JP2008535001A - 内部全反射イメージを使用する光学システム - Google Patents

Abstract

頭部装着用ディスプレイ用光学システムには、二つの平行な面をもつ導光パイプが含まれ、前記面にそって内部全反射により複数の光モードが進行できるようになっている。照射要素で複数の光モードの選択ができ、これによって、好ましいモードが導光パイプにそって軸方向または内部全反射方向に送られる。
【選択図】図８

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２００５年３月２２日に出願の米国仮特許出願第６０／６６４，２５４の利益をＵ．Ｓ．Ｃ．第１１９（ｅ）に基づき主張するもので、前記出願の記載をここに参考文献として組み入れるものである。

［連邦支援の研究または開発に関する声明］
本発明は、米国陸軍の空軍およびミサイル軍契約Ｎｏ．Ｎ３１Ｐ４Ｑ−０４−Ｃ−ＲＥ２８０に基づきなされたものである。米国政府は、本発明に対しある種の権利を保有するものである。

［発明の背景］
眼鏡レンズまたはフェースマスク光学プレートを経てのイメージの伝播は、知られている。例えば、米国特許第５，８８６，８２２号を参照されたい。ここにおける図１を参照すると、光は、軸方向に向けられ、外表面レンズからの反射は、好ましくない。知られている別の実施例では、レンズの厚さを薄くするため、または、視界を広げるために、レンズまたはプレートの面からの内部全反射を使用することが論じられている。例えば、米国特許第６，３８４，９８２号を参照されたい。

［発明の概要］
頭部装着ディスプレイのための光学システムが設けられ、このシステムにより、軸方向または内部全反射のいずれかによる導光パイプにそっての伝送のために好ましいモードが選択される。さらに詳しくは、このシステムは、平行な二面を有するソリッドの光学要素を備える導光パイプを含んでいる。イメージ源には、ディスプレイ要素と少なくとも一つの光源を含む照明要素が含まれている。このイメージ源は、光を導光パイプに向けユーザーの目に伝わるようにしている。

前記照明源と前記ディスプレイ要素の間のコリメートシステムには、集光レンズ要素と該集光レンズ要素の焦点距離にある開口が含まれている。一つの実施例においては、前記開口と前記光源は、前記集光レンズの軸にそって配置され、これによって、前記導光パイプにそって前記平行な二つの面からの内部全反射により伝送される前記照明要素からの複数のモードが前記導光パイプへ入光しなくなるようにされる。

他の実施例においては、前記照明要素には、さらに別の光源が含まれ、前記コリメートシステムには、さらに別の開口が含まれている。このさらに別の光源とさらに別の開口は、前記集光レンズと前記ディスレイ要素の軸から外れて位置し、これにより、前記照明要素からの複数のモードは、前記導光パイプに入光し、前記平行な二つの面からの内部全反射により前記導光パイプにそって伝送される。

さらに別の実施例においては、前記照明要素は、複数の光源を含み、前記コリメートシステムは、複数の開口を含み、各開口は、一つの光源に関連している。この態様においては、複数のモードが前記導光パイプに伝えられ、前記モードの少なくとも一つの部分が前記導光パイプの前記平行な二つの面からの内部全反射により伝えられる。前記複数の光源は、シーケンスに照明でき、異なるイメージを同期して供給できる。前記光源は、同時に照明し、広角度の視野をもつイメージを与えることができる。前記光学システムは、いくつかのモードの射出瞳がオーバーラップするように構成されることができる。

［発明の詳細な記載］
本発明の目的は、レンズを介しての光の伝播を制御し、前記レンズ面から内部全反射（ＴＩＲ）させるか、または、この内部全反射をなくすようにする点にある。この制御は、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）を照明するのに使用されるバックライト機構の構造によって達成される。

レンズまたはプレートは、これを導波管であると見立てることができるものであって、この導波管を通して、導波管表面からの反射を必要としない軸方向モードを含む多数のモードのものが伝播されることができる。（このことは、光線が、軸方向に伝播するか、または、光ファイバコアとクラッドとの間のインターフェースにおける反射を用いて伝播するマルチモードの光ファイバに似ている。） 導波管を通る伝播モードをコントロールするためには、液晶ディスプレイに対する入射光線をコントロールするだけでよい。光軸に対しよく平行にコリメートされているか、または、僅かな変化がある光線は、軸方向に伝播され、液晶ディスプレイを広角で通過する光線は、反射されるものである。本方法によれば、バックライトに当てることで、導波管の複数のモードを選択的に照射されるようにすることができる。このようにして、前記イメージの視野を広げたり、せばめたりすることができる。

図１は、眼鏡を経て人の目へイメージを伝える従来の方法を示す。液晶ディスプレイ２０に隣接のバックライト内蔵体３０に内蔵された一つまたは複数の発光ダイオードにより光が発光される。図１は、光線がレンズ１０を通りながら目（図示せず）へ伝播されて虚像５０を形成する光路を示す。このバックライトは、実際に光を軸方向のみならず、ある角度範囲に発光する広域拡散源を形成している。伝播角度のいくつかは、光線が目に向かって伝播される際、前記レンズの面に打ち当たることができるようになっている。図２は、そのような伝播の例を示すものであって、この例においては、角度によっては、バックライト３０から発光された光線は、液晶ディスプレイ２０を通ってレンズ１０に入光し、ミラー１１で反射される。これらの角度で光路６０はレンズ１０の面６１に入射し、内部全反射により反射されるようになる。このような反射で、ユーザーの視野の中心からはずれた虚像７０が発生する。

図３に示すように、バックライトからの光線をある角度で反対の方向へ出射するようにする反対のモードも可能である。このような場合、光路６５は、レンズ１０の内側前面６２から内部全反射により反射され、その結果、ユーザーの視野の中心の左へずれた虚像７１になる。

光がバックライトにより中心軸方向とある範囲の角度の両方で拡散輻射された場合、図４に示すように、複数の虚像が生じる。これらの虚像には、同じ情報内容が包含されていて、したがって、混同してしまい、使いものにならない。そのような場合、左側のイメージ７１と右側のイメージ７０をなくしてしまうことが好ましい。しかしながら、これらの虚像のそれぞれが異なる情報をもっているとすると、これら三つのイメージを合体させて、前記一つのイメージの幅の３倍になるノミナルの幅をもつ一つの大きな虚像を形成できる。

図５は、どのようにして左右のイメージをバックライトの変更により除去し、集光イルミネータを形成するかを示す。図５において示す点は、バックライト（図１で３０）をコリメートされたバックライト機構に置き換えるもので、この機構は、以下の構成を備える：発光ダイオード３１、集光レンズ１００および開口１０１。この開口は、一般的は、ディフューザに合うもので、既知のサイズと開口数をもつ光源を形成する。開口１０１は、集光レンズ１００に対しある距離、一般的には、接近しているかまたはレンズの焦点距離に等しい距離をもって位置している。ニュートンのレンズ等式によれば、前記構成で光線が前記開口のイメージを無限大で作ることを示す、即ち、前記開口からの光線は、コリメートされることを意味するようになっている。コリメーションの度合いは、前記開口の幅に応じている。コリメーションにより、内部全反射による前記レンズ内部からの反射される光線は、除去され、中央虚像のみが作りだされる。ディスプレイを見る光学機器１１０（図示の実施例では、反射面１１４をもつ導光路１１２、ビームスプリッタ１１６および反射面１１８）は、ついで、前記機構の射出瞳に開口イメージを再現させる。かくして、本発明は、マルチモードの導波管レンズにおける寄生虚像を除去する方法を提供するものである。

図６は、開口１０１を中心からはずれるように動かした結果を示す。この場合、光線は、コリメートされるが、ある角度で前記機構の軸に伝播される。このことは、前記開口を正しく位置させることで、内部全反射の選択された反射数を使用するモードで、前記モードに対応する一つの虚像を照明するようにするために、ユーザーの目に達するように伝播する光線を選択することができることを意味するものである。

内部全反射モードのいくつかのものを選択できるように、機構を構成することができる。図７においては、中央モードが二つの内部全反射モードに結合された場合を示している。この場合、発光ダイオード２０１，２０２，２０３は、３つの開口と組み合わされて、その結果、光線がレンズ２２０を通過するとき異なるモードが作られる。中央モード２０５は、眼鏡レンズまたはフェースマスクを経て中央虚像を作る。光線束２０４は、内部全反射によりレンズ（図２の６１）の内部面から反射されて右側（図２の７０）に虚像を作る。光線束２０６は、レンズ（図３の６２）の内部面から反射されて左側の虚像（図３の７１）を作る。また内部全反射は，光路を曲げ、これによって、前記３つのイメージの射出瞳がオーバーラップすることになる。３つの発光ダイオードが同時に発光すると、等しい情報コンテントをもつ３つのイメージが使用者の視野の内に作り出される。左と右のイメージが逆転されて見えるようになる（左から右）。しかしながら、発光ダイオードが順を追って発光し、液晶ディスプレイ２１０が３つの異なるイメージを同時に発光ダイオードの照明で同時に与えられると、ユーザーは、３つのはっきりしたイメージを見ることになる。このような液晶ディスプレイは、フィールドシーケンシャル（フィールド順次走査）液晶ディスプレイとして知られており、フィールドシーケンシャル・サイバーディスプレイを販売する幾つかの会社、例えば、Ｋｏｐｉｎコーポレーションにより販売されている。

本発明の好ましい実施例においては、前記光学システムは、いくつかのモードの射出瞳がオーバーラップするように構成され、これによって、すべてのイメージが一つの目の位置で見れるようになっている。目の動きが異なるモードを見るために必要になる別の構成も可能である。光学設計技術を用いて、光源の位置とサイオズを定め、モードの混合をなくすようにし、これによって、一つのモードのイメージが迷光を受ける一方、他のモードが照らされる。これによって、ゴーストイメージが発生したり、さらに／またはコントラストを失う。前記光学設計は、最初の指定の光学構造および人手による光線トレースまたはＺＥＭＡＸ，ＣＯＤＥ ＶまたはＯＳＬＯなどのような市販の光学用ソフトウエアを用いるなどのコンピュータ化された光線トレースを含む既知の方法により行うことができる。

図８は、内部全反射を利用するマルチモードの光線のトレースを示す。３つの別個の光源８０１，８０２，８０３は、個々別々にパルス化できて、対応する情報が示されたときディスプレイ８１０を照射する。図は、前記ディスプレイの領域全体を照射していることを示しているが、同じような構成を前記ディスプレイの領域全体に適用できる。前記光源の光線は、集光レンズ８１５によりコリメートされる。光線が前記ディスプレイを通過した後、該光線は、視野レンズ８２０と空気間隙８２５を通り抜けて、導光パイプ８３０に入光する。この空気間隙は、前記モードが必要とするインターフェースで内部全反射させるために必要なものである。前記鏡における第１の反射は、鋭角であって、したがって一般的には面８２８は、反射コーティングを施したり、面へ鏡を接合したり、または、既知の他の方法で反射できるようになっていなければならない。ついで、前記光線は、いくつかの異なる内部全反射を使用して前記導光パイプ内を伝播してゆく。最後の反射も面８２８と同じように反射するようになっている面８３５で、鋭角で反射するようになっている。光線が前記導光パイプを出ると、第２の空気間隙８５０を通過し、これによって対眼レンズ８５５を経て面で内部全反射するようになっている。

このシステム構成は、目の瞳８６０が前記最後の機械部分から適正な瞳距離をおいて配置されるようになっていなければならない。この瞳距離は、少なくとも数ミリメータでなければならず、好ましくは、少なくも１０ｍｍ、さらに好ましくは１２ｍｍから３５ｍｍである。頭部装着ディスプレイでは、すべてのモードが同じ瞳位置から見えることが好ましく、これによって、ユーザーは、装着者の頭に対し前記ディスプレイをずらすようにすることなくすむ。しかしながら、目をスキャンすることができるから、この動きを用いていくつかのモードのイメージを異なる部分にアクセスすることができる。

複数の反射が前記モードを特徴づける。図示のシステムにおいて、センターモード８４０は、７つの反射光線を有し、その内５つの反射が前記パイプの平行面からのずれた内部全反射である。左のモード８４１は、９つの反射光線を有し、その内７つの反射が内部全反射である。右のモード８４２は、５つの反射光線を有し、その内３つの反射が内部全反射である。どれかの光源位置で一つのモード以上のモードに対する画素（例えば、右側イメージモードの左側画素とセンターモードの右側画素）を照明する。これを除くためには、前記光源のサイズを必ず制限し、所定のモードの光源からの光線が他のモードと関連する位置に虚像を形成しないようにする。

レンズまたはフェースマスクの適正な構成により、各種のモードに相当する虚像の位置と間隔が調整できることが分かっている。レンズの厚みを適正に選ぶことで、虚像がオーバーラップされたり、オーバーラップせずに触れ合ったり、または、それらの間に間隔をあけたりすることができる。液晶ディスプレイにおけるイメージを電子的に拡大したり、縮小したり、または、歪めたりして、重ねられた虚像の間の間隔を調節でき、これによって、虚像をアッセンブリーすることができる。幾つかの光伝播モードを用いて、最終の重ね合わされたイメージの幅をひろげることができ、拘束条件は、液晶ディスプレイが書き直されることができる速度である。３つのイメージを重ね合わせるには、液晶ディスプレイは、ユーザーがイメージをちらつきなしに見るために、毎秒１８０フレームの状態で複数のイメージをフラッシングできるようになっていなければならない。

上記記述は、単眼式システムに関するものであるが、このようなシステムを二つ結合して両眼の視差表示または立体表示を作ることができる。

本発明は、添付の請求の範囲に示されたものを除き、特に示され、記載されたものに限定されるものではない。

本発明は、添付の図面を参照しながらの詳細な記述からさらによく理解されるものである．
従来技術の光学システムの略図。 光学システムの内部全反射の一つのモードの略図。 図２の光学システムの内部全反射の逆のモードの略図。 一つの光学システムにおいて組み合わされたいくつかの異なる虚像の略図。 右と左の虚像を除くための光学システムの略図。 選ばれた虚像を照射するためにモードが選択できるようになっている光学システムの略図。 いくつかの内部全反射モードが選ばれることができる光学システムの略図。 いくつかの内部全反射モードが選ばれることができる別の光学システムの略図。

符号の説明

８０１，８０２，８０３ 光源
８１０ ディスプレイ
８１５ 集光レンズ
８２０ 視野レンズ
８２５ 空気間隙
８２８ 面
８３０ 導光パイプ
８３５ 面
８４０ センターモード
８４１ 左のモード
８４２ 右のモード
８５０ 第２の空気間隙
８５５ 対眼レンズ
８６０ 目の瞳

Claims (28)

1. 頭部装着ディスプレイ用光学システムであって、以下を備えるもの：
   平行な二面をもつ固体の導光パイプであって、この導光パイプは、頭部装着ディスプレイに取り付けられてユザーの目に光を向けるもの；
   表示要素を備えるイメージ源と複数の光源を備える照射要素であって、前記イメージ源は、前記導光パイプに光を入光させるように配置されているもの；
   前記照射源と前記ディスプレイ要素の間のコリメートシステムであって、集光レンズ要素と複数の開口を備え、これら開口それぞれは、それぞれの光源と関連し、前記集光レンズ要素の焦点距離の位置または近傍に配置されているもの；及び
   少なくとも一つの下記開口と関連した光源とが前記集光レンズ要素と前記ディスプレイ要素の中心軸に関して配置され、これによって、前記照射要素からの複数の光モードが前記導光パイプに入光し、前記平行な二面からそれる内部全反射により前記導光パイプにそって送られるようになっているもの。
2. 複数の光モードが前記導光パイプへ送られ、前記複数の少なくとも一部が前記導光パイプの平行な二面からそれた内部全反射により送られるようになっている請求項１の光学システム。
3. 光モードのすべてが前記導光パイプの平行な二面からそれた内部全反射により送られるようになっている請求項２の光学システム。
4. 前記光源は、連続的に照射され、前記ディスプレイ要素は、前記モードの各々のための明白な虚像を得るために、同期された態様で更新されている請求項１の光学システム。
5. 前記異なる複数のモードに対する虚像がユーザーが検知するには早すぎる状態で連続して照射され、これによって、単一の光源のみの照射により作られる虚像よりも幅が広くなっている視野をもつ虚像を作る請求項１の光学システム。
6. ３つのモードが使用され、これら３つのモードは、毎秒６０から８０回の間の個別周波数でシーケンシャルに照射され、前記ディスプレイ要素は、毎秒１８０から２４０の回数で同期して更新される請求項１の光学システム。
7. いくつかのモードの射出瞳がオーバーラップし、これによって、すべてのイメージが単眼位置から見える請求項１の光学システム。
8. いくつかのモードの射出瞳がオーバーラップせず、これによって、異なるモードをミルには、前記光学システムに対し目を動かす必要がある請求項１の光学システム。
9. 少なくとも一つの開口と関連した光源が前記集光レンズ要素と前記ディスプレイ要素の中心軸にそって位置している請求項１の光学システム。
10. 少なくとも一つの開口と関連した光源が前記集光レンズ要素と前記ディスプレイ要素の中心軸から外れて位置している請求項１の光学システム。
11. さらに視野レンズを備え、前記ディプレイ要素からの光を前記導光パイプの入光面へ向けるようになっている請求項１の光学システム。
12. さらに前記視野レンズ要素と前記導光パイプの入光面との間に空気間隙を備え、前記空気間隙により、前記視野レンズと前記導光パイプの間の位置で内部全反射させるようになっている請求項１１の光学システム。
13. 前記導光パイプは、長くなっている要素、一方の端部に近接の入光面、他方の端部に近接の出光面、平行な二面の間の長くなっている要素にそって光線を入射させる前記入光面の近傍の反射面、前記出光面を経て前記導光パイプから光線を出射する出口面近傍の反射面を備えている請求項１の光学システム。
14. さらに、前記導光パイプの出口面から光をユーザーの目に向けるようにする対眼レンズを備えている請求項１の光学システム。
15. さらに対眼レンズと前記導光パイプの出口面の間に空気間隙を備え、前記間隙により、前記対眼レンズ要素と前記導光パイプの間の位置で内部全反射が行われる請求項１４の光学システム。
16. 以下を備える頭部装着ディスプレイ用光学システム：
    平行な二面をもつ固体の導光パイプであって、この導光パイプは、頭部装着ディスプレイに取り付けられてユザーの目に光を向けるもの；
    表示要素を備えるイメージ源と少なくとも一つの光源を備える照射要素であって、前記イメージ源は、前記導光パイプに光を入光させるように配置されているもの；および
    前記照射源と前記ディスプレイ要素の間のコリメートシステムであって、集光レンズ要素と前記集光レンズ要素の焦点距離にある開口を備え、さらに前記開口と前記光源は、前記集光レンズ要素の軸にそって配置され、この結果、前記導光パイプにそう平行な二面からそれた内部全反射により送られることができる照射要素からのモードを前記導光パイプに入光しないようにするもの。
17. 前記照射要素は、別の光源を備え、前記コリメートシステムには、別の開口が含まれ、前記別の光源と前記別の開口は、前記集光レンズと前記ディスプレイ要素の中心軸からそれて配置されており、これによって前記照射要素からのモードが前記導光パイプに入光し、該モードは、前記平行な二面をそれた内部全反射により前記導光パイプにそって送られる請求項１６の光学システム。
18. 前記照射要素は、複数の光源を備え、前記コリメートシステムは、複数の開口を備え、各開口は、一つの光源と関連し、これによって、複数のモードが前記導光パイプへ送られ、前記モードの少なくとも一部が前記導光パイプの平行な二面をそれた内部全反射により送られる請求項１６の光学システム。
19. 前記複数の光源は、連続照射され、前記ディスプレイは、前記各モードのために明確な虚像を与えるように同期の態様で更新される請求項１８の光学システム。
20. 前記複数の異なるモードに対する複数の前記虚像は、ユーザーが検知するには早すぎる状態で連続照射され、単一の光源のみの照射で作る虚像よりもワイドな視野をもつ虚像をつくりだす請求項１８の光学システム。
21. ３つのモードが使用され、これら３つのモードは、毎秒６０から８０回の間の個別周波数でシーケンシャルに照射され、前記ディスプレイ要素は、毎秒１８０から２４０の回数で同期して更新される請求項１８の光学システム。
22. いくつかのモードの射出瞳がオーバーラップし、これによって、すべてのイメージが単眼位置から見える請求項１８の光学システム。
23. いくつかのモードの射出瞳がオーバーラップせず、これによって、異なるモードを見るには、前記光学システムに対し目を動かす必要がある請求項１８の光学システム。
24. さらに視野レンズを備え、前記ディプレイ要素からの光を前記導光パイプの入光面へ向けるようになっている請求項１８の光学システム。
25. さらに前記視野レンズ要素と前記導光パイプの入光面との間に空気間隙を備え、前記空気間隙により、前記視野レンズと前記導光パイプの間の位置で内部全反射させるようになっている請求項２４の光学システム。
26. 前記導光パイプは、長くなっている要素、一方の端部に近接の入光面、他方の端部に近接の出光面、平行な二面の間の長くなっている要素にそって光線を入射させる前記入光面の近傍の反射面、前記出光面を経て前記導光パイプから光線を出射する出口面近傍の反射面を備えている請求項１６の光学システム。
27. さらに、前記導光パイプの出口面から光をユーザーの目に向けるようにする対眼レンズを備えている請求項１８の光学システム。
28. さらに対眼レンズと前記導光パイプの出口面の間に空気間隙を備え、前記間隙により、前記対眼レンズ要素と前記導光パイプの間の位置で内部全反射が行われる請求項２７の光学システム。

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