JP2000035551A

JP2000035551A - 中間画像平面を有する電子ディスプレイ装置のための両眼視認用システム

Info

Publication number: JP2000035551A
Application number: JP11097463A
Authority: JP
Inventors: Raymond T Hebert; レイモンド・ティー・ヒバート
Original assignee: Optimize Inc
Current assignee: Optimize Inc
Priority date: 1998-04-06
Filing date: 1999-04-05
Publication date: 2000-02-02
Also published as: EP0949826A2; US5926318A; US6040946A; EP0949826A3; CA2267876A1; US6008939A; CA2267876C; AU2255399A

Abstract

(57)【要約】【課題】小型、高解像度で、高コントラストの忠実
な立体画像を形成し、ヘッドマウントディスプレイを使
用するのに適したマイクロディスプレイによる視認を可
能とする画像視認システムを実現する。【解決手段】忠実な立体画像視認が適当な安価な光
学機器を用いて、ビームスプリッタを用いずに単一のデ
ィスプレイ装置を用いて達成される。低価格の複合プラ
スチック製光学機器により、ヘッドマウントディスプレ
イ（ＨＭＤ）に用いられるような単一の電気光学ディス
プレイ装置を両眼で視認することが可能となる。デュア
ルｏｆｆ−ａｘｉｓ構成は２つの独立な光学経路を備
え、ディスプレイ装置の画像表面でのみその経路が交差
する。各光学経路は照明源、接眼レンズ並びに画像形成
光学機器を備える。ある実施例では概ねコリメートされ
た照明光学系及び中間フィールドレンズを用いて、ビー
ムスプリッタを用いずに広開口接眼レンズを充填する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は全般に画像ディスプ
レイシステムに関連し、より詳細には単一のマイクロデ
ィスプレイを両眼で視認するために多数の照明源を有す
るデュアルｏｆｆ−ａｘｉｓ立体画像システムに関連す
る。

【０００２】

【従来の技術】高品質で、利便性がよく、費用対効果の
高い医療用遠隔画像形成の重要性が近年高まっている。
これは特に外科的治療を行う間の画像形成について当て
はまり、外科医が外科治療患部を直接視認することが難
しい最小限の観血処置では最も重要である。例えば、冠
状動脈をバイパスするための方法は、胸腔鏡或いは他の
視認用スコープ（例えばＳｔｅｒｍａｎ等による米国特
許第５，４５２，７３３号及びＧｉｆｆｏｒｄ，ＩＩＩ
等による米国特許第５，６９５，５０４号参照）を介し
て心臓部分を視認することにより行われる。さらに別の
例として、外科医は遠隔視認を利用して、切開を最小限
にし、繊細な血管或いは神経顕微再建手術を行う必要が
ある。遠隔画像形成を必要とする最小限の観血的な外科
治療及びそれに関連する治療は現在、整形外科、眼科、
泌尿器科、婦人科、麻酔科並びに他の医療専門分野にお
いて一般的である。

【０００３】従来の外科治療環境では遠隔画像形成は、
内視鏡、腹腔鏡或いは他の極微な観血器具にビデオカメ
ラを設置し、ケーブルを介して従来のＣＲＴビデオモニ
タにビデオ画像を伝送することにより行われる。これは
一般に、手術スタッフが頻繁に動き回り、外科医が画像
スクリーンを視認するのを妨げられる場合が多い、込み
入った明るい手術室では扱いにくい。さらにＣＲＴモニ
タは立体画像ではないため、そのモニタでは外科医が危
険な深さを認知することができない。

【０００４】ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）
は、手術室が混雑していても画像を遮断することなく従
来の医療用遠隔画像形成を行うための方法を提供する。
ヘッドマウントディスプレイは長年、軍事用として設
計、開発並びに配備されてきたが、この種のディスプレ
イは一般に大きく、高価であり、市販或いは外科的応用
例に適さない専用の装置である。

【０００５】安価で、より高性能な市販のコンピュー
タ、コンピュータグラフィック装置及びソフトウエアが
現れたことにより、市販のＨＭＤ装置の分野は関心を集
め、動向が注目されている。そのような装置のいくつか
が現在市販されているが、適当なディスプレイ部品の費
用が高く、一般にヘッドギアの機械的な特性が扱いにく
いため、これらの装置は一般に解像度が低く、専門のコ
ンピュータ応用例では関心を集めていない。

【０００６】高解像度のディスプレイ部品が現在出てき
ており、市販のＨＭＤ及び関連する応用機器の性能を十
分に高めることができる。しかしながらそれらの機器
は、人間工学的を考慮し、利便性を向上させ、さらに経
済的に設計を行い、統合される必要がある。専門及びコ
ンシューマコンピュータ応用例の場合には、視覚の品質
及び快適性が、長期間にわたって許容可能であることが
重要である。一般にコンピュータ環境は、キーボード及
び周辺機器並びに記録装置の使用を伴う。それゆえ周辺
の視覚も考慮されることが重要である。

【０００７】小型のＨＭＤシステムは、最近のカムコー
ダビューファインダにおいて見られるような超小型で、
かつ十分に高い解像度を有するディスプレイ装置を必要
とする。その種の装置のいくつかが現在市販されてお
り、約１５ミクロン以下の画素サイズを有するＶＧＡ品
質（６４０画素×４８０画素）と同等か或いはそれを超
える解像度を有する伝送及び反射液晶マイクロディスプ
レイ装置及びマイクロミラー装置を含む。これらの装置
の大部分は、狭い入射角で照明かつ視認されるときの
み、満足のいく画像コントラストを示すが、視界、アイ
リリーフ、並びに視認快適性を犠牲にする。

【０００８】これらの材料は基本的に費用が高いため、
その種のデバイスは商用としては高価であり、さらに非
常に大きいものである。立体画像或いは他の両眼使用の
応用例の場合、２つの視認経路用のデュアルディスプレ
イ装置を使用する結果、高価になる。デュアルディスプ
レイ装置を有する医療用三次元画像ＨＭＤシステムは、
Ｈｅａｃｏｃｋ等による「ＶｉｅｗｉｎｇＯｃｕｌａ
ｒＴｉｓｓｕｅｓｗｉｔｈＡＳｔｅｒｅｏｓｃｏ
ｐｉｃＥｎｄｏｓｃｏｐｅＣｏｕｐｌｅｄｔｏ
ａＨｅａｄＭｏｕｎｔｅｄＤｉｓｐｌａｙ（ＨＭ
Ｄ）」、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｉｔｌ．ｗａｓｈｉ
ｎｇｔｏｎ．ｅｄｕ／ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ／ｈｅ
ａｃｏｃｋ／（１９９８年２月１７日）に開示される。

【０００９】ＫａｉｓｅｒＥｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉ
ｃｓ（２７５２ＬｏｋｅｒＡｖｅｎｕｅＷｅｓ
ｔ，Ｃａｒｌｓｂａｄ，ＣＡ９２００８）は、Ｖｉ
ｓｔａＭｅｄｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ用の
「ＣａｒｄｉｏＶｉｅｗ」、「Ｓｅｒｉｅｓ８００
０」並びに「ＳｔｅｒｅｏＳｉｔｅ」ＨＭＤディスプレ
イシステムを製造する。これらのシステムは大きく、重
く、かつ高価であり、２つのＬＣＤディスプレイ装置を
備える。周辺の視覚を補正する場合、これらのシステム
は、ユーザが従来の補正用眼鏡上にＨＭＤを着用する必
要があり、ユーザの不便さ及び不快さがさらに悪化す
る。

【００１０】その種の応用例において、単一のディスプ
レイ装置のみを用いようとする場合、典型的にはビーム
スプリッタを必要とし、忠実な立体画像性能を実現でき
ない（例えば１９９７年４月８日に付与されたＭｅｙｅ
ｒｈｏｆｅｒ等による米国特許第５，６１９，３７３号
を参照されたい）。

【００１１】それゆえ当分野において、特に外科治療用
マイクロディスプレイで視認するために、不当に複雑で
或いは高価ではないヘッドマウントディスプレイを使用
するのに適した、小型、高解像度で、さらに高コントラ
ストである忠実な立体画像システムが必要とされる。そ
のシステムは、カラー画像を視認する場合に良好な色忠
実度を実現し、周辺視覚調節及び配線の最小化を含む、
快適性でかつ効率性を実現するために人間工学的設計を
取り込むべきである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】不当に複雑で或いは高
価になることがなく、小型、高解像度で、高コントラス
トの忠実な立体画像を形成し、ヘッドマウントディスプ
レイを使用するのに適したマイクロディスプレイによる
視認を可能とする画像視認システムを実現する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に従って、忠実な
立体画像の視認が、適当に安価な光学機器を使用し、ビ
ームスプリッタを使用することのない単一ディスプレイ
装置を用いて実現される。低価格の複合プラスチック光
学機器により、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）
で用いられるような単一の電気光学ディスプレイ装置を
両眼で視認することができる。デュアルｏｆｆ−ａｘｉ
ｓ構造が、ディスプレイ装置の画像表面においてのみ交
差する２つの独立な光学経路を実現する。各光学経路
は、光源、接眼レンズ並びに画像形成光学機器を含む。
ある実施例では、概ねコリメートされた照明光学系及び
中間フィールドレンズを用いて、ビームスプリッタを必
要とすることなく、広開口接眼レンズを充填する。

【００１４】多数照明方式は、白黒或いはカラーいずれ
の場合においても、二次元或いは時系列いずれかの忠実
な立体画像表示を実現する。ある実施例では、忠実な立
体画像特性は、各経路に対する順次ビデオ信号に同期し
て、ある２つの経路内の光源を順次動作させることによ
り達成される。色過剰補正及び過小補正を相殺するため
の方法が適用され、光学素子の複雑性を最小限に抑え
る。さらにその構造体は、軽量の接眼構造体及び周辺視
覚を補正するために交換可能なレンズ素子を含む。

【００１５】ある実施例はビデオインターフェースを含
んでおり、そのビデオインターフェースが、従来のＲＧ
Ｂ−ＶＧＡフォーマットビデオ信号を中間リフレッシュ
フレームメモリに格納するための順次カラーデータに変
換する。ビデオインターフェースのいくつかの変形例は
無線伝送装置を組み込んでおり、扱いにくい配線を排除
している。

【００１６】それゆえ本発明のいくつかの実施例では、
小型、高解像度で、高コントラストである忠実な立体画
像システムが、ヘッドマウントディスプレイに使用する
ために適しており、不当に複雑で或いは高価ではないマ
イクロディスプレイで視認するために提供される。その
システムは良好な色忠実度を実現するための色補正を提
供し、周辺視覚調節を含む、快適性かつ効率性を実現す
るために人間工学的機構を組み込む。無線を用いた変形
例では、扱いにくい配線が排除される。特に、周辺視覚
調節及び無線伝送機器を含むヘッドマウントディスプレ
イにおいて、高解像度、高い色忠実度を有する忠実な三
次元立体画像を視認することにより、外科的な遠隔視認
に必要とされる深さの認知及び利便性がもたらされる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明は全般に画像ディスプレイ
システムに関連し、より詳細には単一マイクロディスプ
レイを両眼で視認するために多数の照明源を備えるデュ
アルｏｆｆ−ａｘｉｓ立体画像システムに関連する。本
発明のいくつかの実施例では、小型の両眼光学構成が、
各眼に対して独立に、単一のディスプレイ表面の広角画
像を実現する。

【００１８】図１は、本発明による非折返し光学経路ｏ
ｆｆ−ａｘｉｓ両眼視認システム１００の模式図であ
り、以下に詳述されるように概ね平坦なディスプレイ表
面１０８を有する単一の伝送ディスプレイ装置１１０を
組み込む。ディスプレイ装置１１０は、それぞれ概ね直
線的なビーム軸１１３及び１１５を確定する概ねコリメ
ートされた光からなる２つの独立なビーム１１２及び１
１４の交差部分に位置する。本発明のいくつかの実施例
では、以下に詳述するように独立なビーム１１２及び１
１４はそれぞれ単一或いは多数光源から個別に生成され
る。独立なビーム１１２及び１１４は、それぞれのビー
ム軸１１３及び１１５に垂直な平面上に突出したディス
プレイ表面１０８の幅（例えば直径）に概ね等しいコリ
メートされたビーム幅（例えば直径１１６）をそれぞれ
有することが好ましい。ビーム軸１１３及び１１５は、
互いに対して、かつディスプレイ表面１０８に垂直なデ
ィスプレイ軸１１７に対して傾斜される。

【００１９】独立なビーム１１２及び１１４は、ディス
プレイ表面１０８を介して、それぞれのビーム軸１１３
及び１１５に沿ってそれぞれの中間画像平面１２２及び
１２４まで伝搬する。単一或いは多数の画像形成素子１
２６及び１２８は、それぞれ中間画像平面１２２及び１
２４における空間内にディスプレイ表面１０８の中間画
像１３２及び１３４を形成する。いくつかの実施例で
は、画像形成素子１２６及び１２８は、ｏｆｆ−ａｘｉ
ｓの幾何学的歪みを補正するための環状光学補正部を組
み込む。

【００２０】中間画像平面１２２及び１２４はそれぞれ
の独立な接眼レンズ１３６及び１３８により再結像さ
れ、接眼レンズは中間画像平面１２２及び１２４をそれ
ぞれ拡大し、観測者の各眼１４６及び１４８により独立
に視認される虚像（図示せず）を与えるように形成され
る。ディスプレイ表面１０８における独立なビーム１１
２及び１１４のコリメートされた特性及び中間画像平面
１２２及び１２４を通過する合成ビームの特定の経路の
ため、それぞれの独立なビーム１１２及び１１４の光学
エネルギーは接眼レンズ開口部１４２及び１４４を充填
しない。長年当業者には、観測者の眼１４６及び１４８
に完全で、かつ一様な虚像を与えるために、十分に光学
エネルギーが接眼レンズ開口部１４２及び１４４に充填
されなければならないと認識されている。

【００２１】いくつかの実施例ではこの条件は、中間画
像平面１２２及び１２４において、或いはその付近にお
いてビーム軸１１３及び１１５に沿ってフィールドレン
ズ１５２及び１５４（例えばＦ．Ａ．Ｊｅｎｋｉｎｓ
ａｎｄＨ．Ｅ．Ｗｈｉｔｅ：「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａ
ｌｓｏｆＯｐｔｉｃｓ，」ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ
ＮｅｗＹｏｒｋ，Ｔｏｒｏｎｔｏ，Ｌｏｎｄｏｎ
３ｒｄｅｄｉｔｉｏｎ１９５７，ｐｐ．１８２−
１８３参照）を挿入し、全ての視認可能な視界に対して
それぞれの接眼レンズ開口部１４２及び１４４を充填す
ることにより、従来の方法において満足される。定義に
より、ここで記載されるフィールドレンズは、散乱スク
リーン及びフレネルレンズ（ＴｈｅＰｈｏｔｏｎｉｃ
ｓＤｉｃｔｉｏｎａｒｙ１９８８，Ｌａｕｒｉｎ
ＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏ．，Ｉｎｃ．，Ｐｉｔｔｓ
ｆｉｅｌｄ，ＭＡ参照）を備える。いくつかの実施例
では、フィールドレンズ１５２及び１５４はｏｎ−ａｘ
ｉｓ或いはｏｆｆ−ａｘｉｓの環状の力が加えられ、残
留画像歪みを補正し、並びにまた接眼レンズ設計のフィ
ールド曲率を調節する。

【００２２】中間画像平面１２２、画像形成素子１２
６、接眼レンズ１３６、接眼レンズ開口部１４２、並び
に独立なビーム１１２に沿って存在する任意の他の光学
素子と共に、ビーム軸１１３に沿って伝搬する独立なビ
ーム１１２は、集合的に左側光学経路１４０と定義され
る。同様に、中間画像平面１２４、画像形成素子１２
８、接眼レンズ１３８、接眼レンズ開口部１４４、並び
に独立なビーム１１４に沿って存在する任意の他の光学
素子と共に、ビーム軸１１５に沿って伝搬する独立なビ
ーム１１４は、集合的に右側光学経路１５０と定義され
る。左側及び右側光学経路１４０及び１５０は、ディス
プレイ装置１１０においてのみ互いに交差する。ｏｆｆ
−ａｘｉｓ両眼視認システム１００は、光の損失を無く
し、従来のビームスプリッタの大きさ及びコストを不要
にするが、ディスプレイ軸１１７に対する照明偏軸（ｏ
ｆｆ−ａｘｉｓ）がディスプレイ表面１０８の画像に幾
何学的歪みを誘発するため、調節或いは補正されなけれ
ばならない。従ってビーム軸１１３と１１５との間の傾
斜角は、幾何学的歪み最小限にするように十分に小さく
保持されると共に、それぞれの光学経路１４０及び１５
０の光学構成要素が互いに物理的に衝突しないように十
分に大きく保持される。

【００２３】いくつかの実施例では、左側光学経路１４
０は単一或いは多数の発光ダイオード（ＬＥＤ）１６２
を光源として用いて、その放射光は混合用光コーン１６
６において混合、かつ集光され、適当な点光源１７２を
生成する。光コーンは集束及び集光用として当分野では
周知であり、機械加工、成形、注型並びに電鋳を含む方
法により容易に組み込まれることができる。

【００２４】点光源１７２からの光は集光され、コリメ
ート用レンズ１７６によりコリメートされ、概ねコリメ
ートされた独立なビーム１１２を生成する。独立なビー
ム１１２は、概ね平坦なディスプレイ装置１１０、例え
ば小型の液晶ディスプレイ上に斜めに入射する。左側光
学経路１４０における画像形成素子１２６は、中間画像
平面１２２においてディスプレイ表面１０８の中間画像
１３２を投射し、そこでフィールドレンズ１５２が左側
光学経路１４０における光学エネルギーを配向し、左側
接眼レンズ開口部１４２を一様に充填する。左側接眼レ
ンズ１３６は、快適に視認するための中間画像１２２の
虚像（図示せず）を形成する。

【００２５】いくつかの実施例では、画像形成素子１２
６は環状補正部を組み込み、ディスプレイ表面１０８の
ｏｆｆ−ａｘｉｓ画像形成から生じる幾何学的歪みを補
正する。

【００２６】また図１は、画像処理用素子１２６と中間
画像平面１２２との間の独立なビーム１１２の最小集束
部１８６の平面に挿入される開口係止部１８２を示す。
当分野では周知であるが、開口係止部１８２の主な機能
は、光が迷光及び散乱するのを防ぐことによりコントラ
ストを最適化することである。独立なビーム１１２がデ
ィスプレイ表面１０８と交差する場所で十分にコリメー
トされる場合には、最小集束部１８６の平面は適当なフ
ーリエ変換面（以降単に変換面）となる。独立なビーム
１１２が非コヒーレントであるため、変換面は適当な電
力フーリエ変換面であり、振幅フーリエ変換面ではな
い。振幅フーリエ変換面はコヒーレント光を有するシス
テムにおいてのみ存在する。ディスプレイ構造体及び画
像の細部はビーム軸１１３から離隔して小角で光を回折
し、その結果この回折された光が、概ねビーム軸１１３
に沿って伝搬する非回折光に対する偏軸（ｏｆｆ−ａｘ
ｉｓ）を僅かに変位させた変換面を通り伝搬する。当分
野では周知であるが、変換面において回折された光のｏ
ｆｆ−ａｘｉｓ変位は、散乱ディスプレイ構造体或いは
画像における空間周波数に比例する。開口係止部１８２
は所望の画像解像度（例えばＶＧＡ）に対応する空間周
波数を伝送するように適度な大きさにされ、一方高次空
間周波数高調波（例えば変換面においてさらに離隔した
ｏｆｆ−ａｘｉｓを変位させた光）を遮断することによ
りディスプレイ装置の副次画素構造によるより精細な細
部を混合し、それにより「粒状性」を低減し、画像品質
を改善する。

【００２７】同様にいくつかの実施例では、右側光学経
路１５０が単一或いは多数発光ダイオード（ＬＥＤ）１
６４を光源として用いて、その放射光が混合用光コーン
１６８内において混合かつ集光され、適当な点光源１７
４を生成する。点光源１７４からの光は集光され、コリ
メート用レンズ１７８によりコリメートされ、概ねコリ
メートされた独立なビーム１１４を生成する。独立なビ
ーム１１４は概ね平坦なディスプレイ装置１１０上に斜
めに入射する。右側光学経路１５０における画像形成素
子１２８は、中間画像平面１２４においてディスプレイ
表面１０８の中間画像１３４を投射し、そこでフィール
ドレンズ１５４が右側光学経路１５０における光学エネ
ルギーを配向し、右側接眼レンズ開口部１１４を一様に
充填する。右側接眼レンズ１３８は、快適に視認するた
めの中間画像平面１２４の虚像（図示せず）を形成す
る。

【００２８】いくつかの実施例では、画像形成素子１２
８は環状補正部を組み込んでおり、ディスプレイ表面１
０８のｏｆｆ−ａｘｉｓ画像処理から生じる幾何学的歪
みを補正する。

【００２９】いくつかの実施例では、図１はまた、中間
画像平面１２４に向かって伝搬する独立なビーム１１４
の最小集束部１８８の平面に挿入される開口係止部１８
４を示す。開口係止部１８２に対して上記したように、
開口係止部１８４の主な機能は、光が迷光及び散乱する
のを防ぐことによりコントラストを最適化することであ
る。独立なビーム１１４が、ディスプレイ表面１０８と
交差する場所で十分にコリメートされる場合には、最小
集束部１１８の平面も変換面となる。開口係止部１８２
に対して上記したように、開口係止部１８４は所望の画
像解像度に対応する空間周波数を伝送するように適度な
大きさにされ、一方高次空間周波数高調波を遮断するこ
とによりディスプレイ装置構造体によるより精細な細部
を混合し、それにより「粒状性」を低減し、画像品質を
改善する。

【００３０】小型ディスプレイ装置は、白黒及びカラー
用のいずれもが市販されており、伝送或いは反射形状の
いずれかのものがある。伝送マイクロディスプレイの提
供業者は、ＳｏｎｙＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｏ
ｆＳａｎＪｏｓｅ，Ｃａ及び日本のシャープ、キ
ャノン、セイコー、エプソン等の企業、Ｋｏｐｉｎであ
る。反射マイクロディスプレイの提供業者は、ＣＲＬ
ｏｆＤａｗｌｅｙＲｏａｄ、Ｈａｙｅｓ，Ｍｉｄｄ
ｌｅｓｅｘ，ＵＫ、ＣＭＤｏｆＢｏｕｌｄｅｒ，
Ｃｏ、ＤｉｓｐｌａｙｔｅｃｈＩｎｃ．ｏｆＬ
ｏｎｇｍｏｎｔ，Ｃｏ並びにＶａｒｉｔｒｏｎｉｘ
ＬｉｍｉｔｅｄｏｆＨｏｎｇＫｏｎｇ等がある。
反射マイクロミラーディスプレイ装置はＴｅｘａｓＩ
ｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｏｆＤａｌｌａｓ，ＴＸが
製造する。

【００３１】カラーディスプレイ装置は、単一のカラー
ディスプレイ素子を形成するために少なくとも３つの画
素（赤、緑並びに青）を必要とするマイクロドット或い
はマイクロストリップカラーフィルタを備えている。こ
れは解像度を犠牲にし、光効率を犠牲にするということ
は当業者には明らかであろう。サブフレーム速度を切り
替えることができるディスプレイデバイスの場合、色相
環を有する初期のテレビに用いられるような、或いはご
く最近では電気光学切替式フィルタのような各画素順次
式カラー技術に適用させるべきである。

【００３２】本発明のいくつかの実施例では、左側光学
経路１４０の発光ダイオード１６２は、赤色、緑色、並
びに青色ＬＥＤのグループ、例えば１６２ｒ、１６２
ｇ、１６２ｂからなる。ＬＥＤ１６２ｒ−ｇ−ｂは混合
用光コーン１６６への入力開口部を照明する。同様に右
側光学経路１５０の発光ダイオード１６４は、赤色、緑
色、並びに青色ＬＥＤのグループ、例えば１６４ｒ、１
６４ｇ、１６４ｂからなり、それらのＬＥＤは混合用光
コーン１６８への入力開口部を照明する。ＬＥＤ１６２
ｒ−ｇ−ｂ及び１６４ｒ−ｇ−ｂは、適度に高速なディ
スプレイ装置１１０と互換性を有する任意の方法におい
て色を順次切り替えられる。例えば、赤色フレームビデ
オ信号がディスプレイ装置１１０に適用される間、赤色
ＬＥＤ１６２ｒ及び１６４ｒはオンされ、全ての他のＬ
ＥＤは同期してオフされる。ＬＥＤ出力電力及び関連す
るディスプレイカラーバランスを長期に渡って安定化さ
せる場合、電気光学検出器１９２及び１９４が配置さ
れ、それぞれ左側及び右側光学経路１４０及び１５０に
おける適当なカラー帯域内の光出力をサンプリングし、
閉ループ電子フィードバックを用いて駆動電流を適度に
調整する。

【００３３】いくつかの実施例では、ＬＥＤ１６２及び
１６４からの出力は、回折コレクタ１７０及び１７１に
より捕捉され、以下に詳細に示すように混合用光コーン
１６６及び１６８において混合かつ均質化される。回折
コレクタ１７０及び１７１はＬＥＤ１６２ｒ−ｇ−ｂ及
び１６４ｒ−ｇ−ｂからの各色成分を混合用光コーン１
６６及び１６８内に回折し、かつ重ね合わせる。

【００３４】いくつかの両眼視覚システム及びコンピュ
ータアプリケーションは、忠実な立体画像ディスプレイ
視認を必要とする。十分に確立された技術は、同期した
右眼及び左眼電気光学シャッタを用いて右側及び左側ビ
デオ信号を交互に時間領域多重化する（例えばＭｅｙｅ
ｒｈｏｆｅｒ等による米国特許第５，６１９，３７３
号、或いはＴｅｋｔｒｏｎｉｘ，Ｉｎｃ．Ｂｅａｖ
ｅｒｔｏｎ，ＯＲ，ＳＧＳ４３０Ｓｙｓｔｅｍ社
報を参照）。同様の製品が、ＶＲｅｘ（Ｅｌｍｓｆｏｒ
ｄ，ＮＹ）、３ＤＴＶＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（例
えばＭｏｄｅｌＤＭＭＳｔｅｒｅｏＰｌａｔｅ）、Ｋ
ａｓａｎＭｏｄｅｌ３Ｄｍａｘ^TMＰＣＶＲ^TM並びに
ＳｔｅｒｅｏｓｐａｃｅＭｏｄｅｌ１^TMにより提供
される。

【００３５】本発明のいくつかの実施例では、忠実な立
体画像視認は、右側及び左側ビデオ信号を交互に時間領
域多重化するのに同期して、右側及び左側グループのＬ
ＥＤ１６２及び１６４を交互に順次切替することにより
実現される。右眼及び左眼光学経路両方に対して共通の
照明源を用いて、交互の右側及び左側ビデオ信号の時間
領域多重化を組み合わせる以前のシステム（Ｍｅｙｅｒ
ｈｏｆｅｒ等による米国特許第５，６１９，３７３号参
照）とは異なり、本実施例は個別の光学経路１４０及び
１５０に対してそれぞれ個別の右側及び左側グループの
ＬＥＤ１６２及び１６４の交互順次切替を実現する。左
側及び右側光学経路１４０及び１５０は、共通のディス
プレイ装置１１０を共有することを除いて、照明源１６
２及び１６４から観測者の眼１４６及び１４８まで互い
に光学的に独立なままであるため、ｏｆｆ−ａｘｉｓ両
眼視認システム１００は、単一のディスプレイ装置１１
２を用いて独自の忠実な立体画像視認特性を実現する。
いくつかの実施例では、立体画像ビデオ順次切替は、あ
る順次切替速度における上記の順次カラー切替と同時
に、かつ視覚のちらつきを最小限にする組み合わせにお
いて実行される。

【００３６】いくつかの実施例では、接眼レンズ１３６
及び１３８は反射並びにまた屈折レンズ素子からなる。
広角の視覚を容易にする小型の光学的構成の場合には、
屈折接眼レンズが好ましい。いくつかの実施例では、接
眼レンズ１３６及び１３８は色補正（色消し）され、色
及び画像忠実度を改善する。接眼レンズ１３６及び１３
８は約１．２７〜１．７８ｃｍ（約０．５〜０．７イン
チ）の範囲にあるアイリリーフ及び約２０〜４０°の全
角範囲を有する角度開口部を有する。いくつかの実施例
では、接眼レンズ１３６及び１３８は、高次曲率（非球
面）を有する表面を用いることによりさらに精細にさ
れ、収差を最小限にする。そのようなレンズは非常に厚
く、かつ重くなる傾向にあり、一般に色消し特性のため
に多数の素子を必要とし、製造するのが困難で、かつ高
価である。従来のプラスチック製射出成形レンズは屈折
及び回折表面の反対色分散を利用して、簡単で、軽量
で、かつ安価な色消しレンズを形成することができる
が、適当なレンズは一般には、傷つきやすく、光を散乱
する傾向がある。

【００３７】図２Ａ−図２Ｇは、両眼視認ディスプレイ
システム１００において使用するために例示される薄型
の色補正レンズ素子の模式図である。図２Ａは、著しい
色歪みを有する従来のシングレット屈折レンズ２１０を
示す。点対象物２０８の赤色、緑色並びに青色画像は、
それぞれＲ、Ｇ、並びにＢを付された点において順次集
光される（明確に示すために大きくしている）。図２Ｂ
は連続的な輪郭をなすフレネル屈折表面２２０を示して
おり、従来の屈折レンズ２１０に対して重さ及び厚さが
低減されているばかりでなく、従来の屈折レンズ２１０
の場合と同じ順序で点対象物２１８の赤色、緑色並びに
青色画像が、それぞれＲ、Ｇ並びにＢを付された点に集
光されるような色歪みを有する。図２Ｃはレンズとして
用いられる回折表面２３０を示す。回折表面２３０は小
型で、かつ軽量であり、また色歪みを有するが、それぞ
れＲ、Ｇ、並びにＢを付される点対象物２２８の赤色、
緑色並びに青色画像点により示されるように、レンズ２
１０及びフレネル屈折表面２２０の場合と反対に配列さ
れる。異なる曲率及び材料を有する従来の屈折レンズ２
１０及び２１２が、図２ＤにおけるＲ、Ｇ、Ｂを付され
る点対象物２３８の色画像点の重ね合わせにより示され
るように、色補正のために組み合わせられることができ
るということは当分野では周知である。

【００３８】いくつかの実施例では、当分野では周知で
あるように、設計の融通性を高めるために、回折構造が
フレネル屈折表面上に重ねられる。図２Ｅは、回折表面
２３０をフレネル屈折表面２２０と組み合わせた回折−
屈折レンズ２４０を示す。レンズ素子の厚さを薄くし、
それにより重さを低減し、かつ成形性が改善されるのに
加えて、回折−屈折レンズ２４０は回折表面２３０及び
フレネル屈折表面２２０のオフセット色歪み配列を利用
して、図２ＥにおいてＲ、Ｇ、Ｂを付された、点対象物
２４８の色画像点の重ね合わせにより例示されるような
色補正を達成する。

【００３９】いくつかの実施例では多数の薄型光学素子
が、光学収差の調節を改善するために、円滑な屈折及び
回折表面の任意の組み合わせを有する各接眼レンズに対
して用いられる。いくつかの実施例では（図示せず）、
外側表面（眼側）は、清浄性を改善するために円滑であ
ることが好ましい。いくつかの実施例では、図２Ｆにお
ける複合屈折−回折レンズ２５０により示されるよう
に、設計の融通性をより大きくするために、フレネル屈
折表面２２０並びにまた回折表面２３０が複合基板曲面
２１６に適用される。複合屈折−回折レンズ２５０は、
ｏｎ−ａｘｉｓ点対象物２５２及びｏｆｆ−ａｘｉｓ点
対象物２５４の両方に対して色歪みを補正する（Ｒ、
Ｇ、Ｂを付された色画像点の重ね合わせ）。

【００４０】図２Ｇは、色補正及び形状補正を含む複合
屈折−回折接眼レンズ２６０の模式図である。接眼レン
ズ２６０は、１焦点距離より短い距離だけ対象物２６２
から離れて配置され、観測者２６６により接眼レンズ２
６０を介して視認されるような対象物２６２の虚像２６
４を接眼レンズ２６０から１焦点距離より大きい距離に
おいて形成する。虚像２６４は色及び形状忠実度を保持
する。対象物２６２は、物理的な対象物、或いは投射さ
れた中間実像であることができる。

【００４１】上記のように、接眼レンズの色補正は、複
合基板曲面に適用される多数の屈折及び回折表面の重ね
合わせを必要とする。またこれは製造コストを増大させ
る。いくつかの実施例では、より簡単で安価なシステム
を用いており、システム内の選択された光学素子が色過
剰補正されるのに対して、他の光学素子は補正されない
か或いは最小限に補正される。そのようなシステムを用
いる場合、全システム性能は個々の光学素子のオフセッ
ト色歪みを釣合わせることにより色消しされる。

【００４２】回折レンズ表面２３０（例えば図２Ｃを参
照）は、単体で或いは他の光学構造体（例えば環状接合
部）と組み合わせて画像形成素子１２６及び１２８（図
１参照）に適用される。この結果色過剰補正となる、す
なわち点対象物２２８のＲ、Ｇ、Ｂを付された赤色、緑
色並びに青色画像点が図２Ｃに示される順序に生じる。
画像形成素子１２６及び１２８が適度に色過剰補正され
る場合には、フィールドレンズ１５２、１５４及び接眼
レンズ１３６、１３８は、色消しされるべき全ｏｆｆ−
ａｘｉｓ両眼視認システム１００に対して、個別に色消
しされる必要はない。必要に応じて、フィールドレンズ
１５２、１５４並びにまた接眼レンズ１３６、１３８は
最小限に色補正される。

【００４３】それぞれ点光源１７２及び１７４の画像で
ある最小集束部１８６及び１８８の平面において色補正
を行うことも有利である。精細な副次画像構造をフィル
タリングするために、最小集束部１８６及び１８８の平
面において小さな直径の開口係止部１８２及び１８４が
必要となる。色歪みは、異なる色、例えばＲ、Ｇ、Ｂに
対する最小集束部の平面を分離し、それにより副次画像
構造のフィルタリングを伴う画像解像度の損失を引き起
こす。色補正により、全色に対する最小集束部１８６及
び１８８の平面は位置合わせ状態に保持される。それに
より画像解像度の犠牲を最小限にし、副次画像構造体を
フィルタリングする。

【００４４】いくつかの実施例では、点光源１７２、１
７４と最小集束部１８６及び１８８の平面におけるその
画像との間にある光学素子、すなわちコリメート用レン
ズ１７６、１７８及び画像形成素子１２６、１２８は、
個別には補正されないが、全体として色補正される。詳
細にはコリメート用レンズ１７６及び１７８は色過小補
正（color undercorrect）され、画像形成素子１２６及
び１２８は、最小集束部１８６及び１８８の平面におい
て最終的な結果が色補正されるように色過剰補正（colo
r overcorrect）される。いくつかの実施例では、これ
が接眼レンズ１３６及び１３８の色過小補正と組み合わ
せられる。ディスプレイ表面１０８がコリメートされた
ビーム内に存在するため、コリメート用レンズ１７６及
び１７８は接眼レンズ１３６及び１３８における画像色
忠実度に影響を与えない。それゆえ設計者は画像形成素
子１２６及び１２８の色過剰補正を自由に用いて、上記
のような接眼レンズ１３６及び１３８の色過小補正を補
償する。

【００４５】プラスチック製レンズは通常、アクリル、
ポリカーボネート、スチレン並びにナイロンを含む種々
の光学的に透過な材料から射出成形される。特定の光学
素子に対して上記実施例において記載される光学設計及
び製造方法は例示であって、特定の形状を構成するため
に必要とされるシステムにおいて、他の光学素子に適用
することができるということは当業者には明らかであろ
う。光学素子の位置及び特性の細かな選択、例えば焦点
距離及び開口部直径の選択は、当業者に周知の技術に従
って実行される。

【００４６】図３−図６は本発明に従った、折返し光学
経路、反射ディスプレイ両眼視認システム３００の断面
図である。本実施例では、図１に示される非折返し両眼
視認ｏｆｆ−ａｘｉｓシステム１００とは異なり、例え
ばヘッドマウントディスプレイに用いるためのより小型
の折返し光学形状を実現することができる。折返し光学
形状を除いて、反射ディスプレイ両眼視認システム３０
０は非折返し両眼視認ｏｆｆ−ａｘｉｓシステム１００
と概ね同じ機能を実行し、各システムは他のシステムの
素子に概ね機能的な対応する素子を含む。両眼視認ｏｆ
ｆ−ａｘｉｓシステム１００において伝送を行ういくつ
かの素子は、反射ディスプレイ両眼システム３００にお
いて反映される。種々の図面において概ね類似する素子
は、同様の参照番号により示される。

【００４７】図３は、左側接眼アセンブリ２８０及び折
返し光学アセンブリ２９０を示す断面図である。左側接
眼アセンブリ２８０と対称をなす右側接眼アセンブリは
明瞭にするために示されない。左側接眼アセンブリは、
中間画像平面１２２に、或いはそれに近接して配置され
るフィールドレンズ３５２、偏向ミラー２８２及び接眼
レンズ３３６からなる。いくつかの実施例では、接眼レ
ンズ３３６は単一の屈折或いは屈折−回折光学素子から
なる。別の実施例では、接眼レンズ３３６は、図２Ａ−
図２Ｇに関連して上記したように、平面或いは曲面をな
す基板に適用される屈折、フレネル屈折並びにまた屈折
−回折表面からなる。成形された光学アセンブリ２９０
及び左側接眼アセンブリ２８０は、折返し光学アセンブ
リ２９０及び左側接眼アセンブリ２８０に結合される両
眼間調整機構（図示せず）により調整可能な両眼間距離
の半分の距離２８４だけ離隔される。同様にフィールド
レンズ３５２は、フィールドレンズ３５２及び偏向ミラ
ー２８２に結合される焦点調整機構（図示せず）により
調整可能な焦点調整距離２８６だけ偏向ミラー２８２か
ら離隔される。

【００４８】図４は、図３の断面３Ｂ−３Ｂで見た折返
し光学アセンブリ２９０を示す断面図である。図５は、
図３の断面３Ｃ−３Ｃで見た照明経路を示す折返し光学
アセンブリ２９０の断面図であり、図６は、図３の断面
３Ｄ−３Ｄで見た画像形成経路を示す折返し光学アセン
ブリ２９０の断面図である。折返し光学アセンブリ２９
０はスペーサ２９４により基板２９２に取り付けられ
る。いくつかの実施例では、基板２９２はプリント回路
基板である。また基板２９２は光源、好ましくはＬＥＤ
１６２及び１６４、並びに平面的な関係にある反射ディ
スプレイ装置３１０を支持する。いくつかの実施例で
は、ＬＥＤ１６２及び１６４は、赤色、緑色並びに青色
ＬＥＤの１６２ｒ−ｇ−ｂ並びに１６４ｒ−ｇ−ｂから
なる（図１参照）。

【００４９】折返し光学アセンブリ２９０は内部全反射
（ＴＩＲ）表面３７２及び３７４、コリメート用レンズ
３７６、画像形成素子３２６及び３２８、並びにＴＩＲ
係止部３８２からなる。さらに折返し光学アセンブリ２
９０は、それぞれＬＥＤ１６２及び１６４に隣接する回
折コレクタ１７０及び１７１を備える混合用光コーン１
６６及び１６８を備える。

【００５０】いくつかの実施例では、折返し光学アセン
ブリ２９０は、１９９７年１月２１日に付与されたＨｅ
ｂｅｒｔによる米国特許第５，５９６，４５４号に記載
されるような自給式光学部品を有するモノリシック単一
構造体の全体或いは一部として製造される。その一部と
して成形された折返し機構により、互いに対して及び基
板２５２に対して、折返し光学アセンブリ２９０の光学
素子の正確な位置合わせが可能となり、それにより基板
２９２に取着されるＬＥＤ１６２及び１６４並びに反射
ディスプレイ装置に対する正確な位置合わせが可能とな
る。他の実施例では、折返し光学アセンブリ２９０は個
別の光学素子が組み付けられたフレームとして製造され
る。

【００５１】動作時に、ビデオ信号が反射ディスプレイ
装置３１０に加えられ、それにより反射ディスプレイ表
面３０８上に反射ビデオ画像を生成する。いくつかの実
施例では、ビデオ信号は遠隔操作式のビデオカメラ（図
示せず）からくる。いくつかの実施例では、コンピュー
タグラフィック発生器がビデオ信号を合成する。いくつ
かの実施例では、ビデオ信号はディスク、テープ或いは
他の記憶媒体上にあらかじめ格納されたデータから供給
される。ビデオ信号の捕捉及び処理は以下に詳細に記載
される。

【００５２】反射ディスプレイ表面３０８はそれぞれ独
立な左側光学経路３４０及び右側光学経路３５０を画定
する光ビームにより照明される。図３−図４における３
４０を付された矢印は、左側光学経路３４０のビーム伝
搬経路を表す。右側光学経路３５０のビーム伝搬経路
は、左側光学経路３４０のビーム伝搬経路と対称である
が、明瞭にするために番号は付与しない。右側光学経路
３５０の各光学素子は、左側光学経路３４０の対応する
光学素子と対称であり、同一の機能を実行する。ビーム
伝搬経路は、左側光学経路３４０及び右側光学経路３５
０が反射ディスプレイ表面３０８においてのみ交差する
ように配置され、それぞれ左側及び右側光学経路３４０
及び３５０の光学素子が相互に物理的に干渉しないこと
を確実にする。図１に関連して上記したように、反射デ
ィスプレイ表面３０８のｏｆｆ−ａｘｉｓ照明のため、
左側及び右側光学経路３４０及び３５０それぞれにおい
て画像歪みが生成される。

【００５３】図５を参照すると、左側光学経路３４０の
照明がＬＥＤ１６２により発生する。いくつかの実施例
では、ＬＥＤ１６２はカラーＬＥＤ１６２ｒ−ｇ−ｂか
らなるが、別の実施例では照明は白黒である。ＬＥＤ１
６２からの出力は回折コレクタ１７０により捕捉され、
混合用光コーン１６６において混合、かつ均質化され
る。

【００５４】回折コレクタ１７０は、混合用光コーン１
６６においてＬＥＤ１６２ｒ−ｇ−ｂからの各色成分を
偏向、かつ重ね合わせるような形状をなす。ＬＥＤ１６
２ｒ、１６２ｇ、１６２ｂからの各異なる色成分はそれ
ぞれ異なる入射角において回折コレクタ１７０に衝突す
る。回折コレクタ１７０は、各色成分が異なる角度で回
折するような形状をなし、回折された色成分は、これら
の全色成分が空間的に共通の光源から放射されたかのよ
うに、混合用光コーン１６６において重ね合わせられ、
かつ伝搬される。回折コレクタ１７０のこのアプリケー
ションは典型的な回折表面に本質的に反対であり、典型
的な回折表面では異なる色成分からなる単一の光ビーム
が、異なる色成分のために異なる角度を有する複数の個
別の光ビームに回折される。

【００５５】ビーム３４０は概ね点光源である混合用光
コーン１６６から現れ、点光源はＴＩＲ反射開口部３７
２により偏向される。ＴＩＲ折返し表面３７４に集光、
かつ反射された後、ビーム３４０はコリメート用レンズ
３７６を通過し、反射ディスプレイ表面３０８から斜め
に反射する概ね平行なビーム３４０を生成される（図３
における斜方向矢印３４０を参照）。反射ディスプレイ
表面３０８において、ビーム３４０はビデオ画像により
空間的に変調される。いくつかの実施例では、カラーＬ
ＥＤ１６２ｒ−ｇ−ｂは反射ディスプレイ装置３１０に
対するカラービデオ信号と同期して順次切替され、それ
により図１に関連して上記したような順次式カラー変調
反射ビームを生成する。

【００５６】図６を参照すると、反射ディスプレイ表面
３０８から変調、かつ反射された後、ビーム３４０は画
像形成素子３２６及び３２８に伝搬し、画像形成素子３
２６及び３２８が、図１に関連して上記したような画像
形成素子１２６及び１２８と類似と機能を集合的に実行
する。本実施例では、画像形成素子３２６は、屈折、フ
レネル屈折並びにまた回折特性を組み合わせた伝送素子
である。画像形成素子３２８は、ＴＩＲ係止部３８２に
向かってビーム３４０を折り返すように配置されるＴＩ
Ｒ反射素子であり、その後中間画像平面１２２に向けて
ビーム３４０を偏向する（図３−図４参照）。いくつか
の実施例では、画像形成素子３２８は伝送画像形成素子
３２６と組み合わせられる曲面を組み込み、ＴＩＲ係止
部３８２における最小集束部の平面を介してビーム３４
０を集光し、その後中間画像平面１２２において反射デ
ィスプレイ表面３０８の中間画像を形成する。いくつか
の実施例では、画像形成素子３２６並びにまた３２８は
環状補正部を組み込んでおり、ディスプレイ表面３０８
のｏｆｆ−ａｘｉｓ画像形成から生じる画像歪みを補償
する。

【００５７】ＴＩＲ係止部３８２は、左側接眼アセンブ
リ２８０に向けてビーム３４０を折返す機能を、図１に
関連して上記したような開口係止部１８２及び１８４と
類似の開口係止機能と組み合わせる。ＴＩＲ係止部３８
２は左側接眼アセンブリ２８０に向かって概ね直角にビ
ーム３４０の中央部分を反射する小さなＴＩＲ素子から
なり、不要な回折及び散乱光がその周りを影響なく通過
する。

【００５８】成形された光学アセンブリ２９０はＴＩＲ
表面を用いて、高価な光学コーティングを使用すること
なく効率的にビーム３４０を反射するという利点があ
る。この設計は成形された光学アセンブリ２９０を単体
として製造することを容易にする。

【００５９】ＴＩＲ係止部３８２から反射した後、ビー
ム３４０は中間画像平面１２２に伝搬し、そこで反射デ
ィスプレイ表面３０８の中間画像１３２を形成する。本
実施例の中間画像１３２の特性は、図１に関連して上記
した中間画像１３２と概ね同一である。図１の実施例の
場合のように、フィールドレンズ３５２が、接眼レンズ
３３６の開口部を光エネルギーで充填するために中間画
像平面１２２に配置される。小型化するために、ビーム
３４０を折り返すための偏向ミラー２８２が、中間画像
平面１２２と接眼レンズ３３６との間に挿入される。

【００６０】上記のような光学素子構成の全領域を反射
ディスプレイ両眼システム３００に適用することができ
る。これらの構成は、伝送及び反射、ｏｆｆ−ａｘｉ
ｓ、環状、屈折、回折並びにフレネル屈折素子も含む。
いくつかの実施例では、色補正のためのシステム設計
が、図２Ａ−図２Ｇに関連して上記したように、反射デ
ィスプレイ両眼システム３００に適用される。そのよう
なシステム設計を用いて、全システム性能は個別の光学
素子のオフセット色歪みを釣合わせることにより色消し
される。

【００６１】回折レンズ表面２３０（例えば図２Ｃ参
照）は、単独で、或いは他の光学構造体（例えば環状補
正部）と組み合わせて画像形成素子３２６（図４参照）
に適用される。この結果色過剰補正となる。すなわち点
対象物２２８のｒ、ｇ、ｂを付された赤色、緑色並びに
青色画像点が図２Ｃに示される順番に生ずる。画像形成
素子３２６が適度に色過剰補正されるなら、その後フィ
ールドレンズ３５２及び接眼レンズ３３６は、色消しさ
れるべき全反射ディスプレイ両眼視認システム３００に
対して個別に色消しする必要はない。必要に応じて、フ
ィールドレンズ３５２並びにまた接眼レンズ３３６は最
小限に色補正される。

【００６２】上記したように、ＴＩＲ反射開口部３７２
の画像が形成されるＴＩＲ係止部３８２と概ね同時に最
小集束部の平面において色補正を行うことが有利であ
る。色補正は、最小集束部の平面を全ての色に対して位
置合わせ状態に保持し、副次画像構造フィルタリングを
用いる画像解像度の損失を最小限にする。

【００６３】いくつかの実施例では、ＴＩＲ反射開口部
３７２とＴＩＲ係止部３８２におけるその画像との間の
光学素子、すなわちコリメート用レンズ３７６及び画像
形成素子３２６、３２８は個別には補正されないが、全
体として色補正される。例えば、コリメート用レンズ３
７６は色過小補正されるが、画像形成素子３２６は色過
剰補正され、その正味の結果によりＴＩＲ係止部３８２
において色補正される。いくつかの実施例では、これが
接眼レンズ３３６の色過小補正と組み合わせられる。反
射ディスプレイ表面３０８がビーム３４０のコリメート
された領域内に存在するため、コリメート用レンズ３７
６は接眼レンズ３３６における画像色忠実度に影響を与
えない。それゆえシステム設計者は画像形成素子３２６
の色過剰補正を自由に用いて、上記のような接眼レンズ
３３６の色過小補正を相殺する。

【００６４】いくつかの実施例では、忠実な立体画像視
認は、図１に関連して上記したように、右側及び左側ビ
デオ信号を交互に時間領域多重化するのに同期して、右
側及び左側グループのＬＥＤ１６２及び１６４を交互に
順次切替することにより実現される。反射ディスプレイ
両眼視認システム３００は、共通の反射ディスプレイ装
置３１０を共有することを除いて、左側及び右側光学経
路３４０及び３５０が相互に光学的に独立であるため、
単一の反射ディスプレイ装置３１０に独自の忠実な立体
画像視認特性を与える。いくつかの実施例では、立体画
像ビデオ順次切替は、ある順次切替速度で、上記の順次
式カラー切替と同時に、かつ視覚のちらつきを最小限に
する組み合わせにおいて実行される。

【００６５】図７Ａは、ｏｆｆ−ａｘｉｓ両眼視認シス
テム１００或いは反射ディスプレイ両眼視認システム３
００を含むヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）ハウ
ジング４１０を組み込み、さらに本発明に従って交換可
能な補正周辺視覚レンズ素子４２２及び４２４を組み込
む両眼ディスプレイ視認システム４００の前面立面図で
ある。

【００６６】図７Ｂは、図７Ａの両眼ディスプレイ視認
システムの側面立面図である。ユーザが視覚を補正する
必要がある場合、適当なＨＭＤ装置は、眼鏡を収容する
ためのアイリリーフ空間か、或いは接眼レンズ焦点調整
のいずれかを提供しなければならない。収容用眼鏡は、
アイリリーフが眼鏡の表面の先に延在しなければならな
いという点で装置の人間光学的機構設計を犠牲にする。
こうしてその装置は大きく重くなり、一般に快適性が減
少する。

【００６７】本発明のいくつかの実施例では、両眼ディ
スプレイ視認システム４００は接眼レンズ焦点調整（図
示せず）を提供する。しかしながら、忠実な周辺視覚補
正は典型的にはユーザの使用環境において行う必要があ
る。いくつかの実施例では、交換可能な補正周辺視覚レ
ンズ素子４２２及び４２４が、図７Ａ−図７Ｂに示され
るようにＨＭＤハウジング内に組み込まれる。市販の従
来の補正用アイウエアを用いる場合のように、いくつか
の一般的な光学規格が、周辺視覚要件の範囲、一般に−
０．５〜＋１．５ジオプタ内にある範囲を満足する。こ
れは特に、コンピュータ作業環境のような限定された距
離の周辺視覚要件の場合に当てはまる。交換可能な補正
周辺視覚レンズ素子４２２及び４２４は、その一部分と
して成形されたスナップ機構を有する射出成形プラスチ
ック製であり、そのスナップ機構により、設計されたＨ
ＭＤハウジング４１０に交換可能に設置することが容易
になる。別法では、市販の眼鏡レンズ素材が粉末化さ
れ、ＨＭＤに適合するように成形される場合もある。

【００６８】補正周辺視覚レンズ素子４２２及び４２４
用に多くの形状が可能であるが、図７Ａに示されるよう
なラップアラウンド形状が一般に最適な周辺視覚にとっ
て好ましく、その補正周辺視覚レンズ素子４２２及び４
２４はそれぞれ左側及び右側接眼レンズ３３６及び３３
７の周囲をなすカットアウト部を含む。

【００６９】図８Ａは、図３−図４に関連して記載され
たものと類似の両眼ディスプレイ視認システム４３０
が、如何にヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）ハウ
ジングに係合するかを模式的に示す平面図である。イヤ
ピース４３４及び４３６並びに補正周辺視覚レンズ素子
４２２及び４２４を有するＨＭＤハウジング４３２（図
８Ａにおいて破線として示される）は、図３に示される
ような成形された光学アセンブリ２９０を組み込む反射
ディスプレイ両眼視認システム３００を備える。成形さ
れた光学アセンブリ２９０は基板２９２（プリント回路
基板であることが好ましい）を組み込み、その基板２９
２に反射ディスプレイ装置及びＬＥＤ光源（成形された
光学アセンブリ２９０の真下に隠されている）が取着さ
れる。左側及び右側画像形成ビームは、成形された光学
アセンブリ２９０から現れ、左側フィールドレンズ３５
２、左側偏向ミラー２８２並びに左側接眼レンズ３３６
により、また右側フィールドレンズ３５３、右側偏向ミ
ラー２８３、並びに右側接眼レンズ３３７により、それ
ぞれ左眼及び右眼に配向される。

【００７０】いくつかの実施例は、周囲光の強度を測定
し、視覚を改善するためにディスプレイの輝度を自動的
に調整することができる、レンズを有する光検出器を備
える。図８ＢはＨＭＤハウジング４１０に入力レンズ４
５４を取着された光検出器４５２を示す立面図である。
光検出器４５２は、観測者４６０の周辺視覚４５８に近
い、入力レンズ４５４を介した周辺視覚４５６を有する
ように設置される。補正周辺視覚レンズ素子４２４及び
４２２（図７Ａ参照）を備えたいくつかの実施例では、
観測者４６０の周辺視覚４５８は補正周辺視覚レンズ素
子４２４及び４２２を介してもたらされる。

【００７１】図９は、ディスプレイ光源（例えばＬＥＤ
１６２ｒ−ｇ−ｂ及び１６４ｒ−ｇ−ｂ、図１参照）を
有する光検出器４５２と相互に接続される回路５００の
簡略化したブロック図である。光検出器４５２は入力レ
ンズ４５４の背後に配置され、増幅器４７２の入力端子
に接続される出力端子を有する。また増幅器４７２は加
算接合部４７４の基準入力端子に接続される出力端子を
有する。加算接合部４７４の信号入力端子はコントラス
ト及び輝度制御モジュール４７６の出力端子に接続され
る。加算接合部４７４の出力端子は、光源ドライバ４７
８の入力端子に接続され、光源に接続される出力端子を
有する。

【００７２】いくつかの実施例では、光源ドライバ４７
８は個別の光源、例えばＬＥＤ１６２ｒをそれぞれ駆動
する複数の光源ドライバを示す。いくつかの実施例で
は、回路５００は個別の光検出器、増幅器並びに光源ド
ライバを備える複数の個別の回路を表す。いくつかの実
施例では、回路５００は光源順次切替装置に相互に接続
される入力端子（図示せず）を備える。いくつかの実施
例では、回路５００の全ての素子はＨＭＤハウジング４
１０内に、或いはＨＭＤハウジング４１０上に備えられ
る。しかしながら、光検出器４５２及び入力レンズ４５
４を含む回路５００の任意の或いは全ての素子を含む、
当業者には周知の他の実施例による装置もまた本発明の
範囲内にある。

【００７３】動作時に、入力レンズ４５４は周囲光を周
囲視覚４５６上に集束させ、光検出器４５２の検出素子
上に集束した周囲光を集光し、集束した周囲光の強度に
比例する出力信号を発生させる。光検出器４５２からの
出力信号は増幅器４７２により増幅され、増幅器４７２
は基準信号を発生し、加算接合部４７４の基準端子にそ
の信号を加える。接合部４７４は、基準信号をコントラ
スト及び輝度制御モジュール４７６により与えられる制
御信号と結合し、調整されたコントラスト及び輝度制御
信号を発生し、その信号が光源ドライバ４７８の入力端
子に加えられる。調整済コントラスト及び輝度制御信号
は、周囲光強度に対して概ね一定の比率で光源、例えば
ＬＥＤ１６２及び１６４の強度を自動的に調整するた
め、連続的に変化する周囲光環境において連続的に手動
で強度を調整する必要はない。

【００７４】動作時に、ディスプレイシステムはビデオ
入力信号を必要とする。ビデオ入力信号は典型的にはデ
ィスプレイシステムから離隔した情報源装置（例えばビ
デオカメラ或いはＶＣＲ）により生成され、その後伝送
及び受信され、さらにディスプレイ装置の特定の要件を
満足するように処理される。図１０は、本発明の実施例
において、情報の発生、伝送、受信並びにディスプレイ
システムに適したフォーマットへのビデオ信号の処理を
示すブロック図である。

【００７５】情報源装置６０２はアナログ領域における
従来のＲＧＢ−ＶＧＡフォーマットのビデオ信号を発生
する。この信号はケーブル（図示せず）によって、或い
は処理用モジュール６１２に接続される送信機６０８及
び受信モジュール６１０からなる適当な無線データリン
ク６０６により伝送される。処理用モジュール６１２
は、図１並びに図３−図４に関連して上記したようにデ
ィスプレイ装置６２０に、或いはその付近に物理的に配
置されるか、或いは個別に配置される。さらに前処理用
モジュール６０４（波線で示される）は、情報源装置６
０２に、或いはその付近に配置され、情報源装置６０２
と送信機６０８との間に相互に接続される。個別に配置
された処理用モジュール６１２は典型的には短いケーブ
ル６１４によりディスプレイ装置６２０に接続される。
例えば、処理用モジュール６１２は付加的なヘッドマウ
ントディスプレイハウジング６１８（破線で示される）
に組み込まれることができる。別法では、ヘッドマウン
トディスプレイハウジング６１８の大きさ及び重さを低
減するために、処理用モジュール６１２はユーザの衣服
（図示せず）に従来通りに取り付けられ、短く、ほとん
ど邪魔にならないケーブル６１４によりヘッドマウント
ディスプレイハウジング６１８に接続される。

【００７６】処理用モジュール６０４及び６１２はビデ
オ信号をディスプレイ装置６２０により必要とされるフ
ォーマットに変換する。実際に、ディスプレイの視覚品
質は、眼がちらつきを認知するのを最小限にするフレー
ム速度を必要とする。しかし、ちらつきフレーム速度要
件は、画像内の対象物の連続的な動きを感知するのに必
要とされる速度より約４倍速い。

【００７７】従来のアナログＣＲＴ用ＶＧＡモニタと異
なり、本発明に適した多くの小型のディスプレイ装置
は、標準的なＲＧＢインターフェースに対して直接走査
互換性を有さず、操作フォーマット変換のための中間メ
モリ（フレームグラッバ）を必要とする。中間メモリが
要件となる場合、ディスプレイ装置はちらつきを最小限
にするフレーム速度で中間メモリからリフレッシュする
が、中間メモリは画像動き要件に問題が生じないより遅
いフレーム速度でのみ更新される。

【００７８】図１１は、本発明の実施例において、ディ
スプレイシステムと共に中間フレームメモリを使用する
のに関連して、処理用モジュール６０４及び６１２の機
能を示すブロック図である。従来のＲＧＢビデオ源（図
示せず）からの入力はシリアルマルチプレクサ６４０及
び処理用モジュール６０４に組み込まれるシフトレジス
タ６４４により受信される。ビデオ源からの垂直同期パ
ルスは、シフトレジスタ６４４が、ビデオデータの大き
な順次カラーフレームを発生するためのマルチプレクサ
６４０を制御できるようにする。コンバイナモジュール
６４２において垂直同期パルス及び水平同期パルスが結
合される。さらに音声信号が、コンバイナモジュール６
４２においてビデオ波形の水平同期パルス内に挿入され
る。

【００７９】コンバイナモジュール６４２からの結合さ
れたビデオ信号は送信機６０８から受信用モジュール６
１０まで無線データリンク６０６上を伝送し、プロセッ
サモジュール６１２に加えられる。プロセッサモジュー
ル６１２では、ビデオ信号は従来の自動利得調整モジュ
ール６３０においてさらに増幅され、その後同期セパレ
ータ６３２によりそれぞれビデオ、同期並びに音声信号
成分に分離される。種々の信号成分は、中間メモリ（図
示せず）に適当に加えられ、その中間メモリがディスプ
レイ装置６２０の入力電子機器とのインターフェースを
形成する。

【００８０】この場合に、必要とされる送信データ速度
を低減するために送信前に各色のアナログビデオデータ
の大きなデータ列をシリアルに多重化して（フレーム毎
或いはインターリーブされたライン毎）、捕捉用位相同
期ループクロックを排除し、処理用モジュール６１２の
アナログデジタル変換及びメモリの要件を簡略化する。
この技術により、遅くはなるが、標準的なＲＧＢインタ
ーフェースに視覚的に等価な複製が形成される。

【００８１】本発明により、忠実な立体画像視認が、適
当な安価な光学機器を用いて、ビームスプリッタを用い
ずに単一のディスプレイ装置を用いて達成される。低価
格の複合プラスチック製光学機器により、ヘッドマウン
トディスプレイ（ＨＭＤ）に用いられるような単一の電
気光学ディスプレイ装置を両眼で視認することが可能と
なる。デュアルｏｆｆ−ａｘｉｓ構成は２つの独立な光
学経路を備え、ディスプレイ装置の画像表面においての
みその経路が交差する。各光学経路は照明源、接眼レン
ズ並びに画像形成光学機器を備える。いくつかの実施例
では、概ねコリメートされた照明光学系及び中間フィー
ルドレンズを用いて、ビームスプリッタを用いることな
く広開口接眼レンズを充填する。

【００８２】多数照明方式が、白黒或いはカラーいずれ
かに対して、二次元或いは時系列の忠実な立体画像表示
のいずれかにおいて記載される。いくつかの実施例で
は、忠実な立体画像性能はそれぞれの経路に対する順次
ビデオ信号と同期して２つの経路内の光源を順次動作さ
せることにより達成される。オフセットカラー過剰補正
及び過小補正方法が、光学素子の複雑性を最小限にする
ために適用される。さらに、周辺視覚補正及び自動コン
トラスト及び輝度補償のために軽量の色消し接眼レンズ
及び交換可能なレンズ素子を備える。ビデオインターフ
ェースは、従来通りにフォーマットされたビデオ信号を
シリアルの多重化されたカラーデータに変換し、そのデ
ータが中間フレームリフレッシュメモリを占有する。ビ
デオインターフェースの変形例は、扱いにくい配線を排
除する無線伝送装置を備える。

【００８３】特に本発明の実施例は、深さの認知、高解
像度、高カラー忠実度、周辺視覚補正並びにヘッドマウ
ント構成における従来通りの使用を実現し、医療用及び
外科的治療用の遠隔視認の要求条件を満足する。

【００８４】本発明は、ある特定の好適な実施例に関連
して記載されてきたが、当業者には明らかである他の実
施例もまた本発明の範囲内にある。従って本発明の範囲
は、添付の請求の範囲によってのみ確定されることを意
図するものである。

【００８５】

【発明の効果】本発明に従って、小型、高解像度で、高
コントラストの忠実な立体画像を形成するシステムは、
不当に複雑で或いは高価になることがなく、ヘッドマウ
ントディスプレイを使用するのに適したマイクロディス
プレイによる視認を実現する。本システムは良好なカラ
ー忠実度に色補正を与え、長いアイリリーフ及び周辺視
覚調節を備える広角ディスプレイによる視認を含む、快
適かつ効率的な人間光学的機構を組み込む。無線を使う
ことにより、扱いにくい配線を排除することができる。
詳細には、周辺視覚調整及び無線伝送機器を備えるヘッ
ドマウントディスプレイにおいて、高解像度、高カラー
忠実度で忠実な立体画像視認により、医療用及び外科治
療用遠隔視認に対して必要とされる深さの認知及び利便
性が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による非折返し光学経路ｏｆｆ−ａｘｉ
ｓ両眼視認システムの模式図である。

【図２】Ａ乃至Ｇよりなり、それぞれ本発明による両眼
ディスプレイ視認システムにおいて用いられる薄型の色
補正レンズ素子の模式図である。

【図３】折返し光学経路を有する反射ディスプレイ両眼
視認システムの断面図である。

【図４】折返し光学経路を有する反射ディスプレイ両眼
視認システムの断面図である。

【図５】折返し光学経路を有する反射ディスプレイ両眼
視認システムの断面図である。

【図６】折返し光学経路を有する反射ディスプレイ両眼
視認システムの断面図である。

【図７】Ａ及びＢよりなり、それぞれ本発明によるヘッ
ドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）ハウジング内に折り
重ねられた両眼ディスプレイ視認システムの立面図であ
る。

【図８】Ａ及びＢよりなり、Ａはヘッドマウントディス
プレイ（ＨＭＤ）ハウジング内に設置された両眼ディス
プレイ視認システムを模式的に示す平面図であり、Ｂは
ＨＭＤハウジング上に入力レンズと共に取着される光検
出器を示す立面図である。

【図９】光検出器とディスプレイ光源とを相互に接続す
る回路の簡略化したブロック図である。

【図１０】発光、伝送、受信並びにディスプレイシステ
ムに適したフォーマットへのビデオ信号処理を示すブロ
ック図である。

【図１１】ディスプレイシステムと共に中間フレームメ
モリを使用するビデオ信号処理用モジュールの機能を示
すブロック図である。

【符号の説明】

１００非折返し光学経路ｏｆｆ−ａｘｉｓ両眼視認シ
ステム１０８ディスプレイ表面１１０伝送ディスプレイ装置１１２、１１４ビーム１１３、１１５ビーム軸１１６ビーム直径１１７ディスプレイ軸１２２、１２４中間画像表面１２６、１２８画像形成素子１３２、１３４中間画像１３６、１３８接眼レンズ１４０左側光学経路１４６、１４８観測者の眼１４２、１４４接眼レンズ開口部１５０右側光学経路１５２、１５４フィールドレンズ１６２、１６４発光ダイオード１６６、１６８混合用光コーン１７０、１７１回折コレクタ１７２、１７４点光源１７６、１７８コリメート用レンズ１８２、１８４開口係止部１８６、１８８最小集束部１９２、１９４電気光学検出器２０８、２１８、２２８、２３８、２４８、２５２、２
５４、２５８、２６２点対象物２１０シングレット屈折レンズ２１６複合基板曲面２２０フレネル屈折表面２３０回折表面２４０回折−屈折レンズ２５０複合回折−屈折レンズ２５２基板２６０接眼レンズ２６４虚像２６６観測者２８０左側接眼アセンブリ２８２、２８３偏向ミラー２８４両面間距離の半分の距離２８６焦点調整距離２９０折返し光学アセンブリ２９２基板２９４スペーサ３００反射ディスプレイ両眼視認システム３０８反射ディスプレイ表面３１０反射ディスプレイ装置３２６、３２８画像形成素子３３６、３３７接眼レンズ３４０左側光学経路３５０右側光学経路３５２、３５３フィールドレンズ３７２、３７４内部全反射（ＴＩＲ）表面３７６コリメート用レンズ３８２ＴＩＲ係止部４００両眼ディスプレイ視認システム４１０ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）ハウジ
ング４２２、４２４補正周辺視覚レンズ素子４３０両眼ディスプレイ視認システム４３２ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）ハウジ
ング４５２光検出器４５４入力レンズ４５８周辺視覚４６０観測者４７２増幅器４７４加算接合部４７６コントラスト及び輝度制御モジュール４７８光源ドライバ５００回路６０２情報源装置６０４前処理用モジュール６０６無線データリンク６０８送信機６１０受信モジュール６１２処理用モジュール６１８ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）ハウジ
ング６１４ケーブル６２０ディスプレイ装置６３０自動利得調整モジュール６４０シリアルマルチプレクサ６４２コンバイナモジュール６４４シフトレジスタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】両眼視認用システムであって、概ね平坦なディスプレイ表面を有する単一のディスプレ
イ装置と、第１の光源からなる第１の光学経路であって、第１のビ
ームが前記第１の光源により生成され、前記第１のビー
ムがある傾斜角で前記ディスプレイ表面を照明する、該
第１の光学経路と、第２の光源からなる第２の光学経路であって、第２のビ
ームが前記第２の光源により生成され、前記第２のビー
ムがある傾斜角で前記ディスプレイ表面を照明する、該
第２の光学経路とを備え、前記第２の光学経路及び前記第１の光学経路が、前記第
１のビーム及び前記第２のビームが互いに角度をなして
配置され、前記ディスプレイ表面において互いに交差す
るように互いに配置され、前記第２の光学経路及び前記第１の光学経路が概ね同様
の形状をなすことを特徴とする両眼視認用システム。
【請求項２】前記ディスプレイ装置が光伝送用マイ
クロディスプレイであることを特徴とする請求項１に記
載の両眼視認用システム。
【請求項３】前記ディスプレイ装置が液晶ビデオデ
ィスプレイであることを特徴とする請求項１に記載の両
眼視認用システム。
【請求項４】前記第１のビームが前記ディスプレイ
表面を照明する場所において概ねコリメートされること
を特徴とする請求項１に記載の両眼視認用システム。
【請求項５】前記第１のビーム内に配置される第１
の接眼レンズと、前記第１の光源と前記第１の接眼レンズとの間に配置さ
れる第１の画像形成素子と、前記第１の画像形成素子と前記第１の接眼レンズとの間
に配置される第１の中間画像平面とをさらに備えること
を特徴とする請求項４に記載の両眼視認用システム。
【請求項６】前記第１の画像形成素子が非球面の環
状曲面を有することを特徴とする請求項５に記載の両眼
視認用システム。
【請求項７】前記第１の中間画像平面に近接して配
置されるフィールドレンズをさらに備えることを特徴と
する請求項５に記載の両眼視認用システム。
【請求項８】前記第１の画像形成素子と前記第１の
中間画像平面との間に配置される変換面に近接して前記
第１のビーム内に配置される開口係止部をさらに備える
ことを特徴とする請求項５に記載の両眼視認用システ
ム。
【請求項９】前記第１の光源が概ね点光源からなる
ことを特徴とする請求項７に記載の両眼視認用システ
ム。
【請求項１０】混合用光コーンをさらに備え、前記
光コーンが前記コーンの入力開口部に隣接して複数の発
光ダイオードを有し、また前記光コーンが前記コーンの
出力開口部において前記点光源を有することを特徴とす
る請求項９に記載の両眼視認用システム。
【請求項１１】前記複数の発光ダイオードが異なる
色の光を発生することを特徴とする請求項１０に記載の
両眼視認用システム。
【請求項１２】前記発光ダイオードと前記コーンの
前記入力開口部との間に配置される回折コレクタをさら
に備えることを特徴とする請求項１１に記載の両眼視認
用システム。
【請求項１３】前記複数の発光ダイオードにより発
生する光をサンプリングし、かつ測定するために配置さ
れる少なくとも１つのモニタ用光検出器をさらに備える
ことを特徴とする請求項１０に記載の両眼視認用システ
ム。
【請求項１４】前記第１の光源が、前記実質的な点
光源と前記ディスプレイ表面との間に挿入されるコリメ
ート用レンズをさらに備えることを特徴とする請求項９
に記載の両眼視認用システム。
【請求項１５】前記コリメート用レンズから選択さ
れる少なくとも１つの素子、前記第１の画像形成素子、
前記フィールドレンズ並びに前記第１の接眼レンズが少
なくとも１つの回折表面を有することを特徴とする請求
項１４に記載の両眼視認用システム。
【請求項１６】前記コリメート用レンズから選択さ
れる少なくとも１つの素子、前記第１の画像形成素子並
びに前記第１の接眼レンズが、少なくとも１つの連続形
状をなすフレネル屈折表面を備えることを特徴とする請
求項１４に記載の両眼視認用システム。
【請求項１７】前記少なくとも１つの素子が、少な
くとも１つの連続形状をなすフレネル屈折表面を備える
ことを特徴とする請求項１５に記載の両眼視認用システ
ム。
【請求項１８】前記少なくとも１つの表面が、適当
な一定の深さの溝を有し、それにより前記素子の厚さ及
び重さを低減することを特徴とする請求項１５乃至１７
のいずれか一項に記載の両眼視認用システム。
【請求項１９】前記素子の前記厚さの変動が最小化
され、それによりプラスチック成形処理による前記素子
の製造を容易にすることを特徴とする請求項１８に記載
の両眼視認用システム。
【請求項２０】前記少なくとも１つの表面が平坦な
基板表面に適用されることを特徴とする請求項１５乃至
１７のいずれか一項に記載の両眼視認用システム。
【請求項２１】前記少なくとも１つの表面が曲面を
なす基板表面に適用されることを特徴とする請求項１５
乃至１７のいずれか一項に記載の両眼視認用システム。
【請求項２２】前記曲面をなす基板表面が非球面で
あることを特徴とする請求項２１に記載の両眼視認用シ
ステム。
【請求項２３】前記少なくとも１つの素子が色過剰
補正のために形成されることを特徴とする請求項１５に
記載の両眼視認用システム。
【請求項２４】前記少なくとも１つの素子が色過小
補正のために形成されることを特徴とする請求項１６に
記載の両眼視認用システム。
【請求項２５】前記コリメート用レンズから選択さ
れる少なくとも１つの素子、前記第１の画像形成素子、
前記フィールドレンズ並びに前記第１の接眼レンズが射
出成形されたプラスチックからなることを特徴とする請
求項１４に記載の両眼視認用システム。
【請求項２６】前記コリメート用レンズ、前記第１
の画像形成素子、前記フィールドレンズ並びに前記第１
の接眼レンズが全て射出成形されたプラスチックからな
ることを特徴とする請求項２５に記載の両眼視認用シス
テム。
【請求項２７】少なくとも１つのｏｆｆ−ａｘｉｓ
光学素子をさらに備えることを特徴とする請求項１に記
載の両眼視認用システム。
【請求項２８】少なくとも１つの反射光学素子を備
え、それにより折返し光学構成を確定することを特徴と
する請求項２７に記載の両眼視認用システム。
【請求項２９】少なくとも１つの光学素子が非球面
の環状曲面を備えることを特徴とする請求項２７に記載
の両眼視認用システム。
【請求項３０】少なくとも１つの前記反射表面が、
内部全反射を組み込むことを特徴とする請求項２８に記
載の両眼視認用システム。
【請求項３１】前記ディスプレイ装置がさらに光反
射マイクロディスプレイであることを特徴とする請求項
２７に記載の両眼視認用システム。
【請求項３２】前記両眼視認用システムが、支持構
造体内にある横方向に変位した周辺視覚手段の間の中央
に配置されることを特徴とする請求項２８に記載の両眼
視認用システム。
【請求項３３】前記周辺視覚手段が、前記支持構造
体に交換可能に取着された補正用アイレンズを備えるこ
とを特徴とする請求項３２に記載の両眼視認用システ
ム。
【請求項３４】前記補正用アイレンズが射出成形さ
れたプラスチックからなることを特徴とする請求項３３
に記載の両眼視認用システム。
【請求項３５】前記補正用アイレンズが、その一部
に成形されるスナップ式留め具により前記支持構造体に
交換可能に取着されることを特徴とする請求項３４に記
載の両眼視認用システム。
【請求項３６】前記支持構造体がヘッドマウントデ
ィスプレイにより視認するために形成されることを特徴
とする請求項３２に記載の両眼視認用システム。
【請求項３７】両眼視認ビデオディスプレイを製造
するための方法であって、コリメートされた第１の光のビームを発生する過程と、第１の光学経路における前記コリメートされた第１の光
のビームを用いて、ある傾斜角でビデオディスプレイ装
置を照明する過程と、前記ディスプレイ装置のディスプレイ表面において、ビ
デオ画像を用いて前記第１のビームを空間的に変調する
過程と、前記第１の光学経路を介して前記第１のビームを伝搬す
る過程と、前記第１の光学経路における第１の接眼レンズを用い
て、観測者の第１の眼により前記第１の接眼レンズに隣
接して快適に視認される第１の画像を形成する過程と、コリメートされた第２の光のビームを発生する過程と、第２の光学経路における前記コリメートされた第２の光
のビームを用いて、ある傾斜角で前記ビデオディスプレ
イ装置を照明する過程と、前記ディスプレイ装置の前記ディスプレイ表面におい
て、ビデオ画像を用いて前記第２のビームを空間的に変
調する過程と、前記第２の光学経路を介して前記第２のビームを伝搬す
る過程と、前記第２の光学経路における第２の接眼レンズを用い
て、前記観測者の第２の眼により前記第２の接眼レンズ
に隣接して快適に視認される第２の画像を形成する過程
とを有し、前記第１及び第２の光学経路が、前記第１のビーム及び
前記第２のビームが互いに角度をなして変位され、前記
ディスプレイ表面において互いに交差するように互いに
配置され、前記第１及び第２の光学経路が概ね同様に形成されるこ
とを特徴とする両眼視認ビデオディスプレイを製造する
ための方法。
【請求項３８】前記ディスプレイ装置が液晶ビデオ
ディスプレイであることを特徴とする請求項３７に記載
の方法。
【請求項３９】前記ディスプレイ装置が光伝送用マ
イクロディスプレイであることを特徴とする請求項３７
に記載の方法。
【請求項４０】前記ディスプレイ装置に後続する第
１の画像形成素子を用いて、前記第１のビーム内の第１
の中間画像平面において、前記ディスプレイ表面の第１
の中間画像を形成する過程と、前記第１の中間画像平面からの前記第１のビームを配向
し、第１の接眼レンズ開口部を充填する過程と、前記ディスプレイ装置に後続する第２の画像形成素子を
用いて、前記第２のビーム内の第２の中間画像平面にお
いて、前記ディスプレイ表面の第２の中間画像を形成す
る過程と、前記第２の中間画像平面からの前記第２のビームを配向
し、第２の接眼レンズ開口部を充填する過程とをさらに
有することを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４１】前記第１の画像形成素子が、非球面
の環状補正部を利用して、前記第１のビームによる前記
ディスプレイ表面の前記傾斜照明による前記第１のビー
ムの画像歪みを除去することを特徴とする請求項４０に
記載の方法。
【請求項４２】前記配向過程が、前記第１の中間画
像平面に近接して配置されるフィールドレンズを用いて
実行されることを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】前記第１の画像形成素子と前記第１
の中間画像平面との間に配置される変換面に近接して前
記第１のビーム内に開口係止部を配置する過程をさらに
有し、前記開口係止部が光の迷光及び散乱を防止するこ
とにより、ディスプレイコントラストを改善し、さらに
前記ディスプレイ装置の副次画素構造体における回折か
ら生じる高次空間周波数高調波を防止することにより粒
状性を低減し、それにより画像品質を改善することを特
徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項４４】前記ビームを発生させる過程がさら
に、前記第１の光学経路の第１の光源から光を生成する過程
と、前記第１の光学経路の前記第１の光源からの前記光を混
合し、かつ均質化する過程と、前記第１の光源からの前記均質化された光を、前記第１
の光学経路の実質的な点光源に成形する過程と、前記第１の光学経路の前記実質的な点光源から伝搬する
光を集光し、かつコリメートする過程と、前記第２の光学経路の第２の光源から光を生成する過程
と、前記第２の光学経路の前記第２の光源からの前記光を混
合し、かつ均質化する過程と、前記第２の光源からの前記均質された光を、前記第２の
光学経路の実質的な点光源に成形する過程と、前記第２の光学経路の前記実質的な点光源から伝搬する
光を集光し、かつコリメートする過程とを有することを
特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】前記第１の光源からの前記光の前記
混合過程、前記均質化過程並びに前記成形過程が、前記
第１の光学経路の第１の混合用光コーンを用いて実行さ
れ、前記第１の光源により生成される光が前記第１の混
合用光コーンの入力開口部において集光され、前記第１
の光学経路内の前記実質的な点光源が、前記第１の混合
用光コーンの出力開口部において形成され、また前記第２の光源からの前記光の前記混合過程、均質
化過程並びに成形過程が、前記第２の光学経路の第２の
混合用光コーンを用いて実行され、前記第２の光源によ
り生成される光が前記第２の混合用光コーンの入力開口
部に集光され、前記第２の光学経路の前記実質的な点光
源が、前記第２の混合用光コーンの出力開口部において
生成されることを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】前記第１の光源が前記第１の経路の
複数の第１の発光ダイオードからなり、前記第２の光源が前記第２の光学経路の複数の第２の発
光ダイオードからなることを特徴とする請求項４５に記
載の方法。
【請求項４７】前記第１の発光ダイオードが異なる
色の光を生成し、前記第２の発光ダイオードが異なる色の光を生成するこ
とを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】前記第１及び第２の光源が、それぞ
れ第１及び第２の光学経路のための前記ディスプレイ装
置に対する対応する順次ビデオ信号と同期して順次動作
し、それにより単一のディスプレイ装置を用いて、時間
平均された忠実な立体画像を生成することを特徴とする
請求項４６に記載の方法。
【請求項４９】異なる色の光を生成する前記第１及
び第２の光源が、前記ディスプレイ装置に対する対応す
る順次ビデオカラー信号と同期して順次動作し、それに
より単一のディスプレイ装置を用いて時間平均されたカ
ラー画像を生成することを特徴とする請求項４７に記載
の方法。
【請求項５０】前記第１及び第２の光源が、それぞ
れ第１及び第２の光学経路のための前記ディスプレイ装
置に対する対応する順次ビデオ信号と同期して順次動作
し、それにより単一のディスプレイ装置を用いて時間平
均された忠実な立体カラー画像を生成することを特徴と
する請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】前記第１及び第２の混合用光コーン
のそれぞれの前記入力開口部に配置される第１及び第２
の光学経路の回折コレクタを用いて、前記複数の第１及
び第２の発光ダイオードからの光を集光する過程をさら
に有し、前記回折コレクタが、それぞれ前記第１及び第
２の混合用光コーン内において異なる色の前記光を空間
的に重ね合わせることを特徴とする請求項４７に記載の
方法。
【請求項５２】閉ループ電気的構造体を用いて、そ
れぞれ第１及び第２の光学経路の少なくとも１つの光検
出器により光の強度をサンプリング及びモニタすること
により、前記第１及び第２の発光ダイオードの前記光の
強度を制御し、かつ安定化させる過程をさらに有するこ
とを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項５３】前記第１の光学経路の前記実質的な
点光源から伝搬する光の集光及びコリメート過程が、前
記実質的な点光源と前記ディスプレイ表面との間に挿入
されるコリメート用レンズを用いて実行されることを特
徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項５４】前記コリメート用レンズから選択さ
れた少なくとも１つの素子、前記第１の画像形成素子、
前記フィールドレンズ並びに前記第１の接眼レンズが、
少なくとも１つの回折表面を備えることを特徴とする請
求項５３に記載の方法。
【請求項５５】前記第１のコリメート用レンズから
選択された少なくとも１つの素子、前記第１の画像形成
素子、前記フィールドレンズ並びに前記第１の接眼レン
ズが、少なくとも１つの連続形状をなすフレネル屈折表
面を備えることを特徴とする請求項５３に記載の方法。
【請求項５６】前記少なくとも１つの素子が、少な
くとも１つの連続形状をなすフレネル屈折表面を備える
ことを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【請求項５７】前記少なくとも１つの素子が、色過
剰補正のために形成されることを特徴とする請求項５４
に記載の方法。
【請求項５８】前記少なくとも１つの素子が、色過
小補正のために形成されることを特徴とする請求項５５
に記載の方法。
【請求項５９】前記第１のコリメート用レンズが色
過小補正され、また前記第１の画像形成素子が色過剰補
正され、前記第１の画像形成素子の色過剰補正が前記コ
リメート用レンズの色過小補正を相殺し、それにより変
換面において色補正された画像を生成することを特徴と
する請求項５３に記載の方法。
【請求項６０】前記第１の画像形成素子が色過剰補
正され、また第１の接眼レンズが色補正されず、前記第
１の画像が色補正されることを特徴とする請求項５３に
記載の方法。
【請求項６１】前記コリメート用レンズが色過小補
正され、また前記第１の画像形成素子が色過剰補正さ
れ、前記第１の画像形成素子の色過剰補正が前記コリメ
ート用レンズの色過小補正を相殺し、それにより変換面
において色補正された画像を生成することを特徴とする
請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】前記第１のビームを少なくとも１つ
のｏｆｆ−ａｘｉｓ光学素子に配向する過程をさらに有
することを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項６３】少なくとも１つの反射光学素子から
前記第１のビームを反射し、それにより折返しビーム構
造を生成する過程をさらに有することを特徴とする請求
項６２に記載の方法。
【請求項６４】少なくとも１つの前記反射表面が、
内部全反射を組み込むことを特徴とする請求項６３に記
載の方法。
【請求項６５】前記ディスプレイ装置が、光反射マ
イクロディスプレイであることを特徴とする請求項６３
に記載の方法。
【請求項６６】前記両眼視認ビデオディスプレイの
視界が周囲環境の周辺の視覚を可能とするように横方向
に制限されることを特徴とする請求項６３に記載の方
法。
【請求項６７】補正用周辺アイレンズセグメント
が、前記両眼視認ビデオディスプレイを支持する構造体
に交換可能に取着されることを特徴とする請求項６６に
記載の方法。
【請求項６８】前記構造体がヘッドマウントディス
プレイにより視認するために形成されることを特徴とす
る請求項６７に記載の方法。
【請求項６９】前記補正用周辺アイレンズセグメン
トが、射出成形プラスチックからなることを特徴とする
請求項６７に記載の方法。
【請求項７０】前記補正用周辺アイレンズセグメン
トが、その一部に成形されるスナップ式留め具により前
記構造体に交換可能に取着されることを特徴とする請求
項６９に記載の方法。
【請求項７１】ヘッドマウントディスプレイ視認用
構造体であって、両眼視認用システムが前記構造体内の中央に配置され、
さらに概ね平坦なディスプレイ表面を有する単一のディ
スプレイ装置と、第１の光源により生成される第１のビ
ームを有する第１の光学経路と、前記第１の光源とは異
なる第２の光源により生成される第２のビームを有する
第２の光学経路とを有し、前記第１のビーム及び前記第
２のビームが互いから角度をなして変位され、前記ディ
スプレイ表面において互いに交差するように前記第１及
び第２の光学経路が互いに配置され、さらに前記両眼視認用システムに対して横方向に変位し
た周辺視覚手段を有し、前記周辺視覚手段が前記構造体
に交換可能に取着される補正用アイレンズからなること
を特徴とするヘッドマウントディスプレイ視認用構造
体。
【請求項７２】前記補正用アイレンズが射出成形プ
ラスチックからなり、前記補正用アイレンズがその一部に成形されるスナップ
式留め具により前記構造体に交換可能に取着されること
を特徴とする請求項７１に記載のヘッドマウントディス
プレイ視認用構造体。
【請求項７３】単一のディスプレイデバイスを用い
る時間平均された忠実な立体画像ディスプレイを製造す
るための方法であって、第１の光学経路の第１の光源から第１の光ビームを発生
する過程と、第２の光学経路の第２の光源から第２の光ビームを発生
する過程と、前記第１の光ビーム及び第２の光ビームがディスプレイ
表面においてのみ互いに交差するように配置された前記
ディスプレイ表面を有する前記単一のディスプレイ装置
にビデオ画像信号を加える過程と、それぞれ前記第１及び第２の光学経路のための前記ディ
スプレイ装置に対する対応する順次ビデオ信号に同期し
て、前記第１及び第２の光源を順次動作させる過程とを
有することを特徴とする時間平均された忠実な立体画像
ディスプレイを製造するための方法。
【請求項７４】単一なディスプレイ装置を用いる時
間平均された両眼視認カラー画像ディスプレイを製造す
るための方法であって、第１の光学経路の第１の光源から第１の光ビームを発生
する過程と、第２の光学経路の第２の光源から第２の光ビームを発生
する過程と、前記第１の光ビーム及び第２の光ビームがディスプレイ
表面においてのみ互いに交差するように配置された前記
ディスプレイ表面を有する前記単一のディスプレイ装置
にビデオ画像信号を加える過程と、前記ディスプレイ装置に対する対応する順次ビデオカラ
ー信号と同期して、異なる色の光を生成する発光ダイオ
ードを順次動作させる過程とを有し、前記第１及び第２の光源が異なる色の光を生成する多数
の発光ダイオードからなることを特徴とする時間平均さ
れた両眼視認カラー画像ディスプレイを製造するための
方法。
【請求項７５】それぞれ前記第１及び第２の光学経
路のための前記ディスプレイ装置に対する対応する順次
ビデオ信号と同期して、前記第１及び第２の光源を順次
動作させる過程をさらに有し、それにより忠実な立体カ
ラー画像を生成することを特徴とする請求項７４に記載
の方法。
【請求項７６】カラービデオディスプレイ視認用シ
ステムにおける色補正を行う方法であって、実質的な点光源からのカラー光を、コリメート用レンズ
を用いて概ねコリメートされたビームに集光かつコリメ
ートする過程と、前記概ねコリメートされたビームを用いて、画像ディス
プレイ表面を照明する過程と、前記コリメートされたビームを集光し、画像形成素子を
用いて中間画像平面において前記ディスプレイ表面の中
間画像を形成する過程と、接眼レンズを用いて前記中間画像平面の虚像を形成する
過程とを有し、前記集光された光が、前記画像形成素子と前記中間画像
平面との間の最小集束部の平面を通過し、また前記実質
的な点光源の画像が最小集束部の前記平面において形成
され、前記コリメート用レンズが色過小補正され、また前記画
像形成素子が色過剰補正され、前記色過小補正されたコ
リメート用レンズを相殺し、最小集束部の前記平面にお
ける前記画像が色補正されることを特徴とする色補正方
法。
【請求項７７】カラービデオディスプレイ視認用シ
ステムにおいて色補正するための方法であって、実質的な点光源からのカラー光をコリメート用レンズを
用いて概ねコリメートされたビームに集光かつコリメー
トする過程と、前記概ねコリメートされたビームを用いて画像ディスプ
レイ表面を照明する過程と、前記コリメートされたビームを集光し、画像形成素子を
用いて中間画像平面において前記ディスプレイ表面の中
間画像を形成する過程と、接眼レンズを用いて前記中間画像平面の虚像を形成する
過程とを有し、前記集光したビームは、前記画像形成素子と前記中間画
像平面との間に配置される変換面を通過し、また前記実
質的な点光源の画像が前記変換面において形成され、前記画像形成素子が色過剰補正され、前記接眼レンズが
実質的に補正されず、前記虚像が色補正されることを特
徴とする色補正方法。
【請求項７８】前記画像形成素子が色過剰補正さ
れ、前記コリメート用レンズが前記色過剰補正された画
像形成素子を相殺するように色過小補正され、前記変換
面における前記画像が色補正されることを特徴とする請
求項７７に記載の方法。
【請求項７９】異なる色成分からなる光ビームを重
ね合わせ、かつ混合する方法であって、複数の空間的に異なる発光素子からの異なる色成分の光
ビームを回折コレクタに集光する過程であって、前記異
なる色成分からなる光ビームが、前記異なる色成分に対
して独自の異なる入射角で前記回折コレクタに衝突す
る、該過程と、前記回折コレクタにおいて異なる色成分からなる前記光
ビームを回折する過程であって、前記異なる色成分の光
ビームが前記異なる色成分に対して独自の角度で回折さ
れ、前記異なる色成分の光ビームが互いに重ね合わされ
る、該過程とを有することを特徴とする方法。
【請求項８０】前記重ね合わされたビームを混合用
光コーンの入力開口部に配向する過程と、前記混合用光コーン内部の反射により、前記重ね合わさ
れたビームを集光、混合、かつ均質化する過程とをさら
に有することを特徴とする請求項７９に記載の方法。
【請求項８１】周囲光の強度を測定するために配置
される光検出器をさらに備えることを特徴とする請求項
９に記載の両眼視認用システム。
【請求項８２】前記支持構造体に取着され、前記周
囲視覚手段を介して、観測者の視界に近い視界上で周囲
光の強度を測定するために配置される光検出器をさらに
備えることを特徴とする請求項３２に記載の両眼視認用
システム。
【請求項８３】周囲光を周囲視界上に集光する過程
と、光検出器を用いて、前記集光された周囲光強度を測定す
る過程と、前記測定された周囲光強度に応じて周囲光出力信号を発
生する過程と、前記周囲光の強度に応じて自動的に前記第１及び第２の
光源の強度を調整するように前記周囲光出力信号を加え
る過程とをさらに有することを特徴とする請求項４４に
記載の方法。
【請求項８４】前記許容された周囲視覚の視界に近
い周囲視覚上に周囲光を集光する過程と、光検出器を用いて前記集光された周囲光の強度を測定す
る過程と、前記測定された周囲光の強度に応じて周囲光出力信号を
発生する過程と、前記周囲光出力信号を加え、前記周囲光の強度に応じて
自動的に前記第１及び第２の光ビームの強度を調整する
過程とをさらに有することを特徴とする請求項６６に記
載の方法。
【請求項８５】前記周辺視覚手段を介して、観測者
の視覚に近い視覚上で周囲光の強度を測定するために配
置される光検出器をさらに備えることを特徴とする請求
項７１に記載のヘッドマウントディスプレイ視認用構造
体。