(57)【要約】画像ディスプレイシステム等の光学システムは、自由曲面光学導波路プリズムと、空隙または屈折率接合剤によってそこから離間される自由曲面補償レンズとを含む。補償レンズは、光学導波路プリズムが周囲実世界環境からの光または画像中に導入するであろう、収差を補正する。光学導波路プリズムは、能動的に投影された画像を入射場所において受信し、その中の光学経路に沿って、画像を内部反射させた後、投影された画像を射出場所において放出する。画像ディスプレイシステムは、画像源と、結合光学系とを含んでもよい。本アプローチは、例えば、光学シースルーＨＭＤ内における光学視認デバイスの設計を可能にし、眼鏡形態の外観および広シースルー視野（ＦＯＶ）を達成する。
2015534108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像ディスプレイシステムであって、
第１の主要表面および第２の主要表面を有する、自由曲面光学導波路プリズムであって、前記光学導波路プリズムの第１の主要表面は、使用時、アクティブ画像源から前記光学導波路プリズム内に能動的に投影された画像を受信すること、または前記光学導波路プリズムから前記能動的に投影された画像を放出することのうちの少なくとも１つを行うように位置付けられ、前記光学導波路プリズムの第２の主要表面は、使用時、実世界周囲環境の画像を前記光学導波路プリズム中に受信するように位置付けられ、実世界周囲環境は、前記画像ディスプレイシステムの外部にあり、前記光学導波路プリズムの第１の主要表面および第２の主要表面の少なくともいくつかの部分は、前記光学導波路プリズムの長さの少なくとも一部に沿って、臨界角未満の角度で前記光学導波路プリズムに入射する光を内部伝搬させる、屈折表面である、自由曲面光学導波路プリズムと、
第１の主要表面および第２の主要表面を有する、自由曲面補償レンズであって、前記補償レンズの第１の主要表面は、前記光学導波路プリズムの第２の主要表面の形状に少なくとも略整合する形状を有し、前記自由曲面補償レンズは、前記補償レンズの第１の主要表面と前記光学導波路プリズムの第２の主要表面との間に間隙を形成するように、前記実世界周囲環境に向かって、前記光学導波路の第２の主要表面から比較的に外向きに位置付けられる、自由曲面補償レンズと、
を備える、システム。
【請求項２】
前記屈折表面は、全内部反射を介して、前記光学導波路プリズムの長さの少なくとも一部に沿って、前記臨界角未満の角度で前記光学導波路プリズムに入射する光を内部伝搬させる、請求項１に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項３】
前記光学導波路プリズムの第１の主要表面または第２の主要表面のうちの少なくとも１つの少なくとも一部は、半透明の部分反射材料を担持する、請求項１に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項４】
前記光学導波路プリズムは、前記光学導波路プリズムの第１の主要表面と第２の主要表面との間に延在し、光の少なくとも一部を前記光学導波路プリズム内に保つ、周辺縁を有する、請求項１に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項５】
前記補償レンズの第１の主要表面と前記光学導波路プリズムの第２の主要表面との間の間隙は、小間隙である、請求項１に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項６】
前記補償レンズの第１の主要表面と前記光学導波路プリズムの第２の主要表面との間の間隙は、能動的に投影された画像が前記光学導波路プリズム内に入射する、入射場所の少なくとも近位から、前記能動的に投影された画像が前記光学導波路プリズムから射出する、射出場所の少なくとも近位まで増加する幅を有する、請求項１に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項７】
前記光学導波路プリズムおよび前記補償レンズは、前記実世界周囲環境の画像を、前記光学導波路プリズムの第１の主要表面上の射出場所を介して、前記光学導波路プリズムから射出する、能動的に投影された画像と整合する焦点に合焦させる、請求項１に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項８】
前記光学導波路プリズムの第１の主要表面上の射出場所は、能動的に投影された画像が前記光学導波路プリズム内に入射する、前記光学導波路プリズムの第１の主要表面上の入射場所から、前記光学導波路プリズムの長さに沿って離間される、請求項７に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項９】
前記補償レンズは、前記光学導波路プリズムによって生じる前記実世界周囲環境の画像の光線偏移および歪曲を補償する、請求項１に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項１０】
前記能動的に投影された画像を形成する光線は、前記光学導波路プリズムを交差し、その内側に中間画像を形成する、請求項１に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項１１】
前記光学導波路プリズム内に画像を提供するように位置付けおよび配向される、画像ディスプレイユニットをさらに備える、請求項１に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項１２】
前記画像ディスプレイユニットからの光を前記光学導波路プリズム内に誘導し、光学収差を補正する、少なくとも１つの結合レンズをさらに備える、請求項１１に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項１３】
前記画像ディスプレイユニットは、自発光画素アレイまたは照明される画素アレイのうちの少なくとも１つである、請求項１１に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項１４】
前記画像ディスプレイユニットは、反射型液晶素子（ＬＣｏＳ）ディスプレイデバイス、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル、有機発光ディスプレイ（ＯＬＥＤ）、強誘電性反射型液晶素子（ＬＣｏＳデバイス）、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、およびマイクロプロジェクタから成る群から選択される、請求項１１に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項１５】
前記間隙内に受容され、前記補償レンズを前記光学導波路プリズムにしっかりと結合する、整合接合剤をさらに備える、請求項１１に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項１６】
画像ディスプレイシステムであって、
１を上回る屈折率と、第１の主要表面と、第２の主要表面と、前記光学導波路プリズムの第１の主要表面の周縁と第２の主要表面の周縁との間に延在する周辺縁とを有する材料の自由曲面光学導波路プリズムであって、能動的に投影された画像が、少なくとも、前記光学導波路プリズム内に入射する臨界角未満である、前記光学導波路プリズムの第１の主要表面上の入射場所と、前記光学導波路プリズム内の光学経路に沿った複数の内部反射後、前記能動的に投影された画像が、前記光学導波路プリズムから射出する、前記光学導波路プリズムの第１の主要表面上の射出場所とを有し、前記射出場所が、前記入射場所から前記光学導波路プリズムの長さに沿って離間される、光学導波路プリズムを備える、システム。
【請求項１７】
前記光学導波路プリズムの第１の主要表面および第２の主要表面の少なくともいくつかの部分は、全内部反射を介して、前記光学導波路プリズムの長さの少なくとも一部に沿って、臨界角未満の角度で前記光学導波路プリズムに入射する光を内部伝搬させる、屈折表面である、請求項１６に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項１８】
前記光学導波路プリズムの第１の主要表面または第２の主要表面のうちの少なくとも１つの少なくとも一部は、半透明の部分反射材料を担持する、請求項１６に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項１９】
前記光学導波路プリズムの第１の主要表面は、アクティブ画像源から前記光学導波路プリズム内に能動的に投影された画像を受信するように位置付けられ、前記光学導波路プリズムの第２の主要表面は、実世界周囲環境の画像を前記光学導波路プリズム内に受信するように位置付けられ、実世界周囲環境は、前記画像ディスプレイシステムの外部にある、請求項１６に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項２０】
第１の主要表面および第２の主要表面を有する、自由曲面補償レンズであって、前記補償レンズの第１の主要表面は、前記光学導波路プリズムの第２の主要表面の形状に少なくとも略整合する形状を有し、前記自由曲面補償レンズは、前記補償レンズの第１の主要表面と前記光学導波路プリズムの第２の主要表面との間に間隙を形成するように、前記実世界周囲環境に向かって、前記光学導波路プリズムの第２の主要表面から比較的に外向きに位置付けられる、自由曲面補償レンズをさらに備える、請求項１６に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項２１】
前記光学導波路プリズムの形状、光学経路長、および厚さは、ヒトの頭部に人間工学的に適合する、包み込み設計のために最適化される、請求項１６に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項２２】
前記光学導波路プリズムの幅は、平均的ヒトの頭部の幅に少なくとも略適合する、請求項１６に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項２３】
前記光学導波路プリズムの第１の主要表面は、軸を中心として湾曲する、請求項１６に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項２４】
前記光学導波路プリズムの第２の主要表面上の各点は、前記光学導波路プリズムの第１の主要表面上の対応する点から３０ｍｍを超えない、請求項１６に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項２５】
前記光学導波路プリズムの第２の主要表面上の各点は、前記光学導波路プリズムの第１の主要表面上の対応する点から１２ｍｍを超えない、請求項１６に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項２６】
前記光学導波路プリズムの第２の主要表面は、複数の表面区画を備え、各表面区画は、一意のパラメータのセットを有する、請求項１６に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項２７】
前記光学導波路プリズム内に画像を提供するように位置付けおよび配向される、画像ディスプレイユニットと、
前記画像ディスプレイユニットから前記光学導波路プリズム内に光を誘導し、光学収差を補正する、少なくとも１つの調節可能結合レンズと、
をさらに備える、請求項１６に記載の画像ディスプレイシステム。
【請求項２８】
第１の主要表面および第２の主要表面を有する、自由曲面光学導波路プリズムとともに、画像ディスプレイシステム内で使用するための自由曲面補償レンズであって、
第１の主要表面と、
第２の主要表面と、
１を上回る屈折率を有する屈折媒体を備える、前記補償レンズの前記第１の主要表面と第２の主要表面との間の内部空間と、
を備える、自由曲面補償レンズ。
【請求項２９】
前記補償レンズは、前記補償レンズの第１の主要表面と前記光学導波路プリズムの第２の主要表面との間に間隙を伴って、実世界周囲環境に向かって、前記光学導波路プリズムの第２の主要表面から比較的に外向きに離間される前記光学導波路プリズムに物理的に結合される、請求項２８に記載の自由曲面補償レンズ。
【請求項３０】
前記補償レンズの第１の主要表面は、前記光学導波路プリズムの第２の主要表面の形状に略整合する形状を有する、請求項２９に記載の自由曲面補償レンズ。
【請求項３１】
前記光学導波路プリズムの第１の主要表面上の各点は、前記光学導波路プリズムの第２の主要表面上の対応する点から３０ｍｍを超えない、請求項２８に記載の自由曲面補償レンズ。
【請求項３２】
前記光学導波路プリズムの第１の主要表面上の各点は、前記光学導波路プリズムの第２の主要表面上の対応する点から１２ｍｍを超えない、請求項２８に記載の自由曲面補償レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、概して、光学シースルー頭部搭載型ディスプレイ（ＯＳＴ−ＨＭＤ）デバイスに関し、より具体的には、眼鏡形態の外観および広シースルー視野（ＦＯＶ）を伴う、光学シースルーＨＭＤ内の光学視認デバイスとして使用するために人間工学的に設計された自由曲面光学システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
頭部搭載型ディスプレイ（ＨＭＤ）は、長い間、科学的可視化、医学および軍用訓練、工学的設計およびプロトタイピング、遠隔操作およびテレプレゼンス、ならびに個人的娯楽システムの分野にわたる、多くの用途にとって、極めて貴重であることが証明されている。複合および拡張現実感システムでは、光学シースルーＨＭＤは、コンピュータ生成仮想景色と、実世界景色のビューを組み合わせる基本的アプローチのうちの１つである。典型的には、光学コンバイナを通して、ＯＳＴ−ＨＭＤは、実世界の直接的最小限に劣化されたビューを維持しながら、コンピュータ生成画像を実世界ビュー上に光学的にオーバーレイする。ＯＳＴ−ＨＭＤは、スマートフォンおよびＰＤＡ等の他の人気のモバイルプラットフォームよりはるかに魅力的な画質および画面サイズをもたらす、モバイルディスプレイソリューションを作成するための大きな潜在性を有する。
【０００３】
一方、過去十数年にわたるＨＭＤ設計におけるはるかに著しい前進にもかかわらず、技術が多くの需要のある用途および日常的使用のために広く受け入れられることを阻む、多くの技術的な障壁および可用性の障壁が存在する。ＨＭＤに関する主要障壁の１つは、多くの需要のある用途および新たな用途のための技術の受け入れを阻む、煩わしいヘルメット状の形状因子である。適用される既存の光学設計方法のうち、利用者に負担をかけず、眼鏡式の接眼ディスプレイであると見なされ得る、真に可搬性であって、コンパクトであり、かつ軽量であるＨＭＤ設計を作成可能であるものはほとんどない。大きな重量は、疲労および不快感に寄与し、ＨＭＤベースの用途の主要な妨害と見なされる。加えて、広く、かつ最小限に遮断または劣化されたシースルーＦＯＶを提供する能力は、日常的タスクを行うために不可欠である。近年、自由曲面表面が、ＨＭＤシステム設計に導入されており、例えば、その設計は、米国特許第５，６９９，１９４号、米国特許第５，７０１，２０２号、米国特許第５，７０６，１３６号、およびシステム重量を軽減し、軽量ＨＭＤを作成することを目的とする、Ｄ．  Ｃｈｅｎｇ，  ｅｔ  ａｌ．，“Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｅｅ−ｔｈｒｏｕｇｈ  ｈｅａｄ−ｍｏｕｎｔｅｄ  ｄｉｓｐｌａｙ  ｗｉｔｈ  ａ  ｌｏｗ  ｆ−ｎｕｍｂｅｒ  ａｎｄ  ｌａｒｇｅ  ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  ｖｉｅｗ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｆｒｅｅｆｏｒｍ  ｐｒｉｓｍ，”Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，４８（１４），２００９に提案されている。しかしながら、依然として、人間工学的ニーズおよび性能ニーズの両方を満たす、今日の市場において利用可能であるソリューションは、存在しない。本願に説明されるアプローチは、優れた性能を維持しながら、眼鏡形状因子および広シースルーＦＯＶを伴うソリューションを提供する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，６９９，１９４号明細書
【特許文献２】米国特許第５，７０１，２０２号明細書
【特許文献３】米国特許第５，７０６，１３６号明細書
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｄ．  Ｃｈｅｎｇ，  ｅｔ  ａｌ．，“Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｅｅ−ｔｈｒｏｕｇｈ  ｈｅａｄ−ｍｏｕｎｔｅｄ  ｄｉｓｐｌａｙ  ｗｉｔｈ  ａ  ｌｏｗ  ｆ−ｎｕｍｂｅｒ  ａｎｄ  ｌａｒｇｅ  ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  ｖｉｅｗ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｆｒｅｅｆｏｒｍ  ｐｒｉｓｍ，”Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，４８（１４），２００９
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願は、眼鏡形態の外観を伴う、人間工学的光学シースルー頭部搭載型ディスプレイ（ＯＳＴ−ＨＭＤ）デバイスと、そのようなディスプレイデバイス内の光学視認デバイスとして使用するための自由曲面光学システムとに関する。ＯＳＴ−ＨＭＤ内の光学視認デバイスは、典型的には、表示される仮想画像を視認するための光学経路と、直接、実世界景色を視認するためのシースルー経路とを提供する。仮想画像経路は、ディスプレイコンテンツを供給するための小型画像ディスプレイユニットと、それを通してユーザが表示されるコンテンツの拡大画像を視認する、人間工学的に成形されたディスプレイ視認光学系とを含んでもよい。ディスプレイ視認光学系は、複数の自由曲面屈折および反射表面を含有する、光誘導デバイス（以下、自由曲面導波路プリズムと称される）を含む。ディスプレイ視認光学系はまた、画像ディスプレイデバイスからの光を導波路プリズム内に適切に投射するための付加的結合光学系を含んでもよい。自由曲面表面および結合光学系の場所および形状は、視認者が表示されるコンテンツのクリアな拡大画像を見ることが可能となるように、サイズ決定、定寸、位置付け、および／または配向される。頭部搭載型ディスプレイデバイスのシースルー経路は、導波路プリズムと、プリズムの外部表面から外向きに位置付けられる（例えば、それに取着される）自由曲面シースルー補償レンズとによって提供される。シースルー補償レンズは、複数の自由曲面屈折表面を含有し、非常に広いシースルー視野にわたって、周囲環境の適切な視認を可能にする。導波路プリズムおよびシースルー補償レンズは、ヒトの頭部の人間工学的因子に人間工学的に適合するようにサイズ決定、定寸、位置付け、および／または配向され、眼鏡形態の外観、広シースルー視野、および優れた光学性能を有する、軽量、コンパクト、かつシースルー式のディスプレイシステムの包み込み設計を可能にする。
【０００７】
人間工学的頭部搭載型ディスプレイデバイス内の光学視認デバイスとして使用するための自由曲面光学システムの種々の実施形態が、本明細書に説明される。本明細書に説明される自由曲面光学システムの少なくともいくつかは、ヒトの頭部の人間工学的因子と適合し、それらが、ヒトの顔の周囲に包み込まれ、従来のＨＭＤ設計におけるヘルメット状外観の代わりに、眼鏡状外観を呈することを可能にする、人間工学的に成形された視認光学系を提供するように最適化される。種々の実施形態はまた、シースルー能力をもたらし、ユーザが、視認光学系を通した周囲環境と、画像ディスプレイデバイス上に表示されるコンテンツとを視認することを可能にする。少なくともいくつかの実施形態は、仮想ビューのＦＯＶより大幅に大きくあり得る、シースルーＦＯＶをもたらす。
【０００８】
ＯＳＴ−ＨＭＤデバイスの仮想画像経路は、ディスプレイコンテンツを供給するための小型画像ディスプレイユニットと、それを通して、ユーザが表示されるコンテンツの拡大画像を視認する、人間工学的に成形されたディスプレイ視認光学系とを含んでもよい。ディスプレイ視認光学系は、複数の自由曲面屈折および反射表面を含有する、またはそれを有する、自由曲面導波路プリズムを含んでもよい。ディスプレイ視認光学系はまた、付加的結合光学系を含んでもよい。導波路プリズムは、小型画像ディスプレイデバイス上の画像を拡大する、接眼視認光学系としての役割を果たす。画像ディスプレイユニットから出現する光線は、プリズムの第１の屈折表面を介して、導波路プリズム内に投射される。光線は、直接ディスプレイデバイスから、または１つ以上の結合レンズを通して、プリズム内に投射されてもよい。投射された光線は、複数の反射（典型的には、３回以上）を介して、導波路プリズムを通して伝搬し、次いで、プリズムの第２の屈折表面を介して、プリズムから結合される。発出する光線は、継続して伝搬し、システムの射出瞳に到達する。射出瞳は、ユーザが、仮想コンテンツを視認するために眼を向ける場所であり得る。
【０００９】
光が、導波路プリズムの反射表面上の全内部反射（ＴＩＲ）条件を満たしながら、導波路プリズムを通して伝搬すると、反射を通した光損失は、最小限である。したがって、厳密に要求されるわけではないが、反射が全て、ＴＩＲ条件を満たすことが望ましい。しかしながら、また、導波路プリズムの薄型設計を達成することも望ましい。そのような薄型設計は、反射表面のいくつか上のＴＩＲ条件を損なわせ得る。
【００１０】
ＴＩＲ条件が満たされないデバイスの指定されたシースルーＦＯＶの内側に位置する反射表面の場合、半透明コーティングが、これらの表面上に塗布される。半透明コーティングは、小型ディスプレイユニットからの十分な光が、射出瞳に到達し、光学シースルー能力を促進しながら、明るい画像を生成することを確実にする。ＴＩＲ条件が満たされないデバイスのシースルーＦＯＶの外側の反射表面の場合、高反射ミラーコーティングが、光損失を最小限にするために、これらの表面上に塗布されることができる。
【００１１】
小型画像ディスプレイユニットは、限定ではないが、反射型液晶素子（ＬＣｏＳ）ディスプレイデバイス、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル、有機発光ディスプレイ（ＯＬＥＤ）、強誘電性反射型液晶素子（ＦＬＣｏＳ）デバイス、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、またはこれらの前述または他のタイプのマイクロディスプレイデバイス上に内蔵されたマイクロプロジェクタを含む、画像源としての役割を果たすことができる、任意のタイプの自発光または照明される画素アレイであり得る。
【００１２】
少なくともいくつかの実施形態では、頭部搭載型ディスプレイデバイスのシースルー経路は、少なくとも部分的に、自由曲面導波路プリズムおよび自由曲面シースルー補償レンズによって形成される。補償レンズは、導波路プリズムによって生じる光線偏移および／または歪曲に対処あるいは適応し、実世界景色のクリアなシースルービューを維持するために、導波路プリズムの物理的外側表面から外向きに位置付けられる（例えば、そこに取着される）。補償レンズは、複数の（典型的には、２つ以上の）自由曲面屈折表面を含んでもよく、非常に広い視野にわたって、周囲環境の適切な視認を可能にする。補償レンズの表面は、レンズが導波路プリズムと組み合わせられるとき、実世界景色からの光線のいかなる偏移および／または歪曲も最小限にするように最適化されてもよい。導波路プリズムの取着表面上の反射が、仮想画像ディスプレイ経路内のＴＩＲ条件を満たすことになる場合、導波路プリズムと補償レンズとの間に小間隙（例えば、空隙）を維持することが必要である。
【００１３】
種々の実施形態は、導波路プリズムの幅が、平均的ヒトの頭部の幅（例えば、瞳孔間距離）と略整合するように、複数の反射を利用し、光学経路長を延在させる。長光学経路は、導波路プリズムの人間工学的設計を促進し、かつ大シースルーＦＯＶを維持する。プリズムの長光学経路はまた、ディスプレイフレームの片側への画像ディスプレイユニットの配置を可能にし、ＨＭＤシステムの正面重量を軽減し、システムの人間工学的適合を改善する。
【００１４】
加えて、導波路プリズムの形状および光学視認デバイスの形状は、全体として、最適な人間工学的適合のために、ヒトの頭部の自然な曲線に近似するように設計されることができる。例えば、プリズム形状は、いくつかの実施形態では、一対の８ベースカーブ眼鏡の曲率に近似するように湾曲される。プリズム形状は、いくつかの他の実施形態では、一対の４ベースカーブ眼鏡の形状因子に略従う。さらに、導波路プリズムおよび補償レンズの全体的厚さは、薄型光学または光学系プロファイル（典型的には、３０ｍｍ未満）を達成するように意図的に制御される。全体的な意図的に制御された導波路プリズム形状、長光学経路、および光学系厚さは、ヒトの頭部との人間工学的適合および魅力的な眼鏡状外観をもたらす、光学シースルーＨＭＤの包み込み設計を可能にする。
【００１５】
少なくともいくつかの実施形態は、非常に大きい、典型的には、仮想ディスプレイのＦＯＶをはるかに上回る、シースルー視野を提供する。本能力は、いくつかの機構によって可能にされる。例えば、画像ディスプレイデバイスは、導波路プリズムのクリアな光学開口を延在させるように、頭部の片側（例えば、左側、右側）に位置する、または位置付けられてもよい。また、例えば、導波路プリズム上の自由曲面表面は、意図的に制御されてもよい。加えて、または代替として、補償レンズが、光線偏移および／または歪曲を補正し、大ＦＯＶにわたって高シースルー性能を確実にするように採用されてもよい。実施形態のうちのいくつかでは、シースルーＦＯＶは、水平方向に１２０度および垂直方向に８０度も延在する。したがって、いくつかの実施形態では、シースルーＦＯＶは、ヒトの眼の視野に整合するように延在されることができる。
【００１６】
長光学経路の含有によって、ヒトの頭部の幅または曲率に整合あるいは適応するために、かつ大シースルーＦＯＶを達成するために、画像ディスプレイデバイス上の同一の点からの光線は、少なくとも１回、導波路プリズムの内側を交差するであろう。その結果、仮想ディスプレイの中間画像が、導波路プリズムの内側に形成されるであろう。上記は、光線交差点が、良好に形成され得ず、マイクロディスプレイの異なる画像点に対する交差点が、通常、導波路プリズムの内側に画像を形成しない場合でも、該当するであろう。
【００１７】
少なくともいくつかの実施形態は、システムの焦点面を調節するための調節可能集束光学系を含む。調節可能集束光学系は、ＨＭＤ視認システムの焦点が、用途ニーズに従って変更されることを可能にする。例えば、焦点は、システムが本を読むために使用されるとき、選択的に、近距離に調節されてもよい。また、例えば、焦点は、システムが映画を鑑賞するために使用されるとき、選択的に、中間距離に調節されてもよい。さらなる実施例として、焦点は、システムが車両のドライバを誘導するために使用されるとき、選択的に、遠距離に調節されてもよい。調節可能集束光学系は、例えば、液体レンズまたは同等物の形態をとることができ、焦点面の調節または変更をリアルタイムで可能にする。
【００１８】
少なくともいくつかの実施形態は、非常に高速で焦点を調節することによって、複数の焦点面をシーケンスとして作成し、システム内に複数の焦点面を作成する能力を追加する。複数の焦点面を用いると、コンテンツは、システムが、実質的に、収束および輻輳調節の矛盾という問題がなく、動作し得るようにレンダリングされることができる。
【００１９】
画像ディスプレイシステムは、第１の主要表面および第２の主要表面を有する、自由曲面光学導波路プリズムであって、光学導波路プリズムの第１の主要表面は、使用時、アクティブ画像源から光学導波路プリズム内に能動的に投影された画像を受信すること、または光学導波路プリズムから能動的に投影された画像を放出することのうちの少なくとも１つを行うように位置付けられ、光学導波路プリズムの第２の主要表面は、使用時、実世界周囲環境の画像を光学導波路プリズム中に受信するように位置付けられ、実世界周囲環境は、画像ディスプレイシステムの外部にあり、光学導波路プリズムの第１の主要表面および第２の主要表面の少なくともいくつかの部分は、光学導波路プリズムの長さの少なくとも一部に沿って、臨界角未満の角度で光学導波路プリズムに入射する光を内部伝搬させる、屈折表面である、自由曲面光学導波路プリズムと、第１の主要表面および第２の主要表面を有する、自由曲面補償レンズであって、補償レンズの第１の主要表面は、光学導波路プリズムの第２の主要表面の形状に少なくとも略整合する形状を有し、自由曲面補償レンズは、補償レンズの第１の主要表面と光学導波路プリズムの第２の主要表面との間に間隙を形成するように、実世界周囲環境に向かって、光学導波路の第２の主要表面から比較的に外向きに位置付けられる、自由曲面補償レンズとを含むものとして要約され得る。
【００２０】
屈折表面は、全内部反射を介して、光学導波路プリズムの長さの少なくとも一部に沿って、臨界角未満の角度で光学導波路プリズムに入射する光を内部伝搬させてもよい。光学導波路プリズムの第１の主要表面または第２の主要表面のうちの少なくとも１つの少なくとも一部は、半透明の部分反射材料を担持してもよい。光学導波路プリズムは、光学導波路プリズムの第１の主要表面と第２の主要表面との間に延在し、光の少なくとも一部を光学導波路プリズム内に保ち得る、周辺縁を有してもよい。補償レンズの第１の主要表面と光学導波路プリズムの第２の主要表面との間の間隙は、小間隙であってもよい。補償レンズの第１の主要表面と光学導波路プリズムの第２の主要表面との間の間隙は、能動的に投影された画像が光学導波路プリズム内に入射する、入射場所の少なくとも近位から、能動的に投影された画像が光学導波路プリズムから射出する、射出場所の少なくとも近位まで増加する幅を有してもよい。光学導波路プリズムおよび補償レンズは、実世界周囲環境の画像を、光学導波路プリズムの第１の主要表面上の射出場所を介して、光学導波路プリズムから射出する、能動的に投影された画像と整合する焦点に合焦させてもよい。光学導波路プリズムの第１の主要表面上の射出場所は、能動的に投影された画像が光学導波路プリズム内に入射する、光学導波路プリズムの第１の主要表面上の入射場所から、光学導波路プリズムの長さに沿って離間されてもよい。補償レンズは、光学導波路プリズムによって生じる実世界周囲環境の画像の光線偏移および歪曲を補償してもよい。能動的に投影された画像を形成する光線は、光学導波路プリズムを交差し、その内側に中間画像を形成してもよい。画像ディスプレイシステムはさらに、光学導波路プリズム内に画像を提供するように位置付けおよび配向される、画像ディスプレイユニットを含んでもよい。画像ディスプレイシステムはさらに、画像ディスプレイユニットからの光を光学導波路プリズム内に誘導し、光学収差を補正する、少なくとも１つの結合レンズを含んでもよい。画像ディスプレイユニットは、自発光画素アレイまたは照明される画素アレイのうちの少なくとも１つであってもよい。画像ディスプレイユニットは、反射型液晶素子（ＬＣｏＳ）ディスプレイデバイス、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル、有機発光ディスプレイ（ＯＬＥＤ）、強誘電性反射型液晶素子（ＬＣｏＳデバイス、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、およびマイクロプロジェクタから成る群から選択されてもよい。画像ディスプレイシステムはさらに、間隙内に受容され、補償レンズを光学導波路プリズムにしっかりと結合する、整合接合剤を含んでもよい。
【００２１】
画像ディスプレイシステムは、１を上回る屈折率と、第１の主要表面と、第２の主要表面と、光学導波路プリズムの第１の主要表面の周縁と第２の主要表面の周縁との間に延在する周辺縁とを有する材料の自由曲面光学導波路プリズムであって、能動的に投影された画像が、少なくとも、光学導波路プリズム内に入射する臨界角未満である、光学導波路プリズムの第１の主要表面上の入射場所と、光学導波路プリズム内の光学経路に沿った複数の内部反射後、能動的に投影された画像が、光学導波路プリズムから射出する、光学導波路プリズムの第１の主要表面上の射出場所とを有し、射出場所が、入射場所から光学導波路プリズムの長さに沿って離間される、光学導波路プリズムを含むものとして要約され得る。
【００２２】
光学導波路プリズムの第１の主要表面と第２の主要表面の少なくともいくつかの部分は、全内部反射を介して、光学導波路プリズムの長さの少なくとも一部に沿って、臨界角未満の角度で光学導波路プリズムに入射する光を内部伝搬する、屈折表面であってもよい。光学導波路プリズムの第１の主要表面または第２の主要表面のうちの少なくとも１つの少なくとも一部は、半透明の部分反射材料を担持してもよい。光学導波路プリズムの第１の主要表面は、アクティブ画像源から光学導波路プリズム内に能動的に投影された画像を受信するように位置付けられてもよく、光学導波路プリズムの第２の主要表面は、実世界周囲環境の画像を光学導波路プリズム内に受信するように位置付けられてもよく、実世界周囲環境は、画像ディスプレイシステムの外部にある。画像ディスプレイシステムはさらに、第１の主要表面および第２の主要表面を有する、自由曲面補償レンズを含んでもよく、補償レンズの第１の主要表面は、光学導波路プリズムの第２の主要表面の形状に少なくとも略整合する形状を有し、自由曲面補償レンズは、補償レンズの第１の主要表面と光学導波路プリズムの第２の主要表面との間に間隙を形成するように、実世界周囲環境に向かって、光学導波路プリズムの第２の主要表面から比較的に外向きに位置付けられる。光学導波路プリズムの形状、光学経路長、および厚さは、ヒトの頭部に人間工学的に適合する、包み込み設計のために最適化されてもよい。光学導波路プリズムの幅は、平均的ヒトの頭部の幅に少なくとも略適合してもよい。光学導波路プリズムの第１の主要表面は、軸を中心として湾曲してもよい。光学導波路プリズムの第２の主要表面上の各点は、光学導波路プリズムの第１の主要表面上の対応する点から３０ｍｍを超えなくてもよい。光学導波路プリズムの第２の主要表面上の各点は、光学導波路プリズムの第１の主要表面上の対応する点から１２ｍｍを超えなくてもよい。光学導波路プリズムの第２の主要表面は、複数の表面区画を含んでもよく、各表面区画は、一意のパラメータのセットを有する。画像ディスプレイシステムはさらに、光学導波路プリズム内に画像を提供するように位置付けおよび配向される、画像ディスプレイユニットと、画像ディスプレイユニットから光学導波路プリズム内に光を誘導し、光学収差を補正する、少なくとも１つの調節可能結合レンズとを含んでもよい。
【００２３】
第１の主要表面および第２の主要表面を有する、自由曲面光学導波路プリズムとともに、画像ディスプレイシステム内で使用するための自由曲面補償レンズは、第１の主要表面と、第２の主要表面と、１を上回る屈折率を有する屈折媒体を備える、補償レンズの第１の主要表面と第２の主要表面との間の内部空間とを含むものとして要約され得る。
【００２４】
補償レンズは、補償レンズの第１の主要表面と光学導波路プリズムの第２の主要表面との間に間隙を伴って、実世界周囲環境に向かって、光学導波路プリズムの第２の主要表面から比較的に外向きに離間される光学導波路プリズムに物理的に結合されてもよい。補償レンズの第１の主要表面は、光学導波路プリズムの第２の主要表面の形状に略整合する形状を有してもよい。光学導波路プリズムの第１の主要表面上の各点は、光学導波路プリズムの第２の主要表面上の対応する点から３０ｍｍを超えなくてもよい。光学導波路プリズムの第１の主要表面上の各点は、光学導波路プリズムの第２の主要表面上の対応する点から１２ｍｍを超えなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の少なくとも１つの図示される実施形態による、光学システム、例えば、画像ディスプレイシステムの概略図である。
【００２６】
【図２】図２は、図１の光学システムの一部の概略図であって、少なくとも１つの図示される実施形態による、８ベースカーブ包み込み外観に近似する、光学導波路プリズムの３反射実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明による種々の実施形態は、添付の図面に関して完全に説明されるであろう。説明は、本発明の理解を提供するために記載される。しかしながら、本発明が、これらの詳細を伴わずに実践されることもできることは、明白であろう。さらに、本発明は、種々の形態で実装されてもよい。しかしながら、以下に説明される本発明の実施形態は、本明細書に記載される実施形態に限定されるものとして解釈されるものではない。むしろ、これらの実施形態、図面、および実施例は、例証的であって、本発明を曖昧にすることを回避することが意図される。
【００２８】
種々の実施形態は、概して、眼鏡形態の外観および広シースルー視野（ＦＯＶ）を伴う、光学シースルーＨＭＤ内の光学視認デバイスとして使用するための人間工学的に設計された自由曲面光学システムに関する。図１は、ユーザが、実世界景色上にオーバーレイされた表示または投影コンテンツを見ることを可能にしながら、自由曲面光学導波路プリズムを通して、表示される仮想画像をユーザの眼の瞳孔内に投影させる、画像ディスプレイシステムの形態における光学システムを示す。
【００２９】
ディスプレイシステムは、画像ディスプレイユニット１０５を含んでもよい。画像ディスプレイユニット１０５は、小型画像ディスプレイユニットの形態をとってもよく、画像源としての役割を果たし、光を自由曲面光学導波路プリズム１００内に投影させる。
【００３０】
ディスプレイシステムは、随意に、レンズ群１１０を含んでもよい。レンズ群１１０は、光をディスプレイユニット１０５から自由曲面光学導波路プリズム１００内に誘導し、光学収差を補正する、１つ以上のレンズを含む。
【００３１】
自由曲面光学導波路プリズム１００は、透明であってもよく、本明細書に説明されるように、ディスプレイユニット１０５からの光を取り入れ、画像がユーザの眼の瞳孔内に投影されるまで、光を伝搬させる。光学導波路プリズム１００はまた、実世界景色からの光が、ユーザの眼の瞳孔を通して通過し、そこに入射することを可能にする。光学導波路プリズム１００は、物理的内側表面または第１の主要表面１１５と、物理的周辺縁または表面１２０と、物理的外側表面または第２の主要表面１２５とを有する。第１の主要表面および／または第２の主要表面１１５、１２５の少なくともいくつかの部分は、屈折し、例えば、第１の屈折表面部分１３０および第２の屈折表面部分１３５である。第１の主要表面および／または第２の主要表面１１５、１２５の少なくともいくつかの部分は、反射表面である。
【００３２】
ディスプレイシステムは、自由曲面補償レンズ１６０を含んでもよい。自由曲面補償レンズ１６０は、光学導波路プリズム１００に対して、周囲環境に向かって外向きに位置付けられる。いくつかの実施形態では、補償レンズ１６０は、光学導波路プリズム１００に物理的に結合されてもよく、例えば、光学導波路プリズム１００の物理的外側表面または第２の主要表面１２５に固着されてもよい。補償レンズ１６０は、光学導波路プリズムを通して実世界を視認することによって生じる光学歪曲を補正する。補償レンズ１６０の内側物理的表面または第１の主要表面１６５は、導波路プリズム１００の外側物理的表面または第２の主要表面１２５の形状に少なくとも略整合する、形状を有する。補償レンズ１６０の内側物理的表面または第１の主要表面１６５は、導波路プリズム１００の外側物理的表面または第２の主要表面１２５から離間され、少なくとも、ＴＩＲ基準が光学導波路プリズム１００の外側物理的表面または第２の主要表面１２５に対して満たされる表面上の導波路１００と補償レンズ１６０との間に小間隙１９５を画定する。補償レンズ１６０は、ユーザがクリアなシースルー視野１９０を維持するように、光学導波路プリズム１００によって生じる光線偏移および歪曲の影響を補償するように設計される。
【００３３】
画像ディスプレイユニット１０５は、画像源としての役割を果たすことができる、任意のタイプの自発光または照明される画素アレイであり得る。例えば、画像ディスプレイユニットは、例えば、限定ではないが、反射型液晶素子（ＬＣｏＳ）ディスプレイデバイス、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル、有機発光ディスプレイ（ＯＬＥＤ）、強誘電性反射型液晶素子（ＬＣｏＳデバイス、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、またはこれらの前述または他のタイプのマイクロディスプレイデバイス上に内蔵されるマイクロプロジェクタの形態をとってもよい。
【００３４】
画像ディスプレイユニット１０５は、随意の結合レンズ１１０後、光学導波路プリズム１００内に、または直接、第１の屈折表面１３０を通して、光学導波路プリズム１００内に、光１４０を伝送する。光１４０は、第１の屈折表面１３０から第２の屈折表面１３５に複数の反射を備える、光学導波路プリズム１００の長さに沿って、光学経路１４５を辿る。光学導波路プリズムの長さに沿って光学経路１４５を辿る光１４０の光線は、光学導波路プリズム１００を交差し、その内側に中間画像１５５を形成してもよい。
【００３５】
光１４０は、続いて、第２の屈折表面１３５を通して通過し、それを越えて、ユーザは、画像を視認するためにその瞳孔１５０を向ける。
【００３６】
実世界景色１９８からの光は、瞳孔１５０に到達する前に、補償レンズ１６０および光学導波路プリズム１００を通して通過する。
【００３７】
デバイスは、有利には、人間工学的に成形された自由曲面光学導波路プリズム１００を採用し、画像がプリズムの１つの屈折入力表面内に投影され、次いで、画像がユーザの眼に到達するまで、反射および屈折されることを可能にしてもよい。光学導波路プリズムの形状、光学経路長、および厚さ１００は、意図的に最適化され、ヒトの頭部との人間工学的適合および魅力的な眼鏡状外観をもたらす、光学シースルーＨＭＤの包み込み設計を可能にする。
【００３８】
典型的実施形態では、自由曲面光学導波路プリズムは、少なくとも３つの物理的表面を備え、それぞれ、物理的表面上に配置される、複数の反射および屈折光学表面を含有する。物理的表面の内部空間は、１を上回る屈折率（ｎ）を有する、屈折媒体によって充填される。物理的および光学的な表面は、物理的内側表面または第１の主要表面１１５、物理的外側表面または第２の主要表面１２５、物理的縁表面１２０のうちの１つ以上を含んでもよい。物理的内側表面または第１の主要表面１１５および／または物理的外側表面または第２の主要表面１２５は、屈折入力表面部分１３０、屈折出力表面部分１３５、および／または複数の反射表面部分を含んでもよい。
【００３９】
物理的内側表面または第１の主要表面１１５は、ユーザの眼球またはデバイスの焦点に向かって、内向きに配置される。物理的内側表面または第１の主要表面１１５は、光学導波路プリズム１００の内部反射を介して、ユーザの眼球に画像を伝搬させるために適切な複数の反射および屈折表面部分を含む。光学導波路プリズム１００は、ヒトの頭部の人間工学的因子に適合するように制約される。
【００４０】
物理的外側表面または第２の主要表面１２５は、外部景色または実世界周囲環境に向かって、外向きに配置される。物理的外側表面または第２の主要表面１２５は、ユーザの眼球に画像を反射させるために適切な複数の反射表面部分を含む。物理的外側表面または第２の主要表面１２５は、典型的には、全点において、内側表面または第１の主要表面１１５から３０ｍｍ以内にある。物理的外側表面または第２の主要表面１２５は、外部景色または実世界周囲環境からの光が、光学導波路プリズム１００を通して通過し、ユーザの眼球に到達することを可能にする、少なくとも１つの屈折表面を含む。
【００４１】
物理的縁表面１２０は、潜在的に、屈折表面を含有してもよい。屈折表面は、例えば、画像ディスプレイユニットからの光が、導波路に入射することを可能にしてもよい。
【００４２】
屈折入力表面部分１３０は、物理的表面のうちの１つ上に配置される、またはそれを構成する。屈折入力表面部分１３０は、画像ディスプレイユニットからの光が、導波路に入射することを可能にしてもよい。
【００４３】
屈折出力表面部分１３５は、光が、光学導波路プリズム１００から射出することを可能にする。屈折出力表面部分１３５は、ユーザの瞳孔の近傍の物理的内側表面または第１の主要表面上に配置される、またはそれを構成する。屈折表面部分は、半透明コーティングによって被覆されてもよく、またはそうでなくてもよい。
【００４４】
複数の反射表面部分は、物理的内側表面または第１の主要表面および外側表面または第２の主要表面上に配置される、あるいはそれを構成する。各反射は、ＴＩＲ条件を満たすこと、または半透明の部分的反射コーティングを光学導波路プリズム１００の表面の少なくとも一部に塗布することのいずれかによって、生成される。
【００４５】
画像ディスプレイユニット１０５からの光１４０は、第１の屈折表面１３０を通して、光学導波路プリズム１００に入射する。光１４０は、光学導波路プリズム１００の長さに沿って、光学経路１４５を辿る。光学経路１４５は、例えば、第１の屈折表面部分１３０から第２の屈折表面部分１３５まで、複数の反射表面部分上に複数の反射を含む。前述のように、各反射は、全内部反射の条件を満たすこと、または半透明コーティングを表面に塗布することのいずれかによって生成される。
【００４６】
続いて、光１４０は、第２の屈折表面部分１３５を通して通過し、それを越えて、ユーザは、画像を視認するために、その瞳孔１５０を向ける。
【００４７】
周囲環境の実世界景色からの光１９８は、補償レンズ１６０によって屈折された後、瞳孔１５０に到達する前に、光学導波路プリズム１００の物理的外側表面または第２の主要表面１２５および光学導波路プリズムの物理的内側表面または第１の主要表面１１５を通して屈折される。
【００４８】
典型的実施形態では、光学導波路プリズム１００の内側表面または第１の主要表面１１５および外側表面または第２の主要表面１２５は、画像を歪曲させずに、ユーザの瞳孔に向かって光を誘導させる、複数の反射を生成するように適切に設計される。複数の反射は、光学導波路プリズム１００の幅が、平均的ヒトの頭部の幅に略適合するように、光学経路長に延在する。比較的に長い光学経路長は、人間工学的形状への光学導波路プリズムの設計を可能にする。光学プリズム導波路１００の比較的に長い光学経路はさらに、画像ディスプレイユニット１０５をディスプレイフレームの片側に位置させる、または位置付けることを可能にする。上記は、有利には、ＨＭＤシステムの正面重量を軽減し、結果として生じるシステムの人間工学的適合を改善し得る。
【００４９】
典型的実施形態では、内側表面または第１の主要表面１１５は、所望の眼鏡形状因子のための事前に指定された湾曲表面に近似するように制約される。外側表面または第２の主要表面１２５はさらに、内側表面または第１の主要表面１１５と外側表面または第２の主要表面１２５との間に、典型的には、３０ｍｍを超えない厚さを伴う、薄型プロファイルを達成するように制約される。少なくとも一実施形態では、内側表面または第１の主要表面１１５と外側表面または第２の主要表面１２５との間の全体的厚さは、１２ｍｍを超えないように制約された。光学導波路プリズム１００の内側表面または第１の主要表面１１５および外側表面または第２の主要表面１２５のパラメータは、故に、最適化され、投影される画像は、光学導波路プリズム１００の射出点または場所において、最小限の歪曲を有する。
【００５０】
典型的実施形態では、光学導波路プリズム１００の内側表面または第１の主要表面１１５は、複数の表面区画を含有してもよく、各表面区画は、１つの一意のパラメータのセットによって説明される。
【００５１】
典型的実施形態では、光学導波路プリズム１００の外側表面または第２の主要表面１２５は、複数の表面区画を含有してもよく、各表面区画は、１つの一意のパラメータのセットによって説明される。
【００５２】
いくつかの実施形態では、結合レンズ１１０が、小型画像ディスプレイユニット１０５と光学導波路プリズム１００の第１の屈折表面部分１３０との間に追加され、ディスプレイユニット１０５から光学導波路プリズム１００内への光の伝送を促進してもよい。結合レンズ１１０は、例えば、光学導波路プリズム１００の光学収差を補正するために使用されてもよい。
【００５３】
自由曲面シースルー補償レンズ１６０は、光学導波路プリズム１００に物理的に取着されてもよい。補償レンズ１６０は、光学導波路プリズム１００によって生じる光線偏移および歪曲に対処するように設計され、広視野にわたって、実世界景色のクリアなシースルービューを可能にする。
【００５４】
典型的実施形態では、自由曲面補償レンズ１６０は、複数の（典型的には、２つ以上の）自由曲面屈折表面を含む。補償レンズ１６０の屈折表面間の内部空間は、１を上回る屈折率（ｎ）を有する屈折媒体によって充填される。補償レンズ１６０の光学表面は、屈折内側表面または第１の主要表面１６５と、屈折外側表面または第２の主要表面１７０とを含んでもよい。
【００５５】
屈折外側表面または第２の主要表面１７０は、外部景色に向かって、外向きに配置される。屈折外側表面または第２の主要表面１７０は、外部景色からの光１９８が、補償レンズ１６０に入射することを可能にする。屈折外側表面または第２の主要表面１７０は、典型的には、連続的な単一の屈折表面である。屈折外側表面または第２の主要表面１７０は、典型的には、全点において、光学導波路プリズム１００の物理的内側表面１１５から３０ｍｍ以内である。
【００５６】
屈折内側表面または第１の主要表面１６５は、光学導波路プリズム１００の外側表面または第２の主要表面１２５に向かって配置される。屈折内側表面または第１の主要表面１６５は、光が、補償レンズ１６０から射出し、光学導波路プリズム１００内に入射することを可能にする。屈折内側表面または第１の主要表面１６５は、複数の屈折表面部分を含んでもよい。屈折内側表面または第１の主要表面１６５は、典型的には、光学導波路プリズム１００の外側表面または第２の主要表面１２５の形状に近似または整合するように制約される。
【００５７】
使用時、実世界景色１９８からの光は、瞳孔１５０に到達する前に、順に、補償レンズ１６０の屈折外側表面１７０および屈折内側表面１６５、光学導波路プリズム１００の物理的外側表面１２５および物理的内側表面１１５を通して屈折される。
【００５８】
典型的実施形態では、補償レンズ１６０および光学導波路プリズム１００はともに、非常に広視野１９０にわたって、周囲環境の適切な視認を可能にするように意図的に最適化される。補償レンズ１６０の内側表面１６５および外側表面１７０は、補償レンズ１６０が導波路プリズム１００と組み合わせられるとき、実世界景色からの光線に導入される偏移および歪曲を最小限にするように最適化される。補償レンズ１６０の内側表面１６５は、ｚ軸に沿ってわずかなオフセットを伴う、導波路プリズム１００の外側表面１２５の精密な複製であり得る。導波路プリズム１００の取着外側表面１２５上の反射が、仮想画像ディスプレイ経路内のＴＩＲ条件を満たす場合、導波路プリズム１００と補償レンズ１６０との間に小空隙１９５を維持することが必要である。光学導波路プリズム１００の外側表面１２５上にＴＩＲ要件が存在しない場合、屈折率整合糊が、そうでなければ空隙１９５となるであろうものを充填し、補償レンズ１６０と導波路プリズム１００を接合することができる。補償レンズ１６０の内側表面１６５もまた、より優れたシースルー性能のために、補償レンズ１６０の外側表面１７０とともに再設計されることができる。この場合、光学導波路プリズム１００と補償レンズ１６０との間の間隙１９５は、表面に沿った任意の点において、６ｍｍ未満であるように制約されてもよい。外側表面１７０はさらに、光学導波路プリズム１００および補償レンズ１６０の全体的厚さが、典型的には、３０ｍｍを超えないように制限するように制約される。少なくともいくつかの実施形態では、光学導波路プリズム１００および補償レンズ１６０の全体的厚さは、１５ｍｍを超えないように制約される。補償レンズ１６０の内側表面１６５および外側表面１７０は両方とも、指定されるシースルーＦＯＶ１９０に対して十分に大きくあるべきである。補償レンズ１６０の形状および厚さは、意図的に最適化され、ヒトの頭部との人間工学的適合および魅力的な眼鏡状外観をもたらす、光学シースルーＨＭＤの包み込み設計を可能にする。
【００５９】
典型的実施形態では、補償レンズ１６０および導波路プリズム１００の内側表面および外側表面は、例えば、視野の中心に対して、水平方向では、こめかみ側で最大９０°および鼻側で６０°、垂直方向では、上下に最大６０°と、ヒトの眼の視野程度の広シースルー視野１９０を可能にするために十分に大きい。光学導波路プリズム１００および補償レンズ１６０上の自由曲面表面は、光線偏移および歪曲を補正し、大ＦＯＶにわたって高シースルー性能を確実にするように最適化される。
【００６０】
前述の表面は全て、限定ではないが、図１に示されるように、全体座標のＹＺ平面において非対称であって、座標系の原点は、射出瞳１５０の中心に位置し、外部景色に指向するＺ軸１７５、こめかみ側に指向するＹ軸１８０、および頭部に沿って垂直に指向するＸ軸１８５を伴う、球面、非球面、アナモルフィック非球面、ＸＹＰ多項式、または任意の他のタイプの数学的規則を含む、自由曲面表面である。本開示全体を通して、特段の記載がない限り、同一の座標系が、全図面および説明に対して使用される。
【００６１】
本明細書における教示は、有利には、眼鏡形態の外観および広シースルー視野（ＦＯＶ）を達成する、光学シースルーＨＭＤ内の光学視認デバイスとして使用するための自由曲面光学システムを提供し得る。したがって、導波路プリズムの設計は、適切な光学誤差関数、例えば、波面誤差またはシステム変調伝達関数（ＭＴＦ）を最小限にするように、各個々の表面のパラメータを最適化することを含んでもよい。図１に図示される光学導波路プリズム１００は、従来の回転対称光学表面より設計自由度をもたらす、複数の自由曲面表面を含有する。したがって、自由曲面設計アプローチは、より優れた光学性能および人間工学的適合を伴う、光学視認デバイスの設計を可能にする。上記は、従来の回転対称光学表面を使用する類似仕様の光学視認デバイスと比較して、より少ない表面を使用しながら達成されてもよい。しかしながら、適切な制約が、所望の形状因子を維持し、大シースルーＦＯＶを提供しながら、光学導波路プリズムの有効設計を有するために、表面の全てに適用されなければならない。
【００６２】
図２は、８ベースカーブ包み込み外観を伴う、１つの図示される実施形態による、光学導波路プリズム２００の３反射実施形態を示す。本実施形態は、８ベースカーブ包み込み形状因子を伴う、ＨＭＤシステムを実装するために使用されることができる。本実施形態では、光学導波路プリズム２００の内側物理的表面または第１の主要表面２１５および外側物理的表面または第２の主要表面２２５は、２つの連続平滑表面であって、それぞれ、一式の自由曲面表面パラメータによって説明される。光学導波路プリズム２００の屈折表面部分２３０は、内側表面２１５の一部ではなく、異なる表面パラメータセットによって説明される。マイクロディスプレイパネル２０５は、反射タイプマイクロディスプレイ（例えば、ＬＣｏＳ、ＦＬＣｏＳ、またはＤＭＤパネル）または透過タイプマイクロディスプレイ（例えば、ＬＣＤパネル）または自発光タイプマイクロディスプレイ（例えば、ＯＬＥＤパネル）のいずれかであることができる。反射タイプマイクロディスプレイパネルの場合、ビームスプリッタ（図示せず）が、照明経路（図示せず）を導入するために採用される。画像ディスプレイ２０５と光学導波路プリズム２００の間には、結合レンズ２１０が、光学収差を補正し、画質を改善するのに役立つために使用される。本設計実施例では、マイクロディスプレイ２０５上の３つの異なる画素から生じる光線束２４０ａ、２４０ｂ、および２４０ｃは、屈折表面２３０を通して光学導波路プリズム２００に入射し、内側表面２１５および外側表面２２５によって、３回、反射され、次いで、屈折表面２３５を通して伝送され、射出瞳２５０に到達する。本実施例では、３つの反射のうち、反射Ｒ１およびＲ２は、ＴＩＲ条件を満たし、外側表面２２５上の反射Ｒ３は、ＴＩＲ条件を満たさない。反射Ｒ３の反射効率を増加させるために、半透明コーティングが、外側表面２２５の少なくとも対応する部分上に塗布される。反射Ｒ１のＴＩＲ条件を維持するために、誘電コーティングが、好ましい。光学導波路プリズム２００内側に、光線束２４０ａ、２４０ｂおよび２４０ｃが、再集束され、それぞれ、中間画像２５５ａ、２５５ｂおよび２５５ｃを形成する。
【００６３】
調節可能集束機能を提供するために、図１の結合レンズ１１０は、液体レンズまたは液体レンズを含有するレンズ群と置換される。図２における実施形態の場合、結合レンズは、集束を調節するために、液体レンズまたは液体レンズを含有するレンズ群によって置換されることができる。
【００６４】
前述の種々の実施形態は、さらなる実施形態を提供するために組み合わせられることができる。Ｃｈｕｎｙｕ  Ｇａｏの名義で２０１２年９月１１日に出願の米国特許出願第６１／６９９，５６５号が、参照することによって全体として本明細書に組み込まれる。実施形態の側面は、必要に応じて、さらなる実施形態を提供するために、種々の特許、出願、および広報の概念を採用するように修正されることができる。
【００６５】
これらおよび他の変更も、前述の発明を実施するための形態に照らして、実施形態に行われることができる。一般に、以下の請求項では、使用される用語は、請求項を明細書および請求項に開示される具体的実施形態に限定するように解釈されるべきではなく、そのような請求項の権利を有する均等物の全範囲とともに、全可能性として考えられる実施形態を含むものと解釈されるべきである。故に、請求項は、本開示によって限定されない。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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