(57)【要約】【課題】  画像化の光学素子が簡略化できて、観察者の眼の位置とは無関係に、常に画像を感知できる構造の画像表示装置を提供することである。    【解決手段】  射出ひとみ（４）を有する画像化光学素子（３）と射出ひとみ光学素子（５）とからなる画像表示装置を提供する。その画像化光学素子（３）は、観察者によって感知される画像を投影する。その射出ひとみ光学素子（５）は、画像化光学素子（３）の射出ひとみ（４）を空間的に複数にし、及び／又は、射出ひとみ（４）を動かす。  【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
射出ひとみ（４）を有する画像光学素子（３）であって、同画像光学素子（３）は観察者によって感知され得る画像を投影し、かつ、画像光学素子（３）の射出ひとみ（４）を空間的に複数にする及び／又は射出ひとみ（４）を動かす、ひとみ光学素子（５）を含む、画像表示装置。  
【請求項２】
ひとみ光学素子（５）は、画像光学素子（３）の最後の光束形成面の後に配置されている請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
ひとみ光学素子（５）は、画像光学素子（３）の光軸（ＯＡ）を横断して拡がる面内で、射出ひとみ（４）を動かす請求項１又は２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
射出ひとみ（４）は、観察者の眼のひとみの動きを追跡するように動く請求項１乃至３のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項５】
眼の位置検知ユニット（１６）と制御ユニット（２）とを備え、眼の位置検知ユニット（１６）は観察者の眼の位置を検知して、検知した位置を示す信号を放射することと、制御ユニット（２）は該信号の関数としてひとみ光学素子（５）制御して、射出ひとみ（４）に観察者の眼の動きを追跡させること、からなる請求項１乃至４のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項６】
ひとみ光学素子（５）は少なくとも１つのアクチュエータ・ユニット、特には、偏向ガルバノメータ・ミラーからなる請求項５に記載の画像表示装置。
【請求項７】
射出ひとみ（４）を空間的に複数にするためのひとみ光学素子（５）は、少なくとも１つの回折部品、好ましくは透過型部品からなる請求項１乃至６のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項８】
射出ひとみ（４）を空間的に複数にするためのひとみ光学素子（５）は、少なくとも１つの複屈折部品からなる請求項１乃至７のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項９】
射出ひとみ（４）を動かす部品は、画像光学素子（３）の光軸（ＯＡ）の周囲を動く、好ましくは回転する請求項７又は８に記載の画像表示装置。
【請求項１０】
射出ひとみ（４）を動かすひとみ光学素子（５）は、回転、光束調節部品（１２）からなる請求項１乃至９のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１１】
ひとみ光学素子（５）は、空間的に複数の射出ひとみ（４）を、個々の射出ひとみ（４）からの光が互いに平行になるようにする請求項１乃至１０のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１２】
ひとみ光学素子（５）は、空間的に複数の射出ひとみ（４）を、個々の射出ひとみ（４）が連続領域をカバーする請求項１乃至１１のいずれかに記載の画像表示装置。  
【請求項１３】
ＨＭＤ装置として提供され、制御可能な画像作成モジュールからなる請求項１乃至１２のいずれかに記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は射出ひとみ（ｅｘｉｔ  ｐｕｐｉｌ）を有する画像光学素子からなる画像表示装置に関し、本画像光学素子は、観察者が感知し得る画像を投射する。
【背景技術】
【０００２】
このような画像表示装置は、例えば、いわゆるＨＭＤ装置（Ｈｅａｄ  Ｍｏｕｎｔｅｄ
Ｄｉｓｐｌａｙ  ｄｅｖｉｃｅ）であって、観察者がその頭上に画像表示装置を装着する。ＨＭＤ装置を設計する際に、調整が容易で、観察者の眼の動きを許容するためには、大きな射出ひとみが望ましい。なぜならば、それによって、光の少なくとも一部は常に、観察者の眼の横方向に入射される。小さな射出ひとみにすると、光学設計は非常に簡単になるが、調整が複雑になり、観察者が画像を感知し得る眼の動き幅が小さくなるので、問題である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、本発明の目的は、画像化の光学素子が簡略化できて、観察者の眼の位置とは可能な限り無関係に、常に画像を感知できる構造の画像表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、  射出ひとみを有する画像光学素子であって、同画像光学素子（３）は観察者によって感知され得る画像を投影し、かつ、画像光学素子（３）の射出ひとみ（４）を空間的に複数にする及び／又は射出ひとみ（４）を動かす、ひとみ光学素子（５）を含むこと、からなることを要旨とする。
【０００５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の画像表示装置において、ひとみ光学素子は、画像光学素子の最後の光束形成面の後に配置されていることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の画像表示装置において、ひとみ光学素子は、画像光学素子の光軸を横断して拡がる面内で、射出ひとみを動かすことを要旨とする。
【０００６】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の画像表示装置において、射出ひとみは、観察者の眼のひとみの動きを追跡するように動くことを要旨とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の画像表示装置において、
眼の位置検知ユニットと制御ユニットとを備え、眼の位置検知ユニットは観察者の眼の位置を検知して、検知した位置を示す信号を放射すること、及び制御ユニットは該信号の関数としてひとみ光学素子制御して、射出ひとみに観察者の眼の位置を追跡させること、からなることを要旨とする。
【０００７】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の画像表示装置において、ひとみ光学素子は少なくとも１つのアクチュエータ・ユニット、特には、偏向ガルバノメータ・ミラーからなることを要旨とする。
【０００８】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の画像表示装置において、射出ひとみを空間的に複数にするためのひとみ光学素子は、少なくとも１つの回折部品、好ましくは透過型部品からなることを要旨とする。
【０００９】
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の画像表示装置において、
射出ひとみを空間的に複数にするためのひとみ光学素子は、少なくとも１つの複屈折部品からなることを要旨とする。
【００１０】
請求項９に記載の発明は、請求項７又は８に記載の画像表示装置において、射出ひとみを動かす部品は、画像光学素子の光軸の周囲を動く、好ましくは回転することを要旨とする。
【００１１】
請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至９のいずれかに記載の画像表示装置において、射出ひとみを動かすひとみ光学素子は、回転、光束調節部品からなることを要旨とする。
【００１２】
請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０のいずれかに記載の画像表示装置において、ひとみ光学素子は、空間的に複数の射出ひとみを、個々の射出ひとみからの光が互いに平行になるようにすることを要旨とする。
【００１３】
請求項１２に記載の発明は、請求項１乃至１１のいずれかに記載の画像表示装置において、ひとみ光学素子は、空間的に複数の射出ひとみを、個々の射出ひとみが連続領域をカバーすることを要旨とする。
【００１４】
請求項１３に記載の発明は、請求項１乃至１２のいずれかに記載の画像表示装置において、ＨＭＤ装置として提供され、制御可能な画像作成モジュールからなることを要旨とする。
【００１５】
本発明によると、この目的は、射出ひとみを有する画像光学素子からなる画像表示装置によって達成された。その画像光学素子は、観察者が感知し得る画像を投射し、その射出ひとみは、画像光学素子の射出ひとみを空間的に増やし、及び／又は、その射出ひとみを動かす。
【００１６】
射出ひとみを空間的に増やし、及び／又は、その射出ひとみを動かすことによって、射出ひとみが小型でも、観察者は常に画像を感知し得る。特に、射出ひとみは、観察者の眼のひとみよりも少しだけ大きいか、小さくてもよい。画像光学素子の射出ひとみが小さいと、画像光学素子の光学設計が簡単になり、画像光学素子の体積や重量も削減し得る。更に、小型の射出ひとみを選択し得れば、画像の品質も向上し得る。
【００１７】
本発明による画像表示装置の好ましい実施例によると、射出ひとみは、画像光学素子の最後のビーム形成表面の後に配置される。これによって、画像光学素子の小型化が保証される。射出ひとみの空間的増加及び／又は移動がなされるのは単に端部、即ち、画像光学素子と観察者の眼との間においてであり、従ってこの領域だけに、より大きな光学素子が必要になる。それに対して、画像光学素子自体は、小型の射出ひとみのために最適化され、それによって、画像光学素子の体積と重量とが削減される。
【００１８】
特に、射出ひとみの光学素子は、画像光学素子の光軸の横断面で、射出ひとみの移動や増加が可能である。これによって、射出ひとみによって広範囲をカバーでき、従って、観察者の眼の動きが補償される。
【００１９】
本発明による画像表示装置の優れた実施例では、射出ひとみが、射出ひとみの光学素子によって動かされ、従って、射出ひとみが観察者の眼のひとみの動きを追跡する。これは有利な効果を有する。殆どすべての光が観察者によって感知され、射出ひとみが追跡によって眼のひとみを常にカバーするので、輝度損失が無い。
【００２０】
特に、画像表示装置は、眼の位置感知ユニットと制御ユニットとからなり、眼の位置感知ユニットは、（好ましくは連続的に）眼の位置を感知し、感知された位置を示す信号を放射する。制御ユニットは、射出ひとみが観察者の眼のひとみの動きを常に追跡すべく、その信号の関数として射出ひとみを制御する。従って、閉ループが得られ、それによって、追跡が非常に有効になる。
【００２１】
射出ひとみ光学素子は、１つ以上の偏向ガルバノ・ミラー等の、少なくとも１つのアクチュエータを含むことが望ましい。従って、特に優れた簡単な追跡が実現される。２つのミラーでは非常に良好な追跡が可能である。
【００２２】
更に、本発明による画像表示装置では、射出ひとみを空間的に増やすための射出ひとみ光学素子は、少なくとも１つの回折部品を含み、その回折部品は透過型部品が望ましい。それは例えば、回折格子、特に、透過型回折格子でもよい。それによって、空間的に多数の射出ひとみが多様な回折次数を形成する。２つの回折部品（例えば、２つの透過型回折格子）が直列に配置された場合、第１の回折格子は回折の次数に分離するために使用され、第２の回折格子は個々の次数を平行にする役割をする。それによって、個々の、空間的に複数の射出ひとみに関連する各光線は、相互に平行になるという優れた効果を有するので、二重画像は感知されない。個々の光線が平行にならなくて、互いに傾斜している場合もある。更に、２つの回折格子を使用すると、回折効率が、全スペクトル範囲で一定に保たれる。
【００２３】
更に、本発明による画像表示装置では、空間的に複数の射出ひとみのための射出ひとみ光学素子は、少なくとも１つの複屈折部品を含んでもよい。幾つかの複屈折部品を直列に配置してもよい。射出ひとみの数は、各複屈折部品に対して複数でもよい。複屈折部品を使用する場合、正常光と異常光とが互いに平行になるように、簡単に配向され得るのは大きな特長である。
【００２４】
更に、射出ひとみを動かすために、屈折部品及び／又は複屈折部品を回転させることも可能である。この回転は、画像光学素子の光軸の周囲での回転が望ましい。従って、空間的に複数の射出ひとみによって、より広範囲をカバーし得るので、観察者の眼が大きく動いても画像を見ることができる。特に、画像光学素子の射出ひとみを、空間的に複数にし、或いは動かすことによってより広範囲をカバーできるので、観察者の眼のひとみのサイズよりもより小さいサイズを選択してもよい。
【００２５】
又、本発明による画像表示装置では、射出ひとみを動かすための射出ひとみ光学素子は、例えば、１つ以上の傾斜面−平行面等の、回転、ビーム設定部品を含んでもよい。この光学部品は、射出ひとみの動きを特に容易にする。
【００２６】
本発明による好ましい画像表示装置では、各射出ひとみからの対応する光線が互いに平行になるような方法で、射出ひとみ光学素子の射出ひとみを空間的に複数にする。これは、各光線が互いに傾斜している場合に起こる、観察者が二重画像を見ること、を防ぐのに有効な特長である。
【００２７】
更に、本発明による好ましい画像表示装置では、射出ひとみ光学素子は、各射出ひとみが連続領域をカバーするように、射出ひとみを空間的に複数にするのに有効である。これは、観察者が常に画像を感知し得るという利点になる。
【００２８】
特に、射出ひとみ光学素子は、射出ひとみが空間的に複数ある及び／又は動くことによって、（時間平均で）表面の輝度分布が均一になる。従って、例えば、全直径によって補正されたひとみにおいて、補正ひとみは、補正されていないひとみと接続され得る。これ
に関しては、新しい、広がったひとみの中で、観察者にとって均一な輝度になるように、保持時間が制御される。
【００２９】
例えば、射出ひとみ光学素子は、走査パターンを使用して、新しい、事実上より大きな、射出ひとみを再現することによって、射出ひとみを複数にする及び／又は移動させる、１つ以上の偏向ミラーを含む。これは、例えば、螺旋状走査（又は偏向）、或いはセル（ｃｅｌｌ）又は線状走査に有効である。
【００３０】
偏向ミラーは、圧電駆動からなってもよいし、ガルバノ・ミラーや静電偏向ミラーでもよい。
本発明による画像表示装置では、ＨＭＤ装置、顕微鏡、双眼鏡，望遠鏡等の個人使用の場合に特に有利である。
【００３１】
特に、本画像表示装置は、ＨＭＤ装置、顕微鏡、双眼鏡，望遠鏡用に使用され得る。ＨＭＤ装置用に使用する場合は特に、（好ましくは電気的に）制御可能な画像作成モジュールを含む。その画像作成モジュールは、いわゆる（空間）光バルブであり、例えば、テキサス・インスツルメント社によって製造販売されている、複数の傾斜ミラーが線と柱で配列されていて、それぞれが個々に制御可能な、傾斜ミラーマトリクスである。
【００３２】
ＨＭＤ装置は、一人の観察者が、作成・投射された画像を見るのみ、或いは、環境（いわゆる複合現実感）上に積み重ねられた画像を感知するようになっている。
本発明を、図を参照して例を用いて詳細に説明する。
【発明の効果】
【００３３】
射出ひとみを空間的に増やし、及び／又は、その射出ひとみを動かすことによって、射出ひとみが小型でも、観察者は常に画像を感知し得る。画像光学素子の射出ひとみが小さいと、画像光学素子の光学設計が簡単になり、画像光学素子の体積や重量も削減し得る。更に、小型の射出ひとみを選択し得れば、画像の品質も向上し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
図１に示す一実施例において、本発明による画像表示装置は画像作成モジュール１（例えば透過型や反射型のＬＣＤモジュール）からなり、画像作成のための制御ユニット２によって制御され得る。更に、画像光学素子３が形成されており（図１では１個のレンズのみを概略的に示したが、画像光学素子３は通常は、屈折効果、反射効果、及び／又は回折効果を有する、数個の光学部品からなる）、画像作成モジュール１によって作成された画像を画像化する。従って、観察者（概略的に示した眼Ａで表している）は無限に画像を見ることができる。換言すれば、１つの画素（図１では画素Ｐで示す）から来た光線は、平行線束として画像光学素子３の射出ひとみ４を通る。
【００３５】
画像表示装置は更に、具体的には図１の例中の複屈折部品（例えば石灰石や石英）である、射出ひとみ光学部品５を含む。複屈折部品５は、観察者の眼Ａと画像光学素子３との間にあり、従って、画像光学素子３の最後の光線形成面Ｆの後に配置される。複屈折部品５の配向は、１つの画素から来る光線６１、６２がそれぞれ、平行な正常光６１Ａ，６２Ａと、異常光６１Ｂ，６２Ｂに分離されるように選択される。図１中で、画像化されるべき画像の画素Ｐを用いて概略的に示す。
【００３６】
上述の平行化は、画像光学素子３の空間的位置が調整され、更に、最初の射出ひとみ４に加えて、射出ひとみ８による。空間的に位置調整された射出ひとみ８は、表現し易いように、最初の射出ひとみ４の近傍に示されているが、実際は、射出ひとみ４、８は共に同一面Ｅにあって、画像光学素子３の光軸ＯＡに垂直に拡がっている。
【００３７】
図２は、平面Ｅ内の射出ひとみ４、８の位置を示す。この表現から明らかなように、観察者によって感知される射出ひとみは、個々の射出ひとみ４、８よりも大きく、一方、画像光学素子３は、小さな射出ひとみ４に適応し易く、それによって、光学設計は簡単になり、画像光学素子３の重量や体積は削減される。しかしながら観察者にとっては、画像表示装置は、より大きな射出ひとみ、即ち、射出ひとみ４、８の組合せ、になる。
【００３８】
複屈折部品５を、画像光学素子３の光軸ＯＡの周囲を回転させることによって、観察者によって感知される射出ひとみを更に増大できる。図３の矢Ｂで示されるように、これは、第２の射出ひとみ８が面内を円運動することによって、第１の射出ひとみ４の周囲を回転する。複屈折部品５の回転が十分に速く行われるならば、観察者は、射出ひとみ８のこのような動きを感知できず、従って、より大きな、見かけの射出ひとみが形成される。
【００３９】
複屈折部品５の回転を有効にするためには、例えば、複屈折部品５は可回転部品（不図示）に保持され、その部品は複屈折部品５を回転させるべく駆動される。駆動は制御ユニット２の制御下で行われる。
【００４０】
図１の実施例の更なる設計は、更なる複屈折部品（不図示）が複屈折部品５の後に配置され、それによって、画像光学素子３は、図４に示すように、全部で４つの射出ひとみ４、８、１０，１１からなる。
【００４１】
図５は画像表示装置の更なる実施例を示す。図５の実施例は、図１とは、面平行の平面１２が異なるだけである。この平面は複屈折部品５の代替で、光軸ＯＡの周囲を回転可能で、光軸に対して傾斜している。この面平行の平面１２は、９０°ではない角度で光軸に対して傾斜しており、図５に概略的に示すような、光束を調節する。面平行の平面１２の回転によって、射出ひとみ面Ｅ内で射出ひとみ４が回転運動（図６中の矢印Ｃで示す）をする。面平行の平面１２の回転が十分に速ければ、観察者は射出ひとみ４の動きを感知し得ない。従って、観察者は実質的により大きな射出ひとみ１３があると錯覚する。
【００４２】
図７は、図１の実施例と同様に、画像作成のために制御ユニット２によって制御される画像作成モジュール、画像化光学素子、および射出ひとみ５、からなる本発明による画像表示装置の更なる実施例を示す。前述の実施例と異なって、射出ひとみ光学素子５は２つの偏向ガルバノメータ・ミラー１４、１５からなり、そのミラー面は互いに平行で、回転位置は制御ユニット２によって決められる。
【００４３】
更に、その画像表示装置は、常に観察者の眼のひとみの位置を検知しているセンサ・ユニット１６を含む。このようなセンサ・ユニット１６は、例えば、ＨＭＤ装置中のいわゆる眼追跡器である。
【００４４】
センサ・ユニット１６は常に観察者の眼のひとみの位置を検知して、対応する信号を制御ユニット２に送信する。制御ユニット２は、センサ・ユニット１６から受信した信号の関数として、偏向ガルバノメータ・ミラー１４、１５を制御する。そのようにして、画像光学素子３の射出ひとみ４が観察者の眼Ａを追跡する。従って、画像光学素子３の射出ひとみ４が眼のひとみに従って動く。従って、その画像表示装置は閉ループからなり、画像光学素子３の射出ひとみ４が観察者の眼Ａを常に追跡する。射出ひとみ光学素子５は、画像光学素子３の最後の光束形成面Ｆの後に配置されるので、射出ひとみ光学素子５は、射出ひとみ４のひとみの位置に影響を与えるが、画像作成モジュール１によって作成される画像の位置には影響を与えない。
【００４５】
この実施例の特別な利点は、輝度の損失が殆どないことである。なぜならば、画像光学
素子３の射出ひとみ４が眼Ａのひとみよりも少々大きく選択される必要があるので、射出画像の殆どすべての光が観察者に感知される。
【００４６】
上述の実施例において、その画像表示装置を意図された目的に使用する際には、画像光学素子３の射出ひとみ４，８，１０．１１は、観察者の眼のひとみ内或いは近傍に置かれることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明による画像表示装置の実施例の概略図。
【図２】図１の画像光学素子の射出ひとみ面内の射出ひとみの位置を示す図。
【図３】更なる実施例の射出ひとみの位置を示す図。
【図４】本発明による画像表示装置の更なる実施例の射出ひとみの位置を示す概略図。
【図５】本発明による画像表示装置の更なる実施例の概略図。
【図６】図５の画像光学素子の射出ひとみ面内の射出ひとみの位置を示す概念図。
【図７】本発明による画像表示装置の更なる実施例の概略図。
【符号の説明】
【００４８】
２・・・ 制御ユニット。３・・・ 画像光学素子。４・・・ 射出ひとみ。５・・・ ひとみ光学素子。１２・・・ 光束調節部品。１６・・・ 眼の位置検知ユニット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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