(57)【要約】  見る人の目に虚像を投射するための投射型画像表示装置は、上記表示装置の瞳孔と共役をなして配置された、個別に作動可能な光源のアレイを含んでいる。上記アレイ内で作られる照明パターンは、上記表示装置のアイボックスの中で、対称に複製される。上記アイボックス内の瞳孔のサイズまたは位置を変えるために、上記照明パターンを変えることが出来る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明系と、
上記照明系によって照らされる空間光変調器であって、画像パターンを形成するため、個別にアドレス可能な画素を有する空間光変調器と、
上記画像パターンの虚像をアイボックス内の瞳孔を通して投射するための結像系と、
上記アイボックス内の瞳孔と光学的に共役をなして配置された、上記照明系内の個別に作動可能な光源のアレイと、
上記アイボックス内の瞳孔の寸法または位置を調節するために、上記光源を選択的に作動させる制御系と、
を備えた投射型画像表示システム。
【請求項２】
上記個別に作動可能な光源のアレイが一体構造として形成され、その一体構造内において光源が個別にアドレス可能であることを特徴とする、請求項１に記載の表示システム。
【請求項３】
上記個別に作動可能な光源が、瞳孔間距離のばらつきに対応出来るように、上記アレイ内で水平方向に離間していることを特徴とする、請求項１に記載の表示システム。  
【請求項４】
上記瞳孔を上記アイボックス内において垂直方向と水平方向の両方に移動するために、個別に作動可能な光源のアレイが、個別に作動可能な光源の二次元アレイを含むことを特徴とする、請求項３に記載の表示システム。
【請求項５】
上記瞳孔を視軸線上で移動するために、個別に作動可能な光源のアレイが、深さの次元において相対的に偏倚した作動可能な光源を含むことを特徴とする、請求項３に記載の表示システム。  
【請求項６】
上記制御系が、上記瞳孔の寸法および形状を調節するために、任意の一時点で電力を供給される、上記個別に作動可能な光源の数を、変えることを特徴とする、請求項１に記載の表示システム。  
【請求項７】
上記制御系が、上記個別に作動可能な光源に１つまたは複数の所定のシーケンスによって電力を供給するためのアクチュエータを含むことを特徴とする、請求項１に記載の表示システム。  
【請求項８】
一対の画像表示装置と、制御系と、を備えた投射型画像表示システムであって、各画像表示装置が、
照明系と、
画像パターンを形成するために上記照明系によって照らされる空間光変調器と、
上記画像パターンの虚像をアイボックス内の瞳孔を通して投射するための結像系と、
上記瞳孔と光学的に共役をなして配置された、上記照明系内の個別に作動可能な光源のアレイと、
を備え、
上記一対の表示装置が、各表示装置のアイボックスを見る人の目の前に位置づけるために、頭に装着可能なフレーム内に支持されており、
上記制御系は、見る人の目の異なる瞳孔間距離に合わせるために、上記表示装置の瞳孔間の離間距離を増大または減少させるように両表示装置内の上記光源を選択的に作動させることを特徴とする、投射型画像表示システム。  
【請求項９】
上記制御系が両表示装置内の上記光源を、対称を成すように選択的に作動させることを特徴とする、請求項８に記載の表示システム。
【請求項１０】
上記光源を作動させるための電力の総量が、上記表示装置の瞳孔間の離間を増大させるパターンと、減少させるパターンとの間で一定であることを特徴とする、請求項９に記載の表示システム。
【請求項１１】
上記瞳孔を上記アイボックス内において垂直方向と水平方向の両方に移動するために、上記個別に作動可能な光源の各アレイが、個別に作動可能な光源の二次元アレイを含むことを特徴とする、請求項８に記載の表示システム。
【請求項１２】
上記瞳孔を視軸線上で移動するために、個別に作動可能な光源の各アレイが、深さの次元において相対的に偏倚した作動可能な光源を含むことを特徴とする、請求項８に記載の表示システム。  
【請求項１３】
上記制御系が、上記瞳孔の寸法および形状を調節するために、各アレイ内で任意の一時点で電力を供給される、上記個別に作動可能な光源の数を、変えることを特徴とする、請求項８に記載の表示システム。
【請求項１４】
バーチャルディスプレイの瞳孔のアイボックス内における形成位置を調節する方法であって、
上記バーチャルディスプレイの瞳孔が、個別に作動可能な光源のアレイと実質的に共役となるように、上記バーチャルディスプレイの照明光学系と結像光学系を配置する工程と、
上記アイボックス内における上記バーチャルディスプレイの瞳孔の位置を調節するために、上記アレイ内の上記光源の選択的作動を提供するよう、上記アレイに制御系を接続する工程と、
を備えた方法。
【請求項１５】
１つまたは複数の所定のシーケンスによって上記個別に動作可能な光源に電力を供給するよう、上記制御系を構成することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
上記瞳孔のサイズおよび形状を調節するために、任意の一時点に電源を投入される、上記個別に作動可能な光源の数を変えるよう、上記制御系を構成することを含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投射型画像表示装置（projection image display）、特にニアアイディスプレイの照明システムに関し、目の位置の変化に応じて、異なる目の位置の全範囲にわたって表示の輝度を最適化する照明システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘッドマウントディスプレイシステムで用いられるニアアイディスプレイのような投射型画像表示装置は、見る人の目に虚像（virtual image）を投射する。画像は、通常、空間光変調器（spatial light modulator）によって形成される。この空間光変調器は、画素ごとに、照明器からの光を選択的に減衰させ、または方向転換させる。表示装置の結像光学系が、空間光変調器等のディスプレイエンジンによって形成された画像を拡大し、見る人への虚像とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
明るく解像度の高い画像が望ましい。表示装置の電力消費を抑えるためには、照明器からの光の有効活用が重要である。加えて、投射型画像表示装置と見る人の目との位置揃えのばらつきに対応するため、目の位置の全範囲にわたって明るい虚像が見られるようにすべきである。とくに、両眼式ヘッドマウントディスプレイ用の場合、ヘッドマウントディスプレイの装着者によって瞳孔間距離は異なるが、その異なる瞳孔間距離の全範囲において虚像が見られるようにしなければならない。
【０００４】
投射型表示装置の瞳孔（pupil）を通して虚像が見えるようになっており、この瞳孔はアイボックスと呼ばれ、一般的には、見る人の目の通常の瞳孔サイズより大きい。いかなる見る位置においても、瞳孔アイボックスを満たす限られた一部の光だけが、見る人の目の中に画像を形成するのに貢献する。一般的に、投射型表示装置に過度の電力を供給するか（表示装置の高額化、複雑化を招く）、あるいは不鮮明な画像を許容しなければならない。また、投射型表示装置に過度の電力を供給すると、迷光を生じかねず、この迷光は表示のコントラストを低下させかねない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、１つまたは複数の好ましい実施例において、制御可能な光源のアレイ（列；array）を備えた投射型画像表示装置を提供する。これらの光源は、個別に、または共に作動され、投射型画像表示装置のアイボックス内の位置の全範囲にわたって虚像を投射することが出来る。表示装置の照明光学系および結像光学系は、表示装置のアイボックス内の瞳孔が光源のアレイと実質的に共役（conjugate）となるように配置される。そのため、個々の光源は、瞳孔アイボックスの異なった部分を満たす。個々の光源または組み合わされた光源が作動され、すなわち電力を供給され、これにより、表示装置のアイボックス内の限られた領域（アイボックス内の見る人の瞳孔の位置に対応した領域）を満たすことが出来る。その結果、全体の光の量を減らしつつ、見る人に明るい虚像を呈示することが出来る。通常であれば、瞳孔アイボックス全体を満たすだけの光の量が必要となるところである。画像の明るさの向上、コントラストの向上、電力消費の低減を、すべて実現することが出来る。
【０００６】
この投射型画像表示装置は、好ましくは見る人が制御する調節器（アジャスタ；adjuster）を含む。この調節器は、視る条件を最適化するためにアレイ中の光源の照明パターンを変える。たとえば、この調節器を用いて、光源を１つまたは複数のシーケンスで駆動し、アイボックスの端から端まで最適の視る位置を漸進的にシフトさせることが出来る。この際、アイボックス内における最適の見る位置が変化しても、照明器からアイボックスに達する光の総量を、実質的に一定に保つことが出来る。
【０００７】
典型的には、目の位置は、実質的に水平方向により大きくばらつきがある。これは、見る人によって瞳孔間距離が異なるためである。垂直方向のずれは、見る人の目と適切に位置が合うように、機械的に調節することが出来る。例えば、鼻当て（ノーズブリッジ）の調節またはバイザの傾きによって、垂直方向のずれに対応することが出来る。
【０００８】
本発明の１つの実施例では、個別に電力供給される５つの発光ダイオード（ＬＥＤ）が、それぞれの目のために一列ずつ配置されている。ＬＥＤは、投射型画像表示装置を通して伝播されるＬＥＤの発光高さ寸法が、アイボックスの垂直方向の寸法を満たすよう、方向付けられている。一方、ＬＥＤの列全体から発せられる光が、アイボックスの水平方向の寸法を満たすことが要求される。アイボックスの水平方向全体の寸法を満たすことなく異なる瞳孔間距離の範囲に対応するために、左から右、または右から左の順に、ＬＥＤに個別に電力を供給することが出来る。これは見る人の制御によって行われ、見る人の瞳孔の位置と最もよく適合する光出力のＬＥＤが選択される。アイボックス内での照明位置の水平移動をより連続的に行うために、開始時に電力をフル投入された１つのＬＥＤへの電力供給量を減らし、それに対応する分だけ、開始時に電力を投入しなかった隣のＬＥＤへの電力供給量を増大させ、これにより、隣り合うＬＥＤの合計の光出力を、この移行の間ほぼ一定に維持にする。実際、隣接するＬＥＤに半分ずつ電源を投入する中間シフトは、最適の見る条件を呈示する十分な満たし位置（fill position）を、アイボックスを横切って提供することが出来る。
【０００９】
アイボックス内の最適満たし位置を漸進的にシフトするための調節器は、ボタン、スライダ、ホイール等、見る人が最適な照明を提供するＬＥＤまたはＬＥＤの組合せを選択できる入力装置であれば、どのような形態のものであってもよい。この調節器は、投射型画像表示装置と共に、共通のヘッドマウントフレームに配置することが出来、または、別体のコントロールボックスに配置してもよい。このコントロールボックスは、映像または音の調節等、投射型画像表示装置の操作に関連した、他の調節を行うためにも使用することが出来る。
【００１０】
アイボックスの満たし位置の調節は、最適照明条件を達成するための費用対効果の高い方法として、手動で行うのが好ましいが、自動的に調節することも可能である。例えば、公知の眼位検出装置を用いて、アイボックス内における見る人の瞳孔の相対的位置を検出し、見る人の瞳孔を満たすために最も良い位置に存在するＬＥＤまたはＬＥＤの組合せを自動的に作動することが出来る。このような眼検出装置の一例においては、バックライトＬＥＤに近接して配置された赤外線発光体およびセンサを用いて、見る人の網膜から逆反射（retro-reflect）した光を監視することが出来る。共役の照明平面に戻ってきた逆反射光の、最も密度の高い部分に最も近接して配置された、１つまたは複数のＬＥＤに電力を供給することにより、見る人の瞳孔を通して所望の虚像を投射することが出来る。
【００１１】
赤外線発光体によって提供された赤外光は、投射型画像表示装置の光学系を通過し、見る人の瞳孔を通って、見る人の網膜から逆反射し、見る人の瞳孔を通り、表示装置の光学系を通って、戻る。見る人の目の位置がバックライトＬＥＤからずれているときは、戻り光は、目が赤外線ＬＥＤの光路内にまっすぐ存在している場合に比べ、実質的に小さくなる。別の方法によれば、目に見える態様で（visibly）、目の強膜を検出することが出来る。
【００１２】
光センサの配置および感度は、戻ってきた光の性質によって、目の配置が予測出来るものであることが好ましい。位置が揃っていなければ、システムは別のＬＥＤまたは別のＬＥＤの組合せに変えることが出来る。単純な最大化処理を用いて、見る人の目の位置に基づき適切なＬＥＤを選ぶことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による投射型画像表示装置の概念図であり、光源アレイ内の軸上の光源からの光線が、表示装置を通って、アイボックスの中央位置にある瞳孔に至る経路を示す。
【図２】上記投射型画像表示装置の概念図であり、上記光源アレイ内の水平方向に偏倚した光源からの光線が、上記表示装置を通って、上記アイボックスの一側近傍にある瞳孔に至る経路を示す。
【図３】上記投射型画像表示装置の概念図であり、上記アイボックスの水平方向の広がりを満たすために、上記光源アレイ内の、水平方向にずれた位置にある３つの光源からの光線が、上記表示装置を通って、拡大された瞳孔に至る経路を示す。
【図４】両眼視のための一対の投射型画像表示装置を搭載するメガネ型フレーム、および、コントロールボックスを示す概念図である。このコントロールボックスは、上記投射型画像表示装置内の照明パターンを含む、表示装置の制御を行う。
【図５】図５Ａから図５Ｃは、上記アレイを横切って、漸進的に光源に電力を供給するための切換システムを示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１から図３に示す投射型画像表示装置１０は、制御可能な光源アレイ１２を、照明平面１４に備えている。上記表示装置１０の照明部内において、上記アレイ１２の1つまたは複数の光源１８ａ、１８ｂ、１８ｃからの１つまたは複数の光線１６ａ、１６ｂ、１６ｃが、集光レンズ２０によって集められ、ほぼ平行な光ビーム２２ａ、２２ｂ、２２ｃを形成する。この平行な光ビームは、空間光変調器２４に突き当たる。制御系（制御システム；図示せず）がこの空間光変調器２４を画素ごとに制御し、光を吸収または透過させることによって、映像パターンを形成する。表示装置１０の結像部内では、結像レンズ２６、２８が、映像パターンの拡大された虚像を、瞳孔３０ａ、３０ｂ、または３０ｃを通って、見る人の目３２の中に投射する。投射された虚像は、見る人の目３２の光学系により、見る人の網膜（図示せず）上で完成する。表示装置１０の瞳孔３０ｂを取り囲むアイボックス３４は、虚像全体を見ることが出来る、見る人の目３２の位置の範囲を示している。
【００１５】
光源１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、好ましくは発光ダイオード（ＬＥＤ）によって形成され、この発光ダイオードは、個別に作動可能で、照明平面１４内の限定された領域にわたり、ある方向の範囲に光を放出させることが出来る。光源アレイ１２は、ＬＥＤその他の個々の光源を近接して設けることによって形成でき、あるいは一体型構造物として形成できる。この一体構造物内で、光源はひとまとめに形成されているが、個別にアドレス可能（addressable）である。
【００１６】
空間光変調器２４は、好ましくは液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）素子の制御可能なアレイを備え、ビデオ信号に応じて所望の光パターンを生成するために、個別にアドレス可能な画素を提供する。本発明の目的に照らして有用な他の空間光変調器としては、回折格子ライトバルブ（ＧＬＶ）技術、およびデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）等のデジタル光処理（ＤＬＰ）技術等がある。
【００１７】
集光レンズ２０と結像レンズ２６、２８は屈折素子として描かれているが、同様の機能を、反射素子または回折素子によって果たすことも出来る。照明部の集光レンズ２０は、照明平面１４と共役の（conjugate）瞳孔３０ａ〜３０ｃが形成されるように、表示装置１０の結像部の結像レンズ２６、２８と連携している。その結果、光源１８ａ、１８ｂ、１８ｃからの個々の光出力が、アイボックス３４内の対応する位置に再生される。図２において、水平方向に偏倚された光源１８ａからの光が、アイボックス３４の一端の瞳孔３０ａを通って再形成される。図３においては、描かれた３つの全光源１８ａ、１８ｂ、１８ｃからの光が、瞳孔３０ｃを満たす範囲（アイボックス３４の垂直方向の広がりに対応する）を通る。
【００１８】
図４は、一対の投射型画像表示装置１０がメガネ型の頭部に装着可能な（head-mountable）フレーム３６内に支持されている様子を示す。コントロールボックス３８が、電力・通信ケーブル３９等によって、フレーム３６および投射型画像表示装置１０に接続され、表示装置１０の動作を制御する。例えば、コントロールボックス３８にはスイッチ４０、４２が見えるが、これらスイッチは、個別に、または一緒に、アレイ１２内の光源１８ａ、１８ｂ、１８ｃを含む表示装置１０の制御に用いることが出来る。スイッチ４０、４２はさまざまな形態が可能であり、押しボタンスイッチ、トグルスイッチ、セレクタスイッチ、ロッカースイッチ、スライドスイッチ、ジョイスティックスイッチ等でもよい。音声や圧力で作動する制御機器等、他の手動制御機器を用いて、アレイ１２内の光源１８ａ、１８ｂ、１８ｃからの光出力を制御すること、特に１つまたは複数の所定の順序（シーケンス）で制御することが可能である。例えば、光源を、スイッチの位置または向きによって、左から右へ及び右から左へ、あるいは上から下へ及び下から上へと、順に照らすことが出来る。あらゆる方向への順次点灯は、ジョイスティック、またはそれに類似した制御機器の使用によって可能であろう。両眼式投射型画像表示装置のアレイ内の光源は、個別に、または一緒に制御可能である。例えば、２つの表示装置の光源を一緒に調節し、表示装置の瞳孔の離間距離を対称的に増加または減少させて、見る人の目の異なる瞳孔間距離に合わせることが出来る。
【００１９】
図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃは、類似の投射型画像表示装置において、アレイ５２内の光源５０ａ〜５０ｅの駆動を水平方向にシフトするシーケンスの一部を示している。このシフトに対応して瞳孔位置（この瞳孔位置で虚像が表示装置のアイボックスへ投射される）が変わる。スライドスイッチ５４がアレイ５２を横切って水平方向にシフトし、接点５６ａ〜５６ｅと次々に係合する時、光源５０ａ〜５０ｅに電力を供給する回路５６が完成する。例えば、図５Ａに示すスイッチ位置においては光源５０ｂに、図５Ｃに示すスイッチ位置においては光源５０ｃに電力が供給される。スイッチ５４が２つの光源の間に位置している時には、図５Ｂに示すように、スイッチは隣接する接点、例えば接点５６ｂと５６ｃに係合することが出来、隣接する光源５０ｂと５０ｃとに部分的に電力が供給される。
【００２０】
本発明は、瞳孔とアイボックスとの共通平面と共役の平面上に配置された、異なる光源を点灯することによって、表示システムの瞳孔位置を、アイボックス内の異なる位置に移動させる実施例を含んでいる。スイッチまたは他のタイプの制御装置の使用のみで調節が可能であり、可動部品は不要である。表示装置の瞳孔を、見る人の瞳孔の位置に合わせることが出来るため、最小限の消費電力で、明るい虚像を投射することが出来る。アイボックス内の不要な光の減少は、消費電力を減らすだけではなく、投射された虚像のコントラストを強める。
【００２１】
個別に制御可能な光源を一次元のアレイ（列）、特に水平なアレイに配置し、瞳孔間距離のばらつきに対応することが出来、または二次元のアレイに配列して、表示装置のアイボックス内で、表示装置の瞳孔を垂直方向、水平方向の両方に動かすようにすることも出来る。深さの次元も利用して、視方向における瞳孔位置を調節することが出来る。光源の数は、光源のサイズ、照明光源の倍率等の変数次第で、変えることが出来る。任意の一時点において発光のために電力を供給される光源の数を調節して、瞳孔の寸法と形状を制御することも出来る。例えば、ある種の投射画像の呈示を最適化するため、より大きな又はより小さな瞳孔が必要となるかも知れない。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
2012511181.tif 000008
【図５Ｃ】
2012511181.tif 000009
【国際調査報告】
2012511181.tif 000010
2012511181.tif 000011