圖像顯示裝置和圖像顯示系統的制作方法
本發明涉及被安裝在例如觀看者的頭部的在靠近觀看者眼睛的位置處被使用的圖像顯示裝置。
背景技術：
傳統的裝置把被圖像顯示裝置上顯示的圖像投射作為經過目鏡光學系統的尺寸放大的虛擬圖像，使得該圖像可作為寬視角圖像來觀察。例如，被安裝在觀看者的頭上并允許觀察虛擬圖像的裝置被稱為頭戴式顯示器(HMD)，它作為能夠顯示寬視角圖像的小裝置非常普及。但是，通常來說，這樣的裝置需要目鏡光學系統以獲得高視角圖像。因為這樣的具有大直徑和短焦距的高功率的目鏡光學系統具有大的厚度并要求大量用于像差校正的透鏡，因此圖像顯示裝置要承受其尺寸和重量上的增加。
PTL 1公開能夠不使用目鏡光學系統而顯示虛擬圖像的圖像顯示裝置。
[引用列表]
[專利文獻]
[PTL 1]日本專利公開No.2007-3984
技術實現要素：
[技術問題]
在PTL 1中公開的配置不能在期望的位置處顯示虛擬圖像。另外，利用專利文檔1的配置，不能獲得虛擬圖像的期望的分辨率，使得虛擬圖像看起來劣化了，并且取決于觀看者的眼睛的位置而觀察到重像。因此，專利文檔1的配置不能適當地顯示虛擬圖像。
本發明提供能夠不使用目鏡光學系統而適當地顯示虛擬圖像的小的圖像顯示裝置和小的圖像顯示系統。
[技術方案]
作為本發明的一個方面的一種圖像顯示裝置包括圖像調制單元以及透鏡單元，圖像調制單元包括多個像素并能夠獨立地調制從像素發射的多個光束，透鏡單元被配置成將從像素發射的光束轉換成在觀看者的瞳孔中的點處彼此相交的多個準直光束，圖像調制單元被配置成調制光束使得準直光束與從被設置在虛擬圖像平面上的虛擬像素入射在瞳孔中的點上的光束一致。
作為本發明的另一個方面的一種圖像顯示系統包括圖像顯示裝置，以及被配置成向圖像顯示裝置供應圖像信息的圖像信息供應裝置。
本發明的進一步的特征和方面將通過參照附圖對示例性實施例的以下描述而變得清晰。
[有益效果]
本發明提供能夠不使用目鏡光學系統而適當地顯示虛擬圖像的小的圖像顯示裝置和小的圖像顯示系統。
附圖說明
圖1是根據本方面的第一實施例的不使用目鏡光學系統而允許觀察虛擬圖像的圖像顯示裝置的說明圖。
圖2是在第一實施例中的模擬光束的說明圖。
圖3是在第一實施例中從虛擬圖像發射的實際光束的說明圖。
圖4是列出在第一實施例中模擬光束的通過點的表。
圖5是在第一實施例中準直光束的相交點平面A與虛擬圖像平面B不一致的情況的說明圖。
圖6是在第一實施例中虛擬圖像的像素間距Δi與準直光束的相交點間隔Δc不一致的情況的說明圖。
圖7是在第一實施例中像素間距Δd與光束聚焦點間距Δp的關系圖。
圖8是在第一實施例中像素間距Δd與光束聚焦點間距Δp的關系圖。
圖9是在第一實施例中相交點平面A的位置與虛擬圖像的像素間距Δi的關系圖。
圖10是在本發明的第二實施例中由于主瓣而正常觀察虛擬圖像的說明圖。
圖11是在第二實施例中由于旁瓣而產生重像的說明圖。
圖12是在第二實施例中的圖像顯示裝置的配置圖。
圖13是在第二實施例中的圖像顯示裝置的配置圖。
圖14是在本發明的第三實施例中微透鏡陣列的光學像差的影響的說明圖。
圖15是在第三實施例中使用有效的瞳孔區域的波束確定方法的說明圖。
圖16是在第三實施例中的坐標轉換表。
圖17是在第三實施例中的示例性光斑圖。
圖18是在本發明的第四實施例中虛擬圖像具有高的圖像高度的情況的說明圖。
圖19是在第四實施例中虛擬圖像具有高的圖像高度的情況的說明圖。
圖20是在第四實施例中的圖像顯示裝置的說明圖。
圖21是在第四實施例中的波束有效條件的說明圖。
圖22是在第四實施例中的異常觀察的說明圖。
圖23是在第四實施例中的正常觀察的說明圖。
圖24是在本發明的第五實施例中的圖像顯示裝置的配置圖。
圖25是在第五實施例中的圖像顯示裝置的配置圖。
具體實施方式
以下將參照附圖描述本發明的示例性實施例。
[第一實施例]
首先，將參照圖1描述能夠不使用目鏡光學系統而顯示虛擬圖像的圖像顯示裝置的機制。圖1是圖像顯示裝置的說明圖。
在圖1中，附圖標號1指示顯示器(二維圖像顯示元件)。顯示器1包括多個像素，并且是能夠獨立調制從像素發射的光束的圖像調制元件(圖像調制單元)。顯示器1可以是諸如液晶顯示器和有機EL顯示器的發光顯示單元。附圖標號2指示微透鏡陣列(MLA)。MLA2是將從顯示器1的像素發射的多個光束(所有光束中的至少部分)轉換成在觀看者的瞳孔中的點(光束聚焦點)處彼此相交的多個準直光束(平行的光束或者單向的光束)的透鏡單元。附圖標號3指示觀看者的眼睛(瞳孔)。顯示器1被放置在以焦距fm離開MLA 2的元件透鏡的位置處。MLA 2將從在顯示器1上的像素發射的光束轉換成準直光束，并且從MLA 2的單個的元件透鏡發射準直光束。在圖中，除非另外被聲明，“光線”表示每個光束的光軸。本實施例可以提供包括圖像顯示裝置(顯示器1和MLA 2)以及被配置成向圖像顯示裝置供應圖像信息的圖像信息供應裝置14(計算機)的圖像顯示系統。
顯示器1的每3個像素對應MLA 2的一個元件透鏡。來自顯示器1的每個像素的光束在三個預定的方向被發射。例如，顯示器1的3個像素1-2-a、1-2-b以及1-2-c對應MLA 2的元件透鏡2-2。來自像素1-2-a、1-2-b以及1-2-c的光束被調整(設計)成在觀看者的眼睛3(瞳孔)中的各自的點(光束聚焦點)3-a、3-b以及3-c上入射。這個關系對所有其它的元件透鏡也成立。例如，3個像素1-3-a、1-3-b以及1-3-c對應元件透鏡2-3。來自像素1-3-a、1-3-b以及1-3-c的光束被調整(設計)成在觀看者的眼睛3(瞳孔)中的各自的點3-a、3-b以及3-c上入射。
接下來，將描述在圖1中被例示的用于不使用目鏡光學系統而顯示虛擬圖像的圖像顯示裝置的機制。將描述顯示例如在圖1中的虛擬圖像4的方法。虛擬圖像4(虛擬光源陣列)由像素(虛擬像素)4-1、4-2、4-3以及4-4形成。對于觀看者識別例如像素4-1，模擬從像素4-1發射的圖像顯示光的光束(模擬光束)需要入射在觀看者的瞳孔上。在圖1中，這個模擬光束對應于從像素1-1-a、1-2-b以及1-3-c發射、經過元件透鏡2-1、2-2以及2-3被轉換為準直光束，并通過在眼睛3(瞳孔)中的各自的點3-a、3-b以及3-c的三個光束。
圖2是模擬光束的說明圖，例示來自虛擬圖像4的像素4-1的3個模擬光束入射在眼睛3(瞳孔)中的點3-a、3-b以及3-c上。圖3是從虛擬圖像4發射的實際光束的說明圖，例示當虛擬圖像4的像素4-1實際發射圖像顯示光時圖像顯示光束入射在觀看者的眼睛3(瞳孔)上。
如從圖2和圖3理解的那樣，模擬光束和實際光束就光束的方向性而言是類似的。因此，在圖2和圖3中的光束都被觀看者識別為從像素4-1發射的光。在本實施例中，當顯示器1的像素1-1-a、1-2-b以及1-3-c被設置成具有相同的光強度和顏色時，觀看者將從這些像素發射的光束識別為從單個像素4-1發射的光束。類似地，當在每個像素的中心位置處相交的光束被設置為具有相同的光強度和顏色時，光束被觀看者識別為在虛擬圖像4上的像素4-2、4-3以及4-4。
圖4是列出關于允許觀看者識別虛擬圖像4而要求模擬光束通過的點的條件的表。圖4列出作為模擬光束通過的點的虛擬圖像4上的像素4-1～4-4、顯示器1上的像素1-1-a～1-6-c以及眼睛3(瞳孔)上的點a～c之間的關系。通過統一觀察從MLA 2發射的并且入射在眼睛3(瞳孔)上的多個不同的點處的多個光束來模擬來自虛擬圖像4上一個像素的光束(獲得模擬光束)。為了獲得這樣的模擬光束，顯示器1的像素1-1-a、1-1-b以及1-1-c需要顯示針對在觀看者的眼睛3(瞳孔)中的點3-a、3-b以及3-c的分別的視差圖像。
圖1是例示在水平截面中的光學布置的平面圖。顯示器1上的像素、MLA 2的元件透鏡以及眼睛3(瞳孔)上的位置(光束通過點)被二維布置(按二維矩陣的形式被布置)。因此，相同的布置在垂直平面也成立，于是由按二維矩陣形式的像素形成的虛擬圖像4可以被獲得。
這樣的配置允許觀看者觀看虛擬圖像(在進一步遠離眼睛的近調整點的位置處的虛擬圖像)而不用目鏡光學系統。這可以阻止諸如HMD的圖像顯示裝置在尺寸和重量上的增加。“眼睛的近調整點”意指觀看者經過調整眼睛可以清晰地看到對象的最近點，也被稱為清晰視覺(distinct vision)的距離。根據文獻(Takashi Utsumi,"Handbook of Ophthalmologic Examination Techniques",第三版,p.62,1999)，眼睛的近調整點在10歲時是7cm(14D)，在20歲時是10cm(10D)，以及在30歲時是14.3cm(7D)(D指表示屈光標度的屈光度)，隨著年齡變化。在比例如6.7cm(15D)更短的距離處放置根據本實施例來執行虛擬圖像顯示的MLA 2(元件透鏡)，阻止眼睛聚焦在MLA 2上，而有利于眼睛聚焦在顯示的虛擬圖像上。
圖1例示多個準直光束的相交點的位置與期望的虛擬圖像4上的像素的中心(例如，像素4-1的中心)的位置一致的情況。但是，準直光束的相交點的位置(包括準直光束的向中心行進方向的反向延長線彼此相交的相交點的多個平面中的一個平面的位置)不是必須與虛擬圖像4上的像素的中心的位置一致。換句話說，如在圖5中所示，準直光束的相交點的位置(相交點平面A)可以與期望的虛擬圖像4上的像素的中心的位置(虛擬圖像平面B)不一致。在圖5中，從MLA 2的透鏡主平面到虛擬圖像平面B的距離zb比從MLA 2的透鏡主平面到相交點平面A的距離za更長。在本說明書和附圖中，所有的距離都按照“光學距離”。換句話說，距離都是經過“光學距離＝實際距離/光學折射率”轉換的數值。在圖5所例示的這樣的情況下，因為模擬光束模擬從相交點平面A發射的光束，所以觀看者不能識別例如像素4-1的信息。
在本實施例中，圖像顯示裝置被配置使得距離za和zb彼此大體一致。用詞“大體一致”不僅意指距離za和zb彼此精確地一致，而且意指距離za和zb彼此基本一致。稍后將描述“大體一致”的具體范圍。
當相交點平面A與虛擬圖像平面B大體彼此一致，但是虛擬圖像4的像素間距Δi不等于(不大體一致于)多個準直光束的相交點的間隔Δc時，不能觀察到具有期望的分辨率的虛擬圖像。例如，對如圖6中所例示的虛擬圖像4的像素間距Δi小于準直光束的相交點的間隔Δc的一半的情況做出描述。在這個情況下，在圖6中所示的虛擬圖像4的像素4-1～4-7中被觀看者識別的像素僅有像素4-1、4-3、4-5以及4-7的四個點，虛擬圖像具有小于利用虛擬圖像4的所有像素可獲得的分辨率的一半的劣化的分辨率。當虛擬圖像4的像素間距Δi和準直光束的相交點的間隔Δc的比率不是整數時，以間隔Δc從具有像素間距Δi的像素中采樣產生波狀周期性的圖像劣化噪聲，造成更顯著的圖像劣化。
在本實施例中，虛擬圖像4的像素間距Δi和準直光束的相交點的間隔Δc被設置為彼此相等(彼此大體一致)，或者比率Δi/Δc或Δi/Δc被設置為整數。稍后將描述具體的方法。虛擬圖像4的像素間距Δi和準直光束的相交點的間隔Δc的設置優化預先準備的虛擬圖像4的分辨率，并因此可以最小化可以由觀看者觀察的虛擬圖像4的分辨率的惡化。
為了實現具有在圖1中例示的光學性質的圖像顯示裝置，需要在顯示器1、MLA 2以及眼睛3(瞳孔)的各種各樣的光學參數之間保持一定的關系。如上所述，期望基于光學參數先獲得虛擬圖像4的位置和分辨率以優化位置和分辨率。在本實施例中，這些關系是先被獲得的，使得圖像顯示裝置在有效的條件下被配置。
各種各樣的光學參數包括：ze，表示MLA 2的透鏡主平面與眼睛3(瞳孔)的光束聚焦點(點3-a～3-c)之間的距離；zm，表示MLA2的透鏡主平面與顯示器1上的像素之間的光學距離；za，表示MLA2的透鏡主平面與準直光束(三條直線)的相交點(相交點平面A)之間的距離；Δp，表示在眼睛3(瞳孔)中相鄰的光束聚焦點(點3-a～3-c)之間的距離(光束聚焦點間距)；Δl，表示MLA 2的元件透鏡之間的間距(透鏡間距)；以及Δd，表示顯示器1的像素間距。
根據在圖7中用粗線例示的兩個三角形的相似性，優選地在顯示器1的像素間距Δd與眼睛3(瞳孔)中相鄰的光束聚焦點之間的距離(光束聚焦點間距Δp)之間保持由以下的式子(1)表示的關系。
另外，根據在圖8中用粗線例示的兩個三角形的相似性，優選地在MLA 2的透鏡間距Δl與顯示器1的像素間距Δd之間保持由以下的式子(2)表示的關系。
在式子(2)中，N表示在眼睛3(瞳孔)中形成的光束聚焦點的數量。這意指顯示器1的N個像素對應于MLA 2的一個元件透鏡。
式子(1)和(2)允許特定的設計。例如，因為通常的目鏡光學系統要求大約20mm的眼距(eye relief)，因此ze被設置為20mm。人具有大約3～7mm的瞳孔直徑。因此，為了允許觀看者持續地和同時地觀察多個模擬光束，優選設置光束聚焦點間距Δp為1mm，以及光束聚焦點的數量N為3。在式子(1)和(2)中代入這些數值，獲得以下的式子(3)和(4)。
zm＝20Δd…(3)
從式子(3)和(4)推導出，當顯示器1的像素間距Δd被設置為10μm時，zm和Δl需要被分別設置為200μm和2.98mm。
接下來，虛擬圖像4的位置和分辨率的關系表達式被推導出。如上所述，虛擬圖像4的位置(虛擬圖像平面B)需要大體上與準直光束的相交點平面A一致。因此，需要利用其它光學參數來參數化相交點平面A的位置。
圖9是光束的相交點平面A的位置與虛擬圖像4的像素間距Δi的關系圖。為了詳細例示在相交點平面A上的多個光束，在圖9中忽略各種各樣的其它分量，只例示代表光束的光軸的光束。如圖9中用粗線所例示的，光束在連接光束聚焦點和MLA 2的元件透鏡的中心的直線的延長線上彼此相交。如從圖9所理解的，通常來說，光束聚焦點平面C和MLA主平面D是彼此平行的。因此，相交點平面A平行于光束聚焦點平面C和MLA主平面D。因為光束聚焦點和MLA 2的元件透鏡的中心被分離地定位，因此相交點平面A也被分離地定位。形成相交點的兩個光束在光束聚焦點平面C上以間隔mΔl彼此分開，并且在MLA主平面D上以間隔nΔp彼此分開，其中m和n是自然數，因此相交點平面A被自然數m和n的組合唯一地確定。然后，從MLA主平面D到相交點平面A的距離za由以下的式子(5)表示。
在相交點平面A上的光束的相交點的間隔Δc由以下的使用自然數m和n以及自然數m和n的最大公因數μ的式子(6)表示。
在式子(6)中的最大公因數μ表明相交點平面A針對例如(m,n)＝(2,1)以及(m,n)＝(4,2)是相同的，光束的相交點的間隔Δc也是相同的。
接下來，將描述相交點平面A和虛擬圖像平面B需要多么彼此一致以獲得有效的結果，即，上述的“大體上一致”的程度。在圖5中例示的在相交點平面A上的光束的相交點的間隔Δc由式子(6)給出。另一方面，可以通過歸納在圖7中用粗線例示的三角形的關系而獲得在期望的虛擬圖像平面B上的虛擬圖像4的像素間距Δi以包括虛擬圖像平面B。因此，虛擬圖像4的像素間距Δi由以下的式子(7)給出。
當相交點平面A與虛擬圖像平面B在深度方向彼此偏移，作為光束的相交點的間隔Δc與從觀看者觀看的虛擬圖像4的像素間距Δi之間的偏移(間距偏移)的偏移出現。當對于虛擬圖像4的每個像素的間距偏移小于一個像素時，不打亂圖像的構建。因此，要求的條件是使得在圖像的最外面的部分處，光束的相交點的間隔Δc與虛擬圖像4的像素間距Δi之間的偏移(間距偏移)的累積值小于一個像素。通常以二維像素矩陣的方式表達被顯示為虛擬圖像的圖像。因此，當N表示在矩陣的縱向和橫向方向中的像素的數量中的更大的一個時，以下的條件式(8)被推導出。
N·|Δi-Δc|＜Δi…(8)
將式子(6)和(7)代入條件式(8)并對zb重寫，生成以下的條件式(9)
式子(9)是表明相交點平面A和虛擬圖像平面B需要多么彼此一致，即表明“大體上一致”的程度的條件表達式。
如上所述，在本實施例中，圖像顯示裝置被設計使得虛擬圖像平面B的位置(距離zb)與利用式子(5)計算的光束的相交點平面A的位置(距離za)大體上一致。在這樣的設計中，如上所述，模擬光束被MLA 2轉換為準直光束，并入射在觀看者的眼睛3(瞳孔)上。光束被優選地調整為在虛擬圖像平面B的位置(距離zb)處具有最小直徑，這在模擬從該位置發射的光時有用。因此，MLA主平面和顯示器之間的距離zm以及MLA 2的元件透鏡的焦距fm被優選地設計以滿足以下的式子(10)。
通過先設置圖像的分辨率(光束的相交點的間隔Δc)以便于滿足式子(6)，可以減少要被顯示為虛擬圖像4的圖像的劣化。在本實施例中，最期望的是虛擬圖像4的像素間距Δi和光束的相交點的間隔Δc彼此相等，但是本發明不限于此。例如，可以通過設置Δi/Δc或Δi/Δc的比率為整數來減少在圖像采樣時產生的周期性的圖像質量劣化噪聲。
[第二實施例]
接下來，將描述根據本發明的第二實施例的圖像顯示裝置。本實施例例示阻止觀看依據觀看者的眼睛的位置產生的重像的示例性配置。首先將描述產生重像的緣由。第一實施例描述了3個光束聚焦點(點3-a、3-b以及3-c)由在顯示器1上的N個像素和MLA 2的一個對應的元件透鏡形成的情況。但是，任何包括MLA 2的光學系統具有“產生旁瓣”的問題。旁瓣是來自特定的像素的光的一部分，該光不僅入射在目標元件透鏡上還入射在多個元件透鏡上并具有在除了期望的方向之外的方向性。主瓣是來自該特定的像素的僅入射在目標元件透鏡上并具有在期望的方向的方向性的光的一部分。
圖10是正常觀察由于主瓣而得到的虛擬圖像的說明圖。如在圖10中用粗線所例示的，來自像素1-1-a、1-2-a、1-3-a以及1-4-a的光束分別入射在MLA 2的元件透鏡2-1、2-2、2-3以及2-4上，并具有向著光束聚焦點3-a的方向性。但是，當來自每個像素的光束被入射在除了對應的元件透鏡以外的元件透鏡上時，旁瓣被產生。
圖11是由于旁瓣而產生重像的說明圖。如在圖11中利用粗虛線所例示的，來自像素1-1-a、1-2-a、1-3-a以及1-4-a的光束分別入射在位于圖10中所例示的情況中元件透鏡以下的MLA 2的元件透鏡2-2、2-3、2-4以及2-5上，并具有向著光束聚焦點3-d的方向性。當觀看者將瞳孔放在光束聚焦點3-d處時，可以經過在光束聚焦點3-d上的光束聚焦來觀察虛擬圖像。但是，虛擬圖像是作為應該在光束聚焦點3-a處被觀察到而不應當在光束聚焦點3-d處被觀察到的視差圖像。另外，如在圖11中所例示的，觀察虛擬圖像的方向在圖中從虛擬圖像4應當被顯示的位置處被向上偏移地顯示。當來自每個像素的光束是擴散的時，可以同時產生在圖10中例示的情況和在圖11中例示的情況。這顯示由于旁瓣被疊加在因主瓣而導致的正常虛擬圖像上所得到的異常虛擬圖像。例如，當觀看者的瞳孔是在上面包括有圖11中的三個光束聚焦點3-b、3-c以及3-d的地方時，觀看者識別具有正常虛擬圖像和異常虛擬圖像的重像。
在本實施例中的圖像顯示裝置被配置使得旁瓣的產生被阻止和減少，如在圖12或圖13中所例示的。圖12是在本實施例中的圖像顯示裝置的配置圖，例示用于減少旁瓣的產生的MLA 2的示例性配置。遮擋光的分隔件2a(遮光構件)被設置在MLA 2的每個元件透鏡的邊界處。這個配置可以通過例如制造其側表面被涂敷遮光涂料的每個元件透鏡、然后在MLA 2中布置元件透鏡以使元件透鏡被接合到一起的方法來實現。
使用具有傳統配置的MLA 2來減少旁瓣的示例性配置被例示在圖13中。當從觀看者觀看時，MLA 2被相反地放置，分隔組件5(遮光構件)被插入在MLA 2和顯示器1之間。分隔組件5的黑色部分表示遮光構件，而分隔組件5的白色部分表示透明構件或者空氣。被相反地放置的MLA 2在與圖12中例示的情況下的大體上相同的位置處具有光學主平面，并具有相同的光學功能性。但是，因為MLA分開地具有遮光功能性和透鏡功能性，對在圖13中例示的配置供應組件比對在圖12中例示的配置供應組件更容易。例如，可以通過用于在厚金屬上提供精細圖案的金屬掩膜技術，以及通過激光束掃描來從光固化樹脂精確地成形三維對象的光成形技術來制造分隔組件5。因為在第一實施例中的MLA 2可以被使用，因此在圖13中的配置更容易實現。
[第三實施例]
接下來，將描述根據本發明的第三實施例的圖像顯示裝置。本實施例例示阻止由于MLA 2的像差引起的虛擬圖像的位置偏移的示例性配置。首先，將描述產生偏移的情況。
第一和第二實施例均基于初級光束的幾何關系獲得在顯示器1上的像素和在虛擬圖像4上的像素之間的對應關系，而沒有將MLA 2的光學像差考慮進來。但是，實際上，MLA 2的光學像差可以具有使得在虛擬圖像4的成像位置中產生偏移的影響。
圖14是MLA 2的光學像差的影響的說明圖。描述將聚焦在顯示器1上的像素1-3-b和1-3-c以及MLA 2的元件透鏡2-3上。從像素1-3-b發射的分散光被元件透鏡2-3轉換成波束6-3-b。在元件透鏡2-3的光軸附近的像素1-3-b不太可能產生像差。因此，波束6-3-b是如幾何上設計的大體上的平行光，并通過觀看者的眼睛3(瞳孔)中的光束聚焦點3-b。在這個情況下，觀看者觀察到猶如在由圖14中的短虛線表示的方向(向著在虛擬平面4上的像素4-3的方向)被發射的平行光。
在另一方面，從像素1-3-c發射的分散光被元件透鏡2-3轉換成波束6-3-c。遠離元件透鏡2-3的光軸的像素1-3-b可能產生像差。因此，波束6-3-c可以成為會聚光或者分散光，或者該波束可以在觀看者的眼睛3(瞳孔)的偏離如幾何上設計的光束聚焦點3-b的位置處具有中心位置。在這個情況下，觀看者觀察到猶如在由圖14中的點劃線表示的方向被發射的波束(平行光)，而沒有如原本設計的那樣觀察到猶如在由圖14中的長虛線表示的方向(向著在虛擬平面4上的像素4-1的方向)被發射的波束。因此，在圖14中的虛擬圖像4上，被觀看者觀察的方向和被設計的方向之間產生了差別ε。
當存在由于像差引起的這樣的影響，圖像經過與在第一和第二實施例中相同的圖像數據產生而被顯示在顯示器1上時，虛擬圖像4不被成像在期望的方向和位置處，并且可能產生場彎曲、失真和模糊。
為了解決這個問題，在本實施例中，由把MLA 2的光學像差考慮進來的嚴謹的光束追蹤來計算顯示器1上的像素和虛擬圖像4上的像素之間的對應關系。
圖15是使用有效瞳孔區域的波束確定方法的說明圖。在圖15中，平面D是顯示器1的像素表面，亮度設置在像素表面上的點(x，y)處。從點(x，y)發射的光可以入射在MLA 2的多個元件透鏡上，但是在該描述中被假定在中心坐標(xm,ym)處通過元件透鏡。從元件透鏡發射的光被形成在波束中并且入射到在觀看者的瞳孔的位置處的平面P上。在平面P上的波束的中心的坐標被指示為(xp,yp)。基于波束的中心坐標(xp,yp)來確定波束在產生虛擬圖像時是否有效。這樣的確定由圖像顯示裝置的控制單元(未示出)來執行。在本實施例中，設置期望在其處放置觀看者的瞳孔的平面P，有效瞳孔區域被定義為具有距平面P上的瞳孔中心一定半徑的區域。換句話說，有效瞳孔區域被定義為以與觀看者的瞳孔的表面相同的表面上的瞳孔中心為中心的圓的內部的區域。因此，基于波束的中心坐標(xp,yp)是否在有效瞳孔區域中來執行波束的確定(確定是有效還是無效)。
例如，當由以下的式子(11)表示的條件被滿足時(其中有效瞳孔區域的半徑是被R表示，并且瞳孔的中心被假定是被放置在平面P中的點(0，0)處)，波束被確定是有效的。
xp2+yp2＜R2…(11)
在平面D上的點(x，y)和元件透鏡的中心坐標(xm，ym)之間的對應關系不限于特定的關系。因此，針對多個元件透鏡的每個的中心坐標(xm，ym)優選地執行波束的確定。
當波束在確定中被確定為有效時，波束的光束軌跡被回溯追蹤至虛擬圖像平面(平面I)以計算在平面I上的波束的中心的坐標(x’，y’)。以這種方式，基于嚴謹的光束追蹤可以準確地獲取在像素(x，y)和虛擬圖像點(x’，y’)之間的對應關系。這個關系的數據可以被儲存為，例如，如圖16中所例示的對應表，并被使用作為用于產生虛擬圖像的坐標轉換表。
例如，當具有圖像亮度分布I’(x’，y’)的圖像將作為虛擬圖像4被顯示時，基于在圖16中所例示的坐標轉換表執行從(x’，y’)到((x，y)的轉換。這允許在顯示器1上的圖像亮度分布I(x，y)被獲取，以及在被顯示在顯示器1上時，期望的虛擬圖像被觀察。但是，如上所示，實際上，對于一個點(x，y)，多個元件透鏡通過波束可以被確定是有效的。因此，選擇規則被優選地設置以實現一對一的坐標關系。例如，當對于一個點(x，y)，多個元件透鏡通過波束可以被確定是有效時，一個規則可以是使得波束中的在平面P上的中心坐標(xp，yp)最接近瞳孔坐標中心(0，0)的一個波束被選取。這樣的規則允許從(x’，y’)到(x，y)的轉換被唯一地確定。
如上所述，當虛擬圖像被實際顯示時，執行從(x’，y’)到(x，y)的轉換。但是，上述的光束追蹤方法涉及以與相反的順序從(x，y)到(x’，y’)的數據獲取，這使得生成轉換表困難。為了解決這個困難，通過按照從(x’，y’)到(x，y)順序的光束追蹤的數據獲取是有效的。以這個方法，光束追蹤在虛擬圖像上的像素(x’，y’)處開始。首先，在圖15中例示的控制單元15確定連接像素(x’，y’)和元件透鏡的中心坐標(xm，ym)的直線是否通過有效瞳孔區域。對于多個元件透鏡執行該確定。只有當確定直線通過有效瞳孔區域時，控制單元15執行這樣的反向光束追蹤：波束往回行進以入射在元件透鏡2并在顯示器1上被成像。換句話說，控制單元15只對通過在虛擬圖像4、MLA 2以及有效瞳孔區域上的像素的光束(虛擬光源陣列的光源)執行這樣的反向光束追蹤。然后，控制單元15提供用于向被放置在光束和顯示器1的相交點的位置處的像素發射光的亮度。在顯示器1的平面D上的成像位置(x，y)被獲取作為對應于虛擬圖像上的像素(x’，y’)的坐標，并且(x’，y’)到(x，y)的坐標轉換表(數據轉換表)可以被容易地獲得。反向光束追蹤的該結果可以先被儲存作為在儲存單元16中的數據轉換表中。然后，控制單元15在使得顯示器1調制多個光束時參考數據轉換表。
當計算波束的中心坐標(xp，yp)和虛擬圖像上的像素(x’，y’)時，優選地使用從光束追蹤工具輸出的波束光斑的"重心"位置作為波束中心。圖17是示例性的光斑圖，以及是波束光斑的重心的說明圖。波束光斑是經過通過分割波束的光瞳獲得的被分割的光瞳的中心的光束的在圖像平面上的到達點的圖。重心被定義為用于在這些到達點被假定具有相等的權重時用于實現在平面P上的平衡支撐的點。重心本質上具有利用波束的密度分布的相關性，并可能在具有高光束密度的高區域中存在。因此，重心是在最高波束強度被觀看者觀察到的點，可以被視為波束的有效中心。
[第四實施例]
接下來，將描述根據本發明的第四實施例的圖像顯示裝置。本實施例例示用于解決虛擬圖像的圖像高度足夠高而覆蓋虛擬圖像的外圍部分并阻止對其的觀察的問題的示例性配置。
首先，將參照圖18和圖19描述該問題。圖18和圖19均是在虛擬圖像的圖像高度較高時的說明圖，并且均例示如在第三實施例中那樣在平面P上設置在其處放置觀看者的瞳孔的有效的瞳孔區域以及通過使用通過有效瞳孔區域的波束來產生虛擬圖像的方法。圖18例示從在對應于極高視角的位置處的元件透鏡發射的光被入射在有效的瞳孔區域的情況。當觀看者觀看虛擬圖像的中心部分，觀看者的瞳孔與有效瞳孔區域彼此大體上一致。因此，由觀看者觀察的虛擬圖像沒有產生光暈，使得整個虛擬圖像可以被觀察到。
另一方面，當如圖19所例示的那樣，觀看者的眼睛3(眼球)轉動以觀察虛擬圖像的外圍部分時，觀看者的瞳孔移動到與有效瞳孔區域(平面P)的位置不同的位置。因此，圖像顯示光沒有入射在瞳孔上，以及在被觀看者觀察的虛擬圖像中產生光暈。在本實施例中，如圖20中所例示的，“有效瞳孔區域”被定義為不是在平面P上的圓內部，而是在以觀看者的眼睛3(眼球)為中心的三維球體內部。換句話說，有效瞳孔區域被設置為在以觀看者眼球的旋轉中心為中心的球體的內部的區域。
在這樣的配置中，根據本實施例的控制單元執行有效波束的確定和從(x'，y')到(x，y)的坐標轉換。換句話說，控制單元基于從中心坐標(xm，ym)處的元件透鏡發射的波束是否通過有效瞳孔區域來執行光束有效性的確定。例如，當有效瞳孔區域的半徑是被R表示，以及瞳孔的中心被假定是被放置在平面P中的點(0，0)處時，在波束和有效瞳孔區域之間的關系是在圖21中被例示的關系。在圖21中，粗線的箭頭表示從元件透鏡發射的光束的發射方向。在圖21中，A表示眼球的中心和元件透鏡的中心之間的距離；θ表示從元件透鏡發射的光束與元件透鏡的光軸之間的角度；以及α表示連接眼球的中心和元件透鏡的中心坐標的直線與z軸(通過MLA 2的中心并垂直于MLA2的軸)之間的角度。波束通過有效瞳孔區域的條件由以下的式子(12)表示。
A2 sin2(α-θ)＜R2
其中
因此，當在從元件透鏡發射的光束和元件透鏡的光軸之間的角度θ滿足由式子(12)表示的條件時，波束被確定是有效的。在平面D上的點(x，y)和元件透鏡的中心坐標(xm，ym)之間的對應關系不限于特定的關系。因此，針對多個元件透鏡的每個的中心坐標(xm，ym)優選地執行有效性確定。無論平面P怎樣，這個方法可以基于觀看者的瞳孔指向的方向確定入射在瞳孔上的波束是否是有效的。這允許觀看者觀察其中沒有光暈存在的虛擬圖像的外圍部分。
但是，通過這個方法，虛擬圖像的中心部分和外圍部分不可以被同時地觀察。圖22和圖23分別是在異常觀察和正常觀察中的說明圖。圖22例示在與圖20中發射用于產生虛擬圖像的波束的相同的形勢下觀看者的眼球指向虛擬圖像的中心的方向。在這個形勢下，沒有用于產生虛擬圖像的外圍部分的波束被入射在觀看者的瞳孔上。但是，如在圖23中例示的那樣，對于從在MLA 2的中心部分中的元件透鏡發射的波束，通過瞳孔和眼球的中心部分兩者的波束通過上述的有效性確定算法被確定是有效的。因此，當觀看者的眼球指向虛擬圖像的中心部分的方向時，虛擬圖像的中心部分可以毫無問題的被觀察到。換句話說，根據本實施例的方法允許對在眼球指向的方向的中心視場中的虛擬圖像的持續的觀察，但是在觀察外圍視場中的虛擬圖像方面存在困難。
[第五實施例]
接下來，將描述根據本發明的第五實施例的圖像顯示裝置。根據第四實施例，虛擬圖像可以在眼球指向的方向的中心視場中被觀察到，但是不可以在外圍視場中被觀察到。為了解決這個問題，根據本實施例的圖像顯示裝置包括檢測眼球旋轉的機構(檢測單元)以及依據由檢測機構檢測的值產生顯示圖像的圖像處理單元(圖像處理單元)。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)中公開的技術實現檢測眼球旋轉的機構。
圖24是在本實施例中的圖像顯示裝置的配置圖。在圖24中，附圖標記7指示對觀看者的眼睛3(眼球)進行照明的照明單元。照明單元7通常包括用于照明的紅外LED。附圖標記8指示在由照明單元7照明的眼睛3(眼球)表面上拾取亮度分布圖像的圖像拾取單元。由圖像拾取單元拾取的亮度分布數據被發送到圖像處理單元9。圖像處理單元9包括檢測單元91、圖像處理單元92以及設置單元93。檢測單元91通過圖像分析來檢測(計算)觀看者的瞳孔的位置。圖像處理單元92基于瞳孔的位置產生圖像數據。更具體地，設置單元93依據檢測到的瞳孔的位置來設置有效瞳孔區域(以使有效瞳孔區域與瞳孔的位置大體上一致)。然后，圖像處理單元92基于有效瞳孔區域的位置來調整光的亮度分布。
以這種方式，使用如在第三實施例中描述的算法，圖像處理單元9計算用于產生有效波束的像素(x，y)和虛擬圖像點(x’，y’)的組合。圖像處理單元9也基于像素(x，y)和虛擬圖像點(x’，y’)之間的關系實時地產生將被顯示在顯示器1上的圖像(圖像數據)，并向圖像輸出部10(圖像輸出單元)發送圖像數據。圖像輸出部10基于圖像數據在顯示器1上顯示期望的圖像。
圖24例示在觀看者的眼睛3(眼球)指向MLA 2的中心部分的情況下瞳孔和有效波束之間的關系。在這個情況下，眼睛3接收針對由觀看者通過中心視覺觀察的虛擬圖像的中心部分以及通過外圍視覺觀察的虛擬圖像的高視角部分的圖像產生波束。因此，觀看者可以觀察沒有光暈的整個虛擬圖像。另一方面，圖25例示在觀看者的眼球指向MLA 2的外圍部分的情況下瞳孔和有效波束之間的關系。在這個情況下，眼睛3接收針對由觀看者通過中心視覺觀察的虛擬圖像的高視角部分以及通過外圍視覺觀察的虛擬圖像的中心部分的圖像產生波束。因此，觀看者可以觀察沒有光暈的整個虛擬圖像。以這種方式，本實施例使能依據觀看者的眼球旋轉的恰當的圖像顯示。這允許觀察沒有光暈的整個虛擬圖像。
在實施例的每個中，圖像調制單元(顯示器1)調制多個光束使得多個準直光束與從被設置在虛擬圖像平面上的虛擬像素(虛擬光源陣列)入射在瞳孔內部的點上的光束(模擬光束)一致。換句話說，虛擬光源陣列的位置與包括所述準直光束的向中心行進方向的反向延長線彼此相交處的相交點的多個平面中的一個平面一致。可替換地，準直光束的焦點位置與虛擬光源陣列的位置一致。用詞“一致”的含義不僅包括“精確地一致”的情況，還包括“基本上一致(大體上一致)”的情況。更具體地，“大體上一致”的程度對應于式子(9)成立的范圍。
透鏡單元(MLA 2)優選地是包括準直光學系統的準直光學系統陣列。準直光學系統陣列被放置在比清晰視覺的距離更靠近觀看者的瞳孔的位置處。虛擬光源陣列是被虛擬地放置在比清晰視覺的距離更遠離觀看者的瞳孔的位置處的光源陣列。準直光學系統陣列更優選地被放置在比屈光標度中15屈光度更靠近觀看者的瞳孔的位置處。
根據實施例中的每個，可以預先地并準確地獲得將被顯示的虛擬圖像的位置，以及可以基于位置的信息產生圖像數據。這實現了高的操作效率，以及在觀察到的虛擬圖像中不產生瑕疵。可以預先地并準確地獲得將被顯示的虛擬圖像的分辨率，并可以準備根據分辨率信息被優化的圖像數據。這實現了高的操作效率，并可以減少觀察到的虛擬圖像的圖像質量劣化。
另外，可以減少由于微透鏡陣列的旁瓣引起的重像的產生。由于微透鏡陣列的光學像差引起的虛擬圖像的失真和成像偏移可以被補償以實現最有利的成像狀態。當虛擬圖像的高視角部分被觀察時，可以通過執行根據觀看者的眼球的旋轉的波束有效性確定來顯示沒有光束光暈的最有利的虛擬圖像。通過檢測觀看者的眼球的旋轉和基于檢測結果產生圖像數據，可以沒有光束光暈地持續地觀察整個虛擬圖像，不論觀看者的眼球指向的方向如何。實施例中的每個可以被有效地應用于允許觀察虛擬圖像的光學裝置，特別是，應用于被安裝在觀看者的頭部的圖像顯示裝置，并被用來觀察放大的虛擬圖像。
實施例中的每個可以提供不使用目鏡光學系統而能夠適當地顯示虛擬圖像的小的圖像顯示裝置和小的圖像顯示系統。
雖然已經參照示例性實施例描述了本發明，但是應該理解本發明不限于公開的示例性實施例。以下權利要求的范圍應被賦予最寬的解釋以包括所有這樣的變更方式和相同的結構及功能。
[工業應用]
可以提供能夠不使用目鏡光學系統而適當地顯示虛擬圖像的小的圖像顯示裝置和小的圖像顯示系統。
[附圖標記列表]
1.顯示器(圖像調制單元)
2.MLA(透鏡單元)
權利要求書(按照條約第19條的修改)
1.一種圖像顯示裝置，其特征在于，包含：
圖像調制單元，包括多個像素并能夠獨立調制從所述像素發射的多個光束；以及
透鏡單元，被配置成將從所述像素發射的光束轉換成在觀看者的瞳孔中的點處彼此相交的多個準直光束，
其中所述圖像調制單元調制光束使得所述準直光束與從被設置在虛擬圖像平面上的虛擬像素入射在所述瞳孔中的所述點上的光束一致，以及
其中所述虛擬像素的位置與包括所述準直光束的向中心行進方向的反向延長線彼此相交處的相交點的多個平面中的一個平面的位置一致。
2.根據權利要求1所述的圖像顯示裝置，其中所述準直光束的焦點位置與所述虛擬像素的位置一致。
3.根據權利要求1或2所述的圖像顯示裝置，其中：
所述瞳孔中的點是所述準直光束彼此相交處的多個光束聚焦點，以及
以下的式子成立：
其中，zb表示所述透鏡單元的主平面和所述虛擬像素之間的光學距離；ze表示所述透鏡單元的所述主平面和所述光束聚焦點之間的光學距離；Δc表示所述準直光束的反向延長線彼此相交處的多個相交點的間距；Δp表示彼此相鄰的所述光束聚焦點之間的光學距離；以及N表示所述光束聚焦點的數量。
4.根據權利要求1、2和3中任何一項所述的圖像顯示裝置，其中：
所述透鏡單元是包括準直光學系統的準直光學系統陣列，
所述準直光學系統陣列被放置在比清晰視覺的距離更靠近所述觀看者的瞳孔的位置處，以及
所述虛擬像素是被虛擬地放置在比清晰視覺的距離更遠離所述觀看者的瞳孔的位置處的光源陣列。
5.根據權利要求4所述的圖像顯示裝置，其中所述準直光學系統陣列被放置在比屈光標度中的15屈光度更靠近所述觀看者的瞳孔的位置處。
6.根據權利要求1～5中任何一項所述的圖像顯示裝置，其中在所述虛擬像素中包括的多個光源的間距與所述準直光束的所述反向延長線的多個相交點的間距一致。
7.根據權利要求1～6中任何一項所述的圖像顯示裝置，其中所述透鏡單元包括遮光的遮光構件。
8.根據權利要求1～7中任何一項所述的圖像顯示裝置，其中：
所述瞳孔中的點是所述準直光束彼此相交處的多個光束聚焦點，以及
以下的式子成立：
其中ze表示所述透鏡單元的主平面和所述光束聚焦點之間的光學距離；zm表示所述透鏡單元的所述主平面和所述圖像調制單元之間的光學距離；Δp表示彼此相鄰的所述光束聚焦點之間的光學距離；Δl表示所述透鏡單元的透鏡間距；Δd表示所述圖像調制單元的像素間距；以及N表示所述光束聚焦點的數量。
9.根據權利要求8所述的圖像顯示裝置，其中以下的式子成立：
其中za表示所述透鏡單元的所述主平面與每個包括所述準直光束的所述反向延長線彼此相交處的多個相交點的多個平面中的一個平面之間的光學距離；以及m和n表示自然數。
10.根據權利要求8或9所述的圖像顯示裝置，其中以下的式子成立：
其中Δc表示所述準直光束的所述反向延長線彼此相交處的多個相交點的間距；m和n表示自然數；以及μ表示自然數m和n的最大公因數。
11.根據權利要求1或2所述的圖像顯示裝置，進一步包含：
虛擬像素的光源；
透鏡單元；以及
控制單元，被配置成僅對通過觀看者的有效瞳孔區域的光束執行反向光束追蹤；
其中所述控制單元提供用于向被放置在所述光束和所述圖像調制單元彼此相交的位置處的像素發射光的亮度。
12.根據權利要求11所述的圖像顯示裝置，進一步包含儲存單元，被配置成預先地將反向光束追蹤的結果儲存為數據轉換表，其中所述控制單元在導致所述圖像調制單元調制所述光束時參考所述數據轉換表。
13.根據權利要求11或12所述的圖像顯示裝置，其中所述有效瞳孔區域被設置為在以與所述觀看者的所述瞳孔的表面相同的表面上的所述瞳孔的中心為中心的圓的內部的區域。
14.根據權利要求11或12所述的圖像顯示裝置，其中所述有效瞳孔區域被設置為在以所述觀看者的眼球的旋轉中心為中心的球體的內部的區域。
15.根據權利要求1～14中任何一項所述的圖像顯示裝置，進一步包含：
檢測單元，被配置成檢測所述觀看者的所述瞳孔的位置；以及
圖像處理單元，被配置成基于由所述檢測單元檢測到的所述瞳孔的位置來產生圖像數據。
16.根據權利要求15所述的圖像顯示裝置，進一步包含設置單元，被配置成依據由所述檢測單元檢測到的所述瞳孔的位置來設置有效瞳孔區域的位置，其中所述圖像處理單元基于所述有效瞳孔區域的位置來調整光的亮度分布。
17.一種圖像顯示系統，其特征在于，包含：
根據權利要求1～16中任何一項所述的圖像顯示裝置；以及
圖像信息供應裝置，被配置成向所述圖像顯示裝置供應圖像信息。
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