JP2013511744A - 頭部装着ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

視覚ディスプレイソースからの視覚コンテンツを表示して見るための、反射主体の頭部装着ディスプレイ装置を提供する。当該頭部装着ディスプレイ装置は、フレームと、このフレームに接続される少なくとも１つの光学素子ハウジングとを含み、光学素子ハウジングとフレームとは、光学素子ハウジングが少なくとも部分的にユーザーの眼前に配置されるように構成され、光学素子ハウジングは、光学素子ハウジング内に配置されて視覚コンテンツを投影する発光視覚ソースと、この発光視覚ソースと光学的に連通しており、視覚コンテンツの射影をユーザーの眼へと反射するように構成される複数の光反射面とを含む。
【選択図】図３ｂ

Description

本開示は、視覚ディスプレイソースからの視覚コンテンツを表示して見るための頭部装着ディスプレイ装置に関する。

頭部装着ディスプレイ、略して「ＨＭＤ」は、１人のユーザーに広範な視覚表示コンテンツを見せるために（１）ユーザーの片方の眼前に配置される単一の小型表示光学系（単眼ＨＭＤ）又は（２）ユーザーの２つの眼の各々の前方に１つずつ配置される２つの小型表示光学系（双眼ＨＭＤ）のいずれかを有する、ユーザーの頭部に着用されるディスプレイである。双眼ＨＭＤにより、ユーザーが視覚コンテンツを三次元で見られるようになる。今日の軍事、商業、及び消費市場において現在見受けられるＨＭＤ装置は、主にゴーグル又は眼鏡を着用するべく着用されるゴーグル／眼鏡型装置か、又はユーザーの頭部に着用するヘルメットに取り付けられるヘルメット装着式の装置かのいずれかである。加えて、今日の市場において現在見受けられるＨＭＤ装置は主に３つの異なる技術に依存しており、屈折型と回折型とレーザーライター型との３つの異なる種類に分けられる。

市場で現在見受けられる第１の種類のＨＭＤ装置は、屈折型ＨＭＤである。屈折型ＨＭＤでは、屈折という光物理学的原理を利用して視覚コンテンツの射影を視覚ディスプレイソースからユーザーの眼に送る。屈折型ＨＭＤは、視覚コンテンツの射影を視覚ディスプレイソースから、通常はアクリル等の透明プラスチックである光透過媒体を介して送ることにより、コヒーレントで大抵は拡大された最終的な像が、ユーザーの眼に生成されるように機能する。光透過媒体は本質的に、拡大鏡の機能と同様に、視覚ソースからの光波が透過媒体に入射してここから出射する時に、これらの光波を屈曲及び拡大させることで、拡大したコヒーレントな結合像を形成する、１つ又は一連のレンズである。これが、今日の市場におけるＨＭＤの多くに用いられている、主な方法である。

屈折型ＨＭＤはＨＭＤ市場で用いられている主だった方法であるが、これには幾つかの欠点がある。こうした屈折型ＨＭＤに係る問題とは、透過媒体が、通常はＨＭＤの光路内に配置される大きな塊状の重いプラスチックであるため、ユーザーが自身の頭部又は顔面のいずれに着用する場合も、この種のＨＭＤが非常に重く、嵩高く、煩わしいことである。このことは、こうしたＨＭＤを着用するユーザーの全体としての快適さを限定する。加えて、このようにユーザーにとって嵩高い装具となることから、こうした装置に適用できるスタイリングが大幅に限定される。更に、屈折型ＨＭＤの屈折レンズは、ユーザーの直接の視界中に配置されることが多いので、ユーザーに適切な「シースルービジョン」、即ち投影される視覚コンテンツを見るのと同時に投影されるコンテンツを通して実世界の外部周囲環境をはっきりと見ることができる「複合現実」視野を提供できる屈折型ＨＭＤの創出が非常に難しくなる。屈折型ＨＭＤの別の欠点とは、ユーザーが投影される視覚コンテンツ以外のものを何も見ることができなくなること又はユーザーの周辺視覚が著しく限定されることが多いことから、結局のところユーザーに閉塞感を感じさせてしまう可能性があることである。屈折型ＨＭＤのまた別の欠点とは、消費者市場又は商業市場で一般に見受けるものに関して、非常に限られた視野（「ＦＯＶ」）角を有することであり、一般的なＦＯＶが約２５度、上位機種のＦＯＶが約４０度である。消費者市場及び商業市場で一般に見受けられる屈折型ＨＭＤのＦＯＶを一般的なＦＯＶの２５度よりも大きくしようとすると、装置のコストと重量が劇的に増加し、このことが、ただでさえ競争の激しい２つの市場における、大きな購買阻害要因になりかねない。こうした状況は４０度〜１２０度のＦＯＶを有する屈折型ＨＭＤがはるかに一般的な軍事市場で明白であるが、上述したように、これらは極めて重く、非常に高価である。

市場で現在見受けられる第２の種類のＨＭＤ装置は、回折型ＨＭＤ、厳密には屈折／回折混成型ＨＭＤである。回折型ＨＭＤでは、回折という光物理学的原理と回折格子と屈折を利用して、視覚コンテンツの射影を視覚ディスプレイソースからユーザーの眼に送る。この種のＨＭＤでは、視覚コンテンツの射影が、透過媒体と、屈折透過媒体素子の１つに内蔵される回折格子との両方を通り抜けて、ユーザーの眼にコヒーレントな、大抵は拡大された最終的な像を生成する。透過媒体を通り抜ける、投影される視覚コンテンツからの光波は、最終的には回折格子を通り抜け、この回折格子が単一のコヒーレント像をユーザーに提示する役割を果たす。このような混成型ＨＭＤシステムの主要な欠点とは、高輝度光源を必要とするので、消費電力の点で非常に非効率的であり、それ故に許容可能なレベルで動作させるためにはかなりの電力量を必要とし、ディスプレイの寿命がかなり短いことである。加えて、回折格子がどのように作用するかという物理的特性により、ＦＯＶ機能は幾分限られている。

市場で現在見受けられる第３の種類のＨＭＤ装置は、レーザーライター型ＨＭＤである。レーザーライター型ＨＭＤは、大抵は赤色、緑色、及び青色の３つ組レーザーから成る遠隔レーザー光エンジンと、１組のレーザーライターとを用いて、入力視覚表示信号に従ってレーザー光を屈曲させて送ることで、コヒーレントな視像にする。レーザー及びレーザーライターは、コヒーレント光ファイバーケーブルにより頭部装着ディスプレイユニットに接続されており、像を頭部装着装置に送る。その後、像はコヒーレント光ファイバーケーブルから最終視野スクリーン、通常はＨＭＤ装置内の透明レンズ上に投影され、これをユーザーが見る。この種のＨＭＤが伴う欠点の１つが、このようなシステムに必要なコヒーレント光ファイバーケーブルが非常に高価なことである。こうしたＨＭＤシステムの別の短所は、像を光ファイバーケーブルで送ることから、この像を拡大するために頭部装着装置は依然として何れかの種類の屈折光学素子を必要とし、これが延いてはＦＯＶの限定と頭部装着装置の重量増加とに繋がる。更に、レーザーライター型ＨＭＤに関する別の短所は、こうしたシステムを用いて視覚コンテンツを三次元で見る場合に明らかになる。このためには、ＨＭＤシステムが単一の光ファイバーケーブルを介して２つの別個の像を同時に頭部装着装置に送ることが必要になるので、頭部装着装置にビームスプリッターを内蔵して２つの像を各々の眼に分けることが必要になるか、又はＨＭＤシステムが、第１のレーザーシステムと同時に作動して三次元視覚コンテンツを提供するために必要な第２の像を生成する第２のレーザーシステムを必要とするかのいずれかである。いずれの場合も、これが高額になりかねない。レーザーライター型ＨＭＤ装置のまた別の短所は、こうした装置を作動させるために必要な電力消費量が極めて多いところにある。最後に、光ファイバーケーブルの必要な最小曲げ半径を守るように注意しなければ、光ファイバーケーブルを介した頭部装着装置への像の伝送には、潜在的に問題が生じる可能性がある。ケーブルの曲げ半径が小さすぎると、結果として有意な信号ロスが生じる。

現在入手可能な３種類のＨＭＤシステムはいずれも、低価格、軽量、及び快適さの全てを実現しつつ、眼近接型（ｎｅａｒ−ｔｏ−ｅｙｅ）ＨＭＤ装置とみなされる単一の装置から、ユーザーに拡大して見えるコヒーレントな視覚コンテンツを提供することはできない。そこで、現在入手可能な３種類のシステムに付随する欠点及び問題に対して、業界内では、適正に低費用、軽量、小型で、快適な、眼近接装置である、新規な種類のＨＭＤ装置が必要である。

本明細書では、視覚ディスプレイソースからの視覚コンテンツを表示して見るための、反射主体の頭部装着ディスプレイ装置を説明する。

本開示によると、反射型頭部装着ディスプレイ装置は、フレームと、このフレームに接続される少なくとも１つの眼近接光学素子ハウジングとを含む。光学素子ハウジングとフレームとは、光学素子ハウジングが少なくとも部分的にユーザーの眼前に配置されるべく構成される。光学素子ハウジングは、光学素子ハウジング内に配置された、視覚コンテンツを投影する発光視覚ソースを含む。光学素子ハウジングは更に、視覚ディスプレイソースからの視覚コンテンツの射影をユーザーの眼へと反射させるように構成される、光学素子ハウジング内に配置される複数の光反射面を含む。

したがって、本開示は、主に屈折、回折、又はレーザーライターが主体の頭部装着ディスプレイ装置とは対照的に、実質的に反射主体の頭部装着ディスプレイ装置である。このように、本開示は、選択的に完全に屈折器を排除した頭部装着ディスプレイ装置であり得る。複数の光反射面を主に用いて視覚コンテンツをユーザーの眼に送ることにより、この装置では、反射を透過する透過媒体として、重い透明プラスチックではなく空気を用いることができる。本発明のこの態様は、入手可能なあらゆるその他の装置に比べて、この装置を大幅に軽量にできるという利点を有する。更にまた、このような反射ベースの装置を開発するための、これまでの業界の努力が不成功に終わったことから、これが初めて開発された、使用可能な眼近接型の、反射主体の頭部装着ディスプレイ装置となるという利点及び特異性も有する。本開示の別の利点は、この装置は反射主体のものなので、視覚ディスプレイソースからの視覚コンテンツをユーザーの眼へと投影するために必要な全ての反射器を、眼の付近で保持される比較的小型の光学素子ハウジングに内蔵できる寸法及び配置とすることができるとことにある。このようにコンパクトな装置により、レーザーライターがベースの装置が必要とするような、強固で高費用な遠隔システムが不要になる。

本開示の別の態様では、このフレームは、着用可能な頭部装着式のフレームであり、視覚コンテンツがそれを投影している視覚ソースの実際の寸法よりも大きく見えるように、光学面が共働して視覚コンテンツの射影を拡大するように構成される。加えて、この装置は、ユーザーの第１の眼前に配置されるべく構成される、フレームに接続された第１の眼近接光学素子ハウジングと、ユーザーの第２の眼前に配置されるべく構成される、フレームに接続された第２の眼近接光学素子ハウジングとを含み得る。こうして、双眼用の頭部装着ディスプレイが得られる。

本開示の別の態様では、光学素子ハウジングが更に、実質的に透明な二次視野ハウジングに接続される実質的に不透明な一次透過ハウジングを含む。二次視野ハウジングは、ユーザーの眼前に配置され、ユーザーがこれを透視できるように設計される。二次視野ハウジングは、いずれも透明な前側ダストカバーと外側ダストカバーとを含む。二次視野ハウジングは外側ダストカバーと連通する可変調節可能な透過損失層を有する。この透過損失層により、これを透過するあらゆる光の透過損失量を、選択可能に調節できる。したがって、ユーザーはこの層を調節して、これを通り抜ける全ての光を見ることができるように完全に透明にするか、又は、これを通り抜ける光が見えないように完全に暗闇又は完全不透明にするか、又は、これを通り抜ける光の一部分を見ることができるように様々なレベルの暗さにできる。

本開示の別の態様では、第１の光反射面と、少なくとも１つの中間光学面と、最後の光反射面とを含む一連の光反射面を、複数の光反射面が含む。最後の光反射面は、外側ダストカバーの内面であってもよい。視覚コンテンツが、視覚ソースから第１の光反射面に投影される。その後、視覚コンテンツが、少なくとも１つの中間光学面へと反射され、次に外側ダストカバーの内面である最後の光反射面へと反射し、最後にユーザーの眼へと反射する。ユーザーは、最後の光反射面の後方に位置する調節可能な透過損失層を完全に暗闇にすることによって、二次視野ハウジングの外側ダストカバーを介した外部周囲環境の視野を遮断することで、視覚コンテンツのみを見ることを選択的に選ぶことができる。或いは、ユーザーが、調節可能な透過損失層を、部分的にのみ暗く又は不透明となるように設定することにより、「シースルービジョン」を選択可能に選んで、視覚コンテンツと実時間の外部周囲環境との両方を同時に見る「複合現実」視野を得ることができる。このように、ユーザーは、実世界の外部周囲環境光景の上に重ね合わさった視覚コンテンツの反射像を見ることになる。

その他の実施形態、目的、特徴、及び利点は、以下の実施形態の詳細な説明に記載されており、この説明からその一部が明らかになるか、又は特許請求の範囲に記載の発明を実施することにより理解できる。これらの目的及び利点は、本明細書及び特許請求の範囲において特記するプロセス及び構成によって実現及び達成される。上記の発明の概要は、本明細書に開示の実施形態の幾つかについての簡潔で一般的な概要とみなされ、読者の利益及び便宜のためだけに提供されるものであって、添付の特許請求の範囲について、法的に認められる範囲又は等価物の範囲を限定することを意図するものでは決してないという理解の下、記載されている。

双眼用の反射主体頭部装着ディスプレイ装置の一実施形態を着用しているユーザーの斜視図である。 反射主体の頭部装着ディスプレイ装置の一実施形態の側面図である。 ５つの光反射面を用いた、双眼用の反射主体頭部装着ディスプレイ装置の一実施形態の斜視断面図である。 ５反射器システムにおける発光視覚ソースからユーザーの眼までの反射経路の一実施形態を示す、双眼用の反射主体頭部装着ディスプレイ装置の一実施形態の斜視断面図である。 反射主体の頭部装着ディスプレイ装置の一実施形態の後側斜視図である。 ３つの光反射面を用いた、別の双眼用の反射主体頭部装着ディスプレイ装置の一実施形態の斜視図である。 ３反射器システムにおける発光視覚ソースからユーザーの眼までの光反射経路の一実施形態を示す、双眼用の反射主体頭部装着ディスプレイ装置の一実施形態の斜視断面図である。 発光視覚ソースからユーザーの眼までの光反射経路の一実施形態を示す、５反射器頭部装着ディスプレイ装置の光反射面の一実施形態の概略側面図である。 発光視覚ソースからユーザーの眼までの光反射経路の一実施形態を示す、３反射器頭部装着ディスプレイ装置の光反射面の一実施形態の概略側面図である。 図９（ａ）〜（ｃ）の各図において暗さ又は不透明度レベルが漸増していく調節可能な透過損失層の一実施形態と連通する、最後の光反射面の一実施形態の分解斜視図である。

本発明は様々な形態で実施可能であるが、本開示は、本発明の例示とみなされるべきであり、本発明を本明細書に示した特定の実施形態に限定することを意図するものではないという理解の下、現時点で好ましい１つ以上の実施形態を図示し、以下に説明する。表題は、便宜上付されたものにすぎず、決して本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。いずれの表題に続いて示す実施形態も、その他のいずれの表題に続いて示す実施形態と組み合わせ可能である。

＜ＨＭＤ装置の構造＞
図１、２及び５を参照して、視覚ディスプレイソースからの視覚コンテンツを表示して見るための、反射主体の頭部装着式表示（「ＨＭＤ」）装置５を開示する。ＨＭＤ装置５は、フレーム１０と、このフレーム１０に接続される少なくとも１つの眼近接光学素子ハウジング１５を含む。

この好適な実施形態において、フレーム１０は、眼鏡フレームのような着用可能な頭部装着式のフレームである。但し、この実施形態の開示は、フレーム１０の形状を限定するものと解釈されるべきではない。したがって、別の実施形態では、フレーム１０を、ヘルメットに取り付けるように、或いは、ヘッドバンド又は調節可能なヘッドストラップ等の、その他同様の種類の頭部着用装置に取り付けるように構成してもよい。フレーム１０は、眼近接光学素子ハウジング１５に接続され、眼近接光学素子ハウジング１５の重さを支えるように構成される。更に、フレーム１０は、適正に着用した時に光学素子ハウジング１５が少なくとも部分的にユーザーの眼前に配置され、ＨＭＤユーザーの視線上に配置され得るように構成される。

この好適な実施形態では、フレーム１０が２つの光学素子ハウジング１５に接続され、第１の光学素子ハウジング１５は少なくとも部分的にユーザーの第１の眼前に配置可能であり、第２の光学素子ハウジング１５は少なくとも部分的にユーザーの第２の眼前に配置可能である。第１及び第２の光学素子ハウジング１５は、物理的に同一であるか、互いの鏡像であるか、又はその他の大きさと形状とを所望のように組み合わせたものであってもよい。この実施形態は、２つの別個のチャネル（即ち、２つの別個の光学素子ハウジング１５）を用いて別個の視覚コンテンツをユーザーの２つの眼の各々に供給するので、「双眼」ＨＭＤ装置と見なされる。双眼ＨＭＤ装置は、両方のチャネルを介して全く同じ視覚コンテンツをユーザーの両方の眼に同時に供給する（例えば、テレビを見る場合と同様）か、又は、第１のチャネルを介して第１の視覚コンテンツをユーザーの第１の眼に供給し且つ第２のチャネルを介して全く異なる第２の視覚コンテンツをユーザーの第２の眼に供給する（即ち、各テレビが別々の番組を映し出す別個のテレビを各々の眼で見るように）か、又は、最後に第１のチャネルを介して視覚コンテンツをユーザーの第１の眼のみに供給し、ユーザーの第２の眼にはいかなるコンテンツも供給しないかのいずれかによって、ユーザーにニ次元視覚コンテンツを見せることができる。或いは、双眼用装置で、各々の眼に同じ視覚コンテンツの若干相違する変形形態を供給することにより、ユーザーに三次元立体視（即ち、双眼視）を見せることができる。しかし、この実施形態の開示は、ＨＭＤ装置５を２つの光学素子ハウジング１５を有する装置のみに限定するものと解釈されるべきではない。したがって、また別の実施形態（図示せず）では、フレーム１０を１つのみの光学素子ハウジング１５に接続して、この１つの光学素子ハウジング１５が部分的にユーザーの第１の眼前に配置可能となるように、フレーム１０及び光学素子ハウジング１５を構成する。このまた別の実施形態の装置は、ユーザーの２つの眼の一方のみを対象とする単一のチャネル（即ち、１つの光学素子ハウジング１５）を用いる装置であるため、「単眼」ＨＭＤ装置と見なされる。

更に別の実施形態（図示せず）では、光学素子ハウジング１５がフレーム１０に対して選択的に取付け／取外し可能となっており、これによって、ユーザーが、単一の眼を対象とした１つの光学素子ハウジング１５のみを有する単眼ＨＭＤ装置又はユーザーの各々の眼に対して１つずつの２つの光学素子ハウジング１５を有する双眼ＨＭＤ装置のいずれを用いるかを選ぶことができるように、フレーム１０及び光学素子ハウジング１５を構成できる。また別の実施形態（図示せず）では、光学素子ハウジング１５が、フレーム１０にヒンジ運動可能に接続されており、光学素子ハウジング１５をヒンジの周りで選択可能に回転させて光学素子ハウジング１５をユーザーの眼前の位置から移動させ、ユーザーの視線から外せるようになっていてもよい。

フレーム１０は、マグネシウム合金、アルミ合金、チタン、又は非常に軽量であるが非常に耐久性があるという物理的特性を有するその他同様の軽金属基材料等の、少なくとも１つの耐久性のある軽量材料から成る。しかし、上記の材料の開示を、軽量材料を金属基材料のみに限定するものと解釈するべきではない。したがって、また別の実施形態では、フレーム１０が、ポリカーボネート、ＰＶＣ、ポリエチレン、ナイロン、又は非常に軽量であるが非常に耐久性があるという物理的特性を有するその他のポリマー系材料等の、耐久性のある軽量材料から成るものであってもよい。

図３ａ及び５を参照すると、各眼近接光学素子ハウジング１５は、視覚コンテンツを投影する発光視覚ソース２０と、複数の光反射面３０と、一次透過ハウジング４０と、二次視野ハウジング４５とを含む。

発光視覚ソース２０は、オブザーバーが見ることができる視覚的形態で情報を提示する電子装置である。好適な実施形態では、発光視覚ソース２０は電源に接続されたマイクロディスプレイであり、このマイクロディスプレイは、視覚的形態で出力されることになる入力信号を外部ソースから受け付けるソース入力部を含む。しかし、上記の実施形態の開示は、本明細書に開示の主題を実施する上で使用可能な発光視覚ソースの種類を限定するものと解釈されるべきではない。したがって、また別の実施形態では、発光視覚ソース２０は、レーザーライター、マイクロプロジェクター、或いは視覚コンテンツを表示可能なその他の装置又はシステムであってもよい。更に、発光視覚ソース２０は、従来の電線若しくはケーブル、光ファイバー、無線信号伝送、又は信号及びデータ伝送分野の当業者に周知の、その他同様の信号伝送方法により、外部ソースからの入力信号を受け付けてもよい。

投影される視覚コンテンツは、静的及び動的視覚コンテンツの両方と、視覚的に表示でき、見ることができるあらゆるその他のコンテンツとを含む。静的視覚コンテンツには、それが表示されている期間中に経時変化しないコンテンツであって、新しい情報で更新されない写真、静止画像、静止テキスト、及び図形データ表示を含むがこれらに限定されないコンテンツが含まれる。動的視覚コンテンツには、それが表示されている期間中に経時変化するコンテンツであって、新しい情報を得ると更新されるビデオ録画再生又は実時間ビデオ、変化する像、動的テキスト、及び図形データ表示を含むがこれらに限定されないコンテンツが含まれる。

複数の光反射面３０は、例えば、鏡、研磨された金属、又は平滑なガラスの表面のような高度研磨又は平滑表面仕上げを有しており、光物理学的原理である反射を用いて、この光反射面に入射する光波を跳ね返す表面である。複数の光反射面３０は、発光視覚ソース２０と光学的に連通しており、鮮明に結像した、発光視覚ソース２０からの視覚コンテンツの射影をユーザーの眼へと共働して反射するように構成される。

図３ｂ及び６を参照すると、好適な実施形態において、複数の光反射面３０は、別個の凹面と凸面との組合せであって、少なくとも第１の光反射面３１と最後の光反射面３６とを含む。第１の光反射面３１は、視覚コンテンツが発光視覚ソース２０から最初に投影される光反射面である。最後の光反射面３６は、視覚コンテンツが最後にユーザーの眼へと反射される光反射面である。好ましくは、複数の光反射面３０が更に、少なくとも１つの中間光反射面３２を含む。これらの凹面状及び凸面状の光反射面３０は更に、ＨＭＤ装置ユーザーの眼で見ると、投影される視覚コンテンツ５５が拡大及び合焦して見えるように、視覚コンテンツの射影が各光反射面３０から反射すると、共働してこの射影を拡大するように構成される。しかし、別個の凹面と凸面とを組み合わせて用いる上記の実施形態の開示を、本明細書に開示するＨＭＤ装置に使用可能な光反射面の形状の範囲を限定するものと解釈するべきではない。別の実施形態では、本明細書の開示の範囲から逸脱することなく、ＨＭＤ装置５に、凸面状の光反射面のみ、凹面状の光反射面のみ、又はその他の固有の形状を用いることができる。更に、上記の実施形態の開示は、これまでのところ、複数の光反射面３０のみを用いて、視覚ソース２０から投影される視覚コンテンツをユーザーの眼へと反射するＨＭＤに関するものであったが、別の実施形態では、反射主体のＨＭＤの開示の範囲から逸脱することなく、光路内に組み込まれる追加の光学素子を含めることができる。したがって、また別の実施形態では、複数の光反射面３０を含むことに加えて、１つ以上の屈折素子（図示せず）を、光路内の発光視覚ソース２０とユーザーの眼との間に配置し、この屈折素子を通り抜ける光波を処理するようにもできる。こうして、反射／屈折混成型ＨＭＤが創出される。

図２及び４を参照すると、各眼近接光学素子ハウジング１５が、発光視覚ソース２０と連通するディオプトリ調節器２５を含んでいるか、又は各眼近接光学素子ハウジング１５に、このディオプトリ調節器２５が接続されている。ディオプトリ調節器２５は、発光視覚ソース２０の位置を、発光視覚ソース２０から発せられる視覚コンテンツの射影の方向に対して実質的に平行方向に前方又は後方のいずれかに物理的に移動させるように構成される。そうすることで、発光視覚ソース２０が移動して、第１の光反射面３１の固定位置に更に近付くか、又は遠ざかる。その結果、投影される視覚コンテンツの、ユーザーの眼内の最終的な焦点が相応に調節される。したがって、ディオプトリ調節器２５は、処方焦点補正を行い、ユーザーの眼に投影される視覚コンテンツの焦点を一定の処方範囲内で調節できる。

再び図１〜６を参照すると、一次透過ハウジング４０が、ＨＭＤ装置５の眼近接光学素子ハウジング１５のチャンバであって、その中では、発光視覚ソース２０からの視覚コンテンツの射影が創出され、投影される視覚コンテンツの光反射と拡大の大部分が行われる。一実施形態では、一次透過ハウジング４０は、自身の第１の端部４１に配置される発光視覚ソース２０とディオプトリ調節器２５とを有する実質的に不透明な中空チャンバである。一次透過ハウジング４０が、最後の光反射面３６を除いて、一次透過ハウジング４０の内側の様々な位置に配置される複数の光反射面３０の各々を更に含んでよい。具体的には、複数の光反射面３０が部分的に、一次透過ハウジング４０の前側及び後側内壁上に直接か又は一次透過ハウジング４０の前側及び後側内壁上に配置される支持構造上に配置される。好適な実施形態では、一次透過ハウジング４０がフレーム１０に接続され、このフレームにより支持される。しかし、上記の実施形態の開示は、一次透過ハウジング４０の構造を実質的に不透明又は中空のチャンバのみに限定するものと解釈されるべきではない。また別の実施形態では、一次透過ハウジングが、光反射面３０と発光視覚ソース２０とディオプトリ調節器２５とを単にその適切な位置において支持する役割を果たすが外部の入射光が光反射面３０の反射経路内に入ることを妨げない側部開放構造又は開放骨組フレームであってもよい。

一次透過ハウジング４０は、マグネシウム合金、アルミ合金、チタン、又は非常に軽量であるが非常に耐久性があるという物理的特性を有する、その他同様の軽金属基材料等の、少なくとも１つの耐久性のある軽量材料から成る。しかし、上記の材料の開示は軽量材料を金属基材料のみに限定するものと解釈されるべきではない。したがって、また別の実施形態では、一次透過ハウジング４０が、ポリカーボネート、ＰＶＣ、ポリエチレン、ナイロン、又は非常に軽量であるが非常に耐久性があるという物理的特性を有するその他のポリマー系材料等の、耐久性のある軽量材料から成るものであってもよい。また、一次透過ハウジングの位置に関しては、好適な実施形態では、一次透過ハウジングを、実質的にフレーム１０及びユーザーの眼の下方且つユーザーの顔面付近に配置するべく構成する。しかし、別の実施形態では、実質的にフレーム１０に付随する何れかの眼鏡のつるの長さに沿った位置、ユーザーの顔面の側部付近の位置、フレーム１０の上方の位置、ユーザーの眼より上方の位置、ユーザーの額付近の位置、又は本明細書に開示のＨＭＤが本明細書に開示する教示に従って機能可能なその他の位置に必要に応じて配置できるように、一次透過ハウジング４０を構成できる。

図２〜４及び６を参照すると、二次視野ハウジング４５は、発光視覚ソース２０が配置される第１の端部４１の反対側の、一次透過ハウジング４０の第２の開放端部４２において一次透過ハウジング４０に接続される。二次視野ハウジング４５は、少なくとも部分的にＨＭＤ装置ユーザーの眼前に配置される光学素子ハウジング１５の一部分である。好適な実施形態において、二次視野ハウジング４５が更に、フレーム１０と一次透過ハウジング４０との両方に一体的に接続される。しかし、上記の実施形態の開示を、二次視野ハウジング４５をフレーム１０又は一次透過ハウジング４０の何れかに一体的に接続することに限定するものと解釈するべきではない。また別の実施形態では、二次視野ハウジング４５を、一次透過ハウジング４０に着脱可能又はヒンジ運動可能に接続し、一次透過ハウジング４０により支持できる。

図３ａ〜４及び６を参照すると、二次視野ハウジング４５は、ユーザーの眼の直正面且つユーザーの視線上に配置されるべく構成される透明な前側ダストカバー４６を含む。前側ダストカバー４６は、従来の処方レンズのように作用しないという点で、好ましくは光学的に中性である。寧ろ、前側ダストカバー４６は、ユーザーが見る何れかの視対象からの光波を、いかなる顕著な歪み、変化、又は屈曲も伴わずに透過させる。更に、前側ダストカバー４６は、好ましくは、ポリカーボネート、ガラス、アクリル、又は透明性と耐久性とを併せ持つその他の同様の材料等の耐久性のある透明材料から成る。

二次視野ハウジング４５は更に、実質的に前側ダストカバー４６に隣接して配置されるシェルである外側ダストカバー４７を含む。外側ダストカバー４７は、前側ダストカバー４６の前方に配置され、前側ダストカバー４６と同じ、ユーザーの視線上に配置されるべく構成される。二次視野ハウジング４５の前側ダストカバー４６と外側ダストカバー４７とは、共働して一次透過ハウジング４０の第２の開放端部４２を閉鎖する役割を果たすことによって、実質的に光学素子ハウジング１５を封鎖することで、埃又はその他の環境汚染物質が光学素子ハウジング１５内に侵入したり反射光学素子に干渉しないようにする。

図９（ａ）〜９（ｃ）を参照すると、外側ダストカバー４７が、複数の光反射面３０のうちの最後の光反射面３６となるように構成された凹面状の内面４８を含む。既に開示したように、この内面４８は、投影される視覚コンテンツ５５が最後にユーザーの眼へと反射される光反射面３６である。好適な実施形態では、外側ダストカバー４７は、可変調節可能な透過損失層５０と連通する実質的に透明な湾曲シェルである。この実施形態では、外側ダストカバー４７が、ポリカーボネート、ガラス、アクリル、又は透明性と耐久性とを併せ持つその他同様の材料等の、耐久性のある透明材料から成る。更に任意で、光学素子を衝撃から保護するための、少なくとも最低限の要件を満たし得る十分な材料厚さを有するように、外側ダストカバー４７を設計してもよい。但し、上記の実施形態の開示を、外側ダストカバー４７を基本的な透明又は実質的に透明な受動シェルのみに限定するものと解釈するべきではない。また別の実施形態（図示せず）では、外側ダストカバー４７は、調光鏡、又はリバーシブルエレクトロクロミック鏡、又は選択的鏡映若しくは外側ダストカバー４７の反射率の調節を可能にするその他同様のこうした技術であってもよい。

また別の実施形態では、更に、他の透明な外側ダストカバー４７が部分的に鏡面状の内面４８を有する点、従って部分的に鏡面状の最後の光反射面３６を有するという点において、実質的に透明な外側ダストカバー４７が「部分鏡」であってもよい。この部分的に鏡面状の内面４８は、自身に関して固定の最小反射率値を有する。反射率値は、表面によって反射される光等の全放射量とその表面に最初に入射した全放射量との比を百分率で表したものである。部分鏡を外側ダストカバー４７の内面４８として用いること、従って最後の光反射面３６として用いることにより、ＨＭＤ設計者は、光反射面の最小反射率値を増加させ、無処理の透明な外側ダストカバー４７のみを用いた場合に達成可能な値よりも、この最小反射率値を高くできる。このような実施形態においては、上記に開示したような、他の透明な外側ダストカバー４７の内面４８を反射材料（即ちアルミ、銀、金等）の薄い蒸着層により処理又は被覆して内面４８の反射率を高め、最後の光反射面３６の固定最小反射率値を創出することより、部分鏡を創出できる。最後の光反射面３６上に蒸着される反射材料の種類と厚さを適切に選択することにより、所望の最小反射率値を有する部分鏡を正確に得ることができる。一実施形態では、部分鏡は、約１〜１０％、１１〜２０％、２１〜３０％、３１〜４０％、４１〜５０％、５１〜６０％、６１〜７０％、７１〜８０％、８１〜９０％、又は９１〜９９％の範囲内の最小反射率を有し得る。

好適な実施形態の実質的に透明な外側ダストカバー４７は、凹面状の内面４８を有する湾曲シェルなので、外側ダストカバー４７は、このカバーを通して見るとユーザーの眼に見える周囲環境を歪める屈折レンズとして作用する。したがって、外側ダストカバー４７の外面４９上には、この歪みを相殺する別個の補正屈折レンズ形状（図示せず）が形成され、結果として、このカバーは、透過する光波にいかなる顕著な歪み効果も生じない光学的に中性の外側ダストカバー４７になる。

再び図９（ａ）〜９（ｃ）を参照すると、好適な実施形態において、完全に暗闇、即ち完全不透明から完全透明までの範囲にわたる多様なレベルの暗さ又は不透明性を、外側ダストカバー４７と連通する可変調節可能な透過損失層５０に選択的に持たせることができる。一実施形態において、調節可能な透過損失層５０は、可撓性の調節可能な液晶層５２が２つの保護層５１、５３間に積層又は配置される少なくとも３つの別個の層５１、５２、５３を含んでよい（図９（ａ）〜９（ｃ）参照）。この３つの層の積層体は、外側ダストカバー４７の外面４９又は内面４８のいずれかに取外し可能に取り付けられ、液晶層の暗さを調節することで、透過する光の透過損失レベルを変化させることができる。

しかし、上記の実施形態の開示を、調節可能な透過損失層５０を外側ダストカバー４７に取り付けられる別個の取外し可能な層に限定するものと解釈するべきではない。また別の実施形態では、調節可能な透過損失層５０を、外側ダストカバー４７に一体的に備えてよい。このような実施形態では、外側ダストカバー４７が少なくとも２つの別個の層を含み、調節可能な透過損失層５０を外側ダストカバー４７の２つの層間に積層又は配置される、可撓性の調節可能な液晶層とすることができる。また別の実施形態では、調節可能な透過損失層５０を、外側ダストカバー４７の外面４９又は内面４８に一体的に備えてよい。更に、上記の実施形態の開示を、調節可能な透過損失層５０を液晶技術を用いることのみに限定するものと解釈するべきではない。また別の実施形態では、調節可能な透過損失層５０に、調光鏡又はリバーシブルエレクトロクロミック鏡等の、調節可能な透過損失レベルを達成できるいかなる種類の技術を用いてもよく、又は調節可能な透過損失層５０がいかなる種類の層であってもよい。

加えて、好適な実施形態の前側ダストカバー４６及び外側ダストカバー４７は実質的に透明なので、ユーザーは、前側ダストカバー４６と外側ダストカバー４７との両方を透視して、ユーザーの実世界の周囲環境と、ユーザーが見ている実世界の周囲環境の上方に重ね合わされる視覚コンテンツ５５の射影との両方を同時に見ることができるようになっている。これはユーザーに「シースルービジョン」を提供し、ユーザーは視覚コンテンツ５５と周囲環境との両方の複合現実視野を同時に得ることができる。ユーザーが投影される視覚コンテンツ５５の視野を更に明るくしたい場合は、調節可能な透過損失層５０に関連する暗さ又は不透明性のレベルを、目盛りの暗側又は不透明側の方へと更に増加させればよく、これによって、延いては透過損失層を通り抜けてユーザーの眼に届く外部光の透過損失が増加して、ユーザーが見ることができる周囲環境の視野が暗くなる。ユーザーが調節可能な透過損失層５０を完全に暗闇又は完全不透明にすると、ユーザーは投影される視覚コンテンツ５５しか見ることができなくなり、外部環境は完全に遮断される。しかし、ユーザーが調節可能な透過損失層５０を完全透明に調節しても、ユーザーは明るい周囲環境視野を有しながら、依然として視覚コンテンツ５５のかすかな射影を見ることができる。外側ダストカバー４７が無処理の透明な外側ダストカバーであり、調節可能な透過損失層５０が完全透明に調節された好適な実施形態では、ユーザーは周囲環境を最大輝度で見ることになる。しかし、外側ダストカバー４７が部分鏡である実施形態においては、部分鏡による透過損失により周囲環境からの光の全量が外側ダストカバー４７を透過してユーザーの眼に届くことが防止されるので、周囲環境が実際よりも若干暗く見える。ユーザーが見る視覚コンテンツ５５の射影の輝度を調節するもう１つの方法は、発光視覚ソース２０の出力を明るく又は暗くすることである。

また別の実施形態では、調節可能な透過損失層５０を簡単に完全に除去でき、外側ダストカバー４９の外面に取り付けられる、サングラスと同様の固定レベルの透過損失を有する１組の暗色フィルタに交換できる。これらのフィルタは固定割合の入射光のみを透過させる。また別の実施形態では、調節可能な透過損失層５０を全く設けずに、外側ダストカバー４７そのものを実質的に透明な１組の暗色フィルタにできる。この実施形態では、複合現実視野の投影される視覚コンテンツ５５と周囲環境とのいずれの輝度も、主に透明な外側ダストカバー４７を製作する透明材料の色及び／又は色調によって決まる。例えば、透明な外側ダストカバーがチャコール色である場合は、このことによって、外側ダストカバー４７を透過する外部光のある程度の透過損失が生じる。この場合、投影される視覚コンテンツがより明るく見える一方で、周囲環境の視野は、外側ダストカバー４７が無色透明材料である場合よりも暗く見える。

更に、前側ダストカバー４６と外側ダストカバー４７との両方が透明であるか、又はユーザーが実世界の周囲環境を見ることが可能な上記のいずれの実施形態においても、二次視野ハウジング４５は、周囲環境を鮮明に透視できるように必要に応じてユーザーに処方焦点補正機能を提供する処方レンズ（図示せず）を取り付けできるように構成されている。また別の実施形態では、二次視野ハウジング４５の前側ダストカバー４６は、ユーザーが周囲環境を透視する時のために、特にユーザーの処方焦点補正要件に合わせた恒久的な処方レンズであってもよい。

更に別の実施形態において、外側ダストカバー４７は、ユーザーがこれを通して周囲環境を見ることを妨げる、恒久的で実質的に不透明なシェルであってもよい。このようにすると、ユーザーは、最後の光反射面３６でもある外側ダストカバー４７の内面４８から反射される、投影された視覚コンテンツの反射像のみを見ることができる。更に、この別の実施形態では、外側ダストカバー４７を透視することはできないので、外側ダストカバー４７の外面４９にいかなる補正レンズ形状も形成する必要は無い。

図３ｂを参照すると、既に開示したように、ＨＭＤ装置５は第１の光反射面３１及び最後の光反射面３６を含むと共に、好ましくは少なくとも１つの中間光反射面３２を含む。加えて、既に述べたように、ＨＭＤ装置５は任意で１つ以上の屈折光学素子（図示せず）を含んでよい。好適な実施形態において、ＨＭＤ装置５は、第２の光反射面３３、第３の光反射面３４、及び第４の光反射面３５を含む少なくとも１つの中間光反射面３２を有する、合計５つの光反射面を持つ装置である。この好適な実施形態において、第１の光反射面３１及び第３の光反射面３４は凹面であり、第２の光反射面３３及び第４の光反射面３５は凸面であり、第１の光反射面３１、第２の光反射面３３、第３の光反射面３４、第４の光反射面３５の各々は、一次透過ハウジング４０内に配置される実質的に完全に鏡面である。更に、既に好適な実施形態に開示したように、最後の光反射面３６は、ポリカーボネート等の透明材料から成る外側ダストカバー４７の凹面状の透明な内面４８である。この５反射器ＨＭＤ装置は、ＦＯＶの一方の角からＦＯＶの反対側の対角方向の角までテキストを読むことができる、約１度〜約６０度のテキスト可読対角ＦＯＶを生成できる。具体的には、この５反射器ＨＭＤ装置は、投影される視覚コンテンツの歪みを殆ど又は全く伴うことなしに、約５０度又は約６０度の非排他的テキスト可読対角ＦＯＶを生成できる。或いは、５反射器ＨＭＤ装置が更に、ユーザーが投影される視覚コンテンツに関する糸巻き形又は樽形歪み等のある一定の量の様々な歪み効果を許容可能とみなす場合又は望む場合には、５０度又は６０度よりもかなり大きい対角ＦＯＶを生成できる。この点に関して、ＦＯＶ周辺部の情報がテキスト可読でなくてもよい実施形態では、５反射器ＨＭＤは、１００度よりも大きい対角ＦＯＶを生成可能である。しかし、上記の５反射器型ＨＭＤ装置の開示を、ＨＭＤ装置の範囲を５つの光反射面を用いるＨＭＤ装置のみに限定するものと解釈するべきではない。したがって、５つよりも少数又は多数の光反射面を用いるが、依然として本発明の範囲内に含まれるまた別の実施形態が存在し得る。

図５及び６を参照すると、また別の実施形態において、ＨＭＤ装置５は、第２の光反射面３３を含む少なくとも１つの中間光反射面３２を有する、合計３つの光反射面３０を有する装置であってもよい。このまた別の実施形態では、第１の光反射面３１は凹面であり、第２の光反射面３３は凸面であり、第１及び第２の光反射面３１及び３３はいずれも、一次透過ハウジング４０内に配置される実質的に完全な鏡面である。加えて、最後の光反射面３６は、ポリカーボネート等の透明材料から成る外側ダストカバー４７の凹面状の透明な内面である。この３反射器型ＨＭＤ装置は、約１度〜約４０度のテキスト可読対角ＦＯＶを生成可能である。具体的には、この３反射器型ＨＭＤ装置は、投影される視覚コンテンツの歪みを殆ど又は全く伴うことなく、約２５度又は約４０度の非排他的テキスト可読対角ＦＯＶを生成できる。しかし、上述の５反射器型装置の場合のように、この３反射器型ＨＭＤ装置も、ユーザーが投影される視覚コンテンツに関する糸巻き形又は樽形歪み等の、或る一定の量の様々な歪み効果を許容可能とみなす場合又は望む場合には、２５度又は４０度よりもかなり大きい対角ＦＯＶを生成できる。この点に関して、ＦＯＶ周辺部の情報がテキスト可読でなくてもよい実施形態では、３反射器型ＨＭＤで８０度よりも大きい対角ＦＯＶを生成できる。

＜光反射面の幾何学的形状の決定＞
各々の光反射面の幾何学的形状の決定は、オプティカル・リサーチ・アソシエイツ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ）製のＣＯＤＥ−Ｖ、ゼマックス・ディベロップメント社（ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）製のＺＥＭＡＸ、又はシンクレア・オプティックス社（Ｓｉｎｃｌａｉｒ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｉｎｃ．）製のＯＳＬＯ等の高機能光学設計ソフトウェアを用いて、ＨＭＤシステム開発者が選択した、ＨＭＤシステム開発者が設定した入力値を有する独立設計入力変数の膨大なリストに基づいて、光反射面の幾何形状を定めることによって行われる。こうした上記のソフトウェアパッケージの各々は、光学システム設計分野の当業者には周知である。

各鏡の形状と各鏡の形状を定義する関連のアルゴリズムとが、ソフトウェアにより出力され、システム開発者により選択され、値が設定された多数の入力変数に基づいて決定される。これらの変数は、所望の全体システム又は特定の設計要件に基づいて選択される、特定の設計パラメータである。ソフトウェアのオペレータは、設計入力変数とそれらに関連ある値とを独立的に選択し、それらを光学設計ソフトウェアに入力した後に、幾何学的形状とそれらの形状を定義する関連のアルゴリズムとを出力するコンピュータ解析を実行しなければならない。何らかのコンピュータ解析を実行する前に、値を決定してソフトウェアに入力することが必要になる膨大な数の設計変数の中には、反射主体のシステム全体における、別々の光反射面及び／又は屈折素子の所望数と、各光反射面は凹面状、凸面状、平面状、何らかの固有の他の幾何学的形状又はこれらを組み合わせたもののいずれであるかと、最後の光反射面に関する射出瞳距離の所望範囲と、アイボックスの所望寸法と、反射系全体の所望のＦＯＶ角と、ＨＭＤ装置ユーザーに見えてもよい、糸巻き形又は樽形歪み等の視覚コンテンツの許容可能な又は所望の歪み量と、システムパッケージ全体（即ちパッケージエンベロープ）の所望寸法と、所望の出射視野角の範囲と、複合現実視野を望むか否かと、投射光波が視覚ソース２０からシステムに入射する態様及びこれらの光波が最後の光反射面３６からシステムを出る所望の態様と、システム全体を眼上型、眼下型、又は眼側型システムのいずれにしたいのかとが含まれる。上記に列挙したものは、決して全ての変数を網羅するものではなく、考えられるシステム設計上の選択項目となる入力変数の例証として示されたものである。ソフトウェア解析の出力と各光反射面の形状を定義するいかなる結果的な数学アルゴリズムをも左右するその他の設計変数が存在する。ソフトウェアに入力される変数は、専らＨＭＤ装置の所望の全体システム設計要件に依存する。

以下の説明では、上記の設計変数を更に明確にして定義することを目的とする。射出瞳距離は、ユーザーの眼の瞳孔から最後の光反射面の中心点までの距離である。アイボックスは、最後の光反射面から到来する略平行な光束がこれを通ってユーザーの眼に入射可能な仮想領域である。アイボックスは、多くの場合、ユーザーの眼の瞳孔の大きさを大幅に上回らないまでも、少なくともユーザーの瞳孔の大きさと同じ直径で画定される円形領域である。例えば、平均的な照明条件において一般的なユーザーが直径２ｍｍの瞳孔を有する場合は、直径１０ｍｍのアイボックス寸法を選択することが望ましいことがある。これにより、ユーザーは自身の眼の瞳孔をアイボックス内で上下左右方向に移動させることができ、最後の光反射面から反射される、より大きい１０ｍｍのアイボックスを通り抜ける視覚コンテンツを見失うことはない。ＦＯＶは、既に述べたように、ユーザーが最後の光反射面から反射される観察可能なコンテンツを見ることができる見渡し角範囲（多くの場合に対角線画角）を指す。システムパッケージ全体、即ち「パッケージエンベロープ」の寸法は、全ての光学素子ハウジングを含むＨＭＤ装置全体の外寸を指す。最後に、出射視野角は、複合現実視野において、ユーザーがＨＭＤ装置を着用している時にＨＭＤ装置を介して外の世界を見ることができる最大許容視野角を指す。

一旦システム設計者が変数を選択し、その所望の値を決定し終えると、次に設計者は光学設計ソフトウェアの解析部分に着手して、コンピュータ設計解析を実行することで各光反射面の全体的な幾何学的形状とそれらに対応した、互いに対する、及びユーザーの眼に対する相対位置を決定する。解析が完了すると、ソフトウェアは各幾何学的表面の形状を定義する複雑なアルゴリズムを出力する。多数の入力変数のうちのたとえ１つが僅かに変更又は改変されただけでも、各光反射面の幾何学的形状、相対位置、及びこれらの幾何学的表面を定義する、結果的な数学アルゴリズムは全く変わってしまう。したがって、各表面の形状を定義するために用いられる一般式は、選択された特定の値の１組の入力変数に基づく特定の１つのみである。このため、入力変数とこれらの変数の対応する値との選択肢が非常に数多くあることから、考えられる光反射面形状とこれらの形状を定義する関連あるアルゴリズムとは、まさに文字通り無数に存在し、いずれも選択される独立入力変数とそれらの変数の指定値との特定の組合せに基づくものである。

＜ＨＭＤ装置の作用＞
図１を参照すると、作動時、好適な実施形態の５反射器型ＨＭＤ装置５は以下のように機能する。ＨＭＤ装置ユーザーは、フレーム１０とＨＭＤ装置５の付属光学素子ハウジング１５とを眼鏡をかけるように自身の頭部に装着する。光学素子ハウジング１５は、二次視野ハウジング４５がユーザーの眼前に配置されて前側ダストカバー４６と外側ダストカバー４７とがユーザーの直接の視線上に位置するように配置される。ユーザーは、最初に透明な前側ダストカバー４６を透視した後、透明な外側ダストカバー４７を透視して周囲環境を見る。ユーザーが裸眼で少なくとも１．０の視力を有さず、１．０の視力を達成するために通常は何らかの処方レンズによる矯正を必要とする場合は、処方レンズをユーザーの眼と前側ダストカバー４６との間の、二次視野ハウジング４５の前側ダストカバー４６に取り付けることができる。

発光視覚ソース２０と、外側ダストカバー４７に連通する可変透光層５０との両方に、電力が供給される。視覚入力信号は、発光視覚ソース２０のソース入力に送られる。発光視覚ソース２０は、この視覚入力信号を受け取って、この信号を投影される視覚コンテンツに変換する。５反射器型ＨＭＤ装置に関する図３ｂ及び７を参照すると（３反射器型ＨＭＤ装置については図６及び８参照）、発光視覚ソース２０上に表示される視覚コンテンツは、そこから凹面状の第１の光反射面３１に投影される。次に、凹面状の第１の光反射面３１が、投影された視覚コンテンツを凸面状の第２の光反射面３３へと反射する。凸面状の第２の光反射面３３は、次に、投影された視覚コンテンツを凹面状の第３の光反射面３４へと反射する。その後、凹面状の第３の光反射面３４は、投影された視覚コンテンツを凸面状の第４の光反射面３５へと反射する。第１の光反射面３１、第２の光反射面３３、第３の光反射面３４、第４の光反射面３５は、各々実質的に完全に鏡面である。凸面状の第４の光反射面３５は、その後、投影された視覚コンテンツを、好適な実施形態では透明な外側ダストカバー４７の内面４８でもある凹面状の最後の光反射面３６へと反射する。透明な外側ダストカバー４７の内面４８、従って最後の光反射面３６は、既に述べたように部分鏡であってもよい。凹面状の最後の光反射面３６は、その後、投影された視覚コンテンツを前側ダストカバー４６とこのカバーに取り付けられる何れかの処方レンズとを介してユーザーの眼、具体的には、視覚コンテンツが拡大され合焦して見える仮想アイボックスへと反射する。

しかし、この実施形態の作用の開示を、投影される視覚コンテンツが複数の光反射面３０の各々から反射される順序を限定するものと解釈するべきではない。換言すれば、視覚コンテンツが反射面から反射される順序は、反射が連続番号順に起こり、各反射面が視覚コンテンツの１回の反射のみに用いられることに限定されるわけではない。寧ろ、また別の実施形態においては、視覚コンテンツの射影が所望の最終目標に到達する前に、単一の光反射面を用いて、投影される視覚コンテンツの反射を複数回行うこと、又は投影される視覚コンテンツからの光を光路に配置される屈折レンズ素子を介して反射できることが、当業者には理解されよう。このようにすると、さもなければ本明細書に開示のものよりも高い拡大率と実質的により大きいＦＯＶとを達成するためにより多数の反射面を必要とする反射型ＨＭＤ装置において、より少数の反射面を用いて、そのうちの１つ又は複数の反射面により視覚コンテンツの反射を複数回行った後に視覚コンテンツをユーザーの眼に到達させることにより、同じ所望拡大率とＦＯＶとを達成できる。

例えば、さもなければ特定の所望拡大率及びＦＯＶ角を達成するために７つの光反射面を用いることになる（即ち、視覚コンテンツの反射順序は、反射器＃１、反射器＃２、反射器＃３、反射器＃４、反射器＃５、反射器＃６、反射器＃７である）システムにおいて、５つの光反射面のうちの１つを用いて、さもなければ３つの別個の光反射面が必要になる反射を行う（即ち、投影される視覚コンテンツの反射順序を反射器＃１、反射器＃２、反射器＃３、反射器＃１、反射器＃４、反射器＃５、反射器＃１とすることができる）ことにより、５つの光反射面のみで同じ拡大率とＦＯＶを達成できる。

この好適な実施形態の作用の開示を続けると、ユーザーの眼に投影される視覚コンテンツが、ユーザーの眼にとってそのままでは明るさが不十分である場合、又は鮮明で焦点が合った状態には見えない場合に、ユーザーがＨＭＤ装置５に幾つかの調節を行うことにより、ユーザーのシースルービジョンを改善すること、又は最適化してより釣合いの取れた複合現実視野を得ることができる。最初に図９（ａ）〜９（ｃ）を参照すると、投影される視覚コンテンツの明るさに関して、ユーザーが視覚コンテンツの明るさを不十分であると感じる場合は、ユーザーは可変調節可能な透過損失層５０を調節して層５０をより暗く、より不透明にし、延いては層を通り抜ける外部光の透過損失を増加させることで、視覚コンテンツの射影がより明るく見えるようにできる。しかし、そうすると周囲環境からユーザーの眼に入って来る光の量が減少するので、複合現実視野の投影された視覚コンテンツを通して見える実世界の周囲環境の視野を暗くすることにもなる。逆に、ユーザーの周囲環境視野が暗すぎて見えない場合又は単にユーザーの所望の輝度レベルではない場合は、ユーザーが調節可能な透過損失層５０を調節することで、層５０をより薄色でより透明にできる。これによって、層を通り抜ける外部光の透過損失が減少し、より多くの光が周囲環境から層５０を通り抜けてユーザーの眼に到達する。しかし、これには、複合現実視野において投影される視覚コンテンツが、ユーザーの眼にはよりうっすらと見えるか、又はより不鮮明に見える作用がある。

次に、図４を参照すると、ユーザーに見える視覚コンテンツの射影の鮮明さに関して、投影される視覚コンテンツの焦点がくっきりと合っていない場合は、ユーザーがディオプトリ調節器２５を手動調節することで、発光視覚ソース２０が一次透過ハウジング４０の内側に配置される第１の光反射面３１に対して接近する方向又は離れる方向に移動する。これにより、ユーザーの眼内又はアイボックス内に投影される視覚コンテンツの最終的な焦点の位置が相応に調節されるので、ユーザーが視覚コンテンツの焦点をくっきり合わせることができる。

本明細書に現在開示している反射主体のＨＭＤ装置５が備える大きな利点の１つは、投影される視覚コンテンツを拡大及び焦点合わせするにあたり、いかなる重いガラス又はアクリルの屈折レンズ及び取付金具も装置内に必要としないので、ＨＭＤ装置５は、ユーザーが着用した時に、いかなる他の入手可能なＨＭＤ装置よりも極めて軽量で快適なものになることである。更に、この反射光学素子は、別途の高価な屈折レンズを必要としないので、本明細書に開示のＨＭＤ装置に関する製造コストは、消費市場、商業市場、又は軍事市場で現在入手可能な他のＨＭＤ装置よりもかなり低くなる。このことは更に、最終的なＨＭＤ装置５の購入価格を大幅に低減することに繋がる。加えて、本明細書に開示の反射主体のＨＭＤ装置５は、ＨＭＤ装置５の費用又は重さを大幅に増加させることなく、テキスト可読ＦＯＶ角を大きくすること、及び一実施形態の装置からまた別の実施形態の装置へとＦＯＶ角を増大させることができる。最後に、本明細書に開示のＨＭＤ装置が備えるまた別の利点は、反射主体のＨＭＤ装置５の光学素子ハウジング１５が極めて小型なので、ＨＭＤ装置５を眼近接型装置にできることである。

以上の詳細な説明、並びに図面及び特許請求の範囲により、本開示の範囲及び特許請求の範囲から逸脱することなく、本発明の好適な実施例に修正及び変更を加え得ることが、当業者には認識されよう。

Claims (59)

1. 着用可能な頭部装着フレームと、
   前記フレームに接続される少なくとも１つの眼近接光学素子ハウジングであって、前記光学素子ハウジングと前記フレームとは、前記光学素子ハウジングを少なくとも部分的にユーザーの眼前に配置可能であるように構成される眼近接光学素子ハウジングと、
   を含み、
   前記光学素子ハウジングは、
   視覚コンテンツを投影する発光視覚ソースと、
   前記発光視覚ソースと光学的に連通し且つ前記視覚コンテンツの射影を前記ユーザーの眼へと反射するように構成される複数の光反射面であって、前記視覚コンテンツの前記射影が各光反射面から反射すると、前記複数の光反射面が共働して前記射影を拡大するように構成されることにより、前記投影される視覚コンテンツが、前記ユーザーの眼で見ると拡大して見える光反射面と、
   を含む、反射主体の頭部装着ディスプレイ装置。
2. いずれも前記フレームに接続される第１の眼近接光学素子ハウジングと第２の眼近接光学素子ハウジングとを更に含み、第１の視覚コンテンツが第１の眼に投影されるように、前記第１の光学素子ハウジングを、少なくとも部分的に前記ユーザーの前記第１の眼前に配置できるように構成され、且つ、第２の視覚コンテンツが第２の眼に投影されるように、前記第２の光学素子ハウジングを、少なくとも部分的に前記ユーザーの前記第２の眼前に配置できるように構成される、請求項１に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
3. 前記フレームが眼鏡フレームである、請求項１に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
4. 前記光学素子ハウジングが更に、一次透過ハウジングと二次視野ハウジングとを含み、前記二次視野ハウジングが、前記ユーザーの眼前に配置されるように構成され且つ前記一次透過ハウジングに接続される、請求項１に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
5. 前記二次視野ハウジングが、透明な前側ダストカバーを含み、前記透明な前側ダストカバーが、前記ユーザーの眼前に配置されるように構成され且つ前記ユーザーがこれを透視できるように構成される、請求項４に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
6. 前記二次視野ハウジングが更に、前記前側ダストカバーの前方に配置されるように構成された外側ダストカバーを含み、前記前側ダストカバーと前記外側ダストカバーとが共働して前記光学素子ハウジングを環境汚染物質から封鎖するように構成される、請求項５に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
7. 前記外側ダストカバーが透明であり、前記ユーザーがこれを透視できるように構成される、請求項６に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
8. 可変調節可能な透過損失層を更に含み、前記調節可能な透過損失層が、前記外側ダストカバーと連通するように構成される、請求項７に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
9. 前記透明な外側ダストカバーと前記調節可能な透過損失層とを通して前記ユーザーが周囲環境を見ることができるように、前記調節可能な透過損失層を選択的に完全に透明にできる、請求項８に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
10. 前記外側ダストカバーと前記調節可能な透過損失層とを前記ユーザーが透視できないように、前記調節可能な透過損失層を選択的に完全に暗闇にできる、請求項８に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
11. 前記外側ダストカバーと前記調節可能な透過損失層とを通して前記ユーザーが周囲環境を部分的に見ることができるように、前記調節可能な透過損失層を選択可能に様々なレベルの暗さにできる、請求項８に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
12. 前記外側ダストカバーの内面がリバーシブルミラーである、請求項７に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
13. 少なくとも第１の光反射面と、前記外側ダストカバーの内面である最後の光反射面とを含む一連の光反射面を、前記複数の光反射面が含み、前記第１の光反射面から始まって各光反射面から前記視覚コンテンツを反射し、最終的には前記視覚コンテンツが前記内面から前記ユーザーの眼へと反射する、請求項１に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
14. 前記第１の光反射面から始まって前記最後の光反射面で終わる各光反射面から、前記視覚コンテンツが反射される、請求項１３に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
15. 前記第１の光反射面が凸面であり、前記最後の光反射面が凹面である、請求項１３に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
16. 少なくとも１つの中間光反射面を更に含む、請求項１３に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
17. 前記第１の光反射面と前記最後の光反射面とが凹面である、請求項１６に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
18. 前記少なくとも１つの中間光反射面が、凸面である第２の光反射面を含む、請求項１７に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
19. 前記少なくとも１つの中間光反射面が、凸面である第２の光反射面と凹面である第３の光反射面と凸面である第４の光反射面とを含む、請求項１７に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
20. 前記一次透過ハウジングが実質的に前記フレームの下方に位置するように構成される、請求項４に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
21. 前記一次透過ハウジングが実質的に前記フレームの上方に位置するように構成される、請求項４に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
22. 前記発光視覚ソースがマイクロディスプレイである、請求項１に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
23. 前記発光視覚ソースと連通するディオプトリ調節器を更に含み、前記発光視覚ソースを前記発光視覚ソースからの視覚コンテンツ投影方向に対して前方又は後方に移動させることによって前記視覚コンテンツの焦点補正を行うように、前記ディオプトリ調節器が構成される、請求項１に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
24. 前記ユーザーの眼に対して実質的に６０度のテキスト可読対角視野を生成する、請求項１に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
25. 光路内に配置される屈折素子を更に含み、前記発光視覚ソースから投影された後且つユーザーの眼に入る前に、前記投影される視覚コンテンツが前記屈折素子に沿って移動する、請求項１に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
26. 着用可能な頭部装着フレームと、
    前記フレームに接続される少なくとも１つの眼近接光学素子ハウジングであって、前記光学素子ハウジングを少なくとも部分的にユーザーの眼前に配置できるように、前記光学素子ハウジング及びフレームが構成される、眼近接光学素子ハウジングと、
    を含み、
    前記光学素子ハウジングが、
    視覚コンテンツを投影する発光視覚ソースと、
    前記発光視覚ソースと光学的に連通し且つ前記視覚コンテンツの射影を前記ユーザーの眼へと反射するように構成される複数の光反射面と、
    を含む、反射主体の頭部装着ディスプレイ装置。
27. 前記視覚コンテンツの前記射影が各光反射面から反射すると、前記光反射面が共働して、前記射影を拡大するように構成されることによって、前記投影される視覚コンテンツが、前記ユーザーの眼で見ると拡大して見える、請求項２６に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
28. いずれも前記フレームに接続される第１の眼近接光学素子ハウジングと第２の眼近接光学素子ハウジングとを更に含み、第１の視覚コンテンツが第１の眼に投影されるように、前記第１の光学素子ハウジングを少なくとも部分的に前記ユーザーの前記第１の眼前に配置できるように構成されており、第２の視覚コンテンツが第２の眼に投影されるように、前記第２の光学素子ハウジングを少なくとも部分的に前記ユーザーの前記第２の眼前に配置できるように構成される、請求項２６に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
29. 前記光学素子ハウジングが更に、一次透過ハウジングと二次視野ハウジングとを含み、前記二次視野ハウジングが、前記ユーザーの眼前に配置されるべく構成され且つ前記一次透過ハウジングに接続される、請求項２６に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
30. 前記二次視野ハウジングが、透明な前側ダストカバーを含み、前記透明な前側ダストカバーが、前記ユーザーの眼前に配置されるべく構成され、且つ前記ユーザーがこれを透視できるように構成される、請求項２９に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
31. 前記二次視野ハウジングが更に、前記前側ダストカバーの前方に配置されるべく構成される外側ダストカバーを含み、前記前側ダストカバーと外側ダストカバーとが共働して、前記光学素子ハウジングを環境汚染物質から封鎖するように構成される、請求項３０に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
32. 前記外側ダストカバーが、透明且つ前記ユーザーがこれを透視できるように構成される、請求項３１に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
33. 可変調節可能な透過損失層を更に含み、前記調節可能な透過損失層が前記外側ダストカバーと連通するように構成される、請求項３２に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
34. ユーザーが前記透明な外側ダストカバーと前記調節可能な透過損失層とを通して周囲環境を見ることができるように、前記調節可能な透過損失層を選択的に完全に透明にできる、請求項３３に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
35. 前記ユーザーが前記外側ダストカバーと前記調節可能な透過損失層とを透視できないように、前記調節可能な透過損失層を選択的に完全に暗闇にできる、請求項３３に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
36. 前記ユーザーが前記外側ダストカバーと前記調節可能な透過損失層とを通して周囲環境を部分的に見ることができるように、前記調節可能な透過損失層を選択的に様々なレベルの暗さにできる、請求項３３に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
37. 前記外側ダストカバーの内面がリバーシブルミラーである、請求項３２に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
38. 前記複数の光反射面が、少なくとも第１の光反射面と、前記外側ダストカバーの内面である最後の光反射面とを含む一連の光反射面を含み、前記第１の光反射面から始まって各光反射面から前記視覚コンテンツを反射し、前記視覚コンテンツが最終的には前記内面から前記ユーザーの眼へと反射する、請求項２６に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
39. 前記視覚コンテンツは、前記第１の光反射面から始まって前記最後の光反射面で終わる各光反射面から反射する、請求項３８に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
40. 前記第１の光反射面が凸面であり、前記最後の光反射面は凹面である、請求項３８に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
41. 少なくとも１つの中間光反射面を更に含む、請求項３８に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
42. 前記第１の光反射面と前記最後の光反射面とが凹面である、請求項４１に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
43. 前記少なくとも１つの中間光反射面が、凸面である第２の光反射面を含む、請求項４２に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
44. 前記少なくとも１つの中間光反射面が、凸面である第２の光反射面と凹面である第３の光反射面と凸面である第４の光反射面とを含む、請求項４２に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
45. 前記一次透過ハウジングが実質的に前記フレームの下方に位置するように構成される、請求項２９に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
46. 前記一次透過ハウジングが実質的に前記フレームの上方に位置するように構成される、請求項２９に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
47. 前記発光視覚ソースがマイクロディスプレイである、請求項２６に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
48. 前記発光視覚ソースと連通するディオプトリ調節器を更に含み、前記発光視覚ソースを前記発光視覚ソースからの視覚コンテンツ投影方向に対して前方又は後方に移動させることによって前記視覚コンテンツの焦点補正を行うように、前記ディオプトリ調節器が構成される、請求項２６に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
49. 前記ユーザーの眼に対して実質的に６０度のテキスト可読対角視野を生成する、請求項２６に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
50. 光路内に配置される屈折素子を更に含み、前記投影される視覚コンテンツが、前記発光視覚ソースから投影された後且つユーザーの眼に入る前に、前記屈折素子に沿って移動する、請求項２６に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
51. フレームと、
    前記フレームに接続される少なくとも１つの光学素子ハウジングであって、前記光学素子ハウジングを少なくとも部分的にユーザーの眼前に配置するように、前記光学素子ハウジングと前記フレームとが構成される光学素子ハウジングと、
    を含み、
    前記光学素子ハウジングが、
    前記光学素子ハウジング内に配置される、視覚コンテンツを投影する発光視覚ソースと、
    前記発光視覚ソースと光学的に連通し且つ前記視覚コンテンツの射影を前記ユーザーの眼へと反射するように構成される複数の光反射面と、
    を含む、反射型頭部装着ディスプレイ装置。
52. 前記フレームが、着用可能な頭部装着フレームである、請求項５１に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
53. 前記投影される視覚コンテンツが前記ユーザーの眼で見ると拡大して見えるように、前記視覚コンテンツの前記射影が各光反射面から反射すると、前記光反射面が共働して前記射影を拡大するように構成される、請求項５１に記載の頭部装着ディスプレイ装置。
54. 拡大された視覚コンテンツを頭部装着ディスプレイ装置のアイボックスに投影する方法であって、
    ユーザーの頭部且つ前記ユーザーの少なくとも一方の眼前に配置されるように構成される着用可能な頭部装着ディスプレイ装置を用意するステップであって、前記頭部装着ディスプレイ装置が、フレームと前記フレームに接続される少なくとも１つの眼近接光学素子ハウジングとを含み、前記光学素子ハウジングが、前記光学素子ハウジング内に配置されて視覚ソースを投影する少なくとも１つの発光視覚ソースと、前記光学素子ハウジング内に配置される複数の光反射面とを含み、前記光反射面が、連続的に前記コンテンツの拡大された射影を前記アイボックスへと反射するように構成される、ステップと、
    前記発光視覚ソースに入力信号を供給して、投影される視覚コンテンツを生成するステップと、
    前記投影されるコンテンツを、最後の光反射面が前記コンテンツを前記アイボックスへと反射するように前記光反射面から反射するステップであって、前記コンテンツが拡大して見えるステップと、
    を含む方法。
55. 前記入力信号がコンピュータからの出力信号である、請求項５４に記載の方法。
56. 前記入力信号がビデオ信号である、請求項５４に記載の方法。
57. 前記入力信号が映像信号である、請求項５４に記載の方法。
58. 前記入力信号が静的視覚コンテンツを含む、請求項５４に記載の方法。
59. 前記入力信号が動的視覚コンテンツを含む、請求項５４に記載の方法。

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