(57)【要約】生成された画像と外部の場面とを同時に見るためのヘッドマウント型ディスプレイは、画像を表示するディスプレイと、画像を受けるプリズムとを含み、このプリズムは、画像を屈折する第１の面と、この画像をヘッドマウント型ディスプレイのユーザに向けて反射する第２の面と第３の面とを有する。
2004522203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像をレンズに送り前記画像の収差を修正して前記画像を投射するディスプレイと、
前記画像を受ける第１のプリズムと、を備え、
前記第１のプリズムは、前記第１の面、第２の面及び第３の面からなる少なくとも３つの面から成り、前記第１の面は、前記画像を前記第２の面に向けて屈折する屈折面であり、前記第２の面は、前記画像を前記第３の面に向けて反射する反射面であり、前記第３の面は、前記画像の虚像をヘッドマウント型ディスプレイのユーザに向けて反射する反射面であるヘッドマウント型ディスプレイ。
【請求項２】
前記第１のプリズムに取り付けられた第２のプリズムを有し、前記第２のプリズムは、前記ユーザが外部の場面を同時に見ることができるように透けて見える請求項１のヘッドマウント型ディスプレイ。
【請求項３】
前記第１の面は湾曲する請求項１のヘッドマウント型ディスプレイ。
【請求項４】
前記第２の面は全反射面である請求項１に記載のヘッドマウント型ディスプレイ。
【請求項５】
前記第１のプリズムは、軽量のポリマー材料からつくられる請求項１のヘッドマウント型ディスプレイ。
【請求項６】
前記第２のプリズムは、軽量のポリマー材料からつくられる請求項２のヘッドマウント型ディスプレイ。
【請求項７】
前記第２の面は平坦かまたはほぼ平坦である請求項１のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項８】
前記第３の面は、円環状の球形である請求項１のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項９】
前記第２の面はユーザの方へ傾斜する請求項１のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１０】
画像をレンズに送り前記画像の収差を修正して前記画像を投射するディスプレイ、前記画像を受ける第１のプリズム、及び前記第１のプリズムに取り付けられた第２のプリズムと、を備え、
前記第１のプリズムは、前記第１の面、第２の面及び第３の面からなる少なくとも３つの面から成り、前記第１の面は、前記画像を前記第２の面に向けて屈折する屈折面であり、前記第２の面は、前記画像を前記第３の面に向けて反射する反射面であり、前記第３の面は、前記画像をヘッドマウント型ディスプレイのユーザに反射する反射面であり、
前記第２のプリズムは、前記ユーザが外部の場面を同時に見ることができるように透けて見えるヘッドマウント型ディスプレイ。
【請求項１１】
前記第１の面は湾曲している請求項１０のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１２】
前記第１のプリズム及び第２のプリズムは、ポリカーボネート材料からつくられる請求項１０のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１３】
前記第２の面は平坦かまたはほぼ平坦である請求項１０のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１４】
前記第３の面は、円環状の球形である請求項１０のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１５】
画像を表示する画像ディスプレイ装置と、
前記画像表示装置によって表示された画像を見る者に提供する光学デバイスと、を有し、
前記光学デバイスは少なくとも３つの面を有し、第１の面が屈折面であり、第２の面が反射面であり、第３の面が前記第２の面に面する反射面であり、
前記光学デバイスは前記画像表示装置から放射された光線が前記第１の面を通過し、第２の面によって内反射され、さらに第３の面によって内反射され、反射された光線が第２の面を通過し、ユーザに画像が送られる画像表示装置。
【請求項１６】
前記第１の面は湾曲している請求項１５の画像表示装置。
【請求項１７】
前記第２の面は、全内反射面である請求項１５の画像表示装置。
【請求項１８】
前記光学デバイスは、軽量のポリカーボネート材料からつくられる請求項１５の画像表示装置。
【請求項１９】
前記第２の面は、平坦か、ほぼ平坦である請求項１５の画像表示装置。
【請求項２０】
前記第３の面は、円環状の球形である請求項１５に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
コンピュータ若しくは他の装置によってつくられる可視情報若しくは影像と、外部場面の直視を重ねて同時に見ることのできるヘッドマウント型ディスプレイは、周知である。このようなヘッドマウント型ディスプレイは、訓練、機械制御または娯楽のような多くの分野にその用途がある。このような装置は、車両のオペレータ及び武器のコントローラに情報を送らなければならない軍用の機器において特に有効であることが分かった。航空機のパイロットは、航空機の作動、天候のレーダ表示、地図、武器の標準に関する情報及び他のこのような情報を提供する装置が有効でことが分かった。
【０００２】
ある装置において、目視情報または目視画像は、着用者の目線、すなわち、監視する目、すなわち、監視者の目線から見える所でヘッドギヤ、ある場合にはヘルメットバイザに取り付けられた光コンバイナに表示される。これらの目視画像は、陰極線管、光ファイバディスプレイ、フラットパネル液晶または電子光装置を含む種々のディスプレイ源から引き出されるが、これらのいくつかは画像エンヘンサ、適当な光リレー装置とともに作動する写真プロジェクタを含み、これらのすべては、目視情報を必要とする者に供給する。ヘッド上で装置を軽量で小さくする要求は、約４５°の対角線を横切る２．５４ｃｍ（１インチ）の新しい極小型表示器の使用を必要とする。しかしながら、これは、要求される視界が安定したままか、又はその安定性が増大する、非常に大口径の（低Ｆ／＃）光コリメータを必要とする。
【０００３】
図１は、現在の光リレー装置を示す。これは、フラットパネルディスプレィを使用する軽量型の装置である。しかしながら、この装置では、フラットパネルディスプレィから目までのスループットに大きな損失が生じる。なぜならば、ビームは、送られ、ビームスプリッタに送られ反射されるが、これは７５％のスループットの損失を生じるからである。これは、着用者のヘッドにさらに画像源用の電力を必要とする。これは、製造コスト並びに重量の要求をさらに厳しいものにする。
【０００４】
光学装置の他の形状は、米国特許第５，５７６，８８７号に説明されている。この構成では非球面のトロイドに大きな傾斜があるので視野収差が生じ、スペースが制限される。さらに、この構成並びに他の現在の構成は、小さい光パワー大きな画素を必要とする大きなディスプレィが必要になる。
【０００５】
米国特許第５，７０６，１３６号は、さらにコンパクトな光装置を示すが、３つのゆがみ形面を有し、これは、製造が非常に困難であり、色収差が修正されない。また、米国特許第５，８１８，６４１号は、コンパクトな画像ディスプレイを開示するが、中実のプリズムからの色収差を修正する能力を示していない。これらの２つの装置は、小さい出口開口を有し、これは、目の前で非常にしっかりと保持されなければならないことを意味する。ヘッド上にディスプレイを取付け、目との不整合及びその移動を可能にするために３倍大きい出口開口（１／３Ｆ／＃）をつくらなければならない。さらに、上述した光装置は、高解像度のディスプレィを使用する能力を有していない。
【０００６】
大きなスループットを有する軽量で小さな光装置が存在することが望ましい。また、コスト的に有効で位置決めする上で制限のない光装置が望ましい。また、あまり複雑でない補正光装置が存在することが望ましい。また、高解像度ディスプレイを使用する能力を有する光装置が存在することが望ましい。さらに、あまり複雑でない光装置であるが、等しく作動可能な光装置が存在することが望ましい。
【０００７】
【発明の概要】
形成された画像及び外部を同時に見るためのヘッドマウント型ディスプレイは、画像を発生するディスプレイと、画像を受けるプリズムとを含む。このプリズムは、３つの光面を有する。第１の面は、画像を屈折し、色収差及び非点収差を修正する屈折面である。第２の面は、ビームを第３の面に反射させる反射面であり、第３の面は、大部分の光パワーを有する反射面である。反射及び平行の時点でビームは、ヘッド取付けディスプレイのユーザに第２の面を通して反射される。残留する画像の視界収差の修正のためにレンズが使用される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明のヘッド取付型ディスプレイ２において、この構成は、コンピュータによって生成された画像とユーザーの前方の影像とを表示するために簡単な構成である。図２は、これまでの構成のリレー装置と同様の単一のプリズム４を有する。フルカラーのフラットパネルディスプレイ６、または他の画像ディスプレイ装置は、２つのレンズ８及び９を通して送られる光ビームの形態で画像を形成する。レンズ８及び９は、視野収差を修正するために使用される。レンズの数は、所望の収差の修正に依存する。しかしながら、要求される重量の制限によって、２つのレンズは、好ましい実施形態の大部分の収差を適当に修正することができる。本発明においては、装置をさらにコンパクトにするために高屈折率のレンズが使用されることが好ましいが、この種のレンズのみには制限されない。レンズは、この技術分野でよく知られており、この明細書ではさらに詳細には説明しない。
【０００９】
画像ビームはプリズム４に伝達され、このプリズム４は、屈折面が湾曲している第１の面１０を有する。この湾曲は、傾斜した球形であり、フルカラーの装置のための色収差の修正するための屈折面を有することが重要である。図３は、屈折面１０を拡大した図面である。溝１１の高さは、画像源の波長に依存し、溝１１の幅は、特定の機能によって決定される。好ましい実施形態において、屈折面は、回転対称収差機能の一部であり、色収差及び非点収差を修正する。屈折面は、屈折効率を犠牲として双方向に対称につくることができる。非対称収差及び等価な性能のための修正は、１つのレンズによって達成される。屈折面は、次の光通路の異なる関数ＯＰＤを有する。
【００１０】
ＯＰＤ＝−１．１５６５×１０−３ｒ２−９．７８１３×１０−４ｒ４＋７．３４５２×１０−８ｒ６−３．３６０２×１０−１０ｒ８＋５．９５０３×１０−１３ｒ１０
ここでＯＰＤ及び半径は、ミリメートル台である。この関数は、異なる実施形態において変化する。画像のビームは、全内反射面である第２の面１２で反射する。第２の面１２は、平坦かまたはほぼ平坦である。全内反射面は、ビームの反射で生じる損失を低減する。これにより、本発明において目に対する大きなスループットを得ることができる。プリズム４は、全反射を達成するために、第２の反射面１２を反射するビームが大きな角度になるように傾斜している。これを達成するために、プリズム４は、第２の面１２への入射角度が光学材料に依存してほぼ４０°以上になるようにユーザに向かって傾斜しなければならない。この角度を達成するために第２の面１２及び第３の面１４の傾斜位置は、所望の角度を達成するために変化される。
【００１１】
コンバイナ面と称される第３の面１４は、この画像のビームをユーザの目に反射する。第３の面の形状は、非球面のトロイドであるが、本発明はこの形状には制限されない。この形状は、好ましい実施形態において使用される。なぜならば、非点収差のようなさらに収差を修正する好ましい形状であるからである。この非点収差の輪郭は、以下の数式によって表される。
【００１２】
ｚ＝−０．００４９６３２５ｙ２−３．４９９８×１０−７ｙ４＋９．０９５５７×１０−１１ｙ６−３．５７１１８×１０−１４ｙ８＋２．９２８７７×１０−１８ｙ１０
この湾曲は、９４．９８ｍｍの曲率の中心を通るｙ軸の周りで回転される。これらの値は、本発明の好ましい実施形態を説明する際に例示を目的としてのみ使用される。しかしながら、本発明はこれらの値を制限せず、これらの値は、本発明に関する所望の使用によって変化する。
【００１３】
第３の面１４の傾斜は、視線２０に対して３０°以下の角度にすることができる。これは、損失がほとんどないかまったくない画像のビームの最小の反射を可能にする。第３の面１４の傾斜のこの制限によって、第２の面１２は、上述した角度を維持するためにその傾斜の範囲に制限される。この画像のビームは、第２の面１２を通ってユーザに向かって反射される。ユーザが画像並びに外部の場面を見ることができるようにメインプリズム４に透視プリズム１６が取り付けられる。好ましい実施形態のプリズムは、ポリカーボネートからつくられるが、良好な光の特性を有する材料を使用することができる。成形のためのポリカーボネートの軽量性と良好な特性によって本発明ではポリカーボネートが使用される。
【００１４】
透視プリズム１６の形状は、ユーザーの目に対して最も遠い面上でのある要求を除いてヘッド取付けディスプレイ２の寸法に嵌合される形状であることができる。この面１８は、ユーザが単位パワーのゆがみのない外側の場面を見ることができるように第１のプリズム４の第２の面１２にほぼ平行で、同心円でなければならない。この装置は、コマ、色収差、非点収差を高度に修正し、これは、高解像度のビデオ画像を見ることを可能にする。このフルカラーメガ画像解像度の能力は、図示した前の構成にとって独得である。大部分の同様なコンパクトなディスプレイは、２００，０００画素解像度以下の解像度を提供する。
【００１５】
好ましい実施形態の光面全体は、ポリマープリズムまたは金属成形の形態でシングルポイント型の点のダイヤモンドターニング技術を用いて発生することができるが、所望の屈折率に依存してレーザマスク技術のような他の技術を用いることもできる。本発明は、ヘッドマウント型ディスプレイ用の光学デバイス２を提供し、したがって、目が開口場所のいずれの場所でも良好な画像を見ることができるように非常に大きな（少なくとも１２ｍｍ）出口開口を有する。
【００１６】
非常に大口径の光装置（Ｆ／１．７）であり、目に対して４０°×３２°の視野をつくるために１５．４×１２．３ｍｍのディスプレイを使用する。これは、大きなクリヤな視野を有することができる。これらの値は本発明の好ましい実施形態を説明する際の一例としてのみ使用することができる。しかしながら、本発明は、これらの値に制限されることはなく、これらの値は、既存の異なる要求によって変化する。これまでの構成に対しての本発明への利点は、損失が著しく低減することである。画像が明るくなりすぎないように画像の損失に各コンポーネントを加えることができる。本発明は、単一の部品プリズム４を使用し、これは、画像の損失を大きく低減する。
【００１７】
新しい原理を応用して当業者が必要とするこのような特定の材料及び部品を製造し使用するために本発明によって必要な情報を提供した。しかしながら、異なる材料及び部品及び種々の変形を本発明の範囲から逸脱することなく使用することができることは理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
光リレー装置の側面図である。
【図２】
本発明のヘッド取り付けディスプレイの側面図である。
【図３】
本発明のプリズムの反射面の拡大された側面図である。
【国際公開パンフレット】
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2004522203.tif 000013
2004522203.tif 000014
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004522203.tif 000015
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004522203.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成13年5月8日(2001.5.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像をレンズに送り前記画像の収差を修正して前記画像を投射するディスプレイと、
前記画像を受ける第１のプリズムと、を備え、
前記第１のプリズムは、前記第１の面、第２の面及び第３の面からなる少なくとも３つの面から成り、前記第１の面は、前記画像を前記第２の面に向けて屈折する屈折面であり、前記第２の面は、前記画像を前記第３の面に向けて反射する反射面であり、前記第３の面は、前記画像の虚像をヘッドマウント型ディスプレイのユーザに向けて反射する反射面であるヘッドマウント型ディスプレイ。
【請求項２】
前記第１のプリズムに取り付けられた第２のプリズムを有し、前記第２のプリズムは、前記ユーザが外部の場面を同時に見ることができるように透けて見える請求項１のヘッドマウント型ディスプレイ。
【請求項３】
前記第１の面は湾曲する請求項１のヘッドマウント型ディスプレイ。
【請求項４】
前記第２の面は全反射面である請求項１に記載のヘッドマウント型ディスプレイ。
【請求項５】
前記第１のプリズムは、軽量のポリマー材料からつくられる請求項１のヘッドマウント型ディスプレイ。
【請求項６】
前記第２のプリズムは、軽量のポリマー材料からつくられる請求項２のヘッドマウント型ディスプレイ。
【請求項７】
前記第２の面は平坦かまたはほぼ平坦である請求項１のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項８】
前記第３の面は、円環状の球形である請求項１のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項９】
前記第２の面はユーザの方へ傾斜する請求項１のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１０】
画像をレンズに送り前記画像の収差を修正して前記画像を投射するディスプレイ、前記画像を受ける第１のプリズム、及び前記第１のプリズムに取り付けられた第２のプリズムと、を備え、
前記第１のプリズムは、前記第１の面、第２の面及び第３の面からなる少なくとも３つの面から成り、前記第１の面は、前記画像を前記第２の面に向けて屈折する屈折面であり、前記第２の面は、前記画像を前記第３の面に向けて反射する反射面であり、前記第３の面は、前記画像をヘッドマウント型ディスプレイのユーザに反射する反射面であり、
前記第２のプリズムは、前記ユーザが外部の場面を同時に見ることができるように透けて見えるヘッドマウント型ディスプレイ。
【請求項１１】
前記第１の面は湾曲している請求項１０のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１２】
前記第１のプリズム及び第２のプリズムは、ポリカーボネート材料からつくられる請求項１０のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１３】
前記第２の面は平坦かまたはほぼ平坦である請求項１０のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１４】
前記第３の面は、円環状の球形である請求項１０のヘッドマウントディスプレイ。
【国際調査報告】
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2004522203.tif 000018
2004522203.tif 000019