(57)【要約】標準的な数式で記述することができる光学面を有する頭部装着ディスプレイ用の光学器具を提供する。プリズム素子は、３つの光学面を有して使用され、３つの光学面の基準面は光軸を中心とするとともに光軸に対して傾斜を有しない。プリズムは、ディスプレイデバイスに向くとともに、光軸に直交する基準平面を有する高次多項式面を含む、第１面を有する。プリズムのすべての面が、光軸に一致するｚ軸を有するデカルト座標において定義される拡張多項式によって記述される。【選択図】図２
2020510869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学装置のためのプリズムであって、該光学装置は観察瞳を有するとともに前記観察瞳を通る光軸を定義し、
前記プリズムは３つの光学面を含み、前記３つの光学面の面形態は、前記プリズムが前記光学装置に設置される際、前記光軸を中心とする原点を有するように形成され、
前記プリズムが前記光学装置に設置される際、前記３つの光学面の第１面はディスプレイデバイスに向くとともに、前記光軸に直交して前記光軸に対して傾斜を有する基準平面を有する高次拡張多項式面を含む、プリズム。
【請求項２】
前記３つの光学面のぞれぞれは、軸方向高次拡張多項式として形成される、請求項１に記載のプリズム。
【請求項３】
前記高次拡張多項式のそれぞれは、前記光軸と一致するｚ軸を有するデカルト座標において導出される、請求項１に記載のプリズム。
【請求項４】
前記第１面の原点は、前記観察瞳から離れる方向に前記光軸に沿って移動している、請求項１に記載のプリズム。
【請求項５】
前記３つの面の第２面の原点は前記第２面と前記光軸との交点にあり、前記３つの面の第３面の原点は前記第３面と前記光軸との交点にある、請求項４に記載のプリズム。
【請求項６】
前記３つの面の第３面はフルミラーコート又は部分ミラーコートを含む、請求項１に記載のプリズム。
【請求項７】
前記３つの面はＹＺ平面に沿って対称であり、前記ＹＺ平面のＺ軸は前記光軸に一致し、前記ＹＺ平面のＹ軸は前記光軸に直交する、請求項６に記載のプリズム。
【請求項８】
前記３つの光学面のぞれぞれは、少なくとも４次項に拡張される軸方向高次拡張多項式として形成される、請求項３に記載のプリズム。
【請求項９】
前記３つの光学面のぞれぞれは、偶数増分で４次項から２０次項まで拡張される軸方向高次拡張多項式として形成される、請求項３に記載のプリズム。
【請求項１０】
前記第１面及び前記第２面の少なくとも１つに反射防止コートをさらに含む、請求項３に記載のプリズム。
【請求項１１】
光軸を定義する光学透過型頭部装着ディスプレイに設置されるように構成された光学器具であって、
プリズムを含み、
前記プリズムは、マイクロディスプレイから光を受け取るように構成されるとともに受け取った前記光を前記プリズムの本体に透過させるように構成された第１面と、前記第１面から前記プリズムの本体に透過された前記光を受け取るように構成されるとともに受け取った前記光を第２面において内部全反射させるように構成された第２面と、前記第２面によって反射された前記光を受け取るように構成されるとともに前記光を前記プリズムから前記頭部装着ディスプレイの瞳に向かって反射させるように構成された第３面とを有し、
前記第１光学面、前記第２光学面、及び前記第３光学面のそれぞれは、前記光軸を中心とするとともに前記光軸に対して傾斜を有しない基準平面を有する高次拡張多項式として形成される、光学器具。
【請求項１２】
前記第１面の原点は、前記プリズムの外側の位置で観察瞳から離れる方向に前記光軸に沿って移動されている、請求項１１に記載の光学器具。
【請求項１３】
前記第１光学面、前記第２光学面、及び前記第３光学面のそれぞれはＹＺ平面に沿って対称であり、前記ＹＺ平面のＺ軸は前記光軸に一致する、請求項１１に記載の光学器具。
【請求項１４】
前記第１光学面、前記第２光学面、及び前記第３光学面のぞれぞれは、少なくとも４次項に拡張される軸方向高次拡張多項式として形成される、請求項１１に記載の光学器具。
【請求項１５】
前記第１光学面、前記第２光学面、及び前記第３光学面のぞれぞれは、偶数増分で少なくとも４次項から２０次項に拡張される軸方向高次拡張多項式として形成される、請求項１１に記載の光学器具。
【請求項１６】
前記プリズムの前記第３面と係合する形状をなす第１面と、前記瞳から離れる方向に向く第２面とを有する補正レンズをさらに含む、請求項１１に記載の光学器具。
【請求項１７】
前記補正レンズの前記第１面及び前記第２面は、前記光軸に直交する基準平面を有する軸方向高次多項式面によって定義される、請求項１６に記載の光学器具。
【請求項１８】
前記プリズム及び前記補正レンズの面の少なくとも１つに反射防止コートをさらに含む、請求項１７に記載の光学器具。
【請求項１９】
頭部装着ディスプレイ（ＨＭＤ）用の光学素子を形成する方法であって、
前記ＨＭＤの瞳から前記ＨＭＤのアパーチャへの直線として光軸を定義するステップと、
前記ＨＭＤに設置されたマイクロディスプレイに向くように構成された第１面を形成すること、前記瞳に向くように構成された第２面を形成すること、及び前記アパーチャに向くように構成された第３面を形成することによってプリズムを製造するステップであって、前記第１面を形成することは、前記光軸を中心とする原点と前記光軸に一致するｚ軸とを有するとともに前記光軸に直交して前記光軸に対して傾斜を有する基準平面を有する高次拡張多項式によって前記第１面の面形態を定義することで行われ、前記第２面を形成することは、前記光軸を中心とする原点と光軸に一致するｚ軸とを有する高次拡張多項式によって前記第２面の面形態を定義することで行われ、前記第３面を形成することは、前記光軸を中心とする原点と前記光軸に一致するｚ軸とを有する高次拡張多項式によって前記第３面の面形態を定義することで行われるステップとを含む、方法。
【請求項２０】
前記瞳から離れる方向に且つ前記光軸に沿う前記プリズムの外側の位置に前記第１面の前記原点をオフセットすることをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記プリズムの前記第３面に向くように構成された第１面と前記アパーチャに向くように構成された第２面とを有する補正レンズを形成することをさらに含み、前記補正レンズの前記第１面及び前記第２面は、前記光軸を中心とする原点と前記光軸に一致するｚ軸とを有する高次拡張多項式によって前記第１面及び前記第２面の面形態を定義することで形成される、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願］
本願は、２０１７年３月２日に出願した米国仮特許出願第６２／４６６，０５４号の優先権を主張し、そのすべての内容が言及によって本明細書に援用される。
【０００２】
［技術分野］
この開示は、バーチャルリアリティやミクストリアリティの用途におけるイメージ表示を可能にする頭部装着光学デバイスのための光学デバイス、特に光学器具に関する。
【背景技術】
【０００３】
頭部装着ディスプレイ（ｈｅａｄ  ｍｏｕｎｔｅｄ  ｄｉｓｐｌａｙ、ＨＭＤ)は、バーチャルリアリティやミクストリアリティの用途においてユーザにイメージを提示するために使用可能である。バーチャルリアリティでは、ユーザはフラットパネルディスプレイに投影されるイメージのみを観察することができる一方、ミクストリアリティでは、ユーザはフラットパネルディスプレイデバイスに投影されるイメージと実際の周囲物とをともに観察することができる。ミクストリアリティの用途には、例えばユーザが実際の周囲物を観察している際にユーザに関連データを提供すること、又は実際の周囲物ビューにナイトビジョンイメージ又はサーマルビジョンイメージを重ねることを含む。周知のミクストリアリティ用頭部装着ディスプレイは、２０１３年に最初に発売されたグーグルグラスである。
【０００４】
頭部装着ディスプレイはユーザが装着するものであるので、小型で軽量である必要がある。つまり、ＨＭＤ内に搭載されたフラットパネルディスプレイもまた非常に小型である。しかしながら、ユーザは、表示されるイメージが判読可能であるために、イメージをより大きいものであるかのように知覚する必要がある。ゆえに、光学器具は、周囲物を観察するために広視野角も有しながら、フラットパネルディスプレイのイメージを拡大する必要がある。したがって、光学器具は、好ましくは低コストの単一光学素子を使用して高性能を示す必要がある。
【０００５】
これらの厳しい条件により、開発者らは、バーチャルリアリティやミクストリアリティのための、そうした頭部装着ディスプレイ用の光学器具としてのプリズムの使用にたどり着いた。例えば、Ｙａｍａｚａｋｉによる特許文献１は、複合面、特に負のパワーの領域同士の間に正のパワーを有する上面を有する透過プリズムを公開している。補正プリズム面は偏心している。同様に、Ｃｈｅｎｇによる特許文献２は３つの自由曲面を有するプリズムを公開している。そうしたプリズムは、イメージの拡大や投影に有効であり得るが、複合面や自由曲面を有するプリズムの作製はその製造を複雑なものにして、光学器具の価格を上昇させる。
【０００６】
以下は、自由曲面を使用するプリズム及び任意の関連光学素子の設計を製造することを複雑にし得る問題の一部である。第１に、面が通常の回転対称球の数式を使用して記述できず、ゆえに、例えば数値点の収集などの面を記述するその他の方法を必要とする。面が通常の回転対称球の数式によって記述できない場合、面を研磨するためにＣＮＣツール用の経路を生成することがより難しくなる。つまり、そうした面はまた、アライメント又はチェックのための基準面を有しないことがある。最後に、複合の自由曲面は通常、標準的な干渉法技術によって測定できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６，３８４，９８３号明細書
【特許文献２】米国特許第９，２３９，４５３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ゆえに、小型、軽量で、製造が容易な頭部装着ディスプレイ用の光学器具が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下の発明の概要は、本発明におけるいくつかの態様及び特徴の基本的な理解を得るために含まれる。この発明の概要は本発明の広範囲の概略ではなく、それ自体特に本発明の不可欠な若しくは重要な要素を特定すること、又は本発明の範囲を詳述することを意図するものではない。その唯一の目的は、以下に記載されるより詳細な説明の前置きとして簡易な形態で本発明のいくつかの概念を提示することにある。
【００１０】
本発明の態様では、イメージを形成するために３つの異なる面を用いる単一の光学素子が提供される。さらに、システムを透過用途において使用可能にするために、一次素子と併せて二次素子を使用することができる。ゆえに、光学器具は、ミクストリアリティの用途に使用可能であり、周囲物とディスプレイデバイスからの重ねたイメージとをともに観察することができる。
【００１１】
開示の光学素子の用途は、ニアアイディスプレイシステム用であるが、設計形態は他の用途にも使用され得る。
【００１２】
本発明の態様により、標準的な数式で記述することができる光学面を有する頭部装着ディスプレイ用の光学器具が提供される。開示の実施形態において、プリズム素子は３つの光学面を有して使用され、３つの光学面の面形態の基準平面は光軸を中心とするとともに光軸に対して座標傾斜を有しない。すなわち、３つの面について、基準平面は、ｚ軸である光軸に直交して光軸を中心とする、すなわち光軸に原点を有する、ｘ−ｙ平面である。開示の一実施形態では、プリズムは、ディスプレイデバイスに向くとともに、光軸に直交する基準平面を有する高次多項式面を含む、第１面を有する。一実施形態では、プリズムのすべての面が、ｚ軸としての光軸を有するデカルト座標において定義される拡張多項式によって記述される。
【００１３】
本発明の態様では、光学装置のためのプリズムが提供され、該光学装置は、観察瞳を有するとともに観察瞳を通る光軸を定義するものであり、プリズムは３つの光学面を含み、３つの光学面の面形態は、プリズムが光学装置に設置される際、光軸を中心とするとともに光軸に対して傾斜を有しない基準平面を有するように形成され、プリズムが光学装置に設置される際、３つの光学面の第１面は、ディスプレイデバイスに向くとともに、光軸に直交する基準平面を有する高次拡張多項式面を含む。
【００１４】
開示の態様は、光軸を定義する光学透過型頭部装着ディスプレイに使用される光学器具を含み、該光学器具は、マイクロディスプレイから光を受け取るように構成されるとともに受け取った光をプリズムの本体に透過させるように構成された第１面と、第１面からプリズムの本体に透過された光を受け取るように構成されるとともに受け取った光を第２面において内部全反射させるように構成された第２面と、第２面によって反射された光を受け取るように構成されるとともに光をプリズムから頭部装着ディスプレイの瞳に向かって反射させるように構成された第３面とを有するプリズムを含み、第１光学面、第２光学面、及び第３光学面のそれぞれは、光軸を中心とするとともに光軸に対して傾斜を有しない基準平面を有する高次拡張多項式として形成される。任意的に、プリズムの面は、第１面に入って第２面から出るイメージに光学的拡大をもたらすように形成することができる。
【００１５】
本発明の実施形態における頭部装着ディスプレイ（ＨＭＤ）用の光学素子を形成する方法を提供するさらなる態様は、以下のとおりである。方法は、ＨＭＤの瞳からＨＭＤのアパーチャへの直線として光軸を定義することによって開始される。この文脈において、ＨＭＤの瞳は、ＨＭＤのイメージを観察するユーザの眼の位置であるイメージ点である一方、アパーチャは、周囲物からの光がＨＭＤの内部に入射することでユーザがＨＭＤを通して周囲物を観察することができる開口部（必ずしも開口絞りではない）である。そして、１次プリズムは、ＨＭＤの内部に設置されたマイクロディスプレイに向くように構成された第１面を形成すること、瞳に向くように構成された第２面を形成すること、及びアパーチャに向くように構成された第３面を形成することによって製造され、第１面を形成することは、光軸を中心とするとともに光軸に直交する基準平面を有する高次拡張多項式によって第１面の面形態を定義することで行われ、第２面を形成することは、光軸を中心とするとともに光軸に直交する基準平面を有する高次拡張多項式によって第２面の面形態を定義することで行われ、第３面を形成することは、光軸を中心とするとともに光軸に直交する基準平面を有する高次拡張多項式によって第３面の面形態を定義することで行われる。方法には、瞳から離れる方向に且つ光軸に沿うプリズムの外側の位置に基準平面第１面の原点をオフセットすることをさらに含むことができる。方法には、プリズムの第３面に向くように構成された第１面とアパーチャに向くように構成された第２面とを有する補正レンズを形成することをさらに含むことができ、補正レンズの第１面及び第２面は、光軸を中心とする原点と光軸に直交する基準平面とを有する高次拡張多項式によって第１面及び第２面の面形態を定義することで形成される。補正レンズは、光軸に沿う１次プリズムと補正レンズとの組合せによって透過パワー及びひずみを最小化するように構成される。つまり、ＨＭＤを通して観察される周囲物イメージは拡大されず、周囲物のイメージは歪んで見えることはない。方法において、１次プリズムは、補正レンズに接着・接合することができる。あるいは、１次プリズム及び補正レンズは機械的にともに保持することができる。
【００１６】
この明細書に含まれるともにこの明細書の一部をなす添付の図面は、本発明の実施形態を例示するものであり、詳細な説明とともに本発明の原理を記載して示す役割を担う。図面は、概略的に例示の実施形態の主な特徴を示すことが意図される。図面は、実際の実施形態のすべての特徴や示される要素の相対的寸法を示すことが意図されるものではなく、正確な縮尺で描かれていない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の実施形態にかかる透過型軸方向高次プリズムの概略図である。
【図２】図２は、各高次多項式面の原点を示す、本発明の実施形態にかかる透過型軸方向高次プリズムを表す。
【図３】図３は、筐体内に設置したプリズム及び補正レンズを示す、本発明の実施形態にかかる透過型頭部装着ディスプレイを表す。
【図４】図４は、補正レンズなしで１次プリズムを使用する、バーチャルリアリティゴーグルの実施形態を表す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の種々の態様により、頭部装着ディスプレイ用の光学器具が提供される。開示の実施形態は、プリズムの面形態の数式、面形態の基準平面の配向、補正レンズの使用などの種々の特徴を例示する。例示の実施形態の一部は、１を超える特徴を用いるが、特徴は独立して、又は種々のシステムとの様々な組み合わせで適用することができるということを理解する必要がある。
【００１９】
本明細書に開示の実施形態は、瞳位置でイメージを投影するための開口部を有する筐体と、筐体内部に搭載されるマイクロディスプレイと、筐体内部に搭載されるとともに、マイクロディスプレイに向く第１面、単一開口部に向く第２面、及び第３面の３つの面を有するプリズムとを含む、頭部装着ディスプレイ（ＨＭＤ）を含み、第１面、第２面、及び第３面はそれぞれ、第１高次拡張多項式、第２高次拡張多項式、及び第３高次拡張多項式によって定義される面形態を有し、高次拡張多項式のそれぞれは、光軸を中心とするとともに光軸に対して傾斜を有しない基準面を有し、光軸は単一開口部と瞳位置とを通過する。高次拡張多項式のそれぞれは、最小で４次項までを含み、２０次項までを含むことができるが、典型的には１０次項までを含む。ＨＭＤが透過性能を備えないバーチャルリアリティ用に構成されるとき、第３面はミラーコートを含む。ＨＭＤが透過性能を備えて構成されるとき、筐体は開口部と反対の位置にアパーチャを備え、ＨＭＤは、プリズムの第３面に当接する第１面及びアパーチャに向く第２面を有する補正レンズをさらに含み、補正レンズの第１面及び第２面は高次拡張多項式によって定義される面形態を有し、高次拡張多項式のそれぞれは光軸を中心とするとともに光軸に対して傾斜を有しない基準面を有する。すべての基準面について、ｚ軸は光軸に一致する。
【００２０】
図１は、ここでは３つの面を有するプリズム２００である１次光学素子と、視点６００から観察するための瞳５００と、例えばフラットパネルディスプレイ１００などのディスプレイとからなる本発明の実施形態を示す。ディスプレイ１００は、１次素子２００に対して特定の位置に搭載される。ディスプレイからの光が、第１面２０１を通って１次素子２００に屈折して入る。第１面は、ディスプレイ１００に向く面として定義される。この面は、光軸３００に直交して光軸に対して軸方向である基準平面を含む高次拡張多項式によってユニークに記述される。１次プリズム２００の３つの光学面すべての基準平面は、光軸３００に対する偏心及び／又は傾斜なく記述される。すなわち、１次プリズム２００の３つの光学面の高次拡張多項式によって形成される面形態は、光軸３００を中心とするとともに光軸３００に対して傾斜を有しない基準平面を有し、各面を記述、製造、及び検査しやすくする。この実施形態において、３つの面の面形態は、ＹＺ平面に関して対称であり、Ｚ軸は光軸に一致する。プリズムの面は、ディスプレイ１００から第１面に入って第２面から瞳５００に向かって出るイメージに光学的拡大をもたらすように形成することができる。
【００２１】
開示の実施形態では、プリズムのすべての面が、光軸と一致するｚ軸と、ｘ−ｙ平面に平行な基準面とを有するデカルト座標において導出される高次拡張多項式によって記述される。拡張多項式の全関数形式は以下のように記述することができ、
【数１】
2020510869.tif 000003
式中、Ｎは、級数における多項式係数の数であり、Ａｉは、第ｉの拡張多項式項Ｅｉ（ｘ，ｙ）における係数である。多項式はｘ及びｙのベキ級数であり、１次項ｘ及びｙから、続いて２次項ｘ２、ｘｙ、ｙ２など順次配置される。開示の実施形態において、従来のサグ関数の部分は無視することができるので、各面のサグは多項式部分のみで定義可能である。
【数２】
2020510869.tif 000004
【００２２】
この開示では、高次多項式という用語は、少なくとも４次項にこの拡張多項式を使用することを指す。しかしながら、さらなる結果の向上は、１０次項までを使用すること及び１０次項を含むことで得られ得る。一部の実施形態において、拡張多項式は２０次項までを有する。この意味で、４次は最小拡張であるとされ得、偶数増分で最大２０次項まで拡張可能であり、典型的な拡張は１０次項までであり得る。しかしながら、一部の項は多項式においてゼロであることに留意する必要がある。開示の実施形態では、系は一平面に関して対称であるので、一方向の奇数項はデフォルトでゼロである。
【００２３】
そして、第１面２０１から屈折した光は、第２面２０２から内部全反射（Ｔｏｔａｌｌｙ  Ｉｎｔｅｒｎａｌｌｙ  Ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ、ＴＩＲ）される。第２面は、瞳５００及び観察目６００に向く面として定義される。そして、光は、第３面２０３に伝播し、この面に塗布した反射コート４０１を介して反射する。第３面は、瞳５００及び観察目６００から離れる方向で、周囲物に向く面として定義される。反射すると、光は、第２面２０２に向かって伝播し、ここで第２面を通って観察瞳又は射出瞳５００に向かって屈折する。観察瞳又は射出瞳５００は、ユーザの目６００が配置されるところである。性能を最適化するために、第１の実施形態では、第１面２０１において反射防止コート４０２及び第２面２０２において反射防止コート４０３を使用することができる。
【００２４】
第３面２０３のコート４０１が部分ミラーである場合、ユーザは、第３面２０３及び第２面２０２によって形成される２つのプリズム面を透視することができるが、１次素子２００のくさび形状により、ユーザは歪んだ像を見ることになる。透過経路に導入されたくさび形状を補償するために、第１の実施形態においてさらなる補正レンズ又はプリズム７００を１次プリズム２００に接合させる。補正レンズ７００は２つの光学面からなる。第１面７０１は、１次プリズム２００の第３面２０３と同じ又は同様の形状である。補正レンズ７００の第２面７０２は、瞳５００から離れる方向に向く。補正レンズ７００の両面はまた、光軸３００に直交する基準平面を有する軸方向高次多項式面によって記述される。また、これらの面の基準平面は、光軸に対する偏心及び傾斜なく記述される。補正レンズ７００の第２面７０２は、プリズム対８００を介して観察する際光路の補償を可能にし、組み合わせた１次素子及び補正素子によって光軸の光路に拡大がもたらされないように設計されている。自明のことであるが、拡大は、ディスプレイデバイスから瞳への光路において１次素子によってもたらされ得る。
【００２５】
図２は、本発明の実施形態における透過型軸方向高次プリズムを示す。図２に示すように、光軸は、観察目６００及び瞳５００から、光学器具を真っすぐに通って、観察者の前の周囲物へとアパーチャを出る、直線軸として定義される。言い換えると、光軸は、観察目６００が、いずれの他の光学素子もなく瞳５００を真っすぐに通って物体３０５を見ているというように定義される。したがって、光学素子２００及び７００は、観察目６００から、瞳５００を通って、周囲物における物体３０５への直線光学像のずれが最小化されるように設計される。そして、光学素子のすべて面を記述するために、この光軸はデカルト座標のｚ軸を規定する。
【００２６】
図２の図は、素子２００及び７００の各高次多項式面の原点を示す。図２に示すように、１次プリズム２００及び補正プリズム７００の各高次多項式面の原点は、光軸３００を中心とする、又は光軸３００に対して軸方向である。また、高次多項式面のそれぞれの基準平面（すなわち、ｘ−ｙ平面）は光軸に直交する、すなわち、基準平面のいずれも光軸に対して傾斜を有しない。両方のプリズムの各面のサグを記述する拡張多項式は、ｚ軸が光軸に一致し、各面の各デカルト座標の原点が光軸と所定面の基準平面の対応するｘ−ｙ平面との交点上にある、デカルト座標において定義される。
【００２７】
また図２には、この実施形態では１次プリズムの第２面の原点と一致する１次プリズムの全体の原点を示す。すべての他の基準面は、光軸に沿う全体の原点からのオフセットによって記述することができる（この実施形態では、面２のオフセットはゼロに等しい）。例として、第１面の基準平面１−２００の原点は、瞳から離れる方向に光軸に沿って移動されている。図２に示す特定の実施形態において、目６００から離れる方向のオフセットの順序は、１次プリズムにおける第２面２０２の基準平面の原点２−２００と一致する全体の原点、そして、補正プリズム７００における第１面７０１の原点１−７００と一致する（しかしながら面同士の間の接着剤によりわずかにオフセットを有し得る）１次プリズム２００における第３面２０３の原点のオフセット３−２００、そして、補正プリズム７００における第２面７００の原点２−７００、そして、１次プリズム２００における第１面２０１の原点１−２００である。特に、プリズム２００における第１面２０１の原点１−２００は、プリズムの外側の位置に光軸に沿って移動されている。すなわち、１次プリズムの第１面２０１は、プリズムをＨＭＤに設置する際光軸が第１面２０１を通過しないように設計されている。つまり、原点１−２００、定義では第１面２０１の基準平面は、プリズムの外側であり得る位置に光軸に沿って移動されている。しかし、光軸は他のすべての面を通過するので、この実施形態は、原点２−２００、３−２００、１−７００、及び２−７００がすべて光軸と各プリズムの各面との交点にあるように設計されている。
【００２８】
図２に示す実施形態では、１次プリズム２００及び補正プリズム７００のすべての基準面は、光軸に対して軸方向であり、光軸に対して傾斜を有していない。すべての面は、１次プリズムの全体の原点に位置して射出瞳５００に最も近接する基準平面と、１次プリズムの第１面の原点に一致する平面との間の領域に存在する原点を有する高次拡張多項式によって記述される。すべての基準面は基準平面に平行であり、基準平面自体は光軸３００に直交する。各レンズ面は、最小で４次拡張多項式項、及び１０次又は２０次拡張多項式項まで及び１０次又は２０次拡張多項式項を含むものによって定義され、すべての拡張多項式は、ｚ軸を定義する光軸上の原点とともに光軸に直交するｘ−ｙ平面を有するデカルト座標系において定義される。
【００２９】
図３は、筐体８００内に設置したプリズム２００及び補正レンズ７００を示す、本発明の実施形態における透過型頭部装着ディスプレイを表す。光軸は、観察瞳５００からアパーチャ８０５への直線として定義される。マイクロディスプレイ１００は、プリズム２００の第１面がマイクロディスプレイ１００に向くように筐体８００に搭載される。マイクロディスプレイは、例えばＣＣＤ、ＬＥＤ又はＯＬＥＤ、フラットスクリーン又は曲面スクリーンなどであり得る。
【００３０】
本発明の実施形態におけるＨＭＤを製造する方法は、観察ポート及びアパーチャを有する筐体を製造するステップと、筐体にマイクロディスプレイを取り付けるステップと、筐体内部に１次プリズムと補正プリズムとを設置するステップとを含む。方法には、マイクロディスプレイから観察ポートに向かって投影されるイメージを拡大して見せながら光軸に沿うひずみ及び拡大を最小化するように、１次プリズム及び補正プリズムを設計するステップを含む。１次プリズム及び補正プリズムを作製する方法は、本明細書に記載の任意の実施形態にも従うことができる。１次プリズム及び補正プリズムは、１次プリズムの第１面がマイクロディスプレイに向くように筐体内部に設置される。一実施形態では、１次プリズムを補正プリズムに接着する一方、他の実施形態では、１次プリズム及び補正プリズムを筐体内に機械的にともに保持する。方法には、１次プリズムの第２面及び／又は第３面にハーフミラーコートを行うことを含むことができる。方法には、補正プリズムの一方又は双方の面にＡＲコートを行うことをさらに含むことができる。
【００３１】
本発明の実施形態における頭部装着ディスプレイ（ＨＭＤ）用の光学素子を形成する方法は以下のとおりである。方法は、ＨＭＤの瞳（又は観察ポート）からＨＭＤのアパーチャ（光入射部）への直線として光軸を定義することによって開始される。そして、プリズムは、ＨＭＤに設置されたマイクロディスプレイに向くように構成された第１面を形成すること、瞳に向くように構成された第２面を形成すること、及びアパーチャに向くように構成された第３面を形成することによって製造され、第１面を形成することは、光軸を中心とする原点と光軸に直交する基準平面とを有する高次拡張多項式によって第１面の面形態を定義することで行われ、第２面を形成することは、光軸を中心とする原点と光軸に直交する基準平面とを有する高次拡張多項式によって第２面の面形態を定義することで行われ、第３面を形成することは、光軸を中心とする原点と光軸に直交する基準平面とを有する高次拡張多項式によって第３面の面形態を定義することで行われる。方法には、瞳から離れる方向に且つ光軸に沿うプリズムの外側の位置に第１面の原点をオフセットすることをさらに含むことができる。方法には、プリズムの第３面に向くように構成された第１面とアパーチャに向くように構成された第２面とを有する補正レンズを形成することをさらに含むことができ、補正レンズの第１面及び第２面は、光軸を中心とする原点と光軸に直交する基準平面とを有する高次拡張多項式によって第１面及び第２面の面形態を定義することで形成される。方法には、Ｙ−Ｚ平面に関して対称である１次プリズム及び補正レンズのすべての面を形成することをさらに含むことができ、Ｚ軸は光軸に一致するとともにＹ軸は基準平面のいずれかに対応する。
【００３２】
上述の実施形態のすべてにおいて、１次レンズ及び補正レンズは、筐体によって機械的に保持されることなどの機械的手段によって近接して保持する又は物理的に接触して保持することができ、あるいは、ともに接着することができる。プリズムが機械的に保持される場合、１次プリズムの第３面と補正プリズムの第１面との間に空隙が形成され得る。そうした空隙によって発生しうるひずみを最小にするため、１次プリズムの第３面と補正プリズムの第１面とに、反射防止コートを行う必要がある。１次レンズと補正レンズとをともに接着する実施形態においては、空隙は存在せず、接合面におけるＡＲコートは必要とされない。
【００３３】
図４は、透過性能のない、バーチャルリアリティ用の実施形態を示す。特に、図４の実施形態における筐体８００は、周囲物からの光を受け取るアパーチャを有しない。筐体８００に設けられる唯一の開口部は、マイクロディスプレイ１００から瞳５００にイメージを投影するためのものである。透過性能を提供しないので、補正レンズは必要ない。つまり、１次プリズム２００のみが筐体８００内部に配置され、他の開示の実施形態のもののように、その第１面をマイクロディスプレイに向ける。また、１次プリズムでは透過性能を可能にする必要がないということから、第３面をフルミラーコート２０８でコーティングすることも有用である。反射防止コートは、図１の実施形態のもののように、第１面及び／又は第２面に設けることができる。
【００３４】
このように、図４の実施形態において、頭部装着ディスプレイは、イメージを投影するための単一開口部を有する筐体と、筐体内部に搭載されるマイクロディスプレイと、筐体内部に搭載されるとともに、マイクロディスプレイに向く第１面、単一開口部に向く第２面、及びミラーコートを有する第３面の３つの面を有するプリズムとを含んで提供され、第１面、第２面、及び第３面とはそれぞれ、第１高次拡張多項式、第２高次拡張多項式、及び第３高次拡張多項式によって定義される面形態を有し、高次拡張多項式のそれぞれは、光軸を中心とするとともに光軸に対して傾斜を有しない基準面を有し、光軸は単一開口部を通過する。
【００３５】
本明細書に記載の処理や技術は本質的に任意の特定の装置に関するものではなく、任意の適切な構成要素の組合せによって実施することができる、ということが理解される必要がある。さらに、本明細書の記載に従って、種々のタイプの汎用デバイスを使用することができる。また、本明細書に記載の方法ステップを行うために特殊化した装置を構築することは有利になり得る。
【００３６】
本発明は、特定の実施形態に関して記載されているが、これらはあらゆる点で限定ではなく例示を目的としている。当業者は、本発明の実施にハードウエア、ソフトウエア、及びファームウエアの多様な組合せが適することになるということを理解するであろう。さらに、本発明の他の態様は、本明細書を考慮して本明細書に開示の本発明を実施することから、当業者には明らかになる。明細書及び実施例は例示のみとして考慮され、本発明の真の範囲及び趣旨は以下の特許請求の範囲によって示されるということが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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