JP2016541018A - 結像光学システムおよび当該結像光学システムを有する表示装置 - Google Patents

Abstract

ユーザの頭部にフィット可能であり、画像を生成する表示装置のための結像光学システムが提供される。前記結像光学システムは光学要素（８）を有し、前記光学要素（８）は入射面（Ｆ１）と眼鏡レンズ（３，４）とを備え、前記眼鏡レンズ（３，４）は結合出力セクション（１６）を備え、前記結像光学システム（７）は、前記光学要素（８）の前記入射面（Ｆ１）を介して前記光学要素（８）に供給される生成画像をガイドするのに適しており、これは、それを後者から前記眼鏡レンズ（３，４）へと結合するためであり、それにおいて、それは前記結合出力セクション（１６）にガイドされ、前記結合出力セクション（１６）から結合出力されて仮想画像を生成する、結像光学システムにおいて、前記光学要素（８）は、前記入射面（Ｆ１）に加え、前記光学要素（８）内でガイディングのために前記生成画像が反射される少なくとも１つの反射面（Ｆ２）を備え、前記光学要素（８）と前記眼鏡レンズ（３，４）とが単一の光学部品として一体に形成される。

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルの特徴を有する結像光学システムに関し、また、そのような結像光学システムを有する表示装置に関する。

そのような表示装置の場合には、ユーザの頭部にフィット可能なホルダが、しばしば二眼の眼鏡状に形成される。もし、たとえば表示装置の画像生成モジュールが３．５×５ｍｍの面積を持つ結像システム（生成された画像が、７°×１０°の視野角において３０００ｍｍの距離において仮想画像として眼鏡のユーザが視認可能となるべきもの）を備える場合には、結像光学システムはたとえば２８．５ｍｍの焦点距離を持つことになる。しかしながら、この光路長と、要求される光学コンポーネント（たとえばレンズやプリズム等）および結像システムの構造容積とは、テンプル幹の内部に収容困難なほど大きい。言い換えると、従来の光学コンポーネント（たとえばレンズやプリズム等）を、結像システムおよび対応するこれらのコンポーネントの配置のために使用することは、現実的な観点では、人間工学的に許容可能で審美的に心地よい表示装置の設計を除外する構造容積につながる。

ここから開始して、本発明の目的は、冒頭に述べた種類の結像光学システムを、可能な限りコンパクトに形成可能な方法で開発することである。

この目的は、冒頭に述べた種類の結像光学システムの場合に、本発明に従って達成される。本発明において、光学要素は、入射面に加え、少なくとも１つの反射面（生成画像が光学要素内のガイドのために反射される）を備え、光学要素と眼鏡レンズとが単一の光学部品として一体に形成される。

この設計によって、眼鏡レンズと光学要素とが分離しなくなり、生成画像を眼鏡レンズの境界面を介して眼鏡レンズへと結合する必要がなくなる（このように結合することは、眼鏡レンズの境界面上の屈折の結果として、眼鏡レンズ内の非常にストレインされた光学的関係(very strained optical relationships)につながる）。このようにして、たとえば、光は、眼鏡レンズの前面および／または後面に、全反射の限界に近い角度で衝突することができる。これは、眼鏡レンズ内における光のガイディングの間および眼鏡レンズの結合出力の間は不利である。

さらに、本発明による結像光学システムの場合には、迷光または散乱光の低減がさらに有利に達成される。

「単一部品設計」とは、ここでは、とくに、光学部品がエアギャップを含まず、したがって、光学部品内で生成画像をガイドするための対応する境界面が存在しないということを意味する。したがって、光学部品は、たとえば、光学部品内のガイディングの間に生成画像が通過する必要のあるエアギャップが光学部品内に存在しないように互いに接触する、独立した光学要素および独立した眼鏡レンズから形成することができる。光学部品は、たとえば眼鏡レンズに接合される(cemented)か、または接着され(glued)てもよい。この場合、しばしば光学部品および／または眼鏡レンズを損傷せずには分離できない、耐久性のある接続が存在する。

さらに、同様にして、光学部品は単一部品としても製造可能である。たとえば、射出成形が可能である。光学部品はまた、材料除去機械加工工程によって、固体材料から製造することもできる。この単一部品製造の場合には、光学部品上のガイディングの間に生成画像が通過することになる内部接合面や内部接着面を備えない光学部品が存在する。

本発明による結像光学システムの場合には、上方から見て光学部品がＬ字形状を有してもよい。とくに、光学要素は眼鏡レンズの後面から突出してもよい。これは上述のＬ字形状につながり得る。

光学要素内および眼鏡レンズ内での（したがって光学部品内での）、生成画像のガイディングは、反射および／または全反射を介して発生してもよい。ガイディングが反射を介して実現される場合には、反射コーティングまたは反射面が提供される可能性がある。反射は、光学部品の外境界面（たとえば、眼鏡レンズの前面および後面）において実現されてもよく、および／または、内表面において実現されてもよい。

結合出力セクションは、結合入力セクション（生成画像は、この結合入力セクションを介して光学要素から眼鏡レンズへと結合される）から横方向に離間している。このように、眼鏡レンズへの結合入力の後に生成画像を結合出力セクションへとガイドするために、眼鏡レンズ内で少なくとも１回の反射または数回の反射が常に発生することが好ましい（たとえば眼鏡レンズの前面で１回の反射、後面で１回の反射）。このように、結合出力セクションは、光学要素から横方向に離間することが好ましい。

さらに、入射面、および／または、少なくとも１つの反射面は湾曲して形成されてもよく、その結果として、光学要素がある結像特性を有してもよい。

光学要素のこの設計を介して、必要な光路長および結像機能が提供されると同時に、所望の空間的適合が達成される。したがって、もはや、いくつもの独立したレンズ、プリズムおよび他の光学コンポーネントを持つ必要がなく、むしろ、必要な光学的・機械的境界条件を満たす発明に従って、具体的に適合された光学要素が提供される。

とくに、光学要素は、単一部品として形成可能である。しかしながら、いくつかの部品として形成し、各部品が互いに直接的に接触（たとえば接合(cemented)または接着(glued)）するようにした結果、単一の光学要素が提供されるようにすることも可能である。この光学要素は、とくに、生成画像またはこれと対応する光の、光学要素（たとえばプラスチックまたはガラスから形成可能である）内でのガイディングを、エアギャップなしで実現することを特徴とする。

光学要素の入射面は、平坦に形成されることが好ましい。しかしながら、代替的に、湾曲していてもよい。

さらに、入射面は、生成画像をガイドする反射面として用いることもできる。この反射は、たとえば全反射によって実現され得る。このように、入射面は、生成画像の結合入力(coupling-in)の間は透過的に作用し、結合入力のガイディングの間は反射的に作用することができる。さらに、入射面は部分的に反射性となるように（たとえば適切な反射層を適用することにより）形成することもできる。

光学要素は、生成画像をガイドするために、１回の反射を実現してもよく、数回の反射を実現してもよい。好ましくは、少なくとも２回、３回、４回または５回の反射が実現される。反射回数は、好ましくは２回から１０回までの範囲内であり、好ましくは画像生成モジュールの結像システムの位置と結像光学システムの焦点距離とに応じて選択される。

本発明による結像光学システムの場合には、光学要素の境界面のうち、生成画像をガイドするためには、および／または、結合入力するまたは結合出力するためには用いられないものは、黒くされ、および／または、光吸収性である。これによって、散乱光をよく抑えることができる。

眼鏡レンズは、湾曲したまたは平坦な前面と、湾曲したまたは平坦な後面とを備えてもよい。結合出力セクションは、結像作用を有してもよい。結合出力セクションは、反射性、透過性、および／または、屈折性であってもよい。

本発明による結像光学システムの場合には、光学要素は、眼鏡レンズのエッジ領域上に形成されてもよい。エッジ領域の厚さは、眼鏡レンズの、結合出力セクションが存在する領域の厚さよりも大きいことが好ましい。

とくに、エッジ領域における眼鏡レンズの前面および／または後面の湾曲プロファイル(curvature profile)は、エッジ領域における前面および／または後面の対応する所定の湾曲プロファイルから、その所定の湾曲プロファイルの結果として得られるであろうエッジ領域における厚さよりも大きい厚さの眼鏡レンズがエッジ領域に存在しているように、ずれていてもよい。

選択的に「厚くされた」エッジ領域は、結像光学システムの通常の使用の場合にユーザが見通す領域の外側に存在する領域であるという事実が、このようにして活用される。このように、ユーザの視野は侵食（ユーザによって不利であると認識される）されない。これは、たとえば、厚くすることにより、望ましくない周辺減光(vignetting)を低減できるように、有利に活用される。さらに、これは、たとえば、前面および後面における全反射によってガイディングの間に入射角が過大にならないことにより達成され、これによって、たとえば、非点収差(astigmatism)およびコマ収差(coma)が回避または低減される。

とくに、エッジ領域の設計は、結像光学システムの光学的結像特性を改善するために用いることができる。このように、エッジ領域の可能な設計または可能な形状をもってすれば、結像光学システムの光学的レイアウトの場合には、非常に効率的な自由度が存在する。これはたとえば結像誤差を補正するために用いることができる。とくに、前面および／または後面は、エッジ領域の領域において自由曲面(free-form surface)の湾曲を有してもよい。

眼鏡レンズおよび光学要素は、それぞれ、たとえばガラスまたはプラスチックから製造することができる。

本発明による結像光学システムの場合には、眼鏡レンズの前面および後面は、それぞれ所定の湾曲プロファイルを有してもよい。ここで、眼鏡レンズの前面および／または後面の湾曲プロファイルは、結合入力セクションの領域における（または眼鏡レンズのエッジ領域における）前面および／または後面の対応する所定の湾曲プロファイルからずれている。このずれは、結合入力セクションの領域に（または眼鏡レンズのエッジ領域に）おいて、所定の湾曲プロファイルを介して結果として得られる結合出力セクションの領域における眼鏡レンズの厚さに比べて、所定の湾曲プロファイルを介して結果として得られる結合入力セクション（またはエッジ領域）を境界づける（とくに直接的に境界づける）眼鏡レンズの領域における眼鏡レンズの厚さに比べて、および／または、所定の湾曲プロファイルを介して結果として得られる結合入力セクションの領域（または眼鏡レンズのエッジ領域）における厚さに比べて、より厚い眼鏡レンズが存在するようなずれである。所定の湾曲プロファイルからのこのずれは、とくに、湾曲プロファイルがずれた領域における眼鏡レンズの光学的機能が、眼鏡レンズの他の領域とは異なるという点において認識可能である。たとえば、眼鏡レンズが、ある光学的作用を持たない（たとえば欠陥のある視覚の光学的補正がない）眼鏡レンズとして形成された場合には、結合入力セクションの領域に、その領域を観測者が見通す場合に観測者が認知するであろう望ましくない光学的作用が存在する。しかしながら、結合入力セクションは、眼鏡レンズの、通常の視覚の間には規則として(as a rule)用いられない領域に（たとえばエッジ領域に）存在する。眼鏡レンズが視覚欠陥の補正を提供する場合には、湾曲プロファイルがずれた領域には、これは存在しないか、または、もはや同程度には存在しなくなる。

エッジ領域は、本発明による結像光学システムの通常の使用の間、たとえば、（とくに、前方視覚(forward vision)の方向に対して）２０°、３０°、４０°または５０°よりも大きい視線方向から開始する。

本発明による結像光学システムの場合には、眼鏡レンズの前面および後面は、それぞれ球面状の湾曲を有してもよく、後面は、結合入力セクションの領域において、および／または、眼鏡レンズのエッジ領域において、その球面状の湾曲からずれた湾曲プロファイルを有してもよい。このように、結合入力セクションの領域および／または眼鏡レンズのエッジ領域は、とくに、結合入力セクションおよび／またはエッジ領域を境界づける（好ましくは、直接的に境界づける）眼鏡レンズの領域よりも大きい厚さを有してもよい。しかしながら、前面および／または後面が球面状でない湾曲プロファイルを持つことも可能である。これはたとえば、眼鏡レンズが欠陥のある視覚を補正するために用いられる時である。

ずれた湾曲プロファイルは、とくに、結像光学システムの結像品質を改善するために用いることができる。たとえば、眼鏡レンズ内でのガイディングは、しばしば結像誤差につながるが、これはずれた湾曲プロファイルの対応する設計によって補償され得る。

とくに、光学要素の反射面の１つは、非球面として形成されてもよい。非球面は、とくに、回転対称性を持たないものであってもよい。とくに、これは、自由曲面として形成されてもよい。本明細書において、自由曲面(free-form surface)とは、とくに、２つの異なる主平面において異なる湾曲を有する曲面を意味し、および／または、湾曲しており回転対称性を持たない曲面を意味する。

光学要素の他の反射面と、ずれた湾曲プロファイルによって形成される表面部分とは、それぞれ非球面として形成されてもよく、とくに自由曲面として形成されてもよい。

さらに、ユーザの頭部にフィット可能なホルダと、ホルダに固定されて画像を生成する画像生成モジュールと、ホルダに固定された本発明による結像光学システム（本発明によるさらなる発展形を含む）と、を持つ表示装置が提供される。この表示装置において、ホルダが頭部にフィットしている時に、本発明による結像光学システムは、生成された画像を、ユーザが仮想画像として認識するような方法で結像する。

本発明による表示装置は、画像生成モジュールと眼鏡レンズとの間に、さらなる光学コンポーネント（結像特性を持つか否かに関わらず）が配置されないように形成されることが好ましい。しかしながら、画像生成モジュールと光学要素との間に偏向鏡を設けることも可能である。偏向鏡は、純粋な偏向を実現することが好ましく、したがって平坦に形成されることが好ましい。しかしながら、この偏向鏡を、ある結像特性を持たせて設ける（結果として鏡面が所定の湾曲を有する）ことも可能である。

本発明による表示装置の場合には、ホルダは二眼の眼鏡のように形成され、第１および第２のテンプル幹を備え、これら２つのテンプル幹の１つに、少なくとも部分的に光学要素が配置されてもよく、単一光学部品の一部が配置されてもよい。

画像生成モジュールは、とくに、２次元の結像システム（たとえばＬＣＤモジュール、ＬＣｏＳモジュール、ＯＬＥＤモジュールまたは傾斜鏡マトリクス等）を備えてもよい。とくに、結像システムは、ＯＬＥＤ、ＬＣＤ、ＬＣｏＳおよび／またはドットマトリクスマイクロディスプレイを備えてもよい。さらに、結像システムは、ＬＥＤセグメントディスプレイを備えてもよい。加えて、結像システムは直接走査レーザ表示モジュール（場合によっては瞳マッチング用の光学系を持つもの）を備えてもよい。さらに、結像システムは、走査レーザ表示モジュール（光学部品の前または眼鏡レンズの前の中間像平面に散乱媒体を持つもの）と光学系（瞳マッチング用）とを備えてもよい。

結像システムは、自己発光性のものであってもよく、自己発光性でないものであってもよい。

画像生成モジュールは、とくに、モノクロまたは多色の画像が生成されるように形成されてもよい。

本発明による表示装置は、たとえば、生成画像が表示すべきデータを含むスマートグラスとして形成されてもよい。

本発明による表示装置は、その動作に必要な、当業者に既知のさらなる要素を備えてもよい。

上述の特徴および下記に説明される特徴は、記述された組み合わせのみならず、本発明の範囲から逸脱することなく、他の組み合わせまたは単独で、用いることができるということが理解される。

本発明は、添付の図面（これも、本発明に本質的な特徴を開示する）を参照して例示によりさらに詳細に説明される。

本発明による表示装置の一実施形態を表す概略斜視図である。 図１の拡大斜視詳細図である。 図１および図２の表示装置の光学要素８の拡大斜視図である。 図１の表示装置の拡大詳細断面図である。 本発明による表示装置のさらなる実施形態の結像光学システムの拡大斜視詳細図である。 図５の光学要素８の拡大斜視図である。 図５による本発明による表示装置の詳細断面図である。 本発明による結像光学システムのさらなる実施形態の概略詳細断面図である。 本発明による結像光学システムのさらなる実施形態の概略詳細断面図である。 本発明による結像光学システムのさらなる実施形態の概略詳細断面図である。 本発明による結像光学システム７のさらなる実施形態を説明するための概略図である。 図１１の実施形態による光学部品２８の斜視図である。

図１に示す実施形態において、本発明による表示装置１は、ユーザの頭部にフィット可能なホルダ２であって本実施形態に記述される実施形態では従来の眼鏡フレームとして形成されるホルダ２と、ホルダ２に固定される第１および第２の眼鏡レンズ３および４とを備える。眼鏡レンズ３および４を持つホルダ２は、たとえばスポーツ眼鏡、サングラス、および／または欠陥のある視覚を補正するための眼鏡として形成されてもよく、以下に説明するように、第１の眼鏡レンズ３を介して仮想画像がユーザの視野へと反射される。

図２（ホルダ２は示されない）の拡大部分斜視図に最もよく現れるように、表示装置１は、仮想画像としてユーザの視野へと反射されるべき画像が生成可能な結像システム６（たとえばＯＬＥＤモジュール）を備える画像生成モジュール５を備える。このために、表示装置１は、結像システム６と第１の眼鏡レンズ３との間に配置される光学要素８を含む結像光学システム７を備える。さらに、第１の眼鏡レンズ３自体も、結像光学システム７の一部として機能する。

結像光学システム７自体は、本発明による結像光学システム７として形成され、好ましくは、ユーザの頭部にフィット可能で画像を生成する表示装置のために設計される。結像光学システム７は、本発明による設計を図示するために、ここでは図１のホルダ２を伴ってのみ記載される。しかしながら、結像光学システム７は任意の他のホルダ用に設計されてもよい。

以下において、本発明による結像光学システム７は、図１〜７に関連して、光学要素８と眼鏡レンズ３との間にエアギャップが存在するように記載される。しかしながら、これは、本発明による、単一部品である結像光学システム７（結果として、エアギャップが存在しない）を図示する役割のみを果たす。ガイドされるべき結像システム６の画像が、光学要素８および眼鏡レンズ３の内部でガイドされている間、エアギャップを通過する必要がないように、光学要素８と眼鏡レンズ３とが互いに接続されるか、または、光学要素８と眼鏡レンズ３とがすでに単一部品として製造されている。

結像システム６は、複数の画素が（たとえば行および列に）配列された２次元結像システムとして形成され、各画素から光束９が発生可能である。各画素を対応して制御することにより、所望の画像が生成可能である。図２において、光ビームのビーム経路は、光束９を表すために描かれており、結果として光ビーム９が後に議論される。

結像システム６から発生する光ビーム９は、光学要素８の平坦な入射面Ｆ１を介して光学要素８に入射し、対向する平坦な反射面Ｆ２に衝突する。光ビーム９は反射面Ｆ２から入射面Ｆ１へと反射して戻され、入射面Ｆ１に衝突するが、これは、画像生成モジュール５への入射とは異なる点において、光ビーム９からさらなる平坦な反射面Ｆ３への反射が全反射により発生する角度で行われる。図２の表現からわかるように、平坦な反射面Ｆ４およびＦ５においてさらなる反射が発生し、その後光束９は透明な出射面Ｆ６に衝突する。出射面Ｆ６は湾曲して形成され、したがって結像作用を有する。光ビーム９は出射面Ｆ６を介して光学要素８から出射し、エアギャップを通過して第１の眼鏡レンズ３の後面１０に達し、後面１０を介して第１の眼鏡レンズ３に入射する。

この領域の眼鏡レンズ３には反射面１１が形成される。反射面１１は、光ビーム９が後面１０上の全反射を介して進み第１の眼鏡レンズの前面１２へと反射されるように、光ビーム９を後面１０へと偏向する。全反射は、前面１２上でも同様に発生し、後面１０上のさらなる全反射の後に、光ビーム９はフレネル面１３（前面１２上に形成され、互いに隣り合ういくつかの反射性ファセット(reflective facets)１４を備える）に衝突する。反射性ファセット１４は、光ビーム９が後面１０を介して眼鏡レンズ３から出射し、その後、ユーザ（通常は頭部に表示装置１を着用している）によって認識可能となるように、後面１０の方向の反射へと導く。

記載された光学要素８の光束ガイダンスのために、後者は光ガイド８としても（とくに画像受信および／または結像光ガイドとして）参照可能である。

反射面１１を持つ第１の眼鏡レンズ３の領域は、結合入力セクション１５として参照可能であり、ここでは反射面１１は湾曲して形成され、したがって結像作用を有する。

フレネル面１３を持つ領域は、結合出力セクション１６として参照可能であり、ここではファセット１４が湾曲して形成されてもよく、したがってフレネル面１３は全体として同様に結像作用を有してもよい。

眼鏡レンズの後面１０は、平坦であっても湾曲していてもよい。とくに、後面１０は、球面状に湾曲していてもよい。さらに、眼鏡レンズの前面１２も、平坦であっても湾曲していてもよい。

出射面Ｆ６、反射面１１および／またはファセット１４の湾曲は、球面状の湾曲であってもよく、非球面湾曲であってもよく、自由曲面の湾曲であってもよい。自由曲面(free-form surface)とは、とくに、２つの異なる主平面において互いに異なる湾曲を有する曲面を意味し、および／または、湾曲しており回転対称性を持たない曲面を意味する。

図３に光学要素８を拡大して単独で再掲する。光学要素８の、説明された面Ｆ１〜Ｆ６以外の境界またはエッジ面は、黒くされ(blackened)、および／または、吸収性の面として形成されており、これらの面に当たる光が吸収され、散乱光または迷光の抑制に貢献するようになっている。ここに記載する実施例では、１８個の吸収性の境界またはエッジ面があり、この数は機能を決定しないが、ここに提供される光学要素８の加工生産から本質的に発生する。当然ながら、吸収性エッジ面の数は１８より多くてもよいし少なくてもよい。ここで、各面は平坦な面として形成される。たとえば、これらは湾曲面として部分的に組み合わされてもよい。これは、一次成形製造工程(primary shaping production process)（たとえば射出成形等）の場合には容易に実現可能である。

とくに図４の概略断面図からわかるように、光学要素８はホルダ２の右側テンプル幹１７内に統合できるように形成される。この場合、右側テンプル幹１７は、光学要素８用のハウジングとして機能する。本実施形態では、右側テンプル幹１７は右側眼鏡レンズ３にしっかりと接続され、結果として、光学要素８と右側眼鏡レンズ３との間に、定義され変更不能な機械的接続および位置整合が存在する。右側テンプル幹１７は、概略的に示されるヒンジ１８を備えてもよく、結果として、右側テンプル幹１７の後部が光学要素８を収容する前部に対して（ここではたとえば図４の紙面に垂直な軸の周りに）回動してもよい。

図１〜４の表現からさらにわかるように、結像システム６は右側テンプル幹１７内でなるべくスペースを節約するように配置され、したがって、一方では図４の紙面に垂直に延び（ｘ方向）、他方では実質的にテンプル幹１７の長手方向に（したがって図４の左右方向に、またはｚ方向に沿って）延びる。光学要素８の入射面Ｆ１は、実質的に結像システム６と平行に向けられ、したがってこれも図４の紙面に垂直にかつ図４の左右方向に延びる。

光学要素８の出射面Ｆ６は、右側眼鏡レンズ３の後面１０の前に（好ましくは接して）存在し、これは、２つの面Ｆ１およびＦ６の間に、空間的な位置ずれ(spatial offset)に加えて、空間３軸（ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸）すべての周りに傾斜が存在することにつながる。したがって、光学要素８の空間的広がりおよび寸法は、右側テンプル幹１７内に統合可能なように選択されることが好ましい。加えて、光学要素８は、結像システム６によって生成された画像を、右側眼鏡レンズ３の結合入力セクション１５に、結像するように送信または転送するように設計される。同時に、出射面Ｆ６の湾曲は、結像光学システム７の結像作用の一部を代替するように選択される。とくに光学要素８は結像の容量(the bulk)を代替してもよい。光学要素８はまた、結像誤差（とくに眼鏡レンズ３内で画像または光ビーム９のガイディングを介して発生するもの）を補正するよう設計されてもよい。

このように、光学要素８の設計において、可能な限り最適に近い結果を達成するように、機械的および光学的境界条件が考慮される。

ここで、結像システム６は３．５×５ｍｍの面積を有する。結像光学システム７は、２８．５ｍｍの焦点距離を有し、ユーザに対し、３０００ｍｍの距離で、７°×１０°の視野角で、仮想画像を生成する。

図４からさらにわかるように、本発明による表示装置１は、表現された仮想画像を見つけるための視線方向２０が、前方視線方向２１とは異なるように設計される。眼の回転中心は参照符号２２をもってラベル付けされている。

当然ながら、表示装置１は、仮想画像を見つけるための視線方向２０が、前方視線方向２１と一致するように設計されてもよい。

光学要素８は、単一部品として形成されることが好ましく、ガラス材料またはプラスチック材料から製造可能である。第１および第２の眼鏡レンズ３および４もまた、ガラス材料またはプラスチック材料から製造可能である。

図５〜図７において、図２〜図４と同様に、本発明による表示装置の第２の実施形態が示される。同一または同様の要素は同一の参照符号でラベル付けされ、その説明のために上記の説明が参照される。

図５〜図７による実施形態では、光学要素８は、結合入力セクション１５が第１の眼鏡レンズ３のエッジ面２５（前面１２および後面１０を接続する）上に形成されるので、異なって形成される。このために、円筒状結合入力面２６がエッジ面２５上に形成される。

図５に示すビーム経路からわかるように、光ビーム９は、光学要素８の平坦な入射面Ｆ１を介して光学要素８に入射するように、偏向鏡２７を介して入射面Ｆ１へと向けられる。光学要素８内では面Ｆ２、Ｆ７、Ｆ６、Ｆ８において４回の反射が発生し、その後、光ビーム９は出射面Ｆ６を介して光学要素８から出射し、エアギャップを通って、眼鏡レンズ３の円筒状結合入力面２６に達し、後者内部をフレネル面１３までガイドされ、その後、説明した態様で、後面１０を介して結合出力される。

面Ｆ２、Ｆ７およびＦ８は反射面として形成され、面Ｆ２は平坦面であり、面Ｆ７およびＦ８は湾曲している。とくに、これらは自由曲面として形成されてもよい。平坦な面Ｆ６は、一方で反射面として機能し、他方で出射面として機能し、反射は全反射によって発生する。

光学要素８の、説明された面Ｆ１、Ｆ２、Ｆ６〜Ｆ８以外のエッジ面は、図２〜図４による実施形態と同様に、黒くされ、および／または、吸収性の面として形成される。

図５および図７に示す画像生成モジュール５の向きのために、偏向鏡２７が画像生成モジュール５と光学要素８との間に配置され、結果として、右側テンプル幹１７の長手方向において、画像生成モジュール５と光学要素８とを合わせた設計を非常にコンパクトにすることができる。図７と図４との比較が示すように、図７による実施形態のテンプル幹の長手方向の大きさは、図４による実施形態よりも短い。

図８に、本発明による結像光学システム７のさらなる実施形態が、非常に概略的な詳細断面図において示される。ここで、平坦な入射面Ｆ１はｙ−ｚ平面に対して傾斜している。この傾斜を図示するために、実際には長方形である入射面Ｆ１が台形として表現されている。加えて、直前の表現の場合のように、光ビーム９が描写されており、これは、光学要素８内および眼鏡レンズ３内の光のガイディングおよび結像を図示するためである。入射面Ｆ１を介して入射する光ビーム９は、湾曲した反射面Ｆ２（ここではたとえば球面状に湾曲している）上で出射面Ｆ６へと反射され、出射面Ｆ６を介して眼鏡レンズ３に入射し、そこでは前面１２および後面１０上の反射を通してフレネル面１３へのガイディングが発生する。次に、フレネル面１３を介して結合出力が発生する。

反射面Ｆ２は、たとえば結像システムから発生する光ビームのコリメーションのために用いることができる。このように、たとえば、別個のコリメート結合入力光学系（結像システムと入射面Ｆ１との間に配置されることになるもの）を省略することができる。しかしながら、そのような別個のコリメート結合入力光学系を設けることも可能である。

図８の表現からさらにわかるように、出射面Ｆ６は眼鏡レンズ３の対応する面と直接的に接続されている。この接続はたとえば接合または接着を介して行うことができる。出射面Ｆ６と、眼鏡レンズ３の対応する面とは、良好な面接触が生じ得るような態様で形成されることが好ましい。たとえば、双方の面が平坦な面として形成される。

図８にさらに概略的に示すように、眼鏡レンズ３は、そのエッジ領域３０（ここで光学要素８に接続される）において眼鏡レンズの他の厚さｄ２に比べて大きい厚さｄ１を有するように形成されてもよい。図８の表現では、前面１２および後面１０は概略的に平坦な面として形成される。しかしながら、これらは湾曲していてもよい。この場合には、前面１２および／または後面１０の所定の湾曲プロファイルから、（その所定の湾曲プロファイルの結果として得られるであろうエッジ領域３０における厚さに比べて大きい厚さｄ１の眼鏡レンズが、エッジ領域３０に存在するように）ずれた湾曲プロファイルが、エッジ領域３０において提供される。エッジ領域３０は、たとえば前方視線に対して２０°、３０°または４０°よりも大きい視線方向から開始され得る。

図８に示す実施形態では、光学要素８と眼鏡レンズ３との間に、界面（ここでは平坦な界面）がこのように提供される。

図８の結像光学システム７の変形例が図９に示される。図９の変形例は、結像光学システム７が単一部品として形成されるため界面も出射面Ｆ６も存在しないという点において、図８の実施形態とは異なる。これは、光学要素８と眼鏡レンズ３とが単一の光学部品２８として形成されるということもできる。

図８による結像光学システム７のさらなる変形例が図１０に示される。このさらなる変形例では、眼鏡レンズ３はエッジ厚さ増大を備えない。一方で、光学要素８が眼鏡レンズ３に接続される界面は、多少異なる態様で配置される。この界面は、光学要素８内で２回の反射が発生し、結果として後者は反射面Ｆ２に加えてさらなる反射面Ｆ３も備えるように配置される。図１０の表現では、反射面Ｆ３は平坦な面として描写される。しかしながら、これは湾曲して形成されることが好ましい。このように、これは球面状湾曲または自由湾曲を有してもよい。自由湾曲(free-form curvature)とは、とくに、２つの異なる主平面において互いに異なる湾曲を有する湾曲を意味し、および／または、湾曲しており回転対称性を持たない湾曲を意味する。とくに、自由湾曲は、非球面かつ回転非対称であってもよい。

当然ながら、図８および図９による実施形態もまた、湾曲面で対応する反射が発生するよう形成されてもよい。図８および図９では、この反射は参照符号３１によってラベル付けされている。これは、境界面がこの領域内で対応して湾曲して形成されてもよいということを意味する。

光学要素８の出射面Ｆ６が眼鏡レンズ３に直接的に接続された、上述の各実施形態の場合には、別途の境界面を介して眼鏡レンズ３へと結合入力すること（これまで必要であった）が、回避されるという利点がある。これは、境界面上で発生する屈折がもはや存在しないという利点につながる。光または光束９は、単純に媒質内を走り続ける。光学要素８および眼鏡レンズ３には同一の光学材料を用いることが好ましい。

図１１および図１２に、本発明による結像光学システム７のさらなる実施形態を示す。この実施形態の場合には、光学部品２８が単一部品として形成され、結果として、光学要素８と眼鏡レンズ３との間に内部境界面（たとえば接合面または接着性の面）が存在しない。図１１の表現では、光学部品２８の光学的に使用される面のみが実質的に表現されており、光学要素８の各面は、各面の空間的配置を図示するために、遠近法で(in perspective)描写されている。加えて、結像システム６はカバーガラス２４を有して遠近法で表現されている。加えて、結像光学システム７の出射瞳２３も表現されており、眼の回転中心２２は出射瞳２３の領域内に存在する（これは結像光学システム７の通常の使用を図示することを意図する）。光学部品２８は、図１２では遠近法で表現されている。

図１１の表現では、光学部品２８内のビーム経路を図示するために、結像システム６のある結像点から発生する３本の光ビーム９が描写されている。

結像システム６からの各光ビーム９は、第１の面Ｆ１を介して光学要素８に入射し、第２の面Ｆ２で反射される。反射の位置は矢印Ｐ１、Ｐ２およびＰ３でラベル付けされた点によって示される。反射された光ビーム９は光学要素８の第３の面Ｆ３に衝突し、後者によって前面１２の方向に反射される。この場合、第１の反射は眼鏡レンズ３の前面１２の領域Ａ１において後面１０の方向に発生する。第２の反射は、再び眼鏡レンズ３において後面１０の領域Ａ２において発生し、光ビーム９は再び前面１２の領域Ａ３において後面１０に向かって反射される。光ビーム９のさらなる反射が、前面１２の領域Ａ５内に形成されたフレネル面１３に向けて領域Ａ４において発生する。フレネル面１３は、光放射が後面１０の領域Ａ６において眼鏡レンズ３から出射して出射瞳２３まで走行するように、光放射を後面１０の方向に偏向させる。結果として、ユーザは、結像システム６によって生成された画像を仮想画像として認識することができる。

前面１２および後面１０は、それぞれ球面状に湾曲した面として形成され、前面１２の半径は１２０ｍｍであり、後面１０の半径は１１６ｍｍである。結果として、眼鏡レンズ３は４ｍｍの厚さを有する。エッジ領域３０において、後面１０は、領域Ａ２において球面形状からずれている。領域Ａ２は、後により詳細に記載するように、自由曲面として形成される。さらに、光学要素８の面Ｆ１、Ｆ２およびＦ３は、同様に自由曲面として形成される。

面Ｆ２、Ｆ３上および領域Ａ１〜Ａ５内の反射は、全反射であってもよく、通常の反射であってもよい。後者の場合には、対応する反射コーティングが設けられることが好ましい。本実施例の好適な変形例では、面Ｆ２およびＦ３にはそれぞれ反射コーティングが設けられ、結果として、それぞれ通常の反射が発生する。本実施例のさらなる好適な変形例では、眼鏡レンズ３においてきっかり５回の望ましい反射が提供される。眼鏡レンズ３の領域Ａ１〜Ａ４では、各ガラス境界面部分での各光ビーム９の偏向は、全反射によって発生する。フレネル面１３のファセット１４または面部分１４には、部分的に反射コーティングが設けられ、結果として、各光ビーム９がそれぞれ通常の反射を介してユーザの眼の方向に偏向される。眼鏡レンズ３においてきっかり５回の反射が提供されるので、結果として、結像システムから到来する光９が眼鏡レンズ３から結合出力される望ましい位置に対してカバーする経路について理想的な幾何学的比率が得られる。

エッジ厚さ増大の横方向位置は、ある都合良い点においてフットプリントの重なりを低減するために大きいスペースが作成されるということを必要とし、また、そこに配置される自由曲面を持つ瞳に近い位置で結像品質が都合よく影響されるということを必要とする。

面Ｆ１〜Ｆ３と、領域Ａ１〜Ａ６と、フレネル面１３とを説明するために、以下の表１において、出射瞳２３におけるグローバル座標系または基準座標系に対するローカル座標系（したがって各面の座標系であり、独自座標系(own coordinate system)と呼ばれるもの）の位置が示される。その際、ＸＳＣは、グローバル座標系に対するその面の独自座標系のｘ座標をミリメートル単位で特定する。ＹＳＣおよびＺＳＣは、それぞれグローバル座標系に対するｙ座標およびｚ座標を、ミリメートル単位で特定する。さらに、その面の独自座標系の、グローバル座標系のｘ軸、ｙ軸およびｚ軸周りの度単位（度＝°）の回転を、ＡＳＣ、ＢＳＣおよびＣＳＣで示し、最初にグローバルｘ軸周りの回転、次にグローバルｙ軸周りの回転、最後にグローバルｚ軸周りの回転がリストされている。

以下の表２に、面Ｆ１〜Ｆ３および領域Ａ１〜Ａ６それぞれの、光学的に使用される領域を示す。ｘｈは、面の独自座標系におけるｘ方向における開口領域の幅を、ミリメートル単位で特定する。ｙｈは、面の独自座標系におけるｙ方向における開口領域の幅を、ミリメートル単位で特定する。ｘｃは、面の独自座標系における開口領域のｘ中心ずれを、ミリメートル単位で示し、ｙｃは、面の独自座標系における開口領域のｙ中心ずれを、ミリメートル単位で示す。面の独自座標系における開口領域の回転を、度（度＝°）単位でｒｅｄによって示す。

上述のように、面Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３とＡ２とは、ｚについて次の式を満たす自由曲面として形成される。

自由曲面Ｆ１に対する円錐定数ｃは、−２．０８０１８である。他の自由曲面については、円錐定数ｃはゼロに等しい。自由曲面Ｆ１の曲率ｒは−０．１１３２６である。他の自由曲面の曲率ｒはゼロに等しい。

４つの自由曲面Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３およびＡ２の係数Ｃｊは、次の表３に示される。

フレネル面１３のファセット１４または面部分１４は、ｚについて以下の式で表すことができる（ただし、結果として、ｆｌｏｏｒ関数は、そのｆｌｏｏｒ関数の引数以下の整数のうち最大のものを与える）。ｚ’は、示された式に従って決定することができ、対応する係数Ｃｊは以下の表４に示される。ｈは前面１２におけるファセット１４の実際の最大深さに対応し、ここに記載される実施例では０．４５ｍｍである。

図１１とともに記載される光学部品２８は、ポリカーボネートから製造される。

図１１および１２によって記載される実施形態では、前面１２は球面形状のままにされる。結像システム６によって生成される画像の光学的結像の望ましい補正（これは、薄い眼鏡レンズ３内のガイディングのために結像誤差が発生するので必要である）を達成するために、少なくとも２つの、球面でない面（ここでは自由曲面Ｆ１、Ｆ２およびＦ３）が光学要素８内に設けられ、それらの面は可能な限り誤差のない望ましい結像が達成可能なように設計される。加えて、ここでは、結像誤差の補正においてさらなる自由度を有するために、エッジ領域３０内の領域Ａ２においても非球面が設けられる。

さらに、出射瞳２２は、ｘ方向に大きい広がりを持ってもよい。鼻を滑って上下する表示装置は、じゃまになる効果を有しない。ユーザはそれでも完全な結像された画像を見ることができる。加えて、非球面を用いることで、光学要素８に必要な構築スペースは非常に小さく抑えることができる。

本発明による表示装置１の、上述の各実施形態では、ユーザの視野への仮想画像の反射は、右側眼鏡レンズ３を介して発生する。当然ながら、左側眼鏡レンズ４を介した反射も可能である。ただし、この場合には、光学要素８および画像生成モジュール５が左側テンプル幹１９内に配置される必要があるという点を除く。加えて、表示装置１は、情報項目または仮想画像が眼鏡レンズ３，４双方を介して反射されるように形成することもできる。反射は、結果として３次元画像印象が得られるように発生してもよい。しかしながら、これはどうしても必要なことではない。眼鏡レンズ３，４はゼロの屈折力(refractive power)を有してもよく、ゼロでない屈折力を有してもよい（とくに欠陥のある視覚を補正するために）。ホルダ２は、二眼の眼鏡のようなホルダとして形成される必要はない。ユーザの頭部に表示装置がフィット可能または着用可能な任意の他の種類のホルダも可能である。

Claims (13)

1. ユーザの頭部にフィット可能であり、画像を生成する表示装置のための結像光学システムであって、
   前記結像光学システムは光学要素（８）を有し、前記光学要素（８）は入射面（Ｆ１）と眼鏡レンズ（３，４）とを備え、前記眼鏡レンズ（３，４）は結合出力セクション（１６）を備え、
   前記結像光学システム（７）は、前記光学要素（８）の前記入射面（Ｆ１）を介して前記光学要素（８）に供給される生成画像をガイドするのに適しており、これは、それを後者から前記眼鏡レンズ（３，４）へと結合するためであり、それにおいて、それは前記結合出力セクション（１６）にガイドされ、前記結合出力セクション（１６）から結合出力されて仮想画像を生成する、
   結像光学システムにおいて、
   前記光学要素（８）は、前記入射面（Ｆ１）に加え、前記光学要素（８）内でガイディングのために前記生成画像が反射される少なくとも１つの反射面（Ｆ２）を備えることを特徴とし、かつ、
   前記光学要素（８）と前記眼鏡レンズ（３，４）とが単一の光学部品として一体に形成されることを特徴とする、
   結像光学システム。
2. 前記入射面（１）および／または前記少なくとも１つの反射面（Ｆ２）は湾曲して形成され、結果として、前記光学要素（８）が結像特性を有することを特徴とする、請求項１に記載の結像光学システム。
3. 前記入射面（Ｆ１）は平坦であることを特徴とする、請求項１または２に記載の結像光学システム。
4. 前記入射面（Ｆ１）は、前記生成画像を前記光学要素（８）へと結合入力するために透過性であり、前記生成画像を前記光学要素（８）内で反射するために反射性であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の結像光学システム。
5. 前記光学要素（８）は、前記生成画像をガイドするためおよび／または結合入力もしくは結合出力するためには用いられない境界面を備え、
   前記境界面は、黒くされ、および／または、光吸収性である
   ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の結像光学システム。
6. エッジ領域（３０）において、前記眼鏡レンズ（３，４）は結合入力セクション（１５）を備え、
   前記エッジ領域は、前記結合出力セクション（１６）が存在する前記眼鏡レンズ（３，４）の領域よりも大きい厚さを有する
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の結像光学システム。
7. 前記眼鏡レンズ（３，４）は、前記結合出力セクション（１６）から離間した結合入力セクション（１５）を備え、
   前記生成された画像は、前記光学要素（８）から前記結合入力セクション（１５）を介して前記眼鏡レンズ（３，４）へと結合入力され、前記眼鏡レンズ（３，４）内で反射によって前記結合出力セクション（１６）へとガイドされる
   ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の結像光学システム。
8. 前記眼鏡レンズ（３，４）の前面（１２）および後面（１０）は、それぞれ所定の湾曲プロファイルを有し、
   前記眼鏡レンズ（３，４）の前記前面および／または前記後面（１２，１０）の前記湾曲プロファイルは、前記所定の湾曲プロファイルを介して結果として得られる前記結合入力セクション（１５）の領域の厚さに比較して、より大きい厚さの眼鏡レンズ（３，４）が前記結合入力セクション（１５）の領域内に存在するように、前記結合入力セクション（１５）の領域における前記前面および／または前記後面（１２，１０）の対応する前記所定の湾曲プロファイルからずれている
   ことを特徴とする、請求項７に記載の結像光学システム。
9. 前記眼鏡レンズ（３，４）の前記前面（１２）および前記後面（１０）は、それぞれ球面状の湾曲を有し、
   前記後面（１０）は、前記結合入力セクション（１５）の領域において、前記球面状の湾曲からずれた湾曲プロファイルを有する、
   を特徴とする、請求項７または８に記載の結像光学システム。
10. 前記光学要素（８）の前記反射面の１つ（Ｆ２）は非球面として形成されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の結像光学システム。
11. 前記非球面は回転対称性を有しないことを特徴とする、請求項１０に記載の結像光学システム。
12. ユーザの頭部にフィット可能なホルダ（２）と、
    前記ホルダ上に製造され、画像を生成する画像生成モジュール（５）と、
    前記ホルダ（２）に固定された、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の結像光学システム（８）と
    を有する表示装置であって、
    結像光学システム（８）は、前記ホルダ（２）が前記頭部にフィットしている時に、前記ユーザが生成画像を仮想画像として認識可能なように、前記生成画像を結像する、表示装置。
13. 前記ホルダ（２）は、二眼の眼鏡のように形成されて、第１および第２のテンプル幹（１７，１９）を備え、
    前記光学要素（８）は、少なくとも部分的に、２つの前記テンプル幹（１７，１９）の一方に配置される、
    ことを特徴とする、請求項１２に記載の表示装置。

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