JPH06138499A

JPH06138499A - 直接網膜スキャン・ディスプレイ

Info

Publication number: JPH06138499A
Application number: JP8778293A
Authority: JP
Inventors: Karen E Jachimowicz; カレン・イー・ヤヒモウィッチ; D Moyer Curtis; カーティス・ディー・モイヤー; John Song; ジョン・ソン
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1992-03-25
Filing date: 1993-03-24
Publication date: 1994-05-20
Also published as: EP0562742A1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】眼の網膜に直接像を書き込む改善されたディ
スプレイを提供する。【構成】このディスプレイには、視準された光線を発
生するレーザ２０が含まれ、光線は映像情報で変調２２
され、その後スキャン２４され、瞳孔２８を通じて送ら
れ、網膜上に像を生成する。スキャンには、精密加工さ
れたミラー，電気−光学または音響−光学装置が用いら
れ、これらは非常に小型で、きわめて低い電力を要す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学ディスプレイに関
する。さらに詳しくは、直接網膜スキャン・ディスプレ
イに関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】一般
に、光学ディスプレイは、たとえばテレビやコンピュー
タのディスプレイなどに見られるように、比較的大型で
複雑である。１９９１年９月３０日に出願され、本出願
と同じ譲受人に譲渡された同時出願特許申請「Compact
Virtual Image Display 」と題された出願番号０７／７
６７，１７９号に開示されるような比較的小型の虚像デ
ィスプレイが利用される場合でも、比較的高い電力量が
必要とされる。一般に、これは非干渉像が、眼の中のレ
ンズを含む複数のレンズにより、眼の網膜上に生成およ
び集束されるという事実により起こる。実像であろうと
虚像であろうと、非干渉像を生成するには、かなりの量
の電力と装置とを必要とし、その結果、大型で扱いにく
い構造となる。

【０００３】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、新規の
改善された直接網膜スキャン・ディスプレイを提供する
ことである。

【０００４】本発明のさらに別の目的は、従来のディス
プレイ装置よりも小型で、少ない電力しか必要としない
新規の改善された直接網膜スキャン・ディスプレイを提
供することである。

【０００５】本発明のさらに別の目的は、人間の眼の網
膜上で直接像をスキャンする方法を提供することであ
る。

【０００６】映像情報で変調された視準レーザ光線を設
ける手段と、オペレータの頭にディスプレイを装着し、
光線をオペレータの眼球の網膜上でスキャンしてそこに
画像を書き込む手段とを含む直接網膜スキャン・ディス
プレイにより上記の問題が解決され、目的が達成され
る。

【０００７】映像情報で変調された視準レーザ光線を設
ける段階と、光線を人間の眼球の網膜上でスキャンして
その上に像を書き込む段階とを含む直接網膜スキャン・
ディスプレイを形成する方法により、上記の問題が解決
され、目的が達成される。

【０００８】

【実施例】図１は、通常の像を見る人間の眼の光学光線
図を示す。この図は、なんらかの便宜的な手段（図示せ
ず）により非干渉像１０を生成する通常のディスプレイ
を示す。非干渉像１０は、眼１２のレンズ１１により、
眼１２の網膜１３上に集束される。像１０を生成するに
は、比較的大量の電力が必要であり、その大半は、眼１
２が受け取ることも用いることもない光を生成するため
に無駄に使われる。図２は、本発明の基本原理を示す光
学光線図である。眼１５は、レンズ１６と網膜１７とを
有して図示されている。レーザなどから来る光線１８
は、網膜１７全体で直接スキャンされ、網膜１７上に像
を生み出す。これには前述の画像面や非干渉像からの光
の収集が必要ない。像を直接網膜スキャンする場合に
は、像は網膜１７上にスキャンされる前に必ずしも空間
に存在するとは限らない。光線１８は、網膜１７に直接
像を「書き込み」、像面が最初に起こるのは網膜１７上
であってもよい。

【０００９】図３は、本発明による直接網膜スキャン・
ディスプレイのブロック図である。レーザ２０は、縦型
空洞表面放出レーザ，ダイオード・レーザ，ダイオード
・ポンプ・レーザなどの固体レーザを含む既知のレーザ
のうち任意のものでよいが、このレーザ２０が変調器２
２に対して干渉光線を供給する。変調器２２は、一般に
光線の強度を変調することにより、たとえばレーザ２０
の電力レベルを変更することなどにより、映像情報を光
線に加える。用途によっては、この変調は、レーザ２０
をオンおよびオフするなど、基本的にデジタル・システ
ムに変調するものであれば、簡単なものでもよい。音響
−光学変調器は、大半の用途に関しては好適な変調器の
１つであるが、電気−光学変調や機械的変調などの他の
技術も完全に可能である。

【００１０】変調器２２からの被変調光線は、偏向系２
４に送られる。レンズ系２６を用いて、偏向系２４から
光線を眼２８に集束させる。レンズ系２６の焦点距離
は、スキャン・システムの焦点距離が眼２８の瞳孔内に
あり、干渉光線の焦点距離が眼２８の網膜にあるように
選択される。偏向系２４の目的は、眼２８の網膜上で被
変調光線をスキャンする、すなわち網膜に像を「書き込
む」ことである。偏向系２４とレンズ系２６に関して
は、ディスプレイの用途と、眼２８内にどのような方法
で像を形成することが望ましいかによって、多くの構成
が可能である。

【００１１】図４は、ある偏向系２４の１つの実施例で
ある。図４においては、偏向系２４には、音響−光学ス
キャナ３２と音響−光学縦型スキャナ３４とが含まれ、
これらが組み合わされて、網膜または説明の目的のため
のスクリーン３６上に光の移動点を生成する。音響−光
学部品は、小型の固体結晶で、レーザ光線などの偏向に
用いられる。この特定の実施例においては、スキャナ３
２，３４は、類似の構造をもち、一方が他方に対して直
交するように向いている。スキャナ３２，３４は、類似
の構造をもつので、１つのスキャナのみを詳細に説明す
る。

【００１２】図５には、スキャナ３２に組み込まれる基
本的な部品と共に、スキャナ３２の光線図が示される。
音響−光学結晶４０は、その上に搭載され、そこに入射
する光線４４に対して全体的に垂直に可変圧力をかける
トランスデューサ４２を有する。音響−光学結晶の動作
は、当技術では既知のもので、たとえば以下の記事およ
び書籍に明示されている：Lekavich, J. (1986), Basic
s of Acousto-Optic Devices, Lasers Appl., ４月号；
59-64およびYariv, A. ，P. Yeh (1984), Optical Wav
es in Crystals, Wiley, New York 。結晶４０は、圧力
の変動が結晶４０に与えられると、屈折率の変動が、光
線４４に対して全体に垂直に起こるように構成される。
一般に、角度θは、トランスデューサ４２に印加される
信号の周波数に依存するので、正確な偏向角度は、電子
的に容易に制御される。トランスデューサ４２が結晶４
０の屈折率を１方向（図５では上向き）に変えると、実
線の矢印４６により示されるように光線４４は下向きに
偏向される。トランスデューサ４２が結晶４０の屈折率
を逆向きに変えると、光線４４は逆方向（図５では上向
き）にゆっくりと偏向される。そのためトランスデュー
サ４２を電子的に制御して、光線４４に１つの方向の直
線を追跡させることができる。

【００１３】スキャナ３４は、スキャナ３２から光線４
６を受け取り、スキャナ３２がそれを偏向する方向に直
交する方向に光線４６を偏向するように構築される。こ
れにより、スキャナ３２，３４は、協働してスクリーン
３６上に生成された光の点を任意の所望の方向または所
望の位置に移動させる。スキャナ３４内の音響−光学結
晶は、結晶４０よりもいくぶん複雑であるか、あるいは
大型である点に留意されたい。これは、スキャナ３４に
より受け取られたときに光線はすでに偏向されているた
めである。網膜上に描かれた像は、一辺が０．５インチ
未満であるので、スキャナ３２，３４における光線の移
動量は非常に小さく、そのために寸法の差は非常に小さ
い。寸法が問題とならない用途においては、結晶は標準
化を容易にするために同様の寸法と構成とする。

【００１４】網膜上で像をスキャンする、すなわち書き
込むためにはいくつかの可能な技術があるが、多分もっ
とも簡単なのは、網膜上で周期的に完全なラスタ（矩形
の画像部分）をスキャンする方法である。この周期は、
像が連続したものとして眼に移るくらいに充分に速いも
のでなければならない。すなわち、完全なスキャンが毎
秒約６０回なされなければならない。このラスタを提供
するためには、結晶４０はトランスデューサ４２により
制御されて、第１周波数において直線上に、全体的に線
形に光線４４をスキャンする。スキャナ３４内の結晶
は、トランスデューサにより制御されて、結晶４０によ
り掃引される方向に直交する方向に光線４４をゆっくり
とスキャンする。そのために、結晶４０が完全な直線を
スキャンするたびに、スキャナ３４の結晶は、次のスキ
ャンが前のスキャンに並行で隣接するように光線を移動
させる。このように完全なラスタが周期的にスキャンさ
れる。

【００１５】像を生成するためには、光線４４の強度を
可変するように変調器２２を制御して、光線４４が完全
なラスタで掃引されると、異なる光強度の点が合成して
像を形成するようにしなければならない。変調器２２と
偏向系２４のタイミングと制御とは、電子部３０により
提供される。電子部３０には、基本発振器またはタイマ
が含まれ、これがタイミング信号を設けて、掃引と変調
とが適切な時間に起こるようにする。また電子部３０
は、変調器２２に映像信号を送って、光線４４を、必要
なときに正確な強度に変調する。さらに電子部３０は、
水平および垂直（直交）偏向信号を設けて、偏向系２４
に光線４４をラスタ内で周期的にスキャンさせる。用途
と所望の像解像度により、水平偏向周波数は、１５ない
し３０ｋＨｚのオーダーで、垂直偏向は６０Ｈｚ以上、
変調周波数は１２ＭＨｚのオーダーである。図６は、図
３の直接網膜スキャン・ディスプレイに関する別の特定
の偏向系の斜視図である。図６の偏向系は、第１ミラー
５０と第２ミラー５２とを含む。ミラー５０は、レーザ
５４などの光源からの光線を受け取り、水平線上に光線
をスキャンするように位置される。ミラー５２は、水平
にスキャンされた光線を受け取り、それを直交方向、こ
の例では縦の方向にスキャンして、眼５６に光線を送る
ように位置される。これにより眼５６では完全な像のス
キャンが得られる。ミラー５０，５２は、小型の検流計
ミラーまたは精密加工されたミラーなどの、非常に小型
で低電力のものである。もちろん、特定の用途には、希
望に応じて、これらのミラーや、電気−光学，フェーズ
ド・アレイ（phased array），可動ミラーなどの他のさ
まざまな偏向系を、任意に組み合わせて用いることもで
きる点を理解されたい。

【００１６】図７には、図３の直接網膜スキャン・ディ
スプレイの光学光線図が示される。この光線図において
は、レーザなどの光源からの光線が、変調器２２に向け
られていることがわかる。変調された光線は、偏向系２
４の水平および垂直スキャナを通り、レンズ系２６にお
いてラスタをスキャンする。レンズ系２６は、簡単にす
るために、単独のレンズとして図示されているが、用途
によっては１個または数個のレンズを利用することがで
きる点を理解されたい。レンズ系２６は、眼２８の瞳孔
を通じてラスタを集束させ、画像が眼２８の網膜に書き
込まれ、同時にレンズ系２６は網膜の焦点に干渉光線を
集束させる。用途によっては、可調整焦点をもつレンズ
系２６をつくり、異なる視力をもつオペレータが自分の
眼に合うようにディスプレイを迅速に調整できるように
すると便利である。

【００１７】図８には、完全な網膜スキャン・ディスプ
レイ６０の実施例が図示される。この特定の実施例にお
いては、眼鏡用のフレーム６２が利用されて、直接網膜
スキャン・ディスプレイ６０をオペレータの頭部に装着
している。以下に明らかにされるように、フレーム６２
には、ディスプレイ６０に用いられるものに加えて、普
段用いるための標準眼鏡が含まれていてもよく、あるい
はディスプレイ６０のためだけに利用されてもよい。レ
ーザ源と変調器は、ディスプレイ６０の部分６４に含ま
れ、この部分６４は、シャツのポケットなどの体の便利
な場所に運ばれる。部分６４は、被変調光線を生成し、
この光線は１個以上の光ファイバによりディスプレイ６
０の第２部分６８に運ばれる。部分６８には、偏向系と
集束光学部とが含まれ、フレーム６０の一方のつるに装
着されて、出力光線がフレーム６２の弓形部分のガラス
により反射され、フレーム６２をかけている人の眼に入
る。このように、この実施例においては、レンズ系２６
（図３または７参照）を形成する反射装置がフレーム６
２の弓形部分の便利な位置に装着されて、変調されスキ
ャンされた光線を、かけている人の眼の中に送る。

【００１８】もちろん用途によっては、ディスプレイ全
体を単独のユニットまたは部分内に形成して、つけてい
る人の眼に隣接して、あるいはその前に装着してもよい
ことを理解されたい。図８の実施例においては、ディス
プレイ６０の大部分は離れて装着され、フレーム６２の
つるに装着される部分６８の寸法と重量とを小さくして
いる。また、直接網膜ディスプレイはヘッドマウント式
でなく、ディスプレイ装置がページャ，ラジオ，電話
機，手持ち式のコンピュータまたは個人用通信機などの
手持ち式のユニットの一部とする実施例とすることもで
きる点を理解されたい。使用者は、ディスプレイのつい
た手持ち式装置を眼の前に置いて見ることになる。ま
た、直接網膜スキャン・ディスプレイを、それぞれの眼
に対して１つのディスプレイを用いる双眼鏡モード，パ
ノラマ・モードおよび／または立体モードで用いること
もできる。外界の景色を遮断して、両眼がディスプレイ
からの像だけを見ることも、あるいはディスプレイの像
を外界の景色に重ねて複合画像を作成することもでき
る。

【００１９】以上、人間の眼の網膜上に直接ディスプレ
イを「書き込む」新規の改良された直接網膜スキャン・
ディスプレイが開示された。ディスプレイが直接書き込
まれるので、非常に低い電力しか必要でなく、ディスプ
レイの寸法と複雑性とが実質的に減少される。また、非
常に低電力が利用されるので、ディスプレイを非常に小
型に構築することができ、そのために従来のディスプレ
イに比べ便利で有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】通常の像を見る人間の眼の光学光線図である。

【図２】本発明の基本原理を図示する光学光線図であ
る。

【図３】本発明による直接網膜スキャン・ディスプレイ
のブロック図である。

【図４】図３の直接網膜スキャン・ディスプレイのため
の特定の偏向系の斜視図である。

【図５】図４の偏向系の一部の、詳細な光学光線図であ
る。

【図６】図３の直接網膜スキャン・ディスプレイのため
の別の特定の偏向系の斜視図である。

【図７】図３の直接網膜スキャン・ディスプレイの光学
光線図である。

【図８】本発明による完全な直接網膜スキャン・ディス
プレイの実施例である。

【符号の説明】

２０レーザ（光源）２２変調器２４偏向系２６レンズ系２８眼球３０電子部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者カーティス・ディー・モイヤーアメリカ合衆国アリゾナ州フェニックス、イー・ズィスル・ランディング・ドライブ 4006 (72)発明者ジョン・ソンアメリカ合衆国アリゾナ州チャンドラー、ナンバー2036、エヌ・プライス・ロード 3175

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直接網膜スキャン・ディスプレイであっ
て：光源（２０）；前記光源から光を受け取るように配
置され、方向付けられた光線を形成する光学手段（２
０）；前記光線を受け取るように配置され、映像情報を
前記光線に加える変調手段（２２）；前記被変調光線を
受け取るように配置され、前記光線を所定の角度に偏向
する偏向手段（２４）；前記偏向手段（２４）から光を
収集し、前記の収集された光を眼（２８）に送り、収集
された光が網膜をスキャンする光学手段（２６）；およ
び前記変調手段（２２）と前記偏向手段（２４）とに結
合され、前記変調手段（２２）と前記偏向手段（２４）
とを制御して網膜上に像を生成する電子手段（３０）；
によって構成されることを特徴とする直接網膜スキャン
・ディスプレイ。
【請求項２】直接網膜スキャン・ディスプレイであっ
て：映像情報で変調された視準されたレーザ光線を設け
る手段（６４，６６）；および前記ディスプレイをオペ
レータの頭部に装着し、オペレータの眼球の網膜上で光
線をスキャンしてその上に像を書き込むヘッドマウント
型手段（６２，６８）；によって構成されることを特徴
とする直接網膜スキャン・ディスプレイ。
【請求項３】直接網膜スキャン・ディスプレイを作成
する方法であって：方向付けられた光線を設ける段階
（２０）；前記光線を変調（２２）して、前記光線に映
像情報を加える段階；および前記光線を偏向（２４）し
て、前記光線を網膜上でスキャンして網膜上に像を生成
する段階；によって構成されることを特徴とする方法。