JP2007531907A - 電子ディスプレイアレンジメントを構成するライトパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、特に、電子ディスプレイアレンジメントを構成するライトパイプ、さらには虚像（I）を見る電子ディスプレイアレンジメント利用者の目（O）に向かってライトパイプの入口面（SE）端部から出口面（SS）端部に光信号を送ることに関する。
【解決手段】このライトパイプの一方の面には、改良した面である回折部分がある。この回折部分は、回転対称型非球面体の式の条件を満たす素子である。本発明では、この回折部分は前記入口面（SE）上に形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、眼鏡型フレームに取り付けられる電子ディスプレイアレンジメント（electronic display arrangement）に使用されるライトパイプ（light pipe）に関する。

このような電子ディスプレイアレンジメントは、特許文献1に記載されており、その平面図を図1に示す。

このアレンジメント（arrangement）１０は、ハウジングアセンブリ（housing assembly）１６を備えている。このアセンブリ１６は、データや像を受ける回路（circuit）とイメージジェネレイターアセンブリ（imagegenerator assembly）を有する第1のハウジング２０を備えている。イメージジェネレイターアセンブリによって送られる光は、光学機器１４を介して、例えばめがねレンズ２４を通って、利用者の目に伝えられる。この光学機器１４であるライトパイプ（light pipe）は、長手方向の軸A−A´に沿って光を送る透明で球面収差が補正された（rectilinear）光リレー２６と偏光アセンブリ（deflector assembly）２８を有している。この偏光アセンブリ２８は、前記A−A´軸に対して傾斜した面を有するミラー３０と、この図ではA−A´軸に対して直角である回転対称軸B−B´を軸とし前記傾斜したミラーに隣接している非球面レンズ（aspherical lens）32を備えている。ハウジングアセンブリ１６は、留め具装置３６によりめがねフレームのつる（temple）３４のうちの一方に取り付けられている。

このライトパイプは、非球面レンズの厚みを除いた最大の高さがH_maxで、長手方向の軸A−A´に沿った長さがL_moyで表される。この例のように、従来技術では、ライトパイプの最大高さH_maxは１１mmであり、長さL_moyは３２mmである。このような従来技術のアレンジメントでは、利用者は、見掛けの角サイズ（apparent angular size）が１１．５度である像を見ることができる。

このライトパイプは、熱可塑性プラスチック材料製である点が有益である。

本発明の目的は、ライトパイプの長さL_moyの長短にかかわらず、良質の像を維持しつつ、より大きなサイズの像を見ることを可能にすることである。

従来のアレンジメントでは、像を拡大すると、必然的に像の質の問題、具体的には色収差、特に軸上色収差（transverse chromatic aberration）という光学的な欠点が生じていた。単色収差（ｍonochromaticaberration）も相当増大する。

特許文献２では、光学的アレンジメント（optical arrangement）、特に電子ディスプレイアレンジメントにおいて用いる光学的アレンジメントを開示している。さらには、入口面の端部から出口面である他方の端部に光信号を送り、この光信号を利用者の目まで到達させて、虚像（virtual image）を見ることができるようにすることが開示されている。このアレンジメントには回折部分が含まれており、この回折部分は回転対称型非球面体（aspherical body of revolution）の式（equation）の条件を満たした素子である。
米国特許第６０２３３７２号 米国特許第６３４９００４号

従来の光学的アレンジメントは相互に組み合わされた多くの光学素子(optical element)で構成されている。回折部分は、光信号の入口である、光学素子アセンブリ前方に設けたいくつかの別々のレンズで構成されている。

多くの素子またはレンズを使用する実施態様では、部品を組み合わせるのが複雑であり高価でもある。

本発明では、一体成形にて製造したライトパイプ、例えばプラスチック材料を射出成形にて加工したライトパイプを用いることでこの問題を解決した。さらには、本発明に係るライトパイプは、サイズが大きく良質な像を提供することができる。

本発明では、特に電子ディスプレイアレンジメントに使用するライトパイプを提供する。本発明に係るライトパイプの入口面の端部から出口面である他方の端部に光信号を送り、この光信号を虚像（virtual image）を見る利用者の目まで到達するように設計した。このライトパイプは改良面である回折部分を備え、この回折部分は、回転対称型非球面体（aspherical body of revolution）の式（equation）の条件を満たした素子である。本発明に係るライトパイプの特徴は、前記回折部分を前記入口面に直接形成させた点にある。

本発明の実施態様では、回折部分の表面は電子ディスプレイアレンジメントの内側にあるために、ごみで汚れることがないという利点がある。

本発明により、１５°以上の角サイズ（angular size）を有し良質な像を表示することを可能とするライトパイプを得ることができる。

本発明に係るライトパイプは、一体成形で加工できる。この場合、熱可塑性プラスチック材料を型に入れて作るのが好ましい。従って、本発明のライトパイプは、比較的加工が容易であり、製造コストを低く抑えることができる。

さらに、本発明のライトパイプは、パイプの全長を比較的長くすることが可能である。これは、リレーの高い透明性によりパイプを長くしてもパイプ利用者は周囲の視界を維持できるからである。従って、本発明は、ライトパイプの長さを維持しながらも像の質の問題を解決することができる。上記ライトパイプの長さは、ライトパイプ利用者が良好な視界を維持できるのに十分な長さである。

本明細書において「回折部分」とは、波面（wave front）のセグメント化（segmenting）、及び干渉（interference）と位相制御（phase control）を使用することによる上記セグメントの向きの変化（redirect）により、波面（wave front）を変更する光学部分を意味する。

回折部分はキノフォーム（kinoform）タイプの素子が好ましい。

本明細書において「キノフォーム（kinoform）タイプの素子」とは、非常に緩やかで（gently）かつスムーズな（smoothly）位相制御面を有する回折素子を意味する。

キノフォーム（kinoform）タイプの素子には、刻み幅（step size）が回転対称型非球面体の式を満たす、という利点がある。

加えて、前記面の少なくとも一つは、「ワーキング（working）」面を備えた非球面であり、この「ワーキング（working）」面には、光が透過し少なくとも1回正負の符号（sign）が変化する部分的湾曲がある。

上記した構造により、像中の像面湾曲（field curvature）と非点収差のレベルを極めて十分な手段にて制御することで、像の質を高めることが可能となる。

さらには、上記した非球面は、回転対称型の面である光の出口側に設けてもよい。この非球面がライトパイプの屈折力（optical power）の大部分をもたらすこととなる。

前記回折部分である改良面もまた、非球面であることが好ましい。

前記非球面は回転対称型の面である。

前記非球面は、前記ワーキング面（SU）を備えている。このワーキング面（SU）には、その中心からの径方向の距離に関する二次導関数（second derivative）がゼロを通り正負の符号（sign）を変える径方向の外形(radial profile)に、少なくとも一箇所の湾曲部がある。

前記回折部分の結像位置は、−４ジオプター以下近傍、より正確には−１０ジオプター以下であり、または0ジオプター以上近傍である。

本発明は、長方形の棒で形成した光リレーを有する上記のように特定したライトパイプを提供する。この光リレーは「第一の」軸である長手方向に沿って光を送る。さらに上記ライトパイプには、両端部の一方に前記入口面があり、他方に前記第一の軸に対して傾斜した反射壁（reflecting wall）及び中心面（longitudinal plane of symmetry）を通る回転対称軸を持った出口面の両方がある。

本発明はさらに、電子ディスプレイアレンジメントも提供する。このアレンジメントは、眼鏡型フレームや特定のシステムに取り付けたものであり、これによりライトパイプを利用者の目の前に備えることが可能となる。そして、このアレンジメントは、上述したライトパイプを少なくとも一つ備えている。

前記電子ディスプレイアレンジメントには、二つのライトパイプが備わっていてもよい。この場合には、両眼で電子ディスプレイを見ることとなる。

本発明の好ましい実施態様を示した図を参照して、本発明を以下詳細に説明する。

図１は、従来技術である眼鏡型フレームに取り付けた電子ディスプレイアレンジメントを上から見た図である。
図2は、従来技術を改良した電子ディスプレイアレンジメントの概略平面図である。
図3は、本発明に係るライトパイプのA−A´軸における部分断面図である。
図4は、本発明に係るライトパイプ入口面のA−A´軸におけるより詳細な部分断面図である。

図１は、ライトパイプの態様、特に眼鏡型のフレームにライトパイプを取り付けた態様を示している。

図１のライトパイプ14と本発明に係るライトパイプとの間には相違点が存在する。

図1とは別の態様を図2に示す。図２ではマイクロスクリーン（micro-screen）を概略的に示している。このマイクロスクリーンは、図1におけるハウジング２０のようなハウジングに取り付けられている。電子ディスプレイアレンジメントの利用者に見える像をIで示している。

この場合、レンズ３２の回転対称軸B‐B´は、第一の軸A‐A´に対して直角ではなく、A‐A´に対して６５°〜９０°の範囲の角度で傾いている。ライトパイプを利用者の顔の形に合うように取り付けることで人間工学的に適応させることが可能となる。ここでは、利用者を目０で表している。

さらに、このライトパイプを利用者の眼前に備えるために、特定のシステム、つまり眼鏡型以外のシステムに取り付けてもよい。

さらに、図２において、比較的長い光リレー２６を有する利点も示している。この長さであっても、ライトパイプにおける光リレーの透明性により、ライトパイプ利用者の視界は維持される。この視界を矢印Vで表している。

この実施態様においては、ライトパイプは光リレー２６を有している。この光リレー２６は、第一の軸である長手方向の軸A‐A´に沿って光が送れるよう設計されており、長方形の棒から形成される。さらに上記ライトパイプは、両端部の一方に入口面SEがあり、他方の端部に前記第一の軸に対して傾斜した反射壁（reflection wall）２８と出口面の両方がある。出口面は、中心面（longitudinal plane of symmetry）を通る回転対称軸B‐B´を有するレンズ３２からなる。

本発明の好ましい実施態様として、良質な像を維持しつつ大きな像を得ることができるように入口面を図３、４に示した形状にする態様がある。

図３にて、ライトパイプ１４の入口面SE、及び入口面SEと相互に関連したマイクロスクリーン２０Aを示す。光線Fがマイクロスクリーン２０Aから発せられる。ワーキング面（working surface）SUは入口面の一部であり、上記マイクロスクリーンから発する光線はワーキング面SUを透過して利用者の瞳孔に伝播する。少なくともワーキング面SUの面積から見積もると、利用者の瞳孔の直径は８mmが有利と考えられる。

入口面SEに回折部分が設けられている。つまり、回折部分の表面が入口面SEに直接形成されており、この回折部分の表面には「キノフォーム（kinoform）」型をした不連続なリング（ring）がある。よって、上記光学設計物の他の部分には、ライトパイプ利用者の認識する入口面の像が利用者の焦点調節（focusing）の範囲外に結像する手段が施される。例えば、本発明の実施態様においては、入口面SEの結像位置は−４ジオプター以下であり、−１０ジオプター以下が好ましく、他に上記ジオプター値近傍も好ましい。このとき、「利用者の頭部の後方」に結像する。このように、ライトパイプ利用者は、回折部分の寄生像（parasitic image）により邪魔されることはない。

軸上色収差（transverse chromatic aberration）は、マイクロスクリーン２０Aの赤色と青色の発光ピークの波長の値から計算できる。この波長の値は、青色が４６０ナノメーター（nm）、赤色が６３０ナノメーター（nm）が典型的である。さらに、少なくとも、もう一つのマイクロスクリーン２０Aの波長である緑色の発光ピークの波長（約５１６nm）を考慮に入れるのが好ましい。これにより、包括的な色収差の影響を確かめることができる。

回折部分の強度は、軸上色収差の値が、出口面SSから１０〜２５mmの距離において光信号の出口側光軸上に瞳孔が位置する利用者にとって７分（arc minute(arcmin)）以下と認識されるように決定するのが好ましい。

ワーキング面SUについては、図４において詳細に記載する。

図４において、色収差を解消するための回折部分の表面を開示する。色収差の解消は、非点収差（astigmatism）と像面湾曲（field curvature）の度合いを制御する非球面で対応されている。

ここでは、上記非球面は、回転対称性を持つ面でもある。ワーキング面SUにおいて、前記回折部分表面を有する非球面の径方向における外形（radial profile）に関する上記二次導関数の正負の符号（sign）は、少なくとも一度変わる。例示では、非球面には径方向の外形（radial profile）PRに沿って屈折点P１があり、この二次導関数が正負の符号（sign）を変える条件を満たしている。

径方向の外形を示す式がZ（ｈ）で表される場合、解像力ドメイン（definition domain）またはワーキング面を限定する領域部分に相当するワーキングドメイン（working domain）上に、（d2Z/dh2）（h0）の値が０であってｈが０のところで正負の符号（sign）が変わるというｈ０が少なくとも一つ存在することを意味する。

前記本発明に係る改良面は、「ワーキング面（working surface）SU」を有している。マイクロスクリーンから発する光がライトパイプ利用者の目に向かってこの「ワーキング面SU」を透過して行く。ワーキング面SUの部分的湾曲部において正負の符号（sign）の反転（reversal）が存在する。

ワーキング面SUの光軸からの径方向の距離（impact height）をｈで表すと、回折部分を有する非球面は、数１に記載した式を満たすこととなる。

（式中、Zsupport(h)は、Z軸と平行な面の座標である。C_１は非球面極の曲率（curvature at the pole of the surface）である。ｋ_１は円錐係数（conic coefficient）である。A_１、B_１、C_１・・・は、非球面の多項式係数（polynomial coefficients）を表している。）

上記Zsupport(h)は、回転対称型非球面の一般式である。

回折部分の表面は、前記ワーキング面SUにおいて同心状バンドSTの形状をしており、いわゆる「キノフォーム」と呼ばれる外形を有している。

上記回折部分表面は、回転対称型非球面の場合、数２に記載した式で表される。ｓは刻み幅（step size）である。

（式中、Zdiffract(h) は、数３のように表される。

（式中、Zdiffract(h)は、Z軸と平行な面の座標である。C_２は非球面極の曲率である。ｋ_２は、円錐係数（conic coefficient）である。A_２、B_２、C_２・・・は、非球面の多項式係数を表している。）)

さらにｓは数４のように表される。

（式中、λは回折部分に入射する設計波長であり、一般的には光スペクトルの可視光域の中央付近、例えば５５０nmを選択する。ｎ（λ）は、設計波長λに対するライトパイプ構成材料の屈折率である。）

最後に、図４に記載した表面は、数５に記載した式で表される。

さらに、図４の実施態様では、出口面が回転対称型非球面でもよい。

本発明は、詳細に記載した上記実施態様に限定されるものではない。

他のタイプのライトパイプでも本発明で使用できる。上記ライトパイプは、入口面SEと出口面SSを有するレンズと光学的には同一の一般用語である。

本発明では、入口面SEではなく出口面SSに上記非球面と上記回折部分を配置して非点収差を制御することも可能である。

従来技術である、眼鏡型フレームに取り付けた電子ディスプレイアレンジメントを上から見た図である。 従来技術を改良した電子ディスプレイアレンジメントの概略平面図である。 本発明に係るライトパイプの軸A−A´についての部分断面図である。 本発明に係るライトパイプ入口面の軸A−A´についてのより詳細な部分断面図である。

Claims (10)

1. 入口面（SE）端部から出口面（SS）端部に光信号を送り、該光信号が虚像（I）を見る者の目まで到達するよう設計された電子ディスプレイアレンジメントにおいて使用されるライトパイプであって、
   該ライトパイプが改良面である一方の面に回転対称型非球面体の式の条件を満たした素子である回折部分を備え、該回折部分が該ライトパイプの入口面（SE）に直接形成されることを特徴とするライトパイプ。
2. 前記回折部分が、キノフォーム型の素子であることを特徴とする請求項１記載のライトパイプ。
3. 前記入口面（SE）と前記出口面（SS）のうちの少なくとも一方が、ワーキング面（SU）を備えた非球面であり、該ワーキング面（SU）には、光が透過し少なくとも1回正負の符号が変化する部分的湾曲が存在することを特徴とする請求項１または２記載のライトパイプ。
4. 前記非球面が、回転対称型の面であることを特徴とする請求項３記載のライトパイプ。
5. 前記非球面に設けられた前記ワーキング面（SU）が、該ワーキング面（SU）中心からの径方向の距離に関する二次導関数がゼロを通り正負の符号を変える径方向の外形に、少なくとも一箇所の湾曲部を備えることを特徴とする請求項３または４記載のライトパイプ。
6. 前記回折部分の結像位置が、−４D（ジオプター）以下であることを特徴とする請求項１ないし５の何れか１項に記載のライトパイプ。
7. 前記回折部分の結像位置が、−１０D以下であることを特徴とする請求項１ないし６の何れか１項に記載のライトパイプ。
8. 前記回折部分の結像位置が、０D以上であることを特徴とする請求項１ないし７の何れか１項に記載のライトパイプ。
9. 第一の軸である長手方向の軸（A−A´）に沿って光を送るための、長方形の棒で形成された光リレー（２６）であって、
   一方の端部が前記入口面からなり、他方の端部が該第一の軸に対して傾斜している反射壁（２８）及び中心面を通る回転対称軸（B−B´）を持つ出口面（SS）の両方からなる、該光リレーを有することを特徴とする請求項１ないし８の何れか１項に記載のライトパイプ。
10. 請求項１ないし９の何れか１項に記載のライトパイプを少なくとも一つ備えた電子ディスプレイアレンジメントであって、
    該ライトパイプを利用者の眼前に固定するために、該ライトパイプを眼鏡型フレームまたは特定のシステムに取り付けるのに適した電子ディスプレイアレンジメント。