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技術 全反射を有するディスプレイ装置

出願人 テッセランド・エルエルシー
発明者 パブロ・ベニテスファン・カルロス・ミニャノデヤン・グラボヴィキッチマリナ・ブルハンパブロ・サモラ
出願日 2016年1月20日 (5年3ヶ月経過) 出願番号 2017-538427
公開日 2018年2月15日 (3年2ヶ月経過) 公開番号 2018-504637
状態 特許登録済
技術分野 テレビジョン受像機の構造の細部 その他の光学系・装置、色の干渉・色の制御
主要キーワード 半分サイズ 角度サイズ パーツ構成 乗算式 垂直ディスプレイ 仮想球体 視覚解像度 円筒対称性
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題・解決手段

ディスプレイ装置は、リアルイメージを生成するように動作可能であるディスプレイを有する。光学系は、各小型レンズがディスプレイから目位置に光を投射することにより、ディスプレイ上の個別の部分リアルイメージから仮想サブイメージを生成する小型レンズを有する。サブイメージが目位置から視覚可能である仮想イメージを形成するように結合する。小型レンズの少なくとも一つは、「RXIR」小型レンズであり、ディスプレイから目位置への光線が、屈折(R)、反射(X)、全反射又は金属反射(I)、及び屈折(R)の少なくとも4回この順で連続的に偏向される。

概要

背景

1.引用文

WO 2015/077718 of Benitez et al. (“PCT1”)

米国特許4,924,215 to Nelson

米国特許5,390,047 to Mizukawa

米国特許5,699,194 to Takahashi

米国特許5,701,202 to Takahashi

米国特許5,706,136 to Okuyama & Takahashi

米国特許7,689,116 to Ho Sik You et al.

米国特許8,605,008 to Prest et al.

米国特許出願2010/0277575A1 of Ismael et al.

米国特許出願2012/0081800 of Cheng et al.

D. Cheng, et al., "Design of a wide-angle, lightweight head-mounted display using free-form optics tiling," Opt. Lett. 36, 2098-2100 (2011)

http:/ /www.xbitlabs.com/news/monitors/display/ 20100519223434_ Toshiba_Develops_High_Speed_High_Contrast_Active_Shutter_3D_Glasses.html (“Shilov 2010”)

D. Fattal, Z. Peng, T. Tran, S. Vo, M. Fiorentino, J. Brug, and R. G. Beausoleil, “A multi-directional backlight for a wide-angle, glasses-free three-dimensional display,” Nature, vol. 495, 7441, pp 348-351, 2013.DOI: 10.1038/nature11972. (“Fattal 2013”)

H. Hoshi, N. Taniguchi, H. Morishima, T. Akiyama, S. Yamazaki, and A. Okuyama, “Off-axial HMD optical system consisting of aspherical surfaces without rotational symmetry,” Proc. SPIE2653, 234-242 (1996).

Inoguchi et al. “Fabrication and evaluation of HMD optical system consisting of aspherical mirrors without rotation symmetry,” Japan Optics '95, Extended Abstracts, 20pB06, pp. 19-20, 1995).

J.J. Kerr, Visual resolution in the periphery, Perception & Psychophysics, Vol. 9 (3), 1971

J.E. Melzer, “Overcoming the Field of View: Resolution Invariant in Head Mounted Displays”, SPIEVol. 3362, 1998

H. Morishima, T. Akiyama, N. Nanba, and T. Tanaka, “The design of off-axial optical system consisting of aspherical mirrors without rotational symmetry,” in 20th Optical Symposium, Extended Abstracts (1995), Vol. 21, pp. 53-56.

2.定義

3. 技術水準

ヘッドマウントディスプレイ(HMD(Head Mounted Display))技術は、急速に発展している分野である。ヘッドマウント・ディスプレイ技術の一側面が、(仮想現実として説明され得る)完全な没入視覚環境を提供し、外部環境視覚的に遮断される間、ユーザーは、1以上のディスプレイにより提供されるイメージのみを観察する。これらの装置は、エンターテインメント、ゲーム、事、医療、及び産業といった分野において用途を有する。US2010/0277575A1には、そのような装置の一例の記述がある。HMDの基本的な光学機能は、米国特許5,390,047に記述のものといったステレオビューアー(stereoviewer)のものである。

ヘッドマウント・ディスプレイは、典型的には、1つ又は2つのディスプレイと、これらに対応の光学系であり、ユーザーの目により視覚(visualized)される仮想スクリーンにディスプレイらを映す光学系と、外部環境を視覚的に遮断し、先に述べた構成要素の支持構造を提供するヘルメットから構成される。ディスプレイは、また、瞳トラッカー(pupil tracker)及び/又はヘッドトラッカーも有し得、ディスプレイにより提供されるイメージが、ユーザーの動きに応じて変化する。

理想的なヘッドマウントディスプレイは、高解像度広視野、軽くまた良く分配された重量、及び小さな寸法の構造を兼ね備える。幾つかの技術は、首尾良くこれらの望まれる特徴を個別に達成するが、今のところ、大半の技術は、これら全てを組み合わせることができていない。これは、ユーザーにとって不完全又はより不快な体験帰結する。低レベルリアリズム眼精疲労低解像度又は乏しい光学イメージング品質に起因する)、没入型環境の生成の失敗(小さい視野)、又はユーザーの頭部への過度な圧力(過剰な重量)が問題に含まれ得る。

まず、PCT1は、クラスター、オピクセル、及びアイピクセルとして本出願に関連するコンセプトを開示する。PCT1の図3である本願の図1は、4つのクラスター104t,104b,105t及び105bのみの単純な例を示し、これが、デジタル・ディスプレイ107上のオピクセルにより生成される複合イメージ(compound image)を形成する。PCT1では、オピクセルが小型レンズアレイ光学系により投射され、(ここでは簡易化のために矩形輪郭平坦に描かれている)仮想スクリーン108上にアイピクセルのイメージを形成する。従って、各オピクセルが、1つのクラスターに属し、任意の2つのクラスターの交差部(intersection)が空のセット(empty set)であり、全クラスターの集合が、デジタル・ディスプレイ全体である。

各クラスターは、仮想スクリーン上にイメージの一部を表示(display)する。隣接するクラスターは、隣接領域(neighboring regions)において一致するあるシフト量でイメージの部分を表示する。この必要性を説明するため、2次元の概略図が図1の上部に加えられている。それは、オピクセルとアイピクセルの間の写像エッジを規定するために関連のある光線を示す。この図においては、アイピクセルの仮想スクリーンが無限位置に置かれ、光線100a,101a,102a及び103aの光線の方向が、仮想スクリーン上のアイピクセルの位置を示す。図面は、簡潔さのために2次元であるが、図1の下部の左にイメージを投射する実際の装置が3次元であり、2つが上で2つが下に置かれた4つの小型レンズを含み、図1の上部の概略図における104及び105で示される2つのみではない。2次元スキームが、オピクセルとアイピクセルの間の写像の水平座標を説明するために用いられ、類似の理由が垂直座標にも当てはまる

仮想スクリーンの水平範囲が、100aから103aまで延びる。左クラスター104t及び104bに表されたイメージの部分が、仮想スクリーン108上に縦線100a及び102aを規定する、瞳孔範囲106のエッジに到達するエッジ光線100a及び102aにより与えられる。類似して、右クラスター105t及び105bに表されるイメージの部分が、仮想スクリーン108上に2つ縦線を規定する、エッジ光線101a及び103aにより与えられる。従って、101aと102aの間の仮想スクリーン108の部分が左右のクラスターの両方に表示される。詳細には、小型レンズ104が、仮想スクリーンのエッジ光線100a及び102aをデジタル・ディスプレイ107上の100b及び102b上にマップ化する。類似して、小型レンズ105が、エッジ光線101a及び103aをデジタル・ディスプレイ107上の101b及び103b上にマップ化する。光学設計は、クラスターが重複しないことを保証することを目標とし、これは、101b及び102bが一致するときのデジタル・ディスプレイの最大利用で達成される。下部クラスター104b,105bとの上部クラスター104t,105tの類似のアライメントが図1から明らかである。

クラスター上の情報の部分的な一致のため、アイピクセルip1が、4つのオピクセルop11,op12,op13及びop14の投射により形成される。このオピクセルのセットが、アイピクセルip1の「ウェブ」として言及される。ip1といった仮想スクリーンの中央に設けられたアイピクセルのウェブそれぞれには4つのオピクセルが含まれる。しかしながら、仮想スクリーンの境界に近いアイピクセルのウェブが少数のオピクセルを有し得る。例えば、アイピクセルip2のウェブが、たった2つのオピクセルop21及びop22のみを含み、ip3のウェブがop31のみ含む。

本明細書に開示の装置は、PCT1に開示の実施形態のような屈折小型レンズのみを用いず、HMDを小さな寸法に維持しつつむしろ長い焦点距離(10mm〜80mm)を許容する全反射を持つウェッジ形状(wedge-shaped)のプリズム光学系を用いる。

HMD用にウェッジ形状のプリズム光学系を用いる先行技術が過去に提案されており、多数の特許は、その全てが同一の原理共有するが、これを反映する。1995年にMorishima et al.によりパイオニア作品が最初に提示されたため、我々は、Morishima et al.のウェッジ形状のプリズム光学系としてこれらの全てを参照する。Inoguchiにより製作及び評価方法が探索された。これらのパイオニアの努力に続いて、多数の試みが、自由曲面の表面、特にはウェッジ形状のプリズム(米国特許Nos. 5,699,194, 5,701,202, 5,706,136. D. Cheng, et al., “Design of a lightweight and wide field-of-view HMD system with free form surface prism,” Infrared and Laser Engineering, Vol. 36, 3 (2007).)に基づく設計を用いてHMDを設計するために為されている。例えば、Hoshi et al.は、34°の視野を提供し、15mmの厚みの自由曲面のプリズムを提示した;また、Yamazaki et al.は、ウェッジ形状のプリズムから成る光学的なシースルー能力を有する51°のHMD設計と、ウェッジ形状のプリズムに取り付けられる予備レンズを記述した。より最近では、Prest et al.の米国特許8,605,008は、同様のウェッジ形状のプリズム光学系を含む。ウェッジ形状のプリズム光学系コンセプトに基づいた幾つかの商業的に入手可能なHMD製品もある。例えば、オリンパスは、自由曲面のプリズムに基づいてHMDシリーズEye−Trekをリリースした。Emagin は、光学モジュールWFO5を有するZ800を実装し、Daeyangはi-Visor FX series (GEOMCモジュール, A3プリズム)製品を実装し、Rockwell Collinsは、OEMディスプレイ光学系のプリズム技術を用いたProView SL40をアナウンスした。US 2012/0081800 A “Optical see-through free-form head-mounted display” by D. Cheng et al.は、また、HMD用途のための新規な光学設計を提案し、特には、自由曲面の面と低いFナンバーを有するウェッジ形状のプリズムレンズを含むシースルー自由曲面のヘッドマウントディスプレイが提示される。

Morishimaのウェッジ形状のプリズム光学系の動作原理が図3に示され(Prest et al.の米国特許8,605,008から引用)、301が目を表し、302がデジタル・ディスプレイを表し、303がレンズである。デジタル・ディスプレイから放射された光線304は、まず面305で屈折され、次に面306で全反射され、次に、鏡面307で反射され、最後に、目に向けて面306により屈折される。

しかしながら、Prestのレンズは、我々の実施形態とは完全に異なる。なぜなら、偏向の順番が同一ではないためである。例えば、図6に示された場合を検討するに、デジタル・ディスプレイ608により放射された光線が面601で屈折され、次に鏡面602で反射され、面601で全反射され(又は鏡面エリア607で反射され)、最後に面603で屈折されて目610に送られる。この異なる発生シーケンスは、図8のデジタル・ディスプレイが図6における相当に垂直な位置に配置されることを許容し、他方、Morishimaのウェッジ形状のプリズムでは、ディスプレイは、(図3に見られるように)相当に水平に配置されることを必要とする。

本明細書に開示された実施形態と先に言及の先行技術の間の別の重要な相違は、我々のものが、単眼当たりに単一のディスプレイでも非常に広い視野(>60°)を提供することであり、他方、先行技術は、単一のディスプレイについてより小さい視野(<50°)を提供する。視野を広げるために先行技術で用いられる1つのアプローチは、敷設(tiling)、すなわち、非同一面でモザイクパターンで配置された単眼当たりの多数のディスプレイを用いることである。このアプローチは、D. Cheng et al., "Design of a wide-angle, lightweight head-mounted display using free-form optics tiling," Opt. Lett. 36, 2098-2100 (2011)に提示されており、図4に示される(2次元の垂直断面のみが示されるが、実際の設計では、Chengの図4cに示されるように、単眼周囲に配置される合計最大6つのデジタル・ディスプレイがある)。単眼当たりに非共面な多数のディスプレイを用いるこの先行技術のシステムとは異なり、本開示の装置では、我々は、両目について1つのディスプレイ、或いは、単眼当たりに1つのディスプレイ、或いは単眼当たりに幾つかのディスプレイを用いるが、これらの全ては、共通のPCB上へのより簡単な実装のために同一面に置かれ得る。

他の関連の先行技術が、You et al.の米国特許7,689,116に開示され、これは、2つの小型レンズ光学系から成る光学設計から成る。モバイルカメラに適用可能であるこの特許は、2つの別々の対称軸外の屈折−反射系を用いて視野を2つの分割する光学レンズ系を提示し、これにより、より薄いカメラ光学レンズ系を達成する。

図5は、米国特許7,689,116の基礎を説明する。図5では、物体(この例では、花501)により放射された光は、光学系を介して伝播し、光センサーが配置されたイメージ面502に入射する。視野の上半分に対応する光が屈折面503を介してシステムに入射し、他方、視野の下半分が屈折面504を介してシステムに入射する。光学系の両方の半分は、図5に示されるように対称である。上半分に属する光線が、4つの異なる面により連続的に偏向され、まず面503で屈折され、次に、面507で反射され、再び、面508で反射され、続いて面509で屈折され、最後に、イメージ面502の上部に入射する。この装置で用いられる特定の光学アーキテクチャーに起因して、イメージ面で取得されるイメージの半分それぞれが反転される505。この状況は、最終的にセンサー506上で所望のイメージを取得するために電子的に訂正される。

Youの設計が図12において示されたもののように本明細書に開示された実施形態に関係するが、幾つかの重要な相違があり、これは、以下の詳細な記述における開示により明らかにされる。まず、本実施形態は、異なる用途、すなわち、ヘッドマウントディスプレイのためであり、他方、Youの発明は、図5に見られるように、モバイルカメラ光学レンズのためである。これは非常に異なる幾何形状を要求する。第2に、Youの現実の物体(写真として取られるシーン)は、レンズから離れて置かれることであり、他方、我々の対応物(オピクセルを有するデジタル・ディスプレイ)は、それに接触すらするレンズから非常に短い距離に置かれる。第3に、Youのイメージ(カメラセンサー投影される)が現実のものであり、レンズに非常に近くに配置され、他方、我々の対応物(アイピクセルを有する仮想スクリーン)は、仮想のものであり、レンズから離れて配置される。第4に、図12に示される我々の場合において現実のものである出力瞳(output pupil)は、レンズの出力側(exit side)に配置され、目の動きを許容するように瞳孔範囲(pupil range)として規定され、他方、Youでは、同等の瞳(これは、エクジット瞳(exit pupil)である)が仮想のものであり、レンズの入力側(entrance side)に配置される。第5に、図5における2つの面503,508の開口部が分離されており(これらの間に交差部(intersection)がない)、他方、我々の場合、それらが重畳し、図12において実際には2つの領域(ミラー領域(mirrored region)及び全反射及び屈折により作用する領域)を有する同一面1201である。第6に、Youのシステムでは、(本実施形態とは異なり)、アイピクセルからオピクセルの写像が一意的(univocal)であり、すなわち、PCT1の背景技術(PCT1の図1及び図2)において記述のマルチアパチャーカメラにおいて共通のウェブがない。また、第7に、Youのシステムでは、物体の1つのピクセルにより生成された全ての光線が、単一の小型レンズを介してイメージのそれに対応の1つのピクセルに向かい、他方、我々の場合、1つよりも多い小型レンズを通過した光線からその光が到来する多くのアイピクセルがある。

概要

ディスプレイ装置は、リアルイメージを生成するように動作可能であるディスプレイを有する。光学系は、各小型レンズがディスプレイから目位置に光を投射することにより、ディスプレイ上の個別の部分リアルイメージから仮想サブイメージを生成する小型レンズを有する。サブイメージが目位置から視覚可能である仮想イメージを形成するように結合する。小型レンズの少なくとも一つは、「RXIR」小型レンズであり、ディスプレイから目位置への光線が、屈折(R)、反射(X)、全反射又は金属反射(I)、及び屈折(R)の少なくとも4回この順で連続的に偏向される。

目的

ヘッドマウント・ディスプレイは、典型的には、1つ又は2つのディスプレイと、これらに対応の光学系であり、ユーザーの目により視覚(visualized)される仮想スクリーンにディスプレイらを映す光学系と、外部環境を視覚的に遮断し、先に述べた構成要素の支持構造を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

リアルイメージを生成するように動作可能であるディスプレイ;及び各小型レンズがディスプレイから目位置に光を投射することにより、ディスプレイ上の個別の部分リアルイメージから仮想サブイメージを生成するように配置された1以上の小型レンズを備える光学系を備え、サブイメージが目位置から視覚可能である仮想イメージを形成するように結合し、小型レンズの少なくとも一つは、ディスプレイから目位置への光線が、屈折(R)、反射(X)、全反射又は金属反射(I)、及び屈折(R)の少なくとも4回この順で連続的に偏向されるもの(RXIR小型レンズ)である、ディスプレイ装置

請求項2

入力イメージ受け取り、結果として生じる仮想サブイメージが配列して前述の視認可能な仮想イメージとして前述の入力イメージの仮想イメージを形成するように個別の部分リアルイメージを生成するように動作可能であるディスプレイ・ドライバーを更に備える、請求項1に記載のディスプレイ装置。

請求項3

第1屈折(R)及び全反射又は金属反射(I)が、不一致重畳開口部を有する同一面により実行される、請求項1に記載のディスプレイ装置。

請求項4

1以上の小型レンズが、少なくとも2つの前述のRXIR小型レンズを備える、請求項1に記載のディスプレイ装置。

請求項5

1以上の小型レンズが、少なくとも1つの前述のRXIR小型レンズと、非RXIR小型レンズである少なくとも1つの小型レンズを備える、請求項1に記載のディスプレイ装置。

請求項6

少なくとも1つのRXIR小型レンズが、視認可能な仮想イメージの中央部でその仮想サブイメージを生成し、少なくとも1つの非RXIR小型レンズが、視認可能な仮想イメージの周辺部に近い仮想イメージの一部でその仮想サブイメージを生成する、請求項5に記載のディスプレイ装置。

請求項7

少なくとも2つの小型レンズが重畳不可能である、請求項1に記載のディスプレイ装置。

請求項8

目が、その瞳が瞳孔範囲内にある前述の目位置の仮想球体の位置にある時、目の1.5mmの中心窩(fovea)に目により投射される中心窩部分を備える部分仮想イメージを生成するように構成され、前述の中心窩部分が、視認可能な仮想イメージの周辺部よりも高い解像度を有する、請求項1に記載のディスプレイ装置。

請求項9

光学系が、目位置の眼球から5〜40mmの距離に置かれ、アレイを形成する少なくとも1つの小型レンズが、全角40度の円錐を備える眼球の最も近い点から立体角で対し(subtending)、ディスプレイが、80mmを超えない光学系からの距離で眼球から離れた光学系の側にある、請求項1に記載のディスプレイ装置。

請求項10

ディスプレイ上の個別の部分リアルイメージが、ディスプレイの同一部分上に重複し、異なる時間期間にアクティブ化される少なくとも2つの部分リアルイメージを備え、異なる小型レンズが、仮想イメージの異なる部分で異なるサブイメージにディスプレイの前述の同一部分を映す、請求項1に記載のディスプレイ装置。

請求項11

仮想サブイメージに貢献しない光を除去する迷光制御システムを更に備える、請求項1に記載のディスプレイ装置。

請求項12

迷光制御システムは、仮想サブイメージに貢献する光線が交差しないディスプレイ装置の部分の吸光材料を備える、請求項11に記載のディスプレイ装置。

請求項13

迷光制御システムは、ディスプレイに向けて反射して戻る光を吸収する偏光子及び半波長回転子(half-wave rotator)を備える、請求項11に記載のディスプレイ装置。

請求項14

カメラを用いた目追跡システムを更に備える、請求項1に記載のディスプレイ装置。

請求項15

ヒトの頭部上にディスプレイ装置を位置付け、ヒトの目にディスプレイ装置の目位置を一致させるためのマウントを有する請求項1に記載のディスプレイ装置を備えるヘッドギア

請求項16

請求項1に記載の第2のディスプレイ装置を更に備え、第2のディスプレイ装置の目位置がヒトの第2の目に一致するように実装される、請求項15に記載のヘッドギア。

技術分野

0001

関連出願の相互参照
この出願は、共通して発明及び譲渡された「没入小型ディスプレイグラス」について2015年1月21日に出願された米国仮出願No.62/105,905と「光学装置」について2015年8月21日に出願された米国仮出願No.62/208,235に基づく優先権を主張する。これらの出願の両方が、その全体において参照により本明細書に組み込まれる。この出願は、「没入型小型ディスプレイグラス」について、「PCT1」と本明細書で呼ばれる、共通して譲渡されて発明者が共通のWO2015/077718A1(PCT/US 2014/067149)に関する主題を含み、これが、その全体において参照により本明細書に組み込まれる。

0002

本出願は、視覚ディスプレイ、特にはヘッドマウントディスプレイ技術に関する。

背景技術

0003

1.引用文

0004

WO 2015/077718 of Benitez et al. (“PCT1”)

0005

米国特許4,924,215 to Nelson

0006

米国特許5,390,047 to Mizukawa

0007

米国特許5,699,194 to Takahashi

0008

米国特許5,701,202 to Takahashi

0009

米国特許5,706,136 to Okuyama & Takahashi

0010

米国特許7,689,116 to Ho Sik You et al.

0011

米国特許8,605,008 to Prest et al.

0012

米国特許出願2010/0277575A1 of Ismael et al.

0013

米国特許出願2012/0081800 of Cheng et al.

0014

D. Cheng, et al., "Design of a wide-angle, lightweight head-mounted display using free-form optics tiling," Opt. Lett. 36, 2098-2100 (2011)

0015

http:/ /www.xbitlabs.com/news/monitors/display/ 20100519223434_ Toshiba_Develops_High_Speed_High_Contrast_Active_Shutter_3D_Glasses.html (“Shilov 2010”)

0016

D. Fattal, Z. Peng, T. Tran, S. Vo, M. Fiorentino, J. Brug, and R. G. Beausoleil, “A multi-directional backlight for a wide-angle, glasses-free three-dimensional display,” Nature, vol. 495, 7441, pp 348-351, 2013.DOI: 10.1038/nature11972. (“Fattal 2013”)

0017

H. Hoshi, N. Taniguchi, H. Morishima, T. Akiyama, S. Yamazaki, and A. Okuyama, “Off-axial HMD optical system consisting of aspherical surfaces without rotational symmetry,” Proc. SPIE2653, 234-242 (1996).

0018

Inoguchi et al. “Fabrication and evaluation of HMD optical system consisting of aspherical mirrors without rotation symmetry,” Japan Optics '95, Extended Abstracts, 20pB06, pp. 19-20, 1995).

0019

J.J. Kerr, Visual resolution in the periphery, Perception & Psychophysics, Vol. 9 (3), 1971

0020

J.E. Melzer, “Overcoming the Field of View: Resolution Invariant in Head Mounted Displays”, SPIEVol. 3362, 1998

0021

H. Morishima, T. Akiyama, N. Nanba, and T. Tanaka, “The design of off-axial optical system consisting of aspherical mirrors without rotational symmetry,” in 20th Optical Symposium, Extended Abstracts (1995), Vol. 21, pp. 53-56.

0022

2.定義

0023

3. 技術水準

0024

ヘッドマウント・ディスプレイ(HMD(Head Mounted Display))技術は、急速に発展している分野である。ヘッドマウント・ディスプレイ技術の一側面が、(仮想現実として説明され得る)完全な没入型視覚環境を提供し、外部環境視覚的に遮断される間、ユーザーは、1以上のディスプレイにより提供されるイメージのみを観察する。これらの装置は、エンターテインメント、ゲーム、事、医療、及び産業といった分野において用途を有する。US2010/0277575A1には、そのような装置の一例の記述がある。HMDの基本的な光学機能は、米国特許5,390,047に記述のものといったステレオビューアー(stereoviewer)のものである。

0025

ヘッドマウント・ディスプレイは、典型的には、1つ又は2つのディスプレイと、これらに対応の光学系であり、ユーザーの目により視覚(visualized)される仮想スクリーンにディスプレイらを映す光学系と、外部環境を視覚的に遮断し、先に述べた構成要素の支持構造を提供するヘルメットから構成される。ディスプレイは、また、瞳トラッカー(pupil tracker)及び/又はヘッドトラッカーも有し得、ディスプレイにより提供されるイメージが、ユーザーの動きに応じて変化する。

0026

理想的なヘッドマウントディスプレイは、高解像度広視野、軽くまた良く分配された重量、及び小さな寸法の構造を兼ね備える。幾つかの技術は、首尾良くこれらの望まれる特徴を個別に達成するが、今のところ、大半の技術は、これら全てを組み合わせることができていない。これは、ユーザーにとって不完全又はより不快な体験帰結する。低レベルリアリズム眼精疲労低解像度又は乏しい光学イメージング品質に起因する)、没入型環境の生成の失敗(小さい視野)、又はユーザーの頭部への過度な圧力(過剰な重量)が問題に含まれ得る。

0027

まず、PCT1は、クラスター、オピクセル、及びアイピクセルとして本出願に関連するコンセプトを開示する。PCT1の図3である本願の図1は、4つのクラスター104t,104b,105t及び105bのみの単純な例を示し、これが、デジタル・ディスプレイ107上のオピクセルにより生成される複合イメージ(compound image)を形成する。PCT1では、オピクセルが小型レンズアレイ光学系により投射され、(ここでは簡易化のために矩形輪郭平坦に描かれている)仮想スクリーン108上にアイピクセルのイメージを形成する。従って、各オピクセルが、1つのクラスターに属し、任意の2つのクラスターの交差部(intersection)が空のセット(empty set)であり、全クラスターの集合が、デジタル・ディスプレイ全体である。

0028

各クラスターは、仮想スクリーン上にイメージの一部を表示(display)する。隣接するクラスターは、隣接領域(neighboring regions)において一致するあるシフト量でイメージの部分を表示する。この必要性を説明するため、2次元の概略図が図1の上部に加えられている。それは、オピクセルとアイピクセルの間の写像エッジを規定するために関連のある光線を示す。この図においては、アイピクセルの仮想スクリーンが無限位置に置かれ、光線100a,101a,102a及び103aの光線の方向が、仮想スクリーン上のアイピクセルの位置を示す。図面は、簡潔さのために2次元であるが、図1の下部の左にイメージを投射する実際の装置が3次元であり、2つが上で2つが下に置かれた4つの小型レンズを含み、図1の上部の概略図における104及び105で示される2つのみではない。2次元スキームが、オピクセルとアイピクセルの間の写像の水平座標を説明するために用いられ、類似の理由が垂直座標にも当てはまる

0029

仮想スクリーンの水平範囲が、100aから103aまで延びる。左クラスター104t及び104bに表されたイメージの部分が、仮想スクリーン108上に縦線100a及び102aを規定する、瞳孔範囲106のエッジに到達するエッジ光線100a及び102aにより与えられる。類似して、右クラスター105t及び105bに表されるイメージの部分が、仮想スクリーン108上に2つ縦線を規定する、エッジ光線101a及び103aにより与えられる。従って、101aと102aの間の仮想スクリーン108の部分が左右のクラスターの両方に表示される。詳細には、小型レンズ104が、仮想スクリーンのエッジ光線100a及び102aをデジタル・ディスプレイ107上の100b及び102b上にマップ化する。類似して、小型レンズ105が、エッジ光線101a及び103aをデジタル・ディスプレイ107上の101b及び103b上にマップ化する。光学設計は、クラスターが重複しないことを保証することを目標とし、これは、101b及び102bが一致するときのデジタル・ディスプレイの最大利用で達成される。下部クラスター104b,105bとの上部クラスター104t,105tの類似のアライメント図1から明らかである。

0030

クラスター上の情報の部分的な一致のため、アイピクセルip1が、4つのオピクセルop11,op12,op13及びop14の投射により形成される。このオピクセルのセットが、アイピクセルip1の「ウェブ」として言及される。ip1といった仮想スクリーンの中央に設けられたアイピクセルのウェブそれぞれには4つのオピクセルが含まれる。しかしながら、仮想スクリーンの境界に近いアイピクセルのウェブが少数のオピクセルを有し得る。例えば、アイピクセルip2のウェブが、たった2つのオピクセルop21及びop22のみを含み、ip3のウェブがop31のみ含む。

0031

本明細書に開示の装置は、PCT1に開示の実施形態のような屈折小型レンズのみを用いず、HMDを小さな寸法に維持しつつむしろ長い焦点距離(10mm〜80mm)を許容する全反射を持つウェッジ形状(wedge-shaped)のプリズム光学系を用いる。

0032

HMD用にウェッジ形状のプリズム光学系を用いる先行技術が過去に提案されており、多数の特許は、その全てが同一の原理共有するが、これを反映する。1995年にMorishima et al.によりパイオニア作品が最初に提示されたため、我々は、Morishima et al.のウェッジ形状のプリズム光学系としてこれらの全てを参照する。Inoguchiにより製作及び評価方法が探索された。これらのパイオニアの努力に続いて、多数の試みが、自由曲面の表面、特にはウェッジ形状のプリズム(米国特許Nos. 5,699,194, 5,701,202, 5,706,136. D. Cheng, et al., “Design of a lightweight and wide field-of-view HMD system with free form surface prism,” Infrared and Laser Engineering, Vol. 36, 3 (2007).)に基づく設計を用いてHMDを設計するために為されている。例えば、Hoshi et al.は、34°の視野を提供し、15mmの厚みの自由曲面のプリズムを提示した;また、Yamazaki et al.は、ウェッジ形状のプリズムから成る光学的なシースルー能力を有する51°のHMD設計と、ウェッジ形状のプリズムに取り付けられる予備レンズを記述した。より最近では、Prest et al.の米国特許8,605,008は、同様のウェッジ形状のプリズム光学系を含む。ウェッジ形状のプリズム光学系コンセプトに基づいた幾つかの商業的に入手可能なHMD製品もある。例えば、オリンパスは、自由曲面のプリズムに基づいてHMDシリーズEye−Trekをリリースした。Emagin は、光学モジュールWFO5を有するZ800を実装し、Daeyangはi-Visor FX series (GEOMCモジュール, A3プリズム)製品を実装し、Rockwell Collinsは、OEMディスプレイ光学系のプリズム技術を用いたProView SL40をアナウンスした。US 2012/0081800 A “Optical see-through free-form head-mounted display” by D. Cheng et al.は、また、HMD用途のための新規な光学設計を提案し、特には、自由曲面の面と低いFナンバーを有するウェッジ形状のプリズムレンズを含むシースルー自由曲面のヘッドマウントディスプレイが提示される。

0033

Morishimaのウェッジ形状のプリズム光学系の動作原理図3に示され(Prest et al.の米国特許8,605,008から引用)、301が目を表し、302がデジタル・ディスプレイを表し、303がレンズである。デジタル・ディスプレイから放射された光線304は、まず面305で屈折され、次に面306で全反射され、次に、鏡面307で反射され、最後に、目に向けて面306により屈折される。

0034

しかしながら、Prestのレンズは、我々の実施形態とは完全に異なる。なぜなら、偏向の順番が同一ではないためである。例えば、図6に示された場合を検討するに、デジタル・ディスプレイ608により放射された光線が面601で屈折され、次に鏡面602で反射され、面601で全反射され(又は鏡面エリア607で反射され)、最後に面603で屈折されて目610に送られる。この異なる発生シーケンスは、図8のデジタル・ディスプレイが図6における相当に垂直な位置に配置されることを許容し、他方、Morishimaのウェッジ形状のプリズムでは、ディスプレイは、(図3に見られるように)相当に水平に配置されることを必要とする。

0035

本明細書に開示された実施形態と先に言及の先行技術の間の別の重要な相違は、我々のものが、単眼当たりに単一のディスプレイでも非常に広い視野(>60°)を提供することであり、他方、先行技術は、単一のディスプレイについてより小さい視野(<50°)を提供する。視野を広げるために先行技術で用いられる1つのアプローチは、敷設(tiling)、すなわち、非同一面でモザイクパターンで配置された単眼当たりの多数のディスプレイを用いることである。このアプローチは、D. Cheng et al., "Design of a wide-angle, lightweight head-mounted display using free-form optics tiling," Opt. Lett. 36, 2098-2100 (2011)に提示されており、図4に示される(2次元の垂直断面のみが示されるが、実際の設計では、Chengの図4cに示されるように、単眼周囲に配置される合計最大6つのデジタル・ディスプレイがある)。単眼当たりに非共面な多数のディスプレイを用いるこの先行技術のシステムとは異なり、本開示の装置では、我々は、両目について1つのディスプレイ、或いは、単眼当たりに1つのディスプレイ、或いは単眼当たりに幾つかのディスプレイを用いるが、これらの全ては、共通のPCB上へのより簡単な実装のために同一面に置かれ得る。

0036

他の関連の先行技術が、You et al.の米国特許7,689,116に開示され、これは、2つの小型レンズ光学系から成る光学設計から成る。モバイルカメラに適用可能であるこの特許は、2つの別々の対称軸外の屈折−反射系を用いて視野を2つの分割する光学レンズ系を提示し、これにより、より薄いカメラ光学レンズ系を達成する。

0037

図5は、米国特許7,689,116の基礎を説明する。図5では、物体(この例では、花501)により放射された光は、光学系を介して伝播し、光センサーが配置されたイメージ面502に入射する。視野の上半分に対応する光が屈折面503を介してシステムに入射し、他方、視野の下半分が屈折面504を介してシステムに入射する。光学系の両方の半分は、図5に示されるように対称である。上半分に属する光線が、4つの異なる面により連続的に偏向され、まず面503で屈折され、次に、面507で反射され、再び、面508で反射され、続いて面509で屈折され、最後に、イメージ面502の上部に入射する。この装置で用いられる特定の光学アーキテクチャーに起因して、イメージ面で取得されるイメージの半分それぞれが反転される505。この状況は、最終的にセンサー506上で所望のイメージを取得するために電子的に訂正される。

0038

Youの設計が図12において示されたもののように本明細書に開示された実施形態に関係するが、幾つかの重要な相違があり、これは、以下の詳細な記述における開示により明らかにされる。まず、本実施形態は、異なる用途、すなわち、ヘッドマウントディスプレイのためであり、他方、Youの発明は、図5に見られるように、モバイルカメラ光学レンズのためである。これは非常に異なる幾何形状を要求する。第2に、Youの現実の物体(写真として取られるシーン)は、レンズから離れて置かれることであり、他方、我々の対応物(オピクセルを有するデジタル・ディスプレイ)は、それに接触すらするレンズから非常に短い距離に置かれる。第3に、Youのイメージ(カメラセンサー投影される)が現実のものであり、レンズに非常に近くに配置され、他方、我々の対応物(アイピクセルを有する仮想スクリーン)は、仮想のものであり、レンズから離れて配置される。第4に、図12に示される我々の場合において現実のものである出力瞳(output pupil)は、レンズの出力側(exit side)に配置され、目の動きを許容するように瞳孔範囲(pupil range)として規定され、他方、Youでは、同等の瞳(これは、エクジット瞳(exit pupil)である)が仮想のものであり、レンズの入力側(entrance side)に配置される。第5に、図5における2つの面503,508の開口部が分離されており(これらの間に交差部(intersection)がない)、他方、我々の場合、それらが重畳し、図12において実際には2つの領域(ミラー領域(mirrored region)及び全反射及び屈折により作用する領域)を有する同一面1201である。第6に、Youのシステムでは、(本実施形態とは異なり)、アイピクセルからオピクセルの写像が一意的(univocal)であり、すなわち、PCT1の背景技術(PCT1の図1及び図2)において記述のマルチアパチャーカメラにおいて共通のウェブがない。また、第7に、Youのシステムでは、物体の1つのピクセルにより生成された全ての光線が、単一の小型レンズを介してイメージのそれに対応の1つのピクセルに向かい、他方、我々の場合、1つよりも多い小型レンズを通過した光線からその光が到来する多くのアイピクセルがある。

課題を解決するための手段

0039

一側面において、光学設計に基づく没入型仮想現実用途向けの装置は、ディスプレイ光を目に投射する1以上の小型レンズを有する。少なくとも1つの小型レンズがあり、光線は、ディスプレイから目に向かう伝播方向において次の順番で自由曲面で少なくとも4回偏光される:屈折、反射、全反射又は金属反射、及び屈折。第1屈折及び全反射が同一面により行われる。この小型レンズは、本明細書でRXIR型と呼ばれる。複数の小型レンズが用いられる時、いずれかの一つの小型レンズを介して仮想イメージイメージピクセル(アイピクセル)に映されるデジタル・ディスプレイの物体ピクセル(オピクセル)のセットが、小型レンズのクラスターと呼ばれる。異なるクラスターに属する幾つかのオピクセルが仮想イメージの同一のアイピクセルに写像され得るため、一般的に、オピクセルからアイピクセルの割り当てが、全単射(bijective)ではない。

0040

小型レンズの数及び種類に依存してこれらの実施形態の多数の候補の構成がある。好適な実施形態は、1つ、2つ、又は4つのいずれかのRXIR小型レンズを有し、これは、単体であり、又は屈折小型レンズと組み合わされる。これらの実施形態は、両方の目について単一のデジタル・ディスプレイ、単眼当たりに1つのディスプレイ、単眼当たりに2つのディスプレイで用いられるように設計可能であり、デジタル・ディスプレイは、平坦又はカーブされ得る。2つのRXIR小型レンズ実施形態は、小さいカメラを用いて目追跡システムを簡単に収容することができる。

0041

一つの実施形態において、光学設計は、好適には直交基底を用いて、多項式係数の多パラメーターの最適化により、2以上の自由曲面を用いて為される。設計要求が、利用可能な自由度の最適な利用のため、ヒトの目の解像度適合される。アイピクセルが中心窩(fovea)に目により映されるため、この適合は、目が、アイピクセル又はその近傍を注視する時(従って、周辺角度が小さい)、全アイピクセルのイメージ品質が最大になるべきであることを意味し、他方、そこで目の解像力が減少する周辺角度が増加する時、イメージ品質が徐々に緩和される。

0042

時分割多重技術の追加は、フレーム期間内の幾つかの連続部分でイメージを表すことにより、また、これらのイメージ部分のどれかについて全ての利用可能なオピクセルを用いることにより、アイピクセルの数を増加することを許容する。

0043

一実施形態において、これらの実施形態のコントラストが、幾つかの選択された位置の吸収剤を含め、又は、(LCDデジタル・ディスプレイの場合のように)偏光が用いられる時には半波長板の助けにより改善される。

0044

別の側面においては、ディスプレイ装置は、リアルイメージを生成するように動作可能であるディスプレイを備える。光学系は、各小型レンズがディスプレイから目位置に光を投射することにより、ディスプレイ上の個別の部分リアルイメージから仮想サブイメージを生成するように配置された1以上の小型レンズを備える。サブイメージが目位置から視覚可能である仮想イメージを形成するように結合する。小型レンズの少なくとも一つは、ディスプレイから目位置への光線が、屈折(R)、反射(X)、全反射又は金属反射(I)、及び屈折(R)の少なくとも4回この順で連続的に偏向されるもの(RXIR小型レンズ)である。

0045

ディスプレイ装置は、入力イメージ受け取り、結果として生じる仮想サブイメージが配列して前述の視認可能な仮想イメージとして前述の入力イメージの仮想イメージを形成するように個別の部分リアルイメージを生成するように動作可能であるディスプレイ・ドライバーを更に備え得る。

0046

第1屈折(R)及び全反射又は金属反射(I)が、不一致(non-coincident)の重畳開口部(overlappingclear apertures)を有する同一面により達成され得る。重畳の領域は、通常、屈折及び全反射の両方の領域である。第1屈折の領域外の同一面の別の領域がメタライズされる。

0047

1以上の小型レンズが、少なくとも2つの前述のRXIR小型レンズを備え得、これが重畳可能であり、又は別々である。

0048

1以上の小型レンズは、RXIR小型レンズと、非RXIR小型レンズである少なくとも1つの小型レンズの少なくとも1つを備え得る。

0049

少なくとも1つのRXIR小型レンズが、視認可能な仮想イメージの中央部でその仮想サブイメージを生成し、少なくとも1つの非RXIR小型レンズが、視認可能な仮想イメージの周辺部に近い(nearer)仮想イメージの一部でその仮想サブイメージを生成する。通常、より良好なイメージ品質を提供するRXIR小型レンズ(群)は、中心窩(fovea)でもっとも見られ得る仮想イメージの部分のために用いられる。

0050

少なくとも2つの小型レンズが重畳不可能であり得る。

0051

ディスプレイ装置は、目が、その瞳が瞳孔範囲(pupil range)内にあるディスプレイ装置の目位置にある仮想球体(imaginary sphere)により表される時、目の1.5mmの中心窩(fovea)に目により投射される中心窩部分(foveal part)を各々が備える部分仮想イメージを生成するように構成され、各視認可能な仮想イメージの中心窩部分が、視認可能な仮想イメージの周辺部よりも高い解像度を有し得る。

0052

光学系が、目位置の仮想眼球から5〜40mmの距離に置かれ、小型レンズのアレイ(array)を形成する少なくとも1つの小型レンズが、角40度の円錐を備える仮想球体の最も近い点から立体角で対し(subtending)、ディスプレイが、80mmを超えない光学系からの距離で仮想球体から離れた光学系の側にあり得る。

0053

ディスプレイ上の個別の部分リアルイメージが、ディスプレイの同一部分上に重複し、異なる時間期間にアクティブ化される少なくとも2つの部分リアルイメージを備え、異なる小型レンズが、仮想イメージの異なる部分で異なるサブイメージにディスプレイの前述の同一部分を映す。

0054

ディスプレイ装置は、仮想サブイメージに貢献しない光を除去する迷光制御システムを更に備え得る。

0055

迷光制御システムは、仮想サブイメージに貢献する光線が交差しないディスプレイ装置の部分の吸光材料を備え得る。

0056

迷光制御システムは、ディスプレイに向けて反射して戻る光を吸収する偏光子及び半波長回転子(half-wave rotator)を備え得る。

0057

ヘッドギアの実施形態は、ディスプレイ装置の上述の側面及び/又は実施形態のいずれかを備え、ヒトの頭部上にディスプレイ装置を位置付け、ヒトの目にディスプレイ装置の目位置を一致させるためのマウントを有する。

0058

ヘッドギアは、第2のディスプレイ装置の目位置がヒトの第2の目に一致するように実装される第2ディスプレイ装置を更に備え得る。

0059

第1及び第2ディスプレイ装置のディスプレイが単一の物理ディスプレイの部分であり得る。

0060

一実施形態において、RXIR偏光が、目位置に向かう及びそこから離れる方向又は第2R屈折が生じる出射面に向かう又はそこから離れる方向において、そこに垂直又は横断する方向よりも長い固体透明体の面で生じる。以下の実施形態で説明されるように、固体透明体は、一対の片、又は、狭い低屈折率ギャップのみにより分離された一対の片の一つであり得る。

図面の簡単な説明

0061

上述及び他の側面、特徴及び利益が、次の図面と一緒に提示されるある実施形態のより具体的な次の記述から明らかになる。

0062

図1は、アイピクセルからオピクセルへの写像の概略図である(先行技術)。

0063

図2は、周辺角度(peripheral angle)の関数として典型的なヒトの目の角度解像度(angular resolution)を示す。

0064

図3は、ウェッジプリズム光学系の断面図である(先行技術)。

0065

図4は、非共面(non-coplanar)ディスプレイで敷設されたシステムの断面図である(先行技術)。

0066

図5は、モバイル電話用のコンパクトカメラ光学系設計の断面図である(先行技術)。

0067

図6は、ワイドエリアデジタル・ディスプレイのための単一のRXIR小型レンズの実施形態の断面図である。

0068

図7は、両目のための単一のワイドエリアデジタル・ディスプレイを有する単一のRXIR小型レンズ装置の斜視図である。

0069

図8は、より小さいマイクロディスプレイのための単一の小型レンズRXIR実施形態の断面図である。

0070

図9Aは、両目のための単一のマイクロディスプレイを有する単一の小型レンズRXIR実施形態の上面図である。

0071

図9Bは、ワイドエリアカーブ(curved)デジタル・ディスプレイを有する単一の小型レンズRXIR実施形態の水平断面図である。

0072

図10は、RXIR及びRXR小型レンズを有する実施形態の断面図である。

0073

図11は、RXIR及びRR小型レンズを有する実施形態の断面図である。

0074

図12は、2つのRXIR小型レンズを有する2つ型実施形態の断面図及び斜視図である。

0075

図13は、目追跡のための追加されたカメラの概略図である。

0076

図14は、両目についての単一のデジタル・ディスプレイと単眼当たりの2つのRXIR小型レンズを有する実施形態の斜視図である。

0077

図15は、2つのRXIR小型レンズが別部品として製造される実施形態の断面図である。

0078

図16は、1つの中央RR小型レンズと2つの周辺RXIR小型レンズを有する実施形態の断面図である。

0079

図17は、RR小型レンズに対してレンズが加えられている図16の設計のバリエーションを示す。

0080

図18は、4つ型RXIR実施形態及び図16の実施形態の斜視図を示す。

0081

図19は、別の4つ型実施形態の斜視図である。

0082

図20は、両目についての単一のデジタル・ディスプレイに適用される図19の実施形態を示す。

0083

図21は、ディスプレイの近くの追加のレンズを有する実施形態の断面図である。

0084

図22は、絶縁片(dielectric piece)から非結合の平坦なミラーを用いる実施形態の断面図である。

0085

図23は、目の近くの追加のレンズを有する実施形態の断面を示す。

0086

図24は、2つの中央RXIR小型レンズと2つの周辺RR小型レンズを有する別の実施形態の断面図である。

0087

図25は、コンパクトさを取得するために低屈折率ギャップ(gap)を用いる実施形態の断面図である。

0088

図26は、2つのミラーでRXIRのミラーを代用する実施形態の断面図である。

0089

図27は、単眼当たりに傾斜されたフラットディスプレイのための2つのRXIRチャンネルを有する重畳不可能である(non-superposable)実施形態の断面図である。

0090

図28は、カーブしたディスプレイのための2つのRXIRチャンネルを有する重畳不可能である(non-superposable)実施形態の上面図である。

0091

図29は、両目のための単一のディスプレイのための2つの4つ型設計の斜視図である。

0092

図30は、図29の1つの小型レンズの対角線に沿ってラジアル(radial)及びサジタル(sagittal)の焦点距離を示す。

0093

図31Aは、デジタル・ディスプレイ上のアイピクセルからオピクセルへの写像の幾つかの特徴線を示す。

0094

図31Bは、幾つかの角度を規定するための図である。

0095

図32は、より詳細な設計の面を表すために用いられるローカル座標を記述する。

0096

図33は、幾つかの特徴光線を示す詳細な設計の断面図である。

0097

図34は、図33の同一の設計の別の断面図である。

0098

図35は、小型レンズ当たりに1つの平坦なシャッターを用いる時分割多重の実施形態である。

0099

図36は、3回の時分割多重の設計におけるデジタル・ディスプレイの利用を示す。

0100

図37は、共面シャッターを用いる代替の時分割多重の実施形態である。

0101

図38は、半波長板(retarder)を用いて迷光を低減する実施形態の断面図である。

0102

図39は、図38と同一の実施形態の斜視図である。

0103

図40は、他の迷光生成メカニズムを低減するための吸収剤(absorber)の配置を示す。

0104

図41は、他の迷光生成メカニズムを低減するための代替の吸収剤(absorber)の配置を示す。

実施例

0105

本発明の実施形態は、一つ又は幾つかのデジタル・ディスプレイから目の瞳孔範囲のエリアに1以上の光学的な小型レンズを通じて光を伝播させる(単眼当たりの)光学装置を含み、小型レンズの少なくとも一つは、関心の光線が、(デジタル・ディスプレイから目に向かう時)屈折(R)、反射(X)、全反射又は金属反射(I)及び屈折(R)の順番にて少なくとも4回の偏向を受ける意味において規定されるRXIR小型レンズであり、第1屈折(R)及び全反射又は金属反射(I)が、不一致の重畳開口部を有する同一面で実行される。(我々は、本明細書で1次の連続性、つまり、傾斜の連続或いはより高次を有する面を「面」と呼ぶ。)これらの実施形態は、幾つかの自由曲面の光学面を用い、これらの面が古典的な回転又は線形対称性を有する必要はないことを意味する。それらの設計は、セクション8で与えられる詳細な記述に即して為される。

0106

この光設計の実施形態は、そのイメージが直接的に目により注視される(中心窩(fovea)に集光され、そこでは、ヒトの角度解像度がかなり高い)オピクセルをより良く映すように自由度の程度が最適化されるように不平衡(unbalanced)であり、他方、我々の周辺の視覚に対応するイメージ品質が緩和される。

0107

4.単一のRXIR小型レンズを有する実施形態

0108

図6は、RXIRタイプの単一の小型レンズを有する装置の2次元横(lateral)断面を示し、ユーザーの目610及び609の位置を示す。デジタル・ディスプレイ608は、傾斜位置に配置され得る。デジタル・ディスプレイのこの位置は、ユーザーの顔との装置全体のより良好なメカニカル結合を許容し、特に鼻の形状に適合する。図6に示されるように、デジタル・ディスプレイ608により放射された光線604,605及び606は、面601で屈折され、次に、ミラー面602で反射され、再び、面601での部分的な全反射と面607での部分的な金属反射部で反射され、ここで、面601及び607は、光学的に単一のミラーを形成し、最後に面603により屈折され、眼球611の中心へ向けられる。これらの光線は、従って、目がその対応のアイピクセルを注視する時、注視ベクトルに平行であり、従って、設計は、これらのアイピクセルのためのイメージ品質が最高になることを保証するべく為される。ディスプレイのエッジから放射される光線612及び613は、前方に向けて静止している時、瞳の中心に到達し、これは、視野のエッジを定める。607により示される面601の領域は、図6における一例の光線604のような全反射条件満足しないこれらの光線の反射を行うためにメタライズされる。もちろん、この領域は、面601の部分ではあるが、デジタル・ディスプレイ608から到来する光線の入射面(entrance)として利用可能ではない。従って、屈折及び反射のための面601の開口部(clear aperture)が重畳するが、これらは一致しない。3つの面601、602及び603の全てが好ましくは自由曲面である。なぜなら、古典的な回転対称性制約を打破することが、没入型視野全体(whole immersive field of view)における十分なイメージ品質を保証するべく光学設計により高い自由度を提供するためである。

0109

この設計は、両目について単一の広いデジタル・ディスプレイ又は2つの半分サイズのデジタル・ディスプレイ、即ち単眼当たりに一つを用いることを許容する。図7は、両目のための単一の広いディスプレイ703の特定の場合を示し、2つのレンズ702、それぞれの目701について1つのレンズ702がある。デジタル・ディスプレイ703が前方に表示され、また、図6で説明のように、ユーザーの顔とのより良好な結合を持つように傾斜される。この構成は、対角線で約5〜6インチ(125〜150mm)の低コストバックプレーン技術で製造される商業的なデジタル・ディスプレイにとって特に魅力的である。なぜなら、このサイズは、最大辺長(the longest side length)が、約63mmである平均的なヒトの瞳間(interpupil)距離を2倍にするに近いことを意味するためである。

0110

1回の全反射、2回の屈折及び1回の反射があるこの種のレンズは、両目のための1つの広いディスプレイに代えて、単眼当たり1つのデジタル・ディスプレイと組み合わされて用いることもできる。この代替は、デジタル・ディスプレイのエリアを低減し、結果として、装置全体のコストを低減する。もし我々がデジタル・ディスプレイのサイズを更に低減するならば、(シリコン上OLED、LCOS又はDMD結晶性シリコンのもの(crystalline silicon ones of OLED-on-silicon, LCOS or DMD’s))より高コストのバックプレーン技術がコスト効率良く用いることができる。これは、図8に図示されている。

0111

図8に図示の設計は、単眼当たり1つのレンズと1つのデジタル・ディスプレイのためのものである。しかしながら、両目のための2レンズであるが単一のデジタル・ディスプレイの類似のレンズ設計が利用可能であり、一例が図9Aに示され、装置全体と上方からの両眼を示す。図9Aに示されるように、両方のレンズは、図8のものと似ているが、入力/出力光線の所望の方向を獲得するために回転されている。デジタル・ディスプレイ905が光線を放射し、面901で屈折され、面902で反射され、901で全反射され、最後に903で屈折されて左目に向かう。光線の同一の挙動右目において示される。線904は、デジタル・ディスプレイの1つの対称面を示し、それを2つの領域に分割する:左側領域は、左目に向けて光を放出する:及び右側領域は、右目に向けて光を放出する。このように、この構成は、16:9 デジタル・ディスプレイのために設計可能であり、従って、2つの分離した領域が8:9のアスペクト比を有し、1つの領域がそれぞれの目に対応する。対称面904において、対称面を光線が通過して間違った目に情報を送ることを避けるため、平坦な吸収面を加えることができる。デジタル・ディスプレイとしてLCDディスプレイが用いられる時、バックライトユニットは、方向性を持って放射するように設計することができ、平坦な吸収シールド904が必要ない。類似して、デジタルミラーデバイス(DMD)を用いることができ、所望の方向に光が反射されるようにその照射を調整可能である。

0112

図9Bは、上方から見られる2次元の断面を通じて同一の装置906の別のバリエーションを示す。デジタル・ディスプレイ907は、ユーザーの頭の周囲の円筒の構成を呈するように設計される。この代替は、デジタル・ディスプレイの横部分が顔に近いため、人間工学的で小型な装置を許容する。

0113

図10は、先に記述した実施形態の別の変形例の2次元垂直断面を示す。これは、2つの小型レンズから形成され、その一つがRXIR型であり、(1004及び1006とラベル付けされた)2つの面の非連続のスロープにより図10において認識可能である。このようなマルチ小型レンズ構成では、幾つかのイメージピクセル(アイピクセル)が一つよりも多くの小型レンズで見られるため、我々は、概して、僅かに小さな解像度の代償でより小型な装置を取得し得る。各小型レンズは、物体の特定の部分を映す。これらのイメージ部分は度々重畳する。ある小型レンズのための物体ピクセル(オピクセル)からイメージピクセル(アイピクセル)の写像が連続するが、概して、異なる小型レンズの写像の間ではそのような連続性がない。網膜上の完全に連続なイメージを得るため、デジタル・ディスプレイは、断続的な画像を示す必要があり、これは、異なる小型レンズで映されるならば、網膜上に連続の画像を形成する。図10では、デジタル・ディスプレイから放射されたラベル1007及び1008の光線が、面1002で屈折され、次に、メタライズ面1003で反射され、次に、全反射される面1002でこれらの光線が再び偏向し、最後に、小型レンズ上部の面1006で屈折され、目1012に向けられる。従って、既に述べたRXIR型である、この小型レンズを通じて合計4回の偏向がある。別の小型レンズに属する光線が図10に図示され、光線が1009及び1010とラベル付けされる。これらの光線は、面1002で屈折され、次に光線1009が面1004で全反射され、光線1010が1005とラベル付けされた面1004のメタライズ部で反射され、その後、両方の光線が小型レンズ下部の面1013で屈折され、目1012に向けられ、RXRとラベルされ得る3回の偏向を数える。従って、これらの2つの小型レンズは、同一の光学構成を有しない。全面1002, 1003, 1004, 1005及び1006は、好適には自由曲面である。

0114

代替的に、図10における装置は、前方を指す目の中心を通過する軸に関して90°回転され、2つの目のディスプレイが概して垂直に位置付けられ、それぞれが、頭部の各側にある。

0115

図11は、別の2つの小型レンズ構成の水平断面の上面図を示す。ユーザーの鼻1117と目1118が配向のために示される。内側の小型レンズ1111がRXIR型であり、個別に1108及び1107とラベル付けされた前後のメタライズ部分を有する。外側小型レンズ1112は、1120及び1110とラベル付けされた2つの屈折面(従って、同一の命名法でRRと呼ばれ得る)から成るレンズである。この構成は、傾斜したディスプレイ1101と作動し、より良好な人間工学を提供し、また単眼当たり1つの2つの相互依存のデジタル・ディスプレイを用いる(例えば、デジタル・ディスプレイの対角線<2.2”(55mm))。内側の小型レンズ1111は、図6に記述したものと同様であり、外側のレンズ1112は、PCT1のセクション6.6に記述された小型レンズの設計と同様に設計される。外側の小型レンズ1112と作動するデジタル・ディスプレイ・エリアは、内側の小型レンズと作動する内側のデジタル・ディスプレイ・エリアと比較して小さい。内側の小型レンズ1111がより大きい水平FoV(wider fraction of the horizontal FoV)とより大きい焦点距離(higher focal lengths)のために設計されるためである。

0116

図11に示されるデジタル・ディスプレイ1101の内側部分から放出する光線1113及び1114は、入射面(entrance surface)1106で屈折され、バックミラー面1107で反射され、入射面1106で全反射され(又は面1106のメタライズ部分で反射され)、面1109で屈折され、目1118に向けられる。小型レンズ間の光学クロストークが回避される必要がある。従って、光線1114は、内側クラスターと外側クラスターの間のエッジ1119で内側クラスターにおけるその光路を開始し、小型レンズ1111を伝播し、瞳孔範囲の内側エッジ1104でその光路を終端させる。光線1115は、同一のエッジ1119で外側クラスターにおけるその光路を開始し、小型レンズ1112を伝播し、瞳孔範囲の外側エッジ1105でその光路を終端させる。光線1113は、水平の単眼の視野の内側の境界を決定し、出射面(exit surface)1109の内側境界の近くで屈折され、後方トレースされる場合、デジタル・ディスプレイ1101の内側境界の近くで終端する。光線1116は、水平の単眼の視野の外側の境界を決定する。出射面1120の外側エッジの近くで屈折され、後方にトレースされる場合、デジタル・ディスプレイ1101の外側境界の近くで終端する。外側クラスターから放出し、ただ2回の偏向を受ける光線1115及び1116が、面1110で屈折され、目に到達する前、面1120で屈折する。

0117

簡潔さのため、2つの小型レンズ構成が選択されて図10及び11に示されたが、小型レンズの個数は相当に増加され得る。特には興味深いことは、2×2構成であり、2つの上部小型レンズがRXIR型であり、2つの下部小型レンズが、各々、図10及び図11のRXR及びRRである。これらのオプションは、1つよりも多いRXIR小型レンズを含み、また従って、次のセクションに属する実施形態と理解できる。

0118

5.多重畳可能(multiple superposable)なRXIR小型レンズの実施形態

0119

図12に示される別の好適な実施形態は、図6に示された設計のバリエーションであり、1つの代替として2つの重畳可能(superposable)なRXIR小型レンズを有する。「重畳可能」は、ここでは、小型レンズの剛体運動(rigid motion)(回転、反射、及び/又は平行移動)が、別の小型レンズのアクティブエリアにそれを同一にできることを意味する。本明細書で開示の原理は、次セクションに開示されるように、そのような対称性を要求しないが、対称又は重畳性が、設計、製造、実装及び試験を簡素化する。

0120

図12は、装置とユーザーの頭の上面図を伴う2つ型設計の断面を示し、鼻1209の位置を示す。この2つ型構成では、図6のデジタル・ディスプレイの傾斜位置とは異なり、デジタル・ディスプレイ1208の長辺がかなり垂直位置に配置される。設計は、通常、デジタル・ディスプレイ1208に、図12の小型レンズ上部及び下部それぞれに1つの2つのクラスターに分割されることを要求する。物理ディスプレイ1208は、次に、クラスター当たり1つの2つの別々のディスプレイに分割可能であり、必ずしもこの限りではないが好適には共面であり、これが設計に自由度を加える。光線1204,1205及び1206は、面1201で屈折され、次にミラー面1202で反射し、面1201で反射し、最後に面1203で屈折されて目に向けられる。光線1204の場合は第2反射が全反射により達成されるが、光線1205及び1206の場合、面1207のミラー部により達成される。繰り返すが、これらの面が自由曲面である。

0121

(PCT1で為されたように)瞳孔範囲の定義により光学クロストークが回避されなければならず、面1201のエッジに入射する瞳孔範囲のエッジ光線1210がクラスターエッジに1206として送られる。各部分仮想イメージのエッジ領域に瞳孔範囲が含まれる必要性は、仮想イメージが僅かに重畳することを要求する。従って、重畳領域がデジタル・ディスプレイ上の両方のクラスターにおいて重複しなければならない。従って、単一のクラスターとしてデジタル・ディスプレイ全体を用いて単一の小型レンズで理論的に利用可能であるものと比べて全体のディスプレイ解像度が僅かに低下する。この2つ型対称設計の自由曲面のプロファイルの最適化(セクション8「2つ型重畳可能光学系の詳細例」で後述)は、図12紙面に対して垂直な方向において凸状の屈折面1203に帰結する傾向がある。

0122

図13は、瞳位置を追跡するシステムがどのように加えられるかを示す。瞳追跡システムは、瞳位置を検出することができ、ディスプレイ装置が、デジタル・ディスプレイ上に表示される情報を動的に修正することを許容し、ユーザーが注視する視野の部分に関する情報をユーザーに提示する。加えて、異なる部分イメージ間に必要な重複を低減しつつ、異なる小型レンズ間の光学クロストークを回避するため、クラスターがリアルタイムで調整可能である。好適には小さなCMOSセンサー基準であるカメラ1306は、面1302のエッジの近くの2つの小型レンズの交差部に配置された小さなピンホール1313を通じて少なくとも瞳孔範囲のイメージを取得する。ピンホール1313は、ユーザーに気付かれないように十分に小さい(直径約1mm)。この設計においてどの光線も通過されない部分を用いて、カメラ配線必要ならばホルダー)が、図13の紙面に対して垂直に配置可能である。図13の左側では、注視ベクトル方向が前方を向き、デジタル・ディスプレイ1301、面1302での光線の第1屈折、次に、ミラー面1303での反射、次に、面1302での反射、また最後に面1304の屈折を示す。図13は、瞳1305のエッジから到来する端逆光線(extreme reversed rays)を示す。図13の右側では、我々は、瞳孔範囲の端部の瞳1308を示し、逆光線1309及び1310が瞳のエッジ光線である。両方の状況において(目が前方を見て最大限回転される)、どの光線も、面1302のメタライズ領域の後方に隠されたカメラ1306により阻止されず、瞳がある状況から別に動く時、クラスター間の分離が1311から1312に変化する。

0123

図14は、図12におけるものと同様の装置を示すが、前方を指す各眼球の中心を通過する軸に関して90°回転される。レンズのこの配向は、図14に示されるように、両方のレンズが単一基準の5.7”(145mm)の対角線のディスプレイで作動することを許容する。デジタル・ディスプレイ1402から放出された光がレンズの面1403,1404及び1405で偏向され、最後に目1401に到達する。

0124

図15は、出射面1504に尖点(cusp)1512を有する2つ型レンズ設計で構成される別候補の構成を示す(従って、各小型レンズについて1つの2つの出射面を形成する)。この構成は、独立して2つの小型レンズを製造し、光学的クロストーク無しでそれらを作動させることで興味深い。この設計原理がk個型のレンズ構成にも適用でき、k>1である。図15は、装置の水平断面及びユーザーの頭部の上面図を示し、ユーザーの鼻1509及び目1517の位置を示す。図15に示されるプロファイルは、図12に示された2次元プロファイルと類似しており、図15の実施形態が面1518沿いに合わされる2片から成ることで相違する。デジタル・ディスプレイ1501が図12におけるものと同一の位置にこの2つ型構成のために置かれる。光線1506及び1507が、面1502で屈折され、ミラー面1503で反射し、光線1506の場合には全反射し、光線1507の場合には面1502のメタライズ部分1505で反射し、最後に面1504で屈折されて目1517に向けられる(光線1508も同様)。面1502,1503及び1504が自由曲面である。図12の尖点を有しない設計から異なる点は、光学クロストークを回避しなければならないため、瞳孔を規定する端光線1507の軌跡点で出射面に見られる。光線1507は、クラスターエッジから到来し、また、面1502の屈折部分の内側境界で屈折された後、及び、面1503及び1505のエッジで反射された後、光軸1511に平行に反射され、出射面1504の尖点エッジで屈折され、1510とラベル付けされた瞳孔範囲エッジに向けられる。これは瞳孔範囲の端光線(extreme ray)である。

0125

図16は、5つの小型レンズ装置の2次元断面を示し、断面が、破線により分離されたただ3つの小型レンズを示す(図16は、同じく3つ型小型レンズにも有効である)。端部(extreme)小型レンズが図12に示されたものと類似し、そのように、光線1604が光線1204と似たように振る舞う。他方、中央の小型レンズを通過する光線、例えば、光線1603が、面1601で屈折され、面1602で別に屈折され、また、中央の小型レンズのプロファイルが回転対称であり得る。図16に示された実施形態では、外側の小型レンズが、中心軸周りの回転により重畳可能であり得るが、大半の一般的な場合において要求されるものではない。2つの小型レンズの場合における前のように、PCT1に開示したような瞳孔範囲の規定により光学クロストークが回避されなければならない。

0126

図17は、図16に示された設計のバリエーションを示し、追加の屈折レンズ1703が導入され、中央の小型レンズを通じて伝播される光線を偏向する。この追加のレンズは、中央の小型レンズ1704の出力面を平坦にすることを許容し、また従って、目に最も近い面が3つの小型レンズ沿いに連続及び(尖点無しで)区別可能になることも許容する。我々は、中央の小型レンズのための3つの設計面を有し、従って、良好なイメージ形成を持ち、光学設計の焦点距離を制御することができる(同時に、目に近い面に尖点を有しない)。

0127

図18は、3次元における3つの小型レンズ(左)及び4つの小型レンズ(右)の設計を示す。図18の両方側において、単一の目が1801及び1802として背景に個別に描かれる。他方、デジタル・ディスプレイが破線で前方に描かれ、各々、1803及び1804で表される。3つの小型レンズの設計が矩形のデジタル・ディスプレイ、例えば、16:9比により適し、他方、4つの小型レンズの設計が正方形のデジタル・ディスプレイにより適することに留意されたい。3つの小型レンズの設計が、光学設計の観点から2つの異なる小型レンズを提示する:1つの設計が中央の小型レンズ1805のためであり、1つの設計が2つの外側の小型レンズ1806のためである。他方、4つの小型レンズの設計が、1種類の小型レンズ1807のみを表す。

0128

図19は、1つの目のための装置1910の斜視図を示し、図12の2つの小型レンズの装置に関する4つの小型レンズの変形例である。我々は、この構成を用いて、面(2005)の凸状曲面から生じ、また自由曲面の面最適化から帰結し得た、ある視野について過剰な色収差を阻止する。この4つの小型レンズの構成は、図15を参照して先に記述した尖点を有する2つの小型レンズにも基づき得る。装置1910の4つの小型レンズが、1905,1906,1907及び1908として示され及びラベル付けされる。レンズ1910と作動するデジタル・ディスプレイ1901の半分が示される。図19は、一点破線1903及び1904を示し、これに沿う目及びディスプレイに最も近い個別の面の一次導関数(first derivatives)(slopes)が、各々、非連続(discontinuous)である(これらの線が、異なる小型レンズに属する面を区別する)。2つの隣接の小型レンズの間の光学クロストークが、図19に示される両方の断面において回避される。

0129

図20は、2001でラベル付けされた単一基準のデジタル・ディスプレイ(好ましくは16:9)で作動する2つの4つの小型レンズの装置(1つの目当たりに一つ、メタライズ部が図面の明瞭さのために省略される)を有する図19と同一の構成の3次元図を示す。我々は、2つの目2002それぞれの前方に置かれる装置が4つの小型レンズを有し、各小型レンズが、デジタル・ディスプレイ2001に最も近い屈折面2003、反射面2004及び目2002に最も近い屈折面2005から成ることを図20から明瞭に理解し得る。デジタル・ディスプレイ2001が光を放出し、これが、面2003で屈折され、面2004で反射され、面2003で再び全反射され、面2005で屈折され、最後に目2002に到達する。各小型レンズが個別に対称ではないが、小型レンズらは、デジタル・ディスプレイ1901が平坦である場合に小型レンズを区別する面における反射(reflection)に関してお互いに対称である。円筒ディスプレイが用いられる時、図20のディスプレイ2001の短辺が曲げられ、そのような対称が依然として保持される。

0130

図21は、重畳可能な小型レンズを有する別の実施形態を示し、装置の水平断面を示す。また、ユーザーの目及び鼻が、個別に2111及び2117とラベル付けされる。この装置は、空気ギャップ、若しくは、代替的に、例えば、フロオロ・エチレンプロピレン(FEP)のようなフルオロポリマー低屈折率材料充填により区別される2つの別々の絶縁片2102及び2108から成る。デジタル・ディスプレイ2101の前方に置かれるこの新しいレンズ2102は、もう1つの光学面を設計に提供し、また従って追加の自由度を提供する。デジタル・ディスプレイ2101から放射された一例の光線2112が入射面2103で屈折され、面2104で低屈折率ギャップ2115に入射する。光線2112は、面2105で屈折され、低屈折率ギャップを通過し、別のレンズ片2108に入射する。光線2112は、メタライズ面2106で反射され、2回目として用いられる面2105で全反射(又は金属反射)により偏向され、出射面2107で屈折され、最後に目2111に到達する。光線2113及び2114は、似た軌跡を持つ。光線2112は、クラスターエッジ2116でその光路を開始し、瞳孔範囲の境界2110でその光路を終端する。光線2113は、光軸2109に関して小さな出射角を成し、眼球中心で終端する。光線2114は、ディスプレイの境界の近くでデジタル・ディスプレイ2101から放射し、レンズ2102, 2108を通過した後、眼球中心に向けられ、瞳孔範囲の境界を通過する。この構成において、面2105及びその対称の輪郭が(屈折及び全反射で)2回用いられる。

0131

単一の大きいデジタル・ディスプレイを両目に用いる、又は、1つの目当たりに1つの2つの別々のデジタル・ディスプレイを用いることが図21の実施形態においても可能である。

0132

別の装置構成の垂直断面が図22に図示され、ヒトの目が2210であり、鼻が2211である。この設計において、後方のミラーレンズ面に代えて、我々は、バックミラーレンズ面2204の後方にある別々のミラー2205を各小型レンズのために用いる。このようにして、我々は、後面のメタライズを回避し、また、我々は、別々の平坦又は自由曲面のミラーを用い得る。デジタル・ディスプレイ2201から放射された光線2208及び2209は、入射面2203で屈折され、後面2204で屈折された後に絶縁片2202から放出され、空気ギャップを通過し、平坦なミラー2205で反射される。次に、光線が、同一の後面2204で屈折されてレンズ2202に再び入射し、メタライズ部2206で反射され、又は面2205で全反射され、出射面2207で屈折され、最後に目2210に到達する。面2204は、フレネル反射により生じる複像を回避するべく反射防止(AR)コーティングされ得る。一例の光線2208は、デジタル・ディスプレイ2201のクラスターエッジでその光路を開始し、瞳孔範囲の境界でその光路を終端する。一例の光線2209は、境界近くのデジタル・ディスプレイ2201から放出され、出射面2207の境界の近くでレンズから放出し、その後、眼球中心に向かう方向において瞳孔範囲の境界を通過する。図22は、2つの小型レンズ構成の一例を示すが、kつの小型レンズの設計まで推定され、ここで、k>2である。この構成の別の変形例は、破線軸2212周りに90°回転されたものである。

0133

図23における次の構成は、2つの別々の光学素子(optical pieces)も含み、図12のものと似た装置2302とユーザーの目の間に配置された薄型フレネルレンズといった薄型レンズ2303を有する。図12の紙面に垂直な方向における図12の面1203の過剰な凸状曲面の問題を解決するため、図23は、光学装置2303とヒトの目2306の間にその方向で正のパワーを有するレンズ2303を含む。図23において、このレンズ2303がフレネルレンズであり、薄型レンズであるため、システム全体の厚みを極端に増加しない。図23右方が、この構成の水平断面の上面図を示し、図23の左方が、同一構成の垂直断面の側面図を示す。図23は、配向のためにユーザーの目2306及び鼻2307を示す。デジタル・ディスプレイ2301が垂直位置に配置される。単一の大きいデジタル・ディスプレイを両目に用いる、又は、1つの目当たりに1つの2つの別々のデジタル・ディスプレイを用いることがこの設計において許容される。

0134

異なるレンズ2303が、ある装置2302のために設計され、設計において仮想スクリーンを対応して変化させることによりユーザーの視覚の欠陥(例えば、近視遠視、又は、乱視)を矯正する。従って、レンズ2303のみが、異なるユーザーに受け入れられるために組み直す必要がある。

0135

この構成における光線は、レンズ2302のみで構成されるシステムと比較して2回追加して屈折される。レンズ2302から放射される光線が、フレネルレンズ2303のファセット面(faceted surface)2304で1回屈折され、他方の屈折を出射面2305で受ける。図23に示されるように、面2304は、一方向のみにファセットを有し(図23の左側参照)、すなわち、溝らは、垂直方向沿いの円筒対称性(cylindrical symmetry)を持ち、製造をより簡単にする。図23の右側でファセットが見られない理由である。レンズ2302の出射側に置かれたフレネルレンズ2303は、眼球中心2310に向けてレンズ2302から放出される時、光線2308及び2309を集束させる。

0136

上述したように、フレネルレンズ2303は、線形対称、回転対称又は自由曲面の別のレンズで代替され得る。

0137

図24は、別の装置の水平断面の上面図を示す。ユーザーの鼻2413及び目2414が配向のために示される。この設計は、4つの小型レンズを有する:その2つがRXIR型であり、他の2つが屈折RR型であり、図12の実施形態よりもディスプレイから目への短い距離を許容する。従って、この装置は、デジタル・ディスプレイのオピクセルの4つのクラスターを有する。小型レンズのペアそれぞれの内側の小型レンズは、好ましくは、目が、通常、注視し、従って、我々が高いイメージ品質を必要とする領域である瞳孔範囲、例えば、前方2415に関して眼球中心2416で測定される0°〜20°の水平角度範囲をカバーする。内側小型レンズに属する光線は4回偏向される。外側小型レンズは、2つの屈折面2406及び2407から構成され、光線が2回だけ偏向される。この小型レンズは、より狭い角度範囲、例えば、前方2415に関して眼球中心2416で測定される20°〜30°をカバーする;及び、この範囲は、目により殆ど注視されない。我々は、図24のこの実施形態の動作原理を示す。この装置は、垂直ディスプレイ2401で作動することができ、我々は、1つの大きいデジタル・ディスプレイを両目について有し、或いは、単眼当たりに2つの小さなデジタル・ディスプレイを有する(即ち、およそ、デジタル・ディスプレイ対角線<2.5”(60mm))。

0138

図24は、異なる面を示す。屈折入射面2402(及びそのミラー部分2403)、ミラー面2404及び屈折出射面2405が、内側の小型レンズに属する。屈折面2406及び2407が外側の小型レンズに属する。同じ側の光出射面2406及び2405は、通常、小さい傾斜不連続部(slope discontinuity)により分離される。焦点距離は、好ましくは、軸2415に沿って前方に最大値を有するべく分布し、次のセクション7で詳細に記述するように、仮想スクリーンの中心から離れる時に徐々に減少する。RR小型レンズと作動するデジタル・ディスプレイの外側のクラスター(点2417bからディスプレイの外縁まで延びる)は、内側のRXIR小型レンズと動作するクラスター(点2417aから2417bに延びる)よりも小さい。内側クラスターが、より広い角度範囲をカバーし、及びより大きい焦点距離を有するためである。

0139

デジタル・ディスプレイから放出される光線2408が面2402で屈折され、バックミラー面2404で反射され、入射面2402で全反射され(又は面2402のミラー部分2403で反射され)、面2405で屈折され、目2414に向けられ、合計4回偏向される。光線2409及び2410は同一の偏向を受ける。光線2409は、点2417aから2417bに延びるクラスターの内側エッジ2417aでその光路を開始し、瞳孔範囲2412aの外側エッジで終端する。光線2411は、外側のRR小型レンズと作動し、外側クラスター内のデジタル・ディスプレイから放出され、1つが面2407における1回の屈折と面2406における別の屈折の2回偏向され、この後、注視ベクトル方向において目(すなわち、およそ眼球中心2416)に向けられる。光線2410が2417aから2417bのクラスターの外側エッジから放出され、4回偏向され、そのレンズの外側RR小型レンズとの導関数的に不連続部分(derivative discontinuity)付近で外側のRXIR小型レンズから放出され、瞳孔範囲2412bの境界に向けられる。外側の小型レンズの設計が、PCT1のセクション6.6で記述の小型レンズの設計と同様である。

0140

別の構成の水平断面の上面図が図25に示され、垂直デジタル・ディスプレイ2501及びユーザーの鼻2520及び目2521が配向のために描かれる。この構成は、4つの小型レンズから成り、その動作原理が異なる。ミラーコーティングを要求せず、図12の装置よりもディスプレイから目の短い距離を許容する。図25の装置は、デジタル・ディスプレイ2501において片目につき合計4つのオピクセルクラスターを有する。1つの小型レンズが固片2503及び2504で形成され、目が通常は注視し、我々が高いイメージ品質を必要とする領域である瞳孔範囲、すなわち、眼球中心から測定される0°〜20°の円錐の角度範囲をカバーする。光学系のこの小型レンズに属する光線は、2つの異なるレンズ片において6回偏向される。代替的に、2つの固片2504及び2503の間(面2508及び2509の間)の空気ギャップが、FEPといったフルオロポリマーの低屈折率材料で充填され得る。同一片2503及び別の薄型レンズ2502が別の小型レンズを形成し、その仮想イメージが、眼球中心から測定される第1円錐範囲が終端する(約20°〜30°)場所から始まる約10°の狭い角度範囲に及び、これは、目により殆ど注視されない。この小型レンズでは、光線は、2つの別々のレンズ片において5回偏向される。中央片2503は、両方の種類の小型レンズで使用されるが、異なる小型レンズにおいて光路が異なる。我々は、この実施形態の動作原理を図25に示す。

0141

図25は、破線(中心線又は対称面)により分離された2ペアの4つの小型レンズと、小型レンズペア当たりの3つの別々の光学レンズ片2502, 2503及び2504を示す。レンズ2503は、図25に図示のように上部及び下部小型レンズの間で共有される単一のレンズ片であり得、又は、幾つかの別々の固片により成り得る。光軸沿いの固片2503の厚みが小さく、図15を参照して記述した光学クロストークの影響が無視可能であるため、第2のオプションが適切である。

0142

光線2513及び2517が、図25に示されるようにデジタル・ディスプレイ2501の周辺クラスターの1つのエッジから放出され、入射面2511で屈折され、後面2512で全反射され、レンズ片2504及び2503の間のギャップで面2509及び2508で屈折され、前面2507で全反射され、出射面2510で屈折され、各々、(6回の偏向後の)システムを通じたその光路を瞳孔範囲のエッジ2514及び2519で終端する。光学クロストークがこのように回避される。

0143

光線2515及び2516が中央クラスターの1つのエッジから放出され、レンズ2502の面2505及び2506で屈折され、レンズ2503の前面2507で屈折され、レンズ片2504のギャップで面2508で全反射され、面2510で屈折され、次に、光線2515は、瞳孔範囲エッジ2514に向けられ、他方、光線2516は、目が前方を向いて静止する時に瞳位置に向けられる。

0144

従って、図25の構成において、最終イメージの外側部分に対応するオピクセルクラスターが、デジタル・ディスプレイ2501の中央にあり、最終イメージの中央部分に対応するオピクセルクラスターがデジタル・ディスプレイ2501の外側エッジにある。各クラスターのための部分リアルイメージを生成することに考慮される。

0145

図26は、別の2つの小型レンズ構成の水平断面の上面図を示す。ユーザーの目2610及び鼻2614が、配向のために示される。レンズ2609の各小型レンズが、2つのメタライズ面2603及び2604を有し、小型レンズの外側角部(outer corner)に溝を形成する。ディスプレイ2601から放出する光線2606及び2607が入射面2602で屈折され、次に各溝の側面で反射され、後面2604で第1反射及び側面2603で第2反射され、次に、入射面2602で全反射され、最後に出射面2605で屈折され、目2610に向けられる。同一の偏向が光線2608に生じる。デジタル・ディスプレイエッジの近くのオピクセルから到来する光線2606は、好ましくは、瞳孔範囲2611のエッジに向けられ、2つの小型レンズの入射面2602の間のレンズ2609の中心軸の尖点2612から離れて反射する。デジタル・ディスプレイ2615の中央の近くのオピクセルクラスターエッジから放出される光線2608は、好ましくは、瞳孔範囲2611の境界に向けて偏向され、放射面のエッジ点(edge point)2613を通過する。光学クロストークは、まさに特許PCT1の開示と同一の方法で適切に瞳孔範囲が定義されることにより回避されることが必要である。最大イメージ品質が、2607といった光線のために設計され、それは、2つのクラスターの1つの内部で光路を開始し、眼球中心に向けて目位置に到達し、つまり、注視ベクトル方向に近い。

0146

6.重畳不可能である(non-superposable)RXIR小型レンズの実施形態

0147

図12のレンズ及びディスプレイが眼球中心を通過する垂直軸に関する角度、例えば、5〜15°で外側に回転可能であることが明らかである。これは、HMD全体により良好な人間工学を提示させ、各レンズ及びディスプレイの回転角度の2倍で水平視野を増加する。結果として、視野の両眼部分(binocular portion)も回転角の2倍で低減される。しかしながら、次のように図12の重畳可能な小型レンズの対称性を打破することにより、そのような回転されるディスプレイのためにより良好な設計が達成可能である。

0148

図27は、別々の2つの小型レンズの水平断面の上面図を示す。ユーザーの鼻2717及び目2716が配向のために描かれる。この構成は、2つの小型レンズ(またそれの対応のオピクセルクラスター)の間の対称性を欠き、2つの小型レンズに異なる光学特性及びサイズを持つことを許容する。この構成は、傾斜したデジタル・ディスプレイ2701と作動し、より良好な人間工学を提供し、また、それが、例えば、単眼当たりに1つの2つの独立したデジタル・ディスプレイ、例えば、デジタル・ディスプレイ対角線<2.5”(60mm)を用いる。

0149

図27に図示のレンズの実施形態の内側のより大きい小型レンズ2714は、外側の小型レンズよりもより大きい領域の水平視野(FOV)をカバーするように設計される。面2705の外側エッジの尖点が、(2702を通過する破線により与えられる)前視方向(front-view direction)に配置されず、破線2718上であるためであり、破線2718は、目2716の中心2703で2702への中心線と約5°〜15°となり得る角度を形成する。焦点距離は、好ましくは、(点2702への軸に沿って)瞳が前方を見て静止する0°方向で最大を持つために分布され、(図2に示されるように)仮想スクリーンの中心から離れるように動く時に徐々に減少する。外側の小型レンズ2713と作動するデジタル・ディスプレイ・エリアは、内側の小型レンズ2714と作動するデジタル・ディスプレイよりも小さく、点2715が2つのクラスターの間の境界にある。これは、内側の小型レンズ2714が、より広い領域の水平FOVのため、またより大きい焦点距離のために設計される場合である。

0150

内側のクラスターのエッジでデジタル・ディスプレイから放出する光線2709及び2710は、入射面2705で屈折され、バックミラー面2706で反射され、入射面2705で全反射され(又は面2705のメタライズ部2707で反射され)、出射面2708で屈折され、目2716に向けられる。外側のクラスターからの光線2711が同一に偏向される。光線2710は、内側の小型レンズ2714を通じて内側のクラスターのエッジ2715でその光路を開始し、瞳孔範囲2712の境界で終端する。光線2711は、外側のクラスターのエッジ2715で放出され、従って、外側の小型レンズ2713を通じて伝播する。光線2709は、水平単眼視野の内側の境界を決定し、出射面2708の内側の境界で屈折され、およそデジタル・ディスプレイ2701の内側の境界で放出される。類似して、光線2717は、水平単眼視野の外側の境界を決定し、出射面2708の外側の境界で屈折され、およそデジタル・ディスプレイ2701の外側の境界で放出される。

0151

図28は、単眼当たり一つ、共通のカーブしたデジタル・ディスプレイ2801を共有する図27のものと同様の2つの小型レンズの水平断面を示す。代替的に、2つの別々のカーブしたディスプレイが用いられる。円筒状デジタル・ディスプレイ2801から放出する光線は、屈折、反射、全反射、及び屈折の順番でデジタル・ディスプレイから目への光路において4回偏向される。破線2804が、仮想スクリーンから眼球2805への仮想光線を示す。左側が、前方を真っ直ぐに見る目の仮想光線を示し、右側が、視野の端辺のための仮想光線を示す。実線2803が、デジタル・ディスプレイ2801から眼球2805へ伝播する光線を表す。概して、各小型レンズが対称な水平面を有し得るが、各レンズの2つの小型レンズ2802がお互いに対称ではない。別の構成は、前方を指して(pointing frontwards)目の中心を通過する軸周りに90°これらの装置が回転させられることにより得られる。後者の場合、2つの小型レンズがお互いに対称であるが、各小型レンズは、対称面を有しない。

0152

7. ヒトの目の解像度に設計を適合させる

0153

図2は、(J.J. Kerr, “Visual resolution in the periphery”, Perception & Psychophysics, Vol. 9 (3), 1971による)周辺角度(peripheral angle)の関数として典型的なヒトの目の角度解像度(angular resolution)を示す。ヒトの目の解像度は、注視方向近傍よりも周辺視(peripheral vision)において相当に小さいため、我々は、この明細書の任意の実施形態の設計条件を調整し、仮想スクリーンの注視領域上のアイピクセルをより小さなサイズとし、仮想スクリーンの外側領域を大きくすることができる。この目的のため、我々は、光学系が合理的にアナスチグマチック(anastigmatic)であるものと推定し、物体とイメージの間の写像を規定できる。(ρ,φ)をデジタル・ディスプレイ上の点rの極座標とし、

を、各々、仮想スクリーンの球座標の極及び方位角(azimuthal angles)とする。座標は、θ=0が前方軸となるように規定され、θは、軸から離れる方向の角度であり、

は、θ=0軸の周りの方位角であり、

及び

の方向が水平である。関数

写像関数と呼ばれる。写像関数の逆関数

により与えられる。

0154

我々は、仮想スクリーン方向

でのラジアル焦点距離(radial focal length)fradを

と呼び、我々は、

と記載する。我々は、サジタル焦点距離を

と呼ぶ。ラジアル又はサジタルとは異なる他の方向について、焦点距離が、

により与えられ、ここで、αは、ラジアル方向と焦点距離が計算される方向により形成される角度である。焦点距離は、特定の方向における写像の膨張(expansion)又は収縮(shrinking)を意味する。物体とイメージの間の写像が等角(conformal)である時、

がαから独立し、これは、写像の膨張又は収縮が等方性であると言うに等しい。方向α沿いのアイピクセルの角度範囲は、対応のオピクセル直径を焦点距離で除算することにより計算可能であり、すなわち、

(簡便さのため、オピクセルが円形であると考えられるが、この理由は、通常の正方形のオピクセルにも簡単に拡張可能である)。あるアイピクセルについて一つを超える数のオピクセルがある時、我々は、光学系が適切に設計されないとすれば、異なる比を有し得る。ヒトの目の解像度が、周辺角度(peripheral angle)に依存するが、より良好な近似のため、解像度が評価される方向αに依存しない。アイピクセルの角度拡張がαとは無関係であることが望ましい(さもなければ、解像度が、最大角直径(angular diameter)により与えられる)。オピクセルの直径が、一般的に、非常にαと一定であり、従って、αとは独立した

が、一般的に望まれる。

0155

視野に亘り解像度が変化し、ヒトの視覚のものに適用される光学設計のアイデアがPCT1のセクション6.8で導入された。ヒトの視覚解像度は、中心窩(fovea)で映されるシーンの部分で最大であり、その部分から離れるに応じて低下する。目が前方(θ=0)を注視すると仮定する。(より小さなアイピクセルの角度サイズ及び従ってより高い光学解像度につながる)より長いラジアル焦点距離が、θの値が高い場合(周辺視)に、より高い解像度が必要である、θのより低い値のために用いられるべきであるため、より短い焦点距離が許容可能である。なぜなら、目の解像度が、これらの角度について低いためである。

0156

図29は、4つの小型レンズの実施形態2904を示す。各小型レンズの面が、ディスプレイの半分の対角線方向に一致する対称面を有する。従って、1つの小型レンズについての写像関数

は、

を満足する。この装置は、可変の焦点距離を有する。特には、

、及びθの増加と共に、ラジアル焦点距離

が低下する。横断方向

における焦点距離は、ディスプレイアクティブエリアの最適な使用を与えるため、

に本質的に等しくなるように設計される。図30図31A、及び図31Bは、焦点距離分布に関する図29の設計のために得られた結果を示す。

0157

図29は、フロア面に直交する面に置かれ、その最長寸法がフロア面に平行である、2:1に近いアスペクト比を有するディスプレイ2901を示す(例えば、現在の標準である16:9のアスペクト比)。図29は、デジタル・ディスプレイの前の2つの4つの小型レンズの装置2904(単眼当たり一つ)も示し、それぞれ一つが、イメージング中の個別のディスプレイの半分の前に置かれ、図18に開示のレンズ1807と類似するが、ディスプレイに垂直な軸に関して45°回転される。従って、小型レンズ2902の1つの中心に沿う対角線2903が、図29に示されるデジタル・ディスプレイの半分の対角線に概して平行になるように4つ型装置が配置される。

0158

図30は、

の線に沿う角度θの関数のラジアル及びサジタル焦点距離を示す。この図は、図29の4つの小型レンズの装置2904の1つの小型レンズ2902のために為される。ラジアル焦点距離が、実線3001で表され、サジタル焦点距離3002が破線で表される。両方の焦点距離の分布が、θ=0°寄りで最大値を有し、より大きい角度θについて、特には20°を超えると、概して低下する。我々は、ラジアル及びサジタル方向の両方において対角線

に沿う角度θの各値で両方の(ラジアル及びサジタル)焦点距離が平衡バランス)されることを観察し得る。

0159

図31Aは、直径4mmの瞳で目が前方を注視する時、小型レンズ2902を通じて瞳を照明するディスプレイ2901(図29)の部分を示す。このディスプレイの半分が、4つの正方形クラスターに分割され、それぞれが、4つの小型レンズの装置2904の1つの小型レンズ2902と作動する。θ=0の方向が、ρ=0,(3102)、即ち、図31Aの(x,y)=(0,0)の点に映される。図31Bに示されるように、我々は、検討下のピクセルの方向3109のxz面の投射3111とz軸の間の角度3112としてχを規定し、また、方向3109のyz面の投射3113とz軸の間の角度3114としてγを規定する。角度θ(3110)は、χ及びγに関して

と表すことができ、

及び

のため、θ及び

の関数として表される。ディスプレイの正方形部分の内側の図31Aに示される実線が、これらの一定値の2.5度の増加について、デジタル・ディスプレイ上に小型レンズ2902(図29)により写像されるχ−γ=一定、及びχ+γ=一定、の曲線を表す。線3101が、χ−γ=0、すなわち、

の曲線を表し、そのラジアル及びサジタル焦点距離が図30に見られるように角度θの関数である。この2つの直交方向にて組み合わされる焦点距離分布で、観察者は、もし元のオピクセルも正方形であるならば、正方形のアイピクセルエリアを見る。点3102の近くにおけるラジアル及びサジタル焦点距離が、各々、23.5及び22.8mmである。加えて、図31Aの中心の点3103の近くで、焦点距離が、等感度曲線3104(χ+γ=20度)沿いに17.3及び16.2mmであり、ラジアル及びサジタル焦点距離が、実質的に一定に維持され、従って、点3108の近くにおいて、それぞれ、17.6及び18.0mmを有する。角度θのより高い値について、例えば、点3105の近くの領域で、焦点距離が、11.5及び12.2mmである。点3105と同一の等感度曲線(χ+γ=一定)3106における点3107において、焦点距離が、12.5及び12.9mmである。これらの一例の値から、ディスプレイの中央領域にて最大の2つの直交方向においてどのように焦点距離の値が平衡(バランス)されるかを理解し、また、どのようにディスプレイエッジに向けて次第に減少するかを理解する。

0160

8.2つ型重畳可能な光学系の詳細な例

0161

このセクションは、先に記述の構成についての光学設計をより詳細に記述する。この構成は、光線が2回の屈折される薄型自由曲面レンズの一つと、光線が3つの自由曲面において4回偏向される(1つの光学面が2回用いられる)別のレンズから構成される。光学設計は、多項式展開のマルチパラメーター最適化により為され、好ましくは、直交基底(orthogonal basis)を用いる。本明細書に記述の実施形態において、次式により面が記述される:

ここで、Pm(x,y)は、10次の多項式であり、すなわち、m=10であり、c2i,jは、以下の表1に列挙された最適化された面係数であり、また、P2i((x-(xmax+xmin)/2)/xmax)及びPj((y-(ymax+ymin)/2)/ymax)は、x及びy方向においてそれぞれxmin及びxmax、ymin及びymaxで基底される領域内で直交するルジャンドル多項式(Legendre polynomials)である。全ての面が、yz面、すなわち、面x=0(図32の紙面)において面対称を有し、ルジャンドル多項式P2i((x-(xmax+xmin)/2)/xmax)は、ただペア次数単項式(pair order monomials)を有する。

0162

ルジャンドル多項式の明確な表現は、

を含み、
ここで、後者が、単純な単項式によりルジャンドル多項式を表し、また、2公式の係数の乗算式(multiplicative formula)を伴い、また、ここで、

である。

0163

図32は、yz面、x=0(ここで、z軸が左を指し、y軸が上方を指す)における面の多項式の記述のローカル座標を示す。眼球中心が3201でラベルされ、我々は、それをグローバル座標計の中心(x,y,z)=(0,0,0)として用いる。眼球が3202としてラベル付けされる。ディスプレイ3204のために用いられるローカル座標原点3203は、(x,y,z)=(0,0,44.00)の座標を持つ。面1が3206とラベルされ、そのローカル座標原点3205が(x,y,z)=(0,0,29.04540)に置かれる。面2が3208とラベルされ、そのローカル座標原点3207が(x,y,z)=(0,15.5041,27.85875)に置かれる。面3が3210とラベルされ、そのローカル座標原点3209が(x,y,z)=(0,0,25.00)に置かれる。面4が3212とラベルされ、そのローカル座標原点3211が(x,y,z)=(0,0,24.50)に置かれる。面5が3214とラベルされ、そのローカル座標原点3213が(x,y,z)=(0,0,24.00)に置かれる。座標がmmにおいて与えられる。全ての面の多項式の係数が表1に列挙される。第1の4行は、C1: xmin, C2: xmax, C3: ymin及びC4: ymaxであり、x方向におけるxmin及びxmaxの間、及び、各多項式が直交する直交のy方向におけるymin及びymaxの間の矩形エリアを記述する。表1の次の行C5〜C97は、我々が設計した各面について10次のルジャンドル多項式Pm(x,y)である。面3,4及び5が、x=0及びy=0の両面において面対称である。表1にない係数がゼロに等しい。

0164

図33は、(フレネルレンズの代わりに連続自由曲面レンズ3311を用いる)図23に示されたものといった2つの小型レンズ設計に属する小型レンズのx=0面を表す。ディスプレイの半分が3301とラベルされ、ユーザーの目が3302である。完全な設計が、軸3308を含むy=0面に関して示されたレンズ3310及び311の鏡像により取得される。図33において、我々は、設計の光軌跡を試験する。逆光線3304が瞳孔範囲3303の境界から到来し、面1(図32の面3206)の尖点に入射し、クラスターエッジ3309に送られる。逆光線3305が、z軸に平行に目から放射される。逆光線3306が、眼球中心から到来し、面5(図32の面3214)の境界に入射し、ディスプレイに入射する。目が前方を見て静止する時、瞳位置から面5の境界に入射する境界周辺光線(border peripheral ray)であるため、逆光線3307は、視野の1つの端部を固定する。

0165

図34は、図33にも示された2つの小型レンズ構成に属する1つの小型レンズのy=0面での断面である。この断面は、図33に示された断面に直交する。ディスプレイが3401であり、ユーザーの目が3402である。レンズ3404及び3405は、各々、図33の3310及び3311に対応する。その瞳が瞳孔範囲の境界近くを注視する時、逆光線3403は瞳から放出される。

0166

表2及び表3は、4mmの瞳孔範囲を用いた図33の設計の幾つかの選択されたフィールド(selected field)について多波長点の二乗平均平方根(RMS(root-mean-square))の直径を表す。この設計は、前方について約26mmの焦点距離を有し、また、焦点距離が、目の解像度に適合されるべき視野のエッジに向けて次第に減少する。2.1” (55mm)対角線16:9ディスプレイについて、水平視野が108度であり、垂直視野が93度である。表における角度χ及びγは、図31Bと同一の定義を有する。

0167

表2は、目がそのフィールドを注視する時の状況に対応し、ヒトの視覚の周辺角度が、全フィールドについて0であり、従って、光学解像度は、このフィールドについて最大であるべきである。表2は、RMS直径が角度χの最大値(度)について顕著に増加するが、20〜30ミクロンほどの小さいオピクセルが上手解像されることを示す。これは、色収差により生じ、これは、追加の回折キノフォーム(kinoform)、好ましくは、図32の面3210,3212又は3214の一つを加えることにより簡単に訂正可能である。より簡単な製造のため、これらのキノフォームが非自由曲面上に加えられるべきである。キノフォームファセットの頂点図32の紙面に平行な面に含まれる時の場合は特に関心深い。

0168

表3は、目が前方を見る時の状況に対応し、ヒトの視覚の周辺角度がゼロではなく、θに等しい。従って、光学解像度は、光学品質のヒトの視覚に影響することなく低減され得る。この設計は、図2のヒトの目の解像度に適合される。このため、RMS値が、同一のフィールドについて表2におけるものよりも表3においてより高くなる。

0169

9.時分割多重の実施形態

0170

時分割多重のアイデアは、フレーム期間内の幾つかの連続の部分においてイメージを表し、これらのイメージ部分のいずれかについて利用可能な全てのオピクセルを用いることにより、アイピクセルの数を増加することである。明らかに、そのような戦略が上手くいくかは、OLED、透過型又は反射型FLC又はDMDデジタル・ディスプレイといった高速スイッチング速度のデジタル・ディスプレイの利用可能性に依存する。これは、2つの小型レンズの例を介して図35に図示され、図35の左側にデジタル・ディスプレイ3501が図示され、2つのアクティブなシャッターがデジタル・ディスプレイと2つの小型レンズ装置の間に配置される。デジタル・ディスプレイが、図35の上部小型レンズについて光線3504及び3505を放射する。これらの光線は、上部シャッター、即ち、3502が開いている時にのみ、目により受け取られる。この実施形態は、シャッターとして作動する高速強誘電性液晶ディスプレイ(FLCD)を用い得る。これらは、古典的な半波長板として作動し、その光学軸が、応用場(applied field)により再配向可能である。FLCDの利点は、その高い解像度と、非常に早いスイッチング時間(100μs未満)である。Nelsonの米国特許4,924,215でも、これらのFLCDがシャッターとして用いられる。Shilov 2010によれば、Toshibaのアクティブシャッターステレオ3Dグラスは、0.1ms(開から閉/下降)及び1.8ms(閉から開/上昇)の応答速度を持ち、多くの競合解決法は、各々、0.3ms及び3.7msを宣言し、又は、「典型的な」応答時間の2msを宣言する。

0171

図35に示された状況において、下部シャッター3503が閉じられ、従って、目は、上部小型レンズからの光のみを受ける。上部シャッター3502が閉じられる時、下部シャッター3503が開けられ、目は、レンズの下部小型レンズを通じた情報のみを受ける。図35に示されるように、各小型レンズが、視野全体の異なる領域に対応し、上部小型レンズが視野全体の上半分を伝送し、下部小型レンズが視野全体の下半分を伝送する。一緒に仮想スクリーンを完全に覆う2つのサブイメージがある。厳密に言えば、本明細書に開示の大半のマルチ小型レンズ設計のように、目が瞳孔範囲内で動くことを許容しなければいけないため(また、ヒトの瞳の非ゼロの直径のため)、2つのサブイメージが重畳する。この構成において、各フレーム期間が2つのサブフレームスロットに分割される。第1のサブフレームスロットにおいて、デジタル・ディスプレイが上部サブイメージに対応する情報を示し、他方、第2のサブフレームスロットにおいて、デジタル・ディスプレイは、下部サブイメージに対応する情報を示す。もし、これら2つの異なる状況の間の推移が十分に早く行われるならば、目は、両方の小型レンズから到来する包括的に重畳したイメージを感受し、すなわち、垂直方向における当初持っていたピクセル数の約2倍の合計視野を感受する。これは、陰極ビーム蛍光体スクリーンスキャンする時、スクリーン蛍光体持続性と我々の網膜の持続性の組み合わせが単一のスキャニング点(一時に一点のみが描かれる)からの安定したイメージの幻影を生成する伝統的な陰極線管(CRT)で生じるものと同一の効果である。

0172

単眼当たり16:9のデジタル・ディスプレイを用いる時、デジタル・ディスプレイは、好ましくは、水平位置に配置される(すなわち、その最長寸法がフロアに平行になる)。この配向において、図35に図示のデジタル・ディスプレイの輪郭(profile)が短辺であり、時分割多重装置は、むしろ1:1のアスペクト比を生成する(すなわち、類似した垂直及び水平視野)。どのように垂直視野がほぼ2倍になるのかの説明が図36Aに見られ、この設計のための仮想スクリーン3601を表す。点線矩形3602が、上部小型レンズにより生成される仮想スクリーンの上部サブイメージを表し、破線矩形3603が、下部小型レンズにより生成される仮想スクリーンの下部サブイメージを表す。2つのサブイメージの追加が、上述したように、より大きい正方形状の視野全体を生成する。図36に見られるように、サブイメージが中央領域で重畳し、瞳孔範囲内の目の動きを許容する。

0173

代替の構成は、上述の片目当たりのデジタル・ディスプレイではなく、両目について単一の標準の16:9デジタル・ディスプレイを用いる。この場合、レンズが90°回転され、水平位置において置かれ、図20の設計と同様、シャッターの2つの半分が左右に配列される。この代替の構成は、より長尺な視野、水平方向においてより大きい視野につながる。図36Bは、この設計のための仮想スクリーン3604の生成を示す。点線四角形3605が、左小型レンズにより生成された仮想スクリーンの左部分を表し、破線四角形3606が、右小型レンズにより生成された仮想スクリーンの右部分を表し、より大きい矩形形状の視野全体が生じる。

0174

時分割多重(TDM)のアイデアは、図37において示唆されるように、4つの小型レンズの構成にも適用可能であり、装置の対角の2次元断面を示し、またデジタル・ディスプレイ3701の対角輪郭も示す。光線がどのように代替的にシャッターにより阻止されるかの説明が似ている。明らかに、この状況において、2つに代えて、4つのシャッター(小型レンズ当たり一つ)を用いる。図37は、2つのシャッターの対角線部分3702及び3703と、図37の上部小型レンズの端部光線3704及び3705を示す。ここに示すシャッターは、全て共面であり、図35に示されるものよりも実施が簡単である。図35の2つの小型レンズの装置が、共面シャッターを許容するように僅かに修正される。図37に示された4つの小型レンズの設計が、また、両目のための単一の16:9のデジタル・ディスプレイで作動するように適合可能でもあるが、単一のディスプレイに限定されない。従って、レンズの上部左の小型レンズが仮想スクリーンの上部左の部分を生成し、レンズの上部右の小型レンズが仮想スクリーンの上部右の部分を生成する等である。これが図36Cにより表され、2つの点線正方形が上部左及び下部右の小型レンズにより生成される仮想スクリーンの部分を表し、他方、破線正方形3608及び3609が上部右及び下部左の小型レンズにより生成される仮想スクリーンの部分を表し、他方、破線正方形3610及び3611が上部右及び下部左の小型レンズにより生成される仮想スクリーンの部分を表し、約1:1のアスペクト比、すなわち、水平及び垂直視野が同等のより大きい視野全体が生じる。

0175

(透過型又は反射型のいずれかの)LCDデジタル・ディスプレイの走査可能にコリメートされるバックライトの場合、高エネルギー効率の代替として用いられ(Fattal 2013)、又は、シャッターを有するそのようなバックライトの組み合わせとして用いられる。DMDデジタル・ディスプレイが用いられるならば、照明のための小型レンズの選択が、シャッターを用いることに代替としてDMD照明の適切な設計で為される。DMDのオプションにおいて、レンズ部毎に照明セットがある。この照明セットは、DMDがそのレンズ部に対応のイメージの部分を示す時のみオンである。照明セットは、光学系に加えてLEDで実現化され、その光の方向においてDMDを均一に照明し、その安定状態の一つにおいてDMDマイクロミラーにより反射されると、対応の小型レンズのみに到達する。

0176

10.迷光の制御

0177

迷光は、デジタル・ディスプレイから放射され、面の光学設計において考えられたものとは異なる光路を通じて瞳孔範囲(pupil range)に到達する光として定義される。この光は回避されるべきである。ディスプレイにより放射されるこの迷光の幾つかは、またディスプレイに向かって装置により偏向され、そこで反射されると、設計光路を通じて瞳孔範囲に到達してゴーストイメージを形成し得る。

0178

迷光を阻止するため又はそれを瞳孔範囲外に偏向させるための異なる戦略を有する幾つかの異なる構成がある。

0179

図38は、2つの小型レンズの光学素子3804の例において図示された迷光制御構成の1つの水平断面(上面図)を示す。ユーザーの鼻3811及び目3812が配向目的のため図38において示される。図38は、特定の迷光制御の動作原理を示す:光線3808軌跡に従い、デジタル・ディスプレイ3801で放射された光が、線形偏光子3802を通過し、その後、その高速軸が偏光の入射面と22.5°の角度を形成する半波長板(retarder)3803を通過する。半波長板3803が、半波長板の高速軸と偏光の入射面の間の2倍の角度で線形に偏光された入射光を回転させる。その後、光線が、レンズの面3805で屈折され、ミラー面3806で反射し、ミラー面3809で再び反射し、面3810で屈折され、ディスプレイに向かう。光線は、次に、2回目として半波長板を通過する。今、半波長板の高速軸と偏光の入射面の間の角度が−112.5°(−90°−22.5°)である。(我々は、「正」の方向として、半波長板の高速軸からその低速軸に向かう回転方向を採用する。)光が半波長板の高速軸周りに225°回転し、その偏光方向が合計で90°変化する。結果として、光線が偏光子3802で吸収される。この光学分離戦略のより詳細な説明が図39に示される。

0180

図39は、先に記述の構成の3次元図を表し、吸収性の線形偏光子3902、半波長板3903及び2つの小型レンズ3914を含む。デジタル・ディスプレイが図面の明確さのために図示されない。半波長板の高速軸が3906とラベルされ、その低速軸が3907とラベル付けされる。デジタル・ディスプレイから放射される光線3901が、水平に配列された偏光子3902を通過する。偏光子3902を励起する光の水平な偏光成分が、3909とラベル付けされた太矢印で図示される。水平な偏光成分が半波長板3903まで到達し、その高速軸3906と入射偏光方向3910が22.5°の角度を成す。半波長板を入射光偏光方向に関して回転させると、入射光の偏光成分が、偏光面に対する半波長板の高速軸の角度の2倍で回転する(弧3908に図示される2×22.5°=45°)。我々は、半波長板の出射部(exit)で、3911とラベル付けされた高速軸に関して−22.5°の線形偏光を得た。レンズ3914のバックミラー3904及び3905で2回ミラー反射した後、偏光成分は、初期方向に関して約90°変わり(両方の反射器での反射が45°の入射角であるものとする)、太い矢印3912で図示された偏光が得られる。今、光は、2回目として半波長板3903に入射する。半波長板の高速軸と偏光の入射面の間の角度が−112.5°(−90°−22.5°)である。偏光成分が、弧3915で図示されるように、半波長板の高速軸周りに、偏光面と半波長板の高速軸の角度の2倍、すなわち、225°回転する。結果として、偏光方向3913が、初期方向3909に関して合計で90°変化する。結果としての光の偏光方向と半波長板の高速軸の間の角度が112.5°である。初期偏光方向3909に直交し、偏光子3902により吸収される3913で図示された光の偏光を得た。オプションとして、偏光子3902は、より望ましくない光の反射を低減するためにARコートされ得る。

0181

代替的に、図15における2パーツ構成が用いられ、2つの小型レンズが結合される面1518上に黒色吸収体を置き、従って、半波長板の必要がない。そのような黒色吸収体は、また、傾斜不連続部(slope discontinuity)1512無くして、図15における2パーツ構成の製作を許容する(すなわち、その出射面1504は、図12の設計の出射面1203に一致する)。なぜなら、吸収体が、面1518を通過することを試みる光線を瞳孔範囲に到達することから阻止するためである。

0182

図40は、迷光制御のための別の見込みの構成を示す。黒色吸収体の固片が、系中央部に加えられ、望まない光がデジタル・ディスプレイに到達することを阻止する。図40は、この2つの小型レンズの例の提案の動作原理を示す。デジタル・ディスプレイ4001から放射された光線4006が、反射を低減するためにオプションとして追加し得るデジタル・ディスプレイ上のマット層又は拡散部4002を通過し、小型レンズ4008の面4003で屈折され、ミラー面4004で反射し、また、面4003で再び屈折する。デジタル・ディスプレイに向かう光路の光線4006を吸収する黒色片4005が加えられた。黒色片4005は、レンズ支持部又はレンズホルダーとして機能し得る。大半の実施形態においては、レンズ面4003の中央部がメタライズされる。なぜなら、全反射条件がこの領域で満足されず、追加の光シールドが、この不透明片で導入されないためである。

0183

迷光制御の別の提案が図41に示される。2つの小型レンズの光学素子4107の中央部の周辺部4104が、デジタル・ディスプレイから到来する望まない迷光を吸収するために黒色に塗られる。光線4105で図示される光路に従い、どのようにそれが作動するか分かる。光線4105がデジタル・ディスプレイ4101から放射され、次に、破線で描かれた光路4106に従ってデジタル・ディスプレイに向けて反射されるのではなく、レンズ4104の黒色に塗られた部分で吸収される。このレンズ面4104の内側部分が通常メタライズされるため、それを黒色に塗ることにより、金属も保護でき、また他の方向から到来する光も遮断でき得る。

0184

特定の実施形態が記述されたが、本発明を実施する現時点で想到されたモードの先行の記述は、限定する意味に取られず、本発明のある一般原理を記述する目的で単に為される。記述された特定の実施形態からのバリエーションが可能である。例えば、相互参照された上述の特許及び出願は、本出願の教示と有利に組み合わされ得るシステム及び方法を記述する。特定の実施形態が記述されたが、当業者は、どのように異なる実施形態の特徴が組み合わされるのか理解するだろう。

0185

本発明の全範囲が、請求項の参照により決定され、また任意の2以上の請求項の特徴が組み合わされ得る。

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