(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
小型表示装置と、
前記小型表示装置に従って発生された画像信号をユーザが見るように方向付ける光学系と、
前記光学系を、前記ユーザの目の視野内に保持する光学系マウンティング構造とを含み、
前記光学系が、前記小型表示装置の近傍に配置されたビーム・スプリット・プリズムと、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記小型表示装置との間に配置された視野レンズと、前記視野レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された発散レンズと、前記ビーム・スプリット・プリズムの近傍の、前記ビーム・スプリット・プリズムの前記小型表示装置と反対側に配置された反射レンズと、前記反射レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された四分の一波長板とを含み、
前記小型表示装置に従って直線偏光された前記画像信号が、（ａ）前記視野レンズと前記発散レンズとを通過し、（ｂ）前記ビーム・スプリット・プリズムに入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面を通過し、（ｃ）前記四分の一波長板を通過して円偏光され、（ｄ）前記反射レンズの面で前記四分の一波長板に向かって反射して前記四分の一波長板を再び通過して、前記画像信号に関連づけられた元の直線偏光方向を基準にして９０度回転した偏光方向で直線偏光され、（ｅ）前記ビーム・スプリット・プリズムに再入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面で反射して前記ユーザが見るように前記ビーム・スプリット・プリズムから射出するように、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記視野レンズと前記発散レンズと前記反射レンズと前記四分の一波長板とが配置されており、
前記発散レンズ、視野レンズ、及び反射レンズは、横色収差をなくすように選定されており、
前記マウンティング構造は、前記光学系を前記ユーザの目の長手方向と略平行な方向に支持する、
ヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【請求項２】
前記マウンティング構造が、前記光学系を前記ユーザの目の視野内と視野外とに選択的に移動させることができるように構成された、請求項１に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【請求項３】
前記ユーザに向けられる前記画像信号の焦点の調整を可能にする焦点機構をさらに含む、請求項１または２に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【請求項４】
前記焦点機構が可動キャリッジを含み、前記可動キャリッジは、前記小型表示装置と前記視野レンズとが、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記反射レンズと前記四分の一波長板とを基準にして、光軸に沿って移動可能なように前記小型表示装置と前記視野レンズとを支持する、請求項３に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【請求項５】
前記焦点機構が、前記可動キャリッジに結合され前記可動キャリッジを前記光軸に沿って移動させる移動アクチュエータをさらに含む、請求項４に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【請求項６】
前記移動アクチュエータがねじとノブとの構成を含む、請求項５に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【請求項７】
前記可動キャリッジを±１ｍｍ光軸方向に移動させることによって、画像焦点を調整できるように構成されている、請求項４〜６のいずれか１項記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【請求項８】
遮光機構をさらに含み、前記遮光機構は、開位置にあるときに背景光が前記光学系に入射し、閉位置にあるときに背景光が前記光学系に入射するのを少なくとも部分的に遮るように前記光学系を基準にして配置された、請求項１〜７のいずれか１項に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【請求項９】
前記光学系を実質的に収容する筐体をさらに含み、前記遮光機構が前記光学系筐体に組み込まれた、請求項８に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【請求項１０】
前記遮光機構が前記開位置と前記閉位置との間でスライドすることができるように、前記遮光機構がスライド可能に前記光学系筐体に組み込まれた、請求項９に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【請求項１１】
前記遮光機構が不透明遮光機構、部分不透明遮光機構、着色遮光機構、又は、偏光遮光機構のうちのいずれかである、請求項１０に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【請求項１２】
前記画像信号を見る前記ユーザによって発せられた音声を捕捉するマイクロフォンをさらに含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【請求項１３】
前記マイクロフォンが前記光学系筐体に組み込まれている、請求項１２に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【請求項１４】
前記光学系マウンティング構造が調整ポッド・アセンブリを含み、前記調整ポッド・アセンブリが前記ユーザの目までの特定の距離だけ前記光学系をスライド式に移動させるスライダ機構を含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【請求項１５】
前記光学系マウンティング構造が、調整ポッド・アセンブリを含み、前記調整ポッド・アセンブリが、前記光学系を前記ユーザの目を基準にして特定の位置に回転可能に移動させる回転可能ボール・ジョイント機構を含む、請求項１４の記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【請求項１６】
前記光学系マウンティング構造が可撓性ブーム・アセンブリを含み、前記可撓性ブーム・アセンブリが前記光学系を支持し、前記光学系を前記ユーザの目を基準にして特定の位置に柔軟に移動させるように構成された、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【請求項１７】
前記小型表示装置が、発光型小型表示装置、透過型小型表示装置、又は反射型小型表示装置のいずれか１つである、請求項１〜１６のいずれか１項に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【請求項１８】
前記横色収差が、最大視野位置において、前記超小型表示装置のピクセル・ピッチ未満である、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか１項記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニットに結合され、前記ユーザが見る前記画像信号を発生する際に使用するために電気信号を発生し、前記小型表示装置に供給するコンピュータ・ベースの装置とを含む、携帯用コンピュータ・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、一般にはコンパクトな光学系に関し、より詳細には、たとえばウエアラブル・パーソナル・コンピュータ・システム、ヘッドマウント表示装置、携帯電話などの個人用装置表示装置で使用するコンパクトな光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
仮想画像表示装置は、拡大光学装置を小型の画像パネルと組み合わせて、見る人に大量の情報を表示することができる仮想画像を表示する。このような表示装置は、いわゆるヘッドマウント表示装置に応用され、様々な用途のコンピュータ・ベースの装置と共に使用されている。周知のように、コンピュータ・ベースの装置には、光学系と画像パネルを介して表示される画像信号を発生する処理／表示ドライバ回路が含まれている。
【０００３】
しかし、このような従来の仮想画像表示装置には、多くの欠点があることが知られている。たとえば、このような表示装置は、重過ぎて快適には使用できず、大き過ぎて邪魔になり、集中できず、見当識を失わせることさえある。これらの欠点は、主として、マウンティング構造体に比較的大型の光学系が内蔵されていることと、大きさ、形状、重量などの重要なヒューマン・ファクタが十分に考慮されていない物理設計による。
【０００４】
従来のヘッドマウント仮想表示ユニットの例を、図１および図２に示す。図１には、眼鏡のようにユーザの頭部と顔に掛けるヘッドマウント仮想表示ユニット１０が示されている。ユーザは、表示部分１２を介して仮想画像を見る。ノーズ・ブリッジ１４と側面支持部１６が、ユーザの頭部と顔に装着したときに表示装置を支持する機能を果たす。このユニット１０は、コネクタ１８を介してコンピュータに接続することができる。このようなユニットは、かさばって扱いにくく、装着者は表示画面以外には実質的に何も見ることができないことが知られている。すなわち、ユーザは眼前の周囲状況を見ることができない。このようなヘッドマウント仮想表示装置は、国際特許出願第ＷＯ９５／１１４７３号で開示されている。
【０００５】
図２に、ヘッドマウント単眼仮想表示ユニット２０を示す。指示構造体１２がユーザの頭の上に配置され、表示部１４がユーザの視界に下りる。この設計も、かさばって扱いにくく、ユーザの周囲の視界を妨げることが知られている。このようなヘッドマウント単眼仮想表示装置も、国際特許出願第ＷＯ９５／１１４７３号で開示されている。
【０００６】
従来のコンパクト表示システムおよびヘッドマウント表示装置の他の例が、米国特許第５７７１１２４号、第５７５７３３９号、および第５８４４６５６号で開示されている。さらに、ソニー・コーポレーションも、「グラストロン」と呼ばれるヘッドマウント仮想表示装置を製作していることが知られている。
【０００７】
しかし、これらの例はすべて、上記のような１つまたは複数の設計上の欠点がある。その結果、このような欠点がこの種の装置の普及の大きな妨げになっている。
【０００８】
従来技術に改良を加えたコンパクトな光学系が、米国特許出願第０９／４３７９７２号および第０９／４３７７９３号に記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
それにもかかわらず、上記の欠点および上記で明記しなかった従来技術のその他の欠点を大幅に軽減または完全に解消し、または上記の米国特許出願第０９／４３７９７２号および第０９／４３７７９３号に記載のコンパクト光学系設計に改良を加え、あるいはその両方を実現する、表示装置、たとえば、ウエアラブル・パーソナル・コンピュータ、ヘッドマウント表示装置、携帯電話などの個人用装置で使用するコンパクトな光学系が必要である。
【００１０】
本発明の１つの目的は、たとえば法外な大きさと重量、視界の遮りなど、従来の設計の欠点を解消する、たとえばヘッドマウント仮想画像表示装置などの表示装置で使用する光学系設計を提供することである。このような新規な設計により、たとえば、より使い勝手がよく、広範囲なユーザに受け入れられるウエアラブル・コンピュータ・システムが可能になる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
超小型表示装置に従って発生された画像信号をユーザが見るように方向付ける本発明のコンパクト光学系の一実施形態によると、この光学系は、前記超小型表示装置の近傍に配置されたビーム・スプリット・プリズムと、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記超小型表示装置との間に配置された視野レンズと、前記視野レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された発散レンズと、前記ビーム・スプリット・プリズムの近傍の、前記ビーム・スプリット・プリズムの前記超小型表示装置と反対側に配置された反射レンズと、前記反射レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された四分の一波長板とを含み、前記超小型表示装置に従って直線偏光された前記画像信号が、（ａ）前記視野レンズと前記発散レンズとを通過し、（ｂ）前記ビーム・スプリット・プリズムに入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面をほぼ通過し、（ｃ）前記四分の一波長板を通過して円偏光され、（ｄ）前記反射レンズの面で前記四分の一波長板に向かって反射して前記四分の一波長板を再び通過して、前記画像信号に関連づけられた元の直線偏光方向を基準にして９０度回転した偏光方向で直線偏光され、（ｅ）前記ビーム・スプリット・プリズムに再入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面でほぼ反射して前記ユーザが見るように前記ビーム・スプリット・プリズムから射出するように、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記視野レンズと前記発散レンズと前記反射レンズと前記四分の一波長板とが配置されている。
【００１２】
本発明によるヘッドマウント仮想画像表示ユニットの一実施形態によると、表示ユニットは大きさと重量がコンパクトであり、上記の光学系など、鮮明なシースルー機能を備えた高性能光学系が組み込まれている。シースルー機能が望ましくない場合のために、スライド式遮光機構を組み込むことができる。焦点調整機能を組み込んで、画像がたとえば約１８インチ（４６ｃｍ）から無限大までの距離で焦点を結ぶことができるようにすることが可能である。ユーザの頭に合うように適応化する調整可能ヘッドバンドを組み込むこともできる。可撓性ブーム構造を組み込んで、光学アセンブリの位置の微調整を容易にすることができる。スライダ／ボール・ジョイント機構も組み込んで、光学アセンブリの位置調整を容易にすることができる。ユーザによる音声入力を可能にするために、内蔵マイクロフォンを組み込むことができる。
【００１３】
ヘッドマウント仮想画像表示ユニットは、眼鏡や保護眼鏡と共に快適に使用することができ、周囲環境の視界を遮ることなくユーザに有用な画像を提示できることを理解されたい。このユニットは、ユーザが格段に受け入れやすくなるように、好ましい外観を備えた設計となっている。
【００１４】
また、ヘッドマウント仮想画像表示ユニットをコンピュータ・ベースの装置と組み合わせることができることを理解されたい。コンピュータ・ベース装置は、ユーザが見る画像信号を発生する際に使用する電気信号を発生し、表示ユニットに付随する超小型表示装置に供給することができる。この組み合わせにより、携帯用コンピュータ・システムを構成することができるので有利である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、ヘッドマウント仮想画像表示ユニットおよびウエアラブル・コンピュータの環境における本発明の光学系の設計について説明する。しかし、本発明はこの特定の表示用途または他のいかなる表示用途にも限定されないことを理解されたい。本発明は、より一般的に、画像表示のためにコンパクトな光学系を使用することが望ましいいかなる適合する表示用途にも適用可能であり、当該用途で使用される装置に組み込むことが可能である。このような装置としては、たとえばウエアラブル・パーソナル・コンピュータ、ヘッドマウント表示装置、携帯電話などの個人用装置がある。
【００１６】
まず図３および図４を参照すると、本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮想表示ユニット１０およびコンピュータ・ベース装置２０が図示されている。コンピュータ・ベース装置２０とヘッドマウント仮想表示ユニット１０とを電気的に結合するケーブル３０を備える。図３および図４は、同じヘッドマウント仮想画像表示ユニット１０を相反する方向から見た図である。コンピュータ・ベース装置２０は、たとえばポケット・サイズなどの小型のフォーム・ファクタを有し、軽量であることが好ましいことを理解されたい。また、コンピュータ・ベース装置２０は、ユーザのベルトまたはポケットに装着するためのクリップも有することが好ましい。このようなコンピュータ・ベース装置を、「ウエアラブル・コンピュータ」と呼ぶ。ウエアラブル・コンピュータは、パーソナル・コンピュータ、ラップトップ・コンピュータ、携帯型情報端末などで使用可能な、たとえばプロセッサ（たとえばＣＰＵ）、固定メモリ、取外し可能メモリ、ディスプレイ・ドライバ回路、外部ネットワーク（たとえばインターネット）接続装置、アプリケーション・ソフトウェアなどの、一般的な構成要素の全部またはほとんどを備えることができる。
【００１７】
ヘッドマウント仮想表示ユニット１０は、光学モジュール１００と、可撓性ブーム２００と、調整ポッド３００と、イヤフォン４００と、ヘッドバンド５００とを含む。本発明の好ましい実施形態によると、光学モジュール１００は、光学系と焦点機構とスライド式遮光機構と内蔵マイクロフォンを含む。可撓性ブーム２００は、ユーザの眼前にある光学モジュール１００の位置の微調節を可能にする。たとえば、金属またはプラスチック製の螺旋巻き曲管を、可撓性ブームとして使用することができる。このような管は公知であり、市販されている。調整ポッド３００は、ブームの位置および角度を制御する組合せのスライディングおよびボールのジョイント機構を含むことが好ましい。以下に、本実施形態について図３に関して詳述する。当然ながら、光学モジュールの位置調節を行うために他の機構を採用してもよい。イヤフォン４００は、接続ワイヤを使用してポッド３００に取り付けられている様子が図示されている。別法として、イヤフォン４００はその出力部をユーザの耳に向けてポッド３００に取り付けることもでき、ポッド３００からのスィング・ダウン・レバー上に取り付けることもできる。ヘッドバンド５００は、調整タブ５０２およびヘッド・グリップ５０４が付いている様子が図示されている。ヘッドバンドは通常、後頭部に装着されるが、他の配置構成も可能である。たとえば、バンドを頭頂部に掛けることもでき、あるいは、ポッド３００をヘルメット（図示せず）に取り付けることもできる。
【００１８】
可撓性ブーム２００と調整ポッド３００によって、ユーザは使用中に光学モジュール１００を右目の視界内や視界外に移動することができることを理解されたい。当然ながら、ユニット１０は、光学モジュール１００を装着者の左目で見るように構成することも可能である。その場合、ユニット１０は左目で使用するように逆転させることができる。また、ユニット１０は２つの別々の表示部、すなわち、右目用に１つと左目用に１つの表示部を含むように構成することもできる。当業者ならその他の構成も見出すであろう。
【００１９】
このように、表示ユニット１０とコンピュータ・ベース装置２０との組み合わせによって、ユーザは、たとえばアプリケーション・ソフトウェア、ウェブ・ブラウザなどから、装置２０に応じて生成された仮想データを見ることができる。仮想情報は、ケーブル３０を介して表示装置に送られる。ユーザは、装置２０に応じて生成された音声データをイヤフォン４００によって聴くことができる。光学モジュール１００内の（図１１に示す）マイクロフォンによって、ユーザはコンピュータに音声コマンドを入力することができる。
【００２０】
したがって、図３および図４には、ポケット・サイズのウエアラブル・コンピュータと共に使用するコンパクトな光学系を備えた軽量ヘッドマウント表示ユニットを含む軽量のウエアラブル・コンピュータ・システムが図示されている。光学系は、図示されているような軽量のブームまたはバンド構造を使用してユーザの頭部に装着されるため、総重量約６０グラム以下のヘッドマウント表示装置を実現することができる。
【００２１】
図５に、ユーザが装着する本発明によるヘッドマウント仮想表示ユニット１０を図示する。図のように、光学モジュール１００は、ユーザの右目または左目の視界に移動させることができるので有利である。光学モジュール１００は、目障りにならないように小型であり、光学系を介して外界を歪みなしに見ることができる。表示装置をオンにすると、表示装置を周囲を背景にして明瞭に見ることができる十分な照明が得られる。
【００２２】
次に、光学モジュール１００において使用する本発明による好ましい光学系について説明する。しかし、本発明の光学系の設計は、図３および図４に示すウエアラブル・コンピュータ・システム以外の装置に従って使用することもできることを理解されたい。コンパクトなフォーム・ファクタと高品質の光学画像の表示能力を備えるため、本発明の光学系はきわめて多くの用途に適合する。当業者なら、本発明の光学系と共に使用することができる様々な実施態様および応用分野がわかるであろう。
【００２３】
さらに、以下の実施態様に関して詳述するように、本発明の光学系は、「自由形態」の光学構成要素ではなく「軸上」の光学構成要素である折り返し光路を有する光学構成要素を備える。このようにしたため、光学系は、本明細書に記載の利点および特徴を備えると共に、当業者なら本明細書に記載の本発明の教示があればわかるその他の利点および特徴を備えることができる。本明細書では、「軸上」および「自由形態」という用語は以下のような意味を持つことを理解されたい。典型的な球面レンズを、レンズに対して垂直にレンズの中心を通って通過する光線によって、光軸が規定される。光線束は、この軸を中心にしてレンズ群を通過し、レンズによってうまく結像させることができる。光学系の例としては、カメラ、顕微鏡、双眼鏡などがある。より複雑な光学系では、光線束はレンズを基準にして傾斜した線を中心に集束することもできる。これが「軸外」結像となる。典型的な球面レンズは光軸を中心にして対称であることに留意されたい。他の光学系は、半径方向に対称ではなく、上記で定義したような明瞭な光軸を持たないが、それにもかかわらず結像機能を果たすことができる。本明細書では、これらを「自由形態」光学構成要素と呼ぶ。
【００２４】
次に図６を参照すると、本発明の一実施形態による仮想表示光学系が図示されている。前述のように、この光学系は光学モジュール１００で使用される光学系であることが好ましい。典型的には赤色、緑色、および青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の集合である光源１０００からの光によって、超小型表示装置１１００が照明される。本実施形態では、超小型表示装置は、透過型の超小型表示装置である。本発明により使用可能な透過型超小型表示装置は、たとえば米国マサチューセッツ州ターントンのＫｏｐｉｎ社から販売されている。透過型超小型表示装置は、光源が超小型標示装置の内部にある発光型超小型表示装置に置き換えることができることを理解されたい。本明細書により使用可能な発光型超小型表示装置は、たとえば米国オレゴン州ビーバートンのＰｌａｎｅｒ社から販売されている。また、超小型表示装置は、反射型超小型表示装置とすることもできる。本発明により使用可能な反射型超小型表示装置は、たとえば米国コロラド州ボールダーのＣｏｌｏｒａｄｏ  Ｍｉｃｒｏｄｉｓｐｌａｙ社から販売されている。
【００２５】
いずれの場合も、周知のように、超小型表示装置は、表示装置に加えられた電気信号に応答して画像を生成する。電気信号は、たとえば、コンピュータ・ベース装置２０（図３および図４）から超小型表示装置に供給することができる。この画像を、視野レンズ１２００、発散レンズ１３００、ビーム・スプリット・プリズム１４００、四分の一波長板１６００、反射レンズ１５００を使用して見る。周知のように、１つまたは複数の凸面形の外面を持つ収斂レンズに対して、発散レンズは凹面形の１つまたは複数の外面を持つ。表示装置からの光は直線偏光され、レンズ１２００および１３００を通過してプリズム１４００に入射する。光は、光がおおむねプリズム１４００の偏光面１４１０を透過するように偏光される。次に、光は四分の一波長板１６００を通過し、円偏光される。反射レンズ１５００は、その曲面が（たとえば金属または誘電体反射材料で）反射コーティングされ、光を四分の一波長板１６００に向けて反射する。光はもう一度四分の一波長板１６００を通過すると、再び直線偏光されるが、その偏光方向は今度は９０度回転されている。光はプリズム１４００に再入射し、今度は偏光面１４１０によっておおむね反射される。光はプリズム１４００から出て、光学系の射出瞳１７００に進入する。光学系の射出瞳１７００は、超小型表示装置１１００の仮想画像を見るために、ユーザの目が通常位置する位置である。
【００２６】
この設計の特徴は、光学系を通して外界を見る際に目に歪んだ光景が見えないことである。これは、プリズム１４００の入射面１４２０と射出面１４３０がこの目的のためにほぼ同じ形状になるように設計されている、本発明の設計上の特徴によって実現される。
【００２７】
また、この光学系の特徴は、超小型表示装置１１００からの光が射出瞳１７００において仮想画像を形成することと、画像が高品質で実質的に収差がないことである。すなわち、仮想画像は、本質的に非点収差がなく、本質的に横歪みがなく、本質的に横色収差（ｌａｔｅｒａｌ  ｃｏｌｏｒ  ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）がない。
【００２８】
この高性能は、視野レンズ１２００と発散レンズ１３００とプリズム１４００と四分の一波長板１６００と反射レンズ１５００とを図のような配置で組み合わせたことと、これらの要素の材料の適切な選択とによって実現される。具体的には、発散レンズ１３００の材料は、視野レンズ１２００と反射レンズ１５００と共に横色収差を本質的になくすように選定する。これらのレンズに付随する好ましい設計パラメータと、光学モジュールのその他の要素は、図１０に関連して後述する。
【００２９】
図７ないし図９に、図６に示す光学構成要素の光学系性能の３つの各グラフを示す。図７は、非点収差と視野位置との関係を示すグラフである。イメージ・フィールドは０．０１６ミリメートル（ｍｍ）以内で平坦であることと、サジタル（ｓａｇｉｔａｌ）方向とタンジェンシャル（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ）方向との間の収差が０．００５ｍｍ未満であることがわかる。これは、画像が本質的に完全に平坦であり、本質的に収差がないことを意味する。図８は、ひずみと視野位置との関係を示すグラフである。このグラフから、この光学系は視野の両端間の歪みが０．２パーセント未満であることがわかる。当業者にとって、これは画像が本質的にひずみがないことを意味する。図９は、横色と視野位置との関係を示すグラフである。最大視野位置において、赤色と緑色と青色との間の位置の差が０．００３ｍｍ未満であることがわかる。好ましい実施形態の超小型表示装置のピクセル・ピッチは約０．０１２ｍｍである。したがって、この光学系は本質的に横色ひずみがない。
【００３０】
図１０に、本発明の好ましい実施形態による光学系の設計パラメータの表を示す。この表には、光学系における各光学要素の面番号（Ａ列）、面半径または曲率（Ｂ列）、面の中央厚さ（Ｃ列）、面のアパーチャ半径（Ｄ列）、および材料（Ｅ列）が示されている。この表で、ＳＲＦは「面」を指し、ＯＢＪは「物体位置」、ＢＫ７およびＳＦ１は業界標準ガラスのタイプである。また、要素間の間隔も示されている。表に（Ａ列の面番号で）示す各面は、図６に示す光学系の構成要素（たとえばビーム・スプリット・プリズム、視野レンズなど）の面であることを理解されたい。図６の各構成要素と各面との対応は、図１０の左側に、ブラケットと図６の構成要素の対応する参照番号とで示されている。この設計データによって、当業者なら光学系の前記性能を実現し、検証することができるであろう。
【００３１】
図１１を参照すると、本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮想表示装置の内蔵焦点機構と、内蔵マイクロフォンの配置が図示されている。前述のように、これらの構成要素は、図３および図４に示す光学モジュール１００に内蔵されている。図１１は、光学モジュール１００の外部ケーシング（筐体）を取り外して焦点機構とマイクロフォンを図示していることを理解されたい。内蔵焦点機構については、コンパクトなキャリッジ機構によって、約１８インチ（４６ｃｍ）から無限大までの距離に仮想画像を結ぶように、図６に示す視野レンズ１２００、超小型表示装置１１００、およびＬＥＤバックライト１０００を移動させる。視野レンズ１２００、超小型表示装置１１００、およびバックライト１０００は、可動キャリッジ２２００に取り付けられている。キャリッジ２２００は、ねじ２５００とノブ２６００を使用して光軸に沿って移動される。他の従来の移動アクチュエータ機構も使用することができる。キャリッジ２２００をビーム・スプリット・プリズム１４００を基準にして±１ｍｍ移動させれば、所期の範囲にわたって画像焦点を調整するのに十分である。（モジュール筐体のエンドキャップの下にあり、したがって図１１では見えない）発散レンズ１３００、ビーム・スプリット・プリズム１４００、四分の一波長板１６００、および反射レンズ１５００は、光学モジュールの筐体内部に固定されたままであることを理解されたい。
【００３２】
また、図１１にはコンパクト・マイクロフォン２７００の配置も図示されている。マイクロフォンは、指向性タイプとすることができる。マイクロフォンは、ユーザの顔面に向けられ、ユーザの声をピックアップするように周囲環境から離れている。マイクロフォンの配線と光学系の配線は、可撓性ブーム２００を通して行われることを理解されたい。前述のように、光学モジュール内の構成要素と、イヤフォン４００は、ケーブル３０を介してコンピュータ・ベース装置２０に結合することができる（図３および図４）。
【００３３】
図１２および図１３に、本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮想画像表示装置上の、それぞれ開位置と閉位置にあるスライド式遮光機構を示す。具体的には、図１２および図１３には、光学モジュールの筐体に組み込まれた遮光機構を有する光学モジュール１００の詳細図が示されている。図１２には、開位置（光を通す位置）にある遮光機構３２００が示されている。したがって、光学モジュール１００を通して画像を見るユーザは、光学モジュール１００の背後から発する光を見ることができる。図のように、図１２では遮光機構３２００が開位置にある状態で、ビーム・スプリット・プリズム１４００が見える。図１３では、遮光機構３２００が閉位置にあり、したがって背景光が完全にまたはほぼ遮られる。遮光機構３２００は、背景光を低減またはなくすことが望ましい場合、ユーザが矢印Ａで示す方向にスライドさせることができる。この外部光調節遮光機構は、仮想表示システムに応じて実施される用途の要求に合わせて、不透明、部分不透明、着色、または偏光とすることができることを理解されたい。
【００３４】
図１４に、本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮想表示装置上のヘッドバンドおよびポッド／ブーム調整機構を示す。具体的には、図１４には、ポッド／ブーム調整機構の詳細が図示されている。図のように、調整ポッド３００は、中に溝４１１０がある支持体部４１００を含む。溝４１１０内には、方向矢印４４００で示すように溝の長さ全長にわたって前後にスライドすることができるスライダ機構４２００がはめ合わされている。小さい円形のくぼみ３０２（図４に見える）が、スライダ機構の内側にある１つまたは複数の対応する凸部（図示せず）と対合して、スライダ機構、したがって光学モジュール１００を、所望の位置に保持することができる。
【００３５】
さらに、ポッド・アセンブリは、スライダ機構４２００と旋回可能にはめ合うボール・ジョイント４３００を含む。旋回ボール・ジョイント４３００は、ポッド・アセンブリ、したがって光学モジュール１００が、方向矢印４５００および４６００で示すように回転することができるようにする。可撓性ブーム２００も、光学モジュールが矢印４４００、４５００、および４６００で示すいずれの方向にも動けるようにする。スライダ機構、ボール・ジョイント機構、および可撓性ブームを組み込むことにより、ユーザは光モジュール１００を、自分の目を基準にして所望の特定の距離や位置になるように最適な仕方で調整することができる。
【００３６】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
【００３７】
（１）小型表示装置に従って発生された画像信号をユーザが見るように方向付けるコンパクトな光学系であって、
前記小型表示装置の近傍に配置されたビーム・スプリット・プリズムと、
前記ビーム・スプリット・プリズムと前記小型表示装置との間に配置された視野レンズと、
前記視野レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された発散レンズと、
前記ビーム・スプリット・プリズムの近傍の、前記ビーム・スプリット・プリズムの前記小型表示装置と反対側に配置された反射レンズと、
前記反射レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された四分の一波長板とを含み、
前記小型表示装置に従って直線偏光された前記画像信号が、（ａ）前記視野レンズと前記発散レンズとを通過し、（ｂ）前記ビーム・スプリット・プリズムに入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面を通過し、（ｃ）前記四分の一波長板を通過して円偏光され、（ｄ）前記反射レンズの面で前記四分の一波長板に向かって反射して前記四分の一波長板を再び通過して、前記画像信号に関連づけられた元の直線偏光方向を基準にして９０度回転した偏光方向で直線偏光され、（ｅ）前記ビーム・スプリット・プリズムに再入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面で反射して前記ユーザが見るように前記ビーム・スプリット・プリズムから射出するように、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記視野レンズと前記発散レンズと前記反射レンズと前記四分の一波長板とが配置された、光学系。
（２）前記ユーザが見るように方向付けられる前記画像信号に横色収差（ｌａｔｅｒａｌ  ｃｏｌｏｒ  ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）がない、上記（１）に記載の光学系。
（３）前記反射レンズの面が反射コーティングを含む、上記（１）に記載の光学系。
（４）前記反射コーティングが反射金属コーティングと反射誘電体コーティングとのうちのいずれか１つである、上記（３）に記載の光学系。
（５）前記小型表示装置が、発光型小型表示装置と透過型小型表示装置と反射型小型表示装置とのうちのいずれか１つである、上記（１）に記載の光学系。
（６）前記システムが仮想画像表示ユニットに組み込まれた、上記（１）に記載の光学系。
（７）前記仮想画像表示ユニットがヘッドマウント式である、上記（６）に記載の光学系。
（８）小型表示装置と、
前記小型表示装置に従って発生された画像信号をユーザが見るように方向付ける光学系と、
前記光学系を前記ユーザの目の視野内に保持する光学系マウンティング構造とを含み、
前記光学系が、前記小型表示装置の近傍に配置されたビーム・スプリット・プリズムと、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記小型表示装置との間に配置された視野レンズと、前記視野レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された発散レンズと、前記ビーム・スプリット・プリズムの近傍の、前記ビーム・スプリット・プリズムの前記小型表示装置と反対側に配置された反射レンズと、前記反射レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された四分の一波長板とを含み、
前記小型表示装置に従って直線偏光された前記画像信号が、（ａ）前記視野レンズと前記発散レンズとを通過し、（ｂ）前記ビーム・スプリット・プリズムに入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面を通過し、（ｃ）前記四分の一波長板を通過して円偏光され、（ｄ）前記反射レンズの面で前記四分の一波長板に向かって反射して前記四分の一波長板を再び通過して、前記画像信号に関連づけられた元の直線偏光方向を基準にして９０度回転した偏光方向で直線偏光され、（ｅ）前記ビーム・スプリット・プリズムに再入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面で反射して前記ユーザが見るように前記ビーム・スプリット・プリズムから射出するように、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記視野レンズと前記発散レンズと前記反射レンズと前記四分の一波長板とが配置された、ヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
（９）前記マウンティング構造が、前記光学系を前記ユーザの目の視野内と視野外とに選択的に移動させることができるように構成された、上記（８）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
（１０）前記ユーザに向けられる前記画像信号の焦点の調整を可能にする焦点機構をさらに含む、上記（８）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
（１１）前記焦点機構が可動キャリッジを含み、前記可動キャリッジは、前記小型表示装置と前記視野レンズとが、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記反射レンズと前記四分の一波長板とを基準にして、光軸に沿って移動可能なように前記小型表示装置と前記視野レンズとを支持する、上記（１０）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
（１２）前記焦点機構が、前記可動キャリッジに結合され前記可動キャリッジを前記光軸に沿って移動させる移動アクチュエータをさらに含む、上記（１１）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
（１３）前記移動アクチュエータがねじとノブとの構成を含む、上記（１２）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
（１４）遮光機構をさらに含み、前記遮光機構は、開位置にあるときに背景光が前記光学系に入射し、閉位置にあるときに背景光が前記光学系に入射するのを少なくとも部分的に遮るように前記光学系を基準にして配置された、上記（８）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
（１５）前記光学系を実質的に収容する筐体をさらに含み、前記遮光機構が前記光学系筐体に組み込まれた、上記（１４）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
（１６）前記遮光機構が前記開位置と前記閉位置との間でスライドすることができるように、前記遮光機構がスライド可能に前記光学系筐体に組み込まれた、上記（１５）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
（１７）前記遮光機構が不透明と部分不透明と着色と偏光遮光機構のうちのいずれかである、上記（１４）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
（１８）前記画像信号を見る前記ユーザによって発せられた音声を捕捉するマイクロフォンをさらに含む、上記（８）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
（１９）前記光学系を実質的に収容する筐体をさらに含み、前記マイクロフォンが前記光学系筐体に組み込まれた、上記（１８）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
（２０）前記光学系マウンティング構造が調整ポッド・アセンブリを含み、前記調整ポッド・アセンブリが前記ユーザの目までの特定の距離だけ前記光学系をスライド式に移動させるスライダ機構を含む、上記（８）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
（２１）前記光学系マウンティング構造が、調整ポッド・アセンブリを含み、前記調整ポッド・アセンブリが、前記光学系を前記ユーザの目を基準にして特定の位置に回転可能に移動させる回転可能ボール・ジョイント機構を含む、上記（８）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
（２２）前記光学系マウンティング構造が可撓性ブーム・アセンブリを含み、前記可撓性ブーム・アセンブリが前記光学系を支持し、前記光学系を前記ユーザの目を基準にして特定の位置に柔軟に移動させるように構成された、上記（８）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
（２３）（ａ）小型表示装置と、
前記小型表示装置に従って発生された画像信号をユーザが見るように方向付ける光学系であって、前記小型表示装置の近傍に配置されたビーム・スプリット・プリズムと、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記小型表示装置との間に配置された視野レンズと、前記視野レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された発散レンズと、前記ビーム・スプリット・プリズムの近傍の、前記ビーム・スプリット・プリズムの前記小型表示装置と反対側に配置された反射レンズと、前記反射レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置された四分の一波長板とを含み、前記小型表示装置に従って直線偏光された前記画像信号が、（ａ）前記視野レンズと前記発散レンズとを通過し、（ｂ）前記ビーム・スプリット・プリズムに入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面を通過し、（ｃ）前記四分の一波長板を通過して円偏光され、（ｄ）前記反射レンズの面で前記四分の一波長板に向かって反射して前記四分の一波長板を再び通過して、前記画像信号に関連づけられた元の直線偏光方向を基準にして９０度回転した偏光方向で直線偏光され、（ｅ）前記ビーム・スプリット・プリズムに再入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面で反射して前記ユーザが見るように前記ビーム・スプリット・プリズムから射出するように、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記視野レンズと前記発散レンズと前記反射レンズと前記四分の一波長板とが配置された光学系と、
前記光学系と小型表示装置とを前記ユーザの目の視野内に支持する光学系マウンティング構造とを含む、ヘッドマウント仮想画像表示ユニットと、
（ｂ）前記ヘッドマウント仮想画像表示ユニットに結合され、前記ユーザが見る前記画像信号を発生する際に使用するために電気信号を発生し、前記小型表示装置に供給するコンピュータ・ベースの装置とを含む、携帯用コンピュータ・システム。
（２４）小型表示装置と、
前記小型表示装置に従って発生された画像信号をユーザが見るように方向付ける光学系と、
前記光学系を前記ユーザの目の視野内に支持する光学系マウンティング構造と、
少なくとも前記光学系を実質的に収容する筐体と、
前記筐体と一体となり、開位置にあるときに背景光が前記光学系に入射し、閉位置にあるときに背景光が前記光学系に入射するのを少なくとも部分的に遮られるように前記光学系を基準にして配置された遮光機構とを含む、ヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
（２５）前記遮光機構が前記開位置と前記閉位置との間でスライドすることができるように、前記遮光機構がスライド可能に前記光学系筐体に組み込まれた、上記（２４）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
（２６）前記遮光機構が不透明と部分不透明と着色と偏光遮光機構のうちのいずれかである、上記（２４）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
（２７）小型表示装置と、
前記小型表示装置に従って発生された画像信号をユーザが見るように方向付ける光学系と、
前記光学系を前記ユーザの目の視野内に支持する光学系マウンティング構造であって、前記光学系を支持し、前記光学系を前記ユーザ目を基準にして特定の位置に柔軟に移動させるように構成された可撓性ブーム・アセンブリを含む光学系マウンティング構造とを含む、ヘッドマウント仮想画像表示ユニット。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の眼鏡型ヘッドマウント仮想表示装置を示す図である。
【図２】従来の単眼型ヘッドマウント仮想表示装置を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による、ヘッドマウント仮想表示ユニットおよびコンピュータ・ベース装置を示す第１の図である。
【図４】本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮想表示ユニットおよびコンピュータ・ベース装置を示す第２の図である。
【図５】ユーザが装着することができる本発明によるヘッドマウント仮想表示ユニットを示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による仮想表示光学系を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による光学系の性能を非点収差について示すグラフである。
【図８】本発明の一実施形態による光学系の性能を歪みについて示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態による光学系の性能を横色について示すグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態による光学系の成形パラメータを示す表である。
【図１１】本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮想表示装置における内蔵焦点機構とマイクロフォンの配置を示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮想表示装置上の、開位置にあるスライド式遮光機構を示す図である。
【図１３】本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮想表示装置上の、閉位置にあるスライド式遮光機構を示す図である。
【図１４】本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮想表示装置上のヘッドバンドおよびポッド／ブーム調整機構を示す図である。
【符号の説明】
１０  ヘッドマウント仮想表示ユニット
２０  コンピュータ・ベース装置
１００  光学モジュール
２００  可撓性ブーム
３００  調整ポッド
４００  イヤフォン
５００  ヘッドバンド
１０００  光源
１１００  超小型表示装置
１２００  視野レンズ
１３００  発散レンズ
１４００  ビーム・スプリット・プリズム
１５００  反射レンズ１５００
１６００  四分の一波長板
１７００  射出瞳
３２００  遮光機構
４１００  ポッド支持体
４１１０  溝
４３００  ボール・ジョイント
【図１】
0003587454.tif 000002
【図２】
0003587454.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003587454.tif 000009
【図９】
0003587454.tif 000010
【図１０】
0003587454.tif 000011
【図１１】
0003587454.tif 000012
【図１２】
0003587454.tif 000013
【図１３】
0003587454.tif 000014
【図１４】
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