(57)【要約】観察者に対する表示のための光学装置は、観察者の瞳の位置に曲率中心を有すると共に、第２の曲率半径を有する凹球面ミラーを有する。画像生成装置は、第２の曲率半径の長さの略半分である第１の曲率半径を有する球面状の拡散面上に画像を形成する。ビームスプリッタが、凹球面ミラーの主軸に沿って配置され、湾曲した拡散面を凹球面ミラーの焦点面に光学的に配置する。
2018533062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察者に対する表示のための光学装置において、
前記観察者の瞳の位置に曲率中心を有すると共に、第２の曲率半径を有する凹球面ミラーと、
前記第２の曲率半径の長さの略半分である第１の曲率半径を有する球面状の拡散面上に画像を形成する画像生成装置と、
前記凹球面ミラーの主軸に沿って配置されたビームスプリッタであって、前記球面状の拡散面を前記凹球面ミラーの焦点面に光学的に配置するビームスプリッタと
を含むことを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記画像生成装置が、レーザ光源と、走査ミラーと、１以上の画素を前記球面状の拡散面上に集束させるレンズとを含む、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記画像生成装置が空間光変調器を含む、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記ビームスプリッタが、前記球面状の拡散面から前記球面ミラーへと光を透過させる、請求項１または２記載の装置。
【請求項５】
前記ビームスプリッタが、前記球面状の拡散面を前記球面ミラーの前記焦点面に配置するために、光軸を折り曲げる、請求項１または２記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【優先権の主張】
【０００１】
本願は、合衆国法典第３５巻第１１９条に基づき、２０１５年１０月８日に出願された米国仮特許出願第６２／２３８９７６号による優先権を主張するものであり、その内容に依拠すると共に、その全体を参照して本明細書に組み込む。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、一般的にウェアラブルディスプレイ装置に関し、より具体的には、モノセントリック瞳結像系を有する広視野ヘッドマウントディスプレイ用の装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ウェアラブルディスプレイ装置は、従来のディスプレイスクリーンの使用が邪魔になる用途において、観察者に対して画像コンテンツを提供するのを可能にする。例えば、ディスプレイゴーグル等のヘッドマウント型装置（ＨＭＤ）が考えられており、とりわけ、軍事、医療、歯科、工業、およびゲームの分野にまで多岐にわたる用途を有する様々な分野において用いられている。空間的表現が強化され、関連する詳細の表示が改善された立体視イメージングは、二次元（２Ｄ）フラットディスプレイで可能であるよりも正確に奥行き情報を示す、より実物そっくりの画像を表示するのに特に有用であり得る。
【０００４】
ウェアラブルディスプレイ装置の可用性、サイズ、コスト、および性能を改善するための数々の前進があったが、まだ改善の余地がかなり残っている。特に、電子的に処理された画像を観察者に対して表示するための結像光学系は、期待外れのものである。従来の設計手法は、要求が厳しいサイズ、重量および配置の要件に合わせるのは困難であり、しばしば、視野および歪み、アイレリーフ、瞳サイズ、および他の要因に関連する問題への対応が不十分であることが証明されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
視野の増加、画像収差の低減、十分に大きい瞳サイズ、および良好な全体性能を低コストで可能にし、容易に製造可能であり人間の視覚系に本質的に適合するＨＭＤを提供する、ウェアラブルディスプレイの解決法の必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書において開示される本開示の一実施形態によれば、観察者に対する表示のための光学装置が提供される。この光学装置は、観察者の瞳の位置に曲率中心を有すると共に、第２の曲率半径を有する凹球面ミラーと、第２の曲率半径の長さの略半分である第１の曲率半径を有する球面状の拡散面上に画像を形成する画像生成装置と、凹球面ミラーの主軸に沿って配置されたビームスプリッタであって、湾曲した拡散面を凹球面ミラーの焦点面に光学的に配置するビームスプリッタとを含む。
【０００７】
本開示の別の実施形態によれば、観察者に対する表示のためのヘッドマウント型光学装置が提供される。このヘッドマウント型光学装置は、ａ）変調された光を光軸に沿って向かわせる光源と、ｂ）走査装置であって、（i）光軸に沿って焦点を画成する集束レンズと、（ii）光軸を折り曲げると共に、走査される光について、焦点の方向を球面状に湾曲した拡散面上へと変えるよう作動可能な走査ミラーとを含み、（iii）球面状に湾曲した拡散面が、走査ミラーの位置に曲率中心を有すると共に、第１の曲率半径を有する、走査装置と、ｃ）観察者の瞳の近くの位置に曲率中心を有すると共に、第１の曲率半径の長さの略２倍である第２の曲率半径を有する凹球面ミラーと、ｄ）走査される光の方向を拡散面から凹球面ミラーに向かうよう変えるよう配設されたビームスプリッタであって、観察者の瞳と走査ミラーとの間の光学的共役関係を設けるよう配設されたビームスプリッタとを含む。
【０００８】
更なる特徴および長所は、以下の詳細な説明で述べられると共に、部分的にはその説明から当業者に自明であり、または、本明細書、特許請求の範囲、および添付の図面に記載されるように実施形態を実施することによって認識される。
【０００９】
上記の概要説明および以下の詳細説明は、単に例示的なものであり、特許請求の範囲の性質および特徴を理解するための概観または枠組みを提供することを意図したものであることを理解されたい。
【００１０】
添付の図面は、更なる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれてその一部をなすものである。図面は１以上の実施形態を示しており、明細書と共に、様々な実施形態の原理および作用を説明する役割をするものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】球面ミラーに関連する光学的特性および関係を示す模式的な側面図
【図２】本開示の一実施形態によるヘッドマウント型光学装置におけるイメージングのために球面湾曲ミラーを用いる模式的な側面図
【図３】立体視用のヘッドマウント型光学装置を示す斜視図
【図４】一例として左目用のイメージングのための構成要素を示すと共に幾つかの例示的な光線を示す側方からの斜視図
【図５】一例として左目用のイメージングを用いたヘッドマウント型光学装置の別の実施形態を示す模式図
【図６Ａ】拡張現実構成における右目用のイメージングのためのヘッドマウント型光学装置の前方からの斜視図を、例示的な光線と共に示す模式図
【図６Ｂ】必要に応じて設けられる拡張現実構成を有する、仮想現実を見るために構成されたヘッドマウント型光学装置の前方からの斜視図を示す模式図
【図７Ａ】空間光変調器を用いたプロジェクタを用いる画像生成装置を示す模式図
【図７Ｂ】空間光変調器を用いたタイル状の画像の形成を示す模式図
【図８】別の実施形態における、空間光変調器を用いたプロジェクタを用いる画像生成装置を示す模式図
【図９Ａ】発光型表示面上に形成される画像を用いたディスプレイ装置を示す模式的な側面図
【図９Ｂ】発光型表示面上に形成される画像を用いたディスプレイ装置の模式的な斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書において示され説明される図は、様々な実施形態による光学装置の動作および製造の基本原理を説明するために設けられるものであり、これらの幾つかの図は、必ずしも実際のサイズまたは縮尺を示すことを意図して描かれたものではない。基本的な構造的関係または動作の原理を強調するために、幾分の誇張が必要となり得る。
【００１３】
提供されている図は、ディスプレイ装置において用いられる標準的な特徴である光学マウント、電源、画像データソース、および回路基板マウントを含む様々なサポート構成要素を示していない場合がある。光学技術の当業者には、本発明の実施形態が、幾つかのタイプの標準的なマウントおよびサポート構成要素のうちの任意のものを用いてよいことが認識できよう。
【００１４】
本開示の文脈において、例えば「上部」および「底部」または「上方」および「下方」もしくは「真下」等の用語は、相対的なものであり、構成要素または表面の必須の向きを示すものではなく、単に、構成要素または装置内における視界、対向する表面、空間的関係、または異なる光路を参照および区別するために用いられる。同様に、「水平」および「垂直」という用語は、例えば、標準的な観察条件に対して相対的な異なる平面内における構成要素または光の相対的な直交関係を記述するために、図に対して相対的に用いられ得るが、真に水平および垂直な向きに関する構成要素の必須の向きを示すものではない。
【００１５】
「第１」、「第２」、「第３」等の用語が用いられている場合、それらは必ずしも何らかの順序または優先順位の関係を示すものではなく、１つの要素または時間間隔を別の要素または時間間隔からより明確に区別するために用いられる。これらの記述は、本開示および特許請求の範囲の文脈において、１つの要素を別の類似の要素から明確に区別するために用いられる。
【００１６】
「観察者」および「ユーザ」という用語は、本開示の文脈においては、ウェアラブル光学装置を着用する人を示すために区別なく用いられ得る。
【００１７】
本明細書において、「活性化可能」という用語は、パワーを受け取った際に、および、必要に応じて１以上の許可信号を受け取った際に、指示されている機能を行う装置または１組の構成要素に関係する。例えば、レーザダイオードは、レーザ光のビームを発するよう活性化可能であり、画像データ信号に従った画像表示のために変調され得る。
【００１８】
本開示の文脈において、２つの平面、方向ベクトル、または他の幾何学的特徴は、それらの実際の角度または投影された角度が９０度の±２度以内で交差する場合に、略直交すると見なされる。
【００１９】
本開示の文脈において、「斜めの」または「斜めの角度」という用語は、直角とは異なるように斜めになった直角ではない角度、即ち、少なくとも１つの軸に沿って、９０度または９０度の整数倍とは少なくとも約２度またはそれ以上異なる角度を意味するよう用いられる。例えば、この一般的定義を用いると、斜めの角度は、９０度よりも少なくとも約２度大きいまたは小さい角度であり得る。
【００２０】
本開示の文脈において、「結合される」という用語は、一方の構成要素の配置が、それが結合されている構成要素の空間的配置に影響する、２以上の構成要素間の機械的な関連、接続、関係、または連結を示すことが意図される。機械的結合については、２つの構成要素は直接接触している必要はなく、１以上の中間構成要素を介して連結され得る。
【００２１】
本開示の文脈において、「左目用画像」という用語は、観察者の左目において形成される仮想画像を記述するものであり、「右目用画像という用語は、観察者の右目において形成される仮想画像を記述するものである。「左目」および「右目」という用語は、立体視画像ペアの各画像を形成するためのイメージング構成要素を区別するための形容詞として用いられ得るものであり、この概念は、立体視イメージング技術の当業者には広く理解されている。
【００２２】
「〜のうちの少なくとも１つ」という用語は、挙げられている項目のうちの１以上が選択され得ることを意味するよう用いられる。寸法測定または位置を参照して用いられる「約」または「ほぼ」という用語は、実施の際には許容される測定誤差および不正確さについて予期される公差の範囲内であることを意味する。挙げられている明示的な値は、ノミナル値からの逸脱により、示されている実施形態の要件に処理または構造が一致しない結果にならない限り、ノミナル値から幾分変更されてもよい。
【００２３】
寸法に関して、「略」という用語は、幾何学的に正確な寸法の±１２％よりも良好な範囲内であることを意味する。従って、例えば、第１の寸法値は、それが第２の値の約４４％〜約５６％の範囲内である場合に、第２の値の略半分である。空間内における位置は、適切な基準寸法（例えば、曲率半径、焦点、構成要素の位置、または光軸上の他の位置等）に対して相対的に、距離寸法が略同じ、離間が約１２％以下、好ましくは５％以内、または１％以下である場合に、互いに「近い」または近接している。
【００２４】
「作動可能な」という用語は、刺激に応答して（例えば、電気信号等に応答して）作用を生じさせる機能がある装置または構成要素に関して、その従来の意味を有する。
【００２５】
本願において用いられる「信号通信する」という用語は、２以上の装置および／または構成要素が、何らかのタイプの信号経路で送受信される信号を介して互いに通信できることを意味する。信号通信は有線または無線であり得る。信号は、第１の装置および／または構成要素と第２の装置および／または構成要素との間の信号経路に沿って、第１の装置および／または構成要素から第２の装置および／または構成要素へと情報、パワー、および／またはエネルギーを伝え得る通信信号、パワー信号、データ信号、またはエネルギー信号であり得る。信号経路は、第１の装置および／または構成要素と第２の装置および／または構成要素との間の物理的接続、電気的接続、磁気的接続、電磁的接続、光学的接続、有線接続、および／または無線接続を含み得る。信号経路は、第１の装置および／または構成要素と第２の装置および／または構成要素との間の更なる装置および／または構成要素も含み得る。
【００２６】
「例示的な」という用語は、その記載が理想的なものであることを暗示するのではなく、一例として用いられることを示す。
【００２７】
モノセントリック設計は幾つかの長所を提供し、画像収差の低減を補助する。しかし、モノセントリック設計は、空間が希少な光学系に適合するのは困難であり得る。一般的に、モノセントリック系は、全視野において同じ性能を可能にし、非モノセントリック系と比較して、より大きな視野への拡張を可能にする。
【００２８】
光学装置の構成要素の位置、曲率中心、または他の特徴に関して、「近い」という用語は、例えば、予期される製造公差および測定の不正確さ、並びに、光の理論的挙動と実際の挙動との間の予期される違いを考慮して、光学設計技術の当業者によって用いられる標準的な含意を有する。
【００２９】
本開示の文脈において、「光学的に配置する」という用語の使用は、光学設計技術の当業者の間における使用と一致する。この用語は、ビームスプリッタの表面による透過または反射のいずれかに基づいて、光学的に等価であることを示す。基準構成要素に関して、第２の構成要素は、第２の構成要素の光操作挙動が、第２の構成要素が特定の位置に実際に配置された場合の挙動と等価に見える場合に、特定の位置に光学的に配置されている。
【００３０】
よく知られているように、特定の光学系内の光および特定の光学系からの光の分布は、その全体的な構成に応じて異なり、全体的な構成は、適切な性能のために幾何学的に完全であるまたは理想的な対称性を示す必要はない。例えば、完全に回転対称の球面反射器は、コリメートされた光を、その頂点を通って「焦点」まで至る光軸に対して平行に向けるのが理想的である。しかし、光学製造の当業者にはよく知られているように、実際には、そのような理想化された幾何学的形状に対する妥当な近似しか実現できず、収差が低減された結像のために完全な焦点は必要ない。球面ミラーについての光の分布は、より正確には、焦点の周囲に略中心合わせされた小さい領域に集束されるものとして記述されるが、説明の目的で、光学設計の当業者によく知られている、例えば「焦点」および「曲率中心」等の従来の用語が用いられる。
【００３１】
球面ミラーを用いる光学系に関する幾つかの光学的概念を検討するのが有用である。図１の模式図を参照すると、主軸ＯＰに沿って存在する曲率中心ＣＣを有する球面ミラーＳ１の側面図が示されている。ミラーＳ１の曲率中心ＣＣと、主軸ＯＰとミラーＳ１の表面との交点にある頂点Ｖとの間の中間が、焦点中心における焦点ＣＦである。点ＣＦはミラーＳ１の頂点Ｖから距離ｆにあり、曲率中心ＣＣは頂点Ｖから距離２ｆにある。焦点ＣＦを通ってミラーＳ１に向かって発散する光は、ミラーＳ１によって反射される際にコリメートされる。主軸ＯＰに沿った焦点ＣＦを含む破線の円弧として示されている表面Ｓ２は、ミラーＳ１の表面に関して同心である場合に、ミラーＳ１に関する焦点曲面を形成する。ミラーＳ１の角度範囲内において、焦点面Ｓ２から発散する光、または焦点面Ｓ２上の光の交点は、焦点ＣＦにおける光と同様の挙動を示す。従って、球面状の焦点曲面Ｓ２から発散する光は、球面ミラーＳ１によって実質的にコリメートされる。
【００３２】
本開示の実施形態は、球面ミラーによる光操作の態様を用いることで、複数の代替の設計にわたって収差の低減および画質の改善を示すヘッドマウントディスプレイ装置を提供するのを補助する。
【００３３】
図２の模式的な断面図は、ヘッドマウント型光学装置１０におけるイメージングのために球面湾曲ミラーＳ１を用いる本開示の画像形成装置２８の実施形態を示す。明確さのために、単一の目Ｅ用の画像を生成するための構成要素が示されているが、立体視用のヘッドマウント型装置１０については、他方の目用の同様の画像形成装置２８が存在するように、図２に示されている基本的な構成要素と同じものが設けられる。ミラーＳ１は、観察者の目Ｅの瞳Ｐに、またはその近くの位置に曲率中心を有する。目ＥとミラーＳ１との間には、光軸ＯＡ上に略中心合わせされたビームスプリッタ２０が挿入され、ビームスプリッタ２０が、湾曲した拡散面３０をミラーＳ１の焦点面に光学的に配置するようになっている。
【００３４】
図２では、拡散面３０によってビームスプリッタ２０を介して設けられる焦点面の光学的に等価の位置が、表面Ｓ２’として示されている。画像生成装置５０（例えば、レーザプロジェクタ４８および走査要素を用いた走査装置６６等）は、１以上の画素を有する画像を生成し、この画像を形成する光を拡散面３０上に投影して集束させる。図２に示されている実施形態では、走査装置６６は、生成された画像を拡散面３０上に集束させるための走査ミラー４０およびレンズ４４を有する。必要に応じて設けられる制御論理プロセッサ２４は、レーザプロジェクタ４８と信号通信する。制御論理プロセッサ２４は、レーザプロジェクタ４８用の画像コンテンツおよび制御信号を供給するよう活性化可能な専用マイクロプロセッサ、接続されたコンピュータ、または他の信号生成装置であり得る。制御論理プロセッサ２４は、レーザ光ビームの変調を走査ミラー４０の対応する角度と調和させるために、走査ミラー４０への接続も有する（この接続は図２には明示されていない）。
【００３５】
走査ミラー４０が、変調された光ビームを湾曲した拡散面３０にわたって移動させる速度、および、走査前に光ビームが変調される速度の両方は、得られる画像解像度を決定する。走査速度は、画像の所与の面積にわたって表示可能な画素数の決定における１つの要因である。本開示の実施形態は、走査ミラー４０の速度をその走査にわたって変更できる機能を利用して、投影された画像の中心部分にわたる画素の密度を増加させ、観察者がより高い解像度の画像を知覚するようにする。装置１０によって形成される画像の範囲にわたる画素密度は、幾らかの量だけ変更可能であるので、画像の所与の一部分についての画素密度が、他の領域より、例えば５％または１０％高いピクセル・パー・インチを有することによって高くなる。
【００３６】
例えば、視野の中心部分にわたる画素密度を増やすことによって、画素密度を変えることは、改善されたイメージングのために有効であり得る。人間の目は、中心窩領域における視覚ではより良好な解像度を有し、視野の縁部に向かう角度では、解像度の知覚が低下する。従って、拡散面３０上の画像の中心領域にわたって走査を僅かに遅くする、走査サイクルのその部分にわたって光変調速度を増加させる、または、走査速度および変調速度の両方を変えることにより、ヘッドマウント型装置１０によって形成される仮想画像の異なる領域にわたる画素密度の変更を可能にできる。
【００３７】
モノセントリックなイメージングをサポートする幾つかの幾何学的および光学的関係が、図２のヘッドマウント型光学装置１０の実施形態に示されている。拡散面３０は、走査ミラー４０の位置に曲率中心を有する。半径Ｒ１として示されている拡散面３０の曲率半径は、頂点Ｖと瞳Ｐとの間に延びる半径Ｒ２として示されている球面ミラーＳ１の曲率半径の半分である。瞳Ｐは、ビームスプリッタ２０およびミラーＳ１を介して、走査ミラー４０と光学的に共役である。
【００３８】
レンズ４４は、図２の構成ではレンズ４４の右側に示されている光軸ＯＡに沿って焦点ＦＰを画成する。光が、レンズ４４の回転対称軸に沿って位置するレンズ４４の偏位していない焦点（図２ではＦＰ’として示されている）に到達する前に、走査ミラー４０が光軸ＯＡを折り曲げて、焦点（焦点領域）の方向を凸球面状に湾曲した拡散面３０上に向けて変える。本開示の一実施形態によれば、走査ミラー４０は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子の反射型走査要素である。ＭＥＭＳ素子は、半導体装置の形成に用いられる技術に類似した微細加工技術を用いて製造された、小型化された機械的および電気機械的要素（即ち、装置および構造体）のシステムを提供する幾つかの機械的構成要素を含む。ＭＥＭＳ素子は、可動要素を有しない比較的簡単な構造体から、集積型マイクロエレクトロニクスの制御下にある複数の可動要素を有する非常に複雑な電気機械的システムまで、様々であり得る。ＭＥＭＳ素子では、これらの要素の少なくとも一部は、その要素自体が可動であるか否かに関係なく、機械的機能を有する。ＭＥＭＳ素子は、「微細加工された装置」、または微細システム技術を用いて形成され動作する装置とも称される。個々の可動ＭＥＭＳ要素の物理的寸法は、１マイクロメートル未満〜数ミリメートルの範囲であり得る。本開示の文脈において、ＭＥＭＳ素子は、ラスタ走査パターンを用いて二次元画像を提供するために、レーザ光ビームを時間的および空間的に変調するよう活性化可能な機械的可動要素（例えば、反射器等）を設ける。
【００３９】
ビームスプリッタ２０は、走査される光の方向を拡散面３０から凹球面ミラーＳ１に向かうよう変えるよう配設されると共に、観察者の瞳Ｐと走査ミラー４０との間の光学的共役関係を設けるよう配設される。
【００４０】
引き続き図２を参照すると、拡散面３０は走査ミラー４０の位置に曲率中心を有し、レンズ４４の焦点はミラー４０から距離Ｒ１にあるので、形成される走査された画像は、湾曲した拡散面３０に沿って焦点を結ぶ。次に、球面湾曲ミラーＳ１は、観察者の目Ｅ用の、比較的収差がない球面状の波面を有する画像を形成し得る。拡散面３０の使用は球面状の中間画像を設け、それによって開口数（ＮＡ）および画像担持光のエタンデュを効果的に増加させ、観察者の瞳Ｐにおける大きい射出瞳（またはより大きいアイボックス）を生じさせる。拡散面３０からの低ＮＡ入射光の拡散がなく、小さい瞳のみが形成され得る。そのようなケースで得られる瞳は、単純に、ＭＥＭＳ走査ミラー４０のサイズを有する。レンズ４４は、低ＮＡ光学系を用いて小さい視野にわたって光を集束させるために用いられるので、簡単な設計の球面単レンズであってよい。幾分の輝度が損なわれるが、図２の光学系は、サイズが低減された系を構成するために用いられる。拡散面によるＮＡの拡大前の光路に沿って配置されているレンズ４４は、低ＮＡの小さい視野の光を操作するための単レンズであってよい。
【００４１】
先に述べたように、ヘッドマウント型光学装置の立体視の実施形態は、観察者の各目用に、図２の画像形成装置２８の構成要素を有し得る。図３の斜視図は、立体視用のヘッドマウント型光学装置１０を示す。図３では、左目ＥＬ用の画像形成装置２８Ｌについての画像生成装置５０の構成要素がラベルづけされ、光路が追跡されており、右目ＥＲ用には、同じ構成要素およびそれに対応する光路が用いられる。レーザプロジェクタ４８または他の画像ソースからの画像担持光が、レンズ４４によって、凸球面状に湾曲した拡散面Ｓ２Ｌ上に集束される。ビームスプリッタ２０は、この光を、目ＥＬ用の画像を形成する球面ミラーＳ１Ｌに向かわせる。湾曲した拡散面Ｓ２Ｒおよび球面ミラーＳ１Ｒも同様に動作して、右目ＥＲ用の画像を形成する。
【００４２】
図４は、左目ＥＬ用のイメージングのための画像形成装置２８Ｌの構成要素を示す側方からの斜視図であり、幾つかの例示的な光線を示している。この図に示されているように、拡張された観察アイボックスを設けるために、瞳Ｐはかなり拡大され得る。例として、本開示の一実施形態によれば、ＦＯＶは４５度（水平）×２５度（垂直）の大きなものになり得る。凸状拡散面３０についての半径Ｒ１は４０ｍｍであり得る。球面ミラーについての半径Ｒ２は８０ｍｍであり得る。レンズ４４の焦点距離は５０ｍｍであり得る。代わりに、他の曲率および焦点距離を有する構成要素が用いられてもよいことが認識できよう。
【００４３】
図４は、必要に応じて設けられるカメラ２２も示しており、カメラ２２は、例えば、観察者の目ＥＬおよび瞳Ｐの位置を検出して、観察者の注意の変化に対応するために画像の表示をどのように修正するかを決定する、視線追跡のために用いられ得る。カメラ２２は、図示されているように、ビームスプリッタ２０を介して目の位置を観察し得る。また、カメラ２２は制御論理プロセッサ２４と信号通信する。
【００４４】
本開示の文脈において、ビームスプリッタ２０は「部分的に透明」または「略透明」であり得る。部分的に透明なビームスプリッタ素子は、入射可視光の５０％未満を透過させ、残りを反射して、５０％を超える入射光の方向を変える。略透明なビームスプリッタ素子は、５０％を超える入射可視光を透過させ、残りの５０％未満を反射する。
【００４５】
図５の模式図は、本開示で用いられる定義による略透明なビームスプリッタ２０を有するヘッドマウント型光学装置１０の別の実施形態を示す。図５でも、一例として左目ＥＬ用のイメージングを用いる。ここでは、球面ミラーＳ１Ｌの位置は、例えば、図２〜図４に示されているようなビームスプリッタ２０から反射された反射光ではなく、ビームスプリッタ２０を透過した光を反射するよう変更されている。この構成では、観察者が、部分的に透明なビームスプリッタ２０の向こう側にある（例えば、光軸ＯＡに沿った）現実世界の光景と、レーザプロジェクタ４８から生成され、湾曲したミラーＳ１Ｌから反射された画像とを見ることができるので、拡張現実イメージングが可能である。
【００４６】
図５の構成では、ビームスプリッタ２０は凹球面ミラーＳ１Ｌの主軸ＯＰに沿って配置され、透過によって、湾曲した拡散面３０を凹球面ミラーＳ１Ｌの焦点面に光学的に配置すると共に、観察者の瞳と走査ミラー４０との間の光学的共役関係を設けるよう更に配設される。
【００４７】
図６Ａの模式図は、ヘッドマウント型光学装置１０の前方からの斜視図を、拡張現実構成において右目ＥＲ用の画像を形成するための例示的な光線と共に示す。ここでも、左目ＥＬ用のイメージングのために、同じ構成要素および光路が設けられる。
【００４８】
本開示の更に別の実施形態によれば、図２〜図４の仮想現実構成を、図５および図６Ａの拡張現実構成と組み合わせて、一方の目用に図４の湾曲ミラー構成を用い、他方の目用に図５の反射構成を用いるハイブリッド型の仮想現実イメージングシステムを設けることができる。図６Ｂの模式図は、より広い視野を有する仮想現実イメージングを提供する左右の画像形成装置２８Ｌおよび２８Ｒをそれぞれ有する、本開示の別の実施形態を示す。湾曲したミラーＳ１Ｒは、図５に示されているように、ビームスプリッタ２０によって反射された光を目に向かって反射するよう配置され、湾曲したミラーＳ１Ｌは、図４に示されているように、ビームスプリッタ２０を透過した光を目に向かって反射するよう配置される。
【００４９】
比較すると、図６Ａの構成は、一方のミラーを水平軸に関してより大きくすると、他方のミラーがより小さくなる、互いに条件付きの湾曲したミラーＳ１ＲおよびＳ１Ｌを示している。一方、図６Ｂの構成では、ミラーＳ１ＬおよびＳ１Ｒは互いに妨げず、各ミラーが視界の全幅にわたって延在することが可能であり、サイズ調節可能なＦＯＶを提供する。また、図６Ｂには、必要に応じて設けられる遮断スクリーン６４が破線で示されており、これは、別様では観察者の視線に入る周囲光を遮断するものである。或いは、遮断スクリーン６４は取り除かれてもよい。スクリーン６４を取り除くことで、観察者の一方の目（図６Ｂの例では右目）で拡張現実を見ながら、他方の目では仮想現実イメージングが可能になる。
【００５０】
なお、拡張現実が望ましくなく、電子的に生成された画像のみが所望される実施形態については、一方または両方の目に対して、例えばシールド等によって、現実世界からの光を遮断できる。
【００５１】
湾曲した拡散面３０上に形成される画像を生成するために適切に適合可能な他のタイプのイメージングソースとしては、様々なタイプの空間光変調器（ＳＬＭ）が挙げられる。図７Ａの模式図および図７Ｂの斜視図は、ＳＬＭ６２を用いたプロジェクタ５８を用いる画像生成装置５０を示す。プロジェクタ５８は、光を作動可能なミラー６０に向かわせ、ミラー６０は、一続きの小さい二次元画像セグメントまたは「タイル」Ｔを拡散面３０上に次々と走査して投影用の画像を形成し、広いＦＯＶおよび大きい観察瞳を提供する。図７Ｂは、より大きな画像の複数のタイルＴのうちの１つをイメージングするための位置にある作動可能なミラー６０を示す。本開示の装置は、画像を形成するために、個々の２Ｄタイルを高速で形成して球面上に投影することにより、立体視イメージング用の１組の鮮明な画像を表示できる。
【００５２】
例えば、米国テキサス州ダラスに所在するテキサス・インスツルメンツ社のデジタル光プロセッサ（ＤＬＰ）、液晶素子（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、ＬＣＯＳ（liquid crystal on silicon）素子、または電気機械的回折格子素子を含む、様々なタイプのＳＬＭ装置が用いられ得る。或いは、湾曲した拡散面３０にわたって走査されるリニア光変調器が用いられてもよい。
【００５３】
図８の模式図は、回転するミラーまたは走査器を必要としない、ＳＬＭを有するプロジェクタ５８を用いる別の実施形態を示す。プロジェクタ５８は、光を、必要に応じて設けられるレンズ４４を介して、湾曲した拡散面３０上に向かわせる。
【００５４】
形成される中間画像のＮＡを増やすために用いられる拡散面３０は、幾つかの方法で製造できる。拡散面３０は、光ファイバフェースプレート、または、研磨もしくは化学的に処理された表面を有する処理されたガラスもしくはプラスチックの構成要素であり得る。或いは、ホログラフィ拡散面および湾曲した拡散フィルムが用いられてもよい。ホログラフィ拡散面および拡散フィルムは、例えば、Orafol社、Avon社、CT社、および米国カリフォルニア州トーランスに所在するPhysical Optics Corporation等の幾つかの供給業者から入手可能である。球面ミラーＳ１は、湾曲したミラーの性能を提供しつつ平坦性の長所を更に有するホログラフィ反射素子であってもよい。或いは、ミラーＳ１は、例えば、フレネル反射素子であってもよい。
【００５５】
なお、ホログラフィ素子、またはフレネルレンズもしくはミラーは、幾何学的な曲率は示さないが、その反射素子または屈折素子としての光学挙動に対応する光学的な実効曲率中心を有する。従って、例えば、球面ミラーＳ１と等価の光の方向を変える機能を示すと共に球面ミラーＳ１と同じ焦点面を有するフレネルミラーは、ミラーＳ１と同一の光学的な実効曲率中心を有する。
【００５６】
或いは、中間画像は、拡散面上に画像を形成するよう構成されたディスプレイ装置によって生成され得る。図９Ａおよび図９Ｂは、例えば、発光型有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ装置またはバックライト型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）装置上に形成された画像等の、発光型表示面７２から生成されたソース画像を用いるディスプレイ装置７０の模式的な側面図および斜視図をそれぞれ示す。各目に対する画像を形成するために、光ファイバフェースプレート７４は、平坦な発光型表示面７２に接触して位置して、ディスプレイから発せられた光を光ファイバフェースプレート７４の湾曲した凸状拡散面３０に伝える平面状の光入射面７８を有する。ビームスプリッタ２０および球面ミラーＳ１、Ｓ１Ｌ、Ｓ１Ｒは、投影および走査ディスプレイ装置によって形成される中間画像に関して先に述べたのと同じ機能を行う。曲率の関係および中間画像の配置は、走査される光の実施形態を参照して先に述べたパターンに従う。
【００５７】
図９Ａの拡大された領域Ｑに模式的に示されているように、光ファイバフェースプレート７４は、数百本または数千本の平行な光ファイバ７６から形成される。各ファイバ７６は、平面状の光入射面７８から湾曲した拡散面３０まで延びており、ファイバ７６幅は任意の適切なサイズを有してよく、実際には、表示面７２の画素サイズの分数であるのが典型的である。拡散は、各ファイバ７６が、表示面７２の対応する部分から入射する光のＮＡを増やす際に生じる。図９Ｂに模式的に示されているように、各目用の画像を形成するための光ファイバフェースプレート７４が存在する。左目および右目用の画像コンテンツを提供するために、単一の表示面７２または別々の表示面７２が用いられ得る。
【００５８】
本開示の実施形態は、拡張現実または仮想現実の平面視用または立体視用のＨＭＤまたは他のタイプのウェアラブルディスプレイに組み込まれ得る。或いは、示されているディスプレイ装置の１以上の構成は、平面視用または立体視用の何らかの他の構成（例えば、手持ち型の構成等）を有し得る。
【００５９】
本開示の別の実施形態によれば、球面Ｓ１の焦点面に画像を形成するために光を集束させるために、拡散面３０を必要としない投影系が用いられる。しかし、この構成は、ＭＥＭＳ走査ミラーのＮＡ（開口数）によって制限される小さい瞳サイズを示す。
【００６０】
レーザプロジェクタは、異なる色の成分ビーム（例えば、赤、緑、および青の波長を有するビーム等）を結合するカラーコンバイナを含み得る。或いは、レーザは、ヘッドマウント型装置の他の構成要素から離れた位置にあってもよく、光学系に画像コンテンツを供給するために、レーザ光は光ファイバを通して向けられる。
【００６１】
しかし、光学設計における「モノセントリック」という用語の使用は、実際には、完全に同心の表面を必要とするモノセントリックな系の厳密な幾何学的定義ほど厳密ではないことに留意されたい。例えば、光学系においては、完全に幾何学的にモノセントリックな系を設計することが可能ではない、または望ましくない場合がしばしばある。簡単なケースでは、例えば、観察者の両目を正確な位置に固定することはできないが、厳密に幾何学的な系ではそれが必要になる。たとえ観察者のアイボックス内であっても、目の動きについては幾分の量の公差が許容されなければならない。
【００６２】
モノセントリックな光学系は、一般的に、その湾曲面について比較的高度な対称性を有するものとして特徴づけられる。従って、「モノセントリック」という用語は、系の設計形状では、系の湾曲面のうちの２以上が略同心であることを示し、光学的な公差および縮尺、並びに、画像シーンコンテンツを生成して向かわせるために用いられる球面でない面についての何らかの調節に対する妥当な許容性を有する。図６Ａに示されているヘッドマウント型光学装置１０のケースでは、球面ミラーＳ１Ｒの略同心の湾曲した表面と、それに対応する湾曲した拡散面３０は、例えば、互いに近接した（例えば、２〜４ｍｍ以下の範囲内等に）それぞれの曲率中心を有する。この曲率中心は、走査ミラー４０の位置に、またはその近くに位置する。曲率中心は、例えば、ビームスプリッタ２０等の折り曲げ要素を介して折り曲げられた光路に沿っていてもよい。
【００６３】
特に明記しない限り、本明細書において述べられたいずれの方法も、その工程が特定の順序で行われることを要すると解釈されることは意図しない。従って、方法の請求項が、その工程が辿るべき順序を実際に記載していない場合、または、特許請求の範囲もしくは説明において、その工程が特定の順序に限定されることが具体的に述べられていない場合には、どのような特定の順序も推論されることは意図しない。
【００６４】
本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変形および変更が行われ得ることが、当業者には自明であろう。当業者は、本発明の精神および本質を組み込んだ本開示の実施形態の変形、組合せ、部分的な組合せ、および変更を想到し得るものであるから、本発明は、添付の特許請求の範囲内のあらゆるもの、およびそれらの等価物を含むものと解釈されるべきである。
【００６５】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【００６６】
実施形態１
観察者に対する表示のための光学装置において、
前記観察者の瞳の位置に曲率中心を有すると共に、第２の曲率半径を有する凹球面ミラーと、
前記第２の曲率半径の長さの略半分である第１の曲率半径を有する球面状の拡散面上に画像を形成する画像生成装置と、
前記凹球面ミラーの主軸に沿って配置されたビームスプリッタであって、前記球面状の拡散面を前記凹球面ミラーの焦点面に光学的に配置するビームスプリッタと
を含むことを特徴とする光学装置。
【００６７】
実施形態２
前記画像生成装置が、レーザ光源と、走査ミラーと、１以上の画素を前記球面状の拡散面上に集束させるレンズとを含む、実施形態１記載の装置。
【００６８】
実施形態３
前記画像生成装置が空間光変調器を含む、実施形態１記載の装置。
【００６９】
実施形態４
前記画像生成装置がリニア光変調器を含む、実施形態１記載の装置。
【００７０】
実施形態５
前記ビームスプリッタが、前記球面状の拡散面を前記球面ミラーの前記焦点面に配設するために、光軸を折り曲げる、実施形態２記載の装置。
【００７１】
実施形態６
前記ビームスプリッタが、前記球面状の拡散面から前記球面ミラーへと光を透過させる、実施形態２記載の装置。
【００７２】
実施形態７
前記画像生成装置が、１以上の二次元画像タイルを前記球面状の拡散面上に投影する、実施形態１記載の装置。
【００７３】
実施形態８
前記凹球面ミラーが１以上のホログラフィ光学素子を含む、実施形態１記載の装置。
【００７４】
実施形態９
画素密度が、画像の範囲にわたって５％を超えて変化する、実施形態１記載の装置。
【００７５】
実施形態１０
観察者に対する表示のためのヘッドマウント型光学装置において、
ａ）変調された光を光軸に沿って向かわせる光源と、
ｂ）走査装置であって、（i）前記光軸に沿って焦点を画成する集束レンズと、（ii）前記光軸を折り曲げると共に、走査される光について、前記焦点の方向を球面状に湾曲した拡散面上へと変えるよう作動可能な走査ミラーとを含み、（iii）前記球面状に湾曲した拡散面が、前記走査ミラーの位置に第１の曲率中心を有すると共に第１の曲率半径を有する、走査装置と、
ｃ）前記観察者の瞳の近くの位置に第２の曲率中心を有すると共に、前記第１の曲率半径の長さの略２倍である第２の曲率半径を有する凹球面ミラーと、
ｄ）前記凹球面ミラーの主軸に沿って配置されたビームスプリッタであって、前記湾曲した拡散面を前記凹球面ミラーの焦点面に光学的に配置し、前記観察者の瞳と前記走査ミラーとの間の光学的共役関係を設けるよう更に配設されたビームスプリッタと
を含むことを特徴とする装置。
【００７６】
実施形態１１
前記湾曲した拡散面が光ファイバフェースプレートを含む、実施形態１０記載の装置。
【００７７】
実施形態１２
前記ビームスプリッタが、前記光源から受光された入射光の半分超を透過させる、実施形態１０記載の装置。
【００７８】
実施形態１３
前記湾曲した拡散面が、処理されたガラス要素または拡散フィルムである、実施形態１０記載の装置。
【００７９】
実施形態１４
前記観察者の瞳の位置を検出するよう配設されたカメラを更に含む、実施形態１０記載の装置。
【００８０】
実施形態１５
前記凹球面ミラーがホログラフィ素子またはフレネル反射素子である、実施形態１０記載の装置。
【００８１】
実施形態１６
前記光源が少なくとも１つのレーザを含む、実施形態１０記載の装置。
【００８２】
実施形態１７
前記走査ミラーが微小電気機械システム素子である、実施形態１０記載の装置。
【００８３】
実施形態１８
前記光源、前記走査装置、前記球面ミラー、および前記ビームスプリッタが、前記観察者の各目用に同じものが設けられる、実施形態１０記載の装置。
【００８４】
実施形態１９
前記ビームスプリッタが前記凹球面ミラーの主軸を折り曲げる、実施形態１０記載の装置。
【００８５】
実施形態２０
ヘッドマウントディスプレイ装置において、
観察者の左右の瞳の各々に対する表示のための左画像形成装置および右画像形成装置をそれぞれ含み、各前記画像形成装置が、
ａ）変調されたレーザ光を光軸に沿って向かわせるレーザ光源と、
ｂ）走査装置であって、（i）前記光軸に沿って焦点を画成する集束レンズと、（ii）前記光軸を折り曲げ、前記焦点を球面状に湾曲した拡散面にわたって走査させるよう作動可能な走査ミラーとを含む走査装置と、
ｃ）走査される光を前記拡散面から凹球面ミラーに向かわせるよう配設されたビームスプリッタと
を含み、
前記球面ミラーが、前記観察者の対応する瞳の位置に第１の曲率中心を有し、
前記湾曲した拡散面が、前記球面ミラーの焦点面に沿って配設され、前記走査ミラーの位置に第２の曲率中心を有し、
前記球面ミラーに関して、前記観察者の対応する各瞳が、前記ビームスプリッタを介して対応する前記走査ミラーと光学的に共役である
ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。
【００８６】
実施形態２１
ａ）画像担持光を発する平坦な表示面と、
ｂ）観察者の左右の瞳の各々に対する表示のための左画像形成装置および右画像形成装置であって、各前記画像形成装置が、
（i）対応する前記観察者の瞳と光学的に共役である曲率中心を有すると共に第２の曲率半径を有する凹球面ミラー、および、
（ii）前記平坦な表示面に接触して位置する平面状の光入射面を有すると共に、該入射面とは反対側に、前記発せられた画像担持光から球面状に湾曲した画像視野を形成する湾曲した結像面を有し、該湾曲した結像面が、前記第２の曲率半径の長さの略半分である第１の曲率半径を有する、光ファイバフェースプレート
を有する、左画像形成装置および右画像形成装置と、
ｃ）前記左画像形成装置および前記右画像形成装置について、各前記凹球面ミラーの主軸に沿って配置されたビームスプリッタであって、対応する前記湾曲した結像面を前記凹球面ミラーの焦点面に光学的に配置するビームスプリッタと
を含むことを特徴とするディスプレイ装置。
【００８７】
実施形態２２
前記平坦な表示面が有機発光ダイオードディスプレイである、実施形態２１記載のディスプレイ装置。
【００８８】
実施形態２３
前記平坦な表示面がバックライト型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）装置である、実施形態２１記載のディスプレイ装置。
【符号の説明】
【００８９】
１０  ヘッドマウント型光学装置
２０  ビームスプリッタ
２２  カメラ
２４  制御論理プロセッサ
２８  画像形成装置
３０  拡散面
４０  走査ミラー
４４  レンズ
４８  レーザプロジェクタ
５０  画像生成装置
５８  プロジェクタ
６０  作動可能なミラー
６２  空間光変調器（ＳＬＭ）
６４  遮断スクリーン
６６  走査装置
７２  発光型表示面
７４  光ファイバフェースプレート
７８  平面状の光入射面
Ｐ  瞳
Ｒ１、Ｒ２  半径
Ｓ１  球面ミラー
【図１】
2018533062.tif 000003
【図２】
2018533062.tif 000004
【図３】
2018533062.tif 000005
【図４】
2018533062.tif 000006
【図５】
2018533062.tif 000007
【図６Ａ】
2018533062.tif 000008
【図６Ｂ】
2018533062.tif 000009
【図７Ａ】
2018533062.tif 000010
【図７Ｂ】
2018533062.tif 000011
【図８】
2018533062.tif 000012
【図９Ａ】
2018533062.tif 000013
【図９Ｂ】
2018533062.tif 000014
【国際調査報告】
2018533062.tif 000015
2018533062.tif 000016
2018533062.tif 000017