(57)【要約】示されている光学装置は、レーザビームの単色または混色によって約６０°の視野角でビデオ画像の網膜への表示を実現する。網膜への表示は、直接または散乱スクリーンへのビーム放射によってなされ、それによってディスプレイを６０°の視野の画像と重ね合わせることができる。ビデオ画像ディスプレイにおいて、光の収束ビームは、部分的に透明な平凹面鏡を用いて焦点に集められる。光学装置は、光ビームの発散および断面のみによって決定されるように、見ている人の視力およびディスプレイ光ビームの回折によってのみ制限されるきわめて高い解像度を特徴としている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ（１０）を用いて、見ている眼の上に電子画像データ（たとえばビデオ画像）の網膜投影を行うための光学装置および方法であって、光学システムの入射開口部（１）によって収束するような画素の通過において網膜（１１）上に入射されるすべての光ビームが、ビームスプリッタ（８）によって反射され、完全または部分的に反射する凹面鏡（９）によって反射される前に、焦点で交差し、前記システムの射出開口部（２）に最終的に達する際に、前記ビームスプリッタ（８）を通過することと、前記システムが、前記射出開口部（２）に前記入射開口部（１）を結像する前記ビームスプリッタ（８）および前記凹面鏡（９）を含み、それによって前記見ている眼の前記網膜（１１）上のすべての画素の光ビームが、前記入射開口部（１）および前記射出開口部（２）を通過する必要があり、前記レンズ（１０）および前記見ている眼の瞳が、前記射出開口部（２）の前に間隔Ｓ（Ｓは０以上）で位置していることを特徴とする網膜投影を行うための光学装置および方法。
【請求項２】
前記凹面鏡（９）が球面鏡であり、前記射出開口部（２）が前記凹面鏡（９）の球の中心点に位置していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記入射開口部（１）から前記見ている眼の前記網膜（１１）上の各画素に属している主ビーム（前記射出開口部（２）の中間を通るビーム）が、前記凹面鏡（９）に垂直またはほぼ垂直に入射することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記入射開口部（１）から前記網膜（１１）上の画素に関連する収束光ビームが、その球の半径がＲである球面の凹面鏡（９）に達する前に、ａ）正視で見ている眼の場合には、光学距離Ｒ／２だけ前記凹面鏡（９）の面から遠くにあり、ｂ）前記網膜（１１）上に鮮明な画像を実現するために前記見ている眼の対応する視力不足を補正する場合には、前記射出開口部（２）に必要なビームの発散または収束を行うために、Ｒ／２よりわずかに大きいか、わずかに小さい光学距離だけ前記凹面鏡（９）の面から遠くにある点で交差することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記入射開口部（１）の周囲の自由空間において、イメージングセンサ（１２）（すなわち画像センサまたは多分割センサ）は、眼の面が前記ビームスプリッタ（８）および前記凹面鏡（９）によって完全または部分的に結像されるように配置され、それによって前記センサ（１２）の信号から、前記見ている眼の動きと共に、素子（１４）、（４）、（５）、（６）、（７）、（１２）、（８）、（９）を含む全体的な光学装置をシフトするサーボモータを操作するための信号が生成され、前記射出開口部（２）が前記見ている眼の瞳の動きに従うようになっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
単色またはカラーの光ビーム（たとえば、さまざまなカラーレーザービームの混合物）が、そのカラー成分の強度において個々の画素の成分によって連続的に変調され、前記入射開口部（１）において必要なビーム収束を生成するための１つまたは複数のレンズ光学システム（５）を通過し、次に光ビームが２つの回転軸（たとえば、方位角および仰角）を中心にして、前記入射開口部（１）に配置される偏向ミラー（走査ミラー（７））のシステムによって偏向され、前記網膜（１１）上の画像の中の所望の位置に各画素を集光することによって、光ビームが網膜投影を構成する際に必要な角度だけ各画素を走査するように前記走査操作ミラーシステム（７）が操作されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記網膜（１１）上に投影されることになっている画像が、散乱スクリーン（３）（たとえばすりガラス）上に最初に生成され、前記散乱スクリーン（３）からの各画素の散乱光が対物レンズ（１３）によって収束ビームに変換され、視野絞りを有する前記対物レンズ（１３）の出射面上の主平面が前記投影システムの前記入射開口部（１）における絞りに位置していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
一次画像が、単色またはカラーの光ビームと共に、二軸走査ミラーによって散乱スクリーンまたは透明スクリーン（３）の前側または後側に描画されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記散乱スクリーン（３）はファイバプレートの出射面であり、その入射面において以下の画像システム、すなわちａ）集積ファイバプレートを有するＣＲＴ、ｂ）照射型ＬＣＤ、ｃ）プラズマディスプレイスクリーン、ｄ）二軸光ビーム走査ミラーのいずれか１つによって一次画像が描画されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記ファイバプレートの入射面および出射面が曲面であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記球面鏡（９）が部分的に透明なミラーであり、それによって前記部分的に透明なミラー（９）を通して前記見ている眼によって見られるように、網膜投影が視野に重ね合わせられることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記イメージングセンサ（１２）の信号から、眼の面における照射が、ビデオディスプレイの所望の明るさが設定されるように検知されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記イメージングセンサ（１２）の信号から前記見ている眼の見ている方向が決定され、それによって見ている人が、「光学メニューツールバー」としてビデオ投影において規定されるさまざまな規定された角度の視野を見ることによって、ビデオディスプレイの内容に作用することができることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鮮明な連続画素の結像のために、網膜上に１つ以上の走査ミラーの偏角を２次元で電気的に制御することによって指向されるそのカラー成分の明るさを用いて変調される光ビーム（たとえば混合レーザ）による単色またはカラーのビデオ画像の網膜投影のための光学装置および方法に関する。網膜投影用途に応じて、これは、ビデオ画像のみ（ヘッドマウント型ビデオディスプレイ）または見ている眼の視野の画像と共に重ね合わせられたビデオ画像（パイロット用のヘッドマウント型ビデオディスプレイ）のいずれかを必要とする。
【背景技術】
【０００２】
先行技術から、この目的を実現するためのさまざまな光学装置が周知である。たとえば、
１．「Ｈｅｌｍｕｔ−ｍｏｕｎｔｅｄ  ｄｉｓｐｌａｙｓ  ａｎｄ  ｓｉｇｈｔｓ（ヘルメット装着型ディスプレイおよび視覚）」モーデカイ・ベルジャ（Ｍｏｒｄｅｋｈａｉ  Ｖｅｌｇｅｒ）著、Ａｒｔｅｃｈ  Ｈｏｕｓｅ，Ｂｏｓｔｏｎ／Ｌｏｎｄｏｎ、１９９８
２．「Ｄｅｒ  Ｆｅｒｎｓｅｈｅｒ  ｉｎ  ｄｅｒ  Ｂｒｉｌｌｅ（眼鏡におけるテレビ画像）」Ｅｌｅｋｔｒｏｎｉｋ、Ｐ．１８、Ｐ．２０、１９９９
３．米国特許第６，１４０，９７９号、マイクロビジョン  インコーポレイテッド（Ｍｉｃｒｏｖｉｓｏｎ  Ｉｎｃ．）、２０００年１０月３１日出願
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
これらの周知のディスプレイシステムのすべてにおいて、収差および構成のために、最も実現可能なビデオ結像角度は画像対角線でわずか２０〜４０°であり、画像解像度が不十分である。参考文献２に記載されているシステムは、たとえば凹面鏡を用いた網膜投影用の典型的な配置であり、球面収差のために網膜の画像解像度を著しく損ない、その光学システムは本発明の基本的な配置とは実質的に異なる（図１に示された構成を参照）ことが分かる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
したがって、本発明の目的は、きわめて高い画像解像度（すなわち、見ている眼がどれほどよく見ることができるかと、光ビーム（レーザビーム）の回折限界と、によってのみ制限される）に関連して、ビデオおよび重ね合わせられた視野に関して６０°程度の高さの結像角を実現する光学システムを規定することであった。これは、請求項１の特徴項によって特徴付けられるような手段によって実現される。有利な態様は、従属請求項と、本発明が数例の実施例によって詳述されている以下の詳細から読み取ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
ここで、図１を参照すると、見ている眼の網膜（１１）上への高解像度の画素投影のためのシステムの基本的な配置を示している。見ている眼は、理想的な薄いレンズ（１０）および平たい網膜（１１）によって図１〜図３に示されている。網膜（１１）上の画素に属している光ビーム（それぞれの場合において３本の光線、すなわち主光線および２本の周辺光線で表されている）は、システムの入射開口部（１）を通って収束点を通過する。
【０００６】
正視の見ている眼および画像投影のための無限の仮想対物空間の場合には、入射開口部（１）は、光路長Ｒ＝２ｆ（式中、ｆ＝焦点距離、Ｒ＝凹面鏡（９）の半径）によって凹面鏡（９）の前、すなわち平面状のビームスプリッタ（８）によって生成される凹面鏡（９）の仮想球の中心点に位置する。入射開口部（１）から網膜上の画素に収束する光ビームは、ビームスプリッタ（８）によって凹面鏡（９）へ反射され、凹面鏡（９）で発散するように入射する前に凹面鏡（９）の面から光路長ｆ＝Ｒ／２に相当する距離にある点で交差する。網膜上の画素に関連する各主光線は、凹面鏡（９）の面に垂直に入射する。光ビームは、平行ビームとしてそこで反射されてから、ビームスプリッタ（８）と、凹面鏡（９）の球面の中心点に位置する射出開口部（２）と、を通過する。これは、凹面鏡（９）およびビームスプリッタ（８）によって生成される入射開口部（１）の画像である。
【０００７】
網膜上の画素に関連するすべての光ビームは凹面鏡（９）と射出開口部（２）との間で互いに平行に指向され、それらの主光線が凹面鏡（９）の球の中心点を通過するため、すべての網膜上の画素の各光ビームは見ている眼への入射角に関係なく、凹面鏡（９）に関して光の近軸ビームである。これは、すべての網膜上の画素の光ビームに関して、低いｆナンバー（＝ビーム径／ｆ）のためにきわめて小さい同一の球面収差を有する凹面鏡（９）を生じる。
【０００８】
ビームスプリッタ（８）は、平行ビーム経路に位置し、横方向のビームシフトのみを生じるが、網膜（１１）上の画像に視野の曲率収差または色収差を生じない。レンズ（１０）は通常、射出開口部（２）に位置するか、または間隙Ｓ（Ｓは０以上である）で射出開口部（２）のわずか前方に位置している。また、射出開口部（２）においてビームの断面が大きく、Ｓ＞０である場合には、眼が移動した場合であっても、投影システムによって補償される必要があるこのような移動がなければ、網膜投影は可能である。
【０００９】
網膜投影の画像が視野の画像（パイロット用のヘッドマウント型ビデオディスプレイ）と重ね合わせることができる場合には、凹面鏡（９）は部分的に透明なミラーとして構成される。
【００１０】
網膜投影のため、または見ている眼の視力不足の補正のための有限の仮想物体間隔を生成するために、入射開口部（１）は凹面鏡（９）の仮想球の中心点からその光軸に沿ってわずかにシフトされる。これは、凹面鏡（９）によって反射される光ビームのために、レンズ（１０）に入射する前に、光ビームの不可欠のわずかな発散または収束を生じる。
【００１１】
ここで図２を参照すると、ビデオ網膜投影のための一般的な装置が示されており、網膜は参照符号（１１）によって識別される。これは、平行光（たとえば、レーザビーム混合物）の単色またはカラービームを仮定しており、そのカラー成分がビデオ信号の連続画像データによって変調される。ビデオ信号のライン信号または画像合成信号、あるいはたとえば、画素が所望の位置で見ている眼の網膜（１１）上に確実に投影されるようにするために、ビデオ信号の各画素に関して光ビームが必要な方位角および仰角によって偏向されるようなジンバル式二軸走査ミラー（７）の向きを操作するための他の画素調整データから、必要な制御信号を生成する電気信号発生装置がさらに仮定される。変調された平行光ビームは、入射面（１４）から、必要に応じて減衰器フィルタ（４）を介して、偏向ミラー（６）を介して投影システムの入射開口部（１）に配置された二軸走査ミラー（７）に供給される必要な収束光ビームを生成するための１つまたは複数の収束レンズシステム（５）に指向される。図２に示されているような走査ミラー（７）は、対応する反射光ビームに関して３つの異なる偏向位置を同時に指し示す。
【００１２】
レンズシステム（５）は、光ビームの所望の収束を生成するが、凹面鏡（９）の軽度の収差を解消することもできる。投影システムの装置におけるこれらの収差は、走査ミラー（７）の角度位置に関係なく、すべての網膜上の画素に関して同一であるためである。
【００１３】
しかし、ビデオ網膜投影においてレンズ（１０）によって断面の小さい光ビームに関して眼の移動を許容するために、イメージングセンサ（１２）（画像または多分割センサ）が入射開口部（１）の平面において走査ミラー（７）の周囲に配置される。このセンサには、凹面鏡（９）は見ている眼の面を結像する。イメージングセンサ（１２）の信号から、見ている眼の瞳の位置を決定することができ、今度は２次元ポジショナのためのサーボモータを操作するための信号を生成することができ、この信号から、素子（１４）、（４）、（５）、（６）、（７）、（１２）、（８）、（９）を含む光学システムを全体として水平方向および垂直方向にシフトすることができ、射出開口部（２）（図１参照）が見ている眼の瞳の動きに従う。さらに、ビデオ網膜ディスプレイに必要な明るさを調整する際に、イメージングセンサ（１２）の信号から、凹面鏡（９）によって観察される視野によって生成される眼の面における照射レベルを測定することができる。
【００１４】
これに加えて、眼を制御するメニューツールバーの操作によってビデオディスプレイの所望の画素内容を選択するために利用することができるように、イメージングセンサ（１２）の信号から見ている眼の見ている方向を決定することができる。
【００１５】
完全な投影システムが以下の眼の動きを阻まないようにするために、レンズ（１０）の平面における光ビームの断面は大きい必要がある。これは、図２に示されている拡大偏向ミラー（７）によって実現可能であるか、または図３から明白であるように、散乱スクリーン（３）上に一次画像を生成することによって実現可能である。各画素から広がる散乱スクリーン（３）の広い散乱光円錐は、レンズシステム（１３）（たとえば色消しボールレンズ）によって焦点に集められる収束光ビームとなり、その交差点は半径Ｒ／２の球面に位置し、図１に示されたディスプレイシステムの入射開口部（１）と一致するような図３に示されているように断面のより大きな仮想開口部から来るように見え、したがって、一次画像が網膜（１１）上に結像されることができる。図３から明白であるように、発せられるすべての主光線が凹面鏡（９）の面に正確に垂直であるわけではない。しかし、そのような小さな偏差は、網膜（１１）における画像の焦点を著しく損なうことなく許容可能である。
【００１６】
ディスプレイスクリーン（３）上に一次画像を生成することは、以下のように可能である。
１．一次画像は、二軸走査ミラーシステムによって強度を変調された光ビームによって、スクリーン（３）上に走査される。
２．散乱スクリーン（３）はファイバプレートの出射面であり、一次画像が、その入射側で、
ａ）二軸走査ミラーシステムを用いて強度に変調を加えた光ビームによって走査され、
ｂ）ＣＲＴ、ＬＣＤまたはプラズマディスプレイによって入力され、光ファイバによってファイバプレートの出射側（３）に伝送され、散乱放射される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の基本的な光学システム、ビームの構成および変形が示されている。
【図２】本発明の基本的な光学システム、ビームの構成および変形が示されている。
【図３】本発明の基本的な光学システム、ビームの構成および変形が示されている。
【符号の説明】
【００１８】
１    入射開口部
２    射出開口部
３    散乱スクリーン
４    減衰器フィルタ
５    収束レンズシステム
６    偏向ミラー
７    ジンバル式二軸走査ミラー
８    ビームスプリッタ
９    凹面鏡
１０  薄いレンズ
１１  網膜
１２  イメージングセンサ
１３  レンズシステム
１４  入射面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年7月14日(2003.7.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ（１０）を用いて、見ている眼上に電子画像データ（たとえばビデオ画像）の網膜投影を行うための光学装置および方法であって、それによって画素内で網膜（１１）上に入射されるすべての光ビームが、
ａ）光学システムの入射開口部（１）に入射するための収束ビーム束が生成され、後に二軸偏向ミラーを通過する補正レンズシステム（５）を通過するか、または
ｂ）散乱スクリーン（３）上に一次画像から生成され、それによって各画素から来る散乱光の円錐が色消しボールレンズ（１３）によって集光され、前記光学システムの前記入射開口部への入射のために光ビームを収束し、
ビームスプリッタ（８）によって反射され、焦点で交差して完全または部分的に反射する凹面鏡（９）上に垂直に当たり、前記システムの射出開口部（２）に最終的に達する際に前記ビームスプリッタ（８）を通過し、前記システムが、前記射出開口部（２）に前記入射開口部（１）を結像する前記ビームスプリッタ（８）および前記凹面鏡（９）を含み、それによって前記見ている眼の前記網膜（１１）上のすべての画素の光ビームが、前記入射開口部（１）および前記射出開口部（２）を通過する必要があり、前記レンズ（１０）および前記見ている眼の瞳が、前記射出開口部（２）の前に間隔Ｓ（Ｓは０以上）で位置している網膜投影を行うための光学装置および方法。
【請求項２】
前記凹面鏡（９）が球面鏡であり、前記射出開口部（２）が前記凹面鏡（９）の球の中心点に位置していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記入射開口部（１）から前記見ている眼の前記網膜（１１）上の各画素に属している主ビーム（前記射出開口部（２）の中間を通るビーム）が、前記凹面鏡（９）に垂直またはほぼ垂直に入射することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記入射開口部（１）から前記網膜（１１）上の画素に関連する収束光ビームが、その球の半径がＲである球面の凹面鏡（９）に達する前に、ａ）正視で見ている眼の場合には、光学距離Ｒ／２だけ前記凹面鏡（９）の面から遠くにあり、ｂ）前記網膜（１１）上に鮮明な画像を実現するために前記見ている眼の対応する視力不足を補正する場合には、前記射出開口部（２）に必要なビームの発散または収束を行うために、Ｒ／２よりわずかに大きいか、わずかに小さい光学距離だけ前記凹面鏡（９）の面から遠くにある点で交差することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記入射開口部（１）の周囲の自由空間において、イメージングセンサ（１２）（すなわち画像センサまたは多分割センサ）は、眼の面が前記ビームスプリッタ（８）および前記凹面鏡（９）によって完全または部分的に結像されるように配置され、それによって前記センサ（１２）の信号から、前記見ている眼の動きと共に、素子（１４）、（４）、（５）、（６）、（７）、（１２）、（８）、（９）を含む全体的な光学装置をシフトするサーボモータを操作するための信号が生成され、前記射出開口部（２）が前記見ている眼の瞳の動きに従うようになっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
単色またはカラーの光ビーム（たとえば、さまざまなカラーレーザービームの混合物）が、そのカラー成分の強度において個々の画素の成分によって連続的に変調され、前記入射開口部（１）において必要なビーム収束を生成するための１つまたは複数のレンズ光学システム（５）を通過し、次に光ビームが２つの回転軸（たとえば、方位角および仰角）を中心にして、前記入射開口部（１）に配置される偏向ミラー（走査ミラー（７））のシステムによって偏向され、前記網膜（１１）上の画像の中の所望の位置に各画素を集光することによって、光ビームが網膜投影を構成する際に必要な角度だけ各画素を走査するように前記走査操作ミラーシステム（７）が操作されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記網膜（１１）上に投影されることになっている画像が、散乱スクリーン（３）（たとえばすりガラス）上に最初に生成され、前記散乱スクリーン（３）からの各画素の散乱光が対物レンズ（１３）によって収束ビームに変換され、視野絞りを有する前記対物レンズ（１３）の出射面上の主平面が前記投影システムの前記入射開口部（１）における絞りに位置していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
一次画像が、単色またはカラーの光ビームと共に、二軸走査ミラーによって散乱スクリーンまたは透明スクリーン（３）の前側または後側に描画されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記散乱スクリーン（３）はファイバプレートの出射面であり、その入射面において以下の画像システム、すなわちａ）集積ファイバプレートを有するＣＲＴ、ｂ）照射型ＬＣＤ、ｃ）プラズマディスプレイスクリーン、ｄ）二軸光ビーム走査ミラーのいずれか１つによって一次画像が描画されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記ファイバプレートの入射面および出射面が曲面であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記球面鏡（９）が部分的に透明なミラーであり、それによって前記部分的に透明なミラー（９）を通して前記見ている眼によって見られるように、網膜投影が視野に重ね合わせられることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記イメージングセンサ（１２）の信号から、眼の面における照射が、ビデオディスプレイの所望の明るさが設定されるように検知されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記イメージングセンサ（１２）の信号から前記見ている眼の見ている方向が決定され、それによって見ている人が、「光学メニューツールバー」としてビデオ投影において規定されるさまざまな規定された角度の視野を見ることによって、ビデオディスプレイの内容に作用することができることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
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