(57)【要約】  第１のフィルタースタック（１１０，３１５，４１５）は光を第１の円偏光に変換し、第２のフィルタースタック（１２５，３２０，４２０）は第１の円偏光を有する光を反射し第２の円偏光を有する光を伝送する。屈折型ビーム分離凸レンズ（１１５，２１０，３１０，４１０）はフィルタースタックの間に配置される。第１のフィルタースタックは、光を第１の直線偏光に変換する第１の直線偏光子（１１２）と、光を第１の直線偏光から第１の円偏光に変換する第１の１／４波長板（１１４）とを含む。第２のフィルタースタックは、光を第１の円偏光から、第１の直線偏光を横切る第２の直線偏光に変換する第２の１／４波長板（１２７）と、第１の偏光を透過させ第２の偏光を反射する偏光依存ビームスプリッタ（１２８）と、第２の偏光を透過するための直線偏光子（１２９）とを含む。
2020526780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を第１の円偏光に変換するように構成された第１のフィルタースタック（１１０，３１５，４１５）と、
前記第１の円偏光を有する光を反射し、第２の円偏光を有する光を送信するように構成された第２のフィルタースタック（１２５，３２０，４２０）と、
前記第１のフィルタースタックと前記第２のフィルタースタックとの間に配置される、屈折型ビーム分離凸レンズ（１１５，２１０，３１０，４１０）とを備える、装置。
【請求項２】
前記第１のフィルタースタックは、
光を第１の直線偏光に変換する第１の直線偏光子（１１２，２１５）と、
前記光を前記第１の直線偏光から第１の円偏光に変換する第１の１／４波長板（１１４，２２０）とを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２のフィルタースタックは、
前記光を前記第１の円偏光から前記第１の直線偏光を横切る第２の直線偏光に変換する第２の１／４波長板（１２７，２２５）と、
前記第１の直線偏光を透過させ前記第２の直線偏光を反射する偏光依存ビームスプリッタ（１２８，２３０）と、
前記第２の直線偏光を透過するための直線偏光子（１２９，２３５）とを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記屈折型ビーム分離凸レンズは、平面（１３０）と、対向する凸面（１１８）とを有する平凸レンズ（１１５）を含む、請求項１，２または３に記載の装置。
【請求項５】
前記第２のフィルタースタックは、前記平凸レンズの前記平面に積層される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第２のフィルタースタックは、エアギャップにより前記平凸レンズの前記平面から離される、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記屈折型ビーム分離凸レンズは、両凸レンズ（４１０）を含む、請求項１，２または３に記載の装置。
【請求項８】
前記両凸レンズは、エアギャップにより前記第２のフィルタースタックから離される、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記屈折型ビーム分離凸レンズは、第１の屈折率を有する第１の部分と、第２の屈折率を有する第２の部分とを含み、前記第１の部分および前記第２の部分は、対応する凸面および凹面を有する、請求項１，２または３に記載の装置。
【請求項１０】
前記光を前記第１のフィルタースタックへ供給するよう構成されたディスプレイ（１０５，２０５，３０５，４０５，５２０）をさらに備え、前記光は像を表す、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記第１のフィルタースタックは前記ディスプレイの上に配置される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
第１および第２の立体画像を生成し、ユーザーの左目および右目のそれぞれに提示するための少なくとも１つのディスプレイ（５２０）と、
前記第１の立体画像を表す光を左目に供給する第１の部分（５２５）と、前記第２の立体画像を表す光を右目に供給する第２の部分（５３０）とを含む光学系とを備え、前記第１の部分および前記第２の部分は、
光を第１の円偏光に変換するように構成された第１のフィルタースタック（５４０，５４５）と、
前記第１の円偏光を有する光を反射し、第２の円偏光を有する光を送信するように構成された第２のフィルタースタック（５６０，５６５）と、
前記第１のフィルタースタックと前記第２のフィルタースタックとの間に配置される、屈折型ビーム分離凸レンズ（５５０，５５５）とを含む、装置。
【請求項１３】
前記第１のフィルタースタックは、
光を第１の直線偏光に変換する第１の直線偏光子（１１２，２１５）と、
前記光を前記第１の直線偏光から第１の円偏光に変換する第１の１／４波長板（１１４，２２０）とを含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第２のフィルタースタックは、
前記光を前記第１の円偏光から、前記第１の直線偏光を横切る第２の直線偏光に変換する第２の１／４波長板（１２７，２２５）と、
前記第１の直線偏光を透過させ前記第２の直線偏光を反射する偏光依存ビームスプリッタ（１２８，２３０）と、
前記第２の直線偏光を透過するための直線偏光子（１２９，２３５）とを含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記屈折型ビーム分離凸レンズは、平面（１３０）と、対向する凸面（１１８）とを有する平凸レンズ（１１５）を含む、請求項１２，１３または１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記第２のフィルタースタックは、前記平面に積層される、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記屈折型ビーム分離凸レンズは、両凸レンズ（４１０）を含む、請求項１２，１３または１４に記載の装置。
【請求項１８】
前記屈折型ビーム分離凸レンズは、エアギャップにより前記第２のフィルタースタックから離される、請求項１２，１３，１４，１５または１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記屈折型ビーム分離凸レンズは、第１の屈折率を有する第１の部分と、第２の屈折率を有する第２の部分とを含み、前記第１の部分および前記第２の部分は、対応する凸面および凹面を有する、請求項１２，１３または１４に記載の装置。
【請求項２０】
前記第１のフィルタースタックは少なくとも１つのディスプレイと一体化されている、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
第１のフィルタースタック（１１０，３１５，４１５，５４０，５４５）において、ディスプレイから受信した光を第１の円偏光へ変換する工程と、
屈折型ビーム分離凸レンズ（１１５，２１０，３１０，４１０，５０，５５５）において、前記第１の円偏光の光を屈折させ、前記光を第２のフィルタースタック（１２５，３２０，４２０，５６０，５６５）に供給する工程と、
前記第２のフィルタースタックにおいて、前記第１の円偏光を有する前記光を前記屈折型ビーム分離凸レンズに反射し返す工程と、
前記屈折型ビーム分離凸レンズの凸面（１１８，４２５）から、前記第１の円偏光を有する前記光を反射し、反射された前記光が第２の円偏光を有するようにする工程と、
前記第２のフィルタースタックを通って、前記第２の円偏光を有する反射された前記光を送信する工程とを備える、方法。
【請求項２２】
前記屈折型ビーム分離凸レンズにおいて前記光を屈折させる工程は、平面（１３０）および対向する凸面（１１８）を有する平凸レンズ（１１５，２１０，３１０）における光を屈折させる工程を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記屈折型ビーム分離凸レンズにおいて前記光を屈折させる工程は、前記光を両凸レンズ（４１０）にて屈折させる工程を含む、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１７年７月１１日に出願され「屈折型ビーム分離凸レンズを含む、小型ニアアイ（near-eye）光学システム」と題された米国仮特許出願６２／５３１，２２５に対する優先権を主張しており、ここではこの仮米国特許出願は参照により全体が組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
没入型仮想現実（ＶＲ）および拡張現実（ＡＲ）システムは、３次元（３Ｄ）のシーンに存在する感覚を与えるために、ユーザーへ立体画像を提供するヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）装置を一般的に利用する。従来のＨＭＤ装置は、片方はユーザーの左目用もう片方は右目用の２つの独立したディスプレイ領域に分離された単一のフラットなディスプレイ、またはユーザーの両目のそれぞれに１つずつ用いる１対の独立のフラットなディスプレイ、のいずれかを実装している。従来のＨＭＤはまた、ディスプレイの全体像をユーザーの目に合焦する光学システムを含んでいる。当該光学システムは、非球面レンズまたはフレネルレンズのような、約３５ｍｍ以上の焦点距離を有する単レンズを含む。いずれのタイプのレンズも、高品質のＶＲまたはＡＲの体験に必要とされるレベルの光学的パフォーマンスを提供しない。非球面の単レンズは、比較的大きな色収差、像面湾曲および非点収差を発生する。フレネルレンズは比較的大きな色収差を発生し、フレネルアーティファクトを発生する。たとえばフレネルファセット上での全体の内部反射からの迷光、およびフレネルファセットでの製造誤差によるゴースト像のようなものである。
【０００３】
さらに、非球面レンズおよびフレネルレンズのような単レンズは比較的長いバック焦点距離を有しており、これはレンズとディスプレイとの距離を増大させる。長いバック焦点距離は、分厚くて前面が重く、慣性モーメントが大きいＨＭＤをもたらす。単レンズはより短いレンズ焦点距離で構築し得る。しかしながら、レンズの倍率はレンズの焦点距離に反比例する。それゆえレンズの倍率は、レンズの焦点距離が短くなるほど大きくなる。ディスプレイの画素の解像度に依って、レンズの倍率を増加することは、見る人に、ディスプレイの拡大した像のピクセル化を知覚させる。さらに、短い焦点距離の拡大鏡は設計することがより難しく、一般的に、増加する光学的収差に対処するためにより多くの光学要素を必要とする。短い焦点距離の拡大鏡は光学的／機械的公差および目の位置決めに敏感である。
【０００４】
本開示は、添付の図面を参照することにより当業者が明確に、多数の特徴および利点をよりよく理解できるであろう。異なる図の間での同様の参照符号は類似のまたは同一のものを示している。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】いくつかの実施形態においてユーザーの目に実質的に平行な光線を供給するためにディスプレイから受ける光を平行にするための光学システムの第１例の図である。
【図２】いくつかの実施形態においてディスプレイから受ける光を平行にするための光学システムの第２例の図である。
【図３】いくつかの実施形態においてディスプレイから受ける光を平行にするための光学システムの第３例の図である。
【図４】いくつかの実施形態においてディスプレイから受ける光を平行にするための光学システムの第４例の図である。
【図５】いくつかの実施形態において仮想現実、拡張現実または複合現実が機能的にディスプレイ経由で供給されるように構成された電子デバイスを含む、ディスプレイシステムを示している。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
偏光依存ビームスプリッタは、光の経路を折り返し、ＨＭＤに実装されたニアアイ光学システムの寸法を減らすために用いられる。たとえば、インラインの、すなわち「パンケーキ」のビューアは、ディスプレイから光を受けるための直線偏光子と、光を右円偏光に変換する１／４波長板と、球状反射ビームスプリッタ（たとえば半鍍銀面を有する合焦点凹型鏡として実装される）と、右円偏光を垂直直線偏光に変換する１／４波長板と、垂直偏光を反射し水平偏光を透過させる偏光依存ビームスプリッタと、水平偏光を透過させるための直線偏光子とを含む。インラインビューアは光強度を球状反射ビームスプリッタに集中させ、コマ収差、非点収差、色収差を含む光学収差の制御を向上させる。しかしながら、インラインビューアはマイクロディスプレイ（たとえば、約１インチの対角線を有するディスプレイ）用に最適化されており、より大きいディスプレイ（たとえばチャンネル当たり約１．５−３インチの対角線を有するディスプレイ）用に直接に設計を調整することは困難である。そのことに対する挑戦は、球状反射ビームスプリッタにより生じる強い画面湾曲を矯正すること、およびより大きいディスプレイにより生じる像の収差を矯正するために必要な球状反射ビームスプリッタのより大きなサイズを矯正することを含む。
【０００７】
図１−５は、光学的パフォーマンスが改善され、ゴーストが低減され、インラインパンケーキビューアに比べて広い視界を有する、小型ニアアイ光学システムの実施形態を示す。当該光学システムまたは装置（以下では光学システムという）は、光を第１の円偏光に変換するように構成された第１のフィルタースタックと、第１の円偏光を有する光を反射し第２の円偏光を有する光を送信するように構成された第２のフィルタースタックと、第１のフィルタースタックと第２のフィルタースタックとの間に配置される屈折型ビーム分離凸レンズとを含む。第１のフィルタースタックは、ディスプレイからの光を第１の直線偏光に変換する第１の直線偏光子と、直線偏光を第１の円偏光に変換する第１の１／４波長板とを含んでもよい。第２のフィルタースタックは、第１の円偏光を第２の直線偏光（第１の直線偏光を横切る）に変換する第２の１／４波長板と、第１の偏光を透過させ第２の偏光を反射する偏光依存ビームスプリッタと、第２の偏光を透過するための直線偏光子とを含んでもよい。屈折型ビーム分離凸レンズは、１つの平面と対向する凸面とを有する平凸レンズとして実装されていてもよいし、２つの対向する凸面を有する両凸レンズとして実装されていてもよい。
【０００８】
従来の球状反射ビームスプリッタを屈折型ビーム分離凸レンズに置き換えることにより、当該光学システムに多くの改善がもたらされる。屈折型ビーム分離凸レンズにを含む光学システムの実施形態は、典型的にはより低い光学収差をもたらし、ユーザーに、ディスプレイの画素をより小さく分解させ大きいアイボックスを支える。当該光学システムはまた、球および色の収差、非点収差、およびコマのレベルを低減する。当該屈折型ビーム分離凸レンズの屈折部分は、屈折部分の像面湾曲のバランスを取り、その結果当該光学システムにより生じる像面湾曲全体を低減できる。さらに、屈折型ビーム分離凸レンズの追加の屈折強度は、光学システムの光学的パフォーマンスを強化し、最適化し、または調整するように変化してもよい。いくつかの実施形態では、第２の１／４波長板は、屈折型ビーム分離凸レンズを実装するために用いられる平凸レンズの平面に接合されるか積層され、それにより内部反射によるゴースト像を引き起こすエアギャップの数を減らすことができる。
【０００９】
図１はいくつかの実施形態においてユーザーの目１１１に実質的に平行な光線を供給するためにディスプレイ１０５から受ける光を平行にするための光学システム１００の第１例の図である。光学システム１００は、ディスプレイ１０５から光を受ける第１のフィルタースタック１１０を含む。フィルタースタック１１０のいくつかの実施形態では、受けた光を第１の直線偏光に変換する直線偏光子１１２を含む。たとえば、直線偏光子１１２は未だ偏光されていない（または部分的に偏光された）光を、図示された平面内における方向に偏光された光に変換することができ、ここではこの方向をｙ方向と呼ぶ。フィルタースタック１１０はまた直線偏光された光を第１の円偏光に変換する１／４波長板１１４を含む。たとえば、１／４波長板１１４はｙ方向に偏光した光を右円偏光された光に変換できる。フィルタースタック１１０のいくつかの実施形態は、ディスプレイ１０５と一体化されている。たとえば、直線偏光子１１２はディスプレイ１０５の表面に積層されてもよい。しかしながら、他の実施形態においては、第１のフィルタースタック１１０はエアギャップによりディスプレイ１０５から離されている。
【００１０】
光学システム１００はまた屈折型ビーム分離凸レンズ１１５を含み、それは第１の屈折率を有する材料、およびビームを分離するコーティングにより形成される。たとえば、屈折型ビーム分離凸レンズ１１５はガラスまたはプラスチックにより形成されてもよく、屈折型ビーム分離凸レンズ１１５の凸面１１８は半鍍銀面により形成されてもよい。屈折型ビーム分離凸レンズ１１５のいくつかの実施の形態では１５０ｍｍから３００ｍｍの範囲の焦点距離を有している。たとえば、屈折型ビーム分離凸レンズ１１５の焦点距離は１８０ｍｍから２８０ｍｍの範囲内であり得る。屈折型ビーム分離凸レンズ１１５のいくつかの実施形態ではエアギャップによりフィルタースタック１１０から離される。いくつかの実施形態では、光学システム１００はまたもう１つの屈折要素１２０を含んでおり、もう１つの屈折要素１２０は凸面１１８の曲率と適合する凹面を含んでおり、さらにもう１つの屈折要素１２０は第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する。追加の屈折要素１２０を組み合わせることは、光学システム１００の光学的パフォーマンスを向上させるように調整することができる追加の光学パラメータを供給する。
【００１１】
光学システム１００は第２のフィルタースタック１２５を含み、第２のフィルタースタック１２５は第１の偏光を有する光を送信し、第１の偏光と直交する第２の偏光を有する光を反射する。たとえば、第２のフィルタースタック１２５は左円偏光を送信し、右円偏光を反射する構成を有する。第２のフィルタースタック１２５のいくつかの実施形態では、円偏光された光を直線偏光された光に変換する１／４波長板１２７を含む。たとえば、１／４波長板１２７は右円偏光された光をｙ方向に偏光された光に変換できる。また１／４波長板１２７は左円偏光された光を図中の平面に垂直な方向に偏光された光に変換できる。このｙ方向に直交するまたはｙ方向を横切る方向をここではｘ方向と呼ぶ。第２のフィルタースタック１２５はまた偏光依存ビームスプリッタ１２８を含み、偏光依存ビームスプリッタ１２８は第１の方向に偏光した光を送信し、第１の方向に直交またはこれを横切る第２の方向に偏光した光を反射する。たとえば、偏光依存ビームスプリッタ１２８はｙ方向に偏光した光を反射し、ｘ方向に偏光した光を送信できる。第２のフィルタースタック１２５のいくつかの実施形態では、直線偏光した光を送信する直線偏光子１２９をさらに含む。たとえば、直線偏光子１２９はｘ方向に偏光した光を送信できる。
【００１２】
第２のフィルタースタック１２５のいくつかの実施形態は、屈折型ビーム分離凸レンズ１１５の平面１３０に接合されている。たとえば、１／４波長板１２７は平面１３０に積層され得る。第２のフィルタースタック１２５を屈折型ビーム分離凸レンズ１１５に接合することは多数の利点を有する。すなわち、光学システム１００のサイズを小さくできること、視野を広くできること、光学システム１００における光学表面にて発生するフレネル反射（またはゴースト像）の量を減らすこと、などができることである。他の実施形態では、第２のフィルタースタック１２５はエアギャップにより屈折型ビーム分離凸レンズ１１５から離れている。
【００１３】
光学システム１００における光路の折り返しは、ディスプレイ１０５により生じる光線１３５の伝搬を追うことにより示される。最初は、ディスプレイ１０５から現れる光線１３５は、偏光されていないか、または部分的に偏光されている。直線偏光子１１２は光線１３５を直線偏光された光線１３６に変換する。たとえば、当該光線１３６はｙ方向に偏光され得る。１／４波長板１１４は直線偏光された光線１３６を第１の円偏光を有する光線１３７へと変換する。たとえば、１／４偏光板１１４は光線１３６をｙ方向の直線偏光から右円偏光された光線１３７へと変換できる。凸面１１８は円形偏光された光線１３７の一部を伝送し、それは１／４波長板１２７に供給される前に屈折型ビーム分離凸レンズ１１５内にて屈折される。円形偏光された光線１３７は１／４波長板１２７により直線偏光された光線１３８に変換される。たとえば、１／４波長板１２７は右円偏光された光線１３７をｙ方向に直線偏光された光線１３８に変換できる。光線１３８は偏光依存ビームスプリッタ１２８により反射され、１／４波長板１２７により円形偏光された光線１３９に変換される。たとえば、光線１３９は右円偏光であり得る。光線１３９は屈折型ビーム分離凸レンズ１１５により屈折され、光線１３９の一部は凸面１１８から反射する。反射は光線１３９の円偏光を逆行させ、たとえば反射は光線１３９を左円偏光された光線１４０に変換する。１／４反射板１２７は円形偏光された光線１４０を直線偏光された光線１４１に変換する。たとえば、光線１４０の左円偏光は、ｘ方向についての光線１４１の直線偏光に変換される。偏光依存ビームスプリッタ１２８および直線偏光子１２９は直線偏光された光線１４１を送信する。
【００１４】
屈折型ビーム分離凸レンズ１１５を含む光学システム１００は、従来の光学システムに比べて多数の利点を有する。光学システム１００は光学収差が少なくなる。これはディスプレイ１０５からユーザーの目１１１まで光線が伝搬するときに凸面１１８が反射光強度および屈折強度を供給することで、ユーザーはより細かいディスプレイ画素を分解できるためである。光学システム１００はまた大きいアイボックスを供給する、それは「ピューピルスイミング（pupil swimming）」を減らす。球面収差、色収差、非点収差、コマ収差はすべて、反射ビームスプリッタを含む光学システムに比べて減少される。そのうえ、屈折型ビーム分離凸レンズ１１５における正の屈折強度は、凸面１１８の像面湾曲のバランスをとる。いくつかの実施形態では、光学システムは、単一の光学要素である、たとえば光学システム１００の組み立てを簡素化する屈折型ビーム分離凸レンズ１１５を実装のみする。
【００１５】
図２はいくつかの実施形態においてディスプレイ２０５から受ける光を平行にするための光学システム２００の第２例の図である。光学システム２００は、２つのフィルタースタックの間に配置された屈折型ビーム分離凸レンズ２１０を含む。第１のフィルタースタックは直線偏光子２１５および１／４波長板２２０を含む。第２のフィルタースタックは１／４波長板２２５、偏光依存ビームスプリッタ２３０、および直線偏光子２３５を含む。図示された実施形態において、第１のフィルタースタックは屈折型ビーム分離凸レンズ２１０の曲面に最も近い位置に配置され、エアギャップは１／４波長板２２０の平面および屈折型ビーム分離凸レンズ２１０の曲面の間に設けられる。第１のフィルタースタックはエアギャップによりディスプレイ２０５から離される。第２のフィルタースタックは屈折型ビーム分離凸レンズ２１０の平面上に配置される。たとえば、第２のフィルタースタックは屈折型ビーム分離凸レンズ２１０の平面に積層されてもよい。
【００１６】
ディスプレイ２０５上の同じ点から発する光線は、互いに実質的に平行となるように現れるよう、光学システム２００にて平行とされる。たとえば、光線２４５，２５０はディスプレイ２０５の同じ画素から発生する。上記のように、光線２４５，２５０は第１のフィルタースタックおよび屈折型ビーム分離凸レンズ２１０の曲面により送信され、屈折型ビーム分離凸レンズ２１０内にて屈折され、第２のフィルタースタックにより反射され、屈折型ビーム分離凸レンズ２１０内にて屈折され、屈折型ビーム分離凸レンズ２１０の曲面により反射され、そして第２のフィルタースタックにより送信される。光線２４５，２５０は光学システム２００から現れ検出面２５５に到達するときには実質的に平行になっている。検出面２５５はいくつかの例においてユーザーの目に対応する。
【００１７】
図３はいくつかの実施形態においてディスプレイ３０５から受ける光を平行にするための光学システム３００の第３例の図である。光学システム３００は、第１のフィルタースタック３１５と第２のフィルタースタック３２０との間に配置された屈折型ビーム分離凸レンズ３１０を含む。第１および第２のフィルタースタック３１５，３２０のいくつかの実施形態は、図１に示される第１および第２のフィルタースタック１１０，１２５および図２に示される第１および第２のフィルタースタックと同一の構成要素を含む。第３例の光学システム３００は、図２に示す第２例の光学システム２００とは異なる。なぜなら、第２のフィルタースタック３２０が、屈折型ビーム分離凸レンズ３１０の平面から光学システム３００の光軸に沿って位置ずれしているためである。いくつかの実施形態において、第２のフィルタースタック３２０はエアギャップにより屈折型ビーム分離凸レンズ３１０の平面から離される。
【００１８】
ディスプレイ３０５上の同じ点から発する光線は、互いに実質的に平行となるように現れるよう、光学システム３００にて平行とされる。たとえば、光線３２５，３３０はディスプレイ３０５の同じ画素から発生する。上記のように、光線３２５，３３０は第１のフィルタースタック３１５および屈折型ビーム分離凸レンズ３１０の曲面により送信され、屈折型ビーム分離凸レンズ３１０内にて屈折され、第２のフィルタースタック３２０により反射され、屈折型ビーム分離凸レンズ３１０内にて屈折され、屈折型ビーム分離凸レンズ３１０の曲面により反射され、そして第２のフィルタースタック３２０により送信される。光線３２５，３３０は光学システム３００から現れ検出面３３５に到達するときには実質的に平行になっている。検出面３３５はいくつかの例においてユーザーの目に対応する。
【００１９】
第２のフィルタースタック３２０を屈折型ビーム分離凸レンズ３１０の平面から離すことは、第２のフィルタースタックを平面上に配置する他の実施形態に比べて多数の利点を有する。第２のフィルタースタック３２０を平面から分離することは、光学システム３００の焦点調整をより良くするテレセントリックディスプレイスペースを作り出す。ディスプレイ３０５が広い視界を供給しつつも焦点調整のために軸方向にシフトするときに、像の倍率および歪みは一定に保たれる。さらに、光路が第１および第２のフィルタースタック３１５，３２０の間で折り返されるために光路の全長が短くなり得る。
【００２０】
図４はいくつかの実施形態においてディスプレイ４０５から受ける光を平行にするための光学システム４００の第４例の図である。光学システム４００は、第１のフィルタースタック４１５と第２のフィルタースタック４２０との間に配置された屈折型ビーム分離凸レンズ４１０を含む。第１および第２のフィルタースタック４１５，４２０のいくつかの実施形態は、図１に示される第１および第２のフィルタースタック１１０，１２５および図２に示される第１および第２のフィルタースタックと同一の構成要素を含む。第４例の光学システム４００は、図３に示す第３例の光学システム３００とは異なる。なぜなら、屈折型ビーム分離凸レンズ４１０が、２つの対向する凸面４２５，４３０を有する両凸レンズとして実装されているためである。上記のように、ディスプレイ４０５上の同じ点から発する光線４３５，４４０は、光学システム４００から現れ検出面４４５に到達するときには実質的に平行である。検出面４４５はいくつかの例においてユーザーの目に対応する。屈折型ビーム分離凸レンズ４１０に実装される両凸レンズは追加の面（たとえば凸面４３０）を提供し、それは図３に示す屈折型ビーム分離凸レンズ３１０のような平凸レンズを含む光学システムに比べて、よりよい光学的矯正、調整または同調を可能とする構成であってもよい。
【００２１】
図５は、いくつかの実施形態において仮想現実、拡張現実または複合現実が機能的にディスプレイ経由で提供されるように構成された電子デバイス５０５を含む、ディスプレイシステム５００を示している。電子デバイス５０５の図示された実施形態は、ＨＭＤ、タブレットコンピュータ、コンピューティングが有効な携帯電話（たとえば「スマートフォン」）、ノートブックコンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ゲームコンソールシステムのような携帯用のユーザーデバイスを含み得る。他の実施形態では、電子デバイス５０５は、たとえば医療画像装置、セキュリティ画像センサシステム、産業ロボット制御システム、ドローン制御システムなどの備え付けデバイスを含み得る。図示を容易にする観点から、ここでは電子デバイス５０５はＨＭＤシステムのコンテキストの例として一般的に図示される。しかし電子デバイス５０５はこれらの実装例に限られない。
【００２２】
電子デバイスまたは装置５０５（以下では電子デバイスと記す）は図５においてユーザーの頭５１０の上に搭載されるものとして図示されている。図示されるように、電子デバイス５０５はユーザーへの表示用の像を作り出すディスプレイ５２０を含むハウジング５１５を含む。ディスプレイ５２０は図１に示すディスプレイ１０５、図２に示すディスプレイ２０５、図３に示すディスプレイ３０５、および図４に示すディスプレイ４０５のいずれかの実施形態に実装されるよう用いられ得る。図示された実施形態では、ディスプレイ５２０は左ディスプレイ５２１と右ディスプレイ５２２とからなり、それらは立体画像を、対応する左目と右目とに表示するために用いられる。しかし他の実施形態では、ディスプレイ５２０は単一のモノリシックのディスプレイ５２０であり、左目と右目とに別々に立体画像を作り出し表示するためのものであってもよい。
【００２３】
電子デバイス５０５はまた、第１の立体画像の光の表示を左目に供給する第１の部分または対眼鏡光学システム５２５と、第２の立体画像の光の表示を右目に供給する第２の部分または対眼鏡光学システム５３０とを含む。対眼鏡光学システム５２５，５３０はハウジング５１５のユーザーを向く表面５３５における対応する口径または他の開口に配置されてもよい。図示された実施形態では、対眼鏡光学システム５２５，５３０は第１のフィルタースタック５４０，５４５を含み、それは上記のように直線偏光子および１／４波長板を使用することにより形成され得る。対眼鏡光学システム５２５，５３０はまた屈折型ビーム分離凸レンズ５５０，５５５を含み、それは上記のように平凸であっても両凸であってもよい。対眼鏡光学システム５２５，５３０はさらに第２のフィルタースタック５６０，５６５を含み、それは上記のように１／４波長板、偏光依存ビームスプリッタ、および直線偏光子を用いて形成され得る。ディスプレイ５２０はハウジング５１５内の対眼鏡光学システム５２５，５３０より遠位に配置される。対眼鏡光学システム５２５は左目ディスプレイ５２１に位置合わせされ、対眼鏡光学システム５３０は右目ディスプレイ５２２に位置合わせされる。
【００２４】
立体ディスプレイモードにおいて、画像は左目ディスプレイ５２１により表示され、対眼鏡光学システム５２５を経由してユーザーの左目により視認される。画像は同時に、右目ディスプレイ５２２により表示され、対眼鏡光学システム５３０を経由してユーザーの右目により視認される。左目および右目により視認される画像は、ユーザー用の立体画像を創出するように構成されている。ディスプレイ５２０，５２１，５２２のいくつかの実施形態は、ディスプレイ５２０，５２１，５２２の１つ以上の外側の縁部を囲むような斜面（図５に図示されない）を含むように作られる。その場合、対眼鏡光学システム５２５，５３０または他の光学素子は、ディスプレイ５２０，５２１，５２２により作られる像を組み合わせるために用いられる。それにより、ディスプレイ５２０，５２１，５２２の周囲の斜面がユーザーから見えないようにされる。その代わりに、対眼鏡光学システム５２５，５３０はディスプレイ５２０，５２１，５２２の間での境界を横切るように連続的に現れる像を併合する。
【００２５】
一般的な説明における上記の動作および要素のすべてが必要であるわけではなく、特定の動作または装置の一部分が必要とされなくてもよく、１つ以上の更なる動作がなされてもよく、また上記に加えて更なる要素を含んでもよい、ということに注意すべきである。さらに、挙げられた動作の順序は行なわれる順序である必要はない。また、具体的な実施形態を参照すると構想が開示されている。しかしながら、以下の請求項に述べられるような本件の開示の範囲から逸脱しないように、様々な修正および変更がなされることを当業者は認める。従って、明細書および図面は限定的な意味ではなく理解を助けるものと考慮されるべきであり、すべてのそのような変更も本開示の範囲内に含めることが意図される。
【００２６】
課題に対する便益、他の利点、および解決は具体的な実施形態について上記のように説明されている。しかしながら、課題に対する便益、利点、解決、および何らかの便益、利点、解決をもたらす原因となるかまたはより明白とする何らかの特徴は、いずれかまたはすべての請求項に臨界的であり、要求され、または不可欠な特徴である、と解釈されるべきではない。その上、上記に開示される特定の実施形態は理解を助けるのみであり、開示された主題は、ここで開示することによる利益のある当業者にとって、異なっていても均等であることが明白である程度の態様で、修正され実施されてもよい。以下の請求項に記載されたもの以外の、ここに示される構成または設計の詳細は、限定を意図するものではない。それゆえ上記に開示される特定の実施形態は、変更されたり修正されてもよく、すべてのそのような変化は開示された主題の範囲内であると考慮される。したがって、ここに求められる保護範囲は以下の請求項で述べられる。
【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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【国際調査報告】
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