(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定方式で信号処理された信号を表示するディスプレーパネルを取付けた着用型ディスプレーシステムにおいて、
前記ディスプレーパネルから入射された信号を伝播させる導波路と、
前記導波路面に取付けられ、前記導波路を通じて伝播されて到達した信号を拡大して示す光学素子とを含み、
前記導波路には、前記ディスプレーパネルから信号が垂直に入射される面と、前記導波路内に入射された信号が出射される面とが形成され、このとき、前記導波路内に入射された当該ディスプレーパネルから出る信号が前記導波路内で全反射されるように、前記信号が入射される面が、前記ディスプレーパネルから出る信号を反射する前記導波路の面に対して全反射角度とされた第１所定角度で傾いており、前記信号が出射される面が、前記ディスプレーパネルから出る信号を反射する前記導波路の面に対して第２所定角度で傾いており、
前記ディスプレーパネルは、前記信号が入射される面に取付けられ、前記光学素子は、前記第２所定角度で傾いた前記信号が出射される面に取付けられ、
前記入射信号の伝播距離がいずれも同一になるように前記第２所定角度は第１所定角度と同一であることを特徴とする着用型ディスプレーシステム。
【請求項２】
前記光学素子は反射型であることを特徴とする請求項１に記載の着用型ディスプレーシステム。
【請求項３】
前記光学素子は透過型であることを特徴とする請求項１に記載の着用型ディスプレーシステム。
【請求項４】
所定方式で信号処理された信号を表示するディスプレーパネルを取付けた着用型ディスプレーシステムにおいて、
信号を伝播させる導波路と、
前記導波路に取付けられ、前記ディスプレーパネルから出力される信号を前記導波路に全反射角度で入射させるプリズムと、
前記プリズムから入射され、前記導波路を通じて伝播されて到達した信号を拡大して使用者に見せる光学素子とを含み、
前記信号が出射される導波路の側面は、前記信号を反射する前記導波路の面に対して所定角度で傾いており、
前記入射信号の伝播距離がいずれの出射面でも同一になるように、前記所定角度は前記全反射角度であることを特徴とする着用型ディスプレーシステム。
【請求項５】
前記光学素子は反射型であることを特徴とする請求項４に記載の着用型ディスプレーシステム。
【請求項６】
前記光学素子は透過型であることを特徴とする請求項４に記載の着用型ディスプレーシステム。
【請求項７】
所定方式で信号処理された信号を表示するディスプレーパネルを取付けた着用型ディスプレーシステムにおいて、
信号を伝播させる導波路と、
前記導波路に取付けられ、前記導波路を通じて伝播された信号を全反射角度で出射させるプリズムとを含み、
前記導波路で前記ディスプレーシステムからの信号が入射される側面は、前記入射信号の伝播距離がいずれの出射面でも同一になるように、前記信号を反射する前記導波路の面に対して全反射角度で傾いていることを特徴とする着用型ディスプレーシステム。
【請求項８】
前記プリズムに置かれ、出射される信号を拡大して使用者に見せる光学素子がさらに含まれることを特徴とする請求項７に記載の着用型ディスプレーシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパーソナルディスプレーシステムに係り、より詳細にはめがねやゴーグル状の拡大光学装置を通じてディスプレー信号が伝播されて使用者の目と近い位置でディスプレーイメージを見られるようにした着用型ディスプレーシステム及びそのプロセス（ｐｒｏｃｅｓｓ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軍事用、医療用または個人的なディスプレー用途で使われる光学的ディスプレーシステム（一般にヘッド装着システム（ＨＭＤ；Ｈｅａｄ（ｈｅｌｍｅｔ）  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｓｙｓｔｅｍ）と知られている）は、使用者がめがねやゴーグル、またはヘルメット状の着用器（ｗｅａｒａｂｌｅ  ｄｅｖｉｃｅ）を通じて映像信号を拡大して見られるようになったものである。このようなパーソナルディスプレーシステムを通じて、使用者は移動しつつ映像情報を伝達されるようになった。
【０００３】
図１はＨＭＤ外観の一例を示す。ここでＨＭＤは一般のめがねレンズ１００と、めがねの中心に映像駆動部１１０が取付けられた形になっている。外観だけを考慮した時、このような形のＨＭＤは大きくて重く、かつ美しくない。ＨＭＤの体積と重さはそれを構成する多数の光学的素子による。
【０００４】
図２は一般のＨＭＤの構成図であって、ＨＭＤは映像駆動部２００、ディスプレーパネル２１０及び光学系２２０を含む。映像駆動部２００はパソコンやビデオ（図示せず）など外部ソースから入った映像信号を保存し、入力された映像信号がＬＣＤパネルなどのディスプレーパネル２１０でディスプレーされるように信号処理する。光学系２２０は、ディスプレーパネル２１０にディスプレーされた映像信号を使用者の目に入射して適切な大きさに拡大して示す。ＨＭＤの構成要素としては、その外観によって着用のための機構、あるいは外部から映像信号などを伝達されるためのケーブルなどがさらに追加されうる。
【０００５】
図３は、図２の一般的なＨＭＤ構成のうち光学系２２０の一般的な構成を示すものである。従来の光学系は、コリメーティングレンズ３００、Ｘプリズム３１０、集束レンズ３２０、反射鏡３３０及び接眼レンズ（または拡大鏡）３４０よりなる。コリメーティングレンズ３００はディスプレーパネルなどの一点から出る光（映像信号）を平行光として伝播させる。Ｘプリズム３１０は、コリメーティングレンズ３００から入射された光の角度を左右に分けて伝播させる。集束レンズ３２０は、左右方向に一つずつ置かれて各々Ｘプリズム３１０を通過した平行光を集束させる。反射鏡３３０は、集束レンズ３２０から集束された光の方向が人の目に向けて進行するように方向を変える。接眼レンズ（または拡大鏡）３４０は、結局ディスプレーパネルから出て前述した光学的素子を通過した小さな映像信号を拡大して人の目に見られるようにする機能を持つ。この時、接眼レンズ３４０を通過する映像信号がカラー信号であれば接眼レンズ３４０としては色収差を除去できるレンズが使われる。
【０００６】
ＨＭＤと呼ばれる一般の着用型ディスプレーシステムにおいて、光学系として構成される部分は前述したようにコリメーティングレンズ、Ｘプリズム、集束レンズ、反射鏡及び接眼レンズなどの光学的素子を多数使用するので精密性を要する素子の性格からみてその具現に難しさがあり、したがって製作に手間がたくさんかかる。またレンズと素子各々の機能が精密に設計されたとしても、共に整列させるのに追加的な難しさがある。また他の従来の光学系の短所は、多数の光学素子によって光学系が大きくかつ重くＨＭＤとして着用し難く、製作コストが高いということである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする技術的課題は、最小限の光学素子を使用してその具現が簡単で、製作が容易な着用型ディスプレーシステムを提供するのにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための、所定方式で信号処理された信号を表示するディスプレーパネルを取付けた着用型ディスプレーシステムは、前記ディスプレーパネルから入射された信号を伝播させる導波路と、前記導波路面に取付けられ、前記導波路を通じて伝播されて到達した信号を拡大して見せる拡大鏡とを含み、前記ディスプレーパネルは前記導波路に入射される信号が導波路内で全反射されるように所定角度で傾いた導波路面に取付けられることを特徴とする。
【０００９】
前記信号が導波路の一端を通って導波路に伝播され、かつ、導波路の中で全反射されるように、照明光を反射するための反射板をさらに含むことが望ましい。
【００１０】
前記課題を解決するための双眼鏡型の着用型ディスプレーシステムは、両側面にディスプレーパネルを取付け、ディスプレーパネルから入射された信号を伝播させる導波路と、前記導波路の左右側に各々取付けられ、前記導波路を通じて伝播されて到達した信号を拡大する拡大鏡とを含み、前記ディスプレーパネルから出る信号が導波路内で全反射されるように前記導波路の両側面を所定角度で傾けて形成することを特徴とする。
【００１１】
前記導波路の両側でディスプレー信号伝播に必要な照明を反射して照明光が前記ディスプレーパネル信号が入射される角度で前記ディスプレーパネルを映すようにする反射板をさらに含むことが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して本発明を詳細に説明する。
図４Ａは本発明の着用型ディスプレーシステムの正面図であり、図４Ｂは上面図である。ここで、着用型ディスプレーシステムはレンズ４００とディスプレーパネル４１０とが結合された単純な形態になっている。本発明の着用型ディスプレーシステムは従来に比べて回折格子と拡大鏡とを使用して軽薄短小化できる。したがって、ヘルメット型などの既存のＨＭＤのように体積が大きくて重いディスプレーシステムではない、めがねのように単純に着用できるディスプレーシステムを具現できる。
【００１３】
また、本発明はモジュール形態の着用型ディスプレーシステムを製作し、そのモジュールを既存のめがね等に脱着自在に取付けて使用することもある。図４Ａ及び図４Ｂに示した着用型ディスプレーシステムは、多様な外観のうち一例に過ぎず、以外にも多様な形態の軽薄短小な着用型ディスプレーシステムを具現できる。
【００１４】
本発明の着用型ディスプレーシステムは双眼鏡型と単眼鏡（ｍｏｎｏｃｕｌａｒ）型があるが、双眼鏡型は両目を利用してディスプレー画像を見るようになったものであり、単眼鏡型は片目を利用してディスプレー画像を見るようになったものである。
【００１５】
まず、単眼鏡型をあげて本発明を説明する。
図５は本発明の単眼鏡型の着用型ディスプレーシステムの一実施形態であって、所定方式で信号処理された信号を表示するディスプレーパネル５００を取付けた着用型ディスプレーシステムは導波路５１０及び拡大鏡５２０を含む。導波路５２０はディスプレーパネルから入射された信号を伝播し、ディスプレー信号が入射されて導波路内で全反射角度で反射されるように導波路の側面を所定角度でななめに削った形になる。ここで所定角度は導波路内信号の全反射角度と同一であることが望ましい。この側面入射信号は導波路５１０内で全反射角度で反射されつつ伝播される。拡大鏡５２０は導波路を通じて伝播されて到達した信号を拡大して使用者の目に信号の像が結ぶようにする。
【００１６】
図６は本発明の単眼鏡型着用型ディスプレーシステムの他の実施形態であって、図５と同じ構成に反射板６００をさらに具備している。反射板６００を利用すれば、導波路の傾斜面への入射光の光源である照明光を所望の方向に位置させうる。図６のような実施形態の場合、側面に位置した照明光からの光が反射板６００で反射されて導波路５２０の傾斜面を通じて全反射角度で入射されるようになる。反射板を利用して照明光源を使用者の側面に位置させれば、着用型ディスプレーシステムを具現する時に照明光を側面脚に取付けた、めがね型システムの具現が可能になる。
【００１７】
図５（及び図６）のような着用型ディスプレーシステムを構成するためには拡大鏡５２０の大きさ、導波路５１０での信号の内部全反射回数、導波路の長さ及び幅などを決定せねばならなく、このために拡大光学系の基本原理が適用される。
【００１８】
図７はディスプレーパネルの大きさ、画面の大きさ及び位置、アイリリーフ、ＦＯＶ（Ｆｏｃｕｓ  Ｏｆ  Ｖｉｅｗ）、レンズの焦点と大きさなどを決定するために対応する拡大光学系の基本原理を説明するための図面である。図５の拡大鏡５２０と対応するレンズ７００の焦点をＦとし、Ｄをレンズ口径とする。ｙｏは物体７１０の大きさを示し、この物体７１０は図５でディスプレーパネル５００に対応できる。
【００１９】
ディスプレーパネル５００から拡大鏡５２０までの信号の経路と対応することが、物体とレンズ７００との距離であるｓｏである。ここでＳｏがレンズ７００の焦点距離ｆより小さいこそ物体７１０の像を見られる。このような光学原理は図５で、入射後に導波路５１０を移動する信号の経路が拡大鏡５２０の焦点距離より短く設計されるのに反映される。ｙｉは物体７１０が目７２０によって見られる虚像の大きさであり、Ｅｘは目７２０の出射瞳の大きさ、ｌｅは目とレンズまでの距離、すなわちアイリリーフであり、Ｌ’は目から物体の虚像までの距離であり、θ／２は時計ＦＯＶを１／２にかけた角度である。
【００２０】
前述した光学変数を利用して拡大レンズの変数を求める過程を説明すれば、まず図７でどんなレンズを選択して決まった物体をどこに置いて拡大された像を見るかを定めるために物体の大きさｙｏ、像の大きさｙｉ、目から像までの距離Ｌ’、アイリリーフｌｅと出射瞳Ｅｘが先に決まらねばならない。これより倍率Ｍが次の数式１のように求められる。
【００２１】
【数１】
0003612060.tif 000002
数式（１）からレンズ７００と物体７１０との距離ｓｏが求められる。
【００２２】
【数２】
0003612060.tif 000003
【００２３】
ｓｏとｓｉとを利用してレンズ７００の焦点距離ｆを次の数式（３）のように求める。
【数３】
0003612060.tif 000004
【００２４】
ＦＯＶは次の数式（４）のように求められる。
【数４】
0003612060.tif 000005
【００２５】
レンズ口径Ｄは数式（５）のように求められる。
【数５】
0003612060.tif 000006
【００２６】
数式（５）は出射瞳の中心に入る光線信号に対してのみ考慮したので、実際のレンズ口径は出射瞳の大きさを考慮し次のように求められねばならない。
【００２７】
【数６】
0003612060.tif 000007
このように拡大レンズを設計するのに必要な変数の算出公式によって拡大レンズの仕様を定められる。
【００２８】
図８Ａ及び図８Ｂは本発明の着用型ディスプレーシステムの設計条件を説明するための図面である。
【００２９】
図８Ｂを設計するための条件において、まず入射角θが全反射臨界角θｃより大きくなければならず、その時の傾斜面の長さｄ／ｓｉｎθはディスプレーパネル５００より大きくなければならない。これを数式で表現すれば次の通りである。
【００３０】
【数７】
0003612060.tif 000008
【００３１】
ここで、ｎ（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）は導波路の屈折率である。もし、導波路の屈折率が１．４９であれば全反射臨界角は４２．２°であるため入射角はそれ以上でなければならない。
【００３２】
図９は、本発明の双眼鏡型着用型ディスプレーシステムの一実施形態を示すものであって、双眼鏡型着用型ディスプレーシステムは導波路９００、第１ディスプレーパネル９１０、第２ディスプレーパネル９２０、第１拡大レンズ９３０及び第２拡大レンズ９４０を含む。図９の双眼鏡型着用型ディスプレーシステムは前述した単眼鏡型着用型ディスプレーシステムの原理及び設計方式がそのまま適用され、図５の単眼鏡型ディスプレーシステムを二つ結合することによって使用者の両目に着用できるということを特徴とする。導波路９００は両側のディスプレーパネル９１０、９２０から入射された信号を伝播する。
【００３３】
導波路の側面から入射された信号が導波路内で全反射角度で反射されるように導波路の側面を全反射角度と同一にななめに削ってその傾斜面に垂直にディスプレー信号が入射されるように導波路が形成される。この側面入射信号は導波路９００内で全反射角度で反射されつつ各々導波路の中心に向かって伝播される。第１ディスプレーパネル９１０は導波路の左側傾斜面に取付けられて導波路内に所定全反射角度で信号を入射させる。第１拡大レンズ９３０は、導波路９００内部で１回以上反射されつつ伝播されて到達した信号を拡大して使用者の左側目に映す。
【００３４】
第２ディスプレーパネル９２０は、導波路の右側傾斜面に取付けられて前記所定全反射角度で導波路内に信号を入射させる。第２拡大レンズ９４０は、導波路９００内部で１回以上反射されつつ伝播されて到達した信号を拡大して使用者の右側目に映す。第１、第２拡大レンズ９３０、９４０は所定角度（ここでは所定全反射角度と同じ角度）で入射された信号を記録時に記憶された方向に透過させて再生するホログラムレンズでありうる。
【００３５】
図１０は本発明の双眼鏡型着用型ディスプレーシステムの他の実施形態であって、その構成と機能は図９のシステムと同一であるが、第１、第２反射板１０１０、１０２０をさらに具備することを特徴とする。導波路１０００の両側に備わった第１、第２反射板１０１０、１０２０を通じて、各々使用者の左右側の所定位置から入射される照明光を各々の導波路傾斜面に対して平行光として入射させうる。
【００３６】
図１０のような実施形態の場合、側面に位置した照明光からの光が各々第１、第２反射板１０１０、１０２０で反射されて導波路１０００の傾斜面を通じて全反射角度で入射される。第１、第２反射板を利用して照明光源を使用者の側面に位置させれば、着用型ディスプレーシステムの具現時に照明光を側面脚に取付けた、めがね型システムの具現が可能になる。
【００３７】
図１１は本発明の単眼鏡着用型ディスプレーシステムのまた他の実施形態であって、所定方式で信号処理された信号を表示するディスプレーパネル１１００を取付けた着用型ディスプレーシステムは導波路１１１０及び光学素子１１２０を含む。
【００３８】
導波路１１１０は、ディスプレーパネルから入射された信号を伝播し、信号が入射される面と出射される面を信号が導波路内で全反射角度で反射されるように所定角度でななめに削った形になっている。このような全反射角度で傾いた導波路の側面に取付けられたディスプレーパネル１１００から入射される信号は導波路１１１０内で全反射角度で反射されつつ伝播される。
【００３９】
光学素子１１２０は、回折素子（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）、あるいはホログラム素子（ＨＯＥ；Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）であって、導波路１１１０を通じて伝播されて到達した信号を拡大して所定焦点距離にある使用者の目に信号の像を結ぶ。図１１に示した光学素子は反射型の場合を示したが、図示された焦点距離と反対方向に焦点を結ぶ透過型の場合も本発明に適用できる。
【００４０】
ディスプレーパネル１１００から入射された信号が導波路１１１０を通じて伝播されて光学素子１１２０を通じて出力される時、入射された信号の伝播距離が相異なれば収差が生じうる。したがって、このような収差発生を防止するために入射信号の伝播距離がいずれも同一になるように信号の入射面が削られた傾斜角度と出射面が削られた傾斜角度とが同一でなければならない。
【００４１】
導波路１１１０の両側面の内部全反射角度への傾斜、導波路内での内部全反射回数、それによる導波路の長さ及び幅、光学素子１１２０の口径や像が結ばれる焦点距離を決定するためには図７の拡大光学系の基本原理が適用される。
【００４２】
図１２は本発明の着用型ディスプレーシステムのさらに他の実施形態を示すものであって、所定方式で信号処理された信号を表示するディスプレーパネル１２００を取付けた着用型ディスプレーシステムは、プリズム１２１０、導波路１２２０及び光学素子１２３０を含む。
【００４３】
プリズム１２１０は、導波路１２２０の一面に取付けられる。プリズム１２１０の光入射面にはディスプレーパネル１２００が取付けられる。プリズム１２１０はディスプレーパネル１２００から出力される信号が導波路１２２０の内部に所定の全反射角度で入射されるようにする。
【００４４】
導波路１２２０はプリズム１２１０を通じて入射されたディスプレーパネルからの信号を伝播する。全反射角度で入射された信号は、導波路１２２０内で全反射角度で反射されつつ伝播される。信号が出射される導波路の側面は、プリズム１２１０を通じて入射された信号の伝播距離がいずれの出射面でも同一になるように所定角度で削られる。これは伝播距離が相異なる信号は収差を生じるからである。ここで出射面の傾斜角度は、信号の入射角度、すなわち全反射角度と同一である。
【００４５】
光学素子１２３０はＤＯＥ、あるいはＨＯＥであって、導波路１２２０を通じて伝播されて到達した信号を拡大して所定焦点距離にある使用者の目に信号の像を結ぶようにする。図１２に示した光学素子は反射型の場合を示すものであるが、図面に示した焦点距離と反対方向に焦点を結ぶ透過型の場合も本発明に適用できる。
【００４６】
前述した実施形態で、導波路１２２０出射面での傾斜角度、導波路内での内部全反射回数、それによる導波路の長さ及び幅、光学素子１２３０の口径や像が結ばれる焦点距離を決定するためには図７の拡大光学系の基本原理がやはり適用される。
【００４７】
図１３は本発明の他の実施形態である。図１３は図１２と同じ導波路構造を有し、同じ構成要素を含むが、ディスプレーパネル１３００の位置と信号の伝播方向が図１２とは反対になる着用型ディスプレーシステムを示したものである。図１３を図１２と比較する時、ディスプレーパネル１３００は、図１２での光学素子１２３０の位置に取付けられ、光学素子１３３０は、図１２のディスプレーパネル１２００の位置に取付けられている。図１３では、ディスプレーパネル１３００から入射された信号がプリズム１３１０を通じて出射され、信号はプリズムに取付けられた拡大鏡１３３０を通じて使用者に拡大されて見られる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の着用型ディスプレーシステムにより、信号が導波路内で全反射角度で反射されるように導波路側面を削ることによって、全反射入射に必要な他の構成要素を具備する必要がなく、反射板を利用して照明光を所望の位置に置くことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＨＭＤ外観の一例を示す図面である。
【図２】一般のＨＭＤの構成図である。
【図３】図２の一般のＨＭＤ構成のうち光学系の構成図である。
【図４Ａ】本発明の着用型ディスプレーシステムの外観を示す図面である。
【図４Ｂ】本発明の着用型ディスプレーシステムの外観を示す図面である。
【図５】本発明の着用型ディスプレーシステムの一実施形態である。
【図６】本発明の着用型ディスプレーシステムの他の実施形態である。
【図７】ディスプレーパネルの大きさ、画面サイズ及び位置、アイリリーフ、ＦＯＶ、レンズの焦点及び大きさなどを決定するために対応する拡大光学系の基本原理を説明するための図面である。
【図８Ａ】本発明の着用型ディスプレーシステムの設計条件を説明するための図面である。
【図８Ｂ】本発明の着用型ディスプレーシステムの設計条件を説明するための図面である。
【図９】図９は本発明の双眼鏡型着用型ディスプレーシステムの一実施形態を示す図面である。
【図１０】本発明の双眼鏡型着用型ディスプレーシステムの他の実施形態を示す図面である。
【図１１】本発明の着用型ディスプレーシステムのまた他の実施形態を示す図面である。
【図１２】本発明の着用型ディスプレーシステムのさらに他の実施形態を示す図面である。
【図１３】本発明の着用型ディスプレーシステムのさらに他の実施形態を示す図面である。
【符号の説明】
５００  ディスプレーパネル
５１０  導波路
５２０  拡大鏡
【図１】
0003612060.tif 000009
【図２】
0003612060.tif 000010
【図３】
0003612060.tif 000011
【図４Ａ】
0003612060.tif 000012
【図４Ｂ】
0003612060.tif 000013
【図５】
0003612060.tif 000014
【図６】
0003612060.tif 000015
【図７】
0003612060.tif 000016
【図８Ａ】
0003612060.tif 000017
【図８Ｂ】
0003612060.tif 000018
【図９】
0003612060.tif 000019
【図１０】
0003612060.tif 000020
【図１１】
0003612060.tif 000021
【図１２】
0003612060.tif 000022
【図１３】
0003612060.tif 000023