JP2003520984A

JP2003520984A - 仮想画像システム

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Publication number: JP2003520984A
Application number: JP2001530636A
Authority: JP
Inventors: マクルア，ロバート，エヌ．
Original assignee: ストラトスプロダクトディヴェロップメントエルエルシー
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2003-07-08
Also published as: WO2001027685A3; WO2001027685A2; AU1084601A; US6671100B1; CA2386856A1; EP1272889A2

Abstract

(57)【要約】使用者がオブジェクトフィールドの虚像を観察することを可能とする仮想画像システム（１０）である。システムは少なくとも一つのレンズ（１４）を有する画像サブシステム（１１）を有する。画像サブシステムは、オブジェクトフィールド（１３）がその焦点あるいはその近傍となり、虚像を無限遠あるいはその近傍に位置させる。該システムは、該画像サブシステムから伝達された光を受け取り、使用者の目（２）に仕向けるアイボックススプレッダ（１６）を有する。アイボックススプレッダは画像サブシステムのアイボックスを拡大する。一つの実施形態では、アイボックススプレッダは平行で、光学的に平坦な小面のアレイを画定するフレネル表面として形成される。アイボックスを拡大することによって、使用者は虚像を楽に見ることができ、同時に、仮想画像システムがコンパクトかつ軽量に構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】発明の分野本発明は仮想画像システムに係り、より詳しくは、ヘッドマウント画像システム
における使用に適する仮想画像システムに関するものである。

【０００２】発明の背景仮想画像システムは、使用者が物理的なディスプレイそのものではなくディスプ
レイ（オブジェクト）の虚像を見るようなシステムである。ディスプレイ、これ
から先において「仮想ディスプレイ」と言う、を含む典型的な仮想画像システム
が図１に示してあり、使用者の目２がレンズ４を通して物理的ディスプレイ８の
虚像６を見るようになっている。

【０００３】仮想ディスプレイにおいては、使用者の目からの快適な観察距離において大きな
ディスプレイの出現を生成することが可能である。最近の進展はマイクロディス
プレイにおいて行なわれ、１ｃｍ^２の面積を有するシリコンチップ上により低コ
ストでＸＧＡ（拡張グラフィックアレイ）コンピュータスクリーンを作ることが
可能となっている。ヘッドマウント型、ハンドヘルド型、身体装着型、その他の
仮想ディスプレイシステムのような種々のアプリケーションにおいてマイクロデ
ィスプレイの有利さを活かすことができるような小さな仮想ディスプレイシステ
ムを提供することはとても望ましいことである。

【０００４】特に、ヘッドマウントディスプレイシステムは、使用者の頭部に装着され、一つ
あるいは両方の眼に像を投影するような仮想ディスプレイシステムである。ヘッ
ドマウントディスプレイは使用者の動きを制限しないので、時間や日、交通や株
の報告、さらには電子メールを見るような、数々の実際の使用において大きい可
能性を提供する。しかしながら、ヘッドマウントディスプレイを生成することは
典型的には次のような望ましい要因のトレードオフを含む：低重量、大きい視野
、大きいアイレリーフ、大きいアイボックス、およびコンパクトなデザイン。理
想的には、サングラス程度の侵入性であり、消費者にとって望ましいスタイルを
有することが可能なヘッドマウントディスプレイを有することが好まれる。本発
明は、特に、そのような理想的なヘッドマウントディスプレイを形成するのに適
する仮想画像システムを提供するものである。

【０００５】発明の概要本発明は、使用者に対して拡大された視範囲（すなわち、拡大された「アイボ
ックス」）を提供する仮想画像システムを提供するものである。本システムは、
使用者が、物理的ディスプレイや他のオブジェクトの仮想画像である、オブジェ
クトフィールドの虚像を見ることを可能とする。このシステムは、少なくとも一
つのレンズを含む画像サブシステムを有している。画像システムは、そのオブジ
ェクトフィールドがその焦点あるいは焦点の近傍にあり、該オブジェクトフィー
ルドの虚像を無限遠あるいはその近傍に位置できるように、配置される。一つの
実施形態では、画像サブシステムはまた該レンズのほぼ焦点距離だけレンズから
離間している画像生成器を有している。このシステムはさらにアイボックススプ
レッダを有しており、アイボックススプレッダは該画像サブシステムから伝達さ
れた光を受け取り、その光を使用者の目へと方向を変えるように配設される。ア
イボックススプレッダは、該画像サブシステムのアイボックス、すなわち、それ
を通して使用者が完全な虚像を見ることができる横方向範囲(lateral range)、
を有効に拡大するように構成されている。このアイボック拡張構成は、使用者が
、より簡単に自分の位置を決めて虚像を見ることができるものでありながら、同
時に、本発明に係る仮想画像システムをコンパクトに構成して軽量化することを
可能とする。アイボックススプレッダは、画像サブシステムの虚像が無限遠ある
いはその近傍に配置され、オブジェクトフィールドの明確な画像を使用者の目に
投影することを必要とする。

【０００６】画像サブシステムのアイボックスを有効に拡大するためのアイボックススプレッ
ダの数々の実施形態が本発明に従って開示される。一つの実施形態では、アイボ
ックススプレッダはフレネル表面を有している。フレネル表面は、その上に平行
する光学的に平らな複数の小面を有するアレイを画定する。画像サブシステムか
ら伝達された光はフレネル表面上の複数の小面にぶつかり、そこから反射するか
、あるいは、それを通過して（屈折して）伝達されて、その横方向の「幅」を拡
大させながら、使用者の目に仕向けられる。フレネル表面は薄い基板の上に設け
ることでフレネルプリズムを形成してもよく、あるいは、フレネル表面はプリズ
ムの上に設けられても良い。さらに、複数のフレネル表面を組み合わせることで
、各フレネル表面の小面がその隣接するフレネル表面の一つあるいは複数の小面
からずれて(offset)いてもよい。

【０００７】他の実施形態において、フレネル表面の各小面は、第一反射率（例えば、５０％
）を有する第一部分と、第二反射率（例えば、１００％）を有する第二部分とを
含み、それぞれがビームスプリッタを形成する。ビームスプリッタの第一部分は
画像サブシステムから受け取った光を部分的に伝達する一方、受け取った光を部
分的に使用者の目に向かって反射させ、第一の一連の波面を形成するようになっ
ている。ビームスプリッタの第二部分は該ビームスプリッタの第一部分から伝達
された光を受け取り、少なくとも部分的に、受け取った光を使用者の目に向けて
反射させ、第二の一連の波面を形成する。第一および第二の一連の波面は交互に
組み合わされることで連続した波面を形成する。換言すると、第二の一連の波面
は、第一の一連の波面によって生成されたギャップを埋めるものであり、さもな
ければ使用者の目が見るであろうダークギャップ(dark gap)をなくすものである
。

【０００８】本発明は、オブジェクトフィールドの虚像を見る使用者のための仮想画像システ
ムのアイボックスを拡大する方法を開示する。該方法において、該オブジェクト
フィールドの虚像は無限遠あるいはその近傍において画像サブシステムによって
映され、各オブジェクトフィールド点の波面が平坦となり、該画像サブシステム
の開口によって決定される横方向の幅(transverse width)を備えている。次に、
波面は、波面の横方向の幅から複数のライトリボン(light ribbon)になるように
順次スライスされる。最後に、複数のライトリボンは使用者の目に向かって仕向
けられ、複数のライトリボンは複数のライトリボンの集合横方向幅(collective
transverse width)に沿って分離される。複数のライトリボンの集合横方向幅は
元の波面の横方向幅よりも大きくなっており、仮想画像システムのアイボックス
は有効に拡大される。

【０００９】本発明の一つの態様では、仮想画像システムのアイボックススプレッダは、それ
を通しての光伝達が可能なように構成されている。このシースルーアイボックス
スプレッダは、ディスプレイを有するヘッドマウントディスプレイを構成するの
に用いることに適しており、使用者はアイボックススプレッダを通して現実世界
を見ることができるものでありながら、その上にディスプレイの虚像を観察する
ことも可能である。この場合、ディスプレイの虚像は現実世界の画像上に重ね合
わされる。

【００１０】本発明の他の態様では、ディスプレイを含む仮想画像システムは、さらに、使用
者の目がディスプレイを見ている時にのみディスプレイを作動させるようになっ
ているアイビュースイッチを有している。一つの実施形態では、アイビュースイ
ッチは、赤外線光源、赤外線センサー、赤外線ビームスプリッタ、および二色性
ビームスプリッタを有している。ディスプレイから伝達された光は、二色性ビー
ムスプリッタによってアイボックススプレッダに仕向けられ、そして使用者の目
へと仕向けられる。赤外線源から伝達された赤外線は赤外線ビームスプリッタお
よび二色性ビームスプリッタによってアイボックススプレッダに仕向けられ、そ
して、使用者の網膜に仕向けられる。使用者の網膜から反射された赤外線はアイ
ボックススプレッダから反射され、二色性ビームスプレッダおよび赤外線ビーム
スプレッダによって赤外線センサーに仕向けられる。ディスプレイは複数の視野
点(view field point)を含み、赤外線センサーは複数のセンサー位置を有してい
る。ディスプレイの各視野点と赤外線センサーの各センサー位置とは一対一の対
応となっている。ディスプレイは、赤外線センサーのセンサー位置のいずれかが
使用者の目から反射された赤外線を検知した時、すなわち、赤外線センサーがデ
ィスプレイに仕向けられた眼が見る角度(eye view-angle)を検知した時に、作動
されるように構成されている。

【００１１】さらに他の態様において、本発明の仮想画像システムは、使用者に被着される眼
鏡の形式として、ヘッドマウント仮想画像システムに組み込まれる。ヘッドマウ
ント仮想画像システムは、フレーム、および、該フレームに搭載された本発明の
仮想画像システムを有する。前に述べたように、仮想画像システムは、画像サブ
システムおよびアイボックススプレッダを有している。一つの実施形態では、画
像サブシステムは画像サブシステムのオブジェクトフィールドに配設されたディ
スプレイ、該ディスプレイに情報を供給するディスプレイコントローラ、該ディ
スプレイコントローラに電力を供給するバッテリを有している。例えば、ディス
プレイコントローラは、時間、日、使用者の脈拍のような検知されたデータ、住
所のような格納されたデータ、携帯電話の呼び出し（着信音）のような通知デー
タ、のような情報を提供する。

【００１２】アイボックススプレッダを組み込んで有効にアイボックスを拡大することによっ
て、本発明は、コストを低減させると共に、また仮想画像システムのサイズを小
さくすることができる。さらに、アイボックススプレッダは、望ましい形状およ
び眼鏡の形状に適合するように虚像を仕向け、ヘッドマウントディスプレイのデ
ザインを向上させる。実際、本発明に係るコンパクトで、軽量、かつ高いパフォ
ーマンスの仮想画像システムは、理想的には、サングラスの形状のヘッドマウン
トディスプレイシステムのような、使用者の頭部に巻き付くようなヘッドマウン
ト仮想画像システムに使用される。

【００１３】好適な実施形態の詳細な説明図２Ａにおいて、本発明は、使用者がオブジェクトフィールドの虚像を見るため
の仮想画像システム１０を提供する。システム１０は、少なくとも一つのレンズ
１４を有する画像サブシステム１１を有している。画像サブシステム１１は、そ
のオブジェクトフィールド１３がその焦点あるいは焦点近傍にくるように位置決
めされ、オブジェクトフィールドの虚像を無限遠あるいはその近傍に位置させる
ようになっている。仮想画像システム１０はさらにアイボックススプレッダ１６
を有し、画像サブシステム１１から光線１８を受け取り、受け取った光１８´を
使用者の目２に仕向けるようになっている。アイボックススプレッダ１６は画像
サブシステム１１の「アイボックス」を拡大するように構成されている。具体的
には、アイボックススプレッダ１６は、図２Ａに示すように「Ａ」から「Ｂ」へ
、平坦な波面の幅を拡大し、もって、横方向の範囲(lateral range)（すなわち
、「アイボックス」）を拡大し、それ全体にわたって使用者の目２が移動でき、
かつ虚像を見ることができる。これによって、仮想画像システム１０全体をコン
パクトは構成かつ軽量にできるものでありながら、使用者が快適な焦点距離にお
いて虚像を見ることを可能とする。レンズ１４は一つのレンズ、あるいは複数の
レンズを組み合わせて形成されるものであってもよいことは当業者にとって明白
であることは理解される。

【００１４】本発明の説明における補助のため、次に述べる用語が規定され、そして図３に示
される：アイボックス幅２０、アイレリーフ２２、および視野角（ＦＯＶ）２４
。先ず、アイボックス幅２０は横方向範囲であって、それを通して目２が仮想画
像システムに関連して移動することができ、与えられたアイレリーフのためのデ
ィスプレイ８（すなわち、オブジェクトフィールド）の全体の画像を見ることが
できる。アイレリーフ２２は、眼２と仮想画像システムのレンズ４との距離であ
る。アイボックス幅２０とアイレリーフ２２は、下記の式（３）に示すように、
アイレリーフが大きいほど、アイボックス幅が小さくなることにおいて、互いに
関連している。最後に、ＦＯＶ２４は、眼２に対するディスプレイ８の虚像の角
度である。

【００１５】本記述に用いられる他の用語および概念は、近軸薄肉レンズ２６に基づいた仮想
ディスプレイシステムを示す図４に関連して記載される。この画像システムの特
徴は次に述べる式に模式化される。

【数１】ここに、ｆは焦点距離；Ｓ_ｉｍｇはレンズ面に関する虚像６の位置；そしてＳ_ｏ _ｂｊ（＝Ｄ）はレンズ面に関するディスプレイ（オブジェクト）８の位置である
。上記式（１）にしたがって、もし、ディスプレイの虚像６がレンズ２６から２
ｍであり、レンズの焦点距離が２０ｍｍであれば、Ｄ＝１９．８ｍｍとなる。本
発明に従う最も関心のあるアプリケーションにとって、Ｄはｆとほぼ同じであり
、Ｓ_ｉｍｇ＞＞ｆ、すなわち、Ｓ_ｉｍｇは「無限遠近傍」である。

【００１６】引き続き図４において、ディスプレイ寸法をＬとすると、ＦＯＶは次の式によっ
て与えられる。

【数２】

【００１７】薄肉レンズ仮定において、アイレリーフがＥＲとすると、アイボックス幅ＥＢは
次の式によって与えられる。

【数３】ここで、Ａはレンズ開口である。

【００１８】図２Ａに戻って、仮想画像システム１０、特にシステム１０のアイボックスを拡
大するためのアイボックススプレッダ１６が詳細に説明される。平坦な（平面状
）波面１８がオブジェクトフィールド１３の地点からレンズ１４によって投影さ
れる。アイボックススプレッダ１６は画像サブシステム１１のレンズ開口を出射
する平坦状波面の幅「Ａ」をより大きい幅「Ｂ」へと拡大し、仮想画像サブシス
テム１１のアイボックス幅を拡大する（上記式（３）を参照）。有効に機能する
ため、アイボックススプレッダ１６はオブジェクトフィールド１３の虚像が無限
遠あるいは無限遠近傍に現れるように配置される。記述の実施形態において、こ
れは、オブジェクトフィールド１３をオブジェクトレンズ１４からの焦点距離「
Ｆ」あるいはその近傍に配設することによって達成される。虚像が無限遠あるい
は無限遠近傍に位置された時に、オブジェクトフィールド地点からの波面は平坦
に近く、したがって、アイボックススプレッダ１６によって操作することができ
、虚像に対して重大な非点収差、ピンぼけ、あるいは二重画像構造を与えること
なく、有効にアイボックス幅を拡張、拡大することができる。図５は、波面Ａ´
、Ｂ´を示しており、これらはそれぞれオブジェクトポイントＡ、Ｂから得られ
たものであり、平坦（すなわち平面）である。

【００１９】オブジェクトフィールド１３は単に現実の風景画像を捕獲する。例えば、画像サ
ブシステム１１は、幾らかの拡大を伴う現実のシーンの仮想画像を生成する双眼
鏡である。あるいは、画像サブシステム１１は選択的にオブジェクトフィールド
１３に画像を生成するための画像生成器１５を含んでいる。画像生成器の限定さ
れない例が図２Ｂおよび２Ｃに示してある。図２Ｂは、マイクロディスプレイの
ようなディスプレイ１２を示しており、図２Ａの画像サブシステム１１のオブジ
ェクトフィールド１３に配設される。図２Ｃは他のタイプのスキャナーベースデ
ィスプレイ４０を示しており、画像サブシステム１１のオブジェクトフィールド
１３に画像を形成する。当該分野において知られているように、スキャナーベー
スディスプレイ４０においては、点源４１からの平行光はレンズ４３を介してス
キャナ４５に仕向けられ、スキャナ４５は素早く動きながら異なる角度において
源４１の虚像を仕向けて、オブジェクトフィールド１３に複合虚像を作り上げる
。

【００２０】Ａ．アイボックススプレッダアイボックススプレッダ１６は、本発明に係る仮想画像システムのアイボック
ス幅を有効に拡大できるものである限り、数々の様式によって構成される。続い
て、本発明に使用するのにふさわしいアイボックススプレッダの限定されない幾
つかの例を記述する。

【００２１】（１）正面反射フレネルアイボックススプレッダ図２Ａは、反射フレネルプリズム２８の形式として構成されたアイボックススプ
レッダ１６を示している。付加的に図６を参照すると、反射フレネルプリズム２
８は、フレネル表面２９を含む概ね平らな光学要素である。フレネル表面２９は
、平行で、光学的に平らな複数の小面３０の規則的なアレイを画定している。こ
こにおいて、小面に入射された光の振る舞いが制御可能な様式で該小面から反射
しあるいは通過して本発明の目的を達成できるような時に、すなわち有効にアイ
ボックスを広げる時に、小面が光学的に平坦であるとする。図２Ａにおいて、フ
レネル表面２９は画像サブシステム１１から伝達された光を反射することに用い
られ、各小面３０はフラットミラーである。各小面３０は小面ベース角度φ_ｆｂによってプリズム２８の名目表面（すなわち、「ベース面」３２）から傾斜して
いる。小面のピッチＰは基面３２上に突出した小面３０の幅である。図６におい
て、小面ベース角度はφ_ｆｂ＝３０°として描かれている。ベース面法線３１に
対する波面入射角度はφ_ｉ＝６０°に描かれており、したがってベース面法線３
１に対する反射角はφ_ｒ＝φ_ｉ−２φ_ｆｂ＝０°である。フレネル表面２９の各
小面３０は、φ_ｒにおける入射波面のライトリボン３４を反射する。図示のよう
に、反射された波面は連続ではなく、ダークギャップによってこれらのライトリ
ボン３４の生地は間隔を存して配設されている。反射された光の各ライトリボン
３４の幅Ｗは以下の式によって与えられる。

【数４】同様に、ダークギャップＧの幅は以下の式によって与えられる。

【数５】図６の例において、Ｗ＝Ｇ＝１／２Ｐである。

【００２２】正確な寸法範囲となるようにＷを設計することは重要である。Ｗが小さすぎる場
合には、回折効果が画像解像度を低減し、ぼけが生じる。図６の例にしたがって
進めると、各光リボン３４からの回析は幅１／２Ｐの薄いスリット開口からの回
析によって近づけられ、センターローブの角度拡がりは４λ／Ｐであり、ここで
λは該光の波長である。０．６×１０^−３ラジアンの人間の視覚解像度限界より
低く回析を維持するため、角度拡がりは０．６×１０^−３＞４λ／Ｐの関係によ
って制約され、これはピッチＰが、λ＝５００ｎｍ光の場合に３．４ｍｍよりも
大きくなければならないことを意味する。一方、Ｗが大き過ぎる場合には、瞳孔
はダークギャップを見ることで像を失うであろう。像が見えた場合であっても、
多くの状態においてダークギャップが依然として見えるであろう。しかしながら
、多くの背景が黒である時に、限られた情報の状態下において、ダークギャップ
はさほど見えるものではないであろう。

【００２３】ライトリボン３４間のダークギャップＧが使用者の瞳孔の径よりも大きい場合に
は、像は閉じられ、像の詳細は失われる。したがって、完全な像を見るためには
、Ｇは使用者にとって十分に小さいものであることが必要である。同時に、Ｇが
小さい時には、観察においてライト／ダークシャッターが重畳するような人工生
成物が発現する。

【００２４】上記の全てを考慮すると、本発明に従った一つの好ましい設計スペースは、Ｗ＞
０．２ｍｍおよびＧ＜２ｍｍを指示し、回析および閉められる人口生成物に対す
るアイボックス拡大パフォーマンスのバランスを取るようになっている。当業者
にとって、ＷおよびＧの他の設計が可能であり、ある特有のアプリケーションで
はそれが望ましいであろうことは理解される。

【００２５】図２Ａに戻って、入射波面幅Ａに対する反射された波面幅Ｂの率、すなわち、Ｂ
／Ａは、アイボックス拡大率Ｒ_ＥＳであり、これは次式によって与えられる。

【数６】

【００２６】図６の実施形態はＲ_ＥＳ＝２である。この数が大きければ大きいほど、アイボッ
クス幅（起こり得るシャッターおよび回析人工生成物を犠牲にして）は大きくな
る。

【００２７】ここまで、アイボックス拡大を、一つの入射角を伴った一つの平坦な波面との文
脈において記述した。しかしながら、実際の仮想画像システムはゼロでない視野
角（ＦＯＶ）を有している。したがって、当業者に理解されるように、実際には
、アイボックススプレッダは、仮想画像のＦＯＶをカバーする入射角の範囲を実
行するように構成されなければならない。

【００２８】また、フレネル表面は反射形式においてのみならず透過形式においても用いるこ
とができることは当業者に理解される。透過形式において、該フレネル表面の小
面に衝突する光は反射されるのではなく屈折される。伝達あるいは反射のいずれ
の形式においても、アイボックススプレッダはアイボックス幅を広げるように働
く。

【００２９】図２Ｄは、図２Ａの画像サブシステム１１のレンズ１４を出射する光線の波面を
図示し、図２Ｅは、図２Ａのアイボックススプレッダ１６を出射する光線の有効
な波面を図示している。図２Ｅに示すように、アイボックススプレッダとしての
フレネル小面化表面２９の使用は波面を、その間にダークギャップ領域３９が挿
入されたより小さい「ビームレット」３８に分断するように働き、光線波面を引
き伸ばす（平らにする）。ライトリボンの経路差に基づく位相ラグは機能的には
重大ではないので、図示しない。最終結果は、ビームレット３８によって作られ
る波面が図２Ｄに示す元の波面の形と良好な近似となることである。したがって
、アイボックススプレッダとしてこのような小面化表面を用いることが、アイボ
ックススプレッダから出射する波面に含まれているであろう湾曲を低減すること
において有利であることは評価される。許容できる湾曲の限界は、許容できる解
像度に依存する。眼の解像はおよそ３０アーク秒なので、眼の瞳に入射するベス
トフィット球状波面からの波面からの偏向は３０アーク秒より小さいものでなけ
ればならない。より低い解像度アプリケーションにおいては、制約は緩和される
。

【００３０】上述のフレネルプリズム２８、および本発明の記述に記載された他の光学要素は
、適切なガラス、あるいは射出成形、鋳造あるいは圧縮成形によるプラスチック
から構成されるであろう。

【００３１】（２）背面反射フレネルアイボックススプレッダ図７は、本発明におけるアイボックススプレッダの他の実施形態を示すものであ
る。図７のアイボックススプレッダは、図２Ａに示す仮想画像システムのような
、本発明の仮想画像システムに適切に組み込まれる。図７のアイボックススプレ
ッダも、図２Ａの実施形態のようにフレネルプリズム２８を備えているが、本実
施形態では、フレネルプリズム２８はひっくり返されており、仮想画像システム
１１からの光１８はフレネルプリズム２８の光学的に平坦なベース面３２に入射
する。ベース面３２およびフレネルプリズム２８を通過する光はプリズム２８の
小面３０から内部的に反射され、ベース面３２から再び現れる。本実施形態の実
効性は、入射光および反射光がプリズム２８のベース面３２を通して異なる角度
で屈折し、横の色収差を生じさせるという理由から制限されるであろう。しかし
ながら、この制限は、挟帯域照明が使用された場合には問題とはならないであろ
う。

【００３２】前に述べたように、上述のフレネルプリズム２８は、適切なガラス、あるいは射
出成形、鋳造あるいは圧縮成形によるプラスチックから構成されるであろう。射
出成形（または、鋳造あるいは圧縮成形）における制限は、小面３０の隅部およ
びエッジ近傍のストレスが往々にして重要であり、色歪みをもたらすかもしれな
いということである。単色ディスプレイを用いるアプリケーションもあり、その
場合にはこの問題は生じない。低−ストレス成形方法を用いることも可能である
。

【００３３】（３）プリズム表面アイボックススプレッダ上の反射フレネル表面図８は図７を参照して上述した背面反射フレネルアイボックススプレッダの変形
を示す。適当な面角度を備えたフレネル小面化表面２９を有するフレネルプリズ
ム２８の正面（入射側）に直角プリズムのようなプリズムを付加してインデック
スマッチング(index matching)を行なうことで（すなわち、プリズムの屈折率を
釣り合わせる）、横色変調は取り除かれる。あるいは、図８に示すアイボックス
スプレッダは一つの片から一体的に形成されてもよい。この実施形態は、仮想画
像システムの全体の大きさを小さくできるという利点がある。具体的には、レン
ズ１４（図２Ａ）が用いられた場合には、レンズ幅（あるいは径）はオブジェク
トフィールド（すなわちディスプレイ）からの光によってフレネルプリズム２８
を最大に満たすのに十分なように大きくする必要がある。換言すると、オブジェ
クトフィールド像の左右の極端を画定する光線は、それぞれフレネルプリズム２
８の左右の極端から反射されなければならないからであり、さもなければ、使用
者のアイボックスは縮小されてしまう。例えば、図８において、点線および実線
はプリズム４２を通過する光線の伝達路を表しており、プリズム４２の屈折率は
それぞれ１．０、１．５である。図示のように、屈折率の増加は左右極端の光線
間の角度を小さくし、フレネルプリズム２８を通してレンズから伝達された時に
光線が収束しにくくなる。結果として、屈折率の増加は、ＢからＡへ、必要とさ
れるレンズ幅を低減させる。そして仮想画像システムの全体の寸法を低減する。

【００３４】あるいは、さらに図９に示すように、本実施形態を実行する他の方法が、直角プ
リズム４２の背面の平らな表面に対してフレネルプリズム２８の小面化表面２９
の屈折率を釣り合わせる。好ましくは、材料が流れて小面３０の回りに固定され
る時に屈折率の不均一を示さないような液体、ジェル、あるいは他の透光材料４
４が、二つの構成部品の間に適用される。

【００３５】（４）ギャップ−充填小面化反射アイボックススプレッダ図１０Ａ−１０Ｅは、アイボックススプレッダのさらに他の実施形態を示す。こ
の実施形態は、平行する小面の規則的なパターンを採用する点において図２Ａ，
７，８，９に示したフレネル表面に基づくアイボックススプレッダの変形である
が、複数の波面（図２Ｅにおける３９参照）間のダークギャップ領域が第の二像
によって充填され、ライト／ダークシャッター効果を低減する。この第二の像は
幾つかの方法によって生成される。

【００３６】具体的に、図１０Ａ，１０Ｂにおいて、本実施形態のアイボックススプレッダ４
６は、平行状の小面のアレイを画定するフレネル表面を含んでおり、各小面はビ
ームスプリッタ４８を形成している。図示の実施形態において、小面（ビームス
プリッタ）４８は、光学的に平坦な二つの表面を備えた透光基板に埋設されてお
り、プリズム４２の表面に設けてある。それぞれのビームスプリッタ４８は、異
なる反射率を備えた複数の部分を有しており、例えば、第一部分５２は５０％の
反射率で、第二部分５４は１００％の反射率である。よって、第一ビームスプリ
ッタ４８ａの１００％反射部分５４への入射光はそこから反射され、一方、５０
％反射部分５２への入射光は一部からそこから反射され（１８ａ）、一部はそこ
を透過する。第一ビームスプリッタ４８ａの５０％反射部分５２を透過した光は
、次に第二ビームスプリッタ４８ｂの１００％反射部分５４に受け取られ、受信
光を使用者の眼（１８ｂ）へと反射する。さらに、図１０Ｄにおいて、このよう
に配設された一連のビームスプリッタ４８は、それぞれ５０％反射部分５２から
反射する第一の一連の波面５０ａ、それぞれ１００％反射部分５４から反射する
第二の一連の波面５０ｂを生成する。図示のように、第一および第二の一連の波
面５０ａ、５０ｂは、互いのダークギャップを有利に充填して連続波面を形成し
、ライト／ダークシャッター効果を有効に低減するように、交互に組み合わされ
ている。図１０Ｄにおける波面を描くのに、ライトリボンにおける経路差に基づ
く位相ラグは機能的には重要ではなく、図示されていない。

【００３７】各ビームスプリッタ４８は、該ビームスプリッタの両側へ適用される均一な屈折
率を有する材料を含まなければならない。この配設は、ビームスプリッタ４８を
通過するいかなる波面をも非偏向経路上に維持させる。

【００３８】前と同じように、本発明のアイボックススプレッダ４６は、図２Ａに示すような
仮想画像システムに適して用いられる。図１０Ｃは、本実施形態のアイボックス
スプレッダ４６を組み込んだ図２Ａの画像サブシステム１１のレンズ１４を出射
する光線の波面を示している。図１０Ｃと図１０Ｄを比較することで理解される
ように、図示の実施形態のアイボックススプレッダ４６は波面の幅をＡから２Ａ
へと二倍にするように設計されており、よってアイボックス幅を拡大する。

【００３９】各小面（すなわち、一つのビームスプリッタ）４８に沿ったコーティングは、好
ましくは、明るさの均一性のために最適化される。そのため、それぞれ、部分５
２、５４からの第一および第二小面反射を用いる図示の実施形態において、コー
ティングは、部分５２および５４がそれぞれ５０％、１００％の反射率を持つよ
うに選択される。結果として、名目入射角において、第一小面反射において部分
５２から５０％の光が反射され（１８ａ）、第二小面反射において部分５４から
１００％の残りの光（５０％）が反射される（１８ｂ）。これは、各反射からの
均一な明るさを生成する。

【００４０】小面の角度および該小面上に適用される反射コーティングを注意深く選択するこ
とによって、本実施形態は、さもなければ存在することになるであろういかなる
ダークギャップを有効に充填する。さらに、構成態様に依存して、この設計は第
三小面反射、あるいはそれより多い反射を採用して効果的にいかなるダークギャ
ップをも充填するようにしてもよい。ここでの目的は、アイボックススプレッダ
４６を出射する光線のための元の波面（図１０Ｃ）の良好な近似（図１０Ｄ）を
作り出すことにある。

【００４１】例えば、図１０Ｅは、第一から第四までの小面反射を採用した実施形態を示して
おり、これらは明るさの均一性のため最適化されている。この場合、各ビームス
プリッタ４８は最適にコーティングされ、その反射率が、四つの段階において、
その表面に沿って変化する：コーティング反射率が２５％（Ｒ＝１／４）である
第一部分５６；コーティング反射率が３３％（Ｒ＝１／３）である第二部分５８
；コーティング反射率が５０％（Ｒ＝１／２）である第三部分６０；そしてコー
ティング反射率が１００％（Ｒ＝１）である第四部分である。このようにして、
第一、第二、第三、第四小面反射は明るさ均一性を獲得する。

【００４２】明るさ均一性コーティング態様を一般化するため、アイボックススプレッダが最
大Ｎ個の小面反射を有する場合、各小面（すなわち、ビームスプリッタ）に沿っ
た反射率は、Ｎ小面反射の各々から等しい明るさを得るように段階状に形成され
る。コーティング反射率「Ｒ」は、小面に沿った段階において以下のように増加
する：第一小面反射のための１／Ｎ；第二小面反射のための１／（Ｎ−１）；第ｍ小面反射のための１／（Ｎ−ｍ＋１）；そして第Ｎ小面反射のための一体の反射率。

【００４３】次に図１１Ａから１１Ｄにおいて、ギャップ−充填小面化された反射アイボック
ススプレッダ４６を形成する方法について記述する。この方法は、積層されコー
ティングされたガラス（あるいはプラスチック）からなる複数のシートを斜めに
スライスして磨いたものを使用する。

【００４４】まず、図１１Ａにおいて、ガラスシート６４が提供される。あるいは、プラスチ
ックシートを用いても良い。ガラスのサイズは、幅（Ｗ）×長さ（Ｌ）×厚さ（
Ｔ、図１１Ｂ参照）である。ガラス６４は、異なる反射率を有する鏡面化ストリ
ップ６６，６７，６８の正確な一連の繰り返しを生成するスライディングマスク
によって真空コーティングされる。例えば、三つの反射ストリップ６６，６７，
６８はそれぞれ、１００％、５０％、０％の反射であり、各々の幅は１ｍｍであ
り、ガラス６４の幅にわたって３ｍｍ間隔で繰り返される。好ましくは、図１１
Ｃ，１１Ｄを参照して後に理解されるように、幾つかのストリップ幅は続くウエ
ハ挽き(wafer sawing)（図１１Ｃ参照）のための挽き目、および磨き（図１１Ｄ
参照）に割り当てられる。同じコーティング処理が繰り返されて、コーティング
されたガラス（あるいはプラスチック）の複数のシートが作り出される。

【００４５】図１１Ｂにおいて、コーティングされたガラス６４の複数のシートは、シートの
幅に沿って△ｘだけ各々続くシート毎にずらして配設されている。配設されたシ
ートは次いで適切な光学接着剤を用いて積層された積層ブロック７０を作り出す
。積層シフト「△ｘ」およびガラス厚さ「Ｔ」の選択は、本実施形態のアイボッ
クススプレッダ４６の小面ベース角度φ_ｆｂを決定する。図示の実施形態におい
て、９つのガラスシート６４が△ｘ＝１．７３ｍｍで積層されている。もしガラ
ス厚さＴが１ｍｍであれば、小面基部角度φ_ｆｂは、ガラス面法線６９に対して
アークタンジェント（１．７３）＝６０である（図１１Ｃ）。

【００４６】図１１Ｃにおいて、コーティングされかつ積層されたブロック７０は、決定され
た小面ベース角度φ_ｆｂにおいて、複数のウエハ７２に挽かれる。図示するよう
に、各ウエハ７２は、コーティングストリップ６６，６７，６８に平行に沿って
、すなわち、同じコーティングストリップにおいて各ガラスシート６４に交差す
るように、カットされる。

【００４７】最後に、図１１Ｄにおいて、各ウエハ７２のカット側部は適切な研磨具７４によ
って磨かれる。そして、磨かれたガラスウエハ７２はさいの目にされてアイボッ
クススプレッダ４６（図１０Ａ−１０Ｅ）、あるいは他の光学要素を形成する。
本手法を用いて作成したアイボックススプレッダあるいは他の光学要素は屈折率
の不均一性の欠点がなく、いかなる色歪みを有利に低減することができる。

【００４８】図１２は図１０Ａ−１０Ｅのギャップ−充填小面化反射アイボックススプレッダ
４６を形成する他の手法を示す。この手法は、フレネルプリズム２８に対して特
別な傾斜コーティングプロセスを適用する。この手法において、小面３０の第一
部分７６は第一反射率（例えば、５０％、小面３０の元のコーティングの反射率
である）を有する。矢印８０で示すように、傾斜角度から金属（あるいは誘電体
）鏡の蒸気コーティングが行なわれると、小面３０は互いに陰となり、コーティ
ング（例えば、１００％の反射率を有する）は小面３０の第二部分７８にのみ適
用される。この手法はフレネルプリズム２８に対する第一および第二部分７６，
７８のインデックスマッチングが必要とされるが、図１１Ａ−１１Ｄを参照して
説明した手法よりは低コストである。

【００４９】（５）ランダム化反射アイボックススプレッダ図１３において、本実施形態のアイボックススプレッダ８１は、それぞれが平行
で光学的に平坦な小面３０のアレイを含むフレネル表面を備えた複数のフレネル
プリズム１６ａ−１６ｄを有する。複数のフレネルプリズム１６ａ−１６ｄは、
各フレネル表面が隣の表面の小面３０からずれる(offset)ように組み合わされる
。このように構成することで、アイボックススプレッダ８１は入射光線１８ａ−
１８ｄを受け取り、これらをランダムパターン、あるいは碁盤縞パターンに反射
する。このようなランダム反射は波面におけるダークギャップを充填するのでは
なくて、ギャップによって起こされる線模様を使用者が見ることを難しくするも
のである。このようなランダムな反射を起こさせるような数々の他の実施形態が
あることは当業者において理解される。

【００５０】（６）ビームスプリッタアイボックススプレッダ図１４は、ビームスプリッタ８３とミラー８４を有するアイボックススプレッダ
８２のさらに他の実施形態を示す。ビームスプリッタ８３は入射波面１８を、一
部を透過させ、一部を使用者の眼へと反射させること（１８ａ）によって二つに
分ける。そしてミラー８４は該ビームスプリッタ８４を通過した光を受け取って
、それを使用者の眼へと反射させる（１８ｂ）。よって、反射された光線１８ａ
、１８ｂは一つの端縁に沿った二つの波面８５ａ、８５ｂを形成する。図示のよ
うに、本実施形態のアイボックススプレッダ８２は、波面幅を「Ａ」から「２Ａ
」へと有効に二倍にし、実質的にアイボックスを拡大する。

【００５１】波面８５ａ、８５ｂが首尾よく使用者の網膜上の同じ点に焦点を合わせるために
は、二つの波面は実質的に平坦でなければならない。このことは、波面表面法線
（すなわち、波面に対して垂直の線）は、人間の視解像限界を維持するため、目
の瞳径を横切る０．６×１０^−３より小さく変化しなければならない。もし、波
面の湾曲が大き過ぎると、使用者の眼に二つの独立した波面が生成され、使用者
の瞳は、二つの波面８５ａ、８５ｂが会合する地点８６において、ぼけや二重の
像を見る。したがって、本実施形態のアイボックススプレッダ８２は極めて平坦
な波面を生成することができるような優れたレンズを必要とする。

【００５２】本実施形態のアイボックススプレッダ８２が一つのビームスプリッタを含み、そ
れがミラーと組み合わさってアイボックスを二倍にするものとして図示したが、
この実施形態は、二つ以上のビームスプリッタを並列して用い、これらの反射コ
ーティングを適切に調整することによって、より大きいアイボックス拡大を獲得
するように広げることができる。特に、一つのミラーを備えたＮ−１ビームスプ
リッタはアイボックスをＮ倍に拡大する。各ビームスプリッタから同じ明るさ（
同じ光の量）を得て均一な明暗度出力を提供するために、各ビームスプリッタに
適用されるコーティングの反射率は以下のとおりである：第一ビームスプリッタに関する１／Ｎ；第二ビームスプリッタに関する１／（Ｎ−１）；第ｍビームスプリッタに関する１／（Ｎ＋１−ｍ）。

【００５３】（７）回折格子アイボックススプレッダ当業者において理解されるように、アイボックススプレッダは一定の格子ベクト
ルを備えた線形回析格子から形成してもよい。図２Ａ及び７−９を参照して上述
した小面化表面アイボックススプレッダと同様に、回析格子アイボックススプレ
ッダは反射形のみならず透過形としても用いられる。典型的には、回析格子はよ
り大きい色分散を有しているが、レーザ源のような狭帯域照明においては、回析
格子アイボックススプレッダは有効であろう。

【００５４】上述した数々のアイボックススプレッダの記載から明らかなように、本発明は、
使用者がオブジェクトフィールドの虚像を観察するための仮想画像システムのア
イボックスを拡大する方法を提供するものである。本手法によると、オブジェク
トフィールドの虚像は無限遠あるいはその近傍に位置する。上述したように、こ
れは各オブジェクトフィールド点の波面が平坦であることをもたらす。次に、波
面は波面を横幅から複数のライトリボンへと順次スライスされる。（図６の３４
参照）。最後に、複数のライトリボンは使用者の眼へと方向を変更され、複数の
ライトリボンは複数のライトリボンの集合横幅に沿って分離される。この点にお
いて、複数のライトリボンの集合横幅「Ｗ２」（図６）は元の波面の横幅「Ｗ１
」（図６）よりも大きく、よって仮想画像システムのアイボックスを有効に拡大
する。

【００５５】Ｂ．関連技術次に、本発明の仮想画像システムのパフォーマンス、特徴、あるいは実行を向上
させるためにアイボックススプレッダと共に用いられるであろう幾つかの関連技
術について説明する。続く記述において、アイボックススプレッダは上述した実
施形態のいずれでも良いものとして理解される。

【００５６】（１）非無限遠固定焦点図１５において、仮想画像システム１０は、ディスプレイ８とレンズ１４を有す
る仮想画像サブシステム１１、およびアイボックススプレッダ１６（フレネルプ
リズムとして図示されている）を有する。ディスプレイ８とレンズ１４はレンズ
１４の焦点距離Ｆによって離間しており、ディスプレイ８の虚像を無限遠あるい
はその近傍に置くようにしている。しかしながら、幾つかのアプリケーションに
おいて、虚像の焦点深度を調整することが好ましい。これに関連して、アイボッ
クススプレッダを備えた仮想画像システム１０の焦点を無限遠以外の距離に設定
するために、薄型(low-profile)（低屈折率）レンズ８８を、アイボックススプ
レッダ１６と使用者の眼（図示せず）の間に全体有効アイボックス幅にわたって
付加することができる。レンズ８８は、特有なアプリケーションによって決定さ
れる適切な焦点距離に焦点を移動することができる。レンズ８８は使用者の処方
レンズであってもよい。

【００５７】（２）シースルーアイボックススプレッダ図１６Ａおよび１６Ｂにおいて、シースルーアイボックススプレッダ９０ａ、９
０ｂが記載されている。シースルーアイボックススプレッダ９０ａ、９０ｂは、
重大な光学的歪み無しに、使用者がアイボックススプレッダを通して見ることを
可能とする。本質的に、シースルーアイボックススプレッダ９０ａ、９０ｂは光
がそれを透過するような手段を備えている。このようなシースルーアイボックス
は、光学的に平坦な二つの表面を備えた透光基板内に小面化したフレネル表面を
埋設することによって形成される。具体的には、図１６Ａにおいて、一つの実施
形態のシースルーアイボックススプレッダ９０ａが二つの要素９２ａ、９２ｂか
ら形成されている。二つの要素９２ａ、９２ｂは概ね三角形状の断面を有してお
り、両方が小面化された表面を有しており、小面化表面は小面化インターフェー
ス９３において嵌り合っている。二つの要素９２ａ、９２ｂを小面化インターフ
ェース９３に沿って組み合わせる前に、半透光（すなわち、半反射）コーティン
グが小面化された表面の一つに沿って適用される。このように構成することで、
小面化インターフェース９３は点線矢印９４で示すように部分的に光を透過させ
る。あるいはまたは付加して、ギャップ（非コーティング領域）が小面化インタ
ーフェース９３に残され、そこを光が通過するようにしてもよい。本記述におい
て、そこを通して光を透過させるギャップを含む小面化インターフェース９３も
また半透光であると特徴付ける。第一要素９２ａの平坦入射側９６と第二要素９
２ｂの平坦出射側９８は互いに平行を維持しており、歪みなく光が通過できるよ
うになっている。さらに、二つの要素９２ａ、９２ｂは、さもなければ小面化イ
ンターフェース９３の回りに生ずるであろう光学的歪みを最小化するように屈折
率を釣り合わせることが好ましい。

【００５８】図１６Ｂは他の実施形態のシースルーアイボックススプレッダ９０ｂを示してお
り、小面化インターフェース９３に沿って噛み合った二つの要素１００ａ、１０
０ｂを有している。この実施形態において、二つの要素１００ａ、１００ｂは図
示ように実質的に平らである。前と同じように、小面化インターフェース９３は
半透光コーティングおよび／あるいはギャップを有しており、そこを光が通過で
きるようになっている。さらに前と同じように、光歪みを最小化するため、平坦
入射側９７と平坦出射側９８が互いに平行を維持している。好ましくは、二つの
要素１００Ａ、１００Ｂは屈折率をつり合わせてある。

【００５９】シースルーアイボックススプレッダは特にヘッドマウントディスプレイアプリケ
ーションにおいて有用であり、使用者はアイボックススプレッダを通して現実世
界を見ることができる。

【００６０】（３）内部反射を備えたライトパイプ図１７は、本発明の仮想画像システムに組み込まれるであろうライトパイプ１０
０を示している。図示のように、ライトパイプ１００は光１０２をレンズ１４か
らアイボックススプレッダ１６に、そして使用者の眼（図示せず）へと仕向ける
ように構成される。パイプ１００の厚さＴはＡ／（２ｓｉｎ(φ_ｉ)）の大きさま
で小さくすることができ、ここでＡはレンズ開口、φ_ｉはパイプ１００における
光軸の入射角度である。虚像のＦＯＶが大きくなると、像の中の最大線角度がパ
イプに沿って分岐することを許容するためＴもまた大きくなることは理解される
。

【００６１】（４）反射レンズを備えた偏向折曲経路図１８は本発明の仮想画像システムにおけるライトパイプ１０４の他の使用を示
す。この実施形態において、ディスプレイ１２からの光１０２ａは面偏向であり
、ライトパイプ１０４の壁面からの一つ以上の内部全反射の後、反射レンズ１４
に伝達される。レンズ１４近傍の一つの反射において、光１０２ａは、ライトパ
イプ１０４の壁面へのあるいはライトパイプ１０４とアイボックススプレッダ１
６との間に接着した薄肉要素へのコーティングである偏向ビームスプリッタ１０
６にぶつかる。光１０２ａの偏向は、光１０２ａが偏向ビームスプリッタ１０６
から反射してライトパイプ１０４を通ってレンズ１４に伝達するように選択され
る。偏向ビームスプリッタ１０６からの反射とレンズ１４との間で、光は１／４
波長（1/4波）板１０８を通過し、円偏向光に変化する。光はそしてレンズ１４
から反射され再び１／４波長板１０８を通過し、偏向ビームスプリッタ１０６へ
向かって進む。１／４波長板１０８を２回通過することで、光１０２ｂの偏向は
その元の偏向（光１０２ａにおける）から９０度回転しており、光１０２ｂは偏
向ビームスプリッタ１０６を通過してアイボックススプレッダ１６へと伝達する
。伝達された光１０２ｂはアイボックススプレッダ１６によって方向を変えられ
、ライトパイプ１０４を通過してそこから使用者の眼２へと伝達される。

【００６２】（５）ディスプレイに電力を供給するためのアイビュースイッチ図１９は、一つのディスプレイ１２と一つのレンズ１４を有する画像サブシステ
ムとアイボックススプレッダ１６を含む画像仮想システム１０９を示しており、
該システムは好適には使用者の頭部に装着されるヘッドマウントディスプレイ（
ＨＭＤ）の形式である。ＨＭＤの電力要求を最小化するため、ＨＭＤはさらに、
使用者の眼２がディスプレイ１２を見ている時のみに、ディスプレイ１２をオフ
状態（あるいはスタンバイ状態）からオン状態へと活動させるアイビュースイッ
チ１１０を有している。

【００６３】例えば、眼２がディスプレイ１２を見ている時に、眼の観察方向はアイビュー角
度スイッチ１１０におけるセンサーによって検知され、スイッチがディスプレイ
１２を活動させてオン状態とするようになっている。眼２が他の場所を見た時に
は、ディスプレイ１２はオフ状態に切り換わる。

【００６４】一つの実施形態において、アイビュースイッチ１１０は赤外線（ＩＲ）源１１１
、ＩＲセンサー１１２、二色性ビームスプリッタ１１４、およびＩＲビームスプ
リッタ１１５を有している。ＩＲセンサー１１２は、ディスプレイ１２の各ビュ
ーフィールド点とＩＲセンサー１１２のある位置が、使用者の眼が該フィールド
点を見た時に、一対一で対応するように、ＨＭＤ１０９に配設されている。これ
は、アイビュースイッチ１１０とＨＭＤ１０９の仮想画像システムとがアイボッ
クススプレッダ１６とレンズ１４に沿った光路を共有するように配設することで
使用者の較正を用いることなく達成できる。図１９において、アイビュースイッ
チ１１０の光路は実線矢印１１６ａで示してあり、仮想画像システム１０９の光
路は破線矢印１１６ｂで示してある。同時に、図示のように、二色性ビームスプ
リッタ１１４は、分路にそったレンズ１４の焦点に、仮想画像システム１０９の
ディスプレイ１２とアイビューアングルスイッチ１１０のＩＲセンサー１１２の
両方を置くように光路が分かれるように配設される。さらに、ＩＲ源１１１は、
ＩＲビームスプリッタ１１５によってＩＲセンサー１１２から孤立されている。

【００６５】好ましくは、ディスプレイ１２と二色性ビームスプリッタ１１４の間にＩＲフィ
ルター１１９が配設され、ディスプレイ１２からのＩＲ照明がアイビュースイッ
チシステム１１０に入ることを防ぐ。設計の少なくとも部分は、内部全反射ミラ
ー壁１１８を有するライトパイプ１１７に都合よく組み込まれ、概ね使用者の頭
部に巻き付くＨＭＤの形に適合するような外形に作られている。好ましくは、ア
イボックススプレッダ１６は、直角プリズム（図８，９参照）のようなプリズム
１２０に接続されている。図示の実施形態において、ライトパイプ１１７の光出
射表面１２１およびプリズム１２２の光入射表面１２２はそれぞれ対物レンズ１
４の第一および第二のレンズを形成している。

【００６６】作用において、ＩＲ源１１１からのＩＲエネルギーはＩＲビームスプリッタ１１
５によって二色性ビームスプリッタ１１４に仕向けられ、二色性ビームスプリッ
タ１１４は該ＩＲ照明を該レンズ１４を通して、そしてアイボックススプレッダ
１６を介して眼２へと仕向け、網膜１２３上にＩＲ像を投影する。そしてＩＲ網
膜像は同じ光路を逆戻りして、二色性ビームスプリッタ１１４およびＩＲビーム
スプリッタ１１５を介してＩＲセンサー１１２へと辿る。同時に、ディスプレイ
１２上の像は二色性ビームスプリッタ１１４によって該レンズ１４およびアイボ
ックススプレッダ１６を介して眼２へと仕向けられる。

【００６７】機能的には、使用者はディスプレイ１２におけるフィールドポイントを見ており
、そのフィールドポイントは網膜１２３（網膜の中心窩に配設されている）の眼
レンズの特有の焦点上に像を写す。網膜上のこの焦点からの反射は、コニスコピ
ック(coniscopic)顕微鏡反射のように、とても強い。網膜上の焦点は同時に、デ
ィスプレイ１２上のフィールドポイントへの一対一対応を有する特別なセンサー
ポジションにおいてＩＲセンサ１１２上に映し出される。もし、網膜の中心窩の
像地点がＩＲセンサー１１２上にある場合には、信号閾値は越えており、信号は
従来の様式で処理されディスプレイ１２の活動を引き起こす。もし、信号―雑音
比が簡単な閾値化に十分でない場合には、適切な信号処理と共にマルチエレメン
ト二次元（２Ｄ）センサーが用いられ、網膜の中心窩点の存在を決定する。網膜
の中心窩点がＩＲセンサから外れている場合には、ディスプレイ１２はオフ状態
に切り換わる。

【００６８】ここで記述した、アイビュースイッチを伴うＨＭＤは他のアプリケーションを達
成するように変更することもできる。具体的には、図１９に示すＩＲエネルギー
を用いた網膜イメージシステムは、ＨＭＤ上のアイトラッキングやカーソル制御
、網膜マップの適合によるセキュリティクリアランス、あるいは網膜血管の脈セ
ンシングに用いられる。脈センシングアプリケーションは後で詳細に説明する。

【００６９】（６）ＦＯＶ方向の調整図１９を参照して、ＨＭＤのＦＯＶの方向（およびアイボックスの位置）は、Ｈ
ＭＤ画像システムの他の部位に対して、例えば矢印１２５の方向における軸１２
４のような好ましい軸の回りにアイボックススプレッダ１６を小さく回転させた
り傾けたりすることによって使用者によって調整できる。これはとても繊細な調
整である。なぜならＨＭＤのＦＯＶの方向における変化は調整角度を二倍にする
からである。ＨＭＤのＦＯＶの方向（およびアイボックスの位置）を調整するた
めにアイボックススプレッダを傾斜可能とすることの利点は、ＨＭＤにおけるよ
り小さい調整自在仮想画像システムは、寸法が大きく、調整不可の仮想画像シス
テムを用いなければならない代わりに、全ての使用者に対して適応するというこ
とである。

【００７０】Ｃ．ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）設計設計においてコンパクトで軽量な、本発明の仮想画像システムの数々の実施形態
は、スタイリッシュなヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）システムを形成す
るのにとても適している。例えば、本発明に従って、一対の眼鏡（サングラス、
安全眼鏡等）の形のＨＭＤが提供される。

【００７１】図２０Ａ及び２０Ｂを参照して、使用者に被着される眼鏡の形式のＨＭＤ１２６
はフレーム１２７とフレーム１２７上に装着された仮想画像システム１０を有し
ている。図示の実施形態において、仮想画像システム１０は、一つのディスプレ
イ１２と一つのレンズ１４を有する画像サブシステム１１、及びアイボックスス
プレッダ１６を有している。ディスプレイ１２はレンズ１４のほぼ焦点距離に配
設されており、虚像を無限遠あるいはその近傍に位置させる。画像サブシステム
１１はさらに、好ましくはフレーム１２７に装着される、ライン１３０を介して
ディスプレイ１２へ情報を供給するためのディスプレイコントローラ１２８、お
よび、好ましくはフレーム１２７に装着される、ディスプレイコントローラ１２
８に電力を供給するためのバッテリ１２９を有している。図示のように、ディス
プレイコントローラ１２８およびバッテリ１２９は単一のモジュールの中に内装
されている。

【００７２】ディスプレイコントローラ１２８によって供給されディスプレイ１２上に提示さ
れる情報の種類の例としては、時間データ（日、時、タイマー機能等）、センサ
ーデータ（使用者の脈拍、速度、高さ、ピッチ、ロール、ヨー、温度等）、格納
（受信）データ（ＰＤＡ機能、住所、計算機能、電子メール等）、および通知デ
ータ（電子メール受信、携帯電話の呼び出し、約束の通知等）が挙げられる。上
述のデータの多くは、ディスプレイコントローラ１２８とバッテリ１２９と同じ
モジュールにおいてフレーム１２７に装着されるであろう時計１３１を必要とす
る。一つの実施形態では、ディスプレイ１２は、好ましくは、自然照明によって
データを表示する受動ＬＣ透過ディスプレイとして形成される。これによって低
電力の設計ができ、バッテリ重量要求を低減できる。

【００７３】ディスプレイ１２の外形寸法は、連結や端縁耐性に与えられる領域のため、往々
にしてディスプレイ１２の実際の活動領域を大きく越えてしまう。よって、フレ
ーム１２７の表面に対してディスプレイ１２の面を平行に保つことによって、仮
想画像システム１０の厚さを最小化することができ、ＨＭＤ１２６の頭部巻き付
け形式を保持することができる。ディスプレイ１２のデータは、好ましくは、３
ｍｍ×５ｍｍの寸法であり、フレーム１２７の外部上でディスプレイ１２に近接
して配設された散光器１３２を通して周囲の光によって背面照明される。散光器
１３２は周囲光の空間平均を提供し、ＨＭＤ１２６にスタイルを与える機能であ
る。散光器１３２はまた燐光染料をその中に用いることによって限られた光の一
時的な平均を提供する。周囲光を用いることによって、ディスプレイ１２の光レ
ベルが環境に適合し、サングラスを通した伝達に対してより明るくなるため、デ
ィスプレイ１２は良好なコントラストを獲得する。

【００７４】ディスプレイ１２は、ライン１３０を介してディスプレイコントローラ／バッテ
リモジュール１２８，１２９に接続されており、図２０Ａに示すように、フレー
ム１２７のつる(temple)に沿って後方へと移動する。レンズ１４を含む適切な画
像サブシステム１１はディスプレイ１２の虚像を無限遠あるいはその近傍に結像
させるように設けられる。例えば、図示の実施形態では、像は二つのミラー反射
を通して、具体的には、第一ミラー１３３ａと第二ミラー１３３ｂを介して、デ
ィスプレイ１２から対物レンズ１４へと中継される。第一ミラー１３３ａはプリ
ズム１３４の斜辺上にあり、受け取った像を第二ミラー１３３ｂへと反射する。
ミラー１３３ａ、１３３ｂによって光路をこのように曲げることは、光路をフレ
ーム１２７に極めて近接させて巻くものであり、ＨＭＤ１２６のコンパクトなス
タイリングを可能とする。

【００７５】図示の実施形態において、レンズ１４は２５ｍｍの焦点距離を有し、ディスプレ
イ１２からの一つの焦点距離に配設される。アイボックススプレッダ１６は、レ
ンズ１４の後方に配設された正面反射フレネルアイボックススプレッダ（図２Ａ
の２８）を有している。レンズ１４の光軸はアイボックススプレッダ１６（φ_ｉ＝６０）の表面法線１３５に対して６０度の角度で配向しており、アイボックス
スプレッダ（図６参照）の小面ベース角度φ_ｆｂは２０度である。これは、アイ
ボックススプレッダ１６から出てくる光軸は入射光軸から８０度回転しており、
アイボックススプレッダ１６の表面法線１３５から−２０度回転していることを
意味する。上記の式(6)を再び参照して、アイボックス拡大率Ｒ_ＥＳは、アイボ
ックススプレッダ表面法線に対する反射された入射光軸角度のコサイン率、すな
わち、ｃｏｓ(φ_ｒ)／ｃｏｓ(φ_ｉ)である。アイボックスは、アイボックススプ
レッダ１６から出現する光軸に対して垂直の次元および反射面においてこの率だ
け拡大する。図示の場合では、アイボックス拡大率Ｒ_ＥＳは、ｃｏｓ(-20)／ｃ
ｏｓ(60)＝１．８８である。よって、６ｍｍの水平開口を有するレンズによって
、使用者は１１．３ｍｍの水平開口を見ることになる。

【００７６】図２１も図２０Ａおよび２０Ｂに示した一対の眼鏡の形式におけるＨＭＤを形成
するのに適切な仮想画像システムを示しているが、次の差異がある。図２１の実
施形態は、前に述べたようにプラスチック成形からなるであろう、第一および第
二プリズム１３６、１３７を有している。ディスプレイ１２からアイボックスス
プレッダ４６より出て行く光路は実質的にこれらのプリズム１３６、１３７に含
まれている。具体的には、第一プリズム１３６は、ディスプレイ１２に近接して
配設された光入射表面１３８ａと、図２０Ａおよび２０Ｂの第一および第二ミラ
ー１３３ａ、１３３ｂと同じ様式で実質的に機能する第一及び第二内部全反射表
面（ミラー）１３８ｂ、１３８ｃと、対物レンズ１４の第一レンズを形成する出
射表面１３８ｄとを有する。第二プリズム１３７は、対物レンズ１４の第二レン
ズを形成する入射表面１３９ａと、その上にギャップ充填小面化反射アイボック
ススプレッダ４６を有する斜辺１３９ｂ（図１０Ａ−１０Ｅ）、および出射面１
３９ｃとを有する直角プリズムである。第二プリズム１３７の出射面１３９ｃは
、図１５を参照して記述したように、無限遠から虚像焦点を移動させるために低
倍率レンズを有していてもよい。

【００７７】上記からわかるように、本発明に係るヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）は
多くのアプリケーションを有し、ディスプレイ上に数々のデータを提示するよう
に構成される。限定されない例として、図２０Ａ−２１を参照して記述したＨＭ
Ｄシステムは、感知したデータを捕獲してディスプレイに中継するセンサーを有
している。例えば、ＨＭＤセンサーは脈拍センサーである。脈拍センサーによっ
て検出された脈拍はディスプレイコントローラ１２８に中継され、脈拍情報をデ
ィスプレイ１２に進めて処理し、使用者がその脈拍を監視できるようにする。本
発明に適して用いられる脈拍センサーの特別な実施形態を以下に説明する。

【００７８】第一に、脈拍モニタは赤外線センサーである。ＩＲ源とＩＲセンサーの組み合わ
せは使用者の血管を「見る」ことを提供し、使用者の脈拍を決定するためにＩＲ
光信号の変調を測定する。使用者の血管が監視される四つの場所は耳の柔らかい
組織（例えば：耳たぶ、耳と頭部とを結合する接続組織）、こめかみ、鼻、そし
て眼（網膜あるいは角膜）である。特に、網膜脈拍は図１９に関連した上述の網
膜画像システムを用いることで監視される。

【００７９】第二に、脈拍センサーは、血管の上に用いられパルス信号を検知する圧力センサ
ーから形成されてもよい。圧力センサーが適用される二つの場所はこめかみと耳
の後である。

【００８０】第三に、二点電気ポテンシャルセンサーを脈拍センサーとして用いても良い。こ
のセンサーにおいて、使用者の頭部において離れた位置において二つの接点が設
けられ、これらの接点の間の皮膚の差分電気ポテンシャルが測定される。脈拍は
電気電圧信号から抽出される。幾つかの接点対位置は：両耳の後、一方の耳の後
と鼻の頭、両方のこめかみの間、一つのこめかみと鼻の頭、および、一つのこめ
かみと一つの耳の後である。

【００８１】選択的に、上述のＨＭＤシステムはさらに、感知されたデータのようなデータを
遠隔データトランシーバ（図示せず）との間で交換する無線トランシーバ１４０
（図２０Ａ）を有していても良い。

【００８２】本発明の仮想イメージシステムは、アイボックス幅を有効に拡大することによっ
て、構成においてコンパクトで軽量な仮想画像システムを構成することを可能と
する。さらに、仮想画像システムにおける光学要素の配置は、虚像が無限遠ある
いはその近傍に位置され、使用者の目に明瞭に提示されるようになされている。
本発明に係るコンパクトで、軽量で、高パフォーマンスの仮想画像システムは理
想的には、そのスタイルや機能に妥協することなく、例えばサングラスの形式に
おいて、使用者の頭部に巻き付くようなヘッドマウント仮想画像システムに用い
られる。

【００８３】好ましい実施形態について図示しかつ説明したが、本発明の精神および範囲を逸
脱しないで数々の変更が行なわれ得ることは理解される。

【図面の簡単な説明】

【図１】仮想画像システムの概念を示す概略図である。

【図２Ａ】画像サブシステムおよび平行で光学的に平坦な小面を画定するフレネル表面の形
式のアイボックススプレッダを含む、本発明に係る仮想画像システムの実施形態
を示す概略図である。

【図２Ｂ】図２Ａにおける画像サブシステムのオブジェクトフィールドに配設されるディス
プレイを示す図である。

【図２Ｃ】図２Ａにおける画像サブシステムのオブジェクトフィールドにおける像を形成す
るように設けられたスキャナーベースディスプレイを示している。

【図２Ｄ】図２Ａにおける画像システムのレンズから出射する光線の波面を示している。

【図２Ｅ】図２Ａにおける画像システムのアイボックススプレッダから出射するビームレッ
トの波面を示している。

【図３】アイボックス、アイレリーフ、視野角（ＦＯＶ）の概念を示す図である。

【図４】仮想画像システムのためのレンズ公式関係を示す図である。

【図５】平坦な波面の概念を示す図である。

【図６】本発明の仮想画像システムに用いられるフレネル表面ベースアイボックススプレ
ッダの作用を示す概略図である。

【図７】本発明の仮想画像システムに用いられるアイボックススプレッダの他の実施形態
を示し、アイボックススプレッダは、フレネルプリズムの後面の表面が入射光に
対抗するように形成されている。

【図８】本発明の仮想画像システムに用いられるアイボックススプレッダのさらに他の実
施形態を示し、アイボックススプレッダは直角プリズム上に設けられたフレネル
小面化表面を有している。

【図９】図８のアイボックススプレッダ−の変形であって、フレネルプリズムと直角プリ
ズムが組み合わされて一体となり、フレネルプリズムの小面化表面は直角プリズ
ムに対向している。

【図１０Ａ】本発明の仮想画像システムに適切に用いられるアイボックススプレッダのさらな
る実施形態であり、フレネル表面の小面の各アレイは、ビームスプリッタのため
に互いに異なる反射率を備えた複数の部分を有している。

【図１０Ｂ】図１０Ａの部分の拡大概略図である。

【図１０Ｃ】図１０Ａのアイボックススプレッダを組み込んだ仮想画像システムのレンズから
出射する光線の波面の概略図である。

【図１０Ｄ】図１０Ａのアイボックススプレッダから出射する光ビームレットの波面の概略図
である。

【図１０Ｅ】図１０Ａおよび１０Ｂのアイボックススプレッダの変形を示す概略図であり、各
ビームスプリッタは異なる反射率の四つの部分を有している。

【図１１Ａ−１１Ｄ】異なる反射率の複数の部分を有するビームスプリッタを形成する方法を示してい
る。

【図１２】傾斜蒸発コーティング手法を用いた、異なる複数の部分を有するビームスプリッ
タを形成する他の手法を示している。

【図１３】本発明の仮想画像システムに適切に用いられるアイボックススプレッダのさらに
他の実施形態であり、アイボックススプレッダは、ランダム反射を生成するよう
にオフセット態様で配設された複数のフレネル表面を有している。

【図１４】本発明の仮想画像システムに適して用いられるアイボックススプレッダのさらに
他の実施形態であり、アイボックススプレッダは一つのビームスプリッタと一つ
のミラーを備えている。

【図１５】本発明の仮想画像システムに組み込まれるであろう、虚像の焦点深さを調整する
ための調整レンズの使用を示している。

【図１６Ａ及び１６Ｂ】共にそれを通して光伝達が可能なように構成されたシースルーアイボックススプ
レッダを示している。

【図１７】本発明の仮想画像システムに組み込まれるであろう、光伝達を案内するライトパ
イプの使用を示している。

【図１８】本発明の仮想画像システムに組み込まれるであろう、光伝達を案内するライトパ
イプの他の使用を示している。

【図１９】本発明の仮想画像システムに組み込まれるであろう、使用者がディスプレイを見
ている時のみにディスプレイを活動させる赤外線（ＩＲ）センサーおよび他の光
学要素の使用を示している。

【図２０Ａ】本発明の仮想画像システムを組み込んだ、眼鏡の形式のヘッドマウントディスプ
レイ設計である。

【図２０Ｂ】図２０Ａの部分の拡大図である。

【図２１】眼鏡の形式のヘッドマウントディスプレイ設計に組み込むのに適した本発明の係
る仮想画像システムの他の実施形態である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】オブジェクトフィールドの虚像を使用者が見るための仮想画像システムであっ
て、該システムは以下のものを含む：少なくとも一つのレンズを有する画像サブシステムであって、該画像サブシス
テムはその焦点あるいは焦点近傍にオブジェクトフィールドを配置させることで
、該虚像を無限遠あるいは無限遠近傍に位置させる；および該画像サブシステムから伝達された光を受け取って、該光を使用者の眼へと向
けるように配設されアイボックススプレッダであって、該アイボックススプレッ
ダは該画像サブシステムのアイボックスを有効に拡大するように構成されており
、該アイボックススプレッダは、その上に平行で光学的に平坦である複数の小面
のアレイを画定するフレネル表面を有する。
【請求項２】請求項１のシステムにおいて、該フレネル表面は該画像サブシステムから伝達さ
れる光を反射させて該光を使用者の眼へと仕向けるように構成されており、該フ
レネル表面の各小面はフラットミラーである。
【請求項３】請求項２のシステムにおいて、該フレネル表面は二つの光学的に平坦な表面を有
する透明基板内に埋設されており、該フレネル表面は該二つの平坦な表面の間に
介装されている。
【請求項４】請求項２のシステムにおいて、該フレネル表面は、第一表面と光学的に平坦な第
二表面を備えた薄い透明基板の第一表面上に位置しており、該光は該第二表面お
よび該基板を通過して該フレネル表面から反射される。
【請求項５】請求項１のシステムにおいて、該フレネル表面は該画像サブシステムから伝達さ
れる光を屈折して該光を使用者の眼へと仕向けるように構成されている。
【請求項６】請求項１のシステムにおいて、該アイボックススプレッダはプリズムの表面に設
けたフレネル表面を有している。
【請求項７】請求項１のシステムにおいて、該複数の小面は複数のライトリボンを生成するよ
うに構成されており、各ライトリボンは０．５ｍｍより大きい幅を有し、ライト
リボン間の間隙は２ｍｍより小さい。
【請求項８】請求項１のシステムにおいて、該アイボックススプレッダは有効にアイボックス
を二倍にするように構成されている。
【請求項９】請求項１のシステムにおいて、該アイボックススプレッダはさらに、その上に平
行で、光学的に平坦な複数の小面のアレイを画定する小面化表面を有する第二の
フレネル表面を有しており、該第一および第二のフレネル表面は、第一フレネル
表面の小面が第二のフレネル表面の小面からずれるように組み合わせてある。
【請求項１０】請求項１のシステムにおいて、さらに該アイボックスと使用者の眼の間に配設し
た調整レンズを含み、該調整レンズは該虚像の焦点深さを調節するように構成さ
れている。
【請求項１１】請求項１のシステムにおいて、該アイボックススプレッダは、それを通過する光
伝達が可能なように構成されている。
【請求項１２】請求項１１のシステムにおいて、該フレネル表面の小面は、半透過性である。
【請求項１３】請求項１１のシステムにおいて、該アイボックススプレッダは、それぞれ小面化
された表面を有する第一および第二フレネル表面を有しており、第一および第二
フレネル表面の小面化された表面は互いに嵌り合って小面化インターフェースを
形成するように構成されており、該小面化インターフェースは光に対して半透過
性を有しており、該第一フレネル表面の光入射側および該第二フレネル表面の光
出射側は互いに平行している。
【請求項１４】請求項１のシステムにおいて、さらに、ライトパイプを有し、該ライトパイプは
、光が該画像サブシステムからアイボックススプレッダに伝わり、そして使用者
の眼に伝わることを可能としている。
【請求項１５】請求項１のシステムにおいて、該画像サブシステムはさらに、該画像サブシステ
ムのオブジェクトフィールドにおいて画像を生成するための画像生成器を有する
。
【請求項１６】請求項１５のシステムにおいて、該画像生成器は該画像サブシステムのオブジェ
クトフィールドにおいて画像を形成するスキャナーベースディスプレイを有する
。
【請求項１７】請求項１５のシステムにおいて、該画像生成器は該画像サブシステムのオブジェ
クトフィールドに配設されたディスプレイを有する。
【請求項１８】請求項１７のシステムにおいて、さらに、使用者の眼がディスプレイを見ている
時に該ディスプレイを活動させるように構成されたアイビュースイッチを有して
いる。
【請求項１９】請求項１８のシステムにおいて、該アイビュースイッチは以下のものを含む：赤外線源；赤外線センサー；赤外線ビームスプリッタ；および二色性ビームスプリッタ；該ディスプレイから伝達される光は該二色性ビームスプリッタによって該アイ
ボックススプレッダへ仕向けられ、そして使用者の眼に送られ；該赤外線源から
送られた赤外線は該赤外線ビームスプリッタおよび二色性ビームスプリッタによ
って該アイボックススプレッダに仕向けられ、そして使用者の眼に送られ；該使
用者の眼から反射された赤外線は該アイボックススプレッダから反射して、該二
色性ビームスプリッタおよび該赤外線ビームスプリッダによって赤外線センサー
に仕向けられ；該ディスプレイは複数の視野点を有しており、該赤外線センサー
は複数のセンサー位置を有しており、該ディスプレイの各視野点と該赤外線セン
サーの各センサー位置との間には一対一の対応があり、該ディスプレイは、該赤
外線センサーのセンサー位置のいずれかが、使用者の眼から反射された赤外線エ
ネルギーを検知した時に活動するように構成されている。
【請求項２０】請求項１９のシステムにおいて、さらに、ライトパイプを有し、該ライトパイプ
は、光が該画像サブシステムからアイボックススプレッダに伝わり、そして使用
者の眼に伝わることを可能としている。
【請求項２１】請求項１９のシステムにおいて、該アイボックススプレッダはさらにプリズムを
有する。
【請求項２２】請求項１のシステムにおいて、該アイボックススプレッダは、該システムのアイ
ボックスの位置を調整するように傾斜可能である。
【請求項２３】請求項１のシステムにおいて、該アイボックススプレッダは、ガラスとプラスチ
ックからなる群から選択された材料から形成されている。
【請求項２４】請求項１のシステムにおいて、平行状の小面のアレイの各々は、それぞれビーム
スプリッタを形成する第一反射率の第一部分と第二反射率の第二部分とを有し、
各ビームスプリッタの両側には均一な屈折率からなる材料が適用されており、該
ビームスプリッタの第一部分は、該画像サブシステムから受け取った光の一部を
透過し、使用者の眼へとその一部を反射することで第一の一連の波面を形成する
ように配設されており、該ビームスプリッタの第二部分は、該ビームスプリッタ
の第一部分を通して伝達された光を受け取って、その少なくとも一部を使用者眼
へと反射させて第二の一連の波面を形成するように配設されており、該第一およ
び第二の一連波面は実質的に連続的な波面を形成するように交互に組み合わされ
ている。
【請求項２５】請求項２４のシステムにおいて、該ビームスプリッタの第一部分は５０％反射で
あり、該ビームスプリッタの第二部分は１００％反射である。
【請求項２６】請求項２４のシステムにおいて、各ビームスプリッタはさらに第三の反射率を有
する第三部分を有し、該ビームスプリッタの第二部分は、該第一部分から受け取
った光の一部を透過するように構成されており、該ビームスプリッタの第三部分
は、該ビームスプリッタの第二部分を通して伝達された光を受け取って、その少
なくとも一部を使用者眼へと反射させて第三の一連の波面を形成するように配設
されており、該第一、第二および第三の一連波面は実質的に連続的な波面を形成
するように交互に組み合わされている。
【請求項２７】使用者に装着される一対の眼鏡の形式におけるヘッドマウント画像システムは以
下のものを含む：（ａ）フレーム；（ｂ）該フレームに装着された仮想画像システムであって、該仮想画像システ
ムは以下のものを含む： (i)少なくとも一つのレンズを有する画像サブシステムであって、該画像サ
ブシステムはその焦点あるいは焦点近傍にオブジェクトフィールドを配置させる
ことで、該虚像を無限遠あるいは無限遠近傍に位置させる；および (ii)該画像サブシステムから伝達された光を受け取って、該光を使用者の眼
へと向けるように配設されアイボックススプレッダであって、該アイボックスス
プレッダは該画像サブシステムのアイボックスを有効に拡大するように構成され
ている。
【請求項２８】請求項２７のヘッドマウント画像システムにおいて、該画像サブシステムは、さ
らに、該画像サブシステムのオブジェクトフィールドに像を生成する画像生成器
を含む。
【請求項２９】請求項２８に記載のヘッドマウント画像システムにおいて、該画像生成器は以下
のものを含む：該画像サブシステムのオブジェクトフィールドに像を形成するスキャナーベー
スディスプレイ；該スキャナーベースディスプレイに情報を供給するディスプレイコントローラ
；および該ディスプレイコントローラに電力供給するバッテリ。
【請求項３０】請求項２８に記載のヘッドマウント画像システムにおいて、該画像生成器は以下
のものを含む：該画像サブシステムのオブジェクトフィールドに配設されたディスプレイ；該ディスプレイへ情報を供給するディスプレイコントローラ；および該ディスプレイコントローラに電力供給するバッテリ。
【請求項３１】請求項３０のヘッドマウント画像システムにおいて、該ディスプレイコントロー
ラおよびバッテリは該フレームに装着されている。
【請求項３２】請求項３０のヘッドマウント画像システムにおいて、該情報は、時間データ、セ
ンサーデータ、格納データ、および通知データからなる群から選択されたデータ
を含む。
【請求項３３】請求項３０のヘッドマウント画像システムにおいて、該情報はセンサーデータを
含み、該システムはさらに、そのデータが捕獲され該ディスプレイコントローラ
へと中継されるセンサーを有している。
【請求項３４】請求項３３のヘッドマウント画像システムにおいて、該センサーデータは使用者
の脈拍データであり、該センサーは使用者の脈拍を検知する脈拍センサーを含む
。
【請求項３５】請求項３４のヘッドマウント画像システムにおいて、該脈拍センサーは赤外線セ
ンサーを含む。
【請求項３６】請求項３４のヘッドマウント画像システムにおいて、該脈拍センサーは圧力セン
サーを含む。
【請求項３７】請求項３４のヘッドマウント画像システムにおいて、該脈拍センサーは二点電気
ポテンシャルセンサーである。
【請求項３８】請求項３０のヘッドマウント画像システムにおいて、該ディスプレイは受動液晶
透過ディスプレイである。
【請求項３９】請求項３０のヘッドマウント画像システムにおいて、さらに、該ディスプレイの
近くに配設され、それを通して周囲光を受け取ってディスプレイを照らす散光器
を有する。
【請求項４０】請求項３０のヘッドマウント画像システムにおいて、さらに遠隔データトランシ
ーバとデータをやり取りするための無線トランシーバを有している。
【請求項４１】請求項３０のヘッドマウント画像システムにおいて、さらに、使用者の眼がディ
スプレイを見ている時に該ディスプレイを活動させるように構成されたアイビュ
ースイッチを有している。
【請求項４２】請求項４１のヘッドマウント画像システムにおいて、該アイビュースイッチは
以下のものを含む：赤外線源；赤外線センサー；赤外線ビームスプリッタ；および二色性ビームスプリッタ；該ディスプレイから伝達される光は該二色性ビームスプリッタによって該アイ
ボックススプレッダへ仕向けられ、そして使用者の眼に送られ；該赤外線源から
送られた赤外線は該赤外線ビームスプリッタおよび二色性ビームスプリッタによ
って該アイボックススプレッダに仕向けられ、そして使用者の眼に送られ；該使
用者の眼から反射された赤外線は該アイボックススプレッダから反射して、該二
色性ビームスプリッタおよび該赤外線ビームスプリッダによって赤外線センサー
に仕向けられ；該ディスプレイは複数の視野点を有しており、該赤外線センサー
は複数のセンサー位置を有しており、該ディスプレイの各視野点と該赤外線セン
サーの各センサー位置との間には一対一の対応があり、該ディスプレイは、該赤
外線センサーのセンサー位置のいずれかが、使用者の眼から反射された赤外線エ
ネルギーを検知した時に活動するように構成されている。
【請求項４３】請求項２７のヘッドマウント画像システムにおいて、該アイボックススプレッダ
はフレネル表面を有し、該フレネル表面は、その上に平行で光学的に平坦である
複数の小面のアレイを画定する小面化表面を有する。
【請求項４４】請求項４３のヘッドマウント画像システムにおいて、該アレイの各小面は第一の
反射率の第一部分と第二の反射率の第二部分とを有しそれぞれがビームスプリッ
タを形成しており、該ビームスプリッタの第一部分は該画像サブシステムから受
け取った光を部分的に伝達すると共に該光を部分的に使用者の目に反射して第一
の一連の波面を形成するように構成されており、該ビームスプリッタの第二部分
は該ビームスプリッタの第一部分を通過した光を受け取り、該光を少なくとも部
分的に使用者の目に反射して第二の一連の波面を形成するように構成されており
、該第一および第二の一連の波面を交互に組み合わせることで実質的に連続した
波面を形成する。
【請求項４５】請求項２７のヘッドマウント画像システムにおいて、該アイボックススプレッダ
は一つのビームスプリッタと一つのミラーを有しており、該ビームスプリッタは
該画像サブシステムから受け取った光を部分的に使用者の目に反射させる一方該
光を部分的に伝達し、該ミラーは該ビームスプリッタを通過した光を使用者の目
に反射させるように構成されている。
【請求項４６】請求項２７のヘッドマウント画像システムにおいて、さらに、該フレームの回り
に近接して巻き付いた路における該仮想画像システムを通して光を伝えるように
仕向けるように配設された少なくとも一つのミラーを有している。
【請求項４７】請求項２７のヘッドマウント画像システムにおいて、該アイボックススプレッダ
はそれを通して光が伝達されるように構成されている。
【請求項４８】請求項２７のヘッドマウント画像システムにおいて、該アイボックススプレッダ
は該システムのアイボックスの位置を調整するように傾斜可能である。
【請求項４９】オブジェクトフィールドの虚像を使用者が観察することに用いられる仮想画像
システムのアイボックスを拡大する方法であって、該方法は、以下の工程を含む
：該オブジェクトフィールドの虚像を無限遠あるいはその近傍に配設し、該オブ
ジェクトフィールドの各オブジェクトフィールド点の波面を平坦にすると共にあ
る横幅を有するようにし；各波面を該波面の横幅から複数のライトリボンへと順次スライスし；そして該複数のライトリボンを使用者の目へと向け、該複数のライトリボンの集合横
幅に沿って複数のライトリボンを分割し、該複数のライトリボンの集合横幅が元
の波面の横幅よりも大きくする。
【請求項５０】複数のビームスプリッタを有するアイボックススプレッダを形成する方法であ
って、各ビームスプリッタは第一反射率の第一部分と第二反射率の第二部分とを
有し、該方法は以下の工程を含む：複数の透光性材料のシートを用意し、各シートは幅寸法および長さ寸法を有し
；各シートを第一ミラーストリップと第二ミラーストリップの繰り返しパターン
でコーティングし、該第一および第二ミラーストリップは該シートの長さに沿っ
て延出し、該第一ミラーストリップは第一反射率を、第二ミラーストリップは第
二反射率を有し；該複数のシートを重ね、該シートは該シートの幅に沿った予め決定した距離だ
け互いにずらしてあり；該複数のシートを積層し；そして該複数のシートを複数のウエハにスライスし、各ウエハは該シート上の第一お
よび第二ミラーストリップに平行にカットされる。
【請求項５１】請求項５０の方法において、該複数のシートはガラスおよびプラスチックからな
る群から選択された材料である。
【請求項５２】請求項５０の方法において、該コーティング工程はさらに、該シートの長さに沿
って延出する第三ミラーストリップの繰り返しパターンで各シートをコーティン
グし、該第三ミラーストリップは第三反射率を有し、該スライス工程は各ウエハ
を該シート上の第一、第二、および第三ミラーストリップに平行にスライスする
ことを含む。
【請求項５３】請求項５０の方法において、さらに該ウエハのスライスされた表面を磨く工程を
含む。
【請求項５４】複数のビームスプリッタを含むアイボックススプレッダを形成する方法であっ
て、各ビームスプリッタは第一反射率の第一部分、第二反射率の第二部分を有し
、該方法は以下の工程を含む：平行で、光学的に平坦な複数の小面のアレイを画定する小面化表面を含むフレ
ネルプリズムを提供し、各小面は第一の反射率を有し；そして該フレネルプリズムの小面化表面を第二の反射率を有する材料で傾斜状にコー
ティングする。
【請求項５５】ヘッドマウント仮想画像システムに用いられるアイビュースイッチであって、該
アイビュースイッチは、使用者の目がディスプレイを見ている時に該仮想画像シ
ステムのディスプレイを活動させるように構成されており、該アイビュースイッ
チは以下のものを含む：赤外線源；赤外線センサー；赤外線ビームスプリッタ；および二色性ビームスプリッタ；該ディスプレイから伝達される光は該二色性ビームスプリッタによって使用者
の眼に送られ；該赤外線源から送られた赤外線は該赤外線ビームスプリッタおよ
び二色性ビームスプリッタによって使用者の眼に送られ；該使用者の眼から反射
された赤外線は該アイボックススプレッダから反射して、該二色性ビームスプリ
ッタおよび該赤外線ビームスプリッダによって赤外線センサーに仕向けられ；該
ディスプレイは複数の視野点を有しており、該赤外線センサーは複数のセンサー
位置を有しており、該ディスプレイの各視野点と該赤外線センサーの各センサー
位置との間には一対一の対応があり、該ディスプレイは、該赤外線センサーのセ
ンサー位置のいずれかが、使用者の眼から反射された赤外線エネルギーを検知し
た時に活動するように構成されている。
【請求項５６】請求項５５のシステムにおいて、さらに、該ディスプレイから使用者の目へと光
を伝えることができるように構成されたライトパイプを有している。
【請求項５７】請求項５５のシステムにおいて、該アイボックススプレッダはさらにプリズムを
有している。