(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に配列された複数のピクセルを有し、ソース画像のための光子を発する光子源（２０）と、
発した前記光子の方向付けのための中間光学系（２１）と、
前記中間光学系からの光子の波面曲率を変調するための可変出力光学系（２２）と、
変化する画像情景を知覚して前記ソース画像を見るために前記可変出力光学系（２２）からの光子を使用者の目に向けるための最終光学系（２３）とを備え、
前記中間光学系（２１）が、それぞれ単一のソースピクセルからの光子を有する光線束に前記光子を形成するための手段を有し、
前記可変出力光学系（２２）が、前記中間光学系に関して、前記光線束が前記可変出力光学系に向けて収束するように配置され、
更に、ソースイメージのピクセル座標データ及び強度データ、及び必要な知覚ピクセル距離を表すデータを受け取るため、並びに前記可変出力光学系（２２）の出力制御信号と前記光子源（２０）の出力制御信号とを発生するための手段からなるコントローラ（８）を備え、
前記可変出力光学系（２２）が、前記制御信号に応答して前記光線束の波面曲率を動的に変更するための手段を有することを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記コントローラ（８）が、前記可変出力光学系（２２）の所定の状態について許容可能なレベルの収差をもって表示し得る全てのピクセルを同時に提示するための手段を有することを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記コントローラ（８）が、前記可変出力光学系（２２）の状態変化の大きさを最小にするようにピクセルの提示を順序付けするための手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記それぞれ単一のソースピクセルからの光子を有する光線束に前記光子を形成するための手段が、前記コントローラ（８）により制御される２並進自由度の可変直径開口（２４）を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の表示装置。
【請求項５】
前記最終光学系（２３）が凹面鏡（４０）を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の表示装置。
【請求項６】
前記中間光学系（２１(ｂ))の少なくとも一部分が、前記可変出力光学系（２２）の後に配置されて、前記光線束を平行に、テレセントリックになるように向けることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の表示装置。
【請求項７】
前記コントローラ（８）が、前記使用者の視線方向及び調節状態をモニタするためにアイトラッキングシステム（３）から入力を受け取るため、並びに前記制御信号を発生したときに前記入力を用いるための手段を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の表示装置。
【請求項８】
前記コントローラ（８）が、前記使用者の視線方向及び調節状態を評価するために前記情景合成システム（４）から入力を受け取るため、並びに前記制御信号を発生するときに前記入力を使用するための手段を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の表示装置。
【請求項９】
前記コントローラ（８）が、前記可変出力光学系（２２）の出力をモニタするために波面センサ（７）から入力を受け取るため、及び前記制御信号を発生するときに前記入力を使用するための手段を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、表面に配列された複数のピクセルを有し、ソース画像のための光子を発する光子源と、
発した前記光子の方向付けのための中間光学系と、
前記中間光学系からの光子の波面曲率を変調するための可変出力光学系と、
変化する画像情景を知覚して前記ソース画像を見るために前記可変出力光学系からの光子を使用者の目に向けるための最終光学系とを備える表示装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
ＰＣＴ特許明細書番号ＷＯ９９／０８１４５（Isis Innovation）には、このような表示装置が記載されている。このような表示装置は、使用者が連続するいずれの距離においても各ソース画像ピクセルの知覚を有するように、使用者の目にソース画像を提示するように動作する。このような表示装置の用途には、眼球の調節動作の研究及び調節と光の広がりとの間で矛盾を生じない立体的画像表示が含まれる。
【０００３】
光子の波面曲率を変調するための光学系に関する重要な問題は、要求される光学素子の動作の周波数及び振幅によるものである。６０Ｈｚで更新される（ノンインタレース）１０２４×７６８ピクセルの表示解像度は、４７ＭＨｚ以上で波面曲率を変えることが必要な場合があった。このような周波数で光学素子を小さくない大きさで並進させまたは回転させる機構は、かさが大きく、高価で信頼性のないものである。
【０００４】
高周波数での並進及び回転の問題を迂回する光学系が存在する。例えば、それらは反射面の高周波数での変形または反射面の屈折率の高周波での変化を可能にする。しかしながら、これらに関連する別の問題が存在し、それには、そのスイッチング速度がｋＨｚの単位で遅いこと、それらの直径が比較的小さいこと、それらの波面変形のモードが限定されていること、それらの光出力が制限されていること、及びそれらの光子透過性が低い場合があることが含まれる。
【０００５】
別の問題は、ピクセル及びその波面の特性に関するものである。いくつかについては上述した多くの用途を実現するためには、表示装置は、光学的に目の調節システムを刺激できなければならない。これには、適当な波面曲率だけでなく、適当な波長の十分な量の光子及び各ピクセルについて射出瞳の十分な直径が要求される。
【０００６】
別の問題は、特に光子源の広い視野が要求される場合に、光学系によって生じる収差である。「広角」レンズシステムを用いて、単一の、必ずしも必要ではないが多数の構成の表示装置について像面における収差を減らすことができる。従来の光出力が変化する「ズーム」レンズシステムを用いて、多数の構成について収差を減らすことができるが、動かすべき光学素子のかさが増大する。関連する問題は、特に表示装置がヘッドマウントディスプレイとして使用される場合に、より複雑なシステムの全体としてのかさである。
【０００７】
上述した非回転・非並進光学システムを用いて波面曲率を延長する表示措置が提案されている。しかしながら、それらは、使用者の調節システムを光学的に刺激するようなやり方で、低収差で、広い視野及び高解像度のカラー情景をシミュレートするために、略述した上記問題（特にスイッチング速度及び直径の制限）を実用性、信頼性がありかつ費用効果的な手法で克服していない。
【０００８】
【発明の開示】
本発明によれば、表面に配列された複数のピクセルを有し、ソース画像のための光子を発する光子源と、
発した前記光子の方向付けのための中間光学系と、
前記中間光学系からの光子の波面曲率を変調するための可変出力光学系と、
変化する画像情景を知覚して前記ソース画像を見るために前記可変出力光学系からの光子を使用者の目に向けるための最終光学系とを備え、
前記中間光学系が、それぞれ単一のソースピクセルからの光子を有する光線束に前記光子を形成するための手段を有し、
前記可変出力光学系が、前記中間光学系に関して、前記光線束が互いに向けて収束するように配置され、
更に、ソースイメージのピクセル座標データ及び強度データ、及び必要な知覚ピクセル距離を表すデータを受け取るため、並びに前記可変出力光学系の出力制御信号と前記光子源の出力制御信号とを発生するための手段からなるコントローラを備え、
前記可変出力光学系が、前記制御信号に応答して前記光線束の波面曲率を動的に変更するための手段を有することを特徴とする表示装置が提供される。
【０００９】
ある実施例では、前記コントローラが、前記可変出力光学系の所定の状態について許容可能なレベルの収差をもって表示し得る全てのピクセルを同時に提示するための手段を有する。
【００１０】
別の実施例では、前記コントローラが、前記可変出力光学系の状態変化の大きさを最小にするようにピクセルの提示を順序付けするための手段を有する。
【００１１】
別の実施例では、前記中間光学系が、前記コントローラにより制御される２並進自由度の可変直径開口を有する。
【００１２】
更に別の実施例では、前記最終光学系が凹面鏡を有する。
【００１３】
ある実施例では、前記中間光学系の少なくとも一部分が、前記可変出力光学系の後に配置されて、前記光線束を平行に、テレセントリックになるように向ける。
【００１４】
別の実施例では、前記中間光学系が、その物理的大きさより広い面積を囲む広い視野の前記光子源を有する。
【００１５】
ある実施例では、前記コントローラが、前記使用者の視線方向及び調節状態をモニタするためにアイトラッキングシステムから入力を受け取るため、並びに前記制御信号を発生したときに前記入力を用いるための手段を有する。
【００１６】
別の実施例では、前記コントローラが、前記使用者の視線方向及び調節状態を評価するために前記情景合成システムから入力を受け取るため、並びに前記制御信号を発生するときに前記入力を使用するための手段を有する。
【００１７】
ある実施例では、前記コントローラが、前記可変出力光学系の出力をモニタするために波面センサから入力を受け取るため、及び前記制御信号を発生するときに前記入力を使用するための手段を有する。
【００１８】
本発明は、添付図面を参照しつつ以下に単なる実施例として記載されるいくつかの実施態様に関する詳細な説明からより明確に理解することができる。
【００１９】
【発明を実施するための最良の形態】
図１に関し、表示装置１は、以下のデータ処理構成要素、即ちアイトラッキングシステム３、情景合成システム４、画像合成システム５、ビデオ生成システム６及び波面検出システム７と、光学系２とを備える。
【００２０】
これらは制御システム８とインタフェースし、これは次に、
２Ｄ表面に多数のピクセルを有する光子源２０、
本実施例では、それぞれが単一のピクセルからの光子を有する光線束に前記光子を形成する光線束形成システム２１である中間光学系、並びに
光線束が収束する可変出力光学系２２、及びソース画像を見るために使用者の目Ｅ内に光子を受けるための最終光学系２３
からなる光学系２の構成要素とインターフェースする。
【００２１】
光子源２０は、従来の陰極線管からなる。ピクセルは、電磁制御を介してラスタ方式で操作される電子ビームによって励起されたとき、近球面状の波面に光子を発する。
【００２２】
光線束形成（中間）光学系２１は、その双方がアクロマッテックタブレットであり、一方が可変出力光学系２２の片側に位置する対物サブシステム２１（ａ)と結像サブシステム２１（ｂ）とを有する。対物サブシステム（ａ）は、その第１主焦点が光子源２０の表面に位置するように配置される。可変直径及び２並進自由度の開口制限絞り２４が、光線束形成光学系２１の前に配置される。絞り２４は、透明または不透明のいずれかを制御可能なピクセルを有する液晶光学システムからなる。これは、光線束形成光学系２１を通過する光線束の数、位置及び直径を制御する。
【００２３】
可変出力光学系２２は、対物サブシステム２１（ａ）の第２主焦点の前の距離ｄvに配置され、それにより光線束はそれに向けて収束しかつ図３に示すようにその入射瞳を占める。距離ｄvは次のように計算される。
ｄv＝ｃsdv0／（sd0／ｆ0）
ここで、ｆ0及びsd0は、それぞれ対物サブシステム２１（ａ）の焦点距離及び半径であり、sdv0は、対物サブシステム２１（ａ）の光軸に関する可変出力光学系２２の半径であり、sdsは光子源２０の最大半径であり、ｄ0は光子源２０から対物サブシステム２１（ａ）までの距離であり、かつｃは（sds／ｄ0）の関数である。
【００２４】
可変出力光学系２２は、マイクロマシンデフォーマブルミラー（ＭＭＤＭ）を有する。これは、張力をかけた反射材被覆弾性薄膜である。力をかけない場合に、前記薄膜は平坦である。前記薄膜の背後に空間を開けて配置された一組のアクチュエータを介して印加される静電力によって、これを様々な凹面形状またはモードに変形する。可変出力光学系２２は単に１つの可変焦点距離であるだけでなく、前記表示装置の他の光学系によって生じる様々な種類の収差を補正できるようにする波面曲率の複雑な変形を達成することができる。可変出力光学系２２の光軸と対物サブシステム２１（ａ）及び結像サブシステム２１（ｂ）の光軸との角度を最小にして、可変出力光学系２２の傾きによってもたらされる非点収差を減少させる。光線束がそれに向けて収束しかつその後で拡散する位置にされているので、比較的小さな直径を有する可変出力光学系２２は、必ずしも対象物における視野及び光線束形成光学系２１の結像空間を制限しない。
【００２５】
結像サブシステム２１（ｂ）は正の光出力を有し、かつ光線束を最終光学系２３の前の焦点位置にもってくる。これは、可変出力光学系２２の後の距離（ｆi−ｄi）に配置される。距離ｄiは、次の式のように計算されるが、ここでsdi及びｆiはそれぞれ結像サブシステム２１（ｂ）の半径及び焦点距離であり、sdviは、結像サブシステム２１（ｂ）の光軸に関して測定される可変出力光学系２２の半径である。
ｄi＝sdvi／(sdi／ｆi)
これによって、像面の放射照度及び角度寸法が可変出力光学系２２によって大きく変更されないように、結像サブシステム２１（ｂ）が近トロセントリックになる。
【００２６】
最終光学系２３は、顕微鏡、望遠鏡及び他の観測機器に使用されている従来の低収査広視野対眼レンズを有する。これは、画像のニュートンの視野（Newtonian View）（光が大部分の目の入射瞳を通過する）を提供する。最終光学系２３は、その第１主焦点が、可変出力光学系２２が最大出力の状態にあるとき、結像サブシステム２１（ｂ）によって形成される光線束の焦点の表面に位置するように配置される。これは、最終光学系２３から出る光線束を近平面状波面を有するようにさせ、従って対応する画像ピクセルが近無限の距離にあるように知覚される。可変出力光学系２２が最小出力の状態にあるとき、結像サブシステム２１（ｂ）により形成される光線束焦点の表面が、最終光学系２３の第１主焦点の後に位置する。これにより、最終光学系２３を出る光線束は光曲率の近球形状波面を有するようになり、対応する画像するピクセルは使用者により小さな距離にあるように知覚される。
【００２７】
制御システム８は、画像合成システム５からのピクセル座標及び強度と情報合成システム４からの必要な知覚距離との入力を有する。これは、同時に表示するピクセルのビデオ生成システム６への出力、光線束の位置及び直径の可変開口制限絞り２４への出力、及び可変出力光学系２２を制御して光線束の波面曲率を変調させる出力を発生する。
【００２８】
アイトラッキングシステム３からの視線方向及び調節状態の入力を用いて、制御システム８は、使用者が観察しているピクセルを識別しかつ最小の収差で出力する。情報合成システム４の入力を用いて、制御システム８は、使用者が多分観察しているピクセルを識別しかつ低収差で出力する。
【００２９】
可変出力光学系２２のＭＭＤＭ薄膜のスイッチング及び安定化時間は形状変化の大きさに比例するので、制御システム８は、各画像に必要な全形状変化が最小の大きさであるように、ピクセル出力を順序付けする。
【００３０】
様々な距離にある全ピクセルについて及び可変出力光学系２２の様々な状態について、収差値の事前計算された表が、制御システム８により使用される。制御システム８は、前記表を用いてランタイムの計算を回避し、かつ必要な場合には補間法によって値を評価して、可変出力光学系２２の状態を考えれば許容し得るレベルの収差で表示し得る全ピクセルを識別しかつ同時に出力する。
【００３１】
様々な距離にある全ピクセルに関する及び可変出力光学系２２の様々な状態に関する可変開口制限絞り２４制御信号値の事前計算表は、同様に制御システム８によって使用される。制御システム８は、前記表を用いてランタイムの計算を回避し、かつ必要な場合には補間法によって値を評価して、可変開口制限絞り２４制御信号を出力する。前記表の値は、その後、必要な波面曲率を達成し損ねたことを波面検出システム７からの入力が示す場合に、制御システム８により変更される。
【００３２】
本発明１の変形実施例は、以下のものを有する。
光子源２０は、液晶デバイス、プラズマデバイス、発光ダイオード、及びデジタルマイクロミラーデバイスを含む、近球形状波面を有する光子の発生又は反射により画像ピクセルの表面を形成する様々な表示技術を備えることができる。また、光子源２０は、近球形状波面を有するピクセルが形成されるように適当な屈折、回折、又は拡散特性を有する光学素子のアレイによって、マイクロ電気機械システム制御下のミラーにより、ラスタ走査される近平面状波面を有する単一の光子源を有する。
【００３３】
目に入る全ての光子が光学系２の全素子を通過する必要はない。ビームスプリッタ及び他の回折又は反射素子を用いて、別の光路に沿って光子を配向することができる。これらの光子は、単一又は多数の光子源２０から発生させることができる。この場合、コントローラ８は各画像ピクセルについて適当な光路を識別しかつ出力する。
【００３４】
対物サブシステム２１（ａ）及び結像サブシステム２１（ｂ）は、広い視野について収差を最小にする複雑な光学系から構成することができる。
【００３５】
多数の可変出力光学系２２は、前記光路に沿って様々な位置にあり得る。可変出力光学系２２は、圧電式、空気式、又は機械式制御下で変形可能な反射面から構成し得る。可変出力光学系２２は、その表面に亘って動的に制御可能な回折率を有する光学系から構成し得る。これにより、選択的な空間遅延、従って波面形状の制御が容易になる。電気光学、超音波光学、フォトオプティック、及び他の「固体」材料を用いることができる。このような可変出力光学系２２は、図２に示すように配置されるが、反射性を有しないので、前記光路を折ることはない。
【００３６】
結像サブシステム２１（ｂ）及び最終光学系２３は、実像面が必ずしも形成されないように一体化することができる。最終光学系２３は、図４の最終光学系４０に示されるように、軸外凹面鏡で構成し得る。前記凹面鏡の軸と実像面とは、相互に関して傾斜させることができる（矢印Ａ参照）。傾斜は、結像面とミラー間の追加の反射又は回折要素により、又は光線束形成光学系２１の要素を適当に傾斜させることにより達成される。
【００３７】
本発明の利点には、適当な波面曲率で、かつ十分に大きい射出瞳で、適当な波長で十分な光子を提供することにより光学的に調節を刺激する能力、大きな射出瞳がまた、目の表示装置への整合を容易にすること、可変出力光学系２２が、表示装置の他の光学系により生じる収差を補正し、その結果他の光学系に必要な光学がより複雑でなくなること、広い視野の光子源２０を有する対物サブシステム２１（ａ）により、例外的に小さくかつ密に詰めた光子源要素無しで、高解像度の像を知覚できること、テレセントリック結像サブシステム２１（ｂ）が、像面の角度寸法又は放射照度の変更無しで深さの変更を可能にすること、可変出力光学系２２の配置が、比較的小さい直径で視野を制限しないこと、制御システム８が、可変出力光学系２２の制限されたスイッチング速度を補償して、高解像度の像が従来のビデオ速度で提示されるのを可能にすること、がある。
【００３８】
本発明は、上述した実施例に限定されるものでなく、その構成及び詳細部分において様々に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  光学系に接続されたアイトラッキングシステム、波面検出システム、情景合成システム、画像合成システム、及びビデオ生成システムを有する本発明の表示装置のシステムレベルでの概念図。
【図２】  表示装置の光学的概念図。
【図３】  開口制限絞りに収束しかつこれを占める、光子源の２つの異なるピクセルからの光線束の光学的概念図。
【図４】  像点の知覚位置を示した、本発明の別の実施例による最終光学系の光学的概念図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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