图像显示装置和图像显示系统的制作方法
本发明涉及被安装在例如观看者的头部的在靠近观看者眼睛的位置处被使用的图像显示装置。
背景技术：
传统的装置把被图像显示装置上显示的图像投射作为经过目镜光学系统的尺寸放大的虚拟图像，使得该图像可作为宽视角图像来观察。例如，被安装在观看者的头上并允许观察虚拟图像的装置被称为头戴式显示器(HMD)，它作为能够显示宽视角图像的小装置非常普及。但是，通常来说，这样的装置需要目镜光学系统以获得高视角图像。因为这样的具有大直径和短焦距的高功率的目镜光学系统具有大的厚度并要求大量用于像差校正的透镜，因此图像显示装置要承受其尺寸和重量上的增加。
PTL 1公开能够不使用目镜光学系统而显示虚拟图像的图像显示装置。
[引用列表]
[专利文献]
[PTL 1]日本专利公开No.2007-3984
技术实现要素：
[技术问题]
在PTL 1中公开的配置不能在期望的位置处显示虚拟图像。另外，利用专利文档1的配置，不能获得虚拟图像的期望的分辨率，使得虚拟图像看起来劣化了，并且取决于观看者的眼睛的位置而观察到重像。因此，专利文档1的配置不能适当地显示虚拟图像。
本发明提供能够不使用目镜光学系统而适当地显示虚拟图像的小的图像显示装置和小的图像显示系统。
[技术方案]
作为本发明的一个方面的一种图像显示装置包括图像调制单元以及透镜单元，图像调制单元包括多个像素并能够独立地调制从像素发射的多个光束，透镜单元被配置成将从像素发射的光束转换成在观看者的瞳孔中的点处彼此相交的多个准直光束，图像调制单元被配置成调制光束使得准直光束与从被设置在虚拟图像平面上的虚拟像素入射在瞳孔中的点上的光束一致。
作为本发明的另一个方面的一种图像显示系统包括图像显示装置，以及被配置成向图像显示装置供应图像信息的图像信息供应装置。
本发明的进一步的特征和方面将通过参照附图对示例性实施例的以下描述而变得清晰。
[有益效果]
本发明提供能够不使用目镜光学系统而适当地显示虚拟图像的小的图像显示装置和小的图像显示系统。
附图说明
图1是根据本方面的第一实施例的不使用目镜光学系统而允许观察虚拟图像的图像显示装置的说明图。
图2是在第一实施例中的模拟光束的说明图。
图3是在第一实施例中从虚拟图像发射的实际光束的说明图。
图4是列出在第一实施例中模拟光束的通过点的表。
图5是在第一实施例中准直光束的相交点平面A与虚拟图像平面B不一致的情况的说明图。
图6是在第一实施例中虚拟图像的像素间距Δi与准直光束的相交点间隔Δc不一致的情况的说明图。
图7是在第一实施例中像素间距Δd与光束聚焦点间距Δp的关系图。
图8是在第一实施例中像素间距Δd与光束聚焦点间距Δp的关系图。
图9是在第一实施例中相交点平面A的位置与虚拟图像的像素间距Δi的关系图。
图10是在本发明的第二实施例中由于主瓣而正常观察虚拟图像的说明图。
图11是在第二实施例中由于旁瓣而产生重像的说明图。
图12是在第二实施例中的图像显示装置的配置图。
图13是在第二实施例中的图像显示装置的配置图。
图14是在本发明的第三实施例中微透镜阵列的光学像差的影响的说明图。
图15是在第三实施例中使用有效的瞳孔区域的波束确定方法的说明图。
图16是在第三实施例中的坐标转换表。
图17是在第三实施例中的示例性光斑图。
图18是在本发明的第四实施例中虚拟图像具有高的图像高度的情况的说明图。
图19是在第四实施例中虚拟图像具有高的图像高度的情况的说明图。
图20是在第四实施例中的图像显示装置的说明图。
图21是在第四实施例中的波束有效条件的说明图。
图22是在第四实施例中的异常观察的说明图。
图23是在第四实施例中的正常观察的说明图。
图24是在本发明的第五实施例中的图像显示装置的配置图。
图25是在第五实施例中的图像显示装置的配置图。
具体实施方式
以下将参照附图描述本发明的示例性实施例。
[第一实施例]
首先，将参照图1描述能够不使用目镜光学系统而显示虚拟图像的图像显示装置的机制。图1是图像显示装置的说明图。
在图1中，附图标号1指示显示器(二维图像显示元件)。显示器1包括多个像素，并且是能够独立调制从像素发射的光束的图像调制元件(图像调制单元)。显示器1可以是诸如液晶显示器和有机EL显示器的发光显示单元。附图标号2指示微透镜阵列(MLA)。MLA2是将从显示器1的像素发射的多个光束(所有光束中的至少部分)转换成在观看者的瞳孔中的点(光束聚焦点)处彼此相交的多个准直光束(平行的光束或者单向的光束)的透镜单元。附图标号3指示观看者的眼睛(瞳孔)。显示器1被放置在以焦距fm离开MLA 2的元件透镜的位置处。MLA 2将从在显示器1上的像素发射的光束转换成准直光束，并且从MLA 2的单个的元件透镜发射准直光束。在图中，除非另外被声明，“光线”表示每个光束的光轴。本实施例可以提供包括图像显示装置(显示器1和MLA 2)以及被配置成向图像显示装置供应图像信息的图像信息供应装置14(计算机)的图像显示系统。
显示器1的每3个像素对应MLA 2的一个元件透镜。来自显示器1的每个像素的光束在三个预定的方向被发射。例如，显示器1的3个像素1-2-a、1-2-b以及1-2-c对应MLA 2的元件透镜2-2。来自像素1-2-a、1-2-b以及1-2-c的光束被调整(设计)成在观看者的眼睛3(瞳孔)中的各自的点(光束聚焦点)3-a、3-b以及3-c上入射。这个关系对所有其它的元件透镜也成立。例如，3个像素1-3-a、1-3-b以及1-3-c对应元件透镜2-3。来自像素1-3-a、1-3-b以及1-3-c的光束被调整(设计)成在观看者的眼睛3(瞳孔)中的各自的点3-a、3-b以及3-c上入射。
接下来，将描述在图1中被例示的用于不使用目镜光学系统而显示虚拟图像的图像显示装置的机制。将描述显示例如在图1中的虚拟图像4的方法。虚拟图像4(虚拟光源阵列)由像素(虚拟像素)4-1、4-2、4-3以及4-4形成。对于观看者识别例如像素4-1，模拟从像素4-1发射的图像显示光的光束(模拟光束)需要入射在观看者的瞳孔上。在图1中，这个模拟光束对应于从像素1-1-a、1-2-b以及1-3-c发射、经过元件透镜2-1、2-2以及2-3被转换为准直光束，并通过在眼睛3(瞳孔)中的各自的点3-a、3-b以及3-c的三个光束。
图2是模拟光束的说明图，例示来自虚拟图像4的像素4-1的3个模拟光束入射在眼睛3(瞳孔)中的点3-a、3-b以及3-c上。图3是从虚拟图像4发射的实际光束的说明图，例示当虚拟图像4的像素4-1实际发射图像显示光时图像显示光束入射在观看者的眼睛3(瞳孔)上。
如从图2和图3理解的那样，模拟光束和实际光束就光束的方向性而言是类似的。因此，在图2和图3中的光束都被观看者识别为从像素4-1发射的光。在本实施例中，当显示器1的像素1-1-a、1-2-b以及1-3-c被设置成具有相同的光强度和颜色时，观看者将从这些像素发射的光束识别为从单个像素4-1发射的光束。类似地，当在每个像素的中心位置处相交的光束被设置为具有相同的光强度和颜色时，光束被观看者识别为在虚拟图像4上的像素4-2、4-3以及4-4。
图4是列出关于允许观看者识别虚拟图像4而要求模拟光束通过的点的条件的表。图4列出作为模拟光束通过的点的虚拟图像4上的像素4-1～4-4、显示器1上的像素1-1-a～1-6-c以及眼睛3(瞳孔)上的点a～c之间的关系。通过统一观察从MLA 2发射的并且入射在眼睛3(瞳孔)上的多个不同的点处的多个光束来模拟来自虚拟图像4上一个像素的光束(获得模拟光束)。为了获得这样的模拟光束，显示器1的像素1-1-a、1-1-b以及1-1-c需要显示针对在观看者的眼睛3(瞳孔)中的点3-a、3-b以及3-c的分别的视差图像。
图1是例示在水平截面中的光学布置的平面图。显示器1上的像素、MLA 2的元件透镜以及眼睛3(瞳孔)上的位置(光束通过点)被二维布置(按二维矩阵的形式被布置)。因此，相同的布置在垂直平面也成立，于是由按二维矩阵形式的像素形成的虚拟图像4可以被获得。
这样的配置允许观看者观看虚拟图像(在进一步远离眼睛的近调整点的位置处的虚拟图像)而不用目镜光学系统。这可以阻止诸如HMD的图像显示装置在尺寸和重量上的增加。“眼睛的近调整点”意指观看者经过调整眼睛可以清晰地看到对象的最近点，也被称为清晰视觉(distinct vision)的距离。根据文献(Takashi Utsumi,"Handbook of Ophthalmologic Examination Techniques",第三版,p.62,1999)，眼睛的近调整点在10岁时是7cm(14D)，在20岁时是10cm(10D)，以及在30岁时是14.3cm(7D)(D指表示屈光标度的屈光度)，随着年龄变化。在比例如6.7cm(15D)更短的距离处放置根据本实施例来执行虚拟图像显示的MLA 2(元件透镜)，阻止眼睛聚焦在MLA 2上，而有利于眼睛聚焦在显示的虚拟图像上。
图1例示多个准直光束的相交点的位置与期望的虚拟图像4上的像素的中心(例如，像素4-1的中心)的位置一致的情况。但是，准直光束的相交点的位置(包括准直光束的向中心行进方向的反向延长线彼此相交的相交点的多个平面中的一个平面的位置)不是必须与虚拟图像4上的像素的中心的位置一致。换句话说，如在图5中所示，准直光束的相交点的位置(相交点平面A)可以与期望的虚拟图像4上的像素的中心的位置(虚拟图像平面B)不一致。在图5中，从MLA 2的透镜主平面到虚拟图像平面B的距离zb比从MLA 2的透镜主平面到相交点平面A的距离za更长。在本说明书和附图中，所有的距离都按照“光学距离”。换句话说，距离都是经过“光学距离＝实际距离/光学折射率”转换的数值。在图5所例示的这样的情况下，因为模拟光束模拟从相交点平面A发射的光束，所以观看者不能识别例如像素4-1的信息。
在本实施例中，图像显示装置被配置使得距离za和zb彼此大体一致。用词“大体一致”不仅意指距离za和zb彼此精确地一致，而且意指距离za和zb彼此基本一致。稍后将描述“大体一致”的具体范围。
当相交点平面A与虚拟图像平面B大体彼此一致，但是虚拟图像4的像素间距Δi不等于(不大体一致于)多个准直光束的相交点的间隔Δc时，不能观察到具有期望的分辨率的虚拟图像。例如，对如图6中所例示的虚拟图像4的像素间距Δi小于准直光束的相交点的间隔Δc的一半的情况做出描述。在这个情况下，在图6中所示的虚拟图像4的像素4-1～4-7中被观看者识别的像素仅有像素4-1、4-3、4-5以及4-7的四个点，虚拟图像具有小于利用虚拟图像4的所有像素可获得的分辨率的一半的劣化的分辨率。当虚拟图像4的像素间距Δi和准直光束的相交点的间隔Δc的比率不是整数时，以间隔Δc从具有像素间距Δi的像素中采样产生波状周期性的图像劣化噪声，造成更显著的图像劣化。
在本实施例中，虚拟图像4的像素间距Δi和准直光束的相交点的间隔Δc被设置为彼此相等(彼此大体一致)，或者比率Δi/Δc或Δi/Δc被设置为整数。稍后将描述具体的方法。虚拟图像4的像素间距Δi和准直光束的相交点的间隔Δc的设置优化预先准备的虚拟图像4的分辨率，并因此可以最小化可以由观看者观察的虚拟图像4的分辨率的恶化。
为了实现具有在图1中例示的光学性质的图像显示装置，需要在显示器1、MLA 2以及眼睛3(瞳孔)的各种各样的光学参数之间保持一定的关系。如上所述，期望基于光学参数先获得虚拟图像4的位置和分辨率以优化位置和分辨率。在本实施例中，这些关系是先被获得的，使得图像显示装置在有效的条件下被配置。
各种各样的光学参数包括：ze，表示MLA 2的透镜主平面与眼睛3(瞳孔)的光束聚焦点(点3-a～3-c)之间的距离；zm，表示MLA2的透镜主平面与显示器1上的像素之间的光学距离；za，表示MLA2的透镜主平面与准直光束(三条直线)的相交点(相交点平面A)之间的距离；Δp，表示在眼睛3(瞳孔)中相邻的光束聚焦点(点3-a～3-c)之间的距离(光束聚焦点间距)；Δl，表示MLA 2的元件透镜之间的间距(透镜间距)；以及Δd，表示显示器1的像素间距。
根据在图7中用粗线例示的两个三角形的相似性，优选地在显示器1的像素间距Δd与眼睛3(瞳孔)中相邻的光束聚焦点之间的距离(光束聚焦点间距Δp)之间保持由以下的式子(1)表示的关系。
另外，根据在图8中用粗线例示的两个三角形的相似性，优选地在MLA 2的透镜间距Δl与显示器1的像素间距Δd之间保持由以下的式子(2)表示的关系。
在式子(2)中，N表示在眼睛3(瞳孔)中形成的光束聚焦点的数量。这意指显示器1的N个像素对应于MLA 2的一个元件透镜。
式子(1)和(2)允许特定的设计。例如，因为通常的目镜光学系统要求大约20mm的眼距(eye relief)，因此ze被设置为20mm。人具有大约3～7mm的瞳孔直径。因此，为了允许观看者持续地和同时地观察多个模拟光束，优选设置光束聚焦点间距Δp为1mm，以及光束聚焦点的数量N为3。在式子(1)和(2)中代入这些数值，获得以下的式子(3)和(4)。
zm＝20Δd…(3)
从式子(3)和(4)推导出，当显示器1的像素间距Δd被设置为10μm时，zm和Δl需要被分别设置为200μm和2.98mm。
接下来，虚拟图像4的位置和分辨率的关系表达式被推导出。如上所述，虚拟图像4的位置(虚拟图像平面B)需要大体上与准直光束的相交点平面A一致。因此，需要利用其它光学参数来参数化相交点平面A的位置。
图9是光束的相交点平面A的位置与虚拟图像4的像素间距Δi的关系图。为了详细例示在相交点平面A上的多个光束，在图9中忽略各种各样的其它分量，只例示代表光束的光轴的光束。如图9中用粗线所例示的，光束在连接光束聚焦点和MLA 2的元件透镜的中心的直线的延长线上彼此相交。如从图9所理解的，通常来说，光束聚焦点平面C和MLA主平面D是彼此平行的。因此，相交点平面A平行于光束聚焦点平面C和MLA主平面D。因为光束聚焦点和MLA 2的元件透镜的中心被分离地定位，因此相交点平面A也被分离地定位。形成相交点的两个光束在光束聚焦点平面C上以间隔mΔl彼此分开，并且在MLA主平面D上以间隔nΔp彼此分开，其中m和n是自然数，因此相交点平面A被自然数m和n的组合唯一地确定。然后，从MLA主平面D到相交点平面A的距离za由以下的式子(5)表示。
在相交点平面A上的光束的相交点的间隔Δc由以下的使用自然数m和n以及自然数m和n的最大公因数μ的式子(6)表示。
在式子(6)中的最大公因数μ表明相交点平面A针对例如(m,n)＝(2,1)以及(m,n)＝(4,2)是相同的，光束的相交点的间隔Δc也是相同的。
接下来，将描述相交点平面A和虚拟图像平面B需要多么彼此一致以获得有效的结果，即，上述的“大体上一致”的程度。在图5中例示的在相交点平面A上的光束的相交点的间隔Δc由式子(6)给出。另一方面，可以通过归纳在图7中用粗线例示的三角形的关系而获得在期望的虚拟图像平面B上的虚拟图像4的像素间距Δi以包括虚拟图像平面B。因此，虚拟图像4的像素间距Δi由以下的式子(7)给出。
当相交点平面A与虚拟图像平面B在深度方向彼此偏移，作为光束的相交点的间隔Δc与从观看者观看的虚拟图像4的像素间距Δi之间的偏移(间距偏移)的偏移出现。当对于虚拟图像4的每个像素的间距偏移小于一个像素时，不打乱图像的构建。因此，要求的条件是使得在图像的最外面的部分处，光束的相交点的间隔Δc与虚拟图像4的像素间距Δi之间的偏移(间距偏移)的累积值小于一个像素。通常以二维像素矩阵的方式表达被显示为虚拟图像的图像。因此，当N表示在矩阵的纵向和横向方向中的像素的数量中的更大的一个时，以下的条件式(8)被推导出。
N·|Δi-Δc|＜Δi…(8)
将式子(6)和(7)代入条件式(8)并对zb重写，生成以下的条件式(9)
式子(9)是表明相交点平面A和虚拟图像平面B需要多么彼此一致，即表明“大体上一致”的程度的条件表达式。
如上所述，在本实施例中，图像显示装置被设计使得虚拟图像平面B的位置(距离zb)与利用式子(5)计算的光束的相交点平面A的位置(距离za)大体上一致。在这样的设计中，如上所述，模拟光束被MLA 2转换为准直光束，并入射在观看者的眼睛3(瞳孔)上。光束被优选地调整为在虚拟图像平面B的位置(距离zb)处具有最小直径，这在模拟从该位置发射的光时有用。因此，MLA主平面和显示器之间的距离zm以及MLA 2的元件透镜的焦距fm被优选地设计以满足以下的式子(10)。
通过先设置图像的分辨率(光束的相交点的间隔Δc)以便于满足式子(6)，可以减少要被显示为虚拟图像4的图像的劣化。在本实施例中，最期望的是虚拟图像4的像素间距Δi和光束的相交点的间隔Δc彼此相等，但是本发明不限于此。例如，可以通过设置Δi/Δc或Δi/Δc的比率为整数来减少在图像采样时产生的周期性的图像质量劣化噪声。
[第二实施例]
接下来，将描述根据本发明的第二实施例的图像显示装置。本实施例例示阻止观看依据观看者的眼睛的位置产生的重像的示例性配置。首先将描述产生重像的缘由。第一实施例描述了3个光束聚焦点(点3-a、3-b以及3-c)由在显示器1上的N个像素和MLA 2的一个对应的元件透镜形成的情况。但是，任何包括MLA 2的光学系统具有“产生旁瓣”的问题。旁瓣是来自特定的像素的光的一部分，该光不仅入射在目标元件透镜上还入射在多个元件透镜上并具有在除了期望的方向之外的方向性。主瓣是来自该特定的像素的仅入射在目标元件透镜上并具有在期望的方向的方向性的光的一部分。
图10是正常观察由于主瓣而得到的虚拟图像的说明图。如在图10中用粗线所例示的，来自像素1-1-a、1-2-a、1-3-a以及1-4-a的光束分别入射在MLA 2的元件透镜2-1、2-2、2-3以及2-4上，并具有向着光束聚焦点3-a的方向性。但是，当来自每个像素的光束被入射在除了对应的元件透镜以外的元件透镜上时，旁瓣被产生。
图11是由于旁瓣而产生重像的说明图。如在图11中利用粗虚线所例示的，来自像素1-1-a、1-2-a、1-3-a以及1-4-a的光束分别入射在位于图10中所例示的情况中元件透镜以下的MLA 2的元件透镜2-2、2-3、2-4以及2-5上，并具有向着光束聚焦点3-d的方向性。当观看者将瞳孔放在光束聚焦点3-d处时，可以经过在光束聚焦点3-d上的光束聚焦来观察虚拟图像。但是，虚拟图像是作为应该在光束聚焦点3-a处被观察到而不应当在光束聚焦点3-d处被观察到的视差图像。另外，如在图11中所例示的，观察虚拟图像的方向在图中从虚拟图像4应当被显示的位置处被向上偏移地显示。当来自每个像素的光束是扩散的时，可以同时产生在图10中例示的情况和在图11中例示的情况。这显示由于旁瓣被叠加在因主瓣而导致的正常虚拟图像上所得到的异常虚拟图像。例如，当观看者的瞳孔是在上面包括有图11中的三个光束聚焦点3-b、3-c以及3-d的地方时，观看者识别具有正常虚拟图像和异常虚拟图像的重像。
在本实施例中的图像显示装置被配置使得旁瓣的产生被阻止和减少，如在图12或图13中所例示的。图12是在本实施例中的图像显示装置的配置图，例示用于减少旁瓣的产生的MLA 2的示例性配置。遮挡光的分隔件2a(遮光构件)被设置在MLA 2的每个元件透镜的边界处。这个配置可以通过例如制造其侧表面被涂敷遮光涂料的每个元件透镜、然后在MLA 2中布置元件透镜以使元件透镜被接合到一起的方法来实现。
使用具有传统配置的MLA 2来减少旁瓣的示例性配置被例示在图13中。当从观看者观看时，MLA 2被相反地放置，分隔组件5(遮光构件)被插入在MLA 2和显示器1之间。分隔组件5的黑色部分表示遮光构件，而分隔组件5的白色部分表示透明构件或者空气。被相反地放置的MLA 2在与图12中例示的情况下的大体上相同的位置处具有光学主平面，并具有相同的光学功能性。但是，因为MLA分开地具有遮光功能性和透镜功能性，对在图13中例示的配置供应组件比对在图12中例示的配置供应组件更容易。例如，可以通过用于在厚金属上提供精细图案的金属掩膜技术，以及通过激光束扫描来从光固化树脂精确地成形三维对象的光成形技术来制造分隔组件5。因为在第一实施例中的MLA 2可以被使用，因此在图13中的配置更容易实现。
[第三实施例]
接下来，将描述根据本发明的第三实施例的图像显示装置。本实施例例示阻止由于MLA 2的像差引起的虚拟图像的位置偏移的示例性配置。首先，将描述产生偏移的情况。
第一和第二实施例均基于初级光束的几何关系获得在显示器1上的像素和在虚拟图像4上的像素之间的对应关系，而没有将MLA 2的光学像差考虑进来。但是，实际上，MLA 2的光学像差可以具有使得在虚拟图像4的成像位置中产生偏移的影响。
图14是MLA 2的光学像差的影响的说明图。描述将聚焦在显示器1上的像素1-3-b和1-3-c以及MLA 2的元件透镜2-3上。从像素1-3-b发射的分散光被元件透镜2-3转换成波束6-3-b。在元件透镜2-3的光轴附近的像素1-3-b不太可能产生像差。因此，波束6-3-b是如几何上设计的大体上的平行光，并通过观看者的眼睛3(瞳孔)中的光束聚焦点3-b。在这个情况下，观看者观察到犹如在由图14中的短虚线表示的方向(向着在虚拟平面4上的像素4-3的方向)被发射的平行光。
在另一方面，从像素1-3-c发射的分散光被元件透镜2-3转换成波束6-3-c。远离元件透镜2-3的光轴的像素1-3-b可能产生像差。因此，波束6-3-c可以成为会聚光或者分散光，或者该波束可以在观看者的眼睛3(瞳孔)的偏离如几何上设计的光束聚焦点3-b的位置处具有中心位置。在这个情况下，观看者观察到犹如在由图14中的点划线表示的方向被发射的波束(平行光)，而没有如原本设计的那样观察到犹如在由图14中的长虚线表示的方向(向着在虚拟平面4上的像素4-1的方向)被发射的波束。因此，在图14中的虚拟图像4上，被观看者观察的方向和被设计的方向之间产生了差别ε。
当存在由于像差引起的这样的影响，图像经过与在第一和第二实施例中相同的图像数据产生而被显示在显示器1上时，虚拟图像4不被成像在期望的方向和位置处，并且可能产生场弯曲、失真和模糊。
为了解决这个问题，在本实施例中，由把MLA 2的光学像差考虑进来的严谨的光束追踪来计算显示器1上的像素和虚拟图像4上的像素之间的对应关系。
图15是使用有效瞳孔区域的波束确定方法的说明图。在图15中，平面D是显示器1的像素表面，亮度设置在像素表面上的点(x，y)处。从点(x，y)发射的光可以入射在MLA 2的多个元件透镜上，但是在该描述中被假定在中心坐标(xm,ym)处通过元件透镜。从元件透镜发射的光被形成在波束中并且入射到在观看者的瞳孔的位置处的平面P上。在平面P上的波束的中心的坐标被指示为(xp,yp)。基于波束的中心坐标(xp,yp)来确定波束在产生虚拟图像时是否有效。这样的确定由图像显示装置的控制单元(未示出)来执行。在本实施例中，设置期望在其处放置观看者的瞳孔的平面P，有效瞳孔区域被定义为具有距平面P上的瞳孔中心一定半径的区域。换句话说，有效瞳孔区域被定义为以与观看者的瞳孔的表面相同的表面上的瞳孔中心为中心的圆的内部的区域。因此，基于波束的中心坐标(xp,yp)是否在有效瞳孔区域中来执行波束的确定(确定是有效还是无效)。
例如，当由以下的式子(11)表示的条件被满足时(其中有效瞳孔区域的半径是被R表示，并且瞳孔的中心被假定是被放置在平面P中的点(0，0)处)，波束被确定是有效的。
xp2+yp2＜R2…(11)
在平面D上的点(x，y)和元件透镜的中心坐标(xm，ym)之间的对应关系不限于特定的关系。因此，针对多个元件透镜的每个的中心坐标(xm，ym)优选地执行波束的确定。
当波束在确定中被确定为有效时，波束的光束轨迹被回溯追踪至虚拟图像平面(平面I)以计算在平面I上的波束的中心的坐标(x’，y’)。以这种方式，基于严谨的光束追踪可以准确地获取在像素(x，y)和虚拟图像点(x’，y’)之间的对应关系。这个关系的数据可以被储存为，例如，如图16中所例示的对应表，并被使用作为用于产生虚拟图像的坐标转换表。
例如，当具有图像亮度分布I’(x’，y’)的图像将作为虚拟图像4被显示时，基于在图16中所例示的坐标转换表执行从(x’，y’)到((x，y)的转换。这允许在显示器1上的图像亮度分布I(x，y)被获取，以及在被显示在显示器1上时，期望的虚拟图像被观察。但是，如上所示，实际上，对于一个点(x，y)，多个元件透镜通过波束可以被确定是有效的。因此，选择规则被优选地设置以实现一对一的坐标关系。例如，当对于一个点(x，y)，多个元件透镜通过波束可以被确定是有效时，一个规则可以是使得波束中的在平面P上的中心坐标(xp，yp)最接近瞳孔坐标中心(0，0)的一个波束被选取。这样的规则允许从(x’，y’)到(x，y)的转换被唯一地确定。
如上所述，当虚拟图像被实际显示时，执行从(x’，y’)到(x，y)的转换。但是，上述的光束追踪方法涉及以与相反的顺序从(x，y)到(x’，y’)的数据获取，这使得生成转换表困难。为了解决这个困难，通过按照从(x’，y’)到(x，y)顺序的光束追踪的数据获取是有效的。以这个方法，光束追踪在虚拟图像上的像素(x’，y’)处开始。首先，在图15中例示的控制单元15确定连接像素(x’，y’)和元件透镜的中心坐标(xm，ym)的直线是否通过有效瞳孔区域。对于多个元件透镜执行该确定。只有当确定直线通过有效瞳孔区域时，控制单元15执行这样的反向光束追踪：波束往回行进以入射在元件透镜2并在显示器1上被成像。换句话说，控制单元15只对通过在虚拟图像4、MLA 2以及有效瞳孔区域上的像素的光束(虚拟光源阵列的光源)执行这样的反向光束追踪。然后，控制单元15提供用于向被放置在光束和显示器1的相交点的位置处的像素发射光的亮度。在显示器1的平面D上的成像位置(x，y)被获取作为对应于虚拟图像上的像素(x’，y’)的坐标，并且(x’，y’)到(x，y)的坐标转换表(数据转换表)可以被容易地获得。反向光束追踪的该结果可以先被储存作为在储存单元16中的数据转换表中。然后，控制单元15在使得显示器1调制多个光束时参考数据转换表。
当计算波束的中心坐标(xp，yp)和虚拟图像上的像素(x’，y’)时，优选地使用从光束追踪工具输出的波束光斑的"重心"位置作为波束中心。图17是示例性的光斑图，以及是波束光斑的重心的说明图。波束光斑是经过通过分割波束的光瞳获得的被分割的光瞳的中心的光束的在图像平面上的到达点的图。重心被定义为用于在这些到达点被假定具有相等的权重时用于实现在平面P上的平衡支撑的点。重心本质上具有利用波束的密度分布的相关性，并可能在具有高光束密度的高区域中存在。因此，重心是在最高波束强度被观看者观察到的点，可以被视为波束的有效中心。
[第四实施例]
接下来，将描述根据本发明的第四实施例的图像显示装置。本实施例例示用于解决虚拟图像的图像高度足够高而覆盖虚拟图像的外围部分并阻止对其的观察的问题的示例性配置。
首先，将参照图18和图19描述该问题。图18和图19均是在虚拟图像的图像高度较高时的说明图，并且均例示如在第三实施例中那样在平面P上设置在其处放置观看者的瞳孔的有效的瞳孔区域以及通过使用通过有效瞳孔区域的波束来产生虚拟图像的方法。图18例示从在对应于极高视角的位置处的元件透镜发射的光被入射在有效的瞳孔区域的情况。当观看者观看虚拟图像的中心部分，观看者的瞳孔与有效瞳孔区域彼此大体上一致。因此，由观看者观察的虚拟图像没有产生光晕，使得整个虚拟图像可以被观察到。
另一方面，当如图19所例示的那样，观看者的眼睛3(眼球)转动以观察虚拟图像的外围部分时，观看者的瞳孔移动到与有效瞳孔区域(平面P)的位置不同的位置。因此，图像显示光没有入射在瞳孔上，以及在被观看者观察的虚拟图像中产生光晕。在本实施例中，如图20中所例示的，“有效瞳孔区域”被定义为不是在平面P上的圆内部，而是在以观看者的眼睛3(眼球)为中心的三维球体内部。换句话说，有效瞳孔区域被设置为在以观看者眼球的旋转中心为中心的球体的内部的区域。
在这样的配置中，根据本实施例的控制单元执行有效波束的确定和从(x'，y')到(x，y)的坐标转换。换句话说，控制单元基于从中心坐标(xm，ym)处的元件透镜发射的波束是否通过有效瞳孔区域来执行光束有效性的确定。例如，当有效瞳孔区域的半径是被R表示，以及瞳孔的中心被假定是被放置在平面P中的点(0，0)处时，在波束和有效瞳孔区域之间的关系是在图21中被例示的关系。在图21中，粗线的箭头表示从元件透镜发射的光束的发射方向。在图21中，A表示眼球的中心和元件透镜的中心之间的距离；θ表示从元件透镜发射的光束与元件透镜的光轴之间的角度；以及α表示连接眼球的中心和元件透镜的中心坐标的直线与z轴(通过MLA 2的中心并垂直于MLA2的轴)之间的角度。波束通过有效瞳孔区域的条件由以下的式子(12)表示。
A2 sin2(α-θ)＜R2
其中
因此，当在从元件透镜发射的光束和元件透镜的光轴之间的角度θ满足由式子(12)表示的条件时，波束被确定是有效的。在平面D上的点(x，y)和元件透镜的中心坐标(xm，ym)之间的对应关系不限于特定的关系。因此，针对多个元件透镜的每个的中心坐标(xm，ym)优选地执行有效性确定。无论平面P怎样，这个方法可以基于观看者的瞳孔指向的方向确定入射在瞳孔上的波束是否是有效的。这允许观看者观察其中没有光晕存在的虚拟图像的外围部分。
但是，通过这个方法，虚拟图像的中心部分和外围部分不可以被同时地观察。图22和图23分别是在异常观察和正常观察中的说明图。图22例示在与图20中发射用于产生虚拟图像的波束的相同的形势下观看者的眼球指向虚拟图像的中心的方向。在这个形势下，没有用于产生虚拟图像的外围部分的波束被入射在观看者的瞳孔上。但是，如在图23中例示的那样，对于从在MLA 2的中心部分中的元件透镜发射的波束，通过瞳孔和眼球的中心部分两者的波束通过上述的有效性确定算法被确定是有效的。因此，当观看者的眼球指向虚拟图像的中心部分的方向时，虚拟图像的中心部分可以毫无问题的被观察到。换句话说，根据本实施例的方法允许对在眼球指向的方向的中心视场中的虚拟图像的持续的观察，但是在观察外围视场中的虚拟图像方面存在困难。
[第五实施例]
接下来，将描述根据本发明的第五实施例的图像显示装置。根据第四实施例，虚拟图像可以在眼球指向的方向的中心视场中被观察到，但是不可以在外围视场中被观察到。为了解决这个问题，根据本实施例的图像显示装置包括检测眼球旋转的机构(检测单元)以及依据由检测机构检测的值产生显示图像的图像处理单元(图像处理单元)。利用在例如Kenji SUZUKI的"Development of Sight Line Input Method by Auto-focus Camera",Optics,Vol.23,pp.25and 26(1994)中公开的技术实现检测眼球旋转的机构。
图24是在本实施例中的图像显示装置的配置图。在图24中，附图标记7指示对观看者的眼睛3(眼球)进行照明的照明单元。照明单元7通常包括用于照明的红外LED。附图标记8指示在由照明单元7照明的眼睛3(眼球)表面上拾取亮度分布图像的图像拾取单元。由图像拾取单元拾取的亮度分布数据被发送到图像处理单元9。图像处理单元9包括检测单元91、图像处理单元92以及设置单元93。检测单元91通过图像分析来检测(计算)观看者的瞳孔的位置。图像处理单元92基于瞳孔的位置产生图像数据。更具体地，设置单元93依据检测到的瞳孔的位置来设置有效瞳孔区域(以使有效瞳孔区域与瞳孔的位置大体上一致)。然后，图像处理单元92基于有效瞳孔区域的位置来调整光的亮度分布。
以这种方式，使用如在第三实施例中描述的算法，图像处理单元9计算用于产生有效波束的像素(x，y)和虚拟图像点(x’，y’)的组合。图像处理单元9也基于像素(x，y)和虚拟图像点(x’，y’)之间的关系实时地产生将被显示在显示器1上的图像(图像数据)，并向图像输出部10(图像输出单元)发送图像数据。图像输出部10基于图像数据在显示器1上显示期望的图像。
图24例示在观看者的眼睛3(眼球)指向MLA 2的中心部分的情况下瞳孔和有效波束之间的关系。在这个情况下，眼睛3接收针对由观看者通过中心视觉观察的虚拟图像的中心部分以及通过外围视觉观察的虚拟图像的高视角部分的图像产生波束。因此，观看者可以观察没有光晕的整个虚拟图像。另一方面，图25例示在观看者的眼球指向MLA 2的外围部分的情况下瞳孔和有效波束之间的关系。在这个情况下，眼睛3接收针对由观看者通过中心视觉观察的虚拟图像的高视角部分以及通过外围视觉观察的虚拟图像的中心部分的图像产生波束。因此，观看者可以观察没有光晕的整个虚拟图像。以这种方式，本实施例使能依据观看者的眼球旋转的恰当的图像显示。这允许观察没有光晕的整个虚拟图像。
在实施例的每个中，图像调制单元(显示器1)调制多个光束使得多个准直光束与从被设置在虚拟图像平面上的虚拟像素(虚拟光源阵列)入射在瞳孔内部的点上的光束(模拟光束)一致。换句话说，虚拟光源阵列的位置与包括所述准直光束的向中心行进方向的反向延长线彼此相交处的相交点的多个平面中的一个平面一致。可替换地，准直光束的焦点位置与虚拟光源阵列的位置一致。用词“一致”的含义不仅包括“精确地一致”的情况，还包括“基本上一致(大体上一致)”的情况。更具体地，“大体上一致”的程度对应于式子(9)成立的范围。
透镜单元(MLA 2)优选地是包括准直光学系统的准直光学系统阵列。准直光学系统阵列被放置在比清晰视觉的距离更靠近观看者的瞳孔的位置处。虚拟光源阵列是被虚拟地放置在比清晰视觉的距离更远离观看者的瞳孔的位置处的光源阵列。准直光学系统阵列更优选地被放置在比屈光标度中15屈光度更靠近观看者的瞳孔的位置处。
根据实施例中的每个，可以预先地并准确地获得将被显示的虚拟图像的位置，以及可以基于位置的信息产生图像数据。这实现了高的操作效率，以及在观察到的虚拟图像中不产生瑕疵。可以预先地并准确地获得将被显示的虚拟图像的分辨率，并可以准备根据分辨率信息被优化的图像数据。这实现了高的操作效率，并可以减少观察到的虚拟图像的图像质量劣化。
另外，可以减少由于微透镜阵列的旁瓣引起的重像的产生。由于微透镜阵列的光学像差引起的虚拟图像的失真和成像偏移可以被补偿以实现最有利的成像状态。当虚拟图像的高视角部分被观察时，可以通过执行根据观看者的眼球的旋转的波束有效性确定来显示没有光束光晕的最有利的虚拟图像。通过检测观看者的眼球的旋转和基于检测结果产生图像数据，可以没有光束光晕地持续地观察整个虚拟图像，不论观看者的眼球指向的方向如何。实施例中的每个可以被有效地应用于允许观察虚拟图像的光学装置，特别是，应用于被安装在观看者的头部的图像显示装置，并被用来观察放大的虚拟图像。
实施例中的每个可以提供不使用目镜光学系统而能够适当地显示虚拟图像的小的图像显示装置和小的图像显示系统。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是应该理解本发明不限于公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包括所有这样的变更方式和相同的结构及功能。
[工业应用]
可以提供能够不使用目镜光学系统而适当地显示虚拟图像的小的图像显示装置和小的图像显示系统。
[附图标记列表]
1.显示器(图像调制单元)
2.MLA(透镜单元)
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种图像显示装置，其特征在于，包含：
图像调制单元，包括多个像素并能够独立调制从所述像素发射的多个光束；以及
透镜单元，被配置成将从所述像素发射的光束转换成在观看者的瞳孔中的点处彼此相交的多个准直光束，
其中所述图像调制单元调制光束使得所述准直光束与从被设置在虚拟图像平面上的虚拟像素入射在所述瞳孔中的所述点上的光束一致，以及
其中所述虚拟像素的位置与包括所述准直光束的向中心行进方向的反向延长线彼此相交处的相交点的多个平面中的一个平面的位置一致。
2.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中所述准直光束的焦点位置与所述虚拟像素的位置一致。
3.根据权利要求1或2所述的图像显示装置，其中：
所述瞳孔中的点是所述准直光束彼此相交处的多个光束聚焦点，以及
以下的式子成立：
其中，zb表示所述透镜单元的主平面和所述虚拟像素之间的光学距离；ze表示所述透镜单元的所述主平面和所述光束聚焦点之间的光学距离；Δc表示所述准直光束的反向延长线彼此相交处的多个相交点的间距；Δp表示彼此相邻的所述光束聚焦点之间的光学距离；以及N表示所述光束聚焦点的数量。
4.根据权利要求1、2和3中任何一项所述的图像显示装置，其中：
所述透镜单元是包括准直光学系统的准直光学系统阵列，
所述准直光学系统阵列被放置在比清晰视觉的距离更靠近所述观看者的瞳孔的位置处，以及
所述虚拟像素是被虚拟地放置在比清晰视觉的距离更远离所述观看者的瞳孔的位置处的光源阵列。
5.根据权利要求4所述的图像显示装置，其中所述准直光学系统阵列被放置在比屈光标度中的15屈光度更靠近所述观看者的瞳孔的位置处。
6.根据权利要求1～5中任何一项所述的图像显示装置，其中在所述虚拟像素中包括的多个光源的间距与所述准直光束的所述反向延长线的多个相交点的间距一致。
7.根据权利要求1～6中任何一项所述的图像显示装置，其中所述透镜单元包括遮光的遮光构件。
8.根据权利要求1～7中任何一项所述的图像显示装置，其中：
所述瞳孔中的点是所述准直光束彼此相交处的多个光束聚焦点，以及
以下的式子成立：
其中ze表示所述透镜单元的主平面和所述光束聚焦点之间的光学距离；zm表示所述透镜单元的所述主平面和所述图像调制单元之间的光学距离；Δp表示彼此相邻的所述光束聚焦点之间的光学距离；Δl表示所述透镜单元的透镜间距；Δd表示所述图像调制单元的像素间距；以及N表示所述光束聚焦点的数量。
9.根据权利要求8所述的图像显示装置，其中以下的式子成立：
其中za表示所述透镜单元的所述主平面与每个包括所述准直光束的所述反向延长线彼此相交处的多个相交点的多个平面中的一个平面之间的光学距离；以及m和n表示自然数。
10.根据权利要求8或9所述的图像显示装置，其中以下的式子成立：
其中Δc表示所述准直光束的所述反向延长线彼此相交处的多个相交点的间距；m和n表示自然数；以及μ表示自然数m和n的最大公因数。
11.根据权利要求1或2所述的图像显示装置，进一步包含：
虚拟像素的光源；
透镜单元；以及
控制单元，被配置成仅对通过观看者的有效瞳孔区域的光束执行反向光束追踪；
其中所述控制单元提供用于向被放置在所述光束和所述图像调制单元彼此相交的位置处的像素发射光的亮度。
12.根据权利要求11所述的图像显示装置，进一步包含储存单元，被配置成预先地将反向光束追踪的结果储存为数据转换表，其中所述控制单元在导致所述图像调制单元调制所述光束时参考所述数据转换表。
13.根据权利要求11或12所述的图像显示装置，其中所述有效瞳孔区域被设置为在以与所述观看者的所述瞳孔的表面相同的表面上的所述瞳孔的中心为中心的圆的内部的区域。
14.根据权利要求11或12所述的图像显示装置，其中所述有效瞳孔区域被设置为在以所述观看者的眼球的旋转中心为中心的球体的内部的区域。
15.根据权利要求1～14中任何一项所述的图像显示装置，进一步包含：
检测单元，被配置成检测所述观看者的所述瞳孔的位置；以及
图像处理单元，被配置成基于由所述检测单元检测到的所述瞳孔的位置来产生图像数据。
16.根据权利要求15所述的图像显示装置，进一步包含设置单元，被配置成依据由所述检测单元检测到的所述瞳孔的位置来设置有效瞳孔区域的位置，其中所述图像处理单元基于所述有效瞳孔区域的位置来调整光的亮度分布。
17.一种图像显示系统，其特征在于，包含：
根据权利要求1～16中任何一项所述的图像显示装置；以及
图像信息供应装置，被配置成向所述图像显示装置供应图像信息。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！