(57)【要約】【課題】非球面レンズを使用し、ユーザーからの虚像の距離を制御し、かつ虚像の歪を排除するディスプレーシステムを提供する。【解決手段】非球面レンズ２０，２２及びディスプレー２４，２６は支持部１４に配置され、レンズはディスプレーの面に実質的に平行であり、レンズの中心軸は、ディスプレーの面に垂直に延長する。ユーザーから無限遠より小さいある所定の距離で虚像が現れるシステムのために、非球面レンズ及びディスプレーは、真っ直ぐ前を見る際に、ユーザーの眼の軸に関して収束するある所定の角度で支持部に配置される。レンズ及びディスプレーは、ユーザーの眼に関して収束するある所定の角度に位置し、ユーザーの眼は、無限遠より小さいある所定の距離で対象物を見るユーザーにとって自然なある所定の角度で内側に向けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザーの頭にディスプレーシステムを配置する支持部を具備し、
該支持部に配置された右眼用非球面レンズを具備し、該右眼用非球面レンズは、ユーザーの右眼の前にかつ該ユーザーの右眼に関して収束するある所定の角度に配置され、前記眼は内側に向けられ、
前記右眼用レンズからある所定の距離で前記支持部に配置された、ビデオ情報を描くための右眼用ディスプレーを具備し、該ディスプレーの面は概略前記右眼用レンズに平行であり、ユーザーは、前記右眼用レンズを通じて前記右眼用ディスプレーからビデオ像を見て、前記ユーザーの右眼は前記収束する角度で内側に向けられ、
前記支持部に配置された左眼用非球面レンズを具備し、該左眼用非球面レンズは、ユーザーの左眼の前にかつ前記ユーザーの左眼に関して収束するある所定の角度で配置され、前記眼は内側に向けられ、更に
前記左眼用レンズからある所定の距離で前記支持部に配置された、ビデオ情報を描くための左眼用ディスプレーを具備し、該ディスプレーの面は概略前記左眼用レンズに平行であり、ユーザーは、前記左眼用レンズを通じて前記左眼用ディスプレーからビデオ像を見て、前記ユーザーの左眼は前記収束する角度で内側に向けられる、両眼用の頭に取付けられるディスプレーシステムにおいて；
ヘリカル溝を備えたレンズホルダーは、該右眼用非球面レンズ及び該左眼用非球面レンズが独立的に移動することを可能にしていることを特徴とする、両眼用の頭に取り付けられるディスプレーシステム。
【請求項２】
前記右眼用レンズ及びディスプレーの間の距離と前記左眼用レンズ及びディスプレーの間の距離とは、各ディスプレーの面がそれぞれのレンズに概略平行に維持される際に独立して変更可能である、請求項１に記載の両眼用の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項３】
前記ディスプレーのそれぞれは、前記支持部に固定して配置され、更に前記レンズのそれぞれは、前記レンズとそれぞれのディスプレーとの間の距離を変更するために、前記支持部に移動可能に配置される、請求項２に記載の両眼用の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項４】
前記支持部は前記ユーザーの顔に関して移動可能であり、ユーザーは、前記ユーザーの眼とそれぞれのレンズとの間の距離を変更可能である、請求項１に記載の両眼用の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項５】
前記ディスプレーは立体画面のディスプレーである、請求項１に記載の両眼用の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項６】
ユーザーの頭にディスプレーシステムを配置する支持部を具備し、
該支持部に配置された右眼用レンズを具備し、該右眼用レンズは、ユーザーの右眼の前にかつ該ユーザーの右眼に関して収束するある所定の角度で配置され、該眼は内側に向けられ、
前記右眼用レンズからある所定の距離で前記支持部に配置された、ビデオ情報を描くための右眼用ディスプレーを具備し、該ディスプレーの面は前記右眼用レンズに概略平行であり、ユーザーは、前記右眼用レンズを通じて前記右眼用ディスプレーから前記ビデオの像を見て、前記ユーザーの右眼は、前記収束する角度によって内側に向けられ、
前記支持部に配置された左眼用レンズを具備し、該左眼用レンズは、ユーザーの左眼の前にかつ該ユーザーの左眼に関して収束するある所定の角度で配置され、該眼は内側に向けられ、
前記左眼用レンズからある所定の距離で前記支持部に配置された、ビデオ情報を描くための左眼用ディスプレーを具備し、該ディスプレーの面は前記左眼用レンズに概略平行であり、ユーザーは、前記左眼用レンズを通じて前記左眼用ディスプレーから前記ビデオの像を見て、前記ユーザーの左眼は、前記収束する角度によって内側に向けられる、両眼用の頭に取付けられるディスプレーシステムにおいて；
ヘリカル溝を備えたレンズホルダーは、該右眼用レンズ及び該左眼用レンズが独立的に移動することを可能にしていることを特徴とする、両眼用の頭に取り付けられるディスプレーシステム。
【請求項７】
前記右眼用レンズ及びディスプレーの間の距離と、前記左眼用レンズ及びディスプレーの間の距離とは、各ディスプレーの面がそれぞれのレンズに概略平行に維持される際に、独立して変更可能である、請求項６に記載の両眼用の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項８】
前記ディスプレーのそれぞれは、前記支持部に固定して配置され、更に前記レンズのそれぞれは、前記レンズとそれぞれのディスプレーとの間の距離を変更するために前記支持部に移動可能に配置される、請求項７に記載の両眼用の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項９】
前記支持部は前記ユーザーの顔に関して移動可能であり、ユーザーは、前記ユーザーの眼とそれぞれのレンズとの間の距離を変更可能である、請求項６に記載の両眼用の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項１０】
前記レンズは両凸である、請求項６に記載の両眼用の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項１１】
前記レンズはアクロマートである、請求項６に記載の両眼用の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項１２】
ユーザーの頭にディスプレーシステムを配置するための支持部を具備し、
平坦な像の面にビデオ情報を提供するために、前記支持部に配置された像の源部を具備し、更に
該像の源部に関して前記支持部に配置された非球面レンズを具備し、ユーザーは、該ユーザーから所定の距離に投射された前記ビデオの拡大された像を前記非球面レンズを通じて見ることが可能であり、前記非球面レンズは、複数の同心領域を備えた形状の表面を有し、該領域は、虚像が現れる、前記ユーザーからの距離を実質的に制御する内側領域と、前記虚像を横断して歪みを最小にするために、該内側領域の外側に配置された領域とを有し、平坦なビデオ像は前記ユーザーの網膜の複合湾曲部に描かれる、頭に取付けられるディスプレーシステムにおいて；
ヘリカル溝を備えたレンズホルダーは、該非球面レンズが独立的に移動することを可能にしていることを特徴とする、両眼用の頭に取り付けられるディスプレーシステム。
【請求項１３】
前記非球面レンズは、非球面の入口表面と非球面の出口表面とを有する二重の非球面である、請求項１２に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項１４】
前記非球面レンズは、異なる屈折指数を有する少なくとも二つの材料で形成され、色収差を補正するためのアクロマートが形成される、請求項１２に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項１５】
前記像の源部は、前記ビデオが描かれる面を有するディスプレーであり、前記非球面レンズ及びディスプレーは、互いに概略平行で、かつユーザーの眼に関して収束するある所定の角度で、前記支持部に配置され、前記ユーザーの眼は、前記虚像を見るために内側に向けられる、請求項１２に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項１６】
ユーザーの頭にディスプレーシステムを配置するための支持部を具備し、
ビデオ情報を提供するために、該支持部に配置された右眼用の像の源部を具備し、
該右眼用の像の源部に関して前記支持部に配置された右眼用の非球面レンズを具備し、ユーザーは、該ユーザーからある所定の距離に投射される前記右眼用の源部からの前記ビデオの拡大された像を、前記右眼用の非球面レンズを通じて見ることが可能であり、前記右眼用の非球面レンズは、複数の同心の領域を備えた形状の表面を有し、該領域は、前記虚像が現れる、ユーザーからの距離を実質的に制御するための内側領域と、前記虚像を横断する歪みを最小にするために前記内側領域の外側に配置された領域とを有し、
ビデオ情報を提供するために、前記支持部に配置された左眼用の像の源部を具備し、更に
該左眼用の像の源部に関して前記支持部に配置された左眼用の非球面レンズを具備し、ユーザーは、該ユーザーからある所定の距離に投射される前記左眼用の源部からの前記ビデオの拡大された像を、前記左眼用の非球面レンズを通じて見ることが可能であり、前記左眼用の非球面レンズは、複数の同心の領域を備えた形状の表面を有し、該領域は、前記虚像が現れる、ユーザーからの距離を実質的に制御するための内側領域と、前記虚像を横断する歪みを最小にするために前記内側領域の外側に配置された領域とを有する、頭に取付けられるディスプレーシステムにおいて；
ヘリカル溝を備えたレンズホルダーは、該右眼用の非球面レンズ及び該左眼用の非球面レンズが独立的に移動することを可能にしていることを特徴とする、両眼用の頭に取り付けられるディスプレーシステム。
【請求項１７】
前記非球面レンズのそれぞれは、非球面の入口表面と非球面の出口表面とを有する二重の非球面である、請求項１６に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項１８】
前記非球面レンズのそれぞれは、色収差を補正するためにアクロマートとして形成される、請求項１６に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項１９】
前記像の源部のそれぞれは、前記ビデオが描かれる面を有するディスプレーであり、各非球面レンズ及びディスプレーの対は前記支持部に配置され、前記対のレンズは、前記対のディスプレーに概略平行でありかつユーザーの眼に関して収束する角度であり、前記ユーザーの眼は、虚像を見るために内側に向けられる、請求項１６に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項２０】
ユーザーの頭にディスプレーシステムを配置するための支持部を具備し、
ビデオ情報を提供するために、前記支持部に配置された像の源部を具備し、更に
該像の源部に関して前記支持部に配置された非球面レンズを具備し、ユーザーは、該ユーザーからある所定の距離に投射される前記ビデオの拡大された像を、前記非球面レンズを通じて見ることが可能であり、前記非球面レンズは、複数の同心の領域を備えた形状の表面を有し、該領域は、前記虚像が現れる、前記ユーザーからの距離を実質的に制御するための内側領域と、前記虚像を横断する倍率の変化を最小にする中央領域と、前記虚像の端部の歪みを最小にする外側領域とを有する、頭に取付けられるディスプレーシステムにおいて；
ヘリカル溝を備えたレンズホルダーは、該非球面レンズが独立的に移動することを可能にしていることを特徴とする、両眼用の頭に取り付けられるディスプレーシステム。
【請求項２１】
前記非球面レンズは、非球面の入口表面と非球面の出口表面とを有する二重の非球面である、請求項２０に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項２２】
前記非球面レンズは、色収差を補正するためのアクロマートである、請求項２０に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項２３】
前記像の源部は、前記ビデオが描かれる面を有するディスプレーであり、前記非球面レンズ及びディスプレーは、互いに概略平行に、かつユーザーの眼に関して収束するある所定の角度で、前記支持部に配置され、前記ユーザーの眼は、前記像を見るために内側に向けられる、請求項２０に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項２４】
前記内側領域は概略球面である、請求項２０に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項２５】
前記中央領域は前記内側領域よりも平坦である、請求項２４に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項２６】
前記外側領域は前記中央領域よりも湾曲されている、請求項２５に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項２７】
前記レンズは二重の非球面であり、前記ディスプレーに隣接する前記レンズの入口表面の屈折力は、前記ユーザーの眼に隣接する前記レンズの出口表面の屈折力よりも大きい、請求項２０に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項２８】
前記レンズ及び像の源部のための前記支持部は、概略５０．８ｍｍ（２ｉｎ）より小さい、前の表面から後ろの表面までの厚さを有する、請求項２０に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項２９】
ユーザーの頭にディスプレーシステムを配置するための支持部を具備し、
ビデオ情報を提供するために、前記支持部に配置された像の源部を具備し、
前記像の源部に関して前記支持部に配置された非球面レンズを具備し、前記ビデオ情報は、該非球面レンズを通じてユーザーの眼に向けられ、ユーザーは、前記ビデオ情報の拡大された像を見ることが可能であり、前記非球面レンズは、複数の同心の領域を備えた形状の表面を有し、該領域は、前記像が現れる、前記ユーザーからの距離を実質的に制御する内側領域と、虚像を横断する倍率の変化を最小にする中央領域と、前記虚像の端部の歪みを最小にする外側領域とを有する、頭に取付けられるディスプレーシステムにおいて；
ヘリカル溝を備えたレンズホルダーは、該非球面レンズが独立的に移動することを可能にしていることを特徴とする、両眼用の頭に取り付けられるディスプレーシステム。
【請求項３０】
前記非球面レンズに関して前記支持部に配置された反射器を有し、前記ユーザーは、該反射器を通じて前記像を見ることが可能な、請求項２９に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項３１】
前記反射器は部分的に反射する、請求項３０に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項３２】
前記反射器は完全に反射する、請求項３０に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項３３】
前記非球面レンズは、前記像の源部とユーザーの眼との間に配置され、前記ユーザーは、前記非球面レンズを通じて前記拡大された像を見ることが可能な、請求項２９に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項３４】
前記頭に取付けられるディスプレーシステムは、両眼用のシステムであり、更に前記像の源部に関して前記支持部に配置された第二の非球面レンズを有し、前記ビデオ情報は、該第二の非球面レンズを通じて前記ユーザーの他方の眼に向けられる、請求項２９に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項３５】
前記像の源部は第一及び第二のディスプレーを有する、請求項３４に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項３６】
前記非球面レンズと前記像の源部との間の距離は変更可能である、請求項２９に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項３７】
前記非球面レンズとユーザーの眼との間の距離は、前記支持部が前記ユーザーの頭に配置される際に変更可能である、請求項２９に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項３８】
前記非球面レンズ及び像の源部は前記支持部に配置されて、共に回転可能にされ、前記ユーザーの眼に関する前記非球面レンズ及び前記像の源部の位置は、前記像の源部に関する前記非球面レンズの位置を変更することなく、変更される、請求項２９に記載の頭に取付けられるディスプレーシステム。
【請求項３９】
ユーザーの頭にディスプレーシステムを配置するための支持部を具備し、
ビデオ情報を提供するために、前記支持部に配置された像の源部を具備し、
該像の源部に関して前記支持部に配置された非球面レンズを具備し、前記ビデオ情報は、前記非球面レンズを通じてユーザーの眼に向けられ、前記ユーザーは、前記ビデオ情報の拡大された像を見ることが可能であり、前記非球面レンズと前記像の源部との間の距離は変更可能であり、前記非球面レンズと像の源部は、直線路に沿って共に移動可能であり、かつ回転軸のまわりに共に回転可能であり、前記ユーザーの眼に関する前記非球面レンズ及び前記像の源部の位置は、前記像の源部に関する前記非球面レンズの位置を変更することなく、変更される、頭に取付けられるディスプレーシステムにおいて；
ヘリカル溝を備えたレンズホルダーは、該非球面レンズが独立的に移動することを可能にしていることを特徴とする、両眼用の頭に取り付けられるディスプレーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、頭に取付けられるディスプレーシステムに関し、より詳細には、システムによって投射された虚像を横断する歪みを最小にするために、非球面レンズを備えた簡略化された光学システムを使用する、頭に取付けられるディスプレーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
頭に取付けられるディスプレーシステムは、表示された情報の拡大された虚像を投射するために、ユーザーの眼とディスプレーの面との間に配置されたレンズを有するものが、周知である。しかしながら、これらのシステムは、一般的に、例えば球面レンズである簡単な湾曲部を備えたレンズを使用する。球面レンズを使用する虚像は、複数の歪みを有し、像を横断する湾曲部の倍率及び視野が変化し、かつ例えば樽形歪みである端部の歪みを有する。そのような歪みを補正するために、補正レンズ及びそのようなものが、一般的に光学システムに付加される。しかしながら、これらの付加的な光学素子は、光学システムの重量及び全体のサイズを大きくしてしまう。頭に取付けられるディスプレーユニットのために、光学システムの重量及びサイズを最小にすることが重要であり、さもなければ、ユニットは、あまりに重くかつ扱いにくいために、ユーザーの頭に快適に支持されない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明に従って、従来の頭に取付けられるディスプレーシステムの課題は克服される。本発明の頭に取付けられるディスプレーシステムは非球面レンズを使用し、そのレンズは、虚像が現れる、ユーザーからの距離を制御し、かつ虚像を横断する歪みを実質的に排除する。
【０００４】
より詳細には、本発明の頭に取付けられるディスプレーシステムは、ユーザーの頭にディスプレーシステムを配置するための支持部を有する。像の源部は、ビデオ情報を提供するために、支持部に配置される。非球面レンズは、像の源部に関して支持部に配置され、ユーザーは、非球面レンズを通じてビデオの拡大された像を見ることが可能であり、像は、ユーザーからある所定の距離で投射される。非球面レンズは、複数の同心の領域を備えた形状の表面を有し、その領域は、虚像が現れる、ユーザーからの距離を実質的に制御する内側領域と、虚像を横断する歪みを最小にする、内側領域の外側に配置された一つ又は複数の領域とを有する。一つの実施形態では、中央領域は、虚像を横断する湾曲部の倍率及び視野の変化を最小にし、更に外側領域は、虚像の端部のまわりの歪みを最小にする。
非球面レンズは、上述されたように単一の非球面の表面を有することが可能である。あるいは、非球面レンズは、非球面の入口表面と非球面の出口表面とを有する、二重の非球面であることが可能である。更に、非球面レンズは、異なる屈折指数を有する少なくとも二つの材料で形成可能であり、色収差を補正するためのアクロマートが形成される。
【０００５】
本発明に関する非球面レンズは、単眼用の頭に取付けられるディスプレーシステムに使用可能である。あるいは、一つがユーザーの右眼に関連しかつ一つがユーザーの左眼に関連する、二つの非球面レンズは、単一のディスプレー、又は一対のディスプレー、又は像の源部と共に使用可能であり、両眼用の頭に取付けられるディスプレーシステムが提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
非球面レンズ及びディスプレーは支持部に配置され、レンズはディスプレーの面に実質的に平行であり、レンズの中心軸は、ディスプレーの面に垂直に延長する。ユーザーから無限遠より小さいある所定の距離で虚像が現れるシステムのために、非球面レンズ及びディスプレーは、真っ直ぐ前を見る際に、ユーザーの眼の軸に関して収束するある所定の角度で支持部に配置される。レンズ及びディスプレーは、ユーザーの眼に関して収束するある所定の角度に位置し、ユーザーの眼は、無限遠より小さいある所定の距離で対象物を見るユーザーにとって自然なある所定の角度で内側に向けられる。
【０００７】
更に非球面レンズ及びディスプレーは、互いに関して支持部に配置され、レンズ及びディスプレーの間の距離は変更可能である。両眼用の頭に取付けられるディスプレーシステムのために、右目用レンズ及びディスプレーの間の距離と、左目用レンズ及びディスプレーの間の距離とは、独立して変更可能である。レンズとディスプレーの間の距離が、ユーザーの右及び左眼のために独立して変更可能であるために、各レンズの距離は、特定のユーザーによって設定可能であり、近視又は遠視のユーザーの屈折誤差が適合される。それゆえ、本発明の頭に取付けられるディスプレーシステムは、通常矯正用眼鏡を装着しているユーザーによって、その眼鏡なしで、装着されることが可能である。
【０００８】
更に、様々なユーザーの瞳孔間の距離の変化を補うために、光学要素及びディスプレーが配置される支持部は、ユーザーの顔に関して移動可能であり、ユーザーは、ユーザーの眼とそれぞれのレンズの間の距離を共に変更可能である。
【０００９】
本発明のこれらの及び他の目的、効果及び新しい特徴、及び説明の実施形態の詳細部分は、以下の説明及び図面からより完全に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１〜４に示されるような頭に取付けられるディスプレーユニット１０は、光学システムのための支持部１４を備えたフレーム１２を有する。支持部１４は、前カバー１５を有し、かつ一対のつる１６及び１８に調節可能に固定される。頭に取付けられるディスプレーユニット１０は、右眼の非球面レンズ２０及び左眼の非球面レンズ２２を有し、ユーザーは、それぞれのディスプレー２４及び２６に写し出されたビデオ情報の拡大された虚像を見るためにそのレンズ２４及び２６をのぞき込み、虚像はユーザーからある所定の距離の位置に現れ、その距離は、ユーザーからのディスプレーの実際の距離よりも大きい。ディスプレー２４及び２６は液晶ディスプレー又はそのようなものであることが可能であり、それらは支持部１４に配置され、その結果、各ディスプレー２４、２６の面２５、２７は支持部１４のそれぞれの開口２９、３１に関して傾斜され、各ディスプレー２４、２６の面２５、２７はユーザーの方に向けられる。
【００１１】
更にフレーム１２は、ディスプレー２４及び２６のため、及び一対のイヤホン３３及び３５のための駆動電子回路を支持する。周知なように、ディスプレーのための駆動電子回路は、標準的なビデオ入力信号に応答し、ディスプレーを駆動し、ビデオ情報を示す。頭に取付けられるディスプレーユニット１０の重量を減少させるため、及び頭に取付けられるディスプレーユニット１０が、複数の源部のいずれか一つからビデオ入力を受け取り可能な自在ビデオディスプレーを提供可能であるために、ビデオ入力信号発生装置は、好適には分離した離れたユニットである。
【００１２】
ビデオ入力信号発生装置は、テレビのチューナー、ビデオカメラ、コンピュータ、又はビデオ入力信号を発生する他の装置の形状であることが可能である。特には、ディスプレー２４及び２６は、周知なように、立体的な虚像を提供するために駆動されることが可能である。頭に取付けられるディスプレーシステム１０は、ケーブル又はそのようなものにより、ビデオ入力信号発生装置及び／又は音声発生装置に結合可能である。しかしながら、ユニット１０は、物理的にビデオ／音声入力信号発生装置に結合される必要がない。例えば、ビデオ及び音声入力信号は、離れたユニットから頭に取付けられるディスプレーユニット１０まで調節されかつ伝えられたラジオ周波数（ＲＦ）であることが可能であり、ディスプレーユニット１０は、本発明の譲受人に譲渡されかつここに参考として組み込まれている、１９９２年１２月４日に提出された米国特許出願連続番号第07/986,422号に詳細に記載されているような、ＲＦレシーバーを有する。
【００１３】
図６に示されるように、非球面レンズ２０及び２２のそれぞれは、複数の同心の領域Ｉ、II及びIIIを備えた形状の表面を有し、ユーザーの網膜の複合湾曲部に平坦に表示されたビデオ像が描かれ、その結果、虚像は歪みなく現れる。内側領域Ｉは、実質的に球形でありかつユーザーからの距離を主として制御し、その位置、つまりレンズ２０、２２の焦点距離で、虚像は現れる。中央領域IIは、半径が内側領域Ｉよりも平坦であり、かつ虚像を横断する湾曲部の倍率及び視野の変化を最小にする。外側領域IIIは、虚像の端部の歪みを最小にする形状にされ、その結果、端部は直線に見え、かつ各端部は、その隣接する端部に関して直角に見える。各レンズ２０、２２を非球面表面の形状にし、内側、中央及び外側領域が提供されるために、各レンズ２０、２２は、以下の式に従って構想され、
【数１】
2006209138.tif 000003
【００１４】
図７Ａ及び７Ｂに示されるように、ここで、Ｘはサグを示し、Ｙは、Ｘの関数として、非球形の表面を示す。上述された式では、Ｒは、レンズ２０、２２の曲率半径を示し、Ｃは１／Ｒと等しい。Ｒ及びＣは、内側領域Ｉを特徴付ける主な要素である。円錐定数を示す定数ｃｃは、中央領域IIの非球面レンズの表面を制御する主な要素であり、定数Ａ２、Ａ４及びＡ６は、外側領域IIIの湾曲部を制御する主な要素である。
【００１５】
各非球面レンズ２０、２２は、ディスプレーに隣接する非球面の入口表面とユーザーの眼に隣接する非球面の出口表面とを有する二重の非球面として形成可能である。各非球面レンズ２０、２２は、概略１．４９の屈折指数を有する単一の光学的な伝達材料で形成可能であり、他の屈折指数を有する材料もまた同様に使用可能である。注目されることとして、材料の屈折指数が増加すると、非球面の表面の曲率半径は平らになる。あるいは、各非球面レンズ２０、２２は、異なる屈折指数を有する少なくとも二つの材料で形成可能であり、色収差補正するためのアクロマートが形成される。２Ｘの倍率を有する二重の非球面のレンズのために、レンズの入口表面を説明する上述された式の定数は、以下のとおりである。
Ｒ＝２７ｍｍ〜３２ｍｍ、ｃｃ＝−１．０〜＋２．０、
Ａ２＝−０．０１〜＋０．０１、
Ａ４＝＋０．００００５〜−０．００００５、更に
Ａ６はゼロに設定可能である。２Ｘの倍率を有するそのような二重の非球面のレンズの出口表面のための上述された式の定数は、以下のとおりである。
Ｒ＝４８ｍｍ〜５５．５ｍｍ、ｃｃ＝＋１．０〜−３．５、
Ａ２＝−０．０１〜＋０．０１、
Ａ４＝＋０．００００５〜−０．００００５、更に
Ａ６はゼロに設定可能である。そのように形成された各非球面レンズ２０及び２２により、かつ２０ｍｍ（０．７８ｉｎ）の幅を有するディスプレーにより、ユーザーから３．０４８ｍ（１０ｆｔ）の位置で焦点を合わされたレンズの一つを通じての像は、概略３０°の視野を有する概略１．５２４ｍ（５ｆｔ）の幅に見える。
【００１６】
１Ｘの倍率の二重の非球面のレンズのために、レンズの入口表面を示す定数は、以下のとおりである。
Ｒ＝１８．０ｍｍ〜１３．６ｍｍ、ｃｃ＝＋１．０〜−３．０、
Ａ２＝−０．０１〜＋０．０１、
Ａ４＝＋０．００００５〜−０．００００５、更に
Ａ６はゼロに設定可能である。１Ｘの倍率のレンズの出口表面を示す定数は、以下のとおりである。
Ｒ＝２２．０〜３０、ｃｃ＝−１．５〜＋１．５、
Ａ２＝−０．０１〜＋０．０１、
Ａ４＝＋０．００００５〜−０．００００５、更に
Ａ６はゼロに設定可能である。そのように形成された各非球面レンズ２０及び２２により、かつ２０ｍｍ（０．７８ｉｎ）の幅を有するディスプレーにより、ユーザーから３．０４８ｍ（１０ｆｔ）の位置に焦点を合わされたレンズの一つを通じた像は、概略５０°の視野を備えた概略３．０４８ｍ（１０ｆｔ）の幅に見える。
【００１７】
更に、０．８５Ｘの倍率の二重の非球面のレンズのために、レンズの入口表面を示す定数は、以下のとおりである。
Ｒ＝１１．４ｍｍ〜１３ｍｍ、ｃｃ＝−４．０〜＋１．０、
Ａ２＝−０．０００２〜＋０．０００２、
Ａ４＝＋０．００００２〜−０．００００２、更に
Ａ６＝−０．００００００５〜＋０．００００００５。０．８５Ｘの倍率を備えた二重の非球面のレンズの外側表面のための定数は、以下のとおりである。
Ｒ＝１５ｍｍ〜２０ｍｍ、ｃｃ＝−４〜０、
Ａ２＝−０．００１〜＋０．００１、
Ａ４＝＋０．００００２〜−０．００００２、更に
Ａ６＝−０．００００００１〜＋０．００００００１。そのように形成された各非球面レンズ２０及び２２により、かつ２０ｍｍ（０．７８ｉｎ）の幅を有するディスプレーにより、ユーザーから３．０４８ｍ（１０ｆｔ）の位置で焦点を合わされたレンズの一方を通じた像は、７３°の視野を備えた概略４．５７２ｍ（１５ｆｔ）の幅に見える。
【００１８】
上述された各例で注目されることとして、同等のレンズ２０、２２は、一方の表面の屈折力を減少させること、及び向かい合った表面の屈折力を増加させることによって形成可能である。更に、必要ではないが、好適には、レンズ２０、２２の入口表面は、出口表面よりも大きい屈折力を備えて形成される。
【００１９】
システムの各光路に単一の非球面レンズ２０、２２を使用することにより、頭に取付けられるディスプレーユニット１０は、非常に軽量かつ簡潔にされる。例えば、光学システムの厚さを示す、支持部１４のカバー１５から後部６０までの距離は、ほんの５０．８ｍｍ（２ｉｎ）である。光学システムが小さくかつ簡潔であるにもかかわらず、ユーザーによって見られる虚像は、像の全幅を横断して実質的に歪みがない。
【００２０】
各レンズ２０、２２は、それぞれレンズホルダ２８、３０に配置され、レンズホルダ２８、３０は、支持部１４のそれぞれの概略円筒形の開口３２、３４に移動可能に固定される。突起３８及び３９は、開口３２を限定する壁の内側表面に互いに向かい合って配置される。突起３８及び３９は、レンズホルダ２８の外側の円筒形表面のまわりに形成された螺旋状の溝３６と係合し、その結果、レンズホルダ２８が開口３２内で回転されると、溝２８と係合するピン３８及び３９は、ディスプレー２４に近づいて又はそれから離れてレンズ２０を移動し、レンズ２０の中心軸はディスプレー２４の面２５に垂直に維持され、その結果、ディスプレーの面２５は、非球面レンズ２０に概略平行である。開口４３は、レンズホルダ２８に隣接する支持部１４の壁に形成され、その結果、ユーザーは、レンズ２０を回転させるために、レンズホルダ２８を手動で係合可能である。
【００２１】
同様に、突起４０及び４１は、開口３４を限定する壁の内側表面に互いに向かい合って配置される。突起４０及び４１は、レンズホルダ３０の外側の円筒形表面のまわりに形成された螺旋状の溝３７と係合し、その結果、レンズホルダ３０が開口３４内で回転されると、溝３７と係合するピン４０及び４１は、ディスプレー２６に近づいて又はそれから離れてレンズ２２を移動し、レンズ２２の中心軸はディスプレー２６の面２７に垂直に維持され、その結果、ディスプレーの面２７は、非球面レンズ２２に概略平行である。開口４５は、レンズホルダ３０に隣接する支持部１４の壁に形成され、ユーザーは、レンズ２２を回転させるために、レンズホルダ３０を手動で係合可能である。
【００２２】
虚像がユーザーから無限遠よりも小さい距離で投射される、頭に取付けられるディスプレーシステムのために、支持部１４の円筒形の開口３２及び３４はその中に形成され、開口３２、３４の軸はディスプレーの方に収束する。それゆえ、各レンズ２０、２２の軸がレンズ２０、２２の中心からそれぞれのディスプレー２４、２６の中心まで延長する場合、ディスプレー２４及び２６の中心は、図５に示されるように、非球面レンズ２０及び２２の中心よりも近くなる。この収束角度θは小さく、真っ直ぐ前を見る際に、ユーザーの眼は、眼の軸から内側に向けられる。ユーザーの眼は、ユーザーから無限遠より小さい距離の虚像の位置に、自然な角度で、内側に向けられる。例えば、ユーザーから０．６０９６〜３．０４８ｍ（２〜１０ｆｔ）に見える虚像のために、概略２°〜４°の収束角度が必要とされる。
【００２３】
図４に示されるように、方向５０でユーザーの眼に近づく又は方向５２でそれから離れる、一体のユニットとして、光学システムの支持部１４が移動されることにより、本発明の頭に取付けられるディスプレーシステム１０は、様々な瞳孔間の距離を有するユーザーに適合する。支持部１４のこの調節可能な動作を達成するために、各つる１６及び１８は、ねじ５６が延長するそれぞれの細孔５４と共に形成され、ねじ５６は、支持部１４のフランジ５８の外側表面のねじ切りされた開口内にねじ止め可能である。矢印５０又は５２の方向につる１８を摺動しかつねじ５６を締結することにより、支持部１４は、ユーザーの顔の方に又はそれから離れて移動可能であり、光学システムとユーザーの眼の間の距離は、変えられ、それゆえ、ユーザーの個々の瞳孔間の距離は調整される。
【００２４】
注目されることとして、更に各非球面レンズ２０、２２が独立してディスプレー２４及び２６に関して移動可能であるために、レンズは、ディスプレーの方に又はそれから離れて個々に移動可能であり、近視又は遠視のユーザーのために、各ユーザーの眼の屈折誤差に適合される。それゆえ、本発明の頭に取付けられるディスプレーシステムは、通常矯正用眼鏡を使用しているユーザーによって、その眼鏡を使用することなく、使用されることが可能である。
【００２５】
図８〜１１は、光学システムの少し変更された支持部１４’のためのフレームの他の実施形態を説明し、それにより、支持部１４’は、回転され、かつユーザーの眼の方に及びそれから離れて直線路に沿って移動される。より詳細には、支持部１４’は、図１〜４に示されるフランジ５８なしで形成される。かわりに、支持部１４’はハウジング７０に摺動可能に配置され、ハウジング７０は、続いて回転可能にフレーム７２に配置される。フレーム７２がユーザーの頭に装着される際に、フレーム７２は配置されて、レンズ２０及び２２及びそれぞれのディスプレー２４及び２６は、直接ユーザーの眼の前に配置される。あるいは、フレーム７２はユーザーの頭のもっと上に装着可能であり、その結果、ユーザーは、やや上を向いて虚像を見る。ユーザーが、レンズ２０、２２の概略の中心軸に沿ってレンズ２０、２２をのぞき込むことを可能にするために、ハウジング７０はフレーム７２内で回転可能であり、その結果、ユーザーは、眼をそれぞれのレンズ２０、２２の中心軸に整列可能である。注目されることとして、フレーム７２が装着されて、レンズ２０、２２が直接ユーザーの眼の前に配置される場合でさえも、ハウジング７０はフレーム７２上でやや回転され、様々なユーザーに適合され、かつ各レンズ２０、２２の中心軸は眼に容易に整列される。
【００２６】
ハウジング７０が、及びそれゆえレンズ２０、２２を備えた支持部１４’及びディスプレー２４、２６が回転されるために、ハウジング７０は、ハウジング７０の向かい合った側部７８及び８０から延長する円筒形の突起７４及び７６と共に形成される。突起７４及び７６は、フレーム７２内に形成されたそれぞれの開口８２内に延長し、その結果、突起はその中で回転可能である。各開口８２の下側部分は、フレーム７２のそれぞれの下部カバー８６及び８８に形成され、各開口の上側部分は、フレーム７２の頂部カバー９０に形成される。
【００２７】
支持部１４’はハウジング７０内に摺動可能に配置され、その結果、光学システムは、ユーザーの眼に近づいて又はそれから離れて一体のユニットとして移動可能であり、上述されたように様々な瞳孔間の距離を有するユーザーに適合される。ユーザーが支持部１４’を摺動させるのを補助するために、支持部は、（図１１に破線で示される）指状タブ９２、引張り又は他の型式の手動で係合可能な延長部分を有し、その延長部分は、好適には支持部１４’の下部の中央領域からである、支持部からやや下方に延長する。支持部１４’がハウジング７０に配置される際に、タブ９２は、ハウジング７０の下部の壁に形成された細孔を通じて延長し、その結果、ユーザーは、細孔に沿ってタブを摺動させるためにタブ９２と係合可能であり、それゆえ支持部１４’は、ハウジング７０に関して直線路に沿って滑動される。支持部１４’、ハウジング７０及びフレーム７２により、各レンズ２０、２２は、支持部１４に関して上述されたように、支持部１４’に移動可能に配置され、支持部１４’は、ハウジング７０に関して、及びそれゆえユーザーの眼に関して、直線路に沿って移動可能であり、更にハウジング７０、支持部１４’及びレンズとディスプレーの対は、突起７４及び７６を通じて延長する軸のまわりに回転可能である。本発明の頭に取付けられるディスプレーシステム１０は、それゆえ調節可能であり、様々なユーザーに適合され、かつユーザーの頭の様々な位置に適合される。
【００２８】
注目されることとして、上述された光学システムは、単にユーザーの眼に関して各非球面レンズとディスプレーの対を９０°回転させること、及び各光学路に、例えば半反射する鏡である、部分的な反射器をユーザーの眼及びそれぞれのレンズの面に関して４５°で付け加えることにより、使用される。そのようなシステムは、非球面レンズ２０とディスプレー２４の対及び反射器９４として、図１２に示される。他の変形もまた、本発明の範囲から逸脱することなく、システム内で行われることが可能である。例えば、ここには両眼用の頭に取付けられるディスプレーシステムが詳細に示されかつ説明されているが、本発明の複数の特徴は両眼用のシステムに限定されず、同様に単眼用の頭に取付けられるディスプレーユニットに適用可能である。更に、示されている両眼用の頭に取付けられるディスプレーシステムは二つの分離したディスプレーを使用するが、それぞれの上述された非球面レンズに結合された一つのディスプレーが、ユーザーのユーザーの網膜の複合湾曲部に平坦な表示された像を描くための任意のシステムに使用可能であり、歪みを最小にした虚像がもたらされる。本発明の多数の他の修正及び変更が可能である。それゆえ理解されることとして、本発明は、ここに説明されたものではなく、添付された請求の範囲内で実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明に関する頭に取付けられるディスプレーシステムの後ろの斜視図であり、
【図２】図２は、図１に示された頭に取付けられるディスプレーシステムの分解された、後ろの斜視図であり、
【図３】図３は、図１の頭に取付けられるディスプレーシステムの分解された、前の斜視図であり、
【図４】図４は、図１の頭に取付けられるディスプレーシステムの前の斜視図であり、
【図５】図５は、ユーザーの眼に関する図１に示されたシステムのディスプレー及び光学素子の向きの概略の図面であり、
【図６】図６は、三つの同心の領域を備えた非球面レンズの概略の図面であり、
【図７Ａ】図７Ａは、一つのレンズの非球面の表面のＸに関する変化を示すグラフであり、
【図７Ｂ】図７Ｂは、一つのレンズの非球面の表面のＸに関する変化を示すグラフであり、
【図８】図８は、ユーザーの頭にシステムを配置するために異なる支持部を使用する本発明に関する頭に取付けられるディスプレーシステムの前の斜視図であり、
【図９】図９は、図８に示された頭に取付けられるディスプレーシステムの部分的な前の斜視図であり、
【図１０】図１０は、図８のシステムのレンズ及びディスプレーの対のための、回転可能な取付け部及び横に移動可能な取付け部の後ろの斜視図であり、
【図１１】図１１は、図８のシステムのレンズ及びディスプレーの対のための、横に移動可能な取付け部の後ろの斜視図であり、
【図１２】図１２は、本発明に関する非球面レンズを使用する光学システムの他の実施形態の概略の図面である。
【符号の説明】
【００３０】
１０    ディスプレーユニット
１２    フレーム
１４    支持部
２０    右眼の非球面レンズ
２２    左眼の非球面レンズ
２４，２６    ディスプレー
【図１】
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【図２】
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【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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