(57)【要約】  最大４Ｋの高解像度、６０度を超える広視野（ＦＯＶ）、小型フォームファクタを備えたシースルー画像表示システムが提案されている。ディスプレイのための光学系は、ホログラム、ＤＯＥ、レンズおよび自由形状表面を有するミラーを含む光学素子を組み込んでいる。このディスプレイシステムは、ウェアラブルディスプレイに適している【選択図】図１８
2019522234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シースルー表示システムであって、
レーザー、ＬＥＤ又はＯＬＥＤからの発光デバイスを有する光源および
ＬＣＤ、ＬＣＯＳ、マイクロミラー、マイクロシャッター、ＯＬＥＤ又はレーザービームスキャナーから画像を形成するために前記光源からビームを投射する表示装置と、
観察者の前にあるホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）又は回折光学素子（ＤＯＥ）からのシースルー光学素子と、
少なくとも１つのミラーと、少なくとも１つの自由形状表面を有する少なくとも１つのレンズとを有する投影光学系と、
を備え、
前記投影光学系は、前記投射されたビームの最小水平幅の位置が、前記投射されるビームの最小垂直幅よりも前記シースルー光学素子により近くなるように、前記表示装置から前記シースルー光学素子に向けてビームを投射するシースルー表示システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシースルー表示システムであって、
表示装置、レンズおよびミラーを含む前記投影光学系は、眼鏡のテンプル内に埋め込まれ、画像は、前記投影光学系からの空気を通って観察者の前方の前記シースルー光学素子に投影される。
【請求項３】
請求項１に記載のシースルー表示システムであって、
前記投影光学系は、前記シースルー光学素子に向かう水平方向と垂直方向とで異なる焦点距離を有する。
【請求項４】
請求項１に記載のシースルー表示システムであって、
１つの自由曲面を有する前記１つのレンズは、回転非対称面を有するレンズである。
【請求項５】
請求項１に記載のシースルー表示システムであって、
１つの自由曲面を有する前記１つのレンズは、同軸対称軸がオフセットされた非球面レンズである。
【請求項６】
請求項１に記載のシースルー表示システムであって、
前記投影光学系の前記ミラーは自由曲面である。
【請求項７】
請求項１に記載のシースルー表示システムであって、
光源は、少なくとも３つの中心波長を有するビームを照射するために、少なくとも３つの中心波長を有する。
【請求項８】
請求項１に記載のシースルー表示システムであって、
光源には、レーザー活性化燐光体又は第２高調波発生を伴うレーザーの装置が含まれる。
【請求項９】
請求項１に記載のシースルー表示システムであって、
前記シースルー光学素子は、光透過率を変化させるフォトクロミック材料、エレクトロクロミック材料および液晶の群から選択される層を有する。
【請求項１０】
請求項１に記載のシースルー表示システムであって、
前記シースルー光学素子は、紫外線によって光学素子が劣化しないように、紫外線保護層を有する。
【請求項１１】
請求項１に記載のシースルー表示システムであって、
前記表示装置を駆動する回路は画像の歪み及び色の非収束を電子的に補正できるようにメモリ補正システムを有する。
【請求項１２】
請求項１に記載のシースルー表示システムであって、
前記投影光学系は、焦点距離を変えることができるＬＣＤ、アナログマイクロミラーアレイおよび電気光学材料の群から選択された適応レンズを有する。
【請求項１３】
請求項１に記載のシースルー表示システムであって、
投影光学系は、マイクロミラー、ピエゾ振動ディフューザー、および多層のディフューザーの群から選択されるスペックル除去装置を有する。
【請求項１４】
請求項１に記載のシースルー表示システムであって、
前記表示装置を駆動する回路は、逆ノイズ信号を加算することにより、前記シースルー光学素子の望ましくない回折によって生じる光学ノイズのノイズキャンセルシステムを有する。
【請求項１５】
複数のカラーレーザー光源のセットを提供し、
複数のカラーレーザービームを単一のビームに結合するステップと、
結合された複数のカラービームを２つのビームに分割するステップと、
光の波面の所望の位相を生成し、ホログラムの第１の表面を露光する自由形状の表面を有するミラーによって分割されたビームの１つを反射させるステップと、
他方の分割ビームをコリメートし、ホログラムの第２の面を露光するステップと、
を備えるホログラフィック光学素子製造方法。
【請求項１６】
複数のカラーレーザー光源のセットを提供し、
複数のカラーレーザービームを単一のビームに結合するステップと、
結合された前記複数のカラーレーザービームを２つのビームに分割するステップと、
光の波面の所望の位相を生成し、ホログラムの第１の面を露光する自由形状の表面を有する球体を用いて分割されたビームの１つを反射させるステップと、
他方の分割ビームをコリメートし、ホログラムの第２の面を露光するステップと、
を備えるホログラフィック光学素子製造方法。
【請求項１７】
複数のカラーレーザー光源のセットを提供し、
複数のカラーレーザービームを単一のビームに結合するステップと、
結合された複数のカラービームを２つのビームに分割するステップと、
光の波面の所望の位相を生成し、ホログラムの第１の面を露光する自由形状の表面を有するレンズを通して分割されたビームの１つを透過させるステップと、
他方の分割ビームをコリメートし、ホログラムの第２の面を露光するステップと、
を備えるホログラフィック光学素子製造方法。
【請求項１８】
複数のカラーレーザー光源のセットを提供し、
複数のカラーレーザービームを単一のビームに結合ステップと、
結合された複数のカラービームを２つのビームに分割ステップと、
光の波面の所望の位相を生成し、ホログラムの第１の面を露光する光学系によって分割されたビームの１つの波面の位相を変化させるステップと、
他方の分割ビームをコリメートし、第２の面に取り付けられたプリズムを通してホログラムの第２の面を露光するステップと、
を備えるホログラフィック光学素子製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連する出願］
本出願は、２０１６年６月２１日に出願された米国仮特許出願第６２／４９３９８２号の利益を主張する非仮出願である。この出願は２０１３年６月２７日に出願された米国仮特許出願第６１／９５７，２５８号の非仮出願である、２０１４年６月２３日に出願された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０００１５３号の部分係属出願（ＣＩＰ）でもある。
【０００２】
本発明は、高解像度で広視野のシースルー表示を可能にする回折光学素子に画像を投影するための表示システムに関する。より詳細には、本発明は、非常に小さいフォームファクタを有するウェアラブルディスプレイに適したディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００３】
ウェアラブルディスプレイは、スマートフォンが普及し市場に受け入れられた後、近年広く注目されている。ウェアラブルディスプレイは、ハンズフリー動作の利点を提供し、通常の視界と同じ距離にディスプレイを装着した人に画像を表示する。これらの利点のために、ウェアラブルディスプレイには非常に大きなニーズがある。しかしながら、ヘッドマウントディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、アイグラスタイプディスプレイなどの従来の近視眼ディスプレイは、視聴者に満足のいくウェアラブルディスプレイのソリューションを提供していない。これらの従来のデバイスは、重すぎ、大きすぎ、暗すぎることが多いからである。さらに、これらの従来のウェアラブルディスプレイは、しばしば低解像度であり、それらの多くは、シースルービューを提供せず、ほとんどが高価であり、小さなサイズの画像しか表示することができない。したがって、透視性の光路を利用して、明るく、小さく、明るく、高解像度のウェアラブルディスプレイ装置を提供することが緊急に求められている。新しいウェアラブル装置は、大きな画像を表示することができる安価で、そのようなウェアラブル装置を身に着けていることを他人に気づかれることなく、ステルス的に装着できることがさらに望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７４６０２８６号公報
【特許文献２】米国特許第７３６９３１７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】SID 2008 Digest, ISSN/008-0966X/08/3901-0089, "A Full Color Eyewear Display using Holographic Planar Waveguides"
【非特許文献２】SID 2006 Digest, ISSN0006-64・SID 06 DIGEST 0966X/06/3701-0064, entitled "Novel Diffractive Optical Components for Near to Eye Displays"
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１および図１Ａに示されるように、Ｋａｓａｉらは、米国特許第７４６０２８６号（特許文献１）において、ホログラフィ光学素子をシースルー（透視）する能力を提供する光学系を実現するディスプレイシステムの一種であるアイグラスを開示している。この表示システムは、液晶表示装置の表面に対して垂直方向に沿って表示装置から法線方向に画像を投影し、光導波路に導かれて観察者の眼に向けて反射された画像を含む光を投影する。しかしながら、導波路の使用のために、視野および解像度は非常に限られている。
【０００７】
図２および図２Ａに示すように、Ｍｕｋａｗａらは、SID 2008 Digest, ISSN/008-0966X/08/3901-0089, "A Full Color Eyewear Display using Holographic Planar Waveguides"（非特許文献１）において、２枚のホログラフィック光学素子でシースルー能力を実現するタイプのディスプレイシステムとして、別のアイグラスを開示している。ここでもまた、このタイプのアイグラスは、画像および視野の解像度を制限する導波路を使用する。
【０００８】
図３に示されているように、Ｌｅｖｏｌａは、SID 2006 Digest, ISSN0006-64・SID 06 DIGEST 0966X/06/3701-0064, entitled "Novel Diffractive Optical Components for Near to Eye Displays"（非特許文献２）において、2つの目の中央にLCD装置を配置することによって実施される別のディスプレイシステムを開示している。しかしながら、このような表示システムは、大きな突出スペースを必要とし、フォームファクタを大きくし、したがって、ウェアラブルディスプレイシステムとして装置を大き過ぎて不便にする。上記の３種類のディスプレイは、ホログラフィック光学素子（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ／ＨＯＥ）または回折光学素子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ／ＤＯＥ）のいずれかを使用しており、これらの光学ディスプレイはすべて、大きな色収差、色のクロストーク、大きな像面湾曲収差および歪曲収差の基本的な困難を有する。Ｍｕｋａｗａらは、複数の導波管を使用して色のクロストークを低減する方法について説明し、システムをより重く厚くし、さらに光の利用効率を低下させる。Ｋａｓａｉらは、光の利用効率を向上させる単一のＨＯＥを使用したが、他の収差は残っており、ＦＯＢ（視野）は小さくなければならず、これらの収差は目立たない。これらの困難のために、上述の問題および限界を取り除くことができるように、新規かつ改善されたウェアラブルディスプレイシステムを提供することが緊急に求められている。
【０００９】
図４および図４Ａに示されるように、Ｌｉらは、米国特許第７３６９３１７号（特許文献２）において、目の眼鏡に取り付け可能なコンパクトなディスプレイおよびカメラモジュールを開示している。この眼鏡は、厚いＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）を必要とし、ＦＯＢ（視野）はかなり小さい。さらに、この眼鏡はディスプレイの存在が非常に明白であるためステルスではない。
【００１０】
図１および図２に示すような例では、ホログラムおよび導波管を使用することにより、透視画像を有するウェアラブルディスプレイが可能であることを公に実証している。しかしながら、視野の大きさ及び解像度のために、これらのシステムは有用性が限られている。６０度を超える非常に大きな視野と１００万画素以上の高解像度を達成するためには、新しい革新的なシステムを提供する必要がある。本発明の１つの観点は、６０度以上の視野角および１００万画素から８００万画素の高解像度、例えば４Ｋ表示を可能にする新しいシステムおよび設計を開示することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の１つの見通しは、眼鏡のほぼ完全なサイズである視野を有するシースルー近目ディスプレイを提供することである。本発明の別の見通しは、本発明の異なる実施形態でさらに例示されるように、眼鏡のテンプル内に埋め込むことができるシステムの非常にコンパクトな光学部品および電子機器を備えたウェアラブルディスプレイシステムを提供することである。具体的には、本発明は、テンプルから眼鏡のレンズに向けて画像を投影するために使用されるＬＣＯＳ、ＬＣＤまたはＤＭＤのような表示装置を開示する。様々な実施形態に示すように、本発明は、眼鏡のテンプルからその接眼レンズに投影され、人間の目に反射される眼鏡および人間の眼の幾何学的構成の利点を利用する。さらに、外界の視認性を保つために、ホログラムが用いられている。ホログラムは特定の狭い帯域幅の光のみを反射することができ、残りの光は通過することができる。ホログラムの狭帯域選択性のために、特定の帯域幅を有する画像光を反射し、観察者が眼鏡を通して見ることができるように画像が外部画像に重ね合わされる。図１および図２に示す従来の表示システムとは異なり、画像光は導光板を通さずに直接眼鏡から投射される。このようにすれば、導波路を用いた投影光学系よりも投影面積を大きくすることができる。したがって、本発明の着用可能な表示装置は、視聴者が、改善された解像度でより大きな視野を知覚することを可能にする。さらに、ウェアラブル装置の傾斜投影によって引き起こされる非点収差およびコマ収差のような大きな収差は、高解像度を達成するために補償される。これらの収差の問題は、本発明では、自由形状のレンズおよびミラーの使用に加えて、幾何学的光学および波動光学の両方を同時に組み合わせることによって、新しく開発された技術で実施されるハイブリッド光学構成によって解決される。
【００１２】
２つの自由形状のレンズ１９０５、１９０６、ミラー１９０４、およびホログラム１９０２を組み込んだ、本発明の例示的な実施形態を図１９および図２２に示す。具体的には、図１９、図２２は、必ずしも回転対称性を有さないコンピュータにより生成された面を有するレンズとして定義される自由曲面レンズを備えるウェアラブルディスプレイ装置として、このシステムが人間の顔の周りにどのように適合することができるかを示している。
【００１３】
分解能を上げ、ひずみを最小にするために、図２０に示すように、別のレンズが追加される。この例では、３つの自由曲面レンズ２００５，２００６，２００７、フリーミラー２００４およびホログラム２００２が組み込まれています。
【００１４】
本発明の別の例示的な実施形態が図２１に示されており、視野を拡大するために３つの自由形状レンズが使用される。この例示的な実施形態は、分解能および歪みを犠牲にすることなく、６７度の視野を有する着用可能な表示装置を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】米国特許第７４６０２８６号に関連する公開された技術報告書にＫａｓａｉによって示された従来技術の画像表示システムの断面図である。
【図１Ａ】シースルー機能を実証した実際のサンプルの写真である。
【図２】および
【図２Ａ】SID 2008 Digest, ISSN/008-0966X/08/3901-0089, "A Full Color Eyewear Display using Holographic Planar Waveguides"でＭｕｋａｗａらによって示された着用可能な表示装置であり、図２Ａはシースルー能力を示した。
【図３】SID 2006 Digest, ISSN0006-64・SID 06 DIGEST 0966X/06/3701-0064, entitled "Novel Diffractive Optical Components for Near to Eye Displays"でＬｅｖｏｌａによって報告された従来技術の別の例である。
【図４】米国特許ＵＳ７３６９３１７号に記載されているディスプレイとカメラの両方を有するシースルー能力を有するウェアラブルディスプレイの別の従来技術の開示を示す。
【図４Ａ】類似の光学構成を使用する例である。
【図５】および
【図６】ディスプレイの存在が目立たないように、本発明のすべての光学機器および電子機器を埋め込むのに十分な大きさのテンプルを有する眼鏡の例示的な実施形態である。
【図７】眼鏡のテンプルからの画像を含む投射光７１０２が眼の瞳に向けて反射され７１０５、光が網膜７１０７上に集束されて、画像７１０４をホログラムの前にある距離に置いた図である。
【図８】実質的に平行な光線８１０２がホログラム８１０３に投影され、眼の瞳孔８１０５に反射される別の実施形態の光路を示す図である。したがって、ホログラムは、ホログラムミラーの焦点距離として決定される、ホログラムと瞳孔との間の距離の焦点距離（８１０９）。
【図９】ミラー軸９１０４に平行な入射光線９１０１を単一の焦点９１０３に反射する凹面鏡９１０２を示し、ミラー９１０２の表面は球面または非球面である。
【図１０】入射光線１０１０１をミラー軸から単一の焦点１０１０３に傾斜した方向から反射する凹面鏡１０１０２を示し、このミラー１０１０２の表面は、単一の焦点１０１０３に収束し、焦点距離ｆ２は前の例ｆ１と同じに調整することができる。
【図１１】入射光線１１１０１を水平軸から傾いた方向から水平軸上の単一の焦点１１１０３に反射する凹面鏡１１１０２を示し、このミラー１１１０２の表面は１１１０３と焦点距離ｆ３で収束するフリーフォームを前の例ｆ１と同じように調整することができる。
【図１２】水平軸から傾斜した方向からの入射光線１２１０１を水平軸上の単一の焦点１２１０３に反射するホログラム１２１０２を示し、このホログラム１２１０２の表面は平坦である１２１０３に収束させ、焦点距離ｆ４を前の例ｆ１と同様に調整することができる。ホログラムの非常に狭い帯域の波選択性のために、指定された光の帯域幅のみが反射され、光の大部分が通過し、シースルーメガネ表示を生成する。
【図１３】焦点距離１３１０３の右側に配置された物体１３１０１を示し、ホログラムミラー１３１０４の右側に画像が生成されているが、これは目には見えない。なぜなら、画像の焦点が合っていない。
【図１４】物体１４１０１が焦点距離１４１０３の左側に位置するとき、眼鏡のホログラムの短い焦点距離があってもある距離で画像が生成されることを示し、画像はホログラムミラー１４１０２の左側に配置され、画像の位置に焦点を合わせることができるため、目に見える。この図は、ホログラム眼鏡１４１０２とホログラムの焦点との間に位置する物体が、眼鏡を着用している人によって視認可能であることを示す。
【図１５】目画像と目との間に実画像１５１２７が生成されると、距離15129に仮想画像１５１２２が生成されるため、アイ・グラス１５１２０と人間の目１５１２５との間に物理的な物体が存在しない理由を示す図である。
【図１６】眼球が、傾斜した方向１６１３０に沿って画像を見るとき、眼球および瞳孔１６１３１が物体に向かって移動する眼球の動きの効果を示す。
【図１７】主光線が、瞳孔の表面ではなく眼球の中心で交差すべきであることを示す図である。これは、ホログラムの焦点が眼球の中心１７１３２に位置すべきであることを示唆している。
【図１８】リレーレンズ１８０６がディスプレイ１８０１から光を受けてミラー１８０５に通過する、１Ｋまでの解像度に適した、本発明の別の例示的な実施形態としての単純な２つのレンズシステムを示す。光ビームは観察者の顔に沿って曲げられ、プリズム１８０４に投影される。プリズムは、ホログラムの収差を補償する収差を生成する。
【図１９】自由形状レンズ１９０５、１９０６、１９０７および自由形状ミラー１９０４が使用され、光学系の厚さを実質的に減少させるようにミラーが実施される本発明の別の例示的な実施形態を示す図である。この３レンズ系は、従来の２レンズ系に比べて解像度が向上する。
【図２０】４つの自由形状レンズ２００５、２００６、２００７、２００８、自由形状ミラー２００４及びホログラム２００２を実装することによって、対角６７度（水平６０度）の視野、２Ｋの解像度を実現する、本発明の別の例示的な実施形態を示している。このシステムはまた、レンズの幅を減少させ、小型フォームファクタの製造を可能にする利点を追加する。
【図２１】眼鏡ディスプレイ２１０１が画像光を眼に向けて投影し、画像光の反対方向の外挿線２１０３が虚像を形成する虚像２１０２の位置を示している。
【図２２】顔に光学系をどのようにフィットさせるかをチェックし、十分なクリアランスを提供するために、３Ｄ−ＣＡＤにおいて顔にフィッティングされた図１８に記載の光学系の形状を示す。
【図２３】顔に光学系をどのようにフィットさせるかをチェックし、十分なクリアランスを提供するために、３Ｄ  ＣＡＤにおいて顔にフィットする図１９に記載の光学系の形状を示す。
【図２４】ホログラム２００２による投影された光の光線２４０９および目の中心２００３における人間の頭部（灰色領域、２４１１）の断面図を示しており、顔は２４１０として示されている。
【図２５】コリメートされたレーザービーム２５１０３および反射レーザービーム２５１０２および実質的に凹状の自由形状ミラー２５１０５を使用することによってホログラム２５１０１を生成する方法を示す。
【図２６】コリメートされたレーザービーム２６１０３及び反射レーザービーム２６１０２及び実質的に凸面である自由形状ミラー２６１０６を使用することによってホログラム２６１０１を生成する別の方法を示す。
【図２７】プリズム２７１２０及び透過性レーザービーム２７１２１を通したコリメートされたレーザービーム２７１０３と、実質的に凸状である自由形状レンズ２７１０６とを用いてホログラム２７１０１を生成する別の方法を示す。プリズムは、ホログラム２７１０１を保持する基板の表面でのＴＩＲ（Ｔｏｔａｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ／全反射）を避けるためのものである。
【図２８】水平断面２８１０２および垂直断面２８１０３を有するレーザービームがホログラム２８１０１に向けて投影される、本発明の別の例示的な実施形態を示す。ビームは、接線（垂直）平面内の位置２８１０４および矢状（水平）平面内の別の位置２８１０５で、これら２つの位置の間の有限距離で集束される。
【図２９】自由曲面２９０２、２９０３および光ビームが通過するレンズ領域２９０４を有する自由曲面レンズ２９０１の別の例示的な実施形態を示す。この用途では、自由曲面は、レンズ領域内に同軸対称軸を有さない面として定義される。
【図３０】本発明の別の例示的な実施形態を示す。
【図３１】眼鏡３１０１および表示領域３１０２が可変光透過層を有する、本発明の別の例示的な実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
【００１７】
以下の様々な実施形態の詳細な説明は、４Ｋ（８００万画素）までの高解像度を有する様々なシースルー型ディスプレイウェアラブル装置を示し、６０度を超える大きな視野は、非常に小さいフォームファクタを有する装置により提供される。
【００１８】
図７は、視聴者の目の前にシースルー表示としての空気中の画像、すなわち虚像が生成される例を示す。画像を含む光線７１０２は、眼鏡枠７１０１に向けて側方に投影され、光学素子７１０３は、眼の瞳孔７１０５に向けて光線を反射し、網膜７１０７に焦点を合わせる。光学素子７１０３は、対称的な鏡面反射とは異なる任意の方向に光線７１０２を反射して光学素子を薄く保たなければならない。光学素子７１０３は、ホログラム（ＨＯＥ）または回折光学素子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ／ＤＯＥ）とすることができる。これらの両方は、画像７１０４を生成するためのシースルー要素とすることができる。ハーフミラーの使用には、厚い構造となる、このタイプの用途には適していないミラーの傾斜が必要である。
【００１９】
図８は、入射光線８１０２が発散または収束していない実質的に平行なビームであり、入射光線は、眼鏡枠８１０１と眼の瞳孔８１０５との間の距離である焦点距離を有する光学素子８１０３に投影されて網膜８１０７に焦点を合わせる。入射光線８１０８が発散している場合は、さらに短い焦点距離が必要となる。
【００２０】
図９から図１２は、入射光線９１０１が水平軸９１０４と平行である最も単純な場合として、傾いた入射光線が水平軸９１０４上の単一点９１０３に収束することを示している。光線９１０１は凹面鏡９１０２で反射され、焦点距離ｆ１の凹面鏡の焦点９１０３に集光される。ミラーの曲率は、球面収差のない球面収差または非球面を許容する球面とすることができる。
【００２１】
図１０は、傾斜した光線１０１０１が単一の点１０１０３に収束する様子を示す。傾斜した入射光線は、球面ミラーまたはレンズを用いて強いコマ収差および乱視収差を生じる。自由曲面を有する焦点距離ｆ２を有するミラー１０１０２は、これらの収差を最小にすることができる。この自由曲面は、数学的に計算して最適化することができる。この自由曲面は、通常、多項式またはスプライン関数で表される。
【００２２】
図１１は、傾斜した光線１１１０１を水平軸１１１０４上の点１１１０３に収束させる自由形状の表面を有する傾斜ミラー１１１０２を示す。傾斜ミラー１１１０２は、より大きなフォームファクタを必要とし、スリムな眼鏡ディスプレイには必ずしも適していない。
【００２３】
図１２は、光ビーム１２１０１を軸１２１０４上の単一点１２１０３に収束させるために、焦点距離ｆ４を有するホログラムまたはＤＯＥで作られた薄く平坦なミラー１２１０２を示す。ホログラムおよびＤＯＥは、制御されたまたは予め指定されたガイド方向に光を反射することができる。収差は、数学的に設計されたホログラムまたはＤＯＥの位相シフト機能によって最小限に抑えることができるが、いくつかの残留収差が残っており、高分解能の画像を投影するためにアプリケーションにさらなる低減が必要である。本発明の以下に示す実施形態は、これらの残りの収差が、新規かつ改良された光学系によってどのようにさらに最小化され得るかを示す。
【００２４】
図１３および図１４は、ディスプレイ装置を装着した人によるシースルー視聴のための虚像を生成するためのオブジェクトの位置を示す。図１３に示すように、光を放射する物体１３１０１は、ミラー１３１０２から遠い焦点１３１０３よりも大きな距離に配置され、画像は、以下の式に従う位置１３１０４に生成される。
【００２５】
１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ
【００２６】
であり、ａ、ｂ、ｆは正である。
【００２７】
上式によれば、ａ＞ｆ、ｂ＞０の条件では、画像はミラーの右側に位置する。図１４は、ミラーの左側に虚像１４１０４が生成され、ａ＜ｆであり、ｆはミラー１４１０２の焦点距離であることを示す。したがって、対象物１４１０１は、ミラー１４１０２と焦点１４１０３との間に位置する。図１５は、ガラスレンズ１５１２０と眼１５１２５との間の光路の外側に位置する物理的発光物体を示し、実像１５１２７は、ミラー１５１２１と目１５１２５との間の位置に配置されている。収束点１５１２７で実像を生成し、実像はミラーに光を投影する投光対象であり１５１２４、虚像１５１２２を生成する距離１５１２９。目１５１２５は虚像１５１２２を観察し、光線１５１３０は光線が網膜の表面上の点１５１２６に収束すると知覚する。したがって、人間の目１５１２５は、点１５１２２に位置する画像を見る。
【００２８】
図１６は、眼球の動きの効果を示している。観察者が軸外の傾斜した方向１６１３０に沿って画像を見ると、眼球の瞳孔１６１３１は傾斜した方向１６１３０に向かって移動する。虚像からの主光線は、図１７に示すように、眼球の中心１７１３２の軸を横切るように傾けられている。大きな視野（Ｆｉｅｌｄ  Ｏｆ  Ｖｉｅｗ／ＦＯＶ）の場合、光学的効果は、図１７に示すように、主光線が瞳孔の表面ではなく眼球の中心で交差するように考慮されなければならない。したがって、ホログラムの焦点は眼球の中心に位置しなければならない。
【００２９】
図１８は、ホログラムまたはＤＯＥを含む光学素子が眼鏡１８０２に配置され、特定波長の特定の位相関数を有する光を眼球の中心１８０３に向けて投影する好ましい実施形態を示す。あたかも仮想フレネルミラーと残りの光が通過するかのように、光学素子は特定波長の光を反射する。観察者のために、光学素子によって反射された像と外部場面が重ね合わされる。リレーレンズ１８０６に光を放射する１８０１に配置された光源を有する表示システムである。ディスプレイシステムは、反射ＬＣＯＳ、透過型ＬＣＤ、狭帯域発光ダイオード、またはレーザーダイオードを有する反射型マイクロミラー、または透過型マイクロシャッターをさらに備える。図１８に示すように、ディスプレイシステムは、自由形状の表面１８０４、１８０６およびミラー１８０５を有する２つのレンズを備える。２つのレンズシステムを用いて実現された表示システムは、１Ｋの解像度及び４０度水平ＦＯＶに適している。人間の顔に対するこの例の適合性を図２２に示す。ミラー１８０５は、人間の顔の周縁にフィットするように使用される。
【００３０】
好ましい実施形態の別の例が図１９に示されており、３つのレンズおよび自由形状表面を有するミラーが、ＨＯＥまたはＤＯＥ（ＨＯＥはＨＯＥおよびＤＯＥの両方を表す）の前に使用される）。自由形状の表面を有するミラー１９０４は、レンズ（１９０５，１９０６および１９０７）のサイズを縮小するのに役立つ。
【００３１】
４つのレンズと自由形状表面を有するミラーとで実現される別の好ましい実施形態が図２０に示されている。傾斜した入射光線は、ＨＯＥでの高いコマ収差および乱視収差を引き起こし、これらの収差は眼鏡の前に補償されます。必要な収差は図２８に示されている。到来する光線は、ＨＯＥによって接平面（垂直方向）よりも矢状面（水平方向）でより曲がる。これにより、水平焦点距離が短くなり、ＨＯＥの垂直焦点距離が長くなる。この差は、レンズおよびミラーによって補償されなければならないので、水平方向（２８１０５）の収束点は垂直方向２８１０４のＨＯＥ２８１０１に近づけなければならない。これらの補正は、自由曲面を有する非対称レンズまたはミラーを用いて行うことができる。球面レンズと非球面レンズまたは鏡面は、回転対称性を持ち、傾きや軸ずれを起こさずにこれらの非対称性を作り出すことができません。図２３は、この例の正面に対する適応性を示す。ディスプレイとレンズと、どのように配置されているか）が比較的直線上に配置されています（図２３の線を表示できますか？）とミラー（ミラーはどこですか？顔の丸い周縁に合うようにする。ミラーは、光学系の幅を縮小して眼鏡の寺院に埋め込むのに役立つ。図２４は、人の顔の周辺からの光線のクリアランス（２４１０）を有する眼鏡を着用することを示しており、グレー領域（２４１１）は眼の中心（２１０３）の顔の断面であるこの図の２１０３）。この例のＨＯＥへの入射角はＨＯＥの中心で６０度であり、周縁領域はさらに大きくなります。この４枚構成レンズは、水平６０度、対角線６７度の非常に大きなＦＯＶを提供し、２Ｋの解像度とフルカラーで、画像サイズは幅２．３ｍ、高さ１．３ｍ、距離２ｍです。
【００３２】
図２５は、別の好ましい実施形態を示し、ＨＯＥの製造方法が示されている。原色のレーザー光源は、光学シャッタ２５１１３で２５１１４，２５１１５および２５１１６に配置され、ダイクロイックミラー２５１１８、２５１１９は、レーザービームを単一のビームに結合するために使用される。複数の波長のビームは２つのビーム２５１１１、２５１１２に分割される。ビームの１つは、レンズ２５１０４でコリメートされ、ホログラム２５１０１を露光する。同時に、他方のビーム２５１１１は、自由形状の表面ミラー２５１０５に導かれ、ホログラムに反射される。ミラーの表面は、反射光ビームの波面の位相がＨＯＥの波面をエミュレートするように設計されなければならない。
【００３３】
図２６は別の好ましい実施形態を示す。組み合わされたビームを分割した後、ホログラム２６１０１を露光するために自由形状の表面を有する球体のミラー２６１０６が使用される。波面の位相は、ＨＯＥの位相をエミュレートしなければならないので、反射光は、設計されたものと同じ虚像を生成する。
【００３４】
図２７は、自由形状表面を有するレンズ２７１０６が、光ビームの波面の位相をエミュレートするために使用される、好ましい実施形態の別の例を示す。コリメートされた光ビーム２７１０３は、ホログラムのガラス基板によるＴＩＲ（全反射）を回避するプリズム２７１２０に導かれる。図２８は、水平断面２８１０２および垂直断面２８１０３を有するレーザービームがホログラム２８１０１に向けて投影される、本発明の別の例示的な実施形態を示す。ビームは、接線（垂直）平面内の位置２８１０４および矢状（水平）平面内の別の位置２８１０５で、これら２つの位置の間の有限距離で集束される。
【００３５】
図２９は、自由曲面２９０２、２９０３および光線が通過するレンズ領域２９０４を有する自由曲面レンズ２９０１の別の例示的な実施形態を示す。この用途では、自由曲面は、レンズ領域内に同軸対称軸を有さない面として定義される。
【００３６】
図３０は、３００１が３つのカラービーム３０１４，３０１５，３０１６を単一のビーム３０１３に結合するビームコンバイナである、本発明の別の例示的な実施形態を示す。例えば、３００２，３００８および３００９は青色レーザーまたは３色の中で最も効率的なＬＥＤである。レーザーとＬＥＤで効率的な赤と緑の光源を見つけることは困難だが、非常に効率的な青色レーザーとＬＥＤが市販されている。プレート３００４は、青色光を赤色光に変換する蛍光体を有し、３０１２は、青色光を緑色光に変換する蛍光体を有するプレートである。光ビーム３０１４、３０１５、３０１６は統合され、結合器３００１によって単一のビーム３０１３を作る。光ビーム３０１５はミラー３０１０で反射され、光ビーム３０１４は、ダイクロイックミラー３００５で赤色光のみ反射され、緑色光を透過され、別のダイクロイックミラー３００６は青色を反射するが、緑色光および赤色光を透過する。
【００３７】
図３１は、眼鏡３１０１および表示領域３１０２が可変光透過層を有する、本発明の別の例示的な実施形態を示す。３１０２の画像は、明るい周囲でより良いコントラストを有する。
【００３８】
本発明の特定の実施形態が本明細書に図示され説明されてきたが、当業者には他の改変および変更が行われることが理解される。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神および範囲内にあるすべての改変および変更を包含することが意図されていることを理解されたい。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【国際調査報告】
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