(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘッドウェアラブルディスプレイのためのアイピースであって、
目対向側および世界対向側を有し、表示領域から離れて位置する入力領域において受光されたディスプレイ光を案内し、前記表示領域において目方向に沿って前記ディスプレイ光を放つための湾曲した光導波路要素と、
前記ディスプレイ光の方向を前記目方向に向けて変更して前記ディスプレイ光を前記湾曲した光導波路要素から出力するように前記表示領域に配設され、前記表示領域がシースルーになるように前記世界対向側を通って入射する周囲光に対して少なくとも部分的に透光性を有する出力カプラと、
前記湾曲した光導波路要素の前記世界対向側と結合された、湾曲したシースルー要素と、
前記湾曲した光導波路要素の前記目対向側に結合された第１の側と、前記表示領域において前記アイピースから出る前記周囲光および前記ディスプレイ光の双方に処方レンズ効果を導入する曲率を有する第２の側とを有する処方層と、
を備え、
前記出力カプラは、前記湾曲したシースルー要素と前記湾曲した光導波路要素との間に配設され、
前記湾曲したシースルー要素の世界対向側は、前記周囲光に生じる前記湾曲した光導波路要素の前記目対向側の曲率の光パワーを相殺する、アイピース。
【請求項２】
前記処方層と前記湾曲した光導波路要素との間に配設された第１の接着剤層をさらに備え、前記第１の接着剤層は、前記ディスプレイ光が前記第１の接着剤層と前記湾曲した光導波路要素との間の界面に沿って前記入力領域から前記表示領域へ内部全反射（ＴＩＲ）によって案内されるように、前記湾曲した光導波路要素の第２の屈折率よりも低い第１の屈折率を有する、請求項１に記載のアイピース。
【請求項３】
前記湾曲した光導波路要素と前記湾曲したシースルー要素との間に配設され、前記第２の屈折率よりも低い前記第１の屈折率を有する第２の接着剤層をさらに備え、
前記ディスプレイ光は、前記入力領域と前記出力カプラとの間で全体的にＴＩＲによって案内される、請求項２に記載のアイピース。
【請求項４】
前記処方層と前記湾曲した光導波路要素との間の第１の界面に沿って前記入力領域から前記表示領域に前記ディスプレイ光を案内するように、前記処方層の前記第１の側と前記湾曲した光導波路要素の前記目対向側との間に配設された第１の角度選択コーティングと、
前記湾曲した光導波路要素の前記世界対向側と前記湾曲したシースルー要素との間の第２の界面に沿って前記入力領域から前記表示領域に前記ディスプレイ光を案内するように、前記第２の界面に沿って配設された第２の角度選択コーティングと、
をさらに備える、請求項１に記載のアイピース。
【請求項５】
前記湾曲した光導波路要素の第２の屈折率は、前記湾曲したシースルー要素の第３の屈折率に実質的に等しい、請求項１〜４のいずれかに記載のアイピース。
【請求項６】
前記湾曲した光導波路要素と前記湾曲したシースルー要素とを組み合わせることによって、光学パワーを前記アイピースの前記表示領域を透過する周囲光に導入しない一方で、前記処方層は前記処方レンズ効果を前記表示領域を透過する前記周囲光に導入する、請求項５に記載のアイピース。
【請求項７】
前記湾曲したシースルー要素は薄肉部および厚肉部を有し、前記湾曲した光導波路要素は薄肉部および厚肉部を有し、前記湾曲したシースルー要素の前記薄肉部は前記湾曲した光導波路要素の前記厚肉部に一致して結合し、前記湾曲した光導波路要素の前記薄肉部は前記湾曲したシースルー要素の前記厚肉部に一致して結合し、前記出力カプラは、前記湾曲したシースルー要素と前記湾曲した光導波路要素との間の界面において前記厚肉部から前記薄肉部への遷移部に配設されている、請求項１〜６のいずれかに記載のアイピース。
【請求項８】
前記湾曲したシースルー要素は薄肉部および厚肉部を有し、前記湾曲したシースルー要素の前記薄肉部は前記湾曲した光導波路要素の前記世界対向側に一致して結合し、前記出力カプラは前記湾曲したシースルー要素と前記湾曲した光導波路要素との間の界面において前記厚肉部から前記薄肉部への遷移表面に沿って配設され、前記遷移表面の一方の側に沿って延びている継ぎ目は、前記処方層の前記第１の側上に位置する、請求項１〜６のいずれかに記載のアイピース。
【請求項９】
前記出力カプラは、自由形状部分反射面、回折格子、プリズム構造の配列、ホログラム、または複数の部分反射ミラー部分のうちの１つを含む、請求項１〜８のいずれかに記載のアイピース。
【請求項１０】
前記ディスプレイ光を前記湾曲した光導波路要素に結合するように、前記湾曲した光導波路要素の前記入力領域に配設された入力カプラをさらに備える、請求項１〜９のいずれかに記載のアイピース。
【請求項１１】
ヘッドウェアラブルディスプレイであって、
周辺位置においてディスプレイ光を生成するディスプレイソースと、
アイピースとを備え、前記アイピースは、
目対向側および世界対向側を有し、表示領域から離れて位置する入力領域において受光された前記ディスプレイ光を案内し、前記表示領域において目方向に沿って前記ディスプレイ光を放つための湾曲した光導波路要素と、
前記ディスプレイ光の方向を前記目方向に向けて変更して前記ディスプレイ光を前記湾曲した光導波路要素から出力するように前記表示領域に配設され、前記表示領域がシースルーになるように前記世界対向側を通って入射する周囲光に対して少なくとも部分的に透光性を有する出力カプラと、
前記湾曲した光導波路要素の前記世界対向側に結合された湾曲したシースルー要素と、
前記湾曲した光導波路要素の前記目対向側に結合される第１の側と、前記表示領域において前記アイピースから出る前記周囲光および前記ディスプレイ光の双方に処方レンズ効果を導入する曲率を有する第２の側とを有する処方層と、
を含み、前記ヘッドウェアラブルディスプレイはさらに、
前記表示領域がユーザの目の前方に位置する状態で前記ユーザの頭に装着するために、
前記アイピースおよび前記ディスプレイソースを支持するフレームアセンブリを備え、
前記出力カプラは、前記湾曲したシースルー要素と前記湾曲した光導波路要素との間に配設され、
前記湾曲したシースルー要素の世界対向側は、前記周囲光に生じる前記湾曲した光導波路要素の前記目対向側の曲率の光パワーを相殺する、ヘッドウェアラブルディスプレイ。
【請求項１２】
前記アイピースは、前記処方層と前記湾曲した光導波路要素との間に配設された第１の接着剤層をさらに含み、前記第１の接着剤層は、前記第１の接着剤層と前記湾曲した光導波路要素との間の界面に沿って前記入力領域から前記表示領域へ内部全反射（ＴＩＲ）によって前記ディスプレイ光が案内されるように、前記湾曲した光導波路要素の第２の屈折率よりも低い第１の屈折率を有する、請求項１１に記載のヘッドウェアラブルディスプレイ。
【請求項１３】
前記アイピースは、前記湾曲した光導波路要素と前記湾曲したシースルー要素との間に配設され、前記第２の屈折率よりも低い前記第１の屈折率を有する第２の接着剤層をさらに含み、
前記ディスプレイ光は、前記入力領域と前記出力カプラとの間で全体的にＴＩＲによって案内される、請求項１２に記載のヘッドウェアラブルディスプレイ。
【請求項１４】
前記アイピースはさらに、
前記処方層と前記湾曲した光導波路要素との間の第１の界面に沿って前記入力領域から前記表示領域に前記ディスプレイ光を案内するように、前記処方層の前記第１の側と前記湾曲した光導波路要素の前記目対向側との間に配設された第１の角度選択コーティングと、
前記湾曲した光導波路要素の前記世界対向側と前記湾曲したシースルー要素との間の第２の界面に沿って前記入力領域から前記表示領域に前記ディスプレイ光を案内するように、前記第２の界面に沿って配設された第２の角度選択コーティングと、
を備える、請求項１１に記載のヘッドウェアラブルディスプレイ。
【請求項１５】
前記湾曲した光導波路要素と前記湾曲したシースルー要素とを組み合わせることによって、光学パワーを前記アイピースの前記表示領域を透過する周囲光に導入しない一方で、前記処方層は前記処方レンズ効果を前記表示領域を透過する前記周囲光に導入する、請求項１１〜１４のいずれかに記載のヘッドウェアラブルディスプレイ。
【請求項１６】
前記湾曲したシースルー要素は薄肉部および厚肉部を有し、前記湾曲した光導波路要素は薄肉部および厚肉部を有し、前記湾曲したシースルー要素の前記薄肉部は前記湾曲した光導波路要素の前記厚肉部に一致して結合し、前記湾曲した光導波路要素の前記薄肉部は前記湾曲したシースルー要素の前記厚肉部に一致して結合し、前記出力カプラは前記湾曲したシースルー要素と前記湾曲した光導波路要素との間の界面において前記厚肉部から前記薄肉部への遷移部に配設されている、請求項１１〜１５のいずれかに記載のヘッドウェアラブルディスプレイ。
【請求項１７】
前記湾曲したシースルー要素は薄肉部および厚肉部を有し、前記湾曲したシースルー要素の前記薄肉部は前記湾曲した光導波路要素の前記世界対向側に一致して結合し、前記出力カプラは前記湾曲したシースルー要素と前記湾曲した光導波路要素との間の界面において前記厚肉部から前記薄肉部への遷移表面に沿って配設され、前記遷移表面の一方の側に沿って延びている継ぎ目は、前記処方層の前記第１の側上に位置する、請求項１１〜１５のいずれかに記載のヘッドウェアラブルディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に光学分野に関し、特にヘッドウェアラブルディスプレイのためのアイピースに関するが、それらに限定されるわけではない。
【背景技術】
【０００２】
背景情報
ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、すなわちヘッドウェアラブルディスプレイは、頭または頭の周りに装着されるディスプレイ装置である。通常、ＨＭＤは、ユーザの数メートル前方に配置された拡大仮想画像を生成するように、何らかのタイプのニアアイ（near-to-eye）光学システムを組み込んでいる。単眼用ディスプレイは単眼ＨＭＤと呼ばれ、両眼用ディスプレイは両眼ＨＭＤと呼ばれる。ＨＭＤのなかには、コンピュータ生成画像（computer generated image: ＣＧＩ）のみを表示するものもあれば、ＣＧＩを実世界ビューに重ねることが可能な種類のものもある。後者のタイプのＨＭＤは、何らかの形のシースルーアイピースを含んでいることが典型的であり、拡張現実を実現するためのハードウェアプラットフォームとして機能し得る。拡張現実では、視聴者の世界のイメージがその上に重なるＣＧＩで拡張され、ヘッドアップディスプレイ（heads-up display: ＨＵＤ）とも呼ばれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＨＭＤは、実用的なアプリケーションおよびレジャーアプリケーションに応用されることが多い。航空宇宙産業への応用により、パイロットは、自身の目を飛行経路からそらすことなく、重要な飛行制御情報を見ることができる。公衆安全への応用としては、地図の計算された表示およびサーマルイメージングが挙げられる。他の応用分野としては、ビデオゲーム、交通、および電気通信が含まれる。技術が進化するにつれて、新しく実用的なアプリケーションおよびレジャーアプリケーションが発見されるのは疑いがない。しかしながら、これらの応用のうちの多くは、既存のＨＭＤを実現するために使用される従来の光学システムのコスト、サイズ、重さ、視野、および効率によって制約を受ける。ＨＭＤは、異なる処方ニーズを有するさまざまなユーザのために効果的に処方修正を組み入れることができれば、一般の人々により広く採用されであろう。
【０００４】
以下の図面を参照して説明される本発明の実施形態は限定的でも網羅的でもなく、特に指定されない限り、同様の参照符号はさまざまな図面を通して同様の部分を示す。図面は必ずしも同縮尺率ではなく、説明されている原理を説明することが強調されている。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】本開示の第１の実施形態に係る、ヘッドウェアラブルディスプレイのための処方層を含むアイピースを示す図である。
【図２】本開示の第２の実施形態に係る、ヘッドウェアラブルディスプレイのための処方層を含むアイピースを示す図である。
【図３】本開示の第３の実施形態に係る、ヘッドウェアラブルディスプレイと共に使用される１つ以上の表面上に形成される処方曲率を含むアイピースを示す図である。
【図４Ａ】本開示のある実施形態に係る、入力カプラおよび出力カプラの例を示す図である。
【図４Ｂ】本開示のある実施形態に係る、入力カプラおよび出力カプラの例を示す図である。
【図４Ｃ】本開示のある実施形態に係る、入力カプラおよび出力カプラの例を示す図である。
【図４Ｄ】本開示のある実施形態に係る、入力カプラおよび出力カプラの例を示す図である。
【図５Ａ】本開示のある実施形態に係る、シースルーアイピースを備える単眼ヘッドウェアラブルディスプレイの実例を示す図である。
【図５Ｂ】本開示のある実施形態に係る、シースルーアイピースを備える単眼ヘッドウェアラブルディスプレイの実例を示す図である。
【図６】本開示のある実施形態に係る、シースルーアイピースを備える両眼ヘッドウェアラブルディスプレイの実例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
詳細な説明
処方レンズ効果を発揮するヘッドウェアラブルディスプレイのアイピースのためのシステムおよび装置の実施形態について、ここで説明する。以下の説明では、実施形態を完全に理解できるように、数多くの特定の詳細が説明される。しかしながら、当業者であれば、ここで説明される技術は、それらの特定の詳細の１つ以上がなくても、または、他の方法、構成要素、材料などと一緒に実施可能であると理解するであろう。他の場合では、周知の構造、材料、または動作は、特定の態様を不明瞭にするのを避けるために、詳細に図示または説明されない。
【０００７】
本明細書を通じて「一実施形態」または「ある実施形態」という言及は、実施形態と関連して説明される特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書内のさまざまな場所における「一実施形態において」または「ある実施形態において」というフレーズは、必ずしも全てが同じ実施形態を言及しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は１つ以上の実施形態において任意の好適な態様で組み合わせることが可能である。
【０００８】
図１は、本開示の第１の実施形態に係る、処方レンズ効果をもたらすヘッドウェアラブルディスプレイのためのアイピース１００を示す。アイピース１００の図示された実施形態は、湾曲した光導波路要素１０５と、湾曲したシースルー要素１１０と、導光層１１５Ａおよび１１５Ｂ（まとめて１１５）と、入力カプラ１２０と、出力カプラ１２５と、処方層１３０とを備える。湾曲した光導波路要素１０５の図示された実施形態は、厚肉部１３５、薄肉部１４０、目対向側１４５、および世界対向側１５０を含む。湾曲したシースルー要素１１０の図示された実施形態は、厚肉部１５５および薄肉部１６０を含む。
【０００９】
アイピース１００は、ユーザ固有の処方レンズ効果をもたらすヘッドウェアラブルディスプレイとの使用にきわめて好適である。ヘッドウェアラブルディスプレイと一体化されると、アイピース１００は、表示領域１７５から離れて（入力カプラ１２０付近で）設けられた入力領域ディスプレイソース１７０によって生成されたディスプレイ光１６５を受光し、ユーザの目１８０に向けて表示領域１７５において目方向に沿ってディスプレイ光１６５を放つ。入力カプラ１２０と出力カプラ１２５との間では、ディスプレイ光１６５は、湾曲した光導波路要素１０５内で導光層１１５間で案内される。
【００１０】
一実施形態では、導光層１１５は、湾曲した光導波路要素１０５と、湾曲したシースルー要素１１０および処方層１３０を含む周囲の層との間でコンフォーマル接合（conformal bond）を形成する、透明接着剤層である。これらの接着剤層は、内部全反射（ＴＩＲ）を促進するように、湾曲した光導波路要素１０５の屈折率よりも低い屈折率を有する。本実施形態では、ディスプレイ光１６５は、全体的にＴＩＲによって、入力カプラ１２０から出力カプラ１２５に案内される。効率を改善してエバネッセント漏れ（evanescent leakage）を減らすために、低屈折率接着剤層は、ディスプレイ光１６５の数波長の厚さ、またはそれより大きい厚さであるべきである。一例として、湾曲した光導波路要素１０５は、１．５〜１．７の間の範囲の屈折率を有する光学グレードプラスチックで製造されてもよく、導光層１１５は、約１．３の屈折率を有してもよい。一実施形態では、導光層１１５は、イスラエルのMY Polymersによって供給されるＭＹ−１３１などの光学グレード接着剤で形成されてもよい。当然のことながら、他の光学グレード接着剤も使用可能である。
【００１１】
さらに他の実施形態では、導光層１１５は角度選択可能なコーティングを用いて製造される。角度選択コーティングは、ほぼ直角で入射するディスプレイ光１６５を実質的に透過させつつ、充分に斜角で入射するディスプレイ光１６５を実質的に反射する多層フィルム積層体を使用して、実現可能である。
【００１２】
図示された実施形態では、ディスプレイ光１６５は目対向側１４５を通して入射し、反射性入力カプラ１２０によって方向を変えられ、表示領域１７５に向けて湾曲した光導波路要素１０５の下流に向かう。しかしながら、他の実施形態では、入力カプラ１２０は省略されることがあり、湾曲した光導波路要素１０５の端面１２１は、湾曲した光導波路要素１０５へのディスプレイ光１６５を受光するための入力カプラとして動作する。この端面入力の実施形態では、ディスプレイソース１７０は端面１２１の前方に再び位置決め可能である。いくつかの実施形態では、端面１２１は、湾曲した光導波路要素１０５内に受光されるとディスプレイ光１６５にレンズ効果パワーを与える曲面（たとえば、自由形状面）でもよい。さらに他の実施形態では（以下で説明される）、入力カプラ１２０は、ディスプレイ光１６５の方向を湾曲した光導波路要素１０５内の軌道に沿って変更するさまざまな構造（たとえば、反射面、ホログラム、プリズムなど）を用いて実現可能である。この軌道によって、ＴＩＲ伝播は、表示領域１７５に向けて湾曲した光導波路要素１０５の下流に向かう。一実施形態では、入力カプラ１２０は、自由形状面を有するミラー（たとえば、シルバーコーティングまたは他の反射コーティング）である。ディスプレイ光１６５は、ＴＩＲを介して、または、導光層１１５による角度選択可能な反射を介して、入力カプラ１１５から出力カプラ１２５に全体的に案内され、ディスプレイ光１６５は、表示領域１７５において出力カプラ１２５からの最終的な反射を介して、湾曲した光導波路要素１０５から向きを変えられる。
【００１３】
出力カプラ１２５は、目方向に沿ってディスプレイ光１６５の方向を変更するさまざまな異なる構造を用いて実現可能である。たとえば、出力カプラ１２５は、自由形状面を有する部分反射器またはビームスプリッタ（たとえば、薄いシルバーコーティングまたは多層誘電体薄層など）でもよい。一実施形態では、出力カプラ１２５は、可視光に対して反射性よりも透過性を有している。たとえば、出力カプラ１２５は、１５％反射性、８５％透過性を有するように実現可能である。当然のことながら、他の反射性／透過性比も実現可能である。したがって、表示領域１７５は、表示領域１７５がシースルーになるように、世界対向面１５０を通って入射する周囲光に対して部分的に透過性を有する。
【００１４】
一実施形態では、湾曲したシースルー要素１１０は、世界対向面１８５に沿って相補的な曲率を与えるよう表示領域１７５にわたって配設されて、周囲光に生じる目対向面１４５の曲率の光パワーを相殺する。さらに、一実施形態では、湾曲したシースルー要素１１０および湾曲した光導波路要素１０５は、同じ透明材料または実質的に同じ屈折率を有する透明材料から製造される。したがって、アイピース１００は光結合器として動作し、周囲光１９０を、表示領域１７５から目方向に沿って目１８０に入るディスプレイ光１６５と組み合わせる。このように、アイピース１００は、拡張現実を目１８０に対して表示可能である。しかしながら、湾曲したシースルー要素１１０の世界対向面１８５と湾曲した光導波路要素１０５の目対向側１４５とを組み合わせた曲率は互いに補完し合い、表示領域１７５においてアイピース１００を透過する際に、周囲光１９０にレンズ効果パワーを集合的に与えることはない。
【００１５】
図１の例示された実施形態では、処方レンズ効果は、処方層１３０を介して周囲光１９０およびディスプレイ光１６５の双方に与えられる。たとえば、処方曲率は、処方層１３０の目対向側１９５内に形成される。処方曲率は、世界対向側１８５の曲率に対して指定される。処方層１３０を湾曲した光導波路要素１０５に実質的に一致する屈折率を有する材料から製造することによって、導光層１１５Ｂが配置されている、処方層１３０と湾曲した光導波路要素１０５との間の界面は、目方向に沿ってアイピース１００から出る周囲光１９０およびディスプレイ光１６５に対して、ほとんどまたは全くレンズ効果パワーを有さない。
【００１６】
したがって、ユーザ固有の処方は、湾曲した光導波路要素１０５および湾曲したシースルー要素１１０が全てのユーザにわたって一般的である状態で、処方層１３０だけを変更または修正することによって設けることができる。この技術によって、処方層１３０のみについて比較的少ない最小在庫単位を維持しつつ、多様な処方の製造が可能になる。たとえば、−４ジオプター〜＋４ジオプターの範囲の基本ジオプターに対応する、目対向側１９５内に形成された基礎曲率を各々有する、少数の異なる処方層１３０（たとえば、８層）を製造し得る。アイピース１００は、この範囲の基礎ジオプターを使用して製造および提供可能である。特定のアイピース１００を特定のユーザの処方に適合させる場合、ユーザの正確な処方が処方層１３０の目対向側１９５内にすり合わせられるように、最も適合する基礎ジオプターを有するアイピース１００が選択され、眼科研究室に送られる。
【００１７】
アイピース１００は、８ｍｍ未満の厚さを有する、薄い湾曲したアイピースとして実現可能である。一実施形態では、湾曲した光導波路要素１０５のみが、１．６４の屈折率を有する透明材料（たとえば、ＯＫＰ４ＨＴ−Ｌ、ＥＰ５０００、ポリカーボネートなど）で製造された場合に、約３．５ｍｍの厚さを有する。屈折率が高いほど、アイピースを薄く製造可能である。高屈折率材料を使用する直接の利点は、ＴＩＲが発生する角度を小さくできることである。これにより、出力カプラの角度を減少させるデザインを効果的に実現可能であり、所与の光導波路の厚さについてのアイボックスの大きさの増加、または、所与のアイボックスの大きさについての光導波路の全厚の減少につながる。アイピースに高屈折率材料を用いることによって、アイピース１００の構成要素を互いに接合するために使用される光学グレード接着剤（たとえば、導光層１１５）の屈折率の自由度が高くもできる。目対向面１４５および世界対向面１５０双方の曲率は、球面として実現可能である。集合的に、アイピース１００の曲率と薄いという性質とによって、処方レンズ効果を必要とするユーザが享受できる、望ましい工業デザインが可能になる。アイピース１００は望ましい工業デザインを有しているだけでなく、効率的でもある。なぜなら、入力カプラ１２０から出力カプラ１２５に進むディスプレイ光１６５に関する損失の大きい跳ね返りのみが、出力カプラ１２５そのものによるただ１つの方向転換だからである。これにより、出力カプラ１２５は実質的に反射性よりも透過性を有するようになり、表示領域１７５におけるアイピース１００のシースルー特性が改良される。
【００１８】
世界対向側１５０および目対向側１４５は周囲光１９０にレンズ効果パワーを与えず、目対向側１４５は表示領域１７５においてアイピース１００から出る際にレンズ効果パワーをディスプレイ光１６５に与えないが、これらの表面は、ディスプレイ光１６５が入力領域から表示領域１７５にアイピース１００の下流に案内される際に、ディスプレイ光１６５にレンズ効果パワーを与える。一実施形態では、入力カプラ１２０および出力カプラ１２５と共に世界対向側１５０および目対向側１４５は、集合的に、ディスプレイ光１６５が入力領域から表示領域１７５へアイピース１００の下流に案内される際に、ディスプレイ光１６５にレンズ効果パワーを与える。このレンズ効果パワーは、ユーザがニアアイイメージの焦点を合わせることができるように、ディスプレイ光１６５を拡大するように機能する。一実施形態では、世界対向側１５０および目対向側１４５は球面曲率を有し、端面１２１（ただし、本実施形態では、入力カプラ１２０は省略され、端面１２１は上記のように入力カプラとして動作する）および出力カプラ１２５は、自由形状面を有してもよい。湾曲した光導波路要素１０５が１．６４の屈折率を有する一実施形態では、目対向面１４５および世界対向面１５０はそれぞれ、−１１８．５ｍｍおよび−１２０ｍｍの球面半径を有する。この例では、端面１２１および出力カプラ１２５の自由形状面は、次の式によって定義される。
【００１９】
【数１】
0006774429.tif 000002
【００２０】
ここで、Ｃ２，０＝Ｘ２、Ｃ１，１＝Ｘ１Ｙ１、Ｃ０，２＝Ｙ２などである。本実施形態では、端面１２１は、式１によって定義される自由形状を有しており、係数値Ｒ＝２２．３９ｍｍ、Ｙ２＝３．１２Ｅ−０２、Ｘ３＝−１．５Ｅ−０３、ＸＹ２＝−４．６４Ｅ−０３、およびＹ４＝−６．５Ｅ−０４である。本実施形態では、出力カプラ１２５は式１で定義される自由形状を有し、係数値Ｒ＝−５７．１３５ｍｍ、Ｙ２＝９．２Ｅ−０４、Ｘ３＝７．９６Ｅ−０５、ＸＹ２＝７．１４Ｅ−０５、および相対傾斜は３２度である。当然のことながら、他の曲率、自由形状の式、係数項、ならびに／または値および寸法も実現可能である。
【００２１】
図示された実施形態では、湾曲した光導波路要素１０５は厚肉部１３５および薄肉部１４０を含み、湾曲したシースルー要素１１０は厚肉部１５５および薄肉部１６０を含む。出力カプラ１２５は、厚肉部と薄肉部との間の遷移部に沿って配設される。この構成によって、アイピース１００はアイピース全体にわたって目に見える継ぎ目を有さないだけでなく、特に表示領域１７５において継ぎ目を有さない。
【００２２】
一実施形態では、湾曲した光導波路要素１０５および湾曲したシースルー要素１１０は、光学グレードプラスチックを用いて射出成型技術を使用して製造される。構成要素が屈折率光学グレード接着剤（たとえば、導光層１１５）を使用して互いに結合されると、これらの２つの構成要素は、外面上で最終的な厚さおよび正確な曲率を得るために薄くすることができる。さまざまな研削、粉砕、ダイヤモンド旋削、またはその他の技術を使用して薄くすることができる。目対向側１９５の処方曲率は、射出成型技術を用いても得ることができ、その後に、さまざまな研削、粉砕、ダイヤモンド旋削、または他の技術が行なわれる。
【００２３】
図２は、本開示の他の実施形態に係る、ヘッドウェアラブルディスプレイと共に使用される処方層を含むアイピース２００を示す。アイピース２００は、湾曲した光導波路要素２０５が薄肉部を含まないという点を除いてアイピース１００に類似しており、同じように動作する。薄肉部を有さない湾曲した光導波路要素２０５の製造によって製造コストは減少するが、そのために、目に見える継ぎ目２１０を表示領域１７５に導入してしまうかもしれない。導光層２１５Ａおよび２１５Ｂを実現するために低屈折率の透明接着剤を使用することによって継ぎ目２１０が依然として目に見える場合があるが、継ぎ目２１０の外観は、処方層１３０、湾曲した光導波路要素２０５、および湾曲したシースルー要素１１０間の密な継ぎ目２１０を形成するように注意深く製造することによって小さくできる。
【００２４】
図３は、本開示の他の実施形態に係る、１つ以上の表面上に形成された処方曲率を含むアイピース３００を示す図である。アイピース３００は、処方層１３０が省略されて、その代わりに、処方レンズ効果が湾曲したシースルー要素３１０の世界対向３８５に直接形成されて湾曲した光導波路要素３０５の目対向側３４５内に選択肢的に形成されているという点を除いてアイピース１００と類似しており、同じように動作する。処方曲率を湾曲した光導波路要素３０５および／または湾曲したシースルー要素３１０の外面内に直接形成することによって、工業的なデザイン特性を改善することができる（たとえば、アイピース３００をより薄く保ち、より少ないサンドイッチ層で透明性を改善する、など）が、そのために、各ユーザのために、湾曲したシースルー要素３１０、および選択肢的に湾曲した光導波路要素３０５を適応させなければならない。一実施形態では、世界対向面３８５および目対向側３４５の非相補的な曲率は処方レンズ効果を発揮するが、ディスプレイ光１６５に生じる湾曲した光導波路要素３０５の表面の曲率の合計は、処方レンズ効果を発揮しない。本実施形態では、周囲光１９０は修正されるが、ディスプレイ光１６５は修正されない。そのため、この解決法は、緩やかな処方または近視の処方を有するユーザには大変適し得る。そのような場合、入力カプラ３２０、湾曲した光導波路要素３０５、および出力カプラ１２５のレンズ効果パワーが、典型的な近視のユーザが処方レンズ効果なしで焦点を合わせられる距離でディスプレイ光１６５の虚像を配置するように、選択され得る。
【００２５】
図４Ａ〜図４Ｄは、本開示の実施形態に係る、上述のアイピースデザイン（たとえば、アイピース１００、２００、または３００）と関連して使用可能な入力カプラおよび出力カプラのさまざまな代替例を示す図である。図示された例は、インカップリングおよびアウトカップリング解決法の網羅的なリストを示すように意図されたものではなく、例示的なリストにすぎない。
【００２６】
たとえば、図４Ａは、入力カプラ４１０が湾曲した光導波路要素４１５の端部内に成形された入力面として形成されている、アイピース４０５を示す図である。言い換えると、ディスプレイ光１６５は目対向面を通して入力されるのではなく、ディスプレイソース１７０に隣接した端面を通して入力される。
【００２７】
図４Ｂは、出力カプラが表示領域において世界対向面４３０に沿って配設されたプリズム構造４２５の配列として形成されている、アイピース４２０を示す図である。プリズム構造４２５は、小さな、斜めに角度を設けられた部分反射面の配列として実現可能である。図４Ｂの図示された実施形態では、複数のシースルーウェッジ４３５が各反射面の背後の湾曲した導波路要素４４０に結合されている。図示されていないが、いくつかの実施形態において、アイピース４２０は、入力領域において入力カプラとしてプリズム構造の配列をさらに備え得る。
【００２８】
図４Ｃは、出力カプラが表示領域において世界対向面４６０に沿って配設されたホログラム４５５として形成されている、アイピース４５０を示す図である。図４Ｃは、出力ホログラム４５５によって引き起こされた色収差について色修正を行なうために、入力カプラとして反射性ホログラム４５７を含む様子を示す図である。
【００２９】
図４Ｄは、出力カプラが湾曲した導波路要素４８５内に配設された部分反射ミラー部分４７５および４８０からなる対として形成されている、アイピース４７０を示す図である。部分反射ミラー部分４７５および４８０は、ディスプレイ光１６５をアイピース４７０から眺めることが可能なアイボックスをさらに拡大するように動作する。言い換えると、ミラー部分４７５および４８０は、１つの画素のみを眺めることが可能なアイボックスを拡張するように、各ミラー部分４７５および４８０によって反射された画像を表示領域において１つにまとめた態様で、該１つの画素から出力されるディスプレイ光を反射する。部分反射ミラー部分４８０は、ディスプレイ光１６５が部分反射ミラー部分４８０に到達する前にまず部分反射ミラー部分４７５を透過しなければならないように、部分反射ミラー部分４７５の背後に配設されている。図示された実施形態では、部分反射ミラー部分４７５および４８０は双方とも自由形状面である一方で、世界対向面４９０および目対向面４９５は球面である。一実施形態では、世界対向面４９０は９０ｍｍの半径を有する球体であり、目対向面４９５は９２．５ｍｍの半径を有する球体である。一実施形態では、部分反射ミラー部分４７５は、以下の式２および式３によって定義される自由形状を有し、係数値ｘ２＝０．００３５、ｙ２＝０．００４５、および、相対的な傾斜は−２３．２５度、半径は−５４．７２である。部分反射ミラー部分４８０は、以下の式２および式３によって定義される自由形状を有し、係数値ｘ２＝０．００４６、ｙ２＝０．００５３、および、相対的な傾斜は−２６度、半径は−５１．４２である。入力カプラ４９７は、以下の式２および式３によって定義される自由形状を有し、係数値ｘ２＝−０．００５３、ｙ２＝−０．００２７、ｘ３＝７．１４Ｅ−００５、ｘ２ｙ＝−６．０７Ｅ−６、ｘｙ２＝５．２２Ｅ−５、（ｘ，ｙ，ｚ）＝（−２８．５，０，−３）、および、相対的な傾斜は４２．９８度、半径は−６２．４３である。当然のことながら、他の係数値および寸法も実現可能である。
【００３０】
【数２】
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【００３１】
図５Ａおよび図５Ｂは、本開示のある実施形態に係る、アイピース５０１を用いた単眼ヘッドウェアラブルディスプレイ５００を示す図である。図５Ａはヘッドウェアラブルディスプレイ５００の斜視図であり、図５Ｂはヘッドウェアラブルディスプレイ３００の上面図である。アイピース５０１は、上述のアイピース１００、２００、３００の実施形態（または、それらの組合せ）によって実現することが可能である。アイピース５０１はフレームアセンブリに搭載され、このフレームアセンブリは、鼻梁５０５、左耳用アーム５１０、および右耳用アーム５１５を含む。筐体５２０および５２５は、マイクロプロセッサ、インターフェース、１つ以上のワイヤレストランシーバ、バッテリ、カメラ、スピーカ、ディスプレイソースなどを含むさまざまな電子機器を収容し得る。図５Ａおよび図５Ｂは単眼用の実施形態を示すが、ヘッドウェアラブルディスプレイ５００は、ディスプレイ５００が装着されたときに各々がユーザのそれぞれの目と並ぶ２つのアイピース５０１を有する両眼ディスプレイとしても実施可能である。
【００３２】
シースルーアイピース５０１は眼鏡構成内に固定されているため、ヘッドウェアラブルディスプレイはユーザの頭に装着可能である。左耳用アーム５１０および右耳用アーム５１５は、鼻梁５０５がユーザの鼻の上に置かれた状態で、ユーザの耳の上に置かれている。フレームアセンブリは、表示領域１７５をユーザの目の前方に位置決めするような形状および大きさに形成されている。他の形状を有する他のフレームアセンブリも使用可能である（たとえば、従来の眼鏡フレーム、単一の連続したヘッドセット部材、ヘッドバンド、ゴーグルタイプのアイウェアなど）。
【００３３】
上述のように、図５Ａおよび図５Ｂは、ユーザの視野の一部のみをカバーするコンパクトなシースルーアイピースを有する単眼用の実施形態を示す図である。他の実施形態では、シースルーアイピースの目対向面および世界対向面は拡張されて両眼フレームにおける全体眼鏡レンズを形成可能である。図６は、フレームに一体化された２つのシースルーアイピース６０１を含む、両眼ヘッドウェアラブルディスプレイ６００を示す図であり、これらのアイピースは、ユーザの視野のかなりの部分にわたって延在している。各アイピース６０１の湾曲したシースルー要素（たとえば、図１の湾曲したシースルー要素１１０）は、アイピースの中間部に継ぎ目が形成されないように、アイピース全体にわたって延在するように設計可能である。上述のように、ディスプレイ光１６５を、周囲の眼鏡のつる領域でアイピース６０１内に放ち、ＴＩＲまたは角度選択反射を用いて、導光層１１５を介して出力カプラ１２５に向けて案内することができる。一実施形態では、ヘッドウェアラブルディスプレイ６００は、一方のアイピースのみが光学結合器として動作し、他方のアイピースが同じ材料および厚さの通常のレンズである、単眼デザインとして実現可能である。
【００３４】
要約書の説明を含む図示された本発明の実施形態の上述の説明は、網羅的なものを意図したものではなく、また、本発明を開示された形態に厳密に制限するように意図したものでもない。本発明の特定の実施形態およびその例は、ここでは例示の目的で説明されたものであり、当業者にとって理解されるように、本発明の範囲内でさまざまな修正形態が可能である。
【００３５】
上述の詳細な説明に鑑みて、これらの変更形態を本発明に対して行うことができる。以下の特許請求の範囲で使用される用語を、本発明を明細書で開示された特定の実施形態に限定するものと解釈するべきではない。そうではなく、本発明の範囲は、全体的に以下の特許請求の範囲によって決定されるものであり、特許請求の範囲は、確立された特許請求の範囲の解釈の見解を用いて解釈されるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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