JP2005250478A - 観察者の視野内に虚像を投影するシステム - Google Patents

Abstract

【課題】比較的小さなサイズと重量で、最小のエネルギー消費で動作する、虚像を投影するシステムを提供する。
【解決手段】支持部材（５０）と、支持部材（５０）に搭載され、観察者に面する第１面（３０ａ，３０ｂ）と、外界に面する第２面（３０ａ，３０ｂ）とを備える透明部材（３０）と、追加の像形成に適した像ディスプレイ手段（１０）と、外界の像と重なり合って表示するように、追加の像を投影する投影および結像手段（２０）を備える。像ディスプレイ手段（１０）は、透明部材（３０）の面（３０ａ，３０ｂ）の一方に配置された発光素子（１０）を備え、投影および結像手段（２０）は、個々の発光素子（１０）に取り付けられ、透明部材（３０）の他方の面（３０ａ，３０ｂ）に配列された光学素子（２０）を備える。各光学素子（２０）は、これに取り付けられた発光素子（１０）の虚像を作成する。発光素子（１０）の虚像は、追加の像を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、請求項１の前文に記載されたタイプであって、観察者の視野内に虚像(virtual image)を投影するためのシステムに関する。

使用者により着用可能な(wearable)ディスプレイ装置に用いられ、ヘッドマウントディスプレイ(Head Mounted Display)またはＨＭＤとして知られた、虚像を投影するシステムは種々知られている。これらの幾つかは、シースルー(see-through)ディスプレイとして知られ、虚像は現実世界の像と重なり合って見ることができる。非シースルーディスプレイとして知られるもの（例えば、バーチャル・リアリティ(virtual-reality)ヘルメットまたはソニー、キャノン、オリンパスにより生産される商業モデルなどのパームトップ(palmtop)のビューア(viewer)）は、単独で虚像を見ることができる。さらに、シーアラウンド(see-around)ディスプレイとして知られるもの（例えば、マイクロオプティカル社の製品）は、使用者の視野内に挿入されたディスプレイスクリーンを有する。一般に、全ての公知のシステムは、基本的に３つのサブシステム：実像(real image)を生成するマイクロディスプレイと、それを所望の距離（典型的には無限大）で結像する光学系と、使用者の視野内での投影光学系により構成される。しかしながら、これらのサブシステムを単一の着用可能な装置、例えば、眼鏡(spectacles)タイプのものに組み込むことは、複雑さ、サイズ、重量という問題が生ずる。

国際公開公報ＷＯ０２／７１１０４ 米国特許公報６５７０３２４Ｂ１ 米国特許公報６０７２４４５Ａ 米国特許公報５８８３６０６Ａ 国際公開公報ＷＯ２００４／４６７６７

本発明の目的は、公知の装置と同様な性能を有し、比較的小さなサイズと重量で、最小のエネルギー消費で動作する、虚像を投影するシステムを提供することである。

この目的は、本発明に従って、請求項で規定された特徴を有し、観察者の視野内に虚像を投影するためのシステムによって達成される。

本発明に係るシステムは、従来のマイクロディスプレイおよび個々の像投影システムの必要性が排除される。それは、像生成、結像、投影のための３つのサブシステムが、例えば、ヘルメットのバイザー(visor)、眼鏡レンズ、レンズと接触する箔(foil)などの透明基板の表面に実質的に組み込まれ、複雑さ、重量、サイズを全体に低減するからである。

本発明の更なる主題は、使用者により着用可能であって、本発明に係る投影システムを備えるディスプレイ装置（またはＨＭＤ）である。

本発明の好ましく非限定的な実施形態について、添付図面を参照して説明する。

図１を参照して、本発明に係る投影システムの基本構造１は、光源１０、即ち、発光素子、例えば、ＯＬＥＤやＰＬＥＤなどの有機タイプのもの、またはマイクロＬＥＤ、量子ドットレーザ、ナノ構造金属光源、カーボンナノチューブ光源、金属もしくはポリマーのナノワイヤ光源、電界放射光源などの無機タイプのものであり、横方向の直線寸法ｄを有する光源１０と、マイクロ光学素子２０、例えば、レンズ、ミラーまたは回折光学素子（ＤＯＥ）で、例えば約２０〜５０μｍの直径Φを有するものとを備える。発光素子１０およびマイクロ光学素子２０によって形成される光学系の光軸は、図１において符号ｚで示す。光源は、光る画素を網膜上に投影するための光学構成のタイプに従って、眼の近くの内側または外側に配置され、これには透過タイプ（図２ｂ）と反射タイプ（図２ａ）とがある。

発光素子１０およびマイクロ光学素子２０は、光に対して透明な基板３０の個々の対向表面３０ａ，３０ｂの上に配置される。透明基板は、例えば、２ｍｍのオーダーの厚さｆを有する。

透明基板１は、例えば、ヘルメットのバイザー、眼鏡レンズ、多くの場合には、レンズと接触する箔(foil)などである。

基本構造１は、規則正しく並んだセット４０のサブユニットであり、例えば、図２、図４〜図７に示すような複数の基本構造１によって形成されたマトリクスであり、透過タイプの投影システムの場合、発光素子１０が透明基板の面３０ａの上に規則正しく配置され、対応するマイクロ光学素子２０は、他の面３０ｂの上に対応して規則正しく配置される。

基板３０は、観察者の少なくとも１つの眼（図３に符号Ｅで示す）の正面に配置するのが好適であり、眼からほぼ２５〜５０ｍｍの範囲の距離で、面３０ａ，３０ｂの一方が眼に面しており、面３０ａ，３０ｂの他方が、観察方向に関して観察者の前方に延びる外界の一部に面している。

可能な変形によれば、透明基板３０は、透明材料から成る固体要素である。

他の変形によれば、透明基板３０は、透明材料からなる一対の膜で形成された中空の要素であり、その間には基板３０の空洞が介在している。この場合、面３０ａ，３０ｂは、それぞれ一対の膜や箔のうちの一方の膜面および他方の膜面である。

その代わりに上記２つの変形の組合せとして、透明基板３０は、透明材料からなる固体要素であり、その面には透明材料の膜が付着しており、その上に発光素子１０およびマイクロ光学素子２０がそれぞれ配置される。

マイクロ光学素子２０は、好ましくは、例えば、公知のマイクロ加工および量産複製技術によって、基板３０の面３０ｂの上に直接形成される。

発光素子１０は、好ましくは、局所的な原位置(in situ)製造技術、あるいはボンディング技術によって基板３０の面３０ａの上に位置決めされ、いずれの場合も、表面には光源の電気的なエネルギー供給が用意される。

本発明によれば、図２、図４、図５に示すように、基板３０の面３０ａの上に配置されたマトリクス４０の光源１０は、ビーム状の光線ＬＢをマイクロ光学素子２０に向けて放射する。放射された光線の光路に配置された各マイクロ光学素子２０は、対応する光源１０の虚像を作成し（図３を参照）、虚像を無限大の距離に置いて、光線を観察者の眼Ｅの瞳Ｐに向けて方向付けする。これは、実際には、光源１０が対応したマイクロ光学素子２０の焦点近傍にあり、眼Ｅに向けて放射されたビームの平行化をもたらす場合に達成される。個々の光源１０によって作成された像は、周囲の光源１０によって作成された像のそばに配置され、全体として、観察者の視野ＦＯＶの内側に配置された虚像ＶＩを作成する。

簡単かつ明快さのため、基板３０は、図２ａ，図２ｂにおいて、基板３０が延びる面に対して垂直に配置された、マトリクス４０のサブユニット１の光軸ｚを伴う平坦な形状を有するように示している。図２ａの実施形態では、マイクロ光学素子２０は、ミラーとして形成され、発光素子１０が配置された基板３０の面３０ａは観察者の眼に面している。図２ｂの実施形態では、マイクロ光学素子２０は、レンズまたは、屈折や回折によって動作する光学素子として形成され、発光素子１０が配置された基板３０の面３０ａは、観察方向に関して観察者の前方に延びる外界の一部に面している。

光源１０によって放射された光が、対応するマイクロ光学素子だけでなく、隣接したマイクロ光学素子に入って、寄生(parasitic)像を作るのを防止するためには、高度に平行化された放射を持つマイクロ光源１０、例えば、全体の発散角(divergence)δが１０°より小さいものが使用することができる。その代わりに、本発明に係る投影システムは、「フライ(fly)アイ」構造で構築してもよい。この変形によれば、マトリクス４０の各サブユニット１は、不透明な側壁を持つ透明材料のチューブ部分として形成され、これは光軸ｚに沿って延びており、光源１０は一端に固定され、マイクロ光学素子２０は他端に形成される。より一般には、スリット、アパーチャまたはストップが、発光器と平行化光学素子の間に配置でき、寄生光線の伝搬を制限する。

図４ａ，図４ｂ，図５は、個々の光源１０の虚像を観察者の視野ＦＯＶ内で適正な位置に投影するための本発明の３つの可能な変形を示す。

図４ａにおいて、マトリクス４０の個々のサブユニット１の光軸ｚは、観察者の眼に向けて配向している。フラット基板３０でこの配向を達成するには、個々の光源１０は、図２ａ，図２ｂに示すように基板３０の面に垂直な軸に関して、対応するマイクロ光学素子２０と共に整列するのではなく、各光源１０は、対応するマイクロ光学素子２０に関して、基板３０に垂直なアライメント軸に対して横方向に変位している。この変位は、観察者の視野ＦＯＶの周辺に向かってより大きくなる。さらに、マイクロ光学素子２０は、基板３０の面に垂直な軸に対して傾斜しており、その位置が中心から視野ＦＯＶの周辺へ変化するにつれて、この傾斜も変化している。

図４ｂにおいても、マトリクス４０の個々のサブユニット１の光軸ｚは、観察者の眼に向けて配向している。図４ａの変形とは対照的に、軸５の配向は、本発明に係る投影システムのサブユニット３０が配置された基板３０の湾曲によって達成される。

図５の変形において、基板３０はフラットであり、マトリクス４０のサブユニット１の光軸ｚは互いに平行で、基板３０の面に対して垂直である。個々のマイクロ光学素子２０は、さらに屈折性または回折性のプリズム状の部品を備え、基板３０から出て観察者に向かう光線は、マイクロ光学素子２０のプリズム状部品によって、観察者の視野内で適正な位置に偏向される。図５は、必要な視野を作成するように個々のマイクロ光学素子２０の外形に付加すべきプリズム状部品を概略的に示す。これは、中心位置の光源１０についてはフラットな外形（偏向を要しない）と、エッジに向かって徐々に変化する外形を有し、最適化された偏向を得ている。

マイクロ光学素子２０のマトリクスに関して、個々のマイクロ光学素子の位相関数が、下記のように表現可能である（屈折と回折の両方の場合を包含する一般化）。

ここで、Ψ_ｌｅｎｓは、結像光学系（屈折性、反射性または回折性のもの）の位相関数を表し、Ψ_{ｐｒｉｓｍ（ｉ，ｊ）}は、マトリクスの各ｉ，ｊ番目の素子について、平行化ビームの光路を矯正するのに好適な付加したプリズム状部品を表す。

図６は、この原理に従って配列された光学素子の考えられる外観を正面から示す。各四角は、マトリクスの単一のマイクロ光学素子２０を表現する。各四角の内側に描かれた同心円は、個々のマイクロ光学素子２０のプリズム状部品によって光線に付与される偏向の概念を示している。中心のマイクロ光学素子では、プリズム状部品はフラットな外形を有し、マトリクス中心の四角は内側の円と同心である。周辺のマイクロ光学素子では、プリズム状部品はより傾斜した外形を有し、マトリクス周辺に向かって、円の中心は変位し、個々の四角の内側では、四角の一辺に向かって変位し、これらはマトリクス内の四角の座標に従う。図２ａに示すような反射光学系についても、全体的に同様な配列が採用できるであろう。その場合、反射器の位相関数は、視野ＦＯＶの中心からその周辺へ徐々に変化する。

図７は、一対の眼鏡に応用された本発明に係る投影システムを示す。

この場合、基板３０は、例えば、眼鏡フレームに搭載された眼鏡レンズの１つである。図７はまた、連続した輪郭で描いた矩形Ｂ１に囲まれた基板３０の一部を拡大スケールで示している。マトリクス４０によって占められた基板３０の領域は、破線輪郭で描いた矩形Ｂ２に囲まれるように表現している。

個々の発光画素１０は、従来の制御ユニット（不図示）によって、相互に独立して電気供給され、例えば、フォトリソグラフィによって、レンズ３０の外表面に直接に、または光源１０を含む、レンズの外表面に付着した膜の上に形成された電気接続６０のパターンが用いられる。これらの接続６０は、透明で、及び／又は焦点を結ぶには接近し過ぎていることから、眼には見えない。

発光画素のサイズは、典型的にはサブミクロンであり、供給経路は実質的に透明である。よって、発光器および電気経路の全体アセンブリは実質的に肉眼では見えない。マイクロ光学素子／マイクロ光源のマトリクス４０によって占められたエリアＢ２の全体部は、画素数に依存し、よってディスプレイの分解能、あるいは基板３０でのマイクロ光学素子／マイクロ光源の選択された密度に依存する。３２０×２４０画素または６４０×４８０画素の標準的な構成は、全体で数平方ｍｍの不透明エリアを占め、典型的には、全体で約２×２ｃｍ^２のレンズエリアに配置される。発光器のマトリクスは、観察者の視野ＦＯＶの内側の周辺位置またはその中心に（図６に示すものと同様な構成で）置くことが可能であるが、一方、より希薄な配列が眼鏡レンズ全体を占めてもよい。一般に、ディスプレイのサイズは、使用する眼鏡やバイザーで相違することになる。

投影マトリクスの光学系全体は、透過または反射で動作する場合も、最小の部分を覆い、典型的には、レンズや基板全体の１パーセント未満であり、よって全体としてシースルーシステムに影響を及ぼさない。

一方、従来の投影システムでは、像生成サブシステムと、像を虚像に結像するためのシステムと、虚像を使用者の視野内に投影するためのシステムとは、別個で分離したユニットを構成している。本発明に係るシステムでは、３つのサブシステムが、透明基板上に形成された単一のユニット（例えば、眼鏡レンズまたはヘルメットバイザー）に組み込まれており、これは同時に虚像を生成し、結像し、投影する。

さらに、一方、従来のシステムでは、視野が必然的に決定され、マイクロディスプレイの全体サイズおよび光学系の焦点距離にのみ依存している。本発明に係るシステムでは、視野は、個々の光源の虚像を使用者の視野内で適正な位置に投影することによって「モザイク(mosaic)」として作成される。

当然ながら、本発明の範囲を逸脱することなく、本発明の原理は同一のままで、構成の詳細および実施形態の形態は、記載され図示されたものに関して、広範に変化することができる。

本発明に係る投影システムの基本的構造の概略図である。 本発明に係る投影システムの変形を示す。 本発明に係る投影システムの変形を示す。 本発明に係る投影システムの動作原理の概略図である。 本発明に係る投影システムの更なる変形を示す。 本発明に係る投影システムの更なる変形を示す。 本発明に係る投影システムの更なる変形を概略側面図で示す。 図５の変形の正面図である。 本発明に係る投影システムが設けられた一対の眼鏡の図である。

符号の説明

１ サブユニット
１０ 発光素子
２０ マイクロ光学素子
３０ 透明基板
３０ａ，３０ｂ 面
４０ マトリクス
ｚ 光軸

Claims (14)

1. 観察者の視野（ＦＯＶ）内に虚像を投影するためのシステムであって、
   支持部材（５０）と、
   支持部材（５０）に搭載された、少なくとも１つの透明部材（３０）であって、像を伝送するために、少なくとも１つの観察者の眼の正面に配置するのに適しており、観察者に面する第１面（３０ａ，３０ｂ）と、外界に面する第２面（３０ａ，３０ｂ）とを備える透明部材（３０）と、
   追加の像を形成するのに適した像ディスプレイ手段（１０）と、
   外界の像と重なり合って、観察者から所定の距離で結像して表示するように、追加の像を投影するための投影および結像手段（２０）とを備え、
   像ディスプレイ手段（１０）は、透明部材（３０）の第１面および第２面（３０ａ，３０ｂ）の一方に配置された、複数の発光画素素子（１０）を備え、
   投影および結像手段（２０）は、個々の発光素子（１０）に取り付けられ、透明部材（３０）の第１面および第２面（３０ａ，３０ｂ）の他方に配列された、複数の光学素子（２０）を備え、
   各光学素子（２０）は、これに取り付けられた発光素子（１０）の虚像を作成可能であり、個々の発光素子（１０）の虚像が観察者の視野（ＦＯＶ）内に追加の像を形成することを特徴とするシステム。
2. 透明部材（３０）は、透明なガラスまたはプラスチック材料からなる固体要素である請求項１記載のシステム。
3. 透明部材（３０）は、透明材料からなる一対の膜で形成された中空の要素であり、その間には部材（３０）の空洞が介在している請求項１記載のシステム。
4. 透明部材（３０）は、透明基板３０は、透明材料からなる固体要素であり、該固体要素には透明材料の膜または箔が付着しており、その上に発光素子（１０）及び／又は光学素子（２０）がそれぞれ配置されている請求項１記載のシステム。
5. 光学素子（２０）は、ミラーとして形成され、発光素子（１０）が配置された透明部材（３０）の面（３０ａ）は、観察者の眼に面している請求項１〜４のいずれかに記載のシステム。
6. 光学素子（２０）は、レンズまたは、屈折や回折によって動作する光学素子として形成され、発光素子（１０）が配置された透明部材（３０）の面（３０ａ）は、観察方向に関して観察者の前方に延びる外界の一部に面している請求項１〜４のいずれかに記載のシステム。
7. 各発光素子（１０）およびこれに取り付けられた光学素子（２０）は、不透明な側壁を持つ透明部材（３０）のチューブ部分の対向端に配置されている請求項１〜６のいずれかに記載のシステム。
8. 透明部材（３０）はフラットであり、発光素子（１０）および光学素子（２０）は、発光素子（１０）および個々の光学素子（２０）によって形成される各システムの光軸（ｚ）が観察者の眼に向けて配向するように、配置され配向している請求項１〜７のいずれかに記載のシステム。
9. 透明部材（３０）は、発光素子（１０）および個々の光学素子（２０）によって形成される各システムの光軸（ｚ）が観察者の眼に向けて配向するように、湾曲している請求項１〜７のいずれかに記載のシステム。
10. 光学素子（２０）は、個々の発光素子（１０）の虚像を観察者の視野内で所定の位置に投影するように、プリズム状の部品を備える請求項１〜７のいずれかに記載のシステム。
11. 発光素子（１０）およびこれに取り付けられた光学素子（２０）は、透明部材（３０）の各面（３０ａ，３０ｂ）にマトリクス状に配列され、観察者の視野（ＦＯＶ）に関し、これらの位置に従って不均一に分布している請求項１〜１０のいずれかに記載のシステム。
12. 発光素子（１０）は、ＯＬＥＤやＰＬＥＤなどの有機タイプのもの、またはマイクロＬＥＤ、量子ドットレーザ、ナノ構造金属光源、カーボンナノチューブ光源、金属もしくはポリマーのナノワイヤ光源、電界放射光源などの無機タイプのものである請求項１〜１１のいずれかに記載のシステム。
13. 使用者に着用可能なディスプレイ装置であって、
    請求項１〜１２のいずれかに記載の投影システムと、
    発光素子（１０）を制御するための制御ユニットとを備え、
    制御ユニットは、発光素子（１０）が配置された透明部材（３０）の面（３０ａ）に配列した電気接続６０のパターンによって、発光素子（１０）に接続されているディスプレイ装置。
14. レンズの曲率および全体としての投影システムが、像の結像のために一緒に最適化されているる請求項１３記載の装置。
    
    
    

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