JP2004318140A - ハイブリッドｈｍｄ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
小型かつ軽量であると共に、多色表示が可能なＨＭＤ装置（ヘッドマウントディスプレイ）を提供することにある。
【解決手段】
多色像を生成する像生成装置（１）と、第１および第２部分光学系（２，３）を有する屈折光学系（４）とを備えたＨＭＤ装置が提供される。この屈折光学系（４）は、上記ＨＭＤ装置を装着した使用者が知覚できるように像を投影し、部分光学系（２，３）の各々は、ビーム屈折用の回折光学装置（５，８）を有し、これらは散布誤差を互いに補償するよう設計されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＨＭＤ（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ：ヘッドマウントディスプレイ）装置に関する。

この種の装置においては、一般に、広い画角と大きな射出瞳が必要とされる。このため、公知のＨＭＤ装置においては、複雑かつ大型の光学系が必要とされ、ＨＭＤ装置の重量が増大するという不具合がある。回折光学系を用いる現行の手法には、単色表示しかできないという不具合がある。
国際公開第ＷＯ９６／３６８９８号パンフレット 米国特許第５，３６９，３４９号明細書 米国特許第５，５２６，１８３号明細書 米国特許第５，４３６，７６３号明細書 米国特許第５，６６１，６０４号明細書 欧州特許第０ ６８１ ７１０号明細書 米国特許第６，１８１，４７５号明細書 特開２００１−１４２０２５号公報 特開２００１−２２８４３６号公報 特開２００１−２３５７０７号公報 米国特許出願公開第２００１／００２１０６８号明細書

上記を鑑みて、本発明の目的は、小型かつ軽量であると共に、多色表示が可能なＨＭＤ装置を提供することにある。

本発明によると、上記の目的は、多色像を生成する像生成装置と、第１および第２部分光学系を有する屈折光学系とを備えたＨＭＤ装置によって達成される。この屈折光学系は、上記ＨＭＤ装置を装着した使用者が知覚可能なように像を投影し、上記２つの部分光学系の各々は、ビーム屈折用の回折光学装置を有し、これらは、散布誤差を互いに補償するよう設計されている。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、ＨＭＤ装置であって、多色像を生成する像生成装置と、第１部分光学系および第２部分光学系を有する屈折光学系とを備え、該屈折光学系は、前記ＨＭＤ装置を装着した使用者が知覚可能なように像を投影し、前記２つの部分光学系の各々は、その散布誤差を互いに補償するように設計されたビーム屈折用の回折光学装置を有することを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＨＭＤ装置において、ビーム屈折用の前記回折光学装置の０以外の回折次数が用いられており、特に２つの回折光学装置に同じ回折次数が用いられている、ことを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のＨＭＤ装置において、前記第１部分光学系および／または第２部分光学系の前記回折光学装置はライングレーティングとして提供される、ことを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のＨＭＤ装置において、前記ライングレーティングはビーム屈折の用途のみに供される、ことを要旨とする。
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載のＨＭＤ装置において、前記ライングレーティングはビーム屈折のみに供されると共に結像光学構成要素としても用いられる、ことを要旨とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のＨＭＤ装置において、前記ライングレーティングのグレーディング定数が前記結像作用に応じて変わる、ことを要旨とする。
請求項７に記載の発明は、請求項３乃至６のいずれか１項に記載のＨＭＤ装置において、前記ライングレーティングが湾曲した表面、より詳細には球状に湾曲した材料界面に形成される、ことを要旨とする。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のＨＭＤ装置において、前記屈折光学系は、第１の面および第２の面を有する屈折型要素を有し、前記第１の面は前記球状に湾曲した材料界面である、ことを要旨とする。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載のＨＭＤ装置において、前記球状に湾曲した材料界面に形成された前記ライングレーティングは所望の非球面作用を提供するよう適合されている、ことを要旨とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項３乃至６のいずれか１項に記載のＨＭＤ装置において、前記ライングレーティングが平坦な材料界面に形成されている、ことを要旨とする。
請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のＨＭＤ装置において、前記使用者が前記光学系を通して周囲環境を知覚できるように、前記第２部分光学系は、前記ＨＭＤ装置を装着した使用者の目の前に配置される、ことを要旨とする。

請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載のＨＭＤ装置において、０次回折において前記使用者は前記第２部分光学系の前記回折光学装置を透かして見ることができる、ことを要旨とする。

請求項１３に記載の発明は、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のＨＭＤ装置において、前記第２部分光学系は前記ＨＭＤ装置を装着している前記使用者の視力矯正のための屈折作用を有する、ことを要旨とする。

本発明により、小型かつ軽量であると共に、多色表示が可能なＨＭＤ装置が提供される。

一方で、散布誤差を互いに補償する２つの回折光学装置を提供することによって、多色表示が可能なＨＭＤ装置も達成される。他方で、これら回折光学装置の屈折角は非常に大きいため、回折光学装置を使用することによって、ＨＭＤ装置が小型化される。

ＨＭＤ装置はメガネまたはヘルメットとして設計され、このため像生成装置１は観察者の目の前ではなく、観察者の頭に横向きに置かれることが多いため、２つの回折光学装置を使用することは特に有利である。このため、第１の回折光学装置を使用すると、像生成装置によって生成された多色像は、多くの場合、視野方向に平行な前方方向に放射され、屈折されて、観察者の目の前に直接配置された第２の回折光学装置に向かい得る。次に、像の放射が、第２の回折光学装置によって屈折されて観察者の目に向かう。このため、第１の回折光学装置が透過型光学装置として提供され、第２の回折光学装置が反射型光学装置として設計されることは特に有利である。無論、２つの回折光学装置は反射型でも透過
型でもよく、第１の回折光学装置が反射型で、第２の回折光学装置が透過型であり得る。

ここで、回折光学装置の散布誤差の補償とは、屈折時に、分散によって生じる結像誤差が出来る限り完全に除去され、少なくとも、１つの回折光学装置のみが使用される場合よりも低減される。

本発明によるＨＭＤ装置の好適な実施形態においては、ビーム屈折用の回折光学装置の０以外の回折次数が使用される。より詳細には、２つの回折光学装置で同じ回折次数が使用される。

０以外の所望の回折次数を使用することによって、ＨＭＤ装置を、所定の限界条件に柔軟に調整することができる。２つの回折光学装置の回折次数が等しい実施形態では、非常に良好な補償が得られる。

さらに、本発明によるＨＭＤ装置においては、第１部分光学系および／または第２部分光学系の回折光学装置はライングレーティング（Ｌｉｎｉｅｎｇｉｔｔｅｒ）として提供され得る。今日では、この種のライングレーティングを高い精度で容易に製造することが可能である。このため、ライングレーティングは、例えば、ホログラフィを使用した方法、あるいは半導体の製造において公知の微細加工法によって形成され得る。

より詳細には、ライングレーティングがビーム屈折の用途に供されることはほとんどない。ビーム屈折の用途に供される場合、集束（結像）作用は、さらに別の屈折型要素によって達成される。一方では屈折作用を、他方では集束作用を分離することによって、極めて容易に屈折光学系を特定の用途に合わせて最適化することが可能となる。

無論、ライングレーティングが、ビーム屈折の用途に供されると共に、結像（集束）要素として供されることもあり得る。このような構成では、屈折光学系を極めて小型にでき、ＨＭＤ装置全体を軽量かつ小型にすることができる。

回折光学装置の結像作用のために、グレーディング定数（Ｇｉｔｔｅｒｃｏｎｓｔａｎｔｅ）を変えることができることは特に有利である。これにより、高い精度で所望の結像作用を調整することが可能となる。

ライングレーティングは、湾曲した表面、より詳細には球状に湾曲した材料界面（Ｍａｔｅｒｉａｌｇｒｅｎｚｆｌａｅｃｈｅ）に形成され得る。この材料界面は、例えば、屈折光学系の屈折型要素の界面であり得る。これによって、小型で部品数の少ない屈折光学系が得られ、軽量化が図れる。球状に湾曲した材料界面にグレーティングを形成することにより、球状に湾曲した界面を極めて高い精度で形成できるようになり有利である。所望の非球面作用あるいは必要な非球面作用は、グレーティングによって達成され得る（この場合、グレーティングはビーム屈折および結像の両方を行う）。このため、製造が容易であると共に優れた結像能を有する光学構成要素が提供される。

また、ライングレーティングを平坦な材料界面に形成することも可能である。平坦な表面は、製造時に極めて容易に制御でき、平坦な表面にはグレーティングを高い精度で形成できるため、平坦な表面にグレーディングを形成することによって製造がさらに容易となる。本実施形態においては、湾曲した材料界面が必要な場合、この作用を提供するために、ライングレーティングをそのように形成してもよい。より詳細には、グレーティング定数（それぞれの溝幅）を適切に変えて、平坦に形成した光学構成要素が、湾曲した材料界面に形成された場合のように作用させることも可能である。

本発明によるＨＭＤ装置の特に好適な実施形態では、ＨＭＤ装置を装着した使用者が、上記光学系を通して周囲環境を把握できるように、第２部分光学系が設けられ、使用者の目の前に配置される。これによって、本発明によるＨＭＤ装置による像の拡大が可能となる。

より詳細には、第２部分光学系の回折光学装置が０次回折において使用者に透過となるように第２部分光学系の回折光学装置が提供される。このため、像の拡大に適した極めて小型のＨＭＤ装置が提供される。

さらに、第２部分光学系は、使用者の視力の矯正のために屈折作用を有し得る。この場合、本発明に係る装置は、視力矯正用のメガネに事前に搭載されるであろう。
像生成装置は、透過型ＬＣＤ、反射型ＬＣＤ、ＬＣｏＳディスプレイまたはＬＥＤなどの発光ディスプレイ、あるいは非発光ディスプレイなどである。より詳細には、像生成装置は、空間光変調器、例えば、適切に制御可能な可傾式ミラーマトリックス（Ｋｉｐｐｓｐｉｅｇｅｌｍａｔｒｉｘ）またはＬＣＤモジュール、またはＬＣｏＳモジュールなどを有し得、必要に応じてこれらに独立した光源が設けられる。

より詳細には、ＨＭＤ装置は、観察者が、生成された多色像のみを知覚するか、あるいは生成された像を周囲環境に重ね合わせた像（拡大された像）として知覚するように提供され得る。屈折光学系は、好ましくは仮想的な（特に拡大された）像を使用者に提示し、この像を使用者が知覚する。ＨＭＤ装置は、片目または両目のために像を生成し、特に、立体像を提示するために像が両目に提示される。

無論、ＨＭＤ装置は、特に機能に必要であれば、さらに別の部品を備えてもよい。例えば、提示する像の画像データを有し、この画像データを像生成装置に転送する（例えば、無線リンクを介して）か、あるいは適切な方法によって像生成装置１を直接制御するコンピュータを提供してもよい。

図１を参照して、基本的に例示を目的として、本発明をさらに詳細に記載する。
図１は、本発明によるＨＭＤ装置の一実施形態の光学的構造を示す模式図である。本実施形態においては、ＨＭＤ装置は、多色像を生成する像生成装置１を有し、上記像生成装置１の後に、透過型の第１部分光学系２と、一部が反射型でかつ一部が透過型の第２部分光学系３とがこの順序で続く。２つの部分光学系２，３は、屈折ユニット４を形成しており、それぞれが屈折型要素および回折要素の両方を備えるハイブリッド光学装置として提供される。

図１の略式図から明らかなように、第１部分光学系２は、第１レンズ５（少なくとも１つの屈折型光学構成要素を表すために示される）と、第１レンズ５の、像生成装置１と反対側の材料界面に形成された第１ライングレーティング６とを有する。同様に、第２部分光学系は、第２レンズ７（少なくとも１つの屈折型要素を表すために示す）と、観察者の目と同じ側の湾曲した材料界面に形成された第２ライングレーティング８とを有する。ライングレーティング６，８のグレーディングの溝の各々は、描画平面に直交し、２組のライングレーティングは、一定のグレーディング定数を有する。

例に示す光路から明らかなように、像生成装置１は、多色像を生成して、これが所望の仮想的像幅（本例においては、例えば無限大）で観察者の目に投影される。目の入射瞳は、参照符号９によって示される。このため、図に示される１次回折によって、第２部分光学系３へ向かう所望の屈折が得られるように、第１ライングレーティング６が設けられる。この場合、ライングレーティング６は、１次回折において回折効率が最大になるように最適化される。当業者が周知のように、これは、プロファイル形状（Ｐｒｏｆｉｌｆｏｒ
ｍ）によって決定され得る。この場合、特に、ブレーズドプロファイル形状（ｇｅｂｌａｚｔｅ Ｐｒｏｆｉｌｆｏｒｍｅｎ）が用いられ得る。同様に、１次回折によって、観察者の目の入射瞳９に向かう所望の屈折が得られるように、第２ライングレーティング８が同様に得られる。さらに、２組のライングレーティング６，８は、多色光の回折時に生じる散布誤差が互いに補償するように実施され、無論、この補償ができるだけ完全に行われるように最適化され得る。これは、仮想的に投影された像が、色誤差を生じることなく観察者に提示されるため、有利な効果を有する。ライングレーティング６，８を使用することにより、非常に大きな回折角度を得ることができ、このため屈折光学系４を非常に小型化できる。

第２部分光学系３は、より詳細には、グレーディングが、０次回折において観察者にとって透過的となるように設けられ、これにより拡大像が可能となる。この場合、レンズ７が観察者の視力の矯正にも使用されれば特に好ましい。

第２ライングレーティングが、第２レンズ７の、観察者と同じ側の材料界面に形成されず、反対側の材料界面に形成される場合、レンズ７を、ＨＭＤの動作において視力矯正にも使用することができ、この場合、像形成ユニット１によって生成された像しか知覚されない。

ライングレーティング６，８は、好ましくはその溝の深さが同じになるように設けられる。これにより、製造工程が簡単になる。無論、溝の深さを変えることも可能である。さらに、グレーディング全体で（より詳細には、溝の長手方向に）ライングレーティング６，８の溝幅を変えてもよい。このように、溝幅を変えるこことにより、グレーディングの集束作用（結像作用）が得られ、このため屈折光学系４をさらに軽量かつ小型にできる。

本発明によるＨＭＤ装置の一実施形態の光学的構造を示す模式図。

符号の説明

１…像生成装置、２…第１部分光学系、３…第２部分光学系、４…屈折光学系、６，８…ライングレーティング。

Claims (13)

1. ＨＭＤ装置であって、多色像を生成する像生成装置と、第１部分光学系および第２部分光学系を有する屈折光学系とを備え、該屈折光学系は、前記ＨＭＤ装置を装着した使用者が知覚可能なように像を投影し、前記２つの部分光学系の各々は、その散布誤差を互いに補償するように設計されたビーム屈折用の回折光学装置を有するＨＭＤ装置。
2. ビーム屈折用の前記回折光学装置の０以外の回折次数が用いられており、特に２つの回折光学装置に同じ回折次数が用いられている、請求項１に記載のＨＭＤ装置。
3. 前記第１部分光学系および／または第２部分光学系の前記回折光学装置はライングレーティングとして提供される、請求項１または２に記載のＨＭＤ装置。
4. 前記ライングレーティングはビーム屈折の用途のみに供される、請求項３に記載のＨＭＤ装置。
5. 前記ライングレーティングはビーム屈折のみに供されると共に結像光学構成要素としても用いられる、請求項３に記載のＨＭＤ装置。
6. 前記ライングレーティングのグレーディング定数が前記結像作用に応じて変わる、請求項５に記載のＨＭＤ装置。
7. 前記ライングレーティングが湾曲した表面、より詳細には球状に湾曲した材料界面に形成される、請求項３乃至６のいずれか１項に記載のＨＭＤ装置。
8. 前記屈折光学系は、第１の面および第２の面を有する屈折型要素を有し、前記第１の面は前記球状に湾曲した材料界面である、請求項７に記載のＨＭＤ装置。
9. 前記球状に湾曲した材料界面に形成された前記ライングレーティングは所望の非球面作用を提供するよう適合されている、請求項８に記載のＨＭＤ装置。
10. 前記ライングレーティングが平坦な材料界面に形成されている、請求項３乃至６のいずれか１項に記載のＨＭＤ装置。
11. 前記使用者が前記光学系を通して周囲環境を知覚できるように、前記第２部分光学系は、前記ＨＭＤ装置を装着した使用者の目の前に配置される、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のＨＭＤ装置。
12. ０次回折において前記使用者は前記第２部分光学系の前記回折光学装置を透かして見ることができる、請求項１１に記載のＨＭＤ装置。
13. 前記第２部分光学系は前記ＨＭＤ装置を装着している前記使用者の視力矯正のための屈折作用を有する、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のＨＭＤ装置。

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