JP2010534867A - ヘッドマウントシングルパネル立体ディスプレイ - Google Patents

Abstract

１以上の液晶スイッチと偏光ビームスプリッタとを利用して画像の単一のマイクロディスプレイパネルから観察者の目への再方向付けを行うヘッドマウントシングルパネル表示システムを開示する。表示パネルから放出された光は先ず、偏光ビームスプリッタを利用して２つの略同一の光学結像システムに分割し、この各々が左目および右目の画像を形成する。立体（３Ｄ）処理においては、光は、画像が一度に片目で視られるように変調される。各目に対して時間的にシーケンシャルな立体画像を、５０Ｈｚを超えるフレームレートで提供することにより、フリッカがなく、最大解像度の３Ｄを実現することができる。
【選択図】 図５ｂ

Description

本開示は、２００７年７月２６日提出の「Head-Mounted Single Panel Stereoscopic Display」なる名称の米国仮特許出願第６０／９５２，１３４号の優先権を主張しており、これをここに参照として組み込む。

以下の開示は、概してシングルパネル立体ディスプレイに関しており、より詳しくはシングルパネル立体ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に関する。

ヘッドマウントディスプレイは、眼鏡をかけた人に映像を、あたかも従来の表示画像のように見せる眼鏡に似ている。この技術は長年研究されてきており、製品化を実現した製品もある（例えばInViso eShades, Sony Glasstron, 1-0 Displays i-glasses, Olympus Eye-Trek, and eMagin 2800）。従来のＨＭＤ実装は、各々が片目用の２つの表示パネルを含む。観察者にとって、表示パネルはフルカラービデオを表示する機能を有する極小型のＴＶスクリーンに見え、観察者がヘッドマウント表示システムを身に付けているときに視る画像を提供する。２パネルＨＭＤは、右目および左目用に画像を独立して表示可能であるので、立体視を可能とする。

１以上の液晶スイッチと偏光ビームスプリッタとを利用して画像の単一のマイクロディスプレイパネルから観察者の目への再方向付けを行うヘッドマウントシングルパネル表示システムを開示する。シングルパネルＨＭＤは、２パネルＨＭＤよりも優れた利点を幾らか提供する。例えば、シングルパネルＨＭＤは、両目間の色および強度の整合がより良好である。２パネルＨＭＤのパネルも、販売前に正確な整合が可能であるが、材料間で寿命が異なることから、しばしばカラーバランスおよび強度の修正面で劣る。これはシングルパネルでは気づかずに行うことができるが、２パネルのＨＭＤにおける両目間の再が明らかになることで気づかれることが多い。シングルパネルを利用することで、時間に応じて両目間で差異が出てくることが防がれる。シングルパネルＨＭＤの他の利点は、光学倍率に関する。目に近接した小型表示パネルまたはマイクロディスプレイから大型仮想画像を生成するには、高価且つ重量のある強力な光学系が必要とされる。コスト削減、倍率、および光学的整合等の理由でシングルパネルにより立体視を行う試みには意義がある。

シングルパネルＨＭＤは、両目間に画像を対称配置して、拡大光学系を利用することで、より大きな作動距離と高い柔軟性を可能とする。しかし、１つのパネルだけでは、両目が類似した画像を視ることから立体画像用は実現できない。立体視を可能とするには、両目に対して異なる画像を方向付ける必要があり、これは概して空間的な、または時間的な方法により可能となる。前者のケースでは、ピクセルの半分が片目により見られ、残りがもう一方の目用の画像を形成する。後者のケースでは片目がいつの時点においても画像を視るので、高速マイクロディスプレイ技術にはより適している。各目に対して時間的にシーケンシャルな立体画像を、５０Ｈｚを超えるフレームレートで提供することにより、フリッカがなく、最大解像度の３Ｄを実現することができる。この点に関して、本開示の実施形態では概して、シーケンシャル且つ最大解像度の画像を表示する機能を有する単一のマイクロディスプレイ（「ディスプレイ」）パネルを利用する。画像は、１００Ｈｚを超えるフレームレートで表示される。

一枚のパネルから、両目に対してシーケンシャルに交互する画像を方向付ける技術は、ここでは、光学スイッチの様々な実施形態を用いて提供される。１つの方法では、第一組のＲＧＢ照射ＬＥＤからの光を第１の目のみに対して方向付ける（例えば、ここに参照として組み込む米国特許第7,057,824号および第6,989,935号）。これらＬＥＤを、表示画像と同期させてＯＮにすることにより、単眼視が可能となる。第２のＬＥＤ照射を組み込むことにより、これに対称な単眼視が第２の目に対して生成される。照射をインターレースすることにより、時間的にシーケンシャルなな立体視が提供される。この方法は、液晶マイクロディスプレイ等の変調パネルに特有であり、より最近の技術である有機発光ポリマー（ＯＬＥＰ）パネル等の発光技術では利用できない。この方法はさらに、照射の開口角（angular aperturing）を利用して、出力瞳孔（output pupil）を低減させている。これは、複雑なリレー光学系により補正されなければ、目がそれと反対の領域を視ている間に、１つの領域で消えてしまう画像となる。例えば、観察者が左端部のほうを見ている場合、右端部は消えることになる。

本開示は、１以上の液晶（ＬＣ）スイッチと偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）とを利用して、単一のマイクロディスプレイパネルからの画像の再方向付けを行う実施形態を含む。一実施形態では、シングルパネルＨＭＤシステムは、画像入力光ビームを提供する表示パネルと、画像入力光ビームを、それぞれ左目画像および右目画像に対応する第１の画像出力光ビームと第２の画像出力光ビームとに分割するＰＢＳとを含む。ＨＭＤシステムの実施形態はさらに、第１の画像出力光ビームおよび第２の画像出力光ビームのそれぞれの光路に配置された第１の液晶スイッチおよび第２の液晶スイッチとを備える。第１の液晶スイッチおよび第２の液晶スイッチは、第１の光ビームおよび第２の光ビームを変調する。

開示される原理による実施形態は、変形されて、第１の画像出力光ビームまたは第２の画像出力光ビームの光路を折り返し、第１の画像出力光ビームまたは第２の画像出力光ビームを観察者の左目または右目へと方向付ける複数の反射光学部材を備えることもできる。複数の反射光学部材は、第１の反射光学系および第２の反射光学系を有し、第１の反射光学系は、第１の画像出力光ビームまたは第２の画像出力光ビームを受光して、第１の画像出力光ビームまたは第２の画像出力光ビームを第２の反射光学系へと方向付け、第２の反射光学系は、第１の画像出力光ビームまたは第２の画像出力光ビームを観察者の左目または右目へとそれぞれ方向付けてよい。幾らかの実施形態では、シングルパネルＨＭＤシステムは、上述の代わりに、または上述に加えて、第１または第２のＬＣスイッチに隣接する屈折光学系を含み、この屈折光学系は、第１または第２の画像出力光ビームを収束させる（クレーム１１）。

他の実施形態では、シングルパネルＨＭＤシステムは、第１の光路に沿って偏光ビームを提供する表示パネルと、偏光ビームを変調する液晶変調器とを備える。シングルパネルＨＭＤのこの実施形態は、さらに、変調された偏光ビームを、偏光ビームの偏光状態に応じて第２の光路または第３の光路沿いに方向付けるＰＢＳを含み、第２の光路は左目画像出力に対応し、第３の光路は右目画像出力に対応していてよい。幾らかの実施形態では、表示パネルはＬＣｏＳパネルであってよい。このような実施形態はさらに、無偏光の光を提供する発光ダイオード（ＬＥＤ）と、ＬＣｏＳパネルに隣接して設けられ、無偏光の光を受光して、無偏光の光を第１の偏光状態である第１の部分光と、第２の偏光状態である第２の部分光とに分割する第２の偏光ビームスプリッタとをさらに備え、第２の偏光ビームスプリッタは、第１の部分光をＬＣｏＳパネルに送り照射させてよい。

幾らかの実施形態では、さらなる部材を含ませることで様々な偏光にまつわる課題を解決することもできる。シングルＬＣ変調器を利用するにあたっては、ここに参照として組み込む２００６年６月１４日提出の「Achromatic Polarization Switches」なる名称の米国特許出願第11/1424,087号がカバーしている種類の色消し技術（achromatic performance）が必要となる場合もあろう。２つの色差スイッチ（chromatic switch）は、作業の対称性により優れるが、スループットの面では劣っている。速度は輝度に影響しうる因子であるので、ＳＴＮおよびパイモード（pi-mode）が達成するような高速ＬＣ性能を用いることが好適であろう。幾らかの実施形態では、シングルパネル表示システムは、全反射（ＴＩＲ）ダブルパスプリズム（例えば米国特許第6,563,648号）、および、偏光操作技術を用いるダブルパスシステム（例えば、欧州のＳｈａｒｐ Ｌａｂｓ、Ｆａｋｅｓｐａｃｅ、Ｋａｉｓｅｒ等）を組み込むこともできる。後者の場合には、システム実施形態の光学部材は軸外である。これにより、２つの反射部材間に光を入射させ、透過において実質的な偏光損失がなくなるという２つの利点がある。さらに、システムに設計された出口瞳孔の外に大きな角度を持って配されることから、偏光感度反射器からのリークに起因するゴースト発生を抑制することもできる。

本発明を、添付図面を例にとって説明するが、ここで同様の参照番号は同様の部材を示す。

シングルパネル立体ＨＭＤに関するシングルパネルシングル偏光スイッチ法を示す概略図である。

シングルパネル立体ＨＭＤのシングルパネルデュアル偏光スイッチ法を示す概略図である。

ＨＭＤシングルパネルシステムの光学対称法である。

ＬＣ強度変調スイッチの前に、後に、またはそれを挟むように、偏光調節フィルムを組み込んだＨＭＤシングルパネルシステムの光学対称法である。

偏光操作手段によるダブルバウンス光路を利用するシステムである。

屈折および反射部材の組み合わせを含む例示的なシングルパネルＨＭＤシステムである。

シングルＬＣ変調器を利用する図５ａのシステムの変形例である。

変調ＬＣパネルを利用する図５ｂのシステムの変形例である。

偏光感度のある第１の反射光学系および、第２の反射光学系上の偏光操作フィルム（例えば四分の一波長板（ＱＷＰ））を利用して、前者によるダブルパスを可能とする実施形態を示す。

第１の反射光学系をシステムの光軸に対して傾けることで、第２の反射光学系をシステムの光軸に対して実質的に垂直にする実施形態を示す。

多数の屈折結像光学系を利用する別の実施形態を示す。

全反射により全反射（ＴＩＲ）プリズムを介してダブルパスを可能とする別の実施形態を示す。

マンジャン反射レンズをＴＩＲプリズムとともに利用する図７のシステムの別の実施形態を示す。

マイクロディスプレイは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の場合には光の変調ができ、または、例えば有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）技術の場合には発光することができる。前者の場合には、パネルに入射する光は、その偏光状態が個々のピクセルごとに操作され、最終的に観察者には制御された比率で見せる。ある実施形態では、ＬＣＤマイクロディスプレイは、入射光の強度を変調して、シーケンシャルな照射によりカラー光を提供し、原色の赤、緑、および青色の光を独立して変調する。他の実施形態では、発光ディスプレイが、それぞれ別個のカラーのサブピクセルを提供する。ピクセル情報は、アドレス電極のマトリックスによって一度に一行が提供される。ディスプレイに１００Ｈｚを超える動作用の情報を提供することは、これら小型のディスプレイでは通常制限ではなく、ある液晶（ＬＣ）材料の応答時間が制限となりうる。マイクロディスプレイは、フルカラービデオ表示機能を持つ、外見が「郵便切手サイズの」ＴＶスクリーンである。ＯＬＥＤマイクロディスプレイ等の直接発光は、概して無偏光の光であり、ＬＣデバイスからの変調光は実質的に偏光されている。いずれの場合も、提案されているシングルパネルのＨＭＤの実施形態に適用可能である、というのも、これらは両方とも偏光ビームスプリッタにより左および右目用画像に関する直交偏光状態に操作可能だからである。

図１ａおよび１ｂを参照すると、表示パネル１０４からの光は、先ず偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０８に方向付けられ、それから光は、左目および右目用画像に対応する２つの略同一の光学結像出力を形成するよう方向付けられる。立体（３Ｄ）処理においては、光は、画像が一度に片目で視られるように変調される。従来の２Ｄ画像では、同じ画像が両目で視られていた。変調は、図１ａおよび１ｂに示すように行うことができる。図１ａに示すシングルパネルＨＭＤ１００は、パネル１０４、ＰＢＳ１０８、およびパネル１０４とＰＢＳ１０８との間に配置される偏光子１０２を含む。偏光子１０２は、パネル１０４から光ビーム１０１を受光して、実質的に偏光された光ビーム１０３を第１の経路沿いに提供する。この構成は、パネル１０４がＬＣマイクロディスプレイである実施形態では特に効率的である、というのも、ＬＣマイクロディスプレイからの光ビーム１０１は既に実質的に偏光されているからである。シングルパネルＨＭＤ１００はさらに、偏光子１０２とＰＢＳ１０８との間に配置されるＬＣスイッチ１０６を含む。ＬＣスイッチ１０６は、偏光ビーム１０３を２つの可能性ある直交変調状態（例えばｓ−およびｐ−偏光状態）間で操作することにより、偏光ビーム１０３を変調するよう構成される。偏光ビーム１０３は、ＰＢＳ１０８に入射して、これにより偏光ビーム１０３は、光ビーム１０３の偏光状態に応じて、透過または反射する。反射した偏光ビーム１０３は、第２の光路１１０沿いに進み、透過した偏光ビーム１０３は第３の光路１１４沿いに進む。第２および第３の光路１１０および１１４は、左目および右目用の画像にそれぞれ対応する。図１ａに示すように、反射した光ビーム１１０は、左目用の画像を含み、左目１１２への光路を進み、透過した光ビーム１１４は、右目用の画像を含み、右目１１６への光路を進む。

図１ｂに示す実施形態では、シングルパネルＨＭＤ１５０は、パネル１０４、ＰＢＳ１０８、およびＰＢＳ１０８の出力ポートに配置されるＬＣスイッチ１５６および１５７を含む。パネル１０４からの光ビーム１０１はＰＢＳ１０８に入射して、ここから第１偏光の光ビーム１０１の第１の部分が、第１のＬＣスイッチ１５６へ入射するよう方向付けられる。第１偏光の光は左目用の画像に対応しており、第１のＬＣスイッチ１５６により変調され、これにより第１の偏光の光が透過される、または遮蔽される。第１のＬＣスイッチ１５６から透過された光は、第１の光路沿いに左目１１２まで進む。ＰＢＳ１０８は、第２の偏光の光ビーム１０１の第２の部分を、第２のＬＣスイッチ１５７に入射するよう透過し、方向付ける。第２のＬＣスイッチ１５７も同様に、第２の偏光の光を、透過または遮蔽により変調する。第２の偏光の光は右目用の画像に対応しており、透過されると右目へと進む。ＬＣスイッチ１５６および１５７は、位相を１８０度ずらされて駆動されるが、これは、第１のＬＣスイッチ１５６が第１の偏光の光を透過して、第２のＬＣスイッチ１５７が第２の偏光の光を遮蔽する、またはその逆であることを示す。ＬＣスイッチ１５６および１５７の動作は、ある画像が片目用に透過され、他の画像が遮蔽される、というように交互する。ＬＣスイッチ１５６および１５７間で動作を切り替えることにより、片目のみでいずれのときにおいても単一の画像を視ることができるようになる。図１ａに示した方法は、予め偏光した光を提供するパネル（例えばＬＣ変調パネル）で利用されると好適であるが、単一のＬＣ変調パネルであるので色消し変調を切り替え機能（achromatic polarization switching）を利用する。図１ｂに示す方法は、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）等の、無偏光発光タイプのパネル技術で利用されると好適である。

本開示の一側面は、両目間の対称性に関する。図２に関して、シングルパネルＨＭＤ２００は、表示パネル２０２、ＰＢＳ２０４、およびＬＣスイッチ２１０を含む。ＰＢＳ２０４に関して示されている表示パネル２０２のオフセット位置により、左目および右目用の画像出力が光学的に対称になる。図２では、表示パネル２０２の表面から放出された光は、略等しい強度を有する２つの光ビーム２０６および２０８にＰＢＳ２０４により分割される。ＰＢＳ２０４から放出された２つの光ビーム２０６および２０８は、光軸に対して互いに対称な光路を進むが、この光軸は、観察者の両目の間の対称軸に対応する。各光ビームは、ＬＣスイッチ２１０へ入射するよう方向付けられ、ここで遮蔽または透過される。図１ｂの実施形態同様に位相をずらされて駆動されることで、これらスイッチ２１０は、光ビーム２０６および２０８を、それぞれ左目および右目間で交互させる。光学的に対称であることが好適である、というのも非対称であると、左目および右目用画像間で倍率および歪みの点で差異が生じ、観察者を疲弊させるからである。別の光学的課題は偏光である。光学部材は、偏光に感度を有するので、左目および右目用の結像系では類似した偏光状態が確保される。この点に関して、偏光操作フィルムをシングルパネルＨＭＤ２００に組み込むことで、類似した偏光状態をＰＢＳ／変調サブシステムから放出する助けとすることができる。

本開示の幾らかの実施形態では、さらに、対称偏光および結像光学系が利用される。図３を参照すると、シングルパネルＨＭＤ３００システムは、光学的に対称な実施形態を示しており、ＬＣスイッチ３１０、発光マイクロディスプレイパネル３０２、およびＰＢＳ３０８を含む。マイクロディスプレイパネル３０２は、第１の実質的に無偏光の光である光ビーム３０５を放出し、光ビーム３０５は、１００Ｈｚを超えるフレームレートで左目および右目用の画像を交互に提供することができる。マイクロディスプレイパネル３０２の表面から放出された光ビーム３０５は、ＰＢＳ３０８により、略同一の強度の２つの実質的に直交偏光された光ビーム３０４および３０６に分割される。各光ビーム３０４および３０６は、それぞれ右目および左目画像に対応しており、対応するＬＣスイッチ３１０に入射するよう方向付けられ、ここで遮蔽または透過される。図１ｂの実施形態同様に位相をずらされて駆動されることで、これらスイッチ３１０は、光ビーム３０４および３０６を、それぞれ左目および右目間で交互させる。

幾らかの実施形態では、ＬＣスイッチ３１０は、ＬＣセル３１２に隣接して設けられる偏光調節フィルム３１４を含んで、対称な偏光出力を確かに得ることができる。適切な偏光調節フィルム３１４は、システムが過渡損失を克服できる程度の強度を持つという前提で、様々なモード（例えばＴＮ、ＳＴＮ、パイモード等）を含みうる。幾らかの実施形態ではパイモード等の高速モードを実装しているが、コスト効率に優れたＳＴＮ法を利用することで、さらなる合理性を達成できる場合もある。高いコントラストが望ましい実施形態では、単一ＬＣセル３１２は、セル３１２の直近に隣接する補償層をおそらく有する、互いに交差する直線偏光調節フィルム３１４により覆われる可能性がある。

例示的なマイクロディスプレイパネルは、現在のＯＬＥＤ技術を含んでよく、例示的なＰＢＳは、二色性コーティングプリズム（通常ＭａｃＮｅｉｌｌｅ型と称される）、または、軸外の性能の良好な埋め込み型ワイヤグリッド偏光子であってよい。現在の多層複屈折フィルムＰＢＳ（例えば３ＭのＶｉｋｕｉｔｉ製品）は、反射経路における収差が許容できるものではないが、この種類の製品で性能の向上したものが将来は利用可能となっているかもしれない。

ＰＢＳ３０８への入射偏光および各目用の折り返し式結像光学系（folded imaging optics）へ出される偏光状態は、効率性および遅延板に対する対称性の面で最適化されてよく、これは適宜、ＰＢＳ３０８の面の入口または出口に位置する１以上の遅延板により行われてよい。好適な入射偏光は、好適な入射角度および色差性能に応じて変化する。対称結像システムへと出てゆく偏光は、実質的に同じであることが比較的重要であり、幾らかの実施形態では、後続する光学部材で反射効率を最大化することのできるｓ−偏光であることが望ましい。

ＨＭＤシステムは、概して、マイクロディスプレイの倍率を必要な程度に小型のシステムの範囲内に留めることができる結像光学系を含む。一般的に言って、望ましくない歪みを生じることなく高倍率を達成するには、パネルと目との間に長い光路が必要である。１つのオプションとしては、光を光学部材間で折り返させるシステムを提供することが考えられる。この方法は、図４に示したような偏光システムにおいてゴースト発生を最小限にして行われる。図４の折り返し光学部材４００は、カーブした半透明ミラー部材４０４および偏光選択反射器４１４を含む。カーブした半透明ミラー部材４０４は、偏光操作フィルム４１０および金属化反射面４１２を含む。幾らかの実施形態では、偏光操作フィルム４１０は、四分の一波長板（ＱＷＰ）であってよく、偏光選択反射器４１４は、Ｍｏｘｔｅｋ Ｉｎｃ．により市販されているワイヤグリッドコーティング基板であってよい。この折り返し型の光学部材４００では、ディスプレイからの円偏光入射光４０２は、上部から入射して、カーブした半透明ミラー部材４０４を通り、光４０２の損失された部分４０６は反射して戻る。半透明ミラー部材４０４を通った透過光４０８は、金属化面４１２と偏光選択反射器４１４との間に配設される偏光操作フィルム４１０により実質的に直線偏光に変換される。この光４０８は、その後、偏光選択反射器４１４により目から離れたところへと反射されてよい。光４０８は、この直線偏光状態を維持したまま偏光操作フィルム４１０を通って戻り、金属化面４１２で反射されて（透過用の光４０６の幾らかを失い）、再度、偏光操作フィルム４１０を介して観察者の目へと進む。偏光操作フィルム４１０によるダブルパスは、入力光４０２の偏光状態を、偏光選択反射器４１４の反射（ワイヤグリッド）面を通り観察者の目に見えることのできる状態に変換する。図４に示す実施形態では、偏光操作フィルム４１０は、カーブした半透明ミラー部材４０４の上に配置されている。この配向により、不要な垂直反射光をなくすことができるという利点がある。他の実施形態では、偏光操作フィルム４１０は、半透明の金属化面４１２と偏光選択反射器４１４との間の任意の場所に配置されてよい。折り返し式の光学部材４００の長い光路およびカーブした反射面により、ＨＭＤシステムの実施形態で大きな利点が得られる、というのも、高倍率ではあるが不要な歪みがないような部材は、パネルと目との間に長い光路長を有するからである。

図５ａから５ｄを参照すると、開示されている実施形態は、表示パネル５１０、ＰＢＳ５０８、および、第１の反射部材５０２および第２の反射部材５０４を利用して結像経路を折り返すことのできる複数の反射光学部材を含む。これら反射光学部材の各々は、カーブして形成されることで、結像システムの一部を形成することができるが、コスト面では第２の反射光学系５０４のみをカーブさせることが望ましい。これは、従来の眼鏡用に望ましいカーブしたレンズとも合致している。１以上の屈折部材５０６（フィールドレンズまたはリレーレンズ）をＰＢＳ５０８と第１の反射光学系５０２との間にオプションとして設けることにより結像を助けることができる、というのも、角度および空間上の必要性がこの位置では少ないからである。一般的には、屈折部材５０６は、屈折部材の形状構造（cut or shape）に応じて光ビームを集光および収束させ、経路沿いに導くことができる。

幾らかの実施形態では、第２の反射光学系５０４が、半透過性を有するよう、および偏光に対する感度を有するよう設けられてよく、これにより浸漬（immersion）が避けられ、且つ、表示強度は最大化される。１つの方法では、３Ｍ社のＤＢＥＦ等の偏光反射フィルムを積層する、というのも、システムのこの位置の位相収差は些細な歪みしか生じず、これはソフトフォーカスを生じるよりはまだ許容できるからである。

図５ａに示す実施形態では、シングルパネルＨＭＤ５００は、表示パネル５１０、ＰＢＳ５０８、ＰＢＳ５０８の出力ポートに配設されるＬＣスイッチ５１２、屈折部材５０６、および第１および第２の反射光学部材５０２および５０４を含む。ＨＭＤ５００は平面状であり、全ての反射部材の中央面が図面の平面と垂直であるように描かれている。幾らかの実施形態では、第１の反射光学部材５０２を傾けて配置して、ＰＢＳ５０８の位置を観察者の鼻の上にもってくることが望ましい。本開示の全てのさらなる実施形態が平面状の光学配置に限定されるわけではない。図５ａのマイクロディスプレイパネル５１０、ＰＢＳ５０８、およびＬＣスイッチ５１２の配置は、図２に示すものと類似しており、対称偏光および結像光学系が採用されている。図５ａでは、表示パネル５１０は、入力光ビーム５１５をＰＢＳ５０８に入射させ、ここで入力光ビーム５１５は、互いに略同一の強度の第１および第２の画像出力光ビーム５１４および５１６に分割される。光ビーム５１４は第１の偏光を有し、左目画像に対応する。光ビーム５１４は、第１のＬＣスイッチ５１２に入射して、第１のＬＣスイッチ５１２による変調を受ける。第２の光ビーム５１６は、第２の偏光であり、右目画像に対応する。第２の光ビーム５１６は、第２のＬＣスイッチに入射して、第２のＬＣスイッチ５１２による変調を受ける。ＬＣスイッチ５１２は、第１および第２の画像出力光ビーム５１４および５１６を遮蔽または透過する。図２の実施形態同様に位相をずらされて駆動されることで、これらスイッチ５１２は、画像を含む光ビーム５１４および５１６を交番させる。前述したように、オプションである屈折光学系５０６は、第１および第２の光路５１４および５１６沿いの、ＬＣスイッチ５１２と第１の反射光学系５０２との間に配設されてよい。屈折光学系５０６を通った後に、光は、第１の反射光学系５０２で反射されて第２の反射光学系５０４へ赴き、そこで反射されて観察者の目へと向かい、詳しくは第１および第２の画像出力光ビーム５１４および５１６が左目および右目にそれぞれ方向付けられる。

図５ｂに示す実施形態を参照すると、シングルパネルＨＭＤ５２０は、図５ａの実施形態の変形例であり、この実施形態では、さらに、マイクロディスプレイパネル５１０とＰＢＳ５０８の入力ポートとの間に、図５ａのＬＣスイッチ５１２の代わりに配設された単一のＬＣ変調器５２２が含まれる。本開示の全ての以下にさらに記載される実施形態がこの変形例を利用してよい。幾らかの実施形態では、この変形例には、ＬＣ変調パネルに典型的な偏光パネル出力のほうが好適である。しかし、無偏光ディスプレイも、パネル５１０およびＬＣスイッチ５２２に隣接させて事前偏光子を設けることで利用可能であり、これにより５０％を超えるシステム透過損失を生じうる。例示されている実施形態では、ＬＣ変調器５２２は、第１の光路沿いにマイクロディスプレイパネル５１０から偏光ビーム５１５を受光する。ＬＣ変調器５２２は、偏光ビーム５１５を２つの可能性ある直交変調状態（例えばｓ−およびｐ−偏光状態）間で操作することにより、偏光ビーム５１５を変調するよう構成される。偏光ビーム５１５は、ＰＢＳ５０８に入射して、これにより偏光ビーム５１５は、光ビーム５１５の偏光状態に応じて、透過または反射する。偏光ビーム５１５は、ＰＢＳ５０８により第２の光路５１４または第３の光路５１６へと方向付けられ、ここで、第２および第３の光路５１４および５１６はそれぞれ左目および右目用の画像出力に対応している。第２の光路５１４沿いに反射される偏光ビーム５１５は、最終的には観察者の左目へと方向付けられる。第３の光路５１６沿いに透過される偏光ビーム５１５は、最終的には観察者の右目へと方向付けられる。例示されている実施形態では、オプションの屈折光学系５０６が、第２および第３の光路５１４および５１６沿いの、ＰＢＳ５０８および第１の反射光学系５０２の出力ポート間に配設される。このようにして、偏光５１５は、屈折光学系５０６を通ってから、第２および第３の光路５１４および５１６を折り返す複数の反射部材へと方向付けられる。折り返し第２および第３の光路５１４および５１６沿いでは、偏光５１５が第１の反射光学系５０２で反射して、第２の反射光学系５０４へと向かい、そこで観察者の目へと反射する。

図５ｃは、図５ｂに示したものと類似した実施形態を示しており、ここで図５ｂのパネルが、反射型ＬＣＯＳ（reflective liquid crystal on silicon）マイクロディスプレイ５３２および追加のＰＢＳ５３４で置き換えている。図５ｃに示されているシングルパネルＨＭＤ５３０はさらに、反射型ＬＣＯＳマイクロディスプレイ５３２に対して照射を行う発光ダイオード（ＬＥＤ）５３６を含む。本実施形態では、画像は、ＬＥＤ５３６による照射を受けて、反射型ＬＣＯＳマイクロディスプレイ５３２から投影される。第１のＰＢＳ５３４は、ＬＥＤ５３６から受光して、その光の一部を反射型ＬＣＯＳマイクロディスプレイ５３２へと反射する。反射型ＬＣＯＳマイクロディスプレイ５３２から放出される偏光５１１は、左目および右目用の画像を含む。ＬＣＯＳパネル５３２から放出される光は、第１のＰＢＳ５３４により透過中に解析され、透過型ＬＣＤまたは発光型ＯＬＥＤディスプレイ用の画像情報が得られる。故に、透過型ＬＣＤにおいては、この画像形成光５１１は第１のＰＢＳ５３４により透過され、ＬＣ変調器５２２により受光される。第１のＰＢＳ５３４が透過した偏光ビーム５１１を受光すると、ＬＣ変調器５２２は、実質的に偏光された光ビーム５１５を提供し、第２のＰＢＳがこれを左目または右目に向けて方向付ける。従ってＨＭＤシステムの結像部分は、図５ｂのシステムの実施形態のものと同様である。結像および光方向付けサブシステムは、画像形成パネルとは別個のものとして考えることができるので、これまで提示してきた全ての光学システムの実施形態に対して、ディスプレイを、反射パネル／照射モジュールで置き換えて、さらに、必要な偏光操作部材（遅延板等）を組み込むことにより、ＬＣＯＳパネルを組み込むことも可能である。

図５ｄに示す実施形態は、シングルパネルＨＭＤ５４０を示しており、これは、図５ａのさらなる変形例であり、単一の第１の反射部材５４２を特徴としており、ここで単一の第１の反射部材５４２は偏光感度ミラーであり、第２の反射部材５４４はさらに偏光変換フィルムを含む。この実施形態は、図４に示した部材を含み、このなかで第１の反射部材５４２は、ワイヤグリッド板（例えばＭｏｘｔｅｋ Ｉｎｃ．供給のＰｒｏｆｌｕｘ技術）を利用して偏光感度とされ、延長されることで観察者の目をカバーする。実質的に１つの偏光の光が反射部材５４２から透過され（transmitted）て、残りの光は、偏光変換フィルム（例えばＱＷＰ）が積層された第２の反射部材５４４（反射アイピース）へと反射される。第２の反射部材５４４は、第１の反射部材５４２から実質的に１つの偏光が透過される（transmitted）ように偏光状態を変換する。偏光変換光はその後、第１の反射部材５４２から観察者の目へと透過される（transmitted）。この方法の利点は、第１の反射部材５４２が生じうる光の妨害が妨げられることである。

図６に示されている実施形態を参照すると、シングルパネルＨＭＤ６００は、図５ａに示すものと類似した画像形成パネルを有する。本実施形態は、図５ｄに示すものに類似した結像および光方向付けサブシステムを特徴とし、ここでＨＭＤ６００は、２つの第１の反射平面６０２を特徴とし、２つの第１の反射平面６０２は、図５ｄの第１の反射部材５４２と実質的に類似した組成を有する。さらに本実施形態では、第１の反射平面６０２は、システムの光軸に対して約２２．５度回転させられて、アイピースをシステムの光軸に対して垂直にする。システムは、適切な偏光選択および操作によって第１の反射光学６０２のダブルパスを行う。ダブルパスは、図４にも示したが、第１の反射部材６０２により偏光に依存させ、偏光操作手段（ＱＷＰ）を第２の反射部材６０４に隣接して備えることで行われる。本実施形態の光路は、図５ｄのものに類似しており、ここで実質的に１つの偏光の光が第１の反射部材６０２により透過され、残りの光は、偏光変換フィルム（例えばＱＷＰ）が積層された第２の反射部材６０４（反射アイピース）へと反射される。第２の反射部材６０４は、第１の反射部材６０２から実質的に１つの偏光が透過される（transmitted）ように偏光状態を変換する。偏光変換光はその後、第１の反射部材６０２から観察者の目へと透過される（transmitted）。

図７に示すシステム７００は、１以上の光学部材から形成される屈折アイピースを特徴とする。本実施形態では、第１の屈折光学系７０２が光路７１２沿いの、ＬＣスイッチ７０４と第１のミラー７０６との間に配置される。第２の屈折光学系７０８は、光路７１２沿いの、第２ミラー７１０の後ろに配置されて、光を観察者の目へと導く。この方法では、結像経路に２つの屈折部材７０２および７０８を導入することで、収差補正がより柔軟に行われる。概して、光学結像システムの面の屈折度が高くなるにつれ、不要な収差の補正が促進される。光学収差の例には、カーブしたエッジを有するように見える矩形ディスプレイ等の歪み、画像の端部にかけて分離されるＲＧＢカラー等の横方向のカラー（lateral color）、焦点がずれて見える、またはソフトに見える画像等が挙げられる。

図８に示すシステム８００は、目の前にダブルパス全反射（ＴＩＲ）プリズム８０２を組み込み、光路８０４の長さを長くしている。ＴＩＲプリズムは、特定の臨界角度より小さい角度で入射する際に、高屈折率の材料（例えばガラス）内の光の全体が、低屈折率の材料（例えば空気）との境界面で反射するという原理に基づいて動作する。僅かに大きい入射角度では、非常に高い透過が得られうる。ＴＩＲプリズムは先ず、高／低界面で光を反射して、その後、同じ界面を変換された入射角度で透過する。平行でない面で多数の反射を起こすことにより入射角度が向上する。図８では、ＴＩＲ面は２つのガラス部材間の境界として描かれている。この境界は、有限の空隙を有し、臨界角度よりも大きい入射角度で高い透過を起こすよう表面に被膜処理が行われていてよい。このＴＩＲ部材のダブルパスにより、光学システムの動作長が長くなり、これにより光学部材に必要な電力が低減され、大きな出口瞳孔の作製が容易になる。ＰＢＳ８０８近傍に配置された屈折光学系８０９が、画像をミラー８１０の平面内に形成するような投影レンズとして実装される場合、ミラー８１０を再帰反射器のアレイ（例えば３Ｍの再帰反射フィルム）で置き換えることにより、非常に広い視野の画像を得ることができる。目に一番近い光学部材のカーブした面８１２を、オプションとしてフラットとする、または、球状／非球状とすると、歪み等の収差に対処することができる。

図９に示すシステム９００は、図８の実施形態に類似しているが、反射マンジャンレンズ９０２をＴＩＲプリズム９０４に隣接した位置に含む。反射マンジャンレンズ９０２は、各結像面で光パワー以上の配光が可能である。マンジャンレンズは、片面を反射ミラー面で覆って反射に利用する屈折レンズ部材であり、１つの反射面および２つの均等な屈折面を提供する。多面でパワーを共有することは、光学結像品質を上げる従来の方法であり、これが高解像度のレンズが多くの光学部材を有する所以である。

ここで開示した実施形態には、ここで開示した原理に基づいた変形も可能である。例えば、屈折部材は、第１の反射ミラーのいずれの面に設けられてもよい。さらに、ＰＢＳ付近に設けられたレンズは、フィールドレンズ（フィールド曲率制御目的で）またはリレーレンズ（倍率増加目的で）いずれであってもよい。さらにレンズは、必要とされる性能（例えばＦＯＶ、収差制御）のレベルに応じてオプションとして設けることが可能である。

ここに開示する原理に則り様々な実施形態を上述したが、これらはあくまで例示目的であり、限定を意図していないことを理解されたい。従って、本発明の範囲は、上述した例示的な実施形態により限定されるべきではなく、請求項および本開示に含まれるその均等物により定義されるべきである。さらに、開示された実施形態において記載された利点および特徴等は、これらのうちいずれかまたは全ての利点を生じる方法または構造への利用に添付請求項を制限する意図はない。

さらに、本願に示すセクションの標題は、３７ＣＦＲ§１．７７に基づく提案と一貫するよう設けているか、そうでなければ、系統付けるために設けている。これらの標題は、本開示から得られる任意の請求項に記載する発明を限定又は特徴付けるものではない。具体的に、また、例示的に、「技術分野」の標題があるが、請求項は、いわゆる技術分野を説明するこの標題下で選択された用語に限定されるべきではない。さらに、「背景技術」における技術の説明は、その技術が本開示における任意の発明の従来技術であることを認めるものと解釈すべきではない。「発明の概要」も請求項に記載する発明を特徴付けると解釈すべきではない。さらに、本開示における単数形での「発明」との言及を、本開示において１つの新規点しかないという議論に使用すべきではない。本開示に関連付けられる複数の請求項の限定によって複数の発明を提示することができ、また、請求項は、それ相応にそれらの発明及びその等価物を定義し、保護する。いかなる場合においても、請求項の範囲は、明細書を鑑みて解釈されるべきであり、本願に記載する標題により制約されるべきではない。

Claims (42)

1. 時間的に変調された立体画像を表示するシングルパネルヘッドマウント表示システムであって、
   画像入力光ビームを提供する表示パネルと、
   前記画像入力光ビームを、それぞれ左目画像および右目画像に対応する第１の画像出力光ビームと第２の画像出力光ビームとに分割する偏光ビームスプリッタと、
   前記第１の画像出力光ビームおよび前記第２の画像出力光ビームのそれぞれの光路に配置された第１の液晶スイッチおよび第２の液晶スイッチとを備え、
   前記第１の液晶スイッチおよび前記第２の液晶スイッチは、前記第１の光ビームおよび前記第２の光ビームをそれぞれ変調する表示システム。
2. 前記第１の画像出力光ビームまたは前記第２の画像出力光ビームの前記光路を折り返し、前記第１の画像出力光ビームまたは前記第２の画像出力光ビームを観察者の左目または右目へとそれぞれ方向付ける反射光学部材をさらに備える請求項１に記載の表示システム。
3. 前記第１の画像出力光ビームまたは前記第２の画像出力光ビームの前記光路を折り返し、前記第１の画像出力光ビームまたは前記第２の画像出力光ビームを観察者の左目または右目へとそれぞれ方向付ける複数の反射光学部材をさらに備える請求項１に記載の表示システム。
4. 前記複数の反射光学部材は、第１の反射光学系および第２の反射光学系を有し、
   前記第１の反射光学系は、前記第１の画像出力光ビームまたは前記第２の画像出力光ビームを受光して、前記第１の画像出力光ビームまたは前記第２の画像出力光ビームを前記第２の反射光学系へと方向付け、
   前記第２の反射光学系は、前記第１の画像出力光ビームまたは前記第２の画像出力光ビームを前記観察者の左目または右目へとそれぞれ方向付ける請求項３に記載の表示システム。
5. 前記第１の反射光学系は、偏光感度があるミラーである請求項４に記載の表示システム。
6. 前記第２の反射光学系は、半透明であり、偏光感度がある請求項４に記載の表示システム。
7. 前記第２の反射光学系は、偏光変換フィルムを含む請求項４に記載の表示システム。
8. 前記第２の反射光学系は、再帰反射器のアレイを含む請求項４に記載の表示システム。
9. 前記第２の反射光学系は、反射マンジャンレンズを含む請求項４に記載の表示システム。
10. 前記第１の画像出力光ビームおよび前記第２の画像出力光ビームのそれぞれの光路を折り返し、前記第１の画像出力光ビームおよび前記第２の画像出力光ビームを観察者の左目および右目へとそれぞれ方向付ける複数の反射光学部材をさらに備える請求項１に記載の表示システム。
11. 前記第１の液晶スイッチまたは前記第２の液晶スイッチに隣接して設けられる屈折光学系をさらに備え、前記屈折光学系は前記第１の画像出力光ビームまたは前記第２の画像出力光ビームを収束させる請求項１に記載の表示システム。
12. 前記屈折光学系は、ダブルパス全反射プリズムである請求項１１に記載の表示システム。
13. 前記屈折光学系の表面はカーブしている、フラットである、球状である、または非球状である請求項１１に記載の表示システム。
14. 前記第１の液晶スイッチまたは前記第２の液晶スイッチに隣接して設けられる偏光調節フィルムをさらに備える請求項１に記載の表示システム。
15. 前記第１の画像出力光ビームおよび前記第２の画像出力光ビームの前記光路は、光軸に対して対称であり、前記光軸は、観察者の両目の間の対称軸に対応する請求項１に記載の表示システム。
16. 時間的に変調された立体画像を表示するシングルパネルヘッドマウント表示システムであって、
    第１の光路に沿って偏光ビームを提供する表示パネルと、
    前記偏光ビームを変調する液晶変調器と、
    前記変調された偏光ビームを、前記偏光ビームの偏光状態に応じて第２の光路または第３の光路沿いに方向付ける偏光ビームスプリッタとを備え、
    前記第２の光路は左目画像出力に対応し、前記第３の光路は右目画像出力に対応する表示システム。
17. 前記表示パネルと前記液晶変調器との間に配設される偏光子をさらに備える請求項１６に記載の表示システム。
18. 前記第２の光路または前記第３の光路を折り返し、前記偏光ビームを前記折り返された第２または第３の光路沿いに観察者の左目または右目へとそれぞれ方向付ける反射光学部材をさらに備える請求項１６に記載の表示システム。
19. 前記第２の光路または前記第３の光路を折り返し、前記偏光ビームを前記折り返された第２または第３の光路沿いに観察者の左目または右目へとそれぞれ方向付ける複数の反射光学部材をさらに備える請求項１６に記載の表示システム。
20. 前記複数の反射光学部材は、第１の反射光学系および第２の反射光学系を有し、
    前記第１の反射光学系は、前記第２の光路または前記第３の光路に配置され、前記偏光ビームを前記第２の反射光学系へと方向付け、
    前記第２の反射光学系は、前記偏光ビームを前記観察者の左目または右目へと方向付ける請求項１９に記載の表示システム。
21. 前記第１の反射光学系は、偏光感度があるミラーである請求項２０に記載の表示システム。
22. 前記第２の反射光学系は、半透明であり、偏光感度がある請求項２０に記載の表示システム。
23. 前記第２の反射光学系は、偏光変換フィルムを含む請求項２０に記載の表示システム。
24. 前記第２の反射光学系は、再帰反射器のアレイを含む請求項２０に記載の表示システム。
25. 前記第２の反射光学系は、反射マンジャンレンズを含む請求項２０に記載の表示システム。
26. 第２の光路および第３の光路を折り返し、前記偏光ビームを前記折り返された第２および第３の光路沿いに観察者の左目および右目へとそれぞれ方向付ける複数の反射光学部材をさらに備える請求項１６に記載の表示システム。
27. 前記偏光ビームスプリッタの出力に隣接して設けられる屈折光学系をさらに備え、前記屈折光学系は前記偏光ビームを収束させる請求項１６に記載の表示システム。
28. 前記屈折光学系は、ダブルパス全反射プリズムである請求項２７に記載の表示システム。
29. 前記屈折光学系の表面はカーブしている、フラットである、球状である、または非球状である請求項２７に記載の表示システム。
30. 前記表示パネルはＬＣｏＳパネルである請求項１６に記載の表示システム。
31. 無偏光の光を提供する発光ダイオードと、
    前記ＬＣｏＳパネルに隣接して設けられ、前記無偏光の光を受光して、前記無偏光の光を第１の偏光状態である第１の部分光と、第２の偏光状態である第２の部分光とに分割する第２の偏光ビームスプリッタとをさらに備え、
    前記第２の偏光ビームスプリッタは、前記第１の部分光を前記ＬＣｏＳパネルに出力して照射させる請求項３０に記載の表示システム。
32. 前記第２の光路および前記第３の光路は、光軸に対して対称であり、前記光軸は、観察者の両目の間の対称軸に対応する請求項１６に記載の表示システム。
33. シングルパネルヘッドマウント立体表示システムを用いて立体画像を表示する方法であって、
    第１の光路に沿って偏光ビームを提供する段階と、
    液晶変調器を用いて前記偏光ビームを変調する段階と、
    偏光ビームスプリッタを提供する段階と、
    前記偏光ビームスプリッタを利用して、前記変調された偏光ビームを、第２の光路または第３の光路沿いに方向付ける段階とを備え、
    前記第２の光路および前記第３の光路は、左目画像出力および右目画像出力にそれぞれ対応する方法。
34. 複数の反射光学部材を用いて前記第２の光路または前記第３の光路を折り返す段階をさらに備える請求項３３に記載の方法。
35. 前記折り返す段階は、
    前記偏光ビームを、前記第２の光路または前記第３の光路沿いに第１の反射光学系へと方向付ける段階と、
    前記偏光ビームを前記第１の反射光学系から第２の反射光学系へと方向付ける段階と、
    前記偏光ビームを前記第２の反射光学系から前記観察者の左目または右目へと方向付ける段階とを有する請求項３４に記載の方法。
36. 前記偏光ビームに、前記第１の光路に配設された偏光子を通過させる段階をさらに備える請求項３３に記載の方法。
37. 前記第２の光路または前記第３の光路に屈折光学系を設け、前記屈折光学系を用いて前記偏光ビームを前記観察者の左目または右目へと収束させる段階をさらに備える請求項３３に記載の方法。
38. シングルパネルヘッドマウント立体表示システムを用いて立体画像を表示する方法であって、
    画像入力光ビームを提供する段階と、
    前記画像入力光ビームを、第１の画像出力光ビームと第２の画像出力光ビームとに分割する段階と、
    前記第１の画像出力光ビームおよび前記第２の画像出力光ビームを変調する段階とを備え、
    前記変調された第１の画像出力光ビームおよび前記変調された第２の画像出力光ビームは、左目画像および右目画像にそれぞれ対応する方法。
39. 複数の反射光学部材を用いて前記第１の画像出力光ビームまたは前記第２の画像出力光ビームを折り返す段階をさらに備える請求項３８に記載の方法。
40. 前記折り返す段階は、
    前記第１の画像出力光ビームまたは前記第２の画像出力光ビームを、第１の反射光学系へと方向付ける段階と、
    前記第１の画像出力光ビームまたは前記第２の画像出力光ビームを、前記第１の反射光学系から第２の反射光学系へと方向付ける段階と、
    前記第１の画像出力光ビームまたは前記第２の画像出力光ビームを、前記第２の反射光学系から前記観察者の左目または右目へと方向付ける段階とを有する請求項３９に記載の方法。
41. 前記画像入力光ビームに、前記分割する段階の前に偏光子を通過させる段階をさらに備える請求項３８に記載の方法。
42. 前記第１の画像出力光ビームまたは前記第２の画像出力光ビームの前記光路に屈折光学系を設け、前記屈折光学系を用いて前記第１の画像出力光ビームまたは前記第２の画像出力光ビームを、前記観察者の左目または右目へと収束させる段階をさらに備える請求項３８に記載の方法。

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