(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）画像を投影する表示装置と、
（ｂ）前記表示装置に光学的に接続されて、前記表示装置からの画像を受け取り拡大させ、平行にされた光線からなる拡大された画像を作る第１拡大光学系と、
（ｃ）前記第１拡大光学系に光学的に接続されて前記第１拡大光学系からの平行にされた光線からなる拡大された画像を受け取るとともに、前記平行にされた光線からなる拡大された画像を構成している進入光の少なくとも一部が完全に内部反射されるＴＩＲレンズを含む第２拡大光学系とを有する２段階表示装置。
【請求項２】
自照式表示装置、バックライト式表示装置、および、前照式表示装置のうちの一つを前記表示装置が含む、請求項１に記載された２段階表示装置。
【請求項３】
前記第１拡大光学系のレンズが２重凸レンズからなる、請求項１に記載された２段階表示装置。
【請求項４】
前記第１拡大光学系のレンズが非球面レンズからなる、請求項１に記載された２段階表示装置。
【請求項５】
前記第１拡大光学系のレンズが複合レンズを含む、請求項１に記載された２段階表示装置。
【請求項６】
前記第１拡大光学系のレンズが多重レンズを含む、請求項１に記載された２段階表示装置。
【請求項７】
前記表示装置のスクリーンが２．５４センチメートル（１．０インチ）未満である、請求項１に記載された２段階表示装置。
【請求項８】
前記表示装置のスクリーンが１．７７８センチメートル（０．７インチ）未満である、請求項１に記載された２段階表示装置。
【請求項９】
前記表示装置のスクリーンが１．２７センチメートル（０．５インチ）未満である、請求項１に記載された２段階表示装置。
【請求項１０】
前記第１および第２拡大光学系に光学的に接続されて、観察者に対するより大きな視認枠を作る拡散器を更に有する、請求項１に記載された２段階表示装置。
【請求項１１】
前記第１拡大光学系と前記第２拡大光学系の間に光学的に接続されたプリズムを更に有する、請求項１に記載された２段階表示装置。
【請求項１２】
前記プリズムの一方の側が、投影拡散物質で被覆されている、請求項１１に記載された２段階表示装置。
【請求項１３】
前記投影拡散物質が硫酸バリウム化合物である、請求項１２に記載された２段階表示装置。
【請求項１４】
前記第１及び第２拡大光学系の間に配置され、前記ＴＩＲレンズに対して前記拡大された画像を含む光を折重ねる鏡を更に有する、請求項１に記載された２段階表示装置。
【請求項１５】
前記鏡が前記第２拡大光学系の前記ＴＩＲレンズに取り付けられている、請求項１４に記載された２段階表示装置。
【発明の詳細な説明】
本願は、頭部装着の表示装置用２段階光学系として２０００年６月８日付け出願第０９／５８９，８３６号の一部継続出願である。
発明の分野
本発明は、頭部に装着されるかまたは手で保持される表示装置とともに使用される光学表示系に関する。より詳細には、本発明は、拡大および画像サイジング（ｓｉｚｉｎｇ）のための第１段階と内部全反射過程を含む第２段階とを包含するこの表示装置のための２段階光学系に関する。
【０００２】
発明の背景
実像というは、人間の肉眼によって直接的に観察される像を参照している。写真は実像の一例である。実像を提供する電子的な表示装置は、一般的にはその上に実像が形成されかつ見られる表示装置の表面をある形態として提供する。実像は、見える表面がその場所に位置決めされるとき、肉眼によって観察することができる。実像を提供する電子的な表示装置の例は、液晶表示装置、ＣＲＴ表示装置および投影スクリーンを含む。
【０００３】
実像と対照的に、虚像は、実像が存在しない場所から出現するように思える像である。定義によれば、虚像は、表示装置の表面が存在しない場所に存在し得る。虚像の寸法は、それゆえ、表示装置表面の寸法により制限されない。虚像の例は、拡大するガラスを通して見られる細密印刷の像である。印刷物は、より大きく現れるだけでなく、また印刷が実際に存在する表面の背後に実質的に位置するように思える。虚像の表示装置は、このように、観察者へ大きな画像を提供するために大きな表示装置の表面の必要性を解消する利点を有している。
【０００４】
虚像を創造するためのソフトウエアおよびコンピュータのハードウエアは、着実に時間を経て向上している。しかしながら、相当に大きな表示装置を作り出すことは経費がかかりかつ表示装置のコストを大きく増大させることになる。観察者にできるだけ完成された虚像の現実的な体験を提供するためには、観察者の見る画像が観察者の視野を充たすべきである。観察者は、また観察者の環境において見回すことができなければならない。これらの目標を達成するために、表示装置は、実像と対照的に観察者に虚像を提供する必要がある。
【０００５】
仮想表示装置（ｖｉｒｔｕａｌ  ｄｉｓｐｌａｙ）は最初に元の画像を形成しなければならず、この元の画像は、仮想画像を作るために光学系によって再現される。仮想電子表示装置の実質的な利点は、最初に作り出された元の画像が、光学系によって有用に再現できるだけ小さくて良いということである。結果として仮想電子表示装置は、元の画像を形成するのに非常に小さな表示装置を有効に使用して良い。絵画素の寸法は数ミクロンの直径ほどの小ささで良い。この寸法では、肉眼では画像を解明することはできない。むしろ、表示装置で形成された元の画像を見るためには、光学系による実質的な拡大が必要である。
【０００６】
仮想画像はある種の光学系によって作り出さねばならない。実画像電子表示装置においては、目視パラメータを決定するのは目であり且つ見ている表面の性質である。これとは反対に、仮想画像表示装置においては、光学系は目視パラメータの殆どを決定する。
仮想画像表示装置に関連する画像の見やすさに関し三つの重要なパラメータがある。第１のパラメータは瞳距離（ｅｙｅ  ｒｅｌｉｅｆ）である。これは、光学系が保持され且つ目が全体の仮想画像を依然として見ている、目からの最大距離である。光学系から短い距離にある瞳距離を設けている光学装置は、目を光学装置に接近しておくということに関連して、不便であり且つ不快であるので望ましくない。従って、光学装置は、拡大された画像を、光学装置から心地よく且つ便利な範囲で光学装置を介して見れるようにするために、長い瞳距離を設けるのが好ましい。
仮想画像の見やすさに関連した第２のパラメータは、仮想画像の視野として、通常、言及されている仮想画像の見掛けの角度幅である。全視野は、仮想画像の最大見かけ寸法の仮想画像の最大見かけ距離に対する比として定義されている。これは、実画像表示装置表面についての視野にほぼ等しい。
【０００７】
虚像の観察を容易にする第３のパラメータは，光学系を介して眼が虚像全体を観察しながら，光学系に関して眼を動かすことのできる縦断距離である。これを視認枠と称することにする。視認枠の寸法は，瞳距離と表示装置の射出瞳（ｅｘｉｔｐｕｐｉｌ）の寸法により決定される。射出瞳は、全像を一度に観察するために眼を置くべき場所に位置する。テストしたほとんど全ての利用者から射出瞳を大きくすることが，観察の良好さを決定する上で最も重要な要因であることが判明した。射出瞳と視認枠が大きければ，眼球を回して像の視角を走査する際に必要な瞳運動の範囲を含めることができ，また利用者間の瞳孔間距離の変動も許容する。
小体積内に虚像が収まり、射出瞳および瞳距離が大きく、かつ表示の小さな手持ちあるいはヘッドマウント装置に使用できる、廉価でコンパクトな虚像表示系の必要性が現在高まっている。
【０００８】
仮想現実表示系のコストを跳ね上げる第１の原因の一つは、初期表示のコストにあることが認められてといる。先行技術の表示系は、倍率系に小さな表示系を結合して使用するように造られている。これは、観察者が見る虚像を大きくする。しかしながら，先行技術の倍率法は，かさばり，ヘッドマウントおよび手持ち表示系を取り扱いにくくし、かつわずらわしくしている。またこれら表示系は，手持ち式のようにうまく扱えない。
利用者の視野全てあるはほとんどを占める虚像表示を機能的に提供する、良好でかなり廉価な軽量表示系に対する必要性が高まっている。
さらに、ビデオ画像は，たとえば、４：３とか１６：９とかのさまざまな縦横比で記録されている。拡大しないビデオ画像を表示する表示スクリーンは，必然的に寸法が決められている。それゆえ，表示スクリーンの決められた寸法に合致しない縦横比の全ての画像についは，画像の縦横比と表示側の縦横比との関係に依存して画像の高さや幅が歪むこととなる。画像を調整し，観察者に無歪みの画像を提供できるよう改良が期待される。
【０００９】
【発明の概略】
本発明の目的は、軽量、便利、比較的安価な表示装置を供することである。
本発明のこの目的等は、総合内側反射技術を使用して第２段階拡大が達成される２段階光学系を有する表示装置により達成される。この２段階系は、比較的小型で安価な表示系に使用可能である。好適実施例において、頭に装着される表示装置は、頭の両側部の回りで後方に延びる二つの部分を有する。これら二つの部分の各々内で、表示スクリーンは、画像の大きさを調節する第１レンズを通過する画像を投影る。それは、画像を拡大し画像のアスペクト比を変え、又はその両方を行う。画像はそれから次のレンズ内で全て内部反射され、拡大される。見る人には最初の表示より何倍も大きい虚像が提供される。
【００１０】
（好適実施例の詳細な説明）
図１は、本発明に使用される拡大過程の説明図である。この拡大過程は、表示装置３０、第１拡大鏡３２および全反射（ＴＩＲ）レンズ３４を含む。生成された画像から放射された光がこの系を通過し、最終的に観察者の視認枠４０に受け入れられることが示されている。
【００１１】
拡大しようとする画像が表示装置のスクリーン３８上に生成される。このスクリーンの寸法は、一般に、対角線上に１．２７センチメートル（０．５インチ）である。技術の改良に伴って、より小さなスクリーンを備えた表示装置を本発明とともに用いることができる。１．２７センチメートル（０．５インチ）以下の表示装置は、２．５４センチメートル（１インチ）あるいは４．０８センチメートル（２インチ）の表示装置と比較してより廉価である。表示装置には次の３つの基本的な形式、すなわち（１）例えばＯＬＥＤやＦＥＤ等の自己発光型または放射型のもの、（２）例えばＡＭＬＣＤ等のバックライト型あるいは透過型のもの、（３）例えばＬＣＯＳ表示装置等のフロントライト型あるいは反射型のものがある。
【００１２】
この好適実施例に用いられているスクリーンは透過型表示装置である。第１段階光学系３２が、表示装置から投影された光の経路上に配置される。発明者らは、図１に示す透過型表示装置を主として用いた。光源３６がスクリーン３８を照射している。図２は、反射表示装置４２を用いた拡大系を示す。
【００１３】
第１段階拡大過程は、画像を単純に拡大するように設計された光学系である。第１段階拡大過程は、単純非球面凸レンズといった単一のレンズとすることができ、あるいは一連のレンズとすることもできる。単純化のために、以下、第１段階拡大光学系を有効レンズ３２と呼ぶ。有効レンズが、第１段階を構成する１以上のレンズを意味することが理解されるであろう。有効レンズ３２は、拡大された平行な画像を前方の第２段階へと投影する。有効レンズは、ビームがＴＩＲレンズを通過した時に観察者の視野を満たすのに十分なだけ投影を拡大する。また、光は、ビームがＴＩＲレンズ３４から出る前に全反射されるように選択された所定の角度で第１段階から出ている。
【００１４】
画像を拡大することに加えて、有効レンズ３２はまた表示装置の縦横比（ａｓｐｅｃｔ  ｒａｔｉｏ）を変更したりあるいは訂正し得る。単一のレンズまたは多重のレンズは垂直および水平方向において異なる量だけ画像の寸法を変更し得るように設計することができる。例えば、１６：９（幅対高さ）の比の画像が４：３の比のスクリーン上を満たすように表示することができた。これはスクリーン上の画像を引き伸ばして歪ませるように見えた。この歪みを排除するために、画像の幅を増大させ、画像の高さを減少させ、あるいは高さよりも幅を増大させるような態様で両者を増大させるために有効レンズを使用し得る。これは全ての画素（ｐｉｘｅｌ）要素を使って、郵便箱効果（ｌｅｔｔｅｒｂｏｘ  ｅｆｆｅｃｔ）を排除して高解像度画像を得ることを可能にする。画像の高さよりも幅をかなり拡大するためには、単一のレンズは水平軸線よりもむしろ垂直軸線に沿って大きな曲率（ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）を有しなければならない。
【００１５】
鏡５０は拡大過程の第１段階及び第２段階の間に位置づけられる。第１段階の拡大過程で投影された画像は鏡によってＴＩＲレンズ３４中に反射される。この種の鏡は折畳式鏡(folding mirror)として知られている。ＴＩＲレンズが傷無しということはあり得ないので、鏡はまた、補正特性を有していてもよい。鏡はこれらの傷を補正するように設計することができる。
【００１６】
鏡５０はまたＴＩＲレンズと一体物とし得る。図４を参照のこと。入力画像は反射を排除するように表面に垂直なベースを通過する。鏡はＴＩＲレンズの表面５２に沿って置かれ、光をレンズの表面上５４に反射する。
【００１７】
ＴＩＲレンズ３４は図３に示されている。一般に、ＴＩＲレンズは空気より高い屈折率を有する誘電体で構成されている。それは、小面積の入口２０と大面積の出口２２を有する。観察者から最も離れたレンズの壁２４は反射材料を塗布されている。種々のアルミニウム化合物が良好に働きかつ通常使用される。入口２０は第１段階のレンズを出た光線の前に位置している。大面積の出口２２は下流の観察領域に面している。ＴＩＲは２つの湾曲した壁により画成され、該壁は異なる曲率を有する。
【００１８】
ＴＩＲレンズは、内面が当該箇所の表面の法線に対して一定の入射角θi以上で光線を反射し、θi以下で透過させるという特性を有する。図８Ａは空中からＴＩＲレンズを通過する光の入射角の関数として透過をプロットしたものである。図８Ｂは第１の拡大光学品から空中を通る光の入射角の関数として透過を示している。図８Ｂにおいて、全内部反射が生じる角度は全内部反射角θTIRより大きい角度について示されている。材料についての全内部反射角は、公式θTIR ＝ｓｉｎ-1（１／ｎ）を用いて計算することができ、ここでｎは材料の屈折率である。図８Ａ上のθiおよび図８Ｂ上のθi1に対応する角度はスネル（Snell）の法則を用いて計算することができる。その関係はｓｉｎ（θi）＝ｎ*ｓｉｎ（θi１）であり、ここでｎは化合物光学要素を形成する材料の屈折率である。結果として、θi1より小さい角度θMVIで出口の内面に向って投射された拡大虚像を形成する光が該表面によって透過され、一方θi1より大きい角度θSOで出口の内面に向って投射された対象物源からの光は内方へ反射して戻される。内部反射した光は反射物質を塗布されたＴＩＲの後壁から反射する。光は次に出口を出て行く。光がレンズ内で進行する増大距離は、出て行く前に各光線が受ける屈折量を増大させる。
【００１９】
ＴＩＲレンズの壁の湾曲故に、そして投影像の種々の要素が有限距離に亘って広がるため、表示像の種々の要素は、ＴＩＲレンズを通過するにつれて発散軌道をたどりかつ広がる。この発散故に、光線がＴＩＲレンズを出て、観察者の眼に向って前方へ進む時、観察者は非常に大きい虚像を知覚する。正確な倍率はレンズの正確な形状および第１段階のレンズからの光線の透過角度で決まる。拡大過程は出口を出て行く光線の間の増大した間隔によって図２に最も良く示されている。空間面４６は、観察者が像を感知するところである。観察者の眼球４０に当る光の角度の広がりは、観察者に更に離れた像を知覚させるものである。
【００２０】
表示装置、第１レンズ、及びＴＩＲレンズ３４を分離する相対的距離は、内部表示装置寸法、所望の拡大量、画像のアスペクト比、表示装置のスクリーンの相対的な寸法、第１レンズの寸法及び形状、そしてＴＩＲレンズの寸法及び形状とによる。
【００２１】
図５は２段階光学系の他の実施例を示す。この実施例では、拡散器はＴＩＲレンズの前に置かれている。これは、第１段階拡大過程を通過した後入射画像がたびたび極めて平行にされるので、時々、必要とされる。光線が拡散器に当った後、拡散器は入射光線に対応する円錐形の光線を放射する。この円錐の広がり角度は使用された特定の拡散器の特性にのみ依存し、平行にされた光線の各々は他の平行にされた光線全てと同じ広がりをもつ円錐形の光線を生じる。これは観察者が様々な角度から全画像を見ることを可能とする。拡散器を通過した後、ＴＩＲレンズを通過した反射光は観察者の視認枠（ｅｙｅｂｏｘ）をよりさらに拡大する。
【００２２】
本発明の他の実施例を図６に示す。この実施例では、プリズム６０がＴＩＲレンズの前に置かれている。プリズムの断面は三角形である。より好ましい実施例では、この三角形は３０度−６０度−９０度の三角形である。それは実際にさまざまな寸法を有することが可能である。それはまさに、光が壁６６に反射するような形状及び位置でなければならない。３０度−６０度−９０度の三角形を使用した特有の実施例に対しては、この三角形の斜辺はＴＩＲレンズの入射部２０と平行であるべきである。しかし、これはまたそうである必要はない。直角三角形は必ずしも必要とされず、よって斜辺でさえなくてもよい。また、プリズムの寸法、形状、位置は相互依存のパラメータであり、一つが調節されれば他のものも同様に調節される必要がある。
【００２３】
拡大過程の第一段階を出た光は、プリズムの側へと進入する。図６の実施例においては、これは、側部６２であり、３０度の角度で向かい合ったプリズムの側部である。入射光は、プリズムの前壁６４から内面的に反射して、プリズム６０の後壁６６に衝突する。プリズムの後壁６６は、投影拡散被覆で覆われている。入射光のためのこの独特の経路が必要とされないということを強調するのは重要である。もし、プリズムが異なる形状を有していたならば、光路は異なるものとなるであろう。重要な要素は、光学系を通った光が、投影スクリーンを有するプリズム壁から反射しなければならないということである。拡散器によって引き起こされる効果と同様に、後壁６６に衝突する光線の各々のために、円錐状の光が、プリズムの後壁６６から出射される。このことにより、画像が送られるべき方向を大きな範囲にすることができる。光は、プリズムの前側を通って出射し、ＴＩＲレンズに入射する。ＴＩＲレンズに入射する方向が広がるので、観察者の視認枠が増大される。
【００２４】
プリズムの後壁上に用いる被覆は白色が好ましい、何故ならば、白色は色彩スペクトル上で平坦な応答性を与えるからである。反射画像の角度展開は、いずれの被覆を用いるかによって定まる。５度から１２０度の間の角度展開が可能である。本文に示す実施の形態、すなわち記述のように配置した３０度−６０度−９０度プリズムを含む実施形態については、９０度展開が反射画像の光線を無駄にすることなく最大の視認枠を与えることが分かっている。違った寸法、形状および位置をもつプリズムを用いると、異なった角度展開を要するかも知れない。角度展開が大き過ぎると、或る画像要素の円錐射線（ｃｏｎｅ  ｏｆ  ｒａｙｓ）はＴＩＲレンズの縁を越えて拡がるであろう。マンセル白色反射コーティング、硫酸バリウム混合物、が非常にうまく働くことが分かっている。
【００２５】
さらに別の実施形態を図７に示している。この実施形態では、独立したプリズムを廃している。この実施形態は、ＴＩＲレンズに組み込んだ反射性の白色投影スクリーン６８を含んでいる。光はレンズ７０の一つの端部を通して入射する。光は、そのレンズを通って、投影スクリーン６８を組み込んだＴＩＲレンズの対向壁へ当たるような角度で入射する。これに応じて、投影スクリーンは円錐射線を放射する。これら光線は、大面積出口ポート７４の内部表面への垂線に対してθＴＩＲよりも大きな角度でこの表面にぶつかる。内部反射した光はその後、反射性のアルミニウム化合物で覆ったＴＩＲの後壁７２で反射する。光は次で、ＴＩＲレンズの出口ポートを出る。再び、円錐射線は観察者のためのより大きな視認枠となる。
【００２６】
本発明の好適な実施の形態を示し詳細に記述したが、本発明を知った上では様々な変更と修正が当業者の念頭に思い浮かび得ることが分かるであろう。そのような変更と修正の全てを添付請求項の範囲と真意に含むことを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ２段階過程の第１好適実施例の概略図。
【図２】  ２段階過程の第２好適実施例の概略図。
【図３】  全ての内部反射に使用されるレンズの図。
【図４】  先端に沿って一体化された折畳鏡を組み込んだＴＩＲレンズの概略図。
【図５】  過程の第１段階と第２段階との間で投影要素を使用する２段階過程の第３好適実施例の概略図。
【図６】  ２段階過程の第４好適実施例の概略図。
【図７】  ２段階過程の第５好適実施例の概略図。
【図８Ａ】  空気からＴＩＲレンズ内に至る光の投射角の関数としての伝達の図。
【図８Ｂ】  ＴＩＲレンズから空気内に至る光の投射角の関数としての伝達の図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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