(57)【要約】  光学装置は、光学コンバイナ、画像レンズ、及び、外界レンズを含む。光学コンバイナは、眼の方の側面と外界側面とを有し、かつ、眼の方の側面を通る画像光に入射に対して少なくとも部分的に反射し、かつ、外界側面を通る外界光の入射に対して少なくとも部分的に透過する部分的反射回折格子を含む。第１のマウントは、画像光に補正度数を適用するように画像光の光路に画像レンズを保持するように配置される。第２のマウントは、外界光に第２の補正度数を適用するように光学コンバイナの外界側面の上に外界レンズを保持するように配置される。光学コンバイナは、画像光を外界光に合成し、第１及び第２の補正度数によって補正された合成画像を形成する。
2016508625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘッドマウント表示装置用の光学装置であって、
画像光を照射するように結合された画像ソース；
眼の方の側面と外界側面とを有する光学コンバイナであって、前記光学コンバイナの前記眼の方の側面を通って入射する画像光に対して少なくとも部分的に反射し、かつ、前記光学コンバイナの前記外界側面を通して入射する外界光に対して少なくとも部分的に透過させる部分反射回折格子を含む光学コンバイナ；
前記画像ソースと前記光学コンバイナの前記眼の方の側面との間の前記画像光の光路に配置され、前記画像ソースから照射される前記画像光に第１の補正度数を適用する画像レンズ；及び、
前記光学コンバイナを通過する前記外界光に第２の補正度数を適用する前記光学コンバイナの前記外界側面の上に配置される外界レンズ；
を備え、
前記光学コンバイナは、前記画像光を前記外界光と合成して、前記第１及び第２の補正度数に従って補正され、かつ、前記眼の方の側面から眼に向かう方向にそって延在する共通の視線に沿って伝搬する合成画像を形成することを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記光学コンバイナと前記外界レンズとが使用者の眼の間に配置され、かつ、前記画像ソースと前記画像レンズとが使用者の眼の周辺的に配置される状態で使用者の顔に着用するために前記画像ソース、前記光学コンバイナ、前記画像レンズ、及び、前記外界レンズを支持するためのフレーム組立体をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記画像ソースの前に前記画像レンズを保持するためのマウントをさらに備え、前記画像レンズは交換可能であり、前記マウントは異なる補正度数を有する異なる画像レンズに適合することを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記光学コンバイナの前に前記外界レンズを保持するためのマウントをさらに備え、前記外界レンズは交換可能であり、前記マウントは異なる補正度数を有する異なる外界レンズに適合することを特徴とする請求項２に記載の光学装置。    
【請求項５】
前記画像レンズと前記外界レンズの少なくとも１つは、調整可能な補正度数を適用する調整可能なレンズであることを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【請求項６】
前記調整可能なレンズは、流体レンズ、または、互いに対して横に滑動する一対の重なるレンズ素子を備えることを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
【請求項７】
前記光学コンバイナは：
第１の屈折率を有し、かつ、前記眼の方の側面に対向する第１の側面を含む基部サンドイッチ層；をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
前記基部サンドイッチ層の前記第１の側面内に配置される三次元（「３Ｄ」）回折素子形状の二次元（「２Ｄ」）配列；
それぞれが前記三次元回折素子形状をコーティングし、そこに同化する部分的反射素子であって、前記光学コンバイナの前記眼の方の側面を通って入射する画像光の屈折力を大きくする部分的反射回折格子を集合的に形成する、部分的反射素子；及び、
前記基部サンドイッチ層の前記第１の屈折率と略同じ第２の屈折率を有する前記部分的反射素子の上に配置される平坦化サンドイッチ層であって、これにより、前記外界側面を通る前記外界光の入射は、略回折せずに前記光学コンバイナを通過し、前記眼の方の側面を通る前記画像光の入射は、前記部分的反射回折格子を介して反射され、かつ拡大される、平坦化サンドイッチ層；
をさらに備えることを特徴する請求項１に記載の光学装置。
【請求項８】
前記部分的反射回折格子は、第１の角度で前記眼の方の側面に入射する前記画像光を受容し、かつ、第２の角度を有する反射経路に沿って前記画像光を反射する、偏心回折レンズを備え、前記第１の角度は、前記平坦化サンドイッチ層の照射表面の法線に対して前記第２の角度より傾いていることを特徴とする請求項７に記載の光学装置。
【請求項９】
前記基部サンドイッチ層は、前記第１の側面の反対側の、かつ、前記外界側面に対向する第２の側面を含み、前記光学コンバイナは、前記基部サンドイッチ層と前記部分的反射回折格子とに気化器的な支持を提供するように前記基部サンドイッチ層の前記第２の側面に物理的に対になる光学的に透過する基材をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記外界レンズは、前記光学的に透過する基材と対になり、前記光学的に透過する基材と前記外界レンズは、同様の屈折率を有することを特徴とする請求項９に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記光学コンバイナの前記外界側面は、前記眼の方の側面の第２の曲率とは異なる第１の曲率を有し、これにより、前記光学コンバイナのマクロ形状は、前記外界レンズを備えることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項１２】
眼の方の側面と外界側面とを有する光学コンバイナであって、前記光学コンバイナの前記眼の方の側面を通って入射する画像光に対して少なくとも部分的に反射し、かつ、前記光学コンバイナの前記外界側面を通して入射する外界光に対して少なくとも部分的に透過させる部分反射回折格子を含む光学コンバイナ；
前記光学コンバイナの前記眼の方の側面に届く前に、前記画像光に第１の補正度数を適用するように前記画像光の光路に画像レンズを保持するように配置された第１のマウント；及び、
前記光学コンバイナを通過する前記外界光に第２の補正度数を適用するように前記光学コンバイナの前記外界側面の上に外界レンズを保持するように配置された第２のマウント；
を備え、
前記光学コンバイナは、前記画像光を前記外界光と合成して、前記第１及び第２の補正度数よって補整され、かつ、前記眼の方の側面から眼に向かう方向にそって延在する共通の視線に沿って伝搬する合成画像を形成することを特徴とする光学装置。
【請求項１３】
前記画像レンズは交換可能であり、前記第１のマウントは異なる補正度数を有する異なる画像レンズに適合することを特徴とする請求項１２に記載の光学装置。
【請求項１４】
前記外界レンズは交換可能であり、前記第２のマウントは異なる補正度数を有する異なる画像レンズに適合することを特徴とする請求項１２に記載の光学装置。
【請求項１５】
前記画像レンズと前記外界レンズの少なくとも１つは、調整可能な補正度数を適用する調整可能なレンズであることを特徴とする請求項１２に記載の光学装置。
【請求項１６】
前記調整可能なレンズは、流体レンズ、または、互いに対して横に滑動する一対の重なるレンズ素子を備えることを特徴とする請求項１５に記載の光学装置。
【請求項１７】
前記光学コンバイナは：
第１の屈折率を有し、かつ、前記眼の方の側面に対向する第１の側面を含む基部サンドイッチ層；
前記基部サンドイッチ層の前記第１の側面内に配置される三次元（「３Ｄ」）回折素子形状の二次元（「２Ｄ」）配列；
それぞれが前記三次元回折素子形状をコーティングし、そこに同化する部分的反射素子であって、前記光学コンバイナの前記眼の方の側面を通って入射する画像光の屈折力を大きくする部分的反射回折格子を集合的に形成する、部分的反射素子；及び、
前記基部サンドイッチ層の前記第１の屈折率と略同じ第２の屈折率を有する前記部分的反射素子の上に配置される平坦化サンドイッチ層であって、これにより、前記外界側面を通る前記外界光の入射は、略回折せずに前記光学コンバイナを通過し、前記眼の方の側面を通る前記画像光の入射は、前記部分的反射回折格子を介して反射され、かつ拡大される、平坦化サンドイッチ層；
をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の光学装置。
【請求項１８】
前記部分的反射回折格子は、第１の角度で前記眼の方の側面に入射する前記画像光を受容し、かつ、第２の角度を有する反射経路に沿って前記画像光を反射する、偏心回折レンズを備え、前記第１の角度は、前記平坦化サンドイッチ層の照射表面の法線に対して前記第２の角度より傾いていることを特徴とする請求項１７に記載の光学装置。
【請求項１９】
前記光学コンバイナの前記外界側面は、前記眼の方の側面の第２の曲率とは異なる第１の曲率を有し、これにより、前記光学コンバイナのマクロ形状は、前記外界レンズを備えることを特徴とする請求項１８に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光学分野に関し、特に、しかし限定することなく、覗き込み型の表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学分野では、コンバイナは、コンバイナの同一側面から、または、コンバイナの２つの異なる側面からの、２つの画像を合成する光学装置である。多くの場合、光学コンバイナは、時に、ヘッドマウント表示装置（「ＨＭＤｓ」）または覗き込み型表示装置と称される、ヘッドアップ表示装置（「ＨＵＤｓ」）に使用され、この装置により使用者は外の眺めに重ねて合されたコンピュータ生成画像（「ＣＧＩ」）を見ることができる。ＨＤＵによって使用者は、彼の通常の視点から目線を離す必要なくＣＧＩを見ることができる。ＨＵＤとの用語は、パイロットが計器盤を見下げるのとは反対に、彼の顔を上げた状態で前方を見ながら情報を見ることを可能にした、航空電子工学でのその使用を起源とする。通常のＨＵＤは、傾斜したダイクロックプレート、ホログラフィックコンバイナ、角度が付けられた透明基板、及び、共役化合物レンズを含む。
【０００３】
コンバイナの２つの種類が存在する。１つ目の種類は、２つの視野をいずれの視野へもレンズ効果を全く付加することなく合成する（通常、傾斜したダイクロックプレートまたは共益化合物レンズ）。２つ目の種類は、合成機能に追加してレンズ効果機能を含み、このレンズ効果機能は、通常、表示装置からくる視野用の軸外非球面レンズ効果である。レンズ効果機能は、仮想画像を表示装置から遠視野に、または、コンバイナから特定の距離に移すため、かつ、使用者が目標サイズで仮想画像をフィーカスできるように画像に特定の視野を与えるために使用される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｂｅｒｎａｒｄ  Ｋｒｅｓｓ  ａｎｄ  Ｐａｔｒｉｃｋ  Ｍｅｙｒｕｅｉｓ著「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｏｐｔｉｃｓ：  Ｆｒｏｍ  Ｍｉｃｒｏ−ｏｐｔｉｃｓ  ｔｏ  Ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃｓ」、Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ａｎｄ  Ｓｏｎｓ出版、２００９年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的な度数補正眼鏡と物理的に干渉し得る。ある構成では、ＨＵＤは、度数補正眼鏡の上に着用され得るが、このような構成は、扱いにくく、快適ではない。通常の覗き込み型表示装置は、使用者がコンタクトレンズを着用することを選択しない限り、度数補正眼鏡を使用する使用者の使用にあまり適していない。しかしながら、度数補正眼鏡を必要とする多くの人は、様々な理由によりコンタクトレンズを着用しないことを選択し、よって、ＨＵＤｓを着用する際の所望される選択肢が残されているとは言えない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
限定することなく、例示的な本発明の実施形態が、次の図を参照に説明され、同類の符号は、特定されない限り、様々な図を通して同類部品を意味する。図は、スケールが合っている必要はなく、代わりに、説明されている原理を図示する上で配置されているものを強調する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】シースルー方式の覗き込み型の表示装置に視度数の組み入れる挑戦を示す機能ブロック図である。
【図２】開示する実施形態に関連する、視度数に適合するシースルー方式の覗き込み型表示装置を図示する機能ブロック図である。
【図３】開示する実施形態に関連する、視度数に適合するサンドイッチ回折光学コンバイナと共に実行されるシースルー方式の覗き込み型表示装置を示す図である。
【図４】開示する実施形態に関連する、サンドイッチ回折光学コンバイナの正面図である。
【図５】開示する実施形態に関連する、リソグラフィを使用するサンドイッチ状の回折光学コンバイナを製造するための工程を図示すフローチャートである。
【図６Ａ】開示する実施形態に関連する、リソグラフィを使用するサンドイッチ状の回折光学コンバイナを製造するための製造ステップを示す図である。
【図６Ｂ】開示する実施形態に関連する、リソグラフィを使用するサンドイッチ状の回折光学コンバイナを製造するための製造ステップを示す図である。
【図６Ｃ】開示する実施形態に関連する、リソグラフィを使用するサンドイッチ状の回折光学コンバイナを製造するための製造ステップを示す図である。
【図６Ｄ】開示する実施形態に関連する、リソグラフィを使用するサンドイッチ状の回折光学コンバイナを製造するための製造ステップを示す図である。
【図６Ｅ】開示する実施形態に関連する、リソグラフィを使用するサンドイッチ状の回折光学コンバイナを製造するための製造ステップを示す図である。
【図６Ｆ】開示する実施形態に関連する、リソグラフィを使用するサンドイッチ状の回折光学コンバイナを製造するための製造ステップを示す図である。
【図７】開示する実施形態に関連する、視度数にそれぞれが適合する２つのシースルー方式の表示装置を使用する両眼ヘッドマウント表示装置の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
補正視度数に適合する、シースルー方式の覗き込み型表示装置の装置、システム、及び組立方法の実施形態が、本明細書で説明される。下記の説明における多数の具体的な詳細は、実施形態の十分な理解を得られるように説明される。しかしながら、関連する当業者であれば、本明細書に記載される技術は、１つまたは複数の具体的な詳細なしに、または、他の方法、構成部品、材料などでも実行され得ることを考えるだろう。言い換えると、公知の構造、材料、または、操作は、特定の態様を不明確にすることを避けるために詳細には示されていない、または説明されていない。
【０００９】
本明細書を通して「一実施形態」または「実施形態」との記載は、この施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または性質が、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。従って、本明細書を通して様々なところにおける「一実施形態」または「実施形態」との表現は、全てが同一の実施形態を意味しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または性質が、１つまたは複数の実施形態で任意の適切な方式において組み合わされ得る。
【００１０】
図１は、シースルー方式の覗き込み型の表示装置１００に視度数を組み入れる挑戦を示す機能ブロック図である。表示装置１００は、画像ソース１０５及びシースルー方式の光学コンバイナ１１０を含む。光学コンバイナ１１０は、光学コンバイナ１１０を通過する外界光と画像ソース１０５からの画像を重ね合わせる、または、合成するように作動する。合成された画像は、眼１２５に向かって光学コンバイナ１１０の眼の方の側面から延在する合成された視線に沿って眼１２５に向けられる。
【００１１】
コンタクトレンズを着用しない使用者のために表示装置１００内に補正視度数を適合することは、不必要に加重せず、または、工業デザインを犠牲にしないコスト効率の高い方式でそうするにはいくつかの挑戦がある。例えば、補正レンズ１３０は、光学コンバイナ１１０の外界側面をちょうど覆うように位置し、この時、画像光１１５は、度数補正を全く受けていない。同様に、補正レンズ１３５が、光学コンバイナ１１０の眼の方の側面を覆うように位置する場合、この時、画像光１１５は、外界光１２０による一度のみの横断に比べて、このレンズを２度横断し、同一でない度数補正が２つの画像に適用される結果となる。
【００１２】
図２は、開示する実施形態に関連する、視度数に適合するシースルー方式の表示装置２００を図示する機能ブロック図である。シースルー方式の表示装置２００は、表示装置１００に関連する上述の挑戦を打開し、所望の工業デザインを維持したまま、画像光と外界光との両方に効果的に一定の度数補正を適用することを可能にしている。本明細に記載の度数補正とは、近視、遠視、または別の視覚障害を補正することとして使用され得る。シースルー方式の表示装置２００は、ヘッドマウント表示装置（「ＨＭＤ」）またはヘッドアップ表示装置（「ＨＵＤ」）などの覗き込み型の構造において実施され得る。
【００１３】
表示装置２００の図示する実施形態は、画像ソース２０５、光学コンバイナ２１０、画像光２２０に第１の補正度数を適用する画像レンズ２１５、及び、外界光２３０に第２の補正度数を適用する外界レンズ２２５を含む。
【００１４】
画像ソース２０５から出力される表示光２２０は、画像レンズ２１５を使用して使用者の補正度数用に調整される。図示する実施形態では、画像レンズ２１５は、外界レンズ２２５よりかなり小さいが、画像レンズ２１５は、使用者の視野とは対照的に画像ソース２０５の放射孔の径だけ必要だからである。例えば、が画像レンズ２１５は、おおよそコンタクトレンズのサイズであり得る。画像ソース２０５及び画像レンズ２１５は、光学コンバイナ２１０の眼の方の側面の後ろで物理的に（例えば横方向に）ずれており、光学コンバイナ２１０の眼の方の側面を照明する。この構成は、画像ソース２０５及び画像レンズ２１５を使用者のこめかみ領域付近（例えば、眼鏡フレームの耳アームの内側）に配置し、コンパクトで所望の工業デザインに好適に役立つことを可能にする
【００１５】
一実施形態では、画像レンズ２１５は、画像ソース２０５の放射孔の前に配置されるマウント内に挿入され、これにより、使用者の度数が変わる、または、異なる使用者が表示装置２００を着用する際などに、使用者が画像レンズを外すことができる交換可能設計を容易にする。マウントは、画像レンズ２１５が挿入または滑動されるスロット、クリップ取付、ヒンジ式金具またはクランプ、透明接着剤、摩擦篏合、或いは、別のものであり得る。別の実施形態では、画像レンズ２１５は、使用者の要望に従ってその補正度数を可変できる調整可能なレンズである。例えば、画像レンズ２１５は、流体レンズ、屈折率整合流体レンズ、一対の相補的な背合わせの滑動レンズ（例えば、イギリスのＡｄｌｅｎｓ（登録商標）によって提供されるＡｌｖａｒｅｚ  ｌｅｎｓに類似するものなど）、または、別の方法として実施され得る。
【００１６】
光学コンバイナ２１０を通って伝達される外界光２３０は、外界レンズ２２５を使用して、使用者の補正度数用に調整される。外界レンズ２２５は、光学コンバイナ２１０の外界側に重ねて配置される。外界レンズ２２５は、使用者の視野の少なくとも大部分を覆って、その度数補正を使用者が外を見るのに適用する。
【００１７】
一実施形態では、使用者が、かれらの度数が変わる際、または、異なる使用者が表示装置２００を着用する際に外界レンズ２２５を取り換えることができる、交換可能な設計を実施できるように、外界レンズ２２５は、光学コンバイナ２１０の前に交換可能に取り付けられ得る。マウントは、画像レンズ２２５が挿入または滑動されるスロット、クリップ取付、ヒンジ式金具またはクランプ、半永久透明接着剤、摩擦篏合、或いは、別のものであり得る。一実施形態では、外界レンズ２２５は、光学コンバイナ２１０に屈折率が整合され、内部屈折及び屈折光が曲がるのを抑える。外界レンズ２２５が、光学コンバイナ２１０と屈折率が整合されない実施形態では、反射防止膜が光学コンバイナ２１０と外界レンズ２２５との干渉する面の一方または両方に適用され得る。
【００１８】
別の実施形態では、外界レンズ２２５が、使用者の要望に従ってその補正度数を可変できる調整可能なレンズである。例えば、外界レンズ２２５は、流体レンズ、屈折率が整合された流体レンズ、一対の相補的な背合わせの滑動レンズ（例えば、イギリスのＡｄｌｅｎｓ（登録商標）によって提供されるＡｌｖａｒｅｚ  ｌｅｎｓに類似するものなど）、または別の方法として実施され得る。例えば、滑動レンズは、互いに対して横に滑動する、２つの重なるレンズを含み、これにより、調整可能な度数を実現し得る。外界レンズ２２５は、屈折レンズまたは回折レンズとして実施され得る。
【００１９】
画像レンズ２１５及び外界レンズ２２５は、使用者の必要に応じて、同一の補正度数、または、異なる補正度数を適用し得る。例えば、形状、相対位置、及び、画像レンズ２１５と外界レンズ２２５との間のサイズの違いのために、これらのレンズは、わずかに異なる補正度数をそれぞれが提供し、使用者の視点から画像光２２０と外界光２３０との両方で一致するように見られる効果的な補正度数を得ることができる。これらの変更は、コタンタクトレンズ対眼鏡に適用される度数補正と同類のものである。
【００２０】
図３は、開示する実施形態に関連する、サンドイッチ回折光学コンバイナ３０１を含む、シースルー方式の表示装置を図示する。図３は光学コンバイナ３０１の断面図を図示し、図４は、同一物の平面図を図示する。シースルー方式の表示装置３００は、表示装置２００（図２に図示）の１つの可能な実施例であり、同様に、サンドイッチ回折光学コンバイナ３０１は、光学コンバイナ２１０の１つの可能な実施例である。
【００２１】
図示される実施形態のシースルー方式の表示装置３００は、サンドイッチ回折光学コンバイナ３０１、画像ソース３０２、画像レンズ３０３、レンズマウント３０４、外界レンズ３０６、及び、レンズマウント３０７を含む。図示される実施形態の光学コンバイナ３０１は、基材３０５、基部サンドイッチ層３１０、反射型回折格子３１５、平坦化サンドイッチ層３２０、眼の方の側面３２５、及び、外界側面３３０を含む。図示される実施形態の反射型回折格子は、三次元回折素子形状にコーティングされ、そこに適合する、部分的な反射素子３３５を有する基部サンドイッチ層３１０内に形成された３次元（「３Ｄ」）回折素子形状の二次元（「２Ｄ」）配列で形成される。
【００２２】
光学コンバイナ３０１は、それが、同一でなければ略同一である屈折率を有する２つの材料層（すなわち、基部サンドイッチ層３１０及び平坦化サンドイッチ層３２０）の間に反射型回折格子３１５を挟むことから、サンドイッチ状光学コンバイナと称される。こうすることによって、光学コンバイナ３０１は、各モードが異なる性質を有する状態で、反射モードと透過モードとの両方において同時に作動する。反射において、画像ソース３０２は、使用者の眼１２５と同じ、光学コンバイナ３０１の同一面（すなわち、眼の方の側面３２５）上に配置される。反射型回折格子３１５は、部分的反射素子３３５でできており、画像ソース３０２から出力される画像光２２０の一部が、使用者の眼１２５に向かって反射される。透過においては、反射型回折格子３１５の回折効果が、部分的反射素子３３５の上下の反射材料の同一または略同一の屈折率を使用することによって打ち消される。部分的反射素子３３５は、部分的に透過性でもあり、略均一な屈折率の材料内に挟まれることから、反射型回折格子３１５を通過する外界光２３０の一部は、回折されず、むしろ、略光学歪なしに眼１２５に通る。光学コンバイナ３０１を反射モードと透過モードとの両方で同時に作動することによって、それは、外界光３３０に画像光を重ねて、使用者に拡張現実の一種を提供することができる。画像レンズ３０３は、画像ソース３０２と光学コンバイナ３０１との間の表示光２２０の光路に配置され、光が光学コンバイナ３０１上に入射する前に、表示光２２０に補正度数を適用する。図示される実施形態では、画像レンズ３０３は、レンズマウント３０４によって画像ソース３０２の放射孔の上の場所に保持される。レンズマウント３０４は、画像レンズ３０３が挿入または滑動されるスロット、クリップ取付、ヒンジ式金具またはクランプ、透明接着剤、摩擦篏合、或いは、別のものであり得る。
【００２３】
外界レンズ３０６は、光学コンバイナ３０１の外界側面３３０を覆うように外界光２３０の光路内に配置され、光が光学コンバイナ３０１を通過する前に、外界光２３０に補正度数を適応する。図示される実施形態では、画像レンズ３０３は、レンズマウント３０７によって光学コンバイナ３０１を外界側面３３０の上の場所に保持される。レンズマウント３０７は、外界レンズ３０６が挿入または滑動されるスロット、クリップ取付、ヒンジ式金具またはクランプ、透明接着剤、摩擦篏合、或いは、別のものであり得る。別の実施形態では、外界レンズ３０６は、交換可能ではなく、むしろ、基材３０５の外界側面３３０内に恒久的に形成される。この別の実施形態では、外界側面３３０の曲率は、（平坦であり得る、）光学コンバイナ３０１の眼の方の側面３２５とは異なり、光学コンバイナのマクロ形状が外界レンズを形成する。
【００２４】
ある実施形態では、基部サンドイッチ層３１０に形成された個々の三次元回折素子形状のサイズ、配向、及び、配置は、光学倍率に拡大画像光２２０をもたらすように設計され得る。この拡大構成は、ヘッドマウント表示装置（「ＨＭＤ」）またはヘッドアップ表示装置（「ＨＵＤ」）などの眼に近い構成において特に役立ち得る。屈折力をもたらす回折格子の包括設計は公知である。例えば、回折光学系の設計は、非特許文献１で説明されている。特に、この本では、どのように回折構造（微細溝）を設計し、次いで、彫刻するか、また、どのように０次とより高い回折次数とにおける回折される光を減らしつつ、特定の回折次数における回折される光量を最大化するためのこれらの深さを選択するかが説明されている。
【００２５】
一実施形態では、反射型回折格子３１５は、入射角Ａ１で入力光を受容することができ、Ａ１とは異なる放射角Ａ２を有する反射経路に沿って画像光を反射する偏心レンズである。Ａ１及びＡ２は、反射された画像光２２０が放射される、光学コンバイナ３０１の放射面の法線から測定される。図３では、放射面が、平坦化サンドイッチ層３２０の眼の方の側面３２５と一致する。一実施形態では、入射角Ａ１は、放射角Ａ２より、法線からより大きい、または、より傾いている。これにより、外界光２３０を遮蔽しないように、画像ソース３０２が光学コンバイナ３０１に対して横方向に配置され得る。ＨＭＤ構造では、偏心レンズ効果が画像ソース３０２が使用者のこめかみ領域において周辺的に配置されることを可能にし、これにより、使用者の前方の視界の邪魔にならない。偏心レンズ効果は、放射角Ａ２を入射角Ａ１より法線からより傾きを小さくなるように向け直し、これにより、眼を飛び越えて鼻を照射することに対して、反射された画像光をより垂直な角度に近い角度で使用者の眼に向ける。  回折光学系を利用する偏心レンズ効果はさらに、反射型回折格子３１５に特定の角度的なバンド幅をもたらす。このことは、後側反射による錯乱を減らし、外界光に対する反射された画像光２２０のコントラストと上げるのに役立つ。
【００２６】
図４では、偏心レンズ効果は、回折格子パターンをチャーピングすること、及び、使用者の視覚４６５の中心に対してパターンの中心４６０をオフセットすることによって実現される。図示する実施形態では、パターンの中心４６０は、最大の部分的反射素子３３５の中心として記される。パターンが中心４６０から出て延在する際、部分的反射素子３３５は、次第に小さくなる。図３及び図４では、三次元回折素子形状が、放物線状の断面形状（図３参照）、及び、回転対称（円形または球状レンズ）または非回転対称（非球面レンズ）の外周形状を有する。しかしながら、反射型回折格子３１５を製造ために、他の断面形状及び外周形状（例えば楕円など）が使用され得る。図示する図４の実施形態は、１６相レベルの偏心回折レンズである。しかしながら、他の相レベルが使用され得、もっとも効果的なレンズは無限数の相レベル（疑似アナログ表面レリーフ型レンズ）を有する。
【００２７】
反射型回折格子３１５は、各三次元回折素子形状を部分的反射素子３３５と重ね合わせることによって形成される。部分的反射素子３３５は、対応する三次元回折素子形状を紺フォーマルにそれぞれコーティングし、これにより、下に位置する三次元回折素子形状の形状及び配向を決める反射構造を生成する。
【００２８】
部分的反射素子３３５は、種々の異なる材料で作られ得る。一実施形態では、部分的反射素子３３５は、一般的な非偏光ビームスプリッタ―材料（例えば、薄い銀層、Ｃｒ０２など）の層で製造される。反射率は、特定の用途（例えば、主にインドアでの使用、アウトドアでの使用、組み合わせた使用等）に基づいて選択され得る。一実施形態では、部分的反射素子３３５は、１０％の反射率の１００ｎｍのＣｒ０２の層を備える。
【００２９】
一実施形態では、部分的反射素子３３５は、複層ダイクロック薄膜構造で作られる。ダイクロック膜は、選択的な波長での選択的な反射率を有するよう生成され得る。付随的に、ダイクロック膜は、反射型回折格子３１５の角度選択性を改善するように設計され得る。ダイクロック膜は、画像光２２０と重なる特定の波長または波長幅に対して、かつ、画像光２２０の入射角に対して高い反射率を有しながら、他の可視スペクトル波長に対して、かつ、外界光２３０の垂直な入射に対してはずっと透過的になるように設計され得る。このように、光学コンバイナ３０１の効率は、伝送される外界光２３０の明るさも上げながら改善され得る。
【００３０】
一実施形態では、部分的反射素子３３５は、直交する直線偏光を略通過させながら、入射光の一直線偏光を略反射する偏光ビームスプリッタ―材料で製造される。この場合、画像ソース３０２は、部分的反射素子３３５の反射特性に合う偏光画像光を照射するように設計され得る。環境光は、通常、ランダムな偏光性を有することから、外界光２３０の約５０％が、光学コンバイナ３０１を通過して眼１２５まで到達するだろう。
【００３１】
画像ソース３０２は、ピコプロジェクター、反射型液晶パネル（「ＬＣＯＳ」）ディスプレイ、バックライト液晶ディスプレイ、発光ダイオード（「ＬＥＤ」）、または、別のもので今日使用される種々のコンパクトな画像ソース技術を利用して製造され得る。ブラウン管が、今でもまだＨＵＤに使用されるが、シースルー方式のヘッドマウント表示装置（ＨＭＤｓ）などのより小さな装置では使用頻度が減っている。光学コンバイナ３０１は、プラスチック（例えば、アクリル、サーモプラスチック、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）、ZEONEX（登録商標）-E48R、ガラス、石英等）を含む、種々の透明な光学的に透過する材料で製造され得る。例えば、一実施形態では、基材３０５、基部サンドイッチ層３１０、及び、平坦化サンドイッチ層３２０は、プラスチックで製造され得る。別の実施形態では、基材３０５はガラスで、基部サンドイッチ層３１０及び平坦化サンドイッチ層３２０は、二酸化ケイ素で製造される。もちろん、他の材料の組み合せが使用され得る。
【００３２】
図５は、本願の実施形態に関連する、リソグラフィを使用して挟まれた回折光学コンバイナ３０１の一実施形態を製造するための例示的工程５００を図示するフローチャートである。工程５００は、ガラス基材上に二酸化ケイ素を使用して実施形態の光学コンバイナ３０１を製造するための一技法を説明する。工程５００は、図６Ａ〜図６Ｆを参照に説明される。工程５００に記される、いくつかまたは全ての工程ブロックの順序は、限定されるものとされるべきではない。むしろ、本願の利点を有する一当業者であれば、いくつかの工程ブロックは、図示されていない様々な順序で、または、平行して実施され得ることが理解できるだろう。
【００３３】
工程ブロック５０５では、基部サンドイッチ層３１０は、ガラス、石英、プラスチック、または別のものなどの透明な材料で製造される基部３０５上に堆積される。この実施形態では、基部サンドイッチ層３１０は、約１μｍの厚みの二酸化ケイ素の層である。工程ブロック５１０では、グレイスケールリソグラフィ及び反応性イオンエッチングが利用され基部サンドイッチ層３１０内に三次元回折形状６０５の二次元配列を形成する。工程ブロック５１５では、スパッタリングを介して形状６０５が部分的反射材料の層で積層される。一実施形態では、部分的反射材料層は、約１０％の反射率である（他の反射率が使用され得る）。一実施形態では、部分的反射材料層は、約１００ｎｍの厚みのＣｒ０２材料である。工程ブロック５２０では、平坦化サンドイッチ層３２０は、部分的反射材料層上に堆積される。一実施形態では、平坦化サンドイッチ層３２０は、約１．５μｍの厚みに堆積される。もちろん、この段階で、平坦化サンドイッチ層３２０は、まだ平坦ではない。工程ブロック５２５では、レジスト材料６１０が、平坦化サンドイッチ層３２０の上にコーティングされる。最後に、工程ブロック５３０で、レジスト材料６１０が、平坦化サンドイッチ層３２０に平坦な上面をもたらす深さにするように平坦化されながら除去される。このような工程は、レジストエッチング速度及び下に位置するＳｉ０２エッチング速度が正確に一致する、比例する反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）工程（または、ＣＡＩＢＥ工程、イオン補助化学エッチング）などで実施され得る。一実施形態では、化学的−機械的研磨が使用されてレジスト層６１０を除去し、平坦化サンドイッチ層３２０を平坦化する。一実施形態では、同じ速度でレジスト材料６１０と平坦化サンドイッチ層３２０との両方をエッチングする、１：１の比を有する、比例する反応性イオンエッチングが使用され得る。
【００３４】
大量生産技術が、様々な別の実施形態の光学コンバイナ３０１を製造するために使用さえ得る。例えば、マスターコンバイナが製造され、射出成型または熱／ＵＶエンボス技術を介してプラスチックレプリケーションの型として使用され得る。基部サンドイッチ層３１０は、射出成型される熱可塑性プラスチック材料で製造され得る。部分的反射素子３３５は、三次元回折形状の二次元配列と、部分的反射材料の上に積層された平坦化サンドイッチ層３２０と、の上に重ねて配置されるか、コーティングされ得る。コンピュータ数値制御工作機械で回転するダイアモンドが、光学コンバイナを作り上げる、様々な湾曲したフリンジを形状化するリソグラフィの代わりに使用され得る。別の実施形態では、基部サンドイッチ層３１０は、熱可塑性プラスチックへの押し出し成形、または、そこに配置された三次元回折形状の二次元配列のネガ型を有する回転ドラムを使用するプラスチックエンボス技術を使用して製造され得る。
【００３５】
図７は、本願の実施形態に関連する、補正度数に適合する一対のシースルー方式の表示装置７０１を使用する両眼ＨＭＤ７００の上面図である。各シースルー方式の表示装置７０１は、実施形態のシースルー方式の表示装置２００または３００で実施され得る。シースルー方式の表示装置７０１は、鼻梁７０５、左耳アーム７１０、及び、右耳アーム７１５を含むフレーム組立体に取り付けられる。図７は、両眼の実施形態を図示するが、ＨＭＤ７００は、単眼ＨＭＤとして実施され得る。
【００３６】
シースルー方式の表示装置７０１は、使用者の顔に着用さえ得る眼鏡構成に固定される。左及び右耳アーム７１０及び７１５は、使用者の耳にかけられ、鼻梁７０５は使用者の鼻にかけられる。フレーム組立体は、使用者の対応する眼１２５の前に光学コンバイナと外界レンズとを配置するように形状及び寸法が決められる。もちろん、別の形状を有する他のフレーム組立体が使用され得る（耳アームと鼻梁支持部を有するバイザー、単一の連続的なヘッドセット部材、ヘッドバンド、ゴーグル型アイウェアなど）。
【００３７】
図示する実施形態のＨＭＤ７００は、使用者に拡張現実を表示することを可能にする。各シースルー方式の表示装置７０１は、使用者が、外界レンズ２３０を介して現実の世界の画像を見ることを可能にする。左及び右（双眼の実施形態）の画像光２２０は、外界レンズ７３０によって度数補正され、表示光２２０は、画像レンズ７４０によって度数補正される。補正された画像光２２０は、拡張現実として補正された外界光２３０に重ね合わされた仮想画像として使用者に見られる。ある実施形態では、外界光２３０は、部分的に遮蔽され、または、選択的に遮蔽されて日蔭機能を提供し、画像光２２０のコントラスを上げ得る。
【００３８】
要約に記載されるものを含む、上述の図示する本願の実施形態は、開示された通りの形状に本発明を包括する、または、限定するものではない。本発明の特定の実施形態、及び例は、例示目的において本明細書で説明されており、同業者であればわかるように、種々の変更が本発明の範囲内で可能である。
【００３９】
これらの変更は、上述の詳細な説明を踏まえて本発明に適用され得る。添付する特許請求の範囲で使用される用語は、本明細書で開示される特定の実施形態に本発明を限定するように解釈されるべきではない。むしろ、本発明の範囲は、クレームの解釈の実証された教理に従って解釈されるべきである、添付する特許請求の範囲によってのみ決定されるべきである。
【符号の説明】
【００４０】
１００  （シースルー方式の覗き込み型の）表示装置
１０５  画像ソース
１１０  光学コンバイナ
１１５  画像光
１２０  外界光
１２５  眼
１３０  補正レンズ
１３５  補正レンズ
【図１】
2016508625.tif 000003
【図２】
2016508625.tif 000004
【図３】
2016508625.tif 000005
【図４】
2016508625.tif 000006
【図５】
2016508625.tif 000007
【図６Ａ】
2016508625.tif 000008
【図６Ｂ】
2016508625.tif 000009
【図６Ｃ】
2016508625.tif 000010
【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
2016508625.tif 000012
【図６Ｆ】
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【図７】
2016508625.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成27年7月29日(2015.7.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘッドマウント表示装置用の光学装置であって、
画像光を照射するように結合された画像ソース；
眼の方の側面と外界側面とを有する光学コンバイナであって、前記光学コンバイナの前記眼の方の側面を通って入射する画像光に対して少なくとも部分的に反射し、かつ、前記光学コンバイナの前記外界側面を通して入射する外界光に対して少なくとも部分的に透過させる部分反射回折格子を含む光学コンバイナ；
前記画像ソースと前記光学コンバイナの前記眼の方の側面との間の前記画像光の光路に配置され、前記画像ソースから照射される前記画像光に第１の補正度数を適用する画像レンズ；及び、
前記光学コンバイナを通過する前記外界光に第２の補正度数を適用する前記光学コンバイナの前記外界側面の上に配置される外界レンズ；
を備え、
前記光学コンバイナは、前記画像光を前記外界光と合成して、前記第１及び第２の補正度数に従って補正され、かつ、前記眼の方の側面から眼に向かう方向にそって延在する共通の視線に沿って伝搬する合成画像を形成することを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記光学コンバイナと前記外界レンズとが使用者の眼の間に配置され、かつ、前記画像ソースと前記画像レンズとが使用者の眼の周辺的に配置される状態で使用者の顔に着用するために前記画像ソース、前記光学コンバイナ、前記画像レンズ、及び、前記外界レンズを支持するためのフレーム組立体をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記画像ソースの前に前記画像レンズを保持するためのマウントをさらに備え、前記画像レンズは交換可能であり、前記マウントは異なる補正度数を有する異なる画像レンズに適合することを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記光学コンバイナの前に前記外界レンズを保持するためのマウントをさらに備え、前記外界レンズは交換可能であり、前記マウントは異なる補正度数を有する異なる外界レンズに適合することを特徴とする請求項２に記載の光学装置。    
【請求項５】
前記画像レンズと前記外界レンズの少なくとも１つは、調整可能な補正度数を適用する調整可能なレンズであることを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【請求項６】
前記調整可能なレンズは、流体レンズ、または、互いに対して横に滑動する一対の重なるレンズ素子を備えることを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
【請求項７】
前記光学コンバイナは：
第１の屈折率を有し、かつ、前記眼の方の側面に対向する第１の側面を含む基部サンドイッチ層；をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
前記基部サンドイッチ層の前記第１の側面内に配置される三次元（「３Ｄ」）回折素子形状の二次元（「２Ｄ」）配列；
それぞれが前記三次元回折素子形状をコーティングし、そこに同化する部分的反射素子であって、前記光学コンバイナの前記眼の方の側面を通って入射する画像光の屈折力を大きくする部分的反射回折格子を集合的に形成する、部分的反射素子；及び、
前記基部サンドイッチ層の前記第１の屈折率と略同じ第２の屈折率を有する前記部分的反射素子の上に配置される平坦化サンドイッチ層であって、これにより、前記外界側面を通る前記外界光の入射は、略回折せずに前記光学コンバイナを通過し、前記眼の方の側面を通る前記画像光の入射は、前記部分的反射回折格子を介して反射され、かつ拡大される、平坦化サンドイッチ層；
をさらに備えることを特徴する請求項１に記載の光学装置。
【請求項８】
前記部分的反射回折格子は、第１の角度で前記眼の方の側面に入射する前記画像光を受容し、かつ、第２の角度を有する反射経路に沿って前記画像光を反射する、偏心回折レンズを備え、前記第１の角度は、前記平坦化サンドイッチ層の照射表面の法線に対して前記第２の角度より傾いていることを特徴とする請求項７に記載の光学装置。
【請求項９】
前記基部サンドイッチ層は、前記第１の側面の反対側の、かつ、前記外界側面に対向する第２の側面を含み、前記光学コンバイナは、前記基部サンドイッチ層と前記部分的反射回折格子とに気化器的な支持を提供するように前記基部サンドイッチ層の前記第２の側面に物理的に対になる光学的に透過する基材をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記外界レンズは、前記光学的に透過する基材と対になり、前記光学的に透過する基材と前記外界レンズは、同様の屈折率を有することを特徴とする請求項９に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記光学コンバイナの前記外界側面は、前記眼の方の側面の第２の曲率とは異なる第１の曲率を有し、これにより、前記光学コンバイナのマクロ形状は、前記外界レンズを備えることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項１２】
眼の方の側面と外界側面とを有する光学コンバイナであって、前記光学コンバイナの前記眼の方の側面を通って入射する画像光に対して少なくとも部分的に反射し、かつ、前記光学コンバイナの前記外界側面を通して入射する外界光に対して少なくとも部分的に透過させる部分反射回折格子を含む光学コンバイナ；
前記光学コンバイナの前記眼の方の側面に届く前に、前記画像光に第１の補正度数を適用するように前記画像光の光路に画像レンズを保持するように配置された第１のマウント；及び、
前記光学コンバイナを通過する前記外界光に第２の補正度数を適用するように前記光学コンバイナの前記外界側面の上に外界レンズを保持するように配置された第２のマウント；
を備え、
前記光学コンバイナは、前記画像光を前記外界光と合成して、前記第１及び第２の補正度数よって補整され、かつ、前記眼の方の側面から眼に向かう方向にそって延在する共通の視線に沿って伝搬する合成画像を形成することを特徴とする光学装置。
【請求項１３】
前記画像レンズは交換可能であり、前記第１のマウントは異なる補正度数を有する異なる画像レンズに適合することを特徴とする請求項１２に記載の光学装置。
【請求項１４】
前記外界レンズは交換可能であり、前記第２のマウントは異なる補正度数を有する異なる画像レンズに適合することを特徴とする請求項１２に記載の光学装置。
【請求項１５】
前記画像レンズと前記外界レンズの少なくとも１つは、調整可能な補正度数を適用する調整可能なレンズであることを特徴とする請求項１２に記載の光学装置。
【請求項１６】
前記調整可能なレンズは、流体レンズ、または、互いに対して横に滑動する一対の重なるレンズ素子を備えることを特徴とする請求項１５に記載の光学装置。
【請求項１７】
前記光学コンバイナは：
第１の屈折率を有し、かつ、前記眼の方の側面に対向する第１の側面を含む基部サンドイッチ層；
前記基部サンドイッチ層の前記第１の側面内に配置される三次元（「３Ｄ」）回折素子形状の二次元（「２Ｄ」）配列；
それぞれが前記三次元回折素子形状をコーティングし、そこに同化する部分的反射素子であって、前記光学コンバイナの前記眼の方の側面を通って入射する画像光の屈折力を大きくする部分的反射回折格子を集合的に形成する、部分的反射素子；及び、
前記基部サンドイッチ層の前記第１の屈折率と略同じ第２の屈折率を有する前記部分的反射素子の上に配置される平坦化サンドイッチ層であって、これにより、前記外界側面を通る前記外界光の入射は、略回折せずに前記光学コンバイナを通過し、前記眼の方の側面を通る前記画像光の入射は、前記部分的反射回折格子を介して反射され、かつ拡大される、平坦化サンドイッチ層；
をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の光学装置。
【国際調査報告】
2016508625.tif 000015
2016508625.tif 000016