について、その他の光線の射出瞳から空間的に分離された射出瞳を、前記眼において創出するステップと、
を含む方法。
【請求項１９】
前記複数の光線によって形成された前記射出瞳を空間的に配置して、前記画像の視認のために前記眼が前記ポータブル頭部装着型ディスプレイに対して位置合わせされる拡大されたアイボックスを形成するステップ、
を更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記複数の光線は別々の可視波長の３つの光であり、それにより、前記射出瞳の各々について、フルカラー画像のために３つの光線が創出される、
請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記光学素子は、ホログラフィック光学素子である、
請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記複数の光線によって形成された前記射出瞳を空間的に配置するステップであって、個々の光線は、空間的に分離された複数の射出瞳を形成して、前記眼により同時に視認されない複数の関心領域を創出し、各関心領域はより大きな全体視野内に視野サブセットと関連する複数の射出瞳とを伴う、ステップ、
を更に含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は頭部装着型ディスプレイ（ＨＷＤ）に関し、特に、内蔵のディスプレイ機能を有するアイウェアを用いて仮想画像を通常の視覚に重畳する可能性を与えるＨＷＤのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
スマートフォン等の消費者向けモバイルコンピューティングデバイスが大規模に採用されることにより、人間とコンピューターおよび周辺環境とのインタラクションに新たな可能性がもたらされる。次世代のモバイルデバイスは、既存の携帯用表示画面とは異なる方式で情報を表示することによって情報提供を行うことが見込まれる。投影表示技術の発展により、オーバーレイ情報がユーザーに直接表示されるシースルー眼鏡等のニア・アイ（near-the-eye）ディスプレイが可能になっている。
【０００３】
シースルーディスプレイは、防衛の用途で数十年間用いられてきた。例えば、ジェット戦闘機のパイロットは、ナビゲーション情報その他の重要な情報を自身の視野にいるパイロットに提供するために、飛行機内のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）とヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）を用いている。投影技術が発達している一方、シースルーＨＷＤでは、視野とバルクおよび重量との間には未だに困難なトレードオフがある。ほとんどの場合、有意な視野（＞３０〜４０度）には大型の光学系が必要であり、多くの用途において使用が困難である。より受け入れやすいフォームファクタを採用した小型の視野システムが導入されているが、見た目の美しいフォームファクタを採用したシースルーディスプレイを幅広い用途で、更には日常使用で有効に実施するという課題が残る。
【０００４】
ＨＷＤの設計における最初の課題は、ディスプレイのいわゆるアイボックスの拡張である。アイボックスは、装着者の眼の配置および動きに対する光学システム許容範囲である。これは光学システムの射出瞳に密接に対応する。従来のＨＷＤでのアプローチは、光学システムの射出瞳を様々な手段で拡張することである。しかしながら、これにより、通常は光学システムが更に大型になってしまう。
【０００５】
ＨＷＤは、ＬＣＯＳやＯＬＥＤのパネルアレイ等のマイクロディスプレイパネルを用いて実現されることが多く、装着者がマイクロディスプレイの遠くの画像を見ることができるように、結像光学系の瞳形成（pupil  forming）または非瞳形成（non-pupil  forming）の配置において眼に提示される。別のアプローチは、あまり一般的ではないが、網膜投影である。網膜投影では、画像をユーザーの網膜上に直接的にラスター走査する走査要素が用いられる。網膜投影ディスプレイは、１９８０年に開発された走査レーザー検眼鏡（ＳＬＯ）と共に考案された。その技術は後に仮想網膜ディスプレイへと発展し、１９９０年代にはワシントン大学ＨＩＴＬａｂのTom  Furnessによって先導された（Thomas  A．Furness他、“Display  system  for  a  head  mounted  viewing  transparency”、米国特許第５，１６２，８２８号、１９８９年出願）、（Thomas  A．Furness他、“Virtual  retinal  display”、米国特許第５，４６７，１０４号、１９９２年出願）。それ以来、ＭＥＭＳベースの走査投影器を用いたＦＴＷＤ、すなわち網膜ディスプレイの特許が数多く出願されている。特に注目すべきなのは、ワシントン大学およびMicrovision（ワシントン大学のスピンオフ）が所有する特許である。ワシントン大学およびMicrovisionは、１９９０年代半ばから後半にかけて、仮想網膜ディスプレイの商品化に向けた初期の取組みを牽引した。このような功績の多くにはシステムの射出瞳を拡大するための取り組みが関与し、それはさもなければ低エタンデュレーザー光源のために小さい。特許文献に見られる普及した方法は、回折スクリーンまたは拡散スクリーンを用いてビームを拡張する方法であり、ビームは眼に提示される前に再コリメートされる（Joel  S．Kollin他、“Virtual  retinal  display  with  expanded  exit  pupil”、米国特許第５，７０１，１３２号、１９９６年出願）。このアプローチの欠点は、ビーム拡張光学系により、他の従来のＦＴＷＤアプローチに類似のトレードオフを伴う更なる光学的バルクが創出されることである。
【０００６】
複数且つ／または操作可能な小さい射出瞳を創出する方法がある。このような方法は、視線追跡と併せて、複数のアイボックス位置についてレーザーアレイを用いている（M．Tidwell、“Virtual  retinal  display  with  scanner  array  for  generating  multiple  exit  pupils”、米国特許第６，０４３，７９９号、１９９８年出願）、（M．Tidwell、“Scanned  retinal  display  with  exit  pupil  selected  based  on  viewer's  eye  position”、米国特許第６，２０４，８２９号、２０００年出願）。また、視線追跡に基づき操作可能な射出瞳を用いるシステムも提案されている（John  R．Lewis他、“Personal  display  with  vision  tracking”、米国特許第６，３９６，４６１号、１９９８年出願）。このようなシステムは視線追跡に依存し、複数の射出瞳によって生成される複数の画像を統一する方法を採用しなかった。
【０００７】
ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）を用いたＦＴＷＤの実施がいくつかある。Takahashi他は、ＨＯＥおよびマクスウェル視配置を用いたシステムに関する特許を出願している（Hideya  Takahashi他、“Image  Display  Unit  and  Electronic  Glasses”、米国特許出願番号１１／５７６，８３０、２００５年出願）。しかしながら、この特許のシステムは、レーザー走査投影器を考慮せず、空間光変調器を通過する拡大ビームを考慮しているようである。更に、多重化または複数の射出瞳の多重化についての議論はない。
【０００８】
ビームコンバイナとして単層ホログラムと併せてマイクロディスプレイ用いるという概念も周知の従来技術である（例えば米国特許第３，９４０，２０４号）。この技術についての関連ジャーナル出版物から、このようなシステムでは収差が非常に大きいことが記載された。これは主に、眼における１２〜１５ｍｍの大きな射出瞳の要件によるものであった。これにより、開口はより大きくなり、光学系はより「高速」になり、よって収差という点で制御がより難しい。また、投影器のサイズは、ビームの開口数と眼球位置における射出瞳のサイズとに正比例する。
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、アイウェアに搭載されたディスプレイを用いて人の視界に画像を表示する方法および装置を提供する。
【００１０】
少なくとも１つの実施形態において、本発明は、いくつかの要素を用いて創出されるＨＷＤに関する。１）走査投影システムは、エタンデュの小さい光源（レーザーまたは発光ダイオード（ＬＥＤ））を有し、共鳴微小電気機械システム（ＩｖＩＥＭＳ）走査ミラーからされる。走査ミラーの各位置について、ラスター走査により、網膜上に画素が形成されてよい。２）体積ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）は、投影システムからの光を反射する半透過反射体すなわち透明スクリーンとして、光を眼に向け直すように構成される。半透過反射要素は、２つの主要な機能を実行する。半透過反射要素により、環境からの周辺光が通過し、ユーザーに通常の視覚をもたらすことができる。また、投影器からの走査光を眼に向け直して、網膜上に表示画像を供給することができる。
【００１１】
少なくとも１つの実施形態において、本発明は、複数の小さな射出瞳の位置を制御しながら眼に配置する方法に関する。別々の小さな射出瞳を組み合わせることにより、より大きく効果的なアイボックスを創出する。代替として、射出瞳は、全視野に対応するのではなく特定の視野位置について戦略的に配置することができる。
【００１２】
少なくとも１つの実施形態において、半透過反射体は、反射ホログラフィック記録技術を用いて作製される。反射ホログラフィック記録技術では、所与の光波長と類似の強度の２つのコヒーレントレーザービームが干渉する。該所与の光波長では、２つのビームの一方（参照ビームと呼ぶ）は、走査投影システムの性質、すなわち投影構成に適合する入射角および位置を伴うホログラフィック材料に入射する。該所与の光波長での第２のビーム（物体波と呼ぶ）は、ホログラフィック材料の反対側に入射して、反射ホログラムを形成する。一実施形態では、物体波は大きな集束レンズを通過して、眼に反射ホログラムの焦点を作り出す。そうすることにより、眼の入射瞳の中心に投影システムの射出瞳が配置され、所与の眼球位置および視線角度に関して、投影画像の全体が視認可能となる。別の実施形態では、射出瞳の位置は、眼の入射瞳ではなく、眼の回転中心または眼の入射瞳と眼の回転中心との間に配置することができる。
【００１３】
更に、少なくとも１つの実施形態において、ホログラフィック多重化により複数の射出瞳位置を創出する際に、類似の知覚色のいくつかの分離した波長が用いられる。ホログラムの記録と読出しの両方について細かく分離した複数の波長を用いることにより、いくつかの射出瞳位置は類似の色を用いて創出することができる。射出瞳位置は、一連の点光源を眼球位置にリレー結像することにより、ホログラム書込み構成において創出され、すなわち、複数の物体波が同時に書き込まれる。少なくとも１つの実施形態において、これは、点光源として機能する正確な配置における光ファイバーファセットを用いてなされる。光ファイバーの点光源配置は、拡大（縮小）を伴って眼球位置にリレー結像される。ホログラムがＨＷＤの投影器によって「読み出される」ときに記録に用いられる類似の波長の光を投影することにより、複数の射出瞳が創出される。少なくとも１つの実施形態において、空間的ずれおよび歪みが補正された、個々の射出瞳位置に対応する画像を生成するために、狭帯域波長の各々は、それぞれ制御され、投影前にソフトウェアにおいて前処理される。このように、眼で単一の画像が創出される。少なくとも１つの実施形態において、直接的に調節されたレーザーがビーム結合されて光源を形成する。一実施形態では、光線は、ＨＯＥに対する提示のために、同軸に結合される。別の実施形態では、それぞれの射出瞳の空間的分離に対応する異なる角度の光線が結合される。或いは、別の実施形態では、複数のＬＥＤ光源がスペクトル的かつ空間的にフィルタリングされ、ビームが同軸または非同軸に結合されて光源を形成する。更に、別の実施形態では、白色光ＬＥＤやレーザーといった広帯域光源が、電界吸収型変調器や音響工学変調器等のスペクトル選択的変調器のアレイによって調節される。
【００１４】
更に、別の実施形態では、赤、緑および青（ＲＧＢ）の光波長を各射出瞳位置について多重化することにより、複数の射出瞳を伴うフルカラーＨＷＤを創出する。これには、射出瞳位置の数のように、３×個々に制御可能な光源または光帯が必要である。例えば、色単一射出瞳設計では、３つの個々に制御可能な光帯、すなわち１つの赤、１つの緑、１つの青が必要である。２つの射出瞳位置を用いる設計では、６つの制御可能な波長帯、すなわち２つの赤、２つの緑および２つの青が必要である。同様に、７つの射出瞳位置を用いる設計では、個々の制御を伴う２１個の光帯が必要であろう。
【００１５】
更に別の実施形態では、複数の射出瞳は、電力消費を低減するためにオンオフされる。視線追跡を用いて、任意の瞬間にどの射出瞳を用いるべきであるかが決定される。
【００１６】
別の実施形態では、走査ミラーではなくマイクロパネルディスプレイ要素を用いるＨＷＤにおいて、複数の射出瞳が創出される。ＨＯＥにおける波長多重化は、異なる波長の光を眼において分割して、複数の射出瞳を創出するのに用いられる。様々な光源の画像前処理は、異なる射出瞳位置の見かけの画像を位置合わせするのに用いられる。
【００１７】
別の実施形態では、ＨＯＥ半透過反射体における角度多重化を用いる走査ミラーＨＷＤにおいて、複数の射出瞳が創出される。複数の走査ミラーは、ＨＯＥにおいて入射角の差を創出するのに用いられ、光を複数の射出瞳に向け直す。様々な光源の画像前処理は、異なる射出瞳位置の見かけの画像を位置合わせするのに用いられる。
【００１８】
別の実施形態では、非瞳形成であるＨＷＤにおいて、複数の隣接する視野領域が創出される。すなわち、原則的に投影光はＨＯＥ半透過反射体にコリメートされる。非瞳形成アプローチでは、より簡単に大きなアイボックスを創出することができるが、ＨＯＥ半透過反射体により視野が制限される可能性がある。したがって、ＨＯＥにおける多重化は、複数の視野を創出して、全体の組み合わされた視野を拡大するのに用いられる。様々な光源の画像前処理は、異なる視野の見かけの画像を位置合わせするのに用いられる。
【００１９】
別の実施形態では、走査ミラーＨＷＤが、共焦点結像配置において眼からの反射信号を検出することにより、網膜その他の眼の部分の画像をキャプチャする。一実施形態では、この帰還信号は、検出画像を視線角度に関連付けることにより、視線追跡に用いられる。別の実施形態では、眼の位置の追跡は、複数の射出瞳について帰還信号強度の検出および比較をすることによって行われる。帰還信号の比較により、どの射出瞳が最も良好に眼と位置合わせされているかが示される。
【００２０】
別の実施形態では、広帯域光源が、走査ミラーＨＷＤにおいて複数の別個のスペクトル放射帯に分割される。そして、別個のスペクトル帯の各々は、空間的に分離され独立した射出瞳を眼において創出する。
【００２１】
本発明の別の方法では、狭帯域拡散要素がＨＷＤ半透過反射体として用いられ、空間光変調器が投光要素として用いられる。空間光変調器は、眼における低収差画像のために、拡散半透過反射体の後に光の波面を位相共役させるのに用いられる。
【００２２】
別の実施形態では、本発明のＨＷＤは、眼を通した生理的パラメータの測定による健康モニタリングのための非侵襲方法として用いられる。例えば、一定の間隔で網膜を撮像することにより、心拍、血糖値、眼圧、ストレスレベル、病気の性質または発病をモニタリングすることができる。
【００２３】
本発明は、ＨＷＤの単眼実施と双眼実施の両方に適用される。別段の指定がない限り、説明は単眼配置を対象とし、両眼用に光学系および処理の複製を要する双眼配置に及ぶ。
【００２４】
本発明はＨＷＤに限定されない。記載の方法および装置構造は、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）すなわち、眼からより遠くに配置されるシースルーディスプレイシステムにも適用することができる。
【００２５】
よって、第１の態様において、本発明は、ポータブル頭部装着型ディスプレイから投影される眼で視認可能な画像を表示する方法を提供する。本方法は、異なる波長をもつ複数の光線を射出するステップと、複数の光線を走査ミラーに向けるステップと、画像から供給される強度情報に従って、複数の光線の各々を強度について調節するステップであって、強度は画像内の画素値を表す、ステップと、走査ミラーにより、２つの別個の軸において複数の光線を走査して、画像を形成するステップと、光線の反射器として機能するホログラフィック光学素子を用いて、複数の光線を眼に向け直すステップであって、向け直す工程は光線の波長に依存し、各光線について、その他の光線の射出瞳から空間的に分離された射出瞳を、眼において創出するステップと、を有する。
【００２６】
更に好ましい実施形態では、複数の光線を射出するステップは更に、人間の視覚によって認識される第１の所与の色の範囲内の特定のスペクトル帯域に含まれる光線の対応する波長を選択することにより、複数の光線のうち所定数の第１の束を創出するステップであって、第１の束に含まれる光線の各々はその射出瞳と関連し、射出瞳は第１の束のその他の光線の射出瞳から空間的に分離される、ステップを有する。
【００２７】
更に好ましい実施形態では、複数の光線を射出するステップは更に、光線の第２の束および第３の束を創出する、各束はそれぞれ、人間の視覚によって認識される第２の所与の色と第３の所与の色の範囲内の分離したスペクトル帯域に対応し、第２の束と第３の束のそれぞれにおいて、光線は、第１の束の光線の射出瞳に関連し、それにより、射出瞳の各々について、第１、第２および第３の所与の色に対応する３つの光線を、フルカラー画像用に創出する、ステップ、を有する。
【００２８】
更に好ましい実施形態では、眼で視認可能な画像を表示する方法は更に、複数の光線の各々についての画像に画像登録および歪み補正を適用して、各光線についての射出瞳の位置に従って、複数の光線によって作り出された表示される画像を位置合わせするステップ、を有する。
【００２９】
更に好ましい実施形態では、眼で視認可能な画像を表示する方法は更に、複数の光線によって形成された射出瞳を空間的に配置して、画像の視認のために眼がポータブル頭部装着型ディスプレイに対して位置合わせされる拡大領域を形成するステップ、を有する。
【００３０】
更に好ましい実施形態では、複数の光線を走査ミラーに向けるステップは更に、走査ミラーにおいて、複数の光線を、空間的かつ角度的に、同軸に結合するステップであって、個々の射出瞳の位置決めによって生じた眼における光線間の著しい角度差は、画像処理によって較正される、ステップ、を有する。
【００３１】
第２の態様において、本発明は、ポータブル頭部装着型ディスプレイから投影される眼で視認可能な画像を表示する方法を提供する。本方法は、異なる波長をもつ複数の光線を射出するステップと、画像から供給される強度情報に従って、複数の光線の各々を強度について調節するステップであって、強度は画像内の画素値を表す、ステップと、複数の光線の反射器として機能する光学素子を用いて、複数の光線を眼に向け直すステップであって、向け直す工程は光線の波長に依存し、各光線について眼において射出瞳を創出するステップ、を有する。
【００３２】
更に好ましい実施形態では、複数の光線を射出するステップは更に、人間の視覚によって認識される第１の所与の色の範囲内の特定のスペクトル帯域に含まれる光線の対応する波長を選択することにより、複数の光線のうち所定数の第１の束を創出するステップであって、第１の束に含まれる光線の各々はその射出瞳と関連し、射出瞳は第１の束のその他の光線の射出瞳から空間的に分離される、ステップを有する。
【００３３】
更に好ましい実施形態では、複数の光線を射出するステップは更に、光線の第２の束および第３の束を創出するステップであって、各束はそれぞれ、人間の視覚によって認識される第２の所与の色と第３の所与の色の範囲内の分離したスペクトル帯域に対応し、第２の束と第３の束のそれぞれにおいて、光線は、第１の束の光線の射出瞳に関連し、射出瞳の各々について、第１、第２および第３の所与の色に対応する３つの光線を、フルカラー画像用に創出する、ステップを有する。
【００３４】
更に好ましい実施形態では、眼で視認可能な画像を表示する方法は更に、複数の光線の各々についての画像に画像登録および歪み補正を適用して、各光線についての射出瞳の位置に従って、複数の光線によって作り出された表示される画像を位置合わせするステップ、を有する。
【００３５】
更に好ましい実施形態では、眼で視認可能な画像を表示する方法は更に、複数の光線によって形成された射出瞳を空間的に配置して、画像の視認のために眼がポータブル頭部装着型ディスプレイに対して位置合わせされる拡大領域を形成するステップ、を有する。
【００３６】
更に好ましい実施形態では、複数の光線を向け直すステップにおいて、光学素子はホログラフィック光学素子である。
【００３７】
第３の態様において、本発明は、眼で視認可能な画像を表示する方法において用いられる光学素子を製造する方法を提供する。本方法は、複数の光線の波長に厳密に適合した複数のホログラム書込みレーザーを用いて、ホログラフィック光学素子を記録するステップであって、書込みレーザーの各々のビームは、後にポータブル頭部装着型ディスプレイによって創出される射出瞳の空間定位に適合するように、ホログラム記録構成において空間的に配置される、ステップを有する。
【００３８】
更に好ましい実施形態では、書込みレーザーの各々のビームは、光ファイバーを用いて空間的に配置される。
【００３９】
更に好ましい実施形態では、眼で視認可能な画像を表示する方法は更に、所与の瞬間における眼の位置に対応して、射出瞳の各々に関連する複数の光線のうち選択された光線を無効化するステップであって、装置の電力消費を低減するために、視線追跡情報を用いて、正しく位置合わせされていない射出瞳を無効化する、ステップを有する。
【００４０】
更に好ましい実施形態では、眼で視認可能な画像を表示する方法は更に、複数の光線によって形成された射出瞳を空間的に配置するステップであって、個々の光線は、空間的に分離された複数の射出瞳を形成して、眼により同時に視認されない複数の関心領域を創出し、各関心領域はより大きな全体視野内に視野サブセットと関連する複数の射出瞳とを伴う、ステップを有する。
【００４１】
更に好ましい実施形態では、複数の光線の各々を強度について調整するステップは、パネルマイクロディスプレイから投影するステップを有する。
【００４２】
更に好ましい実施形態では、眼で視認可能な画像を表示する方法は更に、複数の光線を走査ミラーに向けるステップと、走査ミラーにより、２つの別個の軸において複数の光線を走査して、画像を形成するステップと、を有する。
【００４３】
更に好ましい実施形態では、眼で視認可能な画像を表示する方法は更に、複数の光線を、空間的かつ角度的に、同軸に結合するステップであって、個々の射出瞳の位置決めによって生じた眼における光線間の著しい角度差は、画像処理によって較正される、ステップを有する。
【００４４】
更に好ましい実施形態では、眼で視認可能な画像を表示する方法は更に、射出瞳における光線のうち１つの光線の角度量が、光線のうち任意の他の光線の角度量に実質的に類似するように、光線間で角度差のある複数の光線を結合するステップであって、それにより画像処理の要件を低減し、個々の射出瞳の位置決めによって生じた眼における光線間の角度差の残りが、画像処理によって較正される、ステップを有する。
【００４５】
更に好ましい実施形態では、テレセントリックレンズにより、光線間で角度差のある複数の光線を結合するステップであって、テレセントリックレンズはテレセントリックレンズの射出瞳において光線を結合し、光線間で波長の異なる光線を射出する複数の光源の２次元配置がコリメートされ結合される。
【００４６】
更に好ましい実施形態では、光線間で波長の異なる光線を射出する複数の光源は、更なるテレセントリックレンズ、回折光学素子および光線用の開口の組合わせにより、空間的かつスペクトル的にフィルタリングされる。
【００４７】
更に好ましい実施形態では、回折光学素子は、回折格子と、体積ホログラフィック要素とのうち１つである。
【００４８】
第４の態様において、本発明は、ポータブル頭部装着型ディスプレイから投影される眼で視認可能な画像を表示する方法を提供する。本方法は、複数の光線を射出するステップと、複数の光線を、空間的に分離された対応する走査ミラーに向けるステップと、画像から供給される強度情報に従って、複数の光線の各々を強度について調節するステップであって、強度は画像内の画素値を表す、ステップと、複数の空間的に分離された走査ミラーのうち対応する１つにより、２つの別個の軸において複数の光線の各々を走査して、画像を形成するステップと、複数の光線の反射器として機能する光学素子を用いて、複数の光線を眼に向け直すステップであって、向け直す工程は光学素子に対する光線の入射角に依存し、各光線について、その他の光線の射出瞳から空間的に分離された射出瞳を、眼において創出する、ステップと、を有する。
【００４９】
更に好ましい実施形態では、眼で視認可能な画像を表示する方法は更に、複数の光線の各々についての画像に画像登録および歪み補正を適用して、各光線についての射出瞳の位置に従って、複数の光線によって作り出された表示される画像を位置合わせするステップ、を有する。
【００５０】
更に好ましい実施形態では、眼で視認可能な画像を表示する方法は更に、複数の光線によって形成された射出瞳を空間的に配置して、画像の視認のために眼がポータブル頭部装着型ディスプレイに対して位置合わせされる拡大領域を形成するステップ、を有する。
【００５１】
更に好ましい実施形態では、複数の光線を射出するステップでは更に、別々の可視波長の３つの光線が各走査ミラーに向けられ、組み合わされて射出瞳の１つを形成し、それにより、射出瞳の各々について、フルカラー画像のために３つの光線を創出する。
【００５２】
更に好ましい実施形態では、複数の光線を向け直すステップにおいて、光学素子はホログラフィック光学素子である。
【００５３】
第５の態様において、本発明は、眼で視認可能な画像を表示する方法において用いられる光学素子を製造する方法を提供する。本方法は更に、複数の光線の波長に厳密に適合した複数のホログラム書込みレーザーを用いて、ホログラフィック光学素子を記録するステップであって、書込みレーザーの各々のビームは、後にポータブル頭部装着型ディスプレイによって創出される射出瞳および投影光源点の空間的および角度的定位に適合するように、ホログラム記録構成において空間的に配置される、ステップを有する。
【００５４】
更に好ましい実施形態では、書込みレーザーの各々のビームは、光ファイバーを用いて空間的に配置される。
【００５５】
更に好ましい実施形態では、眼で視認可能な画像を表示する方法は更に、所与の瞬間における眼の位置に対応して、射出瞳の各々に関連する複数の光線のうち選択された光線を無効化するステップであって、装置の電力消費を低減するために、視線追跡情報を用いて、正しく位置合わせされていない射出瞳を無効化する、ステップを有する。
【００５６】
更に好ましい実施形態では、眼で視認可能な画像を表示する方法は更に、複数の光線によって形成された射出瞳を配置するステップであって、個々の光線は、空間的に分離された複数の射出瞳を形成して、眼により同時に視認されない複数の関心領域を創出し、各関心領域はより大きな全体視野内に視野サブセットと関連する複数の射出瞳とを伴う、ステップを有する。
【００５７】
第６の態様において、本発明は、ポータブル頭部装着型ディスプレイから投影される眼で視認可能な画像を表示する方法を提供する。本方法は、複数の光線を射出するステップと、画像から供給される強度情報に従って、複数の光線の各々を強度について調節するステップであって、強度は画像内の画素値を表す、ステップと、複数の光線の反射器として機能する光学素子を用いて、眼において光学的射出瞳を創出することなく、複数の実質的にコリメートされた光線を眼に向け直すステップであって、向け直す工程は光線の入射角および波長に依存し、眼において共に全体視野を構成する複数の視野サブセットを創出するステップと、を有する。
【００５８】
更に好ましい実施形態では、複数の光線を向け直すステップにおいて、光学素子はホログラフィック光学素子である。
【００５９】
第７の好ましい実施形態において、本発明は、眼で視認可能な画像を表示する方法において用いられる光学素子を製造する方法を提供する。本方法は更に、複数の光線の波長に厳密に適合した複数のホログラム書込みレーザーを用いて、ホログラフィック光学素子を記録するステップであって、書込みレーザーの各々のビームは、後にポータブル頭部装着型ディスプレイによって創出される視野サブセットの空間的および角度的定位に適合するように、ホログラム記録構成において空間的に配置される、ステップを有する。
【００６０】
更に好ましい実施形態では、眼で視認可能な画像を表示する方法は更に、複数の光線の各々についての画像に画像登録および歪み補正を適用して、視野サブセットの画像を位置合わせして、連続するように共に全体視野を形成するステップ、を有する。
【００６１】
更に好ましい実施形態では、複数の光線を射出するステップにおいて、視野サブセットごとに別々の可視波長の３つの光線を結合することにより、視野サブセットの各々について、フルカラー画像のために３つの光線を創出する。
【００６２】
第８の態様において、本発明は、ポータブル頭部装着型ディスプレイから画像を投影しキャプチャすることにより、眼から生理情報を取得する方法を提供する。本方法は、異なる波長をもつ複数の光線を射出するステップと、複数の光線の焦点を、レンズを通してピンホール開口に集束させるステップと、複数の光線をピンホール開口から走査ミラーへ向けるステップと、画像から供給される強度情報に従って、複数の光線の各々を強度について調節するステップであって、強度は画像内の画素値を表す、ステップと、走査ミラーにより、２つの別個の軸において複数の光線を走査して、画像を形成するステップと、光線の反射器として機能する眼鏡レンズの光学素子を用いて、複数の光線を眼に向け直すステップであって、向け直す工程は光線の波長および角度に依存し、各光線について、その他の光線の射出瞳から空間的に分離された射出瞳を、眼において創出するステップと、向け直された複数の光線を眼の表面に集束させるステップと、集束された複数の光を眼の表面から反射させて、システムを通してピンホール開口に返すステップと、反射された複数の光線を、ビーム分割要素を介して検出器に向けるステップであって、強度は、複数の光線が集束された眼の表面の共焦点像を表す、ステップと、を有する。
【００６３】
更に好ましい実施形態では、ピンホール開口は、光を異なる位置に伝送するのに用いられる光ファイバーによって置換される。
【００６４】
更に好ましい実施形態では、眼の表面からの散乱により、複数の光線と同じ波長で光が反射される。
【００６５】
更に好ましい実施形態では、眼の表面からの蛍光発光により、複数の光線と比べてシフトした波長で光が反射される。
【００６６】
更に好ましい実施形態では、眼の表面からのラマン散乱により、複数の光線と比べてシフトした波長で光が反射される。更に好ましい実施形態では、眼の表面での非線形現象により、複数の光線と比べてシフトした波長で光が反射される。
【００６７】
更に好ましい実施形態では、光学素子は体積ホログラフィック光学素子である。
【００６８】
第９の態様において、本発明は、ポータブル頭部装着型ディスプレイから画像を投影しキャプチャすることにより、眼から生理情報を取得する方法を提供する。本方法は、異なる波長をもつ複数の光線を射出するステップと、複数の光線を、レンズを通して、マルチモードデュアルクラッド光ファイバーの単一モードコアに集束させるステップと、複数の光線を、マルチモードデュアルクラッド光ファイバーから走査ミラーに向けるステップと、画像から供給される強度情報に従って、複数の光線の各々を強度について調節するステップであって、強度は画像内の画素値を表す、ステップと、走査ミラーにより、２つの別個の軸において複数の光線を走査して、画像を形成するステップと、光線の反射器として機能するメガネレンズの光学素子を用いて、複数の光線を眼に向け直すステップであって、向け直す工程は光線の波長および角度に依存し、各光線について、その他の光線の射出瞳から空間的に分離された射出瞳を、眼において創出する、ステップと、向け直された複数の光線を眼の表面に集束させるステップと、複数の光を眼の表面から反射させて、システムを通してマルチモードデュアルクラッド光ファイバーのマルチモードコアに返すステップと、反射された複数の光線を、ビーム分割要素を介して検出器に向けるステップであって、強度は、複数の光線が集束された眼の表面の共焦点像を表す、ステップと、を有する。
【００６９】
更に好ましい実施形態では、眼の表面からの散乱により、複数の光線と同じ波長で光が反射される。
【００７０】
更に好ましい実施形態では、眼の表面からの蛍光発光により、複数の光線と比べてシフトした波長で光が反射される。
【００７１】
更に好ましい実施形態では、眼の表面からのラマン散乱により、複数の光線と比べてシフトした波長で光が反射される。
【００７２】
更に好ましい実施形態では、眼の表面での非線形現象により、複数の光線と比べてシフトした波長で光が反射される。
【００７３】
更に好ましい実施形態では、光学素子は、周波数選択的応答を用いるキノフォーム回折光学素子と、曲面反射要素とのうち１つである。
【００７４】
更に好ましい実施形態では、眼から生理情報を取得する方法は更に、複数の光線を眼の異なる深さに集束させるステップであって、光線の波長が、眼のどの構造を撮像するかを決定する、ステップを有する。
【００７５】
更に好ましい実施形態では、頭部装着型ディスプレイの可視機能を妨げないように、共焦点測定に不可視の赤外線光が用いられる。
【００７６】
更に好ましい実施形態では、ビームは、検出器においてフィルタによって分離され、検出器は、干渉型と、二色型と、ホログラフ型とのうちいずれか１つである。
【００７７】
更に好ましい実施形態では、眼から生理情報を取得する方法は更に、眼の複数の視線特定画像を視線追跡較正のためにキャプチャするステップと、眼の複数の視線特定画像を特徴抽出のために処理するステップと、視線位置を抽出された特徴に関連付けるデータベースを作成するステップと、眼の新しい視線特定画像を視線決定のためにキャプチャするステップと、この画像の特徴をデータベース内の画像に対して関連付けるステップと、リアルタイムの視線追跡のために、特定の視線角度との関連付けにより、画像を分類するステップと、を有する。
【００７８】
更に好ましい実施形態では、眼から生理情報を取得する方法は更に、眼において複数の射出瞳を構成する複数の光線から反射強度をキャプチャするステップであって、眼の視線位置は、眼において空間的に分離された射出瞳を構成する複数のビームの相対強度に関連付けられる、ステップを有する。
【００７９】
第１０の態様において、本発明は、ポータブル頭部装着型ディスプレイから投影される眼で視認可能な画像を表示する方法を提供する。本方法は、少なくとも１つの広域スペクトルの光線を射出するステップと、少なくとも１つの光線のスペクトルを、光のないスペクトルゾーンによって分離された複数の別個のスペクトル放射帯にスライスするステップと、複数の光線を走査ミラーに向けるステップと、画像から供給される強度情報に従って、少なくとも１つの光線の各々を強度について調節するステップであって、強度は画像内の画素値を表す、ステップと、走査ミラーにより、２つの別個の軸において少なくとも１つの光線を走査して、画像を形成するステップと、光線の反射器として機能するホログラフィック光学素子を用いて、少なくとも１つの光線を眼に向け直すステップであって、向け直す工程は光線の波長および角度に依存し、別個のスペクトル放射帯の各々について、その他の別個のスペクトル放射帯の射出瞳から空間的に分離された射出瞳を、眼において送出するステップと、を有する。
【００８０】
更に好ましい実施形態では、眼で視認可能な画像を表示する方法は更に、走査ミラーの後に、分散光学素子により、少なくとも１つの光線を偏向させるステップであって、分散光学素子は、少なくとも１つの光線を角度的に分離して、別個のスペクトル放射帯の数に対応する複数の光線とする、ステップを有する。
【００８１】
更に好ましい実施形態では、眼で視認可能な画像を表示する方法は更に、赤色範囲、緑色範囲および青色範囲の各々に含まれる分離したスペクトル帯を有する３つの光線を射出するステップであって、それにより、各色範囲からの１つの光線の組合わせにより、３つの組合わせられた光線の相対強度に依存する色調により知覚色調を創出する、ステップを有する。
【００８２】
更に好ましい実施形態では、眼で視認可能な画像を表示する方法は更に、複数の光線によって形成された射出瞳を空間的に配置して、表示される画像の視認のために眼がポータブル頭部装着型ディスプレイと位置合わせすることができる拡大領域を形成するステップ、を有する。
【００８３】
第１１の態様において、本発明は、ポータブル頭部装着型ディスプレイから投影される眼で視認可能な画像を表示する方法を提供する。本方法は、コヒーレント光源から少なくとも１つの光線を射出するステップと、少なくとも１つの光線を、第１の波面をもたらす位相パターンをもつ空間光変調器に向けるステップと、少なくとも１つの光線を、眼鏡レンズの散漫散乱反射器を用いて眼に向け直すステップであって、第１の波面は散漫散乱反射器によって反射されて第２の波面をもたらし、第２の波面は眼に入り、網膜上に低収差画像を形成する、ステップと、有する。
【００８４】
更に好ましい実施形態では、コヒーレント光源は、面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）、点光源ＬＥＤまたはレーザーダイオードである。
【００８５】
更に好ましい実施形態では、眼鏡レンズは、第１および第２の透明な光学的に結合された要素から成り、第１の要素は第１の屈折率を有し、また、可視光により散乱する１つの面と、反射コーティングが堆積された滑らかで非散乱性の第２の面とを有し、第２の要素は第１の屈折率と等しい第２の屈折率を有し、滑らかで非散乱性の面を有する。
【００８６】
更に好ましい実施形態では、空間光変調器は、位相専用変調器か、振幅専用変調器か、またはその両方である。
【００８７】
第１２の態様において、本発明は、ポータブル頭部装着型ディスプレイから投影される眼で視認可能な画像を投影しキャプチャすることにより、眼から生理情報を取得する方法を提供する。本方法は、コヒーレント光源から少なくとも１つの光線を射出するステップと、少なくとも１つの光線を、第１の波面をもたらす位相パターンをもつ空間光変調器に向けるステップと、眼鏡レンズの散漫散乱反射器を用いて、少なくとも１つの光線を眼に向け直すステップであって、第１の波面は散漫散乱反射器によって反射されて第２の波面をもたらし、第２の波面は眼に入り、眼の表面に低収差画像を形成する、ステップと、適切な位相パターンをＳＬＭに供給することにより、網膜上のスポットを走査するステップと、網膜により拡散反射された光を共焦点方式で取り出して、表面の画像を形成するステップと、を有する。
【００８８】
更に好ましい実施形態では、表面は網膜である。
【００８９】
第１３の態様において、本発明は、ポータブル頭部装着型ディスプレイから投影される眼で視認可能な画像を表示するシステムを提供する。本システムは、眼で視認可能な画像を表示する方法を実施するための多射出瞳頭部装着型ディスプレイシステムと、シーンをキャプチャしシーンの処理画像を頭部装着型ディスプレイに供給するフロントカメラと、を備える。
【００９０】
更に好ましい実施形態では、処理画像は、（ａ）ズーム画像と、（ｂ）輪郭強調画像と、（ｃ）コントラスト強調画像と、（ｄ）歪み画像と、（ａ）〜（ｄ）の組合わせとのうちのいずれかであってよい。
【００９１】
更に好ましい実施形態では、眼は、加齢性黄斑変性を患っている眼のように、中心窩において光受容器が減少している。
【００９２】
更に好ましい実施形態では、処理画像は、眼の中心窩の周辺部に表示される。
【００９３】
更に好ましい実施形態では、眼は、中心窩の周辺部において光受容器が減少している。
【００９４】
更に好ましい実施形態では、処理画像は中心窩に表示される。
【００９５】
第１４の態様において、本発明は、ポータブル頭部装着型ディスプレイから投影される画像を眼に向け直すための装置を提供する。本装置は、少なくとも１つの入射光線を局所的に眼に向け直す透明熱ポリマーマトリクスの埋め込み小型キノフォームミラーと、キノフォームミラー上の薄膜反射コーティングであって、投影器からの少なくとも１つの光線が眼において複数の射出瞳に分離できると同時に、環境からの相当の周辺光が眼に向けて通過できるようにするためにスペクトル選択的かつ角度選択的である、薄膜反射コーティングと、を備える。
【００９６】
第１５の態様において、本発明は、２つのポータブル頭部装着型ディスプレイから投影される双眼画像を２つの眼に対して表示するシステムを提供する。本システムは、１対の眼鏡の各側に設けられる複数の射出瞳投影モジュールと、眼鏡レンズの両方に設けられる複数の射出瞳ホログラフィック反射器と、眼からの反射光に基づく両眼用の視線追跡システムと、ユーザーの面前のシーンキャプチャするフロントカメラと視線追跡システムからの情報に基づいて、双眼画像の変更によって生成される３次元画像と、を備える。
【００９７】
第１６の態様において、本発明は、多射出瞳頭部装着型ディスプレイの投影器と眼鏡レンズホログラフィック光学素子との位置合わせを創出し保持する方法を提供する。本方法は、投影器およびホログラフィック光学素子を、光学素子間の位置および角度を構造的に保持する剛性材料接続部において位置合わせするステップと、剛性構造を、従来の１対の眼鏡に取り付け位置付けるステップと、を有する。
【００９８】
更に好ましい実施形態では、従来の眼鏡は、非処方の眼鏡もしくはサングラス眼鏡、または処方の眼鏡もしくはサングラスである。
【００９９】
更に好ましい実施形態では、剛性材料接続部は、従来の眼鏡の内側または外側に配置され取り付けられる。
【０１００】
本発明のこれらの態様および他の態様は、図面と併せて以下の詳細な説明において更に説明される。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１Ａ】本発明の実施形態に係る有線単眼頭部装着型ディスプレイの図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態に係る無線単眼頭部装着型ディスプレイの図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態に係る、単一の射出瞳により眼と位置合わせされた網膜走査ディスプレイの光学的概略図である。
【図２Ｂ】眼が回転し単一の射出瞳とずれた状態の図２Ａの光学的概略図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態に係る、波長多重化によって形成された２つの射出瞳の一方により眼と位置合わせされた網膜走査ディスプレイの光学的概略図である。
【図３Ｂ】眼が回転し波長多重化によって形成された２つの射出瞳の他方と位置合わせされた状態の図３Ａの光学的概略図である。
【図４Ａ】２つの射出瞳に関する２つの画像成分間に前処理シフトがある状態の投影画像を示す図である。
【図４Ｂ】２つの異なる射出瞳に関する２つの同一の画素が半透過反射体に投影され、網膜上で単一の画素に融合した状態の、網膜走査ディスプレイの光学的概略図である。；
【図４Ｃ】本発明の実施形態に係る、画像を位置合わせするための図４Ａに示される画像前処理により、２つの射出瞳から網膜上で同時に知覚される画像を示す図である。
【図４Ｄ】人工眼を模倣する集束レンズと組み合わせられた回転カメラによって写真が取得された、拡張アイボックスおよび画像前処理の実証である。
【図５】本発明の実施形態に係る、２つの射出瞳を用いる網膜走査ディスプレイの光学的概略図と、射出瞳の配置およびアイボックスの重複の関連図である。
【図６】本発明の３つの異なる実施形態に係る、射出瞳の配置とアイボックスの重複との３つの例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る体積ホログラフィック要素の波長選択性を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る、３つの異なる中心波長を用いた３つの射出瞳についての同時ホログラム書込み構成の光学的概略図である。
【図９Ａ】本発明の実施形態に係る回折要素を用いた同軸スペクトルビームコンバイナの光学的概略図である。
【図９Ｂ】本発明の実施形態に係る二色性ビームスプリッタを用いた同軸スペクトルビームコンバイナの光学的概略図である。
【図９Ｃ】本発明の実施形態に係る体積ホログラフィック要素を用いた同軸スペクトルビームコンバイナの光学的概略図である。
【図９Ｄ】本発明の実施形態に係る、体積ホログラフィック要素および外部空洞を用いる同軸スペクトルビームコンバイナの光学的概略図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る、光線の角度分離を用いて２つの異なる波長光源から２つの射出瞳を形成するアイウェアフレームの網膜走査ディスプレイの光学的概略図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る、非同軸結合ビームを用いる走査投影モジュールの光学的概略図である。
【図１２】本発明の４つの異なる実施形態に係る、空間的に分離された射出瞳および非同軸結合ビームを形成する異なる波長の光源配置の４つの例である。
【図１３Ａ】本発明の実施形態に係る、３つの位置に配置された、空間的に分離された射出瞳および非同軸結合ビームを形成する、赤色エミッタ、緑色エミッタおよび青色エミッタを有する光源を示す図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａの光源からの眼での見かけの画像（apparent  image）を示す図であり、未処理（左）と、画像の位置合わせのために前処理を施したもの（右）である。
【図１４】本発明の実施形態に係る、赤色光源、緑色光源および青色光源からの非同軸結合ビームを用いる走査投影モジュールの光学的概略図である。
【図１５】本発明の実施形態に係る、反射において追加の空間的かつスペクトル的なフィルタリングを用いる、非同軸結合ビームを用いる走査投影モジュールの光学的概略図である。
【図１６】本発明の実施形態に係る、図１５の投影モジュールを用いる単眼走査ビーム頭部装着型ディスプレイの図である。
【図１７】本発明の実施形態に係る、図１５の投影モジュールを用いる双眼走査ビーム頭部装着型ディスプレイの図である。
【図１８】本発明の実施形態に係る、伝送において追加の空間的かつスペクトル的なフィルタリングを用いる、非同軸結合ビームを用いる走査投影モジュールの光学的概略図である。
【図１９】本発明の実施形態に係る、ホログラフィックフィルタリング要素を用いた非同軸結合ビームを用いる走査投影モジュールの光学的概略図である。
【図２０】本発明の実施形態に係る、波長多重化によって形成される３つの射出瞳のうち１つにより眼と位置合わせされる、マイクロパネルディスプレイの投影に基づく頭部装着型ディスプレイの光学的概略図である。
【図２１Ａ】本発明の実施形態に係る、単一の波長によって創出された分離した視野を伴う２つの分離した射出瞳の一方と眼が位置合わせされた状態の、網膜走査ディスプレイの光学的概略図である。
【図２１Ｂ】本発明の実施形態に係る、単一の波長によって創出された分離した視野を伴う２つの分離した射出瞳の他方と眼が位置合わせされた状態の、網膜走査ディスプレイの光学的概略図である。
【図２１Ｃ】本発明の実施形態に係る、２つの波長によって創出されわずかに重複する視野を伴う２つの分離した射出瞳の一方と眼が位置合わせされた状態の、網膜走査ディスプレイの光学的概略図である。
【図２１Ｄ】本発明の実施形態に係る、２つの波長によって創出されわずかに重複する視野を伴う２つの分離した射出瞳と眼が位置合わせされた状態の、網膜走査ディスプレイの光学的概略図である。
【図２１Ｅ】本発明の実施形態に係る、２つの角度分離した光源によって創出された分離した視野を伴う２つの分離した射出瞳の一方と眼が位置合わせされた状態の、網膜走査ディスプレイの光学的概略図である。
【図２１Ｆ】本発明の実施形態に係る、角度について分割および分離された単一の光源によって創出された分離した視野を伴う２つの分離した射出瞳の一方と眼が位置合わせされた状態の、網膜走査ディスプレイの光学的概略図である。
【図２２Ａ】２つの分離した射出瞳を創出するための２つの走査ミラーを有する網膜走査ディスプレイの光学的概略上面図である。
【図２２Ｂ】２つの分離した射出瞳を創出するための２つの走査ミラーを有する網膜走査ディスプレイの光学的概略側面図である。
【図２３】本発明の実施形態に係る、１つの中心波長による角度多重化を用いる３つの射出瞳に関する同時ホログラム書込み構成の光学的概略図である。
【図２４Ａ】角度多重化を用いる非瞳形成頭部装着型ディスプレイに関して３つの別個の視野を創出する同時ホログラム書込み方法の光学的概略図である。
【図２４Ｂ】非瞳形成頭部装着型ディスプレイに関して２つの角度多重化されたホログラムの回折効率および回折角度を示す図である。
【図２５】波長多重化を用いる非瞳形成頭部装着型ディスプレイに関して３つの別個の視野を創出する同時ホログラム書込み方法の光学的概略図である。
【図２６】本発明の実施形態に係る走査投影単眼頭部装着型ディスプレイの図である。
【図２７】本発明の実施形態に係る、網膜の共焦点結像を含む走査投影頭部装着型ディスプレイの光学的概略図である。
【図２８】本発明の実施形態に係る、任意の眼の表面の共焦点結像を含む、走査投影頭部装着型ディスプレイの光学的概略図である。
【図２９】本発明の実施形態に係る、回折格子により分離した追加の波長を用いた眼の共焦点結像を含む、走査投影頭部装着型ディスプレイの光学的概略図である。
【図３０】本発明の実施形態に係る、二色性ビームスプリッタにより分離した追加の波長を用いた眼の共焦点結像を含む、走査投影頭部装着型ディスプレイの光学的概略図である。
【図３１】検眼鏡から見た網膜の画像である。
【図３２】３つの異なる視線方向における単一の網膜の３つの画像である
【図３３】本発明の実施形態に係る視線追跡方法のブロック図である。
【図３４】本発明の実施形態に係る、異なる射出瞳からの相対共焦点強度を用いた視線追跡方法を示す図である。
【図３５】本発明の実施形態に係るカメラを有する走査投影単眼頭部装着型ディスプレイの図である。
【図３６】本発明の実施形態に係る、カメラから収集されたデータを頭部装着型ディスプレイに表示する方法を示す図である。
【図３７】本発明の実施形態に係る、透明材料の埋め込み狭帯域キノフォームミラーを用いた半透過反射体の光学的概略図である。
【図３８】本発明の実施形態に係る、分割スペクトル光源を用い、ホログラフィック半透過反射体において波長多重化して複数の射出瞳を創出する走査投影頭部装着型ディスプレイの光学的概略図である。
【図３９】本発明の実施形態に係る、分割スペクトル光源、回折格子を用い、ホログラフィック半透過反射体において波長多重化して複数の射出瞳を創出する走査投影頭部装着型ディスプレイの光学的概略図である。
【図４０】本発明の実施形態に係るカメラを有する走査投影単眼頭部装着型ディスプレイの図である。
【図４１】本発明の実施形態に係る、剛性アイウェアフレームの内側に取り付けられた走査投影単眼頭部装着型ディスプレイの図である。
【図４２】本発明の実施形態に係る、剛性アイウェアフレームの外側に取り付けられた走査投影単眼頭部装着型ディスプレイの図である。
【図４３】本発明の実施形態に係る、ダブルクラッドファイバーを用いた網膜の共焦点結像を含む、走査投影頭部装着型ディスプレイの光学的概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０１０２】
本明細書に記載の技術、装置、材料およびシステムは、走査投影器およびホログラフィック半透過反射体に基づくＨＷＤの実現に用いることができ、また、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）（眼から更に遠くに配置されるシースルー表示システム）にも適用することができる。
【０１０３】
本発明の少なくとも１つの実施形態において、頭部装着型ディスプレイは、走査ミラー投影器を用いて、ユーザーの網膜に直接的に走査画像を創出する。走査ミラーの射出瞳は、半透過反射要素を用いて眼の入射瞳に置かれる。半透過反射要素は、限定ではないが、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）であってよい。表示光を眼に向けて反射させるだけでなく、半透過反射体は光を環境から眼に効率的に伝達するようにも機能し、こうして、表示を自然視に加えることができる。これは「拡張現実」と呼ばれることが多いが、「複合現実」と呼ばれることもある。また、記載の発明により、ＨＯＥを多重化して、拡張されたアイボックスを模倣するように配置される複数の射出瞳を創出することにより、アイボックスを効果的に拡張することができる。
【０１０４】
図１Ａおよび図ＩＢは、本発明の２つの可能な実施形態を示す。図１Ａは、本発明の可能な実施形態の図であり、走査ディスプレイが一体化されたシンプルかつ軽量のアイウェアを示す。眼鏡のレンズ１０１の一方は、ホログラフィック材料の層で被覆される。少なくとも１つの実施形態において、ＨＯＥは、レンズに被覆されその後にホログラフィック記録される感光性樹脂であってよい。或いは、別の実施形態では、感光性樹脂は、眼鏡レンズの２つの表面の間に埋め込まれてよい（すなわち、挟まれてよい）。ホログラフィック材料は、環境からの光を伝達しながら、表示光を眼に向け直すように機能する。ユーザーのこめかみに近いアイウェアの１つのアームにおいて、走査ミラーまたはパネルマイクロディスプレイ投影器１０２は、ホログラフィック半透過反射体１０１に画像を投影する。一実施形態では、光源、電力機器およびドライバ機器は、別々に或いはまとめてヘッドから外され、パッチコード１０４を介してアイウェアに接続される小さいボックス１０３に配置される。パッチコード１０４は、取り外し可能なコネクタ１０５により、眼鏡側で取り外すことができる。これらの要素をヘッドから外すことには、アイウェアがシンプルで、軽量で、ディスクリートで、外見上魅力的で、社会的に受け入れられるという利点がある。更に、アイウェアは別のモジュールから分離されてよく、これによりユーザーは、その個人的な表示デバイスがアクティブであるか否かを他に示すことができる。これは、消費者向けの頭部装着型ディスプレイが個人のプライバシーと社会的交流に干渉し得る録音録画装置を有する可能性もあることを考慮すると、社会的状況において魅力的な特徴である。要素が密に一体化される他の実施形態では、代替として、光源、電力機器およびドライバ機器は完全にアイウェア内に配置されてよい。図１Ｂは、別の可能な実施形態の図であり、光源、電力機器およびドライバ機器が完全にアイウェア１０６内に収容される。更に、他の実施形態では、両方の眼鏡レンズに設けられる投影器とＨＯＥとの２つのセットを用いて、光を双眼方式で両方の眼に投影することができる。
【０１０５】
少なくとも１つの実施形態において、光は図２Ａに示すような光学システムを通って進む。図２Ａは、走査投影ベースの頭部装着型ディスプレイの、走査ミラーの単一の射出瞳２１２に関する光学配置の概略図である。少なくとも１つの波長の光２０６が走査ミラー２０５に入射し、走査ミラー２０５は、デジタル画像に対応するように調節された強度で、角度の光線２０７を走査する。ホログラフィック半透過反射体２０４（少なくとも１つの実施形態において、２つの保護外層２０２，２０３の間に挟まれた記録ホログラフィック材料２０１を有する）によって反射された投影光２０７は、回折光２０８として、前を見ている眼２０９の入射瞳２１０の中心に向かう。ここで、視線２１１は、走査ミラーの射出瞳２１２の中心に位置合わせされる。この配置の制限は、眼の回転許容範囲である。図２Ｂは、眼が単一の射出瞳の視野から外れて回転する場合を示す。そのようなものとして、単一の射出瞳の配置は、ユーザーが表示画像を見るためにその眼を位置合わせする小視野ディスプレイに適する。図２Ｂでは、視線２１１が単一の射出瞳２１２とずれている。ホログラフィック半透過反射体２０４は、前を見ている眼の入射瞳の中心に向けて投影光を反射するが、眼の入射瞳２１０と射出瞳２１２との不一致により、画像が見えなくなってしまう。
【０１０６】
本発明の少なくとも１つの実施形態において、複数の射出瞳により、システムのアイボックスが効果的に拡張される。図３Ａおよび図３Ｂは、眼の知覚の２つの空間的に分離された位置に創出された２つの射出瞳を用いて、複数の射出瞳配置の例を示す。図３Ａおよび図３Ｂでは、簡潔にするために２つの射出瞳が示されているが、２次元配置では追加の射出瞳を用いることができる。複数の射出瞳を用いて、より大きく効果的なアイボックスを眼に対して創出することができ、より大きなＦＯＶ画像が眼によってスキャンされ得る。少なくとも１つの実施形態において、複数の射出瞳は、異なる波長の光でホログラフィック要素を多重化することによって創出される。体積ホログラフィック要素は、「選択性」を呈し、１つの波長の光および入射角について書き込まれるホログラムが、十分に異なる波長または入射角で書き込まれる別のホログラムから独立していることを意味する。このように、異なる中心波長または入射角のソースを用いて、クロストークを伴わずに複数の独立した射出瞳を創出し、そのようにして拡張された効果的なアイボックスを作り出すことができる。更に、複数の射出瞳は、人間の知覚では類似する色の分離した波長を用いて創出することができる。例えば、いくつかの射出瞳の位置は、中心波長が十分に異なるいくつかの異なる光源を用いて創出することができる。求められる分離は、クロストークを防止するためのＨＯＥのスペクトル選択性に依存する。図３Ａは、波長の異なる２つの光線２０６，３０１をホログラフィック多重化することによって創出される垂直軸に沿った２つの射出瞳２１２，３０４についての光学配置の概略図である。これらの光線は走査ミラー２０５によって反射され、走査ミラー２０５は、デジタル画像に対応するように調節された強度の角度２０７，３０２の光線を走査する。ホログラフィック半透過反射体２０４に反射された投影光２０７，３０２は、回折光２０８，３０３として、眼の面の２つの射出瞳位置２１２，３０４に向かい、眼の回転への許容範囲を提供する。ここで、視線２１１は中央射出瞳２１２の中心に位置合わせされる。図３Ｂは、垂直軸に沿った２つの射出瞳についての光学配置の概略図であり、視線２１１は回転したがまだ射出瞳の一方３０４からの光をキャプチャしている。
【０１０７】
本発明に記載のホログラフィック方法を用いて複数の射出瞳が創出される場合、走査ミラーの特定の位置からの光（同等に画像の画素）は、異なる射出瞳の光の異なる角度量に対応する異なる波長について異なる位置で、網膜上に現れる。図４に示される少なくとも１つの実施形態において、この差は、個々の射出瞳に対応する各波長について投影される画像を前処理することによって補正される。個々の光源が独立して制御可能である場合、走査ミラーの各位置は、射出瞳のシフトした位置に対応する異なる波長光源について、独立した画素データを投影することができる。図４Ａに示されるように、横方向にシフトした射出瞳に対して必要な画像処理は、主に、異なる波長光源の各々に関する投影画像間の相対的な画像シフトである。例えば歪みの補正等の追加の幾何補正が適用されてもよい。適切に調整された場合、異なるおよび射出瞳位置波長からの画像は合致して、網膜上に単一の画像を形成する。図４は、網膜上に異なる射出瞳の画像を位置合わせするのに必要な前処理シフトおよび画像登録を示す図である。この例では、図４Ａは、縦方向に配置された２つの異なる射出瞳からの２つの画像４０１，４０２を示す。図４Ａに示すように互いにずれた画像４０１，４０２を投影することにより、図４Ｃに示されるように、単一の見かけの画像４０３が網膜上に形成される。図４Ｂを見ると、画素４０４，４０５は、各射出瞳について同じ画像画素の情報を含む。２つの対応する射出瞳の分離距離と同様の分離距離をもつ画素４０４，４０５を半透過反射体に投影することにより、画素４０４，４０５は網膜上で融合して１つの単一画素４０６になる。現実のシステムは、２次元にわたって更なるシフトをもつことができる。また、現実のシステムは、歪み等の非線形性を補正して画像の位置合わせを改善するための、画像の更なる前処理から利益を得ることができる。図４Ｄに、拡張アイボックスおよび画像前処理の実証を示す。単一の射出瞳に対応する単一の波長成分を有する画像４０７が半透過反射体に反射され、半透過反射体は、人工眼を模倣する集束レンズと組み合わせられたカメラに画像を反射し返した。写真４０８は単一の射出瞳と位置合わせされたカメラで撮影され、写真４０９は単一の射出瞳と部分的にずれたカメラで撮影され、写真４１０は単一の射出瞳と更にずれたカメラで撮影された。写真４０８，４０９，４１０は、カメラが単一の射出瞳とずれるにつれて投影画像が消失することを示す。画像４０７から得られるものとは別の射出瞳に対応する、画像４０７と異なる波長成分を有する画像４１１を、画像４０７と共に半透過反射体に投影し、半透過反射体は、人工眼を模倣する集束レンズと組み合わせられたカメラに画像を反射し返した。写真４１２は画像４０７の射出瞳と位置合わせされたカメラで撮影され、写真４１３は画像４０７，４０８の射出瞳と部分的にずれたカメラで撮影され、写真４１４は、単一の射出瞳と更にずれるが画像４０８の射出瞳と位置合わせされたカメラで撮影された。写真４１２，４１３，４１４は、複数の射出瞳を用いることによりアイボックスが拡張され得ることを示す。
【０１０８】
図５は、個々の射出瞳がどのように頭部装着型ディスプレイの「アイボックス」に関連付けられるのかを示す図である。この例では、図３Ａおよび図３Ｂのシステムが２つの射出瞳と共に示される。各射出瞳２１２，３０４は、眼の回転許容範囲を創出する。画像は、光が眼の入射瞳の２１０に入る間に視認可能である。射出瞳が眼の入射瞳に位置する場合、個々のアイボックス５０１，５０３のサイズは、眼の入射瞳２１０のサイズにほぼ等しい。この図では、２つの射出瞳を用いて、縦方向に継ぎ眼なく拡張された効果的なアイボックスを創出する。眼に創出される複数の射出瞳の数および幾何配置は多種多様であってよく、多数の組合わせが考えられる。図６は、複数の射出瞳５０２を用いた、考えられる３つの配置を示す図である。追加の光源波長により射出瞳５０２が追加されると、複数の射出瞳の範囲によってカバーされるアイボックス５０１は、より大きな合成射出瞳６０１のそれへのアプローチを改善する。中心やコーナー（３位置、５位置および７位置）等のスクリーン上の特定の位置を強調するために、いくつかの例示的な配置を示す。空間的に分離された小さな射出瞳５０２が示されているが、各射出瞳（大きい方の黒円で示される）の対応するアイボックス５０１は、個々の射出瞳より大きくなり、眼の入射瞳のサイズにほぼ同じになる。各射出瞳位置に関連する個々のアイボックスが互いに重複する場合、効果的なアイボックスの全体を、視認可能な画像空間において、隙間なくつなげることができる。個々の射出瞳は小さな円として示されているが、走査ビームのサイズに依存するサイズに及んでよい。本発明は、限定ではないが、これらの配置を含む。より大きな視野系について、最も望ましい構成は、所望のアイボックスを完全にカバーする多数の射出瞳であってよく、すなわち、図６に示す５個の射出瞳および７個の射出瞳である。アイボックスのフィルファクター（fill  factor）を最大化するためには、三角格子内に異なる射出瞳が配置されるべきである。或いは、人間の視覚および眼の回転のどの部分を複数の射出瞳がカバーするかを明示的に選択することにより、より単純な構成を見出すことができる。例えば２個の射出瞳の場合、単一の角と眼の回転中心とを用いることができる。これは、中心窩と周辺の視野の両方で視認可能な人間の視野の一角に情報を表示する際に有用であろう。射出瞳は、視野において非重複であってよく、或いは重複してよい。
【０１０９】
ホログラムが、隣接するチャネル間のクロストークを防止できる程度に選択的であるという条件で、体積ホログラムを効果的に波長多重化することができる。ホログラムの選択性は、材料の屈折率の変化と材料の厚みとを制御して調整することができる。このような選択性は、再構成光の波長と、記録光に対する再構成光の入射角との両方に適用される。多重化頭部装着型ディスプレイの設計では、頭部装着型ディスプレイとして用いられる場合、選択性と、ホログラム記録と読出しとの間のスペクトルおよび角度のずれに対する許容範囲との間に、引き続きトレードオフがある。図７（分析的数学モデルによって算出されたものとして、ホログラフィック半透過反射体の回折効率を縦軸に示し、波長を横軸に示す）は、感光性樹脂で形成された体積ホログラフィック要素の波長選択性を示す図である。この例では、モデル化屈折率変化０．００７５と６０μｍのホログラム厚さとを用いて、赤に含まれる３つの中心波長すなわち６４３ｎｍ（参照符号７０１）、６５８ｎｍ（参照符号７０２）および６７１ｎｍ（参照符号７０３）において、３つのホログラムが多重記録される。記録されたホログラムは、低クロストーク読出しに関して高い波長選択性７０４，７０６，７０６を示す。このシミュレーションでは、ホログラムの両側からの０°および４５°の２つの平面波が、ホログラムを記録する。続いて、ホログラムが４５°で読み出される。考えられる屈折率は１．５である。この３つの赤色の選択波長を用いるモデル化された例では、クロストークは１６μメートル感光性樹脂ではおよそ１６％であるが、より厚い６０μメートル感光性樹脂では＜ｌ°まで低下する。本発明の更に別の実施形態では、赤色光源、緑色光源および青色光源を用いることにより、表示をフルカラーにすることができる。フルカラー表示について、個々に制御される光帯の必要数は、３×所望の射出瞳位置の数である。例えば、１個の射出瞳について３個の光帯であり、７個の射出瞳について２１個の光帯である。
【０１１０】
本発明の少なくとも１つの実施形態において、ホログラフィック半透過反射体は、図８に示される光学ホログラフィック記録構成を用いて記録される。この構成は、曲面ＨＯＥ上に反射ホログラムを創出する。図８は、ホログラフィック書込み構成の概略図であり、頭部装着型ディスプレイにおいて眼と配列されるホログラフィック材料８２４に対する３つの射出瞳位置８２９について、同様の色だが異なる中心波長８０１，８０２，８０３をもつ３つの波長と共に示されている。半波長板８０４，８０５，８０６を通過した後、レーザーからのビームは偏光ビームスプリッタ８０７，８０８，８０９によって分割され、光学系８１３，８１４，８１５，８１６をファイバー８１７，８１８，８１９，８２０に集束させることによって結合される。物体波８３０は、レンズ８２７，８２５を通過し、ミラー８２８によって反射され、偏光子８２６を通過してからホログラフィック材料８２４を通過し、射出瞳位置８２９に集束する。参照ビーム８３１は、レンズ８２１，８２３、偏光子８２２を通過し、ミラー８３２によって反射されてからホログラフィック材料８２４を通過する。参照ビーム８３１において、全てのレーザー波長は、入射角と走査投影器の位置とを用いて結合され、ＨＯＥに提示される。物体波８３０において、レーザーは個々の光ファイバーに結合される。個々の光ファイバーは空間的に配置され、ＨＯＥを介して画像を中継して眼位置で複数の射出瞳を創出する。３つのレーザー光源が示されているが、本構成は波長を追加するために拡大することができる。図８の記録構成は、「同時」記録構成として用いることができ、多重化されたホログラムが同時に書き込まれる。同時記録には、ホログラフィック効率の均一性とワンショット記録スケジュールに関して利点がある。本発明の他の実施形態は、代替として、ホログラムを多重化するために、複数の記録が次々に行なわれる逐次的な記録を採用することができる。別の方法は、１つの波長または一連の波長を用いて各ホログラフィックフィルムを記録し、その後フィルムを互いに重ねることである。
【０１１１】
頭部装着型ディスプレイの少なくとも１つの実施形態において、異なる波長の光源は、走査投影器からの投影について、同軸にビーム結合される。図９Ａは、異なる中心波長９０２，９０３，９０４，９０５，９０６の複数のＬＥＤまたは光源をビーム結合するための回折方法の概略図である。これらの光源は、単一の制御光源９０１内に収容されてよい。レンズ９０７は、回折要素９０８から反射する前に横方向に分離したビームを集束させ、これは、レンズ９０９によりコリメート出力９１０として集束される前に、異なる波長ビームを共に位置合わせするのに役立つ。図９Ｂは、異なる中心波長のコリメート光源９１２、９１３，９１４，９１５，９１６に関する二色性ビームコンバイナの概略図である。異なる波長の光源からのコリメートビームは、コリメート出力９１８として、二色性ビームスプリッタ９１７を用いて共に位置合わせされる。図９Ｃは、異なる波長のコリメート光源に関する体積ホログラフィックビームコンバイナの概略図である。異なる波長の光源９１９，９２０，９２１，９２２，９２３は、軸方向結合ビーム９２５として、体積ホログラフィック要素９２４によって共に位置合わせされる。図９Ｄは、外部空洞を用いる多波長レーザー光源を創出する体積ホログラフィックビームコンバイナの概略図である。光源９２６，９２７，９２８，９２９，９３０の各々は、その内部空洞内でのレーザー発振と、ホログラフィックビームコンバイナ９３１への入射とを防止するために、反射防止コーティングを有する。代わりに、外部の部分反射ミラー９３２が、コリメート出力９３３のために、全光源について空洞を形成する。このアプローチの利点は、気温変化に対する感受性の低下である。
【０１１２】
少なくとも１つの実施形態において、本発明は、波長分離される光源を用いる頭部装着型ディスプレイに関する。波長分離される光源は、非同軸に結合されて、走査マイクロミラーを出た後の各光源からの光との相対角度シフトを創出する。適切に分離された波長をもつ独立した光源からの光は、ホログラフィック半透過反射体において波長について多重化されて、空間的に分離された射出瞳（同様に、空間的に分離されたアイボックス）を眼において創出することができる。光源からの光が同軸に結合される場合、重大な前処理デジタル画像シフトは、異なる射出瞳からの見かけの画像を眼において位置合わせする際に必要となる。しかしながら、光学的にシフトを創出することにより、眼において見かけの画像を位置合わせするのに必要であった大きな前処理画像シフトの大部分を置換するのに更なる角度分離を用いる場合、デジタル前処理画像シフトは、投影光学系の光学補正と光学位置合わせの制度とに依存して、主に、潜在的に、完全に排除される。光学的歪みの補正が不完全である場合、または位置合わせが不完全である場合、良好に位置合わせされた単一の見かけの画像を眼において形成するために、小さな相対シフトおよび相対画像ワープ（事前補償歪み補正）を用いて、異なる射出瞳の画像が位置合わせされてよい。このアプローチは、非常に大きな前処理画像シフトが要求されるときに失われた画素と画像領域を節約するという利点を有する。図１０は、アイウェアフレーム１００１に設けられ２つの射出瞳１００５，１００６を創出する走査投影器ベースの頭部装着型ディスプレイを示す。この図示では、両射出瞳は、眼２０９の単一の大きな入射瞳２１０内に含まれる。中心波長の異なる２つの独立した光源は、走査投影器１００２によって走査され、シフトビームを創出する。シフトビームは、多重化するホログラフィック半透過反射体２０４によって反射されて、眼２０９に向かう。２つの光源の主光線１００３，１００４は、２つの波長について実線と点線で示される。図示の３つのミラー走査位置は、走査範囲の中心および端部を表す。光学系によって創出された光のずれまたは歪みの違いによって生じた２つの画像間に存在する任意のずれは、画像の独立した前処理によって補正することができる。便宜上２次元で２つの波長を示しているが、この配置は、３次元配置による追加の射出瞳（波長）のために直接的に拡張されてよい。
【０１１３】
少なくとも１つの実施形態において、非同軸に結合された光源を創出する光源コンバイナは、光源とテレセントリックコンバイナレンズとの空間的に分布した集合から成る。テレセントリックコンバイナレンズは、走査マイクロミラーと一致するテレセントリックレンズの射出瞳において光源を結合する。図１１は、複数の波長光源を所定の角度で結合して、それらをホログラムに提示する光学装置を示す。この図では、異なる中心波長の２つの光源１１０１，１１０２が示される。その射出瞳が走査マイクロミラー１１０４と配列されるテレセントリックレンズ１１０３により光源の空間位置が角度分離へと変換されるように、該光源は単一の面に正確に配置される。マイクロミラー１１０４からの反射後、光１１０５は、光が眼においてコリメートされるか或いはほぼコリメートされるように、ホログラム半透過反射体への提示用の光を集束させる投影レンズ（図示なし）へ進む。分離された光源間の角度は、各射出瞳からの異なる画像を眼において位置合わせするために必要な前処理画像シフトが最小化されるように設計される。光源の向きにより、画像処理シフトを最小化するためのマイクロミラーを出た後の必要な角度分離が創出されるように、光源は正確な位置合わせによって配置される。これらの光源は様々な向きで配置されてよく、例えば、限定ではないが図１２に示す向きで配置されてよい。図１２は、図１１の装置と共に採用することのできる４つの可能な光源配置を示す。この場合、各光源エミッタ１２０１は、見かけの色（例えば赤）について類似する一方で波長について隣接する波長から分離されてよく、或いは、図１３Ａに示されるように、赤、緑および青の組合わせであってよい。少なくとも１つの実施形態において、光源は、異なる波長の表面実装エミッタであってよく、例えば限定ではないが、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）、ＬＥＤ、スーパールミネセントＬＥＤ（ＳＬＥＤ）、共振空洞ＬＥＤ（ＲＣＬＥＤ）であってよく、正確なピックアンドプレース法を用いて単一の電子パッケージ内に正確に位置合わせされる。別の実施形態では、モノリシック製造方法を用いて広帯域光源が創出され空間的に配置され、次にウエハスケールスペクトルフィルタおよび光学部品を用いて、帯域幅を狭くするように修正される。更に、少なくとも１つの実施形態において、単一の電子パッケージにおいて各射出瞳位置に関して赤色光源、緑色光源および青色光源を密集させることにより、フルカラー射出瞳が創出される。図１３Ａは、図１２の角度的にシフトした光源をフルカラーに拡張するための本発明の実施形態を示す。エミッタ集合１２０２を、図１２の左端の例に示すように、３つの分離したエミッタ位置１３０１，１３０２，１３０３で示す。各エミッタ位置について、赤、緑および青（ＲＧＢ）のエミッタが、ほぼ単一のエミッタ位置を形成するように近接配置される。例示として、エミッタ位置１３０１は、赤色エミッタ１３０４、緑色エミッタ１３０５および青色エミッタ１３０６から構成される。最終的に３射出瞳複合アイボックスを創出するために、追加のＲＧＢ波長がその他の分離したエミッタ１３０２，１３０３を形成する。この例では、多重化されたホログラフィック半透過反射体において独立した制御と低クロストークを可能にするために、全てのエミッタが波長について互いに分離される必要がある。図１３Ｂは、単一のアイボックスに関するわずかにシフトしたＲＧＢエミッタが、どのように眼においてわずかに角度シフトした走査を創出し、網膜上に画像１３０７を生成するのかを示す。人間の視聴者用にこれらの画像を結合するために、画像前処理を用いて、画像を、拡張複合アイボックス１３０５を有する単一の見かけのカラー画像に位置合わせすることができる。別の実施形態では、赤色光源、緑色光源および青色光源が、二色性ビームコンバイナを用いて結合される。図１４は、プリズム二色性ビームコンバイナ１４０８を用いて、３つのパネル１４０１，１４０２，１４０３からの複数の波長光源を非同軸に結合する光学装置を示す。この光学配置は、赤、緑および青（ＲＧＢ）のパネルを結合する場合に特に有用である。この例示的実施形態では、各パネルにつき異なる中心波長の２つの光源を用いる構成において、光源１１０１，１１０２，１４０４，１４０５，１４０６，１４０７が示される。その射出瞳が走査マイクロミラー１１０４と配列されるテレセントリックレンズ１１０３により光源の空間位置が角度分離へと変換されるように、該光源は単一の効果面に正確に配置される。マイクロミラー１１０４からの反射後、光１４０９は、光が眼においてコリメートされるか或いはほぼコリメートされるように、ホログラム半透過反射体への提示用の光を集束させる投影レンズ（図示なし）へ進む。分離された光源間の角度は、各射出瞳からの異なる画像を眼において位置合わせするために必要な前処理画像シフトが最小化されるように設計される。
【０１１４】
更に別の実施形態では、比較的大きいスペクトル帯域幅をもつ光源（例えばＬＥＤ）が用いられる。ホログラフィック半透過反射体からのクロストークを防ぐために、各エミッタの帯域幅を低減するためにスペクトルフィルタリングが必要であるかもしれない。少なくとも１つの実施形態において、これは、例えば限定ではないが図１５に示される実施のように、スペクトルフィルタリング部を用いて達成することができる。この配置において、光源１５０１，１５０２から成る光源アレイは、図１２または図１３で上述したようなものであってよい。しかしながら、この光源は、２回レンズを通過し回折格子１５０４から反射した後に、まず空間フィルタマスク１５０５に再結像される。光源配置、レンズ、回折格子およびマスクをまとめて最適化することにより、図１５の左に示される非同軸コンバイナに必要な空間配置でのマスクにおいて、光が効率よく生み出される。更に、少なくとも１つの実施形態において、光源は、フィルタマスクの開口よりもかなり大きめにすることができる。この目的は、電力効率の低減と引き換えに、光学アセンブリの位置合わせ感度を低減することである。図１５は、非同軸ビーム結合および投影のための光学装置を示し、該光学装置はスペクトル・空間帯域幅フィルタ部と共に図１１の角度コンバイナを有する。或いは、スペクトル・空間フィルタ部は、図１４のＲＧＢコンバイナに提供することができる。空間・スペクトル帯域幅部は、ＬＥＤや共振空洞ＬＥＤ等のより広帯域の光源が用いられる場合に、クロストークを防止する。波長および位置について分離された光源１５０１，１５０２は、レンズ１５０３に投影してから回折格子１５０４に投影して、各エミッタからの光を角度について分散させてから、開口マスク１５０５を用いて、空間とスペクトルの両方について共役像をフィルタリングする。開口マスクに続いて、図１１の角度コンバイナは、上述のようにビームを結合する。図１５に示される光源の実装は、アイウェアのアーム内にアセンブリを搭載することにより、コンパクトにアイウェアに実装することができる。図１６は、図１５の角度光源コンバイナおよび空間・スペクトルフィルタ１６０１を用いる概念的な単眼ＨＭＤ配置を示す。この配置は、ホログラフィック半透過反射体１６０２および投影レンズ１６０３を有してもよい。別の実施形態では、図１７は、図１５の角度光源コンバイナと空間・スペクトルフィルタ１６０１，１７０１を２つを用いる、概念的な双眼ＨＭＤ配置を示す。この配置は、各眼鏡レンズの２つのホログラフィック半透過反射体１６０２，１７０２と、２つの投影レンズ１６０３，１７０３とを有する。別の実施形態では、スペクトル・空間フィルタリングの実施は、例えば限定ではないが図１８にされる実施のように、反射配置ではなく透過配置において行うことができる。図１５と比較して、図１８の光学的構成は、反射格子を用いる複折り返し（folded  double）経路ではなく、代わりにインライン透過配置である。波長および位置について分離された光源１５０１，１５０２は、レンズ１８０１に投影してから透過回折格子１８０２に投影し、各エミッタからの光を角度について分散してから、レンズ１８０３に開口マスク１５���５上に共益像に集束されたときに、空間およびスペクトルについてフィルタリングする。開口マスクの後、図１１の角度コンバイナは、上述のようにビームを結合する。また、スペクトルフィルタリングを用いる光源エミッタの更に別の実施形態では、例えば限定ではないが図１９に示される実施のように、多重化反射ホログラフィック要素を用いて、広帯域光源から射出された光に対して、走査ミラーから反射する前にスペクトルフィルタリングを実行することができる。図１９では、波長および位置について分離された光源１５０１，１５０２は、レンズ１９０１に投影してから、多重化反射体積ホログラム１９０２に投影する。ＨＯＥ１９０２からの回折ビームは、記録された体積ホログラムによりスペクトルでフィルタリングされてから、走査ミラー１１０４に伝送され、そして開口フィルタ１９０３に伝送される。光の方向は、格子傾斜によって調整されてもよい。
【０１１５】
少なくとも１つの実施形態において、ホログラフィック要素によって創出される複数の射出瞳の本発明は、走査ミラー投影系ではなくマイクロディスプレイパネルを用いて形成される頭部装着型ディスプレイに関する。パネルマイクロディスプレイは、ＬＥＤやレーザー光源等の光源によって照明され、眼に向けて投影され、網膜上にマイクロディスプレイの共役像を形成する。このホログラフィック半透過反射要素は、２つの主な機能を実行する。環境からの周辺光が通過し、ユーザーに通常の視覚をもたらすことができる。また、投影器からの走査光を眼に向け直して、網膜上に画像を供給することができる。本発明では、複合射出瞳を形成する複数の小ビームを導入することにより、従来技術（米国特許第４，９４０，２０４号の図２を参照）に比べて光線のエタンデュを低減する。これには、２つの重要な効果がある。
【０１１６】
１）投影光学系のサイズが低減され、ＦＩＷＤが小型化かつ軽量化される。これは、図２を検討し、投影器からホログラムまでの光のための開口数を少なくすることの影響を考慮することによって理解できる。
【０１１７】
２）開口数を減らすことにより光学性能が向上するように、系の光学収差を低減する。
【０１１８】
米国特許第４，９４０，２０４号に関する既刊文献では、ホログラム記録および投影光学系を最適化するための多大な努力にも関わらず、画像品質を低下させる収差が原因で、系が高い基準で機能しなかったことが記載された。ビームサイズを劇的に低減することにより（例えば１０ｘ）、このような収差を、高品質画像を得るためにより良好に制御することができる。これにはアイボックスが拡張される必要があり、拡張は、上述したように、波長またはシフトの多重化により、マルチビーム射出瞳を眼球位置において創出することによって達成される。少なくとも１つの実施形態において、異なる波長の光をホログラムに投影して複数の射出瞳を創出するために、フィールドシーケンシャルカラーＬＣＯＳマイクロディスプレイが用いられる。異なる色の光源が結合され、マイクロディスプレイに提示される。マイクロディスプレイは、全ての波長を投影するための時間が１つのビデオフレームを構成するように、色を連続して繰り返し表示する。これには、マイクロディスプレイが少なくとも（波長のかず）×（所望のビデオ速度）に等しい速度でリフレッシュする必要がある。それからマイクロディスプレイは、残像を原因として画像が結合されて眼において単一の画像を形成するように、各波長についてシフトおよび歪みが補正された画像を表示する（図４を参照）。更に、少なくとも１つの実施形態において、最も良好に眼に位置合わせされた射出瞳を優先的に有効化するために、単純な視線追跡システムを用いる。これは、単一の射出瞳の一部の波長のみが任意の瞬間に表示されればよいので、フィールドシーケンシャルカラーを用いる場合に、マイクロディスプレイの必要なリフレッシュ頻度と、光源の電力消費を低減するという利点がある。少なくとも１つの実施形態において、マイクロディスプレイからホログラムに伝送するのに用いられる光を伝送する投影光学系は、傾斜し、シフトし、非球面であり、非回転の対称光学素子を用いて、軸外投影およびホログラムの反射によって形成される収差を予め補償する。同様に、ホログラム記録構成（図８に簡潔化した構成を示す）は、傾斜し、シフトし、非球面であり、非回転の対称光学素子を利用して、低光学収差でのＨＷＤでの読出し用のホログラムを最適化する。低収差で高品質な画像を網膜上に形成するために、投影光学系とホログラム記録との同時最適化により、配置の収差が低減される。更に別の実施形態では、ＯＬＥＤ等の発光パネルが用いられる。ここで、画素構造（異なる射出色について、積層か並列か）は、眼において複数の射出瞳を創出するのに必要な複数の波長を創出する。適切にシフトしたおよび歪みが事前補償された画像を生成して、ホログラムおよび後続のユーザーの眼への投影し、異なる波長を用いて単色またはカラーの単一の見かけの画像を形成するために、類似の波長画素の各セットは、個別に制御される。図２０は、走査投影器ではなくパネルマイクロディスプレイを用いた多射出瞳配置を示す。投影モジュール２００１内のマイクロディスプレイ２００２からの光は、投影光学系２００３を介して多重化ホログラフィックスクリーン２０４に投影される。ホログラフィックスクリーン２０４は、図３〜図７にも示されるよ���に、波長について多重化されて、各波長を分離して複数の射出瞳を創出する。図４に示されるように、画像を前処理することにより、単一の画像が目において創出される。ホログラフィック要素がほぼコリメートされた光を低収差で眼に向けて反射できるように、投影光学系２００３は、光をホログラフィック要素２０４に提示するのに必要な光学素子の配置から成る。このような投影レンズの光学素子は、限定ではないが、レンズ、ミラー、自由形状要素、シフトした・傾斜要素、非球面のレンズおよびミラー、非軸対称のレンズおよびミラー、並びにプリズムから成る。図示の３つの光照射野位置２００４は、投影器から投影される。ホログラフィック反射器２０４からの反射後、３つの角度分離したビーム２００５、２００６，２００７は、眼２０９において空間的に分離された射出瞳を形成する。
【０１１９】
多射出瞳頭部装着型ディスプレイの別の実施形態では、本発明は、眼に２以上の射出瞳を該射出瞳の位置を制御することにより配置するシステムおよび方法に関する。
【０１２０】
１）少なくとも１つの射出瞳が、軸上のシースルー視覚サブディスプレイに重畳される画像を供給する。
【０１２１】
２）少なくとも１つの射出瞳が、通常の視覚から実質的に軸外の「グランスアット（glance-at）」サブディスプレイにおいて独立した分かれた画像を提供する。少なくとも１つの実施形態において、ＨＯＥは、分離した視野を表す２以上の領域に分割され、軸上シースルーサブディスプレイを提供する射出瞳の光を向け直す少なくとも１つの領域と、グランスアット軸外サブディスプレイを提供する射出瞳の光を向け直す少なくとも別の領域とを伴う。
【０１２２】
図２１Ａは、単一の波長ビーム２１０１によって創出された分離した視野を伴う２つの分離した射出瞳の一方に眼が位置合わせされた状態の、網膜走査ディスプレイの光学的概略図を示す。単一波長ビームは走査ミラー２０５に入射し、走査ミラー２０５は、全体視野を軸上シースルー表示光２１０４とグランスアット軸外光２１０５とに分割する。両セットのビームは、ホログラフィック反射器２０４から反射され、収束光束２１０２，２１０３を形成し、収束光束２１０２，２１０３は眼２０９において２つの射出瞳を形成する。この図では、視線２１１が軸上シースルー光２１０２に位置合わせされている。図２１Ｂは図２１Ａと同じシステムを示すが、視線２１１がグランスアット軸外光２１０３に位置合わせされている。別の実施形態では、軸上シースルーサブディスプレイと軸外グランスアットサブディスプレイとの両方について使用可能な視野が、部分的に重複する。図２１Ｃは、視線が、２つの波長ビーム２１０６，２１０７によって創出された第２の光束２１０９から部分的に重なる視野を伴う１つの光束２１０８に位置合わせされた状態の、網膜走査ディスプレイの光学的概略図を示す。異なる波長または波長セットによるＨＯＥの記録及び読出しにより、軸上シースルーサブディスプレイと軸外グランスアットサブディスプレイとの区別が生まれる。図２１Ｄに示される更に別の実施形態において、ユーザーが真っ直ぐ前を見ながら軸外グランスアットサブディスプレイでの警告を視認できるように、軸上シースルーサブディスプレイ視野と軸外グランスアットサブディスプレイ視野との両方が重なってよい。少なくとも１つの実施形態において、ＭＥＭＳ走査ミラーは、図２１Ａ〜図２１Ｄに示されるように、軸上シースルーサブディスプレイと軸外グランスアットサブディスプレイとの両方に情報を表示するために、十分に広い角度範囲に光を投影する。光がＨＯＥにぶつかる位置と光波長との両方により、どの射出瞳に光が向け直されたのかが区別され、よって、どちらのサブディスプレイに光が届けられるのかが区別される。少なくとも１つの実施形態において、複数の光源（各サブディスプレイに１つ）が異なる位置に配置される。図２１Ｅは、眼が、位置および角度について分離した２つの光源２１１２，２１１３によって創出された第２の光束２１１５から分離した視野を伴う光束２１１４に位置合わせされた状態の、網膜走査ディスプレイの光学的概略図を示す。１つの特定の位置からの光は、軸上シースルーサブディスプレイ用に用いられるようにＨＯＥにぶつかる一方、別の位置で生成される光は、軸外グランスアットサブディスプレイ用に用いられるようにＨＯＥにぶつかる。図２１Ｆに示される別の実施形態では、フリップミラー２１２０が、走査ミラー２０５にぶつかる光の入射角度を変える、よって、光線がＨＯＥにぶつかる位置を変える。光は、フリップミラーの所与の位置に関する軸外グランスアットサブディスプレイを提供する領域に送られてよく、または、軸上シースルーサブディスプレイを提供する領域に送られよい。
【０１２３】
本発明の別の実施形態では、複数の走査ミラーは、ホログラフィック光学素子から反射することにより、眼の位置に複数の射出瞳を創出する。少なくとも１つの実施形態では、ホログラムは、複数の射出瞳について角度多重化される。図２２Ａは、２つの走査ミラー（一方のみ視認可能）２２０１を有する網膜走査ディスプレイの光学的概略上面図である。２つの異なる角度からの光は、ホログラム２０４から反射されて眼２０９に戻り、眼において２つの分離した射出瞳を創出する。図２２Ｂは、図２２Ａの同じシステムの側面図を示す。２つの走査ミラー２２０１，２２０２は、２つの分離したビーム２２０３，２２０４を創出し、２つの分離したビーム２２０３，２２０４は、眼の位置または眼の位置付近に２つの独立した射出瞳を創出する。図２３は、図２２Ａの多射出瞳頭部装着型ディスプレイについて、角度多重化されたホログラムを記録するための構成を示す。この図は、図８の波長多重化される実施形態に多くの点で類似する。使用される各レーザーは２つのビームに分割され、ホログラフィックフィルムに干渉する可能性がある。基準アームにおいて、各光源は別個の位置からホログラムに光を送り、結果として、ホログラフィックフィルムの位置ごとに入射角が異なる。ホログラフィック材料が十分に選択的であり、かつ入射角が十分に遠い場合、記録されたＨＯＥのある位置に入射する各ビームは、その対応するアイボックスへ攪拌される。図２３では、同じ中心波長２３０１の３つのレーザーを用いて、頭部装着型ディスプレイにおいて眼と配列された３つの射出瞳を伴うホログラフィック半透過反射体を得る。半波長板２３０２を通過した後、レーザーからのビームは偏光ビームスプリッタ８０７，８０８，８０９によって分割され、光学系２３０３をファイバー２３０４へと集束させることによって結合される。物体波２３０６はレンズ８２７，８２５を通過し、ミラー８２８によって反射され、偏光子８２６を通過してから、ホログラフィック材料８２４を通過し、射出瞳位置８２９で集束する。参照ビーム２３０５は、ホログラフィック半透過反射体８２４の前に偏光子２３０７を通過する。参照ビーム２３０５において、複数の走査ミラーを表す入射角度を用いて、レーザーはＨＯＥに提示される。物体波２３０６において、眼球位置において複数の射出瞳を創出するために、レーザーは空間的にＨＯＥに提示される。３つのレーザー光源と多重化角度が示されているが、多重化ホログラムを追加する場合は構成を拡大することができる。
【０１２４】
本発明の別の実施形態では、ＨＯＥの両側に入射するコリメートされたか或いはほぼコリメートされた２つのビームは干渉して、非瞳形成頭部装着型ディスプレイ用の反射ホログラムを生成する。頭部装着型ディスプレイは、光学システムにおいて中間画像が形成されないので、非瞳形成として見なされる。この種の配置の結果は、視野が制限され、アイボックスよりも増大するのが難しいということである。非瞳形成システムを用いると、図２４Ａに示されるように、ホログラフィックフィルムの反対側に入射しホログラフィックフィルム上で干渉して反射ホログラムを生成するコリメートされたかほぼコリメートされたビームを２セット以上用いて、視野を増大することができる。各セットは、同じコヒーレント光源から分割された後の２つのビームから成る。少なくとも１つの実施形態において、ＨＯＥは角度的に多重化される。図２４Ａは、３つのビームセットを示す。参照ビーム２４０７，２４０８，２４０９は、レンズ２４０６によってコリメートされ、ホログラフィック材料２４０５に入射する。物体波２４０１，２４０２，２４０３は、レンズ２４０４によってコリメートされ、ホログラフィック材料２４０５の反対側に入射する。それから記録されたホログラフィック半透過反射体は、その位置２４１０がホログラフィック材料の下である射出瞳を生成する。少なくとも１つの実施形態において、異なる多重化ＨＯＥの読出しと回折の角度を適合させることにより、クロストークを大幅に低減することができる。図２４Ｂにおいて、分析数学モデルにより算出されたものとして、２つの異なるホログラフィック半透過反射体について、波長の回折効率２４１３，２４１４が示される。また、２つのホログラムの入射角の回折角度２４１１，２４１２が示される。ホログラムが入射角について回折する角度に厳密に適合するので、ホログラムは連続的な全体視野として結合されてよい。参照ビーム角度４５°で記録されたホログラフィック半透過反射体と、参照ビーム角度５５°で記録されたホログラフィック半透過反射体との両方について、回折角度は３．３０４°である。別の実施形態では、非瞳形成ＨＯＥは、角度ではなくスペクトルについて多重化される。図２５は、３つの多重化波長を用いる反射ホログラム書込み配置を示す。物体波は、レンズ２５０４によってコリメートされ共にホログラフィック材料２５０５に送られる３つの異なる波長の、３つの空間的に分離された光源２５０１，２５０２，２５０３から成る。参照ビームは、単一の記録ビーム２４０７に結合される３つの波長ビームを含み、記録ビーム２４０７は、レンズ２５０６によってコリメートされてから、ホログラフィック材料２５０５に入射する。ホログラフィック半透過反射体は、その位置２５０８がホログラフィック材料の下にある射出瞳を生成する。
【０１２５】
図２６は、アイウェアフレーム２６０１上の走査投影単眼頭部装着型ディスプレイの図を示す。光源２６０４から射出される光は、走査ミラー・集束光学系２６０３によって投影されてから、半透過反射要素２０４により眼２０９に向かって反射される。表示光は、網膜２６０２に集束する。
【０１２６】
本発明の別の実施形態では、眼の共焦点像は、眼から反射され走査投影システム内の検出器でキャプチャされる光を用いて測定される。図２７は、共焦点顕微鏡配置に基づく結像系を説明する。光源２７０９（１以上の光源を含む）からのコリメート光は、第１のレンズ２７０６によりピンホール２７０５に集束される。ピンホールからの光は、レンズ２７０４によってコリメートされ、走査ミラー２７０３により２つの次元で走査される。光はレンズ２７０２に向かって通過して、適切なホログラフィック半透過反射体２０４に向かう。ホログラフィック半透過反射体２０４は、周波数選択的応答を伴う体積ホログラフィック要素、回折光学素子（リリーフ）または湾曲反射要素であってよい。所与の走査角度について、光は網膜２６０２の１点に集束される。この光の一部は、同じ波長（レイリー散乱）で、または蛍光発光により、またはラマンにより、または非線形現象（入射光からシフトした周波数）により、反射される。ビームは伝播し（２７０１）、ホログラフィック半透過反射体によって反射される。周波数シフトした光の場合、ホログラフィック半透過反射体は、シフトした周波数において適切な反射をもつ。ピンホールの画像は光が集束する網膜上の点であるので、ピンホールはこの焦点から来ていない光を遮蔽する。これは、共焦点顕微鏡の基本原理である。これにより、他の空間部からの迷光および散乱光を拒否することができる。ピンホールの後、反射光は、ビームスプリッタ２７０７による反射の後に検出器２７０８に向けられる。このように、網膜の画像は、走査要素を用いて入射光線を操作することにより、１つ１つ形成される。図２８は図２７の変形を示す。ホログラフィック半透過反射体は、特定の波長の入射ビームを反射し、眼球の異なる部分（網膜と異なる）において該入射ビーム２８０１を集束させる。このように、眼の他の構造が結像されてよい。例えば、光線２８０１は、眼の水晶体上に集束されてよい。一部の研究では、水晶体の自己蛍光（青色励起）レベルが糖尿病の指標であることが示されている。ウェアラブル方法により、水晶体の自己蛍光を非侵襲的に継続的にモニタリングし、価値のある情報を医師に提供することができる。図２９は更に別の変形を示す。赤外部の波長を追加的に用いることにより、視認可能な頭部装着型ディスプレイは摂動を受ける（この場合、半透過スクリーンは可視光を改変しない）。情報は異なる色で別々に符号化され別々に検出されるので、網膜２６０２の画像は１つの専用検出器２９０３によって取得され、他の部分（例えばレンズ）の画像は別の検出器２９０２によって取得される。赤外光と可視光の分離には、回折型ビームスプリッタが用いられる（２９０１）。図３０は、ビームが検出器においてビーム分離フィルタ３００１により分離される別の実施である。ビーム分離フィルタ３００１は、限定ではないが、干渉型、二色性、ホログラフ型であってよい。本発明の共焦点結像方法の別の実施形態では、図３０に示されるように、ピンホール開口の代わりに光ファイバーが用いられる。光ファイバー４３０１の場合、光源は、アイウェアの設計をより柔軟にできるように、走査ミラーとは異なる位置に移動される。ファイバー自体は、単一モードファイバーと、マルチモードファイバーと、デュアルクラッドファイバー（単一モードコアとより大きなマルチモードコアとの両方を含む）とのうち１つである。デュアルクラッドファイバーの場合、単一モードコアを用いて、ＨＷＤに高解像度で光を投影し、マルチモードコアを用いて、共焦点帰還信号を収集する。これにより、ディスプレイ解像度を犠牲にすることなく信号対雑音を改善するために、共焦点帰還信号に対してより大きな開口を用いることができる。上述の実施形態は、眼の像を得るのに用いられる。網膜の像を得ることができるので、静脈を認識することができ、よって、多くの方法で血液細胞の流れ、心拍、動脈圧（収縮期、平均、拡張期）等のパラメータを測定することができる。心拍は、限定ではないが、心臓が血液を送り出している間に生じる血液体積の変動によって発生する小さな反射の変化を用いて、測定することができる。結像系が共焦点であるので、眼のその他の部分から正確な領域（例えば静脈）を分離して、高い信号対雑音比で信号を抽出することができる。ヘモグロビン濃度は、収縮期〜拡張期の圧力変化に関連する動脈拍動の結果として経時的に振動する。このように、静脈からの後方散乱光の分光光学測定は、動脈拍動を取得する別の方法である。分光測定は、２以上の波長を用いて取得することができる（例えばＨＷＤ発明の赤色で利用可能な２つ）。
【０１２７】
本発明の別の実施形態では、眼の走査共焦点像が視線追跡に用いられる。図３１は、標準的な検眼鏡（眼に適した顕微鏡）を用いて撮影された網膜の画像である。静脈がはっきりと見える。図３２は、図２７〜図３０に示されるような検眼鏡によって見られる網膜の異なる部分を示す。異なる画像３２０１，３２０２，３２０３は、異なる視線方向に対応する。画像に明らかに視線方向に特有の特徴があることが分かる。特徴は画像から抽出することができ、特有のマーカーであり、視線方向を示す画像の特有の識別子として用いることができ、よって、視線追跡部として用いることができる。特徴は、網膜の画像に限定されない。眼の他の部分（目の方向と共に動く）からの画像も、特有の視線識別子として機能することができる。図３３は、視線追跡の方法を説明するブロック図である。第１に、システムは較正ルーティンを有する。較正は、一定間隔で行われてよい。サイクルは、特徴の変化の速度に依存し、その結果として適合される。較正は、ユーザーが異なる視線方向を実行したときに、網膜の画像を捕捉するステップを有する。例えば、ユーザーは、頭部装着型ディスプレイに表示され一連の視線方向をカバーするように動く特徴を固定するように求められる。画像から特徴が抽出されて、より少ない数の特有の画像識別子が形成される。各視線方向に対応する特徴のデータベースが形成される。特有の特徴まで画像を縮小することにより、使用するメモリが低減される。そして、第１に画像（網膜その他）を捕捉することによって視線追跡が実行され、それから、この画像がデータベースの画像に対して関連付けられる。そして、分類アルゴリズムが、データベースのどの画像が新しく捕捉された画像に最も類似するかを決定する。１つの方法は、最も相関が高い画像を選択することである。網膜の分析の別の用途は、眼圧（ＩＯＰ）を視神経乳頭のずれに関連付けることである。視神経乳頭のずれが眼圧に関連することは示されている。よって、視神経乳頭（図３１の視神経付近の領域）の位置を継続的にモニタリングすることにより、緑内障の主要な原因である眼圧に関する情報を抽出することができる。
【０１２８】
別の方法では、眼によって反射された各射出瞳に対応する光の強度をモニタリングすることにより、視線追跡が実現される。図３４の例では、限定ではないが３つの射出瞳が示され、１つの射出瞳３４０１に対応する光のみが眼の入射瞳３４０２を通過し、その他の射出瞳３４０３，３４０４に対応する光はブロックされる。よって、共焦点結像系は、眼の入射瞳３４０２と位置合わせされた射出瞳３４０１からの感知可能な信号を与えるだけである。アイボックスの相対空間位置は予め分かっているので（較正された）、検出器（図２７〜図３０の検出器）での相対強度比により、視線方向が測定される。図３４は、「アイボックス」に関連する射出瞳の正面図を示す。
【０１２９】
図３５は、ユーザーの面前を真っ直ぐに見るように配置されるカメラ３５０１を用いる多射出瞳頭部装着型ディスプレイの実施を示す。図３６に示されるように、カメラは、シーン３６０１を捕捉し、シーン３６０４の拡大版を頭部装着型ディスプレイに提供する。例えば、視力の低い人、例えば限定ではないが加齢性黄斑変性（ＡＭＤ）（中心窩において視力が低下しているが、周辺部は影響を受けていない）の場合は、拡大デジタル画像なしでは黄斑部３６０２において視認できないような細部をより良好に見るために、画像拡大オプションが有効であり得る。これは、本発明の拡張現実ウェアラブル眼鏡ディスプレイを活用して、カメラ３５０１で画像を捕捉し、画像を適切にデジタル処理し（例えば、デジタルズーム、画像へのコントラストの付加、輪郭強調等）、処理後のデジタル画像を視聴者の視野に提示することによって、達成される。視野狭窄（対象者は周辺視野を失っているが、中心窩の視力を維持している）その他の低視力の場合、カメラ３５０１に画像を捕捉させることにより、周辺視力の低下を回避することができる。その後、画像は、有用な情報（患者の周辺視野外の物体等）を抽出するために処理される。この情報は、患者が自分では見ることのできない周囲を認識できるように、眼鏡において中心窩領域に表示される。別の実施形態では、カメラ以外のセンサー（可視領域または赤外スペクトル領域において感受性をもつ）が本発明のウェアラブル眼鏡に追加され、限定ではないが、位置センサー（加速度計等）、ＧＰＳセンサー、圧力センサーその他の、ウェアラブル眼鏡の空間で位置を決めることのできるセンサーであればよい。これらの位置決めセンサーを視線追跡システム（例えば限定ではないが、本願に記載のシステム）を用いて組み合わせることにより、また、双眼投影ディスプレイ（例えば限定ではないが複数の射出瞳（各眼に１つ）を用いるようなシステム）を用いることにより、３次元情報を用いて拡張現実を生成することができる。位置決めセンサーは、シーン（例えば、カメラによりデジタルで記録される）に関して、アイウェアの位置を決める。視線追跡システムは、シーンの中で対象物体を決定する。このように、両方の情報を用いて、適切な拡張画像を生成して、シーン内の物体に関連して表示することができる。
【０１３０】
図３７は、透明マトリクス３７０３における埋め込み小型キノフォームミラー３７０１，３７０２を示す。透明マトリクス３７０３は、任意の適切な熱可塑性プラスチックであってよい（例えばPoly  Carbonate、ＰＭＭＡ）。小型ミラーの機能は、光線の方向を投影器から眼２０９に向け直すことである。投影器は、走査ミラーまたは固定されたマイクロディスプレイ（例えばＬＣＤ、ＬＣＯＳ）であってよい。ミラーは、適切なスペクトル反射応答を提供するように、薄膜で被覆されてよい。説明上、３つのアイボックスと単色操作を仮定する。埋め込みミラーのスペクトル応答は、３つの光源のスペクトル帯において反射型であり、可視領域ではどこでも透過型である。キノフォームミラー（キノフォームのように見える）を同じインデックスの材料に埋め込むことにより、ホログラフィック半透過反射体を透過する光は摂動を受けない。
【０１３１】
図３８は、より大きなアイボックスを合成する目的で複数の射出瞳を取得する別の方法を示す。広帯域３８０２光源３８０１（例えば限定ではないが、小射出開口（１〜１０マイクロメートル）の発光ダイオード、同じく小射出開口の共振空洞発光ダイオード、レーザーダイオード、スーパールミネセントダイオード、ｖｃｓｅｌ）は、第１にスペクトルでスライスされて（３８０３）、無光のスペクトルゾーンによって分離された別個の発光帯から成るスペクトル（３８０４）が生成される。結果的として得られるコリメート光は、２Ｄスキャナ２７０３によって走査され、２Ｄスキャナ２７０３は、限定ではないがＭＥＭスキャナ、共鳴または非共鳴の音響工学偏向器、液晶偏向器であってよい。投影レンズ２７０２は、発散ビーム３８０５の生成に用いられる。ホログラフィック半透過反射体２０４は、波長３８０６，３８０７に従って、発散ビームを再コリメートする。例えば、ホログラフィック半透過反射体は、限定ではないが、ポリマー、クリスタルまたはガラスのホログラフィック要素、体積ホログラフィック要素であってよい。表面にラミネートすることができるので、ポリマーホログラフィック材料が好ましい。発散ビームは複数の別個の波長帯（図３８の例では、説明上２つの別個の波長がある）から成るので、反射ホログラムは、厚みをもち、波長帯１（３８０７）を回折して発散ビームの特定の角度範囲に対応するコリメートビームを生成するように作られる。同様に、波長帯２（３８０６）は回折されて、波長１のコリメートビームと同じ方向に伝播しているが複数の射出瞳を用いて拡張アイボックスを生成するために空間的にずれたコリメートビームを生成する。
【０１３２】
図３９は、複数の射出瞳を得るための更に別の方法を示す。図３８で説明されたのと同じコリメート光源３８０１は、スペクトルでフィルタリングされ（３８０４）、２Ｄスキャナ２７０３によって偏向される。光線は、限定ではないが透過回折格子等の分散光学素子３９０１に入射する。投影レンズ２７０２の後、透過回折格子は、各波長帯（図３９に占めされる例では２つの波長帯）に対応する２つの別個の発散ビーム３９０２，３９０３を生成する。ホログラフィック半透過反射体２０４は、図３８と同じ説明だが、各波長帯に対応する２つの別個の再コリメートビーム３９０４，３９０５を生成し、これにより、複数の射出瞳を伴う拡張アイボックスが形成される。
【０１３３】
図４０は、１対の眼鏡２６０１（双眼または単眼）の両側に設けられる多射出瞳投影システムを示す。このように、左目と右目はそれぞれ、それぞれの投影システムから画像を受け取る。図３２，図３３，図３４に記載の追跡システムを用いて、限定ではないが、視線方向に従って３次元情報を表示することができる。３つの次元は、双眼視野に由来する。例えば、眼鏡３５０１に搭載されたカメラは、装着者の視野を表す画像を捕捉する。視聴者の視線角度を用いてカメラを較正することにより、適切な情報を用いて視野を拡張することができる。例えば、医学分野では、外科医がアイウェアを装着し、拡張情報を外科医の視線方向に直接的に表示することができる。外科医の実際の視野では直接見えない重要な動脈の位置を重畳することができる。
【０１３４】
図４１は、投影システム、すなわち光源２６０４、検出器、スキャナまたはマイクロディスプレイ２６０３およびホログラフィック半透過反射体２０４が設けられる剛構造の実施形態である。本システムは、剛構造４１０１上で位置合わせされる。そして、剛構造は、アイウェアのフレーム４１０２に配置される（取り付けられる）。アイウェアは、限定ではないが、処方眼鏡を用いるアイウェアであってよい。ホログラフィック半透過反射体は、投影システムと眼鏡との間に配置される。ホログラフィック半透過反射体から外れたビームの発散を調整して、ユーザーの眼の処方を補うことができる。
【０１３５】
図４２は、ホログラフィック半透過反射体２０４が眼鏡４１０１の外側に配置された状態の別の実施形態である。このように、光源２６０４、検出器、スキャナまたはマイクロディスプレイ２６０３を備える投影システムは、側枝に取り付けられる。ホログラフィック半透過反射体は、例えば限定ではないがエポキシ樹脂接着、クリップ留め、ねじ留め等で固定される。
【図０．１】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ−４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２１Ｄ】
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【図２１Ｅ】
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【図２１Ｆ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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