(57)【要約】  シースルー光学表示装置は、像形成コンポーネント、非平面で自由形状の前面光学面を有する傾けられた一次ミラー及び非平面で自由形状の前面光学面を有する傾けられた二次ミラーを備え、装置は外部ひとみを有する。装置の像形成コンポーネントにより、またはその上に、形成された像を表示するためのシースルー光学表示装置を設計／作製するための方法。
2016520217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シースルー光学表示装置において、
像形成コンポーネント、
非平面で自由形状の前面光学面を有する、傾けられた一次ミラー、及び
非平面で自由形状の前面光学面を有する、傾けられた二次ミラー、
を備え、
前記装置が外部ひとみを有する、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記外部ひとみが、前記像を視ている観察者の入射ひとみに配された開口絞りであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記像形成コンポーネントがＯＬＥＤ超小型ディスプレイであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記一次ミラー及び前記二次ミラーの前記前面が凹曲率を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記ミラーの表面の内の少なくとも一方がフォトクロミックコーティングまたはエレクトロクロミックコーティングを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記像形成コンポーネント、
非平面で自由形状の前面光学面を有する、前記傾けられた一次ミラー、及び
非平面で自由形状の前面光学面を有する、前記傾けられた二次ミラー、
を備え、
前記一次ミラーが半透明性／半反射性の光学コンポーネントである、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記一次ミラー及び前記二次ミラーの前記前面が凹曲率を有することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記ミラーの表面の内の少なくとも一方がフォトクロミックコーティングまたはエレクトロクロミックコーティングを有することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記一次ミラーが非平面で自由形状の背面光学面を有することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
表面が平坦で半透明性／半反射性の光学コンポーネントをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記像形成コンポーネント、
非平面で自由形状の前面光学面を有する、前記傾けられた一次ミラー、
非平面で自由形状の前面光学面を有する、前記傾けられた二次ミラー、及び
表面が平坦で半透明性／半反射性の光学コンポーネント、
からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記一次ミラー及び前記二次ミラーの前記前面が凹曲率を有することを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記ミラーの表面の内の少なくとも一方がフォトクロミックコーティングまたはエレクトロクロミックコーティングを有することを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
３２.５ｍｍ以下の直径を有する体積フットプリントを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
１４ｍｍ以下の半径を有する体積フットプリントを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
２０°〜３０°の間の視野（ＦＯＶ）を特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記像形成コンポーネント、前記一次ミラー及び前記二次ミラーが結合される眼鏡フレームをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記像形成コンポーネント、前記一次ミラー及び前記二次ミラーが結合される頭部装着構造をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
シースルー光学表示装置であって、前記装置の像形成コンポーネントにより、または前記像形成コンポーネント上に、形成された像を表示するためのシースルー光学表示装置を設計／作製するための方法において、
ａ）装置仕様を決定する工程、
ｂ）前記装置に対する視野の大きさ及び開口絞りの径を選択する工程、
ｃ）観察光学系の入射ひとみに開口絞りを位置決めする工程、
ｄ）回転対称の球面光学系を設計する工程、
ｅ）前記視野の全体にわたる前記装置の収差の内訳を決定する工程、
ｆ）コマ収差及び非点収差の内の一方を含む支配的な収差を識別する工程、及び
１）  コマ収差であれば、
前記コマ収差がより視野無依存性であるかまたはより視野依存性であるかを決定する工程、及び
より視野無依存性であれば、
前記開口絞りに最も近い光学面にコマ収差項を付加する工程、または
より視野依存性であれば、
前記開口絞りから最も遠い光学面に球面収差項を付加する工程、
あるいは
２）  非点収差であれば、
前記非点収差がより視野無依存性であるかまたはより視野依存性であるかを決定する工程、及び
より視野無依存性であれば、
前記開口絞りに最も近い光学面に非点収差項を付加する工程、または
より視野依存性であれば、
前記開口絞りから最も遠い光学面にコマ収差項を付加する工程、
ｇ）前記光学系の設計を最適化する工程、
ｈ）前記最適化された設計の前記収差内訳が低減されているか否かを決定する工程、及び
３） 低減されていなければ、
前記決定された仕様を前記装置が満たしているか否かを決定する工程、及び
満たしていれば、
設計は完了する、または
満たしていなければ、
制限している収差がより視野無依存性であるかまたはより視野依存性であるかを決定する工程、及び
より視野無依存性であれば、
前記開口絞りに最も近い光学面に次の高次収差項を付加する工程、または
より視野依存性であれば、
前記開口絞りから最も遠い光学面に次の高次収差項を付加する工程、
ｉ）前記工程（ｇ）から前記工程（ｈ）を反復する工程、
あるいは
４）  低減されていれば、
前記工程（ｅ）から前記工程（ｈ）を反復する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は２０１３年５月２４日に出願された米国仮特許出願第６１／８２７０３３号の優先権を主張する。上記仮特許出願の主題はその全体が本明細書に参照として含められる。
【０００２】
−米国政府所有権の声明−
本研究はＮＳＦ／ＧＯＡＬＩ（米国国立科学財団／大学産業界連絡プログラム）によって認可番号ＥＥＣＳ−１００２１７９の下に支援された。米国政府は本発明に権利を有する。
【技術分野】
【０００３】
本発明の態様及び実施形態は、最も全般には光学系／装置並びに光学系／装置を設計及び／または作製するための方法に向けられる。さらに詳しくは、本発明の態様及び実施形態はシースルー光学表示装置及びシースルー光学表示装置を設計及び／または作製するための方法に向けられる。
【背景技術】
【０００４】
頭部装着ディスプレイ（ＨＷＤ）などの、ウエアラブルディスプレイは絶え間なく進化する拡張現実市場への最新の参入デバイスを代表する。ＨＷＤに対する実装化制約は人の頭部に装着される他のデバイスの制約と一致する。これにはそのようなデバイスが、最小数の光学素子の使用及び独特の実装構造形状の採用を意味する、軽量でコンパクトであることが必要となる。光学素子数が減じられ、非回転対称な構造形状が用いられる場合、結果として生じる光学収差は回転対称光学面で補正するには大きすぎるという問題が残る。ＨＷＤの設計問題（素子数、構造形状）は非常に強く制約されるから、表面形状は極めて重要な役割を果たす。
【０００５】
光学設計の開始に際し、正確に規定されることが必要な、動作波長帯、開口絞り径及び視野の３つの必須パラメータがある。波長帯は用いられ得る材料を規定し、外部開口絞りを必要とする視覚システムについては、横色収差がシステムの限界収差であることが多いから、重要である。残りの２つのパラメータは、ラグランジュ不変量にしたがって相互に競合することが多く、ラグランジュ不変量に対して与えられた値は設計の総合的複雑さを表す。大径開口絞りはより小さなＦＯＶを要求し、逆もまた同様である。
【０００６】
回転対称反射系の欠点は不鮮明になることであり、これは光の総強度を低下させ、像面に回折効果を導入する。設計者は反射系を隠さないでおくために、様々な手段：
１）開口絞りを機械的軸からオフセットさせることができる、
２）ＦＯＶにバイアスをかけることができる；これはオフアクシス視野の一部が系に対する有効視野と見なされることを意味する、
３）１）と２）の組合せ、または
４）表面自体を傾けることができる、
を用いることができる。回転対称面を有する系に対し、倍率面を傾けると回転対称面を用いてバランスをとることができない、視野無依存性の非点収差及びコマ収差などの光学収差が生じるから、４）の方法は一般に避けられる。
【０００７】
ＨＷＤに対する別の実装化制約は、眼近くの顔面構造にぴたりと合うという要件である。眼の入射ひとみと一致するであろう、光学構造の入射ひとみから最も近い設計構造（すなわち、光学素子、検出器、超小型ディスプレイ、等）までの距離は、眉、鼻及び／または頬骨をクリアするに十分に大きくなければならない。
【０００８】
発明者等は、上述した欠点及び短所に対処するシースルー光学ディスプレイ装置、頭部装着ディスプレイの形態にあるそのようなシースルー光学ディスプレイ装置の特別の利点及び長所、そのようなシースルー光学ディスプレイ装置及びＨＷＤを設計及び作成するための詳細で効率的な方法、及びそのようなシースルー光学ディスプレイ装置及びＨＷＤの性能を解析するための手法によって実現される利点及び長所を認識した。これらの利点及び長所は以下で、本明細書に図面を参照して、また添付される特許請求の範囲に、説明されるように具現化された本発明によって実現される。
【０００９】
本明細書に用いられるようないくつかの用語の定義
術語「自由形状」光学面は、回転対称性をもたず、技術上十分了解されているように、例えば、ＸＹ多項式、ゼルニケ多項式などのφ多項式及び、その他の、（米国特許第８６１６７１２号明細書−この主題はその全体が本明細書に参照として含められる−に開示されているものなど）直交系、動径基底関数、及び、例えばφ多項式と動径基底関数を組み合わせるハイブリッド表示を含むが、これらには限定されない、光学面を指す。
【００１０】
術語「外部ひとみ」は、光学系のいかなる光学面にも、光学面上にも、光学面内にも、または光学面間にも、配置されていない、システムの開口絞りを指す。
【００１１】
術語「シースルー」光学ディスプレイは、装置が、隠されていない周囲環境視野像を提供し、同時に装置の像形成装置によって形成された拡大像を重畳することを意味する。
【００１２】
術語「表面へのコマ収差（または）非点収差（または）球面収差の付加」は表面の形状がそれぞれ、コマ収差、非点収差または球面収差に特有であるように変えられることを意味する。
【００１３】
術語「視野」（ＦＯＶ）は、システムが「見込む」ことができる角度範囲を意味し、フォーマット(X FOV)×(Y FOV)を有する。ここで、(X FOV)はＸ方向での半視野であり、(Y FOV)はＹ方向での半視野である。
【００１４】
術語「アイボックス」は、眼のひとみ（虹彩）が及ぶであろう空間を意味し、これは角膜の背後およそ３ｍｍである。人の眼の入射ひとみは周囲環境の明るさに応じて直径が変化する。十分に照明された室内において、入射ひとみの直径はおよそ３ｍｍであり、したがってシステムは少なくとも直径が３ｍｍのアイボックスを有することが有利である。アイボックスが３ｍｍより大きいと、アイボックスはシステムに対する眼の若干の偏心を可能にするというさらなる利点を有する。また、目は周囲環境を自然に走査し、よってより大きなアイボックスは頭部装着ディスプレイ（ＨＷＤ）からのいかなる光も見損じることのない眼のこの自然旋回への観察者の適応を可能にする。
【００１５】
術語「実効焦点距離」（ＥＦＬ）は、平行光が眼に入った場合には、光が後方主面に集束するであろうとＥＦＬが教えてくれることを意味する。値は像源の大きさ及び所望のＦＯＶに基づき、関係式：
ＥＦＬ＝[像源の対角線の１/２]/[ＦＯＶの１/２]
を用いて選ばれる。
【００１６】
語「約」は指定された数量プラス／マイナスその数量の端数（例えば、±１０％、±９％、±８％、±７％、±６％、±５％、±４％、±３％、±２％、±１％、等）の、当業者がその特定の数量または測定値に対して代表的であり、妥当であると認めるであろう、大きさを意味する。
【００１７】
語「実質的に」は、設計及び実装により意図的に異なるのとは対照的に、例えば代表的な製造及び／または組立の公差内の、当業者が代表的であり、妥当であると認めるであろうように、修飾されている特定の語に近いかまたは同様であることを意味する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の最も一般的な態様及び実施形態はシースルー光学表示装置及びそのような光学表示装置を設計及び／または作製するための方法である。
【００１９】
さらに詳しくは、本発明の態様及び実施形態は、光学表示システム、光学表示システムのための設計及び製造の方法、及び光学表示システムの使用の用途を提供する。光学表示システムの一例であって、限定ではない、実施形態は、全反射型で自由形状の光学系による、シースルー頭部装着ディスプレイ（ＨＷＤ）装置である。
【００２０】
本発明の一態様はシースルー光学表示装置である。装置は、像形成コンポーネント、非平面で自由形状の前面光学面を有する一次傾斜ミラー及び非平面で自由形状の前面光学面を有する二次傾斜ミラーを備え、装置は外部ひとみを有する。限定ではない、様々な実施形態例によれば、装置はさらに：
−外部ひとみは像を視ている観察者の入射ひとみに配された開口絞りである、
−像形成コンポーネントはＯＬＥＤ超小型ディスプレイである、
−一次ミラー及び二次ミラーの前面は凹曲率を有する、
−ミラーの表面の少なくとも一方はフォトクロミックコーティングまたはエレクトロクロミックコーティングを有する、
−半透明性／半反射性の平坦面をもつ光学コンポーネントをさらに備える、
−３２.５ｍｍ以下の直径を有する体積フットプリントを特徴とする、
−１４ｍｍ以下の半径を有する体積フットプリントを特徴とする、
−２０°〜３０°の間の視野（ＦＯＶ）を特徴とする、
−像形成コンポーネント、一次ミラー及び二次ミラーが結合される、眼鏡フレームをさらに備える、
−像形成コンポーネント、一次ミラー及び二次ミラーが結合される、頭部装着構造をさらに備える、
−装置は、像形成コンポーネント、非平面で自由形状の前面光学面を有する一次傾斜ミラー及び非平面で自由形状の前面光学面を有する二次傾斜ミラーからなり、一次ミラーは半透明性／半反射性の光学コンポーネントであり、
−一次ミラー及び二次ミラーの前面は凹曲率を有する、
−ミラーの表面の少なくとも一方はフォトクロミックコーティングまたはエレクトロクロミックコーティングを有する、
−一次ミラーは非平面で自由形状の背面光学面を有する、
−装置は、像形成コンポーネント、非平面で自由形状の前面光学面を有する傾けられた一次ミラー、非平面で自由形状の前面光学面を有する傾けられた二次ミラー及び半透明性／半反射性の平坦面をもつ光学コンポーネントからなり、
−一次ミラー及び二次ミラーの前面は凹曲率を有する、
−ミラーの表面の少なくとも一方はフォトクロミックコーティングまたはエレクトロクロミックコーティングを有する、
の特徴、制限及び／または特質を有する。
【００２１】
シースルー光学表示装置であって、装置の像形成コンポーネントにより、または像形成装置上に、形成される像を表示するためのシースルー光学表示装置を設計／作製するための方法。方法は、
ａ）装置仕様を決定する工程、
ｂ）装置に対する視野の大きさ及び開口絞りの径を選択する工程、
ｃ）観察光学系の入射ひとみに開口絞りを位置決めする工程、
ｄ）回転対称の球面光学系を設計する工程、
ｅ）前野の全体にわたる装置の収差の内訳を決定する工程、
ｆ）コマ収差及び非点収差の内の一方を含む支配的な収差を識別する工程、及び
１）  コマ収差であれば、
コマ収差がより視野無依存性であるかまたはより視野依存性であるかを決定する工程、及び
より視野無依存性であれば、
開口絞りに最も近い光学面にコマ収差項を付加する工程、または
より視野依存性であれば、
開口絞りから最も遠い光学面に球面収差項を付加する工程、
あるいは
２）  非点収差であれば、
非点収差がより視野無依存性であるかまたはより視野依存性であるかを決定する工程、及び
より視野無依存性であれば、
開口絞りに最も近い光学面に非点収差項を付加する工程、または
より視野依存性であれば、
開口絞りから最も遠い光学面にコマ収差項を付加する工程、
ｇ）光学系の設計を最適化する工程、
ｈ）最適化された設計の収差内訳が低減されているか否かを決定する工程、及び
３） 低減されていなければ、
決定された仕様を装置が満たしているか否かを決定する工程、及び
満たしていれば、
設計は完了する、または
満たしていなければ、
制限している収差がより視野無依存性であるかまたはより視野依存性であるかを決定する工程、及び
より視野無依存性であれば、
開口絞りに最も近い光学面に次の高次収差項を付加する工程、または
より視野依存性であれば、
開口絞りから最も遠い光学面に次の高次収差項を付加する工程、
ｉ）前記工程（ｇ）から前記工程（ｈ）を反復する工程、
あるいは
４）  低減されていれば、
前記工程（ｅ）から前記工程（ｈ）を反復する工程、
を含む。
【００２２】
上述した概念及び以下でさらに詳細に論じられる追加の概念の（そのような概念が相互に矛盾していなければ）全ての組合せが本明細書に開示される本発明の主題の一部であると考えられることは当然である。特に、本開示の終わりに見られる、特許請求される主題の全ての組合せが本明細書に開示される本発明の主題の一部であると考えられる。参照として含められるいずれの開示にも見られ得る、本明細書の明示的に用いられる用語が本明細書に開示される特定の概念と最も適合する意味に調和させられるべきであることも当然である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の一例の実施形態にしたがう、２ミラーシースルー光学表示装置／システムの二次元レイトレースを示す。
【図２】図２は、本発明の一例の態様にしたがう、直径が２７.８５ｍｍの球体内に嵌め込まれた２ミラーＨＷＤの二次元レイトレースである。
【図３】図３は、本発明の一例の態様にしたがう、直径が３２ｍｍの球体内に嵌め込まれた２ミラーＨＷＤの二次元レイトレースである。
【図４】図４は、本発明の一例の態様にしたがう、図１の２ミラーシースルー光学表示装置／システムの、ただし、目が焦点を合わせることができる位置にあって、システムの前面〜１０ｍに配された、仮想像面が付け加えられている、二次元レイトレースを示す。
【図５】図５は、本発明の一例の態様にしたがう、３ミラーシースルー光学表示装置／システムの二次元レイトレースを示す。
【図６】図６は、本発明の一例の態様にしたがう、図５の３ミラーシースルー光学表示装置／システムの、ただし、目が焦点を合わせることができる位置にあって、システムの前面〜１０ｍに配された、仮想像面が付け加えられている、二次元レイトレースを示す。
【図７】図７は、本発明の一例の態様にしたがう、直径が２９ｍｍの球体内に嵌め込まれた３ミラーＨＷＤの二次元レイトレースである。
【図８】図８は、本発明の一例の態様にしたがう、直径が３２.５ｍｍの球体内に嵌め込まれた３ミラーＨＷＤの二次元レイトレースである。
【図９】図９は隠された回転対称光学系についての全ＦＯＶにわたるａ）非点収差及びｂ）コマ収差の寄与を示す。コマ収差が支配的収差であるが、約λ/５Ｐ-Ｖでしかない。
【図１０】図１０は隠されていない非回転対称システムを形成するために表面を傾けた後の、全ＦＯＶにわたるａ）非点収差及びｂ）コマ収差の寄与を示す。表面を傾けた結果、かなりの大きさのほぼ視野無依存性のコマ収差と、ここでは支配的な、ほぼ四波の非点収差が生じた。
【図１１】図１１は、本発明の一例の態様にしたがう、システムの相対スケールを示すための、単眼鏡態様で人の頭部の模型上に取り付けられた、２ミラーＨＷＤの３Ｄレンダリングである。
【図１２】図１２は、本発明の一例の態様にしたがう、シースルー光学表示装置を設計／作製するための工程を示すフローチャートである。
【図１３】図１３は３ミラーＨＭＤ性能解析を示す。左図：２つの物方位（０°及び９０°）及び２つの周波数（５０ｌｐ/ｍｍ及び３５ｌｐ/ｍｍ）について示されるＭＴＦ ＦＥＤ。右図：＜１.５％のひずみを示すひずみ格子線。
【図１４】図１４は２ミラーＨＭＤ性能解析を示す。左図：２つの物方位（０°及び９０°）及び２つの周波数（５０ｌｐ/ｍｍ及び３５ｌｐ/ｍｍ）について示されるＭＴＦ ＦＥＤ。右図：＜６.２％のひずみを示すひずみ格子線。
【図１５ａ】図１５ａは、３ミラーＨＭＤに対する、視空間におけるＦＥＤ ＭＴＦプロットである。上段及び下段の列はそれぞれ０°及び９０°の物方位を表す。プロットは０.６５サイクル/分弧（ＯＬＥＤに基づく最大解像度）及び０.４５サイクル/分弧（最大解像度の７０％）に対して示される。
【図１５ｂ】図１５ｂは、２ミラーＨＭＤに対する、視空間におけるＦＥＤ ＭＴＦプロットである。上段及び下段の列はそれぞれ０°及び９０°の物方位を表す。プロットは０.６５サイクル/分弧（ＯＬＥＤに基づく最大解像度）及び０.４５サイクル/分弧（最大解像度の７０％）に対して示される。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
上述した利点及び長所は、傾けられた、自由形状光学面を有する、全反射性コンポーネント及び半反射性／半透過性コンポーネントを用いるシースルー光学表示装置によって、得られ、可能になる。具現化される設計法策は、初めに、人の眼のひとみの径に対応するようにひとみの径を選択するステップ及び、次いで、ＦＯＶを最大化するステップを含む。
【００２５】
設計問題（素子数、構造形状）は非常に強く制約されているから、表面形状が極めて重要な役割を果たす。これらの表面の数学的表現のいくつかには、ＸＹ多項式、ゼルニケ多項式などのφ多項式及びその他の直交系、動径基底関数、及び、例えばφ多項式と動径基底関数を組み合わせるハイブリッド表示がある。本発明においてはゼルニケ多項式が、波面展開収差との密な関係及びノーダル収差理論によって与えられる光学設計効率化のため、本発明に用いられた。
【００２６】
２ミラー設計１００−１及び３ミラー設計１００−２の、２つの型のシースルー光学表示装置が論じられる。
【００２７】
図１は、凹面一次ミラー１０１、凹面二次ミラー１０２及び像形成コンポーネント１０９からなり、外部開口絞り１０７がアイボックス１０８に配されている、すなわち、そこに眼のひとみが置かれるであろう、２ミラーシースルー光学表示装置／システム１００−１の二次元レイトレースを示す。一次ミラーは、ある程度反射性（８０％反射性／２０％透過性、５０％Ｒ／５０％Ｔまで）のコーティングが凹前面（アイボックスに最も近い、左側）１１４上に施された透明材料からなる。さらに、フォトクロミックコーティングまたはエレクトロクロミックコーティングにより、重畳された仮想像の十分なコントラストを維持するためのユーザによる日光の下にある実シーンの暗化が可能になるであろう。この素子の前面１１４及び背面１１５はいずれも自由形状であるかまたは非回転対称性である。システムは（周囲環境の隠されていない光景を提供し、同時に超小型ディスプレイの拡大像を重畳することを意味する）「シースルー」ディスプレイであるから、補償光学系を用いずに自由形状前面を介して周囲環境を視ることは、収差が非常に大きく、最終的には、使用不能なシステムをもたらすであろう。したがって、ミラーの背面も自由形状につくった。応じて、背面の数学的表現も、収差の直交性により、前面と同じ数のゼルニケ項を含んでいなければならない。フリンジゼルニケ項１、３、５、８、９、１１、１２を背面の最適化に用いた。シースルーシステムの性能を評価するため、人の視認限界（１サイクル/分弧）において、近回折限界性能を与える、ＭＴＦを評価した。ひずみは無視できた。二次ミラー１０２は１００％反射性自由形状前面１１７を有する。（例えば、小型のＴＶまたはコンピュータモニタと想定される）像形成コンポーネント１０９は、ユーザがシステムを用いるときに彼／彼女が眺めるコンポーネントである。しかし、ユーザは形成された像を、像形成コンポーネントのシステムを介して見て、超小型ディスプレイを直接見ることはない。ここで配され得るであろう超小型ディスプレイの例は、ＯＬＥＤ超小型ディスプレイ、ＭＥＭＳ走査ミラー、ＬＣｏＳ（反射型液晶）超小型ディスプレイ、等である。本図及び他の図において、例示の像形成コンポーネント１０９は、解像度が８５０×５００（ＷＶＧＡ）、視野が８.７×５.０ｍｍ（対角線：１０ｍｍ）、輝度が３００ｃｄ/ｍ２、消費電力が２５ｍＷという特性を有する、カラーＯＬＥＤディスプレイ（ＭＩＣＲＯＯＬＥＤ Ｍａｒｙｌａｎｄ Ｄｉｓｐｌａｙ社）とした。図４を参照すれば、光学系は一次ミラーの右側ほぼ１０ｍに仮想像をつくるように設計されている。これは、眼は遠方の物体に容易に焦点を合わせることができるが、非常に近い物体では苦労することからなされる。これは、以下でさらに十分に論じられる表示空間解析から視空間解析を区別するためにも用いられる。
【００２８】
表１にシステム１００−１の該当する最高レベルのパラメータを挙げる。
【００２９】
【表１】
2016520217.tif 000003
【００３０】
表２は、ミラー１０１、１０２及び像源１０９が傾けられる角度を、またアイボックスから最も近い構造及び一次ミラー１０１までの距離も、示す。ミラーは、光の経路を曲げてミラー／像源がシステム内部の光を妨害しないような構成にするように傾けられる。
【００３１】
【表２】
2016520217.tif 000004
【００３２】
図２及び３はそれぞれ直径が２７.８５ｍｍ及び３２ｍｍの球体内に嵌め込まれた２ミラーＨＷＤを示す。小さな幾何構造はミラーの傾きの可能な変化量を大きく制限する。
【００３３】
図５は、一次ミラー１０１、凹面二次ミラー１０２、凹面三次ミラー１０３及び像形成コンポーネント１０９からなり、アイボックス１０８に配された外部開口絞り１０７を有する、３ミラーシースルー光学表示装置／システム１００−２の二次元レイトレースを示す。この設計例において、一次ミラー１０１は、ある程度反射性である程度透過性（８０％〜５０％反射性／２０％〜５０％透過性）になるようにコーティングが施された単純な平面ミラーであり、二次ミラー１０２は１００％反射性で凹面の自由形状表面を有し、三次ミラー１０３は１００％反射性で凹面の自由形状表面を有する。図６を参照すれば、図４と同様に、システム１００−２は一次ミラーの右側ほぼ１０ｍに仮想像をつくるように設計されている。
【００３４】
表３にシステム１００−２の該当する最高レベルのパラメータを挙げる。
【００３５】
【表３】
2016520217.tif 000005
【００３６】
表４は、ミラー１０１、１０２、１０３及び像源１０９が傾けられる角度を、またアイボックスから最も近い構造及び一次ミラー１０１までの距離も、示す。ミラーは、光の経路を曲げてミラー／像源がシステム内部の光を妨害しないような構成にするように傾けられる。このシステムの利点は延ばされたアイレリーフである（「アイレリーフ」は眼の位置からシステムの最も近い構造までの距離を意味する）。
【００３７】
【表４】
2016520217.tif 000006
【００３８】
図７及び８はそれぞれ直径が２７.８５ｍｍ及び３２ｍｍの球体内に嵌め込まれた３ミラーＨＷＤを示す。小さな幾何構造はミラーの傾きの可能な変化量を大きく制限する。
【００３９】
２ミラー設計及び３ミラー設計のいずれにおいても、ミラーはパッケージの大きさを最小限に抑えるために凹面に限定される。凸面ミラーは光を発散させ、より大きな後続ミラーアパーチャを、したがって、より大きな全体寸法を必要とする。凹面ミラーは、ミラーの全ての傾きを最小限に抑えて、誘起される非点収差及びコマ収差を最小限に抑えるためにも有利である。これは、与えられるべきミラーの総補正量を低減し、自由形状偏差量を低減するであろう。
【００４０】
２ミラーシステムであるかまたは３ミラーシステムであるかにかかわらず、出だしの設計は、それぞれが最終の隠されていない構造形状に折り畳まれる、全球設計である。ミラーを傾けることが非点収差及びコマ収差に有する有害な効果を示すため、図９及び１０はそれぞれ、隠された回転対称システム及び隠されていない傾けられたシステムについて、全ＦＯＶにかけての非点収差及びコマ収差の寄与を示す。この挙動は、ノーダル収差理論の意味で、システムが非対称につくられているから、視野の外側遠くに移動するノードと考えることができる。相対的に小さいコマ収差及び非点収差の寄与がミラーの傾きの結果として一桁大きくなる。収差を最小限に抑え、それでもレイクリアランス制約を用いて隠されていない構造形状を維持するようにそれぞれのシステムに対するミラーの傾きを最適化した。
【００４１】
それぞれの設計における自由形状表面のサグｚ(ｘ,ｙ)は、式：
【００４２】
【数１】
2016520217.tif 000007
【００４３】
で数学的に定められる。ここで、ｃは基球の曲率、ｋは円錐定数、ρは表面の動径座標、Ｃｊは第ｊゼルニケ項Ｚｊにかかる重み因子である。第１項は、第２項のゼルニケ多項式の重み付き総和が上に重ねられる、基本円錐（球は特別な場合である）である。第１の表面からかなり変位されたシステムの外部絞りを有する結果は、物視野が表面を「歩き」回ると考えられることであり、これはそれぞれの視野点が表面の異なる領域を経験することを意味する。それぞれの視野は、表面の頂点及び表面形状に対するその位置に応じて表面から正味の収差視野への異なる寄与を受け取る。収差補正のタイプは表面式のひとみ微分に比例する。例えば、表面が純粋にコマ型であれば、得られる収差補正は非点収差に、また低次のひとみ依存性をもつ他の収差にも、なるであろう。外部絞りの結果、システムは視野無依存性収差に対しては容易に補正することができない。しかし、それでも残留視野依存性収差を補正することができ、高性能システムがそれでも設計され得ることを数量で表すことができる。それぞれの設計例についての最終仕様が表５に報告される。
【００４４】
図１１は、システムの相対スケールを示すための、単眼鏡態様で人の頭部の模型上に取り付けられた、２ミラー設計の３Ｄレンダリングである。当業者には理解されるであろうように、双眼鏡実施形態も実現され得るであろう。
【００４５】
図１２は、本発明の一例の実施形態にしたがう、シースルー光学表示装置を設計／作製するための工程を示すフローチャートである。方法は、
ａ）装置仕様を決定する工程、
ｂ）装置に対する視野の大きさ及び開口絞りの径を選択する工程、
ｃ）観察光学系の入射ひとみに開口絞りを位置決めする工程、
ｄ）回転対称の球面光学系を設計する工程、
ｅ）前野の全体にわたる装置の収差の内訳を決定する工程、
ｆ）コマ収差及び非点収差の内の一方を含む支配的な収差を識別する工程、及び
１）  コマ収差であれば、
コマ収差がより視野無依存性であるかまたはより視野依存性であるかを決定する工程、及び
より視野無依存性であれば、
開口絞りに最も近い光学面にコマ収差項を付加する工程、または
より視野依存性であれば、
開口絞りから最も遠い光学面に球面収差項を付加する工程、
あるいは
２）  非点収差であれば、
非点収差がより視野無依存性であるかまたはより視野依存性であるかを決定する工程、及び
より視野無依存性であれば、
開口絞りに最も近い光学面に非点収差項を付加する工程、または
より視野依存性であれば、
開口絞りから最も遠い光学面にコマ収差項を付加する工程、
ｇ）光学系の設計を最適化する工程、
ｈ）最適化された設計の収差内訳が低減されているか否かを決定する工程、及び
３） 低減されていなければ、
決定された仕様を装置が満たしているか否かを決定する工程、及び
満たしていれば、
設計は完了する、または
満たしていなければ、
制限している収差がより視野無依存性であるかまたはより視野依存性であるかを決定する工程、及び
より視野無依存性であれば、
開口絞りに最も近い光学面に次の高次収差項を付加する工程、または
より視野依存性であれば、
開口絞りから最も遠い光学面に次の高次収差項を付加する工程、
ｉ）前記工程（ｇ）から前記工程（ｈ）を反復する工程、
あるいは
４）  低減されていれば、
前記工程（ｅ）から前記工程（ｈ）を反復する工程、
を含む。
【００４６】
表示空間解析
発明者等は、ＯＬＥＤ超小型ディスプレイ（モデル：ＭＩＣＲＯＯＬＥＤ Ｍａｒｙｌａｎｄ）のナイキスト周波数の１００％及び７５％において全ＦＯＶにわたり変調伝達関数（ＭＴＦ）を計算することによって、（２ミラー及び３ミラー）システムの性能を評価した。図１３及び１４はそれぞれ３ミラーシステム１００−２及び２ミラーシステムについてのＭＴＦ結果を示す。発明者等は、自由形状表面最適化手法は、多くの場合、システムが最適化された視野点においては優れた性能をもたらすが、中間の視野点に対しては満足できない性能をもたらすから、いわゆる全視野ディスプレイを用いた。発明者等は、同じく３ミラーシステム及び２ミラーシステムについてそれぞれ図１３及び図１４に示される、ひずみ格子線評価を用いてそれぞれのＨＷＤのひずみも計算した。ひずみは小さい（＜６.２％）が、残留ひずみを完全に補正するため、軸外ひずみの実時間補正を実施することができる。
【００４７】
視空間解析
表示空間解析ではシステムの総合性能の概要を素早く見ることはできるが、意図されるように用いられる場合にシステムがどのようにはたらくであろうかを正確に予測することはできない。しかし、そうすることができる方法はある。レイトレースソフトウエアにおいて、解析は一般にシステムが設計された構成と同じ構成でなされるが、本明細書に開示されるＨＷＤを含む視覚装置は、ＯＬＥＤ超小型ディスプレイが像空間にあるように設計され、よって、眼が何を「見る」であろうかを即座に解析することはできない。解決策はシステムを裏返すことである。システムを裏返した後、像空間は今では目があった空間と同じ空間であり、したがって、完了されたいかなる解析も視空間にあるであろう。視空間において、発明者等は、像面が無限遠方にあるから、角度の単位で作業することを選択する。人の眼は、光受容体が最も密に充填されている（桿状体のみ）軸上でおよそ１サイクル/分弧を解像することができ、軸からかなり外れると光受容体（桿状体及び錐状体）の密度が低くなることによって解像能力が低下する。これは視空間においてなされるいかなる設計及び解析に対しても最高有効解像度を表す。解像度が１分弧より高いシステムは視覚装置において過剰設計と見なされ得る。しかし、本開示のシステムはＯＬＥＤ超小型ディスプレイ及びその１０μｍの画素ピッチによって制限される。水平方向でＦＦＯＶを画素アレイ寸法で割ると、システムが眼限界にどれだけ近づいているかについて見当をつけられる。３ミラーＨＷＤ及び２ミラーＨＷＤは１.５分弧/画素の最高目視解像度を有する。発明者等は両システムの視空間を０.６５サイクル/分弧の周波数まで評価した。これはシステムの最高目視解像度の等価測定である。図１５ａおよびｂは３ミラーＨＷＤ及び２ミラーＨＷＤについての視空間ＭＴＦプロットを示す。
【００４８】
本発明の実施形態のいくつかを本明細書に説明し、図示したが、当業者であれば機能の実施及び／または本明細書に説明される結果及び／または１つ以上の長所の取得のための様々な別の手段及び／または構造を容易に思い描くであろうし、そのような変形及び／または改変のそれぞれは本明細書に説明される本発明の実施形態の範囲内にあると見なされる。さらに一般には、当業者であれば、本明細書に説明される全てのパラメータ、諸元、材料及び形状／構成が例示であるとされ、実際のパラメータ、諸元、材料及び形状／構成が、本発明の教示が用いられる１つまたは複数の特定の用途に依存するであろうことを容易に了解するであろう。当業者であれば、本発明の特定の実施形態に対する多くの等価形態を認めるか、あるいは日常をこえない普段通りの実験を用いて確かめることができるであろう。したがって、上記の実施形態が単に例として提示され、添付される特許請求項及びそれらの等価形態の範囲内で、本発明の実施形態が、特に説明され、特許請求されるような態様とは別の態様で、実施され得ることは当然である。開示される本発明の実施形態は、本明細書に説明される個々の特徴、システム、物品、材料、キット及び／または方法のそれぞれに向けられる。さらに、そのような特徴、システム、物品、材料、キット及び／または方法が相互に無矛盾であれば、２つ以上のそのような特徴、システム、物品、材料、キット及び／または方法のいかなる組合せも、本開示の発明の範囲内に含められる。
【００４９】
本明細書に定められ、用いられるような、全ての定義が、辞書による定義、参照として含められた文書における定義及び／または定められた用語の通常の意味より上位に立つことは当然である。
【００５０】
名詞は、本明細書及び特許請求の範囲において用いられるように、そうではないことが明白に示されない限り、「少なくとも１つ」の名詞の対象を意味すると了解されるべきである。
【００５１】
句「及び／または」は、本明細書及び特許請求の範囲において用いられるように、そのように共連結された要素の「いずれかまたはいずれも」を、すなわち、いくつかの場合には結合的に存在し、その他の場合には離接的に存在する、要素を意味すると了解されるべきである。「及び／または」も用いて挙げられる多数の要素は同じ態様で、すなわちそのように共連結された要素の内の「１つまたはそれより多く」と、解されるべきである。「及び／または」節で特に識別される要素とは別の要素が、必要に応じて、特に識別される要素との関係の有無にかかわらず存在し得る。すなわち、限定ではなく例として、「Ａ及び／またはＢ」への言及は、「含む」などの無制限語とともに用いられると、一実施形態においてはＡだけ（必要に応じてＢ以外の要素を含む）、別の実施形態においてはＢだけ（必要に応じてＡ以外の要素を含む）、また別の実施形態においてはＡ及びＢの両者（必要に応じて他の要素を含む）、等を指す。
【００５２】
本明細書及び特許請求の範囲において用いられるように、「または」は上で定義した「及び／または」と同じ意味を有すると了解されるべきである。例えば、リスト内の項目を分ける際に、「または」または「及び／または」は包括的である、すなわち、多くの「またはリスト」内の要素及び、必要に応じて、リストにない項目の内の少なくとも１つだけでなく１つより多くの要素を含む、と解されることになる。そうではないことを明白に示す、「〜の内の１つだけ」、「〜の内の正確に１つ」または、請求項に用いられる場合の、「〜からなる」などの、語句だけが多くのまたはリスト内の要素の内の正確に１つの要素の包含を指す。一般に、語「または」は、本明細書に用いられるように、「いずれか」、「〜の内の１つ」、「〜の内の１つだけ」または「〜の内の正確に１つ」などの、排他性の語を前置きとする場合にだけ、排他的代替（すなわち、「一方または他方であるが両方ではない」）を示すと解されることになる。「〜からなる」は、特許請求の範囲に用いられる場合、特許法の分野で用いられるような通常の意味を有することになる。
【００５３】
本明細書及び特許請求の範囲に用いられるように、１つ以上の要素のリストに関わる句「少なくとも１つ」は、要素のリストにあるいずれかの１つ以上の要素から選ばれるが、要素のリスト内に特に挙げられたそれぞれ及び全ての要素の内の少なくとも１つを必ずしも含まず、要素のリスト内の要素のいずれかの組合せを必ずしも排除しない、少なくとも１つを意味すると了解されるべきである。この定義は、句「少なくとも１つ」が指す要素のリスト内の特に識別された要素以外の要素が、特に識別された要素との関係の有無にかかわらず、必要に応じて存在し得ることも可能にする。すなわち、限定ではなく例として、「Ａ及びＢの内の少なくとも１つ」（または等価的に「ＡまたはＢの内の少なくとも１つ」、または等価的に「Ａ及び／またはＢの内の１つ」）は、一実施形態においては、Ｂは存在せずに（必要に応じてＢ以外の要素を含んで）、少なくとも１つの、必要に応じて１つより多くの、Ａ、別の実施形態においては、Ａは存在せずに（必要に応じてＡ以外の要素を含んで）、少なくとも１つの、必要に応じて１つより多くの、Ｂ、また別の実施形態においては、（必要に応じて他の要素を含んで）少なくとも１つの、必要に応じて１つより多くの、Ａ及び、少なくとも１つの、必要に応じて１つより多くの、Ｂ、等を指すことができる。
【００５４】
１つより多くの工程または作業を含む、本明細書に特許請求されるいかなる方法においても、方法の工程または作業の順序は、そうではないことが明白に示されない限り、方法の工程または作業が挙げられている順序に必ずしも限定されないことも了解されるべきである。
【００５５】
特許請求の範囲において、また上の明細書においても、「含む(comprising)」、「含む(including)」、「帯びる(carrying)」、「有する(having)」、「含む(containing)」、「含む(involving)」、「保持する(holding)」、「含む(composed of)」、等のような全ての移行句が無制限である、すなわち含むが限定はされないことを意味する、ことは当然である。移行句「からなる(consisting of)」及び「から基本的になる(consisting essentially of)」だけは、米国特許庁の特許審査手続き便覧第２２２.０３項に述べられているように、それぞれ、閉鎖移行句及び半閉鎖移行句になる。
【符号の説明】
【００５６】
１００−１    ２ミラーシースルー光学表示装置／システム
１００−２    ３ミラーシースルー光学表示装置／システム
１０１    一次ミラー
１０２    二次ミラー
１０３    三次ミラー
１０７    外部開口絞り
１０８    アイボックス
１０９    像形成コンポーネント
１１４    一次ミラーの凹面前面
１１５    一次ミラーの背面
１１７    二次ミラーの前面
【図１】
2016520217.tif 000008
【図２】
2016520217.tif 000009
【図３】
2016520217.tif 000010
【図４】
2016520217.tif 000011
【図５】
2016520217.tif 000012
【図６】
2016520217.tif 000013
【図７】
2016520217.tif 000014
【図８】
2016520217.tif 000015
【図９】
2016520217.tif 000016
【図１０】
2016520217.tif 000017
【図１１】
2016520217.tif 000018
【図１２】
2016520217.tif 000019
【図１３】
2016520217.tif 000020
【図１４】
2016520217.tif 000021
【図１５ａ】
2016520217.tif 000022
【図１５ｂ】
2016520217.tif 000023
【国際調査報告】
2016520217.tif 000024
2016520217.tif 000025
2016520217.tif 000026