JP2002116409A - 表示装置用光学系ヘッドマウント仮想画像表示ユニットおよび携帯用コンピュータ・システム - Google Patents
表示装置用光学系ヘッドマウント仮想画像表示ユニットおよび携帯用コンピュータ・システムInfo
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- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/30—Polarising elements
Abstract
(57)【要約】
【課題】 コンパクトで、鮮明なシースルー機能を備え
た光学系を組み込んだヘッドマウント仮想画像表示ユニ
ットを提供する。 【解決手段】 光学系は、超小型表示装置とビーム・ス
プリット・プリズムと、視野レンズと、発散レンズと、
反射レンズと、四分の一波長板とを含む。超小型表示装
置に従って直線偏光された画像信号が、（ａ）視野レン
ズと発散レンズとを通過し、（ｂ）ビーム・スプリット
・プリズムに入射してその偏光面を通過し、（ｃ）四分
の一波長板を通過して円偏光され、（ｄ）反射レンズの
面で反射して四分の一波長板を再び通過して、画像信号
に関連づけられた元の直線偏光方向を基準にして９０度
回転した偏光方向で直線偏光され、（ｅ）ビーム・スプ
リット・プリズムに再入射してその偏光面で反射してユ
ーザが見るようにビーム・スプリット・プリズムから射
出する。
た光学系を組み込んだヘッドマウント仮想画像表示ユニ
ットを提供する。 【解決手段】 光学系は、超小型表示装置とビーム・ス
プリット・プリズムと、視野レンズと、発散レンズと、
反射レンズと、四分の一波長板とを含む。超小型表示装
置に従って直線偏光された画像信号が、（ａ）視野レン
ズと発散レンズとを通過し、（ｂ）ビーム・スプリット
・プリズムに入射してその偏光面を通過し、（ｃ）四分
の一波長板を通過して円偏光され、（ｄ）反射レンズの
面で反射して四分の一波長板を再び通過して、画像信号
に関連づけられた元の直線偏光方向を基準にして９０度
回転した偏光方向で直線偏光され、（ｅ）ビーム・スプ
リット・プリズムに再入射してその偏光面で反射してユ
ーザが見るようにビーム・スプリット・プリズムから射
出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般にはコンパク
トな光学系に関し、より詳細には、たとえばウエアラブ
ル・パーソナル・コンピュータ・システム、ヘッドマウ
ント表示装置、携帯電話などの個人用装置表示装置で使
用するコンパクトな光学系に関する。
トな光学系に関し、より詳細には、たとえばウエアラブ
ル・パーソナル・コンピュータ・システム、ヘッドマウ
ント表示装置、携帯電話などの個人用装置表示装置で使
用するコンパクトな光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】仮想画像表示装置は、拡大光学装置を小
型の画像パネルと組み合わせて、見る人に大量の情報を
表示することができる仮想画像を表示する。このような
表示装置は、いわゆるヘッドマウント表示装置に応用さ
れ、様々な用途のコンピュータ・ベースの装置と共に使
用されている。周知のように、コンピュータ・ベースの
装置には、光学系と画像パネルを介して表示される画像
信号を発生する処理／表示ドライバ回路が含まれてい
る。
型の画像パネルと組み合わせて、見る人に大量の情報を
表示することができる仮想画像を表示する。このような
表示装置は、いわゆるヘッドマウント表示装置に応用さ
れ、様々な用途のコンピュータ・ベースの装置と共に使
用されている。周知のように、コンピュータ・ベースの
装置には、光学系と画像パネルを介して表示される画像
信号を発生する処理／表示ドライバ回路が含まれてい
る。
【０００３】しかし、このような従来の仮想画像表示装
置には、多くの欠点があることが知られている。たとえ
ば、このような表示装置は、重過ぎて快適には使用でき
ず、大き過ぎて邪魔になり、集中できず、見当識を失わ
せることさえある。これらの欠点は、主として、マウン
ティング構造体に比較的大型の光学系が内蔵されている
ことと、大きさ、形状、重量などの重要なヒューマン・
ファクタが十分に考慮されていない物理設計による。
置には、多くの欠点があることが知られている。たとえ
ば、このような表示装置は、重過ぎて快適には使用でき
ず、大き過ぎて邪魔になり、集中できず、見当識を失わ
せることさえある。これらの欠点は、主として、マウン
ティング構造体に比較的大型の光学系が内蔵されている
ことと、大きさ、形状、重量などの重要なヒューマン・
ファクタが十分に考慮されていない物理設計による。
【０００４】従来のヘッドマウント仮想表示ユニットの
例を、図１および図２に示す。図１には、眼鏡のように
ユーザの頭部と顔に掛けるヘッドマウント仮想表示ユニ
ット１０が示されている。ユーザは、表示部分１２を介
して仮想画像を見る。ノーズ・ブリッジ１４と側面支持
部１６が、ユーザの頭部と顔に装着したときに表示装置
を支持する機能を果たす。このユニット１０は、コネク
タ１８を介してコンピュータに接続することができる。
このようなユニットは、かさばって扱いにくく、装着者
は表示画面以外には実質的に何も見ることができないこ
とが知られている。すなわち、ユーザは眼前の周囲状況
を見ることができない。このようなヘッドマウント仮想
表示装置は、国際特許出願第ＷＯ９５／１１４７３号で
開示されている。
例を、図１および図２に示す。図１には、眼鏡のように
ユーザの頭部と顔に掛けるヘッドマウント仮想表示ユニ
ット１０が示されている。ユーザは、表示部分１２を介
して仮想画像を見る。ノーズ・ブリッジ１４と側面支持
部１６が、ユーザの頭部と顔に装着したときに表示装置
を支持する機能を果たす。このユニット１０は、コネク
タ１８を介してコンピュータに接続することができる。
このようなユニットは、かさばって扱いにくく、装着者
は表示画面以外には実質的に何も見ることができないこ
とが知られている。すなわち、ユーザは眼前の周囲状況
を見ることができない。このようなヘッドマウント仮想
表示装置は、国際特許出願第ＷＯ９５／１１４７３号で
開示されている。
【０００５】図２に、ヘッドマウント単眼仮想表示ユニ
ット２０を示す。指示構造体１２がユーザの頭の上に配
置され、表示部１４がユーザの視界に下りる。この設計
も、かさばって扱いにくく、ユーザの周囲の視界を妨げ
ることが知られている。このようなヘッドマウント単眼
仮想表示装置も、国際特許出願第ＷＯ９５／１１４７３
号で開示されている。
ット２０を示す。指示構造体１２がユーザの頭の上に配
置され、表示部１４がユーザの視界に下りる。この設計
も、かさばって扱いにくく、ユーザの周囲の視界を妨げ
ることが知られている。このようなヘッドマウント単眼
仮想表示装置も、国際特許出願第ＷＯ９５／１１４７３
号で開示されている。
【０００６】従来のコンパクト表示システムおよびヘッ
ドマウント表示装置の他の例が、米国特許第５７７１１
２４号、第５７５７３３９号、および第５８４４６５６
号で開示されている。さらに、ソニー・コーポレーショ
ンも、「グラストロン」と呼ばれるヘッドマウント仮想
表示装置を製作していることが知られている。
ドマウント表示装置の他の例が、米国特許第５７７１１
２４号、第５７５７３３９号、および第５８４４６５６
号で開示されている。さらに、ソニー・コーポレーショ
ンも、「グラストロン」と呼ばれるヘッドマウント仮想
表示装置を製作していることが知られている。
【０００７】しかし、これらの例はすべて、上記のよう
な１つまたは複数の設計上の欠点がある。その結果、こ
のような欠点がこの種の装置の普及の大きな妨げになっ
ている。
な１つまたは複数の設計上の欠点がある。その結果、こ
のような欠点がこの種の装置の普及の大きな妨げになっ
ている。
【０００８】従来技術に改良を加えたコンパクトな光学
系が、米国特許出願第０９／４３７９７２号および第０
９／４３７７９３号に記載されている。
系が、米国特許出願第０９／４３７９７２号および第０
９／４３７７９３号に記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】それにもかかわらず、
上記の欠点および上記で明記しなかった従来技術のその
他の欠点を大幅に軽減または完全に解消し、または上記
の米国特許出願第０９／４３７９７２号および第０９／
４３７７９３号に記載のコンパクト光学系設計に改良を
加え、あるいはその両方を実現する、表示装置、たとえ
ば、ウエアラブル・パーソナル・コンピュータ、ヘッド
マウント表示装置、携帯電話などの個人用装置で使用す
るコンパクトな光学系が必要である。
上記の欠点および上記で明記しなかった従来技術のその
他の欠点を大幅に軽減または完全に解消し、または上記
の米国特許出願第０９／４３７９７２号および第０９／
４３７７９３号に記載のコンパクト光学系設計に改良を
加え、あるいはその両方を実現する、表示装置、たとえ
ば、ウエアラブル・パーソナル・コンピュータ、ヘッド
マウント表示装置、携帯電話などの個人用装置で使用す
るコンパクトな光学系が必要である。
【００１０】本発明の１つの目的は、たとえば法外な大
きさと重量、視界の遮りなど、従来の設計の欠点を解消
する、たとえばヘッドマウント仮想画像表示装置などの
表示装置で使用する光学系設計を提供することである。
このような新規な設計により、たとえば、より使い勝手
がよく、広範囲なユーザに受け入れられるウエアラブル
・コンピュータ・システムが可能になる。
きさと重量、視界の遮りなど、従来の設計の欠点を解消
する、たとえばヘッドマウント仮想画像表示装置などの
表示装置で使用する光学系設計を提供することである。
このような新規な設計により、たとえば、より使い勝手
がよく、広範囲なユーザに受け入れられるウエアラブル
・コンピュータ・システムが可能になる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】超小型表示装置に従って
発生された画像信号をユーザが見るように方向付ける本
発明のコンパクト光学系の一実施形態によると、この光
学系は、前記超小型表示装置の近傍に配置されたビーム
・スプリット・プリズムと、前記ビーム・スプリット・
プリズムと前記超小型表示装置との間に配置された視野
レンズと、前記視野レンズと前記ビーム・スプリット・
プリズムとの間に配置された発散レンズと、前記ビーム
・スプリット・プリズムの近傍の、前記ビーム・スプリ
ット・プリズムの前記超小型表示装置と反対側に配置さ
れた反射レンズと、前記反射レンズと前記ビーム・スプ
リット・プリズムとの間に配置された四分の一波長板と
を含み、前記超小型表示装置に従って直線偏光された前
記画像信号が、（ａ）前記視野レンズと前記発散レンズ
とを通過し、（ｂ）前記ビーム・スプリット・プリズム
に入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面
をほぼ通過し、（ｃ）前記四分の一波長板を通過して円
偏光され、（ｄ）前記反射レンズの面で前記四分の一波
長板に向かって反射して前記四分の一波長板を再び通過
して、前記画像信号に関連づけられた元の直線偏光方向
を基準にして９０度回転した偏光方向で直線偏光され、
（ｅ）前記ビーム・スプリット・プリズムに再入射して
前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面でほぼ反射
して前記ユーザが見るように前記ビーム・スプリット・
プリズムから射出するように、前記ビーム・スプリット
・プリズムと前記視野レンズと前記発散レンズと前記反
射レンズと前記四分の一波長板とが配置されている。
発生された画像信号をユーザが見るように方向付ける本
発明のコンパクト光学系の一実施形態によると、この光
学系は、前記超小型表示装置の近傍に配置されたビーム
・スプリット・プリズムと、前記ビーム・スプリット・
プリズムと前記超小型表示装置との間に配置された視野
レンズと、前記視野レンズと前記ビーム・スプリット・
プリズムとの間に配置された発散レンズと、前記ビーム
・スプリット・プリズムの近傍の、前記ビーム・スプリ
ット・プリズムの前記超小型表示装置と反対側に配置さ
れた反射レンズと、前記反射レンズと前記ビーム・スプ
リット・プリズムとの間に配置された四分の一波長板と
を含み、前記超小型表示装置に従って直線偏光された前
記画像信号が、（ａ）前記視野レンズと前記発散レンズ
とを通過し、（ｂ）前記ビーム・スプリット・プリズム
に入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面
をほぼ通過し、（ｃ）前記四分の一波長板を通過して円
偏光され、（ｄ）前記反射レンズの面で前記四分の一波
長板に向かって反射して前記四分の一波長板を再び通過
して、前記画像信号に関連づけられた元の直線偏光方向
を基準にして９０度回転した偏光方向で直線偏光され、
（ｅ）前記ビーム・スプリット・プリズムに再入射して
前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面でほぼ反射
して前記ユーザが見るように前記ビーム・スプリット・
プリズムから射出するように、前記ビーム・スプリット
・プリズムと前記視野レンズと前記発散レンズと前記反
射レンズと前記四分の一波長板とが配置されている。
【００１２】本発明によるヘッドマウント仮想画像表示
ユニットの一実施形態によると、表示ユニットは大きさ
と重量がコンパクトであり、上記の光学系など、鮮明な
シースルー機能を備えた高性能光学系が組み込まれてい
る。シースルー機能が望ましくない場合のために、スラ
イド式遮光機構を組み込むことができる。焦点調整機能
を組み込んで、画像がたとえば約１８インチ（４６ｃ
ｍ）から無限大までの距離で焦点を結ぶことができるよ
うにすることが可能である。ユーザの頭に合うように適
応化する調整可能ヘッドバンドを組み込むこともでき
る。可撓性ブーム構造を組み込んで、光学アセンブリの
位置の微調整を容易にすることができる。スライダ／ボ
ール・ジョイント機構も組み込んで、光学アセンブリの
位置調整を容易にすることができる。ユーザによる音声
入力を可能にするために、内蔵マイクロフォンを組み込
むことができる。
ユニットの一実施形態によると、表示ユニットは大きさ
と重量がコンパクトであり、上記の光学系など、鮮明な
シースルー機能を備えた高性能光学系が組み込まれてい
る。シースルー機能が望ましくない場合のために、スラ
イド式遮光機構を組み込むことができる。焦点調整機能
を組み込んで、画像がたとえば約１８インチ（４６ｃ
ｍ）から無限大までの距離で焦点を結ぶことができるよ
うにすることが可能である。ユーザの頭に合うように適
応化する調整可能ヘッドバンドを組み込むこともでき
る。可撓性ブーム構造を組み込んで、光学アセンブリの
位置の微調整を容易にすることができる。スライダ／ボ
ール・ジョイント機構も組み込んで、光学アセンブリの
位置調整を容易にすることができる。ユーザによる音声
入力を可能にするために、内蔵マイクロフォンを組み込
むことができる。
【００１３】ヘッドマウント仮想画像表示ユニットは、
眼鏡や保護眼鏡と共に快適に使用することができ、周囲
環境の視界を遮ることなくユーザに有用な画像を提示で
きることを理解されたい。このユニットは、ユーザが格
段に受け入れやすくなるように、好ましい外観を備えた
設計となっている。
眼鏡や保護眼鏡と共に快適に使用することができ、周囲
環境の視界を遮ることなくユーザに有用な画像を提示で
きることを理解されたい。このユニットは、ユーザが格
段に受け入れやすくなるように、好ましい外観を備えた
設計となっている。
【００１４】また、ヘッドマウント仮想画像表示ユニッ
トをコンピュータ・ベースの装置と組み合わせることが
できることを理解されたい。コンピュータ・ベース装置
は、ユーザが見る画像信号を発生する際に使用する電気
信号を発生し、表示ユニットに付随する超小型表示装置
に供給することができる。この組み合わせにより、携帯
用コンピュータ・システムを構成することができるので
有利である。
トをコンピュータ・ベースの装置と組み合わせることが
できることを理解されたい。コンピュータ・ベース装置
は、ユーザが見る画像信号を発生する際に使用する電気
信号を発生し、表示ユニットに付随する超小型表示装置
に供給することができる。この組み合わせにより、携帯
用コンピュータ・システムを構成することができるので
有利である。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下に、ヘッドマウント仮想画像
表示ユニットおよびウエアラブル・コンピュータの環境
における本発明の光学系の設計について説明する。しか
し、本発明はこの特定の表示用途または他のいかなる表
示用途にも限定されないことを理解されたい。本発明
は、より一般的に、画像表示のためにコンパクトな光学
系を使用することが望ましいいかなる適合する表示用途
にも適用可能であり、当該用途で使用される装置に組み
込むことが可能である。このような装置としては、たと
えばウエアラブル・パーソナル・コンピュータ、ヘッド
マウント表示装置、携帯電話などの個人用装置がある。
表示ユニットおよびウエアラブル・コンピュータの環境
における本発明の光学系の設計について説明する。しか
し、本発明はこの特定の表示用途または他のいかなる表
示用途にも限定されないことを理解されたい。本発明
は、より一般的に、画像表示のためにコンパクトな光学
系を使用することが望ましいいかなる適合する表示用途
にも適用可能であり、当該用途で使用される装置に組み
込むことが可能である。このような装置としては、たと
えばウエアラブル・パーソナル・コンピュータ、ヘッド
マウント表示装置、携帯電話などの個人用装置がある。
【００１６】まず図３および図４を参照すると、本発明
の一実施形態によるヘッドマウント仮想表示ユニット１
０およびコンピュータ・ベース装置２０が図示されてい
る。コンピュータ・ベース装置２０とヘッドマウント仮
想表示ユニット１０とを電気的に結合するケーブル３０
を備える。図３および図４は、同じヘッドマウント仮想
画像表示ユニット１０を相反する方向から見た図であ
る。コンピュータ・ベース装置２０は、たとえばポケッ
ト・サイズなどの小型のフォーム・ファクタを有し、軽
量であることが好ましいことを理解されたい。また、コ
ンピュータ・ベース装置２０は、ユーザのベルトまたは
ポケットに装着するためのクリップも有することが好ま
しい。このようなコンピュータ・ベース装置を、「ウエ
アラブル・コンピュータ」と呼ぶ。ウエアラブル・コン
ピュータは、パーソナル・コンピュータ、ラップトップ
・コンピュータ、携帯型情報端末などで使用可能な、た
とえばプロセッサ（たとえばＣＰＵ）、固定メモリ、取
外し可能メモリ、ディスプレイ・ドライバ回路、外部ネ
ットワーク（たとえばインターネット）接続装置、アプ
リケーション・ソフトウェアなどの、一般的な構成要素
の全部またはほとんどを備えることができる。
の一実施形態によるヘッドマウント仮想表示ユニット１
０およびコンピュータ・ベース装置２０が図示されてい
る。コンピュータ・ベース装置２０とヘッドマウント仮
想表示ユニット１０とを電気的に結合するケーブル３０
を備える。図３および図４は、同じヘッドマウント仮想
画像表示ユニット１０を相反する方向から見た図であ
る。コンピュータ・ベース装置２０は、たとえばポケッ
ト・サイズなどの小型のフォーム・ファクタを有し、軽
量であることが好ましいことを理解されたい。また、コ
ンピュータ・ベース装置２０は、ユーザのベルトまたは
ポケットに装着するためのクリップも有することが好ま
しい。このようなコンピュータ・ベース装置を、「ウエ
アラブル・コンピュータ」と呼ぶ。ウエアラブル・コン
ピュータは、パーソナル・コンピュータ、ラップトップ
・コンピュータ、携帯型情報端末などで使用可能な、た
とえばプロセッサ（たとえばＣＰＵ）、固定メモリ、取
外し可能メモリ、ディスプレイ・ドライバ回路、外部ネ
ットワーク（たとえばインターネット）接続装置、アプ
リケーション・ソフトウェアなどの、一般的な構成要素
の全部またはほとんどを備えることができる。
【００１７】ヘッドマウント仮想表示ユニット１０は、
光学モジュール１００と、可撓性ブーム２００と、調整
ポッド３００と、イヤフォン４００と、ヘッドバンド５
００とを含む。本発明の好ましい実施形態によると、光
学モジュール１００は、光学系と焦点機構とスライド式
遮光機構と内蔵マイクロフォンを含む。可撓性ブーム２
００は、ユーザの眼前にある光学モジュール１００の位
置の微調節を可能にする。たとえば、金属またはプラス
チック製の螺旋巻き曲管を、可撓性ブームとして使用す
ることができる。このような管は公知であり、市販され
ている。調整ポッド３００は、ブームの位置および角度
を制御する組合せのスライディングおよびボールのジョ
イント機構を含むことが好ましい。以下に、本実施形態
について図３に関して詳述する。当然ながら、光学モジ
ュールの位置調節を行うために他の機構を採用してもよ
い。イヤフォン４００は、接続ワイヤを使用してポッド
３００に取り付けられている様子が図示されている。別
法として、イヤフォン４００はその出力部をユーザの耳
に向けてポッド３００に取り付けることもでき、ポッド
３００からのスィング・ダウン・レバー上に取り付ける
こともできる。ヘッドバンド５００は、調整タブ５０２
およびヘッド・グリップ５０４が付いている様子が図示
されている。ヘッドバンドは通常、後頭部に装着される
が、他の配置構成も可能である。たとえば、バンドを頭
頂部に掛けることもでき、あるいは、ポッド３００をヘ
ルメット（図示せず）に取り付けることもできる。
光学モジュール１００と、可撓性ブーム２００と、調整
ポッド３００と、イヤフォン４００と、ヘッドバンド５
００とを含む。本発明の好ましい実施形態によると、光
学モジュール１００は、光学系と焦点機構とスライド式
遮光機構と内蔵マイクロフォンを含む。可撓性ブーム２
００は、ユーザの眼前にある光学モジュール１００の位
置の微調節を可能にする。たとえば、金属またはプラス
チック製の螺旋巻き曲管を、可撓性ブームとして使用す
ることができる。このような管は公知であり、市販され
ている。調整ポッド３００は、ブームの位置および角度
を制御する組合せのスライディングおよびボールのジョ
イント機構を含むことが好ましい。以下に、本実施形態
について図３に関して詳述する。当然ながら、光学モジ
ュールの位置調節を行うために他の機構を採用してもよ
い。イヤフォン４００は、接続ワイヤを使用してポッド
３００に取り付けられている様子が図示されている。別
法として、イヤフォン４００はその出力部をユーザの耳
に向けてポッド３００に取り付けることもでき、ポッド
３００からのスィング・ダウン・レバー上に取り付ける
こともできる。ヘッドバンド５００は、調整タブ５０２
およびヘッド・グリップ５０４が付いている様子が図示
されている。ヘッドバンドは通常、後頭部に装着される
が、他の配置構成も可能である。たとえば、バンドを頭
頂部に掛けることもでき、あるいは、ポッド３００をヘ
ルメット（図示せず）に取り付けることもできる。
【００１８】可撓性ブーム２００と調整ポッド３００に
よって、ユーザは使用中に光学モジュール１００を右目
の視界内や視界外に移動することができることを理解さ
れたい。当然ながら、ユニット１０は、光学モジュール
１００を装着者の左目で見るように構成することも可能
である。その場合、ユニット１０は左目で使用するよう
に逆転させることができる。また、ユニット１０は２つ
の別々の表示部、すなわち、右目用に１つと左目用に１
つの表示部を含むように構成することもできる。当業者
ならその他の構成も見出すであろう。
よって、ユーザは使用中に光学モジュール１００を右目
の視界内や視界外に移動することができることを理解さ
れたい。当然ながら、ユニット１０は、光学モジュール
１００を装着者の左目で見るように構成することも可能
である。その場合、ユニット１０は左目で使用するよう
に逆転させることができる。また、ユニット１０は２つ
の別々の表示部、すなわち、右目用に１つと左目用に１
つの表示部を含むように構成することもできる。当業者
ならその他の構成も見出すであろう。
【００１９】このように、表示ユニット１０とコンピュ
ータ・ベース装置２０との組み合わせによって、ユーザ
は、たとえばアプリケーション・ソフトウェア、ウェブ
・ブラウザなどから、装置２０に応じて生成された仮想
データを見ることができる。仮想情報は、ケーブル３０
を介して表示装置に送られる。ユーザは、装置２０に応
じて生成された音声データをイヤフォン４００によって
聴くことができる。光学モジュール１００内の（図１１
に示す）マイクロフォンによって、ユーザはコンピュー
タに音声コマンドを入力することができる。
ータ・ベース装置２０との組み合わせによって、ユーザ
は、たとえばアプリケーション・ソフトウェア、ウェブ
・ブラウザなどから、装置２０に応じて生成された仮想
データを見ることができる。仮想情報は、ケーブル３０
を介して表示装置に送られる。ユーザは、装置２０に応
じて生成された音声データをイヤフォン４００によって
聴くことができる。光学モジュール１００内の（図１１
に示す）マイクロフォンによって、ユーザはコンピュー
タに音声コマンドを入力することができる。
【００２０】したがって、図３および図４には、ポケッ
ト・サイズのウエアラブル・コンピュータと共に使用す
るコンパクトな光学系を備えた軽量ヘッドマウント表示
ユニットを含む軽量のウエアラブル・コンピュータ・シ
ステムが図示されている。光学系は、図示されているよ
うな軽量のブームまたはバンド構造を使用してユーザの
頭部に装着されるため、総重量約６０グラム以下のヘッ
ドマウント表示装置を実現することができる。
ト・サイズのウエアラブル・コンピュータと共に使用す
るコンパクトな光学系を備えた軽量ヘッドマウント表示
ユニットを含む軽量のウエアラブル・コンピュータ・シ
ステムが図示されている。光学系は、図示されているよ
うな軽量のブームまたはバンド構造を使用してユーザの
頭部に装着されるため、総重量約６０グラム以下のヘッ
ドマウント表示装置を実現することができる。
【００２１】図５に、ユーザが装着する本発明によるヘ
ッドマウント仮想表示ユニット１０を図示する。図のよ
うに、光学モジュール１００は、ユーザの右目または左
目の視界に移動させることができるので有利である。光
学モジュール１００は、目障りにならないように小型で
あり、光学系を介して外界を歪みなしに見ることができ
る。表示装置をオンにすると、表示装置を周囲を背景に
して明瞭に見ることができる十分な照明が得られる。
ッドマウント仮想表示ユニット１０を図示する。図のよ
うに、光学モジュール１００は、ユーザの右目または左
目の視界に移動させることができるので有利である。光
学モジュール１００は、目障りにならないように小型で
あり、光学系を介して外界を歪みなしに見ることができ
る。表示装置をオンにすると、表示装置を周囲を背景に
して明瞭に見ることができる十分な照明が得られる。
【００２２】次に、光学モジュール１００において使用
する本発明による好ましい光学系について説明する。し
かし、本発明の光学系の設計は、図３および図４に示す
ウエアラブル・コンピュータ・システム以外の装置に従
って使用することもできることを理解されたい。コンパ
クトなフォーム・ファクタと高品質の光学画像の表示能
力を備えるため、本発明の光学系はきわめて多くの用途
に適合する。当業者なら、本発明の光学系と共に使用す
ることができる様々な実施態様および応用分野がわかる
であろう。
する本発明による好ましい光学系について説明する。し
かし、本発明の光学系の設計は、図３および図４に示す
ウエアラブル・コンピュータ・システム以外の装置に従
って使用することもできることを理解されたい。コンパ
クトなフォーム・ファクタと高品質の光学画像の表示能
力を備えるため、本発明の光学系はきわめて多くの用途
に適合する。当業者なら、本発明の光学系と共に使用す
ることができる様々な実施態様および応用分野がわかる
であろう。
【００２３】さらに、以下の実施態様に関して詳述する
ように、本発明の光学系は、「自由形態」の光学構成要
素ではなく「軸上」の光学構成要素である折り返し光路
を有する光学構成要素を備える。このようにしたため、
光学系は、本明細書に記載の利点および特徴を備えると
共に、当業者なら本明細書に記載の本発明の教示があれ
ばわかるその他の利点および特徴を備えることができ
る。本明細書では、「軸上」および「自由形態」という
用語は以下のような意味を持つことを理解されたい。典
型的な球面レンズを、レンズに対して垂直にレンズの中
心を通って通過する光線によって、光軸が規定される。
光線束は、この軸を中心にしてレンズ群を通過し、レン
ズによってうまく結像させることができる。光学系の例
としては、カメラ、顕微鏡、双眼鏡などがある。より複
雑な光学系では、光線束はレンズを基準にして傾斜した
線を中心に集束することもできる。これが「軸外」結像
となる。典型的な球面レンズは光軸を中心にして対称で
あることに留意されたい。他の光学系は、半径方向に対
称ではなく、上記で定義したような明瞭な光軸を持たな
いが、それにもかかわらず結像機能を果たすことができ
る。本明細書では、これらを「自由形態」光学構成要素
と呼ぶ。
ように、本発明の光学系は、「自由形態」の光学構成要
素ではなく「軸上」の光学構成要素である折り返し光路
を有する光学構成要素を備える。このようにしたため、
光学系は、本明細書に記載の利点および特徴を備えると
共に、当業者なら本明細書に記載の本発明の教示があれ
ばわかるその他の利点および特徴を備えることができ
る。本明細書では、「軸上」および「自由形態」という
用語は以下のような意味を持つことを理解されたい。典
型的な球面レンズを、レンズに対して垂直にレンズの中
心を通って通過する光線によって、光軸が規定される。
光線束は、この軸を中心にしてレンズ群を通過し、レン
ズによってうまく結像させることができる。光学系の例
としては、カメラ、顕微鏡、双眼鏡などがある。より複
雑な光学系では、光線束はレンズを基準にして傾斜した
線を中心に集束することもできる。これが「軸外」結像
となる。典型的な球面レンズは光軸を中心にして対称で
あることに留意されたい。他の光学系は、半径方向に対
称ではなく、上記で定義したような明瞭な光軸を持たな
いが、それにもかかわらず結像機能を果たすことができ
る。本明細書では、これらを「自由形態」光学構成要素
と呼ぶ。
【００２４】次に図６を参照すると、本発明の一実施形
態による仮想表示光学系が図示されている。前述のよう
に、この光学系は光学モジュール１００で使用される光
学系であることが好ましい。典型的には赤色、緑色、お
よび青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の集合である光源１
０００からの光によって、超小型表示装置１１００が照
明される。本実施形態では、超小型表示装置は、透過型
の超小型表示装置である。本発明により使用可能な透過
型超小型表示装置は、たとえば米国マサチューセッツ州
ターントンのKopin社から販売されている。透過型超小
型表示装置は、光源が超小型標示装置の内部にある発光
型超小型表示装置に置き換えることができることを理解
されたい。本明細書により使用可能な発光型超小型表示
装置は、たとえば米国オレゴン州ビーバートンのPlaner
社から販売されている。また、超小型表示装置は、反射
型超小型表示装置とすることもできる。本発明により使
用可能な反射型超小型表示装置は、たとえば米国コロラ
ド州ボールダーのColoradoMicrodisplay社から販売され
ている。
態による仮想表示光学系が図示されている。前述のよう
に、この光学系は光学モジュール１００で使用される光
学系であることが好ましい。典型的には赤色、緑色、お
よび青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の集合である光源１
０００からの光によって、超小型表示装置１１００が照
明される。本実施形態では、超小型表示装置は、透過型
の超小型表示装置である。本発明により使用可能な透過
型超小型表示装置は、たとえば米国マサチューセッツ州
ターントンのKopin社から販売されている。透過型超小
型表示装置は、光源が超小型標示装置の内部にある発光
型超小型表示装置に置き換えることができることを理解
されたい。本明細書により使用可能な発光型超小型表示
装置は、たとえば米国オレゴン州ビーバートンのPlaner
社から販売されている。また、超小型表示装置は、反射
型超小型表示装置とすることもできる。本発明により使
用可能な反射型超小型表示装置は、たとえば米国コロラ
ド州ボールダーのColoradoMicrodisplay社から販売され
ている。
【００２５】いずれの場合も、周知のように、超小型表
示装置は、表示装置に加えられた電気信号に応答して画
像を生成する。電気信号は、たとえば、コンピュータ・
ベース装置２０（図３および図４）から超小型表示装置
に供給することができる。この画像を、視野レンズ１２
００、発散レンズ１３００、ビーム・スプリット・プリ
ズム１４００、四分の一波長板１６００、反射レンズ１
５００を使用して見る。周知のように、１つまたは複数
の凸面形の外面を持つ収斂レンズに対して、発散レンズ
は凹面形の１つまたは複数の外面を持つ。表示装置から
の光は直線偏光され、レンズ１２００および１３００を
通過してプリズム１４００に入射する。光は、光がおお
むねプリズム１４００の偏光面１４１０を透過するよう
に偏光される。次に、光は四分の一波長板１６００を通
過し、円偏光される。反射レンズ１５００は、その曲面
が（たとえば金属または誘電体反射材料で）反射コーテ
ィングされ、光を四分の一波長板１６００に向けて反射
する。光はもう一度四分の一波長板１６００を通過する
と、再び直線偏光されるが、その偏光方向は今度は９０
度回転されている。光はプリズム１４００に再入射し、
今度は偏光面１４１０によっておおむね反射される。光
はプリズム１４００から出て、光学系の射出瞳１７００
に進入する。光学系の射出瞳１７００は、超小型表示装
置１１００の仮想画像を見るために、ユーザの目が通常
位置する位置である。
示装置は、表示装置に加えられた電気信号に応答して画
像を生成する。電気信号は、たとえば、コンピュータ・
ベース装置２０（図３および図４）から超小型表示装置
に供給することができる。この画像を、視野レンズ１２
００、発散レンズ１３００、ビーム・スプリット・プリ
ズム１４００、四分の一波長板１６００、反射レンズ１
５００を使用して見る。周知のように、１つまたは複数
の凸面形の外面を持つ収斂レンズに対して、発散レンズ
は凹面形の１つまたは複数の外面を持つ。表示装置から
の光は直線偏光され、レンズ１２００および１３００を
通過してプリズム１４００に入射する。光は、光がおお
むねプリズム１４００の偏光面１４１０を透過するよう
に偏光される。次に、光は四分の一波長板１６００を通
過し、円偏光される。反射レンズ１５００は、その曲面
が（たとえば金属または誘電体反射材料で）反射コーテ
ィングされ、光を四分の一波長板１６００に向けて反射
する。光はもう一度四分の一波長板１６００を通過する
と、再び直線偏光されるが、その偏光方向は今度は９０
度回転されている。光はプリズム１４００に再入射し、
今度は偏光面１４１０によっておおむね反射される。光
はプリズム１４００から出て、光学系の射出瞳１７００
に進入する。光学系の射出瞳１７００は、超小型表示装
置１１００の仮想画像を見るために、ユーザの目が通常
位置する位置である。
【００２６】この設計の特徴は、光学系を通して外界を
見る際に目に歪んだ光景が見えないことである。これ
は、プリズム１４００の入射面１４２０と射出面１４３
０がこの目的のためにほぼ同じ形状になるように設計さ
れている、本発明の設計上の特徴によって実現される。
見る際に目に歪んだ光景が見えないことである。これ
は、プリズム１４００の入射面１４２０と射出面１４３
０がこの目的のためにほぼ同じ形状になるように設計さ
れている、本発明の設計上の特徴によって実現される。
【００２７】また、この光学系の特徴は、超小型表示装
置１１００からの光が射出瞳１７００において仮想画像
を形成することと、画像が高品質で実質的に収差がない
ことである。すなわち、仮想画像は、本質的に非点収差
がなく、本質的に横歪みがなく、本質的に横色収差（la
teral color aberration）がない。
置１１００からの光が射出瞳１７００において仮想画像
を形成することと、画像が高品質で実質的に収差がない
ことである。すなわち、仮想画像は、本質的に非点収差
がなく、本質的に横歪みがなく、本質的に横色収差（la
teral color aberration）がない。
【００２８】この高性能は、視野レンズ１２００と発散
レンズ１３００とプリズム１４００と四分の一波長板１
６００と反射レンズ１５００とを図のような配置で組み
合わせたことと、これらの要素の材料の適切な選択とに
よって実現される。具体的には、発散レンズ１３００の
材料は、視野レンズ１２００と反射レンズ１５００と共
に横色収差を本質的になくすように選定する。これらの
レンズに付随する好ましい設計パラメータと、光学モジ
ュールのその他の要素は、図１０に関連して後述する。
レンズ１３００とプリズム１４００と四分の一波長板１
６００と反射レンズ１５００とを図のような配置で組み
合わせたことと、これらの要素の材料の適切な選択とに
よって実現される。具体的には、発散レンズ１３００の
材料は、視野レンズ１２００と反射レンズ１５００と共
に横色収差を本質的になくすように選定する。これらの
レンズに付随する好ましい設計パラメータと、光学モジ
ュールのその他の要素は、図１０に関連して後述する。
【００２９】図７ないし図９に、図６に示す光学構成要
素の光学系性能の３つの各グラフを示す。図７は、非点
収差と視野位置との関係を示すグラフである。イメージ
・フィールドは０．０１６ミリメートル（ｍｍ）以内で
平坦であることと、サジタル（sagital）方向とタンジ
ェンシャル（tangential）方向との間の収差が０．００
５ｍｍ未満であることがわかる。これは、画像が本質的
に完全に平坦であり、本質的に収差がないことを意味す
る。図８は、ひずみと視野位置との関係を示すグラフで
ある。このグラフから、この光学系は視野の両端間の歪
みが０．２パーセント未満であることがわかる。当業者
にとって、これは画像が本質的にひずみがないことを意
味する。図９は、横色と視野位置との関係を示すグラフ
である。最大視野位置において、赤色と緑色と青色との
間の位置の差が０．００３ｍｍ未満であることがわか
る。好ましい実施形態の超小型表示装置のピクセル・ピ
ッチは約０．０１２ｍｍである。したがって、この光学
系は本質的に横色ひずみがない。
素の光学系性能の３つの各グラフを示す。図７は、非点
収差と視野位置との関係を示すグラフである。イメージ
・フィールドは０．０１６ミリメートル（ｍｍ）以内で
平坦であることと、サジタル（sagital）方向とタンジ
ェンシャル（tangential）方向との間の収差が０．００
５ｍｍ未満であることがわかる。これは、画像が本質的
に完全に平坦であり、本質的に収差がないことを意味す
る。図８は、ひずみと視野位置との関係を示すグラフで
ある。このグラフから、この光学系は視野の両端間の歪
みが０．２パーセント未満であることがわかる。当業者
にとって、これは画像が本質的にひずみがないことを意
味する。図９は、横色と視野位置との関係を示すグラフ
である。最大視野位置において、赤色と緑色と青色との
間の位置の差が０．００３ｍｍ未満であることがわか
る。好ましい実施形態の超小型表示装置のピクセル・ピ
ッチは約０．０１２ｍｍである。したがって、この光学
系は本質的に横色ひずみがない。
【００３０】図１０に、本発明の好ましい実施形態によ
る光学系の設計パラメータの表を示す。この表には、光
学系における各光学要素の面番号（Ａ列）、面半径また
は曲率（Ｂ列）、面の中央厚さ（Ｃ列）、面のアパーチ
ャ半径（Ｄ列）、および材料（Ｅ列）が示されている。
この表で、ＳＲＦは「面」を指し、ＯＢＪは「物体位
置」、ＢＫ７およびＳＦ１は業界標準ガラスのタイプで
ある。また、要素間の間隔も示されている。表に（Ａ列
の面番号で）示す各面は、図６に示す光学系の構成要素
（たとえばビーム・スプリット・プリズム、視野レンズ
など）の面であることを理解されたい。図６の各構成要
素と各面との対応は、図１０の左側に、ブラケットと図
６の構成要素の対応する参照番号とで示されている。こ
の設計データによって、当業者なら光学系の前記性能を
実現し、検証することができるであろう。
る光学系の設計パラメータの表を示す。この表には、光
学系における各光学要素の面番号（Ａ列）、面半径また
は曲率（Ｂ列）、面の中央厚さ（Ｃ列）、面のアパーチ
ャ半径（Ｄ列）、および材料（Ｅ列）が示されている。
この表で、ＳＲＦは「面」を指し、ＯＢＪは「物体位
置」、ＢＫ７およびＳＦ１は業界標準ガラスのタイプで
ある。また、要素間の間隔も示されている。表に（Ａ列
の面番号で）示す各面は、図６に示す光学系の構成要素
（たとえばビーム・スプリット・プリズム、視野レンズ
など）の面であることを理解されたい。図６の各構成要
素と各面との対応は、図１０の左側に、ブラケットと図
６の構成要素の対応する参照番号とで示されている。こ
の設計データによって、当業者なら光学系の前記性能を
実現し、検証することができるであろう。
【００３１】図１１を参照すると、本発明の一実施形態
によるヘッドマウント仮想表示装置の内蔵焦点機構と、
内蔵マイクロフォンの配置が図示されている。前述のよ
うに、これらの構成要素は、図３および図４に示す光学
モジュール１００に内蔵されている。図１１は、光学モ
ジュール１００の外部ケーシング（筐体）を取り外して
焦点機構とマイクロフォンを図示していることを理解さ
れたい。内蔵焦点機構については、コンパクトなキャリ
ッジ機構によって、約１８インチ（４６ｃｍ）から無限
大までの距離に仮想画像を結ぶように、図６に示す視野
レンズ１２００、超小型表示装置１１００、およびＬＥ
Ｄバックライト１０００を移動させる。視野レンズ１２
００、超小型表示装置１１００、およびバックライト１
０００は、可動キャリッジ２２００に取り付けられてい
る。キャリッジ２２００は、ねじ２５００とノブ２６０
０を使用して光軸に沿って移動される。他の従来の移動
アクチュエータ機構も使用することができる。キャリッ
ジ２２００をビーム・スプリット・プリズム１４００を
基準にして±１ｍｍ移動させれば、所期の範囲にわたっ
て画像焦点を調整するのに十分である。（モジュール筐
体のエンドキャップの下にあり、したがって図１１では
見えない）発散レンズ１３００、ビーム・スプリット・
プリズム１４００、四分の一波長板１６００、および反
射レンズ１５００は、光学モジュールの筐体内部に固定
されたままであることを理解されたい。
によるヘッドマウント仮想表示装置の内蔵焦点機構と、
内蔵マイクロフォンの配置が図示されている。前述のよ
うに、これらの構成要素は、図３および図４に示す光学
モジュール１００に内蔵されている。図１１は、光学モ
ジュール１００の外部ケーシング（筐体）を取り外して
焦点機構とマイクロフォンを図示していることを理解さ
れたい。内蔵焦点機構については、コンパクトなキャリ
ッジ機構によって、約１８インチ（４６ｃｍ）から無限
大までの距離に仮想画像を結ぶように、図６に示す視野
レンズ１２００、超小型表示装置１１００、およびＬＥ
Ｄバックライト１０００を移動させる。視野レンズ１２
００、超小型表示装置１１００、およびバックライト１
０００は、可動キャリッジ２２００に取り付けられてい
る。キャリッジ２２００は、ねじ２５００とノブ２６０
０を使用して光軸に沿って移動される。他の従来の移動
アクチュエータ機構も使用することができる。キャリッ
ジ２２００をビーム・スプリット・プリズム１４００を
基準にして±１ｍｍ移動させれば、所期の範囲にわたっ
て画像焦点を調整するのに十分である。（モジュール筐
体のエンドキャップの下にあり、したがって図１１では
見えない）発散レンズ１３００、ビーム・スプリット・
プリズム１４００、四分の一波長板１６００、および反
射レンズ１５００は、光学モジュールの筐体内部に固定
されたままであることを理解されたい。
【００３２】また、図１１にはコンパクト・マイクロフ
ォン２７００の配置も図示されている。マイクロフォン
は、指向性タイプとすることができる。マイクロフォン
は、ユーザの顔面に向けられ、ユーザの声をピックアッ
プするように周囲環境から離れている。マイクロフォン
の配線と光学系の配線は、可撓性ブーム２００を通して
行われることを理解されたい。前述のように、光学モジ
ュール内の構成要素と、イヤフォン４００は、ケーブル
３０を介してコンピュータ・ベース装置２０に結合する
ことができる（図３および図４）。
ォン２７００の配置も図示されている。マイクロフォン
は、指向性タイプとすることができる。マイクロフォン
は、ユーザの顔面に向けられ、ユーザの声をピックアッ
プするように周囲環境から離れている。マイクロフォン
の配線と光学系の配線は、可撓性ブーム２００を通して
行われることを理解されたい。前述のように、光学モジ
ュール内の構成要素と、イヤフォン４００は、ケーブル
３０を介してコンピュータ・ベース装置２０に結合する
ことができる（図３および図４）。
【００３３】図１２および図１３に、本発明の一実施形
態によるヘッドマウント仮想画像表示装置上の、それぞ
れ開位置と閉位置にあるスライド式遮光機構を示す。具
体的には、図１２および図１３には、光学モジュールの
筐体に組み込まれた遮光機構を有する光学モジュール１
００の詳細図が示されている。図１２には、開位置（光
を通す位置）にある遮光機構３２００が示されている。
したがって、光学モジュール１００を通して画像を見る
ユーザは、光学モジュール１００の背後から発する光を
見ることができる。図のように、図１２では遮光機構３
２００が開位置にある状態で、ビーム・スプリット・プ
リズム１４００が見える。図１３では、遮光機構３２０
０が閉位置にあり、したがって背景光が完全にまたはほ
ぼ遮られる。遮光機構３２００は、背景光を低減または
なくすことが望ましい場合、ユーザが矢印Ａで示す方向
にスライドさせることができる。この外部光調節遮光機
構は、仮想表示システムに応じて実施される用途の要求
に合わせて、不透明、部分不透明、着色、または偏光と
することができることを理解されたい。
態によるヘッドマウント仮想画像表示装置上の、それぞ
れ開位置と閉位置にあるスライド式遮光機構を示す。具
体的には、図１２および図１３には、光学モジュールの
筐体に組み込まれた遮光機構を有する光学モジュール１
００の詳細図が示されている。図１２には、開位置（光
を通す位置）にある遮光機構３２００が示されている。
したがって、光学モジュール１００を通して画像を見る
ユーザは、光学モジュール１００の背後から発する光を
見ることができる。図のように、図１２では遮光機構３
２００が開位置にある状態で、ビーム・スプリット・プ
リズム１４００が見える。図１３では、遮光機構３２０
０が閉位置にあり、したがって背景光が完全にまたはほ
ぼ遮られる。遮光機構３２００は、背景光を低減または
なくすことが望ましい場合、ユーザが矢印Ａで示す方向
にスライドさせることができる。この外部光調節遮光機
構は、仮想表示システムに応じて実施される用途の要求
に合わせて、不透明、部分不透明、着色、または偏光と
することができることを理解されたい。
【００３４】図１４に、本発明の一実施形態によるヘッ
ドマウント仮想表示装置上のヘッドバンドおよびポッド
／ブーム調整機構を示す。具体的には、図１４には、ポ
ッド／ブーム調整機構の詳細が図示されている。図のよ
うに、調整ポッド３００は、中に溝４１１０がある支持
体部４１００を含む。溝４１１０内には、方向矢印４４
００で示すように溝の長さ全長にわたって前後にスライ
ドすることができるスライダ機構４２００がはめ合わさ
れている。小さい円形のくぼみ３０２（図４に見える）
が、スライダ機構の内側にある１つまたは複数の対応す
る凸部（図示せず）と対合して、スライダ機構、したが
って光学モジュール１００を、所望の位置に保持するこ
とができる。
ドマウント仮想表示装置上のヘッドバンドおよびポッド
／ブーム調整機構を示す。具体的には、図１４には、ポ
ッド／ブーム調整機構の詳細が図示されている。図のよ
うに、調整ポッド３００は、中に溝４１１０がある支持
体部４１００を含む。溝４１１０内には、方向矢印４４
００で示すように溝の長さ全長にわたって前後にスライ
ドすることができるスライダ機構４２００がはめ合わさ
れている。小さい円形のくぼみ３０２（図４に見える）
が、スライダ機構の内側にある１つまたは複数の対応す
る凸部（図示せず）と対合して、スライダ機構、したが
って光学モジュール１００を、所望の位置に保持するこ
とができる。
【００３５】さらに、ポッド・アセンブリは、スライダ
機構４２００と旋回可能にはめ合うボール・ジョイント
４３００を含む。旋回ボール・ジョイント４３００は、
ポッド・アセンブリ、したがって光学モジュール１００
が、方向矢印４５００および４６００で示すように回転
することができるようにする。可撓性ブーム２００も、
光学モジュールが矢印４４００、４５００、および４６
００で示すいずれの方向にも動けるようにする。スライ
ダ機構、ボール・ジョイント機構、および可撓性ブーム
を組み込むことにより、ユーザは光モジュール１００
を、自分の目を基準にして所望の特定の距離や位置にな
るように最適な仕方で調整することができる。
機構４２００と旋回可能にはめ合うボール・ジョイント
４３００を含む。旋回ボール・ジョイント４３００は、
ポッド・アセンブリ、したがって光学モジュール１００
が、方向矢印４５００および４６００で示すように回転
することができるようにする。可撓性ブーム２００も、
光学モジュールが矢印４４００、４５００、および４６
００で示すいずれの方向にも動けるようにする。スライ
ダ機構、ボール・ジョイント機構、および可撓性ブーム
を組み込むことにより、ユーザは光モジュール１００
を、自分の目を基準にして所望の特定の距離や位置にな
るように最適な仕方で調整することができる。
【００３６】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
の事項を開示する。
【００３７】（１）小型表示装置に従って発生された画
像信号をユーザが見るように方向付けるコンパクトな光
学系であって、前記小型表示装置の近傍に配置されたビ
ーム・スプリット・プリズムと、前記ビーム・スプリッ
ト・プリズムと前記小型表示装置との間に配置された視
野レンズと、前記視野レンズと前記ビーム・スプリット
・プリズムとの間に配置された発散レンズと、前記ビー
ム・スプリット・プリズムの近傍の、前記ビーム・スプ
リット・プリズムの前記小型表示装置と反対側に配置さ
れた反射レンズと、前記反射レンズと前記ビーム・スプ
リット・プリズムとの間に配置された四分の一波長板と
を含み、前記小型表示装置に従って直線偏光された前記
画像信号が、（ａ）前記視野レンズと前記発散レンズと
を通過し、（ｂ）前記ビーム・スプリット・プリズムに
入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面を
通過し、（ｃ）前記四分の一波長板を通過して円偏光さ
れ、（ｄ）前記反射レンズの面で前記四分の一波長板に
向かって反射して前記四分の一波長板を再び通過して、
前記画像信号に関連づけられた元の直線偏光方向を基準
にして９０度回転した偏光方向で直線偏光され、（ｅ）
前記ビーム・スプリット・プリズムに再入射して前記ビ
ーム・スプリット・プリズムの偏光面で反射して前記ユ
ーザが見るように前記ビーム・スプリット・プリズムか
ら射出するように、前記ビーム・スプリット・プリズム
と前記視野レンズと前記発散レンズと前記反射レンズと
前記四分の一波長板とが配置された、光学系。 （２）前記ユーザが見るように方向付けられる前記画像
信号に横色収差（lateral color aberration）がない、
上記（１）に記載の光学系。 （３）前記反射レンズの面が反射コーティングを含む、
上記（１）に記載の光学系。 （４）前記反射コーティングが反射金属コーティングと
反射誘電体コーティングとのうちのいずれか１つであ
る、上記（３）に記載の光学系。 （５）前記小型表示装置が、発光型小型表示装置と透過
型小型表示装置と反射型小型表示装置とのうちのいずれ
か１つである、上記（１）に記載の光学系。 （６）前記システムが仮想画像表示ユニットに組み込ま
れた、上記（１）に記載の光学系。 （７）前記仮想画像表示ユニットがヘッドマウント式で
ある、上記（６）に記載の光学系。 （８）小型表示装置と、前記小型表示装置に従って発生
された画像信号をユーザが見るように方向付ける光学系
と、前記光学系を前記ユーザの目の視野内に保持する光
学系マウンティング構造とを含み、前記光学系が、前記
小型表示装置の近傍に配置されたビーム・スプリット・
プリズムと、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記
小型表示装置との間に配置された視野レンズと、前記視
野レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に
配置された発散レンズと、前記ビーム・スプリット・プ
リズムの近傍の、前記ビーム・スプリット・プリズムの
前記小型表示装置と反対側に配置された反射レンズと、
前記反射レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムと
の間に配置された四分の一波長板とを含み、前記小型表
示装置に従って直線偏光された前記画像信号が、（ａ）
前記視野レンズと前記発散レンズとを通過し、（ｂ）前
記ビーム・スプリット・プリズムに入射して前記ビーム
・スプリット・プリズムの偏光面を通過し、（ｃ）前記
四分の一波長板を通過して円偏光され、（ｄ）前記反射
レンズの面で前記四分の一波長板に向かって反射して前
記四分の一波長板を再び通過して、前記画像信号に関連
づけられた元の直線偏光方向を基準にして９０度回転し
た偏光方向で直線偏光され、（ｅ）前記ビーム・スプリ
ット・プリズムに再入射して前記ビーム・スプリット・
プリズムの偏光面で反射して前記ユーザが見るように前
記ビーム・スプリット・プリズムから射出するように、
前記ビーム・スプリット・プリズムと前記視野レンズと
前記発散レンズと前記反射レンズと前記四分の一波長板
とが配置された、ヘッドマウント仮想画像表示ユニッ
ト。 （９）前記マウンティング構造が、前記光学系を前記ユ
ーザの目の視野内と視野外とに選択的に移動させること
ができるように構成された、上記（８）に記載のヘッド
マウント仮想画像表示ユニット。 （１０）前記ユーザに向けられる前記画像信号の焦点の
調整を可能にする焦点機構をさらに含む、上記（８）に
記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 （１１）前記焦点機構が可動キャリッジを含み、前記可
動キャリッジは、前記小型表示装置と前記視野レンズと
が、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記反射レン
ズと前記四分の一波長板とを基準にして、光軸に沿って
移動可能なように前記小型表示装置と前記視野レンズと
を支持する、上記（１０）に記載のヘッドマウント仮想
画像表示ユニット。 （１２）前記焦点機構が、前記可動キャリッジに結合さ
れ前記可動キャリッジを前記光軸に沿って移動させる移
動アクチュエータをさらに含む、上記（１１）に記載の
ヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 （１３）前記移動アクチュエータがねじとノブとの構成
を含む、上記（１２）に記載のヘッドマウント仮想画像
表示ユニット。 （１４）遮光機構をさらに含み、前記遮光機構は、開位
置にあるときに背景光が前記光学系に入射し、閉位置に
あるときに背景光が前記光学系に入射するのを少なくと
も部分的に遮るように前記光学系を基準にして配置され
た、上記（８）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユ
ニット。 （１５）前記光学系を実質的に収容する筐体をさらに含
み、前記遮光機構が前記光学系筐体に組み込まれた、上
記（１４）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニッ
ト。 （１６）前記遮光機構が前記開位置と前記閉位置との間
でスライドすることができるように、前記遮光機構がス
ライド可能に前記光学系筐体に組み込まれた、上記（１
５）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 （１７）前記遮光機構が不透明と部分不透明と着色と偏
光遮光機構のうちのいずれかである、上記（１４）に記
載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 （１８）前記画像信号を見る前記ユーザによって発せら
れた音声を捕捉するマイクロフォンをさらに含む、上記
（８）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 （１９）前記光学系を実質的に収容する筐体をさらに含
み、前記マイクロフォンが前記光学系筐体に組み込まれ
た、上記（１８）に記載のヘッドマウント仮想画像表示
ユニット。 （２０）前記光学系マウンティング構造が調整ポッド・
アセンブリを含み、前記調整ポッド・アセンブリが前記
ユーザの目までの特定の距離だけ前記光学系をスライド
式に移動させるスライダ機構を含む、上記（８）に記載
のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 （２１）前記光学系マウンティング構造が、調整ポッド
・アセンブリを含み、前記調整ポッド・アセンブリが、
前記光学系を前記ユーザの目を基準にして特定の位置に
回転可能に移動させる回転可能ボール・ジョイント機構
を含む、上記（８）に記載のヘッドマウント仮想画像表
示ユニット。 （２２）前記光学系マウンティング構造が可撓性ブーム
・アセンブリを含み、前記可撓性ブーム・アセンブリが
前記光学系を支持し、前記光学系を前記ユーザの目を基
準にして特定の位置に柔軟に移動させるように構成され
た、上記（８）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユ
ニット。 （２３）（ａ）小型表示装置と、前記小型表示装置に従
って発生された画像信号をユーザが見るように方向付け
る光学系であって、前記小型表示装置の近傍に配置され
たビーム・スプリット・プリズムと、前記ビーム・スプ
リット・プリズムと前記小型表示装置との間に配置され
た視野レンズと、前記視野レンズと前記ビーム・スプリ
ット・プリズムとの間に配置された発散レンズと、前記
ビーム・スプリット・プリズムの近傍の、前記ビーム・
スプリット・プリズムの前記小型表示装置と反対側に配
置された反射レンズと、前記反射レンズと前記ビーム・
スプリット・プリズムとの間に配置された四分の一波長
板とを含み、前記小型表示装置に従って直線偏光された
前記画像信号が、（ａ）前記視野レンズと前記発散レン
ズとを通過し、（ｂ）前記ビーム・スプリット・プリズ
ムに入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光
面を通過し、（ｃ）前記四分の一波長板を通過して円偏
光され、（ｄ）前記反射レンズの面で前記四分の一波長
板に向かって反射して前記四分の一波長板を再び通過し
て、前記画像信号に関連づけられた元の直線偏光方向を
基準にして９０度回転した偏光方向で直線偏光され、
（ｅ）前記ビーム・スプリット・プリズムに再入射して
前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面で反射して
前記ユーザが見るように前記ビーム・スプリット・プリ
ズムから射出するように、前記ビーム・スプリット・プ
リズムと前記視野レンズと前記発散レンズと前記反射レ
ンズと前記四分の一波長板とが配置された光学系と、前
記光学系と小型表示装置とを前記ユーザの目の視野内に
支持する光学系マウンティング構造とを含む、ヘッドマ
ウント仮想画像表示ユニットと、（ｂ）前記ヘッドマウ
ント仮想画像表示ユニットに結合され、前記ユーザが見
る前記画像信号を発生する際に使用するために電気信号
を発生し、前記小型表示装置に供給するコンピュータ・
ベースの装置とを含む、携帯用コンピュータ・システ
ム。 （２４）小型表示装置と、前記小型表示装置に従って発
生された画像信号をユーザが見るように方向付ける光学
系と、前記光学系を前記ユーザの目の視野内に支持する
光学系マウンティング構造と、少なくとも前記光学系を
実質的に収容する筐体と、前記筐体と一体となり、開位
置にあるときに背景光が前記光学系に入射し、閉位置に
あるときに背景光が前記光学系に入射するのを少なくと
も部分的に遮られるように前記光学系を基準にして配置
された遮光機構とを含む、ヘッドマウント仮想画像表示
ユニット。 （２５）前記遮光機構が前記開位置と前記閉位置との間
でスライドすることができるように、前記遮光機構がス
ライド可能に前記光学系筐体に組み込まれた、上記（２
４）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 （２６）前記遮光機構が不透明と部分不透明と着色と偏
光遮光機構のうちのいずれかである、上記（２４）に記
載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 （２７）小型表示装置と、前記小型表示装置に従って発
生された画像信号をユーザが見るように方向付ける光学
系と、前記光学系を前記ユーザの目の視野内に支持する
光学系マウンティング構造であって、前記光学系を支持
し、前記光学系を前記ユーザ目を基準にして特定の位置
に柔軟に移動させるように構成された可撓性ブーム・ア
センブリを含む光学系マウンティング構造とを含む、ヘ
ッドマウント仮想画像表示ユニット。
像信号をユーザが見るように方向付けるコンパクトな光
学系であって、前記小型表示装置の近傍に配置されたビ
ーム・スプリット・プリズムと、前記ビーム・スプリッ
ト・プリズムと前記小型表示装置との間に配置された視
野レンズと、前記視野レンズと前記ビーム・スプリット
・プリズムとの間に配置された発散レンズと、前記ビー
ム・スプリット・プリズムの近傍の、前記ビーム・スプ
リット・プリズムの前記小型表示装置と反対側に配置さ
れた反射レンズと、前記反射レンズと前記ビーム・スプ
リット・プリズムとの間に配置された四分の一波長板と
を含み、前記小型表示装置に従って直線偏光された前記
画像信号が、（ａ）前記視野レンズと前記発散レンズと
を通過し、（ｂ）前記ビーム・スプリット・プリズムに
入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面を
通過し、（ｃ）前記四分の一波長板を通過して円偏光さ
れ、（ｄ）前記反射レンズの面で前記四分の一波長板に
向かって反射して前記四分の一波長板を再び通過して、
前記画像信号に関連づけられた元の直線偏光方向を基準
にして９０度回転した偏光方向で直線偏光され、（ｅ）
前記ビーム・スプリット・プリズムに再入射して前記ビ
ーム・スプリット・プリズムの偏光面で反射して前記ユ
ーザが見るように前記ビーム・スプリット・プリズムか
ら射出するように、前記ビーム・スプリット・プリズム
と前記視野レンズと前記発散レンズと前記反射レンズと
前記四分の一波長板とが配置された、光学系。 （２）前記ユーザが見るように方向付けられる前記画像
信号に横色収差（lateral color aberration）がない、
上記（１）に記載の光学系。 （３）前記反射レンズの面が反射コーティングを含む、
上記（１）に記載の光学系。 （４）前記反射コーティングが反射金属コーティングと
反射誘電体コーティングとのうちのいずれか１つであ
る、上記（３）に記載の光学系。 （５）前記小型表示装置が、発光型小型表示装置と透過
型小型表示装置と反射型小型表示装置とのうちのいずれ
か１つである、上記（１）に記載の光学系。 （６）前記システムが仮想画像表示ユニットに組み込ま
れた、上記（１）に記載の光学系。 （７）前記仮想画像表示ユニットがヘッドマウント式で
ある、上記（６）に記載の光学系。 （８）小型表示装置と、前記小型表示装置に従って発生
された画像信号をユーザが見るように方向付ける光学系
と、前記光学系を前記ユーザの目の視野内に保持する光
学系マウンティング構造とを含み、前記光学系が、前記
小型表示装置の近傍に配置されたビーム・スプリット・
プリズムと、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記
小型表示装置との間に配置された視野レンズと、前記視
野レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に
配置された発散レンズと、前記ビーム・スプリット・プ
リズムの近傍の、前記ビーム・スプリット・プリズムの
前記小型表示装置と反対側に配置された反射レンズと、
前記反射レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムと
の間に配置された四分の一波長板とを含み、前記小型表
示装置に従って直線偏光された前記画像信号が、（ａ）
前記視野レンズと前記発散レンズとを通過し、（ｂ）前
記ビーム・スプリット・プリズムに入射して前記ビーム
・スプリット・プリズムの偏光面を通過し、（ｃ）前記
四分の一波長板を通過して円偏光され、（ｄ）前記反射
レンズの面で前記四分の一波長板に向かって反射して前
記四分の一波長板を再び通過して、前記画像信号に関連
づけられた元の直線偏光方向を基準にして９０度回転し
た偏光方向で直線偏光され、（ｅ）前記ビーム・スプリ
ット・プリズムに再入射して前記ビーム・スプリット・
プリズムの偏光面で反射して前記ユーザが見るように前
記ビーム・スプリット・プリズムから射出するように、
前記ビーム・スプリット・プリズムと前記視野レンズと
前記発散レンズと前記反射レンズと前記四分の一波長板
とが配置された、ヘッドマウント仮想画像表示ユニッ
ト。 （９）前記マウンティング構造が、前記光学系を前記ユ
ーザの目の視野内と視野外とに選択的に移動させること
ができるように構成された、上記（８）に記載のヘッド
マウント仮想画像表示ユニット。 （１０）前記ユーザに向けられる前記画像信号の焦点の
調整を可能にする焦点機構をさらに含む、上記（８）に
記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 （１１）前記焦点機構が可動キャリッジを含み、前記可
動キャリッジは、前記小型表示装置と前記視野レンズと
が、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記反射レン
ズと前記四分の一波長板とを基準にして、光軸に沿って
移動可能なように前記小型表示装置と前記視野レンズと
を支持する、上記（１０）に記載のヘッドマウント仮想
画像表示ユニット。 （１２）前記焦点機構が、前記可動キャリッジに結合さ
れ前記可動キャリッジを前記光軸に沿って移動させる移
動アクチュエータをさらに含む、上記（１１）に記載の
ヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 （１３）前記移動アクチュエータがねじとノブとの構成
を含む、上記（１２）に記載のヘッドマウント仮想画像
表示ユニット。 （１４）遮光機構をさらに含み、前記遮光機構は、開位
置にあるときに背景光が前記光学系に入射し、閉位置に
あるときに背景光が前記光学系に入射するのを少なくと
も部分的に遮るように前記光学系を基準にして配置され
た、上記（８）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユ
ニット。 （１５）前記光学系を実質的に収容する筐体をさらに含
み、前記遮光機構が前記光学系筐体に組み込まれた、上
記（１４）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニッ
ト。 （１６）前記遮光機構が前記開位置と前記閉位置との間
でスライドすることができるように、前記遮光機構がス
ライド可能に前記光学系筐体に組み込まれた、上記（１
５）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 （１７）前記遮光機構が不透明と部分不透明と着色と偏
光遮光機構のうちのいずれかである、上記（１４）に記
載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 （１８）前記画像信号を見る前記ユーザによって発せら
れた音声を捕捉するマイクロフォンをさらに含む、上記
（８）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 （１９）前記光学系を実質的に収容する筐体をさらに含
み、前記マイクロフォンが前記光学系筐体に組み込まれ
た、上記（１８）に記載のヘッドマウント仮想画像表示
ユニット。 （２０）前記光学系マウンティング構造が調整ポッド・
アセンブリを含み、前記調整ポッド・アセンブリが前記
ユーザの目までの特定の距離だけ前記光学系をスライド
式に移動させるスライダ機構を含む、上記（８）に記載
のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 （２１）前記光学系マウンティング構造が、調整ポッド
・アセンブリを含み、前記調整ポッド・アセンブリが、
前記光学系を前記ユーザの目を基準にして特定の位置に
回転可能に移動させる回転可能ボール・ジョイント機構
を含む、上記（８）に記載のヘッドマウント仮想画像表
示ユニット。 （２２）前記光学系マウンティング構造が可撓性ブーム
・アセンブリを含み、前記可撓性ブーム・アセンブリが
前記光学系を支持し、前記光学系を前記ユーザの目を基
準にして特定の位置に柔軟に移動させるように構成され
た、上記（８）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユ
ニット。 （２３）（ａ）小型表示装置と、前記小型表示装置に従
って発生された画像信号をユーザが見るように方向付け
る光学系であって、前記小型表示装置の近傍に配置され
たビーム・スプリット・プリズムと、前記ビーム・スプ
リット・プリズムと前記小型表示装置との間に配置され
た視野レンズと、前記視野レンズと前記ビーム・スプリ
ット・プリズムとの間に配置された発散レンズと、前記
ビーム・スプリット・プリズムの近傍の、前記ビーム・
スプリット・プリズムの前記小型表示装置と反対側に配
置された反射レンズと、前記反射レンズと前記ビーム・
スプリット・プリズムとの間に配置された四分の一波長
板とを含み、前記小型表示装置に従って直線偏光された
前記画像信号が、（ａ）前記視野レンズと前記発散レン
ズとを通過し、（ｂ）前記ビーム・スプリット・プリズ
ムに入射して前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光
面を通過し、（ｃ）前記四分の一波長板を通過して円偏
光され、（ｄ）前記反射レンズの面で前記四分の一波長
板に向かって反射して前記四分の一波長板を再び通過し
て、前記画像信号に関連づけられた元の直線偏光方向を
基準にして９０度回転した偏光方向で直線偏光され、
（ｅ）前記ビーム・スプリット・プリズムに再入射して
前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面で反射して
前記ユーザが見るように前記ビーム・スプリット・プリ
ズムから射出するように、前記ビーム・スプリット・プ
リズムと前記視野レンズと前記発散レンズと前記反射レ
ンズと前記四分の一波長板とが配置された光学系と、前
記光学系と小型表示装置とを前記ユーザの目の視野内に
支持する光学系マウンティング構造とを含む、ヘッドマ
ウント仮想画像表示ユニットと、（ｂ）前記ヘッドマウ
ント仮想画像表示ユニットに結合され、前記ユーザが見
る前記画像信号を発生する際に使用するために電気信号
を発生し、前記小型表示装置に供給するコンピュータ・
ベースの装置とを含む、携帯用コンピュータ・システ
ム。 （２４）小型表示装置と、前記小型表示装置に従って発
生された画像信号をユーザが見るように方向付ける光学
系と、前記光学系を前記ユーザの目の視野内に支持する
光学系マウンティング構造と、少なくとも前記光学系を
実質的に収容する筐体と、前記筐体と一体となり、開位
置にあるときに背景光が前記光学系に入射し、閉位置に
あるときに背景光が前記光学系に入射するのを少なくと
も部分的に遮られるように前記光学系を基準にして配置
された遮光機構とを含む、ヘッドマウント仮想画像表示
ユニット。 （２５）前記遮光機構が前記開位置と前記閉位置との間
でスライドすることができるように、前記遮光機構がス
ライド可能に前記光学系筐体に組み込まれた、上記（２
４）に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 （２６）前記遮光機構が不透明と部分不透明と着色と偏
光遮光機構のうちのいずれかである、上記（２４）に記
載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 （２７）小型表示装置と、前記小型表示装置に従って発
生された画像信号をユーザが見るように方向付ける光学
系と、前記光学系を前記ユーザの目の視野内に支持する
光学系マウンティング構造であって、前記光学系を支持
し、前記光学系を前記ユーザ目を基準にして特定の位置
に柔軟に移動させるように構成された可撓性ブーム・ア
センブリを含む光学系マウンティング構造とを含む、ヘ
ッドマウント仮想画像表示ユニット。
【図１】従来の眼鏡型ヘッドマウント仮想表示装置を示
す図である。
す図である。
【図２】従来の単眼型ヘッドマウント仮想表示装置を示
す図である。
す図である。
【図３】本発明の一実施形態による、ヘッドマウント仮
想表示ユニットおよびコンピュータ・ベース装置を示す
第１の図である。
想表示ユニットおよびコンピュータ・ベース装置を示す
第１の図である。
【図４】本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮想
表示ユニットおよびコンピュータ・ベース装置を示す第
２の図である。
表示ユニットおよびコンピュータ・ベース装置を示す第
２の図である。
【図５】ユーザが装着することができる本発明によるヘ
ッドマウント仮想表示ユニットを示す図である。
ッドマウント仮想表示ユニットを示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による仮想表示光学系を示
す図である。
す図である。
【図７】本発明の一実施形態による光学系の性能を非点
収差について示すグラフである。
収差について示すグラフである。
【図８】本発明の一実施形態による光学系の性能を歪み
について示すグラフである。
について示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態による光学系の性能を横色
について示すグラフである。
について示すグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態による光学系の成形パラ
メータを示す表である。
メータを示す表である。
【図１１】本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮
想表示装置における内蔵焦点機構とマイクロフォンの配
置を示す図である。
想表示装置における内蔵焦点機構とマイクロフォンの配
置を示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮
想表示装置上の、開位置にあるスライド式遮光機構を示
す図である。
想表示装置上の、開位置にあるスライド式遮光機構を示
す図である。
【図１３】本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮
想表示装置上の、閉位置にあるスライド式遮光機構を示
す図である。
想表示装置上の、閉位置にあるスライド式遮光機構を示
す図である。
【図１４】本発明の一実施形態によるヘッドマウント仮
想表示装置上のヘッドバンドおよびポッド／ブーム調整
機構を示す図である。
想表示装置上のヘッドバンドおよびポッド／ブーム調整
機構を示す図である。
１０ ヘッドマウント仮想表示ユニット ２０ コンピュータ・ベース装置 １００ 光学モジュール ２００ 可撓性ブーム ３００ 調整ポッド ４００ イヤフォン ５００ ヘッドバンド １０００ 光源 １１００ 超小型表示装置 １２００ 視野レンズ １３００ 発散レンズ １４００ ビーム・スプリット・プリズム １５００ 反射レンズ１５００ １６００ 四分の一波長板 １７００ 射出瞳 ３２００ 遮光機構 ４１００ ポッド支持体 ４１１０ 溝 ４３００ ボール・ジョイント
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 17/08 Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１Ａ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１ Ｇ０２Ｂ 1/10 Ｚ (72)発明者 デレク・ビー・ドヴ アメリカ合衆国10549 ニューヨーク州マ ウント・キスコ インディアン・ヒル・ロ ード 41 (72)発明者 イストヴァン・ロヴァス アメリカ合衆国10541 ニューヨーク州マ ホパック チューリップ・ロード 49 (72)発明者 ロバート・エス・オイルハ アメリカ合衆国12603 ニューヨーク州ラ グランジェ マイヤー・ロード ８ (72)発明者 カール・ジー・パウエル アメリカ合衆国10579 ニューヨーク州パ トナン・ヴァリ ピークスキル・ホロー・ ロード 285 Ｆターム(参考） 2H042 CA10 CA14 CA17 DA01 DA08 DA12 DD08 DE00 2H049 BA08 BA43 BA47 BB02 BB51 BB63 BC14 BC22 2H087 KA23 RA41 RA43 RA45 TA01 TA04 2K009 BB02 CC00 CC14 EE00
Claims (27)
- 【請求項１】小型表示装置に従って発生された画像信号
をユーザが見るように方向付けるコンパクトな光学系で
あって、 前記小型表示装置の近傍に配置されたビーム・スプリッ
ト・プリズムと、 前記ビーム・スプリット・プリズムと前記小型表示装置
との間に配置された視野レンズと、 前記視野レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムと
の間に配置された発散レンズと、 前記ビーム・スプリット・プリズムの近傍の、前記ビー
ム・スプリット・プリズムの前記小型表示装置と反対側
に配置された反射レンズと、 前記反射レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムと
の間に配置された四分の一波長板とを含み、 前記小型表示装置に従って直線偏光された前記画像信号
が、（ａ）前記視野レンズと前記発散レンズとを通過
し、（ｂ）前記ビーム・スプリット・プリズムに入射し
て前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面を通過
し、（ｃ）前記四分の一波長板を通過して円偏光され、
（ｄ）前記反射レンズの面で前記四分の一波長板に向か
って反射して前記四分の一波長板を再び通過して、前記
画像信号に関連づけられた元の直線偏光方向を基準にし
て９０度回転した偏光方向で直線偏光され、（ｅ）前記
ビーム・スプリット・プリズムに再入射して前記ビーム
・スプリット・プリズムの偏光面で反射して前記ユーザ
が見るように前記ビーム・スプリット・プリズムから射
出するように、前記ビーム・スプリット・プリズムと前
記視野レンズと前記発散レンズと前記反射レンズと前記
四分の一波長板とが配置された、光学系。 - 【請求項２】前記ユーザが見るように方向付けられる前
記画像信号に横色収差（lateral color aberration）が
ない、請求項１に記載の光学系。 - 【請求項３】前記反射レンズの面が反射コーティングを
含む、請求項１に記載の光学系。 - 【請求項４】前記反射コーティングが反射金属コーティ
ングと反射誘電体コーティングとのうちのいずれか１つ
である、請求項３に記載の光学系。 - 【請求項５】前記小型表示装置が、発光型小型表示装置
と透過型小型表示装置と反射型小型表示装置とのうちの
いずれか１つである、請求項１に記載の光学系。 - 【請求項６】前記システムが仮想画像表示ユニットに組
み込まれた、請求項１に記載の光学系。 - 【請求項７】前記仮想画像表示ユニットがヘッドマウン
ト式である、請求項６に記載の光学系。 - 【請求項８】小型表示装置と、 前記小型表示装置に従って発生された画像信号をユーザ
が見るように方向付ける光学系と、 前記光学系を前記ユーザの目の視野内に保持する光学系
マウンティング構造とを含み、 前記光学系が、前記小型表示装置の近傍に配置されたビ
ーム・スプリット・プリズムと、前記ビーム・スプリッ
ト・プリズムと前記小型表示装置との間に配置された視
野レンズと、前記視野レンズと前記ビーム・スプリット
・プリズムとの間に配置された発散レンズと、前記ビー
ム・スプリット・プリズムの近傍の、前記ビーム・スプ
リット・プリズムの前記小型表示装置と反対側に配置さ
れた反射レンズと、前記反射レンズと前記ビーム・スプ
リット・プリズムとの間に配置された四分の一波長板と
を含み、 前記小型表示装置に従って直線偏光された前記画像信号
が、（ａ）前記視野レンズと前記発散レンズとを通過
し、（ｂ）前記ビーム・スプリット・プリズムに入射し
て前記ビーム・スプリット・プリズムの偏光面を通過
し、（ｃ）前記四分の一波長板を通過して円偏光され、
（ｄ）前記反射レンズの面で前記四分の一波長板に向か
って反射して前記四分の一波長板を再び通過して、前記
画像信号に関連づけられた元の直線偏光方向を基準にし
て９０度回転した偏光方向で直線偏光され、（ｅ）前記
ビーム・スプリット・プリズムに再入射して前記ビーム
・スプリット・プリズムの偏光面で反射して前記ユーザ
が見るように前記ビーム・スプリット・プリズムから射
出するように、前記ビーム・スプリット・プリズムと前
記視野レンズと前記発散レンズと前記反射レンズと前記
四分の一波長板とが配置された、ヘッドマウント仮想画
像表示ユニット。 - 【請求項９】前記マウンティング構造が、前記光学系を
前記ユーザの目の視野内と視野外とに選択的に移動させ
ることができるように構成された、請求項８に記載のヘ
ッドマウント仮想画像表示ユニット。 - 【請求項１０】前記ユーザに向けられる前記画像信号の
焦点の調整を可能にする焦点機構をさらに含む、請求項
８に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 - 【請求項１１】前記焦点機構が可動キャリッジを含み、
前記可動キャリッジは、前記小型表示装置と前記視野レ
ンズとが、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記反
射レンズと前記四分の一波長板とを基準にして、光軸に
沿って移動可能なように前記小型表示装置と前記視野レ
ンズとを支持する、請求項１０に記載のヘッドマウント
仮想画像表示ユニット。 - 【請求項１２】前記焦点機構が、前記可動キャリッジに
結合され前記可動キャリッジを前記光軸に沿って移動さ
せる移動アクチュエータをさらに含む、請求項１１に記
載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 - 【請求項１３】前記移動アクチュエータがねじとノブと
の構成を含む、請求項１２に記載のヘッドマウント仮想
画像表示ユニット。 - 【請求項１４】遮光機構をさらに含み、前記遮光機構
は、開位置にあるときに背景光が前記光学系に入射し、
閉位置にあるときに背景光が前記光学系に入射するのを
少なくとも部分的に遮るように前記光学系を基準にして
配置された、請求項８に記載のヘッドマウント仮想画像
表示ユニット。 - 【請求項１５】前記光学系を実質的に収容する筐体をさ
らに含み、前記遮光機構が前記光学系筐体に組み込まれ
た、請求項１４に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユ
ニット。 - 【請求項１６】前記遮光機構が前記開位置と前記閉位置
との間でスライドすることができるように、前記遮光機
構がスライド可能に前記光学系筐体に組み込まれた、請
求項１５に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニッ
ト。 - 【請求項１７】前記遮光機構が不透明と部分不透明と着
色と偏光遮光機構のうちのいずれかである、請求項１４
に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 - 【請求項１８】前記画像信号を見る前記ユーザによって
発せられた音声を捕捉するマイクロフォンをさらに含
む、請求項８に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニ
ット。 - 【請求項１９】前記光学系を実質的に収容する筐体をさ
らに含み、前記マイクロフォンが前記光学系筐体に組み
込まれた、請求項１８に記載のヘッドマウント仮想画像
表示ユニット。 - 【請求項２０】前記光学系マウンティング構造が調整ポ
ッド・アセンブリを含み、前記調整ポッド・アセンブリ
が前記ユーザの目までの特定の距離だけ前記光学系をス
ライド式に移動させるスライダ機構を含む、請求項８に
記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 - 【請求項２１】前記光学系マウンティング構造が、調整
ポッド・アセンブリを含み、前記調整ポッド・アセンブ
リが、前記光学系を前記ユーザの目を基準にして特定の
位置に回転可能に移動させる回転可能ボール・ジョイン
ト機構を含む、請求項８に記載のヘッドマウント仮想画
像表示ユニット。 - 【請求項２２】前記光学系マウンティング構造が可撓性
ブーム・アセンブリを含み、前記可撓性ブーム・アセン
ブリが前記光学系を支持し、前記光学系を前記ユーザの
目を基準にして特定の位置に柔軟に移動させるように構
成された、請求項８に記載のヘッドマウント仮想画像表
示ユニット。 - 【請求項２３】（ａ）小型表示装置と、 前記小型表示装置に従って発生された画像信号をユーザ
が見るように方向付ける光学系であって、前記小型表示
装置の近傍に配置されたビーム・スプリット・プリズム
と、前記ビーム・スプリット・プリズムと前記小型表示
装置との間に配置された視野レンズと、前記視野レンズ
と前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配置され
た発散レンズと、前記ビーム・スプリット・プリズムの
近傍の、前記ビーム・スプリット・プリズムの前記小型
表示装置と反対側に配置された反射レンズと、前記反射
レンズと前記ビーム・スプリット・プリズムとの間に配
置された四分の一波長板とを含み、前記小型表示装置に
従って直線偏光された前記画像信号が、（ａ）前記視野
レンズと前記発散レンズとを通過し、（ｂ）前記ビーム
・スプリット・プリズムに入射して前記ビーム・スプリ
ット・プリズムの偏光面を通過し、（ｃ）前記四分の一
波長板を通過して円偏光され、（ｄ）前記反射レンズの
面で前記四分の一波長板に向かって反射して前記四分の
一波長板を再び通過して、前記画像信号に関連づけられ
た元の直線偏光方向を基準にして９０度回転した偏光方
向で直線偏光され、（ｅ）前記ビーム・スプリット・プ
リズムに再入射して前記ビーム・スプリット・プリズム
の偏光面で反射して前記ユーザが見るように前記ビーム
・スプリット・プリズムから射出するように、前記ビー
ム・スプリット・プリズムと前記視野レンズと前記発散
レンズと前記反射レンズと前記四分の一波長板とが配置
された光学系と、 前記光学系と小型表示装置とを前記ユーザの目の視野内
に支持する光学系マウンティング構造とを含む、ヘッド
マウント仮想画像表示ユニットと、 （ｂ）前記ヘッドマウント仮想画像表示ユニットに結合
され、前記ユーザが見る前記画像信号を発生する際に使
用するために電気信号を発生し、前記小型表示装置に供
給するコンピュータ・ベースの装置とを含む、携帯用コ
ンピュータ・システム。 - 【請求項２４】小型表示装置と、 前記小型表示装置に従って発生された画像信号をユーザ
が見るように方向付ける光学系と、 前記光学系を前記ユーザの目の視野内に支持する光学系
マウンティング構造と、 少なくとも前記光学系を実質的に収容する筐体と、 前記筐体と一体となり、開位置にあるときに背景光が前
記光学系に入射し、閉位置にあるときに背景光が前記光
学系に入射するのを少なくとも部分的に遮られるように
前記光学系を基準にして配置された遮光機構とを含む、
ヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 - 【請求項２５】前記遮光機構が前記開位置と前記閉位置
との間でスライドすることができるように、前記遮光機
構がスライド可能に前記光学系筐体に組み込まれた、請
求項２４に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニッ
ト。 - 【請求項２６】前記遮光機構が不透明と部分不透明と着
色と偏光遮光機構のうちのいずれかである、請求項２４
に記載のヘッドマウント仮想画像表示ユニット。 - 【請求項２７】小型表示装置と、 前記小型表示装置に従って発生された画像信号をユーザ
が見るように方向付ける光学系と、 前記光学系を前記ユーザの目の視野内に支持する光学系
マウンティング構造であって、前記光学系を支持し、前
記光学系を前記ユーザ目を基準にして特定の位置に柔軟
に移動させるように構成された可撓性ブーム・アセンブ
リを含む光学系マウンティング構造とを含む、ヘッドマ
ウント仮想画像表示ユニット。
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