(57)【要約】  １つのビデオ表示スクリーンを使用して両眼に像を伝達するヘッド・マウント・ディスプレイが開示される。この表示スクリーンの像は、分割ボリュームを小さくするために焦点合わせされ、次いで、像の焦点の近傍に配置された複数の反射表面によって分割される。
2007524856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つのビデオ・ディスプレイから使用者の両眼に像を伝達する方法であって、
前記ディスプレイの像を焦点合わせして、分割ボリュームを小さくすることと、
前記小さくなった分割ボリューム内で前記像を分割することとを含む、方法。
【請求項２】
レンズにより、前記ディスプレイの前記像を焦点合わせする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記レンズはガラス製である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記レンズは前記ディスプレイの近傍にある、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
１つのビデオ・ディスプレイの像を使用者の両眼に伝達するヘッド・マウントデバイスであって、
前記ディスプレイの前記像を焦点合わせして、分割ボリュームを小さくする光学系と、
前記小さくなったボリューム内で前記焦点合わせされた像を分割する手段とを含む、ヘッド・マウントデバイス。
【請求項６】
前記光学系はレンズである、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記分割手段は、部分反射表面および完全反射表面を含む、請求項５に記載のデバイス。
【請求項８】
前記分割手段は、対称Ｖ字ミラーとして構成された第１の完全反射表面および第２の完全反射表面を備える、請求項５に記載のデバイス。
【請求項９】
前記光学系は前記ディスプレイの近傍にあるレンズである、請求項５に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記レンズは、前記ディスプレイを照明する光をコリメートするように構成される、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
表示された像を導く方法であって、
前記表示された像を光路に沿って投影することと、
前記表示された像を前記光路上の点に焦点合わせするレンズを位置決めすることと、
前記点の近傍の前記表示された像を複数の副像に分割することとを含み、各副像は複数の副光路の１つをたどる、方法。
【請求項１２】
前記点は前記レンズの焦点である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記光路に沿って少なくとも１つの反射体を位置決めすることをさらに含み、前記ディスプレイ・レンズと前記点の間隔を短くする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
ディスプレイ軸の周りに配置された複数の反射表面で前記ディスプレイ像を分割することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記反射表面の回転を利用して眼幅を調節することができる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の副光路の少なくとも１つに沿った拡散器上に実像を形成することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記拡散器の動きを利用して眼幅を調節することができる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記複数の副光路の少なくとも１つに沿った第１の反射体で前記副光路を方向変更することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１反射体の動きを利用して眼幅を調節することができる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
第２の反射体によって前記副光路を方向変更し、前記第２反射体は回転可能であり、前記回転を利用して眼幅を調節することができる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
広帯域放射源でディスプレイを照明することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項２２】
前記広帯域放射源は、共通の放射源経路に沿って放射を投影する複数の狭帯域放射源からなる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
色フィルタを使用して放射源の仮想場所を形成することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記レンズは前記照明をコリメートする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
表示された像を導くデバイスであって、
光路に沿って像を投影する手段と、
前記像を焦点合わせする手段と、
前記像の焦点の近傍の、前記像を複数のディスプレイ副像に分割する手段とを備え、前記副像はそれぞれ、複数の副光路の１つをたどり、
前記焦点合わせ手段は、前記投影手段と前記分割手段の間に挿入される、デバイス。
【請求項２６】
前記分割手段は、前記像を反射する複数の手段を含む、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２７】
前記分割手段は、
前記像を部分的に反射する手段と、
前記像を完全に反射する手段とを備える、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記像を部分的に反射する手段と前記像を完全に反射する手段は互いに直交する、請求項２６に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記像を部分的に反射する手段および前記像を完全に反射する手段は、前記ディスプレイ軸について非対称に配置される、請求項２７に記載のデバイス。
【請求項３０】
前記像を部分的に反射する手段および前記像を完全に反射する手段は回転可能であり、前記回転を利用して眼幅を調節することができる、請求項２６に記載のデバイス。
【請求項３１】
表示された像を導く方法であって、
光路に沿ってディスプレイの像を投影することと、
前記像を複数のディスプレイ副像に分割することとを含み、各副像は複数の副光路の１つをたどり、前記方法はさらに、
焦点合わせ要素で前記像を焦点合わせすることを含み、前記投影像は、前記像が分割される点の近傍の場所に焦点合わせされる、方法。
【請求項３２】
前記像は概ねコリメートされた光によって投影され、前記場所は、前記焦点合わせ要素のほぼ焦点である、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記像は概ね収束する光によって投影され、前記場所は、前記ディスプレイと前記焦点合わせ要素の前記焦点との間にある、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記像は概ね発散する光によって投影され、前記焦点合わせ要素の前記焦点は、前記ディスプレイと前記場所の間にある、請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
前記投影像は、前記ディスプレイが前記レンズによってコリメートされた光によって照明されるときの前記ディスプレイの反射像である、請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
表示された像を導くシステムであって、
光路に沿って像を投影するディスプレイと、
前記像を焦点合わせするレンズと、
前記像の焦点の近傍の、複数のディスプレイ副像を生成するスプリッタとを備え、前記副像はそれぞれ、複数の副光路の１つをたどり、前記システムはさらに、
前記複数の前記副光路の少なくとも１つに沿って実像を形成する手段を備える、システム。
【請求項３７】
前記形成手段の動きを利用して眼幅を調節することができる、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記形成手段は球面拡散器である、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３９】
前記形成手段は回折格子である、請求項３６に記載のシステム。
【請求項４０】
前記形成手段はマイクロレンズ・アレイである、請求項３６に記載のシステム。
【請求項４１】
表示された像を導くシステムであって、
光路に沿って像を投影するディスプレイと、
前記像を焦点合わせするレンズと、
前記像の焦点の近傍の、複数のディスプレイ副像を生成するスプリッタとを備え、前記副像はそれぞれ、複数の副光路の１つをたどり、前記システムはさらに、
前記複数の副光路の少なくとも１つを方向変更する手段を備える、システム。
【請求項４２】
前記方向変更手段はミラーである、請求項４１に記載のシステム。
【請求項４３】
前記第１方向変更手段の動きを利用して眼幅を調節することができる、請求項４１に記載のシステム。
【請求項４４】
第２の方向変更手段は、前記第１および第２の方向変更手段に共通の軸の周りで回転可能であり、前記回転を利用して眼幅を調節することができる、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
ヘッド・マウント・ディスプレイであって、
光路に沿ってディスプレイ像を生成するように動作可能な表示スクリーンと、
前記表示スクリーンの近傍のディスプレイ光学系とを備え、前記光学系は前記像を点に焦点合わせし、前記ヘッド・マウント・ディスプレイはさらに、
前記点の近傍の、前記ディスプレイ像を複数のディスプレイ副像に分割するスプリッタを備え、各副像は、複数の副光路の１つに沿って進む、ヘッド・マウント・ディスプレイ。
【請求項４６】
部分反射表面および完全反射表面が、非対称Ｖ字ミラー・スプリッタとして配置される、請求項４５に記載のヘッド・マウント・ディスプレイ。
【請求項４７】
前記複数の副光路の少なくとも１つに沿って実像を形成する拡散器をさらに備える、請求項４５に記載のヘッド・マウント・ディスプレイ。
【請求項４８】
前記拡散器は球面である、請求項４７に記載のヘッド・マウント・ディスプレイ。
【請求項４９】
前記表示スクリーン、前記光学系、および前記スプリッタは、少なくとも１つの接眼と同期して動く固定部分として構成され、それによって使用者の眼幅が調節される、請求項４５に記載のヘッド・マウント・ディスプレイ。
【請求項５０】
ヘッド・マウント・ディスプレイであって、
光路に沿って像を生成するように動作可能な表示スクリーンと、
前記表示スクリーンの近傍のディスプレイ光学系とを備え、前記光学系は前記像を点に焦点合わせし、前記ヘッド・マウント・ディスプレイはさらに、
前記点の近傍に配置された、前記ディスプレイ像を複数のディスプレイ副像に分割するスプリッタを備え、各副像は、複数の副光路の１つに沿って進み、前記ヘッド・マウント・ディスプレイはさらに、
前記複数の副光路の少なくとも１つに沿って配置された反射体を備える、ヘッド・マウント・ディスプレイ。
【請求項５１】
前記反射体と接眼光学系の間に挿入された拡散器をさらに備える、請求項５０に記載のヘッド・マウント・ディスプレイ。
【請求項５２】
前記反射体は移動可能である、請求項５０に記載のヘッド・マウント・ディスプレイ。
【請求項５３】
前記複数の副光路の前記少なくとも１つに沿って配置されて、前記複数の副光路の前記少なくとも１つを方向変更する第２の反射体をさらに備える、請求項５０に記載のヘッド・マウント・ディスプレイ。
【請求項５４】
前記第２反射体は、前記第１および第２の反射体に共通の軸の周りで回転可能であり、前記回転により使用者の眼幅を調節することができる、請求項５３に記載のヘッド・マウント・ディスプレイ。
【請求項５５】
表示された像を導くシステムであって、
光路に沿ってディスプレイ像を生成するように動作可能なディスプレイと、
前記ディスプレイの近傍のディスプレイ光学系とを備え、前記ディスプレイ光学系は焦点を有し、前記システムはさらに、
前記ディスプレイに放射を投影する広帯域放射源と、
前記焦点の近傍に配置されたスプリッタを備え、前記スプリッタは、前記ディスプレイ像を複数のディスプレイ副像に分割するように動作可能であり、各副像は、複数の副光路の１つに沿って進む、システム。
【請求項５６】
前記広帯域投影器は、１つの広帯域投影器を疑似的に形成するように配置された複数の狭帯域放射源からなる、請求項５５に記載のシステム。
【請求項５７】
前記広帯域放射源は、
第１および第２のフィルタと、
第１、第２、および第３の狭帯域投影器とを備え、
前記第１狭帯域投影器は、前記第１フィルタリング手段を介して、共通の放射源経路に沿って放射を投影するように位置決めされ、
前記第２狭帯域投影器は、前記第１フィルタに放射を投影するように位置決めされ、前記第１フィルタは、前記第２フィルタリング手段を介して、前記共通の放射源経路に前記第２狭帯域投影器からの前記放射を反射するように位置決めされ、
前記第３狭帯域投影器は、前記第２フィルタリング手段に放射を投影するように位置決めされ、前記第２フィルタは、前記共通の放射源経路に前記第３投影器からの放射を反射するように位置決めされる、請求項５５に記載のシステム。
【請求項５８】
前記第１、第２、および第３の狭帯域投影器は、赤、緑、または青に対応する波長の可視光を投影する、請求項５７に記載のシステム。
【請求項５９】
表示された像を導くシステムであって、
ディスプレイの像が焦点合わせされ、前記ディスプレイ像を利用して少なくとも２つの副像が生成される副像生成部を備え、各副像は２つの副路の一方に沿って方向づけられ、前記システムはさらに、
前記副路のそれぞれに沿って介在する少なくとも１つの接眼部を備え、
前記副像生成部および前記接眼部は、同期した動きによって眼幅を調節する、システム。
【請求項６０】
前記同期した動きにより、各副路の長さが一定に維持される、請求項５９に記載のシステム。
【請求項６１】
前記接眼部の動きは、前記副像生成部の動きに直交する方向である、請求項５９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００３年１１月１８日出願の「ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＩＭＡＧＩＮＧ  ＡＲＲＡＮＧＥＭＥＮＴＳ  ＦＯＲ  ＨＥＡＤ  ＭＯＵＮＴＥＤ  ＤＩＳＰＬＡＹＳ」という名称の、同時出願、同時係属、かつ本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／７１６１９２号に関する。この開示をここに参照により本明細書に組み込む。
【０００２】
本発明は、概ね、視覚的ディスプレイ（ｖｉｓｕａｌ  ｄｉｓｐｌａｙ）に関し、より詳細には、１つのディスプレイを使用するヘッド・マウント・システムの光学構成に関する。
【背景技術】
【０００３】
ヘッド・マウント・ディスプレイ（ＨＭＤ）［Ｈｅａｄ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ］は、テレビ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、コンピュータ・アプリケーション、ゲーム機その他類似の応用例からの像を表示するのに使用し得るあるクラスの画像ディスプレイ・デバイス（ｉｍａｇｅ  ｄｉｓｐｌａｙ  ｄｅｖｉｃｅ）である。ＨＭＤは、単眼用（一方の眼で見る単一像）、両眼用（両眼で見る単一像）、または双眼用（それぞれの眼で見る異なる像）とし得る。さらに、一方（または両方）の眼に投影される像は、使用者によって、完全なもの、または使用者の外界視野に重ね合わされたものとして観察される。ＨＭＤの設計は、像分解能、眼から仮想像までの距離、仮想像のサイズ（または、仮想像の角度）、仮想像の歪み、使用者の左右の瞳の間隔（眼幅（ＩＰＤ））、ジオプタ補正、像を分割し伝達することによる光の損失、消費電力、重量、および価格などのパラメータを考慮しなければならない。理想的には、単一のＨＭＤは、様々な使用者に対してこれらのパラメータを考慮し（ａｃｃｏｕｎｔ  ｆｏｒ）、立体双眼像または単純なモノスコープ双眼像のいずれであるかにかかわらず、像を表示することができる。
【０００４】
ＨＭＤの内部ディスプレイ上の画像の分解能が８００×６００画素である場合、ＨＭＤの光学系によって生成される仮想像の許容可能なサイズは、２ｍの距離のところの仮想像の直径で約１．５ｍ（５２インチ〜５６インチ）であり、これは、約３６°の視角に相当する。人間の頭部および眼に適合させるために、ＩＰＤは４５ｍｍ〜７５ｍｍの間で可変とすべきである。近視および遠視を補償するために、少なくとも±３ジオプタの補正が必要である。
【０００５】
ＨＭＤ内で使用する微小ディスプレイを（それぞれの眼ごとに１つ使用する代わりに）１つだけにすると、デバイスの価格が劇的に下がる。典型的には、このようなユニット構成では、微小ディスプレイは使用者の眼と眼の間に位置決めされる。次いで、生成された像は分割され、拡大され、別々にそれぞれの眼に伝達される。ディスプレイが中央に装着される単一ディスプレイＨＭＤにおいてビームを分割するための設計が当技術分野で数多く知られているが、安価、軽量、小型であり、様々な像をすべて表示し得る解決策が提供されるものは知られていない。
【０００６】
本発明の実施形態では、１つの表示スクリーン（ｄｉｓｐｌａｙ  ｓｃｒｅｅｎ）によって生成された像を焦点合わせし（ｆｏｃｕｓｓｉｎｇ）、この像をその焦点の近傍で分割することによって、ヘッド・マウント・ディスプレイの分割ボリューム（ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ  ｖｏｌｕｍｅ）を小さくする。次いで、別々の副像が焦点合わせされ、複数の副光路を通って伝播して、別々の場所に像が送り届けられる。
【０００７】
ある種の実施形態では、像の焦点の近傍に配置された部分反射表面および完全反射表面からなり得る非対称Ｖ字ミラー・スプリッタを使用する。次いで、像の情報を含む光の一部がこの部分反射表面によって反射され、一方の眼に導かれ、この光の残りの部分は完全反射表面によって反射され、他方の眼に導かれる。
【０００８】
ある種の実施形態では、拡散器も使用して、その上にディスプレイの実像が形成される。開口数の小さいトランジション・オプティクス（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ｏｐｔｉｃｓ）によって拡散器に実像を投影し、開口数のより大きい光学系によって、これらの像が使用者の眼に伝達される。
【０００９】
ある種の実施形態では、回転反射体も使用し得る。複数の反射体から分割像を反射させることによって、これらの実施形態が異なる使用者の眼幅を調整し得るようにこれらの像の経路を改変することができる。他の実施形態では、複数の光学ブロックを同期した動きを利用して、異なる使用者の眼幅を調節する。
【００１０】
別の実施形態では、ディスプレイを照明する光源も使用し得る。１つの可能な構成は、１つの広帯域光源を近似するように構成された、光の波長範囲が狭い個々の光源を含み得る。
【００１１】
上記では、以下の本発明の詳細な説明をよりよく理解し得るように、本発明の特徴および技術的な利点をかなり広く概説した。以下、本発明の特許請求の範囲の主題を形成する本発明の追加の特徴および利点を説明する。ここで開示される概念および特定の実施形態は、本発明の同じ目的を達成するために改変し、また他の構造を設計する基礎として容易に用いることができることを理解されたい。このような均等構造は、添付の特許請求の範囲に記載される本発明から逸脱するものではないことも理解されたい。本発明の編成および動作方法に関して本発明を特徴づけると考えられる新規な特徴は、さらなる目的および利点と合わせて、以下の説明を添付の図と併せ読むとよりよく理解されよう。ただし、各図は例示および説明のためにのみ提供されるものであり、本発明の制限を定義するためのものではないことを明確に理解されたい。
【００１２】
本発明をより完全に理解するために、次に、添付の図面と共に以下の説明を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１に、本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウント・デバイス（ｈｅａｄｍｏｕｎｔｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ）１００の上面図を示す。デバイス１００内の副像生成部（ｓｕｂ−ｉｍａｇｅ  ｃｒｅａｔｉｏｎ  ｓｅｃｔｉｏｎ）１０１は、１つの像源から複数の副光路に複数の副像を生成して送る。ディスプレイ１１０は、データの視覚的像を表示するように動作可能な任意の適切な機器またはスクリーン、例えば液晶表示（ＬＣＤ）スクリーンとし得る。ディスプレイ１１０はディスプレイ軸１１１に沿って位置し、図に示す実施形態では、ディスプレイ軸１１１は、ディスプレイ１１０のスクリーンに垂直であり、使用者の顔面１７０に直交する。ディスプレイ１１０は、光路１１２に沿ってディスプレイ像を投影するように設計される。部分１０１の構成では、光路１１２は、ディスプレイ軸１１１に沿って延びる。ディスプレイ・レンズ１１５は、光路１１２に沿って、かつ光路１１２に直交して配置され、ディスプレイ・レンズ焦点１２４を有する。ディスプレイ・レンズ焦点１２４は光路１１２上にあり、部分１０１は、ディスプレイ・レンズ焦点１２４がスプリッタ１２０内にあるように配置される。表示像が分割される前に、それを焦点合わせすることによって、副像生成部１０１の分割ボリュームをかなり小さくし得る。分割ボリュームが小さいと、実施形態において小型軽量の分割要素を使用することができ、ＨＭＤの設計に、像質を改善し、使用者によって観察される像のサイズを大きくし得る有利な構成および追加の光学要素を含めることができる。図１の実施形態は、ディスプレイ１１０が発する（または、それから反射する）（ほぼ）コリメートされた光によって像が生成されるように構成され、そのため、スプリッタ１２０は、ディスプレイ・レンズ焦点１２４の近傍に配置される。ただし、実施形態はこの構成に限定されるものではない。というのは、スプリッタ１２０は、焦点合わせされる像に最も適切な位置に配置すべきだからである。例えば、ディスプレイ１１０が、非コリメート光を発し、伝達し、また反射する場合、ディスプレイ像は、ディスプレイ・レンズ焦点１２４ではない「点」に焦点合わせされ、いくつかの実施形態では、この焦点区域の近傍の位置にスプリッタ１２０を配置することになる。
【００１４】
部分１０１の構成を用いる実施形態では、スプリッタ１２０は、部分反射表面１２１および完全反射表面１２２で構成された非対称Ｖ字ミラー・スプリッタである。表面１２１と１２２の近接度は、スプリッタ１２０のサイズおよび部分１０１により生成されるようになされたスプリッタ・ボリュームの減少量によって決まる。部分１０１はさらに、表面１２１と表面１２２が共通の縁部を共有するように構成され、ディスプレイ軸１１１について非対称になるように構成される。そのため、部分１０１は、ディスプレイ１１０のディスプレイ像を２つの別々のディスプレイ副像（ｄｉｓｐｌａｙ  ｓｕｂ−ｉｍａｇｅ）に分割することができる。副像という用語は、本発明の様々な実施形態によって生成されるディスプレイの複数の像を記述するのに用いる。図１の副像は、ディスプレイのすべての情報を含むが、いくつかの実施形態で用いる副像は、像の一部しか含まないことがある。
【００１５】
部分反射表面１２１に当たった後で、ディスプレイ像の一部は、左眼副光路１４０に沿って反射され、左眼副像になる。ディスプレイ像の、部分反射表面１２１によって反射されない部分は通過し、完全反射表面１２２に当たって右眼副像になり、右眼副光路１３０に沿って反射する。その結果、反対方向に進み、同じ像情報を含む同じ左眼副像および右眼副像が得られる。
【００１６】
左眼副像は、副光路１４０をたどり、使用者の左眼１４６に導かれる。副光路１４０に沿って左眼反射体１４２が配置される。左眼反射体１４２は、左眼副光路１４０を９０°方向変更して左接眼光学系１４５に入るように配置された完全反射表面である。右眼副像は、副光路１３０をたどり、使用者の右眼１３６に導かれる。副光路１３０に沿って右眼反射体１３２が配置される。右眼反射体１３２は、右眼副光路１３０を９０°方向変更して右接眼光学系１３５に入るように配置された完全反射表面である。右接眼光学系１３５および左接眼光学系１４５は、使用者の右眼１３６によって観察される右眼副像および使用者の左眼１４６によって観察される左眼副像をそれぞれ適切に拡大するように設計された単レンズまたはいくつかのレンズの組合せとし得る。
【００１７】
接眼光学系１３５および１４５は調節可能な単レンズであるが、他の実施形態では、右眼１３６および左眼１４６によってそれぞれ観察される右眼副像および左眼副像を適切に焦点合わせする複数のレンズまたは他の任意の構成を使用し得る。さらに、デバイス１００の反射体１４２、１３２をミラーとして示すが、実施形態は、ミラーを使用して副光路を方向変更することに限定されるものではない。そうではなくて、プリズム、部分反射表面、偏光ビーム・スプリッタその他の任意の適切な構成を使用して、副光路を方向変更することができる。
【００１８】
デバイス１００は、光学要素を同期して動かすことによって、異なる使用者の様々なＩＰＤに対する調節を行うこともできる。右接眼光学系１３５および左接眼光学系１４５は、部分１０１が動き１５５によってシフトするときに、動き１５２および１５１によってそれぞれシフトすることができ、それによってＩＰＤ  １５０ａおよびＩＰＤ  １５０ｂが得られる。ＩＰＤ距離１５０ａがＩＰＤ  １５０ｂに変化するとき、部分１０１は同時に、動き１５５において顔面１７０に向かって（図１では下向きに）シフトする。ＩＰＤ  １５０ｂが１５０ａに変化するとき、部分１０１は同時に、面１７０から離れるように（図１では上向きに）シフトする。これらの同期した動きにより、デバイス１００は、表面１２１、１２２と接眼光学系１３５、１４５の間の副路１３０および１４０に沿った距離をそれぞれ一定に保ちながら、ＩＰＤ  １５０ａと１５０ｂの範囲全体に対応するように調節することができる。デバイス１００は、左接眼光学系１４５の動き１５３および右接眼光学系１３５の動き１５４の追加の調節によってジオプタを補正することもできる。
【００１９】
図２は、本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウントデバイス２００の斜視図である。ヘッド・マウント・デバイス２００は、図１に関連して説明した部分１０１を含む。部分１０１は、ディスプレイ１１０のディスプレイ像を、左眼副光路（ｌｅｆｔ−ｅｙｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｕｂ−ｐａｔｈ）１４０に沿って進む左眼副像および右眼副光路１３０に沿って進む右眼副像に分割するように動作する。デバイス２００では、左眼トランジション・オプティクス２４３は、左眼副像を調節するように左眼副光路１４０に沿って配置され、左眼副像は、左眼反射体１４２によって反射されて左眼拡散器２４４に至る。左眼副像は左眼拡散器２４４に当たり、拡散器表面にディスプレイの実像が生成される。次いで、左接眼複合光学系２４５は、左眼１４６に対してこの実像を適切に拡大する。
【００２０】
図２に示す実施形態の説明では、拡散器を使用してその上に実像を投影し、それによって像を形成する。開口数が小さいトランジション・オプティクスは、拡散器表面に実像を投影し、開口数が大きい接眼光学系は、この像を使用者の眼に伝達する。ただし、マイクロレンズ・アレイ、回折格子その他の回折表面を含めて、任意の適切な手段を使用し得る。本発明の目的では、本発明の実施形態を説明するのに用いる「拡散器」（ｄｉｆｆｕｓｅｒ）は、入射角倍率密度（ｉｎｃｉｄｅｎｔ  ａｎｇｕｌａｒ  ｐｏｗｅｒ  ｄｅｎｓｉｔｙ）を適切な出射角倍率密度に変換するのに用いるすべての手段を指すことを理解されたい。
【００２１】
図２では、右眼副像は、右眼副光路（ｒｉｇｈｔ−ｅｙｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｕｂ−ｐａｔｈ）１３０をたどり、右眼トランジション・オプティクス２３３に入る。右眼トランジション・オプティクス２３３は、右眼ディスプレイ副像を適切に調節して右眼反射体１３２によって反射させ、右眼拡散器２３４に向ける。右眼副像は右眼拡散器２３４に当たり、実像が生成される。この実像は、右眼１３６用の右接眼複合光学系２３５によって適切に調節される。デバイス２００は、左眼複合光学系２４５の動き２５３および右眼複合光学系２３５の動き２５４によってジオプタを補正することができる。
【００２２】
デバイス２００では、複数の同期した動きによってＩＰＤを調節することも可能である。ＩＰＤ  １５０は、動き２５１によって左眼複合光学系２３４を右にシフトし、動き２５２によって右眼複合光学系２３５を左にシフトすることによって短くすることができる。図２の実施形態では、副光路１４０の区間２４０はトランジション・オプティクス２４３と拡散器２４４の間にあり、副光路１３０の区間２３０は、トランジション・オプティクス２３３と拡散器２３４の間にある。そのため、複合光学系２３５および２４５が動き２５２および２５１でシフトして距離１５０が短くなるときに、中心部分２０１は、顔面１７０から離れるようにシフトすべきである。図２の実施形態では、同期した動きの結果、ＩＰＤが調節される１つの組合せを説明するが、本発明の実施形態は、図２の同期した動きに限定されるものではない。
【００２３】
図３に、本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウントデバイスの斜視図を示す。ヘッド・マウントデバイス３００は、図１に関連して説明した部分１０１を含む。部分１０１は、ディスプレイ１１０のディスプレイ像を、左眼副光路１４０に沿って進む左眼副像および右眼副光路１３０に沿って進む右眼副像に分割する。図３に示す実施形態では、左眼ディスプレイ副像は左眼副光路１４０をたどり、左眼実像反射体３４２を透過して左眼反射性拡散器３４３に当たり、それによって実像が生成される。この実像は次いで、左眼実像反射体３４２によって反射され、左接眼光学系１４５に入る。左接眼光学系１４５は、反射された実像を左眼１４６に対して適切に調節する。右眼ディスプレイ副像は右眼副光路１３０をたどり、右眼実像反射体３３２を透過して右眼反射性拡散器３３３に当たり、それによって実像が生成される。この実像は、右眼実像反射体３３２によって反射され、右接眼光学系１３５に入る。右接眼光学系１３５は、反射された実像を右眼１３６に対して適切に調節する。
【００２４】
図３に示す実施形態は、反射性拡散器を使用してその上に実像を形成するものとして説明するが、本発明は、１つのタイプの拡散器を使用することに限定されるものではない。そうではなく、実施形態では、上記で説明した任意の適切な拡散器を使用し得る。これらの拡散器は、球形、平面、または非球面など、任意の適切な形状とし得る。
【００２５】
図３に示す実施形態は、左接眼光学系１４５の動き１５３および右接眼光学系１３５の動き１５４によってジオプタを補正することも可能である。左眼実像反射体３４２および左接眼光学系１４５は合わせて左眼接眼３６０を構成する。右眼実像反射体３３２および右接眼光学系１３５は合わせて右眼接眼３６１を構成する。
【００２６】
デバイス３００では、複数の同時動作によってＩＰＤを調節することができる。図３の実施形態では、左接眼３６０および右接眼３６１をそれぞれ動き３５１および動き３５２によって同時に動かして、正しいＩＰＤを設定する。同時に、左接眼光学系１４５の動き１５３および右接眼光学系１３５の動き１５４は、接眼光学系１４５、１３５と反射性拡散器３４３、３３３の間の光路長を維持するためのものである。
【００２７】
デバイス３００では、左眼実像反射体３４２および右眼実像反射体３３２は部分反射表面であるが、実施形態は、図に示す構成に限定されるものではない。そうではなく、実施形態は、接眼光学系１３５および１４５に光をそれぞれ適切に反射し、光路１３０、１４０からの光を反射性拡散器３３３、３４３に向かってそれぞれ適切に透過させるプリズムまたは偏光ビーム・スプリッタを使用するものなど、任意の構成に容易に適合させることができる。
【００２８】
図４Ａおよび図４Ｂに、本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウントデバイス４００の斜視図を示す。ヘッド・マウントデバイス４００は、直角副像生成部（ｒｉｇｈｔ  ａｎｇｌｅ  ｓｕｂ−ｉｍａｇｅ  ｃｒｅａｔｉｏｎ  ｓｅｃｔｉｏｎ）４０１を使用して、１つの像源から複数のディスプレイ副像を生成する。図１〜図３に示す部分１０１と同様に、部分４０１は、ディスプレイ１１０のディスプレイ像を、左眼副光路１４０に沿って進む左眼副像および右眼副光路１３０に沿って進む右眼副像に分割する。部分４０１では、ディスプレイ１１０およびディスプレイ光学系１１５は、図１〜図３の部分１０１から９０°回転している。ディスプレイ１１０は、光路１１２に沿ってディスプレイ像を投影し、そこでディスプレイ像は、ディスプレイ光学系１１５によって焦点合わせされる。次いで、ディスプレイ像は、ディスプレイ反射体４１６に当たり、ディスプレイ反射体４１６は光路１１２を９０°方向変更する。反射体４１６によって、焦点合わせしたディスプレイ像はスプリッタ１２０に方向づけられる。反射体４１６で光路を方向変更することによって、部分４０１の総体積は減少する。この体積は、追加の類似の反射体を追加することによってさらに小さくすることができる。部分４０１では、スプリッタ１２０は、部分反射表面１２１および完全反射表面１２２がディスプレイ軸１１１に平行になり、ディスプレイ光学系１１５の反射焦点４２４がスプリッタ１２０の内部にあるように構成される。ディスプレイ像の一部は、左眼ディスプレイ副像として部分反射表面１２１によって反射され、左眼副光路１４０をたどって、左眼反射体１４２に当たる。ディスプレイ像の、部分反射表面１２１によって反射されない部分は、右眼副像として完全反射表面１２２によって反射され、右眼副光路１３０に沿って右眼反射体１３２に当たる。
【００２９】
デバイス４００は、図２のデバイス２００と類似のやり方で「実」像を用いる。デバイス４００では、左眼ディスプレイ副像は反射されて左眼拡散器２４３に至り、そこで実像が形成される。この実像は次いで、左眼１４６によって観察される左眼副像を適切に焦点合わせするように設計された左接眼光学系１４５によって左眼１４６に伝達される。右眼ディスプレイ副像は反射されて右眼拡散器２３４に至り、そこで実像が形成される。この実像は、右眼１３６によって観察される右眼副像を適切に焦点合わせするように設計された右接眼光学系１３５によって右眼１３６に伝達される。デバイス４００は、左接眼光学系１４５の動き１５３および右接眼光学系１３５の動き１５４によってジオプタを補正することができる。
【００３０】
図４Ｂに、デバイス４００のＩＰＤ補正能力を示す。この実施形態では、完全反射表面１２２および部分反射表面１２１は、スプリッタ軸４２３の周りで、かつ相互に回転可能である。完全反射表面１２２が軸４２３の周りで時計回りに回転し、部分反射表面１２１が反時計回りに回転すると、右眼副光路１３０および左眼副光路１４０は面から外れ、互いに１８０°ではなくなる。右眼副光路１３０および左眼副光路１４０がある角度シータ（θ）およびシータ・ダッシュ（θ’）偏向すると、その結果、デバイス４００によりＩＰＤ  ４５０が調節される。接眼４６０および４６１は、表面１２１、１２２の回転と同時に内向きに回転する。接眼４６０は反時計回りに回転して副路１４０の下向き偏向に従い、接眼４６１は時計回りに回転して副路１３０の下向き偏向に従う。これらが同時に回転する結果、ＩＰＤ  ４５０が調節される。
【００３１】
図５Ａおよび図５Ｂに、本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウント・ディスプレイ５００の斜視図を示す。ヘッド・マウントデバイス５００では、この場合も、部分１０１を使用して、ディスプレイ１１０のディスプレイ像を、左眼副光路１４０に沿って進む左眼副像および右眼副光路１３０に沿って進む右眼副像に分割する。ディスプレイ５００では、左眼ディスプレイ副像は、左眼反射体１４２に当たり、それによって左眼副光路１４０が９０°方向変更される。次いで、左眼ディスプレイ副像は、第２の左眼反射体５４３に当たり、それによって、この場合も、左眼副光路１４０は９０°方向変更される。左眼反射体１４２および第２左眼反射体５４３は、共通の左眼反射体軸５４１に沿って配置される。左眼ディスプレイ副像は、第２左眼反射体５４３によって反射された後で、第３の左眼反射体５４４によって反射され、左眼拡散器２４３に方向変更される。
【００３２】
同様に、右眼ディスプレイ副像は、右眼反射体１３２に当たり、それによって右眼副光路１３０が９０°方向変更される。次いで、右眼ディスプレイ副像は、第２の右眼反射体５３３に当たり、それによって、この場合も、右眼副光路１３０は９０°方向変更される。右眼反射体１３２および第２右眼反射体５３３は、共通の右眼反射体軸５３１に沿って配置される。右眼ディスプレイ副像は、第２右眼反射体５３３によって反射された後で、第３の右眼反射体５３４によって反射され、右眼拡散器２３３に方向変更される。
【００３３】
左眼拡散器２４３上で生成された実像は、左接眼光学系１４５によって左眼１４６に伝達される。左接眼５６０は、第２左眼反射体５４３、第３左眼反射体５４４、左眼拡散器２４３、および左眼接眼光学系１４５が合わさって構成される。右眼拡散器２３３上で生成された実像は、右接眼光学系１３５によって右眼１３６に伝達される。右接眼５６１は、第２右眼反射体５３３、第３右眼反射体５３４、右眼拡散器２３３、および右眼接眼光学系１３５が合わさって構成される。デバイス５００は、左接眼光学系１４５の動き１５３および右接眼光学系１３５の動き１５４によってジオプタを補正することができる。
【００３４】
デバイス５００は、図５Ｂに示すようにＩＰＤ  １５０を調節することができる。デバイス５００では、左接眼５６０は、軸５４１の周りで左眼反射体１４２に関して回転可能である。左接眼５６０が左眼反射体軸５４１の周りで反時計回りに回転すると、副光路１４０は、その前の経路からある角度ファイ（φ）だけ偏向する。同様に、右接眼５６１は、軸５３１の周りで右眼反射体１３２に関して回転可能である。右接眼５６１が右眼反射体軸５３１の周りで時計回りに回転すると、副光路１３０は、その前の経路からある角度ファイ・ダッシュ（φ’）だけ偏向する。これらの偏向の結果、左接眼５６０および右接眼５６１は、調節されたＩＰＤ  ５５０に対して使用者の顔の面内で回転する。
【００３５】
図６に、本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウントデバイスの一部の上面図を示す。図１〜図５には、副像生成部１０１および４０１を使用する実施形態を示したが、実施形態はこれらの構成に限定されるものではない。図６では、副像生成部６００は、ディスプレイ軸１１１に垂直に配置されたディスプレイ１１０を含む。ディスプレイ１１０は、光路１１２に沿ってディスプレイ像を投影する。次いで、レンズ焦点１２４を有するディスプレイ・レンズ１１５によってディスプレイ像を焦点合わせし得る。スプリッタ６２０は、共通の縁部を共有し、かつディスプレイ軸１１１について対称に配置された右完全反射表面６２２および左完全反射表面６２１で構成される対称Ｖ字ミラー・スプリッタである。図６は、完全反射表面を用いて示し説明したが、このような構成は、偏光ビーム・スプリッタまたは部分反射表面を使用することにも容易に適合し得る。部分６０１の構成により、ディスプレイ１１０によって投影されたディスプレイ像が得られ、このディスプレイ像は、ディスプレイ・レンズ１１５によって焦点合わせされ、２つのディスプレイ副像に分割され、一方は、右眼副光路１３０に沿って反射され、もう一方は、左眼副光路１４０に沿って反射される。
【００３６】
コリメートされた（またはほぼコリメートされた）光を使用して、本発明の様々な実施形態をさらに最適化することができる。（概ね）コリメート光を生成し、コリメート光を反射し、また、コリメート光によって照明されるディスプレイにより、像質を改善し、デバイス構成を簡略化することができる。コリメート光を生成し、そのコリメート光を異なる態様のＨＭＤに提供する多数の方法があり、実施形態はそのいずれにも限定されるものではない。
【００３７】
図７に、本発明に従って構成されたヘッド・マウントデバイスの一部の上面図を示す。副像生成部７００では、ディスプレイ１１０は、ディスプレイ軸１１１に垂直に配置される。ディスプレイ・レンズ１１５は、ディスプレイ１１０とスプリッタ６２０の間に挿入される。スプリッタ６２０は、完全反射表面６２１および完全反射表面７２２を備えた対称Ｖ字ミラー・スプリッタとして構成される。レンズ１１５の焦点１２４は、スプリッタ６２０の近傍にある。ディスプレイ１１０は、光源７０８および７０９によって照明される。これらの光源からの光は、偏光スプリッタ、または部分反射ミラー、あるいは他の適切な反射体とし得る光源反射体７０７によって反射される。光源７０８および７０９は、ディスプレイ軸１１１に隣接して、かつ反射焦点１２４Ｒを含む面内に配置される。光源７０８およびディスプレイ１１０によって生成された副像は、レンズ１１５によって焦点合わせされ、スプリッタ６２０の反射表面７２２に入射する。ディスプレイ１１０が光源７０９によって照明されると、別のディスプレイ副像が生成され、レンズ１１５によって焦点合わせされる。光源７０９は反射焦点１２４Ｒの下に位置決めされているので、光源７０９およびディスプレイ１１０によって生成された副像は、レンズ１１５によって焦点合わせされ、スプリッタ６２０の反射表面６２１に入射する。
【００３８】
図７の実施形態では、２つの完全かつ独立したディスプレイ１１０の像（この場合も副像と称する）が生成され、各副像は、ディスプレイ１１０の完全な像である。図７の実施形態では、スプリッタ６２０は、副像が生成されるように１つの像を分割しないが、ディスプレイの反射の角度空間を分割し、そのため、生成された像が独立に別々の経路に沿って方向変更される。
【００３９】
図８に、副像生成部１０１を使用する本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウントデバイス８００の一部の上面図を示す。青色光源８０１は、光源光路８０６に沿って、好ましくは、ディスプレイ光学系１１５の反射焦点１２４Ｒの位置に、またはその近傍に配置される。青色光源８０１は、日亜ＮＳＣｘ１００シリーズの発光ダイオード（ＬＥＤ）など、青色光を生成し得る任意の光源とし得る。青色光源８０１からの光は、光路に対して適切な角度で配置され、青色光を透過させ、緑色光を反射するように選択された第１の色フィルタ８０４を透過する。緑色光源８０２は、光源光路８０６に隣接して配置され、緑色光源８０２が青色光源８０１と同じ場所に置かれたかのように第１色フィルタ８０４から光が反射するように配置される。青色光および反射した緑色光は、光源光路８０６をたどり、光源光路８０６に対して適切な角度で配置された第２の色フィルタ８０５を透過する。
【００４０】
第２色フィルタ８０５は、青色および緑色の光を透過させるが、赤色光を反射するように選択される。赤色光源８０３は、光源光路８０６に隣接して配置され、赤色光源８０３が青色光源８０１と同じ場所に置かれたかのように第２色フィルタ８０５から光が反射するように配置される。次いで、青色光、反射した緑色光、および反射した赤色光は、光源光路８０６をたどり、光源光反射体８０７によって反射される。図に示す実施形態では、光源光反射体８０７は、ディスプレイ軸１１１の周りで、かつ光路１１２に沿って配置された偏光反射体とし得る。青、緑、および赤の合成光は偏光になり、光源光反射体８０７から反射され、ディスプレイ光学系１１５を通過する。図に示す実施形態では、ディスプレイ光学系１１５は、焦点１２４（および反射焦点１２４Ｒ）を有するように選択したレンズである。ディスプレイ光学系１１５を通過すると、青、緑、および赤の合成光はコリメートされ、ディスプレイ１１０を照明する。図８では、単一方向からディスプレイ１１０を照明するところを示すが、実施形態は単一方向に限定されるものではない。そうではなく、図８の照明系は、図７の場合と同様に複数方向照明に容易に適合し得る。
【００４１】
本発明の実施形態は、焦点合わせ光学系の焦点の近傍に像スプリッタを配置する構成に限定されない。そうではなく、本発明の実施形態では、小さな領域で焦点合わせされたディスプレイ像を分割するように像スプリッタを位置決めすることによって、様々な応用例の分割ボリュームを小さくすることができる。
【００４２】
図９に、本発明の実施形態によって生成された小さくなった分割ボリュームを示す。図９では、ディスプレイ１１０が照明され、それによってディスプレイ像が生成される。このディスプレイ像は、ディスプレイ軸１１１に沿って配置された光路１１２に沿って伝播する。ディスプレイ・レンズ焦点１２４ａを有するディスプレイ・レンズ１１５は、分割ボリュームが小さくなるようにこのディスプレイ像を焦点合わせする。分割ボリュームが最小になる点は、ディスプレイを照明する光によって決まる。
【００４３】
ディスプレイ１１０が、反射ディスプレイ・レンズ焦点９２４ａのところに位置決めされた光源９０８ａによって照明されると、ディスプレイ・レンズ１１５は、光源反射体７０７から反射された光をコリメートすることになる。その結果、ディスプレイ・レンズ１１５によって、ほぼディスプレイ・レンズ焦点１２４ａに焦点合わせされるディスプレイ像が得られる。ディスプレイ１１０が、ディスプレイ軸１１１により近い点９２４ｂのところに位置決めされた光源９０８ｂによって照明されると、光源７０７から反射された光は、それがディスプレイ１１０に当たるときに発散することになる。そのため、ディスプレイ像は、ほぼ点１２４ｃに焦点合わせされることになる。ディスプレイ１１０が、ディスプレイ軸１１１からより離れた点９２４ｃのところに位置決めされた光源９０８ｃによって照明されると、光源反射体７０７から反射された光は、それがディスプレイ１１０に当たるときに収束することになる。そのため、ディスプレイ像は、ほぼ点１２４ｂに焦点合わせされることになる。このように、本発明の実施形態は、いずれの点でも最も適切なところでディスプレイ像を分割するように構成することができる。
【００４４】
本発明およびその利点を詳細に説明してきたが、添付の特許請求の範囲で定義される本発明から逸脱することなく、本明細書に様々な変更、置換、および改変を加えることができることを理解されたい。さらに、本願の範囲は、本明細書で説明した工程、機械、製作、物質組成、手段、方法、およびステップの特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。この開示から容易に理解されるように、本明細書で説明した対応する実施形態と実質的に同じ機能を実施する、または実質的に同じ結果を実現する、現時点で存在する、または今後開発される工程、機械、製作、物質組成、手段、方法、またはステップを利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内にこのような工程、機械、製作、物質組成、手段、方法、またはステップを含むことを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウント・ディスプレイの上面図である。
【図２】本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウント・ディスプレイの斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウント・ディスプレイの斜視図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウント・ディスプレイの斜視図である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウント・ディスプレイの斜視図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウント・ディスプレイの斜視図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウント・ディスプレイの斜視図である。
【図６】本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウント・ディスプレイの一部の上面図である。
【図７】本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウント・ディスプレイの一部の上面図である。
【図８】本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウント・ディスプレイの一部の上面図である。
【図９】本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウント・ディスプレイの一部の上面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図８】
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【図７】
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【図９】
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【国際調査報告】
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