JP2007524856A - Optical configuration for head-mounted display - Google Patents
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Abstract
1つのビデオ表示スクリーンを使用して両眼に像を伝達するヘッド・マウント・ディスプレイが開示される。この表示スクリーンの像は、分割ボリュームを小さくするために焦点合わせされ、次いで、像の焦点の近傍に配置された複数の反射表面によって分割される。 A head mounted display is disclosed that uses a single video display screen to transmit images to both eyes. The image on the display screen is focused to reduce the split volume, and then split by a plurality of reflective surfaces located near the focus of the image.
Description
本願は、2003年11月18日出願の「MULTIPLE IMAGING ARRANGEMENTS FOR HEAD MOUNTED DISPLAYS」という名称の、同時出願、同時係属、かつ本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第10/716192号に関する。この開示をここに参照により本明細書に組み込む。 This application is related to US application Ser. No. 10 / 716,192, filed Nov. 18, 2003, entitled “MULTIPLE IMAGEING ARRANGEMENTS FOR HEAD MOUNTED DISPLAYS”, co-pending, co-pending, and assigned to the assignee of the present invention. This disclosure is hereby incorporated herein by reference.
本発明は、概ね、視覚的ディスプレイ(visual display)に関し、より詳細には、1つのディスプレイを使用するヘッド・マウント・システムの光学構成に関する。 The present invention relates generally to visual displays and, more particularly, to the optical configuration of head mounted systems that use a single display.
ヘッド・マウント・ディスプレイ(HMD)[Head Mounted Display]は、テレビ、デジタル多用途ディスク(DVD)、コンピュータ・アプリケーション、ゲーム機その他類似の応用例からの像を表示するのに使用し得るあるクラスの画像ディスプレイ・デバイス(image display device)である。HMDは、単眼用(一方の眼で見る単一像)、両眼用(両眼で見る単一像)、または双眼用(それぞれの眼で見る異なる像)とし得る。さらに、一方(または両方)の眼に投影される像は、使用者によって、完全なもの、または使用者の外界視野に重ね合わされたものとして観察される。HMDの設計は、像分解能、眼から仮想像までの距離、仮想像のサイズ(または、仮想像の角度)、仮想像の歪み、使用者の左右の瞳の間隔(眼幅(IPD))、ジオプタ補正、像を分割し伝達することによる光の損失、消費電力、重量、および価格などのパラメータを考慮しなければならない。理想的には、単一のHMDは、様々な使用者に対してこれらのパラメータを考慮し(account for)、立体双眼像または単純なモノスコープ双眼像のいずれであるかにかかわらず、像を表示することができる。 Head Mounted Display (HMD) [Head Mounted Display] is a class of images that can be used to display images from televisions, digital versatile discs (DVDs), computer applications, game consoles and similar applications. An image display device. The HMD may be monocular (single image viewed with one eye), binocular (single image viewed with both eyes), or binocular (different images viewed with each eye). Further, the image projected onto one (or both) eyes is viewed by the user as complete or superimposed on the user's external field of view. The design of the HMD includes image resolution, distance from the eye to the virtual image, the size of the virtual image (or the angle of the virtual image), distortion of the virtual image, the distance between the left and right pupils of the user (eye width (IPD)), Parameters such as diopter correction, light loss from splitting and transmitting the image, power consumption, weight, and price must be taken into account. Ideally, a single HMD will account for these parameters for different users and will display images regardless of whether they are stereoscopic or simple monoscopic binocular images. Can be displayed.
HMDの内部ディスプレイ上の画像の分解能が800×600画素である場合、HMDの光学系によって生成される仮想像の許容可能なサイズは、2mの距離のところの仮想像の直径で約1.5m(52インチ〜56インチ)であり、これは、約36°の視角に相当する。人間の頭部および眼に適合させるために、IPDは45mm〜75mmの間で可変とすべきである。近視および遠視を補償するために、少なくとも±3ジオプタの補正が必要である。 When the resolution of the image on the internal display of the HMD is 800 × 600 pixels, the allowable size of the virtual image generated by the optical system of the HMD is about 1.5 m in diameter of the virtual image at a distance of 2 m. (52 inches to 56 inches), which corresponds to a viewing angle of about 36 °. In order to fit the human head and eyes, the IPD should be variable between 45 mm and 75 mm. In order to compensate for myopia and hyperopia, a correction of at least ± 3 diopters is necessary.
HMD内で使用する微小ディスプレイを(それぞれの眼ごとに1つ使用する代わりに)1つだけにすると、デバイスの価格が劇的に下がる。典型的には、このようなユニット構成では、微小ディスプレイは使用者の眼と眼の間に位置決めされる。次いで、生成された像は分割され、拡大され、別々にそれぞれの眼に伝達される。ディスプレイが中央に装着される単一ディスプレイHMDにおいてビームを分割するための設計が当技術分野で数多く知られているが、安価、軽量、小型であり、様々な像をすべて表示し得る解決策が提供されるものは知られていない。 Having only one small display (instead of using one for each eye) in the HMD dramatically reduces the price of the device. Typically, in such a unit configuration, the microdisplay is positioned between the user's eyes. The generated image is then segmented, magnified, and transmitted separately to each eye. Many designs are known in the art for splitting a beam in a single display HMD with a display mounted in the center, but there is a solution that is cheap, lightweight, compact and capable of displaying all the various images. What is offered is not known.
本発明の実施形態では、1つの表示スクリーン(display screen)によって生成された像を焦点合わせし(focussing)、この像をその焦点の近傍で分割することによって、ヘッド・マウント・ディスプレイの分割ボリューム(splitting volume)を小さくする。次いで、別々の副像が焦点合わせされ、複数の副光路を通って伝播して、別々の場所に像が送り届けられる。 In an embodiment of the present invention, the image generated by one display screen is focused, and the image is divided in the vicinity of the focal point, thereby dividing the divided volume of the head-mounted display ( decrease the splitting volume). The separate sub-images are then focused and propagated through multiple sub-light paths to deliver the images to different locations.
ある種の実施形態では、像の焦点の近傍に配置された部分反射表面および完全反射表面からなり得る非対称V字ミラー・スプリッタを使用する。次いで、像の情報を含む光の一部がこの部分反射表面によって反射され、一方の眼に導かれ、この光の残りの部分は完全反射表面によって反射され、他方の眼に導かれる。 Certain embodiments use an asymmetric V-mirror splitter that may consist of a partially reflective surface and a fully reflective surface located near the focal point of the image. A portion of the light containing the image information is then reflected by this partially reflective surface and directed to one eye, and the remaining portion of this light is reflected by the fully reflective surface and directed to the other eye.
ある種の実施形態では、拡散器も使用して、その上にディスプレイの実像が形成される。開口数の小さいトランジション・オプティクス(transition optics)によって拡散器に実像を投影し、開口数のより大きい光学系によって、これらの像が使用者の眼に伝達される。 In certain embodiments, a diffuser is also used to form a real image of the display thereon. Real images are projected onto the diffuser by transition optics with a low numerical aperture, and these images are transmitted to the user's eye by an optical system with a higher numerical aperture.
ある種の実施形態では、回転反射体も使用し得る。複数の反射体から分割像を反射させることによって、これらの実施形態が異なる使用者の眼幅を調整し得るようにこれらの像の経路を改変することができる。他の実施形態では、複数の光学ブロックを同期した動きを利用して、異なる使用者の眼幅を調節する。 In certain embodiments, a rotating reflector may also be used. By reflecting the split images from multiple reflectors, the path of these images can be modified so that these embodiments can adjust the eye width of different users. In another embodiment, synchronized movement of multiple optical blocks is used to adjust the eye width of different users.
別の実施形態では、ディスプレイを照明する光源も使用し得る。1つの可能な構成は、1つの広帯域光源を近似するように構成された、光の波長範囲が狭い個々の光源を含み得る。 In another embodiment, a light source that illuminates the display may also be used. One possible configuration may include individual light sources with a narrow wavelength range of light configured to approximate one broadband light source.
上記では、以下の本発明の詳細な説明をよりよく理解し得るように、本発明の特徴および技術的な利点をかなり広く概説した。以下、本発明の特許請求の範囲の主題を形成する本発明の追加の特徴および利点を説明する。ここで開示される概念および特定の実施形態は、本発明の同じ目的を達成するために改変し、また他の構造を設計する基礎として容易に用いることができることを理解されたい。このような均等構造は、添付の特許請求の範囲に記載される本発明から逸脱するものではないことも理解されたい。本発明の編成および動作方法に関して本発明を特徴づけると考えられる新規な特徴は、さらなる目的および利点と合わせて、以下の説明を添付の図と併せ読むとよりよく理解されよう。ただし、各図は例示および説明のためにのみ提供されるものであり、本発明の制限を定義するためのものではないことを明確に理解されたい。 The foregoing has outlined rather broadly the features and technical advantages of the present invention in order that the detailed description of the invention that follows may be better understood. Additional features and advantages of the invention will be described hereinafter that form the subject of the claims of the invention. It should be understood that the concepts and specific embodiments disclosed herein can be modified to achieve the same objectives of the present invention and can be readily used as a basis for designing other structures. It should also be understood that such equivalent constructions do not depart from the invention as set forth in the appended claims. The novel features that are believed to characterize the invention in terms of the organization and operation of the invention, together with further objects and advantages, will be better understood when the following description is read in conjunction with the accompanying drawings. However, it should be clearly understood that the figures are provided for illustration and explanation only and are not intended to define the limitations of the invention.
本発明をより完全に理解するために、次に、添付の図面と共に以下の説明を参照する。 For a more complete understanding of the present invention, reference is now made to the following description, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:
図1に、本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウント・デバイス(headmounted device)100の上面図を示す。デバイス100内の副像生成部(sub−image creation section)101は、1つの像源から複数の副光路に複数の副像を生成して送る。ディスプレイ110は、データの視覚的像を表示するように動作可能な任意の適切な機器またはスクリーン、例えば液晶表示(LCD)スクリーンとし得る。ディスプレイ110はディスプレイ軸111に沿って位置し、図に示す実施形態では、ディスプレイ軸111は、ディスプレイ110のスクリーンに垂直であり、使用者の顔面170に直交する。ディスプレイ110は、光路112に沿ってディスプレイ像を投影するように設計される。部分101の構成では、光路112は、ディスプレイ軸111に沿って延びる。ディスプレイ・レンズ115は、光路112に沿って、かつ光路112に直交して配置され、ディスプレイ・レンズ焦点124を有する。ディスプレイ・レンズ焦点124は光路112上にあり、部分101は、ディスプレイ・レンズ焦点124がスプリッタ120内にあるように配置される。表示像が分割される前に、それを焦点合わせすることによって、副像生成部101の分割ボリュームをかなり小さくし得る。分割ボリュームが小さいと、実施形態において小型軽量の分割要素を使用することができ、HMDの設計に、像質を改善し、使用者によって観察される像のサイズを大きくし得る有利な構成および追加の光学要素を含めることができる。図1の実施形態は、ディスプレイ110が発する(または、それから反射する)(ほぼ)コリメートされた光によって像が生成されるように構成され、そのため、スプリッタ120は、ディスプレイ・レンズ焦点124の近傍に配置される。ただし、実施形態はこの構成に限定されるものではない。というのは、スプリッタ120は、焦点合わせされる像に最も適切な位置に配置すべきだからである。例えば、ディスプレイ110が、非コリメート光を発し、伝達し、また反射する場合、ディスプレイ像は、ディスプレイ・レンズ焦点124ではない「点」に焦点合わせされ、いくつかの実施形態では、この焦点区域の近傍の位置にスプリッタ120を配置することになる。
FIG. 1 shows a top view of a head mounted
部分101の構成を用いる実施形態では、スプリッタ120は、部分反射表面121および完全反射表面122で構成された非対称V字ミラー・スプリッタである。表面121と122の近接度は、スプリッタ120のサイズおよび部分101により生成されるようになされたスプリッタ・ボリュームの減少量によって決まる。部分101はさらに、表面121と表面122が共通の縁部を共有するように構成され、ディスプレイ軸111について非対称になるように構成される。そのため、部分101は、ディスプレイ110のディスプレイ像を2つの別々のディスプレイ副像(display sub−image)に分割することができる。副像という用語は、本発明の様々な実施形態によって生成されるディスプレイの複数の像を記述するのに用いる。図1の副像は、ディスプレイのすべての情報を含むが、いくつかの実施形態で用いる副像は、像の一部しか含まないことがある。
In an embodiment using the configuration of
部分反射表面121に当たった後で、ディスプレイ像の一部は、左眼副光路140に沿って反射され、左眼副像になる。ディスプレイ像の、部分反射表面121によって反射されない部分は通過し、完全反射表面122に当たって右眼副像になり、右眼副光路130に沿って反射する。その結果、反対方向に進み、同じ像情報を含む同じ左眼副像および右眼副像が得られる。
After hitting the partially
左眼副像は、副光路140をたどり、使用者の左眼146に導かれる。副光路140に沿って左眼反射体142が配置される。左眼反射体142は、左眼副光路140を90°方向変更して左接眼光学系145に入るように配置された完全反射表面である。右眼副像は、副光路130をたどり、使用者の右眼136に導かれる。副光路130に沿って右眼反射体132が配置される。右眼反射体132は、右眼副光路130を90°方向変更して右接眼光学系135に入るように配置された完全反射表面である。右接眼光学系135および左接眼光学系145は、使用者の右眼136によって観察される右眼副像および使用者の左眼146によって観察される左眼副像をそれぞれ適切に拡大するように設計された単レンズまたはいくつかのレンズの組合せとし得る。
The left-eye sub-image follows the
接眼光学系135および145は調節可能な単レンズであるが、他の実施形態では、右眼136および左眼146によってそれぞれ観察される右眼副像および左眼副像を適切に焦点合わせする複数のレンズまたは他の任意の構成を使用し得る。さらに、デバイス100の反射体142、132をミラーとして示すが、実施形態は、ミラーを使用して副光路を方向変更することに限定されるものではない。そうではなくて、プリズム、部分反射表面、偏光ビーム・スプリッタその他の任意の適切な構成を使用して、副光路を方向変更することができる。
Although the
デバイス100は、光学要素を同期して動かすことによって、異なる使用者の様々なIPDに対する調節を行うこともできる。右接眼光学系135および左接眼光学系145は、部分101が動き155によってシフトするときに、動き152および151によってそれぞれシフトすることができ、それによってIPD 150aおよびIPD 150bが得られる。IPD距離150aがIPD 150bに変化するとき、部分101は同時に、動き155において顔面170に向かって(図1では下向きに)シフトする。IPD 150bが150aに変化するとき、部分101は同時に、面170から離れるように(図1では上向きに)シフトする。これらの同期した動きにより、デバイス100は、表面121、122と接眼光学系135、145の間の副路130および140に沿った距離をそれぞれ一定に保ちながら、IPD 150aと150bの範囲全体に対応するように調節することができる。デバイス100は、左接眼光学系145の動き153および右接眼光学系135の動き154の追加の調節によってジオプタを補正することもできる。
The
図2は、本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウントデバイス200の斜視図である。ヘッド・マウント・デバイス200は、図1に関連して説明した部分101を含む。部分101は、ディスプレイ110のディスプレイ像を、左眼副光路(left−eye optical sub−path)140に沿って進む左眼副像および右眼副光路130に沿って進む右眼副像に分割するように動作する。デバイス200では、左眼トランジション・オプティクス243は、左眼副像を調節するように左眼副光路140に沿って配置され、左眼副像は、左眼反射体142によって反射されて左眼拡散器244に至る。左眼副像は左眼拡散器244に当たり、拡散器表面にディスプレイの実像が生成される。次いで、左接眼複合光学系245は、左眼146に対してこの実像を適切に拡大する。
FIG. 2 is a perspective view of a head mounted
図2に示す実施形態の説明では、拡散器を使用してその上に実像を投影し、それによって像を形成する。開口数が小さいトランジション・オプティクスは、拡散器表面に実像を投影し、開口数が大きい接眼光学系は、この像を使用者の眼に伝達する。ただし、マイクロレンズ・アレイ、回折格子その他の回折表面を含めて、任意の適切な手段を使用し得る。本発明の目的では、本発明の実施形態を説明するのに用いる「拡散器」(diffuser)は、入射角倍率密度(incident angular power density)を適切な出射角倍率密度に変換するのに用いるすべての手段を指すことを理解されたい。 In the description of the embodiment shown in FIG. 2, a diffuser is used to project a real image onto it, thereby forming an image. Transition optics with a small numerical aperture project a real image onto the diffuser surface, and eyepiece optics with a large numerical aperture transmit this image to the user's eye. However, any suitable means can be used, including microlens arrays, diffraction gratings and other diffractive surfaces. For the purposes of the present invention, the “diffuser” used to describe embodiments of the present invention is all used to convert incident angular power density to an appropriate output angular power density. It should be understood that it refers to the means.
図2では、右眼副像は、右眼副光路(right−eye optical sub−path)130をたどり、右眼トランジション・オプティクス233に入る。右眼トランジション・オプティクス233は、右眼ディスプレイ副像を適切に調節して右眼反射体132によって反射させ、右眼拡散器234に向ける。右眼副像は右眼拡散器234に当たり、実像が生成される。この実像は、右眼136用の右接眼複合光学系235によって適切に調節される。デバイス200は、左眼複合光学系245の動き253および右眼複合光学系235の動き254によってジオプタを補正することができる。
In FIG. 2, the right eye sub-image follows the right-eye
デバイス200では、複数の同期した動きによってIPDを調節することも可能である。IPD 150は、動き251によって左眼複合光学系234を右にシフトし、動き252によって右眼複合光学系235を左にシフトすることによって短くすることができる。図2の実施形態では、副光路140の区間240はトランジション・オプティクス243と拡散器244の間にあり、副光路130の区間230は、トランジション・オプティクス233と拡散器234の間にある。そのため、複合光学系235および245が動き252および251でシフトして距離150が短くなるときに、中心部分201は、顔面170から離れるようにシフトすべきである。図2の実施形態では、同期した動きの結果、IPDが調節される1つの組合せを説明するが、本発明の実施形態は、図2の同期した動きに限定されるものではない。
The
図3に、本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウントデバイスの斜視図を示す。ヘッド・マウントデバイス300は、図1に関連して説明した部分101を含む。部分101は、ディスプレイ110のディスプレイ像を、左眼副光路140に沿って進む左眼副像および右眼副光路130に沿って進む右眼副像に分割する。図3に示す実施形態では、左眼ディスプレイ副像は左眼副光路140をたどり、左眼実像反射体342を透過して左眼反射性拡散器343に当たり、それによって実像が生成される。この実像は次いで、左眼実像反射体342によって反射され、左接眼光学系145に入る。左接眼光学系145は、反射された実像を左眼146に対して適切に調節する。右眼ディスプレイ副像は右眼副光路130をたどり、右眼実像反射体332を透過して右眼反射性拡散器333に当たり、それによって実像が生成される。この実像は、右眼実像反射体332によって反射され、右接眼光学系135に入る。右接眼光学系135は、反射された実像を右眼136に対して適切に調節する。
FIG. 3 shows a perspective view of a head mount device constructed in accordance with an embodiment of the present invention. The
図3に示す実施形態は、反射性拡散器を使用してその上に実像を形成するものとして説明するが、本発明は、1つのタイプの拡散器を使用することに限定されるものではない。そうではなく、実施形態では、上記で説明した任意の適切な拡散器を使用し得る。これらの拡散器は、球形、平面、または非球面など、任意の適切な形状とし得る。 Although the embodiment shown in FIG. 3 is described as using a reflective diffuser to form a real image thereon, the present invention is not limited to using one type of diffuser. . Rather, in embodiments, any suitable diffuser described above may be used. These diffusers can be any suitable shape, such as spherical, planar, or aspheric.
図3に示す実施形態は、左接眼光学系145の動き153および右接眼光学系135の動き154によってジオプタを補正することも可能である。左眼実像反射体342および左接眼光学系145は合わせて左眼接眼360を構成する。右眼実像反射体332および右接眼光学系135は合わせて右眼接眼361を構成する。
The embodiment shown in FIG. 3 can also correct the diopter by the
デバイス300では、複数の同時動作によってIPDを調節することができる。図3の実施形態では、左接眼360および右接眼361をそれぞれ動き351および動き352によって同時に動かして、正しいIPDを設定する。同時に、左接眼光学系145の動き153および右接眼光学系135の動き154は、接眼光学系145、135と反射性拡散器343、333の間の光路長を維持するためのものである。
In the
デバイス300では、左眼実像反射体342および右眼実像反射体332は部分反射表面であるが、実施形態は、図に示す構成に限定されるものではない。そうではなく、実施形態は、接眼光学系135および145に光をそれぞれ適切に反射し、光路130、140からの光を反射性拡散器333、343に向かってそれぞれ適切に透過させるプリズムまたは偏光ビーム・スプリッタを使用するものなど、任意の構成に容易に適合させることができる。
In the
図4Aおよび図4Bに、本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウントデバイス400の斜視図を示す。ヘッド・マウントデバイス400は、直角副像生成部(right angle sub−image creation section)401を使用して、1つの像源から複数のディスプレイ副像を生成する。図1〜図3に示す部分101と同様に、部分401は、ディスプレイ110のディスプレイ像を、左眼副光路140に沿って進む左眼副像および右眼副光路130に沿って進む右眼副像に分割する。部分401では、ディスプレイ110およびディスプレイ光学系115は、図1〜図3の部分101から90°回転している。ディスプレイ110は、光路112に沿ってディスプレイ像を投影し、そこでディスプレイ像は、ディスプレイ光学系115によって焦点合わせされる。次いで、ディスプレイ像は、ディスプレイ反射体416に当たり、ディスプレイ反射体416は光路112を90°方向変更する。反射体416によって、焦点合わせしたディスプレイ像はスプリッタ120に方向づけられる。反射体416で光路を方向変更することによって、部分401の総体積は減少する。この体積は、追加の類似の反射体を追加することによってさらに小さくすることができる。部分401では、スプリッタ120は、部分反射表面121および完全反射表面122がディスプレイ軸111に平行になり、ディスプレイ光学系115の反射焦点424がスプリッタ120の内部にあるように構成される。ディスプレイ像の一部は、左眼ディスプレイ副像として部分反射表面121によって反射され、左眼副光路140をたどって、左眼反射体142に当たる。ディスプレイ像の、部分反射表面121によって反射されない部分は、右眼副像として完全反射表面122によって反射され、右眼副光路130に沿って右眼反射体132に当たる。
4A and 4B show perspective views of a
デバイス400は、図2のデバイス200と類似のやり方で「実」像を用いる。デバイス400では、左眼ディスプレイ副像は反射されて左眼拡散器243に至り、そこで実像が形成される。この実像は次いで、左眼146によって観察される左眼副像を適切に焦点合わせするように設計された左接眼光学系145によって左眼146に伝達される。右眼ディスプレイ副像は反射されて右眼拡散器234に至り、そこで実像が形成される。この実像は、右眼136によって観察される右眼副像を適切に焦点合わせするように設計された右接眼光学系135によって右眼136に伝達される。デバイス400は、左接眼光学系145の動き153および右接眼光学系135の動き154によってジオプタを補正することができる。
図4Bに、デバイス400のIPD補正能力を示す。この実施形態では、完全反射表面122および部分反射表面121は、スプリッタ軸423の周りで、かつ相互に回転可能である。完全反射表面122が軸423の周りで時計回りに回転し、部分反射表面121が反時計回りに回転すると、右眼副光路130および左眼副光路140は面から外れ、互いに180°ではなくなる。右眼副光路130および左眼副光路140がある角度シータ(θ)およびシータ・ダッシュ(θ’)偏向すると、その結果、デバイス400によりIPD 450が調節される。接眼460および461は、表面121、122の回転と同時に内向きに回転する。接眼460は反時計回りに回転して副路140の下向き偏向に従い、接眼461は時計回りに回転して副路130の下向き偏向に従う。これらが同時に回転する結果、IPD 450が調節される。
FIG. 4B shows the IPD correction capability of the
図5Aおよび図5Bに、本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウント・ディスプレイ500の斜視図を示す。ヘッド・マウントデバイス500では、この場合も、部分101を使用して、ディスプレイ110のディスプレイ像を、左眼副光路140に沿って進む左眼副像および右眼副光路130に沿って進む右眼副像に分割する。ディスプレイ500では、左眼ディスプレイ副像は、左眼反射体142に当たり、それによって左眼副光路140が90°方向変更される。次いで、左眼ディスプレイ副像は、第2の左眼反射体543に当たり、それによって、この場合も、左眼副光路140は90°方向変更される。左眼反射体142および第2左眼反射体543は、共通の左眼反射体軸541に沿って配置される。左眼ディスプレイ副像は、第2左眼反射体543によって反射された後で、第3の左眼反射体544によって反射され、左眼拡散器243に方向変更される。
5A and 5B show perspective views of a head mounted display 500 configured in accordance with an embodiment of the present invention. In the head-mounted device 500, the right eye traveling along the left-eye sub-image and the right-eye
同様に、右眼ディスプレイ副像は、右眼反射体132に当たり、それによって右眼副光路130が90°方向変更される。次いで、右眼ディスプレイ副像は、第2の右眼反射体533に当たり、それによって、この場合も、右眼副光路130は90°方向変更される。右眼反射体132および第2右眼反射体533は、共通の右眼反射体軸531に沿って配置される。右眼ディスプレイ副像は、第2右眼反射体533によって反射された後で、第3の右眼反射体534によって反射され、右眼拡散器233に方向変更される。
Similarly, the right-eye display sub-image hits the right-
左眼拡散器243上で生成された実像は、左接眼光学系145によって左眼146に伝達される。左接眼560は、第2左眼反射体543、第3左眼反射体544、左眼拡散器243、および左眼接眼光学系145が合わさって構成される。右眼拡散器233上で生成された実像は、右接眼光学系135によって右眼136に伝達される。右接眼561は、第2右眼反射体533、第3右眼反射体534、右眼拡散器233、および右眼接眼光学系135が合わさって構成される。デバイス500は、左接眼光学系145の動き153および右接眼光学系135の動き154によってジオプタを補正することができる。
The real image generated on the
デバイス500は、図5Bに示すようにIPD 150を調節することができる。デバイス500では、左接眼560は、軸541の周りで左眼反射体142に関して回転可能である。左接眼560が左眼反射体軸541の周りで反時計回りに回転すると、副光路140は、その前の経路からある角度ファイ(φ)だけ偏向する。同様に、右接眼561は、軸531の周りで右眼反射体132に関して回転可能である。右接眼561が右眼反射体軸531の周りで時計回りに回転すると、副光路130は、その前の経路からある角度ファイ・ダッシュ(φ’)だけ偏向する。これらの偏向の結果、左接眼560および右接眼561は、調節されたIPD 550に対して使用者の顔の面内で回転する。
Device 500 may adjust
図6に、本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウントデバイスの一部の上面図を示す。図1〜図5には、副像生成部101および401を使用する実施形態を示したが、実施形態はこれらの構成に限定されるものではない。図6では、副像生成部600は、ディスプレイ軸111に垂直に配置されたディスプレイ110を含む。ディスプレイ110は、光路112に沿ってディスプレイ像を投影する。次いで、レンズ焦点124を有するディスプレイ・レンズ115によってディスプレイ像を焦点合わせし得る。スプリッタ620は、共通の縁部を共有し、かつディスプレイ軸111について対称に配置された右完全反射表面622および左完全反射表面621で構成される対称V字ミラー・スプリッタである。図6は、完全反射表面を用いて示し説明したが、このような構成は、偏光ビーム・スプリッタまたは部分反射表面を使用することにも容易に適合し得る。部分601の構成により、ディスプレイ110によって投影されたディスプレイ像が得られ、このディスプレイ像は、ディスプレイ・レンズ115によって焦点合わせされ、2つのディスプレイ副像に分割され、一方は、右眼副光路130に沿って反射され、もう一方は、左眼副光路140に沿って反射される。
FIG. 6 shows a top view of a portion of a head mounted device constructed in accordance with an embodiment of the present invention. Although FIGS. 1 to 5 show the embodiments using the
コリメートされた(またはほぼコリメートされた)光を使用して、本発明の様々な実施形態をさらに最適化することができる。(概ね)コリメート光を生成し、コリメート光を反射し、また、コリメート光によって照明されるディスプレイにより、像質を改善し、デバイス構成を簡略化することができる。コリメート光を生成し、そのコリメート光を異なる態様のHMDに提供する多数の方法があり、実施形態はそのいずれにも限定されるものではない。 Collimated (or nearly collimated) light can be used to further optimize various embodiments of the present invention. A display that generates (substantially) collimated light, reflects collimated light, and is illuminated by collimated light can improve image quality and simplify device configuration. There are numerous ways to generate collimated light and provide the collimated light to different aspects of the HMD, and embodiments are not limited to any of them.
図7に、本発明に従って構成されたヘッド・マウントデバイスの一部の上面図を示す。副像生成部700では、ディスプレイ110は、ディスプレイ軸111に垂直に配置される。ディスプレイ・レンズ115は、ディスプレイ110とスプリッタ620の間に挿入される。スプリッタ620は、完全反射表面621および完全反射表面722を備えた対称V字ミラー・スプリッタとして構成される。レンズ115の焦点124は、スプリッタ620の近傍にある。ディスプレイ110は、光源708および709によって照明される。これらの光源からの光は、偏光スプリッタ、または部分反射ミラー、あるいは他の適切な反射体とし得る光源反射体707によって反射される。光源708および709は、ディスプレイ軸111に隣接して、かつ反射焦点124Rを含む面内に配置される。光源708およびディスプレイ110によって生成された副像は、レンズ115によって焦点合わせされ、スプリッタ620の反射表面722に入射する。ディスプレイ110が光源709によって照明されると、別のディスプレイ副像が生成され、レンズ115によって焦点合わせされる。光源709は反射焦点124Rの下に位置決めされているので、光源709およびディスプレイ110によって生成された副像は、レンズ115によって焦点合わせされ、スプリッタ620の反射表面621に入射する。
FIG. 7 shows a top view of a portion of a head mounted device constructed in accordance with the present invention. In the sub-image generation unit 700, the
図7の実施形態では、2つの完全かつ独立したディスプレイ110の像(この場合も副像と称する)が生成され、各副像は、ディスプレイ110の完全な像である。図7の実施形態では、スプリッタ620は、副像が生成されるように1つの像を分割しないが、ディスプレイの反射の角度空間を分割し、そのため、生成された像が独立に別々の経路に沿って方向変更される。
In the embodiment of FIG. 7, two complete and independent images of display 110 (also referred to as sub-images) are generated, each sub-image being a complete image of
図8に、副像生成部101を使用する本発明の実施形態に従って構成されたヘッド・マウントデバイス800の一部の上面図を示す。青色光源801は、光源光路806に沿って、好ましくは、ディスプレイ光学系115の反射焦点124Rの位置に、またはその近傍に配置される。青色光源801は、日亜NSCx100シリーズの発光ダイオード(LED)など、青色光を生成し得る任意の光源とし得る。青色光源801からの光は、光路に対して適切な角度で配置され、青色光を透過させ、緑色光を反射するように選択された第1の色フィルタ804を透過する。緑色光源802は、光源光路806に隣接して配置され、緑色光源802が青色光源801と同じ場所に置かれたかのように第1色フィルタ804から光が反射するように配置される。青色光および反射した緑色光は、光源光路806をたどり、光源光路806に対して適切な角度で配置された第2の色フィルタ805を透過する。
FIG. 8 shows a top view of a portion of a head-mounted
第2色フィルタ805は、青色および緑色の光を透過させるが、赤色光を反射するように選択される。赤色光源803は、光源光路806に隣接して配置され、赤色光源803が青色光源801と同じ場所に置かれたかのように第2色フィルタ805から光が反射するように配置される。次いで、青色光、反射した緑色光、および反射した赤色光は、光源光路806をたどり、光源光反射体807によって反射される。図に示す実施形態では、光源光反射体807は、ディスプレイ軸111の周りで、かつ光路112に沿って配置された偏光反射体とし得る。青、緑、および赤の合成光は偏光になり、光源光反射体807から反射され、ディスプレイ光学系115を通過する。図に示す実施形態では、ディスプレイ光学系115は、焦点124(および反射焦点124R)を有するように選択したレンズである。ディスプレイ光学系115を通過すると、青、緑、および赤の合成光はコリメートされ、ディスプレイ110を照明する。図8では、単一方向からディスプレイ110を照明するところを示すが、実施形態は単一方向に限定されるものではない。そうではなく、図8の照明系は、図7の場合と同様に複数方向照明に容易に適合し得る。
The
本発明の実施形態は、焦点合わせ光学系の焦点の近傍に像スプリッタを配置する構成に限定されない。そうではなく、本発明の実施形態では、小さな領域で焦点合わせされたディスプレイ像を分割するように像スプリッタを位置決めすることによって、様々な応用例の分割ボリュームを小さくすることができる。 The embodiment of the present invention is not limited to the configuration in which the image splitter is disposed in the vicinity of the focal point of the focusing optical system. Rather, in embodiments of the present invention, the split volume for various applications can be reduced by positioning the image splitter to split the focused display image in a small area.
図9に、本発明の実施形態によって生成された小さくなった分割ボリュームを示す。図9では、ディスプレイ110が照明され、それによってディスプレイ像が生成される。このディスプレイ像は、ディスプレイ軸111に沿って配置された光路112に沿って伝播する。ディスプレイ・レンズ焦点124aを有するディスプレイ・レンズ115は、分割ボリュームが小さくなるようにこのディスプレイ像を焦点合わせする。分割ボリュームが最小になる点は、ディスプレイを照明する光によって決まる。
FIG. 9 shows a reduced split volume generated by an embodiment of the present invention. In FIG. 9, the
ディスプレイ110が、反射ディスプレイ・レンズ焦点924aのところに位置決めされた光源908aによって照明されると、ディスプレイ・レンズ115は、光源反射体707から反射された光をコリメートすることになる。その結果、ディスプレイ・レンズ115によって、ほぼディスプレイ・レンズ焦点124aに焦点合わせされるディスプレイ像が得られる。ディスプレイ110が、ディスプレイ軸111により近い点924bのところに位置決めされた光源908bによって照明されると、光源707から反射された光は、それがディスプレイ110に当たるときに発散することになる。そのため、ディスプレイ像は、ほぼ点124cに焦点合わせされることになる。ディスプレイ110が、ディスプレイ軸111からより離れた点924cのところに位置決めされた光源908cによって照明されると、光源反射体707から反射された光は、それがディスプレイ110に当たるときに収束することになる。そのため、ディスプレイ像は、ほぼ点124bに焦点合わせされることになる。このように、本発明の実施形態は、いずれの点でも最も適切なところでディスプレイ像を分割するように構成することができる。
When
本発明およびその利点を詳細に説明してきたが、添付の特許請求の範囲で定義される本発明から逸脱することなく、本明細書に様々な変更、置換、および改変を加えることができることを理解されたい。さらに、本願の範囲は、本明細書で説明した工程、機械、製作、物質組成、手段、方法、およびステップの特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。この開示から容易に理解されるように、本明細書で説明した対応する実施形態と実質的に同じ機能を実施する、または実質的に同じ結果を実現する、現時点で存在する、または今後開発される工程、機械、製作、物質組成、手段、方法、またはステップを利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内にこのような工程、機械、製作、物質組成、手段、方法、またはステップを含むことを意図している。 Having described the invention and its advantages in detail, it should be understood that various changes, substitutions and modifications can be made to the specification without departing from the invention as defined in the appended claims. I want to be. Furthermore, the scope of the present application is not intended to be limited to the specific embodiments of the processes, machines, fabrication, material compositions, means, methods, and steps described herein. As will be readily appreciated from this disclosure, currently present or later developed that perform substantially the same function or achieve substantially the same results as the corresponding embodiments described herein. Process, machine, fabrication, material composition, means, method, or step can be utilized. Accordingly, the appended claims are intended to include within their scope such processes, machines, manufacture, compositions of matter, means, methods, or steps.
Claims (61)
前記ディスプレイの像を焦点合わせして、分割ボリュームを小さくすることと、
前記小さくなった分割ボリューム内で前記像を分割することとを含む、方法。 A method of transmitting an image from one video display to both eyes of a user,
Focusing the image of the display to reduce the split volume;
Splitting the image in the reduced split volume.
前記ディスプレイの前記像を焦点合わせして、分割ボリュームを小さくする光学系と、
前記小さくなったボリューム内で前記焦点合わせされた像を分割する手段とを含む、ヘッド・マウントデバイス。 A head-mounted device that transmits an image of one video display to both eyes of the user,
An optical system for focusing the image of the display and reducing a divided volume;
Means for splitting the focused image within the reduced volume.
前記表示された像を光路に沿って投影することと、
前記表示された像を前記光路上の点に焦点合わせするレンズを位置決めすることと、
前記点の近傍の前記表示された像を複数の副像に分割することとを含み、各副像は複数の副光路の1つをたどる、方法。 A method of guiding a displayed image,
Projecting the displayed image along an optical path;
Positioning a lens for focusing the displayed image at a point on the optical path;
Dividing the displayed image in the vicinity of the point into a plurality of sub-images, each sub-image following one of a plurality of sub-light paths.
光路に沿って像を投影する手段と、
前記像を焦点合わせする手段と、
前記像の焦点の近傍の、前記像を複数のディスプレイ副像に分割する手段とを備え、前記副像はそれぞれ、複数の副光路の1つをたどり、
前記焦点合わせ手段は、前記投影手段と前記分割手段の間に挿入される、デバイス。 A device for guiding the displayed image,
Means for projecting an image along the optical path;
Means for focusing the image;
Means for dividing the image into a plurality of display sub-images in the vicinity of the focal point of the image, each of the sub-images following one of a plurality of sub-optical paths;
The device, wherein the focusing means is inserted between the projection means and the dividing means.
前記像を部分的に反射する手段と、
前記像を完全に反射する手段とを備える、請求項25に記載のデバイス。 The dividing means includes
Means for partially reflecting the image;
26. The device of claim 25, comprising: means for completely reflecting the image.
光路に沿ってディスプレイの像を投影することと、
前記像を複数のディスプレイ副像に分割することとを含み、各副像は複数の副光路の1つをたどり、前記方法はさらに、
焦点合わせ要素で前記像を焦点合わせすることを含み、前記投影像は、前記像が分割される点の近傍の場所に焦点合わせされる、方法。 A method of guiding a displayed image,
Projecting an image of the display along the optical path;
Dividing the image into a plurality of display sub-images, each sub-image following one of a plurality of sub-light paths, the method further comprising:
Focusing the image with a focusing element, the projection image being focused to a location in the vicinity of the point at which the image is split.
光路に沿って像を投影するディスプレイと、
前記像を焦点合わせするレンズと、
前記像の焦点の近傍の、複数のディスプレイ副像を生成するスプリッタとを備え、前記副像はそれぞれ、複数の副光路の1つをたどり、前記システムはさらに、
前記複数の前記副光路の少なくとも1つに沿って実像を形成する手段を備える、システム。 A system for guiding a displayed image,
A display that projects an image along the optical path;
A lens for focusing the image;
A splitter for generating a plurality of display sub-images in the vicinity of the focal point of the image, each of the sub-images following one of a plurality of sub-light paths, the system further comprising:
A system comprising means for forming a real image along at least one of the plurality of the secondary optical paths.
光路に沿って像を投影するディスプレイと、
前記像を焦点合わせするレンズと、
前記像の焦点の近傍の、複数のディスプレイ副像を生成するスプリッタとを備え、前記副像はそれぞれ、複数の副光路の1つをたどり、前記システムはさらに、
前記複数の副光路の少なくとも1つを方向変更する手段を備える、システム。 A system for guiding a displayed image,
A display that projects an image along the optical path;
A lens for focusing the image;
A splitter for generating a plurality of display sub-images in the vicinity of the focal point of the image, each of the sub-images following one of a plurality of sub-light paths, the system further comprising:
A system comprising means for redirecting at least one of the plurality of secondary optical paths.
光路に沿ってディスプレイ像を生成するように動作可能な表示スクリーンと、
前記表示スクリーンの近傍のディスプレイ光学系とを備え、前記光学系は前記像を点に焦点合わせし、前記ヘッド・マウント・ディスプレイはさらに、
前記点の近傍の、前記ディスプレイ像を複数のディスプレイ副像に分割するスプリッタを備え、各副像は、複数の副光路の1つに沿って進む、ヘッド・マウント・ディスプレイ。 A head mounted display,
A display screen operable to generate a display image along the optical path;
A display optical system in the vicinity of the display screen, the optical system focusing the image on a point, and the head mounted display further comprises:
A head mounted display comprising a splitter that divides the display image into a plurality of display sub-images in the vicinity of the point, each sub-image traveling along one of a plurality of sub-light paths.
光路に沿って像を生成するように動作可能な表示スクリーンと、
前記表示スクリーンの近傍のディスプレイ光学系とを備え、前記光学系は前記像を点に焦点合わせし、前記ヘッド・マウント・ディスプレイはさらに、
前記点の近傍に配置された、前記ディスプレイ像を複数のディスプレイ副像に分割するスプリッタを備え、各副像は、複数の副光路の1つに沿って進み、前記ヘッド・マウント・ディスプレイはさらに、
前記複数の副光路の少なくとも1つに沿って配置された反射体を備える、ヘッド・マウント・ディスプレイ。 A head mounted display,
A display screen operable to generate an image along the optical path;
A display optical system in the vicinity of the display screen, the optical system focusing the image on a point, and the head mounted display further comprises:
A splitter disposed in the vicinity of the point and dividing the display image into a plurality of display sub-images, each sub-image traveling along one of a plurality of sub-light paths, the head mounted display further comprising ,
A head-mounted display comprising a reflector disposed along at least one of the plurality of sub optical paths.
光路に沿ってディスプレイ像を生成するように動作可能なディスプレイと、
前記ディスプレイの近傍のディスプレイ光学系とを備え、前記ディスプレイ光学系は焦点を有し、前記システムはさらに、
前記ディスプレイに放射を投影する広帯域放射源と、
前記焦点の近傍に配置されたスプリッタを備え、前記スプリッタは、前記ディスプレイ像を複数のディスプレイ副像に分割するように動作可能であり、各副像は、複数の副光路の1つに沿って進む、システム。 A system for guiding a displayed image,
A display operable to generate a display image along the optical path;
Display optics in the vicinity of the display, the display optics having a focal point, and the system further comprises:
A broadband radiation source for projecting radiation onto the display;
A splitter disposed in the vicinity of the focal point, the splitter being operable to divide the display image into a plurality of display sub-images, each sub-image along one of a plurality of sub-light paths Go ahead, the system.
第1および第2のフィルタと、
第1、第2、および第3の狭帯域投影器とを備え、
前記第1狭帯域投影器は、前記第1フィルタリング手段を介して、共通の放射源経路に沿って放射を投影するように位置決めされ、
前記第2狭帯域投影器は、前記第1フィルタに放射を投影するように位置決めされ、前記第1フィルタは、前記第2フィルタリング手段を介して、前記共通の放射源経路に前記第2狭帯域投影器からの前記放射を反射するように位置決めされ、
前記第3狭帯域投影器は、前記第2フィルタリング手段に放射を投影するように位置決めされ、前記第2フィルタは、前記共通の放射源経路に前記第3投影器からの放射を反射するように位置決めされる、請求項55に記載のシステム。 The broadband radiation source is:
First and second filters;
First, second, and third narrowband projectors,
The first narrowband projector is positioned to project radiation along a common source path via the first filtering means;
The second narrowband projector is positioned to project radiation onto the first filter, the first filter passing through the second filtering means into the common source path to the second narrowband projector. Positioned to reflect the radiation from the projector;
The third narrowband projector is positioned to project radiation onto the second filtering means, and the second filter reflects radiation from the third projector into the common radiation source path. 56. The system of claim 55, wherein the system is positioned.
ディスプレイの像が焦点合わせされ、前記ディスプレイ像を利用して少なくとも2つの副像が生成される副像生成部を備え、各副像は2つの副路の一方に沿って方向づけられ、前記システムはさらに、
前記副路のそれぞれに沿って介在する少なくとも1つの接眼部を備え、
前記副像生成部および前記接眼部は、同期した動きによって眼幅を調節する、システム。 A system for guiding a displayed image,
The system comprises a sub-image generator that focuses a display image and generates at least two sub-images using the display image, each sub-image being oriented along one of the two sub-paths, further,
Comprising at least one eyepiece interposed along each of the secondary paths;
The sub-image generation unit and the eyepiece unit adjust the eye width by synchronized movement.
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